Nature Energy: 熱頻譜成形法助太陽光電轉化效率突破S-Q極限

從1954年開始，人們已基本確定了因肖克利·奎伊瑟效率極限（S-Q極限）的最佳太陽光電轉換效率為32%。S-Q極限指的是在包括電學、光學和材料等所有因素都最優化的時候，太陽能電池最終能夠達到的極限效率。目前，效率最高的硅電池的依舊遠遠小于理想效率，各類太陽能電池效率的提升空間還有很多。所以，如何高效利用太陽光并轉換成有用電流是現在該領域研究人員紛紛探索的方向。

其中一個超越S-Q極限的方法是通過光譜轉換器改變入射光譜。但因為其附加的自吸收，較強的反射和制備困難得存在，目前還沒有報道出光譜轉換效率高的轉換器。

近期，美國麻省理工學院的課題組Wang等人報道了利用以熱為基礎的頻譜成形方法來提高太陽光電轉換效率，這種電池稱為太陽能熱光電電池（thermophotovoltaics；STPV）。該工作主要思路是將太陽能電池（PV）不能吸收的寬波段太陽光轉換成可以收集到的窄波光，從而顯著提高了太陽光電轉換效率。

圖1. STPV的結構示意圖（a）以及工作原理示意圖（b）

從圖1中可以看到，太陽光譜被納米光子結構的吸收元件吸收掉，然后整個吸收在高溫吸收器（>1000°C）中經過以高波段、高匹配的熱化過程。然后經熱輻射器熱激發產生可以被置于裝置下的電池吸收的熱發射譜，并經過過濾器將電池可吸收的波長透過，不能吸收的光繼續反射被熱輻射器吸收來滿足自身溫度需求。通過（b）圖的PV激發電子過程與STPV的激發過程對比，可以看出，STPV 中降低了吸收光子熱化以及過多熱量的產生，即使是在強度很高的太陽光下（>100suns）。因此，該裝置解決了光譜轉換效率、余熱管理和派送問題。

圖2. STPV的理論光電轉換效率圖。

一般來說最適宜的STPV工作溫度是根據活性材料的帶隙來定的。如果熱能（k_BT_emitter，k_B是普朗克常數，T發射器工作溫度）過高的依賴于帶隙(E_g)，那么，高帶隙下，非輻射復合損失增加會降低轉換效率，在低的帶隙下，又會影響電池的開路電壓。因此工作溫度與帶隙的不同系數比的曲線擬合才能得到最高的轉換效率。

圖2（a）通過STPV的發射器溫度（k_BT）—帶隙的擬合函數得出的最大理論轉換效率曲線與S-Q極限（虛線）對比，看出STPV的光電轉換效率提高了近1倍。對帶隙為1.1eV的Si電池來說，其最高轉化效率達63% ，相比與S-Q極限提高了40%，發射器的工作溫度在1600°C。而對于帶隙為0.55V的InGaAsSb電池，其光電轉換效率比S-Q極限提高了60%，發射器的工做溫度在1200°C。圖2（b）比較的是STPV和PV兩種電池產生熱的情況。結果表明，STPV熱量產生明顯小于PV的，這就說明了熱基光譜轉換器提高了電池可利用光譜的轉換效率

但實際電池的光電轉換效率遠遠低于S-Q極限，因為非輻射復合和不理想的電子傳輸，而對于STPV來說，依舊存在熱量的大量損失。故要得到效率的凈增加量，損失的熱量必須要小于轉換器輸送給電池的能量。接下來的研究主要圍繞的是利用工程納米光子材料來實現光譜的轉換過程。

圖3. （a）STPV系統圖，（b）在熱發射器不同溫度下對光波的優化過程

本工作主要是成功串聯上了等離子體干涉濾光片與一維光子晶體（Si/SiO₂）熱發射器（如圖3（a））來增強吸收光譜，因為單獨的發射器只有不到50%的轉換效率，這個過濾器可以反射低能量光子（E_photon < E_g）并再次被吸收利用。該吸收器是垂直生長的多壁碳納米管（MWCNT），試驗表明該材料在減少熱播發射的同時并沒有明顯降低入射光的吸收。理論和試驗結果表明通過添加這個三組件（吸收器—發射器—過濾器）的熱基光譜轉換器，STPV光電轉換效率高達6.8%，遠遠大于普通的PV（測試電池是帶隙為0.55V的InGaAsSb電池）。圖3（b）是不同發射溫度下的優化后的光譜。可以發現經優化整合后的光波大部分（>80%）集中在0.55V的位置，即該電池可以吸收的波段范圍。

圖4. 實際的STPV的光電轉換效率及熱發生情況。

接下來的工作就是如何計算該裝置的光電轉換效率，他們定義該裝置產生的能量與照射到吸收器表面上的能量比就是轉換效率。試驗中對比了STPV和PV兩種電池，均與理論計算結果相符。STPV(1) 的吸收器相比STPV（2），可吸收更小波段的光，所以，STPV（1）的轉換效率比（2）更高。在低的輸出功率時，PV比STPV的高，因為熱發射溫度太低。通過圖4（b）可以得出，STPV 明顯降低了電池的熱生成率，這將大大降低因電池發熱引起的組件損傷。插圖是計算電池的熱生成率的量熱方法。

圖5. STPV 的轉換效率與S-Q極限對比。

文章最后一部分主要說利用該裝置后的電池光電轉換效率很有可能超越S-Q極限。InGaAsSb電池在4cm²的光譜轉換器下，當溫度達1300°C和比入射光增大2000倍的光強情況下時，可以超越S-Q極限。繼續增加輸入功率（>4千瓦）的能量條件下測試，在溫度為1000°C和比入射光增大800倍的光強下，可以超越S-Q極限。因此，這個測試為大面積器件超越S-Q極限提供了可行性條件。

總結

該工作通過傳統電池與其他高科技材料結合而成的熱光電電池，試驗和理論表明可突破S-Q極限，達到理論轉換效率的兩倍之多。并且有不受環境影響和降低電池因過度發熱引起的損害等優點，有望讓太陽能電池的光電轉換效率再次飛越并有望投入到實際應用。

該工作發表于Nature Energy, 原文鏈接：Enhanced photovoltaic energy conversion using thermally based spectral shaping

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