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作者：愛旭研發中心
上期文章筆者已經對激子倍增技術原理進行了淺析，本期將從激子倍增技術的優勢與挑戰出發，著重介紹激子倍增技術的應用，尤其是在光伏領域中的應用。
自從20世紀50年代在半導體材料中發現載流子倍增現象[1]，激子倍增（MEG）技術得到快速發展，為突破傳統光伏器件的肖克利-奎伊瑟效率極限提供了新方向。該技術的核心優勢在于顯著提升光電轉化效率，激子倍增電池理論效率可超過44%[2]。然而，其發展面臨多重挑戰：需攻克材料穩定性、激子在界面能量損失等難題。目前，激子倍增技術已在第三代光伏器件中展現良好的應用前景，有望重塑光伏產業格局。
一、激子倍增技術的優勢與挑戰
表一 激子倍增電池和傳統晶硅電池對比
相比傳統的晶硅電池，激子倍增電池的優勢在于高的理論效率（帶隙0.7 eV，激子6倍倍增時，效率44.4%）[2]。但是，激子倍增電池的不足之處也同樣明顯。首先，激子倍增材料包括PbSe量子點、 PbS量子點、CdSe量子點和并四苯、并五苯等。其中，量子點材料在濕度、熱、紫外光照條件下并不穩定[3]，并五苯暴露在空氣和光下會分解[4]。其次，激子倍增材料產生更多激子的同時，激子壽命(10-100 ps)比正常光伏材料（10-100 ns）更短，需要更快地將載流子分離與收集[5]。這對電池的材料與結構提出了新的要求。最后，相比硅材料，部分激子倍增材料帶隙偏大，例如并四苯(3.0 eV)[6]、并五苯（1.9 eV）[7]，導致光吸收范圍變窄。
二、激子倍增技術的應用場景
單純的MEG電池，以及單純的傳統晶硅電池，都存在自身的限制。但將兩種材料組合，就有希望進一步突破晶硅電池的理論效率極限。基于這個思路，Einzinger等設計了一種并四苯敏化的BC電池（圖1a）[8]。高能光子被并四苯分子吸收，產生單線態激子，并最終分裂成兩個三線態激子。激子通過0.8 nm 氮氧化鉿（HfOxNy）薄膜進入BC電池，最終轉化成電流。使用超薄膜層來傳輸激子的設想最初來源于物理學家David Dexter[9]。超薄膜層能實現有效激子轉移，但往往無法實現對晶硅等半導體的有效鈍化。Einzinger等工作的亮點在于發現了HfOxNy這種有效的超薄鈍化層。雖然Einzinger等制備的太陽電池效率不高，有許多需要優化的部分，但該工作為我們展現了激子倍增材料敏化BC電池巨大的應用潛力(理論效率35%)[10]。2025年5月，Baldo等進一步優化了激子倍增材料敏化晶硅電池結構，相關文章發表在Joule上[11]。該工作的亮點是在并四苯和硅之間引入氧化鋁（AlOx）和酞菁鋅（ZnPc）。N型硅的導帶底和ZnPc的最高分子占據軌道組成的電荷分離態能量為1.2 eV，位于并四苯的三線態能量（1.25 eV）和晶硅的帶隙（1.1 eV）之間（圖1b），促進電荷從并四苯向晶硅連續傳輸。1 nm厚度的AlOx用于阻止載流子在晶硅表面復合。最終，并四苯吸收的光子，最高電荷轉換效率達到138%，遠遠超過了傳統晶硅太陽電池的量子效率極限。
圖1 (a)并四苯敏化BC電池結構示意圖[12], (b) 并四苯敏化晶硅電池能級圖[11]
除了上述方案，將MEG材料與其他光伏材料組成多結（疊層）電池也是一種可行的提效路徑。Lee 等使用細致平衡理論計算了不同帶隙硅量子點（MEG）電池的理論效率。另外，根據他們的計算結果，MEG (6.9 nm 硅量子點（1.38 eV）)和其他材料組成的兩結電池（InAs（0.57eV）分別作為頂、底電池的吸光材料），理論效率高達47.8%。[13]
三、激子倍增技術的總結與展望
激子倍增技術通過量子效應突破傳統效率瓶頸，但其產業化仍需解決材料穩定性、載流子輸運等核心問題。未來研究方向包括：
■1. 材料設計：開發高穩定性的MEG材料；
■2. 界面工程：優化MEG材料/電極界面，促進額外激子的提取和收集；
■3. 組合應用：使用MEG材料強化BC電池 或者與BC電池組成疊層電池，獲得更高的光伏效率。
愛旭研發團隊長期關注MEG材料、器件的研究進展。我們相信，隨著材料科學和超快光譜技術的進步，MEG及其相關技術有望未來實現商業化應用，推動光伏效率邁向40%以上的新紀元。
參考文獻：
[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.
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