Il calcolo dell'efficienza della cella solare

Quando ti siedi sulla spiaggia, il cielo azzurro che vedi, il calore che senti e le onde che senti hanno tutti la loro fonte nell'energia della luce solare. Le celle solari fotovoltaiche sono un modo per convertire l'energia della luce solare in qualcosa di diverso da una piacevole giornata di vacanza. Le celle solari convertono l'energia della luce solare in energia elettrica. L'efficienza di una cella solare è il rapporto tra la quantità di energia elettrica che produce e la quantità di energia solare che la colpisce.

L'efficienza di qualsiasi processo è una misura di come funziona il processo. Cioè, quanto sforzo devi fare per ottenere un output. A volte l'efficienza è difficile da quantificare, ma per le celle solari è relativamente facile. L'ingresso di una cella solare è la luce solare e l'uscita è l'elettricità. Più specificamente, l'input è energia dalla luce solare e l'output è energia in elettroni.

A un livello fondamentale, la luce è costituita da minuscoli pacchetti di energia chiamati fotoni. In ogni istante della giornata, miliardi di fotoni interagiscono con una cella solare. Quei fotoni trasportano diverse quantità di energia, a seconda del loro colore. Alcuni fotoni si riflettono su una cella solare, altri la attraversano e altri vengono assorbiti. Il destino di un dato fotone dipende dalla sua energia o, equivalentemente, dal suo colore. È impossibile prevedere con certezza il comportamento di uno specifico fotone, ma è possibile calcolare la probabilità di interazione.

La stragrande maggioranza delle celle solari è costituita da semiconduttori. Una delle caratteristiche dei semiconduttori sono le strutture energetiche chiamate "bandgap". Gli elettroni sul lato basso del bandgap sono intrappolati sul posto, mentre gli elettroni che ottengono un l'aumento di energia verso il lato alto del bandgap è libero di muoversi, incluso essere libero di uscire del tutto dal semiconduttore e rendersi utile in campo elettrico circuiti. I fotoni che trasportano un'energia vicina alla dimensione del bandgap in una cella solare hanno maggiori probabilità di essere assorbiti. Per calcolare l'efficienza bisogna moltiplicare l'energia di ogni fotone per la sua probabilità di essere assorbito e per la sua probabilità di farlo uscire dalla cella solare in un circuito elettrico. È un calcolo abbastanza complesso.

Calcolare l'efficienza dai primi principi è ingombrante, ma se si dispone degli strumenti di misurazione giusti è possibile eseguire il calcolo più facilmente. Con un radiometro puoi misurare la densità di potenza alla luce del sole. Moltiplicando la densità di potenza per l'area della cella solare si ottiene una misura dell'energia solare che entra nella cella solare. Fai il passo successivo collegando un circuito con un resistore variabile, un sensore di corrente e un sensore di tensione. L'energia elettrica è il prodotto della corrente e della tensione e cambia a seconda della quantità di carico che la cella solare sta guidando. Quindi si varia la resistenza, calcolando la potenza ad ogni passo, e si trova il punto di massima potenza. Dividi la massima potenza elettrica in uscita per l'energia solare in ingresso e ottieni l'efficienza della cella solare.