一、光伏電池的轉(zhuǎn)化效率很低

天合研制出號(hào)稱是目前世界上轉(zhuǎn)化效率最高的商業(yè)化單晶硅電池、多晶硅電池，轉(zhuǎn)化效率分別為22.9%、20.8%;做成組件的轉(zhuǎn)化效率分別為21.4%和20.76%。

漢能有一款非常高效的薄膜光伏電池，砷化鎵電池，轉(zhuǎn)化效率為30.8%。

但無(wú)論哪種光伏電池，轉(zhuǎn)化效率似乎都沒(méi)有超過(guò)40%!

二、光伏電池的轉(zhuǎn)化效率為什么這么低？

要說(shuō)清楚這個(gè)問(wèn)題，還是要先來(lái)看一下STC條件(標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件)。

1）STC條件的解釋

STC條件包含三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

1)大氣質(zhì)量(光譜分布)：AM1.5

2)輻照度：1000W/m2

3)溫度：25℃

測(cè)試時(shí)保證組件為25℃，所用光源的功率要達(dá)到1000W/m2，這兩個(gè)都好理解。很多人對(duì)大氣質(zhì)量(airmass)AM1.5表示難易理解。AM1.5，airmass的直譯是大氣質(zhì)量，但其意思并不是大氣的重量。

AirMass的本義是太陽(yáng)光在不同條件下的光譜分布!即在大氣層外各種光，紫外光、可見(jiàn)光、紅外光的比例。太陽(yáng)光以不同角度入射到地球表面上時(shí)，比例分布是不一樣的。

AM1.5是入射到地球表面上的與地球表面法線夾角為48.2°時(shí)的太陽(yáng)輻射光譜，如圖1的藍(lán)色曲線所示。另外一條紅色曲線是AM0，表示地球大氣層外的太陽(yáng)輻射光譜。

圖1：AM0、AM1.5光譜與能量分布

從圖1可以看出，兩種光譜的分布大致相同，但也有區(qū)別，比如AM0的紫外部分占比比AM1.5要大，這是因?yàn)榇髿鈱又械某粞鯇?duì)紫外線的吸收所致，另外，AM1.5曲線中有多處凹陷區(qū)域，是因?yàn)榇髿鈱又械乃?、CO2或其它物質(zhì)吸收或反射了部分波長(zhǎng)的光。

AM0條件下不同波段的分布大致如表1所示。

表1：不同波段的輻射能量占比(AM0)

而在AM1.5條件下，紫外部分輻射能量約占2%，可見(jiàn)光部分和紅外部分占比基本一樣，各約49%。

光譜分布為什么會(huì)呈現(xiàn)圖1所示的圖形?這可用黑體輻射理論解釋。

自然界中的物體都具有一定的溫度，可以對(duì)外輻射光線，當(dāng)物體溫度變化時(shí)，光譜分配和光的能量也隨之改變，比如溫度接近室溫時(shí)，黑體(如人類身體)將會(huì)輻射出低功率的電磁波，能量主要分布在低于10μm的波譜段，超出了人類眼睛的可視范圍。比如，某區(qū)域晚上有人闖入，會(huì)被紅外探測(cè)儀能檢測(cè)到，就是因?yàn)槿梭w輻射了紅外線。

如果黑體溫度被加熱到3000K(2726.85℃)它將會(huì)變成紅色，并且波譜也轉(zhuǎn)向了可見(jiàn)光領(lǐng)域，比如早期照明用的鎢絲燈;

如果黑體的溫度上升到更高的6000K(5726.85℃)，輻射出的波長(zhǎng)將集中在紅色光和紫色光之間的可見(jiàn)光波段，并呈現(xiàn)白色。

太陽(yáng)表面溫度為6000K，因此太陽(yáng)光譜才表現(xiàn)為我們常見(jiàn)的曲線，如圖2所示。圖3顯示的是AM0、AM1.5和6000K黑體輻射波譜比較。

圖2 不同溫度黑體輻射光譜分布

圖3 AM0、AM1.5和6000K黑體輻射波譜

2）光伏電池的轉(zhuǎn)化效率為什么低？

了解了太陽(yáng)光譜的分布，我們?cè)賹?duì)太陽(yáng)電池的效率進(jìn)行定性分析。

太陽(yáng)電池發(fā)電的原理是光伏效應(yīng)，其最基本的條件是：入射光子的能量足夠大(大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg)，能夠激發(fā)PN結(jié)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。即，一個(gè)光子最多產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，如果它的能量足夠大，超出Eg的部分將會(huì)以熱的形式輻射出去，對(duì)發(fā)電來(lái)說(shuō)沒(méi)有貢獻(xiàn)，如果光子的能量小于Eg，則無(wú)法產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這部分能量對(duì)發(fā)電也沒(méi)有貢獻(xiàn)(例如有一個(gè)半米高的桌子，能跳上去得1分，跳不上去得零分，對(duì)于青年人來(lái)說(shuō)，大部分都有能力跳上去，但少部分運(yùn)動(dòng)能力特別強(qiáng)的人也只能得1分，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)不出來(lái);而對(duì)于年老或年幼的人來(lái)說(shuō)，沒(méi)有能力跳上去，只能得0分)。

圖4：各種太陽(yáng)電池的理論轉(zhuǎn)換效率

光子的能量是和波長(zhǎng)成反比關(guān)系(E==h/λ)，以理論效率最高的太陽(yáng)電池GaAs為例(如圖4所示)，其禁帶寬度約1.4eV，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約880nm。從圖3中的AM1.5光譜曲線可以看出，占輻射能量49%的紅外光(波長(zhǎng)>760nm)，波長(zhǎng)基本都大于880nm，所以太陽(yáng)能的這部分有40%左右的能量無(wú)法被利用。同時(shí)，紫外部分的高能量光子，能量大大高于1.4eV，但其貢獻(xiàn)與能量為1.4eV的光子相同，高能量光子的部分能量就會(huì)被白白浪費(fèi)。

基于上述兩個(gè)原因，理論計(jì)算出的單結(jié)電池效率值僅約30%。而制備出的太陽(yáng)電池還會(huì)有各種電學(xué)損失等，所以實(shí)際的效率要低于理論值。相信這樣大家會(huì)理解太陽(yáng)電池效率低的原因了吧!

三、光伏電池的轉(zhuǎn)化效率未來(lái)能提高嗎？

目前，在提高光伏電池的轉(zhuǎn)化效率方面，有兩種思路。

1）制備多個(gè)PN結(jié)

之前的分析，都是針對(duì)的單個(gè)PN結(jié)電池而言。

理論上，如制備足夠多的PN結(jié)，把各種波長(zhǎng)的光都充分吸收，可得出超過(guò)50%甚至更高的理論效率!

然而，上述思路在具體實(shí)施時(shí)是非常困難的，并且實(shí)際工藝也會(huì)帶來(lái)其它能量損失。

2）將高能量光子拆分和將低能量光子疊加

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費(fèi)，是電池轉(zhuǎn)化效率低的根本原因。

為了充分高能量光子的能量，使其發(fā)揮更大作用，減少能量浪費(fèi)，可以將高能量光子的能量拆分為多個(gè)低能光子(光譜下轉(zhuǎn)換);或者，將低能量光子的能量疊加成高能光子(光譜上轉(zhuǎn)換)。目前，這兩種思路還在基礎(chǔ)研究中。

四、小結(jié)

1、太陽(yáng)光譜和能量分布圖是基于黑體輻射理論所得，AM1.5和大氣層外光譜圖的差別是因?yàn)榇髿鈱又械臍怏w和塵埃吸收及散射、反射等所致。

2、太陽(yáng)電池的效率較低，是因?yàn)楣庾V中的低能光子(長(zhǎng)波部分)對(duì)發(fā)電沒(méi)有貢獻(xiàn)，高能光子(短波部分)也有部分能量浪費(fèi)所致。