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叠层多结串联太阳能电池Multi-junction Solar Cells Tandem Solar Cells |
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叠层多结串联太阳能电池Multi-junction Solar Cells Tandem Solar Cells
能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。随着社会的发展，煤炭、石油等不可再生资源的日益减少，开发清洁能源迫在眉睫。太阳能是取之不尽的新能源，太阳能电池是人们利用太阳能的一种重要方式。太阳能电池将资源无限、清洁干净的太阳辐射转换为电能。近些年来，世界太阳能电池的产量以年增长率30％的速度快速发展，在2004年底全球的总装机容量达到4330MW。科学家预言，在21 世纪中期太阳能光伏发电将成为重要的发电方式。
太阳能电池的工作原理是，太阳光照在半导体P-N 结上，形成空穴-电子对，在P-N 结电场的作用下，N 型半导体的空穴往P 型区移动，P 型区中的电子往N 型区移动，接通电路后就形成电流。
太阳能电池发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已经成熟，但单晶硅纯度要求在99.999％， 生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池， 其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。太阳能光电转换率的卡诺上限是95%， 远高于标准太阳能电池的理论上限33%， 表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。Martin Green 认为， 第三代太阳电池必须具有如下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还处在概念和简单的试验研究。已经提出的主要有叠层多结串联太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中，叠层多结串联太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。
由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右(AM1.5)。
太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池。
叠层多结串联太阳能电池结构可以拓宽吸收光谱，最大限度地将光能变成电能，提高了太阳能电池的能量转换效率，这类太阳能电池是目前研究的热点。本文集中介绍了非晶硅叠层多结串联太阳能电池、多元化合物叠层多结串联太阳能电池和染料敏化叠层多结串联太阳能电池的研究现状，对它们的结构、性能指标和效率等做了介绍和评估，指出了各自的优缺点，分析了阻碍叠层多结串联太阳能电池进一步发展和应用的制约因素主要有两个：很难找到两种晶格匹配良好的半导体晶体；对环境友好，价格合理，来源丰富的太阳能电池材料很稀少。非晶硅系叠层多结串联太阳能电池对材料纯度要求较高，价格贵；化合物太阳能电池虽然转换效率高，但是电池材料对环境造成污染；染料敏化叠层多结串联太阳能电池制作工艺简单，电池材料来源丰富。
叠层多结串联太阳能电池系列
1 叠层型非晶硅太阳能电池
非晶硅太阳能电池的发展现状
在历史上，单晶硅是第一种被商业化应用的太阳能电池材料，且是当今研究最广泛的半导体。硅的优点在于其工艺技术成熟以及地球壳层硅含量丰富。由于硅是一种间接跃迁半导体，故其吸收比颇低，这就要求用0.4 mm厚的大量硅来吸收太阳光。由于材料性能和电池结构设计的优化已在实验室获得了转换效率为24%的单晶硅太阳能电池，然而追求高转换效率的障碍主要在于单晶硅太阳能电池具有更复杂的工艺技术，使其生产成本一直居高不下。单晶硅太阳能电池的生产成本问题促使人们不惜以牺牲电池的转换效率为代价来开发薄膜技术，在当今市场中投入商业销售数量最大的薄膜首推非晶硅(a-Si)。在光伏市场中，a-Si PV的大部分用于诸如电子计算器、手表、路灯等消费产品，但近几年也开发了非晶硅太阳能电池模块发电。由于其极低的生产成本，在日本“新阳光计划”下的PV推广项目已对非晶硅薄膜太阳能电池进行了约15年的探索开发。目前a-Si单结太阳能电池的最高转换效率为13.2%，然而，在太阳光照射下早期的a-Si太阳能电池模块的转换效率的衰减一般达到30%～50%。因此主要的科研力量已从初始转换效率转到稳定的转换效率上来，并且a-Si太阳能电池的结构也从单结研究转到多结研究上来，以改进其稳定性并提高转换效率。叠层多结串联太阳能电池是使用对应于不同太阳光谱部分的不同光伏材料膜层来制作的，现在已有若干研究指出，a-Si光伏系统在经过一年或两年的15%初始功率衰减后可望获得可靠和恒定的功率输出。
非晶硅太阳能电池存在的主要问题
为了使太阳能发电能够与其它商业化的发电方式进行竞争，假设模块的稳定转换效率为8.5%，那么非晶硅太阳能电池模块的生产成本就必须低于每瓦1.4美元。在可见光范围内，非晶硅比单晶硅有更大的吸收系数，因此实现光伏转换所需的膜层厚度仅为0.3～0.45 μm，且每瓦所需硅的量极少。在每一阶段，制造非晶硅太阳能电池所需消耗的电能比生产单晶硅太阳能电池少，对于非晶硅太阳能电池，制造电池所需消耗的电能成本的回报时间约为0.6～1.5年。目前尽管在a-Si太阳能电池的开发中取得的进步给人留下了深刻的印象，但尚有一些为确保技术上长期成功必须解决的问题。现在非晶硅太阳能电池的研究和开发一般分为：①提高转换效率；②提高可靠性；③开发批量生产技术。在提高非晶硅太阳能电池的转换效率和可靠性方面，叠层多结串联太阳能电池是一个重要的开发方向。
叠层型非晶硅太阳能电池
大面积叠层非晶硅太阳能电池产品
基于薄膜技术的光伏应用型非晶硅自从在实验室诞生以来已走过了漫长的道路，而今它已扩展到民用领域并在地面应用中日益增长。美国在非晶硅叠层多结串联太阳能电池方面无论是技术水平还是大规模应用方面都处于世界领先水平，该公司在过去的10年中，已在技术开发方面取得了不小的进展，导致了非晶硅基合金薄膜的改进，这种改进的本征和掺杂非晶硅在4平方英尺和1平方英尺的叠层多结串联太阳能电池模块的应用中展示出8%～9%的稳定转换效率，开发的非晶硅基叠层多结串联太阳能电池已达到了成熟水平，使商业化大面积太阳能电池模块在技术和经济上都是切实可行的。该公司已建造一座容量10兆瓦/年的a-Si太阳能电池模块工厂，该工厂已在8.6平方英尺的玻璃衬底上生产激光互连型单板a-Si:H/a-SiGe∶H叠层多结串联太阳能电池模块。产品的基本器件结构是：玻璃/TCO/p-i-n——p-i-n/ZnO/Al/EVA/玻璃，如图1所示。其中前pn结采用了能隙宽度约1.78 eV的本征a-Si:H吸收层，后pn结则使用能隙宽度从1.45～1.55 eV的本征a-SiGe∶H合金层。前接触电极是用常压CVD(APCVD)法沉积的绒面氧化锡透明导电膜，非晶硅膜则采用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)法沉积，其中约10 nm p型a-SiC∶H合金膜层直接沉积在镀有TCO膜的玻璃上，前pn结的本征a-Si∶H膜层利用硅烷和氢气混合气体进行沉积之后再沉积约10 nm的掺磷微晶硅膜层。接下来的第二个p型a-SiC∶H膜层形成了隧道结并作为第二个结的组成部分，然后是用硅烷、锗烷和氢气沉积的能隙宽度小的a-SiGe∶H合金膜层。背接触电极由利用低压CVD(LPCVD)法沉积的100 nm ZnO和利用磁控溅射沉积的约300 nm Al层组成。在一块单板模块中的各部分利用三个激光刻划步骤进行互连，如图2所示。最后再利用另一块玻璃和两块玻璃间的EVA(乙基乙烯树脂)材料进行模块封装。该模块稳定的额定功率有望达到56 W。
大面积叠层a-Si太阳能电池模块的研究和开发问题：薄膜工艺
大面积多结模块开发包括从1～4～8平方英尺的按比例递增的四种膜层沉积工艺：APCVD(TCO)，PECVD(Si),LPCVD(ZnO)和溅射(Al)。每一种工艺都有必须满足的特殊要求，以确保大面积模块的空间、组分和形貌外观的均匀性。
该公司有一条4平方英尺试验生产线运行已超过两年，制作了1000多块模块，最初为4平方英尺试验生产线开发的“baseline 1”的硅工艺有带隙宽度相对低(约1.45 eV)的a-SiGe∶H本征层(在后pn结中)，可产生约10 mA/cm2的电流，该工艺(70%生产率)的平均初始效率为9.6%。在连续600 h一个太阳光照后，多数模块的平均光致衰减稳定在17%，该结果是在NREL的独立测量所证实的。因此，该工艺可达到超过8%的稳定转换效率。尽管该生产线运行稳定并提供了许多有价值的生产经验，但对于提高其产量和降低材料成本的工作一直都在进行。叠层器件的沉积时间和硅烷、锗烷的利用率是影响模块成本效率的重要因素。通过采用更薄的本征层和减少锗的含量以增加后pn结的带宽，优化了这种叠层器件。“baseline 2”生产线工艺已经使叠层电池产生的电流减少，而填充因子和开路电压则增加。此外，这种薄叠层电池的效率也得到了改进，光致衰减已从17%降低到14%～15%。平均稳定转换效率(70%生产率)达到7.80%，接近于“baseline 1”，但成本效率则得到了明显改进。图3表示了两条基础生产线工艺的稳定转换效率的比较(批量为40个模块)，其中70%生产率的平均稳定转换效率分别为8.07%和7.80%；100%生产率的平均稳定转换效率分别为7.92%和7.70%。两条基础生产线的工艺比较如表1所示。
用微晶硅作i层的非晶硅太阳能电池在光照下已证明是完全稳定的。据此，已制备了a-Si/μc-Si叠层多结串联太阳能电池。其初始转换效率为13.1%，在这种电池结构中，总功率的三分之二是由非晶硅顶电池产生的，但顶电池的稳定性却是这种叠层多结串联太阳能电池的关键问题，这种电池的稳定转换效率为10%(145 h,1个太阳光照，48 ℃)。在新阳光计划下，某些日本研究小组已在开发a-Si/p-Si薄膜叠层多结串联太阳能电池，K公司获得了初始转换效率为10.4%的薄膜太阳能电池，在这种器件中，6 μm厚的多晶硅薄膜太阳能电池是在低温下(200～550 ℃)用等离子体CVD法沉积在玻璃衬底上的。
均匀成膜技术，在30 cm×40 cm单结非晶硅太阳能电池模块上获得了转换效率偏差为±1%的均匀性，通过进一步优化技术，可望使a-Si/a-SiGe子模块获得10%的稳定效率。
公司基础生产线的8.6平方英尺模块按比例递增工艺正在进行生产。在可商业购买的绒面氧化锡镀膜碱石灰玻璃上已制作了8.6平方英尺叠层模块，在NREL所测的4个最新模块的性能总结于表2中。
叠层非晶硅太阳能电池的稳定性
日本质量保证组织(JQA)对多结非晶硅太阳能电池模块进行了户外和室内光吸收试验以表征它们的稳定性以及确定现有技术的水准。受控试验在一个环境试验室内进行，其中模块的固定温度为48 ℃，光照强度为1.25 kW/m2，光照周期为310 h。在加速光照试验中，典型的a-Si/a-Si叠层模块有15%的衰减。
图4给出在长期户外阳光辐射下a-Si/a-Si叠层模块的性能。输出功率归一化为1 kW/m2，并且进行了温度校正。在初始几个月的阳光辐照下，模块经历了约10%的初始光致衰减。从那时起，模块的输出似乎已经稳定下来，其性能仅随季节有些变化。阳光辐照两年后，模块完全稳定下来。可见多结非晶硅太阳能电池的稳定性比单结电池要好得多。
叠层非晶硅太阳能电池的未来发展方向
展望未来，在叠层非晶硅太阳能电池方面有两个大的方向必须引起重视，其一就是采用新的优质底电池i层材料，例如制备优质(a-Si/a-SiGe)n多层膜；微晶硅或多晶硅尽管吸收系数小，但微晶硅或多晶硅薄膜作为低成本薄膜太阳能电池材料或作为叠层结构底电池材料已经得到了极大的技术关注。其二是在保证足够高的稳定转换效率的条件下，开发低成本、大规模、大面积生产叠层型非晶硅太阳能电池模块技术。如前面提到的公司已开发了8.6平方英尺的模块，洋则通过研究大面积均匀成膜技术来制造大面积叠层模块。此外，激光刻划成图方法现已广泛用于制造大面积非晶硅模块，洋公司已提出了一种称为等离子体CVM(化学蒸发或气化加工)的高产率成图方法。在这种方法中，去除材料的基本机制是腐蚀。在高压下产生的等离子体位于电极线附近并且聚集了反应离子基。这种方法利用SF6获得了大于1 μm/s的腐蚀速率和200 μm宽a-Si膜层的选择成图。对于大面积单结和多结模块，可望获得多线成图方式，从而提高生产效率。
2 多元化合物叠层多结串联太阳能电池
多元化合物太阳能电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳能电池。现在各国研究的多元化合物太阳能电池品种繁多，但绝大多数尚未工业化生产。半导体化合物GaAs，CdTe，Cu(In, Ga)Se2(CIGS)的禁带宽度接近于光伏电池所要求的最佳禁带宽度，它们具有高的光电转化效率，又有较低的制作成本，可以用来制造薄膜叠层多结串联太阳能电池。
GaAs 是III-V 族半导体材料，禁带宽度1.42 eV，与太阳光谱匹配，是理想的太阳能电池材料。单结GaAs 电池只能吸收特定光谱的太阳光，转换效率不高。不同禁带宽度的III-V族材料制备的多结GaAs 电池，按禁带宽度由大到小叠合，这些III-V 族材料分别吸收和转换太阳光谱的不同子域， 可大幅提高太阳能电池的光电转换效率。由于镓比较稀缺，砷有毒，制造成本高，此类太阳能电池的发展受到一定的影响。
多元化合物叠层多结串联太阳能电池
目前，国际上已对AlGaAs/GaAs，GaInP2 /GaAs，GaInAs/Inp，GaInP/GaInAs 等双结叠层多结串联太阳能电池进行过研究， 其中对GaInP2 /GaAs 叠层多结串联太阳能电池的研究居多。这种电池结构首先由Olson 在1990 年提出，他发现GaInP2材料可以作为叠层多结串联太阳能电池的顶层电池。目前国外报道的GaInP2 /GaAs 双结叠层多结串联太阳电池的光转换效率已达25.7%。产业化成熟产品转换效率约23.1%， 并逐步用作卫星等航天器的供电电源，前景十分广阔。不过，造价昂贵一直是GaInP2 /GaAs 叠层电池难以大批量生产的直接原因， 选用价格低廉的Ge 衬底是降低成本， 减小GaInP2 /GaAs 叠层多结串联太阳能电池自身重量的有效途径。国外对此已研究多年，近年国内研究也开始深入。上海交通大学物理系的陈鸣波、崔容强等采用低压金属有机物化学气相沉积工艺制备P-N 型的GaInP2 /GaAs 叠层多结串联太阳能电池样品，并对GaInP2顶层电池进行改进，制得的电池光电转换效率为23.82％。其他双结太阳能电池如Al0.37Ga0.63As/GaAs(Ge)两者的禁带宽度分别为1.93 eV 和1.42 eV，正处于叠层多结串联太阳能电池所需的最佳匹配范围，其效率达到23%。在双结电池的基础上，1993 年在国外就有报道研制出三结Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge 叠层多结串联太阳能电池。1996 年，美国光谱实验室研制的该类电池的最高效率达到25.7%， 小批量生产平均效率达到23.8%，1997 年大批量生产平均效率达到24.5%。2000 年最高效率达到29%，2002 年大批量生产平均效率达到26.5%。目前，国际上从事多结电池批产的最知名的两家公司是美国的光谱实验室和Emcore公司， 其年批产能力分别为500 kW 和200 kW。
作为II-VI 族化合物半导体CdTe，是禁带宽度为1.46 eV的直接禁带半导体，很接近太阳能电池需要的最优化禁带宽度，吸收系数约为105 cm-1，就太阳辐射光谱中能量高于CdTe禁带宽度的范围而言，1 μm 厚的CdTe 可以有效吸收其99%。目前，国内的CdS/CdTe 太阳电池是研究热点，报道的最高光电转换率是由李愿杰等制造的单层CdS/CdTe，效率为13.38%。该实验室还制造出多层叠层CdS/CdTe 太阳能电池，结构为CdS/CdTe/CdS/CdTe/ZnTe:Cu/Ni，如图1 所示。这种叠层多结串联太阳能电池的效率可以达到8.16％。
Cu(In, Ga)Se2(CIGS)太阳能电池的光电转化效率高、性能稳定、抗辐射能力强，且制造成本低，倍受重视，是新一代太阳能电池。它的最高的转换效率已经达到19.5％。为了提高效率，可以制成CGS/CIS 层叠太阳能电池，这种电池的转换效率据报道已经达到33.9%，该叠层电池的稳定性、直接带宽、高吸收系数对于生产低成本、高效率的两结叠层多结串联太阳能电池来说是可取的。对于两结叠层多结串联太阳能电池，其顶层电池对全部转换效率的贡献大，所以要达到CGS/CIS 25%的转换效率，需要转换效率大于15%高质量的CGS 顶层电池。
高效叠层多结串联太阳能电池技术
太阳能光伏技术经过近几十年的发展，已经在新能源领域确立了其重要地位。大力发展太阳能光伏发电已成为人类解决未来能源问题的重要途径。在产业界，当前太阳能技术的重点仍是硅太阳能电池，包括多晶硅和非晶硅薄膜电池等。
由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有相对较高的转换效率和相对较低的成本，逐渐成为市场的主导产品。而其它种类的薄膜电池由于技术不是很成熟，似乎很难在短期内替代硅系太阳能电池。目前的硅系太阳能电池最高转换效率只有20%左右，要想再进一步提高已经非常困难。众所周知，提高转换效率和降低成本是太阳能光伏技术中的根本因素。开展高效太阳能电池技术研究，开发新的电池材料、电池结构，也一直是该领域的热点。在这其中，高效叠层多结串联太阳能电池技术的研究尤为引人注目。
认识高效叠层多结串联太阳能电池技术
一般所说的高效叠层多结串联太阳能电池是指针对太阳光谱，在不同的波段选取不同带宽的半导体材料做成多个太阳能子电池，最后将这些子电池串联形成叠层多结串联太阳能电池。目前研究较多的III-V族材料体系，如InGaP/GaAs/Ge三结电池，所报道的转换效率可达42.8%左右。也有选取II-VI族材料的，但目前还处于研究阶段。本文将主要介绍InGaP/GaAs/Ge等III-V族材料体系。
图1是一个典型的叠层多结串联太阳能电池示意图。其中顶层的InGaP电池、中层的GaAs电池和底层的Ge电池带隙分别为1.86eV、1.40eV和0.65eV。在顶层和中层相邻两个电池间设有宽带隙的异质结构隧道结，使得入射光能顺利通过顶层电池到达中层的GaAs电池。同时提供高的结间势垒，防止两层中产生的少子扩散。
叠层多结串联太阳能电池经过近十几年的发展，其在太空领域已经被广泛应用，效率纪录也不断被刷新。但由于成本等原因，很难得以大规模地面推广。因此必须尽可能地提高其转换效率，降低成本，才能显出其优势。
目前降低成本主要采用聚光镜技术，将太阳光通过透镜收集起来，大大减小了芯片的面积。日本夏普公司2007年底公布了1000倍聚光、转换效率高达40％的4.5mm2的InGaPAs系叠层多结串联太阳能电池单元。2008年初，Delaware大学的Allen Barnett的研究团队研制的超高效太阳能电池（VHESC），仅在20个太阳的聚光条件下即可实现42.8%的组合效率。2008年8月，美国能源部可再生能源实验室（NREL）宣布，采用倒置赝形三结结构的太阳能电池在326个太阳的聚光条件下，其光电转化效率可达40.8%，并宣称这是迄今为止光伏技术中被证实的最高效率。随着效率纪录不断被刷新，高效叠层多结串联太阳能电池的研发也正进一步深入。
太阳能电池新材料的研发现状
为了提高叠层多结串联太阳能电池的转换效率，研究者们从新材料开发、器件结构乃至整个系统等方面对叠层多结串联太阳能电池进行了优化。在新材料开发方面，主要有掺氮材料、量子点结构，以及In(Ga)N氮化物材料。
新型材料的研发始终是一个活跃的领域，研究者们首先想到的是掺氮材料。因为从III-V族半导体能带结构和晶格常数关系图中可以看出，对于GaInNAs材料四元材料的晶格和GaAs匹配，带宽为在1.05eV附近，若将其加到GaInP/GaAs/Ge三结结构上，产生的四结电池（1.88/1.42/1.05/0.67eV），其带宽更加接近理想值。在具有相同结数的器件中，效率可达到最大。对于叠层多结串联太阳能电池来说，它似乎是实现高效率的最理想的方法。但是，复杂的四元材料体系在生长上很难保证材料的质量，更无法保证材料的重复性稳定性等问题。比如少数载流子扩散长度的问题就阻碍了GaInNAs材料的进展。近十年来，GaInNAs在光伏方面的应用正在逐渐减少。
其次，量子点结构也是新材料开发方面的热点。主要理念是将量子点层放在p-n结的耗尽区内，在光生载流子复合之前被集中起来。这其实是一种使用中间带的方法，通过提高量子效率来获得高效率。很容易看出，必须有足够多的高质量量子点作为吸收层才能实现提高效率的目的，这就在量子点材料生长方面提出了很高的要求。例如，日本筑波大学的研究者利用量子点的太阳能电池单元的光电转换效率可达到8.54％。其量子点型太阳能电池是在p-n结之间层叠多个量子点层，在1cm2的GaAs衬底上交替叠加了30层GaNAs和30层InAs的超晶格结构（见图2）。在GaNAs上生长InAs时，自组织生成高为3～4nm、直径为20～30nm的量子点。同时，超晶格结构导致量子点之间产生结合后，在传导带上形成微带，使各种波长的光吸收成为可能。多个早期研究量子点的研究组目前正对量子点在太阳能电池中的应用进行深入研究，如英国格拉斯哥大学、日本东京大学等。量子点型太阳能电池的理论转换效率可达60％以上，是颇受瞩目的高效太阳能电池的候选者之一。
InN和InGaN的全氮化物太阳能电池是一种非常吸引人的高效电池，理论上它可以连续覆盖0.7到2.4eV光谱。南京大学的研究者们通过计算得出，在理想情况下，InGaN材料应用于单结、双结和三结太阳电池时，其转换效率可分别高达27.3%、36.6%和41.3%。但是，氮化物本身也存在很多问题，如衬底材料选择、材料质量控制、p型材料的掺杂、隧道二极管的问题等，因此目前的研究还处于开发基础材料和器件的阶段。
器件结构和系统的优化设计
器件结构和系统的优化设计也是提高叠层多结串联太阳能电池效率的重要方法。器件结构及系统改进方面主要包括赝形层结构、机械叠加结结构等等。
赝形层结构是指在已有的GaInP/GaAs/Ge三结电池上增加一个晶格失配层（赝形层），其实这是结合材料生长与器件结构优化的一种方法。
一般多结电池的外延层是晶格失配生长，会产生很多位错，减少了少子扩散长度，降低了器件性能。在赝形层结构叠层多结串联太阳能电池中，使用组分渐变方法在GaInP/GaAs双结上生长InGaAs结，使得所有位错都局限在低带宽的InGaAs结中。其实赝形层方法在GaAs基HEMT的开发中广泛应用，近几年在GaAs基长波长激光器中也有应用。值得一提的是，倒置的赝形层叠层多结串联太阳能电池结构（IMM）是EMCORE公司的专利技术（见图3），它采用倒置的方法生长和Ge或GaAs衬底匹配的GaInP和GaAs结，InGaP首先被淀积在基于Ge衬底的子电池上面。这种设计保持了GaInP/GaAs结的质量，它对整个器件总的发电能力具有决定性的作用。倒置赝性三结结构据称可与多项其它工艺兼容，如柔性衬底。因为Ge衬底能够被去除，从而器件可以安装在如聚酰亚胺胶带等柔性衬底上。
机械叠加多芯片结一般是指，将生长在不同衬底上不同带宽的电池压焊到一起而形成所谓的多芯片结。如将Ge或GaAs衬底上的带宽较宽的GaInP/GaAs多结结构电池压焊到InP衬底上的带宽较窄的GaInAsP/GaInAs（1.05/0.75eV）串联结构电池之上。也可采用光电互连以及机械叠加相结合的方法，如Delaware大学的Allen Barnett的研究团队研制的超高效太阳能电池（VHESC），组合效率在20个太阳聚光条件下可达42.8%。这种超高效太阳能电池采用全新的横向光学聚焦系统，使入射光的不同光谱波段被光学地分离和定向，然后被不同带宽的太阳能电池所吸收（见图4）。这种光学聚焦系统具有较宽的接收角度，从而不需要复杂的定位跟踪系统。但是我们可以看出，机械叠加类型的结构设计在生长工艺需要多种衬底，工艺中需要衬底的剥离，在外延层上压焊晶片等，成本较高和而且器件质量很难保证。
发展前景广阔
高效叠层多结串联太阳能电池技术的研究一直是太阳能光伏技术中的热点之一，国外多家研究机构、公司等投入了大量的人力物力。我国在这方面的研究起步也较早，如电子18所、航天811所、中科院半导体所等等。最近厦门三安的GaAs/Ge叠层多结串联太阳能电池外延片关键技术研制及产业化项目宣称，其研制的叠层多结串联太阳能电池光电转换效率达27%，远高于19.5%的硅电池最高转换效率。并具有更强的抗辐照能力、更好的耐高性能，加上聚光技术的应用（降低成本），将是新一代高性能长寿命太阳能电池最具发展潜力的产品。但我们可以看出，相比国外来说，转换效率相对较低，并且器件指标还有一定差距。总之，从新材料开发、器件结构乃至整个系统设计方面，在高效叠层多结串联太阳能电池方面还有很多工作值得进一步深入研究。
太阳能电池测试系统,太阳能电池测量系统,测试仪,测量仪
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