一、引言

　　當晶硅電池效率達到極限之后，要如何突破晶硅電池理論極限的限制，走向更高輝煌？打破瓶頸的關(guān)鍵在于如何提高太陽全光譜的利用率。光子上/下轉(zhuǎn)換技術(shù)的引入，為解決這一瓶頸提供了創(chuàng)新方案，兩者的結(jié)合有望重塑高效光伏技術(shù)的未來格局。

　　光子上/下轉(zhuǎn)換技術(shù)包括光子上轉(zhuǎn)換（Up-conversion, UC）和光子下轉(zhuǎn)換（Down-conversion, DC），與正面無任何光學遮擋的BC電池天然適配，可以最大化地實現(xiàn)上下轉(zhuǎn)換技術(shù)的潛力，最高幅度地進一步提升晶硅電池的效率。

　　本期重點介紹的光子上轉(zhuǎn)換技術(shù)，可使太陽電池的極限轉(zhuǎn)換效率達到47.6%[1]。

　　二、光子上轉(zhuǎn)換技術(shù)基本原理

　　上轉(zhuǎn)換發(fā)光，即：反斯托克斯效應（Anti-Stokes effect），指的是材料受到低能量的光激發(fā)，發(fā)射出高能量的光，即經(jīng)長波長、低頻率的光激發(fā)，材料發(fā)射出短波長、高頻率的光。理論計算表明，這種反斯托克斯效應讓原本透明的紅外光轉(zhuǎn)化為可用能量，在非聚光情況下，可使太陽電池的極限轉(zhuǎn)換效率達到47.6%（如圖1所示）。如圖2所示，這類材料具備“聚沙成塔”的神奇能力，能將兩個低能紅外光子（圖2綠色箭頭所示）合并成一個高能可見光子（圖2紅色箭頭所示）。

　　圖1 基于含上轉(zhuǎn)換層的太陽電池極限理論效率圖（三角形為非聚光情況下）

　　圖2 光子上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料及太陽能電池機理示意圖

　　上轉(zhuǎn)換發(fā)光在有機材料、半導體材料和稀土摻雜的無機材料中均已被觀察到。通常，有機材料中的上轉(zhuǎn)換發(fā)光稱為多光子過程，并且效率較高，然而有機物的穩(wěn)定性較差，限制了其在很多領(lǐng)域的應用。目前，稀土離子摻雜的無機材料的上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程研究較廣泛，這主要是由于無機材料比較穩(wěn)定，可應用于許多領(lǐng)域，例如紅外光探測、光伏電池和生物熒光標記等。

　　本文以稀土離子（Ln3?）為例介紹上轉(zhuǎn)換發(fā)光的幾種機制（圖3）

　　激發(fā)態(tài)吸收（Excited state absorption, ESA）機制

　　單個Ln3?離子通過順序吸收兩個光子實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換：第一個光子激發(fā)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)中間能級，第二個光子進一步將其激發(fā)至更高能級，最終發(fā)射單個高能光子。

　　能量傳遞上轉(zhuǎn)換（Energy transfer upconversion, ETU）機制

　　該機制涉及兩個Ln3?離子：一個作為敏化劑（吸收光子并傳遞能量），另一個作為激活劑（接收能量并發(fā)光）。

　　敏化劑吸收光子躍遷至亞穩(wěn)態(tài)，隨后通過非輻射方式將能量傳遞給激活劑；

　　當激活劑仍處于激發(fā)態(tài)時，敏化劑再次吸收光子并傳遞能量，使激活劑躍遷至更高能級；

　　激活劑的輻射弛豫最終發(fā)射上轉(zhuǎn)換高能光子。

　　典型體系：Yb3?（敏化劑）因具有高吸收截面積且其f-f躍遷位于980 nm附近，可高效傳遞能量至常見激活劑（如Er3?、Ho3?、Tm3?）。

　　協(xié)同能量傳遞（Cooperative energy transfer, CET）機制

　　兩個敏化劑各自吸收低能光子，并同時將能量傳遞至同一激活劑，使其協(xié)同激發(fā)并發(fā)射上轉(zhuǎn)換光子。

　　圖3 與Ln3+相關(guān)的上轉(zhuǎn)換機理

　　三、光子上轉(zhuǎn)換技術(shù)在太陽電池中的應用

　　上轉(zhuǎn)換發(fā)光（UCL）的出現(xiàn)可以追溯到諾貝爾物理學獎得主Bloembergen 在1959年開展的早期工作。在這項工作中，他發(fā)現(xiàn)稀土基金屬化合物可以吸收紅外光輻射，并再次發(fā)射短波光子，這也是上有關(guān)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的第一篇報道。

　　如圖3所示，光伏領(lǐng)域上轉(zhuǎn)換材料的發(fā)展的關(guān)鍵發(fā)展里程碑包括：

　　1996年，Gibart等人[8]通過在GaAs太陽能電池背面應用100μm厚的Er3?/Yb3?共摻雜玻璃陶瓷層實現(xiàn)了初步探索。

　　2002年，新南威爾士大學的Trupke和Shalav[1, 9,10]團隊將鑭系基太陽能上轉(zhuǎn)換器從理論研究推進至實用器件開發(fā)，奠定了該領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

　　2009年，Demopoulos團隊首次在染料敏化太陽能電池（DSSCs）中采用LaF?/Er納米晶體，驗證了AM1.0G濾光輻照下的上轉(zhuǎn)換效應。

　　2011年，Wang等人[12]將商用LaF?/Er上轉(zhuǎn)換熒光粉應用于P3HT有機太陽能電池，顯著提升了器件的近紅外光響應能力。

　　圖3 鑭系元素摻雜上轉(zhuǎn)換材料在光伏電池領(lǐng)域的里程碑

　　從實際性能視角來看，上轉(zhuǎn)換增強光伏（UC-enhanced PV）技術(shù)仍處于發(fā)展初期，其當前效率與理論最大值的差距仍然顯著。在各類光伏技術(shù)中，晶體硅（c-Si）技術(shù)因占據(jù)市場主導地位且效率提升接近“飽和”（當前紀錄約27.3%，接近29.56%的單晶硅理論極限），可能成為上轉(zhuǎn)換技術(shù)最具應用潛力的領(lǐng)域[14]。通過傳統(tǒng)光伏技術(shù)路徑的改進空間已十分有限，而上轉(zhuǎn)換技術(shù)的應用可將目標效率設定為更高的40%，從而為光伏領(lǐng)域帶來顛覆性變革。

　　BC電池由于正面無任何柵線遮擋的特性，可以讓更多太陽光進入到電池內(nèi)部，天然適配上轉(zhuǎn)換技術(shù)。BC電池與上轉(zhuǎn)換技術(shù)搭配，將實現(xiàn)1+1>2的結(jié)果，最大化激發(fā)出兩種技術(shù)的潛力。

　　

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