上期文章筆者已經(jīng)對(duì)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(shì)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(shì)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(guò)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(shì)與挑戰(zhàn)

表一?激子倍增電池和傳統(tǒng)晶硅電池對(duì)比

相比傳統(tǒng)的晶硅電池，激子倍增電池的優(yōu)勢(shì)在于高的理論效率（帶隙0.7 eV，激子6倍倍增時(shí)，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(diǎn)、?PbS量子點(diǎn)、CdSe量子點(diǎn)和并四苯、并五苯等。其中，量子點(diǎn)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(huì)分解[4]。其次，激子倍增材料產(chǎn)生更多激子的同時(shí)，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(duì)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。

二、激子倍增技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

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?；谶@個(gè)思路，Einzinger等設(shè)計(jì)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(gè)三線態(tài)激子。激子通過(guò)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(lái)傳輸激子的設(shè)想最初來(lái)源于物理學(xué)家David Dexter[9]。超薄膜層能實(shí)現(xiàn)有效激子轉(zhuǎn)移，但往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)晶硅等半導(dǎo)體的有效鈍化。Einzinger等工作的亮點(diǎn)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(yáng)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(diǎn)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(guò)了傳統(tǒng)晶硅太陽(yáng)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(jí)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(jì)算了不同帶隙硅量子點(diǎn)（MEG）電池的理論效率。另外，根據(jù)他們的計(jì)算結(jié)果，MEG (6.9 nm?硅量子點(diǎn)（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]

三、激子倍增技術(shù)的總結(jié)與展望

激子倍增技術(shù)通過(guò)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(wèn)題。未來(lái)研究方向包括：

■1.?材料設(shè)計(jì)：開(kāi)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(ài)旭研發(fā)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)光伏效率邁向40%以上的新紀(jì)元。

參考文獻(xiàn)：

[1] K. G. McKay and K. B. McAfee, Electron Multiplication in Silicon and Germanium, Phys. Rev. 1953, 91, 1079.

[2] M. C. Hanna, A. J. Nozik et al. Solar conversion efficiency of photovoltaic and photoelectrolysis cells with carrier multiplication absorbers, J. Appl. Phys., 2006, 100, 074510.

[3] Y. Y. W, H. W, H. T. G et al. Hybrid Thin Film Encapsulation for Improving the Stability

of PbS Quantum Dot Solar Cells, Small, 2024, 2404984.

[4] P. R. Rami, Sterically-Hindered Derivatives of Pentacene: Synthesis, Properties, and Stability, 2019.

[5] C. Smith and D. Binks, Multiple Exciton Generation in Colloidal Nanocrystals, nanomaterials, 2014, 4, 19-45.

[6] P. J. Jadhav, A. Mohanty, J. Sussman et al. Singlet Exciton Fission in Nanostructured Organic Solar Cells, Nano Lett. 2011, 11, 1495.

[7] D. N. Congreve, J. Lee, N. J. Thompson, External Quantum Efficiency Above 100% in a Singlet-Exciton-Fission–Based Organic Photovoltaic Cell, Science, 2013, 340, 334.

[8] M. Einzinger, T. Wu and J. F. Kompalla et al. Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene, Nature, 2019, 571, 90–94.

[9] D. L. Dexter, Two ideas on energy transfer phenomena: Ion-pair effects involving the OH stretching mode, and sensitization of photovoltaic cells, J. Lumin. 1979, 18–19, 779–784.

[10] A. Rao, R. H. Friend, Harnessing singlet exciton fission to break the Shockley–Queisser limit, Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 17063.

[11] N. Nagaya, K. Lee and C. F. Perkinson et al. Exciton fission enhanced silicon solar cell, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2025.101965.

[12] J. M. Luther and J. C. Johnson, An exciting boost for solar cells, Nature, News & Views, 2019, 38-39.

[13] J. W. Lee, S. M. Goodnick and C. B. Honsberg, Limiting efficiency of silicon based nanostructure solar cells for multiple exciton generation, 2013 IEEE 39th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2013, 16-21.

作者：愛(ài)旭研發(fā)中心