El límite de eficiencia termodinámica es la máxima eficiencia teóricamente posible de conversión 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 ]
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 brecha de banda del material absorbente no pueden generar un par electrón-hueco , por lo que su energía no se convierte en una salida útil y solo genera calor si se absorbe. Para los fotones con una energía por encima de la energía de la brecha de banda, solo una fracción de la energía por encima de la brecha de banda se puede convertir en salida útil. Cuando se absorbe un fotón de mayor energía, el exceso de energía por encima de la brecha de banda se convierte en energía cinética de la recombinación de portadores . 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 la velocidad de equilibrio. Por lo tanto, la energía solar no se puede convertir en electricidad más allá de un cierto límite. [1]
Las células solares con materiales absorbentes de banda prohibida múltiple mejoran la eficiencia al dividir el espectro solar en compartimentos más pequeños donde el límite de eficiencia termodinámica es mayor para cada compartimento. [2] Los límites termodinámicos de dichas células (también llamadas células multiunión o células 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 excitones 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 menor energía de unión a los excitones) [6] no puede superar el 31 %, como explicaron Shockley y Queisser. [7]
La multiplicación de portadores facilita la generación de múltiples pares electrón-hueco por cada fotón absorbido. Los límites de eficiencia para las células fotovoltaicas pueden ser teóricamente más altos considerando los efectos termodinámicos. Para una célula solar alimentada por la radiación de cuerpo negro no concentrada del Sol , la eficiencia máxima teórica es del 43%, mientras que para una célula solar alimentada por la radiación solar concentrada completa, el límite de eficiencia es de hasta el 85%. Estos altos valores de eficiencia son posibles solo cuando las células solares utilizan recombinación radiativa y multiplicación de portadores. [8]
