När du sitter på stranden ser den blå himlen du ser, värmen du känner och de vågor du hör alla har sin källa i solens energi. Fotovoltaiska solceller är ett sätt att omvandla energin i solljus till något annat än en trevlig semesterdag. Solceller omvandlar energi i solljus till elektrisk energi. Effektiviteten hos en solcell är förhållandet mellan den mängd elenergi som den producerar till mängden solenergi som slår den.

Effektivitet

Effektiviteten i en process är ett mått på hur väl processen fungerar. Det är, hur mycket ansträngning behöver du för att få en produktion. Ibland är effektiviteten svår att kvantifiera, men för solceller är det relativt enkelt. Ingången till en solcell är solljus och utgången är el. Närmare bestämt är ingången energi från solljus, och utsignalen är energi i elektroner.

Foton och ljus

På en grundläggande nivå består ljus av små paket av energi som kallas foton. Vid något tillfälle under dagen växlar milliarder fotoner med en solcell. Dessa fotoner bär olika mängder energi, beroende på deras färg. Vissa fotoner reflekterar från en solcell, vissa passerar genom det och vissa absorberas. Ödet av någon given foton beror på sin energi - eller likvärdigt dess färg. Det är omöjligt att med säkerhet bestämma beteendet hos en viss foton, men det är möjligt att beräkna sannolikheten för interaktion.

Ljusabsorption

De allra flesta solceller är gjorda av halvledare. En av egenskaperna hos halvledare är energistrukturer som kallas bandgap. Elektroner på bandgapets låga sida är fasta på plats, medan elektroner som får en energihöjning till bandgapets höga sida är fritt att röra sig - inklusive att de är fria att flytta sig ur halvledaren helt och göra sig användbara i elektriska kretsar . Foton som bär energi nära bandgapets storlek i en solcell är sannolikt att absorberas. För att beräkna effektiviteten måste du multiplicera energin hos varje foton genom dess sannolikhet att bli absorberad och dess sannolikhet att göra den ut ur solcellen i en elektrisk krets. Det är en ganska komplex beräkning.

Mätning

Beräkning av effektivitet från första principerna är besvärlig, men om du har rätt mätverktyg kan du göra beräkningen lättare. Med en radiometer kan du mäta effektdensiteten i solljus. Multiplicera kraftdensiteten genom solcellens område ger ett mått på solenergin som kommer in i solcellen. Du tar nästa steg genom att fästa en krets med ett variabelt motstånd, en strömgivare och en spänningssensor. Elektrisk kraft är produkten av ström och spänning, och det ändras beroende på den mängd belastning som solcellen kör. Så du varierar motståndet, beräkningskraften vid varje steg och hittar maximal effektpunkt. Dela upp den maximala effekten från solenergiingången och du har solcellseffektiviteten.