光频转换提升硅太阳电池效率

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【摘 要】 由于硅材料的吸收特性，硅太阳电池不能有效利用太阳辐射光谱中的紫外光和红外光。光频转换技术通过光致荧光、光频下转换和光频上转换过程将紫外光和红外光转化为可被硅太阳电池利用的可见光，从而提升硅太阳电池的光电转化效率。本文介绍由光频转换得到的全太阳光谱硅太阳电池的原理和结构，并对各种光致荧光、光频下转换和光频上转换材料及其在硅太阳电池中的应用进行讨论。

【关键词】 硅太阳电池 光频转换 光致荧光 光频下转换 光频上转换

1 引言

太阳能电池的研究与应用，使太阳能作为一种清洁可再生能源在人类社会发展中发挥着越来越重要的作用。硅太阳电池是通用的、市场占有率最高的太阳能电池，然而目前它对太阳能的利用仍远远不够。其中一个重要原因是硅对太阳光的吸收集中于光波长500～1100nm范围内，因此太阳辐射光谱中的其它波段如紫外光和红外光，得不到有效利用，并且紫外光照射会带来辐射损伤，降低硅电池寿命，而红外光照射，会产生热能引起电池发热。紫外和红外光波段占有太阳辐射光谱的约50%，为有效利用紫外和红外光，一种光频转换技术应运而生[1]，即通过改变入射光光子能量（入射光波长），使其位于硅能够吸收的能量（波长）范围内，从而提高对太阳光的吸收，进而提高硅太阳电池的光电转化效率。

2 光频转换提升硅太阳电池效率

2.1 结构和原理

硅对太阳光的吸收是影响硅太阳电池效率的关键因素之一。如（图1）所示，在整个太阳辐射光谱中紫外光（波长小于390 nm）约占7%，可见光（波长在390～730nm之间）约占50%，红外光（波长大于约730 nm）约占43%。而硅的禁带宽度为1.12 eV（对应吸收光波长为1100 nm），它对太阳光的吸收集中于光波长500～1100 nm范围内，即从可见光的绿光到近红外这一小部分区域，其它较短或较长波段的太阳光得不到有效利用。

通过特定材料吸收紫外光释放出可见光（光致荧光转换和光频下转换），或吸收红外光释放出可见光（光频上转换），由于可见光波长处于硅材料的最佳吸收范围内，因此可扩展硅太阳电池对太阳光的吸收波段范围，提升硅太阳电池效率。具有光频转换的硅太阳电池结构如（图2）所示：相比于一般的硅太阳电池，其顶部多了一层光致荧光转换或下转换发光层，底部多了一层上转换发光层和一层背反射层。当太阳光入射后，首先通过顶部的光频转换层吸收紫外光（但基本上可完全透过可见光和红外光），将其转换成为可见光，与太阳光中原有的可见光和红外光一起进入下层的硅太阳电池。可见光和波长小于1100 nm近红外光被硅电池吸收，而其余的大部分红外光，由于无法被硅吸收，穿过硅层后进入上转换发光层。此时，上转换发光层吸收红外光后释放出可见光。这些由上转换获得的可见光被反射回硅太阳电池中被吸收。其中背反射层为具有高反射率的金属层，可完全反射可见光和红外光。由此可见，这种新型的具有光频转换的硅太阳电池不需要对现有的硅太阳电池做大的改动，较易实现产业化。

2.2 光致荧光转换，光频下转换和光频上转换

光致荧光转换，光频下转换和光频上转换的能级示意图如图3所示。光致荧光转换（图3（a）），或称PL转换，首先吸收一个紫外光子，将处于基态的电子激发到能量较高的激发态能级，之后电子通过非辐射跃迁弛豫到某个中间激发态能级，然后跃迁回基态，同时发射出一个光子。由于是从中间能级跃迁到基态，出射光子能量比入射光子能量低，其波长一般处于可见光范围内。作为PL转换层的材料，目前主要有硅量子点薄膜材料[1-2]，其PL效率一般在10～20%左右，经过表面钝化，PL转换效率可提高到50%以上[3]。也有采用其它量子点材料[4]以及稀土材料的报导[5]。

光频下转换（图3（b））与PL转换类似，首先吸收一个紫外光子，电子由基态跃迁到激发态级，之后从该激发态通过辐射跃迁到中间能级，同时发射出一个可见光光子，接着再跃迁回基态并发射出另一个可见光光子。这是一种所谓的级联（cascade）跃迁过程，在稀土元素中经常发生。PL转换实际上也是一种下转换，但它是吸收一个紫外光子，发射一个可见光光子。而一般所指的下转换是吸收一个紫外光子，发射两个（或两个以上，视中间能级数或级联跃迁次数而定）可见光光子。因此下转换的效率往往比较高，可达约100～200%[1]。目前具有下转换功能的材料以稀土元素为主。然而，尽管下转换效率很高，但其主要吸收的紫外光波段在100～200nm范围，而太阳光谱中的紫外光主要处于300～390nm波段，波长在100～200nm的紫外光极少（图1），因此，目前光频下转换尚没有实用价值，还需要研究并实现300～390nm波段的下转换。

光频上转换（图3（c）），首先吸收一个红外光子，将电子从基态跃迁到某个能量较低的中间激发态，之后再吸收一个红外光子，从该中间激发态继续跃迁到高能级激发态。后一过程称为激发态吸收。之后电子由较高能级直接跃迁回基态，同时发射出一个可见光光子。由于可见光光子能量高于红外光子能量，上转换发光发射一个可见光光子至少需要吸收两个红外光子。除了激发态吸收产生上转换，另外还有其它的上转换模式，通过吸收两个或以上红外光子，产生可见光，这些包括倍频、能量传递、多光子吸收等。上转换发光层由稀土离子或过渡金属离子掺杂的无机化合物组成。过渡金属离子是低温下发光，因此在硅太阳电池上采用的是稀土离子上转换发光[6-7]。Er3+是最常用的上转换发光的稀土离子，能级丰富，可由808nm、980nm、1.55μm等波长的光激发，输出可见光为红光和绿光。Yb3+本身不发光，但由于具有较大的碰撞截面，对入射光子的吸收较强，常作为敏化离子与Er3+一起使用。即Yb3+吸收入射光子后将能量传递给Er3+，使之跃迁到高能级继而上转换发光。由于上转换发光的效率通常很低，仅有极少数用在硅电池的报道[8-12]，所用上转换发光材料为NaYF4：Er3+或NaYF4：Er3+、Yb3+，外量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）为0.008%～2.5%，由于是多光子过程，EQE随测试的光强增大而增大，不同测试条件很难比较。上述研究结果证明上转换用于硅太阳电池确实能提高其效率，但离实际应用要求还相去甚远，需要进一步研发新材料和新技术。

3 结语

光频转换硅太阳电池，利用光频转换技术扩展了硅太阳电池对太阳光能量的吸收范围。光致荧光、光频下转换可将紫外光转换为可见光，光频上转换可将红外光转换为可见光。这些技术将有效地提升硅太阳电池的光电转换效率。开发更多的新材料和新技术将推进这类硅太阳电池的研究和应用。由于光频转换基本不涉及太阳电池内部的结构，因此它的使用，可以直接或者经过少许改造后，在现有太阳电池制备工艺线上实现，这对于当前光伏产业具有巨大的现实意义。

参考文献：

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