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太阳能电池为什么效率很低?

“我会把钱放在太阳能和太阳能上。多么强大的力量来源啊!我希望我们不必等到石油和煤炭耗尽后,我们才能解决这个问题。”-托马斯*爱迪生(Thomas Edison)

现在,全世界每个人都应该同意,就满足人类对能源的需求而言,可再生能源是前进的唯一途径。但是,谈到各种更环保的电源替代方案时,每个方案确实都有其自身的局限性。

风能的风速波动很大,在一天中的大部分时间内都不可靠;可以建造水坝发电,但对生态环保有很多影响;阳光是免费的,而且非常环保,难道太阳能发电就没有局限性了嘛?更其他再生能源一样,太阳能发电也有其局限性,迄今为止记录到的市售太阳能电池的最大效率为33.7%。这一直是太阳能行业面临的最大挑战之一,但是为什么太阳能电池板的效率如此低呢?我们很快就会得到答案,但是首先,了解太阳能电池到底是什么很重要。

什么是太阳能电池?

太阳能电池是一种以直射阳光的形式捕获太阳能量并将其转换为电能的设备。太阳能电池也称为光伏电池,这意味着它将存在于光中的光子转换为电压差(这实际上是指“电能”)。要了解太阳能电池的局限性,我们必须仔细研究其构造。

太阳能电池是使用p型和n型硅晶圆制成的。p型硅晶片由更多的孔组成,这意味着它缺少电子,而n型晶片具有过量的电子。两者接触的界面称为结(更准确地说是PN结)。PN结是太阳能电池的主要组成部分。

我们所说的太阳能电池效率是什么意思?

我们使用的每个设备都具有一定的效率。考虑一台每小时可生产10个气球的机器。在这十个气球中,有两个气球有孔或其他类型的缺陷。这意味着该机器的效率为80%,因为该机器吸收了生产10个气球所需的原材料,但仅将其中的80%转换为有用的输出。因此,设备的效率代表了提供给它的每单位输入所产生的有用输出量。

类似地,太阳能电池上的入射辐射不会完全转换为电能。只能获取该能量的一小部分(如我们已经看到的小得多)作为有用的工作。有许多不同的衡量太阳能电池效率的方法,但最普遍的方法是肖克利-奎塞尔极限。

什么是肖克利-奎塞尔极限?

肖克利-奎塞尔极限(通常称为SQ极限)是提高太阳能电池效率的最重要科学手段。它测量标准测试条件(STC)下单个PN结太阳能电池的理论效率。STC近似于美国大陆春季和秋季春分时的太阳正午,太阳能电池的表面直接对准太阳(太阳能效率极限)。

该限制是在某些假设下测得的,太阳能电池必须仅由一种均质材料制成,每个太阳能电池只能有一个p-n结,并且假定每个能量大于带隙的光子都将转换为电能。如果您不了解光子或带隙的含义,请不要担心,我们将在下面进行讨论。

为什么效率受到限制?

使用太阳能电池发电的过程主要取决于一个非常重要的步骤。电子从价带(太阳能电池的PN结)跃迁到导带(外部电路,例如电池)。供您参考,正常原子中没有外部能量的电子被称为在价带中。为了产生电,这些电子必须转移到外部电路,这被称为导带。

电子本身不会从价带跃迁到导带。必须提供一定量的能量(称为带隙),以使它们进行过渡。

现在,入射的太阳辐射由许多不同波长的波组成,如上面的光谱所示。左侧的长波最弱(能量较少),而右侧的短波更强大。因此,这些波中只有少数具有必要的能量来克服能垒。

让我们看一个例子,以更好地了解上述过程。考虑一包由100个不同波长的光子组成的光子(光子)撞击由硅制成的太阳能电池。在这100个波中,有40个波具有相当于硅带隙的能量,因此将能够发电。其余的波将作为热量消散或从电池表面反射回来。因此,太阳能电池的效率受到限制。

还有其他影响效率的因素吗?

正如我们所看到的,电子跃迁的阈值能垒原来是太阳能电池板效率低的主要原因。但是,它不是影响它的唯一因素。还有许多其他元素在这里起着相当重要的作用。

离开太阳的能量与我们在地球上接收到的能量不同。这是因为辐射必须穿过包围我们星球的浓厚大气传播。现在,诸如光的散射和折射之类的不同现象降低了其强度。臭氧层会阻止有害的紫外线辐射到达我们(这些波对我们有害,因为它们拥有更多的能量,因此会损坏我们的眼睛细胞)。然而,这些是能够越过阈值能量的波,但却稀疏地到达表面,从而再次导致太阳能电池板的效率降低。

有什么解决办法吗?

即使目前我们可以买到的大多数商用太阳能电池的转换率都无法超过33%的标准,但未来的前景似乎一片光明。剑桥大学致力于钙钛矿材料用于柔性LED和下一代太阳能电池的研究人员发现,当它们的化学成分顺序较少(从本文范围外的东西)时,它们的效率会更高,从而大大简化了生产生产过程,并且降低成本。

同样,世界各地的科学家一直在研究更新的材料,例如氮化镓,锗,磷化铟等。许多人认为,这些材料将通过改变多结太阳能电池的带隙极限,有效地利用整个太阳光谱将其转化为电能。总而言之,太阳能行业的未来确实是光明的。

总结

澳大利亚和亚马逊的森林大火已经向大气释放了惊人数量的碳,以至于我们的星球可能要到2050年才能吸收它。这已成为了现实,否认它是没有用的。环保主义者已经竭尽全力告诉世界绿色能源是前进的唯一途径,但一些领导人仍然对事实持怀疑态度。

人们普遍认为太阳能电池效率较低是不将其用作化石燃料替代品的原因。但是,问题在于跨国公司和政府继续在石油和煤基能源生产的研究和开发中投入大量资金,而忽略了对绿色和安全替代品的研究和改进。例如,已经发现具有较低能带隙的材料可以作为解决当前问题的可能方法,但是我们需要全世界关注和投资于此类研究!

世界需要理解和接受的是,如果我们希望我们的物种得以生存,则只有一条前进的道路可走——绿色和可持续的道路!

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