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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.

The Shockley–Queisser (SQ) limit, also known as the detailed balance limit, provides a foundational ceiling on the energy conversion efficiency of solar cells. It is derived by analyzing the thermodynamic 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
  • thermodynamics principles, particularly the second law

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

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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)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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