過去幾年，將CPV技術從空間應用向地面應用的驅動力非常強烈。事實上，全球許多部門的政府和機關已經制定出加速發展計劃。與此同時，有許多公司致力于CPV太陽能的地面應用。Solar Systems是澳大利亞的公司，已經開發了碟技術（圖1），它采用密集的高效、高性能三結CPV太陽能電池陣列，與空間所用的類似。在這種碟系統中，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非常昂貴，因此，蝶形系統的LCOE（均化發電成本）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，蝶形系統在太陽能地面市場中的應用就更有競爭力。

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構在規模生產時將在10美元/cm2范圍內。若此數值在規模生產時能降到～1美元/cm2，同時效率不變，那就會對系統成本和LCOE這樣的計量產生顯著影響。III-V族優秀性能與低成本Si經濟性的優勢組合在圖2中用圓圈圈出，圖中的標記示出了Si技術上的III-V族多結電池在價格/產生功率之比下降的區域。
談及成本問題的一個途徑是工程采用的襯底。現在，所有的CPV太陽能電池都采用鍺(Ge)襯底。當產業努力向150mm Ge襯底技術轉移時，設計基于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(如，重量較大、脆性高和熱導率低)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設施中，200mm硅片非常適合大規模加工。

設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計上，第三或較低的Ge結能建立在硅片上。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的光學工程設計上。最后，三元合金中Sn含量百分比為5-10%時，能在工程上實現1eV子電池結的設計。

Sn的使用在多結電池設計中提供了自由度，如圖4所示，圖中給出了正常晶格常數與常見化合物半導體材料的帶隙的關系。通過在0.565nm處對齊的垂直黑虛線，圖中也顯示了傳統Ge襯底及相關的固定三結設計路徑。該線右側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（用星號示出）CPV太陽能電池。

大家知道，在硅上直接集成III-V半導體會產生質量對PV器件不合適的材料。我們在硅上大規模集成多結太陽能電池的方法，是基于制作在Si（100）上生長設計的虛擬Ge模板，接著III-V MOCVD。結果，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的三結太陽能電池的性能不會受阻。

在我們的設計中，Ge層用UHV-CVD工藝淀積，其中的乙鍺烷和錫烷氣體前驅物使我們能實行低溫生長。在反應中加入少量錫烷導致置換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，生長質量也足以局部減少失配應變，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），極佳的結晶平滑性（見圖6），并顯示出原子級平坦表面。由于應變在界面緩解，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量，不僅是為了獲得高效率太陽能轉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，我們設計了多硅片反應器，它能一次加工一批25硅片。結果顯示Ge薄膜質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%以上可使晶格常數大于Ge的材料用于工程設計，得到匹配更好的III-V族多結光伏堆疊。同時也降低了帶隙(相對于Ge而言)，增加了合金的吸收系數，這提高了底部光伏結的性能。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，表明材料的結晶質量很好。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。