CN103003954A - 具有外延生长量子点材料的太阳能电池 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有插入有势垒层的自组装量子点层的间隔分组的太阳能电池。这种分组允许改善对太阳能电池生长阵面品质、太阳能电池的晶体结构以及太阳能电池的性能指标的控制。

Description

具有外延生长量子点材料的太阳能电池

相关申请的交叉引用

本申请是2010年11月26日提交的第12/954777号申请的部分继续申请，第12/954777号申请是2005年1月21日提交的第11/038230号申请的继续申请，第11/038230号申请要求2004年1月20日提交的60/537259的优先权。本申请还要求2010年7月19日提交的第61/365555号临时专利申请的益处，上述所有申请的内容通过引用全部合并于此。

技术领域

本发明一般涉及光伏（photovoltaic）太阳能电池。更具体地，本发明涉及里面形成有自组装量子点的太阳能电池。

背景技术

具有自组装量子点层的太阳能电池的生长典型地需要夹（插入）有势垒材料层的多层自组装量子点形成在衬底的顶上。在形成自组装量子点层中使用的材料具有与在形成势垒材料中使用的材料不同的晶格常数时，在多层自组装量子点中以及在所夹（插入）的势垒材料层中出现应变。就这点而论，会限制在晶格缺陷（例如位错）的开始（onset）之前能够形成在彼此的顶上的自组装量子点层/势垒层单元的数目。

例如，通过确保包含量子点层和势垒层的区域（体积）的平均晶格常数与衬底保持基本上相同而适当地选择量子点和势垒层的厚度和成分，可使得对量子点和势垒层的数目的极限（limit）变大。包含量子点层和势垒层的区域可以被称为量子材料区域或包含量子点或自组装量子点的区域。

这里使用的表达“平均晶格常数”表示根据太阳能电池中的每一个材料的量（厚度、接合的数目）（为该量的函数）所加权的太阳能电池中的材料的标称（nominal）晶格常数的平均值。当包含自组装量子点的区域的平均晶格常数与衬底基本上相同时，面内（in-plane）晶格常数在量子材料区域中保持相同，即量子材料区域是共格应变（coherently stain）的，并且垂直晶格常数的平均值将基本上等于衬底晶格常数。这表示量子材料与衬底是共格的，最小应变弛豫（strain ralaxation）以缺陷（例如位错、反位（anti-site）、取代缺陷、空位缺陷或点缺陷）的形式出现。

表达“面内晶格常数”表示与量子点和势垒层的生长方向垂直的平面。表达“垂直晶格常数”表示沿量子点和势垒层的生长方向的晶格常数。除非平均面内晶格常数基本上等于衬底，否则应变会积聚，从而缺陷会最终形成在量子材料区域中以松弛应变。这种缺陷能够降低少数载流子寿命，这对器件（例如太阳能电池）性能可能是不利的。

然而，即使谨慎确保平均面内晶格常数与衬底基本上相同，但如果在层序列（sequence）中没有采取特定预防，则在利用多次重复所插入的自组装量子点层进行叠置的情况下，这种不想要的缺陷会危及量子材料的品质（quality）。

另外，所插入的自组装量子点层和势垒层的叠置在他们外延生长期间对工艺条件变化是敏感的，而导致不想要的缺陷（例如位错）。晶格缺陷通常导致性能指标（metric）（例如转换效率、填充系数和开路电压）的降低，以及/或这种缺陷可降低在每单位制造晶片符合预定性能标准的器件数量（即缺陷可以导致差的制造产量）。

因此，期望对具有自组装量子点层的太阳能电池改善。

发明内容

在第一方案中，提供了一种光伏太阳能电池，该太阳能电池包括基底材料，具有基底材料晶格常数；以及多个半导体层，形成在基底材料上。该多个半导体层包括：第一半导体材料的多个第一层，该第一半导体材料具有第一晶格常数。该多个半导体层还包括：第二半导体材料的多个第二层，该第二半导体材料具有第二晶格常数，多个第二层被插入在多个第一层之间。该多个半导体层还包括：至少一个半导体间隔层，每一个具有各自的间隔层晶格常数。第一层和第二层被布置成至少两分组。至少两分组通过至少一个半导体间隔层的其中之一而彼此间隔开。至少一个间隔层的厚度T为对于多个半导体层的目标厚度加权平均晶格常数值的函数。

多个半导体层可以包括在基底材料上形成的中间半导体层。至少两分组的其中之一可以在中间半导体层上形成。

在第一方案的光伏太阳能电池中，第一半导体材料的晶格常数可以由a₁表示；第二半导体材料的晶格常数可以由a₂表示；中间层可以具有厚度t_int，并可以由具有晶格常数a_int的半导体材料构成；每一个间隔层可以由相同的半导体材料构成，该半导体材料具有由a_s表示的间隔层晶格常数；厚度加权平均晶格常数<a>可以被计算为：

$<a>=\frac{a_1\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{1i}+a_2\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{2i}+a_s\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{\mathrm{si}}+a_{\mathrm{int}}+t_{\mathrm{int}}}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{1i}+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{2i}+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{\mathrm{si}}+t_{\mathrm{int}}}$

其中：t_li为由第一半导体材料构成的层i的厚度；t_2i为由第二半导体材料构成的层i的厚度；t_si为由间隔层半导体材料构成的层i的厚度。

在第一方案的光伏太阳能电池中，基底材料可以是半导体衬底和外延生长半导体的其中之一。第一层可以为具有第一层带隙能量的压缩应变层，以及第二层可以为具有势垒层带隙能量的势垒层，势垒层带隙能量大于第一层带隙能量，以及第一晶格常数比第二晶格常数大范围在2%至10%之间的因数（factor）。压缩应变层可以包括自组装量子点。自组装量子点可以是共格应变。压缩应变层可以是通过使用单层加岛状生长模式外延生长获得的。

在第一方案的光伏太阳能电池中，间隔层的晶格常数可以基本上等于基底材料的晶格常数。至少一个间隔层的每一个可以具有相同的厚度。

在第一方案的光伏太阳能电池中，基底材料晶格常数可以是与光伏的太阳能电池的生长平面平行的基底材料晶格常数；第一晶格常数可以是与光伏太阳能电池的生长平面平行的第一半导体材料晶格常数；第二晶格常数可以是与光伏的太阳能电池的生长平面平行的第二半导体材料晶格常数；每一个各间隔层晶格常数可以是与光伏的太阳能电池的生长平面平行的间隔层晶格常数。

在第一方案的光伏太阳能电池中，该目标厚度加权平均晶格常数值可以等于基底材料的晶格常数。该目标厚度加权平均晶格常数值可以大于基底材料晶格常数。该目标厚度加权平均晶格常数值可以小于基底材料晶格常数。

在第一方案的光伏太阳能电池中，基底材料可以是IV族半导体材料。第一层、第二层和至少一个半导体间隔层可以由III族和第V族半导体材料构成。

在第一方案的光伏太阳能电池中，该光伏太阳能电池可以包括多个p-n结。另外，该太阳能电池可以是假晶太阳能电池或变形太阳能电池。

通过审阅本发明的特定实施例的以下描述结合附图，对于本领域技术人员而言，本发明的其它方案和特征将变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图，仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，其中：

图1示出了从200nm开始累计（integrated）的AM0太阳光子通量和功率通量百分比。

图2描述了本发明的单片三个子电池光伏太阳能电池。

图3示出了自组装量子点材料的光伏谱。

图4描述了本发明的自组装量子点材料。

图5描述了本发明的单片四个子电池光伏太阳能电池。

图6描述了本发明的单片两个子电池光伏太阳能电池。

图7描述了量子点的导带。

图8示出能够在太阳能电池中使用的半导体层的示例性布置。

图9示出了能够在太阳能电池中使用的半导体层的另一种示例性布置。

图10示出了能够在太阳能电池中使用的半导体层的又一种示例性布置。

图11示出了示例性三结太阳能电池。

图12示出了插入有势垒层的自组装量子点层的两分组的透射式电子显微镜显微图。

具体实施方式

通常，本发明提供一种具有插入有势垒层的自组装量子点层的间隔分组（apart grouping）的太阳能电池。这种分组允许改善对太阳能电池生长阵面（growth front）的品质、太阳能电池的晶体结构以及太阳能电池的性能指标的控制。

本发明的第一实施例涉及一种高效率的单片三结光伏太阳能电池。三结光伏太阳能电池能够通过叠置由不同的半导体材料制成的p-n结或n-p结得以制造。众所周知，使用在Ge衬底上生长的Ge底端子电池同时还使用GaAs中间子电池和GaInP或AlGaAs顶端子电池，可获得大约30%的转换效率。这种多结光伏太阳能电池的效率在本发明中通过在该中间子电池中使用自组装量子点材料来代替体（bulk）GaAs而得以提高。

本发明的原理如图1所示，其中曲线（plot）10示出从200nm波长开始累计的AM0太阳光子通量的百分比（其为波长的函数），曲线12示出从200nm波长开始累计的AM0太阳功率通量的百分比（其为波长的函数）。曲线10上的附图标记表示各种半导体材料和它们的吸收限（absorptionedge）。这些半导体材料能够用于将光子（太阳或其它的）转换成电子载流子。图1中所绘制的各点在说明书中取决于它们出现的上下文而可以被称为电池、子电池、特定的半导体材料或吸收限。

为优化(optimize)太阳能电池的转换效率，每个子电池的电流必须基本上相等，这是因为所述子电池串联连接。忽略在该器件表面处的反射（对于配备有防反射涂层的太阳能电池而言，这是一个允许的近似值（validapproximation）），在距离半导体表面的深度z传输的光强由I(Z)=I₀exp(-αz)给出。I₀是输入强度，α是半导体吸收系数，该吸收系数α为与材料的状态密度相关的波长的函数（即，α是与波长相关的）。对于足够厚的半导体材料而言，只有波长比半导体带隙等效波长更长（或具有的能量小于该带隙能量）的光才能传输通过该半导体层，这是因为对于光子能量小于带隙能量而言，所述状态密度下降，α也下降。对于直接（direct）带隙半导体而言，在比该带隙波长更短的波长的情况下，α在10⁴cm^-1至10⁵cm^-1范围内，并且每个碰撞光子能够产生一对光载流子，即电子和空穴。

子电池中的电流与子电池所吸收的光子通量的百分率成正比。由曲线10可以推定，GaInP/GaAs/Ge太阳能电池将大约25%的光子通量吸收在顶端GaInP子电池14中，将大约14%的光子通量吸收在中间GaAs子电池16中，以及将大约38%的光子通量吸收在底端Ge子电池18中。采用AlGaAs子电池20替换该顶端GaInP子电池14将产生类似的结果。

子电池14、16和18对太阳光子通量吸收的不平衡导致电流不平衡。也就是说，Ge底端子电池18产生了大部分电流，而中间GaAs子电池16限制了总的电流和转换效率。总转换效率可以通过采用具有大约1070nm（1.16eV）有效带隙波长的材料替代GaAs材料16而获得改善。如下详细所示，这种材料可以为自组装量子点材料22。通过在该中间子电池中使用量子点材料22，三个子电池中的每一个所吸收的太阳光子通量大约是总太阳光子通量的25%，并且每个子电池所产生的电流将是相等的。可以计算理论效率，以给出光电能量转换的热力学极限（thermodynamic limit）。理论效率考虑了子电池的带隙、碰撞光子通量及其光谱分布，由此估算相应开路电压（V_oc）和短路电流（J_sc）（例如由Baur等人在2003年的大阪WCPEC-3会议中的论文3P-B5-07中所描述的）。对于优化的结构而言，理论上转换效率可以超过40%。

这种单片三结光伏太阳能电池的细节在图2中示出（不按比例），该图描绘了用于本发明太阳能电池的一个实施例。多结太阳能电池24包括衬底26、第一子电池28、通过外延假晶（pseudomorphically）生长的并包括自组装In（Ga）As/GaAs量子点材料的第二子电池30、以及第三子电池32。第二子电池30的In（Ga）As/GaAs量子点材料适于获得大约1.16eV的有效带隙。也可以采用其它外延技术或非外延技术产生类似的纳米结构，这样的外延技术诸如选择性区域外延（selective area epitaxy）、模板外延（templatedepitaxy）、具有应变诱导（stained-induced）的带隙改性异质结构的外延、岛状生长模式（Volmer-Weber growth mode）、单层加岛状生长模式（Stranski-Krastanow growth mode）、结合或不结合高分辨率微细加工的层对层的生长模式（Frank-Vander Merwe growth modes），或者非外延技术例如涉及胶态（colloidal）量子点；然而，这种纳米结构的光学和/或结构特性一般不适合于改善多结太阳能电池装置的效率。

根据本发明的该实施例，衬底26可以是导电的GaAs或导电的Ge，二者都具有类似的晶格常数。衬底26的掺杂可以是n型或p型。不论衬底26是具有生长在顶端的n-p或n-i-p结的n型，还是具有生长在顶端的p-n或p-i-n结的p型，对本发明并不重要。基于阐明的目的，该实施例将使用具有n-p或n-i-p结的n型衬底。其它可包括无掺杂的衬底和埋入的静合触点（backcontact）的可能组合同样是可能的。衬底26可以进行金属化处理，以在背部形成欧姆接触34，如图2所示，缓冲层和/或支撑区域（back field）层36可以在衬底26和第一子电池28之间生长，以优化各种结构特性、电特性或光学特性。第一子电池28可以由Ge制成，并包括n-p结以生成耗尽区（depletionregion）。隧道结38用于连接第一子电池28和第二子电池30。

对于本领域技术人员容易理解的是，隧道结38可以由可以在第一子电池28上外延生长的高品质材料制成。隧道结38可以高度掺杂以提供优良的导电性并承载高电流密度，并且优选隧道结对光子穿越是通透的。对于该实施例，隧道结38可以由高度掺杂GaAs n-p结制成，然而很多其它满足此处需要的组合同样有效。

第二子电池30包括适于或调整为获得大约1.16eV的有效带隙的自组装In（Ga）As/GaAs量子点材料。关于第二子电池30的更多细节在图4给出，并在其相应描述中公开了该第二子电池30包括n-p或n-i-p结该n-p或n-i-p结包括具有高品质自组装In（Ga）As/GaAs量子点的多个层，该量子点具有特定的形状、成分和密度并通过外延假晶生长。

第二子电池30经由隧道结40电连接至第三子电池32。隧道结40的要求与上述讨论的对隧道结38的要求相似。在该实施例中，隧道结40可以由高度掺杂InGaP或AlGaAs n-p结制成，但是许多其它的组合同样有效。第三子电池32本质上是优选由具有大约1.8eV带隙的掺杂GaInP或掺杂AlGaAs、或与GaAs晶格匹配的类似合金制成的n-p结。如在多结太阳能电池中常见的那样，第三子电池32可以包括窗（window）42、抗反射层44和触点46。

图2的顶部示出作为太阳光谱50的波长的函数的光谱强度的曲线图48。图2也示出了分别对于第三子电池32、第二子电池30和第一子电池28的太阳光谱50的吸收范围52、54和56。鉴于与图1相关的讨论，本领域技术人员将会非常清楚，这样一种三结光伏的太阳能电池在所述子电池之间具有优良的电流匹配，同时具有高转换效率。

图3示出了高品质自组装量子点材料的光伏谱58，即该自组装量子点材料可以包含于第二子电池30内并在p-i-n结内生长。曲线58示出了在20℃测量的第一材料的光谱。曲线58的特性是量子点材料的基态（ground state）60、量子点材料激发态62和湿润层态（wetting layer states）64，湿润层是通常在自组装量子点外延生长期间形成的薄的连续层。在这个自组装外延生长过程中，将第一单层或第一少数（few）单层沉积在被称为湿润层的均匀的二维层中。量子点然后从额外的沉积材料中和/或部分从先前的湿润层材料中自组装。曲线58为使用通过GaAs层传输的白光源而测量出的曲线。对于大于GaAs带隙的能量可以观察到信号降低68。量子点基态60可以称为自组装量子点材料的有效带隙。对于不包括半导体异质结构的体半导体而言，有效的带隙仅是该半导体材料的带隙。

众所周知，量子点能级可以通过在生长期间控制它们的形状、成分和密度来调节[例如参见：S.Fafard等人于1999年在Phys.Rev.B59，15368（1999）发表的“半导体量子点的能级水平调整”（“Manipulating the Energy Levelsof Semiconductor Quantum Dots”，Phys.Rev.B59，15368（1999）），或S.Fafard等人于1999年在Appl.Phys.Lett.75，986（1999）发表的“在具有锐利可调整电子壳体的量子点群中激光照射”（“Lasing in Quantum Dot Ensembleswith Sharp Adjustable Electronic Shells”，Appl.Phys.Lett.75，986（1999））]。对于曲线58，自组装In（Ga）As/GaAs量子点材料调整成具有大约1.16eV的有效带隙。在曲线58中测量的材料包含14层In（Ga）As量子点，而这14层In（Ga）As量子点被多个由GaAs制成的10nm势垒层隔开。

另一种太阳能电池30的实施例在图4中示出。其中，多个III-V半导体合金层在包括重掺杂p层78和重掺杂n层80的隧道结38上外延生长。发射极82是通过高度掺杂n层84和掺杂n层86组合而形成。发射极82优选由GaAs制成或由与GaAs晶格匹配的其它合金制成，并且具有接近于GaAs的带隙的带隙。类似地，随后对层90和高度掺杂p层92使用p型掺杂，来生长收集极（collector）88。硅可以用于n型掺杂，同时铍可以用于p型掺杂。例如，可以使用其它掺杂剂，诸如锌（Zn）、碲（Te）或其它。

发射极82和收集极88形成n-i-p结，同时在发射极82和收集极88之间设有本征不掺杂（intrinsically undoped）的自组装量子点材料94。发射极82和收集极88的掺杂分布是这样的：它们提供基本上横跨自组装量子点材料94延伸的耗尽区。可使用n-p结代替n-i-p结或通过使P和n掺杂的顺序相反来设计类似的结构。另外，由于自组装量子点材料94在GaAs上假晶生长，因而包括高折射率半导体和低折射率半导体的交替层的布拉格反射器或分布布拉格反射器（DBR）空腔可以在该发射极和/或该收集极内生长，以增强反射率并改变子电池的吸收特性，并相应也改变太阳能电池24的吸收特性。类似地，如图4所描述的自组装量子点材料94连同发射极82和收集极88一起将用于本发明中其它实施例的描述。

自组装量子点材料94包括第一量子点层96、第一势垒层98、第二量子点层100、第二势垒层102等，一直到第N自组装量子点材料104和第N势垒层106。本领域技术人员将非常清楚，所述N层量子点层不必在厚度或成分方面相同。此外，可在自组装量子点材料94中插入多层，以优化太阳能子电池（例如第二子电池30）的光学特性、结构特性或电特性。例如，具有其它带隙或具有另一晶格常数的多层可以在量子点层96、100、104之上和/或之下生长，以修正量子点材料94的光学特性和/或结构特性。而且，具有其它带隙或具有另一晶格常数的多层也可以在势垒层98、102、106内生长。这种在所述势垒层内生长中间层对于控制在结构中构建的总应变特别重要。例如，晶格常数小于外延层并小于衬底晶格常数的半导体层的厚度可被选择，以获得能够补偿在对于所述量子点层使用具有较大晶格常数的半导体时所引入的应变的层。例如，GaPAs或GaInP可以在所述势垒层内生长，以补偿InAs或InGaAs量子点的应变。此外，多个层可以包含许多具有类似特性的子群组层（sub-groups layer），以便N个层都将由m子分组层组成，每个子群组层包含数量m_i个的具有类似尺寸、成分和有效带隙的量子点和势垒层。

在本实施例中，生长材料和参数可选择成获得具有所需吸收特性（例如在1.16eV处的吸收限）的自组装量子点材料94。自组装量子点材料94的假晶生长通过使用例如分子束外延（MBE）方法（system）的外延生长而获得。MBE方法用于在与GaAs晶格匹配的半导体材料上生长例如GaAs或AlGaAs层。也可以使用除了MBE方法外的外延生长方法。它们可以包括例如化学束外延生长（CBE）、有机金属化学气相沉积（MOCVD）或其它类似的混合方法或其组合。为获得所需的光学特性、电特性和结构特性，生长温度维持在一个范围内，该范围优化所需特性，同时避免可以致使多层混合或例如存在于发射极82或收集极88层中的掺杂剂的扩散的高温。

举例来说，当不关心发射极82层中的掺杂剂混合或扩散时，GaAs层的生长可以在400℃至800℃之间的温度范围进行，优选在520℃至630℃之间的温度范围进行，最优选在600℃至630℃之间的温度范围进行。如果在量子点层的外延生长期间关注掺杂剂的混合和/或扩散，则生长温度可包含在450℃至550℃之间，优选在490℃至530℃之间。量子点层的生长温度用以调整量子点的形状和成分。每个量子点层的势垒层的附晶生长（overgrowth）期间的温度可以在附晶生长的不同阶段变化，以进一步控制量子点的尺寸和成分，并因此控制自组装量子点材料94的吸收特性。

生长温度、第V族过压（over-pressure）或III/V族的比率、量子点材料、用来获得在均匀的准二维膜至三维岛之间的自组装生长转变的材料的数量、生长期间使用的生长率或停止时间（pause）、以及诸如生长温度和生长率等附晶生长条件的上述组合被选择为获得这样的量子点层，该量子点层具有高面内（in-plane）密度的并具有所需能级的高度均匀量子点。这允许将碰撞太阳光子转变为电的高转换效率。

对于本领域技术人员显而易见的是，存在多种参数的组合可以达成所需的吸收特性。然而，基于本实施例说明的目的，所需的自组装量子点材料94的吸收可以通过在GaAs上生长InAs获得，其中InAs的厚度包含在0.6nm至0.8nm之间，优选包含在0.68nm至0.72nm之间。InAs的生长率优选包含在0.001nm/s至3nm/s之间，最优选包含在0.01nm/s至0.03nm/s之间，并且在InAs沉积后具有生长停止时间，生长停止时间优选为0秒至300秒。InAs量子点层的生长跟随在具有范围从6nm至50nm的厚度的势垒层的附晶生长之后，该势垒层优选为GaAs或Al_xGa_1-xAs，x包含在0至1之间，但优选包含在0至0.35之间。如上所述重复多次量子点层和势垒层的生长序列。

如上所述，衬底特定的温度周期变化可以用来在量子点层和势垒层的附晶生长期间调整量子点的形状、成分和均匀性。在这种情况中，衬底26的温度可以优选提高到InAs的形变温度（disorption temperature）之上，该形变温度对于MBE生长大致是530℃且在不同的因素中取决于生长方法和表面活性剂的使用。一旦温度已经增至高于InAs的形变温度，温度将降回到标称值，该标称值优选包含在450℃至550℃之间，优选包含在490℃至530℃之间。该过程之后，生长随后的量子点层。如果所需的吸收限是1.16eV，当势垒层的厚度包含在lnm至50nm之间、优选在2.0nm至l0.0nm之间以及最优选在4.5nm至6.5nm之间时，可发生在附晶生长期间执行的温度周期变化。

量子点层的数目可以包含在1至100之间，优选在30至80之间。必要时能够生长更多层。自组装量子点层材料94的层数目越大，第二电池30的吸收系数也越大，这可期望增加第二电池30的电流。

量子点层之间的距离（即势垒层厚度）被调节为：（A）改变吸收光谱的所需特性；（B）控制自组装量子点的垂直叠置；以及（C）将总应变水平维持在与导致晶格弛豫（relaxation）开始的临界厚度相关的应变水平之下。对于临界厚度以上的厚度，量子点材料可以开始形成材料位错和缺陷。该临界厚度可以通过使用例如马修定律来测定和/或估算。对于所关心的具有低铟含量的平均InGaAs成分而言，该临界厚度期望处于1微米至2微米之间。平均铟含量越高，该临界厚度越小。因此，量子点层之间的距离可以用来调整量子点材料的平均铟成分，并避免由应变和晶格弛豫造成的位错和缺陷。如上文所讨论的，量子点层一般具有比该结构的其余部分更大的晶格常数，因此该实施例也可以结合具有相反应变（即较小的晶格常数）的诸如GaPAs或InGaP之类的半导体薄层，以在必要时减少量子点材料中的平均应变。例如，如上所述，具有不同的晶格常数的层可以在量子点层96、100、104之上和/或之下生长以修正量子点材料94的结构特性，或者具有不同晶格常数的类似层可以在势垒层98、102、106内生长。

本发明的第二实施例提供高效率的单片四结光伏太阳能电池。自组装量子点材料94可以适于吸收具有的能量大于大约1.0eV的光子，如图1中所示的材料21。这种材料可以用来制造图5中描述的高频率单片四结光伏的太阳能电池，其中如果每一个子电池吸收大约19%的太阳光通量，则这些子电池将是电流匹配的。

四结太阳能电池包括衬底108，在该衬底上制造第一子电池110。第一子电池110优选包括具有适当的掺杂分布的锗，锗在衬底108上通过外延生长或通过其它晶体生长方法进行生长。可选择地，第一子电池110可以通过在体锗材料（例如Ge衬底）中混和或注入掺杂剂以生成适当的掺杂分布而得以制造。例如，当III-V族半导体材料在p型Ge上生长时，在Ge衬底内混杂第V族元素将形成n型Ge区，并因此形成p-n结。类似地，对于n型Ge衬底，在Ge衬底内混杂III族元素将形成p型区，并因此形成n-p结。第二子电池112通过外延生长在第一子电池110上假晶生长，并包括适于获得约l.0eV有效带隙的自组装In（Ga）As/GaAs量子点材料。第三子电池114通过外延生长在第二子电池112上假晶生长，而且第三子电池114接着是第四子电池116，第四子电池116通过外延生长在第三子电池114上假晶生长。

在该实施例中，衬底108可以是导电的GaAs或优选Ge，它们每一个都具有类似的晶格常数。衬底108的掺杂可以是n型或p型。不论衬底108是具有在顶端生长的n-p或n-i-p结的n型，还是具有在顶端生长的p-n或p-i-n结的p型，对本发明并不重要。基于阐明的目的，该实施例将使用具有n-p或n-i-p结的n型衬底。可包括无掺杂衬底和埋置的静合触点的其它可能组合同样是可能的。在该工艺的最后步骤中，衬底108可以进行金属处理，以形成欧姆接触118，如图5所示。

在第一子电池110生长之前，在衬底108上可以制造缓冲层和/或支撑区域层120，以优化各种结构特性、电特性或光学特性。第一子电池110可以由Ge制成，并包括n-p结以提供耗尽区。隧道结122用来连接第一子电池110和第二子电池112。如本领域技术人员所容易理解的那样，隧道结122优选由高品质材料制成，这种材料可以在第一子电池110上外延生长，并被高度掺杂以提供优良的导电性且承载高电流密度。如在此描述的所有隧道结一样，隧道结122基本上可以对穿越其的光子是通透的。

对于该实施例，隧道结122可以由高度掺杂GaAs n-p结形成，但是其它类型例如AlGaAs或晶格常数接近于GaAs晶格常数的AlGaInAsP合金的隧道结也是可能的。如先前所述的，第二子电池112包括调整成获得约1.0eV的有效带隙的自组装In（Ga）As/GaAs量子点材料。第二子电池122的细节与图4及其相应说明书中所公开的相似，但是就自组装量子点材料的生长参数而言进行了修改。有关第二子电池112生长的更多细节如下所述。现在，足以说明，第二子电池112包括自组装量子点材料和n-p或n-i-p结。该自组装量子点材料包括具有通过外延假晶生长的高品质自组装In（Ga）As/GaAs量子点的多个层，该量子点具有指定的形状、成分和密度。

第二子电池112经由隧道结124连接至第三子电池114。隧道结124可以由高品质材料制成，该材料可以在第三电池112上外延生长并高度掺杂，以提供优良的导电性并承载高电流密度。隧道结124基本上对穿越其的光子是通透的。在该实施例中，隧道结124可以由高度掺杂GaAs、InGaP、AlGaAs或AlGaInAsP的n-p结制成，所使用的合金具有接近于GaAs的晶格常数和等于或大于GaAs的带隙。

第三子电池114基本上是优选由掺杂的GaAs或与GaAs晶格匹配的AlGaInAsP或GaInNAs合金制成的n-p结，且第三子电池114具有大约1.4eV的带隙。对于一些结构，为了帮助平衡子电池的电流，可期望调整第三子电池114的厚度和吸收特性，以便第三子电池114让碰撞（impinge）在其上的部分光到达第二子电池112。第三子电池114经由隧道结126连接至第四子电池116，该隧道结126可以由高度掺杂InGaP或AlGaAs的n-p结制成，但是满足如上所述的必要条件的其它合金同样有效，例如AlInGaP或ZnSe合金。

第四子电池116基本上是优选由掺杂的GaInP或AlGaAs、或类似的与GaAs晶格匹配的AlGaInAsP合金制成的n-p结，且第四子电池116具有大约1.8eV的带隙。优选，第四子电池的厚度和吸收特性是这样的，以使第四子电池116让在其上碰撞的部分光达到第三子电池114。此外，第四子电池116、第三子电池114、第二子电池112和第一子电池110是这样的，以使由各电池所吸收的光子所产生的各电流平衡。就如同在制造多结太阳能电池的过程中常见的那样，第四子电池116可以包括窗128、防反射涂层130和电接触132。

在图5的顶部示出作为太阳光谱50的波长的函数的光谱强度的曲线134。图5也示出了分别对于第四子电池116、第三子电池114、第二子电池112和第一子电池110的太阳光谱50的吸收范围136、138、140和142。对于本领域技术人员将会非常清楚的是，借助于图1的描述，这种四结光电压太阳能电池将在子电池之间具有优良的电流匹配，同时每一个子电池中吸收大约19%的太阳光子通量，并因此这种四结光电压太阳能电池具有高转换效率。

在p-i-n结内生长并具有大约1.0eV吸收带限的高品质自组装量子点材料的测定光伏谱如图3的曲线70所示。其中，在20℃测定的曲线70示出与量子点基态71、量子点激发态72和湿润层态76相关的光谱特征。该特定的样品包含嵌入GaAs势垒层中的单层In（Ga）As量子点。

第二子电池112的生长条件可以调整为使得量子点的尺寸和成分连同邻近量子点的材料的成分一起获得自组装量子点材料，该自组装量子点材料具有能量低于1.16eV的大约是1.0eV的吸收限。如上所述，可以有许多达成所需目标的生长参数组合。然而，基于本实施例仅仅是说明的目的，所期望的自组装量子点材料94的吸收特性可以通过在GaAs上生长InAs获得，其中InAs的厚度在0.4nm至0.8nm之间，优选在0.50nm至0.58nm之间。InAs的生长率优选包含在0.001nm/s至3nm/s之间，更优选在0.01nm/s至0.03nm/s之间，并且在InAs生长后具有生长停止时间，生长停止时间优选为0秒至300秒。InAs量子点层的生长之后接着是具有从6nm至50nm的厚度的势垒层的附晶生长，该势垒层优选为GaAs或Al成分小于大约10%的AlGaAs合金并具有稍微更高的带隙。如上所述重复多次的量子点层和势垒层的生长序列。量子点层的优选数目是在50层至150层之间，或为平衡子电池中的吸收所要求的数目。

如上所述，衬底108特定的温度周期变化可以用来在量子点层的附晶生长期间调整量子点的形状、成分和均匀性。在这种情况中，衬底108的温度优选增加到InAs形变温度之上，并在随后的量子点层生长之前降回到标称值。在这种情况中，如果所需的吸收限是大约1.0eV，当势垒层的厚度包含在1nm至50nm之间、优选在2.0nm至10.0nm之间以及最优选在7.5nm至10.0nm之间时，在附晶生长期间执行的温度周期变化可以发生。可选择地，比GaAs带隙稍微较低的材料的合金（例如具有低浓度铟的InGaAs）或带隙分级（graded bandgap）的材料也可以用于接近量子点层，以由此扩展对更长波长的吸收。

用于在多结单片光伏的太阳能电池的子电池内加入自组装量子点材料的方法，可以包括下列步骤：提供具有顶面的衬底，该顶面具有晶格常数；上述层上设置与所述晶格常数晶格匹配的子电池；在所述子电池上提供与所述晶格常数晶格匹配的隧道结；以及重复最后两个步骤，直到必须加入包括自组装量子点材料的子电池。如果自组装量子点材料必须被加入到底端子电池中，则省略最后两个步骤。还包括的步骤包括：在该上述层之上，外延沉积半导体材料的多个缓冲层，所述缓冲层与所述晶格常数晶格匹配且具有缓冲掺杂剂浓度；在所述缓冲层之上，外延沉积半导体材料的多个支撑区域层，所述支撑区域层与所述晶格常数晶格匹配且具有支撑区域掺杂剂浓度；在所述支撑区域之上，外延沉积半导体材料的第一势垒层，该第一势垒层与所述晶格常数晶格匹配且具有势垒层掺杂剂浓度和在势垒层温度下生长的势垒层的厚度。另外还包括的步骤为：在上述的势垒层之上，使用具有用于量子点的标称成分（nominal composition）的半导体，外延沉积量子点层，该量子点层包括高密度的均匀自组装量子点，该自组装量子点具有低密度的缺陷并具有形状和尺寸，且该量子点层对所述晶格常数高度应变且具有量子点掺杂剂浓度、量子点厚度、量子点生长温度、量子点生长率、量子点第V族过压或III-V族比率；在生长暂停一生长中断时间之后在上述量子点层之上，外延沉积与所述晶格常数晶格匹配的半导体材料的势垒层，该势垒层具有势垒层掺杂剂浓度、势垒层厚度、势垒层生长率以及在量子点的附晶生长期间用于衬底温度的势垒层温度曲线（temperature profile）；以及重复最后2个步骤多次，其中量子点的成分、尺寸和形状被控制并经由生长参数在整个叠置分布（stacking profile）中能够被改变。更多的步骤包括：在上述势垒层之上，外延沉积半导体材料的顶端区域层，所述顶端区域层与所述晶格常数晶格匹配且具有顶端区域掺杂剂浓度；在所述顶端区域层之上，外延沉积与所述晶格常数晶格匹配的高度掺杂半导体材料的隧道结，隧道结的初始部分具有与所述顶端区域掺杂剂相同类型的掺杂剂浓度，而隧道结的最后部分突然变为相反的类型；在上述隧道结之上，提供与所述晶格常数晶格匹配的子电池；在上述子电池之上，提供与所述晶格常数晶格匹配的隧道结，并重复最后两个步骤，直到实现包含在所述多结太阳能电池中的一定数目的子电池。最后，该方法包括：在顶端子电池上提供窗，在所述窗上提供防反射涂层，以及提供与所述顶端子电池连接的接触层。在刚才描述的方法中，所述缓冲层的掺杂剂浓度在l×l0¹⁶cm^-3至l×l0¹⁹cm^-3之间，所述支撑区域层的所述掺杂剂浓度在l×l0¹⁶cm^-3至l×l0¹⁹cm^-3之间，所述势垒层掺杂剂浓度在l×l0¹³cm^-3至l×l0¹⁷cm^-3之间，所述量子点厚度在0.4nm至5.0nm之间，所述量子点生长温度在450℃至540℃之间，所述量子点生长率在0.000lnm/s至0.2nm/s之间，所述生长中断时间在0秒至600秒之间，所述势垒层温度分布既可以是常数，也可以在450℃至650℃之间变动，所述势垒层生长率在0.0lnm/s至lnm/s之间，所述势垒层厚度在3nm至60nm之间，所述顶端区域层的所述掺杂剂浓度在l×l0¹⁶cm^-3至l×l0¹⁹cm^-3之间。该晶格常数可以是GaAs的晶格常数，所述缓冲层、所述支撑区域层、所述势垒材料和所述顶端区域层的合金成分在Al_0.3Ga_0.7As和GaAs之间，且量子点的所述标称成分在In_0.3Ga_0.7As和InAs之间；该晶格常数可以是GaAs的晶格常数，所述缓冲层、所述支撑区域层、所述势垒材料和所述顶端区域层的合金成分在Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.1Ga_0.9As之间，且量子点的所述标称成分在In_0.3Al_0.7As和InAs之间；或者该晶格常数可以是GaAs的晶格常数，所述缓冲层、所述支撑区域层、所述势垒材料和所述顶端区域层的合金成分是与GaAs晶格匹配的GaAlInP合金，且量子点的所述标称成分是InP。

本发明的第三实施例提供高效率的单片双结光伏太阳能电池。在另一个实施例中，自组装量子点材料适应用于双结太阳能电池。为了具有高效率光伏的双结太阳能电池，要求第一子电池具有与自组装量子点材料94类似但是具有0.92eV的吸收限的自组装量子点材料，同时第二子电池具有能够吸收能量大于大约1.6eV的光子的材料。第二子电池也可以包括与自组装量子点材料94类似的自组装量子材料。这种双结太阳能电池将来平衡每一个子电池中所产生的电流。此外，每一个子电池将吸收总太阳光子通量的大约31%，如图1中的曲线10所示，其中示出了带隙15（1.6eV）和带隙23（0.92eV）。

本发明的双结光伏太阳能电池在图6中得到描述。该双结太阳能电池包括衬底144，通过外延在衬底144上假晶生长第一子电池146，该第一子电池146包括调整成获得大约0.92eV的有效带隙的第一自组装量子点材料。第一子电池146的细节与在图4及其相应说明书中公开的图2的第二子电池30相似。第二子电池148通过外延生长在第一子电池146上假晶生长并可以包括优选具有AlInAs/AlGaAs量子点且调整成获得大约1.6eV的有效带隙的第二自组装量子点材料。在该实施例中，衬底144优选是导电的GaAs或导电的Ge衬底，其中每一个具有类似的晶格常数。

如上所述，对于其它多结实施例，衬底144的掺杂可以是n型或p型。不论衬底144是具有在顶端生长的n-p或n-i-p结的n型，还是具有在顶端生长的p-n或p-i-n结的p型，对本发明并不重要。基于阐明的目的，该实施例将使用具有n-p或n-i-p结的n型衬底。其它可包括无掺杂衬底和埋置的静合触点的可能组合同样是可能的。在该工艺的最后步骤中，衬底144可以进行金属化处理，以形成欧姆接触150，如图6所示。

在第一子电池146生长之前，在衬底144上可以生长缓冲层和/或支撑区域层152，以优化各种结构特性、电特性或光学特性。第一子电池146经由隧道结154电连接至第二子电池148。在该实施例中，隧道结154可以包括高度掺杂的InGaP或带隙大于大约1.7eV的AlGaAs n-p结。可选择地，也可以使用其它类似的AlInGaAsP。第二子电池148基本上是通过外延假晶生长的n-p或n-i-p结。如上所述，第二子电池148可以包括调整成获得大约1.6eV的有效带隙的自组装AlInAs/AlGaAs量子点材料。可选择地，第二电池148可以由掺杂的体GaInP或AlGaAs或其它类似的InAlGaAsP合金制成，该InAlGaAsP合金具有给出大约1.6eV带隙的合金成分。如在多结太阳能电池的制造中常见的那样，第二子电池148可以具有窗口156、防反射涂层158和电接触160。

图6的顶部示出了作为太阳光谱50的波长的函数的光谱强度的曲线162。曲线162也示出了分别对于第一电池146和第二电池148的太阳光谱50的吸收范围164和166。对于本领域技术人员而言清楚的是，借助于图1的描述，这种双结光电压太阳能电池具有将在子电池之间优良的电流匹配和具有高转换效率。

对于该实施例，具有自组装量子点材料层结构的子电池的结构与图4及其相关说明书中公开的类似。然而，生长条件被改变，以获得所需的光学特性、电特性和结构特性。特别地，量子点或邻近量子点的材料的尺寸和成分被改变成：对于第一子电池146而言，将自组装量子点材料扩展为吸收较长波长，对于第二子电池148而言，将自组装量子点材料扩展为吸收较短波长。如上所述，可以有许多达成所需目标的参数组合。

本实施例基于阐明的目的，第一电池146的自组装量子点材料所需的吸收特性可以通过在GaAs上生长InAs获得，其中InAs的厚度包含在0.5至0.8nm之间，优选在0.50至0.58nm之间。InAs的生长率优选包含在0.001nm/s至3nm/s之间，更优选在0.01nm/s至0.03nm/s之间，并且在InAs沉积（生长）后具有生长停止时间，生长停止时间优选为在0秒至300秒的范围内。InAs量子点层的生长之后接着是具有从6nm至50nm的厚度的势垒层的附晶生长，该势垒层优选为GaAs层或具有类似带隙的合金。如上所述重复多次的量子点层和势垒层的生长顺序。

如上所述，衬底144特定的温度周期变化可以用来在量子点层的附晶生长期间调整量子点的形状、成分和均匀性。在这种情况中，衬底144的温度优选增加到InAs形变温度之上，并在随后的量子点层生长之前降回到标称值。在这种情况下，如果所需的吸收限是大约0.92eV，当势垒层的厚度包含在1至50nm之间、优选在2nm至11nm之间以及更优选在7.5nm至11nm之间时，在附晶生长期间进行的温度周期变化可以发生。另外，比GaAs带隙稍微较低的材料的合金（例如具有低浓度铟的InGaAs）或带隙分级的材料也可以接近量子点层进行生长，以扩展对较长波长的吸收。

使用类似的方法获得具有第二子电池148所需的特性的自组装量子点材料；然而，AlInAs量子点用于代替InAs量子点，且GaAs势垒层材料由AlGaAs势垒层材料所替代。势垒层中Al的标称百分比可以在0%至100%之间，但是优选在0%至35%之间，以便维持直接带隙材料。更优选，Al的百分比包含在25%至35%之间。量子点中In的标称百分比可以在35%至100%之间，但是优选在50%至75%之间，更优选在55%至70%之间。用于形成自组装量子点层的AlInAs的厚度优选包含在0.7nm至1.2nm之间，更优选在0.8nm至0.9nm之间。

可选择地，对于第二子电池148而言，通过使用InP量子点代替AlInAs量子点以及GaInP势垒层代替AlGaAs势垒层可以制造等效结构。与GaAs晶格匹配的其它合金（例如GaAlInP或GaInPAs）可以用于势垒层。

本发明可以应用于其它实施例和材料，例如在InP衬底上生长的双结单片太阳能电池。该双结电池具有第一子电池，第一子电池基本上是n-p或n-i-p结，并优选包括在与InP晶格匹配的InGaAs势垒层内的InAs量子点材料。该双结电池还具有第二子电池，第二子电池基本上是由掺杂的体AlInAs或类似的与InP晶格匹配的合金（例如AlInGaAs或GaInPAs）制成的n-p结。该实施例的第一子电池与Ge相比具有扩展的吸收范围，这是因为它吸收小到大约0.65eV能量的光子。第一子电池和第二子电池的配置与图6中描述的相同。第二子电池可以在一些其它实施例中是任选的。在第二子电池是可选的实施例中，可获得较低的转换效率，但好处是更简单的制造和更低的成本和/或更高的辐射或缺陷的健壮性（defect hardness）。

所关心的另一个实施例使用锗衬底，以形成高效率双结单片光伏太阳能电池。这里再次，第一子电池和第二子电池的配置与图6中描述的相同。如图5对子电池110所讨论的，基本上是n-p或n-i-p结的第一子电池由通过外延生长或其它类似的沉积、注入或相互扩散技术在Ge衬底上假晶生长的Ge制成。基本上是n-p或n-i-p结的第二子电池优选包括在AlGaAs势垒层（或类似的合金，例如AlGaP合金）内的InGaAs量子点材料，该AlGaAs势垒层通过外延假晶生长且具有接近于Ge的晶格常数。这种使用Ge衬底的双结电池可能没有与此处讨论的其它可能的实施例一样有效率，但是将有益于更简单的制造，有益于更灵活地选择势垒层和量子点层的宽广组合，有益于更高的辐射和缺陷鲁棒性（defect robust）（其导致更高寿命终止效率）。

特别关注的另一个实施例使用硅衬底，以形成高效率双结单片光伏太阳能电池。这里再次，第一子电池和第二子电池的配置与图6中描述的相同。基本上是n-p或n-i-p结的第一子电池优选包括Ge或SiGe量子点材料和通过外延生长或其它类似的沉积技术在Si衬底上假晶生长的Si势垒层。也可以使用薄膜法或用于生长半导体晶体的方法组合。基本上是n-p或n-i-p结的第二子电池优选包括在通过外延假晶生长在Si上的GaP势垒层（或类似的合金，例如AlGaP）内的InP量子点材料。使用Si衬底的双结电池也可以被设计为在生长在现有晶体或多晶Si第一电池上的第二子电池中使用自组装量子点材料，以便获得改善的效率。第二子电池可以在一些其它实施例中是可选的。在第二子电池是可选的实施例中，可获得较低的转换效率，但好处是更简单的制造和更低的成本。

如上所述，自组装量子点材料已经显示为用于生产具有数量级更大的辐射和缺陷鲁棒性的器件。更高的辐射和缺陷鲁棒性是下列组合的结果：（A）带有缺陷的空间限制隔离区，（B）由于纳米结构而具有有利的扩散长度损坏系数，（C）消除在最受辐射影响的子电池中的限制电流的约束因素，以及（D）不具有限制电流的电池的太阳能电池设计。这使得具有自组装量子材料的器件对于空间应用特别有吸引力。上述实施例的太阳能电池将有益于在器件暴露于辐射的应用中的辐射健壮性。例如，优化的太阳能电池将具有大约40%的起始寿命的效率。假定该优化的太阳能电池相对于现有太阳能电池具有改善了两个数量级的辐射健壮性，则对于寿命终止而言寿命终止的效率将高于38%，寿命终止限定为相当于1MeV电子辐射的1x10¹⁵cm^-2总量。

所期望的是本发明的实施例开发和/或优化缺陷健壮性，即使同时会部分地牺牲一些转换效率。例如，双结太阳能电池可以包括Si衬底，在该衬底上变质（metamorphically）生长多个GaAs/AlGaAs层，以制成跃迁缓冲层（transition buffer layer）。在该过渡缓冲层上外延生长第一子电池，第一子电池包括自组装In（Ga）As/GaAs量子点材料并调整成获得大约0.92eV的有效带隙。在一些实施例中可以是任选的第二子电池通过外延生长在第一子电池上生长，并可以包括优选由AlInAs/AlGaAs量子点制成的且适于获得大约1.6eV的有效带隙的自组装量子点材料。在该实施例中，由于Si与GaAs之间大的晶格失配，将存在显著浓度的缺陷。然而，对于一些应用而言，由于自组装量子点材料的缺陷健壮性，该转换效率是可以接受的。

除缺陷健壮性之外，本发明的其它优点也可以得以实现。例如，自组装量子点材料通过重新获得（recover）一些超过半导体带隙的光子能量来增强转换效率，如果以其它方式在具有比有效带隙更高能量的光子碰撞在多结太阳能电池上时，这些光子能量将会丧失。众所周知，超过有效带隙的能量可以产生声子。在量子点内一些声子将被再吸收，并在掠过（swept across）耗尽区之前，并且通过将光载流子从限制量子点态提升至更高的无限制状态而被使用在热电子发射（thermionic emission）处理中。因此，效率更高。

另外，优化转换效率的类似方案可以结合到本发明的实施例中。例如，自组装量子点材料可以掺杂有可控的残余掺杂（controlled residual doping），以作为较长的红外波长的检波器。检测处理将使用同时具有带间跃迁（transition）的带内吸收，因此通过使用更大百分率的总太阳光子通量来增加子电池电流。如图7所示，其中所显示的倾斜的导带限（conduction bandedge）200用以在量子点形成势阱202。电子量子化能级204、206和208连同准-费米能级212显示在势阱202中。电子300显示为位于能级204和206处。通常不存在于太阳能电池中的长波长红外线带内吸收跃迁（如216和218所示）生成了如箭头310所示在器件中漂移的额外的光载流子。这类吸收可能是非常重要的，这是因为大约20%的太阳光子通量处于Ge带隙之下的能量范围内。

所提出的方法还可以延伸至其它实施例和材料系统。例如包含稀释氮化物（例如InGaAsN或包含小部分氮的类似半导体合金）的半导体自组装量子点，或Ga（Al）N势垒层内的In（Ga）N量子点，或使用基于锑的材料系统（例如Ga（Al）Sb势垒层或类似合金中的InSb自组装量子点）。显然本发明也可以有益于除了太阳能转换外的应用，但是这些应用也需要宽带源的光子转换成电信号的效率转换。

具有自组装量子点层的太阳能电池可以需要插入有各势垒材料层的多层自组装量子点形成在衬底的顶上。由于自组装量子点和自组装量子点层会扰乱晶体矩阵（它们形成在该晶体矩阵中），所以如果生长条件没有受到良好控制或偏离最佳值，则生长插入有势垒层的多层自组装量子点会导致具有缺陷的生长阵面（growth front）。这同样适用于这样的实例：其中代替（或除其之外）多层自组装量子点，应变层（压缩应变或拉伸应变）插入有各自的势垒材料层。

尤其当自组装量子点层中具有显著的应变时，这可能成为一个问题；这个应变局部出现在自组装量子点中或自组装量子点周围。为了更明确，在本发明中使用的生长阵面定义为外延形成的半导体结构与里面形成半导体结构的生长腔之间的界面。吸附原子（ad-atom）附着到生长阵面以形成新的生长阵面。

生长阵面恶化的开始可能与形成在彼此的顶上的交替的自组装量子点层和势垒层的数目相关（或在应变层而不是自组装量子点层的情况下，则与应变层和势垒层的数目相关）。形成在彼此的顶上与形成在彼此之上、布置在彼此之上、位于彼此之上等是同义的。生长阵面恶化的开始也可能与自组装量子点材料和势垒材料之间的晶格常数不匹配相关。晶格常数不匹配表示自组装量子点材料和势垒材料的标称晶格常数的不同，材料的标称晶格常数是晶格常数本身，而没有由外部作用者（agent）施加的任何应变。当基层的晶格常数与材料的标称晶格常数不同时，在基层上生长的材料的面内晶格常数与材料的标称晶格常数不同。该“不同的晶格常数”可以被称为“生长的（as grown）”晶格常数。

图8示出半导体衬底1050的示例性布置1040，该半导体衬底可以是例如锗（Ge）衬底，在该锗衬底上形成能够包括例如砷化镓（GaAs）的结构1052。结构1052也可以称为中间层。在结构1052的顶上形成交替的自组装量子点层1054和势垒层1056，自组装量子点层1054可以包括例如砷化铟镓（InGaAs）或砷化铟（InAs），以及势垒层1056可以包括例如GaAs、AlGaAs或GaInP。在本示例中，最上层势垒层1056的顶面形成生长阵面1058。交替的自组装量子点层1054和势垒层1056形成一分组层，如图8中的分组1060所示。示例性布置1040示出两个自组装量子点层1054和两个势垒层1056；然而，如下所述，这种自组装量子点层1054和势垒层1056的数目可以改变。另外，如本发明中其它地方描述的，示例性布置1040可以用于制造高效率的太阳能电池。

如熟练工人所理解的那样，结构1052不需要在衬底1050上生长。可代替地，通常，结构1052可以在任何合适的基底材料上生长，例如衬底1052或外延生长的半导体层、或任何其它合适的材料。

如熟练工人所理解的那样，本发明也应用于其它实施例，其中自组装量子点层1054由没有自组装量子点的应变半导体层来取代。举例来说，应变层可以包括In_xGa_1-xAs层，其具有范围例如在20%（x=0.2）至100%（x=l）之间的铟百分比（fraction）。

可以以多种方式来确定生长阵面1058的恶化的开始。例如，生长阵面1058的品质（quality）或其的缺乏可以通过分析生长阵面1058的形态学、布置1040的生长后（post-growth）来确定。在例如图8的布置1040所示的截断结构的情况下，这可以通过使用原子力显微镜（AFM）分析生长阵面1058来实现，或者通过使用透射式电子显微镜（TEM）来实现，在该透射式电子显微镜中，例如通过观看该结构的剖视图可以探测包括多个分组的自组装量子点层1054和势垒层1056的完全生长结构。也可以使用诸如扫描式电子显微镜（SEM）的其它技术。

另外，生长阵面1058的品质可以通过探测生长后的布置1040的光学特性、电子特性或光学特性和电子特性两者来确定。这可以通过测量布置1040的光电流（PC）或光电压（PV）、光致发光（photoluminescence，PL）、场致发光（electroluminescene，EL）、时间分辨光致发光（time-resolvedphotoluminescence，TRPL）、时间分辨光电（time-resolved photo-current，TRPC）、电子束感生电流（electron-beam induced current，EBIC）测量等的光谱响应（量子效率）。这种技术可以帮助确定少数载流子寿命及其对于分组1060（或多个分组，视情况而定）内的自组装量子点层1054和势垒层1056的数目的依赖性。布置1040的反射高能电子衍射（RHEED）和光反射也可以用来获得布置1040的生长期间或之后的生长阵面1058的表面粗糙度和形态信息。

另外，对生长阵面1058在处理时的形态给出实时反馈的原位技术可以用于确定生长阵面1058的品质。这种原位技术包括在布置1040的外延生长期间光子（光）或电子束的反射。这些技术也可以提供对半导体晶片或基底材料（在其上形成布置1040的其余部分）的曲率的测量，以估计在外延生长期间是否存在任何应变加大（build-up）或应变弛豫事件。生长条件/参数可以适于作为原位监测的函数以补偿生长期间观察到的任何不期望效果。例如，如本发明中其它地方提到的，下文描述的图9的势垒层1056和/或间隔层1062的厚度可以在生长期间被调整以获得在使用这种技术监测到的晶片曲率所需的目标值。

对于一组目标生长参数（合金成分、层厚度、温度、掺杂、气压），一旦在生长阵面恶化的开始之前已经确定了在彼此的顶上形成的交替的自组装量子点层1054和势垒层1056的数目，则采用基本上相同的材料在相同的外延生长条件下的其它结构或布置可以在分组1060的顶上形成另外分组的自组装量子点层1054和势垒层1056。图9示出示例性布置1041，其包括图8的布置1040以及由在间隔层1062上形成的交替的自组装量子点层1054和势垒层1056构成的额外分组1064。分组1064的这些势垒层可以采用与分组1060的势垒层相同的生长条件进行生长或者采用与分组1060的势垒层不同的生长条件（不同的合金成分、温度、掺杂、气压）进行生长。

间隔层1062可以包括与势垒层1056相同的材料。可选择地，间隔层1062可以包括与势垒层材料不同的材料或一些不同的材料。另外，间隔层1062可以包括量子异质结构，例如量子阱、量子线（line）或线（wire）以及量子点。可以在观察到或预期到最小生长阵面恶化之后形成间隔层1062，以便修复或防止生长阵面的任何损坏。间隔层可以在显著的生长阵面恶化开始之前形成。

间隔层1062的目标厚度可以使用上述有关检测生长阵面1058的恶化开始的技术或使用如上所述的晶片曲率监测来确定。取决于间隔件1062中使用的材料选择，间隔层1062的最佳厚度可发生改变。例如，间隔层1062太薄将不能预期完全修复下方的生长阵面和/或会导致对于量子材料的非最佳总平均面内晶格常数（如本发明中其它地方将描述的，总平均面内晶格常数可以指的是这些层的标称面内晶格常数的厚度加权平均值）。另一方面，间隔层1062太厚的话在如果残余应变（residual strain）和厚度的组合不是最佳的情况下实际上可能使生长阵面恶化。

量子点和间隔层的总应变/成分（composition）可以被计算出和/或测量和/或监测，并被考虑，以确保该叠置（在基底材料（例如衬底1050）上形成的所有半导体层）的平均晶格常数相对于衬底维持不变。这能够被作出，以便保持假晶生长并获得如高性能太阳能电池一般所需的具有低缺陷密度的结构（器件）。X射线衍射测量也可以用来估算布置1040和1041的总材料品质以及局部和平均应变/成分。对于优化的假晶构造，X射线数据从衬底衍射峰值中可以显示几百万分之一（ppm）内的主衍射峰值，同时显示从以主峰值的每侧为中心的周期排列的Pendellosung条纹（峰值）。

间隔层1062的厚度可以根据对于形成在半导体衬底1050上（在基底材料上）的多层的目标厚度加权平均晶格常数值（为该值的函数）得以确定。在图9的布置1041的情况下，厚度加权平均晶格常数可以被表示为<a>，其能够被如下表达式计算出：

a_i为层‘i’的标称晶格常数，t_i为层‘i’的厚度。因此，对于布置1041，<a>也可以被表示为：

$<a>=\frac{a_{1054}\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{1054i}+a_{1056}\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{1056i}+a_{1062}{t}_{1062}+a_{1052}{t}_{1052}}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{1054i}+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{1056i}+t_{1062}+t_{1052}}---\left(2\right)$

a₁₀₅₄为自组装量子点层1054的标称晶格常数；

t_1054i为自组装量子点层‘i’的厚度（‘i’包含在1至自组装量子点层1054的总数目之间）；

a₁₀₅₆为势垒层1056的标称晶格常数；

t_1056i为势垒层‘i’的厚度（‘i’包含在1至势垒层1056的总数目之间）；

a₁₀₆₂为间隔层1062的标称晶格常数；

t₁₀₆₂为间隔层1062的厚度；

a₁₀₅₂为结构1052的标称晶格常数；

t₁₀₅₂为结构1052的厚度；以及

和

扩展到所有的各层1054和1056。

值<a>根据通常在生长温度或待确定的晶格参数值所相关的层的预期（intended）器件操作温度下的各种晶格参数值而被计算出。优化生长温度通常优化生长期间的晶体品质。这通常将导致更高的器件性能，但是通常也将在预期器件操作温度下导致残余应变，或在测试/表征温度（characterizationtemperature）下导致类似问题。当不同的材料用于衬底与外延层时，由于不同的热膨胀（CTEs）系数造成了操作温度与生长温度之间的应变差。<a>的目标值因此基于在生长温度和/或操作温度下的残余应变的冲击以及各种性能的考虑来确定。因此，为了清晰起见，可对于大约生长温度、大约工作温度、这两个值之间的值、或者在一些情况下该范围外的值，选择<a>的目标值。通常，性能优化通过在大约生长温度下选择接近于基底材料晶格常数的<a>将有助于使在生长温度下的应变最小化，但是可选择地，可以选择<a>使得在操作温度下实现应变的目标值，例如为了可靠性和/或其它制造考虑。

厚度加权平均晶格常数<a>的目标值可以等于衬底1050（或者，通常，为上面形成结构1052的基底材料）的晶格常数值。厚度加权平均晶格常数<a>的目标值也可以小于衬底1050的晶格常数值或大于衬底1050的晶格常数值。

图10示出由交替的自组装量子点层1054和势垒层1056构成的七个分组1060、1064、1068、1072、1076、1080和1084的示例性布置1042。可以包括间隔层材料的结构1086可以形成在最上层分组1084上。分组1060、1064、1068、1072、1076、1080和1084的每一个中的自组装量子点层1054的数目在该示例中是七个。就这点而论，图10的示例性布置1042包括总共49个自组装量子点层1054。然而，可使用每分组任何合适数量的自组装量子点层1054，并且每分组自组装量子点层1054的数目在每个分组1060、1064、1068、1072、1076、1080和1084不需要相同。表达“任何合适数目的自组装量子点层1054”的含意理解为不对结构1042造成明显或实质性的结构损坏的一定数目的自组装量子点层1054。

七个分组1060、1064、1068、1072、1076、1080和1084通过间隔层1062、1066、1070、1074、1078和1082彼此分离。在不脱离本发明的范围的情况下，每个间隔层的厚度可以与其它间隔层的厚度相同或不同。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，任何合适数目的分组可以得以实践。

邻接于分组1060的较低设置的自组装量子点层1054的结构1052的材料可以与在势垒层1056中所包含的材料相同。至于布置1042，间隔层1062、1066、1070、1074、1078和1082的总厚度可以根据在半导体衬底1050上形成的层的目标厚度加权平均晶格常数值（为其的函数）来确定。另外，厚度加权平均晶格常数<a>的表达式可以通常表示为上述等式（1）。

如熟练工人所理解的那样，等式（1）可以采用包括数字或图形求解的任何合适的等式求解步骤进行求解。取决于制造考虑和/或各种器件优化策略，一个或几个参数可以被确定为恒定值，同时鉴于目标<a>来求解一个或多个参数。

例如，当使用基本上相等的势垒层厚度时，t_1056i＝t₁₀₅₆，并且当使用基本上相等的应变层厚度时，t_1054i=t₁₀₅₄，且(a₁₀₅₆*t₁₀₅₆+a₁₀₅₄*t₁₀₅₄）/(t₁₀₅₆+t₁₀₅₄）~a₁₀₅₀，如果a₁₀₆₂=a₁₀₅₀（也假设a₁₀₅₂＝a₁₀₅₀），则衬底晶格常数、间隔件厚度t₁₀₆₂可以是有效的任何值。

为了清晰起见，当势垒和应变层的厚度加权平均晶格常数与衬底的晶格常数基本上相同时，则在选择间隔件厚度方面有许多灵活性。因此，这些条件可以例如用来在间隔层的生长期间调整和优化生长温度或其它生长参数，以有规则地确保外延生长维持高品质生长阵面，使结构中的缺陷最小化，并因此获得高的器件性能。特别关注的是技术上重要的材料系统，该材料系统由用于应变层材料1054的InAs、用于势垒层1056的GaAs、用于衬底1050的Ge以及用于层1052和间隔层1062、1066、1070的与Ge晶格匹配的InGaAs（具有大约1.15%的铟合金浓度）等构成。仅为了示例性的目的，使用室温晶格常数值，a_GaAs=0.56533nm，a_InAs=0.60584nm，a_Ge=In_{GaAs（In~1.15%）}=0.56575nm，然后使用t₁₀₅₄~0.40nm的InAs厚度和t₁₀₅₆~38.2nm的GaAs层将满足上述条件。如另一个示例，如果InAs应变层被具有a₁₀₅₄~0.58558nm且t₁₀₅₄~lnm的In_0.5Ga_0.5As取代，则将获得等效的结果。

如先前提及的，如果利用原位监测测定出偏差和/或对于层1054和/或1056实际使用稍微不同的成分或厚度，则间隔层1062、1066、1070的成分和厚度等可以在位错的开始之前使平均晶格常数恢复到接近于厚度加权平均晶格常数的目标值。利用这里描述的应变平衡构造，压缩或拉伸应变下的材料的应变/应力能提供材料的形变和弹性性能，只要应变厚度产物保持在如先前提及的临界厚度下（例如，所描述的Matthews-Blakeslee临界层厚度）。共格应变的假晶层一般进行竖直四角拉长或压缩以适应符合泊松效应的面内晶格常数，该面内晶格常数取决于所涉及材料的弹性性能、杨氏模量、剪切模量（shear modulus）和体模量可以是线性或者不是线性的。

更普遍地，在使用具有晶格常数a_间隔和相同的间隔件厚度的N个间隔层情况下，可看出的是该间隔层厚度被确定为：

图8的示例性布置1040、图9的示例性布置1041以及图10的示例性结构1042可以包含在形成在太阳能电池中的p-n结或p-i-n结内，该太阳能电池可以是单片多结半导体光伏的太阳能电池，或者可以用于机械叠置的子电池排列布置中。布置1041和/或1042或其变化和/或组合可以结合到太阳能电池的基极（base）或发射极中，并可以与窗层、支撑表面（back surface）区域层、隧结层、盖层或接触层相结合。当加入到太阳能电池的基底内时，可以更加朝向太阳能电池的基极的中心或可选择地更加朝向太阳能电池的基极的顶端或底端加入该示例性布置。分组的位置以及分组与太阳能电池的其它元件（例如窗层、背面区域层或上述其它层）的组合可由于形成静态（stationary）光学模式和/或空腔效应而导致增强的光学特性和器件性能，在静态光学模式和/或空腔效应中，可以通过例如调节布置中的间隔层1062的厚度来设计和设置光学模式的节点或峰值。此外，相对于每分组自组装量子点层的数目以及每布置分组的数目，示例性布置1040、1041和1042的变化也可以包含在形成在太阳能电池中的p-n结或p-i-n结内。该太阳能电池可以是单结太阳能电池或多结太阳能电池。图11示出这种太阳能电池的示例。图11示出的太阳能电池1090是具有三结的多结太阳能电池，其包括p-i-n结1091，p-i-n结1091的本征区包括图10的布置1042的分组和间隔层。p-i-n结1091形成在形成在锗（Ge）衬底1094中的p-n结1092的顶上且与其电连接。p-n结1096形成在p-i-n结1091的顶上且与其电连接。p-n结与p-i-n结之间的电连接可以通过任何合适的方式（例如隧道结或金属层（未示出））得以实现。

示例性布置1040、1041和1042可以是假晶的。即，在衬底的顶上形成的外延生长层的每一个的生长（as grown）的面内晶格常数可以与衬底（基底材料）的面内晶格常数相同。该衬底可以是具有任何合适的朝向任何合适的生长面的定向角的邻接（vicinal）衬底。可选择地，示例性布置1040、1041和1042可以改变结构。在一些变形实施例中，缓冲层可以在衬底上形成以允许面内晶格常数从衬底材料面内晶格常数跃迁到缓冲层材料晶格常数。之后，在缓冲层的顶上形成的层的生长的晶格常数可以与缓冲层和衬底的不同。在此方案中，本发明可以允许对在缓冲层的顶上形成的层的目标厚度加权平均晶格常数进行良好的控制。这可以帮助在变形构造中使缺陷及随后的位错的密度最小化。

图12示出太阳能电池结构1098的透射式电子显微镜（TEM）显微图，其包括由假晶自组装量子点层1054和势垒层1056构成的两个相邻的分组1100和1102。相邻的分组1100和1102通过间隔层1104分离。量子点层1054包括砷化铟镓（InGaAs），势垒层1056和间隔层1104包括GaAs。在每一个分组1100和1102中出现了七个自组装量子点层1054。太阳能电池结构1098在单层加岛状生长模式中形成。利用每分组的七个自组装量子点层1054，可以加强显著的应变。然而，间隔层1104在保持平坦、无变形的生长阵面是有效的，如通过自组装量子点层1054（深灰）与势垒层1056（浅灰）之间的陡峭界面所证实的。包含在示例性太阳能电池结构1098的自组装量子点层1054中的量子点生长得相对平坦（即薄片（platelet）、截面半球（truncated hemisphere）、截面角锥（truncated pyramid）、截面虚线（truncateddashes）或其组合），因此，利用这里使用的成像条件，难以与以单层加岛状生长模式获得的湿润层区别开。

在自组装量子点层1054的生长期间衬底1050（1094）的温度范围可以典型地为从350℃至750℃的范围。在势垒层1056的生长期间衬底的温度范围可以为从400℃至750℃的范围。在间隔层的生长期间衬底的温度范围可以为从450℃至750℃的范围。自组装量子点层1056的生长率可以在从0.00lnm/秒到2μm/小时的范围内。势垒层的生长率范围可以为从0.1μm/小时到30μm/小时。间隔层（或调节层）的生长率范围可以从0.5μm/小时到30μm/小时。第V族到III族过压（over-pressure）的范围可以从0.5到500。本领域技术人员将意识到生长条件值的其它值也是可能的，而不会背离本发明的范围，但上述范围是典型的常见生产外延方法。

自组装量子点层1054和势垒层1056可以包括任何合适的化合物，该化合物包括来自元素周期表的III族和第V族的元素。例如，势垒材料可以包括GaAs，自组装量子点材料可以包括InAs或InGaAs。应当注意，有利的是为层1056和1062选择二元元素（binary element）（例如GaAs），因为其帮助在这种器件的制造中去除具有可变性的一个元素，即所选择的合金的精确成分不改变，而仅是这些层的厚度发生改变。可替换的选择包括GaInP、AlInP、GaInPAs、AlGaAs、AlGaInP、AlGaInAsP或包含如第V族元素的N或Sb的类似合金。如上所述，使用间隔层1062、1066、1070等也是有益的，为了减小对间隔层的厚度变化的敏感性并使用这些间隔层优化在这些区域中的生长条件，该间隔层与基层（或衬底）是基本上晶格匹配的。类似地，对于量子点层1054，InAs可以是提供上文提及的优点的二元半导体的好的选择。可选择地，InP、GaSb或InSb也可以是优良的用于层1054的二元材料，并也将导致在GaAs或Ge衬底上的生长期间形成自组装量子点。本领域技术人员将容易地意识到，与来自InAs、InP、GaSb、InSb、InN群组的一些二元元素相结合的三元或四元合金也产生相同的优点。可选择地，也可使用II-VI半导体，例如ZnSe用于层1056和/或1062。类似地，也可使用II-VI半导体，例如ZnS、CdTe、ZnTe、MgTe、MgSe、CdSe、CdS、MgS等用于层1054，尽管那些合金的带隙不一定对于优化高效率多结电池是最好的。对于GaAs或Ge衬底，可选择地，可以使用Si衬底，这种情况下，当需要假晶结构时，GaP、AlP、InGaN、AlGaN、AlInGaN合金对于层56和/或62也可用作更加优化的合金。可替代地，可以使用InP衬底，这种情况下，当需要假晶结构时，InP、GaInAs、AlInAs、GaInAsP、AlGaInAsP、GaAsSb、AlAsSb、Cds、ZnSeTe或CdZnSe合金对于层1056和/或1062也可用作更加优化的合金。

如上所述，在插入有势垒材料层的自组装量子点层的分组之间形成有间隔层有利地提供了制造这样一种太阳能电池的可能性，这种太阳能电池具有增大数目的自组装量子点层却没有在太阳能电池中增大缺陷的密度。另外，这种间隔层能够允许设计对生长工艺参数的变化的更不敏感的层序列。此外，这种间隔层能够允许通过在自组装量子点层/势垒材料层的分组之间有规则地重设生长阵面而在自组装量子点层内局部优化生长条件。如先前提及的，在本发明导致这样一种具有在异质结构的制造（生长）期间较低的对外延生长参数的敏感性的设计的情况下，制造产量通过应用如本文描述的设计而可以更好。例如，晶片上径向产量（radial yield）可以通过在生长参数可能不同的晶片的中心以及接近于晶片的边缘维持优良的（均匀的）性能而得以改善。

本发明的一些太阳能电池实施例在太阳光谱偏离图1所示的AM0光谱的情况中是有用的。例如，在陆地CPV应用的情况下，由于大气吸收和聚焦光学系统（concentration optic）的原因，太阳光谱与图1所示的不同。在这种情况下，其它光谱（ASTM G173-03、AM1.5D、AM1.5G）或其它变型可更加代表入射到太阳能电池上的光谱。这种修改的光谱的影响之一是与可适用于图1的光谱的能量带隙相比，修改了对于多结太阳能电池的最佳能量带隙。

单片多结太阳能电池的性能因此可以通过使用具有加入了自组装量子点和/或应变层的子电池的太阳能电池并考虑了太阳光谱或光学系统中的任何吸收减少的因素而得到优化，其中该自组装量子点和/或应变层具有被调整为更好平衡在每一个子电池中产生的电流的有效带隙。这种优化可以利用如在图10的示例性实施例中描述的或在其它实施例中描述的加入间隔层1062、1066、1070等的实施例，或者没有间隔层。在两种情况下，用于CPV的优化将受益于不同的有效带隙。例如，具有带隙在-1.8eV和~1.9eV之间的顶端电池和带隙在~1.0eV和~0.67eV之间的InGaAs或Ge底端电池的三结CPV将利用有效带隙在~1.265eV与~1.378eV范围内的中间电池的优点。与体假晶电池相比，该三结构造可以改善CPV的性能，并且使用这里描述的分组实施例可以容易地得到制造。

本领域普通技术人员将了解到，使用由III族和第V族元素构成的交替层（例如GaAs）的分组的实施例适于生长在Ge衬底上。即，为了将GaAs面内晶格常数匹配至Ge，铟必须以大约1.15%的百分率包含在GaAs中。与体合金相比，对于生长在Ge衬底上的层的平均晶格常数匹配Ge衬底的面内晶格常数所需的铟可以使用应变层而更好地被加入，其也可以受益于使用分组构造。应变层和分组方法在高效率器件（例如多结太阳能电池）的带隙和应变工程中提供更大的灵活性。如此提供的增强的灵活性因此可以用来根据电池上的入射光谱（例如，太阳光谱的气团）和/或聚焦光学器件的转移函数来调节中间电池带隙。

已经呈现了本发明的一系列不同的实施例。与单片半导体光伏太阳能电池相关的所有实施例包括具有自组装量子点材料的至少一个子电池。已经给出了如何调整具有自组装量子材料的子电池的有效带隙的细节。带隙的调整允许太阳能电池具有比现有技术太阳能电池更高的转换效率。讨论了包括两个、三个和四个子电池的实施例。

本发明的上述实施例仅仅用来作为示例。在不脱离由所附权利要求单独限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对具体实施例进行变更、修改和变化。

Claims (18)

1.一种光伏太阳能电池，包括：

基底材料，具有基底材料晶格常数；以及

多个半导体层，形成在所述基底材料上，所述多个半导体层包括：

第一半导体材料的多个第一层，所述第一半导体材料具有第一晶格常数；

第二半导体材料的多个第二层，所述第二半导体材料具有第二晶格常数，所述多个第二层被插入在所述多个第一层之间；

至少一个半导体间隔层，每一个半导体间隔层具有各自的间隔层晶格常数，所述第一层和所述第二层被布置成至少两分组，所述至少两分组通过所述至少一个半导体间隔层的其中之一而彼此间隔开，所述至少一个间隔层的厚度为对于所述多个半导体层的目标厚度加权平均晶格常数值的函数。

2.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述多个半导体层包括在所述基底材料上形成的中间半导体层，所述至少两分组的其中之一形成在所述中间半导体层上。

3.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中：

所述第一半导体材料的晶格常数由a₁表示；

所述第二半导体材料的晶格常数由a₂表示；

所述中间层具有厚度t_int，并由具有晶格常数a_int的半导体材料构成；

每一个间隔层由相同的半导体材料构成，该半导体材料具有由a_s表示的间隔层晶格常数；

厚度加权平均晶格常数<a>被计算为：

$<a>=\frac{a_1\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{1i}+a_2\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{2i}+a_s\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{\mathrm{si}}+a_{\mathrm{int}}{t}_{\mathrm{int}}}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{1i}+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{2i}+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{t}_{\mathrm{si}}+t_{\mathrm{int}}}$

其中：

t_1i为由所述第一半导体材料构成的层i的厚度；

t_2i为由所述第二半导体材料构成的层i的厚度；

t_si为由所述间隔层半导体材料构成的层i的厚度。

4.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述基底材料是半导体衬底和外延生长半导体的其中之一。

5.根据权利要求1所述的光伏阳能电池，其中：所述第一层为具有第一层带隙能量的压缩应变层，以及

所述第二层为具有势垒层带隙能量的势垒层，所述势垒层带隙能量大于所述第一层带隙能量，以及所述第一晶格常数比所述第二晶格常数大范围在2%至10%之间的因数。

6.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述间隔层的所述晶格常数基本上等于所述基底材料的晶格常数。

7.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述至少一个间隔层的每一个间隔层具有相同的厚度。

8.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中：

所述基底材料晶格常数是与所述光伏太阳能电池的生长平面平行的基底材料晶格常数；

所述第一晶格常数是与所述光伏太阳能电池的生长平面平行的第一半导体材料晶格常数；

所述第二晶格常数是与所述光伏太阳能电池的生长平面平行的第二半导体材料晶格常数；

每一个各间隔层晶格常数是与所述光伏太阳能电池的生长平面平行的间隔层晶格常数。

9.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述目标厚度加权平均晶格常数值等于所述基底材料晶格常数。

10.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述目标厚度加权平均晶格常数值大于所述基底材料晶格常数。

11.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述目标厚度加权平均晶格常数值小于所述基底材料晶格常数。

12.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述基底材料是IV族半导体材料。

13.根据权利要求12所述的光伏太阳能电池，其中，所述第一层、第二层和至少一个半导体间隔层由III族和第V族半导体材料构成。

14.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述光伏太阳能电池包括多个p-n结。

15.根据权利要求5所述的光伏太阳能电池，其中，所述压缩应变层包括自组装量子点。

16.根据权利要求15所述的光伏太阳能电池，其中，所述自组装量子点是共格应变。

17.根据权利要求5所述的光伏太阳能电池，其中，所述压缩应变层是通过使用单层加岛状生长模式外延生长获得的。

18.根据权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中，所述太阳能电池是假晶太阳能电池和变形太阳能电池的其中之一。

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