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摘要：串联型太阳能电池是将两种以上不同材料的太阳能电池串联连接在一起，在硅、CIS（铜、铟、硒的化合物）等带隙相对较小的材料上加叠加带隙较大的钙钛矿和Ⅲ-V族化合物半导体，以提高效率。

关键词：串联型太阳能电池、硅、钙钛矿、Ⅲ-V族化合物、太阳光

什么是串联型太阳能电池?

硅太阳能电池和化合物太阳能电池、钙钛矿的层叠

“串联型太阳能电池”的“串联”一词，原本是指由两匹马纵向连接而成的马车，由此引申而来的自行车和摩托车的“双人乘”也被称为“串联”。串联型太阳能电池是将两种以上不同材料的太阳能电池串联连接在一起，在硅、CIS（铜、铟、硒的化合物）等带隙相对较小的材料上加叠加带隙较大的钙钛矿和Ⅲ-V族化合物半导体，以提高效率。不仅是硅等和化合物半导体、钙钛矿的2层结构，为了广泛利用太阳光的波长，3层、4层、甚至6层的串联多接合到Ⅲ-V族化合物半导体太阳能电池也处于研究中。

一般的太阳电池以硅为材料。但是，在广范围的太阳光波长中，硅能有效地将光转换成电的区域是有限的，这个波长以外的光作为热被吸收，还有一部分会透过。如果能接收这些不被利用的波长的光并转换成电能，就能有效利用那部分光，提高转换效率。于是，目前正在推进将可以吸收短波长光的钙钛矿与采用元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族组成的化合物半导体的太阳能电池进行接合。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料能够根据材料的不同形成各种带隙，因此在硅的上部连接磷化铟镓（InGap）和砷化镓（GaAs），或者用带隙较小的铟镓砷（InGaAs）代替硅。

串联型太阳能电池是将由不同材料制成的单电池叠加在一起，可以吸收广范围的太阳光波长，并将其转换成电能。

耐残酷环境的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体系串联型太阳能电池

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体系串联型太阳电池是组合元素周期表的Ⅲ族（13族）和Ⅴ族（15族）的元素制作出的太阳能电池，最大的优点是转换效率高、耐用性强。这种电池被搭载于在严酷的环境中工作的人造卫星和行星探测器等。2024年1月成功在月面登陆的日本首个小型月着陆实证机SLIM上也搭载了Ⅲ-Ⅴ族系太阳能电池，备受关注。关于太阳能电池的结构，最上层的单电池是磷化铟镓（InGaP），中间的单电池是砷化镓（GaAs），最下层的单电池是铟镓砷（InGaAs）。在这种结构下，电池模块的转换效率达到了32.7%，创造了世界纪录。

钙钛矿系串联型太阳能电池的开发竞争白热化

目前，作为太阳能电池的原料而受到关注的钙钛矿晶体，由铅、甲胺、碘等元素构成。转换效率逐年提高，现在已达到26%左右，能够制作薄膜状的太阳能电池，具有轻量、可弯曲的特点。相比由与玻璃一样坚硬的硅晶体构成的硅太阳电池，重量更轻，正在以安装在承重有限的建筑物的屋顶和汽车车顶等为目标进行开发。而且，只要将液态的钙钛矿涂在薄膜上，就能制造出太阳能电池，在低成本这一点上也备受期待。

通过将钙钛矿太阳能电池与硅太阳能电池接合，可以增加一般硅太阳能电池的发电量。因此，在世界范围内，将硅太阳能电池与钙钛矿太阳能电池相接合的串联型太阳能电池的开发竞争步入白热化。

然而，使用钙钛矿的串联型太阳能电池，与只含硅的太阳能电池相比耐久性低，缺点是不适合长期使用。现在，提高耐久性的研究正在世界范围内开展，其开发将成为实用化的关键。

面向Ⅲ-V族系串联型太阳电池普及的课题

材料、制造成本高是最大的课题

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体系串联型太阳能电池，已经在人造卫星和行星探测器等实用化，证明了其耐久性和高可靠性。但是，与不惜成本、重视性能的宇宙开发用途不同，可再生能源方向上的应用需求巨大，当前，硅太阳能电池的价格由于大量生产而下降，在事业所和家庭的普及也在加速。

成本是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体系串联型太阳电池实现普及的关键。由于采用了稀有金属铟和镓，因此成本的稳定难以确保。除此之外，使用这些金属制作高品质的单晶体要求极高的技术，这也是造成高成本的主要原因。因此，目前其应用只限于不惜成本也要确保耐久性、可靠性、超高效率等性能的宇宙开发用途。

实用化方面的期待

有调查结果显示，在日本，一天行驶距离为20-30公里的乘用车约占70%。根据汽车制造商的研究结果，要想利用在晴天一天内的充电量行驶50公里以上，EV必须配备转换效率超过35%的1kW以上的太阳能电池模块。如果能够实现这一目标，那么日本大部分汽车用户将能够仅依靠太阳能驱动汽车。

但是，为了确保实际安装在汽车上的太阳能电池模块达到35%的转换效率，单电池的效率至少需要达到38%左右。因此，如果使用超高效率的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体系太阳能电池，可以说能够实现充分满足EV日常使用的转换效率和耐久性规格。

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【解说】串联型太阳能电池