肖克利-奎伊瑟極限
在物理學中，肖克利-奎伊瑟極限（亦稱細緻平衡極限、精細平衡轉換效率極限、SQ極限、或輻射效率極限）是使用單PN結的太陽能電池從電池中收集能量的理論最大效率，其中唯一能量損失的機制是太陽能電池中的輻射複合。它由威廉·肖克利和Hans-Joachim Queisser於1961年在肖克利半導體實驗室首次計算得出，其結論為材料帶隙為1.1 eV時，電池達到最大效率30%[1]。此極限是生產太陽能最基本的原理之一，亦並被認為是該領域最重要的理論基礎之一[2]。
最初的計算使用6000K黑體光譜模擬太陽光譜，隨後的計算使用了實際測量的全球太陽光譜AM 1.5，並包括一個背面反射鏡，它將帶隙為1.34 eV的單結太陽能電池的最大太陽轉換效率提高到33.16%[3]，也就是說，所有落在理想太陽能電池上的陽光（約1000 W/m2）的能量中，只有33.7%能夠轉化為電能(337 W/m2)。最流行的太陽能電池材料矽的帶隙為1.1 eV，其理論最高效率約為32%。現代商用單晶太陽能電池的轉換效率約為24%，這種損耗很大程度是因為電池外部的影響，比如電池正面的反射和電池表面細線的光阻塞。
肖克利-奎伊瑟極限僅適用於單PN結的傳統太陽能電池，多層太陽能電池可以（而且的確）超越這一極限，太陽能熱機和某些其他太陽能系統也可以。更極端地，具有無限層數的多結太陽能電池，正常日照時的極限為68.7%[4]，聚光日照時的極限為86.8%[5]（參見光電轉換效率）。
背景
在諸如矽的傳統固態半導體中，太陽能電池由兩個摻雜晶體製成，一個是n型半導體，它有額外的自由電子，另一個是p型半導體，它沒有自由電子，稱為「空穴」。當它們剛開始彼此接觸時，n型半導體部分中的一些電子會將流入p型半導體部分以「填補」缺失的電子，最終會有足夠的電子流過邊界，使兩種材料的費米能級相等，形成界面上的一個區域PN結，界面兩側的載流子被耗盡。在矽中，這種電子的轉移產生大約0.6 V到0.7 V的電勢[6]。
當材料置於太陽光下時，來自太陽光的光子可以被吸收到半導體的p型側，使得價帶中電子的能量被提升到導帶，這個過程被稱為光激發。顧名思義，導帶中的電子可以在半導體中自由移動。當一個負載整體地加在電池上時，這些電子將從p型一側流向n型一側，在通過外部電路時消耗能量，然後回到p型材料，與它們留下的價帶空穴重新結合。這樣便可利用太陽光產生電流[6]。
參見
參考文獻
- ^ 1.0 1.1 William Shockley and Hans J. Queisser. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells (PDF). Journal of Applied Physics. March 1961, 32 (3): 510–519 [2022-02-28]. Bibcode:1961JAP....32..510S. doi:10.1063/1.1736034. （原始內容 (PDF)存檔於2019-05-11）.
- ^ Hans Queisser. Computer History Museum. [17 January 2017]. （原始內容存檔於2018-12-13）.
- ^ S. Rühle. Tabulated values of the Shockley–Queisser limit for single junction solar cells. Solar Energy. 2016, 130: 139–147. Bibcode:2016SoEn..130..139R. doi:10.1016/j.solener.2016.02.015.
- ^ A. De Vos & H. Pauwels. On the Thermodynamic Limit of Photovoltaic Energy Conversion. Appl. Phys. 1981, 25 (2): 119–125. Bibcode:1981ApPhy..25..119D. S2CID 119693148. doi:10.1007/BF00901283.
- ^ De Vos, A. Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells. Journal of Physics D: Applied Physics. 1980, 13 (5): 839–846. Bibcode:1980JPhD...13..839D. doi:10.1088/0022-3727/13/5/018.
- ^ 6.0 6.1 Photovoltaic Cells (Solar Cells), How They Work. specmat.com. [2 May 2007]. （原始內容存檔於18 May 2007）.
外部連結
- Reproduction of the Shockley–Queisser calculation (PDF) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），使用Mathematica軟體程序，代碼用於計算此文的所有圖表。
延伸閱讀
- 納爾遜. 太阳能电池物理 第1版. 上海市番禺路951號: 上海交通大學出版社韓建民. 2011年9月: 236–239. ISBN 978-7-313-06999-3.