Предел Шокли–Квайссера

Синонимы: Предел детального баланса, Предел эффективности Шокли-Квайссера, Предел SQ, Предел радиационной эффективности

В физике предел Шокли–Квайссера (также известный как предел детального баланса, предел эффективности Шокли-Квайссера, предел SQ, или предел радиационной эффективности) - это максимальная теоретическая эффективность солнечного фотоэлектрического элемента с одним p-n-переходом, в котором единственным механизмом потерь является излучательная рекомбинация. Поглощение фотона создает пару электрон-дырка, которая потенциально может вносить свой вклад в электрический ток. Однако должен быть возможен и обратный процесс, согласно принципу детального баланса: электрон и дырка могут встретиться и рекомбинировать, испуская фотон. Этот процесс снижает эффективность солнечного элемента. Также могут существовать другие процессы рекомбинации, но этот происходит обязательно.

Впервые данный предел был рассчитан Уильямом Шокли и Хансом-Иоахимом Квайссером в лаборатории Shockley Semiconductor в 1961 году. Согласно их расчётам однопереходный фотоэлектричекий элемент c шириной запрещённой зоны 1,1 эВ имеет максимальную эффективность (КПД) в 30%. Этот первый расчёт использовал спектр черного тела 6000K в качестве приближения к солнечному спектру. В последующих же расчётах использовались измеренные глобальные солнечные спектры (AM1.5G) и зеркало с тыловой поверхности, которое увеличивало максимальную эффективность до 33,7% для солнечного полупроводникового элемента с шириной запрещенной зоны 1,34 эВ. Данный предел является одним из самых важных фундаментальных факторов в фотовольтаике.

Предел заключается в том, что максимальная эффективность преобразования солнечной энергии составляет около 33,7% для фотоэлектрического элемента с одним p-n-переходом, при соблюдении типичных условий для солнечного света (неконцентрированный, солнечный спектр при атмосферной массе AM 1,5) и с учетом других оговорок и предположений, приведённых ниже. Этот максимум достигается при ширине запрещенной зоны полупроводника - 1,34 эВ. То есть из всей мощности солнечного света (около 1000 Вт/м2), приходящейся на идеальный солнечный элемент, только 33,7% от этой мощности можно преобразовать в электричество (337 Вт/м2). Самый популярный материал для фотоэлектрических элементов, кремний, имеет менее благоприятную ширину запрещенной зоны - 1,1 эВ, что обеспечивает максимальную эффективность около 32%. Современные промышленные монокристаллические солнечные элементы могут иметь до 24% эффективности преобразования. Потери при этом в основном связаны с практическими проблемами, такими как отражение от передней части элемента и блокировка света от сетки токоснимающих проводов на поверхности элемента.

Предел Шокли–Квайссера для эффективности солнечного фотоэлектрического элемента без концентрации солнечного излучения. Кривая извилистая из-за полос поглощения в атмосфере. В оргинальной статье спектр Солнца был аппроксимирован гладкой кривой, спектром чёрного тела 6000K. В результате график эффективности получился гладким, а значения немного отличались.

Предел Шокли–Квайссера применяется только к обычным солнечным элементам с одним p-n-переходом; многослойные солнечные элементы с несколькими p-n-переходами могут и действительно превосходят этот предел, как и солнечные тепловые, концентрирующие и некоторые другие солнечные энергетические системы. В крайнем пределе, для многопереходного солнечного элемента с бесконечным числом слоев соответствующий предел эффективности составляет 68,7% для обычного солнечного света или 86,8% при использовании концентрированного солнечного света.

Pin It on Pinterest