在光伏電池的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)比較充分地考慮了這一因素的影響，在電池設(shè)計(jì)中追求“電流垂直走，光線橫著行”。比如在電池背面增加光反射的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、改變?nèi)肷涔夂头瓷涔獾穆窂剑怪M可能增加光線在硅片中的傳輸距離的設(shè)計(jì)、盡量使電流傳輸?shù)姆较蚺c電池平面垂直的設(shè)計(jì)等等。我們?cè)诠夥M件的設(shè)計(jì)中，基本上仍然是沿用這一思路。

措施1

，將層壓材料的折射率設(shè)計(jì)成階梯漸變類型，使入射光多次折射進(jìn)入電池，由于光路的折射，形成一個(gè)有利于將更大角度入射光導(dǎo)入電池的“光漏斗”，在組件內(nèi)部形成一種陷光結(jié)構(gòu)，更有效地將斜射光導(dǎo)入電池，同時(shí)減少光線逸出，以產(chǎn)生更多的電能(圖7)。

圖7 階梯折射率設(shè)計(jì)示意

措施2

，在背板表面設(shè)計(jì)出一些“凹坑”，用以改變反射光的方向，增加光線在電池中傳輸路程。

圖8 背板凹坑設(shè)計(jì)示意

三、減小電池的內(nèi)連接和引出連接電阻

剛才提到的，用于全背電極電池，帶有印制電路的光伏背板能做到比傳統(tǒng)光伏組件小的多的串聯(lián)電阻，這是該類型電池背板的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)(圖8)。

四、光量子增量技術(shù)

1.利用光量子上轉(zhuǎn)換技術(shù)可能得到的電能增量

圖9給出的是AM1.5太陽(yáng)光量子譜曲線。我們用3條垂線將太陽(yáng)光譜曲線劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，4個(gè)區(qū)域，這4個(gè)區(qū)域的面積分別用S1、S2、S3和S4表示。區(qū)域的面積反映的是波長(zhǎng)在這個(gè)區(qū)間的光量子數(shù)目。

對(duì)于晶體硅材料電池，位于區(qū)域Ⅰ的光量子具有較高的能量，單單從能量的角度看，區(qū)域Ⅰ的每個(gè)光量子具有足以在硅材料中激發(fā)2對(duì)電子-空穴對(duì)的能量;區(qū)域Ⅱ的光量子，一個(gè)光量子最多可以在硅材料中激發(fā)出一對(duì)空穴-電子對(duì)，多余的能量通過(guò)電子馳豫，傳遞給晶格，轉(zhuǎn)化成熱量損失掉;區(qū)域Ⅲ、Ⅳ的光量子的能量不足以激發(fā)硅材料價(jià)帶中的電子到導(dǎo)帶，通常情況下不能被晶體硅光伏電池利用。

位于區(qū)域Ⅱ的光量子數(shù)約占陽(yáng)光中中量子數(shù)的48%，我們暫時(shí)不去管它。

圖9 AM1.5量子光譜及分區(qū)

光量子增量技術(shù)主要是針對(duì)區(qū)域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的光量子，區(qū)域Ⅲ、Ⅳ是波長(zhǎng)大于1100nm的紅外光量子，這部分光量子約占地面陽(yáng)光的39%。粗略地說(shuō)，在這個(gè)區(qū)域，每?jī)蓚€(gè)光量子的能量相加大于可能產(chǎn)生一個(gè)硅材料可以吸收的光量子。

將兩個(gè)以上光量子的能量疊加后激發(fā)出一對(duì)電子-空穴對(duì)的技術(shù)通常稱作“上轉(zhuǎn)換”技術(shù)。所謂上轉(zhuǎn)換技術(shù)，就是給波長(zhǎng)大于1100nm的紅外光光量子創(chuàng)造條件，使得兩個(gè)或兩個(gè)以上的紅外光光量子協(xié)同激發(fā)出波長(zhǎng)在550nm-1100nm范圍的晶體硅光伏電池可以利用的光量子，增加量子產(chǎn)額。圖10。

圖10 上轉(zhuǎn)換原理圖

上轉(zhuǎn)換的有多種機(jī)理，有些理解起來(lái)還比較復(fù)雜。形象地說(shuō)，上轉(zhuǎn)換就相當(dāng)于給電子或離子搭一把“梯子”，使電子/離子可以借助梯子的“橫擋”經(jīng)過(guò)幾次激發(fā)達(dá)到較高的能級(jí)。當(dāng)電子由較高能級(jí)直接躍遷至較低能級(jí)時(shí)，便發(fā)射一個(gè)較短波長(zhǎng)的高能量光子，從而實(shí)現(xiàn)光量子的上轉(zhuǎn)換。

可以充當(dāng)“梯子”的材料，通常有稀土元素、半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)染料分子;稀土元素的電子結(jié)構(gòu)一般可表示為：[Xe]4f0-145d0-16s2，由于6s、5d電子層的屏蔽作用，4f電子殼層沒(méi)有發(fā)生簡(jiǎn)并，依然保持分立能級(jí)的狀態(tài)，也就是我們需要的電子激發(fā)的能級(jí)梯子;半導(dǎo)體量子點(diǎn)由于納米顆粒的尺度效應(yīng)而產(chǎn)生一系列分立的能級(jí)，也能形成我們所需要的能級(jí)梯子;有機(jī)染料分子的相應(yīng)能級(jí)結(jié)構(gòu)則來(lái)源于分子共軛體系和分子軌道，通過(guò)適當(dāng)?shù)亟M合，就能達(dá)到多個(gè)光量子多次接力激發(fā)，使電子激發(fā)到較高能級(jí)。

隨后隨著電子躍遷至較低能級(jí)，發(fā)射出一個(gè)能量較高的光量子，實(shí)現(xiàn)光量子的上轉(zhuǎn)換。圖10示意了3種最簡(jiǎn)單的激發(fā)原理。一是多次接力激發(fā)，將電子激發(fā)至較高能級(jí);二是非復(fù)合耦合激發(fā)，一個(gè)電子躍遷時(shí)其能量不經(jīng)過(guò)輻射直接激發(fā)另一個(gè)電子到更高能級(jí);第三是概率雪崩激發(fā)，較高能級(jí)上的電子躍遷可以經(jīng)過(guò)無(wú)輻射耦合激發(fā)一個(gè)以上的電子到暫穩(wěn)能級(jí)，光也能激發(fā)電子到暫穩(wěn)能級(jí)，處于暫穩(wěn)能級(jí)上的電子多了，則吸收輻射躍遷至較高能級(jí)的概率也就大了。

為了“定制”需要轉(zhuǎn)換的光譜帶到所需要的光譜帶，我們可以使用不同的材料，設(shè)計(jì)不同的能級(jí)組合，達(dá)到較高的激發(fā)效率。

目前的上轉(zhuǎn)換研究成果，其轉(zhuǎn)換效率還不是太理想，在整個(gè)紅外段一般只能做到1%左右。這樣算下來(lái)，晶體硅光伏電池通過(guò)上轉(zhuǎn)換技術(shù)可以獲得的功率輸出，即上轉(zhuǎn)換增加功率的比例：

δ上=k[（S3+S4）/2*0.01]/（S1+S2）=0.32%

如果考慮地面反射，取k值為1.2。則

δ上=k[（S3+S4）/2×0.01]/（S1+S2）=1.2×0.32%≈0.38%

則上轉(zhuǎn)換可能增加的功率輸出約為0.38%。

2.利用光量子下轉(zhuǎn)換技術(shù)可能得到的電能增量

相比光量子能量的上轉(zhuǎn)換，光量子能量下轉(zhuǎn)換比較容易實(shí)現(xiàn)。在圖9中的區(qū)域Ⅰ，該區(qū)域的光量子的能量可以將電子或離子激發(fā)至較高的能級(jí)，如果被激發(fā)的電子或離子通過(guò)一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)發(fā)生兩次躍遷，就有可能發(fā)射出兩個(gè)光量子，這個(gè)倍增的光量子就會(huì)在光伏電池中產(chǎn)生倍增的電流。因此對(duì)光量子下轉(zhuǎn)換的任務(wù)是，創(chuàng)造條件使波長(zhǎng)小于550nm的一個(gè)光量子激發(fā)出一個(gè)以上的波長(zhǎng)在550nm-1100nm范圍的光量子，即所謂實(shí)現(xiàn)光的下轉(zhuǎn)換。

光量子下轉(zhuǎn)換的原理圖如圖11：

圖11 光量子下轉(zhuǎn)換示意圖

圖11中，電子激發(fā)-躍遷的過(guò)程與上轉(zhuǎn)換中電子躍遷的過(guò)程相類似。簡(jiǎn)單地說(shuō)，下轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)就是借助一個(gè)能級(jí)的“臺(tái)階”，使激發(fā)到較高能級(jí)的電子“分兩次”躍遷至較低能級(jí)，產(chǎn)生兩個(gè)光量子，去激發(fā)半導(dǎo)體硅中價(jià)帶中的電子到導(dǎo)帶。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看，能量降低、熵增加的過(guò)程總是比較容易進(jìn)行的，因此，目前下轉(zhuǎn)換的效率比較上轉(zhuǎn)換要高。

圖12 光轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線

圖13 組件效率有可能超過(guò)電池的效率

圖12是明冠新材料做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在PO膜中添加“1號(hào)轉(zhuǎn)光粉”共混成膜，測(cè)試PO膜的量子數(shù)反光率。曲線形狀與電池的量子光譜響應(yīng)曲線非常相似。曲線中短波段降低的反射率是因?yàn)楣庾颖晦D(zhuǎn)光劑所吸收，長(zhǎng)波段的增加是因?yàn)殚L(zhǎng)波光子的增加。

圖中兩個(gè)三角形的面積比接近1：1，考慮到轉(zhuǎn)光離子發(fā)射光的無(wú)序性，即有約一半的轉(zhuǎn)換光是檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)不到的，實(shí)際的轉(zhuǎn)光粒子數(shù)的比值是大于1的，也就是說(shuō)平均一個(gè)短波光的光子激發(fā)出了一個(gè)以上的長(zhǎng)波光子。只要在調(diào)整一下轉(zhuǎn)光的頻段，便可能得到更多額外的光量子。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算，該樣品在特征頻率處約有3%~4%的光量子參與了轉(zhuǎn)換，得到了約6%的光量子增量。計(jì)算一下，包括上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換，只要我們能凈增加3%的光量子數(shù)，我們光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率就會(huì)接近甚至超過(guò)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率!