前沿光伏技术之循环器：第三代太阳电池效率革命的 “隐形推手”

　　单结太阳电池的效率极限约为 33.7%，这意味着即使是最理想的单结电池，也会浪费掉近70%的太阳能。这个看似严苛的限制，源自于两个根本性的能量损失[1]：低于半导体带隙的光子无法被吸收，而高于带隙的光子则会将多余能量以热的形式耗散，更糟糕的是，电池自身还会像小太阳一样向太空辐射能量，形成“能量越狱”。

　　基于拓宽光谱响应的第三代太阳电池的诞生，正是为了突破这一困境。与第一代单晶硅电池和第二代薄膜电池不同，宽光谱响应的第三代光伏技术的核心策略是通过多能级能量转换[2]来捕获更广泛的太阳光谱。然而太阳电池属于交互系统，这意味着太阳电池吸收阳光的同时，必然会向太阳方向发射热辐射，造成不可避免的能量损失。要突破这一限制，必须引入“非互易性”[3]这一概念，即让材料对不同方向的光表现出不同特性。循环器（Circulator）这种能让光“单向行走”的神奇器件，可以引入至第三代电池中，这样便有可能研制出高效低成本的光伏器件，势必会对整个光伏产业产生巨大影响。

　　循环器的工作原理类似于高速公路的单向收费站，它能让光信号沿着固定方向传输（如从端口 1 到 2、端口 2 到 3），却严格禁止反向流动，其核心功能是实现光信号的定向传输，即入射到特定端口的光仅能从预设的下一端口输出。在太阳电池系统中，循环器的设计初衷是解决辐射复合损失问题[4]：当电池吸收光产生载流子时，部分能量会以光子形式重新辐射（辐射复合，图1，过程⑤），传统电池中这些光子会直接耗散；而循环器可将辐射光子定向引导至其他电池或能量回收装置，从而减少能量损失并提升整体效率。

　　图1标准太阳电池中的损耗过程：①不吸收带隙以下的光子，②晶格热化损失，③和④结和接触电压损失，⑤复合损失（非辐射复合不可避免）[4]

　　循环器设计依托于磁光晶体的旋磁特性以及法拉第旋转效应[5,6]。当光信号或电信号进入循环器时，在外部恒定磁场（由永磁体产生）作用下，磁光晶体内部磁偶极子定向排列，致使穿过其中的信号极化方向发生旋转。

　　在第三代太阳电池的应用场景中，引入循环器技术，将其特性得到了充分发挥。1980 年，科学家Harald Ries[7]首次提出将循环器与卡诺热机结合的太阳能转换系统（图2）。他的设计中，循环器负责引导阳光进入卡诺热机，同时阻止热辐射反向传播，理论效率可达93.3%。

　　随后Martin Green[8]简化了这一设计：用多结太阳电池替代卡诺热机（图3），通过循环器让每层电池只吸收特定能量的光子，同时将发射的热辐射传递给下一层。就像流水线上的工人分工协作，高能光子被顶层宽带隙电池吸收，中低能光子被下层窄带隙电池处理，而循环器确保没有光子“偷懒”逃回太阳，这一设计为第三代太阳电池中叠层技术的效率提升提供了思路。

　　斯坦福大学的研究团队[9]在2021年提出的非互易多结电池方案中，循环器扮演了关键角色。他们设计的系统由多个循环器和太阳电池层组成：当阳光进入第一个环形器，会被导向第一个电池层；该层未吸收的光继续传到下一个循环器和电池层；而各层产生的辐射则被循环器引导至专门的回收通道，重新用于发电（图4），这种设计理论上能将太阳能转换效率提升至兰茨贝格极限约93.3%。

　　图4光伏循环器工作原理（a）基于循环器和卡诺发动机的Ries架构系统设计；（b）基于循环器与无限层数叠层电池的设计[9]

　　休斯敦大学的Zhao[10]团队通过在光伏系统（图5a）中插入具有非互易特性的中间层来提高系统的整体效率。此中间层耦合了循环器的功能（图5b），通过抑制反向发射，它可以将更多的光子通量有效地引导至光伏电池，从而提高能量转换效率。

　　目前高性能的循环器主要依赖铁氧体材料[11]，其具有较高的磁导率和较低的损耗，但体积大，不适合小型化应用。随着技术进步，稀土石榴石等磁光材料[12]被投入使用，这类材料不仅成本高昂，加工工艺复杂，而且需要强大的外加磁场才能维持其非互易性。这使得循环器很难与低成本的薄膜太阳电池（如钙钛矿薄膜电池）兼容，大大限制了其在第三代太阳电池中的推广应用。虽然科学家们正在积极探索Weyl半金属[13,14]等新型材料，这类材料在无外磁场条件下就能表现出非互易性，有望成为下一代循环器核心材料，但目前相关研究仍处于实验室阶段，距离大规模商业化应用还有较长的路要走。

　　太阳电池需要在户外环境中长时间工作，通常要求使用寿命达到 25 年以上，这就对循环器的稳定性提出了极高的要求。然而，现有的磁光材料在高温、强光等恶劣环境下容易发生性能退化[15]，导致循环器的工作效率下降甚至失效。尽管实验室中通过封装保护和材料掺杂等手段，已将循环器的寿命从最初的几百小时延长到了数千小时，但这与实际应用所需的25年使用寿命相比，仍有巨大的差距，如何进一步提升其在复杂户外环境中的稳定性，是循环器技术应用于第三代太阳电池必须跨越的障碍。

　　将循环器技术引入第三代太阳电池中是光伏发展中的一项重要探索，为突破传统太阳电池的效率瓶颈提供了独特的解决方案。它凭借自身的非互易性，巧妙地调控光子的运动，减少能量的浪费，在叠层太阳电池等技术路线中展现出了巨大的潜力。

　　虽然目前循环器在材料、集成和稳定性等方面还面临着诸多挑战，但随着新型材料的研发、微型化技术的进步以及稳定性提升手段的不断创新，相信这些困难终将被逐步克服。未来，循环器技术有望与钙钛矿太阳电池、叠层电池等其他太阳电池技术深度融合、协同发展。

　　上期文章笔者已经对激子倍增技术原理进行了浅析，本期将从激子倍增技术的优势与挑战出发，着重介绍激子倍增技术的应用，尤其是在光伏领域中的应用。

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