上期文章筆者已經(jīng)對(duì)光子倍增技術(shù)原理以及研究進(jìn)展進(jìn)行了淺析，本期將著重介紹光子倍增技術(shù)的應(yīng)用，尤其是在光伏領(lǐng)域中的應(yīng)用?？紤]到光子倍增技術(shù)能將高能光子的過剩能量轉(zhuǎn)化為額外光電流，而非熱能，消除熱化損失；同時(shí)將非吸收波段（紫外）轉(zhuǎn)換為電池敏感波段（可見/近紅外），擴(kuò)展光譜響應(yīng)。由此，單光子輸入產(chǎn)生多光子輸出，理論增益可達(dá)200%。為此科學(xué)家們投入了大量的精力以拓展這項(xiàng)技術(shù)在光伏領(lǐng)域中的應(yīng)用。早在2002年，晶硅太陽電池之父——新南威爾士大學(xué)的馬丁格林教授課題組就已經(jīng)通過模擬推測(cè)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(shù)均展現(xiàn)出優(yōu)異的表現(xiàn)^[2-4]（見圖1），大大提高了太陽電池的短路電流以及光電轉(zhuǎn)化效率。

圖1 光子倍增技術(shù)在光伏領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)材料體系的應(yīng)用場(chǎng)景主要取決于材料的激發(fā)波長以及發(fā)射波長，只有材料的激發(fā)波長能夠與太陽電池的吸收波長形成互補(bǔ)，同時(shí)發(fā)射波長恰好落在太陽電池的吸收范圍內(nèi)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(xué)家們發(fā)展出了多個(gè)材料體系能夠應(yīng)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(lǐng)域（見表1）。近年來愛旭研發(fā)團(tuán)隊(duì)與馬丁格林教授團(tuán)隊(duì)深度合作，已經(jīng)開拓出一條將光子倍增技術(shù)應(yīng)用于背接觸晶硅電池量產(chǎn)提效的可靠路徑。

表一 當(dāng)前光子倍增技術(shù)常見體系及應(yīng)用場(chǎng)景

由此可以設(shè)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(qiáng)對(duì)紫外-藍(lán)光光譜的利用率，中間層的電池片完成對(duì)可見-近紅外區(qū)光譜的利用，而在背接觸電極間嵌入上轉(zhuǎn)換材料層，結(jié)合Ag反射鏡，形成“光子循環(huán)/回收”效應(yīng)，回收80%的透射紅外光（“上轉(zhuǎn)換技術(shù)”和“光子回收技術(shù)”筆者會(huì)在后續(xù)文章中推出）。多項(xiàng)手段協(xié)同，實(shí)現(xiàn)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(dú)特結(jié)構(gòu)與光子倍增技術(shù)結(jié)合更為契合。首先是光學(xué)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(zhuǎn)換及利用；還有就是工藝協(xié)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(shí)ABC的高溫鈍化接觸結(jié)構(gòu)的退火溫度能與光子倍增材料的加工溫度實(shí)現(xiàn)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(xiàn)^[9]，c 量子裁剪材料在晶硅電池上的應(yīng)用^[10]

光子倍增技術(shù)通過顛覆性的“一高轉(zhuǎn)多低”光物理機(jī)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(wěn)定性、工藝兼容性等方面仍面臨挑戰(zhàn)，但隨著背接觸電池技術(shù)的成熟與稀土替代材料的突破，光子倍增技術(shù)有望在未來十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)光伏發(fā)電成本降低，加速全球能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程。這一技術(shù)的成功，不僅是材料科學(xué)的勝利，更是人類向“終極太陽電池”邁出的關(guān)鍵一步。

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