49. 光伏电池的最终效率能达到多少?
What is the ultimate efficiency of photovoltaic cells?

地球上生命活动的最主要能量来自太阳能，这当然包括埋藏在地球内部的煤炭和石油以及通入家家户户的大部分电能（核能发电除外），所以太阳能是大自然给予人类“取之不尽、用之不竭”的清洁能源。然而人类生活所需要的能量，不仅仅是太阳白天免费“照明”的光能和保持环境“温度”的热能，人类当然还需要用于夜晚照明的光能和在冬天温暖房子的热能，以及人类在吃穿住行过程中所需要的各种能量，而这些能量必须都要通过对太阳能的有效存储和转化才能够获得维持。

图1 太阳为地球生命提供大部分能量

借助于人类对电和磁的研究，目前人类可以将电能存储起来并高效地转化为其他各种形式的能量，所以，如果我们能够直接将太阳能转化为电能存储起来，人类的一切需要都将可以通过电能的转化而得到。这是一个不需要任何启发的直接想法：太阳能电池。也就是将光直接变为推动电子移动的电压，也称为光伏技术。

图2 太阳能电池

将光变成电的想法虽然简单直接，但实现这个想法的技术支持却经历了漫长的探索和等待。1839年，法国物理学家亚历山大·爱德蒙·贝克勒尔(Alexandre Edmond Becquerel)在对金属电极和电解质进行实验时发现，光可以直接转化为电，从而太阳能光伏技术首次得到应用；1873年，威洛比·史密斯发现了硒的光电效应；1887年，海里希·赫兹(Heinrich Hertz)发现，紫外线可以在两个金属电极之间激发出火花。对这些光电现象的总结和研究，形成了人类关于光和电的基本知识，但这还远远达不到为人类服务的地步。而光转变为电真正意义上的进步，是半导体材料的发现。1918年，波兰科学家Jan Czochralski发现单晶硅可以用于制造光伏电池，1941年，贝尔实验室的Russell Ohl制造出来了人类有史以来的第一块单晶硅太阳能电池。

图3 NREL太阳能电池的转换效率图表

当然刚刚诞生的东西都略显粗糙，第一个单晶硅光伏电池把光能转化为电能的效率只有可怜的1%不到，1955年才勉强达到2%，1957年上升到8%，1959年勉强突破了10%，同时光伏电池的造价也相应得到降低，然而离广泛应用还是非常遥远。之后，经过世界各地的实验室和商业公司的不断努力，光伏电池的转化效率不断上升，到1992年达到了20%，勉强接近了可以应用的程度。然而即便如此，比起煤、石油、水能这些“间接”能源，2018年太阳能产量只占了全球能源产出的不到2%的份额。这之后，随着光伏技术的不断积累和更新，以及全球优先发展低碳产业的推动，太阳能电池逐渐形成了各种不同的类型和工艺（目前太阳能电池根据材料和技术大体分为五大类，见图3所示），电池的转换效率也不断获得提升，造价持续下降，大体的趋势如图4所示。

图4 光伏电池系统的效率和造价趋势图

那么问题来了：光伏电池最终的转换效率究竟能达到多少？为了更为清晰地了解光伏电池能达到的最高效率，下面简单介绍一下光电转换效率的概念和光电池的工作原理。

光伏(PV)系统或太阳能电池的转换效率是指照射在光伏设备上的太阳能转化为可用电能的百分比。实际光伏电池的效率是通过将电池暴露在恒定的标准光照（单位时间照射到单位面积上的光能量）下，保持恒定的电池温度，测量电池不同负载电阻产生的电流I和电压U来获得电池功率（P = I U），然后计算出转换效率。目前有专门的简单、方便、准确的LED测量系统来测量电池的转换效率，也就是说，只要你能制造出一块高转换率的电池，无须宣称或争辩，立马就能测量出它的转换效率，如果核实通过，就可以进入图3所示的NREL图表中。

基于电池效率的基本概念，我们可以很容易发现提高电池效率的基本因素。当太阳光照射到光电池表面时，光会分为三部分：一部分被反射，一部分被吸收，一部分穿过。而只有被电池材料吸收的部分才能用于光电转化。所以首先要降低反射和透射部分的光，因此电池表面一般使用高透材料，而后面则使用高反材料，这就形成了高效光电池的夹层结构，所以一般光电池主体呈现黑色或黑蓝色。其次，就是要提升被吸收部分的光电转换效率，这个才是光电池技术的核心，影响这个效率的主要因素有以下几个方面：

（1）由于太阳光包含各种波长的光，所以光电池材料必须对从红外到紫外的所有光都能产生吸收和响应，这就要求半导体材料具有很宽的工作波长。

（2）光电池材料产生响应之后会形成电子和空穴对，并能成功将二者分离，不然就会产生电子和空穴的复合，降低光电池的转换效率。所以低的电子空穴复合率是决定光电池高转换效率的重要因素。电子和空穴可以直接复合放出一个光子，或者电子空穴遇到材料中的杂质或缺陷（包括边界）从而发生间接复合变为热能放出。所以降低电子空穴复合的方法不仅仅要能产生高动量分离的电子和空穴（或者光电子被材料吸收或囚禁），而且材料中的杂质和缺陷等要非常少。

图5 光伏太阳能电池的结构和工作原理示意图

（3）由于电池工作会无法避免地产生热，所以有效控制电池的温度是保持电池效率不下降的重要方面。虽然温度高时电池产生的光电子的动量会增加，但电子动量的无序化会更快地增长以至于电池的电压会随温度快速下降（无序温度大约可以使电压下降0.28 V），电池效率因此会降低；而且高温还会导致电池材料的不可逆损伤或加速老化，降低电池的稳定性和寿命，所以能大规模得到应用的高效光电池必须能够有效控制电池的温度。

从以上的分析可以看出，光电池最核心的技术就在于能产生低复合的电子和空穴对，而这个在微观的视角下经常被称为光电池的量子效率，当然其可以达到97%以上。这个接近100%的效率就是说被材料捕获的光子能够几乎全部转化为电子和空穴对，所以在这个层次的量子转换效率达到100%也并不奇怪。而电池整体的光电转换效率则是要考虑以上的各种因素之后总的经典转换效率，所以其究竟能达到多少，现在无论从理论还是实验上似乎都还不能给出结论。

1954年贝尔实验室的Chapin等人发表了第一篇关于硅太阳电池的理论文章，在这篇文章中他们考虑了反射、复合和电阻三方面的因素后肯定了光伏电池的效率必然存在一个上限；1961年，Shockley和Queisser利用细致平衡极限理论预言了经典单p-n结太阳能电池的极限效率应为44%。然而从图3中可以看出，目前的电池效率在实验室的条件下的最高效率已经突破了44%的理论预言（多p-n结复合结构，其中Sharp和NREL报道过44.4%的实验室转换效率）；而实际商业应用的电池效率一般都低于30%（中国光伏企业隆基绿能的异质结商业电池转换效率目前可达到26.8%），而且快速提升商业电池效率的努力也并非易事，但也不是不可能。所以无论从理论还是技术角度，光电池可靠的最高转换效率到底能达到多少，目前似乎还是无法给出一个确切的答案。

[1] NREL: The National Renewable Energy Laboratory，美国国家可再生能源实验室。

[2] W. Shockley, and H. J. Queisser, “Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells, J. Appl. Phys. 32, 510–519 (1961).