太阳能电池的最终效率探讨知识讲稿.pptx

太阳能电池的最终效率探讨背景 化石能源过度消耗并且伴随着地球环境的日益恶化, 发展清洁、可再生的新能源成为社会长期可持续发展的迫切需要。太阳能电池利用光伏效应将太阳能直接转换为电能, 拥有可再生、清洁、安全、寿命长等优点, 被认为是最有前途的可再生能源技术之一。 虽然光电转化效率在10%~18%的太阳能电池已经实现大规模产业化应用, 但如何进一步提升太阳能电池的光电转换效率依然是研究者面临的最重要的挑战。目录Shockley-Queisser转换效率极限1标准太阳能电池的效率极限2高转换效率太阳能电池3结论与展望4Shockley-Queisser转换效率极限典型的太阳能电池转换效率极限, 也就是所谓的S-Q效率极限(Shockley-Queisser limit)，一直是太阳能电池效率的理论瓶颈. 光电转换过程中能量损耗的原因主要有3个:光子能量低于半导体材料的带隙能量时, 光子不会被吸收，能量大于带隙的光子, 其超过带隙能量的那部分能量以热量的形式损失。黑体背景辐射. 量子力学告诉我们任何绝对温度不为零的物体都会不可避免地向外辐射电磁波。电子-空穴的辐射复合.根据细致平衡原理(detailed balance), 电子和空穴在吸收层中相遇时不可避免地会产生辐射复合, 重新产生光子辐射出去.太阳能电池的S-Q转化效率极限图太阳能电池的效率公式其中, q是电子电荷, V是器件电压, 和 分别是入射太阳和辐射复合的光子流强度, 是Stefan-Boltzmann常数, T sun 是太阳的温度. 根据公式, 单节太阳能电池在非聚光条件下的效率峰值是33.7%.标准太阳能电池的效率极限标准太阳能电池主要指单结器件太阳能电池硅基太阳能电池化合物太阳能电池有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池最高转换效率标准太阳能电池情况硅基太阳能电池 单晶硅的带隙约1.12 eV, 其非平衡载流子寿命较长, 电池稳定性较好 . 目前单晶硅电池的转换效率已可以达到25%左右 , 但是单晶硅的生产成本较高, 而且单纯从电池结构优化上进一步提高转换效率的可行性并不高, 转换效率的提高受到限制. 多晶硅的原子基本排列形式与单晶硅相同但排列晶面不同, 因此多晶硅各向异性不明显, 晶体缺陷相对较多, 电阻率较大, 转换效率也较低, 目前最高转换效率在15%左右.研究者提出了一些成熟的方法来提高硅基太阳能电池的转化效率：单晶硅表面微结构处理和分区掺杂, 将表面制成倒金字塔结构, 或者在表面涂一层减反射层来提高光吸收.晶体硅的带隙为1.12 eV, 只能够吸收波长短于1100 nm的近红外光.为了拓展对更长波长范围的光吸收, 可以利用上转换材料把亚带隙(sub-band-gap)近红外光(波长大于1100 nm)转换为可见光/近红外光(波长小于1100 nm). Trupke等人 计算了标准空气质量地面谱条件(AM1.5)下, 单结电池结合理想的上转换材料后,光电转化效率上限可以达到50.7%.松下公司的成果 松下公司今年3月宣布，公司的光伏组件已在研究层面实现高23.8%(采光面积*3：11,562 cm2)的转换效率，该数据远远打破晶体硅光伏组件此前的转换效率世界纪录。2014年4月，松下宣布公司的硅异质结电池实现高达25.6%*4的世界最高转换效率。因此，松下同时保持着晶体硅太阳能电池和晶体硅光伏组件的转换效率世界记录。化合物太阳能电池 化合物太阳能电池主要包括CdTe, GaAs, CIGS等化合物材料组成的太阳能电池.通常化合物太阳能电池的转换效率更高、更耐高温、更耐辐照. 单结GaAs太阳能电池的最高转换效率已经接近28.8% , 而多结GaAs太阳能电池的转换效率可达到38%以上, 是目前光电转换效率最高的太阳能电池. 经美国可再生能源实验室(National Re-newable Energy Laboratory)测试及认证, 目前CIGS太阳能电池光电转换效率最高达到了21.7%. 若利用聚光装置的辅助, 效率可以进一步大幅度提高.有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池 近年来有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因为具有光吸收强、载流子迁移率高、易加工等优点而引起研究者的关注 . 尤其近几年其光电转换效率不断刷新, 2009年的3.8%到目前为止报道的超过20%, 发展十分迅速可以通过以下途径来提高光电转化效率:通过调节钙钛矿材料的组分来调节带隙, 从而调节吸收范围.通过界面调控来提高电子和空穴的抽出.优化钙钛矿成膜过程.通过减反射手段(anti-reflective strat-egy)来减少这种损失. 理论预测, 利用朗伯光诱捕, 带隙为1.55 eV的单结钙钛矿太阳能电池的效率上限为31%. 为