熱力学的効率限界

熱力学的効率限界は、太陽光から電気への理論的に可能な絶対最大変換効率である。その値は約 86% で、これはチャンバダル・ノビコフ効率であり、太陽表面から放出される光子の温度に基づくカルノー限界に関連する近似値である。 ^[^要出典^]

バンドギャップエネルギーの影響

太陽電池は量子エネルギー変換装置として動作するため、熱力学的効率限界の影響を受ける。吸収材料のバンドギャップ以下のエネルギーを持つ光子は電子正孔対を生成できないため、そのエネルギーは有用な出力に変換されず、吸収された場合でも熱のみを発生する。バンドギャップエネルギーを超えるエネルギーを持つ光子の場合、バンドギャップを超えるエネルギーの一部のみが有用な出力に変換される。より大きなエネルギーの光子が吸収されると、バンドギャップを超える余剰エネルギーはキャリア再結合の運動エネルギーに変換される。余剰運動エネルギーは、キャリアの運動エネルギーが平衡速度まで減速するにつれて、フォノン相互作用を通じて熱に変換される。したがって、太陽エネルギーは、ある限界を超えて電気に変換できない。^[1]

複数のバンドギャップ吸収材料を備えた太陽電池は、太陽光スペクトルをより小さなビンに分割することで効率を向上させ、各ビンの熱力学的効率限界を高めます。^[2]このようなセル（マルチ接合セルまたはタンデムセルとも呼ばれます）の熱力学的限界は、nanoHUBのオンラインシミュレータを使用して分析できます。^[3]^[4]

さまざまな太陽電池技術の効率限界

さまざまな太陽電池技術の熱力学的効率の限界は次のとおりです。

単一接合 ≈ 33%
3セルスタックと不純なPV ≈ 50%
ホットキャリアまたは衝撃イオン化ベースのデバイス ≈ 54-68%
商用モジュールは約12～21%
AM1.5スペクトルで動作し、2eVのバンドギャップを持つアップコンバータを備えた太陽電池≈ 50.7% ^[5]

励起子太陽電池の熱力学的効率限界

集光されていない太陽光の下での単接合太陽電池の効率に関するショックレー・クワイサー限界。この計算された曲線は実際の太陽スペクトルデータを使用しているため、曲線は大気中の IR 吸収帯によって波打っています。この効率限界の約 34% は、多接合太陽電池によって超えることができます。

励起子太陽電池は、無機太陽電池や結晶太陽電池とは異なり、束縛励起子状態と中間励起子状態によって自由電荷を生成します。励起子太陽電池と無機太陽電池（励起子結合エネルギーが低い） ^[6]の効率は、ショックレーとクワイサー^[7]によって説明されているように、31%を超えることはできません。

キャリア増倍による熱力学的効率の限界

キャリアの増殖により、吸収された光子ごとに複数の電子正孔対が生成されます。熱力学的効果を考慮すると、太陽電池の効率限界は理論的にはさらに高くなる可能性があります。太陽の非集中黒体放射で駆動する太陽電池の場合、理論上の最大効率は 43% ですが、太陽の完全集中放射で駆動する太陽電池の場合、効率限界は最大 85% です。これらの高い効率値は、太陽電池が放射再結合とキャリアの増殖を使用する場合にのみ可能です。^[8]

参照

参考文献

^ 「ナノ構造有機太陽電池」(PDF) me.berkeley.edu 2011年7月22日閲覧。
^ Cheng-Hsiao Wu および Richard Williams (1983)。「多重エネルギーギャップ量子デバイスの効率の限界」。J . Appl. Phys . 54 ( 11): 6721。Bibcode : 1983JAP....54.6721W。doi :10.1063/1.331859。
^ Khan, Mohammad Ryyan; Jin, Xin; Alam, Muhammad A. (2016年3月20日). 「nanoHUB.org – リソース: PVLimits: PV 熱力学的限界計算機」. nanohub.org . 2016年6月12日閲覧。
^ 「太陽光発電量計算機」（ドイツ語）。2022年10月14日。
^ 「太陽エネルギー変換技術と研究機会の評価」（PDF） gcep.stanford.edu 。 2011年7月22日閲覧。
^ Giebink, Noel C.; Wiederrecht, Gary P.; Wasielewski, Michael R.; Forrest, Stephen R. (2011 年 5 月). 「励起子太陽電池の熱力学的効率限界」. Physical Review B. 83 ( 19): 195326. Bibcode :2011PhRvB..83s5326G. doi :10.1103/PhysRevB.83.195326.
^ Shockley, William; Queisser, Hans J. (1961). 「pn接合太陽電池の効率の詳細なバランス限界」。応用物理学ジャーナル。32 (3)。アメリカ物理学会: 510–519。Bibcode : 1961JAP ....32..510S。doi :10.1063/1.1736034 。 2011年7月22日閲覧。
^ Brendel, Rolf; Werner, Jürgen H.; Queisser, Hans J. (1996). 「キャリア増倍による半導体太陽電池の熱力学的効率限界」.太陽エネルギー材料と太陽電池. 41–42. Elsevier: 419–425. doi :10.1016/0927-0248(95)00125-5. ISSN 0927-0248 . 2011-07-22に取得。

[1] 「ナノ構造有機太陽電池」(PDF) me.berkeley.edu 2011年7月22日閲覧。

[2] Cheng-Hsiao Wu および Richard Williams (1983)。「多重エネルギーギャップ量子デバイスの効率の限界」。J . Appl. Phys . 54 ( 11): 6721。Bibcode : 1983JAP....54.6721W。doi :10.1063/1.331859。

[3] Khan, Mohammad Ryyan; Jin, Xin; Alam, Muhammad A. (2016年3月20日). 「nanoHUB.org – リソース: PVLimits: PV 熱力学的限界計算機」. nanohub.org . 2016年6月12日閲覧。

[4] 「太陽光発電量計算機」（ドイツ語）。2022年10月14日。

[5] 「太陽エネルギー変換技術と研究機会の評価」（PDF） gcep.stanford.edu 。 2011年7月22日閲覧。

[6] Giebink, Noel C.; Wiederrecht, Gary P.; Wasielewski, Michael R.; Forrest, Stephen R. (2011 年 5 月). 「励起子太陽電池の熱力学的効率限界」. Physical Review B. 83 ( 19): 195326. Bibcode :2011PhRvB..83s5326G. doi :10.1103/PhysRevB.83.195326.

[7] Shockley, William; Queisser, Hans J. (1961). 「pn接合太陽電池の効率の詳細なバランス限界」。応用物理学ジャーナル。32 (3)。アメリカ物理学会: 510–519。Bibcode : 1961JAP ....32..510S。doi :10.1063/1.1736034 。 2011年7月22日閲覧。

[8] Brendel, Rolf; Werner, Jürgen H.; Queisser, Hans J. (1996). 「キャリア増倍による半導体太陽電池の熱力学的効率限界」.太陽エネルギー材料と太陽電池. 41–42. Elsevier: 419–425. doi :10.1016/0927-0248(95)00125-5. ISSN 0927-0248 . 2011-07-22に取得。