在上一期中，作者简要分析了激子乘法技术的原理。在本期中，我们将重点介绍激子乘法技术的应用，尤其是在光伏技术领域。

由于在1950年代在半导体材料中发现了载体乘法现象[1]，因此激子乘法（MEG）技术已经迅速发展，为破坏传统光伏设备的冲击效率限制提供了新的方向。该技术的核心优势是显着提高光电转换效率，并且激子乘电池的理论效率可能超过44％[2]。但是，它的发展面临着多个挑战：它需要克服困难，例如界面处的材料稳定性和激子的能量损失。目前，激子加倍技术在第三代光伏设备中显示出良好的应用前景，并有望重塑光伏行业的结构。

1。激子加倍技术的优势和挑战

表1的比较激子乘电池和传统的结晶硅电池

与传统的结晶硅电池相比，激子乘电池的优势是其高理论效率（带隙0.7 eV，当激子乘6次时，效率为44.4％）[2]。但是，激子乘法电池的缺点也很明显。首先，激子乘数材料包括PBSE量子点，PBS量子点，CDSE量子点，四烯，五苯烯等。其中，量子点材料在湿度，热量和紫外线条件下不稳定[3]，而五苯苯乙烯则在暴露于空气和光线时会分解[4]。其次，尽管激子乘数材料产生更多的激子，但激子寿命（10-100 PS）比正常光伏材料（10-100 ns）短，并且载体分离和收集需要更快[5]。这为电池的材料和结构提出了新的要求。最后，与硅材料相比，某些激子倍增子材料的带隙相对较大，例如四苯基（3.0 eV）[6]和五苯基苯基（1.9 eV）[7]，导致光吸收范围较窄。

2。激子乘法技术的应用方案。简单的MEG电池和简单的传统结晶硅电池都有自己的局限性。但是，将两种材料组合在一起，希望进一步突破结晶硅电池的理论效率极限。基于这个想法，Einzinger等。设计了四苯基敏化的BC电池（图1A）[8]。高能光子被四苯基分子吸收，产生单线激子，并最终分成两个三胞胎激子。激子通过0.8 nm Hafnium氧化物（HFOXNY）膜进入BC细胞，并最终转换为电流。使用超薄膜层运输激子的想法最初是从物理学家戴维马云惹不起马云德克斯特（David Dexter）得出的[9]。超薄膜层可以实现有效的激子转移，但是它们通常无法实现有效的半导体（例如结晶硅）的钝化。 Einzinger和其他工作的亮点是发现有效的超薄钝化层，例如HFOXNY。尽管Einzinger和其他人制备的太阳能电池效率不高，并且具有许多需要优化的部分，但这项工作向我们展示了激子乘数材料敏化BC细胞的巨大应用潜力（理论效率为35％）[10]。 2025年5月，Baldo等人。进一步优化了激素繁殖材料敏化的结晶硅电池的结构，并在Joule [11]中发表了相关文章。这项工作的亮点是在四烯和硅之间引入了氧化铝（Alox）和二链苯胺（ZNPC）。 The charge separation state energy of the conduction band bottom of N-type silicon and the highest molecule of ZnPc occupies the charge separation state composed of 1.2 eV, which is located between the triplet energy of tetraphenyl (1.25 eV) and the band gap of crystalline silicon (1.1 eV) (Fig. 1b), which promotes the continuous transmission of charge from tetraphenyl to crystalline silicon.厚度为1 nm的Alox用于防止载体在结晶硅表面重新组合。最后，四苯基吸收的光子的最大电荷转化效率达到138％，远远超过了传统晶体硅太阳能电池的量子效率极限。

图1（a）四苯基敏化BC电池结构的示意图[12]，（b）四苯基敏化晶体硅电池的能级图[11]

除了上述解决方案外，还形成具有MEG材料和其他光伏材料的多结（层压）电池，也是提高效率的可行方法。 Lee等。使用细致的平衡理论来计算不同带盖中硅量子点（MEG）电池的理论效率。此外，根据他们的计算结果，MEG（6.9 nm硅量子点（1.38 eV））和两个连接电池的理论效率（分别为INAS（0.57 eV）分别是顶部和底部电池的光吸收材料）高达47.8％。 [13]

3。激子乘法技术的总结和前景激子乘法技术通过量子效应破坏了传统的效率瓶颈，但其工业化仍然需要解决核心问题，例如材料稳定性和载体运输。未来的研究指示包括：

■1。材料设计：开发高稳定性MEG材料；

■2。界面工程：优化MEG材料/电极接口，以促进提取和收集其他激子；

■3。组合应用：使用MEG材料加强BC电池或与BC电池形成堆叠电池，以获得更高的光伏效率。

Aixu R&D team has long been paying attention to the research progress of MEG materials and devices.我们认为，随着材料科学和超快光谱技术的发展，MEG及其相关技术有望在将来商业应用，将光伏效率推向了40％以上的新时代。

参考：

[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等。带有载体繁殖吸收器的光伏和光电解细胞的太阳转化效率，J。Appl。 Phys。2006，100，074510。

[3] Y. Y. W，H。W，H。T. G等。混合薄膜封装以改善稳定性

of PbS Quantum Dot Solar Cells, Small, 2024, 2404984.

[4] P. R. Rami，Pentacene:综合，性质和稳定性的衍生物，2019年。

[5] C. Smith和D. Binks，胶体纳米晶体中的多个激子产生，纳米材料，2014，4，19-45。

[6] P. J. Jadhav, A. Mohanty, J. Sussman et al.纳米结构的有机太阳能电池中的单重激子裂变，纳米莱特。 2011，11，1495。

[7] D. N. Congreve，J。Lee，N。J。Thompson，基于单元- 效果- 基于基于的有机光伏电池的外部量子效率高于100％，科学，2013，340，334。

[8] M. Einzinger，T。Wu和J. F. Kompalla等。四烯中的单线激子裂变对硅的敏化，自然，2019，571，90-94。

[9] D. L. Dexter，有关能量传递现象现象:离子对效应的两个想法，涉及OH伸展模式，以及光伏细胞的敏感性，J。Lumin。 1979，18-19，779–784。

[10] A. Rao，R。H. Friend，利用单线激子裂变打破了Shockley -Queisser Limit，Nat。牧师。 2017，2，17063。

[11] N. Nagaya, K. Lee and C. F. Perkinson et al.激子裂变增强的硅太阳能电池，焦耳，doi: 10.1016/j.joule.2025.101965。

[12] J. M. Luther和J. C. Johnson，《太阳能电池，自然》，新闻视图的令人兴奋的提升，2019年，第38-39页。

[13] J. W. Lee，S。M。Goodnick和C. B. Honsberg，硅基纳米结构太阳能电池的限制效率，用于多个激子生成，2013 IEEE，第39次光伏专家会议（PVSC），2013年，2013年，第16-21页。

作者：AIXU研发中心