太空技术的商业化，IMM倒置变形与多结光伏发展沿革

美国能源部所属的国家可再生能源实验室(NREL) 与北卡罗来纳州的威讯联合半导体公司(RFMD) 于2009 年签订合作协议，开发NREL 发明的倒置变形多结(IMM；Inverted Metamorphic Multi-Junction) 光伏电池技术。历经数年研究，RFMD 在2011 年10 月宣布组建IMM 商业化推进小组。

NREL 向来拥有强大的III-V 族多结光伏电池和CPV 系统科研实力。发明了第一个多结光伏太阳能电池后，NREL与民营厂商合作开发了符合工业标准的镓铟磷/砷化镓（铟）/锗(GaInP/Ga(In)As/Ge) 技术，并首次向各方太阳能业界展示IMM 太阳能电池。

原本为了太空应用开发的III-V 族多结太阳能电池，与晶矽电池相比，性能大幅提升，对CPV 系统来说尤其如此。由于在一个电池内使用三种不同的光伏材料，III-V 族电池可从阳光的全系光谱中提取更多的能量，从而让光伏电池产生更高的电压，减少更多热能消耗。因此，III-V 族电池转换效率达到了太阳能业界最高水平。IMM 技术则使此类电池性能和成本获得进一步突破。据报导，IMM 太阳能电池能量转换效率相当高为40.8%，研究表明甚至还有进一步提升空间。

RFMD一年前宣布采用公司现有的标准6英寸半导体设备生产出集成砷化镓(GaAs) 和磷化镓铟(InGaP)的双结光伏电池，成功实现了IMM 技术商业化过程中有重要意义的性能里程碑。双结光伏电池的成功研制为3结IMM 结构的开发开创了先机，而最终目的是开发出可以商业化的技术。

(Source: NREL)

2011年10月，RFMD宣布组建新的商业集团——化合物半导体集团(Compound Semiconductor Group)，与其旗下的手机产品集团(Cellular Products Group)和多元市场产品集团(Multi-Market Products Group) 并驾齐驱。新集团将“采用业界领先的氮化镓(GaN) 和砷化镓(GaAs) 技术造出新型高功率高性能产品。”

IMM 生长系统

IMM 的能力来自于电池的生长过程——这一技术颠复3 结电池的通常顺序，先沈积顶层，最后是底层。与传统光伏电池不同，IMM 使用了磷化镓铟和砷化镓铟材料。砷化镓外延片上生成电池后，被翻转安装到金属箔片制成的“把手”上，然后移除基板。NREL的研究人员改进了IMM技术，让中间和底层结点产生变形，即“晶格不匹配”，造成的不均匀的原子间距可提高太阳能转换效率。

这项技术的一大优势是昂贵的基板可以重复使用，降低了生产成本。此外，把手材料未必要单晶矽或半导体，具体应用可具体选择，从而让装置轻薄化成为可能。

由于磷化镓铟和砷化镓铟将太阳能光谱三等分，便于电池的三个结点吸收，多结太阳能电池的转换效率也远超单结电池。

聚光型太阳能发电(CPV)

当前，如IMM 电池之类的3 结太阳能电池专用于CPV 系统，优势在于高产出和最大限度降低综合系统成本。CPV 系统的一大痼疾是聚光会积聚热量。IMM 电池采用了倒置成长技术，能够安装背面反射镜，从而将吸收的剩余光能转移到激活的子电池层，改善电池的整体转换效率。背面反射镜还能反射低能量红外辐射，给电池降温和保持其高效运作。

III-V太阳能电池应用的进展

IMM 电池正在迈向商业化之时，其他形式的III-V族多结电池也很快找到了在CPV 项目中的应用之地。

加州的Solar Junction 是斯坦福大学的实验项目衍生的公司。其多结CPV 电池去年由NREL 测定转换效率达到40.9%，公司期望未来五年能超越50%。2012 年2 月，公司宣布收到New Enterprise Associates、Advanced Technology Ventures、Draper Fisher Jurvetson 和IQE 的四家投资，总额达到1920 万美元。该公司的太阳能电池采用自主专利的可调光谱晶格匹配(A-SLAM) 结构，能够“提供材料带隙可调性- 特别在0.8 到1.42 eV之间-从而让CPV 组件的光能吸收最大化，提高转换效率和能量生成。”

(Source: NREL)

结论

研究人员早已开始期待新世代的多结太阳能电池。据正在开发这项技术的波音子公司Spectrolab 称，未来有可能会开发出4 结或更多结的地面太阳能电池，转换效率可超过45%。Spectrolab 说这些4 结、5 结或6 结电池与3 结电池相比，用降低电流密度换取了更高电压，对太阳光谱的解析也更有效，而低电流密度也会在太阳能高度聚集时大幅度减少电阻能量损失。NREL推算不同结的太阳能电池的理论转换效率为：1结﹣37%；2结﹣50%，3结﹣56%；36结﹣72%。

多结太阳能电池的未来在于CPV 系统中的应用。当前多结光伏的利基市场则是公用事业规模的CPV 太阳能发电场，而传统光伏电板则瞄准了屋顶太阳能应用。相比之下，多结光伏市场虽小，却很重要。为数不多的多结光伏厂商的发力重点便是在这一特殊市场打开销路，占据更多份额。除了用于公用事业，多结CPV 电池厂商和新型厂家也可以开发其他新型CPV 应用。

同时，开发新的聚光系统，改善CPV 技术，也会为新兴企业打破思维定势提供新的机会。