[論文レビュー] Experimental determination of power losses in solar cells

Bruno Lorenzi, M. Acciarri+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2018

solar cell performance optimization被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、外部量子効率、電流-電圧特性、および反射率測定を組み合わせることで、太陽電池における熱的損失を正確に定量化するための実験的フレームワークを提示する。その結果、熱的損失は赤外線領域に限らず、太陽スペクトル全体にわたって発生することが明らかになり、あらゆる太陽電池技術において広帯域の熱回収が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

Solar cell thermal recovery is recently attracting more and more attention in the research community as a viable solution to increase photovoltaic efficiency. However the convenience of the implementation of such strategy is bound to the precise evaluation of the recoverable thermal power, and to a proper definition of the losses occurring within the solar device. In this work we establish a framework in which all the solar cell losses are defined and described. Aim is to determine the components of the thermal fraction. We therefore describe an experimental method to precisely compute these components from the measurement of the external quantum efficiency, the current-voltage characteristics, and the reflectivity of the solar cell. Applying this method to three different types of devices (bulk, thin film, and multi-junction) we could exploit the relationships among losses for the main three generations of PV cells available nowadays. In addition, since the model is explicitly wavelength-dependent, we could show how thermal losses in all cells occur over the whole solar spectrum, and not only in the infrared region. This demonstrates that profitable thermal harvesting technologies should enable heat recovery over the whole solar spectral range.

研究の動機と目的

• 太陽電池におけるすべての熱的損失を特定および定量化する包括的なフレームワークを確立すること。
• 測定可能な電気的および光学的パラメータを用いて、発電素子における熱的割合を正確に特定すること。
• バルク型、薄膜型、マルチヘテロジャンクション型の太陽電池の各世代における熱的損失の変動を評価すること。
• 熱的損失が赤外線領域に限定されず、太陽スペクトル全体にわたって発生することを示すこと。
• 熱的損失の全スペクトル範囲を特定することで、効率的な熱回収システムの設計を支援すること。

提案手法

• 実験的に測定された外部量子効率（EQE）を用いて、スペクトル的光子吸収および変換を特定する。
• 電流-電圧（I-V）特性を用いて、電気的出力の抽出および電圧・電流損失の特定を行う。
• 反射率測定を組み込むことで、セルに進入しない光を考慮し、光学的損失を補正する。
• 全入射太陽光エネルギーと電気的出力および測定された損失の合計との比較により、損失成分を計算する。
• モデルは明示的に波長依存性を有し、太陽スペクトル全体にわたる熱的損失のスペクトル的分解を可能にする。
• フレームワークは、バルク型、薄膜型、マルチヘテロジャンクション型という3つの異なる太陽電池タイプに適用され、世代間比較が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる世代の太陽電池における熱的損失の主な要因は何か？
• RQ2 熱的損失は太陽スペクトル全体にどのように分布しているのか。その貢献は赤外線領域に限定されているのか？
• RQ3 太陽電池の光学的および電気的特性に基づいて、熱エネルギーをどの程度回収できるのか？
• RQ4 バルク型、薄膜型、マルチヘテロジャンクション型太陽電池の間で、光学的損失、電気的損失、熱的損失の相関関係はどのように異なるのか？
• RQ5 実験的根拠に基づいた統一的フレームワークを構築し、発電素子における熱的損失を定量化できるか？

主な発見

• 太陽電池における熱的損失は、赤外線領域に限定されず、太陽スペクトル全体にわたって発生する。
• フレームワークにより、EQE、I-V曲線、反射率という、実験的に測定可能なパラメータのみを用いて、熱的損失の正確な定量化が可能になった。
• この手法により、バルク型、薄膜型、マルチヘテロジャンクション型の3つの太陽電池のすべてで、熱的損失が顕著であることが明らかになり、熱回収の可能性が浮き彫りになった。
• 波長依存モデルにより、熱エネルギーが太陽スペクトル全体にわたり連続的に生成されていることが示され、効果的な熱回収は全スペクトル範囲で機能する必要があることを示唆した。
• 本研究では、熱的割合が一意の値ではなく、波長に応じて変化することを示し、広帯域の熱回収システムの必要性を裏付けた。
• 本アプローチにより、任意の太陽電池デバイスにおける熱回収可能性の一貫性があり定量的な評価基準が提供された。