Shockleyův-Queisserův limit

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Ve fyzice určuje Shockleyův–Queisserův limit teoretickou maximální účinnost přeměny slunečního záření na elektřinu pro fotovoltaický článek s jedním p-n přechodem. Byl vypočítán v roce 1961 Williamem Shockleyem a Hansem Queisserem ze společnosti Shockley Semiconductor. Jedná se o jeden z nejdůležitějších limitujících faktorů při návrhu fotovoltaických článků.

Shockleyův–Queisserův limit závisí na šířce tzv. zakázaného pásu použitého polovodiče a použitém spektru záření (spektrum slunečního záření je jiné v kosmickém prostoru a jiné na zemském povrchu, kde kromě toho závisí na tom, zda je jasno nebo zataženo). K přeměně na elektřinu je plně využita pouze energie fotonů odpovídající šířce zakázaného pásu. Fotony s nižší energií buď článkem projdou nebo jsou v materiálu pohlceny bez užitku, jejich energie se přemění na teplo. U fotonů s vyšší energií je využita pouze část odpovídající šířce zakázaného pásu, přebytek energie se rovněž přemění na teplo.[1]

Například pro krystalický křemík se šířkou zakázaného pásu 1,1 eV je Shockleyův–Queisserův limit mírně nad 30%. V praxi to znamená, že pokud dopadá na fotovoltaický článek sluneční záření o intenzitě 1000 W/m², může být na elektrickou energii přeměněno teoreticky kolem 300 W/m².[1] Monokrystalické křemíkové články dosáhly laboratorní účinnosti 25±0,5 % již v roce 1999, v praxi dosáhly nejlepší panely s monokrystalickými křemíkovými články účinnosti 21,4±0,6 %.[2] Rozdíl je způsoben zejména odrazem světla od povrchu panelu (skla), mezerami mezi jednotlivými články v panelu a částečným zakrytím aktivní plochy článků sběrnými elektrodami. Účinnost komerčních panelů nabízených na trhu je obvykle nižší než 20 %, hlavním důvodem je, že vývoj se zaměřuje přednostně na snížení jednotkové ceny (v Kč/Wp).

Výše uvedené hodnoty platí za standardních testovacích podmínek, tj. při teplotě článků 25 °C, intenzitě záření 1000 W/m² a spektru AM 1,5 Global. Při nižších teplotách nebo vyšší intenzitě záření je teoretický limit účinnosti vyšší.

Shockleyův–Queisserův limit lze překonat použitím většího počtu p-n přechodů, přizpůsobení spektra záření použitému fotovoltaickému článku nebo zvýšením intenzity záření. Například dvouvrstvé články mohou dosáhnout teoreticky účinnosti 42 %, třívrstvé 49 %, limit pro nekonečný počet vrstev je 86 %.[1] Rekordní dvouvrstvé články dosáhly účinnosti 25,8±1,3 %, třívrstvé 32,0±1,5 %.[2] Koncentrátorové články se vyrábějí jednovrstvé i vícevrstvé. Jednovrstvé články z monokrystalického křemíku dosáhly účinnosti 27,6±1,0 % při 92násobné koncentraci záření, třívrstvé články dosáhly 43,5±2,6 %.[2] Mezi technologie, které mění spektrum dopadajícího záření patří například termofotovoltaika.

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. a b c Historie a perspektivy OZE - fotovoltaika, méně rozšířené technologie
  2. a b c Solar cell efficiency tables (Version 38)