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쇼클리-퀘이서 한계

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

(설명을 위한 생성된 이미지입니다)

쇼클리-퀘이서 한계는 단일 pn 접합 태양 전지의 이론적 최대 효율입니다. 이는 복사 재결합과 흑체 복사 손실만을 고려합니다. 표준 태양광 조명 조건에서 최적 밴드갭이 1.34 eV인 단일 접합 전지의 경우,AM10.5G 대역에서 최대 효율은 약 33.7%입니다. 이러한 근본적인 한계가 태양 전지 연구 및 설계의 방향을 제시합니다.

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 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 (AM1.5G spectrum).

이 계산은 몇 가지 불가피한 손실 ​​메커니즘을 고려합니다. 첫째, 반도체의 밴드갭([latex]E_g[/latex])보다 에너지가 작은 광자는 흡수되지 않고 셀을 통과하여 전류에 아무런 영향을 미치지 않습니다. 둘째, 밴드갭보다 에너지가 큰 광자의 경우, 초과 에너지([latex]E_{photon} �E_g[/latex])는 여기된 전자가 전도대 바닥으로 이완되면서 열화 과정을 통해 빠르게 열로 손실됩니다. 따라서 전압은 광자 에너지가 아닌 밴드갭에 의해 제한됩니다. SQ 한계에서 고려되는 가장 중요한 손실 메커니즘은 복사 재결합입니다. 이는 흡수의 역과정으로, 전자와 정공이 재결합하여 광자를 방출하는 과정입니다. 이상적인 셀에서는 이것이 유일한 재결합 경로입니다. 셀은 0이 아닌 온도에 있으므로 흑체처럼 에너지를 방출하기도 합니다.

쇼클리와 퀘이서는 태양으로부터 들어오는 광자 플럭스와 복사 재결합 및 흑체 복사로부터 나가는 플럭스의 균형을 맞춰 이상적인 전지의 전류-전압 특성을 유도했습니다. 이 곡선에서 최대 전력 지점은 최대 효율을 나타냅니다. 효율은 밴드갭 에너지에 크게 의존하며, 갈륨비소(GaAs)의 밴드갭과 유사한 1.34 eV의 밴드갭에서 약 33.7%의 최고 효율을 보입니다. 실리콘([latex]E_g approx 1.12[/latex] eV)의 경우, 한계 효율은 약 32%입니다.

UNESCO Nomenclature: 2210
물리학

유형

이론적 한계

분열

기초적인

용법

널리 사용됨

전구체

  • 플랑크의 흑체 복사 법칙
  • 아인슈타인의 광전 효과와 유도 방출에 관한 연구
  • 반도체 pn 접합 이론
  • thermodynamics principles, particularly the second law

응용 프로그램

  • 단일 접합 태양 전지 성능 벤치마크
  • 한계를 극복하기 위한 다중 접합 태양 전지 설계
  • 고온 캐리어 및 상향/하향 변환 태양 전지에 대한 연구
  • 태양 에너지 비용에 대한 경제 모델링

특허:

NA

잠재적 혁신 아이디어

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관련 용어: 쇼클리-퀘이서 한계, 태양 전지 효율, 열역학적 한계, 복사 재결합, 밴드갭, 상세 균형, 단일 접합, 흑체 복사.

역사적 맥락

쇼클리-퀘이서 한계

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

(날짜를 알 수 없거나 관련이 없는 경우, 예를 들어 "유체역학"의 경우, 주목할 만한 등장 시기를 대략적으로 추정하여 제공합니다.)

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