專利名稱：：具有外延生長量子點材料的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明通常涉及光致電壓(photovoltaic)的太陽能電池。更具體地，本發(fā)明涉及具有外延生長的量子點材料(quantumdotmaterial)的III-V族多結(jié)(multijunction)半導體太陽能電池。
背景技術(shù)：
：太陽發(fā)射出很寬的光譜，其波峰在可見光范圍內(nèi)并且其光子通量的60％位于約350nm至約1350nm的波長范圍內(nèi)。該波長范圍相當于太陽在地球上總功率通量約1.3kW/m2的80％。幾十年來公知的是將太陽的光功率轉(zhuǎn)化成電功率的最好辦法是通過利用半導體內(nèi)吸收躍遷的太陽能電池。光子能量是這樣利用的，即通過激發(fā)電子從半導體的價帶穿過帶隙進入導帶。因而由此產(chǎn)生的光載流子(即電子和空穴)然后掠過通過摻雜半導體結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域而制造的p-n或p-i-n結(jié)(junction)，并用以產(chǎn)生電。具有帶隙Eg的半導體或半導體合金吸收碰撞的光子，與所具有的能量小于Eg的光子相比，碰撞光子的能量大于或等于Eg。相當于可以這么說能量大于Eg的波長的光子可以被吸收，然而具有較長波長的光子就不能被吸收。因為大于Eg的光子的能量經(jīng)由熱力過程(thermalprocess)有效地喪失，所以必須用具有不同帶隙的材料的組合來調(diào)節(jié)太陽能電池的電壓和電流，以使太陽光轉(zhuǎn)化為電的效率最優(yōu)化。為此，多結(jié)太陽能電池，亦稱串聯(lián)(tandem)太陽能電池，已經(jīng)發(fā)展用于要求更高轉(zhuǎn)換效率的應用。從制造和結(jié)晶的角度來看，半導體或半導體合金的選擇事實上局限于可以在共襯底(commonsubstrates)上生長的具有最小缺陷的材料，例如GaAs、Ge、Si、或InP襯底。到目前為止，最佳的光電轉(zhuǎn)換效率(該轉(zhuǎn)換效率定義為由裝置所產(chǎn)生的電功率除以由光源處例如太陽所獲得的光功率)大約是30％，并且該最佳轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)通過在Ge襯底上生長具有GaInP頂端子電池(Eg約1.8eV)、GaAs中間子電池(Eg約1.4eV)、和Ge底端子電池(Eg約0.7eV)的單片多結(jié)電池而獲得。因為所述子電池是經(jīng)由隧道結(jié)而典型串聯(lián)的，所以認識到應當進一步改善轉(zhuǎn)換效率，材料的帶隙毫無疑問需要改變或者增加第四個子電池。該多結(jié)電池的總電壓基本上是由單個子電池所產(chǎn)生電壓的總和，其中每個子電池的電壓與該子電池的帶隙成正比。為最優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率，子電池應該電流匹配(current-matched)，否則產(chǎn)生弱電流的子電池限定了總電流。在上述情況下，GaInP具有可以吸收總太陽光子通量的25％的帶隙(有時稱為AM0光譜)，然而，經(jīng)由GaInP子電池傳輸?shù)膬H總太陽光子通量的14％可為GaAs子電池所吸收，以及經(jīng)由GaAs子電池傳輸?shù)目偺柟庾油康?8％可為Ge子電池所吸收。這顯然將導致在該多結(jié)電池內(nèi)的電流不平衡。相對而言，GaAs子電池并沒有吸收足夠的太陽光子，而Ge子電池吸收了太多。為平衡在所述子電池之間的電流平衡，中間子電池(即位于GaInP和Ge子電池之間的子電池)應當具有更小的帶隙。例如，中間子電池具有約1.16eV的帶隙(相當于大約1100nm的光波長)，這將意味著所有的三個子電池將各自吸收大約25％的總太陽光子通量。剩余的25％的太陽光子通量不會被吸收，這是因為所述三個子電池對于波長較長的光子是通透的(即波長大于1.8μm的光子不被吸收)。如上所述，四子電池結(jié)構(gòu)(arrangement)可以改善電流平衡。如果在GaAs子電池和Ge子電池之間引入具有Eg約1.0eV的材料，其在太陽光子通量的吸收中產(chǎn)生如下分布約25％的光子為第一子電池(GaInP)吸收，約14％的光子為第二子電池(GaAs)吸收，約19％的光子為第三子電池(Eg約leV)吸收，約19％的光子為由第四子電池(Ge)吸收。然而，該四子電池結(jié)構(gòu)仍然由于GaAs子電池而在電流上受到限制。為使該四子電池結(jié)構(gòu)在電流方面更好的平衡，可以調(diào)整(減少)該第一子電池的厚度，以讓一些波長較短的光子到達該第二子電池。在該方案中，該第二子電池吸收更多的能量大于其帶隙的光子，從而導致更多熱力損耗的能量。這已經(jīng)由Olson等在美國專利5,223,043中描述，在此通過援引而合并。為發(fā)現(xiàn)新型材料和新穎多結(jié)結(jié)構(gòu)從而改善太陽能電池效率的研究和開發(fā)已經(jīng)非?；钴S。例如，Olson在美國專利4,667,059中所公開的在GaAs襯底上的雙GaInP/GaAs電池；Ho等人在美國專利5,405,453中所公開的在Ge襯底上的雙GaInP/GaAs電池；Wanlass在美國專利5,019,177中所公開的在InP上的雙InP/GaInAsP電池；Freundlich等人在美國專利5,407,491中所公開的在InP襯底上的雙InP/InGaAs電池；Chang等人在美國專利No.5,330,585中所公開的在GaAs襯底上的雙AlGaAs/GaAs電池；這些專利在此通過援引而合并。只要在材料的設計和品質(zhì)上進行妥協(xié)，在Ge襯底上由GaInP/GaAs/Ge制造的雙電池和三電池的這些例子可以具有接近于30％的轉(zhuǎn)換效率。就具有GaAs作為最小帶隙的雙電池來說，這種妥協(xié)就是波長較長的光子不被吸收，這些光子傳輸通過所有的層。就具有較小InGaAs或InGaAsP帶隙的雙電池來說，這種妥協(xié)就是波長較短的光子在熱量方面損失其過多的能量。GaAs或Ge襯底和InP襯底相比，具有低成本的優(yōu)勢也沒有什么價值。為使GaInP/GaAs電池的光吸收擴展至較長的波長，F(xiàn)reundlich在美國專利6,372,980中公開了具有InGaAs量子阱的太陽能電池，該太陽能電池具有超過30％的設計(modeled)效率，在此通過援引而合并。為嘗試改善太陽能電池效率的其他的方案也已經(jīng)公開。例如，F(xiàn)reundlich等人在美國專利5,851,310中公開了使用在InP襯底上生長應變的量子阱，在此通過援引而合并。鈴木(Suzuki)在美國專利6,566,595(后面稱為595)中公開了使用具有多個不同尺寸投影(projection)的量子阱層，其目的是通過使用具有不同帶隙的材料最佳匹配太陽光譜，在此通過援引而合并。類似的內(nèi)容也由Sabnis等人在美國專利4,206,002中公開，用以體分級(bulkgraded)帶隙多結(jié)太陽能電池，在此通過援引而合并。然而在595專利的情況下，總效率不可能獲得改善，這是因為吸收光譜的調(diào)整(tailoring)涉及在所述多層的平面內(nèi)分布不同尺寸的量子阱或量子點材料。這將要求在用于吸收光的材料的空間密度方面進行妥協(xié)，并可能需要更厚的多層用以吸收在均勻的多層所能吸收的相同數(shù)量的光子，或者可能要求更大的表面，而這將減少轉(zhuǎn)換效率。Chaffin等人在美國專利4,688,068中也公開了在多結(jié)電池內(nèi)使用量子阱，在此通過援引而合并。如Kurtz等人在美國專利6,252,287中所公開的(在此通過援引而合并)，與GaAs晶格(lattice)匹配的InGaAsN也是有前途的材料，這樣的材料用于調(diào)整與GaAs的晶格匹配的多層的帶隙，以最優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。伴隨光致電壓的太陽能電池的廣泛發(fā)展，單片多結(jié)太陽能電池制造的其他方面例如抗反射窗、隧道結(jié)和表面噴鍍金屬已經(jīng)成熟，并已經(jīng)在本領域的許多專利和出版物中公開，如見于上述幾個專利(例如，美國專利4,694,115、美國專利5,009,719、美國專利4,419,530、美國專利4,575,577)。在半導體納米結(jié)構(gòu)領域，眾所周知的是在高應變的半導體生長的早期可以獲得高質(zhì)量、無缺陷、自組裝的量子點(例如參見Fafard等人于1999年在Phys.Rev發(fā)表的“半導體量子點的能級水平控制”(″ManipulatingtheEnergyLevelsofSemiconductorQuantumDots″，Phys.Rev.B59，15368(1999)和S.Fafard等人于1999年在Appl.Phys.Lett發(fā)表的“在具有銳利的可調(diào)整電子殼體的量子點群中的激光照射”(″LasinginQuantumDotEnsembleswithSharpAdjustableElectronicShells″，Appl.Phys.Lett.75，986(1999)))。這種量子點材料可以在多層內(nèi)生長，以獲得用于例如量子點紅外光電探測器等裝置的多個厚的活性區(qū)域，如Fafard等人在美國專利6,239,449中所公開的，在此通過援引而合并。其中，量子點材料的帶間吸收特性可以調(diào)整，以覆蓋光譜的近紅外和可見光部分中的各種波長范圍。量子點材料的成分、尺寸與形狀適合于改變量子化能量和量子點材料的有效帶隙，其中所述材料的有效帶隙定義為基本上是最低能量躍遷，在該最低能量躍遷下光子可以被吸收并且該最低能量躍遷通過異晶結(jié)構(gòu)(heterostructure)的量子化的能級確定。自組裝量子點已經(jīng)應用于各種高品質(zhì)材料中，所述材料可以在GaAs或InP上假晶(pseudomorphically)生長。例如，在GaAs襯底上的InAlAs/AlGaAs吸收在紅光或近紅外線內(nèi)的光，InP襯底上的InAs/InAlAs吸收在1.5μm波長范圍內(nèi)的光，和InP襯底上的InAs/InGaAs吸收在1.9μm波長范圍內(nèi)的光。然而更重要地是，在GaAs襯底上生長的In(Ga)As/GaAs自組裝量子點材料特別適合用于在885nm至1150nm光譜范圍內(nèi)或者直到1350nm的光譜范圍內(nèi)吸收小于GaAs帶隙，而這取決于生長參數(shù)。In(Ga)As/GaAs自組裝量子點的多層可以均勻的生長并具有高密度。此外，多層能以相同的均一性生長，或者當需要的時候，通過簡單地控制生長參數(shù)而具有不同的尺寸和/或成分。另外，In(Ga)As/GaAs的自組裝量子點材料已經(jīng)用于生產(chǎn)這樣的裝置，該裝置具有比常規(guī)材料制成的裝置數(shù)量級更強的輻射強度(例如參見P.G.Piva等人于2000年在Appl.Phys.Lett.上發(fā)表的“量子點激光對輻射破壞的增強抗老化性”(″EnhancedDegradationResistanceofQuantumDotLaserstoRadiationDamage″，Appl.Phys.Lett.77，624(2000)))。輻射和不足的硬度對于太陽能電池暴露于輻射的空間應用是特別有利的優(yōu)點。從上述現(xiàn)有技術(shù)的討論中應當理解，的確需要具有所需吸收光譜的高品質(zhì)材料，其可以容易的結(jié)合到多結(jié)太陽能電池中，以進一步改善轉(zhuǎn)換效率。特別關心的是可以平衡GaAs和Ge帶隙之間吸收的可靠材料。
發(fā)明內(nèi)容在第一方案中，本發(fā)明提供一種單片多結(jié)半導體光致電壓的太陽能電池，其包括多個串聯(lián)布置的子電池，所述多個子電池具有至少一個包含外延生長的自組裝量子點材料的子電池。在另一實施方式中，提供一種單片半導體光致電壓的太陽能電池，其包括Si襯底；躍遷層，其在該Si襯底上異質(zhì)(metamorphically)生長，該躍遷層包含多層GaAs和AlGaAs層；以及第一子電池，其在該躍遷層上外延生長，該第一子電池包含自組裝量子點材料。在另一方案中，本發(fā)明提供一種單片半導體光致電壓的太陽能電池，其包括InP襯底；第一子電池，其在該襯底上外延生長，該第一子電池包含插有多個InGaAs層的多層InAs量子點層。在再一方案中，本發(fā)明提供一種在襯底上制造單片多結(jié)半導體光致電壓的太陽能電池的方法，其包括下列步驟通過外延生長自組裝量子點材料形成量子點子電池，該自組裝量子點材料具有插有阻擋層(barriers)的多層量子點層。通過審閱本發(fā)明具體實施方式的描述并結(jié)合附圖，對于本領域普通技術(shù)人員而言，本發(fā)明其它方案和特征將是顯而易見的?，F(xiàn)在僅通過實施例并結(jié)合附圖闡釋本發(fā)明的實施方式，在附圖中圖1示出了從200nm開始累計(integrated)的AM0太陽光子通量和功率通量百分比；圖2示出了本發(fā)明的單片三子電池光致電壓的太陽能電池；圖3示出了自組裝量子點材料的光致電壓譜；圖4示出了本發(fā)明的自組裝量子點材料；圖5示出了本發(fā)明的單片四子電池光致電壓的太陽能電池；圖6示出了本發(fā)明的單片二子電池光致電壓的太陽能電池；以及圖7示出了量子點的導帶。具體實施例方式本發(fā)明提供單片半導體光致電壓的太陽能電池，其包括至少一個具有自組裝量子點材料的子電池。本發(fā)明也提供用于制造這種太陽能電池的方法，該方法利用了在所述太陽能電池的至少一個子電池內(nèi)外延生長的自組裝量子點材料。第一實施方式是高效率單片三結(jié)光致電壓的太陽能電池。三結(jié)光致電壓的太陽能電池通過疊置由不同的半導體材料構(gòu)成的p-n結(jié)或n-p結(jié)來制造。如上所述，在采用GaAs中間子電池和GaInP/AlGaAs頂端子電池的同時，采用在Ge襯底上生長的Ge底端子電池，可以獲得大約30％的轉(zhuǎn)換效率。這種多結(jié)光致電壓的太陽能電池的效率在本發(fā)明中通過在該中間子電池內(nèi)使用自組裝量子點材料來取代體(bulk)GaAs而獲得改進。本發(fā)明的原理如圖1所示，其中曲線10示出了與波長有關的從200nm波長開始累計的AM0太陽光子通量的百分比，曲線12示出了與波長有關的從200nm波長開始累計的AM0太陽功率通量的百分比。曲線10上的附圖標記表示各種半導體材料和它們的吸收限。這些半導體材料可用于將光子(太陽或其它的)轉(zhuǎn)化為電子載流子。圖1中示出的點在說明書中可以稱為電池、子電池、特定的半導體材料或吸收限，而這取決于上下文中的特定含義。為最優(yōu)化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，每個子電池的電流必須基本上相等，這是因為所述子電池串聯(lián)連接。忽略在該裝置表面上的反射，對于配備有防反射涂層的太陽能電池而言，這是一個允許近似值(validapproximation)，在距離半導體表面的深度z傳輸?shù)墓鈴娪蒊(z)＝I0exp(-αz)給出。I0是輸入強度和α是半導體吸收系數(shù)，該吸收系數(shù)為波長的函數(shù)，該函數(shù)與材料的狀態(tài)密度相關(即α是與波長相關的)。對于足夠厚的半導體材料，只有波長比半導體帶隙等效值波長更長(或具有能量小于該帶隙能量)的光才能傳輸過該半導體層，這是因為對于光子能量小于帶隙能量而言，所述狀態(tài)密度下降，α也下降。對于直接(direct)帶隙半導體，在比該帶隙波長更短的波長的情況下，α在104cm-1至105cm-1范圍內(nèi)，并且每個碰撞光子可以產(chǎn)生一對光載流子，即電子和空穴。子電池內(nèi)的電流與子電池所吸收的光子通量的百分率成正比。由曲線10可以推定，GaInP/GaAs/Ge太陽能電池將大約25％的光子通量吸收在頂端GaInP子電池14中，將大約14％的光子通量吸收在中間GaAs子電池16中，以及將大約38％的光子通量吸收在底端Ge子電池18中。采用AlGaAs子電池20替換該頂端GaInP子電池14將產(chǎn)生類似的結(jié)果。由子電池14、16和18在太陽光子通量吸收方面的不平衡導致電流不平衡。也就是說，Ge底端子電池18產(chǎn)生了大部分電流，而中間GaAs子電池16限制了總電流和轉(zhuǎn)換效率?？傓D(zhuǎn)換效率可以通過采用具有大約1070nm(1.16eV)有效帶隙波長的材料替代GaAs材料16而獲得改善。如下詳細所示，這種材料可以為自組裝量子點材料22。通過在該中間子電池內(nèi)使用量子點材料22，三個子電池中的每一個所吸收的太陽光子通量大約是總太陽光子通量的25％，并且每個子電池所產(chǎn)生的電流將是相等的。可以計算理論效率，以給出光電能量轉(zhuǎn)換的熱力學極限。理論效率考慮了子電池的帶隙、碰撞光子通量和其光譜分布，由此估算相應開路電壓(VOC)和短路電流(JSC)(例如由Baur等人在2003年的大阪WCPEC-3會議中的3P-B5-07論文中所描述的)。對于最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，理論上轉(zhuǎn)換效率可以超過40％。這種單片三結(jié)光致電壓的太陽能電池的細節(jié)在圖2中示出(不按比例)，該圖示出了用于本發(fā)明太陽能電池的一個實施方式。多結(jié)太陽能電池24包括襯底26、第一子電池28、通過外延假晶生長并包含自組裝In(Ga)As/GaAs量子點材料的第二子電池30、以及第三子電池32。第二子電池30的In(Ga)As/GaAs量子點材料適于獲得大約1.16eV的有效帶隙。也可以采用其它外延生長技術(shù)或非外延生長技術(shù)生產(chǎn)類似納米結(jié)構(gòu)，這樣的外延生長技術(shù)諸如選擇性區(qū)域外延生長(selectiveareaepitaxy)，模板外延生長(templatedepitaxy)，具有應變誘導(stainedinduced)的帶隙改性異晶結(jié)構(gòu)的外延生長，島狀生長方式(Volmer-Webergrowth)，改性單層加島狀生長方式(Stranski-Krastanowgrowthmodes)，結(jié)合或不結(jié)合高分辨率微細加工的層對層的生長方式(Frank-VanderMerwegrowthmodes)；非外延生長技術(shù)例如涉及膠態(tài)量子點；然而，這種納米結(jié)構(gòu)的光學和/或結(jié)構(gòu)特性一般不適合于改善多結(jié)太陽能電池裝置的效率。根據(jù)本發(fā)明的這種實施方式，襯底26可以是導電的GaAs或優(yōu)選導電的Ge，兩者都具有類似的晶格常數(shù)。襯底26的摻雜可以是n型或p型。無論襯底26是具有在頂端生長的n-p或n-i-p結(jié)的n型，還是具有在頂端生長的p-n或p-i-n結(jié)的p型，對本發(fā)明并不重要?；陉U明的目的，這個實施方式將使用具有n-p或n-i-p結(jié)的n型襯底。其它可包括無摻雜襯底和埋入靜合觸點(backcontacts)的可能組合同樣是可能的。襯底26可以噴涂金屬，以在背部形成電阻觸點(ohmiccontact)34，如圖2所示，緩沖和/或支撐區(qū)域(backfield)層36可以在襯底26和第一子電池28之間生長，以最優(yōu)化各種結(jié)構(gòu)、電或光學特性。第一子電池28優(yōu)選由Ge制成，并包含n-p結(jié)以創(chuàng)建耗盡區(qū)(depletionregion)。隧道結(jié)38用于連接第一子電池28和第二子電池30。對于本領域技術(shù)人員容易理解，隧道結(jié)38優(yōu)選由可以在第一子電池28上外延生長的高品質(zhì)材料構(gòu)成。隧道結(jié)38優(yōu)選高度摻雜以提供優(yōu)良的導電性和承載強電流密度，并且優(yōu)選隧道結(jié)對光子穿越是通透的。對于這個實施方式，隧道結(jié)38可以由高度摻雜GaAs的n-p結(jié)構(gòu)成，然而很多其他滿足此處的必要條件的組合同樣有效。第二子電池30包含適應或調(diào)整成獲得大約1.16eV的有效帶隙的自組裝In(Ga)As/GaAs量子點材料。關于第二子電池30的更多細節(jié)在圖4中給出，并在其相應說明書中披露該子電池30包含具有高品質(zhì)自組裝In(Ga)As/GaAs量子點的多個層，該量子點具有特定的形狀、成分和密度并通過外延假晶生長。第二子電池30通過隧道結(jié)40電連接至第三子電池32。隧道結(jié)40的要求與上述討論到的隧道結(jié)38相似。在這個實施方式中，隧道結(jié)40可以由高度摻雜InGaP或AlGaAs的n-p結(jié)制成，但是許多其它的組合同樣有效。第三子電池32基本上是優(yōu)選由具有大約1.8eV帶隙的摻雜GaInP或摻雜AlGaAs、或與GaAs晶格匹配的類似合金構(gòu)成的n-p結(jié)。如在多結(jié)太陽能電池中常見的那樣，第三子電池32可以包含窗(window)42、抗反射層44和觸點46。在圖2的頂部顯示隨太陽光譜50的波長變化的光譜強度的曲線48。圖2也示出了太陽光譜50對于第三子電池32、第二子電池30和第一子電池28的各自吸收范圍52、54和56。鑒于與圖1相關的討論，本領域技術(shù)人員將會非常清楚，這樣一種三結(jié)光致電壓的太陽能電池在所述子電池之間具有優(yōu)良的電流匹配，同時具有高轉(zhuǎn)換效率。圖3示出了高品質(zhì)自組裝量子點材料的光致電壓譜58，即該自組裝量子點材料可以包含于第二子電池30內(nèi)并在p-i-n結(jié)內(nèi)生長。曲線58示出了在20℃測定的第一材料的光譜。曲線58的特征是量子點材料的基態(tài)(groundstate)60、量子點材料的激發(fā)態(tài)62和潤濕層態(tài)(wettinglayerstates)64，潤濕層是通常在自組裝量子點外延生長期間形成的薄的連續(xù)層。在這個自組裝外延生長過程中，將第一單層或第一少數(shù)(few)單層沉積在稱為潤濕層的多個均勻平面層中。量子點然后從額外的沉積材料和/或部分從潤濕層材料自組裝。曲線58使用通過GaAs層傳輸?shù)陌坠庠炊鴾y定。由于能量大于GaAs帶隙可以觀察到降低的信號68。量子點基態(tài)60可以稱為自組裝量子點材料的有效帶隙。對于不包含半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的體半導體(bulksemiconductors)而言，有效的帶隙只不過是該半導體材料的帶隙。眾所周知，量子點的能級可以通過控制它們的形狀、成分和生長期間的密度來調(diào)整[例如參見S.Fafard等人于1999年在Phys.Rev發(fā)表的“半導體量子點的能級水平控制”(″MampulatmgtheEnergyLevelsofSemiconductorQuantμmDots″，Phys.Rev.B59，15368(1999))，或S.Fafard等人于1999年在Appl.Phys.Lett發(fā)表的“在具有銳利可調(diào)整電子殼體的量子點群中的激光照射”(″LasinginQuantμmDotEnsembleswithSharpAdjustableElectronicShells″，Appl.Phys.Lett.75，986(1999))]。對于曲線58，自組裝In(Ga)As/GaAs量子點材料調(diào)整成具有大約1.16eV的有效帶隙。在曲線58中測定的材料包含14層In(Ga)As量子點，而這14層In(Ga)As量子點由GaAs構(gòu)成的多個10nm阻擋層隔開。第二電池30的實施方式在圖4中示出。其中，多個III-V族半導體合金層在隧道結(jié)38上外延生長，隧道結(jié)38包括重p摻雜層(heavilyp-dopedlayer)78和重n摻雜層80。發(fā)射極82是由通過將高n摻雜層84和n摻雜層86組合而形成。發(fā)射極82優(yōu)選由GaAs制成或由與GaAs晶格匹配的其它合金制成，并且具有接近于GaAs帶隙的帶隙。同樣地，隨后對層90和高p摻雜層92使用p型摻雜，生長集電極(collector)88。硅優(yōu)選用于n型摻雜，同時鈹優(yōu)選用于p型摻雜。顯然，可以使用其它的摻雜劑，例如鋅(Zn)，碲(Te)或其它。發(fā)射極82和集電極88形成n-i-p結(jié)，同時在發(fā)射極82和集電極88之間設有本質(zhì)上無摻雜的自組裝量子點材料94。發(fā)射極82和集電極88的摻雜分布(dopingprofiles)是這樣的它們提供基本上橫跨自組裝量子點材料94延伸的耗盡區(qū)。類似的結(jié)構(gòu)可使用n-p結(jié)代替n-i-p結(jié)或通過使p和n摻雜的順序相反來設計。另外，因為自組裝量子點材料94在GaAs上假晶生長，所以包含高折射指數(shù)半導體和低折射指數(shù)半導體的交替層的布拉格反射器或分布布拉格反射器(DBR)空腔可以在該發(fā)射極和/或該集電極內(nèi)生長，以提高反射率和改變子電池的吸收特性，并相應也改變太陽能電池24的吸收特性。類似地，如圖4所示的自集合量子點材料94以及發(fā)射極82和集電極88將用于本發(fā)明所有實施方式的描述。自組裝量子點材料94包含第一量子點層96、第一阻擋層98、第二量子點層100、第二阻擋層102等，直到第N自組裝量子點材料104和第N阻擋層106。本領域技術(shù)人員將非常清楚，所述N層量子點層不必在厚度與成分方面相同。此外，多層可以插入到自組裝量子點材料94，以最優(yōu)化太陽能子電池(例如第二子電池30)的光學、結(jié)構(gòu)或電特性。例如，具有其它帶隙或具有另一晶格常數(shù)的多層可以在量子點層96、100、104之上和/或之下生長，以改變量子點材料94的光學和/或結(jié)構(gòu)特性。而且，具有其它帶隙或具有另一晶格常數(shù)的多層也可以在阻擋層98、102、106內(nèi)生長。這種在所述阻擋層內(nèi)的中間層的生長對于控制在結(jié)構(gòu)之內(nèi)建立的總應變將特別重要。例如，當對于所述量子點層使用具有較大晶格常數(shù)的半導體時，晶格常數(shù)小于外延層并小于襯底晶格常數(shù)的半導體層的厚度可以選擇，以獲得能夠補償引入的應變的層。例如，GaPAs或GaInP可以在所述阻擋層內(nèi)生長，以補償InAs或InGaAs量子點的應變。此外，多個層可以進一步包含許多具有類似特性的子層(sub-groups)，以便N個層都將由m子層組成，每個子層包含數(shù)量mi的具有類似尺寸、成分和有效帶隙的量子點和阻擋層。在現(xiàn)在的實施方式中，生長材料和參數(shù)可選擇成獲得具有所需吸收特性(例如在1.16eV時的吸收限)的自組裝量子點材料94。自組裝量子點材料94的假晶生長通過使用例如分子束外延生長(MBE)方法的外延生長而獲得。MBE方法用于在與GaAs晶格匹配的半導體材料上生長例如GaAs或AlGaAs層。除了MBE方法的外延生長方法也能使用。他們可以包含例如化學束外延生長(CBE)，有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)或其它類似的混合方法或其組合。為獲得所需的光學、電和結(jié)構(gòu)特性，生長溫度維持在一個范圍內(nèi)，該范圍最優(yōu)化所需特性，同時避免可以致使所述層混合或所包含摻雜劑擴散(例如在發(fā)射極82或集電極88層內(nèi))的高溫。舉例來說，當不關心發(fā)射極82層內(nèi)的摻雜劑混合或擴散時，GaAs層的生長優(yōu)選在400℃至800℃之間的溫度范圍，更優(yōu)選在520℃至630℃之間的溫度范圍，最優(yōu)選在600℃至630℃之間的溫度范圍。如果在量子點層的外延生長期間關注摻雜劑的混合和/或擴散，則生長溫度優(yōu)選在450℃至550℃之間，最優(yōu)選在490℃至530℃之間。量子點層的生長溫度用以調(diào)整量子點的形狀和成分。每個量子點層的阻擋層的附晶生長(overgrowth)期間的溫度可以在附晶生長的不同階段變化，以進一步控制量子點的尺寸和成分，并因此控制自組裝量子點材料94的吸收特性。通過選擇生長溫度、第V族過壓或III/V族的比率、量子點材料、用來在均勻的準平面薄膜之間獲得自組裝生長以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw島的材料的數(shù)量、生長率或生長期間的停止時間(pauses)、和諸如生長溫度及生長率之類的附晶生長條件的組合而成獲得具有高均勻量子點的高面內(nèi)(in-plane)密度的量子點層。這允許碰撞太陽光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷母咿D(zhuǎn)換效率。本領域技術(shù)人員顯而易見，所述參數(shù)的多種組合可以達成所需要的吸收特性。然而，基于本實施方式說明的目的，自組裝量子點材料94所需的吸收可以通過在GaAs上生長InAs獲得，其中InAs的厚度可以在0.6nm至0.8nm之間，優(yōu)選為0.68nm至0.72nm。InAs的生長率優(yōu)選在0.001nm/s至3nm/s之間，最優(yōu)選0.01nm/s至0.03nm/s之間，并且在InAs沉積后具有生長停止時間，生長停止時間優(yōu)選為0秒至300秒。InAs量子點層的生長跟隨在具有6nm至50nm厚的阻擋層的附晶生長之后，該阻擋層優(yōu)選是GaAs或AlxGa1-xAs，x在0至1之間，x優(yōu)選0至0.35之間。量子點層和所述阻擋層的生長序列如上所述重復許多次。如上所述，襯底特定的溫度周期變化可以用來在量子點層和阻擋層的附晶生長期間調(diào)整量子點的形狀、成分和均勻性。在這種情況下，襯底26的溫度優(yōu)選增加到InAs的不吸收溫度(disorptiontemperature)之上，該溫度對MBE生長大致是530℃且在不同的因素中取決于生長方法和表面活性劑的使用。一旦溫度已經(jīng)增至高于InAs的不吸收溫度，溫度將降回到額定值，該額定值優(yōu)選在450℃至550℃之間，該額定值最優(yōu)選在490℃至530℃之間。該過程之后，量子點層生長。如果所需的吸收限是1.16eV，當阻擋層的厚度在1nm至50nm之間、優(yōu)選在2.0nm至10.0nm之間、最優(yōu)選4.5nm至6.5nm之間時，在附晶生長期間所運用的溫度周期變化可以進行。在優(yōu)選的實施方式中，量子點層的數(shù)目在1至100之間，優(yōu)選在30至80之間。必要時能夠生長更多層。自組裝量子點層材料94層的數(shù)目越大，第二電池30的吸收系數(shù)也越大，這可期望增加第二電池30的電流。量子點層之間的距離(即阻擋層的厚度)可以調(diào)節(jié)從而(A)改變吸收光譜的所需特性；(B)控制自組裝量子點的豎直疊置；和(C)維持低于與導致晶格弛豫開始的臨界厚度相關的總應變水平。對于臨界厚度以上的厚度，量子點材料可以開始形成材料位錯和缺陷。該臨界厚度可以通過使用例如馬修定律(Matthew′slaw)測定和/或計算。對于所關心的具有低銦含量的平均InGaAs成分而言，該臨界厚度應處于1微米至2微米之間。平均銦含量越高，該臨界厚度越小。因此，量子點層之間的距離可以用于調(diào)整量子點材料的平均銦含量，并避免由應變和晶格弛豫帶來的位錯和缺陷。正如以上的討論，量子點層一般具有比該結(jié)構(gòu)的其余部分更大的晶格常數(shù)，因此該實施方式也可以結(jié)合有具有相反應變(即較小的晶格常數(shù))的諸如GaPAs或InGaP之類的半導體薄層，以在必要時減少量子點內(nèi)的平均應變。例如，如上所述，具有不同的晶格常數(shù)的層可以在量子點層96、100、104之上和/或之下生長，以改變量子點材料94的結(jié)構(gòu)特性，或者具有不同晶格常數(shù)的類似層可以在阻擋層98、102、106內(nèi)生長。本發(fā)明的第二實施方式提供高效率的單片四結(jié)光致電壓的太陽能電池。自組裝量子點材料94可以適于吸收具有能量大于約1.0eV的光子，如圖1內(nèi)所示的材料21。這種材料可以用于制造圖5所示的高效率的單片四結(jié)光致電壓的太陽能電池，其中如果每個子電池吸收大約19％的日光輻射通量，所有子電池將是電流匹配的。四結(jié)太陽能電池包括襯底108，在該襯底上制造第一子電池110。第一子電池110優(yōu)選包含具有適當?shù)膿诫s分布的Ge，Ge在襯底108上通過外延生長或通過其它的晶體生長方式生長。可選擇地，第一子電池110通過在體(bulk)Ge材料(例如Ge襯底)內(nèi)混雜或植入摻雜劑以獲得適當?shù)膿诫s分布。例如，當III-V族半導體材料在p型Ge上生長時，在Ge襯底內(nèi)混雜第V族元素將形成n型Ge區(qū)域，并因此形成p-n結(jié)。類似地，對于n型Ge襯底，在Ge襯底內(nèi)混雜第III族元素將形成p型區(qū)域，并因此形成n-p結(jié)。第二子電池112通過外延生長在第一子電池110上假晶生長，并且第二子電池112包含自組裝In(Ga)As/GaAs量子點材料，該材料適于獲得大約1.0eV的有效帶隙。第三子電池114通過外延生長在第二子電池112上假晶生長，而且第三子電池114接著是第四子電池116，第四子電池116通過外延生長在第三子電池114上假晶生長。在這個實施方式中，襯底108可以是導電的GaAs或優(yōu)選Ge，其中每個具有類似的晶格常數(shù)。襯底108的摻雜可以是n型和p型。無論襯底108是具有在頂端生長的n-p或n-i-p結(jié)的n型，還是具有在頂端生長的p-n或p-i-n結(jié)的p型，對本發(fā)明并不重要。基于闡明的目的，這個實施方式將使用具有n-p或n-i-p結(jié)的n型襯底。其它可包括無摻雜襯底和埋入靜合觸點的可能組合同樣是可能的。在該方式的最后步驟中，襯底108可以噴涂金屬，以形成電阻觸點118，如圖5所示。在第一子電池110生長之前，在襯底108上可以制造緩沖和/或支持區(qū)域?qū)?20，以使各種結(jié)構(gòu)、電或光學特性最優(yōu)化。第一子電池110優(yōu)選由Ge制成，并包含n-p結(jié)以提供耗盡區(qū)。隧道結(jié)122用于連接第一子電池110和第二子電池112。如本領域技術(shù)人員所容易理解的那樣，隧道結(jié)122優(yōu)選由高品質(zhì)材料構(gòu)成，該材料可以在第一子電池上外延生長并高度摻雜，以提供優(yōu)良的導電性和承載強電流密度。如在此所描述的所有隧道結(jié)一樣，隧道結(jié)122基本上優(yōu)選對從其中傳輸?shù)墓庾邮峭ㄍ傅摹τ谶@個實施方式，隧道結(jié)122可由高度摻雜GaAs的n-p結(jié)構(gòu)成，但是其它方式的隧道結(jié)也是可能的，例如AlGaAs或具有接近于GaAs晶格常數(shù)的AlGaInAsP合金。如上所述，第二子電池112包括自組裝的In(Ga)As/GaAs量子點材料，該材料調(diào)整為獲得大約1.0eV的有效帶隙。第二子電池122的細節(jié)與圖4中及相應的說明書所披露的相似，但是就自組裝量子點材料的生長參數(shù)而言進行了修改。有關第二子電池112生長的更多細節(jié)如下所述?，F(xiàn)在，足以說明第二子電池112包含自組裝量子點材料和n-p或n-i-p結(jié)。該自組裝量子點材料包含多個層，這些層具有通過外延生長而假晶生長的、具有特定的形狀、成分和密度的、高品質(zhì)自組裝In(Ga)As/GaAs量子點。第二子電池112與第三子電池114通過隧道結(jié)124相連。隧道結(jié)124優(yōu)選由高品質(zhì)材料構(gòu)成，該材料可以在第二子電池112上外延生長和高度摻雜，以提供優(yōu)良的導電性和承載強電流密度。隧道結(jié)124基本上對從其中傳輸通過的光子是通透的。在這個實施方式中，隧道結(jié)124可以由高度摻雜的GaAs、InGaP、AlGaAs或AlGaInAsP的n-p結(jié)來制成，所采用的合金具有接近于GaAs的晶格常數(shù)和等于或大于GaAs的帶隙。第三子電池114基本上是n-p結(jié)，該n-p結(jié)優(yōu)選由摻雜的GaAs、或與GaAs晶格匹配的AlGaInAsP或GaInNAs合金制成，且第三子電池114具有大約1.4eV的帶隙。對于一些結(jié)構(gòu)，為平衡所述子電池的電流，可理想地調(diào)整第三子電池114的厚度和吸收特性，以便第三子電池114讓碰撞在其上的光部分到達第二子電池112。第三子電池114與第四子電池116通過可以由高摻雜InGaP或AlGaAs的n-p結(jié)制成的隧道結(jié)126相連，但是滿足如上所述的必要條件的其它合金同樣有效，例如AlInGaP或ZnSe合金。第四子電池116基本上是n-p結(jié)，該n-p結(jié)優(yōu)選由摻雜的GaInP或AlGaAs制成，或由與GaAs晶格匹配的AlGaInAsP合金制成，且第四子電池116具有大約1.8eV的帶隙。優(yōu)選地，第四子電池116的厚度和吸收特性是這樣的，以使第四子電池116讓碰撞其上的光部分到達第三子電池114。此外，第四子電池116、第三子電池114、第二子電池112和第一子電池110是這樣的，以便由各自子電池所吸收的光子所產(chǎn)生的相應電流可以平衡。就如同在制造多結(jié)太陽能電池中常見的那樣，第四子電池116可以包含窗128、防反射涂層130和電觸點132。在圖5的頂部示出與太陽光譜50的波長相關的光譜強度的曲線134。圖5也示出，分別對于第四子電池116、第三子電池114、第二子電池112和第一子電池110的太陽光譜吸收范圍136、138、140和142。對本領域技術(shù)人員顯而易見，借助于圖1的描述，這種四結(jié)光電壓太陽能電池將在子電池之間具有優(yōu)良的電流匹配，同時每個子電池內(nèi)吸收有大約19％的太陽光子通量，并因此這種四結(jié)光電壓太陽能電池具有高轉(zhuǎn)換效率。在p-i-n內(nèi)生長并具有大約1.0eV吸收限的高質(zhì)量自組裝量子點材料，其測定的光致電壓譜如圖3的曲線70所示。其中，曲線70在20℃測定，其顯示與量子點基態(tài)71、量子點激發(fā)態(tài)72和潤濕層態(tài)76相關的光譜特征。特定的樣品包含嵌入GaAs阻擋層內(nèi)的單層In(Ga)As量子點。第二子電池112的生長條件可以調(diào)整，以便量子點的尺寸和成分、連同鄰近量子點的材料的成分一起獲得自組裝量子點材料，該自組裝量子點材料具有比1.16eV低的大約是1.0eV的吸收限。如上所述，生長參數(shù)的很多組合可以達成所需目的。然而，基于本實施方式僅僅是說明的目的，自組裝量子點材料94所需的吸收特性可以通過在GaAs上生長InAs獲得，InAs的厚度可以優(yōu)選在0.4nm至0.8nm之間，最優(yōu)選在0.50nm至0.58nm之間。InAs的生長率優(yōu)選在0.001nm/s至3nm/s之間，更優(yōu)選在0.01nm/s至0.03nm/s之間，并且在InAs沉積后具有生長停止時間，生長停止時間優(yōu)選0秒至300秒的范圍。InAs量子點層的生長之后接著是阻擋層的附晶生長，該阻擋層具有6nm至50nm的厚度范圍，該阻擋層優(yōu)選是GaAs或鋁成分小于大約10％的AlGaAs合金并具有稍微更高的帶隙。量子點層和阻擋層的生長序列如上所述重復許多次。量子點層的優(yōu)選層數(shù)是50層至150層之間，或為平衡子電池內(nèi)的吸收所要求的數(shù)目。如上所述，襯底108特定的溫度周期變化可以用來在量子點層的附晶生長期間調(diào)整量子點的形狀、成分和均勻性。在這種情況下，襯底108的溫度優(yōu)選增加到InAs不吸收溫度之上，并在隨后的量子點層生長之前降回到它的額定值。在這種情況下，如果所需的吸收限大約1.0eV，當阻擋層的厚度在1nm至50nm之間、優(yōu)選在2.0nm至10.0nm之間、最優(yōu)選4.5nm至6.5nm之間時，在附晶生長期間所運用的溫度周期變化可以發(fā)生。可選擇地，比GaAs帶隙稍微較低的諸如低濃度銦的InGaAs或分級帶隙材料之類的材料，也可以用于接近量子點層，以由此擴展對較長波長的吸收。用于在多結(jié)單片光致電壓的太陽能電池的子電池內(nèi)加入自組裝量子點材料的方法，可以包括下列步驟提供具有頂面的襯底，該頂面具有晶格常數(shù)；在上述層上提供與所述晶格常數(shù)晶格匹配的子電池；在所述子電池上提供與所述晶格常數(shù)晶格匹配的隧道結(jié)；以及重復最后兩個步驟，直到該子電池包含必須加入的自組裝量子點材料。如果自組裝量子點材料必須加入底端子電池，那么最后兩個步驟可以忽略。其它步驟包括在該上述層之上，外延沉積半導體材料的多個緩沖層，所述多個緩沖層與所述晶格常數(shù)晶格匹配且具有緩沖摻雜劑濃度；在所述緩沖層之上，外延沉積半導體材料的多個支撐區(qū)域?qū)?，所述多個支撐區(qū)域?qū)优c所述晶格常數(shù)晶格匹配且具有支撐區(qū)域摻雜劑濃度；在所述支撐區(qū)域之上，外延沉積半導體材料的第一阻擋層，該第一阻擋層與所述晶格常數(shù)晶格匹配，且該第一阻擋層具有阻擋層摻雜劑濃度和在阻擋層溫度下生長的阻擋層的厚度。其他的步驟是在上述的阻擋層之上，使用具有用于量子點的公稱成分(nominalcomposition)的半導體，外延沉積量子點層，該量子點層包含高密度的均勻自組裝量子點，該量子點層具有低密度的缺陷并具有對所述晶格常數(shù)高應變的形狀和尺寸，且該量子點層具有量子點摻雜劑濃度、量子點厚度、量子點生長溫度、量子點生長率、量子點第V族過壓(overpressure)或III-V族比率；在生長暫停一中斷時間之后，在上述量子點層之上，外延沉積與所述晶格常數(shù)晶格匹配的半導體材料的阻擋層，該阻擋層具有阻擋層摻雜劑濃度、阻擋層厚度、阻擋層生長率、以及在量子點附晶生長期間用于襯底溫度的阻擋層溫度分布曲線(temperatureprofile)；以及重復最后兩個步驟多次。其中，通過生長參數(shù)，量子點的所述成分、所述尺寸和所述形狀在整個疊置分布(stackingprofile)中可以控制并變化。更多步驟包括在上述阻擋層之上，外延沉積與所述晶格常數(shù)晶格匹配的半導體材料的多個頂端區(qū)域?qū)?，所述頂端區(qū)域?qū)泳哂许敹藚^(qū)域摻雜劑濃度；在所述頂端區(qū)域?qū)又?，外延沉積與所述晶格常數(shù)晶格匹配的高摻雜半導體材料的隧道結(jié)，隧道結(jié)的始端具有與所述頂端區(qū)域摻雜劑相同類型的摻雜劑濃度，而隧道結(jié)的終端突然轉(zhuǎn)換為相反的類型；在上述隧道結(jié)上，提供與所述晶格常數(shù)晶格匹配的子電池；在上述子電池上，提供與所述晶格常數(shù)晶格匹配的隧道結(jié)，并重復最后的兩個步驟，直到達到包含在所述多結(jié)太陽能電池內(nèi)的子電池數(shù)目。最后，該方法包括在頂端子電池上提供窗，在所述窗上提供防反射涂層，和提供與所述頂端子電池連接的接合層。在剛才描述的方法中，所述緩沖層的摻雜劑濃度是在1×1016cm-3至1×1019cm-3之間，所述支撐區(qū)域?qū)拥乃鰮诫s劑濃度是在1×1016cm-3至1×1019cm-3之間，所述阻擋層摻雜劑濃度是在1×1013cm-3至1×1017cm-3之間，所述量子點厚度在0.4nm至5.0nm之間，所述量子點生長溫度在450℃至540℃之間，所述量子生長率是0.0001nm/s和0.2nm/s之間，所述生長中斷時間在0秒至600秒之間，所述阻擋層的溫度分布(temperatureprofile)既可以是常數(shù)，也可以在450℃至650℃之間變動，所述阻擋層生長率在0.01nm/s至1nm/s之間，所述阻擋層厚度在3nm至60nm之間，所述頂端區(qū)域?qū)拥乃鰮诫s劑濃度在1×1016cm-3至1×1019cm-3之間。該晶格常數(shù)可以是GaAs的晶格常數(shù)，所述緩沖層、所述支撐區(qū)域?qū)?、所述阻擋層材料和所述頂端區(qū)域?qū)拥暮辖鸪煞衷贏l0.3Ga0.7As和GaAs之間，且所述量子點的所述公稱成分在In0.3Ga0.7As和InAs之間；該晶格常數(shù)可以是GaAs的晶格常數(shù)，所述緩沖層、所述支撐區(qū)域?qū)印⑺鲎钃鯇硬牧虾退鲰敹藚^(qū)域?qū)拥暮辖鸪煞衷贏l0.9Ga0.1As和Al0.1Ga0.9As之間，且所述量子點的所述公稱成分在In0.3Al0.7As和InAs之間；或者該晶格常數(shù)可以是GaAs的晶格常數(shù)，所述緩沖層、所述支撐區(qū)域?qū)印⑺鲎钃鯇硬牧虾退鲰敹酥螀^(qū)域?qū)拥暮辖鸪煞质桥cGaAs晶格匹配的GaAlInP合金，且所述量子點的所述公稱成分是InP。本發(fā)明的第三實施方式提供高效率單片雙結(jié)光致電壓的太陽能電池。在另一實施方式中，自組裝量子點材料適合用于雙結(jié)太陽能電池。為了獲得高效率光致電壓的雙結(jié)太陽能電池，要求第一子電池具有與自組裝量子點材料94類似的自組裝量子點材料，但是具有0.92eV的吸收限，同時還要求第二子電池的材料吸收能量大于約1.6eV光子。第二子電池也可以包含與自組裝量子點材料94類似的自組裝量子材料。這種雙結(jié)太陽能電池將來平衡每個子電池內(nèi)所產(chǎn)生的電流。此外，每個子電池將吸收總太陽光子通量的大約31％，如圖1中的曲線10所示，其中示出帶隙15(1.6eV)和帶隙23(0.92eV)。本發(fā)明的雙結(jié)光致電壓的太陽能電池在圖6中示出。該雙結(jié)太陽能電池包括襯底144，在襯底144上，通過外延生長第一子電池146假晶生長，且第一子電池146包括第一自組裝In(Ga)As/GaAs量子點材料，該量子點材料調(diào)整成獲得大約0.92eV的有效帶隙。第一子電池146的細節(jié)與圖2中的第二子電池30的類似，并在圖4和相應說明書中公開。在第一子電池146上，第二子電池148通過外延生長假晶生長并且可以包含第二自組裝In(Ga)As/GaAs量子點材料，該第二自組裝量子點材料優(yōu)選具有AlInAs/AlGaAs量子點并調(diào)整成獲得大約1.6eV的有效帶隙。在這個實施方式中，襯底144優(yōu)選是導電的GaAs襯底或?qū)щ姷腉e襯底，兩者都具有類似的晶格常數(shù)。如上所述，對于其它的多結(jié)實施方式，該襯底144的摻雜可以是n型或p型。無論襯底144是具有在頂端生長的n-p或n-i-p結(jié)的n型，還是具有在頂端生長的p-n或p-i-n結(jié)的p型，對本發(fā)明并不重要?；陉U明的目的，這個實施方式將使用具有n-p或n-i-p結(jié)的n型襯底。其它可包括無摻雜襯底和埋入的靜合觸點的可能組合同樣是可能的。如圖6所闡明的那樣，在該方式的最后步驟，襯底144可以噴涂金屬，以形成電阻觸點150。在第一子電池146生長之前，在襯底144上可以生長緩沖和/或支撐區(qū)域?qū)?52，以最優(yōu)化各種結(jié)構(gòu)、電或光學特性。第一子電池146通過隧道結(jié)154電連接至第二子電池148。在這個實施方式中，隧道結(jié)154可以包含高度摻雜的InGaP或帶隙大于約1.7eV的AlGaAs的n-p結(jié)?？蛇x擇地，可以使用其它的類似AlInGaAsP合金。通過外延生長，第二子電池148基本上是假晶生長的n-p或n-i-p結(jié)。如上所述，第二子電池148可以包含自組裝的AlInAs/AlGaAs量子點材料，所述自組裝量子點材料調(diào)整成獲得約1.6eV的有效帶隙?？蛇x擇地，第二電池148可以由摻雜的體GaInP或AlGaAs或其它類似的InAlGaAsP合金制成，該InAlGaAsP合金具有提供約1.6eV帶隙的合金成分。如在多結(jié)太陽能電池的制造中所常見的那樣，第二子電池148可以具有窗156、防反射涂層158和電觸點160。圖6的頂部示出了與太陽光譜50波長有關的光譜強度的曲線圖162。曲線圖162也示出了第一子電池146和第二子電池148各自的太陽光譜50的吸收范圍164和166。本領域技術(shù)人員將非常清楚，借助于圖1的描述，這種雙結(jié)光電壓太陽能電池將具有優(yōu)良的子電池之間的電流匹配和具有高轉(zhuǎn)換效率。對于這個實施方式，具有自組裝量子點材料層結(jié)構(gòu)的子電池的結(jié)構(gòu)與圖4和其相關說明書中披露的類似。然而，生長條件被改變，以獲得所需的光學、電和結(jié)構(gòu)特性。特別地，量子點或接近量子點的材料的尺寸和成分可以改變成對于第一子電池146而言，擴展自組裝量子點材料對較長波長的吸收；對于第二子電池148而言，擴展自組裝量子點材料對較短波長的吸收。如上所述，可以有許多達成所需目的參數(shù)組合。本發(fā)明的實施方式基于闡明的目的，第一子電池146的自組裝量子點材料的所需吸收特性可以通過在GaAs上生長InAs獲得，InAs的厚度在0.5nm和0.8nm之間，優(yōu)選在0.50nm和0.58nm之間。InAs的生長率優(yōu)選在0001nm/s至3nm/s之間，更優(yōu)選在0.01nm/s至0.03nm/s之間，同時具有在InAs沉積(生長)之后的生長停止時間，該生長停止時間優(yōu)選在0秒至300秒之間。InAs量子點層的生長跟隨在阻擋層的附晶生長之后，該阻擋層具有6nm至50nm的厚度范圍，該阻擋層優(yōu)選是GaAs層或具有類似帶隙的合金。量子點層和阻擋層的生長順序按照前述重復多次。如上所述，襯底144的特定溫度周期變化可以用于在量子點層在附晶生長期間調(diào)整量子點的形狀、成分和均勻性。在這種情況下，襯底144的溫度優(yōu)選增加到InAs不吸收溫度之上，并在后續(xù)的量子點層生長之前降回到它的額定值。在這種情況下，其中所需的吸收限大約為0.92eV，當阻擋層的厚度在1nm至50nm之間、優(yōu)選在2nm至11nm之間、更優(yōu)選在7.5nm和11nm之間時，在附晶生長期間運行的該溫度周期變化可以發(fā)生。另外，比GaAs帶隙稍小的材料的合金(例如具有低濃度銦的InGaAs、或分級帶隙材料)也可以接近于量子點層生長，以擴展對較長波長的吸收。使用類似的方法獲得自組裝量子點材料，該量子點材料具有第二子電池148所需的特性；然而，AlInAs量子點用于代替InAs量子點，且GaAs阻擋材料由AlGaAs阻擋材料替代。雖然阻擋層內(nèi)Al的公稱百分比可以在0％至100％之間，但是為了維持直接帶隙材料，優(yōu)選在0％至35％之間。更優(yōu)選，Al百分比在25％至35％之間。雖然量子點內(nèi)In的公稱百分比可以在35％至100％之間，但是優(yōu)選在50％至75％之間，更優(yōu)選在55％至70％之間。用于形成自組裝量子點層的AlInAs的厚優(yōu)選在0.7nm至1.2nm之間，更優(yōu)選在0.8nm和0.9nm之間。可選擇地，對于第二子電池148而言，通過使用InP量子點代替AlInAs量子點以及GaInP阻擋層代替AlGaAs阻擋層可以制造等效結(jié)構(gòu)。其它與GaAs晶格匹配的合金(例如GaAlInP或GaInPAs)可被用于阻擋層。本發(fā)明可以被用于其它的實施方式和材料，例如在InP襯底上生長的雙結(jié)單片太陽能電池。這個雙結(jié)電池具有第一子電池，第一子電池基本上是n-p或n-i-p結(jié)，第一子電池優(yōu)選包含在與InP晶格匹配的InGaAs阻擋層內(nèi)的InAs量子點材料。該雙結(jié)電池也具有第二子電池，第二子電池基本上是n-p結(jié)，第二子電池優(yōu)選由摻雜體AlInAs或與InP晶格匹配的類似的合金(例如AlInGaAs或GaInPAs)制成。這個實施方式的第一子電池和Ge相比具有擴展的吸收范圍，這是因為它吸收小到大約0.65eV能量的光子。第一子電池和第二子電池的布置與在圖6中示出的相同。第二子電池可以是一些其它的實施方式中任選的。在一個實施方式中，第二子電池是任選的，則將會獲得較低轉(zhuǎn)換效率，但效果是制造更簡單和成本更低和/或輻射更高或硬度不足。另外所關心的實施方式使用Ge襯底，以形成高效率雙結(jié)單片光致電壓的太陽能電池。在此再次，第一子電池和第二子電池的沉積與在圖6中示出的相同。如上所述的圖5中子電池110那樣，基本上是n-p或n-i-p結(jié)的第一子電池由通過外延生長或其它的類似沉積、植入或相互擴散方法在Ge襯底上假晶生長的Ge構(gòu)成?；旧鲜莕-p或n-i-p結(jié)的第二子電池優(yōu)選包含在AlGaAs阻擋層內(nèi)的InGaAs量子點材料(或類似的合金，例如AlGaP合金)，該AlGaAs阻擋層通過外延生長假晶生長并同時具有接近于Ge的晶格常數(shù)。這種使用Ge襯底的雙結(jié)電池可能沒有與此處所述其它可能的實施方式一樣高效，但是將有益于更簡單的制造，有益于從選擇阻擋層和量子點層的廣泛組合中更富彈性，有益于更高的輻射和導致更高壽命終止效率的不足的堅固性。另外特別關心的實施方式使用硅襯底形成高效率的單片雙結(jié)光致電壓的太陽能電池。在此再次，第一子電池和第二子電池的布置與在圖6中示出的相同?；旧鲜莕-p或n-i-p結(jié)的第一子電池優(yōu)選包含Ge或SiGe量子點材料和由通過外延生長或其它的類似沉積方法在Si襯底上假晶生長的Si阻擋層Ge。薄膜法或用于生長半導體晶體的方法組合也可以使用?；旧鲜莕-p或n-i-p結(jié)的第二子電池優(yōu)選包含在GaP阻擋層(或類似的合金，例如這種AlGaP)內(nèi)的InP量子點材料，該阻擋層通過外延生長在Si上假晶生長。為了獲得改善的效率，使用Si襯底的該雙結(jié)電池還可以設計為在第二子電池內(nèi)使用自組裝量子點材料，該第二子電池在一個常規(guī)晶體或多晶體硅第一子電池上生長。第二子電池可以是一些其它的實施方式中任選的。在一個實施方式中，第二子電池是任選的，則將會獲得較低轉(zhuǎn)換效率，但好處是更加簡單的制造和更低的成本。如上所述，自組裝量子點材料已經(jīng)顯示用于生產(chǎn)輻射數(shù)量級更大和不足堅固性的裝置。更高輻射和不足堅固性是下列組合的結(jié)果(A)具有缺陷的空間限制(spatialconfinement)隔離區(qū)，(B)由于納米結(jié)構(gòu)，有利的擴散長度損壞系數(shù)，(C)消除在最受輻射影響的子電池內(nèi)的電流極限限制(limitingrestrictions)，和(D)沒有電流極限電池的太陽能電池設計。這制造的裝置，其具有特別吸引空間應用的自組裝量子材料。上述實施方式的太陽能電池將受益于在裝置暴露于輻射下的應用中的輻射硬度。例如，最優(yōu)化的太陽能電池壽命起初將具有大約40％的效率。假定這個最優(yōu)化的太陽能電池相對于常規(guī)的太陽能電池具有兩個數(shù)量級的改進的輻射硬度，壽命終止時的效率將超過38％，壽命終止定義為相當于1MeV電子輻射的1×1015cm-2的總劑量。利用本發(fā)明的實施方式和/或最優(yōu)化不足硬度，即便是部分地犧牲一些轉(zhuǎn)換效率，也是可取的。例如，雙結(jié)太陽能電池可以包括硅襯底，在該硅襯底上生長多個GaAs/AlGaAs層，以獲得躍遷緩沖層。在這個躍遷緩沖層上外延生長第一子電池，第一子電池包含自組裝In(Ga)As/GaAs量子點材料的并調(diào)整成獲得大約0.92eV的有效帶隙。在某些實施方式中是任選的第二子電池通過外延生長在第一子電池上生長，并可以包含由AlInAs/AlGaAs制成的且適于獲得大約1.6eV的有效帶隙的自組裝量子點材料。在這個實施方式中，由于在Si和GaAs之間大規(guī)模地晶格失配將存在顯著的濃度不足(concentrationofdefects)。然而，對于一些應用，由于自組裝量子點材料的不足的硬度，該轉(zhuǎn)換效率是可以接受的。除不足的硬度之外，本發(fā)明其它的優(yōu)點可以實現(xiàn)。例如，自組裝量子點材料通過恢復一些超過半導體帶隙的光子能量可以提高轉(zhuǎn)換效率，否則當具有比有效帶隙更高能量的光子碰撞多結(jié)太陽能電池時這些光子能量將會喪失。眾所周知，超過有效帶隙的能量可以產(chǎn)生聲子。一些聲子將被再吸收于量子點內(nèi)，并在掠過(sweptacross)耗盡區(qū)之前通過將光載流子從限制(confined)量子點態(tài)提升至更高的無限制的狀態(tài)而在熱電子發(fā)射過程中使用。因此，效率更高。另外，最優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率的類似方案可以加入本發(fā)明的實施方式中。例如，自組裝量子點材料可以用受控剩余摻雜劑(doping)摻雜，以作為較長的紅外波長的檢波器。檢波過程可以使用同時具有帶間躍遷的帶內(nèi)(intraband)吸收，因此通過使用更大百分比的總太陽光子通量來增加子電池電流。這如圖7所示，其中所顯示的偏導帶邊緣(biasedconductionbandedge)200用以在量子點形成勢阱202。電子量子化的能級204、206和208以及連同準-費米(quasi-Fermi)能級212顯示位于勢阱202內(nèi)。電子300顯示居于能級204和206。長波長紅外線帶內(nèi)吸收躍遷(以216和218表示)通常不存在于太陽能電池內(nèi)，其創(chuàng)造了如箭頭310所示在裝置中漂移的額外的光載流子。這類吸收可能是非常重要的，這是因為大約20％的太陽光子通量處于Ge帶隙下的能量范圍內(nèi)。所提出的方法還可以延伸至其他的實施方式和材料系統(tǒng)。例如包含稀釋氮化物(如InGaAsN或包含小部分氮的類似半導體合金)的半導體自組裝量子點，或Ga(Al)N阻擋層內(nèi)的In(Ga)N量子點，或使用基于銻的材料系統(tǒng)(例如Ga(Al)Sb阻擋層)或類似合金內(nèi)的InSb自組裝量子點。顯然本發(fā)明也可以有益于除了太陽能轉(zhuǎn)換的應用，并且這些應用也需要將光子的寬帶源轉(zhuǎn)變成電信號。本發(fā)明已經(jīng)提出一系列不同的實施方式。涉及單片半導體光致電壓的太陽能電池的所有實施方式包括至少一個子電池，該子電池具有自組裝量子點材料。已給出關于如何調(diào)整具有自組裝量子點材料的子電池有效帶隙的細節(jié)。與現(xiàn)有技術(shù)的太陽能電池相比，帶隙的調(diào)整將允許太陽能電池具有更高的轉(zhuǎn)換效率。已經(jīng)論述了包括兩個、三個和四個子電池的實施方式。本發(fā)明的上述實施方式僅僅用于作為例子。在不脫離由所附權(quán)利要求書單獨限的本發(fā)明范圍的情況下，本領域技術(shù)人員可以對特定實施方案進行變更、修改和變異。權(quán)利要求1.一種單片多結(jié)半導體光致電壓的太陽能電池，其包括多個串聯(lián)設置的子電池，所述多個子電池中的至少一個子電池包含外延生長的自組裝量子點材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述太陽能電池還包括在所述多個子電池內(nèi)形成的隧道結(jié)，所述隧道結(jié)用于與所述子電池電連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述太陽能電池還包括導電的襯底，所述多個子電池設置在該襯底上。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能電池，其中每個所述子電池均具有有效帶隙能量，所述多個子電池按有效帶隙能量增加的次序設置，具有最低有效帶隙能量的子電池最接近該襯底。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中每個所述子電池用于吸收基本上相同份數(shù)的太陽光子。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中所述多個子電池由下述三個子電池組成具有最低有效帶隙能量的第一子電池，具有最高有效帶隙能量的第三子電池，和包含自組裝量子點材料的第二子電池。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池，其中該襯底是Ge或GaAs襯底；該第一子電池包含Ge，該第一子電池的有效帶隙能量大約為0.7eV；該第二子電池包含插有GaAs或AlGaAs層的多層InGaAs量子點層，該第二子電池的有效帶隙能量大約為1.16eV；以及該第三子電池包含GaInP、AlGaAs或AlGaInP，該第三子電池的有效帶隙能量大約為1.8eV。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽能電池，其中該第一子電池是外延生長而成。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽能電池，其中該襯底是Ge襯底，且該第一子電池是該襯底的互相擴散部分。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽能電池，其中該襯底是n摻雜的襯底；以及該第一子電池、該第二子電池和該第三子電池均包含n-p或n-i-p結(jié)，每個結(jié)的n側(cè)比該結(jié)的p側(cè)更接近該襯底。11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽能電池，其中該襯底是p摻雜的襯底；以及該第一子電池、該第二子電池和該第三子電池均包含p-n或p-i-n結(jié)，每個結(jié)的p側(cè)比該結(jié)的n側(cè)更接近該襯底。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述子電池中的一個子電池包含布拉格反射器或分布布拉格反射器，以改變所述太陽能電池的吸收特性。13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中該襯底是Ge或GaAs襯底；所述多個子電池由下述四個子電池組成具有大約0.7eV的有效帶隙能量的第一子電池；具有大約1.0eV的有效帶隙能量的第二子電池；具有大約1.4eV的有效帶隙能量的第三子電池；和具有大約1.8eV的有效帶隙能量的第四子電池。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的太陽能電池，其中該第一子電池包含Ge；該第二子電池包含插有GaAs或AlGaAs層的多層InGaAs量子點層；該第三子電池包含GaAs或AlGaAs；以及該第四子電池包含GaInP或AlGaAs。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的太陽能電池，其中該襯底是n摻雜的襯底；以及第一子電池、第二子電池、第三子電池和第四子電池均包含n-p或n-i-p結(jié)，每個結(jié)的n側(cè)比該結(jié)的p側(cè)更接近該襯底。16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的太陽能電池，其中該襯底是p摻雜的襯底；以及第一子電池、第二子電池、第三子電池和第四子電池均包含p-n或p-i-n結(jié)，每個結(jié)的p側(cè)比該結(jié)的n側(cè)更接近該襯底。17.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中該襯底是Ge或GaAs襯底；以及所述多個子電池由兩個子電池組成包含自組裝量子點層材料的第一子電池和具有大約1.6eV的有效帶隙的第二子電池，該第一子電池的有效帶隙小于該第二子電池的有效帶隙。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的太陽能電池，其中該第一子電池和該第二子電池用于吸收基本上相同份數(shù)的太陽光子。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的太陽能電池，其中該自組裝量子點層材料包含插有GaAs或AlGaAs層的多層InGaAs量子點層，該第二子電池的有效帶隙能量大約為0.92eV；以及該第二子電池包含GaInPAs或AlGaAs。20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的太陽能電池，其中該自組裝量子點層材料包括插有GaAs或AlGaAs層的多層InGaAs量子點層，該第二子電池的有效帶隙能量大約為0.92eV；以及該第二子電池包含自組裝量子點層材料，并該自組裝量子點層材料具有插有AlGaAs層的InAlAs量子點。21.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中該襯底是Ge或GaAs襯底；以及所述多個子電池由下述兩個子電池組成第一子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有GaAs或AlGaAs層的多層InGaAs量子點層；以及第二子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有AlGaInP層的多層InP量子點層。22.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中該襯底是Ge或GaAs襯底；以及所述多個子電池由下述兩個子電池組成第一子電池，其包含Ge；以及第二子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有GaAs或AlGaAs層的多層InGaAs量子點層。23.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中該襯底是InP襯底；以及所述多個子電池由下述兩個子電池組成第一子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有InGaAs層的多層InAs量子點層；以及第二子電池，其包含AlGaInAs或InAlAsP。24.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中該襯底是Si襯底；以及所述多個子電池由下述兩個子電池組成第一子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有Si層的多層SiGe量子點層；以及第二子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有GaP層的多層InP量子點層。25.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中該襯底是具有緩沖層的硅襯底；以及所述多個子電池由下述兩個子電池組成第一子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有GaAs或AlGaAs層的多層InGaAs量子點層；以及第二子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有AlGaAs或GaAs層的多層AlInAs量子點層。26.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中該襯底是具有緩沖層的Si襯底；以及所述多個子電池由下述兩個子電池組成第一子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有GaAs或AlGaAs層的多層InGaAs量子點層；以及第二子電池，其包含自組裝量子點層材料，該自組裝量子點層材料具有插有GaInP層的多層InGaAs量子點層。27.一種單片半導體光致電壓的太陽能電池，包括硅襯底；躍遷層，其在該硅襯底上異質(zhì)生長，該躍遷層包含多個GaAs和AlGaAs層；以及第一子電池，其在該躍遷層上外延生長，該第一子電池包含自組裝量子點材料。28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的太陽能電池，其中該第一子電池包含插有AlGaAs層的多層InGaAs量子點層，該第一子電池的有效帶隙能量大約為0.92eV。29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的太陽能電池，其中所述太陽能電池還包括在該第一子電池上外延生長的第二子電池，該第二子電池包含自組裝量子點材料。30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的太陽能電池，其中該第二子電池包含插有AlGaAs層的多層AlInAs量子點層，該第二子電池的有效帶隙能量大約為1.6eV。31.一種單片半導體光致電壓的太陽能電池，包括InP襯底；在該襯底上外延生長的第一子電池，該第一子電池包含插有InGaAs層的多層InAs量子點層。32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的太陽能電池，其中所述太陽能電池還包含在該第一子電池上外延生長的第二子電池，該第二子電池包含摻雜的AlInAs。33.一種在襯底上制造單片多結(jié)光致電壓的太陽能電池的方法，包括以下步驟通過外延生長自組裝量子點材料形成量子點子電池，該自組裝量子點材料具有插有阻擋層的多層量子點層。34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中該襯底是導電的Ge襯底，該方法還包括下列步驟通過在該襯底上外延生長Ge子電池，或通過使該襯底的一部分互相擴散，在該襯底上形成Ge子電池；在該Ge子電池和該量子點子電池之間形成隧道結(jié)，該量子點子電池在該Ge子電池上形成，所述量子點層包含InGaAs量子點，所述阻擋層包含GaAs或AlGaAs；通過在該量子點子電池上外延生長GaInP、AlGaAs或AlGaInP形成GaInP、AlGaAs或AlGaInP子電池；在該量子點子電池和該GaInP、AlGaAs或AlGaInP子電池之間形成隧道結(jié)；以及在該襯底上形成第一電觸點并在該GaInP、AlGaAs或AlGaInP子電池上形成第二電觸點。全文摘要一種單片半導體光致電壓的太陽能電池，其包括在導電襯底上串聯(lián)設置的多個子電池。所述多個子電池的至少一個子電池包含外延生長的自組裝量子點材料。所述子電池通過隧道結(jié)電連接。所述子電池中的每一個子電池均具有有效帶隙能量。所述子電池按有效帶隙能量增加的次序設置，并且具有最低有效帶隙能量的子電池最接近該襯底。在某些情況下，各所述子電池設計成吸收基本上相同量的太陽光子。文檔編號H01L31/18GK1910759SQ200580002861公開日2007年2月7日申請日期2005年1月20日優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日發(fā)明者西蒙·法法爾德申請人:瑟雷姆技術(shù)公司