三結(jié)（TJ）GaInP/GaInAs/Ge太陽能電池雖是當(dāng)前空間與聚光光伏應(yīng)用的主流，但其鍺（Ge）底電池吸收了大量無法有效利用的近紅外光能，并導(dǎo)致子電池間的電流失配，限制了效率提升。理論上，通過引入第二個(gè)Ge結(jié)來分流近紅外光譜是理想的解決方案，但該路徑面臨一個(gè)長期的技術(shù)瓶頸：在金屬有機(jī)氣相外延（MOVPE）生長過程中，III-V族與IV族（Ge）元素之間存在嚴(yán)重的“交叉污染”，阻礙了高質(zhì)量多結(jié)結(jié)構(gòu)在單一反應(yīng)室中的單片集成。美能QE量子效率測試儀以其高精度和寬光譜范圍，為驗(yàn)證晶體管效應(yīng)帶來的量子效率提升及電流匹配優(yōu)化提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

本研究成功首次演示了一種全新的三端四結(jié)（3T-QJ）InGaP/GaAs/Ge/T/Ge太陽能電池。其核心突破在于：通過改造MOVPE反應(yīng)室并優(yōu)化生長工藝，實(shí)現(xiàn)了所有III-V層與Ge層在同一個(gè)反應(yīng)室中的一次性順序沉積，有效控制了交叉污染。此外，電池采用創(chuàng)新性架構(gòu)，在底部構(gòu)建了一個(gè) Ge/T/Ge 雙結(jié)單元，其N-P-N結(jié)構(gòu)類似于晶體管，能夠利用“晶體管效應(yīng)”，主動將頂部Ge結(jié)產(chǎn)生的過剩光生載流子（功率）轉(zhuǎn)移至底部Ge結(jié)，從而在根本上改善了整個(gè)多結(jié)電池的電流匹配狀況。

MOVPE腔室改造與工藝優(yōu)化

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經(jīng)過改造的AIX-MOVPE反應(yīng)室視圖

為抑制交叉污染，對MOVPE反應(yīng)室進(jìn)行了三項(xiàng)關(guān)鍵改造：

采用特殊三重氣體注入器，提升前驅(qū)體利用效率。

在石墨基座中心加裝石英板，減少腔室中心區(qū)（晶圓前沿上游）的寄生沉積。

優(yōu)化腔頂與頂部冷卻板的熱解耦效果，降低不必要的寄生沉積。

同時(shí)，通過提高生長速率和降低沉積溫度，進(jìn)一步減少了雜質(zhì)摻入。

雙結(jié)Ge/T/Ge電池與晶體管效應(yīng)理論

（a）DJ Ge/T/Ge 電池的三維和平面視圖；（b）DJ Ge/T/Ge 電池的理想化改進(jìn)型埃伯斯-莫爾等效電路圖

為驗(yàn)證“晶體管效應(yīng)”，首先制備并研究了雙結(jié)（DJ）Ge/T/Ge模型電池。通過建立理想的等效電路模型，對功率轉(zhuǎn)移進(jìn)行了量化分析：

總輸出功率可表示為：

其中，內(nèi)部電流Iint為從頂結(jié)流向底結(jié)的凈電流。當(dāng) Iint>0時(shí)，意味著功率從頂結(jié)轉(zhuǎn)移到底結(jié)。

頂結(jié)和底結(jié)的EQE提升

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完美驗(yàn)證了該模型：當(dāng)頂結(jié)處于開路（OC）狀態(tài)時(shí)，底結(jié)的短路電流（IC）滿足：

即底結(jié)電流等于自身光生電流加上由晶體管效應(yīng)從頂結(jié)轉(zhuǎn)移而來的電流。這使得底結(jié)的EQE和電流密度在頂結(jié)開路時(shí)獲得了100%的顯著提升。

四結(jié)（QJ）功能電池的性能

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QJ 太陽能電池的三維視圖

（a）QJ電池在不同電壓條件下的EQE；（b）QJ與TJ參考電池的EQE對比；（c）TJ參考電池與QJ電池的I-V曲線

基于上述原理，成功制備了完整的四結(jié)（QJ） InGaP/InGaAs/Ge/T/Ge功能電池。性能對比表明：

顯著的電流提升：當(dāng)上部三結(jié)部分處于開路狀態(tài)時(shí)，底部第二個(gè)Ge子電池的電流密度提升了驚人的300%

EQE譜形變化：晶體管效應(yīng)不僅提升了電流，還改變了底部Ge電池的EQE譜形，從“三角形”變?yōu)楦硐氲摹熬匦巍?，表明載流子收集效率在短波區(qū)域得到極大增強(qiáng)

有效改善電流匹配：在參考三結(jié)電池中，Ge結(jié)電流為19.1 mA/cm2，而在本四結(jié)電池中，位于相同光譜位置的Ge底結(jié)1電流降至17.3 mA/cm2，這表明過剩電流被成功轉(zhuǎn)移至Ge底結(jié)2，整體電流匹配性得到優(yōu)化

基于電流 - 電壓（I-V）曲線與外量子效率（EQE）測試的電流密度及開路電壓（Voc）值

驗(yàn)證無污染生長：通過對I-V數(shù)據(jù)的分析（特別是隧道二極管性能與暗電流特性），證實(shí)了QJ電池中TJ部分的性能限制主要源于為降低串聯(lián)電阻而設(shè)計(jì)的更厚發(fā)射區(qū)，而非交叉污染。經(jīng)面積校正后，其效率與參考TJ電池相當(dāng)（約27%），有力證明了交叉污染問題已被克服。

本研究通過長達(dá)18年的技術(shù)攻關(guān)，成功解決了III-V/IV族元素在MOVPE中的交叉污染難題，首次實(shí)現(xiàn)了全MOVPE單片集成的三端四結(jié)太陽能電池，并將一度被視為不利的“晶體管效應(yīng)”創(chuàng)新性地應(yīng)用于改善電流匹配。這項(xiàng)工作為開發(fā)更先進(jìn)的晶格匹配多結(jié)電池（如AlInGaP/AlInGaAs/InGaAs/Ge/T/Ge）鋪平了道路，并拓展了不同帶隙材料組合的設(shè)計(jì)思路。未來，通過進(jìn)一步的電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能帶工程，此類四結(jié)電池的效率有望突破32%。

美能QE量子效率測試儀

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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應(yīng)，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達(dá)300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素?zé)?/span>雙光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

美能QE量子效率測試儀在本研究中為驗(yàn)證新型電池性能提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其精準(zhǔn)測量清晰顯示出晶體管效應(yīng)帶來的量子效率提升：當(dāng)頂部結(jié)開路時(shí)，底部鍺結(jié)的量子效率在近紅外波段顯著增強(qiáng)，增幅最高達(dá)300%，譜形由三角形轉(zhuǎn)變?yōu)楦硐氲木匦?。這些數(shù)據(jù)直接證實(shí)了載流子在雙鍺結(jié)間的有效轉(zhuǎn)移，為"晶體管效應(yīng)改善電流匹配"的創(chuàng)新機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，突顯了先進(jìn)表征手段在光伏器件研發(fā)中的重要作用。

原文參考：First demonstration of a three terminals-quadruple junction InGaP/InGaAs/Ge/T/Ge solar cell - all MOVPE grown- exploiting the transistor effect

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