2025 IEEE最新研究：基于晶体管效应的全MOVPE生长三端四结InGaP/InGaAs/Ge/T/Ge太阳电池

三结（TJ）GaInP/GaInAs/Ge太阳能电池虽是当前空间与聚光光伏应用的主流，但其锗（Ge）底电池吸收了大量无法有效利用的近红外光能，并导致子电池间的电流失配，限制了效率提升。理论上，通过引入第二个Ge结来分流近红外光谱是理想的解决方案，但该路径面临一个长期的技术瓶颈：在金属有机气相外延（MOVPE）生长过程中，III-V族与IV族（Ge）元素之间存在严重的“交叉污染”，阻碍了高质量多结结构在单一反应室中的单片集成。美能QE量子效率测试仪以其高精度和宽光谱范围，为验证晶体管效应带来的量子效率提升及电流匹配优化提供了关键数据支撑。

本研究成功首次演示了一种全新的三端四结（3T-QJ）InGaP/GaAs/Ge/T/Ge太阳能电池。其核心突破在于：通过改造MOVPE反应室并优化生长工艺，实现了所有III-V层与Ge层在同一个反应室中的一次性顺序沉积，有效控制了交叉污染。此外，电池采用创新性架构，在底部构建了一个 Ge/T/Ge 双结单元，其N-P-N结构类似于晶体管，能够利用“晶体管效应”，主动将顶部Ge结产生的过剩光生载流子（功率）转移至底部Ge结，从而在根本上改善了整个多结电池的电流匹配状况。

MOVPE腔室改造与工艺优化

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经过改造的AIX-MOVPE反应室视图

为抑制交叉污染，对MOVPE反应室进行了三项关键改造：

采用特殊三重气体注入器，提升前驱体利用效率。

在石墨基座中心加装石英板，减少腔室中心区（晶圆前沿上游）的寄生沉积。

优化腔顶与顶部冷却板的热解耦效果，降低不必要的寄生沉积。

同时，通过提高生长速率和降低沉积温度，进一步减少了杂质掺入。

双结Ge/T/Ge电池与晶体管效应理论

（a）DJ Ge/T/Ge 电池的三维和平面视图；（b）DJ Ge/T/Ge 电池的理想化改进型埃伯斯-莫尔等效电路图

为验证“晶体管效应”，首先制备并研究了双结（DJ）Ge/T/Ge模型电池。通过建立理想的等效电路模型，对功率转移进行了量化分析：

总输出功率可表示为：

其中，内部电流Iint为从顶结流向底结的净电流。当 Iint>0时，意味着功率从顶结转移到底结。

顶结和底结的EQE提升

实验数据完美验证了该模型：当顶结处于开路（OC）状态时，底结的短路电流（IC）满足：

即底结电流等于自身光生电流加上由晶体管效应从顶结转移而来的电流。这使得底结的EQE和电流密度在顶结开路时获得了100%的显著提升。

四结（QJ）功能电池的性能

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QJ 太阳能电池的三维视图

（a）QJ电池在不同电压条件下的EQE；（b）QJ与TJ参考电池的EQE对比；（c）TJ参考电池与QJ电池的I-V曲线

基于上述原理，成功制备了完整的四结（QJ） InGaP/InGaAs/Ge/T/Ge功能电池。性能对比表明：

显著的电流提升：当上部三结部分处于开路状态时，底部第二个Ge子电池的电流密度提升了惊人的300%

EQE谱形变化：晶体管效应不仅提升了电流，还改变了底部Ge电池的EQE谱形，从“三角形”变为更理想的“矩形”，表明载流子收集效率在短波区域得到极大增强

有效改善电流匹配：在参考三结电池中，Ge结电流为19.1 mA/cm²，而在本四结电池中，位于相同光谱位置的Ge底结1电流降至17.3 mA/cm²，这表明过剩电流被成功转移至Ge底结2，整体电流匹配性得到优化

基于电流 - 电压（I-V）曲线与外量子效率（EQE）测试的电流密度及开路电压（Voc）值

验证无污染生长：通过对I-V数据的分析（特别是隧道二极管性能与暗电流特性），证实了QJ电池中TJ部分的性能限制主要源于为降低串联电阻而设计的更厚发射区，而非交叉污染。经面积校正后，其效率与参考TJ电池相当（约27%），有力证明了交叉污染问题已被克服。

本研究通过长达18年的技术攻关，成功解决了III-V/IV族元素在MOVPE中的交叉污染难题，首次实现了全MOVPE单片集成的三端四结太阳能电池，并将一度被视为不利的“晶体管效应”创新性地应用于改善电流匹配。这项工作为开发更先进的晶格匹配多结电池（如AlInGaP/AlInGaAs/InGaAs/Ge/T/Ge）铺平了道路，并拓展了不同带隙材料组合的设计思路。未来，通过进一步的电池结构优化和能带工程，此类四结电池的效率有望突破32%。

美能QE量子效率测试仪

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美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求

光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

美能QE量子效率测试仪在本研究中为验证新型电池性能提供了关键数据。其精准测量清晰显示出晶体管效应带来的量子效率提升：当顶部结开路时，底部锗结的量子效率在近红外波段显著增强，增幅最高达300%，谱形由三角形转变为更理想的矩形。这些数据直接证实了载流子在双锗结间的有效转移，为"晶体管效应改善电流匹配"的创新机制提供了实验证据，突显了先进表征手段在光伏器件研发中的重要作用。

原文参考：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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