前沿光伏技术之光子下转换技术：突破效率极限的曙光

　　一、引言

　　基于量子裁剪(Quantum cutting)效应的下转换材料可将单个高能光子(300–500 nm)转变为两个(或更多)低能光子。理论预测显示[1]，在传统单结太阳电池前表面集成量子裁剪层(Photon quantum cutting layer)后，其最大转换效率可达38.6%，突破了Shockley-Queisser(S-Q)理论极限。

　　二、光子下转换基本原理

　　光子下转换的核心在于通过材料内部能量级联传递，将单个高能光子转化为多个低能光子(如图1所示)。与斯托克斯定律(Stokes Law)描述的常规发光不同，下转换发光具有量子效率(QE)超过100%的特性。根据文献报道[2]，理想下转换层应对能量E>2Eg的光子进行下转换(将其分裂为两个能量E≥Eg的光子)，而理想下转换层对Eg

　　图1 太阳电池上的光子下转换层及能量转换机理示意图[2](示意图说明：高能量光子被吸收后，通过光子下转换层产生多个可见光光子)

　　三、光子下转换材料及其光伏应用

　　用于能量转换的下转换材料主要分为两类：镧系材料与非镧系材料。下转换机制的研究始于单镧系离子(如Tm³⁺、Gd³⁺)，随后拓展至双离子组合体系(如Gd³⁺-Eu³⁺、Pr³⁺-Yb³⁺、Tb³⁺-Yb³⁺等)，其中供体材料通过激发能量转移至受体材料[3, 4]。此处，供体材料通常是指能够吸收能量并将其转移给另一种材料的物质，而受体材料则是负责接收供体传递的能量并发射低能光子(如可见光)的物质。

　　下转换在光伏领域的应用始于数十年前，但材料间能量转移现象的研究历史可追溯至更早。1923年末，Cario与Franck[5]通过实验首次揭示了两种材料间的共振能量转移现象。共振能量转移的量子理论由Kallman、London和F. Perrin提出[6]，后经Förster与Dexter的贡献进一步完善[7, 8]。Hans Kuhn与Andrews则分别从分子体系中的辐射与非辐射过程角度阐述了能量转移的经典理论[9, 10]。

　　Wegh[11]等人开发的铕掺杂氟化钆锂(LiGdF4)是首个用于荧光灯和等离子显示器的下转换材料。实验发现，当Gd3+受紫外光激发后，通过高能到低能的光子转换，Eu3+会发射两个可见光子。荧光灯中，此类荧光粉附着于玻璃管内壁，将紫外光(254 nm)转化为蓝、绿、红光并混合为白光。Gd3+-Eu3+组合的紫外激发-可见发射特性验证了下转换过程的可行性。

　　Vergeer[12]等人进一步研究了Tb3+向两个Yb3+的下转换能量转移(YbxY1-xPO4:Tb3+体系)，实现了88%的转移效率(Transfer efficiency)，有望用于提升太阳电池的光电转换效率。Yu团队[13]提出的硫氧化钆掺铥Gd2O2S:Tm3+)则展现了量子效率(QE)超过100%的潜力，为下一代光伏下转换材料提供了新方向。

　　图2A展示了太阳能光谱中未被利用的部分高能区域(UV)，这一区域可通过使用下转换材料加以利用。2002年，Trupke 和M. A. Green等人[1]提出利用下转换材料调控高能光子，辅助产生多个电子-空穴对。该现象可通过高能光子的下转换过程实现。作者通过基于非聚光太阳能的下转换系统，计算了不同带隙太阳电池的理论效率极限。研究表明：对于带隙1.05 eV的吸收层而言，通过在电池后表面应用下转换材料，计算出的能量转换效率达到39.63%。另外一种更实用的设计是将转换材料设置在电池前表面，其优势是可以应用于任何现存的太阳电池，吸收层带隙为1.1 eV时其计算出的效率可达38.6%。图2B[1]展示了理论计算得到的不同带隙太阳电池对应的光电转换效率。Tayebjee[14]等人通过理论分析阐明了各类太阳能器件的效率极限，并提出在太阳电池前表面和后表面分别添加下转换层后，其能量转换效率理论上可分别提升至40.4%和43.5%。前表面添加下转换层的方案更具实用性，可与现有太阳电池技术兼容。这种改进的优势在于：能量介于光活性层带隙(Eg)与2Eg之间的光子(无法被下转换)，几乎会直接穿透下转换层，进而被太阳能电池的吸光层吸收。

　　图2 (A)大气质量(AM)1.5G标准太阳光谱，黑色区域表示硅基光伏电池的光吸收部分，蓝色区域代表可通过下转换(Down-conversion)过程实现光子能量再利用。(B)太阳电池在6000 K太阳的非聚光辐射下的效率：传统太阳电池的肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit)(实线)、前表面带有下转换的太阳电池效率(空心方块)，以及后表面带有下转换的太阳电池效率(实心圆点)。[1]

　　2024年，爱旭与澳大利亚先进光伏中心(ACAP)联合研发全新“光子倍增”技术，致力于通过特殊材料(基于光子下转换技术)将单个高能光子转换成多个低能光子以成倍产生额外的电子-空穴对，提升电流输出，现有电池结构无需进行复杂调整，即可打破传统技术局限性、显著提高电池转换效率。不仅如此，该技术与现有BC电池的制造工艺流程高度兼容，BC电池生产线只需进行简单改造便可实现这项新技术的量产应用，打开30%以上的太阳光能量转换效率空间。该项技术的成功研发与实践，将有望颠覆现有光伏技术理论，实现太阳能利用形式的重大革新。

　　马丁·格林表示：“爱旭对科技创新的极致追求令人钦佩，其BC产品的效率及性能处于全球领先地位。此次合作将发挥ACAP在光伏技术研发方面的优势，双方将共同拓展光伏电池效率边界，共塑太阳能源利用的光明未来。”

　　参考文献：

　　[1] Trupke, T., Green, M. A. & Würfel, P. Improving solar cell efficiencies by down-conversion of high-energy photons. J. Appl. Phys. 92, 1668–1674 (2002).

　　[2] R. Datt,S. Bishnoi,H. K. H. Lee,S. Arya,S. Gupta,V. Gupta,W. C. Tsoi.Aggregate2022,3, e185.

　　[3] Q. Y. Zhang,X. Y. Huang,Prog. Mater. Sci.2010,55,353.

　　[4] J. T. van Wijngaarden,S. Scheidelaar,T. J. H. Vlugt,M. F. Reid,A. Meijerink,Phys. Rev. B2010,81, 155112.

　　[5] J. S. Avery,Proc. Phys. Soc.1966,88,559.

　　[6] Jones, Garth A., David S. Bradshaw. Frontiers in Physics 2019,7, 100.

　　[7] T. Forster,Naturwissenschaften1946,33,166.

　　[8] D. L. Dexter,J. Chem. Phys.1953,21,836.

　　[9] D. L. Andrews,Chem. Phys.1989,135,195.

　　[10] H. Kuhn,J. Chem. Phys.1970,53,101.

　　[11] R. T. Wegh,H. Donker,K. D. Oskam,A. Meijerink,Science.1999,283,663.

　　[12] P. Vergeer,T. J. H. Vlugt,M. H. F. Kox,M. I. den Hertog,J. P. J. M. van der Eerden,A. Meijerink,Phys. Rev. B2005,71, 014119.

　　[13] D.-C. Yu,R. Martín-Rodríguez,Q.-Y. Zhang,A. Meijerink,F. T. Rabouw,Light Sci. Appl.2015,4, e344.

　　[14] M. J. Y. Tayebjee,D. R. McCamey,T. W. Schmidt,J. Phys. Chem. Lett.2015,6,2367.