前沿光伏技术之激子倍增——让光生载流子倍增的太阳炼金术（二）

上期文章笔者已经对激子倍增技术原理进行了浅析，本期将从激子倍增技术的优势与挑战出发，着重介绍激子倍增技术的应用，尤其是在光伏领域中的应用。

自从20世纪50年代在半导体材料中发现载流子倍增现象[1]，激子倍增（MEG）技术得到快速发展，为突破传统光伏器件的肖克利-奎伊瑟效率极限提供了新方向。该技术的核心优势在于显著提升光电转化效率，激子倍增电池理论效率可超过44%[2]。然而，其发展面临多重挑战：需攻克材料稳定性、激子在界面能量损失等难题。目前，激子倍增技术已在第三代光伏器件中展现良好的应用前景，有望重塑光伏产业格局。

一、激子倍增技术的优势与挑战

表一 激子倍增电池和传统晶硅电池对比

相比传统的晶硅电池，激子倍增电池的优势在于高的理论效率（带隙0.7 eV，激子6倍倍增时，效率44.4%）[2]。但是，激子倍增电池的不足之处也同样明显。首先，激子倍增材料包括PbSe量子点、 PbS量子点、CdSe量子点和并四苯、并五苯等。其中，量子点材料在湿度、热、紫外光照条件下并不稳定[3]，并五苯暴露在空气和光下会分解[4]。其次，激子倍增材料产生更多激子的同时，激子寿命(10-100 ps)比正常光伏材料（10-100 ns）更短，需要更快地将载流子分离与收集[5]。这对电池的材料与结构提出了新的要求。最后，相比硅材料，部分激子倍增材料带隙偏大，例如并四苯(3.0 eV)[6]、并五苯（1.9 eV）[7]，导致光吸收范围变窄。

二、激子倍增技术的应用场景

单纯的MEG电池，以及单纯的传统晶硅电池，都存在自身的限制。但将两种材料组合，就有希望进一步突破晶硅电池的理论效率极限。基于这个思路，Einzinger等设计了一种并四苯敏化的BC电池（图1a）[8]。高能光子被并四苯分子吸收，产生单线态激子，并最终分裂成两个三线态激子。激子通过0.8 nm 氮氧化铪（HfOxNy）薄膜进入BC电池，最终转化成电流。使用超薄膜层来传输激子的设想最初来源于物理学家David Dexter[9]。超薄膜层能实现有效激子转移，但往往无法实现对晶硅等半导体的有效钝化。Einzinger等工作的亮点在于发现了HfOxNy这种有效的超薄钝化层。虽然Einzinger等制备的太阳电池效率不高，有许多需要优化的部分，但该工作为我们展现了激子倍增材料敏化BC电池巨大的应用潜力(理论效率35%)[10]。2025年5月，Baldo等进一步优化了激子倍增材料敏化晶硅电池结构，相关文章发表在Joule上[11]。该工作的亮点是在并四苯和硅之间引入氧化铝（AlOx）和酞菁锌（ZnPc）。N型硅的导带底和ZnPc的最高分子占据轨道组成的电荷分离态能量为1.2 eV，位于并四苯的三线态能量（1.25 eV）和晶硅的带隙（1.1 eV）之间（图1b），促进电荷从并四苯向晶硅连续传输。1 nm厚度的AlOx用于阻止载流子在晶硅表面复合。最终，并四苯吸收的光子，最高电荷转换效率达到138%，远远超过了传统晶硅太阳电池的量子效率极限。

图1 (a)并四苯敏化BC电池结构示意图[12], (b) 并四苯敏化晶硅电池能级图[11]

除了上述方案，将MEG材料与其他光伏材料组成多结（叠层）电池也是一种可行的提效路径。Lee 等使用细致平衡理论计算了不同带隙硅量子点（MEG）电池的理论效率。另外，根据他们的计算结果，MEG (6.9 nm 硅量子点（1.38 eV）)和其他材料组成的两结电池（InAs（0.57eV）分别作为顶、底电池的吸光材料），理论效率高达47.8%。[13]

三、激子倍增技术的总结与展望

激子倍增技术通过量子效应突破传统效率瓶颈，但其产业化仍需解决材料稳定性、载流子输运等核心问题。未来研究方向包括：

■1. 材料设计：开发高稳定性的MEG材料；

 ■2. 界面工程：优化MEG材料/电极界面，促进额外激子的提取和收集； 

 ■3. 组合应用：使用MEG材料强化BC电池 或者与BC电池组成叠层电池，获得更高的光伏效率。

爱旭研发团队长期关注MEG材料、器件的研究进展。我们相信，随着材料科学和超快光谱技术的进步，MEG及其相关技术有望未来实现商业化应用，推动光伏效率迈向40%以上的新纪元。

参考文献：

[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：爱旭研发中心