DE202012104415U1 - Mehrfachübergangs-Solarzellen hohen Wirkungsgrades - Google Patents

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Abstract

Photovoltaikzelle, umfassend: zumindest vier Subzellen, wobei zumindest eine der Subzellen eine Basisschicht aufweist, die aus einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sb und Bi besteht, und wobei jede der zumindest vier Subzellen zu jeder der anderen Subzellen im Gitter im Wesentlichen angepasst ist.

Description

  • Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil unter 35 U.S.C. § 119(e) der provisorischen U.S.-Anmeldung Nr. 61/559,982, eingereicht am 15. November 2011, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen wird.
  • Hintergrund
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Solarzellen und insbesondere auf Mehrfachübergangs-Solarzellen hohen Wirkungsgrades, die hauptsächlich aus III/V-Halbleiterlegierungen gebildet sind.
  • Die höchsten bekannten Solarzellen-Wirkungsgrade sind durch Mehrfachübergangs-Solarzellen erzeugt worden, die hauptsächlich aus III/V-Halbleiterlegierungen bestehen. Derartige Legierungen sind Kombinationen aus Elementen, die aus Spalten IIIA und VA der Standardtabelle des Periodensystems herausgenommen sind, welche hier nachstehend durch ihre chemischen Standard-Symbole, Namen und Abkürzungen identifiziert sind, und wobei die Gesamtzahl von Elementen aus der Spalte IIIA im Wesentlichen gleich der Gesamtzahl von Elementen aus der Spalte VA ist. Die hohen Wirkungsgrade dieser Solarzellen machen sie für terrestrische Konzentrations-Photovaltaiksysteme und für Systeme attraktiv, die ausgelegt sind, um im Weltraum zu arbeiten.
  • Historisch haben die Solarzellen höchsten Wirkungsgrades aus einem monolithischen Stapel von drei Subzellen bestanden, die äquivalent als Übergänge bezeichnet werden, welche auf Germanium-(Ge)- oder Gallium-Arsenid-(GaAS)-Substraten gewachsen sind. Die Subzellen enthalten die Bereiche der Solarzelle, wo Lichtenergie in einem Bereich von Wellenlängen absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird, die extern gesammelt werden kann. Die Subzellen können durch Tunnelübergänge miteinander verbunden sein. Andere Schichten, wie Pufferschichten, können ebenfalls zwischen den Subzellen existieren. In den Solarzellen höchsten Wirkungsgrades, die derzeit nachgewiesen sind, weist die obere Subzelle eine oder mehrere absorbierende Schichten auf, die aus (Al)GaInP bestehen, die Zwischen-Subzelle weist eine oder mehrere absorbierende Schichten auf, die aus (In)GaAs bestehen, und die untere Subzelle enthält ein Ge-Substrat oder weist absorbierende Schichten auf, die aus einem III-V-Material hergestellt sind. Die vorstehende Nomenklatur für eine III-V-Legierung, bei der ein Bestandteilelement in Klammern dargestellt ist, wie Al in (Al)InGaP, bezeichnet einen Zustand einer Variabilität, bei der das besondere Element Null sein kann.
  • Jede Subzelle umfasst mehrere zugehörige Schichten, in typischer Weise enthaltend ein Fenster, einen Emitter, eine Basis und ein Rückflächenfeld (BSF). Diese Begriffe sind dem Durchschnittsfachmann gut bekannt und brauchen hier keine weitere Definition. Jede der vorstehenden Schichten kann selbst eine oder mehrere Subschichten enthalten. Das Fenster und der Emitter werden von einer Dotierungspolarität sein (beispielsweise vom n-Typ), und die Basis und das Rückflächenfeld werden von der entgegengesetzten Polarität sein (beispielsweise vom p-Typ), wobei ein p-n- oder n-p-Übergang zwischen der Basis und dem Emitter gebildet ist. Falls die Basis einen intrinsischen bzw. eigenleitenden Bereich zusätzlich zu einem absichtlich dotierten Bereich enthält, dann kann sie als ein p-i-n- oder n-i-p-Übergang angesehen werden, wie dies für den Durchschnittsfachmann bekannt ist. Durch Übereinkunft werden die spezifische Legierung und die Bandlücke einer gegebenen Subzelle als der Name bzw. die Bandlücke des Materials betrachtet, welches die Basis bildet. Dieses Material kann oder kann nicht für das Fenster, den Emitter und das Rückflächenfeld der Subzelle verwendet werden. So würde beispielsweise eine Subzelle, die ein AlInP-Fenster, einen InGaP-Emitter, eine GaAs-Basis und ein AlGaAs-Rückflächenfeld umfasst, als eine GaAs-Subzelle bezeichnet werden, und ihre Bandlücke wäre die GaAs-Bandlücke von 1,4 eV. Eine Subzelle, die ein AlInP-Fenster, einen InGaP-Emitter, eine InGaP-Basis und ein InGaP-Rückflächenfeld umfasst, würde als eine InGaP-Subzelle bezeichnet werden, und ihre Bandlücke wäre jene der InGaP-Basis. Die Subzelle kann Schichten zusätzlich zu jenen enthalten, die oben aufgeführt sind. Der Durchschnittsfachmann wird außerdem erkennen, dass Subzellen auch ohne eine oder mehrere der vorstehenden Schichten aufgebaut sein können. Beispielsweise können Subzellen ohne ein Fenster oder ohne ein Rückflächenfeld aufgebaut sein.
  • Wenn über die Stapelungsreihenfolge der Subzellen von oben nach unten gesprochen wird, wird die obere Zelle als die Subzelle definiert, die während des Betriebs der Solarzelle der Lichtquelle am nächsten ist, und die untere Subzelle ist die weiteste von der Lichtquelle. Relative Begriffe, wie ”oberhalb”, ”unterhalb”, ”obere” und ”untere” beziehen sich ebenfalls auf die Position in dem Stapel in Bezug auf die Lichtquelle. Die Reihenfolge, in der man die Subzellen hat wachsen lassen, ist für diese Definition nicht rel eVant. Die obere Subzelle wird auch mit ”J1” bezeichnet, mit ”J2” wird die zweite Subzelle von oben bezeichnet, mit ”J3” wird die dritte Subzelle von oben bezeichnet, und die höchste Zahl geht an die untere Subzelle.
  • Bis jetzt haben Drei-Übergangs-Solarzellen die höchsten Wirkungsgrade von jeglichen Solarzellen erreicht. Siehe M. A. Green et al, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 19(2011), 565–572. Diese Drei-Übergangs-Solarzellen nähern sich jedoch an ihre praktischen Wirkungsgradgrenzen an. Um signifikant höhere Wirkungsgrade zu erreichen, sind zusätzliche Übergänge oder Subzellen erforderlich. Mit zusätzlichen Subzellen können Photonen effizienter durch Materialien mit Bandlücken absorbiert werden, die näher den Photonenergien sind, welche imstande sind, mehr Lichtenergie in elektrische Energie anstatt in Wärme umzusetzen. Darüber hinaus kann der gesamte Solarzellenstrom mit zusätzlichen Subzellen für eine vorgegebene Menge von einfallendem Licht verringert werden, was Serienwiderstandsverluste verringern kann. Ein anderer Mechanismus zur Steigerung des Wirkungsgrades besteht darin, einen größeren Anteil des Solarspektrums mit zusätzlicher Subzelle/zusätzlichen Subzellen zu absorbieren. Über viele Jahre hat es eine weit verbreitete Kenntnis von der Forderung nach höheren Zahlen von Übergängen gegeben, jedoch ist bis jetzt der Versuch, Zellen aus vier, fünf und sechs Übergängen zu bilden, fehlgeschlagen, um Solarzellen mit Wirkungsgraden herzustellen, die die Wirkungsgrade der besten Drei-Übergangs-Solarzellen überschritten. Der Gründe für das Fehlschlagen sind unklar gewesen, obwohl Material- und Designfehler vermutet worden sind, einschließlich einer schlechten Materialqualität, die ein Ergebnis von Versetzungen sein kann, welche durch die Verwendung von im Gitter fehlangepassten Schichten hervorgerufen werden. Es gibt zusätzliche Herausforderungen bezüglich der erhöhten Anzahl von Tunnelübergängen, die zur Verbindung der zusätzlichen Subzellen erforderlich sind, einschließlich des Verlustes von Licht durch Tunnelübergangsabsorption.
  • Es hat lange Interesse an im Gitter angepassten Mehrfachübergangs-Solarzellen hohen Wirkungsgrades mit vier oder mehr Subzellen gegeben, jedoch sind geeignete Materialien zur Schaffung von hohen Wirkungsgraden, während eine Gitteranpassung zwischen den Subzellen und zu einem Substrat aufrechterhalten werden, zuvor schwer fassbar gewesen. So erörtert beispielsweise das US-Patent Nr. 7,807,921 die Möglichkeit einer im Gitter angepassten Vier-Übergangs-Solarzelle mit GaInNAs als Material für eine 1,0 eV-Subzelle. Der Anmelder folgerte jedoch, dass dieses Design unpraktisch ist, da GaInNAs, welches im Gitter zu den anderen Subzellen angepasst ist, eine schlechte Qualität zeigte, wenn es durch sodann bekannte Techniken hergestellt wurde. Um die Probleme beim Herausfinden von machbaren, im Gitter angepassten Strukturen zu überwinden, lehrt das Patent die Verwendung von metamorphen Materialien, einschließlich einer abgestuften metamorphen Schicht aus GaInNAs, die nicht im Gitter angepasst ist. Bei einem anderen Versuch, eine 1 eV-Subzelle herzustellen, die im Gitter an die traditionelle InGaP/(In)GaAs/Ge-Solarzelle angepasst sein kann, wurde ein Material untersucht, welches aus Gallium, Indium, Stickstoff, Arsen und verschiedenen Konzentrationen von Antimon besteht; diese Forscher schlossen jedoch, dass Antimon, sogar in kleinen Konzentrationen vermieden werden sollte, da es für die Vorrichtungsleistung als schädlich angesehen wurde. Siehe Ptak, et al, Journal of Vacuum Science Technology, 825(3), May/June 2007, Seiten 955–959.
  • Die frühere Arbeit in diesem allgemeinen Feld zeigt, dass ein hohes Niveau an Erfahrung in der Technik zur Herstellung von Materialien existiert, so dass es nicht erforderlich ist, spezifische Details der Prozesse zur Herstellung der Materialien für die Verwendung in Solarzellen zu offenbaren. Mehrere repräsentative US-Patente sind beispielhaft. US-Patent Nr. 6,281,426 offenbart gewisse Strukturen und Zusammensetzung ohne Herstellungsverfahren anzugeben, und bezieht sich auf andere Dokumente zur Anleitung bezüglich des Wachsens von Materialien. Das US-Patent Nr. 7,727,795 bezieht sich auf umgedrehte metamorphe Strukturen für Solarzellen, in denen ein exponentielles Dotieren offenbart wird.
  • Was gebraucht wird, um den Fortschritt zu Solarzellen höheren Wirkungsgrades fortzusetzen sind Aufbauten für Mehrfachübergangs-Solarzellen mit vier oder mehr Subzellen, die höhere Wirkungsgrade erreichen können als praktisch mit Drei-Übergangs-Solarzellen erzielt werden. Es wird üblicherweise angenommen, dass im Wesentlichen im Gitter angepasste Aufbauten erwünscht sind, da sie Zuverlässigkeit bewiesen haben und da sie weniger Halbleitermaterial verwenden als metamorphe Solarzellen, die relativ dicke Pufferschichten erfordern, um Differenzen in den Gitterkonstanten der verschiedenen Materialien aufzufangen. Es sei darauf hingewiesen, dass das generelle Verständnis von ”im Wesentlichen im Gitter angepasst” darin besteht, dass die in der Ebene liegenden Gitterkonstanten der Materialien in ihren vollständig entspannten Zuständen um weniger als 0,6% differieren, wenn die Materialien in Dicken größer als 100 nm vorhanden sind. Ferner bedeuten Subzellen, die zueinander im Gitter im Wesentlichen angepasst sind, wie hier verwendet, dass sämtliche Materialien in den Subzellen, die in Dicken von mehr als 100 nm vorhanden sind, in der Ebene liegende Gitterkonstanten in ihrem vollständig entspannten Zustand aufweisen, die um weniger als 0,6% differieren.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung enthält Mehrfachübergangs-Solarzellen, umfassend vier, fünf oder mehr Subzellen mit Wirkungsgraden, welche jene bekannter bester Solarzellen übersteigen können. Die Mehrfachübergangs-Solarzellen schließen zumindest eine Subzelle ein, die eine Basis, umfassend ein III-V-Material, welches As, N und zumindest ein zusätzliches Element aus der Sb und Bi umfassenden Gruppe, als III-AsNV-Materialien bezeichnet, aufweist, wobei die Zusammensetzung des Materials für eine Bandlücke und eine Gitterkonstante zugeschnitten ist. Die zuvor erwähnten Subzellen umfassen die untere Subzelle und/oder die Subzelle unmittelbar neben der unteren Subzelle in jeder der Mehrfachübergangs-Solarzellen der Erfindung. Die Subzellen der Mehrfachübergangs-Solarzellen der Erfindung sind zueinander im Gitter im Wesentlichen angepasst. Bei gewissen Ausführungsformen sind die Subzellen der Mehrfachübergangs-Solarzellen zu einem Substrat im Gitter im Wesentlichen angepasst. Die Methodik zur Bestimmung der physikalischen Parameter der Subzellen basiert auf einer genauen Simulation, welche Subzellendicken spezifiziert und eine Optimierungsprozedur ausführt, um Bandlücken und daher Materialverhältnisse in Legierungen dadurch zu ermitteln, dass eine Gitteranpassung und eine Stromanpassung zwischen Subzellen auferlegt werden. Solarzellen aus der Materialzusammensetzung hoher Qualität können sodann auf der Grundlage der Materialzusammensetzungen hergestellt werden, die durch die Simulation spezifiziert werden.
  • Bei einer bestimmten Ausführungsform werden zwei III-AsNV-Subzellen unterschiedlicher Bandlücken in einer einzelnen Mehrfachübergangs-Solarzelle hergestellt, wobei zumindest eine der Subzellen eine Bandlücke aufweist, die höher bzw. größer ist als die zuvor erzielbare oder vorgeschlagene. Bei einer anderen bestimmten Ausführungsform werden drei III-AsNV-Subzellen unterschiedlicher Bandlücken in einer einzigen Mehrfachübergangs-Solarzelle hergestellt, wobei zumindest eine der Subzellen eine Bandlücke aufweist, die höher bzw. größer ist als zuvor erzielbar oder vorgeschlagen.
  • Bei weiteren bestimmten Ausführungsformen werden Aufbauten mit vier bis sechs Übergängen offenbart, wobei die untere Subzelle eine höhere untere Bandlücke aufweist als zuvor angegeben oder vorgeschlagen.
  • Bei weiteren Ausführungsformen werden Solarzellen mit einer unteren III-AsNV-Subzelle mit einer Bandlücke, die niedriger ist als zuvor für eine III-AsNV-Legierung erzielbar gewesen ist, offenbart, die zu einem Substrat im Gitter im Wesentlichen angepasst ist.
  • Während es einen Arbeitskörper in Mehrfachübergangs-Solarzellen gegeben hat, sind die Materialparameter und die spezifischen Strukturen, die bei der vorliegenden Erfindung entwickelt und hier erörtert sind, nicht offenbart worden.
  • Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Tabellen und Figuren besser verstanden werden, welche die Zeichnungen bilden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1A ist eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit fünf Subzellen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 1B ist eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit sechs Subzellen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 2A ist eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit fünf Subzellen, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
  • 2B zeigt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit sechs Subzellen, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
  • 3A zeigt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit vier Subzellen, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
  • 3B zeigt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit vier Subzellen, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
  • 3C zeigt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit vier Subzellen, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
  • 3D zeigt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit vier Subzellen, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
  • 4 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion der Bandlücke einer unteren Subzelle für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier Subzellen unter dem AMI.5D-Spektrum bei 25°C.
  • 5 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion der Bandlücke einer unteren Subzelle für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier Subzellen unter dem AM0-Spektrum bei 25°C.
  • 6 stellt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit vier Subzellen dar, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 7 stellt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit fünf Subzellen dar, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 8 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion der Bandlücke einer unteren Subzelle für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit fünf Subzellen.
  • 9 stellt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit fünf Subzellen dar, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 10 stellt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit fünf Subzellen dar, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 11 stellt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit sechs Subzellen dar, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 12 stellt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit sechs Subzellen dar, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 13A stellt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit sechs Subzellen dar, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 13B stellt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit sechs Subzellen dar, die ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 14 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion der Bandlücke einer unteren Subzelle für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit sechs Subzellen.
  • 15 veranschaulicht Elemente einer Mehrfachübergangs-Solarzellenvorrichtung, wie sie in gewissen Ausführungsbeispielen der Erfindung gefunden wird.
  • 16 veranschaulicht eine schematische Schnittansicht eines spezifischeren Beispiels einer Mehrfachübergangs-Solarzelle gemäß der Erfindung.
  • 17A zeigt Strom-Spannungs-Kurven für die Mehrfachübergangs-Solarzelle mit fünf Subzellen gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer zum Stand der Technik gehörenden Mehrfachübergangs-Solarzelle mit drei Subzellen.
  • 17B stellt eine schematische Schnittansicht einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit fünf Subzellen dar, die ein noch weiteres Beispiel der Ausführungsform der Erfindung zeigt, wie sie in 7 dargestellt ist.
  • 18A zeigt Strom-Spannungs-Kurven für die Mehrfachübergangs-Solarzelle mit vier Subzellen gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer zum Stand der Technik gehörenden Mehrfachübergangs-Solarzelle mit drei Subzellen, gemessen unter dem AM0-Spektrum.
  • 18B zeigt die Solarzelle mit vier Subzellen, für die die in 18A dargestellte Simulation erstellt wurde.
  • 19A zeigt Strom-Spannungs-Kurven für die Mehrfachübergangs-Solarzelle mit sechs Subzellen gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer zum Stand der Technik gehörenden Mehrfachübergangs-Solarzelle mit drei Subzellen, gemessen unter dem AM0-Spektrum.
  • 19B zeigt die Solarzelle mit sechs Subzellen, für die die in 19A dargestellte Simulation erstellt wurde.
  • 20 zeigt die berechnete Bandlücke als Funktion der Zusammensetzung für Ga1,01-3wIn3w-0,01NwAs0,99-wSb0,01.
  • Detaillierte Beschreibung
  • ”III-AsNV”-Materialien sind hier definiert als Legierungen von Elementen aus der Gruppe IIIA (das sind B, Al, Ga, In, Tl) und der Gruppe VA (das sind N, P, As, Sb, Bi) aus der Tabelle des Periodensystems; diese Legierungen enthalten As, N und zumindest eine zusätzliche Elemente von Sb und Bi. In gewissen Ausführungsbeispielen ist das zumindest eine zusätzliche Element Sb. In gewissen Ausführungsbeispielen ist das zumindest eine zusätzliche Element Bi. Die Legierungen können etwa eine Hälfte von Elementen der Gruppe IIIA und eine Hälfte von Elementen der Gruppe VA umfassen. Ein Element kann lediglich als ein Teil der Legierung betrachtet werden, falls es in einer atomaren Zusammensetzung von zumindest 0,05% vorhanden ist. Somit werden Dotierungsmittel, die zur Erzeugung einer Leitfähigkeit des n-Typs oder des p-Typs (beispielsweise Mg, Be, Si oder Te) verwendet werden, nicht als Teil der Legierung betrachtet. Beispiele von III-AsNV-Materialien enthalten GaNAsSb, GaInNAsSbBi und AlInGaNAsSb. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist ein III-AsNV-Material eine Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element, welches aus Sb und Bi ausgewählt ist. Der Ausdruck ”Element aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems”, wie hier verwendet, bezieht sich auf ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems. So umfasst beispielsweise bei bestimmten Ausführungsbeispielen eine Legierung ein Element aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, und bei bestimmten Ausführungsbeispielen mehr als ein Element aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, wie zwei Elemente aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems.
  • III-AsNV-Materialien sind als Solarzellenmaterialien vorteilhaft, da ihre Gitterkonstanten variiert werden können, um im Wesentlichen an einen breiten Bereich von Substraten und/oder Subzellen angepasst zu werden, die aus anderen Materialien als III-AsNV-Materialien gebildet sind. Ihre Gitterkonstanten können durch relative Fraktionen der verschiedenen Elemente der Gruppe IIIA und der Gruppe VA gesteuert werden. Durch Zuschneiden der Zusammensetzungen (das heißt der Elemente und Mengen) von III-AsNV-Materialien kann somit ein weiter Bereich von Gitterkonstanten und Bandlücken erreicht werden. Ferner kann ein Material hoher Qualität durch Optimieren der Zusammensetzung um eine bestimmte Gitterkonstante und Bandlücke erzielt werden, während die Gesamt-Sb- und/oder -Bi-Zusammensetzung auf nicht mehr als 20% der Gruppe-V-Gitterplätze, in gewissen Ausführungsbeispielen auf nicht mehr als 3% der Gruppe-V-Gitterplätze und in gewissen Ausführungsformen auf nicht mehr als 1% der Gruppe-V-Gitterplätze begrenzt ist. Bezüglich Sb und/oder Bi wird angenommen, dass sie als oberflächenaktive Stoffe wirken, um eine gleichmäßige Wachstunsmorphologie der III-AsNV-Legierungen zu fördern. Darüber hinaus erleichtern sie eine gleichmäßige Einbeziehung von Stickstoff und minimieren die Bildung von Stickstoff bezogenen Defekten. Die Einbeziehung von Sb und/oder Bi fördert die gesamte Stickstoffeinbeziehung und reduziert die Legierungs-Bandlücke, was die Realisierung von Legierungen niedriger Bandlücke unterstützt. Es gibt jedoch zusätzliche Defekte, die durch Sb und/oder Bi hervorgerufen werden; aus diesem Grund sollte ihre Gesamtkonzentration auf nicht mehr als 20% der Gruppe-V-Gitterplätze begrenzt werden. Ferner sinkt die Grenze für die Sb- und/oder Bi-Zusammensetzung mit sinkender Stickstoffzusammensetzung ab. Legierungen, die In enthalten, weisen sogar niedrigere Grenzen für die Gesamtzusammensetzung aus Sb und/oder Bi auf, da das In die Menge an Sb und/oder Bi verringert, das für ein Zuschneiden der Gitterkonstanten gebraucht wird. Für Legierungen, die In enthalten, kann die Gesamtzusammensetzung aus Sb und/oder Bi auf nicht mehr als 3% der Gruppe-V-Gitterplätze begrenzt sein, und bei gewissen Ausführungsformen auf nicht mehr als 1% der Gruppe-V-Gitterplätze. Beispielsweise ist Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, wie es in der US-Anmeldungsveröffentlichung Nr. 2010-0319764 offenbart ist, die hier durch Bezugnahme einbezogen wird, bekannt, dass es ein Material hoher Qualität erzeugt hat, wenn es an ein GaAs- oder Ge-Substrat im Gitter im Wesentlichen angepasst ist und im Zusammensetzungsbereich von 0,08 ≤ x ≤ 0,18, 0,025 ≤ y ≤ 0,04 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03 bei einer Bandlücke von zumindest 0,9 eV liegt. Dieses Material wird als untere Subzelle der Solarzelle verwendet, die am Einreichungstag der Prioritätsanmeldung den Weltrekord für den Umsetzungswirkungsgrad hält.
  • Bei gewissen Ausführungsbeispielen der Erfindung beträgt die N-Zusammensetzung nicht mehr als 7% der Gruppe-V-Gitterplätze. Bei gewissen Ausführungsbeispielen beträgt die N-Zusammensetzung nicht mehr als 4% und bei gewissen Ausführungsformen nicht mehr als 3%.
  • Die vorliegende Erfindung enthält Mehrfachübergangs-Solarzellen mit vier oder mehr Subzellen, die zumindest eine III-AsNV-Subzelle einschließen. Die Bandlücken der III-AsNV-Materialien können durch Variieren der Zusammensetzungen zugeschnitten werden, während die Gesamtzusammensetzung von Sb und Bi begrenzt wird. Somit können III-AsNV-Subzellen mit optimalen Bandlücken zum Integrieren mit anderen Subzellen hergestellt werden, während im Wesentlichen eine Gitteranpassung zu den anderen Subzellen aufrechterhalten wird. Die Bandlücken und Zusammensetzungen der III-AsNV-Subzellen werden so zugeschnitten, dass die durch die III-AsNV-Subzellen erzeugten Kurzschlussströme dieselben oder etwas größer sein werden als die der anderen Subzellen in der Solarzelle. Da die III-AsNV-Materialien im Gitter angepasste und hinsichtlich der Bandlücke abstimmbare Subzellen hoher Qualität bereitstellen, werden die offenbarten Solarzellen, die III-AsNV-Subzellen umfassen, Umsetzungswirkungsgrade erreichen, welche jene von Drei-Übergangs-Solarzellen übersteigen. Die Verstärkung im Wirkungsgrad geht größtenteils darauf zurück, dass weniger Lichtenergie als Wärme verloren geht, da es die Extra-Subzellen ermöglichen, dass mehr der einfallenden Photonen durch Materialien mit Bandlücken zu absorbieren sind, die näher bei dem Energiepegel der einfallenden Photonen sind. Darüber hinaus gibt es dort geringere Reihenwiderstandsverluste in diesen Mehrfachübergangs-Solarzellen im Vergleich zu Drei-Übergangs-Solarzellen auf Grund der geringeren Betriebsströme. Bei höheren Konzentrationen des Sonnenlichtes werden die verringerten Reihenwiderstandsverluste ausgeprägter. In Abhängigkeit von der Bandlücke der unteren Subzelle kann die Sammlung eines weiteren Bereiches von Photonen in dem Solarspektrum ebenfalls zu der Wirkungsgradverstärkung beitragen.
  • Aufbauten von Mehrfachübergangs-Solarzellen mit mehr als drei Subzellen beim Stand der Technik beziehen sich hauptsächlich auf metamorphe Wachstumsstrukturen, neue Materialien oder dramatische Verbesserungen in der Qualität von existierenden Subzellen-Materialien, um Strukturen vorherzusagen, die hohe Wirkungsgrade erzielen können. Solarzellen, die metamorphe Pufferschichten enthalten, können Zuverlässigkeitssorgen auf Grund des Potentials für Versetzungen von den Pufferschichten aufweisen, um sich über die Zeit in die Subzellen auszubreiten, was eine Verschlechterung in der Leistung hervorruft. Im Gegensatz dazu können III-AsNV-Materialien heute in Solarzellen mit mehr als drei Subzellen verwendet werden, um hohe Wirkungsgrade zu erzielen, während im Wesentlichen eine Gitteranpassung zwischen Subzellen aufrechterhalten wird, was für die Zuverlässigkeit von Vorteil ist. So hat beispielsweise ein Zuverlässigkeitstest bezüglich III-AsNV-Subzellen, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt werden, gezeigt, dass derartige Vorrichtungen das Äquivalent von 390 Jahren eines Sonnenbetriebs bei 100°C ohne Fehler überlebten. Die maximale Verschlechterung, die in diesen Subzellen zu sehen war, war eine Verringerung in der Leerlaufspannung von 1,2%.
  • Für eine Anwendung im Weltraum ist die Strahlungshärte von großer Bedeutung, die sich auf eine minimale Verschlechterung in der Vorrichtungsleistung bezieht, wenn die Vorrichtung ionisierender Strahlung ausgesetzt ist, die Elektronen und Protonen enthält. Mehrfachübergangs-Solarzellen, in die III-AsNV-Subzellen der vorliegenden Erfindung einbezogen sind, sind einem Protonen-Bestrahlungstest unterzogen worden, um die Auswirkungen der Verschlechterung in Weltraumumgebungen zu prüfen. Verglichen mit Ge-basierten Dreifachübergangs-Solarzellen demonstrierten die Ergebnisse, dass diese III-AsNV enthaltenden Vorrichtungen ähnliche Leistungsverschlechterungsraten und überlegene Spannungserhaltungsraten aufweisen. Im Vergleich zu nicht im Gitter angepassten (metamorphen) Dreifachübergangs-Solarzellen sind sämtliche Maße bzw. Messgrößen für III-AsNV enthaltende Vorrichtungen überlegen. Bei gewissen Ausführungsformen der Erfindung enthalten die Solarzellen (Al)GaInPAs-Subzellen, um die Strahlungshärte im Vergleich zu (Al, In)GaAs-Subzellen zu verbessern.
  • Es wurde ein verbessertes Simulationsmodell verwendet, um die Aufbauten und Wirkungsgrade von Mehrfachübergangs-Solarzellen mit vier, fünf oder sechs Subzellen zu bestimmen. Die Simulation stützte sich auf die Verwendung von Standard-Solarzellengleichungen (siehe beispielsweise Nelson, The Physics of Solar Cells, London: Imperial College Press, 2003, Seiten 145–176; oder Kurtz at el, Journal of Applied Physics 68 (1990), 1890), um den Quantenwirkungsgrad, den Dunkelstrom, den Strom und die Spannung für eine einzelne Subzelle unabhängig von den umgebenden Subzellen zu berechnen, und von Standardschaltungsgleichungen zum Berechnen der Gesamt-Mehrfachübergangs-Strom-Spannungskurve aus den Strom-Spannungs-Kurven der Komponenten-Subzellen, einschließlich eines einzelnen konzentrierten Reihenwiderstandselements. Wenn hohe Beleuchtungsintensitäten (>10 W/cm2) in diesen Simulationen angewandt wurden, war angenommen, dass der Dunkelstrom durch den Diffusionsstrom dominiert wird; der Beitrag von der Shockley-Read-Hall-Rekombination im Verarmungsbereich wurde vernachlässigt. Die Simulation variierte die Bandlücken und damit die Zusammensetzungen der Subzellen, bis die Subzellen im Strom angepasst waren. (Unter im Strom angepasst wird verstanden, dass dies bedeutet, dass die Stromerzeugungskapazität im Wesentlichen für jede Subzelle dieselbe ist, was definiert ist als Abweichung um nicht mehr als 2% und vorzugsweise um nicht mehr als 1%. Es sei darauf hingewiesen, dass in jeder Mehrfachübergangs-Solarzelle mit in Reihe geschalteten Subzellen der durch jede Subzelle fließende Strom notwendigerweise derselbe sein muss. Es kann jedoch angemessen sein, über die Kurzschlussströme zu reden, die durch jede einzelne Subzelle erzeugt würden, falls die Subzellen nicht in Reihe geschaltet wären, und als ob das Licht für die unteren Subzellen durch die oberen Subzellen noch gefiltert wurde. Dies ist das, was durch Bezugnahme auf die Stromerzeugungskapazität einer Subzelle gemeint ist). Die Subzellen-Materialien wurden in der Simulation spezifiziert, und die Bandlücken oder die Zusammensetzungen wurden innerhalb spezifizierter Bereiche für jedes bestimmte Material-Legierungssystem variiert. Wenn die Bandlücke einer bestimmten Subzelle das obere Ende ihres zulässigen Bereichs erreichte, jedoch die Stromanpassung nicht erreicht worden ist, wurde die Basisdicke verringert, um eine Stromanpassung zu erzielen. Wenn die Bandlücke einer bestimmten Subzelle das untere Ende ihres zulässigen Bereichs erreichte, wurde die Stromanpassungsforderung für die bestimmte Subzelle und jene darüber begrenzt; untere Subzellen wiesen höhere die Stromerzeugungskapazitäten auf. Dies ist eine deutliche Abweichung von früheren Simulationen dieses Typs, die in typischer Weise lediglich die Basisdicke variieren, um die Ströme zwischen Subzellen anzupassen. Die für diese Erfindung angewandte Simulation unterscheidet sich ferner von anderen Arten von Simulationen beim Stand der Technik, welche die Bandlücke der einzelnen Subzellen variieren, um Ströme anzupassen, jedoch ideale oder beliebige Materialeigenschaften für einige oder sämtlich der Subzellen annehmen. Derartige Simulationen beim Stand der Technik liefern andere Ergebnisse als die hier angewandten Simulationen, die experimentell bestimmte Materialparameter für sämtliche Subzellen abgesehen für Ge anwenden. Die Simulation kann angewandt werden, um Bandlücken-Beziehungen und eine Stromanpassung für jegliches einfallendes Lichtenergiespektrum und bei jeglicher angemessener Betriebstemperatur zu optimieren. Die für die Erfindung angewandten Simulationen wurden unter Heranziehung des AM1,5D-Spektrums bei Temperaturen zwischen 25°C und 90°C als Eingangsgrößen ausgeführt. Die Simulationen liefen auf Matlab-Software auf einem Windows-Betriebssystem.
  • Das Simulationsmodell wurde außerdem mit dem AM0-Spektrum bei 25°C angewandt, um die Aufbauten und Wirkungsgrade von Mehrfachübergangs-Solarzellen mit vier, fünf und sechs Subzellen für eine Anwendung im Weltraum vorherzusagen. Da diese Simulationen bei 1 Beleuchtungssonne liefen, war der Beitrag für den Dunkelstrom von der Shockley-Read-Hall-Rekombination im Verarmungsbereich eingeschlossen. In Abhängigkeit von der interessierenden Anwendung können Solarzellen für den Weltraum für andere Betriebstemperaturen optimiert sein, und die resultierenden Strukturen können sich von jenen hier leicht ändern.
  • Für die Vorhersage-Simulationen wurde ein perfekter Antireflexionsüberzug (ARC) angenommen, um den Rechenaufwand beim Optimieren der ARC zu verringern. Dies kann bewirken, dass die Vorhersage-Wirkungsgrade um etwa 2 bis 4% (beispielsweise 40,8% anstatt von 40,0%) überhöht sind. Für die Simulation von existierenden Einzel- oder Dreifachübergangs-Solarzellen wurde ein realistisches ARC in die Simulation von Solarzellen mit einer ARC eingeschlossen, um die experimentellen Ergebnisse genauer zu modellieren.
  • Einzigartig für die Simulation, die für diese Erfindung angewandt wurde, ist die Verwendung von genauen Materialparametern für die interessierenden Legierungssysteme, die sind zu GaAs- und Ge-Substraten, einschließlich von (Al)InGaP, (Al, In)GaAs und GaInNAsSb, ein Beispiel eines III-AsNV-Materials, im Gitter im Wesentlichen angepasst. Diese Materialparameter können herangezogen werden, um unter anderen Werten den Quantenwirkungsgrad und den Dunkelstrom vorherzusagen. Für diese Materialsysteme wurde ein Bereich von Zusammensetzungen ermittelt, in welchem die primäre Wirkung auf den Quantenwirkungsgrad und den Dunkelstrom die Änderung in der Bandlücke war. Infolgedessen konnten die anderen Materialparameter als konstant mit genauen Ergebnissen behandelt werden. Beispielsweise betrug für (Al)InGaP der Bereich von Zusammensetzungen, in denen die Materialparameter anders als die Bandlücke als konstant für Subzellen behandelt werden konnten, die zu GaAs oder Ge im Gitter im Wesentlichen angepasst sind, x ≤ 0,2 für AlxIn0,5Ga1-xP.
  • Materialparameter für (Al)GaInPAs und SiGe(Sn) waren nicht in die Simulation eingeschlossen, sondern Solarzellenstrukturen hohen Wirkungsgrades, die (Al)GaInPAs und SiGe(Sn) verwenden, können mit derselben Methodik ausgelegt werden.
  • Die Materialparameter für jedes Materialsystem in der Simulation enthielten die Bandlücke, die n- und k-Werte (das ist der Brechungsindex), die effektiven Loch- und Elektronenmassen, die statische Dielektrizitätskonstante, die Minoritätsträger-Mobilitäten, die Minoritätsträger-Lebensdauern und die Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeiten für Schnittstellen mit relevanten Materialien. Die n- und k-Werte wurden aus Ellipsometriemessungen für einige Materialien bestimmt und für andere Materialien aus der Literatur entnommen, und sie wurden als Funktion der Bandlückenenergie erforderlichenfalls innerhalb eines bestimmten Legierungssystems verschoben. Die effektiven Massen und die statischen Dielektrizitätskonstanten wurden für (Al)InGaP und (Al, In)GaAs der Literatur entnommen. Für GaInNAsSb betrugen die verwendeten Werte 0,6m0, 0,15m0 und 13,3 für die effektiven Loch- und Elektronenmassen bzw. die statische Dielektrizitätskonstante, wobei m0 die effektive Elektronenmasse ist. Die Materialparameter wurden in dem simulierten Bereich bei der Temperatur als konstant angenommen, abgesehen für die Bandlücke und die n- und k-Werte, die mit der Bandlückenenergie verschoben wurden. Die Minoritätsträgermobilitäten wurden anfänglich aus den Majoritätsträgermobilitäten geschätzt, die auf gleichmäßig dotierten Schichten unter Heranziehung von Hall-Effekt-Messungen gemessen wurden, und sie wurden durch Anbringen von experimentellen Quantenwirkungsgraddaten verfeinert. Die Minoritätsträger-Lebensdauern und die Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeiten wurden durch zeitlich aufgelöste Foto-Lumineszenzmessungen bestimmt. Für Ge wurden sämtliche Materialparameter auf der Grundlage von verfügbaren Zahlen in der Literatur geschätzt. Mittlere Dotierungswerte und Materialparameter wurden in den Simulationen angewandt, um Fälle zu behandeln, in denen Dotierungswerte durch eine Schicht abgestuft waren. Die Dotierungswerte lagen zwischen 1 × 1017 cm–3 und 1 × 1019 cm–3 für n-Typ-Schichten und zwischen 5 × 1015 cm–3 und 2 × 1018 cm–3 für p-Typ-Schichten, und sie wurden für eine Leistung in experimentellen Vorrichtungen optimiert. Die Beziehung zwischen der Zusammensetzung und der Bandlücke ist für die (Al)InGaP und (Al, In)GaAs-Materialsysteme, die zu GaAs und Ge im Gitter angepasst sind, gut bekannt, was die Zusammensetzung für eine gegebene Bandlücke spezifiziert. Die Bandlücke von Ga1-1InxNyAs1-y-zSbz ist nicht eine einfache Funktion der Zusammensetzung auf Grund der Interaktionen zwischen den verschiedenen Elementen, wie Faktoren, wie der Spannung in der Schicht. Die Zusammensetzung, die eine gewünschte Bandlücke mit einer spezifischen Gitterkonstanten hervorbringt, wird durch Variieren der Zusammensetzung in einer Optimierungsprozedur ermittelt. Als ein Beispiel ist in 20 die Beziehung zwischen der Bandlücke und der Zusammensetzung w für Ga1,01-3wIn3w0,01NwAs0,99-wSb0,01 gezeigt. Hier liegt die Sb-Zusammenfassung fest. Ähnliche Darstellungen können für verschiedene Sb-Zusammensetzungen oder mit anderen konstant gehaltenen Elementen konstruiert werden.
  • Die thermische Dosis, welche durch die Intensität der Wärme gesteuert wird, die während einer bestimmten Zeitdauer ausgeübt wird (beispielsweise die Anwendung einer Temperatur von 600°C bis 900°C während einer Dauer zwischen 10 Sekunden und 10 Stunden), welche ein III-AsNV-Material während des Wachsens und nach dem Wachsen erhält, wirkt sich ebenfalls auf die Beziehung zwischen der Bandlücke und der Zusammensetzung aus. Generell nimmt die Bandlücke zu, wenn die thermische Dosis zunimmt.
  • Da die Entwicklung der oben beschriebenen Materialien fortschreitet, wird erwartet, dass die Materialqualität sich weiterhin verbessern wird, was sogar höhere Wirkungsgrade aus denselben Aufbauten ermöglicht, die bei dieser Erfindung beschrieben sind. Die Simulation lief außerdem bei verbesserten Minoritätsträgerelgenschaften, um Strukturen und die Leistung von zukünftigen Vorrichtungen vorherzusagen.
  • Die Anwendung der Simulation über die Temperaturbereiche von 25°C bis 90°C wurde durch Daten für Dreifachübergangs-Solarzellen unterstützt, wobei eine untere GaInNAsSb-Subzelle von 25°C bis 125°C arbeitete.
  • Da eine Zusammensetzung innerhalb eines vorgegebenen Legierungssystems variiert wird, müssen die Wachstumsbedingungen modifiziert werden, wie dies dem Durchschnittsfachmann bekannt ist. So wird beispielsweise für (Al, In)GaAs die Wachstumstemperatur zunehmen, wenn der Anteil von Al zunimmt, und sie wird abnehmen, wenn der Anteil von In zunimmt, um dieselbe Materialqualität beizubehalten. Wenn eine Zusammensetzung verändert wird, können somit die Wachstumstemperatur sowie andere Wachstumsbedingungen entsprechend eingestellt werden.
  • Tabellen 1A und 1B zeigen den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und den Füllfaktor sowohl von simulierten I-V-Kurven als auch von experimentellen Daten für Al0,1In0,5Ga0,4P bzw. In0,5Ga0,5P-Subzellen, die einer einfallenden Solarstrahlung der angegebenen Intensität unter Heranziehung eines AM1,5D-Spektrums bei 25°C ausgesetzt waren. Die enge Übereinstimmung zwischen der Simulation und experimentellen Ergebnissen ist eine Verifikation der Genauigkeit der Simulation. Die Anzahl von Sonnen, die für jede Tabelle aufgelistet sind, liefert eine Information über die Beleuchtungsintensität, die auf die Zelle während des Testens einfällt. Es ist die Zahl vom Vielfachen ”einer Sonnen”-Intensität (0,1 W/cm2), die auf die Zelle einfällt. So gibt beispielsweise der Begriff ”800 Sonnen” 80 W/cm2 an. Die Zahlen von Sonnen differieren für jeden Fall, da die existierenden experimentellen Daten bei verschiedenen Intensitäten herangezogen wurden. Das einfallende Spektrum näherte sich an das AM1,5D-Spektrum in den experimentellen Messungen an und war das AM1,5D-Spektrum in den Simulationen. Tabelle 1A. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Al0,1In0,5Ga0,4P-Subzelle, die bei 525 Sonnen unter dem AM1,5D-Spektrum beleuchtet wurde.
    Al0,1In0,5Ga0,4P-Subzelle bei 525 Sonnen
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 6,3 A/cm2 6,2 A/cm2
    Leerlaufspannung 1,68 V 1,70 V
    Füllfaktor 84% 82%
    Tabelle 1B. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine In0,5Ga0,5P-Subzelle, die bei 925 Sonnen unter dem AM1,5D-Spektrum beleuchtet wurde.
    In0,5Ga0,5P-Subzelle bei 925 Sonnen
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 13,0 A/cm2 12,7 A/cm2
    Leerlaufspannung 1,61 V 1,63 V
    Füllfaktor 79% 80%
  • Tabellen 1C und 1D zeigen den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und den Füllfaktor sowohl von simulierten I-V-Kurven als auch von experimentellen Daten für Al0,1In0,5Ga0,4P- und In0,5Ga0,5P-Subzellen unter dem Luftmassen-Null-(AM0)-Spektrum. Das einfallende Spektrum näherte sich an das AM0-Spektrum bei einer Intensität von 1,353 W/cm2 bei 25°C in den experimentellen Messungen an und war das AM0-Spektrum bei 25°C in den Simulationen. Die dichte Übereinstimmung zwischen der Simulation und den experimentellen Ergebnissen stellt eine Verifikation der Genauigkeit der Simulation dar. Tabelle 1C. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Al0,1IN0,5Ga0,4P-Subzelle, die unter dem AM0-Spektrum beleuchtet wurde.
    Al0,1In0,5Ga0,4P-Subzelle
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 16,0 mA/cm2 16,2 mA/cm2
    Leerlaufspannung 1,50 V 1,48 V
    Füllfaktor 87% 87%
    Tabelle 1D. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine In0,5Ga0,5P-Subzelle unter dem AM0-Spektrum.
    In0,5Ga0,5P-Subzelle
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 18,1 A/cm2 17,7 mA/cm2
    Leerlaufspannung 1,41 V 1,41 V
    Füllfaktor 87% 89%
  • Tabellen 2A und 2B zeigen analoge Daten für Al0,2Ga0,8As- bzw. GaAs-Subzellen und Tabellen 3A und 3B für Ga0,96In0,04N0,01As0,98Sb0,01- bzw. Ga0,96In0,1N0,03As0,96Sb0,01-Subzellen, die einer einfallen Solarstrahlung der angegebenen Intensität unter Verwendung eines AM1,5D-Spektrums bei 25°C ausgesetzt wurden. Tabelle 2A. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Al0,2Ga0,8As-Subzelle, die bei 1130 Sonnen unter dem AM1,5-Spektrum beleuchtet wurde.
    Al0,2Ga0,8As-Subzelle bei 1130 Sonnen
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 10,3 A/cm2 10,4 A/cm2
    Leerlaufspannung 1,46 V 1,43 V
    Füllfaktor 85% 83%
    Tabelle 2B. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine GaAs-Subzelle, die bei 980 Sonnen unter dem AM1,5D-Spektrum beleuchtet wurde.
    GaAs-Subzelle bei 980 Sonnen
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 17,2 A/cm2 17,1 A/cm2
    Leerlaufspannung 1,22 V 1,22 V
    Füllfaktor 78% 80%
    Tabelle 3A. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Ga0,96In0,04N0,01As0,98Sb0,01-Subzelle, die bei 1230 Sonnen unter dem AM1,5D-Spektrum beleuchtet wurde.
    Ga0,96In0,04N0,01As0,98Sb0,01-Subzelle bei 1230 Sonnen
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 6,5 A/cm2 6,6 A/cm2
    Leerlaufspannung 0,84 V 0,82 V
    Füllfaktor 81% 77%
    Tabelle 3B. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Ga0,9In0,1N0,03As0,96Sb0,01-Subzelle, die bei 610 Sonnen unter dem AM1,5D-Spektrum beleuchtet wurde.
    Ga0,9In0,1N0,03As0,96Sb0,01-Subzelle bei 610 Sonnen
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 9,5 A/cm2 9,3 A/cm2
    Leerlaufspannung 0,59 V 0,60 V
    Füllfaktor 71% 70%
  • Tabellen 2C und 2D zeigen analoge Daten für Al0,2Ga0,8As- bzw. GaAs-Subzellen, und Tabellen 3C und 3D zeigen Daten für Ga0,96In0,04N0,01As0,98Sb0,01- bzw. für Ga0,96In0,1N0,03As0,96Sb0,01-Subzellen unter dem AM0-Spektrum bei einer Intensität von 1.353 W/cm2 bei 25°C. Tabelle 2C. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Al0,2Ga0,8As-Subzelle unter dem AM0-Spektrum.
    Al0,2Ga0,8As-Subzelle
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 10,3 mA/cm2 10,4 mA/cm2
    Leerlaufspannung 1,23 V 1,18 V
    Füllfaktor 85% 83%
    Tabelle 2D: Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine GaAs-Subzelle unter dem AM0-Spektrum.
    GaAs-Subzelle
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 18,9 mA/cm2 19,0 mA/cm2
    Leerlaufspannung 1,01 V 1,00 V
    Füllfaktor 83% 85%
    Tabelle 3C. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Ga0,96In0,04N0,01As0,98Sb0,01-Subzelle unter dem AM0-Spektrum.
    Ga0,96In0,01As0,90Sb0,01-Subzelle
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 7,5 mA/cm2 7,7 mA/cm2
    Leerlaufspannung 0,61 V 0,57 V
    Füllfaktor 76% 77%
    Tabelle 3D. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Ga0,96In0,01N0,03As0,96Sb0,01-Subzelle unter dem AM0-Spektrum.
    Ga0,96In0,01N0,03As0,96Sb0,01-Subzelle
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 18,2 mA/cm2 17,9 mA/cm2
    Leerlaufspannung 0,40 V 0,41 V
    Füllfaktor 70% 71%
  • Die Validierung des Modells wurde außerdem durch Simulieren der Leistung einer zum Stand der Technik gehörenden Mehrfachübergangs-Solarzelle durchgeführt, die drei Subzellen umfasst: In0,5Ga0,5P (1,9 eV), GaAs (1,4 eV) und Ga0,9In0,1N0,03As0,96Sb0,01 (1,0 eV) bei den Gesamt-Subzellendicken von 1–2 μm, 4–4,5 μm bzw. 2–3 μm. Die Tabelle 4A zeigt den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und den Füllfaktor der simulierten Solarzelle unter dem AM1,5D-Spektrum, das auf 525 Sonnen (oder 52,5 W/cm2) bei 25°C konzentriert war. Außerdem ist die gemessene Leistung einer Solarzelle mit diesen Charakteristiken und Betriebszuständen gezeigt. Es kann ersehen werden, dass das Modell die gemessene Leistung genau vorhersagt. Tabelle 4A. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Solarzelle mit drei Subzellen, die bei 525 Sonnen unter dem AM1,5D-Spektrum beleuchtet wurden.
    Solarzelle mit drei Subzellen bei 525 Sonnen
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 7,3 A/cm2 7,3 A/cm2
    Leerlaufspannung 3,37 V 3,40 V
    Füllfaktor 87% 86%
  • Die Validierung des Modells wurde außerdem durch Simulieren der Leistung einer zum Stand der Technik gehörenden Mehrfachübergangs-Solarzelle ausgeführt, die drei Subzellen umfasst: Al0,1In0,5Ga0,4P (2,0 eV), GaAs (1,4 eV) und Ga0,9In0,1N0,03As0,96Sb0,01 (1,0 eV) bei den Gesamt-Subzellendicken von 0,75–1,25 μm, 3–4 μm bzw. 2–3 μm unter dem AM0-Spektrum. Tabelle 4B zeigt den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und den Füllfaktor der simulierten Solarzelle unter dem AM0-Spektrum bei 25°C. Außerdem ist die gemessene Leistung einer Solarzelle mit diesen Charakteristiken und Betriebszuständen gezeigt. Das Modell sagt die gemessene Leistung unter dem AM0-Spektrum bei 25°C genau voraus. Tabelle 4B. Simulierte und experimentelle Solarzellendaten für eine Solarzelle mit drei Subzellen unter dem AM0-Spektrum.
    Solarzelle mit drei Subzellen
    simulierte Daten experimentelle Daten
    Kurzschlussstrom 17,1 mA/cm2 16,7 mA/cm2
    Leerlaufspannung 2,90 V 2,92 V
    Füllfaktor 85% 86%
  • Das Modell wurde dann dazu genutzt, die Strukturen von Mehrfachübergangs-Solarzellen mit vier, fünf und sechs Subzellen vorherzusagen, die die Wirkungsgrade bekannter bester Drei-Übergangs-Solarzellen übersteigen. Die anschließenden Absätze beschreiben allgemeinere und spezifischere Ausführungsbeispiele der Erfindung. In vielen Fällen waren die Strukturen im Wesentlichen im Gitter auf GaAs- und Ge-Substrate angepasst eingeschränkt. Sämtlichen Bandlückenbereichen ist eine signifikante Ziffer rechts vom Komma gegeben. Während die Simulation optimierte Strukturen vorhersagt, wo die Subzellen in typischer Weise im Strom angepasst sind, können andere Designkriterien (beispielsweise eine gewünschte Solarzellendicke) zu der Modifikation der Strukturen innerhalb der unten spezifizierten Bandlückenbereiche führen.
  • Erwähnenswert ist, dass die unten offenbarten Ausführungsbeispiele der Erfindung Mehrfachübergangs-Solarzellen mit unteren Subzellen enthalten, die Bandlücken aufweisen, welche größer als 0,8 eV bis zu 1,1 eV sind. Der Stand der Technik lehrt vorherrschend, dass Mehrfachübergangs-Solarzellen mit mehr als drei Subzellen eine untere Subzelle mit einer Bandlücke aufweisen sollten, die kleiner als oder gleich 0,8 eV ist, um Licht über einen breiteren Anteil des Solarspektrums einzufangen. Am häufigsten ist das die Basis der unteren Zelle bildende Material beim Stand der Technik Ge oder InGaAs. Überraschenderweise können jedoch hohe Wirkungsgrade von Solarzellen der Erfindung unter Verwendung einer unteren III-AsNV-Subzelle erzielt werden, die eine Bandlücke aufweist, welche so hoch ist wie 1,1 eV, und zwar auf Grund zumindest zum Teil der höheren Spannungen und einer effektiven Stromgewinnung von derartigen Subzellen.
  • Ein weiterer neuer Aspekt von vielen der unten offenbarten Ausführungsbeispiele ist der Einschluss von zwei oder mehr III-AsNV-Subzellen unterschiedlicher Bandlücken in einer einzelnen Mehrfachübergangs-Solarzelle. Bei diesen Ausführungsbeispielen weist zumindest eine der III-AsNV-Subzellen eine höhere Bandlücke auf als zuvor erzielbar oder vorgeschlagen worden ist, die beispielsweise eine Bandlücke von 1,3 eV.
  • Außerdem ist erwähnenswert, dass gewisse Ausführungsbeispiele eine untere III-AsNV-Subzelle mit einer Bandlücke aufweisen, die kleiner ist als zuvor für eine III-AsNV-Legierung erzielbar gewesen ist, die zu einem Substrat im Gitter im Wesentlichen angepasst ist, wie beispielsweise eine Bandlücke von 0,8 eV.
  • 1A–1B, 2A–2B, 3A–3D, 6–7, 9–12, 13A–B und 15–16, 17B, 18B und 19B veranschaulichen im zusätzlichen Detail gewisse Ausführungsbeispiele von Vier-, Fünf- und Sechs-Mehrfachübergangs-Solarzellen gemäß der Erfindung. Der Einfachheit halber zeigen die 1A–1B, 2A–2B, 3A–3D, 6–7, 9–12, 13A–B, 17B, 18B und 19B lediglich die Subzellen und Verbindungs-Tunnelübergänge der Mehrfachübergangs-Solarzellen. Wie einem Durchschnittsfachmann bekannt, können zusätzliche Elemente notwendig sein, um eine vollständige Solarzelle zu schaffen, einschließlich eines Antireflexionsüberzugs, von Kontaktschichten, elektrischen Kontakten und einem Substrat oder Wafer-Halter. Wie unten erörtert wird, zeigt 15 eine Beispielsstruktur mit diesen zusätzlichen Elementen. Ferner können zusätzliche Elemente in einer vollständigen Solarzelle vorhanden sein, wie Pufferschichten und zusätzliche Tunnelübergänge. Bei einigen der hier offenbarten Ausführungsbeispiele enthält die untere Subzelle das Substrat (beispielsweise eine Ge-Subzelle), und somit ist das Substrat in den Figuren dargestellt. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das Substrat kein Teil einer Subzelle, und daher ist es in den Figuren in typischer Weise nicht dargestellt.
  • 1A zeigt eine Mehrfachübergangs-Solarzelle gemäß der Erfindung, die fünf Subzellen aufweist, wobei die untere Subzelle eine III-AsNV-Subzelle ist. Sämtliche fünf Subzellen sind im Wesentlichen im Gitter zueinander angepasst und können durch vier Tunnelübergänge miteinander verbunden sein, die als gepunktete Bereiche dargestellt sind. Die III-AsNV-Subzelle am Boden des Stapels weist die niedrigste Bandlücke der fünf Subzellen auf und absorbiert das Licht geringster Energie, welches durch die Solarzelle in Elektrizität umgewandelt wird. Die Bandlücke des III-AsNV-Materials in der unteren Subzelle liegt zwischen 0,7–1,1 eV. Die oberen Subzellen können jegliche geeigneten III-V-, II-VI- oder Gruppe-IV-Materialien umfassen, einschließlich III-AsNV-Materialien.
  • 1B zeigt eine Mehrfachübergangs-Solarzelle gemäß der Erfindung, die sechs Subzellen aufweist, wobei die untere Subzelle eine III-AsNV-Subzelle ist. Sämtliche sechs Subzellen sind im Wesentlichen im Gitter zueinander angepasst und können durch fünf Tunnelübergänge miteinander verbunden sein, die als gepunktete Bereiche dargestellt sind. Die III-AsNV-Subzelle weist die niedrigste Bandlücke der sechs Subzellen auf. Die Bandlücke des III-AsNV-Materials in der unteren Subzelle liegt zwischen 0,7–1,1 eV. Die oberen Subzellen können jegliche geeigneten III-V-, II-VI- oder Gruppe-IV-Materialien umfassen, einschließlich III-AsNV-Materialien.
  • Bei gewissen Ausführungsbeispielen liegt die Bandlücke der III-AsNV-Legierung in einer unteren Subzelle zwischen 0,8–0,9 eV, und bei anderen Ausführungsbeispielen zwischen 0,9–1,0 eV. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst die Zusammensetzung der Basisschicht einer unteren III-AsNV-Subzelle Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, bei denen Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,01 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20, bei bestimmten Ausführungsbeispielen mit 0,02 ≤ x ≤ 0,24, 0,01 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03, bei bestimmten Ausführungsbeispielen mit 0,02 ≤ x ≤ 0,18, 0,01 ≤ y ≤ 0,04 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03 und bei bestimmten Ausführungsbeispielen mit 0,06 ≤ x ≤ 0,20, 0,02 ≤ y ≤ 0,05 und 0,005 ≤ z ≤ 0,02.
  • Bei dem in 2A dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Mehrfachübergangs-Solarzelle fünf Subzellen, mit J4 der Subzelle direkt oberhalb der unteren Subzelle und der vierten Subzelle von oben, die eine III-AsNV-Subzelle ist, auf. Die Bandlücke des III-AsNV-Materials in J4 liegt zwischen 0,9–1,3 eV. Sämtliche fünf Subzellen sind im Wesentlichen zueinander im Gitter angepasst und können durch vier Tunnelübergänge miteinander verbunden sein, die durch gepunktete Bereiche dargestellt sind. Die anderen vier Subzellen können geeignete III-V-, II-VI- oder Gruppe-IV-Materialien umfassen, die III-AsNV-Materialien enthalten.
  • 2B zeigt eine Mehrfachübergangs-Solarzelle gemäß der Erfindung, die sechs Subzellen aufweist, wobei J5 der Subzelle unmittelbar oberhalb der unteren Subzelle eine III-AsNV-Subzelle ist. Die Bandlücke des III-AsNV-Materials in der Basis von J5 liegt zwischen 0,9–1,3 eV. Sämtliche sechs Subzellen sind im Wesentlichen im Gitter zueinander angepasst und können durch fünf Tunnelübergänge miteinander verbunden sein, wie dies als gepunktete Bereiche dargestellt ist. Die anderen fünf Subzellen können irgendwelche geeigneten III-V-, II-VI- oder Gruppe-IV-Materialien umfassen, die III-AsNV-Materialien enthalten.
  • Bei gewissen Ausführungsbeispielen liegt die Bandlücke der III-AsNV-Legierung in der Subzelle direkt oberhalb der unteren Subzelle zwischen 0,9–1,0 eV und bei bestimmten Ausführungsbeispielen zwischen 1,0–1,1 eV. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst die Zusammensetzung der Basisschicht der Subzelle direkt oberhalb der unteren Subzelle Ga1-xInxNyAsi-y-zSbz, wobei Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,18, 0,001 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,15, bei bestimmten Ausführungsbeispielen mit 0 ≤ x ≤ 0,18, 0,001 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03 und bei bestimmten Ausführungsbeispielen mit 0,02 ≤ x ≤ 0,18, 0,005 ≤ y ≤ 0,04 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3A dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt es vier Subzellen; die beiden unteren Subzellen sind III-AsNV-Subzellen. Die Bandlücke der unteren Subzelle J4 liegt zwischen 0,7–1,1 eV. Die Bandlücke von J3 liegt zwischen 0,9–1,3 eV oder zwischen 1,0–1,3 eV, und sie ist größer als die Bandlücke von J4. Die Subzelle J2, die direkt oberhalb der beiden III-AsNV-Subzellen liegt, ist eine (Al, In)GaAs-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,4–1,7 eV. Die obere Subzelle J1 ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9–2,2 eV. Beispiele von Bandlücken für die Subzellen von unten nach oben sind 0,8–0,9 eV oder 0,9–1,0 eV, 1,1–1,2 eV, 1,5–1,6 eV bzw. 1,9–2,0 oder 2,0–2,1 eV. Die Bandlücke und Dicken der Subzellen sind höchst optimal, wenn die durch die vier Subzellen erzeugten Ströme im Wesentlichen die gleichen sind. Sämtliche der Subzellen sind im Wesentlichen im Gitter zueinander angepasst und können durch Tunnelverbindungen in Reihe geschaltet sein. Bei einem ähnlichen bzw. entsprechenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass die Subzelle direkt oberhalb der unteren Subzelle J3 eine GaInNAs-Subzelle ist. Bei einem anderen verwandten Ausführungsbeispiel ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass J2 eine (Al)GaInPAs-Subzelle ist. Bei einem anderen verwandten Ausführungsbeispiel, das in 3B veranschaulicht ist, ist J4 eine SiGe(Sn)-Subzelle.
  • Die genauen Bandlücken der Subzellen innerhalb der bei den vorhergehenden sowie nachfolgenden Ausführungsbeispielen gegebenen Bereichen werden durch die Bandlücke der unteren Subzelle, die Dicken der Subzellenschichten und das einfallende Lichtspektrum diktiert. Obwohl es in der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Strukturen gibt, die Wirkungsgrade liefern werden, welche jene von Drei-Übergangs-Solarzellen übersteigen, ist es indessen nicht der Fall, dass jeder Satz von Subzellen-Bandlücken, der in die offenbarten Bereiche fällt, einen derartigen Wirkungsgrad liefern wird. Für eine bestimmte Wahl einer Bandlücke der unteren Subzelle oder wechselweise der Bandlücke einer anderen Subzelle, des einfallenden Lichtspektrums, der Subzellenmaterialien und der Subzellen-Schichtdicken gibt es einen schmaleren Bereich von Bandlücken für die übrigen Subzellen, welche Wirkungsgrade hervorrufen werden, die jene von Drei-Übergangs-Solarzellen übersteigen. Die Bandlücken können aus der Simulation und/oder aus einem Experimentieren ermittelt werden. Generell gilt, dass je höher die Bandlücke der unteren Subzelle ist, umso höher sind die Bandlücken der oberen Subzellen innerhalb der spezifizierten Bereiche. 3C und 3D veranschaulichen dies für das in 3A dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Heranziehung des AM1,5D-Spektrums. Die Bandlücke der unteren Subzelle in 3C ist höher als die Bandlücke der unteren Subzelle in 3D. Demgemäß sind die Bandlücken der oberen Subzellen in 3C höher als die Bandlücken der oberen Subzellen in 3D.
  • 4 zeigt die Wirkungsgrade, welche durch die Simulation vorhergesagt sind, als Funktion der Bandlücke der unteren Subzelle für ein in 3A dargestelltes bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter einer Beleuchtungsintensität von 100 W/cm2 oder 1000 Sonnen bei 25°C. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind J4 und J3 GaInNAsSb-Subzellen mit Gesamt-Subzellendicken von 2–3 Mikrometer, J2 ist eine (Al)GaAs-Subzelle mit einer Dicke von 4–5 Mikrometer, und J1 ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Dicke von 1–2 Mikrometer. Der Trend im Wirkungsgrad bei der unteren Bandlücke weist zwei Spitzen auf, nahe Bandlücken von 0,75 eV und 0,92 eV, was großtenteils ein Ergebnis der Variation in der Solarspektrums-Bestrahlungsstärke im Energiebereich zwischen 0,7 eV und 1 eV ist. In allen dargestellten Fällen ist der Wirkungsgrad höher als der simulierte Wirkungsgrad für die zum Stand der Technik gehörende Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur unter denselben Bedingungen (40,8%).
  • 5 zeigt die Wirkungsgrade, welche durch die Simulation dargestellt sind, als Funktion der Bandlücke der unteren Subzelle für ein in 3A veranschaulichtes bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter dem AM0-Spektrum bei 25°C. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die unteren beiden Subzellen GaInNAsSb-Subzellen mit Gesamt-Subzellendicken von 2–3 Mikrometer, J2 ist eine (Al)GaAs-Subzelle mit einer Dicke von 3–4 Mikrometer, und J1 ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Dicke von 0,5–1,5 Mikrometer. Die voll ausgezogene Linie zeigt die Wirkungsgrade, die für Solarzellen hervorgesagt werden, welche mit heutigen Materialparametern hergestellt sind, und die gestrichelte Linie zeigt die vorhergesagten zukünftigen Wirkungsgrade mit Verbesserungen in der Materialqualität, welche die Minoritätsträger-Lebensdauer steigern und Interface-Rekombinationsgeschwindigkeiten verbessern. Der Trend bei heutigen Wirkungsgraden hat bei der Bandlücke der unteren Subzelle eine Spitze nahe 0,90 eV. Der Wirkungsgrad nimmt zu, wenn die untere Bandlücke abnimmt, da mehr vom Solarspektrum absorbiert wird, bis die obere Bandlückengrenze für die obere Subzelle erreicht ist. An diesem Punkt legt die Simulation die Bandlücke der oberen Subzelle fest und verringert die Dicke der oberen Subzelle, um eine Stromanpassung zwischen Subzellen zu erreichen. Dies bewirkt, dass der Gesamtwirkungsgrad abnimmt. In allen dargestellten Fällen ist der Wirkungsgrad höher als der simulierte Wirkungsgrad für die Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur unter denselben Bedingungen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung weist vier Subzellen auf, wobei die untere Subzelle eine III-AsNV-Subzelle ist. Die Bandlücke der unteren Subzelle J4 liegt zwischen 0,9–1,1 eV. Die Subzelle J3 ist eine (Al, In)GaAs- oder eine (Al)GaInPAs-Subzelle, mit einer Bandlücke zwischen 1,4–1,5 eV. Die Subzelle J2 ist eine Al(In)GaAs- oder eine (Al)GaInPAs-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,6–1,8 eV. Die obere Subzelle J1 ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9–2,3 eV. Beispiele von Bandlücken für die Subzellen von unten nach oben sind 1,0 eV, 1,4 eV, 1,7 eV bzw. 2,1 eV.
  • 6 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier Subzellen. J3 ist direkt oberhalb der unteren Subzelle eine III-AsNV-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 0,9 eV–1,3 eV. Die untere Subzelle ist eine Ge-Subzelle, die das Ge-Substrat einschließt, welche eine Bandlücke von 0,7 eV aufweist. J2 ist eine (Al)InGaAs- oder (Al)GaInPAs-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,4 eV–1,7 eV. J1 ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9 eV–2,2 eV. Beispiele von Bandlücken für die Subzellen oberhalb der Ge-Subzelle von unten nach oben sind 1,0 eV–1,1 eV, 1,4 eV–1,5 eV bzw. 1,9 eV–2,0 eV. Sämtliche der Subzellen sind zu dem Ge-Substrat im Gitter im Wesentlichen angepasst und können durch Tunnelübergänge in Reihe geschaltet sein.
  • 7 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit fünf Subzellen dar. Die unteren beiden Subzellen sind III-AsNV-Subzellen. Die Bandlücke der unteren Subzelle liegt zwischen 0,7 eV–1,1 eV. Die Bandlücke von J4, der zweiten Subzelle von unten liegt zwischen 0,9 eV–1,3 eV oder zwischen 1,0–1,3 eV und ist größer als die oder gleich der Bandlücke der unteren Subzelle. J3, die Subzelle oberhalb der III-AsNV-Subzellen, ist eine (Al, In)GaAs-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,4 eV–1,6 eV. J2 ist eine Al(In)GaAs- oder eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,6 eV–1,9 eV. Die obere Subzelle ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9–2,2 eV. Beispiele von Bandlücken für Subzellen von unten nach oben sind 0,9 eV–1,0 eV, 1,1 eV–1,2 eV, 1,4 eV–1,5 eV, 1,7 eV–1,8 eV bzw. 1,9 eV–2,1 eV. Sämtliche der Subzellen sind zueinander im Gitter im Wesentlichen angepasst und können durch Tunnelübergänge in Reihe geschaltet sein. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass J4 eine GaInNAs-Subzelle ist. Bei einem weiteren verwandten Ausführungsbeispiel ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass eine oder beide Subzellen J2 und J3 eine (Al)GaInPAs-Subzelle ist bzw. sind. Bei einer zusätzlichen verwandten Ausführungsform ist die untere Subzelle eine SiGe(Sn)-Subzelle.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die unteren drei Subzellen III-AsNV-Subzellen. Die Bandlücke der unteren Subzelle J5 liegt zwischen 0,7 eV–1,0 eV. Die Bandlücke von J4 liegt zwischen 0,9 eV–1,2 eV und ist größer als die Bandlücke von J5. J3 ist eine III-AsNV-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,2 eV–1,4 eV. J2 ist eine Al(In)GaAs-, (Al)InGaPAs- oder InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,6 eV–1,8 eV. Die obere Subzelle J1 ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9 eV–2,2 eV. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind die Bandlücken für die Subzellen von unten nach oben 0,7 eV–0,8 eV, 0,9 eV–1,1 eV, 1,2 eV–1,3 eV, 1,6 eV–1,7 eV bzw. 2,0 eV–2,1 eV. Die Subzellen können zueinander im Gitter im Wesentlichen angepasst sein und durch Tunnelübergänge in Reihe geschaltet sein. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass J3 und/oder J4 eine GaInNAs-Subzelle ist bzw. sind.
  • 8 zeigt die Wirkungsgrade, die durch Simulation vorhergesagt sind, als Funktion der Bandlücke der unteren Subzelle für ein in 7 dargestelltes bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter einer Beleuchtungsintensität von 100 W/cm2 oder 1000 Sonnen des AM1,5D-Spektrums bei 25°C. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die unteren beiden Subzellen GaInNAsSb-Subzellen mit Gesamt-Subzellendicken von 2–3 Mikrometer, J3 und J2 sind (Al)GaAs-Subzellen mit Dicken von 4–5 Mikrometer, und die obere Subzelle ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Dicke bis zu 1,5 Mikrometer. Der Trend im Wirkungsgrad mit der unteren Bandlücke weist zwei Spitzen nahe 0,80 eV und 0,92 eV auf, was ein Ergebnis von zumindest zwei Faktoren ist. Einer ist die Variation in der Solarspektrums-Bestrahlungsstärke im Energiebereich zwischen 0,7 eV und 1 eV. Ein anderer Faktor ist die Beschränkung hinsichtlich der Zusammensetzung (x ≤ 0,2 für AlxIn0,5Ga1-xP), und somit der Bandlücke für die AlInGaP-Subzelle. Wenn die Bandlücke die obere Grenze erreicht, beginnt der Wirkungsgrad abzusinken, da die Begrenzung hinsichtlich der Bandlücke eine Beschränkung hinsichtlich der Solarzellen-Spannung mit sich bringt. In allen dargestellten Fällen ist der gemessene Wirkungsgrad höher als der simulierte Wirkungsgrad für die zum Stand der Technik gehörende Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur unter denselben Bedingungen.
  • In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit fünf Subzellen gezeigt. Die untere Subzelle ist eine Ge-Subzelle, in die das Ge-Substrat eingeschlossen ist. J4, die Subzelle direkt oberhalb der Ge-Zelle, ist eine III-AsNV-Subzelle mit einer Bandlücke zwischen 1,0 eV-1,2 eV. J3 oberhalb der III-AsNV-Subzelle ist eine (Al)InGaAs-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,4 eV–1,5 eV. J2 ist eine AlInGaAs- oder eine InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,6 eV–1,8 eV. J1 ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9 eV–2,2 eV. Beispiele von Bandlücken für die Subzellen oberhalb der Ge-Subzelle sind von unten nach oben 1,0 eV–1,1 eV, 1,4 eV, 1,6 eV–1,7 eV bzw. 2,0–2,1 eV. Sämtliche der Subzellen sind im Wesentlichen zueinander im Gitter angepasst und können durch Tunnelübergänge in Reihe geschaltet sein. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass eine oder beide Subzellen J2 und J3 eine (Al)GaInPAs-Subzelle ist bzw. sind.
  • Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit fünf Subzellen ist in 10 dargestellt. Die untere Subzelle ist eine Ge-Subzelle, in die das Ge-Substrat eingeschlossen ist. J4 ist eine III-AsNV-Subzelle mit einer Bandlücke zwischen 0,9 eV–1,0 eV oder zwischen 1,0 eV-1,2 eV. J3 ist eine III-AsNV-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,2 eV–1,4 eV. J2 ist eine AlInGaAs- oder eine InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,6 eV–1,8 eV. Die obere Subzelle ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9 eV–2,2 eV. Beispiele von Bandlücken für die Subzellen oberhalb der Ge-Subzelle sind von unten nach oben 1,0 eV–1,1 eV, 1,3 eV, 1,6 eV–1,7 eV bzw. 2,0–2,1 eV. Sämtliche der Subzellen sind im Wesentlichen zueinander im Gitter angepasst und können durch Tunnelübergänge in Reihe geschaltet sein. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass J3 eine GaInNAs-Subzelle ist. Bei einem anderen verwandten Ausführungsbeispiel ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass J2 eine (Al)GaInPAs-Subzelle ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung mit sechs Subzellen sind in 11, 12, 13A und 13B veranschaulicht.
  • In 11 sind die unteren drei Subzellen III-AsNV-Subzellen. Die Bandlücke der unteren Subzelle J6 liegt zwischen 0,7 eV–1,1 eV. Die Bandlücke von J5 liegt zwischen 0,9–1,3 eV und ist größer als die oder gleich der Bandlücke der unteren Subzelle. Die Bandlücke von J4 liegt zwischen 1,1–1,4 eV und ist größer als die oder gleich der Bandlücke von J5. Oberhalb der III-AsNV-Subzellen befindet sich J3, die eine (Al, In)GaAs-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,4–1,7 eV ist. J2 ist eine Al(In)GaAs- oder eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,7-2,0 eV. Die obere Subzelle ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9–2,2 eV oder 2,2–2,3 eV. Beispiele von Bandlücken für die Subzellen von unten nach oben sind 0,9–1,0 eV, 1,1–1,2 eV, 1,3–1,4 eV, 1,5–1,6 eV, 1,8–1,9 eV bzw. 2,0–2,1 eV. Als weiteres Beispiel sind die Bandlücken der Subzellen von unten nach oben 0,7–0,8 eV, 0,9–1,0 eV, 1,1–1,2 eV, 1,4–1,5 eV, 1,7–1,8 eV bzw. 2,1–2,2 eV. Sämtliche der Subzellen sind zueinander im Wesentlichen im Gitter angepasst und können durch Tunnelübergänge in Reihe geschaltet sein. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass eine oder beide Subzellen J4 und J5 GaInNAs-Subzelle(n) ist bzw. sind. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass eine oder beide Subzellen J2 und J3 eine (Al)GaInPAs-Subzelle ist bzw. sind. Bei einem zusätzlichen verwandten Ausführungsbeispiel ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass die untere Subzelle eine SiGe(Sn)-Subzelle ist.
  • 14 zeigt die Wirkungsgrade, die durch die Simulation vorhergesagt sind, als Funktion der Bandlücke der unteren Subzelle für ein in 11 dargestelltes bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter einer Beleuchtungsintensität von 100 W/cm2 oder 1000 Sonnen unter dem AM1,5D-Spektrum bei 25°C. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die drei unteren Subzellen GaInNAsSb-Subzellen jeweils mit einer Gesamt-Subzellendicken 2–3 Mikrometer; J2 und J3 sind (Al)GaAs-Subzellen jeweils mit einer Dicke von 4–5 Mikrometer, und J1 ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Dicke bis zu 1,5 Mikrometer. In allen dargestellten Fällen ist der Wirkungsgrad hoher als der simulierte Wirkungsgrad für die zum Stand der Technik gehörende Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur unter denselben Bedingungen.
  • In 12 sind die unteren beiden Subzellen III-AsNV-Subzellen. Die Bandlücke der unteren Subzelle J6 liegt zwischen 0,7–1,1 eV. Die Bandlücke von J5 liegt zwischen 0,9–1,3 eV und ist größer als die oder gleich der Bandlücke von J6. Die Bandlücke von J4 liegt zwischen 1,4–1,5 eV, und die betreffende Subzelle ist eine (Al, In)GaAs-Subzelle. J3 ist eine (Al, In)GaAs-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,5–1,7 eV. J2 ist eine Al(In)GaAs- oder eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,7-2,0 eV. J1 ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9–2,2 eV oder 2,2–2,3 eV. Beispiele von Bandlücken für die Subzellen von unten nach oben sind 0,9–1,0 eV, 1,1–1,2 eV, 1,4 eV, 1,6–1,7 eV, 1,8–1,9 eV bzw. 2,0–2,1 eV. Sämtliche der Subzellen sind zueinander im Wesentlichen im Gitter angepasst und können durch Tunnelübergänge in Reihe geschaltet sein. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Struktur abgesehen davon dieselbe, dass J5 eine GaInNAs-Subzelle ist. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel ist die Struktur der Photovoltaikzelle abgesehen davon dieselbe wie in 12, , dass eine oder mehrere der Subzellen J2, J3 und J4 eine (Al)GaInPAs-Subzelle ist bzw. sind. Bei einem zusätzlichen verwandten Ausführungsbeispiel ist die untere Subzelle eine SiGe(Sn)-Subzelle.
  • 13A stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem die untere Subzelle das Ge-Substrat umfasst. J4 und J5 sind III-AsNV-Subzellen. Die Bandlücke von J5 liegt zwischen 0,9–1,1 eV. Die Bandlücke von J4 liegt zwischen 1,1–1,3 eV und ist größer als die oder gleich der Bandlücke der unteren Subzelle. J3 ist eine (Al)InGaAs-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,4–1,6 eV. J2 ist eine AlInGaAs- oder eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,6–1,9 eV. Die obere Subzelle ist eine (Al)InGaP-Subzelle mit einer Bandlücke im Bereich von 1,9–2,2 eV oder 2,2–2,3 eV. Beispiele von Bandlücken für J5 bis J1 sind 0,9–1,0 eV, 1,1–1,2 eV, 1,4–1,5 eV, 1,7–1,8 eV bzw. 2,0–2,1 eV. Sämtliche der Subzellen sind zueinander im Wesentlichen im Gitter angepasst und können durch Tunnelübergänge in Reihe geschaltet sein. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Struktur einer Photovoltaikzelle abgesehen davon dieselbe wie in 13A dargestellt, dass J4 eine GaInNAs-Subzelle ist. Bei einem mit dem oben beschriebenen bestimmten Ausführungsbeispiel verwandten Ausführungsbeispiel ist bzw. sind eine oder beide der Subzellen J2 und J3 eine (Al)InGaPAs-Subzelle. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 13B dargestellt.
  • Bei bestimmten der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele, einschließlich jeglicher der Photovoltaikzellen, die in 1A–B, 2A–B, 3A, 3C–D, 7, 11–12, 15, 16 oder 17B gezeigt sind, ist eine untere III-AsNV-Subzelle eine GaInNAsSb-Subzelle mit einer Basisschicht, die Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz umfasst, wobei die Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,01 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20; bei bestimmten Ausführungsbeispielen 0,02 ≤ x ≤ 0,24, 0,01 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03; bei bestimmten Ausführungsbeispielen 0,02 ≤ x ≤ 0,18, 0,01 ≤ y ≤ 0,04 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03; bei bestimmen Ausführungsbeispielen 0,08 ≤ x ≤ 0,18, 0,025 ≤ y ≤ 0,04 und 0,001 ≤ z ≤,03; und bei bestimmten Ausführungsbeispielen 0,06 ≤ x ≤ 0,20, 0,02 ≤ y ≤ 0,05 und 0,005 ≤ z ≤ 0,02.
  • Bei bestimmten der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele, die jegliche der in 1A–B, 2A–B, 3A–D, 6, 7, 9–13, 15, 16, 17B, 18B oder 19B gezeigten Photovoltaikzellen enthalten, ist eine III-AsNV-Subzelle direkt oberhalb der unteren Subzelle eine GaInNAsSb-Subzelle mit einer Basisschicht, die Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz umfasst, bei der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,18, 0,001 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,15, und bei bestimmten Ausführungsbeispielen 0 ≤ x ≤ 0,18, 0,001 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03; bei bestimmten Ausführungsbeispielen 0,02 ≤ x ≤ 0,18, 0,005 ≤ y ≤ 0,04 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03; bei gewissen Ausführungsbeispielen 0,04 ≤ x ≤ 0,18, 0,01 ≤ y ≤ 0,04 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03; bei gewissen Ausführungsbeispielen 0,06 ≤ x ≤ 0,18, 0,015 ≤ y ≤ 0,04 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03; und bei gewissen Ausführungsbeispielen 0,08 ≤ x ≤ 0,18, 0,025 ≤ y ≤ 0,04 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03.
  • Bei bestimmten der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche irgendeine der in 1A–B, 2A–B, 10–11, 13A–B, 15 oder 19B gezeigten Photovoltaikzellen einschließen, ist eine III-AsNV-Subzelle, welche die dritte Subzelle von unten ist (beispielsweise J4 in einer Sechs-Übergangs-Solarzelle oder J3 in einer Fünf-Übergangs-Solarzelle) eine GaInNAsSb-Subzelle mit einer Basisschicht, die Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz umfasst, bei der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,12, 0,001 ≤ y ≤ 0,03 und 0,001 ≤ z ≤ 0,10; bei bestimmten Ausführungsbeispielen 0 ≤ x ≤ 0,12, 0,001 ≤ y ≤ 0,03 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03; bei bestimmten Ausführungsbeispielen 0,02 ≤ x ≤ 0,10, 0,005 ≤ y ≤ 0,02 und 0,001 ≤ z ≤ 0,02; bei bestimmten Ausführungsbeispielen 0,01 ≤ x ≤ 0,06, 0,005 ≤ y ≤ 0,015 und 0,001 ≤ z ≤ 0,02; und bestimmten Ausführungsbeispielen 0,01 ≤ x ≤ 0,08, 0,005 ≤ y ≤ 0,025 und 0,001 ≤ z ≤ 0,02.
  • Bei jedem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele sind die Tunnelübergänge ausgelegt, um eine minimale Lichtabsorption aufzuweisen. Licht, das durch Tunnelübergänge absorbiert wird, wird durch die Solarzelle nicht in Elektrizität umgewandelt, und somit wird es für die Wirkungsgrade der Mehrfachübergangs-Solarzellen nicht möglich sein, jene der besten Dreifachübergangs-Solarzellen zu übersteigen, falls die Tunnelübergänge signifikante Lichtmengen absorbieren. Demgemäß müssen die Tunnelübergänge sehr dünn sein (vorzugsweise weniger als 40 nm) und/oder aus Materialien hergestellt sein mit Bandlücken, die gleich den oder größer als die der Subzellen unmittelbar über ihnen sind. Ein Beispiel eines Tunnelübergangs, der diesen Kriterien entspricht, ist ein GaAs/AlGaAs-Tunnelübergang, bei dem jede der GaAs- und AlGaAs-Schichten, die einen Tunnelübergang bilden, eine Dicke zwischen 5 und 15 nm aufweist. Die GaAs-Schicht ist mit Te, Se, S und/oder Si dotiert, und die AlGaAs-Schicht ist mit C dotiert.
  • Bei jedem der hier beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsbeispiele sind zusätzliche Elemente vorhanden, um eine Solarzellen-Vorrichtung zu bilden. Speziell ist eine Kappen- oder Kontaktschicht bzw. sind Kappen- oder Kontaktschichten, Antireflexionsüberzugs-(ARC)-Schichten und elektrische Kontakte (auch als das ”Metallgitter” bezeichnet) in typischer Weise oberhalb der oberen Subzelle gebildet, und eine Pufferschicht bzw. Pufferschichten, das Substrat oder der Halter und untere bzw. Bodenkontakte sind in typischer Weise gebildet oder existieren unterhalb der unteren Subzelle. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Substrat Teil der unteren Subzelle, wie in einer Ge-Subzelle sein. Andere Elemente, wie zusätzliche Tunnelübergänge können ebenfalls vorhanden sein. Vorrichtungen können außerdem ohne sämtliche der oben aufgelisteten Elemente gebildet sein, wie dies dem Durchschnittsfachmann bekannt ist. Ein Beispiel, welches diese typischen zusätzlichen Elemente und deren typische Positionen in Bezug auf die oberen und unteren Subzellen veranschaulicht, ist in 15 gezeigt.
  • Ein strukturelles Beispiel, welches die einzelnen Schichten dargestellt, die eine Mehrfachübergangs-Solarzelle mit vier Subzellen gemäß der Erfindung bilden können, ist im Einzelnen in 16 gezeigt und wird hier beschrieben. Im Betrieb ist eine Mehrfachübergangs-Zelle so gestaltet, dass die Subzelle mit der höchsten Bandlücke der einfallenden Solarstrahlung zugewandt ist, wobei Subzellen, die durch zunehmend niedrigere Bandlücken charakterisiert sind, darunter liegen.
  • Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen kann jede Subzelle mehrere Schichten umfassen. Beispielsweise kann jede Subzelle eine Fensterschicht, eine Emitter, eine Basis und eine Rückflächenfeld-(BSF)-Schicht umfassen. Wie in 16 veranschaulicht, befindet sich die Fensterschicht oberhalb der Emitterschicht, die oberhalb der Basis liegt, welche sich oberhalb der BSF-Schicht befindet.
  • Im Betrieb ist die Fensterschicht die oberste Schicht einer Subzelle und der einfallenden Solarstrahlung zugewandt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen reicht die Dicke einer Fensterschicht von etwa 10 mm bis etwa 500 mm, von etwa 10 nm bis etwa 300 nm, von etwa 10 nm bis etwa 150 nm und bei bestimmten Ausführungsbeispielen von etwa 10 nm bis etwa 50 nm. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen reicht die Dicke einer Fensterschicht von etwa 50 nm bis etwa 350 nm, von etwa 100 nm bis etwa 300 nm, und bei gewissen Ausführungsbeispielen von etwa 50 nm bis etwa 150 nm.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen reicht die Dicke einer Emitterschicht von etwa 10 nm bis etwa 300 nm, von etwa 20 nm bis etwa 200 nm, von etwa 50 nm bis etwa 200 nm, und bei bestimmten Ausführungsbeispielen von etwa 75 nm bis 125 nm.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen reicht die Dicke einer Basis-Schicht von 0,1 μm bis etwa 6 μm, von etwa 0,1 μm bis etwa 4 μm, von etwa 0,1 μm bis etwa 3 μm, von etwa 0,1 μm bis etwa 2 μm und bei gewissen Ausführungsbeispielen von 0,1 μm bis etwa 1 μm. Bei gewissen Ausführungsbeispielen reicht die Dicke einer Basisschicht von etwa 0,5 μm bis etwa 5 μm, von etwa 1 μm bis etwa 4 μm, von etwa 1,5 μm bis etwa 3,5 μm, und bei gewissen Ausführungsbeispielen von etwa 2 μm bis etwa 3 μm.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen reicht die Dicke einer BSF-Schicht von etwa 10 nm bis etwa 500 nm, von etwa 50 nm bis etwa 300 nm, und bei gewissen Ausführungsbeispielen von etwa 50 nm bis etwa 150 nm.
  • Bei gewissen Ausführungsbeispielen umfasst eine (Al)InGaP-Subzelle ein Fenster, welches AlInP umfasst, einen Emitter, der (Al)InGaP umfasst, eine Basis, die (Al)InGaP umfasst, und eine Rückflächenfeld-Schicht, die AlInGaP umfasst.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine (Al)InGaP-Subzelle ein Fenster, welches AlInP mit einer Dicke von 10 nm bis 50 nm umfasst, einen Emitter, der (Al)InGaP mit einer Dicke von 20 nm bis 200 nm umfasst, eine Basis, die (Al)InGaP mit einer Dicke von 0,1 μm bis 2 μm umfasst, und eine BSF-Schicht, die AlInGaP mit einer Dicke von 50 nm bis 300 nm umfasst.
  • Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele ist eine (Al)InGaP-Subzelle durch eine Bandlücke von etwa 1,9 eV bis etwa 2,2 eV charakterisiert.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine (Al, In)GaAs-Subzelle ein Fenster, welches (Al)In(Ga)P oder Al(In)GaAs umfasst, einen Emitter, der (Al)InGaP oder (Al, In)GaAs umfasst, eine Basis, die (Al, In)GaAs umfasst, und eine BSF-Schicht, die Al(In)GaAs oder (Al)InGaP umfasst. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine (AlIn)GaAs-Subzelle ein Fenster, welches (Al)InGaP mit einer Dicke von 50 nm bis 400 nm umfasst, einen Emitter, der (Al, In)GaAs mit einer Dicke von 100 nm bis 200 nm umfasst, eine Basis, die (Al, In) GaAs mit einer Dicke von 1 μm bis 4 μm umfasst, und eine BSF-Schicht, die Al(In)GaAs mit einer Dicke von 100 nm bis 300 nm umfasst.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine (Al, In)GaAs-Subzelle ein Fenster, welches (Al)InGaP mit einer Dicke von 200 nm bis 300 nm umfasst, einen Emitter, der (AlIn)GaAs mit einer Dicke von 100 nm bis 150 nm umfasst, eine Basis, die (Al, In)GaAs mit einer Dicke von 2 μm bis 3,5 μm umfasst, und eine BSF-Schicht, die Al(In)GaAs mit einer Dicke von 150 nm bis 250 nm umfasst.
  • Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele ist eine (Al, In)GaAs-Subzelle durch eine Bandlücke von etwa 1,4 eV bis etwa 1,7 eV charakterisiert.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine (Al)GaInPAs-Subzelle ein Fenster, welches (Al)In(Ga)P umfasst, einen Emitter, der (Al)InGaP oder (Al)GaInPAs umfasst, eine Basis, die (Al)GaInPAs umfasst, und eine BSF-Schicht, die Al(In)GaAs oder (Al)InGaP umfasst. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine (Al)GaInPAs-Subzelle ein Fenster, welches (Al)In(Ga)P mit einer Dicke von 50 nm bis 300 nm umfasst, einen Emitter, der (Al)InGaP oder (Al)GaInPAs mit einer Dicke von 100 nm bis 200 nm umfasst, eine Basis, die (Al)GaInPAs mit einer Dicke von 0,5 μm bis 4 μm umfasst, und eine BSF-Schicht, die Al(In)GaAs oder (Al)InGaP mit einer Dicke von 50 nm bis 300 nm umfasst.
  • Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele ist eine (Al)GaInPAs-Subzelle durch eine Bandlücke von 1,4 eV bis etwa 1,8 eV charakterisiert.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine III-AsNV-Legierungs-Subzelle ein Fenster, welches InGaP oder (Al, In)GaAs umfasst, einen Emitter, der (In)GaAs oder eine III-AsNV-Legierung umfasst, eine Basis, die eine III-AsNV-Legierung umfasst, und eine BSF-Schicht, die (In)GaAs umfasst.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine III-AsNV-Legierungs-Subzelle ein Fenster, welches InGaP oder (In)GaAs mit einer Dicke 0 nm bis 300 nm umfasst, einen Emitter, der (In)GaAs oder eine III-AsNV-Legierung mit einer Dicke von 100 nm bis 200 nm umfasst, eine Basis, die eine III-AsNV-Legierung mit einer Dicke von 1 μm bis 4 μm umfasst, und eine BSF-Schicht, die (In)GaAs mit einer Dicke von 50 nm bis 300 nm umfasst. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine III-AsNV-Legierungs-Subzelle einen Emitter, der InGaAs oder eine III-AsNV-Legierung mit einer Dicke von 100 nm bis 150 nm umfasst, eine Basis, die eine III-AsNV-Legierung mit einer Dicke von 2 μm bis 3 μm umfasst, und eine BSF-Schicht, die (In)GaAs mit einer Dicke von 50 nm bis 200 nm umfasst.
  • Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele ist eine III-AsNV-Subzelle durch eine Bandlücke von etwa 0,7 bis 1,1 eV oder von etwa 0,9 eV bis etwa 1,3 eV charakterisiert. Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele ist die III-AsNV-Subzelle eine GaInNAsSb-Subzelle.
  • Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele weist eine III-AsNV-Subzelle eine Stauchung von weniger als 0,6% auf, was bedeutet, dass die in der Ebene liegende Gitterkonstante des III-AsNV-Materials in dessen vollständig entspannten Zustand zwischen 0,0% und 0,6% größer ist als jene des Substrats. Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele enthält die III-AsNV-Subzelle Sb, und sie enthält nicht Bi.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist eine SiGe(Sn)-Subzelle durch eine Bandlücke von etwa 0,7 eV bis 0,9 eV charakterisiert. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine SiGe(Sn)-Subzelle ein Fenster, welches InGaP oder (In)GaAs mit einer Dicke von 0 nm bis 300 nm umfasst, einen Emitter, der (In)GaAs oder eine III-AsNV-Legierung mit einer Dicke von 50 nm bis 500 nm umfasst, und eine Basis, die SiGe(Sn) mit einer Dicke von 1 μm bis 20 μm umfasst. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Subzelle auch eine BSF-Schicht, die (In)GaAs oder SiGe(Sn) mit einer Dicke von 50 nm bis 300 nm umfasst.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine Ge-Subzelle ein Fenster, welches InGaP oder (In)GaAs mit einer Dicke von 0 nm bis 300 nm umfasst, einen Emitter, der (In)GaAs, (Al, Ga)InP oder eine III-AsNV-Legierung mit einer Dicke von 10 nm bis 500 nm umfasst, und eine Basis, welche das Ge-Substrat umfasst. Es ist darauf hinzuweisen, dass durch die Erfindung offenbarte Solarzellen auch auf einem Ge-Substrat gebildet sein können, wo das Substrat nicht Teil einer Subzelle ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen weist eine oder mehrere der Subzellen einen Emitter und/oder eine Basis auf, in der es ein gestuftes Dotierungsprofil gibt. Das Dotierungsprofil kann linear, exponentielle oder mit anderer Abhängigkeit von der Position sein. Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele weisen eine oder mehrere der III-AsNV-Subzellen ein exponentielles oder lineares Dotierungsprofil über einen Teil oder die Gesamtheit der Basis mit Dotierungspegeln zwischen 1·1015 und 1·1019 cm–3 oder zwischen 1·1016 und 5·1018cm–3 auf. Ferner kann der Bereich der III-AsNV-Basis, die dem Emitter am nächsten ist, eine konstante oder keine Dotierung aufweisen, wie dies beispielsweise in der US-Patentanmeldung Nr. 12/914710 offenbart ist, die hier durch Bezugnahme einbezogen wird. Typische Dotierungsmittel enthalten beispielsweise Be, Mg, Zn, Te, Se, Si, C und andere im Stand der Technik bekannte Dotierungsmittel.
  • Wie in 16 gezeigt, kann zwischen jeder der Subzellen ein Tunnelübergang angeordnet sein. Jeder Tunnelübergang umfasst zwei oder mehr Schichten, die benachbarte Subzellen elektrisch verbinden. Der Tunnelübergang enthält eine hochdotierte Schicht vom n-Typ neben einer hochdotierten Schicht vom p-Typ, um einen p-n-Übergang zu bilden. In typischer Weise liegen die Dotierungspegel in einem Tunnelübergang zwischen 1018 cm–3 und 1021 cm–3.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst ein Tunnelübergang eine (In)GaAs- oder InGaP(As)-Schicht vom n-Typ und eine (Al, In)GaAs-Schicht vom p-Typ. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst das Dotierungsmittel der Schicht vom n-Typ Si, und das Dotierungsmittel der Schicht vom p-Typ umfasst C. Ein Tunnelübergang kann eine Dicke von weniger als 100 nm, weniger als 80 nm, weniger als 60 nm, weniger als 40 nm und bei gewissen Ausführungsbeispielen weniger als 20 nm aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann ein Tunnelübergang zwischen (Al)InGaP-Subzellen, zwischen einer (Al)InGaP-Subzelle und einer (Al, In)GaAs- oder (Al)GaInPAs-Subzelle oder zwischen (Al, In)GaAs-Subzellen beispielsweise eine Dicke von weniger als etwa 30 nm, weniger als etwa 20 nm, weniger als etwa 15 nm und bei gewissen Ausführungsbeispielen weniger als etwa 12 nm aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann ein Tunnelübergang, der eine (Al, In)GaAs- und III-AsNV-Legierungs-Subzelle trennt, der benachbarte III-AsNV-Legierungs-Subzellen trennt oder der eine III-AsNV-Legierungs- und eine SiGe(Sn)- oder Ge-Subzelle trennt, eine Dicke von weniger als 100 nm, weniger als 80 nm, weniger als 60 nm und bei gewissen Ausführungsbeispielen weniger als 40 nm aufweisen.
  • Eine Mehrfachübergangs-Solarzelle kann auf einem Substrat, wie einem Ge-Substrat hergestellt werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst das Substrat GaAs, InP, Ge oder Si. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind sämtliche der Subzellen zu dem Substrat im Gitter im Wesentlichen angepasst. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind eine oder mehrere der Schichten, die in der kompletten Solarzelle enthalten sind, jedoch nicht Teil einer Subzelle sind, wie beispielsweise Antireflexionsüberzugsschichten, Kontaktschichten, Kappenschichten, Tunnelübergangsschichten und Pufferschichten, nicht zu den Subzellen im Gitter im Wesentlichen angepasst.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wird eine Pufferschicht hergestellt, welche das Substrat überlagert. Bei bestimmten Ausführungsbeis pielen umfasst die Pufferschicht (In)GaAs.
  • Wie in 16 gezeigt, umfasst die Mehrfachübergangs-Solarzelle Subzellen, die durch die Pufferschicht überlagernde zunehmend höhere Bandlücken gekennzeichnet sind, wobei jede der Subzellen in typischer Weise durch einen Tunnelübergang getrennt ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfassen die Mehrfachübergangs-Solarzellen einen Antireflexionsüberzug, der die oberste Subzelle überlagert. Die Materialien, welche den Antireflexionsüberzug umfassen, und die Dicke des Antireflexionsüberzugs werden ausgewählt, um den Wirkungsgrad der Lichtabsorption in der Mehrfachübergangs-Solarzelle zu verbessern. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen liegen eine oder mehrere Kontaktschichten über der obersten Subzelle in den Bereichen, die das Metallgitter unterlagern oder nahe diesem sind. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfassen die Kontaktschichten (In)GaAs, und das Dotierungsmittel kann Si oder Be sein.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst eine Photovoltaikzelle zumindest vier Subzellen, worin bzw. wobei: die zumindest vier Subzellen zumindest eine Subzelle umfassen, die einen Basisschicht umfasst, worin bzw. wobei die Basisschicht eine Legierung aus Elementen von der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element umfasst, welches von Sb und Bi ausgewählt ist, und wobei jede der zumindest vier Subzellen zu jeder der anderen Subzellen im Gitter im Wesentlichen angepasst ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle ist jede der zumindest vier Subzellen zu dem Material im Gitter im Wesentlichen angepasst, welches aus Si, Ge, SiGe, GaAs und InP ausgewählt ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle ist die zumindest eine Subzelle durch eine Bandlücke charakterisiert, die von 0,7 eV bis 1,1 eV, von 0,9 eV bis 1,0 eV, von 0,9 eV bis 1,3 eV, von 1,0 eV bis 1,1 eV, von 1,0 eV bis 1,2 eV, von 1,1 eV bis 1,2 eV, von 1,1 eV bis 1,4 eV und 1,2 eV bis 1,4 eV ausgewählt ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfasst die Basisschicht der zumindest einen Subzelle Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,001 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfasst die Basisschicht der zumindest einen Subzelle Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0,01 ≤ x ≤ 0,18, 0,005 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfassen die zumindest vier Subzellen zumindest zwei Subzellen, wobei jede der zumindest zwei Subzellen eine Basisschicht umfasst, die eine Legierung aus Elementen der Gruppe III in der Tabelle der Periodenelemente, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element umfasst, welches aus Sb und Bi ausgewählt ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle ist eine der zumindest zwei Subzellen durch eine erste Bandlücke von 0,7 bis 1,1 eV charakterisiert, und eine zweite Subzelle der zumindest zwei Subzellen ist durch eine zweite Bandlücke von 0,9 bis 1,3 eV charakterisiert, wobei die zweite Bandlücke größer ist als die erste Bandlücke.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfasst jede der zumindest zwei Subzellen eine Basisschicht, die ein Material umfasst, welches unabhängig von GaInNAsSb, GaInNAsBi, GaInNAsSbBi, GaNAsSb, GaNAsBi und GaNAsSbBi ausgewählt ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfasst eine der zumindest zwei Subzellen eine Basisschicht, die Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz umfasst, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0,02 ≤ x ≤ 0,24, 0,015 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03, und eine zweite Subzelle der zumindest zwei Subzellen umfasst eine Basisschicht, die Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz umfasst, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,18, 0,005 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfasst die Photovoltaikzelle eine erste Subzelle, die eine erste Basisschicht umfasst, welche ein Material, das aus Ge, SiGe(Sn) ausgewählt ist, und eine Legierung aus Elementen der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element aufweist, das aus Sb und Bi ausgewählt ist, und sie ist gekennzeichnet durch eine Bandlücke von 0,7 eV bis 1,1 eV; eine, die eine zweite Basisschicht umfassende zweite Subzelle, welche über der ersten Subzelle liegt, wobei die zweite Basisschicht eine Legierung aus Elementen von der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element umfasst, welches von Sb und Bi ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 0,9 eV bis 1,3 eV charakterisiert ist; eine eine dritte Basisschicht umfassende dritte Subzelle, welche über der zweiten Subzelle liegt, wobei die dritte Basisschicht ein Material umfasst, welches aus GaInPAs und (Al, In)GaAs ausgewählt ist und durch eine Bandlücke von 1,4 eV bis 1,7 eV charakterisiert ist; und eine eine vierte Basisschicht umfassende vierte Subzelle, welche über der dritten Subzelle liegt, wobei die vierte Basisschicht (Al)InGaP umfasst und durch eine Bandlücke von 1,9 eV bis 2,2 eV charakterisiert ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfassen die erste Basisschicht, die zweite Basisschicht oder sowohl die erste als auch die zweite Basisschicht die Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, bei der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,001 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle beträgt die Bandlücke der ersten Basisschicht 0,7 bis 0,9 eV, die Bandlücke der zweiten Basisschicht beträgt 1,0 bis 1,2 eV, die Bandlücke der dritten Basisschicht beträgt 1,5 bis 1,6 eV, und die Bandlücke der vierten Basisschicht beträgt 1,9 eV bis 2,1 eV.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfassen die erste Basisschicht, die zweite Basisschicht oder sowohl die erste als auch die zweite Basisschicht die Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, bei der die Werte für x, y und z gegeben sind mit 0,01 ≤ x ≤ 0,18, 0,00 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle ist jede der vier Subzellen zu einem Material im Gitter im Wesentlichen angepasst, welches aus Ge und GaAs ausgewählt ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfasst die Photovoltaikzelle eine erste Subzelle, die eine erste Basisschicht umfasst, welches ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ge, SiGe(Sn) besteht, und eine Legierung aus Elementen von der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element umfasst, welches von Sb und Bi ausgewählt ist, und sie ist durch eine Bandlücke von 0,7 eV bis 1,1 eV charakterisiert; eine eine zweite Basisschicht umfassende zweite Subzelle, welche über der ersten Subzelle liegt, wobei die zweite Basisschicht eine Legierung aus Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element umfasst, welches von Sb und Bi ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 0,9 eV bis 1,3 eV charakterisiert ist; eine eine dritte Basisschicht umfassende dritte Subzelle, welche über der zweiten Subzelle liegt, wobei die zweite Basisschicht ein Material, welches aus GaInPAs, (Al, In)GaAs ausgewählt ist, und eine Legierung aus Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element umfasst, welches von Sb und Bi ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 1,2 eV bis 1,6 eV charakterisiert ist; eine eine vierte Basisschicht umfassende vierte Subzelle, welche über der dritten Subzelle liegt, wobei die vierte Basisschicht ein Material umfasst, welches aus GaInPAs und (Al, In)GaAs ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 1,6 eV bis 1,9 eV charakterisiert ist; und eine eine fünfte Basisschicht umfassende fünfte Subzelle, welche über der vierten Subzelle liegt, wobei die fünfte Basisschicht (Al)InGaP umfasst und durch eine Bandlücke von 1,9 eV bis 2,2 eV charakterisiert ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle, die fünf Subzellen umfasst, umfassen eine oder mehrere der ersten Basisschicht, der zweiten Basisschicht und der dritten Basisschicht die Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, bei der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,001 ≤ y 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20. Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele umfassen eine oder mehrere der ersten Basisschicht, der zweiten Basisschicht und der dritten Basisschicht die Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, bei der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0,01 ≤ x ≤ 0,18, 0,005 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle umfasst die Photovoltaikzelle eine erste Subzelle, die eine erste Basisschicht umfasst, welche ein Material, das aus Ge, SiGe(Sn) ausgewählt ist, und eine Legierung von Elementen aus der Gruppe III in der Gruppe der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element umfasst, das von Sb und Bi ausgewählt ist, und sie ist durch eine Bandlücke von 0,7 eV bis 1,1 eV charakterisiert; eine eine zweite Basisschicht umfassende zweite Subzelle, welche über der ersten Subzelle liegt, wobei die zweite Basisschicht eine Legierung aus Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element umfasst, welches aus Sb und Bi ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 0,9 eV bis 1,3 eV charakterisiert ist; eine eine dritte Basisschicht umfassende dritte Subzelle, welche über der zweiten Subzelle liegt, wobei die dritte Basisschicht ein Material, das aus GaInPAs, (Al, In)GaAs ausgewählt ist, und eine Legierung aus Elementen aus der Gruppe III der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element umfasst, welches aus Sb und Bi ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 1,1 eV bis 1,5 eV charakterisiert ist; eine eine vierte Basisschicht umfassende vierte Subzelle, welche über der dritten Subzelle liegt, wobei die vierte Basisschicht ein Material umfasst, welches aus (Al, In)GaAs und (Al)InGa(P)As ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 1,4 eV bis 1,7 eV charakterisiert ist; eine eine fünfte Basisschicht umfassende fünfte Subzelle, welche über der vierten Subzelle liegt, wobei die fünfte Basisschicht ein Material umfasst, das aus (Al)InGaP und Al(In)Ga(P)As ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 1,6 eV bis 2,0 eV charakterisiert ist; und eine eine sechste Basisschicht umfassende sechste Subzelle, welche über der fünften Subzelle liegt, wobei die sechste Basisschicht (Al)InGaP umfasst und durch eine Bandlücke von 1,9 eV bis 2,3 eV charakterisiert ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen einer Photovoltaikzelle, die sechs Subzellen umfasst, umfassen eine oder mehrere der ersten Basisschicht, der zweiten Basisschicht und der dritten Basisschicht die Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,001 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20. Bei bestimmten derartiger Ausführungsbeispiele umfassen eine oder mehrere der ersten Basisschicht, der zweiten Basisschicht und der dritten Basisschicht die Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0,01 ≤ x ≤ 0,18, 0,005 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Photovoltaik-Leistungssystem eine oder mehrere einer Photovoltaikzelle, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt werden, wie beispielsweise eine oder mehrere Photovoltaikzellen, die zumindest vier Subzellen aufweisen, welche eine oder mehrere III-AsNV-Subzellen enthalten. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel weist die eine oder die mehreren Photovoltaikzellen eine III-AsNV-Subzelle als untere Subzelle oder als Subzelle unmittelbar über der unteren Subzelle auf. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Photovoltaik-Leistungssystem ein konzentriertes Photovoltaik-System sein, wobei das System auch Spiegel und/oder Linsen umfassen kann, um Sonnenlicht auf eine oder mehrere Photovoltaikzellen zu konzentrieren. Bei gewissen Ausführungsbeispielen umfasst das Photovoltaik-Leistungssystem eine Einzel- oder Doppelachsen-Verfolgungseinrichtung. Bei gewissen Ausführungsbeispielen ist das Photovoltaik-Leistungssystem für transportable Anwendungen ausgelegt und bei anderen Ausführungsbeispielen für eine Gitter-verbundene Leistungserzeugung. Bei gewissen Ausführungsbeispielen ist das Photovoltaik-Leistungssystem ausgelegt, um ein spezifisches Lichtspektrum, wie AM1,5G, AM1,5D oder AM0 in Elektrizität umzuwandeln. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Photovoltaik-Leistungssystem an Satelliten oder anderen extraterrestrischen Fahrzeugen gefunden und für einen Betrieb im Weltraum ohne den Einfluss einer Planetenatmosphäre auf die auftreffende Lichtquelle gefunden werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Photovoltaik-Leistungssystem für einen Betrieb an bzw. auf von der Erde verschiedenen astronomischen Körpern ausgelegt sein. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Photovoltaik-Leistungssystem für Satelliten ausgelegt sein, welche um andere astronomische Körper als die Erde kreisen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Photovoltaik-Leistungssystem für ein Wandern auf der Oberfläche eines von der Erde verschiedenen astronomischen Körpers ausgelegt sein.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Photovoltaik-Module vorgesehen, die eine oder mehrere Photovoltaikzellen umfassen, welche durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt werden. Ein Photovoltaik-Modul kann eine oder mehrere Photovoltaikzellen umfassen, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt werden, um eine Umhüllung und Verbindungen zu enthalten, die unabhängig zu verwenden oder mit zusätzlichen Modulen zusammenzubauen sind, um ein Photovoltaik-Leistungssystem zu bilden. Ein Modul und/oder Leistungssystem kann Leistungs-Aufbereitungseinrichtungen, Leistungsumsetzer, Wechselrichter und andere Elektroniken enthalten, um die durch die Photovoltaikzellen erzeugte Leistung in nutzbare Elektrizität umzusetzen. Ein Photovoltaik-Modul kann ferner Optiken zum Fokussieren von Licht auf eine Photovoltaikzelle enthalten, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt wird, wie in einem konzentrierten Photovoltaik-Modul.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Halbleiterschichten, welche die Solarzelle bilden, mit Ausnahme des Substrats, unter Verwendung einer Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder durch chemisches Dampfniederschlagen gefertigt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen werden mehr als eine Materialniederschlagskammer für das Niederschlagen der Halbleiterschichten verwendet, welche die Solarzelle umfasst. Die Materialien-Niederschlagskammer ist die Vorrichtung, in der die Halbleiterschichten, aus denen die Solarzelle besteht, niedergeschlagen werden. Die Zustände innerhalb der Kammer können sich bei Drücken von 10–11 Torr bis 10–3 Torr bewegen. Bei gewissen Ausführungsbeispielen werden die Legierungsbestandteile durch physikalische und/oder chemische Prozesse niedergeschlagen. Jede Materialien-Niederschlagskammer kann verschiedene Konfigurationen aufweisen, die es ermöglichen, unterschiedliche Halbleiterschichten niederzuschlagen, und sie kann unabhängig von anderen Materialien-Niederschlagskammern gesteuert werden. Die Halbleiterschichten können unter Heranziehung einer Metallorganischen chemischen Dampf-Niederschlagung (MOCVD), MBE oder durch andere Verfahren hergestellt werden, einschließlich einer Kombination jeglicher der vorstehenden.
  • Die Bewegung des Substrats und der Halbleiterschichten von einer Materialien-Niederschlagskammer zu einer anderen wird als Übertragung definiert. Beispielsweise wird ein Substrat in einer ersten Materialien-Niederschlagskammer untergebracht, und dann werden die Pufferschicht(en) und die untere Subzelle(n) niedergeschlagen. Sodann werden das Substrat und die Halbleiterschichten zu einer zweiten Materialien-Niederschlagskammer übertragen, wo die übrigen Subzellen niedergeschlagen werden. Die Übertragung kann im Vakuum, bei atmosphärischem Druck in Luft oder einer anderen Gasumgebung oder in irgendeiner Umgebung dazwischen erfolgen. Die Übertragung kann ferner zwischen Materialien-Niederschlagskammern an einer Stelle erfolgen, die in irgendeiner Weise verbunden oder nicht verbunden sein können, oder sie kann ein Transportieren des Substrats und der Halbleiterschichten zwischen verschiedenen Stellen einschließen, was als Transport bekannt ist. Ein Transport kann mit dem Substrat und den Halbleiterschichten ausgeführt werden, die unter Vakuum abgedichtet, von Stickstoff oder einem anderen Gas umgeben oder von Luft umgeben sind. Zusätzliche Halbleiter-, Isolier- oder andere Schichten können als Oberflächenschutz während des Übertragens oder des Transports verwendet und nach dem Übertragen oder dem Transport vor einem weiteren Niederschlagen entfernt werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Mehrzahl von Schichten auf einem Substrat in einer ersten Materialien-Niederschlagskammer niedergeschlagen. Die Mehrzahl von Schichten kann Ätz-Stoppschichten, Freilegungsschichten (das sind Schichten, die ausgelegt sind, um die Halbleiterschichten von dem Substrat freizulegen bzw. aufzulösen, wenn eine spezifische Prozessfolge, wie ein chemisches Ätzen angewandt wird), Kontaktschichten, wie Querleitungsschichten, Pufferschichten oder andere Halbleiterschichten enthalten. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist die Folge von niedergeschlagenen Schichten eine Pufferschicht bzw. Pufferschichten, sodann Freilegungsschicht(en) und dann Querleitungs- oder Kontaktschicht(en). Anschließend wird das Substrat zu einer zweiten Materialien-Niederschlagskammer übertragen, wo eine oder mehrere Subzellen auf der Oberseite der existierenden Halbleiterschichten niedergeschlagen werden. Das Substrat kann dann entweder zu der ersten Materialien-Niederschlagskammer oder zu einer dritten Materialien-Niederschlagskammer zum Niederschlagen von einer oder mehreren Subzellen und dann zum Niederschlagen von einem oder mehreren Kontaktschichten übertragen werden. Zwischen den Subzellen können auch Tunnelübergänge gebildet werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die III-AsNV-Subzellen in einer ersten Materialien-Niederschlagskammer niedergeschlagen, und die (Al)InGaP-, (Al, In)GaAs- und (Al)GaInPAs-Subzellen werden in einer zweiten Materialien-Niederschlagskammer niedergeschlagen, wobei Tunnelübergänge zwischen den Subzellen gebildet werden. Bei einer verwandten Ausführungsform der Erfindung werden III-AsNV-Schichten in einer ersten Materialien-Niederschlagskammer niedergeschlagen, und andere Halbleiterschichten, die Al enthalten, werden in einer zweiten Materialien-Niederschlagskammer niedergeschlagen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt eine Übertragung in der Mitte des Wachstums einer Subzelle, so dass die Subzelle eine oder mehrere Schichten, die in einer Materialien-Niederschlagskammer niedergeschlagen werden, und eine oder mehrere Schichten aufweist, die in einer zweiten Materialien-Niederschlagskammer niedergeschlagen werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden einige oder sämtliche der Schichten, welche die III-AsNV-Subzellen und die Tunnelübergänge bilden, in einer Materialien-Niederschlagskammer durch eine Molekularstrahl-Epitaxie niedergeschlagen und die übrigen Schichten der Solarzelle werden durch chemisches Dampfniederschlagen in einer anderen Materialien-Niederschlagskammer niedergeschlagen. Beispielsweise wird ein Substrat in einer ersten Materialien-Niederschlagskammer untergebracht, und Schichten, welche Keimbildungsschichten, Pufferschichten, Emitter- und Fensterschichten, Kontaktschichten und einen Tunnelübergang enthalten können, werden auf dem Substrat aufgewachsen, gefolgt von einer oder mehreren III-AsNV-Subzellen. Falls mehr als eine III-AsNV-Subzelle vorhanden ist, wird man sodann einen Tunnelübergang zwischen benachbarten Subzellen wachsen lassen. Eine oder mehr Tunnelübergangsschichten kann man wachsen lassen, und dann wird das Substrat zu einer zweiten Materialien-Niederschlagskammer übertragen, wo man die übrigen Solarzellen-Schichten durch chemisches Dampfniederschlagen wachsen lässt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist das chemische Dampfniederschlagssystem ein MOCVD-System. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Substrat in einer ersten Materialien-Niederschlagskammer untergebracht, und Schichten, die Keimbildungsschichten, Pufferschichten, Emitter- und Fensterschichten, Kontaktschichten und einen Tunnelübergang enthalten können, lässt man auf dem Substrat durch chemisches Dampfniederschlagen wachsen. Anschließend lässt man die oberen Subzellen, zwei oder mehr, auf den existierenden Halbleiterschichten wachsen, wobei man Tunnelübergänge zwischen den Subzellen wachsen lässt. Ein Teil der obersten III-AsNV-Subzelle, wie die Fensterschicht, kann man wachsen lassen. Das Substrat wird dann zu einer zweiten Materialien-Niederschlagskammer übertragen, wo die übrigen Halbleiterschichten der obersten III-AsNV-Subzelle niedergeschlagen werden können, gefolgt von bis zu drei weiteren III-AsNV-Subzellen, wobei Tunnelübergänge zwischen ihnen sind.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Solarzelle nach dem Wachsen einer oder mehreren thermischen Glühbehandlungen unterzogen. Eine thermische Glühbehandlung enthält beispielsweise die Anwendung einer Temperatur von 400°C bis 1000°C für eine Dauer zwischen 10 Sekunden und 10 Stunden. Ein thermisches Glühen kann in einer Atmosphäre ausgeführt werden, wie Luft, Stickstoff, Arsen, Arsin, Phosphor, Phosphin, Wasserstoff, Formungsgas, Sauerstoff, Helium und jegliche Kombination der vorstehenden Materialien enthält. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann ein Stapel von Subzellen und zugehörigen Tunnelübergängen vor einer Herstellung von zusätzlichen Subzellen geglüht werden.
  • Somit werden Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaikzelle bereitgestellt, umfassend: Bilden einer oder mehrere Halbleiterschichten auf einem Substrat; Bilden von vier oder mehr Subzellen, welche die eine oder mehreren Halbleiterschichten überlagern; und wobei zumindest eine der Subzellen eine Basisschicht aufweist, die aus einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Sb und Bi umfassenden Gruppe ausgewählt ist; wobei die Photovoltaikzelle zumindest vier Subzellen umfasst und wobei jede der zumindest vier Subzellen zu jeder der anderen Subzellen im Gitter im Wesentlichen angepasst ist. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist das Substrat eine Subzelle, die eine Basisschicht aufweist, welche aus einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ge, SiGe(Sn) ausgewählt ist, und einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest ein Element gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sb und Bi besteht. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfassen die Verfahren die Bildung von Tunnelübergängen zwischen den vier oder mehreren Subzellen.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfassen die Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaikzelle:
    Bilden einer ersten Subzelle, die eine erste Basisschicht aufweist, welche aus einem Material gebildet ist, das aus der aus Ge, SiGe(Sn) bestehenden Gruppe und einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element ausgewählt ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sb und Bi besteht, wobei die erste Subzelle durch eine Bandlücke von 0,7 eV bis 1,1 eV charakterisiert ist; Bilden einer zweiten Subzelle, die eine zweite Basisschicht aufweist, wobei die zweite Basisschicht aus einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sb und Bi besteht, wobei die zweite Subzelle durch eine Bandlücke von 0,9 eV bis 1,3 eV charakterisiert ist; und Bilden zumindest zweier zusätzlicher Subzellen, welche die zweite Subzelle überlagern; wobei die Photovoltaikzelle zumindest vier Subzellen umfasst und wobei jede der zumindest vier Subzellen zu jeder der anderen Subzellen im Gitter im Wesentlichen angepasst ist. Bei gewissen Verfahren ist jede der zumindest vier Subzellen zu einem Material im Gitter im Wesentlichen angepasst, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Si, Ge, SiGe, GaAs und InP besteht. Bei gewissen Verfahren ist die erste Basisschicht aus einer Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz gebildet, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0,02 ≤ x ≤ 0,24, 0,015 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03; und die zweite Basisschicht ist aus einer Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz gebildet, bei der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,18, 0,005 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03. Bei gewissen Verfahren umfasst die Bildung von zumindest zwei zusätzlichen Subzellen, welche die zweite Subzelle überlagern:
    Bilden einer eine dritte Basisschicht aufweisenden dritten Subzelle, welche die zweite Subzelle überlagert, wobei die dritte Basisschicht aus einem Material gebildet wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus GaInPAs und (Al, In)GaAs besteht, und die durch eine Bandlücke von 1,4 eV bis 1,7 eV charakterisiert ist; und Bilden einer eine vierte Basisschicht aufweisenden vierten Subzelle, welche die dritte Subzelle überlagert, wobei die vierte Basisschicht aus (Al)InGaP gebildet ist und durch eine Bandlücke von 1,9 eV bis 2,2 eV charakterisiert ist.
  • Bei gewissen Ausführungsbeispielen umfassen Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaikzelle:
    Bilden von zumindest zwei Subzellen auf einem Substrat;
    Bilden einer ersten Subzelle, die eine erste Basisschicht aufweist, wobei die erste Basisschicht aus einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sb und Bi besteht, wobei die erste Subzelle durch eine Bandlücke von 0,9 eV bis 1,3 eV charakterisiert ist; und
    Bilden einer eine zweite Basisschicht aufweisenden zweiten Subzelle, die aus einem Material gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ge, SiGe(Sn) und einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element besteht, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sb und Bi besteht, wobei die zweite Subzelle durch eine Bandlücke von 0,7 eV bis 1,1 eV charakterisiert ist; wobei die Photovoltaikzelle zumindest vier Subzellen umfasst und wobei jede der vier Subzellen zu jeder der anderen Subzellen im Gitter im Wesentlichen angepasst ist.
  • Bei gewissen Ausführungsbeispielen umfassen Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaikzelle:
    Bilden einer oder mehrerer Subzellen auf einem Substrat in einer ersten Materialien-Niederschlagskammer; Übertragen des Substrats zu einer zweiten Materialien-Niederschlagskammer; und
    Bilden einer oder mehrerer zusätzlicher Subzellen, welche die eine oder mehreren Subzellen überlagern; und wobei eine oder mehrere der Subzellen der Photovoltaikzelle eine Basisschicht aufweisen, die aus einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle der periodischen Elemente, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sb und Bi besteht; und wobei jede der Subzellen zu jeder der anderen Subzellen im Gitter im Wesentlichen angepasst ist. Bei gewissen Ausführungsbeispielen umfassen Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaikzelle ferner:
    Bilden einer oder mehrerer Schichten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus einer Pufferschicht, einer Kontaktschicht, einer Ätz-Stoppschicht, einer Freilegungsschicht und einer anderen Halbleiterschicht auf dem Substrat in einer Kammer bestehen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus einer dritten Materialien-Niederschlagskammer und der zweiten Materialien-Kammer besteht; und Übertragen des Substrats zu der ersten Materialien-Niederschlagskammer.
  • Ein spezifischeres Beispiel der durch 7 dargestellten Ausführungsform ist die in 17B dargestellte Fünf-Übergangs-Solarzelle. Die untere Subzelle ist eine GaInNAsSb-Subzelle mit einer Bandlücke von 1,0 eV und einer Gesamt-Subzellendicke von 2–3 Mikrometer. J4 ist eine GaInNAsSb-Subzelle mit einer Bandlücke von 1,2 eV und einer Gesamt-Subzellendicke von 2–3 Mikrometer. J3 ist eine AlGaAs-Subzelle mit einer Bandlücke von 1,5 eV und einer Gesamt-Subzellendicke von 4–5 Mikrometer. J2 ist eine AlGaAs-Subzelle mit einer Bandlücke von 1,7 eV und einer Subzellendicke von 4–5 Mikrometer. J1 ist eine AlInGaP-Subzelle mit einer Bandlücke von 2,1 eV und einer Subzellendicke von 0,3–1,0 Mikrometer. Die oberen zwei Tunnelübergänge umfassen GaAs:Si/AlGaAs:C, jeweils mit einer Gesamtdicke von etwa 15 nm bis 25 nm. Die unteren zwei Tunnelübergänge sind GaAs:Si/GaAs:C, jeweils mit einer Gesamtdicke zwischen 40 und 100 nm. Sämtliche der Subzellen sind zu einem GaAs-Substrat im Gitter im Wesentlichen angepasst. Die Solarzelle erfährt nach dem Wachsen und vor einer Vorrichtungsverarbeitung ein thermisches Glühen und ein zusätzliches thermisches Glühen während der Vorrichtungsverarbeitung.
  • Eine I-V-Kurve des simulierten Stromes, der als Funktion der Spannung der in 17B dargestellten Mehrfachübergangs-Solarzelle bei 1000 Sonnen unter dem AM1,5D-Spektrum bei 25°C abgegeben wird, ist, zusammen mit der Leistung der hier beschriebenen, zum Stand der Technik gehörenden Dreifachübergangs-Solarzelle hohen Wirkungsgrades in 17A gezeigt. Die zwei Solarzellen weisen untere GaInNAsSb-Subzellen mit derselben Bandlücke auf. Der simulierte Wirkungsgrad der Fünf-Übergangs-Solarzelle gemäß gewissen Ausführungsbeispielen beträgt 45,5%, verglichen mit 40,8% für die Dreifachübergangs-Solarzelle. Während der erzielbare Strom bei dieser Solar-Konzentration für die Fünf-Übergangs-Solarzelle niedriger ist, verglichen mit der Drei-Übergangs-Solarzelle, ist die Spannung wesentlich höher. Der höhere Wirkungsgrad wird erzielt, da viel weniger von der einfallenden Lichtenergie als Wärme verloren geht. Es werden mehr Photonen durch Subzellen mit Bandlücken absorbiert, die näher bei deren Energien liegen, was es ermöglicht, mehr von der Energie in Elektrizität und weniger in Wärme umzusetzen.
  • Eine I-V-Kurve des simulierten Stromes, der als Funktion der Spannung der in 18B dargestellten Mehrfachübergangs-Solarzelle, einer Vier-Übergangs-Solarzelle, die durch die Erfindung offenbart wird, unter dem AM0-Spektrum bei einer Sonne und 25°C abgegeben wird, ist zusammen mit der simulierten Leistung der typischen InGaP/InGaAs/Ge-Dreifachübergangs-Solarzelle, wie sie heutzutage für die Verwendung im Weltraum gefunden wird, in 18A dargestellt. Der simulierte Wirkungsgrad der durch die Erfindung offenbarten Vier-Übergangs-Solarzelle beträgt 33,2%, verglichen mit 30,6% für die Dreifachübergangs-Solarzelle. Während der erzielbare Strom für die Vier-Übergangs-Solarzelle niedriger ist verglichen mit der Drei-Übergangs-Solarzelle, ist die Spannung wesentlich höher. I-V-Kurven für die Sechs-Übergangs-Solarzelle, welche durch die Erfindung offenbart ist und welche in 19B gezeigt ist, unter dem AM0-Spektrum bei 25°C sind zusammen mit der Leistung der hier oben beschriebenen, zum Stand der Technik gehörenden Dreifachübergangs-Solarzelle in 19A gezeigt. Gezeigt sind sowohl die Daten für eine heutzutage hergestellte Sechs-Übergangs-Solarzelle als auch die Daten für eine zukünftige Zelle mit verbesserten Minoritätsträgereigenschaften. Die simulierten Wirkungsgrade der derzeitigen und zukünftigen Sechs-Übergangs-Solarzellen der Erfindung betragen 33,3% bzw. 39,7%, verglichen mit 30,6% für eine derzeitige Dreifachübergangs-Solarzelle. Während der erzielbare Strom für die Sechs-Übergangs-Solarzellen niedriger ist verglichen mit der Drei-Übergangs-Solarzelle, ist die Spannung etwa doppelt so hoch wie die der Dreifachübergangs-Solarzelle. Bei beiden 18A und 19A wird ähnlich der terrestrischen Mehrfachübergangs-Solarzelle der höhere Wirkungsgrad erzielt, da weniger von der einfallenden Lichtenergie als Wärme verloren geht. Es werden mehr Photonen durch Subzellen mit Bandlücken absorbiert, die näher bei deren Energien liegen, was es ermöglicht, mehr von der Energie in Elektrizität und weniger in Wärme umzusetzen.
  • Verschiedene Werte für Bandlücken sind in der Beschreibung und in den Ansprüchen aufgezählt worden. Es dürfte einzusehen sein, dass diese Werte nicht exakt sind. Die Werte für Bandlücken sind jedoch auf eine signifikante Ziffer rechts vom Komma angenähert, abgesehen davon, wo es anders angegeben ist. Somit deckt der Wert 0,9 den Bereich von 0,850 bis 0,949 ab.
  • Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele erläutert worden. Andere Ausführungsbeispiele werden Durchschnittsfachleuten offensichtlich sein. Es ist daher nicht beabsichtigt, die Erfindung zu beschränken, abgesehen davon, wie dies durch die beigefügten Ansprüche angegeben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7807921 [0008]
    • US 6281426 [0009]
    • US 7727795 [0009]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • M. A. Green et al, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 19(2011), 565–572 [0007]
    • Ptak, et al, Journal of Vacuum Science Technology, 825(3), May/June 2007, Seiten 955–959 [0008]
    • Nelson, The Physics of Solar Cells, London: Imperial College Press, 2003, Seiten 145–176 [0052]
    • Kurtz at el, Journal of Applied Physics 68 (1990), 1890 [0052]

Claims (17)

  1. Photovoltaikzelle, umfassend: zumindest vier Subzellen, wobei zumindest eine der Subzellen eine Basisschicht aufweist, die aus einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sb und Bi besteht, und wobei jede der zumindest vier Subzellen zu jeder der anderen Subzellen im Gitter im Wesentlichen angepasst ist.
  2. Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, wobei jede der zumindest vier Subzellen zu einem Material im Gitter im Wesentlichen angepasst ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Si, Ge, SiGe, GaAs und InP besteht.
  3. Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Subzelle durch eine Bandlücke charakterisiert ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend bzw. reichend von 0,7 eV bis 1,1 eV, 0,8 bis 0,9 eV, 0,9 eV bis 1,0 eV, 0,9 eV bis 1,3 eV, 1,0 eV bis 1,1 eV, 1,0 eV bis 1,2 eV, 1,1 eV bis 1,2 eV, 1,1 eV bis 1,4 eV und 1,2 eV bis 1,4 eV.
  4. Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, wobei die Basisschicht der zumindest einen Subzelle aus einer Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz gebildet ist, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,001 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20.
  5. Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, wobei die Basisschicht der zumindest einen Subzelle aus einer Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz gebildet ist, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0,01 ≤ x ≤ 0,18, 0,005 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03.
  6. Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest zwei Subzellen eine Basisschicht aufweisen, die aus einer Legierung aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe III der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sb und Bi besteht.
  7. Photovoltaikzelle nach Anspruch 6, wobei eine der zumindest zwei Subzellen durch eine erste Bandlücke von 0,7 bis 1,1 eV charakterisiert ist und wobei eine zweite der zumindest zwei Subzellen durch eine zweite Bandlücke von 0,9 bis 1,3 eV charakterisiert ist, wobei die Bandlücke der obersten der zumindest zwei Subzellen größer ist als die Bandlücke der anderen der zumindest zwei Subzellen.
  8. Photovoltaikzelle nach Anspruch 6, wobei jede der zumindest zwei Subzellen eine Basisschicht aufweist, die aus einem Material gebildet ist, welches unabhängig aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus GaInNAsSb, GaInNAsBi, GaInNAsSbBi, GaNAsSb, GaNAsBi und GaNAsSbBi.
  9. Photovoltaikzelle nach Anspruch 6, wobei eine der zumindest zwei Subzellen eine Basisschicht aufweist, die aus einer Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz gebildet ist, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0,02 ≤ x ≤ 0,24, 0,015 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03, und wobei eine zweite der zumindest zwei Subzellen eine Basisschicht aufweist, die aus einer Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz gebildet ist, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,18. 0,005 ≤ y ≤ 0,05 und 0,001 ≤ z ≤ 0,03.
  10. Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, umfassend: eine eine erste Basisschicht aufweisende erste Subzelle aus einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Ge, SiGe(Sn), und einer Legierung aus einem oder mehr Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Sb und Bi bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 0,7 eV bis 1,1 eV charakterisiert ist, eine eine zweite Basisschicht aufweisende zweite Subzelle, welche der ersten Subzelle überlagert ist, wobei die zweite Basisschicht aus einer Legierung aus einem oder mehr Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Sb und Bi bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 0,9 eV bis 1,3 eV charakterisiert ist, eine eine dritte Basisschicht aufweisende dritte Subzelle, welche der zweiten Subzelle überlagert ist, wobei die dritte Basisschicht aus einem Material gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus GaInPAs und (Al, In)GaAs besteht, und durch eine Bandlücke von 1,4 eV bis 1,7 eV charakterisiert ist, und eine eine vierte Basisschicht aufweisende vierte Subzelle, welche der dritten Subzelle überlagert ist, wobei die vierte Basisschicht aus (Al)InGaP gebildet ist und durch eine Bandlücke von 1,9 eV bis 2,2 eV charakterisiert ist.
  11. Photovoltaikzelle nach Anspruch 10, wobei die erste Basisschicht, die zweite Basisschicht oder sowohl die erste Basisschicht als auch die zweite Basisschicht aus einer Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSb, gebildet sind, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,001 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20.
  12. Photovoltaikzelle nach Anspruch 10, wobei die Bandlücke der ersten Basisschicht 0,7 eV bis 0,9 eV beträgt, wobei die Bandlücke der zweiten Basisschicht 1,0 eV bis 1,2 eV beträgt, wobei die Bandlücke der dritten Basisschicht 1,5 eV bis 1,6 eV beträgt und wobei die Bandlücke der vierten Basisschicht 1,9 eV bis 2,1 eV beträgt.
  13. Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, umfassend: eine eine erste Basisschicht aufweisende erste Subzelle, welche aus einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Ge, SiGe(Sn), und einer Legierung aus einem oder mehr Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Sb und Bi bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 0,7 eV bis 1,1 eV charakterisiert ist, eine eine zweite Basisschicht aufweisende zweite Subzelle, welche der ersten Subzelle überlagert ist, wobei die zweite Basisschicht aus einer Legierung aus einem oder mehr Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Sb und Bi bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 0,9 eV bis 1,3 eV charakterisiert ist, eine eine dritte Basisschicht aufweisende dritte Subzelle, welche der zweiten Subzelle überlagert ist, wobei die dritte Basisschicht aus einem Material, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus GaInPAs und (Al, In)GaAs besteht, und einer Legierung aus einem oder mehr Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Sb und Bi bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 1,2 eV bis 1,6 eV charakterisiert ist, eine eine vierte Basisschicht aufweisende vierte Subzelle, die der dritten Subzelle überlagert ist, wobei die vierte Basisschicht aus einem Material gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus GaInPAs und (Al, In)GaAs besteht und durch eine Bandlücke von 1,6 eV bis 1,9 eV charakterisiert ist, und eine eine fünfte Basisschicht aufweisende fünfte Subzelle, welche der vierten Subzelle überlagert ist, wobei die fünfte Basisschicht aus (Al)InGaP gebildet und durch eine Bandlücke von 1,9 eV bis 2,2 eV charakterisiert ist.
  14. Photovoltaikzelle nach Anspruch 13, wobei eine oder mehrere der ersten Basisschicht, der zweiten Basisschicht und der dritten Basisschicht aus einer Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz gebildet sind, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,001 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20.
  15. Photovoltaikzelle nach Anspruch 1, umfassend: eine eine erste Basisschicht aufweisende erste Subzelle, welche aus einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Ge, SiGe (Sn), und einer Legierung aus einem oder mehr Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Sb und Bi bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 0,7 eV bis 1,1 eV charakterisiert ist, eine eine zweite Basisschicht aufweisende zweite Subzelle, welche der ersten Subzelle überlagert ist, wobei die zweite Basisschicht aus einer Legierung aus einem oder mehr Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Sb und Bi bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 0,9 eV bis 1,3 eV charakterisiert ist, eine eine dritte Basisschicht aufweisende dritte Subzelle, welche der zweiten Subzelle überlagert ist, wobei die dritte Basisschicht aus einem Material, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus GaInPas und (Al, In)GaAs besteht, und aus einer Legierung aus einem oder mehr Elementen aus der Gruppe III in der Tabelle des Periodensystems, Stickstoff, Arsen und zumindest einem Element gebildet ist, welches aus der Sb und Bi bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und durch eine Bandlücke von 1,1 eV bis 1,5 eV charakterisiert ist, eine eine vierte Basisschicht aufweisende vierte Subzelle, die der dritten Subzelle überlagert ist, wobei die vierte Basisschicht aus einem Material gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus (AlIn)GaAs und (Al)InGa(P)As besteht, und durch eine Bandlücke von 1,4 eV bis 1,7 eV charakterisiert ist eine eine fünfte Basisschicht aufweisende fünfte Subzelle, welche der vierten Subzelle überlagert ist, wobei die fünfte Basisschicht aus einem Material gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus (Al)InGaP und Al(In)Ga(P)As, und durch eine Bandlücke von 1,6 eV bis 2,0 eV charakterisiert ist, und eine eine sechste Basisschicht aufweisende sechste Subzelle, welche der fünften Subzelle überlagert ist, wobei die sechste Basisschicht aus (Al)InGaP gebildet und durch eine Bandlücke von 1,9 eV bis 2,3 eV charakterisiert ist.
  16. Photovoltaikzelle nach Anspruch 15, wobei eine oder mehrere der ersten Basisschicht, der zweiten Basisschicht und der dritten Basisschicht aus einer Legierung Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz gebildet sind, in der Werte für x, y und z gegeben sind mit 0 ≤ x ≤ 0,24, 0,001 ≤ y ≤ 0,07 und 0,001 ≤ z ≤ 0,20.
  17. Photovoltaik-System, umfassend zumindest eine Photovoltaikzelle nach Anspruch 1.
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