Multi-junction solar cells/多結太陽能電池
多结 (MJ)太阳能电池使用多个半导体W层（子电池）以高运作效率发电。每层都有独特的带隙W，旨在有效吸收太阳光谱的特定部分W。与单结 (SJ) 装置相比，它具有两个重要优势：入射光子W的吸收范围更广，以及从这些光子中提取能量更有效。 MJ 电池的最低带隙将低于典型的 SJ 带隙。因此，MJ 电池可以吸收能量小于 SJ 带隙但大于其自身最低带隙的额外光子。 MJ 电池将更有效地吸收相同的光子，因为带隙更接近光子能量将减少热化损失。例如，1 eV 的 SJ 带隙只能从 3 eV 的光子中提取 1 eV，而 2 eV 会因热衰变而浪费。另一方面，顶部带隙为 2 eV 的 MJ 电池将从同一光子中提取两倍的能量。图 1 说明了三重 MJ 电池和 SJ 电池之间的能量吸收差异。彩色区域显示每个电池可提取的能量。表 1 给出了 MJ 电池的最佳带隙和相应的效率。该表说明了附加连接如何提高最大效率。然而，增加结点也会增加设备的复杂性和成本。必须注意的是，使用聚光器可以进一步提高潜在效率。
发电
最大限度地提高发电量是太阳能电池设计的目标。功率（P）是产生的电流（I）和电压（V）的简单乘积：
总体而言，与 SJ 电池相比，MJ 电池将吸收更多的光子并产生更多的载子。然而，由于每个子电池仅吸收来自太阳光谱特定部分的光子，因此产生的电流实际上较低。由于子电池是串联的，基尔霍夫定律W规定设备的电流受子电池产生的最小电流的限制（参见电流匹配）。然而，MJ 电池的发电量仍然高于 SJ 电池，因为产生的电压大幅升高，足以弥补较低的电流。与电流不同，电压是加性的，多个带隙意味着从入射光子中获得更高的电压。
MJ 电池的另一个优点是由于电流较低而导致的电阻损耗明显较低。这些功率损耗 (PL) 等于电流 (I) 的平方乘以电阻 (R)：
这对于使用 MJ 电池的聚光系统尤其重要，因为它们会产生非常高的电流。
MJ细胞结构
在 MJ 电池中，具有最高带隙的半导体被用作顶层。随着每一层的增加，带隙逐渐减少。这种设计最大限度地提高了光子能量的提取，因为顶层吸收了能量最高的光子，从而允许能量较低的光子传输。然后，每个后续层从最接近其带隙的光子中提取能量，从而最大限度地减少热化损失。然后底层吸收其带隙以上的所有剩余光子。如图 2 所示，电池效率对底部子电池的带隙最为敏感。误差线表示可维持最高理论效率在理想值 1% 以内的亚电池带隙范围。因此，底层材料的选择是 MJ 设备设计中极为重要的考量。
图3显示了GaInP（1.8 eV）/GaInAs（1.4 eV）/Ge（0.67 eV）三结太阳能电池的详细结构。在这个设计中，宽频隙（透明）窗口层用于降低电池的串联电阻。它透过增强试图到达电接触或隧道结（参见隧道结）的光生电子的横向流动来实现这一点。底层和中间层之间也使用缓冲层来减少晶格失配效应（参见晶格常数匹配）。
捏造
多结电池可以用机械方式或单芯片构造。在机械堆叠中，一组具有单独触点组和独特带隙的单结电池被堆叠在一起。由于体积庞大、额外触点和基板的成本以及散热困难，这种方法不太受欢迎。在单芯片中，每个具有独特带隙的半导体层按顺序生长，形成具有一组触点的单一装置。金属有机化学气相沉积（MOCVD W）因其精确度、高晶体品质和可扩展性而成为最常用的生长制程。等离子体增强蒸发沉积是另一种易于扩展且非常适合 MJ 电池中半导体生长的制造方法。
隧道连接处
在单片电池中，正极和负极接点位于电池的顶部和底部。因此，在中间半导体层产生的光生载子必须穿过多层而不重新结合才能到达接触点。这是与 MJ 细胞相关的另一个困难。隧道结是连接相邻层的 n 和 p 端子的重掺杂区域，用于辅助载子传输。这些 pn 接面（通常是双异质接面）的目的是最大限度地减少电损失（电压降）以及光损失（光子吸收）。后者是透过使用宽频隙隧道结材料来允许光子进入较低层来实现的。然而，这使得获得高隧道峰值电流变得困难，因此有必要透过高掺杂（>10 19 cm -3 ）接面来减薄耗尽层。这种设计促进了量子隧道，同时也成为少数载流子的有效势垒。然而，量子穿隧背后的确切物理原理尚未被完全理解。右侧图4显示了双异质隧道结的能带图。
设计考虑
目前符合
由于单片 MJ 装置的顶部和底部只有一组接点，因此多个子电池串联连接，必须遵循基尔霍夫电流定律。该定律规定，进入和流出任何串联结的电流必须相等，这意味着 MJ 太阳能电池受到产生最少电流的子电池的限制。因此，每个子电池的电流匹配在设备设计中至关重要。每个子细胞产生的电流取决于三个因素：
- 能量大于带隙的入射光子数
- 材料吸收系数
- 层厚度
入射光子的数量可以透过选择特定子电池及其上方的带隙来粗略地设定。吸收系数取决于具体材料。因此，透过调整层厚度来实现子电池电流的精确匹配。例如，如果到达每一层的入射光子数量相等，则吸收系数低的子电池必须做得更厚，以便吸收与其他子电池相同数量的光子（并产生载流子）。
MJ 电池中的电流匹配极为重要，因为任何差异都会导致显著的电流和效率损失。吸收系数大的半导体有利于降低材料成本和载子传输距离。 MJ 电池必须根据带隙选择和层厚度进行精心设计，以配合每个子电池产生的电流。
晶格常数匹配
在单片 MJ 元件中，每个半导体层都是层叠生长的。然而，如果相邻层晶体的晶格常数不匹配，就会导致晶格应变和潜在的位错。这些位错导致晶体结构中形成缺陷，进而造成不必要的复合，进而降低电池效率。因此，选择具有匹配或非常相似的晶格常数的半导体材料是有利的。图 5 显示了常见 MJ 半导体及其晶格常数的清单。青绿色的线表示两种连接材料混合物的晶格常数。
可以看出，很少有材料具有完美排列的晶格常数。由于这个原因，晶格失配或变质的W、MJ 电池开始开发，因为这允许在半导体选择方面有更大的自由度。变质电池的潜力在于制造商能够利用更便宜的材料，这些材料还具有接近最佳值的带隙，以实现最大理论效率。在某些情况下，这些好处将超过晶格失配造成的复合损失。
此外，还有两种主要策略可以减少这种晶格失配效应。第一种方法是在两种晶格不匹配的材料之间使用缓冲层来匹配晶格常数。此缓冲层通常是阶梯式的，这意味着它的晶格常数会透过改变成分而缓慢改变，使得缓冲层的两端与其相邻的子单元相符。第二种方法是采用倒置生长法，以避免顶层匹配但底层不匹配时产生的晶格失配效应。生长过程是逆向的，从顶层（最宽带隙）开始，然后添加后续层。然后将顶层生长的衬底蚀刻掉。图 6 显示了三重态 MJ 电池的制程过程，其中顶层（InGaP）和中间层（GaAs）晶格匹配，而底部电池（InGaAs）晶格不匹配。
材料
由于多种原因，III-V 族合金已被证明是最适合 MJ 装置的半导体。首先，合金的带隙跨越了允许最大光子吸收的光谱范围。其次，合金具有直接带隙，这意味着电子提升不需要晶格振动（声子）。这避免了需要额外的层厚度来产生声子，从而降低了材料成本。此外，合金具有较大的吸收系数，这也是只需要薄层的另一个原因。 III-V 半导体可以大量生长，具有高结晶性和光电特性，适用于大规模生产商业太阳能电池组件。最后，这些合金极其坚硬，具有很高的抗辐射和耐高温性能，因此非常适合太空和极端天气应用。
InGaN
氮化铟镓 (InGaN) 是一种 III-V 族合金，具有形成经济高效、超高效率 MJ 太阳能电池的巨大潜力。透过改变材料中的铟镓比，其带隙可以从 0.7 eV（InN）到 3.4 eV（GaN），覆盖几乎整个太阳光谱。由于不同的子电池使用相同的三个元件，因此在设备要求和腔室清洁方面简化了大规模沉积过程。 InGaN 呈现奈米柱状生长，可增加光学长度以增强光捕获和吸收率。这种柱状结构还可以减少应变和缺陷，并增加宏观尺度上的灵活性和耐磨性。
参考文献
Al Naser，Q 等人III-V多结太阳能电池的最新发展。ISECS 国际运算、通讯、控制与管理研讨会，2009 年。
Barnett，A等人2007 年，太阳能电池模组效率达到 50% 的里程碑。第22届欧洲光电太阳能会议
Fetzer，CM等人2004。透过MOVPE生长的高效变质GaInP/GaInAs/Ge太阳能电池。晶体生长杂志。 261：341-348
King RR等人2007. 40% 效率的变质 GaInP/GaInAs/Ge 多结太阳能电池。应用物理快报。 90：183516
Lee, SH 等人2008.III-IV多结太阳能电池。爱荷华州立大学
Marti, A and Araujo, G. 1996.多间隙系统中光伏能量转换的限制效率。太阳能材料和太阳电池。 43：203-222
Román, JM 2004. 最先进的 III-V 太阳能电池制造技术、设备设计与应用。先进的光伏电池设计。
Sherif，RA等人多结太阳能电池：降低聚光光电系统电力成本的推动因素。程序2006 年太阳能会议。
Takomoto，T.多结太阳能电池的现状和未来发展。2009年CS MANTECH会议
Wheeldon J等人用于高效多结太阳能电池的 AlGaAs 隧道结：温度相关操作的模拟和测量。渥太华大学光子学研究中心。
Yamaguchi，M等人2006.超高效率多结及聚光太阳能电池。太阳能材料和太阳电池。 90：18-19，第 3068-3077 页
Yastrebova, N. 2007.高效率多结太阳能电池：现况与未来潜能。光子学研究中心
- ---
返回MECH820
