光子倍增技术核心：量子裁剪在镱掺杂金属卤化物钙钛矿中的光线追踪分析，16.27%功率跃升

 

UbiQD公司正在开发用于太阳能电池组件的新型聚合物封装技术，通过集成荧光量子点来提升光伏性能。掺镱钙钛矿材料 CsPb (Cl₁₋ₓBrₓ)₃具有量子裁剪下转换特性，可将紫外光子转换为近红外光子，从而增加光电流。据报道，该技术集成到晶体硅光伏设备中可实现16%的相对功率提升。UbiQD计划将这一技术融入聚合物封装材料中，进一步优化太阳能组件效率。

量子剪裁技术

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量子裁剪能将单个高能光子转化为两个低能光子，可提高传统低带隙太阳能光伏组件的能量产率。理想量子剪裁层能使光伏电池绝对太阳能功率转换效率接近40% 。
 

量子剪裁太阳能电池示意图

 

 

展示量子剪裁层（Yb³⁺:  CsPb (Cl₁₋ₓBrₓ)₃）的工作原理：吸收太阳光中的蓝/紫外光子，通过量子剪裁过程发射两个近红外光子。

 

 

左：量子剪裁能级图  右：镱掺杂钙钛矿涂层的吸收与发射光谱

 

 

掺 Yb³⁺的 CsPb (Cl₁₋ₓBrₓ)₃是高效量子裁剪光学材料，能将吸收的蓝/紫外光子重发射为两个近红外光子。其吸收边可通过调整氯溴离子比例在400-500nm调节，量子裁剪效率高，光致发光量子产率（PLQY）可达 195%，是极具工业应用潜力的量子裁剪技术。

量子裁剪的操作

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左：量子剪裁层量子裁剪层在组件中的位置和光传输影响

 

 

右：下转换NIR光的发射和吸收过程

 

 

量子裁剪层位置：量子裁剪层被放置在太阳能电池组件的玻璃盖板和EVA封装层之间。

 

 

光传输影响：量子裁剪层吸收高能的紫外光/蓝光，并将其转换为低能的近红外光。虽然会吸收部分光，但对组件整体的光传输效率影响很小，仅使光电流减少约0.19mA/cm²。

 

 

光学耦合效率：量子裁剪层发出的近红外光中有72.0%被太阳能电池吸收，用于发电。

 

 

光子发射和吸收：量子裁剪层发出的光子有部分会直接被电池吸收，部分光子可能会先射向空气-玻璃界面，然后通过反射再次进入组件并被电池吸收。

 

 

反射作用：空气-玻璃界面会反射约60%的向外发射的光子，这些光子被反射回组件后增加了被电池吸收的机会，从而提高了光学耦合效率。

量子裁剪的光学特性

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模拟的光传输和耦合效率结果

 

 

对比量子剪裁层在玻璃上和电池上两种位置的性能：

 

 

透射损失：0.19 mA cm⁻²（玻璃）； 0.23 mA cm⁻²（电池）

 

 

光学耦合效率：72.0%（玻璃）；76.7%（电池）

 

 

两种量子剪裁层集成方案

 

 

两种集成方式：

 

 

量子裁剪层沉积在玻璃盖板内侧：将量子裁剪层放置在组件的玻璃盖板和EVA封装层之间。这种设计的优点是可以减少EVA封装材料对紫外光/蓝光的吸收，从而提高量子裁剪层的激发效率。

 

 

量子裁剪层直接沉积在太阳能电池表面：将量子裁剪层直接放置在c-Si太阳能电池的表面。这种设计的优点是减少了光在组件中的传输路径，但可能会受到EVA封装材料的寄生吸收影响。

集成组件功率模拟

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实验与模拟的EQE光谱对比

 

 

PERC电池和SHJ电池模拟得到的EQE光谱与实验结果都非常接近，通过将模拟结果与实验数据进行对比，验证了模拟模型的准确性。研究人员可以确信模拟模型能够可靠地预测光伏电池的光学性能。

 

 

两种不同情况下晶体硅光伏组件的模拟EQE光谱

 

 

传统PERC组件（无量子裁剪层）：（左图）用虚线表示了光谱中不同波长光子的损失情况，包括被玻璃、EVA封装层和其他组件部分吸收的光子（寄生吸收）、反射的光子以及进入组件后又逃逸出去的光子。

 

 

加入量子裁剪层的PERC组件：（右图）同样用虚线表示了光子的损失情况，但可以看到加入量子裁剪层后，组件对紫外光/蓝光的吸收和转换效率显著提高。

 

 

通过对比传统PERC组件和加入量子裁剪层后的组件的EQE光谱，直观地展示了量子裁剪层在提高组件光电流和功率输出方面的显著效果。量子裁剪层通过减少寄生吸收和提高光子转换效率，显著提升了组件对紫外光/蓝光的利用效率。

 

 

光伏组件在集成量子裁剪层（QC）前后性能变化的模拟结果

 

 

最佳配置：对于PERC和SHJ组件，将量子裁剪层放置在玻璃盖板内侧且使用UV阻挡EVA封装材料时，功率提升最为显著：PERC组件的功率提升为13.87%。SHJ组件的功率提升为16.27%。

 

 

UV阻挡EVA的作用：使用UV阻挡EVA封装材料可以减少紫外光对电池的直接照射，从而提高量子裁剪层的激发效率，进一步提升组件性能。

 

 

本文通过实验与模拟相结合的方法，深入研究了量子裁剪技术在晶体硅（c-Si）光伏组件中的应用潜力。当量子裁剪层放置在玻璃盖板内侧时，结合UV阻挡EVA封装材料，PERC组件的功率输出可提升13.87%，而SHJ组件的功率输出更是可提升16.27%，量子剪裁技术展现出优异的工业兼容性。

美能QE量子效率测试仪

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美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

 

 

兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求

 

 

光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

 

 

氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

 

 

美能QE量子效率测试仪能够精确测量光伏材料和电池的外量子效率（EQE），为评估量子裁剪层的性能和优化光伏组件设计提供关键数据。

 

 

原文参考：Ray-Tracing Analysis of Module-Level Power Generation from Quantum-Cutting Ytterbium-Doped Metal-Halide Perovskites

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