（文章來源：科技領(lǐng)航人）
太陽能電池是一種以直射陽光的形式捕獲太陽能量并將其轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備。太陽能電池也稱為光伏電池，這意味著它將存在于光中的光子轉(zhuǎn)換為電壓差（這實(shí)際上是指“電能”）。要了解太陽能電池的局限性，我們必須仔細(xì)研究其構(gòu)造。

太陽能電池是使用p型和n型硅晶圓制成的。p型硅晶片由更多的孔組成，這意味著它缺少電子，而n型晶片具有過量的電子。兩者接觸的界面稱為結(jié)（更準(zhǔn)確地說是PN結(jié)）。PN結(jié)是太陽能電池的主要組成部分。

我們所說的太陽能電池效率是什么意思？我們使用的每個(gè)設(shè)備都具有一定的效率。考慮一臺(tái)每小時(shí)可生產(chǎn)10個(gè)氣球的機(jī)器。在這十個(gè)氣球中，有兩個(gè)氣球有孔或其他類型的缺陷。這意味著該機(jī)器的效率為80％，因?yàn)樵摍C(jī)器吸收了生產(chǎn)10個(gè)氣球所需的原材料，但僅將其中的80％轉(zhuǎn)換為有用的輸出。因此，設(shè)備的效率代表了提供給它的每單位輸入所產(chǎn)生的有用輸出量。

所有的能量產(chǎn)生機(jī)制都有一定的效率極限。類似地，太陽能電池上的入射輻射不會(huì)完全轉(zhuǎn)換為電能。只能獲取該能量的一小部分（如我們已經(jīng)看到的小得多）作為有用的工作。有許多不同的衡量太陽能電池效率的方法，但最普遍的方法是肖克利-奎塞爾極限。

什么是肖克利-奎塞爾極限？肖克利-奎塞爾極限（通常稱為SQ極限）是提高太陽能電池效率的最重要科學(xué)手段。它測量標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）下單個(gè)PN結(jié)太陽能電池的理論效率。STC近似于美國大陸春季和秋季春分時(shí)的太陽正午，太陽能電池的表面直接對準(zhǔn)太陽（太陽能效率極限）。

該限制是在某些假設(shè)下測得的，太陽能電池必須僅由一種均質(zhì)材料制成，每個(gè)太陽能電池只能有一個(gè)p-n結(jié)，并且假定每個(gè)能量大于帶隙的光子都將轉(zhuǎn)換為電能。如果您不了解光子或帶隙的含義，請不要擔(dān)心，我們將在下面進(jìn)行討論。為什么效率受到限制？使用太陽能電池發(fā)電的過程主要取決于一個(gè)非常重要的步驟。電子從價(jià)帶（太陽能電池的PN結(jié)）躍遷到導(dǎo)帶（外部電路，例如電池）。供您參考，正常原子中沒有外部能量的電子被稱為在價(jià)帶中。為了產(chǎn)生電，這些電子必須轉(zhuǎn)移到外部電路，這被稱為導(dǎo)帶。

不同材料間的能帶隙。電子本身不會(huì)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。 必須提供一定量的能量（稱為帶隙），以使它們進(jìn)行過渡。

現(xiàn)在，入射的太陽輻射由許多不同波長的波組成，如上面的光譜所示。左側(cè)的長波最弱（能量較少），而右側(cè)的短波更強(qiáng)大。因此，這些波中只有少數(shù)具有必要的能量來克服能壘。光波帶譜。讓我們看一個(gè)例子，以更好地了解上述過程。考慮一包由100個(gè)不同波長的光子組成的光子（光子）撞擊由硅制成的太陽能電池。在這100個(gè)波中，有40個(gè)波具有相當(dāng)于硅帶隙的能量，因此將能夠發(fā)電。其余的波將作為熱量消散或從電池表面反射回來。因此，太陽能電池的效率受到限制。

還有其他影響效率的因素嗎？正如我們所看到的，電子躍遷的閾值能壘原來是太陽能電池板效率低的主要原因。但是，它不是影響它的唯一因素。還有許多其他元素在這里起著相當(dāng)重要的作用。

臭氧層阻止高能紫外線到達(dá)地表。離開太陽的能量與我們在地球上接收到的能量不同。這是因?yàn)檩椛浔仨毚┻^包圍我們星球的濃厚大氣傳播。現(xiàn)在，諸如光的散射和折射之類的不同現(xiàn)象降低了其強(qiáng)度。臭氧層會(huì)阻止有害的紫外線輻射到達(dá)我們（這些波對我們有害，因?yàn)樗鼈儞碛懈嗟哪芰浚虼藭?huì)損壞我們的眼睛細(xì)胞）。 然而，這些是能夠越過閾值能量的波，但卻稀疏地到達(dá)表面，從而再次導(dǎo)致太陽能電池板的效率降低。

有什么解決辦法嗎？即使目前我們可以買到的大多數(shù)商用太陽能電池的轉(zhuǎn)換率都無法超過33％的標(biāo)準(zhǔn)，但未來的前景似乎一片光明。劍橋大學(xué)致力于鈣鈦礦材料用于柔性LED和下一代太陽能電池的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它們的化學(xué)成分順序較少（從本文范圍外的東西）時(shí)，它們的效率會(huì)更高，從而大大簡化了生產(chǎn)生產(chǎn)過程，并且降低成本。

同樣，世界各地的科學(xué)家一直在研究更新的材料，例如氮化鎵，鍺，磷化銦等。許多人認(rèn)為，這些材料將通過改變多結(jié)太陽能電池的帶隙極限，有效地利用整個(gè)太陽光譜將其轉(zhuǎn)化為電能。總而言之，太陽能行業(yè)的未來確實(shí)是光明的。
（責(zé)任編輯：fqj）