前沿光伏技术之多结叠层太阳电池：让阳光发挥大能量的黑科技

一、引言

太阳每天向地球输送的能量足以满足人类全年的电力需求，但传统太阳电池只能捕获其中一小部分。如何让每一缕阳光发挥最大价值?多结叠层太阳电池(MultijunctionSolarCells,MJSCs)正是科学家们给出的终极答案之一——这种"叠叠乐"式的光伏技术，正以接近50%的超高效率刷新能源转换的效率纪录，且理论效率可以超过65%[1]。FraunhoferISE研发的基于晶片键合四结聚光太阳电池在AM1.5D光谱和665倍聚光条件下创下47.6%的效率记录[2]，远远高于单结太阳电池33%的Shockley-Queisser极限效率[3]。

MJSCs最初是为太空任务而生。在太空中，面积和重量是关键限制，而高效率的多结电池完美解决了这一问题。例如，国际空间站的太阳能板就采用了多结叠层技术，即使经过15年辐射暴露，仍能保持88%的初始效率。如今，这项技术正在走向地面，特别是在聚光光伏(CPV)系统中。通过透镜或反射镜将阳光聚焦到电池上，CPV能够以更小的电池面积产生更高的功率。在阳光充足的地区(如中东)，CPV电站的效率和性价比已接近甚至超过传统硅基电站[4]。。

二、多结叠层电池：光伏界的“叠叠乐”

传统单结太阳电池可以利用的光谱部分由其半导体材料的带隙决定。能量低于带隙的光子不会被吸收，因此总是会损失。能量高于带隙的光子通常被很好地吸收，但带隙之外的多余能量会因热化过程而损失。MJSCs的核心思想是“分工协作”。通过在基板上堆叠多个不同带隙的半导体层，在各个半导体层之间制备隧穿二极管，用作不同子电池之间的低欧姆和高度透明的互连。如图1所示[5]，各个半导体材料的带隙经过精确设计，每一层专门捕获从近紫外到中红外的不同波段的能量，这种多带隙方法通过减少热化损失和最大限度地吸收光子，显著提高了太阳电池的整体效率。III-V族半导体材料由元素周期表第III族和第V族元素的化合物组成，由于材料种类繁多、带隙可调、高载流子迁移率和优异的光电性能，尤其适用于MJSCs[1]。如图2所示，磷化铟镓(InGaP)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、砷化铝镓(AlGaAs)、砷铝铟(InAlAs)、磷化镓铟砷(GaInAsP)、氮化镓铟磷化物(GaInNP)、砷铟(InGaAs)、砷镓铋(GaAsBi)和锗(Ge)等材料已被广泛用作MJSCs的不同子电池[6]。

图1.具有1.9eV、1.4eV、1.2eV和0.9eV结的4J叠层电池的示意图结构。1.2eV和0.9eVpn结基于GalnNAsSb[5]。

图2.由III-V半导体材料制成的不同多结太阳电池的示例草图[1]

MJSCs结构的定义分为三个步骤。首先，基于理论计算确定最佳带隙组合(见图3);其次，选择合适的材料作为子电池;最后，实现整体架构[1]。目前已经采用了各种制造技术来开发MJSCs，如外延生长、晶片键合和单片集成，每种技术在控制缺陷密度、提高可扩展性和效率优化方面都有其独特的优势和局限性[6]。

外延生长是制造MJSCs最广泛采用的方法，沉积半导体层时可以精确控制其厚度和成分。常用的外延生长方法包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、金属有机气相外延(MOVPE)、分子束外延(MBE)和液相外延(LPE)。晶片键合是制造倒置变质(IMM)MJSCs的关键技术，其中子电池使用直接或粘合键合方法集成。这种技术有利于组合不同的材料，克服外延生长方法中经常出现的晶格失配限制。虽然晶片键合为高效器件制造提供了一条途径，但它也带来了界面缺陷、错位和键合良率问题等挑战，需要进一步优化以实现大规模生产。单片集成是在单个基底上直接生长半导体层，确保晶格匹配，以防止形成失配位错并提高器件性能，这种技术有利于开发紧凑、高效的MJSCs，其中所有结都在单个处理步骤中顺序生长。虽然单片集成为高效、高稳定性的MJSCs提供了一种有前景的方法，但必须解决材料兼容性、应变管理和成本考虑等挑战，以提高其商业可行性[6,7]。

图3.在AM1.5g(1×1000W/m2)和500倍聚光AM1.5d(500×1000W/m2)条件下不同pn结(子电池)数量的理论效率极限[1]

三、挑战与未来：降低成本是关键

MJSCs是太空应用的首选，因为它们具有无与伦比的抗辐射性、高功率重量比和在极端环境中的长期稳定性。太空中没有大气吸收和散射，这使得MJSCs能够在没有光谱失真的情况下以最大的理论效率运行。它们在强烈的太阳辐射下保持高性能的能力使其成为卫星动力系统、太空探测器和地外探索任务的理想选择[8]。但是MJSCs在陆地环境中的使用仍然有限，主要由于高制造成本和复杂的制造工艺。

尽管与传统的硅基太阳电池相比，MJSCs的效率更高，但每瓦的成本仍然要高出几十倍[1]，这限制了它们在一般商业或住宅用途中的广泛使用。但是聚光光伏(CPV)系统的出现使得MJSCs的地面应用不再遥不可及，CPV系统使用廉价的聚光光学元件，如镜子或透镜，将光聚焦在小面积的太阳电池上，电池在高太阳强度下(500~1000suns)运行，从而增加太阳电池的入射功率[6]。太阳电池面积相对较小，从而节省了昂贵的半导体材料，并允许使用更复杂、更昂贵的多结太阳电池[9]。CPV系统对于空间有限的应用尤其有益，例如屋顶或公用事业规模的太阳能发电场。进一步研究优化MJSCs和CPV系统之间的集成可以为高效太阳能发电开辟新的可能性。

四、结语

从太空到地面，多结叠层电池正重新定义太阳能的极限。这项融合量子物理、材料科学与光学工程的杰作，不仅承载着人类对清洁能源的终极想象，更在默默书写着一个全新的能源时代——在那里，阳光将比我们想象的更加"有力"。

参考文献

[1]PhilippsSP,BettAW.III-VMulti-junctionsolarcellsandconcentratingphotovoltaic(CPV)systems[J].AdvancedOpticalTechnologies,2014,3(5-6):469-478.

[2]HelmersH,HöhnO,LacknerD,etal.Advancingsolarenergyconversionefficiencyto47.6%andexploringthespectralversatilityofIII-Vphotonicpowerconverters[C]//Physics,Simulation,andPhotonicEngineeringofPhotovoltaicDevicesXIII.SPIE,2024,12881:6-15.

[3]RühleS.TabulatedvaluesoftheShockley–Queisserlimitforsinglejunctionsolarcells[J].Solarenergy,2016,130:139-147.

[4]BaijuA,YaremaM.Statusandchallengesofmulti-junctionsolarcelltechnology[J].FrontiersinEnergyResearch,2022,10:971918.

[5]AhoA,IsoahoR,HytönenL,etal.Lattice‐matchedfour‐junctiontandemsolarcellincludingtwodilutenitridebottomjunctions[J].ProgressinPhotovoltaics:ResearchandApplications,2019,27(4):299-305.

[6]RaisaAT,SakibSN,HossainMJ,etal.Advancesinmultijunctionsolarcells:anoverview[J].SolarEnergyAdvances,2025:100105.

[7]CariouR,BenickJ,BeutelP,etal.Monolithictwo-terminalIII–V//Sitriple-junctionsolarcellswith30.2%efficiencyunder1-sunAM1.5g[J].IEEEJournalofPhotovoltaics,2016,7(1):367-373.

[8]LiJ,AierkenA,LiuY,etal.AbriefreviewofhighefficiencyIII-Vsolarcellsforspaceapplication[J].FrontiersinPhysics,2021,8:631925.

[9]WiesenfarthM,AntonI,BettAW.Challengesinthedesignofconcentratorphotovoltaic(CPV)modulestoachievehighestefficiencies[J].AppliedPhysicsReviews,2018,5(4).

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