光伏效应的基础

太阳能电池的核心是半导体 PN 结。当光子被半导体吸收，如果能量大于材料的带隙（Band Gap），就能激发产生一对电子—空穴。PN 结的内建电场把两者分开，形成电势差，接上负载就能输出电流。

两个主要的能量损失机制

第一，能量低于带隙的光子无法利用。 它们直接穿过材料，不产生电子—空穴对。这部分能量完全浪费。

第二，能量高于带隙的光子，超出部分变成热。 一个能量远高于带隙的光子，激发产生的电子—空穴对多余的能量会以声子（晶格振动，即热）的形式散失。这个过程称为"热化"（Thermalization）。

肖克利-奎伊瑟极限

1961 年，William Shockley 和 Hans Queisser 基于细致平衡原理计算出：对于单结太阳能电池，存在一个理论效率上限，约 33%（对应带隙约 1.34 eV，并在标准太阳光谱条件下）。

这个极限的来源，正是上述两种损失机制的折中：

  • 带隙太小 → 虽然能吸收更多光子，但每个光子贡献的电压低，热化损失大；
  • 带隙太大 → 虽然每个光子贡献的电压高，但大量低能量光子被浪费。

如何突破

多结叠层电池：把带隙不同的材料叠在一起，顶层吸收高能光子，底层吸收穿透下来的低能光子。这样每种能量区间的光子都被更充分地利用。多结电池的效率已远超单结极限，但成本极高，主要用于空间应用。

当前产业界的热点钙钛矿/晶硅叠层电池，走的正是这条路——用低成本的钙钛矿材料做顶电池，配合成熟的晶硅底电池，在成本和效率之间找平衡。

现实中的效率

要区分几个"效率"概念：

  • 实验室冠军效率：在理想条件下、小面积器件上取得的纪录；
  • 量产组件效率：需要考虑工艺一致性、封装损失、边框面积等，通常比实验室值低数个百分点；
  • 系统效率：还要算上逆变器损失、温度影响、灰尘遮挡、线缆损耗等。

说明：本文为光伏物理的公开知识整理。