太陽能電池為什么效率很低？

:“我會(huì)把錢放在太陽能和太陽能上。多么強(qiáng)大的力量來源?。∥蚁Ｍ覀儾槐氐鹊绞秃兔禾亢谋M后，我們才能解決這個(gè)問題。”-托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）

現(xiàn)在，全世界每個(gè)人都應(yīng)該同意，就滿足人類對能源的需求而言，可再生能源是前進(jìn)的唯一途徑。但是，談到各種更環(huán)保的電源替代方案時(shí)，每個(gè)方案確實(shí)都有其自身的局限性。

風(fēng)能的風(fēng)速波動(dòng)很大，在一天中的大部分時(shí)間內(nèi)都不可靠；可以建造水壩發(fā)電，但對生態(tài)環(huán)保有很多影響；陽光是免費(fèi)的，而且非常環(huán)保，難道太陽能發(fā)電就沒有局限性了嘛？更其他再生能源一樣，太陽能發(fā)電也有其局限性，迄今為止記錄到的市售太陽能電池的最大效率為33.7％。這一直是太陽能行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一，但是為什么太陽能電池板的效率如此低呢？ 我們很快就會(huì)得到答案，但是首先，了解太陽能電池到底是什么很重要。

什么是太陽能電池？

太陽能電池是一種以直射陽光的形式捕獲太陽能量并將其轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備。太陽能電池也稱為光伏電池，這意味著它將存在于光中的光子轉(zhuǎn)換為電壓差（這實(shí)際上是指“電能”）。要了解太陽能電池的局限性，我們必須仔細(xì)研究其構(gòu)造。

圖注：簡單的P-n節(jié)插圖；

太陽能電池是使用p型和n型硅晶圓制成的。p型硅晶片由更多的孔組成，這意味著它缺少電子，而n型晶片具有過量的電子。兩者接觸的界面稱為結(jié)（更準(zhǔn)確地說是PN結(jié)）。PN結(jié)是太陽能電池的主要組成部分。

我們所說的太陽能電池效率是什么意思？

我們使用的每個(gè)設(shè)備都具有一定的效率?？紤]一臺(tái)每小時(shí)可生產(chǎn)10個(gè)氣球的機(jī)器。在這十個(gè)氣球中，有兩個(gè)氣球有孔或其他類型的缺陷。這意味著該機(jī)器的效率為80％，因?yàn)樵摍C(jī)器吸收了生產(chǎn)10個(gè)氣球所需的原材料，但僅將其中的80％轉(zhuǎn)換為有用的輸出。因此，設(shè)備的效率代表了提供給它的每單位輸入所產(chǎn)生的有用輸出量。

類似地，太陽能電池上的入射輻射不會(huì)完全轉(zhuǎn)換為電能。只能獲取該能量的一小部分（如我們已經(jīng)看到的小得多）作為有用的工作。有許多不同的衡量太陽能電池效率的方法，但最普遍的方法是肖克利-奎塞爾極限。

什么是肖克利-奎塞爾極限？

肖克利-奎塞爾極限（通常稱為SQ極限）是提高太陽能電池效率的最重要科學(xué)手段。它測量標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）下單個(gè)PN結(jié)太陽能電池的理論效率。STC近似于美國大陸春季和秋季春分時(shí)的太陽正午，太陽能電池的表面直接對準(zhǔn)太陽（太陽能效率極限）。

該限制是在某些假設(shè)下測得的，太陽能電池必須僅由一種均質(zhì)材料制成，每個(gè)太陽能電池只能有一個(gè)p-n結(jié)，并且假定每個(gè)能量大于帶隙的光子都將轉(zhuǎn)換為電能。如果您不了解光子或帶隙的含義，請不要擔(dān)心，我們將在下面進(jìn)行討論。

為什么效率受到限制？

使用太陽能電池發(fā)電的過程主要取決于一個(gè)非常重要的步驟。電子從價(jià)帶（太陽能電池的PN結(jié)）躍遷到導(dǎo)帶（外部電路，例如電池）。供您參考，正常原子中沒有外部能量的電子被稱為在價(jià)帶中。為了產(chǎn)生電，這些電子必須轉(zhuǎn)移到外部電路，這被稱為導(dǎo)帶。

圖注：不同材料間的能帶隙。

電子本身不會(huì)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。 必須提供一定量的能量（稱為帶隙），以使它們進(jìn)行過渡。

現(xiàn)在，入射的太陽輻射由許多不同波長的波組成，如上面的光譜所示。左側(cè)的長波最弱（能量較少），而右側(cè)的短波更強(qiáng)大。因此，這些波中只有少數(shù)具有必要的能量來克服能壘。

圖注：光波帶譜。

讓我們看一個(gè)例子，以更好地了解上述過程?？紤]一包由100個(gè)不同波長的光子組成的光子（光子）撞擊由硅制成的太陽能電池。在這100個(gè)波中，有40個(gè)波具有相當(dāng)于硅帶隙的能量，因此將能夠發(fā)電。其余的波將作為熱量消散或從電池表面反射回來。因此，太陽能電池的效率受到限制。

還有其他影響效率的因素嗎？

正如我們所看到的，電子躍遷的閾值能壘原來是太陽能電池板效率低的主要原因。但是，它不是影響它的唯一因素。還有許多其他元素在這里起著相當(dāng)重要的作用。

圖注：臭氧層阻止高能紫外線到達(dá)地表。

離開太陽的能量與我們在地球上接收到的能量不同。這是因?yàn)檩椛浔仨毚┻^包圍我們星球的濃厚大氣傳播?，F(xiàn)在，諸如光的散射和折射之類的不同現(xiàn)象降低了其強(qiáng)度。臭氧層會(huì)阻止有害的紫外線輻射到達(dá)我們（這些波對我們有害，因?yàn)樗鼈儞碛懈嗟哪芰浚虼藭?huì)損壞我們的眼睛細(xì)胞）。 然而，這些是能夠越過閾值能量的波，但卻稀疏地到達(dá)表面，從而再次導(dǎo)致太陽能電池板的效率降低。

有什么解決辦法嗎？

即使目前我們可以買到的大多數(shù)商用太陽能電池的轉(zhuǎn)換率都無法超過33％的標(biāo)準(zhǔn)，但未來的前景似乎一片光明。劍橋大學(xué)致力于鈣鈦礦材料用于柔性LED和下一代太陽能電池的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它們的化學(xué)成分順序較少（從本文范圍外的東西）時(shí)，它們的效率會(huì)更高，從而大大簡化了生產(chǎn)生產(chǎn)過程，并且降低成本。

同樣，世界各地的科學(xué)家一直在研究更新的材料，例如氮化鎵，鍺，磷化銦等。許多人認(rèn)為，這些材料將通過改變多結(jié)太陽能電池的帶隙極限，有效地利用整個(gè)太陽光譜將其轉(zhuǎn)化為電能?？偠灾?，太陽能行業(yè)的未來確實(shí)是光明的。

總結(jié)

澳大利亞和亞馬遜的森林大火已經(jīng)向大氣釋放了驚人數(shù)量的碳，以至于我們的星球可能要到2050年才能吸收它。這已成為了現(xiàn)實(shí)，否認(rèn)它是沒有用的。環(huán)保主義者已經(jīng)竭盡全力告訴世界綠色能源是前進(jìn)的唯一途徑，但一些領(lǐng)導(dǎo)人仍然對事實(shí)持懷疑態(tài)度。

人們普遍認(rèn)為太陽能電池效率較低是不將其用作化石燃料替代品的原因。但是，問題在于跨國公司和政府繼續(xù)在石油和煤基能源生產(chǎn)的研究和開發(fā)中投入大量資金，而忽略了對綠色和安全替代品的研究和改進(jìn)。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有較低能帶隙的材料可以作為解決當(dāng)前問題的可能方法，但是我們需要全世界關(guān)注和投資于此類研究！

世界需要理解和接受的是，如果我們希望我們的物種得以生存，則只有一條前進(jìn)的道路可走——綠色和可持續(xù)的道路！

原標(biāo)題:太陽能電池為什么效率很低？