一、引言
在各種高效晶硅太陽電池技術(shù)中，具備超高光電轉(zhuǎn)換效率和極致美學等優(yōu)勢的BC電池已然成為太陽電池領(lǐng)域的新勢力，量產(chǎn)效率超過27%。晶硅太陽電池的極限理論效率為29.56%[1]，若想再次創(chuàng)新性提升則需另辟蹊徑：光子回收技術(shù)成為突破晶硅電池極限理論效率的方案之一。BC太陽電池的獨特優(yōu)勢使其成為加載光子回收技術(shù)的天然適配體。1. BC電池正面無柵線遮擋，實現(xiàn)表面入射光子的最大化利用，從源頭上實現(xiàn)光子回收技術(shù)的最有效兌現(xiàn)[2]；2. BC電池正面光學與電學獨立調(diào)控，預示其在實現(xiàn)"全面積受光+智能陷光+回收增效"三重協(xié)同機制的同時可以保留優(yōu)異的鈍化性能，達到提升BC電池光電轉(zhuǎn)換效率的目的。相關(guān)文獻指出，基于光子回收增益，太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率可以提升2%~3%（絕對值）[3，4]
二、光子的“無限續(xù)杯”派對
在半導體光伏系統(tǒng)中，光到電的轉(zhuǎn)化主要是通過半導體吸收光子產(chǎn)生電子和空穴對，然后電子和空穴分離，并在內(nèi)置電場或偏置電壓的作用下進行移動[5，6]。 在上述過程中，部分無法傳輸至外電路的電子和空穴將會以輻射復合(Radiative Recombination)和非輻射復合(Non-radiative Recombination)的形式重新結(jié)合，其中，輻射復合伴隨光子重現(xiàn)，當光子能量接近半導體帶隙時可以被重復吸收利用(Photon Reabsorption→Regeneration)從而產(chǎn)生新的電子和空穴對，如圖1所示，這一過程被稱為自吸收、光子回收或光子循環(huán)（Photon recycling, PR） [7]。PR提高了吸收層內(nèi)載流子的有效密度，導致吸收層內(nèi)的費米能級分裂增大，在具有外部接觸的太陽電池中，可以增加電池Voc，提升PCE [8-11]。在連續(xù)的PR過程中，如圖2所示，當部分循環(huán)的光子（Recycle Photons）在半導體的逃逸錐(Escape cone)內(nèi)以一定角度重新發(fā)射而逃逸（Emission），則無法實現(xiàn)進一步回收[8]，同時若循環(huán)的光子被寄生吸收（Parasitic Absorption）到另一層，則同樣無法再次回收。
圖1. PR過程示意圖：(a)入射光子吸收；(b)電子和空穴的產(chǎn)生，以及輻射復合；(c)光子再吸收，產(chǎn)生新的電子和空穴對[7]。
圖2. 半導體熱平衡下PR原理圖設(shè)計[12]。
三、光子回收的第N種姿態(tài)
PR的核心在于通過光子的多次反射與重新吸收，延長光子在活性層內(nèi)的傳播路徑，從而提升光生載流子的生成效率。PR過程的實現(xiàn)大概可以分解為：直接PR、全反射輔助PR、背反射鏡增強PR，如圖3（a）所示，具體如下:1）直接PR過程（過程A）：活性層內(nèi)因輻射復合產(chǎn)生的自發(fā)發(fā)射光子（虛線箭頭），若在材料內(nèi)部被重新吸收并激發(fā)獲得新的電子-空穴對（虛線方框標記的位置），則形成直接PR；2）全反射輔助PR（過程B）：光子若從電池頂部表面發(fā)生全內(nèi)反射（入射角θ＞臨界角θc），則被限制在活性層內(nèi)部繼續(xù)傳播，可能再次進入活性層被吸收，則同屬PR的一部分。如果未發(fā)生全內(nèi)反射（θ＜θc），則光子將從活性層逃逸（過程C）；3）背反射鏡增強PR（過程E）：當移除傳統(tǒng)襯底并引入金屬反射鏡時，向下傳輸?shù)墓庾樱ㄔ^程D的損失路徑）被鏡面反射回活性層，形成光子二次吸收機會。
基于上述因素，下面展示太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計對PR的影響：1）在太陽電池結(jié)構(gòu)中使用電介質(zhì)襯底（如圖3（b）），光子易穿透襯底（圖3.a的過程D），PR效率低；2）金屬鏡面接觸（如圖3（c）），金屬鏡直接作為背接觸，提供高反射率，將光子反射回活性層（圖3（a）的過程E）。然而，金屬與半導體界面可能引入缺陷復合中心，需優(yōu)化接觸層以減少載流子復合；3）介電層+金屬鏡面（如圖3（d）），在活性層與金屬鏡之間插入介電層，可形成分布式布拉格反射鏡或納米結(jié)構(gòu)光柵，進一步提升反射率并減少金屬寄生吸收，此結(jié)構(gòu)通過調(diào)控光子相位與路徑，增強PR效果。
圖3.(a)活性層結(jié)構(gòu)中由輻射復合產(chǎn)生和發(fā)射的光子路徑示意圖[13]，(b-d)展示了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計對PR的影響[14]。
在晶硅太陽電池技術(shù)中，全背接觸晶硅太陽電池是目前光電轉(zhuǎn)換效率當之無愧的領(lǐng)跑者。結(jié)合前文所言，為助力其光電轉(zhuǎn)換效率的進一步提升，PR技術(shù)成為其中一種方案。PR技術(shù)正在從實驗室走向大眾的視野，其核心價值在于將太陽能利用效率推向極致，同時賦能循環(huán)經(jīng)濟。伴隨技術(shù)迭代和市場需求的協(xié)同驅(qū)動， PR技術(shù)有望在未來成為光伏產(chǎn)業(yè)升級和全球能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支柱之一，為碳中和目標提供新的解決方案。
參考文獻
[1]S. Schäfer, R. Brendel, et al., IEEE J. Photovolt., 2018, 8, 1156-1158.
[2]W. Raja, M. D. Bastiani, S. D. Wolf, et al., Nanophotonics 2021, 10, 2023–2042.
[3]R. Brenes, M. Laitz, et al., Phys. Rev. Applied 2019, 12, 014017.
[4]V. Badescu, P. T. Landsberg, Semicond. Sci. Technol., 1997, 12, 1491 .
[5]G. Smestad, H. Ries, et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 1992, 25, 51.
[6]M. Hiramoto, H. Fujiwara, M. Yokoyama, et al., Appl. Phys. Lett. 1991, 58, 1062.
[7]Z. K. Cheng, D. M. O’Carroll, et al., Adv. Sci. 2021, 8, 2004076.
[8]R. Brenes, M. Laitz, V. Bulovi?, et al., Phys. Rev. Appl., 2019, 12, 014017.
[9]A. W. Walker, A. W. Bett, F. Dimroth, et al., IEEE J. Photovolt., 2015, 5, 1636–1645.
[10]R. K. Ahrenkiel, B. Keyes, et al., Appl. Phys. Lett., 1989, 55, 1088–1090.
[11]F. Staub, H. Hempel, J. C. Hebig, et al., Phys. Rev. Appl., 2016, 6, 044017.
[12]M. G. Abebe, G. Gomard, et al., Phys. Rev. B, 2018, 98, 075141.
[13]A. W. Walker, O. Höhn, F. Dimroth, et al., J. Photonics Energy 2015, 5, 053087.
[14]C. L. Schilling, O. Höhn, F. Dimroth, et al., IEEE J. Photovolt., 2018, 8, 348.
