La limite d’efficacité thermodynamique est le maximum théorique de rendement de conversion possible de la lumière solaire en électricité. Sa valeur est d’environ 86%, soit l’efficacité de Chambadal-Novikov, une approximation liée à la limite de Carnot, basée sur la température des photons émis par la surface du soleil.

Effet de l’énergie de la bande interdite
Les cellules solaires fonctionnent comme des dispositifs de conversion d’énergie quantique et sont donc soumises à la limite d’efficacité thermodynamique. Les photons ayant une énergie inférieure à la bande interdite du matériau absorbant ne peuvent pas générer une paire électron-trou et, par conséquent, leur énergie n’est pas convertie en une sortie utile et ne génère de la chaleur que si elle est absorbée. Pour les photons ayant une énergie supérieure à l’énergie de la bande interdite, seule une fraction de l’énergie au-dessus de la bande interdite peut être convertie en sortie utile. Lorsqu’un photon de plus grande énergie est absorbé, l’excès d’énergie au-dessus de la bande interdite est converti en énergie cinétique de la recombinaison de la porteuse. L’énergie cinétique en excès est convertie en chaleur par des interactions entre phonons lorsque l’énergie cinétique des porteurs ralentit à la vitesse d’équilibre. Par conséquent, l’énergie solaire ne peut être convertie en électricité au-delà d’une certaine limite.

Les cellules solaires avec des matériaux absorbeurs à bandes multiples améliorent l’efficacité en divisant le spectre solaire en plus petites cellules où la limite d’efficacité thermodynamique est plus élevée pour chaque bac. Les limites thermodynamiques de ces cellules (également appelées cellules multi-jonctions ou cellules en tandem) peuvent être analysées à l’aide d’un simulateur en ligne dans nanoHUB.

Limites d’efficacité pour différentes technologies de cellules solaires
Les limites d’efficacité thermodynamique pour différentes technologies de cellules solaires sont les suivantes:

Jonctions simples ≈ 31%
Piles à 3 cellules et PV impures ≈ 50%
Appareils basés sur l’ionisation à chaud ou par impact ization 54-68%
Les modules commerciaux sont -2 12-21%
Cellule solaire avec convertisseur ascendant pour utilisation dans le spectre AM1.5 et avec une bande interdite 2eV ≈ 50,7%

Limite d’efficacité thermodynamique pour les cellules solaires excitoniques
Les cellules solaires excitoniques génèrent une charge libre par des états excitaux liés et intermédiaires, contrairement aux cellules solaires inorganiques et cristallines. L’efficacité des cellules solaires excitoniques et des cellules solaires inorganiques (avec moins d’énergie de liaison aux excitons) ne peut dépasser 31%, comme l’expliquent Shockley et Queisser.

Limites d’efficacité thermodynamique avec multiplication de porteurs
La multiplication des porteurs facilite la génération de paires électron-trou multiples pour chaque photon absorbé. Les limites d’efficacité pour les cellules photovoltaïques peuvent être théoriquement supérieures en considérant les effets thermodynamiques. Pour une cellule solaire alimentée par le rayonnement du corps noir non concentré du Soleil, l’efficacité maximale théorique est de 43%, tandis que pour une cellule solaire alimentée par le rayonnement concentré du Soleil, la limite d’efficacité peut atteindre 85%. Ces valeurs élevées d’efficacité ne sont possibles que lorsque les cellules solaires utilisent la recombinaison radiative et la multiplication des porteurs.