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Shockley-Queisser-Grenze

1961
  • William Shockley
  • Hans-Joachim Queisser
Forschungslabor zur Analyse des Wirkungsgrads von Solarzellen mit einem p-n-Übergang auf der Grundlage der Shockley-Queisser-Grenze.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Die Shockley-Queisser-Grenze ist der maximale theoretische Wirkungsgrad einer einzelnen pn-Übergangssolarzelle. Sie berücksichtigt nur die Strahlungsrekombination und Verluste durch Schwarzkörperstrahlung. Für eine einzelne pn-Übergangszelle mit einer optimalen Bandlücke von 1,34 eV unter Standard-Sonnenbeleuchtung (AM1Bei .5G beträgt der maximale Wirkungsgrad etwa 33,7 %. Diese grundlegende Grenze ist richtungsweisend für die Forschung und Entwicklung von Solarzellen.

Die Shockley-Queisser-Grenze (SQ-Grenze), auch als detaillierte Bilanzgrenze bekannt, gibt eine grundlegende Obergrenze für den Wirkungsgrad von Solarzellen an. Sie wird durch die Analyse der thermodynamischen Bilanz zwischen der von der Sonne absorbierten Energie und dem Energieverlust der Zelle abgeleitet. Das Modell basiert auf mehreren wichtigen Annahmen: Die Zelle besteht aus einem einzelnen pn-Übergang, arbeitet bei einer Standardtemperatur (300 K) und wird von unkonzentriertem Sonnenlicht (AM1.5G-Spektrum) beleuchtet.

Bei der Berechnung werden mehrere unvermeidliche Verlustmechanismen berücksichtigt. Erstens: Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke des Halbleiters ([latex]E_g[/latex]) passieren die Zelle, ohne absorbiert zu werden, und tragen nicht zum Strom bei. Zweitens geht bei Photonen mit einer Energie, die größer als die Bandlücke ist, die überschüssige Energie ([latex]E_{Photon} - E_g[/latex]) schnell als Wärme durch Thermisierung verloren, da das angeregte Elektron zum unteren Ende des Leitungsbandes relaxiert. Die Spannung wird also durch die Bandlücke und nicht durch die Photonenenergie begrenzt. Der wichtigste Verlustmechanismus im SQ-Limit ist die strahlende Rekombination. Dabei handelt es sich um den umgekehrten Prozess der Absorption, bei dem ein Elektron und ein Loch rekombinieren und ein Photon emittieren. In einer idealen Zelle ist dies der einzige Rekombinationspfad. Da die Zelle eine Temperatur ungleich Null hat, strahlt sie auch Energie ab wie ein schwarzer Körper.

Durch die Bilanzierung des von der Sonne eintreffenden Photonenflusses mit dem durch Strahlungsrekombination und Schwarzkörperstrahlung ausgehenden Fluss leiteten Shockley und Queisser die Strom-Spannungs-Kennlinie einer idealen Zelle ab. Der Punkt maximaler Leistung auf dieser Kurve definiert den maximalen Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist stark von der Bandlückenenergie abhängig und erreicht bei einer Bandlücke von 1,34 eV, die der von Galliumarsenid (GaAs) nahe kommt, einen Spitzenwert von ~33,7%. Bei Silizium ([latex]E_g \ca. 1,12[/latex] eV) liegt die Grenze bei etwa 32%.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Physik

Typ

Theoretische Grenze

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Plancksches Gesetz der Schwarzkörperstrahlung
  • einsteins arbeit über den photoelektrischen effekt und die stimulierte emission
  • Theorie der pn-Übergänge von Halbleitern
  • Prinzipien der Thermodynamik, insbesondere der zweite Hauptsatz

Anwendungen

  • Benchmark für die Leistung von Einfachsolarzellen
  • Design von Mehrfachsolarzellen zur Überwindung der Grenze
  • Forschung zu Hot-Carrier- und Upconversion/Downconversion-Solarzellen
  • wirtschaftliche Modellierung der Solarenergiekosten

Patente:

NA

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Verwandt mit: Shockley-Queisser-Grenze, Solarzellenwirkungsgrad, thermodynamische Grenze, strahlende Rekombination, Bandlücke, detailliertes Gleichgewicht, Einzelübergang, Schwarzkörperstrahlung.

Historischer Kontext

Shockley-Queisser-Grenze

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

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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