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一般太阳能电池工作波长范围是多少?

作者:麻将游戏    发布时间:2020-11-10 19:19    

  首先明确一下,下面的讨论主要针对地面太阳能应用,这里我们说的太阳能光谱是太阳光在经过宇宙空间传播,大气层吸收后,到达地面的光谱。AM(Air Mass)是描述地球大气光学厚度的度量。在大气层顶端,太阳光穿透的大气厚度为零,这里的太阳光谱为AM0,阳光垂直穿透大气层厚度(1个单位大气厚度)被部分吸收和散射后的光谱是AM1,这样的光谱只有赤道和低纬度地区在全年的一段时间中可以“享受”。为计算其他地区的太阳能光谱,我们一般以太阳高度角的中间值附近的48.2度(Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5)对应的大气厚度AM1.5作为平均值。地面应用的太阳能电池光学设计一般以AM1.5为优化标准,空间应用则是AM0。太阳能光谱决定了哪些半导体材料适合用来制作太阳能电池。

  下面回到正题,太阳能电池的吸收光谱范围主要受电池材料性质,厚度和表面特性决定。

  由于只有能量高于半导体材料的禁带宽度的光子能被吸收,半导体材料的禁带宽度决定了材料能吸收的光子的最小能量(hv),即最大波长。一般禁带宽度在1到1.7eV。那小于这个波长的光子的能量就都能被吸收了吗,未必见得。

  材料对光的吸收系数和厚度还共同决定了哪些波长的光可以被吸收,以晶硅电池为例,200um厚度的电池,光在里面一次反射走过的总路径是400um,这样可以基本保证900nm以下光的吸收,900nm以上的光由于在硅中的吸收系数太小,需要走过更长的距离才能被完全吸收。怎样通过提高硅片内部的反射提高对光的吸收其实就是我的研究课题。

  短波部分的光,能量高,就能完全被太阳能电池利用了吗,也未必。仍以晶硅电池为例,由于短波光吸收系数大,可以在材料表面很薄的区域内被吸收,激发载流子,但由于材料表面往往是缺陷比较多的区域,这里载流子寿命较低,所以这里短波部分的光虽然被吸收,但没有在发电中做出贡献。其次,短波波分的光子,即使被吸收,其能量也无法被完全利用,因为在经典框架下,一个光子只能激发一对电子空穴。即使短波光子的能量是禁带宽度的几倍,传统结构的电池也无法激发多个电子,多余的能量只能变为声子耗散掉。

  怎样表征太阳能电池的光谱吸收特性呢,反射太笼统,最好的是量子效率QE,即不同波长,一个光子产生的电子(发电发出的电子)的效率,量子效率大约0的波长范围就可以看作是太阳能电池的最大工作光谱范围。这个图不是很全,晶硅电池大约可以从250nm到1100nm(保守)。其他几种电池因为一般厚度都比较低,所以只能吸收比较短波部分的光。

  图3,Example QE measurements of single-junction solar cells 来自PV Measurements

  我们刚才提到太阳能光谱AM1.5其实包含的能量要高于电池能吸收的部分,这也是太阳能电池理论效率上限考虑的主要因素。较低波长部分光子的能量不能完全吸收,较高波长部分光子也因为无法吸收而浪费。怎样减少这两部分光吸收的损失是太阳能电池提高效率的方向。下面简单说几个方向,这几个方向中的部分也往往被看作是第三代的太阳能电池设计。

  答主研究方向,通过在电池背面制作金属钠米阵列,提高长波部分的光在材料内部的反射和散射,增加有效光程,增加长波部分的吸收。

  既然单个长波光子的能量低,那能不能先将几个光子的能量组合起来,共同产生一个能量更高的光子。即将几个不能被材料吸收的光子转变为一个可以被吸收的光子,这既是上变换,Up Conversion (UC)。相反考虑,既然低波长的高能光子能量有富余,能不能先分裂为多个能量略低但仍激发载流子的光子,从而激发多个载流子,更充分的利用高能光子的能量,这就是下变化,Down Conversion (DC)。

  下图蓝色背景为整个AM1.5,绿色为晶硅电池可以利用的部分,红色是采用DC材料可以带来的增益,黄色时采用UC材料带来的增益。

  图4,Potential gain for down- and upconversion for a silicon solar cell 来自Solar Spectrum Conversion for Photovoltaics Using Nanoparticles

  3、多结 multi junction & Spectrum Split

  既然不同材料的禁带宽度不同,可以专门设计吸收一部分太阳光谱的电池,然后将他们串联排布。太阳光在依次穿过几层电池的时候,不同波段的光子被依次吸收。下图是效率最高的三结电池结构和三层电池对应吸收的光谱范围,来自夏普。

  图5,夏普三结电池 来自Sharp develops solar cell with world’s highest conversion efficiency

  请直接根据材料禁带宽度计算波长范围,光子能量低于禁带宽度变不能被吸收。

  太阳能电池的光吸收波段:从300nm起,截止波长决定于带宽,单晶硅1200,薄膜一般800,有的能到900。

  但300到400的紫外光的吸收受半导体表面复合的影响,转化效率低,因此太阳能电池的工作波段自400nm起。


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