Multi-junction solar cells/zh
多結 (MJ)太陽能電池使用多個半導體W層（子電池）以高運作效率發電。每層都有獨特的帶隙W，旨在有效吸收太陽光譜的特定部分W。與單結 (SJ) 裝置相比，它具有兩個重要優勢：入射光子W的吸收範圍更廣，以及從這些光子中提取能量更有效。 MJ 電池的最低帶隙將低於典型的 SJ 帶隙。因此，MJ 電池可以吸收能量小於 SJ 帶隙但大於其自身最低帶隙的額外光子。 MJ 電池將更有效地吸收相同的光子，因為帶隙更接近光子能量將減少熱化損失。例如，1 eV 的 SJ 帶隙只能從 3 eV 的光子中提取 1 eV，而 2 eV 會因熱衰變而浪費。另一方面，頂部帶隙為 2 eV 的 MJ 電池將從同一光子中提取兩倍的能量。圖 1 說明了三重 MJ 電池和 SJ 電池之間的能量吸收差異。彩色區域顯示每個電池可提取的能量。表 1 給出了 MJ 電池的最佳帶隙和相應的效率。該表說明了附加連接如何提高最大效率。然而，增加結點也會增加設備的複雜性和成本。必須注意的是，使用聚光器可以進一步提高潛在效率。
發電
最大限度地提高發電量是太陽能電池設計的目標。功率（P）是產生的電流（I）和電壓（V）的簡單乘積：
總體而言，與 SJ 電池相比，MJ 電池將吸收更多的光子並產生更多的載子。然而，由於每個子電池僅吸收來自太陽光譜特定部分的光子，因此產生的電流實際上較低。由於子電池是串聯的，基爾霍夫定律W規定設備的電流受子電池產生的最小電流的限制（參見電流匹配）。然而，MJ 電池的發電量仍然高於 SJ 電池，因為產生的電壓大幅升高，足以彌補較低的電流。與電流不同，電壓是加性的，多個帶隙意味著從入射光子中獲得更高的電壓。
MJ 電池的另一個優點是由於電流較低而導致的電阻損耗明顯較低。這些功率損耗 (PL) 等於電流 (I) 的平方乘以電阻 (R)：
這對於使用 MJ 電池的聚光系統尤其重要，因為它們會產生非常高的電流。
MJ細胞結構
在 MJ 電池中，具有最高帶隙的半導體被用作頂層。隨著每一層的增加，帶隙逐漸減少。這種設計最大限度地提高了光子能量的提取，因為頂層吸收了能量最高的光子，從而允許能量較低的光子傳輸。然後，每個後續層從最接近其帶隙的光子中提取能量，從而最大限度地減少熱化損失。然後底層吸收其帶隙以上的所有剩餘光子。如圖 2 所示，電池效率對底部子電池的帶隙最為敏感。誤差線表示可維持最高理論效率在理想值 1% 以內的亞電池帶隙範圍。因此，底層材料的選擇是 MJ 設備設計中極為重要的考量。
圖3顯示了GaInP（1.8 eV）/GaInAs（1.4 eV）/Ge（0.67 eV）三結太陽能電池的詳細結構。在這個設計中，寬頻隙（透明）窗口層用於降低電池的串聯電阻。它透過增強試圖到達電接觸或隧道結（參見隧道結）的光生電子的橫向流動來實現這一點。底層和中間層之間也使用緩衝層來減少晶格失配效應（參見晶格常數匹配）。
捏造
多結電池可以用機械方式或單晶片構造。在機械堆疊中，一組具有單獨觸點組和獨特帶隙的單結電池被堆疊在一起。由於體積龐大、額外觸點和基板的成本以及散熱困難，這種方法不太受歡迎。在單晶片中，每個具有獨特帶隙的半導體層按順序生長，形成具有一組觸點的單一裝置。金屬有機化學氣相沉積（MOCVD W）因其精確度、高晶體品質和可擴展性而成為最常用的生長製程。等離子體增強蒸發沉積是另一種易於擴展且非常適合 MJ 電池中半導體生長的製造方法。
隧道連接處
在單片電池中，正極和負極接點位於電池的頂部和底部。因此，在中間半導體層產生的光生載子必須穿過多層而不重新結合才能到達接觸點。這是與 MJ 細胞相關的另一個困難。隧道結是連接相鄰層的 n 和 p 端子的重摻雜區域，用於輔助載子傳輸。這些 pn 接面（通常是雙異質接面）的目的是最大限度地減少電損失（電壓降）以及光損失（光子吸收）。後者是透過使用寬頻隙隧道結材料來允許光子進入較低層來實現的。然而，這使得獲得高隧道峰值電流變得困難，因此有必要透過高摻雜（>10 19 cm -3 ）接面來減薄耗盡層。這種設計促進了量子隧道，同時也成為少數載流子的有效勢壘。然而，量子穿隧背後的確切物理原理尚未被完全理解。右側圖4顯示了雙異質隧道結的能帶圖。
設計考慮
目前符合
由於單片 MJ 裝置的頂部和底部只有一組接點，因此多個子電池串聯連接，必須遵循基爾霍夫電流定律。該定律規定，進入和流出任何串聯結的電流必須相等，這意味著 MJ 太陽能電池受到產生最少電流的子電池的限制。因此，每個子電池的電流匹配在設備設計中至關重要。每個子細胞產生的電流取決於三個因素：
- 能量大於帶隙的入射光子數
- 材料吸收係數
- 層厚度
入射光子的數量可以透過選擇特定子電池及其上方的帶隙來粗略地設定。吸收係數取決於具體材料。因此，透過調整層厚度來實現子電池電流的精確匹配。例如，如果到達每一層的入射光子數量相等，則吸收係數低的子電池必須做得更厚，以便吸收與其他子電池相同數量的光子（並產生載流子）。
MJ 電池中的電流匹配極為重要，因為任何差異都會導致顯著的電流和效率損失。吸收係數大的半導體有利於降低材料成本和載子傳輸距離。 MJ 電池必須根據帶隙選擇和層厚度進行精心設計，以配合每個子電池產生的電流。
晶格常數匹配
在單片 MJ 元件中，每個半導體層都是層疊生長的。然而，如果相鄰層晶體的晶格常數不匹配，就會導致晶格應變和潛在的位錯。這些位錯導致晶體結構中形成缺陷，進而造成不必要的複合，進而降低電池效率。因此，選擇具有匹配或非常相似的晶格常數的半導體材料是有利的。圖 5 顯示了常見 MJ 半導體及其晶格常數的清單。青綠色的線表示兩種連接材料混合物的晶格常數。
可以看出，很少有材料具有完美排列的晶格常數。由於這個原因，晶格失配或變質的W、MJ 電池開始開發，因為這允許在半導體選擇方面有更大的自由度。變質電池的潛力在於製造商能夠利用更便宜的材料，這些材料還具有接近最佳值的帶隙，以實現最大理論效率。在某些情況下，這些好處將超過晶格失配造成的複合損失。
此外，還有兩種主要策略可以減少這種晶格失配效應。第一種方法是在兩種晶格不匹配的材料之間使用緩衝層來匹配晶格常數。此緩衝層通常是階梯式的，這意味著它的晶格常數會透過改變成分而緩慢改變，使得緩衝層的兩端與其相鄰的子單元相符。第二種方法是採用倒置生長法，以避免頂層匹配但底層不匹配時產生的晶格失配效應。生長過程是逆向的，從頂層（最寬帶隙）開始，然後添加後續層。然後將頂層生長的襯底蝕刻掉。圖 6 顯示了三重態 MJ 電池的製程過程，其中頂層（InGaP）和中間層（GaAs）晶格匹配，而底部電池（InGaAs）晶格不匹配。
材料
由於多種原因，III-V 族合金已被證明是最適合 MJ 裝置的半導體。首先，合金的帶隙跨越了允許最大光子吸收的光譜範圍。其次，合金具有直接帶隙，這意味著電子提升不需要晶格振動（聲子）。這避免了需要額外的層厚度來產生聲子，從而降低了材料成本。此外，合金具有較大的吸收係數，這也是只需要薄層的另一個原因。 III-V 半導體可以大量生長，具有高結晶性和光電特性，適用於大規模生產商業太陽能電池組件。最後，這些合金極其堅硬，具有很高的抗輻射和耐高溫性能，因此非常適合太空和極端天氣應用。
InGaN
氮化銦鎵 (InGaN) 是一種 III-V 族合金，具有形成經濟高效、超高效率 MJ 太陽能電池的巨大潛力。透過改變材料中的銦鎵比，其帶隙可以從 0.7 eV（InN）到 3.4 eV（GaN），覆蓋幾乎整個太陽光譜。由於不同的子電池使用相同的三個元件，因此在設備要求和腔室清潔方面簡化了大規模沉積過程。 InGaN 呈現奈米柱狀生長，可增加光學長度以增強光捕獲和吸收率。這種柱狀結構還可以減少應變和缺陷，並增加宏觀尺度上的靈活性和耐磨性。
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