El límite de eficiencia termodinámica es la máxima eficiencia de conversión teóricamente posible máxima absoluta de la luz solar en electricidad . Su valor es de alrededor del 86%, que es la eficiencia de Chambadal-Novikov , una aproximación relacionada con el límite de Carnot , basada en la temperatura de los fotones emitidos por la superficie del Sol. [ cita requerida ]
Efecto de la energía de la banda prohibida
Las células solares funcionan como dispositivos de conversión de energía cuántica y, por lo tanto, están sujetas al límite de eficiencia termodinámica. Los fotones con una energía por debajo de la banda prohibida del material absorbente no pueden generar un par electrón-hueco , por lo que su energía no se convierte en salida útil y solo genera calor si se absorbe. Para fotones con una energía por encima de la energía de la banda prohibida, solo una fracción de la energía por encima de la banda prohibida se puede convertir en salida útil. Cuando se absorbe un fotón de mayor energía, el exceso de energía por encima de la banda prohibida se convierte en energía cinética de la recombinación del portador . El exceso de energía cinética se convierte en calor a través de interacciones fonónicas a medida que la energía cinética de los portadores disminuye hasta alcanzar la velocidad de equilibrio. Por tanto, la energía solar no se puede convertir en electricidad más allá de cierto límite. [1]
Las células solares con múltiples materiales absorbentes de banda prohibida mejoran la eficiencia al dividir el espectro solar en contenedores más pequeños donde el límite de eficiencia termodinámica es mayor para cada contenedor. [2] Los límites termodinámicos de tales celdas (también llamadas celdas de unión múltiple o celdas en tándem) se pueden analizar usando un simulador en línea en nanoHUB. [3]
Límites de eficiencia para diferentes tecnologías de células solares
Los límites de eficiencia termodinámica para diferentes tecnologías de células solares son los siguientes:
Límite de eficiencia termodinámica para células solares excitónicas
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/4c/ShockleyQueisserFullCurve.svg/220px-ShockleyQueisserFullCurve.svg.png)
Las células solares excitónicas generan carga gratuita mediante estados de excitón ligados e intermedios, a diferencia de las células solares inorgánicas y cristalinas . La eficiencia de las células solares excitónicas y las células solares inorgánicas (con menos energía de enlace de excitones) [5] no puede ir más allá del 31% como explicaron Shockley y Queisser. [6]
Límites de eficiencia termodinámica con multiplicación de portadores
La multiplicación de portadores facilita la generación de múltiples pares de electrones y huecos para cada fotón absorbido. Los límites de eficiencia para las células fotovoltaicas pueden ser teóricamente más altos considerando los efectos termodinámicos. Para una celda solar alimentada por la radiación de cuerpo negro no concentrada del Sol , la eficiencia máxima teórica es del 43%, mientras que para una celda solar alimentada por la radiación concentrada total del Sol, el límite de eficiencia es de hasta el 85%. Estos altos valores de eficiencia solo son posibles cuando las células solares utilizan la recombinación radiativa y la multiplicación de portadores. [7]
Ver también
Referencias
- ^ "Célula solar orgánica nanoestructurada" (PDF) . me.berkeley.edu . Consultado el 22 de julio de 2011 .
- ^ Cheng-Hsiao Wu y Richard Williams (1983). "Limitar las eficiencias para múltiples dispositivos cuánticos de brecha de energía". J. Appl. Phys . 54 (11): 6721. Bibcode : 1983JAP .... 54.6721W . doi : 10.1063 / 1.331859 .
- ^ "nanoHUB.org - Recursos: PVLimits: calculadora de límite termodinámico fotovoltaico" . nanohub.org . Consultado el 12 de junio de 2016 .
- ^ "Una evaluación de las tecnologías de conversión de energía solar y las oportunidades de investigación" (PDF) . gcep.stanford.edu . Consultado el 22 de julio de 2011 .
- ^ Giebink, Noel C .; Wiederrecht, Gary P .; Wasielewski, Michael R .; Forrest, Stephen R. (mayo de 2011). "Límite de eficiencia termodinámica de células solares excitónicas" . Physical Review B . 83 (19): 195326. Código Bibliográfico : 2011PhRvB..83s5326G . doi : 10.1103 / PhysRevB.83.195326 .
- ^ Shockley, William; Queisser, Hans J. (1961). "Límite de equilibrio detallado de la eficiencia de las células solares de unión p-n" . Revista de Física Aplicada . El Instituto Americano de Física. 32 (3): 510–519. Código bibliográfico : 1961JAP .... 32..510S . doi : 10.1063 / 1.1736034 . Consultado el 22 de julio de 2011 .
- ^ Brendel, Rolf; Werner, Jürgen H .; Queisser, Hans J. (1996). "Límites de eficiencia termodinámica para células solares semiconductoras con multiplicación de portadores" . Materiales de energía solar y células solares . Elsevier. 41–42: 419–425. doi : 10.1016 / 0927-0248 (95) 00125-5 . ISSN 0927-0248 . Consultado el 22 de julio de 2011 .