El límite de eficiencia termodinámica es la máxima eficiencia de conversión teóricamente posible de la luz solar en electricidad . Su valor ronda el 86%, que es la eficiencia de Chambadal-Novikov , una aproximación relacionada con el límite de Carnot , basado en la temperatura de los fotones emitidos por la superficie del Sol. [ cita necesaria ]
Las células solares funcionan como dispositivos de conversión de energía cuántica y, por 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 una producción útil y solo genera calor si se absorbe. Para los fotones con una energía superior a 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 recombinación del portador . El exceso de energía cinética se convierte en calor a través de interacciones de fonones 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 dichas células (también llamadas células de uniones múltiples o células en tándem) se pueden analizar utilizando un simulador en línea en nanoHUB. [3] [4]
Los límites de eficiencia termodinámica para diferentes tecnologías de células solares son los siguientes:
Las células solares excitónicas generan carga libre mediante estados de excitón intermedios y unidos, a diferencia de las células solares inorgánicas y cristalinas . La eficiencia de las células solares excitónicas y de las células solares inorgánicas (con menos energía de unión de excitones) [6] no puede superar el 31%, como explican Shockley y Queisser. [7]
La multiplicación de portadores facilita la generación de múltiples pares de huecos de electrones para cada fotón absorbido. Los límites de eficiencia de las células fotovoltaicas pueden ser teóricamente más altos teniendo en cuenta los efectos termodinámicos. Para una célula solar alimentada por la radiación no concentrada del cuerpo negro del Sol , la eficiencia máxima teórica es del 43%, mientras que para una célula solar alimentada por la radiación concentrada total del Sol, el límite de eficiencia es de hasta el 85%. Estos altos valores de eficiencia sólo son posibles cuando las células solares utilizan recombinación radiativa y multiplicación de portadores. [8]
