शॉक्ले-क्विसर सीमा

भौतिकी में, विकिरण दक्षता सीमा (विस्तृत संतुलन सीमा, शॉकली-क्विज़र सीमा, शॉक्ले क्विज़र क्षमता सीमा या SQ सीमा के रूप में भी जानी जाती है) सौर सेल की अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता है जो सेल से बिजली एकत्र करने के लिए एकल पी-एन जंक्शन का उपयोग करती है। एकमात्र नुकसान तंत्र सौर सेल में विकिरण पुनर्संयोजन है। इसकी पहली बार गणना 1961 में शॉक्ले सेमीकंडक्टर में विलियम शॉक्ले और हंस जोआचिम क्विसर द्वारा की गई थी, जो 1.1 eV पर 30% की अधिकतम दक्षता प्रदान करता है। सीमा फोटोवोल्टिक कोशिकाओं के साथ सौर ऊर्जा उत्पादन के लिए सबसे मौलिक है, और इसे क्षेत्र में सबसे महत्वपूर्ण योगदानों में से एक माना जाता है। यह पहली गणना सौर स्पेक्ट्रम के सन्निकटन के रूप में 6000K ब्लैक-बॉडी स्पेक्ट्रम का उपयोग करती है। बाद की गणनाओं में मापा वैश्विक सौर स्पेक्ट्रा, वायु द्रव्यमान (सौर ऊर्जा) | एएम 1.5 का उपयोग किया गया है, और इसमें बैक सरफेस मिरर शामिल है जो 1.34 eV के बैंडगैप के साथ सिंगल-जंक्शन सोलर सेल के लिए अधिकतम सौर रूपांतरण दक्षता को 33.16% तक बढ़ाता है। अर्थात सूर्य के प्रकाश में निहित समस्त शक्ति (लगभग 1000 W/m2)  आदर्श सौर सेल पर गिरते हुए, उसका केवल 33.7% ही बिजली में बदल सकता है (337 W/m2). सबसे लोकप्रिय सौर सेल सामग्री, सिलिकॉन में 1.1 eV का कम अनुकूल बैंड गैप है, जिसके परिणामस्वरूप अधिकतम दक्षता लगभग 32% है। आधुनिक वाणिज्यिक मोनो-क्रिस्टलाइन सौर सेल लगभग 24% रूपांतरण दक्षता का उत्पादन करते हैं, बड़े पैमाने पर व्यावहारिक चिंताओं जैसे सेल के सामने प्रतिबिंब और सेल की सतह पर पतले तारों से प्रकाश रुकावट के कारण होने वाले नुकसान।

शॉक्ले-क्विसर सीमा केवल पी-एन जंक्शन के साथ पारंपरिक सौर कोशिकाओं पर लागू होती है; कई परतों वाले सौर सेल इस सीमा को पार कर सकते हैं (और करते हैं), और इसलिए सौर तापीय और कुछ अन्य सौर ऊर्जा प्रणालियां भी कर सकते हैं। चरम सीमा में, अनंत परतों वाली मल्टी-जंक्शन सौर सेल के लिए, सामान्य सूर्य के प्रकाश के लिए संबंधित सीमा 68.7% है, या 86.8% केंद्रित धूप का उपयोग कर (सौर सेल दक्षता देखें)।

कहाँ $$f_\omega Q_s$$ सेल प्रति इकाई क्षेत्र पर पड़ने वाले बैंड-गैप ऊर्जा के ऊपर फोटॉनों की संख्या है, और टीsइनमें से वह अंश है जो इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म उत्पन्न करता है। पीढ़ी की इस दर को I कहा जाता हैshक्योंकि यह शॉर्ट सर्किट करंट (प्रति यूनिट एरिया) है। जब कोई भार होता है, तब V शून्य नहीं होगा और हमारे पास सूर्य के प्रकाश के कारण जोड़े की

पृष्ठभूमि
पारंपरिक ठोस अवस्था ([[इलेक्ट्रॉनिक्स)]] | ठोस अवस्था अर्धचालक जैसे सिलिकॉन में, सौर सेल दो डोप्ड क्रिस्टल से बना होता है,  एन-प्रकार अर्धचालक, जिसमें अतिरिक्त मुक्त इलेक्ट्रॉन छेद हैं, और दूसरा  पी-प्रकार अर्धचालक होता है, जो मुक्त इलेक्ट्रॉनों की कमी है, जिसे इलेक्ट्रॉन छिद्र कहा जाता है। जब प्रारंभिक रूप से एक दूसरे के संपर्क में रखा जाता है, तो एन-टाइप भाग में कुछ इलेक्ट्रॉन लापता इलेक्ट्रॉनों को भरने के लिए पी-टाइप में प्रवाहित होंगे। अंततः दो सामग्रियों के फर्मी स्तरों को बराबर करने के लिए सीमा के पार पर्याप्त प्रवाह होगा। नतीजा इंटरफ़ेस पर एक क्षेत्र है, पीएन जंक्शन, जहां इंटरफ़ेस के प्रत्येक तरफ चार्ज वाहक कम हो जाते हैं। सिलिकॉन में, इलेक्ट्रॉनों का यह स्थानांतरण लगभग 0.6  वाल्ट  से 0.7 वोल्ट का संभावित अवरोध पैदा करता है। जब सामग्री को धूप में रखा जाता है, तो सूर्य के प्रकाश से फोटोन को सेमीकंडक्टर के पी-टाइप साइड में अवशोषित किया जा सकता है, जिससे संयोजी बंध में इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में ऊर्जा में बढ़ावा दिया जा सकता है। इस प्रक्रिया को photoexcitation  के रूप में जाना जाता है। जैसा कि नाम से ही स्पष्ट है, चालन बैंड में इलेक्ट्रॉन अर्धचालक के बारे में स्थानांतरित करने के लिए स्वतंत्र हैं। जब पूरे सेल में लोड रखा जाता है, तो ये इलेक्ट्रॉन पी-टाइप साइड से एन-टाइप साइड में प्रवाहित होंगे, बाहरी सर्किट के माध्यम से चलते समय ऊर्जा खो देंगे, और फिर पी-टाइप सामग्री में वापस चले जाएंगे जहां वे वे अपने पीछे छोड़े गए वैलेंस-बैंड छेदों के साथ फिर से जुड़ सकते हैं। इस प्रकार सूर्य का प्रकाश विद्युत धारा का निर्माण करता है।

सीमा
शॉक्ले-क्विसर सीमा की गणना आने वाली धूप के प्रति फोटॉन से निकाली गई विद्युत ऊर्जा की मात्रा की जांच करके की जाती है। कई विचार हैं:

श्याम पिंडों से उत्पन्न विकिरण
कोई भी सामग्री, जो पूर्ण शून्य (0 केल्विन) पर नहीं है, कृष्णिका विकिरण प्रभाव के माध्यम से विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्सर्जन करती है। कमरे के तापमान पर सेल में, यह सेल पर गिरने वाली सभी ऊर्जा का लगभग 7% प्रतिनिधित्व करता है।

सेल में खोई हुई कोई भी ऊर्जा गर्मी में बदल जाती है, इसलिए सेल में किसी भी अक्षमता से सेल का तापमान बढ़ जाता है जब इसे सूर्य के प्रकाश में रखा जाता है। जैसे-जैसे सेल का तापमान बढ़ता है, बाहर जाने वाला विकिरण और चालन और संवहन के माध्यम से गर्मी का नुकसान भी बढ़ता है, जब तक कि संतुलन नहीं हो जाता। व्यवहार में, यह संतुलन सामान्य रूप से 360 केल्विन के उच्च तापमान पर पहुंच जाता है, और इसके परिणामस्वरूप, कोशिकाएं सामान्य रूप से अपने कमरे के तापमान की रेटिंग की तुलना में कम क्षमता पर काम करती हैं। मॉड्यूल डेटाशीट सामान्य रूप से इस तापमान निर्भरता को सूचीबद्ध करते हैं $T_{NOCT}$ (एनओसीटी - नाममात्र ऑपरेटिंग सेल तापमान)।

सामान्य तापमान पर कृष्णिका के लिए, इस विकिरण का  बहुत छोटा हिस्सा (संख्या प्रति इकाई समय और प्रति इकाई क्षेत्र द्वारा दिया जाता है $Q_{c}$, सेल के लिए c) बैंड गैप (वेवलेंथ सिलिकॉन के लिए लगभग 1.1 माइक्रोन से कम) से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन हैं, और इन फोटॉनों का हिस्सा (शॉकली और क्विसर कारक टी का उपयोग करते हैं)c) इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के पुनर्संयोजन से उत्पन्न होते हैं, जो अन्यथा उत्पन्न होने वाली धारा की मात्रा को कम कर देता है। यह  बहुत छोटा प्रभाव है, लेकिन शॉक्ले और क्विसर मानते हैं कि पुनर्संयोजन की कुल दर (नीचे देखें) जब सेल में वोल्टेज शून्य (शॉर्ट सर्किट या कोई प्रकाश नहीं) ब्लैकबॉडी विकिरण के समानुपाती होता है $Q_{c}$. पुनर्संयोजन की यह दर दक्षता में नकारात्मक भूमिका निभाती है। शॉक्ले और क्विसर गणना करते हैं $Q_{c}$ 300K पर सिलिकॉन के लिए 1700 फोटॉन प्रति सेकंड प्रति वर्ग सेंटीमीटर होना चाहिए।

पुनर्संयोजन
फोटॉन का अवशोषण इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी बनाता है, जो संभावित रूप से वर्तमान में योगदान दे सकता है। हालांकि, विस्तृत संतुलन के सिद्धांत के अनुसार, विपरीत प्रक्रिया भी संभव होनी चाहिए:  इलेक्ट्रॉन और  छिद्र मिल सकते हैं और  फोटान उत्सर्जित कर सकते हैं। यह प्रक्रिया सेल की दक्षता को कम करती है। अन्य पुनर्संयोजन प्रक्रियाएं भी मौजूद हो सकती हैं (नीचे अन्य विचार देखें), लेकिन यह बिल्कुल आवश्यक है।

शॉकली-क्विसर मॉडल में, पुनर्संयोजन दर सेल भर में वोल्टेज पर निर्भर करती है, लेकिन सेल पर प्रकाश पड़ने या न होने पर भी यह समान है। कारक एफcपुनर्संयोजन का अनुपात देता है जो कुल पुनर्संयोजन को विकिरण पैदा करता है, इसलिए प्रति इकाई क्षेत्र में पुनर्संयोजन की दर जब V = 0 2t हैcQc/एफcऔर इस प्रकार Q पर निर्भर करता हैc, बैंड-गैप ऊर्जा के ऊपर ब्लैकबॉडी फोटॉन का प्रवाह। 2 का कारक इस धारणा पर शामिल किया गया था कि सेल द्वारा उत्सर्जित विकिरण दोनों दिशाओं में जाता है। (यह वास्तव में विवादास्पद है यदि  परावर्तक सतह का उपयोग छायादार पक्ष पर किया जाता है।) जब वोल्टेज गैर-शून्य होता है, तो आवेश वाहकों (इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों) की सांद्रता बदल जाती है (शॉकले डायोड समीकरण देखें), और लेखकों के अनुसार दर ऍक्स्प के  कारक द्वारा पुनर्संयोजन परिवर्तन (V/Vc), जहां वीcसेल के तापमान, या थर्मल वोल्टेज के बराबर वोल्टेज है, अर्थात्


 * $$V_c=kT_c/q$$

(q इलेक्ट्रॉन का आवेश है)। इस प्रकार पुनर्संयोजन की दर, इस मॉडल में, exp(V/Vc) बैंड-गैप एनर्जी के ऊपर ब्लैकबॉडी रेडिएशन का गुना:


 * $$Q_c = \int_{\nu_g}^\infty\frac 1{\exp\left(\frac{h\nu}{kT_c}\right)-1}e^\frac{qV}{kT_c}\frac{2\pi\nu^2}{c^2}d\nu$$

(यह वास्तव में सन्निकटन है, जब तक कोशिका काली पिंड के रूप में कार्य करने के लिए पर्याप्त मोटी है, तब तक सही है, अधिक सटीक अभिव्यक्ति के लिए
 * $$Q_c = \int_{\nu_g}^\infty\frac 1{\exp\left(\frac{h\nu-qV}{kT_c}\right)-1}\frac{2\pi\nu^2}{c^2}d\nu,$$

अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता में अंतर हालांकि नगण्य रूप से छोटा है, 200meV से नीचे के छोटे बैंडगैप को छोड़कर। )

आने वाले सूर्य के प्रकाश के कारण इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों की पीढ़ी की दर समान नहीं रहती है, इसलिए पुनर्संयोजन घटा सहज पीढ़ी है

$$I_0[\exp(V/V_c)-1].$$ कहाँ $$I_0=2qt_cQ_c/f_c.$$ (शॉकली और क्विसर एफ लेते हैंcस्थिर होना, हालांकि वे मानते हैं कि यह स्वयं वोल्टेज पर निर्भर हो सकता है।)

सूर्य के प्रकाश के कारण इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों के उत्पन्न होने की दर है


 * $$I_{sh}=q(t_sf_\omega Q_s-2t_cQ_c)$$

कहाँ $$f_\omega Q_s$$ सेल प्रति इकाई क्षेत्र पर पड़ने वाले बैंड-गैप ऊर्जा के ऊपर फोटॉनों की संख्या है, और टीsइनमें से वह अंश है जो इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म उत्पन्न करता है। पीढ़ी की इस दर को I कहा जाता हैshक्योंकि यह शॉर्ट सर्किट करंट (प्रति यूनिट एरिया) है। जब कोई भार होता है, तब V शून्य नहीं होगा और हमारे पास सूर्य के प्रकाश के कारण जोड़े की पीढ़ी की दर के बराबर वर्तमान है जो पुनर्संयोजन और सहज पीढ़ी के बीच का अंतर है:


 * $$I=I_{sh}-I_0[\exp(V/V_c)-1].$$

ओपन-सर्किट वोल्टेज इसलिए दिया गया है (एफcवोल्टेज पर निर्भर नहीं करता है) द्वारा


 * $$V_{oc}=V_c\ln\left(\frac{I_{sh}}{I_0}+1\right).$$

शॉर्ट-सर्किट करंट I का उत्पादshऔर ओपन-सर्किट वोल्टेज वीocशॉकले और क्विसर नाममात्र की शक्ति कहते हैं। वास्तव में इस मात्रा की शक्ति को सेल से बाहर निकालना संभव नहीं है, लेकिन हम करीब आ सकते हैं (नीचे प्रतिबाधा मिलान देखें)।

ओपन-सर्किट वोल्टेज का अनुपात बैंड-गैप वोल्टेज शॉकली और क्विसर कॉल वी। ओपन-सर्किट स्थितियों के तहत, हमारे पास है


 * $$\ln I_{sh}=\ln I_0+\ln[\exp(V/V_c)-1].$$

असम्बद्ध रूप से, यह देता है


 * $$-V_g/V_s\sim-V_g/V_c+V/V_c$$

या


 * $$V/V_g\sim1-V_c/V_s$$

कहाँ $V_{s}$ सूर्य के तापमान के बराबर वोल्टेज है। अनुपात के रूप में $V_{c}/V_{s}$ शून्य पर जाता है, ओपन-सर्किट वोल्टेज बैंड-गैप वोल्टेज में जाता है, और जैसे ही यह एक पर जाता है, ओपन-सर्किट वोल्टेज शून्य हो जाता है। यही कारण है कि अगर सेल गर्म हो जाता है तो दक्षता गिर जाती है। वास्तव में यह अभिव्यक्ति सूर्य के तापमान पर ताप स्रोत से और सेल के तापमान पर गर्मी सिंक से प्राप्त की जा सकने वाली कार्य की मात्रा की थर्मोडायनामिक ऊपरी सीमा का प्रतिनिधित्व करती है।

स्पेक्ट्रम घाटा
चूंकि इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड तक ले जाने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है, केवल उस मात्रा से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन  इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी का उत्पादन करेंगे। सिलिकॉन में चालन बैंड वैलेंस बैंड से लगभग 1.1 eV दूर होता है, यह लगभग 1.1 माइक्रोन के तरंग दैर्ध्य के साथ अवरक्त प्रकाश से मेल खाता है। दूसरे शब्दों में, लाल, पीले और नीले प्रकाश के फोटॉन और कुछ निकट-अवरक्त बिजली उत्पादन में योगदान देंगे, जबकि रेडियो तरंगें, माइक्रोवेव और अधिकांश अवरक्त फोटॉन नहीं होंगे। यह सूर्य से निकाली जा सकने वाली ऊर्जा की मात्रा पर  तत्काल सीमा रखता है। 1,000 W/m का2 AM1.5 सूर्य के प्रकाश में, इसके लगभग 19% में 1.1 eV से कम ऊर्जा होती है, और यह  सिलिकॉन सेल में शक्ति का उत्पादन नहीं करेगा।

घाटे में एक और महत्वपूर्ण योगदानकर्ता यह है कि ऊर्जा अंतराल  ऊर्जा के ऊपर और उससे परे कोई भी ऊर्जा खो जाती है। जबकि नीले प्रकाश में लाल प्रकाश की तुलना में लगभग दोगुनी ऊर्जा होती है, वह ऊर्जा एकल p-n जंक्शन वाले उपकरणों द्वारा ग्रहण नहीं की जाती है। नीले फोटॉन द्वारा टकराने पर इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा के साथ बाहर निकलता है, लेकिन यह इस अतिरिक्त ऊर्जा को खो देता है क्योंकि यह पीएन जंक्शन (ऊर्जा गर्मी में परिवर्तित हो जाती है) की ओर जाता है। यह लगभग 33% घटना सूर्य के प्रकाश के लिए है, जिसका अर्थ है कि, सिलिकॉन के लिए, अकेले स्पेक्ट्रम के नुकसान से लगभग 48% की सैद्धांतिक रूपांतरण दक्षता सीमा है, अन्य सभी कारकों की अनदेखी करते हुए।

बैंडगैप के चयन में ट्रेड-ऑफ है। यदि बैंड गैप बड़ा है, तो उतने फोटॉन जोड़े नहीं बनाते हैं, जबकि यदि बैंड गैप छोटा है, तो इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े में उतनी ऊर्जा नहीं होती है।

शॉकले और क्विसर स्पेक्ट्रम हानियों से जुड़े दक्षता कारक को कहते हैं $I(V)$, परम दक्षता समारोह के लिए। शॉकले और क्विसर ने गणना की कि सूर्य के प्रकाश के लिए सबसे अच्छा बैंड गैप 1.1 ईवी होता है, सिलिकॉन के लिए मूल्य, और एक देता है u}44% का। उन्होंने सूर्य के प्रकाश के लिए 6000K के ब्लैकबॉडी विकिरण का उपयोग किया, और पाया कि तब इष्टतम बैंड गैप में 2.2 kT की ऊर्जा होगीs. (उस मान पर, कृष्णिका विकिरण ऊर्जा का 22% बैंड गैप से नीचे होगा।) अधिक सटीक स्पेक्ट्रम का उपयोग करने से थोड़ा अलग इष्टतम मिल सकता है। 6000 K पर कृष्णिका 7348 W प्रति वर्ग सेंटीमीटर उत्सर्जित करती है, इसलिए के लिए  मान $u$ 44% और का मान $u$ फोटॉन प्रति जूल (1.09 V के बैंड गैप के अनुरूप, शॉक्ले और क्विसर द्वारा उपयोग किया गया मान) देता है $5.73$ के बराबर $Q_{s}$ फोटॉन प्रति सेकंड प्रति वर्ग सेंटीमीटर।

प्रतिबाधा मिलान
यदि भार का प्रतिरोध बहुत अधिक है, तो धारा बहुत कम होगी, जबकि यदि भार प्रतिरोध बहुत कम है, तो इसके आर-पार वोल्टेज की गिरावट बहुत कम होगी। इष्टतम भार प्रतिरोध है जो किसी दिए गए रोशनी स्तर पर सौर सेल से सबसे अधिक शक्ति खींचेगा। शॉक्ले और क्विसर निकाले गए शक्ति के अनुपात को कहते हैं $I_{sh}V_{oc}$ प्रतिबाधा मिलान कारक, $1.85$. (इसे सोलर सेल एफिशिएंसी #फिल फैक्टर भी कहा जाता है।) इष्टतम आकार पर निर्भर करता है $m$ बनाम $I$ वक्र। बहुत कम रोशनी के लिए, वक्र कमोबेश विकर्ण रेखा है, और $V$ 1/4 होगा। लेकिन उच्च रोशनी के लिए, $m$ दृष्टिकोण 1. शॉक्ले और क्विसर ग्राफ दिखा रहे हैं $m$ अनुपात के  समारोह के रूप में $m$ ओपन-सर्किट वोल्टेज से थर्मल वोल्टेज $z_{oc}$. लेखकों के अनुसार, यह अनुपात द्वारा अच्छी तरह से अनुमानित है $ln(fQ_{s}/Q_{c})$, कहाँ $V_{c}$ कारकों का संयोजन है $f_{s}f_{ω}t_{s}/(2t_{c})$, जिसमें $f$ π से विभाजित सूर्य का ठोस कोण है। का अधिकतम मूल्य $f_{ω}$ प्रकाश की सघनता के बिना (उदाहरण के लिए परावर्तकों के साथ) बस है $f_{ω}/2$, या $f$, लेखकों के अनुसार। के उपर्युक्त मूल्यों का उपयोग करना $1.09$ और $Q_{s}$, यह 32.4 के थर्मल वोल्टेज के लिए ओपन-सर्किट वोल्टेज का अनुपात देता है ($Q_{c}$ बैंड गैप के 77% के बराबर)। लेखक समीकरण प्राप्त करते हैं


 * $$z_{oc}=z_m+\ln(1+z_m)$$

जिसे खोजने के लिए हल किया जा सकता है $V_{oc}$, इष्टतम वोल्टेज से थर्मल वोल्टेज का अनुपात। एक के लिए zoc}32.4 का, हम पाते हैं $z_{m}$ 29.0 के बराबर। तब कोई सूत्र का उपयोग कर सकता है


 * $$m=\frac{z_m^2/z_{oc}}{1+z_m-\exp(-z_m)}$$

प्रतिबाधा मिलान कारक खोजने के लिए। एक के लिए zoc}32.4 का, यह 86.5% आता है।

सब एक साथ
अकेले स्पेक्ट्रम के नुकसान को ध्यान में रखते हुए, सौर सेल में 48% (या शॉकली और क्विसर के अनुसार 44% - उनके अंतिम दक्षता कारक) की सर्वोच्च सैद्धांतिक दक्षता होती है। इस प्रकार स्पेक्ट्रम हानियाँ खोई हुई शक्ति के विशाल बहुमत का प्रतिनिधित्व करती हैं। पुनर्संयोजन के प्रभाव और I बनाम V वक्र सहित, दक्षता निम्नलिखित समीकरण द्वारा वर्णित है:


 * $$\eta=t_su(x_g)v(f,x_c,x_g)m(vx_g/x_c)$$

साथ


 * $$x_g=V_g/V_s$$
 * $$x_c=V_c/V_s$$

कहाँ $z_{m}$, $u$, और $v$ क्रमशः परम दक्षता कारक हैं, ओपन-सर्किट वोल्टेज V का अनुपातop बैंड-गैप वोल्टेज वी के लिएg, और प्रतिबाधा मिलान कारक (सभी ऊपर चर्चा की गई), और Vc थर्मल वोल्टेज है, और वीs सूर्य के तापमान के बराबर वोल्टेज है। दे $m$ 1 हो, और तीन कारकों के लिए 44%, 77%, और 86.5% के ऊपर उल्लिखित मूल्यों का उपयोग करने से लगभग 29% समग्र दक्षता मिलती है। शॉकले और क्विसर अपने सार में 30% कहते हैं, लेकिन विस्तृत गणना नहीं करते हैं। एक और हालिया संदर्भ देता है, एकल-जंक्शन सेल के लिए, लगभग 33.7% का सैद्धांतिक शिखर प्रदर्शन, या लगभग 337 डब्ल्यू/एम2 AM1.5 में।

जब रिफ्लेक्टर या लेंस का उपयोग करके सूर्य के प्रकाश की मात्रा बढ़ाई जाती है, तो कारक $f_{ω}$ (और इसलिए $t_{s}$) अधिक होगा। यह दोनों को ऊपर उठाता है $f$ और $v$. शॉकली और क्विसर में विभिन्न मूल्यों के लिए बैंड गैप के कार्य के रूप में समग्र दक्षता दिखाने वाला ग्राफ शामिल है $m$. 1 के मान के लिए, ग्राफ 40% से अधिक की अधिकतम दक्षता दिखाता है, 44% की अंतिम दक्षता (उनकी गणना से) के करीब पहुंच रहा है।

अन्य विचार
शॉकले और क्विसर के काम को केवल सबसे बुनियादी भौतिकी माना जाता है; ऐसे कई अन्य कारक हैं जो सैद्धांतिक शक्ति को और कम करते हैं।

सीमित गतिशीलता
जब इलेक्ट्रॉन को प्रकाशउत्तेजना के माध्यम से बाहर निकाला जाता है, तो जिस परमाणु से वह पहले बंधा हुआ था, वह  शुद्ध सकारात्मक आवेश के साथ छोड़ दिया जाता है। सामान्य परिस्थितियों में, परमाणु खुद को बेअसर करने के लिए आसपास के परमाणु से  इलेक्ट्रॉन को खींच लेगा। वह परमाणु तब दूसरे परमाणु से  इलेक्ट्रॉन को हटाने का प्रयास करेगा, और आगे,  आयनीकरण श्रृंखला प्रतिक्रिया उत्पन्न करेगा जो सेल के माध्यम से चलती है। चूँकि इन्हें  धनात्मक आवेश की गति के रूप में देखा जा सकता है, इसलिए उन्हें छिद्रों के रूप में संदर्भित करना उपयोगी होता है, एक प्रकार का आभासी धनात्मक इलेक्ट्रॉन।

इलेक्ट्रॉनों की तरह, छेद सामग्री के चारों ओर घूमते हैं और इलेक्ट्रॉनों के स्रोत की ओर आकर्षित होंगे। आम तौर पर इन्हें सेल की पिछली सतह पर इलेक्ट्रोड के माध्यम से प्रदान किया जाता है। इस बीच, चालन-बैंड इलेक्ट्रॉन सामने की सतह पर इलेक्ट्रोड की ओर आगे बढ़ रहे हैं। कई कारणों से, सिलिकॉन में छिद्र इलेक्ट्रॉनों की तुलना में बहुत धीमी गति से चलते हैं। इसका मतलब यह है कि परिमित समय के दौरान जब इलेक्ट्रॉन पी-एन जंक्शन की तरफ आगे बढ़ रहा है, तो यह पिछले फोटोएक्सिटेशन द्वारा पीछे छोड़े गए धीरे-धीरे चलने वाले छेद से मिल सकता है। जब ऐसा होता है, तो इलेक्ट्रॉन उस परमाणु पर पुनर्संयोजित होता है, और ऊर्जा खो जाती है (आमतौर पर उस ऊर्जा के  फोटॉन के उत्सर्जन के माध्यम से, लेकिन विभिन्न प्रकार की संभावित प्रक्रियाएं होती हैं)।

पुनर्संयोजन उत्पादन की दर पर ऊपरी सीमा रखता है;  निश्चित दर से आगे गति में इतने छेद होते हैं कि नए इलेक्ट्रॉन कभी भी पी-एन जंक्शन तक नहीं पहुंच पाएंगे। सिलिकॉन में यह सामान्य परिचालन स्थितियों के तहत सैद्धांतिक प्रदर्शन को ऊपर बताए गए थर्मल नुकसान के ऊपर और 10% कम कर देता है। उच्च इलेक्ट्रॉन (या छिद्र) गतिशीलता वाली सामग्री सिलिकॉन के प्रदर्शन में सुधार कर सकती है; गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) कोशिकाएं केवल इस प्रभाव के कारण वास्तविक दुनिया के उदाहरणों में लगभग 5% प्राप्त करती हैं। उज्ज्वल प्रकाश में, जब यह उदाहरण के लिए दर्पण या लेंस द्वारा केंद्रित होता है, तो यह प्रभाव बढ़ जाता है। सामान्य सिलिकॉन कोशिकाएं जल्दी से संतृप्त हो जाती हैं, जबकि GaAs 1500 गुना अधिक सांद्रता में सुधार जारी रखता है।

गैर-विकिरण पुनर्संयोजन
सौर सेल में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के बीच पुनर्संयोजन हानिकारक है, इसलिए डिजाइनर इसे कम करने की कोशिश करते हैं। हालांकि, विकिरण पुनर्संयोजन - जब इलेक्ट्रॉन और छेद  फोटॉन बनाने के लिए फिर से जुड़ते हैं जो सेल से हवा में बाहर निकलते हैं - अपरिहार्य है, क्योंकि यह प्रकाश अवशोषण की समय-उलट प्रक्रिया है। इसलिए, शॉक्ले-क्विज़र गणना में विकिरण पुनर्संयोजन को ध्यान में रखा जाता है; लेकिन यह मानता है (आशावादी रूप से) कि पुनर्संयोजन का कोई अन्य स्रोत नहीं है। पुनर्संयोजन के अन्य कारणों को ध्यान में रखते हुए अधिक यथार्थवादी सीमाएं, जो शॉक्ली-क्विज़र सीमा से कम हैं, की गणना की जा सकती है। इनमें दोषों और अनाज की सीमाओं पर पुनर्संयोजन शामिल है।

क्रिस्टलीय सिलिकॉन में, भले ही कोई क्रिस्टलीय दोष न हो, फिर भी बरमा पुनर्संयोजन होता है, जो विकिरण पुनर्संयोजन की तुलना में बहुत अधिक बार होता है। इसे ध्यान में रखते हुए, क्रिस्टलीय सिलिकॉन सौर कोशिकाओं की सैद्धांतिक दक्षता 29.4% होने की गणना की गई।

आवृत्ति-निर्भर अवशोषण
ओजडेमिर-बैरोन विधि सौर दक्षता सीमा की गणना में दो अतिरिक्त कारकों पर विचार करती है, अर्थात्, कुछ सामग्रियों में अवशोषण और परावर्तन की आवृत्ति निर्भरता। शॉक्ले-क्विसेर सीमा के अनुसार, अर्धचालकों की सौर सेल दक्षता सामग्री के बैंड गैप पर निर्भर करती है। यहाँ, यह माना जाता है कि सामग्री के बैंड गैप के ऊपर ऑप्टिकल अवशोषण शुरू होता है। हालांकि, परिमित तापमान के कारण, ऑप्टिकल अंतर के नीचे ऑप्टिकल उत्तेजना संभव है। हम इसे तापमान के आधार पर ऑप्टिकल गैप के नीचे काल्पनिक ढांकता हुआ फ़ंक्शन की पूंछ से स्पष्ट रूप से देख सकते हैं। चूँकि काल्पनिक ढांकता हुआ कार्य ऑप्टिकल गैप के नीचे कम, गैर-शून्य होने के बावजूद, ऑप्टिकल गैप के नीचे प्रकाश का अवशोषण होता है। पर्याप्त मोटी सामग्री के लिए यह महत्वपूर्ण अवशोषण पैदा कर सकता है। शॉक्ले-क्विसेर सीमा में, सामग्री के बैंड गैप के ऊपर 100% प्रकाश अवशोषण ग्रहण किया जाता है। हालाँकि, इस धारणा के साथ दो समस्याएँ हैं। सबसे पहले, परिमित तापमान पर सामग्री के बैंड गैप के नीचे अवशोषण हो सकता है। दूसरे, सामग्री का प्रतिबिंब गैर-शून्य है, इसलिए बैंड गैप के ऊपर अवशोषण 100% नहीं हो सकता है। इन दो समस्याओं को ओजडेमिर-बैरोन पद्धति से हल किया गया है।

सीमा से अधिक
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि शॉक्ले और क्विसर का विश्लेषण निम्नलिखित मान्यताओं पर आधारित था:
 * 1) इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी आने वाले फोटॉन प्रति उत्साहित
 * 2) बैंड गैप से अधिक इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ी ऊर्जा की थर्मल छूट
 * 3) गैर-केंद्रित धूप के साथ रोशनी

इनमें से कोई भी धारणा आवश्यक रूप से सत्य नहीं है, और बुनियादी सीमा को महत्वपूर्ण रूप से पार करने के लिए कई अलग-अलग दृष्टिकोणों का उपयोग किया गया है।

मल्टीजंक्शन सेल
उच्च दक्षता वाले सौर सेलों के लिए सबसे व्यापक रूप से खोजा गया मार्ग मल्टीजंक्शन फोटोवोल्टिक सेल रहा है, जिसे टेंडेम सेल के रूप में भी जाना जाता है। ये सेल कई p-n जंक्शनों का उपयोग करते हैं, प्रत्येक को स्पेक्ट्रम की विशेष आवृत्ति के लिए ट्यून किया जाता है। यह ऊपर चर्चा की गई समस्या को कम करता है, कि  दिए गए बैंडगैप वाली सामग्री बैंडगैप के नीचे सूरज की रोशनी को अवशोषित नहीं कर सकती है, और बैंडगैप के ऊपर सूरज की रोशनी का पूरा फायदा नहीं उठा सकती है। सबसे आम डिजाइन में,  उच्च-बैंडगैप सौर सेल शीर्ष पर बैठता है, उच्च-ऊर्जा, कम-तरंग दैर्ध्य प्रकाश को अवशोषित करता है, और बाकी को प्रसारित करता है। इसके नीचे  निचला-बैंडगैप सौर सेल है जो कुछ कम-ऊर्जा, लंबी-तरंग दैर्ध्य प्रकाश को अवशोषित करता है। उस एक के नीचे एक और कोशिका हो सकती है, जिसमें कुल चार परतें हों।

इन मल्टीजंक्शन कोशिकाओं की मौलिक दक्षता सीमाओं की गणना एकल-जंक्शन कोशिकाओं के समान फैशन में काम करती है, इस चेतावनी के साथ कि कुछ प्रकाश अन्य आवृत्तियों में परिवर्तित हो जाएंगे और संरचना के भीतर फिर से उत्सर्जित होंगे। इन विचारों को ध्यान में रखते हुए मूल शॉक्ले-क्विज़र विश्लेषण के समान विधियों का उपयोग करने से समान परिणाम उत्पन्न होते हैं; एक दो-परत सेल 42% दक्षता, तीन-परत सेल 49%, और सैद्धांतिक अनंत-परत सेल 68% गैर-केंद्रित धूप में पहुंच सकता है।

तिथि करने के लिए उत्पादित अधिकांश टेंडेम कोशिकाएं तीन परतों का उपयोग करती हैं, जो नीले (शीर्ष पर), पीले (मध्य) और लाल (नीचे) में ट्यून की जाती हैं। इन कोशिकाओं को अर्धचालकों के उपयोग की आवश्यकता होती है जिन्हें विशिष्ट आवृत्तियों पर ट्यून किया जा सकता है, जिसके कारण उनमें से अधिकांश गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) यौगिकों से बने होते हैं, अक्सर लाल के लिए जर्मेनियम, पीले के लिए GaAs और GaInP2 नीले रंग के लिए। वे माइक्रोप्रोसेसर निर्माण के समान तकनीकों का उपयोग करके उत्पादन करने के लिए बहुत महंगे हैं, लेकिन कई सेंटीमीटर के पैमाने पर चिप के आकार के साथ। ऐसे मामलों में जहां एकमुश्त प्रदर्शन ही एकमात्र विचार है, ये कोशिकाएं आम हो गई हैं; वे उदाहरण के लिए उपग्रह अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, जहां शक्ति-से-भार अनुपात व्यावहारिक रूप से हर दूसरे विचार पर हावी हो जाता है। उनका उपयोग केंद्रित फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों (नीचे देखें) में भी किया जा सकता है, जहां अपेक्षाकृत छोटा सौर सेल  बड़े क्षेत्र की सेवा कर सकता है।

अग्रानुक्रम सेल उच्च-निष्पादन अनुप्रयोगों तक ही सीमित नहीं हैं; उनका उपयोग सस्ते लेकिन कम दक्षता वाली सामग्री से मध्यम-दक्षता वाले फोटोवोल्टिक बनाने के लिए भी किया जाता है। उदाहरण सिलिकॉन पतली-फिल्म कोशिकाएं हैं, जहां यूनी-सौर और अन्य कंपनियों से ट्रिपल-जंक्शन टेंडेम सेल व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं।

प्रकाश की सघनता
सूर्य के प्रकाश को लेंस या दर्पण से बहुत अधिक तीव्रता तक केंद्रित किया जा सकता है। सूरज की रोशनी की तीव्रता शॉक्ले-क्विसर गणना में पैरामीटर है, और अधिक एकाग्रता के साथ, सैद्धांतिक दक्षता सीमा कुछ हद तक बढ़ जाती है। यदि, हालांकि, तीव्र प्रकाश सेल को गर्म करता है, जो अक्सर अभ्यास में होता है, सैद्धांतिक दक्षता सीमा सभी बातों पर विचार कर सकती है।

व्यवहार में, प्रकाश की सघनता का उपयोग करने या न करने का विकल्प मुख्य रूप से सौर सेल दक्षता में छोटे परिवर्तन के अलावा अन्य कारकों पर आधारित होता है। इन कारकों में लेंस या दर्पण जैसे फ़ोकसिंग ऑप्टिक्स बनाम सौर कोशिकाओं के प्रति क्षेत्र की सापेक्ष लागत, सूर्य के प्रकाश-ट्रैकिंग सिस्टम की लागत, प्रकाश का अनुपात सफलतापूर्वक सौर सेल पर केंद्रित है, और इसी तरह शामिल हैं।

साधारण लेंस और घुमावदार दर्पण, फ्रेसनेल लेंस, छोटे फ्लैट दर्पणों की सरणी, और लुमेनसेंट सौर सांद्रता सहित सूर्य के प्रकाश को केंद्रित करने के लिए ऑप्टिकल सिस्टम की विस्तृत विविधता का उपयोग किया जा सकता है।   अन्य प्रस्ताव  सतह पर सूक्ष्म सौर कोशिकाओं की  सरणी फैलाने और माइक्रोलेंस सरणी के माध्यम से उन पर प्रकाश केंद्रित करने का सुझाव देता है, जबकि अभी तक  अन्य प्रस्ताव एक सेमीकंडक्टर  nanowire  सरणी को इस तरह से डिजाइन करने का सुझाव देता है कि प्रकाश नैनोवायरों में केंद्रित हो।

इंटरमीडिएट बैंड फोटोवोल्टिक्स
एकल क्रिस्टल संरचनाओं के भीतर मध्य-ऊर्जा अवस्थाओं के निर्माण पर कुछ कार्य किया गया है। ये सेल मल्टी-जंक्शन सेल के कुछ फायदों को मौजूदा सिलिकॉन डिजाइनों की सादगी के साथ जोड़ देंगे। अनंत बैंड वाले इन सेल के लिए विस्तृत सीमा गणना 77.2% की अधिकतम दक्षता का सुझाव देती है आज तक, इस तकनीक का उपयोग करने वाला कोई व्यावसायिक सेल तैयार नहीं किया गया है।

फोटॉन अपरूपांतरण
जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है, बैंडगैप के नीचे ऊर्जा वाले फोटॉन सामान्य एकल-संयोजन सौर कोशिकाओं में बर्बाद हो जाते हैं। इस कचरे को कम करने का एक तरीका फोटॉन अपरूपांतरण का उपयोग करना है, यानी मॉड्यूल में अणु या सामग्री को शामिल करना जो दो या दो से अधिक नीचे-बैंडगैप फोटॉन को अवशोषित कर सकता है और फिर  ऊपर-बैंडगैप फोटॉन का उत्सर्जन कर सकता है। एक अन्य संभावना दो फोटॉन अवशोषण का उपयोग करना है, लेकिन यह केवल अत्यधिक उच्च प्रकाश सांद्रता पर काम कर सकता है।

थर्मल फोटॉन अपरूपांतरण
थर्मल अपरूपांतरण अपकनवर्टर में कम ऊर्जा वाले फोटॉनों के अवशोषण पर आधारित होता है, जो उच्च ऊर्जा वाले फोटॉनों को गर्म करता है और फिर से उत्सर्जित करता है। अवशोषक के राज्यों के ऑप्टिकल घनत्व को नियंत्रित करके अपरूपांतरण दक्षता में सुधार किया जा सकता है और कोणीय-चयनात्मक उत्सर्जन विशेषताओं को ट्यून करके भी। उदाहरण के लिए, प्लानर थर्मल अपकन्वर्टिंग प्लेटफॉर्म में  सामने की सतह हो सकती है जो  संकीर्ण कोणीय सीमा के भीतर कम-ऊर्जा फोटॉनों की घटना को अवशोषित करती है, और  पिछली सतह जो केवल उच्च-ऊर्जा फोटॉन को कुशलतापूर्वक उत्सर्जित करती है। थर्मल अपरूपांतरण का दोहन करने वाले  हाइब्रिड थर्मोफोटोवोल्टिक प्लेटफॉर्म को गैर-केंद्रित सूर्य के प्रकाश द्वारा रोशनी के तहत 73% की अधिकतम रूपांतरण दक्षता प्रदर्शित करने के लिए सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी की गई थी। गैर-आदर्श हाइब्रिड प्लेटफार्मों का  विस्तृत विश्लेषण जो 15% तक अवशोषण/पुनः उत्सर्जन नुकसान की अनुमति देता है, Si PV कोशिकाओं के लिए 45% की सीमित दक्षता मूल्य प्राप्त करता है।

गर्म इलेक्ट्रॉन कैप्चर
बैंडगैप के ऊपर अतिरिक्त वाहक ऊर्जा के नुकसान के कारण मुख्य हानि तंत्रों में से एक है। इसमें कोई आश्चर्य नहीं होना चाहिए कि क्रिस्टल संरचना में इसे खोने से पहले वाहकों की ऊर्जा को पकड़ने के तरीकों में काफी मात्रा में शोध किया गया है। इसके लिए जांच के तहत प्रणाली क्वांटम डॉट्स है।

एकाधिक एक्साइटन पीढ़ी
संबंधित अवधारणा अर्धचालकों का उपयोग करना है जो बैंड किनारे पर इलेक्ट्रॉन के बजाय प्रति अवशोषित फोटॉन एक से अधिक उत्तेजित इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करते हैं। इस प्रभाव के लिए क्वांटम डॉट्स की बड़े पैमाने पर जांच की गई है, और उन्हें प्रोटोटाइप सौर कोशिकाओं में सौर-प्रासंगिक तरंग दैर्ध्य के लिए काम करने के लिए दिखाया गया है। एकाधिक एक्सिटोन पीढ़ी का उपयोग करने का एक और अधिक सरल तरीका प्रक्रिया है जिसे एकल विखंडन (या सिंगलेट एक्सिटोन विखंडन) कहा जाता है, जिसके द्वारा  एकल अवस्था एक्सिटोन को कम ऊर्जा के दो स्पिन ट्रिपलेट एक्साइटन में परिवर्तित किया जाता है। कम बैंडगैप सेमीकंडक्टर के साथ युग्मित होने पर यह उच्च सैद्धांतिक क्षमता की अनुमति देता है और क्वांटम दक्षता 100% से अधिक बताई गई है। साथ ही उन सामग्रियों में जहां (उत्तेजित) इलेक्ट्रॉन शेष इलेक्ट्रॉनों के साथ दृढ़ता से बातचीत करते हैं जैसे कि एमओटी इंसुलेटर, कई एक्साइटन्स उत्पन्न हो सकते हैं।

फ्लोरोसेंट डाउनरूपांतरण/डाउनशिफ्टिंग
बढ़ी हुई दक्षता के लिए एक और संभावना है कि प्रकाश की आवृत्ति को फ्लोरोसेंट सामग्री के साथ बैंडगैप ऊर्जा की ओर परिवर्तित किया जाए। विशेष रूप से, शॉकली-क्विसर सीमा को पार करने के लिए, फ्लोरोसेंट सामग्री के लिए  एकल उच्च-ऊर्जा फोटॉन को कई कम-ऊर्जा वाले (क्वांटम दक्षता> 1) में परिवर्तित करना आवश्यक है। उदाहरण के लिए, बैंडगैप ऊर्जा के दोगुने से अधिक वाला  फोटॉन बैंडगैप ऊर्जा के ऊपर दो फोटॉन बन सकता है। हालाँकि, व्यवहार में, यह रूपांतरण प्रक्रिया अपेक्षाकृत अक्षम होती है। यदि  बहुत ही कुशल प्रणाली पाई जाती है, तो ऐसी सामग्री को अन्यथा मानक सेल की सामने की सतह पर चित्रित किया जा सकता है, जिससे कम लागत पर इसकी दक्षता बढ़ जाती है। इसके विपरीत, फ्लोरोसेंट डाउनशिफ्टिंग की खोज में काफी प्रगति हुई है, जो उच्च-ऊर्जा प्रकाश (जैसे, यूवी प्रकाश) को 1 से कम क्वांटम दक्षता के साथ कम-ऊर्जा प्रकाश (जैसे, लाल प्रकाश) में परिवर्तित करता है। सेल हो सकता है इन निम्न-ऊर्जा फोटॉनों के प्रति अधिक संवेदनशील। फ्लोरोसेंट डाउनशिफ्टिंग के लिए रंजक, दुर्लभ-पृथ्वी फॉस्फोर और क्वांटम डॉट्स की सक्रिय रूप से जांच की जाती है। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स सक्षम डाउनशिफ्टिंग ने अत्याधुनिक सिलिकॉन सौर कोशिकाओं की दक्षता में वृद्धि की है।

थर्मोफोटोवोल्टिक डाउनरूपांतरण
थर्मोफोटोवोल्टिक कोशिकाएं फॉस्फोरसेंट सिस्टम के समान होती हैं, लेकिन डाउन कन्वर्टर के रूप में कार्य करने के लिए प्लेट का उपयोग करती हैं। प्लेट पर गिरने वाली सौर ऊर्जा, आमतौर पर काले रंग की धातु, को कम-ऊर्जा आईआर के रूप में फिर से उत्सर्जित किया जाता है, जिसे बाद में आईआर सेल में कैद किया जा सकता है। यह  व्यावहारिक आईआर सेल के उपलब्ध होने पर निर्भर करता है, लेकिन सैद्धांतिक रूपांतरण दक्षता की गणना की जा सकती है। 0.92 ईवी के बैंडगैप वाले कनवर्टर के लिए, एकल-जंक्शन सेल के साथ दक्षता 54% तक सीमित है, और 85% केंद्रित प्रकाश चमक के लिए आदर्श घटकों पर कोई ऑप्टिकल नुकसान नहीं है और केवल विकिरण पुनर्संयोजन है।

यह भी देखें

 * थर्मोडायनामिक दक्षता सीमा

बाहरी संबंध

 * Reproduction of the Shockley–Queisser calculation (PDF), using the Mathematica software program. This code was used to calculate all the graphs in this article.
 * Luque, Antonio, and Antonio Martí. "Chapter 4: Theoretical Limits of Photovoltaic Conversion and New-generation Solar Cells." Ed. Antonio Luque and Steven Hegedus. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Second ed. N.p.: John Wiley & Sons, 2011. 130–68. Print.