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, 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.

[5] Aho A, Isoaho R, Hytönen 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).