Nature Energy: 热频谱成形法助太阳光电转化效率突破S-Q极限

从1954年开始，人们已基本确定了因肖克利·奎伊瑟效率极限（S-Q极限）的最佳太阳光电转换效率为32%。S-Q极限指的是在包括电学、光学和材料等所有因素都最优化的时候，太阳能电池最终能够达到的极限效率。目前，效率最高的硅电池的依旧远远小于理想效率，各类太阳能电池效率的提升空间还有很多。所以，如何高效利用太阳光并转换成有用电流是现在该领域研究人员纷纷探索的方向。

其中一个超越S-Q极限的方法是通过光谱转换器改变入射光谱。但因为其附加的自吸收，较强的反射和制备困难得存在，目前还没有报道出光谱转换效率高的转换器。

近期，美国麻省理工学院的课题组Wang等人报道了利用以热为基础的频谱成形方法来提高太阳光电转换效率，这种电池称为太阳能热光电电池（thermophotovoltaics；STPV）。该工作主要思路是将太阳能电池（PV）不能吸收的宽波段太阳光转换成可以收集到的窄波光，从而显著提高了太阳光电转换效率。

图1. STPV的结构示意图（a）以及工作原理示意图（b）

从图1中可以看到，太阳光谱被纳米光子结构的吸收元件吸收掉，然后整个吸收在高温吸收器（>1000°C）中经过以高波段、高匹配的热化过程。然后经热辐射器热激发产生可以被置于装置下的电池吸收的热发射谱，并经过过滤器将电池可吸收的波长透过，不能吸收的光继续反射被热辐射器吸收来满足自身温度需求。通过（b）图的PV激发电子过程与STPV的激发过程对比，可以看出，STPV 中降低了吸收光子热化以及过多热量的产生，即使是在强度很高的太阳光下（>100suns）。因此，该装置解决了光谱转换效率、余热管理和派送问题。

图2. STPV的理论光电转换效率图。

一般来说最适宜的STPV工作温度是根据活性材料的带隙来定的。如果热能（k_BT_emitter，k_B是普朗克常数，T发射器工作温度）过高的依赖于带隙(E_g)，那么，高带隙下，非辐射复合损失增加会降低转换效率，在低的带隙下，又会影响电池的开路电压。因此工作温度与带隙的不同系数比的曲线拟合才能得到最高的转换效率。

图2（a）通过STPV的发射器温度（k_BT）—带隙的拟合函数得出的最大理论转换效率曲线与S-Q极限（虚线）对比，看出STPV的光电转换效率提高了近1倍。对带隙为1.1eV的Si电池来说，其最高转化效率达63% ，相比与S-Q极限提高了40%，发射器的工作温度在1600°C。而对于带隙为0.55V的InGaAsSb电池，其光电转换效率比S-Q极限提高了60%，发射器的工做温度在1200°C。图2（b）比较的是STPV和PV两种电池产生热的情况。结果表明，STPV热量产生明显小于PV的，这就说明了热基光谱转换器提高了电池可利用光谱的转换效率

但实际电池的光电转换效率远远低于S-Q极限，因为非辐射复合和不理想的电子传输，而对于STPV来说，依旧存在热量的大量损失。故要得到效率的净增加量，损失的热量必须要小于转换器输送给电池的能量。接下来的研究主要围绕的是利用工程纳米光子材料来实现光谱的转换过程。

图3. （a）STPV系统图，（b）在热发射器不同温度下对光波的优化过程

本工作主要是成功串联上了等离子体干涉滤光片与一维光子晶体（Si/SiO₂）热发射器（如图3（a））来增强吸收光谱，因为单独的发射器只有不到50%的转换效率，这个过滤器可以反射低能量光子（E_photon < E_g）并再次被吸收利用。该吸收器是垂直生长的多壁碳纳米管（MWCNT），试验表明该材料在减少热播发射的同时并没有明显降低入射光的吸收。理论和试验结果表明通过添加这个三组件（吸收器—发射器—过滤器）的热基光谱转换器，STPV光电转换效率高达6.8%，远远大于普通的PV（测试电池是带隙为0.55V的InGaAsSb电池）。图3（b）是不同发射温度下的优化后的光谱。可以发现经优化整合后的光波大部分（>80%）集中在0.55V的位置，即该电池可以吸收的波段范围。

图4. 实际的STPV的光电转换效率及热发生情况。

接下来的工作就是如何计算该装置的光电转换效率，他们定义该装置产生的能量与照射到吸收器表面上的能量比就是转换效率。试验中对比了STPV和PV两种电池，均与理论计算结果相符。STPV(1) 的吸收器相比STPV（2），可吸收更小波段的光，所以，STPV（1）的转换效率比（2）更高。在低的输出功率时，PV比STPV的高，因为热发射温度太低。通过图4（b）可以得出，STPV 明显降低了电池的热生成率，这将大大降低因电池发热引起的组件损伤。插图是计算电池的热生成率的量热方法。

图5. STPV 的转换效率与S-Q极限对比。

文章最后一部分主要说利用该装置后的电池光电转换效率很有可能超越S-Q极限。InGaAsSb电池在4cm²的光谱转换器下，当温度达1300°C和比入射光增大2000倍的光强情况下时，可以超越S-Q极限。继续增加输入功率（>4千瓦）的能量条件下测试，在温度为1000°C和比入射光增大800倍的光强下，可以超越S-Q极限。因此，这个测试为大面积器件超越S-Q极限提供了可行性条件。

总结

该工作通过传统电池与其他高科技材料结合而成的热光电电池，试验和理论表明可突破S-Q极限，达到理论转换效率的两倍之多。并且有不受环境影响和降低电池因过度发热引起的损害等优点，有望让太阳能电池的光电转换效率再次飞越并有望投入到实际应用。

该工作发表于Nature Energy, 原文链接：Enhanced photovoltaic energy conversion using thermally based spectral shaping

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