太陽能電池的最終效率探討

1、太陽能電池的最終效率探討背景 化石能源過度消耗并且伴隨著地球環(huán)境的日益惡化, 發(fā)展清潔、可再生的新能源成為社會長期可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。太陽能電池利用光伏效應將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能, 擁有可再生、清潔、安全、壽命長等優(yōu)點, 被認為是最有前途的可再生能源技術之一。 雖然光電轉(zhuǎn)化效率在10%18%的太陽能電池已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用, 但如何進一步提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率依然是研究者面臨的最重要的挑戰(zhàn)。目錄1234Shockley-Queisser轉(zhuǎn)換效率極限標準太陽能電池的效率極限高轉(zhuǎn)換效率太陽能電池結(jié)論與展望Shockley-Queisser轉(zhuǎn)換效率極限典型的太陽能電池轉(zhuǎn)換

2、效率極限, 也就是所謂的S-Q效率極限效率極限(Shockley-Queisser limit)，一直是太陽能電池效率的理論瓶頸. 光電轉(zhuǎn)換過程中能量損耗的原因主要有3個:1. 光子能量低于半導體材料的帶隙能量時, 光子不會被吸收不會被吸收，能量大于帶隙的光子, 其超過帶隙能量的那部分能量以熱量熱量的形式損失。2. 黑體背景輻射黑體背景輻射. 量子力學告訴我們?nèi)魏谓^對溫度不為零的物體都會不可避免地向外輻射電磁波電磁波。3. 電子電子-空穴的輻射復合空穴的輻射復合.根據(jù)細致平衡原理(detailed balance), 電子和空穴在吸收層中相遇時不可避免地會產(chǎn)生輻射復合, 重新產(chǎn)生光子輻射產(chǎn)生光

3、子輻射出去.太陽能電池的S-Q轉(zhuǎn)化效率極限圖太陽能電池的效率公式其中, q是電子電荷, V是器件電壓, 和 分別是入射太陽和輻射復合的光子流強度, 是Stefan-Boltzmann常數(shù), T sun 是太陽的溫度. 根據(jù)公式, 單節(jié)太陽能電池在非聚光條件下的效率峰值是33.7%.標準太陽能電池的效率極限標準太陽能電池主要指單結(jié)單結(jié)器件太陽能電池u 硅基太陽能電池u 化合物太陽能電池u 有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效率標準太陽能電池情況scocmmscocmIUIUIUPFF填充填充因子因子表征太陽能電池的優(yōu)劣，在表征太陽能電池的優(yōu)劣，在一定光譜輻照度下，一定光譜輻照度下，F(xiàn)F愈大，

4、曲線愈愈大，曲線愈“方方”，輸出功率也愈高。，輸出功率也愈高。填充因子硅基太陽能電池 單晶硅單晶硅的帶隙約1.12 eV, 其非平衡載流子壽命較長, 電池穩(wěn)定性較好 . 目前單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率已可以達到25%左右 , 但是單晶硅的生產(chǎn)成本較高, 而且單純從電池結(jié)構優(yōu)化上進一步提高轉(zhuǎn)換效率的可行性并不高, 轉(zhuǎn)換效率的提高受到限制. 多晶硅多晶硅的原子基本排列形式與單晶硅相同但排列晶面不同, 因此多晶硅各向異性不明顯, 晶體缺陷相對較多, 電阻率較大, 轉(zhuǎn)換效率也較低, 目前最高轉(zhuǎn)換效率在15%左右.研究者提出了一些成熟的方法來提高硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率：1. 單晶硅表面微結(jié)構處理和分區(qū)摻雜,

5、 將表面制成倒金字塔結(jié)構, 或者在表面涂一層減反射層來提高光吸收高光吸收.2. 晶體硅的帶隙為1.12 eV, 只能夠吸收波長短于1100 nm的近紅外光.為了拓展對更長波長范圍的光吸收更長波長范圍的光吸收, 可以利用上轉(zhuǎn)換材料把亞帶隙亞帶隙(sub-band-gap)近紅外光(波長大于1100 nm)轉(zhuǎn)換為可見光/近紅外光(波長小于1100 nm). Trupke等人 計算了標準空氣質(zhì)量地面譜條件(AM1.5)下, 單結(jié)電池結(jié)合理想的上轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換材料后,光電轉(zhuǎn)化效率上限可以達到50.7%. 松下公司今年今年3月月宣布，公司的光伏組件光伏組件已在研究層面實現(xiàn)高23.8%(采光面積*3：11,

6、562 cm2)的轉(zhuǎn)換效率，該數(shù)據(jù)遠遠打破晶體硅光伏組件晶體硅光伏組件此前的轉(zhuǎn)換效率世界紀錄。2014年年4月月，松下宣布公司的硅異質(zhì)結(jié)電池實現(xiàn)高達25.6%*4的世界最高轉(zhuǎn)換效率。因此，松下同時保持著晶體硅太陽能電晶體硅太陽能電池池和晶體硅光伏組件晶體硅光伏組件的轉(zhuǎn)換效率世界記錄。松下公司的成果化合物太陽能電池 化合物太陽能電池主要包括CdTe, GaAs, CIGS等化合物材料組成的太陽能電池.通?；衔锾柲茈姵氐霓D(zhuǎn)換效率更高轉(zhuǎn)換效率更高、更耐高溫更耐高溫、更耐輻照更耐輻照. 單結(jié)單結(jié)GaAs太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)接近28.8% , 而多結(jié)多結(jié)GaAs太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可達到38

7、%以上, 是目前光電轉(zhuǎn)換效率最高光電轉(zhuǎn)換效率最高的太陽能電池. 經(jīng)美國可再生能源實驗室(National Re-newable Energy Laboratory)測試及認證, 目前CIGS太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率最高達到了21.7%. 若利用聚光裝置聚光裝置的輔助, 效率可以進一步大幅度提高.有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池 近年來有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因為具有光吸收強、載流子遷移率高、光吸收強、載流子遷移率高、易加工易加工等優(yōu)點而引起研究者的關注 . 尤其近幾年其光電轉(zhuǎn)換效率不斷刷新, 2009年的3.8%到目前為止報道的超過20%, 發(fā)展十分迅速可以通過以下途徑來提高光電轉(zhuǎn)化效率:1

8、. 通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦材料的組分來調(diào)節(jié)帶隙通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦材料的組分來調(diào)節(jié)帶隙, 從而調(diào)節(jié)吸收范圍從而調(diào)節(jié)吸收范圍.2. 通過界面調(diào)控來提高電子和空穴的抽出.3. 優(yōu)化鈣鈦礦成膜過程.4. 通過減反射手段(anti-reflective strat-egy)來減少這種損失. 理論預測, 利用朗伯光誘捕, 帶隙為1.55 eV的單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的效率上限為31%. 為了突破上述效率極限, 可以拓寬電池對于入射光的吸收范圍. 鈣鈦礦材料的光譜吸收范圍為300800 nm, 結(jié)合晶體硅結(jié)合晶體硅(3001200 nm)制備成疊層結(jié)構疊層結(jié)構, 吸收范圍可拓展至紅外區(qū)域. 理論理論計算顯示, 對于雙結(jié)鈣

9、鈦礦雙結(jié)鈣鈦礦/單晶硅堆積結(jié)構單晶硅堆積結(jié)構的太陽能電池, 其光電轉(zhuǎn)換效率的上限為40.6%高轉(zhuǎn)換效率太陽能電池 為了進一步降低成本, 提高光電轉(zhuǎn)換效率, 尋找新的材料尋找新的材料、改善器件結(jié)構改善器件結(jié)構、降低能量損耗降低能量損耗都是行之有效的方法. 基于此, 近年來許多新型電池概念被提出, 研究人員通過大量的工作使這些太陽能電池的效率有可能突破S-Q效率極限.u 多結(jié)太陽能電池u 中間帶太陽能電池u 多激子太陽能電池u 其他新概念太陽能電池多結(jié)太陽能電池 單一半導體材料組成的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率受到單一帶隙極限單一帶隙極限轉(zhuǎn)換效率的限制, 無法超越S-Q效率極限. 因此, 采用多結(jié)(mult

10、i-junction)結(jié)構(表2), 以多種帶隙多種帶隙不同的半導體材料構成疊層電池從而最大化利用光能, 成為突破光電轉(zhuǎn)換效率限制的途徑之一.多結(jié)太陽能電池 多結(jié)太陽能電池一般是將2個或多個帶隙不同的子電池按帶隙從寬到窄從寬到窄、由由上至下上至下依次排列. 在聚光條件聚光條件下, 無窮多節(jié)太陽能電池的極限效率為86%, 這是目前太陽能電池能夠達到的最高理論效率最高理論效率.德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所 2014年由德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所、法國微電子研究機構、法國微電子研究機構CEA-Leti與與法國法國Soitec公司公司共

11、同開發(fā)一款用于聚光光伏(CPV)系統(tǒng)的Soitec多結(jié)太陽能電池多結(jié)太陽能電池日前成為該公司最新的達到世界紀錄的電池，轉(zhuǎn)換效率為46%,這是上述機構在一年內(nèi)第二次刷新世界紀錄，此前一次公布的世界紀錄是在2013年9月份。 2016年德國弗勞恩霍夫協(xié)會太陽能系統(tǒng)研究所德國弗勞恩霍夫協(xié)會太陽能系統(tǒng)研究所(Fraunhofer ISE)的研究人員與奧地利半導體工藝公司奧地利半導體工藝公司EV Group連手大幅提高了硅基多硅基多結(jié)結(jié)面太陽能電池面太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達到30.2%，寫下目前的最新記錄。中間帶太陽能電池 中間帶太陽能電池是在半導體材料的禁帶區(qū)域引入連續(xù)的電子能帶連續(xù)的電子能帶, 即在導

12、帶和價帶之間增加1個能帶，低于帶隙能量的光子可以首先被價帶上的電子吸收, 躍遷到中間帶上, 再繼續(xù)吸收光子, 達到足夠的能量后再次躍遷到導帶上. 中間帶的材料必須具備下列性質(zhì):1. 價帶到導帶的吸收系數(shù)比價帶到中間帶的吸收系數(shù)大價帶到導帶的吸收系數(shù)比價帶到中間帶的吸收系數(shù)大, 價帶到中間帶的吸收價帶到中間帶的吸收系數(shù)比中間帶到導帶的吸收系數(shù)大系數(shù)比中間帶到導帶的吸收系數(shù)大;2. 中間帶必須是半滿的, 且應有足夠的電子空穴對濃度, 從而能夠滿足電子從價帶到中間帶的躍遷和中間帶到導帶躍遷的要求。 根據(jù)理論計算, 量子點中間帶太陽能電池的極限轉(zhuǎn)換效率在1 sun和全聚光條件下分別可以達到46%和和6

13、3.2% . 如果考慮無窮多無窮多中間 帶 的 存 在 , 中 間 帶 太 陽 能 電 池 的 效 率 可 達77.2% .中間帶太陽電池能帶結(jié)構及電子躍遷示意圖 中間帶太陽電池結(jié)構 多激子太陽能電池 多激子過程是指把1個高能量光子轉(zhuǎn)換為多個電子-空穴對的過程 38 , 在太陽能電池中可以使光電流增大, 提高光電轉(zhuǎn)換效率 . 多激子產(chǎn)生需要的條件包括: 1. 多激子產(chǎn)生的速度要大于熱載流子冷卻速度; 2. 材料需要有很強的光吸收能力, 碰撞離化后能產(chǎn)生大量多激子. 根據(jù)理論計算, 在非聚光非聚光下, 單結(jié)多激子太陽能電池的極限轉(zhuǎn)換效率可以達到44.4% 分裂的三重態(tài)激子電荷分離 其他新概念太陽

14、能電池 熱載流子電池熱載流子電池通過理論計算在1 sun和全聚光條件下的極限轉(zhuǎn)換效率可以達到66%和和85%。理論計算表明在1 sun和全聚光條件下, 熱光伏太陽能電池熱光伏太陽能電池的極限轉(zhuǎn)換效率可以達到54%和和85%。 結(jié)論與展望 對于傳統(tǒng)單結(jié)太陽能電池, 由于開路電壓和短路電流的相互制衡開路電壓和短路電流的相互制衡, 發(fā)展合發(fā)展合適的帶隙、強吸收系數(shù)、高遷移率的新材料適的帶隙、強吸收系數(shù)、高遷移率的新材料是提高電池效率的先決條件. 近年來我們驚喜地看到隨著新材料和新技術的不斷發(fā)展, 尤其是CIGS太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池的不斷發(fā)展, 單結(jié)太陽能電池的效率越來越逼近單結(jié)太陽能電池的效率越來越逼近S-Q效率極效率極限限. 另一方面, 隨著多結(jié)太陽能電池、中間帶太陽能電池、多激子太陽能電池多結(jié)太陽能電池、中間帶太陽能電池、多激子太陽能電池等新概念太陽能電池的出現(xiàn)等新概念太陽能電池的出現(xiàn), 太陽能電池效率的紀錄在不斷地被改寫, 研究人員不斷地向太陽能電池效率的巔峰發(fā)起挑戰(zhàn). 我們相信隨著新概念和新技術的不斷發(fā)展, 太陽能電池效率的