CN103107226A - 高效多结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有至少四个亚电池的多结太阳能电池，其中，所述亚电池中的至少一个包含由选自周期表中第ＩII族的一种或多种元素、氮、砷和选自锑和铋中的至少一种元素的合金所构成的基极层，且所述亚电池的每一个是基本晶格匹配的。本发明还公开了制造包含至少一个所述多结太阳能电池的太阳能电池和光伏系统的方法。

Description

高效多结太阳能电池
本申请根据35U．S．C．要求2011年11月15日提交的美国临时申请61/559,982的权益，该美国临时申请经引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及太阳能电池，具体涉及基本由III-V族半导体合金形成的多结太阳能电池。
背景技术
最高的已知太阳能电池效率由基本由III-V族半导体合金构成的多结太阳能电池制备。这样的合金是来自标准周期表的IIIA和VA族的元素的组合，下文用它们的标准化学符号、名称和缩写标识，其中，来自IIIA族的元素总数等于来自VA族的元素的总数。这些太阳能电池的高效率使得它们对于地球上的聚光光伏系统和设计用于空间的系统是引人瞩目的。
历史上，最高效率的太阳能电池由在锗(Ge)或砷化镓(GaAs)衬底上生长的三个亚电池的整体叠层组成，所述亚电池又称为结。所述亚电池含有一定范围波长的光能被吸收并转换成可以从外部收集的电能的太阳能电池区域。所述亚电池通过隧道结彼此相互连接。其它层，例如缓冲层，也可能存在于亚电池之间。在到目前为止的最高效率的太阳能电池中，上层亚电池具有用(Al)GaInP制成的一个或更多个吸收层，中间的亚电池具有用(In)GaAs制成的一个或更多个吸收层，底层亚电池包括Ge衬底或具有用III-V族材料制成的吸收层。III-V族合金的上述命名，其中组成元素在括号中表示，例如在(A1)InGaP中的Al，表示其中具体元素可以为零的变化条件。
每个亚电池包含若干关联层，通常包括窗口、发射极、基极和后表面场(BSF)。这些术语是本领域技术人员熟知的，并且这里不需要进一步定义。前述层的每一个本身可以包括一个或更多个亚层。窗口和发射极将具有一种掺杂极性(例如n-型)，基极和背表面场将具有相反的极性(例如p型)，在基极和发射极之间形成p-n或n-p结。如果除了故意掺杂的区域以外，基极还含有本征区，则可以认为是p-i-n或n-i-p结，如本领域技术人员熟知的。按照常规，指定亚电池的具体合金和带隙分别被认为是形成基极的材料的名称和带隙。该材料也可以或不可以用于该亚电池的窗口、发射极和背表面场。例如，包含AlInP窗口、InGaP发射极、GaAs基极和AlGaAs背表面场的亚电池被表示为GaAs亚电池，其带隙为GaAs的带隙，即1．4eV。包含AlInP窗口、InGaP发射极、InGaP基极和InGaP背表面场的亚电池被表示为InGaP亚电池，并且其带隙是InGaP基极的带隙。以外，亚电池还可以包括除了上面列出的层。本领域技术人员也会认识到没有上述层的一个或更多个也可以构成亚电池。例如，没有窗口或没有背表面场也可以构成亚电池。
在提到从顶层到底层的亚电池的叠层顺序时，顶层亚电池被定义为在太阳能电池运行过程中最靠近光源的亚电池，底层亚电池最远离光源。相对的术语如“在…上”、“在…下”、“上”和“下’’也指叠层相对于光源的位置。生长亚电池的顺序与该定义无关。顶层亚电池还表示为“J1”，“J2”是从顶层开始的第二亚电池，“J3”是从顶层开始的第三亚电池，最大的数是底层亚电池。
三结太阳能电池达到迄今为止的任何太阳能电池的最高效率。见M．A．Green等，Progress in Photovoltaics：Research and Applications 19(2011)565-572。但是，这些三结太阳能电池正在接近它们的实际效率极限。为了达到明显更高的效率，需要额外的结或亚电池。用额外的亚电池，光子可以被具有更接近光子能量的带隙的材料更有效地吸收，其能够将更多的光能转变成电能而不是热。此外，对于一定量的入射光，具有额外亚电池的总太阳能电池电流可能较低，这可能降低串联电阻损耗。提高效率的另一个机理是用额外的亚电池吸收更大部分的太阳光光谱。许多年来，存在对更多数量的结的需要的广泛认识，但是迄今为止，制备四、五和六个结的电池的尝试都没有产生效率超过最好的三结太阳能电池的效率的太阳能电池。失败的原因还不清楚，尽管怀疑材料和涉及缺陷，包括材料质量差，这是使用晶格失配的层产生的位错的结果。存在与相互连接额外的亚电池所需的隧道结数量增大相关的额外挑战，包括由于隧道结吸收所产生的光损失。．一
对于具有四个或更多个亚电池的高效率、晶格匹配的多结太阳能电池始终存在兴趣，但是产生高效率并保持亚电池之间晶格匹配和与衬底晶格匹配的合适材料以前是难以找到的。例如，美国专利7,807,921讨论了用GalnNAs作为1.0eV亚电池材料的四结晶格匹配太阳能电池的可能性。但是，本申请人的结论是该设计是不实用的，因为与其它亚电池晶格匹配的GaInNAs在用那时已知的技术生产时表现出差的质量。为了克服寻找可行的晶格匹配的结构的问题，该专利教导使用变形的材料，包括晶格不匹配的各种级别的变形的GaInNAs层。在制备可以与传统InGaP/(In)GaAs/Ge太阳能电池晶格匹配的1eV亚电池的另一尝试中，研究了由镓、铟、氮、砷和各种不同浓度的锑组成的材料，但是这些研究人员总结出，即使是很小浓度的锑，也应当避免，因为它被认为对装置性能有害。见Ptak等，Journalof Vacuum Science Technology B25(3)，2007年5月/6月，第955-959页。
在该一般领域中的现有工作表明，本领域中对制造材料存在高水平的技术，因此公开制造用于太阳能电池的材料的方法的具体细节不是必要的。若干代表性的美国专利是典型的。美国专利6,281,426公开了一些结构和组成而没有公开制备技术，并提及指导材料生长的其它文献。美国专利7,727,795涉及用于太阳能电池的反向变形结构，其中公开了指数掺杂。
继续朝着更高效率太阳能电池前进所需要的是能够达到比用三结太阳能电池实际获得的效率更高的具有四个或更多个亚电池的多结太阳能电池的设计。一般假定基本晶格匹配的设计是希望的，因为它们具有证实的可靠性并且因为它们比改变结构的太阳能电池使用更少的半导体材料，变形的太阳能电池需要相对较厚的缓冲层来容纳不同材料的晶格常数的不同。应当注意，“基本晶格匹配”的一般理解是，当材料厚度大于100nm时，材料在其完全弛豫状态的面内晶格常数变化小于0.6％。此外，本文所用的相互基本晶格匹配的亚电池意思是在厚度大于100nm的亚电池中的所有材料在其完全弛豫状态的面内晶格常数变化小于0.6％。
发明内容
本发明包括包含四个、五个或更多个亚电池的多结太阳能电池，其效率可以超过已知最好的太阳能电池的效率。所述多结太阳能电池引入具有包含III-V族材料的基极的至少一个亚电池，所述III-V族材料含有As、N和选自Sb和Bi的至少一种额外元素，称为III-AsNV材料，其中，针对带隙和晶格常数设计所述材料的组成。在本发明的多结太阳能电池的每一个中，上述亚电池包含底部亚电池和/或直接靠近底部亚电池的亚电池。本发明的多结太阳能电池的亚电池是相互基本晶格匹配的。在一些实施方案中，所述多结太阳能电池的亚电池与衬底是基本晶格匹配的。用于确定所述亚电池的物理参数的方法基于通过在亚电池之间进行晶格匹配和电流匹配来详细描述亚电池厚度并进行寻找带隙(因此找到合金中材料比例)的优化过程的精确模拟。然后基于通过模拟确定的材料组成制备具有希望的高质量材料组成的太阳能电池。
在一个具体实施方案中，在一个多结太阳能电池中制备具有不同带隙的两个III-AsNV亚电池，其中，所述亚电池的至少一个具有比以前可获得的或提出的更高的带隙。在另一个具体实施方案中，在一个多结太阳能电池中制备具有不同带隙的三个III-AsNV亚电池，其中，所述亚电池的至少一个具有比以前可获得的或提出的更高的带隙。
在另一个具体实施方案中，公开了具有4-6个结的设计，其中底部亚电池具有比以前公开的或建议的更高的底部带隙。
在另一个实施方案中，公开了具有底部III-AsNV亚电池的太阳能电池，所述III-AsNV亚电池的带隙比以前可以获得的与衬底基本晶格匹配的III-AsNV合金的带隙低。
虽然在多结电池方面已经有许多工作，但是在本发明中开发的和本文所讨论的材料参数和具体结构还没有被公开。
通过参考结合所附的表和构成附图的图的以下详细描述，会更好地理解本发明。
附图说明
图1A是表明本发明的一个实施方案的具有5个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图1B是表明本发明的一个实施方案的具有6个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图2A是表明本发明的另一个实施方案的具有5个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图2B表示说明本发明的另一个实施方案的具有6个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图3A表示说明本发明的另一个实施方案的具有4个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图3B表示说明本发明的另一个实施方案的具有4个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图3C表示说明本发明的另一个实施方案的具有4个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图3D表示说明本发明的另一个实施方案的具有4个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图4表示在25℃在AMl．5D光谱下的具有4个亚电池的本发明的一个具体实施方案的效率与底部亚电池带隙的关系。
图5表示在25℃在AMO光谱下的具有4个亚电池的本发明的一个具体实施方案的效率与底部亚电池带隙的关系。
图6表示说明本发明的另一个实施方案的具有4个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图7表示说明本发明的另一个实施方案的具有5个亚电池，的多结太阳能电池的示意截面图。
图8表示具有5个亚电池的本发明的一个具体实施方案的效率与底部亚电池带隙的关系。
图9表示说明本发明的另一个实施方案的具有5个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图10表示说明本发明的另一个实施方案的具有5个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图11表示说明本发明的另一个实施方案的具有6个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图12表示说明本发明的另一个实施方案的具有6个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图13A表示说明本发明的另一个实施方案的具有6个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图13B表示说明本发明的另一个实施方案的具有6个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图l4表示具有6个亚电池的本发明的一个具体实施方案的效率与底部亚电池带隙的关系。
图15表示如在本发明的一些实施方案中存在的多结太阳能电池装置的元件。
图16表示根据本发明的多结太阳能电池的一个更具体的实施例的示意截面图。
图17A表示与具有3个亚电池的现有技术多结太阳能电池比较的根据本发明的具有5个亚电池的多结太阳能电池的电流．电压曲线。
图17B表示说明图7中表示的本发明的实施方案的另一个实施例的具有5个亚电池的多结太阳能电池的示意截面图。
图18A表示在AMO光谱下测得的与具有3个亚电池的现有技术多结太阳能电池比较的根据本发明的具有4个亚电池的多结太阳能电池的电流一电压曲线。
图18B表示产生图18A中所示的模拟的具有4个亚电池的太阳能电池。
图19A表示在AMO光谱下测得的与具有3个亚电池的现有技术多结太阳能电池比较的根据本发明的具有6个亚电池的多结太阳能电池的电流一电压曲线。
图19B表示产生图19A中所示的模拟的具有6个亚电池的太阳能电池。
图20表示Gal.0l-3wIn3w-0.01NwAs0.99-wSb0.01的计算带隙与组成的关系。
具体实施方式
“III-AsNV”材料本文定义为周期表第IIIA族(即B、Al、Ga、In、T1)和第VA族(即N、P、As、Sb、Bi)的元素的合金，所述合金包括As、N和选自Sb和Bi的至少一种额外元素。在一些实施方案_中，所述至少一种额外元素是Sb。在一些实施方案中，所述至少一种额外元素是Bi。所述合金可以包含大约一半的第IIIA族元素和大约一半的第VA族元素。如果一种元素的原子组成至少为0.05％，则它可以仅被认为是合金的一部分。因此，用于产生n型或p型导电性的掺杂剂(例如Mg、Be、Si或Te)不被认为是合金的一部分。III-AsNV材料的实例包括GaNAsSb、GaInNAsSbBi和AlInGaNAsSb。在一些实施方案中，III-AsNV材料是周期表第III族的一种或更多种元素、氮、砷和选自Sb和Bi的至少一种元素的合金。本文所用的表述“周期表的第III族元素”是指周期表第III族的一种或更多种元素。例如，在一些实施方案中，合金包含周期表第III族的一种元素，在一些实施方案中，包含周期表第III族的一种以上元素，例如周期表第III族的两种元素。
III-AsNV材料作为太阳能电池材料是有利的，因为它们的晶格常数可以被改变以便与多种衬底和/或由除III-AsNV材料以外的其它材料形成的亚电池是基本晶格匹配的。它们的晶格常数可以通过不同的IIIA族和VA族元素的相对比例来控制。因此，通过设计III-AsNV材料的组成(即元素和量)，可以获得大范围的晶格常数和带隙。此外，通过在特定晶格常数和带隙附近优化组成，并限制总的Sb和／或Bi组成到不超过第V族晶格位置的20％，在一些实施方案中不超过第V族晶格位置的3％，在一些实施方案中不超过第V族晶格位置的1％，可以获得高质量的材料。Sb和／或Bi被认为作为表面活性剂来促进III-AsNV合金的光滑生长形貌。此外，它们促进氮的均匀引入并使氮相关的缺陷的形成最少。Sb和／或Bi的引入增强总体的氮引入并减小合金带隙，有助于较低带隙合金的实现。但是，存在由Sb和／或Bi产生的额外缺陷，因此，它们的总浓度应当限定为不超过第V族晶格位置的20％。此外，对Sb和／或Bi组成的限量随着氮组成的减小而减小。包括In的合金对Sb和／或Bi的总组成具有甚至更低的限量，因为In减少设计晶格常数所需的Sb和／或Bi的量。对于包括In的合金，Sb和／或Bi的总组成可以限定为不超过第V族晶格位置的3％，在一些实施方案中，限定为不超过第V族晶格位置的1％。例如，在美国申请公开2010-0319764中公开的Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz已知在基本与GaAs或Ge衬底晶格匹配并且组成范围为0．08≤x≤0．18、0．025≤y≤0．04和0．001≤z≤0．03，带隙为至少0．9eV时产生高质量材料。该材料用作太阳能电池的底部亚电池，保持截止到该优先权申请的申请日的转换效率的世界纪录。
在本发明的一些实施方案中，N的组成不超过第V族晶格位置的7％。在一些实施方案中，N的组成不超过4％，在一些实施方案中，不超过3％。
本发明包括引入至少一个III-AsNV亚电池的具有4个或更多个亚电池的多结太阳能电池。III-AsNV材料的带隙可以通过改变组成并限制Sb和Bi的总成分来设计。因此，可以制造用于与其它亚电池结合的具有最佳带隙的III-AsNV亚电池，同时保持与其它亚电池基本晶格匹配。III-AsNV亚电池的带隙和成分可以设计使得由III-AsNV亚电池产生的短路电流与太阳能电池中的其它亚电池相同或略大。由于III-AsNV材料提供高质量、晶格匹配和带隙可调节的亚电池，所以，所公开的包含III-AsNV亚电池的太阳能电池将达到超过三结太阳能电池的转换效率。由于较少的光能以热的形式损耗，因此效率提高大，这是因为额外的亚电池允许更多的入射光子被带隙更接近入射光子能级的材料吸收。此外，由于更低的操作电流，与三结太阳能电池相比，这些多结太阳能电池中的串联电阻损耗更低。在更聚光的太阳光下，降低的串联电阻变得更明显。取决于底部亚电池的带隙，太阳光谱中的更宽范围的光子的收集也可贡献于效率的提高。
现有技术中具有三个以上亚电池的多结太阳能电池的设计主要依赖于变形的生长结构、新材料或现有亚电池材料质量‘的显著改进，以便预测可以实现高效率的结构。由于缓冲层的位错随时间扩展到亚电池中导致性能降低的可能性，含有变形的缓冲层的太阳能电池可能存在可靠性问题。相比之下，III-AsNV材料现在可以用在三个以上亚电池的太阳能电池中，以获得高效率并保持亚电池之间的基本晶格匹配，这对可靠性是有利的。例如，由本公开提供的III-AsNV亚电池的可靠性试验表明，这样的装置承受等效于在100℃在太阳下运行390年的过程而没有失效。在这些亚电池中发现的最大性能降低是开路电压降低1.2％。
对于空间中的应用，耐辐射性具有重要意义，耐辐射性是指在暴露于包括电子和质子的离子化辐射时装置性能的最小降低。本发明的引入III-AsNV亚电池的多结太阳能电池已经经过质子辐射测试以考察在空间环境中的劣化效果。与Ge基三结太阳能电池相比，结果表明这些含III-AsNV的装置具有类似的功率降低速度和更好的电压保持率。与非晶格匹配(变形的)三结太阳能电池相比，对于含III-AsNV的装置的所有测量更好。在本发明的一些实施方案中，太阳能电池含有(Al)GaInPAs亚电池以便与(Al,In、)GaAs亚电池相比改善耐辐射性。
一种增强的模拟模型用来确定具有4、5或6个亚电池的多结太阳能电池的设计和效率。所述模拟依赖于使用标准太阳能电池方程(参见例如Nelson，The Physics of Solar Cells．London：Imperial College Press，2003，第145-176页；或Kurtz等，Journal of Applied Physics 68(1990)1890)来计算单个亚电池的量子效率、无照电流、电流和电压，与周围亚电池无关，以及使用标准电路方程从组件亚电池(包括单个的集中串联电阻元件)的电流-电压曲线来计算总的多结电流-电压曲线。当在这些模拟中使用高照度(＞lO W/cm2)时，假定无照电流受扩散电流控制；忽略来自耗尽区中的Shockley-Read-Hall复合的贡献。所述模拟变化带隙，因此变化亚电池的成分，直至亚电池是电流匹配的。(电流匹配被理解为是指每个亚电池的电流产生能力基本相同，这被定义为变化不超过2％，优选不超过1％。注意：在具有串联连接的亚电池的任何多结太阳能电池中，流过每个亚电池的电流必然必须相同。但是，如果亚电池不是串联连接的，并且到下面的亚电池的光仍然被上面的亚电池过滤，讨论由每个个体亚电池产生的短路电流可能是方便的。这是提及亚电池的电流产生能力所指的内容)。亚电池材料在所述模拟中被指定，并且带隙或成分对于每种指定的材料合金系统在指定范围内变化。当指定亚电池的带隙达到其允许范围的上限但是电流匹配没有实现时，减小基极厚度来实现电流匹配。当指定亚电池的带隙达到其允许范围的下限时，电流匹配要求限于指定的亚电池和在其上的那些亚电池；下面的亚电池具有更高的电流产生能力。这是明显违背早期的该类型模拟的，其通常仅改变基极厚度来匹配亚电池之间的电流。用于本发明的模拟与变化个体亚电池的带隙来匹配电流但是对于一些或全部亚电池假定理想的或任意的材料性质的现有技术其它类型的模拟还不同。现有技术中的这些模拟与这里涉及的模拟给出不同的结果，这里给出的模拟对于除了Ge以外的所有亚电池使用实验确定的材料参数。该模拟可以用来对光能的任何入射光谱在任何合理的操作温度优化带隙关系和电流匹配。用于本发明的模拟使用在25℃-90℃的温度下的AM1.5D光谱作为输入来进行。所述模拟在Windows操作系统中在Matlab软件上运行。
该模拟模型也与25℃的AM0光谱一起使用，来预测在空间应用的具有4、5和6个亚电池的多结太阳能电池的设计和效率。因为这些模拟1sun的光照下运行，所以包括了来自耗尽区中Shockley-Read-Hall复合的无照电流的贡献。取决于所关注的应用，对于其它操作温度可以优化用于空间的太阳能电池并且所得的结构可以从本文的太阳能电池略微变化。
对于预测性模拟，为了减小优化ARC的计算费用，假定了理想的抗反射涂层(ARC)。这可能导致预测的效率高出约2-4％(例如40．8％而不是40．0％)。对于现有的单结和三结太阳能电池的模拟，理想的ARC被包括在具有ARC的太阳能电池的模拟中，以便更精确地将实验结果模型化。
用于本发明的模拟独特的是使用所关注的合金系统的准确的材料参数，所关注的合金系统是与GaAs和Ge衬底基本晶格匹配的，包括(Al)InGaP、(Al，In)GaAs和GaInNAsSb，III-AsNV材料的实例。除了其他数值以外，这些材料参数可以用来预测量子效率和无照电流。对于这些材料系统，发现了一定范围的组成，其中对量子效率和无照电流的基本影响是带隙的变化。因此，其它材料参数可以被处理为常数而具有精确的结果。例如，对于(Al)InGaP，其中对于与GaAs或Ge基本晶格匹配的亚电池材料参数而不是带隙可以被处理为常数的组成范围是对于AlxIn0.5Ga1-xP而言x≤0．2。
(Al)GalnPAs和SiGe(Sn)的材料参数不包括在模拟中，但是使用(Al)GaInPAs和SiGe(Sn)的高效率太阳能电池结构可以用相同的方法设计。
在模拟中每个材料系统的材料参数包括带隙、n和k值(即折射率)、空穴和电子有效质量、静电介电常数、少数载流子迁移率、少数载流子寿命和与相关材料的界面的表面复合速度。一些材料的n和k值用椭圆偏光测量确定，其它材料从文献中获取，并且在一定的合金系统内根据需要作为带隙能量的函数而移动。对于(A1)InGaP和(Al,In)GaAs，有效质量和静电介电常数取自文献。对于GaInNAsSb，所用的值是空穴和电子有效质量及静电介电常数分别是0．6m0、0．15m0and13．3，其中m0是电子有效质量。用所模拟的范围内的温度，材料参数被假定为常数，除了带隙和随带隙能移动的n和k值以外。少数载流子迁移率由使用Hall效应测量法在均匀掺杂层上测量的多数载流子迁移率开始估算，并通过拟合实验量子效率数据来改善。少数载流子寿命和表面复合速度通过时间分辨的光致发光测量来确定。对于Ge，所有的材料参数基于文献中可获得的数据估计。平均掺杂值和材料参数被用于模拟中来处理掺杂值在整个层中分级的情况。对于n型层，掺杂值为1×1017cm-3到1×1019cm-3，对于p型层，掺杂值为5×1015cm-3到2×1018cm-3，并且针对实验装置的性能优化。对于与GaAs和Ge晶格匹配的(A1)InGaP和(Al，In)GaAs材料系统，组成和带隙之间的关系是熟知的，对于给定的带隙指定组成。由于不同元素之间的相互作用，以及诸如层中的应变等因素，Gal-xInxNyAsl-y-zSbz的带隙不是组成的简单函数。用特定晶格参数产生希望的带隙的组成通过在优化过程中变化组成来寻找。作为一个例子，Ga1．01-3wIn3w-0.01NwAs0.99-wSb0.01的带隙和组成w之间的关系表示在图20中。这里，固定sb的组成。对于不同的Sb的组成或其他元素保持恒定，可以构造类似的图。
III-AsNV材料在生长过程中或在生长后接受的热剂量由给定持续时间所施加的热强度控制(例如施加600℃-900℃的温度，持续10秒到10小时)，并且也影响带隙与组成之间的关系。一般地，带隙随着热剂量增加而增加。
由于上述材料的发展在继续，预期材料质量将不断改善，能够从本发明所描述的相同结构获得甚至更高的效率。所述模拟也用改善的少数载流子性质进行，以预测将来的装置的结构和性能。
在25℃到90℃的温度范围内的模拟的使用由在25℃到125℃操作的具有底部GaInNAsSb亚电池的三结太阳能电池的数据支持。
由于组成在给定的合金系统内变化，所以生长条件需要改善，正如本领域技术人员所熟知的。例如，对于(Al,In)GaAs，为了维持相同的材料质量，生长温度随着Al的分数增大而升高并随着In的分数增大而减小。因此，随着组成变化，生长温度以及其它生长条件相应地调节。
表1A和lB分别表示来自使用25℃的AMl.5D光谱暴露于所述强度的入射太阳辐射的Al0.1In0.5Ga0.4P和In0.5Ga0.5P亚电池的模拟I-V曲线和实验数据二者的短路电流、开路电压和填充因数。在模拟和实验结果之间的紧密一致性是模拟精确性的证明。每个表中列出的sun数给出在测试过程中在电池上入射的照度的信息。它是入射在电池上的“1 sun”强度(O.1W／cm2)的倍数。例如，术语“800 sun”表示80W／cm2。sun数对每种情况不同，因为现有的实验数据取自不同的强度。入射光谱在实验测量中接近AM 1.5D光谱，在模拟中是AM 1.5D光谱。
表1 A：在AMl.5D光谱下在525 sun照射的Al0.1In0.5Ga0.4P亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200121
表1 B：在AMl.5D光谱下在925 sun照射的In0.5Ga0.5P亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200122
Figure BSA00000805982200131
表1C和1D分别表示来自在空气质量为零(AMO)光谱下的Al0.1In0.5Ga0.4P和In0.5Ga0.5P亚电池的模拟I-V曲线和实验数据的短路电流、开路电压和填充因数。入射光谱在实验测量中接近在25℃强度为1.353W/cm2的AMO光谱，在模拟中是25℃的AMO光谱。在模拟和实验结果之间的紧密一致性是模拟精确性的证明。
表l C：在AMO光谱下照射的Al0.1In0.5Ga0.4P亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200132
表1D在AMO光谱下的In0.5Ga0.5P亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200133
表2A和2B分别表示Al0．2Ga0．8As和GaAs亚电池的模拟数据，表3A和3B分别表示Ga0．96In0．04N0．01Aｓ0．98Sb0．01和Ga0．96In0．1N0．03As0．96Sb0．01亚电池的模拟数据，暴露于使用25℃的AM1．5D光谱的所述强度的入射太阳辐射。
表2A：在AM1．5D光谱下在1130sun照射的Al0．2Ga0．8As亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200141
表2B：在AM1．5D光谱下在980sun照射的GaAs亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200142
表3A：在AM1．5D光谱下在1230sun照射的Ga0．96In0．04N0．01As0．98Sb0．01亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200143
Figure BSA00000805982200151
表3B：在AM1.5D光谱下在61O sun照射的Ga0.9In0.1N0.03As0.96Sb0.01亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200152
表2C和2D分别表示Al0.2Ga0.8As和GaAs亚电池的类似数据，表3C和3D分别表示Ga0.96In0.04N0.01As0.98Sb0.01和Ga0.96In0.1N0.03As0.96Sb0.01亚电池的数据，在25℃强度为1，353W/cm2在AM0光谱。
表2C：在AM0光谱下Al0.2Ga0.8As亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
表2D：在AM0光谱下GaAs亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200161
表3C：在AM0光谱下Ga0.96In0.04N0.01As0.98Sb0.01亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200162
表3D：在AM0光谱下Ga0.96In0.1N0.03As0.96Sb0.01亚电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200163
模型的合理论证还通过模拟现有技术的多结太阳能电池来进行，所述现有技术的多结太阳能电池包含三个亚电池：In0．5Ga0．5P(1．9eV)、GaAs(1．4eV)和Ga0.9In0.1N0.03As0.96Sb0.01(1．0eV)，总亚电池厚度分别为1-2μm、4-4．5μm和2-3μm。表4A表示在25℃聚光到525sun(或2．5W／cm2)的AMl．5D下的模拟太阳能电池的短路电流、开路电压和填充因数。还表示了具有这些特征和操作条件的太阳能电池的测量性能。可以看出，模型精确预测了测量性能。
表4A：在AMl．5D光谱下在525sun照射的具有三个亚电池的太阳能电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200171
模型的合理论证还通过模拟现有技术的多结太阳能电池来进行，所述现有技术的多结太阳能电池包含三个亚电池：Al0.1In0.5Ga0.4P(2．0eV)、GaAs(1．4eV)和Ga0.9In0.1N0.03As0.96Sb0.01(1．0eV)，总亚电池厚度分别为0．75-1．25μm、3-4μm和2-3μm。表4B表示在25℃的AMO光谱下的模拟太阳能电池的短路电流、开路电压和填充因数。还表示了具有这些特征和操作条件的太阳能电池的测量性能。模型精确预测了在25℃的AMO光谱下的测量性能。
表4B：在AMO光谱下的具有三个亚电池的太阳能电池的模拟和实验太阳能电池数据
Figure BSA00000805982200172
Figure BSA00000805982200181
所述模型然后用来预测超过已知最好的三结太阳能电池的效率的具有4、5和6个亚电池的多结太阳能电池的结构。以后的段落描述本发明的更一般和更具体的实施方案。在许多情况下，所述结构限制为与GaAs和Ge衬底基本晶格匹配。所有的带隙范围给出到小数点右侧一位有效数字。虽然所述模拟预测了其中亚电池通常是电流匹配的最优化结构，但是在以下具体说明的带隙范围内，其它设计准则(例如希望的太阳能电池厚度)可能导致所述结构的改进。
值得注意的是以下公开的本发明的实施方案包括具有带隙大于0.8eV，直至1.1eV的底部亚电池的多结太阳能电池。现有技术主要教导具有超过3个亚电池的多结太阳能电池应当具有带隙小于或等于0.8eV的底部亚电池，以便在更宽太阳光谱段上收集光。最常见的是，现有技术中构成底部亚电池的基极的材料是Ge或InGaAs。但是，出乎意料地，从使用底部Ⅲ-AsNV亚电池的本发明太阳能电池可以获得高效率，所述底部Ⅲ-AsNV亚电池的带隙高达1.1eV，至少部分是由于这样的亚电池的更高电压和有效的电流引出。
以下公开的许多实施方案的另一个新的方面是在单个多结太阳能电池中包含两个或三个不同带隙的Ⅲ-AsNV亚电池。在这些实施方案中，至少一个Ⅲ-AsNV亚电池具有比以前已经实现或建议的更高的带隙，例如1.3eV的带隙。
也注意的是某些实施方案具有底部Ⅲ-AsNV亚电池，所述Ⅲ-AsNV亚电池的带隙比以前对于基本上与衬底晶格匹配的Ⅲ-AsNV合金已经实现的带隙低，例如O.8eV的带隙。
图1A-1B、2A-2B、3A-3D、6-7、9-12、13A-B、和l5-16、17B、18B和19B另外详细地举例说明了根据本发明的4、5、和6多结太阳能电池的一些实施方案。为简单起见，图1A-1B、2A-2B、3A-3D、6-7、9-12、13A-B、17B、18B和19B仅显示多结太阳能电池的亚电池和互连隧道结。如本领域技术人员众所周知的，为制造完整的太阳能电池，其它元件可能是必需的，包括抗反射涂层、接触层、电接触和衬底或晶片柄(waferhandle)。如以下将讨论的，图15显示具有这些其他元件的一个示例结构。此外，其他元件可以存在于完整的太阳电池中，例如缓冲层和另外的隧道结。在一些本文公开的实施方案中，底部亚电池包括衬底(例如，Ge亚电池)，因此衬底示于图中。在其他的实施方案中，衬底不是亚电池的一部分，因此通常未示于图中。
图1A示出根据本发明的一个具有五个亚电池的多结太阳能电池，底部亚电池是III-AsNV亚电池。全部的五个亚电池基本上彼此晶格匹配，并且可通过四个隧道结互连，所述隧道结被显示为带点的区域。叠层底部的III-AsNV亚电池具有五个亚电池中最低的带隙，并且吸收被太阳能电池转变为电的最低能量的光。底部亚电池中III-AsNV材料的带隙在0.7-1.1eV之间。上面的亚电池可以包含任何适当的III-V、II-VI、或IV族材料，包括III-AsNV材料。
图1B示出根据本发明的一个具有六个亚电池的多结太阳能电池，底部亚电池是III-AsNV亚电池。全部的六个亚电池基本上彼此晶格匹配，并且可通过五个隧道结互连，所述隧道结被显示为带点的区域。该III—AsNV亚电池具有六个亚电池中最低的带隙。底部亚电池中III-AsNV材料的带隙在0.7-1.1eV之间。上面的亚电池可以包含任何适当的III-V、II-VI、或IV族材料，包括III-AsNV材料。
在一些实施方案中，底部亚电池中III-AsNV合金的带隙在0.8-0.9eV之间，在其他的实施方案中，在0.9-1.0eV之间。在一些实施方案中，底部III-AsNV亚电池的基极层的组成包含Gal-xlnxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0≤x≤0.24、0.01≤y≤0.07和0.001≤z≤0.20，在一些实施方案中，0.02≤x≤0.24、0.01≤y≤0.07和0．001≤z≤0.03，在一些实施方案中，0.02≤x≤0.18、0.01≤y≤0.04和0.001≤z≤0.03，和在一些实施方案中，0.06≤x≤0.20、0.02≤y≤0.05和0.005≤z≤0.02。
在图2A中所示本发明的实施方案中，多结太阳能电池具有五个亚电池，具有J4，直接在底部亚电池上面的亚电池和从顶部起第四亚电池是III-AsNV亚电池。J4中III-AsNV材料的带隙在0．9-1．3eV之间。全部的五个亚电池基本上是彼此晶格匹配的，并且可通过四个隧道结互连，所述隧道结显示为带点的区域。其它四个亚电池可以包含任何合适的III-V、II-VI、或IV族材料，包括III-AsNV材料。
图2B显示具有六个亚电池的根据本发明的多结太阳能电池，具有J5，直接在底部亚电池上面的亚电池是III-AsNV亚电池。J5的基极中III-AsNV材料的带隙在0．9-1．3eV之间。全部的六个亚电池基本上是彼此晶格匹配的，并且可通过五个隧道结互连，所述隧道结显示为带点的区域。其它五个亚电池可以包含任何合适的III-V、II-VI、或IV族材料，包括III-AsNV材料。
在一些实施方案中，直接在底部亚电池上面的亚电池的III-AsNV合金的带隙在0．9-1．0eV之间，并且在一些实施方案中，在1．0-1．1eV之间。在一些实施方案中，直接在底部亚电池上面的亚电池的基极层的组成包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0≤x≤0．18、0．001≤y≤0．05和0．001≤z≤0．15，在一些实施方案中，0≤x≤0．18、0．001≤y≤0．05、和0．001≤z≤0．03，和在一些实施方案中，0．02≤x≤0．18、0．005≤y≤0．04和0．001≤z≤0．03。
本发明的另一个实施方案示于图3A中。在该实施方案中，有四个亚电池，两个底部的亚电池是III-AsNV亚电池。底部亚电池J4的带隙在0．7-1．1eV之间。J3的带隙在0．9-1．3eV之间，或在1．0-1．3eV之间，并且大于J4的带隙。直接在两个III-AsNV亚电池上面的亚电池J2是带隙在1．4-1．7eV的范围内的(Al，In)GaAs亚电池。顶部亚电池J1是带隙在1．9-2．2eV范围内的(Al)InGaP亚电池。亚电池的带隙的实例从底层到顶层分别是0．8-0．9eV或0．9-1．0eV、1．1-1．2eV、1．5-1．6eV、和1．9-2．0或2．0-2．1eV。当四个亚电池产生的电流基本上相同时，亚电池的带隙和厚度是最优的。所有的亚电池基本上是彼此晶格匹配的并且可通过隧道结串联连接。在本发明的一个类似实施方案中，除了直接在底部亚电池上面的亚电池J3是GaInNAs亚电池之外，结构相同。在另一个有关的实施方案中，除了J2是(Al)GaInPAs亚电池之外，结构相同。在另一个示于图3B的有关的实施方案中，J4是SiGe(Sn)亚电池。
在以前以及随后给出的实施方案的范围内，亚电池的具体带隙由底部亚电池的带隙、亚电池层的厚度、和光的入射光谱决定。尽管在本公开中有许多结构会产生超过三结太阳能电池的效率，但是并不是带隙落入所公开范围的任何组亚电池都会产生如此的效率。对于底部亚电池带隙、或者替代地另一亚电池的带隙、光的入射光谱、亚电池材料和亚电池层厚度的某些选择，对于会产生超过三结太阳能电池的效率的剩余亚电池的带隙有较窄的范围。带隙可从模拟与/和从实验得到。通常，底部亚电池的带隙越高，上面的亚电池的带隙就越高，但是在特定范围内。对于图3A中所示的本发明的实施方案，图3C和3D利用AMl.5D光谱举例说明了这点。图3C中底部亚电池的带隙比图3D中底部亚电池的带隙高。因此，图3C中上部亚电池的带隙分别比在图3D中的上部亚电池的带隙高。
图4显示在25℃在1OO W／cm2或1000sun下，通过作为图3A中所示本发明的一个具体实施方案的底部亚电池带隙的函数进行模拟而预期的效率。在该实施方案中，J4和J3是总亚电池厚度为2-3微米的GaInNAsSb亚电池，J2是厚度为4-5微米的(Al)GaAs亚电池，J1是厚度为1-2微米的(Al)InGaP亚电池。底部带隙的效率趋势具有两个峰值，在0.75eV和0.92eV的带隙附近，这主要是因为太阳光谱发光在0.7eV和1eV之间的能量范围内变化。在所显示的所有情况下，效率都高于在相同条件下现有技术的三结太阳能电池结构的模拟效率(40.8％)。
图5显示，在25℃下在AM0光谱下，通过作为示于图3A中本发明的一个具体实施方案的底部亚电池的带隙的函数的模拟而预期的效率。在该实施方案中，底部两个亚电池是总亚电池厚度为2-3微米的GaInNAsSb亚电池，J2是厚度为3-4微米的(Al)GaAs亚电池，J1是厚度为O.5-1.5微米的(Al)InGaP亚电池。实线显示对于利用当今的材料参数制造的太阳能电池所预期的效率，虚线显示预期的具有材料品质改善的将来效率，所述材料品质改善增加少数载流子寿命和改善界面复合速率。底部亚电池带隙的当今效率的趋势的峰值在0.90eV附近。随着底部带隙降低效率增加，因为吸收了更多的太阳光谱直至达到顶部亚电池的带隙上限。就此，所述模拟固定项部亚电池带隙并且降低项部亚电池厚度以达到亚电池之间的电流匹配。这导致总效率降低。在所显示的所有情况下，效率都比在相同条件下三结太阳能电池结构的模拟效率高。
本发明的另一实施方案具有四个亚电池，底部亚电池是III-AsNV亚电池。底部亚电池J4的带隙在0.9-1.1eV之间。亚电池J3是带隙在1.4-1.5eV之间的(Al，In)GaAs或(A1)GaInPAs亚电池。亚电池J2是带隙在1.6-1.8eV范围内的Al(In)GaAs或(Al)GaInPAs亚电池。顶部亚电池J1是带隙在1.9-2.3eV范围内的(Al)InGaP亚电池。亚电池的带隙的实例从底部到顶部分别是1.0eV、1.4eV、1.7eV、和2.1eV。
图6举例说明本发明的具有四个亚电池的另一实施方案。直接在底部亚电池上面的J3是带隙在0.9eV-1.3eV范围内的III-AsNV亚电池。底部亚电池是包括带隙为0.7eV的Ge衬底的Ge亚电池。J2是带隙在1.4eV-1.7eV范围内的InGaAs或(Al)GaInPAs亚电池。J1是带隙在1.9-2.2eV范围内的(Al)InGaP亚电池。Ge亚电池上面的亚电池的带隙的实例自下而上分别是1.0eV-1.1eV、1.4eV-1.5eV、和1.9eV-2.0eV。所有的亚电池都是与Ge衬底基本上晶格匹配的并且可通过隧道结串联连接。
图7示出本发明的具有五个亚电池的一个实施方案。底部两个亚电池是III-AsNV亚电池。底部亚电池的带隙在0.7eV-1.1eV之间。从底部数的第二亚电池J4的带隙在0.9eV-1.3eV之间、或在1.0-1.3eV之间，并且大于或等于底部亚电池的带隙。在III-AsNV亚电池上面的亚电池J3是带隙在1.4-1.6eV的范围内的(Al，In)GaAs亚电池。J2是带隙在1.6eV-1.9eV范围内的Al(In)GaAs或(Al)InGaP亚电池。顶部亚电池是带隙在1.9-2.2eV范围内的(Al)InGaP亚电池。亚电池的带隙的实例自下而上分别是0.9eV-1.0eV、1.1eV-1.2eV、1.4eV-1.5eV、1.7eV-1.8eV、和1.9eV-2.1eV。所有的亚电池基本上是彼此晶格匹配的并且可通过隧道结串联连接。在本发明的一个相关实施方案中，除了J4是GaInNAs亚电池之外，结构相同。在另一个相关实施方案中，除了J2和J3之一或两者是(Al)GaInPAs亚电池之外，结构相同。在一个另外的相关实施方案中，底部亚电池是SiGe(Sn)亚电池。
在本发明的另一个实施方案中，底部三个亚电池是III-AsNV亚电池。底部亚电池J5的带隙在0．7eV-1．0eV之间。J4的带隙在0．9eV-1．2eV之间，并且大于J5的带隙。J3是带隙在1．2eV-1．4eV范围内的III-AsNV亚电池。J2是带隙在1．6eV-1．8eV范围内的Al(In)GaAS、(Al)InGaPAs或InGaP亚电池。项部亚电池J1是带隙在1．9eV-2．2eV范围内的(Al)InGaP亚电池。在一些实施方案中，亚电池的带隙自下而上分别是0．7eV-0．8eV、0．9eV-1．1eV、1．2eV-1.3eV、1．6eV-1．7eV、和2．0eV-2．1eV。亚电池基本上是彼此晶格匹配的并且可通过隧道结串联连接。在本发明的一个相关实施方案中，除了J3和／或J4是GainNAs亚电池之外，结构相同。
图8显示在25℃在AMI．5D光谱在100W／cm2或1000sun的照度下，通过作为图7中所示本发明的一个具体实施方案的底部亚电池带隙的函数进行模拟而预期的效率。在该实施方案中，底部两个亚电池是总亚电池厚度为2-3微米的GalnNAsSb亚电池，J3和J2是厚度为4-5微米的(Al)GaAs亚电池，顶部亚电池是厚度为最大至1．5微米的(Al)InGaP亚电池。底部带隙的效率趋势具有两个峰值，在0．80eV和0．92eV附近，这是至少两个因素的结果。一个因素是太阳光谱发光在0．7eV和1eV之间的能量范围内变化。另一个因素是组成的限制(对于AlxIn0.5Gal-xP，x≤0．2)以及由此对AlInGaP亚电池的带隙的限制。当带隙达到上限时，效率开始降低，这是因为带隙的限制限制太阳能电池电压。在所显示的所有情况下，测量效率都比在相同条件下现有技术的三结太阳能电池结构的模拟效率高。
图9是本发明的具有五个亚电池的另一实施方案。底部亚电池是Ge亚电池，包括锗衬底。直接在Ge亚电池上面的亚电池J4是带隙在1．0eV-1．2eV之间的III-AsNV亚电池。在III-AsNV亚电池上面的J3是带隙在1．4eV-1．5eV范围内的(Al)InGaAs亚电池。J2是带隙在1．6eV-1．8eV范围内的AlInGaAs或InGaP亚电池。J1是带隙在1．9-2．2eV范围内的(Al)InGaP亚电池。Ge亚电池上面的亚电池的带隙的实例自下而上分别是1．0eV-1．1eV、1．4eV、1．6eV-1．7eV、和2．0-2．1eV。所有的亚电池基本上是彼此晶格匹配的并且可通过隧道结串联连接。在一相关实施方案中，除了J2和J3之一或两者是(Al)GaInPAs亚电池之外，结构相同。
本发明的具有五个亚电池的还另一实施方案示于图10中。底部亚电池是Ge亚电池，包括Ge衬底。J4是带隙在0．9eV-1．0eV之间或在1．0eV-1．2eV之间的Ⅲ-AsNV亚电池。J3是带隙在1.2eV-1.4eV范围内的Ⅲ-AsNV亚电池。J2是带隙在1.6eV-1.8eV范围内的AlInGaAs或InGaP亚电池。项部亚电池是带隙在1.9eV-2.2eV范围内的(Al)InGaP亚电池。Ge亚电池上面的亚电池的带隙的实例自下而上分别是1.0eV-1.1eV、1.3eV、1.6eV-1.7eV、和2.0-2.1eV。所有的亚电池基本上是彼此晶格匹配的并且可通过隧道结串联连接。在本发明的一相关实施方案中，除了J3是GaInNAs亚电池之外，结构相同。在另一相关的实施方案中，除了J2是(Al)GaInPAs亚电池之外，结构相同。
本发明的具有六个亚电池的实施方案在图11、12、13A和13B中举例说明。
在图ll中，底部三个亚电池是Ⅲ-AsNV亚电池。底部亚电池J6的带隙在0.7eV-1.1eV之间。J5的带隙在0.9-1.3eV之间并且大于或等于底部亚电池的带隙。J4的带隙在1.1-1.4eV之间并且大于或等于J5的带隙。Ⅲ-AsNV亚电池上面的是J3，其是带隙在1.4-1.7eV范围内的(Al，In)GaAs亚电池。J2是带隙在1.7eV-2.0eV范围内的Al(In)GaAs或(Al)InGaP亚电池。顶部亚电池是带隙在1.9-2.2eV或2.2-2.3eV范围内的(Al)InGaP亚电池。亚电池的带隙的实例白下而上分别是0.9eV-1.0eV、l.1eV-1.2eV、1.3eV-1.4eV、1.5-1.6eV、1.8-1.9eV、和2.0-2.1eV。作为另一个实例，亚电池的带隙自下而上分别是O.7-0.8eV、0.9-1.0eV、1.1-1.2eV、1.4-1.5eV、1.7一l.8eV、和2.1-2.2eV。所有的亚电池基本上是彼此晶格匹配的并且可通过隧道结串联连接。在本发明的一个相关的实施方案中，除了J4和J5之一或两者是GaInNAs亚电池之外，结构相同。在一相关的实施方案中，除了J2和J3之一或两者是(Al)GaInPAs亚电池之外，结构相同。在一另外的相关的实施方案中，除了底部亚电池是SiGe(Sn)亚电池之外，结构相同。
图l 4显示在25℃在AMl.5D光谱在100W／cm2或1000sun的照度下，通过作为图11中所示本发明的一个具体实施方案的底部亚电池带隙的函数进行模拟而预期的效率。在该实施方案中，三个底部亚电池是每个具有2—3微米的总亚电池厚度的GalnNAsSb亚电池，J3和J2是每个具有4-5微米厚度的(Al)GaAs亚电池，J1是厚度为最大至1.5微米的(Al)InGaP亚电池。在所显示的所有情况下，效率都比在相同条件下现有技术的三结太阳能电池结构的模拟效率高。
在图12中，底部两个亚电池是III-AsNV亚电池。底部亚电池J6的带隙在0.7-1.1 eV之间。J5的带隙在0.9-1.3 eV之间并且大于或等于J6的带隙。J4的带隙在1.4-1.5 eV之间并且是(A1，In)GaAs亚电池。J3是带隙在1.5-1.7 eV范围内的(Al，In)GaAs亚电池。J2是带隙在1.7 eV-2.0 eV范围内的Al(In)GaAs或(A1)InGaP亚电池。J1是带隙在1.9-2.2 eV或2.2-2.3eV范围内的(Al )InGaP亚电池。亚电池的带隙的实例自下而上分别是0.9eV-1.0 eV、1.1 eV-1.2 eV、1.4 eV、1.6-1.7 eV、1.8-1.9 eV、和2.0-2.1 eV。所有的亚电池基本上是彼此晶格匹配的并且可通过隧道结串联连接。在本发明的一相关实施方案中，除了J5是GalnNAs亚电池之外，结构相同。在一相关的实施方案中，除了J2、J3、和J4中的一个或更多个是(Al)GalnPAs亚电池之外，光伏电池的结构与图12中的相同。在一另外的相关的实施方案中，底部亚电池是SiGe(Sn)亚电池。
图13A示出本发明的一个实施方案，其中底部亚电池包含Ge衬底。J4和J5是III-AsNV亚电池。J5的带隙在0.9-1.1 eV之间。J4的带隙在1.1-1.3 eV之间并且大于或等于底部亚电池的带隙。J3是带隙在1.4-1.6 eV范围内的(A1)InGaAs亚电池。J2是带隙在1.6-1.9 eV范围内的AlInGaAs或(Al)InGaP亚电池。顶部亚电池是带隙在1.9-2.2 eV或2.2-2.3 eV范围内的(Al)InGaP亚电池。J5到J1的带隙的实例分别是0.9 eV-1.0 eV、1.1 eV-1.2 eV、1.4 eV-1.5 eV、1.7 eV-1.8 eV、和2.O eV-2.1 eV。所有的亚电池基本上是彼此晶格匹配的并且可通过隧道结串联连接。在本发明的一个相关的实施方案中，除了J4是GalnNAs亚电池之外，光伏电池的结构与图13A中所示的相同。在与上述一些实施方案相关的一个实施方案中，J2和J3中之一或两者是(Al)InGaPAs亚电池。该实施方案示于图13B中。
在本文描述的一些实施方案中，包括附图1A-B、2A-B、3A、3C-D、7、11-12、15、l6、或17B中所示的任何光伏电池，底部III-AsNV亚电池是GaInNAsSb亚电池，其基极层包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y、和z的值为0≤x≤0.24、0.01≤y≤0.07和0.001≤z≤0.20；在一些实施方案中，0.02≤x≤0.24、0.01≤y≤0.07和0.001≤z≤0.03；在一些实施方案中，0.02≤x≤0．18、0．01≤y≤0．04和0．001≤z≤0．03；在一些实施方案中，0．08≤x≤0．18、0．025≤y≤0．04和0．001≤z≤0．03；和在一些实施方案中，0．06≤x≤0．20、0．02≤y≤0．05和0.005≤z≤0．02。
在本文描述的一些实施方案中，包括附图1A-B、2A-B、3A-D、6、7、9-13、15、16、17B、18B、或19B中所示的任何光伏电池，直接在底部亚电池之上的III-AsNV亚电池是GaInNAsSb亚电池，其基极层包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y、和z的值是0≤x≤0．18、0．001≤y≤0．05和0．001≤z≤0．15，和在一些实施方案中，0≤x≤0．18、0．001≤y≤0．05和0．001≤z≤0．03；在一些实施方案中，0．02≤x≤0．18、0．005≤y≤0．04和0．001≤z≤0．03；在一些实施方案中，0．04≤x≤0．18、0．01≤y≤0．04和0．001≤z≤0．03；在一些实施方案中，0．06≤x≤0．18、0．015≤y≤0．04和0．001≤z≤0．03；和在一些实施方案中，0．08≤x≤0．18、0．025≤y≤0．04和0．001≤z≤0．03。
在本文描述的一些实施方案中，包括附图1A-B、2A-B、10-11、13A-B、15、或19B中所示的任何光伏电池，从底部数为第三个的III-AsNV亚电池(，例如六结太阳能电池中的J4或者五结太阳能电池中的J3)是GaInNAsSb亚电池，其基极层包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值是0≤x≤0．12、0．001≤y＜0．03和0．001≤z≤0．10；在一些实施方案中，0≤x≤0．12、0．001≤y＜0．03和0．001≤z≤0．03；在一些实施方案中，0．02≤x≤0．10、0．005≤y≤0．02和0．001≤z≤0．02；在一些实施方案中，0．01≤x≤0．06、0．005≤y≤0．015和0．001≤z≤0．02；和在一些实施方案中，0．01≤x≤0．08、0．005≤y≤0．025和0．001≤z≤0．02。
在本文描述的每个实施方案中，隧道结设计为具有最小的光吸收。隧道结所吸收的光不通过太阳能电池转变为电，如此如果隧道结吸收显著量的光，多结太阳能电池的效率将不可能超过最好的三结太阳能电池的效率。因此，隧道结必须是非常薄的(优选小于40nm)和／或由带隙等于或大于直接在它们之上的亚电池的带隙的材料组成。符合这些标准的隧道结的一个实例是GaAs／AlGaAs隧道结，其中形成隧道结的每个GaAs和AlGaAs层具有5到15nm的厚度。GaAs层掺杂有Te、Se、S和／或Si，AlGaAs层掺杂有C。
在本文描述和举例说明的每个实施方案中，存在其他元件以制造太阳能电池装置。具体地说，在顶部亚电池上面通常形成盖层或接触层、抗反射涂(ARC)层和电接触(也称为“金属网格”)，在底部亚电池下面通常形成或存在衬底或把手(handle)、和底部接触。在一些实施方案中，衬底可以是底部亚电池的一部分，例如在Ge亚电池中。也可以存在其他元件，例如另外的隧道结。装置也可以形成为不具有所有的以上列出的原件，如本领域技术人员所知的。举例说明这些的典型的其他元件的实例、和他们相对于顶部和底部亚电池的典型位置示于图15中。
说明可以构成根据本发明的具有四个亚电池的多结太阳能电池的各个层的结构实例详细示于图l6中并且在本文中描述。在运行中，多结电池配置为使得具有最高带隙的亚电池面对入射的太阳辐射，并且亚电池的特征为不断降低的带隙位于下面。
在本文公开的实施方案中，每个亚电池可以包含几个层。例如，每个亚电池可以包含窗口层、发射极、基极、和背表面场(BSF)层。如图16所示，窗口层在发射极层之上，发射极层在基极之上，基极在BSF之上。
在运行中，窗口层是亚电池的最上层并且面对入射的太阳辐射。在一些实施方案中，窗口层的厚度为大约10nm至大约500nm、大约10nm至大约300nm、大约10nm至大约150nm，在一些实施方案中，为大约10nm至大约50nm。在一些实施方案中，窗口层的厚度为大约50nm至大约350nm、大约100nm至大约300nm，在一些实施方案中，为大约50nm至大约150nm。
在一些实施方案中，发射极层的厚度为大约10nm至大约300nm、大约20nm至大约200nm、大约50nm至大约200nm，在一些实施方案中，为大约75nm至大约125nm。
在一些实施方案中，基极层的厚度为大约0.1μm至大约6μm、大约0．1μm至大约4μm、大约0．1μm至大约3μm、大约0.1μm至大约2μm，在一些实施方案中，为大约0.1μm至大约1μm。在一些实施方案中，基极层的厚度为大约0.5μm至大约5μm、大约1μm至大约4μm、大约1．5μm至大约3．5μm，在一些实施方案中，为大约2μm至大约3μm。
在一些实施方案中，BSF层的厚度为大约10nm至大约500nm、大约50nm至大约300nm，在一些实施方案中，为大约50nm至大约150nm。
在一些实施方案中，(Al)InGaP亚电池包括：包含AlInP的窗口、包含(Al)InGaP的发射极、包含(Al)InGaP的基极、和包含AlInGaP的背表面场层。
在一些实施方案中，(Al)InGaP亚电池包括：厚度为10nm到50nm的包含AlInP的窗口、厚度为20nm到200nm的包含(Al)InGaP的发射极、厚度为0．1μm到2μm的包含(Al)InGaP的基极、和厚度为50nm到300nm的包含AlInGaP的BSF层。
在一些这样的实施方案中，(Al)InGaP亚电池的特征在于带隙为大约1.9eV到大约2.2eV。
在一些实施方案中，(Al，In)GaAs亚电池包括：包含(Al)In(Ga)P或Al(In)GaAs的窗口、包含(Al)InGaP或(Al，In)GaAs的发射极、包含(Al，In)GaAs的基极、和包含Al(In)GaAs或(Al)InGaP的BSF层。在一些实施方案中，(Al，In)GaAs亚电池包括厚度为50nm到400nm的包含(Al)InGaP的窗口、厚度为100nm到200nm的包含(Al，In)GaAs的发射极、厚度为1μm到4μm的包含(Al，In)GaAs的基极、和厚度为100nm到300nm的包含Al(In)GaAs的BSF层。
在一些实施方案中，(Al，In)GaAs亚电池包括厚度为200nm到300nm的包含(Al)InGaP的窗口、厚度为100nm到150nm的包含(Al，In)GaAs的发射极、厚度为2μm到3.5μm的包含(Al，In)GaAs的基极、和厚度为150nm到250nm的包含Al(In)GaAs的BSF层。
在一些这样的实施方案中，(Al，In)GaAs亚电池的的特征为带隙为大约1.4eV到大约1.7eV。
在一些实施方案中，(Al)GaInPAs亚电池包括：包含(Al)In(Ga)P的窗口、包含(Al)InGaP或(Al)GaInPAs的发射极、包含(Al)GaInPAs的基极、和包含Al(In)GaAs或(Al)InGaP的BSF层。在一些实施方案中，(Al)GaInPAs亚电池包括：厚度为50nm到300nm的包含(Al)In(Ga)P的窗口、厚度为100nm到200nm的包含(Al)InGaP或(Al)GaInPAs的发射极、厚度为0.5μm到4μm的包含(Al)GaInPAs的基极、和厚度为50nm到300nm的包含Al(In)GaAs或(Al)InGaP的BSF层。
在一些这样的实施方案中，(Al)GalnPAs亚电池的特征为带隙为大约1．4eV到大约1．8eV。
在一些实施方案中，III-AsNV合金亚电池包括包含InGaP或(Al，In)GaAs的窗口、包含(In)GaAs或III-AsNV合金的发射极、包含III-AsNV合金的基极、和包含(In)GaAs的BSF层。
在一些实施方案中，III-AsNV合金亚电池包括：厚度为0nm到300nm的包含InGaP或(In)GaAs的窗口、厚度为100nm到200nm的包含(In)GaAs或III-AsNV合金的发射极、厚度为1μm到4μm的包含III-AsNV合金的基极、和厚度为50nm到300nm的包含(In)GaAs的BSF层。在一些实施方案中，III-AsNV合金亚电池包括：厚度为100nm到150nm的包含InGaAs或III-AsNV合金的发射极、厚度为2μm到3μm的包含III-AsNV合金的基极、和厚度为50nm到200nm的包含(In)GaAs的BSF层。
在一些这样的实施方案中，III-AsNV亚电池的特征为带隙为大约0．7到大约1．1eV、或大约0．9eV到大约1．3eV。在一些这样的实施方案中，III-AsNV亚电池是GaInNAsSb亚电池。
在一些这样的实施方案中，III-AsNV亚电池具有小于0．6％的压应变，表示III-AsNV材料在其完全弛豫状态下的面内晶格常数比衬底的面内晶格常数大0．0％到0．6％。在一些这样的实施方案中，III-AsNV亚电池包含Sb并且不包含Bi。
在一些实施方案中，SiGe(Sn)亚电池的特征为带隙为从大约0．7eV到大约0．9eV。在一些实施方案中，SiGe(Sn)亚电池包括：厚度为0纳米到300nm的包含InGaP或(In)GaAs的窗口、厚度为50nm到500nm的包含(In)GaAs或III-AsNV合金的发射极、和厚度为1μm到20μm的包含SiGe(Sn)的基极。在一些实施方案中，亚电池也包括厚度为50nm到300nm的包含(In)GaAs或SiGe(Sn)的BSF层。
在一些实施方案中，Ge亚电池包括厚度为0nm到300nm的包含InGaP或(In)GaAs的窗口，厚度为10nm到500nm的包含(In)GaAs、(Al，Ga)InP、或Ⅲ-AsNV合金的发射极，和包含Ge衬底的基极。应当注意本发明公开的太阳能电池也可以形成在Ge衬底上，其中该衬底不是亚电池的一部分。
在一些实施方案中，一个或更多个亚电池具有发射极与／和基极，其中存在分级的掺杂分布。掺杂分布可以是线性的、指数的或具有其他的对于位置的依赖性。在一些这样的实施方案中，一个或更多个Ⅲ-AsNV亚电池在基极的部分或全部上具有指数的或线性的掺杂分布，掺杂水平为1×1 015到1×1019cm-3、或者1×1016到5×1018cm-3。此外，Ⅲ-AsNV基极的最接近于发射极的区域可以具有恒定的掺杂或没有掺杂，如例如美国专利申请12/9147l0中所公开的，其通过引用并入本文。典型的掺杂剂包括例如Be、Mg、Zn、Te、Se、Si、C、以及其他本领域中已知的掺杂剂。
如图l6所示，隧道结可以设置在每个亚电池之间。每个隧道结包含电连接相邻亚电池的两个或更多个层。隧道结包括与高度掺杂的p-型层相邻的高度掺杂的n-型层，以形成p-n结。典型地，隧道结中的掺杂水平为1018cm-3到1 021cm-3。
在一些实施方案中，隧道结包含n-型(In)GaAs或InGaP(As)层和p-型(Al，In)GaAs层。在一些实施方案中，n-型层的掺杂剂包含Si，p-型层的掺杂剂包含C。隧道结的厚度可以小于大约1OO nm、小于80 nm、小于60nm、小于40nm，在一些实施方案中，小于20nm。例如，在一些实施方案中，(Al)InGaP亚电池之间的隧道结、(Al)InGaP亚电池和(Al，In)GaAs或(Al)GalnPAs亚电池之间的隧道结、或(Al，In)GaAs亚电池之间的隧道结的厚度可以小于大约30nm、小于大约20nm、小于大约15nm，在一些实施方案中，小于大约12nm。在一些实施方案中，分离(A1，In)GaAs和Ⅲ-AsNV合金亚电池的隧道结、分离相邻的Ⅲ-AsNV合金亚电池的隧道结、或分离Ⅲ-AsNV合金和SiGe(Sn  )或Ge亚电池的隧道结的厚度可以小于100nm、小于80nm、小于60nm，在一些实施方案中，小于40nm。
多结太阳能电池可以制造在衬底例如Ge衬底上。在一些实施方案中，衬底包含GaAs、InP、Ge或Si。在一些实施方案中，所有的亚电池基本上与衬底晶格匹配。在一些实施方案中，包括在完整的太阳电池内但是不是亚电池的一部分的一个或更多个层例如抗反射涂层、接触层、盖层、隧道结层和缓冲层不基本上与亚电池晶格匹配。
在一些实施方案中，缓冲层制造为叠加在衬底上。在一些实施方案中，缓冲层包含(In)GaAs。
如图l6所示的，多结太阳能电池包含亚电池，所述亚电池的特征为叠加在缓冲层上逐渐具有更高的带隙并且每个亚电池通常由隧道结相分离。
在一些实施方案中，多结太阳能电池包含叠加在最上部亚电池之上的抗反射涂层。选择抗反射涂层所包含的材料和抗反射涂层的厚度，以改善多结太阳能电池中的光俘获效率。在一些实施方案中，在金属网格之下或金属网格附近的区域中，一个或更多个接触层位于最上部的亚电池之上。在一些实施方案中，接触层包含(In)GaAs，掺杂剂可以是Si或Be。
在一些实施方案中，光伏电池包含至少四个亚电池，其中：至少四个亚电池包括包含基极层的至少一个亚电池，其中该基极层包含选白周期表中第III族元素、氮、砷、以及选白Sb和Bi中的至少一种元素的合金；至少四个亚电池中的每一个与其他亚电池的每一个基本上晶格匹配。
在光伏电池的一些实施方案中，至少四个亚电池的每一个与选自Si、Ge、SiGe、GaAs、和InP的材料基本上晶格匹配。
在光伏电池的一些实施方案中，至少一个亚电池的特征为带隙选自0.7eV到1.1 eV、选自0.9 eV到1.0 eV、选自0.9 eV到1.3 eV、选自1.0 eV到1.1  eV、选自1.0 eV到1.2 eV、选自1.1 eV到1.2 eV、选自1.1 eV到1.4 eV、和选白1.2 eV到1．4 eV。
在光伏电池的一些实施方案中，至少一个亚电池的基极层包含Gal-xInxNyAsl-y-zSbz，其中x、y和z的值为O≤x≤0.24、0.001≤y≤0.07和0.001≤z≤0.20。
在光伏电池的一些实施方案中，至少一个亚电池的基极层包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0.01≤x≤0．18、0.005≤y≤0.05、和0.001≤z≤0.03。
在光伏电池的一些实施方案中，至少四个亚电池包含至少两个亚电池，所述至少两个亚电池中的每一个包含基极层，所述基极层包含选自周期表的第III族的元素、氮、砷和选自Sb和Bi中的至少一种元素的合金。
在光伏电池的一些实施方案中，至少两个亚电池中之一的特征为0.7到1．1eV的第一带隙；至少两个亚电池中的第二亚电池的特征为0．9到1．3eV的第二带隙，其中第二带隙大于第一带隙。
在光伏电池的一些实施方案中，至少两个亚电池中的每一个包含基极层，所述基极层包含独立地选自GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi、和GaNAsSbBi的材料。
在光伏电池的一些实施方案中，至少两个亚电池中之一包含基极层，所述基极层包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0．02≤x≤0．24、0．015≤y≤0．07和0．001≤z≤0．03，至少两个亚电池中的第二亚电池包含基极层，所述基极层包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0≤x≤0．18、0．005≤y≤0．05和0．001≤z≤0．03。
在光伏电池的一些实施方案中，所述光伏电池包含第一亚电池、第二亚电池、第三亚电池、和第四亚电池，第一亚电池包括包含选自Ge、SiGe(Sn)和由周期表第III族的元素、氮、砷与选自Sb和Bi的至少一种元素组成的合金中的材料且特征为带隙为0．7eV到1．1eV的第一基极层；第二亚电池包含叠加在第一亚电池上的第二基极层，其中所述第二基极层包含周期表第III族的元素、氮、砷与选自Sb和Bi的至少一种元素的合金，且特征在于带隙为0．9eV到1．3eV；第三亚电池包含叠加在第二亚电池上的第三基极层，其中所述第三基极层包含选自GaInPAs、(Al,In)GaAs的材料，且特征在于带隙为1．4eV到1．7eV；第四亚电池包含叠加在第三亚电池上的第四基极层，所述第四基极层包含选白(Al,In)GaP且特征在于带隙为1．9eV到2．2eV。
在光伏电池的一些实施方案中，第一基极层、第二基极层、或者第一基极层和第二基极层二者包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0≤x≤0．24、0．001≤y≤0．07和0．001≤z≤0．20。
在光伏电池的一些实施方案中，第一基极层的带隙是0．7到0．9eV，第二基极层的带隙是1．0到1．2eV，第三基极层的带隙是1．5到1．6eV，第四基极层的带隙是1．9eV到2．1eV。
在光伏电池的一些实施方案中，第一基极层、第二基极层、或第一基极层和第二基极层二者包含合金Ga1-xlnxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0.0l≤x≤0.18、0.005≤y≤0．05、和0．001≤z≤0．03。
在光伏电池的一些实施方案中，四个亚电池的每一个与选自Ge和GaAs的材料基本晶格匹配。
在光伏电池的一些实施方案中，所述光伏电池包含第一亚电池、第二亚电池、第三亚电池、第四亚电池和第五亚电池，第一亚电池包含选自Ge、SiGe(Sn)和周期表第III族的元素、氮、砷与选自Sb和Bi的至少一种元素的合金的且特征在于带隙为0.7eV到1.1eV的材料的第一基极层；第二亚电池包含叠加在第一亚电池上的第二基极层，其中所述第二基极层包含周期表第III族的元素、氮、砷与选自Sb和Bi的至少一种元素的合金，且特征在于带隙为0.9eV到1.3eV；第三亚电池包含叠加在第二亚电池上的第三基极层，其中所述第三基极层包含选自GaInPAs、(Al,In)GaAs和由周期表第III族的元素、氮、砷与选自Sb和Bi的至少一种元素组成的合金的材料，且特征在于带隙为1.2eV到1.6eV；第四亚电池包含叠加在第三亚电池上的第四基极层，所述第四基极层包含选自GaInPAs和(Al，In)GaAs的材料且特征在于带隙为1.6eV到1.9eV；第五亚电池包含叠加在第四亚电池上的第五基极层，所述第五基极层包含(Al)InGaP且特征在于带隙为1.9eV到2.2eV。
在包含5个亚电池的光伏电池的一些实施方案中，第一基极层、第二基极层和第三基极层中的一个或更多个包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为O≤x≤0.24、0．001≤y≤0.07和0.001≤z≤0.20。在这些实施方案中的一些中，第一基极层、第二基极层和第三基极层中的一个或更多个包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0.01≤x≤0.18、0.005≤y≤0.05和0.001≤z≤0．03。
在光伏电池的一些实施方案中，所述光伏电池包含第一亚电池、第二亚电池、第三亚电池、第四亚电池、第五亚电池和第六亚电池，第一亚电池包括包含选白Ge、SiGe(Sn)和周期表第III族的元素、氮、砷与选自Sb和Bi的至少一种元素的合金中的且特征在于带隙为0.7eV到1.1eV的材料的第一基极层；第二亚电池包含叠加在第一亚电池上的第二基极层，其中所述第二基极层包含周期表第III族的元素、氮、砷与选自Sb和Bi的至少一种元素的合金，且特征在于带隙为0.9eV到1.3eV；第三亚电池包含叠加在第二亚电池上的第三基极层，其中所述第三基极层包含选自GaInPAs、(Al，In、)GaAs和由周期表第III族的元素、氮、砷与选自Sb和Bi的至少一种元素组成的合金的材料，且特征在于带隙为1.1eV到1.5eV；第四亚电池包含叠加在第三亚电池上的第四基极层，所述第四基极层包含选自(Al，In)GaAs和(Al)InGa(P)As的材料且特征在于带隙为1.4eV到1.7eV；第五亚电池包含叠加在第四亚电池上的第五基极层，所述第五基极层包含选自(Al)InGaP和Al(In)Ga(P)As的材料且特征在于带隙为1.6eV到2.0eV，第六亚电池包含叠加在第五亚电池上的第六基极层，所述第六基极层包含(Al)InGaP且特征在于带隙为1.9eV到2.3eV。
在包含6个亚电池的光伏电池的一些实施方案中，第一基极层、第二基极层和第三基极层中的一个或更多个包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0≤x≤0.24、0.001≤y≤0.07和0.001≤z≤0．20。在这些实施方案中的一些中，第一基极层、第二基极层和第三基极层中的一个或更多个包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值为0．01≤x≤0．18、0．005≤y≤0．05和０．001≤z≤０．03。
在本发明的一个实施方案中，光伏电源系统包含一个或更多个由本公开所提供的光伏电池，例如一个或更多个具有至少四个亚电池的光伏电池，包括一个或更多个III-AsNV亚电池。在一个具体实施方案中，所述一个或更多个光伏电池具有III-AsNV作为底部亚电池或者直接在底部亚电池之上的亚电池。在一些实施方案中，所述光伏电源系统可以是聚光光伏系统，其中，所述系统还可以包含反光镜和/或透镜用来将太阳光聚集到一个或更多个光伏电池上。在一些实施方案中，光伏电源系统包含单轴或双轴跟踪系统。在一些实施方案中，光伏电源系统被设计用于便携用途，在其它实施方案中，用于并网发电。在一些实施方案中，光伏电源系统被设计为将光的特定光谱，如AM1.5G、AM1.5D或AM0，转变成电。在一些实施方案中，所述光伏电源系统可以用在卫星或其它地球外运输工具上并设计用于在空间操作而没有行星大气层对入射光源的影响。在一些实施方案中，所述光伏电源系统可以设计用于在除了地球以外的天体上运行。在一些实施方案中，所述光伏电源系统可以设计用于除了地球以外的天体的卫星轨道运行。在一些实施方案中，所述光伏电源系统可以设计用于在除了地球以外的天体表面上移动。
在本发明的一些实施方案中，提供包含本公开提供的一个或更多个光伏电池的光伏模组。光伏模组可以包含一个或更多个由本公开提供的光伏电池，以包括外壳和互连来独立使用或与其它模组组装形成光伏电源系统。模组和／或电源系统可以包括功率调节器、功率变换器、逆变器和其它电子装置来将所述光伏电池产生的功率转换成可用的电。光伏模组还可以包括用于将光聚焦到本公开提供的光伏电池上的光学系统，例如在聚光光伏模组中。
在本发明的一个实施方案中，除了衬底之外，构成所述太阳能电池的半导体层使用分子束外延(MBE)或化学气相沉积制备。在一些实施方案中，一个以上的材料沉积室用于沉积构成所述太阳能电池的半导体层。所述材料沉积室是其中沉积构成太阳能电池的半导体层的装置。在所述室内的条件可以为10-11托to103托的压力。在一些实施方案中，合金组分通过物理和／或化学过程沉积。每个材料沉积室可以具有不同的构造，使其可以沉积不同的半导体层并且可以与其它材料沉积室独立地控制。所述半导体层可以使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、MBE或通过其他方法制备，包括任何上述方法的组合。
衬底和半导体层从一个材料沉积室到另一个的移动定义为转移。例如，衬底放在第一材料沉积室中，然后沉积缓冲层和底部亚电池。然后将衬底和半导体层转移到沉积其余亚电池的第二材料沉积室中。所述转移可以在真空中、在空气中在大气压下或其它气体环境中或者在其问的任何环境中进行。所述转移还可以在一个位置上在材料沉积室之间，所述材料沉积室可以用某种方式相互连接或不相互连接，或者所述转移可以涉及在不同位置之间输送衬底和半导体层，这称为输送。输送可以用在真空下密封的、由氮气或其它气体包围的、或由空气包围的衬底和半导体层进行。附加的半导体、绝缘或其它层可以用作转移或输送过程中的表面保护，并在转移或输送之后在进一步沉积之前去除。
在本发明的一个实施方案中，在第一材料沉积室中在衬底上沉积多个层。该多个层可以包括蚀刻停止层、剥离层(即，设计用于在应用具体工艺顺序如化学蚀刻时将所述半导体层从衬底剥离)、接触层如横向导电层、缓冲层或其它半导体层。在一个具体实施方案中，所沉积的层的顺序是缓冲层、然后剥离层、然后横向导电层或接触层。然后将所述衬底转移到第二材料沉积室中，在现有的半导体层项上沉积一个或更多个亚电池。所述衬底然后可以转移到第一材料沉积室或第三材料沉积室中，用于沉积一个或更多个亚电池，然后沉积一个或更多个接触层。隧道结也在亚电池之间形成。
在本发明的一个实施方案中，在第一材料沉积室中沉积Ⅲ-AsNV亚电池，在第二材料沉积室中沉积(Al)InGaP、(Al,In)GaAs和(A1)GaInPAs亚电池，并且在亚电池之间形成隧道结。在本发明的一个相关的实施方案中，在第一材料沉积室中沉积Ⅲ-AsNV层，在第二材料沉积室中沉积包含Al的其他半导体层。在本发明的另一个实施方案中，在一个亚电池的生长中间发生转移，使得所述亚电池具有在一个材料沉积室中沉积的一个或更多个层以及在第二材料沉积室中沉积的一个或更多个层。
在本发明的一个实施方案中，构成Ⅲ-AsNV亚电池的一些或所有的层以及隧道结通过分子束外延在一个材料沉积室中沉积，太阳能电池的其余的层在另一个材料沉积室中通过化学气相沉积来沉积。例如，将衬底置于第一材料沉积室中，在衬底上生长可以包括成核层、缓冲层、发射极和窗口层、接触层和隧道结的层，随后生长一个或更多个Ⅲ-AsNV亚电池。如果存在超过一个的Ⅲ-AsNV亚电池，则在相邻的亚电池之间生长隧道结。可以生长一个或更多的隧道结层，然后将衬底转移到第二材料沉积室，在这里其余的太阳能电池层通过化学气相沉积生长。在某些实施方案中，化学气相沉积系统是MOCVD系统。在本发明的一个相关实施例中，衬底被放在第一材料沉积室中，并通过化学气相沉积生长可能包括成核层、缓冲层、发射极层和窗口层、接触层和隧道结的层。随后，在已有的半导体层上生长上部亚电池，两个或更多个，隧道结在亚电池之间生长。然后可能生长最项层Ⅲ-AsNV亚电池的一部分，例如窗口层。然后将衬底转移到第二材料的沉积室，在这里可以沉积最上层的Ⅲ-AsNV亚电池的其余半导体层，随后沉积最多三个其它Ⅲ-AsNV亚电池，隧道结在它们之间。
在发明的一些实施方案中，太阳能电池在生长后经过一个或更多个热退火处理。例如，热退火处理包括施加400℃到，1000℃的温度10秒到10小时。热退火处理可能在包括空气、氮、砷、砷化氢、磷、膦、氢、合成气、氧、氦和前述物质的任意组合的气氛中进行。在一些实施例中，亚电池和相关隧道结的叠层可以在其它亚电池制备前退火。
因此，提供了制造光伏电池的方法，其包含：在衬底上形成一个或更多个半导体层；形成叠加在一个或更多个半导体层上的四个或更多个的亚电池层；并且其中亚电池中的至少一个具有由周期表第III族的一种或更多种元素、氮、砷，和选自Sb和Bi中的至少一种元素的合金形成的基极层；其中，光伏电池包含至少四个亚电池且至少四个亚电池的每一个与其他亚电池的每一个基本上晶格匹配。在一些实施方案中，衬底是具有由选自Ge、SiGe(Sn)、和由周期表第III族的一种或多种元素、氮、砷、和选自Sb和Bi中的至少一种元素形成的合金中的材料形成的基极层的亚电池。在一些实施方案中，所述方法包括在四个或更多个亚电池之间形成隧道结。
在一些实施方案中，制造光伏电池的方法包括：形成第一亚电池，其具有选白Ge、SiGe(Sn)、和由元素周期表中第1II族的一种或更多种元素、氮、砷、和选白Sb和Bi中的至少一种元素组成的合金的材料形成的第一基极层，其中，第一亚电池特征为带隙为0.7 eV到1.1 eV；形成具有第二基极层的第二亚电池，其中第二基极层由选自周期表第III族的一种或更多种元素、氮、砷、和选自Sb和Bi中的至少一种元素的合金形成，其中所述第二亚电池特征为带隙为0.9 eV到1.3 eV；和形成叠加在第二亚电池上的至少两个其它亚电池；其中所述光伏电池包含至少四个亚电池，并且所述至少四个亚电池的每一个与其它亚电池的每一个基本上晶格匹配。在一些方法中，所述至少四个亚电池的每一个与选自Si、Ge、SiGe、GaAs、和InP中的材料基本上晶格匹配。在一些方法中，第一基极层由合金Gal-xInxNyAsl-y-zSbz形成，其中x、y和z的值为0.02≤x≤0.24、0.015≤y≤0.07和0.00l≤z≤0.03；第二基层由合金Ga1-xlnxNyAs1-y-zSbz形成，其中x、y和z的值为0≤x≤0.18、0.005≤y≤0.05和0.001≤z≤0.03。在一些方法中，形成叠加在所述第二亚电池上的至少两个其它亚电池包括：形成具有叠加在第二亚电池上的第三基极层的第三亚电池，其中所述第三基极层由选自GalnPAs和(Al，In)GaAs中的材料形成，且特征为带隙为1.4 eV到1．7eV；和形成具有叠加在第三亚电池上的第四基极层的第四亚电池，其中所述第四基底层由(Al)InGaP形成，且特征为带隙为1．9eV到2．2eV。
在一些实施方案中，制造光伏电池的方法包括：在衬底上形成至少两个亚电池；形成具有第一基极层的第一亚电池，其中所述第一基极层由周期表第III族的一种或更多种元素、氮、砷和选自Sb和Bi中的至少一种元素的合金形成，其中所述第一亚电池特征为带隙为0．9eV到1．3eV；和形成具有由选自Ge、SiGe(Sn)、和由周期表第III族的一种或更多种元素、氮、砷、和选自Sb和Bi中的至少一种元素的组成的合金的材料形成的第二基极层的第二亚电池，其中所述第二亚电池特征为带隙为0．7eV到1．1eV；其中所述光伏电池包含至少四个亚电池且所述至少四个亚电池中的每一个与其他亚电池的每一个基本上晶格匹配。
在某些实施例中，制造光伏电池的方法包括：在第一材料沉积室中在衬底上形成一个或更多个亚电池；转移衬底到第二材料沉积室；和形成一个或更多个叠加在一个或更多个亚电池上的亚电池；并且其中一个或更多个光伏电池的亚电池具有来自。周期表第III组的一种或更多种元素、氮，砷以及选自sb和Bi的至少一种元素的合金形成的基极层；并且每个亚电池基本上与其他的亚电池的每一个晶格匹配。在一些实施例中，光伏电池的制造方法还包括：在选自第三材料沉积室和第二材料沉积室的室中，在衬底上形成选自缓冲层、接触层，蚀刻停止层，剥离层，和其他半导体层的一个或更多个层；以及转移衬底到第一材料沉积室。
由图7所示的实施方案的一个更具体的实施例是图17B所示的五结太阳能电池。底部亚电池是带隙为1．0ev和总亚电池的厚度为2-3微米的GaInNAsSb亚电池。J4是带隙为1．2eV和总亚电池的厚度为2-3微米的GaInNAsSb亚电池。J3是带隙为1．5eV和总亚电池的厚度为4-5微米的AlGaAs亚电池。J2是带隙为1．7eV和亚电池厚度为4-5微米的AlGaAs亚电池。J1是带隙为2．1ev和亚电池厚度为0．3-1．0微米的AlInGaP亚电池。上部两个隧道结包含GaAs：Si／AlGaAs：C，每一个具有大约15纳米到25纳米的总厚度。下部两个隧道结是GaAs：Si/GaAs：C，每一个具有40到100纳米的总厚度。所有的亚电池基本上与GaAs相匹配。太阳能电池经历了生长之后和装置处理之前的热退火，和在装置处理过程中的额外的热退火。
作为在25℃在AM1.5D光谱下图17B中所示的多结太阳能电池的电压的函数的模拟电流输出的I-V曲线示于图17A中，同时具有本文所述的现有技术高效率三结太阳能电池的性能。两个太阳能电池有带隙相同的底部GaInNAsSb亚电池。与三结太阳能电池的40.8％相比，根据一些实施方案的五结太阳能电池的模拟效率是45.5％。然而与三结太阳能电池相比，对于5结太阳能电池在该太阳聚光下可达到的电流更低，电压显著更高。因为更少的入射光能量被作为热损耗，所以实现了更高的效率。更多的光子被具有更接近其能量的带隙的亚电池吸收，允许更多的能量被转换成电并且更少的能量被转换成热。
在25℃在1sun下在AMO光谱下，作为是本发明公开的四结太阳能电池的在图18B中所示的多结太阳能电池的电压的函数的模拟电流输出的I-V曲线示于图18A中，同时具有目前市售用于太空中的典型InGaP/InGaAs/Ge三结太阳能电池的模拟性能。与三结太阳能电池的30.6％相比，本发明中公开的四结太阳能电池的模拟效率是33.2％。然而与三结太阳能电池相比，四结太阳能电池可实现的电流更低，电压显著更高。在25℃在AMO光谱下图19B中所示的本发明所公开的六结太阳能电池的I-V曲线示于图19A中，同时具有上述的现有技术三结太阳能电池的性能。同时展示了目前制造的六结电池的数据，和具有改进的少数载流子性能的未来电池的数据。与现在的三结太阳能电池的30.6％相比，本发明的当前的和未来的六结太阳能电池的模拟效率分别是33.3％和39.7％。然而，与三结太阳能电池相比，对于六结太阳能电池实现的电流更低，电压大约是三结太阳能电池的两倍。在图18A和19A二者中，类似于地球上的多结太阳能电池，实现了更高的效率，因为更少的入射光能量被作为热损耗。更多的光子被具有与其能量更接近的带隙的亚电池吸收，允许更多的能量被转换成电，更少的能量被转换成热。
已经在说明书和权利要求书中描述了带隙的不同值。应该理解这些值是不精确的。如论如何，带隙的值近似到小数点右侧的一位有效数字，除非另有说明。因此，0.9的值涵盖0.850到0.949的范围。
己经参照具体实施方案说明了本发明。对于本领域普通技术人员而言，其他的实施方案是明显的。因此，不打算限制本发明，除非如所附的权利要求中指明的。

Claims (20)

1.一种光伏电池，其中包含：
至少四个亚电池，所述亚电池的至少一个具有由选自周期表中的第III族的一种或更多种元素、氮、砷和选自锑和铋的至少一种元素的合金形成的基极层；以及
所述至少四个亚电池中的每一个与其它亚电池的每一个基本晶格匹配。
2.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述至少四个亚电池中的每一个与选自Si、Ge、SiGe、GaAs和InP中的材料基本晶格匹配。
3.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述至少一个亚电池的特征为带隙选自0.7eV-1.1eV、0.8-0.9eV、0.9eV-1.0eV、0.9eV-1.3eV、1.0eV-1.1eV、1.0eV-1.2eV、1.1eV-1.2eV、1.1eV-1.4eV和1.2eV-1.4eV。
4.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述至少一个亚电池的基极层由合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成，其中，x、y和z的值为0≤x≤0.24、0.001≤y≤0.07和0.001≤z≤0.20。
5.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述至少一个亚电池的基极层由合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成，其中，x、y和z的值为0.01≤x≤0.18、0.005≤y≤0.05和0.001≤z≤0.03。
6.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述至少两个亚电池具有由元素周期表的第III族的一种或更多种元素、氮、砷和选自锑和铋的至少一种元素的合金形成的基极层。
7.根据权利要求6所述的光伏电池，其中：
所述至少两个亚电池中的一个的特征为第一带隙为0.7到1.1eV；和
所述至少两个亚电池中的第二个的特征为第二带隙为0.9到1.3eV；其中，所述至少两个亚电池中的最上部的亚电池的带隙大于所述至少两个亚电池的另一个亚电池的带隙。
8.根据权利要求6所述的光伏电池，其中，所述至少两个亚电池的每一个具有由独立地选白GalnNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi的材料形成的基极层。
9.根据权利要求6所述的光伏电池，其中：
所述至少两个亚电池中的一个亚电池具有由合金Gal-xInxNyAsl-y-zSbz形成的基极层，其中，x、y和z的值为0．02≤x≤0．24、0．015≤y≤0．07和0．001≤z≤0．03；和
所述至少两个亚电池中的第二个亚电池具有由合金Gal-xlnxNyAsl-y-zSbz形成的基极层，其中，x、y和z的值为0≤x≤0．18，0．005≤y≤0．05和0．001≤z≤0．03。
10.根据权利要求1所述的光伏电池，其包括：
第一亚电池，其具有由选自Ge、SiGe(Sn)和由周期表第III族的一种或更多种元素、氮、砷与选自锑和铋的至少一种元素组成的合金中的材料形成的第一基极层，并且特征为带隙为0．7eV-1．1eV；
第二亚电池，其具有叠加在所述第一亚电池上的第二基底层，其中，所述第二基极层由选自周期表第III族的一种或更多种元素、氮、砷和选自锑和铋的至少一种元素的合金形成，且特征为带隙为0．9eV-1．3eV；
第三亚电池，其具有叠加在所述第二亚电池上的第三基极层，其中，所述第三基极层由选白GaInPAs和(Al，In)GaAs中的材料形成，且特征为带隙为1．4eV—1．7eV；和
第四亚电池，其具有叠加在所述第三亚电池上的第四基极层，其中，所述第四基极层由(A1)InGaP形成，且特征为带隙为1．9eV一2．2eV。
11.根据权利要求10所述的光伏电池，其中，所述第一基极层、第二基极层、或第一基极层和第二基极层二者由合金Gal-xInxNyAsl-y-zSbz形成，其中，x、y和z的值为0≤x≤0．24、0．001≤y≤0．07和0．001≤z≤0．20。
12.根据权利要求l0所述的光伏电池，其中，所述第一基极层的带隙为0．7eV-0．9eV，所述第二基极层的带隙为1．0eV-1．2eV，所述第三基极层的带隙为1．5eV-1．6eV，所述第四基极层的带隙为1．9eV-2．1eV。
13.根据权利要求1所述的光伏电池，其包括：
第_一亚电池，其具有由选自Ge、SiGe(Sn)和由周期表第1II族的一种或更多种元素、氮、砷与选自锑和铋中的至少一种元素组成的合金中的材料形成的第一基极层，且特征为带隙为0.7eV-1.1eV；
第二亚电池，其具有叠加在所述第一亚电池上的第二基极层，其中，所述第二基极层由选自周期表第1II族的一种或更多种元素、氮、砷与选自锑和铋中的至少一种元素的合金形成，且特征为带隙为0.9eV-1.3eV；
第三亚电池，其具有叠加在所述第二亚电池上的第三基极层，其中，所述第三基极层由选自GalnPAs、(Al，In)GaAs和由周期表第Ⅲ族的一种或更多种元素、氮、砷与选自锑和铋中的至少一种元素组成的合金中的材料形成，且特征为带隙为1.2eV-1.6eV；
第四亚电池，其具有叠加在所述第三亚电池上的第四基极层，其中，所述第四基极层由选自GaInPAs和(A1，In)GaAs的材料形成，且特征为带隙为1.6eV-1.9eV；和
第五亚电池，其具有叠加在所述第四亚电池上的第五基极层，其中，所述第五基极层由(A1)InGaP形成，且特征为带隙为1.9eV-2.2eV。
14.根据权利要求13所述的光伏电池，其中，所述第一基极层、第二基极层和第三基极层中的一个或更多个由合金Ga1-xInxNyAsl-y-zSbz形成，其中，x、y和z的值为O≤x≤0.24、0.00l≤y≤0.07和0.001≤z≤0.20。
15.、根据权利要求1所述的光伏电池，其包括：
第一亚电池，其含有由选自Ge、SiGe(Sn)和由周期表第1II族的一种或更多种元素、氮、砷和选自锑和铋中的至少一种元素组成的合金中的材料形成的第一基极层，且特征为带隙为0.7eV到1.1eV；
第二亚电池，其具有叠加在所述第一亚电池上的第二基极层，其中，所述第二基极层由周期表第Ⅲ族的一种或更多种元素、氮、砷和选自锑和铋中的至少一种元素的合金形成，且其特征为带隙为0.9eV到1.3eV；
第三亚电池，其具有叠加在所述第二亚电池上的第三基极层，其中，所述第三基极层由选自GalnPAs、(Al，In)GaAs和由周期表第1II族的一种或更多种元素、氮、砷和选自锑和铋中的至少一种元素组成的合金中的材料形成，且其特征为带隙为1.1eV到1.5eV；
第四亚电池，其具有叠加在所述第三亚电池上的第四基极层，其中，所述第四基极层由选自(Al，In)GaAs和(Al)InGa(P)As的材料形成，且其特征为带隙为1.4eV到1.7eV；
第五亚电池，其具有叠加在所述第四亚电池上的第五基极层，其中，所述第五基极层由选自(Al)InGaP和Al(In)Ga(P)As中的材料形成，且其特征为带隙为1.6eV到2.0eV；和
第六亚电池，其具有叠加在所述第五亚电池上的第六基极层，其中，所述第六基极层由(Al)InGaP形成，且其特征为带隙为1.9eV到2.3eV。
16.根据权利要求15所述的光伏电池，其中，所述第一基极层、第二基极层和第三基极层中的一个或更多个由合金Gal-xlnxNyAs1-y-zSbz形成，其中，x、y和z的值为0≤x≤0.24、0.001≤y≤0.07和0.001≤z≤0.20。
17.一种包含至少一个如权利要求l所述的光伏电池的光伏系统。
18.一种制备光伏电池的方法，其包括：
在衬底上形成一个或更多个半导体层；和
在所述的一个或更多个半导体层上形成四个或更多个亚电池；和
其中，所述亚电池中的至少一个具有由选自周期表第1II族的一种或更多种元素、氮、砷和选自锑和铋中的至少一种元素的合金形成的基极层；
其中，所述光伏电池包含至少四个亚电池，且所述至少四个亚电池中的每一个与其它亚电池的每一个基本晶格匹配。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，形成所述四个或更多个亚电池包括：
形成第一亚电池，所述第一亚电池具有由选自Ge、SiGe(Sn)和由周期表第III族的一种或更多种元素、氮、砷和选自锑和铋中的至少一种元素组成的合金中的材料形成的第一基极层，其中第一亚电池的特征为带隙为0.7eV到1.1eV：
形成具有第二基极层的第二亚电池，其中，所述第二基极层由选自周期表第III族的一种或更多种元素、氮、砷和选自锑和铋中的至少一种元素的合金形成，其中所述第二亚电池的特征为带隙为0．9eV到1．3eV；和
形成叠加在所述第二亚电池上的至少两个额外的亚电池；
其中，所述光伏电池包含至少四个亚电池，且所述至少四个亚电池的每一个与其它亚电池的每一个基本晶格匹配。
20.根据权利要求19所述的方法，其包括：
在选白第三材料沉积室和第二材料室中的室中在衬底上形成选自缓冲层、接触层、蚀刻停止层、剥离层和其它半导体层中的一个或更多个层；和
将所述衬底转移到第一材料沉积室。
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