Limite de Shockley–Queisser

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o limite Shockley-Queisser para a eficiência de uma célula solar. A curva é irregular devida ao espectro de absorção da atmosfera. No artigo original, o espectro solar tinha-se aproximado pela mais simples curva de um corpo negro a 6000 K. Por isso, a eficiência resultante foi ligeiramente diferente.[1]

Em física, o limite Shockley–Queisser ou limite de balanço detalhado designa à máxima eficiência teórica de uma célula fotovoltaica baseada numa união p-n. O cálculo foi desenvolvido por William Shockley e Hans Queisser em Shockley Semiconductor em 1961.[1] Considera-se-lhe um dos fundamentos básicos da energia solar fotovoltaica e um dos principais avanços no campo.[2]

O limite situa a eficiência máxima no meio de 33,7%, assumindo uma única união p-n com uma banda proibida de 1.34 eV (usando um espectro de 1,5 AM).[1][3] Isto é, da energia solar incidente (tipicamente, 1000 W/m²), só 33.7% poder-se-ia converter em electricidade (337 W/m²). O material mais usado em células fotovoltaicas, o silício tem uma banda ainda mais desfavorável, de 1,1 eV, o que rebaxa o máximo para células comerciais aos 32%. Tecnologias modernas como o silício monocristalino têm chegado a atingir eficiências de 24%, separadas deste máximo só por considerações práticas como radiação refletida na superfície e sombras devidas às conexões da união.

O limite Shockley–Queisser aplica unicamente a sistemas monocélulas. Tecnologias com múltiplas capas podem ultrapassar dita barreira. Idealmente, dispositivos com um número infinito de capas podem atingir rendimentos de 86% usando radiação solar concentrada.[4]

Obtenção do limite[editar | editar código-fonte]

Este limite teórico calcula-se obtendo a energia eléctrica que se pode obter por fotão. Para isso, se tomam em consideração três factores:

  • Qualquer material acima do zero absoluto emite radiação. No caso de uma célula solar a temperatura ambiente (300 kelvin) isto supõe que sempre se está a perder energia. Ao redor de 7% da energia que chega se dispersa desta maneira. O valor exacto depende da temperatura, pelo que qualquer defeito na célula que aumente a quantidade de energia que é absorvida como calor em vez de transformada em electricidade aumentará o efeito. À medida que aumenta a temperatura da célula, aumentam as perdas radiativas até atingir um equilíbrio. Em células típicas, esta temperatura de equilíbrio ronda os 360 Kelvin, o que baixa a eficiência da célula por abaixo do caso a temperatura ambiente. As folhas de características das células costumam considerar esta dependência mediante uma denominada TNOCT.
Em negro: o limite para um circuito aberto (com intensidade nula) baixo o modelo Shockley-Queisser. A linha ponteada em vermelho indica como a voltagem é inferior ao esperado para dito gap devido à recombinação.
  • A absorção de um fotão gera um par elétron-lacuna, que pode gerar uma corrente eléctrica. No entanto, existe também o efeito oposto (o que se costuma incluir no chamado balanço detalhado), onde um par lacuna-elétron podem se encontrar, e recombinar-se emitindo um fotão. A perda de portadores de carga mediante este fenómeno reduz a eficiência global. Outros fenómenos recombinatórios podem dar-se, ainda que este é o principal.
  • O mero facto de passar um elétron da banda de valência à banda de condução requer energia. Só aqueles fotões que tenham mais energia que o nível discreto necessário para produzir esta transferência provocarão corrente. Para o caso de silício cristalino, a banda de condução está a 1,1 eV da de valência, o que marca que fôtoes podem conseguir a excitação. Isso supõe que só o espectro visível gerará electricidade, enquanto o infravermelho, as ondas de rádio ou as microondas não são aproveitáveis.[5] Só este efeito descarta um 19% da radiação incidente. Mas, inclusive na radiação aproveitável, este fenómeno supõe perdas. Os níveis de energia são discretos e a diferença entre a energia do fotão incidente e a necessária para excitar o elétron não é capturada pela união p-n senão que se converte em calor.[5] Isto supõe a maior perda na célula, causando umas perdas de 33% da energia incidente. Pela combinação de ambos efeitos espectrais, só um 48% da energia incidente é aproveitável.

Se às perdas espectrais somam-se-lhe os efeitos de corpo negro e recombinação, este 48% baixa até dar um valor final de 33,7% (337 W/m² com AM 1.5).[1][5]

Refêrencias[editar | editar código-fonte]

  1. a b c d William Shockley and Hans J. Queisser, "Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells" Arquivado em 23 de fevereiro de 2013 no Archive.is, Journal of Applied Physics, Volumen 32 (Marzo de 1961), pp. 510-519; doi 10.1063/1.1736034
  2. "Hans Queisser" Arquivado em 23 de fevereiro de 2010, no Wayback Machine., Computer History Museum, 2004
  3. Rühle, Sven (1 de junho de 2016). «Tabulated values of the Shockley–Queisser limit for single junction solar cells». Solar Energy. 130: 139–147. doi:10.1016/j.solener.2016.02.015 
  4. 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
  5. a b c C. S. Solanki and G. Beaucarne, "Advanced Solar Cell Concepts"[ligação inativa], Interuniversity Microelectronics Center, Belgium