Limite de eficiência termodinâmica

O limite de eficiência termodinâmica é a máxima eficiência de conversão teoricamente possível da luz solar em eletricidade. Seu valor é de cerca de 86%, que é a eficiência de Chambadal-Novikov, uma aproximação relacionada ao limite de Carnot, baseado na temperatura dos fótons emitidos pela superfície do Sol.

Efeito da energia de gap band
As células solares operam como dispositivos de conversão de energia quântica e, portanto, estão sujeitas ao limite de eficiência termodinâmica. Fótons com uma energia abaixo do intervalo de banda do material absorvente não podem gerar um par de elétrons-furos, e assim sua energia não é convertida para saída útil e só gera calor se absorvida. Para fótons com energia acima da energia do gap, somente uma fração da energia acima do gap pode ser convertida em saída útil. Quando um fóton de maior energia é absorvido, o excesso de energia acima do gap é convertido em energia cinética da recombinação transportadora. O excesso de energia cinética é convertido em calor por meio de interações fonônicas, à medida que a energia cinética dos portadores diminui para a velocidade de equilíbrio. Portanto, a energia solar não pode ser convertida em eletricidade além de um certo limite.

Células solares com materiais absorvedores de intervalo de múltiplas bandas melhoram a eficiência dividindo o espectro solar em caixas menores, onde o limite de eficiência termodinâmica é maior para cada caixa. Os limites termodinâmicos de tais células (também chamadas de células de junção múltipla, ou células em tandem) podem ser analisados ​​usando um simulador on-line no nanoHUB.

Limites de eficiência para diferentes tecnologias de células solares
Os limites de eficiência termodinâmica para diferentes tecnologias de células solares são os seguintes:

Junções individuais ≈ 31%
Pilhas de 3 células e PVs impuros ≈ 50%
Dispositivos baseados em ionização de impacto ou de suporte quente ≈ 54-68%
Módulos comerciais são ≈ 12-21%
Célula solar com upconversor para operação no espectro AM1.5 e com bandgap de 2eV ≈ 50,7%

Limite de eficiência termodinâmica para células solares excitônicas
As células solares Excitonic geram carga livre por estados de excitons ligados e intermediários, ao contrário das células solares inorgânicas e cristalinas. A eficiência das células solares excitônicas e das células solares inorgânicas (com menos energia de ligação ao exciton) não pode ir além dos 31%, como explicado por Shockley e Queisser.

Limites de eficiência termodinâmica com multiplicação de portadores
A multiplicação de portadores facilita a geração de múltiplos pares de elétrons para cada fóton absorvido. Os limites de eficiência para as células fotovoltaicas podem ser teoricamente mais altos considerando os efeitos termodinâmicos. Para uma célula solar alimentada pela radiação do corpo negro não concentrado do Sol, a eficiência máxima teórica é de 43%, enquanto para uma célula solar alimentada pela radiação concentrada do Sol, o limite de eficiência é de até 85%. Esses altos valores de eficiências são possíveis somente quando as células solares usam recombinação radiativa e multiplicação de portadoras.