前沿光伏技术之光子倍增技术：突破效率极限的曙光（二）

上期文章笔者已经对光子倍增技术原理以及研究进展进行了浅析，本期将着重介绍光子倍增技术的应用，尤其是在光伏领域中的应用。考虑到光子倍增技术能将高能光子的过剩能量转化为额外光电流，而非热能，消除热化损失；同时将非吸收波段（紫外）转换为电池敏感波段（可见/近红外），扩展光谱响应。由此，单光子输入产生多光子输出，理论增益可达200%。为此科学家们投入了大量的精力以拓展这项技术在光伏领域中的应用。早在2002年，晶硅太阳电池之父——新南威尔士大学的马丁格林教授课题组就已经通过模拟推测通过光子倍增材料修饰的晶硅太阳电池极限效率能够提高至38.6%^[1]。之后，无论在染料敏化太阳电池、钙钛矿太阳电池以及晶硅太阳电池上光子倍增技术均展现出优异的表现^[2-4]（见图1），大大提高了太阳电池的短路电流以及光电转化效率。

图1光子倍增技术在光伏领域的应用：a染料敏化太阳电池^[2]，b钙钛矿太阳电池^[3]，c晶硅太阳电池^[4]

而光子倍增技术材料体系的应用场景主要取决于材料的激发波长以及发射波长，只有材料的激发波长能够与太阳电池的吸收波长形成互补，同时发射波长恰好落在太阳电池的吸收范围内才能拓宽太阳电池的吸收光谱，提高电池的光子收集效率，为此科学家们发展出了多个材料体系能够应用于诸如晶硅电池前表面、染料敏化太阳电池以及光伏组件正面玻璃涂层材料等领域（见表1）。近年来爱旭研发团队与马丁格林教授团队深度合作，已经开拓出一条将光子倍增技术应用于背接触晶硅电池量产提效的可靠路径。

表一当前光子倍增技术常见体系及应用场景

由此可以设想在未来，将具有光子倍增功能的透明材料（如图2所示）直接沉积于电池正面（也可用在组件前玻上），增强对紫外-蓝光光谱的利用率，中间层的电池片完成对可见-近红外区光谱的利用，而在背接触电极间嵌入上转换材料层，结合Ag反射镜，形成“光子循环/回收”效应，回收80%的透射红外光（“上转换技术”和“光子回收技术”笔者会在后续文章中推出）。多项手段协同，实现光谱管理，必将打破Shockley-Queisser极限的封印，助力晶硅太阳电池走向新的高峰！正如前文所言，背接触晶硅电池已将单晶硅太阳电池的效率提升到27.3%，是最有潜力突破晶硅电池理论极限效率（29.56%）的工艺路线。考虑到背接触电池（如ABC电池）通过将电极全部移至背面，消除正面金属遮挡，大大提升了光吸收与载流子收集效率。其独特结构与光子倍增技术结合更为契合。首先是光学兼容性——正面无金属遮挡，可最大化光子倍增层的紫外光吸收、转换及利用；还有就是工艺协同性——光子倍增层可通过磁控溅射或溶胶-凝胶法与钝化层同步制备，同时ABC的高温钝化接触结构的退火温度能与光子倍增材料的加工温度实现兼容。

图2 a-b透明量子切割材料在可见光与紫外光下的表现^[9]，c量子裁剪材料在晶硅电池上的应用^[10]

光子倍增技术通过颠覆性的“一高转多低”光物理机制，为晶硅太阳电池突破理论效率极限提供了物理可行的解决方案。尽管在材料稳定性、工艺兼容性等方面仍面临挑战，但随着背接触电池技术的成熟与稀土替代材料的突破，光子倍增技术有望在未来十年内实现产业化应用，推动光伏发电成本降低，加速全球能源转型进程。这一技术的成功，不仅是材料科学的胜利，更是人类向“终极太阳电池”迈出的关键一步。

参考文献：

[1] T. Trupke, M. A. Green and P. Wurfel, J. Appl. Phys., 2002, 92, 1668–1674.

[2] J. F. Liu, Q. H. Yao and Y. D. Li, Appl. Phys. Lett., 2006, 88, 173119

[3] Cai. Q, Sheng. W, et al. Adv Fun Mater, 33(43), 2304503

[4] T. Y. Sun, X. Chen, et al, J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 5099

[5] J. Chen, H. Zhang, F. Li and H. Guo, Mater. Chem. Phys., 2011, 128,191–194.

[6] J. H. Wu, G. X. Xie,et al, J. Power Sources, 2010, 195, 6937–6940

[7] J. J. Eilers, D. Biner, et al, Appl. Phys. Lett., 2010, 96, 151106

[8] X. Y. Huang and Q. Y. Zhang, J. Appl. Phys., 2010, 107, 063505

[9] Takeshita S , Nakayama K , Isobe T ,et al. Journal of The Electrochemical Society, 2009, 156

[10] Zhang, Q. Y., Huang, X. Y. Progress in materials Science, 55(5), 353-427.