太陽能電池為什麼效率很低?

2020-12-05 騰訊網

「我會把錢放在太陽能和太陽能上。多麼強大的力量來源啊!我希望我們不必等到石油和煤炭耗盡後，我們才能解決這個問題。」-託馬斯·愛迪生(Thomas Edison)

現在，全世界每個人都應該同意，就滿足人類對能源的需求而言，可再生能源是前進的唯一途徑。但是，談到各種更環保的電源替代方案時，每個方案確實都有其自身的局限性。

風能的風速波動很大，在一天中的大部分時間內都不可靠;可以建造水壩發電，但對生態環保有很多影響;陽光是免費的，而且非常環保，難道太陽能發電就沒有局限性了嘛?更其他再生能源一樣，太陽能發電也有其局限性，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面臨的最大挑戰之一，但是為什麼太陽能電池板的效率如此低呢? 我們很快就會得到答案，但是首先，了解太陽能電池到底是什麼很重要。

什麼是太陽能電池?

太陽能電池是一種以直射陽光的形式捕獲太陽能量並將其轉換為電能的設備。太陽能電池也稱為光伏電池，這意味著它將存在於光中的光子轉換為電壓差(這實際上是指「電能」)。要了解太陽能電池的局限性，我們必須仔細研究其構造。

圖註：簡單的P-n節插圖

太陽能電池是使用p型和n型矽晶圓製成的。p型矽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(更準確地說是PN結)。PN結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麼意思?

我們使用的每個設備都具有一定的效率。考慮一臺每小時可生產10個氣球的機器。在這十個氣球中，有兩個氣球有孔或其他類型的缺陷。這意味著該機器的效率為80%，因為該機器吸收了生產10個氣球所需的原材料，但僅將其中的80%轉換為有用的輸出。因此，設備的效率代表了提供給它的每單位輸入所產生的有用輸出量。

類似地，太陽能電池上的入射輻射不會完全轉換為電能。只能獲取該能量的一小部分(如我們已經看到的小得多)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。

什麼是肖克利-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手段。它測量標準測試條件(STC)下單個PN結太陽能電池的理論效率。STC近似於美國大陸春季和秋季春分時的太陽正午，太陽能電池的表面直接對準太陽(太陽能效率極限)。

該限制是在某些假設下測得的，太陽能電池必須僅由一種均質材料製成，每個太陽能電池只能有一個p-n結，並且假定每個能量大於帶隙的光子都將轉換為電能。如果您不了解光子或帶隙的含義，請不要擔心，我們將在下面進行討論。

為什麼效率受到限制?

使用太陽能電池發電的過程主要取決於一個非常重要的步驟。電子從價帶(太陽能電池的PN結)躍遷到導帶(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帶中。為了產生電，這些電子必須轉移到外部電路，這被稱為導帶。

電子本身不會從價帶躍遷到導帶。 必須提供一定量的能量(稱為帶隙)，以使它們進行過渡。

現在，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。左側的長波最弱(能量較少)，而右側的短波更強大。因此，這些波中只有少數具有必要的能量來克服能壘。

讓我們看一個例子，以更好地了解上述過程。考慮一包由100個不同波長的光子組成的光子(光子)撞擊由矽製成的太陽能電池。在這100個波中，有40個波具有相當於矽帶隙的能量，因此將能夠發電。其餘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裡起著相當重要的作用。

圖註：臭氧層阻止高能紫外線到達地表。

離開太陽的能量與我們在地球上接收到的能量不同。這是因為輻射必須穿過包圍我們星球的濃厚大氣傳播。現在，諸如光的散射和折射之類的不同現象降低了其強度。臭氧層會阻止有害的紫外線輻射到達我們(這些波對我們有害，因為它們擁有更多的能量，因此會損壞我們的眼睛細胞)。 然而，這些是能夠越過閾值能量的波，但卻稀疏地到達表面，從而再次導致太陽能電池板的效率降低。

有什麼解決辦法嗎?

即使目前我們可以買到的大多數商用太陽能電池的轉換率都無法超過33%的標準，但未來的前景似乎一片光明。劍橋大學致力於鈣鈦礦材料用於柔性LED和下一代太陽能電池的研究人員發現，當它們的化學成分順序較少(從本文範圍外的東西)時，它們的效率會更高，從而大大簡化了生產生產過程，並且降低成本。

同樣，世界各地的科學家一直在研究更新的材料，例如氮化鎵，鍺，磷化銦等。許多人認為，這些材料將通過改變多結太陽能電池的帶隙極限，有效地利用整個太陽光譜將其轉化為電能。總而言之，太陽能行業的未來確實是光明的。

總結

澳大利亞和亞馬遜的森林大火已經向大氣釋放了驚人數量的碳，以至於我們的星球可能要到2050年才能吸收它。這已成為了現實，否認它是沒有用的。環保主義者已經竭盡全力告訴世界綠色能源是前進的唯一途徑，但一些領導人仍然對事實持懷疑態度。

人們普遍認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，問題在於跨國公司和政府繼續在石油和煤基能源生產的研究和開發中投入大量資金，而忽略了對綠色和安全替代品的研究和改進。例如，已經發現具有較低能帶隙的材料可以作為解決當前問題的可能方法，但是我們需要全世界關注和投資於此類研究!

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，則只有一條前進的道路可走——綠色和可持續的道路!

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