光子回收？突破光伏理論效率極限新思路，提高鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)化率

對(duì)于單結(jié)半導(dǎo)體電池已知的理論光電轉(zhuǎn)化效率上限為34％，晶硅光伏電池已知的理論光電轉(zhuǎn)化效率上限為29．43％，鈣鈦礦電池的理論轉(zhuǎn)化效率為29．2％。

從2009 年科學(xué)家首次展示 3．8％ 的鈣鈦礦光伏電池轉(zhuǎn)換效率，到至今最先進(jìn)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池已經(jīng)表現(xiàn)出超過(guò) 25％ 的高效率，發(fā)展之快令人矚目。晶硅電池一旦異質(zhì)結(jié)或TOPCon技術(shù)量產(chǎn)之后，目前還沒(méi)有找到下一代晶硅電池新的理論技術(shù)路線。

因此不管哪種太陽(yáng)能電池技術(shù)，都有其理論效率上限，越是接近理論效率，越是難以突破。目前科學(xué)家用了打破理論效率極限的辦法是聚光或疊層，前者有偷換自然光概念之嫌，后者有偷換材料概念之嫌，盡管多結(jié)電池，如鈣鈦礦／晶硅疊層電池確實(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了30％左右的轉(zhuǎn)換效率。

但進(jìn)一步的突破，顯然遇到了理論效率的瓶頸。

那么，還有別的方法，可以突破材料的理論效率極限嗎？

近日，德累斯頓工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理和光子材料綜合中心 （IAPP） 的研究人員指出了光子回收效應(yīng)的作用?？茖W(xué)家希望，通過(guò)光子回收，能再次增加光電轉(zhuǎn)化的理論效率。

理論上說(shuō)，太陽(yáng)能電池不僅是一個(gè)好的光吸收體，而且是一個(gè)好的發(fā)光體。當(dāng)陽(yáng)光照射到電池表面后，一部分能量被電池材料吸收并轉(zhuǎn)化成光電流，從而計(jì)算出材料的光電轉(zhuǎn)化效率；一部分被材料吸收轉(zhuǎn)化成熱量，剩下一部分則被材料反射。

當(dāng)光子在電池半導(dǎo)體材料中輻射時(shí)，如果被材料本身再吸收并通過(guò)光致發(fā)光產(chǎn)生新的光子，而不是轉(zhuǎn)化成熱量，那么就有可能增加光子的被利用率，從而有可能產(chǎn)生更多的光電流。這種遞歸地重新吸收和重新發(fā)射光子的過(guò)程稱為光子循環(huán)。

在德累斯頓工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理和光子材料綜合中心的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光子回收和光散射效應(yīng)極大地提高了鈣鈦礦材料發(fā)光效率約 5 倍，顯著提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電壓。

圖鈣鈦礦材料的光子回收效應(yīng)實(shí)現(xiàn)額外的光發(fā)射

科學(xué)家預(yù)測(cè)，通過(guò)光子再循環(huán)的貢獻(xiàn)，以及對(duì)各種光電損耗的抑制，將導(dǎo)致鈣鈦礦材料光電性能的進(jìn)一步提高，其理論效率上限可以從 29．2％ 上升到 31．3％。

對(duì)于光子回收效應(yīng)此前已經(jīng)有科學(xué)家指出過(guò)，但這次是科學(xué)家首次在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池上證實(shí)。科學(xué)家認(rèn)為，有了關(guān)于光子回收作用的基本見(jiàn)解和在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的實(shí)踐，就為該技術(shù)應(yīng)用于成熟的硅基光伏電池打下了基礎(chǔ)，讓進(jìn)一步提升晶硅電池的理論轉(zhuǎn)化效率成為可能。而如果晶硅電池技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)光子回收效應(yīng)，那么未來(lái)鈣鈦礦的應(yīng)用前景就變得更值得期待。

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