氫化物氣相磊晶法（HVPE）是成長III-V族太陽能電池之傳統金屬有機氣相磊晶法（MOVPE）的低成本替代方案。在本研究中，作者展示HVPE生長單接面GaAs太陽能電池的性能持續提升。通過排除生長中斷法，顯示GaAs和GaInP層之間的界面複合速度可以得到一個數量級的改善，與具有中斷生長的電池相比，短路電流密度和開路電壓都有增加。通過改善製程，實現1-sun轉換效率高達20.6％。從基板中移除以反向組態生長的太陽能電池顯示出與晶圓上電池幾乎相同的性能，證明HVPE與傳統晶圓再利用技術一起使用以進一步降低成本的可行性。這些元件利用多異質接面，長現出HVPE可用於複雜生長和高品質III-V族元件的潛力。
III-V太陽能電池已經實現在單接面和多接面結構中任何材料系統的最高轉換效率。不幸的是，這些高效率電池目前僅限於高價格市場(如衛星電源，高集光追蹤系統和地球的生態區位應用)，因為它們的製造成本極高。所以必須降低現今產業中標準金屬有機氣相沉積（MOVPE）製程的成本，同時保持高效率，以便這些有價值的太陽能電池能夠進入到更大的市場。MOVPE的高成本主要來自使用昂貴的金屬有機先質，而且這種技術的生產量通常很緩慢。這需要使用高太陽光集光率（> 500×）以降低昂貴的製程。
氫化物氣相磊晶法（HVPE）與MOVPE相比，其係操作在熱力學平衡態附近，並且有可能以低成本實現高品質的薄膜。HVPE可以獲得比MOVPE（高達300μm/ h）明顯更高的生長率，使用低的V族過壓力（顯著降低氫化物氣體的成本），並且通過用廉價的III族元素金屬代替昂貴的金屬有機源（與MOVPE中使用的典型金屬有機物相比，節省了10倍），從而實現非常低的材料成本。HVPE目前用於生產厚的高品質獨立式GaN基板; 然而，對於元件應用的其他III-V族材料的生長的作用卻是有限的。對於光伏（PV）應用，HVPE自1970年以來還沒有得到廣泛的研究。Johnston和Callahan能夠藉由採用AlAs異質結構達到18％的效率，但其表面沒有鈍化處理。Bozler和Fan對未鈍化處理的結構可以達到15.3％的效率，並且通過陽極氧化的頂部表面，在AM1.0條件下能夠將效率提高到20％。Olsen等人通過利用GaInP窗層成功地展示較低的界面複合速度，但僅達到13.4％的效率。這些先前的HVPE生長元件受到高界面複合速度和/或未優化結構的限制，使其效率限制而沒有超過20％。而且，還應該注意的是，這個時期的太陽能電池並沒有在今天的標準測試條件下測量; 因此，與當前工作的直接比較起來是較具有挑戰性的。到最近，有具有現代元件設計的HVPE生長的太陽能電池，特別是具有陡的低缺陷界面的元件發表。在本研究中，作者展示了HVPE生產高品質的GaAs接面，其性能與其他生長技術相當。本文還發表該製程容許的相關生長過程之精確模擬和預測的熱力學性質。而且展示透過這種低成本技術生長的III-V光電元件的持續改進。作者提出GaAs太陽能電池具有有效的窗口表面鈍化層，其轉換效率> 20％。此外，本文展示了以反向組態生長和從母晶圓移除的元件開發，使可以提高潛在性能的外加背反射器可與現有的基板再利用技術兼容。
在實驗步驟方面，III-V磊晶層和元件係在定制的大氣壓直立式HVPE反應器中生長。這種獨特的反應器係透過在具有不同生長環境的腔體之間的晶圓之機械轉移，利用兩個相鄰的生長室以非常高的生長率形成陡接面。該反應器設計可以模擬線上生長系統的許多特徵。所有膜層都是在650℃下生長在p型，朝向（111）B平面偏離4°的GaAs（100）晶片上。生長具有和不具有GaInP窗層的初始GaAs太陽能電池，以測試HVPE生長的GaInP膜鈍化電池前表面的有效性。所有元件的厚GaAs吸收基極層以〜1μm/ min生長，而且由〜3μm厚的p摻雜（〜1×1017cm-3）基極層組成。鈍化結構具有〜20nm晶格匹配的GaInP窗層以及用於促進歐姆接觸的大量n型摻雜GaAs層。太陽能電池元件用Au前面和背面歐姆接觸電極，並且使用具有氙弧燈的XT-10連續波太陽模擬器在模擬的AM1.5G光譜下進行照光和暗電流密度電壓（J-V）測量 。使用校準的參考裝置結合光譜不匹配校正因子調整強度，以便精確地模擬1-陽光條件。使用具有內置反射測量二極體的自製外部量子效率（EQE）系統量測量子效率，以計算內部量子效率（IQE）。進行二次離子質譜（SIMS）測量以確定HVPE生長膜層中的雜質度。使用商業DLTS系統測量深層暫態光譜（DLTS）。在選定的電池上，用蒸鍍機沉積MgF2（100nm）/ ZnS（45nm）抗反射塗層（ARC）。
在作者先前的研究中，已經展示了未鈍化結構具有〜0.96V的開路電壓（VOC），與使用相同元件結構的MBE生長材料相當。然而，由於膜層中的過渡金屬污染，HVPE生長元件會有較低的VOC值。對於在與污染前所生長的電池相比，觀察到VOC下降為40mV。應該注意的是，與原始結構相比，由HVPE方式生長的元件具有更薄（50nm）的發射層，且使得其更加透明，並且使基極層中可以收集更多的光，其在未鈍化的頂部表面上的載子複合問題較小。儘管反應器中存在有污染物，但是通過傳輸影像測量儀的量測，本研究之少數載子擴散長度比基極層厚度長。作者也開發高品質的晶格匹配的GaInP窗層，以鈍化HVPE生長的GaAs太陽能電池的前表面，以提高元件的性能。
由於在反應器中有存在污染物，所以近來以HVPE生長的GaAs p-n接面與作者先前的元件相比，明顯有一些退化。然而，儘管有存在這些污染物，但是作者使用HVPE仍然可以達到20.6％有效率的GaAs太陽能電池。這是藉由添加HVPE生長的GaInP窗層所實現，達到無生長中斷，增加JSC，VOC和效率，顯示在HVPE中陡變和高的鈍化界面是可行的。本論文還展示了具有多個異質界面的更複雜的元件結構。這些元件以反向組態生長，隨後從基板上移除，表示HVPE與傳統晶圓再利用技術可以一起使用以提高成本減少的可行性。本研究展示，低成本高生長率的HVPE法是III-V材料和元件發展很有前途的技術。