TWI542026B - 高效多接面太陽能電池 - Google Patents

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Description

高效多接面太陽能電池
本發明涉及太陽能電池，具體涉及基本由Ⅲ-V族半導體合金形成的多接面太陽能電池。
最高的已知太陽能電池效率由基本由Ⅲ-V族半導體合金構成的多接面太陽能電池製備。這樣的合金是來自標準週期表的ⅢA和VA族的元素的組合，下文用它們的標準化學符號、名稱和縮寫標識，其中，來自ⅢA族的元素總數等於來自VA族的元素的總數。這些太陽能電池的高效率使得它們對於地球上的聚光光伏系統和設計用於空間的系統是引人矚目的。
歷史上，最高效率的太陽能電池由在鍺(Ge)或砷化鎵(GaAs)基底(substrate)上生長的三個亞電池的整體疊層組成，所述亞電池又稱為接面。所述亞電池含有一定範圍波長的光能被吸收並轉換成可以從外部收集的電能的太陽能電池區域。所述亞電池通過穿隧接面彼此相互連接。其他層，例如緩衝層，也可能存在於亞電池之間。在到目前為止的最高效率的太陽能電池中，上層亞電池具有用(Al)GaInP製成的一個或更多個吸收層，中間的亞電池具有用(In)GaAs製成的一個或更多個吸收層，底層亞電池包括Ge基底或具有用Ⅲ-V族材料製成的吸收層。Ⅲ-V族合金的上述命名，其中組成元素在括弧中表示者，例如在(Al)InGaP中的Al，表示其中具體元素可以為零的變化條 件。
每個亞電池包含若干關聯層，通常包括視窗、射極、基極和後表面場(back surface field,BSF)。這些術語是本領域技術人員熟知的，並且這裏不需要進一步定義。前述層的每一個本身可以包括一個或更多個亞層。視窗和射極將具有一種摻雜極性(例如n型)，基極和背表面場將具有相反的極性(例如p型)，在基極和射極之間形成p-n或n-p接面。如果除了故意摻雜的區域以外，基極還含有本質區(intrinsic region)，則可以認為是p-i-n或n-i-p接面，如本領域技術人員熟知的。按照常規，指定亞電池的具體合金和帶隙(bandgap)分別被認為是形成基極的材料的名稱和帶隙。該材料也可以或不可以用於該亞電池的視窗、射極和背表面場。例如，包含AlInP視窗、InGaP射極、GaAs基極和AlGaAs背表面場的亞電池被表示為GaAs亞電池，其帶隙為GaAs的帶隙，即1.4eV。包含AlInP視窗、InGaP射極、InGaP基極和InGaP背表面場的亞電池被表示為InGaP亞電池，並且其帶隙是InGaP基極的帶隙。以外，亞電池還可以包括除了上面列出的層。本領域技術人員也會認識到沒有上述層的一個或更多個也可以構成亞電池。例如，沒有視窗或沒有背表面場也可以構成亞電池。
在提到從頂層到底層的亞電池的疊層順序時，頂層亞電池被定義為在太陽能電池運行過程中最靠近光源的亞電池，底層亞電池最遠離光源。相對的術語如“在… 上”、“在…下”、“上”和“下”也指疊層相對于光源的位置。生長亞電池的順序與該定義無關。頂層亞電池還表示為“J1”，“J2”是從頂層開始的第二亞電池，“J3”是從頂層開始的第三亞電池，最大的數是底層亞電池。
三接面太陽能電池達到迄今為止的任何太陽能電池的最高效率。見M.A.Green等，Progress in Photovoltaics：Research and Applications 19(2011)565-572。但是，這些三接面太陽能電池正在接近它們的實際效率極限。為了達到明顯更高的效率，需要額外的接面或亞電池。用額外的亞電池，光子可以被具有更接近光子能量的帶隙的材料更有效地吸收，其能夠將更多的光能轉變成電能而不是熱。此外，對於一定量的入射光，具有額外亞電池的總太陽能電池電流可能較低，這可能降低串聯電阻損耗。提高效率的另一個機理是用額外的亞電池吸收更大部分的太陽光光譜。許多年來，存在對更多數量的接面的需要的廣泛認識，但是迄今為止，製備四、五和六個接面的電池的嘗試都沒有產生效率超過最好的三接面太陽能電池的效率的太陽能電池。失敗的原因還不清楚，儘管懷疑材料和涉及缺陷，包括材料品質差，這是使用晶格失配的層產生的位錯的結果。存在與相互連接額外的亞電池所需的穿隧接面數量增大相關的額外挑戰，包括由於穿隧接面吸收所產生的光損失。
對於具有四個或更多個亞電池的高效率、晶格匹配的 多接面太陽能電池始終存在興趣，但是產生高效率並保持亞電池之間晶格匹配和與基底晶格匹配的合適材料以前是難以找到的。例如，美國專利7,807,921討論了用GaInNAs作為1.0eV亞電池材料的四接面晶格匹配太陽能電池的可能性。但是，本申請人的結論是該設計是不實用的，因為與其他亞電池晶格匹配的GaInNAs在用那時已知的技術生產時表現出差的品質。為了克服尋找可行的晶格匹配的結構的問題，該專利教導使用變形的材料，包括晶格不匹配的各種級別的變形的GaInNAs層。在製備可以與傳統InGaP/(In)GaAs/Ge太陽能電池晶格匹配的1eV亞電池的另一嘗試中，研究了由鎵、銦、氮、砷和各種不同濃度的銻組成的材料，但是這些研究人員總結出，即使是很小濃度的銻，也應當避免，因為它被認為對裝置性能有害。見Ptak等，Journal of Vacuum Science Technology B 25(3)，2007年5月/6月，第955-959頁。
在該一般領域中的現有工作表明，本領域中對製造材料存在高水準的技術，因此公開製造用於太陽能電池的材料的方法的具體細節不是必要的。若干代表性的美國專利是典型的。美國專利6,281,426公開了一些結構和組成而沒有公開製備技術，並提及指導材料生長的其他文獻。美國專利7,727,795涉及用於太陽能電池的反向變形結構，其中公開了指數摻雜。
繼續朝著更高效率太陽能電池前進所需要的是能夠達到比用三接面太陽能電池實際獲得的效率更高的具有 四個或更多個亞電池的多接面太陽能電池的設計。一般假定基本晶格匹配的設計是希望的，因為它們具有證實的可靠性並且因為它們比改變結構的太陽能電池使用更少的半導體材料，變形的太陽能電池需要相對較厚的緩衝層來容納不同材料的晶格常數的不同。應當注意，“基本晶格匹配”的一般理解是，當材料厚度大於100nm時，材料在其完全弛豫狀態的面內晶格常數變化小於0.6%。此外，本文所用的相互基本晶格匹配的亞電池意思是在厚度大於100nm的亞電池中的所有材料在其完全弛豫狀態的面內晶格常數變化小於0.6%。
本發明包括包含四個、五個或更多個亞電池的多接面太陽能電池，其效率可以超過已知最好的太陽能電池的效率。所述多接面太陽能電池引入具有包含Ⅲ-V族材料的基極的至少一個亞電池，所述Ⅲ-V族材料含有As、N和選自Sb和Bi的至少一種額外元素，稱為Ⅲ-AsNV材料，其中，針對帶隙和晶格常數設計所述材料的組成。在本發明的多接面太陽能電池的每一個中，上述亞電池包含底部亞電池和/或直接靠近底部亞電池的亞電池。本發明的多接面太陽能電池的亞電池是相互基本晶格匹配的。在一些實施方案中，所述多接面太陽能電池的亞電池與基底是基本晶格匹配的。用於確定所述亞電池的物理參數的方法基於通過在亞電池之間進行晶格匹配和電流匹配來詳細描述亞電池厚度並進行尋找帶隙(因此找到合金中材料比例)的優 化過程的精確模擬。然後基於通過模擬確定的材料組成製備具有希望的高品質材料組成的太陽能電池。
在一個具體實施方案中，在一個多接面太陽能電池中製備具有不同帶隙的兩個Ⅲ-AsNV亞電池，其中，所述亞電池的至少一個具有比以前可獲得的或提出的更高的帶隙。在另一個具體實施方案中，在一個多接面太陽能電池中製備具有不同帶隙的三個Ⅲ-AsNV亞電池，其中，所述亞電池的至少一個具有比以前可獲得的或提出的更高的帶隙。
在另一個具體實施方案中，公開了具有4-6個接面的設計，其中底部亞電池具有比以前公開的或建議的更高的底部帶隙。
在另一個實施方案中，公開了具有底部Ⅲ-AsNV亞電池的太陽能電池，所述Ⅲ-AsNV亞電池的帶隙比以前可以獲得的與基底基本晶格匹配的Ⅲ-AsNV合金的帶隙低。
雖然在多接面電池方面已經有許多工作，但是在本發明中開發的和本文所討論的材料參數和具體結構還沒有被公開。
通過參考結合所附的表和構成圖式的圖的以下詳細描述，會更好地理解本發明。
“Ⅲ-AsNV”材料本文定義為週期表第ⅢA族(即B、Al、Ga、In、Tl)和第VA族(即N、P、As、Sb、Bi)的元素的合金，所述合金包括As、N和選自Sb和Bi的至少 一種額外元素。在一些實施方案中，所述至少一種額外元素是Sb。在一些實施方案中，所述至少一種額外元素是Bi。所述合金可以包含大約一半的第ⅢA族元素和大約一半的第VA族元素。如果一種元素的原子組成至少為0.05%，則它可以僅被認為是合金的一部分。因此，用於產生n型或p型導電性的摻雜劑(例如Mg、Be、Si或Te)不被認為是合金的一部分。Ⅲ-AsNV材料的實例包括GaNAsSb、GaInNAsSbBi和AlInGaNAsSb。在一些實施方案中，Ⅲ-AsNV材料是週期表第Ⅲ族的一種或更多種元素、氮、砷和選自Sb和Bi的至少一種元素的合金。本文所用的表述“週期表的第Ⅲ族元素”是指週期表第Ⅲ族的一種或更多種元素。例如，在一些實施方案中，合金包含週期表第Ⅲ族的一種元素，在一些實施方案中，包含週期表第Ⅲ族的一種以上元素，例如週期表第Ⅲ族的兩種元素。
Ⅲ-AsNV材料作為太陽能電池材料是有利的，因為它們的晶格常數可以被改變以便與多種基底和/或由除Ⅲ-AsNV材料以外的其他材料形成的亞電池是基本晶格匹配的。它們的晶格常數可以通過不同的ⅢA族和VA族元素的相對比例來控制。因此，通過設計Ⅲ-AsNV材料的組成(即元素和量)，可以獲得大範圍的晶格常數和帶隙。此外，通過在特定晶格常數和帶隙附近優化組成，並限制總的Sb和/或Bi組成到不超過第V族晶格位置的20%，在一些實施方案中不超過第V族晶格位置的3%，在一些實施方案中不超過第V族晶格位置的1%，可以獲得高品質的材 料。Sb和/或Bi被認為作為表面活性劑來促進Ⅲ-AsNV合金的光滑生長形貌。此外，它們促進氮的均勻引入並使氮相關的缺陷的形成最少。Sb和/或Bi的引入增強總體的氮引入並減小合金帶隙，有助於較低帶隙合金的實現。但是，存在由Sb和/或Bi產生的額外缺陷，因此，它們的總濃度應當限定為不超過第V族晶格位置的20%。此外，對Sb和/或Bi組成的限量隨著氮組成的減小而減小。包括In的合金對Sb和/或Bi的總組成具有甚至更低的限量，因為In減少設計晶格常數所需的Sb和/或Bi的量。 對於包括In的合金，Sb和/或Bi的總組成可以限定為不超過第V族晶格位置的3%，在一些實施方案中，限定為不超過第V族晶格位置的1%。例如，在美國申請公開2010-0319764中公開的Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz已知在基本與GaAs或Ge基底晶格匹配並且組成範圍為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03，帶隙為至少0.9eV時產生高品質材料。該材料用作太陽能電池的底部亞電池，保持截止到該優先權申請的申請日的轉換效率的世界紀錄。
在本發明的一些實施方案中，N的組成不超過第V族晶格位置的7%。在一些實施方案中，N的組成不超過4%，在一些實施方案中，不超過3%。
本發明包括引入至少一個Ⅲ-AsNV亞電池的具有4個或更多個亞電池的多接面太陽能電池。Ⅲ-AsNV材料的帶隙可以通過改變組成並限制Sb和Bi的總成分來設計。因 此，可以製造用於與其他亞電池結合的具有最佳帶隙的Ⅲ-AsNV亞電池，同時保持與其他亞電池基本晶格匹配。 Ⅲ-AsNV亞電池的帶隙和成分可以設計使得由Ⅲ-AsNV亞電池產生的短路電流與太陽能電池中的其他亞電池相同或略大。由於Ⅲ-AsNV材料提供高品質、晶格匹配和帶隙可調節的亞電池，所以，所公開的包含Ⅲ-AsNV亞電池的太陽能電池將達到超過三接面太陽能電池的轉換效率。由於較少的光能以熱的形式損耗，因此效率提高大，這是因為額外的亞電池允許更多的入射光子被帶隙更接近入射光子能級的材料吸收。此外，由於更低的操作電流，與三接面太陽能電池相比，這些多接面太陽能電池中的串聯電阻損耗更低。在更聚光的太陽光下，降低的串聯電阻變得更明顯。取決於底部亞電池的帶隙，太陽光譜中的更寬範圍的光子的收集也可貢獻於效率的提高。
現有技術中具有三個以上亞電池的多接面太陽能電池的設計主要依賴於變形的生長結構、新材料或現有亞電池材料品質的顯著改進，以便預測可以實現高效率的結構。由於緩衝層的位錯隨時間擴展到亞電池中導致性能降低的可能性，含有變形的緩衝層的太陽能電池可能存在可靠性問題。相比之下，Ⅲ-AsNV材料現在可以用在三個以上亞電池的太陽能電池中，以獲得高效率並保持亞電池之間的基本晶格匹配，這對可靠性是有利的。例如，由本公開提供的Ⅲ-AsNV亞電池的可靠性試驗表明，這樣的裝置承受等效於在100℃在太陽下運行390年的過程而沒有失 效。在這些亞電池中發現的最大性能降低是開路電壓降低1.2%。
對於空間中的應用，耐輻射性具有重要意義，耐輻射性是指在暴露於包括電子和質子的離子化輻射時裝置性能的最小降低。本發明的引入Ⅲ-AsNV亞電池的多接面太陽能電池已經經過質子輻射測試以考察在空間環境中的劣化效果。與Ge基三接面太陽能電池相比，結果表明這些含Ⅲ-AsNV的裝置具有類似的功率降低速度和更好的電壓保持率。與非晶格匹配(變形的)三接面太陽能電池相比，對於含Ⅲ-AsNV的裝置的所有測量更好。在本發明的一些實施方案中，太陽能電池含有(Al)GaInPAs亞電池以便與(Al,In)GaAs亞電池相比改善耐輻射性。
一種增強的模擬模型用來確定具有4、5或6個亞電池的多接面太陽能電池的設計和效率。所述模擬依賴於使用標準太陽能電池方程(參見例如Nelson,The Physics of Solar Cells.London：Imperial College Press,2003,第145-176頁；或Kurtz等，Journal of Applied Physics 68(1990)1890)來計算單個亞電池的量子效率、暗電流、電流和電壓，與周圍亞電池無關，以及使用標準電路方程從元件亞電池(包括單個的集中串聯電阻元件)的電流-電壓曲線來計算總的多接面電流-電壓曲線。當在這些模擬中使用高照度(>10W/cm2)時，假定暗電流受擴散電流控制；忽略來自空乏區中的Shockley-Read-Hall復合的貢獻。所述模擬變化帶隙，因此變化亞電池的成分，直 至亞電池是電流匹配的。(電流匹配被理解為是指每個亞電池的電流產生能力基本相同，這被定義為變化不超過2%，優選不超過1%。注意：在具有串聯連接的亞電池的任何多接面太陽能電池中，流過每個亞電池的電流必然必須相同。但是，如果亞電池不是串聯連接的，並且到下面的亞電池的光仍然被上面的亞電池過濾，討論由每個個體亞電池產生的短路電流可能是方便的。這是提及亞電池的電流產生能力所指的內容)。亞電池材料在所述模擬中被指定，並且帶隙或成分對於每種指定的材料合金系統在指定範圍內變化。當指定亞電池的帶隙達到其允許範圍的上限但是電流匹配沒有實現時，減小基極厚度來實現電流匹配。當指定亞電池的帶隙達到其允許範圍的下限時，電流匹配要求限於指定的亞電池和在其上的那些亞電池；下面的亞電池具有更高的電流產生能力。這是明顯違背早期的該類型模擬的，其通常僅改變基極厚度來匹配亞電池之間的電流。用於本發明的模擬與變化個體亞電池的帶隙來匹配電流但是對於一些或全部亞電池假定理想的或任意的材料性質的現有技術其他類型的模擬還不同。現有技術中的這些模擬與這裏涉及的模擬給出不同的結果，這裏給出的模擬對於除了Ge以外的所有亞電池使用實驗確定的材料參數。該模擬可以用來對光能的任何入射光譜在任何合.理的操作溫度優化帶隙關係和電流匹配。用於本發明的模擬使用在25℃-90℃的溫度下的AM1.5D光譜作為輸入來進行。所述模擬在Windows作業系統中在Matlab軟體 上運行。
該模擬模型也與25℃的AM0光譜一起使用，來預測在空間應用的具有4、5和6個亞電池的多接面太陽能電池的設計和效率。因為這些模擬1 sun的光照下運行，所以包括了來自空乏區中Shockley-Read-Hall復合的暗電流的貢獻。取決於所關注的應用，對於其他操作溫度可以優化用於空間的太陽能電池並且所得的結構可以從本文的太陽能電池略微變化。
對於預測性模擬，為了減小優化抗反射塗層(anti-reflection coating,ARC)的計算費用，假定了理想的ARC。這可能導致預測的效率高出約2-4%(例如40.8%而不是40.0%)。對於現有的單接面和三接面太陽能電池的模擬，理想的ARC被包括在具有ARC的太陽能電池的模擬中，以便更精確地將實驗結果模型化。
用於本發明的模擬獨特的是使用所關注的合金系統的準確的材料參數，所關注的合金系統是與GaAs和Ge基底基本晶格匹配的，包括(Al)InGaP、(Al,In)GaAs和GaInNAsSb，Ⅲ-AsNV材料的實例。除了其他數值以外，這些材料參數可以用來預測量子效率和暗電流。對於這些材料系統，發現了一定範圍的組成，其中對量子效率和暗電流的基本影響是帶隙的變化。因此，其他材料參數可以被處理為常數而具有精確的結果。例如，對於(Al)InGaP，其中對於與GaAs或Ge基本晶格匹配的亞電池材料參數而不是帶隙可以被處理為常數的組成範圍是對於 Al x In0.5Ga1-x P而言x≦0.2。
(Al)GaInPAs和SiGe(Sn)的材料參數不包括在模擬中，但是使用(Al)GaInPAs和SiGe(Sn)的高效率太陽能電池結構可以用相同的方法設計。
在模擬中每個材料系統的材料參數包括帶隙、n和k值(即折射率)、電洞和電子有效質量、靜電介電常數、少數載子遷移率、少數載子壽命和與相關材料的介面的表面復合速度。一些材料的n和k值用橢圓偏光測量確定，其他材料從文獻中獲取，並且在一定的合金系統內根據需要作為帶隙能量的函數而移動。對於(Al)InGaP和(Al,In)GaAs，有效質量和靜電介電常數取自文獻。對於GaInNAsSb，所用的值是電洞和電子有效質量及靜電介電常數分別是0.6m 0 、0.15m 0 and 13.3，其中m 0 是電子有效質量。用所模擬的範圍內的溫度，材料參數被假定為常數，除了帶隙和隨帶隙能移動的n和k值以外。少數載子遷移率由使用Hall效應測量法在均勻摻雜層上測量的多數載子遷移率開始估算，並通過擬合實驗量子效率資料來改善。少數載子壽命和表面復合速度通過時間分辨的光致發光測量來確定。對於Ge，所有的材料參數基於文獻中可獲得的資料估計。平均摻雜值和材料參數被用於模擬中來處理摻雜值在整個層中分級的情況。對於n型層，摻雜值為1×1017cm-3到1×1019cm-3，對於p型層，摻雜值為5×1015cm-3到2×1018cm-3，並且針對實驗裝置的性能優化。對於與GaAs和Ge晶格匹配的(Al)InGaP和 (Al,In)GaAs材料系統，組成和帶隙之間的關係是熟知的，對於給定的帶隙指定組成。由於不同元素之間的相互作用，以及諸如層中的應變等因素，Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz的帶隙不是組成的簡單函數。用特定晶格參數產生希望的帶隙的組成通過在優化過程中變化組成來尋找。作為一個例子，Ga1.01-3wIn3w-0.01NwAs0.99-wSb0.01的帶隙和組成w之間的關係表示在圖20中。這裏，固定Sb的組成。對於不同的Sb的組成或其他元素保持恒定，可以構造類似的圖。
Ⅲ-AsNV材料在生長過程中或在生長後接受的熱劑量由給定持續時間所施加的熱強度控制(例如施加600℃-900℃的溫度，持續10秒到10小時)，並且也影響帶隙與組成之間的關係。一般地，帶隙隨著熱劑量增加而增加。
由於上述材料的發展在繼續，預期材料品質將不斷改善，能夠從本發明所描述的相同結構獲得甚至更高的效率。所述模擬也用改善的少數載子性質進行，以預測將來的裝置的結構和性能。
在25℃到90℃的溫度範圍內的模擬的使用由在25℃到125℃操作的具有底部GaInNAsSb亞電池的三接面太陽能電池的資料支援。
由於組成在給定的合金系統內變化，所以生長條件需要改善，正如本領域技術人員所熟知的。例如，對於(Al,In)GaAs，為了維持相同的材料品質，生長溫度隨著Al的分數增大而升高並隨著In的分數增大而減小。因此，隨著組成變化，生長溫度以及其他生長條件相應地調 節。
表1A和1B分別表示來自使用25℃的AM1.5D光譜暴露於所述強度的入射太陽輻射的Al0.1In0.5Ga0.4P和In0.5Ga0.5P亞電池的模擬I-V曲線和實驗資料二者的短路電流、開路電壓和填充因數。在模擬和實驗結果之間的緊密一致性是模擬精確性的證明。每個表中列出的sun數給出在測試過程中在電池上入射的照度的資訊。它是入射在電池上的“1 sun”強度(0.1W/cm2)的倍數。例如，術語“800 sun”表示80W/cm2。sun數對每種情況不同，因為現有的實驗資料取自不同的強度。入射光譜在實驗測量中接近AM1.5D光譜，在模擬中是AM1.5D光譜。
表1C和1D分別表示來自在空氣質量為零(AM0)光譜下的Al0.1In0.5Ga0.4P和In0.5Ga0.5P亞電池的模擬I-V曲線和實驗資料的短路電流、開路電壓和填充因數。入射光譜在實驗測量中接近在25℃強度為1,353W/cm2的AM0光譜，在模擬中是25℃的AM0光譜。在模擬和實驗結果之間的緊密一致性是模擬精確性的證明。
表2A和2B分別表示Al0.2Ga0.8As和GaAs亞電池的類 比資料，表3A和3B分別表示Ga0.96In0.04N0.01As0.98Sb0.01和Ga0.96In0.1N0.03As0.96Sb0.01亞電池的模擬資料，暴露於使用25℃的AM1.5D光譜的所述強度的入射太陽輻射。
表2C和2D分別表示Al0.2Ga0.8As和GaAs亞電池的類比資料，表3C和3D分別表示Ga0.96In0.04N0.01As0.98Sb0.01和Ga0.96In0.1N0.03As0.96Sb0.01亞電池的資料，在25℃強度為1,353W/cm2在AM0光譜。
表2D：在AM0光譜下GaAs亞電池的模擬和實驗太陽能電池資料
模型的合理論證還通過模擬現有技術的多接面太陽能電池來進行，所述現有技術的多接面太陽能電池包含三個亞電池：In0.5Ga0.5P(1.9eV)、GaAs(1.4eV)和Ga0.9In0.1N0.03As0.96Sb0.01(1.0eV)，總亞電池厚度分別為1-2 μm、4-4.5μm和2-3μm。表4A表示在25℃聚光到525 sun(或2.5W/cm2)的AM1.5D下的模擬太陽能電池的短路電流、開路電壓和填充因數。還表示了具有這些特徵和操作條件的太陽能電池的測量性能。可以看出，模型精確預測了測量性能。
模型的合理論證還通過模擬現有技術的多接面太陽能電池來進行，所述現有技術的多接面太陽能電池包含三個亞電池：Al0.1In0.5Ga0.4P(2.0eV)、GaAs(1.4eV)和Ga0.9In0.1N0.03As0.96Sb0.01(1.0eV)，總亞電池厚度分別為0.75-1.25μm、3-4μm和2-3μm。表4B表示在25℃的AM0光譜下的模擬太陽能電池的短路電流、開路電壓和填充因數。還表示了具有這些特徵和操作條件的太陽能電池的測量性能。模型精確預測了在25℃的AM0光譜下的測量性能。
表4B：在AM0光譜下的具有三個亞電池的太陽能電池的模擬和實驗太陽能電池資料
所述模型然後用來預測超過已知最好的三接面太陽能電池的效率的具有4、5和6個亞電池的多接面太陽能電池的結構。以後的段落描述本發明的更一般和更具體的實施方案。在許多情況下，所述結構限制為與GaAs和Ge基底基本晶格匹配。所有的帶隙範圍給出到小數點右側一位有效數字。雖然所述模擬預測了其中亞電池通常是電流匹配的最優化結構，但是在以下具體說明的帶隙範圍內，其他設計準則(例如希望的太陽能電池厚度)可能導致所述結構的改進。
值得注意的是以下公開的本發明的實施方案包括具有帶隙大於0.8eV，直至1.1eV的底部亞電池的多接面太陽能電池。現有技術主要教導具有超過3個亞電池的多接面太陽能電池應當具有帶隙小於或等於0.8eV的底部亞電池，以便在更寬太陽光譜段上收集光。最常見的是，現有技術中構成底部亞電池的基極的材料是Ge或InGaAs。但是，出乎意料地，從使用底部Ⅲ-AsNV亞電池的本發明太陽能電池可以獲得高效率，所述底部Ⅲ-AsNV亞電池的帶隙高達1.1eV，至少部分是由於這樣的亞電池的更高電壓和有效的電流引出。
以下公開的許多實施方案的另一個新的方面是在單個多接面太陽能電池中包含兩個或三個不同帶隙的Ⅲ-AsNV亞電池。在這些實施方案中，至少一個Ⅲ-AsNV亞電池具有比以前已經實現或建議的更高的帶隙，例如1.3eV的帶隙。
也注意的是某些實施方案具有底部Ⅲ-AsNV亞電池，所述Ⅲ-AsNV亞電池的帶隙比以前對於基本上與基底晶格匹配的Ⅲ-AsNV合金已經實現的帶隙低，例如0.8eV的帶隙。
圖1A-1B、2A-2B、3A-3D、6-7、9-12、13A-B、和15-16、17B、18B和19B另外詳細地舉例說明了根據本發明的4、5、和6多接面太陽能電池的一些實施方案。為簡單起見，圖1A-1B、2A-2B、3A-3D、6-7、9-12、13A-B、17B、18B和19B僅顯示多接面太陽能電池的亞電池和互連穿隧接面。如本領域技術人員眾所周知的，為製造完整的太陽能電池，其他元件可能是必需的，包括抗反射塗層、接觸層(contact layer)、電接觸和基底或晶片柄(wafer handle)。如以下將討論的，圖15顯示具有這些其他元件的一個示例結構。此外，其他元件可以存在於完整的太陽電池中，例如緩衝層和另外的穿隧接面。在一些本文公開的實施方案中，底部亞電池包括基底(例如，Ge亞電池)，因此基底示於圖中。在其他的實施方案中，基底不是亞電池的一部分，因此通常未示於圖中。
圖1A示出根據本發明的一個具有五個亞電池的多接面太陽能電池，底部亞電池是Ⅲ-AsNV亞電池。全部的五個亞電池基本上彼此晶格匹配，並且可通過四個穿隧接面互連，所述穿隧接面被顯示為帶點的區域。疊層底部的ⅢⅢ-AsNV亞電池具有五個亞電池中最低的帶隙，並且吸收被太陽能電池轉變為電的最低能量的光。底部亞電池中Ⅲ-AsNV材料的帶隙在0.7-1.1eV之間。上面的亞電池可以包含任何適當的Ⅲ-V、II-VI、或IV族材料，包括Ⅲ-AsNV材料。
圖1B示出根據本發明的一個具有六個亞電池的多接面太陽能電池，底部亞電池是Ⅲ-AsNV亞電池。全部的六個亞電池基本上彼此晶格匹配，並且可通過五個穿隧接面互連，所述穿隧接面被顯示為帶點的區域。該Ⅲ-AsNV亞電池具有六個亞電池中最低的帶隙。底部亞電池中Ⅲ-AsNV材料的帶隙在0.7-1.1eV之間。上面的亞電池可以包含任何適當的Ⅲ-V、II-VI、或IV族材料，包括Ⅲ-AsNV材料。
在一些實施方案中，底部亞電池中Ⅲ-AsNV合金的帶隙在0.8-0.9eV之間，在其他的實施方案中，在0.9-1.0eV之間。在一些實施方案中，底部Ⅲ-AsNV亞電池的基極層的組成包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0≦x≦0.24、0.01≦y≦0.07和0.001≦z≦0.20，在一些實施方案中，0.02≦x≦0.24、0.01≦y≦0.07和0.001≦z≦0.03，在一些實 施方案中，0.02≦x≦0.18、0.01≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03，和在一些實施方案中，0.06≦x≦0.20、0.02≦y≦0.05和0.005≦z≦0.02。
在圖2A中所示本發明的實施方案中，多接面太陽能電池具有五個亞電池，具有J4，直接在底部亞電池上面的亞電池和從頂部起第四亞電池是Ⅲ-AsNV亞電池。J4中Ⅲ-AsNV材料的帶隙在0.9-1.3eV之間。全部的五個亞電池基本上是彼此晶格匹配的，並且可通過四個穿隧接面互連，所述穿隧接面顯示為帶點的區域。其他四個亞電池可以包含任何合適的Ⅲ-V、II-VI、或IV族材料，包括Ⅲ-AsNV材料。
圖2B顯示具有六個亞電池的根據本發明的多接面太陽能電池，具有J5，直接在底部亞電池上面的亞電池是Ⅲ-AsNV亞電池。J5的基極中Ⅲ-AsNV材料的帶隙在0.9-1.3eV之間。全部的六個亞電池基本上是彼此晶格匹配的，並且可通過五個穿隧接面互連，所述穿隧接面顯示為帶點的區域。其他五個亞電池可以包含任何合適的Ⅲ-V、II-VI、或IV族材料，包括Ⅲ-AsNV材料。
在一些實施方案中，直接在底部亞電池上面的亞電池的Ⅲ-AsNV合金的帶隙在0.9-1.0eV之間，並且在一些實施方案中，在1.0-1.1eV之間。在一些實施方案中，直接在底部亞電池上面的亞電池的基極層的組成包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0≦x≦0.18、0.001≦y≦0.05和0.001≦z≦0.15，在 一些實施方案中，0≦x≦0.18、0.001≦y≦0.05、和0.001≦z≦0.03，和在一些實施方案中，0.02≦x≦0.18、0.005≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03。
本發明的另一個實施方案示於圖3A中。在該實施方案中，有四個亞電池，兩個底部的亞電池是Ⅲ-AsNV亞電池。底部亞電池J4的帶隙在0.7-1.1eV之間。J3的帶隙在0.9-1.3eV之間，或在1.0-1.3eV之間，並且大於J4的帶隙。直接在兩個Ⅲ-AsNV亞電池上面的亞電池J2是帶隙在1.4-1.7eV的範圍內的(Al,In)GaAs亞電池。頂部亞電池J1是帶隙在1.9-2.2eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。亞電池的帶隙的實例從底層到頂層分別是0.8-0.9eV或0.9-1.0eV、1.1-1.2eV、1.5-1.6eV、和1.9-2.0或2.0-2.1eV。當四個亞電池產生的電流基本上相同時，亞電池的帶隙和厚度是最優的。所有的亞電池基本上是彼此晶格匹配的並且可通過穿隧接面串聯連接。在本發明的一個類似實施方案中，除了直接在底部亞電池上面的亞電池J3是GaInNAs亞電池之外，結構相同。在另一個有關的實施方案中，除了J2是(Al)GaInPAs亞電池之外，結構相同。在另一個示於圖3B的有關的實施方案中，J4是SiGe(Sn)亞電池。
在以前以及隨後給出的實施方案的範圍內，亞電池的具體帶隙由底部亞電池的帶隙、亞電池層的厚度、和光的入射光譜決定。儘管在本公開中有許多結構會產生超過三 接面太陽能電池的效率，但是並不是帶隙落入所公開範圍的任何組亞電池都會產生如此的效率。對於底部亞電池帶隙、或者替代地另一亞電池的帶隙、光的入射光譜、亞電池材料和亞電池層厚度的某些選擇，對於會產生超過三接面太陽能電池的效率的剩餘亞電池的帶隙有較窄的範圍。帶隙可從模擬與/和從實驗得到。通常，底部亞電池的帶隙越高，上面的亞電池的帶隙就越高，但是在特定範圍內。對於圖3A中所示的本發明的實施方案，圖3C和3D利用AM1.5D光譜舉例說明了這點。圖3C中底部亞電池的帶隙比圖3D中底部亞電池的帶隙高。因此，圖3C中上部亞電池的帶隙分別比在圖3D中的上部亞電池的帶隙高。
圖4顯示在25℃在100W/cm2或1000 sun下，通過作為圖3A中所示本發明的一個具體實施方案的底部亞電池帶隙的函數進行模擬而預期的效率。在該實施方案中，J4和J3是總亞電池厚度為2-3微米的GaInNAsSb亞電池，J2是厚度為4-5微米的(Al)GaAs亞電池，J1是厚度為1-2微米的(Al)InGaP亞電池。底部帶隙的效率趨勢具有兩個峰值，在0.75eV和0.92eV的帶隙附近，這主要是因為太陽光譜發光在0.7eV和1eV之間的能量範圍內變化。在所顯示的所有情況下，效率都高於在相同條件下現有技術的三接面太陽能電池結構的模擬效率(40.8%)。
圖5顯示，在25℃下在AM0光譜下，通過作為示於圖3A中本發明的一個具體實施方案的底部亞電池的帶隙的 函數的模擬而預期的效率。在該實施方案中，底部兩個亞電池是總亞電池厚度為2-3微米的GaInNAsSb亞電池，J2是厚度為3-4微米的(Al)GaAs亞電池，J1是厚度為0.5-1.5微米的(Al)InGaP亞電池。實線顯示對於利用當今的材料參數製造的太陽能電池所預期的效率，虛線顯示預期的具有材料品質改善的將來效率，所述材料品質改善增加少數載子壽命和改善介面復合速率。底部亞電池帶隙的當今效率的趨勢的峰值在0.90eV附近。隨著底部帶隙降低效率增加，因為吸收了更多的太陽光譜直至達到頂部亞電池的帶隙上限。就此，所述模擬固定頂部亞電池帶隙並且降低頂部亞電池厚度以達到亞電池之間的電流匹配。這導致總效率降低。在所顯示的所有情況下，效率都比在相同條件下三接面太陽能電池結構的模擬效率高。
本發明的另一實施方案具有四個亞電池，底部亞電池是Ⅲ-AsNV亞電池。底部亞電池J4的帶隙在0.9-1.1eV之間。亞電池J3是帶隙在1.4-1.5eV之間的(Al,In)GaAs或(Al)GaInPAs亞電池。亞電池J2是帶隙在1.6-1.8eV範圍內的Al(In)GaAs或(Al)GaInPAs亞電池。頂部亞電池J1是帶隙在1.9-2.3eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。亞電池的帶隙的實例從底部到頂部分別是1.0eV、1.4eV、1.7eV、和2.1eV。
圖6舉例說明本發明的具有四個亞電池的另一實施方案。直接在底部亞電池上面的J3是帶隙在0.9eV-1.3eV範圍內的Ⅲ-AsNV亞電池。底部亞電池是包括帶隙為0.7 eV的Ge基底的Ge亞電池。J2是帶隙在1.4eV-1.7eV範圍內的InGaAs或(Al)GaInPAs亞電池。J1是帶隙在1.9-2.2eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。Ge亞電池上面的亞電池的帶隙的實例自下而上分別是1.0eV-1.1eV、1.4eV-1.5eV、和1.9eV-2.0eV。所有的亞電池都是與Ge基底基本上晶格匹配的並且可通過穿隧接面串聯連接。
圖7示出本發明的具有五個亞電池的一個實施方案。底部兩個亞電池是Ⅲ-AsNV亞電池。底部亞電池的帶隙在0.7eV-1.1eV之間。從底部數的第二亞電池J4的帶隙在0.9eV-1.3eV之間、或在1.0-1.3eV之間，並且大於或等於底部亞電池的帶隙。在Ⅲ-AsNV亞電池上面的亞電池J3是帶隙在1.4-1.6eV的範圍內的(Al,In)GaAs亞電池。J2是帶隙在1.6eV-1.9eV範圍內的Al(In)GaAs或(Al)InGaP亞電池。頂部亞電池是帶隙在1.9-2.2eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。亞電池的帶隙的實例自下而上分別是0.9eV-1.0eV、1.1eV-1.2eV、1.4eV-1.5eV、1.7eV-1.8eV、和1.9eV-2.1eV。所有的亞電池基本上是彼此晶格匹配的並且可通過穿隧接面串聯連接。在本發明的一個相關實施方案中，除了J4是GaInNAs亞電池之外，結構相同。在另一個相關實施方案中，除了J2和J3之一或兩者是(Al)GaInPAs亞電池之外，結構相同。在一個另外的相關實施方案中，底部亞電池是SiGe(Sn)亞電池。
在本發明的另一個實施方案中，底部三個亞電池是Ⅲ -AsNV亞電池。底部亞電池J5的帶隙在0.7eV-1.0eV之間。J4的帶隙在0.9eV-1.2eV之間，並且大於J5的帶隙。J3是帶隙在1.2eV-1.4eV範圍內的Ⅲ-AsNV亞電池。J2是帶隙在1.6eV-1.8eV範圍內的Al(In)GaAs、(Al)InGaPAs或InGaP亞電池。頂部亞電池J1是帶隙在1.9eV-2.2eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。 在一些實施方案中，亞電池的帶隙自下而上分別是0.7eV-0.8eV、0.9eV-1.1eV、1.2eV-1.3eV、1.6eV-1.7eV、和2.0eV-2.1eV。亞電池基本上是彼此晶格匹配的並且可通過穿隧接面串聯連接。在本發明的一個相關實施方案中，除了J3和/或J4是GaInNAs亞電池之外，結構相同。
圖8顯示在25℃在AM1.5D光譜在100W/cm2或1000 sun的照度下，通過作為圖7中所示本發明的一個具體實施方案的底部亞電池帶隙的函數進行模擬而預期的效率。在該實施方案中，底部兩個亞電池是總亞電池厚度為2-3微米的GaInNAsSb亞電池，J3和J2是厚度為4-5微米的(Al)GaAs亞電池，頂部亞電池是厚度為最大至1.5微米的(Al)InGaP亞電池。底部帶隙的效率趨勢具有兩個峰值，在0.80eV和0.92eV附近，這是至少兩個因素的結果。一個因素是太陽光譜發光在0.7eV和1eV之間的能量範圍內變化。另一個因素是組成的限制(對於AlxIn0.5Ga1-xP，x≦0.2)以及由此對AlInGaP亞電池的帶隙的限制。當帶隙達到上限時，效率開始降低，這是因為 帶隙的限制限制太陽能電池電壓。在所顯示的所有情況下，測量效率都比在相同條件下現有技術的三接面太陽能電池結構的模擬效率高。
圖9是本發明的具有五個亞電池的另一實施方案。底部亞電池是Ge亞電池，包括鍺基底。直接在Ge亞電池上面的亞電池J4是帶隙在1.0eV-1.2eV之間的Ⅲ-AsNV亞電池。在Ⅲ-AsNV亞電池上面的J3是帶隙在1.4eV-1.5eV範圍內的(Al)InGaAs亞電池。J2是帶隙在1.6eV-1.8eV範圍內的AlInGaAs或InGaP亞電池。J1是帶隙在1.9-2.2eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。Ge亞電池上面的亞電池的帶隙的實例自下而上分別是1.0eV-1.1eV、1.4eV、1.6eV-1.7eV、和2.0-2.1eV。所有的亞電池基本上是彼此晶格匹配的並且可通過穿隧接面串聯連接。在一相關實施方案中，除了J2和J3之一或兩者是(Al)GaInPAs亞電池之外，結構相同。
本發明的具有五個亞電池的還另一實施方案示於圖10中。底部亞電池是Ge亞電池，包括Ge基底。J4是帶隙在0.9eV-1.0eV之間或在1.0eV-1.2eV之間的Ⅲ-AsNV亞電池。J3是帶隙在1.2eV-1.4eV範圍內的Ⅲ-AsNV亞電池。J2是帶隙在1.6eV-1.8eV範圍內的AlInGaAs或InGaP亞電池。頂部亞電池是帶隙在1.9eV-2.2eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。Ge亞電池上面的亞電池的帶隙的實例自下而上分別是1.0eV-1.1eV、1.3eV、1.6eV-1.7eV、和2.0-2.1eV。所有的亞電池基本 上是彼此晶格匹配的並且可通過穿隧接面串聯連接。在本發明的一相關實施方案中，除了J3是GaInNAs亞電池之外，結構相同。在另一相關的實施方案中，除了J2是(Al)GaInPAs亞電池之外，結構相同。
本發明的具有六個亞電池的實施方案在圖11、12、13A和13B中舉例說明。
在圖11中，底部三個亞電池是Ⅲ-AsNV亞電池。底部亞電池J6的帶隙在0.7eV-1.1eV之間。J5的帶隙在0.9-1.3eV之間並且大於或等於底部亞電池的帶隙。J4的帶隙在1.1-1.4eV之間並且大於或等於J5的帶隙。Ⅲ-AsNV亞電池上面的是J3，其是帶隙在1.4-1.7eV範圍內的(Al,In)GaAs亞電池。J2是帶隙在1.7eV-2.0eV範圍內的Al(In)GaAs或(Al)InGaP亞電池。頂部亞電池是帶隙在1.9-2.2eV或2.2-2.3eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。亞電池的帶隙的實例自下而上分別是0.9eV-1.0eV、1.1eV-1.2eV、1.3eV-1.4eV、1.5-1.6eV、1.8-1.9eV、和2.0-2.1eV。作為另一個實例，亞電池的帶隙自下而上分別是0.7-0.8eV、0.9-1.0eV、1.1-1.2eV、1.4-1.5eV、1.7-1.8eV、和2.1-2.2eV。所有的亞電池基本上是彼此晶格匹配的並且可通過穿隧接面串聯連接。在本發明的一個相關的實施方案中，除了J4和J5之一或兩者是GaInNAs亞電池之外，結構相同。在一相關的實施方案中，除了J2和J3之一或兩者是(Al)GaInPAs亞電池之外，結構相同。在一另外的相關的實施方案中， 除了底部亞電池是SiGe(Sn)亞電池之外，結構相同。
圖14顯示在25℃在AM1.5D光譜在100W/cm2或1000 sun的照度下，通過作為圖11中所示本發明的一個具體實施方案的底部亞電池帶隙的函數進行模擬而預期的效率。在該實施方案中，三個底部亞電池是每個具有2-3微米的總亞電池厚度的GaInNAsSb亞電池，J3和J2是每個具有4-5微米厚度的(Al)GaAs亞電池，J1是厚度為最大至1.5微米的(Al)InGaP亞電池。在所顯示的所有情況下，效率都比在相同條件下現有技術的三接面太陽能電池結構的模擬效率高。
在圖12中，底部兩個亞電池是Ⅲ-AsNV亞電池。底部亞電池J6的帶隙在0.7-1.1eV之間。J5的帶隙在0.9-1.3eV之間並且大於或等於J6的帶隙。J4的帶隙在1.4-1.5eV之間並且是(Al,In)GaAs亞電池。J3是帶隙在1.5-1.7eV範圍內的(Al,In)GaAs亞電池。J2是帶隙在1.7eV-2.0eV範圍內的Al(In)GaAs或(Al)InGaP亞電池。J1是帶隙在1.9-2.2eV或2.2-2.3eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。亞電池的帶隙的實例自下而上分別是0.9eV-1.0eV、1.1eV-1.2eV、1.4eV、1.6-1.7eV、1.8-1.9eV、和2.0-2.1eV。所有的亞電池基本上是彼此晶格匹配的並且可通過穿隧接面串聯連接。在本發明的一相關實施方案中，除了J5是GaInNAs亞電池之外，結構相同。在一相關的實施方案中，除了J2、J3、和J4中的一個或更多個是(Al)GaInPAs亞電池之外，光伏電池的 結構與圖12中的相同。在一另外的相關的實施方案中，底部亞電池是SiGe(Sn)亞電池。
圖13A示出本發明的一個實施方案，其中底部亞電池包含Ge基底。J4和J5是Ⅲ-ASNV亞電池。J5的帶隙在0.9-1.1eV之間。J4的帶隙在1.1-1.3eV之間並且大於或等於底部亞電池的帶隙。J3是帶隙在1.4-1.6eV範圍內的(Al)InGaAs亞電池。J2是帶隙在1.6-1.9eV範圍內的AlInGaAs或(Al)InGaP亞電池。頂部亞電池是帶隙在1.9-2.2eV或2.2-2.3eV範圍內的(Al)InGaP亞電池。J5到J1的帶隙的實例分別是0.9eV-1.0eV、1.1eV-1.2eV、1.4eV-1.5eV、1.7eV-1.8eV、和2.0eV-2.1eV。所有的亞電池基本上是彼此晶格匹配的並且可通過穿隧接面串聯連接。在本發明的一個相關的實施方案中，除了J4是GaInNAs亞電池之外，光伏電池的結構與圖13A中所示的相同。在與上述一些實施方案相關的一個實施方案中，J2和J3中之一或兩者是(Al)InGaPAs亞電池。該實施方案示於圖13B中。
在本文描述的一些實施方案中，包括圖1A-B、2A-B、3A、3C-D、7、11-12、15、16、或17B中所示的任何光伏電池，底部Ⅲ-AsNV亞電池是GaInNAsSb亞電池，其基極層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y、和z的值為0≦x≦0.24、0.01≦y≦0.07和0.001≦z≦0.20；在一些實施方案中，0.02≦x≦0.24、0.01≦y≦0.07和0.001≦z≦0.03；在一些實施方案中，0.02 ≦x≦0.18、0.01≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；在一些實施方案中，0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；和在一些實施方案中，0.06≦x≦0.20、0.02≦y≦0.05和0.005≦z≦0.02。
在本文描述的一些實施方案中，包括圖1A-B、2A-B、3A-D、6、7、9-13、15、16、17B、18B、或19B中所示的任何光伏電池，直接在底部亞電池之上的Ⅲ-AsNV亞電池是GaInNAsSb亞電池，其基極層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y、和z的值是0≦x≦0.18、0.001≦y≦0.05和0.001≦z≦0.15，和在一些實施方案中，0≦x≦0.18、0.001≦y≦0.05和0.001≦z≦0.03；在一些實施方案中，0.02≦x≦0.18、0.005≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；在一些實施方案中，0.04≦x≦0.18、0.01≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；在一些實施方案中，0.06≦x≦0.18、0.015≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；和在一些實施方案中，0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03。
在本文描述的一些實施方案中，包括圖1A-B、2A-B、10-11、13A-B、15、或19B中所示的任何光伏電池，從底部數為第三個的Ⅲ-AsNV亞電池(例如六接面太陽能電池中的J4或者五接面太陽能電池中的J3)是GaInNAsSb亞電池，其基極層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的 值是0≦x≦0.12、0.001≦y<0.03和0.001≦z≦0.10；在一些實施方案中，0≦x≦0.12、0.001≦y<0.03和0.001≦z≦0.03；在一些實施方案中，0.02≦x≦0.10、0.005≦y≦0.02和0.001≦z≦0.02；在一些實施方案中，0.01≦x≦0.06、0.005≦y≦0.015和0.001≦z≦0.02；和在一些實施方案中，0.01≦x≦0.08、0.005≦y≦0.025和0.001≦z≦0.02。
在本文描述的每個實施方案中，穿隧接面設計為具有最小的光吸收。穿隧接面所吸收的光不通過太陽能電池轉變為電，如此如果穿隧接面吸收顯著量的光，多接面太陽能電池的效率將不可能超過最好的三接面太陽能電池的效率。因此，穿隧接面必須是非常薄的(優選小於40nm)和/或由帶隙等於或大於直接在它們之上的亞電池的帶隙的材料組成。符合這些標準的穿隧接面的一個實例是GaAs/AlGaAs穿隧接面，其中形成穿隧接面的每個GaAs和AlGaAs層具有5到15nm的厚度。GaAs層摻雜有Te、Se、S和/或Si，AlGaAs層摻雜有C。
在本文描述和舉例說明的每個實施方案中，存在其他元件以製造太陽能電池裝置。具體地說，在頂部亞電池上面通常形成蓋層(cap layer)或接觸層、抗反射塗層(ARC)和電接觸(也稱為“金屬網格(metal grid)”)，在底部亞電池下面通常形成或存在基底或柄(handle)、和底部接觸。在一些實施方案中，基底可以是底部亞電池的一部 分，例如在Ge亞電池中。也可以存在其他元件，例如另外的穿隧接面。裝置也可以形成為不具有所有的以上列出的元件，如本領域技術人員所知的。舉例說明這些的典型的其他元件的實例、和他們相對於頂部和底部亞電池的典型位置示於圖15中。
說明可以構成根據本發明的具有四個亞電池的多接面太陽能電池的各個層的結構實例詳細示於圖16中並且在本文中描述。在運行中，多接面電池配置為使得具有最高帶隙的亞電池面對入射的太陽輻射，並且亞電池的特徵為不斷降低的帶隙位於下面。
在本文公開的實施方案中，每個亞電池可以包含幾個層。例如，每個亞電池可以包含視窗層、射極、基極、和背表面場(BSF)層。如圖16所示，視窗層在射極層之上，射極層在基極之上，基極在BSF之上。
在運行中，視窗層是亞電池的最上層並且面對入射的太陽輻射。在一些實施方案中，視窗層的厚度為大約10nm至大約500nm、大約10nm至大約300nm、大約10nm至大約150nm，在一些實施方案中，為大約10nm至大約50nm。在一些實施方案中，視窗層的厚度為大約50nm至大約350nm、大約100nm至大約300nm，在一些實施方案中，為大約50nm至大約150nm。
在一些實施方案中，射極層的厚度為大約10nm至大約300nm、大約20nm至大約200nm、大約50nm至大約200nm，在一些實施方案中，為大約75nm至大約125 nm。
在一些實施方案中，基極層的厚度為大約0.1μm至大約6μm、大約0.1μm至大約4μm、大約0.1μm至大約3μm、大約0.1μm至大約2μm，在一些實施方案中，為大約0.1μm至大約1μm。在一些實施方案中，基極層的厚度為大約0.5μm至大約5μm、大約1μm至大約4μm、大約1.5μm至大約3.5μm，在一些實施方案中，為大約2μm至大約3μm。
在一些實施方案中，BSF層的厚度為大約10nm至大約500nm、大約50nm至大約300nm，在一些實施方案中，為大約50nm至大約150nm。
在一些實施方案中，(Al)InGaP亞電池包括：包含AlInP的窗口、包含(Al)InGaP的射極、包含(Al)InGaP的基極、和包含AlInGaP的背表面場層。
在一些實施方案中，(Al)InGaP亞電池包括：厚度為10nm到50nm的包含AlInP的窗口、厚度為20nm到200nm的包含(Al)InGaP的射極、厚度為0.1μm到2μm的包含(Al)InGaP的基極、和厚度為50nm到300nm的包含AlInGaP的BSF層。
在一些這樣的實施方案中，(Al)InGaP亞電池的特徵在於帶隙為大約1.9eV到大約2.2eV。
在一些實施方案中，(Al,In)GaAs亞電池包括：包含(Al)In(Ga)P或Al(In)GaAs的窗口、包含(Al)InGaP或(Al,In)GaAs的射極、包含(Al,In)GaAs的基極、和包含 Al(In)GaAs或(Al)InGaP的BSF層。在一些實施方案中，(Al,In)GaAs亞電池包括厚度為50nm到400nm的包含(Al)InGaP的窗口、厚度為100nm到200nm的包含(Al,In)GaAs的射極、厚度為1μm到4μm的包含(Al,In)GaAs的基極、和厚度為100nm到300nm的包含Al(In)GaAs的BSF層。
在一些實施方案中，(Al,In)GaAs亞電池包括厚度為200nm到300nm的包含(Al)InGaP的窗口、厚度為100nm到150nm的包含(Al,In)GaAs的射極、厚度為2μm到3.5μm的包含(Al,In)GaAs的基極、和厚度為150nm到250nm的包含Al(In)GaAs的BSF層。
在一些這樣的實施方案中，(Al,In)GaAs亞電池的的特徵為帶隙為大約1.4eV到大約1.7eV。
在一些實施方案中，(Al)GaInPAs亞電池包括：包含(Al)In(Ga)P的窗口、包含(Al)InGaP或(Al)GaInPAs的射極、包含(Al)GaInPAs的基極、和包含Al(In)GaAs或(Al)InGaP的BSF層。在一些實施方案中，(Al)GaInPAs亞電池包括：厚度為50nm到300nm的包含(Al)In(Ga)P的窗口、厚度為100nm到200nm的包含(Al)InGaP或(Al)GaInPAs的射極、厚度為0.5μm到4μm的包含(Al)GaInPAs的基極、和厚度為50nm到300nm的包含Al(In)GaAs或(Al)InGaP的BSF層。
在一些這樣的實施方案中，(Al)GaInPAs亞電池的特徵為帶隙為大約1.4eV到大約1.8eV。
在一些實施方案中，Ⅲ-AsNV合金亞電池包括包含InGaP或(Al,In)GaAs的窗口、包含(In)GaAs或Ⅲ-AsNV合金的射極、包含Ⅲ-AsNV合金的基極、和包含(In)GaAs的BSF層。
在一些實施方案中，Ⅲ-AsNV合金亞電池包括：厚度為0nm到300nm的包含InGaP或(In)GaAs的窗口、厚度為100nm到200nm的包含(In)GaAs或Ⅲ-AsNV合金的射極、厚度為1μm到4μm的包含Ⅲ-AsNV合金的基極、和厚度為50nm到300nm的包含(In)GaAs的BSF層。在一些實施方案中，Ⅲ-AsNV合金亞電池包括：厚度為100nm到150nm的包含InGaAs或Ⅲ-AsNV合金的射極、厚度為2μm到3μm的包含Ⅲ-AsNV合金的基極、和厚度為50nm到200nm的包含(In)GaAs的BSF層。
在一些這樣的實施方案中，Ⅲ-AsNV亞電池的特徵為帶隙為大約0.7到大約1.1eV、或大約0.9eV到大約1.3eV。在一些這樣的實施方案中，Ⅲ-AsNV亞電池是GaInNAsSb亞電池。
在一些這樣的實施方案中，Ⅲ-AsNV亞電池具有小於0.6%的壓應變，表示Ⅲ-AsNV材料在其完全弛豫狀態下的面內晶格常數比基底的面內晶格常數大0.0%到0.6%。在一些這樣的實施方案中，Ⅲ-AsNV亞電池包含Sb並且不包含Bi。
在一些實施方案中，SiGe(Sn)亞電池的特徵為帶隙為從大約0.7eV到大約0.9eV。在一些實施方案中，SiGe(Sn) 亞電池包括：厚度為0納米到300nm的包含InGaP或(In)GaAs的窗口、厚度為50nm到500nm的包含(In)GaAs或Ⅲ-AsNV合金的射極、和厚度為1μm到20μm的包含SiGe(Sn)的基極。在一些實施方案中，亞電池也包括厚度為50nm到300nm的包含(In)GaAs或SiGe(Sn)的BSF層。
在一些實施方案中，Ge亞電池包括厚度為0nm到300nm的包含InGaP或(In)GaAs的窗口，厚度為10nm到500nm的包含(In)GaAs、(Al,Ga)InP、或Ⅲ-AsNV合金的射極，和包含Ge基底的基極。應當注意本發明公開的太陽能電池也可以形成在Ge基底上，其中該基底不是亞電池的一部分。
在一些實施方案中，一個或更多個亞電池具有射極與/和基極，其中存在分級的摻雜分佈。摻雜分佈可以是線性的、指數的或具有其他的對於位置的依賴性。在一些這樣的實施方案中，一個或更多個Ⅲ-AsNV亞電池在基極的部分或全部上具有指數的或線性的摻雜分佈，摻雜水準為1×1015到1×1019cm-3、或者1×1016到5×1018cm-3。 此外，Ⅲ-AsNV基極的最接近於射極的區域可以具有恒定的摻雜或沒有摻雜，如例如美國專利申請12/914710中所公開的，其通過引用併入本文。典型的摻雜劑包括例如Be、Mg、Zn、Te、Se、Si、C、以及其他本領域中已知的摻雜劑。
如圖16所示，穿隧接面可以設置在每個亞電池之間。每個穿隧接面包含電連接相鄰亞電池的兩個或更多個 層。穿隧接面包括與高度摻雜的p型層相鄰的高度摻雜的n型層，以形成p-n接面。典型地，穿隧接面中的摻雜水準為1018cm-3到1021cm-3。
在一些實施方案中，穿隧接面包含n型(In)GaAs或InGaP(As)層和p型(Al,In)GaAs層。在一些實施方案中，n型層的摻雜劑包含Si，p型層的摻雜劑包含C。穿隧接面的厚度可以小於大約100nm、小於80nm、小於60nm、小於40nm，在一些實施方案中，小於20nm。例如，在一些實施方案中，(Al)InGaP亞電池之間的穿隧接面、(Al)InGaP亞電池和(Al,In)GaAs或(Al)GaInPAs亞電池之間的穿隧接面、或(Al,In)GaAs亞電池之間的穿隧接面的厚度可以小於大約30nm、小於大約20nm、小於大約15nm，在一些實施方案中，小於大約12nm。在一些實施方案中，分離(Al,In)GaAs和Ⅲ-AsNV合金亞電池的穿隧接面、分離相鄰的Ⅲ-AsNV合金亞電池的穿隧接面、或分離Ⅲ-AsNV合金和SiGe(Sn)或Ge亞電池的穿隧接面的厚度可以小於100nm、小於80nm、小於60nm，在一些實施方案中，小於40nm。
多接面太陽能電池可以製造在基底例如Ge基底上。 在一些實施方案中，基底包含GaAs、InP、Ge或Si。在一些實施方案中，所有的亞電池基本上與基底晶格匹配。在一些實施方案中，包括在完整的太陽電池內但是不是亞電池的一部分的一個或更多個層例如抗反射塗層、接觸層、蓋層、穿隧接面層和緩衝層不基本上與亞電池晶格匹配。
在一些實施方案中，緩衝層製造為疊加在基底上。在一些實施方案中，緩衝層包含(In)GaAs。
如圖16所示的，多接面太陽能電池包含亞電池，所述亞電池的特徵為疊加在緩衝層上逐漸具有更高的帶隙並且每個亞電池通常由穿隧接面相分離。
在一些實施方案中，多接面太陽能電池包含疊加在最上部亞電池之上的抗反射塗層。選擇抗反射塗層所包含的材料和抗反射塗層的厚度，以改善多接面太陽能電池中的光俘獲效率。在一些實施方案中，在金屬網格之下或金屬網格附近的區域中，一個或更多個接觸層位於最上部的亞電池之上。在一些實施方案中，接觸層包含(In)GaAs，摻雜劑可以是Si或Be。
在一些實施方案中，光伏電池包含至少四個亞電池，其中：至少四個亞電池包括包含基極層的至少一個亞電池，其中該基極層包含選自週期表中第Ⅲ族元素、氮、砷、以及選自Sb和Bi中的至少一種元素的合金；至少四個亞電池中的每一個與其他亞電池的每一個基本上晶格匹配。
在光伏電池的一些實施方案中，至少四個亞電池的每一個與選自Si、Ge、SiGe、GaAs、和InP的材料基本上晶格匹配。
在光伏電池的一些實施方案中，至少一個亞電池的特徵為帶隙選自0.7eV到1.1eV、選自0.9eV到1.0eV、選自0.9eV到1.3eV、選自1.0eV到1.1eV、選自1.0eV到1.2eV、選自1.1eV到1.2eV、選自1.1eV到1.4 eV、和選自1.2eV到1.4eV。
在光伏電池的一些實施方案中，至少一個亞電池的基極層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0≦x≦0.24、0.001≦y≦0.07和0.001≦z≦0.20。
在光伏電池的一些實施方案中，至少一個亞電池的基極層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0.01≦x≦0.18、0.005≦y≦0.05、和0.001≦z≦0.03。
在光伏電池的一些實施方案中，至少四個亞電池包含至少兩個亞電池，所述至少兩個亞電池中的每一個包含基極層，所述基極層包含選自週期表的第Ⅲ族的元素、氮、砷和選自Sb和Bi中的至少一種元素的合金。
在光伏電池的一些實施方案中，至少兩個亞電池中之一的特徵為0.7到1.1eV的第一帶隙；至少兩個亞電池中的第二亞電池的特徵為0.9到1.3eV的第二帶隙，其中第二帶隙大於第一帶隙。
在光伏電池的一些實施方案中，至少兩個亞電池中的每一個包含基極層，所述基極層包含獨立地選自GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi、和GaNAsSbBi的材料。
在光伏電池的一些實施方案中，至少兩個亞電池中之一包含基極層，所述基極層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0.02≦x≦0.24、0.015≦y≦0.07和0.001≦z≦0.03，至少兩個亞電池中的第二 亞電池包含基極層，所述基極層包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0≦x≦0.18、0.005≦y≦0.05和0.001≦z≦0.03。
在光伏電池的一些實施方案中，所述光伏電池包含第一亞電池、第二亞電池、第三亞電池、和第四亞電池，第一亞電池包括包含選自Ge、SiGe(Sn)和由週期表第Ⅲ族的元素、氮、砷與選自Sb和Bi的至少一種元素組成的合金中的材料且特徵為帶隙為0.7eV到1.1eV的第一基極層；第二亞電池包含疊加在第一亞電池上的第二基極層，其中所述第二基極層包含週期表第Ⅲ族的元素、氮、砷與選自Sb和Bi的至少一種元素的合金，且特徵在於帶隙為0.9eV到1.3eV；第三亞電池包含疊加在第二亞電池上的第三基極層，其中所述第三基極層包含選自GaInPAs、(Al,In)GaAs的材料，且特徵在於帶隙為1.4eV到1.7eV；第四亞電池包含疊加在第三亞電池上的第四基極層，所述第四基極層包含選自(Al,In)GaP且特徵在於帶隙為1.9eV到2.2eV。
在光伏電池的一些實施方案中，第一基極層、第二基極層、或者第一基極層和第二基極層二者包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0≦x≦0.24、0.001≦y≦0.07和0.001≦z≦0.20。
在光伏電池的一些實施方案中，第一基極層的帶隙是0.7到0.9eV，第二基極層的帶隙是1.0到1.2eV，第三基極層的帶隙是1.5到1.6eV，第四基極層的帶隙是1.9 eV到2.1eV。
在光伏電池的一些實施方案中，第一基極層、第二基極層、或第一基極層和第二基極層二者包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0.01≦x≦0.18、0.005≦y≦0.05、和0.001≦z≦0.03。
在光伏電池的一些實施方案中，四個亞電池的每一個與選自Ge和GaAs的材料基本晶格匹配。
在光伏電池的一些實施方案中，所述光伏電池包含第一亞電池、第二亞電池、第三亞電池、第四亞電池和第五亞電池，第一亞電池包含選自Ge、SiGe(Sn)和週期表第Ⅲ族的元素、氮、砷與選自Sb和Bi的至少一種元素的合金的且特徵在於帶隙為0.7eV到1.1eV的材料的第一基極層；第二亞電池包含疊加在第一亞電池上的第二基極層，其中所述第二基極層包含週期表第Ⅲ族的元素、氮、砷與選自Sb和Bi的至少一種元素的合金，且特徵在於帶隙為0.9eV到1.3eV；第三亞電池包含疊加在第二亞電池上的第三基極層，其中所述第三基極層包含選自GaInPAs、(Al,In)GaAs和由週期表第Ⅲ族的元素、氮、砷與選自Sb和Bi的至少一種元素組成的合金的材料，且特徵在於帶隙為1.2eV到1.6eV；第四亞電池包含疊加在第三亞電池上的第四基極層，所述第四基極層包含選自GaInPAs和(Al,In)GaAs的材料且特徵在於帶隙為1.6eV到1.9eV；第五亞電池包含疊加在第四亞電池上的第五基極層，所述第五基極層包含(Al)InGaP且特徵在於帶隙為1.9eV到 2.2eV。
在包含5個亞電池的光伏電池的一些實施方案中，第一基極層、第二基極層和第三基極層中的一個或更多個包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0≦x≦0.24、0.001≦y≦0.07和0.001≦z≦0.20。在這些實施方案中的一些中，第一基極層、第二基極層和第三基極層中的一個或更多個包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0.01≦x≦0.18、0.005≦y≦0.05和0.001≦z≦0.03。
在光伏電池的一些實施方案中，所述光伏電池包含第一亞電池、第二亞電池、第三亞電池、第四亞電池、第五亞電池和第六亞電池，第一亞電池包括包含選自Ge、SiGe(Sn)和週期表第Ⅲ族的元素、氮、砷與選自Sb和Bi的至少一種元素的合金中的且特徵在於帶隙為0.7eV到1.1eV的材料的第一基極層；第二亞電池包含疊加在第一亞電池上的第二基極層，其中所述第二基極層包含週期表第Ⅲ族的元素、氮、砷與選自Sb和Bi的至少一種元素的合金，且特徵在於帶隙為0.9eV到1.3eV；第三亞電池包含疊加在第二亞電池上的第三基極層，其中所述第三基極層包含選自GaInPAs、(Al,In)GaAs和由週期表第Ⅲ族的元素、氮、砷與選自Sb和Bi的至少一種元素組成的合金的材料，且特徵在於帶隙為1.1eV到1.5eV；第四亞電池包含疊加在第三亞電池上的第四基極層，所述第四基極層包含選自(Al,In)GaAs和(Al)InGa(P)As的材料且特 徵在於帶隙為1.4eV到1.7eV；第五亞電池包含疊加在第四亞電池上的第五基極層，所述第五基極層包含選自(Al)InGaP和Al(In)Ga(P)As的材料且特徵在於帶隙為1.6eV到2.0eV，第六亞電池包含疊加在第五亞電池上的第六基極層，所述第六基極層包含(Al)InGaP且特徵在於帶隙為1.9eV到2.3eV。
在包含6個亞電池的光伏電池的一些實施方案中，第一基極層、第二基極層和第三基極層中的一個或更多個包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0≦x≦0.24、0.001≦y≦0.07和0.001≦z≦0.20。在這些實施方案中的一些中，第一基極層、第二基極層和第三基極層中的一個或更多個包含合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z的值為0.01≦x≦0.18、0.005≦y≦0.05和0.001≦z≦0.03。
在本發明的一個實施方案中，光伏電源系統包含一個或更多個由本公開所提供的光伏電池，例如一個或更多個具有至少四個亞電池的光伏電池，包括一個或更多個Ⅲ-AsNV亞電池。在一個具體實施方案中，所述一個或更多個光伏電池具有Ⅲ-AsNV作為底部亞電池或者直接在底部亞電池之上的亞電池。在一些實施方案中，所述光伏電源系統可以是聚光光伏系統，其中，所述系統還可以包含反光鏡和/或透鏡用來將太陽光聚集到一個或更多個光伏電池上。在一些實施方案中，光伏電源系統包含單軸或雙軸跟蹤系統。在一些實施方案中，光伏電源系統被設計用於 便攜用途，在其他實施方案中，用於並網發電。在一些實施方案中，光伏電源系統被設計為將光的特定光譜，如AM1.5G、AM1.5D或AM0，轉變成電。在一些實施方案中，所述光伏電源系統可以用在衛星或其他地球外運輸工具上並設計用於在空間操作而沒有行星大氣層對入射光源的影響。在一些實施方案中，所述光伏電源系統可以設計用於在除了地球以外的天體上運行。在一些實施方案中，所述光伏電源系統可以設計用於除了地球以外的天體的衛星軌道運行。在一些實施方案中，所述光伏電源系統可以設計用於在除了地球以外的天體表面上移動。
在本發明的一些實施方案中，提供包含本公開提供的一個或更多個光伏電池的光伏模組。光伏模組可以包含一個或更多個由本公開提供的光伏電池，以包括外殼和互連來獨立使用或與其他模組組裝形成光伏電源系統。模組和/或電源系統可以包括功率調節器、功率變換器、逆變器和其他電子裝置來將所述光伏電池產生的功率轉換成可用的電。光伏模組還可以包括用於將光聚焦到本公開提供的光伏電池上的光學系統，例如在聚光光伏模組中。
在本發明的一個實施方案中，除了基底之外，構成所述太陽能電池的半導體層使用分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MBE)或化學氣相沉積製備。在一些實施方案中，一個以上的材料沉積室用於沉積構成所述太陽能電池的半導體層。所述材料沉積室是其中沉積構成太陽能電池的半導體層的裝置。在所述室內的條件可以為10-11托 to 103托的壓力。在一些實施方案中，合金組分通過物理和/或化學過程沉積。每個材料沉積室可以具有不同的構造，使其可以沉積不同的半導體層並且可以與其他材料沉積室獨立地控制。所述半導體層可以使用金屬有機化學氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)、MBE或通過其他方法製備，包括任何上述方法的組合。
基底和半導體層從一個材料沉積室到另一個的移動定義為轉移。例如，基底放在第一材料沉積室中，然後沉積緩衝層和底部亞電池。然後將基底和半導體層轉移到沉積其餘亞電池的第二材料沉積室中。所述轉移可以在真空中、在空氣中在大氣壓下或其他氣體環境中或者在其間的任何環境中進行。所述轉移還可以在一個位置上在材料沉積室之間，所述材料沉積室可以用某種方式相互連接或不相互連接，或者所述轉移可以涉及在不同位置之間輸送基底和半導體層，這稱為輸送。輸送可以用在真空下密封的、由氮氣或其他氣體包圍的、或由空氣包圍的基底和半導體層進行。附加的半導體、絕緣或其他層可以用作轉移或輸送過程中的表面保護，並在轉移或輸送之後在進一步沉積之前去除。
在本發明的一個實施方案中，在第一材料沉積室中在基底上沉積多個層。該多個層可以包括蝕刻停止層、剝離層(即，設計用於在應用具體工藝順序如化學蝕刻時將所述半導體層從基底剝離)、接觸層如橫向導電層、緩衝層 或其他半導體層。在一個具體實施方案中，所沉積的層的順序是緩衝層、然後剝離層、然後橫向導電層或接觸層。 然後將所述基底轉移到第二材料沉積室中，在現有的半導體層頂上沉積一個或更多個亞電池。所述基底然後可以轉移到第一材料沉積室或第三材料沉積室中，用於沉積一個或更多個亞電池，然後沉積一個或更多個接觸層。穿隧接面也在亞電池之間形成。
在本發明的一個實施方案中，在第一材料沉積室中沉積Ⅲ-AsNV亞電池，在第二材料沉積室中沉積(Al)InGaP、(Al,In)GaAs和(Al)GaInPAs亞電池，並且在亞電池之間形成穿隧接面。在本發明的一個相關的實施方案中，在第一材料沉積室中沉積Ⅲ-AsNV層，在第二材料沉積室中沉積包含Al的其他半導體層。在本發明的另一個實施方案中，在一個亞電池的生長中間發生轉移，使得所述亞電池具有在一個材料沉積室中沉積的一個或更多個層以及在第二材料沉積室中沉積的一個或更多個層。
在本發明的一個實施方案中，構成Ⅲ-AsNV亞電池的一些或所有的層以及穿隧接面通過分子束磊晶在一個材料沉積室中沉積，太陽能電池的其餘的層在另一個材料沉積室中通過化學氣相沉積來沉積。例如，將基底置於第一材料沉積室中，在基底上生長可以包括成核層、緩衝層、射極和視窗層、接觸層和穿隧接面的層，隨後生長一個或更多個Ⅲ-AsNV亞電池。如果存在超過一個的Ⅲ-AsNV亞電池，則在相鄰的亞電池之間生長穿隧接面。可以生長一 個或更多的穿隧接面層，然後將基底轉移到第二材料沉積室，在這裏其餘的太陽能電池層通過化學氣相沉積生長。 在某些實施方案中，化學氣相沉積系統是MOCVD系統。在本發明的一個相關實施例中，基底被放在第一材料沉積室中，並通過化學氣相沉積生長可能包括成核層、緩衝層、射極層和窗口層、接觸層和穿隧接面的層。隨後，在已有的半導體層上生長上部亞電池，兩個或更多個，穿隧接面在亞電池之間生長。然後可能生長最頂層Ⅲ-AsNV亞電池的一部分，例如視窗層。然後將基底轉移到第二材料的沉積室，在這裏可以沉積最上層的Ⅲ-AsNV亞電池的其餘半導體層，隨後沉積最多三個其他Ⅲ-AsNV亞電池，穿隧接面在它們之間。
在發明的一些實施方案中，太陽能電池在生長後經過一個或更多個熱退火處理。例如，熱退火處理包括施加400℃到1000℃的溫度10秒到10小時。熱退火處理可能在包括空氣、氮、砷、砷化氫、磷、膦、氫、合成氣、氧、氦和前述物質的任意組合的氣氛中進行。在一些實施例中，亞電池和相關穿隧接面的疊層可以在其他亞電池製備前退火。
因此，提供了製造光伏電池的方法，其包含：在基底上形成一個或更多個半導體層；形成疊加在一個或更多個半導體層上的四個或更多個的亞電池層；並且其中亞電池中的至少一個具有由週期表第Ⅲ族的一種或更多種元素、氮、砷，和選自Sb和Bi中的至少一種元素的合金形 成的基極層；其中，光伏電池包含至少四個亞電池且至少四個亞電池的每一個與其他亞電池的每一個基本上晶格匹配。在一些實施方案中，基底是具有由選自Ge、SiGe(Sn)、和由週期表第Ⅲ族的一種或多種元素、氮、砷、和選自Sb和Bi中的至少一種元素形成的合金中的材料形成的基極層的亞電池。在一些實施方案中，所述方法包括在四個或更多個亞電池之間形成穿隧接面。
在一些實施方案中，製造光伏電池的方法包括：形成第一亞電池，其具有選自Ge、SiGe(Sn)、和由元素週期表中第Ⅲ族的一種或更多種元素、氮、砷、和選自Sb和Bi中的至少一種元素組成的合金的材料形成的第一基極層，其中，第一亞電池特徵為帶隙為0.7eV到1.1eV；形成具有第二基極層的第二亞電池，其中第二基極層由選自週期表第Ⅲ族的一種或更多種元素、氮、砷、和選自Sb和Bi中的至少一種元素的合金形成，其中所述第二亞電池特徵為帶隙為0.9eV到1.3eV；和形成疊加在第二亞電池上的至少兩個其他亞電池；其中所述光伏電池包含至少四個亞電池，並且所述至少四個亞電池的每一個與其他亞電池的每一個基本上晶格匹配。在一些方法中，所述至少四個亞電池的每一個與選自Si、Ge、SiGe、GaAs、和InP中的材料基本上晶格匹配。在一些方法中，第一基極層由合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成，其中x、y和z的值為0.02≦x≦0.24、0.015≦y≦0.07和0.001≦z≦0.03；第二基層由合金Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成，其 中x、y和z的值為0≦x≦0.18、0.005≦y≦0.05和0.001≦z≦0.03。在一些方法中，形成疊加在所述第二亞電池上的至少兩個其他亞電池包括：形成具有疊加在第二亞電池上的第三基極層的第三亞電池，其中所述第三基極層由選自GaInPAs和(Al,In)GaAs中的材料形成，且特徵為帶隙為1.4eV到1.7eV；和形成具有疊加在第三亞電池上的第四基極層的第四亞電池，其中所述第四基底層由(Al)InGaP形成，且特徵為帶隙為1.9eV到2.2eV。
在一些實施方案中，製造光伏電池的方法包括：在基底上形成至少兩個亞電池；形成具有第一基極層的第一亞電池，其中所述第一基極層由週期表第Ⅲ族的一種或更多種元素、氮、砷和選自Sb和Bi中的至少一種元素的合金形成，其中所述第一亞電池特徵為帶隙為0.9eV到1.3eV；和形成具有由選自Ge、SiGe(Sn)、和由週期表第Ⅲ族的一種或更多種元素、氮、砷、和選自Sb和Bi中的至少一種元素的組成的合金的材料形成的第二基極層的第二亞電池，其中所述第二亞電池特徵為帶隙為0.7eV到1.1eV；其中所述光伏電池包含至少四個亞電池且所述至少四個亞電池中的每一個與其他亞電池的每一個基本上晶格匹配。
在某些實施例中，製造光伏電池的方法包括：在第一材料沉積室中在基底上形成一個或更多個亞電池；轉移基底到第二材料沉積室；和形成一個或更多個疊加在一個或 更多個亞電池上的亞電池；並且其中一個或更多個光伏電池的亞電池具有來自週期表第Ⅲ組的一種或更多種元素、氮，砷以及選自Sb和Bi的至少一種元素的合金形成的基極層；並且每個亞電池基本上與其他的亞電池的每一個晶格匹配。在一些實施例中，光伏電池的製造方法還包括：在選自第三材料沉積室和第二材料沉積室的室中，在基底上形成選自緩衝層、接觸層，蝕刻停止層，剝離層，和其他半導體層的一個或更多個層；以及轉移基底到第一材料沉積室。
由圖7所示的實施方案的一個更具體的實施例是圖17B所示的五接面太陽能電池。底部亞電池是帶隙為1.0ev和總亞電池的厚度為2-3微米的GaInNAsSb亞電池。J4是帶隙為1.2eV和總亞電池的厚度為2-3微米的GaInNAsSb亞電池。J3是帶隙為1.5eV和總亞電池的厚度為4-5微米的AlGaAs亞電池。J2是帶隙為1.7eV和亞電池厚度為4-5微米的AlGaAs亞電池。J1是帶隙為2.1eV和亞電池厚度為0.3-1.0微米的AlInGaP亞電池。上部兩個穿隧接面包含GaAs：Si/AlGaAs：C，每一個具有大約15納米到25納米的總厚度。下部兩個穿隧接面是GaAs：Si/GaAs：C，每一個具有40到100納米的總厚度。所有的亞電池基本上與GaAs相匹配。太陽能電池經歷了生長之後和裝置處理之前的熱退火，和在裝置處理過程中的額外的熱退火。
作為在25℃在AM1.5D光譜下圖17B中所示的多接面 太陽能電池的電壓的函數的模擬電流輸出的I-V曲線示於圖17A中，同時具有本文所述的現有技術高效率三接面太陽能電池的性能。兩個太陽能電池有帶隙相同的底部GaInNAsSb亞電池。與三接面太陽能電池的40.8%相比，根據一些實施方案的五接面太陽能電池的模擬效率是45.5%。然而與三接面太陽能電池相比，對於5接面太陽能電池在該太陽聚光下可達到的電流更低，電壓顯著更高。因為更少的入射光能量被作為熱損耗，所以實現了更高的效率。更多的光子被具有更接近其能量的帶隙的亞電池吸收，允許更多的能量被轉換成電並且更少的能量被轉換成熱。
在25℃在1 sun下在AM0光譜下，作為是本發明公開的四接面太陽能電池的在圖18B中所示的多接面太陽能電池的電壓的函數的模擬電流輸出的I-V曲線示於圖18A中，同時具有目前市售用於太空中的典型InGaP/InGaAs/Ge三接面太陽能電池的模擬性能。與三接面太陽能電池的30.6%相比，本發明中公開的四接面太陽能電池的模擬效率是33.2%。然而與三接面太陽能電池相比，四接面太陽能電池可實現的電流更低，電壓顯著更高。在25℃在AM0光譜下圖19B中所示的本發明所公開的六接面太陽能電池的I-V曲線示於圖19A中，同時具有上述的現有技術三接面太陽能電池的性能。同時展示了目前製造的六接面電池的資料，和具有改進的少數載子性能的未來電池的資料。與現在的三接面太陽能電池的30.6%相 比，本發明的當前的和未來的六接面太陽能電池的模擬效率分別是33.3%和39.7%。然而，與三接面太陽能電池相比，對於六接面太陽能電池實現的電流更低，電壓大約是三接面太陽能電池的兩倍。在圖18A和19A二者中，類似於地球上的多接面太陽能電池，實現了更高的效率，因為更少的入射光能量被作為熱損耗。更多的光子被具有與其能量更接近的帶隙的亞電池吸收，允許更多的能量被轉換成電，更少的能量被轉換成熱。
已經在說明書和申請專利範圍中描述了帶隙的不同值。應該理解這些值是不精確的。如論如何，帶隙的值近似到小數點右側的一位有效數字，除非另有說明。因此，0.9的值涵蓋0.850到0.949的範圍。
已經參照具體實施方案說明了本發明。對於本領域普通技術人員而言，其他的實施方案是明顯的。因此，不打算限制本發明，除非如所附的申請專利範圍中指明的。
圖1A是表明本發明的一個實施方案的具有5個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖1B是表明本發明的一個實施方案的具有6個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖2A是表明本發明的另一個實施方案的具有5個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖2B表示說明本發明的另一個實施方案的具有6個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖3A表示說明本發明的另一個實施方案的具有4個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖3B表示說明本發明的另一個實施方案的具有4個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖3C表示說明本發明的另一個實施方案的具有4個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖3D表示說明本發明的另一個實施方案的具有4個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖4表示在25℃在AM1.5D光譜下的具有4個亞電池的本發明的一個具體實施方案的效率與底部亞電池帶隙的關係。
圖5表示在25℃在AM0光譜下的具有4個亞電池的本發明的一個具體實施方案的效率與底部亞電池帶隙的關係。
圖6表示說明本發明的另一個實施方案的具有4個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖7表示說明本發明的另一個實施方案的具有5個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖8表示具有5個亞電池的本發明的一個具體實施方案的效率與底部亞電池帶隙的關係。
圖9表示說明本發明的另一個實施方案的具有5個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖10表示說明本發明的另一個實施方案的具有5個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖11表示說明本發明的另一個實施方案的具有6個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖12表示說明本發明的另一個實施方案的具有6個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖13A表示說明本發明的另一個實施方案的具有6個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖13B表示說明本發明的另一個實施方案的具有6個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖14表示具有6個亞電池的本發明的一個具體實施方案的效率與底部亞電池帶隙的關係。
圖15表示如在本發明的一些實施方案中存在的多接面太陽能電池裝置的元件。
圖16表示根據本發明的多接面太陽能電池的一個更具體的實施例的示意截面圖。
圖17A表示與具有3個亞電池的現有技術多接面太陽能電池比較的根據本發明的具有5個亞電池的多接面太陽能電池的電流-電壓曲線。
圖17B表示說明圖7中表示的本發明的實施方案的另一個實施例的具有5個亞電池的多接面太陽能電池的示意截面圖。
圖18A表示在AM0光譜下測得的與具有3個亞電池的現有技術多接面太陽能電池比較的根據本發明的具有4個亞電池的多接面太陽能電池的電流-電壓曲線。
圖18B表示產生圖18A中所示的模擬的具有4個亞電 池的太陽能電池。
圖19A表示在AM0光譜下測得的與具有3個亞電池的現有技術多接面太陽能電池比較的根據本發明的具有6個亞電池的多接面太陽能電池的電流-電壓曲線。
圖19B表示產生圖19A中所示的模擬的具有6個亞電池的太陽能電池。
圖20表示Ga1.01-3wIn3w-0.01NwAs0.99-wSb0.01的計算帶隙與組成的關係。

Claims (15)

  1. 一種包含至少四個亞電池的光伏電池，其中，所述光伏電池包括：第一亞電池，其具有由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成的第一基極層，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；以及x、y和z的值選擇為提供0.7eV-1.1eV的帶隙；第二亞電池，其具有疊加在所述第一亞電池上的第二基極層，其中，所述第二基極層由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；以及x、y和z的值選擇為提供0.9eV-1.3eV的帶隙；第三亞電池，其具有疊加在所述第二亞電池上的第三基極層，其中，所述第三基極層由選自GaInPAs和(Al,In)GaAs中的材料形成，且特徵為帶隙為1.4eV-1.7eV；和第四亞電池，其具有疊加在所述第三亞電池上的第四基極層，其中，所述第四基極層由(Al)InGaP形成，且特徵為帶隙為1.9eV-2.2eV；所述至少四個亞電池中的每一個與所述至少四個亞電池中其餘的每一個基本晶格匹配。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光伏電池，其中，所述第一基極層的帶隙為0.7eV-0.9eV，所述第二基極層的帶隙為1.0eV-1.2eV，所述第三基極層的帶隙為1.5eV-1.6eV，所述第四基極層的帶隙為1.9eV-2.1eV。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光伏電池，其中，所述第一基極層的x、y和z的值選擇為提供在25℃在 AM1.5D光譜下在1000sun至少40%的光伏電池效率；所述第二基極層的x、y和z的值選擇為提供在25℃在AM1.5D光譜下在1000sun至少40%的光伏電池效率。
  4. 一種光伏電池，其包括：第一亞電池，其具有由選自Ge、SiGe(Sn)、Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz的材料形成的第一基極層，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03，且特徵為帶隙為0.7eV-1.1eV；第二亞電池，其具有疊加在所述第一亞電池上的第二基極層，其中，所述第二基極層由Ga1-xInxNyAs1-y-zsbz形成，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；x、y和z的值選擇為提供0.9eV-1.3eV的帶隙；第三亞電池，其具有疊加在所述第二亞電池上的第三基極層，其中，所述第三基極層由選自GaInPAs、(Al,In)GaAs和Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz的材料形成，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03，且特徵為帶隙為1.2eV-1.6eV；第四亞電池，其具有疊加在所述第三亞電池上的第四基極層，其中，所述第四基極層由選自GaInPAs和(Al,In)GaAs的材料形成，且特徵為帶隙為1.6eV-1.9eV；和第五亞電池，其具有疊加在所述第四亞電池上的第五基極層，其中，所述第五基極層由(Al)InGaP形成，且特徵為帶隙為1.9eV-2.2eV，所述亞電池中的每一個與其餘亞電池中的每一個基本晶格匹配。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的光伏電池，其中所述第一亞電池具有由選自Ge和SiGe(Sn)的材料形成的第一基極層。
  6. 一種光伏電池，其包括：第一亞電池，其含有由選自Ge、SiGe(Sn)、和Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz的材料形成的第一基極層，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03，且特徵為帶隙為0.7eV到1.1eV；第二亞電池，其具有疊加在所述第一亞電池上的第二基極層，其中，所述第二基極層由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03，且x、y和z的值選擇為提供0.9eV-1.3eV的帶隙；第三亞電池，其具有疊加在所述第二亞電池上的第三基極層，其中，所述第三基極層由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；且x、y和z的值選擇為提供1.1eV-1.5eV的帶隙；第四亞電池，其具有疊加在所述第三亞電池上的第四基極層，其中，所述第四基極層由選自(Al,In)GaAs和(Al)InGa(P)As的材料形成，且其特徵為帶隙為1.4eV到1.7eV；第五亞電池，其具有疊加在所述第四亞電池上的第五基極層，其中，所述第五基極層由選自(Al)InGaP和Al(In)Ga(P)As中的材料形成，且其特徵為帶隙為1.6eV到2.0eV；和第六亞電池，其具有疊加在所述第五亞電池上的第六 基極層，其中，所述第六基極層由(Al)InGaP形成，且其特徵為帶隙為1.9eV到2.3eV，所述亞電池中的每一個與其餘亞電池中的每一個基本晶格匹配。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的光伏電池，其中，所述第一亞電池具有由選自Ge和SiGe(Sn)的材料形成的第一基極層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光伏電池，其中，x、y和z的值選擇為提供在25℃在AM1.5D光譜下在1000sun至少40%的光伏電池效率。
  9. 一種包含至少一個如申請專利範圍第1項所述的光伏電池的光伏系統。
  10. 一種製備光伏電池的方法，其包括：在基底上形成一個或更多個半導體層；和在所述的一個或更多個半導體層上形成四個或更多個亞電池；和其中，所述亞電池中的至少兩個具有由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成的基極層，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03；其中，所述光伏電池包含至少四個亞電池，且所述至少四個亞電池中的每一個與其他亞電池的每一個基本晶格匹配。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的製備光伏電池的方法，其中，形成所述四個或更多個亞電池包括：形成第一亞電池，所述第一亞電池具有由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成的第一基極層，其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03，其中第一亞電池的特徵為帶隙為0.7eV到1.1eV； 形成具有疊加在所述第一亞電池上的第二基極層的第二亞電池，其中，所述第二基極層由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz形成，其中其中，x、y和z的值為0.08≦x≦0.18、0.025≦y≦0.04和0.001≦z≦0.03，所述第二亞電池的特徵為帶隙為0.9eV到1.3eV；和形成疊加在所述第二亞電池上的至少兩個額外的亞電池；其中，所述光伏電池包含至少四個亞電池，且所述至少四個亞電池的每一個與其他亞電池的每一個基本晶格匹配。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的製備光伏電池的方法，其包括：在選自第三材料沉積室和第二材料室中的室中在基底上形成選自緩衝層、接觸層、蝕刻停止層、剝離層和其他半導體層中的一個或更多個層；和將所述基底轉移到第一材料沉積室。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的光伏電池，其還包含具有由選自Ge和SiGe(Sn)的材料形成的基極層的亞電池，其中所述亞電池位於所述第一亞電池下方。
  14. 一種光伏系統，包含至少一個如申請專利範圍第4項所述的至少一個光伏電池，其中所述光伏系統選自聚光光伏系統、光伏電源系統或光伏模組。
  15. 一種光伏系統，包含至少一個如申請專利範圍第6項所述的至少一個光伏電池，其中所述光伏系統選自聚光光伏系統、光伏電源系統或光伏模組。
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