DE102009050454A1 - Multi-junction-inverted metamorphous solar cell i.e. photovoltaic cell, for use in e.g. LED in aerospace application, has solar cell aligned regarding another solar-cell by considering lattice defect and exhibiting band gap - Google Patents
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Abstract
Description
RECHTE DER REGIERUNGRIGHTS OF THE GOVERNMENT
Die Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung gemacht, und zwar unter Kontraktnummer FA9453-06-C-0345 der US-Luftwaffe. Die Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.The invention was made with government support under Contract Number FA9453-06-C-0345 of the US Air Force. The government has certain rights to this invention.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleitervorrichtungen und auf Herstellungsverfahren sowie Vorrichtungen wie Multijunction-Solarzellen, basierend auf III–V-Halbleiterverbindungen, einschließlich einer metamorphen Schicht. Solche Vorrichtungen sind auch als invertierte nietamorphe Multijunction-Solarzellen (Solarzellen mit mehreren pn-Übergängen) bekannt.The present invention relates to the field of semiconductor devices and manufacturing methods, and devices such as multi-junction solar cells based on III-V semiconductor compounds including a metamorphic layer. Such devices are also known as inverted nietamorphic multijunction solar cells (solar cells with multiple pn junctions).
2. Beschreibung verwandter Technik2. Description of Related Art
Solarleistung von photovoltaischen Zellen, die auch als Solarzellen bezeichnet werden, wurden vorherrschend durch die Silizium-Halbleitertechnologie vorgesehen. In den letzten Jahren hat jedoch die Herstellung der III–V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen für Weltraumanwendungen die Entwicklung dieser Technologie beschleunigt, und zwar nicht nur für die Anwendung im Weltraum, sondern auch für die Anwendung bei terrestrischen Solarleistungseinsätzen. Verglichen mit Silizium haben III–V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Vorrichtungen größere Energieumwandlungseffizienzen und besitzen im Allgemeinen einen größeren Strahlungswiderstand, obwohl sie tendenziell in der Herstellung komplizierter sind. Typische III–V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen besitzen Energieeffizienzen, die 27% übersteigen, und zwar bei einer Beleuchtung einer Sonne, Luftmasse 0 (AM0)-Belichtung, wohingegen selbst die effizientesten Siliziumtechnologien im Allgemeinen nur ungefähr 18% Effizienz unter vergleichbaren Bedingungen erreichen. Bei einer hohen Solarkonzentration (beispielsweise 500X) besitzen III–V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen in terrestrischen Anwendungen (bei AM1, 5D) Energieeffizienzen, die 37% übersteigen. Die hohe Umwandlungseffizienz von III–V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen, verglichen mit Silizium-Solarzellen, basiert zum Teil auf der Fähigkeit, eine spektrale Aufspaltung der einfallenden Strahlung zu erreichen, und zwar durch die Verwendung einer Vielzahl von photovoltaischen Zonen oder Regionen mit unterschiedlichen Bandabstandsenergien, und Summierung des Stromes von jeder der Zonen.Solar power of photovoltaic cells, also referred to as solar cells, has been predominantly provided by silicon semiconductor technology. However, in recent years, the fabrication of III-V compound semiconductor multijunction solar cells for space applications has accelerated the development of this technology, not only for space applications but also for use in terrestrial solar power applications. Compared to silicon, III-V compound semiconductor multijunction devices have greater energy conversion efficiencies and generally have greater radiation resistance, although they tend to be more complicated to manufacture. Typical III-V compound semiconductor multijunction solar cells have energy efficiencies that exceed 27% with a sun, air mass 0 (AM0) exposure, whereas even the most efficient silicon technologies generally only achieve about 18% efficiency under comparable conditions. At a high solar concentration (eg, 500X), III-V compound semiconductor multijunction solar cells have energy efficiencies in terrestrial applications (at AM1, 5D) that exceed 37%. The high conversion efficiency of III-V compound semiconductor multi-junction solar cells, compared to silicon solar cells, is based in part on the ability to achieve spectral splitting of the incident radiation through the use of a plurality of photovoltaic zones or regions of different Band gap energies, and summation of the current from each of the zones.
Typische III–V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen sind auf einem Halbleiterwafer in vertikalen Multijunction-Strukturen hergestellt. Die individuellen Solarzellen oder Wafer werden sodann in horizontalen Anordnungen angeordnet, wobei die individuellen Solarzellen miteinander in einer elektrischen Serienschaltung verbunden werden. Die Form und Struktur einer Anordnung und auch die Anzahl der Zellen, die die Anordnung enthält, werden teilweise bestimmt durch die gewünschte Ausgangsspannung und den gewünschten Ausgangsstrom.Typical III-V compound semiconductor multi-junction solar cells are fabricated on a semiconductor wafer in vertical multi-junction structures. The individual solar cells or wafers are then arranged in horizontal arrangements, wherein the individual solar cells are connected to each other in a series electrical connection. The shape and structure of an array and also the number of cells containing the array are determined in part by the desired output voltage and the desired output current.
Invertierte metamorphe Solarzellenstrukturen, basierend auf III–V-Verbindungshalbleiterschichten, wie dies beispielsweise in
Vor der vorliegenden Erfindung waren die Materialien und Herstellungsschritte offenbar im Stand der Technik nicht adäquat zur Erzeugung einer kommerziell durchschlagenden und energieeffizienten Solarzelle unter Verwendung kommerziell vorhandener Herstellungsprozesse zur Erzeugung einer invertieren metamorphen Multijunction-Zellenstruktur.Prior to the present invention, the prior art materials and fabrication steps were apparently inadequate to produce a commercially disruptive and energy efficient solar cell using commercially available fabrication processes to create an inverted metamorphic multi-junction cell structure.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Kurz und allgemein gesagt sieht die Erfindung eine Multijunction- bzw. Mehrschicht-Solarzelle vor mit einer oberen ersten solaren Subzelle mit einem ersten Bandabstand; eine zweite solare Subzelle benachbart zu der ersten solaren Subzelle und mit einem zweiten Bandabstand, der kleiner ist als der erste Bandabstand; eine erste gradierte Zwischenschicht benachbart zu der zweiten solaren Subzelle; wobei die erste gradierte Zwischenschicht einen dritten Bandabstand besitzt, der größer ist als der zweite Bandabstand; und eine dritte solare Subzelle benachbart zu der ersten gradierten Zwischenschicht, wobei die dritte Subzelle einen vierten Bandabstand besitzt, der kleiner ist als der zweiten Bandabstand derart, dass die dritte Subzelle gitterfehlausgerichtet ist bezüglich der erwähnten zweiten Subzelle; eine gradierte Zwischenschicht benachbart zu der dritten Subzelle; wobei die zweite gradierte Zwischenschicht einen fünften Bandabstand besitzt, der größer ist als der vierte Bandabstand; und eine untere vierte Solarsubzelle benachbart zu der erwähnten zweiten gradierten Zwischenschicht, wobei die untere Subzelle einen sechsten Bandabstand besitzt, der kleiner ist als der vierte Bandabstand derart, dass die vierte Subzelle gitterfehlausgerichtet ist bezüglich der dritten Subzellen.Briefly and generally, the invention provides a multi-junction solar cell having an upper first solar subcell with a first bandgap; a second solar subcell adjacent to the first solar subcell and having a second bandgap less than the first bandgap; a first graded intermediate layer adjacent to the second solar subcell; wherein the first graded interlayer has a third bandgap greater than the second bandgap; and a third solar subcell adjacent to the first graded interlayer, the third subcell having a fourth bandgap less than the second bandgap such that the third subcell is lattice misaligned with respect to the second subcell mentioned; a graded intermediate layer adjacent to the third subcell; wherein the second graded interlayer has a fifth bandgap greater than the fourth bandgap; and a lower fourth solar subcell adjacent to said second graded interlayer, wherein said lower subcell has a sixth band gap that is less than the fourth bandgap such that said fourth subcell is lattice misaligned with respect to said third subcell.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle vorgesehen, und zwar durch Vorsehen eines ersten Substrats; Bilden einer oberen ersten Solarsubzelle mit einem ersten Bandabstand auf dem ersten Substrat; Formen oder Bilden einer zweiten solaren Subzelle benachbart zu der ersten solaren Subzelle und mit einem zweiten Bandabstand, der kleiner ist als der erste Bandabstand; Formen einer ersten gradierten Zwischenschicht benachbart zu der zweiten solaren Subzelle; wobei die erste gradierte Zwischenschicht einen dritten Bandabstand besitzt, der größer ist als der zweite Bandabstand; Formen einer dritten solaren Subzelle benachbart zu der ersten gradierten Zwischenschicht, wobei die dritte Subzelle einen vierten Bandabstand besitzt, der kleiner ist als der zweite Bandabstand derart, dass die dritte Subzelle gitterfehlausgerichtet ist bezüglich der zweiten Subzelle; Formen einer zweiten gradierten Zwischenschicht benachbart zu der dritten solaren Subzelle; wobei die zweite gradierte Zwischenschicht einen fünften Bandabstand besitzt, der größer ist als der vierte Bandabstand; Bilden oder Formen einer unteren vierten solaren Subzelle benachbart zu der zweiten gradierten Zwischenschicht, wobei die untere Subzelle einen sechsten Bandabstand besitzt, der kleiner ist als der vierte Bandabstand derart, dass die vierte Subzelle gitterfehlausgerichtet ist bezüglich der dritten Subzelle; Anbringen eines Surrogatsubstrats oben auf der vierten solaren Subzelle; und Entfernen des ersten Substrats.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solar cell by providing a first substrate; Forming an upper first solar subcell having a first band gap on the first substrate; Forming or forming a second solar subcell adjacent to the first solar subcell and having a second bandgap less than the first bandgap; Forming a first graded interlayer adjacent the second solar subcell; wherein the first graded interlayer has a third bandgap greater than the second bandgap; Forming a third solar subcell adjacent to the first graded interlayer, the third subcell having a fourth bandgap smaller than the second bandgap such that the third subcell is lattice misaligned with respect to the second subcell; Forming a second graded intermediate layer adjacent to the third solar subcell; wherein the second graded interlayer has a fifth bandgap greater than the fourth bandgap; Forming or forming a lower fourth solar subcell adjacent to the second graded interlayer, the lower subcell having a sixth band gap that is less than the fourth bandgap such that the fourth subcell is grid misaligned with respect to the third subcell; Attaching a surrogate substrate on top of the fourth solar subcell; and removing the first substrate.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die Erfindung ist besser zu verstehen und kann in ihrer Bedeutung vollständig erkannt werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen; in der Zeichnung zeigt:The invention will be better understood and its meaning fully appreciated by reference to the following detailed Description together with the attached drawings; in the drawing shows:
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELSDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nunmehr beschrieben, und zwar einschließlich beispielhafter Aspekte und Ausführungsbeispiele davon. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende Beschreibung sei erwähnt, dass die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche oder funktionsmäßig ähnliche Elemente zu bezeichnen, und die Beschreibung soll Hauptmerkmale von exemplarischen Ausführungsbeispielen in einer außerordentlich vereinfachten schematischen Art und Weise beschreiben. Darüber hinaus sei bemerkt, dass die Zeichnungen nicht jedes Merkmal des tatsächlichen Ausführungsbeispiels zeigen und auch nicht die relativen Abmessungen der dargestellten Elemente, die nicht maßstabsgemäß abgebildet sind.Details of the present invention will now be described, including exemplary aspects and embodiments thereof. With reference to the drawings and the following description, it should be noted that the same reference numerals are used to refer to the same or functionally similar elements The description is intended to describe key features of exemplary embodiments in an extremely simplified schematic manner. In addition, it should be noted that the drawings do not show every feature of the actual embodiment, nor the relative dimensions of the illustrated elements, which are not drawn to scale.
Das Grundkonzept der Herstellung einer invertierten metamorphischen Multijunction(IMM)-Solarzelle besteht darin, die Subzellen der Solarzelle auf einem Substrat in einer „umgekehrten” (reversed) Sequenz zu wachsen. Das heißt, die einen hohen Bandabstand besitzenden Subzellen (d. h. die Subzelle mit Bandabständen im Bereich von 1,8 bis 2,1 eV), die normalerweise „oben” auf den Subzellen sich befinden und zur Solarstrahlung hinweisen, werden epitaxial auf einem Halbleiterwachstumssubstrat, wie beispielsweise GaAs oder Ge, gewachsen und diese Subzellen werden daher gegenüber diesem Substrat gitterangepasst. Eine oder mehrere der mittleren einen niedrigeren unteren Bandabstandbesitzenden Subzellen (d. h. die Zellen mit Bandabständen im Bereich von 1,2 bis 1,8 eV) können sodann auf den einen hohen Bandabstand besitzenden Subzellen aufgewachsen werden.The basic concept of fabricating an inverted metamorphic multi-junction (IMM) solar cell is to grow the subcell of the solar cell on a substrate in a "reversed" sequence. That is, the high bandgap subcells (ie, the subcell having bandgaps in the range of 1.8 to 2.1 eV) that are normally "up" on the subcells and are indicative of solar radiation become epitaxially grown on a semiconductor growth substrate, such as For example, GaAs or Ge grown and these subcells are therefore lattice matched to this substrate. One or more of the lower sub-band middle subcellular cells (i.e., the cells with band gaps in the range of 1.2 to 1.8 eV) can then be grown on the high band gap subcells.
Mindestens eine untere Subzelle wird über der mittleren oder Mittelsubzelle derart geformt, dass die mindestens eine untere Subzelle im Wesentlichen bezüglich des Wachstumssubstrats gitterangepasst ist und derart, dass mindestens eine untere Subzelle einen dritten unteren Bandabstand (d. h. einen Bandabstand im Bereich von 0,7 bis 1,2 eV) besitzt. Ein Surrogatsubstrat oder ein Tragsubstrat wird sodann angebracht oder vorgesehen, und zwar über dem „Boden oder der im Wesentlichen gitterfehlausgerichteten unteren Subzelle, und das Wachstumshalbleitersubstrat wird darauf folgend entfernt. (Das Wachstumssubstrat kann darauf folgend wiederverwendet werden und zwar für das Wachstum einer zweiten und darauf folgender Solarzellen).At least one lower subcell is formed over the middle or middle subcell such that the at least one lower subcell is substantially lattice matched with respect to the growth substrate and such that at least one lower subcell has a third lower bandgap (ie, a bandgap in the range of 0.7 to 1 , 2 eV). A surrogate substrate or support substrate is then applied or provided over the bottom or substantially lattice mismatched lower subcell, and the growth semiconductor substrate is subsequently removed. (The growth substrate can subsequently be reused for the growth of a second and subsequent solar cells).
Eine Verschiedenheit von unterschiedlichen Merkmalen der invertierten metamorphischen Multijunction-Solarzellen werden in den oben erwähnten in Beziehung stehenden Anmeldungen offenbart. Einige oder alle diese Merkmale können in den Strukturen und Prozessen, die mit den Solarzellen der vorliegenden Erfindung assoziiert sind, eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung richtet sich jedoch insbesondere auf die Herstellung einer Vier-Junction-invertierten metamorphischen Solarzelle mit zwei unterschiedlichen metamorphischen Schichten, die alle auf ein einziges Wachstumssubstrat gewachsen sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die sich ergebende Konstruktion vier Subzellen mit Bandabständen im Bereich von 1,8 bis 2,1 eV, 1,3 bis 1,5 eV, 0,9 bis 1,1 eV bzw. 0,6 bis 0,8 eV.A variety of different features of the inverted multi-junction metamorphic solar cells are disclosed in the above-referenced related applications. Some or all of these features may be employed in the structures and processes associated with the solar cells of the present invention. However, the present invention is particularly directed to the fabrication of a four-junction inverted metamorphic solar cell having two distinct metamorphic layers, all grown on a single growth substrate. According to the present invention, the resulting construction comprises four sub-cells with band gaps in the range of 1.8 to 2.1 eV, 1.3 to 1.5 eV, 0.9 to 1.1 eV, and 0.6 to 0, respectively. 8 eV.
Die Gitterkonstanten und elektrischen Eigenschaften der Schichten der Halbleiterstruktur werden vorzugsweise gesteuert durch die Spezifikation bzw. Angabe von geeigneten Reaktorwachstumstemperaturen und -zeiten und durch die Verwendung entsprechender chemischer Zusammensetzung und Dotiermitteln. Die Verwendung einer Dampfabscheidungsmethode, wie beispielsweise der organo-metallischen Dampfphasen-Epitaxie (OMVPE = Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy), metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD = Metal Organic Chemical Vapor Deposition), Molekularstrahl-Epitaxie (MBE = Molecular Beam Epitaxy) oder anderer Dampfabscheidungsverfahren für das umgekehrte Wachstum können es ermöglichen, dass die Schichten der monolithischen Halbleiterstruktur, die die Zelle bilden, mit der erforderlichen Dicke, der elementaren Zusammensetzung, der Dotiermittelkonzentration gewachsen werden.The lattice constants and electrical properties of the layers of the semiconductor structure are preferably controlled by the specification of appropriate reactor growth temperatures and times and by the use of appropriate chemical composition and dopants. The use of a vapor deposition technique such as Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy (OMVPE), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Molecular Beam Epitaxy (MBE) or other vapor deposition techniques for reverse growth, the layers of the monolithic semiconductor structure forming the cell may be grown to the required thickness, elemental composition, dopant concentration.
Im Falle eines Ge-Substrats wird eine Keimschicht bzw. Kernbildungsschicht (nicht gezeigt) direkt auf dem Substrat
Es sei bemerkt, dass die Multijunction-Solarzellenstruktur geformt werden könnte durch irgendeine geeignete Kombination von Gruppe III-bis-V-Elementen, aufgeführt in der periodischen Tabelle unter Berücksichtigung der Gitterkonstanten und der Bandabstanderfordernisse, wobei die Gruppe III Folgendes umfasst: Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Thallium (T). Die Gruppe IV umfasst Kohlenstoff (C), Silizium (Si) und Germanium (Ge) und Zinn (Sn). Die Gruppe V umfasst Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Wismut (Bi).It should be noted that the multi-junction solar cell structure could be formed by any suitable combination of group III to V elements listed in the Periodic Table, taking into account lattice constants and bandgap requirements, where Group III comprises: boron (B) , Aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In) and thallium (T). Group IV includes carbon (C), silicon (Si), and germanium (Ge) and tin (Sn). Group V includes nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb) and bismuth (Bi).
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Emitterschicht
Die Subzelle A wird schließlich die „obere” Subzelle der invertierten metamorphen Struktur nach Vollendung der Verarbeitungsschritte gemäß der vorliegenden Erfindung, was im Folgenden noch beschrieben wird.The subcell A finally becomes the "upper" subcell of the inverted metamorphic structure after completion of the processing steps according to the present invention, which will be described later.
Oben auf der Basisschicht
Die BSF-Schicht
Oben auf der BSF-Schicht
Oben auf den Tunneldiodenschichten
Oben auf der Fensterschicht
Bei den zuvor offenbarten Implementierungen einer invertierten metamorphen Solarzelle war die Mittelzelle eine Homostruktur. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ähnlich der in der in US-Patentanmeldung Serial No. 12/023,772 offenbarten Struktur wird die Mittelsubzelle eine Heterostruktur mit einem InGaP-Emitter und ihr Fenster wird konvertiert von InAlP zu InGaP. Diese Modifikation eliminierte die Brechungsindex-Diskontinuität an dem Fenster/Emitter-Interface bzw. der Fenster/Emitter-Zwischenschicht der mittleren Subzelle, wie dies im Einzelnen beschrieben ist in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 12/258,190, eingereicht am 24. Oktober 2008. Darüber hinaus ist die Fensterschicht
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt der Mittelsubzellen-Emitter einen Bandabstand gleich dem des oberen Subzellen-Emitters und der dritte Subzellen-Emitter besitzt einen Bandabstand, der größer ist als der Bandabstand der Basis der mittleren Subzelle. Daher gilt Folgendes: Nach der Herstellung der Solarzelle und der Implementierung und dem Betrieb ist keiner der Emitter der mittleren Subzelle B noch der dritten Subzelle C einer absorbierbaren Strahlung ausgesetzt. Im Wesentlichen die gesamten Photonen, die absorbierbare Strahlung repräsentieren, werden durch die Basen der Zellen B und C absorbiert, die schmälere Bandspalte als die Emitter besitzen. Die Vorteile der Verwendung von Hetereojunction-Subzellen sind die Folgenden: (i) Das Kurzwellenlängen-Ansprechen für beide Subzellen verbessert sich und (ii) die Masse der Strahlung wird effektiver absorbiert und durch die einen schmäleren Bandabstand besitzende Basis gesammelt. Der Effekt besteht darin, dass Jsc erhöht wird. In the preferred embodiment of the present invention, the middle subcell emitter has a band gap equal to that of the upper subcell emitter, and the third subcell emitter has a band gap greater than the band gap of the base subcell base. Therefore, following the fabrication of the solar cell and its implementation and operation, none of the emitter of the middle subcell B nor the third subcell C is exposed to absorbable radiation. Substantially all of the photons that represent absorbable radiation are absorbed by the bases of cells B and C, which have narrower band gaps than the emitters. The advantages of using heterojunction subcells are as follows: (i) the short wavelength response for both subcells improves and (ii) the mass of the radiation is more effectively absorbed and collected through the narrower bandgap base. The effect is that J sc is increased.
Oben auf der Zelle B ist eine BSF-Schicht
Eine Barrieren- oder Sperrschicht
Eine metamorphe Schicht (oder gradierte Zwischenschicht)
Bei dem Netzmittel-unterstützten Wachstum der metamorphen Schicht
Ein Netzmittel-unterstütztes Wachstum hat eine viel glättere oder planare Oberfläche zur Folge. Da die Oberflächentopographie die Masseneigenschaften des Halbleitermaterials beim Wachstum, wenn die Schicht dicker und dicker wird, beeinflusst, kann die Verwendung von Netzmitteln die Schraubenversetzungen in den aktiven Regionen oder Zonen minimieren und verbessert die gesamte Solarzellen-Effizienz.Wetting agent-assisted growth results in a much smoother or planar surface. Because surface topography affects the bulk properties of the semiconductor material as it grows thicker and thicker, the use of wetting agents can minimize screw dislocations in the active regions or zones and improves overall solar cell efficiency.
Als eine Alternative zur Verwendung eines nicht-isoelektronischen Netzmittels kann man ein isoelektronisches Netzmittel verwenden. Der Ausdruck „isoelektronisch” bezieht sich auf Netzmittel wie beispielsweise Antimon (Sb) oder Wismut (Bi), da solche Elemente die gleiche Anzahl von Bindungselektronen besitzen wie das P-Atom von InGaP oder wie das As-Atom in InGaAlAs in der metamorphen Pufferschicht. Solche Sb- oder Bi-Netzmittel sind nicht typischerweise in der metamorphen Schicht
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wo die Solarzelle nur zwei Subzellen besitzt und die „mittlere” Zelle B die oberste oder obere Subzelle in der endgültigen Solarzelle ist, wobei die „obere” Subzelle B typischerweise einen Bandabstand von 1,8 bis 1,9 eV haben würde, würde der Bandabstand der Innenschicht bei konstant 1,9 eV verbleiben.In an alternative embodiment where the solar cell has only two subcells and the "middle" cell B is the uppermost or upper subcell in the final solar cell, the "upper" subcell B typically has a band gap of 1.8 to 1.9 eV would, the band gap of the inner layer would remain at a constant 1.9 eV.
In der invertierten metamorphen Struktur, beschrieben in der Wanlass et al-Literaturstelle, die oben genannt wurde, besteht die metamorphe Schicht aus neun zusammensetzungsmäßigen gradierten InGaP-Schritten, wobei jede Schrittschicht eine Dicke von 0,25 Mikron besitzt. Infolge dessen hat jede Schicht bei
Der Vorteil der Verwendung eines Materials mit konstantem Bandabstand, wie beispielsweise InGaAlAs, besteht darin, dass das auf Arsenid basierende Halbleitermaterial viel leichter zu verarbeiten ist, und zwar mit den üblichen kommerziellen MOCVD-Reaktoren, wobei die kleine Menge an Aluminium die Strahlungstransparenz der metamorphen Schichten sicherstellt.The advantage of using a constant bandgap material, such as InGaAlAs, is that the arsenide-based semiconductor material is much easier to process, with the conventional commercial MOCVD reactors, where the small amount of aluminum is the radiation transparency of the metamorphic layers ensures.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Schichten von InGaAlAs für die metamorphe Schicht
In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine optionale oder wahlweise zweite Sperrschicht
Eine Fensterschicht
Oben auf der Fensterschicht
Eine BSF-Schicht
Die p++/n++-Tunneldiodenschichten
Eine metamorphe Schicht (oder gradierte Zwischenschicht)
In dem Netzmittel-unterstützten Wachstum der metamorphen Schicht
Eine Fensterschicht
Es sei nunmehr auf
Schließlich wird eine einen hohen Bandabstand besitzende Kontaktschicht
Die Zusammensetzung dieser Kontaktschicht
Der Fachmann erkennt, dass eine zusätzliche Schicht oder zusätzliche Schichten hinzugefügt oder weggelassen werden können bei der Zellstruktur, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.One skilled in the art will recognize that an additional layer or layers may be added or deleted in the cell structure without departing from the scope of the invention.
Das gewählte Metallkontaktschema ist eines, das eine planare Zwischenfläche (Interface) mit dem Halbleiter besitzt, und zwar nach der Wärmebehandlung, um den Ohmschen Kontakt zu aktivieren. Dies erfolgt derart dass, (1) eine dielektrische Schicht, welche das Metall vom Halbleiter trennt, nicht abgeschieden werden muss und selektiv in den Metallkontaktgebieten geätzt werden muss, und (2) die Kontaktschicht über den Wellenlängenbereich von Interesse spiegelmäßig reflektiert.The selected metal contact scheme is one having a planar interface with the semiconductor after heat treatment to activate the ohmic contact. This is done in such a way that, (1) a dielectric layer which separates the metal from the semiconductor need not be deposited and must be selectively etched in the metal contact regions, and (2) it reflects the contact layer mirror over the wavelength range of interest.
In dem nächsten Verfahrens- oder Prozessschritt wird ein Surrogatsubstrat
Wie im Einzelnen in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 12/218,582, eingereicht am 18. Juli 2008, beschrieben ist, sind die Gitterlinien
In jeder Zelle gibt es Gitterlinien bzw. Leitungen
Man erkennt, dass jedes der oben beschriebenen Elemente, oder zwei oder mehr zusammen, eine nützliche Anwendung finden können bei anderen Arten von Konstruktionen, die von den oben beschriebenen Konstruktionen sich unterscheiden.It will be appreciated that each of the elements described above, or two or more together, may find useful application in other types of designs that differ from the designs described above.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Vertikalstapel von vier Subzellen verwendet, kann die vorliegende Erfindung auch auf Stapel mit weniger oder mehr Subzellen angewandt werden, d. h. Zwei-Junction-Zellen, Drei-Junction-Zellen, Fünf-Junction-Zellen usw. Im Falle von Vier- oder mehr Junction-Zellen kann auch die Verwendung von mehr als einer metamorphen Gradierschicht erfolgen. Although the preferred embodiment of the present invention uses a vertical stack of four subcells, the present invention can also be applied to stacks having fewer or more subcells, ie, two junction cells, three junction cells, five junction cells, and so on In the case of four or more junction cells, the use of more than one metamorphic grading layer may also be used.
Zudem gilt Folgendes: Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel mit oberen und unteren elektrischen Kontakten konfiguriert ist, können die Subzellen in alternativer Weise kontaktiert werden und zwar mittels Metallkontakten an seitlichen leitenden Halbleiterschichten zwischen den Zellen. Solche Anordnungen können verwendet werden, um 3-Anschluss-, 4-Anschluss- und allgemein n-Anschluss-Vorrichtungen zu erreichen. Die Subzellen können zwischen Schaltungen verbunden sein, die diese zusätzlichen Anschlüsse verwenden derart, dass die verfügbare photoerzeugte Stromdichte jeder Subzelle in effektiver Weise ausgenutzt werden kann, was zu einer hohen Effizienz für die Multijunction-Zelle führt, ohne dabei der Tatsache zu widersprechen, dass die photoerzeugten Stromdichten typischerweise in den verschiedenen Subzellen unterschiedlich sind.In addition, although the present embodiment is configured with upper and lower electrical contacts, the subcells may alternatively be contacted by metal contacts on side conductive semiconductor layers between the cells. Such arrangements can be used to achieve 3-port, 4-port and generally n-port devices. The subcells may be connected between circuits that use these additional terminals such that the available photogenerated current density of each subcell can be effectively exploited, resulting in high efficiency for the multijunction cell, without contradicting the fact that the photogenerated current densities are typically different in the different subcells.
Wie oben erwähnt, kann die vorliegende Erfindung eine Anordnung von einer oder mehreren oder sämtlichen Homojunction-Zellen oder Subzellen verwenden, d. h. eine Zelle oder Subzelle, in der der p-n-Übergang (junction) gebildet wird zwischen einem p-Typ-Halbleiter und einem n-Typ-Halbleiter, wobei beide die gleiche chemische Zusammensetzung besitzen und den gleichen Bandabstand, sich jedoch nur in der Dotiermittel-Art und den Typen unterscheiden, und eine oder mehrere Heterojunction-Zellen oder Subzellen vorgesehen sein können. Die Subzelle A mit p-Type und n-Typ-InGaP ist ein Beispiel einer Homojunction-Subzelle. Alternativ, wie dies insbesondere in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 12/023,772, eingereicht am 31. Januar 2008, beschrieben ist, kann die Erfindung ein oder mehrere oder alle Heterojunction-Zellen oder Subzellen verwenden, d. h. eine Zelle oder Subzelle, in der der p-n-Übergang gebildet wird durch einen p-Typ-Halbleiter und einen n-Type-Halbleiter mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen des Halbleitermaterials in den n-Typ-Zonen und/oder unterschiedlichen Bandspalt- oder Bandabstandsenergien in den p-Typ-Zonen oder Regionen, und zwar zusätzlich zur Verwendung unterschiedlicher Dotiermittelarten und der Art der p-Typ- und n-Typ-Regionen, die den p-n-Übergang bilden.As mentioned above, the present invention may use an array of one or more or all of the homojunction cells or subcells, i. H. a cell or subcell in which the pn-junction is formed between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, both having the same chemical composition and the same bandgap, but only in the dopant Type and types, and one or more heterojunction cells or sub-cells can be provided. Subcell A with p-type and n-type InGaP is an example of a homojunction subcell. Alternatively, as specifically described in U.S. Patent Application Serial No. 12 / 023,772, filed January 31, 2008, the invention may use one or more or all of the heterojunction cells or subcells, i. H. a cell or subcell in which the pn junction is formed by a p-type semiconductor and an n-type semiconductor having different chemical compositions of the semiconductor material in the n-type regions and / or different bandgap or bandgap energies in the n-type p-type zones or regions, in addition to using different dopant species and the type of p-type and n-type regions forming the pn junction.
In einigen Zeilen kann eine dünne sogenannte eigenleitende Sperrschicht („intrinsische Schicht” bzw. i-Schicht) zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht angeordnet sein mit der gleichen oder unterschiedlichen Zusammensetzung von sowohl der Emitter- als auch der Basisschicht. Die i-Schicht kann die Wirkung hervorrufen, die Minoritätsträger-Rekombination in der Raumladungszone zu unterdrücken. In ähnlicher Weise gilt Folgendes: Entweder die Basisschicht oder die Emitterschicht können ebenfalls intrinsisch oder nicht beabsichtigt dotiert („NID” = not intentionally-doped) über einen Teil oder die gesamte Dicke hinweg sein.In some rows, a thin so-called intrinsic barrier layer ("intrinsic layer" or "i" layer) may be disposed between the emitter layer and the base layer with the same or different composition of both the emitter and base layers. The i-layer may cause the effect of suppressing the minority carrier recombination in the space charge region. Similarly, either the base layer or the emitter layer may also be intrinsically or unintentionally doped ("NID") over part or all of the thickness.
Die Zusammensetzung der Fenster- oder BSF-Schichten kann andere Halbleiterverbindungen verwenden, und zwar unter Berücksichtigung der Erfordernisse hinsichtlich Gitterkonstanten und Bandabstand, und diese Schichten können Folgendes aufweisen: AlInP, AlAs, AlP, AlGaInP, AlGaAsP, AlGaInAs, AlGaInPAs, GaInP, GaInAs, GaInPAs. AlGaAs, AlInAs, AlInPAs, GaAsSb, AlAsSb, GaAlAsSb, AlInSb, GaInSb, AlGaInSb, AlN, GaN, InN, GaInN, AlGaInN, GaInNAs, AlGaInNAs, ZnSSe, CdSSe, und ähnliche Materialien, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.The composition of the window or BSF layers may use other semiconductor compounds, taking into account the requirements of lattice constants and bandgap, and these layers may include: AlInP, AlAs, AlP, AlGaInP, AlGaAsP, AlGaInAs, AlGaInPAs, GaInP, GaInAs, GaInPAs. AlGaAs, AlInAs, AlInPAs, GaAsSb, AlAsSb, GaAlAsSb, AlInSb, GaInSb, AlGaInSb, AlN, GaN, InN, GaInN, AlGaInN, GaInNAs, AlGaInNAs, ZnSSe, CdSSe, and similar materials falling within the scope of the present invention.
Obwohl die Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurde als in einer invertierten metamorphen Multijunction-Solarzelle, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die gezeigten Details zu beschränken, da verschiedene Modifikationen und strukturelle Änderungen gemacht werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described as being in an inverted multi-junction metamorphic solar cell, it is not intended to limit the invention to the details shown, as various modifications and structural changes can be made without departing from the scope of the invention.
Obwohl die Beschreibung dieser Erfindung primär auf Solarzellen oder photovoltaische Vorrichtung fokussiert ist, weiß der Fachmann, dass andere optoelektronische Vorrichtungen in Frage kommen wie beispielsweise thermophotovoltaische (TPV) Zellen, Fotodetektoren und Licht emittierende Dioden (LEDs) eine sehr ähnliche Struktur, physikalische Eigenschaften und Materialien wie photovoltaische Vorrichtungen verwenden, mit einigen kleineren Variationen hinsichtlich Dotieren und Minoritätsträger-Lebenszeit. Beispielsweise können Fotodetektoren die gleichen Materialien und Strukturen verwenden wie die photovoltaischen Vorrichtungen, die oben beschrieben wurden, wobei aber möglicherweise geringere Dotierung eingesetzt wird im Hinblick auf Empfindlichkeit und nicht auf Leistungsproduktion. Andererseits können auch LEDs mit ähnlichen Strukturen und Materialien hergestellt werden, möglicherweise aber mit stärkerer Dotierung, um die Rekombinationszeit zu verkürzen, auf welche Weise die Strahlungslebenszeit zur Erzeugung von Licht an Stelle von Leistung betont wird. Die vorliegende Erfindung ist also auch auf Fotodetektoren und LEDs anwendbar mit Strukturen, Materialzusammensetzungen und Herstellungsgegenständen unter Verbesserungen wie dies für die photovoltaischen Zellen oben beschrieben wurde.Although the description of this invention focuses primarily on solar cells or photovoltaic devices, those skilled in the art will recognize that other optoelectronic devices such as thermophotovoltaic (TPV) cells, photodetectors, and light emitting diodes (LEDs) have very similar structure, physical properties, and materials how to use photovoltaic devices, with some minor variations in doping and minority carrier lifetime. For example, photodetectors may use the same materials and structures as the photovoltaic devices described above, but possibly lower doping is used in terms of sensitivity rather than power production. On the other hand, LEDs with similar structures and materials can be made, but possibly with more doping, to shorten the recombination time, thus emphasizing the radiation lifetime for producing light rather than power. Thus, the present invention is also applicable to photodetectors and LEDs having structures, material compositions, and articles of manufacture with improvements as described above for the photovoltaic cells.
Ohne weitere Analyse kann die obige Beschreibung die vorliegende Erfindung vollständig darstellen, und zwar durch Anwendung derzeitigen Wissens, um ohne weiteres eine Adaption für verschiedene Anwendungsfälle vorzusehen, ohne Merkmale wegzulassen, die vom Standpunkt des Standes der Technik aus in fairer Weise essenzielle Charakteristika der allgemeinen oder speziellen Aspekte dieser Erfindung betreffen, so dass solche Adaptionen als innerhalb des Bereichs und der Bedeutung der Äquivalenz der folgende Ansprüche liegen. Without further analysis, the above description may fully illustrate the present invention by utilizing current knowledge to readily provide adaptation for various applications without omitting features that are in a fair manner essential characteristics of the general or generic art from the standpoint of the art pertain to particular aspects of this invention such that such adaptations are within the scope and meaning of the equivalence of the following claims.
Wesentliche Merkmale der Erfindung werden wie folgt zusammengefasst:
- 1. Eine Multijunction-Solarzelle, die Folgendes aufweist: eine obere erste Solarsubzelle mit einem ersten Bandabstand; eine zweite Solarsubzelle benachbart zu der ersten Solarsubzelle mit einem zweiten Bandabstand kleiner als der erste Bandabstand; eine erste gradierte Zwischenschicht benachbart zu der zweiten Solarsubzelle, wobei die erste gradierte Zwischenschicht einen dritten Bandabstand besitzt, der größer ist als der zweite Bandabstand; und eine dritte Solarsubzelle benachbart zu der ersten gradierten Zwischenschicht, wobei die dritte Subzelle einen vierten Bandabstand besitzt, der größer ist als der zweite Bandabstand derart, dass die dritte Subzelle gitterfehlangepasst bezüglich der zweiten Subzelle ist; eine zweite gradierte Zwischenschicht benachbart zu der dritten Subzelle, wobei die zweite gradierte Zwischenschicht einen fünften Bandabstand besitzt, der größer ist als der vierte Bandabstand; und und eine untere vierte Solarsubzelle benachbart zu der zweiten gradierten Zwischenschicht, wobei die untere Subzelle einen sechsten Bandabstand besitzt, der kleiner ist als der vierte Bandabschnitt derart, dass die vierte Subzelle gitterfehlausgerichtet ist bezüglich der dritten Subzelle.
- 2. Die Multijunction-
Solarzelle nach 1, wobei die erste gradierte Zwischenschicht zusammensetzungsmäßig gradiert ist, um die Gitteranpassung der zweiten Subzelle auf der einen Seite und der dritten Subzelle auf der anderen Seite vorzusehen. - 3. Die Multijunction-
Solarzelle nach 1, wobei die zweite gradierte Zwischenschicht zusammensetzungsmäßig gradiert ist, um die dritte Subzelle auf einer Seite und die untere vierte Subzelle auf der anderen Seite gitteranzupassen. - 4. Die Multijunction-
Solarzelle nach 1, wobei die erste gradierte Zwischenschicht zusammengesetzt ist aus irgendeinem der folgenden Verbindungshalbleiter: As-P-N-Sb-basierende III–V-Verbindungshalbleiter, und zwar unter Berücksichtigung der Einschränkungen eines „in-plane”-Gitterparameters größer oder gleich dem der zweiten Subzelle und kleiner als oder gleich dem der dritten Subzelle und mit einer Bandabstandsenergie größer als die der zweiten Subzelle und der dritten Subzelle. - 5. Die Multijunction-
Solarzelle nach 1, wobei die zweite gradierte Zwischenschicht aufgebaut ist aus irgendeinem der folgenden Verbindungshalbleiter: As-P-N-Sb-basierende III–V-Verbindungshalbleiter, wobei dies unter Berücksichtigung der folgenden Einschränkungen geschieht: Der „in-plane”-Gitterparameter ist größer oder gleich dem der dritten Subzelle und kleiner oder gleich dem der unteren vierten Subzelle (Bodensubzelle) mit einer Bandabstandsenergie größer als der der dritten Subzelle und der der vierten Subzelle. - 6. Die Multijunction-
Solarzelle nach 1, wobei die ersten und zweiten gradierten Zwischenschichten aufgebaut sind aus (InxGa1-x)yAl1-yAs, wobei x und y derart ausgewählt sind, dass der Bandabstand jeder Zwischenschicht konstant über deren gesamte Dicke verbleibt. - 7. Die Multijunction-
Solarzelle nach 6, wobei der Bandabstand der ersten gradierten Zwischenschicht konstant bei 1,5 eV verbleibt. - 8. Die Multijunction-
Solarzelle nach 6, wobei der Bandabstand der zweiten gradierten Zwischenschicht konstant bei 1,1 eV verbleibt. - 9. Die Multijunction-
Solarzelle nach 1, wobei die obere Subzelle aus einer InGaP-Emitterschicht und einer InGaP-Basisschicht besteht, wobei die zweite Subzelle aufgebaut ist aus einer InGaP-Emitterschicht und einer GaAs-Basisschicht, wobei die dritte Subzelle aufgebaut ist aus einer InGaP-Emitterschicht und einer InGaAs-Basisschicht und wobei schließlich die am Boden befindliche untere vierte Subzelle aufgebaut ist aus einer InGaAs-Basisschicht und einer InGaAs-Emitterschicht, und zwar gitterangepasst mit der Basis. - 10. Die Multijunction-
Solarzelle nach 1, wobei die untere vierte Subzelle einen Bandabstand im Bereich von annähernd 0,6bis 0,8 eV besitzt, wobei die dritte Subzelle einen Bandabstand im Gereicht von annähernd 0,9 1,1 eV besitzt, wobei die zweite Subzelle einen Bandabstand im Bereich von annähernd 1,35bis bis 1,45 eV besitzt und wobei die obere Subzelle einen Bandabstandim Bereich von 1,8 2,1 eV besitzt.bis - 11. Ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, wobei Folgendes vorgesehen ist: Vorsehen eines ersten Substrats; Ausbilden einer oberen ersten Solarsubzelle mit einem ersten Bandabstand auf dem ersten Substrat; Formen oder Bilden einer zweiten Solarsubzelle benachbart zu der ersten Solarsubzelle und mit einem zweiten Bandabstand, der kleiner ist als der erste Bandabstand; Formen oder Bilden einer ersten gradierten Zwischenschicht benachbart zu der zweiten Solarsubzelle; wobei die erste gradierte Zwischenschicht einen dritten Bandabstand besitzt, der größer ist als der zweite Bandabstand; Formen oder Ausbilden einer dritten Solarsubzelle benachbart zu der ersten gradierten Zwischenschicht, wobei die dritte Subzelle einen vierten Bandabstand besitzt, der kleiner ist als der zweite Bandabstand derart, dass die dritte Subzelle gitterfehlangepasst ist bezüglich der zweiten Subzelle; Ausbilden einer zweiten gradierten Zwischenschicht benachbart zu der dritten solaren Subzelle; wobei die zweite gradierte Zwischenschicht einen fünften Bandabstand aufweist, der größer ist als der erwähnte vierte Bandabstand; Formen oder Bilden einer unteren vierten Solarsubzelle benachbart zu der zweiten gradierten Zwischenschicht, wobei die untere Subzelle einen sechsten Bandabstand besitzt, der kleiner ist als der erwähnte vierte Bandabstand derart, dass die vierte Subzelle bezüglich der dritten Subzelle gitterfehlangepasst ist; Anbringen eines Surrogatsubstrats oben auf der vierten Subzelle; und Entfernen des ersten Substrats.
- 12. Verfahren nach 11, wobei die untere vierte Subzelle einen Bandabstand
0,6im Bereich von bis 0,8 eV besitzt, die dritte Subzelle einen Bandabstandim Bereich von 0,9 1,1 eV aufweist, die zweite Subzelle einen Bandabstandbis im Bereich von 1,35bis 1,45 eV besitzt, und wobei schließlich die erste Subzelle einen Bandabstandim Bereich von 1,8 2,1 eV besitzt.bis - 13. Ein Verfahren nach 11, wobei das erste Substrat aufgebaut ist aus GaAs oder Ge und das Surrogatsubstrat aufgebaut ist aus Saphir, GaAs, Ge oder Si.
- 14. Verfahren nach 11, wobei die erste gradierte Zwischenschicht zusammensetzungsmäßig gradiert ist, um die zweite Subzelle auf einer Seite und die dritte Subzelle auf der anderen Seite Gitter anzupassen, und wobei die zweite gradierte Zwischenschicht zusammensetzungsmäßig gradiert ist, um die Gitteranpassung zur dritten Subzelle auf der einen Seite und zur vierten Bodensubzelle auf der anderen Seite vorzusehen.
- 15. Verfahren nach 11, wobei die erste gradierte Zwischenschicht aufgebaut ist aus irgendeinem der As-P-N-Sb-basierenden III–V-Verbindungshalbleiter, und zwar unter Berücksichtung der folgenden Einschränkung: dass ein „In-Ebene”-Gitterparameter vorliegt, der größer ist oder gleich ist dem der zweiten Subzelle und kleiner als oder gleich dem der dritten Subzelle und mit einer Bandabstandsenergie, die größer ist als die der zweiten Subzelle und der dritten Subzelle.
- 16. Verfahren nach 11, wobei die zweite gradierte Zwischenschicht aufgebaut ist aus irgendeinem der As-P-N-Sb-basierenden III–V-Verbindungshalbleiter mit den folgenden Einschränkungen: dass deren In-Ebene-Gitterparameter größer oder gleich dem der dritten Subzelle ist und kleiner als oder gleich dem der vierten oder Bodensubzelle und mit einer Bandabstandsenergie größer als der dritten Subzelle und der vierten Subzelle.
- 17. Verfahren nach 11, wobei die ersten und zweiten gradierten Zwischenschichten aufgebaut sind aus (InxGa1-x)yAl1-yAs, wobei x und y derart ausgebildet sind, dass der Bandabstand jeder Zwischenschicht über deren gesamte Dicke hinweg konstant verbleibt.
- 18. Verfahren nach 11, wobei der Bandabstand der ersten gradierten Zwischenschicht konstant bei 1,5 eV verbleibt und der Bandabstand der zweiten gradierten Zwischenschicht konstant bei 1,1 eV bleibt.
- 19. Verfahren nach 11, wobei die erste Subzelle aufgebaut ist aus einer InGaP-Mittelschicht und einer InGaP-Basisschicht, wobei die zweite Subzelle aufgebaut ist aus InGaP-Mittelschicht und einer GaS-Basisschicht, wobei schließlich die dritte Subzelle aufgebaut ist aus einer InGa-Mittelschicht und einer InGaAs-Basisschicht und wobei die vierte Bodensubzelle aufgebaut ist aus InGaS-Basisschicht und einer InGaS-Mittelschicht gitterangepasst an die Basisschicht.
- 20. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, wobei Folgendes vorgesehen ist: Vorsehen einer ersten Substratschicht; Abschalten auf dem ersten Substrat einer ersten Sequenz von Schichten aus Halbleitermaterial, die erste und zweite Solarzellen bilden; Abschalten auf den ersten und zweiten Solarzellen einer ersten gradierten Zwischenschicht; Abschalten auf der ersten gradierten Zwischenschicht eine zweite Folge von Schichten von Halbleitermaterial einschließlich einer zweiten gradierten Zwischenschicht und dritten und vierten Solarzellen; Anbringen und Verbinden bzw. Verkleben eines Surrogatsubstrats oben auf der Sequenz von Schichten; und Entfernen des ersten Substrats.
- A multi-junction solar cell comprising: an upper first solar subcell having a first band gap; a second solar subcell adjacent the first solar subcell having a second bandgap smaller than the first bandgap; a first graded interlayer adjacent the second solar subcell, the first graded interlayer having a third bandgap greater than the second bandgap; and a third solar subcell adjacent to the first graded interlayer, the third subcell having a fourth bandgap greater than the second bandgap such that the third subcell is lattice mismatched with respect to the second subcell; a second graded interlayer adjacent the third subcell, the second graded interlayer having a fifth bandgap greater than the fourth bandgap; and a lower fourth solar subcell adjacent to the second graded interlayer, the lower subcell having a sixth bandgap smaller than the fourth band portion such that the fourth subcell is grid misaligned with respect to the third subcell.
- 2. The multi-junction solar cell of
claim 1, wherein the first graded interlayer is compositionally graded to provide lattice matching of the second subcell on one side and the third subcell on the other side. - 3. The multi-junction solar cell of 1, wherein the second graded interlayer is compositionally graded to lattice match the third subcell on one side and the bottom fourth subcell on the other side.
- 4. The multijunction solar cell of Figure 1, wherein the first graded interlayer is composed of any of the following compound semiconductors: As-PN-Sb based III-V compound semiconductors, taking into account the limitations of an in-plane lattice parameter greater or equal to that of the second subcell and less than or equal to the third subcell and having a band gap energy greater than that of the second subcell and the third subcell.
- 5. The multijunction solar cell of 1, wherein the second graded interlayer is constructed of any of the following compound semiconductors: As-PN-Sb based III-V compound semiconductors, with the following limitations: the in-plane Grid parameter is greater than or equal to that of the third subcell and less than or equal to the lower fourth subcell (bottom subcell) having a bandgap energy greater than that of the third subcell and that of the fourth subcell.
- 6. The multijunction solar cell of 1, wherein the first and second graded interlayers are composed of (In x Ga 1-x) y Al 1-y As, wherein x and y are selected such that the band gap of each interlayer constant over their entire thickness remains.
- 7. The multijunction solar cell of Figure 6, wherein the bandgap of the first graded interlayer remains constant at 1.5 eV.
- 8. The multijunction solar cell of Figure 6, wherein the bandgap of the second graded interlayer remains constant at 1.1 eV.
- 9. The multijunction solar cell of
claim 1, wherein the upper subcell consists of an InGaP emitter layer and an InGaP base layer, wherein the second subcell is constructed of an InGaP emitter layer and a GaAs base layer, the third subcell being composed of a InGaP emitter layer and InGaAs base layer, and finally, the bottom bottom fourth sub-cell is composed of InGaAs base layer and InGaAs emitter layer, lattice-matched with the base. - 10. The multijunction solar cell of 1, wherein the lower fourth subcell has a band gap in the range of approximately 0.6 to 0.8 eV, the third subcell having a band gap of approximately 0.9 to 1.1 eV, wherein the second subcell has a band gap in the range of approximately 1.35 to 1.45 eV, and wherein the upper subcell has a band gap in the range of 1.8 to 2.1 eV.
- 11. A method of manufacturing a solar cell, comprising: providing a first substrate; Forming an upper first solar subcell having a first band gap on the first substrate; Forming or forming a second solar subcell adjacent to the first solar subcell and having a second bandgap less than the first bandgap; Forming or forming a first graded intermediate layer adjacent to the second solar subcell; wherein the first graded interlayer has a third bandgap greater than the second bandgap; Forming or forming a third solar subcell adjacent the first graded interlayer, the third subcell having a fourth bandgap less than the second bandgap such that the third subcell is lattice mismatched with respect to the second subcell; Forming a second graded intermediate layer adjacent to the third solar subcell; wherein the second graded interlayer has a fifth bandgap greater than said fourth bandgap; Forming or forming a lower fourth solar subcell adjacent to the second graded interlayer, the lower subcell having a sixth bandgap less than said fourth bandgap such that the fourth subcell is lattice mismatched with respect to the third subcell; Attaching a surrogate substrate on top of the fourth subcell; and removing the first substrate.
- 12. The method of 11, wherein the lower fourth subcell has a band gap in the range of 0.6 to 0.8 eV, the third subcell has a band gap in the range of 0.9 to 1.1 eV, the second subcell has a band gap in the Range of 1.35 to 1.45 eV, and finally, the first subcell has a band gap in the range of 1.8 to 2.1 eV.
- 13. A method according to 11, wherein the first substrate is composed of GaAs or Ge and the surrogate substrate is composed of sapphire, GaAs, Ge or Si.
- 14. The method of claim 11, wherein the first graded interlayer is compositionally graded to match the second subcell on one side and the third subcell on the other side, and wherein the second graded interlayer is compositionally graded to match the lattice match to the third subcell one side and the fourth bottom subcell on the other side.
- 15. The method of 11, wherein the first graded interlayer is constructed of any of the As-PN-Sb based III-V compound semiconductors, with the following constraint: that an in-plane lattice parameter is larger is equal to or equal to that of the second subcell and less than or equal to that of the third subcell and having a band gap energy greater than that of the second subcell and the third subcell.
- 16. The method of 11, wherein the second graded interlayer is constructed of any of the As-PN-Sb based III-V compound semiconductors with the following constraints: their in-plane lattice parameter is greater than or equal to the third subcell and smaller as or equal to that of the fourth or bottom subcell and with a band gap energy greater than the third subcell and the fourth subcell.
- 17. The method according to 11, wherein the first and second graded interlayers are composed of (In x Ga 1-x) y Al 1-y As, where x and y are formed such that the band gap of each interlayer constant over their entire thickness remains.
- 18. The method of 11, wherein the band gap of the first graded interlayer remains constant at 1.5 eV and the band gap of the second graded interlayer remains constant at 1.1 eV.
- 19. The method of claim 11, wherein the first subcell is made up of an InGaP middle layer and an InGaP base layer, wherein the second subcell is made up of InGaP middle layer and a GaS base layer, finally the third sub cell is made up of an InGaP Middle layer and an InGaAs base layer and wherein the fourth bottom subcell is constructed of InGaS base layer and an InGaS middle layer lattice-matched to the base layer.
- 20. A method of manufacturing a solar cell, comprising: providing a first substrate layer; Turning off on the first substrate a first sequence of layers of semiconductor material forming first and second solar cells; Switching off on the first and second solar cells of a first graded intermediate layer; Turning off on the first graded interlayer a second series of layers of semiconductor material including a second graded interlayer and third and fourth solar cells; Attaching and bonding a surrogate substrate on top of the sequence of layers; and removing the first substrate.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- M. W. Wanlass et al, Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III–V Photovoltaic Energy Converters (Conference Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Jan. 3–7, 2005, IEEE Press, 2005) [0023] MW Wanlass et al, Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III-V Photovoltaic Energy Converters (Conference Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Jan. 3-7, 2005, IEEE Press, 2005). [0023]
- Wanlass et al [0080] Wanlass et al. [0080]
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