肖克利-奎伊瑟极限

在物理学中，肖克利-奎伊瑟极限（亦称细致平衡极限、精细平衡转换效率极限或SQ极限，或物理学名词辐射效率极限）太阳能电池使用单PN结从电池中收集能量的理论最大效率，其中唯一的损失机制是太阳能电池中的辐射复合。它是由威廉·肖克利和Hans-Joachim Queisser于1961年在肖克利半导体实验室首次计算出来的，结果是1.1 eV时最高效率为30%。此极限是利用光伏电池生产太阳能最基本的原理之一，并被认为是该领域最重要的贡献之一。

最初的计算使用6000K黑体光谱作为太阳光谱的近似值，随后的计算使用了测量的全球太阳光谱AM 1.5，并包括一个背面反射镜，它将带隙为1.34 eV的单结太阳能电池的最大太阳转换效率提高到33.16%，也就是说，所有落在理想太阳能电池上的阳光（约1000 W/2）的能量中，只有33.7%能够转化为电能(337 W/2)。最流行的太阳能电池材料硅的带隙为1.1 eV，效率最高可达32%左右。现代商用单晶太阳能电池的转换效率约为24%，这种损耗很大程度上是由于实际需要，比如电池正面的反射和电池表面细线的光阻塞。

肖克利-奎伊瑟极限仅适用于单PN结的传统太阳能电池，多层太阳能电池可以（而且确实）超越这一极限，太阳能热和某些其他太阳能系统也可以。在极端极限下，对于具有无限层数的多结太阳能电池，正常日照时的极限为68.7%，聚光日照时的极限为86.8%（参见光电转换效率）。

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，它有额外的自由电子，另一个是p型半导体，它没有自由电子，称为“空穴”。当它们刚开始彼此接触时，n型半导体部分中的一些电子会将流入p型半导体部分以“填补”缺失的电子，最终会有足够的电子流过边界，使两种材料的费米能级相等，形成界面上的一个区域PN结，界面两侧的载流子被耗尽。在硅中，这种电子的转移产生大约0.6 V到0.7 V的势垒。

当材料置于太阳光下时，来自太阳光的光子可以被吸收到半导体的p型侧，使得价带中电子的能量被提升到导带，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。当一个负载整体地加在电池上时，这些电子将从p型一侧流向n型一侧，在通过外部电路时消耗能量，然后回到p型材料，与它们留下的价带空穴重新结合。这样，太阳光就产生了电流。

参见
 Landsberg极限
 热力学效率极限

参考文献

外部链接
 Reproduction of the Shockley–Queisser calculation (PDF) ，使用Mathematica软件程序，代码用于计算此文的所有图表。

延伸阅读
 

太阳能电池
能源转换
太阳能光伏