An efficiency of 40.7% was measured and independently confirmed for a metamorphic three-junction GaInP∕GaInAs∕Ge cell under the standard spectrum for terrestrial concentrator solar cells at 240 suns (24.0W∕cm2, AM1.5D, low aerosol optical depth, 25°C). This is the initial demonstration of a solar cell with over 40% efficiency, and is the highest solar conversion efficiency yet achieved for any type of photovoltaic device. Lattice-matched concentrator cells have now reached 40.1% efficiency. Electron-hole recombination mechanisms are analyzed in metamorphic GaxIn1−xAs and GaxIn1−xP materials, and fundamental power losses are quantified to identify paths to still higher efficiencies.

Concerns about the changing environment and fossil fuel depletion have prompted much controversy and scrutiny. One way to address these issues is to use concentrating photovoltaics (CPV) as an alternate source for energy production. Multijunction solar cells built from III–V semiconductors are being evaluated globally in CPV systems designed to supplement electricity generation for utility companies. The high efficiency of III–V multijunction concentrator cells, with demonstrated efficiency over 40% since 2006, strongly reduces the cost of CPV systems, and makes III–V multijunction cells the technology of choice for most concentrator systems today. In designing multijunction cells, consideration must be given to the epitaxial growth of structures so that the lattice parameter between material systems is compatible for enhancing device performance. Low resistance metal contacts are crucial for attaining high performance. Optimization of the front metal grid pattern is required to maximize light absorption and minimize I2R losses in the gridlines and the semiconductor sheet. Understanding how a multijunction device works is important for the design of next-generation high efficiency solar cells, which need to operate in the 45%–50% range for a CPV system to make better economical sense. However, the survivability of solar cells in the field is of chief concern, and accelerated tests must be conducted to assess the reliability of devices during operation in CPV systems. These topics are the focus of this review.

Abstract The potential for new 4‐, 5‐, and 6‐junction solar cell architectures to reach 50% efficiency is highly leveraging for the economics of concentrator photovoltaic (CPV) systems.The theoretical performance of such next‐generation cells, and experimental results for 3‐ and 4‐junction CPV cells, are examined here to evaluate their impact for real‐world solar electricity generation. Semiconductor device physics equations are formulated in terms of the band gap‐voltage offset W oc  ( E g / q ) − V oc , to give a clearer physical understanding and more general analysis of the multiple subcell band gaps in multijunction cells. Band gap‐voltage offset is shown experimentally to be largely independent of band gap E g for a wide range of metamorphic and lattice‐matched semiconductors from 0.67 to 2.1 eV. Its theoretical E g dependence is calculated from that of the radiative recombination coefficient, and at a more fundamental level using the Shockley‐Queisser detailed balance model, bearing out experimental observations. Energy production of 4‐, 5‐, and 6‐junction CPV cells, calculated for changing air mass and spectrum over the course of the day, is found to be significantly greater than for conventional 3‐junction cells. The spectral sensitivity of these next‐generation cell designs is fairly low, and is outweighed by their higher efficiency. Lattice‐matched GaInP/GaInAs/Ge cells have reached an independently confirmed efficiency of 41.6%, the highest efficiency yet demonstrated for any type of solar cell. Light I‐V measurements of this record 41.6% cell, of next‐generation upright metamorphic 3‐junction cells with 40% target production efficiency, and of experimental 4‐junction CPV cells are presented. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

ABSTRACT Multijunction III‐V concentrator cells of several different types have demonstrated solar conversion efficiency over 40% since 2006, and represent the only third‐generation photovoltaic technology to enter commercial power generation markets so far. The next stage of solar cell efficiency improvement, from 40% to 50%‐efficient production cells, is perhaps the most important yet, since it is in this range that concentrator photovoltaic (CPV) systems can become the lowest cost option for solar electricity, competing with conventional power generation without government subsidies. The impact of 40% and 50% cell efficiency on cost‐effective geographic regions for CPV systems is calculated in the continental US, Europe, and North Africa. We take a systematic look at a progression of multijunction cell architectures that will take us up to 50% efficiency, using modeling grounded in well‐characterized solar cell materials systems of today's 40% cells, discussing the theoretical, materials science, and manufacturing considerations for the most promising approaches. The effects of varying solar spectrum and current balance on energy production in 4‐junction, 5‐junction, and 6‐junction terrestrial concentrator cells are shown to be noticeable, but are far outweighed by the increased efficiency of these advanced cell designs. Production efficiency distributions of the last five generations of terrestrial concentrator solar cells are discussed. Experimental results are shown for a highly manufacturable, upright metamorphic 3‐junction GaInP/GaInAs/Ge solar cell with 41.6% efficiency independently confirmed at 484 suns (48.4 W/cm 2 ) (AM1.5D, ASTM G173‐03, 25 °C), the highest demonstrated for a cell of this type requiring a single metal‐organic vapor‐phase epitaxy growth run. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Thermophotovoltaics are promising solid-state energy converters for a variety of applications such as grid-scale energy storage, concentrating solar-thermal power, and waste-heat recovery. Here, we report the design, fabrication, and testing of large area (0.8 cm2), scalable, single-junction 0.75-eV GaInAs thermophotovoltaic devices reaching an efficiency of 38.8% ± 2.0% and an electrical power density of 3.78 W/cm2 at an emitter temperature of 1,850°C. Reaching such a high emitter temperature and power density without sacrificing efficiency is a direct result of combining good spectral management with an optimized cell architecture, excellent material quality, and low series resistance. Importantly, fabrication of 12 high-performing devices on a 2-in wafer is shown to be repeatable, and the cell design can be readily transferred to commercial epitaxy on even larger wafers. Further improvements in efficiency can be obtained by using a multijunction architecture, illustrated by early results for a two-junction 0.84-eV GaInPAs/0.75-eV GaInAs device.

We demonstrate GaAs thermophotovoltaic (TPV) devices with a patterned dielectric back contact (PDBC) architecture, featuring a dielectric spacer between the semiconductor and back metal contact over most of the back surface for high reflectance, and metal point contacts over a smaller area for electrical conduction. In the TPV application, high sub-bandgap reflectance is needed to reflect unused sub-bandgap photons to the thermal emitter to minimize energy losses in this portion of the thermal spectrum. We explore different PDBC fabrication processes with SU-8 and SiO2 dielectric spacer layers to maximize sub-bandgap reflectance while minimizing series resistance to increase TPV conversion efficiency. We successfully demonstrate GaAs SU-8 PDBC TPV devices with 2200 °C blackbody-weighted sub-bandgap reflectance of 94.9% and 96.5% with and without a front metal grid, respectively. This is 0.7% and 2.3% (absolute) higher than the mean sub-bandgap reflectance of 94.2% for GaAs baseline TPV devices with 100% Au back contact with front metal grid. Lower sub-bandgap reflectance in TPV devices with front grids indicates the front grid induces light scattering leading to additional parasitic absorption in the TPV device. We also show that for higher contact coverage fractions, the PDBC reflectance cannot in general be treated by a linear interpolation using simple 1D transfer matrix method modeling and should be treated instead as a diffraction grating by solving Maxwell's equations in 3D.

Thermophotovoltaic (TPV) devices convert thermal radiation directly into electricity using semiconductor diodes and have a variety of uses from waste heat recovery to energy storage to primary power conversion. Recent results have demonstrated promising cells nearing and surpassing 30% conversion efficiency. As TPV cells continue to increase in efficiency, they become attractive for a wider range of applications. Their efficiencies must be quantified in a standardized fashion to compare results accurately across research groups. Here, we outline and quantify the most important characteristics of an accurate and precise TPV efficiency measurement. Using a custom-built measurement apparatus that takes these characteristics into account, we report 19 cells with greater than 30% conversion efficiency and 2 cells with greater than 35% conversion efficiency. This confirms that our reported cell efficiencies are not simply those of hero cells but rather of a distribution of cells that can be produced in a consistent, high-quality process.

We have demonstrated world-record thermophotovoltaic (TPV) conversion efficiency in two materials systems operating at two different thermal emitter temperatures. A GaAs-based PV device under a 2330 °C thermal emitter produced an efficiency of (31 ± 2)%, and an In 0.53 Ga 0.47 As -based PV device under a 1300 °C thermal emitter produced an efficiency of (30 ± 2)%. The electrical output power densities of the cells were 2.45 W/cm 2 and 0.658 W/cm 2 , respectively. Critical to these high efficiencies were the cells' high reflectance of photon energies below the absorber band gap. Unlike solar PV, for which sub-band gap (SBG) light is lost, a TPV cell can reflect SBG light back to the thermal emitter where it can be recycled. The demonstrations were made on a custom-built measurement platform in which a ~ 100 cm 2 graphite thermal emitter was heated under vacuum. The TPV efficiencies were evaluated by comparing the measured electrical output power of the cell with the total power absorbed by the cell. The measured TPV efficiencies as a function of thermal emitter temperature were corroborated by our full system modeling. As far as the authors are aware, these are the highest TPV conversion efficiencies ever measured, and device improvements should yield > 40% efficiency in the near future.

The patterned dielectric back contact (PDBC) structure can be used to form a point-contact architecture that features a dielectric spacer with spatially distributed, reduced-area metal point contacts between the semiconductor back contact layer and the metal back contact. In this structure, the dielectric-metal region provides higher reflectance and is electrically insulating. Reduced-area metal point contacts provide electrical conduction for the back contact but typically have lower reflectance. The fabrication methods discussed in this article were developed for thermophotovoltaic cells, but they apply to any III-V optoelectronic device requiring the use of a conductive and highly reflective back contact. Patterned dielectric back contacts may be used for enhanced sub-bandgap reflectance, for enhanced photon recycling near the bandgap energy, or both depending on the optoelectronic application. The following fabrication methods are discussed in the article PDBC fabrication procedures for spin-on dielectrics and commonly evaporated dielectrics to form the spacer layer. Methods to selectively etch a parasitically absorbing back contact layer using metal point contacts as an etch mask. Methods incorporating a dielectric etch through different process techniques such as reactive ion and wet etching.