一、引言
當晶硅電池效率達到極限之后，要如何突破晶硅電池理論極限的限制，走向更高輝煌？打破瓶頸的關鍵在于如何提高太陽全光譜的利用率。光子上/下轉換技術的引入，為解決這一瓶頸提供了創新方案，兩者的結合有望重塑高效光伏技術的未來格局。
光子上/下轉換技術包括光子上轉換（Up-conversion, UC）和光子下轉換（Down-conversion, DC），與正面無任何光學遮擋的BC電池天然適配，可以最大化地實現上下轉換技術的潛力，最高幅度地進一步提升晶硅電池的效率。
本期重點介紹的光子上轉換技術，可使太陽電池的極限轉換效率達到47.6%[1]。
二、光子上轉換技術基本原理
上轉換發光，即：反斯托克斯效應（Anti-Stokes effect），指的是材料受到低能量的光激發，發射出高能量的光，即經長波長、低頻率的光激發，材料發射出短波長、高頻率的光。理論計算表明，這種反斯托克斯效應讓原本透明的紅外光轉化為可用能量，在非聚光情況下，可使太陽電池的極限轉換效率達到47.6%（如圖1所示）。如圖2所示，這類材料具備“聚沙成塔”的神奇能力，能將兩個低能紅外光子（圖2綠色箭頭所示）合并成一個高能可見光子（圖2紅色箭頭所示）。
圖1 基于含上轉換層的太陽電池極限理論效率圖（三角形為非聚光情況下）
圖2 光子上轉換發光材料及太陽能電池機理示意圖
上轉換發光在有機材料、半導體材料和稀土摻雜的無機材料中均已被觀察到。通常，有機材料中的上轉換發光稱為多光子過程，并且效率較高，然而有機物的穩定性較差，限制了其在很多領域的應用。目前，稀土離子摻雜的無機材料的上轉換發光過程研究較廣泛，這主要是由于無機材料比較穩定，可應用于許多領域，例如紅外光探測、光伏電池和生物熒光標記等。
本文以稀土離子（Ln3?）為例介紹上轉換發光的幾種機制（圖3）
激發態吸收（Excited state absorption, ESA）機制
單個Ln3?離子通過順序吸收兩個光子實現上轉換：第一個光子激發產生亞穩態中間能級，第二個光子進一步將其激發至更高能級，最終發射單個高能光子。
能量傳遞上轉換（Energy transfer upconversion, ETU）機制
該機制涉及兩個Ln3?離子：一個作為敏化劑（吸收光子并傳遞能量），另一個作為激活劑（接收能量并發光）。
敏化劑吸收光子躍遷至亞穩態，隨后通過非輻射方式將能量傳遞給激活劑；
當激活劑仍處于激發態時，敏化劑再次吸收光子并傳遞能量，使激活劑躍遷至更高能級；
激活劑的輻射弛豫最終發射上轉換高能光子。
典型體系：Yb3?（敏化劑）因具有高吸收截面積且其f-f躍遷位于980 nm附近，可高效傳遞能量至常見激活劑（如Er3?、Ho3?、Tm3?）。
協同能量傳遞（Cooperative energy transfer, CET）機制
兩個敏化劑各自吸收低能光子，并同時將能量傳遞至同一激活劑，使其協同激發并發射上轉換光子。
圖3 與Ln3 相關的上轉換機理
三、光子上轉換技術在太陽電池中的應用
上轉換發光（UCL）的出現可以追溯到諾貝爾物理學獎得主Bloembergen 在1959年開展的早期工作。在這項工作中，他發現稀土基金屬化合物可以吸收紅外光輻射，并再次發射短波光子，這也是上有關轉換現象的第一篇報道。
如圖3所示，光伏領域上轉換材料的發展的關鍵發展里程碑包括：
1996年，Gibart等人[8]通過在GaAs太陽能電池背面應用100μm厚的Er3?/Yb3?共摻雜玻璃陶瓷層實現了初步探索。
2002年，新南威爾士大學的Trupke和Shalav[1, 9,10]團隊將鑭系基太陽能上轉換器從理論研究推進至實用器件開發，奠定了該領域的基礎。
2009年，Demopoulos團隊首次在染料敏化太陽能電池（DSSCs）中采用LaF?/Er納米晶體，驗證了AM1.0G濾光輻照下的上轉換效應。
2011年，Wang等人[12]將商用LaF?/Er上轉換熒光粉應用于P3HT有機太陽能電池，顯著提升了器件的近紅外光響應能力。
圖3 鑭系元素摻雜上轉換材料在光伏電池領域的里程碑
從實際性能視角來看，上轉換增強光伏（UC-enhanced PV）技術仍處于發展初期，其當前效率與理論最大值的差距仍然顯著。在各類光伏技術中，晶體硅（c-Si）技術因占據市場主導地位且效率提升接近“飽和”（當前紀錄約27.3%，接近29.56%的單晶硅理論極限），可能成為上轉換技術最具應用潛力的領域[14]。通過傳統光伏技術路徑的改進空間已十分有限，而上轉換技術的應用可將目標效率設定為更高的40%，從而為光伏領域帶來顛覆性變革。
BC電池由于正面無任何柵線遮擋的特性，可以讓更多太陽光進入到電池內部，天然適配上轉換技術。BC電池與上轉換技術搭配，將實現1 1>2的結果，最大化激發出兩種技術的潛力。
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