肖克利-奎伊瑟极限
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在物理学中，肖克利-奎伊瑟极限（亦称细致平衡极限、精细平衡转换效率极限、SQ极限、或辐射效率极限）是使用单PN结的太阳能电池从电池中收集能量的理论最大效率，其中唯一能量损失的机制是太阳能电池中的辐射复合。它由威廉·肖克利和Hans-Joachim Queisser于1961年在肖克利半导体实验室首次计算得出，其结论为材料带隙为1.1 eV时，电池达到最大效率30%[1]。此极限是生产太阳能最基本的原理之一，亦并被认为是该领域最重要的理论基础之一[2]。
最初的计算使用6000K黑体光谱模拟太阳光谱，随后的计算使用了实际测量的全球太阳光谱AM 1.5，并包括一个背面反射镜，它将带隙为1.34 eV的单结太阳能电池的最大太阳转换效率提高到33.16%[3]，也就是说，所有落在理想太阳能电池上的阳光（约1000 W/m2）的能量中，只有33.7%能够转化为电能(337 W/m2)。最流行的太阳能电池材料硅的带隙为1.1 eV，其理论最高效率约为32%。现代商用单晶太阳能电池的转换效率约为24%，这种损耗很大程度是因为电池外部的影响，比如电池正面的反射和电池表面细线的光阻塞。
肖克利-奎伊瑟极限仅适用于单PN结的传统太阳能电池，多层太阳能电池可以（而且的确）超越这一极限，太阳能热机和某些其他太阳能系统也可以。更极端地，具有无限层数的多结太阳能电池，正常日照时的极限为68.7%[4]，聚光日照时的极限为86.8%[5]（参见光电转换效率）。
背景
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在诸如硅的传统固态半导体中，太阳能电池由两个掺杂晶体制成，一个是n型半导体，它有额外的自由电子，另一个是p型半导体，它没有自由电子，称为“空穴”。当它们刚开始彼此接触时，n型半导体部分中的一些电子会将流入p型半导体部分以“填补”缺失的电子，最终会有足够的电子流过边界，使两种材料的费米能级相等，形成界面上的一个区域PN结，界面两侧的载流子被耗尽。在硅中，这种电子的转移产生大约0.6 V到0.7 V的电势[6]。
当材料置于太阳光下时，来自太阳光的光子可以被吸收到半导体的p型侧，使得价带中电子的能量被提升到导带，这个过程被称为光激发。顾名思义，导带中的电子可以在半导体中自由移动。当一个负载整体地加在电池上时，这些电子将从p型一侧流向n型一侧，在通过外部电路时消耗能量，然后回到p型材料，与它们留下的价带空穴重新结合。这样便可利用太阳光产生电流[6]。
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ 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. （原始内容 (PDF)存档于2019-05-11）.
- ^ Hans Queisser. Computer History Museum. [17 January 2017]. （原始内容存档于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]. （原始内容存档于18 May 2007）.
外部链接
[编辑]- Reproduction of the Shockley–Queisser calculation (PDF) （页面存档备份，存于互联网档案馆），使用Mathematica软件程序，代码用于计算此文的所有图表。
延伸阅读
[编辑]- 纳尔逊. 太阳能电池物理 第1版. 上海市番禺路951号: 上海交通大学出版社韩建民. 2011年9月: 236–239. ISBN 978-7-313-06999-3.