JP3173016U - Grid design of III-V compound semiconductor solar cells - Google Patents
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Abstract
【課題】セル領域の平方センチメートル当たりの最大DC電力が35ミリワットを超える発電を可能にするグリッド構成を有する改良されたIII−V化合物半導体多接合型太陽電池を提供する。
【解決手段】太陽からエネルギを生成する光起電太陽電池であって、第1の光活性接合を含み下部サブセル10を形成するゲルマニウム基板と、ゲルマニウム基板の上に配置されたガリウム砒化物の中間サブセル20と、中間サブセル20の上に配置されたインジウム・ガリウム燐化物の上部サブセル30と、複数の離間したグリッド線45を含む表面グリッドと、を備え、グリッド線45は7ミクロンより厚く、各グリッド線は、断面積45〜55平方ミクロンの台形状の断面を有する。
【選択図】図2An improved III-V compound semiconductor multi-junction solar cell having a grid configuration that enables power generation with a maximum DC power per square centimeter of the cell area of greater than 35 milliwatts.
A photovoltaic solar cell that generates energy from the sun, comprising a germanium substrate that includes a first photoactive junction and forms a lower subcell 10, and an intermediate between a gallium arsenide disposed on the germanium substrate. A subcell 20, an indium gallium phosphide upper subcell 30 disposed over the intermediate subcell 20, and a surface grid including a plurality of spaced gridlines 45, each gridline 45 being thicker than 7 microns, The grid lines have a trapezoidal cross section with a cross-sectional area of 45 to 55 square microns.
[Selection] Figure 2
Description
本考案は、概して、太陽光を電気エネルギに変換するための宇宙または地上の集光式太陽光発電システムの太陽電池の設計に関し、より詳細には、太陽電池上のグリッド構成を含む配列に関する。 The present invention relates generally to the design of solar cells in space or terrestrial concentrating photovoltaic systems for converting sunlight into electrical energy, and more particularly to arrangements including grid configurations on solar cells.
市販の地上太陽光発電用途向けのシリコン太陽電池は、8%〜15%の範囲の効率を有する。III−V化合物に基づく化合物半導体太陽電池は、通常動作条件で28%の効率を有する。さらに、III−V化合物半導体光電池上へ太陽光エネルギを集めることにより、集光の下の効率が37%を超えて、太陽電池の効率が増加することがよく知られている。 Commercially available silicon solar cells for terrestrial photovoltaic applications have efficiencies in the range of 8-15%. Compound semiconductor solar cells based on III-V compounds have an efficiency of 28% under normal operating conditions. Furthermore, it is well known that by collecting solar energy on a III-V compound semiconductor photovoltaic cell, the efficiency under concentrating exceeds 37% and the efficiency of the photovoltaic cell is increased.
現在、地上太陽光発電システムは、その低コストおよび普及を考慮して、シリコン太陽電池を使用している。III−V化合物半導体太陽電池は、人工衛星の用途で広く使用されているが、そのようなデバイスを選択する際、それらの電力−重量の効率はワット単価の検討よりも重要であり、そのようなIII−V化合物半導体太陽電池は、地球の表面(気団1.5またはAM1.5Dとして知られている)に存在する太陽光スペクトルの最適カバレッジを満たすように未だ設計されていない。 Currently, terrestrial photovoltaic power generation systems use silicon solar cells in view of their low cost and widespread use. Although III-V compound semiconductor solar cells are widely used in satellite applications, their power-weight efficiency is more important than watt unit cost considerations when selecting such devices. Such III-V compound semiconductor solar cells have not yet been designed to meet the optimal coverage of the solar spectrum present on the Earth's surface (known as air mass 1.5 or AM1.5D).
シリコンおよびIII−V化合物半導体太陽電池の両方の設計において、第1の電気的コンタクトは、通常、光吸収部または太陽電池の前側に配置され、第2のコンタクトは、太陽電池の後ろ側に配置される。光活性半導体が、基板の光吸収部に配置され、光が太陽電池内で吸収されるときに電子流を生成する1つまたはそれ以上のp−n接合を備える。導電性グリッド線が、この電子流を取り込むために太陽電池の上部表面上を延長し、前側コンタクトまたはボンディングパッドに接続される。 In both silicon and III-V compound semiconductor solar cell designs, the first electrical contact is typically placed on the front side of the light absorber or solar cell, and the second contact is placed on the back side of the solar cell. Is done. A photoactive semiconductor is disposed in the light absorber of the substrate and comprises one or more pn junctions that generate an electron current when light is absorbed in the solar cell. Conductive grid lines extend over the top surface of the solar cell to capture this stream of electrons and are connected to front contacts or bonding pads.
太陽電池の設計を特定する重要な様相は、太陽電池を構成する半導体材料層の物理的構造(組成、バンドギャップ、および層の厚さ)である。しばしば、太陽電池は、異なるバンドギャップを有する材料を利用して、できるだけ多くの太陽光スペクトルを変換するために、垂直に多接合構造で製造される。本考案による設計に有用な多接合構造の一態様は、ゲルマニウム下部サブセル、ガリウム砒化物(GaAs)中間サブセル、およびインジウム・ガリウム燐化物(InGaP)上部サブセルから成る、三重接合太陽電池構造である。 An important aspect that identifies solar cell design is the physical structure (composition, band gap, and layer thickness) of the semiconductor material layers that make up the solar cell. Often, solar cells are fabricated with vertically multi-junction structures in order to convert as much sunlight spectrum as possible utilizing materials with different band gaps. One embodiment of a multijunction structure useful for design according to the present invention is a triple junction solar cell structure comprising a germanium lower subcell, a gallium arsenide (GaAs) intermediate subcell, and an indium gallium phosphide (InGaP) upper subcell.
本考案の目的は、太陽放射AM1.5Dの太陽におけるセル領域の平方センチメートル当たりの最大DC電力が35ミリワットを超える発電を可能にするグリッド構成を有する地上発電用途の改良されたIII−V化合物半導体多接合型太陽電池を提供することにある。 It is an object of the present invention to provide an improved III-V compound semiconductor for terrestrial power generation applications having a grid configuration that allows for maximum DC power per square centimeter of cell area in the sun of solar radiation AM1.5D to exceed 35 milliwatts. It is to provide a junction type solar cell.
本考案の目的は、太陽放射AM0の太陽におけるセル領域の平方センチメートル当たりの最大DC電力が35ミリワットを超える発電を可能にするグリッド構成を有する宇宙発電用途の改良されたIII−V化合物半導体多接合型太陽電池を提供することにある。 The object of the present invention is an improved III-V compound semiconductor multi-junction type for space power applications having a grid configuration that allows a maximum DC power per square centimeter of solar cell of solar radiation AM0 to exceed 35 milliwatts. It is to provide a solar cell.
本考案の他の目的は、集光式太陽光発電用途に大電流を提供するため、III−V半導体太陽電池の前表面上にグリッド構造を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a grid structure on the front surface of a III-V semiconductor solar cell in order to provide a large current for concentrating photovoltaic applications.
いくつかの実施形態は、上記の目的のすべてより少数を達成しうる。 Some embodiments may achieve fewer than all of the above objectives.
要約すると、本考案は、500×より大きい光集中を作成する集光レンズと、集光ビームの経路内の太陽電池とを有する、太陽からエネルギを生成する集光式光起電性太陽電池の構成を提供する。その太陽電池は、第1の光活性接合を有し、下部サブセルを形成するゲルマニウム基板と;前記基板上に配置されたガリウム砒化物中間サブセルと;前記中間サブセルの上に配置され、AM1.5スペクトル領域内で吸収を最大化するためのバンドギャップを有するインジウム・ガリウム燐化物上部サブセルと;前記上部サブセルの上に配置され、複数の離間されたグリッド線を有する表面グリッドと;を備え、前記グリッド線は、7ミクロンより大きい厚さを有し、各グリッド線は、45〜55平方ミクロンの断面面積を有する台形状の断面を有する。 In summary, the present invention provides a concentrating photovoltaic solar cell that generates energy from the sun, having a condensing lens that creates a light concentration greater than 500 ×, and a solar cell in the path of the converging beam. Provide configuration. The solar cell includes a germanium substrate having a first photoactive junction and forming a lower subcell; a gallium arsenide intermediate subcell disposed on the substrate; and an AM1.5 disposed on the intermediate subcell. An indium gallium phosphide upper subcell having a band gap for maximizing absorption in the spectral region; and a surface grid disposed on the upper subcell and having a plurality of spaced grid lines; The grid lines have a thickness greater than 7 microns and each grid line has a trapezoidal cross section with a cross-sectional area of 45 to 55 square microns.
他の態様において、本開示は、太陽からエネルギを生成する光起電性の太陽電池を提供する。その太陽電池は、第1の光活性接合を有し、下部サブセルを形成するゲルマニウム基板と;前記基板上に配置されたガリウム砒化物中間サブセルと;前記中間サブセルの上に配置されたインジウム・ガリウム燐化物上部サブセルと;複数の離間されたグリッド線を有する表面グリッドと;を備え、前記グリッド線は、7ミクロンより大きい厚さを有し、各グリッド線は、45〜55平方ミクロンの断面面積を有する台形状の断面を有する。 In another aspect, the present disclosure provides a photovoltaic solar cell that generates energy from the sun. The solar cell includes a germanium substrate having a first photoactive junction and forming a lower subcell; a gallium arsenide intermediate subcell disposed on the substrate; and indium gallium disposed on the intermediate subcell A phosphide upper subcell; and a surface grid having a plurality of spaced grid lines, each grid line having a thickness greater than 7 microns, each grid line having a cross-sectional area of 45 to 55 square microns And has a trapezoidal cross section.
他の態様において、本開示は、太陽からエネルギを生成するように構成された光起電性の太陽電池を提供エネルギ太陽電池は、第1の光活性接合を有し、下部サブセルを形成するゲルマニウム基板と;前記基板上に配置されたガリウム砒化物中間サブセルと;前記中間サブセルの上に配置されたインジウム・ガリウム燐化物上部サブセルと;前記上部サブセルの上に配置され、複数の離間されたグリッド線を有する表面グリッドと;を備え、前記グリッド線は、7ミクロンより大きい厚さを有する。 In another aspect, the present disclosure provides a photovoltaic solar cell configured to generate energy from the sun, the energy solar cell having a first photoactive junction and forming a lower subcell A substrate; a gallium arsenide intermediate subcell disposed on the substrate; an indium gallium phosphide upper subcell disposed on the intermediate subcell; and a plurality of spaced grids disposed on the upper subcell A surface grid having lines, the grid lines having a thickness greater than 7 microns.
いくつかの実施形態において、表面のグリッド線は、上部の幅が約4.5ミクロン、下部の幅が約7ミクロンの台形状の断面形状を有する。 In some embodiments, the surface gridlines have a trapezoidal cross-sectional shape with an upper width of about 4.5 microns and a lower width of about 7 microns.
いくつかの実施形態において、表面のグリッド線は、中心線間のピッチが約100ミクロンである。 In some embodiments, the surface gridlines have a pitch between centerlines of about 100 microns.
いくつかの実施形態において、表面のグリッド線は、上部表面を覆う複数の平行なグリッド線から構成される。 In some embodiments, the surface grid lines are comprised of a plurality of parallel grid lines covering the top surface.
いくつかの実施形態において、表面のグリッド線は、上部サブセルの表面領域の5%以上、その表面領域の10%未満を覆う総表面領域を有する。 In some embodiments, the surface grid lines have a total surface area covering 5% or more of the surface area of the upper subcell and less than 10% of the surface area.
いくつかの実施形態において、表面のグリッド線は、表面領域の約6%を覆うグリッドパターンの総表面領域を有する。 In some embodiments, the surface grid lines have a total surface area of a grid pattern that covers about 6% of the surface area.
いくつかの実施形態において、太陽電池は、3.0ボルト以上のオープン回路電圧(VOC)、0.13アンペア/ワット以上のショート回路応答性、0.70以上の曲線因子(FF:fill factor)を有し、セル領域の平方センチメートル当たり35ミリワットを超える最大DC電力を生成し、太陽放射AM1.5Dで35%/sunを超える変換効率を有する。 In some embodiments, the solar cell has an open circuit voltage (V OC ) greater than 3.0 volts, a short circuit response greater than 0.13 amps / watt, a fill factor (FF) greater than 0.70. A maximum DC power of over 35 milliwatts per square centimeter of cell area, and a conversion efficiency of over 35% / sun with solar radiation AM1.5D.
いくつかの実施形態において、太陽電池は、3.0ボルト以上のオープン回路電圧(VOC)、0.13アンペア/ワット以上のショート回路応答性、0.70以上の曲線因子(FF:fill factor)を有し、セル領域の平方センチメートル当たり35ミリワットを超える最大DC電力を生成し、太陽放射AM0で35%/sunを超える変換効率を有する。 In some embodiments, the solar cell has an open circuit voltage (V OC ) greater than 3.0 volts, a short circuit response greater than 0.13 amps / watt, a fill factor (FF) greater than 0.70. And a maximum DC power of over 35 milliwatts per square centimeter of cell area and a conversion efficiency of over 35% / sun with solar radiation AM0.
いくつかの実施形態において、上部、中間および下部サブセルのバンドギャップは、それぞれ、1.9eV、1.4eVおよび0.7eVである。 In some embodiments, the upper, middle and lower subcell band gaps are 1.9 eV, 1.4 eV and 0.7 eV, respectively.
いくつかの実施形態において、上部サブセルは、300オーム/スクエア未満のシート抵抗を有する。 In some embodiments, the upper subcell has a sheet resistance of less than 300 ohms / square.
いくつかの実施形態において、上部サブセルのシート抵抗は、約200オーム/スクエアである。 In some embodiments, the sheet resistance of the upper subcell is about 200 ohms / square.
いくつかの実施形態において、太陽電池のサブセルの間に配置されたトンネルダイオード層は、トンネルダイオード中の電流密度が15〜30アンペア/平方センチメートルとなるのに適した厚さを有する。 In some embodiments, the tunnel diode layer disposed between solar cell subcells has a thickness suitable for a current density in the tunnel diode of 15-30 amps / square centimeter.
本考案のいくつかの実施形態は、前記概要で示した態様および特徴のいくつかを取り込みまたは実施するであろう。 Some embodiments of the present invention will incorporate or implement some of the aspects and features outlined in the foregoing summary.
本発明の詳細が、その例示的な態様および実施形態を用いて、ここで説明されるであろう。図面および以下の説明において、類似または機能的に同じ要素を識別するのに、類似の参照符号が使用され、単純化された図法で例示的な実施形態の主な特徴が示される。さらに、図面は、実際の実施形態のすべての特徴をあらわすものではなく、図示された要素の相対的な寸法をあらわすものでもなく、正確な拡大縮小率で描かれたものでもない。 The details of the invention will now be described using its exemplary aspects and embodiments. In the drawings and the following description, like reference characters are used to identify similar or functionally similar elements, and the main features of the exemplary embodiments are shown in simplified schematic form. Furthermore, the drawings do not represent all features of an actual embodiment, nor represent the relative dimensions of the illustrated elements, and are not drawn to scale.
三重接合III−V化合物半導体太陽電池の一般的な半導体構造の設計が、関連参照として本明細書に取り込まれる米国特許第6,680,432号に詳細に記載されている。 The general semiconductor structure design of triple junction III-V compound semiconductor solar cells is described in detail in US Pat. No. 6,680,432, incorporated herein by reference.
図1の例に示されているように、下部サブセル10は、p型ゲルマニウム(Ge)で形成された基板11,12を備えており、この下部はサブセル10のベース層としても機能する。金属コンタクト層(またはパッド)50がベース層11の底部に形成され、多接合太陽電池への電気的コンタクトを提供する。さらに、下部サブセル10は、例えば、n型Geエミッタ領域12、およびn型核生成層13を備えている。核生成層13は基板11,12の上に配置され、エミッタ層12は、上部層からGe基板へのドーパントの拡散によってGe基板の中に形成され、それによって、p型ゲルマニウム基板の上部12をn型領域12に変えている。高濃度ドープされたn型ガリウム砒化物層14が、核生成層13の上に堆積され、エミッタ領域12への砒素ドーパント源となっている。
As shown in the example of FIG. 1, the
成長基板およびベース層11は、p型Ge成長基板およびベース層が好ましいが、他の半導体材料もまた、成長基板およびベース層として使用可能であり、または成長基板としてのみ使用可能である。このような基板の例は、これに限定されるものではないが、GaAs、InP、GaSb、InAs、InSb、GaP、Si、SiGe、SiC、Al2O3、Mo、ステンレススチール、ソーダ石灰ガラス、およびSiO2を含む。
The growth substrate and
高濃度ドープされたp型アルミニウム・ガリウム砒化物(AlGaAs)および(GaAs)トンネル接合層14,15が核生成層13の上に配置され、トンネルダイオードを形成して下部サブセルと中間サブセル20との間に低抵抗経路を提供する。
Highly doped p-type aluminum gallium arsenide (AlGaAs) and (GaAs)
中間サブセル20は、高濃度ドープされたp型アルミニウム・ガリウム砒化物(AlGaAs)裏面領域(BSF;back surface field)層16と、p型InGaAsベース層17と、高濃度ドープされたn型インジウム・ガリウム燐化物(InGaP2)エミッタ層18と、高濃度ドープされたn型インジウム・アルミニウム燐化物(AlInP2)窓層19とを備えている。
The
窓層は、一般に、エミッタと同じドーピング型を有するが、エミッタよりドーピング濃度が高い。さらに、窓層内におけるマイノリティキャリヤの光生成と注入を抑制し、再結合を減らすため、窓層は、エミッタより大きいバンドギャップを有することが望ましい。さもなければ、窓層内で再結合が発生するであろう。AlInP、AlAs、AlP、AlGaInP、AlGaAsP、AlGaInAs、AlGaInPAs、GaInP、GaInAs、GaInPAs、AlGaAs、AlInAs、AlInPAs、GaAsSb、AlAsSb、GaAlAsSb、AlInSb、GaInSb、AlGaInSb、AlN、GaN、InN、GaInN、AlGaInN、GaInNAs、AlGaInNAs、ZnSSe、CdSSe、および本発明の要旨の範囲内にある他の材料を含む種々の異なる半導体材料が、光起電セルの窓層、エミッタ、ベースおよび/またはBSF層として使用可能であることに留意すべきである。 The window layer generally has the same doping type as the emitter, but has a higher doping concentration than the emitter. Furthermore, it is desirable for the window layer to have a larger band gap than the emitter in order to suppress light generation and injection of minority carriers in the window layer and reduce recombination. Otherwise, recombination will occur in the window layer. AlInP, AlAs, AlP, AlGaInP, AlGaAsP, AlGaInAs, AlGaInPAs, GaInP, GaInAs, GaInPAs, AlGaAs, AlInAs, AlInPAs, GaAsSb, AlAsSb, GaAlAsSb, AlInSb, GaInSb, AlGaInSb, AlGaInSb, AlGaInSb, AlGaInSb, AlGaInSb A variety of different semiconductor materials, including AlGaInNAs, ZnSSe, CdSSe, and other materials within the scope of the present invention can be used as the window layer, emitter, base and / or BSF layer of photovoltaic cells. Should be noted.
中間サブセル20のInGaAsベース層17は、例えば、約1.5%のインジウムを含む。他の組成も同様に使用可能である。ベース層17は、下部サブセル10のトンネル接合層14,15の上にBSF層が堆積された後に、BSF層16の上に形成される。
The
BSF層16は、中間サブセル20中の再結合損失を減少させるために設けられる。BSF層16は、再結合損失の効果を最小限にとどめるために、裏面近くの高濃度ドープされた領域からのマイノリティキャリヤを追いやる。このようにして、BSF層16は、太陽電池の裏側における再結合損失を減少させ、ベース層/BSF層界面における再結合を減少させる。エミッタ層18が堆積された後に、中間サブセル20のエミッタ層18の上に窓層19が堆積される。また、中間サブセル20内の窓層19は、再結合損失を減らすのを助け、下層の接合のセル表面のパッシベーションを改善する。
The
上部サブセル30の層を堆積する前に、高濃度ドープされたn型InAlP2トンネル接合層21およびp型InGaP2トンネル接合層22が、それぞれ、中間サブセル20の上に堆積され、トンネルダイオードを形成する。
Prior to depositing the
高集光の地上用太陽電池の実施形態において、サブセルの間に配置されたトンネルダイオード層は、トンネルダイオードを通る電流の密度15〜30アンペア/平方センチメートルを支持するのに適合した厚さを有する。 In a high concentration terrestrial solar cell embodiment, the tunnel diode layer disposed between the subcells has a thickness adapted to support a current density of 15-30 amps / square centimeter through the tunnel diode.
一実施形態において、上部サブセル30は、高濃度ドープされたp型インジウム・ガリウム・アルミニウム燐化物(InGaAlP)BSF層23、p型InGaP2ベース層24、高濃度ドープされたn型InGaP2エミッタ層25、および高濃度ドープされたn型InAlP2窓層26を備えている。中間サブセル20のトンネル接合層21,22の上にBSF層23が形成された後、上部サブセル30のベース層24がBSF層23の上に堆積される。ベース層24の上にエミッタ層25が形成された後、上部サブセルのエミッタ層25の上に窓層26が堆積される。上部サブセル30の窓層26の上に、キャップ層27が堆積されて、別々のコンタクト領域にパターニングされる。
In one embodiment, the
キャップ層27は、上部サブセル30から金属グリッド層40への電気的コンタクトとして働く。上部サブセルのシート抵抗は、300オーム/スクウェア未満であり、いくつかの実施形態では、約200オーム/平方センチメートルである。ドープされたキャップ層27は、例えば、GaAsまたはInGaAs層などの半導体層である。また、キャップ層27のコンタクト領域の間の窓層26の表面上に反射防止コーティング28を設けてもよい。
The
従来技術の太陽電池におけるグリッド線40は、一般に、セルの対向側上の2つのバスバーの間で延長している。従来技術において、グリッド線は、一般に、5ミクロン以下の厚さまたは高さ、約5ミクロンの幅、約100ミクロンのピッチ(すなわち、隣接するグリッド線の中心間の距離)を有する。グリッドパターンの総表面領域は、上部サブセルの表面領域の5.0%〜10.0%である。
図2の例に示すように、本実施形態の太陽電池は、図1の太陽電池と実質的に同じ半導体層11〜27、金属コンタクト層50、および反射防止コーティング層28を有するので、そのような詳細説明の繰り返しは省略する。
As shown in the example of FIG. 2, the solar cell of the present embodiment has substantially the same semiconductor layers 11 to 27,
本開示のいくつかの実施形態において、グリッド線45は、セルの対向側上の2つのバスバーの間で延長している。いくつかの実施形態において、各グリッド線45は、断面積45〜55平方ミクロンの台形形状の断面を有し、各コンダクタのサイズは、高集光の太陽電池によって生成される比較的高い電流のコンダクションに適合される。
In some embodiments of the present disclosure,
グリッド線は、7ミクロン以上の厚さまたは高さ、約5ミクロンの幅、約100ミクロンのピッチ(隣接するグリッド線の中心間の距離)を有する。いくつかの実施形態において、グリッド線は、約4.5ミクロンの上辺、約7ミクロンの底辺を有する台形形状の断面を有する。 The grid lines have a thickness or height of 7 microns or more, a width of about 5 microns, and a pitch of about 100 microns (distance between the centers of adjacent grid lines). In some embodiments, the grid lines have a trapezoidal cross section with an upper side of about 4.5 microns and a base of about 7 microns.
グリッドパターンの総表面領域は、上部サブセルの表面領域の5.0%〜10.0%である。グリッドパターンおよびグリッド線の寸法は、太陽電池によって生成された比較的高い電流を運ぶように選択される。いくつかの実施形態において、グリッドパターンの総表面積は、上部サブセルの表面領域の6.0%である。 The total surface area of the grid pattern is 5.0% to 10.0% of the surface area of the upper subcell. The grid pattern and grid line dimensions are selected to carry a relatively high current generated by the solar cell. In some embodiments, the total surface area of the grid pattern is 6.0% of the surface area of the upper subcell.
いくつかの実施形態において、地上用電力用途などのため、集光レンズ60または他の光学部品が、太陽電池の上に配置され、太陽電池の表面上で500×以上の倍率まで入射する太陽光をフォーカスするのに使用される。
In some embodiments, for example, for terrestrial power applications, a condensing
いくつかの実施形態において、結果としての太陽電池は、上部サブセルで1.9eV、中間サブセルで1.4eV、下部サブセルで0.7eVのバンドギャップを有する。いくつかの実施形態において、セル領域の平方センチメートル当たり35ミリワットを超える最大DC電力を生成するように、500×を超える倍率で集光された太陽光によって照明されたとき、太陽電池は、3.0ボルト以上のオープン回路電圧(VOC)、0.13アンペア/ワット以上のショート回路応答性、0.70以上の曲線因子(FF:fill factor)を有し、摂氏25度で、気団1.5(AM1.5D)または同等の地上スペクトルで、35%以上の変換効率を有する。 In some embodiments, the resulting solar cell has a band gap of 1.9 eV in the upper subcell, 1.4 eV in the middle subcell, and 0.7 eV in the lower subcell. In some embodiments, when illuminated by sunlight concentrated at a magnification greater than 500 ×, the solar cell is 3.0 watts so as to produce a maximum DC power of greater than 35 milliwatts per square centimeter of cell area. Open circuit voltage (V OC ) above volt, short circuit responsiveness above 0.13 amps / watt, fill factor (FF) above 0.70, 25 degrees Celsius, air mass 1.5 (AM1.5D) or equivalent ground spectrum with a conversion efficiency of 35% or more.
図3は、太陽電池の表面積1平方センチメートル、AM1.5Dスペクトル、500サン・イルミネーション(sun illumination)における、グリッド線の厚さの関数としての太陽電池の変換効率を示すグラフである。このような太陽電池(モデルCTJとして識別される)は、500倍以上の倍率で太陽電池上に入射する太陽光ビームをフォーカスするためのレンズまたは他の光学部品を使用する集光式発電システムの地上用途に適している。厚いグリッド線(例えば、厚さ7ミクロン以上)の使用によって、太陽電池の変換効率が実質的に改善される。現在の生産技術を使用した生産または信頼性の観点から、リソグラフィおよび処理条件の制限によって、グラフの最高端(すなわち、10ミクロン以上)のグリッド厚さの実現が困難であるかもしれないが、本開示の教示をそこなうものではない。 FIG. 3 is a graph showing solar cell conversion efficiency as a function of grid line thickness at a solar cell surface area of 1 square centimeter, an AM 1.5D spectrum, and 500 sun illumination. Such a solar cell (identified as a model CTJ) is a concentrating power generation system that uses a lens or other optical component to focus a solar beam incident on the solar cell at a magnification of 500 times or more. Suitable for ground use. The use of thick grid lines (eg, 7 microns thick or more) substantially improves the conversion efficiency of solar cells. From a production or reliability point of view using current production techniques, it may be difficult to achieve a grid thickness at the extreme edge of the graph (ie, 10 microns or more) due to limitations in lithography and processing conditions. This does not detract from the teachings of the disclosure.
図4は、表面積60平方センチメートル、AM0スペクトル、1サン・イルミネーション(sun illumination)における、グリッド線の厚さの関数としての太陽電池の変換効率を示すグラフである。このような太陽電池(モデルZTJとして識別される)は、1サン(すなわち、入射する太陽光ビームの拡大を使用しない)で動作する発電システムにおける宇宙用途に適している。厚いグリッド線(例えば、厚さ7ミクロン以上)の使用によって、太陽電池の変換効率が実質上改善される。現在の生産技術を使用した生産または信頼性の観点から、リソグラフィおよび処理条件の制限によって、グラフの最高端(すなわち、10ミクロン以上)のグリッド厚さの実現が困難であるかもしれないが、本開示の教示をそこなうものではない。 FIG. 4 is a graph showing the conversion efficiency of a solar cell as a function of grid line thickness at a surface area of 60 square centimeters, an AM0 spectrum, 1 sun illumination. Such a solar cell (identified as model ZTJ) is suitable for space applications in a power generation system operating with one sun (ie, no use of incident solar beam expansion). The use of thick grid lines (eg, 7 microns thick or more) substantially improves the conversion efficiency of the solar cell. From a production or reliability point of view using current production techniques, it may be difficult to achieve a grid thickness at the extreme edge of the graph (ie, 10 microns or more) due to limitations in lithography and processing conditions. This does not detract from the teachings of the disclosure.
10:下部サブセル
11,17,24:ベース層
12,18,25:エミッタ層
14,15,21,22:トンネル接合層
16,23:裏面領域(BSF;back surface field)層
19,26:窓層
20:中間サブセル
27:キャップ層
28:反射防止コーティング
30:上部サブセル
40,45:グリッド線
50:金属コンタクト層(またはパッド)
60:集光レンズ
10: Lower subcells 11, 17, 24: Base layers 12, 18, 25: Emitter layers 14, 15, 21, 22: Tunnel junction layers 16, 23: Back surface field (BSF) layers 19, 26: Windows Layer 20: Intermediate subcell 27: Cap layer 28: Antireflection coating 30: Upper subcell 40, 45: Grid line 50: Metal contact layer (or pad)
60: Condensing lens
Claims (20)
500×より大きい光集中を作成する集光レンズと、
前記光集中された光ビームの経路内の太陽電池と、を有し、
前記太陽電池は、
第1の光活性接合を有し、下部サブセルを形成するゲルマニウム基板と、
前記ゲルマニウム基板上に配置されたガリウム砒化物の中間サブセルと、
前記中間サブセルの上に配置され、AM1.5スペクトル領域内で吸収を最大化するためのバンドギャップを有するインジウム・ガリウム燐化物の上部サブセルと、
前記上部サブセルの上に配置され、複数の離間されたグリッド線を有する表面グリッドと、を有し、
前記グリッド線は、7ミクロンより大きい厚さを有し、各グリッド線は、45〜55平方ミクロンの断面積を有する台形状の断面を有し、前記太陽電池で生成された比較的高い電流の伝導に適合している、ことを特徴とする太陽電池。 A concentrating photovoltaic solar cell that generates energy from the sun,
A condenser lens that creates a light concentration greater than 500x;
A solar cell in the path of the light concentrated light beam,
The solar cell is
A germanium substrate having a first photoactive junction and forming a lower subcell;
An intermediate subcell of gallium arsenide disposed on the germanium substrate;
An upper subcell of indium gallium phosphide disposed over the intermediate subcell and having a band gap for maximizing absorption in the AM1.5 spectral region;
A surface grid disposed on the upper subcell and having a plurality of spaced grid lines;
The grid lines have a thickness greater than 7 microns, each grid line has a trapezoidal cross-section with a cross-sectional area of 45-55 square microns, and the relatively high current produced by the solar cell. A solar cell characterized by being adapted for conduction.
前記トンネルダイオード層は、15〜30アンペア/平方センチメートルのトンネルダイオード中の電流密度を支持するように適合された厚さを有する、ことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。 Further comprising a tunnel diode layer disposed between the subcells of the solar cell;
The solar cell of claim 1, wherein the tunnel diode layer has a thickness adapted to support a current density in a tunnel diode of 15 to 30 amperes per square centimeter.
第1の光活性接合を有し、下部サブセルを形成するゲルマニウム基板と、
前記ゲルマニウム基板上に配置されたガリウム砒化物の中間サブセルと、
前記中間サブセルの上に配置されたインジウム・ガリウム燐化物の上部サブセルと、
前記上部サブセルの上に配置され、複数の離間されたグリッド線を有する表面グリッドと、を有し、
前記グリッド線は、7ミクロンより大きい厚さを有し、各グリッド線は、45〜55平方ミクロンの断面積を有する台形状の断面を有する、ことを特徴とする太陽電池。 A photovoltaic solar cell that generates energy from the sun,
A germanium substrate having a first photoactive junction and forming a lower subcell;
An intermediate subcell of gallium arsenide disposed on the germanium substrate;
An upper subcell of indium gallium phosphide disposed on the intermediate subcell;
A surface grid disposed on the upper subcell and having a plurality of spaced grid lines;
The grid line has a thickness greater than 7 microns, and each grid line has a trapezoidal cross section having a cross-sectional area of 45 to 55 square microns.
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