Limite di Shockley-Queisser
1961
- William Shockley
- Hans-Joachim Queisser
Il limite di Shockley-Queisser è l'efficienza teorica massima per una singola cella solare a giunzione pn. Considera solo la ricombinazione radiativa e le perdite per irraggiamento di corpo nero. Per una cella a giunzione singola con un bandgap ottimale di 1,34 eV in condizioni di illuminazione solare standard (AM1.5G), l'efficienza massima è di circa il 33,7%. Questo limite fondamentale guida la ricerca e la progettazione delle celle solari.
Il limite di Shockley-Queisser (SQ), noto anche come limite di equilibrio dettagliato, rappresenta un limite fondamentale per l'efficienza di conversione energetica delle celle solari. Si ricava analizzando il termodinamico 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).
Il calcolo tiene conto di diversi meccanismi di perdita inevitabili. In primo luogo, i fotoni con energia inferiore al bandgap del semiconduttore ([latex]E_g[/latex]) attraversano la cella senza essere assorbiti, senza contribuire alla corrente. In secondo luogo, per i fotoni con energia superiore al bandgap, l'energia in eccesso ([latex]E_{photon} - E_g[/latex]) viene rapidamente persa sotto forma di calore attraverso la termalizzazione, in quanto l'elettrone eccitato si rilassa sul fondo della banda di conduzione. La tensione è quindi limitata dal bandgap, non dall'energia del fotone. Il meccanismo di perdita più significativo considerato nel limite SQ è la ricombinazione radiativa. Si tratta del processo inverso all'assorbimento, in cui un elettrone e una buca si ricombinano ed emettono un fotone. In una cella ideale, questo è l'unico percorso di ricombinazione. La cella, essendo a temperatura non nulla, irradia energia come un corpo nero.
Bilanciando il flusso di fotoni in entrata dal sole con il flusso in uscita dalla ricombinazione radiativa e dalla radiazione del corpo nero, Shockley e Queisser hanno ricavato la caratteristica corrente-tensione di una cella ideale. Il punto di massima potenza su questa curva definisce l'efficienza massima. L'efficienza è una forte funzione dell'energia di bandgap, con un picco a ~33,7% per un bandgap di 1,34 eV, che è vicino a quello dell'arseniuro di gallio (GaAs). Per il silicio ([latex]E_g ´circa 1,12[/latex] eV), il limite è di circa 32%.
UNESCO Nomenclature: 2210
- Fisica
Precursori
- legge di planck della radiazione del corpo nero
- il lavoro di einstein sull'effetto fotoelettrico e l'emissione stimolata
- teoria della giunzione pn dei semiconduttori
- principi della termodinamica, in particolare seconda legge
Applicazioni
- punto di riferimento per le prestazioni delle celle solari a giunzione singola
- progettazione di celle solari multigiunzione per superare il limite
- ricerca sulle celle solari a portatori caldi e a conversione ascendente/discendente
- modellazione economica dei costi dell'energia solare
Idee e potenziali innovazioni
- celle solari che utilizzano punti quantici con bandgap sintonizzabili per adattarsi perfettamente al picco quadrato
- sistemi termofotovoltaici che convertono il calore di scarto in luce a banda stretta per una cella solare abbinata
- materiali a bandgap dinamico che si adattano allo spettro solare mutevole durante il giorno
- luminescent solar concentrators that shift uv light to the optimal sq wavelength
- progetti di cristalli fotonici che migliorano l'assorbimento appena sopra il bandgap, respingendo al contempo i fotoni sub-bandgap
- hybrid solar cells that use hot-carrier extraction for alta energia photons and a standard p-n junction for lower-energy ones
- metamateriali che limitano angolarmente l'emissione cellulare per ridurre le perdite di ricombinazione radiativa
- Scoperta guidata dall'intelligenza artificiale di nuove leghe di semiconduttori con bandgap quadrati ideali e proprietà dei materiali
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