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利用谷间散射在III-V族太阳能电池中捕获热载流子
摘要： 热载流子太阳能电池有望突破肖克利-奎伊瑟极限。然而迄今为止，尚无明确途径实现这一目标。最近有研究提出，利用吸光材料的卫星能谷是获取热载流子的可行方法。本文研究表明，在实际工作条件下，当光诱导与电场辅助的能谷间散射使载流子跃迁至较高L能谷时，InGaAs/AlInAs异质结可在由该上能谷决定的电压（理想情况下约1.25V）而非InGaAs吸光材料的带隙电压（0.75eV）下收集热载流子。由于n+-AlInAs/n-InGaAs界面存在能谷简并度失配，当前系统效率尚未超越单带隙极限。但我们认为这并非实现热载流子太阳能电池的根本性限制。
关键词： InGaAs/AlInAs异质结、热载流子太阳能电池、谷间散射、谷光伏效应、肖克利-奎伊瑟极限
更新于2025-09-23 15:19:57
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追踪太阳能电池的转换效率
摘要： 追踪太阳能电池性能的快速提升并非易事。马丁·格林介绍了自1990年代以来每半年更新一次最高纪录的《太阳能电池效率表》。由于价格大幅下降——部分得益于能源转换效率的提升（该效率在所有太阳能电池技术中均有提高），太阳能电池已成为许多国家最廉价的电力来源。单结电池的效率从根本上受限于肖克利-奎伊瑟(SQ)理论极限33.8%，其中成熟的砷化镓(GaAs)和硅基电池已最接近该极限。钙钛矿与有机电池领域进步尤为显著。通过堆叠不同材料电池（每种材料转换部分太阳光谱），可以突破SQ极限。这种多结电池早在2009年就已在实验中超越该极限。但效率测量比表面看来更复杂，到1980年代太阳能电池学界已要求由权威测试中心对电池结果进行"独立验证"。1990年代我开始编制《太阳能电池效率表》，旨在权威总结技术进展，并鼓励结果独立验证——这是数据入选该表的必要条件。
关键词： 转换效率、独立验证、太阳能电池、多结、肖克利-奎伊瑟极限
更新于2025-09-19 17:13:59
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基于第一性原理的不完美晶体光伏效率上限
摘要： 肖克利-奎塞尔（SQ）极限为基于光吸收层带隙预测太阳能电池的光电转换效率提供了便捷的评估标准。实际上，鲜有材料能达到这一辐射极限。我们建立了一套理论框架和计算方法，从第一性原理出发预测非理想晶体的最大光伏效率。受陷阱限制的转换效率包含本征缺陷的平衡浓度、其载流子俘获系数及相应的复合速率。应用于铜锌锡硫硒（kesterite）太阳能电池时，我们揭示了Cu2ZnSnSe4存在20%的内在效率极限，远低于32%的SQ极限。通过研究原子替代效应和外源掺杂影响，我们找到了实现31%效率提升的可行路径。该方法可为未来太阳能技术中的靶向材料选择提供理论支持。
关键词： 复合速率、锌黄锡矿太阳能电池、肖克利-奎伊瑟极限、本征缺陷、载流子俘获系数、光伏效率
更新于2025-09-19 17:13:59
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基于胶体量子点的中间带太阳能电池新策略
摘要： 中间带太阳能电池（IBSC）概念通过吸收低于带隙能量的光子，有望提高单结太阳能电池的效率极限。尽管其工作原理在20多年前就已提出，但IBSC至今未能兑现这一承诺——目前基于嵌入式外延量子点制备的器件，实际效率反而低于传统太阳能电池。近期有研究提出新范式：利用胶体（即化学合成）量子点在密度泛函理论描述中自然产生的带隙内态作为中间带。本文重新审视这一有趣概念并揭示其缺陷，进而提出两种替代方案：第一种方案采用常见胶体量子点中普遍存在的局域化电子表面陷阱态，在由小尺寸InAs纳米晶构成的强耦合薄膜中充当中间带；第二种方案则通过大尺寸InAs纳米晶薄膜中导带底衍生的微带提供中间带。两种方案估算的IBSC效率极限均超越单结Shockley-Queisser极限。
关键词： 效率、InAs纳米晶体、中间带太阳能电池、胶体量子点、肖克利-奎伊瑟极限
更新于2025-09-11 14:15:04