研究人员提出新方法减少太阳能电池能量损失，提升效率至近 43%

研究人员在巴塞罗那的光子科学研究所 (ICFO) 实验性地展示了一种方法，通过控制太阳能电池发射光的方向来减少能源损失，从而有潜力提高电池的电力产生能力。该方法已在《能源与环境科学》期刊上发表，可能为超越单结太阳能电池的传统理论效率极限提供了一条途径。这项研究专注于一种称为玻尔兹曼损失的损失机制，该机制发生在能够吸收光的材料也能够发射光的情况下。

为何发射光的方向至关重要？太阳能电池接收来自相对狭窄方向的阳光。太阳在天空中只占据一小块区域，这意味着进入太阳能电池的阳光只能在狭窄的角锥范围内到达。然而，太阳能电池内产生的光子通常可以在更广的方向范围内发射。根据 ICFO 研究人员的说法，这种狭窄的进入角锥与宽广的发射角锥之间的错位，减少了可以从设备中提取的有用功率。

控制光发射方向的必要性

研究人员希望通过使太阳能电池在发射光的方向上更加选择性来减少这种损失。由 ICFO 和 UPC 教授 Jordi Martorell 领导的团队，包括了 Dr. Francisco Bernal Texca、Chiara Cortese、Dr. Mariia Kramarenko 和 Dr. Quan Liu。他们使用基于 PM6:Y6 材料混合物的反向有机太阳能电池，并将其转变为光学腔体。

这种结构抑制了大角度的光子发射，从而有效地缩小了电池的发射角锥。

研究人员利用一种基于银的前电极和分层结构，并在电池背面设置第二个银电极来实现这一效果。金属前电极在广泛的发射光角度范围内提供高反射率。与背面电极及其周围层结合，形成了一个光学腔体。该腔体同时执行两个功能：抑制在较大角度的光发射，同时高效地允许来自光源的阳光进入。这样可以使发射光的角度分布与进来的阳光的角度分布更为相似。

挑战传统效率极限

研究人员指出，这种方法不需要比许多其他探索以推动光伏效率超越传统极限的策略更复杂的制造工艺。该研究针对著名的 Shockley–Queisser 限制，这是描述在模型假设下，传统单结太阳能电池理论效率上限的模型。ICFO 将该限制设定为 33.16%。研究人员表示，如果发射角锥能够足够缩小，以更好地匹配阳光的吸收角锥，理论上可以实现接近 43% 的效率。

这并不意味着研究人员已经生产出一个 43% 效率的太阳能电池。该研究展示了在有机光伏设备中减少相关损失机制的光学策略。“我们的研究在太阳能转换领域是一个重要的进展，因为它开启了一条完全未被探索的路径，以超越 Shockley–Queisser 限制，”首席作者 Dr. Francisco Bernal Texca 如是说。

研究人员还强调，该原理并不仅限于有机光伏技术。虽然实验是使用有机太阳能电池进行的，但 Martorell 表示，该概念在原则上可以应用于不同的光伏技术。如果这种方法能够转化为更高效的实用设备，控制光子发射的方向可能成为从相同的阳光量中提取更多电力的另一种工具。根据研究人员的说法，更高的光伏效率还可以减少为特定量的太阳能发电所需的土地和材料，同时降低每瓦电力的成本。

新方法对太阳能技术的潜在影响

这项研究提出的新方法针对太阳能电池的能量损失问题，通过调整光的发射方向来提升效率，显示出超越传统理论的潜力。Shockley–Queisser 限制一直是光伏技术的一个挑战，这项研究的进展可能为未来的太阳能电池设计提供新的思路。更高的光伏效率不仅能提高能源产出，还可能减少所需的土地和材料，降低成本，这对于可再生能源的推广具有重要意义。