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（Multijunction Solar Cells, 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 ] 。Fraunhofer ISE 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 1.9 eV、1.4 eV、1.2 eV 和 0.9 eV 结的 4J 叠层电池的示意图结构。1.2eV 和 0.9eV pn 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（500~1000 suns）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 ] 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, H?hn 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, Hyt?nen 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 ) .