由于半导体固有的带隙特点，单结半导体太阳电池的光电转换效率存在理论极限，即肖克利-奎伊瑟效率极限(S-Q极限，约31%)。而将不同带隙(光谱响应范围不同)的电池进行串联构建叠层太阳电池被认为是电池效率突破S-Q效率极限值强有力的技术路径。
围绕上述问题，美国国家可再生能源实验室(NREL)Thomas Moriarty教授课题组牵头的国际联合研究团队设计制备了基于III–V族异质结半导体的六结叠层太阳电池，通过对制备工艺和结构的优化，有效克服了不同晶体晶格错配问题，减少了内阻，抑制了相分离，使得电池器件性能显著提升，在聚光条件下器件获得了高达47.1%的认证效率(之前效率纪录是46.4%)，创造了人类有史以来太阳电池器件光电转换效率最高值，即使在无聚光条件下整个器件依旧可以获得近40%转换效率(39.2%)，也是目前无聚光太阳电池器件的最高记录。
图1 基于III–V族异质结半导体六结叠层太阳电池结构
相关研究表明，含有聚光器的基于III-V半导体异质结叠层太阳电池理论效率可突破60%，达到62%;但由于不同半导体合金之间晶格错配，导致不同半导体合金之间的载流子传输的能垒较大(电阻较大)抑制光生电流，此外合金存在相分离问题，上述问题影响了该类电池性能。为此，NREL研究人员以砷化镓(GaAs)为衬底利用单晶外延反向生长方法，连续生长了6层不同带隙结构(分别为2.1、 1.7、1.4、 1.2、0.95和0.69 eV，负责吸收不同波段的太阳光)的III-V半导体，且在每层半导体之间都进行了表面钝化处理，形成六结叠层电池。这种反向制备加上钝化处理可以有效地减少不同晶格常数的半导体之间的界面传输电阻，从而最小化界面的载流子复合。而为了有效地抑制半导体的相分离，研究人员对相关的半导体层进行了元素掺杂。通过透射电镜表征显示，半导体层晶格位错局域在本身的半导体层没有扩散到相邻的其他半导体层，这有助于减少内阻。随后在无聚光器的1个标准模拟太阳光下进行光电性能测试，获得了高达39.2%的认证转换效率，是无聚光光伏器件的效率最高值;而当加上聚光器后(相当于143个标准太阳光辐照强度)，器件的性能显著提升，效率增加到了惊人的47.1%，是迄今为止所有光伏器件性能的最高值，且通过了机构认证。研究人员指出，通过后续的材料和工艺优化完全可以突破50%。
该项研究利用反向单晶外延生长工艺制备基于III-V族半导体的六结堆叠光伏器件，并结合元素的掺杂，有效地改善了器件内阻抑制了相分离，从而提升了电池性能，在无聚光器的1个标准太阳光辐照下叠层电池获得了39.2%的转换效率，刷新了无聚光类型太阳电池效率的世界纪录;而在聚光条件下(143个太阳光辐照强度)，电池器件更是提升到47.1%的高效率，创造了最高效太阳电池的世界纪录。相关研究成果发表在《Nature Energy》[1]。
[1] Geisz, J.F, France, R.M, Schulte, K.L, et al. Six-junction III–Vsolar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration. Nature Energy, 2019, DOI:10.1038/s41560-020-0598-5
