一、引言： 突破熱力學極限的“光循環”魔法

單結太陽電池的效率極限約為 33.7%，這意味著即使是最理想的單結電池，也會浪費掉近70%的太陽能。這個看似嚴苛的限制，源自于兩個根本性的能量損失[1]：低于半導體帶隙的光子無法被吸收，而高于帶隙的光子則會將多余能量以熱的形式耗散，更糟糕的是，電池自身還會像小太陽一樣向太空輻射能量，形成 "能量越獄"。

基于拓寬光譜響應的第三代太陽電池的誕生，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，寬光譜響應的第三代光伏技術的核心策略是通過多能級能量轉換[2]來捕獲更廣泛的太陽光譜。然而太陽電池屬于交互系統，這意味著太陽電池吸收陽光的同時，必然會向太陽方向發射熱輻射，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，即讓材料對不同方向的光表現出不同特性。循環器（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，勢必會對整個光伏產業產生巨大影響。

二、循環器：光子的“單向收費站”

循環器的工作原理類似于高速公路的單向收費站，它能讓光信號沿著固定方向傳輸（如從端口 1 到 2、端口 2 到 3），卻嚴格禁止反向流動，其核心功能是實現光信號的定向傳輸，即入射到特定端口的光僅能從預設的下一端口輸出。在太陽電池系統中，循環器的設計初衷是解決輻射復合損失問題[4]：當電池吸收光產生載流子時，部分能量會以光子形式重新輻射（輻射復合，圖1，過程⑤），傳統電池中這些光子會直接耗散；而循環器可將輻射光子定向引導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標準太陽電池中的損耗過程：①不吸收帶隙以下的光子，②晶格熱化損失，③和④結和接觸電壓損失，⑤復合損失（非輻射復合不可避免）[4]

循環器設計依托于磁光晶體的旋磁特性以及法拉第旋轉效應[5,6]。當光信號或電信號進入循環器時，在外部恒定磁場（由永磁體產生）作用下，磁光晶體內部磁偶極子定向排列，致使穿過其中的信號極化方向發生旋轉。

在第三代太陽電池的應用場景中，引入循環器技術，將其特性得到了充分發揮。1980 年，科學家Harald Ries[7]首次提出將循環器與卡諾熱機結合的太陽能轉換系統（圖2）。他的設計中，循環器負責引導陽光進入卡諾熱機，同時阻止熱輻射反向傳播，理論效率可達93.3%。

圖 2 理想循環器和卡諾熱機轉換系統[7]

隨后Martin Green[8]簡化了這一設計：用多結太陽電池替代卡諾熱機（圖3），通過循環器讓每層電池只吸收特定能量的光子，同時將發射的熱輻射傳遞給下一層。就像流水線上的工人分工協作，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，而循環器確保沒有光子“偷懶”逃回太陽，這一設計為第三代太陽電池中疊層技術的效率提升提供了思路。

圖3使用循環器（左）打破時間反演對稱性，提升其極限串聯效率[8]

斯坦福大學的研究團隊[9]在2021年提出的非互易多結電池方案中，循環器扮演了關鍵角色。他們設計的系統由多個循環器和太陽電池層組成：當陽光進入第一個環形器，會被導向第一個電池層；該層未吸收的光繼續傳到下一個循環器和電池層；而各層產生的輻射則被循環器引導至專門的回收通道，重新用于發電（圖4），這種設計理論上能將太陽能轉換效率提升至蘭茨貝格極限—約93.3%。

圖4光伏循環器工作原理（a）基于循環器和卡諾發動機的Ries架構系統設計；（b）基于循環器與無限層數疊層電池的設計[9]

休斯敦大學的Zhao[10]團隊通過在光伏系統（圖5a）中插入具有非互易特性的中間層來提高系統的整體效率。此中間層耦合了循環器的功能（圖5b），通過抑制反向發射，它可以將更多的光子通量有效地引導至光伏電池，從而提高能量轉換效率。

圖5（a）非互易光伏系統；（b）非互易中間層耦合循環器功能[10]

三、挑戰與突破

（一）材料瓶頸

目前高性能的循環器主要依賴鐵氧體材料[11]，其具有較高的磁導率和較低的損耗，但體積大，不適合小型化應用。隨著技術進步，稀土石榴石等磁光材料[12]被投入使用，這類材料不僅成本高昂，加工工藝復雜，而且需要強大的外加磁場才能維持其非互易性。這使得循環器很難與低成本的薄膜太陽電池（如鈣鈦礦薄膜電池）兼容，大大限制了其在第三代太陽電池中的推廣應用。雖然科學家們正在積極探索Weyl半金屬[13,14]等新型材料，這類材料在無外磁場條件下就能表現出非互易性，有望成為下一代循環器核心材料，但目前相關研究仍處于實驗室階段，距離大規模商業化應用還有較長的路要走。

（二）穩定性挑戰

太陽電池需要在戶外環境中長時間工作，通常要求使用壽命達到 25 年以上，這就對循環器的穩定性提出了極高的要求。然而，現有的磁光材料在高溫、強光等惡劣環境下容易發生性能退化[15]，導致循環器的工作效率下降甚至失效。盡管實驗室中通過封裝保護和材料摻雜等手段，已將循環器的壽命從最初的幾百小時延長到了數千小時，但這與實際應用所需的25年使用壽命相比，仍有巨大的差距，如何進一步提升其在復雜戶外環境中的穩定性，是循環器技術應用于第三代太陽電池必須跨越的障礙。

四、未來愿景

將循環器技術引入第三代太陽電池中是光伏發展中的一項重要探索，為突破傳統太陽電池的效率瓶頸提供了獨特的解決方案。它憑借自身的非互易性，巧妙地調控光子的運動，減少能量的浪費，在疊層太陽電池等技術路線中展現出了巨大的潛力。

雖然目前循環器在材料、集成和穩定性等方面還面臨著諸多挑戰，但隨著新型材料的研發、微型化技術的進步以及穩定性提升手段的不斷創新，相信這些困難終將被逐步克服。未來，循環器技術有望與鈣鈦礦太陽電池、疊層電池等其他太陽電池技術深度融合、協同發展。

參考文獻

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