一、引言

　　基于量子裁剪（Quantum cutting）效應的下轉換材料可將單個高能光子(300–500 nm)轉變為兩個（或更多）低能光子。理論預測顯示，在傳統單結太陽電池前表面集成量子裁剪層（Photon quantum cutting layer）后，其最大轉換效率可達38.6%，突破了Shockley-Queisser（S-Q）理論極限。

　　二、光子下轉換基本原理

       光子下轉換的核心在于通過材料內部能量級聯傳遞，將單個高能光子轉化為多個低能光子(如圖1所示)。與斯托克斯定律(Stokes Law)描述的常規發光不同，下轉換發光具有量子效率(QE)超過100%的特性。根據文獻報道[2]，理想下轉換層應對能量 E>2Eg的光子進行下轉換(將其分裂為兩個能量 E≥Eg 的光子)，而理想下轉換層對 Eg<e≤2eg p="" 的光子，其能量可直接被光活性層吸收，貢獻于載流子生成。

　　

　　圖1 太陽電池上的光子下轉換層及能量轉換機理示意圖（示意圖說明：高能量光子被吸收后，通過光子下轉換層產生多個可見光光子）

　　三、光子下轉換材料及其光伏應用

　　用于能量轉換的下轉換材料主要分為兩類：鑭系材料與非鑭系材料。下轉換機制的研究始于單鑭系離子（如Tm3?、Gd3?），隨后拓展至雙離子組合體系（如Gd3?-Eu3?、Pr3?-Yb3?、Tb3?-Yb3?等），其中供體材料通過激發能量轉移至受體材料。此處，供體材料通常是指能夠吸收能量并將其轉移給另一種材料的物質，而受體材料則是負責接收供體傳遞的能量并發射低能光子（如可見光）的物質。

　　下轉換在光伏領域的應用始于數十年前，但材料間能量轉移現象的研究歷史可追溯至更早。1923年末，Cario與Franck[5]通過實驗首次揭示了兩種材料間的共振能量轉移現象。共振能量轉移的量子理論由Kallman、London和F. Perrin提出，后經F?rster與Dexter的貢獻進一步完善。Hans Kuhn與Andrews則分別從分子體系中的輻射與非輻射過程角度闡述了能量轉移的經典理論。

　　Wegh[11]等人開發的銪摻雜氟化釓鋰（LiGdF4）是首個用于熒光燈和等離子顯示器的下轉換材料。實驗發現，當Gd3+受紫外光激發后，通過高能到低能的光子轉換，Eu3+會發射兩個可見光子。熒光燈中，此類熒光粉附著于玻璃管內壁，將紫外光（254 nm）轉化為藍、綠、紅光并混合為白光。Gd3+-Eu3+組合的紫外激發-可見發射特性驗證了下轉換過程的可行性。

　　Vergeer[12]等人進一步研究了Tb3+向兩個Yb3+的下轉換能量轉移（YbxY1-xPO4:Tb3+體系），實現了88%的轉移效率（Transfer efficiency），有望用于提升太陽電池的光電轉換效率。Yu團隊[13]提出的硫氧化釓摻銩Gd2O2S:Tm3+）則展現了量子效率（QE）超過100%的潛力，為下一代光伏下轉換材料提供了新方向。

　　圖2A展示了太陽能光譜中未被利用的部分高能區域（UV），這一區域可通過使用下轉換材料加以利用。2002年，Trupke 和M. A. Green等人[1]提出利用下轉換材料調控高能光子，輔助產生多個電子-空穴對。該現象可通過高能光子的下轉換過程實現。作者通過基于非聚光太陽能的下轉換系統，計算了不同帶隙太陽電池的理論效率極限。研究表明：對于帶隙1.05 eV的吸收層而言，通過在電池后表面應用下轉換材料，計算出的能量轉換效率達到39.63%。另外一種更實用的設計是將轉換材料設置在電池前表面，其優勢是可以應用于任何現存的太陽電池，吸收層帶隙為1.1 eV時其計算出的效率可達38.6%。圖2B[1]展示了理論計算得到的不同帶隙太陽電池對應的光電轉換效率。Tayebjee[14]等人通過理論分析闡明了各類太陽能器件的效率極限，并提出在太陽電池前表面和后表面分別添加下轉換層后，其能量轉換效率理論上可分別提升至40.4%和43.5%。前表面添加下轉換層的方案更具實用性，可與現有太陽電池技術兼容。這種改進的優勢在于：能量介于光活性層帶隙（Eg）與2Eg之間的光子（無法被下轉換），幾乎會直接穿透下轉換層，進而被太陽能電池的吸光層吸收。

　　圖2 （A）大氣質量（AM）1.5G標準太陽光譜，黑色區域表示硅基光伏電池的光吸收部分，藍色區域代表可通過下轉換（Down-conversion）過程實現光子能量再利用。（B）太陽電池在6000 K太陽的非聚光輻射下的效率：傳統太陽電池的肖克利-奎伊瑟極限（Shockley-Queisser limit）（實線）、前表面帶有下轉換的太陽電池效率（空心方塊），以及后表面帶有下轉換的太陽電池效率（實心圓點）。

　　2024年，愛旭與澳大利亞先進光伏中心（ACAP）聯合研發全新“光子倍增”技術，致力于通過特殊材料（基于光子下轉換技術）將單個高能光子轉換成多個低能光子以成倍產生額外的電子-空穴對，提升電流輸出，現有電池結構無需進行復雜調整，即可打破傳統技術局限性、顯著提高電池轉換效率。不僅如此，該技術與現有BC電池的制造工藝流程高度兼容，BC電池生產線只需進行簡單改造便可實現這項新技術的量產應用，打開30%以上的太陽光能量轉換效率空間。該項技術的成功研發與實踐，將有望顛覆現有光伏技術理論，實現太陽能利用形式的重大革新。

　　馬丁·格林表示：“愛旭對科技創新的極致追求令人欽佩，其BC產品的效率及性能處于全球領先地位。此次合作將發揮ACAP在光伏技術研發方面的優勢，雙方將共同拓展光伏電池效率邊界，共塑太陽能源利用的光明未來?！?/p>

　　

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