JP2004111687A - Tandem type solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数種類の半導体太陽電池をモノリシックに直列接続したタンデム型太陽電池の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
バンドギャップ(禁制帯幅)が異なる複数種類の半導体太陽電池をモノリシックに直列接続したタンデム型太陽電池が知られている。例えば、特許文献1に記載された高効率太陽電池等がそれである。斯かるタンデム型太陽電池においては、太陽光スペクトルに対してそれぞれの半導体太陽電池が異なる波長範囲の光を受光して光電変換することになるため、太陽光エネルギーを有効利用できてエネルギー変換効率が向上し、大きな電力を発生できるとともに、同程度の電力を得る場合には発電コストが低減される利点がある。
【0003】
【特許文献1】
特開平3−272185号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の特許文献1に記載されたタンデム型太陽電池では、図11に示すように、シリコン(Si)半導体から成る太陽電池120に、相互に混晶比の異なるGaAsP半導体から成る太陽電池122,124が設けられ、且つ相互間および全体の上下面に電極126,128,130,132が備えられた4端子構造に構成されていた。この構造によれば、各太陽電池120,122,124は発生電流の大きさが相互に異なるため、上記各電極126〜132にそれぞれ電流取出し用の配線を接続し、各電池120,122,124毎に備えられたインバータ134,136,138で共通電圧を出力させるようになっている。そのため、電流取出のための配線本数が多くなると共に、太陽電池の積層数に応じた数のインバータを必要とする不都合があった。
【0005】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、必要配線本数の少ない2端子構造を備えた高効率の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第1の手段】
斯かる目的を達成するため、第1発明の要旨とするところは、バンドギャップ・エネルギが相互に異なる複数種類の半導体太陽電池がトンネル接合層を介してモノリシックに積層されたタンデム型太陽電池であって、(a)前記複数種類の半導体太陽電池の各々のバンドギャップ・エネルギは、各々から発生する電流値が相互に一致する値となるように定められていることにある。
【0007】
【第1発明の効果】
このようにすれば、バンドギャップ・エネルギが相互に異なる複数の半導体太陽電池が備えられていることからエネルギ変換効率の高いタンデム型太陽電池において、これを構成する半導体太陽電池の各々は、発生電流値が相互に一致するようにそのバンドギャップ・エネルギが定められているので、各々毎に配線を設けて電流を取り出し且つインバータで共通電圧に変換する必要が無い。そのため、電池全体の上下に一対の電極を設け且つそれらの間に一つのインバータを設ければよいことから、実用性の高い2端子構造を採ることができる。なお、本願において「電流値が相互に一致」とは、完全に一致する場合に限られず、電流値に相違がある場合において、上記のように一対の電極で電流を取り出し得る程度にその相違が留まるものを含む。
【0008】
因みに、前記の図11に示されるような従来のタンデム型太陽電池では、その構造が専らエネルギ変換効率向上の観点で定められ、広い波長範囲に亘って太陽光を吸収できるように複数個の半導体太陽電池の各々のバンドギャップ・エネルギが設定されていた。そのため、各々のバンドギャップ・エネルギの相互関係については特に考慮されていないので、前述したように発生電流値が相互に異なるという問題が生じていたのである。本発明者等は、半導体太陽電池の発生電流値がバンドギャップ・エネルギに応じて変化することに着目し、種々の材料について高効率が得られるバンドギャップ・エネルギの範囲で発生電流値を整合させるために研究を重ねたところ、極めて狭い範囲でこのような要求を満足するバンドギャップ・エネルギの関係を見出した。本発明は斯かる知見に基づいて為されたものである。
【0009】
しかも、本発明によれば、半導体太陽電池相互間に電極を設けるメタル・インターコネクト構造を採る必要がないことから、各太陽電池を構成する半導体は、半導体の上にエピタキシャル成長させられることとなるため、各層の結晶性が良く劣化し難いタンデム型太陽電池が得られる利点もある。因みに、前記図11に示される従来のタンデム型太陽電池では、太陽電池120,122,124相互間に電流取出しのための金属電極128,130を設ける必要があるため、太陽電池122,124を構成する半導体が、金属膜上に結晶成長させられていた。そのため、この構造では半導体太陽電池122,124の結晶性が悪いことから、劣化し易い問題もあった。
【0010】
【課題を解決するための第2の手段】
また、前記目的を達成するための第2発明のタンデム型太陽電池の要旨とするところは、(a)バンドギャップ・エネルギが1.1(eV)の半導体太陽電池から成るボトムセルと、(b)トンネル接合層を介してそのボトムセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが1.4乃至1.5(eV)の半導体太陽電池から成るミドルセルと、(c)トンネル接合層を介してそのミドルセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが1.9乃至2.0(eV)の半導体太陽電池から成るトップセルとを含むことにある。
【0011】
【第2発明の効果】
このようにすれば、タンデム型太陽電池は、バンドギャップ・エネルギが相互に異なるボトムセル、ミドルセル、およびトップセルが積層された3接合構造に構成されることから高いエネルギ変換効率が得られるが、それら3つの半導体太陽電池のバンドギャップ・エネルギはそれぞれ1.1(eV)、1.4〜1.5(eV)、1.9〜2.0(eV)に設定されていることから、各々から発生させられる電流値が相互に一致する。すなわち、これらのバンドギャップ・エネルギは、各々が発生する電流値が相互に一致する範囲に定められている。そのため、半導体太陽電池の各々毎に配線を設けて電流を取り出し且つインバータで共通電圧に変換する必要が無いので、電池全体の上下すなわちボトムセルの底面とトップセルの上面に一対の電極を設け且つそれらの間に一つのインバータを設ければよいことから、実用性の高い2端子構造を採ることができる。
【0012】
【課題を解決するための第3の手段】
また、前記目的を達成するための第3発明のタンデム型太陽電池の要旨とするところは、(a)バンドギャップ・エネルギが1.1(eV)の半導体太陽電池から成るボトムセルと、(b)トンネル接合層を介してそのボトムセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが1.65乃至1.85(eV)の半導体太陽電池から成るトップセルとを含むことにある。
【0013】
【第3発明の効果】
このようにすれば、タンデム型太陽電池は、バンドギャップ・エネルギが相互に異なるボトムセルおよびトップセルが積層された2接合構造に構成されることから高いエネルギ変換効率が得られるが、それら2つの半導体太陽電池のバンドギャップ・エネルギはそれぞれ1.1(eV)および1.65〜1.85(eV)に設定されていることから、各々から発生させられる電流値が相互に一致する。すなわち、これらのバンドギャップ・エネルギは、各々が発生する電流値が相互に一致する範囲に定められている。そのため、半導体太陽電池の各々毎に配線を設けて電流を取り出し且つインバータで共通電圧に変換する必要が無いので、電池全体の上下すなわちボトムセルの底面とトップセルの上面に一対の電極を設け且つそれらの間に一つのインバータを設ければよいことから、実用性の高い2端子構造を採ることができる。このように、本発明は、好適には3接合構造または2接合構造で実施される。
【0014】
【発明の他の態様】
ここで、好適には、前記タンデム型太陽電池の最下層を構成する半導体太陽電池(前記第2発明および第3発明においてはボトムセル)は、単結晶シリコンから成るものである。このようにすれば、シリコンは特性が安定しており且つ安価に入手できることから、高特性のタンデム型太陽電池を低コストで製造し得る利点がある。しかも、シリコンは強度が高いので実装時に割れにくくハンドリングが容易である上、ウェハ・プロセスが安定しており、剛性が高く、熱応力や外部ストレスに対し特性劣化に繋がる転移発生が少ないといった利点がある。
【0015】
また、好適には、前記ボトムセルが単結晶シリコンで構成される場合において、前記3接合構造の場合には、前記ミドルセルおよび前記トップセルは、SiGeC/SiGeC、ZnSiSb/ZnSiP、CdSiAs/CdSiP、InGaAsP/AlGaInP(何れもミドルセル/トップセル)から成るものであり、前記2接合構造の場合には、前記トップセルは、GaNPAsから成るものである。このようにすれば、これらの化合物半導体はシリコンに近似した格子定数を有することから、格子不整合に起因する歪みや欠陥の少ない高特性のタンデム型太陽電池が得られる。
【0016】
また、好適には、前記タンデム型太陽電池を構成する複数種類の半導体太陽電池、すなわち第2発明においては前記ボトムセル、ミドルセル、およびトップセル、第3発明においては前記ボトムセルおよびトップセルは、同一受光面積を備えたものである。このようにすれば、バンドギャップ・エネルギが前記のように定められることと相俟って半導体太陽電池の各々の発生電流値の相違が一層小さくなる利点がある。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【0018】
図1は、本発明の一実施例であるタンデム型太陽電池10の断面構造を説明する模式図である。図において、タンデム型太陽電池10は、ボトムセル12上に、ミドルセル14およびトップセル16が接合層18,20を介してモノリシックに積層された3接合構造に構成されている。これらボトムセル12乃至トップセル16および接合層18,20は、何れも例えば7×7(mm)程度の同一面積に構成されている。すなわち、ボトムセル12,ミドルセル14,およびトップセル16の受光面積は相互に同様な大きさである。
【0019】
また、上記ボトムセル12は、例えばバンドギャップ・エネルギが1.1(eV)程度で格子定数が0.543(nm)程度の単結晶シリコンから成るものであって、p−Siから成るp型層22およびn−Siから成るn型層24とから構成されている。ボトムセル12の全体の厚さ寸法は例えば100(μm)以上、例えば350(μm)程度であるが、このn型層24の厚さ寸法は例えば300(nm)程度であり、ボトムセル12の表層に位置する。n型層24は、p型のシリコン基板にその上面からn型のドーパントを拡散させてその表層部をn型に反転させることによって形成されたものであり、上記p型層22はシリコン基板のうちp型に維持された部分から成る。ボトムセル12は、このようなpn接合構造が設けられることにより半導体太陽電池に構成されたものである。
【0020】
また、前記ミドルセル14は、例えばバンドギャップ・エネルギが1.5(eV)程度で格子定数が0.49(nm)程度のSi0.45Ge0.45C0.1から成るものであって、p−Si0.45Ge0.45C0.1から成るp型層26およびn−Si0.45Ge0.45C0.1から成るn型層28とから構成されている。ミドルセル14の全体の厚さ寸法は例えば0.5〜20(μm)程度の範囲内、例えば2(μm)程度であり、n型層28の厚さ寸法は例えば300(nm)程度である。ミドルセル14も、このようなpn接合構造が設けられることにより半導体太陽電池に構成されている。
【0021】
また、前記トップセル16は、例えばバンドギャップ・エネルギが2.0(eV)程度で格子定数が0.44(nm)程度のSi0.3Ge0.4C0.3から成るものであって、p−Si0.3Ge0.4C0.3から成るp型層30およびn−Si0.3Ge0.4C0.3から成るn型層32とから構成されている。トップセル16の全体の厚さ寸法は、例えばミドルセル14と同様な0.5〜20(μm)程度の範囲内、例えば2(μm)程度であり、n型層32の厚さ寸法は例えば300(nm)程度である。トップセル16も、このようなpn接合構造が設けられることにより半導体太陽電池に構成されている。
【0022】
また、前記の接合層18は、何れも例えば図2に示されるように、ボトムセル12側から順にn−AlInP、p++−InGaP、n++−AlGaAs、p−AlInPが積層されたダブルへテロ構造を成す4層の半導体から成るものである。各層の厚さ寸法は何れも100(nm)程度であり、接合層18の全体の厚さ寸法はそれぞれ400(nm)程度になっている。接合層20も接合層18と同様に構成される。このため、ボトムセル12,ミドルセル14,トップセル16は相互にトンネル接合で接続されている。上記接合層18,20は、トンネル障壁で少数キャリアを閉じ込め且つ多数キャリアを通過させることにより、セル12,14,16相互を低抵抗で電気的に直列接続するものである。また、上記接合層18,20の構成材料は、シリコンに近似した格子定数を有しており、セル12,14,16相互間の格子不整合に起因する歪みを緩和しつつこれらを接続している。
【0023】
図1に戻って、トップセル16の上面には、例えばAu−Sbから成る例えば櫛形の上部電極34が受光面36を除く部分に固着されていると共に、ボトムセル12の下面には、例えばアルミニウム(Al)から成る下部電極38が全面に固着されている。すなわち、タンデム型太陽電池10は、上下面のみに電極34,38が備えられた2端子構造を備える。また、トップセル16の上面の露出部分すなわち受光面36には、例えばSiO2等から成る保護層40が設けられている。
【0024】
以上のように構成されたタンデム型太陽電池10は、例えば、図3に示すように、上部電極34および下部電極38に配線42,44を接続し、それらの間にインバータ46を設けて用いられる。受光面36で太陽光を受光すると、ボトムセル12,ミドルセル14,およびトップセル16で発生させられた電流が接合層18、20を通して上部電極34および下部電極38間に流れるので、インバータ46によって交流に変換して取り出される。このとき、理論エネルギ変換効率は例えば41(%)程度であり、2端子構造でありながら従来に無い極めて高い効率が得られる。
【0025】
すなわち、本実施例においては、バンドギャップ・エネルギが2.0(eV)程度のトップセル16では、太陽光のうち560(nm)以上の波長の光を吸収し、約1.2(V)として取り出される。また、バンドギャップ・エネルギが1.5(eV)程度のミドルセル14では、太陽光のうち560〜750(nm)の波長の光を吸収し、約0.9(V)として取り出される。また、バンドギャップ・エネルギが1.1(eV)程度のボトムセル12では、750〜1130(nm)の波長の光を吸収し、約0.65(V)として取り出される。これらは直列に接続されているので、全体として2.75(V)程度の電圧の電流が取り出されることとなる。このように、バンドギャップ・エネルギの相互に異なる複数の半導体太陽電池が積層されたタンデム型太陽電池10では、広い波長範囲に亘って太陽光を吸収し且つ電気エネルギに変換できるので、高い変換効率を得ることができる。このとき、各セルで発生する電流値は略同じであるので、上下に設けられた上部電極34および下部電極38のみで、3つの半導体太陽電池の各々で発生した電流が無駄なく取り出される。
【0026】
なお、前述したようにトップセル16およびミドルセル14は2(μm)程度の薄い厚さ寸法に構成されているので、上記波長範囲の光の全てを必ずしも吸収し得ない。しかしながら、吸収されず下のセルに到達した光はそのセルで吸収されることとなるので、特に支障はない。また、ボトムセル12が前記のように100(μm)以上の比較的厚い厚さ寸法に構成されているのは、太陽光のうち長波長側の光を十分に吸収するためのパスを長くするためであり、これが十分な厚さ寸法に構成されていることにより、トップセル16およびミドルセル14で吸収されることなく通過してしまった光が吸収されることとなる。すなわち、高い変換効率が確保される。
【0027】
ところで、本実施例においてタンデム型太陽電池10の構成材料は、バンドギャップ・エネルギおよび格子定数を考慮して決定されている。図4は、ボトムセル12のバンドギャップ・エネルギを1.1(eV)とした場合の理論エネルギ変換効率を、ミドルセル14およびトップセル16のバンドギャップ・エネルギとの関係で示した図である。なお、この図は、太陽輻射の空気質量通過条件がAM(Air Mass)−1で、温度が27℃の条件下における効率を示したものであり、図に示される複数本の閉曲線の各々に付された数値が、その曲線上における変換効率を表しており、その内側ではそれよりも高い効率が得られる。例えば、最も内周に示される領域内では、41.1(%)以上の高い変換効率が得られる。したがって、エネルギ変換効率を可及的に高くする観点では、所望の変換効率を示す閉曲線で囲まれた範囲内のバンドギャップ・エネルギを有する材料をミドルセル14およびトップセル16の構成材料として選択すればよい。
【0028】
しかしながら、半導体太陽電池の発生電流値は吸収した光子量に応じて定められるので、上記領域内で任意の材料を選択すると、ミドルセル14およびトップセル16で発生する電流値が相互に或いはボトムセル12との間で相違することとなる。このような相違があると、上部電極34および下部電極38の一対の電極のみを設けた構造であれば、取り出される電流値は最小のセルのものに律されるので実質的な変換効率が低下することになり、反対に変換効率を確保するためには、セル毎に電極およびインバータを設けて電流を取り出す図11に示されるような構造を採らざるを得ない不都合がある。
【0029】
そこで、本実施例においては、ミドルセル14およびトップセル16のバンドギャップ・エネルギが、前記の変換効率の高い領域内(組合せ)において、それらで発生させられる電流値がボトムセル12のそれと一致するように定められている。この電流値が一致する範囲は、前記の図4においてトップセル16のバンドギャップ・エネルギが1.9〜2.0(eV)、ミドルセル14のバンドギャップ・エネルギが1.4〜1.5(eV)の矩形範囲(図に斜線で示す)であり、高効率が得られる範囲と略重なるが完全には一致していない。電流値を一致させるという観点では、ミドルセル14およびトップセル16の構成材料をこの範囲内の特性を有するものから適宜選択することができるが、具体的な材料選定は、製造上の安定性やコスト等を考慮しつつ可及的に高い効率が得られるものを選択することになる。
【0030】
図5は、上記のような観点で定められたバンドギャップ・エネルギの範囲で、実際にタンデム型太陽電池10を構成するためのミドルセル14およびトップセル16の候補材料を検討するための図であって、格子定数とバンドギャップ・エネルギとの関係を表している。本実施例においては、ボトムセル12の構成材料としてシリコンが用いられていることから、その上に接合されるミドルセル14およびトップセル16の構成材料は、格子不整合に起因する歪みが可及的に小さくなるように、シリコンに近似した格子定数を有することが望ましい。このような条件を満足する材料系としては、例えば図に示すようにSiC−Si−Ge系、ZnSiP−ZnSiSb系、CdSiP−CdSiAs系等が挙げられるが、タンデム型太陽電池10では、これらのうちSiC−Si−Ge系を選択している。この図において、SiCとSiとを結ぶ線上で前記のバンドギャップ・エネルギの値を満たすのは、ミドルセル14の構成材料が図にBで示す組成(混晶比)範囲のもの例えばSi0.45Ge0.45C0.1であり、トップセル16の構成材料が図にAで示す組成(混晶比)範囲のもの例えばSi0.3Ge0.4C0.3である。
【0031】
このように、本実施例においては、ボトムセル12をシリコンで構成することを前提として、ミドルセル14およびトップセル16の構成材料が、高効率が得られ、電流値が整合し、且つ格子不整合が小さくなるように選択されている。そのため、簡便且つ実用的な2端子構造をとりながら、前述したように高い変換効率が得られるのである。
【0032】
なお、上記の図5から明らかなように、ボトムセル12,ミドルセル14,およびトップセル16相互間には、僅かに格子不整合が存在する。しかしながら、これらは相互に接合層18,20を介してトンネル接合されていることから、その接合層18,20で格子不整合が殆ど緩和されるので、ボトムセル12,ミドルセル14,およびトップセル16には格子不整合に起因する歪みが殆ど生じていない。
【0033】
なお、上記のタンデム型太陽電池10は、例えば、図6に示される工程に従って製造される。先ず、n型層形成工程48においては、例えばp−Si基板の上面に、n型のドーパント例えば燐(P)を熱拡散或いは注入によって拡散させ、前記n型層24を形成する。これにより、前記のボトムセル12が形成される。次いで、接合層形成工程50では、例えばMOCVD(有機金属化学気相成長)法を用いて、上記n型層24上にn−AlInP、p++−InGaP、n++−AlGaAs、p−AlInPを順次に積層して前記の接合層18を形成する。次いで、ミドルセル形成工程52では、この接合層18上に、前記のp型層26およびn型層28すなわちp−Si0.45Ge0.45C0.1およびn−Si0.45Ge0.45C0.1を順次に結晶成長させて前記のミドルセル14を形成する。次いで、接合層形成工程54では、そのn型層28上に接合層18の形成の場合と同様に上記各半導体層を積層して、前記の接合層20を形成する。また、トップセル形成工程56においては、その接合層20上に前記のp型層30およびn型層32すなわちp−Si0.3Ge0.4C0.3およびn−Si0.3Ge0.4C0.3を順次に結晶成長させて前記のトップセル16を形成する。これらミドルセル形成工程52乃至トップセル形成工程56においても、結晶成長には例えばMOCVD法が用いられる。
【0034】
上記のようにして、ボトムセル12乃至トップセル16を形成したのち、電極形成工程58においては、トップセル16の表面およびボトムセル12の裏面にそれぞれ電極材料を蒸着法やスパッタ法等を用いて膜形成することにより、前記の上部電極34および下部電極38を形成する。この後、更に保護層形成工程60において、受光面36を覆うようにSiO2膜を形成し、前記の保護層40を設けることにより、前記のタンデム型太陽電池10が得られる。なお、下部電極38は、厚膜印刷法を用いて形成してもよい。
【0035】
本実施例においては、上記のようにしてミドルセル14およびトップセル16がボトムセル12上に順次結晶成長させられた半導体層上に形成される。そのため、図11に示されるような半導体太陽電池相互間に金属電極が設けられたメタルインターコネクト構造のタンデム型太陽電池に比較して、金属上に膜形成する場合のような結晶性の乱れが少なく、且つ、使用中においても再結合が生じ難いので一層高い変換効率の得られる利点がある。
【0036】
要するに、本実施例においては、バンドギャップ・エネルギが相互に異なる3つの半導体太陽電池すなわちボトムセル12,ミドルセル14,およびトップセル16が備えられていることからエネルギ変換効率の高いタンデム型太陽電池10において、それらボトムセル12,ミドルセル14,およびトップセル16の発生電流値が相互に一致するようにそのバンドギャップ・エネルギが定められているので、すなわち、バンドギャップ・エネルギがそれぞれ1.1(eV)、1.5(eV)、2.0(eV)に設定されているので、各々毎に配線を設けて電流を取り出し且つインバータで共通電圧に変換する必要が無い。すなわち、上部電極34および下部電極38間に2本の配線42,44を設け且つそれらの間に一つのインバータ46を備えれば足りるので、高効率で実用性の高い2端子構造のタンデム型太陽電池10が得られる。
【0037】
また、本実施例によれば、タンデム型太陽電池10のボトムセル12は、単結晶シリコンから成るので、シリコンは特性が安定しており且つ安価に入手できることから、高特性のタンデム型太陽電池10を低コストで製造し得る利点がある。
【0038】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前述した実施例と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【0039】
図7に示すタンデム型太陽電池70は、前記のタンデム型太陽電池10と略同様に構成されているが、ボトムセル12上に設けられたミドルセル72およびトップセル74の構成材料が相違する。すなわち、ミドルセル72は、例えばバンドギャップ・エネルギが1.5(eV)程度で格子定数が0.57(nm)程度のZn0.31Si0.38Sb0.31から成る半導体太陽電池であって、p−Zn0.31Si0.38Sb0.31から成るp型層76およびn−Zn0.31Si0.38Sb0.31から成るn型層78とから構成されている。ミドルセル72の全体の厚さ寸法は例えば100(nm)〜10(μm)程度の範囲内、例えば2(μm)程度であり、n型層78の厚さ寸法は例えば300(nm)程度である。
【0040】
また、トップセル74は、例えばバンドギャップ・エネルギが2.0(eV)程度で格子定数が0.54(nm)程度のZn0.33Si0.34P0.33から成る半導体太陽電池であって、p−Zn0.33Si0.34P0.33から成るp型層80およびn−Zn0.33Si0.34P0.33から成るn型層82とから構成されている。トップセル74の全体の厚さ寸法は、例えばミドルセル72と同様な100(nm)〜10(μm)程度の範囲内、例えば2(μm)程度であり、n型層82の厚さ寸法は例えば300(nm)程度である。
【0041】
以上のように構成されたタンデム型太陽電池70においても、前述したタンデム型太陽電池10と同様に、ミドルセル72およびトップセル74の構成材料として上記のような半導体が選択されることにより、前記の図5に示されるようにシリコンから成るボトムセル12と近似した格子定数を有するので、格子不整合に起因する歪みが抑制されている。また、上記のようなバンドギャップ・エネルギを有するので、ボトムセル12との関係において前記の図4に示した高効率が得られ且つ電流値が整合させられる範囲内に位置することから、上部電極34および下部電極38のみを備えた2端子構造に構成しても効率よく電流を取り出すことが可能である。すなわち、例えば36(%)程度の変換効率を得ることができる。
【0042】
図8に示すタンデム型太陽電池90も、タンデム型太陽電池10とミドルセル92およびトップセル94の構成材料が相違するものである。ミドルセル92は、例えばバンドギャップ・エネルギが1.6(eV)程度で格子定数が0.58(nm)程度のCd0.33Si0.34As0.33から成る半導体太陽電池であって、p−Cd0.33Si0.34As0.33から成るp型層96およびn−Cd0.33Si0.34As0.33から成るn型層98とから構成されている。ミドルセル92の全体の厚さ寸法は例えば100(nm)〜10(μm)程度の範囲内、例えば2(μm)程度であり、n型層98の厚さ寸法は例えば300(nm)程度である。
【0043】
また、トップセル94は、例えばバンドギャップ・エネルギが2.0(eV)程度で格子定数が0.57(nm)程度のCd0.33Si0.34P0.33から成る半導体太陽電池であって、p−Cd0.33Si0.34P0.33から成るp型層100およびn−Cd0.33Si0.34P0.33から成るn型層102とから構成されている。トップセル94の全体の厚さ寸法は、例えばミドルセル92と同様な100(nm)〜10(μm)程度の範囲内、例えば2(μm)程度であり、n型層102の厚さ寸法は例えば300(nm)程度である。
【0044】
このようにミドルセル92およびトップセル94を構成したタンデム型太陽電池90においても、図5に示されるようにボトムセル12と近似した格子定数を有するので、格子不整合に起因する歪みが抑制される。また、上記のようなバンドギャップ・エネルギを有するので、ボトムセル12との関係において前記の図4に示した高効率が得られ且つ電流値が整合させられる範囲内に位置することから、上部電極34および下部電極38のみを備えた2端子構造に構成しても効率よく電流を取り出すことが可能である。すなわち、例えば34(%)程度の変換効率を得ることができる。
【0045】
図9は、更に他の実施例のタンデム型太陽電池110の断面構造を模式的に示す図である。このタンデム型太陽電池110は、ボトムセル12上に接合層18を介してトップセル112が設けられた2接合構造に構成されている。このトップセル112は、例えばバンドギャップ・エネルギが1.75(eV)程度で格子定数が0.55(nm)程度のGaN0.04P0.76As0.2から成る半導体太陽電池であって、p−GaN0.04P0.76As0.2から成るp型層114およびn−GaN0.04P0.76As0.2から成るn型層116とから構成されている。トップセル112の全体の厚さ寸法は例えば0.2〜2(μm)程度の範囲内、例えば0.8(μm)程度であり、n型層116の厚さ寸法は例えば300(nm)程度である。
【0046】
このように構成された2接合構造のタンデム型太陽電池110においても、バンドギャップ・エネルギが1.1(eV)のボトムセル12上に、バンドギャップ・エネルギが1.75(eV)のトップセル112が設けられていることから、その相違に基づいて広い波長範囲に亘って太陽光を吸収して高い変換効率が得られると共に、それぞれから発生する電流がそれらのバンドギャップ・エネルギの大きさの関係に基づいて相互に同様な値になるので、タンデム型太陽電池10と同様に高い変換効率を得ながら2端子構造を採ることができる利点がある。なお、変換効率は、例えば34.5(%)程度である。
【0047】
なお、本実施例においても、トップセル112の構成材料は、バンドギャップ・エネルギおよび格子定数に基づいて定められている。すなわち、バンドギャップ・エネルギは、図10に示されるような理論エネルギ変換効率、ボトムセルおよびトップセルのバンドギャップ・エネルギとの関係において、高効率が得られ且つ発生する電流値が相互に同様な値になる範囲に定められている。本図もAM−1、27℃の条件下における効率を表している。本実施例においては、ボトムセル12のバンドギャップ・エネルギが1.1(eV)であるので、トップセル112の構成材料は高効率が得られるバンドギャップ・エネルギが1.65〜1.85(eV)の範囲内の材料が選択されている。この範囲も、3接合の場合と同様に、高効率が得られる範囲と略同様であるが完全には一致していない。
【0048】
そして、上記のようなバンドギャップ・エネルギを有する材料のうちから、ボトムセル12を構成するシリコンに近似した格子定数を有する材料として、前記のような混晶比のものが選択されているのである。
【0049】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することもできる。
【0050】
例えば、前記実施例では3接合および2接合のタンデム型太陽電池10、70等に本発明が適用された場合について説明したが、それぞれから発生させられる電流値が相互に同様になるようにモノリシックに接合すれば、4接合以上の構造としても差し支えない。
【0051】
また、実施例においては、ミドルセル14およびトップセル16等が、SiGeC/SiGeC、ZnSiSb/ZnSiP、CdSiAs/CdSiP等から構成されるタンデム型太陽電池や、ボトムセル12およびトップセル112がSi/GaNPAsから成るタンデム型太陽電池に本発明が適用された場合について説明したが、他の半導体太陽電池を有するタンデム型太陽電池にも本発明は同様に適用され得る。
【0052】
また、前記実施例ではMOCVD装置を用いてミドルセル14およびトップセル16等を形成する場合について説明したが、分子線エピタキシー法など他のエピタキシャル成長法を採用できることは勿論、半導体太陽電池の構造も適宜変更することが可能である。
【0053】
また、前記実施例ではミドルセル14およびトップセル16等の受光面積がボトムセル12と同様な大きさにされていたが、電流値が相互に同様な値に保たれる範囲で適宜大きさを異なるものとしてもよい。
【0054】
また、実施例ではp−Si基板の表面をn型に反転させることでボトムセル12を構成していたが、これらの導電型は互いに反対であっても差し支えない。
【0055】
また、ミドルセル14およびトップセル16等のバンドギャップ・エネルギの値は、それぞれ前述した範囲内で適宜選択することが可能であり、この範囲内で任意の組合せとすることができる。
【0056】
その他、一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のタンデム型太陽電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図2】図1のタンデム型太陽電池においてセル相互間に備えられた接合層の構成を説明する図である。
【図3】図1のタンデム型太陽電池の使用状態を説明する模式図である。
【図4】3接合構造のタンデム型太陽電池における理論エネルギ変換効率をミドルセルおよびトップセルのバンドギャップ・エネルギとの関係で説明する図である。
【図5】図1のタンデム型太陽電池の構成材料の格子定数とバンドギャップ・エネルギとの関係を説明する図である。
【図6】図1のタンデム型太陽電池の製造方法を説明する工程図である。
【図7】本発明の他の実施例のタンデム型太陽電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図8】本発明の更に他の実施例のタンデム型太陽電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図9】本発明の更に他の実施例の2接合構造のタンデム型太陽電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図10】2接合構造のタンデム型太陽電池における理論エネルギ変換効率をボトムセルおよびトップセルのバンドギャップ・エネルギとの関係で説明する図である。
【図11】従来のタンデム型太陽電池の使用方法を説明する図である。
【符号の説明】
10:タンデム型太陽電池
12:ボトムセル
14:ミドルセル
16:トップセル
34:上部電極
38:下部電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a tandem solar cell in which a plurality of types of semiconductor solar cells are monolithically connected in series.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A tandem solar cell in which a plurality of types of semiconductor solar cells having different band gaps (forbidden band widths) are monolithically connected in series is known. For example, a high-efficiency solar cell described in Patent Document 1 is such. In such a tandem-type solar cell, each semiconductor solar cell receives light in a different wavelength range and performs photoelectric conversion on the solar spectrum, so that solar energy can be effectively used and energy conversion efficiency can be improved. It is possible to generate a large amount of electric power, and to obtain the same level of electric power.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-3-272185
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the tandem solar cell described in Patent Document 1, as shown in FIG. 11, a
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a high-efficiency tandem solar cell having a two-terminal structure requiring a small number of wirings.
[0006]
[First means for solving the problem]
In order to achieve such an object, the gist of the first invention is a tandem-type solar cell in which a plurality of types of semiconductor solar cells having different band gap energies are monolithically stacked via a tunnel junction layer. (A) The bandgap energy of each of the plurality of types of semiconductor solar cells is determined so that current values generated from the respective types become equal to each other.
[0007]
[Effect of the first invention]
With this configuration, in a tandem solar cell having high energy conversion efficiency because a plurality of semiconductor solar cells having different band gap energies are provided, each of the semiconductor solar cells constituting the tandem solar cell has a generated current. Since the bandgap energies are determined so that the values coincide with each other, it is not necessary to provide a wiring for each of them and take out a current and convert it to a common voltage by an inverter. Therefore, a pair of electrodes may be provided above and below the whole battery and one inverter may be provided between them, so that a highly practical two-terminal structure can be adopted. In the present application, “the current values coincide with each other” is not limited to the case where the current values are completely coincident. In the case where there is a difference in the current value, the difference is such that the current can be taken out by the pair of electrodes as described above. Including those that stay.
[0008]
Incidentally, in the conventional tandem solar cell as shown in FIG. 11 described above, the structure is determined solely from the viewpoint of improving the energy conversion efficiency, and a plurality of semiconductors are provided so as to absorb sunlight over a wide wavelength range. The bandgap energy of each of the solar cells was set. For this reason, the mutual relation between the band gap energies is not particularly taken into consideration, and thus the problem that the generated current values are different from each other occurs as described above. The present inventors have paid attention to the fact that the generated current value of the semiconductor solar cell changes according to the band gap energy, and match the generated current value within the band gap energy range where high efficiency can be obtained for various materials. As a result, they have found a relationship between bandgap energies that satisfies such requirements in an extremely narrow range. The present invention has been made based on such findings.
[0009]
Moreover, according to the present invention, since it is not necessary to adopt a metal interconnect structure in which electrodes are provided between semiconductor solar cells, the semiconductor constituting each solar cell can be epitaxially grown on the semiconductor. There is also an advantage that a tandem solar cell in which the crystallinity of each layer is good and hardly deteriorates is obtained. Incidentally, in the conventional tandem-type solar cell shown in FIG. 11, since it is necessary to provide
[0010]
[Second means for solving the problem]
The gist of the tandem solar cell of the second invention for achieving the above object is as follows: (a) a bottom cell made of a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.1 (eV); A middle cell made of a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.4 to 1.5 (eV) provided on the bottom cell through the tunnel junction layer, and (c) a middle cell on the middle cell through the tunnel junction layer. And a top cell composed of a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.9 to 2.0 (eV).
[0011]
[Effect of the second invention]
In this manner, the tandem solar cell has a high energy conversion efficiency because the bottom cell, the middle cell, and the top cell have a three-junction structure in which the band gap energies are different from each other. Since the band gap energies of the three semiconductor solar cells are set to 1.1 (eV), 1.4 to 1.5 (eV), and 1.9 to 2.0 (eV), respectively, The generated current values match each other. That is, these band gap energies are determined in a range where the current values generated from each other match each other. Therefore, it is not necessary to provide a wiring for each of the semiconductor solar cells, take out the current, and convert the current to a common voltage by an inverter, so that a pair of electrodes are provided on the upper and lower sides of the whole battery, that is, on the bottom surface of the bottom cell and the top surface of the top cell and Since only one inverter needs to be provided between them, a highly practical two-terminal structure can be adopted.
[0012]
[Third Means for Solving the Problems]
Further, the gist of the tandem solar cell of the third invention for achieving the above object is as follows: (a) a bottom cell made of a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.1 (eV); And a top cell made of a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.65 to 1.85 (eV) provided on the bottom cell via the tunnel junction layer.
[0013]
[Effect of the third invention]
In this way, the tandem solar cell has a high energy conversion efficiency because it has a two-junction structure in which a bottom cell and a top cell having different band gap energies are stacked. Since the band gap energies of the solar cells are set to 1.1 (eV) and 1.65 to 1.85 (eV), respectively, the current values generated from each match each other. That is, these band gap energies are determined in a range where the current values generated from each other match each other. Therefore, it is not necessary to provide a wiring for each of the semiconductor solar cells, take out the current, and convert the current to a common voltage by an inverter, so that a pair of electrodes are provided on the upper and lower sides of the whole battery, that is, on the bottom surface of the bottom cell and the top surface of the top cell and Since only one inverter needs to be provided between them, a highly practical two-terminal structure can be adopted. Thus, the present invention is preferably implemented with a three-joint or two-joint structure.
[0014]
Other aspects of the invention
Here, preferably, the semiconductor solar cell (bottom cell in the second and third inventions) constituting the lowermost layer of the tandem solar cell is made of single-crystal silicon. In this case, since silicon has stable characteristics and can be obtained at low cost, there is an advantage that a tandem solar cell having high characteristics can be manufactured at low cost. In addition, silicon has high strength, so it is difficult to break during mounting, handling is easy, wafer process is stable, rigidity is high, and there is little occurrence of thermal stress or external stress, which leads to deterioration of characteristics. is there.
[0015]
Preferably, when the bottom cell is made of single-crystal silicon, and in the case of the three-junction structure, the middle cell and the top cell are made of SiGeC / SiGeC, ZnSiSb / ZnSiP, CdSiAs / CdSiP, InGaAsP / It is made of AlGaInP (all are middle cells / top cells), and in the case of the two-junction structure, the top cell is made of GaNPAs. In this manner, since these compound semiconductors have a lattice constant similar to that of silicon, a high-performance tandem solar cell with less distortion and defects due to lattice mismatch can be obtained.
[0016]
Preferably, a plurality of types of semiconductor solar cells constituting the tandem type solar cell, that is, the bottom cell, the middle cell, and the top cell in the second invention, and the bottom cell and the top cell in the third invention, It has an area. This has the advantage that the difference in the generated current value of each of the semiconductor solar cells can be further reduced in combination with the band gap energy being determined as described above.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a tandem
[0019]
The
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
Further, as shown in FIG. 2, for example, each of the bonding layers 18 is formed of n-AlInP, p ++ -InGaP, n ++ -AlGaAs and p-AlInP are stacked and formed of a four-layer semiconductor having a double heterostructure. Each layer has a thickness of about 100 (nm), and the entire thickness of the
[0023]
Returning to FIG. 1, for example, a comb-shaped
[0024]
The tandem
[0025]
That is, in the present embodiment, the
[0026]
As described above, since the
[0027]
Incidentally, in the present embodiment, the constituent materials of the tandem
[0028]
However, since the generated current value of the semiconductor solar cell is determined according to the amount of photons absorbed, if an arbitrary material is selected in the above-mentioned region, the current values generated in the
[0029]
Therefore, in the present embodiment, the band gap energy of the
[0030]
FIG. 5 is a diagram for examining candidate materials for the
[0031]
As described above, in the present embodiment, assuming that the
[0032]
As is apparent from FIG. 5, there is a slight lattice mismatch between the
[0033]
The tandem
[0034]
After the
[0035]
In the present embodiment, the
[0036]
In short, in the present embodiment, since three semiconductor solar cells having different band gap energies, ie, the
[0037]
Further, according to the present embodiment, since the
[0038]
Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following embodiments, portions common to the above-described embodiments will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0039]
The tandem
[0040]
The
[0041]
In the tandem-type
[0042]
The tandem
[0043]
The
[0044]
The tandem
[0045]
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional structure of a tandem
[0046]
Also in the tandem
[0047]
Note that, also in the present embodiment, the constituent material of the
[0048]
Then, among the materials having the band gap energy as described above, the material having the mixed crystal ratio as described above is selected as a material having a lattice constant similar to that of silicon constituting the
[0049]
As mentioned above, although one Example of this invention was described in detail based on drawing, this invention can be implemented in another aspect.
[0050]
For example, in the above embodiment, the case where the present invention is applied to the tandem
[0051]
In the embodiment, the
[0052]
In the above embodiment, the case where the
[0053]
In the above-described embodiment, the light receiving areas of the
[0054]
Further, in the embodiment, the
[0055]
Further, the values of the band gap energies of the
[0056]
Although not specifically exemplified, the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a tandem solar cell according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a bonding layer provided between cells in the tandem solar cell of FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a use state of the tandem solar cell of FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating the theoretical energy conversion efficiency of a tandem solar cell having a three-junction structure in relation to the band gap energy of a middle cell and a top cell.
FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the lattice constant of the constituent material of the tandem solar cell of FIG. 1 and the band gap energy.
6 is a process chart illustrating a method for manufacturing the tandem solar cell of FIG.
FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a tandem solar cell according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view schematically showing a cross-sectional structure of a tandem solar cell according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a tandem solar cell having a two-junction structure according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating the theoretical energy conversion efficiency of a tandem solar cell having a two-junction structure in relation to the band gap energy of the bottom cell and the top cell.
FIG. 11 is a diagram illustrating a method of using a conventional tandem solar cell.
[Explanation of symbols]
10: Tandem solar cell
12: Bottom cell
14: Middle cell
16: Top cell
34: Upper electrode
38: Lower electrode
Claims (4)
前記複数種類の半導体太陽電池の各々のバンドギャップ・エネルギは、各々から発生する電流値が相互に一致する値となるように定められていることを特徴とするタンデム型太陽電池。A tandem solar cell in which a plurality of types of semiconductor solar cells having different band gap energies are monolithically stacked via a tunnel junction layer,
The bandgap energy of each of the plurality of types of semiconductor solar cells is determined so that current values generated from the respective types become mutually coincident values.
トンネル接合層を介してそのボトムセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが1.4乃至1.5(eV)の半導体太陽電池から成るミドルセルと、
トンネル接合層を介してそのミドルセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが1.9乃至2.0(eV)の半導体太陽電池から成るトップセルと
を含むことを特徴とするタンデム型太陽電池。A bottom cell made of a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.1 (eV);
A middle cell comprising a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.4 to 1.5 (eV) provided on the bottom cell via a tunnel junction layer;
A top cell comprising a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.9 to 2.0 (eV) provided on the middle cell through a tunnel junction layer.
トンネル接合層を介してそのボトムセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが1.65乃至1.85(eV)の半導体太陽電池から成るトップセルと
を含むことを特徴とするタンデム型太陽電池。A bottom cell made of a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.1 (eV);
A top cell comprising a semiconductor solar cell having a band gap energy of 1.65 to 1.85 (eV) provided on the bottom cell through a tunnel junction layer.
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