Kesan Suhu Warna dan Indeks Pembiakan Warna LED Cahaya Putih terhadap Kecekapan Fotovoltaik Dalaman

2.1 Pengiraan Keseimbangan Terperinci

Kajian ini menggunakan pengiraan keseimbangan terperinci berdasarkan teori Shockley-Queisser untuk menentukan had kecekapan maksimum teori untuk IPV di bawah pelbagai keadaan LED. Pendekatan ini mempertimbangkan ketidakpadanan spektrum antara pancaran LED dan ciri penyerapan bahan fotovoltaik.

2.2 Analisis Spektrum LED

LED cahaya putih komersial dengan CT berbeza (2200K hingga 6500K) dan nilai CRI (70, 80, 90) dianalisis. Taburan kuasa spektrum setiap LED diukur dan digunakan untuk mengira fluks foton tersedia untuk penukaran fotovoltaik.

3.1 Kesan Suhu Warna

Suhu warna lebih rendah (2200-3000K) secara konsisten menghasilkan kecekapan teori lebih tinggi (sehingga 45% peningkatan berbanding LED 6500K) dan memerlukan tenaga jurang jalur optimum lebih rendah (pengurangan kira-kira 0.2-0.3 eV). Ini selaras dengan peningkatan kandungan spektrum merah dalam LED putih suam.

3.2 Analisis Kesan CRI

Berbeza dengan andaian sebelumnya, LED CRI tinggi (CRI 90) memerlukan bahan jurang jalur jauh lebih rendah (1.4-1.6 eV) berbanding rakan CRI rendah (1.7-1.9 eV). Taburan spektrum lebih luas dalam LED CRI tinggi memanjang lebih jauh ke kawasan merah, mengubah keperluan bahan optimum.

3.3 Perbandingan Prestasi Bahan

Walaupun prestasi IPV optimum memerlukan bahan jurang jalur lebar di bawah pencahayaan CRI rendah, teknologi matang seperti silikon kristal (c-Si) dan CdTe menunjukkan prestasi lebih baik di bawah pencahayaan CRI tinggi disebabkan padanan spektrum lebih baik dengan profil penyerapan mereka.

4.1 Kerangka Matematik

Pengiraan keseimbangan terperinci berdasarkan formalisma had Shockley-Queisser yang disesuaikan untuk keadaan dalaman:

$\\eta_{max} = \\frac{J_{sc} \\times V_{oc} \\times FF}{P_{in}}$

Di mana $J_{sc} = q \\int_{\\lambda_{min}}^{\\lambda_{max}} EQE(\\lambda) \\Phi_{photon}(\\lambda) d\\lambda$

Tenaga jurang jalur optimum $E_g^{opt}$ ditentukan dengan memaksimumkan fungsi kecekapan $\\eta(E_g)$ untuk setiap spektrum LED.

4.2 Pelaksanaan Kod

import numpy as np
import pandas as pd

def calculate_ipv_efficiency(led_spectrum, bandgap_energy):
    """
    Kira kecekapan IPV teori untuk spektrum LED dan jurang jalur tertentu
    
    Parameter:
    led_spectrum: DataFrame dengan lajur ['wavelength_nm', 'irradiance_w_m2_nm']
    bandgap_energy: Tenaga jurang jalur dalam eV
    
    Pulangan:
    efficiency: Kecekapan maksimum teori
    """
    h = 6.626e-34  # Pemalar Planck
    c = 3e8        # Kelajuan cahaya
    q = 1.602e-19  # Cas elektron
    
    # Tukar panjang gelombang kepada tenaga
    wavelengths = led_spectrum['wavelength_nm'].values * 1e-9
    energies = (h * c) / wavelengths / q
    
    # Kira fluks foton
    photon_flux = led_spectrum['irradiance_w_m2_nm'] * wavelengths / (h * c)
    
    # Kira ketumpatan arus (andaian EQE sempurna di atas jurang jalur)
    usable_photons = photon_flux[energies >= bandgap_energy]
    j_sc = q * np.sum(usable_photons)
    
    # Pengiraan kecekapan dipermudahkan
    input_power = np.sum(led_spectrum['irradiance_w_m2_nm'])
    efficiency = (j_sc * 0.7 * 1.0) / input_power  # Andaian Voc dan FF tipikal
    
    return efficiency

# Contoh penggunaan untuk keadaan CRI berbeza
bandgaps = np.linspace(1.0, 2.5, 100)
efficiencies_cri70 = [calculate_ipv_efficiency(led_cri70, eg) for eg in bandgaps]
efficiencies_cri90 = [calculate_ipv_efficiency(led_cri90, eg) for eg in bandgaps]