| 如果黑体温度被加热到3000K（2726.85℃）它将会变成红色，并且波谱也转向了可见光领域，比如早期照明用的钨丝灯； 如果黑体的温度上升到更高的6000K（5726.85℃），辐射出的波长将集中在红色光和紫色光之间的可见光波段，并呈现白色。 太阳表面温度为6000K，因此太阳光谱才表现为我们常见的曲线，如图2所示。  图2不同温度黑体辐射光谱分布 2）光伏电池的转化效率为什么低？ 了解了太阳光谱的分布，我们再对太阳电池的效率进行定性分析。 太阳电池发电的原理是光伏效应，其最基本的条件是：入射光子的能量足够大（大于半导体材料的禁带宽度Eg），能够激发PN结产生电子空穴对。即，一个光子最多产生一个电子空穴对，如果它的能量足够大，超出Eg的部分将会以热的形式辐射出去，对发电来说没有贡献，如果光子的能量小于Eg，则无法产生电子空穴对，这部分能量对发电也没有贡献（例如有一个半米高的桌子，能跳上去得1分，跳不上去得零分，对于青年人来说，大部分都有能力跳上去，但少部分运动能力特别强的人也只能得1分，优势体现不出来；而对于年老或年幼的人来说，没有能力跳上去，只能得0分）。  图4：各种太阳电池的理论转换效率 光子的能量是和波长成反比关系（E==h/λ），以理论效率最高的太阳电池GaAs为例（如图4所示），其禁带宽度约1.4eV，对应的波长约880nm。从图3中的AM1.5光谱曲线可以看出，占辐射能量49%的红外光（波长＞760nm），波长基本都大于880nm，所以太阳能的这部分有40%左右的能量无法被利用。同时，紫外部分的高能量光子，能量大大高于1.4eV，但其贡献与能量为1.4eV的光子相同，高能量光子的部分能量就会被白白浪费。 基于上述两个原因，理论计算出的单结电池效率值仅约30%。而制备出的太阳电池还会有各种电学损失等，所以实际的效率要低于理论值。相信这样大家会理解太阳电池效率低的原因了吧！ 三、光伏电池的转化效率未来能提高吗？ 目前，在提高光伏电池的转化效率方面，有两种思路。 1）制备多个PN结：之前的分析，都是针对的单个PN结电池而言。理论上，如制备足够多的PN结，把各种波长的光都充分吸收，可得出超过50%甚至更高的理论效率！然而，上述思路在具体实施时是非常困难的，并且实际工艺也会带来其它能量损失。 2）将高能量光子拆分和将低能量光子叠加：上述分析中，低能量光子的能量太低用不上，高能量光子的能量太高造成浪费，是电池转化效率低的根本原因。为了充分高能量光子的能量，使其发挥更大作用，减少能量浪费，可以将高能量光子的能量拆分为多个低能光子（光谱下转换）；或者，将低能量光子的能量叠加成高能光子（光谱上转换）。目前，这两种思路还在基础研究中。 四、小结 1、太阳光谱和能量分布图是基于黑体辐射理论所得，AM1.5和大气层外光谱图的差别是因为大气层中的气体和尘埃吸收及散射、反射等所致。 2、太阳电池的效率较低，是因为光谱中的低能光子（长波部分）对发电没有贡献，高能光子（短波部分）也有部分能量浪费所致。 |
