過(guò)去幾年，將CPV技術(shù)從空間應(yīng)用向地面應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力非常強(qiáng)烈。事實(shí)上，全球許多部門(mén)的政府和機(jī)關(guān)已經(jīng)制定出加速發(fā)展計(jì)劃。與此同時(shí)，有許多公司致力于CPV太陽(yáng)能的地面應(yīng)用。Solar Systems是澳大利亞的公司，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了碟技術(shù)（圖1），它采用密集的高效、高性能三結(jié)CPV太陽(yáng)能電池陣列，與空間所用的類(lèi)似。在這種碟系統(tǒng)中，接收器組件（它安裝在收集陽(yáng)光的橢圓焦點(diǎn)）包含2000個(gè)以上的CPV太陽(yáng)能電池。可惜的是，這些太陽(yáng)能電池的固有成本使系統(tǒng)非常昂貴，因此，蝶形系統(tǒng)的LCOE（均化發(fā)電成本）值比保證值高。如果有辦法降低CPV電池成本，同時(shí)保持電池器件的效率不變，蝶形系統(tǒng)在太陽(yáng)能地面市場(chǎng)中的應(yīng)用就更有競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，典型CPV太陽(yáng)能電池的最佳效率性能為43.5%，預(yù)計(jì)到2020年能達(dá)到50%。另外，從圖2可見(jiàn)，點(diǎn)聚焦聚光太陽(yáng)能電池的成本結(jié)構(gòu)在規(guī)模生產(chǎn)時(shí)將在10美元/cm2范圍內(nèi)。若此數(shù)值在規(guī)模生產(chǎn)時(shí)能降到～1美元/cm2，同時(shí)效率不變，那就會(huì)對(duì)系統(tǒng)成本和LCOE這樣的計(jì)量產(chǎn)生顯著影響。III-V族優(yōu)秀性能與低成本Si經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)組合在圖2中用圓圈圈出，圖中的標(biāo)記示出了Si技術(shù)上的III-V族多結(jié)電池在價(jià)格/產(chǎn)生功率之比下降的區(qū)域。
談及成本問(wèn)題的一個(gè)途徑是工程采用的襯底?，F(xiàn)在，所有的CPV太陽(yáng)能電池都采用鍺(Ge)襯底。當(dāng)產(chǎn)業(yè)努力向150mm Ge襯底技術(shù)轉(zhuǎn)移時(shí)，設(shè)計(jì)基于150mm和200mm硅片上的虛擬Ge襯底的趨向不斷增長(zhǎng)。Ge的機(jī)械性質(zhì)(如，重量較大、脆性高和熱導(dǎo)率低)使Ge襯底從工程的角度看不太受歡迎。在標(biāo)準(zhǔn)的制造工廠中150mm或以上的Ge片難以處理，而在全球常見(jiàn)的制造工廠已有的龐大基礎(chǔ)設(shè)施中，200mm硅片非常適合大規(guī)模加工。

設(shè)計(jì)合適的虛擬襯底需要很好地控制硅、鍺、錫（Sn）。三元合金的虛擬襯底將使高性能多結(jié)能在大硅片上生長(zhǎng)。圖3顯示了增加三元合金中Sn含量的作用。Sn含量百分比低時(shí)，重點(diǎn)將在界面工程設(shè)計(jì)上，第三或較低的Ge結(jié)能建立在硅片上。Sn含量百分比增加時(shí)，三元合金的作用更趨向于增加吸收系數(shù)的光學(xué)工程設(shè)計(jì)上。最后，三元合金中Sn含量百分比為5-10%時(shí)，能在工程上實(shí)現(xiàn)1eV子電池結(jié)的設(shè)計(jì)。

Sn的使用在多結(jié)電池設(shè)計(jì)中提供了自由度，如圖4所示，圖中給出了正常晶格常數(shù)與常見(jiàn)化合物半導(dǎo)體材料的帶隙的關(guān)系。通過(guò)在0.565nm處對(duì)齊的垂直黑虛線，圖中也顯示了傳統(tǒng)Ge襯底及相關(guān)的固定三結(jié)設(shè)計(jì)路徑。該線右側(cè)的垂直紅虛線描述了一個(gè)解決方案，即從采用基于硅平臺(tái)的虛擬三元合金襯底用于晶格匹配的四結(jié)（用星號(hào)示出）CPV太陽(yáng)能電池。

大家知道，在硅上直接集成III-V半導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量對(duì)PV器件不合適的材料。我們?cè)诠枭洗笠?guī)模集成多結(jié)太陽(yáng)能電池的方法，是基于制作在Si（100）上生長(zhǎng)設(shè)計(jì)的虛擬Ge模板，接著III-V MOCVD。結(jié)果，這種Ge/Si模板可以是有效光伏器件的一部分。理論估算預(yù)計(jì)，相對(duì)于體Ge襯底，厚度為5微米Ge層吸收GaAs過(guò)濾光的～85%。這一估算指出，在硅上用外延Ge的三結(jié)太陽(yáng)能電池的性能不會(huì)受阻。

在我們的設(shè)計(jì)中，Ge層用UHV-CVD工藝淀積，其中的乙鍺烷和錫烷氣體前驅(qū)物使我們能實(shí)行低溫生長(zhǎng)。在反應(yīng)中加入少量錫烷導(dǎo)致置換Sn進(jìn)入單晶Ge晶格矩陣，水平低于1x1019cm-3。即使在這些低水平Sn情況下，生長(zhǎng)質(zhì)量也足以局部減少失配應(yīng)變，促進(jìn)硅與鍺之間大晶格失配（4%）的緩和，通過(guò)在Si/Ge界面處形成周期性Lomer刃型位錯(cuò)。最后的Ge層為幾微米厚（見(jiàn)圖5），極佳的結(jié)晶平滑性（見(jiàn)圖6），并顯示出原子級(jí)平坦表面。由于應(yīng)變?cè)诮缑婢徑?，Ge薄膜弛豫，進(jìn)入Ge的穿透位錯(cuò)的形成被抑制到1x105cm-2的水平。之所以要求這種水平的材料質(zhì)量，不僅是為了獲得高效率太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換需要的長(zhǎng)載流子平均自由程，而且是為了與III-V MOCVD生長(zhǎng)的嚴(yán)格規(guī)范一致。

本文展示了這種低溫CVD方法對(duì)100和150mm硅片格式的可擴(kuò)展性。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了多硅片反應(yīng)器，它能一次加工一批25硅片。結(jié)果顯示Ge薄膜質(zhì)量及厚度均勻性非常好(超過(guò)90%)，不僅一片硅片上如此，而且整批的片對(duì)片亦如此。在150mm硅片上這種Ge生長(zhǎng)方法的成功展示說(shuō)明，有可能將這一技術(shù)擴(kuò)展到更大尺寸的硅片。Ge-Sn合金中Sn含量增加到0.5%以上可使晶格常數(shù)大于Ge的材料用于工程設(shè)計(jì)，得到匹配更好的III-V族多結(jié)光伏堆疊。同時(shí)也降低了帶隙(相對(duì)于Ge而言)，增加了合金的吸收系數(shù)，這提高了底部光伏結(jié)的性能。硅與Ge-Sn系的附加合金的形成能增加材料的帶隙，這樣達(dá)到了所要求的1.0eV范圍，同時(shí)晶格匹配Ge。

圖7說(shuō)明了具有替代附加的Sn的Ge晶格常數(shù)的擴(kuò)大，圖中，我們畫(huà)出二次2θ/θ X-射線衍射掃描重疊，這二次掃描是從純Ge薄膜（藍(lán)軌跡）和Ge0.99Sn0.01薄膜（紅軌跡）得到的，它們的厚度一樣，為0.5μm，淀積在錯(cuò)切角6°的Si(100)上。Ge-Sn(004)衍射峰明顯移到較低的角度（相對(duì)于與純Ge），對(duì)應(yīng)更大的合金晶格間距（5.665?)。此004反射omega擺動(dòng)曲線掃描的FWMH小于0.2度，表明材料的結(jié)晶質(zhì)量很好。圖8示出了Ge0.99Sn0.01層表面的AMF掃描，說(shuō)明表面平坦，粗糙度低(rms 1.3nm)，適合進(jìn)一步薄膜層生長(zhǎng)和器件加工。掃描中沒(méi)有島狀物也表明在薄膜表面沒(méi)有Sn離析。