一、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，但傳統太陽電池只能捕獲其中一小部分。如何讓每一縷陽光發揮最大價值？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%的超高效率刷新能源轉換的效率紀錄，且理論效率可以超過65%[1]。Fraunhofer ISE研發的基于晶片鍵合四結聚光太陽電池在AM1.5D光譜和 665倍聚光條件下創下47.6%的效率記錄[2]，遠遠高于單結太陽電池33%的Shockley-Queisser極限效率[3]。

MJSCs最初是為太空任務而生。在太空中，面積和重量是關鍵限制，而高效率的多結電池完美解決了這一問題。例如，國際空間站的太陽能板就采用了多結疊層技術，即使經過15年輻射暴露，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生更高的功率。在陽光充足的地區（如中東），CPV電站的效率和性價比已接近甚至超過傳統硅基電站[4]。

二、多結疊層電池：光伏界的“疊疊樂”

傳統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、高載流子遷移率和優異的光電性能，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，實現整體架構[1]。目前已經采用了各種制造技術來開發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化方面都有其獨特的優勢和局限性[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（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，但它也帶來了界面缺陷、錯位和鍵合良率問題等挑戰，需要進一步優化以實現大規模生產。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）數量的理論效率極限[1]

三、挑戰與未來：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境中的長期穩定性。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星動力系統、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系統對于空間有限的應用尤其有益，例如屋頂或公用事業規模的太陽能發電場。進一步研究優化MJSCs和CPV系統之間的集成可以為高效太陽能發電開辟新的可能性。

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, 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).