Προχωρημένο Επίπεδο

Κβαντική μηχανική της φωτοβολταϊκής μετατροπής
Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι θεμελιωδώς ένα κβαντικό φαινόμενο. Όταν ένα φωτόνιο απορροφάται από ένα άτομο πυριτίου, η ενέργειά του πρέπει να υπερνικήσει την ενέργεια του ενεργειακού χάσματος (Eg ≈ 1,1 eV για κρυσταλλικό πυρίτιο) ώστε να προωθήσει ένα ηλεκτρόνιο από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Αυτή η διαδικασία δημιουργεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής με πιθανότητα που καθορίζεται από το συντελεστή απορρόφησης του υλικού και την ενέργεια του φωτονίου.

Απώλειες ενέργειας εμφανίζονται σε πολλά στάδια:

  • Φωτόνια με E < Eg διαπερνούν χωρίς να παράγουν φορείς φορτίου (απώλειες μετάδοσης)
  • Φωτόνια με E >> Eg παράγουν «θερμούς» φορείς που γρήγορα χάνουν την περίσσεια ενέργειας ως θερμότητα μέσω θερμοποίησης
  • Ανάκλαση στην επιφάνεια (χωρίς αντιανακλαστική επίστρωση, ~30% του προσπίπτοντος φωτός χάνεται)
  • Επανασύνδεση (τα ζεύγη ηλεκτρονίου-οπής επανασυνδέονται πριν φτάσουν στις επαφές, απελευθερώνοντας ενέργεια ως θερμότητα ή φως)

Το όριο Shockley-Queisser καθορίζει τη θεωρητική μέγιστη απόδοση για ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο μονής ένωσης στο ~33% υπό το τυπικό ηλιακό φάσμα (AM1.5G). Τα πραγματικά στοιχεία πυριτίου επιτυγχάνουν 15–22% λόγω πρόσθετων απωλειών από αντίσταση, ατελή υλικά και μη ιδανικές ιδιότητες επαφών.

Απόδοση, φασματική απόκριση και βελτιστοποίηση υλικών
Η απόδοση των φωτοβολταϊκών κυψελών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πόσο καλά ταιριάζει το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού με το ηλιακό φάσμα. Το ενεργειακό χάσμα 1,1 eV του πυριτίου είναι ένας συμβιβασμός: απορροφά αποτελεσματικά το ορατό και το κοντινό υπέρυθρο φως, αλλά δεν μπορεί να αξιοποιήσει τα φωτόνια υπερύθρου χαμηλής ενέργειας ή να εκμεταλλευτεί πλήρως τα φωτόνια υπεριώδους υψηλής ενέργειας.

Προηγμένες στρατηγικές για την υπέρβαση του ορίου Shockley-Queisser:

  • Κύτταρα πολλαπλών ενώσεων (tandem): Στοίβαξη ημιαγωγών με διαφορετικά ενεργειακά χάσματα (π.χ. GaInP/GaAs/Ge) ώστε κάθε στρώση να απορροφά συγκεκριμένο τμήμα του φάσματος. Οι εργαστηριακές αποδόσεις ξεπερνούν το 47% υπό συμπυκνωμένο φως.
  • Κύτταρα περοβσκίτη: Υβριδικά οργανικά-ανόργανα υλικά με ρυθμιζόμενο ενεργειακό χάσμα, ταχεία μεταφορά φορτίου και δυνατότητα κατασκευής με concurrence διαλύματος. Οι τρέχουσες αποδόσεις πλησιά