En física, el límite Shockley-Queisser o límite de balance detallado designa a la máxima eficiencia teórica de una célula fotoeléctrica basada en una unión p-n. El cálculo fue desarrollado por William Shockley y Hans Queisser en Shockley Semiconductor en 1961.[1] Se le considera uno de los fundamentos básicos de la energía solar fotovoltaica y uno de los principales avances en el campo.[2]
Límite Shockley-Queisser para la eficiencia de una célula solar. La curva es irregular debida al espectro de absorción de la atmósfera. En el artículo original,[1] el espectro solar se había aproximado por la más simple curva de un cuerpo negro a 6000 K. Por ello, la eficiencia resultante fue ligeramente diferente.
El límite sitúa la eficiencia máxima en el entorno de 33,7%, asumiendo una única unión p-n con una banda prohibida de 1.34 eV (usando un espectro de AM 1,5 G).[3] Es decir, de la energía solar incidente (típicamente, 1000 W/m²), solo 33,7% se podría convertir en electricidad (337 W/m²). El material más usado en células fotovoltaicas, el silicio tiene una banda aún más desfavorable, de 1,1 eV, lo que rebaja el máximo para células comerciales al 29%. Tecnologías modernas como el silicio monocristalino han llegado a alcanzar eficiencias del 22%, separadas de este máximo solo por consideraciones prácticas como radiación reflejada en la superficie y sombras debidas a las conexiones de la unión.
El límite Shockley-Queisser aplica únicamente a sistemas monocélulas. Tecnologías con múltiples capas pueden sobrepasar dicha barrera. Idealmente, dispositivos con un número infinito de capas pueden alcanzar rendimientos del 86% usando radiación solar concentrada.[4]
Obtención del límiteeditar
Este límite teórico se calcula obteniendo la energía eléctrica que se puede obtener por fotón. Para ello, se toman en consideración tres factores:
Cualquier material por encima del cero absoluto emite radiación. En el caso de una célula solar a temperatura ambiente (300 kelvin) esto supone que siempre se está perdiendo energía. Alrededor de un 7% de la energía que llega se dispersa de esta manera. El valor exacto depende de la temperatura, por lo que cualquier defecto en la célula que aumente la cantidad de energía que es absorbida como calor en vez de transformada en electricidad aumentará el efecto. A medida que aumenta la temperatura de la célula, aumentan las pérdidas radiativas hasta alcanzar un equilibrio. En células típicas, esta temperatura de equilibrio ronda los 360 Kelvin, lo que baja la eficiencia de la célula por debajo del caso a temperatura ambiente. Las hojas de características de las células suelen considerar esta dependencia mediante una denominada TNOCT.
En negro: el límite para un circuito abierto (con intensidad nula) bajo el modelo Shockley-Queisser. La línea punteada en rojo indica como el voltaje es inferior al esperado para dicho gap debido a la recombinación.
La absorción de un fotón genera un par electrón-hueco, que puede generar una corriente eléctrica. Este proceso se conoce como generación. Sin embargo, existe también el efecto opuesto que se conoce como recombinación, donde un par hueco-electrón pueden encontrarse, y recombinarse emitiendo un fotón. La pérdida de portadores de carga mediante este fenómeno reduce la eficiencia global. Otros fenómenos recombinatorios pueden darse, aunque este es el principal.
El mero hecho de pasar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción requiere energía. Solo aquellos fotones que tengan más energía que el nivel discreto necesario para producir esta transferencia provocarán corriente. Para el caso de silicio cristalino, la banda de conducción está a 1,1 eV de la de valencia, lo que marca qué fotones pueden lograr la excitación. Eso supone que solo el espectro visible generará electricidad, mientras que el infrarrojo, las ondas de radio o las microondas no son aprovechables.[5] Sólo este efecto descarta un 19% de la radiación incidente. Pero, incluso en la radiación aprovechable, este fenómeno supone pérdidas. Los niveles de energía son discretos y la diferencia entre la energía del fotón incidente y la necesaria para excitar el electrón no es capturada por la unión p-n sino que se convierte en calor.[5] Esto supone la mayor pérdida en la célula, causando unas pérdidas del 33% de la energía incidente. Por la combinación de ambos efectos espectrales, solo un 48% de la energía incidente es aprovechable.
Si a las pérdidas espectrales se le suman los efectos de cuerpo negro y recombinación, este 48% baja hasta dar un valor final de 33,7% (337 W/m² con AM 1.5).[1][5]
↑ William Shockley and Hans J. Queisser, "Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells", Journal of Applied Physics, Volumen 32 (Marzo de 1961), pp. 510-519; doi 10.1063/1.1736034
"Hans Queisser" el 23 de febrero de 2010 en Wayback Machine., Computer History Museum, 2004
S. Rühle, "Tabulated values of the Shockley–Queisser limit for single junction solar cells", Solar Energy, Volumen 130 (2016), pp. 139-147; doi 10.1016/j.solener.2016.02.015
A. De Vos, "Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells", Journal of Physics D: Applied Physics Volumen 13, Parte 5 (14 de mayo de 1980), p. 839-846 doi 10.1088/0022-3727/13/5/018
↑ C. S. Solanki and G. Beaucarne, "Advanced Solar Cell Concepts"(enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última)., Interuniversity Microelectronics Center, Belgium
Datos:Q1326177
Marcha 24, 2024
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En fisica el limite Shockley Queisser o limite de balance detallado designa a la maxima eficiencia teorica de una celula fotoelectrica basada en una union p n El calculo fue desarrollado por William Shockley y Hans Queisser en Shockley Semiconductor en 1961 1 Se le considera uno de los fundamentos basicos de la energia solar fotovoltaica y uno de los principales avances en el campo 2 Limite Shockley Queisser para la eficiencia de una celula solar La curva es irregular debida al espectro de absorcion de la atmosfera En el articulo original 1 el espectro solar se habia aproximado por la mas simple curva de un cuerpo negro a 6000 K Por ello la eficiencia resultante fue ligeramente diferente El limite situa la eficiencia maxima en el entorno de 33 7 asumiendo una unica union p n con una banda prohibida de 1 34 eV usando un espectro de AM 1 5 G 3 Es decir de la energia solar incidente tipicamente 1000 W m solo 33 7 se podria convertir en electricidad 337 W m El material mas usado en celulas fotovoltaicas el silicio tiene una banda aun mas desfavorable de 1 1 eV lo que rebaja el maximo para celulas comerciales al 29 Tecnologias modernas como el silicio monocristalino han llegado a alcanzar eficiencias del 22 separadas de este maximo solo por consideraciones practicas como radiacion reflejada en la superficie y sombras debidas a las conexiones de la union El limite Shockley Queisser aplica unicamente a sistemas monocelulas Tecnologias con multiples capas pueden sobrepasar dicha barrera Idealmente dispositivos con un numero infinito de capas pueden alcanzar rendimientos del 86 usando radiacion solar concentrada 4 Obtencion del limite editarEste limite teorico se calcula obteniendo la energia electrica que se puede obtener por foton Para ello se toman en consideracion tres factores Cualquier material por encima del cero absoluto emite radiacion En el caso de una celula solar a temperatura ambiente 300 kelvin esto supone que siempre se esta perdiendo energia Alrededor de un 7 de la energia que llega se dispersa de esta manera El valor exacto depende de la temperatura por lo que cualquier defecto en la celula que aumente la cantidad de energia que es absorbida como calor en vez de transformada en electricidad aumentara el efecto A medida que aumenta la temperatura de la celula aumentan las perdidas radiativas hasta alcanzar un equilibrio En celulas tipicas esta temperatura de equilibrio ronda los 360 Kelvin lo que baja la eficiencia de la celula por debajo del caso a temperatura ambiente Las hojas de caracteristicas de las celulas suelen considerar esta dependencia mediante una denominada TNOCT nbsp En negro el limite para un circuito abierto con intensidad nula bajo el modelo Shockley Queisser La linea punteada en rojo indica como el voltaje es inferior al esperado para dicho gap debido a la recombinacion La absorcion de un foton genera un par electron hueco que puede generar una corriente electrica Este proceso se conoce como generacion Sin embargo existe tambien el efecto opuesto que se conoce como recombinacion donde un par hueco electron pueden encontrarse y recombinarse emitiendo un foton La perdida de portadores de carga mediante este fenomeno reduce la eficiencia global Otros fenomenos recombinatorios pueden darse aunque este es el principal El mero hecho de pasar un electron de la banda de valencia a la banda de conduccion requiere energia Solo aquellos fotones que tengan mas energia que el nivel discreto necesario para producir esta transferencia provocaran corriente Para el caso de silicio cristalino la banda de conduccion esta a 1 1 eV de la de valencia lo que marca que fotones pueden lograr la excitacion Eso supone que solo el espectro visible generara electricidad mientras que el infrarrojo las ondas de radio o las microondas no son aprovechables 5 Solo este efecto descarta un 19 de la radiacion incidente Pero incluso en la radiacion aprovechable este fenomeno supone perdidas Los niveles de energia son discretos y la diferencia entre la energia del foton incidente y la necesaria para excitar el electron no es capturada por la union p n sino que se convierte en calor 5 Esto supone la mayor perdida en la celula causando unas perdidas del 33 de la energia incidente Por la combinacion de ambos efectos espectrales solo un 48 de la energia incidente es aprovechable Si a las perdidas espectrales se le suman los efectos de cuerpo negro y recombinacion este 48 baja hasta dar un valor final de 33 7 337 W m con AM 1 5 1 5 Vease tambien editarAnexo Cronologia del desarrollo de las celulas solares Celula solar de tercera generacionReferencias editar a b c William Shockley and Hans J Queisser Detailed Balance Limit of Efficiency of p n Junction Solar Cells Journal of Applied Physics Volumen 32 Marzo de 1961 pp 510 519 doi 10 1063 1 1736034 Hans Queisser Archivado el 23 de febrero de 2010 en Wayback Machine Computer History Museum 2004 S Ruhle Tabulated values of the Shockley Queisser limit for single junction solar cells Solar Energy Volumen 130 2016 pp 139 147 doi 10 1016 j solener 2016 02 015 A De Vos Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells Journal of Physics D Applied Physics Volumen 13 Parte 5 14 de mayo de 1980 p 839 846 doi 10 1088 0022 3727 13 5 018 a b c C S Solanki and G Beaucarne Advanced Solar Cell Concepts enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima Interuniversity Microelectronics Center Belgium nbsp Datos Q1326177 Obtenido de https es wikipedia org w index php title Limite de Shockley Queisser amp oldid 153838585, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,
