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PN结太阳能电池细致平衡转化效率极限
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1961年Shockley和Queisser发表论文计算PN节太阳能电池理论转化效率[1]。通过谷歌学术搜索检索，截止2012年4月28日，这篇文章引用了1354次。属于太阳能电池研究人员必读论文。
最常用的太阳能电池材料有硅(Si)、砷化镓(GaAs)、碲化镉(CdTe)，都属于半导体，都有PN节，而且是对着阳光放置的面积很大的PN节(和微电子器件的PN节比起来很大)。太阳能电池的正常工作状态是PN节正偏。
那么太阳能电池的转化效率理论极限是什么呢？
细致平衡模型假设：
1. 太阳光谱中能量大于带隙(Eg)的光子全部被太阳能电池吸收，并产生一个电子空穴对。
2. 太阳光谱中能量小于Eg的光子不产生电子空穴对。
3. 载流子迁移率无穷大，因此准费米能级是平的。
细致平衡要求：
载流子产生速率 - 载流子复合率 = 电子收集速率
写成公式：G - R = I/q
第一项：载流子产生速率是阳光辐射中能量大于Eg的光子数，由阳光辐射决定，是固定值。
第二项：如果进一步假设太阳能电池中没有non-radiative recombination,那么这一项是太阳能电池辐射出去的能量大于Eg的光子数。由太阳能电池温度和太阳能电池输出电压决定。
第三项：输出电流中的电子数，等于电流除以单位电荷电量。
太阳能电池的输出功率为：电流乘以电压
写成公式：Power = (G - R)*q * V
太阳能电池最高的输出电压就是PN节正偏的电压，此电压一定小于内建电势差，也小于半导体带隙。
电压越大每个收集的电子能做的功就越大。但太阳能电池是一个正偏的PN节，正偏的PN节同时也是"LED"，向外发射光子，正偏越大（即输出电压越大）向外发射的光子越多（而且随电压的e指数增加），即电流变小。因此有一个最优的电压，能得到最高的输出功率。
根据理论计算可知，在地球上、温度300K、正对着太阳放置的单节太阳能电池最大转化效率百分之三十多一点。
[1]William Shockley and Hans J. Queisser, "Detailed Balance Limit of Efficiency of pn Junction Solar Cells", J. Appl. Phys. 32, 510 (1961)
https://blog.sciencenet.cn/blog-421815-564665.html
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