JP6259393B2 - 電流生成が向上した半導体デバイス - Google Patents

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Description

本開示は、一般に光電子デバイスに関し、具体的には、変成半導体層を有する光起電力セル、および、低バンドギャップ吸収領域を有する光起電力セルに関する。
太陽電池は、光起電力効果によって太陽光を電気エネルギーへと変換できるデバイスである。多接合太陽電池などの太陽電池は、１つ以上の構成要素、すなわち、サブセルとも呼ばれる光起電力セルを有することができる。これらの構成要素である光起電力セル、または、サブセルは、多接合太陽電池を形成するために直列に接続されてもよいが、並列、または、直列接続と並列接続との組み合わせなどの他の電気的形態で接続されてもよい。
太陽電池への関心は、汚染、エネルギーセキュリティ、および、限られた利用可能資源に関する懸念に起因して高まってきている。この関心は、地上用途および宇宙用途の両方でもたれてきた。宇宙用途では、太陽電池が４０年以上にわたって使用されてきており、高効率太陽電池の開発が高いペイロード能力を可能にする。地上用途では、太陽光の電気への変換に関する太陽電池効率が高くなればなるほど、所定の電力出力のために必要とされる収集領域が小さくなり、そのため、１ワット当たりのコストが低減し、地上光起電力システムにおける費用対効果が大きくなる。
光起電力システムにおける電力生成能力の１ワット当たりのコストは、地上用途でのそれらの広範囲に及ぶ使用を妨げる。太陽光の電気への変換効率は、一般に、地上ＰＶシステムにおいては非常に重要である。これは、効率を高めることにより、システムの所要出力のための領域関連電気生成システム構成要素（例えば、セル領域、モジュール領域またはコレクタ領域、支持構造、および、ランドエリア）の全てが減少するからである。例えば、太陽光を約２倍〜約２０００倍集光させる集光型太陽電池では、効率の向上が、一般に、高価な集光光学素子を備える領域の減少をもたらす。太陽電池効率の向上は、システムレベルで極めて利益効果があり、１ワット当たりのドル（＄／ワット）の比率は、システムレベルで適用される典型的な性能指数である。衛星では、ソーラーパネルが全システムコストの１０％未満に相当し、そのため、既存の技術世代を３％超える太陽電池効率の相対的向上が、リバレッジコスト削減をもたらす。同じことが、太陽光受信器のコストが全システムコストの僅かである地上集光型ソ−ラーパワーシステムにも当てはまる。
そのようなセルの電力出力を増大させるために、異なるエネルギーバンドギャップを有する複数のサブセルまたは層が、各サブセルまたは層が太陽光における幅広いエネルギー分布の異なる部分を吸収できるように積み重ねられてきた。この構成は有利である。なぜなら、サブセルで吸収される各光子がサブセル作動電圧で収集される電荷の１単位に対応し、これが、サブセルの半導体材料のバンドギャップが増大するにつれて増大するからである。出力電力が電圧と電流との積であるため、理想的に効率的な太陽電池は、それぞれがそのバンドギャップよりも僅かに大きいエネルギーの光子だけを吸収する多数のサブセルを有する。
光生成電流密度を高めるこれまでの手法は、不十分な光吸収がバンドギャップを超える電流生成領域の厚さを増大させることを含む。しかしながら、多くの場合、光子エネルギーが太陽電池バンドギャップを超える太陽電池による光の吸収はほぼ完全であり、したがって、厚さの増大が電流にあまり影響を与えず、あるいは、厚さの増大により、厚い太陽電池層からの光生成電荷キャリアの収集が乏しくなるため、電流が減少する可能性がある。他の手法は、太陽電池の電流生成領域を形成するために使用される半導体のバンドギャップを下げることであったが、この手法も太陽電池電圧を下げる。また、半導体組成を変えることによってバンドギャップを下げると、しばしば、結晶格子定数が変化し、それにより、太陽電池内の他の層との大きな格子不整合がもたらされ、その結果、格子不整合サブセルにおいて高密度な有害転位が引き起こされ得る。
所定の太陽光スペクトルで光生成電流密度を増大させる太陽電池および他の光電子デバイスの必要性が存在する。
本開示は、太陽電池および他の光電子デバイスにおける光生成電流密度を増大させるデバイス構造を提供する。開示されるデバイスは、効率および性能の向上を与える。
本開示によれば、ベース層と、ベース層と電気的に接続するエミッタ層であって、ベース層およびエミッタ層がセルを形成する、エミッタ層と、ベース層およびエミッタ層のうちの一方または両方に配置される低バンドギャップ吸収領域とを含む格子不整合半導体デバイスまたは変成半導体デバイスが開示される。
本開示によれば、変成半導体デバイスのベース、エミッタ、または、ベースおよびエミッタに１つ以上の低バンドギャップ吸収領域を含む構造が開示される。
本開示によれば、半導体デバイスのベース、エミッタ、または、ベースおよびエミッタに１つ以上の低バンドギャップ吸収領域を形成することを含む格子不整合半導体デバイスまたは変成半導体デバイスの形成方法が開示される。
本開示の１つの利点は、太陽電池および他の光電子デバイスにおいて、特に、他の設計制約に起因して弱く吸収する層に依存するデバイスに関して、電荷キャリアの光生成を増大させることである。
本開示の他の利点は、所定の太陽光スペクトルで太陽電池の光生成電流密度を増大させることである。
本開示の他の利点は、通常の動作状態下で太陽電池温度を減少させるために有用な電流をもたらさない機構によって光子の吸収を最小限に抑えることである。
本開示の他の利点は、多接合太陽電池のエネルギー変換効率を高めることである。
他の利点は、変成サブセルにおける所定の格子定数を維持しつつ多接合太陽電池の１つ以上のサブセルの有効バンドギャップを調整するための方法を提供することである。
他の利点は、サブセル有効バンドギャップ組み合わせの太陽光スペクトルのそれに対する整合を向上させるとともに、太陽電池効率を向上させることである。
他の利点は、動作状態下でセルに作用する熱負荷の減少、および、電離放射線環境における許容範囲の改善である。
本開示の他の特徴および利点は、開示の原理を一例として示す添付図面と併せて解釈される好ましい実施形態の以下の更に詳細な説明から明らかである。しかしながら、開示の範囲はこの好ましい実施形態に限定されない。
開示の一実施形態に係る３接合変成太陽電池を示している。 開示に係るサブセルの一実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 開示の一実施形態に係るサブセルの他の実施形態を示している。 様々な形態の太陽電池における比較性能データを示すチャートである。
可能な限り、同じ参照符号が同じ部分を表わすために図面の全体にわたって使用される。
本開示は、高い光生成電流密度を有する半導体デバイス構造について説明する。デバイス構造は、光生成電流密度を高めるために低バンドギャップ吸収領域（ＬＢＡＲ）を半導体材料中に組み込む。半導体デバイス構造は、変成サブセルにおける所定の格子定数を維持しつつ多接合太陽電池における１つ以上のサブセルの有効バンドギャップを調整するための方法を与え、それにより、サブセル有効バンドギャップ組み合わせの太陽光スペクトルのそれの整合を向上させるとともに、太陽電池効率を向上させる。デバイス構造は、光生成を増大させるために、変成太陽電池または光子不整合太陽電池および他の光電子デバイスで使用されてもよい。
本開示は、例えば地上集光型光起電力（ＣＰＶ）電気生成システムまたは宇宙で用いる衛星と共に使用されてもよいＧａＩｎＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅセルなどを含むがこれに限定されない高効率多接合（ＭＪ）光起電力（ＰＶ）セルについて更に説明する。ＭＪ ＰＶセルは、光生成電流密度を高めるために、エネルギーウェルまたは低バンドギャップ吸収領域（ＬＢＡＲ）を１つ以上のサブセルに組み込む。
ＬＢＡＲは、ｐ−ｎ接合部付近の空間電荷領域に、同じドーピングタイプを有するが異なるキャリア濃度および／または異なる半導体組成を有する材料から形成されるイソタイプ接合（ヘテロ接合）付近の空間電荷領域に、太陽電池のベースの準中性領域に、および／または、太陽電池のエミッタの準中性領域に組み込まれてもよい。
ＬＢＡＲは、それらの低いバンドギャップのおかげにより、周囲の半導体層よりも高い光生成を有し、また、電荷キャリアは、熱エスケープ（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｓｃａｐｅ）および／または電界支援エスケープ（ｆｉｅｌｄ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｅｓｃａｐｅ）によりＬＢＡＲから抜け出る場合がある。これらのＬＢＡＲを、例えば殆どの変成太陽電池で見られるようなここではｎ＞２半導体と称される２つ以上の化学元素から構成される半導体（三元半導体、四元半導体など）から形成される太陽電池に組み込むことにより、更なる元素を付加することなく、通常の太陽電池組成および格子定数に対して伸張性および圧縮性がある領域を同じ半導体材料内に形成することができる。更なる元素を付加することなく小さい格子定数と大きい格子定数とが交互に入れ替わるこれらの領域を形成できることにより、結晶格子中に更なる不完全性または転位をもたらすことなくＬＢＡＲの光学的厚さおよび電流生成能力を増大させるために−例えば複数の疑似格子整合伸張バリアおよび圧縮ウェルの−歪み釣り合わせ構造を依然として可能にしつつ、組成制御の困難性が回避されるとともに、結晶格子中への更なる元素の組み込みがもたらし得るキャリア寿命への潜在的に有害な影響が回避される。
電荷キャリアは、熱エスケープおよび／または電界支援エスケープによりＬＢＡＲから抜け出る場合がある。電荷キャリアがＬＢＡＲから逃げることができ、例えばｐ−ｎ接合部で電荷キャリアが収集されると、ＬＢＡＲが太陽電池の電流密度を増大させる。周囲の半導体材料と比べて低いＬＢＡＲのバンドギャップにより、ＬＢＡＲは、有用な電流を生み出すために、太陽電池または他の光電子デバイスがさもなければ使用できるであろうよりも低い入射光スペクトルのエネルギー光子を使用できる。太陽電池が変成太陽電池である場合、ＬＢＡＲは、さもなければ達することが難しい波長範囲までデバイスの応答を拡張することができる。これは、例えば、それが、より大きな格子不整合、したがって、少数キャリア寿命および太陽電池電圧を下げる望ましくないキャリア再結合中心および多数の転位へと向かう傾向を伴う変成太陽電池組成を必要とするからである。より長い波長応答は、所望のバンドギャップを有する必要とされる組成のためにあるいは材料の費用に起因して高品質バルク特性を有する半導体材料を利用できないため、ＬＢＡＲを伴わない太陽電池において達成することが難しい場合もある。多接合セルのサブセルのうちの１つ以上におけるＬＢＡＲは、ＬＢＡＲを伴わない変成太陽電池において実用的で、便利であり、あるいは、費用効率が高い電流を超えてそのサブセルの電流を増大させるために使用されてもよく、それにより、多接合セルの波長応答は、高効率エネルギー変換にとって理想的な太陽光スペクトルの分割をより厳密に近似できる。一実施形態として、変成多接合太陽電池の１つ以上のサブセルにおけるＬＢＡＲにより、サブセルがこれらのより理想的に近いスペクトル応答を有することができるとともに、相互に直列接続された多接合セルにおいてサブセルを電流整合させることができる。
一実施形態において、ＬＢＡＲは、デバイスの他の場所の半導体材料のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する。一実施形態において、ＬＢＡＲは、太陽電池または他の光電子デバイスにおける光吸収材料の大部分のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する。一実施形態において、ＬＢＡＲは、変成太陽電池または他の変成光電子デバイスにおける光吸収材料の大部分のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する。一実施形態において、ＬＢＡＲは、多接合太陽電池または他の多接合光電子デバイスにおける光吸収材料の大部分のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する。一実施形態において、ＬＢＡＲは、太陽電池または他の光電子デバイスのベースおよび／またはエミッタにおける光吸収材料の大部分のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する。一実施形態において、ＬＢＡＲは、ＬＢＡＲ間に配置される層のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する。一実施形態では、ＬＢＡＲ間に配置される層が歪み釣り合い層である。すなわち、これらの歪み釣り合い層は、ＬＢＡＲそれら自体によりもたらされる歪みを反対方向の歪みを用いて釣り合わせる。一実施形態において、ＬＢＡＲは、太陽電池または他の光電子デバイスにおける他の光吸収材料に対して歪まされない。一実施形態において、ＬＢＡＲは、ＬＢＡＲ間に配置される層に対して歪まされない。一実施形態において、ＬＢＡＲ間の層は、ＬＢＡＲの材料格子定数よりも小さい材料格子定数を有する。この場合、半導体の材料格子定数は、その半導体組成に関して歪まされない格子定数である。一実施形態において、ＬＢＡＲ間の層は、太陽電池または他の光電子デバイスにおける光吸収材料の大部分のバンドギャップ以上のバンドギャップを有する。
ＬＢＡＲを変成太陽電池に組み込むことにより、更なる元素を付加することなく、通常のセル組成および格子定数に対して伸張性および圧縮性がある領域を同じ半導体材料内に形成することができる。更なる元素を付加することなく小さい格子定数と大きい格子定数とが交互に入れ替わるこれらの領域を形成できることにより、複数の疑似格子整合伸張バリア／圧縮ウェルの歪み釣り合わせ構造を依然として形成できるようにしつつ、組成制御の困難性が回避されるとともに、結晶格子中への更なる元素の組み込みがもたらし得るキャリア寿命への潜在的に有害な影響が回避され、それにより、太陽電池の結晶格子中に更なる不完全性または転位をもたらすことなくＬＢＡＲの光学的厚さおよび電流生成能力が増大される。
他の実施形態において、ＬＢＡＲは、量子力学的効果（量子閉じ込め）に起因して閉じ込められたキャリアがエネルギーレベルの変化を示すように十分小さいサイズスケールを有してもよい。他の実施形態において、閉じ込められたキャリアがエネルギーレベルの僅かなあるいは無視できる変化を有するように十分大きいサイズスケールを有してもよい。例えば、量子井戸、量子細線、または、量子ドットが使用されてもよく、あるいは、他の極端な場合には、大きい領域または全空間電荷領域、ベース準中性領域および／またはエミッタ準中性領域、および、これらの組み合わせが、セルの残りの部分よりも低いバンドギャップを有してもよく、それにより、セルに１つ以上のＬＢＡＲが構成されてもよい。
一実施形態において、ＬＢＡＲの材料バンドギャップは、太陽電池または他の光電子デバイスにおける光吸収材料の大部分の材料バンドギャップ、あるいは、ＬＢＡＲ間の層の材料バンドギャップよりも０〜５０ミリ電子ボルト（ｍｅＶ）小さい。他の実施形態において、ＬＢＡＲの材料バンドギャップは、太陽電池または他の光電子デバイスにおける光吸収材料の大部分の材料バンドギャップ、あるいは、ＬＢＡＲ間の層の材料バンドギャップよりも５０〜１５０ｍｅＶ小さい。更なる他の実施形態において、ＬＢＡＲの材料バンドギャップは、太陽電池または他の光電子デバイスにおける光吸収材料の大部分の材料バンドギャップ、あるいは、ＬＢＡＲ間の層の材料バンドギャップよりも１５０〜３００ｍｅＶ小さい。更に他の実施形態において、ＬＢＡＲの材料バンドギャップは、太陽電池または他の光電子デバイスにおける光吸収材料の大部分の材料バンドギャップ、あるいは、ＬＢＡＲ間の層の材料バンドギャップよりも３００ｍｅＶ超小さい。
ＬＢＡＲは、製造の容易さと、太陽電池または光電子デバイスの電流密度を高めるという望ましい効果をもたらすことができる能力とによって影響される様々な幾何学的形態を有してもよい。ＬＢＡＲにより光吸収を高めるために、複数のＬＢＡＲが同じ太陽電池または他のデバイスで使用されてもよい。
ＬＢＡＲは、２次元（２−Ｄ）シート、１次元（１−Ｄ）直線形態、または、０次元（０−Ｄ）点状（ドット）の形態であってもよい。ＬＢＡＲは、２−Ｄ、１−Ｄ、または、０−Ｄ形態かどうかにかかわらず、量子力学的効果（量子閉じ込め）に起因して閉じ込められたキャリアがエネルギーレベルの変化を示すように十分小さいサイズスケールを有してもよく、あるいは、閉じ込められたキャリアがエネルギーレベルの僅かなあるいは無視できる変化を有するように十分大きいサイズスケールを有してもよい。例えば、量子井戸（２−Ｄ）、量子細線（１−Ｄ）、または、量子ドット（０−Ｄ）が使用されてもよく、あるいは、他の極端な場合には、量子閉じ込め距離スケールと比べて比較的大きい領域、または、全空間電荷領域、ベース準中性領域、および／または、エミッタ準中性領域、および、これらの組み合わせが、エネルギーレベルがシフトされないあるいは量子力学的効果に起因して僅かな程度でのみシフトされるシート状（２−Ｄ）、ロッド状（１−Ｄ）、または、顆粒状（０−Ｄ）形態で、セルの残りの部分よりも低いバンドギャップを有してもよい。
１つの実施形態において、ＬＢＡＲは、全部で３つの空間方向に比較的大きい空間的広がりをもって、一般的な３次元幾何学的形態をとってもよい。これらのＬＢＡＲは、厚い層、または、球状、ディスク状、立方体、ピラミッド形、四面体の形態、あるいは、不規則な立体形状を含む他の３次元立体図形であってもよい。３次元ＬＢＡＲは、連続的な厚い層であってもよく、あるいは、厚い層の不連続部分であってもよい。これらのＬＢＡＲは、規則的配列、部分的に秩序化された配列を成して方向付けられてもよく、あるいは、不規則に配されてもよい。これらのＬＢＡＲは、異なる形状から構成されてもよく、均一なサイズまたはサイズ分布を有してもよい。３次元ＬＢＡＲは、他のパターニング形式によってよりもかなり費用効率が高い組織化手段をもたらすために半導体の結晶構造に基づく自己組織化法によって形成されてもよい。これらの３次元ＬＢＡＲは、太陽電池結晶構造に対して歪まされてもよく、また、ＬＢＡＲ間の他の３次元形態により、あるいは、他の幾何学的形態（３次元、２次元、または、１次元）を有する歪み補償層により歪み補償されてもよい。
他の実施形態では、ＬＢＡＲが一般的な２次元（シート状）幾何学的形態をとってもよい。他の幾何学的形態と同様に、これらの２次元形態がかなり広い２次元の空間的広がり（例えば、ｘ方向およびｙ方向）を有し、また、更に小さいが一般的には有限の空間的広がりが他の次元（例えば、ｚ方向）に存在することが理解される。これらの２次元形態は、平面形態であってもよく、あるいは、湾曲面などの非平面であってもよく、あるいは、不連続なシート状形態であってもよい。２次元ＬＢＡＲは、かなり費用効率が高い組織化手段をもたらすために半導体の結晶構造に基づく自己組織化法によって形成されてもよい。これらの２次元ＬＢＡＲは、太陽電池結晶構造に対して歪まされてもよく、また、ＬＢＡＲ間の他の２次元形態により、あるいは、他の幾何学的形態（３次元、１次元、または、０次元）を有する歪み補償層により歪み補償されてもよい。
他の実施形態では、ＬＢＡＲが一般的な１次元（直線またはロッド状）幾何学的形態をとってもよい。他の幾何学的形態と同様に、これらの１次元形態がかなり広い１次元の空間的広がり（例えば、ｘ方向）を有し、また、更に小さいが一般的には有限の空間的広がりが他の次元（例えば、ｙ方向およびｚ方向）に存在することが理解される。これらの１次元形態は、直線形態であってもよく、あるいは、曲線などの非直線であってもよく、あるいは、不連続な直線状形態であってもよい。１次元ＬＢＡＲは、互いに平行となるように方向付けられてもよく、あるいは、直線状形態のグリッドの場合のように、非平行であってもよい。１次元ＬＢＡＲは、他のパターニング形式によってよりもかなり費用効率が高い組織化手段をもたらすために半導体の結晶構造に基づく自己組織化法によって形成されてもよい。これらの１次元ＬＢＡＲは、太陽電池結晶構造に対して歪まされてもよく、また、ＬＢＡＲ間の他の１次元形態により、あるいは、他の幾何学的形態（３次元、２次元、または、０次元）を有する歪み補償層により歪み補償されてもよい。
他の実施形態では、ＬＢＡＲが一般的な０次元（点状、または、小さい球、ディスク、立方体、あるいは、他の非常に小さい３次元形状から構成される）幾何学的形態をとってもよい。他の幾何学的形態と同様に、これらの０次元形態が小さいが一般的には有限の空間的広がりを全部で３つの空間次元（例えば、ｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向）で有することが理解される。これらのＬＢＡＲは、球状、ディスク状、立方体、ピラミッド形、四面体の形態、あるいは、不規則な立体形状を含む他の３次元立体図形であってもよい。０次元ＬＢＡＲは、規則的配列、部分的に秩序化された配列を成して方向付けられてもよく、あるいは、不規則に配されてもよい。これらのＬＢＡＲは、異なる形状から構成されてもよく、均一なサイズまたはサイズ分布を有してもよい。０次元ＬＢＡＲは、他のパターニング形式によってよりもかなり費用効率が高い組織化手段をもたらすために半導体の結晶構造に基づく自己組織化法によって形成されてもよい。これらの０次元ＬＢＡＲは、太陽電池結晶構造に対して歪まされてもよく、また、ＬＢＡＲ間の他の０次元形態により、あるいは、他の幾何学的形態（３次元、２次元、または、１次元）を有する歪み補償層により歪み補償されてもよい。
ＬＢＡＲは、多接合太陽電池、すなわち、２、３、４、５、６個またはそれ以上の接合を有する太陽電池内１つ以上のサブセルで使用されてもよい。最も高い多接合太陽電池効率をもたらすサブセルを形成するための最適なバンドギャップを有する半導体の限られた利用可能性に起因して、また、少数キャリア再結合を増大させる欠陥が最小の半導体結晶成長を可能にするための望ましい格子定数を有する半導体の限られた利用可能性に起因して、多接合セルにおけるこれらのエネルギーウェルまたはＬＢＡＲの使用により、幾つかのサブセルの電流生成能力を更に長い波長まで拡張させることが非常に望ましい。
ＬＢＡＲは、太陽電池の全体積の限られた割合のみを占めてもよく、そのため、比較的弱く吸収していることができる。ｎ＞２材料（２つ以上の化学元素から構成される材料）におけるＬＢＡＲのこれらのエネルギーウェルは、太陽電池の裏面に組み込まれるとともにエネルギーウェルまたはＬＢＡＲを通じて幾つかの波長をたまたま吸収されて有用な電流を生み出す少しの間にわたって（あるいはそれ以上の間にわたって）反射して戻す反射器と併せて使用され得る。ｎ＞２材料におけるこれらのエネルギーウェルまたはＬＢＡＲと併せて使用される裏面反射器は、半導体材料から構成されるブラッグ反射器、誘電体材料から構成されるブラッグ反射器、あるいは、半導体、誘電体、および／または、金属層の他の組み合わせであってもよい。
ＩＩＩ−Ｖ多接合太陽電池を通過する光の光路は、表面テクスチャリング（例えば、セル表面または成長基板表面の異方性エッチングによる、または、非平面を形成するための成長条件の意図的な変化による表面テクスチャリング）、粗面モルフォロジー（例えば、クロスハッチング、または、何らかのタイプの害のないかすみ）、傾斜ファセットからの反射、または、全内部反射を含む太陽電池表面での反射により半導体層内で光を捕捉するための他の技術の使用によって増大させることができ、それにより、太陽電池を通じた光の複数の通路が形成される。これらの表面テクスチャリングまたは光捕捉構造は、独立に使用することができ、あるいは、前述した裏面反射器および／またはエネルギーウェルまたはＬＢＡＲ構造と共に使用することができる。
一実施形態では、１つ以上の裏面反射器構造を含む太陽電池または他の光電子デバイスが開示され、この場合、裏面反射器、裏面の下側の層、前面、および／または前面の上側の層は、入射角度とは異なる角度で光を散乱させるか、あるいは光を屈折させ、それにより、１）デバイスの光生成領域を通じた光の光路長を増大させ、２）デバイスの表面からの全内部反射の可能性を減少させ、および／または３）デバイス内で複数の反射または光捕捉を引き起こして、電荷キャリアのより多くの光生成をもたらす。これは、テクチャリング、粗面化、異方性エッチャントを用いるエッチングによって、あるいは、さもなければ、裏面の下側または前面の上側に散乱層を導入することによりあるいはこれらの光散乱特徴または光屈折特徴をデバイスの成長前に成長基板上に導入することにより太陽電池の前面または裏面に直接に反射面または反射ファセットあるいは屈折面または屈折ファセットを導入することによって達成されてもよい。
一実施形態では、セル内の光生成を増大させるための低バンドギャップ吸収領域の１つ以上が弱く吸収しており、それにより、弱く吸収しているセル素子を通じた２つ以上の光路が、弱く吸収している素子内での電荷キャリアの光生成を増大させる、変成太陽電池または他の光電子デバイスが開示される。一実施形態では、弱く吸収している素子での光吸収が裏面反射器によって促進され、それにより、太陽電池または他のデバイスにおいて電荷キャリアのより多くの光生成がもたらされる、変成太陽電池または他の光電子デバイスが開示される。他の実施形態では、弱く吸収している素子での光吸収が光散乱素子によって促進され、それにより、太陽電池または他のデバイスにおいて電荷キャリアのより多くの光生成がもたらされる、変成太陽電池または他の光電子デバイスが開示される。光散乱素子は、裏面反射器と併せて使用されてもよい。光散乱素子は、裏面反射器自体であってもよく、あるいは、入射角度とは異なる角度で光を散乱させあるいは光を屈折させる裏面の下側の層、前面、および／または、前面の上側の層を含み、それにより、デバイスを通じた光の光路長を増大させ、全内部反射の可能性を増大させ、および／または、複数の反射または光捕捉を引き起こしてもよい。
一実施形態では、成長基板から除去されてしまって、それにより、デバイスの裏面へのアクセスを可能にするエピタキシャル成長される半導体層を含む、変成太陽電池または他の光電子デバイスが開示される。
一実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ半導体層と前述した電流増大構造のうちの１つ以上とを含む変成太陽電池または他の光電子デバイスが開示される。
一実施形態では、逆構造でエピタキシャル成長される少なくとも１つのサブセルと前述した電流増大構造のうちの１つ以上とを有する太陽電池または他の光電子デバイスが開示され、この場合、逆構造は、光が最終デバイス内で最初に衝突する界面または表面が最初に成長される（最終デバイスの前面と称される）とともに、最終デバイス内で入射光源から最も遠い界面または表面が最後に成長される（最終デバイスの裏面と称される）構造として規定される。
一実施形態では、変成サブセルである少なくとも１つのサブセルと前述した電流増大構造のうちの１つ以上とを有する太陽電池または他の光電子デバイスが開示され、この場合、少なくとも１つのサブセルは、成長基板の格子定数とは異なる格子定数でエピタキシャル成長され、この場合、成長基板から活性デバイスへの格子定数の移行が、変成グレーデッドバッファと呼ばれる格子定数の増大および／または減少を伴って一連の層内で生じる。
一実施形態では、変成サブセルである少なくとも１つのサブセルと前述した電流増大構造のうちの１つ以上とを有する太陽電池または他の光電子デバイスが開示され、この場合、変成バッファ構造は変成透明グレーデッドバッファであり、このバッファは、最終デバイス形態の透明グレーデッドバッファの下側の活性太陽電池により使用される光の波長の高い透過率を有する。
一実施形態では、変成透明グレーデッドバッファを有する変成サブセルである少なくとも１つのサブセルと前述した電流増大構造のうちの１つ以上とを有する太陽電池または他の光電子デバイスが開示され、この場合、変成サブセルは逆形態でエピタキシャル成長され、また、その場合、多接合太陽電池または他のデバイスが成長後にハンドル基板に結合され、成長基板は、光が太陽に向かう面（または、光が入射する面）に達することができるように除去され、また、太陽電池または他のデバイスで前面処理が完了される。例えば、電池は、トンネル接合または他のタイプの導電インタフェースによって互いに直列に接続される３〜６個の接合を有する逆変成（ＩＭＭ）多接合太陽電池であってもよい。
一実施形態では、太陽電池のうちの少なくとも１つが歪みを釣り合わせられた低バンドギャップ吸収領域（ＬＢＡＲ）を有する多接合太陽電池が開示される。バリア材料およびウェル材料は、ウェル材料およびバリア材料のそれらの厚さによって重み付けられる平均格子定数がセルの他の部分の格子定数と同じあるいはほぼ同じであるように歪みが釣り合わされる。例えば、
１．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数の低−％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓバリアおよび高−％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓウェル；
２．ＩｎＰ格子定数の低−％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓバリアおよび高−％−ＩｎＧａＩｎＡｓウェル；
３．ＧａＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数との間の格子定数の低−％−Ｉｎ ＧａＩｎＰバリアおよび高−％−Ｉｎ ＧａＩｎＰウェル；
４．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＰの格子定数との間の格子定数の低−％−Ｉｎ ＧａＩｎＰバリアおよび高−％−Ｉｎ ＧａＩｎＰウェル；
５．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数のＧａ（Ｉｎ）（Ｐ）ＡｓバリアおよびＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓ（Ｓｂ）ウェル；
６．ＩｎＰ格子定数のＧａ（Ｉｎ）（Ｐ）ＡｓバリアおよびＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓ（Ｓｂ）ウェル。
一実施形態では、サブセルのうちの少なくとも１つが歪まされない低バンドギャップ吸収領域（ＬＢＡＲ）を有する多接合太陽電池が開示され、この場合、バリア材料およびウェル材料は、同じ格子定数であるが異なるバンドギャップを有する。例えば、
１．ＧａＰの格子定数とＩｎＰの格子定数との間の格子定数の無秩序化されたＧａＩｎＰバリアおよび秩序化されたＧａＩｎＰウェル；
２．ＧａＰの格子定数とＩｎＰの格子定数との間の格子定数の高−Ａｌ−％ ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ｐバリアおよび低−Ａｌ−％ ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ｐウェル；
３．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数の高−Ａｌ−％ ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ａｓバリアおよび低−Ａｌ−％ ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ａｓウェル；
４．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数の高−Ｐ−％ ＧａＩｎＰＡｓバリアおよび低−Ｐ−％ ＧａＩｎＰＡｓウェル；
５．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数のＧａ（Ｉｎ）（Ｐ）ＡｓバリアおよびＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓ（Ｓｂ）ウェル。
一実施形態では、サブセルのうちの少なくとも１つが変成成長されて成長基板に対して格子不整合されるとともに歪みを釣り合わされた低バンドギャップ吸収領域（ＬＢＡＲ）を有する多接合太陽電池が開示され、この場合、バリア材料およびウェル材料は、ｎ＞２材料と称される３つ以上の元素を有する半導体（三元半導体、四元半導体など）から構成される太陽電池の空間電荷領域、ベース、または、エミッタに埋め込まれ、それにより、バリアおよびウェルを、同じ半導体材料から、すなわち、同じ元素を備える半導体から形成することができるが、その場合、それらの元素の相対的な組成が異なってもよい。その結果、格子定数を調整するために、組成制御の低下、結晶品質の低下、および、少数キャリア寿命の低下をもたらし得る更なる元素（例えば、リン）の付加を伴うことなく、バリア材料およびウェル材料を形成することができる。例えば、
１．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数の低−％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓバリアおよび高−％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓウェル；
２．ＧａＡｓの格子定数とＧａＳｂの格子定数との間の格子定数の低−％−Ｓｂ ＧａＡｓＳｂバリアおよび高−％−Ｓｂ ＧａＡｓＳｂウェル；
３．ＧａＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数との間の格子定数の高−％−Ｐ ＧａＰＡｓバリアおよび低−％−Ｐ ＧａＰＡｓウェル；
４．ＧａＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数との間の格子定数の低−％−Ｉｎ ＧａＩｎＰバリアおよび高−％−Ｉｎ ＧａＩｎＰウェル；
５．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＰの格子定数との間の格子定数の低−％−Ｉｎ ＧａＩｎＰバリアおよび高−％−Ｉｎ ＧａＩｎＰウェル；
６．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数の低−％−Ｎ（または、ゼロ−Ｎ）ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）バリアおよび高−％−Ｎ ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）ウェル。
サブセルのうちの少なくとも１つが変成成長されて成長基板に対して格子不整合される成長された多接合太陽電池が開示される。多接合太陽電池は歪まされない（格子整合された）低バンドギャップ吸収材料（ＬＢＡＲ）を有し、この場合、バリア材料およびウェル材料は、互いに格子整合されるとともに、ｎ＞２材料と称される３つ以上の元素を有する半導体（三元半導体、四元半導体など）から構成される太陽電池の空間電荷領域、ベース、または、エミッタに埋め込まれ、それにより、バリアおよびウェル材料を、同じ半導体材料から、すなわち、同じ元素を備える半導体から形成することができるが、その場合、それらの元素の相対的な組成が異なってもよい。その結果、格子定数を調整するために、組成制御の低下、結晶品質の低下、および、少数キャリア寿命の低下をもたらし得る更なる元素（例えば、リン）の付加を伴うことなく、バリア材料およびウェル材料を形成することができる。例えば、
１．ＧａＰの格子定数とＩｎＰの格子定数との間の格子定数の無秩序化されたＧａＩｎＰバリアおよび秩序化されたＧａＩｎＰウェル；
２．ＧａＰの格子定数とＩｎＰの格子定数との間の格子定数の高−Ａｌ−％ ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ｐバリアおよび低−Ａｌ−％ ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ｐウェル；
３．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数の高−Ａｌ−％ ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ａｓバリアおよび低−Ａｌ−％ ＡｌＧａ（Ｉｎ）Ａｓウェル；
４．ＧａＰの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数の高−Ｐ−％ ＧａＩｎＰＡｓバリアおよび低−Ｐ−％ ＧａＩｎＰＡｓウェル；
５．ＧａＡｓの格子定数とＩｎＡｓの格子定数との間の格子定数の低−％−Ｎ（または、ゼロ−Ｎ）ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）バリアおよび高−％−Ｎ ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）ウェル。
一実施形態では、変成太陽電池が開示される。変成太陽電池は、裏面反射器（ＢＳＲ）および／または低バンドギャップ吸収領域（ＬＢＡＲ）を有する多接合太陽電池のサブセルであってもよく、それにより、低い格子不整合でこれらの変成材料から形成される光起電力セルの波長応答が拡張され、したがって、電気的に活性な結晶転位の形成およびウエハ撓みなど、セルに対する大きな格子不整合の有害な影響が最小限に抑えられ、あるいは、電流密度が増大し、放射線抵抗が増大し、または、太陽電池の動作温度が低下する。裏面反射器は、半導体層から形成されるブラッグ反射器、誘電体層から形成されるブラッグ反射器、単独で使用される金属反射器、半導体／金属複合反射器、誘電体／金属複合反射器、透明導電コーティング／金属複合反射器、または、裏面反射器におけるこれらの材料の任意の組み合わせであってもよい。
一実施形態では、変成太陽電池が開示される。変成太陽電池は、多接合太陽電池のサブセル、例えば、歪みが釣り合わされる低バンドギャップ吸収領域（ＬＢＡＲ）を有する、Ｇｅ基板に対して格子不整合される変成ＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＰセルであってもよく、この場合、バリア材料およびウェブ材料は、ウェル材料およびバリア材料のそれらの厚さによって重み付けられる平均格子定数が変成セルの他の部分の格子定数と同じあるいはほぼ同じであるように歪みが釣り合わされ、また、この場合、変成セルの更に大きな平均格子定数は、少数キャリア拡散距離が潜在的に小さく且つバリア材料として組成を制御できる能力が低いＧａＩｎＰＡｓまたは他の材料を必要とするのではなく、より望ましいバリア材料またはウェル材料の選択、例えば、高−Ｉｎ％ ＧａＩｎＡｓウェルを有する変成ＧａＩｎＡｓセルのバリア材料としてのＧａＡｓまたは低−Ｉｎ％ ＧａＩｎＡｓの使用を可能にする。
太陽電池のベースおよびエミッタの変成組成により、より容易に成長でき且つより長い少数キャリア寿命および輸送特性を有する材料からＬＢＡＲ層間の歪み補償層を構成することができる。例えば、太陽電池ベースが１４％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓである場合には、ＬＢＡＲが１８％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓから構成されてもよく、また、ＧａＩｎＡｓ材料系中のインジウム組成を減少させて、より高い格子定数のＬＢＡＲによりもたらされる歪みを釣り合わせる厚さの例えば６％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓの小格子定数歪み補償層を形成する余地が十分にある。ＧａＡｓ基板に対して格子整合される多接合太陽電池における格子整合されたＧａＡｓサブセルでは、ＧａＡｓベースの格子定数よりも小さい格子定数をＧａＩｎＡｓ材料系で受け入れることができず、また、制御された組成により成長させることが更に困難になる可能性があり、結晶欠陥をもたらす可能性があり、および、ＧａＩｎＡｓと比べてあまり望ましくない少数キャリア特性を有し得る小格子定数歪み補償層が、ＧａＰＡｓなどの他の材料系と共に成長されなければならない。Ｇｅ基板に対して格子整合される多接合太陽電池における格子整合された１％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓサブセルでは、歪み補償層をＧａＡｓから成長させることができるが、１％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースとＧａＡｓとの間に小さな格子定数差しかないため、ＧａＡｓ歪み補償層が比較的厚く成長されなければならず、そのため、空間電荷領域などの太陽電池の所定の領域に配置され得るＬＢＡＲの数およびＬＢＡＲの累積厚さが低下し、それにより、ＬＢＡＲが吸収できる光の量が制限されるとともに、ＬＢＡＲが生み出すことができる光生成電流密度が制限される。
多接合太陽電池では、構成サブセルのバンドギャップの組み合わせが、直接的な地上太陽光スペクトル、全地球的な地上太陽光スペクトル、または、地球外（宇宙またはＡＭ０）スペクトルなどのセルに入射する特定の太陽光スペクトルの効率的な変換のために重要である。変成多接合太陽電池は、例えば、直立変成（ＭＭ）３接合太陽電池における上端の２つのセルのバンドギャップを下げることによって、あるいは、逆変成（ＩＭＭ）３接合太陽電池における下端のセルのバンドギャップを上げることによって、サブセルの格子定数および組成を変えて、太陽光変換にとってより最適に近いバンドギャップ組み合わせを得る。直立ＭＭ３接合セル、４接合セル、および、それ以上の接合を有するセルにおいては、しばしば、変成上側サブセルの同じ下げられた格子定数でＧａＩｎＰのバンドギャップよりも高いバンドギャップの上端サブセル（サブセル１）を得ることが望ましい。変成サブセルにおいて、例えば、直立ＭＭ３接合セルの変成ＧａＩｎＡｓサブセル２において、あるいは、直立ＭＭ４接合セルの変成ＧａＩｎＡｓサブセル３において、並びに、更なる例において、ＬＢＡＲを使用することにより、ＧａＩｎＡｓサブセルは、格子定数を増大させることなく、変成サブセルにおいてＬＢＡＲを使用しない場合に必要となる程度の格子定数で、電流密度の増大をもたらすことができる。したがって、このより小さな格子定数で上端サブセルを成長させることができ、また、上端サブセルは、ＧａＩｎＰまたは所定のＡｌモル分率のＡｌＧａＩｎＰにおいて、ＧａＩｎＡｓセルにＬＢＡＲを伴わない大きい格子定数の場合におけるよりも望ましい高いバンドギャップを有する。
また、変成太陽電池において格子定数が更に大きい値まで増大され、それにより、成長基板に対する格子不整合を増大させると、結晶格子の形状に関して転位の傾向が大きくなる。これは、活性太陽電池領域において非常に望ましくない。それらの領域が少数キャリア再結合を増大させ、それにより、太陽電池の電圧および電流が減少するからである。変成太陽電池においてＬＢＡＲにより付加的な電流密度が与えられる状態では、サブセルの格子定数を高い値まで増大させる必要がなく、それにより、成長基板に対する格子不整合が小さくなり、また、一般に、貫通転位密度が低くなって、少数キャリア再結合が低下し、太陽電池電圧、量子効率、および、効率が高くなる。
変成セルにおけるＬＢＡＲは、様々な変成太陽電池タイプで、例えば、直立ＭＭ３接合セルにおける〜１．３５−ｅＶ ＧａＩｎＡｓまたは〜１．２−ｅＶ ＭＭサブセルにおいて、直立ＭＭ４接合セルにおける〜１．１−１．２ｅＶ ＧａＩｎＡｓ ＭＭサブセルにおいて、ＩＭＭ３接合セルにおける〜０．９−１．０ｅＶ ＧａＩｎＡｓ逆変成（ＩＭＭ）サブセルにおいて、ＩＭＭ４接合セルにおける〜１．０−１．１ｅＶ ＧａＩｎＡｓ ＩＭＭサブセルにおいて、ＩＭＭ４接合セルにおける〜０．７−０．９ｅＶ ＩＭＭサブセルにおいて、および、様々な多接合セル形態におけるＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ（この場合、挙げられた元素のうちのいずれかのモル分率は、周期表の同じ縦列からの他の元素が存在する場合にはゼロであってもよい）などの他の組成を有するサブセルにおいて、これらの利点を有する。
ここで、図１を参照すると、ＭＪ光起電力セル（セル）の断面が与えられる。セル１０は、３接合（３Ｊ）太陽電池と称されてもよい。セル１０は、電気的に直列に接続される、上端サブセル２０と、中央サブセル４０と、下端サブセル６０とを含む。上端、中央、および、下端サブセル２０，４０，６０は、それらのそれぞれのベース層２４，４４，６４の材料にしたがって称されてもよく、すなわち、言い換えると、ＧａＩｎＰサブセル２０、ＧａＩｎＡｓサブセル４０、および、Ｇｅサブセル６０と称されてもよい。この典型的な実施形態によれば、セル１０は、ＧａＩｎＰベース層２４を含むＧａＩｎＰサブセル２０と、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓベース層４４を含むＧａ（Ｉｎ）Ａｓサブセル４０（この場合、Ｉｎの前後の丸括弧は、Ｉｎが随意的な元素であることを示す）と、Ｇｅベース層６４を含むＧｅサブセル６０とから構成される。Ｇｅベース層６４は、Ｇｅ成長基板から形成され、したがって、Ｇｅベース基板層と称されてもよい。
他の実施形態において、セル１０は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＶ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体、および／または、他の半導体族から形成されてもよい。他の実施形態において、セル１０は、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＰＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡＩＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＳｉＣを含むグループから選択される半導体材料から形成されてもよい。
上端、中央、および、下端サブセル２０，４０，６０は、光がセル１０に入るときに各サブセルに衝突する順序によって称されてもよい。したがって、上端サブセル２０がサブセル１と称されてもよく、中央サブセル４０がサブセル２と称されてもよく、また、下端サブセル６０がサブセル３と称されてもよい。一般に、ｎ個のサブセルが直列に接続されてもよい。ここで、ｎは、単接合セルの場合には、１に等しくてもよく、あるいは、ｎは、多接合セルの場合には、２以上の任意の整数であってもよい。成長基板は電気的に不活性であってもよく、あるいは、成長基板は、電気的に活性であって、それにより、多接合セルにおけるｎ個のサブセルのうちの１つを形成してもよい。
一実施形態では、セル１０が変成（ＭＭ）ＭＪセルであり、中央セル４０がＭＭ中央セルであり、上端セル２０がＭＭ上端セルである。他の実施形態では、セル１０がＭＭ ＭＪセルであり、中央セル４０がＧａＩｎＡｓ中央セルであり、上端セル２０がＭＭ ＧａＩｎＰ上端セルである。
一実施形態において、Ｇｅサブセル６０は、上側サブセルを形成する半導体層のエピタキシャル成長のための基板としての機能を果たすＧｅウエハから形成されてもよい。Ｇｅウエハは、セル１０内の３つの活性サブセルのうちの１つとしての機能を果たすことに加えて、セルのための主要な機械的支持体としての機能を更に果たす。基板上の半導体層のエピタキシャル成長が核生成層５８により開始されてもよい。核生成層５８は、Ｇｅサブセル６０のための窓層としての機能を果たしてもよい。
トンネル接合部４７が核生成層５８上に形成される。トンネル接合部４７は、ｎ＋＋トンネル層４９と、ｐ＋＋トンネル層４８とを含む。トンネル接合部４７は、最も下側のエピタキシャルサブセルと核生成層との間、変成バッファ領域５２の本体の下方、または、変成バッファ領域５２の本体中に形成されてもよい。
変成バッファ層５２は、下端サブセル６０と中央サブセル４０との間で格子定数が移り変わるバッファ層から成る５つの層を含む。他の実施形態において、変成バッファ層５２は１つ以上のバッファ層を含んでもよい。そのような成長は、一般に、核生成層５８と最も下側のエピタキシャルサブセル（中央セル４０など）との間で起こる。
下端サブセルおよび中央サブセル６０，４０は、互いに格子不整合であり、すなわち、互いに異なる格子定数を有する。また、中央および上端サブセル４０，２０は互いに格子不整合である。一実施形態において、セル１０は変成構造である。本明細書中で使用される用語「格子整合」とは、格子定数が互いの１％の範囲内であることを意味する。また、本明細書中で使用される用語「格子不整合」とは、格子定数が１％を超えて異なることを意味する。
一実施形態では、隣接するサブセルの格子定数が０．５％以下だけ異なる。他の実施形態では、格子定数間の差が０．５％〜１．５％の範囲内である。他の実施形態では、格子定数間の差が１．５％〜２．５％の範囲内である。更なる他の実施形態では、格子定数間の差が２．５％〜４．５％の範囲内である。更に他の実施形態では、格子定数間の差が４．５％よりも大きい。
１つの実施形態において、隣接するサブセルの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数、すなわち、５．６５３３オングストロームの約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。他の実施形態において、隣接するサブセルの格子定数は、Ｇｅの格子定数、すなわち、５．６５７５オングストロームの約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。他の実施形態において、隣接するサブセルの格子定数の値は、ＩｎＰの格子定数、すなわち、５．８６８８オングストロームの約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。他の実施形態において、隣接するサブセルの格子定数の値は、Ｓｉの格子定数、すなわち、５．４３０７オングストロームの約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。他の実施形態において、隣接するサブセルの格子定数の値は、ＧａＳｂの格子定数、すなわち、６．０９５９３オングストロームの約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。他の実施形態において、隣接するサブセルの格子定数は、３．１８９オングストロームおよび５．１８５オングストロームの格子定数により特徴付けられるウルツ鉱結晶格子構造を有するＧａＮの格子定数の約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。他の実施形態において、隣接するサブセルの格子定数は、閃亜鉛鉱結晶格子構造を有するＧａＮの格子定数、すなわち、４．５０オングストロームの約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。他の実施形態において、隣接するサブセルの格子定数は、ＩｎＡｓの格子定数、すなわち、６．０５８４オングストロームの約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。他の実施形態において、隣接するサブセルの格子定数は、ＩｎＳｂの格子定数、すなわち、６．４７９３７オングストロームの約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。他の実施形態において、隣接するサブセルの格子定数は、ＣｄＴｅの格子定数、すなわち、６．４８２オングストロームの約０．１％に等しくあるいは約０．１％の範囲内である。
この典型的な実施形態では、格子定数が成長方向で増大しており、すなわち、言い換えると、格子定数が下端セル６０から上端セル２０へと向かう方向で増大している（格子定数の移り変わりが下端セルと中央セルとの間において変成バッファ中で行なわれる）。成長方向での格子定数の増大は、圧縮方向の勾配と称されてもよい。
他の実施形態では、格子定数が成長方向で減少してもよく、すなわち、言い換えると、格子定数が下端セル６０から上端セル２０へと向かう方向で減少している（格子定数の移り変わりが下端セルと中央セルとの間において変成バッファ中で行なわれる）。成長方向での格子定数の減少は、伸張方向の勾配と称されてもよい。そのような実施形態では、何らかの材料が変わってもよく、例えば、中央セル４０がＧａＩｎＡｓではなくＧａＰＡｓであってもよく、それにより、中央セル４０はＧａＡｓの格子定数よりも小さい格子定数を有することができる。
トンネル接合部２７は、上端サブセル２０と中央サブセル４０とを電気的に直列に接続し、また、トンネル接合部４７は、中央サブセル４０と下端サブセル６０とを電気的に直列に接続する。一般に、セル１０などのＭＪセルにおけるｎ個のサブセルのそれぞれは、モノリシック２端子直列相互接続ＭＪセルを形成するためにトンネル接合部によって隣接するサブセルに対して直列に接続されてもよい。２端子形態では、１つのサブセルが他のサブセルの電流を大幅に制限しないようにするため、各サブセルが各サブセルの電流−電圧曲線の最大出力点でほぼ同じ電流を有するようにサブセル厚およびバンドギャップを設計することが望ましい可能性がある。あるいは、上端、中央、および、下端サブセル２０，４０，６０は、３端子ＭＪセル、４端子ＭＪセル、および、一般的にはｍ端子ＭＪセル（ｍは、２以上で且つ２ｎ以下の整数であり、ｎは、ＭＪセルにおける活性サブセルの数である）を形成するために、更なる端子によって、例えば金属接点によって、サブセル間の側方伝導性の半導体層に対して接触されてもよい。上端、中央、および、下端サブセル２０，４０，６０は、各サブセルにおいて利用できる光生成電流密度の大部分を効果的に使用できるようにこれらの更なる端子を使用して回路状に相互接続されてもよい。そのような効果的な使用は、光生成電流密度が様々なサブセルで非常に異なる場合であっても、セル１０にとって高い効率をもたらすことができる。
窓層２１、エミッタ層２２、ベース層２４、および、裏面電界（ＢＳＦ）層２５が上端セル２０に示されており、窓層４１、エミッタ層４２、ベース層４４、および、ＢＳＦ層４５が中央セル４０に示されており、また、エミッタ層６２およびベース層６３が下端セル６０に示されている。
窓層２１，４１およびバッファ層５２および核生成層５８のために様々な異なる半導体材料が使用されてもよい。バッファ層５２および核生成層５８は、下端セル６０のための窓層としての機能も果たす。窓層２１，４１およびバッファ層５２および核生成層５８のために使用されてもよい様々な異なる半導体材料は、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、本発明の思想の範囲内に依然として入る他の材料を含んでもよい。
エミッタ層２２，４２，６２は、一般に、対応するベース層２４，４４，６４より薄くてもよく、また、ベース層の太陽に向かう側に位置づけられてもよいが、幾つかの特殊なセルがベースの裏面に入射する裏面照明も使用する。セル電流に関与する電子正孔対の光生成の大部分は一般にベース層で行なわれるが、エミッタ層２２，４２，６２からの光生成電流密度は、大部分のセルにおいても重要となり得るものであり、幾つかの特殊なセルではベース層２４，４４，６４における光生成電流密度を上回る場合がある。
Ｇｅサブセル６０のエミッタ層６２は、Ｇｅ基板上のＩＩＩ−Ｖ半導体のエピタキシャル成長による縦列−Ｖ元素（Ｇｅ中のｎ型ドーパントである）のｐ型Ｇｅ基板中への拡散によって形成され得る。Ｇｅサブセル６０のベース６４は、セル１０の残りの部分のための機械的な支持体および成長基板としての機能も果たすｐ型Ｇｅウエハの大部分から成る。ＢＳＦ層はＧｅサブセル６０の裏面上に現れないが、ＢＳＦ層（拡散されたｐ＋領域、または、エピタキシャル成長したＩＶ族またはＩＩＩ−Ｖ族半導体層など）は、Ｇｅサブセル６０の効率およびセル１０全体の効率を高めるためにそのような場所に位置づけられてもよい。
また、ベース層６４および成長基板は、好ましくは、ｐ−Ｇｅベース層６４および成長基板であってもよいが、他の半導体材料がベース層６４および成長基板としてあるいは成長基板としてのみ使用されてもよい。これらは、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、Ｍｏ、ステンレス鋼、ソーダ石灰ガラス、および、ＳｉＯ２を含むが、これらに限定されない。
キャップ層１５が上端セル２０上に配置される。キャップ層１５は、上端セル２０の上端面に対する、すなわち、上端セルの窓に対する低抵抗電気接点を形成する半導体層であるとともに、最小限の抵抗電力損失で電流が上端セルから太陽電池の上端電気端子を形成する金属電極へと伝導されるように、セルの上端の金属電極またはグリッドパターンに対する低抵抗電気接点も形成する。キャップ層は、一般に、金属電極に対する低い接触抵抗を得るために、ｎ＋−ドーピングまたはｐ＋−ドーピングにより表わされるように高濃度にドープされる。また、キャップは、活性上端セル層を上端電極の金属層から分離する役目も果たす。上端電極の金属層は、それらの金属が活性上端セル層中へ拡散できるあるいはさもなければ活性上端セル層に入る場合に有害な効果を有し得る。キャップ層１５はｎ＋−ドープされたＧａＩｎＡｓ層であってもよい。他の実施形態において、キャップ層１５は、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰＡｓ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、および、他のＩＩＩ−ＶまたはＩＶ族半導体、および、これらの材料の組み合わせから構成されてもよい。他の実施形態において、キャップ層１５は、ｎ＋−ドーピングで表わされる非常に高いｎ型ドーピングを有してもよく、あるいは、ｐ＋−ドーピングで表わされる非常に高いｐ型ドーピングを有してもよい。ここで、非常に高いドーピングは、一般に、金属電極に対する接触抵抗を最小にするために、特に金属電極との界面で、１０１８ｃｍ−３よりも大きい、好ましくは１０１９ｃｍ−３よりも大きい、より好ましくは１０２０ｃｍ−３よりも大きいドーピングを示す。他の実施形態では、キャップ層１５が複数の層を備えてもよく、各層はキャップにおいて異なる機能を有してもよい。そのようなキャップは、高濃度にドープされた層を金属界面付近に備えるとともに、上端セル窓と接触するあまり高濃度にドープされない層を備え、あるキャップは、側方伝導層として使用される１つ以上の層を備え、あるキャップは、１つ以上の金属拡散バリア層を備え、あるキャップは、例えば、セルの他の場所での歪みを釣り合わせるために、セルの他の場所に歪みをもたらすために、あるいは、より低いバンドギャップを得て低抵抗接点形成を更に容易にするために、１つ以上の歪み層を備え、また、あるキャップは、キャップを通じた太陽電池への光透過を容易にするために１つ以上の高バンドギャップ層または薄層を備える。
光生成電流は接触層を介してそれぞれのサブセルから流出し、接触層は、一般的に高濃度にドープされた半導体層であるが、異なる波長範囲にわたって光を透過してもよいあるいは光を透過しなくてもよい導電性酸化物または金属などの他のタイプの導電材料から構成されてもよい。上端サブセル２０のための接触層は、サブセル２０の前部のキャップ層１８（このキャップ層は、セル１０の上端の金属グリッドパターン１４によって接触される）、および、上端サブセル２０の裏面のトンネル接合部２７のｐ＋＋−ドープされる側２８である。中央サブセル４０のための接触層は、中央サブセル４０の前部のトンネル接合部２７のｎ＋＋−ドープされる側２９、および、中央サブセル４０の裏面のトンネル接合部４７のｐ＋＋−ドープされる側４８である。Ｇｅ下端サブセル６０のための接触層は、バッファ領域５２の前部のトンネル接合部４７のｎ＋＋−ドープされる側４９（ただし、バッファ領域５２は、Ｇｅサブセル６０のための窓構造の一部であると見なされる）、および、下端サブセル６０の裏面の裏金属接点６８（セル１０全体の裏面であると見なすこともできる）である。これらの接触層は、下端サブセル６０の裏金属接点６８の場合と同様に、あるいは、従来の太陽電池グリッドの代わりに上端セル窓２１またはエミッタ２２と接触する透明な導電性酸化物の場合と同様に、パターン化されなくてもよい。接触層は、殆どの太陽電池のフロントグリッドを形成するパターン化された高濃度ドープキャップ１８および金属接点１４の場合と同様にパターン化されてもよい。ＰＶセル１０の前面（太陽に向かう面）上に反射防止コーティング１６を設けることができ（および、例えば、ＡｌＩｎＰ窓層２１の上側に配置することができ）、また、反射防止コーティング１６は、ＰＶセルが応答できる波長の範囲にわたる前面を通じた光の透過を最大にするように最適化される厚さを有する１つ、２つ、あるいは、それ以上の誘電体層から形成されてもよい。
グリッドライン間の窓層およびエミッタの側方伝導性は重要となり得る。これは、ベースの少数キャリア（ｐ型上端セルベース２４の場合の少数電子）がグリッドライン間のベース／エミッタｐ−ｎ接合部で収集された後に、その時点でエミッタの多数キャリア（ｎ型上端セルエミッタ２２の多数電子）である収集キャリアを最小の抵抗損失でグリッドラインへと伝導しなければならないからである。上端セルエミッタ層２２および窓層２１はいずれも、グリッドラインへのこの多数キャリア側方伝導に関与する。この高い伝導性を維持しつつ、窓層２１およびエミッタ層２２は、上端セル２０のベース２４によっておよびセル１０中の他の活性サブセル４０，６０によって効果的に使用され得る光子エネルギーの高い伝達性を保持しなければならない。また、窓層２１およびエミッタ層２２は、窓層２１およびエミッタ層２２で光生成される少数キャリア（ｎ型エミタ２２の場合の少数正孔）のための長い拡散距離を有し、それにより、それらの少数キャリアを再結合前にｐ−ｎ接合部で収集できるようにしなければならない。透過率および拡散距離はいずれも高いドーピングレベルにおいて減少する傾向があるため、セル効率を最大にできる最適なドーピングレベルが一般に存在し、そのドーピングレベルにおいては、窓層２１およびエミッタ層２２の伝導性を、セル２０の出力と比べて抵抗損失が小さくなるように十分高くすることができるとともに、セル２０に入射する光子の大部分が有用な電流を生成するように窓層２１およびエミッタ層２２における透過率および少数キャリア収集が十分に高い。
セル間にトンネル接合を形成する高濃度ドープ層は、それらの非常に低いシート抵抗により、側方伝導層としての機能も果たす。そのような伝導層は、セルに入射する光の強度またはスペクトル成分が空間的に不均一な場合には、セル１０にわたる電流密度を更に均一にするのに役立つ。３つ以上の端子を有するＭＪセル構造の場合には、サブセル２０，４０間および下端セル６０の裏側の側方伝導層も非常に重要である。例えば、３つ、４つ、あるいは、それ以上の端子を有する機械的に積層されたあるいはモノリシックに成長されたＭＪセルにおいて、サブセルは、各サブセルの効率、したがってＭＪセル全体の効率を最適化するために、必ずしも全てが同じとは限らない電流密度を操作する。サブセル２０，４０間および下端セル６０の裏側の側方伝導領域は、３つ、４つ、あるいは、それ以上の端子を有する形態においても重要であり、この形態では、サブセルがバイパスまたはブロッキングダイオードなどの他の回路素子と相互に接続され、あるいは、１つのＭＪセルからのサブセルが他のＭＪセルのサブセルと直列に、並列に、または、直列と並列との組み合わせで接続され、それにより、光起電力セル回路の効率、電圧安定性、または、他の性能パラメータが向上される。
本開示によれば、セル１０は１つ以上のＬＢＡＲ１００（破線で示される）を更に含む。ＬＢＡＲ１００は、それらの低いバンドギャップのおかげにより、周囲の半導体材料または半導体層よりも高い光生成を有する。電荷キャリアは、熱エスケープおよび／または電界支援エスケープによりＬＢＡＲ１００から抜け出る場合がある。ＬＢＡＲ１００をセル１０またはＮ＞２半導体（三元半導体、四元半導体など）から形成される任意の太陽電池に組み込むことにより、更なる元素を付加することなく、従来技術の太陽電池組成および格子定数に対して伸張性および圧縮性がある領域を同じ半導体材料内に形成することができる。更なる元素を付加することなく小さい格子定数のＬＢＡＲ１００を形成できることにより、結晶格子中に任意の更なる不完全性または転位をもたらすことなくＬＢＡＲ１００の光学的厚さおよび電流生成能力を増大させるために例えば複数の疑似格子整合伸張バリア／圧縮ウェルの歪み釣り合わせ構造を依然として形成できるようにしつつ、組成制御の困難性が回避されるとともに、結晶格子中への更なる元素の組み込みがもたらし得るキャリア寿命への潜在的に有害な影響が回避される。
ＬＢＡＲ１００は、２次元シート、１次元直線状形態、または、０次元の点状（ドット）の形態であってもよい。ＬＢＡＲ１００は、２−Ｄ、１−Ｄ、または、０−Ｄ形態かどうかにかかわらず、量子力学的効果（量子閉じ込め）に起因して閉じ込められたキャリアがエネルギーレベルの変化を示すように十分小さいサイズスケールを有してもよく、あるいは、閉じ込められたキャリアがエネルギーレベルの僅かなあるいは無視できる変化を有するように十分大きいサイズスケールを有してもよい。例えば、量子井戸、量子細線、または、量子ドットが使用されてもよく、あるいは、他の極端な場合には、大きい領域、または、全空間電荷領域、ベース準中性領域、および／または、エミッタ準中性領域、および、これらの組み合わせが、セル１０の残りの部分よりも低いバンドギャップを有してもよい。
ＬＢＡＲは、周囲の半導体材料のバンドギャップよりも０〜約５０ミリ電子ボルト（ｍｅＶ）小さいバンドギャップを有する。他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、周囲の半導体材料のバンドギャップよりも約５０〜約１５０ｍｅＶ小さいバンドギャップを有する。更なる他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、周囲の半導体材料のバンドギャップよりも約１５０〜３００ｍｅＶ小さいバンドギャップを有する。更に他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、周囲の半導体材料のバンドギャップよりも約３００ｍｅＶ超小さいバンドギャップを有する。
ＬＢＡＲ１００は、ＬＢＡＲ１００が挿入される半導体層の０ｖｏｌ．％よりも大きく１００ｖｏｌ．％までの範囲の体積百分率（ｖｏｌ．％）を有してもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲは、ＬＢＡＲが挿入される半導体層、例えば太陽電池の空間電荷領域の１０ｖｏｌ．％〜９０ｖｏｌ．％の範囲内であってもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲは、ＬＢＡＲが挿入される半導体層の２０ｖｏｌ．％〜５０ｖｏｌ．％の範囲内であってもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲは、ＬＢＡＲが挿入される半導体層の５０ｖｏｌ．％〜８０ｖｏｌ．％の範囲内であってもよい。
ＬＢＡＲ１００は、周囲の半導体材料よりも低いバンドギャップを有する活性半導体材料から形成される。活性半導体材料は、サブセルで使用されてもよい前述の半導体材料のうちのいずれか１つあるいは組み合わせであってもよい。ＬＢＡＲ１００は、以下の条件のうちの１つ以上によって周囲の半導体材料よりも低いバンドギャップを有してもよい。
一実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、周囲の半導体組成体よりも低い固有のバンドギャップを有する半導体組成体を使用することによって周囲の領域よりも低いバンドギャップを有してもよい。例えば、ＬＢＡＲを取り囲む半導体材料の組成は、変成ＧａＩｎＡｓ太陽電池のＧａＩｎＡｓベースまたはＧａＩｎＡｓ空間電荷領域を備えてもよく、また、ＬＢＡＲは、周囲のＧａＩｎＡｓ半導体材料のＩｎ含有量よりも高いＩｎ含有量を有し且つ周囲のＧａＩｎＡｓ半導体材料のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有するＧａＩｎＡｓ層から形成される１つ以上のエネルギーウェルを備えてもよい。更なる例は、変成ＡｌＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースまたは空間電荷領域におけるＧａＩｎＡｓ ＬＢＡＲ；変成ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースまたは空間電荷領域におけるＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ） ＬＢＡＲ；変成（Ａｌ）ＧａＩｎＰ太陽電池ベースまたは空間電荷領域におけるＧａＩｎＰ ＬＢＡＲ；変成（Ａｌ）ＧａＩｎＰ太陽電池ベースまたは空間電荷領域におけるＧａＰＡｓ ＬＢＡＲ；変成ＧａＩｎＰＡｓ太陽電池ベースまたは空間電荷領域におけるＧａＩｎＡｓ ＬＢＡＲ；変成ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースまたは空間電荷領域におけるＧａＡｓＳｂ ＬＢＡＲなどを含む。
他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、周囲材料の秩序とは異なってＬＢＡＲ材料を秩序化することによって周囲領域よりも低いバンドギャップを有してもよい。例えば、ＬＢＡＲは、半導体結晶のＩＩＩ族副格子上にＧａ原子およびＩｎ原子の秩序化されたあるいは部分的に秩序化された配列を伴うＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰの１つ以上の層を備えてもよく、これにより、ＬＢＡＲ層には、ＬＢＡＲおよび周囲の半導体材料が同一の化学的組成を有する場合であっても、無秩序化されたあるいは部分的に無秩序化されたＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰ太陽電池ベースまたは空間電荷領域を備える周囲の半導体よりも低いバンドギャップが与えられる。
他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＬＢＡＲ間に歪み釣り合い層またはバリア層として示される層によって歪みが釣り合わされてもよい。これらの歪み釣り合い層またはバリア層は、一般に、ＬＢＡＲ層およびＬＢＡＲと歪み釣り合い層またはバリア層とを取り囲む半導体材料よりも高いバンドギャップを有するが、ＬＢＡＲおよび周囲の材料と同じあるいはそれよりも低いバンドギャップを有してもよい。例えば、所定の厚さおよび半導体組成の各ＬＢＡＲ層は、組成がバンドギャップを下げるように変えられるときにしばしば直面するように太陽電池の大部分に対して圧縮歪み状態にあってもよく、また、各歪み釣り合い層またはバリア層は、ＬＢＡＲと歪み釣り合い層との組み合わせがゼロの正味歪みを有するような厚さおよび組成を伴って、太陽電池の大部分に対して伸張歪み状態にあってもよい。このゼロまたは中立の正味歪みは、太陽電池の他の場所での転位形成のための原動力を減少させる。ＬＢＡＲおよび歪み釣り合い層の厚さおよび組成は、歪まされた層が疑似格子整合を保つようになっている。すなわち、ＬＢＡＲおよび歪み釣り合い層における結晶格子は、弛緩しておらず、転位を形成しない。
他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００および歪み釣り合い層またはバリア層は、変成太陽電池ベース、エミッタ、または、空間電荷領域に形成され、また、ＬＢＡＲ１００および歪み釣り合い層またはバリア層は、同じ化学元素から形成される。例えば、ＬＢＡＲは、高いＩｎ含有量と低いバンドギャップとを有するＧａＩｎＡｓから成ってもよく、歪み釣り合い層は、低いＩｎ含有量と高いバンドギャップとを有するＧａＩｎＡｓから成ってもよく、また、ＬＢＡＲの歪みが釣り合わされた組み合わせが、中間のＩｎ含有量と中間のバンドギャップ値とを有するＧａＩｎＡｓから成る変成太陽電池ベース、エミッタ、または、空間電荷領域に配置されてもよい。他の例において、ＬＢＡＲおよび歪み釣り合い層は、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）、Ｇｅ、ＳｉＧｅまたはＳｉＧｅＳｎから成る変成太陽電池ベース、エミッタ、または、空間電荷領域におけるＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）、Ｇｅ、ＳｉＧｅまたはＳｉＧｅＳｎから成ってもよい。
一実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、以下の方法のうちの１つ以上によってセル１０に組み込まれてもよい。最初に、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）を使用することにより低バンドギャップ材料の２−Ｄ（二次元）領域、１−Ｄ（一次元）領域、または、０−Ｄ（ゼロ次元）領域を形成して、その領域を、ｐ−ｎ接合部付近の空間電荷領域に、同じドーピングタイプを有するが異なるキャリア濃度および／または異なる半導体組成を有する材料から形成されるイソタイプ接合（ヘテロ接合）付近の空間電荷領域に、太陽電池のベースの準中性領域に、および／または、太陽電池のエミッタの準中性領域に形成するために、ＬＢＡＲ１００が有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によってセル１０に組み込まれてもよい。例えば、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＡｓベース４４とＧａＩｎＡｓエミッタ４２との間に形成されるｐ−ｎ接合の空間電荷領域に低バンドギャップ材料の２−Ｄシートとして形成されてもよい。他の例において、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＡｓベース４４とＧａＩｎＡｓエミッタ４２との間に形成されるｐ−ｎ接合の空間電荷領域に低バンドギャップ材料の１−Ｄロッドまたは配線の配列として形成されてもよい。他の例において、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＡｓベース４４とＧａＩｎＡｓエミッタ４２との間に形成されるｐ−ｎ接合の空間電荷領域に低バンドギャップ材料の０−Ｄドットまたはディスクの配列として形成されてもよい。他の例において、２−Ｄ、１−Ｄ、または、０−ＤのＬＢＡＲは、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）、Ｇｅ、ＳｉＧｅまたはＳｉＧｅＳｎから選択されるがこれらに限定されない材料を備えるベースを有する変成太陽電池のベース、エミッタ、または、空間電荷領域に形成されてもよい。
また、ＬＢＡＲ１００および歪み釣り合い層またはバリア層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属分子線エピタキシー（ＭＯＭＢＥ）、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）などの他の堆積方法によってセル１０に組み込まれてもよい。
また、ＬＢＡＲ１００および／または歪み釣り合い層またはバリア層は、２−Ｄ、１−Ｄ、または、０−ＤのＬＢＡＲ構造に、成長表面上の堆積された原子のこれらの幾何学的形態への自己組織化によって形成されてもよく、この自己組織化は、原子間の化学結合の相互作用と、より大きな２−Ｄ、１−Ｄ、または、０−ＤのＬＢＡＲ構造への原子自己組織化のためのテンプレートとしての機能を果たす成長表面の結晶格子の効果とによって推し進められる。また、２−Ｄ、１−Ｄ、または、０−ＤのＬＢＡＲ構造は、リソグラフィー、マイクロスタンピングまたは凹版マイクロ印刷を含むマイクロ印刷法、電子ビームパターニングなどの他のパターニング方法によって形成されてもよい。
ＬＢＡＲ１００は、ｐ−ｎ接合の空間電荷領域に対応する１つ以上の第１の位置Ａ、同じドーピングタイプを有するが異なるキャリア濃度および／または異なる半導体組成を有する材料から形成されるイソタイプ接合（ヘテロ接合）付近の空間電荷領域に対応する１つ以上の第２の位置Ｂ、ベースまたはエミッタの準中性領域に対応する１つ以上の第３の位置Ｃ、および、エミッタの準中性領域に対応する１つ以上の第４の位置Ｄを含む１つ以上の位置へとセル１０に組み込まれてもよい。
一実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ｐ−ｎ接合の空間電荷領域に対応する１つ以上の第１の位置Ａへとセル１０に組み込まれてもよい。一実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＬＢＡＲ１００から逃げる光生成電荷キャリアの収集に役立つために太陽電池のｐ−ｎ接合付近に配置されてもよい。他の実施形態では、ＬＢＡＲ１００が太陽電池のｐ−ｎ接合の空間電荷領域に配置され、この場合、電界が、ＬＢＡＲから電荷キャリアが逃げるのを助けるとともに、電荷キャリアの収集を助けることができる。例えば、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＡｓベース４４とＧａＩｎＡｓエミッタ４２との接合部に形成される空間電荷領域中に組み込まれてもよい。一実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＡｓベース４４とＧａＩｎＡｓエミッタ４２との間の界面から０ミクロンよりも大きく最大で１ミクロンまでの範囲内でＧａＩｎＡｓベース４４中に存在する空間電荷領域に組み込まれてもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＡｓベース４４とＧａＩｎＡｓエミッタ４２との間の界面から０ミクロンよりも大きく最大で１ミクロンまでの範囲内でＧａＩｎＡｓエミッタ４２中に存在する空間電荷領域に組み込まれてもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＡｓベース４４とＧａＩｎＡｓエミッタ４２との間の界面に組み込まれてもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＰベース２４とＧａＩｎＰエミッタ２２との間の界面から０ミクロンよりも大きく最大で１ミクロンまでの範囲内でＧａＩｎＰベース２４中に存在する空間電荷領域に組み込まれてもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＰベース２４とＧａＩｎＰエミッタ２２との間の界面から０ミクロンよりも大きく最大で１ミクロンまでの範囲内でＧａＩｎＰエミッタ２２中に存在する空間電荷領域に組み込まれてもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＰベース２４とＧａＩｎＡｓエミッタ２２との間の界面に組み込まれてもよい。他の実施形態において、エミッタ、ベース、窓、裏面電界（ＢＳＦ）層、ＬＢＡＲ、および／または、歪み層またはバリア層を含む太陽電池は、成長基板の格子定数と同じあるいはほぼ同じ格子定数を有する格子整合型太陽電池であってもよい。他の実施形態において、エミッタ、ベース、窓、ＢＳＦ層、ＬＢＡＲ、および／または、歪み層またはバリア層を含む太陽電池は、成長基板の格子定数とはかなり異なる格子定数を有する変成太陽電池であってもよい。ここで、かなり異なるとは、約０．０５％よりも大きい格子不整合、一般的には約０．１％〜約４．０％の範囲の格子不整合を表わす。他の実施形態において、エミッタ、ベース、窓、ＢＳＦ層、ＬＢＡＲ、および／または、歪み層またはバリア層を含む太陽電池は、多接合太陽電池におけるサブセルであってもよい。この場合、ＬＢＡＲは、多接合積層体内のサブセルの波長応答を調整して太陽光スペクトルを更に効率的に変換するのに役立つ。
他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、同じドーピングタイプを有するが異なるキャリア濃度および／または異なる半導体組成を有する材料から形成されるイソタイプ接合（ヘテロ接合）付近の空間電荷領域または準中性領域に対応する１つ以上の第２の位置Ｂへ組み込まれてもよい。
一実施形態において、１つ以上のＬＢＡＲ１００、歪み層またはバリア層、あるいはこれらの両方は、（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓエミッタ４２と（Ａｌ）ＧａＩｎＰ窓４１との間の界面から０ミクロンよりも大きく最大で１ミクロンまでの範囲内で、（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓエミッタ４２または（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓエミッタ４２に隣接する（Ａｌ）ＧａＩｎＰ窓４１へと組み込まれてもよく、この場合、化学元素を取り囲む丸括弧は、組成中でその元素が随意的であることを示している。他の実施形態において、１つ以上のＬＢＡＲ１００、歪み層またはバリア層、あるいは、これらの両方は、（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓベース４４と（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓまたは（Ａｌ）ＧａＩｎＰ ＢＳＦ層４５との間の界面から０ミクロンよりも大きく最大で１ミクロンまでの範囲内で、（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓベース４４、あるいは、（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓベース４４に隣接する（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓまたは（Ａｌ）ＧａＩｎＰ ＢＳＦ層４５へと組み込まれてもよい。一実施形態において、１つ以上のＬＢＡＲ１００、歪み層またはバリア層、あるいは、これらの両方は、（Ａｌ）ＧａＩｎＰエミッタ２２と（Ａｌ）ＧａＩｎＰ窓２１との間の界面から０ミクロンよりも大きく最大で１ミクロンまでの範囲内で、（Ａｌ）ＧａＩｎＰエミッタ２２または（Ａｌ）ＧａＩｎＰエミッタ２２に隣接する（Ａｌ）ＧａＩｎＰ窓２１へと組み込まれてもよい。他の実施形態において、１つ以上のＬＢＡＲ１００、歪み層またはバリア層、あるいは、これらの両方は、（Ａｌ）ＧａＩｎＰベース２４と（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓまたは（Ａｌ）ＧａＩｎＰ ＢＳＦ層２５との間の界面から０ミクロンよりも大きく最大で１ミクロンまでの範囲内で、（Ａｌ）ＧａＩｎＰベース２４、あるいは、（Ａｌ）ＧａＩｎＰベース２４に隣接する（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓまたは（Ａｌ）ＧａＩｎＰ ＢＳＦ層２５へと組み込まれてもよい。他の実施形態において、エミッタ、ベース、窓、ＢＳＦ層、ＬＢＡＲ、および／または、歪み層またはバリア層を含む太陽電池は、成長基板の格子定数と同じあるいはほぼ同じ格子定数を有する格子整合型太陽電池であってもよい。他の実施形態において、エミッタ、ベース、窓、ＢＳＦ層、ＬＢＡＲ、および／または、歪み層またはバリア層を含む太陽電池は、成長基板の格子定数とはかなり異なる格子定数を有する変成太陽電池であってもよい。ここで、かなり異なるとは、約０．０５％よりも大きい格子不整合、一般的には約０．１％〜約４．０％の範囲の格子不整合を表わす。他の実施形態において、エミッタ、ベース、窓、ＢＳＦ層、ＬＢＡＲ、および／または、歪み層またはバリア層を含む太陽電池は、多接合太陽電池におけるサブセルであってもよい。
他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ベースおよび／またはエミッタの準中性領域に対応する１つ以上の第３の位置Ｃへと組み込まれてもよい。ベースまたはエミッタの準中性領域は、そのベースまたはエミッタの空間電荷領域の外側に存在する。この典型的な実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＧａＩｎＰベース２４の準中性領域に対応する位置Ｃへ組み込まれてもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、セル１０のベース２４，４４，６４および／またはエミッタ２２，４２，６２のうちの１つ以上の１つ以上の準中性領域へと組み込まれてもよい。他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、ＬＢＡＲ１００から逃げる電荷キャリアが電界支援ドリフト（ｆｉｅｌｄ−ａｉｄｅｄ ｄｒｉｆｔ）によってではなくキャリア拡散によって収集ｐ−ｎ接合部へと移動できるように、収集ｐ−ｎ接合部に隣接してもよいあるいは収集ｐ−ｎ接合部から幾らか離れた距離にあってもよい太陽電池の１つ以上の準中性領域に配置される。
ＬＢＡＲ１００をセル１０に組み込むことにより、更なる元素を付加することなく、同じ半導体材料内の通常のセル組成および格子定数に関して伸張性および圧縮性がある領域を形成することができる。更なる元素を付加することなく小さい格子定数と大きい格子定数とが交互に入れ替わるこれらの領域を形成できることにより、複数の疑似格子整合伸張バリア／圧縮ウェルの歪み釣り合わせ構造を依然として形成できるようにしつつ、組成制御の困難性が回避されるとともに、結晶格子中への更なる元素の組み込みがもたらし得るキャリア寿命への潜在的に有害な影響が回避され、それにより、セル１０の結晶格子中に任意の更なる不完全性または転位をもたらすことなくＬＢＡＲ１００の光学的厚さおよび電流生成能力が増大される。
一実施形態では、ＬＢＡＲ層が互いに異なる厚さを有してもよい。他の実施形態では、歪み層またはバリア層が互いに異なる厚さを有してもよい。例えば、厚さｘの（ｎ−１）個のＬＢＡＲから成る配列が、厚さｙの歪み釣り合いのためのｎ個の歪み層またはバリア層と交互配置されてもよい。ここで、ｎは整数である。また、厚さｘ／２の更なるＬＢＡＲをＬＢＡＲと歪み層またはバリア層とから成る配列の各端部に配置して、配列全体の歪み釣り合いを完了させてもよい。他の例では、厚さｘのｎ個のＬＢＡＲから成る配列が、厚さｙの歪み釣り合いのための（ｎ−１）個の歪み層またはバリア層と交互配置されてもよい。ここで、ｎは整数である。また、厚さｙ／２の更なる歪み層またはバリア層をＬＢＡＲと歪み層またはバリア層とから成る配列の各端部に配置して、配列全体の歪み釣り合いを完了させてもよい。
他の実施形態では、異なる数のＬＢＡＲ層と歪み層またはバリア層とが存在してもよい。例えば、厚さｘのｎ個のＬＢＡＲから成る配列が、厚さｙの歪み釣り合いのための（ｎ−１）個の歪み層またはバリア層と交互配置されてもよい。ここで、ｎは整数であり、この場合、ＬＢＡＲおよび歪み層またはバリア層の厚さおよび組成は、ＬＢＡＲが配列の外側にあるように配列全体の歪みを釣り合わせるべく調整され、それにより、ある場合には、キャリアが逃げるのに役立つことができ、および／または、幾つかの層組成において半導体界面品質を向上させるのに役立つことができる。他の例では、厚さｘのｎ個のＬＢＡＲから成る配列が、厚さｙの歪み釣り合いのための（ｎ＋１）個の歪み層またはバリア層と交互配置されてもよい。ここで、ｎは整数であり、この場合、ＬＢＡＲおよび歪み層またはバリア層の厚さおよび組成は、歪み層またはバリア層が配列の外側にあるように配列全体の歪みを釣り合わせるべく調整され、それにより、ある場合には、界面での少数キャリア濃度および再結合を抑制するのに役立つことができ、電荷キャリアを閉じ込めるのに役立つことができ、ドーパント種濃度を制限し、増大させ、減少させるのに役立つことができ、ドーパンド原子の拡散を抑制するのに役立つことができ、および／または、幾つかの層組成における半導体界面品質を向上させるのに役立つことができる。
他の実施形態において、ＬＢＡＲ１００は、量子力学的効果（量子閉じ込め）に起因して閉じ込められたキャリアがエネルギーレベルの変化を示すように十分小さいサイズスケールを有してもよく、あるいは閉じ込められたキャリアがエネルギーレベルの僅かなあるいは無視できる変化を有するように十分大きいサイズスケールを有してもよい。例えば、量子井戸、量子細線、または、量子ドットが使用されてもよく、あるいは、他の極端な場合には、大きい領域または全空間電荷領域、ベース準中性領域および／またはエミッタ準中性領域、および、これらの組み合わせが、太陽電池の残りの部分よりも低いバンドギャップを有してもよい。
図２は、本開示に係る、変成サブセル２００、トンネル接合部２７、および、変成バッファ５２の他の実施形態を示している。サブセル２００は、基板（図示せず）から離れる方向で成長されてしまっている。図２において分かるように、サブセル２００の基本的な構造は図１の中央セル４０と同じであり、同様の部分に同じ数字および標示が付されている。一実施形態では、サブセル２００が３接合太陽電池の中央セルであってもよい。図２において分かるように、ＬＢＡＲ２１０、および、この明細書では歪み釣り合い層またはバリア層とも称される小格子定数歪み補償領域（ＳＣＲ）２２０が、位置Ａ（図１）に対応するベース４４の空間電荷領域２３０中へ組み込まれてしまっている。この典型的な実施形態において、ＬＢＡＲ２１０は、この実施形態ではシートまたは層形態である２−Ｄ形態を有する。ＬＢＡＲ２１０は、ベース４４よりも低いバンドギャップを有する材料から形成される。一実施形態において、ＬＢＡＲは、ベース４４よりも高いＩｎ濃度を有するＧａＩｎＡｓから形成されてもよく、それにより、ベース４４よりも低いバンドギャップおよび高い格子定数がもたらされる。ＬＢＡＲ２１０の高い格子定数を補償するため、ＳＣＲ２２０が、ＬＢＡＲ２１０間に、および、ＬＢＡＲ２１０とベース４４およびエミッタ４２との間に位置づけられている。ＳＣＲ２２０は、ＬＢＡＲ２１０よりも小さい格子定数を有する材料から形成される。一実施形態において、ＳＣＲ２２０は、ＬＢＡＲ２１０よりも低いＩｎ濃度を有するＧａＩｎＡｓであってもよい。他の実施形態において、ＳＣＲ２２０は、ＬＢＡＲ２１０の格子定数よりも小さい格子定数を有するＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓまたは他の半導体材料から形成されてもよい。
図２は、サブセル２００の格子定数およびバンドギャップのそれぞれの間の一般的な関係を更に示している。バンドギャップは、一般に、図２における変成グレーデッドバッファ５２では、新たな格子定数で多接合太陽電池におけるサブセルの成長を可能にするために、層組成が変化されるにつれて、また、格子定数が増大されるにつれて、低くなる。この新たな格子定数では、裏面電界（ＢＳＦ）層４５および窓層４１が変成太陽電池ベース４４よりも高い格子定数を有する。図２に示されるように、ＬＢＡＲ２１０は、ベース４４よりも低いバンドギャップを有してもよく、また、歪み層またはバリア層は、ベース４４よりも高いバンドギャップを有してもよい。ＬＢＡＲ２１０のバンドギャップを小さくすればするほど、電子正孔対の光生成が増大するとともに、入射光スペクトルにおける長い波長において、変成太陽電池ベース、エミッタ、および、他の吸収層だけで達成されるよりも大きい光生成電流密度がもたらされる。低バンドギャップＬＢＡＲ２１０における歪みは、歪み釣り合い層またはバリア層とも呼ばれる小格子定数歪み補償領域（ＳＣＲ）２２０による反対方向の歪みによって釣り合わせることができる。ＳＣＲ２２０がベース４４よりも高いバンドギャップを有してもよく、それにより、それらの層における少数キャリア濃度および望ましくない少数キャリア再結合が抑制される。
一般に、ＬＢＡＲ２１０の低いバンドギャップをもたらす半導体組成により、ＬＢＡＲ２１０がベース４４よりも大きい材料格子定数を有するようにもなる。この場合、材料格子定数は、結晶材料が歪まされていない場合に有する格子定数として規定される。太陽電池において、ＬＢＡＲ２１０は、それらの面内格子定数が各ＬＢＡＲ２１０の上下の層と同じであり且つ変成ベース４４の格子定数とほぼ同じであるように疑似格子整合的に歪まされてもよい。ＬＢＡＲ２１０の材料格子定数がベース４４の材料格子定数よりも大きいため、図２のＬＢＡＲ２１０は圧縮歪み状態にあり、また、この歪みに起因してＬＢＡＲの面内格子定数（半導体表面および成長面に対して平行な面内における格子定数）はベース４４のそれとほぼ同じであるが、半導体表面および成長面に対して平行な面内における格子定数はベース４４のそれよりも大きい。
ＬＢＡＲ２１０の歪みは、ＬＢＡＲ２１０間で交互配置されてもよい歪み釣り合い層またはバリア層とも呼ばれるＳＣＲ２２０における反対方向の歪みによって釣り合わされてもよい。一般に、歪み釣り合い層またはバリア層の小さい材料格子定数をもたらす半導体組成により、歪み釣り合い層またはバリア層がベース４４およびＬＢＡＲ２１０よりも大きいバンドギャップを有するようにもなる。この場合、前述同様に、材料格子定数は、結晶材料が歪まされていない場合に有する格子定数として規定される。太陽電池において、歪み釣り合い層またはバリア層は、それらの面内格子定数が各歪み釣り合い層またはバリア層の上下の層と同じであり且つ変成ベース４４の格子定数とほぼ同じであるように疑似格子整合的に歪まされてもよい。歪み釣り合い層またはバリア層の材料格子定数がベース４４の材料格子定数よりも小さいため、図２の歪み釣り合い層またはバリア層は伸張歪み状態にあり、また、この歪みに起因して歪み釣り合い層またはバリア層の面内格子定数（半導体表面および成長面に対して平行な面内における格子定数）はベース４４のそれとほぼ同じであるが、半導体表面および成長面に対して平行な面内における格子定数はベース４４のそれよりも小さい。
図２は、ＬＢＡＲ２１０および／またはＳＣＲ２２０の配列が太陽電池のｐ−ｎ接合部の空間電荷領域内に位置づけられるケースを示している。この形態において、空間電荷領域内の電界は、ＬＢＡＲ２１０で光生成された電子および正孔をｐ−ｎ接合部の両側のそれらの収集端子へと運ぶのに役立つ。
図３は、本開示に係る、変成サブセル３００、トンネル接合部２７、および、変成バッファ５２の他の実施形態を示している。サブセル３００は、基板（図示せず）から離れる方向で成長されてしまっている。図３において分かるように、サブセル３００の基本的な構造は図１の中央セル４０と同じであり、同様の部分に同じ数字および標示が付されている。一実施形態では、サブセル３００が３接合太陽電池の中央セルであってもよい。図３において分かるように、ＬＢＡＲ３１０および小格子定数歪み補償領域（ＳＣＲ）３２０が、位置Ａおよび位置Ｃ（図１）に対応するベース４４の空間電荷領域３３０および準中性領域中へ組み込まれてしまっている。ＬＢＡＲ３１０およびＳＣＲ３２０は、図２に関連して前述した特徴と同じ特徴を有する。
図３は、ＬＢＡＲ３１０およびＳＣＲ３２０の配列が太陽電池のｐ−ｎ接合部の空間電荷領域内に部分的に位置づけられるとともにｐ−ｎ接合部の両側の準中性領域のうちの１つに部分的に位置づけられるケースを示している。例えば、図３は、ｐ型ベースの部分的に準中性領域内のＬＢＡＲ３１０の配列を示している。準中性領域でのドリフトによるキャリア収集を支援するための強力な電界は存在しないが、ＬＢＡＲ３１０で光生成されたキャリアは、熱エスケープによってＬＢＡＲ３１０から依然として抜け出ることができるとともに、拡散によって収集ｐ−ｎ接合部へと依然として輸送され得る。これにより、空間電荷領域だけに適合し得るよりも大きな光吸収およびセル電流に関してより大きな累積厚さのＬＢＡＲ３１０を使用できる。準中性領域におけるＬＢＡＲ３１０からの電流収集効率が空間電荷領域におけるよりも低くなる可能性があるが、それらのＬＢＡＲは、電流密度のかなりの有用な増大を依然としてもたらすことができる。
図４は、本開示に係る、変成サブセル４００、トンネル接合部２７、および、変成バッファ５２の他の実施形態を示している。サブセル４００は、基板から離れる方向で成長されてしまっている。図４において分かるように、サブセル４００の基本的な構造は図１の中央セル４０と同じであり、同様の部分に同じ数字および標示が付されている。一実施形態では、サブセル４００が３接合太陽電池の中央セル４０であってもよい。図４において分かるように、ＬＢＡＲ４１０およびＳＣＲ４２０が、位置Ｃ（図１）に対応するベース４４の準中性領域中へ組み込まれてしまっている。ＬＢＡＲ４１０およびＳＣＲ４２０は、空間電荷領域４４０中へ組み込まれてしまっていない。ＬＢＡＲ４１０およびＳＣＲ４２０は、図２に関連して前述した特徴と同じ特徴を有する。
図４は、ＬＢＡＲ４１０およびＳＣＲ４２０の配列がｐ−ｎ接合部の両側の準中性領域のうちの１つ内に位置づけられるケースを示している。例えば、図４は、ｐ型ベースの完全に準中性領域内のＬＢＡＲ４１０の配列を示している。前述したように、準中性領域でのドリフトによるキャリア収集を支援するための強力な電界は存在しないが、ＬＢＡＲ４１０で光生成されたキャリアは、熱エスケープによってＬＢＡＲ４１０から依然として抜け出ることができるとともに、拡散によって収集ｐ−ｎ接合部へと依然として輸送され得る。これにより、空間電荷領域だけに適合し得るよりも大きな光吸収およびセル電流に関してより大きな累積厚さのＬＢＡＲ４１０を使用できる。準中性領域におけるＬＢＡＲ４１０からの電流収集効率が空間電荷領域におけるよりも低くなる可能性があるが、それらのＬＢＡＲは、電流密度のかなりの有用な増大を依然としてもたらすことができる。
一実施形態において、ＬＢＡＲ４１０は、ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースのインジウム組成よりも多いインジウム組成を有するＧａＩｎＡｓから構成されてもよく、この場合、ＳＣＲ４２０は、歪み補償を与えるために、ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースのインジウム組成よりも少ないインジウム組成を伴うＧａＩｎＡｓから構成されてもよい。一実施形態において、ＬＢＡＲ４１０は、ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースのインジウム組成よりも多いインジウム組成を伴うＧａＩｎＡｓから構成されてもよく、この場合、ＳＣＲ４２０は、歪み補償を与えるために、ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースの材料格子定数よりも小さい材料格子定数を有するＧａＡｓから構成されてもよい。一実施形態において、ＬＢＡＲ４１０は、ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースのインジウム組成よりも多いインジウム組成を伴うＧａＩｎＡｓから構成されてもよく、この場合、ＳＣＲ４２０は、歪み補償を与えるために、ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースの材料格子定数よりも小さい材料格子定数を有するＧａＰＡｓから構成されてもよい。一実施形態において、ＬＢＡＲ４１０は、ＧａＩｎＰ太陽電池ベースのインジウム組成よりも多いインジウム組成を伴うＧａＩｎＰから構成されてもよく、この場合、ＳＣＲ４２０は、歪み補償を与えるために、ＧａＩｎＰ太陽電池ベースのＩｎ組成よりも少ないＩｎ組成を伴うＧａＩｎＰから構成されてもよい。以下で部分的に説明されるように、ＬＢＡＲ４１０、ＳＣＲ４２０、および、ベースおよびエミッタなどの他の太陽電池構造において、多くの他の材料および材料の組み合わせを使用できる。
一実施形態において、この特許明細書中で説明されるＬＢＡＲおよびＳＣＲの全配列は、図２の場合のように、太陽電池のｐ−ｎ接合付近の空間電荷領域に位置づけられてもよい。一実施形態において、この特許明細書中で説明されるＬＢＡＲおよびＳＣＲの全配列は、図３の場合のように、一部が太陽電池のｐ−ｎ接合付近の空間電荷領域に位置づけられてもよく、また、一部が太陽電池の準中性領域に位置づけられてもよい。一実施形態において、この特許明細書中で説明されるＬＢＡＲおよびＳＣＲの全配列は、図４の場合のように、太陽電池の準中性領域に位置づけられてもよい。
図５は、本開示に係る、変成サブセル５００、トンネル接合部２７、および、変成バッファ５２の他の実施形態を示している。サブセル５００は、基板から離れる方向で成長されてしまっている。図５において分かるように、サブセル５００の基本的な構造は図１の中央セル４０と同じであり、同様の部分に同じ数字および標示が付されている。一実施形態では、サブセル５００が３接合太陽電池の中央セル４０であってもよい。図５において分かるように、ＬＢＡＲ５１０および小格子定数歪み補償領域（ＳＣＲ）５２０が、位置Ａ（図１）に対応するベース４４の空間電荷領域５４０中へ組み込まれてしまっている。この配置は図２に示される配置と類似するが、この実施形態では、ＬＢＡＲ５１０およびＳＣＲ５２０がいずれもベース４４の材料よりも低いバンドギャップを有する。ＬＢＡＲ５１０およびＳＣＲ５２０は、図２に関連して前述した特徴と同じ特徴を有する。
しばしば、太陽電池ベースよりも低いバンドギャップを有するＬＢＡＲは、それらが太陽電池ベースよりも大きい材料格子定数を有するようにするとともに太陽電池ベースに対して圧縮歪み状態となるようにする組成を有する。同様に、圧縮ＬＢＡＲの歪みを釣り合わせるようになっている材料格子定数および伸張歪みを太陽電池ベースおよびＬＢＡＲに対して有するＳＣＲは、それらが太陽電池ベースおよびＬＢＡＲよりも高いバンドギャップを有するようにする組成を有する。しかし、これが常に当てはまるとは限らない。一実施形態において、光吸収および光電流生成の促進のための低いバンドギャップと比較的大きい材料格子定数とを有するＬＢＡＲは、比較的小さい材料格子定数を伴うとともに光吸収および光電流生成の促進のための低いバンドギャップも有するＳＣＲによって歪みが補償されてもよい。一実施形態では、ＬＢＡＲおよびＳＣＲの両方が太陽電池ベースに組み込まれ、また、ＬＢＡＲおよびＳＣＲの両方が太陽電池ベースのバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する。一実施形態において、ＬＢＡＲは、ＳＣＲよりも大きい材料格子定数を有するとともに、ＬＢＡＲおよびＳＣＲの配列内でＳＣＲに対して圧縮歪み状態にあり、一方、ＳＣＲは、ＬＢＡＲよりも小さい材料格子定数を有するとともに、ＬＢＡＲおよびＳＣＲの配列内でＬＢＡＲに対して伸張歪み状態にある。一実施形態では、伸長低バンドギャップ吸収領域が、圧縮性および伸張性のＬＢＡＲ層およびＳＣＲ層を交互に並べることによって形成されてもよく、これらの層の全ては、光吸収および光電流生成の促進のための低いバンドギャップを有する。この場合、伸長低バンドギャップ吸収領域は、コヒーレントで高品質な低転位の単結晶構造を伴って、歪まされたＬＢＡＲ材料または歪まされたＳＣＲ材料のいずれかが疑似格子整合のままとどまることができる厚さよりも大きい、場合によってはその厚さよりもかなり大きい厚さを有する。一実施形態において、交互に並ぶ圧縮性および伸張性の低バンドギャップ層を備えるこの伸長低バンドギャップ吸収領域は、太陽電池ベースの一部、例えば、ｐ−ｎ接合付近の空間電荷領域内のベースの部分を形成する。一実施形態において、交互に並ぶ圧縮性および伸張性の低バンドギャップ層を備えるこの伸長低バンドギャップ吸収領域は、太陽電池ベースの全てを形成する。他の実施形態において、太陽電池ベース中に組み込まれる前述したＬＢＡＲおよび／またはＳＣＲは、エミッタ、裏面電界（ＢＳＦ）層、窓、または、太陽電池の構造内の任意の他の層、あるいは、太陽電池構造の前記層の任意の組み合わせへと組み込まれてもよい。一実施形態において、太陽電池ベースよりも高い、低い、あるいは、太陽電池ベースと同じバンドギャップを有するＬＢＡＲおよび／またはＳＣＲ層は、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、太陽電池の構造内の任意の他の層、あるいは、太陽電池構造の前記層の任意の組み合わせよりも高い、低い、あるいは、これらと同じバンドギャップを有するように設計されてもよい。
太陽電池ベースの格子定数よりも大きい格子定数を有する２Ｄ（シート）、１Ｄ（配線）、または、０Ｄ（ドット）ＬＢＡＲの圧縮歪みに抗するために太陽電池ベースよりも小さい格子定数を有する層が使用されると、それらの小格子定数歪み補償層は、ＬＢＡＲまたは太陽電池ベースのバンドギャップよりも高いバンドギャップを有する傾向がある。これは、同じあるいは類似する半導体材料系内で、歪み補償層が組成をより低い格子定数へと変えるにつれてバンドギャップが上昇する傾向があるからである。ＬＢＡＲ間の歪み補償層のこの高いバンドギャップは、太陽電池性能にとって有害となる場合がある。これは、１）これらの高バンドギャップ領域が、太陽電池の所定の厚さ内、例えば空間電荷領域内に配置され得る光吸収のために利用できるＬＢＡＲの数およびＬＢＡＲの累積厚さを制限するからであり、また、２）高バンドギャップ層が、ＬＢＡＲにおいて光生成される有用な電流の収集ｐ−ｎ接合部および太陽電池端子への流れを遮断できるキャリア輸送のためのバリアだからである。
しかしながら、一部の半導体、例えば、０〜５原子百分率窒素、より好ましくは０．５〜３．０％窒素を伴う希釈窒化物ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体組成は、格子定数が減少するにつれてバンドギャップの減少を示す。これにより、ＬＢＡＲおよびＳＣＲの両方が太陽電池ベースよりも低いバンドギャップを有するようにＬＢＡＲ／歪み補償層構造を設計することができ、したがって、光吸収および電流光生成増大のために利用できる厚さが最大になるとともに、電流の流れに対する高バンドギャップバリアが除去される。ＬＢＡＲおよびＳＣＲにおけるバンドギャップは、望ましい場合には、互いにほぼ等しくされてもよい。
一実施形態において、太陽電池は、光電流生成の促進のための低いバンドギャップと圧縮歪みとを伴うＧａＩｎＡｓから構成されるＬＢＡＲを組み込んでもよく、また、同様に光電流生成の促進のための低いバンドギャップも有するがＧａＩｎＡｓ ＬＢＡＲの材料格子定数よりも小さい材料格子定数を有するとともにＬＢＡＲの歪みを補償するために伸張歪みを有するＳＣＲを組み込んでもよく、それにより、図５に示されるように、歪まされたＬＢＡＲ材料または歪まされたＳＣＲ材料のいずれかが疑似格子整合のままとどまることができる最大厚さよりもかなり厚い疑似格子整合の伸長低バンドギャップ吸収領域が形成される。
厚い低バンドギャップ層は、ＬＢＡＲおよびＳＣＲの元素が、太陽電池ベースと同じ格子定数を有する均質なＬＢＡＲ、例えば、低いバンドギャップを有するがＧａＩｎＡｓ太陽電池ベースと同じ格子定数を有するＧａＩｎＮＡｓから形成されるＬＢＡＲを形成できるようにすることによって作製されてもよい。幾つかのケースでは、特定の元素を他の元素から分離して、再結合、例えばＧａＩｎＮＡｓ中でのＩｎ−Ｎ対の形成の増大をもたらす結晶格子における望ましくない相互作用を回避すること、あるいは、異なる時間に反応性前駆物質を反応チャンバ内へ導入することによる成長中の気相反応を回避することが望ましい場合がある。これは、低バンドギャップ領域を得るがそれらの各層中のＩｎとＮとの分離に起因して低い再結合速度を有する、前述したＬＢＡＲ／ＳＣＲ構造を使用して、例えばＩｎ濃度が高いＧａＩｎＡｓ ＬＢＡＲとＧａＮＡｓ ＳＣＲとの組み合わせを用いることによって達成できる。
ＬＢＡＲは幅広い範囲の空間的広がりを有してもよい。すなわち、ＬＢＡＲは、０．１ミクロン〜約１ミクロン以上の幅を伴って非常に幅広くてもよく、ＬＢＡＲは、約１００Ａ〜約１０００Ａの幅を伴う中間の範囲内であってもよく、あるいは、ＬＢＡＲは、０よりも大きく約１００Ａまでの範囲で非常に幅狭くてもよく、その場合には、ＬＢＡＲ内のキャリアのエネルギーレベルで量子閉じ込めの強力な効果がある。ＬＢＡＲおよびＳＣＲの幅は、主に、層が互いからおよび太陽電池ベースからどのくらい格子不整合であるかという制約、および、各層が、疑似格子整合を保持している間に、すなわち、結晶格子が弛緩して転位を来す前に、どのくらい厚くなることができるのかという制約によって決定される。
ＧａＩｎＡｓ ＬＢＡＲおよびＧａＮＡｓ ＳＣＲの場合には、ＧａＩｎＮＡｓの均質な合金とは異なる特性を有するＧａＩｎＡｓ層およびＧａＮＡｓ層のメタマテリアルを形成するために、ＬＢＡＲが比較的厚くてもよく、あるいは、ＬＢＡＲが１から幾らかの格子定数程度の厚さを伴って極めて薄くてもよい。これらの同じ概念を他の半導体材料系にまで及ぼすこともできる。
他の実施形態において、太陽電池構造中に組み込まれる１または複数の伸張歪み層および１または複数の圧縮歪み層はいずれも、太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、他の太陽電池構造あるいは構造の組み合わせよりも高いバンドギャップを有してもよい。ある場合には、また、幾つかの太陽電池構造では、これらの層または層の高いバンドギャップに起因し得る少数キャリア再結合の減少が、低バンドギャップ層に起因し得る光生成電流の増大よりも望ましい場合がある。他の実施形態において、太陽電池構造中に組み込まれる１または複数の伸張歪み層および１または複数の圧縮歪み層はいずれも、太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、他の太陽電池構造あるいは構造の組み合わせのバンドギャップと同じバンドギャップを有してもよい。他の実施形態において、１または複数の伸張歪み層は、太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、他の太陽電池構造あるいは構造の組み合わせのバンドギャップよりも高い１または複数のバンドギャップを有してもよく、一方、太陽電池構造中に組み込まれる１または複数の圧縮歪み層は、太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、他の太陽電池構造あるいは構造の組み合わせのバンドギャップよりも低い１または複数のバンドギャップを有してもよい。他の実施形態において、１または複数の伸張歪み層は、太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、他の太陽電池構造あるいは構造の組み合わせのバンドギャップよりも低い１または複数のバンドギャップを有してもよく、一方、太陽電池構造中に組み込まれる１または複数の圧縮歪み層は、太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、他の太陽電池構造あるいは構造の組み合わせのバンドギャップよりも高い１または複数のバンドギャップを有してもよい。
他の実施形態において、１または複数の伸張歪み層および／または１または複数の圧縮歪み層は、太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、他の太陽電池構造あるいは構造の組み合わせに完全に取って代わってもよい。他の実施形態において、１または複数の伸張歪み層および／または１または複数の圧縮歪み層は、太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、他の太陽電池構造あるいは構造の組み合わせの一部に取って代わってもよくあるいはこれらに組み込まれてもよい。
低バンドギャップ吸収領域またはＬＢＡＲは、それらが組み込まれる太陽電池半導体構造、例えば太陽電池ベースに対して歪まされないあるいは殆ど歪みを有さない材料から形成することもできる。この場合、ＬＢＡＲが歪みを有さないあるいは歪みを殆ど有さないため、ＳＣＲがＬＢＡＲの歪みを釣り合わせる必要がない。この状況においては、非常に幅広いＬＢＡＲを形成することができる。これは、歪みが無い場合に材料が疑似格子整合を保持するという最大厚さ制約がもはや何ら存在しないからであり、あるいは、歪みが非常に小さい場合にこの厚さが非常に大きいからである。この非常に幅広いＬＢＡＲは、歪み関連によって厚さが制限されないため、光を吸収して電流を生成できるというＬＢＡＲの能力を高める。空間電荷領域内にＬＢＡＲを有することが望ましいケースにおける空間電荷領域の幅などのセルの他の特徴によって強いられる限られた厚さの範囲内であっても、これは、この厚さの全てが、そのいずれも高バンドギャップＳＣＲで費やされることなく、ＬＢＡＲによって占められ得るため、より多くの光吸収および光電流の増大を可能にする。
一実施形態では、太陽電池が１または複数のＬＢＡＲを組み込んでもよく、これらのＬＢＡＲは、それらが組み込まれる太陽電池構造と同じ材料格子定数を有し、したがって、歪みを有さないあるいは歪みを殆ど有さず、そのため、ＳＣＲを必要としない。一実施形態において、１または複数のＬＢＡＲは、太陽電池ベースと同じ組成および同じ材料格子定数を有するが、半導体結晶構造中の２つ以上の元素の多量の原子の秩序化に起因してバンドギャップが低い。一実施形態において、１または複数のＬＢＡＲは、太陽電池ベースと同じ組成および同じ材料格子定数を有するが、１または複数のＬＢＡＲ中のＩＩＩ−Ｖ半導体結晶構造のＩＩＩ族副格子上の多量の原子の秩序化に起因してバンドギャップが低い。一実施形態において、１または複数のＬＢＡＲは、太陽電池ベースと同じ組成および同じ材料格子定数を有するが、１または複数のＬＢＡＲ中のＩＩＩ−Ｖ半導体結晶構造のＶ族副格子上の多量の原子の秩序化に起因してバンドギャップが低い。
一実施形態において、１または複数のＬＢＡＲは、ＧａＩｎＰ太陽電池ベースと同じ組成および同じ材料格子定数を有するＧａＩｎＰから構成されるが、この場合、１または複数のＬＢＡＲにおけるバンドギャップは、ＩＩＩ族副格子上のＧａ原子およびＩｎ原子の秩序化されたあるいは部分的に秩序化された配列に起因して低く、したがって、１または複数のＬＢＡＲのバンドギャップは、無秩序化されたあるいは部分的に無秩序化されたＧａＩｎＰベースに対して低い。ＧａＩｎＰ ＬＢＡＲはＧａＩｎＰベースと同じあるいは類似する組成を有するため、歪み釣り合わせのためにＳＣＲが必要とされない。
一実施形態では、太陽電池が１または複数のＬＢＡＲを組み込んでもよく、これらのＬＢＡＲは、それらが組み込まれる太陽電池構造、例えば太陽電池ベースと同じあるいは類似する格子定数を有するが、ＬＢＡＲ（または複数のＬＢＡＲ）と太陽電池ベースの半導体組成が異なることにより低いバンドギャップを有する。この場合も先と同様に、ＬＢＡＲ（または複数のＬＢＡＲ）および太陽電池ベースにおいて格子定数が同じあるいは類似するため、歪み補償のためにＳＣＲが必要とされない。
一実施形態では、ＧａＩｎＰ組成またはＡｌ濃度が低いＡｌＧａＩｎＰ組成を有するＬＢＡＲが、Ａｌ濃度が高いＡｌＧａＩｎＰ組成を有する太陽電池ベースに組み込まれてもよく、この場合、１または複数のＬＢＡＲでは、太陽電池ベースにおけるのと同じあるいは類似する材料格子定数を伴う。一実施形態では、ＧａＡｓ組成またはＡｌ濃度が低いＡｌＧａＡｓ組成を有するＬＢＡＲが、Ａｌ濃度が高いＡｌＧａＡｓ組成を有する太陽電池ベースに組み込まれてもよく、この場合、１または複数のＬＢＡＲでは、太陽電池ベースにおけるのと同じあるいは類似する材料格子定数を伴う。一実施形態では、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、または、Ａｌ濃度が低いＡｌＧａＩｎＡｓ組成を有するＬＢＡＲが、Ａｌ濃度が高いＡｌＧａＩｎＡｓ組成を有する太陽電池ベースに組み込まれてもよく、この場合、１または複数のＬＢＡＲでは、太陽電池ベースにおけるのと同じあるいは類似する材料格子定数を伴う。一実施形態では、ＧａＩｎＡｓ組成またはＧａＩｎＰＡｓ組成を有するＬＢＡＲが、ＧａＩｎＡｓ組成またはＧａＩｎＰ組成を有する太陽電池ベースに組み込まれてもよく、この場合、１または複数のＬＢＡＲでは、太陽電池ベースにおけるのと同じあるいは類似する材料格子定数を伴う。一実施形態では、ＧａＮ組成またはＡｌ濃度が低いＡｌＧａＮ組成を有するＬＢＡＲが、Ａｌ濃度が高いＡｌＧａＮ組成を有する光起電力セルベースに組み込まれてもよく、この場合、１または複数のＬＢＡＲでは、光起電力セルベースにおけるのと同じあるいは類似する材料格子定数を伴う。一実施形態では、ＧａＳｂ組成またはＡｌ濃度が低いＡｌＧａＳｂ組成を有するＬＢＡＲが、Ａｌ濃度が高いＡｌＧａＳｂ組成を有する太陽電池ベースに組み込まれてもよく、この場合、１または複数のＬＢＡＲでは、太陽電池ベースにおけるのと同じあるいは類似する材料格子定数を伴う。一実施形態では、ＧａＩｎＡｓ組成またはＧａＩｎＡｓＳｂ組成を有するＬＢＡＲが、ＧａＩｎＡｓＳｂ組成またはＧａＡｓＳｂを有する太陽電池ベースに組み込まれてもよく、この場合、１または複数のＬＢＡＲでは、太陽電池ベースにおけるのと同じあるいは類似する材料格子定数を伴う。一実施形態では、ＩｎＡｓＳｂ組成またはＧａＩｎＡｓＳｂ組成を有するＬＢＡＲが、ＧａＩｎＡｓＳｂ組成またはＧａＩｎＳｂ組成を有する太陽電池ベースに組み込まれてもよく、この場合、１または複数のＬＢＡＲでは、太陽電池ベースにおけるのと同じあるいは類似する材料格子定数を伴う。
一実施形態において、太陽電池または光起電力セルは、ＬＢＡＲのバンドギャップが太陽電池ベースのそれよりも小さいような組成を伴うＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＮ、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＳｉＧｅまたはＳｉＧｅＳｎから構成されるＬＢＡＲを組み込んでもよい。一実施形態において、前記ＬＢＡＲは、太陽電池ベースの材料格子定数とは異なる材料格子定数を有する。他の実施形態において、前記ＬＢＡＲは、太陽電池ベースの材料格子定数と同じあるいは類似する材料格子定数を有する。一実施形態において、太陽電池または光起電力セルは、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＮ、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＳｉＧｅまたはＳｉＧｅＳｎから構成される小格子定数歪み補償領域（ＳＣＲ）を組み込んでもよく、その場合、ＳＣＲの材料格子定数および厚さは、全ての層が同じ面内格子定数で高い結晶品質を伴って疑似格子整合のままとなり得るように、ＬＢＡＲ層の歪みを釣り合わせるようになっている。一実施形態では、太陽電池がＳＣＲを伴うことなくＬＢＡＲのみを組み込む。一実施形態では、太陽電池がＬＢＡＲを伴うことなくＳＣＲのみを組み込む。一実施形態では、太陽電池がＬＢＡＲおよびＳＣＲの両方を組み込む。
一実施形態では、ＬＢＡＲおよび太陽電池ベースが同じ元素から構成されてもよいが、この場合、ＬＢＡＲの組成が太陽電池ベースよりも低いバンドギャップを与える。一実施形態では、ＳＣＲおよび太陽電池ベースが同じ元素から構成されてもよいが、この場合、ＳＣＲの組成は、歪みが釣り合わされるあるいは正味歪みがゼロの配列をもたらす材料格子定数を与える。一実施形態では、ＬＢＡＲおよびＳＣＲが同じ元素から構成されてもよいが、この場合、ＬＢＡＲの組成が太陽電池ベースよりも低いバンドギャップを与えるとともに、ＳＣＲの組成が、太陽電池内でＬＢＡＲと組み合わされるときに歪みが釣り合わされるあるいは正味歪みがゼロの配列をもたらす材料格子定数を与える。一実施形態では、ＬＢＡＲ、ＳＣＲ、および、太陽電池ベースが同じ元素から構成されてもよいが、この場合、ＬＢＡＲの組成が太陽電池ベースよりも低いバンドギャップを与えるとともに、ＳＣＲの組成が、太陽電池内でＬＢＡＲと組み合わされるときに歪みが釣り合わされるあるいは正味歪みがゼロの配列をもたらす材料格子定数を与える。
一実施形態では、ＬＢＡＲおよびＳＣＲが異なる元素から構成されてもよいが、この場合、ＬＢＡＲの組成が太陽電池ベースよりも低いバンドギャップを与えるとともに、ＳＣＲの組成が、太陽電池内でＬＢＡＲと組み合わされるときに歪みが釣り合わされるあるいは正味歪みがゼロの配列をもたらす材料格子定数を与える。一実施形態では、ＬＢＡＲ、ＳＣＲ、および、太陽電池または光起電力セルのベースが異なる元素から構成されてもよいが、この場合、ＬＢＡＲの組成が太陽電池ベースよりも低いバンドギャップを与えるとともに、ＳＣＲの組成が、太陽電池内でＬＢＡＲと組み合わされるときに歪みが釣り合わされるあるいは正味歪みがゼロの配列をもたらす材料格子定数を与える。
一実施形態では、ＳＣＲがＬＢＡＲの各対間に位置づけられてもよい。一実施形態では、ＬＢＡＲがＳＣＲの各対間に位置づけられてもよい。
一実施形態において、ＬＢＡＲおよび／またはＳＣＲが組み込まれた太陽電池は、多接合セル内のサブセルである。このため、太陽光スペクトル利用が向上されるとともに、ＬＢＡＲおよび／またはＳＣＲの組み込みに起因するスペクトル応答の変化により、エネルギー変換効率が更に効率的にされる。
一実施形態において、前述した太陽電池のうちの１つ以上は、成長基板の格子定数とは異なる格子定数を有する変成太陽電池であってもよい。一実施形態において、前述した太陽電池のうちの１つ以上は、成長基板の格子定数とほぼ同じ格子定数を有する格子整合型太陽電池であってもよい。
一実施形態では、前述した太陽電池のうちの１つ以上が逆の形態で成長されてもよく、その場合、逆成長形態は、太陽電池動作中に太陽または他の光源の方へ向くようになっている太陽電池の層（太陽の方を向く表面へと向かう層）が最初に成長され、その後に太陽電池層の残りの部分が成長されて、太陽電池動作中に太陽または他の光源から離れるようになっている太陽電池の層（太陽の方を向く表面から離れている層）で終わるように規定される。そのような逆成長形態は、太陽電池動作中に太陽または他の光源から離れるようになっている太陽電池の層（太陽の方を向く表面から離れている層）が最初に成長され、その後に太陽電池層の残りの部分が成長されて、太陽電池動作中に太陽または他の光源の方へ向くようになっている太陽電池の層（太陽の方を向く表面へと向かう層）で終わるように規定される直立成長形態とは対照的である。
一実施形態では、前述した太陽電池のうちの１つ以上が逆変成セルであってもよく、この場合、逆成長形態は先に規定された形態であり、また、ベースまたは主吸収層は、成長基板の材料格子定数と異なる材料格子定数を有する。一実施形態では、前述した太陽電池のうちの１つ以上が逆格子整合型セルであってもよく、この場合、逆成長形態は先に規定された形態であり、また、ベースまたは主吸収層は、成長基板の材料格子定数とほぼ同じ材料格子定数を有する。
一実施形態では、前述した太陽電池のうちの１つ以上が、多接合太陽電池を形成するサブセルの積層体に組み込まれてもよく、前記接合太陽電池は、成長基板の単一の側で成長され、成長基板の両側で成長され、単一の成長ランで成長され、２つ以上の成長ランで成長され、成長基板の単一の側の単一の成長ランで成長され、成長基板の両側の単一の成長ランで成長され、成長基板の単一の側の２つ以上の成長ランで成長され、あるいは、成長基板の両側の２つ以上の成長ランで成長される。
一実施形態において、太陽電池のうちの１つ以上は、ウエハボンディング技術または半導体ボンディング技術（ＳＢＴ）によって形成される多接合太陽電池におけるサブセルであってもよく、この場合、サブセルは、半導体／半導体接合界面を形成するために２つの半導体層間の直接結合によって多接合太陽電池へ組み込まれる。一実施形態において、太陽電池のうちの１つ以上は、機械的な積層によって形成される多接合太陽電池におけるサブセルであってもよく、この場合、サブセルは、パターン化されてもよいあるいはされなくてもよい、一般的には所望の波長の光がサブセルへと通過できるようにする半導体ではない接着層、誘電体層、金属層、導電層、または、非導電層を用いてサブセルを互いに接合することによって多接合太陽電池へ組み込まれる。
半導体接合されたあるいは機械的に積層された多接合太陽電池におけるサブセルは、多接合積層体中の幾つかのサブセルとは異なる材料格子定数を有してもよく、この場合、サブセルは、格子不整合成長、グレーデッドバッファ層を用いた変成成長、半導体ボンディング、または、機械的積層によって一体化される。半導体接合されたあるいは機械的に積層された多接合太陽電池における前記サブセルは、多接合積層体中の他のサブセルとほぼ同じ材料格子定数を有してもよく、この場合、サブセルは、格子整合成長、半導体ボンディング、または、機械的積層によって一体化される。同様に、半導体接合されたあるいは機械的に積層された多接合太陽電池におけるサブセルは、多接合積層体中の幾つかのサブセルとは異なる成長基板上で成長されてしまってもよく、この場合、サブセルは、半導体ボンディングまたは機械的積層によって一体化される。半導体接合されたあるいは機械的に積層された多接合太陽電池における前記サブセルは、多接合積層体中の他のサブセルと同じ成長基板上で成長されてしまってもよく、この場合、多接合積層体中のサブセルのうちの一部のサブセルは、直立成長形態、逆成長形態、または、これらの両方の形態を伴って同じ成長基板上で成長されてもよい。
ＬＢＡＲおよびＳＣＲは、秩序化されたＧａＩｎＰ（ｏ−ＧａＩｎＰ）ベース、無秩序化されたＧａＩｎＰ（ｄ−ＧａＩｎＰ）ベース、または、秩序化されたあるいは無秩序化されたＡｌＧａＩｎＰベースと共に太陽電池内に配置されてもよい。秩序化されたあるいは無秩序化されたという用語は、ＩＩＩ族副格子上における周期表中のＩＩＩ族原子（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなど）の位置を示している。半導体がこの意味で秩序化されているかあるいは無秩序化されているかどうかにかかわらず、結晶格子は、完全に周期的な結晶構造を有することができ、理想的にはそのような結晶構造を有する。同じ半導体組成では、すなわち、ＧａとＩｎとの比率が同一の場合には、無秩序化されたＧａＩｎＰは、ＧａＡｓ格子定数付近では、実際に容易に達成できる部分的なＩＩＩ族秩序化を伴うＧａＩｎＰ（ＩＩＩ族秩序化が完全でなくてもよく、すなわち、秩序化パラメータが１未満であってもよいが、ここでは、秩序化ＧａＩｎＰと称される）よりも１００ｍｅＶ程度高いバンドギャップを有する。ＩＩＩ族副格子の無秩序化のバンドギャップに対するこの影響は、インジウム組成および格子定数が高い変成ＧａＩｎＰ太陽電池において、および、ＧｅまたはＧａＡｓに格子整合されるＧａＩｎＰに関して確かめられており、また、ＡｌＧａＩｎＰでも行なう。無秩序化に伴うバンドギャップ変化は、ＧａＩｎＰ組成がＩｎＰの組成に近づくにつれて減少するが、例えば約０〜２０％のＩｎ組成の太陽電池用の殆どの変成ＧａＩｎＰ組成においては、無秩序化に伴うバンドギャップ変化が依然として非常に著しい。
図６は、本開示に係る変成サブセル６００の他の実施形態を示している。この典型的な実施形態において、サブセル６００は、図１の上端セル２０と同様の形態を有する上端セルである。図６において分かるように、サブセル６００は、サブセル６００の上側に堆積される反射防止コーティング１６と、サブセル６００の下側に堆積されるｐ−ｎ接合部２７とを有する。サブセル６００は、基板（図示せず）から離れる方向で成長されてしまっている。一実施形態では、サブセル６００が３接合太陽電池の上端セル４０であってもよい。
図６において分かるように、ＬＢＡＲ６１０およびＳＣＲ６２０は、（Ａｌ）ＧａＩｎＰベース６２４を有するサブセル６００の空間電荷領域６４０内に配置される。（Ａｌ）ＧａＩｎＰベース６２４は、秩序化されたＧａＩｎＰ（ｏ−ＧａＩｎＰ）ベース、無秩序化されたＧａＩｎＰ（ｄ−ＧａＩｎＰ）ベース、または、秩序化されたあるいは無秩序化されたＡｌＧａＩｎＰベースであってもよい。この場合、インジウム組成が高い層がＬＢＡＲ６１０のために使用されてもよく、また、低インジウム組成層は、歪み釣り合わせ形態で、ＳＣＲ６２０のために使用されてもよい。伸張歪み層、圧縮歪み層、および、他のデバイス層のバンドギャップと格子定数との間の関係が、サブセル６００の特定の例に関して図６に図示されている。他の実施形態において、伸張歪み層および圧縮歪み層のバンドギャップは、例えば、層のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂ組成を加える、差し引く、または、変えることによって、あるいは、ＩＩＩ族またはＶ族の副格子の秩序化の度合いを変えることによって、ここに示されるバンドギャップと異なってもよい。他の実施形態において、伸張歪み層および／または圧縮歪み層は、太陽電池ベースに加えてあるいは太陽電池ベースの代わりに、デバイスのエミッタ、裏面電界（ＢＳＦ）層、窓、および／または、トンネル接合層などの層中に位置づけられてもよい。他の実施形態において、伸張歪み層は、デバイスの太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、トンネル接合層など、これらの層の組み合わせを含めて、太陽電池デバイスの幾つかの層の一部または全部を形成し、それにより、例えば、デバイスの他の部分における歪みを補償し、これらの層における少数キャリア濃度および再結合を減少させ、および／または、透過波長の光をより良く使用できる下層へのこれらの層中における光透過を増大させてもよい。他の実施形態において、圧縮歪み層は、デバイスの太陽電池ベース、エミッタ、ＢＳＦ層、窓、または、トンネル接合層など、これらの層の組み合わせを含めて、太陽電池デバイスの幾つかの層の一部または全部を形成し、それにより、例えば、デバイスの他の部分における歪みを補償し、および／または、これらの層における光吸収および光生成電流を増大させ、および、さもなければ太陽電池によって使用され得ないあるいは効果的に使用されないであろう波長の利用を増大させてもよい。
秩序化されたＧａＩｎＰは、ＩＩＩ族副格子の秩序化によってもたらされるその低いバンドギャップに起因して、無秩序化されたＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰ太陽電池における幅広いＬＢＡＲにおいて低バンドギャップ材料として使用されてもよい。秩序化されたＧａＩｎＰは、周囲の高バンドギャップの無秩序化されたＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰ材料と同じ格子定数を有することができるため、格子整合系において存在するようなＬＢＡＲ厚さが結晶格子弛緩における臨界厚さを超えるという心配はなく、また、秩序化されたＧａＩｎＰ ＬＢＡＲは、ＬＢＡＲにおける光吸収およびセルにおける全再結合などの太陽電池における他のパラメータを最適化するために望ましい厚さに形成されてもよい。
図７は、本開示に係る変成サブセル７００の他の実施形態を示している。この典型的な実施形態において、サブセル７００は、図１の上端セル２０と同様の形態を有する上端セルである。図７において分かるように、サブセル７００は、サブセル７００の上側に堆積される反射防止コーティング１６と、サブセル７００の下側に堆積されるｐ−ｎ接合部２７とを有する。サブセル７００は、基板（図示せず）から離れる方向で成長されてしまっている。一実施形態では、サブセル７００が３接合太陽電池の上端セル４０であってもよい。
図７において分かるように、ＬＢＡＲ７１０は、無秩序化されたＧａＩｎＰベース７４４の空間電荷領域７４０内に配置される秩序化されたＧａＩｎＰ（ｏ−ＧａＩｎＰ）から形成される幅広い空間的広がりを有する。また、サブセルは、ＧａＩｎＰから構成される、エミッタなどの太陽電池の他の部分およびサブセルベースの他の部分と共に、サブセルベースの一部または全部を形成するＡｌＧａＩｎＰを有し、それにより、ＧａＩｎＰがしばしば実際にＡｌＧａＩｎＰと比べられてきた、より良い少数キャリア再結合特性、および、より良い少数キャリア移動特性および多数キャリア移動特性を保持してもよい。サブセルは、太陽電池ベース、エミッタ、または、太陽電池の他の部分に組み込まれるＬＢＡＲを組み込むサブセルベースの一部または全部を形成するＡｌＧａＩｎＰを有してもよく、この場合、ＬＢＡＲは、ＧａＩｎＰ、または、Ａｌ組成が太陽電池の他の部分におけるよりも低いＡｌＧａＩｎＰの層から形成される。また、秩序化／無秩序化現象に基づく格子整合されたＬＢＡＲを使用するサブセルも、ＡｌＧａＩｎＰ太陽電池において、また、副格子秩序化に起因してバンドギャップ変化を示す他のベース材料を有する太陽電池において実施されてもよい。１または複数のＬＢＡＲ層および他のデバイス層のバンドギャップと格子定数との間の関係が、サブセル７００の特定の例に関して図７に図示されているが、バンドギャップと格子定数との間の他の関係も可能であり本開示に含まれる。
図８は、本開示に係る変成サブセル８００の他の実施形態を示している。この典型的な実施形態において、サブセル８００は、図１の上端セル２０と同様の形態を有する上端セルである。図８において分かるように、サブセル８００は、サブセル８００の上側に堆積される反射防止コーティング１６と、サブセル８００の下側に堆積されるｐ−ｎ接合部２７とを有する。サブセル８００は、基板（図示せず）から離れる方向で成長されてしまっている。一実施形態では、サブセル８００が３接合太陽電池の上端セル４０であってもよい。
図８において分かるように、ＬＢＡＲ８１０は、無秩序化されたＧａＩｎＰベース８４４の準中性領域８５０内に配置される秩序化されたＧａＩｎＰ（ｏ−ＧａＩｎＰ）から形成される幅広い空間的広がりを有する。また、サブセルは、ＧａＩｎＰから構成される、エミッタなどの太陽電池の他の部分およびサブセルベースの他の部分と共に、サブセルベースの一部または全部を形成するＡｌＧａＩｎＰを有し、それにより、ＧａＩｎＰがしばしば実際にＡｌＧａＩｎＰと比べられてきた、より良い少数キャリア再結合特性、および、より良い少数キャリア移動特性および多数キャリア移動特性を保持してもよい。サブセルは、太陽電池ベース、エミッタ、または、太陽電池の他の部分に組み込まれるＬＢＡＲを組み込むサブセルベースの一部または全部を形成するＡｌＧａＩｎＰを有してもよく、この場合、ＬＢＡＲは、ＧａＩｎＰ、または、Ａｌ組成が太陽電池の他の部分におけるよりも低いＡｌＧａＩｎＰの層から形成される。また、秩序化／無秩序化現象に基づく格子整合されたＬＢＡＲを使用するサブセルも、ＡｌＧａＩｎＰ太陽電池において、また、副格子秩序化に起因してバンドギャップ変化を示す他のベース材料を有する太陽電池において実施されてもよい。１または複数のＬＢＡＲ層および他のデバイス層のバンドギャップと格子定数との間の関係が、サブセル８００の特定の例に関して図８に図示されているが、バンドギャップと格子定数との間の他の関係も可能であり本開示に含まれる。
図９は、本開示に係る変成サブセル９００の他の実施形態を示している。この典型的な実施形態において、サブセル９００は、図１の上端セル２０と同様の形態を有する上端セルである。図９において分かるように、サブセル９００は、サブセル９００の上側に堆積される反射防止コーティング１６と、サブセル９００の下側に堆積されるｐ−ｎ接合部２７とを有する。サブセル９００は、基板（図示せず）から離れる方向で成長されてしまっている。一実施形態では、サブセル９００が３接合太陽電池の上端セル４０であってもよい。
図９において分かるように、ＬＢＡＲ９１０は、一部が無秩序化されたＧａＩｎＰベース９４４の空間電荷領域９４０に配置されるとともに一部が無秩序化されたＧａＩｎＰベース９４４の準中性領域９５０内に配置される秩序化されたＧａＩｎＰ（ｏ−ＧａＩｎＰ）から形成される幅広い空間的広がりを有する。また、サブセルは、ＧａＩｎＰから構成される、エミッタなどの太陽電池の他の部分およびサブセルベースの他の部分と共に、サブセルベースの一部または全部を形成するＡｌＧａＩｎＰを有し、それにより、ＧａＩｎＰがしばしば実際にＡｌＧａＩｎＰと比べられてきた、より良い少数キャリア再結合特性、および、より良い少数キャリア移動特性および多数キャリア移動特性を保持してもよい。また、サブセルは、太陽電池ベース、エミッタ、または、太陽電池の他の部分に組み込まれるＬＢＡＲを組み込むサブセルベースの一部または全部を形成するＡｌＧａＩｎＰを有してもよく、この場合、ＬＢＡＲは、ＧａＩｎＰ、または、Ａｌ組成が太陽電池の他の部分におけるよりも低いＡｌＧａＩｎＰの層から形成される。また、秩序化／無秩序化現象に基づく格子整合されたＬＢＡＲを使用するサブセルも、ＡｌＧａＩｎＰ太陽電池において、また、副格子秩序化に起因してバンドギャップ変化を示す他のベース材料を有する太陽電池において実施されてもよい。１または複数のＬＢＡＲ層および他のデバイス層のバンドギャップと格子定数との間の関係が、サブセル９００の特定の例に関して図９に図示されているが、バンドギャップと格子定数との間の他の関係も可能であり本開示に含まれる。
図１０は、本開示に係る変成サブセル１０００の他の実施形態を示している。この典型的な実施形態において、サブセル１０００は、図１の上端セル２０と同様の形態を有する上端セルである。図１０において分かるように、サブセル１０００は、サブセル１０００の上側に堆積される反射防止コーティング１６と、サブセル１０００の下側に堆積されるｐ−ｎ接合部２７とを有する。サブセル１０００は、基板（図示せず）から離れる方向で成長されてしまっている。一実施形態では、サブセル１０００が３接合太陽電池の上端セル４０であってもよい。
図１０において分かるように、ＬＢＡＲ１０１０は、一部が無秩序化されたＡｌＧａＩｎＰベース１０４４の空間電荷領域１０４０に配置されるとともに一部が無秩序化されたＡｌＧａＩｎＰベース１０４４の準中性領域１０５０内に配置される秩序化されたあるいは無秩序化されたＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰから形成される幅広い空間的広がりを有する。サブセルは、太陽電池ベース、エミッタ、または、太陽電池の他の部分に組み込まれるＬＢＡＲを組み込むサブセルベースの一部または全部を形成するＡｌＧａＩｎＰを有してもよく、この場合、ＬＢＡＲは、ＧａＩｎＰ、または、Ａｌ組成が太陽電池の他の部分におけるよりも低いＡｌＧａＩｎＰの層から形成される。また、秩序化／無秩序化現象に基づく格子整合されたＬＢＡＲを使用するサブセルも、ＡｌＧａＩｎＰ太陽電池において、また、副格子秩序化に起因してバンドギャップ変化を示す他のベース材料を有する太陽電池において実施されてもよい。１または複数のＬＢＡＲ層および他のデバイス層のバンドギャップと格子定数との間の関係が、サブセル１０００の特定の例に関して図１０に図示されているが、バンドギャップと格子定数との間の他の関係も可能であり本開示に含まれる。
サブセルは、ＧａＩｎＰから構成される、エミッタなどの太陽電池の他の部分およびサブセルベースの他の部分と共に、サブセルベースの一部または全部を形成するＡｌＧａＩｎＰを有し、それにより、ＧａＩｎＰがしばしば実際にＡｌＧａＩｎＰと比べられてきた、より良い少数キャリア再結合特性、および、より良い少数キャリア移動特性および多数キャリア移動特性を保持してもよい。少数キャリア特性および／または多数キャリア特性が向上されたＧａＩｎＰ層は、それが太陽電池エミッタを構成するように、太陽電池エミッタの全幅を占めてもよい。また、少数キャリア特性および／または多数キャリア特性が向上されたＧａＩｎＰ層は、太陽電池ベースまたは太陽電池における他の層の一部または全部を形成してもよい。
ＬＢＡＲは、太陽電池のエミッタ領域内に配置されてもよい。１または複数のＬＢＡＲは、太陽電池エミッタと関連する空間電荷領域内に配置され、太陽電池エミッタの準中性領域内に配置され、空間電荷領域内に部分的に配置され、太陽電池エミッタの準中性領域内に部分的に配置されてもよく、それが太陽電池エミッタを構成するように太陽電池エミッタの全幅を占めてもよく、一般的には、１または複数のＬＢＡＲは、エミッタの準中性領域内、エミッタの空間電荷領域内、ベースの空間電荷領域内、および／または、ベースの準中性領域内の部分を有してもよい。キャリアの収集は空間電荷領域内の電界によって助けられるが、キャリア拡散からの電流収集は、準中性領域内、特に空間電荷領域に隣接する準中性領域の部分内に位置づけられるＬＢＡＲにおいては、依然として非常に大きくなり得るものであり有益である。
図１１は、本開示に係る変成サブセル１１００の他の実施形態を示している。この典型的な実施形態において、サブセル１１００は、図１の上端セル２０と同様の形態を有する上端セルである。図１１において分かるように、サブセル１１００は、サブセル１１００の上側に堆積される反射防止コーティング１６と、サブセル１１００の下側に堆積されるｐ−ｎ接合部２７とを有する。サブセル１１００は、基板（図示せず）から離れる方向で成長されてしまっている。一実施形態では、サブセル１１００が３接合太陽電池の上端セル４０であってもよい。
図１１において分かるように、ＬＢＡＲ１１１０はｎ型ＧａＩｎＰから形成され、このｎ型ＧａＩｎＰは、ＡｌＧａＩｎＰベース１１４４を有するサブセル１１００中のｎ型エミッタ１１２２の一部を形成するとともに、ＡｌＧａＩｎＰベース１１４４とｎ型エミッタ１１２２の残りの部分とに対して格子整合されあるいは疑似格子整合的に歪まされ得る。１または複数のＬＢＡＲ層および他のデバイス層のバンドギャップと格子定数との間の関係が、サブセル１１００の特定の例に関して図１１に図示されているが、バンドギャップと格子定数との間の他の関係も可能であり本開示に含まれる。
図１２は、本開示に係る変成サブセル１２００の他の実施形態を示している。この典型的な実施形態において、サブセル１２００は、図１の上端セル２０と同様の形態を有する上端セルである。図１２において分かるように、サブセル１２００は、サブセル１２００の上側に堆積される反射防止コーティング１６と、サブセル１２００の下側に堆積されるｐ−ｎ接合部２７とを有する。サブセル１２００は、基板（図示せず）から離れる方向で成長されてしまっている。一実施形態では、サブセル１２００が３接合太陽電池の上端セル４０であってもよい。
図１２において分かるように、ＬＢＡＲ１２１０はｎ型ＧａＩｎＰから形成され、このｎ型ＧａＩｎＰは、エミッタ１２２２の全幅を占め、したがって、ＡｌＧａＩｎＰベース１２４４を有するサブセル１２００におけるｎ型エミッタ全体形成する。ＡｌＧａＩｎＰは、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰにおける低い少数正孔寿命と低い正孔移動度とに起因して、ＧａＩｎＰよりもかなり低い少数正孔拡散距離を有することができる。ＡｌＧａＩｎＰベース１２４４を有するサブセル１２００のエミッタ１２２２に関してＧａＩｎＰを使用すると、太陽電池の電流密度、特にサブセル１２００の短波長（青）応答をかなり高めることができる。これは、ＬＢＡＲ１２１０の低いバンドギャップに起因するだけでなく、ＡｌＧａＩｎＰ系の太陽電池のエミッタ１２２２全体のために使用されるＧａＩｎＰなどのアルミニウムを含まない材料における少数キャリア収集に関して前述した重要な利点にも起因して生じる。１または複数のＬＢＡＲ層および他のデバイス層のバンドギャップと格子定数との間の関係が、サブセル１２００の特定の例に関して図１２に図示されているが、バンドギャップと格子定数との間の他の関係も可能であり本開示に含まれる。
サブセルの全てが直立に成長される、すなわち、サブセル全体が直立に成長される、すなわち、サブセルの全てが太陽に向かう表面から離れた層を発端として成長して、太陽に向かう表面の方にある層で終わる、変成多接合太陽電池に加えて、他の重要なタイプの変成多接合太陽電池は、逆転した（逆さまの）サブセルの太陽に向かう表面の層が最初に成長され、太陽に向かう表面から離れた層が最初に成長される、逆変成（ＩＭＭ）太陽電池を使用する。
図１３Ａおよび図１３Ｂは、逆変成１−ｅＶ太陽電池を使用する３接合太陽電池の２つの構造を示している。図１３Ａには太陽電池１３００が示されており、この太陽電池１３００では、上側の２つのサブセル、すなわち、ＧａＩｎＰサブセル１ １３１０およびＧａＡｓサブセル２ １３２０が、直立に成長されて、透明なＧａＡｓ基板１３３０に対して格子整合され、また、逆変成の約１−ｅＶのＧａＩｎＡｓ太陽電池サブセル３ １３４０は、透明なＧａＡｓ基板１３３０の反対側で成長される。
図１３Ｂには太陽電池１３００Ｂが示されており、この太陽電池１３００Ｂでは、上側の２つのサブセル、すなわち、ＧａＩｎＰサブセル１ １３１０ＡおよびＧａＡｓサブセル２ １３２０Ｂが、逆格子整合型（ＩＬＭ）太陽電池であり、ＧａＡｓまたはＧｅであってもよい基板１３３０Ｂに対して逆成長されて格子整合され、その後、逆変成の約１−ｅＶのＧａＩｎＡｓ太陽電池サブセル３ １３４０Ｂの成長が続く。基板１３３０Ｂは、その後、太陽光が太陽電池１３００Ｂの太陽に向かう表面１３５０に入ることができるようにするために後続の処理中に除去される。
ＬＢＡＲは、逆変成太陽電池においてそのような太陽電池の波長応答を拡張させるために使用されてもよく、したがって、太陽光スペクトルの効率的な変換のために多接合太陽電池におけるサブセルの有効バンドギャップのより最適な組み合わせにおいて使用されてもよい。前述したように、変成太陽電池における高い転位密度および再結合速度を増大させる傾向がある基板に対する格子不整合および格子定数の増大を伴う必要なく変成太陽電池において長波長応答の向上を達成できることは非常に有益となり得る。これは、しばしば成長基板に対して高度に格子不整合され、しばしば多接合構造で最小のバンドギャップを有する、例えば０．６〜１．１ｅＶバンドギャップ範囲、しばしば０．７〜１．０ｅＶ範囲内のバンドギャップを有するサブセルである逆変成太陽電池においては、強力な利点である。
図１４は、逆変成ＧａＩｎＡｓ太陽電池１４０１の空間電荷領域１４４０内に配置されるＬＢＡＲ１４１０およびＳＣＲ１４２０を有する太陽電池１４００を示している。この場合、ＬＢＡＲ１４１０はインジウム組成が高いＧａＩｎＡｓ層であってもよく、また、ＧａＩｎＡｓ太陽電池ベース１４４４における変成組成および比較的高いインジウム含有量に起因して、インジウム組成が低い層が、歪み釣り合わせ形態でＳＣＲ１４２０のために使用されてもよい。
前述したように、希釈窒化物ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、および、ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどの半導体、および、一部の他の半導体は、格子定数が減少するにつれてバンドギャップの減少を示す。これにより、ＬＢＡＲおよびＳＣＲの両方が太陽電池ベースよりも低いバンドギャップを有するように逆変成太陽電池においてＬＢＡＲ／ＳＣＲ構造を構成することができ、したがって、光吸収および電流光生成増大のために利用できる厚さが最大になるとともに、電流の流れに対する高バンドギャップバリアが除去される。ＬＢＡＲおよびＳＣＲにおけるバンドギャップは、望ましい場合には、互いにほぼ等しくされてもよい。
更に前述したように、幾つかのケースでは、特定の元素を他の元素から分離して、再結合、例えばＧａＩｎＮＡｓ中でのＩｎ−Ｎ対の形成の増大をもたらす結晶格子における望ましくない相互作用を回避すること、あるいは、異なる時間に反応性前駆ガスを反応チャンバ内へ導入することによる成長中の気相反応を回避することが望ましい場合がある。これは、低バンドギャップ領域を得るがそれらの層の一部または全部におけるＩｎとＮとの分離に起因して低い再結合速度を有する、逆変成太陽電池における前述したＬＢＡＲ／ＳＣＲ構造を使用して、例えば変成ＧａＩｎＡｓベースにおけるあるいは逆変成セルの他の場所におけるＩｎ濃度が高い疑似格子整合ＧａＩｎＡｓ ＬＢＡＲと疑似格子整合Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ ＳＣＲとの組み合わせを用いることによって達成できる。
図１５は、ＬＢＡＲ１５１０およびＳＣＲ１５２０を有するサブセル１５０１を含む太陽電池１５００を示している。ＬＢＡＲ１５１０はインジウム含有量が高いＧａＩｎＡｓ層である。ＳＣＲ１５２０は、逆変成ＧａＩｎＡｓ太陽電池１５００の空間電荷領域１５４０内に配置される、サブセルベース１５４４のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有するＬＢＡＲでもあり、例えば希釈窒化物Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓ（Ｓｂ）層である。なお、丸括弧内の元素は随意的である。この場合、半導体の幅広い領域は、太陽電池ベース１５４４と比べて低いバンドギャップを有することができ、それにより、逆変成太陽電池ベース１５４４に対して比較的高い格子不整合を有し得る成分からＬＢＡＲが形成される場合であっても、高い光吸収率および高い光生成を伴う幅広いＬＢＡＲが形成される。
図１６は、様々な太陽電池形態と性能との間の関係を示すチャートである。図の凡例に示されるように、波長の関数として測定された外部量子効率が、以下の構造を有するセルに関して比較される。
３Ｊ−Ｌ：格子整合型３接合太陽電池、ＬＢＡＲまたはブラッグ反射器が無い
３Ｊ−ＬＷ：格子整合型３接合太陽電池、ＬＢＡＲおよびブラッグ反射器を伴う
３Ｊ−Ｍ：変成３接合太陽電池、ＬＢＡＲまたはブラッグ反射器が無い
３Ｊ−ＭＷ：変成３接合太陽電池、ＬＢＡＲおよびブラッグ反射器を伴う
また、ＡＭ１．５ Ｄｉｒｅｃｔ、ＡＳＴＭ Ｇ１７３−０３太陽光スペクトル、すなわち、集光型光起電（ＣＰＶ）太陽電池を評価して特徴付けるために使用される標準的な太陽光スペクトルにおける光子束に対応する単位波長当たりの電流密度は、１０００ワット／ｃｍ２の強度に正規化されて、セルの測定された外部量子効率（ＥＱＥ）と比較するために波長の関数として図中にプロットされる。更に、１０００ワット／ｃｍ２全強度に正規化される、標準的なＡＭ１．５ ＤｉｒｅｃｔＡＳＴＭ Ｇ１７３−０３太陽光スペクトルに対応する単位波長当たりの強度も、比較のために波長の関数として図中にプロットされる。
図１６における試験的な太陽電池形態は以下の通りである。３Ｊ−Ｌの符号が付された曲線は、Ｇｅ成長基板と同じあるいはほぼ同じ格子定数を有する格子整合型（ＬＭ）３接合（３Ｊ）ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅ太陽電池構造からの１％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ中央セルすなわちセル２の測定されたＥＱＥであり、低バンドギャップ吸収領域（ＬＢＡＲ）またはブラッグ反射器がセルに組み込まれない格子整合制御ケースを表わす。ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅおよびＡｌ２Ｏ３などの他の基板が使用されてもよい。ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＰＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＳｉＧｅおよびＳｉＧｅＳｎなどの他の太陽電池材料が、例えば、多接合太陽電池のサブセルのベース、エミッタ、裏面電界（ＢＳＦ）、窓、真性層、ＬＢＡＲ、歪み補償領域（ＳＣＲ）、または、バリア層、あるいは、トンネル接合部、バッファ、核生成層、超格子層、ブラッグまたは他のタイプの反射器、反射防止（ＡＲ）層、側方伝導層、キャップ層、接点、または、他の太陽電池層を形成する層として使用されてもよい。
３Ｊ−ＬＷの符号が付された曲線は、先と同様、Ｇｅ成長基板に対して格子整合される３接合ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅ太陽電池構造における１％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓベースを有する中央セルすなわちセル２の測定されたＥＱＥであるが、この場合には、一連のＬＢＡＲおよび小格子定数歪み補償層またはバリア層が、前述した実施形態のうちの１つ以上にしたがって、中央セルベースの空間電荷領域中へ組み込まれてしまっている。図１６に示される特定の３Ｊ−ＬＷケースにおいて、ＬＢＡＲ配列は、疑似格子整合的に歪まされた伸張バリア層を形成して疑似格子整合的に歪まされた圧縮性ＬＢＡＲ層の歪みを釣り合わせるように選択される組成および厚さを有するＧａＰＡｓ小格子定数歪み補償層と交互に入れ替わる、それぞれが８％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ組成および３００オングストローム厚を有する１２個のＬＢＡＲ層を備えるが、本発明に関するこの明細書中で前述したように、他の組成および形態も可能である。
３Ｊ−ＬＷケースにおける３接合太陽電池の中央サブセルの測定された外部量子効率および光生成電流密度に対するＬＢＡＲの配列の影響を図１６において見ることができる。格子整合制御３Ｊ−Ｌケースと比べると、図１６に示されるデバイス例においては３Ｊ−Ｌケースのベースの全ておよび３Ｊ−ＬＷケースのベースの大部分を形成する太陽電池ベースの１％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ部分のバンドギャップ直下の光子エネルギーに対応する波長範囲で、ＬＢＡＲは、サブセルのＥＱＥを、ゼロ付近から、０％〜６０％を超える範囲のレベルまで上昇させる。約８９０ｎｍ〜９５９ｎｍの波長範囲でのこの光生成の増大は、３Ｊ−Ｌ多接合セル形態のＧｅ下端サブセル、すなわち、セル３において光キャリア−この場合、これらの光キャリアは、Ｇｅ下端サブセルが過度の光生成電流密度を有しているため、生産的に使用されない−を生成するセルに入射する光エネルギーの一部を、多接合セルの１％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ中央サブセル、すなわち、サブセル２において代わりに使用できるようにする。この場合、１％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ中央サブセルが、過度の電流密度を有する必要がなく、Ｇｅ下端サブセルよりも高いバンドギャップおよび電圧を有するため、これらの光子エネルギーからの光生成キャリアを有利に使用でき、したがって、多接合太陽電池の全体の効率が高まる。
サブセル中のＬＢＡＲの配列からの吸収の波長範囲は、特定のセル温度に対応する特定のサブセルベースおよびＬＢＡＲのバンドギャップで、入射太陽光スペクトルの特徴に対して合わせられてもよい。例えば、図１６の３Ｊ−ＬＷのケースでは、ＬＢＡＲ吸収が約８９０ｎｍ〜９５０ｎｍの波長範囲内であり、その場合、最も強い吸収は約８９０ｎｍ〜９３５ｎｍで生じ、そのため、図１６に示されるＡＭ１．５ Ｄｉｒｅｃｔ（ＡＭ１．５Ｄ）スペクトルの例では、十分な光子束および対応する電流密度を利用できる。この波長範囲は、約９３０ｎｍ〜９７０ｎｍの僅かに長い波長のスペクトルにおいて利用できる強度、光子束、および、電流密度のギャップを回避するように選択され、約９３５ｎｍ〜９６５ｎｍの最も低い値では、この特定のスペクトルおよびセル温度において収集される電流密度が殆どなく、また、ＬＢＡＲがこの波長範囲内で代わりに吸収するように調整された場合には、太陽電池効率に関する利点は殆どない。
ＬＢＡＲの配列に起因する太陽電池の長波長応答の、多接合太陽電池におけるサブセルであってもよいその太陽電池の光生成電流密度を高めるための拡張は、一般に、典型的な入射スペクトル範囲および太陽電池温度範囲にわたって多接合太陽電池のサブセル間の電流バランスを最適化するために使用することができ、それにより、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって、多接合太陽電池の効率が高まるとともに、その製造可能性の容易さが向上し、および／または、その製造コストが低減する。中央サブセル、すなわち、セル２の空間電荷領域に２次元（２Ｄ）ＬＢＡＲを有する３接合太陽電池の特定の例が図１６に示されている。しかし、本発明の多接合セルにおけるサブセル間の電流バランスを最適化するための０次元（０Ｄ）ＬＢＡＲ、１次元（１Ｄ）ＬＢＡＲ、または、２次元（２Ｄ）ＬＢＡＲの原理であって、さもなければ容易に達成され得ない態様でその効率または性能を向上させるために、ＬＢＡＲが、デバイス、多接合太陽電池の上端サブセル、下端サブセル、または、他のサブセル、または、他の光電子デバイスの準中性領域内、または、他の領域内あるいは他の領域の組み合わせ内に配置される原理は、２接合太陽電池、並びに、４接合太陽電池、５接合太陽電池、６接合太陽電池、および、７以上の接合を有する太陽電池、並びに、他の光電子デバイスに適用することができる。
また、３Ｊ−ＬＷのケースでは、交互に並ぶＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とから構成されるブラッグ反射器が中央セルの裏面に位置づけられており、この場合、ブラッグ反射層の厚さおよび組成は、中央セルベースの大部分のバンドギャップ直下の光子エネルギーに対応する波長の範囲にわたって、および、中央セルベースの空間電荷領域内のＬＢＡＲの配列によって最も強力に吸収される波長の範囲内で、高い反射を与えるように選択されており、それにより、光吸収およびキャリア光生成が望まれるＬＢＡＲを通じた光の光路長が増大する。図１６において、３Ｊ−ＬＷセルの特定のケースでは、１９周期にわたって交互に並ぶＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とが使用され、それにより、低い屈折率と高い屈折率とが交互に入れ替わる層の積層体が形成されて、ブラッグ反射器構造がもたらされる。ブラッグ反射器の層は、太陽電池ベースの裏面に位置づけられてもよい裏面電界（ＢＳＦ）層、変成バッファ層、および／または、トンネル接合層の構造中に組み込まれてもよく、それにより、ブラッグ反射層の一部または全部は、それらの光反射機能に加えて、太陽電池におけるこれらの機能を果たしてもよい。
図１６における次の３接合セル形態の例は変成ケースであり、このケースでは、上側の２つのサブセル、つまり、ＧａＩｎＰ上端サブセル、すなわち、セル１と、ＧａＩｎＡｓ中央サブセル、すなわち、セル２とが、成長基板の小さい方の格子定数から活性サブセル材料の大きい方の材料格子定数へと移行するＧａＩｎＡｓ変成バッファのおかげにより、Ｇｅ成長基板の格子定数と異なる新たな格子定数で成長されて弛緩される。変成バッファは、少数キャリア特性が比較的重要でなく且つ多数キャリア輸送が主に重要である場合には、変成バッファ内の格子定数のこの変化と関連するミスフィット転位を受け入れ、また、寿命、移動度、および、拡散距離などの少数キャリア輸送特性が太陽電池の効率にとって最も重要である場合には、貫通転位セグメントの形成および貫通転位セグメントの活性太陽電池領域への伝搬を制限する。ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅおよびＡｌ２Ｏ３などの他の基板が使用されてもよい。ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＰＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮＳｉＧｅおよびＳｉＧｅＳｎなどの他の太陽電池材料が、例えば、多接合太陽電池のサブセルのベース、エミッタ、裏面電界（ＢＳＦ）、窓、真性層、ＬＢＡＲ、歪み補償領域（ＳＣＲ）、または、バリア層、あるいは、トンネル接合部、バッファ、核生成層、超格子層、ブラッグまたは他のタイプの反射器、反射防止（ＡＲ）層、側方伝導層、キャップ層、接点、または、他の太陽電池層を形成する層として使用されてもよい。ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＰＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＳｉＧｅおよびＳｉＧｅＳｎなどの他の変成バッファ材料が使用されてもよい。
３Ｊ−Ｍの符号が付された曲線は、前述したように、ＧａＩｎＡｓ変成バッファのおかげによる、上側の２つのサブセルがＧｅ成長基板の格子定数と異なる格子定数で成長される、変成（ＭＭ）または格子不整合の３接合（３Ｊ）ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅ太陽電池構造からの８％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ中央セルすなわちセル２の測定されたＥＱＥである。３Ｊ−Ｍケースは、低バンドギャップ吸収領域（ＬＢＡＲ）またはブラッグ反射器がセルに組み込まれない変成（ＭＭ）ベースラインのケースを表わす。
３Ｊ−ＭＷの符号が付された曲線は、先と同様、上側の２つのサブセルがＧｅ成長基板の材料格子定数と異なる材料格子定数を有する変成３接合ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅ太陽電池構造における８％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓベースを有する中央セルすなわちセル２の測定されたＥＱＥであるが、この場合には、一連の変成ＬＢＡＲおよび変成小格子定数歪み補償層またはバリア層が、前述した実施形態のうちの１つ以上にしたがって、中央セルベースの空間電荷領域中へ組み込まれてしまっている。図１６に示される特定の３Ｊ−ＭＷケースにおいて、ＬＢＡＲ配列は、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって、同じ３元素または三元ＧａＩｎＡｓ材料系から選択される組成を有するＧａＰＡｓ小格子定数歪み補償層と交互に入れ替わる、それぞれが１８％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ組成および２５０オングストローム厚を有する８個のＬＢＡＲ層を備える。ＧａＡｓ層の厚さは、疑似格子整合的に歪まされた伸張バリア層を形成して、変成サブセルベースの格子定数またはその近傍にあって成長基板の格子定数とは異なる更に大きい格子定数の疑似格子整合的に歪まされた圧縮性ＬＢＡＲ層の歪みを釣り合わせるように選択される。本発明に関するこの明細書中で前述したように、他の組成および形態も可能である。
３Ｊ−ＭＷケースにおける３接合太陽電池の変成中央サブセルの測定された外部量子効率および光生成電流密度に対する変成ＬＢＡＲの配列の影響を図１６において見ることができる。変成ベースライン３Ｊ−Ｍケースと比べると、図１６に示されるデバイス例においては３Ｊ−Ｍケースのベースの全ておよび３Ｊ−ＭＷケースのベースの大部分を形成する変成太陽電池ベースの８％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ部分のバンドギャップ直下の光子エネルギーに対応する波長範囲で、ＬＢＡＲは、サブセルのＥＱＥを、ゼロ付近から、０％〜６０％を超える範囲のレベルまで上昇させる。約９６０ｎｍ〜１０５０ｎｍの波長範囲でのこの光生成の増大は、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって、ベース厚さの大部分において更に大きい格子定数不整合および更に低いバンドギャップへと移動する危険や不都合を伴うことなく、ＬＢＡＲを組み込むサブセルの電流密度およびその下側のサブセルの電流密度を調整して、これらの光子の多くを、より高いバンドギャップ、より高い電圧のサブセルで使用できるようにし、また、一般的には、ＬＢＡＲを組み込むサブセルの波長応答を調整して、より低い光子エネルギーを吸収できるようにする。
サブセル中の変成ＬＢＡＲの配列からの吸収の波長範囲は、特定のセル温度に対応する特定のサブセルベースおよびＬＢＡＲのバンドギャップで、入射太陽光スペクトルの特徴に合わせられてもよい。例えば、図１６の３Ｊ−ＭＷのケースでは、ＬＢＡＲ吸収が約９６０ｎｍ〜１０５０ｎｍの波長範囲内であり、そのため、図１６に示されるＡＭ１．５ Ｄｉｒｅｃｔ（ＡＭ１．５Ｄ）スペクトルの例では、十分な光子束および対応する電流密度を利用できる。この波長範囲は、約９３０ｎｍ〜９７０ｎｍの僅かに短い波長のスペクトルにおいて利用できる強度、光子束、および、電流密度のギャップを回避するように選択され、約９３５ｎｍ〜９６５ｎｍの最も低い値では、この特定のスペクトルおよびセル温度において収集される電流密度が殆どなく、また、ＬＢＡＲバンドギャップがこの波長範囲内で代わりに吸収するように調整された場合には、太陽電池効率に関する利点は殆どない。
変成ＬＢＡＲの配列に起因する太陽電池の長波長応答の、多接合太陽電池における変成サブセルであってもよいその太陽電池の光生成電流密度を高めるための拡張は、一般に、典型的な入射スペクトル範囲および太陽電池温度範囲にわたって多接合太陽電池のサブセル間の電流バランスを最適化するために使用することができ、それにより、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって、多接合太陽電池の効率が高まるとともに、その製造可能性の容易さが向上し、および／または、その製造コストが低減する。中央サブセル、すなわち、セル２の空間電荷領域に２次元（２Ｄ）ＬＢＡＲを有する変成３接合太陽電池の特定の例が図１６に示されている。しかし、本発明の多接合セルにおけるサブセル間の電流バランスを最適化するための０次元（０Ｄ）変成ＬＢＡＲ、１次元（１Ｄ）変成ＬＢＡＲ、または、２次元（２Ｄ）変成ＬＢＡＲの原理であって、さもなければ容易に達成され得ない態様でその効率または性能を向上させるために、変成ＬＢＡＲが、デバイス、多接合太陽電池の変成上端サブセル、変成下端サブセル、または、他の変成サブセル、または、他の光電子デバイスの準中性領域内、または、他の領域内あるいは他の領域の組み合わせ内に配置される原理は、２接合太陽電池、並びに、４接合太陽電池、５接合太陽電池、６接合太陽電池、および、７以上の接合を有する太陽電池、並びに、他の光電子デバイスに適用することができる。
また、３Ｊ−ＭＷのケースでは、変成８％−Ｉｎ ＧａＩｎＡｓ中央セルベースのシフトされた格子定数またはその近傍の、交互に並ぶＡｌＧａＩｎＡｓ層とＧａＩｎＡｓ層とから構成されるブラッグ反射器が、中央セルの裏面に位置づけられてしまっており、この場合、ブラッグ反射層の厚さおよび組成は、変成中央セルベースの大部分のバンドギャップ直下の光子エネルギーに対応する波長の範囲にわたって、および、変成中央セルベースの空間電荷領域内のＬＢＡＲの配列によって最も強力に吸収される波長の範囲内で、高い反射を与えるように選択されており、それにより、光吸収およびキャリア光生成が望まれるＬＢＡＲを通じた光の光路長が増大する。図１６において、３Ｊ−ＭＷセルの特定のケースでは、１６周期にわたって交互に並ぶＡｌＧａＩｎＡｓ層とＧａＩｎＡｓ層とが使用され、それにより、低い屈折率と高い屈折率とが交互に入れ替わる層の積層体が形成されて、半導体層が弛緩された、貫通転位密度が低い、成長基板の格子定数とは異なる格子定数の変成ブラッグ反射器構造がもたらされる。変成ブラッグ反射器の層は、太陽電池ベースの裏面に位置づけられてもよい裏面電界（ＢＳＦ）層、変成バッファ層、および／または、トンネル接合層の構造中に組み込まれてもよく、それにより、ブラッグ反射層の一部または全部は、それらの光反射機能に加えて、太陽電池におけるこれらの機能を果たしてもよい。
本開示の特定の実施形態を例示目的で詳しく説明してきたが、本開示の思想および範囲から逸脱することなく、様々な変更および改良をなすことができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲によるのを除き、限定されるべきではない。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
ベース層と、
前記ベース層と電気的に接続するエミッタ層であって、前記エミッタ層と共に光起電力セルまたは他の光電子デバイスのｐ−ｎ接合を形成するエミッタ層と、
前記ベース層および前記エミッタ層のうちの一方または両方に配置される低バンドギャップ吸収領域と
を備える半導体デバイス。
（態様２）
前記低バンドギャップ吸収領域が、前記光起電力セルまたは前記光電子デバイスの前記ｐ−ｎ接合の片側の空間電荷領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様３）
前記低バンドギャップ吸収領域が、前記光起電力セルまたは前記光電子デバイスの前記ｐ−ｎ接合の片側の準中性領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様４）
前記低バンドギャップ吸収領域が、前記光起電力セルまたは前記光電子デバイスの前記ｐ−ｎ接合の片側の空間電荷領域および準中性領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様５）
前記低バンドギャップ吸収領域が、前記光起電力セルまたは前記光電子デバイスの前記ｐ−ｎ接合の両側の空間電荷領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様６）
前記低バンドギャップ吸収領域が、前記光起電力セルまたは前記光電子デバイスの前記ｐ−ｎ接合の両側の空間電荷領域および準中性領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様７）
前記低バンドギャップ吸収領域が前記ベース層の空間電荷領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様８）
前記低バンドギャップ吸収領域が前記エミッタ層の空間電荷領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様９）
前記低バンドギャップ吸収領域が前記ベースの準中性領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様１０）
前記低バンドギャップ吸収領域が前記エミッタ層の準中性領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様１１）
前記低バンドギャップ吸収領域が前記ベース層の空間電荷領域および準中性領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様１２）
前記低バンドギャップ吸収領域が前記エミッタ層の空間電荷領域および準中性領域に組み込まれている、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様１３）
前記低バンドギャップ吸収領域が２次元である、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様１４）
前記低バンドギャップ吸収領域が１次元である、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様１５）
前記低バンドギャップ吸収領域が０次元である、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様１６）
前記低バンドギャップ吸収領域が１つ以上の低バンドギャップ吸収領域を含んでいる、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様１７）
前記光起電力セルが１つ以上の小格子定数歪み補償領域を更に含んでいる、態様１６に記載の半導体デバイス。
（態様１８）
格子不整合形態を有している、態様１ないし態様１７のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様１９）
変成形態を有している、態様１ないし態様１７のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２０）
前記光起電力セルが多接合デバイスのサブセルである、態様１ないし態様１９のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２１）
１つ以上の裏面電界層を更に備えている、態様１ないし態様２０のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２２）
前記ベースがｐ型変成ＧａＩｎＡｓベースである、態様１ないし態様２１のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２３）
前記エミッタがｎ型ＧａＩｎＡｓエミッタである、態様１ないし態様２２のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２４）
１つ以上の前記低バンドギャップ吸収領域が前記ベースまたは前記エミッタよりも低いバンドギャップを有している、態様１ないし態様２３のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２５）
１つ以上の前記低バンドギャップ吸収領域および１つ以上の前記小格子定数歪み補償領域が前記ベースまたは前記エミッタよりも低いバンドギャップを有している、態様１ないし態様２３のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２６）
前記ベースが秩序化されている、態様１ないし態様２５のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２７）
前記ベースが無秩序化されている、態様１ないし態様２５のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２８）
前記ベースには秩序化および無秩序化の両方がなされている、態様１ないし態様２５のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様２９）
前記光起電力セルが３接合デバイスの中央サブセルである、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様３０）
前記光起電力セルが多接合デバイスの上端サブセルである、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様３１）
前記光起電力セルが多接合デバイスの下端サブセルである、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様３２）
前記光起電力セルは、上端サブセルと下端サブセルとの間に位置づけられる多接合デバイスのサブセルである、態様１に記載の半導体デバイス。
（態様３３）
基板を更に含み、１つ以上の更なるセルが、前記基板の前記ベース層とは反対側で成長される、態様１ないし態様３２のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様３４）
前記セルが逆成長される、態様１ないし態様３３のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
（態様３５）
態様１ないし態様３４のいずれか１項に記載の格子不整合半導体デバイスまたは変成半導体デバイスを形成する方法であって、
半導体デバイスのベース、エミッタ、またはベースおよびエミッタに１つ以上の低バンドギャップ吸収領域を形成することを含む方法。
（態様３６）
前記１つ以上の低バンドギャップ吸収領域に隣接する１つ以上の小格子定数歪み補償領域を形成することを更に含む態様３５に記載の方法。

Claims (12)

  1. 少なくとも１つのサブセルを備える半導体デバイスであって、前記半導体デバイスが格子不整合形態または変成形態を有しており、前記少なくとも１つのサブセルが、
    ベース層と、
    前記ベース層と電気的に接続するエミッタ層であって、前記ベース層と共に光起電力セルまたは他の光電子デバイスのｐ−ｎ接合を形成するエミッタ層と、
    前記ベース層に配置される低バンドギャップ吸収領域と
    を備え、
    前記低バンドギャップ吸収領域が、前記ベース層の準中性領域に組み込まれており、
    前記低バンドギャップ吸収領域が、周りの半導体層よりも高い光生成および低いバンドギャップを有し、
    前記低バンドギャップ吸収領域が、前記半導体デバイスの平均格子定数よりも小さい格子定数と大きい格子定数とが交互に入れ替わる格子定数を有する伸張性および圧縮性がある領域を形成し、前記低バンドギャップ吸収領域が基板に対して格子不整合または変成である、半導体デバイス。
  2. 前記低バンドギャップ吸収領域が２次元、１次元または０次元である、請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. 前記少なくとも１つのサブセルが１つ以上の低バンドギャップ吸収領域を含んでいる、請求項１に記載の半導体デバイス。
  4. 前記光起電力セルが多接合デバイスのサブセルである、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  5. １つ以上の裏面電界層を更に備えている、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  6. 前記ベースがｐ型変成ＧａＩｎＡｓベースである、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  7. 前記エミッタがｎ型ＧａＩｎＡｓエミッタである、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  8. 前記低バンドギャップ吸収領域が前記ベースまたは前記エミッタよりも低いバンドギャップを有している、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  9. 前記少なくとも１つのサブセルが３接合デバイスの中央サブセルである、請求項１に記載の半導体デバイス。
  10. 前記少なくとも１つのサブセルが多接合デバイスの上端サブセル、下端サブセル、または上端サブセルと下端サブセルとの間に位置づけられるサブセルである、請求項１に記載の半導体デバイス。
  11. 基板を更に含み、１つ以上の更なるセルが、前記基板の前記ベース層とは反対側で成長される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の半導体デバイスを形成する方法であって、
    半導体デバイスのベースの準中性領域に１つ以上の低バンドギャップ吸収領域を形成することを含む方法。
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