JP2001196620A

JP2001196620A - タンデム型太陽電池

Info

Publication number: JP2001196620A
Application number: JP2000006114A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Okumura; 健一奥村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】裏面側の単位太陽電池におけるｐｎ接合の位
置を調整することにより、裏面側の単位太陽電池におけ
るエネルギ変換効率を向上させたタンデム型太陽電池を
提供する。【解決手段】異なるバンドキャップを有する複数の単
位太陽電池１０，２０を積層したタンデム型太陽電池に
おいて、最も光入射側に位置する単位太陽電池１０以外
の単位太陽電池の少なくともいずれか一つ２０における
ｐｎ接合２６の該単位太陽電池内位置を、最も光入射側
に位置する単位太陽電池１０におけるｐｎ接合１６の該
単位太陽電池内位置と比較して、より裏面側に配置した
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池に関し、
より詳細には、異なるバンドキャップを有する複数の単
位太陽電池を積層したタンデム型太陽電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】波長分割構造により太陽光を有効にエネ
ルギに変換することができるようにするタンデム型太陽
電池が知られている。例えば、特開平４−２２６０８４
号公報には、２端子２接合のタンデム型太陽電池が開示
されている。

【０００３】２接合タンデム型太陽電池は、光入射側の
単位太陽電池であるトップセルと裏面側の単位太陽電池
であるボトムセルとが積層された構造を有しており、エ
ネルギの大きい短波長域の光を吸収するトップセルには
バンドギャップの大きい太陽電池が使用される一方、エ
ネルギの小さい長波長域の光を吸収するボトムセルには
バンドギャップの小さい太陽電池が使用されている。そ
して、光入射側すなわち表面側には上部電極が配置され
る一方、裏面側には下部電極が配置される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ボトムセル
においては、長波長域の光を扱っており、トップセルに
おける場合と異なり、その深部でも光の吸収が発生して
いる。しかしながら、ボトムセルにおいてｐｎ接合が形
成される位置は、光の吸収が表面付近で多く発生するト
ップセルの場合と同様の位置であるため、ボトムセルに
おいては、光が吸収される位置とｐｎ接合とが離れてい
ることとなり、その結果、再結合割合が高くなり、エネ
ルギ変換効率が十分でないという問題が生じている。

【０００５】本発明は、上述した問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、裏面側の単位太陽電池にお
けるｐｎ接合の位置を調整することにより、裏面側の単
位太陽電池におけるエネルギ変換効率を向上させたタン
デム型太陽電池を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、異なるバンドキャップを有する複
数の単位太陽電池を積層したタンデム型太陽電池におい
て、最も光入射側に位置する単位太陽電池以外の単位太
陽電池の少なくともいずれか一つにおけるｐｎ接合の該
単位太陽電池内位置を、前記最も光入射側に位置する単
位太陽電池におけるｐｎ接合の該単位太陽電池内位置と
比較して、より裏面側に配置したことを特徴とするタン
デム型太陽電池が提供される。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。

【０００８】図１は、本発明の第１実施形態に係る２端
子２接合タンデム型太陽電池の断面図である。この太陽
電池は、バンドギャップ（Ｅｇ）の大きい半導体材料で
構成された単位太陽電池であるトップセル１０と、バン
ドギャップの小さい半導体材料で構成された単位太陽電
池であるボトムセル２０とが積層されたタンデム型の構
造を有している。トップセル１０は、ｎ型層１２とｐ型
層１４とのｐｎ接合となっている。同様に、ボトムセル
２０は、ｎ型層２２とｐ型層２４とのｐｎ接合となって
いる。

【０００９】ここで、トップセル１０の材料としては、
例えば、アルミニウムガリウム砒素ＡｌＧａＡｓを使用
することができる。そのバンドギャップＥｇは、１．７
ｅＶである。また、ｎ型層１２のドーパント（不純物）
濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、その厚みは０．１μｍ
である。また、ｐ型層１４のドーパント濃度は１×１０
¹⁷ｃｍ^-3であり、その厚みは１．５μｍである。

【００１０】また、ボトムセル２０の材料としては、例
えば、シリコンＳｉを使用することができる。そのバン
ドギャップＥｇは、１．１２ｅＶであり、トップセル１
０のバンドギャップより小さくなっている。また、ｎ型
層２２のドーパント濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3であり、そ
の厚みは１００．０μｍである。また、ｐ型層２４のド
ーパント濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、その厚みは
１．５μｍである。

【００１１】図１の太陽電池では、エネルギの大きい短
波長域の光がトップセル１０において吸収され、自由電
子と正孔とが生成される。周知のように、ｐｎ接合面１
６においては、空乏層ができ、ｎ型層１２のドナーによ
る陽イオンからｐ型層２２のアクセプタによる陰イオン
へと向かう内部電界が生じており、電位障壁が形成され
ている。そのため、ｎ型層１２で生成された電子と正孔
とのうち正孔のみがｐ型層１４へと拡散していくことが
できる一方、ｐ型層１４で生成された電子と正孔とのう
ち電子のみがｎ型層１２へと拡散していくことができ
る。かくして、光の吸収によって生成された電子と正孔
とが分離され、光起電力が生ずることとなる。

【００１２】一方、ボトムセル２０においては、エネル
ギの小さい長波長域の光が吸収されることにより、トッ
プセル１０と同様のメカニズムで光起電力が生ずる。そ
して、トップセル１０及びボトムセル２０において光の
吸収によって生成された電子は上部電極３２に集めら
れ、一方、トップセル１０及びボトムセル２０において
光の吸収によって生成された正孔は下部電極３４に集め
られる。かくして、タンデム型太陽電池が実現される。

【００１３】ところで、トップセル１０においてｐｎ接
合面１６のセル内位置が光入射面の近傍とされているの
は、短波長域の光が入射面の近くで多く吸収され、深部
では光の吸収があまり発生しないため、上部にｐｎ接合
部を設けることにより、拡散によりｐｎ接合に到達する
電子及び正孔の数を増大させるという意図による。

【００１４】しかし、ボトムセル２０に届く長波長域の
光は、基板の表面側のみならず深部でも吸収されてい
る。この傾向は吸収係数の小さい材料を用いたセルほど
大きくなる。そこで、図１に示されるように、ボトムセ
ル２０のｐｎ接合面２６をセルの深部に形成すると、光
が吸収される位置とｐｎ接合面２６とが近くなり、再結
合に至る前にキャリアを有効に収集することができる。
すなわち、再結合割合を低く抑えてエネルギ変換効率を
高めることが可能となる。かくして、単に同じ構造の単
位太陽電池を積層したに過ぎない従来のタンデム型太陽
電池に比較して、長波長域の光の感度、すなわち、エネ
ルギ変換効率が向上する。

【００１５】図２は、本発明を３端子２接合タンデム型
太陽電池に適用した第２実施形態の断面図を示してい
る。この太陽電池は、バンドギャップ（Ｅｇ）の大きい
半導体材料で構成されたトップセル１１０と、バンドギ
ャップの小さい半導体材料で構成されたボトムセル１２
０とが積層されたタンデム型の構造を有し、トップセル
１１０は、ｎ型層１１２とｐ型層１１４とのｐｎ接合と
なっている。一方、ボトムセル１２０は、トップセル１
１０とは逆に、上側にｐ型層１２２、下側にｎ型層１２
４を有するｐｎ接合となっている。そして、トップセル
１１０の出力は上部電極１３２及び中間電極１３６によ
り取り出される一方、ボトムセル１２０の出力は下部電
極１３４及び中間電極１３６により取り出される。

【００１６】ここで、トップセル１１０の材料として
は、例えば、ガリウム砒素ＧａＡｓを使用することがで
きる。そのバンドギャップＥｇは、１．４２ｅＶであ
る。また、ｎ型層１１２のドーパント濃度は２×１０¹⁸
ｃｍ^-3であり、その厚みは０．１μｍである。また、ｐ
型層１１４のドーパント濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3であ
り、その厚みは１．５μｍである。

【００１７】また、ボトムセル１２０の材料としては、
例えば、シリコンＳｉを使用することができる。そのバ
ンドギャップＥｇは、１．１２ｅＶであり、トップセル
１１０のバンドギャップより小さくなっている。また、
ｐ型層１２２のドーパント濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3であ
り、その厚みは１００．０μｍである。また、ｎ型層１
２４のドーパント濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、その
厚みは１．５μｍである。

【００１８】図２の実施形態においても、ボトムセル１
２０のｐｎ接合面１２６がセルの深部に形成されている
ため、図１の太陽電池と同様の作用を奏する。特に、図
２の構造によれば、トップセル１１０とボトムセル１２
０との電流整合にとらわれない材料選択が可能となる。

【００１９】図３は、２端子３接合タンデム型太陽電池
のボトムセルに本発明を適用した第３実施形態の断面図
である。この太陽電池は、バンドギャップ（Ｅｇ）の大
きい半導体材料で構成されたトップセル２１０と、バン
ドギャップが中程度の大きさの半導体材料で構成された
ミドルセル２２０と、バンドギャップの小さい半導体材
料で構成されたボトムセル２３０とが積層されたタンデ
ム型の構造を有する。トップセル２１０は、上側にｎ型
層２１２、下側にｐ型層２１４を有するｐｎ接合となっ
ている。また、ミドルセル２２０は、上側にｎ型層２２
２、下側にｐ型層２２４を有するｐｎ接合となってい
る。さらに、ボトムセル２３０は、上側にｎ型層２３
２、下側にｐ型層２３４を有するｐｎ接合となってい
る。そして、トップセル２１０、ミドルセル２２０及び
ボトムセル２３０の各出力の総和は、上部電極２４２及
び下部電極２４４により取り出される。

【００２０】ここで、トップセル２１０の材料として
は、例えば、インジウムガリウムリンＩｎＧａＰを使用
することができる。そのバンドギャップＥｇは、１．９
０ｅＶである。また、ｎ型層２１２のドーパント濃度は
２×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、その厚みは０．１μｍであ
る。また、ｐ型層２１４のドーパント濃度は１×１０¹⁷
ｃｍ^-3であり、その厚みは１．０μｍである。

【００２１】また、ミドルセル２２０の材料としては、
例えば、ガリウム砒素ＧａＡｓを使用することができ
る。そのバンドギャップＥｇは、１．４２ｅＶであり、
トップセル２１０のバンドギャップより小さくなってい
る。また、ｎ型層２２２のドーパント濃度は２×１０¹⁸
ｃｍ^-3であり、その厚みは０．１μｍである。また、ｐ
型層２２４のドーパント濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3であ
り、その厚みは１．０μｍである。

【００２２】また、ボトムセル２３０の材料としては、
例えば、ゲルマニウムＧｅを使用することができる。そ
のバンドギャップＥｇは、０．６６ｅＶであり、ミドル
セル２２０のバンドギャップより小さくなっている。ま
た、ｎ型層２３２のドーパント濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3
であり、その厚みは１００．０μｍである。また、ｐ型
層２３４のドーパント濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、
その厚みは１．５μｍである。

【００２３】図３の実施形態においても、ボトムセル２
３０のｐｎ接合面がセルの深部に形成されているため、
図１の太陽電池と同様の作用を奏する。

【００２４】図４は、２端子３接合タンデム型太陽電池
のミドルセルに本発明を適用した第４実施形態の断面図
である。この太陽電池は、バンドギャップ（Ｅｇ）の大
きい半導体材料で構成されたトップセル３１０と、バン
ドギャップが中程度の大きさの半導体材料で構成された
ミドルセル３２０と、バンドギャップの小さい半導体材
料で構成されたボトムセル３３０とが積層されたタンデ
ム型の構造を有する。トップセル３１０は、上側にｎ型
層３１２、下側にｐ型層３１４を有するｐｎ接合となっ
ている。また、ミドルセル３２０は、上側にｎ型層３２
２、下側にｐ型層３２４を有するｐｎ接合となってい
る。さらに、ボトムセル３３０は、上側にｎ型層３３
２、下側にｐ型層３３４を有するｐｎ接合となってい
る。そして、トップセル３１０、ミドルセル３２０及び
ボトムセル３３０の各出力の総和は、上部電極３４２及
び下部電極３４４により取り出される。

【００２５】ここで、トップセル３１０の材料として
は、例えば、インジウムガリウムリンＩｎＧａＰを使用
することができる。そのバンドギャップＥｇは、１．９
０ｅＶである。また、ｎ型層３１２のドーパント濃度は
２×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、その厚みは０．１μｍであ
る。また、ｐ型層３１４のドーパント濃度は１×１０¹⁷
ｃｍ^-3であり、その厚みは１．０μｍである。

【００２６】また、ミドルセル３２０の材料としては、
例えば、シリコンＳｉを使用することができる。そのバ
ンドギャップＥｇは、１．１２ｅＶであり、トップセル
３１０のバンドギャップより小さくなっている。また、
ｎ型層３２２のドーパント濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3であ
り、その厚みは１００．０μｍである。また、ｐ型層３
２４のドーパント濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、その
厚みは１．５μｍである。

【００２７】また、ボトムセル３３０の材料としては、
例えば、インジウムガリウム砒素ＩｎＧａＡｓを使用す
ることができる。そのバンドギャップＥｇは、０．５０
ｅＶであり、ミドルセル３２０のバンドギャップより小
さくなっている。また、ｎ型層３３２のドーパント濃度
は２×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、その厚みは１．０μｍであ
る。また、ｐ型層３３４のドーパント濃度は１×１０¹⁷
ｃｍ^-3であり、その厚みは１．５μｍである。

【００２８】図４の実施形態においては、中波長域の光
を吸収するミドルセル３２０のｐｎ接合面がセルの深部
に形成されているため、図１の太陽電池におけるボトム
セルと同様の作用を奏する。このように、最下部のセル
ではなく中間のセルに本発明を利用した場合にも、同様
の効果が生ずる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
タンデム型太陽電池において、長波長域の光に対する感
度が向上せしめられることにより、エネルギ変換効率の
向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る２端子２接合タン
デム型太陽電池の断面図である。

【図２】本発明の第２実施形態に係る３端子２接合タン
デム型太陽電池の断面図である。

【図３】本発明の第３実施形態に係る２端子３接合タン
デム型太陽電池であってボトムセルのｐｎ接合が下部に
形成されたものの断面図である。

【図４】本発明の第４実施形態に係る２端子３接合タン
デム型太陽電池であってミドルセルのｐｎ接合が下部に
形成されたものの断面図である。

【符号の説明】

１０…トップセル１２…トップセルのｎ型層１４…トップセルのｐ型層１６…トップセルのｐｎ接合面２０…ボトムセル２２…ボトムセルのｎ型層２４…ボトムセルのｐ型層２６…ボトムセルのｐｎ接合面３２…上部電極３４…下部電極１１０…トップセル１１２…トップセルのｎ型層１１４…トップセルのｐ型層１１６…トップセルのｐｎ接合面１２０…ボトムセル１２２…ボトムセルのｐ型層１２４…ボトムセルのｎ型層１２６…ボトムセルのｐｎ接合面１３２…上部電極１３４…下部電極１３６…中間電極２１０…トップセル２１２…トップセルのｎ型層２１４…トップセルのｐ型層２２０…ミドルセル２２２…ミドルセルのｎ型層２２４…ミドルセルのｐ型層２３０…ボトムセル２３２…ボトムセルのｎ型層２３４…ボトムセルのｐ型層２４２…上部電極２４４…下部電極３１０…トップセル３１２…トップセルのｎ型層３１４…トップセルのｐ型層３２０…ミドルセル３２２…ミドルセルのｎ型層３２４…ミドルセルのｐ型層３３０…ボトムセル３３２…ボトムセルのｎ型層３３４…ボトムセルのｐ型層３４２…上部電極３４４…下部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異なるバンドキャップを有する複数の単
位太陽電池を積層したタンデム型太陽電池において、最
も光入射側に位置する単位太陽電池以外の単位太陽電池
の少なくともいずれか一つにおけるｐｎ接合の該単位太
陽電池内位置を、前記最も光入射側に位置する単位太陽
電池におけるｐｎ接合の該単位太陽電池内位置と比較し
て、より裏面側に配置したことを特徴とするタンデム型
太陽電池。