一、引言

　　基于量子裁剪（Quantum cutting）效應(yīng)的下轉(zhuǎn)換材料可將單個高能光子(300–500 nm)轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€（或更多）低能光子。理論預(yù)測顯示，在傳統(tǒng)單結(jié)太陽電池前表面集成量子裁剪層（Photon quantum cutting layer）后，其最大轉(zhuǎn)換效率可達(dá)38.6%，突破了Shockley-Queisser（S-Q）理論極限。

　　二、光子下轉(zhuǎn)換基本原理

       光子下轉(zhuǎn)換的核心在于通過材料內(nèi)部能量級聯(lián)傳遞，將單個高能光子轉(zhuǎn)化為多個低能光子(如圖1所示)。與斯托克斯定律(Stokes Law)描述的常規(guī)發(fā)光不同，下轉(zhuǎn)換發(fā)光具有量子效率(QE)超過100%的特性。根據(jù)文獻(xiàn)報道[2]，理想下轉(zhuǎn)換層應(yīng)對能量 E>2Eg的光子進(jìn)行下轉(zhuǎn)換(將其分裂為兩個能量 E≥Eg 的光子)，而理想下轉(zhuǎn)換層對 Eg<e≤2eg p="" 的光子，其能量可直接被光活性層吸收，貢獻(xiàn)于載流子生成。

　　

　　圖1 太陽電池上的光子下轉(zhuǎn)換層及能量轉(zhuǎn)換機(jī)理示意圖（示意圖說明：高能量光子被吸收后，通過光子下轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生多個可見光光子）

　　三、光子下轉(zhuǎn)換材料及其光伏應(yīng)用

　　用于能量轉(zhuǎn)換的下轉(zhuǎn)換材料主要分為兩類：鑭系材料與非鑭系材料。下轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究始于單鑭系離子（如Tm3?、Gd3?），隨后拓展至雙離子組合體系（如Gd3?-Eu3?、Pr3?-Yb3?、Tb3?-Yb3?等），其中供體材料通過激發(fā)能量轉(zhuǎn)移至受體材料。此處，供體材料通常是指能夠吸收能量并將其轉(zhuǎn)移給另一種材料的物質(zhì)，而受體材料則是負(fù)責(zé)接收供體傳遞的能量并發(fā)射低能光子（如可見光）的物質(zhì)。

　　下轉(zhuǎn)換在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用始于數(shù)十年前，但材料間能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的研究歷史可追溯至更早。1923年末，Cario與Franck[5]通過實驗首次揭示了兩種材料間的共振能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。共振能量轉(zhuǎn)移的量子理論由Kallman、London和F. Perrin提出，后經(jīng)F?rster與Dexter的貢獻(xiàn)進(jìn)一步完善。Hans Kuhn與Andrews則分別從分子體系中的輻射與非輻射過程角度闡述了能量轉(zhuǎn)移的經(jīng)典理論。

　　Wegh[11]等人開發(fā)的銪摻雜氟化釓鋰（LiGdF4）是首個用于熒光燈和等離子顯示器的下轉(zhuǎn)換材料。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Gd3+受紫外光激發(fā)后，通過高能到低能的光子轉(zhuǎn)換，Eu3+會發(fā)射兩個可見光子。熒光燈中，此類熒光粉附著于玻璃管內(nèi)壁，將紫外光（254 nm）轉(zhuǎn)化為藍(lán)、綠、紅光并混合為白光。Gd3+-Eu3+組合的紫外激發(fā)-可見發(fā)射特性驗證了下轉(zhuǎn)換過程的可行性。

　　Vergeer[12]等人進(jìn)一步研究了Tb3+向兩個Yb3+的下轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)移（YbxY1-xPO4:Tb3+體系），實現(xiàn)了88%的轉(zhuǎn)移效率（Transfer efficiency），有望用于提升太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。Yu團(tuán)隊[13]提出的硫氧化釓摻銩Gd2O2S:Tm3+）則展現(xiàn)了量子效率（QE）超過100%的潛力，為下一代光伏下轉(zhuǎn)換材料提供了新方向。

　　圖2A展示了太陽能光譜中未被利用的部分高能區(qū)域（UV），這一區(qū)域可通過使用下轉(zhuǎn)換材料加以利用。2002年，Trupke 和M. A. Green等人[1]提出利用下轉(zhuǎn)換材料調(diào)控高能光子，輔助產(chǎn)生多個電子-空穴對。該現(xiàn)象可通過高能光子的下轉(zhuǎn)換過程實現(xiàn)。作者通過基于非聚光太陽能的下轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，計算了不同帶隙太陽電池的理論效率極限。研究表明：對于帶隙1.05 eV的吸收層而言，通過在電池后表面應(yīng)用下轉(zhuǎn)換材料，計算出的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到39.63%。另外一種更實用的設(shè)計是將轉(zhuǎn)換材料設(shè)置在電池前表面，其優(yōu)勢是可以應(yīng)用于任何現(xiàn)存的太陽電池，吸收層帶隙為1.1 eV時其計算出的效率可達(dá)38.6%。圖2B[1]展示了理論計算得到的不同帶隙太陽電池對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效率。Tayebjee[14]等人通過理論分析闡明了各類太陽能器件的效率極限，并提出在太陽電池前表面和后表面分別添加下轉(zhuǎn)換層后，其能量轉(zhuǎn)換效率理論上可分別提升至40.4%和43.5%。前表面添加下轉(zhuǎn)換層的方案更具實用性，可與現(xiàn)有太陽電池技術(shù)兼容。這種改進(jìn)的優(yōu)勢在于：能量介于光活性層帶隙（Eg）與2Eg之間的光子（無法被下轉(zhuǎn)換），幾乎會直接穿透下轉(zhuǎn)換層，進(jìn)而被太陽能電池的吸光層吸收。

　　圖2 （A）大氣質(zhì)量（AM）1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜，黑色區(qū)域表示硅基光伏電池的光吸收部分，藍(lán)色區(qū)域代表可通過下轉(zhuǎn)換（Down-conversion）過程實現(xiàn)光子能量再利用。（B）太陽電池在6000 K太陽的非聚光輻射下的效率：傳統(tǒng)太陽電池的肖克利-奎伊瑟極限（Shockley-Queisser limit）（實線）、前表面帶有下轉(zhuǎn)換的太陽電池效率（空心方塊），以及后表面帶有下轉(zhuǎn)換的太陽電池效率（實心圓點）。

　　2024年，愛旭與澳大利亞先進(jìn)光伏中心（ACAP）聯(lián)合研發(fā)全新“光子倍增”技術(shù)，致力于通過特殊材料（基于光子下轉(zhuǎn)換技術(shù)）將單個高能光子轉(zhuǎn)換成多個低能光子以成倍產(chǎn)生額外的電子-空穴對，提升電流輸出，現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)無需進(jìn)行復(fù)雜調(diào)整，即可打破傳統(tǒng)技術(shù)局限性、顯著提高電池轉(zhuǎn)換效率。不僅如此，該技術(shù)與現(xiàn)有BC電池的制造工藝流程高度兼容，BC電池生產(chǎn)線只需進(jìn)行簡單改造便可實現(xiàn)這項新技術(shù)的量產(chǎn)應(yīng)用，打開30%以上的太陽光能量轉(zhuǎn)換效率空間。該項技術(shù)的成功研發(fā)與實踐，將有望顛覆現(xiàn)有光伏技術(shù)理論，實現(xiàn)太陽能利用形式的重大革新。

　　馬丁·格林表示：“愛旭對科技創(chuàng)新的極致追求令人欽佩，其BC產(chǎn)品的效率及性能處于全球領(lǐng)先地位。此次合作將發(fā)揮ACAP在光伏技術(shù)研發(fā)方面的優(yōu)勢，雙方將共同拓展光伏電池效率邊界，共塑太陽能源利用的光明未來?！?/p>

　　

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