近日，日本京都大学团队通过执行概念验证（POC），说明一种含有上转换纳米粒子（以下简称UCNP）的水凝胶可以提高太阳能电池的效率。在该多结太阳能电池中，UCNP凝胶充当粘合剂，将硅薄膜表层与硅太阳电池晶片粘合在一起。在一般太阳能电池中，长波长光往往逃脱电池的捕获，但堆叠结构中的UCNP可以将长波长光转换成较短波长的光，最终被电池捕获并将光能转化为电能。
图1 半导体层与上转换纳米粒子基质的结合提高了多结太阳能电池的效率
对半导体波长转换器接口可视化后，该团队负责人Katsuaki Tanabe及其同事观察到了激光辐射显著增强光电流的现象。该团队认为，晶圆键合技术可以用于太阳能集中器，并将波长精确传递给光电设备中的各个组件。
晶圆键合技术
在传统的多结太阳能电池中，各层使用气相生长方法相互融合。然而，由于相似的晶格常数能够产生光吸收所需的光带隙，这种方法要求太阳能电池中的各个材料具有合适的晶格常数。晶格常数的不匹配导致太阳能电池产生热应力以及较低的能量转换效率。
为了突破晶格匹配的限制，Tanabe团队想到了晶圆键合技术——一种制造发光二极管等异质结构器件的方法。
此外，该团队利用叠层多结太阳能电池测试晶圆键合方法是否合适。这种POC结构由表层硅薄膜以及硅太阳能电池晶片构成，并利用稀土掺杂的UCNPs凝胶将各个层结合。
理论上，UCNP矩阵可以作为一个光学转换结构，使透过上层子电池的红外光波长变短，并使其被下层太阳能电池晶片吸收。
真实光演示
该团队模拟日照环境，并测试使用和未使用UCNP的硅多结太阳能电池的性能。通过比较两组电池的测试结果，他们得到这种光学转换材料的具体光电性质。
此外，他们发现，980纳米的模拟阳光并没有携带足够多的光子，激光波长可以启动纳米粒子的上转换功能。因此，他们发现，在模拟阳光下，基于UNPC的太阳能电池产生了非常少的光电流增益。而980纳米的激光照射实验充分触发了上转换功能，并导致基于UNPC的太阳能电池产生较多的光电流增益。
应用前景
基于此，该团队得出结论，在传统多结太阳能电池中，利用UCNP基质进行晶圆键合并不理想，然而，这项技术可以在太阳能集中器光伏电池中得以应用。
除了硅多结太阳能电池，该团队还制造了几种不同的堆叠式光电设备，以表明晶圆键合技术可以为设计工程师提供更多可能，在不牺牲能量转换效率从的前提下，他们可以使用各种半导体材料制作太阳能电池。