前沿光伏技術之光子倍增技術：突破效率極限的曙光（二）
上期文章筆者已經對光子倍增技術原理以及研究進展進行了淺析，本期將著重介紹光子倍增技術的應用，尤其是在光伏領域中的應用。考慮到光子倍增技術能將高能光子的過剩能量轉化為額外光電流，而非熱能，消除熱化損失；同時將非吸收波段（紫外）轉換為電池敏感波段（可見/近紅外），擴展光譜響應。由此，單光子輸入產生多光子輸出，理論增益可達200%。為此科學家們投入了大量的精力以拓展這項技術在光伏領域中的應用。早在2002年，晶硅太陽電池之父——新南威爾士大學的馬丁格林教授課題組就已經通過模擬推測通過光子倍增材料修飾的晶硅太陽電池極限效率能夠提高至38.6%[1]。之后，無論在染料敏化太陽電池、鈣鈦礦太陽電池以及晶硅太陽電池上光子倍增技術均展現出優異的表現[2-4]（見圖1），大大提高了太陽電池的短路電流以及光電轉化效率。
圖1 光子倍增技術在光伏領域的應用：a 染料敏化太陽電池[2]，b 鈣鈦礦太陽電池[3]，c 晶硅太陽電池[4]
而光子倍增技術材料體系的應用場景主要取決于材料的激發波長以及發射波長，只有材料的激發波長能夠與太陽電池的吸收波長形成互補，同時發射波長恰好落在太陽電池的吸收范圍內才能拓寬太陽電池的吸收光譜，提高電池的光子收集效率，為此科學家們發展出了多個材料體系能夠應用于諸如晶硅電池前表面、染料敏化太陽電池以及光伏組件正面玻璃涂層材料等領域（見表1）。近年來愛旭研發團隊與馬丁格林教授團隊深度合作，已經開拓出一條將光子倍增技術應用于背接觸晶硅電池量產提效的可靠路徑。
表一 當前光子倍增技術常見體系及應用場景
由此可以設想在未來，將具有光子倍增功能的透明材料（如圖2所示）直接沉積于電池正面（也可用在組件前玻上），增強對紫外-藍光光譜的利用率，中間層的電池片完成對可見-近紅外區光譜的利用，而在背接觸電極間嵌入上轉換材料層，結合Ag反射鏡，形成“光子循環/回收”效應，回收80%的透射紅外光（“上轉換技術”和“光子回收技術”筆者會在后續文章中推出）。多項手段協同，實現光譜管理，必將打破Shockley-Queisser極限的封印，助力晶硅太陽電池走向新的高峰！正如前文所言，背接觸晶硅電池已將單晶硅太陽電池的效率提升到27.3%，是最有潛力突破晶硅電池理論極限效率（29.56%）的工藝路線。考慮到背接觸電池（如ABC電池）通過將電極全部移至背面，消除正面金屬遮擋，大大提升了光吸收與載流子收集效率。其獨特結構與光子倍增技術結合更為契合。首先是光學兼容性——正面無金屬遮擋，可最大化光子倍增層的紫外光吸收、轉換及利用；還有就是工藝協同性——光子倍增層可通過磁控濺射或溶膠-凝膠法與鈍化層同步制備，同時ABC的高溫鈍化接觸結構的退火溫度能與光子倍增材料的加工溫度實現兼容。
圖2 a-b透明量子切割材料在可見光與紫外光下的表現[9]，c 量子裁剪材料在晶硅電池上的應用[10]
光子倍增技術通過顛覆性的“一高轉多低”光物理機制，為晶硅太陽電池突破理論效率極限提供了物理可行的解決方案。盡管在材料穩定性、工藝兼容性等方面仍面臨挑戰，但隨著背接觸電池技術的成熟與稀土替代材料的突破，光子倍增技術有望在未來十年內實現產業化應用，推動光伏發電成本降低，加速全球能源轉型進程。這一技術的成功，不僅是材料科學的勝利，更是人類向“終極太陽電池”邁出的關鍵一步。
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