一、引言

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(tǒng)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(jié)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(zhuǎn)換的效率紀(jì)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(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于單結(jié)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(jié)電池完美解決了這一問(wèn)題。例如，國(guó)際空間站的太陽(yáng)能板就采用了多結(jié)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(xiàng)技術(shù)正在走向地面，特別是在聚光光伏（CPV）系統(tǒng)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(qū)（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(tǒng)硅基電站[4]。

二、多結(jié)疊層電池：光伏界的“疊疊樂(lè)”

傳統(tǒng)單結(jié)太陽(yáng)電池可以利用的光譜部分由其半導(dǎo)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(dǎo)體層，在各個(gè)半導(dǎo)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(dǎo)體材料的帶隙經(jīng)過(guò)精確設(shè)計(jì)，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，顯著提高了太陽(yáng)電池的整體效率。III-V族半導(dǎo)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(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(jié)的4J疊層電池的示意圖結(jié)構(gòu)。1.2eV和0.9eV pn結(jié)基于GalnNAsSb[5]。

圖2. 由III-V半導(dǎo)體材料制成的不同多結(jié)太陽(yáng)電池的示例草圖[1]

MJSCs結(jié)構(gòu)的定義分為三個(gè)步驟。首先，基于理論計(jì)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(xiàn)整體架構(gòu)[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(zhǎng)、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(kuò)展性和效率優(yōu)化方面都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性[6]。

外延生長(zhǎng)是制造MJSCs最廣泛采用的方法，沉積半導(dǎo)體層時(shí)可以精確控制其厚度和成分。常用的外延生長(zhǎng)方法包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、金屬有機(jī)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(zhǎng)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(lái)了界面缺陷、錯(cuò)位和鍵合良率問(wèn)題等挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。單片集成是在單個(gè)基底上直接生長(zhǎng)半導(dǎo)體層，確保晶格匹配，以防止形成失配位錯(cuò)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(jié)都在單個(gè)處理步驟中順序生長(zhǎng)。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(yīng)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(jié)（子電池）數(shù)量的理論效率極限[1]

三、挑戰(zhàn)與未來(lái)：降低成本是關(guān)鍵

MJSCs是太空應(yīng)用的首選，因?yàn)樗鼈兙哂袩o(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(zhǎng)期穩(wěn)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(yùn)行。它們?cè)趶?qiáng)烈的太陽(yáng)輻射下保持高性能的能力使其成為衛(wèi)星動(dòng)力系統(tǒng)、太空探測(cè)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(fù)雜的制造工藝。

盡管與傳統(tǒng)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?cè)谝话闵虡I(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(yīng)用不再遙不可及，CPV系統(tǒng)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(qiáng)度下（500~1000 suns）運(yùn)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(duì)較小，從而節(jié)省了昂貴的半導(dǎo)體材料，并允許使用更復(fù)雜、更昂貴的多結(jié)太陽(yáng)電池[9]。CPV系統(tǒng)對(duì)于空間有限的應(yīng)用尤其有益，例如屋頂或公用事業(yè)規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)。進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化MJSCs和CPV系統(tǒng)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(jié)語(yǔ)

從太空到地面，多結(jié)疊層電池正重新定義太陽(yáng)能的極限。這項(xiàng)融合量子物理、材料科學(xué)與光學(xué)工程的杰作，不僅承載著人類(lèi)對(duì)清潔能源的終極想象，更在默默書(shū)寫(xiě)著一個(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"。

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