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%.
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