太阳电池效率的基本限制

  太阳电池技术的发展有三个主要准则：效率要高、生产成本要低、可靠性及稳定性要好。关于效率的问题，我们会在下面做进一步的说明。至于太阳电池的生产成本，其衡量单位是美金/每瓦($/W)。从历史的纪录来看，太阳电池生产成本有所谓的“80% 学习曲线”，也就是说，当全世界太阳电池模块的总生产瓦数每增加一倍，其生产成本则降低为原来的 80%。至于可靠性及稳定性方面，现今太阳电池模块的制造商一般都会提供 25 年的产品保证 (可靠度佳)，保证 25 年内电池模块输出功率不会降低超过 20% (稳定度好)。也就是说，硅晶太阳电池可靠度及稳定度已经是非常优越了。相反地，直到现在，非晶硅太阳电池稳定度还受限于所谓的 Staebler-Wronski 效应，也就是光引发的非稳定性 (light-induced instability) 的问题。也就是，非晶硅太阳电池第一次曝光，其效率便马上减少 10 至 20%。对于这个效应，至今尚未有统一的解释，也没有寻找到基本的解决方法，这对非晶硅太阳电池的广泛应用，自然地产生重大的影响。这也是开发新材料的太阳电池，如染料敏化、有机物、或聚合物太阳电池，自然要认真地考虑其稳定性的问题。
  虽然生产成本、可靠度、和稳定度，都是太阳电池工艺技术的研究和发展中必须考虑的问题，然而不可否认，太阳电池技术的发展中最主要的仍在于提高太阳电池本身的效率。一方面，至今实验室的太阳电池的最高效率尚未接近理论的极限，另一方面，市场上的太阳电池平均效率和实验室的太阳电池的最高效率纪录又有不小的差距。这两个差距，将是未来太阳电池技术的研究发展中必须克服、解决的两个最重要课题。
   举例来说，理论上，单结单晶硅太阳电池的最高效率应为 28 %，但是实验室产生的世界纪录最高效率为 24.7% 。相同地，二结、三能隙的太阳电池其最高效率可达的理论极限应为 56%，然而实验上使用 GaInP/GaAs/Ge 二结、三能隙的太阳电池之世界纪录最高效率为 32.0%。就是增加了聚光的效率也只有40.8%，很明显地，实验室产出的太阳电池其最高效率纪录和理论上的极限值依然有一段差距。而就单结单晶硅太阳电池而言，其目前市场上的平均效率约在 17% 左右，也就是说，市场上大量产的太阳电池平均效率和实验室的太阳电池的最高效率纪录又有不小的差距。未来太阳电池技术的研究发展最主要还在于如何填补这两个差距。
  在太阳电池理论中，将半导体太阳电池的效率区分为三种不同的物理限制：
  一、 单能隙(单结)太阳电池的限制 (可达之 one-sun 最高效率约 32%)。
  二、 多能隙(多结)太阳电池的限制 (可达之 one-sun 最高效率约 69%)。
  三、 热力学的限制 (可达之 one-sun 最高效率约 85%)。
  下面我们将针对这些效率的物理限制和其相对应的可能解决方法，做一简单的叙述与说明。
   对于由单一半导体做成的太阳电池，假设所有的入射光子，只要其能量大于半导体的能隙，都将被吸收而产生一个电子-空穴对。产生的电子和空穴又遵循理想 p - n 二极管 (ideal  p - n diode) 的工作原理输出电压电流，则这样的太阳能电池，当其能隙为 1.35eV，其最高效率能达 31% 。对于单晶硅半导体太阳能电池，理论上其最高效率应有 28%。但很明显，这只是理论上最佳的估计。而实际上，即使是 texturing 和 anti-reflection coating 也不能保证消除所有的反射。金属电极的 shading 也不能让所有照射到太阳电池上光子百分之百地进入。由于材料本身的限制，也不能保证能量大于半导体能隙的入射光子都可以被吸收。因为存在像自由载流子吸收 (free-carrier absorption) 的其它光吸收过程，被吸收的光子也不完全百分之百地产生电子-空穴对。芯片的品质、材料本身、或制造过程的不完善，可能引起的电子-空穴复合电流、串联电阻、并联电阻，也无法让太阳能电池输出的电压电流关系能百分之百地遵循理想的 p - n 二极管。
   如何超越单能隙、单结太阳电池的物理限制，最明显的方法，就是使用多能隙、多结的结构。在单能隙太阳电池中，只要是能量大于半导体的能隙的入射光子，就可以被吸收产生电子-空穴对。这样一来，不管入射的光子的能量有多高，大于半导体的能隙的部分之能量，就会提供产生电子和空穴相对于能隙的额外动能而处于高能态，而这高能态的电子和空穴便会以释放声子的方式回到能隙附近。也就是说，光子能量多于半导体的能隙的部分，就会以放射声子的方式释放给声子，声子的能量增加自然表现在晶体温度的增加。使用多能隙、多结的结构，最主要的用途是要减少这种不必要的能带内的能量释放(intraband energy relaxation)，降低释放声子的几率，减少热能的产生。其器件结构设计，就是要让入射的光子先通过高能隙的 p - n 二极管，先吸收高能量的光子，然后再通过低能隙的 p - n 二极管后吸收低能量的光子，而不同能隙的 p - n
二极管之间，通常使用隧穿二极管 (tunnel diode) 将他们联结起来。隧穿二极管的作用，在使低能隙的电子，通过隧穿效应，和高能隙的空穴复合，如此一来，器件的输出电压，就约等于二个不同能隙的 p - n 二极管电子和空穴 Fermi能差之总和。也因为如此，多结太阳电池一般都有相当高的开路电压。
    即便使用多结太阳电池来有效地解决载流子在能带内的能量释放 (intrabandenergy relaxation) 的物理限制，但最终不免要面对另外一个物理限制载流子能带间的能量释放 (interband energy relaxation)。载流子能带间的能量释放自然是经由电子-空穴对复合 (recombination) 的过程。电子-空穴对复合有三种可能机制：光发射、多声子发射、和 Auger 过程，如果从能量传输的观点来看，其中光发射是载流子将能量传给光子，多声子发射则是载流子将能量传给声子，而 Auger 过程中只是载流子之间互相交换能量。理论上，如果我们能抑制载流子能带间的光发射和声子发射这二个物理过程，就能阻止载流子能带间的能量释放，而让载流子一直保有自身的能量。如此一来，载流子的平均能量就会增加，其载流子温度也因此而提高，造成所谓热载流子(hot carrier) 现象。热载流子效应能有效提高太阳电池的效率，这将在下文做进一步的阐述。
    然而直到现在，尚未有任何明确的实验结果，能证实有效地解决太阳电池的载流子能带间的能量释放问题。虽然理论上新颖的构想曾被提及，例如，利用光子晶体 (photonic crystal) 结构来有效的抑制光自发辐射，或是利用声子晶体 (phononic crystal) 结构来有效的抑制声子发射。我们不免要问，假使太阳电池以理想 p - n 二极管的方式工作，然后我们再使用多结太阳电池来解决载流子能带内的能量释放的问题，又假设我们能进一步在技术上克服太阳电池的能带间的能量释放的物理限制，那么到底太阳电池的终极效率是多少？关于这个问题，可以使用热力学观点来做一简单的探讨与说明。
   由太阳发光的频谱来看，太阳大约可视为是一黑体辐射，其表面温度约为T = 5760K，假设我们能同时有效的抑制太阳电池内载流子的能带内和能带间的能量释放，也就是说，太阳电池内的载流子和声子没有能量交换，因此载流子和声子有各自的温度。我们以 代表载流子的温度，而以 代表声子的温度。通常声子的温度就等于所谓环境温度 (ambient temperature)，也就是外界负载的温度。下面，我们就将太阳光子、太阳电池内的载流子、和外界负载视为三个不同的热力学系统。我们知道，任何一温度为 T K 的理想黑体辐射，其辐射总能量密度是遵循所谓的 Stefan-Boltzmann 定律为其中为 Stefan 常数。由辐射热传的原理得知，假设太阳光子和太阳电池内的载流子都是理想的黑体辐射，则太阳光子传输给太阳电池内的载流子的能量密度将为。而又根据热力学第二基本定律，载流子温度为 K 的太阳电池，对环境温度为 K 的外界负载，所能做的最大的功(输出的能量)的效率乃为Carnot engine 来决定，为。把这两个效应一起考虑的话，能量从太阳光子经由太阳电池至外界负载的效率将为                                     http://www.gooxian.com/
   已知太阳表面温度Ts=5760K，而环境温度假设为Ta=300K，则太阳能电池内的载流子温度为Tc=2470K，太阳能电池将有最高效率。而这是太阳电池以理想 p-n 二极管的方式工作，并且去除载流子能带内的能量释放 ( 使用多结结构 ) 和能带间的能量释放后，所能得到的最高效率。
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