美國能源部所屬的國家可再生能源實驗室(NREL) 與北卡羅來納州的威訊聯(lián)合半導(dǎo)體公司(RFMD) 于2009 年簽訂合作協(xié)議，開發(fā)NREL 發(fā)明的倒置變形多結(jié)(IMM；Inverted Metamorphic Multi-Junction) 光伏電池技術(shù)。歷經(jīng)數(shù)年研究，RFMD 在2011 年10 月宣布組建IMM 商業(yè)化推進小組。

NREL 向來擁有強大的III-V 族多結(jié)光伏電池和CPV 系統(tǒng)科研實力。發(fā)明了第一個多結(jié)光伏太陽能電池后，NREL與民營廠商合作開發(fā)了符合工業(yè)標準的鎵銦磷/砷化鎵（銦）/鍺(GaInP/Ga(In)As/Ge) 技術(shù)，并首次向各方太陽能業(yè)界展示IMM 太陽能電池。

原本為了太空應(yīng)用開發(fā)的III-V 族多結(jié)太陽能電池，與晶矽電池相比，性能大幅提升，對CPV 系統(tǒng)來說尤其如此。由于在一個電池內(nèi)使用三種不同的光伏材料，III-V 族電池可從陽光的全系光譜中提取更多的能量，從而讓光伏電池產(chǎn)生更高的電壓，減少更多熱能消耗。因此，III-V 族電池轉(zhuǎn)換效率達到了太陽能業(yè)界最高水平。IMM 技術(shù)則使此類電池性能和成本獲得進一步突破。據(jù)報導(dǎo)，IMM 太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率相當高為40.8%，研究表明甚至還有進一步提升空間。

RFMD一年前宣布采用公司現(xiàn)有的標準6英寸半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)出集成砷化鎵(GaAs) 和磷化鎵銦(InGaP)的雙結(jié)光伏電池，成功實現(xiàn)了IMM 技術(shù)商業(yè)化過程中有重要意義的性能里程碑。雙結(jié)光伏電池的成功研制為3結(jié)IMM 結(jié)構(gòu)的開發(fā)開創(chuàng)了先機，而最終目的是開發(fā)出可以商業(yè)化的技術(shù)。

(Source: NREL)

2011年10月，RFMD宣布組建新的商業(yè)集團——化合物半導(dǎo)體集團(Compound Semiconductor Group)，與其旗下的手機產(chǎn)品集團(Cellular Products Group)和多元市場產(chǎn)品集團(Multi-Market Products Group) 并駕齊驅(qū)。新集團將“采用業(yè)界領(lǐng)先的氮化鎵(GaN) 和砷化鎵(GaAs) 技術(shù)造出新型高功率高性能產(chǎn)品。”

IMM 生長系統(tǒng)

IMM 的能力來自于電池的生長過程——這一技術(shù)顛復(fù)3 結(jié)電池的通常順序，先沈積頂層，最后是底層。與傳統(tǒng)光伏電池不同，IMM 使用了磷化鎵銦和砷化鎵銦材料。砷化鎵外延片上生成電池后，被翻轉(zhuǎn)安裝到金屬箔片制成的“把手”上，然后移除基板。NREL的研究人員改進了IMM技術(shù)，讓中間和底層結(jié)點產(chǎn)生變形，即“晶格不匹配”，造成的不均勻的原子間距可提高太陽能轉(zhuǎn)換效率。

這項技術(shù)的一大優(yōu)勢是昂貴的基板可以重復(fù)使用，降低了生產(chǎn)成本。此外，把手材料未必要單晶矽或半導(dǎo)體，具體應(yīng)用可具體選擇，從而讓裝置輕薄化成為可能。

由于磷化鎵銦和砷化鎵銦將太陽能光譜三等分，便于電池的三個結(jié)點吸收，多結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率也遠超單結(jié)電池。

聚光型太陽能發(fā)電(CPV)

當前，如IMM 電池之類的3 結(jié)太陽能電池專用于CPV 系統(tǒng)，優(yōu)勢在于高產(chǎn)出和最大限度降低綜合系統(tǒng)成本。CPV 系統(tǒng)的一大痼疾是聚光會積聚熱量。IMM 電池采用了倒置成長技術(shù)，能夠安裝背面反射鏡，從而將吸收的剩余光能轉(zhuǎn)移到激活的子電池層，改善電池的整體轉(zhuǎn)換效率。背面反射鏡還能反射低能量紅外輻射，給電池降溫和保持其高效運作。

III-V太陽能電池應(yīng)用的進展

IMM 電池正在邁向商業(yè)化之時，其他形式的III-V族多結(jié)電池也很快找到了在CPV 項目中的應(yīng)用之地。

加州的Solar Junction 是斯坦福大學(xué)的實驗項目衍生的公司。其多結(jié)CPV 電池去年由NREL 測定轉(zhuǎn)換效率達到40.9%，公司期望未來五年能超越50%。2012 年2 月，公司宣布收到New Enterprise Associates、Advanced Technology Ventures、Draper Fisher Jurvetson 和IQE 的四家投資，總額達到1920 萬美元。該公司的太陽能電池采用自主專利的可調(diào)光譜晶格匹配(A-SLAM) 結(jié)構(gòu)，能夠“提供材料帶隙可調(diào)性- 特別在0.8 到1.42 eV之間-從而讓CPV 組件的光能吸收最大化，提高轉(zhuǎn)換效率和能量生成。”

(Source: NREL)

結(jié)論

研究人員早已開始期待新世代的多結(jié)太陽能電池。據(jù)正在開發(fā)這項技術(shù)的波音子公司Spectrolab 稱，未來有可能會開發(fā)出4 結(jié)或更多結(jié)的地面太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率可超過45%。Spectrolab 說這些4 結(jié)、5 結(jié)或6 結(jié)電池與3 結(jié)電池相比，用降低電流密度換取了更高電壓，對太陽光譜的解析也更有效，而低電流密度也會在太陽能高度聚集時大幅度減少電阻能量損失。NREL推算不同結(jié)的太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率為：1結(jié)﹣37%；2結(jié)﹣50%，3結(jié)﹣56%；36結(jié)﹣72%。

多結(jié)太陽能電池的未來在于CPV 系統(tǒng)中的應(yīng)用。當前多結(jié)光伏的利基市場則是公用事業(yè)規(guī)模的CPV 太陽能發(fā)電場，而傳統(tǒng)光伏電板則瞄準了屋頂太陽能應(yīng)用。相比之下，多結(jié)光伏市場雖小，卻很重要。為數(shù)不多的多結(jié)光伏廠商的發(fā)力重點便是在這一特殊市場打開銷路，占據(jù)更多份額。除了用于公用事業(yè)，多結(jié)CPV 電池廠商和新型廠家也可以開發(fā)其他新型CPV 應(yīng)用。

同時，開發(fā)新的聚光系統(tǒng)，改善CPV 技術(shù)，也會為新興企業(yè)打破思維定勢提供新的機會。