# Why Two Solar Cell Layers Can Harvest More Light

By DUSK

Topic: Physics & Chemistry

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## Guide

### 1. 光子带着不同的能量

阳光由许多叫“光子”的小能量包组成。蓝紫光的光子能量高，红光较低，看不见的红外光更低。上方的彩带把混在一起的阳光按能量摊开：彩带越高，那种光子越多。

示意：真实阳光是混合到达的；这里把颜色分开，好让你看清。

### 2. 单层电池：太弱的穿过，太强的变热

硅电池有一道能量“门槛”，叫带隙，约1\.1电子伏。低于门槛的光子通常直接穿过去，没被利用。高于门槛的光子被吸收，但多出来的能量很快变成热（橙色光晕），并不会变成更高的电压。

电子伏（eV）是专门用来衡量单个光子的极小能量单位。

### 3. 顶层先接住高能光子

叠层电池在硅上面再放一层带隙更宽的薄膜，这里以钙钛矿为例。它吸收蓝、绿这类高能光子；因为门槛更高，变成热而浪费的能量更少。能量不够的光子会穿过它继续往下走。

试试右侧的“顶层带隙”预设，看琥珀色门槛线怎样移动。

### 4. 穿过来的光子喂给硅

顶层对较低能量的光子几乎是透明的，所以红光和一部分近红外光仍能到达下面的硅并被吸收。比硅的门槛还低的光子依然穿过去。两层分工，把同一束阳光分成两份来用。

### 5. 串联：两层的电流要对得上

常见的两端叠层电池把两层串联，像接力：顶层的一种电荷和硅层的另一种电荷在中间连接层相遇复合。两层的电压相加，但必须流过同一个电流，所以产生电流较少的那一层决定整体电流。左边三根光柱分别是顶层、硅层和整体电流（归一化）。

电流不能简单相加，多出的那部分用不上。换个顶层带隙预设，看看哪一层变成瓶颈。

### 6. 机会与现实中的挑战

把光分给两层，理论上能比单层用到更多的阳光能量，这就是研究者看好叠层的原因。要真正做好，还需要干净的层间界面、长期稳定的顶层材料，以及均匀的大规模制造。真实阳光随天气和时间变化，也会改变两层的电流平衡。

背景：NREL关于钙钛矿—硅叠层电池的研究介绍（2020）。图中条形都是归一化示意，不是效率纪录或产品参数。