肖克利-奎伊瑟极限

在物理学中，辐射效率极限（也称为详细平衡极限，肖克利-奎伊瑟极限，Shockley Queisser 效率极限或 SQ 极限）是使用单个 p-n 结从太阳能电池收集能量的最 大理论效率 唯 一损耗机制是太阳能电池中的辐射复合的电池。

它首先由肖克利半导体（Shockley Semiconductor）的肖克莱（William Shockley）和 Hans-Joachim Queisser 于 1961 年计算得出，在 1.1 eV 时的最 大效率为 30%。 该限制是光伏电池生产太阳能最基本的限制之一，被认为是该领域最重要的贡献之一。

第 一次计算使用 6000K 黑体光谱作为太阳光谱的近似值。 随后的计算使用了测得的全球太阳光谱，AM 1.5，并包括一个后表面镜，它可以将带隙为 1.34 eV 的单结太阳能电池的最 大太阳能转换效率提高到 33.16%。 也就是说，在落在理想太阳能电池上的阳光中包含的所有能量（约 1000 W/m2）中，只有 33.7% 可以转化为电能（337 W/m2）。

最流行的太阳能电池材料硅具有不太有利的 1.1 eV 带隙，导致最 大效率约为 32%。

现代商业单晶太阳能电池产生约 24% 的转换效率，损失主要是由于实际问题，如电池正面的反射和电池表面细线的光阻挡。

肖克利-奎伊瑟极限仅适用于具有单个p-n结的常规太阳能电池； 多层太阳能电池可以（并且确实）超越这个限制，太阳能热能和某些其他太阳能系统也可以。 在极限情况下，对于具有无限层数的多结太阳能电池，对应的极限是正常阳光下的 68.7%，或使用集中阳光下的 86.8%。

在传统的固态半导体（如硅）中，太阳能电池由两种掺杂晶体制成，一种是具有额外自由电子的 n 型半导体，另一种是缺乏自由电子的 p 型半导体，称为 作为孔。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，足够多的物质会流过边界，使两种材料的费米能级相等。 结果是在界面处形成一个区域，即 p-n 结，其中载流子在界面的每一侧都被耗尽。 在硅中，这种电子转移会产生大约 0.6 V 至 0.7 V 的势垒。

当将材料放在太阳下时，来自太阳光的光子可以被半导体的 p 型侧吸收，导致价带中的电子在能量上被提升到导带。 这个过程被称为光激发。 顾名思义，导带中的电子可以在半导体中自由移动。 当负载作为一个整体放置在电池上时，这些电子将从 p 型侧流入 n 型侧，在通过外部电路时失去能量，然后回到 p 型材料中 可以与它们留下的价带空穴重新结合。 通过这种方式，阳光会产生电流。

肖克利-奎伊瑟极限是通过检查入射太阳光的每个光子提取的电能来计算的。 有几个考虑因素：

任何非绝 对零 (0 开尔文) 的材料都会通过黑体辐射效应发出电磁辐射。 在室温下的电池中，这大约占落在电池上的所有能量的 7%。

电池中损失的任何能量都会转化为热量，因此当电池置于阳光下时，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，通过传导和对流的传出辐射和热损失也会增加，直到达到平衡。

实际上，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 - 标称工作电池温度）。

对于常温下的黑体，这种辐射的很小一部分（由 Qc 给出的每单位时间和每单位面积的数量，c 表示电池）是能量大于带隙的光子（硅的波长小于约 1.1 微米） )，并且这些光子的一部分（肖克利和奎塞尔使用因子 tc）是由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 Shockley 和 Queisser 假设重组的总速率。