作者：爱旭研发中心
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，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%。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%）。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，并五苯暴露在空气和光下会分解。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。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)、并五苯（1.9 eV），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。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。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%）。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。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，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, (b)并四苯敏化晶硅电池能级图
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%。
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。
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