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Límite de Shockley-Queisser

1961
  • William Shockley
  • Hans-Joachim Queisser
Laboratorio de investigación que analiza la eficiencia de una célula solar de unión p-n basándose en el límite de Shockley-Queisser.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

El límite de Shockley-Queisser es la eficiencia teórica máxima para una celda solar de unión pn simple. Considera solo la recombinación radiativa y las pérdidas por radiación de cuerpo negro. Para una celda de unión simple con una banda prohibida óptima de 1,34 eV bajo iluminación solar estándar (AM1En el rango de 0.5G, la eficiencia máxima es de aproximadamente el 33.7%. Este límite fundamental guía la investigación y el diseño de las células solares.

El límite de Shockley-Queisser (SQ), también conocido como límite de equilibrio detallado, proporciona un techo fundamental a la eficiencia de conversión de energía de las células solares. Se deriva mediante el análisis de la termodinámica balance between the energy absorbed from the sun and the energy lost by the cell. The model makes several key assumptions: the cell is a single p-n junction, it operates at a standard temperature (300 K), and it is illuminated by unconcentrated sunlight (AM1.5G spectrum).

El cálculo tiene en cuenta varios mecanismos de pérdida inevitables. Primero, los fotones con energía menor que la banda prohibida del semiconductor ([latex]E_g[/latex]) atraviesan la celda sin ser absorbidos, sin contribuir a la corriente. Segundo, para fotones con energía mayor que la banda prohibida, el exceso de energía ([latex]E_{photon} ≈ E_g[/latex]) se pierde rápidamente en forma de calor por termalización, a medida que el electrón excitado se relaja hasta el fondo de la banda de conducción. Por lo tanto, el voltaje está limitado por la banda prohibida, no por la energía del fotón. El mecanismo de pérdida más significativo considerado en el límite SQ es la recombinación radiativa. Este es el proceso inverso a la absorción, donde un electrón y un hueco se recombinan y emiten un fotón. En una celda ideal, esta es la única vía de recombinación. La celda, al estar a una temperatura distinta de cero, también irradia energía como un cuerpo negro.

Al equilibrar el flujo de fotones incidentes del sol con el flujo saliente debido a la recombinación radiativa y la radiación de cuerpo negro, Shockley y Queisser derivaron la característica corriente-voltaje de una celda ideal. El punto de máxima potencia en esta curva define la eficiencia máxima. La eficiencia depende en gran medida de la energía de la banda prohibida, alcanzando un máximo de aproximadamente el 33,7 % para una banda prohibida de 1,34 eV, similar a la del arseniuro de galio (GaAs). Para el silicio (E_g ≈ 1,12 eV), el límite se sitúa en torno al 32 %.

UNESCO Nomenclature: 2210
– Física

Tipo

Límite teórico

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Ley de Planck de la radiación de cuerpo negro
  • El trabajo de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico y la emisión estimulada
  • teoría de la unión pn de semiconductores
  • principios de termodinámica, en particular el segunda ley

Aplicaciones

  • Punto de referencia para el rendimiento de células solares de unión única
  • Diseño de células solares multiunión para superar el límite
  • Investigación sobre células solares de portadores calientes y de conversión ascendente/descendente
  • Modelado económico de los costos de la energía solar

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Células solares que utilizan puntos cuánticos con bandas prohibidas ajustables para adaptarse perfectamente al pico cuadrado
  • Sistemas termofotovoltaicos que convierten el calor residual en luz de banda estrecha para una célula solar adaptada
  • Materiales de banda prohibida dinámica que se ajustan a los cambios del espectro solar a lo largo del día.
  • luminescent solar concentrators that shift uv light to the optimal sq wavelength
  • Diseños de cristales fotónicos que mejoran la absorción justo por encima de la banda prohibida mientras rechazan los fotones de banda prohibida inferior.
  • hybrid solar cells that use hot-carrier extraction for alta energía photons and a standard p-n junction for lower-energy ones
  • metamateriales que restringen angularmente la emisión celular para reducir las pérdidas por recombinación radiativa
  • Descubrimiento impulsado por IA de nuevas aleaciones de semiconductores con anchos de banda cuadrados y propiedades de material ideales
Relacionado con: límite de Shockley-Queisser, eficiencia de celdas solares, límite termodinámico, recombinación radiativa, banda prohibida, balance detallado, unión simple, radiación de cuerpo negro.

Contexto histórico

Límite de Shockley-Queisser

1960
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1960
1961
1962
1963
1965
1960
1960
1960
1960-05-16
1962
1963
1964
1968

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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