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肖克利-奎伊瑟极限

九月 15, 2023

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或SQ极限，或物理学名词辐射效率极限）太阳能电池使用单PN结从电池中收集能量的理论最大效率，其中唯一的损失机制是太阳能电池中的辐射复合。它是由威廉·肖克利和Hans-Joachim Queisser于1961年在肖克利半导体实验室首次计算出来的，结果是1.1 eV时最高效率为30%[1]。此极限是利用光伏电池生产太阳能最基本的原理之一，并被认为是该领域最重要的贡献之一[2]。

光电转换效率的肖克利-奎伊瑟极限（不考虑太阳辐射）。曲线起波是由于大气层中的吸收带。在原始论文中[1]，太阳光谱由一个平滑曲线近似（6000K黑体光谱），所以效率光谱是平滑的，其值有微小差异。

最初的计算使用6000K黑体光谱作为太阳光谱的近似值，随后的计算使用了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/2）的能量中，只有33.7%能够转化为电能(337 W/2)。最流行的太阳能电池材料硅的带隙为1.1 eV，效率最高可达32%左右。现代商用单晶太阳能电池的转换效率约为24%，这种损耗很大程度上是由于实际需要，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（而且确实）超越这一极限，太阳能热和某些其他太阳能系统也可以。在极端极限下，对于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 编辑

 
肖克利-奎伊瑟极限，效率峰值附近区域的放大。

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的势垒[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，太阳光就产生了电流[6]。

参见 编辑

  • Landsberg极限
  • 热力学效率极限

参考文献 编辑

  1. ^ 1.0 1.1 William Shockley and Hans J. Queisser. (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）. 
  2. ^ . Computer History Museum. [17 January 2017]. （原始内容存档于2018-12-13）. 
  3. ^ 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. 
  4. ^ 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. 
  5. ^ 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. ^ 6.0 6.1 . 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. 

九月 15, 2023
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