光伏電池效率為何難以突破?
一、光伏電池的轉(zhuǎn)化效率很低
天合研制出號稱是目前世界上轉(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%。
但無論哪種光伏電池,轉(zhuǎn)化效率似乎都沒有超過40%!
二、光伏電池的轉(zhuǎn)化效率為什么這么低?
要說清楚這個問題,還是要先來看一下STC條件(標(biāo)準(zhǔn)測試條件)。
1)STC條件的解釋
STC條件包含三個標(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℃
測試時保證組件為25℃,所用光源的功率要達(dá)到1000W/m2,這兩個都好理解。很多人對大氣質(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、可見光、紅外光的比例。太陽光以不同角度入射到地球表面上時,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°時的太陽輻射光譜,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ψ贤饩€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O2或其它物質(zhì)吸收或反射了部分波長的光。
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,可以對外輻射光線,當(dāng)物體溫度變化時,光譜分配和光的能量也隨之改變,比如溫度接近室溫時,黑體(如人類身體)將會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,會被紅外探測儀能檢測到,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℃)它將會變成紅色,并且波譜也轉(zhuǎn)向了可見光領(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℃),輻射出的波長將集中在紅色光和紫色光之間的可見光波段,并呈現(xiàn)白色。
太陽表面溫度為6000K,因此太陽光譜才表現(xiàn)為我們常見的曲線,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?
了解了太陽光譜的分布,我們再對太陽電池的效率進(jìn)行定性分析。
太陽電池發(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。即,一個光子最多產(chǎn)生一個電子空穴對,如果它的能量足夠大,超出Eg的部分將會以熱的形式輻射出去,對發(fā)電來說沒有貢獻(xiàn),如果光子的能量小于Eg,則無法產(chǎn)生電子空穴對,這部分能量對發(fā)電也沒有貢獻(xiàn)(例如有一個半米高的桌子,能跳上去得1分,跳不上去得零分,對于青年人來說,大部分都有能力跳上去,但少部分運(yùn)動能力特別強(qiáng)的人也只能得1分,優(yōu)勢體現(xiàn)不出來;而對于年老或年幼的人來說,沒有能力跳上去,只能得0分)。
圖4:各種太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率
光子的能量是和波長成反比關(guān)系(E==h/λ),以理論效率最高的太陽電池GaAs為例(如圖4所示),其禁帶寬度約1.4eV,對應(yīng)的波長約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>760nm),波長基本都大于880nm,所以太陽能的這部分有40%左右的能量無法被利用。同時,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被白白浪費(fèi)。
基于上述兩個原因,理論計算出的單結(jié)電池效率值僅約30%。而制備出的太陽電池還會有各種電學(xué)損失等,所以實(shí)際的效率要低于理論值。相信這樣大家會理解太陽電池效率低的原因了吧!
三、光伏電池的轉(zhuǎn)化效率未來能提高嗎?
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PN結(jié)
之前的分析,都是針對的單個PN結(jié)電池而言。
理論上,如制備足夠多的PN結(jié),把各種波長的光都充分吸收,可得出超過50%甚至更高的理論效率!
然而,上述思路在具體實(shí)施時是非常困難的,并且實(shí)際工藝也會帶來其它能量損失。
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、太陽電池的效率較低,是因?yàn)楣庾V中的低能光子(長波部分)對發(fā)電沒有貢獻(xiàn),高能光子(短波部分)也有部分能量浪費(fèi)所致。
責(zé)任編輯:蔣桂云
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