肖克利-奎伊瑟極限

在物理學中，肖克利-奎伊瑟極限（亦稱細緻平衡極限、精細平衡轉換效率極限、SQ極限、或輻射效率極限）是使用單PN結的太陽能電池從電池中收集能量的理論最大效率，其中唯一能量損失的機制是太陽能電池中的輻射複合。它由威廉·肖克利和Hans-Joachim Queisser於1961年在肖克利半導體實驗室首次計算得出，其結論為材料帶隙為1.1 eV時，電池達到最大效率30%^[1]。此極限是生產太陽能最基本的原理之一，亦並被認為是該領域最重要的理論基礎之一^[2]。

光電轉換效率的肖克利-奎伊瑟極限（不考慮太陽輻射）。曲線起波是由於大氣層中的吸收帶。在原始論文中^[1]，太陽光譜由一個平滑曲線近似（6000K黑體光譜），所以效率光譜是平滑的，其值有微小差異。

最初的計算使用6000K黑體光譜模擬太陽光譜，隨後的計算使用了實際測量的全球太陽光譜AM 1.5，並包括一個背面反射鏡，它將帶隙為1.34 eV的單結太陽能電池的最大太陽轉換效率提高到33.16%^[3]，也就是說，所有落在理想太陽能電池上的陽光（約1000 W/m²）的能量中，只有33.7%能夠轉化為電能(337 W/m²)。最流行的太陽能電池材料硅的帶隙為1.1 eV，其理論最高效率約為32%。現代商用單晶太陽能電池的轉換效率約為24%，這種損耗很大程度是因為電池外部的影響，比如電池正面的反射和電池表面細線的光阻塞。

肖克利-奎伊瑟極限僅適用於單PN結的傳統太陽能電池，多層太陽能電池可以（而且的確）超越這一極限，太陽能熱機和某些其他太陽能系統也可以。更極端地，具有無限層數的多結太陽能電池，正常日照時的極限為68.7%^[4]，聚光日照時的極限為86.8%^[5]（參見光電轉換效率）。

背景

肖克利-奎伊瑟極限，效率峰值附近區域的放大。

在諸如硅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，它有額外的自由電子，另一個是p型半導體，它沒有自由電子，稱為「空穴」。當它們剛開始彼此接觸時，n型半導體部分中的一些電子會將流入p型半導體部分以「填補」缺失的電子，最終會有足夠的電子流過邊界，使兩種材料的費米能級相等，形成界面上的一個區域PN結，界面兩側的載流子被耗盡。在硅中，這種電子的轉移產生大約0.6 V到0.7 V的電勢^[6]。

當材料置於太陽光下時，來自太陽光的光子可以被吸收到半導體的p型側，使得價帶中電子的能量被提升到導帶，這個過程被稱為光激發。顧名思義，導帶中的電子可以在半導體中自由移動。當一個負載整體地加在電池上時，這些電子將從p型一側流向n型一側，在通過外部電路時消耗能量，然後回到p型材料，與它們留下的價帶空穴重新結合。這樣便可利用太陽光產生電流^[6]。

參見

• Landsberg極限
• 熱力學效率極限