前沿光伏技術(shù)之光子倍增技術(shù)：突破效率極限的曙光（一）
由于傳統(tǒng)晶硅電池對(duì)近紅外光（>1100 nm）和紫外光（300-400 nm）的低利用率（見(jiàn)圖1）——太陽(yáng)光譜中低能光子（紅外）則無(wú)法被吸收，而高能光子（紫外-藍(lán)光）的過(guò)剩能量以熱能形式耗散，這導(dǎo)致約50%的太陽(yáng)光譜能量損失[2]。前者可通過(guò)上轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)利用，后者則可通過(guò)光子倍增技術(shù)或下轉(zhuǎn)換技術(shù)完成對(duì)高能光子的吸收[3]（見(jiàn)圖2），上下轉(zhuǎn)換技術(shù)筆者會(huì)在后續(xù)的文章中介紹。不同于僅能實(shí)現(xiàn)“一轉(zhuǎn)一”的下轉(zhuǎn)換技術(shù)（單個(gè)高能光子轉(zhuǎn)換成單個(gè)低能光子，其量子轉(zhuǎn)化效率不足100%），光子倍增技術(shù)的核心是利用稀土元素離子能把單光子分裂為多光子的機(jī)制——即量子裁剪（Quantum-Cutting, QC），將高能光子轉(zhuǎn)換為晶硅敏感的可見(jiàn)/近紅外光子，其量子效率超過(guò)100%，甚至接近200%，進(jìn)而大大提升晶硅電池對(duì)太陽(yáng)光的利用率，為晶硅電池效率的躍升開(kāi)辟了全新路徑。同時(shí)也可以降低高能光子對(duì)晶硅電池鈍化膜層的破壞，提升太陽(yáng)電池的壽命。本文將從原理、材料體系、器件設(shè)計(jì)等維度，系統(tǒng)分析該技術(shù)在晶硅電池（尤其是背接觸電池）中的應(yīng)用潛力。
量子裁剪（quantum cutting）是一種非線性光轉(zhuǎn)換過(guò)程，其本質(zhì)是通過(guò)材料內(nèi)部的能量級(jí)聯(lián)或協(xié)同轉(zhuǎn)移，將單個(gè)高能光子（如紫外光子，3.5 eV）分裂為兩個(gè)或多個(gè)低能光子（如近紅外光子，1.1 eV）。這項(xiàng)技術(shù)最早被應(yīng)用在照明與電子顯示系統(tǒng)領(lǐng)域。根據(jù)機(jī)制不同基本可分為兩種：
首先是“單離子級(jí)聯(lián)發(fā)射”機(jī)制[4]（見(jiàn)圖3a），這是一種通過(guò)單個(gè)離子內(nèi)部的能級(jí)躍遷實(shí)現(xiàn)光子倍增的機(jī)制。當(dāng)離子（如Pr³?）吸收一個(gè)高能紫外光子后，電子從基態(tài)激發(fā)至高能態(tài)（如³P?），隨后通過(guò)多步非輻射弛豫或輻射躍遷逐級(jí)降至中間能級(jí)（如¹G?），最終躍遷回基態(tài)（如³H?），在此過(guò)程中分階段釋放出兩個(gè)或多個(gè)低能近紅外光子。例如，Pr³?在氟化物基質(zhì)（如NaYF?）中可依次發(fā)射~480 nm和~1015 nm光子，理論量子效率達(dá)140%，其關(guān)鍵在于離子能級(jí)的精細(xì)調(diào)控和基質(zhì)低聲子化特性，以抑制非輻射損耗，確保能量高效轉(zhuǎn)化為光子輸出。
其次是“雙離子協(xié)同轉(zhuǎn)移”[4] （見(jiàn)圖3b），它是一種通過(guò)兩個(gè)離子間的高效能量耦合實(shí)現(xiàn)光子倍增的機(jī)制。當(dāng)敏化劑離子（如Tb³?）吸收一個(gè)高能紫外光子后，其激發(fā)態(tài)（如?D?能級(jí)）的能量恰好是接收體離子（如Yb³?）單次躍遷所需能量（²F?/?→²F?/?）的兩倍，通過(guò)協(xié)同能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，Tb³?的激發(fā)態(tài)能量同時(shí)傳遞給兩個(gè)相鄰的Yb³?離子，觸發(fā)兩者分別發(fā)射一個(gè)近紅外光子[5]（~980 nm）。例如，在YPO?:Tb³?-Yb³?體系中，單個(gè)480 nm紫外光子被Tb³?吸收后，通過(guò)共振偶極-偶極相互作用，將總計(jì)約1.24eV的能量平均分配給兩個(gè)Yb³?離子，實(shí)現(xiàn)量子效率達(dá)188%，其核心在于離子間距的精準(zhǔn)調(diào)控（<1 nm）及基質(zhì)晶格的低聲子化設(shè)計(jì)，以最大化協(xié)同轉(zhuǎn)移概率并抑制能量回傳。
量子裁剪技術(shù)作為光子倍增技術(shù)的核心，近年來(lái)也取得顯著進(jìn)展，核心聚焦于高效材料體系的開(kāi)發(fā)與機(jī)理優(yōu)化。研究者通過(guò)稀土離子對(duì)（如Tb³?-Yb³?、Pr³?-Yb³?）的協(xié)同能量轉(zhuǎn)移機(jī)制，在氟化物（NaYF?）、氧化物（YPO?）及玻璃陶瓷等低聲子能基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)量子效率突破190%[6-7]，其中Cs?Y?Br?:Er³?-Yb³?體系甚至達(dá)到195%[8]；同時(shí)，通過(guò)核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如NaYF?@NaGdF?）抑制表面淬滅，將Yb³?發(fā)光壽命提升至毫秒級(jí)[9]，并結(jié)合Ce³?、Bi³?等敏化劑的吸收擴(kuò)展至紫外-藍(lán)光寬譜[10-11]（250–500 nm）。近期研究進(jìn)一步探索了無(wú)稀土體系（如Cu?/Mn??摻雜）和鈣鈦礦量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)[12-13]，為低成本、高穩(wěn)定性應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向晶硅電池、窄帶隙光伏器件的產(chǎn)業(yè)化集成邁出關(guān)鍵一步。愛(ài)旭研發(fā)中心的工作人員對(duì)光子倍增技術(shù)在晶硅電池量產(chǎn)提效方面也做了比較深入的研究，下期將對(duì)光子倍增技術(shù)在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹，敬請(qǐng)期待！