德国弗赖堡弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（ISE）
荷兰阿姆斯特丹荷兰科学研究组织 AMOLF 研究所
一、研究背景硅单结太阳能电池效率接近理论极限，为降低光伏系统成本，需突破此限制，多结太阳能电池是有前景的方向。本文介绍了一种键合的 GaInP/GaInAsP//Si 三结太阳能电池，其在 AM1.5g 光谱下转换效率达 36.1%，为硅基多结太阳能电池效率新高，对推动 III - V/Si 叠层太阳能电池发展有重要意义。
展示了 III - V//Si 三结太阳能电池的层结构，包括 GaInP/GaInAsP 顶部结构与 TOPCon 硅底部电池的键合方式及背面光栅的实现方法
二、实验方法外延生长：在 AIX2800G4 反应器中用金属有机气相外延法生长 III - V 半导体层，以 400（001）取向、向 [111]-B 方向偏 6° 的 GaAs 晶片为衬底，采用多种前驱体。中间和顶部电池均采用后异质结设计，中间后异质结太阳能电池由特定厚度和掺杂的吸收层、前表面场和后表面场组成，并使用隧道结进行电池串联连接1。
太阳能电池制备：先在 GaAs 衬底上沉积中间电池再沉积顶部电池，去除 GaAs 衬底后与 TOPCon 硅电池键合，再经光刻、刻蚀、金属接触形成和抗反射涂层沉积等工艺，在 AMOLF 用纳米压印光刻技术在电池背面制作衍射光栅以增强硅底电池的光吸收2。
表征方法：通过测量外量子效率和电流 - 电压特性评估电池性能，用光谱分辨的电致发光测量分析后异质结中间电池影响，结合外量子效率确定外辐射效率，用特定太阳能模拟器分析子电池电流、发光耦合和辐射复合电流3。
三、结果与讨论电流 - 电压特性（结合图 2）
从图 2 可知，冠军电池在 AM1.5g 光谱下效率达 36.1%，相比上一代主要因开路电压增加 61 mV。上一代短路电流在 12.4 - 13.1 mA/cm²，效率提升主要源于 Voc 而非填充因子。通过二极管模型拟合，平行电阻有所提升，目前效率因平行电阻导致的下降为 0.21% abs。结论：后异质结设计显著提升了开路电压，进而提高电池效率，且工艺改进使平行电阻提升，降低了相关效率损失。
外量子效率（结合图 3）
图 3 显示冠军电池中间子电池电流限制为 12.6 mA/cm²，子电池电流总和表明接近电流匹配。与中间子电池相比，整个三结电池短路电流密度的 0.1 mA/cm² 差异由发光耦合和有限平行电阻引起。纳米压印前硅底电池限制短路电流密度为 11.7 mA/cm²，压印后增加 1.4 mA/cm²。结论：确定了中间子电池的电流限制作用及光程增强对硅底电池电流的提升效果，同时表明子电池电流匹配情况及影响因素。
子电池电压和外辐射效率（结合图 4、图 5）
由图 4 构建的伪 IV 曲线和二极管理论拟合可知，后异质结设计使中间电池空间电荷区非辐射复合显著降低。从图 5 看出，后异质结中间电池外辐射效率高于同质结，因空间电荷区复合在后者中不可忽略，而前者中几乎被抑制。但由于硅底电池厚，中间子电池光子回收少，外辐射效率绝对值仍较小。结论：后异质结设计有效抑制了中间电池空间电荷区复合，提高了外辐射效率，但受电池结构影响其绝对值受限。
发光耦合（结合图 6）
图 6 中不同光照条件下短路电流测量表明，中间电池辐射复合导致向底部发光耦合。通过曲线拟合得到发光耦合因子和相关参数，如 η₁₂ = 0.27 ± 0.03，η₂₃ = 0.46 ± 0.07 等，且 φ₂ 在误差范围内与 0 不可区分，符合中间子电池后异质结设计减少复合的预期。与其他电池相比，耦合因子有差异，主要归因于晶体质量和折射率过渡差异。结论：证实了中间电池与其他子电池间的发光耦合现象，确定了相关耦合因子，解释了与其他电池的差异原因。
光学损耗分析（结合图 7）
图 7 光学损耗分析显示，AM1.5g 光谱下 26.3% 能量因光吸收不完全损失，约三分之二源于硅电池光子逃逸和衍射结构寄生吸收。反射也是重要损耗源，主要在远红外和紫外范围，此外还有前表面吸收等。通过结构和材料优化，理论上可提高短路电流密度和效率。结论：明确了电池主要光学损耗渠道，为进一步提高效率提供了优化方向。
四、研究结论本文展示的 III - V//Si 三结太阳能电池效率达 36.1%，为硅基多结太阳能电池最高效率。通过后异质结设计提高了开路电压和外辐射效率，观察到子电池间强发光耦合。主要损耗源于衍射结构非吸收和寄生吸收及硅底电池表面复合，未来可通过优化抗反射涂层和扩大电池尺寸等缓解损耗，提升电池性能。
五、图表分析图 1：展示了 III - V//Si 三结太阳能电池的层结构，包括 GaInP/GaInAsP 顶部结构与 TOPCon 硅底部电池的键合方式及背面光栅的实现方法。该图为理解电池结构提供了直观的示意图，有助于后续对电池性能和工作原理的分析。
图 2：呈现了冠军 GaInP/GaInAsP//Si 三结太阳能电池在 Fraunhofer ISE 校准实验室中于校准 AM1.5g 光谱下测量的电流 - 电压特性。从图中可直接获取电池的短路电流（）、开路电压（）、填充因子（FF）和效率等关键参数，直观展示了电池的电学性能，为分析效率提升原因提供了数据基础。
图 3：显示了三个子电池的外量子效率（实线）和整个三结太阳能电池的外量子效率（黑色虚线），以及硅底电池在衍射背面光栅压印前的量子效率（橙色虚线）。通过该图可分析各子电池对不同波长光的吸收和响应情况，确定电流限制子电池，以及评估背面光栅对硅底电池光吸收的增强效果。
图 4：由子电池电压测量构建的后异质结（橙色圆圈）和同质结中间电池（蓝色方块）的伪 IV 曲线，并给出了二极管理论拟合线。此图可用于分析中间电池在不同结构下的电学特性，如暗电流和复合情况，直观展示了后异质结设计对中间电池性能的改善效果。
图 5：展示了 III - V//Si 三结太阳能电池中间子电池在同质结（蓝色方块）和后异质结配置（橙色圆圈）下的外辐射效率，以及 AM1.5g 照射对应的电流密度条件（垂直虚线）。通过对比可清晰看出后异质结设计对中间电池外辐射效率的提升作用，以及不同电流密度下的效率变化趋势。
图 6：测量了在 AM1.5g 条件下，顶部（蓝色方块）、中间（青色圆圈）和底部结（橙色三角形）的光电流选择性变化时 III - V//Si 三结冠军器件的短路电流，并给出了拟合曲线和指示模型参数确定区域的箭头。该图为分析子电池间的发光耦合现象提供了实验数据支持，通过曲线形状和拟合参数可确定发光耦合因子等关键信息。
图 7：包括两部分，A 部分展示了冠军电池 X696 - 6 的光学损耗分析，包括反射、逃逸和寄生吸收损耗等在电池各部分的光谱分辨情况，白色区域表示三个结内的模拟吸收总和，数据点为测量的外量子效率总和；B 部分给出了三结太阳能电池不同部分寄生吸收导致的功率损耗及占总光学损耗的比例。该图全面分析了电池的光学损耗来源和分布，为寻找提高效率的优化方向提供了重要依据。
表 1：列出了 Fraunhofer ISE 生产的过去四代 III - V//Si 三结太阳能电池的参数，包括中间电池类型、开路电压、短路电流、填充因子和效率等。通过对比不同代电池参数，可清晰看出效率提升的趋势和关键因素，如后异质结设计引入后开路电压的显著增加对效率的提升作用。
