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一、前沿引言

太陽每天向地球輸送的能量足以滿足人類全年的電力需求，但傳統(tǒng)太陽電池只能捕獲其中一小部分。技術結疊技如何讓每一縷陽光發(fā)揮最大價值？層太池讓多結疊層太陽電池（Multijunction Solar Cells, MJSCs）正是科學家們給出的終極答案之一——這種 " 疊疊樂 " 式的光伏技術，正以接近 50% 的陽電陽光超高效率刷新能源轉(zhuǎn)換的效率紀錄，且理論效率可以超過 65% [ 1 ] 。發(fā)揮Fraunhofer ISE 研發(fā)的黑科基于晶片鍵合四結聚光太陽電池在 AM1.5D 光譜和 665 倍聚光條件下創(chuàng)下 47.6% 的效率記錄 [ 2 ] ，遠遠高于單結太陽電池 33% 的前沿 Shockley-Queisser 極限效率 [ 3 ] 。

MJSCs 最初是為太空任務而生。在太空中，技術結疊技面積和重量是層太池讓關鍵限制，而高效率的陽電陽光多結電池完美解決了這一問題。例如，發(fā)揮國際空間站的黑科太陽能板就采用了多結疊層技術，即使經(jīng)過 15 年輻射暴露，前沿仍能保持 88% 的初始效率。如今，這項技術正在走向地面，特別是在聚光光伏（CPV）系統(tǒng)中。通過透鏡或反射鏡將陽光聚焦到電池上，CPV 能夠以更小的電池面積產(chǎn)生更高的功率。在陽光充足的地區(qū)（如中東），CPV 電站的效率和性價比已接近甚至超過傳統(tǒng)硅基電站 [ 4 ] 。。

二、多結疊層電池：光伏界的 " 疊疊樂 "

傳統(tǒng)單結太陽電池可以利用的光譜部分由其半導體材料的帶隙決定。能量低于帶隙的光子不會被吸收，因此總是會損失。能量高于帶隙的光子通常被很好地吸收，但帶隙之外的多余能量會因熱化過程而損失。MJSCs 的核心思想是 " 分工協(xié)作 "。通過在基板上堆疊多個不同帶隙的半導體層，在各個半導體層之間制備隧穿二極管，用作不同子電池之間的低歐姆和高度透明的互連。如圖 1 所示 [ 5 ] ，各個半導體材料的帶隙經(jīng)過精確設計，每一層專門捕獲從近紫外到中紅外的不同波段的能量，這種多帶隙方法通過減少熱化損失和最大限度地吸收光子，顯著提高了太陽電池的整體效率。III-V 族半導體材料由元素周期表第 III 族和第 V 族元素的化合物組成，由于材料種類繁多、帶隙可調(diào)、高載流子遷移率和優(yōu)異的光電性能，尤其適用于 MJSCs [ 1 ] 。如圖 2 所示，磷化銦鎵（InGaP）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、砷化鋁鎵（AlGaAs）、砷鋁銦（InAlAs）、磷化鎵銦砷（GaInAsP）、氮化鎵銦磷化物（GaInNP）、砷銦（InGaAs）、砷鎵鉍（GaAsBi）和鍺（Ge）等材料已被廣泛用作 MJSCs 的不同子電池 [ 6 ] 。

圖 1. 具有 1.9 eV、1.4 eV、1.2 eV 和 0.9 eV 結的 4J 疊層電池的示意圖結構。1.2eV 和 0.9eV pn 結基于 GalnNAsSb [ 5 ] 。

圖 2. 由 III-V 半導體材料制成的不同多結太陽電池的示例草圖 [ 1 ]

MJSCs 結構的定義分為三個步驟。首先，基于理論計算確定最佳帶隙組合（見圖 3）；其次，選擇合適的材料作為子電池；最后，實現(xiàn)整體架構 [ 1 ] 。目前已經(jīng)采用了各種制造技術來開發(fā) MJSCs，如外延生長、晶片鍵合和單片集成，每種技術在控制缺陷密度、提高可擴展性和效率優(yōu)化方面都有其獨特的優(yōu)勢和局限性 [ 6 ] 。

外延生長是制造 MJSCs 最廣泛采用的方法，沉積半導體層時可以精確控制其厚度和成分。常用的外延生長方法包括金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、金屬有機氣相外延（MOVPE）、分子束外延（MBE）和液相外延（LPE）。晶片鍵合是制造倒置變質(zhì)（IMM）MJSCs 的關鍵技術，其中子電池使用直接或粘合鍵合方法集成。這種技術有利于組合不同的材料，克服外延生長方法中經(jīng)常出現(xiàn)的晶格失配限制。雖然晶片鍵合為高效器件制造提供了一條途徑，但它也帶來了界面缺陷、錯位和鍵合良率問題等挑戰(zhàn)，需要進一步優(yōu)化以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。單片集成是在單個基底上直接生長半導體層，確保晶格匹配，以防止形成失配位錯并提高器件性能，這種技術有利于開發(fā)緊湊、高效的 MJSCs，其中所有結都在單個處理步驟中順序生長。雖然單片集成為高效、高穩(wěn)定性的 MJSCs 提供了一種有前景的方法，但必須解決材料兼容性、應變管理和成本考慮等挑戰(zhàn)，以提高其商業(yè)可行性 [ 6,7 ] 。

圖 3. 在 AM1.5g（1×1000W/m2）和 500 倍聚光 AM1.5d（500×1000W/m2）條件下不同 pn 結（子電池）數(shù)量的理論效率極限 [ 1 ]

三、挑戰(zhàn)與未來：降低成本是關鍵

MJSCs 是太空應用的首選，因為它們具有無與倫比的抗輻射性、高功率重量比和在極端環(huán)境中的長期穩(wěn)定性。太空中沒有大氣吸收和散射，這使得 MJSCs 能夠在沒有光譜失真的情況下以最大的理論效率運行。它們在強烈的太陽輻射下保持高性能的能力使其成為衛(wèi)星動力系統(tǒng)、太空探測器和地外探索任務的理想選擇 [ 8 ] 。但是 MJSCs 在陸地環(huán)境中的使用仍然有限，主要由于高制造成本和復雜的制造工藝。

盡管與傳統(tǒng)的硅基太陽電池相比，MJSCs 的效率更高，但每瓦的成本仍然要高出幾十倍 [ 1 ] ，這限制了它們在一般商業(yè)或住宅用途中的廣泛使用。但是聚光光伏（CPV）系統(tǒng)的出現(xiàn)使得 MJSCs 的地面應用不再遙不可及，CPV 系統(tǒng)使用廉價的聚光光學元件，如鏡子或透鏡，將光聚焦在小面積的太陽電池上，電池在高太陽強度下（500~1000 suns）運行，從而增加太陽電池的入射功率 [ 6 ] 。太陽電池面積相對較小，從而節(jié)省了昂貴的半導體材料，并允許使用更復雜、更昂貴的多結太陽電池 [ 9 ] 。CPV 系統(tǒng)對于空間有限的應用尤其有益，例如屋頂或公用事業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電場。進一步研究優(yōu)化 MJSCs 和 CPV 系統(tǒng)之間的集成可以為高效太陽能發(fā)電開辟新的可能性。

四、結語

從太空到地面，多結疊層電池正重新定義太陽能的極限。這項融合量子物理、材料科學與光學工程的杰作，不僅承載著人類對清潔能源的終極想象，更在默默書寫著一個全新的能源時代——在那里，陽光將比我們想象的更加 " 有力 "。

參考文獻

[ 1 ] Philipps S P, Bett A W. III-V Multi-junction solar cells and concentrating photovoltaic ( CPV ) systems [ J ] . Advanced Optical Technologies, 2014, 3 ( 5-6 ) : 469-478.

[ 2 ] Helmers H, Höhn O, Lackner D, et al. Advancing solar energy conversion efficiency to 47.6% and exploring the spectral versatility of III-V photonic power converters [ C ] //Physics, Simulation, and Photonic Engineering of Photovoltaic Devices XIII. SPIE, 2024, 12881: 6-15.

[ 3 ] Rühle S. Tabulated values of the Shockley – Queisser limit for single junction solar cells [ J ] . Solar energy, 2016, 130: 139-147.

[ 4 ] Baiju A, Yarema M. Status and challenges of multi-junction solar cell technology [ J ] . Frontiers in Energy Research, 2022, 10: 971918.

[ 5 ] Aho A, Isoaho R, Hytönen L, et al. Lattice ‐ matched four ‐ junction tandem solar cell including two dilute nitride bottom junctions [ J ] . Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2019, 27 ( 4 ) : 299-305.

[ 6 ] Raisa A T, Sakib S N, Hossain M J, et al. Advances in multijunction solar cells: an overview [ J ] . Solar Energy Advances, 2025: 100105.

[ 7 ] Cariou R, Benick J, Beutel P, et al. Monolithic two-terminal III – V//Si triple-junction solar cells with 30.2% efficiency under 1-sun AM1. 5g [ J ] . IEEE Journal of Photovoltaics, 2016, 7 ( 1 ) : 367-373.

[ 8 ] Li J, Aierken A, Liu Y, et al. A brief review of high efficiency III-V solar cells for space application [ J ] . Frontiers in Physics, 2021, 8: 631925.

[ 9 ] Wiesenfarth M, Anton I, Bett A W. Challenges in the design of concentrator photovoltaic ( CPV ) modules to achieve highest efficiencies [ J ] . Applied Physics Reviews, 2018, 5 ( 4 ) .