Wenn Sie am Strand sitzen, sehen Sie den blauen Himmel, die Wärme, die Sie spüren, und die Wellen, die Sie hören, alle haben ihre Quelle in der Energie des Sonnenlichts. Photovoltaik-Solarzellen sind eine Möglichkeit, die Energie des Sonnenlichts in etwas anderes als einen schönen Urlaubstag umzuwandeln. Solarzellen wandeln die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist das Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur auf sie einfallenden Sonnenenergie.
Effizienz
Die Effizienz eines Prozesses ist ein Maß dafür, wie gut der Prozess funktioniert. Das heißt, wie viel Aufwand Sie investieren müssen, um eine Ausgabe zu erhalten. Manchmal ist die Effizienz schwer zu quantifizieren, aber bei Solarzellen ist es relativ einfach. Der Input einer Solarzelle ist Sonnenlicht und der Output ist Elektrizität. Genauer gesagt handelt es sich bei der Eingabe um Energie aus Sonnenlicht und bei der Ausgabe um Energie in Elektronen.
Photonen und Licht
Grundsätzlich besteht Licht aus winzigen Energiepaketen, den sogenannten Photonen. Zu jedem Zeitpunkt des Tages interagieren Milliarden von Photonen mit einer Solarzelle. Diese Photonen tragen je nach Farbe unterschiedliche Energiemengen. Einige Photonen werden von einer Solarzelle reflektiert, einige passieren sie und einige werden absorbiert. Das Schicksal eines bestimmten Photons hängt von seiner Energie ab – oder äquivalent von seiner Farbe. Es ist unmöglich, das Verhalten eines bestimmten Photons mit Sicherheit vorherzusagen, aber es ist möglich, die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zu berechnen.
Lichtabsorption
Die überwiegende Mehrheit der Solarzellen besteht aus Halbleitern. Eines der Merkmale von Halbleitern sind Energiestrukturen, die als "Bandlücken" bezeichnet werden. Elektronen auf der unteren Seite der Bandlücke werden an Ort und Stelle gefangen, während Elektronen, die ein Energieschub auf der hohen Seite der Bandlücke können sich frei bewegen – einschließlich der Freiheit, sich vollständig aus dem Halbleiter herauszubewegen und sich in elektrischen Anwendungen nützlich zu machen Schaltungen. Photonen, die eine Energie in der Nähe der Größe der Bandlücke in einer Solarzelle tragen, werden am wahrscheinlichsten absorbiert. Um die Effizienz zu berechnen, müssen Sie die Energie jedes Photons mit seiner Wahrscheinlichkeit, absorbiert zu werden und seiner Wahrscheinlichkeit, es aus der Solarzelle in einen Stromkreis zu überführen, multiplizieren. Das ist eine ziemlich komplexe Rechnung.
Messung
Die Berechnung der Effizienz nach den ersten Prinzipien ist mühsam, aber wenn Sie die richtigen Messwerkzeuge haben, können Sie die Berechnung einfacher durchführen. Mit einem Radiometer können Sie die Leistungsdichte im Sonnenlicht messen. Die Multiplikation der Leistungsdichte mit der Fläche der Solarzelle liefert ein Maß für die Sonnenenergie, die in die Solarzelle eindringt. Sie gehen den nächsten Schritt, indem Sie eine Schaltung mit einem variablen Widerstand, einem Stromsensor und einem Spannungssensor anschließen. Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Strom und Spannung und ändert sich abhängig von der Last, die die Solarzelle antreibt. So variieren Sie den Widerstand, berechnen die Leistung bei jedem Schritt und finden den maximalen Leistungspunkt. Teilen Sie die maximale elektrische Leistungsabgabe durch die Solarleistungsaufnahme und Sie erhalten den Solarzellenwirkungsgrad.