研究人員提出新方法減少太陽能電池能量損失，提升效率至近 43%

研究人員在巴塞羅那的光子科學研究所 (ICFO) 實驗性地展示了一種方法，通過控制太陽能電池發射光的方向來減少能源損失，從而有潛力提高電池的電力產生能力。該方法已在《能源與環境科學》期刊上發表，可能為超越單接面太陽能電池的傳統理論效率極限提供了一條途徑。這項研究專注於一種稱為玻爾茨曼損失的損失機制，該機制發生在能夠吸收光的材料也能夠發射光的情況下。

為何發射光的方向至關重要？太陽能電池接收來自相對狹窄方向的陽光。太陽在天空中只佔據一小塊區域，這意味著進入太陽能電池的陽光只能在狹窄的角錐範圍內到達。然而，太陽能電池內產生的光子通常可以在更廣的方向範圍內發射。根據 ICFO 研究人員的說法，這種狹窄的進入角錐與寬廣的發射角錐之間的錯位，減少了可以從設備中提取的有用功率。

控制光發射方向的必要性

研究人員希望通過使太陽能電池在發射光的方向上更加選擇性來減少這種損失。由 ICFO 和 UPC 教授 Jordi Martorell 領導的團隊，包括了 Dr. Francisco Bernal Texca、Chiara Cortese、Dr. Mariia Kramarenko 和 Dr. Quan Liu。他們使用基於 PM6:Y6 材料混合物的反向有機太陽能電池，並將其轉變為光學腔體。

這種結構抑制了大角度的光子發射，從而有效地縮小了電池的發射角錐。

研究人員利用一種基於銀的前電極和分層結構，並在電池背面設置第二個銀電極來實現這一效果。金屬前電極在廣泛的發射光角度範圍內提供高反射率。與背面電極及其周圍層結合，形成了一個光學腔體。該腔體同時執行兩個功能：抑制在較大角度的光發射，同時高效地允許來自光源的陽光進入。這樣可以使發射光的角度分佈與進來的陽光的角度分佈更為相似。

挑戰傳統效率極限

研究人員指出，這種方法不需要比許多其他探索以推動光伏效率超越傳統極限的策略更複雜的製造工藝。該研究針對著名的 Shockley–Queisser 限制，這是描述在模型假設下，傳統單接面太陽能電池理論效率上限的模型。ICFO 將該限制設定為 33.16%。研究人員表示，如果發射角錐能夠足夠縮小，以更好地匹配陽光的吸收角錐，理論上可以實現接近 43% 的效率。

這並不意味著研究人員已經生產出一個 43% 效率的太陽能電池。該研究展示了在有機光伏設備中減少相關損失機制的光學策略。“我們的研究在太陽能轉換領域是一個重要的進展，因為它開啟了一條完全未被探索的路徑，以超越 Shockley–Queisser 限制，”首席作者 Dr. Francisco Bernal Texca 如是說。

研究人員還強調，該原理並不僅限於有機光伏技術。雖然實驗是使用有機太陽能電池進行的，但 Martorell 表示，該概念在原則上可以應用於不同的光伏技術。如果這一方法能夠轉化為更高效的實用設備，控制光子發射的方向可能成為從相同的陽光量中提取更多電力的另一種工具。根據研究人員的說法，更高的光伏效率還可以減少為特定量的太陽能發電所需的土地和材料，同時降低每瓦電力的成本。

新方法對太陽能技術的潛在影響

這項研究提出的新方法針對太陽能電池的能量損失問題，通過調整光的發射方向來提升效率，顯示出超越傳統理論的潛力。Shockley–Queisser 限制一直是光伏技術的一個挑戰，這項研究的進展可能為未來的太陽能電池設計提供新的思路。更高的光伏效率不僅能提高能源產出，還可能減少所需的土地和材料，降低成本，這對於可再生能源的推廣具有重要意義。