一、引言： 突破熱力學(xué)極限的“光循環(huán)”魔法
單結(jié)太陽(yáng)電池的效率極限約為 33.7%，這意味著即使是最理想的單結(jié)電池，也會(huì)浪費(fèi)掉近70%的太陽(yáng)能。這個(gè)看似嚴(yán)苛的限制，源自于兩個(gè)根本性的能量損失[1]：低于半導(dǎo)體帶隙的光子無(wú)法被吸收，而高于帶隙的光子則會(huì)將多余能量以熱的形式耗散，更糟糕的是，電池自身還會(huì)像小太陽(yáng)一樣向太空輻射能量，形成“能量越獄”。
基于拓寬光譜響應(yīng)的第三代太陽(yáng)電池的誕生，正是為了突破這一困境。與第一代單晶硅電池和第二代薄膜電池不同，寬光譜響應(yīng)的第三代光伏技術(shù)的核心策略是通過(guò)多能級(jí)能量轉(zhuǎn)換[2]來(lái)捕獲更廣泛的太陽(yáng)光譜。然而太陽(yáng)電池屬于交互系統(tǒng)，這意味著太陽(yáng)電池吸收陽(yáng)光的同時(shí)，必然會(huì)向太陽(yáng)方向發(fā)射熱輻射，造成不可避免的能量損失。要突破這一限制，必須引入“非互易性”[3]這一概念，即讓材料對(duì)不同方向的光表現(xiàn)出不同特性。循環(huán)器（Circulator）這種能讓光“單向行走”的神奇器件，可以引入至第三代電池中，這樣便有可能研制出高效低成本的光伏器件，勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大影響。
二、循環(huán)器：光子的“單向收費(fèi)站”：
循環(huán)器的工作原理類(lèi)似于高速公路的單向收費(fèi)站，它能讓光信號(hào)沿著固定方向傳輸（如從端口 1 到 2、端口 2 到 3），卻嚴(yán)格禁止反向流動(dòng)，其核心功能是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的定向傳輸，即入射到特定端口的光僅能從預(yù)設(shè)的下一端口輸出。在太陽(yáng)電池系統(tǒng)中，循環(huán)器的設(shè)計(jì)初衷是解決輻射復(fù)合損失問(wèn)題[4]：當(dāng)電池吸收光產(chǎn)生載流子時(shí)，部分能量會(huì)以光子形式重新輻射（輻射復(fù)合，圖1，過(guò)程⑤），傳統(tǒng)電池中這些光子會(huì)直接耗散；而循環(huán)器可將輻射光子定向引導(dǎo)至其他電池或能量回收裝置，從而減少能量損失并提升整體效率。
圖1標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池中的損耗過(guò)程：①不吸收帶隙以下的光子，②晶格熱化損失，③和④結(jié)和接觸電壓損失，⑤復(fù)合損失（非輻射復(fù)合不可避免）[4]
循環(huán)器設(shè)計(jì)依托于磁光晶體的旋磁特性以及法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)[5,6]。當(dāng)光信號(hào)或電信號(hào)進(jìn)入循環(huán)器時(shí)，在外部恒定磁場(chǎng)（由永磁體產(chǎn)生）作用下，磁光晶體內(nèi)部磁偶極子定向排列，致使穿過(guò)其中的信號(hào)極化方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
在第三代太陽(yáng)電池的應(yīng)用場(chǎng)景中，引入循環(huán)器技術(shù)，將其特性得到了充分發(fā)揮。1980 年，科學(xué)家Harald Ries[7]首次提出將循環(huán)器與卡諾熱機(jī)結(jié)合的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（圖2）。他的設(shè)計(jì)中，循環(huán)器負(fù)責(zé)引導(dǎo)陽(yáng)光進(jìn)入卡諾熱機(jī)，同時(shí)阻止熱輻射反向傳播，理論效率可達(dá)93.3%。
圖 2 理想循環(huán)器和卡諾熱機(jī)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[7]
隨后Martin Green[8]簡(jiǎn)化了這一設(shè)計(jì)：用多結(jié)太陽(yáng)電池替代卡諾熱機(jī)（圖3），通過(guò)循環(huán)器讓每層電池只吸收特定能量的光子，同時(shí)將發(fā)射的熱輻射傳遞給下一層。就像流水線上的工人分工協(xié)作，高能光子被頂層寬帶隙電池吸收，中低能光子被下層窄帶隙電池處理，而循環(huán)器確保沒(méi)有光子“偷懶”逃回太陽(yáng)，這一設(shè)計(jì)為第三代太陽(yáng)電池中疊層技術(shù)的效率提升提供了思路。
圖3使用循環(huán)器（左）打破時(shí)間反演對(duì)稱性，提升其極限串聯(lián)效率[8]
斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[9]在2021年提出的非互易多結(jié)電池方案中，循環(huán)器扮演了關(guān)鍵角色。他們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)由多個(gè)循環(huán)器和太陽(yáng)電池層組成：當(dāng)陽(yáng)光進(jìn)入第一個(gè)環(huán)形器，會(huì)被導(dǎo)向第一個(gè)電池層；該層未吸收的光繼續(xù)傳到下一個(gè)循環(huán)器和電池層；而各層產(chǎn)生的輻射則被循環(huán)器引導(dǎo)至專(zhuān)門(mén)的回收通道，重新用于發(fā)電（圖4），這種設(shè)計(jì)理論上能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率提升至蘭茨貝格極限—約93.3%。
圖4光伏循環(huán)器工作原理（a）基于循環(huán)器和卡諾發(fā)動(dòng)機(jī)的Ries架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（b）基于循環(huán)器與無(wú)限層數(shù)疊層電池的設(shè)計(jì)[9]
休斯敦大學(xué)的Zhao[10]團(tuán)隊(duì)通過(guò)在光伏系統(tǒng)（圖5a）中插入具有非互易特性的中間層來(lái)提高系統(tǒng)的整體效率。此中間層耦合了循環(huán)器的功能（圖5b），通過(guò)抑制反向發(fā)射，它可以將更多的光子通量有效地引導(dǎo)至光伏電池，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。
圖5（a）非互易光伏系統(tǒng)；（b）非互易中間層耦合循環(huán)器功能[10]
三、挑戰(zhàn)與突破
（一）材料瓶頸
目前高性能的循環(huán)器主要依賴鐵氧體材料[11]，其具有較高的磁導(dǎo)率和較低的損耗，但體積大，不適合小型化應(yīng)用。隨著技術(shù)進(jìn)步，稀土石榴石等磁光材料[12]被投入使用，這類(lèi)材料不僅成本高昂，加工工藝復(fù)雜，而且需要強(qiáng)大的外加磁場(chǎng)才能維持其非互易性。這使得循環(huán)器很難與低成本的薄膜太陽(yáng)電池（如鈣鈦礦薄膜電池）兼容，大大限制了其在第三代太陽(yáng)電池中的推廣應(yīng)用。雖然科學(xué)家們正在積極探索Weyl半金屬[13,14]等新型材料，這類(lèi)材料在無(wú)外磁場(chǎng)條件下就能表現(xiàn)出非互易性，有望成為下一代循環(huán)器核心材料，但目前相關(guān)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路要走。
（二）穩(wěn)定性挑戰(zhàn)
太陽(yáng)電池需要在戶外環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作，通常要求使用壽命達(dá)到 25 年以上，這就對(duì)循環(huán)器的穩(wěn)定性提出了極高的要求。然而，現(xiàn)有的磁光材料在高溫、強(qiáng)光等惡劣環(huán)境下容易發(fā)生性能退化[15]，導(dǎo)致循環(huán)器的工作效率下降甚至失效。盡管實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)封裝保護(hù)和材料摻雜等手段，已將循環(huán)器的壽命從最初的幾百小時(shí)延長(zhǎng)到了數(shù)千小時(shí)，但這與實(shí)際應(yīng)用所需的25年使用壽命相比，仍有巨大的差距，如何進(jìn)一步提升其在復(fù)雜戶外環(huán)境中的穩(wěn)定性，是循環(huán)器技術(shù)應(yīng)用于第三代太陽(yáng)電池必須跨越的障礙。
四、未來(lái)愿景
將循環(huán)器技術(shù)引入第三代太陽(yáng)電池中是光伏發(fā)展中的一項(xiàng)重要探索，為突破傳統(tǒng)太陽(yáng)電池的效率瓶頸提供了獨(dú)特的解決方案。它憑借自身的非互易性，巧妙地調(diào)控光子的運(yùn)動(dòng)，減少能量的浪費(fèi)，在疊層太陽(yáng)電池等技術(shù)路線中展現(xiàn)出了巨大的潛力。
雖然目前循環(huán)器在材料、集成和穩(wěn)定性等方面還面臨著諸多挑戰(zhàn)，但隨著新型材料的研發(fā)、微型化技術(shù)的進(jìn)步以及穩(wěn)定性提升手段的不斷創(chuàng)新，相信這些困難終將被逐步克服。未來(lái)，循環(huán)器技術(shù)有望與鈣鈦礦太陽(yáng)電池、疊層電池等其他太陽(yáng)電池技術(shù)深度融合、協(xié)同發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] Yang G, Liu W, Bao Y, et al. Performance optimization of In(Ga) As quantum dot intermediate band solar cells[J]. Discover Nano, 2023, 18(1): 67.
[2] 阮瑜, 張汝民, 李政伊, 等. 第三代太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率提高方法[J]. 太陽(yáng)能, 2015, (01): 43-47.
[3] Amy C, Seyf H R, Steiner M A, et al. Thermal energy grid storage using multi-junction photovoltaics[J]. Energy & Environmental Science, 2019, 12(1): 334-343.
[4] Conibeer G. Third-generation photovoltaics[J]. Materials today, 2007, 10(11): 42-50.
[5] 原榮. 光通信技術(shù)講座——(五): WDM系統(tǒng)光節(jié)點(diǎn)器件[J]. 光通信技術(shù), 2003, (05): 52-54.
[6] 田燕寧, 方強(qiáng), 王永昌. 雙通道光環(huán)形器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及理論分析[J]. 中國(guó)激光, 2004, (11): 1398-1402.
[7] Landsberg P T, Tonge G. Thermodynamic energy conversion efficiencies[J]. J Appl Phys, 1980, 51(7): R1−R20.
[8] Green M A. Third generation photovoltaics: comparative evaluation of advanced solar conversion options[C]. Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002. IEEE, 2002: 1330-1334.
[9] Park Y, Zhao B, Fan S. Reaching the ultimate efficiency of solar energy harvesting with a nonreciprocal multijunction solar cell[J]. Nano Letters, 2021, 22(1): 448-452.
[10] Jafari Ghalekohneh S, Zhao B. Nonreciprocal solar thermophotovoltaics[J]. Physical Review Applied, 2022, 18(3): 034083.
[11] Hashemi B, Alizadeh A H. Design, Simulation, and Optimization of Polarizationâ Independent Fourâ Port Optical Waveguide Circulator Based on a Ferrite Material[J]. International Journal of Optics, 2022, 2022(1): 4381341.
[12] Portela G, Levy M, Hernandez-Figueroa H E. Magnetless optical circulator based on an iron garnet with reduced magnetization saturation[J]. Molecules, 2021, 26(15): 4692.
[13] Armitage N P, Mele E J, Vishwanath A. Weyl and dirac semimetals in three- dimensional solids[J]. Rev Mod Phys, 2018,90(1): 015001.
[14] Hosur P, Qi X L. Recent developments in transport phenomena in Weyl semimetals[J]. C R Phys, 2013, 14(9-10):857−870.
[15] Han J, Zhu A, Wang H. Nonreciprocal absorption properties of a magneto-optical microstructure with suppressed photothermal effects[J]. Optics Communications, 2023, 545: 129666.
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