光伏电池效率为何难以突破？

2018-05-30 15:08:43 大云网　点击量：评论 (0)

天合研制出号称是目前世界上转化效率最高的商业化单晶硅电池、多晶硅电池，转化效率分别为22 9%、20 8%；做成组件的转化效率分别为21 4%和20 76%。汉能有一款非常高效的薄膜光伏电池，砷化镓电池，转化效率为30 8%。但无论哪种光伏电池，转化效率似乎都没有超过40%！

一、光伏电池的转化效率很低

天合研制出号称是目前世界上转化效率最高的商业化单晶硅电池、多晶硅电池，转化效率分别为22.9%、20.8%;做成组件的转化效率分别为21.4%和20.76%。

汉能有一款非常高效的薄膜光伏电池，砷化镓电池，转化效率为30.8%。

但无论哪种光伏电池，转化效率似乎都没有超过40%!

二、光伏电池的转化效率为什么这么低？

要说清楚这个问题，还是要先来看一下STC条件(标准测试条件)。

1）STC条件的解释

STC条件包含三个标准：

1)大气质量(光谱分布)：AM1.5

2)辐照度：1000W/m2

3)温度：25℃

测试时保证组件为25℃，所用光源的功率要达到1000W/m2，这两个都好理解。很多人对大气质量(airmass)AM1.5表示难易理解。AM1.5，airmass的直译是大气质量，但其意思并不是大气的重量。

AirMass的本义是太阳光在不同条件下的光谱分布!即在大气层外各种光，紫外光、可见光、红外光的比例。太阳光以不同角度入射到地球表面上时，比例分布是不一样的。

AM1.5是入射到地球表面上的与地球表面法线夹角为48.2°时的太阳辐射光谱，如图1的蓝色曲线所示。另外一条红色曲线是AM0，表示地球大气层外的太阳辐射光谱。

图1：AM0、AM1.5光谱与能量分布

从图1可以看出，两种光谱的分布大致相同，但也有区别，比如AM0的紫外部分占比比AM1.5要大，这是因为大气层中的臭氧对紫外线的吸收所致，另外，AM1.5曲线中有多处凹陷区域，是因为大气层中的水汽、CO2或其它物质吸收或反射了部分波长的光。

AM0条件下不同波段的分布大致如表1所示。

表1：不同波段的辐射能量占比(AM0)

而在AM1.5条件下，紫外部分辐射能量约占2%，可见光部分和红外部分占比基本一样，各约49%。

光谱分布为什么会呈现图1所示的图形?这可用黑体辐射理论解释。

自然界中的物体都具有一定的温度，可以对外辐射光线，当物体温度变化时，光谱分配和光的能量也随之改变，比如温度接近室温时，黑体(如人类身体)将会辐射出低功率的电磁波，能量主要分布在低于10μm的波谱段，超出了人类眼睛的可视范围。比如，某区域晚上有人闯入，会被红外探测仪能检测到，就是因为人体辐射了红外线。

如果黑体温度被加热到3000K(2726.85℃)它将会变成红色，并且波谱也转向了可见光领域，比如早期照明用的钨丝灯;

如果黑体的温度上升到更高的6000K(5726.85℃)，辐射出的波长将集中在红色光和紫色光之间的可见光波段，并呈现白色。

太阳表面温度为6000K，因此太阳光谱才表现为我们常见的曲线，如图2所示。图3显示的是AM0、AM1.5和6000K黑体辐射波谱比较。

图2 不同温度黑体辐射光谱分布

图3 AM0、AM1.5和6000K黑体辐射波谱

2）光伏电池的转化效率为什么低？

了解了太阳光谱的分布，我们再对太阳电池的效率进行定性分析。

太阳电池发电的原理是光伏效应，其最基本的条件是：入射光子的能量足够大(大于半导体材料的禁带宽度Eg)，能够激发PN结产生电子空穴对。即，一个光子最多产生一个电子空穴对，如果它的能量足够大，超出Eg的部分将会以热的形式辐射出去，对发电来说没有贡献，如果光子的能量小于Eg，则无法产生电子空穴对，这部分能量对发电也没有贡献(例如有一个半米高的桌子，能跳上去得1分，跳不上去得零分，对于青年人来说，大部分都有能力跳上去，但少部分运动能力特别强的人也只能得1分，优势体现不出来;而对于年老或年幼的人来说，没有能力跳上去，只能得0分)。

图4：各种太阳电池的理论转换效率

光子的能量是和波长成反比关系(E==h/λ)，以理论效率最高的太阳电池GaAs为例(如图4所示)，其禁带宽度约1.4eV，对应的波长约880nm。从图3中的AM1.5光谱曲线可以看出，占辐射能量49%的红外光(波长>760nm)，波长基本都大于880nm，所以太阳能的这部分有40%左右的能量无法被利用。同时，紫外部分的高能量光子，能量大大高于1.4eV，但其贡献与能量为1.4eV的光子相同，高能量光子的部分能量就会被白白浪费。

基于上述两个原因，理论计算出的单结电池效率值仅约30%。而制备出的太阳电池还会有各种电学损失等，所以实际的效率要低于理论值。相信这样大家会理解太阳电池效率低的原因了吧!

三、光伏电池的转化效率未来能提高吗？

目前，在提高光伏电池的转化效率方面，有两种思路。

1）制备多个PN结

之前的分析，都是针对的单个PN结电池而言。

理论上，如制备足够多的PN结，把各种波长的光都充分吸收，可得出超过50%甚至更高的理论效率!

然而，上述思路在具体实施时是非常困难的，并且实际工艺也会带来其它能量损失。

2）将高能量光子拆分和将低能量光子叠加

上述分析中，低能量光子的能量太低用不上，高能量光子的能量太高造成浪费，是电池转化效率低的根本原因。

为了充分高能量光子的能量，使其发挥更大作用，减少能量浪费，可以将高能量光子的能量拆分为多个低能光子(光谱下转换);或者，将低能量光子的能量叠加成高能光子(光谱上转换)。目前，这两种思路还在基础研究中。

四、小结

1、太阳光谱和能量分布图是基于黑体辐射理论所得，AM1.5和大气层外光谱图的差别是因为大气层中的气体和尘埃吸收及散射、反射等所致。