光子回收：让光子在电池里“蹦迪”的提效黑科技

一、引言

在各种高效晶硅太阳电池技术中，具备超高光电转换效率和极致美学等优势的BC电池已然成为太阳电池领域的新势力，量产效率超过27%。晶硅太阳电池的极限理论效率为29.56%[1]，若想再次创新性提升则需另辟蹊径：光子回收技术成为突破晶硅电池极限理论效率的方案之一。BC太阳电池的独特优势使其成为加载光子回收技术的天然适配体。1. BC电池正面无栅线遮挡，实现表面入射光子的最大化利用，从源头上实现光子回收技术的最有效兑现[2]；2. BC电池正面光学与电学独立调控，预示其在实现"全面积受光+智能陷光+回收增效"三重协同机制的同时可以保留优异的钝化性能，达到提升BC电池光电转换效率的目的。相关文献指出，基于光子回收增益，太阳电池光电转换效率可以提升2%~3%（绝对值）[3，4]

二、光子的“无限续杯”派对

在半导体光伏系统中，光到电的转化主要是通过半导体吸收光子产生电子和空穴对，然后电子和空穴分离，并在内置电场或偏置电压的作用下进行移动[5，6]。 在上述过程中，部分无法传输至外电路的电子和空穴将会以辐射复合(Radiative Recombination)和非辐射复合(Non-radiative Recombination)的形式重新结合，其中，辐射复合伴随光子重现，当光子能量接近半导体带隙时可以被重复吸收利用(Photon Reabsorption→Regeneration)从而产生新的电子和空穴对，如图1所示，这一过程被称为自吸收、光子回收或光子循环（Photon recycling, PR） [7]。PR提高了吸收层内载流子的有效密度，导致吸收层内的费米能级分裂增大，在具有外部接触的太阳电池中，可以增加电池Voc，提升PCE [8-11]。在连续的PR过程中，如图2所示，当部分循环的光子（Recycle Photons）在半导体的逃逸锥(Escape cone)内以一定角度重新发射而逃逸（Emission），则无法实现进一步回收[8]，同时若循环的光子被寄生吸收（Parasitic Absorption）到另一层，则同样无法再次回收。

图1. PR过程示意图：(a)入射光子吸收；(b)电子和空穴的产生，以及辐射复合；(c)光子再吸收，产生新的电子和空穴对[7]。

图2. 半导体热平衡下PR原理图设计[12]。

三、光子回收的第N种姿态

PR的核心在于通过光子的多次反射与重新吸收，延长光子在活性层内的传播路径，从而提升光生载流子的生成效率。PR过程的实现大概可以分解为：直接PR、全反射辅助PR、背反射镜增强PR，如图3（a）所示，具体如下:1）直接PR过程（过程A）：活性层内因辐射复合产生的自发发射光子（虚线箭头），若在材料内部被重新吸收并激发获得新的电子-空穴对（虚线方框标记的位置），则形成直接PR；2）全反射辅助PR（过程B）：光子若从电池顶部表面发生全内反射（入射角θ＞临界角θc），则被限制在活性层内部继续传播，可能再次进入活性层被吸收，则同属PR的一部分。如果未发生全内反射（θ＜θc），则光子将从活性层逃逸（过程C）；3）背反射镜增强PR（过程E）：当移除传统衬底并引入金属反射镜时，向下传输的光子（原过程D的损失路径）被镜面反射回活性层，形成光子二次吸收机会。

基于上述因素，下面展示太阳电池结构设计对PR的影响：1）在太阳电池结构中使用电介质衬底（如图3（b）），光子易穿透衬底（图3.a的过程D），PR效率低；2）金属镜面接触（如图3（c）），金属镜直接作为背接触，提供高反射率，将光子反射回活性层（图3（a）的过程E）。然而，金属与半导体界面可能引入缺陷复合中心，需优化接触层以减少载流子复合；3）介电层+金属镜面（如图3（d）），在活性层与金属镜之间插入介电层，可形成分布式布拉格反射镜或纳米结构光栅，进一步提升反射率并减少金属寄生吸收，此结构通过调控光子相位与路径，增强PR效果。

图3.(a)活性层结构中由辐射复合产生和发射的光子路径示意图[13]，(b-d)展示了不同结构设计对PR的影响[14]。

在晶硅太阳电池技术中，全背接触晶硅太阳电池是目前光电转换效率当之无愧的领跑者。结合前文所言，为助力其光电转换效率的进一步提升，PR技术成为其中一种方案。PR技术正在从实验室走向大众的视野，其核心价值在于将太阳能利用效率推向极致，同时赋能循环经济。伴随技术迭代和市场需求的协同驱动， PR技术有望在未来成为光伏产业升级和全球能源转型的关键支柱之一，为碳中和目标提供新的解决方案。

参考文献

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