CN106463553A - 基于印刷的多结、多端光伏装置 - Google Patents
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Abstract
公开了多结光伏装置以及制作多结光伏装置的方法。多结光伏装置包括：具有第一界面表面的第一光伏p‑n结结构；具有第二界面表面的第二光伏p‑n结结构；以及设置在该第一界面表面和该第二界面表面之间的可选界面层；其中，光伏p‑n结结构和可选层设置为堆叠的多层几何结构。在一种实施例中，该可选界面层包括硫属化物介电层。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请要求对2014年1月16日提交的美国临时专利申请号61/928,364的权益，其以与本文一致的程度通过引用合并至本文。
联邦资助研究或开发的相关声明
不适用。
背景技术
为了增加电池效率，大型研究活动力求实现已知光伏(PV)电池的效率极限，并详细论述半导体p-n结的材料和几何结构。
在一个太阳照射下，单结(SJ)电池具有～33.4％的理论效率极限，这主要是由于对整个太阳光谱的低效使用。为了最优化SJ电池的效率，可以实施带光谱分裂可选元件的多个分离的SJ电池，以利用较多的太阳光谱，但在实践中，制造、对准和光照管理的复杂性阻碍了这种系统的使用。
将多个结(即，子电池)合并为单块堆叠体的装置(称为多结(MJ)电池)沿着正交于电池的接收表面的路径以光谱方式将日光分裂进入具有不同带隙的子电池。目前的MJ电池提供约44％的绝对效率，但进一步提高需要解决以下挑战：实现复杂堆叠体的晶格匹配生长或变质外延生长，以及维持来自串联子电池中每个电池的电流匹配输出，因为整体电流由子电池中最小的电流决定。
分开生长的SJ或MJ材料的机械堆叠展现出良好探索MJ装置的途径。该过程涉及物理晶片结合，随后通过例如蚀刻或抛光消除顶部和/或底部晶片。用于结合的一个选项使用直接、高温晶片熔合技术。然而，产生的导电界面保留了电流匹配的要求。维持该要求具有挑战性，这是因为，由于地球太阳光谱的变化，MJ装置中子电池的数目增加。
替选的结合方法使用具有双面、多层抗反射涂层和多端连接的较厚、绝缘有机粘合剂。此时，绝缘体的存在消除了电流匹配的要求，但产生的MJ电池遭受界面反射、较差的热流特性，以及在较高辐照度集中度下通常不利的热机械界面应力。因此，这些结合策略目前均未提供用于制造电池或可行的多堆叠操作的现实手段。
许多专利和出版物都公开了多结光伏装置，包括：美国专利申请公开号2014/0261628和2012/0115262，以及Lumb等人，“Development of InGaAs solar cells for>44％efficient transfer-printed multi-junctions”，Photovoltaic SpecialistConference，(2014)。
发明内容
本发明提供具有多p-n结和对应端的装置，包括用于将太阳能转换为电力的多结、多端光伏装置。在一些实施例中，多结、多端装置通过印刷(诸如干式接触转移印刷)以堆叠构造与单结(1J)装置或另一多结装置结合，以促进从电磁光谱吸收较宽范围的波长，从而提高整体装置效率。在一些实施例中，在子电池之间设置非有机绝缘材料(诸如空气或无机绝缘体)，以消除电池之间电流匹配的需要。当非有机绝缘材料为较好的热导体时，可以减少热机械界面应力，从而提高MJ电池相对于通过有机粘合剂粘接的电池的机械稳定性。
在一方面，多结光伏装置包括：第一光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；第二光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；以及设置在该第一界面表面和该第二界面表面之间的界面层，该界面层包括硫属化物介电层；其中，该第一光伏p-n结结构、界面层和第二光伏p-n结结构设置为堆叠的多层几何结构。在一种实施例中，多结光伏装置的特征在于，入射太阳辐射的转换效率大于或等于43％，或者大于或等于45％，或者大于或等于47％，或者大于或等于49％。
在一种实施例中，第一光伏p-n结结构和/或第二光伏p-n结结构的侧向尺寸各自分别小于或等于3000微米，或者小于或等于1500微米，或者小于或等于800微米。例如，第一光伏p-n结结构、第二光伏p-n结结构或者它们二者的侧向尺寸分别选自800微米至3000微米的范围，或者800微米至1500微米的范围，或者800微米至1000微米的范围。
第一界面表面和第二界面表面之间的界面层实现重要的物理性质、光学性质、热性质和/或电性质。例如，界面层可以包括：电绝缘层，其特征在于，电阻大于或等于100000Ωcm2；折射率匹配层，其特征在于，折射率在第一界面表面和第二界面表面处的折射率的30％以内；导热层，其特征在于，导热率大于或等于0.5W/m/K；可选透明层，其特征在于，对于具有波长选自800nm至1800nm的范围的光，透射率等于或大于90％；以及/或者静电稳定层，其特征在于，电击穿阈值电压等于或大于15V。
可以使用溶胶凝胶工艺、旋涂工艺、喷涂工艺或它们的组合设置在第一界面表面和第二界面表面之间的界面层通常具有选自下述范围的厚度：50nm至5微米，或100nm至2微米、200nm至1微米、400nm至1微米，或500nm至1微米。在一种实施例中，界面层包括硒化物、硫化物或碲化物成分。在一种实施例中，界面层为硒化物，诸如硒化物玻璃。在特别实施例中，界面层包括As2Se3。
在一种实施例中，第一光伏p-n结结构、第二光伏p-n结结构或者它们二者分别包括外延生长的多层结构。然而，第一光伏p-n结结构不外延生长在第二光伏p-n结结构的顶部，并且第二光伏p-n结结构不外延生长在第一光伏p-n结结构的顶部。
第一光伏p-n结结构和第二光伏p-n结结构各自可以具有选自下述范围的厚度：1微米至250微米，或2微米至200微米，或3微米至150微米，或4微米至100微米，或5微米至75微米，或10微米至50微米。
在一种实施例中，第一光伏p-n结结构包括1-4个p-n结，并且第二光伏p-n结结构包括1-3个p-n结，使得第一和第二光伏p-n结结构可以包括相同的p-n结数目或不包括相同的p-n结数目。在一种实施例中，第一光伏p-n结结构包括2个或更多个p-n结，可选地包括3个或更多个p-n结，并且第二光伏p-n结结构包括2个或更多个p-n结，可选地包括3个或更多个p-n结。
第一光伏p-n结结构和第二光伏p-n结结构可以包括具有不同p-n结数量、不同成分、不同堆叠结构、不同物理性质、光学性质、热性质或电性质、不同厚度和/或不同侧向尺寸的不同多结结构。例如，第一光伏p-n结结构可以具有与第二光伏p-n结结构不同的成分。例如，第一光伏p-n结结构可以具有选自由下述组成的组中的成分：InGaP/GaAs/InGaAsNSb；AlGaAs；InGaAlP以及这些的组合，并且第二光伏p-n结结构可以具有选自由下述组成的组中的成分：扩散结Ge电池；InGaAs；InGaAsP；AlGaInAs以及这些的组合。在另一示例中，第一光伏p-n结结构和第二光伏p-n结结构吸收不同波长的电磁辐射。在一种实施例中，第一光伏p-n结结构吸收具有选自300nm至1250nm范围的波长的电磁辐射，并且第二光伏p-n结结构吸收具有选自850nm至1800nm范围的波长的电磁辐射。
在一种实施例中，多结光伏装置还包括与第一光伏p-n结结构或第二光伏p-n结结构电接触的一个或多个额外电子部件。上述一个或多个额外电子部件可以选自由下述组成的组：电极、介电层或者这些的任意组合。
在一种实施例中，多结光伏装置还包括设置在第一界面表面或第二界面表面的凹陷区域中的一个或多个电触点。
在一种实施例中，多结光伏装置还包括与第一光伏p-n结结构或第二光伏p-n结结构光通信的一个或多个额外光学部件。上述一个或多个额外光学部件可以选自由下述组成的组：防反射涂层、集中器、滤光器、雷达干扰带或者这些的任意组合。
在一种实施例中，多结光伏装置还包括在第一界面表面或第二界面表面上的一个或多个抗反射涂层。
在一方面，用于制作多结光伏装置的方法包括下述步骤：设置第一光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；设置第二光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；在该第一界面表面和该第二界面表面之间设置界面层，该界面层包括硫属化物介电层；并使第一光伏p-n结结构的第一界面表面或设置在其上的界面层与第二光伏p-n结结构的第二界面表面或设置在其上的界面层接触，从而制作具有堆叠的多层几何结构的多结光伏装置。在一种实施例中，界面层处在第一光伏p-n结结构的第一界面表面上或第二光伏p-n结结构的第二界面表面上。
在一种实施例中，设置第一光伏p-n结结构的步骤包括：通过在母基底上的外延生长制造第一光伏p-n结结构，其中，第一光伏p-n结结构通过牺牲层连接至母基底；并且至少部分地移除牺牲层。
接触步骤可以通过选自由下述组成的组中的组装技术执行：干式转移印刷、溶液印刷、取放式组装和静电转移。在一种实施例中，接触步骤还包括：使第一光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的接触表面接触，其中，第一光伏p-n结结构附接至该接触表面；并使附接至该接触表面的第一光伏p-n结结构与第二光伏p-n结结构接触。
在一种实施例中，用于制作多结光伏装置的方法还包括，使第一光伏p-n结结构和共形转移装置分离，从而将第一光伏p-n结结构转移至第二光伏p-n结结构上。
在一种实施例中，用于制作多结光伏装置的方法还包括：移动具有附接至接触表面的第一光伏p-n结结构的共形转移装置，从而将第一光伏p-n结结构从母基底释放；其中，该释放包括将第一光伏p-n结结构连接至母晶片的一个或多个对准维持元件的破裂或脱离。在与共形转移装置的接触表面接触的过程中，可以将第一光伏p-n结结构设置在由上述一个或多个对准维持元件维持的选定方向上。
在一种实施例中，用于制作多结光伏装置的方法还包括：使第一组额外光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的接触表面接触，其中，该第一组额外光伏p-n结结构附接至该接触表面；并使附接至接触表面的额外光伏p-n结结构与第二组光伏p-n结结构接触；其中，并行执行第一组额外光伏p-n结结构的接触。
在一种实施例中，共形转移装置包括弹性印模。例如，共形转移装置可以具有选自0.2MPa至50MPa范围的杨氏模量和/或选自1×10-7Nm至1×10-5Nm范围的抗弯刚度。
在一方面，多结光伏装置包括：第一光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；第二光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；连接第一光伏p-n结结构的至少一部分与第二光伏p-n结结构的至少一部分的中间层；其中，第一光伏p-n结结构的第一界面表面的至少一部分与第二光伏p-n结结构的第二界面表面的至少一部分之间存在气隙，从而提供堆叠的多层装置几何结构。
在一方面，用于制作多结光伏装置的方法包括下述步骤：设置第一光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；设置第二光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；设置中间层，用以连接第一光伏p-n结结构的至少一部分与第二光伏p-n结结构的至少一部分；其中，第一光伏p-n结结构的第一界面表面的至少一部分与第二光伏p-n结结构的第二界面表面的至少一部分之间存在气隙，从而制作具有堆叠多层几何结构的多结光伏装置。
在一种实施例中，第一光伏p-n结结构和第二光伏p-n结结构中的至少一个分别包括多结结构，该多结结构具有2、3、4、5或6个光伏p-n结。
在一方面，用于制作多结光伏装置的方法包括下述步骤：设置第一光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；设置第二光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；其中，第一光伏p-n结结构和第二光伏p-n结结构中的至少一个分别包括多结结构；并且其中，第一光伏p-n结结构、第二光伏p-n结结构或者它们二者的侧向尺寸分别选自800微米至3000微米的范围；使第一光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的接触表面接触，其中，第一光伏p-n结结构附接至该接触表面；并使附接至该接触表面的第一光伏p-n结结构的第一界面表面或设置在第一光伏p-n结结构上的中间结构与第二光伏p-n结结构的第二界面表面或设置在第二光伏p-n结结构上的中间结构接触，从而制作具有堆叠多层几何结构的多结光伏装置。
在一种实施例中，接触的步骤包括：将第一光伏p-n结结构的第一网格指杆的第一中心线与第二光伏p-n结结构的第二网格指杆的第二中心线对准，其中，第一和第二中心线在各方面在彼此的2μm以内。顶部和底部子电池之间网格指杆的对准减少了距离太阳最远的子电池的遮蔽，并增加了装置效率。
可以执行本文公开的制作和使用多结光伏装置的方法，以产生或利用本文公开的多结光伏装置的所有实施例。
并不希望束缚于任何特别理论，本文可能存在与本文公开的装置和方法相关的意见的讨论或基本原则的理解。认为不论任何机械解释或假设的最终正确性如何，但是本发明的实施例可以实行并且有用。
附图说明
图1A，根据例示实施例的多结光伏装置的示意图。
图1B、图1C和图1D，根据例示实施例的制作多结光伏装置的方法的流程图。
图2，使用基于印刷的方法和As2Se3界面材料组装的四结四端微型太阳能电池的示意图和图像。(a)，源自外延生长和提离的InGaP/GaAs/InGaAsNSb的3J薄膜堆叠体的电池以及分离1J Ge电池在通过转移印刷进行组装前(左)和组装后(右)的示意图。Ge电池顶部上的As2Se3层(蓝色)和凹陷金属接触线确保界面卓越的光学性质、电性质和热性质。(b)和(c)，Ge电池在顶部印刷3J电池之前和之后的SEM图像(顶视图和放大倾斜图)。(d)，3J/Ge微型太阳能电池阵列的光学显微照片。该图像的底部示出了印刷过程的对准特征以及若干裸Ge电池。(d)，3J/Ge电池的SEM图像(截面图)，示出了对准的金属接触线和As2Se3层。插图，界面区域的高倍放大图像。
图3，与顶部3J电池和底部Ge电池分开进行端接的成套四结微型太阳能电池的图像以及关键性能参数。(a)，封装并金属化的3J/Ge电池的SEM图像(顶视图)。(b)，在1个太阳照射和1000个太阳照射下顶部3J电池的电流密度(J)-电压(V)曲线。(c)，相同条件下，底部Ge电池的J-V曲线。(d)，顶部3J电池随集中度变化的电池效率(η)、开路电压(Voc)和填充因数(FF)。(e)，底部Ge电池随集中度变化的η、Voc和FF。假设测得的电流密度(Jsc)与辐照度成线性比例关系。将呈现的Jsc值正规化为1000W/m2的辐照度。(f)，随集中度变化的总效率。(g)，3J/Ge电池的EQE和反射光谱的测量结果的示意图。
图4，用不同界面通过印刷组装的微型四结结构的示意图以及它们的电性质、光学性质和热性质的比较。(a)，具有不同界面(300nm As2Se3、10μm有机粘合剂(NOA)和直接结合)的堆叠3J/Ge电池的示意图。(b)，顶部3J电池的底部触点与底部Ge电池的顶部触点之间测得的随施加电压变化的泄漏电流。(c)，根据Ge电池测得的EQE光谱。(d)，测得红外反射光谱，以及(e)，模拟红外反射光谱。(f)，与结构的辐照相关联的测得温度分布，以及(g)，用激光束模拟的与结构的辐照相关联的温度分布(中心波长488nm，0.15W)。映像大小：650μm x650μm。
图5，具有聚焦光学器件的完整四结微型太阳能电池的图像和性能。(a)，阴阳格堆叠的电池(左)和具有二次球透镜的电池(右)的光学图像。(b)，具有二次球透镜和一次透镜的模块中的电池的侧视图(左)和顶视图(右)。(c)，完全整合的模块的射线跟踪分析。(d)，在AM1.5D光谱(功率1000W/m2)的入射下计算得出的辐照度分布。(e)，在太阳下测得的模块的电流(I)-电压(V)曲线。空气质量条件为1.8。(f)，具有10个互连电池的电压匹配阵列的理论预测I-V曲线。(g)，具有3个互连电池的电流匹配阵列的理论预测I-V曲线。插图示出了电路图。
图6，用可释放AlInP牺牲层在GaAs基底上制造3J电池的流程图。
图7，制造Ge电池的流程图。
图8，通过转移印刷制造3J/Ge电池的流程图。
图9，将组装的3J/Ge电池封装在用于接触垫的环氧树脂和金属沉积物中的示意图。
图10：(a)裸Ge电池、(b)组装的3J/Ge电池和(c)具有金属接触垫的封装3J/Ge电池的示意图和SEM图像。
图11：(a)，制造PDMS印模的流程图。(b)，具有10x 10柱阵列的PDMS印模的光学图像。(c)，PDMS印模的SEM图像，包括柱和背层。
图12：(a)，使用转移印刷制造组装3J/Ge电池的流程图，(b)，具有3J电池、裸Ge电池和印刷3J/Ge电池的PDMS印模的SEM图像(侧视图)。3J电池的图像是彩色的。插图示出了电池结构的放大视图。印刷方法的参考：Carlson,A.等人，Shearenhanced adhesivelesstransfer printing for use in deterministic materialsassembly.Appl.Phys.Lett.98,264104(2011)。
图13，用于组装3J/Ge太阳能电池的印刷机的照片。并行、晶片规模转移印刷工艺的参考：Justice,J.等人，Wafer-scale integration of group III-V lasers onsilicon using transfer printing of epitaxial layers.Nature Photonics 6,610-614(2012)。
图14，具有As2Se3界面的两个组装3J/Ge电池的彩色红外光学图像。不同颜色表示发射率的不同。(a)，具有完全结合的表面的电池；(b)，在印刷过程中因界面上不需要的颗粒而呈现气穴的电池。
图15，具有As2Se3界面的组装3J/Ge电池的彩色红外光学图像，(a)热循环前，(b)热循环后。不同颜色表示辐射率的不同。通过快速加热(110℃下在热板上持续1min)和冷却(20℃下在冷板上持续1min)10个循环执行热循环。没有观察到界面和性能退化。
图16，As2Se3溶入乙二胺溶液(0.2g/mL)的瓶子的光学图像。
图17：(a)，3J电池的背表面的AFM图像。测得RMS粗糙度0.12nm。(b)，涂覆在Ge电池上的300nm As2Se3膜的AFM图像。测得RMS粗糙度1.0nm。
图18，涂覆在1mm厚玻璃上的807nm厚As2Se3膜的测得透射光谱。900nm至2000nm的As2Se3的测得折射率为2.67。计算基于下述方法：Swanepoel,R.Determination of thethickness and optical constants of amorphous silicon.J.Phys.E:Sci.Instrum.16,1214-1222(1983)。
图19，As2Se3膜的差示扫描量热(DSC)曲线，示出了玻璃化温度Tg＝150℃，结晶温度Tc＝250℃，以及熔化温度Tm＝370℃。
图20，两侧具有金触点的300nm As2Se3膜从-100V至+100V测得的电流-电压曲线。测得电阻率为1013～1014Ω*cm。
图21，文献中报道的薄膜As2Se3的性质。
图22，涂覆在1mm厚玻璃上的10μm厚InterVia 8023-10膜的透射光谱。材料在500nm以上是透明的，并具有1.56的折射率。
图23，Norland Products Inc.公司的NOA 61的透射光谱。访问www.norlandprod.com/adhesives/noa％2061.html可查看更多信息。
图24：(a)，涂覆在GaAs上的三层ARC的模拟反射光谱。(b)，模拟中使用的层结构。
图25：(a)，具有不同界面的组装3J/Ge电池的测得和模拟反射光谱(还在图4d和图4f中示出)。(b)，模拟中使用的层结构。模拟模型中使用10μm厚的GaAs层代替实际的3J电池结构。注意，假设由于厚度不均匀，10μm厚的NOA层生成了不相干干涉。使用了转移矩阵方法。参考：Troparevsky,M.C.Transfer-matrix formalism for the calculation ofoptical response in multilayer systems:from coherent to incoherentinterference.Opt.Express 18,24715-24721(2010)。可以在Palik,E.Handbook ofoptical constants of solids(Academic Press，1998)中查找到关于不同材料的光学性质的详细内容。
图26：(a)，具有和没有10nm粘合层(InterVia 8023-10)的3J/Ge电池(将300nmAs2Se3用作界面)的模拟反射光谱，示出了类似的反射特性曲线。(b)，模拟中使用的层结构。
图27：(a)，随界面上As2Se3厚度变化的堆叠3J/Ge电池的模拟反射率(平均在1300nm至1700nm之间)。结果表明，界面反射略微取决于As2Se3厚度。(b)，模拟中使用的层结构。
图28：(a)，具有不同界面的3J/Ge电池的模拟反射光谱，假设空气和电池之间施加完美ARC。(b)，模拟中使用的层结构。
图29A，当Ge电池处于Isc、Voc或最大功率时，集中度下(～1000个太阳)3J电池的测得电流-电压曲线。
图29B，当3J电池处于Isc、Voc或最大功率时，集中度下(～1000个太阳)Ge电池的测得电流-电压曲线。图29A和图29B中的结果表明，堆叠体中3J电池和Ge电池分别工作，没有光学和电子耦合。
图30，对于具有不同界面的电池而言，用于3J电池的底部p-触点和用于Ge电池的顶部n-触点之间的测得电流-电压曲线(还在图4b中示出)。测得As2Se3和NOA的电阻率分别为～1010Ω*cm和～1011Ω*cm.
图31：(a)，用于激光加热下的温度测量的实验设置。(b)，通过有限元分析(FEA)进行的热模拟中使用的层结构和材料性质。图4f和图4g中分别示出了实验和模拟结果。指定了85000W/K/m2的界面热传导率(非常好的热接触)，用以模拟Ge基底和基于不锈钢的光学平台之间的接触界面。
图32，(a)300nm As2Se3的情况、(b)10μm NOA的情况、(c)直接结合的情况下，3J电池及其相邻界面层之间的界面在激光加热下的Tresca应力的模拟FEA结果。比例尺所示单位为Pa。
图33：(a)具有聚焦光学器件的组装3J/Ge电池模块(图5a和图5b)的I-V曲线。在对应于当天不同时间的空气质量条件范围下收集了一对曲线，一条用于3J电池，另一条用于Ge电池。(b)太阳下测得的总效率(3J+Ge)和空气质量与同时测得的太阳直射辐照度(DNI)对比：效率＝P最大/(DNI*孔径面积)。
图34，用于计算模块内电池加热的太阳下模块光-IV数据和调整。(a)，用于确定在25℃的电池温度下的模块性能的方法。(b)，根据通过(a)的方法获得的太阳下模块测量结果和调整曲线得出的原始光-IV数据。(c)，根据原始太阳下模块测量结果和室内测量结果制成的Voc数据表。测量时的空气质量为1.8，DNI为914W/m2，空气温度为14℃。对于室内测量，选择4束激光激励每个子电池。将激光调节至匹配3个上部子电池中每个电池的电流，并大致产生Ge电池中一半的电流。使用相同的激光设置，改变电池下夹头的温度，确定3J电池的dVoc/dT值。估计Ge电池的dVoc/dT为3J的dVoc/dT值的三分之一。
图35，在标准AM1.5D一个太阳照射下测得的10个裸Ge电池(无堆叠体，无ARC)的Isc、Voc、FF和功率的统计变化。
图36，在集中照射(功率等于～400个太阳)下测得的陶瓷基底上释放的约4000个3J电池的Isc、Voc、FF和功率的统计变化。
图37，具有10个3J/Ge电池的模块阵列的设计电压匹配互连方案和对应电路图。
图38，具有3个3J/Ge电池的模块阵列的设计电流匹配互连方案和对应电路图。
图39，包括测得电池变化结果(图35和图36)的理论预测模块性能，假设测得电流和电压均具有约1％的标准偏差。(a)，电压匹配设计。(b)，电流匹配设计。
图40，具有a)高折射率界面和b)低折射率界面的MJ太阳能电池中不同光子动态的示意图。
图41：a)，具有不同界面材料的基底上GaAs DH层的示意图。b)，测得PL强度衰减。c)，PL衰减寿命τ和界面折射率n之间的关系图。与理论一致，1/τ与成线性比例关系。
图42：a)，具有不同界面材料的基底上GaAs微型太阳能电池的示意图。b)，具有欧姆接触的GaAs电池(0.7mm×0.7mm)的光学显微图像(顶视图)。c)，GaAs电池的截面装置布局。d)，印在成格局的SU-8上的GaAs电池的SEM图像(倾斜视图)，其间存在25μm的气隙。e)，AM1.5g照射下GaAs电池的测得电流-电压特性。
图43：a)，在不同内部发光效率ηint下，具有不同折射率的基底上理想GaAs电池的算得Voc行为。b)，不同基底(空气、SU-8和GaAs)上微GaAs电池的测得Voc。c)，不同基底(空气、SU-8和GaAs)上微GaAs电池的测得Isc。
图44：a)，不同基底上电池的前表面上达到的模拟和测得最高温度，随吸收的激光功率变化。b)，电池表面上的测得和模拟温度分布，其中吸收激光功率为0.13W。映像大小：0.7mm×0.7mm。c)，电池/气隙界面处的模拟光反射率和电池与气隙界面的最高温度，其中吸收激光功率为0.13W，该最高温度随气隙厚度变化。插图：印在具有500nm厚气隙的Si上的GaAs电池的测得温度分布。
图45：a)，在所有半导体/空气界面处具有气隙界面和ARC的MJ电池结构的示意图。b)，印在具有通过成格局的SU-8柱形成的气隙界面的Ge基底上的Si薄膜(大小0.7mm×0.7mm，10μm厚)的SEM图像(倾斜视图)，作为理念论证的证明。c)，具有和不具有由150nmALD HfO2制成的ARC的Si/气隙/Ge堆叠结构的测得反射光谱，以及d)，具有和不具有由150nm ALD HfO2制成的ARC的Si/气隙/Ge堆叠结构的模拟反射光谱。
具体实施方式
一般而言，本文所用术语和词组具有其领域认可含义，可以参考本领域技术人员已知的标准文本、杂志参考和语境查找到这些含义。提供下列定义用以阐明它们在本发明的上下文中的具体使用。
“P-N”结指p掺杂材料和n掺杂材料之间的直接边界或直接界面。可以通过单一晶体材料内的掺杂区域或者通过彼此接触的外延生长的掺杂材料形成p-n结。p-n结包括至少一个p掺杂区域/材料和至少一个n掺杂区域/材料。在一些实施例中，p-n结包括多个p掺杂区域/材料、多个n掺杂区域/材料或者多个p掺杂和n掺杂区域/材料。
“隧道结”指连续p-n结之间的绝缘层。
“光伏p-n结结构”指包括一个或多个p-n结并配置成将电磁能转换为电力的结构。在一种实施例中，光伏p-n结结构为包括多个p-n结(例如，2、3、4或多个p-n结)的多结结构。在一种实施例中，配置成将电磁能转换为电力的光伏p-n结结构吸收紫外线中的能量和/或电磁波谱中的可见部分。
“模块”指包括至少一个p-n结的装置，该装置与同样包括至少一个p-n结的至少一个额外装置物理通信、热通信、光学通信和/或电通信。例如，各自包括一个或多个p-n结的多个光伏装置或PV电池可以配置成太阳能电池模块或太阳能电池板。
“阵列”指彼此物理通信、热通信、光学通信和/或电通信的多个模块。例如，多个太阳能电池模块或电池板可以配置成太阳能电池矩阵。
“硫属化物(Chalcogenide)”指包括选自由氧、硫、硒和碲组成的组中至少一个元素的化合物。“非氧化硫属化物”或“硫属化物玻璃”指包括选自由硫、硒和碲组成的组中至少一个元素的化合物。“非硫化硫属化物”指包括选自由氧、硒和碲组成的组中至少一个元素的化合物。“非硒化硫属化物”指包括选自由氧、硫和碲组成的组中至少一个元素的化合物。“非碲化硫属化物”指包括选自由氧、硫和硒组成的组中至少一个元素的化合物。这些化合物的任何一种均可以为二元、三元或四元化合物。
在一种实施例中，硫属化物具有分子式XNYZ(FX1)，其中，X为金属，Y为选自由硫、硒和碲组成的组中的元素，N为选自1至3的范围的整数，而Z为选自1至4的范围的整数。在一种实施例中，硫属化物具有分子式XNYZ(FX1)，其中，X为砷，Y为选自由硫、硒和碲组成的组中的元素，N为选自1至3的范围的整数，而Z为选自1至4的范围的整数。在一种实施例中，硫属化物具有分子式XNYZ(FX1)，其中，X为金属，Y为硒，N为选自1至3的范围的整数，而Z为选自1至4的范围的整数。在一种实施例中，硫属化物具有分子式XNYZ(FX1)，其中，X为砷，Y为硒，N为选自1至3的范围的整数，而Z为选自1至4的范围的整数。
“可转移的”或“可印刷的”可交换使用，涉及能够转移、组装、形成格局、组织和/或整合至或入基底的材料、结构和/或装置部件。在一种实施例中，转移或印刷指将结构或元件直接从一个基底转移至另一个基底。替选地，可转移指通过中间基底印刷的结构或元件，中间基底诸如将结构或元件提离然后将结构或元件转移至装置基底或装置基底上的部件的印模。在一种实施例中，不需要将基底暴露于高温下(即，在低于或等于约400摄氏度的温度下)就可发生印刷。在一个示例中，可印刷或可转移材料、元件、装置部件和装置能够通过溶液印刷或干式转移接触印刷转移、组装、形成格局、组织和/或整合至或入基底。类似地，“印刷”广泛用于指转移、组装、形成格局、组织和/或整合至或入基底，诸如用作印模的基底或本身为目标(例如装置)基底的基底。这种直接转移印刷使多层结构的功能性顶层以低成本且相对较简单地重复转移至装置基底。这实现将覆盖层从例如生长基底转移至目标基底，无需分离印模基底。
“基底”指具有能够支撑部件的表面的材料，包括装置、部件或互连体。“主基底”和“处理基底”可交换地指在其上组装、加工或以其他方式操纵装置的基底。在某些实施例中，处理基底为用作临时基底的基底，例如用于支撑结构便于随后转移至另一基底，诸如通过转移印刷。在一些实施例中，支撑基底用作处理基底，其中，处理基底上存在的结构经历额外的加工步骤。“生长基底”指用于生长材料(例如通过外延生长)的基底。在实施例中，生长基底包括生长的该材料。在实施例中，生长基底包括与生长的材料不同的材料。有用的生长基底包括与生长的材料晶格匹配或有效晶格匹配的基底。在一些实施例中，生长基底为主基底。“装置基底”指用于组装装置部件的基底。在一些实施例中，装置基底包括功能性装置部件。在一些实施例中，装置基底为柔性基底、大面积基底、预金属化基底、用一个或多个装置部件预先形成格局的基底或者这些的任意组合。在一些实施例中，装置基底为主基底。
本文所用术语“表面”意在与其一般含义一致，指物体的外边界。在实施例中，可以赋予表面具体名称，诸如“接收表面”、“接触表面”、“外部表面”。在一些实施例中，命名的表面可以指它们的目标用途和/或明确表面的子区域。在一些实施例中，命名的表面可以指它们的方向，例如相对于其他附近或相邻的部件。
“释放层”(有时称为“牺牲层”)指至少部分地将一个或多个功能层分离的层。释放层能够被移除或提供其他用于帮助将多层结构的功能层从其它层分离的手段，诸如，通过响应例如物理、热、化学和/或电磁刺激进行物理分离的释放层。相应地，实际释放层成分选择为最匹配提供分离的手段。用于分离的手段为通过本领域已知的任何一种或多种分离手段，诸如通过界面失效或通过释放层牺牲。释放层本身可以保持与功能层连接，功能层诸如保持附接至多层结构的剩余部分的功能层，或与多层结构的剩余部分分离的功能层。释放层可选地随后从功能层分离和/或移除。
“释放(Release)”和“释放(releasing)”指使两个层、装置或装置部件至少部分地与彼此分离，例如通过机械或物理分离，或通过将一个层、装置或装置部件的至少一部分移除。在一些实施例中，移除牺牲层造成层、装置或装置部件的释放。在一些实施例中，通过蚀刻掉层、装置或装置部件的一部分释放层、装置或装置部件。在某些实施例中，释放的部件通过一个或多个锚状物保持附接至它们被释放的物体。在一些实施例中，释放的部件随后通过一个或多个锚状物附接至它们被释放的物体。
“蚀刻(Etch)”和“蚀刻(etching)”指层、装置或装置部件被反应掉、溶解或以其他方式移除的过程。在实施例中，各向异性蚀刻或定向蚀刻指优先沿特定方向移除材料的蚀刻过程。在实施例中，湿法蚀刻指通过将材料暴露于溶液进行移除。在实施例中，选择性蚀刻指移除特定材料或特定种类的材料。在实施例中，活性离子蚀刻或电感耦合等离子体活性离子蚀刻指利用等离子体蚀刻掉材料的蚀刻方法，例如通过与等离子体中的离子反应。本说明书中所用术语“蚀刻剂”用于广泛地指用于通过蚀刻移除材料的物质。术语“电化学蚀刻”指利用施加的电势、电场或电流的蚀刻过程。术语“光电化学蚀刻”指利用施加的电势、电场或电流并暴露于电磁辐射的蚀刻过程。
“蚀刻掩模”指用于防止下层材料被蚀刻的材料。在一些实施例中，厚蚀刻掩模指厚度足以在蚀刻过程后保留大部分掩模的蚀刻掩模。在实施例中，厚蚀刻掩模具有选自100nm至5μm的范围的厚度。在一些实施例中，金属蚀刻掩模指蚀刻块层。
术语“掩模”指覆盖或以其他方式阻挡下层材料的部分的材料。术语“掩模”的使用意在与微型品制造领域中术语的使用一致。在实施例中，术语“掩模”指蚀刻掩模、光学掩模、沉积掩模或者这些的任意组合。
术语“掩模区域”或“暴露区域”分别指被掩模阻挡和未被掩模阻挡的下层材料的部分。
“外延再生长”和“外延生长”指通过材料的沉积(例如气相或液相沉积)生长晶体层的方法。术语“外延层”指通过外延生长而生长的层。
本文所用术语“形成格局”在微型品制造领域中用于广泛地指选择性地移除或沉积层、装置或装置部件的部分以创建特定结构的过程。
“由基底支撑”指至少部分地存在于基底表面上或至少部分地存在于位于结构和基底表面之间的一个或多个中间结构上的结构。术语“由基底支撑”还可以指部分地或全部地嵌入基底的结构。
“接触印刷”广泛地指干式转移接触印刷法，诸如利用帮助将特征从印模表面转移至基底表面的印模。在一种实施例中，印模为弹性印模。替选地，可以直接转移至目标(例如装置)基底或主基底。以下参考文献涉及可以用于本发明的方法的自组装技术，用以通过接触印刷和/或溶液印刷技术转移、组装或互连可转移元件，这些参考文献的全部内容通过参考合并至本文。(1)"Guided molecular self-assembly:a review of recent efforts",Jiyun C Huie Smart Mater.Struct.(2003)12,264-271；(2)"Large-Scale HierarchicalOrganization of Nanowire Arrays for Integrated Nanosystems",Whang,D.；Jin,S.；Wu,Y.；Lieber,C.M.Nano Lett.(2003)3(9),1255-1259；(3)"Directed Assembly of One-Dimensional Nanostructures into Functional Networks",Yu Huang,Xiangfeng Duan,Qingqiao Wei,and Charles M.Lieber,Science(2001)291,630-633；(4)"Electric-fieldassisted assembly and alignment of metallic nanowires”,Peter A.Smith et al.,Appl.Phys.Lett.(2000)77(9),1399-1401。
用于组装、组织和/或整合可转移元件的由于接触印刷法包括：干式转移接触印刷、微接触或纳米接触印刷、微转移或纳米转移印刷和自组装辅助印刷。接触印刷的使用是有益的，因为其允许将多个可转移元件组装和整合在相对于彼此的选定方向和位置上。接触印刷还实现不同种类的材料和结构的有效转移、组装和整合，包括半导体(例如，无机半导体、单晶体半导体、有机半导体、碳纳米材料等)、电介质和导体。接触印刷法可选地提供可转移元件在相对于预先在装置基底上形成格局的一个或多个装置部件的预选定位置和空间方向上的高精度套准转移和组装。接触印刷还与宽范围的基底类型兼容，包括：常规的刚性或半刚性基底，诸如玻璃、陶瓷和金属；以及具有吸引特定应用的物理和机械性质的基底，诸如，柔性基底、可弯曲基底、可成形基底、整合基底和/或可伸缩基底。可转移结构的接触印刷组装可与例如低温工艺(例如低于或等于298K)兼容。该属性允许使用许多基底材料实施本光学系统，包括那些在高温下分解或降解的基底材料，诸如聚合物和塑料基底。装置元件的接触印刷转移、组装和整合也是有益的，因为其可以通过低成本、高通量的印刷技术和系统实施，诸如卷到卷印刷以及柔性版印刷法和系统。
“功能层”指赋予装置以某种功能的包含装置的层。例如，功能层可以是薄膜，诸如半导体层。替选地，功能层可以包括多个层，诸如由支撑层隔开的多个半导体层。功能层可以包括多个成格局的元件，诸如在装置接收垫或岛之间延伸的互连件。
“多层”指成堆叠构造的多个功能层。
“半导体”指在非常低的温度下为绝缘体，但其在约300开氏度的温度下具有相当可观的导电率的任何材料。在本说明书中，术语半导体的使用意在与该术语在微电子学及电气装置领域中的使用一致。有用的半导体包括：元素半导体，诸如硅、锗和金刚石；以及化合物半导体，诸如：IV族化合物半导体，诸如SiC和SiGe，III-V族半导体，诸如AlSb、AlAs、AIn、AlP、BN、GaSb、GaAs、GaN、GaP、InSb、InAs、InN和InP，III-V族三元半导体合金，诸如AlxGa1-xAs，II-VI族半导体，诸如CsSe、CdS、CdTe、ZnO，ZnSe、ZnS和ZnTe，I-VII族半导体CuCl，IV–VI族半导体，诸如PbS、PbTe和SnS；层半导体，诸如PbI2、MoS2和GaSe；氧化物半导体，诸如CuO和Cu2O。术语半导体包括本征半导体和掺杂了一种或多种选定材料的非本征半导体，包括具有p型掺杂材料的半导体(也称为掺磷或p掺杂半导体)以及具有n型掺杂材料的半导体(也称为掺氮或n掺杂半导体)，以提供用于给定应用或装置的有益电性质。术语半导体包括具有半导体和/或掺杂物的混合物的复合材料。有用的具体半导体材料包括但不限于：Si、Ge、SiC、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、GaSb、InSb、ZnO、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、ZnSe、ZnTe、CdTe、HgS、PbS、PbSe、PbTe、AlGaAs、AlInAs、AlInP、GaAsP、GaInAs、GaInP、AlGaAsSb、AlGaInP和GaInAsP。半导体材料的杂质为除了半导体材料本身或提供给该半导体材料的任何掺杂物以外的原子、元素、离子和/或分子。杂质是半导体材料中存在的不理想材料，它们可以对半导体材料的电性质造成负面影响，并且包括但不限于：氧、碳和包括重金属的金属。重金属杂质包括但不限于：周期表上铜和铅之间的元素族、钙、钠和所有离子、化合物和/或它们的络合物。
“半导体部件”广泛地指任何半导体材料、成分或结构，并明确地包括高质量单晶和多晶半导体、通过高温工艺制造的半导体材料、掺杂半导体材料、无机半导体和复合半导体材料。
“塑料”指任何合成材料或天然出现的材料或者通常在被加热时可以塑形或成形并硬化成理想形状的材料的组合。有用的塑料包括但不限于：聚合物、树脂和纤维素衍生物。在本说明书中，术语塑料意在包括由具有一种或多种添加剂(诸如结构增强剂、填充剂、纤维、塑化剂、稳定剂或可以提供理想化学或物理性质的添加剂)的一种或多种塑料组成的复合塑性材料。
“预聚物”指为聚合物前驱体的材料和/或在被固化时为聚合物的材料。“液态预聚物”指呈现一种或多种液体性质(例如流动性)的预聚物。具体的预聚物包括但不限于：可光固化的聚合物、可热固化的聚合物和可光固化的聚氨酯。
“固化”指转化材料使得被转化的材料呈现不同于原始的未转化材料的一种或多种性质的工艺。在一些实施例中，固化工艺允许材料变为固体或刚性体。在一种实施例中，固化将预聚物材料转化为聚合物材料。有用的固化工艺包括但不限于：暴露于电磁辐射(光固化工艺)，例如暴露于具有特定波长或波长范围的电磁辐射(例如紫外线或红外线电磁辐射)；热固化工艺，例如加热至特定温度或特定温度范围以内(例如150℃或125℃和175℃之间)；暂时固化工艺，例如等待规定时间或时间段(例如5分钟或10小时至20小时之间)；干燥工艺，例如移除所有或一定百分比的水或其他溶剂分子；以及这些的任意组合。例如，用于固化银环氧树脂的一个实施例包括将银环氧树脂加热至150℃并持续5分钟。
“聚合物”指包括多个重复化学基团的分子，通常指单体。聚合物通常以高分子量为特征。有用的聚合物包括有机聚合物和无机聚合物，它们二者均为非晶态、半非晶态、晶态或部分晶态。聚合物可以包括具有相同化学成分的单体或者可以包括具有不同化学成分的多个单体，诸如共聚物。具有交联单体链的交联聚合物对一些实施例也是有用的。有用的聚合物包括但不限于：塑料、弹性体、热塑性弹性体、弹性塑料、恒温器、热塑性塑料和丙烯酸酯。例示的聚合物包括但不限于：缩醛缩聚物、生物可降解聚合物、纤维素类聚合物、含氟聚合物、尼龙、聚丙烯腈聚合物、聚酰胺-酰亚胺聚合物、聚酰亚胺、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚乙烯共聚物和改性聚乙烯、聚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚苯醚和聚苯硫醚、聚邻苯二甲酰胺、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯类树脂、砜基树脂、乙烯基树脂或者这些的任意组合。
“弹性印模”和“弹性转移装置”可交换使用，指具有能够接收以及转移材料的表面的弹性材料。用于本发明的一些方法的例示共形转移装置包括弹性转移装置，诸如弹性印模、模具和掩模。转移装置影响和/或帮助将材料从供体材料转移至接收体材料。在一种实施例中，本发明的方法在微转移印刷工艺中使用例如共形转移装置(诸如弹性转移装置(例如，弹性印模))，用以将一个或多个结构从制造基底转移至装置基底。
“弹性体”指可以拉伸或变形并恢复其原始形状而没有实质永久变形的聚合材料。弹性体通常经受实质弹性变形。有用的弹性体可以包括：聚合物、共聚物、复合材料或聚合物和共聚物的混合物。弹性层指包括至少一个弹性体的层。弹性层还可以包括掺杂物和其他非弹性材料。有用的弹性体实施例包括但不限于：热塑性弹性体、苯乙烯类材料、烯类材料、聚烯烃、聚氨酯型热塑性弹性体、聚酰胺、合成橡胶、PDMS、聚丁二烯、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁烯和硅胶。
“转移装置”或“转移基底”指能够/和或构造用于接收和/或重新安置元件或元件阵列(诸如可印刷元件)的基底、装置或装置部件。有用的转移装置包括共形转移装置，诸如具有能够与经受转移的元件建立共形接触的一个或多个接触表面的装置。弹性印模和/或转移装置用于本文所述的多种方法和装置。有用的弹性转移装置包括但不限于：弹性印模、复合弹性印模、弹性层、多个弹性层和耦合至基底(诸如玻璃、陶瓷、金属或聚合物基底)的弹性层。
“目标基底”用于广泛地指支撑被转移结构的理想最终基底。在一种实施例中，目标基底为装置基底。在一种实施例中，目标基底为自身由基底支撑的装置部件或元件。
“电触点”和“电通信”指使得电流有效地从一个物体流向另一个物体的一个或多个物体的布置。例如，在一些实施例中，其间具有小于100Ω的电阻的两个物体被视为与彼此电通信。电触点还可以指用于与外部装置或电路建立电通信(例如电互连)的装置的部件或物体。
“电阻率”指阻止电子流过材料的材料特性的性质。在某些实施例中，材料的电阻率(ρ)与具有特定截面积(A)的材料的长度(L)的电阻(R)相关，例如，ρ＝R×A/L。
“电互连”和“电互连件”指用于在两个或多个装置部件之间提供电通信的电装置的部件。在一些实施例中，电连接件用于在彼此空间隔开(例如空间隔开大于50nm的距离，对于一些应用而言，大于100nm，对于其他应用而言，大于1μm，对于另外的应用而言，大于50μm)的两个装置部件之间提供电通信。“电极触点”指电互连件附接至其上或为其提供电通信的电子装置的部件或装置部件。
“嵌入”指将一个物体或装置的工艺埋藏、共形地围绕或以其他方式放置或安置在另一物体、层或材料之内或之下的工艺。
“封装”指一个结构的定向，使得结构至少部分地以及在一些情况下完全地被一个或多个其他结构(诸如基底、粘合层或封装层)围绕。“部分地封装”指一个结构的定向，使得结构部分地被一个或多个其他结构围绕，例如，其中该结构的外部表面的30％或可选地50％或可选地90％被一个或多个结构围绕。“完全封装”指指一个结构的定向，使得结构完全被一个或多个其他结构围绕。一些实施例考虑具有部分或完全封装的装置、装置部件和/或电极的装置。
“起伏特征”指物体或层在该物体或层的给定区域或部分的表面的较高部分和较低部分之间呈现出高度和坡度差异的部分。“凸起特征”指延伸至物体或层的表面或平均表面水平上方的起伏特征，或者具有比物体或层的表面的其他部分高的高度的起伏特征。“凹陷特征”指延伸至物体或层的表面或平均表面水平下方的起伏特征，或者具有比物体或层的表面的其他部分低的高度的起伏特征。
“共形”指装置、材料或基底具有足够低的抗弯刚度，以允许该装置、材料或基底采用任何理想轮廓，例如允许与具有起伏特征格局的表面共形接触的轮廓。
“共形接触”指表面、涂覆表面和/或其上沉积有材料的表面之间建立的接触，这种接触可以用于将结构(诸如可印刷元件)转移、组装、组织和整合至基底表面。在一方面，共形接触包括使共形转移装置的一个或多个接触表面宏观适应基底表面或物体(诸如可印刷元件)的表面的整体形状。在另一方面，共形接触包括使共形转移装置的一个或多个接触表面微观适应基底表面，导致紧密接触而没有空隙。术语共形接触意在与该术语在软光刻领域中的使用一致。可以在共形转移装置的一个或多个裸接触表面与基底表面之间建立共形接触。替选地，可以在一个或多个涂覆接触表面(例如共形转移装置的具有沉积在其上的转移材料、可印刷元件、装置部件和/或装置的接触表面)与基底表面之间建立共形接触。替选地，可以在共形转移装置的一个或多个裸接触表面或涂覆接触表面与涂覆有材料(诸如转移材料、固体光刻胶层、预聚物层、液体、薄膜或流体)的基底表面之间建立共形接触。
“粘结”和“结合”指一个物体附接至另一物体。粘结和结合还可以指一个物体保留在另一物体上。在一个示例中，可以通过在物体之间建立力而使物体粘结至另一物体。在一些实施例中，通过使用粘附层使物体粘结至另一物体。在一个实施例中，粘附层指用于在两个物体之间建立结合力的层。
“放置准确度”指转移方法或装置将可印刷元件转移至相对于其他装置部件(诸如电极)的位置的选定位置或者相对于接收表面的选定区域的选定位置的能力。“良好放置准确度”指方法和装置能够将可印刷元件转移至相对于另一装置或装置部件的选定位置或者相对于接收表面的选定区域的选定位置，其中，从绝对正确位置的空间偏离小于或等于50微米，更优选地对于一些应用而言小于或等于20微米，甚至更优选地对于一些应用而言小于或等于5微米。本文所述方法和装置包括那些包括以良好放置准确度转移的至少一个可印刷元件的方法和装置。
“保真度”指转移选定格局的元件(诸如印刷元件格局)用以接收基底的表面的良好程度。良好保真度指选定格局的元件的转移，其中，在转移过程中保留各个元件的相对位置和方向，例如其中，各个元件与其在选定格局中的位置的空间偏离小于或等于500纳米，更优选地小于或等于100纳米。
“底切”指一种结构构造，其中，元件(诸如可印刷元件)的底部表面至少部分地与另一结构脱离或未固定于该另一结构(诸如母晶片或散状材料)。完全底切指一种结构构造，其中，元件(诸如可印刷元件)的底部表面完全与另一结构(诸如母晶片或散状材料)脱离。底切结构可以为部分或完全独立的结构。底切结构可以部分或全部由其脱离的另一结构(诸如母晶片或散状材料)支撑。底切结构可以在除了底部表面以外的其他表面附接、贴附和/或连接至另一结构，诸如晶片或其他散状材料。
“锚状物”指用于将一个装置或装置部件连接或拴接至另一装置或装置部件的结构。“锚固”指造成一个装置或装置部件与另一装置或装置部件连接或拴接的工艺。
“电介质”和“介电材料”在本说明书中同义使用，指高度阻抗电流的物质。有用的介电材料包括但不限于：SiO2、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Y2O3、Si3N4、STO、BST、PLZT、PMN和PZT。
“导电材料”指具有通常为金属(例如铜、银或铝)的电阻率或与其相等的电阻率的物质或化合物。在实施例中，导电材料的电阻率选自1×10-10至1×10-2Ω·cm的范围。在本说明书中，术语导电材料的使用意在与该术语在电子装置和电路领域中的使用一致。在实施例中，导电材料用作电互连和/或用于在两个装置之间提供电通信。
术语“直接地和间接地”描述一个部件相对于另一部件的动作或物理位置。例如，“直接地”作用于或触及另一部件的部件无需媒介的介入就作用于或触及另一部件。反之，“间接地”作用于或触及另一部件的部件通过媒介(例如第三部件)作用于或触及另一部件。
“杨氏模量”指材料、装置或层的机械性质，机械性质指给定物质的应力与应变的比。杨氏模量可以通过下述表达式提供；
其中，E为杨氏模量，L0为平衡长度，ΔL为在施加应力下的长度变化，F为施加的力，A为施加力的面积。杨氏模量还可以根据拉梅常数通过下述等式表达：
其中，μ和λ为拉梅常数。高杨氏模量(或“高模量”)和低杨氏模量(或“低模量”)为杨氏模量在给定材料、层或装置中的大小的相对描述符。在本说明书中，高杨氏模量大于低杨氏模量，对于一些应用而言约大于10倍，更优选地对于其他应用而言约大于100倍，甚至更优选地对于另外的应用而言大于约1000倍。
图1A示出了包括第一光伏p-n结结构112和第二光伏p-n结结构116的多结光伏装置110的示意图，第一光伏p-n结结构和第二光伏p-n结结构二者的特征在于厚度t和侧向尺寸L1和L2。“侧向尺寸”指在层的平面内的测量结果，例如长度或宽度。相应地，侧向尺寸垂直于层的厚度。光伏p-n结结构112和116内的虚线示出了可选功能层。第一光伏p-n结结构112具有第一界面表面114，第二光伏p-n结结构116具有第二界面表面118。在一种实施例中，第一光伏p-n结结构112的第一界面表面114设置成与第二光伏p-n结结构116的第二界面表面118直接或间接接触。作为间接接触的示例，可以在第一界面表面114和第二界面表面118之间设置界面层119。例如，界面层119可以包括硫属化物介电层。此外，图1A中的虚线示出了第一光伏p-n结结构112、可选界面层119和第二光伏p-n结结构116如何结合为堆叠的多层几何结构。例如，第一光伏p-n结结构112或第二光伏p-n结结构116的侧向尺寸可以分别小于或等于3000微米。
图1B示出了用于制作多结光伏装置的方法的流程图120。过程以设置第一和第二光伏p-n结结构(诸如图1A的结构112和116)的步骤122和124开始。在步骤126中，在第一光伏p-n结结构的第一界面表面或第二光伏p-n结结构的第二界面表面上设置界面层，诸如图1A的层119。在一种实施例中，该界面层包括硫属化物介电层。在步骤128中，第一光伏p-n结结构的第一界面表面或者设置在其上的界面层与第二光伏p-n结结构的第二界面表面或者设置在其上的界面层接触，从而制作具有堆叠多层几何结构的多结光伏装置。
图1C示出了用于制作多结光伏装置的方法的流程图130。过程以设置第一和第二光伏p-n结结构(诸如图1A的结构112和116)的步骤132和134开始。在步骤136中，第一光伏p-n结结构的第一界面表面直接或间接地与第二光伏p-n结结构的第二界面表面接触，从而制作具有堆叠多层几何结构的多结光伏装置。在一种实施例中，第一光伏p-n结结构或第二光伏p-n结结构的侧向尺寸分别小于或等于3000微米。
图1D示出了用于制作多结光伏装置的方法的流程图140。过程以设置第一和第二光伏p-n结结构(诸如图1A的结构112和116)的步骤142和144开始。在步骤146中，第一光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的接触表面接触，使得第一光伏p-n结结构附接至接触表面。随后，在步骤148中，附接至接触表面的第一光伏p-n结结构的第一界面表面与第二光伏p-n结结构的第二界面表面接触，从而制作具有堆叠多层几何结构的多结光伏装置。
示例1：四结、四端微型太阳能电池基于印刷的组装以及它们在高效模块中的使用
与实用规模光伏的装运、安装、靠岸、遵守法规和不断维护/运行相关的费用表明，太阳能到电的转换效率的增加将驱使成本降低1。光照管理的进步是较高PV效率的主要决定因素2-4。单结电池具有由其肖克利奎伊瑟极限限定的性能约束5。多结(MJ)电池6-12可以实现较高的效率，但进展受到外延生长和电流匹配要求的限制。机械堆叠的MJ电池13-19避开了这些缺点，但现有方法缺少规模可调的制造工艺以及堆叠电池之间的适合界面。该示例展示了设计用以绕开这些限制的材料和策略。方案涉及(1)微型太阳能电池的印刷，(2)先进的光学/电/热界面材料和(3)包装技术、电匹配网络和紧凑的超高聚焦光学器件。该示例示出了在集中度超过1000个太阳下测得效率为43.9％的四结、四端太阳能电池以及效率为36.5％的模块。
PV模块效率影响聚合系统成本的每个部件，从材料到制造，到安装和运行1。单结(SJ)太阳能电池已经接近热化损失和亚带隙透明度2-5限定的理论效率极限。并联使用多个具有光谱分裂光学元件20-22的分离SJ电池可以是吸引人的，但制造、对准和光照管理的复杂性阻碍了实际使用的前景。将多个结(即子电池)合并为单片堆叠体(称为多结(MJ)电池6-19)提供实现超高效率的吸引人的途径。在过去的十年，MJ电池的绝对效率的增加相当于每年接近1％，达到现在的～44％6-12的值。然而，其他改进需要克服实现复杂堆叠体的晶格匹配7,8或变质8-12外延生长以及维持来自子电池中每个电池的电流匹配输出的挑战的解决方案。分离生长的SJ或MJ材料的机械堆叠展现了实现最近展示出非常高的效率15的MJ装置13-19的良好探究的替选途径。该过程包括物理晶片结合，随后消除顶部和/或底部晶片。结合的一种选项使用直接的高温晶片熔合技术13-15。然而，产生的导电界面保留了电流匹配的要求。维持该要求具有挑战性，这是因为，由于地球太阳光谱的变化，MJ装置中子电池的数量增加。替选的方法使用具有双面、多层抗反射涂层和多端连接16-19的较厚、绝缘有机粘合剂。此处，产生的MJ电池遭受界面反射、较差的热流特性，以及在较高辐照度集中度下通常不利的热机械界面应力。尽管有过去～25年的研究和发展，这些结合策略目前均未提供用于制造或用于可行的多堆叠操作的现实手段。
该示例描述了绕开这些以及其他之前探究过的技术的许多限制的理念。此处，基于印刷的方法使用高性能、释放的薄膜材料通过外延提离过程实现堆叠微型MJ太阳能电池阵列的高通量物理组装。硫属化物玻璃(三硒化二砷，As2Se3)的红外透明和折射率匹配层在这些堆叠体中用作导热和电绝缘界面层。先进的包装技术、电匹配网络和双级成像透镜产生具有36.5％的效率的模块。
图2a示意地示出了四结、四端微型太阳能电池的结构和组装过程，其中有效面积为600×600μm2。顶部电池使用三结(3J)设计，该设计基于InGaP/GaAs/InGaAsNSb(带隙1.9eV/1.4eV/1.0eV)7，在GaAs基底上匹配并通过消除在堆叠体23,24的基础上的AlInP牺牲层释放的生长晶格。三层抗反射涂层(ARC)确保光有效传输至该3J电池。底部电池(侧向尺寸与顶部电池匹配)为在顶表面下方具有凹陷网格金属化的扩散结Ge太阳能电池25。图2b和图2c分别提供了在通过转移印刷26将3J电池传递至典型Ge电池的表面之前和之后典型Ge电池的扫描电子显微镜(SEM)图像。该组装过程在全自动化分步重复模式下以高通量、并行方式发生，以允许同时形成堆叠MJ电池阵列，具有高产(>95％)和准确的迭置重合(<2μm)，如图2d中的光学显微镜图像所示。Ge电池使用凹陷触点，以实现界面处的高质量接触和结合。使用溶胶凝胶工艺27铸在Ge电池顶部的As2Se3层(～300nm厚)提供低损耗的光学界面，该光学界面具有最低的热阻和卓越的电隔离，如下文详细描述。透明聚合物的超薄(～10nm)可选可忽略层可以帮助确保在印刷中的紧密接触和高产。图2e中的截面SEM图像示出了对准的凹陷金属触点以及As2Se3界面层。在这种堆叠3J/Ge结构中，顶部3J电池捕捉300nm至1300nm的光。1300nm至1700nm的光在宽范围内以最小的界面反射通过底部Ge电池，这是由于As2Se3的高折射率，几乎不受该层的厚度约束。3J和Ge电池利用分离组的终端独立运行，而没有电串扰，从而消除了电流匹配相关的约束。
图3和表1示出了从完整的微电池MJ装置测得的性能特征。装置包括光刻限定的侧壁绝缘和与3J和Ge电池接触的薄膜金属触点(图3a)。3J的薄膜几何结构是有益的，因为其允许晶片级的薄膜互连。在1个太阳(标准AM1.5D光谱)至～1200个太阳范围的集中度下从3J和Ge电池测得的电流和电压特征在图3b-e中出现。在一个太阳照射下，3J电池和Ge电池分别呈现32.2％和0.722％的效率，因此相当于32.9％的总效率。随着集中度增加，两个电池的效率增加，最终在～1000个太阳时达到最大值42.1％(3J)和1.81％(Ge)。最大总效率为43.9％(图3f)。每个电池的测量结果与不同构造(开路、短路和最大功率)的另一电池没有显示出太大差异。这些结果表明，电池之间存在微小的光子或电子耦合。对于大于1000个太阳的集中度而言，效率降低，主要是由于填充因数减少，可能与电阻损耗相关联(图3d和图3e)。图3g以与实验数据一致的方式定量地示出了集成MJ装置的外量子效率(EQE)光谱，示出了跨过300nm至1700nm的整个太阳能光谱的吸收，具有最低反射损失。建模表明在波长大于1200nm时反射率几乎完全来由三层ARC的极限引起，而非来由与As2Se3的界面处的反射引起。
表1 电池性能
由于前述原因，这些系统中的界面材料极为重要。硫属化物玻璃如As2Se3通常用于红外线光学28,29，但并未针对本文报告的用途进行过探究。As2Se3对现在的目的是吸引人的，因为其提供(1)通过简单的溶液工艺形成光滑均匀的涂层的能力，(2)高电阻率(1010～1012Ω·cm)和高电击穿强度(～108V/m)，(3)接近电池中半导体(1300nm时，对于GaAs为～3.4，对于Ge为～4.3)的折射率(～2.7)，以及(4)相对较高的热导率(～1.0W/K/m)。作用是作为电绝缘层允许顶部和底部电池的独立运行，同时有足够高的热导率和折射率，以分别最小化对热传输的阻碍和因光学反射造成热的损失。
之前探究的堆叠MJ电池包括较厚的有机粘合剂16-19和直接结合的界面13-15。这些情况的电性质、光学性质和热性质与通过As2Se3实现的那些情况的对比提供了对本材料的效用的深刻理解。图4a汇总了这三种结构。As2Se3(300nm)和有机粘合剂(NOA，10μm)的厚度选择为提供足以支撑具有许多互连电池的模块的击穿电压。图4b示出了通过相对于Ge电池的顶部n-触点对3J电池的底部p-触点加偏压而进行的电流-电压测量。直接结合情况呈现出非绝缘界面(1V时～0.1A)。具有As2Se3或NOA的电池显示出显著低于在集中度下生成的光电流(～1000个太阳时，～5×10-2A)的泄漏电流(在最高达20V时，对于As2Se3为～10-7A，对于NOA为～10-10A)，确保3J和Ge电池可以在互连网络中独立运行。图4c中的测得EQE曲线表明具有As2Se3界面的底部Ge电池呈现出与直接结合的结构的特性曲线类似的特性曲线，二者均显著高于具有NOA的结构(折射率＝1.56)的特性曲线。在标准AM1.5D光谱下集成EQE对具有7.0mA/cm2的As2Se3的Ge电池产生短路电流密度(Jsc)，与图3c中测得的J-V曲线一致。具有NOA的Ge电池呈现出5.3mA/cm2的算得Jsc。该差异与从顶部3J电池的表面测得的光反射光谱(图4d)以及模拟结果(图4e)一致。热性质也是重要的，尤其是对于高光学集中度下的运行。此处，界面材料不得阻碍热量从3J电池散出。相比于过去探究过的有机层类型，As2Se3提供显著的热优点。这些优点来自于允许使用薄膜几何结构的高击穿强度和高热导率的结合效果。图4f和图4g示出了在用配置成在电池区域中生成与～1000个太阳时辐照度产生的热功率密度类似的热功率密度的激光束(488nm，0.15W)照射期间MJ电池的表面上的测得和模拟稳态温度分布。结果表明，As2Se3界面提供比得上直接结合表面的热传导(3×106W/K)，而NOA界面的热传导显著较低(104W/K)。与As2Se3、直接结合和NOA结构相关联的最大温度分别为39℃、38℃和68℃，与数值模拟一致。降低的温度提高性能和长期可靠性2。
四端MJ微型电池可以与基于模制一次透镜和二次小型球透镜的双级成像光学器件(图5a和图5b)集成。射线跟踪结果(图5e和图5f)表明这种系统在电池表面上提供大于1000的几何聚光比以及均匀的辐照度分布30。在有太阳试验下(空气质量条件1.8)，四端PV模块对于3J电池呈现出33.4％的效率，对于Ge电池呈现出1.0％的效率，达到34.4％的总效率(图5e)。调整至标准试验条件(电池温度25℃)的总模块效率为36.5％。对于实际应用17，匹配网络实现两端运行。图5f和图5g示出两种电路设计，一种使用具有10个MJ电池的电压匹配阵列，另一种采用具有3个MJ电池的电流匹配阵列。使用相关电池的实验证明了这些网络架构的有效性并验证了计算方法。分离的3J和Ge电池的实验测得性能变化数据允许统计预测与提议电路网络相关联的输出电流、电压和功率。结果表明利用电流和电压匹配，35.9％±0.2％和36.2％±0.3％的效率分别是可能的。
此处所示结果清楚地证明了基于印刷组装具有优化界面材料的外延释放MJ薄膜提供配置用于小型化聚焦光学器件并匹配网络以产生超高效率模块级光伏的小型太阳能电池。这些方案还可以立即应用于较高级的系统，包括涉及增加数量的结和/或堆叠运行的那些系统。一些可能为五结或甚至六结电池，它们的实际效率可能达到45％以上。聚焦光学器件的简单改进(例如，在一次透镜上增加ARC层会实现额外的～1％的效率提升)以及增强电池表面上的ARC可以导致进一步提高模块性能。也可以考虑折射率(n>3.0)高于As2Se3的其他类型的硫属化物玻璃29。这些和其他容易实现的增强均表明了实现利用全部太阳能光谱并接近效率的热力学极限的光伏系统的有希望途径。
方法
3J(InGaP/GaAs/InGaAsNSb)电池外延生长在晶格匹配的GaAs基底7上，其中总厚度为～10μm，包括活性材料和在活性材料几微米厚下方的GaAs电流扩散层以及AlInP牺牲层24。3J电池上沉积的抗反射涂层(90nm SiO2/45nm Si3N4/30nm TiO2)最小化反射损失。扩散结Ge电池基于230μm p-Ge晶片，其中晶格匹配的n-GaAs外延膜(1.5μm)用作透明接触层。金属层(Ge/Ni/Au)在凹陷几何结构用作触点。在制造后直接测量电池有效面积(600×600μm2)，该电池有效面积由光刻工艺中使用的光掩模限定。为了最小化遮蔽的效果，3J和Ge电池中的金属接触线采用相同的布局，并在印刷步骤中彼此对准。将溶解在乙二胺(浓度0.2g/mL)中的As2Se3(来自Alfa Aesar的粉末)溶液旋涂在Ge电池上，以在150℃、惰性气氛下固化10小时后形成300nm厚的As2Se3玻璃膜27。旋涂在As2Se3上的超薄(10nm)粘合层(InterVia 8023-10)提高印刷产量。在盐酸24中蚀刻AlInP层释放3J电池，以使得将它们印刷至用超薄粘合剂涂覆有As2Se3的Ge电池上。该工艺使用安装在自动设备中的聚(二甲基硅氧烷)印模，该自动设备用于在一个步骤中对准并印刷26100个电池或更多电池。相同的印刷工艺可以生产具有NOA(NOA61，由Norland Products,Inc.公司生产，旋涂在裸Ge电池上)和直接结合(无粘合剂，印刷后在～115℃下加热10分钟)界面的结构。在As2Se3的情况下，3J电池和Ge电池之间的粘合强度>200kPa。印刷的3J/Ge MJ电池封装在环氧树脂层(InterVia8023-10，厚度10μm)中，并被金属化，以形成接触垫。热循环试验(在110℃下快速加热1分钟，并在20℃下冷却1分钟，10个循环)显示装置的机械特性、光学特性、电特性或光伏特性没有变化(图15)。四探针设置测量电流-电压响应。带有AM1.5D过滤器的太阳模拟器产生一个太阳照射。通过光纤和一组透镜耦合氙弧灯的光产生集中照明。假设辐照度功率与测得短路电流(Isc)成线性比例关系。使用分光辐射度计系统测量EQE和反射光谱。
图6为用可释放AlInP牺牲层在GaAs基底上制造3J电池的流程图。图7为制造Ge电池的流程图。图8为通过转移印刷制造3J/Ge电池的流程图。图9为将组装的3J/Ge电池封装在用于接触垫的环氧树脂和金属沉积物中的示意图。图10示出了(a)裸Ge电池、(b)组装的3J/Ge电池和(c)具有金属接触垫的封装3J/Ge电池的示意图和SEM图像。
图11示出了(a)制造PDMS印模的流程图，(b)具有10×10柱阵列的PDMS印模的光学图像，(c)PDMS印模的SEM图像，包括柱和背层。
图12示出了(a)使用转移印刷制造组装3J/Ge电池的流程图，(b)具有3J电池、裸Ge电池和印刷3J/Ge电池的PDMS印模的SEM图像(侧视图)。3J电池的图像是彩色的。插图示出了电池结构的放大视图。印刷方法参考：Carlson,A.等人，Shear enhanced adhesivelesstransfer printing for use in deterministic materialsassembly.Appl.Phys.Lett.98,264104(2011)。
图13为用于组装3J/Ge太阳能电池的印刷机的照片。并行、晶片规模转移印刷工艺的参考：Justice,J.等人，Wafer-scale integration of group III-V lasers onsilicon using transfer printing of epitaxial layers.Nature Photonics 6,610-614(2012)。
图14示出了具有As2Se3界面的两个组装3J/Ge电池的彩色红外光学图像。不同颜色表示辐射率的不同。(a)示出了具有完全结合的表面的电池，而(b)示出了在印刷过程中因界面上不需要的颗粒而呈现气穴的电池。
图15示出了具有As2Se3界面的组装3J/Ge电池的彩色红外光学图像，(a)热循环前，(b)热循环后。不同颜色表示发射率的不同。通过快速加热(110℃下在热板上持续1min)和冷却(20℃下在冷板上持续1min)10个循环执行热循环。没有观察到界面和性能退化。
图16示出了As2Se3溶入乙二胺溶液(0.2g/mL)的瓶子的光学图像。图17示出了(a)3J电池的背表面的AFM图像，其中测得RMS粗糙度为0.12nm，(b)涂覆在Ge电池上的300nmAs2Se3膜的AFM图像，其中测得RMS粗糙度为1.0nm。图18示出了涂覆在1mm厚玻璃上的807nm厚As2Se3膜的测得透射光谱。900nm至2000nm的As2Se3的测得折射率为2.67。计算基于下述方法：Swanepoel,R.Determination of the thickness and optical constants ofamorphous silicon.J.Phys.E:Sci.Instrum.16,1214-1222(1983)。图19示出了As2Se3膜的差示扫描量热(DSC)曲线，示出了玻璃化温度Tg＝150℃，结晶温度Tc＝250℃，以及熔化温度Tm＝370℃。图20示出了两侧具有金触点的300nm As2Se3膜从-100V至+100V测得的电流-电压曲线。测得电阻率为1013～1014Ω*cm。图21示出了文献中报道的薄膜As2Se3的性质。
图22示出了涂覆在1mm厚玻璃上的10μm厚InterVia 8023-10膜的透射光谱。材料在500nm以上是透明的，并具有1.56的折射率。图23示出了Norland Products Inc.公司的NOA 61的透射光谱。访问www.norlandprod.com/adhesives/noa％2061.html可查看更多信息。
图24示出了(a)涂覆在GaAs上的三层ARC的模拟反射光谱，以及(b)模拟中使用的层结构。
图25示出了(a)具有不同界面的组装3J/Ge电池的测得和模拟反射光谱(还在图4d和图4f中示出)，以及(b)模拟中使用的层结构。模拟模型中使用10μm厚的GaAs层代替实际的3J电池结构。注意，假设由于厚度不均匀，10μm厚的NOA层生成了不相干干涉。使用了转移矩阵方法。参考：Troparevsky,M.C.Transfer-matrix formalism for the calculationof optical response in multilayer systems:from coherent to incoherentinterference.Opt.Express 18,24715-24721(2010)。可以在Palik,E.Handbook ofoptical constants of solids(Academic Press，1998)中查找到关于不同材料的光学性质的详细内容。
图26示出了(a)具有和没有10nm粘合层(InterVia 8023-10)的3J/Ge电池(将300nm As2Se3用作界面)的模拟反射光谱，示出了类似的反射特性曲线，以及(b)模拟中使用的层结构。图27(a)示出了随界面上As2Se3厚度变化的堆叠3J/Ge电池的模拟反射率(平均在1300nm至1700nm之间)。结果表明界面反射略微取决于As2Se3厚度。图27(b)示出了模拟中使用的层结构。图28示出了(a)具有不同界面的3J/Ge电池的模拟反射光谱，假设空气和电池之间施加完美ARC，以及(b)模拟中使用的层结构。
图29A示出了当Ge电池处于Isc、Voc或最大功率时，集中度下(～1000个太阳)3J电池的测得电流-电压曲线。图29B示出了当3J电池处于Isc、Voc或最大功率时，集中度下(～1000个太阳)Ge电池的测得电流-电压曲线。图29A和图29B中的结果表明，堆叠体中3J电池和Ge电池分别工作，没有光学和电子耦合。
图30示出了对于具有不同界面的电池而言，用于3J电池的底部p-触点和用于Ge电池的顶部n-触点之间的测得电流-电压曲线，(还在图4b中示出)。测得As2Se3和NOA的电阻率分别为～1010Ω*cm和～1011Ω*cm.
图31示出了(a)用于激光加热下温度测量的实验设置，以及(b)通过有限元分析(FEA)进行的热模拟中使用的层结构和材料性质。图4f和图4g中分别示出了实验和模拟结果。指定了85000W/K/m2的界面热传导率(非常好的热接触)，用以模拟Ge基底和基于不锈钢的光学平台之间的接触界面。
图32示出了(a)300nm As2Se3的情况、(b)10μm NOA的情况、(c)直接结合的情况下，3J电池及其相邻界面层之间的界面在激光加热下的Tresca应力的模拟FEA结果。比例尺所示单位为Pa。
图33，(a)示出了具有聚焦光学器件的组装3J/Ge电池模块(图5a和图5b)的I-V曲线。在对应于当天不同时间的空气质量条件范围下收集了一对曲线，一条用于3J电池，另一条用于Ge电池。(b)示出了太阳下测得的总效率(3J+Ge)和空气质量与同时测得的太阳直射辐照度(DNI)对比：效率＝P最大/(DNI*孔径面积)。
图34示出了用于计算模块内电池加热的太阳下模块光-IV数据和调整。图34(a)示出了用于确定在25℃的电池温度下的模块性能的方法。图34(b)示出了根据太阳下模块测量结果和通过图34(a)的方法获得的调整曲线得出的原始光-IV数据。图34(c)示出了根据原始太阳下模块测量结果和室内测量结果制成的Voc数据表。测量时的空气质量为1.8，DNI为914W/m2，空气温度为14℃。对于室内测量，选择4束激光激励每个子电池。将激光调节至匹配3个上部子电池的每个子电池的电流，并大致产生Ge电池中一半的电流。使用相同的激光设置，改变电池下夹头的温度，确定3J电池的dVoc/dT值。估计Ge电池的dVoc/dT为3J的dVoc/dT值的三分之一。
图35示出了在标准AM1.5D一个太阳照射下测得的10个裸Ge电池(无堆叠体，无ARC)的Isc、Voc、FF和功率的统计变化。图36示出了在集中照射(功率等于～400个太阳)下测得的陶瓷基底上释放的约4000个3J电池的Isc、Voc、FF和功率的统计变化。
图37示出了具有10个3J/Ge电池的模块阵列的设计电压匹配互连方案和对应电路图。图38示出了具有3个3J/Ge电池的模块阵列的设计电流匹配互连方案和相应电路图。
图39示出了包括测得电池变化结果(图35和图36)的理论预测模块性能，假设测得电流和电压均具有约1％的标准偏差。图39(a)示出了电压匹配设计，图39(b)示出了电流匹配设计。
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示例2：用于薄膜多结太阳能电池中增强光子循环的装置架构
摘要
多结(MJ)太阳能电池具有跨过整个太阳能光谱运行的潜力，用于超高效率的电力转换。该示例示出了相比于常规装置的光子循环和光子提取提供增强光子循环和光子提取能力的MJ电池架构。理想地，MJ电池的每层应再循环并再发出自己的光，以达到最大可能电压。本设计涉及MJ结构中子电池之间用作界面的具有低折射率的材料。实验证明印刷在低折射率基底上的薄膜GaAs装置呈现出改善的光子循环，导致增加的开路电压(Voc)，与理论预测一致。其他系统研究揭示了对这些结构在高度集中照射下的热行为的重要考虑。特别地，当与其他光学元件(诸如抗反射涂层)结合时，这些架构展现出接近全光谱运行的热力学效率极限的太阳能电池设计的重要方面。
介绍
在过去的几十年里，大型研究活动力求实现不同类型的光伏(PV)电池的热力学效率极限。[1-4]这些努力被能量成本大量减少以及PV系统效率提高激励。[5]
使用半导体(诸如砷化镓(GaAs))制作的单结电池在一个太阳照射下具有～33.4％的理论效率极限，这主要是由于对整个太阳光谱的低效使用。[1]相比之下，多结(MJ)电池以光谱方式将日光分裂进入具有不同带隙的子电池，从而提供大大提高效率的途径。[6-13]常规MJ电池要求各个子电池的晶格匹配生长或变质外延生长。另外，串联的子电池受到电流匹配的约束，因为两端MJ装置的光电流由子电池中最小的电流决定。这些考虑约束材料选择的选项，从而对高性能电池中三个结以上的生长造成实际挑战。近期工作证明了使用印刷技术将微型、多结、多端电池与折射率匹配界面组装在一起以产生超高电池和模块效率的能力。[13]
尽管有这些方法的希望，但是折射率匹配的界面不能再循环并提取红外光子，以接近详述的平衡效率极限。[14]图40a通过具有折射率匹配(高折射率)的界面的两个子电池的堆叠体的简单示例示出了挑战，该界面具有与用于太阳能电池的半导体材料类似的折射率，以最小化界面发射损失。高带隙顶部电池吸收其带隙上方具有能量的光子(hv1>hvg，其中hvg为顶部电池的带隙)，而低带隙底部电池吸收顶部电池的带隙下方的低能量光子(hv2<hvg)。当顶部电池在开路电压(Voc)下运行时，光生电子空穴对重新组合。如下文所述，辐射复合生成的大部分(～99％)各向同性发射光子(hvg)均困在堆叠装置中，并被底部电池吸收。结果，由于低效光子循环而降低的外部发光效率导致顶部电池的Voc降低。[14]
该示例公开了通过使用低折射率界面材料最小化该极限的MJ电池设计。如图40b所示，从顶部电池(hvg)发射出逃逸锥(角度大于临界角)以外的光子经受全内反射，而不进入会吸收它们的底部电池。低折射率界面的角平均反射率可以估计为
其中，θc为界面上全内反射的临界角(sinθc＝n界面/n电池)，n界面和n电池分别为界面材料和太阳能电池材料的折射率，R(θ)为界面对于具有不同传播角和偏振的光的反射率，可以通过转移矩阵法计算。该表达式表明随着电池的折射率和界面材料之间的差异增加。对于GaAs顶部电池(n电池＝3.5)和气隙界面(n界面＝1.0)的情况，为～98％。该结果清楚地表明了以这种方式可以实现光子循环的较高程度。成果是顶部电池的外部发光效率和Voc增加。[15]同时，垂直入射的低能量光子(hv2<hvg)可以通过界面到达底部电池。抗反射涂层(ARC)可以用于最小化低能量光子的反射损失，而不影响各向同性重新发射的光子的如下文所述。
结果和讨论
在具有不同折射率的基底上的薄膜半导体层的发光学性质揭示了光子循环过程的本质方面，如图41所示。此处，GaAs基双异质结构(DH)薄膜(100nm Al0.3Ga0.7As/1000nmGaAs/100nm Al0.3Ga0.7As)用作活性装置层。DH在具有晶格匹配的Al0.95Ga0.05As牺牲层的GaAs晶片上生长，以实现通过外延提离而释放。图41a分别示意地示出了GaAs基底上的这些层(未释放)、转移印刷至具有25μm厚的光可限定环氧树脂(SU-8)层的玻璃基底的这些层，以及转移印刷至其间具有25μm厚的气隙的玻璃基底的这些层。SU-8层和气隙足够厚，使得下面的玻璃基底对来自GaAs DH层的微小光子外耦合具有微小的影响。图41b示出了这些各种基底(GaAs、SU-8和空气)在776nm的激励下的光致发光(PL)衰减测量结果。在较高载流子密度下，GaAs、SU-8和空气上GaAs DH层的辐射复合寿命τ分别为(0.46±0.03)ns、(1.64±0.01)ns和(2.22±0.14)ns。这些结果与通过使用低折射率基底抑制自发发射一致，因此，发射寿命以及光子循环显著增强[16,17]。图41c示出了随变化的1/τ，其中，nsub为基底材料的折射率(GaAs、SU-8和空气的nsub分别＝3.5、1.5和1.0)。1/τ和之间的线性关系与理论一致。[16]
图42a示出了使用类似外延提离和印刷方法放置在不同基底上的微型薄膜GaAs太阳能电池。电池(具有约0.39mm2的有效装置面积)在p侧和n侧两侧使用具有金属化触点的垂直GaAs同质结(图42b和图42c)。图42d示出了SU-8的成格局的膜上的代表电池，其中，大部分电池面积保持悬在气隙(25μm厚)上方。图42e示出了一个太阳照射(AM1.5g光谱)下对应的电流-电压特性曲线。电池(无ARC)达到62.8μA的短路电流(Isc)、0.96V的开路电压(Voc)和82％的填充因数(FF)，相当于～12.7％的效率。
如图41b所示，基底介质的折射率影响自发发射速率和光子循环过程。分析地，Voc可以表达为[18]
其中，Vdb为在细致平衡限制下获得的理想Voc，ηext为从电池前表面逃逸出的发射光子的外部发光效率，ηint为内部发光效率，和分别为光子逃逸和再吸收的平均概率。和由GaAs装置层的光学性质以及基底折射率n决定。
图43a针对不同ηint计算了Voc和基底折射率n之间的关系。由于n的增加导致的减少和的增加，Voc随着n单调降低。这些分析结果在质量上与如图42a所示放置在不同基底上的多个GaAs电池(～30个电池)上的一个太阳电流-电压测量结果(图43b和图43c)一致。印刷在具有低折射率界面(气隙和SU-8)的Si基底上的电池呈现出比高折射率GaAs基底上未释放电池(0.959V±0.003V)高的Voc(空气和SU-8界面分别为0.970V±0.003V和0.973V±0.003V)。所有电池的Isc保持类似。平均一个太阳效率从未释放GaAs电池的12.7％增加至具有空气和SU-8界面的电池的约12.8％。Voc的实验值(0.95-0.98V)低于理论计算值(1.05-1.15V)，这可能是由于非优电气设计，这导致较低的Vdb。具有气隙界面的电池的测得平均Voc低于具有SU-8界面的电池的测得平均Voc。偏离理论预测可能与悬在气隙格局上的电池的机械不稳定(例如，弯曲)以及测量变异相关。如下文所述，一个太阳照射对各种基底上的所有电池引起微小的温度变化。因此，可以排除热效应作为Voc和Isc变化的来源。
MJ电池在地面使用的最实际实施例需要光学集中器，以实现低成本高效率的运行。在高功率辐照度下，热管理极其重要。入射在如图42a所示具有不同基底的电池上的聚焦激光束(488nm，可调功率)用以模拟集中日光的热效应。图44a比较随0至0.13W之间的吸收激光功率变化的电池的表面上的实验和模拟(使用稳态共轭传热有限元模型)最高温度。在等于一个太阳照射(～5×10-4W)的辐照度功率下，温度变化对所有情况均是微小的。随着功率增加，具有气隙和SU-8界面的电池的温度增加，而GaAs上的电池的温度保持接近于室温。图44b示出了对于0.13W的吸收激光功率，等于集中水平为约250个太阳时的辐照度功率，电池表面上的测得和模拟温度分布(映像大小：0.7mm×0.7mm)。测得气隙、SU-8和GaAs界面的最高表面温度分别为134℃、56℃和22℃，与模拟结果一致。这些温度差异可以归因于不同界面材料的热导率(空气为0.02W/m/K，SU-8为0.2W/m/K，GaAs为55W/m/K)差异。这些结果表明热管理是考虑的重点，特别是对于具有较低热导率的低折射率界面(例如气隙或SU-8)。最小化电池温度增加的有效方式是减少低折射率材料的厚度，如图44c中所示的气隙情况。因此，计算的最高温度从130℃降低至20℃，因为空隙大小从25μm降低至0μm。同时，界面的光反射率(使用等式1计算)随着空隙大小接近亚波长尺度而降低，这是因为倏逝波耦合增加。～200-1000nm的气隙平衡光性能和热性能中的这些考虑。图44c的插图示出了印刷在具有500nm厚气隙界面的Si基底上的GaAs电池的测得温度分布。最高电池温度大约为35℃，与数值计算一致。
此处所示结果表明具有低折射率界面的MJ装置架构可以有效提高顶部电池的Voc，这是由于光子循环过程增强。为了使低能量光子以最小损失通过顶部电池并到达底部电池，可以在电池和低折射率界面材料(空气或SU-8)之间引入抗反射涂层，如图45a所示。在这些ARC允许低能量光子通过顶部电池的同时，全内反射(TIR)条件为再发射光子保留，因为TIR的临界角θc仍由太阳能电池材料和低折射率界面材料决定(sinθc＝n空气/n电池)。结果，顶部电池内的光子循环过程很大程度上不受ARC影响。图45b示出了使用具有气隙界面的硅/锗(Si/Ge)堆叠结构制作的理念证明装置布局。(可以使用具有高发光效率的半导体(诸如GaAs和InGaAs)实现更现实的装置演示。)从印刷至具有成格局的SU-8柱的Ge基底上的绝缘硅晶片上释放的薄膜Si层(大小0.7mm×0.7mm，厚度10μm)在其间形成25μm厚的气隙。使用原子层沉积(ALD)形成在Si的前表面和后表面以及Ge的前表面上的150nm厚HfO2层(n～2.0)形成ARC。对于1150nm至1800nm之间的波长，具有和没有ARC的Si/气隙/Ge堆叠结构的测得和模拟反射光谱分别出现在图45c和图45d中，其中光子可以通过Si被Ge吸收。ARC的引入通过将平均反射率从61％(没有ARC)减少至13％(有ARC)而大大压制了电池/空气界面上的菲涅尔反射损失。可以通过例如在所有电池表面使用多层ARC来实现光效率的进一步提高。[19]
结论
总的来说，此处所示结果说明了通过在不同子电池之间使用低折射率界面实现效率提高的MJ太阳能电池架构。印刷在具有低折射率空气和SU-8界面的结构上的释放薄膜GaAs微电池呈现出增强的光子循环效果，并因此增加Voc。这种装置设计可以应用于实际MJ装置，诸如InGaP/GaAs双结或InGaP/GaAs/InGaAs三结电池，具有达到比常规装置可能具有的电池效率更高的电池效率以及消除晶格匹配和电流匹配要求的潜力。另外，通过外延提离和转移印刷实现的竖直堆叠装置架构避免了与其他光谱分裂方法相关联的光学设计复杂性。[20,21]对于在高集中度下运行的电池，必须考虑热管理中的额外问题。可以使用导热界面材料(诸如低折射率氧化物或流体)代替空气或SU-8，从而促进热消散。此处所示集中组设计和组装理念提供实现进一步接近热力学效率极限的PV装置的潜在途径。
实验段
GaAs双异质结构(DH)和微太阳能电池的制造：使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)使GaAs DH和太阳能电池装置在GaAs基底上生长。DH结构(从下至上)包括：GaAs基底、500nm Al0.95Ga0.05As牺牲层、5nm GaAs保护层、100nm n-Al0.3Ga0.7As(n＝3×1018cm-3)、1000nm p-GaAs(ρ＝5×1017cm-3)、100nm p-Al0.3Ga0.7As(ρ＝3×1018cm-3)和另一5nm GaAs保护层。太阳能电池结构(从下至上)包括：GaAs基底、500nm Al0.95Ga0.05As牺牲层、700nmIn0.5Ga0.5P支撑层、300nm p-GaAs(ρ＝3×1019cm-3)底部接触层、100nm p-Al0.3Ga0.7As(ρ＝5×1018cm-3)背面场(BSF)层、2500nm p-GaAs(ρ＝1×1017cm-3)基础层、100nm n-GaAs(n＝2×1018cm-3)发射层、25nm n-In0.5Ga0.5P(n＝2×1018cm-3)窗口层和200nm n-GaAs(n＝1×1019cm-3)顶部接触层。Zn和Si分别用作p型和n型掺杂物。10nm Cr/200nm Au用作电触点。以光刻方式制造DH和太阳能电池装置(大小0.7mm×0.7mm)，其中通过基于氢氟酸(HF)的溶液(乙醇:HF＝1.5:1(按体积))移除Al0.95Ga0.05As牺牲层。[22,23]随后，使用成形PDMS印模将各个DH和太阳能电池装置转移印刷至具有不同界面(气隙和SU-8)的其他基底(玻璃和Si)上。[24]通过在SU-8(25μm厚)中光刻限定的格局形成气隙(0.5mm×0.5mm)。
装置表征：使用印刷在不同基底上的GaAs DH层进行光致发光(PL)衰减测量。使用通过带通滤波器(中心波长776nm，FWHM＝10nm)的超连续激光(NKT Photonics EXR-15)生成激发光。由一个光子检测器(ID Quantique id100-20)收集PL强度。用Keithley 2400源表在标准AM1.5g照射下测量GaAs太阳能电池的电流-电压曲线。
热测量和建模：通过热成像相机(FUR A655sc)在用氩激光束(中心波长488nm，高斯光束宽度0.35mm，TM偏振)生成的辐照度下测量不同基底上微电池的顶表面上的稳态温度分布。开发了3D稳态共同热传递有限元分析模型(COMSOL Multiphysics)用以评估激光加热过程中的温升。模型说明通过电池下方不同界面(空气、SU-8和GaAs)的热传递以及因空气与电池表面的相互作用而造成与大气的自然热对流。此外，从电池至大气的热辐射已包括在假设GaAs的发射率为0.7的模型中。要注意的是，模型中未考虑近场热传递效应，这可能造成亚微米级的一些偏差。
光反射测量和建模：使用显微镜耦合的傅里叶变换红外线(FTIR)光谱仪(BrukerVertex)测量具有和没有ARC的Si/气隙/Ge堆叠结构的红外反射光谱。使用转移矩阵法模拟多层结构的光反射。
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关于通过引用合并以及变体的声明
本申请全文的所有参考文献，例如，包括授权专利或同等物、专利申请出版物、和非专利文献文件或其他原始资料通过引用将其全部内容合并至本文，如同单独通过引用合并，达到每个参考文献至少部分地与本申请的公开内容一致的程度(例如，部分一致的参考文献通过引用合并，除了参考文献部分不一致的部分)。
本文采用的术语和表达用作说明术语而非限制术语，并且这些术语和表达的使用不意在排除所示和所述特征或其部分的任何同等物，但认为在要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应当理解，虽然已通过优选实施例、例示实施例和可选特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以对本文公开的理念进行修改和变型，并且将这些修改和变型视为属于随附权利要所限定的本发明的范围内。本文提供的具体实施例为本发明的有用实施例的示例，对本领域技术人员明显的是，可以使用本说明书中给出的装置、装置部件、方法步骤的大量变型实施本发明。对本领域技术人员明显的是，用于本方法的方法和装置可以包括大量可选成分和处理元件以及步骤。
本文公开一组替代物时，可以理解该组或所有子组的各个成员是分别公开的，包括组员的任何同分异构物、对映异构体和非对映异构体。当本文使用马库什组或其他分组时，该组中所有独立成员以及该组可能的所有组合和在组合意在单独包括在本公开内容中。当本文描述化合物但并未列举该化合物的同分异构物、对映异构体或非对映异构体时，例如，用分子式或化学名表示，这种描述意在单独包括或以任何组合包括所述化合物的每个同分异构物、对映异构体和非对映异构体。另外，除非另有规定，则本公开内容意在包含本文公开的化合物的所有同位素变体。例如，可以理解，可以用氘或氚代替公开的分子中的一个或多个氢。分子的同位素变体通常在分子测定以及与分子或其使用相关的化学和生物研究中用作标准。本领域已知用于制作这种同位素变体的方法。化合物的具体名称意在为例示性的，因为本领域技术人员已知可以对同一化合物进行不同的命名。
本文公开的分子的许多分子包含一个或多个可电离基团[可以移除质子的基团(例如-COOH)或可以添加质子的基团(例如胺)或者可以季铵的基团(例如胺)]。这种分子及其盐化物的所有可能离子形式意在单独包括在本文公开内容中。对于本文的化合物的盐化物，针对给定应用，本领域技术人员可以从适合用于制备本发明的盐化物的各种可用平衡离子中选择。在具体应用中，用于制备盐化物的给定阴离子或阳离子的选择可能造成该盐化物的溶解度增加或降低。
本文所述或例示的组分的每种配制或组合均可以用于实践本发明，除非另有说明。
当本说明书给出范围时，例如，温度范围、时间范围或成分或浓度范围，所有中间范围和子范围以及给出范围中包括的所有单独值意在包括在本发明内容中。可以理解，本文说明书中包括的任何子范围或者范围或子范围中的任何单独值均在本文的权利要求中排除。
本说明书中提及的所有专利和出版物均为指示本发明涉及的本领域技术人员的技术程度。本文引用的参考文献通过引用将其全部内容合并至本文，用以指示自起公开日期或提交日期起的现有技术，并且在需要时本文可以采用该信息，以排除现有技术中的具体实施例。例如，当要求保护物质成分时，应当理解，本领域早于申请人的发明的已知和可用化合物，包括本文引用的参考文献中提供了授权公开内容的化合物，均不意在包括在本文的物质成分权利要求中。
本文所用“包括(comprising)”与“包括(including)”、“包含(containing)”或“其特征在于”同义，为包含的或开放式的，并不排除额外的、未列举的元件或方法步骤。本文所用“由……组成”排除权利要求元素中未列举的任何元件、步骤或组成部分。本文所用“基本由……组成”不排除实质上不影响权利要求的基础和新颖特征的材料或步骤。在本文的每个示例中，术语“包括”、“基本由……组成”和“由……组成”的任何术语可以用其他两个术语的任一个替换。本文说明性地描述的发明可以在没有本文未明确公开的任何元件或多个元件、极限或多个极限的情况下实践。
本领域技术人员可以理解，在实践本发明时，可以采用明确例示以外的起始材料、生物材料、试剂、合成方法、提纯方法、分析方法、测定方法和生物学方法，而无需进行过度实验。任何这些材料和方法的所有领域已知功能同等物均意在包括在本发明中。采用的术语和表达用作说明术语而非限制术语，并且这些术语和表达的使用不意在排除所示和所述特征或其部分的任何同等物，但认为在要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应当理解，虽然已通过优选实施例和可选特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以对本文公开的理念进行修改和变型，并且将这些修改和变型视为属于随附权利要所限定的本发明的范围内。
Claims (85)
1.一种多结光伏装置，包括：
第一光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，所述第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；
第二光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，所述第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；以及
设置在所述第一界面表面和所述第二界面表面之间的界面层，所述界面层包括硫属化物介电层；
其中，所述第一光伏p-n结结构、所述界面层和所述第二光伏p-n结结构设置为堆叠的多层几何结构。
2.根据权利要求1的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸和所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸各自分别小于或等于3000微米。
3.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸、所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸或者它们二者分别选自800微米至3000微米的范围。
4.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述多结光伏装置的特征在于，入射太阳辐射的转换效率大于或等于43％。
5.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层是使用溶胶凝胶工艺、旋涂工艺、喷涂工艺或它们的组合设置的。
6.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括特征在于电阻大于或等于100,000Ωcm2的电绝缘层。
7.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括折射率匹配层，所述折射率匹配层的特征在于，折射率在所述第一界面表面和所述第二界面表面处的折射率的30％以内。
8.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括特征在于热导率大于或等于0.5W/m/K的导热层。
9.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括光学透明层，所述光学透明层的特征在于，对具有选自800nm至1800nm范围的波长的光而言，透光率等于或大于90％。
10.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括特征在于电击穿阈值电压等于或大于15V的静电稳定层。
11.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层具有选自50nm至5微米范围的厚度。
12.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括硒化物、硫化物或碲化物成分。
13.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括As2Se3。
14.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构、所述第二光伏p-n结结构或者它们二者分别包括外延生长的多层结构。
15.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构不是外延生长在所述第二光伏p-n结结构的顶部，并且所述第二光伏p-n结结构不是外延生长在所述第一光伏p-n结结构的顶部。
16.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构包括1-4个p-n结，并且所述第二光伏p-n结结构包括1-3个p-n结。
17.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构包括不同的多结结构。
18.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构具有与所述第二光伏p-n结结构不同的成分。
19.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构具有选自由下述组成的组中的成分：InGaP/GaAs/InGaAsNSb、AlGaAs、InGaAlP以及这些的组合。
20.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第二光伏p-n结结构具有选自由下述组成的组中的成分：扩散结Ge电池、InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs以及这些的组合。
21.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构各自具有选自1微米至250微米范围的厚度。
22.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构吸收不同波长的电磁辐射。
23.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构吸收具有选自300nm至1250nm范围的波长的电磁辐射，并且所述第二光伏p-n结结构吸收具有选自850nm至1800nm范围的波长的电磁辐射。
24.根据前述权利要求中任一项的装置，还包括与所述第一光伏p-n结结构或所述第二光伏p-n结结构电接触的一个或多个额外电子部件，所述一个或多个额外电子部件选自由下述组成的组：电极、介电层或者这些的任意组合。
25.根据前述权利要求中任一项的装置，还包括设置在所述第一界面表面或所述第二界面表面的凹陷区域中的一个或多个电触点。
26.根据前述权利要求中任一项的装置，还包括与所述第一光伏p-n结结构或所述第二光伏p-n结结构光通信的一个或多个额外光学部件，所述一个或多个额外光学部件选自由下述组成的组：防反射涂层、集中器、滤光器、窗口或者这些的任意组合。
27.根据前述权利要求中任一项的装置，还包括所述第一界面表面或所述第二界面表面上的一个或多个抗反射涂层。
28.一种用于制作多结光伏装置的方法，所述方法包括下述步骤：
设置第一光伏p-n结结构，所述第一光伏p-n结结构的特征在于厚度和侧向尺寸，所述第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；
设置第二光伏p-n结结构，所述第二光伏p-n结结构的特征在于厚度和侧向尺寸，所述第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；
在所述第一界面表面和所述第二界面表面之间设置界面层，所述界面层包括硫属化物介电层；以及
使所述第一光伏p-n结结构的所述第一界面表面或者设置在其上的所述界面层与所述第二光伏p-n结结构的所述第二界面表面或者设置在其上的所述界面层接触，从而制作具有堆叠的多层几何结构的所述多结光伏装置。
29.根据权利要求28的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸和所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸各自分别小于或等于3000微米。
30.根据权利要求28-29中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸、所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸或者它们二者分别选自800微米至3000微米的范围。
31.根据权利要求28-30中任一项的方法，其中，所述多结光伏装置的特征在于，入射太阳辐射的转换效率大于或等于43％。
32.根据权利要求28-31中任一项的方法，其中，设置第一光伏p-n结结构的所述步骤包括：
通过在母基底上的外延生长制造所述第一光伏p-n结结构，其中，所述第一光伏p-n结结构通过牺牲层连接至所述母基底；以及
至少部分地移除所述牺牲层。
33.根据权利要求28-32中任一项的方法，其中，所述接触步骤通过选自由下述组成的组中的组装技术执行：干式转移印刷、溶液印刷、取放式组装和静电转移。
34.根据权利要求28-33中任一项的方法，其中，所述接触步骤还包括：
使所述第一光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的接触表面接触，其中，所述第一光伏p-n结结构附接至所述接触表面；以及
使附接至所述接触表面的所述第一光伏p-n结结构与所述第二光伏p-n结结构接触。
35.根据权利要求34的方法，还包括使所述第一光伏p-n结结构和所述共形转移装置分离，从而将所述第一光伏p-n结结构转移至所述第二光伏p-n结结构上。
36.根据权利要求34-35中任一项的方法，还包括下述步骤：移动具有附接至所述接触表面的所述第一光伏p-n结结构的所述共形转移装置，从而将所述第一光伏p-n结结构从母基底释放；其中，所述释放包括将所述第一光伏p-n结结构连接至所述母晶片的一个或多个对准维持元件的破裂或脱离。
37.根据权利要求36的方法，其中，在与所述共形转移装置的所述接触表面接触的过程中，所述第一光伏p-n结结构被设置在由所述一个或多个对准维持元件维持的选定方向上。
38.根据权利要求34-37中任一项的方法，还包括：使第一组额外光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的所述接触表面接触，其中，所述第一组额外光伏p-n结结构附接至所述接触表面；以及
使附接至所述接触表面的所述额外光伏p-n结结构与第二组光伏p-n结结构接触；
其中，并行执行所述第一组额外光伏p-n结结构的接触。
39.根据权利要求34-38中任一项的方法，其中，所述共形转移装置包括弹性印模。
40.根据权利要求34-39中任一项的方法，其中，所述共形转移装置具有选自0.2MPa至50MPa范围的杨氏模量。
41.根据权利要求34-40中任一项的方法，其中，所述共形转移装置具有选自1×10-7Nm至1×10-5Nm范围的抗弯刚度。
42.根据权利要求28-41中任一项的方法，其中，使用溶胶凝胶工艺、旋涂工艺、喷涂工艺或它们的组合设置所述界面层。
43.根据权利要求28-42中任一项的方法，其中，所述界面层包括特征在于电阻大于或等于100,000Ωcm2的电绝缘层。
44.根据权利要求28-43中任一项的方法，其中，所述界面层包括折射率匹配层，所述折射率匹配层的特征在于，折射率在所述第一界面表面和所述第二界面表面处的折射率的30％以内。
45.根据权利要求28-44中任一项的方法，其中，所述界面层包括特征在于热导率大于或等于0.5W/m/K的导热层。
46.根据权利要求28-45中任一项的方法，其中，所述界面层包括光学透明层，所述光学透明层的特征在于，对具有选自800nm至1800nm范围的波长的光而言，透光率等于或大于90％。
47.根据权利要求28-46中任一项的方法，其中，所述界面层包括特征在于电击穿阈值电压等于或大于15V的静电稳定层。
48.根据权利要求28-47中任一项的方法，其中，所述界面层具有选自50nm至5微米范围的厚度。
49.根据权利要求28-48中任一项的方法，其中，所述界面层包括硒化物、硫化物或碲化物成分。
50.根据权利要求28-49中任一项的方法，其中，所述界面层包括As2Se3。
51.根据权利要求28-50中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构、所述第二光伏p-n结结构或者它们二者分别包括外延生长的多层结构。
52.根据权利要求28-51中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构不外延生长在所述第二光伏p-n结结构的顶部，并且所述第二光伏p-n结结构不外延生长在所述第一光伏p-n结结构的顶部。
53.根据权利要求28-52中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构包括1-4个p-n结，并且所述第二光伏p-n结结构包括1-3个p-n结。
54.根据权利要求28-53中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构包括不同的多结结构。
55.根据权利要求28-54中任一项的方法，其中，所述第一p-n结具有与所述第二p-n结不同的成分。
56.根据权利要求28-55中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构具有选自由下述组成的组中的成分：InGaP/GaAs/InGaAsNSb、AlGaAs、InGaAlP以及这些的组合。
57.根据权利要求28-56中任一项的方法，其中，所述第二光伏p-n结结构具有选自由下述组成的组中的成分：扩散结Ge电池、InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs以及这些的组合。
58.根据权利要求28-57中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构各自具有选自1微米至250微米范围的厚度。
59.根据权利要求28-58中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构吸收不同波长的电磁辐射。
60.根据权利要求28-59中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构吸收具有选自300nm至1250nm范围的波长的电磁辐射，并且所述第二光伏p-n结结构吸收具有选自850nm至1800nm范围的波长的电磁辐射。
61.根据权利要求28-60中任一项的方法，还包括设置与所述第一光伏p-n结结构或所述第二光伏p-n结结构电接触的一个或多个额外电子部件，所述一个或多个额外电子部件选自由下述组成的组：电极、介电层或者这些的任意组合。
62.根据权利要求28-61中任一项的方法，还包括提供设置在所述第一界面表面或所述第二界面表面的凹陷区域中的一个或多个电触点。
63.根据权利要求28-62中任一项的方法，还包括：设置与所述第一光伏p-n结结构或所述第二光伏p-n结结构光通信的一个或多个额外光学部件，所述一个或多个额外光学部件选自由下述组成的组：防反射涂层、集中器、滤光器、窗口或者这些的任意组合。
64.根据权利要求28-63中任一项的方法，还包括：在所述第一界面表面或所述第二界面表面上设置一个或多个抗反射涂层。
65.一种多结光伏装置，包括：
第一光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，所述第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；
第二光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，所述第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；以及
连接所述第一光伏p-n结结构的至少一部分与所述第二光伏p-n结结构的至少一部分的中间层；其中，所述第一光伏p-n结结构的所述第一界面表面的至少一部分与所述第二光伏p-n结结构的所述第二界面表面的至少一部分之间存在气隙，从而提供堆叠的多层装置几何结构。
66.根据权利要求65的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸、所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸或者它们二者分别选自800微米至3000微米的范围。
67.一种用于制作多结光伏装置的方法，所述方法包括下述步骤：
设置第一光伏p-n结结构，所述第一光伏p-n结结构的特征在于厚度和侧向尺寸，所述第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；
设置第二光伏p-n结结构，所述第二光伏p-n结结构的特征在于厚度和侧向尺寸，所述第二p-n结具有第二界面表面；以及
设置中间层，以连接所述第一光伏p-n结结构的至少一部分与所述第二光伏p-n结结构的至少一部分；其中，所述第一光伏p-n结结构的所述第一界面表面的至少一部分与所述第二光伏p-n结结构的所述第二界面表面的至少一部分之间存在气隙，从而制作具有堆叠的多层几何结构的所述多结光伏装置。
68.根据权利要求67的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构中的至少一个分别包括多结结构。
69.根据权利要求67-68中任一项的方法，其中，所述多结结构具有2、3、4、5或6个光伏p-n结。
70.根据权利要求67-69中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸、所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸或者它们二者分别选自800微米至3000微米的范围。
71.一种用于制作多结光伏装置的方法，所述方法包括下述步骤：
设置第一光伏p-n结结构，所述第一光伏p-n结结构的特征在于厚度和侧向尺寸，所述第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；
设置第二光伏p-n结结构，所述第二光伏p-n结结构的特征在于厚度和侧向尺寸，所述第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；
其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构中的至少一个分别包括多结结构；并且其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸、所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸或者它们二者分别选自800微米至3000微米的范围；
使所述第一光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的接触表面接触，其中，所述第一光伏p-n结结构附接至所述接触表面；并且
使附接至所述接触表面的所述第一光伏p-n结结构的所述第一界面表面或设置在所述第一光伏p-n结结构上的中间层与所述第二光伏p-n结结构的所述第二界面表面或设置在所述第二光伏p-n结结构上的中间层接触，从而制作具有堆叠的多层几何结构的所述多结光伏装置。
72.根据权利要求71的方法，还包括：在所述第一光伏p-n结结构的所述第一界面表面与所述第二光伏p-n结结构的所述第二界面表面之间设置界面层。
73.根据权利要求72的方法，其中，所述界面层包括硫属化物层。
74.根据权利要求72的方法，其中，所述界面层包括硒化物、硫化物或碲化物成分。
75.根据权利要求72的方法，其中，所述界面层包括As2Se3。
76.根据权利要求72的方法，其中，所述界面层包括气隙。
77.根据权利要求71-76中任一项的方法，其中，接触的所述步骤包括：将所述第一光伏p-n结结构的第一网格指杆的第一中心线与所述第二光伏p-n结结构的第二网格指杆的第二中心线对准，其中，所述第一中心线和所述第二中心线在各方面在彼此的2μm以内。
78.根据权利要求71-77中任一项的方法，其中，设置第一光伏p-n结结构的所述步骤包括：
通过在母基底上的外延生长制造所述第一光伏p-n结结构，其中，所述第一光伏p-n结结构通过牺牲层连接至所述母基底；以及
至少部分地移除所述牺牲层。
79.根据权利要求71-78中任一项的方法，其中，所述接触步骤通过选自由下述组成的组中的组装技术执行：干式转移印刷、溶液印刷、取放式组装和静电转移。
80.根据权利要求71-79中任一项的方法，其中，所述接触步骤还包括：
使所述第一光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的接触表面接触，其中，所述第一光伏p-n结结构附接至所述接触表面；并且
使附接至所述接触表面的所述第一光伏p-n结结构与所述第二光伏p-n结结构或设置在其上的中间结构接触。
81.根据权利要求80的方法，还包括：使所述第一光伏p-n结结构和所述共形转移装置分离，从而将所述第一光伏p-n结结构转移至所述第二光伏p-n结结构上。
82.根据权利要求80-81中任一项的方法，还包括下述步骤：移动具有附接至所述接触表面的所述第一光伏p-n结结构的所述共形转移装置，从而将所述第一光伏p-n结结构从母基底释放；其中，所述释放包括将所述第一光伏p-n结结构连接至所述母晶片的一个或多个对准维持元件的破裂或脱离。
83.根据权利要求82的方法，其中，在与所述共形转移装置的所述接触表面接触的过程中，将所述第一光伏p-n结结构设置在由所述一个或多个对准维持元件维持的选定方向上。
84.根据权利要求80-83中任一项的方法，还包括：使第一组额外光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的所述接触表面接触，其中，所述第一组额外光伏p-n结结构附接至所述接触表面；以及
使附接至所述所述触表面的所述额外光伏p-n结结构与第二组光伏p-n结结构接触；
其中，并行执行所述第一组额外光伏p-n结结构的接触。
85.根据权利要求80-84中任一项的方法，其中，所述共形转移装置包括弹性印模。
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