CN110047954B - 用于空间应用的四结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于空间应用的四结太阳能电池。一种多结太阳能电池，包括：生长衬底；在生长衬底之上或生长衬底之中形成的第一太阳能子电池；沉积在第一太阳能子电池之上的分级中间层；以及沉积在分级中间层之上的一系列半导体材料层，其包括多个太阳能子电池，所述多个太阳能子电池包括设置在生长衬底之上并且相对于生长衬底晶格失配并且具有0.9至1.8eV范围内的带隙的第二太阳能子电池以及设置在第二子电池之上并且具有超过30％摩尔分数的铝含量和2.0至2.20eV范围内的带隙的至少一个上部太阳能子电池。

Description

用于空间应用的四结太阳能电池
技术领域
本公开涉及太阳能电池以及太阳能电池的制造，并且更具体地涉及基于III-V族半导体化合物的四结太阳能电池中的四个子电池中的每一个子电池的成分和带隙的设计和规格，以便实现可以针对预定的空间任务和环境所指定的改进的“寿命终期”性能。
背景技术
如在本公开中所使用的，内部具有带隙不同的层的太阳能子电池的“带隙”这一表述应该被定义为是指太阳能子电池的其中生成大多数电荷载流子的层(这种子层通常是这种子电池的基极/发射极光伏结的p型基极半导体层)的带隙。在这种层进而具有带隙不同的子层的情况下(诸如具有分级成分以及更特别地具有分级带隙的基极层的情况)，该太阳能子电池的具有最低带隙的子层应该被视为定义这种子电池的“带隙”。除了太阳能子电池之外，更一般地，在具体指定的、具有带隙不同的子层或子区域(诸如具有分级成分以及更特别地具有分级带隙的半导体区域的情况)的半导体区域(诸如变质层)的情况下，半导体区域的具有最低带隙的子层或子区域应该被视为定义该半导体区域的“带隙”。
在过去的几年中，用于空间应用的III-V族化合物半导体多结太阳能电池的大批量制造加速了这种技术的发展。与硅太阳能电池相比，III-V族化合物半导体多结太阳能电池具有更高的能量转换效率，并且一般而言更耐辐射，但是它们在正确指定和制造方面往往更复杂。典型的商用III-V族化合物半导体多结太阳能电池在空气质量为0(AM0)的一次太阳照射下的能量效率超过29.5％。与硅太阳能电池相比，III-V族化合物半导体太阳能电池的较高转换效率部分地基于通过使用具有不同带隙能量的多个串联连接的光伏区域来实现入射辐射的光谱拆分的能力，以及以给定电流积聚来自每个区域的电压。
在卫星和其它空间相关应用中，卫星电源系统的尺寸、质量和成本直接与所使用的太阳能电池的功率和能量转换效率相关。换言之，有效载荷的尺寸和板上服务的可用性与所提供的功率量成比例。因此，随着有效载荷越来越复杂因而使用日益增加的功率量，并且任务和应用预计将持续五年、十年、二十年或更长时间，太阳能电池的功率-重量比(W/kg)和功率-面积比(W/m2)以及寿命效率变得越来越重要。不仅在初始设置时，而且在卫星系统的整个使用寿命期间，或者在设计规范方面，不仅太阳能电池的每克重量和空间区域提供的功率的量越来越受关注，而且在指定的“寿命终期”(EOL)时提供的残余功率的量越来越受关注，其中EOL受到太阳能电池在太阳能电池阵列的特定空间环境中随时间的辐射暴露的影响，EOL的周期对于不同的任务和应用而言是不同的。
典型的III-V族化合物半导体太阳能电池在半导体晶片上以垂直、多结结构或太阳能子电池的堆叠序列制造，每个子电池用合适的半导体层形成并且包括p-n光活性结。每个子电池被设计为将在不同光谱或波长带上的光子转换成电流。在太阳光撞击在太阳能电池的正面上之后，光子穿过子电池，其中每个子电池被设计为针对于具体波长带的光子。在穿过子电池之后，未被吸收和转换成电能的光子传播到下一个子电池，在那里这些光子预期被俘获并转换成电能。
与入射的太阳光最接近的子电池常常被称为“顶部”或“上部”子电池，或者在一些术语中被称为“第一子电池”并且具有所有子电池中的最大带隙，而位于第一子电池下方的子电池是“第二”、“第三”等子电池。
用于识别子电池的另一个术语是基于这样的背景：太阳能子电池的堆叠顺序在半导体衬底上一个接一个地依次外延生长。在那种情况下，在衬底上形成或生长的第一子电池可以被称为“第一”子电池，并且后续子电池顺序地在“第二”、“第三”等子电池上生长，其中直立布置中的最后一个这种子电池是太阳能电池的“顶部”或“上部”子电池并且在所有子电池中具有最大带隙。
被设计用于航天器(诸如卫星、空间站或行星际任务飞行器)的太阳能电池具有一系列子电池，这些子电池具有已经被优化为针对空间中的AM0太阳能光谱实现最大能量转换效率的成分和带隙。
太阳能电池的耐辐射性(radiation hardness)被定义为在暴露于电子或质子粒子辐射(这是空间环境特点)之后电池的性能有多好。标准度量是太阳能电池的寿命终期性能(或效率)除以寿命开始性能的比率(EOL/BOL)。EOL性能是测试太阳能电池暴露于给定的电子或质子能量密度(对于不同的空间任务或轨道可以不同)之后的电池性能参数。BOL性能是暴露于粒子辐射之前的性能参数。
在选择用于太阳能电池的半导体层时，一个重要的机械或结构考虑因素是期望太阳能电池中的相邻半导体材料层(即，沉积并生长以形成太阳能子电池的每一层晶体半导体材料)具有相似或基本相似的晶格常数或参数。
在层的成分中包括可以导致与这种子电池相关联的改进的电压并因而导致可能更大的功率输出的具体元素与由于在层中包括可能导致缺陷的较高可能性并因而导致较低的制造产量的这种元素而偏离与邻接层的确切晶格匹配之间存在折衷。
在这方面，应当注意的是，对于什么被理解为两个相邻层是“晶格匹配”的或“晶格失配”的，没有严格的定义。出于本公开的目的，“晶格失配”是指两个相邻设置的材料或层(厚度大于100nm)，的材料的面内晶格常数在其完全松弛状态下彼此相差小于晶格常数的0.02％。(申请人注意到，这个定义比例如在美国专利No.8,962,993中提出的定义严格得多，该专利建议以小于0.6％的晶格常数差定义“晶格失配”层)。
多年以来的常规观点认为，在单片串联太阳能电池中，“...顶部和底部电池之间的期望的光学透明度和电流导电率...将通过顶部电池材料与底部电池材料的晶格匹配来最好地实现。晶格常数中的失配在晶体晶格中产生缺陷或位错，其中可能出现重组中心从而导致光生少数载流子的损失，因而显著降低设备的光伏质量。更具体而言，这种影响会降低开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)和填充因子(FF)，其中FF表示有效输出的电流和电压之间的关系或平衡。”(Jerry M.Olson，美国专利No.4,667,059，“Current and LatticeMatched Tandem Solar Cell”)。
不过，随着具有四个或更多个子电池的高效多结太阳能电池已经取得进展，“按照惯例假设基本上晶格匹配的设计是期望的，因为它们已被证明是可靠的，并且因为它们与变质太阳能电池(其需要相对厚的缓冲层来适应各种材料的晶格常数的差异)相比使用较少的半导体材料”(Rebecca Elizabeth Jones-Albertus等人，美国专利No.8,962,993)。
本公开提出了用于多结太阳能电池的设计特征，其背离这种常规观点，用于提高多结太阳能电池将太阳能(或光子)转换成电能的效率以及优化在“寿命终期”期间的这种效率。
发明内容
本公开的目标
本公开的一个目标是在光伏电力系统的运行寿命期间在用于太空应用的多结太阳能电池中提供提高的光转换效率。
本公开的另一个目标是提供一种多结太阳能电池，其中子电池的成分和它们的带隙已经被配置为最大化太阳能电池在初始设置之后的预定时间(EOL)时、在AM0单太阳光谱空间的设置下、在预定的高温(具体而言，在40到70摄氏度的范围内)的工作条件下的效率，这一时间EOL是至少一年、五年、十五年或二十年，并且在初始设置时(BOL)没有被最大化。
本发明的另一个目标是提供一种四结太阳能电池，其中所有四个电池的平均带隙(即，每个子电池的四个带隙的总和除以四)大于1.35eV。
本发明的另一个目标是提供一种四结太阳能电池，其中下部两个子电池晶格失配，并且其中，当在“寿命开始”时或初始设置的时间测量时，通过底部子电池的电流被有意设计为显著大于通过顶部三个子电池的电流。
本公开的一些实现方式可以结合或实现前述目标中提到的方面和特征中的更少的方面和特征。
本发明的特征
本公开中阐述的所有数值参数的范围都应当被理解为涵盖其中包含的任何和所有子范围或“中间推广(intermediate generalizations)”。例如，带隙值的“1.0至2.0eV”的规定范围应当被认为包括以1.0eV或更大的最小值开始并且以2.0eV或更小的最大值结束的任何和所有子范围，例如，1.0至1.2或1.3至1.4或1.5至1.9eV。
简而言之，总体而言，本公开提供了一种多结太阳能电池，其包括：生长衬底；在生长衬底之上或生长衬底之中形成的第一太阳能子电池(D)；沉积在第一太阳能子电池之上的分级(grading)中间层；以及沉积在包括多个太阳能子电池的分级中间层之上的一系列半导体材料层，包括设置在生长衬底之上并且相对于生长衬底晶格失配并且具有在0.9至1.8eV范围内的带隙的第二太阳能子电池(C)，以及设置在第二子电池之上并且具有超过30％摩尔分数的铝含量以及在2.0至2.20eV范围内的带隙的至少上部太阳能子电池(A)；其中分级中间层在成分上分级，以使其一侧与生长衬底晶格匹配并且另一侧与第二太阳能子电池晶格匹配，并且由受到其整个厚度内的面内晶格参数大于或等于生长衬底的面内晶格参数的约束的任何基于As、P、N、Sb的III-V族化合物半导体组成；其中太阳能子电池的成分和带隙的组合被设计为最大化当太阳能电池设置在处于AM0、至少5×1014e/cm2的1M eV电子等效能量密度并且处于40至70摄氏度范围内的工作温度的空间中时、在初始设置之后的预定时间处的太阳能电池的效率，其中预定时间至少为五年并且被称为寿命终期(EOL)。
值得注意的是，在太阳能子电池的这种序列中，叙述阐述了至少三个子电池，暗示多结太阳能电池可以是三结、四结、五结(或更多)多结太阳能电池。
另一方面(并且使用前面段落中使用的术语的替代术语来分别将“第一”、“第二”、“第三”和“第四”子电池定义和排列为A、B、C和D)，本公开提供了一种四结太阳能电池，其包括：由具有第一带隙的半导体材料组成的上部第一太阳能子电池(A)；与所述第一太阳能子电池相邻并且由具有小于第一带隙的第二带隙的半导体材料组成并且与上部第一太阳能子电池晶格匹配的第二太阳能子电池(B)；与所述第二太阳能子电池相邻并且由具有小于第二带隙的第三带隙的半导体材料组成并且与第二太阳能子电池晶格匹配的第三太阳能子电池(C)；以及与所述第三太阳能子电池相邻并且由具有小于第三带隙的第四带隙的半导体材料组成的第四或底部太阳能子电池(D)；其中所有四个子电池的平均带隙(即，每个子电池的四个带隙的总和除以四)大于1.35eV。
另一方面，本公开提供了一种四结空间合格的太阳能电池，其被设计用于在AM0并且在至少1×1014e/cm2的1MeV电子等效能量密度情况下工作，太阳能电池包括子电池，其中太阳能子电池的成分和带隙的组合被设计为最大化当太阳能电池设置在处于40至70摄氏度范围内的工作温度的空间中时、在初始设置之后的预定时间处的太阳能电池的效率，其中预定时间至少为五年并被称为寿命终期(EOL)。更特别地，太阳能电池包括：由磷化铟镓铝组成并且具有在2.0至2.2eV范围内的第一带隙的上部第一太阳能子电池(A)；与所述第一太阳能子电池相邻并且包括由磷化铟镓或砷化铝铟镓组成的发射极层和由砷化铝铟镓组成的基极层并且具有在近似1.55至1.8eV范围内的第二带隙并且与上部第一太阳能子电池晶格匹配的第二太阳能子电池(B)，其中第二太阳能子电池的发射极层和基极层形成光电结；与所述第二太阳能子电池相邻并且由砷化铟镓组成并且具有小于第二太阳能子电池的带隙的第三带隙并且与第二太阳能子电池晶格匹配的第三太阳能子电池(C)；以及与所述第三太阳能子电池相邻并且由锗组成并且具有近似0.67eV的第四带隙的第四或底部太阳能子电池(D)；其中太阳能电池的平均带隙(即，四个子电池中的每一个子电池的带隙的平均值或数值总和除以四)等于或大于1.35eV。
在一些实施例中，第四子电池是锗。
在一些实施例中，第二子电池具有近似1.73eV的带隙，并且上部第一子电池具有近似2.10eV的带隙。
在一些实施例中，上部第一太阳能子电池具有近似2.05至2.10eV的带隙，第二太阳能子电池具有1.55至1.73eV范围内的带隙；并且第三太阳能子电池具有1.15至1.41eV范围内的带隙。
在一些实施例中，上部第一太阳能子电池具有近似2.10的带隙，第二太阳能子电池具有近似1.73eV的带隙；并且第三太阳能子电池具有在1.41eV范围内的带隙。
在一些实施例中，上部第一太阳能子电池具有近似2.10的带隙，第二太阳能子电池具有近似1.65eV的带隙；并且第三太阳能子电池具有1.3eV的带隙。
在一些实施例中，上部第一太阳能子电池具有近似2.05的带隙，第二太阳能子电池具有近似1.55eV的带隙；并且第三太阳能子电池具有1.2eV的带隙。
在一些实施例中，第一太阳能子电池具有2.05eV的带隙。
在一些实施例中，第三太阳能子电池的带隙小于1.41eV，并且大于第四子电池的带隙。
在一些实施例中，第三太阳能子电池具有1.15至1.35eV范围内的带隙。
在一些实施例中，第三太阳能子电池具有1.1至1.2eV范围内的带隙。
在一些实施例中，第三太阳能子电池具有近似1.2eV的带隙。
在一些实施例中，上部第一子电池由磷化铟镓铝组成；第二太阳能子电池包括由磷化铟镓或砷化铝铟镓组成的发射极层和由砷化铝铟镓组成的基极层；第三太阳能子电池由砷化铟镓构成；第四子电池由锗组成。
在一些实施例中，还包括分布式布拉格(Bragg)反射器(DBR)层，该层与第三和第四或底部太阳能子电池相邻并且在它们之间，并且被布置成使得光可以进入并穿过第三太阳能子电池并且光的至少一部分可以被DBR层反射回第三太阳能子电池中。
在一些实施例中，DBR层由多个交替的晶格匹配材料层组成，这些材料各自的折射率具有不连续性。
在一些实施例中，DBR层的交替的各层之间的折射率差异被最大化，以便最小化实现给定的反射率所需的周期数，并且每个周期的厚度和折射率确定阻带(stop band)及其限制波长。
在一些实施例中，DBR层包括由多个p型InzAlxGa1-x-zAs子层组成的第一DBR层，以及设置在第一DBR层之上并且由多个p型InwAlyGa1-y-xAs子层组成的第二DBR层，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，并且y大于x，使得第一DBR层和第二DBR层在成分上不同，由此增加了DBR层的反射带宽。
在一些实施例中，对子电池的成分及其带隙的选择最大化在初始设置(称为寿命开始(BOL))之后的预定时间处、在空间设置中的高温(在40至70摄氏度范围内)情况下的效率，这种预定时间被称为寿命终期(EOL)并且至少是五年。
在一些实施例中，顶部或上部第一子电池由(InxGa1-x)1-yAlyP的基极层(其中x为0.505，y为0.142，与2.10eV的带隙对应)和(InxGa1-x)-yAlyP的发射极层(其中x为0.505，y为0.107，与2.05eV的带隙对应)组成。
在一些实施例中，还包括设置在第三子电池和第四或底部子电池之间的中间层(或“分级中间层”)，其中该中间层在成分上被分级，从而在一侧与第三太阳能子电池晶格匹配并且在另一侧与第四或底部太阳能子电池晶格匹配，并且由受到以下约束的任何基于As、P、N、Sb的III-V族化合物半导体组成：面内晶格参数大于或等于第四或底部太阳能子电池的面内晶格参数，并且具有比第四太阳能子电池的带隙能量大的带隙能量。
在一些实施例中，中间层(或“分级中间层”)以一个与四个阶梯之间在成分上阶梯分级，从而在一侧与第三太阳能子电池晶格匹配并在另一侧与第四或底部太阳能子电池晶格匹配，并且由InxGa1-xAs或(InxGa1-x)yAl1-yAs组成，其中0＜x＜1，0＜y＜1，并且x和y被选择为使得带隙在其整个厚度中保持在1.15至1.41eV的范围内。
在一些实施例中，分级中间层具有1.15至1.41eV或1.2至1.35eV或1.25至1.30eV范围内的恒定带隙。
在一些实施例中，上部第一太阳能子电池的(i)发射极层；或者(ii)基极层和发射极层具有与第二太阳能子电池的晶格常数不同的晶格常数。
在一些实施例中，每个子电池包括发射极区域和基极区域，并且一个或多个顶部或最上部子电池具有其掺杂分级从与p-n结相邻的每立方厘米1×1015个原子指数增加到与基极区域后部的邻接层相邻的每立方厘米4×1018个原子的基极区域，以及其掺杂分级从发射极区域中与邻接子电池层紧邻的近似每立方厘米5×1018个原子降低到发射极区域中与p-n结相邻的每立方厘米5×1017个原子的发射极区域。
在一些实施例中，分级中间层的上部子层中的至少一个子层具有比半导体主体的与设置在分级中间层上方的分级中间层的上部子层相邻的层更大的晶格常数。
在一些实施例中，相邻的第三子电池和第四或底部子电池之间的晶格常数差在0.1至0.2埃的范围内。
在一些实施例中，还包括第一穿透位错抑制层，其厚度在0.10至1.0微米范围内，并且设置在所述第四或底部太阳能子电池之上且在分级中间层之下。
在一些实施例中，还包括第二穿透位错抑制层，其厚度在0.10至1.0微米范围内，并且由InGa(Al)P组成，该第二穿透位错抑制层设置在所述分级中间层之上并且直接与其相邻，用于降低穿透位错的传播，所述第二穿透位错抑制层具有与第一穿透位错抑制层的成分不同并且与相邻的分级中间层不同的成分。
另一方面，本公开提供了一种制造四结太阳能电池的方法，包括：提供形成第一子电池的锗衬底；使用半导体沉积工艺在锗衬底上生长一系列半导体材料层以形成太阳能电池，该太阳能电池包括多个子电池，该多个子电池包括设置在锗衬底之上并与其晶格失配并且具有1.41eV或更小的带隙的第二子电池、设置在第二子电池之上并且具有近似1.55至1.8eV范围内的带隙的第三子电池，以及设置在第三子电池之上并且具有2.0至2.15eV范围内的带隙的上部子电池。
在一些实施例中，可以在电池结构中添加或删除(一个或多个)附加层，而不偏离本公开的范围。
本公开的一些实现方式可以结合或实现前述发明内容中提到的方面和特征中的更少的方面和特征。
附图说明
通过在结合附图考虑时参考以下详细描述，本发明将得到更好和更全面的理解，在附图中：
图1是表示28℃情况下参数Eg/q-Voc的BOL值相对于沿x轴定义的某些二元材料的带隙作图的曲线图；
图2是根据本公开的、在若干制造阶段之后的四结太阳能电池的第一实施例的太阳能电池的截面图，其中制造包括在生长衬底上沉积某些半导体层直到接触层；
图3是根据本公开的太阳能电池中的子电池的基极层和发射极层中的掺杂分布图；
图4A是根据本公开的、在若干制造阶段之后的四结太阳能电池的第二实施例的截面图，其中制造包括在生长衬底上生长某些半导体层直到接触层；
图4B是根据本公开的、在若干制造阶段之后的四结太阳能电池的第三实施例的截面图，其中制造包括在生长衬底上生长某些半导体层直到接触层；
图5是根据本公开的、在若干制造阶段之后的四结太阳能电池的第四实施例的截面图，其中制造包括在生长衬底上生长某些半导体层直到接触层；
图6是在CIC中实现并安装在面板上的本公开的太阳能电池的截面图；
图7是表示某些二元材料的带隙及其晶格常数的曲线图；以及
图8是图7的曲线图的一部分的放大，图示了具有不同比例的镓和铟的GaInAs和GaInP的不同化合物以及该曲线图的具体化合物的位置。
具体实施方式
本申请人的相关申请中公开了多结太阳能电池的各种不同特征。这些特征中的一些、许多或全部可以包括在与本公开的“直立”变质多结太阳能电池相关联的结构和过程中。但是，更特别地，本公开针对在单个生长衬底上生长的多结太阳能电池的制造，在一个实施例中包括两个下部子电池，即，晶格失配的第四子电池和第三子电池。但是，更具体而言，在一些实施例中，本公开涉及对于上部第一子电池具有2.0至2.15eV(或更高)范围内的直接带隙、对于第二子电池和第三子电池分别具有(i)1.65至1.8eV和(ii)1.41eV或更小的直接带隙并且对于底部第四子电池具有0.6至0.8eV的间接带隙的四结太阳能电池。
本公开提供了非常规的四结设计(具有三个生长的晶格匹配子电池，它们与第四或底部子电池或Ge衬底晶格失配)，这导致与传统三结太阳能电池相比惊人显著的性能改进，尽管在顶部的三个结与底部Ge结(即，第四子电池)之间存在显著的电流失配。这种性能增益尤其体现在高温下以及高度暴露于空间辐射之后，其原因在于采用了固有地更耐辐射和耐温的高带隙半导体，从而具体地解决了在整个工作任务期间并且具体地是在“寿命终期”确保持续的足够的效率和功率输出的问题。
表征本公开的另一种方式是，在四结太阳能电池的一些实施例中，所有四个子电池的平均带隙(即，每个子电池的四个带隙的总和除以四)大于1.35eV。
在一些实施例中，第四子电池是锗，而在其它实施例中，第四子电地是InGaAs、GaAsSb、InAsP、InAlAs或SiGeSn、InGaAsN、InGaAsNSb、InGaAsNBi、InGaAsNSbBi、InGaSbN、InGaBiN、InGaSbBiN或者其它III-V或II-VI族化合物半导体材料。
本公开的另一个描述性方面是将第四或底部子电池表征为具有大于0.75eV的直接带隙。
室温下锗的间接带隙大约为0.66eV，而室温下锗的直接带隙为0.8eV。本领域技术人员通常将锗的“带隙”称为0.67eV，因为它低于0.8eV的直接带隙值。
因此，“第四或底部子电池具有大于0.75eV的直接带隙”的表述明确地意味着包括锗作为用于第四或底部子电池的可能的半导体，但是也可以使用其它半导体材料。
更具体而言，本公开旨在提供一种相对简单且可再现的技术，其不采用与倒置变质多结太阳能电池的制造相关联的倒置处理，并且适于用在其中在MOCVD反应器中的生长衬底上生长各种半导体层的大批量生产环境中，并且随后的处理步骤被限定和选择为最小化对沉积层的质量的任何物理损害，由此确保在制造过程结束时满足规格的可工作的太阳能电池的相对高产量。
如上面所建议的，鉴于各种新的空间任务和应用要求的挑战，对多结太阳能电池的设计进行了递增式改进。而且，虽然这种改进可以是对某些子电池的成分或带隙的相对微小的定量修改，但是这种微小的参数改变(诸如上部第一子电池或第三子电池的具体带隙的0.1至0.5eV)提供了效率的实质性提高，其具体地解决了已经与现有的当前商业多结太阳能电池相关联地识别出的“问题”，并且提供表示设计过程中的“创造性步骤”的“解决方案”。
本公开的一个方面涉及在多结太阳能电池中的上部子电池的活性层中使用铝。在子电池的活性层中增加作为组成元素的铝的效果影响光伏设备的性能。对太阳能电池结的“质量”或“优度”的一种测量是该子电池或结中的半导体材料的带隙与同一个结的Voc或开路电压之间的差异。差异越小，太阳能电池结相对于带隙的Voc越高，并且设备的性能越好。Voc对半导体材料质量非常敏感，因此设备的Eg/q-Voc越小，该设备中材料的质量越高。这一差异存在理论上的限制，被称为肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)极限。太阳能电池结可以在给定的温度处于给定聚光度(concentration)的光下是最好的。
对于单结(Al)GaInP太阳能电池获得的实验数据表明，增加该结(与顶部或最上部子电池对应)的Al含量导致较大的Voc-Ea/q差异，这表明结的材料质量随着Al含量的增加而降低。图1示出了这种效果。图中引用的三种成分都与GaAs晶格匹配，但具有不同的Al成分。添加Al增加结的带隙，但这样做也会增加Voc-Eg/q。因此，我们得出这样的结论：向半导体材料添加Al会使该材料降级，使得由该材料制成的太阳能电池设备的性能不如具有较少Al的结。
转向本公开的多结太阳能电池设备，图2是根据本公开的、在若干制造阶段之后的四结太阳能电池200的第一实施例的截面图，其中制造包括在生长衬底上生长某些半导体层直到接触层322。
如图2图示的示例所示，第四或底部子电池D包括由p型锗(“Ge”)形成的生长衬底300，其也用作基极层。在基极层300的底部上形成的背面金属接触焊盘350提供与多结太阳能电池200的电接触。底部子电池D还包括例如高掺杂n型Ge发射极层301和n型砷化铟镓(“InGaAs”)成核层302。成核层沉积在基极层之上，并且发射极层通过掺杂剂扩散到Ge衬底中而在衬底中形成，由此形成n型Ge层301。重掺杂的p型砷化铝铟镓(“AlGaAs”)和重掺杂的n型砷化镓(“GaAs”)隧穿结层304、303可以沉积在成核层之上，以提供底部第四子电池和第三子电池之间的低电阻路径。
在一些实施例中，然后与底部第四子电池D的隧道二极管303、304和第三太阳能子电池C相邻地并在它们之间生长分布式布拉格反射器(DBR)层305。DBR层305被布置成使得光可以进入并穿过第三太阳能子电池C，并且光的至少一部分可以由DBR层305反射回第三太阳能子电池C中。在图2中绘出的实施例中，分布式布拉格反射器(DBR)层305具体地位于第三太阳能子电池C与隧道二极管层304、303之间；在其它实施例中，分布式布拉格反射器(DBR)层可以位于隧道二极管层304/303与缓冲层302之间。
对于一些实施例，分布式布拉格反射器(DBR)层305可以由多个交替的晶格匹配材料层305a至305z组成，它们各自的折射率具有不连续性。对于某些实施例，交替的层之间的折射率差异被最大化，以便最小化实现给定反射率所需的周期数，并且每个周期的厚度和折射率确定阻带及其限制波长。
对于一些实施例，分布式布拉格反射器(DBR)层305a至305z包括由多个p型InzAlxGa1-x-zAs层组成的第一DBR层，以及设置在第一DBR层之上并且由多个p型InwAlyGa1-y- wAs层组成的第二DBR层，其中0＜w＜1，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，并且其中y大于x。
虽然本公开描绘了位于第三子电池和第四子电池之间的DBR层305，但是在其它实施例中，DBR层可以位于第一子电池与第二子电池之间，和/或第二子电池与第三子电池之间，和/或第三子电池与第四子电池之间。
在图2图示的示例中，第三子电池C包括高掺杂的p型砷化铝铟镓(“AlInGaAs”)背表面场(“BSF”)层306、p型InGaAs基极层307、高掺杂的n型砷化铟镓(“InGaAs”)发射极层308以及高掺杂的n型磷化铟铝(“AlInP2”)或磷化铟镓(“GaInP”)窗口层309。子电池C的InGaAs基极层307可以包括例如近似1.5％的In。也可以使用其它成分。在BSF层沉积在DBR层305之上之后，基极层307在BSF层306之上形成。
窗口层309沉积在第三子电池C的发射极层308上。第三子电池C中的窗口层309也有助于减少重组损失并改进底层结的电池表面的钝化。在沉积子电池B的层之前，可以在子电池C之上沉积重掺杂的n型InGaP和p型A1GaAs(或其它合适的成分)隧穿结层310、311。
第二子电池B包括高掺杂的p型砷化铝铟镓(“AlInGaAs”)背表面场(“BSF”)层312、p型AlInGaAs基极层313、高掺杂的n型磷化铟镓(“InGaP2”)或AlInGaAs层314以及高掺杂的n型磷化铟镓铝(“AlGaAlP”)窗口层315。第二子电池B的InGaP发射极层314可以包括例如近似50％的In。也可以使用其它成分。
在沉积上部第一子电池A的层之前，可以在第二子电池B上沉积重掺杂的n型InGaP和p型AlGaAs隧穿结层316、317。
在图示的示例中，顶部或最上部第一子电池A包括高掺杂的p型磷化铟铝(“InAlP2”)BSF层318、p型InGaAlP基极层319、高掺杂的n型InGaAlP发射极层320及高掺杂的n型InAlP2窗口层321。在形成BSF层318之后，第一子电池A的基极层319沉积在BSF层318之上。
在沉积帽或接触层322之后，网格线经由蒸发形成并且通过光刻被图案化并且被沉积在帽或接触层322之上。
在一些实施例中，第一、第二或第三太阳能子电池中的至少一个的至少基极具有分级掺杂，即，掺杂水平在基极层的整个厚度上从一个表面到另一个表面变化。在一些实施例中，掺杂的分级是指数的。在一些实施例中，掺杂的分级是递增且单调的。
在一些实施例中，第二、第三或第四太阳能子电池(分别为C、B或A)中的至少一个的发射极也具有分级掺杂，即，掺杂水平在发射极层的整个厚度上从一个表面到另一个表面变化。在一些实施例中，掺杂的分级是线性的或单调递减的。
作为具体示例，发射极层和基极层的掺杂分布可以在图3中图示，图3绘出了子电池的发射极区域和基极区域中的掺杂量。N型掺杂剂包括硅、硒、硫、锗或锡。P型掺杂剂包括硅、锌、铬或锗。
在图3的示例中，在一些实施例中，子电池(C、B或A)中的一个或多个具有其掺杂分级从与p-n结相邻的每立方厘米1×1015至1×1018个自由载流子范围内的值增加到与基极后面的邻接层相邻的每立方厘米1×1016至4×1018个自由载流子范围内的值的基极区域，以及其掺杂分级从与邻接层紧邻的区域中的近似每立方厘米5×1018至1×1017个自由载流子范围内的值减少到与p-n结相邻的区域中的每立方厘米5×1015至1×1018个自由载流子范围内的值的发射极区域。
图3中所示的粗线612和613图示了具有指数分级的基极掺杂以及线性的发射极掺杂的一个实施例。
因此，基极层的整个厚度中的掺杂水平可以从每立方厘米1×1016个自由载流子至每立方厘米1×1018个自由载流子的范围指数地分级，如图中绘出的曲线613所表示的。
类似地，发射极层的整个厚度中的掺杂水平可以从每立方厘米5×1018个自由载流子线性下降到每立方厘米5×1017个自由载流子，如图中绘出的曲线612所表示的。
由指数掺杂梯度exp[-x/λ]生成的收集场的绝对值由场强为E＝kT/q(1/λ))(exp[-xb/λ])的恒定电场给出，其中k是玻尔兹曼常数，T是以开尔文度表示的绝对温度，q是电子改变的绝对值，并且λ是掺杂衰减的参数特性。
根据一个实施例，已经在测试太阳能电池中证实了本公开的掺杂布置的实施例的功效，该测试太阳能电池结合了三微米厚的基极层子电池中的指数掺杂分布。
由本公开的一个实施例教导的指数掺杂分布在掺杂区域中产生恒定场。在本公开的特定多结太阳能电池材料和结构中，底部子电池在所有子电池中具有最小的短路电流。由于在多结太阳能电池中各个子电池堆叠并形成串联电路，因此整个太阳能电池中的总电流流动受到任何子电池中产生的最小电流的限制。因此，通过增加底部电池中的短路电流，电流更紧密地近似较高子电池的电流，并且太阳能电池的整体效率也提高。在具有近似效率的多结太阳能电池中，本发明的掺杂布置的实现方式将由此提高效率。除了提高效率之外，由指数掺杂分布创建的收集场将增强太阳能电池的耐辐射性，这对于航天器应用是重要的。
虽然指数掺杂分布是已经实现且验证的掺杂设计，但是其它掺杂分布可以产生线性变化的收集场，这还可以提供其它优点。例如，另一种掺杂分布可以在掺杂区域中产生线性场，这对于少数载流子收集以及对于太阳能电池寿命终期(EOL)时的耐辐射性都是有利的。一个或多个基极层中的这种其它掺杂分布在本公开的范围内。
本文描述的掺杂分布仅仅是说明性的，并且可以利用对于本领域技术人员来说明显的其它更复杂的分布，而不偏离本发明的范围。
图4A是在若干制造阶段之后的四结太阳能电池400的第二实施例的截面图，其中制造包括在生长衬底上生长某些半导体层直到接触层322，其中各种子电池与图2中描述和绘出的结构相似。为了简洁起见，层350、300至304以及306至322的描述在这里将不再重复。
在图4A中绘出的实施例中，在一个实施例中包括阶梯分级子层505a至505z的中间的分级中间层505设置在隧道二极管层304之上。特别地，分级中间层提供晶格常数从衬底的晶格常数到第二、第三和第四子电池的较大晶格常数的过渡。
在隧道二极管303/304上沉积优选地由p型InGaP组成的第一“α”或穿透位错抑制层504，沉积厚度为0.10至大约1.0微米。这种α层旨在防止穿透位错或者与到第一子电池D的生长方向相反地传播或者在到第二子电池C的生长方向上传播，并且更具体地在美国专利申请公开No.2009/0078309 A1(Cornfeld等人)中描述。更一般而言，α层具有与其上方和下方的相邻层不同的成分。如图4A中所示，左侧的阶梯线绘出了从子层505a到子层505z递增变大的面内晶格常数的阶梯分级，这些子层被完全松弛。
变质层(或分级中间层)505使用表面活性剂沉积在α层504上。层505优选地在成分上是p型InGaAs或InGaAlAs层的阶梯分级系列，优选地具有单调改变的晶格常数，以便实现半导体结构中从第四子电池D到第三子电池C的晶格常数的逐渐过渡，同时最小化穿透位错的发生。在一个实施例中，层505的带隙在其整个厚度上是恒定的，优选地近似等于1.22至1.34eV，或者与稍微大于第三子电池C的带隙的值一致。在另一个实施例中，层505的子层的带隙在1.22至1.34eV的范围内变化，其中第一层具有相对高的带隙，并且后续层递增地减小带隙。分级中间层的一个实施例也可以被表述为由InxGa1-xAs组成，其中0＜x＜1，0＜y＜l，并且x和y被选择为使得中间层的带隙保持恒定在近似1.22至1.34eV或其它适当的带隙。
在一个实施例中，铝被添加到一个子层，以使一个特定子层比另一个子层更硬，由此促使较软材料中发生位错。
在变质中间分级层505的表面活性剂辅助生长中，在层505的生长期间将合适的化学元素引入反应器中，以改进层的表面特点。在优选实施例中，这种元素可以是掺杂剂或施主原子(诸如硒(Se)或碲(Te))。因此，少量的Se或Te结合在变质层406中，并且保留在完成的太阳能电池中。虽然Se或Te是优选的n型掺杂剂原子，但是也可以使用其它非等电子表面活性剂。
表面活性剂辅助的生长导致更光滑或更平坦的表面。由于表面拓扑影响半导体材料在其生长和层变厚时的整体特性，因此使用表面活性剂可以最小化活性区域中的穿透位错，并因此提高整体太阳能电池效率。
作为使用非等电子的替代，可以使用等电子表面活性剂。术语“等电子”是指诸如锑(Sb)或铋(Bi)的表面活性剂，因为这些元素在变质缓冲层中具有与InGaP的P原子或InGaAlAs中的As原子相同数量的价电子。这种Sb或Bi表面活性剂通常不被结合到变质层505中。
在本公开的一个实施例中，变质层505由多层InGaAs组成，其中晶格常数单调改变，每层具有1.22eV至1.34eV范围内的带隙。在一些实施例中，带隙在层505的厚度内在1.27至1.31eV的范围内恒定。在一些实施例中，恒定带隙在1.28至1.29eV的范围内。
利用恒定带隙材料(诸如InGaAs)的优点是基于砷化物的半导体材料在标准商用MOCVD反应器中更容易处理。
虽然出于可制造性和辐射透明性的原因，本公开的所述实施例针对变质层505使用多个InGaAs层，但是本公开的其它实施例可以利用不同的材料系统来实现从第二子电池C到第一子电池D的晶格常数的改变。本公开的其它实施例可以利用连续分级(与阶梯分级相反)材料。更一般而言，分级中间层可以由受到面内晶格参数小于或等于第三子电池C的面内晶格参数并且大于或等于第四子电池D的面内晶格参数的约束的任何基于As、P、N、Sb的III-V族化合物半导体组成。在一些实施例中，层505具有比第三子电池C的带隙能量大的带隙能量，并且在其它实施例中，层505具有比第三子电池C的带隙能量小的带隙能量。
在一些实施例中，优选地由p型GaInP组成的第二“α”或穿透位错抑制层507沉积在变质缓冲层505之上，厚度从0.10至大约1.0微米。这种α层旨在防止穿透位错或者与到第一子电池D的生长方向相反地传播或者在到第二子电池C的生长方向上传播，并且更特别地在美国专利申请公开No.2009/0078309 A1(Cornfeld等人)中描述。
在图4B中绘出的实施例中，在一个实施例中包括阶梯分级子层505a至505zz的中间的分级中间层506设置在隧道二极管层304之上。特别地，分级中间层提供了晶格常数从衬底和第一太阳能子电池的晶格常数到第二、第三和第四子电池C、B和A的较大晶格常数的过渡，并且与图4A的实施例的不同之处仅在于分级中间层506的顶部或最上部子层505zz张紧(strained)或仅部分松弛(不像其下面的层那样完全松弛)，因为它的晶格常数大于其上方的层(即，α层507(如果存在第二α层的话)或BSF层306)的晶格常数。简言之，在该实施例中，存在分级层的“过冲”，如图4B的左手侧所绘出的，图4B示出了晶格常数的阶梯分级从层505a到505zz变大。
图5是在若干制造阶段之后的四结太阳能电池的第四实施例500的截面图，其中制造包括在生长衬底上生长某些半导体层直到接触层322，其中各种子电池与图2、4A和4B中描述和绘出的结构相似。
在该实施例中，中间分级层和DBR层都设置在第三子电池C和第四子电池D之间。层450、400至404、504至507和305至322与图2和图4A或4B中的基本上相似，并且在这里不需要重复它们的描述。
在该实施例中，分布式布拉格反射器(DBR)层305与α层507(或者，如果层507不存在，则为变质缓冲层506)相邻并在其之上生长。DBR层305被布置成使得光可以进入并且穿过第三太阳能子电池C，并且光的至少一部分可以由DBR层305反射回到第三子电池C中。在图5中绘出的实施例中，分布式布拉格反射器(DBR)层305具体地位于第三子电池C和变质层506之间。
对于一些实施例，分布式布拉格反射器(DBR)层305可以由多个交替的晶格匹配材料层305a至305z组成，其中它们各自的折射率具有不连续性。对于某些实施例，交替的层之间的折射率的差异被最大化，以便最小化实现给定反射率所需的周期数，并且每个周期的厚度和折射率确定阻带及其限制波长。
对于一些实施例，分布式布拉格反射器(DBR)层305a至305z包括由多个p型InzAlxGa1-x-zAs层组成的第一DBR层，以及设置在第一DBR层之上并且由多个p型InwAlyGa1-y- wAs层组成的第二DBR层，其中0＜w＜1，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1并且y大于x。
图6是根据本公开的安装在面板或支撑衬底上的太阳能电池组件的一部分的截面图，其中该图分别绘出了两个相邻的太阳能电池601和701以及对应的CIC 600和700。
如前面所指出的，对于空间应用，太阳能电池601、701分别在半导体设备之上包括盖玻璃603、703，以提供对空间环境中的可能损害半导体材料的粒子的抗辐射屏蔽。盖玻璃603、703通常是掺有二氧化铈的硼硅酸盐玻璃，其厚度通常为3至6密耳，并且分别通过透明粘合剂602、702附连到对应的太阳能电池601、701。
在每个太阳能电池上设置第一极性类型和第二极性类型的键合焊盘。在一个实施例中，背金属604和704分别形成第一极性类型的接触件。在每个太阳能电池的顶表面上，沿着太阳能电池的一个边缘设置金属接触件705，以形成第二极性的接触件。
提供多个电互连607，每个电互连607由镀银的镍-钴铁合金材料带组成，每个互连被焊接到每个太阳能电池组件上相应的键合焊盘612和705，以便在串联电路中电连接阵列的相邻的太阳能电池组件。
具有碳复合面板605的铝蜂窝面板606设置有各个CIC 600、700或安装在其上的太阳能电池组件，其中碳复合面板605的热膨胀系数(CTE)与每个太阳能电池中的第四太阳能子电池的锗基本匹配。
图6中图示的实施例中的太阳能电池组件的另一个特征在于，盖玻璃603、703各自具有在CIC 600中绘出的金属环绕式夹子608，其与盖玻璃603的表面接触并且沿着太阳能电池组件600的侧面的间隙或空间在CIC 600和700之间向下延伸，以与CIC 600的背面上的金属键合焊盘612电接触，而金属键合焊盘612进而与电接地接触。因此，夹子608使盖玻璃603的表面上积聚的电荷接地到面板或航天器的地。用于盖玻璃603、703的(一个或多个)表面的接地技术的其它配置在本公开的范围内。
图7是表示某些二元材料的带隙及其晶格常数的曲线图。三元材料的带隙和晶格常数位于在典型的相关联的二元材料之间绘制的线上(诸如三元材料AlGaAs位于曲线图上的GaAs和AlAs点之间，该三元材料的带隙介于GaAs的1.42eV与AlAs的2.16eV之间，取决于各个成分的相对量)。因此，取决于期望的带隙，可以适当地选择三元材料的材料成分用于生长。
图8是图7的曲线图的一部分的放大，图示了具有不同比例的镓和铟的GaInAs和GaInP的不同化合物以及具体化合物在曲线图上的位置。
本公开提供了一种遵循设计规则的多结太阳能电池，该规则是应当尽可能多地结合高带隙子电池，以实现在高温EOL情况下提高效率的目标。例如，随着温度升高，高带隙子电池可以保持电池电压的较大百分比，由此随着温度升高而提供较低的功率损失。因此，根据本公开，示例性多结太阳能电池的HT-BOL和HT-EOL性能都可以预期为优于传统电池。
本文所述的示例性太阳能电池可以要求在顶部两个子电池中的每一个的半导体成分中使用铝。由于深层次施主缺陷(deep level donor defects)、较高的掺杂补偿、较短的少数载流子寿命以及较低的电池电压和增大的BOL Eg/q-Voc度量，在III-V族化合物半导体工业中广为人知，结合铝会降低BOL子电池性能。简言之，增大的BOL Eg/q-Voc可能是含铝子电池存在的最有问题的缺陷；其它限制可以通过修改掺杂计划或减薄基极厚度来缓解。
鉴于运行环境温度、辐射暴露和运行寿命方面的不同卫星和航天器要求，可以提供使用本公开的设计原理的一系列子电池设计来满足具体限定的客户和任务要求，并且为了比较目的，下面将阐述若干说明性实施例以及它们在寿命终期时的效率的计算。如下文更详细描述的，使用每平方厘米1MeV电子通量(在下文中缩写为e/cm2)实验性地测量辐射暴露之后的太阳能电池性能，使得可以在当前商业设备与本公开中讨论的太阳能电池的实施例之间进行比较。
作为不同任务要求的示例，低地球轨道(LEO)卫星在五年的使用寿命期间通常会经历等同于每平方厘米5×1014电子通量(以下写为“5E14e/cm2”)的辐射。地球同步轨道(GEO)卫星在十五年的使用寿命期间通常会经历5×1014e/cm2至1×1015e/cm2范围内的辐射。
例如，对于标准的三结商业太阳能电池(ZTJ)，在寿命开始(BOL)和寿命终期(EOL)时在室温(RT)28℃和高温(HT)70℃情况下测得的电池效率(％)在表1中示出：
表1
条件 效率
BOL 28℃ 29.1％
BOL 70℃ 26.4％
EOL70℃ 23.4％在5E14e/cm2辐射之后
EOL 70℃ 22.0％在1E15e/cm2辐射之后
对于在2015年8月17日提交的母申请美国专利申请序列No.14/828，206(和对应的公布的欧洲专利申请EP 3133650 A1)中最初描述的太阳能电池，对应的数据在表2中示出：
表2
条件 效率
BOL28℃ 29.1％
BOL70℃ 26.5％
EOL70℃ 24.5％在5E14e/cm2辐射之后
EOL70℃ 23.5％在1E 15e/cm2辐射之后
在70℃的BOL情况下，在申请人的较早申请中描述的太阳能电池具有比标准商业太阳能电池(ZTJ)稍高的电池效率。但是，本公开的一个实施例中描述的太阳能电池在5×1014e/cm2的1MeV电子等效通量下表现出比标准商业太阳能电池(ZTJ)显著提高的电池效率(％)，并且在1×1015e/cm2的1MeV电子等效通量下具有比标准商业太阳能电池(ZTJ)大幅提高的电池效率(％)。
与上述标准太阳能电池的效率相比，表述本公开的不同实施例及其效率的最简单方式是列出具有每个相继子电池的成分及其相应的带隙的规范的实施例，然后列出计算出的效率。
因此，对于在本公开中配置和描述的四结太阳能电池，在寿命终期(EOL)时四个实施例及其对应的效率数据如下：
实施例1 带隙 成分
子电池A 2.1 AllnGaP
子电池B 1.73 InGaP/AllnGaAs或AllnGaAs/AllnGaAs
子电池C 1.41 (In)GaAs
子电池D 0.67 Ge
在5E14e/cm2辐射之后70℃情况下的效率：24.5％
在1E15e/cm2辐射之后70℃情况下的效率：23.5％
实施例2 带隙 成分
子电池A 2.1 AllnGaP
子电池B 1.67 InGaP/AllnGaAs或AllnGaAs/AllnGaAs
子电池C 1.34 InGaAs
子电池D 0.67 Ge
在1E15e/cm2辐射之后70℃情况下的效率：24.9％
实施例3 带隙 成分
子电池A 2.1 AllnGaP
子电池B 1.65 InGaP/AllnGaAs或AllnGaAs/AllnGaAs
子电池C 1.30 (In)GaAs
子电池D 0.67 Ge
在1E15e/cm2辐射之后70℃情况下的效率：25.3％
实施例4 带隙 成分
子电池A 2.03 AllnGaP
子电池B 1.55 InGaP/AllnGaAs或AllnGaAs/AllnGaAs
子电池C 1.2 (In)GaAs
子电池D 0.67 Ge
在1E15e/cm2辐射之后70℃情况下的效率：25.7％
虽然上述各个实施例之间的带隙差异(即，0.1至0.2eV的量级)可能看起来相对小，但是这种调整导致EOL太阳能电池效率从如在2015年8月17日提交的母申请美国专利申请序列No.14/828，206(及对应的公开的欧洲专利申请EP 3133650 A1)中报告的24.4％到上述实施例4的太阳能电池的25.7％的令人惊讶且意想不到的增大。由带隙的相对小的改变引起的这种令人惊讶且意想不到的改进意味着相对于在母申请和欧洲专利申请公开中描述的相关配置具有可认知的创造性，因为在用于太空应用的太阳能电池设备领域中，即使效率的小的提高通常也被认为是重要的。
虽然所描述的本公开的实施例利用了四个子电池的垂直堆叠，但是本公开的各个方面和特征可以应用于具有更少或更多数量的子电池(即，两结电池，三结电池，五、六、七结电池，等)。

Claims (10)

1.一种制造用于空间应用的四结太阳能电池(200，400，450，500)的方法，包括：
提供生长衬底(300)；
形成设置在生长衬底(300)之上或生长衬底(300)之中的第四太阳能子电池(D)；
外延生长设置在第四太阳能子电池(D)和生长衬底(300)之上的分级中间层(505)，随后外延生长包括多个太阳能子电池的一系列半导体材料层，
其中所述多个太阳能子电池包括第三太阳能子电池(C)、至少一个第二太阳能子电池(B)以及上部第一太阳能子电池(A)，其中第三太阳能子电池(C)设置在生长衬底(300)之上并且相对于生长衬底(300)晶格失配并且具有0.9至1.8eV范围内的带隙，第二太阳能子电池(B)设置在第三太阳能子电池(C)之上并且具有在1.55至1.8eV范围内的带隙，上部第一太阳能子电池(A)设置在第二太阳能子电池(B)之上并且具有超过30％摩尔分数的铝含量和2.0至2.20eV范围内的带隙；
其中分级中间层(505)在成分上被分级成多个子层，从而使得所述多个子层中与生长衬底(300)相邻的子层与生长衬底(300)晶格匹配，并且所述多个子层中与第三太阳能子电池(C)相邻的子层的晶格参数大于第三太阳能子电池(C)的材料的晶格参数，并且分级中间层(505)由受到在其整个厚度内面内晶格参数大于或等于生长衬底(300)的面内晶格参数的约束的任何基于As、P、N、Sb的III-V族化合物半导体组成。
2.如权利要求1所述的方法，第二太阳能子电池(B)具有1.73eV的带隙并且与第三太阳能子电池(C)晶格匹配，并且上部第一太阳能子电池(A)具有2.10eV的带隙并且与第二太阳能子电池(B)晶格匹配，并且所有四个太阳能子电池的平均带隙等于或大于1.35eV。
3.如权利要求1所述的方法，其中上部第一太阳能子电池(A)由(InxGa1-x)1-yAlyP的基极层和(InxGa1-x)1-yAlyP的发射极层组成，在基极层中x为0.505并且y为0.142，对应于2.10eV的带隙，在发射极层中x为0.505并且y为0.107，对应于2.05eV的带隙。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括提供设置在第四太阳能子电池(D)之上并且在分级中间层(505)下方的隧道二极管(303，304)，其中分级中间层(505)的与隧道二极管(303，304)相邻的子层与隧道二极管(303，304)晶格匹配，并且分级中间层(505)由受到以下约束的任何基于As、P、N、Sb的III-V族化合物半导体组成：面内晶格参数与隧道二极管(303，304)的面内晶格参数不同，并且具有比第四太阳能子电池(D)的带隙能量大的带隙能量。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中分级中间层(505)在一个与四个阶梯之间在成分上阶梯分级，并且由InGaAs或(InxGa1-x)yAl1-yAs组成，其中0<x<1，0<y<1，并且x和y被选择为使得带隙在其整个厚度中也在1.15至1.41eV的范围内分级。
6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中分级中间层(505)具有在1.15至1.41eV或者1.2至1.35eV或者1.25至1.30eV范围内的带隙。
7.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中上部第一太阳能子电池(A)的(i)发射极层(320)；或者(ii)基极层(319)和发射极层(320)具有与直接相邻的第二太阳能子电池(B)的晶格常数不同的晶格常数。
8.如权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括：
提供分布式布拉格反射器DBR层(305)，该层与第三太阳能子电池(C)相邻并位于其下方，并且被布置成使得光能够进入并穿过第三太阳能子电池(C)并且光的至少一部分能够由DBR层(305)反射回到第三太阳能子电池(C)中，其中分布式布拉格反射层(305)由多个交替的晶格匹配的材料层组成，其中所述材料各自的折射率具有不连续性，其中交替的层之间的折射率的差异被最大化，以便最小化实现给定反射率所需的周期数，并且每个周期的厚度和折射率确定阻带及其限制波长，并且其中DBR层(305)包括由多个p型InzAlxGa1-x-zAs层组成的第一DBR层以及设置在第一DBR层之上并且由多个p型InwAlyGa1-y-wAs层组成的第二DBR层，其中0<w<1，0<x<1，0<y<1，0<z<1并且y大于x；
其中所述分布式布拉格反射器DBR层与第三太阳能子电池(C)晶格匹配，并且
其中分级中间层(505)的与DBR层(305)相邻的子层的晶格参数大于DBR层(305)的晶格参数，并且分级中间层(505)的与第四太阳能子电池(D)相邻的子层与第四太阳能子电池(D)晶格匹配，并且分级中间层(505)由受到以下约束的任何基于As、P、N、Sb的III-V族化合物半导体组成：面内晶格参数大于或等于第四太阳能子电池(D)的面内晶格参数，并且具有比第四太阳能子电池(D)的带隙能量大的带隙能量。
9.一种用于空间应用的四结太阳能电池(200，400，450，500)，包括：
生长衬底(300)；
第四太阳能子电池(D)，设置在生长衬底(300)之上或生长衬底(300)之中；
分级中间层(505)，设置在生长衬底(300)之上，随后是包括多个太阳能子电池的一系列半导体材料层，
其中所述多个太阳能子电池包括第三太阳能子电池(C)、至少一个第二太阳能子电池(B)以及上部第一太阳能子电池(A)，其中第三太阳能子电池(C)设置在生长衬底(300)之上并且相对于生长衬底(300)晶格失配并且具有0.9至1.8eV范围内的带隙，第二太阳能子电池(B)设置在第三太阳能子电池(C)之上并且具有在1.55至1.8eV范围内的带隙，上部第一太阳能子电池(A)设置在第二太阳能子电池(B)之上并且具有超过30％摩尔分数的铝含量和2.0至2.20eV范围内的带隙；
其中分级中间层(505)在成分上被分级成多个子层，从而使得在所述多个子层中与生长衬底(300)相邻的子层与生长衬底(300)晶格匹配，并且所述多个子层中与第三太阳能子电池(C)相邻的子层的晶格参数大于第三太阳能子电池(C)的晶格参数，并且分级中间层(505)由受到以下约束的任何基于As、P、N、Sb的III-V族化合物半导体组成：在其整个厚度内面内晶格参数大于或等于生长衬底(300)的面内晶格参数。
10.如权利要求9所述的用于空间应用的四结太阳能电池，其中，所述太阳能子电池(C、B或A)中的一个或多个包括具有指数掺杂分级的基极区域和具有线性掺杂分级的发射极区域，并且
其中所有四个所述太阳能子电池的平均带隙等于或大于1.35eV。
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