【文章內容簡介】 Queisser, J. Appl. Phys., 32 (1961) 510 28 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 關于光電轉換效率 ? 卡諾循環(huán) —— 太陽電池的熱力學效率極限 ? 太陽輻射可以近似為溫度為 6000K（太陽光球的溫度）的黑體輻射（黑體即為完美的吸收體和光發(fā)射體）。 ? Planck采用公式描述了黑體輻射的能量分布。在 Shockley和 Queisser的研究中，認為太陽電池也是黑體模型，溫度采用地表溫度 300K。 ? 則溫度為 6000K（ Tsource）和 300K（ Tsink）的兩個熱庫之間的能量轉換效率受卡諾循環(huán)限制（ 1 Tsource/ Tsink）為 95%。 29 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 sinlim ????? KKTTksourceit? 30 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 這個數值沒有考慮電池的光子發(fā)射損失，因為模型假設這些損失能量又回到了太陽，使太陽保持自身的溫度。修正模型考慮了光子發(fā)射損失，并假設過程是可逆的，滿足卡諾循環(huán)的條件，由此得到的轉換效率是 %，這個數值是實際太陽電池的效率極限。 ? UNSW研究中心對轉換效率為 %的器件的結構設計以及發(fā)展前途作了全面研究。指出達到這一極限效率的電池器件是有可能實現的，其結構為在無限層 Tandem電池中采用一系列光循環(huán)裝置達到通道帶阻輻射。否則，太陽光轉換為有用功（包括電能）的熱力學極限效率計算結果為 %，與無限層 Tandem電池的理論效率相同。 ? 另一個研究結果是，理論上 Tandem電池不是獲得 %轉換效率的唯一途徑。其它一些模型，例如熱載流子和能量級聯電池的極限效率也是這一數值。 31 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 標準太陽電池的效率損失 ? 標準單結太陽電池能量損失來自如圖 2 1所示的幾種過程 32 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 圖 2 1 標準太陽電池能量損失過程。 (1)晶格熱振動損失；(2)、 (3)pn結和接觸電壓損失； (4)復合損失。 33 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 標準太陽電池的結構 34 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 主要損失是過程（ 1）：光激發(fā)電子空穴對迅速失去多于禁帶寬度的多余能量。能量較低的紅光光子與能量較高的藍光光子在激發(fā)電子空穴對產生輸出時是等效的。僅這一項損失就使標準電池的轉換效率局限至 44%左右。 ? 另一個重要損失是過程（ 4）：光激發(fā)電子空穴對的復合。采用光生載流子壽命長的材料，亦即材料缺陷更少以消除載流子復合通道，可以將復合損失降至最低。此時，載流子壽命取決于電池內部的輻射復合，即光激發(fā)過程的逆過程。 ? 光吸收和發(fā)射過程的對稱性可用于太陽電池性能的理論極限的推導。推導引用了“黑體輻射”理論，這一理論為量子力學的誕生奠定了基礎。在一個太陽下，假設帶隙寬度 eV，理想標準電池的轉換效率極限計算結果為 %。 ? , , . 32 (1961) 510 35 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 另外一個損失是由于接觸和 pn結處的電壓降，電池輸出電壓低于帶隙寬度可產生的電勢，如圖 2 1所示。采用聚光方法提高光強密度，可以減小此類壓降。 ? 在極限聚光倍數下（ 46200倍，此數值是根據卡諾循環(huán)得到的計算結果），理想太陽電池的轉換效率極限可以達到 %。 ? 需要注意的是在這種方式下，只有直射光才可以被聚焦。最大聚光倍數下的效率極限可以作為有關聚光和非聚光電池研究的參考數據，還可以作為經典熱力學結果的參考。 ? 36 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 37 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 商業(yè)化的薄膜電池簡介 ? 非晶硅 微晶硅薄膜（ aSi/μcSi ） ? 59%, ? Kaneka, Ersol, United Solar, Sharp ? 杜邦，新奧， 百世德，正泰，天裕，強生，普樂，拓日，創(chuàng)益等 ? 碲化鎘薄膜 CdTe ? First Solar， ＧＥ ? 911%, ? 銅銦鎵硒薄膜 CIGS ? Wuerth Solar，昭和殼牌等 ? 1011% ? 晶體硅薄膜 CSG ? 810% 38 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 化合物多能帶疊層太陽電池 ? 多能帶疊層電池是目前唯一一個已突破 ShockleyQueisser極限并且已經實現商業(yè)化的電池。 ? 半導體具有如下性質：能量低于帶隙的光無法被價帶的電子吸收并使之躍遷到導帶。由于不同的材料具有不同的帶隙，而太陽光譜包含了較寬的波段，因而可以將不同的材料按照帶隙從大到小的順序堆疊起來，大帶隙的材料吸收高能量的光子，能量小于帶隙的光子將透射過去被下層的材料吸收，以此類推，從而將吸收效率提高。這就是疊層電池光譜分割技術的原理，通過將太陽光譜進行切割，讓不同帶隙的材料吸收對應部分的光以提高效率。 39 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 多能帶疊層電池是一個很好的想法，在 1955年就由 Jackon提出，并在 1978年首次由 Moon用實驗證實。 1982年， Fan J等人對多結電池進行了設計和理論預測，理論預測顯示，這種 Si襯底的AlGaAs/GaAs/GaInAs（或 GaAsP）的多結電池效率將達到 3640%。 1988年，實驗室制備出高性能的 GaInP電池。考慮到電流匹配問題， 1990年， AM 27%的電池在美國國家可再生能源實驗室（ NREL）被制備出來。 ? 三年后， NREL刷新了 GaInP/GaAs疊層電池的效率紀錄，達到 %。這個報導引起了眾多實驗室的廣泛關注和興趣，不久，這一紀錄被日本能源公司以 %打破。 40