DE102018203509A1 - Quadruple solar cell for room applications - Google Patents

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Zachary Bittner
Samantha Whipple
Alexander Haas
John Hart
Nathaniel Miller
Pravin Patel
Paul Sharps
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Abstract

Eine Multijunction-Solarzelle weist folgendes auf: Ein Wachstumssubstrat; eine erste Solarsubzelle geformt über oder in dem Wachstumssubstrat; eine gradierte Zwischenschicht, abgeschieden über der ersten Solarsubzelle; und eine Folge von Schichten aus Halbleitermaterial abgeschieden über der gradierten Zwischenschicht, und zwar aufweisend eine Vielzahl von Solarsubzellen einschließlich einer zweiten Solarsubzelle angeordnet über und gitterangepasst mit bezüglich des Wachstumssubstrats und mit einem Bandabstand im Bereich von 0,9 bis 1,8 eV und mit mindestens einer oberen Solarsubzelle, angeordnet über der zweiten Subzelle und mit einem Aluminiumgehalt über 30 % in Molfraktion und einem Bandabstand im Bereich von 2,0 bis 2,20 eV.A multi-junction solar cell comprises: a growth substrate; a first solar subcell formed over or in the growth substrate; a graded interlayer deposited over the first solar subcell; and a series of layers of semiconductor material deposited over the graded interlayer, comprising a plurality of solar subcells including a second solar subcell arranged above and lattice matched with respect to the growth substrate and having a bandgap in the range of 0.9 to 1.8 eV and at least an upper solar subcell located above the second subcell and having an aluminum content above 30% in mole fraction and a bandgap in the range of 2.0 to 2.20 eV.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Solarzellen und die Herstellung von Solarzellen, und insbesondere auf die Konstruktion und Spezifikation von Zusammensetzung und Bandabständen jeder der vier Subzellen bzw. Teilzellen in einer Vierfach-Solarzelle basierend auf III-V Halbleiterverbindungen, um verbesserte „End-of-Life“ Performance zu erhalten wie dies für eine vorbestimmte Weltraummission und die Umgebung vorbestimmt sein kann.The present disclosure relates to solar cells and the fabrication of solar cells, and more particularly to the construction and specification of composition and bandgap of each of the four subcells in a quadruple solar cell based on III-V semiconductor interconnects to provide improved end-of-life Life "performance as may be predetermined for a predetermined space mission and the environment.

Beschreibung verwandter TechnikDescription of related art

In dieser Offenbarung wird der Ausdruck „Bandabstand“ bzw. „Bandlücke“ einer Solarsubzelle, die intern Schichten mit unterschiedlichem Bandabstand aufweist, definiert als Bandabstand der Schicht der Solarsubzelle, in der die Majorität der Ladungsträger erzeugt wird (eine derartige Unterschicht oder Sublayer ist typischerweise die p-Typ-Basishalbleiterschicht des Basis/Emitter-photovoltaischen Übergangs(Junction; pn-Übergang) von einer derartigen Subzelle). Im Falle, dass eine derartige Schicht ihrerseits Subschichten (Sublayers) aufweist mit unterschiedlichen Bandabständen bzw. Bandlücken (wie beispielsweise im Falle einer Basisschicht mit einer gradierten (ortsabhängigen) Zusammensetzung und insbesondere einem gradierten (ortsabhängigen) Bandabstand), der Sublayer bzw. die Unterschicht dieser Solarzelle mit dem niedrigsten Bandabstand soll vorgesehen werden zur Definition des „Bandabstands“ einer derartigen Subzelle. Abgesehen von einer Solarsubzelle, allgemeiner gesagt in einer speziell konstruierten Halbleiterregion oder -zone (wie beispielsweise eine metamorphe Schicht), in der die Halbleiterregion oder -zone bzw. Halbleitergebiet Sub- oder Unterschichten oder Subregionen mit unterschiedlichen Bandabständen besitzt (wie beispielsweise der Fall einer Halbleiterzone mit einer gradierten Zusammensetzung und insbesondere einem gradiertem Bandabstand) der Sublayer oder die Subregion dieser Halbleiterzone mit dem niedrigeren Bandabstand soll als die Definition des „Bandabstands“ dieser Halbleiterzone angesehen werden.In this disclosure, the term "bandgap" of a solar subcell internally having different band gap layers is defined as the bandgap of the solar subcell layer in which the majority of the carriers are formed (such sublayer or sublayer is typically the one) p-type base semiconductor layer of the base / emitter-photovoltaic junction (junction) of such a subcell). In the case that such a layer in turn sublayers (sublaid) having different band gaps or band gaps (such as in the case of a base layer with a graded (location-dependent) composition and in particular a graded (location-dependent) band gap), the sublayer or the lower layer of these Solar cell with the lowest band gap should be provided to define the "band gap" of such a subcell. Apart from a solar subcell, more generally in a specially designed semiconductor region or zone (such as a metamorphic layer) in which the semiconductor region or sub-region has sub-layers or sub-regions with different band gaps (such as the case of a semiconductor zone) with a graded composition, and in particular a graded bandgap), the sublayer or subregion of this lower bandgap semiconductor region should be considered as defining the "band gap" of that semiconductor region.

In den vergangenen Jahren hat sich die ein hohes Volumen besitzende Herstellung von III-V Verbindungshalbleiter Multijunction Solarzellen bzw. Mehrfachsolarzellen die Entwicklung derartiger Technologie beschleunigt, verglichen mit Siliziumsolarzellen, III-V Verbindungshalbleiter Multijunction Solarzellen haben größere Energieumwandlungseffizienzen bzw. Wirkungsgrad und sind im Allgemeinen strahlungsbeständiger, obwohl sie die Tendenz besitzen, komplexer zu sein, um richtig spezifiziert und hergestellt zu werden. Typische, kommerziell verfügbare III-V Verbindungshalbleiter Multijunction Solarzellen haben Energieeffizienzen, die 29,5 % unter „einer Sonne“, Luftmasse 0 (AMO) Beleuchtung übersteigen. Die höhere Umwandlungseffizienz (Umwandlungswirkungsgrad) der III-V Verbindungshalbleiter Solarzellen verglichen mit Siliziumsolarzellen basiert zum Teil auf der Fähigkeit des spektralen Aufspaltens der einfallenden Strahlung zu erreichen, und zwar durch die Verwendung einer Vielzahl von in Serie geschalteten photovoltaischen Zonen mit unterschiedlichem Bandabstandsenergien und Zusammenfassung der Spannung an einem gegebenen Strom von jeder der Zonen bzw. Regionen.In recent years, the high volume production of III-V compound semiconductor multi-junction solar cells has accelerated the development of such technology, compared to silicon solar cells, III-V compound semiconductors, multi-junction solar cells have greater energy conversion efficiencies and are generally more radiation resistant. although they tend to be more complex in order to be properly specified and manufactured. Typical, commercially available III-V compound semiconductors Multijunction solar cells have energy efficiencies exceeding 29.5% under "one sun", air mass 0 (AMO) illumination. The higher conversion efficiency (conversion efficiency) of the III-V compound semiconductor solar cells compared to silicon solar cells is based in part on the ability to spectrally split the incident radiation by using a plurality of series connected photovoltaic zones with different bandgap energies and summing the voltage at a given stream from each of the zones or regions.

Bei Anwendungen in Satelliten oder anderen raumbezogenen Anwendungen sind Größe, Masse und Kosten des Satellitenleistungsystems direkt in Beziehung stehend mit der Leistungs- und Energieumwandlungseffizienz der Solarzellen, die verwendet werden. Anders ausgedrückt ist die Größe der „payload“ und die Verfügbarkeit von Dienstleistungen an Bord proportional zu der Menge an vorgesehener Leistung. Da Payload-Verwendung die Leistungsmenge bei dem Komplizierter-Werden ansteigt und Sendungen und Anwendungen für die nächsten fünf, zehn, zwanzig oder mehr Jahre gegeben sind, wird das Leistung-zu-Gewicht (W/kg) und das Leistung-zu-Fläche (W/m2) Verhältnisse und die Lebenszeiteffizienz einer Solarzelle ansteigend wichtiger. Es gibt wachsendes Interesse, nicht nur Leistung pro Gramm an Gewicht und der Leistungsfläche der Solarzelle, und nicht nur bei der anfänglichen Verwendung, sondern auch an dem gesamten Serviceleben des Satellitensystems, oder als Konstruktionsbeschreibung, wobei die Menge an Restleistung vorgesehen am spezifizierten „Ende des Lebens“ (EOL), welches beeinflusst wird durch die Strahlungsaussetzung der Solarzelle über die Zeit hinweg in der speziellen Raumumgebung der Solaranordnung, wobei die Periode des EOL Unterschiedliches für unterschiedliche Missionen und Anwendungen ist.In satellite or other space applications, the size, mass, and cost of the satellite power system are directly related to the power and energy conversion efficiency of the solar cells that are used. In other words, the size of the payload and the availability of on-board services are proportional to the amount of service provided. Because payload usage increases the amount of complexity associated with completing and shipments and applications for the next five, ten, twenty, or more years, the power-to-weight (W / kg) and power-to-area ( W / m 2 ) ratios and the lifetime efficiency of a solar cell increasing more important. There is growing interest, not only performance per gram of weight and power area of the solar cell, and not only in the initial use, but also in the entire service life of the satellite system, or as a design description, with the amount of remaining power provided at the specified "end of the solar cell Life (EOL), which is affected by the exposure of the solar cell to radiation over time in the solar system's particular spatial environment, the period of the EOL being different for different missions and applications.

Typische III-V Verbindungshalbleitersolarzellen werden auf einem Halbleiterwafer in vertikalen Multijunctionstrukturen (Mehrfach pn-Übergangsstrukturen) oder in gestapelter Folge auf Solarsubzellen hergestellt, wobei jede Subzelle mit geeigneten Halbleiterschichten gebildet ist und eine p-n photoaktive Verbindung (Junction) aufweist. Jede Subzelle bzw. Teilzelle ist ausgelegt um Photonen über unterschiedliche Spektral- oder Wellenlängenbänder in elektrischen Strom zu wandeln. Nachdem das Sammellicht auf die Vorderseite der Solarzelle auftrifft und Photonen durch die Subzellen laufen, wobei jede Subzelle konstruiert ist für Photonen in einem Wellenlängenband. Nachdem Durchlaufen durch eine Subzelle pflanzen sich die Photonen, die nicht absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt sind zu den nächsten Subzellen fort, wo diese Photonen eingefangen werden sollen und in elektrische Energie umgewandelt werden sollen.Typical III-V compound semiconductor solar cells are fabricated on a semiconductor wafer in vertical multijunction structures (multiple pn junction structures) or stacked on solar subcells, each subcell formed with appropriate semiconductor layers and having a pn photoactive junction. Each subcell or subcell is designed to convert photons into electrical current via different spectral or wavelength bands. After the collective light on the front the solar cell impinges and photons pass through the subcells, each subcell being constructed for photons in a wavelength band. After passing through a subcell, photons that are not absorbed and converted into electrical energy propagate to the next subcell where these photons are to be captured and converted into electrical energy.

Die Subzelle, die am dichtesten zu dem einfallenden Sonnenlicht liegt, wird oftmals als die „obere“ oder „oben gelegene“ Subzelle bzw. Teilzelle bezeichnet oder in einigen Nomenklaturen als die „erste Subzelle“ und hat den größten Bandabstand von allen Subzellen, wobei die Subzellen unterhalb der ersten Subzelle die „zweiten“, die „dritten“ usw. Subzellen sind.The subcell that is closest to the incident sunlight is often referred to as the "top" or "top" subcell or, in some nomenclatures, the "first subcell" and has the largest band gap of all subcells, the Subcells below the first subcell are the "second", the "third", etc. subcells.

Eine weitere Nomenklatur für die Identifizierung der Subzellen basiert auf dem Zusammenhang, dass die gestapelte Folge von Solarsubzellen epitaxial sequentiell auf einem Halbleitersubstrat, eine nach der anderen aufgewachsen sind. In diesem Falle kann die erste in oder aufgewachsen auf dem Substrat als die „erste“ Subzelle bezeichnet werden und darauffolgenden Subzellen sequentiell aufgewachsen werden die „zweite“, „dritte“ usw. Subzelle genannt, wobei die letzte dieser Subzellen in einer aufrechten Anordnung, die „oberste“ oder „oben gelegene“ Subzelle der Solarzelle genannte wird und den größten Bandabstand aller Subzellen besitzt.Another nomenclature for the identification of subcells is based on the context that the stacked sequence of solar subcells are grown epitaxially sequentially on a semiconductor substrate, one after the other. In this case, the first in or grown on the substrate may be referred to as the "first" subcell, and subsequent subcells sequentially grown, the "second," "third," and so on called subcell, with the last of these subcells in an upright arrangement "Uppermost" or "upper" subcell of the solar cell is called and has the largest band gap of all subcells.

Eine Solarzelle konstruiert zur Verwendung in einem Raumfahrzeug (wie beispielsweise einem Satelliten, einer Raumstation oder einem Fahrzeug zur interplanetaren Forschung) hat eine Sequenz von Subzellen mit Zusammensetzungen und Bandabständen, die optimiert sind, um maximale Energieumwandlungseffizienz für die AMO Solarzellenspezifikation im Raum zu erhalten.A solar cell designed for use in a spacecraft (such as a satellite, space station, or interplanetary research vehicle) has a sequence of subcells with compositions and bandgap optimized to provide maximum energy conversion efficiency for the AMO solar cell specification in space.

Die Strahlungshärte einer Solarzelle wird definiert als wie gut die Zelle nach der Aussetzung gegenüber Elektronen oder Protonenteilchenstrahlung arbeitet, was eine Charakteristik der Raumumgebung ist. Eine Standardmetrik bzw. Masszahl ist das Verhältnis der Ende des Lebens-Performance (oder Effizienz) geteilt durch den Beginn der Life- oder Lebensperformance (EOL/BOL) der Solarzelle. Die EOL Fluenz der Elektronen oder Protonen, die unterschiedlich für unterschiedliche Raummissionen oder Orbits sein können. Die BOL-Performance ist der Performanceparameter vor der Aussetzung gegenüber der Teilchenbestrahlung.The radiation hardness of a solar cell is defined as how well the cell works after exposure to electrons or proton particle radiation, which is a characteristic of the room environment. A standard metric is the ratio of the end of life performance (or efficiency) divided by the beginning of the life or life performance (EOL / BOL) of the solar cell. The EOL fluence of electrons or protons, which can be different for different space missions or orbits. BOL performance is the performance parameter before exposure to particle irradiation.

Eine wichtige mechanische oder strukturelle Betrachtung gilt der Wahl der Halbleiterschichten für eine Solarzelle und ist die Erwünschtheit der benachbarten Schichten aus Halbleitermaterial in der Solarzelle, das heißt jede Schicht des kristallinen Halbleitermaterials, das abgeschieden wird und zur Bildung einer Solarsubzelle aufgewachsen wird, hat ähnliche oder im Wesentlichen ähnliche Kristall-Gitterkonstanten oder Parameter.An important mechanical or structural consideration is the choice of semiconductor layers for a solar cell and is the desirability of the adjacent layers of semiconductor material in the solar cell, that is, each layer of the crystalline semiconductor material that is deposited and grown to form a solar subcell has similar or Substantially similar crystal lattice constants or parameters.

Es gibt Vorteile gegenüber der Verwendung spezieller Elemente in der Zusammensetzung einer Schicht, die die Verbesserung der Spannung assoziiert mit einer solchen Subzelle und daher möglicherweise eine größere Leistungsausgangsgröße zur Folge hat, und der Abweichung gegenüber der exakten Kristallgitterübereinstimmung mit angrenzenden Schichten als eine Konsequenz des Einschlusses derartiger Elemente in die Schicht, was zur Folge haben kann, dass sich eine höhere Wahrscheinlichkeit von Schädigungen ergibt, daher geringere Herstellungsausbeute.There are advantages over using special elements in the composition of a layer which results in the enhancement of the stress associated with such a subcell and therefore possibly a greater power output and the deviation from the exact crystal lattice match with adjacent layers as a consequence of the inclusion of such Elements in the layer, which may result in a higher probability of damage resulting in lower production yields.

In diesem Zusammenhang sollte bemerkt werden, dass es keine strikte Definition gibt dafür, was verstanden wird als zwei benachbarte Schichten, die „gitterangepasst“ sind oder „Gitterfehlanpassung“ haben. Für die Zwecke in dieser Offenbarung „gitterfehlangepasst“ bezieht sich auf zwei benachbart angeordnete Materialien oder Schichten (mit Dicken von mehr als 100 nm) die eine „in-Ebene“ Gitterkonstante (in der Wachstumsebene) von Materialien besitzen in ihrem vollständig entlasteten Zustand sich unterscheidend voneinander durch weniger als 0,02 % in der Gitterkonstanten (der Anmelder bemerkt, dass diese Definition beträchtlich strenger ist als die beispielsweise in US Patent Nr. 8 962 993 vorgeschlagene, die weniger als 0,6 % Gitterkonstantendifferenz als „gitterfehlangepasste“ Schichten vorschlägt).In this context, it should be noted that there is no strict definition of what is understood as two adjacent layers that are "lattice-matched" or have "lattice mismatch". For the purposes of this disclosure, "lattice mismatch" refers to two adjacently located materials or layers (with thicknesses greater than 100 nm) that have an "in-plane" lattice constant (in the growth plane) of materials in their fully unloaded state each other by less than 0.02% in the lattice constant (Applicant notes that this definition is considerably more stringent than that in, for example, US Pat U.S. Patent No. 8,962,993 proposed that suggests less than 0.6% lattice constant difference as "lattice mismatched" layers).

Viele Jahre lang ist das konventionelle Wissen davon ausgegangen, dass eine monolithische Tandemsolarzelle, „... die gewünschte optische Transparenz und Stromleitfähigkeit zwischen der oberen und unteren Zellen ... am besten erreicht würde durch Gitteranpassung des oberen Zellenmaterials an das untere Zellenmaterial. Fehlausrichtungen bei den Gitterkonstanten schaffen Defekte oder Dislokationen in dem Kristallgitter, wo Rekombinationszentren auftreten können, um den Verlust von photoerzeugten Minoritätsträgern zu verursachen, auf welche Weise die photovoltaische Qualität der Vorrichtung signifikant verschlechtert wird. Spezieller gesagt verkleinern solche Effekte die Leerlaufspannung (Voc), den Kurzschlussstrom (Jsc) und den Füllfaktor (FF), der die Beziehung oder den Ausgleich zwischen Strom und Spannung repräsentiert und zwar für die effektive Ausgangsgröße“ (Jerry M. Olseon, US Patent Nr. 4 667 059 , „Current and lattice Matched Tandem Solar Celle “).For many years, conventional wisdom has assumed that a monolithic tandem solar cell "... would best achieve the desired optical transparency and current conductivity between the upper and lower cells ... by lattice matching the upper cell material to the lower cell material. Misalignments in lattice constants create defects or dislocations in the crystal lattice where recombination centers can occur to cause the loss of photogenerated minority carriers, thus significantly degrading the photovoltaic quality of the device. More specifically, such effects reduce the open circuit voltage (V oc ), the short circuit current (J sc ), and the fill factor (FF), which represents the relationship or balance between current and voltage for the effective output "(Jerry M. Olseon, U.S. Patent No. 4,667,059 , "Current and lattice Matched Tandem Solar Celle").

Nach dem Fortschritt hinsichtlich Mehrfach- bzw. Multijunction Solarzellen mit höherer Effizienz mit vier oder mehr Teil- bzw. Subzellen, ist nichtsdestoweniger folgendes zu bemerken: „it is conventionally assumed that substantially lattice-matched designs are desirable because they have proven reliability and because they use less semiconductor material than metamorphic solar cells, which require relatively thick buffer layers to accommodate differences in the lattice constants of the various materials“ (Rebecca Elizabeth Jones - Albertus et al., US Patent Nr. 8 962 993 ).Nonetheless, following the progress in multi-efficiency and higher efficiency solar cells with four or more subcells, it should be noted that: "lattice-matched designs are desiderably because they have proven reliability and because they are use less semiconductor material than metamorphic solar cells, which require relatively large buffer layers to make differences in the lattice constants of the various materials "(Rebecca Elizabeth Jones - Albertus et al. U.S. Patent No. 8,962,993 ).

Die vorliegende Offenbarung schlägt Konstruktionsmerkmale für Multijunktion Solarzellen vor, die vom konventionellen Wissensstand abweichen, um so die Effizienz der Multijunction Solarzelle zu erhöhen, und zwar bei der Umwandlung von Solarenergie (oder Photonen) in elektrische Energie und die Optimierung dieser Effizienz an der „Ende des Lebens“ Periode.The present disclosure proposes design features for multi-function solar cells that deviate from the conventional wisdom in order to increase the efficiency of the multi-junction solar cell in converting solar energy (or photons) into electrical energy and optimizing this efficiency at the "end of" Life "period.

Zusammenfassung der OffenbarungSummary of the Revelation

Ziele der OffenbarungGoals of the revelation

Es ist ein Ziel der vorliegenden Offenbarung eine erhöhte Photoumwandlungseffizienz in einer Multijunction Solarzelle bzw. Mehrfachsolarzelle vorzusehen, und zwar für Raumanwendungen über die Betriebslebensdauer eines photovoltaischen Leistungssystems hinweg.It is an object of the present disclosure to provide increased photo-conversion efficiency in a multi-junction solar cell, for space applications over the life of a photovoltaic power system.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung, eine Multijunction Solarzelle vorzusehen, in der die Zusammensetzung der Subzellen bzw. Teilzellen und ihre Bandabstände konfiguriert sind, um die Effizienz der Solarzelle zu optimieren, und zwar bei Betriebsbedingungen einer vorbestimmten hohen Temperatur (speziell im Bereich von 40 bis 70 °C) bei der Anwendung im Weltraum bei AMO eine Sonne Solarspektrum in einer vorbestimmten Zeit (EOL) nach dem anfänglichen Einsatz derart, dass Zeit mindestens ein, fünf, zehn, fünfzehn oder zwanzig Jahre ist und nicht maximiert auf die Zeit des anfänglichen Einsatzes (BOL).It is a further object of the present disclosure to provide a multi-junction solar cell in which the composition of the sub-cells and their bandgaps are configured to optimize the efficiency of the solar cell under operating conditions of a predetermined high temperature (especially in the range of 40 to 70 ° C) when used in space at AMO a sun solar spectrum in a predetermined time (EOL) after the initial use such that time is at least one, five, ten, fifteen or twenty years and not maximized to the time of initial deployment (BOL).

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vier-Verbindungs-Solarzelle bzw. Vierfachtandemsolatzelle (Solarzelle m)it vier p-n Übergängen) vorzusehen, in der der durchschnittliche Bandabstand alle vier Zellen, das heißt die Summe der Vierfachsolarzelle bzw. Vierbandabstände jeder Subzelle dividiert durch vier größer ist als 1,35 eV.It is another object of the present invention to provide a four-junction solar cell with four pn junctions (solar cell m) in which the average band gap divides every four cells, that is, the sum of the four-band distances of each subcell four is greater than 1.35 eV.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung eine VierVerbindungssolarzelle vorzusehen, in der die unteren zwei Subzellen gitterfehlangepasst sind und in der der Strom durch die Bodensubzelle beabsichtigt derart ausgelegt ist, um wesentlich größer zu sein als der Strom durch die oberen drei Subzellen gemessen an dem „Beginn des Lebens“ oder Zeit des anfänglichen Einsatzes.It is a further object of the present invention to provide a four junction solar cell in which the lower two sub-cells are lattice mismatched and in which the current through the bottom subcell is intentionally designed to be substantially larger than the current through the top three sub-cells measured at the " Beginning of life "or time of initial deployment.

Einige Implementierungen der vorliegenden Offenbarung können eingebaut sein oder implementiert werden, und zwar mit weniger Aspekten und Merkmalen, die in den vorstehenden Zielen genannt wurden.Some implementations of the present disclosure may be incorporated or implemented with fewer aspects and features mentioned in the foregoing objects.

Merkmale der ErfindungFeatures of the invention

Alle Bereiche der numerischen Parameter, wie sie in dieser Offenbarung genannt werden, sollen so verstanden werden, dass diese jedwede und alle Subbereiche oder „dazwischen liegende Verallgemeinerungen“ umfassen. Beispielsweise ein genannter Bereich von 1,0 bis 2,0 eV für einen Bandsabstandswert sollte verstanden werden, dass jedwede und sämtliche Subbereiche anfangend mit einem Minimalwert von 1,0 eV oder mehr und endend mit einem Maximalwert von 2,0 eV oder weniger, beispielsweise 1,0 bis 1,2 oder 1,3 bis 1,4 oder 1,5 bis 1,9 eV umfasst werden.All ranges of numerical parameters, as referred to in this disclosure, should be understood to include any and all subregions or "intervening generalizations". For example, a range of 1.0 to 2.0 eV for a band gap value should be understood to include any and all subregions starting with a minimum value of 1.0 eV or more and ending with a maximum value of 2.0 eV or less, for example 1.0 to 1.2 or 1.3 to 1.4 or 1.5 to 1.9 eV.

Kurz und allgemein ausgedrückt sieht die vorliegende Offenbarung eine Multijunction oder Vielfachsolarzelle vor, die folgendes aufweist: ein Wachstumssubstrat, eine erste Solarsubzelle (D) geformt über oder in dem Wachstumssubstrat; eine Gradierzwischenschicht abgeschieden über der ersten Solarsubzelle; und eine Sequenz von Schichen aus Halbleitermaterial, die abgeschieden über der Grading-Zwischenschicht eine Vielzahl von Solarsubzellen aufweist und einschließlich einer zweiten Solarsubzelle (C) angeordnet über und in Gitterfehlausrichtung bezüglich des Wachstumssubstrats und mit einem Bandabstand in dem Bereich von 0,9 bis 1,8 eV, und mit mindestens einer oberen Solarsubzelle (A) angeordnet über der zweiten Subzelle und mit einem Aluminiumgehalt größer als 30 % in Mol-Bruchteilen (mole fraction, Molbruchteil) und einem Bandabstand in dem Bereich von 2,0 bis 2,20 eV; wobei die gradierte Zwischenschicht bzw. „graded interlayer“ zusammensetzungsmäßig gradiert ist, um an das Wachstumssubstrat auf der einen Seite und die zweite Solarzelle auf der anderen Seite angepasst zu sein, und zwar aufgebaut aus irgendeiner der As, P, N, Sb basierenden III-V Verbindungshalbleiter ausgesetzt den Einschränkungen, dass der ebene Gitterparameter durch seine ganze Dicke hinweg größer ist als oder gleich dem Wachstumssubstrat; wann auch immer die Kombination der Zusammensetzungen und Bandabstände der Solarzellen ausgelegt zur Maximierung der Effizienz der Solarzelle zu einer vorbestimmten Zeit nach der anfänglichen Verwendung, wenn die Solarzelle im Raum bei AMO und 1 MeV Elektronenäquivalent 5 × 1014 e/cm verwendet wird und bei Betriebstemperaturen in dem Bereich von 40 bis 70 °C, wobei die vorbestimmte Zeit mindestens fünf Jahre ist und Bezug genommen wird auf als Ende des Lebens (EOL).Briefly and in general, the present disclosure provides a multi-junction or multi-junction solar cell comprising: a growth substrate, a first solar subcell ( D ) formed over or in the growth substrate; a grading interlayer deposited over the first solar subcell; and a sequence of semiconductor material layers deposited over the grading interface comprising a plurality of solar subcells and including a second solar subcell ( C ) are arranged above and in lattice misalignment with respect to the growth substrate and with a band gap in the range of 0.9 to 1.8 eV, and with at least one upper solar subcell ( A ) disposed above the second subcell and having an aluminum content greater than 30% in mole fraction (mole fraction) and a Band gap in the range of 2.0 to 2.20 eV; wherein the graded interlayer is compositionally graded to conform to the growth substrate on one side and the second solar cell on the other side, constructed of any of the As, P, N, Sb based III- V compound semiconductors are subject to the constraints that the planar lattice parameter is greater than or equal to the growth substrate throughout its thickness; whenever the combination of the compositions and bandgaps of the solar cells is designed to maximize the efficiency of the solar cell at a predetermined time after the initial use when the solar cell is used in space at AMO and 1 MeV electron equivalent 5x10 14 e / cm and at operating temperatures in the range of 40 to 70 ° C, wherein the predetermined time is at least five years and is referred to as End of Life (EOL).

Es sei bemerkt, dass bei einem derartigen Sequenzieren der Solarsubzellen die Nennung voraussetzt mindestens drei Subzellen mit der Folge, dass die Mehrfachsolarzelle bzw. Multijunction Solarzelle eine Dreifach-, eine Vierfach-, eine Fünffach- (oder Mehrfach-) Multijunction Solarzelle sein könnte, also eine Solarzelle mit 3, 4, 5 oder mehr pn-Übergängen.It should be noted that in such a sequencing of the solar subcells, the inclusion requires at least three subcells, with the result that the multi-junction solar cell or multi-junction solar cell could be a triple, a quadruple, a five-fold (or multiple) multi-junction solar cell, ie a solar cell with 3, 4, 5 or more pn junctions.

Gemäß einem weiteren Aspekt (und unter Verwendung einer alternativen Terminologie als die in einem vorherigen Absatz benutzte Terminologie zur Definition und Sequenzbildung der „ersten“, „zweiten“, „dritten“ und „vierten“ Subzellen A bzw. B bzw. C bzw. D) sieht die vorliegende Offenbarung eine Vierverbindungssolarzelle vor, die eine obere erste Solarsubzelle (A) aufweist, und zwar aufgebaut aus einem Halbleitermaterial mit einem ersten Bandabstand; einer zweiten Solarsubzelle (B) benachbart zu der erwähnten ersten Solarsubzelle und aufgebaut aus einem Halbleitermaterial mit einem zweiten Bandabstand und gitterangepasst mit der oberen ersten Solarsubzelle; eine dritte Solarsubzelle (C) benachbart zu der erwähnten zweiten Solarsubzelle und aufgebaut aus einem Halbleitermaterial mit einem dritten Bandabstand kleiner als der zweite Bandabstand und gitterangepasst mit der zweiten Solarsubzelle; und eine vierte Solarsubzelle oder Bodensolarzelle (D) benachbart zu der dritten Solarsubzelle und aufgebaut aus einem Halbleitermaterial mit einem vierten Bandabstand kleiner als der dritte Bandabstand; wobei der durchschnittliche Bandabstand von sämtlichen vier Subzellen (das heißt die Summe der vier Bandabstände von jeder Subzelle dividiert durch vier) größer ist als 1,35 eV.In another aspect (and using terminology other than the terminology used in a previous paragraph to define and sequence the "first,""second,""third," and "fourth" sub-cells A or. B or. C or. D ), the present disclosure provides a four-junction solar cell comprising an upper first solar cell ( A ) constructed of a semiconductor material having a first band gap; a second solar subcell ( B ) adjacent to said first solar subcell and constructed of a second band gap semiconductor material and lattice matched with said upper first solar subcell; a third solar subcell ( C ) adjacent to said second solar subcell and constructed of a semiconductor material having a third bandgap smaller than said second bandgap and lattice matched with said second solar subcell; and a fourth solar subcell or bottom solar cell ( D ) adjacent to the third solar subcell and constructed of a semiconductor material having a fourth bandgap smaller than the third bandgap; wherein the average band gap of all four subcells (that is, the sum of the four band gaps of each subcell divided by four) is greater than 1.35 eV.

In einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung eine weltraumqualifizierte Vierfachsolarzelle vor, und zwar konstruiert für einen Betrieb bei AMO und bei 1 MeV Elektronenäquivalenzfluenz von mindestens 1 × 1014 e/cm2, wobei die Solarzelle Subzellen aufweist, wobei eine Kombination der Zusammensetzungen und Bandabstände der Subzellen ausgelegt ist, um die Effizienz der Solarzelle zu maximieren, und zwar für eine vorbestimmte Zeit nach dem anfänglichen Einsatz, wenn die Solarzelle im Raum verwendet wird bei Betriebstemperaturen im Bereich von 40 bis 70 °C, wobei die vorbestimmte Zeit mindestens fünf Jahre ist und als Ende des Lebens (EOL) bezeichnet wird. Insbesondere weist die Solarzelle folgendes auf: eine obere erste Solarsubzelle (A) aufgebaut aus Indium Gallium Aluminium Phosphid und mit einer ersten Bandabstand (band-gap, Bandlücke) im Bereich von 2,0 bis 2,2 eV; eine zweite Solarsubzelle (B) benachbart zu der erwähnten ersten Solarsubzelle und eine Emitterschicht aufweisend aufgebaut aus Indium Gallium Phosphiden oder Aluminium Indium Gallium Arsenid, wobei eine Basisschicht aufgebaut aus Aluminium Indium Gallium Arsenid vorgesehen ist und einen zweiten Bandabstand im Bereich von annähernd 1,55 bis 1,8 eV aufweist, und zwar gitterangepasst mit der oberen ersten Solarsubzelle, worin die Emitter- und Basisschichten der zweiten Solarsubzelle eine photoelektrische Junction bilden; eine dritte Solarsubzelle (C) benachbart zu der erwähnten zweiten Solarsubzelle und aufgebaut aus Indium Gallium Arsenid und mit einem dritten Bandabstand kleiner als der zweiten Solarsubzelle und gitterangepasst mit der zweiten Solarsubzelle; und eine vierte oder Bodensolarzelle (D) benachbart zu der erwähnten dritten Solarsubzelle und aufgebaut aus Germanium und mit einem vierten Bandabstand von annähernd 0,67 eV, wobei der durchschnittliche Bandabstand der Solarzelle (das heißt der Durchschnitt oder die numerische Summe der Bandabstände jeder der vier Subzellen dividiert durch vier) gleich ist zu oder größer als 1,35 eV.In another aspect, the present disclosure provides a space-qualified quadruple solar cell designed for operation at AMO and at 1 MeV electron equivalent fluence of at least 1 × 10 14 e / cm 2 , the solar cell having sub-cells, wherein a combination of the compositions and band gaps the subcell is designed to maximize the efficiency of the solar cell for a predetermined time after initial use when the solar cell is used in the room at operating temperatures in the range of 40 to 70 ° C, the predetermined time is at least five years and is referred to as the end of life (EOL). In particular, the solar cell has the following: an upper first solar subcell ( A ) composed of indium gallium aluminum phosphide and having a first band gap (bandgap, bandgap) in the range of 2.0 to 2.2 eV; a second solar subcell ( B ) adjacent to said first solar subcell and having an emitter layer composed of indium gallium phosphide or aluminum indium gallium arsenide, wherein a base layer made of aluminum indium gallium arsenide is provided and has a second band gap in the range of approximately 1.55 to 1.8 eV lattice-matched with the upper first solar subcell, wherein the emitter and base layers of the second solar subcell form a photoelectric junction; a third solar subcell ( C ) adjacent to said second solar subcell and constructed of indium gallium arsenide and having a third band gap smaller than said second solar subcell and lattice matched with said second solar subcell; and a fourth or bottom solar cell ( D ) adjacent to said third solar subcell and constructed of germanium and having a fourth bandgap of approximately 0.67 eV, the average bandgap of the solar cell (ie, the average or numerical sum of the bandgaps of each of the four subcells divided by four) being equal to or greater than 1.35 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen ist die vierte Subzelle aus Germanium.In some embodiments, the fourth subcell is germanium.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die zweite Subzelle einen Bandabstand von annähernd 1,73 eV und die obere erste Subzelle hat einen Bandabstand von annähernd 2,10 eV.In some embodiments, the second subcell has a band gap of approximately 1.73 eV, and the upper first subcell has a band gap of approximately 2.10 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die obere erste Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 2,05 bis 2,10 eV, die zweite Solarsubzelle hat einen Bandabstand im Bereich von 1,55 bis 1,73 eV; und die dritte Solarsubzelle hat einen Bandabstand in dem Bereich von 1,15 bis 1,41 eV. In some embodiments, the upper first solar subcell has a band gap of approximately 2.05 to 2.10 eV, the second solar subcell has a band gap in the range of 1.55 to 1.73 eV; and the third solar subcell has a band gap in the range of 1.15 to 1.41 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die obere erste Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 2,10 und die zweite Solarsubzelle hat einen Bandabstand von annähernd 1,73 eV; und die dritte Solarsubzelle hat einen Bandabstand im Bereich von 1,41 eV.In some embodiments, the upper first solar subcell has a band gap of approximately 2.10 and the second solar subcell has a band gap of approximately 1.73 eV; and the third solar subcell has a bandgap in the range of 1.41 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die obere erste Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 2,10, die zweite Solarsubzelle hat einen Bandabstand von annähernd 1,65 eV; und die dritte Solarsubzelle hat einen Bandabstand von 1,3 eV.In some embodiments, the upper first solar subcell has a band gap of approximately 2.10, the second solar subcell has a band gap of approximately 1.65 eV; and the third solar subcell has a bandgap of 1.3 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die obere erste Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 2,05, die zweite Solarsubzelle hat einen Bandabstand von annähernd 1,55 eV; und die dritte Solarsubzelle hat einen Bandabstand von 1,2 eV.In some embodiments, the upper first solar subcell has a band gap of approximately 2.05, the second solar subcell has a band gap of approximately 1.55 eV; and the third solar subcell has a bandgap of 1.2 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die erste Solarsubzelle einen Bandabstand von 2,05 eV.In some embodiments, the first solar subcell has a band gap of 2.05 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen ist der Bandabstand der dritten Solarsubzelle kleiner als 1,41 eV, und größer als der der vierten Subzelle.In some embodiments, the band gap of the third solar subcell is less than 1.41 eV, and larger than that of the fourth subcell.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die dritte Solarsubzelle einen Bandabstand im Bereich von 1,15 bis 1,35 eV.In some embodiments, the third solar subcell has a band gap in the range of 1.15 to 1.35 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die dritte Solarsubzelle einen Bandabstand im Bereich von 1,1 bis 1,2 eV.In some embodiments, the third solar subcell has a band gap in the range of 1.1 to 1.2 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die dritte Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 1,2 eV.In some embodiments, the third solar subcell has a band gap of approximately 1.2 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen ist die obere erste Subzelle aus Indium Gallium Aluminium Phosphid aufgebaut; die zweite Solarsubzelle umfasst eine Emitterschicht aufgebaut aus Indium Gallium Phosphid oder Aluminium Indium Gallium Arsenid, und eine Basisschicht ist aufgebaut aus Aluminium Indium Gallium Arsenid; die dritte Solarsubzelle ist aufgebaut aus Indium Gallium Arsenid; und die vierte Subzelle ist aufgebaut aus Germanium.In some embodiments, the upper first subcell is constructed of indium gallium aluminum phosphide; the second solar subcell comprises an emitter layer composed of indium gallium phosphide or aluminum indium gallium arsenide, and a base layer is composed of aluminum indium gallium arsenide; the third solar subcell is composed of indium gallium arsenide; and the fourth subcell is constructed of germanium.

In einigen Ausführungsbeispielen ist ferner eine verteilte Bragg-Reflektor (DBR) Schicht vorgesehen, und zwar benachbart zu und zwischen der dritten und vierten Solarsubzelle oder Bodensolarzelle und ferner so angeordnet, dass Licht eintreten und durch die dritte Solarsubzellen laufen kann und mindestens ein Teil desselben kann reflektiert werden zurück in die dritte Solarsubzelle durch die DBR-Schicht.In some embodiments, a distributed Bragg reflector (DBR) layer is further provided adjacent to and between the third and fourth solar cell or bottom solar cell and further arranged so that light may enter and pass through the third solar cell and at least a portion thereof are reflected back into the third solar subcell through the DBR layer.

In einigen Ausführungsbeispielen ist die DBR-Schicht aufgebaut aus einer Vielzahl von abwechselnden Schichten gitterangepasster Materialien mit Diskontiniuitäten in ihren entsprechenden Brechungsindizes.In some embodiments, the DBR layer is constructed of a plurality of alternating layers of lattice-matched materials with discontinuities in their respective refractive indices.

In einigen Ausführungsbeispielen sind die Unterschiede der Brechungsindizes zwischen abwechselnden Schichten der DBR-Schicht maximiert, um die Anzahl der Perioden zu reduzieren, die erforderlich ist, um eine gegebene Reflektivität zu erreichen und die Dicke und der Brechungsindex jeder Periode bestimmt das Stoppband und seine Begrenzungswellenlänge.In some embodiments, the differences in refractive indices between alternate layers of the DBR layer are maximized to reduce the number of periods required to achieve a given reflectivity, and the thickness and refractive index of each period determines the stopband and its clipping wavelength.

In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die DBR-Schicht eine erste DBR-Schicht aufgebaut aus einer Vielzahl von p-Typ InzAlxGa1-x-zAs Unterschichten und eine zweite DBR-Schicht ist angeordnet über der ersten DBR-Schicht und hat eine Zusammensetzung von einer Vielzahl von p-Typ InwAlyGa1-y-xAs Subschichten, wobei 0 < x < 1, 0 < y < 1, 1 < z < 0 und y größer ist als x, so dass die ersten und zweiten DBR-Schichten zusammensetzungsmäßig unterschiedlich sind, wodurch die Reflexionsbandbreite der DBR-Schicht erhöht wird.In some embodiments, the DBR layer comprises a first DBR layer composed of a plurality of p-type In z Al x Ga 1 -xz As sublayers, and a second DBR layer is disposed over the first DBR layer and has a composition of a plurality of p-type In w Al y Ga 1 -yx As sublayers, where 0 <x <1, 0 <y <1, 1 <z <0 and y is greater than x, such that the first and second DBR Layers are compositionally different, whereby the reflection bandwidth of the DBR layer is increased.

In einigen Ausführungsbeispielen maximiert die Auswahl der Zusammensetzung der Subzellen und ihrer Bandbreiten die Effizienz bei hoher Temperatur (in dem Bereich von 40 bis 70 °C) bei Anwendung im Raum zu einer vorbestimmten Zeit nach dem anfänglichen Einsatz (worauf Bezug genommen wird als Beginn-des-Lebens oder (BOL), wobei diese vorbestimmte Zeit als Ende-des-Lebens (EOL = end-of-life) bezeichnet wird und mindestens fünf Jahre beträgt.In some embodiments, the selection of the composition of the sub-cells and their bandwidths maximizes the high temperature efficiency (in the range of 40 to 70 ° C) when applied in space at a predetermined time after the initial use (referred to as the beginning of Life or (BOL), this predetermined time being called end-of-life (EOL) and being at least five years.

In einigen Ausführungsbeispielen ist die obere oder oben gelegene erste Subzelle aufgebaut aus einer Basisschicht von (InxGa1-x)1-yAlyP, wobei x 0,505 und y 0,142 ist, und zwar entsprechend einem Bandabstand von 2,10 eV und einer Emitterschicht von (InxGa1-x)-yAlyP, wobei x gleich 0,505 und y gleich 0,107 ist, und zwar entsprechend einem Bandabstand von 2,05 eV.In some embodiments, the top or top first subcell is constructed of a base layer of (In x Ga 1 -x) 1-y Al y P, where x 0.505 and y is 0.142, corresponding to a band gap of 2.10 eV and an emitter layer of (In x Ga 1-x ) - y Al y P, where x is 0.505 and y is 0.107, corresponding to a band gap of 2.05 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen ist ferner eine Zwischenschicht (oder „grading interlayer“ = Gradierzwischenschicht) angeordnet zwischen der dritten Subzelle und der vierten oder Bodensolarsubzelle, wobei die Zwischenschicht zusammensetzungsmäßig gradiert ist zur Gitteranpassung der dritten Solarsubzelle auf einer Seite und der vierten oder Bodensolarsubzelle auf der anderen Seite und aufgebaut ist aus irgendeinem von folgendem: As, P, N, Sb basierend auf Ill-V-Verbindungshalbleitern gemäß den Einschränkungen des Besitzens des „in-Ebene“ Gitterparameter größer ist oder gleich dem der vierten oder Bodensolarsubzelle, und mit einer Bandabstandsenergie, die größer ist als die der vierten Solarsubzelle.In some embodiments, an intermediate layer (or "grading interlayer") is further disposed between the third subcell and the fourth or bottom solar cell, the interlayer being compositionally graded to match the third solar subcell on one side and the fourth or bottom solar cell on the other side and constructed from any one of the following: As, P, N, Sb based on III-V compound semiconductors, according to the constraints of having the in-plane lattice parameter greater than or equal to that of the fourth or bottom solar cell, and bandgap energy larger than that of the fourth solar subcell.

In einigen Ausführungsbeispielen ist die Zwischenschicht (oder „grading interlayer“ = gradierte Zwischenschicht) zusammensetzungsmäßig stufengradiert mit zwischen einer und vier Stufen, um die dritte Solarsubzelle auf einer Seite und die vierte oder Bodensolarsubzelle auf der anderen Seite gitteranzupassen, und zwar aufgebaut aus InxGa1-xAs oder (InxGa1-x)yAl1-yAs mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und wobei x und y derart ausgewählt sind, dass der Bandabstand in dem Bereich von 1,15 bis 1,41 eV durch ihre gesamte Dicke ist.In some embodiments, the graded interlayer is compositionally graded with between one and four stages to lattice fit the third solar cell on one side and the fourth or bottom solar cell on the other side, constructed of In x Ga 1-x As or (In x Ga 1-x ) y Al 1-y As where 0 <x <1, 0 <y <1 and where x and y are selected such that the band gap is in the range of 1.15 to 1.41 eV through its entire thickness.

In einigen Ausführungsbeispielen hat die gradierte Zwischenschicht einen konstanten Bandabstand im Bereich von 1,15 bis 1,41 eV oder 1,2 bis 1,35 eV oder 1,25 bis 1,30 eV.In some embodiments, the graded interlayer has a constant band gap in the range of 1.15 to 1.41 eV or 1.2 to 1.35 eV or 1.25 to 1.30 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen haben entweder (i) die Emitterschicht; oder (ii) die Basisschicht und Emitterschicht der oberen ersten Solarsubzelle eine unterschiedliche Gitterkonstante gegenüber der Gitterkonstanten der zweiten Solarsubzelle.In some embodiments, either (i) have the emitter layer; or (ii) the base layer and emitter layer of the upper first solar subcell have a different lattice constant to the lattice constant of the second solar subcell.

In einigen Ausführungsbeispielen weist jede Subzelle eine Emitterzone bzw. Emittergebiet auf und eine Basiszone bzw. Basisgebiet und ferner eine oder mehrere der oberen oder obersten Subzellen besitzen eine Basiszone mit einer Gradierung beim Dotieren (doping) die exponentiell von 1 × 1015 Atomen pro Kubikzentimeter benachbart zum p-n-Übergang bis 4 × 1018 Atome pro Kubikzentimeter benachbart zu der angrenzenden Schicht an dem hinteren Teil der Basiszone sich erstreckt und eine Emitterzone mit einer Gradierung beim Dotieren, die von annähernd 5 × 1018 Atomen pro Kubikzentimeter in der Emitterzone unmittelbar benachbart zu der angrenzenden Subzellenschicht bis 5 × 1018 Atomen pro Kubikzentimeter in der Emitterzone benachbart zu der p-n-Verbindung (junction) verläuft.In some embodiments, each subcell has an emitter region and a base region, and further one or more of the top or top subcells have a doping doping base region that is exponentially adjacent to 1 x 10 15 atoms per cubic centimeter to pn junction to 4 × 10 18 atoms per cubic centimeter adjacent to the adjacent layer at the back of the base zone and an emitter zone having a doping grading immediately adjacent to approximately 5 × 10 18 atoms / cubic centimeter in the emitter zone of the adjacent subcell layer extends to 5 × 10 18 atoms per cubic centimeter in the emitter zone adjacent to the pn junction.

In einigen Ausführungsbeispielen hat mindestens eine der oberen Subschichten der grading Zwischenschicht eine größere Gitterkonstante als die benachbarten Schichten des Halbleiterkörpers bezüglich der oberen Subschicht der Grading-Zwischenschicht angeordnet oberhalb der Grading-Zwischenschicht.In some embodiments, at least one of the upper sub-layers of the grading interlayer has a larger lattice constant than the adjacent layers of the semiconductor body with respect to the upper sub-layer of the grading interlayer disposed above the grading interlayer.

In einigen Ausführungsbeispielen ist die Differenz der Gitterkonstanten zwischen der benachbarten dritten und vierten oder Bodensubzelle im Bereich von 0,1 bis 0,2 Angstrom.In some embodiments, the difference in lattice constants between the adjacent third and fourth or bottom subcells is in the range of 0.1 to 0.2 angstroms.

In einigen Ausführungsbeispielen ist ferner eine erste Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht. vorgesehen mit einer Dicke im Bereich von 0,10 bis 1,0 Mikron und zwar angeordnet über der vierten oder Bodensolarsubzelle und unter der Grading-Zwischenschicht.In some embodiments, a first threading dislocation prevention layer is further provided. provided with a thickness in the range of 0.10 to 1.0 microns and disposed over the fourth or bottom solar cell and below the grading intermediate layer.

In einigen Ausführungsbeispielen ist ferner eine zweite Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht vorgesehen mit einer Dicke im Bereich von 0,10 bis 1,0 Mikron und aufgebaut aus InGa(AI)P, wobei die zweite Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht über und direkt benachbart zu der erwähnten Grading-Zwischenschicht angeordnet ist, und zwar um die Fortpflanzung der Threading-Dislocations bzw. Fadenversetzungen zu reduzieren, wobei die zweite Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht eine Zusammensetzung besitzt, die unterschiedlich ist von einer Zusammensetzung der ersten Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht und unterschiedlich von der benachbarten Grading-Zwischenschicht.In some embodiments, a second threading dislocation prevention layer is further provided having a thickness in the range of 0.10 to 1.0 micron and constructed of InGa (Al) P, wherein the second threading dislocation prevention layer or layer is provided A yarn displacement barrier layer is disposed above and directly adjacent to said grading intermediate layer to reduce the propagation of threading dislocations, wherein said second threading dislocation preventing layer has a composition comprising It is different from a composition of the first threading dislocation prevention layer and different from the adjacent grading intermediate layer.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vier-Junction-Solarzelle vorgesehen, wobei ein Germaniumsubstrat vorgesehen ist, welches eine erste Subzelle formt; Aufwachsen auf dem Germaniumsubstrat einer Folge von Schichten aus Halbleitermaterial unter Verwendung eines Halbleiterabscheidungsprozesses zur Bildung einer Solarzelle, die eine Vielzahl von Subzellen aufweist, und zwar einschließlich einer zweiten Subzelle angeordnet über dem Germaniumsubstrat und gitterfehlangepasst demgegenüber und mit einem Bandabstand von 1,41 eV oder weniger, einer dritten Subzelle angeordnet über der zweiten Subzelle und mit einem Bandabstand im Bereich von annähernd 1,55 bis 1,8 eV und einer oberen Subzelle angeordnet über der dritten Subzelle und mit einem Bandabstand im Bereich von 2,0 bis 2,15 eV.According to another aspect of the present disclosure, there is provided a method of manufacturing a four-junction solar cell, wherein a germanium substrate forming a first subcell is provided; Growing on the germanium substrate a series of layers of semiconductor material using a semiconductor deposition process to form a solar cell having a plurality of subcells, including a second subcell disposed over the germanium substrate and lattice mismatched thereto and having a bandgap of 1.41 eV or less , a third Subcell located above the second subcell and with a band gap in the range of approximately 1.55 to 1.8 eV and an upper subcell located above the third subcell and with a band gap in the range of 2.0 to 2.15 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen kann/können (eine) zusätzliche Schicht(en) in der Zellenstruktur hinzuaddiert werden oder weggelassen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.In some embodiments, additional layer (s) in the cell structure may be added or omitted without departing from the scope of the invention.

Bei einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung weniger der erwähnten Aspekte und Merkmale genannt in den vorstehenden Zusammenfassungen können inkorporiert oder implementiert werden.In some implementations of the present disclosure, fewer of the mentioned aspects and features mentioned in the above abstracts may be incorporated or implemented.

Figurenlistelist of figures

Die Erfindung kann besser und vollständiger verstanden werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit der Zeichnung.

  • 1 ist eine graphische Darstellung des BOL-Wertes des Parameters Eg/q-VOC bei 28 °C aufgetragen gegenüber dem Bandabstand von bestimmten binären Materialien definiert entlang der x-Achse.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vierfach-Solarzelle nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich der Abscheidung bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zu der Kontaktschicht, und zwar gemäß der vorliegenden Offenbarung;
  • 3 ist eine graphische Darstellung des Dotierprofils in den Basis- und Emitterschichten einer Subzelle in der Solarzelle gemäß der Offenbarung der vorliegenden Erfindung.
  • 4A ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vierfach-Solarzelle nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich des Wachstums bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zur Kontaktschicht, und zwar gemäß der vorliegenden Offenbarung;
  • 4B ist eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vierfach-Solarzelle nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich des Wachstums bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zu der Kontaktschicht, und zwar gemäß der vorliegenden Offenbarung;
  • 5 ist eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Vierfach-Solarzelle nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich der Stufen des Wachstums bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zu der Kontaktschicht, und zwar ausgeführt gemäß der vorliegenden Offenbarung;
  • 6 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der vorliegenden Offenbarung implementiert in einer CIC und angebracht auf einer Paneele oder Platte.
  • 7 ist eine graphische Darstellung des Bandabstandes bestimmter binärer Materialien und ihrer Gitterkonstanten; und
  • 8 ist eine Vergrößerung eines Teils der graphischen Darstellung der 7 und veranschaulicht unterschiedliche Verbindungen von GalnAs und GalnP mit unterschiedlichen Proportionen von Gallium und Indium und dem Ort der speziellen Verbindungen der graphischen Darstellung.
The invention can be better and more fully understood by referring to the following detailed description when considered in conjunction with the drawing.
  • 1 is a plot of the BOL value of the parameter E g / qV OC plotted against 28 ° C versus the bandgap of certain binary materials defined along the x -Axis.
  • 2 FIG. 12 is a cross-sectional view of the solar cell of a first embodiment of a quadruple solar cell after a plurality of fabrication steps including deposition of certain semiconductor layers on the growth substrate to the contact layer, in accordance with the present disclosure; FIG.
  • 3 Figure 3 is a graphical representation of the doping profile in the base and emitter layers of a subcell in the solar cell according to the disclosure of the present invention.
  • 4A FIG. 12 is a cross-sectional view of a second embodiment of a quadruple solar cell after several stages of fabrication, including growth of certain semiconductor layers on the growth substrate to the contact layer, in accordance with the present disclosure; FIG.
  • 4B FIG. 10 is a cross-sectional view of a third embodiment of a quadruple solar cell after multiple stages of fabrication, including growth of certain semiconductor layers on the growth substrate to the contact layer, in accordance with the present disclosure; FIG.
  • 5 Fig. 12 is a cross-sectional view of a fourth embodiment of a quadruple solar cell after several stages of manufacture, including the steps of growing certain semiconductor layers on the growth substrate to the contact layer, carried out in accordance with the present disclosure;
  • 6 FIG. 12 is a cross-sectional view of the solar cell of the present disclosure implemented in a CIC and mounted on a panel. FIG.
  • 7 is a graphical representation of the bandgap of certain binary materials and their lattice constants; and
  • 8th is an enlargement of part of the graphical representation of 7 and illustrates different compounds of GalnAs and GalnP with different proportions of gallium and indium and the location of the specific compounds of the graph.

Beschreibung des bevorzugten AusführungsbeispielsDescription of the Preferred Embodiment

Eine Verschiedenheit von unterschiedlichen Merkmalen der Mehrfach-Solarzellen sind offenbart, und zwar in damit in Beziehung stehenden Anwendungen des Anwenders. Einige, viele oder alle solcher Merkmale können in den Strukturen und Verfahren assoziiert mit „aufrechten“ („upright“) metamorphen Mehrfach- bzw. multijunction-Solarzellen der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden. Insbesondere jedoch ist die vorliegende Offenbarung auf die Herstellung einer Mehrfach-Solarzelle gerichtet, und zwar aufgewachsen auf ein einziges Wachstumssubstrat, und zwar umfassend in einem Ausführungsbeispiel die zwei unteren Subzellen, das heißt die vierte und die dritte Subzelle sind gitterfehlangepasst. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Offenbarung in einigen Ausführungsbeispielen auf Vierfach-Solarzellen mit direktem Bandabstand im Bereich von 2,0 bis 2,15 eV (oder höher), und zwar für die obere letzte Subzelle, und (i) 1,65 bis 1,8 eV und (ii) 1,41 eV oder weniger für die zweite bzw. dritte Subzelle, und 0,6 bis 0,8 eV indirekter Bandabstand für die vierte Bodensubzelle.A variety of different features of the multiple solar cells are disclosed in related applications of the user. Some, many, or all such features may be employed in the structures and methods associated with "upright" metamorphic multijunction solar cells of the present disclosure. In particular, however, the present disclosure is directed to the fabrication of a multiple solar cell grown on a single growth substrate comprising, in one embodiment, the two lower sub-cells, that is, the fourth and third sub-cells are lattice mismatched. More specifically, in some embodiments, the present disclosure relates to quadruple direct bandgap solar cells in the range of 2.0 to 2.15 eV (or higher) for the top last subcell, and (i) 1.65 to 1 , 8 eV and (ii) 1.41 eV or less for the second and third subcell, respectively, and 0.6 to 0.8 eV indirect band gap for the fourth bottom subcell.

Die vorliegende Offenbarung sieht eine nicht konventionelle Vierfach- oder Vier-Junction-Konstruktion vor (mit drei gitterwachstumsangepassten Subzellen, die gitterfehlangepasst sind zur vierten oder Bodensubzelle oder dem Ge-Substrat), was zu einer überraschend signifikanten Verbesserungsperformance führt, und zwar gegenüber der der traditionellen Dreifach-Solarzelle, und zwar trotz der im Wesentlichen Stromfehlanpassung vorhanden zwischen der oberen drei Junctions und der Boden-Ge-Junction, das heißt der vier Subzellen. Dieser Performancegewinn wird speziell realisiert bei hoher Temperatur und nach hoher Aussetzung gegenüber Raumstrahlung durch Vorschlag der Einsetzung von Halbleiter mit hohem Bandabstand, die von Natur aus beständiger gegenüber Strahlung und Temperatur sind, auf welche Weise speziell das Problem der Sicherstellung fortgesetzter adäquater Effizienz und Leistungsausgangsgröße während der gesamten Betriebsmission und speziell am „Ende des Lebens“ erreicht wird.The present disclosure provides a non-conventional quadruple or four-junction construction (with three lattice growth-matched sub-cells that are lattice mismatched with the fourth or bottom subcell or the Ge substrate) resulting in surprisingly significant enhancement performance, and although compared to the traditional triple solar cell, despite the substantial current mismatch existing between the top three junctions and the bottom-ge junction, that is, the four sub-cells. This performance gain is especially realized at high temperature and high exposure to space radiation by suggesting the use of high bandgap semiconductors which are inherently more resistant to radiation and temperature, in particular the problem of ensuring continued adequate efficiency and power output during the process entire mission and especially at the end of life.

Eine weitere Möglichkeit der Charakterisierung der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass in einigen Ausführungsbeispielen einer Vierfach-Solarzelle der durchschnittliche Bandabstand aller vier Subzellen (das heißt die Summe der vier Bandabstände jeder Subzelle dividiert durch vier) größer als 1,35 eV ist.Another way of characterizing the present disclosure is that in some embodiments of a quadruple solar cell, the average bandgap of all four subcells (that is, the sum of the four bandgaps of each subcell divided by four) is greater than 1.35 eV.

In einigen Ausführungsbeispielen ist die vierte Subzelle Germanium, wohingegen in anderen Ausführungsbeispielen die vierte Subzelle InGaAs, GaAsSb, InAsP, InAlAs oder SiGeSn, InGaAsN, InGaAsNSb, InGaAsNBi, InGaAsNSbBi, InGaSbN, InGaBiN, InGaSbBiN, oder andere III-V oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterial ist.In some embodiments, the fourth subcell is germanium, whereas in other embodiments the fourth subcell is InGaAs, GaAsSb, InAsP, InAlAs or SiGeSn, InGaAsN, InGaAsNSb, InGaAsNBi, InGaAsNSbBi, InGaSbN, InGaBiN, InGaSbBiN, or other III-V or II-VI. Compound semiconductor material is.

Ein weiterer beschreibender Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die vierte Bodensubzelle als einen direkten Bandabstand von mehr als 0,75 eV besitzend zu charakterisieren.Another descriptive aspect of the present disclosure is to characterize the fourth bottom subcell as having a direct band gap greater than 0.75 eV.

Der indirekte Bandabstand von Germanium bei Raumtemperatur beträgt ungefähr 0,66 eV, wobei der direkte Bandabstand von Germanium bei Raumtemperatur 0,8 eV ist. Die Fachwelt bezieht sich normalerweise den „Bandabstand“ von Germanium als 0,67 eV, da dieser niedriger ist als der direkte Bandabstandswert von 0,8 eV.The indirect bandgap of germanium at room temperature is about 0.66 eV, with the direct band gap of germanium at room temperature being 0.8 eV. The experts usually refer to the "bandgap" of germanium as 0.67 eV, since this is lower than the direct band gap value of 0.8 eV.

Die Nennung, dass „die vierte oder Bodensubzelle einen direkten Bandabstand von mehr als 0,75 eV besitzt“, meint daher ausdrücklich Germanium als einen möglichen Halbleiter für die vierte oder Bodensubzelle zu umfassen, obwohl anderes Halbleitermaterial auch benutzt werden kann.The mention that "the fourth or bottom subcell has a direct bandgap greater than 0.75 eV", therefore, explicitly means to include germanium as a potential semiconductor for the fourth or bottom subcell, although other semiconductor material may also be used.

Genauer gesagt, beabsichtigt die vorliegende Offenbarung eine relativ einfache und reproduzierbare Lehre vorzusehen, die nicht invertiertes verarbeiten assoziiert mit der Herstellung invertierter metamorphischer Mehrfach-Solarzellen bzw. „inverted metamorphic multijunction solar cells“ verwendet, und ist geeignet zur Verwendung in der hochvolumigen Produktionsumgebung, in der verschiedene Halbleiterschichten auf einem Wachstumssubstrat aufgewachsen werden, und zwar in einem MOCVD-Reaktor und wobei darauf folgend die Verarbeitungsschritte definiert sind und ausgewählt sind, um jeden körperlichen Schaden hinsichtlich der Qualität der abgeschiedenen Schichten zu minimieren, wodurch eine relativ hohe Ausbeute an betriebsfähigen Solarzellen erreicht wird und die Spezifikationen am Ende des Herstellungsprozesses erreicht werden.More particularly, the present disclosure intends to provide a relatively simple and reproducible teaching that uses non-inverted processing associated with the production of inverted metamorphic multijunction solar cells, and is suitable for use in the high volume production environment the various semiconductor layers are grown on a growth substrate in a MOCVD reactor and subsequently the processing steps are defined and selected to minimize any physical damage to the quality of the deposited layers, thereby achieving a relatively high yield of operable solar cells and the specifications will be reached at the end of the manufacturing process.

Wie oben vorgeschlagen sind inkrementale Verbesserungen in der Konstruktion der Mehrfach-Solarzellen vorgenommen im Hinblick auf die Anforderung einer Verschiedenheit von neuen Raummissionen und Anwendungserfordernissen. Darüberhinaus gilt folgendes: Obwohl solche Verbesserungen relativ kleine quantitative Modifikationen in der Zusammensetzung oder dem Bandabstand bestimmter Subzellen sein können, solche kleine parametrische Änderungen (wie beispielsweise 0,1 bis 0,5 eV in der Spezifikation des Bandabstandes der oberen ersten Subzelle oder der dritten Subzelle) sehen substantielle Verbesserungen in der Effizienz vor, die speziell die „Probleme“ betrifft, die identifiziert wurden in Assoziation mit den existierenden kommerziellen Mehrfach- bzw. Multijunction-Solarzellen, und es wird eine „Lösung“ vorgesehen, die einen „erfinderischen Schritt“ im Konstruktionsprozess repräsentiert.As suggested above, incremental improvements in the design of the multiple solar cells are made in view of the requirement of diversity of new space missions and application requirements. In addition, although such improvements may be relatively small quantitative modifications in the composition or bandgap of particular subcells, such small parametric changes (such as 0.1 to 0.5 eV in the bandgap specification of the upper first subcell or third subcell ) provide substantial improvements in efficiency that specifically addresses the "problems" identified in association with existing commercial multi-junction solar cells, and provides a "solution" that provides an "inventive step" in the art Represents the construction process.

Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf die Verwendung von Aluminium in den aktiven Schichten der oberen Subzellen in einer Mehrfach-Solarzelle. Die Effekte der Vergrößerung der Mengen an Aluminium als ein Bestandteilselement in einer aktiven Schicht einer Subzelle beeinflusst die Photovoltaikvorrichtungsleistungsfähigkeit. Ein Maß für die „Qualität“ oder „Güte“ einer Solarzellenverbindung (solar cell junction) ist der Unterschied zwischen dem Bandabstand des Halbleitermaterials in dieser Subzelle oder Junction und der Voc oder Leerlaufspannung der gleichen Junction. Je kleiner die Differenz ist, umso höher ist das Voc der Solarzellenjunction relativ zu dem Bandabstand, und umso besser ist die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung. Voc ist sehr empfindlich gegenüber der Halbleitermaterialqualität, so dass je kleiner Eg/q - Voc einer Vorrichtung ist, umso höher ist die Qualität des Materials in der Vorrichtung. Es gibt eine theoretische Grenze zu dieser Differenz, die als die Shockley-Queisser-Grenze bekannt ist. Dies ist das Beste, was für eine Solarzellen-Junction unter einer gegebenen Konzentration von Licht und einer gegebenen Temperatur vorgesehen sein kann.One aspect of the present disclosure relates to the use of aluminum in the upper subcell active layers in a multiple solar cell. The effects of increasing the amounts of aluminum as a constituent element in an active layer of a subcell affect photovoltaic device performance. A measure of the "quality" or "goodness" of a solar cell junction is the difference between the band gap of the semiconductor material in that subcell or junction and the V oc or open circuit voltage of the same junction. The smaller the difference, the higher the V oc of the solar cell junction relative to the band gap, and the better the performance of the device. V oc is very sensitive to the semiconductor material quality, so that the smaller E g / q - V oc of a device, the higher the quality of the material in the device. There is a theoretical limit to this difference, known as the Shockley-Queisser boundary. This is the best that can be provided for a solar cell junction under a given concentration of light and a given temperature.

Die experimentellen Daten erhalten für Single-Junction (AI)GalnP-Solarzellen, zeigen an, dass die Erhöhung des AI-Gehalts von dieser „Junction“ (entsprechend der oberen oder obersten Subzelle) zu einer größeren Voc - Eg/q Differenz führt, was anzeigt, dass die Materialqualität der „Junction“ mit ansteigendem AI-Gehalt abnimmt. 1 zeigt diesen Effekt. Die drei Zusammensetzungen, die in der Figur genannt sind, sind sämtlich gitterangepasst an das GaAs, aber haben eine unterschiedliche AI-Zusammensetzung. Die Hinzufügung von AI erhöht den Bandabstand des Junctions, aber erhöhen dadurch Voc - Eg/q. Somit ziehen wir den Schluss, dass die Zugabe von AI zu dem Halbleitermaterial das Material derart degradiert, dass eine Solarzellenvorrichtung hergestellt aus diesem Material nicht auch nur relativ so gut arbeitet wie eine Junction mit weniger AI. The experimental data obtained for single-junction (AI) GalnP solar cells indicate that increasing the Al content of this "junction" (corresponding to the top or top subcell) results in a larger V oc - E g / q difference , which indicates that the material quality of the "junction" decreases with increasing Al content. 1 shows this effect. The three compositions mentioned in the figure are all lattice-matched to the GaAs, but have a different Al composition. The addition of AI increases the band gap of the junctions, but increases V oc - E g / q. Thus, we conclude that the addition of Al to the semiconductor material degrades the material such that a solar cell device made of this material does not work as well as a junction with less Al.

Was die Multijunction bzw. Mehrfachsolarzellenvorrichtung der vorliegenden Offenbarung angeht, so zeigt 2 eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vierfach-Solarzelle 200 nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich des Wachstums von bestimmten Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat hinauf bis zur Kontaktschicht 322 gemäß der vorliegenden Offenbarung.As for the multi-junction solar cell device of the present disclosure, it shows 2 a cross-sectional view of a first embodiment of a quadruple solar cell 200 after several stages of manufacture, including the growth of certain semiconductor layers on the growth substrate up to the contact layer 322 according to the present disclosure.

Wie in dem illustrativen Beispiel der 2 gezeigt, weist die vierte oder Bodensubzelle D ein Wachstumssubstrat 300 auf, und zwar geformt aus p-Typ Germanium („Ge“), welches auch als eine Basisschicht dient. Ein Metallrückkontaktelement 350 geformt am Boden der Basisschicht 300 sieht einen elektrischen Kontakt zu der Multijunction-Solarzelle 200 vor. Die Bodensubzelle D umfasst ferner beispielsweise eine hochdotierte n-Typ-Ge-Emitterschicht 301 auf, und eine n-Typ-Indium Gallium Arsenid („InGaAs“) Nukleationsschicht 302. Die Nukleationsschicht ist über der Basisschicht abgeschieden und die Emitterschicht ist in dem Substrat geformt durch die Fusion von Dotiermitteln in das Ge-Substrat, wodurch die n-Typ-Ge-Schicht 301 gebildet wird. Stark dotierte p-Typ-Aluminium Indium Gallium Arsenid („AIGaAs“) und stark dotierte n-Typ Gallium Arsenid („GaAs“) Tunnelverbindungsschichten 300, 303 können abgeschieden werden über der Nukleationsschicht, um einen niedrigen Widerstandspfad zwischen der Bodenvierten-Subzelle und der dritten Subzelle vorzusehen.As in the illustrative example of 2 shows the fourth or bottom subcell D a growth substrate 300 formed of p-type germanium ("Ge"), which also serves as a base layer. A metal back contact element 350 shaped at the bottom of the base layer 300 sees an electrical contact to the multi-junction solar cell 200 in front. The soil subcell D further includes, for example, a highly doped n-type Ge emitter layer 301 on, and an n-type indium gallium arsenide ("InGaAs") nucleation layer 302 , The nucleation layer is deposited over the base layer and the emitter layer is formed in the substrate by the fusion of dopants into the Ge substrate, thereby forming the n-type Ge layer 301 is formed. Highly doped p-type aluminum indium gallium arsenide ("AIGaAs") and heavily doped n-type gallium arsenide ("GaAs") tunnel junction layers 300 . 303 may be deposited over the nucleation layer to provide a low resistance path between the bottom fourth subcell and the third subcell.

In einigen Ausführungsbeispielen sind verteilte Bragg-Reflektor- (DBR)-Schichten 305 benachbart zu und zwischen der Tunneldiode 303, 304 der, Vierten bzw. Boden-Subzelle D und der dritten Solarsubzelle C aufgewachsen. Die DBR-Schichten 305 sind so angeordnet, dass Licht eintreten und durch die dritte Solarsubzelle bzw. Teilzelle C laufen kann und wobei mindestens ein Teil desselben zurück in die dritte Solarsubzelle C reflektiert werden kann, und zwar durch die DBR-Schichten 305. In dem Ausführungsbeispiel gezeigt in 2 sind die verteilten Bragg-Reflektor (DBR)-Schichten 305 speziell zwischen der dritten Solarsubzelle C und den Tunneldiodenschichten 304, 303 angeordnet; in anderen Ausführungsbeispielen sind die verteilten Bragg-Reflektor (DBR)-Schichten angeordnet zwischen Tunneldiodenschichten 304, 303 und Pufferschicht 302.In some embodiments, distributed Bragg reflector (DBR) layers are 305 adjacent to and between the tunnel diode 303 . 304 the, fourth or bottom subcell D and the third solar subcell C grew up. The DBR layers 305 are arranged so that light enters and through the third Solarsubzelle or subcell C and at least part of it back into the third solar subcell C can be reflected, through the DBR layers 305 , In the embodiment shown in FIG 2 are the distributed Bragg reflector (DBR) layers 305 especially between the third solar cell C and the tunnel diode layers 304 . 303 arranged; In other embodiments, the distributed Bragg reflector (DBR) layers are disposed between tunnel diode layers 304 . 303 and buffer layer 302 ,

Für einige Ausführungsbeispiele können die verteilten Bragg-Reflektor (DBR)-Schichten 305 aufgebaut sein aus einer Vielzahl von alternierenden Schichten 305a bis 305z aus gitterangepassten Materialien mit Diskontinuitäten in ihren entsprechenden Brechungsindizes. Für bestimmte Ausführungsbeispiele ist die Differenz bei den Berechnungsindizes zwischen abwechselnden Schichten maximierter um die Anzahl der Perioden zu reduzieren, die erforderlich ist, um eine gegebene Reflektivität zu erreichen und die Dicke und der Brechungsindex jeder Periode bestimmt das Stoppband und seine begrenzende Wellenlänge.For some embodiments, the distributed Bragg reflector (DBR) layers 305 be constructed from a variety of alternating layers 305a to 305z lattice-matched materials with discontinuities in their respective refractive indices. For certain embodiments, the difference in the calculation indexes between alternating layers is maximized to reduce the number of periods required to achieve a given reflectivity, and the thickness and refractive index of each period determines the stopband and its limiting wavelength.

Für einige Ausführungsbeispiele umfassen die verteilten Bragg-Reflektor (DBR)-Schichten 305a bis 305z eine erste DBR-Schicht aufgebaut aus einer Vielzahl von p-Typ Inz/AlxGa1-x-zAs Schichten und einer zweiten DBR-Schicht angeordnet über der ersten DBR-Schicht und aufgebaut aus einer Vielzahl von p-Typ Inw/AlyGa1-y-wAs-Schichten mit w zwischen 0 und 1, x zwischen 0 und 1, y zwischen 0 und 1 und z zwischen 0 und 1 und wobei y größer ist als x.For some embodiments, the distributed Bragg reflector (DBR) layers include 305a to 305z a first DBR layer composed of a plurality of p-type In z / Al x Ga 1 -xz As layers and a second DBR layer disposed over the first DBR layer and constructed of a plurality of p-type In w / Al y Ga 1-yw As layers with w between 0 and 1, x between 0 and 1, y between 0 and 1 and z between 0 and 1 and where y is greater than x.

Obwohl die vorliegende Offenbarung die DBR-Schicht 305 angeordnet zwischen der dritten und der vierten Subzelle zeigt, können in einigen Ausführungsbeispielen die DBR-Schichten zwischen der ersten und zweiten Subzelle angeordnet sein und/oder zwischen der zweiten und dritten Subzelle, und/oder zwischen der dritten und vierten Subzelle.Although the present disclosure is the DBR layer 305 arranged between the third and fourth subcell, in some embodiments, the DBR layers may be disposed between the first and second subcell and / or between the second and third subcell, and / or between the third and fourth subcell.

In dem dargestellten Beispiel der 2 weist die dritte Subzelle C eine hochdotierte p-Typ Aluminium Indium Gallium Arsenid („AlInGaAs“) Rückoberflächenfeld („BSF“) Schicht 306, eine p-Typ InGaAs-Basisschicht 307 und höher dotierte n-Typ Indium Gallium Arsenid („InGaAs“) Emitterschicht 308 und eine hochdotierte n-Typ Indium Aluminium Phosphid („AllnP2“) oder Indium Gallium Phosphid („GalnP“) Fensterschicht 309 auf. Die InGaAs-Basisschicht 307 der Subzelle C kann beispielsweise annähernd 1,5 % In enthalten. Andere Zusammensetzungen oder Kompositionen können auch verwendet werden. Die Basisschicht 307 ist über der BSR-Schicht 306 geformt, nachdem die BSF-Schicht über den DBR-Schichten 305 abgeschieden ist.In the example shown the 2 indicates the third subcell C a highly doped p-type aluminum indium gallium arsenide ("AlInGaAs") back surface field ("BSF") layer 306 , a p-type InGaAs base layer 307 and higher doped n-type indium gallium arsenide ("InGaAs") emitter layer 308 and a heavily doped n-type indium aluminum phosphide ("AllnP 2 ") or indium gallium phosphide ("GalnP") window layer 309 on. The InGaAs base layer 307 the subcell C For example, it can contain approximately 1.5% In. Other Compositions or compositions may also be used. The base layer 307 is above the BSR layer 306 Shaped after the BSF layer over the DBR layers 305 is deposited.

Die Fensterschicht 309 wird auf der Emitterschicht 308 der dritten Subzelle C abgeschieden. Die Fensterschicht 309 in der dritten Subzelle C hilft auch bei der Reduktion der Rekombinationsverluste und verbessert die Passivierung der Zellenoberfläche der darunter liegenden Junctions. Vor der Abscheidung der Schichten der Subzelle B können stark dotierte n-Typ InGaP und p-Typ AlGaAs (oder andere geeignete Komopositionen) Tunneljunctionschichten 310, 311 über der Subzelle C abgeschieden werden.The window layer 309 is on the emitter layer 308 the third subcell C deposited. The window layer 309 in the third subcell C also helps reduce recombination losses and improves the passivation of the cell surface of the underlying junctions. Before the deposition of the layers of the subcell B can heavily doped n-type InGaP and p-type AlGaAs (or other suitable comopositions) tunnel junctions 310 . 311 over the subcell C be deposited.

Die zweite Subzelle B weist eine hochdotierte p-Typ Aluminium Indium Gallium Arsenid („AlInGaAs“) Rückoberflächenfeld („BSF“) Schicht 312, eine p-Typ AlInGaAs Basisschicht 313, eine hochdotierte n-Typ Indium Gallium Phosphid („InGaP2“) oder AlInGaAs Schicht 314 und ferner eine hochdotierte n-Typ Indium Gallium Aluminium Phosphid („AIGaAIP“) Fensterschicht 315 auf. Die Emitterschicht 314 der zweiten Subzelle B kann beispielsweise annähernd 50 % In einschließen. Andere Zusammensetzungen können auch verwendet werden.The second subcell B has a highly doped p-type aluminum indium gallium arsenide ("AlInGaAs") back surface field ("BSF") layer 312 , a p-type AlInGaAs base layer 313 , a highly doped n-type indium gallium phosphide ("InGaP 2 ") or AlInGaAs layer 314 and also a highly doped n-type indium gallium aluminum phosphide ("AIGaAIP") window layer 315 on. The emitter layer 314 For example, the second subcell B may include approximately 50% In. Other compositions may also be used.

Vor der Abscheidung der Schichten der oberen ersten Subzelle A können stark dotierte n-Typ InGaP und p-Typ AlGaAs Tunnel-Junctionschichten 316, 317 über der zweiten Subzelle B abgeschieden werden.Before the deposition of the layers of the upper first subcell A can heavily doped n-type InGaP and p-type AlGaAs tunnel junction layers 316 . 317 are deposited over the second subcell B.

In dem dargestellten Beispiel weist die obere oder oberste erste Subzelle A eine hochdotierte p-Typ Indium Aluminium Phosphid („InAlP2“) BSF-Schicht 318, eine p-Typ InGaAlP Basisschicht 319, eine hochdotierte n-Typ InGaAlP Emitterschicht 320 und eine hochdotierte n-Typ InAlP2 Fensterschicht 321 auf. Die Basisschicht 319 der ersten Subzelle A ist über der BSF-Schicht 318, nachdem die BSF-Schicht 318 geformt ist, abgeschieden.In the illustrated example, the upper or uppermost first subcell A a highly doped p-type indium aluminum phosphide ("InAlP 2 ") BSF layer 318 , a p-type InGaAlP base layer 319 , a highly doped n-type InGaAlP emitter layer 320 and a heavily doped n-type InAlP 2 window layer 321 on. The base layer 319 the first subcell A is above the BSF layer 318 after the BSF layer 318 Shaped, isolated.

Nachdem die Cap- oder Kontaktschicht 322 abgeschieden ist, werden die Gitterleitungen geformt, und zwar über die Verdampfung und lithographisches Mustern und Abscheiden über der Cap- oder Kontaktschicht 23.After the cap or contact layer 322 is deposited, the grid lines are formed via evaporation and lithographic patterning and deposition over the cap or contact layer 23 ,

In einigen Ausführungsbeispielen hat mindestens eine der ersten, zweiten oder dritten Solarsubzellen eine gradierte Dotierung, das heißt das Niveau des Dotierens verändert sich von einer Oberfläche zu der anderen durch die Dicke der Basisschicht. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Gradierung beim Dotieren exponentiell. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Gradierung oder Gradation beim Dotieren inkremental und monoton.In some embodiments, at least one of the first, second, or third solar subcells has graded doping, that is, the level of doping changes from one surface to the other through the thickness of the base layer. In some embodiments, grading during doping is exponential. In some embodiments, grading or grading during doping is incremental and monotonic.

In einigen Ausführungsbeispielen hatte der Emitter von mindestens einer der zweiten, dritten oder vierten Solarsubzellen (C bzw. D bzw. A) auch eine gradierte Dotierung, das heißt der Pegel des Dotierens variiert von einer Oberfläche zu der anderen durch die Dicke der Emitterschicht. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Gradation beim Dotieren linear oder monoton abnehmend.In some embodiments, the emitter of at least one of the second, third or fourth solar subcells ( C or. D or. A ) also a graded doping, that is, the level of doping varies from one surface to the other through the thickness of the emitter layer. In some embodiments, gradation during doping is linearly or monotonically decreasing.

Als ein spezielles Beispiel kann das Dotierprofil der Emitter und Basisschichten in 3 veranschaulicht sein, wo die Menge an Dotieren gezeigt ist in der Emitterzone und der Basiszone der Subzelle. N-Typ Dotiermittel umfassen Silizium, Selen, Schwefel, Germanium oder Zinn. P-Typ Dotiermittel umfassen Silizium, Zink, Chrom oder Germanium.As a specific example, the doping profile of the emitters and base layers in FIG 3 to illustrate where the amount of doping is shown in the emitter zone and the base zone of the subcell. N-type dopants include silicon, selenium, sulfur, germanium or tin. P-type dopants include silicon, zinc, chromium or germanium.

In dem Beispiel der 3 haben eine oder mehrere Subzellen (C, B oder A) eine Basiszone mit einer Gradation beim Dotieren, die ansteigt und einen Wert in dem Bereich von 1 × 1015 bis 1 × 1018 freie Träger pro Kubikzentimeter benachbart der p-n-Junction zu einem Wert im Bereich von 1 × 1016 bis 4 × 1018 freier Träger pro Kubikzentimeter benachbart zu der angrenzenden Schicht an dem hinteren Ende der Basis, und eine Emitterzone hat eine Gradation beim Dotieren, die von einem Wert im Bereich von annähernd 5 × 1018 bis 1 × 1017 freier Träger pro Kubikzentimeter in der Zone unmittelbar benachbart zu der angrenzenden Schicht auf einen Wert im Bereich von 5 × 1015 bis 1 × 1018 freier Träger pro Kubikzentimeter in der Zone benachbart zu dem p-n-Übergang bzw. Junction abnimmt.In the example of 3 have one or more subcells ( C . B or A ) has a base region with a doping grading that increases and a value in the range of 1 × 10 15 to 1 × 10 18 free carriers per cubic centimeter adjacent to the pn junction to a value in the range of 1 × 10 16 to 4 × 10 18 free carrier per cubic centimeter adjacent to the adjacent layer at the rear end of the base, and an emitter zone has a gradation in doping ranging from a value in the range of approximately 5 x 10 18 to 1 x 10 17 free carriers per cubic centimeter in the zone immediately adjacent to the adjacent layer decreases to a value in the range of 5 x 10 15 to 1 x 10 18 free carriers per cubic centimeter in the zone adjacent to the pn junction.

Die kräftigen Linien 612 und 613 gezeigt in 3 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Basisdotierung mit einer exponentiellen Gradation und das Emitter-Doping ist linear.The strong lines 612 and 613 shown in 3 illustrate an embodiment of the base doping with an exponential gradation and the emitter doping is linear.

Somit kann das Dotierungsniveau durch die Dicke der Basisschicht hindurch exponentiell gradiert sein von dem Bereich von 1 × 1016 freien Trägern pro Kubikzentimeter bis zu 1 × 1018 freien Trägern pro Kubikzentimeter wie dies durch die Kurve 613 in der Figur gezeigt ist.Thus, the doping level through the thickness of the base layer can be exponentially graded from the range of 1 × 10 16 free carriers per cubic centimeter to 1 × 10 18 free carriers per cubic centimeter as indicated by the curve 613 shown in the figure.

Ähnlich kann der Dotierpegel durch die Dicke der Emitterschicht hindurch linear abnehmen von 5 × 1018 freien Trägern pro Kubikzentimeter bis 5 × 1017 freie Träger pro Kubikzentimeter wie dies durch die Kurve 612 in der Figur dargestellt ist. Similarly, the doping level through the thickness of the emitter layer may decrease linearly from 5 × 10 18 free carriers per cubic centimeter to 5 × 10 17 free carriers per cubic centimeter as indicated by the curve 612 is shown in the figure.

Der absolute Wert des Sammel- oder Collectingfeldes erzeugt durch einen exponentiellen Dotiergradienten exp [-x/λ] ist gegeben durch das konstante elektrische Feld der Größe E = kT/q(1/λ))(exp [-xb/λ], wobei k die Boltzman-Konstante ist, T die absolute Temperatur in Grad Kelvin ist, q der absolute Wert der Elektronenänderung ist und A ein Parameter charakteristisch für die Dotierabnahme ist.The absolute value of the collecting or collecting field generated by an exponential doping gradient exp [-x / λ] is given by the constant electric field of size E = kT / q (1 / λ)) (exp [-xb / λ], where k is the Boltzman constant, T is the absolute temperature in degrees Kelvin, q is the absolute value of the electron change and A a parameter characteristic of the Dotierabnahme is.

Die Effizienz eines Ausführungsbeispiels der Dotieranordnung der vorliegenden Erfindung wurde in einer Testsolarzelle demonstriert, die ein exponentielles Dotierprofil in der drei Mikron dicken Basisschicht einer Subzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel aufwies.The efficiency of one embodiment of the doping device of the present invention was demonstrated in a test solar cell having an exponential doping profile in the three micron thick base layer of a subcell according to an embodiment.

Das exponentielle Dotierprofil gelehrt durch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung erzeugt ein konstantes Feld in der dotierten Zone oder Region. In den besonderen Multijunction-Solarzellen-Materialien und Struktur der vorliegenden Offenbarung hat die Bodensubzelle den kleinsten Schaltungskurzschluss unter all den Subzellen. Da in einer Multijunction-Solarzelle die individuellen Subzellen gestapelt sind und eine Serienschaltung bilden ist der Gesamtstromfluss in der gesamten Solarzelle daher durch den kleinsten Strom produziert in irgendeiner der Subzellen begrenzt. Durch Vergrößerung des Kurzschlussstromes in der Bodenzelle nähert sich der Strom näher dem der höheren Solarzellen an und die Gesamteffizienz der Solarzelle wird auch vergrößert. In einer Multijunction-Solarzelle mit angenäherter Effizienz würde die Implementation der vorliegenden Dotieranordnung dadurch die Effizienz vergrößern. Zusätzlich zu einer Vergrößerung der Effizienz würde das Sammel- bzw. Kollektionsfeld geschaffen durch das exponentielle Dotierprofil die Strahlungshärte der Solarzelle, die für Weltraumanwendungen wichtig ist, vergrößern.The exponential doping profile taught by one embodiment of the present disclosure creates a constant field in the doped zone or region. In the particular multi-junction solar cell materials and structure of the present disclosure, the bottom subcell has the smallest circuit short among all the subcells. Since the individual subcells are stacked in a multi-junction solar cell and form a series connection, the total current flow in the entire solar cell is therefore limited by the smallest current produced in any of the subcells. By increasing the short circuit current in the bottom cell, the current approaches closer to that of the higher solar cells and the overall efficiency of the solar cell is also increased. In a multi-junction solar cell with approximate efficiency, implementation of the present doping arrangement would thereby increase efficiency. In addition to increasing efficiency, the collection field created by the exponential doping profile would increase the solar cell's radiation hardness, which is important for space applications.

Obwohl das exponentielle Dotierprofil die Dotierausbildung ist, die implementiert und verifiziert wurde, können andere Dotierprofile einen Anstieg vorsehen auf ein linearvariierendes Sammelfeld, welches noch weitere andere Vorteile bietet. Beispielsweise kann ein anderes Dotierprofil ein Linearfeld erzeugen in der Dotierzone, welches vorteilhaft wäre für sowohl die Minoritätsträgersammlung und für Strahlungshärte am Ende des Lebens (EOL) der Solarzelle. Solche anderen Dotierprofile, die in einer oder mehreren Basisschichten sind innerhalb des Bereichs der vorliegenden Offenbarung.Although the exponential doping profile is the doping design that has been implemented and verified, other doping profiles may provide an increase to a linearly variable collection field, which offers other advantages as well. For example, another doping profile may create a linear field in the doping zone which would be beneficial for both the minority carrier collection and end-of-life (EOL) life of the solar cell. Such other doping profiles included in one or more base layers are within the scope of the present disclosure.

Die hier gezeigten Dotierprofile dienen lediglich der Veranschaulichung und anderer komplexerer Profile können verwendet werden wie dies jedem Fachmann klar sein wird, ohne dabei den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The doping profiles shown here are for illustration only and other more complex profiles may be used as will be apparent to one skilled in the art without departing from the scope of the present invention.

4A ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vier-Junction- oder Vierfach-Solarzelle 400, und zwar nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich dem Wachstum bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zu Kontaktschicht 322, wobei verschiedene Subzellen ähnlich sind zu der Struktur beschrieben und gezeigt in 2. Im Interesse der Kürze wird hier die Beschreibung der Schichten 350, 300 bis 304 und 306 bis 322 nicht wiederholt. 4A FIG. 12 is a cross-sectional view of a second embodiment of a four-junction or quadruple solar cell. FIG 400 after several stages of manufacture including growth of certain semiconductor layers on the growth substrate to contact layer 322 wherein various subcells are similar to the structure described and shown in FIG 2 , In the interest of brevity, here is the description of the layers 350 . 300 to 304 and 306 to 322 not repeated.

In dem Ausführungsbeispiel gezeigt in 4A wird eine „intermediate“ bzw. dazwischenliegende gradierte Zwischenschicht 505, die in einem Ausführungsbeispiel stufengradierte Subschichten 505a bis 505z aufweist über der Tunneldiodenschicht 304 abgeschieden. Insbesondere sieht die gradierte Zwischenschicht einen Übergang in der Gitterkonstanten von der Gitterkonstanten des Substrats zu der größeren Gitterkonstanten der zweiten, dritten und vierten Subzellen vor.In the embodiment shown in FIG 4A becomes an "intermediate" graded intermediate layer 505 in one embodiment, step-graded sublayers 505a to 505Z over the tunnel diode layer 304 deposited. In particular, the graded interlayer provides a transition in the lattice constant from the lattice constant of the substrate to the larger lattice constant of the second, third, and fourth subcells.

Eine erste „Alpha“- oder threading dislocation Sperrschicht 504 bzw. (Fadenversetzungssperrschicht) 504, vorzugsweise aufgebaut aus p-Typ InGaP, wird über der Tunneldiode 303/304 abgeschieden auf eine Dicke von 0,10 bis ungefähr 1.0 Mikron. Eine derartige Alphaschicht ist vorgesehen, um zu verhindern, dass threaded dislocations (Fadenversetzungen) sich fortpflanzen, entweder entgegengesetzt zu der Richtung des Wachstums in der Subzelle D oder in die Richtung des Wachstums in die zweite Subzellen C, wie dies genauer beschrieben ist in der US Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2009/0078309 A1 (Cornfeld und andere). Allgemeiner gesagt, hat die Alphaschicht eine Zusammensetzung unterschiedlich von der der zusätzlichen Schicht oberhalb und unterhalb derselben. Wie in 4A gezeigt, zeigt die links gelegene gestufte Linie, die Stufengradierung der „in Ebene“-Gitterkonstanten vorgesehen, weil die Inkrementalgröße von der Sub- oder Unterschicht 505a bis zur Sub- oder Unterschicht 505z ist, wobei diese Subschichten völlig unbeansprucht sind.A first "alpha" or threading dislocation barrier 504 or (thread dislocation barrier layer) 504 , preferably composed of p-type InGaP, is placed over the tunnel diode 303 / 304 deposited to a thickness of 0.10 to about 1.0 micron. Such an alpha layer is provided to prevent threaded dislocations from propagating, either opposite to the direction of growth in the subcell D or in the direction of growth in the second subcell C as more fully described in US patent application publication no. 2009/0078309 A1 (Cornfeld and others). More generally, the alpha layer has a composition different from that of the additional layer above and below it. As in 4A shown, the left-hand stepped line, which provides gradual grading of the "in-plane" lattice constants, because of the incremental size of the sublayer or sublayer 505a to the sub or sublayer 505Z is, these sublayers are completely unclaimed.

Eine metamorphe Schicht (oder gradierte Zwischenschicht) 505 ist über der Alphaschicht 504 abgeschieden, und zwar unter Verwendung eines Sufaktants. Die Schicht 505 ist vorzugsweise eine zusammensetzungsmäßig stufengradierte Reihe von p-Typ InGaAs oder InGaAlAs Schichten, vorzugsweise mit sich monoton ändernden Gitterkonstanten, um so einen gradierten Übergang in der Gitterkonstanten in der Halbleiterstruktur von der vierten Subzelle D zu der dritten Subzelle C zu erhalten, und zwar während diese Fadenversetzungen minimiert werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Bandabstand der Schicht 505 über die gesamte Dicke der Schicht konstant, vorzugsweise annähernd gleich 1,22 bis 1,34 eV oder ansonsten konsistent mit einem Wert etwas größer als der Bandabstand der dritten Subzelle C. In einem weiteren Ausführungsbeispiel variiert der Bandabstand der Subschicht der Schicht 505 in dem Bereich von 1,22 bis 1,34 eV, wobei die erste Schicht einen relativ hohen Bandabstand besitzt und darauffolgende Schichten inkremental niedrigerere Bandabstände. Ein Ausführungsbeispiel der gradierten Zwischenschicht kann auch ausgedrückt werden als aufgebaut aus InxGa1-xAs, wobei x zwischen 0 und 1, y zwischen 0 und 1 und x und y derart ausgewählt sind, dass der Bandabstand der Zwischenschicht konstant verbleibt auf annähernd 1,22 bis 1,34 eV oder ein anderer geeigneter Bandabstand ist. A metamorphic layer (or graded interlayer) 505 is over the alpha layer 504 deposited, using a Sufaktants. The layer 505 is preferably a compositionally graded series of p-type InGaAs or InGaAlAs layers, preferably with monotonically varying lattice constants, to provide a graded transition in lattice constant in the semiconductor structure of the fourth subcell D to the third subcell C while these thread dislocations are minimized. In another embodiment, the band gap of the layer 505 constant throughout the thickness of the layer, preferably approximately equal to 1.22 to 1.34 eV, or otherwise consistent with a value slightly greater than the bandgap of the third subcell C , In a further embodiment, the band gap of the sub-layer of the layer varies 505 in the range of 1.22 to 1.34 eV, with the first layer having a relatively high band gap and subsequent layers having incrementally lower band gaps. An embodiment of the graded interlayer may also be expressed as constructed of In x Ga 1-x As, where x between 0 and 1, y between 0 and 1 and x and y are selected such that the bandgap of the intermediate layer remains constant at approximately 1.22 to 1.34 eV or other suitable bandgap.

In einem Ausführungsbeispiel wird Aluminium einer Subschicht hinzuaddiert, um eine spezielle Subschicht härter als eine andere zu machen, wodurch dislocations bzw. Versetzungen in das weichere Material gezwungen werden.In one embodiment, aluminum is added to a sub-layer to make one particular sub-layer harder than another, thereby forcing dislocations into the softer material.

In dem durch Surfaktant unterstütztem Wachstum der metamorphen intermediate graded Schicht 505 wird ein geeignetes chemisches Element in den Reaktant eingeführt und zwar während des Wachstums der Schicht 505, um die Oberflächencharakteristika der Schicht zu verbessern. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein solches Element ein Dotiermittel oder Donor Atom sein wie beispielsweise Selen (Se) oder Tellur (Te). Kleine Mengen and Se oder Te werden daher in die metamorphe Schicht 406 inkorporiert und bleiben in der fertigen Solarzelle. Obwohl Se oder Te die bevorzugten n-Typ Dotieratome sind, können auch andere nicht isoelektrische Surfaktants verwendet werden.In the surfactant-supported growth of the metamorphic intermediate graded layer 505 a suitable chemical element is introduced into the reactant during the growth of the layer 505 to improve the surface characteristics of the layer. In the preferred embodiment, such element may be a dopant or donor atom such as selenium (Se) or tellurium (Te). Small amounts of Se or Te are therefore in the metamorphic layer 406 incorporated and remain in the finished solar cell. Although Se or Te are the preferred n-type dopant atoms, other non-isoelectric surfactants may also be used.

Surfaktant- bzw. Tensid-unterstütztes Wachstum ergibt eine viel glattere oder ebenere Oberfläche. Da die Oberflächentopographie die Gesamteigenschaften des Halbleitermaterials, wenn es wächst beeinflusst, und die Schicht dicker wird, minimiert die Verwendung der Surfaktantien bzw. Tenside threaded dislocations in der aktiven Zone und daher verbessert sich die Solarzelleneffizienz insgesamt.Surfactant-assisted growth gives a much smoother or richer surface. Since the surface topography affects the overall properties of the semiconductor material as it grows and the layer thickens, the use of the surfactants minimizes threaded dislocations in the active zone, and therefore overall solar cell efficiency improves.

Als eine Alternative zur Verwendung eines nicht-isoelektronischen (Surfaktants) kann man eine iso-elektronische Surfaktants verwenden. Der Asudruck „iso-elektronisch“ bezieht sich auf Surfaktantien wie beispielsweise Antimon (Sb) oder Wismuth (Bi), da solche Elemente die gleiche Anzahl von Valenzelektronen besitzen wie das P Atom von InGaP oder das As Atom in InGaAlAs in der metamorphen Pufferschicht. Solche Sb oder Bi Surfaktantien werden nicht typischerweise in die metamorphische Schicht 505 inkorporiert.As an alternative to using a non-isoelectronic (surfactant) one may use an iso-electronic surfactant. The isoelectric "iso-electronic" refers to surfactants such as antimony (Sb) or bismuth (Bi) because such elements have the same number of valence electrons as the P atom of InGaP or the As atom in InGaAlAs in the metamorphic buffer layer. Such Sb or Bi surfactants are not typically in the metamorphic layer 505 incorporated.

In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung besteht die metamorphe Schicht 505 aus einer Vielzahl von Schichten aus InGaAs mit monolithisch sich ändernder Gitterkonstanten, wobei jede Schicht einen Bandabstand im Bereich von 1,22 bis 1,34 eV besitzt. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Bandabstand konstant im Bereich von 1,27 bis 1,31 eV, und zwar durch die Dicke der Schicht 505 hindurch. In einigen Ausführungsbeispielen ist der konstante Bandabstand im Bereich von 1,28 bis 1,29 eV.In one embodiment of the present disclosure, the metamorphic layer exists 505 of a plurality of layers of InGaAs with monolithically changing lattice constants, each layer having a band gap in the range of 1.22 to 1.34 eV. In some embodiments, the band gap is constant in the range of 1.27 to 1.31 eV, through the thickness of the layer 505 therethrough. In some embodiments, the constant band gap is in the range of 1.28 to 1.29 eV.

Der Vorteil der Verwendung eines Materials mit konstantem Bandabstand wie beispielsweise InGaAs besteht darin, dass auf Arsen basierendes Halbleitermaterial viel leichter in kommerziellem Standard von MOCVD-Reaktoren zu verarbeiten ist.The advantage of using a constant band gap material, such as InGaAs, is that arsenic based semiconductor material is much easier to process in the commercial standard of MOCVD reactors.

Obwohl das beschriebene Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung eine Vielzahl von Schichten aus InGaAs für die metamorphische Schicht 505 verwendet, und zwar aus Gründen der Herstellbarkeit und Strahlungstransparenz könnten andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unterschiedliche Systeme verwenden, um eine Änderung der Gitterkonstanten von der zweiten Subzelle C zu der ersten Subzelle D zu erreichen. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können im Gegensatz zu stufengradierten Materialien kontinuierlich gradierte Materialien verwenden. Allgemeiner gesagt, kann die gradierte Zwischenschicht aufgebaut sein aus irgendeinem der As, P, N, Sb basierten III-V Verbindungshalbleiter, und zwar unter Berücksichtigung der Einschränkungen des Vorhandenseins planarer Gitterparameter kleiner als oder gleich in der dritten Subzelle C und größer als oder gleich der der vierten Subzelle D. In einigen Ausführungsbeispielen hat die Schicht 50 eine Bandabstandsenergie größer als die der dritten Subzelle C, und in anderen Ausführungsbeispielen hat er einen Bandabstandsenergiepegel kleiner als der der dritten Subzelle C.Although the described embodiment of the present disclosure includes a plurality of layers of InGaAs for the metamorphic layer 505 For reasons of manufacturability and radiation transparency, other embodiments of the present disclosure could use different systems to detect a change in lattice constants from the second subcell C to the first subcell D to reach. Other embodiments of the present disclosure, in contrast to step-graded materials, may use continuously graded materials. More generally, the graded interlayer may be constructed of any of the As, P, N, Sb based III-V compound semiconductors, taking into account the limitations of having planar lattice parameters less than or equal to the third subcell C and greater than or equal to the fourth subcell D , In some embodiments, the layer has 50 a band gap energy greater than that of the third subcell C and in other embodiments, it has a band gap energy level less than that of the third subcell C ,

In einigen Ausführungsbeispielen ist eine zweite „Alpha“ oder Fadenversetzungssperrrschicht bzw. threaded dislocation inhibition Schicht 507, vorzugsweise aufgebaut aus p-Typ GalnP, über der metamorphischen Pufferschicht 50 abgeschieden auf eine Dicke von 0,10 bis ungefähr 1,0 Mikron. Eine solche Alpha-Schicht ist vorgesehen zur Verhinderung der Fortpflanzung von threading dislocations, und zwar entweder entgegengesetzt zu der Richtung des Wachstums in die erste Subzelle D oder in die Richtung des Wachstums in die zweite Subzelle C, wie dies in US Patentanmeldungsveröffentlichungsnr. 2009/0078309 A1 (Cornfeld und andere) beschrieben ist. In some embodiments, a second "alpha" or thread dislocation inhibiting layer is disclosed 507 , preferably composed of p-type GalnP, over the metamorphic buffer layer 50 deposited to a thickness of 0.10 to about 1.0 micron. Such an alpha layer is intended to prevent the propagation of threading dislocations, either opposite to the direction of growth into the first subcell D or in the direction of growth into the second subcell C as disclosed in US patent application publication no. 2009/0078309 A1 (Cornfeld and others).

In dem in 4B gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine intermediate gradierte Zwischenschicht 506, welche in einem Ausführungsbeispiel stufengradierte Subschichten 505a bis 505zz aufweist, angeordnet über der Tunneldiodenschicht 304. Insbesondere gilt folgendes: Die gradierte Zwischenschicht sieht einen Übergang bei der Gitterkonstanten vor, und zwar von der Gitterkonstanten des Substrats und der ersten Solarsubzelle zu der größeren Gitterkonstanten der zweiten, dritten und vierten Subzellen C, B und A und sie unterscheidet sich von derjenigen des zweiten Ausführungsbeispiels der 4A nur insofern, dass die obere oder oberste Subschicht 505zz der gradierten Zwischenschicht 506 beansprucht ist oder nur teilweise entlastet ist (anders als die voll relaxierte Schicht unterhalb derselben), da sie eine Gitterkonstante besitzt, die größer ist als die der Schicht oberhalb derselben, das heißt der Alpha-Schicht 507 (sollte eine zweite Alpha-Schicht vorhanden sein) oder der BSF-Schicht 306. Kurz gesagt gilt folgendes: In diesem Ausführungsbeispiel gibt es einen „Überschluss“ („overshoot“) der gradierten Schichten wie dies auf der linken Seite der 4B gezeigt ist, die die Stufengradierung der Gitterkonstanten zeigt, die größer wird von der Schicht 505a zu 505zz.In the in 4B embodiment shown is an intermediate intermediate layer intermediate 506 which in one embodiment step-graded sublayers 505a to 505zz disposed above the tunnel diode layer 304 , In particular, the following applies: The graded interlayer provides for a transition in the lattice constant, from the lattice constants of the substrate and the first solar subcell to the larger lattice constants of the second, third and fourth subcells C . B and A and it differs from that of the second embodiment of 4A only insofar as the upper or uppermost sublayer 505zz the graded intermediate layer 506 is claimed or only partially relieved (unlike the fully relaxed layer below it) because it has a lattice constant greater than that of the layer above it, that is, the alpha layer 507 (should a second alpha layer be present) or the BSF layer 306 , In short, in this embodiment, there is a "overshoot" of the graded layers as shown on the left side of FIG 4B which shows the step degradation of the lattice constants, which becomes larger from the layer 505a to 505zz ,

5 ist eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer vierfach Solarzelle 500 nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich des Wachstums bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zu der Kontaktschicht 322, und zwar mit verschiedenen Subzellen ähnlich der Struktur beschrieben und gezeigt in 2, 4A und 4B. 5 is a cross-sectional view of a fourth embodiment of a quadruple solar cell 500 after several stages of manufacture, including the growth of certain semiconductor layers on the growth substrate to the contact layer 322 , with different subcells similar to the structure described and shown in 2 . 4A and 4B ,

In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl eine gradierte Zwischenschicht und auch eine DBR-Schicht zwischen der dritten Subzelle C und der vierten Subzelle D angeordnet. Die Schichten 450, 400 bis 404, 504 bis 507 und 305 bis 322 sind im Wesentlichen ähnlich denen in der 2 und 4A oder 4B und die Beschreibung braucht hier nicht wiederholt zu werden.In this embodiment, both a graded intermediate layer and a DBR layer between the third subcell C and the fourth subcell D arranged. The layers 450 . 400 to 404 . 504 to 507 and 305 to 322 are essentially similar to those in the 2 and 4A or 4B and the description need not be repeated here.

In diesem Ausführungsbeispiel sind verteilte Bragg-Reflektor (DBR) Schichten 305 benachbart zu und über der Alpha-Schicht 507 (oder der metamorphen Pufferschicht 506, wenn die Schicht 507 nicht vorhanden ist) aufgewachsen. Die DBR-Schichten 305 sind derart angeordnet, dass Licht eintreten und durch die dritte Solarsubzelle C hindurchlaufen kann, und wobei mindestens ein Teil davon zurück in die dritte Subzelle C reflektiert werden kann, und zwar durch die DBR-Schicht 305. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die verteilten Bragg-Reflektor (DBR)-Schichten 305 speziell zwischen der dritten Subzelle C und der metamorphischen Schicht 506 angeordnet.In this embodiment, distributed Bragg reflector (DBR) layers are 305 adjacent to and above the alpha layer 507 (or the metamorphic buffer layer 506 when the layer 507 not present) grew up. The DBR layers 305 are arranged such that light enters and through the third solar subcell C and at least a portion thereof back to the third subcell C can be reflected, through the DBR layer 305 , In the in 5 The embodiment shown is the distributed Bragg reflector (DBR) layers 305 especially between the third subcell C and the metamorphic layer 506 arranged.

Für einige Ausführungsbeispiele können die verteilten Bragg-Reflektor (DBR) Schichten 305 aus einer Vielzahl von abwechselnden Schichten 305a bis 305z aus gitterangepassten Materialien bestehen, und zwar mit Diskontinuitäten in ihren entsprechenden Brechungsindizes. Für bestimmte Ausführungsbeispiele ist die Differenz bei den Brechungsindizes zwischen abwechselnden Schichten maximiert, um die Anzahl der Perioden zu reduzieren, die erforderlich ist, um eine gegebene Reflektivität zu erreichen, und die Dicke und der Brechungsindex jeder Periode bestimmt das Stopp-Band und seine begrenzende Wellenlänge.For some embodiments, the distributed Bragg reflector (DBR) layers 305 from a variety of alternating layers 305a to 305z lattice-matched materials, with discontinuities in their respective indices of refraction. For certain embodiments, the difference in refractive indices between alternating layers is maximized to reduce the number of periods required to achieve a given reflectivity, and the thickness and refractive index of each period determines the stop band and its limiting wavelength ,

Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die verteilten Bragg-Reflektor (DBR) Schichten 305a bis 305z eine erste DBR-Schicht aufgebaut aus einer Vielzahl von p-Typ InzAlxGa1-x-zAs Schichten und einer zweiten DBR-Schicht angeordnet über der ersten DBR-Schicht und aufgebaut aus einer Vielzahl von p-Typ InwAlyGa1-y-wAs Schichten, wobei w zwischen 0 und 1, x zwischen 0 und 1, y zwischen 0 und 1, z zwischen 0 und 1 und y größer als x.In some embodiments, the distributed Bragg reflector (DBR) layers are 305a to 305z a first DBR layer composed of a plurality of p-type In z Al x Ga 1 -xz As layers and a second DBR layer disposed over the first DBR layer and constructed of a plurality of p-type In w Al y Ga 1-yw As layers, where w is between 0 and 1, x between 0 and 1, y between 0 and 1, z between 0 and 1, and y greater than x.

6 ist eine Querschnittsansicht eines Teils der Solarzellenanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung, und zwar angebracht auf einer Platte oder Paneele oder einem Tragsubstrat, wobei die Figur zwei benachbarte Solarzellen 601 und 701 zeigt und entsprechende CIC's 600 bzw. 700. 6 FIG. 12 is a cross-sectional view of a portion of the solar cell assembly according to the present disclosure mounted on a plate or panels or support substrate, the figure depicting two adjacent solar cells. FIG 601 and 701 shows and corresponding CIC's 600 or. 700 ,

Wie zuvor erwähnt weißt für Anwendungen im Weltraum die Solarzelle 601, 701 ein Abdeckglas 603 bzw. 703 über der Halbleitervorrichtung auf, um eine strahlungsbeständige Abschirmung vorzusehen gegenüber Teilchen, die in der Umgebung des Raumes das Halbleitermaterial schädigen könnten. Das Abdeckglas 602, 702 ist typischerweise ein Cer-dotiertes Borsilikatglas, welches typischerweise von drei bis sechs mil Dicke besitzt und befestigt ist durch ein transparentes Klebemittel 602 bzw. 702 an der entsprechenden Solarzelle 601, 701.As mentioned before, the solar cell knows for applications in space 601 . 701 a cover glass 603 or. 703 over the semiconductor device to provide radiation resistant shielding from particles that could damage the semiconductor material in the vicinity of the space. The cover glass 602 . 702 is typically a cerium-doped borosilicate glass which is typically from three to six mils Has thickness and is attached by a transparent adhesive 602 or. 702 at the corresponding solar cell 601 . 701 ,

Verbindungskontakte bzw. Verbindungspads eines ersten und zweiten Polaritätstyps sind auf jeder Solarzelle vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel bildet ein Rückenmetall 604 bzw. 704 Kontakte eines ersten Polaritätstyps. Auf der oberen Oberfläche jeder Solarzelle ist ein Metallkontakt 705 vorgesehen und eine Kante der Solarzelle bildet einen Kontakt der zweiten Polarität.Connection contacts and connection pads of a first and second polarity type are provided on each solar cell. In one embodiment, a back metal forms 604 or. 704 Contacts of a first polarity type. On the upper surface of each solar cell is a metal contact 705 provided and an edge of the solar cell forms a contact of the second polarity.

Eine Vielzahl von elektrischen Zwischenverbindungen 607 ist vorgesehen, und zwar ist jede aufgebaut aus einem Streifen von silberplatiertem Nickel-Kobalt-Eisen-Ferrit-Legierungsmaterial, wobei jede Zwischenverbindung mit einem entsprechenden Verbindungspad 612 und 705 auf jeder Solarzellenanordnung verschweißt ist und zwar zum elektrischen Verbinden der benachbarten Solarzellenanordnungen der Anordnung in einer elektrischen Serienschaltung.A variety of electrical interconnections 607 is provided, each constructed of a strip of silver-plated nickel-cobalt-iron-ferrite alloy material, each interconnect with a corresponding connection pad 612 and 705 is welded to each solar cell array and that for electrically connecting the adjacent solar cell assemblies of the arrangement in a series electrical connection.

Eine Aluminiumwabenplatte (606) mit einer Kohlenstoffkomposit-Stirnplatte 605 mit einem thermischen Expansionskoeffizienten (CTE), der im wesentlichen an das Germanium der vier Solarsubzellen in jeder Solarzelle angeordnet ist, ist vorgesehen, wobei jede CIC 600, 700 oder die Solarzellenanordnung darauf angeordnet sind.An aluminum honeycomb panel ( 606 ) with a carbon composite face plate 605 is provided with a thermal expansion coefficient (CTE) which is substantially arranged on the germanium of the four solar subcells in each solar cell, each CIC 600 . 700 or the solar cell array are arranged thereon.

Ein weiteres Merkmal der Solarzellenanordnung des in 6 veranschaulichten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Abdeckgläser 603, 703 jeweils einen herumgewickelten Metallklipp 608 aufweisen, und zwar gezeigt in CIC 600 der Kontakt macht mit der Oberfläche des Abdeckglases 603 und der sich den Spalt des Raumes hinab erstreckt, entlang der Seite der Solarzellenanordnung 600 zwischen den CICs 600 und 700, um so einen elektrischen Kontakt zu machen mit dem Metallverbindungspad bzw. Kontakt 612 auf der Rückoberfläche des CIC 600, der seinerseits Kontakt macht mit elektrischer Erde. Auf diese Weise erdet der Clip 608 den elektrischen Ladungsaufbau auf der Oberfläche des Abdeckglases 603, zu der Erde der Paneele (Platte) oder dem Raumschiff. Andere Konfigurationen von Erdungsverfahren für die Oberfläche(n) des Abdeckglases 603, 703 sind im Rahmen dieser Offenbarung möglich.Another feature of the solar cell array of in 6 illustrated embodiment is that the cover glasses 603 . 703 one wrapped metal clip each 608 shown in CIC 600 the contact makes with the surface of the cover glass 603 and extending down the gap of the room, along the side of the solar cell array 600 between the CICs 600 and 700 so as to make electrical contact with the metal connection pad or contact 612 on the back surface of the CIC 600 who in turn makes contact with electrical ground. This is how the clip grounds 608 the electrical charge build-up on the surface of the cover glass 603 , to the earth of the panels (plate) or the spaceship. Other configurations of grounding methods for the surface (s) of the cover glass 603 . 703 are possible within the scope of this disclosure.

7 ist eine graphische Repräsentation des Bandabstandes bestimmter mehrerer Materialien und ihrer Gitterkonstanten. Der Bandabstand (Bandlücke) und die Gitterkonstanten ternärer Materialien sind auf den Leitungen angeordnet, die gezogen sind zwischen typischen assoziierten Binärmaterialien (wie beispielsweise dem Ternärmaterial AIGaAs), und zwar angeordnet zwischen dem GaAs und AlAs Punkten auf dem Graph, wobei der Bandabstand des ternären Materials zwischen 1,4 eV für GaAs und 2,16 eV für AlAs liegt, und zwar abhängig von der relativen Größe der individuellen Bestandteile. Somit abhängig von dem gewünschten Bandabstand können die Materialbestandteile der ternären Materialien in geeigneter Weise ausgewählt werden für das Wachstum. 7 is a graphical representation of the bandgap of certain several materials and their lattice constants. The bandgap (bandgap) and lattice constants of ternary materials are placed on the leads drawn between typical associated binary materials (such as the AIGaAs ternary material) placed between the GaAs and AlAs dots on the graph, with the bandgap of the ternary material between 1.4 eV for GaAs and 2.16 eV for AlAs, depending on the relative size of the individual components. Thus, depending on the desired bandgap, the material components of the ternary materials can be suitably selected for growth.

8 ist eine Vergrößerung eines Teils des Graphen der 7, und zwar unterschiedliche Verbindungen des GalnAs und GalnP darstellend mit unterschiedlichen Eigenschaften von Gallium und Indium und der Lage der speziellen Verbindungen auf dem Graphen. 8th is an enlargement of part of the graph of the 7 and different compounds of GalnAs and GalnP representing different properties of gallium and indium and the location of the specific compounds on the graph.

Die vorliegende Offenbarung sieht eine Multijunction-Solarzzelle vor, die einer Konstruktionsregel folgt, dass man so viele einen hohen Bandabstand besitzende Subzellen inkorporiert wie dies möglich ist, um das Ziel zu erreichen, die Effizienz bei Hochtemperatur EOL zu vergrößern. Beispielsweise können einen hohen Bandabstand besitzende Subzellen einen größeren Prozentsatz von Zellenspannung behalten, wenn die Temperatur ansteigt, wodurch niedrigerer Leistungsverlust angeboten wird, wenn die Temperatur ansteigt. Infolgedessen kann erwartet werden, dass sowohl HT-BOL und HT-EOL Performance von exemplarischen Mehrfach-Solarzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung größer ist als bei traditionellen Zellen.The present disclosure provides a multi-junction solar cell following a design rule of incorporating as many high-pitch subcells as possible to achieve the goal of increasing high-temperature EOL efficiency. For example, high bandgap subcells may retain a greater percentage of cell voltage as the temperature rises, thereby offering lower power loss as the temperature rises. As a result, both HT-BOL and HT-EOL performance of exemplary multiple solar cells according to the present disclosure can be expected to be greater than traditional cells.

Die hier beschriebene exemplarische Solarzelle kann Verwendung von Aluminium in der Halbleiterkomposition jeder der oberen zwei Subzellen erforderlich machen. Die Inkorporation von Aluminium ist bekannt in der III-V Verbindungshalbleiterindustrie, um die BOL Subzellen-Performance zu reduzieren, und zwar infolge des tiefen Niveaus von Donor-Defekten, höherer Dotierkompensation, kürzerer Minoritätsträgerlebenszeit und niedrigerer Zellenspannung und einen Anstieg von BOL Eg/q-Voc Metrik. Kurz gesagt, das erhöhte BOL Eg/q-Voc kann der problematischste Nachteil der Aluminium enthaltenden Subzelle sein; die anderen Einschränkungen können reduziert werden, durch die Modifizierung des Dotierplanes oder die Verdünnung der Basisdicken.The exemplary solar cell described herein may require use of aluminum in the semiconductor composition of each of the top two subcells. The incorporation of aluminum is known in the III-V compound semiconductor industry to reduce BOL subcell performance due to the low level of donor defects, higher doping compensation, shorter minor carrier lifetime and lower cell voltage, and an increase in BOL E g / qV oc metric. In short, the increased BOL E g / qV oc may be the most problematic disadvantage of the aluminum-containing subcell; the other limitations can be reduced by modifying the doping scheme or thinning the base thicknesses.

Im Hinblick auf die unterschiedlichen Satelliten und Raumfahrzeugerfordernisse hinsichtlich der Betriebsumgebungstemperatur, Strahlungsaussetzung und Betriebslebensdauer kann ein Bereich von Subzellenkonstruktionen, die die Konstruktionsprinzipien der vorliegenden Offenbarung verwenden, zufriedenstellende speziell definierte Kunden- und Missions-Erfordernisse vorsehen, und ferner sind mehrere veranschaulichende Ausführungsbeispiele hier erläutert, und zwar für Vergleichszwecke zusammen mit der Berechnung der Effizienz am Ende-des-Lebens. Wie im einzelnen unten beschrieben ist die Solarzellenperformance nach der Aussetzung gegenüber Strahlung experimentmäßig gemessen, und zwar unter Verwendung von 1 MeV Elektronfluenz pro Quadratzentimeter (abgekürzt im folgenden Text als e/cm2), so dass ein Vergleich gemacht werden kann zwischen den derzeitigen kommerziellen Vorrichtungen und dem Ausführungsbeispiel offenbart in der vorliegenden Offenbarung.In view of the different satellite and spacecraft requirements with respect to operating ambient temperature, exposure to radiation, and operating life, a range of Subclass constructions employing the design principles of the present disclosure provide satisfactorily defined customer and mission requirements, and further, several illustrative embodiments are discussed herein for comparison purposes along with the calculation of end-of-life efficiency. As described in detail below, the solar cell performance after exposure to radiation is experimentally measured using 1 MeV electron fluence per square centimeter (abbreviated to e / cm 2 for brevity ) so that a comparison can be made between current commercial devices and the embodiment disclosed in the present disclosure.

Als ein Beispiel unterschiedlicher Missionsanforderungen wird ein Niedrig-Erdorbit (LEO = low earth orbit) Satellit erläutert, der typischerweise Strahlung äquivalent zu 5 × 1014 Elektronenfluenz pro Quadratzentimeter erfährt (im Folgenden als „5E14 e/cm2“ bezeichnet), und zwar über eine Fünf-Jahres-Lebensdauer. Ein geosynchroner Erdorbit (GEO) Satellit wird typischerweise Strahlung im Bereich von 5 × 1014 e/cm2 bis 1 × 1015 e/cm2 über eine Fünfzehn-Jahres-Lebenszeit empfangen.As an example of different mission requirements, a low earth orbit (LEO) satellite typically experiencing radiation equivalent to 5 x 10 14 electron fluence per square centimeter (hereinafter referred to as "5E14 e / cm 2 ") is discussed a five-year life. A geosynchronous Earth orbit (GEO) satellite will typically receive radiation in the range of 5 x 10 14 e / cm 2 to 1 x 10 15 e / cm 2 over a fifteen-year lifetime.

Die folgende Tabelle zeigt beispielsweise die Zelleneffizienz (%) gemessen bei Raumtemperatur (RT) 28 °C und einer Hochtemperatur (HT) 70 °C bei Beginn des Lebens (BOL = beginning of life) und Ende des Lebens (EOL = end of life) für eine kommerzielle Dreifach-Solarzelle (ZTJ): Tabelle 1 Zustand Effizienz BOL 28 °C 29,1 % BOL 70 °C 26,4 % EOL 70 °C 23,4 % nach 5E14 e/cm2 Strahlung EOL 70 °C 22,0 % nach 1E14 e/cm2 Strahlung The following table shows, for example, the cell efficiency (%) measured at room temperature (RT) 28 ° C and a high temperature (HT) 70 ° C at the beginning of life (BOL = end of life) and end of life (EOL = end of life). for a commercial triple solar cell (ZTJ): Table 1 State efficiency BOL 28 ° C 29.1% BOL 70 ° C 26.4% EOL 70 ° C 23.4% after 5E14 e / cm 2 radiation EOL 70 ° C 22.0% after 1E14 e / cm 2 radiation

Für die in der Voranmeldung US Patentanmeldung Serial Nummer 14/828,206 vom 17. August 2015 (entsprechend der publizierten Europäischen Patentanmeldung EP 2 133 65 A1 ) sind die entsprechenden Daten in der Tabelle 2 genannt. Tabelle 2 Zustand Effizienz BOL 28 °C 29,1 % BOL 70 °C 26,5 % EOL 70 °C 24,5 % nach 5E14 e/cm2 Strahlung EOL 70 °C 23,5 % nach 1E14 e/cm2 Strahlung For those in the reservation U.S. Patent Application Serial Number 14 / 828,206 of 17 August 2015 (according to the published European patent application EP 2 133 65 A1 ) are the corresponding data in Table 2 called. Table 2 State efficiency BOL 28 ° C 29.1% BOL 70 ° C 26.5% EOL 70 ° C 24.5% after 5E14 e / cm 2 radiation EOL 70 ° C 23.5% after 1E14 e / cm 2 radiation

Die Solarzelle, beschrieben in früheren Anmeldungen, hat eine etwas höhere Zelleneffizienz als die kommerzielle Standardsolarzelle (ZTJ) bei BOL 70 °C. Die Solarzelle jedoch beschrieben in einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung zeigt eine wesentlich verbesserte Zelleneffizienz (%) gegenüber der kommerziellen Standardsolarzelle (ZTJ) bei 1 MeV Elektronenäquivalenzfluss von 4 × 1014 e/cm2, und dramatisch verbesserte Zelleneffizienz (%) gegenüber der kommerziellen Standardsolarzelle (ZTJ) bei 1 MeV Elektronenäquivalenzfluenz bzw. -fluss von 1 × 1015 e/cm2.The solar cell described in earlier applications has a slightly higher cell efficiency than the commercial standard solar cell (ZTJ) at BOL 70 ° C. However, the solar cell described in one embodiment of the disclosure exhibits a significantly improved cell efficiency (%) over the commercial standard solar cell (ZTJ) at 1 MeV electron equivalent flux of 4 x 10 14 e / cm 2 , and dramatically improved cell efficiency (%) over the commercial standard solar cell (FIG. ZTJ) at 1 MeV electron equivalent fluence of 1 × 10 15 e / cm 2 .

Die einfachste Art, die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung und deren Effizienz verglichen mit der der oben erwähnten Standard-Solarzelle zu beschreiben besteht darin, die Ausführungsbeispiele mit der Spezifizierung der Zusammensetzung jeder der aufeinanderfolgenden Subzellen und ihren entsprechenden Bandabstand anzugeben und sodann die berechnete Effizienz.The simplest way of describing the different embodiments of the present disclosure and their efficiency compared to the above-mentioned standard solar cell is to specify the embodiments with the specification of the composition of each of the successive subcells and their corresponding bandgap and then the calculated efficiency.

Somit sind für eine Vierfach-Solarzelle wie konfiguriert und beschrieben in der vorliegenden Offenbarung, vier Ausführungsbeispiele und ihre entsprechenden Effizienzdaten am Ende-des-Lebens (EOL) wie folgt: Ausführungsbeispiel 1 Bandabstand Zusammensetzung Subzelle A 2,1 AlInGaP Subzelle B 1,73 InGaP/AIInGaAs oder AlInGaAs/AlInGaAs Subzelle C 1,41 (In)GaAs Subzelle D 0,67 Ge Effizienz bei 70 °C nach 5E14e/cm2 Strahlung: 24,5 %
Effizienz bei 70 °C nach 1E14e/cm2 Strahlung: 23,5 % Ausführungsbeispiel 2 Bandabstand Zusammensetzung Subzelle A 2,1 AlInGaP Subzelle B 1,67 InGaP/AIInGaAs oder AlInGaAs/AlInGaAs Subzelle C 1,34 (In)GaAs Subzelle D 0,67 Ge Effizienz bei 70 °C nach 1E14e/cm2 Strahlung: 24,9 % Ausführungsbeispiel 3 Bandabstand Zusammensetzung Subzelle A 2,1 AlInGaP Subzelle B 1,65 InGaP/AIInGaAs oder AlInGaAs/AlInGaAs Subzelle C 1,30 (In)GaAs Subzelle D 0,67 Ge Effizienz bei 70 °C nach 1E15e/cm2 Strahlung: 25,3 % Ausführungsbeispiel 4 Bandabstand Zusammensetzung Subzelle A 2,03 AlInGaP Subzelle B 1,55 InGaP/AIInGaAs oder AlInGaAs/AlInGaAs Subzelle C 1,2 (In)GaAs Subzelle D 0,67 Ge Effizienz bei 70 °C nach 1E15e/cm2 Strahlung: 25,7 %
Thus, for a quadruple solar cell as configured and described in the present disclosure, four embodiments and their corresponding end-of-life (EOL) efficiency data are as follows: Embodiment 1 bandgap composition Subcell A 2.1 AlInGaP Subcell B 1.73 InGaP / AlInGaAs or AlInGaAs / AlInGaAs Subcell C 1.41 (In) GaAs Subcell D 0.67 Ge Efficiency at 70 ° C after 5E14e / cm 2 Radiation: 24.5%
Efficiency at 70 ° C after 1E14e / cm 2 Radiation: 23.5% Embodiment 2 bandgap composition Subcell A 2.1 AlInGaP Subcell B 1.67 InGaP / AlInGaAs or AlInGaAs / AlInGaAs Subcell C 1.34 (In) GaAs Subcell D 0.67 Ge Efficiency at 70 ° C after 1E14e / cm 2 Radiation: 24.9% Embodiment 3 bandgap composition Subcell A 2.1 AlInGaP Subcell B 1.65 InGaP / AlInGaAs or AlInGaAs / AlInGaAs Subcell C 1.30 (In) GaAs Subcell D 0.67 Ge Efficiency at 70 ° C after 1E15e / cm 2 Radiation: 25.3% Embodiment 4 bandgap composition Subcell A 2.03 AlInGaP Subcell B 1.55 InGaP / AIInGaAs or AlInGaAs / AlInGaAs Subcell C 1.2 (In) GaAs Subcell D 0.67 Ge Efficiency at 70 ° C after 1E15e / cm 2 Radiation: 25.7%

Obwohl die Unterschiede bei den Bandabständen unter den verschiedenen Ausführungsbeispielen wie sie oben beschrieben wurden, das heißt in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 eV relativ klein erscheinen könnten, haben diese Einstellungen ein überraschendes Ergebnis und einen unerwarteten Anstieg bei der EOL Solarzellen-Effizienz von 24,4 % berichtet in der Stammanmeldung US Patentanmeldung Seriennr. 14/828,206 vom 17. August 2015 (und in der entsprechenden Europäischen Patentanmeldungspublikation EP 3 133 650 A1 ) bis 25,7 % für das Solarzellenausführungsbeispiel 4 wie es oben beschrieben ist. Eine solche überraschende und unerwartete Verbesserung, die sich aus der relativ kleinen Änderung im Bandabstand bzw. Bandspalt ergibt, impliziert einen erkennbaren erfinderischen Schritt gegenüber in Beziehung stehenden Konfigurationen beschrieben in der Patentanmeldung und der Europäischen Patentanmeldungspublikation, da auf dem Gebiet der Solarzellenvorrichtungen für Raumanwendungen selbst kleine Verbesserungen in der Effizienz typischerweise als wichtig angesehen werden.Although the differences in bandgap among the various embodiments described above, that is, on the order of 0.1 to 0.2 eV, might appear relatively small, these settings have a surprising result and an unexpected increase in EOL solar cell performance. Efficiency of 24.4% reported in the parent application US Patent Application Serial No. 14 / 828.206 of 17 August 2015 (and in the corresponding European Patent Application Publication EP 3 133 650 A1 ) to 25.7% for the solar cell embodiment 4 as described above. Such a surprising and unexpected improvement resulting from the relatively small change in bandgap implies a recognizable inventive step over related configurations described in the patent application and the European patent application publication, even in the field of solar cell devices for room applications Improvements in efficiency are typically considered important.

Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung einen Vertikalstapel von vier Subzellen verwenden, sind verschiedene Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung anwendbar auf Stapel mit weniger oder einer größeren Anzahl von Subzellen, das heißt Zweifachzellen, Dreifachzellen, Fünffachzellen, Sechsfachzellen usw.Although the described embodiments of the present disclosure utilize a vertical stack of four subcells, various aspects and features of the present disclosure are applicable to stacks having fewer or greater numbers of subcells, that is, dual cells, triple cells, quintuple cells, six compartment cells, etc.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 8962993 [0012, 0014]US 8962993 [0012, 0014]
  • US 4667059 [0013]US 4667059 [0013]
  • US 14828206 [0123]US 14828206 [0123]
  • EP 213365 A1 [0123]EP 213365 A1 [0123]
  • US 14/828206 [0127]US Pat. No. 14/828206 [0127]
  • EP 3133650 A1 [0127]EP 3133650 A1 [0127]

Claims (10)

Eine Vierfach-Solarzelle (200, 400, 450, 500), die folgendes aufweist: ein Wachstumssubstrat (300); eine vierte Solarsubzelle (D) angeordnet über oder in dem Wachstumssubstrat (300); eine gradierte Zwischenschicht (505) angeordnet über der vierten Solarsubzelle (D), und dem Wachstumssubstrat (300), gefolgt von einer Folge bzw. Sequenz von Schichten aus Halbleitermaterial, welches eine Vielzahl von Solarsubzellen, einschließlich einer dritten Solarsubzelle (C) aufweist, angeordnet über und gitterfehlangepasst bezüglich des Wachstumssubstrats (300) und mit einem Bandabstand in dem Bereich von 0,9 bis 1,6 eV, mindestens eine zweite Solarsubzelle (B) angeordnet über der dritten Solarsubzelle (C) und mit einem Bandabstand in dem Bereich von annähernd 1,5 bis 1,8 eV, und eine obere erste Solarsubzelle (A) angeordnet über der zweiten Solarsubzelle (B) und mit einem Aluminiumgehalt über 30 % der MolFraktion, einem Bandabstand im Bereich von 2,0 bis 2,20 eV; wobei die gradierte Zwischenschicht (505) zusammensetzungsmäßig gradiert ist zur Gitteranpassung des Wachstumssubstrates (300) auf einer Seite und der dritten Solarsubzelle (C) auf der anderen Seite und ferner aufgebaut ist aus irgendeinem der As, P, N, Sb basierenden III-V Verbindungshalbleiter, und zwar unterworfen den Einschränkungen des „in-Ebene“-Gitterparameters d. h. paralell zur Oberfläche, über seine gesamte Dicke hinweg, und zwar größer als oder gleich dem des Wachstumssubstrats (300).A quadruple solar cell (200, 400, 450, 500) comprising: a growth substrate (300); a fourth solar subcell (D) disposed over or in the growth substrate (300); a graded interlayer (505) disposed over the fourth solar subcell (D), and the growth substrate (300) followed by a sequence of layers of semiconductor material having a plurality of solar subcells, including a third solar subcell (C) over and lattice mismatched with respect to the growth substrate (300) and having a band gap in the range of 0.9 to 1.6 eV, at least a second solarsub cell (B) disposed over the third solarsub cell (C) and having a band gap in the range of approximately 1.5 to 1.8 eV, and an upper first solar subcell (A) disposed over the second solar subcell (B) and having an aluminum content above 30% of the mole fraction, a band gap in the range of 2.0 to 2.20 eV; wherein the graded interlayer (505) is compositionally graded for lattice matching of the growth substrate (300) on one side and the third solar subcell (C) on the other side and further constructed of any of the As, P, N, Sb based III-V compound semiconductors , subject to the limitations of the "in-plane" grid parameter d. H. parallel to the surface, over its entire thickness, greater than or equal to that of the growth substrate (300). Die Solarzelle nach Anspruch 1, wobei folgendes vorgesehen ist: die zweite Solar-Subzelle (b) hat einen Bandabstand von annähernd 1,73 eV und ist gitterangepasst mit der dritten Solar-Subzelle (C) und die obere erste Solar-Subzelle (A) besitzt einen Bandabstand von 2,05 eV und ist gitterangepasst mit der zweiten Solar-Subzelle (B), und der durchschnittliche Bandabstand aller vier Solar-Subzellen ist gleich oder größer als 1,35 eV.The solar cell after Claim 1 , wherein the following is provided: the second solar subcell (b) has a band gap of approximately 1.73 eV and is lattice-matched with the third solar subcell (C) and the upper first solar subcell (A) has a band gap of 2 , 05 eV and is lattice-matched with the second solar subcell (B), and the average bandgap of all four solar subcells is equal to or greater than 1.35 eV. Die Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere erste Solarsubzelle (A) aufgebaut ist aus einer Basisschicht aus (InxGa1-x)1-yAlyP, wobei x 0,505 ist und y 0,142 ist entsprechend einem Bandabstand von 2,10 eV und einer Emitterschicht von (InxGa1-x)1-yAlyP, wobei x 0,505 und y 0,107 ist, entsprechend einem Bandabstand von 2,05 eV.The solar cell according to any one of the preceding claims, wherein the upper first Solarsubzelle is constructed (A) composed of a base layer of (In x Ga 1 - x) 1-y Al y P wherein x is 0.505 and y 0.142 is corresponding to a band gap of 2 , 10 eV and an emitter layer of (In x G a 1-x ) 1-y Al y P, where x is 0.505 and y is 0.107, corresponding to a band gap of 2.05 eV. Die Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgendes aufweist: eine Tunneldiode (303, 304) angeordnet über der vierten Solarsubzelle (D) und unterhalb der gradierten Zwischenschicht (505), wobei die gradierte Zwischenschicht (505) zusammensetzungsmäßig gradiert ist, um gitterangepasst zu sein zur dritten Solarsubzelle (C) auf einer Seite und der Tunneldiode (303, 304) auf der anderen Seite und ferner aufgebaut ist aus irgendwelchen der As, P, N, Sb basierten III-V Verbindungshalbleiter, und zwar unterworfen den Einschränkungen, dass der „in-Ebene“ Gitterparameter größer ist als oder gleich dem der dritten Solarsubzelle (C) und unterschiedlich von dem der Tunneldiode (303, 304) und ferner eine Bandabstandsenergie aufweisend, die größer ist als die der vierten Solarsubzellen (D).The solar cell of any one of the preceding claims, further comprising: a tunnel diode (303, 304) disposed over the fourth solar subcell (D) and below the graded interlayer (505), the graded interlayer (505) being compositionally graded to be lattice matched to the third solar subcell (C) on one side and the tunnel diode (303, 304) on the other side and further constructed of any of the As, P, N, Sb based III-V compound semiconductors, subject to the limitations the in-plane lattice parameter is greater than or equal to that of the third solar subcell (C) and different from that of the tunnel diode (303, 304), and further having a bandgap energy greater than that of the fourth solar subcells (D). Die Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gradierte Zwischenschicht zusammensetzungsmäßig stufengradiert ist mit zwischen einer und vier Stufen zur Gitteranpassung der dritten Solarsubzellen auf einer Seite und aufgebaut aus InGaAs oder (InxGa1-x)yAl1-yAs, wobei x zwischen 0 und 1, y zwischen 0 und 1 und x und y derart ausgewählt sind, dass der Bandabstand auch gradiert ist im Bereich von 1,15 bis 1,41 eV über seine gesamte Dicke hinweg.The solar cell of any one of the preceding claims, wherein the graded interlayer is compositionally graded with between one and four lattice matching of the third solar subcells on one side and constructed of InGaAs or (In x Ga 1-x ) y Al 1-y As, where x between 0 and 1, y between 0 and 1, and x and y are selected such that the bandgap is also graded in the range of 1.15 to 1.41 eV across its entire thickness. Die Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gradierte Zwischenschicht (505) einen Bandabstand hat im Bereich von 1,15 bis 1,41 eV oder 1,2 bis 1,35 eV oder 1,25 bis 1,30 eV.The solar cell of any one of the preceding claims, wherein the graded interlayer (505) has a band gap in the range of 1.15 to 1.41 eV or 1.2 to 1.35 eV or 1.25 to 1.30 eV. Die Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entweder (i) die Emitterschicht (320); oder (ii) die Basisschicht (319) und Emitterschicht (320) der oberen ersten Solarsubzelle (A) unterschiedliche Gitterkonstanten gegenüber der Gitterkonstanten der direkt benachbarten zweiten Solarsubzelle (B) besitzen.The solar cell of any one of the preceding claims, wherein either (i) the emitter layer (320); or (ii) the base layer (319) and emitter layer (320) of the upper first solar subcell (A) have different lattice constants to the lattice constants of the directly adjacent second solar subcell (B). Die Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgendes aufweist: eine verteilte Bragg-Reflektor-(DBR) Schicht (305) benachbart zu und unterhalb der dritten Solarsubzelle (C) und angeordnet, so dass Licht eintreten und durch die dritte Solarsubzellen (C) laufen kann, wobei mindestens ein Teil desselben zurück in die dritte Solarsubzelle (C) reflektiert werden kann, und zwar durch die DBR-Schicht (305), wobei die verteilte Bragg-Reflektor-Schicht (305) aufgebaut ist aus einer Vielzahl von alternierenden Schichten aus gitterangepassten Materialien mit Diskontinuitäten in ihren entsprechenden Brechungsindizes, wobei der Unterschied in den Brechungsindizes zwischen alternierenden Schichten maximiert wird, um die Anzahl von erforderlichen Perioden zum Erreichen einer gegebenen Reflektivität zu minimieren, und wobei die Dicke und der Brechungsindex von jeder Periode das Stopp-Band bestimmt und seine begrenzende Wellenlänge, und wobei die DBR-Schicht (305) eine erste DBR-Schicht aufweist, und zwar aufgebaut aus einer Vielzahl von p-Typ InzAlxGa1-x-zAs Schichten und einer zweiten DBR-Schicht angeordnet über der ersten DBR-Schicht und aufgebaut aus einer Vielzahl von p-Typ InwAlyGa1-y-wAs Schichten, wobei w zwischen 0 und 1, x zwischen 0 und 1, y zwischen 0 und 1 und z zwischen 0 und 1 und y größer als x ist; und wobei die gradierte Zwischenschicht (505) kompositionsmäßig stufengradiert ist zur Gitteranpassung der DBR-Schicht (305) auf einer Seite und der vierten Solarsubzelle (D) auf der anderen Seite und ferner zusammensetzungsmäßig aufgebaut ist aus irgendeinem As, P, N, Sb basierten III-V Verbindungshalbleiter und zwar ausgesetzt den Einschränkungen des Vorhandenseins eines „in-Ebene“-Gitterparameters größer als oder gleich der DBR-Schicht (305) und kleiner als oder gleich derjenigen der vierten Solarsubzelle (D) und mit einer Bandabstandsenergie größer als der der vierten Solarsubzelle (D).The solar cell of any one of the preceding claims, further comprising: a distributed Bragg reflector (DBR) layer (305) adjacent to and below the third solar subcell (C) and arranged so that light enters and passes through the third solar subcells (C ), at least a portion of which may be reflected back into the third solar cell (C) through the DBR layer (305), wherein the distributed Bragg reflector layer (305) is composed of a plurality of alternating ones Layers of lattice-matched materials having discontinuities in their respective refractive indices, maximizing the difference in refractive indices between alternating layers to minimize the number of periods required to achieve a given reflectivity, and wherein the thickness and refractive index of each period determines the stop band and its limiting wavelength, and wherein the DBR layer (305) comprises a first DBR layer composed of a plurality of p-type In z Al x Ga 1-xz As layers and a second DBR layer arranged over the first DBR layer and composed of a plurality of p-type In w Al y Ga 1-yw As layers, where w is between 0 and 1, x is between 0 and 1 , y is between 0 and 1 and z is between 0 and 1 and y is greater than x; and wherein the graded interlayer (505) is compositionally step-graded to lattice match the DBR layer (305) on one side and the fourth solar subcell (D) on the other side, and further composed of any As, P, N, Sb-based III -V compound semiconductor, which is subject to the limitations of having an in-plane lattice parameter greater than or equal to the DBR layer 305 and less than or equal to that of the fourth solar subcell (D) and having a bandgap energy greater than that of the fourth Solar subcell (D). Die Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner folgendes vorgesehen ist: eine erste threading dislocation bzw. Fadenversetzungssperrschicht mit einer Dicke im Bereich von 0,10 bis 1,0 Mikron und angeordnet über dem Wachstumssubstrat und mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung gegenüber der gradierten Zwischenschicht; und eine zweite threading dislocation bzw. Fadenversetzungssperrschicht mit einer Dicke im Bereich von 0,10 bis 1,0 Mikron und aufgebaut aus InGa(AI)P, die zweite threading dislocation Sperrschicht, angeordnet über und direkt benachbart zu der erwähnten addierten Zwischenschicht zur Reduzierung der Fortpflanzung von threading dislocations, wobei die zweite threading dislocation Sperrschicht eine Zusammensetzung unterschiedlich von der Zusammensetzung der ersten threading dislocation bzw. Fadenversetzungssperrschicht besitzt und der gradierten Zwischenschicht.The solar cell of any one of the preceding claims, further comprising: a first threading dislocation layer having a thickness in the range of 0.10 to 1.0 microns and disposed over the growth substrate and having a different composition from the graded interlayer; and a second threading dislocation layer having a thickness in the range of 0.10 to 1.0 micron and constructed of InGa (Al) P, the second threading dislocation barrier layer disposed over and immediately adjacent to said added interlayer to reduce Reproduction of threading dislocations, wherein the second threading dislocation barrier layer has a composition different from the composition of the first threading dislocation and the graded interlayer. Die Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der oberen Subschichten der gradierten Zwischenschicht (505) eine größere Gitterkonstante besitzt als die benachbarten Schichten (506, 306) zur oberen Subschicht angeordnet über der gradierten Zwischenschicht.The solar cell of any one of the preceding claims, wherein at least one of the upper sub-layers of the graded interlayer (505) has a larger lattice constant than the adjacent layers (506, 306) to the upper sub-layer disposed over the graded interlayer.
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