本論文係報導一種單晶CdTe/MgCdTe雙異質結構的太陽能電池，其具有a-Si：H電洞接觸及ITO/SiOx電極堆疊層。類似的設計已實現具有高的開路電壓，但其低短路電流密度及填充因子卻限制電池的效率。本論文研究這些損失的來源，且在處理一些太陽能電池時，在AM1.5G照光下測得的最大總面積效率為18.5％，有效面積效率為20.3％。另外也量測其他的電池，可以測到高達1.11V的開路電壓，同時仍保持可觀的填充因子，而沒有翻轉(rollover)現象產生。在開路之前或之後都沒有翻轉現象，證實這種方法具有非常高效率的潛力。在整個光譜範圍內進行量化和分析元件內的光學損失，以確定是否具有通過減少寄生吸收以增加電流產生的潛力。此外，根據擬合電流-電壓特性顯示，填充因子低於理想值的主要原因是串聯電阻，造成7％的絕對損失。
矽和砷化鎵太陽能電池的效率接近各自的基本限制，由於過度的非輻射複合以及難以通過II-VI材料的p型摻雜形成電洞接觸，故CdTe元件僅繼續萎縮在其極限值的67％。事實上，記錄上的矽和砷化鎵太陽能電池具有單晶吸收體，而CdTe領域的進展繼續是由多晶薄膜驅動。然而，人們對單晶CdTe太陽能電池再次的感到興趣，是因為其開路電壓（Voc）超過1V，這是一項顯著的成就，多晶矽薄膜的Voc之紀錄僅為0.887 V。值得注意的是，雖然此類多晶元件使用的Cd（Se）Te系列合金吸收材料的能隙低於純CdTe的能隙約90 mV，卻可以有效限制可實現最大Voc。但仍然留下約520mV相當大的能隙電壓偏移（Ｗoc = Eg/q - Voc）。
相較之下，本研究中顯示出對應於Woc的最高電壓約390mV，這是透過使用磊晶生長雙異質結構設計與a-Si：H電洞接觸所實現的，以解決困擾CdTe薄膜的三個挑戰：塊材的載子壽命短，高界面複合速度（IRVs），以及無法形成重摻雜的p型接觸。使用寬能隙包覆層之n型CdTe吸收層的隔離層，可以確保該區域內載子有很長的壽命和低的IRV，同時使當作接觸層的材料之選擇範圍更廣。儘管它們具有高的電壓，但是近期的單晶元件之效率還是低於最佳的多晶元件，很大程度上是因為短路電流密度（Jsc）相當低:單晶電池的Jsc約為22 mA/cm2， 而多晶元件的Jsc則超過30 mA/cm2。兩者之間有差異的一部分原因是由於能隙差異約90 mV所造成的，約佔3 mA/cm2，但大部分也是由於反射和寄生吸收所引起的。在此處，本論文提出第一種調整，以改善這些單晶CdTe元件的光學和電學特性，並使電池效率能達到20％。這些改善包括在銦錫氧化物（ITO）電極的頂部添加SiOx層，用以當作第二個抗反射塗層，並降低ITO層中的寄生吸收，以及調節MgCdTe前阻擋層的鎂含量和厚度，以便於電洞傳輸，同時確保低的IRV。然後，描述剩餘的光學損失並簡要檢視電性損失。
實驗結果，Voc是1.0919 V（CdTe太陽能電池的最高認證值），雖然元件具有可觀的串聯電阻，但J-V特性沒有翻轉(rollover)。FF超過70％，這比典型記錄中的Voc元件更高，為了將Voc提高，通常會犧牲FF。在所有的情況下，Voc均在1 V以上，而FF則超過70％。 在具有相當金屬覆蓋率的電池上測量出20.3％的最大有效面積效率，這可以解釋總面積和有效面積的Jsc之間的巨大差異。大部分多晶矽電池與經由NREL開發的新型單晶元件相比，元件的Voc和載子壽命存在著相當大的差距。使用較薄單晶吸收層的雙異質結構設計會導致本體的少數載子壽命足以提供比吸收層厚度更長的擴散長度。
根據Merten等人開發的模型，具有最佳總面積效率之元件的J-V曲線符合單二極體模型。並聯電阻僅為5 kΩ-cm2時，在短路周圍的微小斜率可以有很好地擬合，此表示輕微的分流將導致0.6％的FF損失。串聯電阻是最大的損失機制，如果電阻可以降低，預計FF的改善絕對會超過7％。其中大約1％可以歸因於正面電極（正面ITO的120Ω/□片電阻率，及指狀電極中的電阻損失和接觸電阻）。其餘6％損失的來源還在研究中，可能起源於CdTe吸收層與電極之間的電荷提取的許多位障層。因為使用相同結構的矽異質結構太陽能電池有很高的FF值，所以預期從p型a-Si：H到ITO的電洞提取會產生小於0.5％的損耗，而剩下超過5.5%的損失則在II-VI堆疊層和MgCdTe/a-Si：H界面。由於所有膜層中都有較高的摻雜和InSb的低能隙，所以從CdTe緩衝層到InSb晶圓和背面金屬的電子傳輸電阻可以忽略不計。實際上，根據由單一CdTe/InSb界面組成的測試結構之垂直傳輸電阻測量的結果，CdTe/InSb界面的接觸電阻僅為0.013 Ω-cm。雖然前後層之間的分攤的比例並不確定，但是兩個MgCdTe位障層可能是造成損失的最大部分。對於所使用的材料成分不同，MgCdTe和CdTe之間的導電帶和價電帶偏移比率也不是確定已知的。除了鎂成分的差異之外，在前面部分和後面部分也使用不同的摻雜濃度和厚度。改變這兩個位障層的厚度和組成，將有助於確認傳輸電阻的損失，並找到一個最佳的位障層，以盡量減少多數載子的提取阻力，同時保持低的IRV。
綜合本論文之研究結果，單晶CdTe雙異質結構太陽能電池是一個極好可以探索以前在CdTe太陽能電池中表現出低Voc的材料問題之平台。隨著通過1 V的基準測試，單晶CdTe元件的效率已經越來越接近於多晶薄膜的記錄。本論文已經提出在ASU測量條件下，總面積效率為18.5％和工作面積效率為20.3％的CdTe太陽能電池，及經NREL認證具有17.1％的總面積效率的太陽能電池。在a-Si：H電洞接觸層中的寄生吸收被認為是主要的Jsc損失機制。根據J-V的曲線顯示，FF中超過7％的絕對損失僅可以透過串聯電阻解釋，其中大部分損失（5.5％）被認為是由MgCdTe位障層本身所造成的。降低前位障層中的價電帶偏移或藉由使用更高的功函數的電洞接觸層可以減少其影響，對於實現絕對增加FF中5.5％的可能性是必不可少的。ZnCdTe位障層具有更理想的價電帶偏移，但是由於與寬能隙層所需的鋅成分會導致主要晶格差配，所以它們在高品質單晶元件中的生長會很困難。