[科普中国]-分光谱电池

背景

太阳能电池中的光学设计-使光线进入工作层① 宽带抗反射层；②光线捕获（电池表面或背面的绒面结构）。比较好的能随意粗糙的背表面（a Lambertian surface）可将入射光线以任意的角度反射出去。包含分布布拉格反射光栅的光子晶体，使入射光线几乎全部被吸收。

太阳能聚光系统中，通过采用光谱分光技术，使用一个或多个光子接收器可以提高能源利用率和更高的光电转换效率。这种技术是在1960年提出的，在热光伏转换中得到了研究，而在光伏聚光设备中使用具有不同能带隙材料的太阳能电池的这种技术，早在1955年就提出来了。1

分光谱介绍光电转换具有高度的波长依赖性，当光子的能量接近于光伏电池的能带隙时，具有最高的能量转换效率。能量低于光伏电池带隙能量的光子将穿过电池光电转换区域而不被吸收，并最终作为热量在电池的其他地方散失掉。

通过将不同的太阳光谱照射到能匹配该谱带吸收能量的不同的太阳能电池上，可以实现高的光电转换效率。从理论上讲，85%的效率是可以实现的。2

分光谱技术的意义提高光伏系统光电转换效率可以通过以下的方法来实现：

①把太阳光谱照射到更能有效地进行光电转换的太阳能电池上，如热光伏和冷光聚光系统;

②将具有不同能带隙的太阳能半导体材料连续地堆叠或平行布置以吸收更大范围的太阳光谱；

③将太阳光谱分束，同时进行光电转换和光热转换过程，有效地将高温光热转换与高校光电转换结合起来。

聚光倍率增加的同时潜在地增加了太阳能电池的温度，解决的办法：a增加冷却装置； b利用光谱分束，将部分太阳光谱直接照射到光伏电池上，这将大大降低电池的热负载。2

分光谱电池1、结构

新型的横向光学聚焦系统，该系统将太阳入射光分成高、中、低三个不同的能量束，分别照射到不同的半导体材料上。该聚焦系统包含一个静止的宽接收角光学系统，可以捕获大量的光能而不需要复杂的跟踪装置，体积大大减小，可用于便携设备。

横向太阳能电池结构通过让各个太阳能电池在各自的光谱带上得到优化，增加了多结太阳能电池材料的选择范围，避免了晶格和电流匹配的限制。此外，由于设备不必连续的连接，光谱失配的损失减少，也避免了对隧道结的需求，减小了载流子的复合。

带有分光光学元件的横向太阳能电池结构与静止的聚光器相结合将太阳光分成几个波段，使得每一个设备在相应的波段上达到最优解。

2、光学设计

光学设计中应该考虑的主要问题：

①低成本；

②在宽的光谱范围内具有高的光电转换效率；

③能够利用杂散光的宽的接收角。

3、低倍聚光

① 提高了太阳能电池上的功率密度，设备简单，不需要跟踪装置，可制成平板结构来吸收大范围的太阳光。

② 既可以吸收直接辐射的太阳光，又可以吸收杂散光（占太阳光功率的10%）。

③ 较高倍聚光系统电子-空穴对几率减小。

4、光谱分光设备

在横向结构中，色散装置插入光路中（像光栅或棱镜）使光线以一定的角度散射出。另一种分光的方法是使用分色镜，其中一些光线在其表面被反射，另一些则可以穿过。商业的分色镜是冷色镜，其中可见光被反射红外光穿过。2

分光谱电池的设置不同半导体材料的禁带宽度用公式计算，γ为波长，（见下表）。

|| || 不同半导体材料的禁带宽度

在分光谱结构中，太阳能电池固定布置成非平面结构，使得太阳光在电池背面的银表层上可以连续地从一个太阳能电池反射到相邻的电池上，每一个电池从入射光束中摄取能量并将其不能转换成电能的部分反射到相邻的太阳能电池上。

在透明的平板聚光器内掺入荧光染料，大多数被聚光器捕获的荧光线由于全内反射最终传播到平板边缘的光伏电池上。

平面波导阵列光栅AWG是基于干涉原理的波分复用器件。弯曲波导之间有固定光程差，使得不同波长的光信号在自由传播区干涉，并从不同输出波导口输出。

全息平场凹面光栅是将平面衍射光栅的色散作用、凹面反射镜的汇聚作用、全息法像面校正补偿作用集为一身的的一种光学元件。2

各类分光谱电池的光谱特性1、单晶硅太阳能电池的光谱特性

单晶硅太阳能电池的特点是对于大于0.7um 的红外光也有一定的灵敏度。以p型单晶硅为衬底，其上扩散n型杂质的太阳能电池与n型单晶硅为衬底的太阳能电池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边 （短波长一方）。另外，对于前面介绍过的紫外光太阳能电池，它对从蓝到紫色的短波长（波长小于0.5 um ）的光有较高的灵敏度，但其制法复杂，成本高，仅限于空间应用。此外，带状多晶硅太阳能电池的光谱特性也接近于单晶硅太阳能电池的光谱特性。

2、非晶硅太阳能电池的光谱特性

非晶硅太阳能电池的光谱特性随着其材料的组成和结构、膜厚等因素的变化而有很大的不同。非晶硅薄膜的带隙是1.7eV，比单晶硅的带隙1.1eV大，所以其灵敏度比单晶硅更偏向短波一侧，这是它的一个优点。 化合物半导体太阳能电池的光谱特性：

化合物半导体太阳能电池有许多种类，其光谱特性也各种各样。最常见的GaAs-GaAlAs太阳能电池的光谱特性，它在短波长一侧的收集效率较高。2