前沿光伏技術(shù)之多結疊層太陽(yáng)電池：讓陽(yáng)光發(fā)揮大能量的黑科技

太陽(yáng)每天向地球輸送的能量足以滿(mǎn)足人類(lèi)全年的電力需求，但傳統太陽(yáng)電池只能捕獲其中一小部分。如何讓每一縷陽(yáng)光發(fā)揮最大價(jià)值？多結疊層太陽(yáng)電池（Multijunction Solar Cells, MJSCs）正是科學(xué)家們給出的終極答案之一——這種 " 疊疊樂(lè ) " 式的光伏技術(shù)，正以接近 50% 的超高效率刷新能源轉換的效率紀錄，且理論效率可以超過(guò) 65% [ 1 ] 。Fraunhofer ISE 研發(fā)的基于晶片鍵合四結聚光太陽(yáng)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(yáng)電池 33% 的 Shockley-Queisser 極限效率 [ 3 ] 。

MJSCs 最初是為太空任務(wù)而生。在太空中，面積和重量是關(guān)鍵限制，而高效率的多結電池完美解決了這一問(wèn)題。例如，國際空間站的太陽(yáng)能板就采用了多結疊層技術(shù)，即使經(jīng)過(guò) 15 年輻射暴露，仍能保持 88% 的初始效率。如今，這項技術(shù)正在走向地面，特別是在聚光光伏（CPV）系統中。通過(guò)透鏡或反射鏡將陽(yáng)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(yáng)光充足的地區（如中東），CPV 電站的效率和性?xún)r(jià)比已接近甚至超過(guò)傳統硅基電站 [ 4 ] 。。

二、多結疊層電池：光伏界的 " 疊疊樂(lè ) "

傳統單結太陽(yáng)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(huì )被吸收，因此總是會(huì )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(huì )因熱化過(guò)程而損失。MJSCs 的核心思想是 " 分工協(xié)作 "。通過(guò)在基板上堆疊多個(gè)不同帶隙的半導體層，在各個(gè)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(gè)半導體材料的帶隙經(jīng)過(guò)精確設計，每一層專(zhuān)門(mén)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(guò)減少熱化損失和最大限度地吸收光子，顯著(zhù)提高了太陽(yáng)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(lèi)繁多、帶隙可調、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 ] 。

MJSCs 結構的定義分為三個(gè)步驟。首先，基于理論計算確定最佳帶隙組合（見(jiàn)圖 3）；其次，選擇合適的材料作為子電池；最后，實(shí)現整體架構 [ 1 ] 。目前已經(jīng)采用了各種制造技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā) MJSCs，如外延生長(cháng)、晶片鍵合和單片集成，每種技術(shù)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(cháng)是制造 MJSCs 最廣泛采用的方法，沉積半導體層時(shí)可以精確控制其厚度和成分。常用的外延生長(cháng)方法包括金屬有機化學(xué)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(guān)鍵技術(shù)，其中子電池使用直接或粘合鍵合方法集成。這種技術(shù)有利于組合不同的材料，克服外延生長(cháng)方法中經(jīng)常出現的晶格失配限制。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(lái)了界面缺陷、錯位和鍵合良率問(wèn)題等挑戰，需要進(jìn)一步優(yōu)化以實(shí)現大規模生產(chǎn)。單片集成是在單個(gè)基底上直接生長(cháng)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(shù)有利于開(kāi)發(fā)緊湊、高效的 MJSCs，其中所有結都在單個(gè)處理步驟中順序生長(cháng)。雖然單片集成為高效、高穩定性的 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，以提高其商業(yè)可行性 [ 6,7 ] 。

三、挑戰與未來(lái)：降低成本是關(guān)鍵

MJSCs 是太空應用的首選，因為它們具有無(wú)與倫比的抗輻射性、高功率重量比和在極端環(huán)境中的長(cháng)期穩定性。太空中沒(méi)有大氣吸收和散射，這使得 MJSCs 能夠在沒(méi)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(yáng)輻射下保持高性能的能力使其成為衛星動(dòng)力系統、太空探測器和地外探索任務(wù)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。

盡管與傳統的硅基太陽(yáng)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）系統的出現使得 MJSCs 的地面應用不再遙不可及，CPV 系統使用廉價(jià)的聚光光學(xué)元件，如鏡子或透鏡，將光聚焦在小面積的太陽(yáng)電池上，電池在高太陽(yáng)強度下（500~1000 suns）運行，從而增加太陽(yáng)電池的入射功率 [ 6 ] 。太陽(yáng)電池面積相對較小，從而節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(yáng)電池 [ 9 ] 。CPV 系統對于空間有限的應用尤其有益，例如屋頂或公用事業(yè)規模的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)。進(jìn)一步研究?jì)?yōu)化 MJSCs 和 CPV 系統之間的集成可以為高效太陽(yáng)能發(fā)電開(kāi)辟新的可能性。

四、結語(yǔ)

從太空到地面，多結疊層電池正重新定義太陽(yáng)能的極限。這項融合量子物理、材料科學(xué)與光學(xué)工程的杰作，不僅承載著(zhù)人類(lèi)對清潔能源的終極想象，更在默默書(shū)寫(xiě)著(zhù)一個(gè)全新的能源時(shí)代——在那里，陽(yáng)光將比我們想象的更加 " 有力 "。

參考文獻

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[ 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.

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[ 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.

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[ 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 ) .