CN1910759A - 具有外延生长量子点材料的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种单片半导体光致电压的太阳能电池，其包括在导电衬底上串联设置的多个子电池。所述多个子电池的至少一个子电池包含外延生长的自组装量子点材料。所述子电池通过隧道结电连接。所述子电池中的每一个子电池均具有有效带隙能量。所述子电池按有效带隙能量增加的次序设置，并且具有最低有效带隙能量的子电池最接近该衬底。在某些情况下，各所述子电池设计成吸收基本上相同量的太阳光子。

Description

具有外延生长量子点材料的太阳能电池
技术领域
本发明通常涉及光致电压(photovoltaic)的太阳能电池。更具体地，本发明涉及具有外延生长的量子点材料(quantum dot material)的III-V族多结(multijunction)半导体太阳能电池。
背景技术
太阳发射出很宽的光谱，其波峰在可见光范围内并且其光子通量的60％位于约350nm至约1350nm的波长范围内。该波长范围相当于太阳在地球上总功率通量约1.3kW/m2的80％。
几十年来公知的是将太阳的光功率转化成电功率的最好办法是通过利用半导体内吸收跃迁的太阳能电池。光子能量是这样利用的，即通过激发电子从半导体的价带穿过带隙进入导带。因而由此产生的光载流子(即电子和空穴)然后掠过通过掺杂半导体结构的不同区域而制造的p-n或p-i-n结(junction)，并用以产生电。具有带隙Eg的半导体或半导体合金吸收碰撞的光子，与所具有的能量小于Eg的光子相比，碰撞光子的能量大于或等于Eg。相当于可以这么说能量大于Eg的波长的光子可以被吸收，然而具有较长波长的光子就不能被吸收。
因为大于Eg的光子的能量经由热力过程(thermal process)有效地丧失，所以必须用具有不同带隙的材料的组合来调节太阳能电池的电压和电流，以使太阳光转化为电的效率最优化。为此，多结太阳能电池，亦称串联(tandem)太阳能电池，已经发展用于要求更高转换效率的应用。
从制造和结晶的角度来看，半导体或半导体合金的选择事实上局限于可以在共衬底(common substrates)上生长的具有最小缺陷的材料，例如GaAs、Ge、Si、或InP衬底。
到目前为止，最佳的光电转换效率(该转换效率定义为由装置所产生的电功率除以由光源处例如太阳所获得的光功率)大约是30％，并且该最佳转换效率已经通过在Ge衬底上生长具有GaInP顶端子电池(Eg约1.8eV)、GaAs中间子电池(Eg约1.4eV)、和Ge底端子电池(Eg约0.7eV)的单片多结电池而获得。因为所述子电池是经由隧道结而典型串联的，所以认识到应当进一步改善转换效率，材料的带隙毫无疑问需要改变或者增加第四个子电池。
该多结电池的总电压基本上是由单个子电池所产生电压的总和，其中每个子电池的电压与该子电池的带隙成正比。为最优化转换效率，子电池应该电流匹配(current-matched)，否则产生弱电流的子电池限定了总电流。在上述情况下，GaInP具有可以吸收总太阳光子通量的25％的带隙(有时称为AM0光谱)，然而，经由GaInP子电池传输的仅总太阳光子通量的14％可为GaAs子电池所吸收，以及经由GaAs子电池传输的总太阳光子通量的38％可为Ge子电池所吸收。
这显然将导致在该多结电池内的电流不平衡。相对而言，GaAs子电池并没有吸收足够的太阳光子，而Ge子电池吸收了太多。为平衡在所述子电池之间的电流平衡，中间子电池(即位于GaInP和Ge子电池之间的子电池)应当具有更小的带隙。例如，中间子电池具有约1.16eV的带隙(相当于大约1100nm的光波长)，这将意味着所有的三个子电池将各自吸收大约25％的总太阳光子通量。剩余的25％的太阳光子通量不会被吸收，这是因为所述三个子电池对于波长较长的光子是通透的(即波长大于1.8μm的光子不被吸收)。
如上所述，四子电池结构(arrangement)可以改善电流平衡。如果在GaAs子电池和Ge子电池之间引入具有Eg约1.0eV的材料，其在太阳光子通量的吸收中产生如下分布：约25％的光子为第一子电池(GaInP)吸收，约14％的光子为第二子电池(GaAs)吸收，约19％的光子为第三子电池(Eg约leV)吸收，约19％的光子为由第四子电池(Ge)吸收。然而，该四子电池结构仍然由于GaAs子电池而在电流上受到限制。为使该四子电池结构在电流方面更好的平衡，可以调整(减少)该第一子电池的厚度，以让一些波长较短的光子到达该第二子电池。在该方案中，该第二子电池吸收更多的能量大于其带隙的光子，从而导致更多热力损耗的能量。这已经由Olson等在美国专利5,223,043中描述，在此通过援引而合并。
为发现新型材料和新颖多结结构从而改善太阳能电池效率的研究和开发已经非常活跃。例如，Olson在美国专利4,667,059中所公开的在GaAs衬底上的双GaInP/GaAs电池；Ho等人在美国专利5,405,453中所公开的在Ge衬底上的双GaInP/GaAs电池；Wanlass在美国专利5,019,177中所公开的在InP上的双InP/GaInAsP电池；Freundlich等人在美国专利5,407,491中所公开的在InP衬底上的双InP/InGaAs电池；Chang等人在美国专利No.5,330,585中所公开的在GaAs衬底上的双AlGaAs/GaAs电池；这些专利在此通过援引而合并。
只要在材料的设计和品质上进行妥协，在Ge衬底上由GaInP/GaAs/Ge制造的双电池和三电池的这些例子可以具有接近于30％的转换效率。就具有GaAs作为最小带隙的双电池来说，这种妥协就是波长较长的光子不被吸收，这些光子传输通过所有的层。就具有较小InGaAs或InGaAsP带隙的双电池来说，这种妥协就是波长较短的光子在热量方面损失其过多的能量。GaAs或Ge衬底和InP衬底相比，具有低成本的优势也没有什么价值。
为使GaInP/GaAs电池的光吸收扩展至较长的波长，Freundlich在美国专利6,372,980中公开了具有InGaAs量子阱的太阳能电池，该太阳能电池具有超过30％的设计(modeled)效率，在此通过援引而合并。为尝试改善太阳能电池效率的其他的方案也已经公开。例如，Freundlich等人在美国专利5,851,310中公开了使用在InP衬底上生长应变的量子阱，在此通过援引而合并。铃木(Suzuki)在美国专利6,566,595(后面称为595)中公开了使用具有多个不同尺寸投影(projection)的量子阱层，其目的是通过使用具有不同带隙的材料最佳匹配太阳光谱，在此通过援引而合并。
类似的内容也由Sabnis等人在美国专利4,206,002中公开，用以体分级(bulk graded)带隙多结太阳能电池，在此通过援引而合并。然而在595专利的情况下，总效率不可能获得改善，这是因为吸收光谱的调整(tailoring)涉及在所述多层的平面内分布不同尺寸的量子阱或量子点材料。这将要求在用于吸收光的材料的空间密度方面进行妥协，并可能需要更厚的多层用以吸收在均匀的多层所能吸收的相同数量的光子，或者可能要求更大的表面，而这将减少转换效率。Chaffin等人在美国专利4,688,068中也公开了在多结电池内使用量子阱，在此通过援引而合并。
如Kurtz等人在美国专利6,252,287中所公开的(在此通过援引而合并)，与GaAs晶格(lattice)匹配的InGaAsN也是有前途的材料，这样的材料用于调整与GaAs的晶格匹配的多层的带隙，以最优化转换效率。
伴随光致电压的太阳能电池的广泛发展，单片多结太阳能电池制造的其他方面例如抗反射窗、隧道结和表面喷镀金属已经成熟，并已经在本领域的许多专利和出版物中公开，如见于上述几个专利(例如，美国专利4,694,115、美国专利5,009,719、美国专利4,419,530、美国专利4,575,577)。
在半导体纳米结构领域，众所周知的是在高应变的半导体生长的早期可以获得高质量、无缺陷、自组装的量子点(例如参见：Fafard等人于1999年在Phys.Rev发表的“半导体量子点的能级水平控制”(″Manipulating theEnergy Levels of Semiconductor Quantum Dots″，Phys.Rev.B 59，15368(1999)和S.Fafard等人于1999年在Appl.Phys.Lett发表的“在具有锐利的可调整电子壳体的量子点群中的激光照射”(″Lasing in Quantum Dot Ensembleswith Sharp Adjustable Electronic Shells″，Appl.Phys.Lett.75，986(1999)))。这种量子点材料可以在多层内生长，以获得用于例如量子点红外光电探测器等装置的多个厚的活性区域，如Fafard等人在美国专利6,239,449中所公开的，在此通过援引而合并。其中，量子点材料的带间吸收特性可以调整，以覆盖光谱的近红外和可见光部分中的各种波长范围。量子点材料的成分、尺寸与形状适合于改变量子化能量和量子点材料的有效带隙，其中所述材料的有效带隙定义为基本上是最低能量跃迁，在该最低能量跃迁下光子可以被吸收并且该最低能量跃迁通过异晶结构(heterostructure)的量子化的能级确定。
自组装量子点已经应用于各种高品质材料中，所述材料可以在GaAs或InP上假晶(pseudomorphically)生长。例如，在GaAs衬底上的InAlAs/AlGaAs吸收在红光或近红外线内的光，InP衬底上的InAs/InAlAs吸收在1.5μm波长范围内的光，和InP衬底上的InAs/InGaAs吸收在1.9μm波长范围内的光。然而更重要地是，在GaAs衬底上生长的In(Ga)As/GaAs自组装量子点材料特别适合用于在885nm至1150nm光谱范围内或者直到1350nm的光谱范围内吸收小于GaAs带隙，而这取决于生长参数。In(Ga)As/GaAs自组装量子点的多层可以均匀的生长并具有高密度。此外，多层能以相同的均一性生长，或者当需要的时候，通过简单地控制生长参数而具有不同的尺寸和/或成分。另外，In(Ga)As/GaAs的自组装量子点材料已经用于生产这样的装置，该装置具有比常规材料制成的装置数量级更强的辐射强度(例如参见：P.G.Piva等人于2000年在Appl.Phys.Lett.上发表的“量子点激光对辐射破坏的增强抗老化性”(″Enhanced Degradation Resistance of Quantum Dot Lasers toRadiation Damage″，Appl.Phys.Lett.77，624(2000)))。辐射和不足的硬度对于太阳能电池暴露于辐射的空间应用是特别有利的优点。
从上述现有技术的讨论中应当理解，的确需要具有所需吸收光谱的高品质材料，其可以容易的结合到多结太阳能电池中，以进一步改善转换效率。特别关心的是可以平衡GaAs和Ge带隙之间吸收的可靠材料。
发明内容
在第一方案中，本发明提供一种单片多结半导体光致电压的太阳能电池，其包括多个串联布置的子电池，所述多个子电池具有至少一个包含外延生长的自组装量子点材料的子电池。
在另一实施方式中，提供一种单片半导体光致电压的太阳能电池，其包括：Si衬底；跃迁层，其在该Si衬底上异质(metamorphically)生长，该跃迁层包含多层GaAs和AlGaAs层；以及第一子电池，其在该跃迁层上外延生长，该第一子电池包含自组装量子点材料。
在另一方案中，本发明提供一种单片半导体光致电压的太阳能电池，其包括：InP衬底；第一子电池，其在该衬底上外延生长，该第一子电池包含插有多个InGaAs层的多层InAs量子点层。
在再一方案中，本发明提供一种在衬底上制造单片多结半导体光致电压的太阳能电池的方法，其包括下列步骤：通过外延生长自组装量子点材料形成量子点子电池，该自组装量子点材料具有插有阻挡层(barriers)的多层量子点层。
通过审阅本发明具体实施方式的描述并结合附图，对于本领域普通技术人员而言，本发明其它方案和特征将是显而易见的。
附图说明
现在仅通过实施例并结合附图阐释本发明的实施方式，在附图中：
图1示出了从200nm开始累计(integrated)的AM0太阳光子通量和功率通量百分比；
图2示出了本发明的单片三子电池光致电压的太阳能电池；
图3示出了自组装量子点材料的光致电压谱；
图4示出了本发明的自组装量子点材料；
图5示出了本发明的单片四子电池光致电压的太阳能电池；
图6示出了本发明的单片二子电池光致电压的太阳能电池；以及
图7示出了量子点的导带。
具体实施方式
本发明提供单片半导体光致电压的太阳能电池，其包括至少一个具有自组装量子点材料的子电池。本发明也提供用于制造这种太阳能电池的方法，该方法利用了在所述太阳能电池的至少一个子电池内外延生长的自组装量子点材料。
第一实施方式是高效率单片三结光致电压的太阳能电池。三结光致电压的太阳能电池通过叠置由不同的半导体材料构成的p-n结或n-p结来制造。如上所述，在采用GaAs中间子电池和GaInP/AlGaAs顶端子电池的同时，采用在Ge衬底上生长的Ge底端子电池，可以获得大约30％的转换效率。这种多结光致电压的太阳能电池的效率在本发明中通过在该中间子电池内使用自组装量子点材料来取代体(bulk)GaAs而获得改进。
本发明的原理如图1所示，其中曲线10示出了与波长有关的从200nm波长开始累计的AM0太阳光子通量的百分比，曲线12示出了与波长有关的从200nm波长开始累计的AM0太阳功率通量的百分比。曲线10上的附图标记表示各种半导体材料和它们的吸收限。这些半导体材料可用于将光子(太阳或其它的)转化为电子载流子。图1中示出的点在说明书中可以称为电池、子电池、特定的半导体材料或吸收限，而这取决于上下文中的特定含义。
为最优化太阳能电池的转换效率，每个子电池的电流必须基本上相等，这是因为所述子电池串联连接。忽略在该装置表面上的反射，对于配备有防反射涂层的太阳能电池而言，这是一个允许近似值(valid approximation)，在距离半导体表面的深度z传输的光强由I(z)＝I0exp(-αz)给出。I0是输入强度和α是半导体吸收系数，该吸收系数为波长的函数，该函数与材料的状态密度相关(即α是与波长相关的)。对于足够厚的半导体材料，只有波长比半导体带隙等效值波长更长(或具有能量小于该带隙能量)的光才能传输过该半导体层，这是因为对于光子能量小于带隙能量而言，所述状态密度下降，α也下降。对于直接(direct)带隙半导体，在比该带隙波长更短的波长的情况下，α在104cm-1至105cm-1范围内，并且每个碰撞光子可以产生一对光载流子，即电子和空穴。
子电池内的电流与子电池所吸收的光子通量的百分率成正比。由曲线10可以推定，GaInP/GaAs/Ge太阳能电池将大约25％的光子通量吸收在顶端GaInP子电池14中，将大约14％的光子通量吸收在中间GaAs子电池16中，以及将大约38％的光子通量吸收在底端Ge子电池18中。采用AlGaAs子电池20替换该顶端GaInP子电池14将产生类似的结果。
由子电池14、16和18在太阳光子通量吸收方面的不平衡导致电流不平衡。也就是说，Ge底端子电池18产生了大部分电流，而中间GaAs子电池16限制了总电流和转换效率。总转换效率可以通过采用具有大约1070nm(1.16eV)有效带隙波长的材料替代GaAs材料16而获得改善。如下详细所示，这种材料可以为自组装量子点材料22。通过在该中间子电池内使用量子点材料22，三个子电池中的每一个所吸收的太阳光子通量大约是总太阳光子通量的25％，并且每个子电池所产生的电流将是相等的。可以计算理论效率，以给出光电能量转换的热力学极限。理论效率考虑了子电池的带隙、碰撞光子通量和其光谱分布，由此估算相应开路电压(VOC)和短路电流(JSC)(例如由Baur等人在2003年的大阪WCPEC-3会议中的3P-B5-07论文中所描述的)。对于最优化的结构，理论上转换效率可以超过40％。
这种单片三结光致电压的太阳能电池的细节在图2中示出(不按比例)，该图示出了用于本发明太阳能电池的一个实施方式。多结太阳能电池24包括衬底26、第一子电池28、通过外延假晶生长并包含自组装In(Ga)As/GaAs量子点材料的第二子电池30、以及第三子电池32。第二子电池30的In(Ga)As/GaAs量子点材料适于获得大约1.16eV的有效带隙。也可以采用其它外延生长技术或非外延生长技术生产类似纳米结构，这样的外延生长技术诸如选择性区域外延生长(selective area epitaxy)，模板外延生长(templatedepitaxy)，具有应变诱导(stained induced)的带隙改性异晶结构的外延生长，岛状生长方式(Volmer-Weber growth)，改性单层加岛状生长方式(Stranski-Krastanow growth modes)，结合或不结合高分辨率微细加工的层对层的生长方式(Frank-Van der Merwe growth modes)；非外延生长技术例如涉及胶态量子点；然而，这种纳米结构的光学和/或结构特性一般不适合于改善多结太阳能电池装置的效率。
根据本发明的这种实施方式，衬底26可以是导电的GaAs或优选导电的Ge，两者都具有类似的晶格常数。衬底26的掺杂可以是n型或p型。无论衬底26是具有在顶端生长的n-p或n-i-p结的n型，还是具有在顶端生长的p-n或p-i-n结的p型，对本发明并不重要。基于阐明的目的，这个实施方式将使用具有n-p或n-i-p结的n型衬底。其它可包括无掺杂衬底和埋入静合触点(back contacts)的可能组合同样是可能的。衬底26可以喷涂金属，以在背部形成电阻触点(ohmic contact)34，如图2所示，缓冲和/或支撑区域(back field)层36可以在衬底26和第一子电池28之间生长，以最优化各种结构、电或光学特性。第一子电池28优选由Ge制成，并包含n-p结以创建耗尽区(depletion region)。隧道结38用于连接第一子电池28和第二子电池30。
对于本领域技术人员容易理解，隧道结38优选由可以在第一子电池28上外延生长的高品质材料构成。隧道结38优选高度掺杂以提供优良的导电性和承载强电流密度，并且优选隧道结对光子穿越是通透的。对于这个实施方式，隧道结38可以由高度掺杂GaAs的n-p结构成，然而很多其他满足此处的必要条件的组合同样有效。
第二子电池30包含适应或调整成获得大约1.16eV的有效带隙的自组装In(Ga)As/GaAs量子点材料。关于第二子电池30的更多细节在图4中给出，并在其相应说明书中披露该子电池30包含具有高品质自组装In(Ga)As/GaAs量子点的多个层，该量子点具有特定的形状、成分和密度并通过外延假晶生长。
第二子电池30通过隧道结40电连接至第三子电池32。隧道结40的要求与上述讨论到的隧道结38相似。在这个实施方式中，隧道结40可以由高度掺杂InGaP或AlGaAs的n-p结制成，但是许多其它的组合同样有效。第三子电池32基本上是优选由具有大约1.8eV带隙的掺杂GaInP或掺杂AlGaAs、或与GaAs晶格匹配的类似合金构成的n-p结。如在多结太阳能电池中常见的那样，第三子电池32可以包含窗(window)42、抗反射层44和触点46。
在图2的顶部显示随太阳光谱50的波长变化的光谱强度的曲线48。图2也示出了太阳光谱50对于第三子电池32、第二子电池30和第一子电池28的各自吸收范围52、54和56。鉴于与图1相关的讨论，本领域技术人员将会非常清楚，这样一种三结光致电压的太阳能电池在所述子电池之间具有优良的电流匹配，同时具有高转换效率。
图3示出了高品质自组装量子点材料的光致电压谱58，即该自组装量子点材料可以包含于第二子电池30内并在p-i-n结内生长。曲线58示出了在20℃测定的第一材料的光谱。曲线58的特征是量子点材料的基态(groundstate)60、量子点材料的激发态62和润湿层态(wetting layer states)64，润湿层是通常在自组装量子点外延生长期间形成的薄的连续层。在这个自组装外延生长过程中，将第一单层或第一少数(few)单层沉积在称为润湿层的多个均匀平面层中。量子点然后从额外的沉积材料和/或部分从润湿层材料自组装。曲线58使用通过GaAs层传输的白光源而测定。由于能量大于GaAs带隙可以观察到降低的信号68。量子点基态60可以称为自组装量子点材料的有效带隙。对于不包含半导体异质结构的体半导体(bulk semiconductors)而言，有效的带隙只不过是该半导体材料的带隙。
众所周知，量子点的能级可以通过控制它们的形状、成分和生长期间的密度来调整[例如参见：S.Fafard等人于1999年在Phys.Rev发表的“半导体量子点的能级水平控制”(″Mampulatmg the Energy Levels ofSemiconductor Quantμm Dots″，Phys.Rev.B 59，15368(1999))，或S.Fafard等人于1999年在Appl.Phys.Lett发表的“在具有锐利可调整电子壳体的量子点群中的激光照射”(″Lasing in Quantμm Dot Ensembles withSharp Adjustable Electronic Shells″，Appl.Phys.Lett.75，986(1999))]。对于曲线58，自组装In(Ga)As/GaAs量子点材料调整成具有大约1.16eV的有效带隙。在曲线58中测定的材料包含14层In(Ga)As量子点，而这14层In(Ga)As量子点由GaAs构成的多个10nm阻挡层隔开。
第二电池30的实施方式在图4中示出。其中，多个III-V族半导体合金层在隧道结38上外延生长，隧道结38包括重p掺杂层(heavily p-dopedlayer)78和重n掺杂层80。发射极82是由通过将高n掺杂层84和n掺杂层86组合而形成。发射极82优选由GaAs制成或由与GaAs晶格匹配的其它合金制成，并且具有接近于GaAs带隙的带隙。同样地，随后对层90和高p掺杂层92使用p型掺杂，生长集电极(collector)88。硅优选用于n型掺杂，同时铍优选用于p型掺杂。显然，可以使用其它的掺杂剂，例如锌(Zn)，碲(Te)或其它。
发射极82和集电极88形成n-i-p结，同时在发射极82和集电极88之间设有本质上无掺杂的自组装量子点材料94。发射极82和集电极88的掺杂分布(doping profiles)是这样的：它们提供基本上横跨自组装量子点材料94延伸的耗尽区。类似的结构可使用n-p结代替n-i-p结或通过使p和n掺杂的顺序相反来设计。另外，因为自组装量子点材料94在GaAs上假晶生长，所以包含高折射指数半导体和低折射指数半导体的交替层的布拉格反射器或分布布拉格反射器(DBR)空腔可以在该发射极和/或该集电极内生长，以提高反射率和改变子电池的吸收特性，并相应也改变太阳能电池24的吸收特性。类似地，如图4所示的自集合量子点材料94以及发射极82和集电极88将用于本发明所有实施方式的描述。
自组装量子点材料94包含第一量子点层96、第一阻挡层98、第二量子点层100、第二阻挡层102等，直到第N自组装量子点材料104和第N阻挡层106。本领域技术人员将非常清楚，所述N层量子点层不必在厚度与成分方面相同。此外，多层可以插入到自组装量子点材料94，以最优化太阳能子电池(例如第二子电池30)的光学、结构或电特性。例如，具有其它带隙或具有另一晶格常数的多层可以在量子点层96、100、104之上和/或之下生长，以改变量子点材料94的光学和/或结构特性。而且，具有其它带隙或具有另一晶格常数的多层也可以在阻挡层98、102、106内生长。这种在所述阻挡层内的中间层的生长对于控制在结构之内建立的总应变将特别重要。例如，当对于所述量子点层使用具有较大晶格常数的半导体时，晶格常数小于外延层并小于衬底晶格常数的半导体层的厚度可以选择，以获得能够补偿引入的应变的层。例如，GaPAs或GaInP可以在所述阻挡层内生长，以补偿InAs或InGaAs量子点的应变。此外，多个层可以进一步包含许多具有类似特性的子层(sub-groups)，以便N个层都将由m子层组成，每个子层包含数量mi的具有类似尺寸、成分和有效带隙的量子点和阻挡层。
在现在的实施方式中，生长材料和参数可选择成获得具有所需吸收特性(例如在1.16eV时的吸收限)的自组装量子点材料94。自组装量子点材料94的假晶生长通过使用例如分子束外延生长(MBE)方法的外延生长而获得。MBE方法用于在与GaAs晶格匹配的半导体材料上生长例如GaAs或AlGaAs层。除了MBE方法的外延生长方法也能使用。他们可以包含例如化学束外延生长(CBE)，有机金属化学气相沉积(MOCVD)或其它类似的混合方法或其组合。为获得所需的光学、电和结构特性，生长温度维持在一个范围内，该范围最优化所需特性，同时避免可以致使所述层混合或所包含掺杂剂扩散(例如在发射极82或集电极88层内)的高温。
举例来说，当不关心发射极82层内的掺杂剂混合或扩散时，GaAs层的生长优选在400℃至800℃之间的温度范围，更优选在520℃至630℃之间的温度范围，最优选在600℃至630℃之间的温度范围。如果在量子点层的外延生长期间关注掺杂剂的混合和/或扩散，则生长温度优选在450℃至550℃之间，最优选在490℃至530℃之间。量子点层的生长温度用以调整量子点的形状和成分。每个量子点层的阻挡层的附晶生长(overgrowth)期间的温度可以在附晶生长的不同阶段变化，以进一步控制量子点的尺寸和成分，并因此控制自组装量子点材料94的吸收特性。
通过选择生长温度、第V族过压或III/V族的比率、量子点材料、用来在均匀的准平面薄膜之间获得自组装生长以转变为立体岛的材料的数量、生长率或生长期间的停止时间(pauses)、和诸如生长温度及生长率之类的附晶生长条件的组合而成获得具有高均匀量子点的高面内(in-plane)密度的量子点层。这允许碰撞太阳光子转变为电的高转换效率。
本领域技术人员显而易见，所述参数的多种组合可以达成所需要的吸收特性。然而，基于本实施方式说明的目的，自组装量子点材料94所需的吸收可以通过在GaAs上生长InAs获得，其中InAs的厚度可以在0.6nm至0.8nm之间，优选为0.68nm至0.72nm。InAs的生长率优选在0.001nm/s至3nm/s之间，最优选0.01nm/s至0.03nm/s之间，并且在InAs沉积后具有生长停止时间，生长停止时间优选为0秒至300秒。InAs量子点层的生长跟随在具有6nm至50nm厚的阻挡层的附晶生长之后，该阻挡层优选是GaAs或AlxGa1-xAs，x在0至1之间，x优选0至0.35之间。量子点层和所述阻挡层的生长序列如上所述重复许多次。
如上所述，衬底特定的温度周期变化可以用来在量子点层和阻挡层的附晶生长期间调整量子点的形状、成分和均匀性。在这种情况下，衬底26的温度优选增加到InAs的不吸收温度(disorption temperature)之上，该温度对MBE生长大致是530℃且在不同的因素中取决于生长方法和表面活性剂的使用。一旦温度已经增至高于InAs的不吸收温度，温度将降回到额定值，该额定值优选在450℃至550℃之间，该额定值最优选在490℃至530℃之间。该过程之后，量子点层生长。如果所需的吸收限是1.16eV，当阻挡层的厚度在1nm至50nm之间、优选在2.0nm至10.0nm之间、最优选4.5nm至6.5nm之间时，在附晶生长期间所运用的温度周期变化可以进行。
在优选的实施方式中，量子点层的数目在1至100之间，优选在30至80之间。必要时能够生长更多层。自组装量子点层材料94层的数目越大，第二电池30的吸收系数也越大，这可期望增加第二电池30的电流。
量子点层之间的距离(即阻挡层的厚度)可以调节从而：(A)改变吸收光谱的所需特性；(B)控制自组装量子点的竖直叠置；和(C)维持低于与导致晶格弛豫开始的临界厚度相关的总应变水平。对于临界厚度以上的厚度，量子点材料可以开始形成材料位错和缺陷。该临界厚度可以通过使用例如马修定律(Matthew′s law)测定和/或计算。对于所关心的具有低铟含量的平均InGaAs成分而言，该临界厚度应处于1微米至2微米之间。平均铟含量越高，该临界厚度越小。因此，量子点层之间的距离可以用于调整量子点材料的平均铟含量，并避免由应变和晶格弛豫带来的位错和缺陷。正如以上的讨论，量子点层一般具有比该结构的其余部分更大的晶格常数，因此该实施方式也可以结合有具有相反应变(即较小的晶格常数)的诸如GaPAs或InGaP之类的半导体薄层，以在必要时减少量子点内的平均应变。例如，如上所述，具有不同的晶格常数的层可以在量子点层96、100、104之上和/或之下生长，以改变量子点材料94的结构特性，或者具有不同晶格常数的类似层可以在阻挡层98、102、106内生长。
本发明的第二实施方式提供高效率的单片四结光致电压的太阳能电池。自组装量子点材料94可以适于吸收具有能量大于约1.0eV的光子，如图1内所示的材料21。这种材料可以用于制造图5所示的高效率的单片四结光致电压的太阳能电池，其中如果每个子电池吸收大约19％的日光辐射通量，所有子电池将是电流匹配的。
四结太阳能电池包括衬底108，在该衬底上制造第一子电池110。第一子电池110优选包含具有适当的掺杂分布的Ge，Ge在衬底108上通过外延生长或通过其它的晶体生长方式生长。可选择地，第一子电池110通过在体(bulk)Ge材料(例如Ge衬底)内混杂或植入掺杂剂以获得适当的掺杂分布。例如，当III-V族半导体材料在p型Ge上生长时，在Ge衬底内混杂第V族元素将形成n型Ge区域，并因此形成p-n结。类似地，对于n型Ge衬底，在Ge衬底内混杂第III族元素将形成p型区域，并因此形成n-p结。第二子电池112通过外延生长在第一子电池110上假晶生长，并且第二子电池112包含自组装In(Ga)As/GaAs量子点材料，该材料适于获得大约1.0eV的有效带隙。第三子电池114通过外延生长在第二子电池112上假晶生长，而且第三子电池114接着是第四子电池116，第四子电池116通过外延生长在第三子电池114上假晶生长。
在这个实施方式中，衬底108可以是导电的GaAs或优选Ge，其中每个具有类似的晶格常数。衬底108的掺杂可以是n型和p型。无论衬底108是具有在顶端生长的n-p或n-i-p结的n型，还是具有在顶端生长的p-n或p-i-n结的p型，对本发明并不重要。基于阐明的目的，这个实施方式将使用具有n-p或n-i-p结的n型衬底。其它可包括无掺杂衬底和埋入静合触点的可能组合同样是可能的。在该方式的最后步骤中，衬底108可以喷涂金属，以形成电阻触点118，如图5所示。
在第一子电池110生长之前，在衬底108上可以制造缓冲和/或支持区域层120，以使各种结构、电或光学特性最优化。第一子电池110优选由Ge制成，并包含n-p结以提供耗尽区。隧道结122用于连接第一子电池110和第二子电池112。如本领域技术人员所容易理解的那样，隧道结122优选由高品质材料构成，该材料可以在第一子电池上外延生长并高度掺杂，以提供优良的导电性和承载强电流密度。如在此所描述的所有隧道结一样，隧道结122基本上优选对从其中传输的光子是通透的。
对于这个实施方式，隧道结122可由高度掺杂GaAs的n-p结构成，但是其它方式的隧道结也是可能的，例如AlGaAs或具有接近于GaAs晶格常数的AlGaInAsP合金。如上所述，第二子电池112包括自组装的In(Ga)As/GaAs量子点材料，该材料调整为获得大约1.0eV的有效带隙。第二子电池122的细节与图4中及相应的说明书所披露的相似，但是就自组装量子点材料的生长参数而言进行了修改。有关第二子电池112生长的更多细节如下所述。现在，足以说明第二子电池112包含自组装量子点材料和n-p或n-i-p结。该自组装量子点材料包含多个层，这些层具有通过外延生长而假晶生长的、具有特定的形状、成分和密度的、高品质自组装In(Ga)As/GaAs量子点。
第二子电池112与第三子电池114通过隧道结124相连。隧道结124优选由高品质材料构成，该材料可以在第二子电池112上外延生长和高度掺杂，以提供优良的导电性和承载强电流密度。隧道结124基本上对从其中传输通过的光子是通透的。在这个实施方式中，隧道结124可以由高度掺杂的GaAs、InGaP、AlGaAs或AlGaInAsP的n-p结来制成，所采用的合金具有接近于GaAs的晶格常数和等于或大于GaAs的带隙。
第三子电池114基本上是n-p结，该n-p结优选由掺杂的GaAs、或与GaAs晶格匹配的AlGaInAsP或GaInNAs合金制成，且第三子电池114具有大约1.4eV的带隙。对于一些结构，为平衡所述子电池的电流，可理想地调整第三子电池114的厚度和吸收特性，以便第三子电池114让碰撞在其上的光部分到达第二子电池112。第三子电池114与第四子电池116通过可以由高掺杂InGaP或AlGaAs的n-p结制成的隧道结126相连，但是满足如上所述的必要条件的其它合金同样有效，例如AlInGaP或ZnSe合金。
第四子电池116基本上是n-p结，该n-p结优选由掺杂的GaInP或AlGaAs制成，或由与GaAs晶格匹配的AlGaInAsP合金制成，且第四子电池116具有大约1.8eV的带隙。优选地，第四子电池116的厚度和吸收特性是这样的，以使第四子电池116让碰撞其上的光部分到达第三子电池114。此外，第四子电池116、第三子电池114、第二子电池112和第一子电池110是这样的，以便由各自子电池所吸收的光子所产生的相应电流可以平衡。就如同在制造多结太阳能电池中常见的那样，第四子电池116可以包含窗128、防反射涂层130和电触点132。
在图5的顶部示出与太阳光谱50的波长相关的光谱强度的曲线134。图5也示出，分别对于第四子电池116、第三子电池114、第二子电池112和第一子电池110的太阳光谱吸收范围136、138、140和142。对本领域技术人员显而易见，借助于图1的描述，这种四结光电压太阳能电池将在子电池之间具有优良的电流匹配，同时每个子电池内吸收有大约19％的太阳光子通量，并因此这种四结光电压太阳能电池具有高转换效率。
在p-i-n内生长并具有大约1.0eV吸收限的高质量自组装量子点材料，其测定的光致电压谱如图3的曲线70所示。其中，曲线70在20℃测定，其显示与量子点基态71、量子点激发态72和润湿层态76相关的光谱特征。特定的样品包含嵌入GaAs阻挡层内的单层In(Ga)As量子点。
第二子电池112的生长条件可以调整，以便量子点的尺寸和成分、连同邻近量子点的材料的成分一起获得自组装量子点材料，该自组装量子点材料具有比1.16eV低的大约是1.0eV的吸收限。如上所述，生长参数的很多组合可以达成所需目的。然而，基于本实施方式仅仅是说明的目的，自组装量子点材料94所需的吸收特性可以通过在GaAs上生长InAs获得，InAs的厚度可以优选在0.4nm至0.8nm之间，最优选在0.50nm至0.58nm之间。InAs的生长率优选在0.001nm/s至3nm/s之间，更优选在0.01nm/s至0.03nm/s之间，并且在InAs沉积后具有生长停止时间，生长停止时间优选0秒至300秒的范围。InAs量子点层的生长之后接着是阻挡层的附晶生长，该阻挡层具有6nm至50nm的厚度范围，该阻挡层优选是GaAs或铝成分小于大约10％的AlGaAs合金并具有稍微更高的带隙。量子点层和阻挡层的生长序列如上所述重复许多次。量子点层的优选层数是50层至150层之间，或为平衡子电池内的吸收所要求的数目。
如上所述，衬底108特定的温度周期变化可以用来在量子点层的附晶生长期间调整量子点的形状、成分和均匀性。在这种情况下，衬底108的温度优选增加到InAs不吸收温度之上，并在随后的量子点层生长之前降回到它的额定值。在这种情况下，如果所需的吸收限大约1.0eV，当阻挡层的厚度在1nm至50nm之间、优选在2.0nm至10.0nm之间、最优选4.5nm至6.5nm之间时，在附晶生长期间所运用的温度周期变化可以发生。可选择地，比GaAs带隙稍微较低的诸如低浓度铟的InGaAs或分级带隙材料之类的材料，也可以用于接近量子点层，以由此扩展对较长波长的吸收。
用于在多结单片光致电压的太阳能电池的子电池内加入自组装量子点材料的方法，可以包括下列步骤：提供具有顶面的衬底，该顶面具有晶格常数；在上述层上提供与所述晶格常数晶格匹配的子电池；在所述子电池上提供与所述晶格常数晶格匹配的隧道结；以及重复最后两个步骤，直到该子电池包含必须加入的自组装量子点材料。如果自组装量子点材料必须加入底端子电池，那么最后两个步骤可以忽略。其它步骤包括：在该上述层之上，外延沉积半导体材料的多个缓冲层，所述多个缓冲层与所述晶格常数晶格匹配且具有缓冲掺杂剂浓度；在所述缓冲层之上，外延沉积半导体材料的多个支撑区域层，所述多个支撑区域层与所述晶格常数晶格匹配且具有支撑区域掺杂剂浓度；在所述支撑区域之上，外延沉积半导体材料的第一阻挡层，该第一阻挡层与所述晶格常数晶格匹配，且该第一阻挡层具有阻挡层掺杂剂浓度和在阻挡层温度下生长的阻挡层的厚度。其他的步骤是：在上述的阻挡层之上，使用具有用于量子点的公称成分(nominal composition)的半导体，外延沉积量子点层，该量子点层包含高密度的均匀自组装量子点，该量子点层具有低密度的缺陷并具有对所述晶格常数高应变的形状和尺寸，且该量子点层具有量子点掺杂剂浓度、量子点厚度、量子点生长温度、量子点生长率、量子点第V族过压(overpressure)或III-V族比率；在生长暂停一中断时间之后，在上述量子点层之上，外延沉积与所述晶格常数晶格匹配的半导体材料的阻挡层，该阻挡层具有阻挡层掺杂剂浓度、阻挡层厚度、阻挡层生长率、以及在量子点附晶生长期间用于衬底温度的阻挡层温度分布曲线(temperatureprofile)；以及重复最后两个步骤多次。其中，通过生长参数，量子点的所述成分、所述尺寸和所述形状在整个叠置分布(stacking profile)中可以控制并变化。更多步骤包括：在上述阻挡层之上，外延沉积与所述晶格常数晶格匹配的半导体材料的多个顶端区域层，所述顶端区域层具有顶端区域掺杂剂浓度；在所述顶端区域层之上，外延沉积与所述晶格常数晶格匹配的高掺杂半导体材料的隧道结，隧道结的始端具有与所述顶端区域掺杂剂相同类型的掺杂剂浓度，而隧道结的终端突然转换为相反的类型；在上述隧道结上，提供与所述晶格常数晶格匹配的子电池；在上述子电池上，提供与所述晶格常数晶格匹配的隧道结，并重复最后的两个步骤，直到达到包含在所述多结太阳能电池内的子电池数目。最后，该方法包括：在顶端子电池上提供窗，在所述窗上提供防反射涂层，和提供与所述顶端子电池连接的接合层。在刚才描述的方法中，所述缓冲层的掺杂剂浓度是在1×1016cm-3至1×1019cm-3之间，所述支撑区域层的所述掺杂剂浓度是在1×1016cm-3至1×1019cm-3之间，所述阻挡层掺杂剂浓度是在1×1013cm-3至1×1017cm-3之间，所述量子点厚度在0.4nm至5.0nm之间，所述量子点生长温度在450℃至540℃之间，所述量子生长率是0.0001nm/s和0.2nm/s之间，所述生长中断时间在0秒至600秒之间，所述阻挡层的温度分布(temperature profile)既可以是常数，也可以在450℃至650℃之间变动，所述阻挡层生长率在0.01nm/s至1nm/s之间，所述阻挡层厚度在3nm至60nm之间，所述顶端区域层的所述掺杂剂浓度在1×1016cm-3至1×1019cm-3之间。该晶格常数可以是GaAs的晶格常数，所述缓冲层、所述支撑区域层、所述阻挡层材料和所述顶端区域层的合金成分在Al0.3Ga0.7As和GaAs之间，且所述量子点的所述公称成分在In0.3Ga0.7As和InAs之间；该晶格常数可以是GaAs的晶格常数，所述缓冲层、所述支撑区域层、所述阻挡层材料和所述顶端区域层的合金成分在Al0.9Ga0.1As和Al0.1Ga0.9As之间，且所述量子点的所述公称成分在In0.3Al0.7As和InAs之间；或者该晶格常数可以是GaAs的晶格常数，所述缓冲层、所述支撑区域层、所述阻挡层材料和所述顶端支撑区域层的合金成分是与GaAs晶格匹配的GaAlInP合金，且所述量子点的所述公称成分是InP。
本发明的第三实施方式提供高效率单片双结光致电压的太阳能电池。在另一实施方式中，自组装量子点材料适合用于双结太阳能电池。为了获得高效率光致电压的双结太阳能电池，要求第一子电池具有与自组装量子点材料94类似的自组装量子点材料，但是具有0.92eV的吸收限，同时还要求第二子电池的材料吸收能量大于约1.6eV光子。第二子电池也可以包含与自组装量子点材料94类似的自组装量子材料。这种双结太阳能电池将来平衡每个子电池内所产生的电流。此外，每个子电池将吸收总太阳光子通量的大约31％，如图1中的曲线10所示，其中示出带隙15(1.6eV)和带隙23(0.92eV)。
本发明的双结光致电压的太阳能电池在图6中示出。该双结太阳能电池包括衬底144，在衬底144上，通过外延生长第一子电池146假晶生长，且第一子电池146包括第一自组装In(Ga)As/GaAs量子点材料，该量子点材料调整成获得大约0.92eV的有效带隙。第一子电池146的细节与图2中的第二子电池30的类似，并在图4和相应说明书中公开。在第一子电池146上，第二子电池148通过外延生长假晶生长并且可以包含第二自组装In(Ga)As/GaAs量子点材料，该第二自组装量子点材料优选具有AlInAs/AlGaAs量子点并调整成获得大约1.6eV的有效带隙。在这个实施方式中，衬底144优选是导电的GaAs衬底或导电的Ge衬底，两者都具有类似的晶格常数。
如上所述，对于其它的多结实施方式，该衬底144的掺杂可以是n型或p型。无论衬底144是具有在顶端生长的n-p或n-i-p结的n型，还是具有在顶端生长的p-n或p-i-n结的p型，对本发明并不重要。基于阐明的目的，这个实施方式将使用具有n-p或n-i-p结的n型衬底。其它可包括无掺杂衬底和埋入的静合触点的可能组合同样是可能的。如图6所阐明的那样，在该方式的最后步骤，衬底144可以喷涂金属，以形成电阻触点150。
在第一子电池146生长之前，在衬底144上可以生长缓冲和/或支撑区域层152，以最优化各种结构、电或光学特性。第一子电池146通过隧道结154电连接至第二子电池148。在这个实施方式中，隧道结154可以包含高度掺杂的InGaP或带隙大于约1.7eV的AlGaAs的n-p结。可选择地，可以使用其它的类似AlInGaAsP合金。通过外延生长，第二子电池148基本上是假晶生长的n-p或n-i-p结。如上所述，第二子电池148可以包含自组装的AlInAs/AlGaAs量子点材料，所述自组装量子点材料调整成获得约1.6eV的有效带隙。可选择地，第二电池148可以由掺杂的体GaInP或AlGaAs或其它类似的InAlGaAsP合金制成，该InAlGaAsP合金具有提供约1.6eV带隙的合金成分。如在多结太阳能电池的制造中所常见的那样，第二子电池148可以具有窗156、防反射涂层158和电触点160。
图6的顶部示出了与太阳光谱50波长有关的光谱强度的曲线图162。曲线图162也示出了第一子电池146和第二子电池148各自的太阳光谱50的吸收范围164和166。本领域技术人员将非常清楚，借助于图1的描述，这种双结光电压太阳能电池将具有优良的子电池之间的电流匹配和具有高转换效率。
对于这个实施方式，具有自组装量子点材料层结构的子电池的结构与图4和其相关说明书中披露的类似。然而，生长条件被改变，以获得所需的光学、电和结构特性。特别地，量子点或接近量子点的材料的尺寸和成分可以改变成：对于第一子电池146而言，扩展自组装量子点材料对较长波长的吸收；对于第二子电池148而言，扩展自组装量子点材料对较短波长的吸收。如上所述，可以有许多达成所需目的参数组合。
本发明的实施方式基于阐明的目的，第一子电池146的自组装量子点材料的所需吸收特性可以通过在GaAs上生长InAs获得，InAs的厚度在0.5nm和0.8nm之间，优选在0.50nm和0.58nm之间。InAs的生长率优选在0001nm/s至3nm/s之间，更优选在0.01nm/s至0.03nm/s之间，同时具有在InAs沉积(生长)之后的生长停止时间，该生长停止时间优选在0秒至300秒之间。InAs量子点层的生长跟随在阻挡层的附晶生长之后，该阻挡层具有6nm至50nm的厚度范围，该阻挡层优选是GaAs层或具有类似带隙的合金。量子点层和阻挡层的生长顺序按照前述重复多次。
如上所述，衬底144的特定温度周期变化可以用于在量子点层在附晶生长期间调整量子点的形状、成分和均匀性。在这种情况下，衬底144的温度优选增加到InAs不吸收温度之上，并在后续的量子点层生长之前降回到它的额定值。在这种情况下，其中所需的吸收限大约为0.92eV，当阻挡层的厚度在1nm至50nm之间、优选在2nm至11nm之间、更优选在7.5nm和11nm之间时，在附晶生长期间运行的该温度周期变化可以发生。另外，比GaAs带隙稍小的材料的合金(例如具有低浓度铟的InGaAs、或分级带隙材料)也可以接近于量子点层生长，以扩展对较长波长的吸收。
使用类似的方法获得自组装量子点材料，该量子点材料具有第二子电池148所需的特性；然而，AlInAs量子点用于代替InAs量子点，且GaAs阻挡材料由AlGaAs阻挡材料替代。虽然阻挡层内Al的公称百分比可以在0％至100％之间，但是为了维持直接带隙材料，优选在0％至35％之间。更优选，Al百分比在25％至35％之间。虽然量子点内In的公称百分比可以在35％至100％之间，但是优选在50％至75％之间，更优选在55％至70％之间。用于形成自组装量子点层的AlInAs的厚优选在0.7nm至1.2nm之间，更优选在0.8nm和0.9nm之间。
可选择地，对于第二子电池148而言，通过使用InP量子点代替AlInAs量子点以及GaInP阻挡层代替AlGaAs阻挡层可以制造等效结构。其它与GaAs晶格匹配的合金(例如GaAlInP或GaInPAs)可被用于阻挡层。
本发明可以被用于其它的实施方式和材料，例如在InP衬底上生长的双结单片太阳能电池。这个双结电池具有第一子电池，第一子电池基本上是n-p或n-i-p结，第一子电池优选包含在与InP晶格匹配的InGaAs阻挡层内的InAs量子点材料。该双结电池也具有第二子电池，第二子电池基本上是n-p结，第二子电池优选由掺杂体AlInAs或与InP晶格匹配的类似的合金(例如AlInGaAs或GaInPAs)制成。这个实施方式的第一子电池和Ge相比具有扩展的吸收范围，这是因为它吸收小到大约0.65eV能量的光子。第一子电池和第二子电池的布置与在图6中示出的相同。第二子电池可以是一些其它的实施方式中任选的。在一个实施方式中，第二子电池是任选的，则将会获得较低转换效率，但效果是制造更简单和成本更低和/或辐射更高或硬度不足。
另外所关心的实施方式使用Ge衬底，以形成高效率双结单片光致电压的太阳能电池。在此再次，第一子电池和第二子电池的沉积与在图6中示出的相同。如上所述的图5中子电池110那样，基本上是n-p或n-i-p结的第一子电池由通过外延生长或其它的类似沉积、植入或相互扩散方法在Ge衬底上假晶生长的Ge构成。基本上是n-p或n-i-p结的第二子电池优选包含在AlGaAs阻挡层内的InGaAs量子点材料(或类似的合金，例如AlGaP合金)，该AlGaAs阻挡层通过外延生长假晶生长并同时具有接近于Ge的晶格常数。这种使用Ge衬底的双结电池可能没有与此处所述其它可能的实施方式一样高效，但是将有益于更简单的制造，有益于从选择阻挡层和量子点层的广泛组合中更富弹性，有益于更高的辐射和导致更高寿命终止效率的不足的坚固性。
另外特别关心的实施方式使用硅衬底形成高效率的单片双结光致电压的太阳能电池。在此再次，第一子电池和第二子电池的布置与在图6中示出的相同。基本上是n-p或n-i-p结的第一子电池优选包含Ge或SiGe量子点材料和由通过外延生长或其它的类似沉积方法在Si衬底上假晶生长的Si阻挡层Ge。薄膜法或用于生长半导体晶体的方法组合也可以使用。基本上是n-p或n-i-p结的第二子电池优选包含在GaP阻挡层(或类似的合金，例如这种AlGaP)内的InP量子点材料，该阻挡层通过外延生长在Si上假晶生长。为了获得改善的效率，使用Si衬底的该双结电池还可以设计为在第二子电池内使用自组装量子点材料，该第二子电池在一个常规晶体或多晶体硅第一子电池上生长。第二子电池可以是一些其它的实施方式中任选的。在一个实施方式中，第二子电池是任选的，则将会获得较低转换效率，但好处是更加简单的制造和更低的成本。
如上所述，自组装量子点材料已经显示用于生产辐射数量级更大和不足坚固性的装置。更高辐射和不足坚固性是下列组合的结果：(A)具有缺陷的空间限制(spatial confinement)隔离区，(B)由于纳米结构，有利的扩散长度损坏系数，(C)消除在最受辐射影响的子电池内的电流极限限制(limiting restrictions)，和(D)没有电流极限电池的太阳能电池设计。这制造的装置，其具有特别吸引空间应用的自组装量子材料。上述实施方式的太阳能电池将受益于在装置暴露于辐射下的应用中的辐射硬度。例如，最优化的太阳能电池寿命起初将具有大约40％的效率。假定这个最优化的太阳能电池相对于常规的太阳能电池具有两个数量级的改进的辐射硬度，寿命终止时的效率将超过38％，寿命终止定义为相当于1MeV电子辐射的1×1015cm-2的总剂量。
利用本发明的实施方式和/或最优化不足硬度，即便是部分地牺牲一些转换效率，也是可取的。例如，双结太阳能电池可以包括硅衬底，在该硅衬底上生长多个GaAs/AlGaAs层，以获得跃迁缓冲层。在这个跃迁缓冲层上外延生长第一子电池，第一子电池包含自组装In(Ga)As/GaAs量子点材料的并调整成获得大约0.92eV的有效带隙。在某些实施方式中是任选的第二子电池通过外延生长在第一子电池上生长，并可以包含由AlInAs/AlGaAs制成的且适于获得大约1.6eV的有效带隙的自组装量子点材料。在这个实施方式中，由于在Si和GaAs之间大规模地晶格失配将存在显著的浓度不足(concentration of defects)。然而，对于一些应用，由于自组装量子点材料的不足的硬度，该转换效率是可以接受的。
除不足的硬度之外，本发明其它的优点可以实现。例如，自组装量子点材料通过恢复一些超过半导体带隙的光子能量可以提高转换效率，否则当具有比有效带隙更高能量的光子碰撞多结太阳能电池时这些光子能量将会丧失。众所周知，超过有效带隙的能量可以产生声子。一些声子将被再吸收于量子点内，并在掠过(swept across)耗尽区之前通过将光载流子从限制(confined)量子点态提升至更高的无限制的状态而在热电子发射过程中使用。因此，效率更高。
另外，最优化转换效率的类似方案可以加入本发明的实施方式中。例如，自组装量子点材料可以用受控剩余掺杂剂(doping)掺杂，以作为较长的红外波长的检波器。检波过程可以使用同时具有带间跃迁的带内(intraband)吸收，因此通过使用更大百分比的总太阳光子通量来增加子电池电流。这如图7所示，其中所显示的偏导带边缘(biased conduction band edge)200用以在量子点形成势阱202。电子量子化的能级204、206和208以及连同准-费米(quasi-Fermi)能级212显示位于势阱202内。电子300显示居于能级204和206。长波长红外线带内吸收跃迁(以216和218表示)通常不存在于太阳能电池内，其创造了如箭头310所示在装置中漂移的额外的光载流子。这类吸收可能是非常重要的，这是因为大约20％的太阳光子通量处于Ge带隙下的能量范围内。
所提出的方法还可以延伸至其他的实施方式和材料系统。例如包含稀释氮化物(如InGaAsN或包含小部分氮的类似半导体合金)的半导体自组装量子点，或Ga(Al)N阻挡层内的In(Ga)N量子点，或使用基于锑的材料系统(例如Ga(Al)Sb阻挡层)或类似合金内的InSb自组装量子点。显然本发明也可以有益于除了太阳能转换的应用，并且这些应用也需要将光子的宽带源转变成电信号。
本发明已经提出一系列不同的实施方式。涉及单片半导体光致电压的太阳能电池的所有实施方式包括至少一个子电池，该子电池具有自组装量子点材料。已给出关于如何调整具有自组装量子点材料的子电池有效带隙的细节。与现有技术的太阳能电池相比，带隙的调整将允许太阳能电池具有更高的转换效率。已经论述了包括两个、三个和四个子电池的实施方式。
本发明的上述实施方式仅仅用于作为例子。在不脱离由所附权利要求书单独限的本发明范围的情况下，本领域技术人员可以对特定实施方案进行变更、修改和变异。

Claims (34)

1.一种单片多结半导体光致电压的太阳能电池，其包括：多个串联设置的子电池，所述多个子电池中的至少一个子电池包含外延生长的自组装量子点材料。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述太阳能电池还包括在所述多个子电池内形成的隧道结，所述隧道结用于与所述子电池电连接。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述太阳能电池还包括导电的衬底，所述多个子电池设置在该衬底上。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中每个所述子电池均具有有效带隙能量，所述多个子电池按有效带隙能量增加的次序设置，具有最低有效带隙能量的子电池最接近该衬底。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中每个所述子电池用于吸收基本上相同份数的太阳光子。
6.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中所述多个子电池由下述三个子电池组成：具有最低有效带隙能量的第一子电池，具有最高有效带隙能量的第三子电池，和包含自组装量子点材料的第二子电池。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其中：
该衬底是Ge或GaAs衬底；
该第一子电池包含Ge，该第一子电池的有效带隙能量大约为0.7eV；
该第二子电池包含插有GaAs或AlGaAs层的多层InGaAs量子点层，该第二子电池的有效带隙能量大约为1.16eV；以及
该第三子电池包含GaInP、AlGaAs或AlGaInP，该第三子电池的有效带隙能量大约为1.8eV。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中该第一子电池是外延生长而成。
9.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中该衬底是Ge衬底，且该第一子电池是该衬底的互相扩散部分。
10.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中：
该衬底是n掺杂的衬底；以及
该第一子电池、该第二子电池和该第三子电池均包含n-p或n-i-p结，每个结的n侧比该结的p侧更接近该衬底。
11.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中：
该衬底是p掺杂的衬底；以及
该第一子电池、该第二子电池和该第三子电池均包含p-n或p-i-n结，每个结的p侧比该结的n侧更接近该衬底。
12.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中：所述子电池中的一个子电池包含布拉格反射器或分布布拉格反射器，以改变所述太阳能电池的吸收特性。
13.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中：
该衬底是Ge或GaAs衬底；
所述多个子电池由下述四个子电池组成：具有大约0.7eV的有效带隙能量的第一子电池；具有大约1.0eV的有效带隙能量的第二子电池；具有大约1.4eV的有效带隙能量的第三子电池；和具有大约1.8eV的有效带隙能量的第四子电池。
14.根据权利要求13所述的太阳能电池，其中：
该第一子电池包含Ge；
该第二子电池包含插有GaAs或AlGaAs层的多层InGaAs量子点层；
该第三子电池包含GaAs或AlGaAs；以及
该第四子电池包含GaInP或AlGaAs。
15.根据权利要求14所述的太阳能电池，其中：
该衬底是n掺杂的衬底；以及
第一子电池、第二子电池、第三子电池和第四子电池均包含n-p或n-i-p结，每个结的n侧比该结的p侧更接近该衬底。
16.根据权利要求14所述的太阳能电池，其中：
该衬底是p掺杂的衬底；以及
第一子电池、第二子电池、第三子电池和第四子电池均包含p-n或p-i-n结，每个结的p侧比该结的n侧更接近该衬底。
17.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中：
该衬底是Ge或GaAs衬底；以及
所述多个子电池由两个子电池组成：包含自组装量子点层材料的第一子电池和具有大约1.6eV的有效带隙的第二子电池，该第一子电池的有效带隙小于该第二子电池的有效带隙。
18.根据权利要求17所述的太阳能电池，其中该第一子电池和该第二子电池用于吸收基本上相同份数的太阳光子。
19.根据权利要求18所述的太阳能电池，其中：
该自组装量子点层材料包含插有GaAs或AlGaAs层的多层InGaAs量子点层，该第二子电池的有效带隙能量大约为0.92eV；以及
该第二子电池包含GaInPAs或AlGaAs。
20.根据权利要求18所述的太阳能电池，其中：
该自组装量子点层材料包括插有GaAs或AlGaAs层的多层InGaAs量子点层，该第二子电池的有效带隙能量大约为0.92eV；以及
该第二子电池包含自组装量子点层材料，并该自组装量子点层材料具有插有AlGaAs层的InAlAs量子点。
21.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中：
该衬底是Ge或GaAs衬底；以及
所述多个子电池由下述两个子电池组成：第一子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有GaAs或AlGaAs层的多层InGaAs量子点层；以及第二子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有AlGaInP层的多层InP量子点层。
22.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中：
该衬底是Ge或GaAs衬底；以及
所述多个子电池由下述两个子电池组成：第一子电池，其包含Ge；以及第二子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有GaAs或AlGaAs层的多层InGaAs量子点层。
23.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中：
该衬底是InP衬底；以及
所述多个子电池由下述两个子电池组成：第一子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有InGaAs层的多层InAs量子点层；以及第二子电池，其包含AlGaInAs或InAlAsP。
24.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中：
该衬底是Si衬底；以及
所述多个子电池由下述两个子电池组成：第一子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有Si层的多层SiGe量子点层；以及第二子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有GaP层的多层InP量子点层。
25.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中：
该衬底是具有缓冲层的硅衬底；以及
所述多个子电池由下述两个子电池组成：第一子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有GaAs或AlGaAs层的多层InGaAs量子点层；以及第二子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有AlGaAs或GaAs层的多层AlInAs量子点层。
26.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中：
该衬底是具有缓冲层的Si衬底；以及
所述多个子电池由下述两个子电池组成：第一子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有GaAs或AlGaAs层的多层InGaAs量子点层；以及第二子电池，其包含自组装量子点层材料，该自组装量子点层材料具有插有GaInP层的多层InGaAs量子点层。
27.一种单片半导体光致电压的太阳能电池，包括：
硅衬底；
跃迁层，其在该硅衬底上异质生长，该跃迁层包含多个GaAs和AlGaAs层；以及
第一子电池，其在该跃迁层上外延生长，该第一子电池包含自组装量子点材料。
28.根据权利要求27所述的太阳能电池，其中该第一子电池包含插有AlGaAs层的多层InGaAs量子点层，该第一子电池的有效带隙能量大约为0.92eV。
29.根据权利要求27所述的太阳能电池，其中所述太阳能电池还包括在该第一子电池上外延生长的第二子电池，该第二子电池包含自组装量子点材料。
30.根据权利要求29所述的太阳能电池，其中该第二子电池包含插有AlGaAs层的多层AlInAs量子点层，该第二子电池的有效带隙能量大约为1.6eV。
31.一种单片半导体光致电压的太阳能电池，包括：
InP衬底；
在该衬底上外延生长的第一子电池，该第一子电池包含插有InGaAs层的多层InAs量子点层。
32.根据权利要求31所述的太阳能电池，其中所述太阳能电池还包含在该第一子电池上外延生长的第二子电池，该第二子电池包含掺杂的AlInAs。
33.一种在衬底上制造单片多结光致电压的太阳能电池的方法，包括以下步骤：
通过外延生长自组装量子点材料形成量子点子电池，该自组装量子点材料具有插有阻挡层的多层量子点层。
34.根据权利要求33所述的方法，其中该衬底是导电的Ge衬底，该方法还包括下列步骤：
通过在该衬底上外延生长Ge子电池，或通过使该衬底的一部分互相扩散，在该衬底上形成Ge子电池；
在该Ge子电池和该量子点子电池之间形成隧道结，该量子点子电池在该Ge子电池上形成，所述量子点层包含InGaAs量子点，所述阻挡层包含GaAs或AlGaAs；
通过在该量子点子电池上外延生长GaInP、AlGaAs或AlGaInP形成GaInP、AlGaAs或AlGaInP子电池；
在该量子点子电池和该GaInP、AlGaAs或AlGaInP子电池之间形成隧道结；以及
在该衬底上形成第一电触点并在该GaInP、AlGaAs或AlGaInP子电池上形成第二电触点。
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