JP2004320033A - 高ミスカット角度の基体上に成長された多接合光起電セル - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は光起電セルの出力および効率を改善することを目的としている。
【解決手段】本発明は光起電セル不規則にされた第III 族サブ格子ベースを含むＧａＩｎＰサブセル20と、ＧａＩｎＰサブセル20の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓのサブセル40と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓのサブセルの下に配置された半導体成長基体60とを備え、半導体成長基体60は最も近い（１１１）結晶平面に向かって約８度乃至４０度の範囲の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は，半導体材料に関するものであり、特に、高ミスカット角度の基体上に成長された光起電セル（ＰＶセル）およびオプトエレクトロニクス装置に関するものである。
光起電セルまたは太陽電池の重要性は汚染および利用可能なリソースの限定されることにより増加している。この重要性は地球上および非地球上の両方の利用で増加している。宇宙用では、衛星の動作に必要な所定の電力量のために原子力電池またはバッテリ電力の使用が宇宙船のペイロードを著しく増加させる。このような宇宙船のペイロードの増加は直線的より大きい増加率で発射コストを増加させている。衛星のような宇宙船に対する宇宙空間で太陽エネルギが容易に利用できることにより太陽エネルギの電気エネルギへの変換は増加したペイロードの明白な代替となる可能性がある。
光起電システムの電力発生容量のワット当たりのコストは地上での広範囲の使用を妨げる主要な要因である。太陽光の電気エネルギへの変換効率は地上のＰＶシステムでは非常に重要である。それは効率の増加は、システムの所定の必要な電力出力に対する通常関係する電力発生システムのコンポーネントの減少（セルの面積、モジュールまたはコレクタの面積、支持構造、地表面積等）が得られるからである。例えば、光起電セル上に約２倍乃至２０００倍に太陽光を集中させる集光器光起電セルシステムでは、典型的に効率の増加の結果として高価な集光器の光学系を含む面積の釣り合った減少が得られる。
子のようなセルの電力出力を増加させるために、異なったエネルギバンドギャップを有する多数のサブセルまたは層が積層され、それにより各サブセルまたは層が太陽光の広いエネルギ分布範囲の異なった部分を吸収することができる。この構成は、サブセルで吸収される各光子がサブセルの動作電圧で収集される電荷の１単位に対応しているから有効であり、それはサブセルの半導体材料のバンドギャップにほぼ直線的に依存している。出力電力は電圧と電流の積であるから、理想的に効率のよい太陽電池はそのバンドギャップよりも無視できる程度に大きいエネルギの光子だけをそれぞれ吸収する多数のサブセルを有している。
それ故、最も効率のよい有力な多接合（ＭＪ）ＰＶセル技術はＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅセル構造である。ここで、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセル材料中のカッコの使用は中間セル中にインジュウムを含むことが随意的であることを示しており、それ故、中間セルの組成はＧａＡｓまたはＧａ（Ｉｎ）Ａｓのいずれでもよい。これらの単結晶セルはＧａＡｓまたはＧｅに格子整合されて成長され、上部の２つの接合だけがアクチブで、Ｇｅ基体との接合はアクチブでない（２接合セル）か、または３つの接合全てがアクチブである（３接合セル）。ＡｌＧａＩｎＰまたは格子整合されたＧａＩｎＰ上部セルのような材料系における種々の変更は太陽光スペクトルにさらによく整合されたバンドギャップを与える可能性があり、実際の考察では大量生産では格子整合されたＧａＩｎＰが好ましいことが示されている。ＡｌＩｎＧａＰを形成するために上部セルに少量のＡｌを添加することは同時に酸化を伴い、したがって、小数キャリア寿命時間を劣化させ、装置の性能を劣化させる。格子整合されたＧａＩｎＰ上部セルは同様の影響を有する格子欠陥（ディスロケイション）の形成を誘起する。
単結晶の、直列に結合された２および３接合のＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅ太陽電池では、ＧａＩｎＰの上部サブセルがＧａ（Ｉｎ）Ａｓのサブセルとほぼ同じ光生成電流密度を有することが望ましい。もしも電流が相違すれば、最低の光生成電流密度を有するサブセルは多接合（ＭＪ）セルの直列接続されたサブセルの全てを流れる電流を制限し、他のサブセル中の過剰な光により生成された電流は無駄にされる。このように電流が制限される結果としてＭＪセルの効率に厳しい制約を与える。
Ｇｅ（またはＧａＡｓ）基体の格子定数において、通常の条件下で成長されたＧａＩｎＰは規則正しい整列した（order ）II族サブ格子を有し、それ故、米国特許第５２２３０４３郷明細書に記載されているような最上部のサブセルが意図的に光学的に薄く形成されないならば、集中しない、または集中したＡＭ０の宇宙空間太陽光スペクトル集中しない、または集中したＡＭ１．５ＤおよびＡＭ１．５Ｇ地上太陽光スペクトルおよびその他の太陽光スペクトルにおけるサブセル間の所望の電流整合を達成するには低過ぎるバンドギャップを有している。最高の効率を得るために、ＭＪセルのサブセルの厚さは各サブセル中の電流を整合するように調整される。厚さを減少させる代わりに最上部のセルのバンドギャップを増加させることによりサブセルを電流整合させることが好ましく、同じ電流で高い電圧を生成させることができる。ＧａＩｎＰの重要な特性はそのバンドギャップが成長条件により変化することである。通常の条件下で成長されたＧａＩｎＰはＣｕＰｔB の規則的な配置の第III 族サブ格子を有する。この結果の規則的な配置は完全に不規則（dysorder）の材料と比較して完全に規則的な配置の材料については４７０ｍＶのバンドギャップに減少する可能性がある。ＺUNGER ，ＭＲＳBulletin，22(1997)の20〜26頁参照。典型的にこのバンドギャップ中の損失は１２０ｍＶに過ぎない。それは規則的な配置は部分的だからである。サンプル中で得られた規則的な配置の量はオーダーパラメータηにより記述され、ηは０（不規則的な配置）から１（完全な規則的な配置）の範囲である。Ｇ．Ｂ．Ｓtringfellow ，ＭＲＳBulletin，22(1997)の20〜26頁参照。
もしも、ＧａＩｎＰ上部セルが完全に不規則であるならば、光学的に厚い上部セルはＡＭ１．５ＤおよびＡＭ１．５Ｇ地上太陽光スペクトルに対する整合された電流に近いが、依然としてＡＭ０スペクトルに整合するには光学的に薄過ぎる。バンドギャップ中の増加ΔＥは結果的に、部分的に不規則的な配置のＧａＩｎＰに比較して十分に不規則にされたＧａＩｎＰに対してはほぼΔＥ／ｑ（典型的には１００ｍＶ）の開回路電圧Ｖocの増加が認められる。
多接合または単一接合光起電セル装置においては、光起電セルの通常の特徴は光起電セルのベース上に配置されたエミッタ層上のウインドウ層の使用である。ウインドウ層の主要な機能はエミッタの前面の少数キャリアの再結合を減少させること（すなわちパッシベート）である。さらに、ウインドウ材料の光学的特性は光で生成された電荷がより効率的に収集されることのできる下方のセル層にできるだけ多くの光が伝達できるようなものでなければならず、或いは、もしもウインドウ層中に光の実質的な吸収が存在するならば、ウインドウ層中の少数キャリアの寿命時間は光起電セルのエミッタとベースとの間のｐｎ接合で効率的に収集されるようにキャリアに対して十分に長くなければならない。同様に光起電セルのベースの下側の背面フィールド（ＢＳＦ）構造はベースの背面で少数キャリアの再結合を減少させるために使用される。ウインドウに対してと同様にＢＳＦ構造（以下単にＢＳＦと言う）は大部分の光がＢＳＦにより伝送されるＢＳＦの下のサブセルにより使用されることができるような光学的特性を有していなければならず、および／またはＢＳＦ中の少数キャリアの特性は、ＢＳＦ中の光吸収により生成された電子およびホールが光起電セルのｐｎ接合で効率よく収集されるようなものでなければならない。
多接合光起電セルに対しては、効率は、１つのセルから次のセルへ発生された電流が流れることができるように個々のセル間で低抵抗の境界面が必要であることにより制限される。したがって、モノリシック構造では、電流の阻止を最小にするためにトンネル接合が使用されている。さらに、隣接するサブセル間で可能な最低の抵抗を与えるのに加えて、トンネル接合はまたＭＪ積層体中の下部のサブセルにより使用される光の波長に対して透明でなければならず、それはトンネル接合領域で光により発生したキャリアの収集効率が貧弱なためである。
これらの特性は全てバンドギャップ、ドープレベル、光学特性、および装置で使用されるベース、エミッタ、ウインドウ、ＢＳＦおよびトンネル接合層の少数キャリア再結合および拡散特性に依存している。これらのセル層の半導体特性は基体の方位の選択によりＭＪ光起電セルに対して強化され、或いは劣化される。
通常使用されるＧｅ基体上に成長される軽ドープのＧａＩｎＰ、すなわち｛１１１｝平面の１つに向かって（１００）平面から約６度の角度で意図的に傾斜された方位を有する表面は、それを製造するために典型的に使用される成長条件下で高度に規則的な配置されている。典型的に観察されたオーダーパラメータはこの場合約０．５である。光起電セルのＧａＩｎＰ上部サブセルを不規則にすることにより光起電セルの出力および効率を増加させる通常の方法は、高濃度の亜鉛（Ｚｎ）のドープおよび拡散を含んでいる。しかしながら、このようなＺｎのドープおよび拡散はＧａＩｎＰ上部サブセル（および潜在的な他のサブセルおよび層）の材料特性を変化させ、光起電セルの出力および効率を理想的なものではなくする。このような通常の方法の限界には、ＧａＩｎＰIII 族サブ格子の不完全な不規則が含まれ、結果としてさらに完全な不規則により可能であるよりも低いバンドギャップおよびセル電圧を生じる。さらに、上部サブセル装置のパラメータおよびＭＪセルの製造性はＧａＩｎＰ上部サブセルのベースの全てまたは一部に高濃度のＺｎを有することが要求されることにより悪影響を受ける。
光起電セルの出力および効率を増加させる別の通常の方法には、ＧａＩｎＰの成長速度および成長温度を増加させることにより光起電セルのＧａＩｎＰ上部サブセルを不規則的な配置にさせることが含まれている。このような状態では、非常に極端な成長条件が使用されるのでなければＧａＩｎＰ上部サブセルの不規則的な配置は不完全なままであり、したがって、ＭＪセルの成長プロセスにおける制限された配置はセルの出力および効率に悪影響を与える。例えば高い成長温度はＭＪ積層体中の他のサブセルの性能を劣化させる可能性があり、高い成長速度は成長中にIII 族ソース流の異常に高いレベルを与える可能性がある。
ＧａＩｎＰ中の基体のサプ格子不規則的な配置における基体方位の一般的な影響は以前に以下の文献で公表されている。
Suzuki、外“Sublattice Ordering in GaInP and AlGaInP:Effects of Substrate Orientation ”およびKurtz,外“Competing Kinetic and Thermodynamic Processes in Growth and Ordering of Ga0.5 In0.5 P ”
しかしながら、これらの文献のいずれにも通常のミスカット基体上ではなく、高いミスカット角度の基体上に成長された高い効率のＭＪ光起電セルは記載されていない。
基体の方位のずれによる広バンドギャップＧａＩｎＰ上部サブセルを有するＭＪセルの製造に成功するために、他の材料の成長における方位のずれの影響および核形成，ドープ濃度、ＧａおよびＩｎ含有効率等のような装置の特性が理解されなければならない。
米国特許第４９１５７４４号明細書には基体上の単一接合ＧａＡｓセルが記載されており、その基体は（１１０）および（１１１）結晶平面間の中間の結晶平面に向かう特定の方位を有している。しかしながら、ＧａＩｎＰサブセルの形成およびＧａＩｎＰのIII 族サブ格子の整列における基体の方位の相違の影響については何等示されていない。
認められるように、成長された半導体層の材料の特性を変更してそれにより光起電セルその他の形式の半導体装置の出力および効率を改良するために（１００）平面に関して著しくずれた結晶方位の表面を有する基体（ここでは高ミスカット角度基体または高ミスカット角度基体と言う）上に成長された改良された単一接合および多接合光起電セルおよびその他の半導体装置が必要とされる。
本発明の１特徴によれば、光起電セルは、不規則にされたIII 族サブ格子ベースを含むＧａＩｎＰサブセルと、ＧａＩｎＰサブセルの下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓのサブセルと、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓのサブセルの下に配置されて最も近い（１１１）結晶平面に向かって約８度乃至４０度の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有するＧｅまたはＧａＡｓが好ましい半導体成長基体とを含んでいる。
本発明の好ましい実施形態では、光起電セルは、ＧａＩｎＰサブセルと、そのＧａＩｎＰサブセルの下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓサブセルと、最も近い（１１１）結晶平面に向かって約１５．８度の角度で（１００）平面から外れた方位の（１１５）表面を有する半導体成長基体とを含んでいる。
本発明の別の好ましい実施形態では、光起電セルは、ＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層と、そのＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層の下に配置されたＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層と、ＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層の下に配置されたＧａＩｎＰ上部サブセルベース層と、ＧａＩｎＰ上部サブセルベース層の下に配置されたＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰ上部サブセルＢＳＦ層と、上部サブセルトンネル接合構造と呼ばれ上部サブセルＢＳＦ層の下に配置されたｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＩｎＰ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓ、またはｐ型ＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓのような上部サブセルトンネル接合構造と、上部サブセルトンネル接合構造の下に配置された単一のＧａＩｎＰ層またはＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰウインドウ構造のような中間サブセルウインドウ構造と、中間サブセルウインドウ構造の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルエミッタ層と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルエミッタ層の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルベース層と、このＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルベース層の下に配置されたＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰ中間サブセルＢＳＦ層と、中間セルトンネル接合構造と呼ばれ中間サブセルＢＳＦ層の下に配置されたｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＩｎＰ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓ、またはｐ型ＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓの中間トンネル接合構造と、中間トンネル接合構造の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層の下に配置されたＧａＩｎＰまたはＧａＡｓ核形成および底部サブセルウインドウ層と、核形成および底部サブセルウインドウ層の下に配置されたＧｅ底部サブセルエミッタ層と、Ｇｅ底部サブセルエミッタ層の下に配置されたＧｅ底部サブセルベース層および高いミスカット角度の基体とを含んでおり、基体は最も近い（１１１）結晶平面に向かって約８度乃至４０度の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有している。
本発明のさらに別の特徴によれば、光起電セルは最も近い（１１１）結晶平面に向かって約８度乃至４０度の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有しているＧｅ基体を備え、このＧｅ基体上に次のようなサブセルのグループの少なくとも１つが配置されている。
ＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／ＧａＩｎＮＡｓ；ＧａＩｎＰ（薄）／ＧａＩｎＰ（Ａｓ）（厚）／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ；ＧａＩｎＰ（薄）／ＧａＩｎＰ（Ａｓ）（厚）／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／ＧａＩｎＮＡｓ。
本発明のさらに別の特徴によれば、光起電セルｓｙｍは少なくとも１つの太陽電池を有する太陽電池アレイを含んでいる。太陽電池はIII 族サブ格子不規則的な配置（簡単にするためここでは単に不規則的なと言う）ＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層と、ＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層の下に配置された不規則な配置のＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層と、ＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層の下に配置された不規則なＧａＩｎＰ上部サブセルベース層と、ＧａＩｎＰ上部サブセルベース層の下に配置されたＡｌＧａＡｓまたは不規則的なＡｌＧａＩｎＰ上部サブセルＢＳＦ層と、上部サブセルトンネル接合構造と呼ばれ上部サブセルＢＳＦ層の下に配置されたｐ型ＡｌＧａＡｓ／不規則なｎ型ＧａＩｎＰ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓ、またはｐ型ＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓのようなトンネル接合構造と、上部サブセルトンネル接合構造の下に配置された単一の不規則ＧａＩｎＰ層または不規則なＡｌＩｎＰ／不規則なＧａＩｎＰウインドウ構造のような中間サブセルウインドウ構造と、中間サブセルウインドウ構造の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルエミッタ層と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルエミッタ層の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルベース層と、このＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルベース層の下に配置されたＡｌＧａＡｓまたは不規則ＧａＩｎＰ中間サブセルＢＳＦ層と、中間セルトンネル接合構造と呼ばれ中間サブセルＢＳＦ層の下に配置されたｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＩｎＰ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓ、またはｐ型ＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓのような中間セルトンネル接合構造と、中間セルトンネル接合構造の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層の下に配置されたＧａＩｎＰまたはＧａＡｓ核形成層および底部サブセルウインドウ層と、核形成層および底部サブセルウインドウ層の下に配置されたＧｅ底部サブセルエミッタ層と、Ｇｅ底部サブセルエミッタ層の下に配置されたＧｅ底部サブセルベース層および高いミスカット角度の基体とを具備しており、基体は最も近い（１１１）結晶平面に向かって約８度乃至４０度の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有している。
本発明のさらに別の特徴によれば、衛星システムは衛星とその衛星に結合されて動作する太陽電池アレイとを備え、太陽電池アレイは少なくとも１つの光起電セルを有し、その光起電セルは、不規則なＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層と、ＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層の下に配置された不規則なＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層と、ＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層の下に配置された約１．９ｅＶのバンドギャップを有する不規則のＧａＩｎＰ上部サブセルベース層と、不規則なＧａＩｎＰ層を含んでいてもよい上部セルの下のトンネル接合構造と、不規則なＧａＩｎＰ層を含んでいてもよい中間セルウインドウ構造と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルエミッタ層およびベース層と、不規則ＧａＩｎＰ層を含んでいてもよい中間セルＢＳＦ構造と、中間セルの下のトンネル接合構造と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層とＧａＩｎＰまたはＧａＡｓ核形成層および底部サブセルウインドウ層と、Ｇｅ底部サブセルエミッタ層と、Ｇｅ底部サブセルベース層と、高いミスカット角度の基体とを具備しており、その基体は最も近い（１１１）結晶平面に向かって約１６度の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有している。
本発明のさらに別の特徴によれば、ＧａＩｎＰ上部サブセルバンドギャップを増加させる方法は、（１００）方向から約１５．８度のミスカット角度を有するＧｅ基体が設けられ、ＧａＩｎＰ上部サブセルを含む光起電セルをＧｅ基体上に成長させ、（１００）平面から｛１１１｝平面に向かって約１５．８度のミスカット角度で配置され、その結果｛５１１｝方位の基体表面を生成し、それにより不規則な配置にされて、ＧａＩｎＰ上部サブセルのバンドギャップが増加される。記号｛ ｝は対称的で等価な結晶平面のセットを示している。
本発明のさらに別の特徴によれば、ＧａＩｎＰ上部サブセルの外部量子効率に対する短いカットオフ波長を生成する方法が提供され、その方法は、１５．８度のミスカット角度のＧｅ基体が設けられ、１５．８度のミスカット角度のＧｅ基体上に不規則なＧａＩｎＰ上部サブセルを成長させ、その結果高いバンドギャップで、約６７５ｎｍの波長でほぼ０％の量子効率が得られる。
本発明のさらに別の特徴によれば、太陽電池の変換効率を増加させる方法が提供され、その方法は、１５．８度のミスカット角度を有するＧｅ基体が設けられ、１５．８度のミスカット角度のＧｅ基体上にＧａＩｎＰ上部サブセルが成長され、その結果約２８％以上ＡＭ０スペクトル下の変換効率と約２．７Ｖの開回路電圧が得られる。
本発明のこれらおよびその他の特徴、観点、利点は添付図面を参照にした以下の詳細な説明から理解されるであろう。
以下、本発明を実施する現在最良のモードについて詳細に説明する。この説明は本発明を限定する意味で行われるものではなく、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に明瞭に規定されており、本発明の一般的な原理を説明するためになされているものである。
本発明は一般的に、高い効率の多接合光起電セル（ＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅセル）を提供するものであり、それは例えば衛星により使用されることができる。このような高い効率の多接合光起電セルは（１１１）平面の方向に（１００）平面から方位のずれた基体上に成長することにより誘起された増加されたサブ格子ディスオーダによりＧａＩｎＰサブセルの増加されバンドギャップによって生じる。ディスオーダＧａＩｎＰ（およびその他のIII-Ｖ族化合物）に対する前述の通常の方法には、本発明の高いミスカット角度基体上に成長することによるディスオーダに関連して使用されることができるものは含まれていない。
図１を参照すると、多接合光起電セル10の断面が示されている。多接合光起電セル10は電気的に直列に接続された３個のサブセル20, 40, 60を含んでいる。これらのサブセル20, 40, 60はそれらのベース層24, 44, 64の材料によって定められている。例えば、多接合光起電セル10はＧａＩｎＰベース層24を有するＧａＩｎＰサブセル20と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓベース層44（カッコはベースがＧａＩｎＡｓまたはＧａＡｓからなることを示す）を有するＧａ（Ｉｎ）Ａｓサブセル40と、Ｇｅ成長基体から構成されているＧｅベース層64を有するＧｅサブセル60とから構成されることができる。
サブセル20, 40, 60はまた多接合光起電セル10に光が前面から入射したとき各サブセルに入射する順番で示されている。例えば、図１において、サブセル20は上部サブセルまたはサブセル1 と呼ぶことができ、サブセル40は中間サブセルまたはサブセル2 と呼ぶことができ、Ｇｅサブセル60は底部サブセルまたはサブセル3 と呼ぶことができる。一般的に、ｎ個のサブセルは直列に接続され、ここでｎは単一接合セルでは１に等しく、多接合セルに対しては２以上の整数である。成長基体は電気的に不活性でも活性でもよく、それにより多接合セル中のｎ個のサブセルの１つを形成する。
例えば、Ｇｅサブセル60は上方のサブセルを形成する半導体層のエピタキシャル成長の基体として作用するＧｅウエハから形成されることができる。さらに、Ｇｅウエハは３接合セル10の３個のアクチブなサブセルの１つとして機能するのに加えて、セルの主要な機械的支持体として機能する。基体上の半導体層のエピタキシャル成長は核形成層58およびバッファ領域52により開始され、それらは１以上の半導体層を含んでいてもよい。そのような成長は典型的に核形成層58と最下部のエピタキシャルサブセル（中間セル40のような）との間で行われる。最下部のエピタキシャルサブセルと基体との間のトンネル接合はバッファ領域の上、下のいずれか、またはバッファ領域中に位置されることができる。例えば、トンネル接合47はバッファ領域52の上に示されている。
トンネル接合27は上部サブセル20と中間サブセル40とを電気的に直列に接続しており、トンネル接合47は中間サブセル40と底部サブセル60とを電気的に直列に接続している。一般的にセル10のような多接合光起電セルのｎ個の各サブセルはモノリシック２端子直列接続多接合セルを形成するためにトンネル接合により隣接するサブセルと直列に接続されることができる。２端子構造では、サブセルの厚さとバンドギャップは、１つのサブセルが他のサブセルの電流を厳しく制限しないように、各サブセルがその電流電圧曲線の最大電力点でほぼ同じ電流を有するように設計されることが好ましい。その代わりに、サブセルは付加的な端子、例えば金属コンタクトによりサブセル間で横方向に半導体層に接続して３端子、４端子、一般的にはｍ端子の多接合光起電セル（ｍは２以上の整数であり、ｎを多接合セル中のアクチブなサブセルの数でありｍは２ｎ以下である）を形成することもできる。サブセルは利用可能な光により発生された電流の大部分が効率よく使用されることができるようにこれらの付加的な端子を使用して回路中で相互接続することができる。このような効果的な使用は、光により発生された電流の密度が種々のサブセルで著しく異なる場合であっても多接合光起電セルを高い効率に導くことを可能にしている。
ウインドウ、エミッタ、ベース、および背面フィールド層（ＢＳＦ）は各サブセル20, 40, 60中に示されている。上部サブセル20のウインドウ、エミッタ、ベース、および背面フィールド層（ＢＳＦ）はそれぞれ層21, 22, 24, 25であり、中間サブセル40ではそれぞれ層41, 42, 44, 45である。
核形成層58はまたＧｅサブセル60に対するウインドウ層として機能する。さらに、バッファ領域52はＧｅサブセル60のウインドウの一部として考えることができ、それによって多接合セル10の上部エピタキシャル成長層中の格子欠陥の減少や形態学的改良のような他の機能も得られる。Ｇｅサブセル60のエミッタ層62はＧｅ基体の上部のIII-Ｖ族半導体のエピタキシャル成長から周期律表Ｖ族元素（それはＧｅにおけるｎ型ドープ物質）のｐ型Ｇｅ基体中への拡散により形成されることができる。Ｇｅサブセル60のベース64はバルクのｐ型Ｇｅウエハから構成され、それはまた多接合セル10の残部に対する成長基体および機械的支持体として作用する。Ｇｅサブセル60の背面にはＢＳＦ層は示されていないが、ＢＳＦ層（拡散ｐ＋領域、またはエピタキシャル成長されたIV族またはIII-Ｖ族半導体層のような）はＧｅサブセル60の効率および多接合セル10の全体の効率を改良するために適当な位置に配置されてもよい。
光により発生された電流はコンタクト層を通ってサブセルを出て行き、コンタクト層は典型的に高濃度にドープされた半導体層であるが、異なった波長範囲にわたって透明または半透明であってもよい導電性酸化物または金属のような他の形式の導電性材料で構成されることもできる。上部サブセル20に対するコンタクト層はサブセル20の前面上のキャップ層18（それは多接合セル10の上部で金属グリッドパターンによって接触されている）と、上部サブセル20の背面上のトンネル接合27のｐ＋＋ドープ側28である。中間サブセル40に対するコンタクト層は中間サブセル40の前面のトンネル接合27のｎ＋＋ドープ側29と、中間サブセル40の背面上のトンネル接合47のｐ＋＋ドープ側48である。Ｇｅ底部サブセル60に対するコンタクト層はバッファ領域52の前面のトンネル接合47のｎ＋＋ドープ側49（バッファ領域52はＧｅ底部サブセル60に対するウインドウ構造の一部と考えてられる）と、底部サブセル60の背面上の背面金属コンタクト68（それはまた多接合セル10全体の背面と考えられる）である。これらのコンタクト層は底部サブセル60の背面金属コンタクト68、或いはもっと一般的な太陽電池のグリッドの代わりに上部セルウインドウ21またはエミッタ層22と接触する透明な導電性酸化物の場合のようにパターン化されていなくてもよい。コンタクト層はまた、多くの太陽電池の前面グリッドを形成するパターン化された多量にドープされたキャップ層18および金属コンタクト14の場合のようにパターン化されてもよい。反射防止被覆16は光起電セル10の前方（太陽の方向）の表面（および例えばＡｌＩｎＰウインドウ層21の上に配置される）上に設けられることができ、光起電セルが応答するときその波長範囲にわたって前面を通過する光の透過が最大になるように最適化された厚さを有する１，２またはそれ以上の誘電体層から構成されることができる。
グリッドライン間のエミッタ層とウインドウ層の横方向導電度は重要である。それはグリッドライン間のベース／エミッタｐｎ接合においてベース中の少数キャリア（ｐ型の上部セルベース24の場合には少数キャリアの電子）は集められ、収集されたキャリアはエミッタでは今度は多数キャリアであり（ｎ型の上部セルエミッタ22では多数キャリアは電子）、最小の抵抗損失でグリッドラインに導かれなければならない。上部セルのエミッタ層とウインドウ層の両者はグリッドラインに対する横方向の多数キャリアの伝導に貢献している。この高い導電状態を維持しながら、ウインドウ層21およびエミッタ層22は多接合セル10中の上部セル20のベース24およびサブセル40, 60により有効に使用されることができる光子エネルギに対して高い透過性を維持しなければならない。さらに、ウインドウ層21およびエミッタ層22はウインドウ層21およびエミッタ層22中で光により発生された少数キャリアに対して長い拡散長を有していなければならず（ｎ型エミッタ22の場合の少数キャリアであるホール）、そのため、再結合される前にｐｎ接合において収集される。透過および拡散長はドープレベルが高くなると低下するから、セル効率が最大になることのできる最適ドープレベルが存在し、それに対してウインドウ層21およびエミッタ層22の導電度は十分に高く抵抗損失は上部セル20の電力出力に比較して小さく、しかも、ウインドウ層21およびエミッタ層22における透過および少数キャリア収集は十分に高く、セル20に入射した光子の大部分は有効な電流を発生する。
非常に低いシート抵抗を有するセル間のトンネル接合を形成している高濃度にドープされた層はまた横方向導電層として機能する。そのような導電層はセルに入射する光の強度またはスペクトル内容が空間的に不均一な場合に多接合セル10を横切る電流密度をより均一にするのを助ける。サブセル20と40間および底部セル60の背面における横方向導電層はまた２個よりも多い端子を有する多接合光起電セル設計の場合には非常に重要である。例えば、機械的に積層されたまたはモノリシックに成長された多接合セルでは、３，４またはそれ以上の端子を有するサブセルは、各サブセルの効率、したがって多接合ｍセル全体を最適にするために同じ必要の全くない電流密度で動作する。サブセル20と40間および底部セル60の背面における横方向導電領域はまた３，４またはそれ以上の端子を有する構造に対して重要であり、サブセルはバイパスまたは阻止ダイオードのような他の回路素子と相互接続され、或いは１つの多接合セルからのサブセルが他の多接合セルからのサブセルと効率、電圧安定、またはその他の光起電セル回路の性能パラメータを改善するために直列、並列、または直列と並列の組合わせで接続される。
種々の異なった半導体材料がウインドウ層21, 41, 52, および58（層52はバッファ領域を提供し、層58は核形成層を提供するが、それらはまた底部セル60のウインドウ層としても機能する）、エミッタ層22, 42, 62、ベース層24, 44, 64および／またはＢＳＦ層25, 45に対して使用されることが可能であり、それらにはＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＺｎＳＳｅ、ＣｄＳＳｅ、およびその他の材料が含まれており、本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、成長基体およびベース層64はｐ型Ｇｅ成長基体およびベース層であることが好ましいが、他の半導体材料もまた成長基体およびベース層64として使用可能であり、或いは成長基体としてだけ使用可能である。これらには、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭＯ、ステンレス鋼、ソーダライムガラス、およびＳｉＯ2 が含まれるがそれらに限定されない。
２および３接合ＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅ光起電セルにおいては、ＧａＩｎＰ上部サブセルは低い開回路電圧Ｖocを有し、そのＩＶ曲線Ｖmpの最大電力点で低い電圧を有し、もしもそのバンドギャップが低いならば、規則的な配置したIII 族サブ格子（規則的な配置したＧａＩｎＰと呼ばれる）を有するＧａＩｎＰが形成される。高いＶocおよびＶmpの値、したがって高い効率がＧａＩｎＰ上部サブセルおよび多接合セルに対して得られ、それはディスオーダのIII 族サブ格子を有するＧａＩｎＰ（ディスオーダＧａＩｎＰと呼ばれる）から構成される。
直列接続されたモノリシックな２および３接合ＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅ光起電セルではＧａＩｎＰ上部（第１の）サブセルに対してはＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースの第２のサブセルとほぼ同じ光で発生された電流密度を有することが望ましい。Ｇｅ（またはＧａＡｓ）基体の格子定数において、規則的な配置したIII 族サブ格子を有するＧａＩｎＰのバンドギャップは、上部サブセルのが意図的に光学的に薄く形成できなければ、ＡＭ０宇宙空間太陽スペクトル、集光されたまたは集光されないＡＭ１．５ＤおよびＡＭ１．５Ｇ地上太陽スペクトルおよびその他の太陽スペクトルに整合したこの電流を達成する低過ぎる。光で発生された電流が最低のサブセルは多接合セルの直列接続されたサブセルの全てを通る電流を限定するため、他のセルの過剰な光で発生された電流は無駄にされる。これは多接合セルの効率を最高の効率にするようにする場合には厳しい問題であり、多接合セルのサブセルの厚さは一般に各調整中の電流を整合させるように調整される。サブセル中の光で発生された電流密度は多接合セルの設計により同じに作られるから上部サブセルに対してできるだけ高い電圧で電流を変換することが重要であり、それ故、III 族サブ格子の不規則から得られる高いバンドギャップのＧａＩｎＰは多接合セルの効率を最大にするために望ましい。不規則ＧａＩｎＰの高いバンドギャップは、上部セルを通過して低いバンドギャップＧａ（Ｉｎ）Ａｓサブセル2 により変換された無駄なエネルギの部分がバンドギャップエネルギより上のエネルギを有する光子の大きい割合が上部セル中で電子・ホール対を生成するために使用されることを可能にする。
ある形式の多接合セルでは、ＧａＩｎＰ上部セルｋ電流をＧａ（Ｉｎ）Ａｓの第２のセルの電流によって割り算された比率（Ｊ比率と言う）はセルの製造中に１とは異なるように調整されることができ、そのため１つのサブセルが多接合セルの寿命期間中に他のものより急速に劣化したとき（例えばＧａ（Ｉｎ）Ａｓの第２のサブセルが宇宙空間で放射線にさらされたとき上部のサブセルよりも早く劣化される可能性がある）、Ｊ比率は多接合セルの全寿命期間にわたって平均されて１に近付く。上部のサブセルの不規則ＧａＩｎＰのより高いバンドギャップと電圧は、Ｊ比率が最初に１とは異なり、前述の電流整合された場合（その場合にはＪ比率は１に等しい）と同様である。
ＧａＩｎＰ中のＧａおよびＩｎ原子のIII 族サブ格子の不規則性により、Ｇｅ（組成はほぼＧａ0.505 Ｉｎ0.495 Ｐ）またはＧａＡｓ（組成はほぼＧａ0.515 Ｉｎ0.485 Ｐ）に格子整合されたＧａＩｎＰのバンドギャップはＧａＩｎＰの組成または格子定数を変化させずに、ほぼ１００ｍｅＶに増加されることができる。したがって、高度に規則的な配置された状態から高度に不規則にされた状態へIII 族サブ格子の規則的な配置状態を変化させることによって、Ｇｅに格子整合されたＧａ0.505 Ｉｎ0.495 Ｐのバンドギャップは約１．７８５ｅｖから約１．８１５ｅＶ乃至約１．９３５ｅＶへ，好ましくは約１．８８５ｅＶへ増加され、ＧａＡｓに対して光子整合されたＧａ0.515 Ｉｎ0.485 Ｐのバンドギャップは約１．８００ｅｖから約１．８３ｅＶ乃至約１．９５ｅＶへ，好ましくは約１．９００ｅＶへ増加される。
III-Ｖ族半導体のIII 族サブ格子またはＶ族サブ格子の規則的な配置（またはII-VI 族半導体のII族サブ格子またはVI族サブ格子、またはＩＶ族化合物半導体のＩＶ族サブ格子、またはＩ-III-VI 族半導体のような他のタイプの半導体の類似のサブ格子の規則的な配置）およびそのような規則的な配置がバンドギャップの制御に有している効果、およびヘテロ接合における伝導帯および価電子帯オフセットは広範囲のエピタキシャル成長条件に影響される。これらには成長温度、成長速度、ドーパントおよびその他の不純物濃度、ドーパントおよびその他の不純物の拡散、半導体装置の隣接する層からの格子欠陥原子または原子空隙のような成長中の結晶格子中の点欠陥の注入、およびその他の成長パラメータが含まれている。これらの成長条件はしばしば他の半導体パラメータに影響し、それは装置設計にとって非常に重要であり、それには例えば半導体結晶品質、少数キャリア寿命時間、少数キャリアおよび多数キャリアの移動度、所定のドープにより所望の濃度でドープする能力、基体を含む構造中の他の層からの自動ドープ、形態学的制御、核形成の容易さヘテロ境界特性、エピタキシャル処理のコストおよびその他の装置設計に考慮すべき事項が含まれている。ＧａＩｎＰの規則的な格子配置以外の装置の特性に対して最も望ましい成長条件は低いバンドギャップで規則的な配置されたＧａＩｎＰを生じる条件である。
本発明で開示した高いミスカット角度の基体の使用は装置構造中の半導体層を不規則な格子配置にする方法を提供し、特に、装置の性能と妥協する上述の成長パラメータを変化させる必要のない方法で装置構造中のＧａＩｎＰのIII 族サブ格子を不規則する方法を提供する。本発明を実行する点で重要であり、自明ではない１つの特徴は、高いミスカット角度の基体上に成長された層に対する所望の組成およびドープ濃度を得るために気相でIII 族反応物およびドープ材料反応物の相対濃度のような幾つかの成長条件を最適にすることを必要とすることである。しかしながら、これらの成長条件の変化は典型的に遥かに少なく、それ故半導体の規則的な配置状態を変更するために必要な成長条件の変化に比較して変化が少ない。本発明の高いミスカット角度を有する成長基体の使用はＧａＩｎＰのIII 族サブ格子不規則性の制御のみならず、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＳｂ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＰＡｓ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＰＳｂのような他のIII-Ｖ族ならびにＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＺｎＳＳｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣｕＧａＩｎＳｅ、ＣｕＧａＩｎＳＳｅ、ＡｇＧａＩｎＳｅ等ようなII-VI 族半導体、IV族化合物半導体、Ｉ-III-VI 族半導体のようなIII 族およびＶ族サブ格子不規則の制御の方法を提供する。
上述の問題はまたＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／Ｇｅ４接合のような他の形式の多接合セルにも適用され、それにおいてはＧａＩｎＰ（またはＡｌＧａＩｎＰ）上部サブセルのバンドギャップを増加させて電圧を増加させ、電流整合が改善することが望ましい。本発明の１実施形態ではモノリシックな直列接続された２接合または３接合ＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅ太陽電池はＧｅ基体上に成長することによりIII 族サブ格子不規則性を有する高いバンドギャップを有するＧａＩｎＰ上部サブセルを有するように成長させることができ、Ｇｅ基体は最も近い（１１１）平面の方向に約１０度乃至４０度（高いミスカット角度と言う）、好ましくは１５．８度の角度で（１００）平面から外れており、Ｇｅ基体は（１１５）表面を有している。
方向のずれた方位角度（例えば（１１１）平面に対するずれと（１１０）および（１１１）平面との中間平面に対するずれとの差）はＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅ多接合セルの電圧および効率に悪影響を与える可能性がある。これらの悪影響は同じ極角度に対してさえも現れ（例えば（１１０）方向から１５．８度）、（１１１）平面に対するずれは（５１１）方位を生じる。
別の実施形態では、高いミスカット角度の基体は、多接合セルの以下のような不規則にされた（高いバンドギャップ）構造を得るために使用されることができる。すなわち、高いバンドギャップのＧａＩｎＰ上部サブセルベース：ＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層：ＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ，ＡｌＧａＩｎＰ上部サブセルＢＳＦ、ＧａＩｎＰトンネル接合層、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓの第２のサブセル上のＡｌＩｎＰウインドウ層2 層、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓの第２のサブセル上のＧａＩｎＰウインドウ層1 層、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓの第２のサブセル上のＧａＩｎＰＢＳＦ層、およびＧｅの底部（第３の）サブセル上のＧａＩｎＰ核形成層およびウインドウ層のいずれか単独または互いの組み合わせが使用できる。
本発明により得られる改良は、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／Ｇｅ４接合のような他の形式の多接合セルにも適用され、それにおいてはＧａＩｎＰ（またはＡｌＧａＩｎＰ）上部セルのバンドギャップを増加させて電圧を増加させ、電流整合が改善することが望ましい。他の例としては高いミスカット角度の基体上に成長されねことにより高いバンドギャップのＧａＩｎＰおよびＧａＩｎＰ（Ａｓ）層を有するＧａＩｎＰ（薄い）／ＧａＩｎＰ（Ａｓ）（厚い）／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ３接合セル、ＧａＩｎＰ（薄い）／ＧａＩｎＰ（Ａｓ）（厚い）／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅ４接合セル、およびＧａＩｎＰ（薄い）／ＧａＩｎＰ（Ａｓ）（厚い）／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／Ｇｅ５接合セルがある。
別の実施形態では、高いミスカット角度の基体は単一接合または多接合光起電セルおよびその他のオプトエレクトリックおよび電子装置で以下のような特徴を生成するために使用されることができる。
- トンネル接合層における増加されたドープレベル（例えばＧａＩｎＰにおいてトンネル接合層のテルル（Ｔｅ）のｎ型側とＡｌＧａＡｓ：カーボン（Ｃ）のｐ型側）；
- ウインドウ層およびエミッタ層中のドープレベル、含有および活性化割合の増加（例えば、ｎ型ＧａＩｎＰ中間セルウインドウ層におけるＳｉ，Ｓｅ，またはＴｅのドープ、ｎ型ＧａＩｎＰ上部セルエミッタにおけるＳｉ，Ｓｅ，またはＴｅのドープ、およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＩｎＰ上部セルＢＳＦのＺｎドープ）；
- Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓベース中の少数キャリア寿命時間の増加、特に、時間分解フォトルミネセンスにより測定された通常の６度のミスカット基体に比較して、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓまたは１５．８度のミスカットのＧｅ基体に格子整合されたサブセルの１％Ｉｎ組成に対して、
- 照明されたＩＶ測定により測定された通常の６度のミスカット基体に比較して、１５．８度のミスカットのＧｅ基体上のＧａ（Ｉｎ）Ａｓ光起電セル電圧の増加；
- 成長した半導体層の表面の形態学的改善、減少された表面欠陥、減少された霞；
- 増加されたＧａの粘着係数によるＧａＩｎＰの成長速度の増加；
- 機械的強度の改善およびそれによる装置の製造プロセスを通じての生産性の改善；
- ＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＳｂのようなＶ族サブ格子上の不規則または規則的な配置の影響；
- II-VI 族半導体のII族またはVI族サブ格子上の不規則または規則的な配置の影響；
- ＳｉＧｅのような混合されたIV族半導体のIV族元素の不規則または規則的な配置の影響；
- Ｉ-III-VI 族半導体のようなＩ族、III 族およびVI族サブ格子の不規則または規則的な配置の影響；
- ｛１１０｝のような｛１１１｝以外の平面の方向にＧａＡｓのようなIII-Ｖ族化合物基体上に成長された場合に（１１１）Ａ平面または（１１１）Ｂ平面の方向に、もっとも近い｛１１１｝平面の方向に（１００）平面の方向をずらせ、或いは、一般的には｛１１１｝平面の間の連続平面の方向に方位をずらせる；
- Ｇｅ，Ｓｉ，ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＳｉＣ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＣｄＴｅ，ＺｎＴｅ，ＺｎＳｅ，ＣｄＳ，ＺｎＳ，ＺｎＯのような種々の基体上の成長。
高いＺｎドープ、Ｚｎ拡散、点欠陥（間隙または空虚部）拡散、成長条件（成長速度、成長温度、III 族とＶ族の比等）、成長中に導入される表面活性剤（Ｓｂ，Ｂｉ等）等のようなIII 族サブ格子不規則のための他の方法も本発明により高いミスカット角度の成長基体上の成長により不規則と組合わせられることのできる。
さらに、高いミスカット角度基体上で得られた不規則（例えばIII 族サブ格子不規則）と高いバンドギャップ（例えばIII-Ｖ族半導体）が使用されるオプトエレクトロニクスおよび電子装置が考えられる。例えば、高いバンドギャップを有するエミッタ、コレクタおよび／または可能であれば多量にドープされベースを有するヘテロ接合トランジスタ、不規則から生じるゲートとチャンネル間の異なったバンドオフセットとゲートの高いバンドギャップを利用する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、高いバンドギャップレーザ領域および／または高いバンドギャップ電荷限定層および／または不規則から生じる光限定またはブラッグ反射のための高い屈折率コントラストを有するエッジ放射レーザおよび垂直空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）、増倍層またはその他の不規則から生じる領域における高いバンドギャップおよび／または異なる電子ホール／イオン化比０有するアバランシェフォトダイオード、不規則から生じるウエルのための高いバンドギャップバリアを有する量子ウエル光起電セル、レーザおよびその他の装置がある。
再度図１を参照すると、本発明の多接合セル10の１実施形態は、ＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層21と、そのＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層の下に配置されたＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層22と、ＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層の下に配置されたＧａＩｎＰ上部サブセルベース層24と、ＧａＩｎＰ上部サブセルベース層の下に配置されたＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓ上部サブセルＢＳＦ25と、その上部サブセルＢＳＦの下に配置されたＧａＩｎＰトンネル接合層を含むトンネル接合27と、トンネル接合27の下に配置されたＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ中間サブセルウインドウ層41と、中間サブセルウインドウ層の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルエミッタ層42と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルエミッタ層の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルベース層44と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルベース層の下に配置されたＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓＢＳＦ層45と、中間サブセルベース層の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓトンネル接合層47と、トンネル接合層47の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層52と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層の下に配置されたＧａＩｎＰ核形成層およびウインドウ層58と、ＧａＩｎＰ核形成層およびウインドウ層の下に配置されたＧｅ底部サブセルエミッタ層62と、Ｇｅ底部サブセルエミッタ層の下に配置されたＧｅ底部サブセルベース層および高ミスカット角度基体とを備えた半導体層を具備し、基体は（１１５）表面を有している。
本発明のさらに別の実施形態は、多接合セル10は、ＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層21と、そのＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層の下に配置されたＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層22と、ＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層の下に配置されたＧａＩｎＰ上部サブセルベース層24と、ＧａＩｎＰ上部サブセルベース層の下に配置されたＡｌＧａＩｎＰ上部サブセルＢＳＦ25と、その上部サブセルＢＳＦの下に配置されたＧａＩｎＰトンネル接合層を含むトンネル接合27と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルベース層の下に配置されたＧａＩｎＰＢＳＦ層45と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層の下に配置されたＧａＩｎＰ核形成層およびウインドウ層58と、ＧａＩｎＰ核形成層およびウインドウ層の下に配置されたＧｅ底部サブセルエミッタ層62と、Ｇｅ底部サブセルエミッタ層の下に配置されたＧｅ底部サブセルベース層および高ミスカット角度基体とを備えた半導体層を具備し、基体は（１１５）表面を有している。
多接合セル10はさらに、ＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層21の上に配置された多量にドープされたキャップコンタクト層18と、多量にドープされたキャップコンタクト層の上に配置された金属コンタクト14と、Ｇｅ底部サブセルベース層64の下に配置された金属コンタクト68とを備えている。別の実施形態では、ＡｌＩｎＰ中間サブセルウインドウ層（図示せず）はＧａＩｎＰトンネル接合層27とＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルエミッタ層42との間に配置されることができ、ＧａＩｎＰヘテロ接合エミッタ層（図示せず）はＧａＩｎＰ中間サブセルウインドウ層41とＧａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルベース層44との間に配置されている。
別の実施形態では、光起電セルは、不規則にされたIII 族サブ格子ベースを備えたＧａＩｎＰサブセルと、そのＧａＩｎＰサブセルの下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓサブセルと、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓサブセルの下に配置されたＧｅ基体とを備え、このＧｅ基体は最も近い（１１１）平面の方向へ約８度乃至４０度の角度で（１００）平面から方向がずらされた表面を有している。また、Ｇｅ基体は（１００）平面から最も近い（１１１）平面の方向へ約１４度乃至１８度の角度で方向がずらされた表面を有している。さらに、Ｇｅ基体は最も近い（１１１）平面の方向へ約１６度の角度で（１００）平面から方向がずらされてもよい。さらに、Ｇｅ基体は最も近い（１１１）平面の方向へ約１５．８度の角度で（１００）平面から方向がずらされている。Ｇｅ基体は（１１５）表面を有している。
さらに別の実施形態では、ＧａＩｎＰサブセルと、そのＧａＩｎＰサブセルの下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓサブセルと、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓサブセルの下に配置されたＧｅ基体とを備え、このＧｅ基体は約８度乃至４０度の角度で（１００）平面から方向がずらされた表面を有している。Ｇｅ基体はさらに、最も近い｛１１１｝平面、最も近い｛１１０｝平面、｛１１１｝平面の間の連続平面からなる平面のグループから選択された少なくとも１つの平面の方向へ約８度乃至４０度の角度で（１００）平面から方向がずらされた表面を有している。子の基体上に成長されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓ、ＧａＩｎＰおよびその他の半導体は、最も近い｛１１１｝平面、最も近い｛１１０｝平面、（１１１）Ａ平面、（１１１）Ｂおよび｛１１１｝平面の間の連続平面からなる平面のグループから選択された少なくとも１つの平面の方向へ約８度乃至４０度の角度で（１００）平面から方向がずらされた表面を有している。約１４度乃至１８度の角度で方向がずらされた表面を有している。さらに、Ｇｅ基体は最も近い（１１１）平面の方向へ約１６度の角度で（１００）平面から方向がずらされてもよい。さらに、Ｇｅ基体は最も近い（１１１）平面の方向へ約１５．８度の角度で（１００）平面から方向がずらされている。Ｇｅ基体は（１１５）表面を有している。
さらに別の実施形態では、光起電セルはＧｅ基体を含み、そのＧｅ基体は最も近い（１１１）平面の方向へ約８度乃至４０度の角度で（１００）平面から方向がずらされた表面を有し、ＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／ＧａＡｓＮＡｓ、ＧａＩｎＰ（薄い）／ＧａＩｎＰ（Ａｓ）（厚い）／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ、およびＧａＩｎＰ（薄い）／ＧａＩｎＰ（Ａｓ）（厚い）／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／ＧａＩｎＮＡｓからなるグループのサブセルの少なくとも１つのサブセルがこのＧｅ基体上に配置されている。
図２を参照すると、単一接合光起電セルまたは多接合セルの１つのサブセル（多接合セル10のサブセル20のようなセル）の基本的な半導体層構造（またはＰＶセル）70の断面図が示されており、本発明により不規則にされた不規則にされたＡｌＩｎＰウインドウ71と、ＧａＩｎＰエミッタ72と、ＧａＩｎＰベース74と、ＡｌＧａＩｎＰＢＳＦ層75とを有している。
光起電セル70（および多接合セル中の各サブセル）は第１の導電型のエミッタ層72と、第２の導電型のベース層74とを含んでいる。例えば、エミッタ層72がｎ型であれば、ベース層74はｐ型であり、エミッタ層72がｐ型であれば、ベース層74はｎ型であり，ｐｎ接合がエミッタ層72とベース層74の間に形成される。エミッタ層72および／またはベース層74中のドープ濃度は変化があってもよく、典型的に、ｐｎ接合から離れた表面における少数キャリアの濃度を抑制し、収集するｐｎ接合の方向に流れる少数キャリアを強化するためにエミッタ層72の前面でドープ濃度は高く、ｐｎ接合に近いエミッタ層72の部分ではドープ濃度は低く、ベース層74の背面部ではドープ濃度は高く、ｐｎ接合に近いエミッタ層72の部分ではドープ濃度は低くされる。ベース層74は真性であってもよく、或いはその厚さの一部または全部が意図的にドープされなクテもよい。エミッタ層72およびベース層74の基本成分に加えて、光起電セル（および多接合セル中の各サブセル）は典型的にエミッタ層72の上のウインドウ層71とベースの背面のＢＳＦ層75を含んでいる。ウインドウ層は典型的にエミッタ層と同じ導電型であり、少数キャリアの光による発生を抑制し、ウインドウ層に注入してウインドウ層で生じる再結合を減少させるために、しばしばエミッタよりも高いドープ濃度を有し、エミッタよりも高いバンドギャップを有することが望ましい。また少数キャリアが少なく、境界面でショッツキ・リード・ハル再結合に関与することのできるようにバンドギャップ中の深いエネルギレベルが少ないエミッタ層により境界面を形成できることが非常に望ましい。結晶欠陥はこれらの深いエネルギレベルを生成するから、ウインドウ層71はできるだけ結晶欠陥の少ないエミッタ層72で境界面を形成することができなければならない。エミッタ層72の表面における少数キャリアの再結合を最小にするウインドウ層71のこの性質はエミッタパッシベーションと呼ばれている。
光起電セルのウインドウ層71、エミッタ層72、ベース層74、および／またはＢＳＦ層75には種々の異なる半導体材料が使用可能であり、それにはＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＺｎＳＳｅ、ＣｄＳＳｅ、およびその他の材料が含まれており、いずれも本発明の技術的範囲に属している。
エミッタ層72は典型的にベース層74よりも薄く、ベース層74の太陽側に位置している。幾つかの特別のセルはまたベースの背後に入射する背面照明を使用することもできる。セル電流に応答する光による電子・ホール対の発生の大部分はベース層74で行われるが、エミッタ層72からの光により発生された電流密度もまた多くのセルで顕著であり、特別のセルではベース層74で発生したものよりも多いものもある。
光起電セル70はホモ接合でもヘテロ接合でもよい。ホモ接合の設計では、エミッタ層およびベース層の半導体材料はエミッタ層72とベース層74の不規則濃度が異なることを除いて同じ組成であり、同じ半導体バンドギャップである。光起電セル70はホモ接合セルとして示されている。ヘテロ接合の設計では、エミッタ層72とベース層74の不規則濃度が異なるだけではなく、エミッタ層の半導体材料はベース層の半導体材料と異なった組成および／または異なったバンドギャップを有している。ヘテロ接合の光起電セルのエミッタ層の組成は、ベース層中の少数キャリアのエミッタ層への注入（ここではエミッタとベースは反対の導電型であるから少数キャリアは再結合可能である）を禁止するために、エミッタ層はベース層よりも高いバンドギャップを有するように選択される。さらに、エミッタ層は、光が電子・ホール対を生成するために吸収される前にエミッタ層からベース層さらに移動するためにベース層よりも高いバンドギャップを有している。
幾つかの特別のセルでは、薄い、しばしばイントリンシックな層（図示せず）がエミッタ層72とベース層74との間に配置されてもよくそれはエミッタ層72および／またはベース層74と同じ組成を有していてもよく、或いは、いずれとも異なった組成でもよい。ｐｎ接合におけるこの薄い層はそれがドープされていない場合にはしばしばイントリンシック層と呼ばれ、ｐｎ接合のシャント作用を抑制し、空間電荷領域中の少数キャリア再結合を抑制するためにｐｎ接合における境界状態を減少させることができる。ベース層74と同様に、エミッタ層72もまたその厚さの一部または全部にわたってイントリンシックであってもよく、或いは意図的にドープされない状態でもよい。しかし、もしもイントリンシック領域がｐｎ接合に隣接して配置される場合にはそれはベース層74の一部として考えてもよく、或いは上述の分離したイントリンシック層がベース層74とエミッタ層72との間に配置されてもよい。
ＢＳＦ層75はウインドウ層781 と類似しており、それにおいてはＢＳＦ層75は光起電セル70のベース層74をパッシベートする。ＢＳＦ層75は典型的にはベース層74と同じ導電型を有し、しばしばベース層74よりも高いドープ濃度を有し、少数キャリアの光発生およびＢＳＦ層75中の注入を抑制し、ＢＳＦ層75中の少数キャリア再結合させるためにベース層74よりも高いバンドギャップを有することが好ましい。光起電セル70は、光により発生された電子・ホール対がより効率よく収集されることができるアクチブなサブセルの下方にＢＳＦ層75を通ってより多くの光が透過するように多接合積層体中の他のサブセルの上方に配置されることができる。
光起電セル70中のウインドウ層71、エミッタ層72、ベース層74、およびＢＳＦＢ層75は単独の層として示されているが、これらの各層が異なった組成、バンドギャップ、成長方法、またはその他の区別できる特性を有する２以上の層で構成されてもよい。例えば、図１に示された多接合セル10のＧａ（Ｉｎ）Ａｓベース中間セルのウインドウは、ＧａＩｎＰの第１のウインドウ層41と、ＧａＩｎＰの第１のウインドウ層の上面をパッシベートするための（少数キャリア再結合を減少させるための）ＧａＩｎＰの第１のウインドウ層よりも高いバンドギャップを有するＡｌＩｎＰの第２のウインドウ層（図示せず）とで構成されることができる。
実際に使用するために、光起電セル70の基本的な半導体層構造は多接合セル10または図３に示された単一接合セル90のような完全な装置で使用される。光起電セル70は典型的に外部回路に電気的に接続されることを可能にするようにとその上に付着され、取り付けられ、または付加される装置を有している。多接合セル10において、これらは多接合セル10の上部コンタクト構造を形成しているＧａＩｎＰ上部サブセル20のウインドウ層21の上の高濃度でドープされたキャップコンタクト層18、キャップコンタクト層18の上の金属コンタクト14を含んでいる。多接合セル10の下部コンタクト構造は底部Ｇｅサブセルおよび基体60の底部金属コンタクト68を含み、Ｇｅサブセルおよび基体60の背面に底部金属コンタクト68との境界における比抵抗を減少させる高濃度ドープ領域を有していてもいなくてもよい。
図３を参照すると、完全な単一接合光起電セル90が示されている。光起電セル90はサブセル100 （サブセル20および70に類似する）を含むことができ、それはＡｌＩｎＰウインドウ層101 と、ＧａＩｎＰエミッタ層102 と、ＧａＩｎＰベース層104 と、ＡｌＧａＩｎＰＢＳＦ層105 とを有している。ＡｌＧａＩｎＰＢＳＦ層105 の下に配置されているトンネル接合107 はｐ＋＋ドープ側とｎ＋＋ドープ側109 とを含んでいる。バッファ領域112 は核形成層112 に接続され、不活性の基体120 に接続され、この基体120 はＧｅ拡散領域122 およびＧｅ基体124 を含み、このＧｅ基体124 は底部金属コンタクト128 に接続されることができる。ＡｌＩｎＰウインドウ層101 はＧａ（Ｉｎ）Ａｓキャップ98へ接続されることができ（それはさらに金属コンタクト98に接続されている）、また反射防止被覆96に接続されている。
実施形態では、太陽電池システムは１以上の太陽電池を有する太陽電池アレイを備え、その太陽電池は不規則にされたＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層と、ＡｌＩｎＰ上部サブセルウインドウ層の下に位置された不規則にされたＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層と、ＧａＩｎＰ上部サブセルエミッタ層の下に位置された不規則にされたＡｌＧａＩｎＰ上部サブセルＢＳＦ層と、上部サブセルＢＳＦ層の下に位置された不規則にされたＧａＩｎＰトンネル接合層と、上部サブセルＢＳＦ層の下の不規則にされたＧａＩｎＰトンネル接合層の下に位置された不規則にされたＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、またはＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ中間サブセルウインドウ層と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ中間サブセルベース層の下に位置された不規則にされたＧａＩｎＰＢＳＦ層と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層の下に位置された不規則にされたＧａＩｎＰ核形成層およびウインドウ層とを備え、さらに、Ｇｅ底部サブセルベース層およびＧｅ底部サブセルエミッタ層の下に位置された高いミスカット角度の基体とを備えており、基体は（１１５）表面を含んでいる。
別の実施形態では、衛星システムは衛星とこの衛星に結合されて動作する太陽電池アレイとで構成され、太陽電池アレイは１以上の光起電セルを備え、その光起電セルは、不規則にされたＡｌＩｎＰウインドウ層と、ＡｌＩｎＰウインドウ層の下に位置された部分的に不規則にされたＧａＩｎＰサブセルとを備え、ＧａＩｎＰサブセルは約１．９ｅＶのバンドギャップと、ＧａＩｎＰサブセルの下に位置された不規則にされたＡｌＧａＩｎＰＢＳＦ層と、ＡｌＧａＩｎＰＢＳＦ層の下に位置された不規則にされたＧａＩｎＰのトンネル接合層と、ＧａＩｎＰトンネル接合層の下の不規則にされたＧａＩｎＰトンネル接合層の下に位置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓバッファ層の下に位置された不規則にされたＧａＩｎＰ核形成層およびウインドウ層と、ＧａＩｎＰ核形成層およびウインドウ層の下に配置されたＧｅ拡散領域層とを含み、Ｇｅ拡散領域層の下に配置された１６度のミスカットのＧｅ基体とを備えている。
１５．８度のミスカットのＧｅ基体上の反射防止被覆を備えていない２接合ＧａＩｎＰ／１％- ＩｎＧａＩｎＡｓセルは多数の実験セルについて平均された開回路電圧（Ｖoc）が測定され、それは、高濃度のＺｎドープされたＡｌＧａＩｎＰ上部サブセルＢＳＦ層からＺｎ拡散により部分的に不規則にされたＧａＩｎＰ上部サブセルベースによる多数の６度のミスカット基体で構成された光起電セルと比較して４８ｍＶ高い。さらに、ＶocはＺｎ拡散がないことにほぼ完全なIII 族サブ格子規則的な配置を有するによりＧａＩｎＰ上部サブセルベースを有する６度のミスカット基体で構成された光起電セルと比較して約９２ｍＶ高い。高い電圧および太陽スペクトルのより好ましい分割の結果として高い測定された反射防止被覆を備えていない２接合ＡＭ０（宇宙空間）の１９．２３％の太陽スペクトルの効率（十分に処理された反射防止被覆を有する３接合セルに対するやく２９％ｋ投影された平均に対応する）が通常の６度のミスカットＧｅで構成されたｍｋｓ比較される１５．８度のミスカットのＧｅに対して得られた。これは部分的に不規則にされたＧａＩｎＰ上部サブセルベースのセルの１８．６１％およびＧａＩｎＰ上部サブセルベースでほぼ完全に規則的な配置されたセルの１８．０８％のセル効率に比較して３．３％の改善を示している。
これらの利点はまた十分に処理された３接合太陽電池に対ｄｗ保持されている。図４を参照すると、140 は２つのタイプの３接合（３Ｊ）セルに対するＧａＩｎＰ上部サブセルのフォトルミネセンス測定が示されている。１つの３Ｊセルは１５．８度のミスカット（高ミスカット角度）のミスカット基体上に成長され、それにおいてミスカット角度は｛１１１｝平面に向かっており、本発明によるＧａＩｎＰ上部サブセルのIII 族サブ格子を不規則にし、バンドギャップを増加させるためにウエハ表面の｛５１１｝方位が生成されている。他方の３Ｊセルは通常の６度のミスカットの基体上に成長され、それにおいて高度に規則的な配置された低いバンドギャップ（約１．８ｅｖ）のＧａＩｎＰ上部サブセルが得られた。通常の方法はＧａＩｎＰベース中のＺｎ拡散でＧａＩｎＰ上部サブセルの不規則を部分的に増加させたこの特定のセルにおいて、高度に規則的な配置されたＧａＩｎＰに対す目その値より多少上のＧａＩｎＰベースのバンドギャップの増加に対して使用された。高いミスカット角度の基体上に成長されたＧａＩｎＰサブセルに対する高いフォトルミネセンス（ＰＬ）のピークのシフトが曲線140 において観察できる。バンドギャップエネルギの緊密な近似としてＰＬ曲線のピーク強度の光子エネルギが採用され、１５．８度のミスカットの基体上に成長されたＧａＩｎＰ上部サブセルは基体のミスカット角度によりIII 族サブ格子のほとんど完全な不規則により１．８８９ｅＶのバンドギャップを有する。一方通常の６度のミスカットの基体上に成長されたＧａＩｎＰ上部サブセルのバンドギャップはＺｎで高濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰの背面フィールド（ＢＳＦ）層からＧａＩｎＰベース中へのＺｎ拡散により部分的に不規則にされ、約１．８７２ｅＶであり、１５．８度のミスカットの基体上の十分に不規則にされた場合よりも０．０６２ｅＶ低い。
ＧａＩｎＡｓ上部サブセルのバンドギャップの差は図５のグラフに示されているように１５．８度と６度のミスカット基体上に成長された２つのタイプのＧａＩｎＡｓサブセルの外部量子効率（ＥＱＥ）の測定において観察することができる。上部サブセルの量子効率は１５．８度のミスカットの場合には１５．８度のミスカット基体に対しては６７５ｎｍによりゼロＥＱＥに近く到達する短くされたカットオフ波長を有しており、それは６度のミスカット基体に対する７００ｎｍｉ比較してこの基体上の不規則から生じたＧａＩｎＡｓの高いバンドギャップによるものである。６度のミスカットの場合の上部サブセルにより使用されることのできる最長の波長は１５．８度のミスカットの場合には使用されることができないから、ＧａＩｎＡｓ上部サブセルベースは１％Ｉｎ中間セルに整合された電流であることができる点まで上部サブセル中の光により生成された電流密度を変化させるために薄くされている。上部サブセルの厚さが増加すると長い波長の光の吸収が増加するが、依然として１５．８度のミスカット基体における不規則にされたＧａＩｎＡｓ上部サブセルのバンドギャップの上の光子エネルギ（ほぼ５００ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲）に対応している。
１５．８度と６度のミスカット基体上の十分に処理された３接合セルの照明されたときのセル基体特性は図６の曲線160 で示されている。太陽電池に対して最も顕著である性能のインジケータは変換効率である。本発明の結果として、ＡＭ０太陽スペクトル下で１５．８度のミスカット基体上の３接合セルは６度のミスカット基体上の比較セルの２８．５％よりも顕著に高い２９．５％の高い効率を有する。したがって、本発明の１５．８度のミスカット基体のセルは６度のミスカット基体のセルよりも単位面積当たり３．５％高い相対的電力を生成する。１５．８度のミスカットの場合のＧａＩｎＡｓ上部サブセルのIII 族サブ格子の不規則が大きくなることからよりバンドギャップは約２７００Ｖに増加され、部分的にしか不規則にされていないＧａＩｎＡｓ上部サブセルを有する６度のミスカットの場合のＶocの２．６４４Ｖよりも０．５６ｍＶ高いＶocが得られる。短絡電流密度Ｊscもまた１５．８度のミスカットの場合には６度のミスカットの場合よりも高くなることが認められ、フィル係数は２つの場合にほぼ同じである。
１５．８度のミスカット基体上の高いバンドギャップと不規則にされたＧａＩｎＡｓサブセル本発明の３接合セルの３．５％高い電力はセルのコスト、太陽電池パネルの重量、パネル支持構造の重量、積み込み容積、このような太陽電池を使用する衛星の打上げコストの軽減に強く影響する。地上の太陽電池に対して、１５．８度のミスカット基体上の本発明の３接合セルは多接合セルのコストを軽減するだけではなく、電力発生のための地上の集光システムの最高の単一のコストの部品であり、また、集光光学系、支持構造のコストを減少させ、その他のシステムコストをバランスさせる。
本発明の１実施形態では、ＧａＩｎＡｓ上部サブセルのバンドギャップを増加させる方法は、１５．８度のミスカット角度のＧｅ基体を準備し、ＧａＩｎＡｓ上部サブセルを含む光起電セルをＧｅ基体上に成長させ、基体表面が（５１１）方向になるように｛１１１｝平面に向かってミスカット角度の位置に設定して不規則にし、ＧａＩｎＡｓ上部サブセルのバンドギャップを増加させる。
本発明の別の実施形態では、ＧａＩｎＡｓ上部サブセルに対する外部量子効率の短いカットオフ波長を生成させる方法は、１５．８度のミスカット角度でＧｅ基体を不規則にし、不規則にされたＧｅ基体上にＧａＩｎＡｓ上部サブセルを成長させ、それにより高いバンドギャップで約６７５ｎｍにより約ゼロの量子効率カットオフ波長を生成する。
本発明の別の実施形態では、｛１００｝平面から｛１１１｝平面に向かって１５．８度のミスカット角度でＧｅ基体の方位を変化させ、方位を変化されたＧｅ基体上に高度に不規則にされたIII 族サブ格子と対応する高いバンドギャップを有するＧａＩｎＡｓ上部サブセルを成長させ、それにより約２９．５％の効率と約２．７Ｖの開回路電圧を得ることを可能にする。
本発明は、（１００）平面から（１１１）平面に向かって高いミスカット角度で基体を成長させることにより誘起された不規則性の増加によりＧａＩｎＡｓサブセルの増加されたバンドギャップの結果として得られる高い効率の多接合光起電セルについて説明しているが、単一接合および多接合の両方の太陽電池で有効に使用されることができる。本発明は任意のサブセルおよびサブセルの組合わせに対して、ウインドウ層，エミッタ層、ベース層、またはＢＳＦ層に有効に使用される。改良されたウインドウ層、エミッタ層、ベース層、またはＢＳＦ層は同じ単一の光起電セルサブセル中で互いに組合わせて、多接合セルの同じサブセルで、或いは他のオプトエレクトロニクス装置の異なった領域において使用されることができる。一般的に、本発明はまた、キャップ層、バッファ層、核形成層、トンネル接合層、ベースとエミッタの間のイントリンシック層、および部分的な厚さのウインドウ層、エミッタ層、ベース層、またはＢＳＦ層その他の任意の形式の光起電セル層のような多接合セルの他の層に適用することができる。
もちろん、上述の説明は本発明の好ましい実施形態に関するものであり、当業者には特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変形、変更が行われることができることは明らかであろう。
本発明による３接合セルの断面図。 本発明による単一接合光起電セルまたは多接合光起電セルの単一サブセルの基本的な半導体構造の断面図。 図２に示された光起電セルの基本的な半導体構造および本発明による完全な装置を形成するために必要な他の層を含む単一接合光起電セルの断面図。 本発明による１５．８度および６度のミスカット基体上に成長されたＧａＩｎＡｓサブセルのフォトルミネセント測定のグラフ図。 本発明による１５．８度および６度のミスカット基体上に成長されたＧａＩｎＡｓサブセルの外部量子効率測定のグラフ図。 本発明による１５．８度および６度のミスカット基体上に成長されたＧａＩｎＡｓサブセルを含む十分に処理された３接合セルの照明されたときの電流電圧特性のグラフ図。

Claims (8)

  1. 不規則にされた第III 族サブ格子ベースを含むＧａＩｎＰサブセル(20)と、
    前記ＧａＩｎＰサブセル(20)の下に配置されたＧａ（Ｉｎ）Ａｓのサブセル(40)と、
    前記Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓのサブセルの下に配置された半導体成長基体(60)とを具備し、
    前記半導体成長基体(60)は最も近い（１１１）結晶平面に向かって約８度乃至４０度の範囲の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有している光起電セル。
  2. 前記半導体成長基体は、最も近い（１１１）結晶平面に向かって約１４度乃至１８度の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有している請求項１記載の光起電セル。
  3. 前記半導体成長基体は、最も近い（１１１）結晶平面に向かって約１６度の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有している請求項１または２記載の光起電セル。
  4. 前記半導体成長基体は、最も近い（１１１）結晶平面に向かって約１５．８度の角度で（１００）平面から外れた方位の表面を有している請求項１乃至３のいずれか１項記載の光起電セル。
  5. 前記表面は（１１５）表面を有している請求項１乃至４のいずれか１項記載の光起電セル。
  6. 前記半導体成長基体は、Ｇｅ基体である請求項１乃至５のいずれか１項の光起電セル。
  7. 前記Ｇｅ基体はまた多接合光起電セルのアクチブなサブセルである請求項６記載の光起電セル。
  8. 前記半導体成長基体は、ＧａＡｓ基体である請求項１乃至５のいずれか１項記載の光起電セル。
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