三結（TJ）GaInP/GaInAs/Ge太陽能電池雖是當前空間與聚光光伏應用的主流，但其鍺（Ge）底電池吸收了大量無法有效利用的近紅外光能，并導致子電池間的電流失配，限制了效率提升。理論上，通過引入第二個Ge結來分流近紅外光譜是理想的解決方案，但該路徑面臨一個長期的技術瓶頸：在金屬有機氣相外延（MOVPE）生長過程中，III-V族與IV族（Ge）元素之間存在嚴重的“交叉污染”，阻礙了高質量多結結構在單一反應室中的單片集成。美能QE量子效率測試儀以其高精度和寬光譜范圍，為驗證晶體管效應帶來的量子效率提升及電流匹配優化提供了關鍵數據支撐。

本研究成功首次演示了一種全新的三端四結（3T-QJ）InGaP/GaAs/Ge/T/Ge太陽能電池。其核心突破在于：通過改造MOVPE反應室并優化生長工藝，實現了所有III-V層與Ge層在同一個反應室中的一次性順序沉積，有效控制了交叉污染。此外，電池采用創新性架構，在底部構建了一個 Ge/T/Ge 雙結單元，其N-P-N結構類似于晶體管，能夠利用“晶體管效應”，主動將頂部Ge結產生的過剩光生載流子（功率）轉移至底部Ge結，從而在根本上改善了整個多結電池的電流匹配狀況。

MOVPE腔室改造與工藝優化

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經過改造的AIX-MOVPE反應室視圖

為抑制交叉污染，對MOVPE反應室進行了三項關鍵改造：

采用特殊三重氣體注入器，提升前驅體利用效率。

在石墨基座中心加裝石英板，減少腔室中心區（晶圓前沿上游）的寄生沉積。

優化腔頂與頂部冷卻板的熱解耦效果，降低不必要的寄生沉積。

同時，通過提高生長速率和降低沉積溫度，進一步減少了雜質摻入。

雙結Ge/T/Ge電池與晶體管效應理論

（a）DJ Ge/T/Ge 電池的三維和平面視圖；（b）DJ Ge/T/Ge 電池的理想化改進型埃伯斯-莫爾等效電路圖

為驗證“晶體管效應”，首先制備并研究了雙結（DJ）Ge/T/Ge模型電池。通過建立理想的等效電路模型，對功率轉移進行了量化分析：

總輸出功率可表示為：

其中，內部電流Iint為從頂結流向底結的凈電流。當 Iint>0時，意味著功率從頂結轉移到底結。

頂結和底結的EQE提升

實驗數據完美驗證了該模型：當頂結處于開路（OC）狀態時，底結的短路電流（IC）滿足：

即底結電流等于自身光生電流加上由晶體管效應從頂結轉移而來的電流。這使得底結的EQE和電流密度在頂結開路時獲得了100%的顯著提升。

四結（QJ）功能電池的性能

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QJ 太陽能電池的三維視圖

（a）QJ電池在不同電壓條件下的EQE；（b）QJ與TJ參考電池的EQE對比；（c）TJ參考電池與QJ電池的I-V曲線

基于上述原理，成功制備了完整的四結（QJ） InGaP/InGaAs/Ge/T/Ge功能電池。性能對比表明：

顯著的電流提升：當上部三結部分處于開路狀態時，底部第二個Ge子電池的電流密度提升了驚人的300%

EQE譜形變化：晶體管效應不僅提升了電流，還改變了底部Ge電池的EQE譜形，從“三角形”變為更理想的“矩形”，表明載流子收集效率在短波區域得到極大增強

有效改善電流匹配：在參考三結電池中，Ge結電流為19.1 mA/cm2，而在本四結電池中，位于相同光譜位置的Ge底結1電流降至17.3 mA/cm2，這表明過剩電流被成功轉移至Ge底結2，整體電流匹配性得到優化

基于電流 - 電壓（I-V）曲線與外量子效率（EQE）測試的電流密度及開路電壓（Voc）值

驗證無污染生長：通過對I-V數據的分析（特別是隧道二極管性能與暗電流特性），證實了QJ電池中TJ部分的性能限制主要源于為降低串聯電阻而設計的更厚發射區，而非交叉污染。經面積校正后，其效率與參考TJ電池相當（約27%），有力證明了交叉污染問題已被克服。

本研究通過長達18年的技術攻關，成功解決了III-V/IV族元素在MOVPE中的交叉污染難題，首次實現了全MOVPE單片集成的三端四結太陽能電池，并將一度被視為不利的“晶體管效應”創新性地應用于改善電流匹配。這項工作為開發更先進的晶格匹配多結電池（如AlInGaP/AlInGaAs/InGaAs/Ge/T/Ge）鋪平了道路，并拓展了不同帶隙材料組合的設計思路。未來，通過進一步的電池結構優化和能帶工程，此類四結電池的效率有望突破32%。

美能QE量子效率測試儀

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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應偏低區域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準確性和可追溯性等優勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素燈雙光源結構，保證光源穩定性

美能QE量子效率測試儀在本研究中為驗證新型電池性能提供了關鍵數據。其精準測量清晰顯示出晶體管效應帶來的量子效率提升：當頂部結開路時，底部鍺結的量子效率在近紅外波段顯著增強，增幅最高達300%，譜形由三角形轉變為更理想的矩形。這些數據直接證實了載流子在雙鍺結間的有效轉移，為"晶體管效應改善電流匹配"的創新機制提供了實驗證據，突顯了先進表征手段在光伏器件研發中的重要作用。

原文參考：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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