能量轉(zhuǎn)化與存儲原理新能源類專業(yè)能量轉(zhuǎn)化與存儲原理教師：電話：郵箱：第3章光能轉(zhuǎn)換原理與過程光能與電能轉(zhuǎn)換3.23.13.33.4光能與熱能轉(zhuǎn)換光能與生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換光能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換1.光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.1光伏效應(yīng)與效率極限光伏效應(yīng)：光照時，光子向電子傳遞能量，若光子能量大于半導(dǎo)體的帶隙，可以使電子跨越帶隙躍遷到導(dǎo)帶，成為可以自由運動的電子，自由電子被輸運到外部電路，產(chǎn)生電動勢和電流。3.1.1.1光伏效應(yīng)3.1光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.1.2光電轉(zhuǎn)換效率的理論極限SQ極限建立在幾個關(guān)鍵物理假設(shè)和理想化條件之上:假設(shè)一：將環(huán)境當(dāng)作黑體，環(huán)境的物性區(qū)別可以忽略不計；假設(shè)二：理想半導(dǎo)體材料沒有缺陷：太陽電池從環(huán)境吸收的每一個光子都能轉(zhuǎn)化為受激電子；太陽電池中所有受激電子都通過自發(fā)輻射復(fù)合，從激發(fā)態(tài)弛豫到基態(tài)，發(fā)射光子；假設(shè)三：理想半導(dǎo)體中載流子輸運沒有損失，任何地方的化學(xué)勢差都是常數(shù)；假設(shè)四：假設(shè)電池表面沒有任何反射，并且所有能量大于Eg的光子都能實現(xiàn)本征吸收，并且載流子完全得到收集。肖克利-奎伊瑟極限（Shockley–Queisserlimit），是太陽電池客觀上能達(dá)到的最高效率。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.2半導(dǎo)體結(jié)和p-n結(jié)（1）半導(dǎo)體結(jié)半導(dǎo)體結(jié)包括同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)。同質(zhì)結(jié)：由相同半導(dǎo)體經(jīng)過不同摻雜形成的半導(dǎo)體結(jié)異質(zhì)結(jié)：由功函數(shù)不同的兩種半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體結(jié)

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換金屬屬-半導(dǎo)體接觸可以分為肖特基接觸和歐姆接觸。肖特基接觸：金屬和n型半導(dǎo)體發(fā)生電學(xué)接觸，兩種固體材料費米能級EF相等，形成的金屬半導(dǎo)體接觸歐姆接觸：n型半導(dǎo)體與具有更小功函數(shù)的金屬接觸，或p型半導(dǎo)體與具有更大功函數(shù)的金屬接觸形成的金屬半導(dǎo)體接觸肖特基接觸的形成過程：由于n型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底Ec高于金屬的費米能級EF，一部分電子從n型半導(dǎo)體向金屬流動，直到界面累積的電荷形成足夠大的電荷梯度和勢壘，電子才停止從n型半導(dǎo)體向金屬流動，實現(xiàn)熱平衡狀態(tài)。這樣的勢壘稱為肖特基勢壘。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（2）金屬-半導(dǎo)體接觸歐姆接觸的形成過程：半導(dǎo)體的多數(shù)載流子累積在半導(dǎo)體一側(cè)，少數(shù)載流子通過界面，累積在金屬一側(cè)，直到少數(shù)載流子的擴(kuò)散和多數(shù)載流子的漂移達(dá)到平衡，達(dá)成熱平衡狀態(tài)。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換實現(xiàn)光伏效應(yīng)，半導(dǎo)體結(jié)需要一定的條件：3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

(2)半導(dǎo)體結(jié)的空間電荷區(qū)形成對多數(shù)載流子的勢壘。在光照下，內(nèi)建電場F和勢壘使光生載流子發(fā)生漂移，多數(shù)載流子濃度大大增加。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（3）p-n結(jié)

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

p-n結(jié)的優(yōu)點：(1)避免了金屬-半導(dǎo)體接觸界面的表面態(tài)；(2)可以控制摻雜濃度Nd與Na；(3)內(nèi)建電壓Vbi更大，而不會形成反型層。3.1.3太陽電池工作過程3.1.3.1載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生是電子被激發(fā)的過程。包括熱激發(fā)和光激發(fā)兩種。太陽電池工作過程主要包括：載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、分離和輸運四個基本物理過程

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換光吸收系數(shù)：材料吸收光子的能力；包含本征吸收、雜質(zhì)吸收、晶格吸收、自由載流子吸收等多種光吸收機(jī)制。但不是所有的光吸收都能產(chǎn)生載流子?？梢詫?dǎo)致載流子產(chǎn)生的主要機(jī)制有：價帶電子吸收能量大于帶隙E>Eg的光子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對；價帶電子躍遷到帶隙內(nèi)的缺陷態(tài)或局域態(tài)，在價帶中產(chǎn)生一個空穴；電子從陷阱態(tài)或局域態(tài)躍遷到導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中產(chǎn)生一個電子；俄歇產(chǎn)生，動能大于帶隙Eg的載流子把動能傳遞到價帶電子，使價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，成為自由載流子。其中，價帶電子吸收能量大于帶隙E>Eg的光子躍遷到導(dǎo)帶是最主要的載流子產(chǎn)生機(jī)制。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換光激發(fā)：在光照情況下，半導(dǎo)體中價帶電子可以吸收入射光子的能量躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴。屬于非平衡載流子。

主要包括四種形式：輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、陷阱復(fù)合、表面復(fù)合和晶界復(fù)合。輻射復(fù)合:主要發(fā)生在直接帶隙半導(dǎo)體中，包括自發(fā)輻射和受激輻射。自發(fā)輻射：在沒有任何外界作用下，自發(fā)地從高能級向低能級躍遷；受激輻射：處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光原子在外來輻射場的作用下向低能態(tài)的躍遷，此時外來輻射的能量必須恰好是原子兩能級的能量差。通常不考慮。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.3.2載流子的復(fù)合

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

俄歇復(fù)合:

是理想間接帶隙半導(dǎo)體材料復(fù)合損耗的主導(dǎo)機(jī)理。俄歇復(fù)合過程：一個導(dǎo)帶電子弛豫到價帶，與一個價帶空穴復(fù)合，釋放的能量被另一個導(dǎo)帶電子或價帶空穴吸收并增加能量為Eg的動能變?yōu)闊犭娮踊驘峥昭?，熱電子或熱空穴?jīng)過熱弛豫將能量轉(zhuǎn)遞給晶格。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換在n型半導(dǎo)體中，2個導(dǎo)帶電子和1個價帶空穴參與俄歇復(fù)合在p型半導(dǎo)體中，2個價帶空穴和1個導(dǎo)帶電子參與俄歇復(fù)合陷阱復(fù)合:實際太陽電池中最重要的載流子復(fù)合過程；由帶隙內(nèi)的缺陷態(tài)引起的。陷阱復(fù)合的過程：被缺陷態(tài)俘獲的電子（空穴），最終通過熱激發(fā)被發(fā)射回到導(dǎo)帶（價帶）;復(fù)合中心：若缺陷在被俘獲的電子（空穴）發(fā)射前，又俘獲了另一種載流子，則兩個載流子發(fā)生復(fù)合。

如下圖，abc分別為電子陷阱，空穴陷阱和復(fù)合中心示意圖3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換表面復(fù)合和晶界復(fù)合：在實際的太陽電池中，缺陷不僅會出現(xiàn)在半導(dǎo)體的體內(nèi)，也會出現(xiàn)在半導(dǎo)體表面、多晶硅或異質(zhì)結(jié)的晶界上，造成表面復(fù)合和晶界復(fù)合。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換表面或者晶界的局域缺陷態(tài)：懸掛鍵引起的晶體缺陷、晶體生長過程在界面聚集的非本征雜質(zhì)外界沉積的非本征雜質(zhì)這些產(chǎn)生復(fù)合的陷阱態(tài)，分布在二維表面

輻射復(fù)合和俄歇復(fù)合是能帶結(jié)構(gòu)引起的，在本征半導(dǎo)體和缺陷半導(dǎo)體中都存在，是不可避免的；陷阱復(fù)合、表面復(fù)合和晶界復(fù)合在理想的本征半導(dǎo)體中不存在，只存在于缺陷半導(dǎo)體中，是可以避免的：俄歇復(fù)合、陷阱復(fù)合、表面復(fù)合和晶界復(fù)合都屬于非輻射復(fù)合

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

3.1.3.3載流子的分離和輸運

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換在太陽電池中部分光生載流子發(fā)生復(fù)合，剩下的載流子則需要經(jīng)過載流子分離和載流子輸運，被輸運到太陽電池的電極，產(chǎn)生輸出電流和輸出電壓。3.1.4半導(dǎo)體輸運方程組（1）三維半導(dǎo)體輸運方程組上面給出了電流密度的表達(dá)式，其中載流子濃度n、p和電場強(qiáng)度F仍然是未知量。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換連續(xù)性方程和泊松方程構(gòu)成半導(dǎo)體輸運方程組（初始形式）。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.5半導(dǎo)體輸運方程組的求解此外，還需要2個重要的近似條件：近似1：耗盡近似，包括兩個內(nèi)容：1）內(nèi)建電場只存在于空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)沒有自由載流子，內(nèi)建電場完全由摻雜離子引起。2）電中性區(qū)和空間電荷區(qū)邊界是突變的。近似2：線性復(fù)合近似，要求電中性區(qū)的復(fù)合率U與少子濃度成正比3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（1）理想假設(shè)和近似條件首先需要確定3個理想假設(shè)假設(shè)1：太陽電池所用材料是理想的、高純度的、不存在界面態(tài)；假設(shè)2：內(nèi)建電壓Vbi只存在p-n結(jié)內(nèi)部，這對典型的摻雜濃度和半導(dǎo)體層厚度是成立的；假設(shè)3：p-n結(jié)可以被劃分為空間電荷區(qū)、電中性n型區(qū)和電中性p型區(qū)?；谝陨蠈-n結(jié)的三個假設(shè)，可以認(rèn)為p-n結(jié)滿足一維穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體輸運方程組。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（2）耗盡寬度

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換該二階偏微分方程的求解需要引入3個邊界條件。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（3）載流子濃度分布和電流計算①電中性區(qū)的載流子濃度分布和電流

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換該二階微分方程的求解需要引入2個邊界條件。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

②空間電荷區(qū)的載流子濃度分布和電流

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（4）太陽電池的伏安特性計算

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換①載流子濃度

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換②電流密度電中性p型區(qū)的少子電流密度由位置x=-wp處的光譜電子電流密度jn(E,-wp)表示；

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換以p型區(qū)為例：

結(jié)合凈電流密度公式得到耗盡近似下的凈電流密度J(V)，反映太陽電池的伏安特性。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

（5）外加電壓和光照下的p-n結(jié)太陽電池的輸出電流密度J由兩部分貢獻(xiàn)：太陽光譜bs與輸出電壓V。

（a）p-n結(jié)勢壘變化和（b）載流子運動3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

（a）p-n結(jié)勢壘變化和（b）載流子運動3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換擴(kuò)散電流、空間電荷區(qū)電流和輻射電流在不同類型的p-n結(jié)中的重要性不同。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換②光照下的p-n結(jié)

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換光照下的p-n結(jié)是指短路情況下（V=0）受太陽光輻照的p-n結(jié)。由耗盡近似，外加電壓V=0要求空間電荷區(qū)的準(zhǔn)費米能級相等，沒有凈復(fù)合；因此，光生電流密度Jph就等于短路電流密度Jsc。

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（6）太陽電池中的p-n結(jié)

下圖給出了太陽電池有、無光照時的伏安特性曲線。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.6太陽電池的主要參數(shù)

（3）最佳工作點在太陽電池的JV特性曲線上表述對應(yīng)功率曲線，如右圖。太陽電池的最佳工作點，即功率曲線極值，并可得到對應(yīng)最佳工作電壓Vm、最佳工作電流密度Jm及最大輸出功率Pm。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.7影響太陽電池伏安特性的因素寄生電阻：包含串聯(lián)電阻Rs與并聯(lián)電阻Rsh兩種串聯(lián)電阻Rs：包含電池本身的體電阻、前電極金屬柵線的接觸電阻、背電極的電阻、橫向電流傳輸對應(yīng)的薄膜電阻以及金屬本身的電阻等。

并聯(lián)電阻Rsh：由漏電流等引起，不是實際電阻，而是一個等效物理參數(shù)參數(shù)；表征電池漏電流的大小和自身能量消耗?？紤]寄生電阻的太陽電池等效電路3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（1）寄生電阻影響

寄生電阻的影響：

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換并聯(lián)電阻Rsh過小會降低短路電流。串聯(lián)電阻Rs過大會降低開路電壓；

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（2）溫度影響

最終，溫度上升導(dǎo)致功率P與轉(zhuǎn)換效率η降低，如右圖

3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（3）輻照度的影響3.1.8太陽電池標(biāo)準(zhǔn)測試條件太陽電池標(biāo)準(zhǔn)測試條件：太陽輻照度Ps=1000W/m2，大氣質(zhì)量AM1.5，環(huán)境溫度Ta=25±1oC。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.9太陽電池材料與技術(shù)簡介3.1光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.9.1太陽電池材料太陽電池可以大致分為第一代、第二代和第三代太陽電池。第一代太陽電池以晶體硅太陽電池為代表，包括單晶、多晶和非晶硅太陽電池；這類電池發(fā)展較為成熟，占據(jù)全球光伏市場的90%以上。第二代太陽電池主要是化合物半導(dǎo)體太陽電池，包括單晶化合物太陽電池和多晶化合物太陽電池；單晶化合物太陽電池以砷化鎵（GaAs）太陽電池為代表；多晶化合物太陽電池以碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池為代表。GaAs太陽電池通常用于航空航天、軍事等領(lǐng)域或地面聚光應(yīng)用；CdTe和CIGS太陽電池在光伏建筑一體化領(lǐng)域具有廣闊的前景。第三代太陽電池也被稱為新型太陽電池，主要包括有機(jī)薄膜太陽電池，染料敏化、量子點敏化太陽電池和鈣鈦礦太陽電池；這類電池發(fā)展時間較短，但擁有較高的理論轉(zhuǎn)化效率或特有的優(yōu)勢（例如柔性、可塑性等），并且成本相對較低，具有很大的潛力。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（1）晶硅材料晶硅太陽電池的極限效率可達(dá)到30%，目前平板單晶硅太陽電池效率已達(dá)26.7%，聚光硅太陽效率達(dá)到27.6%，晶硅的禁帶寬度約為1.12eV，是一種間接帶隙半導(dǎo)體。光吸收過程需要聲子參與，因此光吸收系數(shù)較小，通常需要很厚的半導(dǎo)體吸收層。（2）砷化鎵材料基于砷化鎵的單結(jié)太陽電池效率目前已達(dá)29.1%，聚光效率達(dá)到30.5%，四結(jié)聚光電池更是達(dá)到了47.1%的效率。砷化鎵具有直接帶隙，光吸收系數(shù)大，只需要1μm左右的吸收層就可以充分吸收太陽光；常溫下的帶隙為1.42eV，接近理想太陽電池的帶隙1.4eV。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（3）碲化鎘材料碲化鎘太陽電池價格低廉，目前效率已達(dá)22.1%，理論最高轉(zhuǎn)化效率約為30%。CdTe的帶隙寬度為1.45eV，光譜響應(yīng)與太陽光譜十分吻合；CdTe是一種直接帶隙半導(dǎo)體，吸收系數(shù)極大，1μm厚的薄膜，足以吸收大于禁帶寬度99%的輻射能量，是制備極薄太陽電池的理想材料。（4）銅銦鎵硒材料CIGS太陽電池轉(zhuǎn)換效率高，目前效率已達(dá)23.4%，并且穩(wěn)定性好、弱光性能好，也被認(rèn)為是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧る姵刂?。通過調(diào)節(jié)CuInSe2和CuGaSe2的比例，可以調(diào)節(jié)銅銦鎵硒帶隙在1.02eV-1.67eV范圍變化，非常適用于優(yōu)化帶隙。銅銦鎵硒具有直接帶隙，吸收系數(shù)高達(dá)6×105cm-1，是到目前為止所有半導(dǎo)體材料中的最高值。材料帶隙（eV）電子親和勢（eV）載流子濃度（cm-3）少子壽命（s）Si1.124.24n:1350p:480GaAs1.424.07n:8500p:40010-9~10-8CdTe1.54.3~1016n:1050p:8010-8~10-6[7]CIGS1.02~1.67取決于具體成分1014~1017n:100~1000p:50~18010-8~10-73.1光能與電能轉(zhuǎn)換各類光電轉(zhuǎn)換材料關(guān)鍵參數(shù)3.1光能與電能轉(zhuǎn)換3.1.9.2太陽電池技術(shù)（1）晶硅太陽電池單晶硅太陽電池采用單晶硅片制造太陽電池，發(fā)展最早（1954年），技術(shù)也最為成熟。但1998年后，單晶硅太陽電池的市場占有率逐漸被更便宜的多晶硅電池超過。直到

2016年p型單晶硅“發(fā)射極及背面鈍化電池技術(shù)”電池的正式量產(chǎn)，太陽電池來到單晶硅年代。單晶硅太陽電池的市場份額迅速擴(kuò)張，現(xiàn)今，單晶硅太陽電池占據(jù)了絕大多數(shù)的市場。單晶硅電池技術(shù)如火如荼的發(fā)展，催生了很多先進(jìn)的技術(shù)如PERC（PassivatedEmitterandRearCell）、HJT（HeterojunctionwithintrinsicThinlayer）、TOPCon（TunnelOxidePassivatedContact）、IBC（Interdigitatedbackcontact）等。根據(jù)國際光伏技術(shù)路線圖和中國光伏行業(yè)協(xié)會的預(yù)測，傳統(tǒng)的BSF電池將逐步退出市場，PERC電池在未來5到10年將一直占據(jù)主導(dǎo)地位，同時HJT、TOPCon、IBC等先進(jìn)電池技術(shù)將逐步擴(kuò)大市場份額。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換BSF（鋁背場電池）是多晶硅年代的主流技術(shù)。其特點為使用鋁背場鈍化技術(shù)。缺點是整體開路電壓不高，單片電池的開路電壓約為0.50-0.65V，理論轉(zhuǎn)化效率只有20%。PERC電池與傳統(tǒng)的BSF電池不同之處在于背面，PERC電池采用了高質(zhì)量的介質(zhì)膜來鈍化背面，從而大幅度降低了背面的復(fù)合速率。相比與BSF電池，PERC電池的開路電壓提升幅度達(dá)到10-20mV，長波量子效率明顯提高使短路電流密度提升幅度達(dá)到0.8-1.6mA/cm2。PERC的理論轉(zhuǎn)換效率極限可以達(dá)到24.5%PERC電池的主要缺點是光致衰減比較嚴(yán)重。由于B-O對的存在，P型晶硅電池普遍存在光致衰減的問題，而疊加PERC技術(shù)后衰減問題更甚。此外，PERC-P型單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率2022年已經(jīng)達(dá)到24.1%，未來的上升空間不大。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換TOPCon電池是基于選擇性載流子原理的隧穿氧化層鈍化接觸太陽電池技術(shù)。結(jié)構(gòu)如下圖：其利用n型硅片為襯底，在背面先制作一層不足2nm的超薄二氧化硅（SiO2）作為隧穿層，再在上面制作一層20nm左右的摻磷（摻雜濃度較襯底更高）多晶硅薄膜。由超薄隧穿氧化層和摻雜多晶硅層組合而成的結(jié)構(gòu)（SiO2/poly-Si(n+)）是TOPCon電池的核心，可以實現(xiàn)對載流子的選擇性收集，起到了關(guān)鍵的表面鈍化作用。TOPCon太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限為28.7%。TOPCon太陽電池因其與PERC太陽電池的制備工藝均為高溫工藝且工序兼容性較高，頗受傳統(tǒng)太陽電池廠商的青睞。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換HJT電池俗稱異質(zhì)結(jié)電池，HJT電池的結(jié)構(gòu)如下圖所示：襯底材料為n型單晶硅；兩面襯底之上的第二層為含大量氫原子的本征非晶硅薄膜，一般僅約6-10nm厚，在鈍化中起到關(guān)鍵作用；兩面襯底之上的第三層為含氫的摻雜非晶硅層：正面的窗口層處為p型膜層，構(gòu)成p-n結(jié)，背面為重?fù)诫s的n型膜層，與本征層一起構(gòu)成背場，起到對載流子的選擇性鈍化作用；最外層為TCO透明導(dǎo)電膜層，用于減反射和匯集電流，傳遞給兩面的金屬電極。HJT太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限為27.5%。HJT太陽電池的最大優(yōu)勢是晶硅與非晶硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)增加了p-n結(jié)勢壘高度，增強(qiáng)了對載流子的選擇性，使得開路電壓可以突破晶硅太陽電池的上限。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換IBC太陽電池是將正負(fù)極金屬接觸均移到電池片背面的電池技術(shù)。如下圖所示：與TOPCon、HJT采用新的鈍化接觸結(jié)構(gòu)來提高鈍化效果從而提高轉(zhuǎn)換效率的思路不同，IBC則是將電池正面的電極柵線全部轉(zhuǎn)移到電池背面，通過減少柵線對陽光的遮擋來提高轉(zhuǎn)換效率。IBC電池的技術(shù)核心是在背表面制作出間隔排列的p型與n型摻雜區(qū)域，并在上面形成金屬化接觸和柵線。新一代的IBC電池已經(jīng)吸收TOPCon鈍化接觸技術(shù)，演化出TBC（TunnelingoxidepassivatedcontactBackContact）太陽電池；吸收了HJT鈍化接觸技術(shù)，演化出了HBC（Heterojunctionback-contact）太陽電池。隨著TOPCon技術(shù)以及HJT技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，與其相結(jié)合的TBC、HBC電池有望受益。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（2）單晶化合物太陽電池單晶化合物太陽電池主要指GaAs基系的太陽電池。GaAs基系太陽電池非常適合太空應(yīng)用，在空間科學(xué)領(lǐng)域取代硅太陽電池，成為空間能源的重要組成部分；其次，GaAs基系太陽電池的耐高溫性能和較低的溫度系數(shù)也使其非常適用于地面聚光應(yīng)用。如今，GaAs基系太陽電池的研究重點轉(zhuǎn)向疊層電池。最初，使用AIGaAs作為頂電池材料，1988年，B.Chung等制備的AIGaAs/GaAs雙結(jié)疊層電池在AM1.5光譜下取得了23.9%的轉(zhuǎn)換效率。2005年KenTakahashi等制備出了迄今為止轉(zhuǎn)換效率最高的AIGaAs/GaAs疊層太陽電池，在AM1.5光譜下取得了28.85%的轉(zhuǎn)換效率。后來，

又提出Ga1-xInxP/GaAs疊層電池，1997年，T.Takamot等研制的

InGaP/GaAs雙結(jié)疊層電池，在AM1.5光譜下的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30.28%。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換在產(chǎn)業(yè)化的過程中，GaAs襯底被Ge襯底取代，變?yōu)槿Y(jié)疊層電池。此后，GaInP/GaAs/Ge疊層太陽電池結(jié)構(gòu)成為GaAs基系太陽電池研究和應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。如右圖所示：2013年，Sharp發(fā)明的GaInP/GaAs/InGaAs三結(jié)疊層電池，在AM1.5光譜302倍聚光下轉(zhuǎn)換效率達(dá)44.4%。這是迄今為止3結(jié)疊層電池的最高效率。3.1光能與電能轉(zhuǎn)換（3）多晶化合物太陽電池多晶化合物太陽電池中，目前最主要的電池包括碲化鎘（CdTe）太陽電池和銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池兩大類。CdTe太陽電池成本較低，溫度系數(shù)低且弱光性能好，同樣標(biāo)定功率的CdTe太陽電池，比晶硅太陽電池平均全年可多發(fā)5%~10%的電能。2016年，F(xiàn)irstSolar公司制成了轉(zhuǎn)換效率22.1%的碲化鎘電池，之后再無突破。碲化鎘太陽電池主流結(jié)構(gòu)為P-CdTe/n-CdS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。如右圖所示：CIGS太陽電池是薄膜太陽電池中效率最高的太陽電池，目前效率已達(dá)23.4%，并且穩(wěn)定性好，在弱光下的性能也較好。銅銦鎵硒太陽電池的主流結(jié)構(gòu)為CdS/CIGS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，CuIn1-xGaxSe為吸收層，厚度在1.5-2.0μm。2.光能與熱能轉(zhuǎn)換3.2.1光熱轉(zhuǎn)換概述太陽能光熱轉(zhuǎn)換是指通過反射、吸收或其他方式把太陽輻射能集中起來，轉(zhuǎn)換成流體或空氣等輸送介質(zhì)內(nèi)能的過程，是太陽能利用最為廣泛的方式。光熱轉(zhuǎn)換過程涉及多個傳熱機(jī)理，吸熱板首先靠輻射換熱實現(xiàn)光能到熱能的轉(zhuǎn)換，有效的光熱轉(zhuǎn)換需要吸收太陽能的表面與流體或氣體進(jìn)行接觸，進(jìn)行充分的熱傳導(dǎo)和熱對流，并最大限度的減少對環(huán)境的熱損失，以獲取熱能。3.2光能與熱能轉(zhuǎn)換

3.2光能與熱能轉(zhuǎn)換

3.2光能與熱能轉(zhuǎn)換3.2.3光熱轉(zhuǎn)換材料光電轉(zhuǎn)換材料主要包括金屬基光熱轉(zhuǎn)換材料、半導(dǎo)體光熱轉(zhuǎn)換材料、碳基光熱轉(zhuǎn)換材料和有機(jī)聚合物光熱轉(zhuǎn)換材料。金屬基光熱轉(zhuǎn)換材料金屬納米顆粒的局域表面等離激元共振能夠有效的吸收太陽光，產(chǎn)生高能量的熱電子。通過晶格對電子的散射，局域表面等離激元吸收的光能能夠轉(zhuǎn)化為晶格的振動能，從而產(chǎn)生顯著的光熱效應(yīng)。主要是金納米光熱轉(zhuǎn)換材料和其他金屬納米光熱轉(zhuǎn)換材料。半導(dǎo)體光熱轉(zhuǎn)換材料半導(dǎo)體材料的光熱轉(zhuǎn)換原理：一部分歸因于光熱電子激發(fā)；還有一部分得益于SPR效應(yīng)、LSPR效應(yīng)等的共同作用。當(dāng)前材料主要有硫?qū)巽~基化合物和鎢氧化物。碳基光熱轉(zhuǎn)換材料材料中的碳原子形成一個巨大的共軛體系，對光具有很強(qiáng)的吸收，應(yīng)用于光熱材料的碳基材料主要是碳納米管和石墨烯。有機(jī)聚合物光熱轉(zhuǎn)換材料共軛體系受光激發(fā)后，可以產(chǎn)生激發(fā)熱電子，實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換并且，共軛聚合物產(chǎn)生的激發(fā)電子可以沿著共軛的π鍵遷移，具有高效的能量傳遞。3.2光能與熱能轉(zhuǎn)換（3）光熱轉(zhuǎn)換利用技術(shù)①太陽能熱利用

太陽能熱水器太陽能制冷太陽能海水淡化3.2光能與熱能轉(zhuǎn)換（3）光熱轉(zhuǎn)換利用技術(shù)①太陽能熱發(fā)電

線性菲涅爾式槽式塔式碟式3.2光能與熱能轉(zhuǎn)換3.光能與生物能轉(zhuǎn)換3.3.1自然光合作用的基本原理光合作用一般可以分為以下4個基本過程：（1）原初光反應(yīng)光合蛋白PSII和PSI在類囊體膜上發(fā)生光反應(yīng)及一系列電子傳遞過程，最終合成ATP和NADPH這2種生物代謝中重要的能量載體。（2）光驅(qū)動水氧化水被氧化產(chǎn)生O2同時釋放出質(zhì)子。（3）同化力形成光系統(tǒng)之間的電子傳遞及耦合的磷酸化反應(yīng)形成同化力還原型輔酶II（NADPH）和三磷酸腺苷（ATP）。（4）碳同化作用CO2通過卡爾文循環(huán)（還原性磷酸戊糖途徑）被吸收轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，這是植物將無機(jī)碳凈轉(zhuǎn)化為糖類的唯一途徑。3.3光能與生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換光能與生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換：地球上的植物、藻類和某些細(xì)菌通過光合酶利用自然光合作用將水和二氧化碳（或硫化氫）轉(zhuǎn)換，合成其自身需要的營養(yǎng)物質(zhì)并釋放氧氣。3.3.2自然光合作用的主要方式（1）光合細(xì)菌的光合作用光合細(xì)菌通過以H2S（或有機(jī)酸、醇、糖類等有機(jī)物）為原始供氫體，在黑暗厭氧條件下經(jīng)丙酮酸代謝系統(tǒng)作用下產(chǎn)生H2，同時還能在某些條件下固定空氣的分子氮生氨。（2）綠色植物的光合作用綠色植物光合作用具體分為兩個階段：光反應(yīng)和暗反應(yīng)過程。第一個階段叫光反應(yīng)階段，在光反應(yīng)中，化學(xué)反應(yīng)是在葉綠體內(nèi)的類囊體上進(jìn)行，光系統(tǒng)捕獲光子后，在光合反應(yīng)中心引起光化學(xué)反應(yīng)，催化水裂解放出氧氣，生成還原型輔酶（NADPH）和腺苷三磷酸（ATP）；第二個階段叫暗反應(yīng)階段，在暗反應(yīng)中，化學(xué)反應(yīng)是在葉綠體內(nèi)的基質(zhì)中進(jìn)行，一系列酶利用還原力轉(zhuǎn)化二氧化碳合成生物質(zhì)。（3）微藻類的光合作用微藻利用光合作將太陽能轉(zhuǎn)化為各種形式的可再生能源。例如，微藻光合產(chǎn)氫：微藻利用光能通過PSII催化水氧化，放出氧氣，產(chǎn)生質(zhì)子和電子；藍(lán)藻通過固氮酶（或綠藻通過可逆產(chǎn)氫酶）利用PSII產(chǎn)生的電子還原質(zhì)子放岀氫氣。3.3光能與生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換3.3.3生物質(zhì)光合作用制氫（1）直接光解法制氫技術(shù)原理微生物通過光合作用將水分子分解為氫離子和氧氣，產(chǎn)生的氫離子通過氫化酶的轉(zhuǎn)化為氫氣。（2）間接光解法制氫技術(shù)原理光合作用形成碳水化合物后，在黑暗條件下通過植物細(xì)胞代謝產(chǎn)生氫氣，代謝過程中產(chǎn)生的還原輔酶Ⅱ轉(zhuǎn)移到質(zhì)體醌池和光系統(tǒng)Ⅱ。有氧條件下電子傳遞鏈一直存在，氧氣耗盡后細(xì)胞轉(zhuǎn)為厭氧狀態(tài)，通過誘導(dǎo)氫化酶將可用電子轉(zhuǎn)移至光系統(tǒng)Ⅰ，產(chǎn)生氫。（3）光發(fā)酵制氫技術(shù)原理光發(fā)酵制氫技術(shù)利用厭氧光合微生物將有機(jī)底物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氫氣，其機(jī)理如圖所示。3.3光能與生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換（4）暗發(fā)酵制氫技術(shù)原理暗發(fā)酵制氫技術(shù)通過專性厭氧菌與兼性生物進(jìn)行，在特定工況下富含碳水化合物的藻類進(jìn)行反應(yīng)后產(chǎn)生氫氣，具體原理如所示。（5）光暗發(fā)酵耦合制氫技術(shù)原理耦合方式有兩種：一種將暗發(fā)酵過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸用于光發(fā)酵過程；二將暗發(fā)酵與光發(fā)酵過程在包含兩種類型微生物群落的單個反應(yīng)器中完成。光暗發(fā)酵耦合過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸能夠被光發(fā)酵技術(shù)中的微生物轉(zhuǎn)化為氫氣，提高制氫產(chǎn)量。3.3光能與生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換4.光能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換3.4.1人工光合作用的基本原理第一步：半導(dǎo)體吸收光子產(chǎn)生光生載流子。當(dāng)入射光子的能量E大于半導(dǎo)體的帶隙Eg時，入射光子能夠激發(fā)價帶中帶負(fù)電荷的電子躍迀進(jìn)入導(dǎo)帶，在價帶中留下一個帶正電荷的空穴。第二步光生載流子的空間分離。光激發(fā)產(chǎn)生的光生電子和空穴需要分別從半導(dǎo)體內(nèi)部（體相）遷移到半導(dǎo)體表面。與光生載流子分離的競爭過程是光生載流子的復(fù)合，這個過程可能發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)部，稱為體相復(fù)合，也可能發(fā)生在半導(dǎo)體表面，稱為表面復(fù)合。第三步光生電子和光生空穴在到達(dá)半導(dǎo)體表面后，能夠與吸附在表面的反應(yīng)物分子發(fā)生相互作用，驅(qū)動一系列還原和氧化反應(yīng)，將反應(yīng)物分子轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物分子，3.4光能與化學(xué)質(zhì)能轉(zhuǎn)換人工光合作用的核心是催化材料。以典型的半導(dǎo)體催化材料為例，反應(yīng)主要包括三步3.4.2人工光合作用的主要反應(yīng)途徑（1）全解水制氫催化材料在光激發(fā)下產(chǎn)生光生電子和空穴，光生電子可驅(qū)動水還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，而光生空穴可驅(qū)動水氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，具體的反應(yīng)式如下催化材料+hυ→催化材料+e-+h+

產(chǎn)氫半反應(yīng)：2H++2e-→H2

產(chǎn)氧半反應(yīng)：2H2O+4h+→O2+4H+

總反應(yīng)：2H2O→2H2+O2,ΔG?(298K)=237kJmol-1（2）二氧化碳還原通過模擬自然光合作用原理，利用人工光合成將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇、乙醇、乙烯等碳基燃料或高附加值化學(xué)品。與全解水反應(yīng)類似，二氧化碳還原也是一個熱力學(xué)非自發(fā)反應(yīng)（△G?>0），能夠有效將太陽能以化學(xué)能的形式存儲起來。不同的是，二氧化碳在催化材料表面的吸附與活化面臨較大困難，此外，二氧化碳還原反應(yīng)的機(jī)理和反應(yīng)產(chǎn)物十分復(fù)雜。3.4光能與化學(xué)質(zhì)能轉(zhuǎn)換（3）氮氣還原合成氨利用太陽能驅(qū)動氮氣還原合成氨被認(rèn)為是可以取代傳統(tǒng)工藝最有潛力的技術(shù)之一。但還存在諸多問題：氮氣性質(zhì)穩(wěn)定，N≡N三鍵裂解能高達(dá)410kJ·mol-1；液相條件下催化材料更傾向于與水結(jié)合發(fā)生析氫副反應(yīng)；由于電子與空穴復(fù)合動力學(xué)勢壘相對較低，電子與空穴更傾向于發(fā)生復(fù)合并以熱能等形式耗散能量。在氮氣還原反應(yīng)機(jī)理研究中，加氫路徑的探究對于設(shè)計和制備高效且穩(wěn)定的催化劑至關(guān)重要，已探明的氮氣加氫過程通常涉及到遠(yuǎn)端加氫和交替加氫兩種反應(yīng)機(jī)制。在遠(yuǎn)端加氫機(jī)制中，質(zhì)子化傾向于發(fā)生在遠(yuǎn)離催化劑表面的氮原子上，H+/e-先攻擊該氮原子形成末端氮化物中間體，產(chǎn)生第一個NH3分子，然后再攻擊另一個氮原子產(chǎn)生另一個NH3分子。在交替作用機(jī)制中，H+/e-在兩個氮原子上交替加氫，生成二亞胺(HN=NH)和肼(H2N-NH2)等關(guān)鍵中間體，最后交替生成兩個NH3分子。雖然基于人工光合成的氮氣還原合成氨技術(shù)已經(jīng)取得了一定的研究成果，但其較低的產(chǎn)氨活性需要研究者進(jìn)一步去設(shè)計具有高活性、高選擇性及高穩(wěn)定性的催化材料3.4光能與化學(xué)質(zhì)能轉(zhuǎn)換（4）甲烷直接轉(zhuǎn)化在人工光合成中，甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)可分為甲烷部分氧化、甲烷重整、甲烷偶聯(lián)、甲烷燃燒和甲烷功能化。如甲烷部分氧化反應(yīng)，其最佳產(chǎn)物是甲醇，然而，通常還會生成大量熱力學(xué)上有利的產(chǎn)物CO2。為了打破熱力學(xué)極限，通常的解決策略是通過高壓（10-30bar）以阻止甲醇的過度氧化。人工光合成甲烷轉(zhuǎn)化過程中涉及的激發(fā)態(tài)過程可以打破穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)平衡的理論限制，使得甲烷的活化和轉(zhuǎn)化可以在溫和的條件下進(jìn)行。（5）硫化氫分解制氫硫化氫和水同為VI族氫化物，相比于全解水中氧發(fā)生氧化需要四電子過程，硫化氫中的硫氧化為硫僅需要兩個電子，該反應(yīng)也更加容易發(fā)生。目前，基于人工光合成的硫化氫分解制氫反應(yīng)在制氫效率的提升上已取得了一定進(jìn)展，但該反應(yīng)也存在一些問題，如氧化產(chǎn)物中對可見光有明顯響應(yīng)的多硫化物對入射太陽光產(chǎn)生競爭性吸收，使得催化材料可吸收利用的光子數(shù)顯著減少；或是硫附著在催化材料表面導(dǎo)致反應(yīng)活性位點被掩埋，使得催化材料失活。3.4光能與化學(xué)質(zhì)能轉(zhuǎn)換3.4.3人工光合作用的評價方法