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Limite de Shockley-Queisser

1961
  • William Shockley
  • Hans-Joachim Queisser
Laboratório de pesquisa que analisa a eficiência de células solares de junção p-n única com base no limite de Shockley-Queisser.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

O limite de Shockley-Queisser é a eficiência teórica máxima para uma célula solar de junção pn simples. Ele considera apenas a recombinação radiativa e as perdas por radiação de corpo negro. Para uma célula de junção simples com um bandgap ideal de 1,34 eV sob iluminação solar padrão (AM1Em .5G, a eficiência máxima é de aproximadamente 33,7%. Esse limite fundamental orienta a pesquisa e o projeto de células solares.

O limite de Shockley-Queisser (SQ), também conhecido como limite de balanço detalhado, fornece um teto fundamental para a eficiência de conversão de energia das células solares. Ele é derivado da análise da termodinâmica 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).

O cálculo leva em consideração diversos mecanismos de perda inevitáveis. Primeiro, fótons com energia inferior à energia de banda proibida do semicondutor (Eg) atravessam a célula sem serem absorvidos, não contribuindo em nada para a corrente. Segundo, para fótons com energia superior à energia de banda proibida, o excesso de energia (Efóton - Eg) é rapidamente dissipado como calor por termalização, à medida que o elétron excitado relaxa para o fundo da banda de condução. A tensão é, portanto, limitada pela energia de banda proibida, e não pela energia do fóton. O mecanismo de perda mais significativo considerado no limite SQ é a recombinação radiativa. Este é o processo inverso da absorção, onde um elétron e um buraco se recombinam e emitem um fóton. Em uma célula ideal, esta é a única via de recombinação. A célula, estando a uma temperatura diferente de zero, também irradia energia como um corpo negro.

Ao equilibrar o fluxo de fótons provenientes do sol com o fluxo emitido pela recombinação radiativa e pela radiação de corpo negro, Shockley e Queisser derivaram a característica corrente-tensão de uma célula ideal. O ponto de potência máxima nessa curva define a eficiência máxima. A eficiência é fortemente dependente da energia do gap de banda, atingindo um pico de aproximadamente 33,7% para um gap de banda de 1,34 eV, valor próximo ao do arseneto de gálio (GaAs). Para o silício (Eg ≈ 1,12 eV), o limite é em torno de 32%.

UNESCO Nomenclature: 2210
Física

Tipo

Limite teórico

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Lei de Planck da radiação de corpo negro
  • O trabalho de Einstein sobre o efeito fotoelétrico e a emissão estimulada
  • teoria da junção pn semicondutora
  • princípios da termodinâmica, particularmente o segunda lei

Aplicações

  • referência para o desempenho de células solares de junção única
  • projeto de células solares de múltiplas junções para superar o limite
  • pesquisa sobre células solares de portadores quentes e de conversão ascendente/descendente
  • modelagem econômica dos custos da energia solar

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • solar cells using quantum dots with tunable bandgaps to perfectly match the sq peak
  • thermo-photovoltaic systems that convert waste heat back into narrow-band light for a matched solar cell
  • dynamic bandgap materials that adjust to changing solar spectrum throughout the day
  • luminescent solar concentrators that shift uv light to the optimal sq wavelength
  • photonic crystal designs that enhance absorption just above the bandgap while rejecting sub-bandgap photons
  • hybrid solar cells that use hot-carrier extraction for alta energia photons and a standard p-n junction for lower-energy ones
  • metamaterials that angularly restrict cell emission to reduce radiative recombination losses
  • ai-driven discovery of new semiconductor alloys with ideal sq bandgaps and material properties
Relacionado a: limite de Shockley-Queisser, eficiência de células solares, limite termodinâmico, recombinação radiativa, bandgap, balanço detalhado, junção única, radiação de corpo negro.

Contexto histórico

Limite de Shockley-Queisser

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

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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