UbiQD公司正在開發(fā)用于太陽能電池組件的新型聚合物封裝技術，通過集成熒光量子點來提升光伏性能。摻鐿鈣鈦礦材料CsPb (Cl???Br?)?具有量子裁剪下轉換特性，可將紫外光子轉換為近紅外光子，從而增加光電流。據(jù)報道，該技術集成到晶體硅光伏設備中可實現(xiàn)16%的相對功率提升。UbiQD計劃將這一技術融入聚合物封裝材料中，進一步優(yōu)化太陽能組件效率。

量子剪裁技術

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量子裁剪能將單個高能光子轉化為兩個低能光子，可提高傳統(tǒng)低帶隙太陽能光伏組件的能量產率。理想量子剪裁層能使光伏電池絕對太陽能功率轉換效率接近40%。

量子剪裁太陽能電池示意圖

展示量子剪裁層（Yb3?:CsPb (Cl???Br?)?）的工作原理：吸收太陽光中的藍/紫外光子，通過量子剪裁過程發(fā)射兩個近紅外光子。

左：量子剪裁能級圖 右：鐿摻雜鈣鈦礦涂層的吸收與發(fā)射光譜

摻Yb3?的CsPb (Cl???Br?)?是高效量子裁剪光學材料，能將吸收的藍/紫外光子重發(fā)射為兩個近紅外光子。其吸收邊可通過調整氯溴離子比例在400-500nm調節(jié)，量子裁剪效率高，光致發(fā)光量子產率（PLQY）可達195%，是極具工業(yè)應用潛力的量子裁剪技術。

量子裁剪的操作

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左：量子剪裁層量子裁剪層在組件中的位置和光傳輸影響

右：下轉換NIR光的發(fā)射和吸收過程

量子裁剪層位置：量子裁剪層被放置在太陽能電池組件的玻璃蓋板和EVA封裝層之間。

光傳輸影響：量子裁剪層吸收高能的紫外光/藍光，并將其轉換為低能的近紅外光。雖然會吸收部分光，但對組件整體的光傳輸效率影響很小，僅使光電流減少約0.19mA/cm2。

光學耦合效率：量子裁剪層發(fā)出的近紅外光中有72.0%被太陽能電池吸收，用于發(fā)電。

光子發(fā)射和吸收：量子裁剪層發(fā)出的光子有部分會直接被電池吸收，部分光子可能會先射向空氣-玻璃界面，然后通過反射再次進入組件并被電池吸收。

反射作用：空氣-玻璃界面會反射約60%的向外發(fā)射的光子，這些光子被反射回組件后增加了被電池吸收的機會，從而提高了光學耦合效率。

量子裁剪的光學特性

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模擬的光傳輸和耦合效率結果

對比量子剪裁層在玻璃上和電池上兩種位置的性能：

透射損失：0.19 mA cm?2（玻璃）； 0.23 mA cm?2（電池）

光學耦合效率：72.0%（玻璃）；76.7%（電池）

兩種量子剪裁層集成方案

兩種集成方式：

量子裁剪層沉積在玻璃蓋板內側：將量子裁剪層放置在組件的玻璃蓋板和EVA封裝層之間。這種設計的優(yōu)點是可以減少EVA封裝材料對紫外光/藍光的吸收，從而提高量子裁剪層的激發(fā)效率。

量子裁剪層直接沉積在太陽能電池表面：將量子裁剪層直接放置在c-Si太陽能電池的表面。這種設計的優(yōu)點是減少了光在組件中的傳輸路徑，但可能會受到EVA封裝材料的寄生吸收影響。

集成組件功率模擬

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實驗與模擬的EQE光譜對比

PERC電池和SHJ電池模擬得到的EQE光譜與實驗結果都非常接近，通過將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了模擬模型的準確性。研究人員可以確信模擬模型能夠可靠地預測光伏電池的光學性能。

兩種不同情況下晶體硅光伏組件的模擬EQE光譜

傳統(tǒng)PERC組件（無量子裁剪層）：（左圖）用虛線表示了光譜中不同波長光子的損失情況，包括被玻璃、EVA封裝層和其他組件部分吸收的光子（寄生吸收）、反射的光子以及進入組件后又逃逸出去的光子。

加入量子裁剪層的PERC組件：（右圖）同樣用虛線表示了光子的損失情況，但可以看到加入量子裁剪層后，組件對紫外光/藍光的吸收和轉換效率顯著提高。

通過對比傳統(tǒng)PERC組件和加入量子裁剪層后的組件的EQE光譜，直觀地展示了量子裁剪層在提高組件光電流和功率輸出方面的顯著效果。量子裁剪層通過減少寄生吸收和提高光子轉換效率，顯著提升了組件對紫外光/藍光的利用效率。

光伏組件在集成量子裁剪層（QC）前后性能變化的模擬結果

最佳配置：對于PERC和SHJ組件，將量子裁剪層放置在玻璃蓋板內側且使用UV阻擋EVA封裝材料時，功率提升最為顯著：PERC組件的功率提升為13.87%。SHJ組件的功率提升為16.27%。

UV阻擋EVA的作用：使用UV阻擋EVA封裝材料可以減少紫外光對電池的直接照射，從而提高量子裁剪層的激發(fā)效率，進一步提升組件性能。

本文通過實驗與模擬相結合的方法，深入研究了量子裁剪技術在晶體硅（c-Si）光伏組件中的應用潛力。當量子裁剪層放置在玻璃蓋板內側時，結合UV阻擋EVA封裝材料，PERC組件的功率輸出可提升13.87%，而SHJ組件的功率輸出更是可提升16.27%，量子剪裁技術展現(xiàn)出優(yōu)異的工業(yè)兼容性。

美能QE量子效率測試儀

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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素燈雙光源結構，保證光源穩(wěn)定性

美能QE量子效率測試儀能夠精確測量光伏材料和電池的外量子效率（EQE），為評估量子裁剪層的性能和優(yōu)化光伏組件設計提供關鍵數(shù)據(jù)。

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

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