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

　　[1]S. Schäfer, R. Brendel, et al., IEEE J. Photovolt., 2018, 8, 1156-1158.

　　[2]W. Raja, M. D. Bastiani, S. D. Wolf, et al., Nanophotonics 2021, 10, 2023–2042.

　　[3]R. Brenes, M. Laitz, et al., Phys. Rev. Applied 2019, 12, 014017.

　　[4]V. Badescu, P. T. Landsberg, Semicond. Sci. Technol., 1997, 12, 1491 .

　　[5]G. Smestad, H. Ries, et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 1992, 25, 51.

　　[6]M. Hiramoto, H. Fujiwara, M. Yokoyama, et al., Appl. Phys. Lett. 1991, 58, 1062.

　　[7]Z. K. Cheng, D. M. O’Carroll, et al., Adv. Sci. 2021, 8, 2004076.

　　[8]R. Brenes, M. Laitz, V. Bulović, et al., Phys. Rev. Appl., 2019, 12, 014017.

　　[9]A. W. Walker, A. W. Bett, F. Dimroth, et al., IEEE J. Photovolt., 2015, 5, 1636–1645.

　　[10]R. K. Ahrenkiel, B. Keyes, et al., Appl. Phys. Lett., 1989, 55, 1088–1090.

　　[11]F. Staub, H. Hempel, J. C. Hebig, et al., Phys. Rev. Appl., 2016, 6, 044017.

　　[12]M. G. Abebe, G. Gomard, et al., Phys. Rev. B, 2018, 98, 075141.

　　[13]A. W. Walker, O. Höhn, F. Dimroth, et al., J. Photonics Energy 2015, 5, 053087.

　　[14]C. L. Schilling, O. Höhn, F. Dimroth, et al., IEEE J. Photovolt., 2018, 8, 348.