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传统GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池在单倍AM0光谱下的转换效率已经突破31％，在AM1.5D光谱下，经过364倍聚光的转换效率高达41.6％，已接近这类电池的理论极限。采用晶格失配(MM)结构、倒装结构或采用半导体材料直接键合的方式都可以进一步提升电池的转换效率，但采用这些结构或方法得到的电池芯片一致性和重复性较差。而正装晶格匹配的五结太阳能电池可以很好地解决这一难题。但是，在实际外延生长和芯片加工过程中，也会遇到以下四个主要难点:首先，在AlGaInP子电池中，由于氧原子和铝原子之间具有较高的离解能，较多的氧杂质随着外延生长并入到材料中形成深能级缺陷，进而严重影响该结子电池的外量子效率;其次，GaInNAs材料与Ge的晶格匹配，同时具有1.0eV的禁带宽度，是第四结子电池的最优选择。但是其材料缺陷多、晶体质量差，该子电池的开路电压与理论值相差较大，外量子效率偏低;然后，与三结太阳能电池相比，五结太阳能电池虽然只增加了两结子电池，但是增加了芯片工艺的复杂性，对帽层腐蚀、台面隔离、欧姆接触和增透膜蒸镀等工艺提出更高的要求;最后，多个重掺杂的隧道结将产生较强的吸光作用，同时其产生的压降与电池开路电压相反。这就要求五结电池中的隧道结材料具有较宽的禁带宽度和较低的串联电阻。本论文围绕着晶格匹配AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结太阳能电池外延生长与芯片所面临的以上四个主要难点，分别研究了AlGaInP、AlGaInAs子电池的制备、GaInNAs子电池的优化和芯片工艺中的关键参数，同时，对五结电池中的隧道结也做了详细的研究。获得的研究成果如下: 1、首次研究了表面活性剂Sb对AlGaInP材料以及AlGaInP/Ge双结电池的影响，经过系列实验得到了较好的效果。首先，表面活性剂Sb的并入可以改善材料的晶体质量;其次，由于Sb的并入增加了材料的无序度，使得禁带宽度有所提升，在太阳能电池中表现为开路电压的提高;最后，可以采用较低Al组分掺Sb的AlGaInP材料，得到与较高Al组分不掺Sb的AlGaInP材料相同的禁带宽度。同时，在相同禁带宽度条件下，由于Al组分降低的原因，AlGaInP子电池可以获得更高的外量子效率，减少2％的Al组分可以使短路电流提高20％左右。经过优化，AlGaInP/Ge双结子电池的性能为:短路电流密度12.6mA/cm2，开路电压1.796V，填充因子86.2％，在标准单倍AM0光谱条件下的转换效率为14.5％。 2、提出了在GaInNAs子电池结构中插入布拉格反射器结构，这一研究大大提高了长波方向的外量子效率，外量子效率峰值超过80％，短路电流密度达到11.26mA/cm2，解决了该结子电池在五结中的限流问题。同时，首次对GaInNAs子电池的抗辐照性能做了初步的探索。辐照后短路电流剩余因子为98％，开路电压剩余因子为90％，填充因子的剩余因子为97.5％。 3、根据五结太阳能电池的外延结构特点，本文首次提出了一种可以同时腐蚀砷化物、磷化物材料的HBr腐蚀液体系，并取得了较好的腐蚀效果。同时，通过详细的优化实验，得到了对GaInAs帽层具有高稳定腐蚀速率，且对AlInP材料有极高选择比的NH3H2O体系作为帽层腐蚀液。由于五结太阳能电池中GaInNAs子电池具有限流作用，本文还针对900-1150nm波段的反射率做了相关优化，得到的增透膜在该波段的反射率小于5％，明显提高了GaInNAs子电池的外量子效率，从而缓解了限流作用。 4、本文得到了一种新型的具有Al0.1GaAs插入层的宽禁带GaInP/AlGaAs隧道结。在五结太阳能电池中，既保证了透光性又具有较高的峰值遂穿电流密度。同时，该隧道结在地面高倍聚光中，可以满足1500倍甚至更高的聚光要求。 5、采用MOCVD设备得到了AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结晶格匹配太阳能电池，在AM0单倍光谱条件下测试，得到短路电流为134.96mA，开路电压为4.472V，填充因子为81.3％，转换效率为30.29％。