由于傳統晶硅電池對近紅外光（>1100 nm）和紫外光（300-400 nm）的低利用率（見圖1）——太陽光譜中低能光子（紅外）則無法被吸收，而高能光子（紫外-藍光）的過剩能量以熱能形式耗散，這導致約50%的太陽光譜能量損失[2]。前者可通過上轉換技術實現利用，后者則可通過光子倍增技術或下轉換技術完成對高能光子的吸收[3]（見圖2），上下轉換技術筆者會在后續(xù)的文章中介紹。不同于僅能實現“一轉一”的下轉換技術（單個高能光子轉換成單個低能光子，其量子轉化效率不足100%），光子倍增技術的核心是利用稀土元素離子能把單光子分裂為多光子的機制——即量子裁剪（Quantum-Cutting, QC），將高能光子轉換為晶硅敏感的可見/近紅外光子，其量子效率超過100%，甚至接近200%，進而大大提升晶硅電池對太陽光的利用率，為晶硅電池效率的躍升開辟了全新路徑。同時也可以降低高能光子對晶硅電池鈍化膜層的破壞，提升太陽電池的壽命。本文將從原理、材料體系、器件設計等維度，系統分析該技術在晶硅電池（尤其是背接觸電池）中的應用潛力。
量子裁剪（quantum cutting）是一種非線性光轉換過程，其本質是通過材料內部的能量級聯或協同轉移，將單個高能光子（如紫外光子，3.5 eV）分裂為兩個或多個低能光子（如近紅外光子，1.1 eV）。這項技術最早被應用在照明與電子顯示系統領域。根據機制不同基本可分為兩種：
首先是“單離子級聯發(fā)射”機制[4]（見圖3a），這是一種通過單個離子內部的能級躍遷實現光子倍增的機制。當離子（如Pr³?）吸收一個高能紫外光子后，電子從基態(tài)激發(fā)至高能態(tài)（如³P?），隨后通過多步非輻射弛豫或輻射躍遷逐級降至中間能級（如¹G?），最終躍遷回基態(tài)（如³H?），在此過程中分階段釋放出兩個或多個低能近紅外光子。例如，Pr³?在氟化物基質（如NaYF?）中可依次發(fā)射~480 nm和~1015 nm光子，理論量子效率達140%，其關鍵在于離子能級的精細調控和基質低聲子化特性，以抑制非輻射損耗，確保能量高效轉化為光子輸出。
其次是“雙離子協同轉移”[4] （見圖3b），它是一種通過兩個離子間的高效能量耦合實現光子倍增的機制。當敏化劑離子（如Tb³?）吸收一個高能紫外光子后，其激發(fā)態(tài)（如?D?能級）的能量恰好是接收體離子（如Yb³?）單次躍遷所需能量（²F?/?→²F?/?）的兩倍，通過協同能量轉移過程，Tb³?的激發(fā)態(tài)能量同時傳遞給兩個相鄰的Yb³?離子，觸發(fā)兩者分別發(fā)射一個近紅外光子[5]（~980 nm）。例如，在YPO?:Tb³?-Yb³?體系中，單個480 nm紫外光子被Tb³?吸收后，通過共振偶極-偶極相互作用，將總計約1.24eV的能量平均分配給兩個Yb³?離子，實現量子效率達188%，其核心在于離子間距的精準調控（<1 nm）及基質晶格的低聲子化設計，以最大化協同轉移概率并抑制能量回傳。
量子裁剪技術作為光子倍增技術的核心，近年來也取得顯著進展，核心聚焦于高效材料體系的開發(fā)與機理優(yōu)化。研究者通過稀土離子對（如Tb³?-Yb³?、Pr³?-Yb³?）的協同能量轉移機制，在氟化物（NaYF?）、氧化物（YPO?）及玻璃陶瓷等低聲子能基質中實現量子效率突破190%[6-7]，其中Cs?Y?Br?:Er³?-Yb³?體系甚至達到195%[8]；同時，通過核殼結構設計（如NaYF?@NaGdF?）抑制表面淬滅，將Yb³?發(fā)光壽命提升至毫秒級[9]，并結合Ce³?、Bi³?等敏化劑的吸收擴展至紫外-藍光寬譜[10-11]（250–500 nm）。近期研究進一步探索了無稀土體系（如Cu?/Mn??摻雜）和鈣鈦礦量子點復合結構[12-13]，為低成本、高穩(wěn)定性應用奠定基礎，推動該技術從實驗室向晶硅電池、窄帶隙光伏器件的產業(yè)化集成邁出關鍵一步。愛旭研發(fā)中心的工作人員對光子倍增技術在晶硅電池量產提效方面也做了比較深入的研究，下期將對光子倍增技術在光伏領域的應用進行介紹，敬請期待！
