JP2010087504A - 太陽エネルギー変換デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】 光タンデム型光電池パネルを提供する。
【解決手段】 太陽エネルギー変換デバイスは、上部パネルから下部パネルまでの階層に積層された少なくとも２つのパネルの垂直積層体を備え、パネルの各々は、パネルの垂直積層体内の他のパネルの太陽電池とは異なるエネルギー・バンドギャップを有する太陽電池の整合（マッチング）アレイを含む。垂直積層体内の各パネルは、より高いエネルギー・バンドギャップの太陽電池を有するパネルが、階層内及び積層体内で、より低いエネルギー・バンドギャップの太陽電池を含む他のパネルの上に位置するように配置することができる。デバイスの上面は最上部パネルに入射する太陽エネルギーを受け取るように適合される。各上部パネルは、そのエネルギー・バンドギャップより大きい太陽光子エネルギーを有する太陽光の部分を吸収し、より大きい太陽光子エネルギーよりも小さい光子エネルギーを有する太陽光子を、階層内で下方の積層体内で下に位置する残りのパネルの１つまで透過させる。
【選択図】 図１
【解決手段】 太陽エネルギー変換デバイスは、上部パネルから下部パネルまでの階層に積層された少なくとも２つのパネルの垂直積層体を備え、パネルの各々は、パネルの垂直積層体内の他のパネルの太陽電池とは異なるエネルギー・バンドギャップを有する太陽電池の整合（マッチング）アレイを含む。垂直積層体内の各パネルは、より高いエネルギー・バンドギャップの太陽電池を有するパネルが、階層内及び積層体内で、より低いエネルギー・バンドギャップの太陽電池を含む他のパネルの上に位置するように配置することができる。デバイスの上面は最上部パネルに入射する太陽エネルギーを受け取るように適合される。各上部パネルは、そのエネルギー・バンドギャップより大きい太陽光子エネルギーを有する太陽光の部分を吸収し、より大きい太陽光子エネルギーよりも小さい光子エネルギーを有する太陽光子を、階層内で下方の積層体内で下に位置する残りのパネルの１つまで透過させる。
【選択図】 図１
Description
本発明は光起電型のエネルギー変換デバイス（ＥＤＣ）に関し、より具体的には光電池（光起電力電池）、例えば、光電池アレイを取り付けたパネルの積層体からなる電池型のＥＣＤ（光タンデム型光電池パネル）に関する。
定義
電磁放射−電気エネルギー変換デバイス（ＥＲＥＥＣＤ）：電磁（光）放射と反応して電気エネルギーを生成するデバイス。
光放射−電気エネルギー変換デバイス（ＯＲＥＥＣＤ）：光学的電磁放射と反応して電気エネルギーを生成するデバイス。この様なデバイスは、放射吸収デバイス、例えば、光検出器／カウンタ、光電池（太陽電池）又は光駆動電気分解セルなどとすることができる。
光電子エネルギー・デバイス（ＯＥＤ）：光学的放射と反応して電子デバイスにより電気エネルギーを生成するデバイス。
電磁放射−電気エネルギー変換デバイス（ＥＲＥＥＣＤ）：電磁（光）放射と反応して電気エネルギーを生成するデバイス。
光放射−電気エネルギー変換デバイス（ＯＲＥＥＣＤ）：光学的電磁放射と反応して電気エネルギーを生成するデバイス。この様なデバイスは、放射吸収デバイス、例えば、光検出器／カウンタ、光電池（太陽電池）又は光駆動電気分解セルなどとすることができる。
光電子エネルギー・デバイス（ＯＥＤ）：光学的放射と反応して電子デバイスにより電気エネルギーを生成するデバイス。
光電池：２つの電極を有し、表面に入射する紫外線から赤外線に至る範囲の光又は他の放射エネルギーを電力／電圧／電流の形態の電気エネルギーに変換する電気デバイスであり、通常は、反対の電気的極性を有する上部電極と底部電極を有するダイオードである。光電池は電極を通して流れる直流電流を生成する。本明細書で用いる光電池という用語は、上で定義したＥＲＥＥＣＤ、ＯＲＥＥＣＤ、及びＯＥＤを含む、放射エネルギーを電気エネルギーに変換する電池の一般名である。
太陽電池：２つの電極を有し、表面に入射する光を電気エネルギーに変換する電気的光起電デバイス（例えば半導体）であり、通常は、反対の電気的極性を有する上部電極と底部電極を有するダイオードである。太陽電池は電極を通して流れる直流電流を生成する。本明細書で用いる太陽電池という用語は、放射エネルギーを電気エネルギーに変換するセルの一般名である。
パネル：ガラス、石英、金属、又は他の材料で作られた基板上に形成される構造体であり、その上に取り付けられた電気的入力及び出力手段を含むことができる複数の太陽電池を有する。
ＴＣＯ（透明導電性酸化物）：光学的に透明な導電体。
積層体：太陽光が最上部パネルに入射し、その一部分が下に漏れ又は通過して下層のパネルに至るように配置され、相互に取り付けられた縦列（カスケード）パネル。
ＴＣＯ（透明導電性酸化物）：光学的に透明な導電体。
積層体：太陽光が最上部パネルに入射し、その一部分が下に漏れ又は通過して下層のパネルに至るように配置され、相互に取り付けられた縦列（カスケード）パネル。
太陽スペクトル：入射光子の波長の関数として利用可能な太陽エネルギーの量であり、ここで各光子のエネルギーは１．２４ボルトをミクロン単位の波長で割ったものとする。
スペクトル応答：入射光子の波長において太陽電池により生成される電流量。
スペクトル応答：入射光子の波長において太陽電池により生成される電流量。
電気的並列：加法的に太陽電池電流を生成するように、太陽電池の上部電極及び底部電極を他の太陽電池の上部電極及び底部電極に接続すること。
電気的直列：電池の電圧が加え合わされるように太陽電池の上部電極を別の太陽電池の下部電極に接続すること。
光学的直列：例えば半導体である１つのデバイスに入射した光がそのデバイス内で部分的に吸収され、残りが下方に通過して他のデバイス（例えば、半導体）に達する配置。
タンデム型太陽電池：入射光が部分的に上層の電池に吸収され、吸収されない部分が下方に通過して下層の電池に達する、太陽電池の積層体。
電気的直列：電池の電圧が加え合わされるように太陽電池の上部電極を別の太陽電池の下部電極に接続すること。
光学的直列：例えば半導体である１つのデバイスに入射した光がそのデバイス内で部分的に吸収され、残りが下方に通過して他のデバイス（例えば、半導体）に達する配置。
タンデム型太陽電池：入射光が部分的に上層の電池に吸収され、吸収されない部分が下方に通過して下層の電池に達する、太陽電池の積層体。
バンドギャップ又はエネルギー・バンドギャップ：特に半導体の価電子帯と伝導帯の間のエネルギー差を含む、半導体デバイスの電気的特性、電流及び電圧出力を決定する半導体デバイスのエネルギー・プロファイル特性。
ｐ／ｎ接合：p型半導体とｎ型半導体の間の接合により形成されるダイオード。
トンネル接合：高濃度にドープされてダイオード特性ではなくオーミック電気特性を示すｐ／ｎ接合。
接点グリッド：太陽電池により生成された電流を集めるように、且つ入射太陽光が半導体デバイスである太陽電池の表面の大部分に達するように、相互に接続された低電気抵抗の金属ライン。
ｐ／ｎ接合：p型半導体とｎ型半導体の間の接合により形成されるダイオード。
トンネル接合：高濃度にドープされてダイオード特性ではなくオーミック電気特性を示すｐ／ｎ接合。
接点グリッド：太陽電池により生成された電流を集めるように、且つ入射太陽光が半導体デバイスである太陽電池の表面の大部分に達するように、相互に接続された低電気抵抗の金属ライン。
電気機器（Load）：例えば、電気器具、ヒータ、テレビジョンなど電力源を必要とする、電力を使用するデバイス。
ベース：半導体内の接合境界の下にある太陽電池の本体。
バイパス・ダイオード：一群の太陽電池を横切って配置されて過剰電流を分路させ、一群の中の他の電池が照射された状態で遮光される電池の損傷を防止するための、ダイオード。
ベース：半導体内の接合境界の下にある太陽電池の本体。
バイパス・ダイオード：一群の太陽電池を横切って配置されて過剰電流を分路させ、一群の中の他の電池が照射された状態で遮光される電池の損傷を防止するための、ダイオード。
異なるバンドギャップを有する複数種類の太陽電池を用いたタンデム型太陽エネルギー変換デバイスを製造する目的は、太陽電池はそれらのバンドギャップに近い光子エネルギーを変換する場合、それらのバンドギャップより遥かに高い光子エネルギーを変換する場合よりも効率的であることによる。太陽スペクトルを複数部分に再分割し、スペクトルの適切な部分内の太陽エネルギーを電気ネルギーに変換するように最適化された複数の太陽電池を用いることにより、全体の効率は著しく向上する。
特定の型のタンデム型太陽電池が当技術分野においてよく知られている。最も一般的な型は、p／n接合を第１の半導体内に形成し、次いでトンネル接合をエピタキシャルに成長させ、高バンドギャップ半導体の第２の接合をまたエピタキシャルに成長させた、モノリシック型である。必要であれば、第２のトンネル接合、及びさらに高いバンドギャップの半導体の第３のｐ／ｎ接合をまたエピタキシャルに成長させる。各半導体ｐ／ｎ接合が他の半導体ｐ／ｎ接合の上に配置されたタンデム積層体は、そのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーの光を吸収し、そのバンドギャップよりも小さい光子エネルギーの残りの光を下層の半導体ｐ／ｎ接合に向けて透過させる。トンネル接合の目的は、低抵抗の「オーミック」コンタクトとして機能して別々のｐ／ｎ接合を直列に接続し、各電池の電圧を互いに加え合わせることである。接合が直列となるので、積層体中の各ｐ／ｎ接合太陽電池により生成される電流は同じでなければならず、さもなければ電力及びエネルギー変換効率が低下することになる。
どの従来技術にも、タンデム構造体の別々のパネル上の太陽電池を、積層体内の各パネルが実質的に同じ電圧又は電流出力を有するように接続し、パネルを直列に接続して電圧を加え合わせること、又は並列に接続して電流を加え合わせることを可能にするステップが含まれず、それゆえに完成タンデム型エネルギー変換デバイスが２つの電極（通常は電気的「接地」に接続される１つの出力電極及びもう１つの出力電極）だけを有するようにしてエネルギー変換デバイスを単一の電気機器に接続することができない。
本発明により、光起電デバイスは光電池、例えば光起電（即ち、太陽）エネルギー変換デバイス（ＥＣＤ）電池の積層体を備え、各積層体は、光電池、即ち太陽電池のアレイを有する複数の光電池パネルからなり、各パネルは相互に取り付けられて、放射（太陽）エネルギーが最上部パネルに入射するとき、放射（太陽）エネルギー・スペクトルの一部分がそれにより吸収されて電気エネルギーを生成する。積層パネルの各々の連続したパネルは、上部パネルで吸収されなかった放射（太陽）エネルギー・スペクトルの部分を受け取る。積層体の下方の光電池パネルまで透過されたエネルギーはそこで吸収されて電気エネルギーを生成する。
本発明の一態様において、積層体内の上方のパネルには、より高いエネルギー・バンドギャップを有する光（太陽）電池が取り付けられ、積層体内の下方の次のパネルにはより低いエネルギー・バンドギャップを有する光（太陽）電池が取り付けられる。これら光（太陽）電池は電気的直列及び並列に接続して各パネルが所望の電圧及び電流出力をもたらすようにし、パネルは相互に電気的に接続して、有用な電力に変換された入射太陽エネルギーの量がいずれのパネル単独で生成される量よりも大きくなるようにする。
本発明により、上部パネルから下部パネルまでの階層に積層された少なくとも２つのパネルの垂直積層体を含む光（太陽）エネルギー変換デバイスが提供され、ここでパネルの各々は、パネルの垂直積層体内の他のパネルの光（太陽）電池とは異なるエネルギー・バンドギャップを有する光（太陽）電池の整合（マッチング）アレイを含む。垂直積層体内のパネルの各々は、より高いエネルギー・バンドギャップの光（太陽）電池を有するパネルの１つが、階層内及び積層体内で、より低いエネルギー・バンドギャップの光（太陽）電池を含む他のパネルの上に位置するように配置される。デバイスの最上面は、最上部パネルに入射する光（太陽）エネルギーを受け取るように適合させる。
上部パネルの各々は、そのエネルギー・バンドギャップより大きい太陽光子エネルギーを有する太陽光の部分を吸収し、各上部パネルはより大きい光（太陽）光子エネルギーより小さい光子エネルギーを有する太陽光子を、積層体内の下部に位置するより低い階層の残りのパネルの一つまで透過させる。各パネル内の光（太陽）電池は電気的に直列に接続され、パネルは並列に接続されることが好ましい。或いは、各パネル内の光（太陽）電池は電気的に並列に接続され、パネルは直列に接続されることが好ましい。直列の電気的配置に接続された各々のパネル上の太陽電池の数は、各パネルの所望の出力電圧を、各パネル上の光（太陽）電池の各々の動作電圧で割った値に等しいことが好ましい。２つのパネルの積層体は、ＧａＡｓ光（太陽）電池が上部パネルに取り付けられ、シリコン太陽電池が下部パネルに取り付けられることが好ましい。
別の実施形態において、上部パネルには、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、アモルファス・シリコン、ＣｄＴｅ、及びＣｄＺｎＴｅから成る群から選択される光（太陽）電池が取り付けられ、下部パネルには、結晶シリコン、多結晶シリコン、二セレン化銅インジウムガリウム、ゲルマニウム、窒化ガリウムインジウム、窒化ガリウムインジウム砒素から成る群から選択される光（太陽）電池が取り付けられる。
３つのパネルの積層体は、順番に上から下まで配置された上部パネル、中間パネル及び下部パネルを含み、上部パネルにはエネルギー・バンドギャップが１．７電子ボルトより大きい光（太陽）電池が取り付けられ、下部パネルにはエネルギー・バンドギャップが１．１電子ボルトより小さい光（太陽）電池が取り付けられ、中間パネルにはエネルギー・バンドギャップが上部パネルと下部パネルに取り付けられた電池のバンドギャップの間にある光（太陽）電池が取り付けられることが好ましい。各パネル内の光（太陽）電池は並列させて誘電体スペーサで分離するか又は互いに密着させることが好ましい。
本発明の別の態様によれば、光（太陽）エネルギー変換デバイスは、各々のパネルが異なるエネルギー・バンドギャップを有する光（太陽）電池のアレイを含む積層体内の最上部パネルに入射する光（太陽）エネルギーの方向に配置された少なくとも２つのパネルを含む。パネルは、より高いエネルギー・バンドギャップの光（太陽）電池を有するパネルがより低いエネルギー・バンドギャップの光（太陽）電池を有するパネルの上に位置する垂直積層体に配置され、各パネルはそのエネルギー・バンドギャップより大きい（太陽）光子エネルギーを有する太陽光の部分を吸収するように適合され、そのエネルギー・バンドギャップより小さいエネルギーを有する光（太陽）光子を積層体内の下方のパネルまで透過させるように適合される。
各パネル内の光（太陽）電池が電気的に直列に接続され、パネルは並列に接続される、或いは、各パネル内の光（太陽）電池が電気的に並列に接続され、パネルは直列に接続されることが好ましい。並列の電気的配置に接続された各々のパネル上の光（太陽）電池の数は、各パネルの所望の出力電流を、各パネル上の太陽電池の各々の動作電流で割った値に等しいことが好ましい。
上部パネルの透明性及び固体の最下部パネルは、上層のパネルを透過した光のある部分を下層パネルにより上方へ反射して戻し、付加的な電力出力及び低損失をもたらすことができる。そのような上方反射の便益は、各パネルを貫通する光の量及び下層パネルの反射特性に依存する。
２つのパネルの積層体は、ＧａＡｓ光（太陽）電池が上部パネルに取り付けられ、シリコン太陽電池が下部パネルに取り付けられることが好ましい。或いは、上部パネルには、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、アモルファス・シリコン、ＣｄＴｅ、及びＣｄＺｎＴｅから成る群から選択される太陽電池が取り付けられ、下部パネルには、結晶シリコン、多結晶シリコン、二セレン化銅インジウムガリウム、ゲルマニウム、窒化ガリウムインジウム、窒化ガリウムインジウム砒素から成る群から選択される光（太陽）電池が取り付けられる。
本発明のさらに別の態様によれば、積層体中の３つの光（太陽）電池パネルは、上から下へ順番に配置された上部パネル、中間パネル及び下部パネルを含む。上部パネルには、エネルギー・バンドギャップが約１．７電子ボルトより大きい太陽電池が取り付けられる。下部パネルには、エネルギー・バンドギャップが約１．１電子ボルトより小さい太陽電池が取り付けられる。中間パネルには、エネルギー・バンドギャップが上部パネルと下部パネルに取り付けられた電池のバンドギャップの間にある太陽電池が取り付けられる。一群の光（太陽）電池をユニットとして表し、各ユニットに保護バイパス・ダイオードが含まれることが好ましい。各パネル内の光（太陽）電池は誘電体スペーサで分離するか、又は各パネル内の光（太陽）電池は互いに密着させることが好ましい。
本発明及びその目的と特徴は、添付の図面と共に記述される以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲からより明白となる。
以下の詳細な記述は、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態並びに利点及び特徴を説明するものである。
タンデム型太陽電池パネル。
図１は、タンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイス１０を示すが、これは、３つの上部太陽電池１２を有する上部太陽電池パネル１１と下部太陽電池１４を有する下部太陽電池パネル１５とを含む２つの太陽電池パネル（光電池パネルの例とし）のタンデム配置の積層体ＳＴ１から成る。図示したように、下部太陽電池パネル１５は上部太陽電池パネル１１の下にあるが、電磁エネルギーが下から供給される場合には構造体を逆さにすることができる。上部太陽電池パネル１１は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）パッド１８が取り付けられた上面を有する透明上部基板１３を含む。ＴＣＯパッド１８の上面には、ダイオードである３つの幅広の上部太陽電池が隣り合って平行に狭い間隔で並列される。
図１は、タンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイス１０を示すが、これは、３つの上部太陽電池１２を有する上部太陽電池パネル１１と下部太陽電池１４を有する下部太陽電池パネル１５とを含む２つの太陽電池パネル（光電池パネルの例とし）のタンデム配置の積層体ＳＴ１から成る。図示したように、下部太陽電池パネル１５は上部太陽電池パネル１１の下にあるが、電磁エネルギーが下から供給される場合には構造体を逆さにすることができる。上部太陽電池パネル１１は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）パッド１８が取り付けられた上面を有する透明上部基板１３を含む。ＴＣＯパッド１８の上面には、ダイオードである３つの幅広の上部太陽電池が隣り合って平行に狭い間隔で並列される。
図解の便宜上、３つの上部太陽電池だけを示すが、もっと多数の太陽電池を同様に用いることができる。上部太陽電池は、その両面に、電気回路内の接続に適合させた導電性電極、即ちアノード及びカソードを有し、直流電流を生成する。上部太陽電池１２の各々の上面に上部電極があり、上部太陽電池１２の各々の底面に下部電極がある。
全てのダイオードの場合と同様に、当業者には周知のことであるが、太陽電池（ダイオード）の上部電極と下部電極は反対の極性を有する。例えば全ての上部電極を負の極性を有するカソードとすることができ、その場合全ての下部電極は正の極性を有するアノードとなり、或いは、回路内の接続の仕方に応じて逆にすることができる。上部太陽電池１２の間の間隔は最小にしてそれらの間を光が殆ど通過しないようにする。ＴＣＯ層１８は、幾つかの上部太陽電池１２の組によって吸収されない光を、それを通して透過させる材料から構成される。それゆえ、上部太陽電池１２によって吸収されなかった光は透明な上面１３を透過して下方の下部太陽電池パネル１５に至る。
特に、ＴＣＯ層１８は、酸化インジウム錫、酸化錫、酸化亜鉛などの導電性材料から構成することができる。太陽電池１２の下部電極はＴＣＯ層１８に結合させ、即ち電気的及び機械的に接触させるので、ＴＣＯ層１８は下部電極として用いて、ＴＣＯ層１８の露出端部９のような位置に電気的接続を形成することができる。
下部太陽電池パネル１５は底部基板１６を含み、この底部基板は、底部導電性基板１６の上面に狭い間隔で平行に並列された幾つかの下部太陽電池１４が形成された上面を有する。図解の便宜上、４つの太陽電池１４だけを図示するが、より多数のものを同様に用いることができる。４つの下部太陽電池１４は、上部太陽電池１２より幅狭であるが、これもまた、反対の極性を有する上部及び下部電極をその上面及び底面に有するダイオードである。
例えば、上部太陽電池パネル１１に関して上述したように、全ての上部電極が負の極性を有することができ、全ての下部電極が正の極性を有することができること、或いはその逆であることが好ましく、またそれは、当業者には良く理解されるように、回路内で電極をどのように接続するかに応じて変更できることが好ましい。導電性底部基板１６は透明である必要はなく、金属のような導電性材料で構成することができ、これは下部電極として用いて底部基板１６の露出端部１９のような位置に電気的接続を形成することができる。
放射エネルギー１７は、光、太陽光、又は太陽若しくは他のエネルギー源からの他の放射エネルギーとすることができるが、上部太陽電池１２の上面を含む積層体ＳＴ１に入射するように下方に向けて図示される。上部太陽電池１２のバンドギャップより高い光子エネルギーを有する太陽スペクトルの部分は、大部分がその太陽電池により吸収され、それにより電気エネルギーに変換される。
上部太陽電池１２のバンドギャップより低い光子エネルギーを有する太陽スペクトルの部分は、上部太陽電池１２、ＴＣＯ層１８及び透明上部基板１３を下方に透過して、下部太陽電池パネル１５の上面及びその上に取り付けられた下部太陽電池１４に至り、そこで下部太陽電池１４のバンドギャップより高いエネルギーを有する太陽スペクトルの部分が電気エネルギーに変換される。上部太陽電池１２と下部太陽電池１４の間の空間は最小幅にして、最小電池面積に対して最大量の太陽光が集められるようにする。さもなければ、上部太陽電池１２と下部太陽電池１４の間の空間は効率損失もたらすことになる。
図解の便宜上、上部太陽電池パネル１１の上には３つの上部太陽電池１２だけを示し、下部太陽電池パネル１５の上には４つの下部太陽電池だけを示す。実際には、太陽電池パネル１１及び１５の各々の上の太陽電池の数は、パネルの所望の出力電圧を、その上の個々の太陽電池の出力電圧で割ることにより決定される。
複数タンデム型太陽電池パネル。
図２は、３組のダイオードである太陽電池１２、２２、及び２４がそれぞれ取り付けられた複数（３つ）の太陽電池パネル１１、２１及び２３の別の積層体ＳＴ２から成るタンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイス２０を示す。太陽電池１２、２２、及び２４は、当業者には良く理解されるように、その上面に形成された上部電極と底面に形成された下部電極との両方を有する。上部電極と下部電極は通常反対の極性を有することになる。例えば、全ての上部電極が負の極性を有し、そして全ての下部電極が正の電極を有するようにすることができ、或いは一貫して逆にすることもできる。
図２は、３組のダイオードである太陽電池１２、２２、及び２４がそれぞれ取り付けられた複数（３つ）の太陽電池パネル１１、２１及び２３の別の積層体ＳＴ２から成るタンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイス２０を示す。太陽電池１２、２２、及び２４は、当業者には良く理解されるように、その上面に形成された上部電極と底面に形成された下部電極との両方を有する。上部電極と下部電極は通常反対の極性を有することになる。例えば、全ての上部電極が負の極性を有し、そして全ての下部電極が正の電極を有するようにすることができ、或いは一貫して逆にすることもできる。
上部パネル１１及び中間パネル２１は、上部及び中間太陽電池パネル１１及び２１の底部にある透明上部基板１３及び透明中間基板１３’から構成され、それらの上面にはそれぞれ上部ＴＣＯ層１８及び中間ＴＣＯ層１８’が形成される。上部ＴＣＯ層１８は、下部電極として用いてその露出端部９のような位置に電気的接続を形成することができる。同様に、中間ＴＣＯ層１８’は下部電極として用いてその露出端部９’のような位置に電気的接続を形成することができる。
図１におけるように、上部パネル１１のＴＣＯ層１８の上面に取り付けられた幾つかの、例えば３つの上部太陽電池１２が存在し、それらの下部電極はＴＣＯ層１８に結合される、即ち、電気的且つ機械的に接触する。図解の便宜上４つだけの電池として図示した、通常は小さな中間太陽電池２２は、中間太陽電池２２の中間パネル２１の中間ＴＣＯ層１８’の上面上に、より多数形成される。
下部太陽電池２４は、７つだけ（図解の便宜上）として図示したが、さらに多数が太陽電池２４の底部パネル２３の導電性基板１６’の上面上に形成される。図１と同様に、底部基板１６’は透明である必要はなく、金属のような導電性材料で構成することができ、これを下部電極として用いて、底部基板１６’の露出端部１９’のような位置に電気的接続を形成することができる。太陽光、光、又は他の放射エネルギー１７は、図１におけると同様に、上部太陽電池１２、及び上部パネル１１のＴＣＯ層１８の露出上面に入射する。
図１及び図２に示した太陽電池は、パネルを並列に接続するための要件である、各パネルから同じ正味の電圧出力が生ずるように、下方のパネル上でサイズが減少する。このデバイス・サイズに関する要件は、電圧出力の代りに電流出力を同じにする必要があるときにパネルを直列に接続する場合には不要である。
光、太陽光又は他の放射エネルギー源１７の太陽スペクトルのうち、上部パネル１１の上部太陽電池１２のバンドギャップより高い光子エネルギーを有する部分は、大部分が上部太陽電池１２によって吸収されて電気エネルギーに変換される。しかし、上部太陽電池１２のバンドギャップより低い光子エネルギーを有する太陽スペクトルの部分は、上部太陽電池１２、ＴＣＯ層１８及び透明上部基板１３を透過して下方のパネル２１に至り、そこで中間太陽電池２２のバンドギャップより高いエネルギーを有する太陽スペクトルの部分が電気エネルギーに変換される。
中間パネル２１内の中間太陽電池２２のバンドギャップより高い太陽スペクトルの部分は、太陽電池２２によって吸収される。残りのエネルギー、即ち、中間太陽電池２２のバンドギャップより低い光子エネルギーを有する太陽スペクトルの部分は、中間ＴＣＯ層１８’及び透明中間基板１３’を透過して下方の底部パネル２３上の底部電池２４に至り、そこで太陽エネルギーが吸収されて電気エネルギーに変換される。
各パネル上の太陽電池は全て同じサイズにする必要はない。必要なのは、所望の出力を得るように、各パネル上の電池を電気的直列、並列、又は直列と並列の組合せに接続することである。単一のパネル上に異なるバンドギャップの太陽電池を用いることは、そうすることで特別の便益が得られる場合に可能である。しかし、一般には、個々のパネルの各々の上に同じバンドギャップの太陽電池を取り付けることが好ましい。
異なるバンドギャップを有する太陽電池材料。
各パネル用の太陽電池として、ある範囲の材料が使用可能である。例えば、図１の上部パネル１１には、アモルファス・シリコン（ａＳｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）、又はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）のような、バンドギャップが１．４電子ボルト（ｅＶ）に等しいか又はそれ以上である電池を取り付けることができ、一方下部パネルには、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）、窒化ガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓＮ）、又は二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）のような、バンドギャップが１．１ｅＶ又はそれ以下である電池を取り付けることができる。好ましい範囲内のバンドギャップを有する他の材料を用いることもできる。
各パネル用の太陽電池として、ある範囲の材料が使用可能である。例えば、図１の上部パネル１１には、アモルファス・シリコン（ａＳｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム亜鉛（ＣｄＺｎＴｅ）、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）、又はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）のような、バンドギャップが１．４電子ボルト（ｅＶ）に等しいか又はそれ以上である電池を取り付けることができ、一方下部パネルには、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）、窒化ガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓＮ）、又は二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）のような、バンドギャップが１．１ｅＶ又はそれ以下である電池を取り付けることができる。好ましい範囲内のバンドギャップを有する他の材料を用いることもできる。
図２の上部電池１２に対しては、ａＳｉ、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）、アルミニウムガリウムリン（ＡｌＧａＰ）、ガリウムアルミニウム砒素（ＧａＡｌＡｓ）、及びガリウム砒素リン（ＧａＡｓＰ）のような、１．７ｅＶに等しいか又はそれ以上のようなさらに高いバンドギャップを有する材料が好ましいが、ここでバンドギャップは半導体合金の組成によって調整することができる。
中間パネル２１に関して、中間太陽電池２２は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓ）、ＣＩＧＳ，及び窒化ガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓＮ）のような、バンドギャップが１．７ｅＶ未満で１．０ｅＶ以上である半導体で作成することができる。
下部パネル２３に関して、太陽電池は、ＧａＩｎＡｓ、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、Ｇｅ、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、及びこれらの材料の合金のような、バンドギャップが１．１ｅＶ未満である半導体で作成することができ、ここでバンドギャップは合金の組成によって決定される。
図１におけると同様に、パネル１１、２１、及び２３の上の電池１２、２２、及び２４の数は、パネルの所望の電圧出力及び個々の電池の電圧出力によって決定される。
分離したＴＣＯパッド上の直列接続された太陽電池を有するＴＥＣ太陽電池パネル。
図３（Ａ）は、上部パネル２５及び下部パネル３１から成る２つの太陽電池パネルの積層体ＳＴ３を備えたタンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイス３０の別の実施形態を示し、ここで、上部パネル２５上の太陽電池は第１の組の電気的直列接続に接続され、下部パネル３１上の太陽電池は第２の組の電気的直列接続に接続される。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示したＴＥＣ太陽電池デバイス３０の略電気回路図である。
図３（Ａ）は、上部パネル２５及び下部パネル３１から成る２つの太陽電池パネルの積層体ＳＴ３を備えたタンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイス３０の別の実施形態を示し、ここで、上部パネル２５上の太陽電池は第１の組の電気的直列接続に接続され、下部パネル３１上の太陽電池は第２の組の電気的直列接続に接続される。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示したＴＥＣ太陽電池デバイス３０の略電気回路図である。
図３（Ａ）において、上部パネル２５は、透明誘電体基板３７の上に並べて形成された２つのＴＣＯパッド２６Ａ及び２６Ｂの上面に形成されたダイオードである２つの太陽電池２７Ａ及び２７Ｂを含む。ＴＣＯパッド２６Ａ及び２６Ｂは電極として用いて、太陽電池２７Ａ及び２７Ｂの底部電極から回路内の次の素子への電気的接続を形成する。導電性相互接続２８は、ＴＣＯ層２６Ａを右側の太陽電池２７Ｂの上部電極に接続して、上部パネル２５上の２つの太陽電池２７Ａ及び２７Ｂを電気的直列に接続する。具体的には、左側太陽電池２７Ａの底部電極が左側ＴＣＯ層２６Ａの上面に直接接触によって接続され、このＴＣＯ層２６Ａが相互接続２８に接続され、次に相互接続２８が右側太陽電池２７Ｂの上部電極に接続される。
要するに、上部パネル２５上で、左側太陽電池２７Ａの底面が、隣の右側太陽電池２７Ｂの上面に、相互接続２８に接続する左側ＴＣＯ層２６Ａを通じて接続され、その結果直列に接続された電池の電圧が加え合わされる。端子Ｔ１は電線路３４によりコネクタＡ１に接続され、コネクタＡ１は左側太陽電池２７Ａの上部電極に直接接触により接続される。右側太陽電池２７Ｂの底部電極は、右側ＴＣＯパッド２６Ｂの上面との直接接触によりコネクタＢ１に接続され、コネクタＢ１は電線路３６により右の外部端子Ｔ２に接続される。
図３（Ａ）において、下部パネル３１は４つの太陽電池３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ及び３３Ｄの組を含み、これらの各々は、底部基板３８の上に形成された４つのＴＣＯパッド３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、及び３２Ｄの組の中のそれぞれ１つの上面上に形成される。太陽電池３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ及び３３Ｄは、ＴＣＯパッド３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、及び３２Ｄ、並びに、一組の導電性相互接続３５Ａ、３５Ｂ、及び３５Ｃによって、上部パネル２５に関する前述の接続と同様に、電気的直列に接続される。下部パネル３１において、左から右へ電池３３Ａ、３３Ｂ、及び３３Ｃの各々の底面は、それぞれ右側の隣接する太陽電池３３Ｂ、３３Ｃ及び３３Ｄの上面に、対応するＴＣＯパッド３２Ａ、３２Ｂ、又は３２Ｃ、並びに、対応する導電性相互接続３５Ａ、３５Ｂ、及び３５Ｃによって接続され、その結果、同じく直列に接続された電池の電圧が加え合わされる。
パネル２５及び３１の左側電極Ａ１及びＡ２は、電線路３４によって互いに接続され、この電線路３４がそれら両方を端子Ｔ１に接続する。パネル２５及び３１の右側電極Ｂ１及びＢ２は、電線路３６によって互いに接続され、そして端子Ｔ２に接続され、この電線路３６がパネル２５と３１を並列に接続して２パネルＴＥＣ太陽電池デバイス３０を２端子デバイスにし、パネル２５と３１が並列に接続されるので各パネルの電圧は同じにされる。これは、直列に接続される電池の数を、所望の電圧出力を各パネル上の太陽電池の電圧出力で割った値に等しくすることにより実施される。
例えば、所望の電圧出力が１６ボルトであるならば、パネル２５上の太陽電池２７が１ボルトの出力を有する場合、１６個の電池を相互接続２８により直列に接続し、一方、下部パネル３１の電池３３が０．５ボルトの出力を有する場合、３２個の電池３３を直列に接続する。太陽電池２７Ａ／２７Ｂは、例えば、１ボルト出力のＧａＡｓとすることができ、電池３３は０．５ボルト出力のＳｉとすることができる。
図２に示すような３つ又はそれ以上のパネルのエネルギー変換デバイスは、直列接続される電池の数が所望の全出力電圧を各パネル上の太陽電池の出力電圧で割った値に等しいという点で、同じ原理により構成することができる。所望の全出力電圧を生成するように各パネル上で直列に接続した電池の一群は、本発明の目的のための「ユニット」と呼ぶことができる。各ユニットは同じ電圧出力を有し、パネルは複数のユニットを含むことができる。ユニットは各パネル上で並列に接続してより多くの電流出力を得ることができる。
図３（Ｂ）の略電気回路図に示すように、ＴＥＣ太陽電池デバイス３０はまた、太陽電池２７Ａ／２７Ｂの上部パネル用の上部バイパス・ダイオードＤ１、及び太陽電池３３Ａ／３３Ｂ／３３Ｃ／３３Ｄの下部パネル用の下部バイパス・ダイオードＤ２を組み込んで、他の電池が太陽光に露出されたままで一群の電池が太陽光から遮光される場合に、ＴＥＣ太陽電池デバイス３０を保護することができる。
誘電体スペーサで分離されたパネル上の太陽電池を有する直列に接続された太陽電池パネル。
図４（Ａ）は、上部パネル４１及び下部パネル５１の積層体ＳＴ４を備えたＴＥＣ太陽電池デバイス４０Ａの代替の配置を示し、ここで上部パネル４１には一組の上部太陽電池４３が含まれ、下部パネル５１には一組の下部太陽電池５３が含まれ、これらの太陽電池はパネル内で、電気的直列に接続されずに、電気的並列に接続される。端子Ｔ３は、電線路５４によりコネクタＡ３に接続され、コネクタＡ３は上部パネル４１内の左側太陽電池４３の上部電極に直接接触により接続される。右側太陽電池５３の底部電極は、導電性基板１５の上面との直接接触によりコネクタＡ６に接続され、コネクタＡ６は電線路５９により端子Ｔ６に接続される。
図４（Ａ）は、上部パネル４１及び下部パネル５１の積層体ＳＴ４を備えたＴＥＣ太陽電池デバイス４０Ａの代替の配置を示し、ここで上部パネル４１には一組の上部太陽電池４３が含まれ、下部パネル５１には一組の下部太陽電池５３が含まれ、これらの太陽電池はパネル内で、電気的直列に接続されずに、電気的並列に接続される。端子Ｔ３は、電線路５４によりコネクタＡ３に接続され、コネクタＡ３は上部パネル４１内の左側太陽電池４３の上部電極に直接接触により接続される。右側太陽電池５３の底部電極は、導電性基板１５の上面との直接接触によりコネクタＡ６に接続され、コネクタＡ６は電線路５９により端子Ｔ６に接続される。
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示したＴＥＣ太陽電池デバイス４０Ａの略電気回路図である。上部パネル４１と下部パネル５１は電気的直列に接続することができる。この場合、各パネルにより供給される電流を同じにする必要がある。上部パネル４１と下部パネル５１は完成エネルギー変換デバイス内で並行ではなく直列に接続されるので、２つのパネル、即ち上部パネル４１と下部パネル５１の電圧出力が加え合わされる。
図４（Ａ）において、上部パネル４１は誘電体スペーサ４７で分離された上部太陽電池４３（ダイオード）を含み、下部パネル５１は誘電体スペーサ５７で分離された下部太陽電池５３（ダイオード）を含む。上部パネル４１の上部太陽電池４３は、図１におけると同様に、上部透明基板１３の上面に形成されたＴＣＯ層３９の上に取り付けられた下部電極を有し、その結果、上部太陽電池４３のバンドギャップより小さいエネルギーの太陽光は下部パネル５１及び下部太陽電池５３まで透過することになる。上部パネル４１上で、ＴＣＯ導電性層３９は上部太陽電池４３の裏面の下部電極への電気的接続をもたらし、それらを相互に接続する。
同様に、下部パネル５１上で、下部太陽電池５３が取り付けられた導電性基板１５は、下部太陽電池５３の裏面の下部電極を互いに電気的に接続する。上部太陽電池４３の前面上の上部電極、及び下部太陽電池５３の前面上の上部電極は、それぞれ図４（Ｂ）に示すように、それぞれ上部コネクタ４５及び下部コネクタ５５により電気的並列に接続される。太陽電池４３及び５３の上部電極は、Ａ３及び上部コネクタ４５及び下部コネクタ５５の各端部における上部電極への接続点間の機械的間隔を考慮して、上部電極に対するデュアル接続を伴うように示した。
互いに密着したパネル内電池を有する電気的直列に接続された太陽電池パネル。
図５（Ａ）及び（Ｂ）は図４（Ａ）及び（Ｂ）の代替の配置を示し、この場合、誘電体スペーサ４７及び５７が省かれてパネル４１及び５１の上の太陽電池は互いに密着し、他の点では構造体及び回路は同じである。図５（Ａ）に示すように、図４（Ａ）の積層体ＳＴ４内の、個々の電池４３及び５３をそれぞれ隣接する電池から絶縁する随意的な誘電体スペーサ４７及び５７が、図５（Ａ）に示した本発明の実施形態から省かれている。図４（Ａ）と対比すると、図５（Ａ）の積層体ＳＴ５は、それぞれ互いに密着した太陽電池４３及び５３の代替的な並列接続を含む。図５（Ｂ）に示した回路図は、電気的接続が変更されていないので、図４（Ｂ）と同一である。
図５（Ａ）及び（Ｂ）は図４（Ａ）及び（Ｂ）の代替の配置を示し、この場合、誘電体スペーサ４７及び５７が省かれてパネル４１及び５１の上の太陽電池は互いに密着し、他の点では構造体及び回路は同じである。図５（Ａ）に示すように、図４（Ａ）の積層体ＳＴ４内の、個々の電池４３及び５３をそれぞれ隣接する電池から絶縁する随意的な誘電体スペーサ４７及び５７が、図５（Ａ）に示した本発明の実施形態から省かれている。図４（Ａ）と対比すると、図５（Ａ）の積層体ＳＴ５は、それぞれ互いに密着した太陽電池４３及び５３の代替的な並列接続を含む。図５（Ｂ）に示した回路図は、電気的接続が変更されていないので、図４（Ｂ）と同一である。
図４（Ａ）及び図５（Ａ）の上部パネル４１において、コネクタ４５は上部パネル４１の上部太陽電池４３の上部電極を互いに電気的に接続する。底部のＴＣＯ導電層３９は上部パネル４１の上部太陽電池４３の下部電極を接続する。従って、太陽電池４３は、左上の太陽電池４３上のコネクタＡ３と、ＴＣＯ導電層３９の右側端部の上面上のコネクタＡ４との間で並列に接続される。
下部パネル５１において、下部太陽電池５３の頂部の下部コネクタ５５、及び下部パネル５１の底部の導電性基板１５は、下部パネル内の下部太陽電池５３を、左上の太陽電池５３上のコネクタＡ５と、下部基板１５の右側端部の上面上のコネクタＡ６との間で互いに並列に接続するように設けられる。
上部パネル４１のコネクタＡ３及びＡ４、並びに下部パネル５１のコネクタＡ５及びＡ６は、上部パネル４１と下部パネル５１を互いに直列又は並列に接続するように設けられる。例えば、図４（Ａ）及び（Ｂ）、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、コネクタＡ４及びＡ５は互いに接続してパネルを電気的直列に配置して太陽電池デバイス４０Ａの出力電圧がコネクタＡ３及びＡ６を横切って現れるようにすることができる。それらの結合は、どれがエネルギー変換デバイスの外部接続電極、即ち出力電極であるかを決定する。
各パネルは、パネルを電気的直列に接続するためには、同じ電流出力を有する必要がある。各パネル上で並列に接続する必要がある電池の数は、全出力電流を各電池の出力電流で割った値となる。例えば、各パネルが６アンペアの出力電流を供給するように意図する場合、各電池が０．５アンペアを出力する場合には１２個の電池を並列に接続し、各電池が０．４アンペアを出力する場合には１５個の電池を並列に接続する。
互いに密着したパネル内電池を有する並列に接続された太陽電池パネル。
或いは、当業者には良く理解されるように、図５（Ａ）及び（Ｂ）の変形である図６（Ａ）及び（Ｂ）は、パネル４１と５１を電気的並列に接続するための、ライン５８Ａで互いに接続されたコネクタＡ３及びＡ５，並びにライン５８Ｂで互いに接続されたコネクタＡ４及びＡ６を示す。
或いは、当業者には良く理解されるように、図５（Ａ）及び（Ｂ）の変形である図６（Ａ）及び（Ｂ）は、パネル４１と５１を電気的並列に接続するための、ライン５８Ａで互いに接続されたコネクタＡ３及びＡ５，並びにライン５８Ｂで互いに接続されたコネクタＡ４及びＡ６を示す。
所望の電流を出力するように並列接続された太陽電池の群の各々は、一ユニットと考えることができる。パネルは、各々が同じ電流出力を有する複数のユニットを含むことができる。各パネル上のユニットは、直列に接続して実質的に定電流で電圧を加え合わせることができ、或いは、さらに並列に接続して実質的に定電圧でより多くの電流を得ることができる。各ユニットはまた、他の電池が太陽光に露出されたままで一群の電池が太陽光から遮光される場合に、ユニットを保護するためのバイパス・ダイオードを組み込むことができる。
物理的に反転し直列に接続された隣接する太陽電池を有する太陽電池パネル。
図７（Ａ）は本発明による、交互のｐ／ｎ及びｎ／ｐ型の太陽電池が電気的直列に接続されたタンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイスを示す。図７（Ｂ）は図７（Ａ）に示したＴＥＣ太陽電池デバイスの回路図である。図７（Ａ）はパネル６０上の一組の太陽電池６３Ａ、６４Ａ、６３Ｂ、６４Ｂ、６３Ｃ及び６４Ｃの交互の直列接続を示し、これには一組の３つのＴＣＯパッド６２Ａ、６２Ｂ及び６２Ｃの上に形成された第１の組のダイオードであるｐ−ｎ型太陽電池セル６３Ａ、６３Ｂ及び６３Ｃ、並びに、第２の組のやはりダイオードである、上下逆の、即ち物理的に反転したｎ−ｐ型太陽電池６４Ａ、６４Ｂ及び６４Ｃが含まれる。
図７（Ａ）は本発明による、交互のｐ／ｎ及びｎ／ｐ型の太陽電池が電気的直列に接続されたタンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイスを示す。図７（Ｂ）は図７（Ａ）に示したＴＥＣ太陽電池デバイスの回路図である。図７（Ａ）はパネル６０上の一組の太陽電池６３Ａ、６４Ａ、６３Ｂ、６４Ｂ、６３Ｃ及び６４Ｃの交互の直列接続を示し、これには一組の３つのＴＣＯパッド６２Ａ、６２Ｂ及び６２Ｃの上に形成された第１の組のダイオードであるｐ−ｎ型太陽電池セル６３Ａ、６３Ｂ及び６３Ｃ、並びに、第２の組のやはりダイオードである、上下逆の、即ち物理的に反転したｎ−ｐ型太陽電池６４Ａ、６４Ｂ及び６４Ｃが含まれる。
太陽電池６３Ａ、６４Ａ、６３Ｂ、６４Ｂ、６３Ｃ及び６４Ｃは、その下に他の太陽電池パネル（図解の便宜上図示せず）がある場合には透明である基板６１の上面上に並列させる。連続して並列させた第１の組の太陽電池６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ及び第２の組の太陽電池６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃの極性は、それらの極性が上部から底部へ反転するために、ｐ／ｎ接合からｎ／ｐ接合へ、次いでｐ／ｎ接合へ、次いでｎ／ｐ接合へ、など互い違いになる。換言すれば、パネル６０は、ｎ型上面及びｐ型底面を有する太陽電池６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃと並列させた、ｐ型上面及びｎ型底面を有する幾つかの太陽電池６３Ａ、６３Ｂ、及び６３Ｃから成る。
導電性ＴＣＯパッド６２Ａ、６２Ｂ、及び６２Ｃは隣接する電池の電圧を加え合わせ、接続電極６５Ａ及び６５Ｂは、ＴＣＯパッド６２Ａ及び６２Ｂの上に配置された隣接する電池６４Ａ及び６４Ｂの対の電圧、及びＴＣＯパッド６２Ｂ及び６２Ｃの上に配置された隣接する電池６４Ｂ及び６３Ｃの対の電圧を加え合わせる。
パネル６０の外部接続用に設けられた外部電極６６及び６７は、それぞれ電池６３Ａ及び電池６４Ｃに接続される。電池６３Ａのアノードは外部電極６６に接続され、電池６３ＡのカソードはＴＣＯ層６２Ａに接続及び結合される。電池６４ＡのアノードはＴＣＯ層６２Ａに接続及び結合され、電池６４Ａのカソードは接続電極６５Ａに接続される。次に電池６３Ｂのアノードは接続電極６５Ａに接続され、電池６３ＢのカソードはＴＣＯ層６２Ｂに接続及び結合される。電池６４ＢのアノードはＴＣＯ層６２Ｂに接続及び結合され、電池６４Ｂのカソードは接続電極６５Ｂに接続される。次に電池６３Ｃのアノードは接続電極６５Ｂに接続され、電池６３ＣのカソードはＴＣＯ層６２Ｃに接続及び結合される。電池６４ＣのアノードはＴＣＯ層６２Ｃに接続及び結合され、電池６４Ｃのカソードは外部電極６７に接続される。図７（Ｂ）は、上に詳述した外部電極６６と６７の間のデバイスの接続を示す。
図７（Ａ）のパネル６０のような、パネル積層体内の各パネルは、所望のパネルの全出力電圧を各電池の出力電圧で割った値に等しい数の直列接続された電池を含む。
例えば、パネル６０は、各々が実質的に定電流で１ボルトを出力する１６個の電池の群を含むことができ、第２のパネルは、各々が実質的に定電流で０．５ボルトを出力する３２個の電池の群を含むことができる。所望の電圧出力を得るように直列に接続された電池の群はユニットを表す。パネルはより高い電圧出力用に直列に接続された複数のユニット、又はより高い電流出力用に並列に接続された複数のユニット、又は直列及び並列接続を組合せた複数のユニットを含むことができる。各ユニット又はユニットの群にバイパス・ダイオードを組み込んで、部分的な太陽光の遮光に対してユニットを保護することができる。バイパス・ダイオードはまた、ユニット内の電池群と共に用いて部分的な太陽光の遮光に対して電池群を保護することができる。
タンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）デバイスは、互いに並列に接続され従って同じ電圧出力を有するパネルから成り、等しい電流出力を必要とする直列に接続されたパネルよりも優れている。入射太陽スペクトルは日にわたり年にわたって変化するので、一組の直列接続されたパネルの電流出力はスペクトルの変化に伴って直線的に変化するが、一方、並列接続されたパネルの電圧出力はスペクトルの変化に伴って対数的に変化し、そのような太陽スペクトル変化に対する並列パネル接続の感受性を、直列パネル接続よりも小さくする。
各パネル上の太陽電池及びパネル自体の直列及び並列接続の組合せは、電圧及び電流出力の所望の結果をもたらすように作ることができることは、当業者には明白であろう。
本発明の重要な特徴は、太陽電池パネルを光学的直列に配置して、各パネルが入射太陽スペクトルの一部分を吸収して残りを透過させ、次にパネルを電気的直列に接続（この場合、各パネルは同じ電流を出力する必要がある）してそれらの電圧出力を加え合わせるように、或いは、電気的並列に接続（この場合、各パネルは同じ電圧出力を出力する必要がある）してそれらの電流出力を加え合わせるようにすることである。
各パネルを別々に作成して、それらを作成プロセスの最後に組み合せることの付加的な利点は、各太陽電池を別々に製造することができ、従って、各材料が温度、厚さ、必要ならば表面コーティングのタイプなど異なるプロセス条件を必要とする可能性があることを考慮に入れて、最適化処理を行うことができることである。次に最適化された太陽電池パネルを組み合せて、タンデム手法の高い性能／効率を実現する。
本発明の前記の記述は、本発明の例示的な特定の実施形態を明確に説明するので、当業者であれば、本発明は、添付の特許請求の趣旨及び範囲内の変更により実施することができること、即ち、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、形態及び細部に変更を施すことができることを認識するであろう。上に開示された装置及び方法に対する本発明の範囲内に入る変更は、当業者にはただちに明白となるであろう。
従って、本発明は、上記のその例示的な実施形態に関連して開示したが、変更を施して本発明の趣旨及び範囲内に入り得る他の実施形態をもたらすことができ、全てのそのような変更は本発明の範囲内に入り、そして本発明は添付の特許請求の範囲により定められる対象物を包含することを理解されたい。
９、１９、１９’：露出端部
１０、２０、３０、４０Ａ：タンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイス
１１、２５、４１：上部太陽電池パネル
１２、２７Ａ、２７Ｂ、４３：上部太陽電池
１３：透明上部基板
１３’：透明中間基板
１４、２４、５３：下部太陽電池
１５、２３、３１、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、５１：下部太陽電池パネル
１６、１６’、３８：底部基板
１７：放射エネルギー
１８、１８’、２６Ａ、２６Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３９：透明導電性酸化物（ＴＣＯ）パッド（ＴＣＯ層）
２１：中間太陽電池パネル
２２：中間太陽電池
２８、３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ：導電性相互接続
３４、３６、５４、５８、５８Ａ、５８Ｂ、５９：電気ライン
３７：透明誘電体基板
４５、５５：コネクタ
４７、５７：誘電体スペーサ
６０：パネル
６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ：ＴＣＯパッド
６３Ａ、６４Ａ、６３Ｂ、６４Ｂ、６３Ｃ、６４Ｃ：太陽電池
６５Ａ、６５Ｂ：接続電極
６６、６７：外部電極
１０、２０、３０、４０Ａ：タンデム型エネルギー変換（ＴＥＣ）太陽電池デバイス
１１、２５、４１：上部太陽電池パネル
１２、２７Ａ、２７Ｂ、４３：上部太陽電池
１３：透明上部基板
１３’：透明中間基板
１４、２４、５３：下部太陽電池
１５、２３、３１、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、５１：下部太陽電池パネル
１６、１６’、３８：底部基板
１７：放射エネルギー
１８、１８’、２６Ａ、２６Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３９：透明導電性酸化物（ＴＣＯ）パッド（ＴＣＯ層）
２１：中間太陽電池パネル
２２：中間太陽電池
２８、３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ：導電性相互接続
３４、３６、５４、５８、５８Ａ、５８Ｂ、５９：電気ライン
３７：透明誘電体基板
４５、５５：コネクタ
４７、５７：誘電体スペーサ
６０：パネル
６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ：ＴＣＯパッド
６３Ａ、６４Ａ、６３Ｂ、６４Ｂ、６３Ｃ、６４Ｃ：太陽電池
６５Ａ、６５Ｂ：接続電極
６６、６７：外部電極
Claims (20)
- 太陽エネルギー変換デバイスであって、
上部パネルから下部パネルへ階層的に積層された少なくとも２つのパネルの垂直積層体
を備え、
前記パネルの各々は太陽電池の整合アレイを含み、前記太陽電池はパネルの前記垂直積層体内の他のパネルの太陽電池とは異なるエネルギー・バンドギャップを有し、
前記垂直積層体内の前記パネルの各々は、より高いエネルギー・バンドギャップの太陽電池を有する前記パネルが前記階層内かつ前記積層体内でより低いエネルギー・バンドギャップの太陽電池を含む前記パネルの他のものより上に位置するように、配置され、
前記デバイスの上面は、最上部パネルに入射した太陽エネルギーを受け取るように適合させ、
各々の前記上部パネルは、それの前記エネルギー・バンドギャップより大きい太陽光子エネルギーを有する太陽光の部分を吸収し、各々の前記上部パネルは、前記より大きい太陽光子エネルギーよりも小さい光子エネルギーを有する太陽光子を、前記階層内でより低くかつ前記積層体内でより低く配置された前記パネルの残りの１つまで透過させる、
エネルギー変換デバイス。 - 各前記パネル内の前記太陽電池は電気的直列に接続され、前記パネルは並列に接続される、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
- 各前記パネル内の前記太陽電池は電気的並列に接続され、前記パネルは直列に接続される、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
- 並列の電気的配置に接続された前記パネルの各々の上の太陽電池の数は、各前記パネルの所望の出力電圧を各前記パネル上の各前記太陽電池の動作電圧で割った値に等しい、請求項２に記載のエネルギー変換デバイス。
- 前記上部パネル上に取り付けられたＧａＡｓ太陽電池と、前記下部パネル上に取り付けられたシリコン太陽電池とを有する２つのパネルの積層体を備えた、請求項４に記載のエネルギー変換デバイス。
- ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、アモルファス・シリコン、ＣｄＴｅ、及びＣｄＺｎＴｅから成る群から選択された太陽電池が取り付けられた前記上部パネルと、
結晶シリコン、多結晶シリコン、二セレン化銅インジウムガリウム、ゲルマニウム、窒化ガリウムインジウム、及び窒化ガリウムインジウム砒素から成る群から選択された太陽電池が取り付けられた前記下部パネルと
を備えた、請求項４に記載のエネルギー変換デバイス。 - 上部から底部まで順番に配置された、上部パネル、中間パネル及び下部パネルを含む前記パネルの３つの積層体
を備え、
前記上部パネルには、エネルギー・バンドギャップが１．７電子ボルトより大きい太陽電池が取り付けられ、
前記下部パネルには、エネルギー・バンドギャップが１．１電子ボルトより小さい太陽電池が取り付けられ、
前記中間パネルには、バンドギャップが前記上部パネルと前記下部パネルに取り付けられた前記電池のバンドギャップの中間にある太陽電池が取り付けられる、
請求項４に記載のエネルギー変換デバイス。 - 各前記パネル内の前記太陽電池は誘電体スペーサによって分離される、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
- 一群の前記太陽電池がユニットとして表され、保護バイパス・ダイオードが各ユニット内に含まれる、請求項８に記載のエネルギー変換デバイス。
- 各前記パネル内の前記太陽電池は、並列配置されて互いに密着するか又は誘電体スペーサによって分離される、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
- 太陽エネルギー変換デバイスであって、
最上部パネルに入射する太陽エネルギーの方向に配置された少なくとも２つのパネル
を備え、
前記パネルの各々は異なるエネルギー・バンドギャップを有する太陽電池のアレイを含み、
前記パネルは、より高いエネルギー・バンドギャップの太陽電池を有する前記パネルがより低いエネルギー・バンドギャップの太陽電池を有する前記パネルの上に位置する垂直積層体に配置され、
前記パネルの各々は、そのエネルギー・バンドギャップより大きい太陽光子エネルギーを有する太陽光の部分を吸収するように適合され、そのエネルギー・バンドギャップより小さいエネルギーを有する太陽光子を前記積層体内のより下の前記パネルまで透過させるように適合される、
エネルギー変換デバイス。 - 各前記パネル内の前記太陽電池は電気的直列に接続され、前記パネルは並列に接続される、請求項１１に記載のエネルギー変換デバイス。
- 各前記パネル内の前記太陽電池は電気的並列に接続され、前記パネルは直列に接続される、請求項１１に記載のエネルギー変換デバイス。
- 並列の電気的配置に接続された各前記パネル上の太陽電池の数は、各前記パネルの所望の出力電流を各前記パネル上の各前記太陽電池の動作電流で割った値に等しい、請求項１３に記載のエネルギー変換デバイス。
- 並列の電気的配置に接続された各前記パネル上の太陽電池の数は、各前記パネルの所望の出力電圧を各前記パネル上の各前記太陽電池の動作電圧で割った値に等しい、請求項１２に記載のエネルギー変換デバイス。
- 上部の前記パネルの上に取り付けられたＧａＡｓ太陽電池と、下部の前記パネルの上に取り付けられたシリコン太陽電池とを有する２つのパネルの積層体を備えた、請求項１１に記載のエネルギー変換デバイス。
- ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、アモルファス・シリコン、ＣｄＴｅ、及びＣｄＺｎＴｅから成る群から選択された太陽電池が取り付けられた上部パネルと、
結晶シリコン、多結晶シリコン、二セレン化銅インジウムガリウム、ゲルマニウム、窒化ガリウムインジウム、又は窒化ガリウムインジウム砒素から成る群から選択された太陽電池が取り付けられた、下部の前記パネルと
を備えた、請求項１１に記載のエネルギー変換デバイス。 - 上部から底部まで順番に配置された、上部パネル、中間パネル及び下部パネルを含む３つの前記パネルの積層体
を備え、
前記上部パネルには、エネルギー・バンドギャップが１．７電子ボルトより大きい太陽電池が取り付けられ、
前記下部パネルには、エネルギー・バンドギャップが１．１電子ボルトより小さい太陽電池が取り付けられ、
前記中間パネルには、バンドギャップが前記上部パネルと前記下部パネルに取り付けられた前記電池のバンドギャップの中間にある太陽電池が取り付けられる、
請求項１１に記載のエネルギー変換デバイス。 - 一群の前記太陽電池がユニットとして表され、保護バイパス・ダイオードが各ユニット内に含まれる、請求項１１に記載のエネルギー変換デバイス。
- 各前記パネル内の前記太陽電池は、並列配置されて誘電体スペーサによって分離されるか又は互いに密着する、請求項１１に記載のエネルギー変換デバイス。
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