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 %.
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