Moniliitosaurinkokennojen arkkitehtuurien kehitys 2020-luvulla ja rakenteiden fysikaaliset rajoitteet
Pokela, Simo (2022)
Pokela, Simo
2022
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-06-28
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202206275821
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202206275821
Tiivistelmä
Aurinkokennojen arkkitehtuurin valtava kehitys viime vuosikymmenen aikana on mahdollistanut yksi- ja moniliitosaurinkokennojen hyötysuhteiden kasvun. Lisäksi kaupallisien aurinkokennojen kustannukset ovat laskeneet, mikä on parantanut aurinkokennojen valmiiksi hyvää kilpailukykyä. Kehityksen jatkuvuuden kannalta on tärkeää ymmärtää, mitkä ovat teoreettiset ylärajat erilaisien aurinkokennojen hyötysuhteille, minkälaiset tekijät määrittävät nämä ylärajat ja minkälaisia fysikaalisia rajoitteita on käytännössä otettava huomioon aurinkokennojen toiminnassa. Nykypäivän teknologialla saavutetut yksiliitosaurinkokennojen hyötysuhteet lähestyvät niiden termodynaamisia rajoja, jotka ovat noin 30–32 %:n alueella. Suurempien hyötysuhteiden saavuttamista varten on suunniteltava ja rakennettava moniliitosaurinkokennoja, joiden hyötysuhteiden termodynaamiset rajat ovat huomattavasti suuremmat kuin yksiliitosaurinkokennoissa.
Tässä kandidaatintyössä perehdytään lyhyesti puolijohteiden olennaisiin ominaisuuksiin, minkä jälkeen tehdään kirjallisuusselvitys aurinkokennojen teoreettisista maksimihyötysuhteista, näiden termodynaamisista rajoista ja neljästä tehohäviöitä aiheuttavasta ulkoisesta tekijästä. Opinnäytetyön loppupuolella lasketaan yksi havainnollistava esimerkki yksi- ja moniliitosaurinkokennon maksimihyötysuhteesta, termodynaamisista rajoista ja ulkoisien tekijöiden aiheuttamista tehohäviöistä.
Tuloksien vertailun vuoksi tässä opinnäytetyössä tutkitaan ja ratkaistaan moniliitosaurinkokennon lisäksi myös yksiliitosaurinkokennon maksimihyötysuhde ja sisäiset sekä ulkoiset häviöt. Yksiliitosaurinkokennon maksimihyötysuhteeksi saatiin noin 31 %, joka on yhtenevä aikaisemmin tehtyjen tutkimuksien tuloksien kanssa. Moniliitosaurinkokennona käytettiin 6-liitosaurinkokennoa, jonka maksimihyötysuhteeksi saatiin noin 58 %, joka myös vastaa aikaisempien tutkimuksien tuloksia. Kun ulkoiset tekijät otettiin huomioon, ideaalisen yksiliitosaurinkokennon hyötysuhde pieneni melko realistiseen likiarvoon 22,5 %. Ideaalisen 6-liitosaurinkokennon hyötysuhde väheni ulkoisien tekijöiden vaikutuksesta noin 47,8 %:iin. Tämä arvo oli huomattavasti enemmän, mitä tässä työssä esimerkkinä ja vertailun kohteena käytetyn laboratoriossa valmistetun 6-liitosaurinkokennon hyötysuhde oli. Toisaalta ulkoisien tekijöiden tehohäviöitä arvioitiin osittain yleisien arvojen tai samankaltaisten materiaalien ominaisuuksien avulla, joten tulokset ovat vain suuntaa antavia. The enormous development of solar cells during the last decade have made it possible to the efficiencies of both single- and multi-junction solar cells to increase. Furthermore, the costs of commercial solar cells have decreased, which has improved the already great price competitiveness of solar cells. For the development to continue it is important to understand what the theoretical upper limits of efficiencies of different solar cells are, what kind of factors determine these upper limits and what kind of physical limitations in practice must be considered in operating solar cells. The achieved efficiencies of single-junction solar cells with today’s technology are approaching their own thermodynamic limits which are approximately in the range of 30–32 %. To achieve higher efficiencies, multi-junction solar cells with significantly higher thermodynamic limits of efficiencies must be designed and built.
In this bachelor’s thesis the relevant properties of semiconductors are examined followed by a literature survey of the theoretical maximum efficiencies of solar cells, the thermodynamic limits of these efficiencies and four external power loss factors. At the end of this thesis, one illustrative example of the maximum efficiencies of both single- and multi-junction solar cell, the thermodynamic limits of these efficiencies and the power losses caused by external factors are calculated.
In addition to the examination and calculation of the maximum efficiency and both internal and external losses of a multi-junction solar cell, the same calculations are done to a single-junction solar cell to make comparisons of the results. The calculated maximum efficiency of single-junction solar cell was approximately 31 % that agrees with the results of previously conducted research. The multi-junction solar cell used in the calculations was a six-junction solar cell, whose calculated maximum efficiency was approximately 58 % that also agrees with the results of previously conducted research. When external factors were considered, the efficiency of the ideal single-junction solar cell decreased to a quite realistic approximate value of 22,5 %. The efficiency of the ideal six-junction solar cell decreased by the effects of external factors to approximately 47,8 %. This value was significantly higher than the efficiency of the six-junction solar cell that was built in a laboratory and used in the example and comparisons in this thesis. On the other hand, the estimations of power losses of the external factors were made partially with generic values or using the properties of similar materials, so the results are only approximate.
Tässä kandidaatintyössä perehdytään lyhyesti puolijohteiden olennaisiin ominaisuuksiin, minkä jälkeen tehdään kirjallisuusselvitys aurinkokennojen teoreettisista maksimihyötysuhteista, näiden termodynaamisista rajoista ja neljästä tehohäviöitä aiheuttavasta ulkoisesta tekijästä. Opinnäytetyön loppupuolella lasketaan yksi havainnollistava esimerkki yksi- ja moniliitosaurinkokennon maksimihyötysuhteesta, termodynaamisista rajoista ja ulkoisien tekijöiden aiheuttamista tehohäviöistä.
Tuloksien vertailun vuoksi tässä opinnäytetyössä tutkitaan ja ratkaistaan moniliitosaurinkokennon lisäksi myös yksiliitosaurinkokennon maksimihyötysuhde ja sisäiset sekä ulkoiset häviöt. Yksiliitosaurinkokennon maksimihyötysuhteeksi saatiin noin 31 %, joka on yhtenevä aikaisemmin tehtyjen tutkimuksien tuloksien kanssa. Moniliitosaurinkokennona käytettiin 6-liitosaurinkokennoa, jonka maksimihyötysuhteeksi saatiin noin 58 %, joka myös vastaa aikaisempien tutkimuksien tuloksia. Kun ulkoiset tekijät otettiin huomioon, ideaalisen yksiliitosaurinkokennon hyötysuhde pieneni melko realistiseen likiarvoon 22,5 %. Ideaalisen 6-liitosaurinkokennon hyötysuhde väheni ulkoisien tekijöiden vaikutuksesta noin 47,8 %:iin. Tämä arvo oli huomattavasti enemmän, mitä tässä työssä esimerkkinä ja vertailun kohteena käytetyn laboratoriossa valmistetun 6-liitosaurinkokennon hyötysuhde oli. Toisaalta ulkoisien tekijöiden tehohäviöitä arvioitiin osittain yleisien arvojen tai samankaltaisten materiaalien ominaisuuksien avulla, joten tulokset ovat vain suuntaa antavia.
In this bachelor’s thesis the relevant properties of semiconductors are examined followed by a literature survey of the theoretical maximum efficiencies of solar cells, the thermodynamic limits of these efficiencies and four external power loss factors. At the end of this thesis, one illustrative example of the maximum efficiencies of both single- and multi-junction solar cell, the thermodynamic limits of these efficiencies and the power losses caused by external factors are calculated.
In addition to the examination and calculation of the maximum efficiency and both internal and external losses of a multi-junction solar cell, the same calculations are done to a single-junction solar cell to make comparisons of the results. The calculated maximum efficiency of single-junction solar cell was approximately 31 % that agrees with the results of previously conducted research. The multi-junction solar cell used in the calculations was a six-junction solar cell, whose calculated maximum efficiency was approximately 58 % that also agrees with the results of previously conducted research. When external factors were considered, the efficiency of the ideal single-junction solar cell decreased to a quite realistic approximate value of 22,5 %. The efficiency of the ideal six-junction solar cell decreased by the effects of external factors to approximately 47,8 %. This value was significantly higher than the efficiency of the six-junction solar cell that was built in a laboratory and used in the example and comparisons in this thesis. On the other hand, the estimations of power losses of the external factors were made partially with generic values or using the properties of similar materials, so the results are only approximate.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8780]