[科普中国]-肖克利-奎伊瑟极限

肖克利-奎伊瑟极限是由William Shockley和Hans Queisser在1961年首次计算出来的。

简介它是由William Shockley和Hans Queisser在1961年首次计算出来的。太阳能电池的能量转换效率是“标准测试条件”（STC）下从阳光转换为电能的功率百分比。 STC条件在美国大陆的春季和秋季分数近似太阳中午，太阳能电池的表面直接瞄准太阳。对于任何类型的单结太阳能电池，现代SQ极限计算的最大效率为33%。 Shockley和Queisser的原始计算是硅太阳能电池的30%。当前的太阳能电池生产效率随着半导体材料的带隙而变化，如左图所示。请参阅连接和带隙的页面。 SunPower于2012年3月报道，最好的现代生产硅电池效率在电池级别为24%，在模块级别为20%。在实验室，新太阳能电池效率由新南威尔士大学悉尼澳大利亚25%。与SQ限制相关的许多假设将其对所有类型的太阳能电池的普遍适用性限制在内。尽管目前正在开展多项计划，以寻找SQ Limit方案，但仍然适用于当今市场上99.9%的太阳能电池。1

背景在诸如硅的传统固态半导体中，太阳能电池由两个掺杂晶体制成，一个是n型半导体，其具有额外的自由电子，另一个是p型半导体，其缺少自由电子，被称为作为“洞”。当最初彼此接触时，n型部分中的一些电子将流入p型以“填充”缺失的电子。最终将足以流过边界以均衡两种材料的费米能级。结果是界面处的区域，即p-n结，其中电荷载流子在界面的每一侧被耗尽。在硅中，这种电子转移产生约0.6 V至0.7 V的势垒。

当材料被放置在太阳下时，来自太阳光的光子可以在半导体的p型侧被吸收，导致价带中的电子被能量促进到导带。这个过程称为光激发。顾名思义，导带中的电子可以自由地围绕半导体移动。当负载整体放置在电池上时，这些电子将从p型侧流入n型侧，在通过外部电路移动时失去能量，然后返回到p型材料中可以与他们留下的价带孔重新结合。通过这种方式，太阳光会产生电流。

限制Shockley-Queisser极限是通过检查每个入射阳光的光子提取的电能量来计算的。有几个注意事项：

黑体辐射任何不是绝对零度（0开尔文）的材料都会通过黑体辐射效应发射电磁辐射。在室温下的电池中，这代表了落在电池上的所有能量的大约7%。

电池中损失的任何能量都会变成热量，因此当电池放置在阳光下时，电池中的任何低效率都会增加电池温度。随着电池温度的升高，通过传导和对流的输出辐射和热量损失也会增加，直到达到平衡。在实践中，这种平衡通常在高达360开尔文的温度下达到，因此，电池通常以低于其室温额定值的效率运行。模块数据表通常将此温度依赖性列为TNOCT（NOCT - 标称工作单元温度）。

对于常温下的“黑体”，这种辐射的很小一部分（每单位时间和每单位面积的数量由Qc给出，“c”为“细胞”）是能量大于带隙的光子（波长小于对于硅来说，这些光子的一部分（Shockley和Queisser使用因子tc）是通过电子和空穴的复合产生的，这减少了否则可能产生的电流量。这是一个非常小的影响，但是Shockley和Queisser假设当电池两端的电压为零（短路或没有光）时，总重组率与黑体辐射Qc成正比。这种重组率对效率起负面作用。 Shockley和Queisser计算出QK为每平方厘米1700光子，硅为300K。

重组光子的吸收产生电子 - 空穴对，这可能有助于当前电流。 然而，根据平衡原理，反向过程也必须是可能的：电子和空穴可以相遇并重新组合，发射光子。 该过程降低了电池的效率。 其他重组过程也可能存在，但绝对需要这一过程。

频谱损失由于将电子从价带移动到导带的行为需要能量，因此只有具有超过该能量的光子才会产生电子 - 空穴对。 在硅中，导带距离价带约1.1eV，这对应于波长为约1.1微米的红外光。 换句话说，红色，黄色和蓝色光以及一些近红外光子将有助于发电，而无线电波，微波和大多数红外光子则不会。这立即限制了可以从太阳中提取的能量。 在AM1.5太阳光的1,000 W /m²中，约19%的能量小于1.1 eV，并且不会在硅电池中产生功率。

其他考虑因素肖克利和奎瑟的工作只考虑了最基本的物理学; 还有许多其他因素会进一步降低理论效力。

移动的局限性当通过光激发射出电子时，它先前被束缚的原子留下净正电荷。 在正常条件下，原子将从周围原子中拉出电子以中和自身。 然后该原子将试图从另一个原子中除去电子，依此类推，产生一个穿过细胞的电离链反应。 由于这些可以被视为正电荷的运动，因此将它们称为“空穴”（一种虚拟正电子）是有用的。

非辐射复合电子和空穴之间的重组在太阳能电池中是有害的，因此设计者试图将其最小化。 然而，辐射复合 - 当电子和空穴重新组合以产生离开细胞进入空气的光子时 - 是不可避免的，因为它是光吸收的时间逆转过程。 因此，Shockley-Queisser计算考虑了辐射重组; 但它（乐观地）假设没有其他重组来源。 可以通过考虑重组的其他原因来计算低于Shockley-Queisser限制的更现实的限制。 这些包括缺陷和晶界的复合。

在晶体硅中，即使没有晶体缺陷，仍然存在俄歇复合，其发生频率远高于辐射复合。 考虑到这一点，晶体硅太阳能电池的理论效率计算为29.4%。

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学