肖克利-奎伊瑟極限是由William Shockley和Hans Queisser在1961年首次計算出來的。
基本介紹
- 中文名：肖克利-奎伊瑟極限
- 外文名：Shockley-Queisser limit
- 提出者：Shockley和Queisser
- 提出時間：1961年
簡介,背景,限制,黑體輻射,重組,頻譜損失,其他考慮因素,移動的局限性,非輻射複合,
簡介
它是由William Shockley和Hans Queisser在1961年首次計算出來的。太陽能電池的能量轉換效率是“標準測試條件”（STC）下從陽光轉換為電能的功率百分比。 STC條件在美國大陸的春季和秋季分數近似太陽中午，太陽能電池的表面直接瞄準太陽。對於任何類型的單結太陽能電池，現代SQ極限計算的最大效率為33%。 Shockley和Queisser的原始計算是矽太陽能電池的30%。當前的太陽能電池生產效率隨著半導體材料的帶隙而變化，如左圖所示。請參閱連線和帶隙的頁面。 SunPower於2012年3月報導，最好的現代生產矽電池效率在電池級別為24%，在模組級別為20%。在實驗室，新太陽能電池效率由新南威爾斯大學悉尼澳大利亞25%。與SQ限制相關的許多假設將其對所有類型的太陽能電池的普遍適用性限制在內。儘管目前正在開展多項計畫，以尋找SQ Limit方案，但仍然適用於當今市場上99.9%的太陽能電池。
背景
在諸如矽的傳統固態半導體中，太陽能電池由兩個摻雜晶體製成，一個是n型半導體，其具有額外的自由電子，另一個是p型半導體，其缺少自由電子，被稱為作為“洞”。當最初彼此接觸時，n型部分中的一些電子將流入p型以“填充”缺失的電子。最終將足以流過邊界以均衡兩種材料的費米能級。結果是界面處的區域，即p-n結，其中電荷載流子在界面的每一側被耗盡。在矽中，這種電子轉移產生約0.6 V至0.7 V的勢壘。
當材料被放置在太陽下時，來自太陽光的光子可以在半導體的p型側被吸收，導致價帶中的電子被能量促進到導帶。這個過程稱為光激發。顧名思義，導帶中的電子可以自由地圍繞半導體移動。當負載整體放置在電池上時，這些電子將從n型側流入p型側，在通過外部電路移動時失去能量，然後返回到p型材料中可以與他們留下的價帶孔重新結合。通過這種方式，太陽光會產生電流。
限制
Shockley-Queisser極限是通過檢查每個入射陽光的光子提取的電能量來計算的。有幾個注意事項：
黑體輻射
任何不是絕對零度（0開爾文）的材料都會通過黑體輻射效應發射電磁輻射。在室溫下的電池中，這代表了落在電池上的所有能量的大約7%。
電池中損失的任何能量都會變成熱量，因此當電池放置在陽光下時，電池中的任何低效率都會增加電池溫度。隨著電池溫度的升高，通過傳導和對流的輸出輻射和熱量損失也會增加，直到達到平衡。在實踐中，這種平衡通常在高達360開爾文的溫度下達到，因此，電池通常以低於其室溫額定值的效率運行。模組數據表通常將此溫度依賴性列為TNOCT（NOCT - 標稱工作單元溫度）。
對於常溫下的“黑體”，這種輻射的很小一部分（每單位時間和每單位面積的數量由Qc給出，“c”為“細胞”）是能量大於帶隙的光子（波長小於對於矽來說，這些光子的一部分（Shockley和Queisser使用因子tc）是通過電子和空穴的複合產生的，這減少了否則可能產生的電流量。這是一個非常小的影響，但是Shockley和Queisser假設當電池兩端的電壓為零（短路或沒有光）時，總重組率與黑體輻射Qc成正比。這種重組率對效率起負面作用。 Shockley和Queisser計算出QK為每平方厘米1700光子，矽為300K。
重組
光子的吸收產生電子 - 空穴對，這可能有助於當前電流。 然而，根據平衡原理，反向過程也必須是可能的：電子和空穴可以相遇並重新組合，發射光子。 該過程降低了電池的效率。 其他重組過程也可能存在，但絕對需要這一過程。
頻譜損失
由於將電子從價帶移動到導帶的行為需要能量，因此只有具有超過該能量的光子才會產生電子 - 空穴對。 在矽中，導帶距離價帶約1.1eV，這對應于波長為約1.1微米的紅外光。 換句話說，紅色，黃色和藍色光以及一些近紅外光子將有助於發電，而無線電波，微波和大多數紅外光子則不會。這立即限制了可以從太陽中提取的能量。 在AM1.5太陽光的1,000 W /m2中，約19%的能量小於1.1 eV，並且不會在矽電池中產生功率。
其他考慮因素
肖克利和奎瑟的工作只考慮了最基本的物理學; 還有許多其他因素會進一步降低理論效力。
移動的局限性
當通過光激發射出電子時，它先前被束縛的原子留下淨正電荷。 在正常條件下，原子將從周圍原子中拉出電子以中和自身。 然後該原子將試圖從另一個原子中除去電子，依此類推，產生一個穿過細胞的電離鏈反應。 由於這些可以被視為正電荷的運動，因此將它們稱為“空穴”（一種虛擬正電子）是有用的。
非輻射複合
電子和空穴之間的重組在太陽能電池中是有害的，因此設計者試圖將其最小化。 然而，輻射複合 - 當電子和空穴重新組合以產生離開細胞進入空氣的光子時 - 是不可避免的，因為它是光吸收的時間逆轉過程。 因此，Shockley-Queisser計算考慮了輻射重組; 但它（樂觀地）假設沒有其他重組來源。 可以通過考慮重組的其他原因來計算低於Shockley-Queisser限制的更現實的限制。 這些包括缺陷和晶界的複合。
在晶體矽中，即使沒有晶體缺陷，仍然存在俄歇複合，其發生頻率遠高於輻射複合。 考慮到這一點，晶體矽太陽能電池的理論效率計算為29.4%。
