晶硅太阳能电池由于带隙约为1.1 eV，其肖克利–奎塞尔(SQ)极限效率约为30%。当前世界纪录的背接触异质结电池效率已达27.3%，接近理论极限。然而常规单结电池存在严重的光谱失配损失：高能光子热化和低能光子透过导致约70%的能量浪费。为突破这一瓶颈，光谱转换技术(包括上转换和下转换/量子裁剪)被提出作为有效途径。在这些技术中，光子倍增(即量子裁剪)可以将一个高能光子“切分”为两个或多个低能光子，潜在地提高光电转化效率。
光子倍增与量子裁剪原理
量子裁剪(Photon Cutting或Downconversion)是指一种吸收一个高能光子并发射两个(或以上)低能光子的非线性光学过程，其总转换效率可超过100%。例如，在掺杂稀土离子的发光材料中，可以通过能级级联或双离子协同跃迁实现量子裁剪。图1(a、b)展示了Bi³⁺–Eu³⁺共掺杂YVO₄下转换材料在可见光和紫外光激发下产生的发光(在UV光下发生量子裁剪并发射可见光)。这种“一光子入，二光子出”的机制正是量子裁剪的典型例子。光子裁剪的物理机制可分为单离子级联发射(如Pr³⁺、Er³⁺离子内部多个能级依次跃迁)和双离子协同能量转移(如一个Tm³⁺激发态同时给两个Yb³⁺俘获激发)两种类型。理论计算表明，通过在硅电池顶部添加量子裁剪层，硅单结电池的极限效率可从30%提高到约38.6%，而Trupke等人基于详细平衡模型的计算显示，对于Eg=1.1 eV的硅电池，在适当反射结构下，结合上转换材料可达到约40.2%的转换效率。这些研究都表明，光子倍增技术具有突破SQ极限的潜力。
图1 量子裁剪示例及其在晶硅电池中的应用：图1(a,b)为Bi³⁺–Eu³⁺共掺杂YVO₄材料在可见光(a)与紫外光(b)照射下的发光现象，展示了一个紫外光子“切割”成两个可见光子;(c)示意了将透射型量子裁剪层沉积于晶硅太阳电池正面，以实现紫外–可见光转换并被电池吸收。
代表性材料体系与机制
目前已有多种高效光子倍增材料体系被报道。表一给出了部分典型的激发/发射波长和量子效率：例如Ce³⁺–Yb³⁺体系可实现250 nm紫外激发至1000 nm近红外发射，量子效率达到181%;Er³⁺–Yb³⁺共掺于Cs₃Y₂Br₉等窄带隙基质中，在490 nm激发下可发射980 nm光子，量子效率高达195%;此外Tb³⁺–Yb³⁺协同体系(如NaYF₄:Tb³⁺,Yb³⁺或YPO₄:Tb³⁺,Yb³⁺)在蓝光激发下可以高效产生近红外光子，量子效率常超过150%。为实现更高效率，研究者采用低声子能量基质(如氟化物NaYF₄、磷酸盐YPO₄等)以抑制多声子非辐射跃迁，显著提高光致发光效率。此外，通过设计核壳结构(如NaYF₄:Ln@NaYF₄)可以隔离表面缺陷，进一步降低钝化损失。目前还在探索稀土以外的替代激活剂，如Bi³⁺、Ce³⁺等，以扩展激发波长范围和改善材料工艺。
在光伏中的应用场景
光子倍增材料已在多种太阳能电池中开展了实验与模拟研究，并取得了提高电池性能的效果。图2总结了部分典型应用案例：左图(a)所示为染料敏化电池中在电极上涂覆的光子下转换层;中图(b)为钙钛矿电池中光子上转换/下转换层的示意;右图(c)为晶硅太阳电池应用上转换薄层的示意。这些研究普遍发现，在电池面板或封装玻璃上添加光子转换层后，可以显著增强短路电流，提高光电转换效率。例如，模拟计算预测若在硅电池正面或背面集成量子裁剪/上转换层，可在不改变电池结构的情况下将效率推高至近40%。在染料敏化和钙钛矿电池中，也有研究报道通过稀土离子或量子点材料的频谱转换减少UV损伤和光谱浪费，从而获得一定增益。总之，实验与理论均表明，光子倍增层可拓展光谱响应，提高光子利用率，为多种光伏技术带来增效潜力。
图2 光子倍增材料在不同太阳能电池中的应用示例：a. 在染料敏化太阳电池中使用的LaVO₄:Dy紫外下转换层;b. 在钙钛矿太阳电池中通过Ce³⁺–Yb³⁺机制实现UV→近红外的光谱转换层;c. 在晶硅太阳电池上方集成的近红外上转换薄层示意(图中箭头表示光子转换过程)。
背接触晶硅电池中的集成潜力
背接触结构(如HBC/IBC)将所有金属电极置于电池背面，消除了正面遮挡，理论上可以极大提高光吸收和电流收集效率。这种结构天生与光子倍增层高度兼容：由于前表面无金属遮挡，可以最大化透明转换层对紫外光的吸收和利用;在工艺上，光子倍增材料可采用磁控溅射或溶胶-凝胶等技术与钝化层一起沉积，且背接触电池制造的高温退火可与光子转换层的热处理兼容。未来设想中，可将具有光子倍增功能的透明层直接沉积于电池正面或组件玻璃上，用以转换紫外-蓝光为可被电池吸收的长波长光;同时在背接触电极之间引入上转换材料层并配合高反射镜面，实现“光子回收”效应，将电池透射的大部分红外光再次转换利用。这种正面下转换+背面上转换的组合设计(见图2)可以循环利用太阳光谱中的高能和低能部分，有望显著提升晶硅电池效率。
展望与挑战
尽管光子倍增技术前景广阔，但在实际应用中仍面临多重挑战。材料方面，需要开发光致稳定性高、吸收截面宽、与硅电池工艺兼容的发光体;稀土掺杂的转换层可能存在效率随光强降低、长期老化等问题。器件集成方面，要保证转换层均匀覆盖大面积电池且不引入额外损耗，同时控制成本和制备工艺复杂度。产线化量产还需解决转换材料的稳定性、硅片贴合和封装技术等细节。总体而言，随着背接触晶硅工艺不断成熟和替代材料研究突破，光子倍增技术在未来5–10年内有望实现产业化示范，为晶硅光伏效率突破30%提供关键助力。成功实现这一目标将推动光伏组件成本进一步降低，朝着“终极太阳电池”目标迈进。
参考文献
Shockey, W. R., & Queisser, H. J. (1961). Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. Journal of Applied Physics, 32(3), 510–519.
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Casey, J. P. (2024, May 8). LonGi unveils heterojunction back-contact cell with record 27.3% conversion efficiency. PV-Tech. https://www.pv-tech.org/longevity/unveils-longi-heterojunction-back-contact-cell-record-27-3-percent/
Aiko Solar. (2025, April 15). 前沿光伏技术之光子倍增技术：突破效率极限的曙光(二)[Photon multiplication technology for advancing solar cells: Dawn of breaking the efficiency limit (Part II)]. 爱旭太阳能公司技术博客. https://aikosolar.com/cn/photon-multiplication-2/
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202506/24/390664.html
