TW202114242A - 具有梯度摻雜之稀氮化物光學吸收層 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示具有梯度摻雜分佈之稀氮化物光學吸收器材料。該等材料可用於光偵測器及光伏打電池中。具有梯度摻雜之稀氮化物子電池呈現提高的效率、短路電流密度及開路電壓。

Description

具有梯度摻雜之稀氮化物光學吸收層
本發明領域係關於具有梯度摻雜分佈之稀氮化物光學吸收器材料。該等材料可用於光偵測器及光伏打電池中。具有梯度摻雜之稀氮化物子電池呈現提高的效率、短路電流密度及開路電壓。
本發明係關於包含稀氮化物材料之化合物半導體合金，及該等材料作為用於光偵測器、光伏打或太陽能電池及功率轉換器之光學吸收層的用途，且尤其係關於其中稀氮化物材料之至少一部分(諸如光伏打電池中之稀氮化物子電池的基極區)具有梯度摻雜分佈的稀氮化物材料。具有梯度摻雜分佈之稀氮化物材料允許諸如光伏打電池的器件在廣泛之輻照能量範圍內呈現提高的量子效率。
III-V化合物半導體材料廣泛用於製作諸如光發射器、調製器之半導體光電器件及用於多種應用的偵測器。能夠吸收及偵測光之器件可用作通信系統中之光偵測器，用作功率轉換器，以及用作串疊型太陽能電池及多接面太陽能電池中的光伏打電池。用於此類器件之半導體材料的能隙經選擇以(1)有效吸收與特定應用相關之入射輻射的特定波長，且(2)將經吸收之光儘可能有效地轉換為電流、電壓及/或能量。就電信波長下操作之光偵測器而言，材料可經選擇以有效吸收在約1.3 µm與1.55 µm之間的波長。太陽能電池為經設計以有效吸收太陽輻射之光偵測器類型。
多接面(MJ)太陽能電池可使用具有不同能隙之不同半導體材料的堆疊形成，該等不同能隙經選擇以提高在太陽光譜內之吸收效率。器件經典型地製作於GaAs或Ge基板上。選擇具有適當能隙之材料，且特定言之具有大致1 eV之能隙的材料導致具有不同晶格常數之材料需要整合在一起，其中使用變質緩衝器來實現此整合。然而，使用變質緩衝器需要較厚半導體層，且可能基於不同半導體材料之間的晶格失配而將缺陷(諸如差排)引入至材料中。因對於具有更進一步不同的晶格常數之物質組成將出現額外能隙，故亦極難在器件內包括更多接面。其他因素相同，因晶格匹配系統具有經證實之可靠度，且需要比變質太陽能電池更少的半導體材料，故晶格匹配系統為較佳的。
稀氮化物為具有較小氮分數(例如＜5原子百分比)之III-V合金材料(具有來自週期表上第III族之一或多種元素以及來自週期表上第V族之一或多種元素的合金)的類別。因此等合金之能隙可調節在約0.7 eV與1.3 eV之間，同時晶格匹配或準晶應變至諸如GaAs或Ge之下伏基板，故此等合金對於包括電信、功率轉換及太陽能電池的應用受到特別關注。此使得有可能將具有大致1 eV能隙之晶格匹配稀氮化物材料整合至具有實質性效率提高之多接面太陽能電池中。
GaInNAs、GaNAsSb及GaInNAsSb為已經研究作為潛在適用於多接面太陽能電池之稀氮化物材料中的一些(見例如A. J. Ptak等人，Journal of Applied Physics 98 (2005) 094501及Yoon等人，Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2009 34th IEEE，第76至80頁，2009年6月7日至12日；doi: 10.1109/PVSC.2009.5411736)。此外，使用四接面GaInP/GaAs/稀氮化物/Ge太陽能電池結構擁有效率超過標準變質及晶格匹配三接面電池之效率(其目前為高效多接面電池效能之基準)的前景。(Friedman等人，Progress in Photovoltaics: Research and Applications 10 (2002)，331)。為使彼前景成為現實，需要一種與具有接近1 eV之能隙的GaAs及Ge晶格匹配，且以足以使多接面太陽能電池中之(Al)InGaP與(In)GaAs子電池匹配的電流產生大於0.3 V之開路電壓的材料。應注意，用於陸地用途之多接面太陽能電池經整合至聚光型光伏打系統中。此系統採用由碟式反射器或菲涅爾(Fresnel)透鏡組成的將日光聚集至太陽能電池上之聚光光學件。有可能聚光器之光學件可減弱在特定波長範圍內的光，此對稀氮化物子電池可為不利的。因此最重要的係在稀氮化物子電池中產生較高電流，因而歸因於聚光器光學件之任何損耗皆不抑制多接面太陽能電池的效能。
在多接面太陽能電池中，典型地使用將個別子電池彼此連接的穿隧接面二極體將子電池中之每一者串聯附接至其他子電池。因由子電池之全部堆疊產生的總電流必須穿過所有子電池，故傳遞最少電流量之子電池對於整個堆疊而言將為電流限制性電池，亦即效率限制性電池。因此，最重要的係各子電池與堆疊中之其他子電池電流匹配以得到最佳效率。此在將使用稀氮化物子電池時為尤其重要的，此係因為稀氮化物半導體材料在歷史上已受到少數載流子運輸特性不佳的困擾，此證明在併入至較大太陽能電池中時為不利的。
雖然稀氮化物合金具有使其適用於多接面結構之其他特性，特定言之，藉以使其能隙及晶格常數可作為其設計之部分進行微調的可撓性，但相較於用於習知多接面太陽能電池之習知太陽能電池半導體(諸如GaAs及InGaP)的情況，此等子電池之少數載流子壽命及擴散長度典型地更糟，因此導致短路電流、開路電壓或兩者之損耗。此外，稀氮化物子電池之背表面場與基極之間的界面可具有高表面複合速度，此可進一步減小子電池之短路電流及開路電壓。歸因於此等問題，稀氮化物子電池中產生之光電流典型地低於更傳統的材料。(D.B. Jackrel等人，Journal of Applied Physics 101 (114916) 2007)。
太陽能電池中之摻雜物變化為眾所周知的。參見M.A. Green,Progress in Photovoltaics: Research and Applications 17 (2009)。美國專利第7,727,795號為在太陽能電池結構之部件中使用指數摻雜之太陽能電池設計的一實例，該太陽能電池結構顯然用於生長在反轉變質及晶格失配結構中之多接面太陽能電池。然而，歸因於稀氮化物之異常特性，不建議稀氮化物子電池之應用，且該應用並不顯而易見。稀氮化物為一種新穎類別之材料，其通常展現與傳統半導體合金中所見不同的行為。舉例而言，與傳統半導體相比，稀氮化物中作為合金組成之函數的能隙彎曲(bandgap bowing)極為不同(例如Wu等人，Semiconductor Science and Technology 17, 860 (2002))。同樣，用於諸如GaAs及InGaP之傳統半導體的標準摻雜物及摻雜分佈在稀氮化物半導體中不產生相當的特性。舉例而言，稀氮化物中之摻雜物併入具有異常行為。Yu等人之論文報導，當稀氮化物薄膜經Si重度摻雜時，Si與N相互鈍化彼此之電子活性(Yu等人App. Phys. Lett. 83, 2844 (2003))。類似地，Janotti等人(Phys. Rev. Lett. 100, 045505 (2008))提出，母化合物GaAs及GaN中之n 型摻雜及p 型摻雜的物理學為公認的，而GaAs1-x N x 中之摻雜研究得很少，且GaAs1-x N x 合金中之外源摻雜物與N之間的相互作用可導致全新的現象。其亦指出，在高於800℃之溫度下對Si摻雜稀(In)GaAsN合金進行快速熱退火導致電阻率的急劇增加。歸因於與摻雜分佈及最終結果相關聯之不確定性，且歸因於稀氮化物之獨有特性，可如何將其中所教示之概念併入至採用具有經歷受控摻雜之部分的稀氮化物元素之太陽能電池中對於一般熟習此項技術者並不顯而易見。此外，由於難以摻雜稀氮化物合金，該文獻教示稀氮化物合金不應在併入至太陽能電池結構中時經摻雜(亦即應為本質的)，以增強電流收集(例如Ptak等人，J. Appl. Phys. 98, 094501 (2005)；Volz等人，J. Crys. Growth 310, 2222 (2008))，且增加少數載流子壽命(Tukiainen等人，J. Green Eng. 5,113-132 (2016)。實際上，該文獻教示在稀氮化物太陽能電池之基極中使用摻雜會導致效能減小。
眾所周知，如先前論述，稀氮化物電池被認為具有顯著缺點，使得其併入至多接面太陽能電池中將導致此太陽能電池之效率的實質性損耗，因此使得稀氮化物電池比其他類型之材料在商業上更不引人注目。期望在不伴隨短路電流、開路電壓或兩者之損耗的情況下提高基於稀氮化物之子電池中的電流收集。
根據本發明，具有基於稀氮化物之光學吸收層(諸如太陽能電池之基極區)之晶格匹配光電器件(諸如光偵測器或太陽能電池)在稀氮化物層之全部或部分中具有梯度摻雜分佈，梯度摻雜分佈經定義為其中摻雜物之濃度自該層之頂部至底部或在該層之部分內增加或減小的摻雜分佈，其中頂部及底部相對於光電器件在操作中之定向來定義，頂部最接近於輻射源。
稀氮化物基極或光學吸收器層可具有在0.7 eV至1.3 eV或0.9 eV至1.25 eV之範圍內的能隙。稀氮化物基極或光學吸收器層可包含GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi或GaNAsSbBi合金，且可包含n型摻雜物或p型摻雜物。
光電器件可為具有至少一個基於稀氮化物之子電池的太陽能電池。基於稀氮化物之子電池包括具有比面向入射光之稀氮化物區之能隙更大的能隙的發射極層，能隙小於該發射極之能隙的在該發射極層之下的稀氮化物基極區，隨後為具有比該稀氮化物區更大能隙的上覆於基板之背表面場。該發射極、基極及背表面場中之每一者可與諸如GaAs或Ge基板之基板晶格匹配。Ge基板可包括(Si,Sn)Ge材料。稀氮化物基極可具有其中在稀氮化物基極-背表面場界面處之摻雜物濃度高於在發射極-稀氮化物基極界面處之摻雜物濃度的摻雜分佈。與未經摻雜或經本質摻雜之稀氮化物子電池相比，經摻雜稀氮化物子電池呈現改善的特性。
(In)GaAs發射極可上覆於稀氮化物基極，該稀氮化物基極可上覆於(In)GaAs背表面場，且(In)GaAs背表面場可上覆於p型GaAs或p型Ge基板。(In)GaAs發射極可摻雜有n型摻雜物，諸如Si、Te或Se或前述任一者之組合。稀氮化物基極可包括第一基極部分及第二基極部分。第一基極部分可自稀氮化物基極與(In)GaAs發射極之間的界面延伸至第一基極部分與第二基極部分之間的界面。第一基極部分可經本質摻雜。第二基極部分可包含自第二基極部分與第一基極部分之間的界面至第二基極部分與(In)GaAs背表面場之間的界面以指數或線性方式增加之摻雜物濃度。第二基極部分可包含p型摻雜物，諸如Be、C、Zn或前述任一者之組合。
在本發明之另一實施例中，(In)GaAs發射極上覆於稀氮化物基極，該稀氮化物基極上覆於在n型GaAs或Ge基板上之(In)GaAs背表面場。(In)GaAs發射極可摻雜有Be、C、Zn或前述任一者之組合。稀氮化物基極包含第一基極部分及第二基極部分。第一基極部分自其與(In)GaAs發射極之界面延伸至其與第二基極部分之界面，且可經本質摻雜。第二基極部分包含自其與該第一基極部分之界面至其與(In)GaAs背表面場之界面以指數或線性方式增加的摻雜物濃度。第二基極部分中之摻雜物可包含Si、Te、Se或前述任一者之組合。
在本發明之另一個實施例中，(In)GaAs發射極上覆於稀氮化物基極，該稀氮化物基極上覆於在n型GaAs或n型Ge基板上之(In)GaAs背表面場。(In)GaAs發射極摻雜有Be、C、Zn或前述任一者之組合。稀氮化物基極藉由自其與(In)GaAs發射極之界面至其與(In)GaAs背表面場之界面的摻雜物濃度之增加來表徵。稀氮化物基極中之摻雜物可包含Si、Te或Se或前述任一者之組合。稀氮化物基極可藉由線性或指數的摻雜分佈來表徵，且(In)GaAs發射極可藉由恆定的摻雜分佈表徵。
在本發明之另一個實施例中，(In)GaAs發射極上覆於稀氮化物基極，該稀氮化物基極上覆於在p型GaAs或p型Ge基板上之(In)GaAs背表面場。(In)GaAs發射極可摻雜有Si、Te、Se或前述任一者之組合。稀氮化物基極藉由自其與(In)GaAs發射極之界面至其與(In)GaAs背表面場之界面的摻雜物濃度之增加來表徵。稀氮化物基極中之摻雜物可包含Be、C、Zn或前述任一者之組合。稀氮化物基極及(In)GaAs發射極可藉由線性或指數的摻雜分佈來表徵，且(In)GaAs發射極可藉由恆定的摻雜分佈來表徵。
晶格匹配之多接面太陽能電池可具有上部子電池、中間子電池及下部稀氮化物子電池，該下部稀氮化物子電池在基極及/或發射極中具有梯度摻雜以便改善其太陽能電池效能特性。在建構中，稀氮化物子電池可具有最低能隙，且與基板晶格匹配；中間子電池相較於稀氮化物子電池典型地具有更高的能隙，且與稀氮化物子電池晶格匹配。上部子電池典型地具有最高能隙，且與相鄰子電池晶格匹配。在其他實施例中，根據本發明之多接面太陽能電池可包含四個、五個或更多個子電池，其中一或多個子電池可各自含有具有梯度摻雜分佈之稀氮化物合金。
光電器件可為具有帶梯度摻雜分佈之稀氮化物光學吸收器層的光偵測器。稀氮化物光學吸收器可定位於具有第一摻雜類型之較高能隙材料的第一層與具有第二摻雜類型之較高能隙材料的第二層之間，該第二摻雜類型與形成p-i-n (或n-i-p)結構之該第一摻雜類型相反。
在一個實施例中，器件為光偵測器，且稀氮化物層之摻雜分佈經選擇以具有兩個子區，其中更接近於上覆較寬能隙層之子區未使用摻雜或均一摻雜，且另一子區中使用梯度摻雜。
全部此等實施例共有的係稀氮化物子電池之基極及/或發射極或光偵測器之稀氮化物吸收層中之摻雜之總效能與豎直分佈之間的顯著函數關係。摻雜濃度可經選擇以具有位置相依性，其中相依性作為基極或發射極中豎直位置之函數而變化。藉助於一實例，摻雜可經設計以在基極中自頂部至底部以線性或指數方式增加。以數學術語陳述，摻雜濃度「d 」具有函數相依性，使得d=F(x) (亦即摻雜為位置之函數)，其中x 為在基極及或發射極中之豎直位置，以使得x 在發射極/基極接面處為零，且增大與此接面之距離。摻雜之方式及分佈(亦即函數F)經選擇以提高且最終最佳化將以其他方式存在於稀氮化物層中之短路電流及開路電壓。因此，本發明提供一種晶格匹配之多接面太陽能電池，該晶格匹配之多接面太陽能電池含有一或多個稀氮化物子電池，且與不具有此摻雜分佈之多接面太陽能電池相比具有增強的效率。
在本發明之一個實施例中，器件為太陽能電池，且稀氮化物層之摻雜分佈在太陽能電池之基極中變化，以使得摻雜分佈在發射極基極接面處最少且遠離發射極基極接面而增加。該增加之精確分佈函數經選擇以獲得稀氮化物子電池之最大電流及電壓增強。
在另一實施例中，器件為太陽能電池，且稀氮化物層之摻雜分佈經選擇以在基極中具有兩個子區，其中更接近於發射極-基極接面之子區未使用摻雜或均一摻雜，且另一子區中使用梯度摻雜。
將參考以下詳細描述結合隨附圖式更佳地理解本發明。
本申請案為2015年11月6日申請的美國申請案第14/935,145號(目前已受許)之部分接續案，該美國申請案為2010年10月28日申請的美國申請案第12/914,710號之接續案，經發佈為美國專利第9,214,580號；且本申請案為2017年5月15日申請的美國申請案第15/595,391號之部分接續案，該美國申請案主張2016年5月23日申請的美國臨時申請案第62/340,294號之35 U.S.C. § 119(e)的權益，該等申請案中之每一者以全文引用的方式併入。
因晶格常數可實質上變化以匹配廣泛範圍的由除稀氮化物以外之半導體材料形成之基板及/或子電池，故稀氮化物半導體材料作為光伏打電池材料為有利的。稀氮化物亦有利於形成於GaAs基板上之光偵測器，允許在高達約1.6 µm的典型地使用形成於(更易碎且更昂貴的)InP基板上之InGaAs材料吸收之擴展波長下的光學吸收。稀氮化物之實例包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi及GaNAsSbBi。稀氮化物之晶格常數及能隙可受不同的第IIIA族及第VA族元素之相對分數控制。因此，藉由調整稀氮化物材料之組成(亦即元素及量)，可獲得廣泛範圍之晶格常數及能隙。此外，可藉由最佳化關於特定晶格常數及能隙之組成，同時將總Sb及/或Bi含量例如限制於不超過第V族晶格位點之20%，諸如不超過第V族晶格位點之10%而獲得高品質材料。咸信Sb及Bi充當促進III-AsNV稀氮化物合金之光滑生長形態的界面活性劑。另外，Sb及Bi可有助於N之均一併入，且使氮相關缺陷的形成降至最低。Sb及Bi之併入可提高總氮併入且減小合金能隙。然而，存在由Sb及Bi形成之額外缺陷，且因此需要Sb及/或Bi之總濃度應限制於不超過第V族晶格位點之20%。此外，對Sb及Bi含量之限制隨氮含量減小而減小。因In可減少調整晶格常數所需之Sb量，故包括In之合金可對總含量具有甚至更低的限制。對於包括In之合金，總Sb及/或Bi含量可限制於不超過第V族晶格位點之5%，在某些實施例中，限制於不超過第V族晶格位點之1.5%，且在某些實施例中，限制於不超過第V族晶格位點之0.2%。舉例而言，當與在0.08≤x≤0.18、0.025≤y≤0.04及0.001≤z≤0.03之組成範圍內的GaAs或Ge基板實質上晶格匹配時，揭示於美國申請公開案第2010/0319764號中之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 可產生高品質材料，其中能隙為至少0.9 eV，諸如0.9 eV至1.25 eV。
在由本發明所提供之稀氮化物的某些實施例中，N組成不超過第V族晶格位點之5.5%。在某些實施例中，N組成不超過4%，且在某些實施例中，不超過3.5%。
本發明之實施例包括稀氮化物光學吸收層，其包含包括於光偵測器或稀氮化物子電池之基極層中之GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsBiSb，該稀氮化物子電池可併入至以高效率執行之多接面光伏打電池中。稀氮化物之能隙可藉由在控制Sb及/或Bi之總含量時改變組成來調整。因此，可製作具有適用於與其他子電池整合之能隙的稀氮化物子電池，同時維持與其他子電池中之每一者及基板的實質性晶格匹配。能隙及組成可經調整以使得由稀氮化物子電池產生之短路電流密度將與光伏打電池中的其他子電池中之每一者的短路電流密度相同或略微大於該短路電流密度。因稀氮化物提供高品質、晶格匹配且能隙可調的子電池，故包含稀氮化物子電池之光伏打電池可達成高轉換效率。效率之增加很大程度上歸因於較少光能以熱量形式損耗，此係因為額外子電池允許更多入射光子由具有更接近於入射光子之能量的能隙之半導體材料吸收。另外，歸因於較低操作電流，與其他光伏打電池相比，在此等多接面光伏打電池中將存在較低串聯電阻損耗。在較高日光濃度下，減少的串聯電阻損耗變得更明顯。視底部子電池之能隙而定，在太陽能光譜中收集較寬範圍之光子亦可促成增加的效率。
在一些實施例中，諸如光伏打電池之基極的GaInNAsSb光學吸收層可包含x、y及z值為0.03≤x≤0.19、0.008≤y≤0.055且0.001≤z≤0.05的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 及在0.9 eV至1.25 eV之範圍內之能隙。在一些實施例中，GaInNAsSb光學吸收層可具有x、y及z值為0.06≤x≤0.09、0.01≤y≤0.03且0.003≤z≤0.02之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 組成，且可具有在1 eV至1.16 eV之範圍內的能隙。在一些實施例中，GaInNAsSb光學吸收層可具有x、y及z值為0.12≤x≤0.14、0.025≤y≤0.035且0.005≤z≤0.015之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 組成，且可具有約0.96 eV之能隙。在一些實施例中，用於光伏打電池之子電池之基極層的GaInNAsSb光學吸收層可具有x、y及z值為0.11≤x≤0.15、0.025≤y≤0.04且0.003≤z≤0.015之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 組成，且可具有在0.95 eV至0.98 eV之範圍內的能隙。在一些實施例中，GaInNAsSb子電池可藉由在25℃之接面溫度下使用1日光AM1.5D光譜量測的等於或大於0.55 V之Eg/q-Voc來表徵。在一些實施例中，GaInNAsSb子電池可藉由在25℃之接面溫度下使用1日光AM1.5D光譜量測的0.4 V至0.7 V之Eg/q-Voc來表徵。藉由揭示於此段落中之合金組成及能隙表徵的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可展現圖32中呈現之效率。此等Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在一定輻照能量範圍內展現大於70%及/或大於80%之高效率。
在一些實施例中，GaInNAsBi光學吸收層可包含x、y及z值為0.03≤x≤0.19、0.008≤y≤0.055且0.001≤z≤0.015的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Biz ，且可具有在0.9 eV至1.25 eV之範圍內的能隙。在一些實施例中，GaInNAsBi光學吸收層可包含x、y及z值為0.06≤x≤0.09、0.01≤y≤0.03且0.001≤z≤0.002的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Biz ，且可具有在1 eV至1.16 eV之範圍內的能隙。在一些實施例中，GaInNAsBi光學吸收層可包含x、y及z值為0.12≤x≤0.14、0.025≤y≤0.035且0.001≤z≤0.005的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Biz ，且可具有約0.96 eV之能隙。在一些實施例中，GaInNAsBi光學吸收層可包含x、y及z值為0.11≤x≤0.15、0.025≤y≤0.04且0.001≤z≤0.005的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Biz ，且可具有在0.95 eV至0.98 eV之範圍內的能隙。在一些實施例中，GaInNAsSbBi光學吸收層可包含x、y、z1及z2值為0.03≤x≤0.19、0.008≤y≤0.055且0.001≤z1+z2≤0.05的Ga1-x Inx Ny As1-y-z1-z2 Sbz1 Biz2 ，且可具有在0.9 eV至1.25 eV之範圍內的能隙。在一些實施例中，GaInNAsSbBi光學吸收層可包含x、y、z1及z2值為0.06≤x≤0.09、0.01≤y≤0.03且0.001≤z1+z2≤0.02的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz1 Biz2 ；且可具有在1 eV至1.16 eV之範圍內的能隙。在一些實施例中，GaInNAsSbBi光學吸收層可包含x、y、z1及z2值為0.12≤x≤0.14、0.025≤y≤0.035且0.001≤z1+z2≤0.015的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz1 Biz2 ，且可具有約0.96 eV之能隙。在一些實施例中，GaInNAsSbBi光學吸收層可包含x、y、z1及z2值為0.11≤x≤0.15、0.025≤y≤0.04且0.001≤z1+z2≤0.015的Ga1-x Inx Ny As1-y-z1-z2 Sbz1 Biz2 ，且可具有在0.95 eV至0.98 eV之範圍內的能隙。
由本發明所提供之稀氮化物子電池可經製作以提供高效率。視稀氮化物太陽能電池之能隙而定，高效率表示相對於0.95 eV與1.38 eV之間(波長自1300 nm至900 nm)的至少一部分入射光子能量大於70%、大於80%或大於90%之效率。有助於提供高效率稀氮化物子電池之因素包括例如個別子電池的能隙(其轉而視子電池之半導體組成而定)、摻雜水準及摻雜分佈、子電池之厚度、晶格匹配之品質、缺陷密度、生長條件、退火溫度及分佈、雜質含量及半導體合金電子特性，諸如再結合速度、擴散長度、壽命及其他特性。
本發明之實施例包括摻雜有元素雜質且經設計用於併入至多接面光伏打電池中之稀氮化物子電池。在由本發明所提供之某些實施例中，可使用分子束磊晶法(MBE)及/或化學氣相沈積(CVD)來製作半導體層。歸因於子電池之稀氮化物基極及/或發射極內的特定摻雜/雜質分佈(亦即一或多種元素摻雜物/雜質之經調整豎直分佈)，本發明之某些實施例呈現提高的效能特性。歸因於不同元素之間的相互作用以及諸如層中之應力的因素，稀氮化物之組成與能隙之間的關係不為組成之簡單函數。因組成在稀氮化物材料系統內變化，故需要修改生長條件。舉例而言，對於(Al,In)GaAs，生長溫度將隨Al之分數增加而增加，且隨In之分數增加而減小，以便維持相同材料品質。因此，因多接面光伏打電池之稀氮化物材料或其他子電池的組成變化，故必須相應地調節生長溫度以及其他生長條件。在MBE或CVD生長之後施加至稀氮化物之熱劑量亦影響能隙與組成之間的關係，該熱劑量受針對給定持續時間所施加之熱量強度(例如針對在10秒至10小時之間的持續時間施加600℃至900℃之溫度)控制。此熱退火步驟可在包括以下之氛圍中執行：空氣、氮氣、砷、胂、磷、膦、氫氣、合成氣體、氧氣、氦氣及前述材料之任何組合。一般而言，能隙隨熱退火參數變化而變化。此對摻雜分佈亦成立。摻雜物之存在進一步使對元素、生長參數及熱退火條件之最佳組合的判定複雜化，該最佳組合將產生具有摻雜物之特定能隙及豎直分佈之合適的高效率子電池。
摻雜在子電池之發射極-基極接面處引入除內建式電場以外之電場。由子電池結構中之光伏打效應產生的少數載流子受此額外電場影響，從而影響電流收集。對稀氮化物基極層中之摻雜分佈之定位可經設計以產生最佳化額外電場，該最佳化額外電場將少數載流子推送至接面之前部，從而產生高再結合速度及少數載流子收集的實質性提高。本發明描述歸因於梯度摻雜而具有提高的效能特性之稀氮化物子電池，其中摻雜物濃度隨子電池之豎直軸而變化。摻雜分佈可能並不恆定，但可為線性、指數的，或具有對位置之其他相依性，從而對電場產生不同影響。當具有梯度摻雜之稀氮化物子電池與具有本質摻雜(亦即未經摻雜)之較寬均一區的習知光伏打子電池相比時，針對增強的載流子收集(對使用習知半導體材料進行研究之公認最佳實踐)，梯度摻雜稀氮化物子電池，且特定言之經指數摻雜之稀氮化物子電池展現優良的效能特性。當與稀氮化物基極之摻雜結合使用時，位置相依性摻雜亦可應用於發射極，從而進一步增加子電池之電流收集。
各種度量值可用以表徵稀氮化物子電池之品質，包括例如Eg/q-Voc、在一定輻照能量範圍內之效率、開路電壓Voc及短路電流密度Jsc。可對具有厚度在1 µm至4 µm之範圍內的稀氮化物基極層之子電池量測開路電壓Voc及短路電流密度Jsc。熟習此項技術者可理解如何將針對具有特定稀氮化物基極厚度之子電池所量測的開路電壓Voc及短路電流密度Jsc外推至其他子電池厚度。Jsc及Voc為分別來自光伏打電池之最大電流密度及電壓。然而，在此等操作點中之兩者處，來自光伏打電池之功率為零。填充因子(FF)為與Jsc及Voc結合決定來自光伏打電池之最大功率的參數。FF經定義為由光伏打電池產生之最大功率與Voc及Isc之乘積的比率。圖解地，FF為光伏打電池之「方正度」的量度，且亦為將在IV曲線內擬合之最大矩形的面積。梯度摻雜子電池具有提高的Jsc、Voc及FF值。
圖1、圖2及圖3展示包括上覆於基板之稀氮化物光學吸收層之器件的橫截面實例。在圖1中，器件包括基板102。對於光偵測器及光伏打電池，基板典型地為GaAs或Ge，但亦可使用包括(Si,Sn)Ge、InP及GaSb之其他基板。背表面場或障壁層104上覆於基板層102。層104包括(In)GaAs，其具有比上覆稀氮化物光學吸收層106更大的能隙。當器件為光伏打電池時，層104通常稱為背表面場層。稀氮化物光學吸收層106上覆於層104。可用於稀氮化物基極之稀氮化物合金的實例包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi及GaNAsSbBi。在某些實施例中，稀氮化物光學吸收層包含GaInNAsSb，且在某些實施例中，包含GaInNAsSbBi。在一些實施例中，稀氮化物光學吸收層106之厚度在1,000 nm與3,000 nm之間。在一些實施例中，層106之厚度在1,000 nm與2,000 nm之間。當用作光伏打電池中之層時，光吸收層106稱為基極層。障壁或發射極層108上覆於稀氮化物光學吸收層106，且包括具有比下伏稀氮化物光學吸收層106更大能隙(In)之GaAs。當用作光伏打電池中之層時，層108稱為發射極。在一些實施例中，層108之厚度在50 nm與600 nm之間。在本發明之一些實施例中，層108之厚度在100 nm與200 nm之間，或在200 nm與500 nm之間。
形成子電池或光偵測器之各層的厚度可變化以便最佳化子電池之電流及電壓輸出或由光偵測器產生之光電流。此對於稀氮化物基極層106之最佳厚度尤其成立，其中因厚度一定隨變化的元素組成而變化，故最佳厚度對於每種類型之稀氮化物合金有所不同。稀氮化物基極106及(In)GaAs發射極108可具有線性、指數或恆定的摻雜分佈。在一些實施例中，稀氮化物基極106中之摻雜物濃度自(In)GaAs發射極108至(In)GaAs背表面場104以線性或指數方式增加。在一些實施例中，(In)GaAs發射極108具有恆定摻雜分佈。
在一些實施例中，諸如圖2中所展示之器件200，摻雜物濃度在稀氮化物基極206b之第一部分中恆定，且在稀氮化物基極206a之第二部分中自(In)GaAs發射極208至(In)GaAs背表面場204以線性或指數方式增加。使用稀氮化物子電池作為一實例，器件200可包含具有在50 nm至600 nm之範圍內之厚度的n型(In)GaAs發射極208、具有0 nm至1,000 nm或300 nm至700 nm之範圍內之厚度且由本質(或非有意)摻雜或恆定摻雜水準表徵的第一基極部分206b、具有400 nm至3,500 nm或1000 nm至2000 nm之範圍內之厚度的p摻雜第二基極部分206a，及p型(In)GaAs背表面場層204。稀氮化物子電池可上覆於p型Ge或p型GaAs基板202。稍後將進一步詳細描述摻雜物類型及摻雜分佈。
在圖3中，器件300類似於器件200。使用稀氮化物子電池作為一實例，該稀氮化物子電池可具有n型Ge或GaAs 基板302。n型(In)GaAs背表面場304上覆於基板。具有在1,000 nm與3,500 nm之間或在1,000 nm與2,000nm)之間的厚度之稀氮化物基極層306上覆於(In)GaAs背表面場304。具有在50 nm與600 nm之間或在200 nm與500 nm之間或在100 nm與200 nm之間的厚度之(In)GaAs發射極層308形成稀氮化物子電池之頂層。稍後將進一步詳細描述摻雜物類型及摻雜分佈。
圖4表示一例示性情況，其中如自發射極-基極接面所量測，稀氮化物子電池之基極3及發射極2的摻雜對位置具有線性梯度相依性或指數梯度相依性。可獲得使用此等例示性情況的多個排列，包括具有線性摻雜之發射極及具有指數摻雜之基極，且反之亦然。典型地，摻雜(亦即雜質濃度)將實質上處於1 × 1015 /cm3 與1 × 1019 /cm3 之間，其中最低摻雜水準最接近於發射極-基極接面(2-3)，最高摻雜水準最遠離發射極-基極接面(1-2)及/或(3-4)。在此實施例中，此摻雜之位置相依性在發射極-基極接面2-3處引入除內建式電場以外的電場。由光伏打效應在圖4中展現之子電池結構中產生的少數載流子將受此電場影響。摻雜之精確分佈可變化以引入最佳化場以用於少數載流子收集之實質性提高。與具有均一摻雜之太陽能電池相比，已經判定此內部場提高太陽能電池之電流及/或電壓。本發明判定，在稀氮化物型電池中，與使用較寬本質(亦即未經摻雜)區來增強載流子收集之先前公認的最佳實踐相比，因梯度摻雜產生較高短路電流、較高開路電壓及較佳填充因子，故梯度摻雜為有利的。
在表徵摻雜分佈中，恆定摻雜分佈係指經有意摻雜以在層之厚度中具有一定濃度之摻雜物的半導體層。舉例而言，諸如(In)GaAs發射極層之半導體層可摻雜有例如在標稱濃度之1%內、5%內或10%內的p型摻雜物。恆定摻雜濃度係指在層之厚度中自標稱摻雜物濃度變化小於1%、小於5%或小於10%的摻雜濃度。對於恆定摻雜分佈，可預期目標摻雜濃度仍可因實驗條件而變化。指數摻雜分佈藉由在層或層之部分中的摻雜物濃度來表徵，該摻雜物濃度自起始摻雜物濃度以指數方式增加至最終摻雜物濃度。指數摻雜物濃度可在層中增加一個、兩個或在某些實施例中三個數量級。同樣，指數摻雜物濃度可因實驗條件而偏離真實指數分佈。線性摻雜分佈係指在層之厚度中線性增加的摻雜分佈。
熟習此項技術之從業者理解，可在光伏打電池中併入或省略其他類型的層以形成功能器件，且此處不詳細描述該等層。簡言之，此等其他類型的層包括例如防護玻璃、抗反射塗層、接觸層、前表面場、穿隧接面、電觸點及基板或晶圓操控件。此等層中之每一者需要設計及選擇以確保其併入至多接面光伏打電池中並不損害高效能。舉例而言，前表面場層可上覆於或鄰近於圖1、圖2及圖3中展示之發射極層(108、208、308)。
可將稀氮化物光學吸收層(或基極層)併入至具有不同數目之接面或子電池的含稀氮化物多接面光伏打電池中(參見例如分別展示具有3個、4個及5個子電池之器件的圖5A至圖5C)。圖5C展示具有兩個稀氮化物子電池之一實例，該等稀氮化物子電池中之每一者可獨立地具有梯度摻雜分佈。將更多子電池包括於多接面器件內可提高器件內之電流收集效率，增大電壓，且可產生較高外部量子效率。
如本文中所論述，圖6展示具有此等額外元件之一實例結構。此外，在完整光伏打電池中可存在額外元件，諸如緩衝層、穿隧接面、背表面場、窗口、發射極及前表面場層。在此結構中，稀氮化物子電池601包括對應於圖2中之層206a及206b的GaInNAsSb基極層612A及612B。圖6展示包括上覆於穿隧接面608之第一子電池601、上覆於穿隧接面616之第二子電池603及上覆於穿隧接面626之第三子電池605的多接面太陽能電池。如圖6中所展示，各子電池包括發射極、包含一個或兩個層之基極及背表面場。第二子電池及第三子電池包括上覆於發射極之前表面場。
按照光伏打電池及光偵測器技術中之慣例，術語「前」係指電池(光偵測器)面向輻射源之外表面，且術語「背」係指遠離該源之外表面。如諸圖及描述中所使用，「背部」與「底部」同義，且「前部」與「頂部」同義。
圖1中所展示之稀氮化物光學吸收器之梯度摻雜分佈的一實例藉由圖7之曲線圖說明，其中稀氮化物層為稀氮化物子電池之基極層，且其中描繪具有深度之指數摻雜的一實例，最少摻雜物處於基極-發射極接面處。作為其中摻雜物濃度以如結合圖7所解釋之方式變化的一例示性情況，在製造期間，在生長期間衝擊磊晶表面之摻雜物通量以指數方式變化，從而將其他可變參數保持為恆定。舉例而言，摻雜由下式給定： 摻雜=A×eBx ； 其中A = 1 × 1015 /cm3 至2×1017 /cm3 ，B = 0.1/μm至10/μm，且x 為深度。視基極厚度而定，使用此範圍將產生在1×1015 /cm3 與1×1019 /cm3 之間的摻雜。在各情況下，摻雜物通量在發射極/基極接面(在108與106之間的界面)處最小。通量值經預設以達至磊晶層中摻雜物濃度之所要值。在此實例中，所展示層之厚度對於背表面場層104為100 nm至500 nm，對於稀氮化物光學吸收器106為1000 nm至2000 nm，且對於發射極層108為100 nm至200 nm。額外前表面場層可上覆於且鄰近於發射極層108，且可具有在10 nm與500 nm之間，或在10 nm與100 nm之間的厚度。
參考圖2，以使得基極層具有兩個子區206a及206b之方式研究摻雜的位置相依性。更接近於發射極-基極接面(圖2中之層206b)之前部(亦即頂部)的區域具有恆定摻雜或無故意摻雜，如子區3中之點線所說明。舉例而言，摻雜由下式給定 摻雜=A； 其中A為恆定的，且範圍介於0至2×1017 /cm3 。當不存在故意摻雜時，206a中之摻雜水準可為本質或非有意摻雜水準，該摻雜水準可在約1×1015 /cm3 與1×1016 /cm3 之間。基極(206a)之剩餘部分具有以類似於針對先前描述之實施例所解釋且如由此圖之子區4中之點線所說明的方式作為位置之函數而變化的摻雜分佈。對於基極之0 μm至3 μm的厚度，使用此摻雜分佈將在基極中產生在1×1015 /cm3 與1×1019 /cm3 之間的摻雜。
各子區之厚度可變化以便最佳化子電池之電流及電壓輸出。特定言之，最佳厚度對於不同稀氮化物材料將有所不同，且隨稀氮化物材料之組成而改變。此摻雜分佈之一實例經展示於圖8中。子區1 (層206b)具有恆定摻雜或未經摻雜。此區更接近於發射極-基極接面。子區2 (層206a)具有梯度摻雜，該梯度摻雜在子區2中作為深度位置之函數以指數方式變化。該位置係相對於在層206b與208之間的界面處之發射極-基極接面，或相對於在兩個基極子區206a與206b之間的界面而量測。作為其中摻雜物濃度以如結合圖8所解釋之方式變化的一例示性情況，摻雜物通量在基極層206a之背部生長的時刻最大。在典型結構中，基極之背部首先生長，且隨後摻雜物通量以使得其隨基極之剩餘部分生長而以指數方式減小的方式變化。應注意，在磊晶期間，層206a首先典型地生長，隨後為圖2中之層206b及208。摻雜物通量在子區1與子區2之間的界面(亦即在206a與206b之間的界面)處最小。其後，將摻雜物通量關閉或保持恆定。摻雜分佈以此方式變化以便因藉由未經摻雜或經均一摻雜之區產生的較大寬度損耗而獲得額外電流。基極之剩餘部分具有位置(深度)相依性摻雜，以便引入偏移場以進一步提高電流收集。此外，與在整個基極中具有梯度摻雜之情況相反，藉由引入具有恆定摻雜或無摻雜之區來擴展寬度損耗確保了較高機率的對產生於太陽能電池之損耗區外部之載流子的電流收集。在此等實施例中達成電流收集之實質性提高。在一些實施例中，具有此摻雜分佈之層可包含GaAs、InGaP、AlInGaP、AlGaAs或InGaAs。
圖10為比較在使用與不使用位置相依性摻雜分佈之情況下，稀氮化物子電池之內部量子效率的曲線圖。內部量子效率為由太陽能電池收集到之載流子的數目與進入太陽能電池的具有給定波長之光子(亦即排除自表面反射之光子)的數目之比率。若具有某一波長之所有光子皆經吸收且所得載流子經收集，則在特定波長下之內部量子效率為均一的。量子效率量測值展示因摻雜導致在AM1 5D光譜下之電流增加大致8.5%，若稀氮化物子電池為電流限制電池，則此增加將轉化為多接面太陽能電池之總效率增加大致8.5%。在使用本發明之情況下，存在電流收集之實質性提高及因此太陽能電池之總效率的提高。在此特定論證中，短路電流在AM1 5D光譜下提高8.5%。類似改善亦可見於展示稀氮化物子電池之I-V特性的圖11中。當與不具有此摻雜分佈之子電池相比時，開路電壓、短路電流及填充因子展示具有梯度摻雜分佈之子電池的實質性改善。稀氮化物子電池之電流及電壓的實質性提高直接轉化為多接面太陽能電池之效率的提高。此改善顯著高於在稀氮化物子電池之基極及/或發射極中不具有梯度摻雜的稀氮化物子電池。
在上文所論述之本發明的實施例中，在半導體層之磊晶生長期間達成摻雜分佈的變化。除在磊晶生長期間產生較佳摻雜分佈以外，亦可藉由在半導體磊晶層上進行生長後步驟來操控分佈。此生長後步驟包括但不限於在包含以下中之一或多者之氛圍中對半導體材料進行退火：As、P、H2 、N2 、合成氣體及/或O2 。此製程步驟具有必須經最佳化以達成所要摻雜分佈之多個變數。除上文所提及之退火環境以外，此包括但不限於改變退火時間、退火溫度、退火循環。舉例而言，退火溫度可在400℃與1,000℃之間，而退火製程之持續時間可處於10秒與1000秒之間，且環境條件可為主要具有磷、砷、氫氣、氧氣及/或氮氣之恆定壓力氛圍。最終目標(與用以達成該最終目標之製程步驟無關)為針對稀氮化物材料之某一組成的所要摻雜分佈。
在本發明之再另一實施例中，將梯度摻雜引入稀氮化物太陽能電池之發射極中。在此實施例中，基極可具有或可能不具有根據上文所描述之實施例的梯度摻雜分佈。發射極(圖4中之層2)之摻雜濃度實質上處於1 × 1015 /cm3 與1 × 1019 /cm3 之間。摻雜分佈自發射極-基極接面(圖4中之界面(2-3))朝向太陽能電池之前表面場(圖4中之界面(1-2))增加。圖9概述稀氮化物子電池之發射極中的摻雜。給出兩種例示性情況。在第一種情況下，摻雜在發射極中作為位置之函數以線性方式改變。在第二種情況下，此摻雜變化遵循遠離發射極-基極接面之指數增加。對於兩種情況，摻雜在發射極-基極接面處最少。發射極中之位置相依性摻雜的優點類似於由太陽能電池之基極中的此摻雜達成之彼等優點。特定言之，少數載流子之收集經改善，從而增大光電流。指數摻雜分佈將恆定電場引入太陽能電池之發射極中，但亦可使用線性及其他摻雜分佈來形成不同幾何結構之其他場。摻雜分佈之變化為可能的，以便使電場作為位置之函數改變以提高電流收集。
圖2及圖12說明由稀氮化物基極之指數摻雜所表徵的一實施例，其中Be、C或Zn產生p型稀氮化物基極。可採用其他p型摻雜物。(In)GaAs背表面場204及GaAs或Ge基板202亦為p型。稀氮化物基極206包含兩個部分-自發射極延伸至第二基極部分206a之第一基極部分206b，及自第一基極部分206b延伸至(In)GaAs背表面場204之第二基極部分。第一基極部分206b不厚於1,000 nm，且具有本質摻雜。舉例而言，第一基極部分206b可具有10 nm至1,000 nm、10 nm至500 nm、100 nm至500 nm之厚度或其他厚度。第二基極部分206a不薄於400 nm，且具有指數或線性摻雜分佈。舉例而言，第二基極部分206a可具有400 nm至3,500 nm、400 nm至2,500 nm、400 nm至1,500 nm之厚度或其他厚度。稀氮化物基極206之總厚度不超過3,500 nm。舉例而言，基極部分206之總厚度可為1,000 nm至3,500 nm、1,000 nm至2,500 nm、1,000 nm至1,500 nm或其他厚度。第一基極部分206b可具有本質摻雜，且熟習此項技術之從業者將理解，基本水準之非特異性摻雜存在於半導體生長期間，有時亦稱為背景摻雜或非有意摻雜。舉例而言，本質摻雜可指在5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內的摻雜物濃度。在本質摻雜中，摻雜物不經有意添加至生長材料，且實際上以雜質形式存在於用以形成半導體合金之半導體前驅物中。對於本質摻雜，摻雜物在半導體生長期間不經有意添加，且本質摻雜物濃度係指半導體中之雜質含量。此等本質摻雜元素可以各種低濃度存在於此第一基極部分中。本質摻雜物之濃度可在整個第一基極部分中恆定以形成線性或恆定本質摻雜分佈。恆定摻雜分佈係指在半導體層中大致恆定的摻雜分佈。舉例而言，恆定摻雜分佈可在半導體層中變化小於標稱值之10%。第二基極部分可摻雜有Be、C、Zn或前述任一者之任何組合，從而使該第二基極部分為p型。亦可採用其他p型摻雜物。第二基極部分可具有指數或線性摻雜分佈，其中摻雜物濃度在第一基極部分-第二基極部分界面處較低，且在第二基極部分-(In)GaAs背表面場界面處較高。在某些實施例中，摻雜物濃度在此等兩個界面之間自5E15個原子/立方公分以指數方式增加至8E18個原子/立方公分。在某些實施例中，第一基極部分-第二基極部分界面處之摻雜物濃度可在5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內。在某些實施例中，第二基極部分-(In)GaAs背表面場界面處之摻雜物濃度可在0.1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內。(In)GaAs發射極208可為n型，其中厚度在50 nm至600 nm之範圍內。(In)GaAs發射極亦可摻雜有濃度在2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的n型摻雜物，諸如Si、Te或Se。
參考圖2及圖12，稀氮化物子電池可包含具有在50 nm至600 nm之範圍內之厚度的n型(In)GaAs發射極208、具有在0 nm至1,000 nm之範圍內之厚度且由本質摻雜(或恆定摻雜)表徵的第一基極部分206b、具有在400 nm至3,500 nm之範圍內之厚度的p摻雜第二基極部分206a，及p型(In)GaAs背表面場204。稀氮化物子電池可上覆於p型Ge或p型GaAs基板202。(In)GaAs發射極208可具有恆定n型摻雜物濃度，該恆定n型摻雜物濃度例如在例如2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分、4E17個原子/立方公分至6E18個原子/立方公分、6E17個原子/立方公分至4E18個原子/立方公分、8E17個原子/立方公分至2E18個原子/立方公分、2E17個原子/立方公分至1E18個原子/立方公分之範圍內，或在1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內。基極部分206可包括或可能不包括第一基極部分206b。第一基極部分具有0 nm之厚度的實施例意謂第一基極部分206b不存在。第一基極部分206b可具有諸如在5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內的本質摻雜物含量。第二基極部分206a可具有自與第一基極部分206b之界面(或若第一基極部分不存在，則自與發射極208之界面)至背表面場204增加的指數摻雜分佈。在與第一基極部分206b (或發射極208)之界面處之p型摻雜物濃度可為諸如在5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分、5E15個原子/立方公分至1E16個原子/立方公分、1E16個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內或在8E15個原子/立方公分至2E16個原子/立方公分之範圍內的本質或非有意背景摻雜濃度。在與背表面場之界面處，p型摻雜物濃度可在例如1E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分、3E17個原子/立方公分至6E18個原子/立方公分、5E17個原子/立方公分至4E18個原子/立方公分、7E17個原子/立方公分至2E18個原子/立方公分、1E17個原子/立方公分至1E18個原子/立方公分之範圍內，或在1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內。背表面場204可以在例如0.1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的濃度經p型摻雜。在某些實施例中，第二基極部分206a中之p型摻雜物濃度可自1E16個原子/立方公分至1E17個原子/立方公分或自5E16個原子/立方公分至5E17個原子/立方公分以指數方式增加一個數量級。在某些實施例中，第二基極部分206a中之p型摻雜物濃度可例如自5E15個原子/立方公分增加至1E17個原子/立方公分、自5E15個原子/立方公分增加至5E17個原子/立方公分、自5E15個原子/立方公分增加至1E18個原子/立方公分或自5E15個原子/立方公分增加至5E18個原子/立方公分；自1E16個原子/立方公分增加至1E17個原子/立方公分、自1E16個原子/立方公分增加至5E17個原子/立方公分、自1E16個原子/立方公分增加至1E18個原子/立方公分或自1E16個原子/立方公分增加至5E18個原子/立方公分；自5E16個原子/立方公分增加至1E17個原子/立方公分、自5E16個原子/立方公分增加至5E17個原子/立方公分、自5E16個原子/立方公分增加至1E18個原子/立方公分或自5E16個原子/立方公分增加至5E18個原子/立方公分。
在一些實施例中，在第二基極部分206a中具有指數摻雜分佈之稀氮化物子電池呈現提高的效能特性。圖13描述此等實施例之實例，其中稀氮化物子電池經C或Be摻雜，且未經摻雜/本質厚度、摻雜厚度及摻雜物濃度各別地在700 nm、1,300 nm下且在1E16個原子/立方公分至1E17個原子/立方公分之範圍內為等效的。分析經標識為稀氮化物子電池4B及4C之此等實施例的子電池結構(亦即摻雜分佈)、效率、Voc (開路電壓)及Jsc (短路電流密度)。將此等稀氮化物子電池之特性與未經摻雜之稀氮化物子電池4A的特性進行比較。使用次級離子質譜分析(SIMS)以獲得關於元素組成相對於自子電池之頂部表面量測之深度而變化的資訊。SIMS涉及自表面移除原子，且本質上為破壞性技術。SIMS適合於深度分佈應用，且在分析開始時將該方法應用於子電池之頂部，從而在入射離子束蝕刻至子電池中時移除半導體材料。由於，因此，僅藉由記錄隨著表面逐漸去除的連續SIMS光譜而獲得子電池深度分佈。給定質量信號之強度作為深度之函數的曲線圖為元素豐度/濃度相對於其在頂部表面下方之豎直位置的直接反映。
對於圖13及圖18中呈現之GaInNAsSb子電池，發射極具有200 nm之厚度，且以2E18個原子/立方公分之恆定濃度摻雜有Si；稀氮化物能隙在0.95 eV至0.98 eV之範圍內；Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 組成為0.11≤x≤0.15，0.025≤y≤0.04且0.003≤z≤0.015，且在25℃之接面溫度下使用1日光AM 1.5D光譜進行量測。圖4及圖18中呈現Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 基極之摻雜分佈。
圖14呈現藉由SIMS量測之子電池4C (圖13)的摻雜分佈，從而確證第二基極區206a (圖2)中之Be指數摻雜。SIMS分析表明，第二基極區206a為1,300 nm深，且Be濃度自在第一基極部分206b與第二基極部分206a之間的界面處之約1E16個原子/立方公分增加至在第二基極部分206a與(In)GaAs背表面場204之間的界面處之約1E17個原子/立方公分。
圖15呈現藉由SIMS量測之子電池4B (圖13)的摻雜分佈，從而確證第二基極區206a (圖2)中之C指數摻雜。資料表明，第二基極區206a為1,300 nm深，且C濃度自在206a與206b之間的界面處之1E16個原子/立方公分增加至在206a與204之間的界面處之1E17個原子/立方公分。
如圖14中所展示，儘管在子電池區中深於(In)GaAs背表面場204，但亦偵測到Be濃度之下降。亦針對C濃度觀測到此下降，如圖15中所展示。熟習此項技術之從業者理解，通常在原子濃度之後邊緣上觀測到肩峰/反轉。Be/C原子之堆積係由先前層中經入射束蝕刻掉的大量Be/C所導致。(In)GaAs背表面場204中之高Be/C濃度的出現為SIMS方法之假像。一旦移除元素堆積，Be/C濃度則下降至預期水平。熟習此項技術者可瞭解，歸因於此假像，不管實際光譜如何，Be/C濃度在(In)GaAs背表面場204中均較低。圖14及圖15表明，子電池4B及4C (圖13)為生長至包括所要摻雜分佈之所要標準的子電池。
圖16將如圖13至圖15中所描述之稀氮化物基極中具有與不具有Be/C指數摻雜之稀氮化物子電池的效率進行比較。本發明中之效率結果係指不反射或透射出子電池之質子可藉以產生可收集載流子的效率。效率為由光伏打電池收集到之載流子的數目與進入光伏打電池的具有給定波長之光子(亦即在彼特定波長下之光子為均一的)的數目之比率。
圖17將在稀氮化物基極中具有與不具有Be/C指數摻雜之此等相同稀氮化物子電池的IV特性進行比較。圖4及圖7至圖8中描述所測試子電池，其中摻雜分佈指示於圖13至圖15中。在一個實施例中，在25℃之接面溫度下，在AM1.5D光譜下，子電池4B、C摻雜得到效率增強6%及Voc增強5%(圖4及圖7至圖8)。此轉化為稀氮化物子電池之效率大致增加11%。在另一實施例中，在25℃之接面溫度下，在AM1.5D光譜下，子電池4C、Be摻雜得到效率增強17%及Voc增強6%(圖13及圖16至圖17)。此轉化為稀氮化物子電池之效率大致增加24%。此等結果表明電流收集之實質性提高及因此光伏打電池之總效率的提高，其中Be摻雜子電池勝過C摻雜子電池。
在Be作為摻雜物之情況下，針對稀氮化物子電池效能之提高分析若干摻雜分佈。圖18描述此等實施例，其中稀氮化物子電池具有不同的未經摻雜/本質厚度、摻雜厚度、摻雜物濃度及摻雜分佈。如圖18中所描述，將此等子電池之效能與未經摻雜之稀氮化物子電池9A之效能進行比較。在一個實施例子電池9B中，未經摻雜/本質厚度為700 nm，摻雜厚度為1,300 nm，且Be以在1E16個原子/立方公分至1E17個原子/立方公分之範圍內的濃度經指數摻雜至稀氮化物子電池中。子電池9B呈現效率增強9%及Voc增強1%；其表示子電池效率大致增強10%。對於子電池9C及9D，未經摻雜/本質厚度為500 nm，摻雜厚度為1,500 nm，且Be以4E16個原子/立方公分或1E16個原子/立方公分各別地經恆定摻雜至稀氮化物子電池中。稀氮化物子電池9C呈現效率增強2%及Voc增強3%，其表示子電池效率增強大致5%。子電池9D呈現效率增強4%及Voc增強1%，其表示子電池效率增強大致5%。對於子電池9E及9F，未經摻雜/本質厚度為500 nm，摻雜厚度為1,500 nm，且Be自1E16個原子/立方公分至1E17個原子/立方公分或自1E16個原子/立方公分或3E17個原子/立方公分各別地經指數摻雜至稀氮化物子電池中。子電池9E呈現效率增強10%及Voc增強4%，其表示子電池效率增強大致14%。子電池9F呈現效率增強9%及Voc增強5%，其表示子電池效率增強大致14%。對於子電池9G，未經摻雜/本質厚度為500 nm，摻雜厚度為1,500 nm，且Be以在1E16個原子/立方公分至3E17個原子/立方公分之範圍內的濃度經指數摻雜至稀氮化物子電池中。子電池9G呈現效率增強3%及Voc增強2%，其表示子電池效率增強大致5%。對於子電池9H，未經摻雜/本質厚度為500 nm，摻雜厚度為1,500 nm，且Be以1E16至1E17個原子/立方公分之濃度經線性摻雜至稀氮化物子電池中。子電池9H呈現效率減小3%及Voc增強6%，其表示子電池效率增強大致9%。子電池9H之效率減小表明稀氮化物子電池之摻雜未必使得效能增強。摻雜物或特定摻雜分佈之單純存在並未始終提高稀氮化物子電池之效能。具有各種摻雜參數之實驗表明，與子電池效能之相關性為複雜且不可預測的，且同時最大化效能屬性需要大量實驗。
當一起考慮時，圖18中呈現之結果表明，子電池9E (具有1E16個原子/立方公分至1E17個原子/立方公分之Be指數摻雜的子電池)呈現最大效率提高。子電池9E之效能特性轉變為稀氮化物子電池之總效率增加大致14%。圖19中呈現之子電池的特性經展示於圖19至圖28中。圖19、圖21、圖23、圖25及圖27比較圖18中描述之稀氮化物子電池的效率曲線。圖20、圖22、圖24圖26及圖28比較圖18中描述之稀氮化物子電池的IV曲線。圖19比較以下各者之效率曲線：未經摻雜之子電池9A；經恆定摻雜之子電池9C及9D；及經指數摻雜之子電池9B、9E、9F及9G。圖20展示此等子電池之IV曲線。與未經摻雜之子電池9A之效率、Jsc及Voc相比，具有指數或恆定Be摻雜之所有子電池皆展現提高的效率、Jsc及Voc。圖21及圖22展示未經摻雜之子電池9A及經指數摻雜之子電池9E的效率曲線及IV曲線。結果表明，與不存在摻雜(或僅本質摻雜)相比，指數摻雜提高效率、Jsc及Voc。圖23及圖24展示將經恆定摻雜之子電池9C及9D與經指數摻雜之子電池9E進行比較的效率曲線及IV曲線。結果表明，與恆定摻雜相比，指數摻雜提高效率、Jsc及Voc。圖25及圖26展示將經指數摻雜之子電池9E與經線性摻雜之子電池9H進行比較的效率曲線及IV曲線。結果表明，與線性摻雜相比，指數摻雜提高效率及Jsc，但減小Voc。圖27及圖28展示將經線性摻雜之子電池9H與未經摻雜之子電池9A進行比較的效率曲線及IV曲線；線性摻雜提高子電池Voc，但使效率及Jsc變差。
如圖3中所展示，稀氮化物子電池可具有n型Ge或GaAs 基板302。n型(In)GaAs背表面場304上覆於基板302。不厚於3,500 nm之稀氮化物基極層306上覆於(In)GaAs背表面場。200 nm至500 nm厚的(In)GaAs發射極層308形成稀氮化物子電池之頂層。
圖29至圖31展示稀氮化物基極具有Si或Te之指數摻雜且得到n型稀氮化物基極之實施例。如上文所描述及此處所概述，稀氮化物子電池可併入至多接面光伏打電池中，或可充電單接面光伏打電池或充當光偵測器。可用於稀氮化物基極之稀氮化物合金的實例包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi及GaNAsSbBi。各層之厚度可變化以便最大化子電池之電流及電壓輸出。此對於稀氮化物基極層之最佳厚度尤其成立，其中因厚度必定隨元素組成變化而變化，故最佳厚度對於每種類型之稀氮化物合金有所不同。熟習此項技術之從業者理解，可在光伏打電池中併入或省略其他類型的層以形成功能器件，且不詳細描述該等層。
圖29展示一實施例，其中稀氮化物基極306 (圖3)包含兩個部分：自發射極208延伸至第二基極部分之第一基極部分，及自第一基極部分延伸至(In)GaAs背表面場304之第二基極部分。第一基極部分不厚於1,000 nm，且具有本質摻雜。舉例而言，第一基極部分可具有10 nm至1,000 nm、10 nm至500 nm、100 nm至500 nm之厚度或其他厚度。第二基極部分不厚於3,500 nm，且具有線性或指數摻雜分佈。舉例而言，第二基極部分可具有400 nm至3,500 nm、400 nm至2,500 nm、400 nm至1,500 nm之厚度或其他厚度。包括第一部分(若存在)及第二部分之稀氮化物基極306的總厚度不超過3,500 nm。第一基極部分具有本質摻雜，且熟習此項技術之從業者將理解，在半導體生長期間存在基本水準之非特異性摻雜。此等本質摻雜元素可以在5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內的濃度存在於此第一基極部分中。本質摻雜物之濃度在整個第一基極部分中保持恆定以形成線性(均一)本質摻雜分佈。第二基極部分可摻雜有Si、Te、Se或其任何組合，從而使該第二基極部分為n型。可採用其他n型摻雜物。第二基極部分可具有指數摻雜分佈，其中摻雜物濃度在第一基極部分-第二基極部分界面處較低，且在第二基極部分-(In)GaAs背表面場界面處較高。在某些實施例中，摻雜物濃度在此等兩個界面之間自5E15個原子/立方公分以指數方式增加至8E18個原子/立方公分。在某些實施例中，第一基極部分-第二基極部分界面處之摻雜物濃度可在5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內。在某些實施例中，第二基極部分-(In)GaAs背表面場界面處之摻雜物濃度可在0.1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內。(In)GaAs發射極為p型，其中厚度在50 nm至600 nm之範圍內。(In)GaAs發射極亦可以在2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的濃度摻雜有Be、C、Zn或其任何組合。基板可為n型Ge或n型GaAs。
參考圖3及圖29，稀氮化物子電池可包括具有在50 nm至600 nm之範圍內之厚度的p型(In)GaAs發射極308；具有1,000 nm至3,500 nm之厚度的n型摻雜稀氮化物基極306，其可包含具有0 nm至1,000 nm之厚度的經本質摻雜之第一基極部分，及具有一摻雜濃度之n型摻雜第二基極部分，該摻雜濃度自在與第一基極部分(或與發射極)之界面處之5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內的濃度以指數方式增加至在與背表面場304之界面處之1E17個原子/立方公分至8E17個原子/立方公分之範圍內的濃度。
稀氮化物子電池可上覆於n型Ge或n型GaAs基板302。(In)GaAs發射極308可具有例如在2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分、4E17個原子/立方公分至6E18個原子/立方公分、6E17個原子/立方公分至4E18個原子/立方公分、8E17個原子/立方公分至2E18個原子/立方公分、2E17個原子/立方公分至1E18個原子/立方公分之範圍內或在1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的恆定p型摻雜物濃度。基極部分306可包括或可不包括第一基極部分。第一基極部分具有0 nm之厚度的實施例意謂第一基極部分不存在。第一基極部分可具有諸如在5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內的本質摻雜物含量。第二基極部分可具有自第一基極部分(或若第一基極部分不存在，則自發射極)至背表面場304增加的指數摻雜分佈。在與第一基極部分或發射極之界面處之n型摻雜物濃度可為諸如在5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分、5E15個原子/立方公分至1E16個原子/立方公分、1E16個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內或在8E15個原子/立方公分至2E16個原子/立方公分之範圍內的本質摻雜濃度。在與背表面場之界面處，p型摻雜物濃度可在例如1E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分、3E17個原子/立方公分至6E18個原子/立方公分、5E17個原子/立方公分至4E18個原子/立方公分、7E17個原子/立方公分至2E18個原子/立方公分、1E17個原子/立方公分至1E18個原子/立方公分之範圍內，或在1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內。背表面場可以在0.1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的濃度經p型摻雜。在某些實施例中，第二基極部分中之n型摻雜物濃度可例如自1E16個原子/立方公分至1E17個原子/立方公分或自5E16個原子/立方公分至5E17個原子/立方公分以指數方式增加一個數量級。在某些實施例中，第二基極部分中之p型摻雜物濃度可例如自5E15個原子/立方公分增加至1E17個原子/立方公分、自5E15個原子/立方公分增加至5E17個原子/立方公分、自5E15個原子/立方公分增加至1E18個原子/立方公分或自5E15個原子/立方公分增加至5E18個原子/立方公分；自1E16個原子/立方公分增加至1E17個原子/立方公分、自1E16個原子/立方公分增加至5E17個原子/立方公分、自1E16個原子/立方公分增加至1E18個原子/立方公分或自1E16個原子/立方公分增加至5E18個原子/立方公分；自5E16個原子/立方公分增加至1E17個原子/立方公分、自5E16個原子/立方公分增加至5E17個原子/立方公分、自5E16個原子/立方公分增加至1E18個原子/立方公分，或可自5E16個原子/立方公分增加至5E18個原子/立方公分。
圖30展示其中稀氮化物基極不超過3,500 nm厚之一實施例。稀氮化物基極306自(In)GaAs發射極308延伸至(In)GaAs背表面場304，且在n型時摻雜有Si、Te、Se或其任何組合。稀氮化物基極306之摻雜物濃度在(In)GaAs發射極-稀氮化物基極界面(在層308與層306之間)處較低，且在稀氮化物基極-(In)GaAs背表面場界面(在層306與層304之間)處較高。在某些實施例中，在(In)GaAs發射極-稀氮化物基極界面處之摻雜物濃度可在1E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內。在某些實施例中，在稀氮化物基極-(In)GaAs背表面場界面處之摻雜物濃度可在0.1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內。在某些實施例中，摻雜物濃度在此等兩個界面之間自1E15個原子/立方公分增加至8E18個原子/立方公分。(In)GaAs發射極308為p型，其中厚度在50 nm至600 nm之範圍內。(In)GaAs發射極308亦可以在2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的濃度摻雜有Be、C或Zn或前述之任何組合。基板302為n型Ge或n型GaAs。
圖31展示其中p型稀氮化物基極106包含指數摻雜分佈之一實施例。稀氮化物基極106可摻雜有Be、C、Zn或前述之任何組合，從而使該稀氮化物基極106為p型。稀氮化物基極106可不超過3,500 nm厚，且可自(In)GaAs發射極108延伸至(In)GaAs背表面場104。稀氮化物基極摻雜分佈可包含在(In)GaAs發射極-稀氮化物基極界面處之低摻雜物濃度及在稀氮化物基極-(In)GaAs背表面場界面處之高摻雜物濃度。在某些實施例中，摻雜物濃度在此等兩個界面之間自1E15個原子/立方公分以指數方式增加至8E18個原子/立方公分。在某些實施例中，在(In)GaAs發射極-稀氮化物基極界面處之摻雜物濃度在1E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分的範圍內。在某些實施例中，在稀氮化物基極-(In)GaAs背表面場界面處之摻雜物濃度在0.1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分的範圍內。在某些實施例中，摻雜物濃度在此等兩個界面之間自1E15個原子/立方公分增加至8E18個原子/立方公分。(In)GaAs發射極可具有在50 nm至600 nm之範圍內的厚度，且摻雜有Si、Te或Se或前述之任何組合，從而使該(In)GaAs發射極為n型。(In)GaAs發射極108中之摻雜物濃度可在2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分的範圍內。基板102可為p型Ge或p型GaAs。
可將由本發明提供之經摻雜稀氮化物材料作為稀氮化物子電池併入至多接面光伏打電池中，諸如3接面、4接面、5接面及6接面多接面光伏打電池。當稀氮化物子電池為多接面電池之電流限制子電池時，多接面光伏打電池之效率將提高與稀氮化物子電池之效率提高約相同的量。舉例而言，速率限制稀氮化物子電池效率提高1%將促使多接面光伏打電池效率提高約1%。
稀氮化物子電池之效率的較小提高似乎可產生多接面光伏打電池效率之顯著提高。同樣，多接面光伏打電池之總效率的較小提高似乎可產生輸出功率的劇烈提高，減小光伏打陣列之面積，且減少與安裝、系統整合及部署相關聯之成本。
由於光伏打電池效率直接影響光伏打模組功率輸出，因而光伏打電池效率為重要的。舉例而言，假定1 m2 光伏打面板具有總共24%轉化效率，若用於模組中之多接面光伏打電池的效率在500日光下增加1%，諸如自40%增加至41%，則模組輸出功率將增加約2.7 KW。
通常，光伏打電池佔光伏打電源模組之總成本的約20%。較高光伏打電池效率意謂更具成本效益的模組。隨後需要更少光伏打器件來產生相同量之輸出功率，且在更少器件下之較高功率導致系統成本減少，諸如用於安裝托架、硬體、用於電連接之佈線等的成本。另外，藉由使用高效率光伏打電池以產生相同功率，需要較小焊盤面積、較少支撐結構及較低人工成本來進行安裝。
光伏打模組為航天器電源系統中之重要組件。因用以將衛星發射至軌道中之升空成本較昂貴，故更輕的重量及更小的光伏打模組始終為較佳的。光伏打電池效率對於空間電力應用尤其重要，以減少因大型光伏打陣列所導致的質量及燃料損失。因對於獲得相同功率輸出，光伏打陣列之大小及重量將更小，故指示一個陣列將為給定發射質量產生多少功率之較高特定功率(產生於光伏打陣列塊上之瓦數)可藉由更高效的光伏打電池來達成。
作為一實例，與具有30%轉化效率之標稱光伏打電池相比，多接面光伏打電池效率增加1.5%可得到輸出功率增加4.5%，且多接面光伏打電池效率增加3.5%可得到輸出功率增加11.5%。對於具有60 kW功率要求之衛星，使用較高效率子電池可分別得到光伏打電池模組成本節省50萬美元至150萬美元，及光伏打陣列表面積減少6.4 m2 至15.6 m2 ，多接面光伏打電池具有1.5%及3.5%之效率增加。在將與系統整合及發射相關聯之成本納入考量時，總成本節省將甚至更大。
可將經指數摻雜之稀氮化物子電池併入至多接面光伏打電池中。多接面光伏打電池之實例揭示於美國申請公開案第2013/0130431號、美國申請公開案第2013/0118566號及美國申請公開案第2017/0110613號中，該等美國申請公開案中之每一者以全文引用的方式併入。
因晶格常數可變化以與由不同於GaInNAsSb之材料形成的廣泛範圍之基板及/或子電池實質上匹配，故GaInNAsSb半導體材料作為光伏打電池材料為有利的。本發明包括具有三個或更多個子電池之多接面光伏打電池，諸如併入至少一個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之三接面、四接面及五接面子電池。舉例而言，當與在0.08≤x≤0.18、0.025≤y≤0.04及0.001≤z≤0.03之組成範圍內的GaAs或Ge基板實質上晶格匹配時，揭示於美國申請公開案第2010/0319764號中之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 可產生高品質材料，其中能隙為至少0.9 eV。
可藉由改變組成同時控制Sb之總組成來部分調整Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 材料之能隙。因此，可製作具有適用於與其他子電池整合之能隙的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，同時維持與其他子電池實質性晶格匹配。Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之能隙及組成可經調整以使得由Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池產生之短路電流將與光伏打電池中之其他子電池的短路電流相同或略微大於該短路電流。因Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 材料提供高品質晶格匹配且能隙可調的子電池，故所揭示的包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之光伏打電池可實現高轉化效率。效率之增加很大程度上歸因於較少光能以熱量形式損耗，此係因為額外子電池允許更多入射光子由具有更接近於入射光子之能量水準的能隙之半導體材料吸收。另外，歸因於較低操作電流，與其他光伏打電池相比，在此等多接面光伏打電池中將存在較低串聯電阻損耗。在較高日光濃度下，減少的串聯電阻損耗變得更明顯。視底部子電池之能隙而定，在太陽能光譜中收集較寬範圍之光子亦可促成效率增加。
先前技術中具有超過三個子電池之多接面光伏打電池之設計主要依賴於變質生長結構、新型材料或現有子電池材料之品質的劇烈改善，以便提供可達成高效率之結構。由於起始於緩衝層中之差排可能隨時間傳播至子電池中，從而導致效能降低，所以含有變質緩衝層之光伏打電池可能具有可靠性問題。相比之下，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 材料可用於具有超過三個子電池之晶格匹配光伏打電池中以達至高效率，同時維持子電池之間的實質性晶格匹配，此有利於可靠性。舉例而言，對由本發明提供之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的可靠度測試已顯示，多接面光伏打電池包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，此器件可在100℃下經受390年之日光下操作而不發生故障。在此等子電池中觀測到之最大劣化為開路電壓減小約1.2%。
對於空間中之應用，輻射硬度至關重要，該輻射硬度係指當暴露於包括電子及質子之電離輻射時器件效能的最小降低。併入由本發明提供之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的多接面光伏打電池已經歷質子輻射測試，以檢查在空間環境中之劣化效應。與基於Ge之三接面光伏打電池相比，結果表明，含有此等Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之器件具有類似的功率降低率及優良的電壓保持率。與非晶格匹配(變質)三接面光伏打電池相比，所有度量值對於含有Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之器件皆為優良的。在某些實施例中，與(Al,In)GaAs子電池相比，光伏打電池包括(Al) InGaP子電池以提高輻射硬度。
歸因於不同元素之間的相互作用以及諸如層中之應力的因素，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之組成與能隙之間的關係不為組成之簡單函數。可藉由憑經驗改變組成來發現以特定晶格常數產生所要能隙之組成。
施加至Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 材料之熱劑量亦影響能隙與組成之間的關係，該熱劑量受針對給定持續時間所施加的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 材料在生長期間及生長之後所接收之熱量強度(例如針對在10秒至10小時之間的持續時間施加600℃至900℃之溫度)控制。一般而言，能隙隨熱量增加而增加。
因組成在Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 材料系統內變化，故需要修改生長條件。舉例而言，對於(Al,In)GaAs，生長溫度將隨Al之分數增加而增加，且隨In之分數增加而減小，以便維持相同材料品質。因此，因多接面光伏打電池之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 材料或其他子電池的組成經改變，故可相應地調節生長溫度以及其他生長條件。
三接面、四接面及五接面光伏打電池之示意圖經展示於圖5A、圖5B及圖5C中以形成包括抗反射塗層、接觸層、穿隧接面、電觸點及基板或晶圓操控件之完整多接面光伏打電池。如本文中所論述，圖6展示具有此等額外元件之一實例結構。此外，在完整光伏打電池中可存在額外元件，諸如緩衝層、穿隧接面、背表面場、窗口、發射極及前表面場層。
圖5A展示具有三個子電池之多接面光伏打電池的一實例，其中底部子電池為Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池。全部三個子電池與其他子電池中之每一者實質上晶格匹配，且可藉由穿隧接面互連，該等穿隧接面經展示為點線區。在堆疊之底部的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池具有三個子電池之最低能隙，且吸收最低能量光，該最低能量光藉由光伏打電池轉換為電力。底部子電池中之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 材料的能隙在0.7 eV與1.1 eV之間。上部子電池可包含(Al)InGaP或AlInGaP。在圖5A至圖5C、圖6及圖32至圖37中所考慮的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 基極根據本文中所揭示之分佈經指數摻雜。
圖5B展示具有四個子電池之多接面光伏打電池，其中底部子電池為Ge子電池，且上覆子電池為Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池。所有四個子電池與彼此實質上晶格匹配，且可藉由兩個穿隧接面(未展示)互連。Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之能隙可在0.7 eV與1.1 eV之間。上部子電池可包含GaAs以及(Al,In)GaAs及(Al)InGaP中之任一者。
在圖5B中所展示之實例中，底部Ge子電池可經Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池替換，從而形成具有兩個稀氮化物子電池之多接面太陽能電池。底部Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之能隙在0.7 eV與1.1 eV之間，且上覆Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之能隙在0.7 eV與1.3 eV之間。上部子電池可包含(Al,In)GaAs及(Al)InGaP。
圖5C展示具有五個子電池之多接面光伏打電池的一實例，其中底部子電池為Ge子電池，且其中兩個上覆Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池具有不同能隙。所有五個子電池與彼此實質上晶格匹配，且可藉由兩個穿隧接面(未展示)互連。上部子電池可包含GaAs以及(Al,In)GaAs及(Al)InGaP中之任一者。
在前述以及後續實施例中給定之範圍內的子電池之特定能隙至少部分地由底部子電池之能隙、子電池層之厚度及入射光譜規定。雖然在本發明中存在將產生超過三接面光伏打電池之效率的效率之眾多結構，但並非屬於所揭示範圍內之子電池能隙的任何設定均將產生增加的光伏打轉化效率。對於底部子電池能隙或者另一子電池之能隙、入射光譜、子電池材料及子電池層厚度的某一選擇，存在針對剩餘子電池之更窄範圍的能隙，該更窄範圍之能隙將產生超過其他三接面光伏打電池之效率的效率。
在本文中所描述之實施例中的每一者中，穿隧接面經設計以具有最少光吸收。由穿隧接面吸收的光不藉由光伏打電池轉換為電力，且因此若穿隧接面吸收大量光，則該等穿隧接面將不可能使多接面光伏打電池之效率超過最佳三接面光伏打電池之效率。因此，穿隧接面必須極薄(較佳地小於40 nm)，且/或由具有等於或大於在各別穿隧接面正上方之子電池之能隙的材料製成。符合此等判據之穿隧接面的一實例為GaAs/AlGaAs穿隧接面，其中形成穿隧接面之GaAs及AlGaAs層中之每一者具有在5 nm與15 nm之間的厚度。GaAs層可摻雜有Te、Se、S及/或Si，且AlGaAs層可摻雜有C。
在本文中所描述及說明之實施例中的每一者中，存在額外半導體層以便形成光伏打電池器件。特定言之，頂蓋或接觸層、抗反射塗層(ARC)層及電觸點(亦表示為金屬柵格)可形成於頂部子電池上方，且緩衝層、基板或操控件及底部觸點可形成或存在於底部子電池下方。在某些實施例中，諸如在Ge子電池中，基板亦可充當底部子電池。亦可存在其他半導體層，諸如額外穿隧接面。如熟習此項技術者所已知，多接面光伏打電池亦可形成為不具有上文所列之元素中的一或多者。
在操作中，多接面光伏打電池經組態以使得具有最高能隙之子電池面向入射光伏打輻射，其中子電池由定位於最上部子電池之下或下方之逐漸變低的能隙來表徵。
在本文中所揭示之實施例中，各子電池可包含若干層。舉例而言，各子電池可包含窗口層、發射極、基極及背表面場(BSF)層。
在操作中，窗口層為子電池之最頂部層，且面向入射輻射。在某些實施例中，窗口層之厚度可為例如約10 nm至約500 nm、約10 nm至約300 nm、約10 nm至約150 nm，且在某些實施例中，約10 nm至約50 nm。在某些實施例中，窗口層之厚度可為例如約50 nm至約350 nm、約100 nm至約300 nm，且在某些實施例中，約50 nm至約150 nm。
在某些實施例中，發射極層之厚度可為例如約10 nm至約300 nm、約20 nm至約200 nm、約50 nm至約200 nm，且在某些實施例中，約75 nm至約125 nm。
在某些實施例中，基極層之厚度可為例如約0.1 µm至約6 µm、約0.1 µm至約4 µm、約0.1 µm至約3 µm、約0.1 µm至約2 µm，且在某些實施例中，約0.1 µm至約1 µm。在某些實施例中，基極層之厚度可為例如約0.5 µm至約5 µm、約1 µm至約4 µm、約1.5 µm至約3.5 µm，且在某些實施例中，約2 µm至約3 µm。
在某些實施例中，BSF層之厚度可為約10 nm至約500 nm、約50 nm至約300 nm，且在某些實施例中，約50 nm至約150 nm。
在某些實施例中，(Al)InGaP子電池包含：包含AlInP之窗口、包含(Al)InGaP之發射極、包含(Al)InGaP之基極及包含AlInGaP之背表面場層。
在某些實施例中，(Al)InGaP子電池包含：具有10 nm至50 nm之厚度的包含AlInP之窗口、具有20 nm至200 nm之厚的度包含(Al)InGaP之發射極、具有0.1 µm至2 µm之厚度的包含(Al)InGaP之基極及具有50 nm至300 nm之厚度的包含AlInGaP之BSF層。
在此類實施例中之某些中，(Al)InGaP子電池藉由在約1.9 eV至約2.2 eV之範圍內的能隙來表徵。
在某些實施例中，(Al,In)GaAs子電池包含：包含(Al)In(Ga)P或(Al,In)GaAs之窗口、包含(Al)InGaP或(Al,In)GaAs之發射極、包含(Al,In)GaAs之基極及包含(Al,In)GaAs或(Al)InGaP之BSF層。在某些實施例中，(Al,In)GaAs子電池包含：具有50 nm至400 nm之厚度的包含(Al)InGaP之窗口、具有100 nm至200 nm之厚度的包含(Al,In)GaAs之發射極、具有1 µm至4 µm之厚度的包含(Al,In)GaAs之基極及具有100 nm至300 nm之厚度的包含(Al,In)GaAs之BSF層。
在某些實施例中，(Al,In)GaAs子電池包含：具有200 nm至300 nm之厚度的包含(Al)InGaP之窗口、具有100 nm至150 nm之厚度的包含(Al,In)GaAs之發射極、具有2 µm至3.5 µm之厚度的包含(Al,In)GaAs之基極及具有150 nm至250 nm之厚度的包含(Al,In)GaAs之BSF層。
在此類實施例中之某些中，(Al,In)GaAs子電池藉由在約1.4 eV至約1.7 eV之範圍內的能隙來表徵。
在某些實施例中，(Al)InGaAsP子電池包含：包含(Al) In(Ga)P之窗口、包含(Al) InGaP或(Al) InGaAsP之發射極、包含(Al) InGaAsP之基極及包含(Al,In)GaAs或(Al)InGaP之BSF層。在某些實施例中，(Al)InGaAsP子電池包含：具有50 nm至300 nm之厚度的包含(Al)In(Ga)P之窗口、具有100 nm至200 nm之厚度的包含(Al)InGaP或(Al) InGaAsP之發射極、具有0.5 µm至4 µm之厚度的包含(Al) InGaAsP之基極及具有50 nm至300 nm之厚度的包含Al(In)GaAs或(Al)InGaP之BSF層。
在此類實施例中之某些中，(Al)InGaAsP子電池藉由在約1.4 eV至約1.8 eV之範圍內的能隙來表徵。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池包含：包含(Al)InGaP或(Al,In)GaAs之窗口、包含(In)GaAs或Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之發射極、包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之基極及包含(In)GaAs之BSF層。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池包含：具有0 nm至300 nm之厚度的包含(Al)InGaP或(In)GaAs之窗口、具有100 nm至200 nm之厚度的包含(In)GaAs或Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 合金之發射極、具有1 µm至4 µm之厚度的包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之基極及具有50 nm至300 nm之厚度的包含(In)GaAs之BSF層。在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 合金子電池包含：具有100 nm至150 nm之厚度的包含InGaAs或III-AsNV合金之發射極、具有2 µm至3 µm之厚度的包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 合金之基極及具有50 nm至200 nm之厚度的包含(In)GaAs之BSF層。
在此類實施例中之某些中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池藉由在約0.7 eV至約1.1 eV之範圍內或在約0.9 eV至約1.3 eV之範圍內的能隙來表徵。在此類實施例中之某些中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池為GaInNAsSb子電池。
在此類實施例中之某些中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池具有小於0.6%之壓縮應變，意謂Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 材料在其完全鬆弛狀態下的共平面晶格常數比基板之共平面晶格常數大0.0%與0.6%之間。在此類實施例中之某些中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池含有Sb且不含有Bi。
在某些實施例中，Ge子電池包含：具有0 nm至300 nm之厚度的包含(Al)InGaP或(Al,In)GaAs之窗口、具有10 nm至500 nm之厚度的包含(Al,In)GaAs、(Al,Ga)InP或Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之發射極及包含Ge基板之基極。應注意，多接面光伏打電池亦可在Ge或GaAs基板上形成，其中基板不為子電池之部分。
在某些實施例中，子電池中之一或多者具有發射極及/或基極，其中存在梯度摻雜分佈。摻雜分佈可為線性、指數的，或具有其他位置相依性。在此類實施例中之某些中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池中之一或多者在基極之部分或全部上具有指數或線性摻雜分佈，其中摻雜水準在1E15個原子/立方公分與1E19 個原子/立方公分之間，或在1E1016 個原子/立方公分與5E18個原子/立方公分之間。此外，最接近於發射極之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 基極之區可具有恆定摻雜或無摻雜，如例如在美國申請公開案第2012/0103403號中所揭示，該美國申請公開案以全文引用的方式併入。摻雜物之實例包括例如Be、Mg、Zn、Te、Se、Si、C及此項技術中已知的其他摻雜物。
穿隧接面可安置於子電池中之每一者之間。各穿隧接面包含電連接相鄰子電池之兩個或更多個層。穿隧接面包括鄰近於高度摻雜p型層之高度摻雜n型層以形成p-n接面。典型地，穿隧接面中之摻雜水準在1E18個原子/立方公分與1E21個原子/立方公分之間。
在某些實施例中，穿隧接面包含n型(Al,In)GaAs或(Al)InGaP(As)層及p型(Al,In)GaAs層。在某些實施例中，n型層之摻雜物包含Si，且p型層之摻雜物包含C。穿隧接面可具有小於約100 nm、小於80 nm、小於60 nm、小於40 nm且在某些實施例中小於20 nm之厚度。舉例而言，在某些實施例中，在(Al)InGaP子電池之間、在(Al)InGaP子電池與(Al,In)GaAs或(Al)InGaAsP子電池之間或在(Al,In)GaAs子電池之間的穿隧接面可具有小於約30 nm、小於約20 nm、小於約15 nm且在某些實施例中小於約12 nm之厚度。在某些實施例中，使(Al,In)GaAs與III-AsNV合金子電池分離、使相鄰III-AsNV合金子電池分離或使III-AsNV合金與(Si,Sn)Ge或Ge子電池分離之穿隧接面可具有小於100 nm、小於80 nm、小於60 nm且在某些實施例中小於40 nm的厚度。
可在諸如Ge基板之基板上製作多接面光伏打電池。在某些實施例中，基板可包含GaAs、InP、Ge或Si。在某些實施例中，所有子電池與基板實質上晶格匹配。在某些實施例中，包括於完整光伏打電池內但不為子電池之部分的層中之一或多者不與子電池實質上晶格匹配，該等層諸如抗反射塗層、接觸層、頂蓋層、穿隧接面層及緩衝層。
在某些實施例中，多接面光伏打電池包含上覆於最上部子電池之抗反射塗層。包含抗反射塗層之材料及抗反射塗層之厚度經選擇以提高多接面光伏打電池中之光捕獲效率。在某些實施例中，一或多個接觸層上覆於在金屬柵格之下或接近金屬柵格之區中的最上部子電池。在某些實施例中，接觸層包含(In)GaAs，且摻雜物可為Si或Be。
可將由本發明提供之含稀氮化物多接面光伏打電池(諸如含GaInNAsSb多接面光伏打電池)併入至光伏打電源系統中。光伏打電源系統可包含由本發明提供之一或多個光伏打電池，諸如具有至少三個、至少四個子電池或至少五個子電池(包括一或多個GaInNAsSb子電池)之一或多個光伏打電池。在某些實施例中，一或多個光伏打電池具有GaInNAsSb子電池作為底部子電池或在底部子電池正上方之子電池。在某些實施例中，光伏打電源系統可為聚光光伏打系統，其中該系統亦可包含用以將日光聚集至一或多個光伏打電池上之鏡面及/或透鏡。在某些實施例中，光伏打電源系統包含單軸或雙軸追蹤器。在某些實施例中，光伏打電源系統經設計為用於攜帶型應用，且在其他實施例中用於並網發電。在某些實施例中，光伏打電源系統經設計以將諸如AM1.5G、AM1.5D或AM0之特定光譜轉換為電力。在某些實施例中，光伏打電源系統可發現於衛星或其他地外運載工具上，且經設計為用於在行星氛圍不影響入射光源之情況下進行空間中的操作。在某些實施例中，光伏打電源系統可經設計為用於在除地球以外之天體上操作。在某些實施例中，光伏打電力系統可經設計為用於圍繞除地球以外之天體運行的衛星。在某些實施例中，光伏打電源系統可經設計為用於在除地球以外之天體表面上漫遊。
提供光伏打模組，其包含由本發明提供之一或多個多接面光伏打電池。光伏打模組可包含由本發明提供之一或多個光伏打電池，以包括待獨立使用或與額外模組裝配的殼體及互連件以形成光伏打電源系統。模組及/或電源系統可包括功率調節器、功率轉換器、反相器及其他電子件以將由光伏打電池產生之功率轉換為可用電力。光伏打模組可諸如在聚光型光伏打模組中進一步包括用於將光聚焦至由本發明提供之光伏打電池上的光學件。光伏打電源系統可包含一或多個光伏打模組，諸如複數個光伏打模組。
如例如在美國申請公開案第2017/0110613號中所揭示，已製作出高效率GaInNAsSb稀氮化物子電池。此等GaInNAsSb子電池之效率採用由本發明提供的摻雜分佈，諸如在Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 基極中之指數摻雜或在Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 基極中之恆定摻雜與指數摻雜的組合。
已製作出包含至少一個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之三接面、四接面及五接面光伏打電池。關於提供高品質Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之能力來預測提供高效率的基於Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之光伏打電池的能力，該高品質Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池與包括Ge及GaAs基板之其他半導體層晶格匹配，且可經調整以具有在0.8 eV至1.3 eV之範圍內的能隙。
由本發明提供之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池經製作以提供高效率。有助於提供高效率Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之因素包括例如個別子電池的能隙，其又取決於子電池之半導體組成、摻雜水準及摻雜分佈、子電池之厚度、晶格匹配之品質、缺陷密度、生長條件、退火溫度及分佈以及雜質含量。
可使用各種度量值來表徵GaInNAsSb子電池之品質，該等度量值包括例如Eg/q-Voc、在輻照能量範圍內之效率、開路電壓Voc及短路電流密度Jsc。可對具有Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 基極層之子電池量測開路電壓Voc及短路電流Jsc，該基極層為2 µm厚或其他厚度，諸如1 µm至4 µm之厚度。熟習此項技術者將理解如何將針對具有特定Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 基極厚度之子電池所量測的開路電壓Voc及短路電流Jsc外推至其他厚度。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之品質可藉由效率作為輻照波長或輻照能量之函數的曲線來反映。一般而言，高品質Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在廣泛範圍之輻照波長內呈現至少60%、至少70%或至少80%之效率。圖32展示針對具有在約0.82 eV至約1.24 eV之範圍內的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的效率作為輻照波長/能量之函數的相依性。
圖32中提及之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的效率大於70%及大於80%時的輻照波長概述於表1中。 表1. Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之效率的相依性。
GaInNAsSb能隙 效率(%) 波長/能量(nm/eV)
波長(nm) 能量 (eV) ＞70% ＞80%
1000 1.24 ＜900 / ＜1.38 970 / 1.27 ＜900 / ＜1.38 930 / 1.33
1088 1.14 ＜900 / ＜1.38 1000 / 1.24 ＜900 / ＜1.38 950 / 1.30
1127 1.10 ＜900 / ＜1.38 1050 / 1.18 ＜900 / ＜1.38 950 / 1.30
1181 1.05 ＜900 / ＜1.38 1100 / 1.13 ＜900 / ＜1.38 1050 / 1.18
1240 1.00 ＜900 / ＜1.38 1150 / 1.08 ＜900 / ＜1.38 1100 / 1.13
1291 0.96 ＜900 / ＜1.38 1200 / 1.03 ＜900 / ＜1.38 1100 / 1.13
1512 0.82 ＜900 / ＜1.38 1250 / 0.99 ＜900 / ＜1.38 1100 / 1.13
圖32中所量測之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在廣泛輻照波長範圍內呈現大於60%、大於70%或大於80%的高效率。此等Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在廣泛範圍之輻照波長/能量內的高效率指示形成Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之半導體材料的高品質。
如圖32中所展示，特定Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池呈現高效率的輻照波長範圍由特定Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池之能隙來界定。因在實際光伏打電池中，Ge子電池可用以捕獲及轉換處於較短波長下之輻射，故不將量測值擴展至低於900 nm之波長。針對2 µm之GaInNAsSb子電池厚度，使用AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下在1日光的輻照度(1,000 W/m2)下量測圖32中之效率。熟習此項技術者將理解如何將所量測效率外推至其他輻照波長/能量、子電池厚度及溫度。藉由掃描經校準源之光譜且量測由光伏打電池產生之電流來量測效率。GaInNAsSb子電池可包括GaInNAsSb子電池基極、發射極、背表面場及前表面場。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池呈現如下效率：在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下至少80%的效率；在1.38 eV至1.18 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下至少80%的效率；在1.38 eV至1.10 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.18 eV之輻照能量下至少80%的效率；在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.15 eV之輻照能量下至少80%的效率；在1.38 eV至0.99 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.15 eV之輻照能量下至少80%的效率；或在1.38 eV至0.92 eV之輻照能量下至少60%的效率、在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.15 eV之輻照能量下至少80%的效率；其中效率係在25℃之接面溫度下量測。
在25℃之接面溫度下量測，具有在1.18 eV與1.24 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在25℃之接面溫度下量測，具有在1.10 eV與1.14 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至1.18 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在25℃之接面溫度下量測，具有在1.04 eV與1.06 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至1.10 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.18 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在25℃之接面溫度下量測，具有在0.99 eV與1.01 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.15 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在25℃之接面溫度下量測，具有在0.90 eV與0.98 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至0.99 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.15 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。 在25℃之接面溫度下量測，具有在0.80 eV與0.86 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至0.92 eV之輻照能量下呈現至少60%的效率，且在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.15 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池亦呈現如下效率：在1.38 eV至1.27 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下至少80%的效率；在1.38 eV至1.18 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下至少80%的效率；在1.38 eV至1.10 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.18 eV之輻照能量下至少80%的效率；在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.13 eV之輻照能量下至少80%的效率；或在1.38 eV至0.92 eV之輻照能量下至少60%的效率、在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下至少70%的效率，及在1.38 eV至1.08 eV之輻照能量下至少80%的效率；其中效率係在25℃之接面溫度下量測。
在25℃之接面溫度下量測，具有在1.18 eV與1.24 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至1.27 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在25℃之接面溫度下量測，具有在1.10 eV與1.14 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至1.18 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在25℃之接面溫度下量測，具有在1.04 eV與1.06 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至1.10 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.18 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在25℃之接面溫度下量測，具有在0.94 eV與0.98 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.13 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在25℃之接面溫度下量測，具有在0.80 eV與0.90 eV之間的能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在1.38 eV至0.92 eV之輻照能量下呈現至少60%的效率，且在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.08 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在前述段落中所列的每一各別範圍之輻照能量內呈現至少0.55 V、至少0.60 V或至少0.65 V的Eg/q-Voc。Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在前述段落中所列的每一各別範圍之輻照能量內呈現在0.55 V至0.70 V之範圍內的Eg/q-Voc。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由約1.24 eV之能隙、在約1.27 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於70%的效率及在約1.33 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於80%的效率來表徵。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由約1.14 eV之能隙、在約1.24 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於70%的效率及在約1.30 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於80%的效率來表徵。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由約1.10 eV之能隙、在約1.18 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於70%的效率及在約1.30 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於80%的效率來表徵。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由約1.05 eV之能隙、在約1.13 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於70%的效率及在約1.18 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於80%的效率來表徵。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由約1.00 eV之能隙、在約1.08 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於70%的效率及在約1.13 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於80%的效率來表徵。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由約0.96 eV之能隙、在約1.03 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於70%的效率及在約1.13 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於80%的效率來表徵。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由約0.82 eV之能隙、在約0.99 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於70%的效率及在約1.13 eV至約1.38 eV之輻照能量下大於80%的效率來表徵。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之品質反映於以下各者中：高短路電流密度Jsc、低開路電壓Voc、高填充因子及在廣泛範圍之輻照波長/能量內的高效率。
針對具有0.907 eV至1.153 eV之能隙的某些Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，將此等參數提供於表2中。 表2.某些Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之特性。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 莫耳分數 Jsc (mA.cm2 ) Voc (V) Eg/q-Voc (V) FF (%) PL BG (eV) 基極厚度 (µm)
子電池 In(x) N(y) Sb(z)
A    6.8-7.8 1.0-1.7 0.4-0.8 9.72 0.53 0.623 0.75 1.153 2
B    7.9 1.7 0.7-0.8 9.6 0.48 0.633 0.74 1.113 2
C    7.8 1.82 0.4-0.8 9.8 0.46 0.655 0.73 1.115 2
D    17-18 4.3-4.8 1.2-1.6 15.2 0.315 0.592 0.62 0.907 2
在表2中，FF係指填充因子，且PL BG係指如使用光致發光所量測之能隙。
對於表2中呈現之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池中之每一者，效率(EQE)為約87%，且在25℃之接面溫度下，效率為約89%。子電池B、C及D的效率作為輻照能量之函數的相依性分別經展示於圖33A、圖33B及圖33C中。在約1.15 eV至約1.55 eV (1078 nm至800 nm)之輻照能量下，效率大於約70%。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池B、C及D之效率以圖形形式呈現於圖33A、圖33B及圖33C中且概述於表3中。 表3.作為輻照能量之函數的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之組成及效率。
Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 莫耳分數 能隙 (eV) 在輻照能量 (eV) 下之效率 (%)
子電池 In(x) N(y) Sb(z) ‒ 0.95 eV 1.05 eV 1.15 eV 1.25 eV 1.35 eV 1.45 eV 1.55 eV
B 7.9 1.7 0.7-0.8 1.113 ‒ ‒ 70 80 85 85 77
C 7.8 1.82 0.4-0.8 1.115 ‒ ‒ 72 82 87 86 77
D 17-18 4.3-4.8 1.2-1.6 0.907 57 73 81 87 92 92 ‒
如圖33A、圖33B及圖33C中及表3中所展示，具有約1.11 eV之能隙的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在約1.15 eV至至少1.55 eV之輻照能量範圍內呈現大於70%之效率，且在約1.25 eV至約1.45 eV之輻照能量範圍內呈現大於80%之效率。
另外，如圖33A、圖33B及圖33C中及表3中所展示，具有約0.91 eV之能隙的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池在約1.05 eV至至少1.45 eV之輻照能量範圍內呈現大於70%之效率，且在約1.15 eV至至少1.45 eV之輻照能量範圍內呈現大於80%之效率。
由本發明提供之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 組成的品質亦反映於低開路電壓Voc中，該低開路電壓Voc部分地取決於Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 組成之能隙。開路電壓Voc與Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 組成之能隙的相依性經展示於圖34中。如圖34中所展示，開路電壓Voc自針對具有約0.85 eV之能隙的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 組成之約0.2 V改變至針對具有約1.2 eV之能隙的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 組成之約0.5 V的開路電壓Voc。
呈現0.90 eV至1.2 eV之能隙的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.010≤x≤0.18、0.015≤y≤0.083、0.004≤z≤0.018之x、y及z值。對某些Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之元素含量、能隙、短路電流密度Jsc及開路電壓Voc的概述呈現於表4中。 表4. Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之組成及特性。
   In (x) N (y) Sb (z) 能隙(eV) Jsc (mA/cm2 ) Voc (V)
D 0.17-0.18 0.043-0.048 0.012-0.016 0.907 15.2 0.315
E 0.12-0.14 0.030-0.035 0.007-0.014 0.96-0.97 ‒ ‒
F 0.13 0.032 0.007-0.014 0.973 ‒ ‒
B 0.079 0.017 0.007-0.008 1.113 9.6 0.48
C 0.078 0.0182 0.004-0.008 1.115 9.8 0.46
G 0.083 0.018 0.013 1.12 9.7 0.49
H 0.079 0.022 0.013 1.12 13.12 0.63
A 0.068-0.078 0.010-0.017 0.004-0.008 1.153-1.157 9.72 0.53
I 0.05 0.013 0.018 1.16 6.57 0.54
J 0.035 0.014 0.018 1.2 6.32 0.55
K 0.028 0.016 0.007 1.2 ‒ ‒
在表3中，使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測短路電流密度Jsc及開路電壓Voc。Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池為2 µm厚。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的等於或大於0.55 V之Eg/q-Voc來表徵。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的0.4 V至0.7 V之Eg/q-Voc來表徵。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.016≤x≤0.19、0.040≤y≤0.051且0.010≤z≤0.018之x、y及z值；在0.89 eV至0.92 eV之範圍內的能隙；大於15 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及大於0.3 V之開路電壓Voc。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.13 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.010≤x≤0.16、0.028≤y≤0.037且0.005≤z≤0.016之x、y及z值；及在0.95 eV至0.98 eV之範圍內的能隙。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.13 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.075≤x≤0.081、0.040≤y≤0.051且0.010≤z≤0.018之x、y及z值；在1.111 eV至1.117 eV之範圍內的能隙；大於9 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及大於0.4 V之開路電壓Voc。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.18 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.016≤x≤0.024、0.077≤y≤0.085且0.011≤z≤0.015之x、y及z值；在1.10 eV至1.14 eV之範圍內的能隙；大於9 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及大於0.4 V之開路電壓Voc。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.13 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.068≤x≤0.078、0.010≤y≤0.017且0.004≤z≤0.008之x、y及z值；在1.15 eV至1.16 eV之範圍內的能隙；大於9 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及大於0.5 V之開路電壓Voc。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.21 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.011≤x≤0.015、0.04≤y≤0.06且0.016≤z≤0.020之x、y及z值；在1.14 eV至1.18 eV之範圍內的能隙；大於6 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及大於0.5 V之開路電壓Voc。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.21 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.012≤x≤0.016、0.033≤y≤0.037且0.016≤z≤0.020之x、y及z值；在1.18 eV至1.22 eV之範圍內的能隙；大於6 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及大於0.5 V之開路電壓Voc。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.24 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.026≤x≤0.030、0.014≤y≤0.018且0.005≤z≤0.009之x、y及z值；在1.18 eV至1.22 eV之範圍內的能隙。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.24 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有其中0.075≤x≤0.082、0.016≤y≤0.019且0.004≤z≤0.010之x、y及z值，且子電池可藉由以下來表徵：在1.12 eV至1.16 eV之範圍內的能隙；至少9.5 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及至少0.40 V之開路電壓Voc，其中Jsc及Voc係使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.24 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有其中0.011≤x≤0.016、0.02≤y≤0.065且0.016≤z≤0.020之x、y及z值，且子電池可藉由以下來表徵：在1.14 eV至1.22 eV之範圍內的能隙；至少6 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及至少0.50 V之開路電壓Voc，其中Jsc及Voc係使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.27 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.34 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有其中0.016≤x≤0.024、0.077≤y≤0.085且0.010≤z≤0.016之x、y及z值，且子電池可藉由以下來表徵：在1.118 eV至1.122 eV之範圍內的能隙；至少9 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及至少0.40 V之開路電壓Voc，其中Jsc及Voc係使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.21 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由以下來表徵：在0.8 eV至1.3 eV之範圍內的能隙；及0.03≤x≤0.19、0.008≤y≤0.055且0.001≤z≤0.05之x、y及z值。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.06≤x≤0.09、0.01≤y≤0.025及0.004≤z≤0.014，且子電池可藉由以下來表徵：在1.12 eV至1.16 eV之範圍內的能隙；等於或大於9.5 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及等於或大於0.40 V之開路電壓Voc，其中Jsc及Voc係使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.21 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.004≤x≤0.08、0.008≤y≤0.02及0.004≤z≤0.014的值，且子電池可藉由以下來表徵：在1.14 eV至1.22 eV之範圍內的能隙；等於或大於6 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及等於或大於0.50 V之開路電壓Voc，其中Jsc及Voc係使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.27 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
在某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可具有0.06≤x≤0.09、0.01≤y≤0.03及0.004≤z≤0.014的值，且子電池可藉由以下來表徵：在1.118 eV至1.122 eV之範圍內的能隙；等於或大於9 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及等於或大於0.40 V之開路電壓Voc，其中使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測Jsc及Voc。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.21 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.30 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。
由本發明提供之多接面光伏打電池可包含至少一個包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 半導體材料之子電池或由本發明提供之子電池，且其中子電池中之每一者與其他子電池中之每一者晶格匹配。此多接面光伏打電池可包含三個接面、四個接面、五個接面或六個接面，其中接面或子電池中之至少一者包含由本發明提供之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 半導體材料。在某些實施例中，多接面光伏打電池包含一個包含由本發明提供之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 半導體材料的子電池，且在某些實施例中，包含兩個包含由本發明提供之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 半導體材料的子電池。Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 半導體材料可經選擇以具有至少部分地視多接面光伏打電池之結構而定的合適能隙。Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 半導體材料之能隙可例如在約0.80 eV至約0.14 eV之範圍內。 [001]製作出具有底部Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J3)、第二(Al,In)GaAs子電池(J2)及頂部InGaP或AlInGaP子電池(J1)之三接面光伏打電池。子電池中之每一者與(Al,In)GaAs晶格匹配。因此，子電池中之每一者與其他子電池中之每一者晶格匹配。使用1日光(1,366 W/m2 ) AM0光譜在25℃下量測的三接面光伏打電池之參數提供於表5中。對三接面電池進行之量測的實例經展示於圖35A至圖35C中。 表5.三接面含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 光伏打電池之特性。
   (Al)InGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb
Voc (V) 2.87
Jsc (mA/cm2 ) 17.6
FF (%) 86.7
效率(%) 32
J1能隙(eV); (Al)InGaP 1.9
J2能隙(eV); (Al,In)GaAs 1.42
J3能隙(eV); GaInNAsSb 0.96
用AM0光譜照明，使用底部Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J3)之三接面光伏打電池呈現約2.9 V之高Voc、約16 mA/cm2 的高Jsc、約85%之高填充因子及約30%的高效率。(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb光伏打電池藉由使用1日光AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：至少2.8 V之開路電壓Voc、至少17 mA之短路電流密度、至少80%的填充因子及至少28%之效率。
(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb光伏打電池藉由用AM0光譜照明之以下各者來表徵：2.8 V至2.9 V之開路電壓Voc、16 mA/cm2 至18 mA/cm2 之短路電流密度、80%至90%之填充因子及28%至34%之效率。
(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb光伏打電池藉由使用1日光AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：2.85 V至2.95 V之開路電壓Voc、15 mA/cm2 至17 mA/cm2 的短路電流密度、80%至89%之填充因子及25%至35%之效率。
在某些實施例中，三接面多接面光伏打電池可包含：Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，其藉由0.9 eV至1.1 eV之能隙來表徵；(Al,In)GaAs子電池，其上覆於Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，其中(Al,In)GaAs子電池藉由在1.3 eV至1.5 eV之範圍內的能隙來表徵；及(Al)InGaP子電池，其上覆於(Al,In)GaAs子電池，其中(Al)InGaP子電池藉由在1.8 eV至2.10 eV之範圍內的能隙來表徵；其中，子電池中之每一者與其他子電池中之每一者晶格匹配；且多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5D或AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：等於或大於2.5 V之開路電壓Voc；等於或大於12 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；等於或大於75%的填充因子；及至少28%之效率。
在某些實施例中，三接面多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：在2.5 V至3.2 V之範圍內的開路電壓Voc；在15 mA/cm2 至17.9 mA/cm2 之範圍內的短路電流密度Jsc；在80%至90%之範圍內的填充因子；及在28%至33%之範圍內的效率。
在某些實施例中，三接面多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5 D光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：在2.55 V至2.85 V之範圍內的開路電壓Voc；在13.0 mA/cm2 至15 mA/cm2 之範圍內的短路電流密度Jsc；在75%至87%之範圍內的填充因子；及在28%至35%之範圍內的效率。
在某些實施例中，多接面光伏打電池可包含：Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，其藉由0.9 eV至1.05 eV之能隙來表徵；(Al,In)GaAs子電池，其上覆於Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，其中(Al,In)GaAs子電池藉由在1.3 eV至1.5 eV之範圍內的能隙來表徵；及(Al)InGaP子電池，其上覆於(Al,In)GaAs子電池，其中(Al)InGaP子電池藉由在1.85 eV至2.05 eV之範圍內的能隙來表徵；其中子電池中之每一者與其他子電池中之每一者晶格匹配；且多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：等於或大於2.5 V之開路電壓Voc；等於或大於15 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；等於或大於80%的填充因子；及等於或大於28%之效率。
在某些實施例中，三接面多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：在2.6 V至3.2 V之範圍內的開路電壓Voc；在15.5 mA/cm2 至16.9 mA/cm2 之範圍內的短路電流密度Jsc；在81%至91%之範圍內的填充因子；及在28%至32%之範圍內的效率。
在某些實施例中，四接面光伏打電池可具有如圖5B中所展示之通用結構，該通用結構具有底部Ge子電池(J4)、上覆GaInNAsSb子電池(J3)、上覆(Al,In)GaAs子電池(J2)及頂部(Al)InGaP子電池(J1)。子電池中之每一者與其他子電池中之每一者且與Ge子電池實質上晶格匹配。多接面光伏打電池不包含相鄰子電池之間的變質緩衝層。Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池、(Al,In)GaAs子電池及(Al)InGaP子電池中之每一者的組成經選擇以提供與(Si,Sn)Ge子電池的晶格匹配，且提供適當能隙。
在某些四接面光伏打電池中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J3)可具有在0.98 eV至1.22 eV、0.98 eV至1.20 eV、0.98 eV至0.18 eV、0.98 eV至0.16 eV、0.98 eV至0.14 eV、0.98 eV至1.12 eV、0.99 eV至1.11 eV之範圍內或在1.00 eV至1.10 eV之範圍內的能隙。Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 可經選擇以實質上匹配(Si,Sn)Ge子電池之晶格常數，且提供在一定範圍內，例如在0.98 eV至1.12 eV之範圍內的合適能隙。
在四接面光伏打電池之某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J3)可具有其中0.075≤x≤0.083、0.015≤y≤0.020且0.003≤z≤0.009的x、y及z值。
在四接面光伏打電池之某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J3)可具有其中0.077≤x≤0.081、0.0165≤y≤0.0185且0.004≤z≤0.009的x、y及z值。
在四接面光伏打電池之某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J3)可具有其中0.078≤x≤0.080、0.017≤y≤0.018且0.004≤z≤0.008的x、y及z值。
在某些四接面光伏打電池中，(Al,In)GaAs子電池(J2)可具有在1.4 eV至1.53 eV、1.42 eV至1.51 eV、1.44 eV至1.49 eV之範圍內或在1.46 eV至1.48 eV之範圍內的能隙。
(Al,In)GaAs組成可經選擇以匹配(Si,Sn)Ge子電池之晶格常數，且提供具有一定範圍，例如在1.4 eV至1.53 eV之範圍內的合適能隙。
在某些四接面光伏打電池中，(Al)InGaP子電池(J1)可具有在1.96 eV至2.04 eV、1.97 eV至2.03 eV、1.98 eV至2.02 eV之範圍內或在1.99 eV至2.01 eV之範圍內的能隙。(Al)InGaP組成經選擇以匹配Ge子電池之晶格常數，且提供例如在1.96 eV至2.04 eV之範圍內的合適能隙。
子電池中之每一者的組成經選擇以在某一範圍之輻照波長或能量內具有至少70%或至少80%的效率。
舉例而言，Ge子電池可在約0.77 eV至約1.03 eV (約1600 nm至1200 nm)之範圍內的輻照能量下呈現大於85%之效率，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.13 eV至1.38 eV (1100 nm至900 nm)之範圍內的輻照能量下呈現大於85%之效率，(Al,In)GaAs子電池可在1.51 eV至2.00 eV (820 nm至620 nm)之範圍內的輻照能量下呈現大於90%之效率，且(Al)InGaP子電池可在2.07 eV至3.10 eV (600 nm至400 nm)之範圍內的輻照能量下呈現大於90%之效率。
四接面(Si,Sn)Ge/GaInNAsSb/(Al,In)GaAs/(Al)InGaP光伏打電池之某些特性經展示於圖36A及圖36B中。圖36A展示四接面(Si,Sn)Ge/GaInNAsSb/(Al,In)GaAs/(Al)InGaP光伏打電池之I/V曲線，該光伏打電池藉由以下各者來表徵：15.4 mA/cm2 之短路電流密度Jsc、3.13 V的開路電壓Voc、84.4%之填充因子及29.8%之效率。使用1日光AM0光譜在25℃之接面溫度下進行量測。圖36B展示作為輻照波長之函數的四個子電池中之每一者的效率。該效率在約400 nm至約1600 nm之大多數輻照波長範圍內大於約90%。
展示於圖36A及圖36B中之四接面(Si,Sn)Ge/GaInNAsSb/(Al,In)GaAs/(Al)InGaP光伏打電池的各種特性提供於表6中。 表6.四接面含GaInNAsSb光伏打電池之特性。
   (Al)InGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb/(Si,Sn)Ge
   四接面電池(1) 四接面電池(2)
Voc (V) 3.13 3.15
Jsc (mA/cm2 ) 15.4 15.2
FF (%) 84 85.5
EQE (%) 29.8 29.9
J1 - (Al)InGaP Jsc (mA/cm2 )/Eg (eV) ‒ 15.15 / 1.97
J2- (Al,In)GaAs Jsc (mA/cm2 )/Eg (eV) ‒ 15.67 / 1.47
J3 - GaInNAsSb Jsc (mA/cm2 )/Eg (eV) ‒ 16 / 1.06
J4 - (Si,Sn)Ge Jsc (mA/cm2 )/Eg (eV) ‒ 15.8 / 0.67
在某些實施例中，多接面光伏打電池可包含：第一子電池，其包含(Al)InGaP；第二子電池，其包含在第一子電池之下的(Al,In)GaAs；第三子電池，其包含在第二子電池之下的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ；及第四子電池，其包含在第三子電池之下的(Si,Sn)Ge；其中，子電池中之每一者與其他子電池中之每一者晶格匹配；第三子電池藉由0.83 eV至1.22 eV之能隙來表徵；且第三子電池藉由在25℃之接面溫度下在0.95 eV至1.55 eV之整個範圍內的輻照能量下大於70%之效率來表徵。
在某些實施例中，多接面光伏打電池可包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，該子電池藉由在1.1 eV至1.5 eV之整個範圍內的輻照能量下大於80%之效率來表徵。
在某些實施例中，包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5D或AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：等於或大於2.5 V之開路電壓Voc；等於或大於8 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；等於或大於75%的填充因子；及大於25%之效率。
在某些實施例中，包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5D或AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：等於或大於3.0 V之開路電壓Voc；等於或大於15 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；等於或大於80%的填充因子；及大於25%之效率。
在某些實施例中，包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：2.5 V至3.5 V之開路電壓Voc；13 mA/cm2 至17 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；80%至90%的填充因子；及28%至36%之效率。
在某些實施例中，包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：3.0 V至3.5 V之開路電壓Voc；8 mA/cm2 至14 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；80%至90%的填充因子；及28%至36%之效率。
在某些實施例中，包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面多接面光伏打電池可包含：第一子電池，其具有1.9 eV至2.2 eV之能隙；第二子電池，其具有1.40 eV至1.57 eV之能隙；第三子電池，其具有0.98 eV至1.2 eV之能隙；及第四子電池，其包括0.67 eV之能隙。
在包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面多接面光伏打電池的某些實施例中，x、y及z值為0.075≤x≤0.083、0.015≤y≤0.020且0.003≤z≤0.09。
在包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面多接面光伏打電池的某些實施例中，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可藉由使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：0.42 V至0.57 V之開路電壓Voc；10 mA/cm2 至13 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及1.0 eV至1.17 eV之能隙。
為增加光伏打電池效率，可製作五接面光伏打電池。三接面、四接面及五接面光伏打電池之光伏打電池堆疊之組成的實例經展示於圖5中。在諸如五接面及六接面電池之一些實施例中，可使用兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池。
為展現使用相鄰Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之可行性，製作且評估具有底部Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池且上覆Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的四接面光伏打電池。在GaAs基板上製作四接面光伏打電池。子電池中之每一者與其他子電池中之每一者且與GaAs基板實質上晶格匹配。多接面光伏打電池不包含相鄰子電池之間的變質緩衝層。兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池、(Al,In)GaAs子電池及(Al)InGaP子電池中之每一者的組成經選擇以與GaAs基板晶格匹配，且提供適當能隙。 [002]四接面光伏打電池具有底部Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J4)、上覆Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J3)、上覆(Al,In)GaAs子電池(J2)及頂部(Al)InGaP子電池(J1)。在1日光AM1.5D或AM0光譜下之能隙及Jsc經展示於表7中。 表7.具有兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面光伏打電池的能隙及Jsc。
子電池 組成 能隙(eV) Jsc (mA/cm2 )
J1 (Al)InGaP 2.05-2.08 12.7-13.2
J2 (Al,In)GaAs 1.60-1.64 11.8-14.2
J3 Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 1.20-1.21 15.2-16.8
J4 Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 0.88-0.89 12.9-13.2
呈現於表6中之光伏打電池的子電池中之每一者的內部及外部量子效率經展示於圖37A及圖37B中。 [003]具有兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面光伏打電池在約400 nm (3.1 eV)至約1300 nm (0.95 eV)之整個輻照波長範圍內呈現超過70%的內部及外部量子效率，且在約450 nm (2.75 eV)至約1200 nm (1.03 eV)之整個輻照波長範圍內呈現超過80%的內部及外部量子效率。 [004]使用1日光AM0或AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測，具有類似於表7中呈現之彼等的兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之其他四接面光伏打電池呈現約3.67 eV至約3.69 eV之開路電壓、約9.70 mA/cm2 至約9.95 mA/cm2 的短路電流密度、約80%至約85%之填充因子及約29.0%至約31%的外部量子效率。 [005]在此等光伏打電池中，底部Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J4)具有0.95 eV至約0.99 eV (諸如0.96 eV至0.97 eV)之能隙，及0.11≤x≤0.15、0.030≤y≤0.034且0.007≤z≤0.14之x、y及z值，且在某些實施例中，具有0.12≤x≤0.14、0.031≤y≤0.033且0.007≤z≤0.14的x、y及z值。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.03 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.15 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。 [006]在此等光伏打電池中，第二Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池(J3)具有1.1 eV至約1.3 eV之能隙，及0.026≤x≤0.030、0.014≤y≤0.018且0.005≤z≤0.009之x、y及z值，且在某些實施例中，具有0.027≤x≤0.029、0.015≤y≤0.017且0.006≤z≤0.008的x、y及z值。在此類實施例中，在25℃之接面溫度下量測，Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可在1.38 eV至1.34 eV之輻照能量下呈現至少70%的效率，且在1.38 eV至1.34 eV之輻照能量下呈現至少80%的效率。 [007]此等結果表明將兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池併入至光伏打電池中以提高多接面光伏打電池效能之可行性。如圖5A至圖5C中所展示，為提高在較低波長下之收集效率，具有兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之五接面及六接面光伏打電池亦可包括底部活性Ge子電池。在25℃之接面溫度下在1日光AM0照明下，如圖5A至圖5C中所展示之晶格匹配五接面光伏打電池預期分別呈現超過34%及超過36%的外部量子效率。
包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面光伏打電池可經調適以用於五接面多接面光伏打電池中。(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz /Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 層之堆疊可上覆於可充當第五子電池之Ge層。在具有Ge子電池之光伏打電池中，基極層中之每一者可與Ge子電池晶格匹配。
在某些實施例中，包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之四接面及五接面多接面光伏打電池可包含：第一子電池，其包含(Al)InGaP；第二子電池，其包含在第一子電池之下的(Al,In)GaAs；第三子電池，其包含在第二子電池之下的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ；及第四子電池，其包含在第三子電池之下的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ；其中，子電池中之每一者與其他子電池中之每一者晶格匹配；第四子電池及第三子電池中之每一者藉由具有0.83 eV至1.3 eV之範圍的能隙來表徵；且第四子電池及第三子電池中之每一者藉由在0.95 eV至1.55 eV之整個範圍內的輻照能量下大於70%之效率來表徵。
在某些實施例中，四接面及五接面多接面光伏打電池包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池中之每一者可藉由在1.1 eV至1.5 eV之整個範圍內的輻照能量下大於80%之效率來表徵。
在某些實施例中，四接面及五接面多接面光伏打電池包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，多接面光伏打電池可藉由使用1日光1.5 AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：等於或大於2.8 V之開路電壓Voc；等於或大於18 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；等於或大於80%的填充因子；及等於或大於29%之效率。
在某些實施例中，四接面及五接面多接面光伏打電池包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，多接面光伏打電池可包含：第一子電池，其藉由1.90 eV至2.20 eV之能隙來表徵；第二子電池，其藉由1.4 eV至1.7 eV之能隙來表徵；第三子電池，其藉由0.97 eV至1.3 eV之能隙來表徵；及第四子電池，其藉由0.8 eV至1 eV之能隙來表徵。
在某些實施例中，四接面及五接面多接面光伏打電池包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，多接面光伏打電池可包含：包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之第四子電池，其藉由0.9 eV至1 eV之能隙表徵；包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 之第三子電池，其藉由1.1 eV至1.3 eV之能隙表徵；包含(Al,In)GaAs之第二子電池，其藉由1.5 eV至1.7 eV之能隙表徵；及包含(Al)InGaP之第一子電池，其藉由1.9 eV至2.1 eV之能隙表徵；其中多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：等於或大於3.5 V之開路電壓Voc；等於或大於8 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；等於或大於75%的填充因子；及等於或大於27%之效率。
在某些實施例中，四接面及五接面多接面光伏打電池包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：3.65 V至3.71 V之開路電壓Voc；9.7 mA/cm2 至10.0 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；80%至85%的填充因子；及29%至31%之效率。
在某些實施例中，四接面及五接面多接面光伏打電池包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5D或AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：等於或大於2.5 V之開路電壓Voc；等於或大於8 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；等於或大於75%的填充因子；及等於或大於25%之效率。
在某些實施例中，四接面及五接面多接面光伏打電池包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM0光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：2.5 V至3.5 V之開路電壓Voc；13 mA/cm2 至17 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；及80%至90%的填充因子；及28%至36%之效率。
在某些實施例中，四接面及五接面多接面光伏打電池包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池，多接面光伏打電池可藉由使用1日光AM1.5D光譜在25℃之接面溫度下量測的以下各者來表徵：3 V至3.5 V之開路電壓Voc；8 mA/cm2 至14 mA/cm2 之短路電流密度Jsc；80%至90%的填充因子；及28%至36%之效率。
亦提供五接面多接面光伏打電池。五接面多接面光伏打電池包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池。兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池可上覆於(Si,Sn)Ge子電池，且可與(Si,Sn)Ge子電池晶格匹配。子電池中之每一者可與其他子電池中之每一者晶格匹配，且可與(Si,Sn)Ge子電池晶格匹配。(Si,Sn)Ge子電池可具有0.67 eV至1.0 eV之範圍的能隙。
在某些實施例中，包含兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池之五接面多接面光伏打電池可包含：第一子電池，其包含(Al)InGaP；第二子電池，其包含在第一子電池之下的(Al,In)GaAs；第三子電池，其包含在第二子電池之下的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ；第四子電池，其包含在第三子電池之下的Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ；第五子電池，其包含在第四子電池之下的(Si,Sn)Ge；其中，子電池中之每一者與其他子電池中之每一者晶格匹配；第四子電池及第三子電池中之每一者藉由具有0.83 eV至1.3 eV之範圍的能隙來表徵；且第四子電池及第三子電池中之每一者藉由在0.95 eV至1.55 eV之整個範圍內的輻照能量下大於70%之效率來表徵。
在五接面多接面光伏打電池之某些實施例中，兩個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池中的每一者可藉由在1.1 eV至1.5 eV之整個範圍內的照明能量下大於80%之效率來表徵。
在由本發明提供之多接面光伏打電池中，一或多個子電池可包含AlInGaAsP，其中各第III族及各第V族元素之含量可介於0至1範圍內，且AlInGaAsP基極可與基板且與多接面光伏打電池中之其他子電池中的每一者晶格匹配。AlInGaAsP子電池之能隙可為1.8 eV至2.3 eV。AlInGaAsP子電池可包含(Al)InGaP子電池或(Al,In)GaAs子電池。由本發明提供之多接面光伏打電池可包含至少一個Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，且其他子電池中之一或多者可包含AlInGaAsP子電池。
在多接面光伏打電池之某些實施例中，諸如Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 及/或AlInGaAsP子電池的子電池可為同質接面，其中子電池之發射極與基極包含相同材料組成且具有相同能隙。
在多接面光伏打電池之某些實施例中，諸如Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 及/或AlInGaAsP子電池的子電池可為異質接面，其中子電池之發射極與基極包含相同材料但具有不同組成，以使得子電池的發射極之能隙與基極之能隙不同。在某些實施例中，發射極之能隙高於基極之能隙，且在某些實施例中，發射極之能隙低於基極之能隙。反向異質接面Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池揭示於美國專利第9,153,724號中，該美國專利以全文引用之方式併入。
應注意，上文所指定之實施例具有特定摻雜分佈，該等特定分佈使得在稀氮化物太陽能電池之基極及/或發射極內形成特定電場。此等實例指定出於說明之目的，且熟習此項技術者可以許多其他方式及組態來改變摻雜分佈以達成特定結果。此等特定實施例之敍述不意欲限制本發明，本發明在申請專利範圍中予以完整闡述。
1:子區 2:子區/放射極 3:子區/基極 4:子區 4A:稀氮化物子電池 4B:稀氮化物子電池 4C:稀氮化物子電池 9A:稀氮化物子電池 9B:子電池 9C:子電池 9D:子電池 9E:子電池 9F:子電池 9G:子電池 9H:子電池 102:基板 104:障壁層/背表面場層 106:上覆稀氮化物光學吸收層/基極層 108:發射極層/障壁層 200:器件 202:基板 204:背表面場 206:稀氮化物基極 206a:稀氮化物基極之第二部分 206b:稀氮化物基極之第一部分 208:發射極 300:器件 302:基板 304:背表面場 306:稀氮化物基極層 308:發射極層 601:第一子電池 602:基板，基板 603:第二子電池 604:III-V成核層 605:第三子電池 606:緩衝層 608:穿隧接面 608A:穿隧接面 608B:穿隧接面 610:BSF(背表面場) 612A:基極層 612B:基極層 614:發射極 616:穿隧接面 618:BSF(背表面場)及氫障壁 620:基極 622:發射極 624:FSF(前表面場) 626:穿隧接面 628:BSF(背表面場) 630:基極 632:發射極 634:FSF(前表面場) 636:InGaAs接觸
圖1為包括上覆於GaAs或Ge基板之稀氮化物層之器件的示意圖。
圖2為包括上覆於p型GaAs或p型Ge基板之稀氮化物層之器件的示意圖。
圖3為包括上覆於n型GaAs或n型Ge基板之稀氮化物層之器件的示意圖。
圖4展示基於稀氮化物之太陽能子電池之各種層的一個組態。
圖5A至圖5C展示用於三接面、四接面及五接面光伏打電池之子電池組成的實例。
圖6概述四接面(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/ Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz /Ge多接面光伏打電池之某些層的組成及功能。
圖7為具有如圖1中所展示之結構的稀氮化物子電池之基極層中之例示性摻雜分佈的曲線圖。
圖8為在基極層之前部部分中含有恆定摻雜且在基極層之背部部分中含有指數摻雜的稀氮化物子電池之例示性摻雜分佈的曲線圖。
圖9為在發射極層中含有梯度摻雜之稀氮化物子電池之例示性摻雜分佈的曲線圖。
圖10為說明在基極中具有梯度摻雜之稀氮化物子電池的所量測量子效率與不具有梯度摻雜之子電池的量子效率之比較的曲線圖。
圖11為說明將在基極中具有梯度摻雜之稀氮化物子電池之短路電流及開路電壓與不具有梯度摻雜之稀氮化物子電池的短路電流及開路電壓進行比較之所量測電流與電壓特性之曲線圖。
圖12展示上覆於p型基板之稀氮化物子電池的摻雜分佈。
圖13為展示各種稀氮化物子電池之屬性及特性的表。
圖14展示藉由次級離子質譜分析(SIMS)所測定之稀氮化物子電池4C的摻雜分佈。
圖15展示藉由SIMS所測定之稀氮化物子電池4B的摻雜分佈。
圖16為展示如圖13及圖7中所描述在稀氮化物基極中具有與不具有指數摻雜之稀氮化物子電池的效率之比較的曲線圖。
圖17為展示如在圖13中所列的在稀氮化物基極中具有與不具有指數摻雜之稀氮化物子電池的電流與電壓(IV曲線)之相依性的曲線圖。
圖18為展示具有及不具有摻雜之各種稀氮化物子電池之屬性及特性的表。
圖19、圖21、圖23、圖25及圖27為比較圖18中描述之稀氮化物子電池之作為輻照波長之函數之效率的曲線圖。
圖20、圖22、圖24、圖26及圖28為展示圖18中描述之稀氮化物子電池的電流與電壓(IV曲線)之相依性的曲線圖。
圖29展示上覆於n型基板之稀氮化物子電池的摻雜分佈。
圖30展示上覆於n型基板之稀氮化物子電池的摻雜分佈。
圖31展示上覆於n型基板之稀氮化物子電池的摻雜分佈。
圖32展示具有在0.82 eV至1.24 eV之範圍內的不同能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的作為輻照波長之函數的效率。
圖33A展示具有1.113 eV之能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的作為輻照能量之函數的效率，其中x為0.079，y為0.017，且z為0.007至0.008。
圖33B展示具有1.115 eV之能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的作為輻照能量之函數的效率，其中x為0.078，y為0.0182，且z為0.004至0.008。
圖33C展示具有0.907 eV之能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的作為輻照能量之函數的效率，其中x為0.17至0.18，y為0.043至0.048，且z為0.012至0.016。
圖34展示具有不同能隙之Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 子電池的開路電壓Voc。
圖35A展示使用1日光AM1.5D光譜量測的三接面(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 光伏打電池之各子電池的作為輻照波長之函數的效率。
圖35B展示使用1日光AM0光譜量測的三接面(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 光伏打電池之各子電池的作為輻照波長之函數的效率。
圖35C展示使用1日光AM0光譜量測的三接面(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 光伏打電池之短路/電壓曲線。
圖36A展示四接面(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/ Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz /Ge光伏打電池之短路/電壓曲線。
圖36B展示圖30A中所呈現之四接面(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz /Ge光伏打電池之各子電池的作為輻照波長之函數的效率。
圖37A展示四接面(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/ Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz /Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 光伏打電池之各子電池的效率。表5中提供子電池中之每一者的短路電流密度Jsc及能隙。
圖37B展示四接面(Al)InGaP/(Al,In)GaAs/ Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz /Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 光伏打電池之各子電池的效率。表5中提供子電池中之每一者的短路電流密度Jsc及能隙。
102:基板
104:障壁層
106:上覆稀氮化物光學吸收層
108:發射極層

Claims (20)

  1. 一種稀氮化物子電池，其包含： (In)GaAs背表面場，其上覆於p型基板； 稀氮化物基極，其上覆於該(In)GaAs背表面場，其中， 該稀氮化物基極包含第一基極部分、第二基極部分及在該第一基極部分與該第二基極部分之間的界面；且 該稀氮化物基極包含GaInNAsSb；及 (In)GaAs發射極，其上覆於該稀氮化物基極，其中， 該(In)GaAs發射極包含n型摻雜分佈，該n型摻雜分佈藉由在2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的恆定摻雜物濃度來表徵； 該第一基極部分自該(In)GaAs發射極延伸至該第二基極部分； 該第二基極部分自該第一基極部分延伸至該(In)GaAs背表面場； 該第一基極部分經本質摻雜；且 該第二基極部分包含p型摻雜物濃度，該p型摻雜物濃度自在該界面處之5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內的摻雜物濃度以指數方式增加至在該(In)GaAs背表面場處之1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內； 該(In)GaAs發射極、該稀氮化物基極及該(In)GaAs背表面場中之每一者與p型GaAs或(Sn,Si)Ge基板晶格匹配；且 該稀氮化物子電池藉由在0.9 eV至1.25 eV之範圍內的能隙來表徵。
  2. 如請求項1之稀氮化物子電池，其中， 該(In)GaAs發射極藉由50 nm至600 nm之厚度來表徵；且 該稀氮化物基極藉由400 nm至3,500 nm之厚度來表徵。
  3. 如請求項1之稀氮化物子電池，其中， 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.19，0.040≤y≤0.051，且0.010≤z≤0.018；且該稀氮化物基極藉由0.89 eV至0.92 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.010≤x≤0.16，0.028≤y≤0.037，且0.005≤z≤0.016；且該稀氮化物基極藉由0.95 eV至0.98 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.075≤x≤0.081，0.040≤y≤0.051，且0.010≤z≤0.018；且該稀氮化物基極藉由1.111 eV至1.117 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.024，0.077≤y≤0.085，且0.011≤z≤0.015；且該稀氮化物基極藉由1.10 eV至1.14 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.068≤x≤0.078，0.010≤y≤0.017，且≤0.004≤z≤0.008；且該稀氮化物基極藉由1.15 eV至1.16 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.011≤x≤0.015，0.04≤y≤0.06，且0.016≤z≤0.020；且該稀氮化物基極藉由1.14 eV至1.18 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.075≤x≤0.082，0.016≤y≤0.019，且0.004≤z≤0.010；且該稀氮化物基極藉由1.12 eV至1.16 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.06≤x≤0.09，0.01≤y≤0.025，且0.004≤z≤0.014；且該稀氮化物基極藉由1.12 eV至1.16 eV之能隙來表徵。
  4. 如請求項1之稀氮化物子電池，其中， 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.012≤x≤0.016，0.033≤y≤0.037，且0.016≤z≤0.020；且該稀氮化物基極藉由1.18 eV至1.22 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.026≤x≤0.030，0.014≤y≤0.018，且0.005≤z≤0.009；且該稀氮化物基極藉由1.18 eV至1.22 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.024，0.077≤y≤0.085，且0.010≤z≤0.016；且該稀氮化物基極藉由1.118 eV至1.122 eV之能隙來表徵。
  5. 一種稀氮化物子電池，其包含： (In)GaAs背表面場，其上覆於n型基板； 稀氮化物基極，其上覆於該(In)GaAs背表面場，其中， 該稀氮化物基極包含第一基極部分、第二基極部分及在該第一基極部分與該第二基極部分之間的界面；且 該稀氮化物基極包含GaInNAsSb； (In)GaAs發射極，其上覆於該稀氮化物基極，其中， 該(In)GaAs發射極包含p型摻雜分佈，該p型摻雜分佈藉由在2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的恆定p型摻雜物濃度來表徵； 該第一基極部分自該(In)GaAs發射極延伸至該第二基極部分； 該第二基極部分自該第一基極部分延伸至該(In)GaAs背表面場； 該第一基極部分經本質摻雜；且 該第二基極部分包含n型摻雜物濃度，該n型摻雜物濃度自在該界面處之5E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內的摻雜物濃度以指數方式增加至在該(In)GaAs背表面場處之0.1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內； 該(In)GaAs發射極、該稀氮化物基極及該(In)GaAs背表面場中之每一者與n型GaAs或(Sn,Si)Ge基板晶格匹配；且 該稀氮化物子電池藉由在0.9 eV至1.25 eV之範圍內的能隙來表徵。
  6. 如請求項5之稀氮化物子電池，其中， 該(In)GaAs發射極藉由50 nm至600 nm之厚度來表徵；且 該稀氮化物基極藉由400 nm至3,500 nm之厚度來表徵。
  7. 如請求項5之稀氮化物子電池，其中， 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.19，0.040≤y≤0.051，且0.010≤z≤0.018；且該稀氮化物基極藉由0.89 eV至0.92 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.010≤x≤0.16，0.028≤y≤0.037，且0.005≤z≤0.016；且該稀氮化物基極藉由0.95 eV至0.98 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.075≤x≤0.081，0.040≤y≤0.051，且0.010≤z≤0.018；且該稀氮化物基極藉由1.111 eV至1.117 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.024，0.077≤y≤0.085，且0.011≤z≤0.015；且該稀氮化物基極藉由1.10 eV至1.14 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.068≤x≤0.078，0.010≤y≤0.017，且0.004≤z≤0.008；且該稀氮化物基極藉由1.15 eV至1.16 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.011≤x≤0.015，0.04≤y≤0.06，且0.016≤z≤0.020；且該稀氮化物基極藉由1.14 eV至1.18 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.075≤x≤0.082，0.016≤y≤0.019，且0.004≤z≤0.010；且該稀氮化物基極藉由1.12 eV至1.16 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.06≤x≤0.09，0.01≤y≤0.025，且0.004≤z≤0.014；且該稀氮化物基極藉由1.12 eV至1.16 eV之能隙來表徵。
  8. 如請求項5之稀氮化物子電池，其中， 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.012≤x≤0.016，0.033≤y≤0.037，且0.016≤z≤0.020；且該稀氮化物基極藉由1.18 eV至1.22 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.026≤x≤0.030，0.014≤y≤0.018，且0.005≤z≤0.009；且該稀氮化物基極藉由1.18 eV至1.22 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.024，0.077≤y≤0.085，且0.010≤z≤0.016；且該稀氮化物基極藉由1.118 eV至1.122 eV之能隙來表徵。
  9. 一種稀氮化物子電池，其包含： (In)GaAs背表面場，其上覆於p型基板； 稀氮化物基極，其上覆於該(In)GaAs背表面場，其中 該稀氮化物基極包含GaInNAsSb； (In)GaAs發射極，其上覆於該稀氮化物基極， 該(In)GaAs發射極包含n型摻雜分佈，該n型摻雜分佈藉由在2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的恆定摻雜物濃度來表徵； 該稀氮化物基極包含n型摻雜分佈，該n型摻雜分佈自在該界面處之1E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內的n型摻雜物濃度增加至在該(In)GaAs背表面場處之0.1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內，其中， 該n型摻雜分佈包含線性分佈、指數分佈、恆定分佈、逐步分佈或前述任一者之組合； 該(In)GaAs發射極、該稀氮化物基極及該(In)GaAs背表面場中之每一者與p型GaAs或(Sn,Si)Ge基板晶格匹配；且 該稀氮化物子電池藉由在0.9 eV至1.25 eV之範圍內的能隙來表徵。
  10. 如請求項9之稀氮化物子電池，其中， 該(In)GaAs發射極藉由50 nm至600 nm之厚度來表徵；且 該稀氮化物基極藉由400 nm至3,500 nm之厚度來表徵。
  11. 如請求項9之稀氮化物子電池，其中， 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.19，0.040≤y≤0.051，且0.010≤z≤0.018；且該稀氮化物基極藉由0.89 eV至0.92 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.010≤x≤0.16，0.028≤y≤0.037，且0.005≤z≤0.016；且該稀氮化物基極藉由0.95 eV至0.98 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.075≤x≤0.081，0.040≤y≤0.051，且0.010≤z≤0.018；且該稀氮化物基極藉由1.111 eV至1.117 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.024，0.077≤y≤0.085，且0.011≤z≤0.015；且該稀氮化物基極藉由1.10 eV至1.14 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.068≤x≤0.078，0.010≤y≤0.017，且0.004≤z≤0.008；且該稀氮化物基極藉由1.15 eV至1.16 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.011≤x≤0.015，0.04≤y≤0.06，且0.016≤z≤0.020；且該稀氮化物基極藉由1.14 eV至1.18 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.075≤x≤0.082，0.016≤y≤0.019，且0.004≤z≤0.010；且該稀氮化物基極藉由1.12 eV至1.16 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.06≤x≤0.09，0.01≤y≤0.025，且0.004≤z≤0.014；且該稀氮化物基極藉由1.12 eV至1.16 eV之能隙來表徵。
  12. 如請求項9之稀氮化物子電池，其中， 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.012≤x≤0.016，0.033≤y≤0.037，且0.016≤z≤0.020；且該稀氮化物基極藉由1.18 eV至1.22 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.026≤x≤0.030，0.014≤y≤0.018，且0.005≤z≤0.009；且該稀氮化物基極藉由1.18 eV至1.22 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.024，0.077≤y≤0.085，且0.010≤z≤0.016；且該稀氮化物基極藉由1.118 eV至1.122 eV之能隙來表徵。
  13. 一種稀氮化物子電池，其包含： (In)GaAs背表面場，其上覆於n型基板； 稀氮化物基極，其上覆於該(In)GaAs背表面場，其中該稀氮化物基極包含GaInNAsSb； (In)GaAs發射極，其上覆於該稀氮化物基極， 其中， 該(In)GaAs發射極包含p型摻雜分佈，該p型摻雜分佈藉由在2E17個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內的恆定p型摻雜物濃度來表徵； 該稀氮化物基極包含p型摻雜分佈，該p型摻雜分佈自在該界面處之1E15個原子/立方公分至5E16個原子/立方公分之範圍內的摻雜物濃度增加至在該稀氮化物基極-(In)GaAs背表面場處之0.1E18個原子/立方公分至8E18個原子/立方公分之範圍內，其中， 該p型摻雜分佈包含線性分佈、指數分佈、恆定分佈、逐步分佈或前述任一者之組合； 該(In)GaAs發射極、該稀氮化物基極及該(In)GaAs背表面場中之每一者與p型GaAs或(Sn,Si)Ge基板晶格匹配；且 該稀氮化物子電池藉由在0.9 eV至1.25 eV之範圍內的能隙來表徵。
  14. 如請求項13之稀氮化物子電池，其中， 該(In)GaAs發射極藉由50 nm至600 nm之厚度來表徵；且 該稀氮化物基極藉由400 nm至3,500 nm之厚度來表徵。
  15. 如請求項13之稀氮化物子電池，其中， 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.19，0.040≤y≤0.051，且0.010≤z≤0.018；且該稀氮化物基極藉由0.89 eV至0.92 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.010≤x≤0.16，0.028≤y≤0.037，且0.005≤z≤0.016；且該稀氮化物基極藉由0.95 eV至0.98 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.075≤x≤0.081，0.040≤y≤0.051，且0.010≤z≤0.018；且該稀氮化物基極藉由1.111 eV至1.117 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.024，0.077≤y≤0.085，且0.011≤z≤0.015；且該稀氮化物基極藉由1.10 eV至1.14 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.068≤x≤0.078，0.010≤y≤0.017，且0.004≤z≤0.008；且該稀氮化物基極藉由1.15 eV至1.16 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.011≤x≤0.015，0.04≤y≤0.06，且0.016≤z≤0.020；且該稀氮化物基極藉由1.14 eV至1.18 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.075≤x≤0.082，0.016≤y≤0.019，且0.004≤z≤0.010；且該稀氮化物基極藉由1.12 eV至1.16 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.06≤x≤0.09，0.01≤y≤0.025，且0.004≤z≤0.014；且該稀氮化物基極藉由1.12 eV至1.16 eV之能隙來表徵。
  16. 如請求項13之稀氮化物子電池，其中， 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.012≤x≤0.016，0.033≤y≤0.037，且0.016≤z≤0.020；且該稀氮化物基極藉由1.18 eV至1.22 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.026≤x≤0.030，0.014≤y≤0.018，且0.005≤z≤0.009；且該稀氮化物基極藉由1.18 eV至1.22 eV之能隙來表徵；或 該稀氮化物基極包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.016≤x≤0.024，0.077≤y≤0.085，且0.010≤z≤0.016；且該稀氮化物基極藉由1.118 eV至1.122 eV之能隙來表徵。
  17. 一種多接面光伏打電池，其包含如請求項1之稀氮化物子電池。
  18. 一種多接面光伏打電池，其包含如請求項5之稀氮化物子電池。
  19. 一種多接面光伏打電池，其包含如請求項7之稀氮化物子電池。
  20. 一種多接面光伏打電池，其包含如請求項13之稀氮化物子電池。
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