独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）太阳能工程研究中心[研究中心主任 Sakae Niki] 先进多结器件团队 Takeyoshi Sugaya，研究组组长，Kikuo Makita，首席研究员，可再生能源研究中心[研究中心主任 Yoshiro Owadano] 太阳能光伏团队的研究员 Hidenori Mizuno 开发了智能堆栈技术，可以让各种类型的太阳能电池随意直接连接。
多结太阳能电池是一种可以有效利用各种波长的太阳光并实现超高效率的电池，但迄今为止制造成本较高，这一直是一个问题。新开发的技术将钯（Pd）纳米颗粒排列在多个太阳能电池的粘合界面上，并将它们粘合在一起，几乎没有电或光损失。可以将基于吸收短波长的砷化镓（GaAs）的高效化合物太阳能电池与吸收长波长的廉价CIGS或硅（Si）结合在一起。将 GaAs 和磷化镓铟 (GaInP) 太阳能电池粘合到 CIGS 的三结太阳能电池实现了 242% 的转换效率。此外，通过使用由于晶格常数不同而无法通过晶体生长接合的GaAs基板和磷化铟（InP）基板，并接合在每个基板上制作的四种类型的太阳能电池（四结太阳能电池），获得了304%的转换效率。由于砷化镓衬底可以重复使用，廉价、超高效率的多结太阳能电池有望得到普及。
该技术的详细内容已于2014年6月24日至25日在筑波国际会议中心（茨城县筑波市）召开的2014年AIST太阳能发电研究成果报告会上公布。
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| 智能堆叠技术示意图及钯纳米粒子的电子显微镜图像 |
多结太阳能电池是将不同类型（吸收不同波长太阳光）的太阳能电池串联起来，吸收所有波长的太阳光，从而提高转换效率的太阳能电池。到目前为止，主流方法是使用晶体生长技术一次（单片）形成多个电池（图 1a）。然而，该方法存在晶体生长的电池材料选择有限且生长技术也困难的问题。还有一种在真空中用等离子体活化半导体表面并直接键合的方法（机械叠层太阳能电池) 也可用。在这种情况下，半导体表面必须非常平坦（1 nm或更小），并且材料昂贵。III-V族化合物半导体我们专注于太阳能电池。由于这些原因，多结太阳能电池价格昂贵，其应用仅限于空间应用和聚光发电设施。在这种情况下，迫切需要廉价、超高效率的多结太阳能电池，其中各种太阳能电池可以自由地连接在一起。如果这成为现实，多结太阳能电池的应用范围将扩大，预计将用于一般发电。
自2008年以来，AIST一直致力于机械堆叠太阳能电池的开发，作为高度有序结构薄膜多结太阳能电池研发的一部分。除了开发每个要粘合的电池外，我们还开发了使用钯纳米颗粒的智能堆栈技术，并致力于开发使用这些技术的下一代多结替代电池。
这项研究与开发得到了独立行政机构新能源和产业技术发展组织委托的“创新型太阳能发电技术研究与开发（创新型太阳能电池国际研究中心开发项目）（2008-2018）”的支持。
新开发的智能堆栈多结技术示意图如图1b所示。多结太阳能电池可以有效地利用较宽波长范围的太阳光，并且可以实现高效率（>40%）。智能堆叠技术是一种易于加工的半导体键合方法，可以让多个电池直接自由键合。由于该技术使用如图2所示的Pd纳米颗粒，因此也可以与表面平整度较差的CIGS太阳能电池粘合。因此，电池材料可以自由组合，适合提高效率、降低成本。钯纳米颗粒具有低电阻，因为它们提供了通过半导体之间接触的电流路径，并且由于纳米颗粒区域又小又薄，所以光学损耗非常小。
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| 图1传统单片堆栈和新开发的智能堆栈技术 |
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| 图 2 使用 Pd 纳米粒子的智能堆栈技术 |
图 3 显示了通过自组装排列 Pd 纳米颗粒并连接不同类型太阳能电池的工艺步骤。首先嵌段共聚物底部单元格将阵列中的 Pd 纳米粒子引入到上部键合界面。然后将顶部单元格加入外延剥离（ELO）方法并采用加重粘合法粘合。顶部单元格的基材可重复使用，高效III-V族化合物太阳能电池可以低成本粘合到Si或CIGS等低成本衬底上。
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| 图3 智能堆叠绑定方法的工艺步骤 |
图4是使用Pd纳米粒子接合GaAs基板和InP基板的示例。 Pd纳米粒子直径为50 nm，密度为1×1010个/厘米2结电阻为1Ωcm2光吸收损耗小于2%，并且可以在几乎没有电或光损耗的情况下进行粘合。
利用新开发的技术，我们在 GaAs 和 InP 衬底上生长了 III-V 族化合物半导体太阳能电池，这两种衬底的晶格常数显着不同。 GaInP(19 eV)/GaAs(142 eV) 2结电池在GaAs上制造，InGaAsP(105 eV)/InGaAs(075 eV)2结电池在InP衬底上制造。通过智能堆叠的方式制作了GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结太阳能电池。该太阳能电池的转换效率为304%（图5）。此外，通过在GaAs 2结电池上连接GaInP/GaAs和CIGS太阳能电池制成的3结太阳能电池实现了242%的转换效率（图6）。这种组合具有迄今为止最高的效率。
我们还在使用新开发的技术对原型设备进行可靠性测试。在温度循环试验（-40℃～+85℃）中，即使进行200次循环也没有劣化，在加速老化试验（150℃/100小时）中也没有观察到劣化。它们在 60 °C 下可稳定保存 20 多年，证实了实际的耐温性和长期可靠性。
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| 图4 Pd纳米颗粒和实际制造的太阳能电池的电子显微镜图像 |
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图 5 采用智能堆栈技术原型的 GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs 4 结太阳能电池的 I-V 特性
转换效率~304%，开路电压~282 V。通过组合最佳电池可以实现40%或更高的效率。 |
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图 6 使用智能堆栈技术原型制作的 GaInP/GaAs/CIGS 3 结太阳能电池
转换效率~242%，开路电压~258V。这种太阳能电池组合具有最高的转换效率。 |
未来，为了实现利用该技术的多结太阳能电池的量产，我们将推进大面积基板ELO技术、III-V族化合物半导体顶部电池制造成本降低以及GaAs基板再利用技术的研发，目标是实现发电效率40%以上。我们将继续研究降低成本和提高效率，使其不仅可以用于聚光发电设施和空间太阳能电池，还可以用于一般发电。
国立产业技术综合研究所
太阳能工程研究中心先进多结器件团队
首席研究员 Kikuo Makita 电子邮件：
太阳能工程研究中心先进多结器件团队
研究团队负责人 Takeyoshi Sugaya 电子邮件：