Quando ti siedi sulla spiaggia, il cielo blu che vedi, il calore che senti e le onde che senti hanno tutte la loro fonte nell'energia del sole. Le celle solari fotovoltaiche sono un modo per convertire l'energia solare in qualcosa di diverso da una piacevole vacanza. Le celle solari convertono l'energia solare in energia elettrica. L'efficienza di una cella solare è il rapporto tra la quantità di energia elettrica che produce e la quantità di energia solare che lo colpisce.

Efficienza

L'efficienza di qualsiasi processo è una misura di come bene il processo funziona. Cioè, quanta fatica devi mettere per ottenere un risultato. A volte l'efficienza è difficile da quantificare, ma per le celle solari è relativamente facile. L'input per una cella solare è la luce solare e l'uscita è elettrica. Più specificamente, l'input è energia dalla luce solare e l'energia prodotta dagli elettroni.

Fotoni e luce

A un livello fondamentale, la luce consiste in piccoli pacchetti di energia chiamati fotoni. In qualsiasi momento della giornata, miliardi di fotoni interagiscono con una cella solare. Quei fotoni trasportano quantità diverse di energia, a seconda del loro colore. Alcuni fotoni riflettono una cella solare, alcuni la attraversano e alcuni vengono assorbiti. Il destino di ogni dato fotone dipende dalla sua energia - o, in modo equivalente, dal suo colore. È impossibile prevedere con certezza il comportamento di un singolo fotone specifico, ma è possibile calcolare la probabilità di interazione.

Assorbimento della luce

La stragrande maggioranza delle celle solari è costituita da semiconduttori. Una delle caratteristiche dei semiconduttori sono le strutture energetiche chiamate "bandgap". Gli elettroni sul lato inferiore del bandgap sono intrappolati sul posto, mentre gli elettroni che ottengono un aumento di energia sul lato alto del bandgap sono liberi di muoversi, incluso essere liberi di spostarsi del tutto dal semiconduttore e rendersi utili nei circuiti elettrici . I fotoni che trasportano un'energia vicina alla dimensione del bandgap in una cella solare sono quelli che più probabilmente saranno assorbiti. Per calcolare l'efficienza è necessario moltiplicare l'energia di ogni fotone per la sua probabilità di essere assorbito e la sua probabilità di farlo uscire dalla cella solare in un circuito elettrico. È un calcolo abbastanza complesso.

Misurazione

Il calcolo dell'efficienza dai primi principi è complicato, ma se si dispone dei giusti strumenti di misurazione è possibile effettuare il calcolo più facilmente. Con un radiometro puoi misurare la densità di potenza alla luce del sole. Moltiplicando la densità di potenza per l'area della cella solare si ottiene una misura dell'energia solare che entra nella cella solare. Si fa il passo successivo collegando un circuito con un resistore variabile, un sensore di corrente e un sensore di tensione. L'energia elettrica è il prodotto della corrente e della tensione e varia in base alla quantità di carico che la cella solare sta guidando. Quindi si varia la resistenza, si calcola la potenza ad ogni passo e si trova il punto di massima potenza. Dividete la potenza elettrica massima prodotta dall'energia solare e avete l'efficienza della cella solare.