Llímit de Shockley-Queisser
En física, el llímit Shockley-Queisser o llímit de balanç detallat designa a la màxima eficiència teòrica d'una cèlula fotoeléctrica basada en una unió p-n. El càlcul va ser desenrollat per William Shockley i Hans Queisser en Shockley Semiconductor en 1961.[1] Se li considera un dels fonaments bàsics de l'energia solar fotovoltaica i un dels principals alvanços en el camp.[2]
El llímit situa l'eficiència màxima en l'entorn de 33,7%, assumint una única unió p-n en una banda prohibida d'1.34 eV (usant un espectre d'AM 1,5 G).[3] És dir, de l'energia solar incident (típicament, 1000 W/m²), solament 33,7% es podria convertir en electricitat (337 W/m²). El material més usat en cèlules fotovoltaiques, el silici té una banda encara més desfavorable, d'1,1 eV, lo que rebaixa el màxim per a cèlules comercials al 29%. Tecnologies modernes com el silici monocristalino han aplegat a alcançar eficiència del 22%, separades d'este màxim sol per consideracions pràctiques com a radiació reflectida en la superfície i ombres degudes a les conexions de l'unió.
El llímit Shockley-Queisser aplica únicament a sistemes monocélulas. Tecnologies en múltiples capes poden sobrepassar dita barrera. Idealment, dispositius en un número infinit de capes poden alcançar rendiments del 86% usant radiació solar concentrada.[4]
Obtenció del llímit
Este llímit teòric es calcula obtenint l'energia elèctrica que es pot obtindre per fotó. Per a això, es prenen en consideració tres factors:
- Qualsevol material per damunt del zero absolut emet radiació. En el cas d'una cèlula solar a temperatura ambiente (300 kelvin) açò supon que sempre s'està perdent energia. Al voltant d'un 7% de l'energia que aplega es dispersa d'esta manera. El valor exacte depén de la temperatura, per lo que qualsevol defecte en la cèlula que aumente la cantitat d'energia que és absorbida com calor en lloc de transformada en electricitat aumentarà l'efecte. A mida que aumenta la temperatura de la cèlula, aumenten les pèrdues radiativas fins a alcançar un equilibri. En cèlules típiques, esta temperatura d'equilibri ronda els 360 Kelvin, lo que baixa l'eficiència de la cèlula per baix del cas a temperatura ambiente. Les fulles de característiques de les cèlules solen considerar esta dependència per mig d'una denominada TNOCT.
- l'absorció d'un fotó genera un parell electró-buit, que pot generar una corrent elèctrica. Este procés es coneix com a generació. No obstant, existix també l'efecte opost que es coneix com a recombinació, a on un parell buit-electró poden trobar-se, i recombinarse emetent un fotó. La pèrdua de portadors de càrrega per mig d'este fenomen reduïx l'eficiència global. Atres fenomens recombinatorios poden donar-se, encara que este és el principal.
- El mer fet de passar un electró de la banda de valència a la banda de conducció requerix energia. Solament aquells fotons que tinguen més energia que el nivell discret necessari per a produir esta transferència provocaran corrent. Per al cas de silici cristalí, la banda de conducció està a 1,1 eV de la de valència, lo que marca qué fotons poden conseguir l'excitació. Això supon que solament l'espectre visible generarà electricitat, mentres que l'infrarroig, les ones de radi o les microones no són aprovechables.[5] Només este efecte descarta un 19% de la radiació incident. Pero, inclús en la radiació aprovechable, este fenomen supon pèrdues. Els nivells d'energia són discrets i la diferència entre l'energia del fotó incident i la necessària per a excitar l'electró no és capturada per l'unió p-n sino que es convertix en calor.[5] Açò supon la major pèrdua en la cèlula, causant unes pèrdues del 33% de l'energia incident. Per la combinació d'abdós efectes espectrals, solament un 48% de l'energia incident és aprovechable.
Si a les pèrdues espectrals se li sumen els efectes de cos negre i recombinació, este 48% baixa fins a donar un valor final de 33,7% (337 W/m² en AM 1.5).[1][5]
Vore també
Referències
- ↑ 1,0 1,1 1,2 William Shockley and Hans J. Queisser, "Detailed Balanç Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells", Journal of Applied Physics, Volum 32 (Març de 1961), pp. 510-519; doi:10.1063/1.1736034
- ↑ "Hans Queisser" [1] archivat en Wayback Machine., Computer History Museum, 2004
- ↑ S. Rühle, "Tabulated values of the Shockley–Queisser limit for single junction solar cells", Solar Energy, Volum 130 (2016), pp. 139-147; doi:10.1016/j.solener.2016.02.015
- ↑ A. De Vós, "Detailed balanç limit of the efficiency of tandem solar cells", Journal of Physics D: Applied Physics Volum 13, Partix 5 (14 de maig de 1980), p. 839-846 doi:10.1088/0022-3727/13/5/018
- ↑ 5,0 5,1 5,2 C. S. Solanki and G. Beaucarne, [enllaç trencat], Interuniversity Microelectronics Center, Belgium
- Este artícul conté una traducció derivada de «Límite de Shockley-Queisser» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.