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Limite di Shockley-Queisser

1961
  • William Shockley
  • Hans-Joachim Queisser
Laboratorio di ricerca che analizza l'efficienza delle celle solari a singola giunzione p-n in base al limite di Shockley-Queisser.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

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 bilancio dettagliato, fornisce un limite fondamentale all'efficienza di conversione energetica delle celle solari. Viene ricavato analizzando il bilancio termodinamico tra l'energia assorbita dal sole e l'energia persa dalla cella. Il modello si basa su diverse ipotesi chiave: la cella è una singola giunzione pn, opera a una temperatura standard (300 K) ed è illuminata da luce solare non concentrata (spettro AM1.5G).

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

Tipo

Limite teorico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

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 la 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

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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Correlato a: limite di Shockley-queisser, efficienza delle celle solari, limite termodinamico, ricombinazione radiativa, bandgap, equilibrio dettagliato, giunzione singola, radiazione del corpo nero.

Contesto storico

Limite di Shockley-Queisser

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

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

Invenzioni, innovazioni e principi tecnici correlati

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