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前沿光伏技術(shù)之激子倍增——讓光生載流子倍增的太陽煉金術(shù)（二）
2025-07-14 09:13:00
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作者：愛旭研發(fā)中心
上期文章筆者已經(jīng)對激子倍增技術(shù)原理進(jìn)行了淺析，本期將從激子倍增技術(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)出發(fā)，著重介紹激子倍增技術(shù)的應(yīng)用，尤其是在光伏領(lǐng)域中的應(yīng)用。
自從20世紀(jì)50年代在半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)載流子倍增現(xiàn)象[1]，激子倍增（MEG）技術(shù)得到快速發(fā)展，為突破傳統(tǒng)光伏器件的肖克利-奎伊瑟效率極限提供了新方向。該技術(shù)的核心優(yōu)勢在于顯著提升光電轉(zhuǎn)化效率，激子倍增電池理論效率可超過44%[2]。然而，其發(fā)展面臨多重挑戰(zhàn)：需攻克材料穩(wěn)定性、激子在界面能量損失等難題。目前，激子倍增技術(shù)已在第三代光伏器件中展現(xiàn)良好的應(yīng)用前景，有望重塑光伏產(chǎn)業(yè)格局。
一、激子倍增技術(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
相比傳統(tǒng)的晶硅電池，激子倍增電池的優(yōu)勢在于高的理論效率（帶隙0.7 eV，激子6倍倍增時，效率44.4%）[2]。但是，激子倍增電池的不足之處也同樣明顯。首先，激子倍增材料包括PbSe量子點、 PbS量子點、CdSe量子點和并四苯、并五苯等。其中，量子點材料在濕度、熱、紫外光照條件下并不穩(wěn)定[3]，并五苯暴露在空氣和光下會分解[4]。其次，激子倍增材料產(chǎn)生更多激子的同時，激子壽命(10-100 ps)比正常光伏材料（10-100 ns）更短，需要更快地將載流子分離與收集[5]。這對電池的材料與結(jié)構(gòu)提出了新的要求。最后，相比硅材料，部分激子倍增材料帶隙偏大，例如并四苯(3.0 eV)[6]、并五苯（1.9 eV）[7]，導(dǎo)致光吸收范圍變窄。
單純的MEG電池，以及單純的傳統(tǒng)晶硅電池，都存在自身的限制。但將兩種材料組合，就有希望進(jìn)一步突破晶硅電池的理論效率極限。基于這個思路，Einzinger等設(shè)計了一種并四苯敏化的BC電池（圖1a）[8]。高能光子被并四苯分子吸收，產(chǎn)生單線態(tài)激子，并最終分裂成兩個三線態(tài)激子。激子通過0.8 nm 氮氧化鉿（HfOxNy）薄膜進(jìn)入BC電池，最終轉(zhuǎn)化成電流。使用超薄膜層來傳輸激子的設(shè)想最初來源于物理學(xué)家David Dexter[9]。超薄膜層能實現(xiàn)有效激子轉(zhuǎn)移，但往往無法實現(xiàn)對晶硅等半導(dǎo)體的有效鈍化。Einzinger等工作的亮點在于發(fā)現(xiàn)了HfOxNy這種有效的超薄鈍化層。雖然Einzinger等制備的太陽電池效率不高，有許多需要優(yōu)化的部分，但該工作為我們展現(xiàn)了激子倍增材料敏化BC電池巨大的應(yīng)用潛力(理論效率35%)[10]。2025年5月，Baldo等進(jìn)一步優(yōu)化了激子倍增材料敏化晶硅電池結(jié)構(gòu)，相關(guān)文章發(fā)表在Joule上[11]。該工作的亮點是在并四苯和硅之間引入氧化鋁（AlOx）和酞菁鋅（ZnPc）。N型硅的導(dǎo)帶底和ZnPc的最高分子占據(jù)軌道組成的電荷分離態(tài)能量為1.2 eV，位于并四苯的三線態(tài)能量（1.25 eV）和晶硅的帶隙（1.1 eV）之間（圖1b），促進(jìn)電荷從并四苯向晶硅連續(xù)傳輸。1 nm厚度的AlOx用于阻止載流子在晶硅表面復(fù)合。最終，并四苯吸收的光子，最高電荷轉(zhuǎn)換效率達(dá)到138%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)晶硅太陽電池的量子效率極限。
圖1 (a)并四苯敏化BC電池結(jié)構(gòu)示意圖[12], (b) 并四苯敏化晶硅電池能級圖[11]
除了上述方案，將MEG材料與其他光伏材料組成多結(jié)（疊層）電池也是一種可行的提效路徑。Lee 等使用細(xì)致平衡理論計算了不同帶隙硅量子點（MEG）電池的理論效率。另外，根據(jù)他們的計算結(jié)果，MEG (6.9 nm 硅量子點（1.38 eV）)和其他材料組成的兩結(jié)電池（InAs（0.57eV）分別作為頂、底電池的吸光材料），理論效率高達(dá)47.8%。[13]
激子倍增技術(shù)通過量子效應(yīng)突破傳統(tǒng)效率瓶頸，但其產(chǎn)業(yè)化仍需解決材料穩(wěn)定性、載流子輸運(yùn)等核心問題。未來研究方向包括：
■1. 材料設(shè)計：開發(fā)高穩(wěn)定性的MEG材料；
■2. 界面工程：優(yōu)化MEG材料/電極界面，促進(jìn)額外激子的提取和收集；
■3. 組合應(yīng)用：使用MEG材料強(qiáng)化BC電池 或者與BC電池組成疊層電池，獲得更高的光伏效率。
愛旭研發(fā)團(tuán)隊長期關(guān)注MEG材料、器件的研究進(jìn)展。我們相信，隨著材料科學(xué)和超快光譜技術(shù)的進(jìn)步，MEG及其相關(guān)技術(shù)有望未來實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，推動光伏效率邁向40%以上的新紀(jì)元。
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責(zé)任編輯： 江曉蓓
標(biāo)簽：前沿光伏技術(shù)
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