TWI423454B - 具有晶格不匹配之ＧｒＩＩＩ-ＧｒＶ-Ｘ層和組成分等之緩衝層的多接點太陽能電池 - Google Patents

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Description

具有晶格不匹配之GrIII-GrV-X層和組成分等之緩衝層的多接點太陽能電池
本發明乃關於太陽能電池，尤其關於多接點的太陽能電池。
太陽能電池是一種光伏特(photovoltaic，PV)裝置，具有一或更多個光伏特接點。每個接點是由光伏特半導體層所形成。在每個接點，入射的光線能量（特別是太陽能）透過光伏特效應而轉換成電能。
由於擔心污染和可得資源有限，故對於太陽能電池的興趣一直在增加。此興趣包括地球上和非地球上的應用。在太空應用中，為了以給定量的所需功率來操作人造衛星，使用核子或電池動力會大大增加太空船的酬載。以此方式增加太空船的酬載，則會以遠超過線性的方式增加發射成本。對於例如人造衛星的太空船而言，可在太空中輕易獲得太陽能，而將太陽能轉換成電能可以是增加籌載以外一項不錯的替代方案。
光伏特系統能夠產生每瓦特電功率的成本乃抑制了其廣泛應用於地球上。對於地球上的PV系統來說，日光轉換成電力的效率是極為關鍵而重要的，此乃因為就系統的所需輸出功率而言，增加效率往往導致減少相關的發電系統元件（例如電池面積、模組或收集器面積、支持結構和陸地面積）。舉例來說，在把大約2倍到大約2000倍日光集中於太陽能電池上的集中型太陽能電池系統中，效率上的增加典型上導致包含昂貴集中光學元件的面積亦成比例地減少。
為了增加此種電池的輸出電功率，已經將具有不同能帶間隙的多個子電池或層加以堆疊，如此每個子電池或層可以吸收日光之寬廣能量分布的不同部分。這種安排是有利的，因為子電池所吸收的每個光子對應於一個單位的電荷，後者即在子電池操作電壓下收集，該電壓乃大約線性相依於子電池之半導體材料的能帶間隙。由於輸出功率是電壓和電流的乘積，故理想上有效率的太陽能電池則會有大量的子電池，每一者只吸收能量可忽略地稍大於其能帶間隙的光子。
最有效率以及因此成為主流之多接點(multijunction，MJ)PV電池科技是GaInP/Ga(In)As/Ge電池結構。在此，用於Ga(In)As中間子電池材料的括弧是指銦加入中間電池乃視需要可選擇的，所以中間電池的組成可以是GaAs或GaInAs。這些單塊的電池可以生長成晶格匹配於GaAs或Ge，並且可以只有上面兩接點有作用而以無作用的Ge為基板（二接點或2J電池），或者可以三個接點都有作用（三接點或3J電池）。雖然此材料系統的變化（例如AlGaInP或晶格不匹配的GaInP頂電池）可能提供更為理想匹配於太陽光譜的能帶間隙，不過現實的考量已指出大規模生產仍偏好晶格匹配的GaInP。
在單塊、串列互連的二接點和三接點GaInP/Ga(In)As/Ge太陽能電池中，GaInP頂部子電池乃想要具有與Ga(In)As子電池幾乎相同之由光所產生的電流密度。如果電流不同，則具有最低之光產生電流的子電池便會限制通過多接點(MJ)電池中所有串列互連子電池的電流，而其他子電池中由光所產生的多餘電流便浪費了。以此方式來限制電流則導致MJ電池效率大打折扣。
在Ge或GaAs基板的晶格常數下，於傳統條件下生長的GaInP具有規則的第三族次晶格，因此其能帶間隙乃太低而不能於未集中或集中的AM0太空太陽光譜、未集中或集中的AM1.5D和AM1.5G地球上之太陽光譜和其他太陽光譜中達到子電池之間所要的電流匹配，除非頂部子電池在光學上故意做得很薄，如美國專利第5,223,043號所述。
不管是在多接點或單接點的PV裝置中，PV電池的一個傳統特色即在配置於PV電池基底上的發射層上使用窗戶層。窗戶層的主要功能是減少少數載子於發射層的正面重組（亦即鈍化之）。此外，窗戶材料的光學性質必須使得有盡可能多的光線穿透到電池下層，而可於該等下層更有效率地收集由光所產生的電荷載子；或者是說，如果窗戶層會實質吸收光線，則對於載子而言，窗戶層中的少數載子壽命必須夠長，以於PV電池的發射層和基底之間的p－n接點來有效率地收集之。類似地，已使用PV電池基底底下的背面場(back－surface field，BSF)結構，來減少少數載子於基底的背面重組。至於窗戶層，此BSF結構（在此為了簡潔起見而簡稱為BSF）的光學性質必須允許可由BSF底下之子電池使用的大部分光線可穿透BSF，以及/或者BSF裡的少數載子性質必須使得由BSF吸收光線所產生的電子和電洞可有效率地收集於PV電池的p－n接點。
對於多個子電池的PV裝置而言，效率可能是由能夠讓所生電流從一電池流到下一個的個別電池之間的低電阻介面要求所限制。據此，在單塊結構中，已經使用穿隧接點來使電流的阻擋減到最小。除了可能在相鄰子電池之間提供最低電阻的路徑以外，穿隧接點也應該對於MJ堆疊之較低子電池所可使用的光線波長來說是透明的，這是因為穿隧接點區域裡由光所產生之載子的收集效率很差的緣故。
這些性質全都與裝置所採用之基底層、發射層、窗戶層、BSF和穿隧接點層的能帶間隙、摻雜程度、光學性質、少數載子的重組和擴散性質有關。對於MJ PV裝置來說，這些電池層的半導體性質可以藉由選擇基板的晶向而加以提升或劣化。
多接點太陽能（光伏特）電池仍需要有改良的輸出功率、效率、表現和成本效益。
改善既有之三接點GaInP/Ga(In)As/Ge多接點太陽能電池裝置的一種可能的作法是加入一或更多個額外的接點。在一特定的例子中，具有大約1.0電子伏特之作用層能帶間隙的接點乃插入有作用的Ga(In)As和Ge子電池之間。參見美國專利第5,689,123、6,281,426、6,100,546和6,130,147號，這些全都併入以為參考。GaInP/Ga(In)As/1.0電子伏特子電池/Ge的層狀組合即四接點或4J裝置的一個例子。1.0電子伏特之能帶間隙的子電池材料大致上是晶格匹配的；也就是說，其晶格參數是恰巧或幾乎恰巧等於底下和上面之子電池材料的晶格參數。包含1.0電子伏特材料的子電池係如上所述，包括了窗戶層、發射層、基底BSF和穿隧接點。美國專利第6,316,715號（其併入以為參考）討論到併入額外接點以形成更複雜的五接點(5J)和六接點(6J)裝置的方法。
現有4J、5J和6J裝置（以及甚至具有更多接點的電池）的限制是需要插入的子電池與底下和上面材料有幾乎完美的晶格匹配。任何實質的晶格參數偏差（例如差異超過大約＋/－0.1%）而沒有以適當設計來併入此晶格參數變化，則會造成太陽能電池整體效率的劣化。另一項限制是要依賴GaInAsN合金以晶格匹配於GaAs或Ge層。晶格匹配的GaInAsN材料當以既有的技術來製造時品質很差。這個問題起因於需要併入大量的氮來同時達到1.0電子伏特的能帶間隙和晶格匹配狀況。
本發明提供多接點太陽能電池的設計做法，其中高轉換效率和製造性的表現都能做最佳化。也克服了晶格匹配而能帶間隙接近1.0電子伏特之GaInAsN（或類似的）材料所帶有的問題。
根據本發明，多接點的太陽能電池包括第一光作用的子電池層，其具有第一子電池晶格參數，而組成包括：(a)至少一第三族元素、至少一非[氮、磷]的第五族元素、[氮、磷]，或(b)選自由GaInAsBi、GaInAsSb、GaInAsP、ZnGeAs2 和BGaInAs所構成之族群的材料。多接點的太陽能電池進一步具有基板，其具有不同於第一子電池晶格參數的基板晶格參數。組成分等的緩衝層則位於第一光作用的子電池層和基板之間，並且具有在第一子電池晶格參數和基板晶格參數之間分等的緩衝層晶格參數。在此所用的[氮、磷]或[N、P]一詞是指氮或磷或其組合。
組成分等之緩衝層的組成可以至少部份是階梯式的分等，或者可以至少部份是連續的分等。基板可以是第二光作用的子電池層，其具有不同於第一子電池晶格參數的第二子電池晶格參數，並且對於第二光作用子電池層波長很敏感。在此情形下，緩衝層對於第二光作用子電池層波長的光線而言是透明的。反之，基板也可以是非光作用的材料。
在較佳的應用中，第一光作用的子電池層可以具有從大約0.7到大約1.4電子伏特的能帶間隙，更特定而言是從大約0.9到大約1.1電子伏特。在第一子電池層中，至少一第三族元素最好是包括鎵和銦，而至少一非[氮、磷]的第五族元素最好是包括砷。第一子電池層的組成更好是包括鎵、銦、砷和氮，其中銦存在於第一光作用子電池層的量乃大於7原子%而小於32原子%，並且氮存在於第一光作用子電池層的量乃大於0原子%而小於2.5原子%。在最佳的應用中，組成關係乃致使：%In(a0 , Eg )＝αI n a0 ＋βI n Eg ＋γI n ，以及%N(a0 , Eg )＝αN a0 ＋βN Eg ＋γN 其中%In和%N的單位是%，晶格參數a0 的單位是，而能帶間隙Eg 的單位是電子伏特。可用於GaInAsN合金的近似係數分別是：αI n ＝192.72、βI n ＝－15.41、γI n ＝－1067.60、αN ＝－20.21、βN ＝－6.12、γN ＝122.88。
以更一般的方式來陳述此較佳的做法，第一光作用子電池層的組成為(GrIII)1 － X (In)X (GrV)1 － Y NY ，其中X乃大於7原子%而小於32原子%，並且Y乃大於0原子%而小於2.5原子%；當X和Y分開存在於(GrIII)1 － X (In)X (GrV)1 － Y NY 時，X和Y乃關聯於(GrIII)1 － X (In)X (GrV)1 － Y NY 組成的相同晶格參數。在此所用的「GrIII」記號是指元素週期表的第三族元素，而「GrV」記號是指元素週期表的第五族元素。
可以有至少一額外的光作用子電池層覆蓋於第一光作用子電池層。因此於一較佳的應用中，多接點的太陽能電池包括：Ge基板、包括GaInAs而覆蓋接觸著Ge基板之組成分等的緩衝層、包括GaInAsN而覆蓋接觸著包括GaInAs之組成分等緩衝層的晶格不匹配層、包括GaInAs而覆蓋接觸著包括GaInAsN之晶格不匹配層的組成分等緩衝層、包括Ga(In)As而覆蓋接觸著包括GaInAs之組成分等緩衝層的一層、包括GaInP而覆蓋接觸著包括Ga(In)As之層的一層。
本發明做法達到了GaInAsN（或類似的GrIII－GrV－[N、P])材料的優點，同時避免了它須要晶格匹配於底下基板或其他材料所施加的限制。位在GaInAsN層和其底下材料層之間的組成分等緩衝層，乃允許GaInAsN層能在表現上做最佳化，而不必顧及晶格匹配。組成分等緩衝層的存在遂允許GaInAsN能以受控制的、穩健的方式來沉積。組成分等的緩衝層確實會吸收一些光能，並且於某些情況下可能產生有缺陷的結構，因此緩衝層只用於優點大過此等缺點的時候。
從底下配合所附圖式而更詳細敘述的較佳具體態樣，本發明其他的特色和優點會更明顯，而該等圖式乃示範說明本發明的原理。然而，本發明的範圍並不限於此等較佳的具體態樣。
圖1顯示的多接點太陽能電池20具有第一光作用的子電池層22，其具有第一子電池晶格參數，而組成包括：至少一第三族元素、至少一非[氮、磷]的第五族元素、[氮、磷]。在此所用的[氮、磷]或[N、P]記號是指氮或磷或其組合。對於後面要討論的應用來說，第一光作用的子電池層22具有從0.7到1.4電子伏特的能帶間隙，最好是從0.9到1.1電子伏特，而更好是大約1.0電子伏特。至少一第三族元素最好是包括鎵和銦，至少一非[氮、磷]的第五族元素最好是包括砷，而[氮、磷]最好是氮。也就是說，第一光作用的子電池層22最好是呈GaInAsN的一般形式。第一光作用的子電池層22對於第一光作用子電池層波長很敏感。（在此所用的「波長」一詞可以指單一特定波長，或者更一般地說，「波長」可以包括該層材料達到良好光轉換效率時的波長範圍。）後面會提出第一光作用子電池層22之較佳形式的更多細節。
多接點的太陽能電池20進一步包括基板24，其具有不同於第一子電池晶格參數的基板晶格參數。基板24可以是惰性的，意思是它並不展現光作用，或者不直接參與光轉換的過程。反之，基板24可以是第二光作用的子電池層，其具有不同於第一子電池晶格參數的第二子電池晶格參數，並且對於第二光作用子電池層波長很敏感。實施本發明的較佳基板24是鍺(Ge)。
多接點的太陽能電池20進一步包括組成分等的緩衝層26，其位於第一光作用的子電池層22和基板24之間。組成分等的緩衝層26具有在第一子電池晶格參數和基板晶格參數之間分等（變化）的緩衝層晶格參數。也就是說，組成分等之緩衝層26的晶格參數在組成分等緩衝層26接觸基板24處乃等於或實質上等於基板24的晶格參數，並且在組成分等緩衝層26接觸第一光作用子電池層22處乃等於或實質上等於第一光作用子電池層22的晶格參數。
諸子電池之間必須有磊晶（取向附生）的關係，以便確保接點處有最小的介面缺陷以及應力/應變。也就是說，每一對接觸層的晶體結構類型必須實質上是相同的。接觸層的晶格參數應該是大約相等的，雖然晶格可能有一些不匹配，不過由於接觸層的應變而仍然維持著磊晶關係。當於無應變的狀態下，每一層的晶格參數是其組成的函數。呈組成之函數的晶格參數是已知的，或者可以針對候選材料來測量或計算。
在針對此處討論的那類先前技藝之多接點太陽能電池的通常做法中，此磊晶關係的要求是指：第一光作用子電池層的組成要限制於讓相鄰子電池之間或者相鄰子電池與基板間有恰好或幾乎恰好之晶格參數匹配的數值。
另一方面，本發明做法的重要特色在於使用組成分等的緩衝層26來滿足磊晶關係，該層係延伸於第一光作用的子電池層22和基板24之間。非緩衝層26的其他層（也就是第一光作用的子電池層22和基板24）就不再須要於接觸表面有相同的或幾乎相同的晶格參數。第一光作用子電池層22的組成因此就不再受限於與基板24（其可以是第二光作用的子電池層）有磊晶關係的要求，而可以針對子電池的最佳能帶間隙和表現以及整個太陽能電池來分開做最佳化。
組成分等之緩衝層26的組成經過其厚度來看並非固定不變，因為固定不變的組成會在接觸第一光作用子電池層22和/或基板24的表面產生某種程度的晶格不匹配。此組成反而是隨著經過組成分等緩衝層26之厚度的位置而變化。在組成分等的緩衝層26接觸第一光作用的子電池層22處，緩衝層26具有與第一光作用子電池層22相同或幾乎相同的（也就是實質上相同的）晶格參數。在組成分等的緩衝層26接觸基板24處，緩衝層26具有與基板24相同或幾乎相同的（也就是實質上相同的）晶格參數，而基板24的晶格參數是不同於組成分等緩衝層26的晶格參數。在組成分等的緩衝層26中，其晶格參數從基板24的晶格參數到第一子電池層22的晶格參數之間有規則地分等轉變，此係以組成分等緩衝層26的組成規則轉變所達成。圖2和3舉例以示範說明達到緩衝層26之組成的兩種可能的做法。在圖2中，組成係以階梯方式做分等。在圖3中，組成係連續地分等。在與此二圖相關的層中，終點組成（因而和終點晶格參數）是相同的。差別在於組成分等（因此和晶格分等）是以階梯方式或是連續方式來達成。實務上，階梯式分等和連續式分等可以結合，即某些組成分等（因此和晶格參數分等）是以階梯式轉變所實現，而某些是以連續轉變所實現。
如果基板24是第二光作用的子電池層，其係於第二光作用子電池層波長下做光轉換，因而對於多接點太陽能電池20的光轉換過程及其輸出的光電流有所貢獻，則組成分等的緩衝層26對於第二光作用子電池層波長的光線而言必須是透明的。如果組成分等的緩衝層26底下有額外的光作用子電池，則組成分等的緩衝層26對於所有這些底下的光作用子電池的波長而言也必須是透明的。依照通常的習慣，乃假設日光從太陽能電池的頂表面進入，所以「底下」(below)是指太陽輻射的剩餘部份在抵達下面的子電池之前必須通過組成分等的緩衝層26。
如之前所討論，較佳的第一光作用子電池層22的組成是屬於GaInAsN類，而較佳的基板24是Ge。較佳之組成分等的緩衝層26乃加以選擇，如此其組成能夠在一範圍裡變化，以便晶格參數匹配於層22和24，而符合上面指出的要求。在此情形下，所選擇之較佳組成分等的緩衝層26是砷化銦鎵(GaInAs)。組成分等的緩衝層26並沒有固定的組成分等。雖然Ge基板的晶格參數是固定的，但是GaInAsN子電池層22的組成（因而和晶格參數）是可以下面所討論的方式來選擇。
對於較佳的做法而言，第一光作用的子電池層22的組成包括鎵、銦、砷和氮，其中銦存在於第一光作用子電池層22的量乃大於7原子%而小於32原子%，並且氮存在於第一光作用子電池層22的量乃大於0原子%而小於2.5原子%。以另一種方式來陳述此較佳的組成，第一光作用的子電池層22的組成為Ga1 － % I n In% I n As1 － % N N% N ，其中%In乃大於7原子%而小於32原子%，而%N乃大於0原子%而小於2.5原子%，並且當%In和%N分開存在於Ga1 － % I n In% I n As1 － % N N% N 時，%In和%N乃關聯於Ga1 － % I n In% I n As1 － % N N% N 的相同晶格參數。在更一般的形式中，第一光作用子電池層22的組成為(GrIII)1 － X (In)X (GrV)1 － Y NY ，其中X乃大於7原子%而小於32原子%，並且Y乃大於0原子%而小於2.5原子%。當X和Y分開存在於(GrIII)1 － X (In)X (GrV)1 － Y NY 時，X和Y乃關聯於(GrIII)1 － X (In)X (GrV)1 － Y NY 組成的相同晶格參數；其中GrIII是第三族元素，而GrV是第五族元素。
圖4是計算GaInAsN材料的銦和氮濃度與所得合金的能帶間隙和晶格參數之間交互關係的圖形。此交互關係可以表示為：%In(a0 , Eg )＝αI n a0 ＋βI n Eg ＋γIn %N(a0 , Eg )＝αN a0 ＋βN Eg ＋γN 其中%In和%N的單位是%，晶格參數a0 的單位是，而能帶間隙Eg 的單位是電子伏特。可用於GaInAsN的係數分別是：αI n ＝192.72、βI n ＝－15.41、γI n ＝－1067.60、αN ＝－20.21、βN ＝－6.12、γN ＝122.88。其他涵蓋1.4電子伏特到0.7電子伏特能帶間隙之稀釋氮化物材料的合金也可以寫出類似成對的方程式，這些合金例如InAsN、GaAsSbN、GaInAsSbN、GaInPSb、GaInAsPN和AlGaInAsN。非氮化物而不匹配的1.0電子伏特材料可以相同方式來敘述，亦包含於本發明做法的範圍裡，其範例包括GaInAsBi、GaInAsSb、GaInAsP、ZnGeAs2 和BGaInAs。
此兩交互關係可以合起來顯示於一張圖裡，如圖4。為了閱讀圖4的圖形，先選擇所要的晶格參數，其係由增加量為0.025的虛線所顯示。跟著選擇的晶格參數線會碰到能帶間隙的實線，其以電子伏特(eV)來表示所要的能帶間隙。由所要的晶格參數線與所要的能帶間隙線之交點，便可從圖形的坐標軸讀出所需的銦%和所需的氮%。這些數值即描述了特定組成的Ga1 － % I n In% I n As1 － % N N% N 。其他類型的子電池也可以發展出類似的圖形。
雖然上面討論的做法係可操作於兩接點的太陽能電池，但是其最大的利益是實現於有至少一額外的光作用子電池層覆蓋於第一光作用子電池層22時。圖5顯示多接點的太陽能電池40，其具有：第一光作用的子電池層22、基板24（其於此例中為光作用的子電池）、上述之組成分等的緩衝層26，而之前的敘述亦併於此。此外，還有第三光作用的子電池層42以及延伸於第三光作用的子電池層42和第一光作用的子電池層22之間的第二組成分等的緩衝層44。關於組成分等的緩衝層26所討論之相同的組成分等原理亦可適用於第二組成分等的緩衝層44，例外的是其組成經過分等以於第三光作用的子電池層42和第一光作用的子電池層22之間產生必要的晶格參數分等。如果沒有其他層，則這些層22、24、26、42和44界定了三接點(3J)的多接點太陽能電池40（如果基板24是光作用接點的話）。
另外，於所示的多接點太陽能電池40中，還有第四光作用的子電池層46接觸著第三光作用的子電池層42。在此示範性例子中，子電池層42和46具有充分良好匹配的晶格參數，所以不需要組成分等或其他的中間緩衝層。這些層22、24、26、42、44和46界定了四接點(4J)的多接點太陽能電池40。適合的話還可以加入額外的接點。
於4J太陽能電池40的一較佳情形中，諸層包括：光作用的Ge基板24、包括GaInAs而覆蓋接觸著Ge基板24之組成分等的緩衝層26、包括GaInAsN而覆蓋接觸著組成分等緩衝層26之晶格不匹配的第一光作用子電池層22、包括GaInAs而覆蓋接觸著晶格不匹配層22的第二組成分等緩衝層44、包括Ga(In)As而覆蓋接觸著第二組成分等緩衝層44的第三光作用子電池層42、包括GaInP而覆蓋接觸著第三光作用子電池層42的第四光作用子電池層46。
雖然為了示範而詳細描述本發明的特定具體態樣，但是在不偏離本發明的精神和範圍下可以做各式各樣的修改和增進。據此，本發明除了由所附的申請專利範圍加以限制以外，並不要有所受限。
20．．．多接點的太陽能電池
22．．．第一光作用的子電池層
24．．．基板
26．．．組成分等的緩衝層
40．．．多接點的太陽能電池
42．．．第三光作用的子電池層
44．．．第二組成分等的緩衝層
46．．．第四光作用的子電池層
圖1是本發明的多接點太陽能電池之第一具體態樣的示意圖；圖2是組成的示意圖形，其為階梯式分等緩衝層之位置的函數；圖3是組成的示意圖形，其為連續分等緩衝層之位置的函數；圖4是計算之晶格參數和能帶間隙的圖形，其為較佳具體態樣之氮和銦含量的函數；以及圖5是本發明的多接點太陽能電池之第二具體態樣的示意圖。
20．．．多接點的太陽能電池
22．．．第一光作用的子電池層
24．．．基板
26．．．組成分等的緩衝層

Claims (10)

  1. 一種多接點太陽能電池(20)，其包括：第一光作用的子電池層(22)，其具有第一子電池晶格參數，而組成包括選自由GaInAsBi、GaInAsSb、GaInAsP、ZnGeAs2 和BGaInAs所組成之族群的材料；基板(24)，其具有不同於第一子電池晶格參數的基板晶格參數；以及組成分等的緩衝層(26)，其位於第一光作用的子電池層(22)和基板(24)之間，並且具有在第一子電池晶格參數和基板晶格參數之間分等的緩衝層晶格參數。
  2. 根據申請專利範圍第1項的多接點太陽能電池(20)，其中第一光作用的子電池層(22)具有從大約0.7到大約1.4電子伏特的能帶間隙。
  3. 根據申請專利範圍第1項的多接點太陽能電池(20)，其中組成分等的緩衝層(26)之組成是至少部份呈階梯式分等的。
  4. 根據申請專利範圍第1項的多接點太陽能電池(20)，其中組成分等的緩衝層(26)之組成是至少部份呈連續地分等的。
  5. 根據申請專利範圍第1項的多接點太陽能電池(20)，其中：基板(24)是第二光作用的子電池層，其具有不同於第一子電池晶格參數的第二子電池晶格參數，並且對於第二光作用子電池層波長很敏感；以及其中 緩衝層(26)對於第二光作用子電池層波長而言是透明的。
  6. 根據申請專利範圍第1項的多接點太陽能電池(20)，其中第一光作用的子電池層(22)的組成進一步包括氮。
  7. 根據申請專利範圍第1項的多接點太陽能電池(20)，其中銦存在於第一光作用子電池層(22)的量係大於7原子%小於32原子%，並且氮存在於第一光作用子電池層(22)的量係大於0原子%且小於2.5原子%。
  8. 根據申請專利範圍第1項的多接點太陽能電池(20)，其中第一光作用的子電池層(22)的組成具有Ga1-%In In%In As1-%N N%N 的形式，其中%In(a0 ,Eg )=αIn a0 +βIn Eg +γIn %N(a0 ,Eg )=αN a0 +βN Eg +γN 其中%In和%N的單位是%，晶格參數a0 的單位是Å，且能帶間隙Eg 的單位是電子伏特，並且其中αIn =192.72、βIn =-15.41、γIn =-1067.60、αN =-20.21、βN =-6.12且γN =122.88。
  9. 根據申請專利範圍第1項的多接點太陽能電池(20)，其中第一光作用的子電池層(22)的組成為Ga1-%In In%In As1-%N N%N ，其中%In係大於7原子%且小於32原子%，且%N係大於0原子%且小於2.5原子%，其中當%In和%N分開存在於Ga1-%In In%In As1-%N N%N 時，%In和%N係關聯於Ga1-%In In%In As1-%N N%N 的相同晶格參數。
  10. 根據申請專利範圍第1項的多接點太陽能電池(20)，其進一步包括： 至少一層額外的光作用子電池層(42)，其覆蓋於第一光作用的子電池層(22)。
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Families Citing this family (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7800194B2 (en) 2002-04-23 2010-09-21 Freedman Philip D Thin film photodetector, method and system
US6888179B2 (en) * 2003-04-17 2005-05-03 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc GaAs substrate with Sb buffering for high in devices
US8772628B2 (en) * 2004-12-30 2014-07-08 Alliance For Sustainable Energy, Llc High performance, high bandgap, lattice-mismatched, GaInP solar cells
US8324660B2 (en) 2005-05-17 2012-12-04 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Lattice-mismatched semiconductor structures with reduced dislocation defect densities and related methods for device fabrication
US9153645B2 (en) 2005-05-17 2015-10-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Lattice-mismatched semiconductor structures with reduced dislocation defect densities and related methods for device fabrication
US7777250B2 (en) 2006-03-24 2010-08-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Lattice-mismatched semiconductor structures and related methods for device fabrication
JP4946156B2 (ja) * 2006-05-01 2012-06-06 富士ゼロックス株式会社 半導体膜及びその製造方法、並びに、該半導体膜を用いた受光素子、電子写真用感光体、プロセスカートリッジ、画像形成装置
EP2062290B1 (en) 2006-09-07 2019-08-28 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Defect reduction using aspect ratio trapping
US7875958B2 (en) 2006-09-27 2011-01-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Quantum tunneling devices and circuits with lattice-mismatched semiconductor structures
US8502263B2 (en) 2006-10-19 2013-08-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Light-emitter-based devices with lattice-mismatched semiconductor structures
US8237151B2 (en) 2009-01-09 2012-08-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Diode-based devices and methods for making the same
US8304805B2 (en) 2009-01-09 2012-11-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Semiconductor diodes fabricated by aspect ratio trapping with coalesced films
WO2008124154A2 (en) 2007-04-09 2008-10-16 Amberwave Systems Corporation Photovoltaics on silicon
US7825328B2 (en) 2007-04-09 2010-11-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Nitride-based multi-junction solar cell modules and methods for making the same
US8329541B2 (en) 2007-06-15 2012-12-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. InP-based transistor fabrication
WO2009009111A2 (en) * 2007-07-10 2009-01-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University GaInNAsSB SOLAR CELLS GROWN BY MOLECULAR BEAM EPITAXY
US7381886B1 (en) * 2007-07-30 2008-06-03 Emcore Corporation Terrestrial solar array
DE112008002387B4 (de) 2007-09-07 2022-04-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Struktur einer Mehrfachübergangs-Solarzelle, Verfahren zur Bildung einer photonischenVorrichtung, Photovoltaische Mehrfachübergangs-Zelle und Photovoltaische Mehrfachübergangs-Zellenvorrichtung,
US8513514B2 (en) 2008-10-24 2013-08-20 Suncore Photovoltaics, Inc. Solar tracking for terrestrial solar arrays with variable start and stop positions
US20100012175A1 (en) 2008-07-16 2010-01-21 Emcore Solar Power, Inc. Ohmic n-contact formed at low temperature in inverted metamorphic multijunction solar cells
US8183667B2 (en) 2008-06-03 2012-05-22 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Epitaxial growth of crystalline material
US8274097B2 (en) 2008-07-01 2012-09-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Reduction of edge effects from aspect ratio trapping
US8981427B2 (en) 2008-07-15 2015-03-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Polishing of small composite semiconductor materials
US9287438B1 (en) * 2008-07-16 2016-03-15 Solaero Technologies Corp. Method for forming ohmic N-contacts at low temperature in inverted metamorphic multijunction solar cells with contaminant isolation
JP5416212B2 (ja) 2008-09-19 2014-02-12 台湾積體電路製造股▲ふん▼有限公司 エピタキシャル層の成長によるデバイス形成
US20100072515A1 (en) 2008-09-19 2010-03-25 Amberwave Systems Corporation Fabrication and structures of crystalline material
US8253211B2 (en) 2008-09-24 2012-08-28 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Semiconductor sensor structures with reduced dislocation defect densities
US8507837B2 (en) 2008-10-24 2013-08-13 Suncore Photovoltaics, Inc. Techniques for monitoring solar array performance and applications thereof
CN102379046B (zh) 2009-04-02 2015-06-17 台湾积体电路制造股份有限公司 从晶体材料的非极性平面形成的器件及其制作方法
US20100319764A1 (en) * 2009-06-23 2010-12-23 Solar Junction Corp. Functional Integration Of Dilute Nitrides Into High Efficiency III-V Solar Cells
US20110114163A1 (en) * 2009-11-18 2011-05-19 Solar Junction Corporation Multijunction solar cells formed on n-doped substrates
US20110232730A1 (en) 2010-03-29 2011-09-29 Solar Junction Corp. Lattice matchable alloy for solar cells
US9214580B2 (en) 2010-10-28 2015-12-15 Solar Junction Corporation Multi-junction solar cell with dilute nitride sub-cell having graded doping
US8962991B2 (en) 2011-02-25 2015-02-24 Solar Junction Corporation Pseudomorphic window layer for multijunction solar cells
US8766087B2 (en) 2011-05-10 2014-07-01 Solar Junction Corporation Window structure for solar cell
FR2981195B1 (fr) 2011-10-11 2024-08-23 Soitec Silicon On Insulator Multi-jonctions dans un dispositif semi-conducteur forme par differentes techniques de depot
WO2013074530A2 (en) 2011-11-15 2013-05-23 Solar Junction Corporation High efficiency multijunction solar cells
US9153724B2 (en) 2012-04-09 2015-10-06 Solar Junction Corporation Reverse heterojunctions for solar cells
KR20150006452A (ko) * 2012-04-23 2015-01-16 난양 테크놀러지컬 유니버시티 전지 배열
US8987129B2 (en) * 2012-09-26 2015-03-24 The Boeing Company Group V doping of GaAs-based layers to improve radiation tolerance of solar cells
US9508881B2 (en) 2012-10-11 2016-11-29 Sandia Corporation Transparent contacts for stacked compound photovoltaic cells
TWI656651B (zh) 2014-02-05 2019-04-11 美商太陽光電公司 單片多接面換能器
US20170110613A1 (en) 2015-10-19 2017-04-20 Solar Junction Corporation High efficiency multijunction photovoltaic cells
WO2017218190A1 (en) 2016-06-15 2017-12-21 Solar Junction Corporation Dilute nitride bismide semiconductor alloys
US10930808B2 (en) 2017-07-06 2021-02-23 Array Photonics, Inc. Hybrid MOCVD/MBE epitaxial growth of high-efficiency lattice-matched multijunction solar cells
WO2019067553A1 (en) 2017-09-27 2019-04-04 Solar Junction Corporation SHORT-LENGTH WAVELENGTH INFRARED OPTOELECTRONIC DEVICES HAVING DILUTED NITRIDE LAYER
WO2020185528A1 (en) 2019-03-11 2020-09-17 Array Photonics, Inc. Short wavelength infrared optoelectronic devices having graded or stepped dilute nitride active regions
CN115706185B (zh) * 2021-08-11 2024-02-13 江苏宜兴德融科技有限公司 太阳能电池器件及太阳能电池制造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6281426B1 (en) * 1997-10-01 2001-08-28 Midwest Research Institute Multi-junction, monolithic solar cell using low-band-gap materials lattice matched to GaAs or Ge
US6340788B1 (en) * 1999-12-02 2002-01-22 Hughes Electronics Corporation Multijunction photovoltaic cells and panels using a silicon or silicon-germanium active substrate cell for space and terrestrial applications
US20020121674A1 (en) * 2000-11-27 2002-09-05 Kopin Corporation Biopolar transistor with lattice matched base layer

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5223043A (en) * 1991-02-11 1993-06-29 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Current-matched high-efficiency, multijunction monolithic solar cells
US5383211A (en) * 1993-11-02 1995-01-17 Xerox Corporation TM-polarized laser emitter using III-V alloy with nitrogen
US5689123A (en) * 1994-04-07 1997-11-18 Sdl, Inc. III-V aresenide-nitride semiconductor materials and devices
US6130147A (en) * 1994-04-07 2000-10-10 Sdl, Inc. Methods for forming group III-V arsenide-nitride semiconductor materials
US6150603A (en) * 1999-04-23 2000-11-21 Hughes Electronics Corporation Bilayer passivation structure for photovoltaic cells
US6316715B1 (en) * 2000-03-15 2001-11-13 The Boeing Company Multijunction photovoltaic cell with thin 1st (top) subcell and thick 2nd subcell of same or similar semiconductor material
US6815736B2 (en) * 2001-02-09 2004-11-09 Midwest Research Institute Isoelectronic co-doping
US6660928B1 (en) * 2002-04-02 2003-12-09 Essential Research, Inc. Multi-junction photovoltaic cell
US7126052B2 (en) * 2002-10-02 2006-10-24 The Boeing Company Isoelectronic surfactant induced sublattice disordering in optoelectronic devices
US7122734B2 (en) * 2002-10-23 2006-10-17 The Boeing Company Isoelectronic surfactant suppression of threading dislocations in metamorphic epitaxial layers
AU2003297649A1 (en) * 2002-12-05 2004-06-30 Blue Photonics, Inc. High efficiency, monolithic multijunction solar cells containing lattice-mismatched materials and methods of forming same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6281426B1 (en) * 1997-10-01 2001-08-28 Midwest Research Institute Multi-junction, monolithic solar cell using low-band-gap materials lattice matched to GaAs or Ge
US6340788B1 (en) * 1999-12-02 2002-01-22 Hughes Electronics Corporation Multijunction photovoltaic cells and panels using a silicon or silicon-germanium active substrate cell for space and terrestrial applications
US20020121674A1 (en) * 2000-11-27 2002-09-05 Kopin Corporation Biopolar transistor with lattice matched base layer

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Publication number Publication date
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