太陽電池物理與新型太陽電池技術(shù)發(fā)展講義(編輯修改稿)
2025-03-03 18:01 本頁面
【文章內(nèi)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(guān)于光電轉(zhuǎn)換效率 ? 卡諾循環(huán) —— 太陽電池的熱力學(xué)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(rèn)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(gè)熱庫之間的能量轉(zhuǎn)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(gè)數(shù)值沒有考慮電池的光子發(fā)射損失，因?yàn)槟Ｐ图僭O(shè)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(shè)過程是可逆的，滿足卡諾循環(huán)的條件，由此得到的轉(zhuǎn)換效率是 %，這個(gè)數(shù)值是實(shí)際太陽電池的效率極限。 ? UNSW研究中心對轉(zhuǎn)換效率為 %的器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及發(fā)展前途作了全面研究。指出達(dá)到這一極限效率的電池器件是有可能實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)為在無限層 Tandem電池中采用一系列光循環(huán)裝置達(dá)到通道帶阻輻射。否則，太陽光轉(zhuǎn)換為有用功（包括電能）的熱力學(xué)極限效率計(jì)算結(jié)果為 %，與無限層 Tandem電池的理論效率相同。 ? 另一個(gè)研究結(jié)果是，理論上 Tandem電池不是獲得 %轉(zhuǎn)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(lián)電池的極限效率也是這一數(shù)值。 31 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 ? 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的效率損失 ? 標(biāo)準(zhǔn)單結(jié)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(biāo)準(zhǔn)太陽電池能量損失過程。 (1)晶格熱振動(dòng)損失；(2)、 (3)pn結(jié)和接觸電壓損失； (4)復(fù)合損失。 33 太陽能系統(tǒng)研究所 Institute for Solar Energy Systems 2023/3/4 標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的結(jié)構(gòu) 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(lán)光光子在激發(fā)電子空穴對產(chǎn)生輸出時(shí)是等效的。僅這一項(xiàng)損失就使標(biāo)準(zhǔn)電池的轉(zhuǎn)換效率局限至 44%左右。 ? 另一個(gè)重要損失是過程（ 4）：光激發(fā)電子空穴對的復(fù)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(fù)合通道，可以將復(fù)合損失降至最低。此時(shí)，載流子壽命取決于電池內(nèi)部的輻射復(fù)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(dǎo)。推導(dǎo)引用了“黑體輻射”理論，這一理論為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。在一個(gè)太陽下，假設(shè)帶隙寬度 eV，理想標(biāo)準(zhǔn)電池的轉(zhuǎn)換效率極限計(jì)算結(jié)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(gè)損失是由于接觸和 pn結(jié)處的電壓降，電池輸出電壓低于帶隙寬度可產(chǎn)生的電勢，如圖 2 1所示。采用聚光方法提高光強(qiáng)密度，可以減小此類壓降。 ? 在極限聚光倍數(shù)下（ 46200倍，此數(shù)值是根據(jù)卡諾循環(huán)得到的計(jì)算結(jié)果），理想太陽電池的轉(zhuǎn)換效率極限可以達(dá)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(shù)下的效率極限可以作為有關(guān)聚光和非聚光電池研究的參考數(shù)據(jù)，還可以作為經(jīng)典熱力學(xué)結(jié)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(qiáng)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(gè)已突破 ShockleyQueisser極限并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的電池。 ? 半導(dǎo)體具有如下性質(zhì)：能量低于帶隙的光無法被價(jià)帶的電子吸收并使之躍遷到導(dǎo)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(shù)的原理，通過將太陽光譜進(jìn)行切割，讓不同帶隙的材料吸收對應(yīng)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(gè)很好的想法，在 1955年就由 Jackon提出，并在 1978年首次由 Moon用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 1982年， Fan J等人對多結(jié)電池進(jìn)行了設(shè)計(jì)和理論預(yù)測，理論預(yù)測顯示，這種 Si襯底的AlGaAs/GaAs/GaInAs（或 GaAsP）的多結(jié)電池效率將達(dá)到 3640%。 1988年，實(shí)驗(yàn)室制備出高性能的 GaInP電池?？紤]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(shí)驗(yàn)室（ NREL）被制備出來。 ? 三年后， NREL刷新了 GaInP/GaAs疊層電池的效率紀(jì)錄，達(dá)到 %。這個(gè)報(bào)導(dǎo)引起了眾多實(shí)驗(yàn)室的廣泛關(guān)注和興趣，不久，這一紀(jì)錄被日本能源公司以 %打破。 40
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