Límite de eficiencia termodinámica

El límite de eficiencia termodinámica es la máxima eficiencia de conversión teóricamente posible de la luz solar a la 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.

Efecto de la energía de 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 del espacio de banda del material absorbente no pueden generar un par electrón-agujero, 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 banda prohibida, solo una fracción de la energía por encima del espacio de banda se puede convertir en una salida útil. Cuando se absorbe un fotón de mayor energía, el exceso de energía por encima del espacio de banda se convierte en energía cinética de la 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 a velocidad de equilibrio. Por lo tanto, la energía solar no se puede convertir en electricidad más allá de cierto límite.

Las células solares con múltiples materiales absorbedores de espacio de banda mejoran la eficiencia al dividir el espectro solar en contenedores más pequeños donde el límite de eficiencia termodinámica es más alto para cada contenedor. Los límites termodinámicos de tales células (también llamadas células de unión múltiple o células en tándem) se pueden analizar utilizando un simulador en línea en nanoHUB.

Límites de eficiencia para diferentes tecnologías de células solares
Los límites de eficiencia termodinámica para diferentes tecnologías de células solares son los siguientes:

Uniones simples ≈ 31%
Apilados de 3 celdas y PV impuros ≈ 50%
Dispositivos portadores o basados ​​en ionización de impacto ≈ 54-68%
Los módulos comerciales son ≈ 12-21%
Celda solar con un convertidor ascendente para el funcionamiento en el espectro AM1.5 y con una banda prohibida de 2eV ≈ 50.7%

Límite de eficiencia termodinámica para células solares excitónicas
Las células solares excitónicas generan carga libre por 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 menos energía de unión al excitón) no puede ir más allá del 31% como explican Shockley y Queisser.

Límites de eficiencia termodinámica con la multiplicación del portador
La multiplicación de portadores facilita la generación de múltiples pares de electrones por cada fotón absorbido. Los límites de eficiencia para las células fotovoltaicas pueden ser teóricamente más altos teniendo en cuenta los efectos termodinámicos. Para una célula solar alimentada por la radiación del cuerpo negro no concentrado 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 eficiencias son posibles solo cuando las células solares usan recombinación radiativa y multiplicación de portadores.