在光伏電池的設計中，已經比較充分地考慮了這一因素的影響，在電池設計中追求“電流垂直走，光線橫著行”。比如在電池背面增加光反射的設計結構、改變入射光和反射光的路徑，使之盡可能增加光線在硅片中的傳輸距離的設計、盡量使電流傳輸的方向與電池平面垂直的設計等等。我們在光伏組件的設計中，基本上仍然是沿用這一思路。

措施1

，將層壓材料的折射率設計成階梯漸變類型，使入射光多次折射進入電池，由于光路的折射，形成一個有利于將更大角度入射光導入電池的“光漏斗”，在組件內部形成一種陷光結構，更有效地將斜射光導入電池，同時減少光線逸出，以產生更多的電能(圖7)。

圖7 階梯折射率設計示意

措施2

，在背板表面設計出一些“凹坑”，用以改變反射光的方向，增加光線在電池中傳輸路程。

圖8 背板凹坑設計示意

三、減小電池的內連接和引出連接電阻

剛才提到的，用于全背電極電池，帶有印制電路的光伏背板能做到比傳統光伏組件小的多的串聯電阻，這是該類型電池背板的一個突出優勢(圖8)。

四、光量子增量技術

1.利用光量子上轉換技術可能得到的電能增量

圖9給出的是AM1.5太陽光量子譜曲線。我們用3條垂線將太陽光譜曲線劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，4個區域，這4個區域的面積分別用S1、S2、S3和S4表示。區域的面積反映的是波長在這個區間的光量子數目。

對于晶體硅材料電池，位于區域Ⅰ的光量子具有較高的能量，單單從能量的角度看，區域Ⅰ的每個光量子具有足以在硅材料中激發2對電子-空穴對的能量;區域Ⅱ的光量子，一個光量子最多可以在硅材料中激發出一對空穴-電子對，多余的能量通過電子馳豫，傳遞給晶格，轉化成熱量損失掉;區域Ⅲ、Ⅳ的光量子的能量不足以激發硅材料價帶中的電子到導帶，通常情況下不能被晶體硅光伏電池利用。

位于區域Ⅱ的光量子數約占陽光中中量子數的48%，我們暫時不去管它。

圖9 AM1.5量子光譜及分區

光量子增量技術主要是針對區域Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的光量子，區域Ⅲ、Ⅳ是波長大于1100nm的紅外光量子，這部分光量子約占地面陽光的39%。粗略地說，在這個區域，每兩個光量子的能量相加大于可能產生一個硅材料可以吸收的光量子。

將兩個以上光量子的能量疊加后激發出一對電子-空穴對的技術通常稱作“上轉換”技術。所謂上轉換技術，就是給波長大于1100nm的紅外光光量子創造條件，使得兩個或兩個以上的紅外光光量子協同激發出波長在550nm-1100nm范圍的晶體硅光伏電池可以利用的光量子，增加量子產額。圖10。

圖10 上轉換原理圖

上轉換的有多種機理，有些理解起來還比較復雜。形象地說，上轉換就相當于給電子或離子搭一把“梯子”，使電子/離子可以借助梯子的“橫擋”經過幾次激發達到較高的能級。當電子由較高能級直接躍遷至較低能級時，便發射一個較短波長的高能量光子，從而實現光量子的上轉換。

可以充當“梯子”的材料，通常有稀土元素、半導體量子點和有機染料分子;稀土元素的電子結構一般可表示為：[Xe]4f0-145d0-16s2，由于6s、5d電子層的屏蔽作用，4f電子殼層沒有發生簡并，依然保持分立能級的狀態，也就是我們需要的電子激發的能級梯子;半導體量子點由于納米顆粒的尺度效應而產生一系列分立的能級，也能形成我們所需要的能級梯子;有機染料分子的相應能級結構則來源于分子共軛體系和分子軌道，通過適當地組合，就能達到多個光量子多次接力激發，使電子激發到較高能級。

隨后隨著電子躍遷至較低能級，發射出一個能量較高的光量子，實現光量子的上轉換。圖10示意了3種最簡單的激發原理。一是多次接力激發，將電子激發至較高能級;二是非復合耦合激發，一個電子躍遷時其能量不經過輻射直接激發另一個電子到更高能級;第三是概率雪崩激發，較高能級上的電子躍遷可以經過無輻射耦合激發一個以上的電子到暫穩能級，光也能激發電子到暫穩能級，處于暫穩能級上的電子多了，則吸收輻射躍遷至較高能級的概率也就大了。

為了“定制”需要轉換的光譜帶到所需要的光譜帶，我們可以使用不同的材料，設計不同的能級組合，達到較高的激發效率。

目前的上轉換研究成果，其轉換效率還不是太理想，在整個紅外段一般只能做到1%左右。這樣算下來，晶體硅光伏電池通過上轉換技術可以獲得的功率輸出，即上轉換增加功率的比例：

δ上=k[（S3+S4）/2*0.01]/（S1+S2）=0.32%

如果考慮地面反射，取k值為1.2。則

δ上=k[（S3+S4）/2×0.01]/（S1+S2）=1.2×0.32%≈0.38%

則上轉換可能增加的功率輸出約為0.38%。

2.利用光量子下轉換技術可能得到的電能增量

相比光量子能量的上轉換，光量子能量下轉換比較容易實現。在圖9中的區域Ⅰ，該區域的光量子的能量可以將電子或離子激發至較高的能級，如果被激發的電子或離子通過一個暫穩態發生兩次躍遷，就有可能發射出兩個光量子，這個倍增的光量子就會在光伏電池中產生倍增的電流。因此對光量子下轉換的任務是，創造條件使波長小于550nm的一個光量子激發出一個以上的波長在550nm-1100nm范圍的光量子，即所謂實現光的下轉換。

光量子下轉換的原理圖如圖11：

圖11 光量子下轉換示意圖

圖11中，電子激發-躍遷的過程與上轉換中電子躍遷的過程相類似。簡單地說，下轉換的實質就是借助一個能級的“臺階”，使激發到較高能級的電子“分兩次”躍遷至較低能級，產生兩個光量子，去激發半導體硅中價帶中的電子到導帶。從熱力學的觀點看，能量降低、熵增加的過程總是比較容易進行的，因此，目前下轉換的效率比較上轉換要高。

圖12 光轉換實驗測試曲線

圖13 組件效率有可能超過電池的效率

圖12是明冠新材料做的一個實驗，在PO膜中添加“1號轉光粉”共混成膜，測試PO膜的量子數反光率。曲線形狀與電池的量子光譜響應曲線非常相似。曲線中短波段降低的反射率是因為光子被轉光劑所吸收，長波段的增加是因為長波光子的增加。

圖中兩個三角形的面積比接近1：1，考慮到轉光離子發射光的無序性，即有約一半的轉換光是檢測設備檢測不到的，實際的轉光粒子數的比值是大于1的，也就是說平均一個短波光的光子激發出了一個以上的長波光子。只要在調整一下轉光的頻段，便可能得到更多額外的光量子。由實驗數據換算，該樣品在特征頻率處約有3%~4%的光量子參與了轉換，得到了約6%的光量子增量。計算一下，包括上轉換和下轉換，只要我們能凈增加3%的光量子數，我們光伏組件的光電轉換效率就會接近甚至超過光伏電池的光電轉換效率!