太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率還能提高多少？

問題描述：太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率還能提高多少？

領(lǐng)域?qū)＜遥?/span>據(jù)外媒報(bào)道，受昆蟲眼睛的蜂窩型結(jié)構(gòu)啟發(fā)，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種研發(fā)鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵方法，這種方法將使電池更持久耐用。鈣鈦礦太陽能電池比傳統(tǒng)的硅太陽能電池便宜且容易制造。這種鈣鈦礦材料用于太陽電池最早是在2009年。

然而這種材料面臨的一個(gè)問題是，與普通的硅太陽能電池相比，鈣鈦礦的鹽狀晶體結(jié)構(gòu)使其非常脆弱。包括太陽能屋頂在內(nèi)的絕大多數(shù)太陽能設(shè)備都是扁平設(shè)計(jì)。而水分、空氣、熱量，甚至長時(shí)間的陽光照射會(huì)使包括鈣鈦礦太陽能電池的太陽能設(shè)備容易損壞。

為了解決這個(gè)問題，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)從自然界尋找開發(fā)靈感——或更具體地觀察昆蟲的眼睛。他們蒼蠅的眼睛由數(shù)千個(gè)六邊形排列的感光體單元組成，并受到一種“支架”的保護(hù)。該團(tuán)隊(duì)決定遵循這一模式，并且研發(fā)了一種蜂窩型鈣鈦礦微電池，其受到一個(gè)由低成本環(huán)氧樹脂構(gòu)成的寬度為0.02英寸的六邊形支架的保護(hù)。

研究人員發(fā)現(xiàn)這種支架使得電池對(duì)裂縫的抵抗力更強(qiáng)，對(duì)電池將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的效率幾乎沒有影響。

該團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了蜂窩狀太陽能電池的耐受極端條件的能力，將其暴露于85oC溫度下和85％濕度下，能持續(xù)使用六周。

該研究論文已發(fā)表在《 能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上。

領(lǐng)域?qū)＜遥?/span>現(xiàn)在大多數(shù)PV板的效率11-19%。比較低。

太陽能轉(zhuǎn)化效率分為光電轉(zhuǎn)化效率和光熱轉(zhuǎn)化效率。

一、光電轉(zhuǎn)化效率

鋪墊1、首先要理解光，宏觀上我們看到的太陽光是五顏六色的，也就是不同波長的光線，微觀上不同的光線是光的不同頻率，光的不同頻率是因?yàn)閿y帶不同的光子，而光能發(fā)電的能量來源就是光子。

光子能量 photons energy ： E=hc/λ

h 是普朗克常量 c 是光速 λ是波長

鋪墊2、能隙帶bandgap，發(fā)源于能帶理論，是研究固體中電子運(yùn)動(dòng)的術(shù)語。能帶隙是從鍵中釋放電子所需的最小能量。光子攜帶的能量如果小于能帶隙所必需的能量，則無法釋放電子。以晶體硅為例，Si 的bandgap約是1.12ev，轉(zhuǎn)化為光子差不多1.1波長。OK，那么太陽光在地球表面形成光譜的范圍是2u--400nm,由剛才的公式可知波長越短的能量越大。

光電過程通俗來說就是光子使電子從原子鍵分裂出來產(chǎn)生載流子（charge carriers），PV板屬于半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的載流子包含（帶負(fù)電的電子）負(fù)電子和（帶正電的空穴）正電洞（positive holes）。

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效率低的原因分三步走：

1、光打在PV板上，首先一部分會(huì)反射并沒有射入PV；

2、有些光子能量不足（波長太大），達(dá)不到bandgap?？茖W(xué)保守估計(jì)，25%的入射自然光因?yàn)槠淠芰恐档陀诰w硅的能帶隙而沒有被吸收，根本沒有發(fā)生光電轉(zhuǎn)化。

3、有些光子能量太大，導(dǎo)致進(jìn)入PV的又有一些產(chǎn)生了熱量。熱量產(chǎn)生的原因是有一部分光子攜帶的能量太大，沒有發(fā)電直接轉(zhuǎn)熱?？茖W(xué)保守估計(jì)占30%

最后剩下一部分才完成了光電轉(zhuǎn)換。

因此，PV板效率低的主要原因就是不能主動(dòng)的反應(yīng)所有光譜。

其他原因：

1、PV板使用的材料不同，材料本身對(duì)電子流的天然抵抗力也不同，這個(gè)natural resistance還會(huì)削減PV效率。

2、板與電接觸點(diǎn)（electrical contacts）還會(huì)有損失。

3、solar cells 最佳效率是在低溫下，隨著溫度的升高效率會(huì)遞減。而戲劇性的是PV板不得不一直在陽光底下暴曬，所以效率大幅降低

4、PV板不能夠全天對(duì)光，其角度損失。

現(xiàn)在最新的效率可以提升到44.7%。采用多層涂層。但是太貴，一般只用于航空航天。

?二、光熱轉(zhuǎn)化效率。這一部分我以前答過，簡(jiǎn)化了。

也就是常說的CSP，聚焦式發(fā)電。拋開儲(chǔ)存不說。

鏡子聚熱--（油或水）--蒸汽--汽輪機(jī)--發(fā)電

這里面效率就涉及到熱傳輸效率，蒸汽轉(zhuǎn)化效率，卡諾循環(huán)效率和郎肯循環(huán)效率。

最主要的損失：

1、汽輪機(jī)損失

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汽輪機(jī)的效率40%拉低了發(fā)電效率。

2、熱傳輸效率，要損失40%

3、熱--汽效率 要損失＞10%

所以光熱的整體發(fā)電效率在30%左右。

領(lǐng)域?qū)＜遥?/span>薄膜太陽能轉(zhuǎn)化率的提升空間很大，據(jù)說可以達(dá)到40%以上。漢能的柔性砷化鎵薄膜太陽能實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到31.6%，量產(chǎn)轉(zhuǎn)化率至少28%以上。全球領(lǐng)先。銅銦鎵硒薄膜太陽能量產(chǎn)轉(zhuǎn)化率也達(dá)到18.5%……好像大家提及不多，應(yīng)該重視薄膜太陽能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

領(lǐng)域?qū)＜遥?/span>漢能的柔性砷化鎵薄膜太陽能實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到31.6%，估計(jì)量產(chǎn)后最次的也能超過20%吧，漢能已經(jīng)量產(chǎn)其他材料的薄膜電池了，還上市了漢瓦，薄膜發(fā)電紙，不知道為什么我經(jīng)?？吹接腥嗽g毀漢能，難道我國的企業(yè)能做到全球第一不好嗎？