如何使光伏组件效率超过电池的效率

在光伏电池的设计中，已经比较充分地考虑了这一因素的影响，在电池设计中追求“电流垂直走，光线横着行”。比如在电池背面增加光反射的设计结构、改变入射光和反射光的路径，使之尽可能增加光线在硅片中的传输距离的设计、尽量使电流传输的方向与电池平面垂直的设计等等。我们在光伏组件的设计中，基本上仍然是沿用这一思路。

措施1

，将层压材料的折射率设计成阶梯渐变类型，使入射光多次折射进入电池，由于光路的折射，形成一个有利于将更大角度入射光导入电池的“光漏斗”，在组件内部形成一种陷光结构，更有效地将斜射光导入电池，同时减少光线逸出，以产生更多的电能(图7)。

图7 阶梯折射率设计示意

措施2

，在背板表面设计出一些“凹坑”，用以改变反射光的方向，增加光线在电池中传输路程。

图8 背板凹坑设计示意

三、减小电池的内连接和引出连接电阻

刚才提到的，用于全背电极电池，带有印制电路的光伏背板能做到比传统光伏组件小的多的串联电阻，这是该类型电池背板的一个突出优势(图8)。

四、光量子增量技术

1.利用光量子上转换技术可能得到的电能增量

图9给出的是AM1.5太阳光量子谱曲线。我们用3条垂线将太阳光谱曲线划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，4个区域，这4个区域的面积分别用S1、S2、S3和S4表示。区域的面积反映的是波长在这个区间的光量子数目。

对于晶体硅材料电池，位于区域Ⅰ的光量子具有较高的能量，单单从能量的角度看，区域Ⅰ的每个光量子具有足以在硅材料中激发2对电子-空穴对的能量;区域Ⅱ的光量子，一个光量子最多可以在硅材料中激发出一对空穴-电子对，多余的能量通过电子驰豫，传递给晶格，转化成热量损失掉;区域Ⅲ、Ⅳ的光量子的能量不足以激发硅材料价带中的电子到导带，通常情况下不能被晶体硅光伏电池利用。

位于区域Ⅱ的光量子数约占阳光中中量子数的48%，我们暂时不去管它。

图9 AM1.5量子光谱及分区

光量子增量技术主要是针对区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的光量子，区域Ⅲ、Ⅳ是波长大于1100nm的红外光量子，这部分光量子约占地面阳光的39%。粗略地说，在这个区域，每两个光量子的能量相加大于可能产生一个硅材料可以吸收的光量子。

将两个以上光量子的能量叠加后激发出一对电子-空穴对的技术通常称作“上转换”技术。所谓上转换技术，就是给波长大于1100nm的红外光光量子创造条件，使得两个或两个以上的红外光光量子协同激发出波长在550nm-1100nm范围的晶体硅光伏电池可以利用的光量子，增加量子产额。图10。

图10 上转换原理图

上转换的有多种机理，有些理解起来还比较复杂。形象地说，上转换就相当于给电子或离子搭一把“梯子”，使电子/离子可以借助梯子的“横挡”经过几次激发达到较高的能级。当电子由较高能级直接跃迁至较低能级时，便发射一个较短波长的高能量光子，从而实现光量子的上转换。

可以充当“梯子”的材料，通常有稀土元素、半导体量子点和有机染料分子;稀土元素的电子结构一般可表示为：[Xe]4f0-145d0-16s2，由于6s、5d电子层的屏蔽作用，4f电子壳层没有发生简并，依然保持分立能级的状态，也就是我们需要的电子激发的能级梯子;半导体量子点由于纳米颗粒的尺度效应而产生一系列分立的能级，也能形成我们所需要的能级梯子;有机染料分子的相应能级结构则来源于分子共轭体系和分子轨道，通过适当地组合，就能达到多个光量子多次接力激发，使电子激发到较高能级。

随后随着电子跃迁至较低能级，发射出一个能量较高的光量子，实现光量子的上转换。图10示意了3种最简单的激发原理。一是多次接力激发，将电子激发至较高能级;二是非复合耦合激发，一个电子跃迁时其能量不经过辐射直接激发另一个电子到更高能级;第三是概率雪崩激发，较高能级上的电子跃迁可以经过无辐射耦合激发一个以上的电子到暂稳能级，光也能激发电子到暂稳能级，处于暂稳能级上的电子多了，则吸收辐射跃迁至较高能级的概率也就大了。

为了“定制”需要转换的光谱带到所需要的光谱带，我们可以使用不同的材料，设计不同的能级组合，达到较高的激发效率。

目前的上转换研究成果，其转换效率还不是太理想，在整个红外段一般只能做到1%左右。这样算下来，晶体硅光伏电池通过上转换技术可以获得的功率输出，即上转换增加功率的比例：

δ上=k[（S3+S4）/2*0.01]/（S1+S2）=0.32%

如果考虑地面反射，取k值为1.2。则

δ上=k[（S3+S4）/2×0.01]/（S1+S2）=1.2×0.32%≈0.38%

则上转换可能增加的功率输出约为0.38%。

2.利用光量子下转换技术可能得到的电能增量

相比光量子能量的上转换，光量子能量下转换比较容易实现。在图9中的区域Ⅰ，该区域的光量子的能量可以将电子或离子激发至较高的能级，如果被激发的电子或离子通过一个暂稳态发生两次跃迁，就有可能发射出两个光量子，这个倍增的光量子就会在光伏电池中产生倍增的电流。因此对光量子下转换的任务是，创造条件使波长小于550nm的一个光量子激发出一个以上的波长在550nm-1100nm范围的光量子，即所谓实现光的下转换。

光量子下转换的原理图如图11：

图11 光量子下转换示意图

图11中，电子激发-跃迁的过程与上转换中电子跃迁的过程相类似。简单地说，下转换的实质就是借助一个能级的“台阶”，使激发到较高能级的电子“分两次”跃迁至较低能级，产生两个光量子，去激发半导体硅中价带中的电子到导带。从热力学的观点看，能量降低、熵增加的过程总是比较容易进行的，因此，目前下转换的效率比较上转换要高。

图12 光转换实验测试曲线

图13 组件效率有可能超过电池的效率

图12是明冠新材料做的一个实验，在PO膜中添加“1号转光粉”共混成膜，测试PO膜的量子数反光率。曲线形状与电池的量子光谱响应曲线非常相似。曲线中短波段降低的反射率是因为光子被转光剂所吸收，长波段的增加是因为长波光子的增加。

图中两个三角形的面积比接近1：1，考虑到转光离子发射光的无序性，即有约一半的转换光是检测设备检测不到的，实际的转光粒子数的比值是大于1的，也就是说平均一个短波光的光子激发出了一个以上的长波光子。只要在调整一下转光的频段，便可能得到更多额外的光量子。由实验数据换算，该样品在特征频率处约有3%~4%的光量子参与了转换，得到了约6%的光量子增量。计算一下，包括上转换和下转换，只要我们能净增加3%的光量子数，我们光伏组件的光电转换效率就会接近甚至超过光伏电池的光电转换效率!