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肖克利-奎塞尔极限

1961
  • William Shockley
  • Hans-Joachim Queisser
根据肖克利-奎塞尔极限分析单 p-n 结太阳能电池效率的研究实验室。

(图片仅供参考)

The Shockley–Queisser limit is the maximum theoretical efficiency for a single p-n junction solar cell. It considers only radiative recombination and black-body radiation losses. For a single-junction cell with an optimal bandgap of 1.34 eV under standard solar illumination (AM1.5G), the maximum efficiency is approximately 33.7%. This fundamental limit guides solar cell research and design.

肖克利-奎瑟 (SQ) 极限,也称为详细平衡极限,为太阳能电池的能量转换效率提供了基础上限。该极限是通过分析太阳吸收的能量与电池损失的能量之间的热力学平衡得出的。该模型基于几个关键假设:电池为单个 pn 结,工作温度为标准温度 (300 K),且受非聚光太阳光 (AM1.5G 光谱) 照射。

计算中考虑了几种不可避免的损耗机制。首先,能量小于半导体带隙([latex]E_g[/latex])的光子通过电池时不会被吸收,对电流没有任何贡献。其次,对于能量大于带隙的光子,当被激发的电子弛豫到传导带底部时,多余的能量([latex]E_{photon} - E_g[/latex])很快就会通过热化以热量的形式散失。因此,电压受限于带隙,而非光子能量。在 SQ 极限中,最重要的损耗机制是辐射重组。这是吸收的逆过程,即电子和空穴重新结合并发射光子。在理想电池中,这是唯一的重组途径。处于非零温度的电池也会像黑体一样辐射能量。.

通过平衡从太阳射入的光子通量与从辐射重组和黑体辐射射出的通量,肖克利和奎塞尔得出了理想电池的电流-电压特性。这条曲线上的最大功率点定义了最大效率。该效率是带隙能量的强函数,在带隙为 1.34 eV 时,峰值为 33.7%,接近砷化镓(GaAs)的带隙能量。对于硅([latex]E_g 约为 1.12[/latex] eV),极限约为 32%。.

UNESCO Nomenclature: 2210
- 物理学

类型

理论极限

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 普朗克黑体辐射定律
  • 爱因斯坦关于光电效应和受激发射的研究成果
  • 半导体pn结理论
  • 热力学原理,特别是第二定律

应用程序

  • 单结太阳能电池性能基准
  • 多结太阳能电池的设计克服了限制
  • 热载流子和上转换/下转换太阳能电池的研究
  • 太阳能成本的经济模型

专利:

NA

潜在创新理念

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相关内容: 休克利-奎塞尔极限、太阳能电池效率、热力学极限、辐射重组、带隙、详细平衡、单结、黑体辐射。.

历史背景

肖克利-奎塞尔极限

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1960-05-16
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1964
1968

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

相关发明、创新和技术原理

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