Product Design, Manufacturing & Innovation Resources
بيت » حد شوكلي-كوايسر

حد شوكلي-كوايسر

1961
  • William Shockley
  • Hans-Joachim Queisser
Research laboratory analyzing single p-n junction solar cell efficiency based on Shockley–Queisser Limit.

(صورة توضيحية فقط)

حد شوكلي-كويسر هو الحد الأقصى النظري لكفاءة خلية شمسية أحادية الوصلة من نوع pn. وهو يأخذ في الاعتبار فقط إعادة التركيب الإشعاعي وفقدان الإشعاع الناتج عن الجسم الأسود. بالنسبة لخلية أحادية الوصلة ذات فجوة نطاق مثالية تبلغ 1.34 إلكترون فولت تحت إضاءة شمسية قياسية (AM1عند 0.5 جيجاهرتز، تبلغ الكفاءة القصوى حوالي 33.7%. هذا الحد الأساسي يوجه أبحاث وتصميم الخلايا الشمسية.

The Shockley–Queisser (SQ) limit, also known as the detailed balance limit, provides a foundational ceiling on the energy conversion efficiency of solar cells. It is derived by analyzing the الديناميكية الحرارية balance between the energy absorbed from the sun and the energy lost by the cell. The model makes several key assumptions: the cell is a single p-n junction, it operates at a standard temperature (300 K), and it is illuminated by unconcentrated sunlight (AM1.5G spectrum).

The calculation accounts for several unavoidable loss mechanisms. First, photons with energy less than the semiconductor’s bandgap ([latex]E_g[/latex]) pass through the cell without being absorbed, contributing nothing to the current. Second, for photons with energy greater than the bandgap, the excess energy ([latex]E_{photon} – E_g[/latex]) is quickly lost as heat through thermalization, as the excited electron relaxes to the bottom of the conduction band. The voltage is thus limited by the bandgap, not the photon energy. The most significant loss mechanism considered in the SQ limit is radiative recombination. This is the reverse process of absorption, where an electron and hole recombine and emit a photon. In an ideal cell, this is the only recombination pathway. The cell, being at a non-zero temperature, also radiates energy as a black body.

By balancing the incoming photon flux from the sun with the outgoing flux from radiative recombination and black-body radiation, Shockley and Queisser derived the current-voltage characteristic of an ideal cell. The maximum power point on this curve defines the maximum efficiency. The efficiency is a strong function of the bandgap energy, peaking at ~33.7% for a bandgap of 1.34 eV, which is close to that of Gallium Arsenide (GaAs). For silicon ([latex]E_g \approx 1.12[/latex] eV), the limit is around 32%.

UNESCO Nomenclature: 2210
– Physics

يكتب

Theoretical Limit

خلل

أساسيات

الاستخدام

استخدام واسع النطاق

مقدمات

  • planck’s law of black-body radiation
  • einstein’s work on the photoelectric effect and stimulated emission
  • نظرية الوصلة p-n لأشباه الموصلات
  • thermodynamics principles, particularly the القانون الثاني

التطبيقات

  • معيار أداء الخلايا الشمسية أحادية الوصلة
  • تصميم الخلايا الشمسية متعددة الوصلات للتغلب على الحد
  • البحث في الخلايا الشمسية الحاملة للحرارة والخلايا الشمسية ذات التحويل العلوي/السفلي
  • النمذجة الاقتصادية لتكاليف الطاقة الشمسية

براءات الاختراع:

NA

أفكار ابتكارية محتملة

  • الخلايا الشمسية التي تستخدم النقاط الكمومية مع فجوات النطاق القابلة للضبط لتتناسب تمامًا مع ذروة المربع
  • أنظمة الطاقة الحرارية الضوئية التي تحول الحرارة المهدرة إلى ضوء ضيق النطاق لخلية شمسية مطابقة
  • مواد ذات فجوة نطاق ديناميكية تتكيف مع الطيف الشمسي المتغير طوال اليوم
  • luminescent solar concentrators that shift uv light to the optimal sq wavelength
  • تصميمات بلورية فوتونية تعمل على تعزيز الامتصاص فوق فجوة النطاق مباشرةً مع رفض الفوتونات التي تقع ضمن فجوة النطاق الفرعية
  • hybrid solar cells that use hot-carrier extraction for طاقة عالية photons and a standard p-n junction for lower-energy ones
  • المواد الخارقة التي تحد من انبعاث الخلايا بشكل زاوي لتقليل خسائر إعادة التركيب الإشعاعي
  • اكتشاف سبائك أشباه موصلات جديدة مدعومة بالذكاء الاصطناعي ذات فجوات نطاق مربعة مثالية وخصائص مادية
Related to: shockley-queisser limit, solar cell efficiency, thermodynamic limit, radiative recombination, bandgap, detailed balance, single-junction, black-body radiation.

السياق التاريخي

حد شوكلي-كوايسر

1960
1960
1960
1961
1962
1963
1965
1960
1960
1960
1960-05-16
1962
1963
1964
1968

(إذا كان التاريخ غير معروف أو غير ذي صلة، على سبيل المثال "ميكانيكا الموائع"، يتم توفير تقدير تقريبي لظهوره الملحوظ)

أحدث الإضافات

أهم المنشورات والمقالات

أفضل الأدوات الأصلية

السنة العاشرة عيد

الصور والتنزيلات بالحجم الكامل متاحة فقط، ومجانية تمامًا، للأعضاء المسجلين.