美國(guó)能源部所屬的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(jìn)小組。

NREL 向來?yè)碛袕?qiáng)大的III-V 族多結(jié)光伏電池和CPV 系統(tǒng)科研實(shí)力。發(fā)明了第一個(gè)多結(jié)光伏太陽(yáng)能電池后，NREL與民營(yíng)廠商合作開發(fā)了符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yáng)能業(yè)界展示IMM 太陽(yáng)能電池。

原本為了太空應(yīng)用開發(fā)的III-V 族多結(jié)太陽(yáng)能電池，與晶矽電池相比，性能大幅提升，對(duì)CPV 系統(tǒng)來說尤其如此。由于在一個(gè)電池內(nèi)使用三種不同的光伏材料，III-V 族電池可從陽(yáng)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(dá)到了太陽(yáng)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(jìn)一步突破。據(jù)報(bào)導(dǎo)，IMM 太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)高為40.8%，研究表明甚至還有進(jìn)一步提升空間。

RFMD一年前宣布采用公司現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jī)，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(tuán)——化合物半導(dǎo)體集團(tuán)(Compound Semiconductor Group)，與其旗下的手機(jī)產(chǎn)品集團(tuán)(Cellular Products Group)和多元市場(chǎng)產(chǎn)品集團(tuán)(Multi-Market Products Group) 并駕齊驅(qū)。新集團(tuán)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(zhǎng)系統(tǒng)

IMM 的能力來自于電池的生長(zhǎng)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(jìn)了IMM技術(shù)，讓中間和底層結(jié)點(diǎn)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(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。

這項(xiàng)技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)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(yáng)能光譜三等分，便于電池的三個(gè)結(jié)點(diǎn)吸收，多結(jié)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率也遠(yuǎn)超單結(jié)電池。

聚光型太陽(yáng)能發(fā)電(CPV)

當(dāng)前，如IMM 電池之類的3 結(jié)太陽(yáng)能電池專用于CPV 系統(tǒng)，優(yōu)勢(shì)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(huì)積聚熱量。IMM 電池采用了倒置成長(zhǎng)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(yùn)作。

III-V太陽(yáng)能電池應(yīng)用的進(jìn)展

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

加州的Solar Junction 是斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目衍生的公司。其多結(jié)CPV 電池去年由NREL 測(cè)定轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(dá)到1920 萬(wàn)美元。該公司的太陽(yáng)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(yáng)能電池。據(jù)正在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的波音子公司Spectrolab 稱，未來有可能會(huì)開發(fā)出4 結(jié)或更多結(jié)的地面太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)光譜的解析也更有效，而低電流密度也會(huì)在太陽(yáng)能高度聚集時(shí)大幅度減少電阻能量損失。NREL推算不同結(jié)的太陽(yáng)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(yáng)能電池的未來在于CPV 系統(tǒng)中的應(yīng)用。當(dāng)前多結(jié)光伏的利基市場(chǎng)則是公用事業(yè)規(guī)模的CPV 太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，而傳統(tǒng)光伏電板則瞄準(zhǔn)了屋頂太陽(yáng)能應(yīng)用。相比之下，多結(jié)光伏市場(chǎng)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(diǎn)便是在這一特殊市場(chǎng)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(shí)，開發(fā)新的聚光系統(tǒng)，改善CPV 技術(shù)，也會(huì)為新興企業(yè)打破思維定勢(shì)提供新的機(jī)會(huì)。