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(xué)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(dú)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(shí)現(xiàn)表面入射光子的最大化利用，從源頭上實(shí)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(xué)與電學(xué)獨(dú)立調(diào)控，預(yù)示其在實(shí)現(xiàn)"全面積受光+智能陷光+回收增效"三重協(xié)同機(jī)制的同時(shí)可以保留優(yōu)異的鈍化性能，達(dá)到提升BC電池光電轉(zhuǎn)換效率的目的。相關(guān)文獻(xiàn)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(duì)值）[3，4]
 

二、光子的“無限續(xù)杯”派對(duì)

在半導(dǎo)體光伏系統(tǒng)中，光到電的轉(zhuǎn)化主要是通過半導(dǎo)體吸收光子產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，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(jìn)行移動(dòng)[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(huì)以輻射復(fù)合(Radiative Recombination)和非輻射復(fù)合(Non-radiative Recombination)的形式重新結(jié)合，其中，輻射復(fù)合伴隨光子重現(xiàn)，當(dāng)光子能量接近半導(dǎo)體帶隙時(shí)可以被重復(fù)吸收利用(Photon Reabsorption→Regeneration)從而產(chǎn)生新的電子和空穴對(duì)，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(dǎo)致吸收層內(nèi)的費(fèi)米能級(jí)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(dāng)部分循環(huán)的光子（Recycle Photons）在半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)進(jìn)一步回收[8]，同時(shí)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(fù)合；(c)光子再吸收，產(chǎn)生新的電子和空穴對(duì)[7]。
 

 

圖2. 半導(dǎo)體熱平衡下PR原理圖設(shè)計(jì)[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(shí)現(xiàn)大概可以分解為：直接PR、全反射輔助PR、背反射鏡增強(qiáng)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(fù)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(duì)（虛線方框標(biāo)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(jìn)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(qiáng)PR（過程E）：當(dāng)移除傳統(tǒng)襯底并引入金屬反射鏡時(shí)，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(jī)會(huì)。
 

基于上述因素，下面展示太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)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(dǎo)體界面可能引入缺陷復(fù)合中心，需優(yōu)化接觸層以減少載流子復(fù)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(jìn)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(qiáng)PR效果。
 

 

圖3.(a)活性層結(jié)構(gòu)中由輻射復(fù)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(jì)對(duì)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(dāng)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(jìn)一步提升，PR技術(shù)成為其中一種方案。PR技術(shù)正在從實(shí)驗(yàn)室走向大眾的視野，其核心價(jià)值在于將太陽能利用效率推向極致，同時(shí)賦能循環(huán)經(jīng)濟(jì)。伴隨技術(shù)迭代和市場需求的協(xié)同驅(qū)動(dòng)， PR技術(shù)有望在未來成為光伏產(chǎn)業(yè)升級(jí)和全球能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支柱之一，為碳中和目標(biāo)提供新的解決方案。

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