Efficienza delle celle solari

L’efficienza delle celle solari si riferisce alla porzione di energia sotto forma di luce solare che può essere convertita via fotovoltaica in elettricità.

L’efficienza delle celle solari utilizzate in un impianto fotovoltaico, in combinazione con la latitudine e il clima, determina la produzione energetica annuale del sistema. Ad esempio, un pannello solare con efficienza del 20% e un’area di 1 m2 produrrà 200 W in condizioni di prova standard, ma può produrre di più quando il sole è alto nel cielo e produrrà meno in condizioni di cielo nuvoloso o quando il sole è basso nel cielo. Nel Colorado centrale, che riceve un’insolazione annuale di 5,5 kWh / m2 / giorno (o 230W / m2), è possibile che un pannello di questo tipo produca 440 kWh di energia all’anno. Tuttavia, nel Michigan, che riceve solo 3,8 kWh / m2 / giorno, il rendimento energetico annuale scenderà a 280 kWh per lo stesso pannello. Alle latitudini più settentrionali dell’Europa, i rendimenti sono significativamente inferiori: 175 kWh di rendimento energetico annuo nel sud dell’Inghilterra.

Diversi fattori influenzano il valore di efficienza di conversione di una cella, inclusa la sua efficienza di riflettanza, efficienza termodinamica, efficienza di separazione della portante di carica e valori di efficienza di conduzione. Poiché questi parametri possono essere difficili da misurare direttamente, vengono invece misurati altri parametri, tra cui l’efficienza quantica, il rapporto VOC e il fattore di riempimento. Le perdite di riflettanza sono spiegate dal valore di efficienza quantica, poiché influenzano “l’efficienza quantica esterna”. Le perdite di ricombinazione sono rappresentate dall’efficienza quantica, dal rapporto VOC e dai fattori del fattore di riempimento. Le perdite resistive sono principalmente rappresentate dal valore del fattore di riempimento, ma contribuiscono anche all’efficienza quantica e ai valori del rapporto VOC.

A dicembre 2014, il record mondiale di efficienza delle celle solari al 46,0% è stato ottenuto utilizzando celle solari a concentratore multi-giunzione, sviluppate dagli sforzi di collaborazione di Soitec, CEA-Leti, Francia insieme a Fraunhofer ISE, Germania.

Fattori che influenzano l’efficienza di conversione energetica
I fattori che influenzano l’efficienza di conversione energetica sono stati esposti in un documento storico di William Shockley e Hans Queisser nel 1961. Vedi il limite di Shockley-Queisser per maggiori dettagli.

Limite di efficienza termodinamica e limite dello stack infinito
Se si ha una fonte di calore a temperatura Ts e un dissipatore di calore a temperatura Tc, il massimo valore teoricamente possibile per il rapporto di lavoro (o energia elettrica) ottenuto per il calore fornito è 1-Tc / Ts, dato da un motore termico Carnot . Se prendiamo 6000 K per la temperatura del sole e 300 K per le condizioni ambientali sulla terra, questo arriva al 95%. Nel 1981, Alexis de Vos e Herman Pauwels hanno dimostrato che ciò è possibile con una pila di un numero infinito di celle con gap di banda che vanno dall’infinito (le prime celle incontrate dai fotoni in arrivo) a zero, con una tensione in ogni cella molto vicina alla tensione a circuito aperto, pari al 95% del gap di banda di quella cella, e con 6000 K di radiazione di corpo nero proveniente da tutte le direzioni. Tuttavia, l’efficienza del 95% ottenuta significa che la potenza elettrica è pari al 95% della quantità netta di luce assorbita – la pila emette radiazioni poiché ha una temperatura diversa da zero e questa radiazione deve essere sottratta dalla radiazione in entrata quando si calcola il quantità di calore trasferita e l’efficienza. Hanno anche considerato il problema più rilevante di massimizzare la potenza in uscita per una pila illuminata da tutte le direzioni da 6000 K di radiazione di corpo nero. In questo caso, le tensioni devono essere abbassate a meno del 95% del gap di banda (la percentuale non è costante su tutte le celle). L’efficienza teorica massima calcolata è dell’86,8% per una pila di un numero infinito di celle, utilizzando la radiazione solare concentrata in entrata. Quando la radiazione in arrivo proviene solo da un’area del cielo delle dimensioni del sole, il limite di efficienza scende al 68,7%.

Massima efficienza
I normali impianti fotovoltaici hanno tuttavia solo una giunzione p-n e sono quindi soggetti a un limite di efficienza inferiore, chiamato “massima efficienza” da parte di Shockley e Queisser. I fotoni con un’energia al di sotto dell’ampiezza di banda del materiale assorbente non possono generare una coppia di elettroni-fori, quindi la loro energia non viene convertita in uscita utile e genera calore solo se assorbita. Per i fotoni con un’energia superiore all’intervallo di banda proibita, solo una frazione dell’energia al di sopra dell’intervallo di banda può essere convertita in uscita utile. Quando viene assorbito un fotone di maggiore energia, l’energia in eccesso sopra l’intervallo di banda viene convertita in energia cinetica della combinazione portante. L’energia cinetica in eccesso viene convertita in calore attraverso le interazioni dei fononi mentre l’energia cinetica dei portatori rallenta alla velocità di equilibrio. Le celle tradizionali a singola giunzione hanno un’efficienza teorica massima del 33,16%.

Le celle solari con materiali assorbitori di bande multiple migliorano l’efficienza dividendo lo spettro solare in contenitori più piccoli dove il limite di efficienza termodinamica è più alto per ciascun contenitore.

Efficienza quantica
Come descritto sopra, quando un fotone viene assorbito da una cella solare può produrre una coppia di elettroni. Uno dei portatori può raggiungere la giunzione p-n e contribuire alla corrente prodotta dalla cella solare; si dice che tale vettore sia raccolto. Oppure, i portatori si ricombinano senza alcun contributo netto alla corrente cellulare.

L’efficienza quantica si riferisce alla percentuale di fotoni che vengono convertiti in corrente elettrica (cioè trasportatori raccolti) quando la cella viene fatta funzionare in condizioni di cortocircuito. L’efficienza quantica “esterna” di una cella solare al silicio include l’effetto di perdite ottiche come trasmissione e riflessione.

In particolare, alcune misure possono essere prese per ridurre queste perdite. Le perdite di riflessione, che possono rappresentare fino al 10% dell’energia totale incidente, possono essere drasticamente ridotte usando una tecnica chiamata texturizzazione, un metodo di cattura della luce che modifica il percorso medio della luce.

L’efficienza quantistica è espressa in modo più utile come misura spettrale (cioè in funzione della lunghezza d’onda del fotone o dell’energia). Poiché alcune lunghezze d’onda vengono assorbite più efficacemente di altre, le misurazioni spettrali di efficienza quantica possono fornire preziose informazioni sulla qualità della massa e delle superfici dei semiconduttori. L’efficienza quantistica da sola non è la stessa dell’efficienza complessiva di conversione energetica, in quanto non fornisce informazioni sulla frazione di potenza che viene convertita dalla cella solare.

Punto di massima potenza
Una cella solare può funzionare su un’ampia gamma di tensioni (V) e correnti (I). Aumentando il carico resistivo su una cella irradiata continuamente da zero (un cortocircuito) a un valore molto alto (un circuito aperto) si può determinare il punto di massima potenza, il punto che massimizza V × I; cioè, il carico per il quale la cella può fornire la massima potenza elettrica a quel livello di irraggiamento. (La potenza di uscita è zero sia nel cortocircuito che negli estremi del circuito aperto).

Una cella solare in silicio monocristallino di alta qualità, a una temperatura di cella di 25 ° C, può produrre 0,60 V a circuito aperto (VOC). La temperatura della cella in pieno sole, anche con temperatura dell’aria di 25 ° C, sarà probabilmente vicina a 45 ° C, riducendo la tensione a circuito aperto a 0,55 V per cella. La tensione scende modestamente, con questo tipo di cella, finché non si avvicina la corrente di cortocircuito (ISC). La potenza massima (con una temperatura delle celle di 45 ° C) viene in genere prodotta con il 75% -80% della tensione a circuito aperto (0,43 V in questo caso) e il 90% della corrente di cortocircuito. Questa uscita può arrivare fino al 70% del prodotto VOC x ISC. La corrente di cortocircuito (ISC) da una cella è quasi proporzionale all’illuminazione, mentre la tensione a circuito aperto (VOC) può scendere solo del 10% con una diminuzione dell’80% nell’illuminazione. Le celle di qualità inferiore hanno una caduta di tensione più rapida con l’aumentare della corrente e potrebbero produrre solo 1/2 VOC a 1/2 ISC. La potenza utilizzabile potrebbe quindi scendere dal 70% del prodotto VOC x ISC al 50% o addirittura fino al 25%. I fornitori che valutano la “potenza” della loro cella solare solo come VOC x ISC, senza fornire curve di carico, possono seriamente distorcere le loro prestazioni effettive.

Il punto di massima potenza di un fotovoltaico varia con l’illuminazione incidente. Ad esempio, l’accumulo di polvere sui pannelli fotovoltaici riduce il punto di massima potenza. Per sistemi abbastanza grandi da giustificare la spesa extra, un tracker del punto di massima potenza tiene traccia della potenza istantanea misurando continuamente la tensione e la corrente (e quindi il trasferimento di potenza) e utilizza queste informazioni per regolare dinamicamente il carico in modo che la potenza massima venga sempre trasferita , indipendentemente dalla variazione di illuminazione.

Fattore di riempimento
Un altro termine che definisce il comportamento generale di una cella solare è il fattore di riempimento (FF). Questo fattore è una misura della qualità di una cella solare. Questa è la potenza disponibile al punto di massima potenza (Pm) diviso per la tensione a circuito aperto (VOC) e la corrente di cortocircuito (ISC):

Il fattore di riempimento può essere rappresentato graficamente mediante la spazzata IV, in cui è il rapporto tra le diverse aree rettangolari.

Il fattore di riempimento è direttamente influenzato dai valori della serie della cella, dalle resistenze di derivazione e dalle perdite dei diodi. Aumentando la resistenza allo shunt (Rsh) e diminuendo la resistenza in serie (Rs) si ottiene un fattore di riempimento più elevato, ottenendo così una maggiore efficienza e portando la potenza di uscita della cella più vicina al suo massimo teorico.

I fattori di riempimento tipici variano dal 50% all’82%. Il fattore di riempimento per una normale cella fotovoltaica al silicio è dell’80%.

Confronto
L’efficienza di conversione energetica viene misurata dividendo l’uscita elettrica dalla potenza della luce incidente. I fattori che influenzano la produzione includono distribuzione spettrale, distribuzione spaziale di potenza, temperatura e carico resistivo. Lo standard IEC 61215 è usato per confrontare le prestazioni delle celle ed è progettato intorno a temperature e condizioni standard (terrestri, temperate) (STC): irraggiamento di 1 kW / m2, una distribuzione spettrale vicino alla radiazione solare attraverso AM (massa d’aria) di 1,5 e una temperatura della cella di 25 ° C. Il carico resistivo viene variato fino a raggiungere il picco o il punto di massima potenza (MPP). La potenza a questo punto è registrata come Watt-peak (Wp). Lo stesso standard viene utilizzato per misurare la potenza e l’efficienza dei moduli fotovoltaici.

La massa d’aria influisce sull’output. Nello spazio, dove non c’è atmosfera, lo spettro del sole è relativamente non filtrato. Tuttavia, sulla terra, l’aria filtra la luce in ingresso, modificando lo spettro solare. L’effetto filtrante va da Air Mass 0 (AM0) nello spazio, a circa Air Mass 1.5 sulla Terra. Moltiplicando le differenze spettrali per l’efficienza quantica della cella solare in questione si ottiene l’efficienza. Le efficienze terrestri sono in genere superiori all’efficienza dello spazio. Ad esempio, una cella solare al silicio nello spazio potrebbe avere un’efficienza del 14% a AM0, ma il 16% a terra a 1,5 AM. Si noti, tuttavia, che il numero di fotoni incidenti nello spazio è considerevolmente più grande, quindi la cella solare potrebbe produrre molta più energia nello spazio, nonostante la minore efficienza indicata dalla percentuale ridotta dell’energia di incidente totale catturata.

L’efficienza delle celle solari varia dal 6% per le celle solari a base di silicio amorfo al 44,0% con celle di produzione a giunzione multipla e al 44,4% con più stampi assemblati in un pacchetto ibrido. Le efficienze di conversione dell’energia delle celle solari per le celle solari Si multicristalline commercialmente disponibili sono intorno al 14-19%. Le celle a più alta efficienza non sono sempre state le più economiche – ad esempio una cella multigiunzione efficiente al 30% basata su materiali esotici come arseniuro di gallio o seleniuro di indio prodotto a basso volume potrebbe costare cento volte tanto quanto un silicio amorfo efficiente all’8% cella nella produzione di massa, fornendo solo circa quattro volte l’output.

Tuttavia, c’è un modo per “aumentare” l’energia solare. Aumentando l’intensità della luce, i portatori generalmente fotogenerati vengono aumentati, aumentando l’efficienza fino al 15%. Questi cosiddetti “sistemi concentratori” hanno iniziato a diventare competitivi sotto il profilo dei costi grazie allo sviluppo di celle GaAs ad alta efficienza. L’aumento di intensità è in genere ottenuto utilizzando l’ottica di concentrazione. Un tipico sistema di concentrazione può utilizzare un’intensità luminosa 6-400 volte il sole e aumentare l’efficienza di una cella GaAs di un sole dal 31% all’AM 1,5 al 35%.

Un metodo comune utilizzato per esprimere i costi economici è calcolare un prezzo per kilowattora (kWh) consegnato. L’efficienza della cella solare in combinazione con l’irradiazione disponibile ha una grande influenza sui costi, ma in generale l’efficienza complessiva del sistema è importante. Le celle solari commercialmente disponibili (dal 2006) hanno raggiunto efficienze di sistema tra il 5 e il 19%.

I dispositivi in ​​silicio cristallino non drogati si avvicinano all’efficienza limite teorica del 29,43%. Nel 2017, l’efficienza del 26,63% è stata ottenuta in una cella di eterogiunzione di silicio amorfo / silicio cristallino che posiziona sia i contatti positivi che quelli negativi sul retro della cella.

Recupero di energia
Il tempo di recupero energetico è definito come il tempo di recupero richiesto per generare l’energia spesa per la produzione di un moderno modulo fotovoltaico. Nel 2008 è stato stimato da 1 a 4 anni a seconda del tipo e della posizione del modulo. Con una durata tipica di 20-30 anni, ciò significa che le moderne celle solari sarebbero produttori di energia netta, cioè genererebbero più energia nel corso della loro vita rispetto all’energia spesa per produrle. In generale, le tecnologie a film sottile, nonostante abbiano un’efficienza di conversione relativamente bassa, raggiungono tempi di ammortamento dell’energia significativamente più brevi rispetto ai sistemi convenzionali (spesso & lt; 1 anno).

Uno studio pubblicato nel 2013 che la letteratura esistente ha rilevato che il tempo di recupero energetico era compreso tra 0,75 e 3,5 anni, con celle a film sottile all’estremità inferiore e cellule multi-si con un tempo di ritorno dell’investimento di 1,5-2,6 anni. Una revisione del 2015 ha valutato il tempo di recupero di energia e l’EROI del solare fotovoltaico. In questo studio meta, che utilizza un’insolazione di 1700 kWh / m2 / anno e una durata del sistema di 30 anni, sono stati trovati EROI armonizzati medi tra 8.7 e 34.2. Il tempo medio di ammortamento energetico armonizzato variava da 1,0 a 4,1 anni. I dispositivi in ​​silicio cristallino raggiungono in media un periodo di recupero energetico di 2 anni.

Come ogni altra tecnologia, la produzione di celle solari dipende e presuppone l’esistenza di un complesso sistema di produzione industriale globale. Ciò comprende non solo i sistemi di fabbricazione tipicamente considerati nelle stime dell’energia di produzione, ma anche i sistemi di estrazione, raffinazione e trasporto globali contingenti, nonché altri sistemi di supporto critico ad alta intensità energetica, compresi i sistemi di finanziamento, informazione e sicurezza. L’incertezza di tale componente energetica conferisce incertezza su qualsiasi stima dei tempi di recupero derivanti da tale stima, ritenuta da alcuni significativa.

Metodi tecnici per migliorare l’efficienza

Scegliere un conduttore trasparente ottimale
Il lato illuminato di alcuni tipi di celle solari, pellicole sottili, ha un film conduttore trasparente per consentire alla luce di entrare nel materiale attivo e raccogliere i portatori di carica generati. Tipicamente, vengono utilizzati allo scopo film con elevata trasmittanza ed elevata conduttanza elettrica come ossido di indio-stagno, polimeri conduttori o reti di nanofili conduttori. Esiste un compromesso tra alta trasmittanza e conduttanza elettrica, quindi la densità ottimale dei nanofili conduttori o la struttura di rete conduttrice dovrebbero essere scelti per un’elevata efficienza.

Promuovere la diffusione della luce nello spettro visibile
Allineando la superficie di ricezione della luce della cella con borchie metalliche di dimensioni nanometriche, l’efficienza della cella può essere sostanzialmente aumentata, poiché la luce si riflette su questi perni con un angolo obliquo rispetto alla cella, aumentando la lunghezza del percorso che la luce impiega. attraverso la cella, aumentando così il numero di fotoni assorbiti dalla cella, e quindi anche la quantità di corrente generata.

I materiali principali utilizzati per i nano-borchie sono argento, oro e alluminio, per citarne alcuni. Tuttavia, l’oro e l’argento non sono molto efficienti, in quanto assorbono gran parte della luce nello spettro visibile, che contiene la maggior parte dell’energia presente alla luce solare, riducendo la quantità di luce che raggiunge la cella. L’alluminio, d’altra parte, assorbe solo le radiazioni ultraviolette e riflette sia la luce visibile che quella infrarossa, quindi la perdita di energia è ridotta al minimo su quel fronte. L’alluminio è quindi in grado di aumentare l’efficienza della cella fino al 22% (in condizioni di laboratorio).

Raffreddamento radiativo
Un aumento della temperatura della cella solare di circa 1 ° C porta a una diminuzione dell’efficienza di circa lo 0,45%. Per evitare una diminuzione dell’efficienza dovuta al riscaldamento, uno strato di cristallo di silice visibilmente trasparente può essere applicato a un pannello solare. Lo strato di silice agisce come un corpo nero termico che emette calore come radiazione infrarossa nello spazio raffreddando la cella fino a 13 ° C.

Rivestimenti e texture antiriflesso
I rivestimenti antiriflesso possono causare interferenze più distruttive delle onde luminose incidente dal sole. Pertanto, tutta la luce solare verrebbe trasmessa al fotovoltaico. Inoltre, la texturizzazione, in cui la superficie di una cella solare viene alterata in modo che la luce riflessa colpisca di nuovo la superficie, è un’altra tecnica utilizzata per ridurre la riflessione. Queste superfici possono essere create mediante incisione o usando la litografia. L’aggiunta di una superficie posteriore piatta oltre alla texturizzazione della superficie anteriore aiuta a intrappolare la luce all’interno della cella per una lunghezza del percorso ottico più lunga.

Passivazione della superficie posteriore
Mentre molti miglioramenti sono stati apportati alla parte anteriore delle celle solari per la produzione di massa, la superficie posteriore in alluminio sta trattenendo i miglioramenti in termini di efficienza. L’efficienza di molte celle solari ha beneficiato della creazione di cosiddetti emettitori passivati ​​e celle posteriori (PERC). La deposizione chimica di una pila di strati di passivazione dielettrica di superficie posteriore che è anche costituita da una sottile pellicola di silice o di ossido di alluminio sovrastata da una pellicola di nitruro di silicio contribuisce a migliorare l’efficienza delle celle solari al silicio di oltre l’1%. Questo aiuta ad aumentare l’efficienza della cella per il materiale di wafer Cz-Si commerciale al 20,2% e l’efficienza della cella per quasi-mono-Si a un record del 19,9%.

Materiali a film sottile
I materiali a film sottile mostrano molte promesse per le celle solari in termini di costi bassi e adattabilità a strutture e strutture esistenti nella tecnologia. Tuttavia, poiché i materiali sono così sottili, mancano dell’assorbimento ottico che hanno le celle solari di materiale sfuso. Mentre i tentativi di correggere questo problema sono stati provati, è più importante concentrarsi sulla ricombinazione della superficie del film sottile. Poiché questo è il processo di ricombinazione dominante delle celle solari a film sottile su nanoscala, è fondamentale per la loro efficienza. L’aggiunta di uno strato sottile passivante di biossido di silicio potrebbe ridurre la ricombinazione.