過去幾年，將CPV技術(shù)從空間應(yīng)用向地面應(yīng)用的驅(qū)動力非常強烈。事實上，全球許多部門的政府和機關(guān)已經(jīng)制定出加速發(fā)展計劃。與此同時，有許多公司致力于CPV太陽能的地面應(yīng)用。Solar Systems是澳大利亞的公司，已經(jīng)開發(fā)了碟技術(shù)（圖1），它采用密集的高效、高性能三結(jié)CPV太陽能電池陣列，與空間所用的類似。在這種碟系統(tǒng)中，接收器組件（它安裝在收集陽光的橢圓焦點）包含2000個以上的CPV太陽能電池。可惜的是，這些太陽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，同時保持電池器件的效率不變，蝶形系統(tǒng)在太陽能地面市場中的應(yīng)用就更有競爭力。

目前，典型CPV太陽能電池的最佳效率性能為43.5%，預(yù)計到2020年能達到50%。另外，從圖2可見，點聚焦聚光太陽能電池的成本結(jié)構(gòu)在規(guī)模生產(chǎn)時將在10美元/cm2范圍內(nèi)。若此數(shù)值在規(guī)模生產(chǎn)時能降到～1美元/cm2，同時效率不變，那就會對系統(tǒng)成本和LCOE這樣的計量產(chǎn)生顯著影響。III-V族優(yōu)秀性能與低成本Si經(jīng)濟性的優(yōu)勢組合在圖2中用圓圈圈出，圖中的標記示出了Si技術(shù)上的III-V族多結(jié)電池在價格/產(chǎn)生功率之比下降的區(qū)域。
談及成本問題的一個途徑是工程采用的襯底?，F(xiàn)在，所有的CPV太陽能電池都采用鍺(Ge)襯底。當產(chǎn)業(yè)努力向150mm Ge襯底技術(shù)轉(zhuǎn)移時，設(shè)計基于150mm和200mm硅片上的虛擬Ge襯底的趨向不斷增長。Ge的機械性質(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。在標準的制造工廠中150mm或以上的Ge片難以處理，而在全球常見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。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，重點將在界面工程設(shè)計上，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，三元合金的作用更趨向于增加吸收系數(shù)的光學工程設(shè)計上。最后，三元合金中Sn含量百分比為5-10%時，能在工程上實現(xiàn)1eV子電池結(jié)的設(shè)計。

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

大家知道，在硅上直接集成III-V半導(dǎo)體會產(chǎn)生質(zhì)量對PV器件不合適的材料。我們在硅上大規(guī)模集成多結(jié)太陽能電池的方法，是基于制作在Si（100）上生長設(shè)計的虛擬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，相對于體Ge襯底，厚度為5微米Ge層吸收GaAs過濾光的～85%。這一估算指出，在硅上用外延Ge的三結(jié)太陽能電池的性能不會受阻。

在我們的設(shè)計中，Ge層用UHV-CVD工藝淀積，其中的乙鍺烷和錫烷氣體前驅(qū)物使我們能實行低溫生長。在反應(yīng)中加入少量錫烷導(dǎo)致置換Sn進入單晶Ge晶格矩陣，水平低于1x1019cm-3。即使在這些低水平Sn情況下，生長質(zhì)量也足以局部減少失配應(yīng)變，促進硅與鍺之間大晶格失配（4%）的緩和，通過在Si/Ge界面處形成周期性Lomer刃型位錯。最后的Ge層為幾微米厚（見圖5），極佳的結(jié)晶平滑性（見圖6），并顯示出原子級平坦表面。由于應(yīng)變在界面緩解，Ge薄膜弛豫，進入Ge的穿透位錯的形成被抑制到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能轉(zhuǎn)換需要的長載流子平均自由程，而且是為了與III-V MOCVD生長的嚴格規(guī)范一致。

本文展示了這種低溫CVD方法對100和150mm硅片格式的可擴展性。為此，我們設(shè)計了多硅片反應(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90%)，不僅一片硅片上如此，而且整批的片對片亦如此。在150mm硅片上這種Ge生長方法的成功展示說明，有可能將這一技術(shù)擴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，得到匹配更好的III-V族多結(jié)光伏堆疊。同時也降低了帶隙(相對于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，這樣達到了所要求的1.0eV范圍，同時晶格匹配Ge。

圖7說明了具有替代附加的Sn的Ge晶格常數(shù)的擴大，圖中，我們畫出二次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，淀積在錯切角6°的Si(100)上。Ge-Sn(004)衍射峰明顯移到較低的角度（相對于與純Ge），對應(yīng)更大的合金晶格間距（5.665?)。此004反射omega擺動曲線掃描的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，說明表面平坦，粗糙度低(rms 1.3nm)，適合進一步薄膜層生長和器件加工。掃描中沒有島狀物也表明在薄膜表面沒有Sn離析。