Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

3.5 ADDITIONAL TOPICS
3.5.1 Efficiency and Band gap
Since only photons with
hν > E
G
can create electron
–
hole pairs and contribute to the
output of the solar cell, it is obvious that the band gap determines how well the solar
cell is coupled to the solar spectrum. A simple analysis can be performed to predict the
maximum solar cell efficiency. More complete analyses of the theoretical limits of solar
cells are given elsewhere [17–19] and are also discussed in Chapter 4 of this handbook.
Assuming the maximum energy that can be extracted from an absorbed photon is
E
G
, the
maximum efficiency can be expressed as
η
max
(E
G
)
=
1
q
E
G
I
inc
P
in
=
E
G
(P
in
/A)
λ<λ
G
f (λ)
d
λ.
(
3
.
145
)

---

100
THE PHYSICS OF THE SOLAR CELL
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Band gap
[eV]
Ef
ficienc
y, 
h
max
Figure 3.19
Theoretical maximum efficiency as a function of semiconductor band gap for an
AM1.5 global spectrum
This is plotted in Figure 3.19 for an AM1.5 global spectrum and shows a maximum
efficiency of 48% at about
E
G
=
1
.
1 eV, close to the band gap of silicon. Of course, this
is only a simple estimate and assumes that
V
OC
=
1
/qE
G
and
FF
=
1, which are obvious
exaggerations. Perfect light trapping was also assumed so that
I
SC
=
I
inc
, but that is a
more realistic prospect. Under nonconcentrated solar illumination, the actual maximum
theoretical efficiency for a silicon solar cell is approximately 30%. However, this simple
approach does serve to demonstrate the important role the semiconductor band gap plays
in determining solar cell performance and shows that band gaps between 1.0 and 1.6 eV
have nearly equivalent maximum theoretical efficiencies.