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शॉकली-क्वेसर सीमा

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

(यह छवि केवल उदाहरण के लिए बनाई गई है)

शॉकली-क्वेसर सीमा एकल पीएन जंक्शन सौर सेल के लिए अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता है। यह केवल विकिरण पुनर्संयोजन और ब्लैक-बॉडी विकिरण हानियों पर विचार करती है। मानक सौर रोशनी के तहत 1.34 ईवी के इष्टतम बैंडगैप वाले एकल-जंक्शन सेल के लिए (एएम1.5G पर, अधिकतम दक्षता लगभग 33.7% है। यह मूलभूत सीमा सौर सेल अनुसंधान और डिजाइन को निर्देशित करती है।

शॉकली-क्वेसर (SQ) सीमा, जिसे विस्तृत संतुलन सीमा के रूप में भी जाना जाता है, सौर सेल की ऊर्जा रूपांतरण दक्षता पर एक मूलभूत सीमा प्रदान करती है। यह विश्लेषण करके प्राप्त की जाती है। thermodynamic 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 (एएम1.5G spectrum).

इस गणना में कई अपरिहार्य हानि तंत्रों को ध्यान में रखा गया है। पहला, अर्धचालक के बैंडगैप (E_g) से कम ऊर्जा वाले फोटॉन अवशोषित हुए बिना सेल से गुजर जाते हैं और धारा में कोई योगदान नहीं देते। दूसरा, बैंडगैप से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉनों के लिए, अतिरिक्त ऊर्जा (E_photon - E_g) ऊष्मीकरण के माध्यम से ऊष्मा के रूप में शीघ्र ही नष्ट हो जाती है, क्योंकि उत्तेजित इलेक्ट्रॉन चालन बैंड के निचले भाग में शिथिल हो जाता है। इस प्रकार वोल्टेज बैंडगैप द्वारा सीमित होता है, न कि फोटॉन ऊर्जा द्वारा। SQ सीमा में माना जाने वाला सबसे महत्वपूर्ण हानि तंत्र विकिरण पुनर्संयोजन है। यह अवशोषण की विपरीत प्रक्रिया है, जिसमें एक इलेक्ट्रॉन और एक छिद्र पुनर्संयोजित होकर एक फोटॉन उत्सर्जित करते हैं। एक आदर्श सेल में, यही एकमात्र पुनर्संयोजन मार्ग है। सेल, शून्य से अधिक तापमान पर होने के कारण, एक ब्लैक बॉडी के रूप में ऊर्जा का विकिरण भी करता है।

सूर्य से आने वाले फोटॉन प्रवाह और विकिरण पुनर्संयोजन तथा ब्लैक-बॉडी विकिरण से निकलने वाले प्रवाह को संतुलित करके, शॉकली और क्वीसर ने एक आदर्श सेल की धारा-वोल्टेज विशेषता प्राप्त की। इस वक्र पर अधिकतम शक्ति बिंदु अधिकतम दक्षता को परिभाषित करता है। दक्षता बैंडगैप ऊर्जा का एक प्रबल फलन है, जो 1.34 eV के बैंडगैप के लिए लगभग 33.7% तक पहुँचती है, जो गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) के बैंडगैप के निकट है। सिलिकॉन ([latex]E_g approx 1.12[/latex] eV) के लिए, सीमा लगभग 32% है।

UNESCO Nomenclature: 2210
भौतिकी

Type

सैद्धांतिक सीमा

व्यवधान

मूलभूत

उपयोग

व्यापक उपयोग

शगुन

  • प्लैंक का ब्लैक-बॉडी विकिरण का नियम
  • प्रकाश विद्युत प्रभाव और उत्तेजित उत्सर्जन पर आइंस्टीन का कार्य
  • सेमीकंडक्टर पीएन जंक्शन सिद्धांत
  • ऊष्मागतिकी के सिद्धांत, विशेष रूप से दूसरा नियम

आवेदन

  • एकल-जंक्शन सौर सेल प्रदर्शन के लिए बेंचमार्क
  • सीमा को पार करने के लिए बहु-जंक्शन सौर सेल का डिजाइन
  • हॉट-कैरियर और अपकनवर्जन/डाउनकनवर्जन सौर सेल पर अनुसंधान
  • सौर ऊर्जा की लागतों का आर्थिक मॉडलिंग

पेटेंट:

NA

संभावित नवाचार विचार

  • क्वांटम डॉट्स का उपयोग करने वाले सौर सेल जिनमें वर्ग शिखर से पूरी तरह मेल खाने के लिए बैंडगैप को समायोजित किया जा सकता है।
  • थर्मो-फोटोवोल्टेइक सिस्टम अपशिष्ट ऊष्मा को संकीर्ण-बैंड प्रकाश में परिवर्तित करते हैं, जिसका उपयोग सौर सेल के लिए किया जाता है।
  • गतिशील बैंडगैप सामग्री जो दिन भर बदलते सौर स्पेक्ट्रम के अनुसार समायोजित हो जाती है
  • luminescent solar concentrators that shift uv light to the optimal sq wavelength
  • फोटोनिक क्रिस्टल डिज़ाइन जो बैंडगैप के ठीक ऊपर अवशोषण को बढ़ाते हैं जबकि सब-बैंडगैप फोटॉनों को अस्वीकार करते हैं।
  • hybrid solar cells that use hot-carrier extraction for उच्च ऊर्जा photons and a standard p-n junction for lower-energy ones
  • ऐसे मेटासामग्री जो विकिरण पुनर्संयोजन हानियों को कम करने के लिए कोशिका उत्सर्जन को कोणीय रूप से प्रतिबंधित करते हैं
  • आदर्श वर्गाकार बैंडगैप और भौतिक गुणों वाले नए अर्धचालक मिश्र धातुओं की एआई-संचालित खोज
संबंधित विषय: शॉकली-क्वेसर सीमा, सौर सेल दक्षता, ऊष्मागतिक सीमा, विकिरण पुनर्संयोजन, बैंडगैप, विस्तृत संतुलन, एकल-जंक्शन, ब्लैक-बॉडी विकिरण।

ऐतिहासिक संदर्भ

शॉकली-क्वेसर सीमा

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

(यदि तिथि अज्ञात है या प्रासंगिक नहीं है, उदाहरण के लिए "द्रव यांत्रिकी", तो इसके उल्लेखनीय उद्भव का एक अनुमानित आंकड़ा प्रदान किया गया है)

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