染料敏化型太陽能電池專題系列(二) 037 太陽能電池效率的基本限制

太陽能電池技術的發展有三個主要準則 ：高效率、低生產成本、可靠度佳、穩定度好。太陽能電池生產成本，其衡量單位是美金/每瓦。如果從歷史的紀錄來看，太陽能電池生產成本有所謂的「80%學習曲線」，也就是說，當全世界太陽模組的總生產瓦數每增加一倍，其生產成本則降低為原來的80%。至於可靠及穩定度方面，現今太陽模組的製造商一般都會提供20年的產品保固(可靠度佳)，保證20年內模組輸出功率不會降低超過20%(穩定度好)。也就是說，矽晶太陽能電池可靠度及穩定度是已經是非常優越了。
相反的，直到現在，非晶矽太陽能電池穩定度還受限於所謂的staebler-wronski效應，也就是光引發的非穩定性(light-induced instability)的問題。也就是，非晶矽太陽能電池第一次曝光，其效率便馬上減少10～20%。對於這效應，至今尚未有統一的解釋，也沒有尋找到基本的解決的方法，這對非晶矽太陽能電池的廣泛應用，自然地產生重大的影響。這也是開發新材料的太陽能電池，如染料敏光型、有機物型、或聚合物太陽能電池，自然不免要嚴肅地考慮有關於其穩定性的問題。
雖然生產成本、可靠度、和穩定度，都是太陽能電池技術的研究發展，必須考量的，但目前太陽能電池技術的發展仍以提高太陽能電池本身的效率為重。一方面，實驗室產出的太陽能電池其最高效率紀錄尚未接近理論的極限，另一方面，市場上大量產的太陽能電池平均效率和實驗室的太陽能電池的最高效率紀錄間又有一段不小的差距。這兩個差距，將是未來太陽能電池技術的研究發展必須克服解決的兩個最重要課題。
舉例來說，理論上，單接面單晶矽太陽能電池的最高效率應為28%，但是實驗室產生的世界紀錄最高效率為24.7%。相同地，二接面、三能隙的太陽能電池其最高效率可達的理論極限應為56%，然而實驗上使用GaInP/GaAs/Ge二接面、三能隙的太陽能電池之世界紀錄最高效率為32.0%。很明顯地，實驗室產出的太陽能電池其最高效率紀錄和理論上的極限值依然有一段差距。而就單接面單晶矽太陽能電池而言，其目前市場上大量產的平均效率約只在15%上下，也就是說，市場上大量產的太陽能電池平均效率和實驗室的太陽能電池的最高效率紀錄又有一段不小的差距。未來太陽能電池技術的研究發展最主要還在於如何填補這兩個差距。
一般的太陽能電池理論，將半導體太陽能電池的效率區分為三種不同的物理限制：
‧單能隙(單接面)太陽能電池的限制 (可達之one-sun最高效率約31%)。
‧多能隙(多接面)太陽能電池的限制 (可達之one-sun最高效率約69%)。
‧熱力學的限制(可達之one-sun最高效率約85%)。

超高效率太陽能電池的未來可能的技術發展
太陽能電池的技術發展，除了運用新穎的元件結構設計，來嘗試突破其物理限制外，也有可能因為新材料的引進，而達成大幅增加轉換效率的目的。超高效率太陽能電池的未來可能的技術發展，約略地歸納為六個方向：
1. 多接面、多能帶、或多能階結構。
2. 一個光子產生多個電子-電洞對，及光輔助或熱載子輔助的物理過程。
3. 熱載子太陽能電池。
4. 黑體輻射的頻譜轉換。
5. 熱光伏特效應，或額外的熱能轉換成電能機制。
6. 新材料。