光子回收？突破光伏理论效率极限新思路，提高钙钛矿电池光电转化率

2022-01-18 13:30

对于单结半导体电池已知的理论光电转化效率上限为34％，晶硅光伏电池已知的理论光电转化效率上限为29．43％，钙钛矿电池的理论转化效率为29．2％。

从2009 年科学家首次展示 3．8％的钙钛矿光伏电池转换效率，到至今最先进的钙钛矿太阳能电池已经表现出超过 25％的高效率，发展之快令人瞩目。晶硅电池一旦异质结或TOPCon技术量产之后，目前还没有找到下一代晶硅电池新的理论技术路线。

因此不管哪种太阳能电池技术，都有其理论效率上限，越是接近理论效率，越是难以突破。目前科学家用了打破理论效率极限的办法是聚光或叠层，前者有偷换自然光概念之嫌，后者有偷换材料概念之嫌，尽管多结电池，如钙钛矿／晶硅叠层电池确实已经实现了30％左右的转换效率。

但进一步的突破，显然遇到了理论效率的瓶颈。

那么，还有别的方法，可以突破材料的理论效率极限吗？

近日，德累斯顿工业大学应用物理和光子材料综合中心（IAPP）的研究人员指出了光子回收效应的作用。科学家希望，通过光子回收，能再次增加光电转化的理论效率。

理论上说，太阳能电池不仅是一个好的光吸收体，而且是一个好的发光体。当阳光照射到电池表面后，一部分能量被电池材料吸收并转化成光电流，从而计算出材料的光电转化效率；一部分被材料吸收转化成热量，剩下一部分则被材料反射。

当光子在电池半导体材料中辐射时，如果被材料本身再吸收并通过光致发光产生新的光子，而不是转化成热量，那么就有可能增加光子的被利用率，从而有可能产生更多的光电流。这种递归地重新吸收和重新发射光子的过程称为光子循环。

在德累斯顿工业大学应用物理和光子材料综合中心的研究中，科学家发现光子回收和光散射效应极大地提高了钙钛矿材料发光效率约 5 倍，显著提高了钙钛矿太阳能电池的光电压。

图：钙钛矿材料的光子回收效应实现额外的光发射

科学家预测，通过光子再循环的贡献，以及对各种光电损耗的抑制，将导致钙钛矿材料光电性能的进一步提高，其理论效率上限可以从 29．2％上升到 31．3％。

对于光子回收效应此前已经有科学家指出过，但这次是科学家首次在钙钛矿太阳能电池上证实。科学家认为，有了关于光子回收作用的基本见解和在钙钛矿太阳能电池领域的实践，就为该技术应用于成熟的硅基光伏电池打下了基础，让进一步提升晶硅电池的理论转化效率成为可能。而如果晶硅电池技术无法实现光子回收效应，那么未来钙钛矿的应用前景就变得更值得期待。

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