一般太陽能電池工作波長範圍是多少？

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簡短版本，圖3

詳細版本：
首先明確一下，下面的討論主要針對地面太陽能應用，這裡我們說的太陽能光譜是太陽光在經過宇宙空間傳播，大氣層吸收後，到達地面的光譜。AM（Air Mass）是描述地球大氣光學厚度的度量。在大氣層頂端，太陽光穿透的大氣厚度為零，這裡的太陽光譜為AM0，陽光垂直穿透大氣層厚度（1個單位大氣厚度）被部分吸收和散射後的光譜是AM1，這樣的光譜只有赤道和低緯度地區在全年的一段時間中可以「享受」。為計算其他地區的太陽能光譜，我們一般以太陽高度角的中間值附近的48.2度（Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5）對應的大氣厚度AM1.5作為平均值。地面應用的太陽能電池光學設計一般以AM1.5為優化標準，空間應用則是AM0。太陽能光譜決定了哪些半導體材料適合用來製作太陽能電池。

圖1，Air Mass說明圖片來自：

圖1，Air Mass說明圖片來自：AM designation

圖2，AM0和AM1.5光譜，圖片來自NREL SMARTS

下面回到正題，太陽能電池的吸收光譜範圍主要受電池材料性質，厚度和表面特性決定。
1、禁帶寬度
由於只有能量高於半導體材料的禁帶寬度的光子能被吸收，半導體材料的禁帶寬度決定了材料能吸收的光子的最小能量（hv），即最大波長。一般禁帶寬度在1到1.7eV。那小於這個波長的光子的能量就都能被吸收了嗎，未必見得。
2、材料厚度
材料對光的吸收係數和厚度還共同決定了哪些波長的光可以被吸收，以晶硅電池為例，200um厚度的電池，光在裡面一次反射走過的總路徑是400um，這樣可以基本保證900nm以下光的吸收，900nm以上的光由於在硅中的吸收係數太小，需要走過更長的距離才能被完全吸收。怎樣通過提高矽片內部的反射提高對光的吸收其實就是我的研究課題。
3、表面性質
短波部分的光，能量高，就能完全被太陽能電池利用了嗎，也未必。仍以晶硅電池為例，由於短波光吸收係數大，可以在材料表面很薄的區域內被吸收，激發載流子，但由於材料表面往往是缺陷比較多的區域，這裡載流子壽命較低，所以這裡短波部分的光雖然被吸收，但沒有在發電中做出貢獻。其次，短波波分的光子，即使被吸收，其能量也無法被完全利用，因為在經典框架下，一個光子只能激發一對電子空穴。即使短波光子的能量是禁帶寬度的幾倍，傳統結構的電池也無法激發多個電子，多餘的能量只能變為聲子耗散掉。

怎樣表徵太陽能電池的光譜吸收特性呢，反射太籠統，最好的是量子效率QE，即不同波長，一個光子產生的電子(發電發出的電子)的效率，量子效率大約0的波長範圍就可以看作是太陽能電池的最大工作光譜範圍。這個圖不是很全，晶硅電池大約可以從250nm到1100nm（保守）。其他幾種電池因為一般厚度都比較低，所以只能吸收比較短波部分的光。

圖3，Example QE measurements of single-junction solar cells 來自PV Measurements

我們剛才提到太陽能光譜AM1.5其實包含的能量要高於電池能吸收的部分，這也是太陽能電池理論效率上限考慮的主要因素。較低波長部分光子的能量不能完全吸收，較高波長部分光子也因為無法吸收而浪費。怎樣減少這兩部分光吸收的損失是太陽能電池提高效率的方向。下面簡單說幾個方向，這幾個方向中的部分也往往被看作是第三代的太陽能電池設計。

1、Plasmonic Light Trapping
答主研究方向，通過在電池背面製作金屬鈉米陣列，提高長波部分的光在材料內部的反射和散射，增加有效光程，增加長波部分的吸收。
2、Up Conversion 和 Down Conversion
既然單個長波光子的能量低，那能不能先將幾個光子的能量組合起來，共同產生一個能量更高的光子。即將幾個不能被材料吸收的光子轉變為一個可以被吸收的光子，這既是上變換，Up Conversion （UC）。相反考慮，既然低波長的高能光子能量有富餘，能不能先分裂為多個能量略低但仍激發載流子的光子，從而激發多個載流子，更充分的利用高能光子的能量，這就是下變化，Down Conversion （DC）。
下圖藍色背景為整個AM1.5，綠色為晶硅電池可以利用的部分，紅色是採用DC材料可以帶來的增益，黃色時採用UC材料帶來的增益。

圖4，Potential gain for down- and upconversion for a silicon solar cell 來自

圖4，Potential gain for down- and upconversion for a silicon solar cell 來自Solar Spectrum Conversion for Photovoltaics Using Nanoparticles

3、多結 multi junction Spectrum Split
既然不同材料的禁帶寬度不同，可以專門設計吸收一部分太陽光譜的電池，然後將他們串聯排布。太陽光在依次穿過幾層電池的時候，不同波段的光子被依次吸收。下圖是效率最高的三結電池結構和三層電池對應吸收的光譜範圍，來自夏普。

圖5，夏普三結電池來自

圖5，夏普三結電池來自 Sharp develops solar cell with world』s highest conversion efficiency

4、熱載流子 hot carrier
5、Multiple Exciton Generation (MEG)

450nm到950nm

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請直接根據材料禁帶寬度計算波長範圍，光子能量低于禁帶寬度變不能被吸收。

太陽能電池的光吸收波段：從300nm起，截止波長決定於帶寬，單晶硅1200，薄膜一般800，有的能到900。
但300到400的紫外光的吸收受半導體表面複合的影響，轉化效率低，因此太陽能電池的工作波段自400nm起。