JP2012151471A - マルチ接合光電池装置用の機械的積層構造体およびその製造方法 - Google Patents

マルチ接合光電池装置用の機械的積層構造体およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】機械的に積層されたサブセル間の良好な光学的および熱的結合を実現する。
【解決手段】少なくとも１つの接合を有する第１の光電池サブセルと、少なくとも１つの接合を有すると共に上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する第２の光電池サブセルと、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に光学的結合をもたらす中間層とを含む、マルチ接合光電池構造体が提供される。上記中間層は、上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップに相当する光の真空波長と実質的に同様またはこれよりも少ない物理的な厚みを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電池に関し、より詳細には、マルチ接合光電池に関する。さらに、本発明は、より高い効率を実現するための装置構造体の設計およびこのような構造体を製造する方法に関する。
マルチ接合光電池は、光起電力動作を提供する少なくとも２つの半導体接合を含む。半導体接合の例には、ショトキー接合、ｐ−ｎ接合、またはｐ−ｉ−ｎ接合が挙げられる。以下では、光起電力動作を提供する半導体接合のことを、接合と呼ぶ。各接合は、異なる波長範囲の入射光線スペクトルにおいて動作する。複数の接合が共に動作することで、単一の接合だけを用いることによって得られるよりも高い効率で動作するように設計されている。従って、マルチ接合セルは、通常、これらが含む接合の数に応じて、例えば、シングル接合セル、タンデム接合セル、トリプル接合セル、および４接合セルと呼ばれている。
マルチ接合セルは、典型的には、光学的に直列に接続されており、第１の接合によって吸収されなかった光が、第２の接合、そしてその次の接合などに伝達されるようになっている。あるいは、マルチ接合セルは、光学的に並列に接続されていてもよく、この場合、最初に、光のスペクトルの波長範囲が少なくとも２つの部分に分割される。波長範囲の各部分は、光を最も効率良く利用することが可能な接合に向けられる。
マルチ接合セルは、光電池効率を、公知の１．１ｅＶバンドギャップを有するシングルｐ−ｎ接合のSchockley-Queisser 1の太陽効率限度である３０％未満よりも、大幅に高くすることが可能である。実際、マルチ接合光電池の効率は、マルチ接合光電池内の接合の数が増えるにつれて増大し、論理上の最大効率である無数の接合の８６．８％まで増大する。一般に、マルチ接合太陽電池は、平板式モジュールおよび集光型システムの両方において用いられている。マルチ接合光電池の設計、製造、および機能の概要については、“Advances in High-Efficiency III-V Multi-junction Solar Cells”，（R.R. King et al., Adv. in Opt. Elect, Vol. 2007年）、および、“III-V multi-junction solar cells for concentrating photovoltaics”，（H. Cotal et al., Energy Environ. Sci., Vol. 2, 174-192頁，2008年）に見出すことができる。
マルチ接合光電池は、ａ）モノリシックマルチ接合セル、および、ｂ）機械的に積層されたマルチ接合セルとして知られる、２つの主要なカテゴリに分割することが可能である。モノリシックマルチ接合光電池では、光電池の全ての接合は同一の基板上に直列に形成されている。しかし、実際には多くの制約が存在するため、モノリシックマルチ接合セルを形成することは困難である。これらの制約には以下のものが含まれる。
‐各接合によって生成された光電流は、どの接合も、キルヒホフの第１の法則に従い直列内の他の接合によって制限されることがないように、好ましくは、実質的に同様でなければならない（いわゆる“電流整合されていなければならない”）。このため、好適なバンドギャップおよび厚みを有する材料の適切な組み合わせが必要になる。
‐各接合は、トンネル接合によって接続されている必要がある。これは、接合間のインターフェースにおいて、開路電圧を低減する、相反する光電圧が形成されることを回避するためである。トンネル接合の抵抗は、セルの充填比に悪影響しないように、十分に低くなければならない。これらの基準は、高濃度でドープされた高品質のｎ型材料とｐ型材料との間に階段接合を形成することを必要とする。高濃度でドープされた材料の場合、トンネル接合は、高い電流密度に耐え得るものでなければならない。
‐欠陥密度が低い高品質の材料の形成を促進するためには、積層内の各層の格子定数は、実質的に同様でなければならない（いわゆる“格子整合されていなければならない”）。
上述の制約が意味することは、４つの接合を有するモノリシックセルの実際の効率（“Concentrator Solar Cell Production Capability, Reliability Assessment, and Laboratory Results at Emcore” D. Aiken et al. Proc. CPV6, 2010年に記載のｓｕｎ ＡＭ０の効率は３３．６％）は、多くの場合、従来技術の３つの接合を有するモノリシックセル（ｓｕｎ ＡＭ１．５Ｇ（Takamoto et al., III-V compound solar cells, SHARP Technical Journal, Vol. 100 p.1-21., Feb. 2010）の現在の効率である３５．８％よりも低いということである。
さらに、電流整合された太陽電池は、太陽のスペクトルの日変化に敏感であり、各接合によって生成された電流を変動させてしまい、結果的に、電流不整合を引き起こし、セル全体の効率を、標準的な試験条件と比べて低減してしまう。
この格子整合の制約を軽減する１つの手段は、基板と、上方の格子不整合材料との間の歪みを徐々に調整することが可能な階段型勾配バッファ層（step-graded buffer layer）を用いることである。しかし、最適なバンドギャップを有する４つ（またはそれ以上）の接合モノリシックセルを成長させるには、幾つかのバッファ層が必要である。幾つかのバッファ層は、転位密度を増大させると共にセル内の再結合損失を増大させる傾向があり、４接合（またはそれ以上の接合）光電池の効率を制限することになる。
機械的に積層されたマルチ接合セルは、（太陽のスペクトルの異なる部分に最適化されたバンドギャップを有する）個々の光電池を含む。この個々の光電池を、以下では、サブセルと呼ぶ。このサブセルは、格子整合に制限されることなく、機械的に結集されている。この機械的積層体の各サブセルは、シングル接合または多数のモノリシック接合を含んでいてよく、機械的に積層された各セルは、２つ以上のサブセルを含んでいてよい。サブセルを機械的に積層することにより、広範囲の材料系を組み合わせることが可能になる。組み合わせの例には、（ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ）／Ｓｉ（“Three-junction solar cells comprised of a thin film GaInP/GaAs tandem cell mechanically stacked on a Si cell”, Y. Yazawa et al., Proc. IEEE 26th PVSC, 1997年9月30日）、（ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ）／ＩｎＧａＡｓ（“InGaP/GaAs and InGaAs mechanically stacked triple junction solar cells”, T. Takamoto et al., Proc. IEEE 26th PVSC, 1997年9月30日）、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ（“Mechanically stacked GaAs/GaInAsP dual-junction solar cell with high conversion efficiency of more than 31%”, T. Yamada et al., JJAP, Vol. 44, p. 988-990, 2005年7月22日）、または、ＧａＡｓ／ＧａＳｂ（米国特許第４７４６３７１号、P. S McLeod et al., 1988年5月24日公開）が挙げられる。機械的に積層された各サブセルは、電流整合された構成または電圧整合された構成において、別々に接続されていてよい。例えば、電圧整合された構成は、モノリシックマルチ接合セルと比べて、スペクトルの変動について特有のロバスト性を有している。米国特許第６３５３１７５ Ｂ１号（Ｌ． Ｆｒａａｓ，2002年3月5日公開）には、このような電圧整合された構成が記載されている。
機械的に積層されたセルには、２つの主な技術的課題が存在する。
−第１の技術的課題は、機械的に積層された上方のサブセルから下方のサブセルまでの光の透過率を低減させる光学的結合損失に関するものである。光学的損失は、下方のサブセルにおける電流密度を直接低下させる。これらの光学的損失には異なる原因が存在し得る。第１の原因は、上方のサブセル内のサブバンドギャップの光子が自由キャリアを吸収することである。この損失は、上方のサブセルが、ドープされた基板上で支えられている場合のみ、深刻になり得る。重要な第２の原因は、機械的に積層されたセル間で通常用いられる接着層の吸収損失、散乱損失、および反射損失である。従来の機械的に積層されたセルの設計では、この接着層は、典型的には、少なくとも数十ミクロンの厚みを有している。
−第２の技術的課題は、上方のサブセルと下方のサブセルとの間の熱伝達による機械的積層体の熱的管理に関するものである。集光型システムでは、約６０％の光が、電気に変換されずに、マルチ接合セル内の熱に変換される。これは、セル全体の温度を上昇させ、集光型システムの効率を低減させてしまう。従って、機械的に積層されたセル内の熱を分散させるための効果的な方法を見つけることが望まれている。
これらの光学的および熱的課題に対処するために幾つかの方法が用いられている。
L. D. Partain et al.の（“26.1% solar cell efficiency for Ge mechanically stacked under GaAs” J. Appl. Phys., 62, 1987年10月1日）には、上方のサブセルに、低いドーパント濃度の基板を用いることによって、基板内の自由キャリアの吸収を最小化する方法が記載されている。
米国特許第５４５８６９４号（L. T. Nuyen，1995年10月17日公開）には、エピタキシャルリフトオフとして知られる、セルのアクティブ部と基板との間に可溶性層を形成するプロセスにおいて、基板を完全に除去して、自由キャリアの吸収を回避する別の手段が開示されている。可溶性層の材料を選択的に溶解させて、基板をセルから除去すると共に、場合によっては新たなセルの成長のために再利用することが可能である。
あるいは、基板を、ウェットエッチングまたはドライエッチングによって除去することも可能である。この場合は、セルと基板との間にエッチング停止層が形成されるので、セルの基板の再利用は不可能である（“Towards highly efficient 4-terminal mechanical photovoltaic stacks”, G. Flamand et al., III-Vs Review, Vol. 19, Issue 7, p.24-27, 2006年９月）。
下方のサブセルのスペクトル反応の範囲の反射損失は、機械的に積層された２つのサブセル間のインターフェースの対向しあう表面に、反射防止コーティングを施すことによって、低減可能である（文献には“31% efficient GaAs/Silicon mechanically stacked multi-junction concentrator solar cell”（J.M Gee et al., Proc. IEEE 20th PVSC, 1988年）と記載されている）。しかし、サブセル（ｎ＝３〜４）と接着材（ｎ＝１．４〜１．５）との屈折率の違いが大きいため、それぞれに多層の反射防止コーティングを用いたとしても、理論的には８％および〜５％未満の反射損失が依然として存在し得る。
接着層の吸収損失および散乱損失は、接着材料／厚みに依存しているため、算定が難しい。２０μｍの厚みのシリコンベースの接着材を用いる場合、これらの損失が、理論的に５％未満でなければならないとされているが、機械的に積層されたマルチ接合太陽電池に関する実際の外部量子効率の測定（“6 terminal mechanically stacked multi-junction solar cells”, L. Zhao et al., Proc. 25th EUPVSEC, 2010年）では、接着層内の実際の吸収損失および散乱損失は著しく高いことが示唆されている。
熱的管理に関して、米国特許第４７４６３７１号には、機械的に積層された上方および下方のサブセルに、別々の熱拡散装置を用いることが開示されている。この方法の１つの欠点は、このような部材をシステムに取り付けることに関連するコストおよび重量である。さらに、上方および下方のサブセルは、大きなエアギャップによって分離される。このようなエアギャップは、上述のような、反射および吸収による光学的損失を生じさせる。
コスト効率を上げるためには、上述の光学的結合および熱的結合の課題を対処することによって、機械的に積層されたセルの実際の動作条件下での効率をさらに最適化する必要がある。
〔関連するさらなる従来技術〕
第4,461,922号 7/1984 Gay et al.
第5,091,018号 2/1992 Fraas et al.
第6,459,034B2号 10/2002 Muramoto et al.
本発明の目的は、機械的に積層されたサブセル間の良好な光学的および熱的結合を実現するという技術的課題を解決する、機械的積層体の設計および積層方法である。より詳細には、本発明は、サブ波長の厚みの媒介層、すなわち機械的に積層された、上方の光電池サブセルおよび下方の光電子サブセルとの間に挟まれた中間層を開示するものである。本発明において、中間層とは、ほぼ平坦な領域として規定されており、上方のサブセルおよび下方のサブセルのそれぞれ背面および正面によって境界が定められた物理的な厚みＸを有している。
誤解を生じさせないために、ここで、次の定義を適用する。
機械的積層体におけるサブセルの位置および順番は、入射光線の方向に関して、以下のように規定される。光は、機械的に積層されたセルの上面に入射し、吸収が起こらなければ、上から下まで直列に各サブセルを通過する。さらに、積層体の各サブセルは、１つまたは複数の接合を含み、積層体が含む接合のバンドギャップが、積層体の下部（すなわち、下方のサブセル）から、積層体の上部（上方のサブセル）まで連続的に増大するような順番に配置されている。従って、上および下という用語は、サブセルおよび入射光線の、所定の機械的積層体に対する相対的な位置を意味するものである。
正面および背面という用語は、所定のサブセルおよび入射光線に対する相対的位置を意味するものである。例えば、サブセルの正面は、機械的積層体の上部に近い面と考えられる。
上方および下方という用語は、サブセルの、所定の中間層と積層体の上部および下部との両方に対する相対的位置を意味するものである。例えば、上方のセルとは、積層体の上面に近いセルと考えられ、下方のサブセルとは、積層体の上面からより離れたセルと考えられる。
サブ波長という用語は、中間層の物理的な厚みに関する場合、積層体中の下方のセルのもっとも小さいバンドギャップに相当する光の真空波長と実質的に同様またはこれよりも小さい、長さの目盛範囲を規定するものである。
本文中の中間層の厚みに関する「実質的に同様」という表現は、積層体中の下方のセルの最も小さいバンドギャップに相当する真空波長よりも５０％大きい波長範囲以内の厚みを意味する。
上記の定義によれば、中間層は、幾つかの成分の領域を含み、例えば、隣接しあうサブセルの一方または両方に隣接するインターフェースに、電気コンタクトおよび反射防止（ＡＲ）コーティングを含んでいてよい。中間層は、半導体層および／または各サブセルの基板を含むものではない。
本発明にかかるサブ波長機械的積層構造体およびその積層方法は、一般的な機械的積層構造体の利点を保持することに加えて、次のさらなる利点を含む。
中間層のサブ波長という特徴は、中間層に隣接して機械的に積層されたサブセルの間の光学的結合を改善させることが可能である。より詳細には、機械的に積層されたセル間のインターフェースの光透過率は、中間層において光学干渉が構成され、吸収および散乱が低減されるため、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって改善される。このため、下方のサブセルによって生成される電流密度、および、対応する下方のサブセルの効率は、従来の機械的に積層されたセルよりも増大する。
下方のセルのスペクトル反応の範囲は、積層体中のサブセルのスペクトル反応に関し、実質的に、上方のサブセルの最も小さいバンドギャップと下方のサブセルの最も小さいバンドギャップとの間の波長領域として、規定される。
積層されたサブセル間の中間層は、その厚みが薄いため、並びに、その構造および熱的特性のために、上方のサブセルと下方のサブセルとの間の熱的結合を向上させ、特に高い光濃度において、機械的に積層されたセルの動作温度を低下させる。
中間層はまた、隣接しあうサブセルを互いに、電気的に接続または絶縁させることを可能にする。
本発明の一態様によれば、少なくとも１つの接合を有する第１の光電池サブセルと、少なくとも１つの接合を有すると共に上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する第２の光電池サブセルと、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に光学的結合をもたらす中間層とを含む、マルチ接合光電池構造体が提供される。上記中間層は、上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップに相当する光の真空波長と実質的に同様またはこれよりも少ない物理的な厚みを有している。
他の一態様によれば、上記第１の光電池サブセルは、ＧａＩｎＰ材料、（Ｉｎ）ＧａＡｓ材料、およびＧａＡｓ材料から構成される薄膜トリプル接合を含み、上記第２の光電池サブセルは、Ｇｅ材料から構成されるシングル接合を含む。
他の一態様によれば、上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に機械的結合をさらにもたらす。
さらに他の一態様によれば、上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に熱的結合をさらにもたらす。
さらに他の一態様では、上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に電気的直列接続をさらにもたらす。
他の一態様によれば、上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に電気的絶縁をさらにもたらし、各上記光電池サブセルは、別々に、電気的に接続される。
他の一態様によれば、上記中間層は、非サブ波長の厚みの中間層により得られる太陽スペクトル加重平均反射率よりも低い太陽スペクトル加重平均反射率に相当するサブ波長の厚みを有している。
他の一態様によれば、上記中間層は、上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップと上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップとの間の対応する波長領域において、太陽スペクトル加重平均反射率が１５％未満の光学的結合をもたらす。
さらに他の一態様では、上記中間層は、上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップと上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップとの間の対応する波長領域において、太陽スペクトル加重平均反射率が１０％未満の光学的結合をもたらす。
さらに他の一態様では、上記中間層は、上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップと上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップとの間の対応する波長領域において、太陽スペクトル加重平均反射率が５％未満の光学的結合をもたらす。
さらに他の一態様では、上記中間層は、上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップと上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップとの間の対応する波長領域において、太陽スペクトル加重平均反射率が１％未満の光学的結合をもたらす。
他の一態様によれば、上記中間層内の不透明な領域による吸収によって生じる平均透過損失は、１０％未満である。
さらに他の一態様によれば、上記中間層は、１つまたは複数の反射防止（ＡＲ）コーティングを含む。
他の一態様によれば、上記中間層は空気を含む。
さらに他の一態様では、上記中間層は、熱伝導係数Ｇｔｈを有し、ここで、Ｇｔｈ＞０．２５ＷＣ−１である。
他の一態様によれば、上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に機械的接着をもたらす結合剤を含む。
さらに他の一態様によれば、上記中間層は、異質の層内に、異なる成分材料の分離領域を含む。
他の一態様によれば、上記異なる成分材料のうちの少なくとも１つは、高い熱伝導率を有する。
さらに他の一態様によれば、第３のサブセル、および、上記第２の光電池サブセルと上記第３の光電池サブセルとの間に光学的結合をもたらす別の中間層をさらに含み、上記第３のサブセルは、少なくとも１つの接合を含むと共に、上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有し、上記別の中間層は、上記第３のサブセルの最も小さいバンドギャップに相当する真空波長と実質的に同様またはこれよりも少ない光学的厚みを有している。
他の一態様によれば、上記光電池サブセルのうちの少なくとも１つは、当該光電池サブセルの元の基板から剥離された薄膜型のサブセルである。
他の一態様によれば、上記中間層は、少なくとも１つのピラーまたはスペースビーズを含む。
本発明のさらに他の一態様によれば、このような構造体を製造する方法が提供される。この方法は、第１の光電池サブセルを形成するステップと、第２の光電池サブセルを形成するステップと、上記第１の光電池サブセルおよび上記第２の光電池サブセルのうちの少なくとも１つの光電池サブセルの表面に中間層を形成するステップと、上記第１の光電池サブセルおよび上記第２の光電池サブセルの対向する各表面を、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間の中間層と結合するステップとを含む。
他の一態様によれば、中間層を形成する上記ステップは、上記第１の光電池サブセルおよび上記第２の光電池サブセルのうちの少なくとも１つの光電池サブセルの表面を、薄膜材料でコーティングすることを含む。
さらに他の一態様では、上記中間層はアクリル樹脂を含む。
他の一態様によれば、上記中間層はスピンオンガラスを含む。
他の一態様によれば、中間層を形成する上記ステップは、上記第１の光電池サブセルおよび上記第２の光電池サブセルの背面コンタクト層および正面コンタクト層をダイレクトボンディングすることを含む。
他の一態様によれば、上記ダイレクトボンディングは、熱圧着ボンディングである。
他の一態様によれば、上記光電池サブセルのうちの少なくとも１つは、当該光電池サブセルが形成された基板から剥離されている。
本発明は、機械的に積層されたサブセル間に良好な光学的および熱的結合を実現するという技術的課題を解決する、マルチ接合光電池の機械的構造体の設計および積層方法を提供するものである。
上述および関連する目的を実現するために、本発明は、以下に詳細に説明すると共に具体的には特許請求の範囲において指摘する特徴を含む。次の説明および添付の図面は、本発明の特定の典型的な実施形態を詳細に説明するものである。これらの実施形態は、例示的であるが、本発明の原理が実施される様々な方法のうちのいくつかのものを示すものに過ぎない。本発明の他の目的、利点、および新規の特徴は、以下の本発明の詳細な説明を、図面と一緒に検討することにより、明らかになろう。
添付の図面では、同様の参照番号は、同様の部分または部材を示すものである。
高効率な機械的に積層されたサブ波長マルチ接合セルを含む集光型光電池システムを示す概略的な図である。 本発明の第１の実施形態にかかる、各サブセルの間にサブ波長の厚みの中間層を含む、機械的に積層されたサブ波長マルチ接合セルを示す断面図である。 機械的に積層されたサブ波長のＧａＡｓ／ＧａＡｓ構造体間のインターフェースの分光透過率を示す、グラフである。 図２Ｂと同じ構造体の太陽スペクトル加重平均反射率（ＳＷＲ）を、中間層内の透明体（空気）の厚みに応じて示すグラフである。 ２つの電気出力端子を備える機械的に積層されたサブ波長太陽電池を示す断面図である。 ３つの電気出力端子を備える機械的に積層されたサブ波長太陽電池を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる、異なる領域を有する多成分の中間層を示す概略的な図である。各領域は、所定の機能を確保するものである。 本発明の第３の実施形態にかかる、サブ波長の厚みの中間層が各サブセルの間に複数設けられた、機械的に積層されたサブ波長太陽電池を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる、サブ波長の厚みの中間層が連続的な結合剤を含む、機械的に積層された太陽電池を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態にかかる、サブ波長の厚みの中間層が圧縮不可能な材料から構成される不連続の領域を含む、機械的に積層された太陽電池の断面図であり、これらの領域は、規則的に離間されたピラーに相当する。 本発明の第５の実施形態にかかる、サブ波長の厚みの中間層が圧縮不可能な材料から構成される不連続の領域を含む、機械的に積層された太陽電池の断面図であり、これらの領域は、無作為に分布されたスペーサービーズから構成されている。 本発明の第６の実施形態にかかる、片側がコンタクトされた上方のサブセルを用いて別々に接続される各サブセル間にサブ波長の厚みの中間層を含む、機械的に積層された太陽電池の断面図である。 本発明の第６の実施形態にかかる、両側がコンタクトされた上方のサブセルを用いて別々に接続される各サブセル間にサブ波長の厚みの中間層を含む、機械的に積層された太陽電池の断面図である。 本発明の第７の実施形態にかかる、直列に接続された各サブセル間にサブ波長中間層を含む、機械的に積層された太陽電池の断面図である。 上方の薄膜ＧａＩｎＰ／（Ｉｎ）ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓトリプル接合と下方のＧｅセルとの間にサブ波長中間層を含む、機械的に積層された太陽電池の断面図である。
機械的に積層されたサブセル間のインターフェースの光透過率Ｔは、反射率Ｒおよび吸収率Ａに関連しており、次の式により表される。
Ｔ＝１−Ｒ−Ａ
ここで、Ａは、吸収損失および散乱損失の両方を含む。
下方のサブセルの反射損失、散乱損失、および吸収損失をスペクトル反応の範囲にわたって低減させることによって、本発明の下方のサブセルの短絡光電流密度を、背景技術において説明した従来の機械的積層方法よりも、向上させる。
反射損失を低減することは、中間層の内部において光学干渉が構成されることに直接関連している。
散乱損失および吸収損失を低減することは、ベール・ランベルトの法則に示されるように、中間層の厚みを低減することによるものである。
Ａ＝１−ｅ−αＸ
ここで、αは中間層内の吸収係数であり、Ｘは中間層の厚みである。
従って、本発明のサブ波長機械的積層体は、次の技術的特徴を含む。
‐中間層の物理的な全厚みＸは、機械的に積層されたサブセル間を離間するサブ波長を決定する。中間層内の各成分層の最適な厚みは、これら成分層の複素屈折率および物理的な厚みと、隣接しあう層の複素屈折率とに依存している。これらの値は、公知の伝達行列法または他の好適な方法を用いた光学的シミュレーションから算定することが可能であり、好ましくは、例えば図２Ｃに示されるような、積層体中の下方のサブセルの太陽スペクトル加重平均反射率（ＳＷＲ）の低位の最小値のうちの１つに相当し得る。
積層体中の下方のサブセルの太陽スペクトル加重平均反射率は、より具体的には、次のように規定される。
ＳＷＲ＝１−Ｊｓｃ／Ｊｓｃ，Ｒ＝０
Ｊｓｃは、機械的に積層された太陽電池内の下方のサブセルの短絡光電流密度であり、Ｊｓｃ，Ｒ＝０は、機械的に積層された太陽電池内の下方のサブセルのゼロ反射率短絡光電流密度である。図２Ｃに示されるように、ＳＷＲには、いくつかの最小値が存在し得る。これらの最小値は、異なる中間層の厚みに対応するものである。
‐中間層の複素屈折率の虚数部（または吸光係数）は、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって、好ましくはできるだけゼロに近くなければならない。換言すると、中間層は、この範囲において、実質的に非吸収でなければならない。
さらに、中間層は、次の機能のうちの少なくとも１つを実施することが可能である。
‐中間層は、隣接しあうサブセルを確実に結合し、これによって、機械的に積層された構造の機械的完全性に寄与することが可能である。
‐中間層の特性は、上部サブセル内に生成された熱を、下部の基板および放熱板の方に分散させる手段を提供することが可能である。これらの特性は、中間層の厚みおよび熱抵抗率によって決定される。この厚みおよび熱抵抗率は、好ましくはできるだけ低く維持される必要がある。
‐中間層は、必要とされる相互接続の型（例えば、電圧整合型または電流整合型）に応じて、サブセルを互いに電気的に絶縁または接続する手段を提供することが可能である。
次に、本発明の理解を容易にするために、添付の、本発明の実施形態の図面を参照する。
図１は、本発明にかかる機械的に積層されたサブ波長マルチ接合セルを備える、高効率な太陽集光型システム全体を示す図である。主要光学素子４に入射する非集光の光３が、放熱板５上および任意により副光学素子２の真下に設置された、機械的に積層されたサブ波長セル１上に集中する。機械的に積層されたサブ波長マルチ接合セルは、本発明によれば、高い電流密度および高効率を提供する。任意により、本発明を、集光型光学素子が設けられていない平板型モジュール設計において用いてもよい。
〔第１の実施形態〕
図２Ａは、２つのサブセル、すなわち上方のサブセル６と下方のサブセル８との間に挟まれた中間層７を含む、機械的に積層されたサブ波長セルの第１の実施形態の構成を示す図である。各サブセルは、少なくとも１つの接合を含む太陽電池構造体であり、基板上に支えられていてもよいし、または、当該サブセルの元の基板から剥離された薄膜セル、例えばエピタキシャルリフトオフまたは基板除去プロセスによって製造されたセルとして、スタンドアロン型をしていてもよい。サブセル６が上方または上部のサブセル（第１のサブセル）であり、サブセル８が下方または下部のサブセル（第２のサブセル）である場合には、サブセル８は、サブセル６の最も小さいバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有していることは、明らかであろう。同様の関係が、ここに記載される各実施形態に当てはまる。
本発明によれば、中間層７は、次の特徴のうちのいずれかを含んでいてよい。
中間層７の全厚みＸは、第２の光電池サブセル８の最も小さいバンドギャップに相当する真空波長と実質的に同様またはこれよりも少ない。
例えば、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ、またはＧａＳｂサブセルの場合、Ｘ＜２μｍである。中間層７の厚みＸは、より具体的には、積層されたサブセル間の光学的結合が向上するように設計されている。図２Ｂは、２つのＧａＡｓサブセル間のサブ波長の厚みの中間層７の透過率スペクトルを示す図である。この例では、中間層７は、厚み１．５μｍの透明体（空気）と、該透明体に隣接した２つのシングルＳｉ３Ｎ４ＡＲコーティング（厚み１８０ｎｍ：８００ｎｍにおける屈折率は２．０３未満）とから構成される。この例では、中間層内の不透明な領域による吸収によって生じる透過損失は考慮されていない。透過率スペクトルは、１２５０ｎｍから１８００ｎｍにおいて、極めて高い透過率（＞９８％）の領域を示している。この領域は、１ｅＶの上方のサブセル６（すなわち、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（ｘは０．３）またはＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓＮｙ（ｘは０．０７未満およびｙは０．０２未満））の下に機械的に積層された０．７ｅＶ未満の下方のサブセル８（すなわち、Ｇｅ、ＧａＳｂ、またはＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（ｘは０．５２未満））の吸収範囲に相当する。図２Ｃは、図２Ｂと同じ構造体の、太陽スペクトル加重平均反射率（ＳＷＲ）を、中間層７内の透明体（空気）の厚みに応じて示す図である。ＳＷＲの曲線は、３つの最小値を明示している。これらの最小値は、それぞれ、エアギャップの厚みである７００ｎｍ、１５００ｎｍ、および２２００ｎｍに相当するか、または、中間層の厚みである１０６０ｎｍ、１８６０ｎｍ、および２５６０ｎｍに相当するものである。中間層の厚みＸは、好ましくは、ＳＷＲが、図２Ｃの曲線の平坦域によって示される非サブ波長の厚みの中間層によって得られるＳＷＲよりも低くなるような厚みである。この例では、散乱損失および吸収損失は、無視されている。中間層７において空気以外の媒体を用いる場合、この媒体の吸収損失および散乱損失により、ＳＷＲは増大することになる。
中間層は、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって、実質的に、光学的に透明である。中間層内の１つまたは複数の不透明な領域による吸収によって生じる平均透過損失は、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって、好ましくは１０％未満でなければならない。中間層内の１つまたは複数の実質的に透明な領域における平均反射損失、吸収損失、および散乱損失も、透過損失の原因になるため、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって、好ましくは１０％未満である必要がある。
実質的に透明な領域の透過損失が、機械的に積層された太陽電池内の下方のサブセルの性能に与える有害な影響は、上述の通り、ＳＷＲによって特徴づけられる。中間層は、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって、上方のサブセルの最も小さいバンドギャップと下方のサブセルの最も小さいバンドギャップとの間の対応する波長領域において、好ましくは１５％未満、より好ましくは１０％未満、さらにより好ましくは５％未満、および、これよりもさらに好ましくは１％未満の太陽スペクトル加重平均反射率を有する光学的結合をもたらす。
本発明にかかる中間層は、機械的結合の前に２つのサブセルの対向しあう面に堆積させた、単層または多層のＡＲコーティングを含むことが可能である。これらのＡＲコーティングの役割は、積層されたサブセル間の光学的結合をさらに促進すること、および、ＳＷＲを低減することである。
中間層は、高い熱伝導係数Ｇｔｈ、好ましくは、従来から用いられているシリコンベースの厚い接着材（Ｇｔｈ＞０．２５ＷＣ−１）よりも高い熱伝導係数を有している。
中間層は、機械的に積層されたサブセル間に機械的接着をもたらす結合剤を含んでいてよい。例えば、中間層は、熱圧着ボンディング、共晶接合、親水性ボンディング、接着材ボンディング（例えばシリコンベースの接着材、シアノアクリレートベースの接着材または樹脂）などの方法を用いたダイレクトボンディングを容易にするための材料を含んでいてよい。
中間層は、電気的絶縁性または電気導電性であってよい。前者の場合、サブセルは、任意により、電圧整合された構成において、別々に接続される。後者の場合、サブセルは、直列に接続される。いずれの場合にも、電気的接続のために、少なくとも２つの出力端子が存在する。図３Ａおよび３Ｂは、それぞれ、２つおよび３つの出力端子９を有する、機械的に積層されたサブ波長セルの例を示す図である。ここでは、上方のサブセル１１および下方のサブセル１５は、各コンタクトグリッドを介して直列に接続されている。より具体的には、いずれの図でも、上方のサブセル１１は、正面コンタクト１０および背面コンタクト１２を備え、下方のサブセル１５は、正面コンタクト１３および背面コンタクト１６を備えている。上方のサブセル１１の背面コンタクト１２は、中間層１４を介して、下方のサブセル１５の正面コンタクト１３に直列接続されている。図３Ｂの出力端子を３つ備える実施形態の場合には、下方のサブセル１５の拡張された正面コンタクト１７が、第３の出力端子９へのアクセスを提供している。いずれの場合にも、中間層の厚みＸは、好ましくは、結合されたコンタクト１２および１３によって生成されるオフセットによって、提供されることが好ましい。コンタクトを結合する方法には、金属共晶接合法、熱圧着ボンディング法などが含まれる。
〔第２の実施形態〕
中間層は、１種類以上の成分材料を含んでいてよい。この材料のそれぞれは、本発明の１つまたは複数の技術的特徴を提供するものである。各成分材料は、空間的に分離され、図４に示されるようなサブ構造の個々の領域を有する異質の中間層を形成していてよい。各分離領域は、１つまたは複数の技術的特徴を提供することが可能である。
より具体的には、空間的に分離された多成分の中間層１９の場合、次の技術的特徴のうちのいずれか１つが当てはまる。
中間層１９は、機械的積層体の下方のサブセルのスペクトル反応の範囲において光学的に透明な材料である、少なくとも１つの成分材料の分離領域（例えば、１８、２０、および／または、２１）を実質的に含む。この透明な成分は、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって透明である、透明接着材、または任意の透明材料、例えば、二酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ＩＴＯ、および、気体（例えば、空気、窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素）であってよい。さらに、中間層１９の少なくとも透明な成分は、任意により、該透明な成分のいずれかのインターフェースにおいて、反射防止（ＡＲ）コーティングを含む。各ＡＲコーティングは、少なくとも１つの層を含む。単層のＡＲコーティングの場合、最適な屈折率ｎＡＲ１および厚みｅＡＲ１は、それぞれ、ｎＡＲ１＝√ｎｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ．ｎｓｕｂ−ｃｅｌｌおよびｅＡＲ１＝λ／４ｎＡＲ１であり、ｎｉｎｔｅｒｌａｙｅｒおよびｎｓｕｂ−ｃｅｌｌは、それぞれ、透明な成分および隣接するサブセルの屈折率である。
中間層１９は、結合剤、例えば、シリコンベースの接着材、シアノアクリレートベースの接着材または樹脂として機能する少なくとも１つの成分材料の分離領域を含んでいてよい。
中間層１９は、ミクロスフェアまたはミクロピラーといった、任意または所定の形状および寸法の分離領域を含んでいてよい。
中間層１９は、機械的積層体内のサブセル間に高効率な熱伝達を提供する、高い熱伝導率を有する少なくとも１つの成分材料の分離領域を含んでいてよい。このような材料の例には、金属が挙げられ、アルミニウム、銅、金、銀などが含まれる。
中間層１９は、中間層の最小厚みを制御するために、少なくとも１つの、圧縮が極めて難しい成分材料の分離領域を含んでいてよい。例えば、中間層１９は、寸法が不均一なシリカスペーサービーズを含んでいてもよいし、または、弾性率の高い材料のパターニングされた領域、または、圧縮不可能な流体を閉じ込めた領域を含んでいてもよい。
中間層１９は、少なくとも１つの導電性成分材料の分離領域を含んでいてよい。例えば、中間層１９は、上方および下方のサブセルの、背面および／または正面コンタクトメタライゼーション層を含んでいてもよく、こうすることによって、機械的積層体内のサブセルを結合する、または、機械的積層体内のサブセル間に、若しくはこれらのサブセルに、電気的相互接続を形成することが可能である。典型的なコンタクト材料の例には、金、亜鉛、ニッケル、アルミニウム、銀、モリブデン、タングステン、白金、パラジウムなどの金属、並びに、ゲルマニウムや、インジウムスズ酸化物、アルミニウム、酸化亜鉛などの透明な導電性酸化物といった半金属および半導体が挙げられる。
中間層１９は、少なくとも１つの電気的絶縁性成分材料の分離領域を含んでいてよい。例えば、誘電性材料には、二酸化珪素、一酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、重合体および樹脂が含まれる。
中間層１９は、少なくとも１つの光学的に不透明な材料の分離領域を含んでいてよい。不透明な領域の面積は、中間層全体の面積の１０％未満であることが、好ましい。
中間層１９は、油、水などを含む少なくとも１つの液相成分材料の分離領域を含んでいてよい。
中間層１９は、少なくとも１つの気相成分材料の領域を含んでいてよい。例えば、中間層１９は、実質的には多孔性であるか、または、空隙を含み、従って、空気、または他の任意の気体、例えば、アルゴン、二酸化炭素、窒素、ヘリウム等を含んでいてよい。
中間層１９は、少なくとも１つの実質的に空洞の領域を含んでいてよい。
中間層１９は、サブセルの結合された表面のうちの少なくとも１つの表面を平坦化させるように機能する少なくとも１つの材料を含んでいてよい。この材料の例には、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、ベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）、ポリイミド膜、および他の樹脂および低粘粘度の液体エポキシ樹脂が挙げられる。
本発明を製造するための一般的かつ好ましい方法を以下に説明する。一般的には、個々のサブセルを別個に、有機分子化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）または分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）チャンバにおいて成長させる。次に、サブセルのアクティブな区域、コンタクト、および反射防止コーティングを、ＩＩＩ−ＶおよびＩＶ化合物材料に標準的なフォトリソグラフィ技術、エッチング技術、および堆積技術を施すことによって形成する。次に、各サブセル間に、上述の本発明の特徴を提供するための多成分の中間層を形成およびパターニングする。結合剤の透明度を向上させるためには、ＵＶフラッド露光が必要な場合もある。中間層内に存在する結合剤によっては、１つまたは幾つかの（事前の）硬化ステップが必要な場合もある。これらの硬化ステップは、炉において熱的に作動させてもよいが、必ずしもこれを行う必要はない。任意により圧力または熱を加える加工熱プレスを用いて、サブセルを機械的に積層させる。
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態では、図５に示されるように、機械的に積層されたセルは、本明細書において記載する、本発明にかかる少なくとも２つの中間層２３および２５と、少なくとも３つのサブセル２２、２４、２６、および２７を含む。各サブセルは、基板上に支えられていてもよいし、または、（数ミクロンの厚みの）薄膜サブセルとしてスタンドアロン型をしていてもよい。各サブセルは、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって、透明でなければならない。
〔第４の実施形態〕
第４の実施形態では、図６に示されるように、サブ波長の厚みの中間層３１が、積層されたサブセル２８および３２の間に、結合剤３０の連続層を含んでいる。中間層３１はまた、ＡＲコーティングおよびコンタクトを含んでいてもよい。図６では、ＡＲコーティング２９だけが例示されている。結合剤３０は、好ましくは、平坦化層としても機能し、サブセル２８と３２との間の良好な接着性、および、サブセル２８と３２との間の距離Ｘの良好な空間均一性を保証する。結合剤３０は、有機または無機接着材であってよい。有機接着材の例には、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）、またはシリコン系接着材が挙げられる。無機接着材の例には、シリカおよび金属が含まれる。結合剤３０は、好ましくは、回転塗布された後に溶剤蒸発させることによって形成させることが好ましいが、化学気相成長法、スパッタリング堆積法、電子ビーム法、熱蒸着法などの任意の成長技術を用いて堆積させてもよい。結合剤３０は、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって透明である。結合剤３０の結合強度および／または透明度を向上させるために、任意により、ＵＶ露光または熱アニーリングなどの硬化ステップが必要となる場合もある。
〔第５の実施形態〕
第５の実施形態では、図７Ａおよび７Ｂに示されるように、サブ波長の厚みの中間層は、厚みＸを有する不連続の領域を含む。この領域の機能は、中間層の物理的な厚みＸを規定すること、および、構造体の機械的完全性を保持することである。この領域は、圧縮が極めて難しい材料から構成されるため、高い弾性率を有しているはずである。この領域は、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって、透明または不透明であってよい。中間層の、不透明な領域が占める部分面積は、好ましくは１０％未満に維持されていなければならない。これらの領域は、任意の幾何学的３Ｄ形状を有していてよく、例えば長方形または円形のピラーまたは球であってよい。これらの領域は、規則的に離間されていてもよいし（図７Ａ）またはランダムに分布されていてもよい（図７Ｂ）。規則的に離間されている場合、中間層は、機械的結合の前に、サブセル３３および３５の一方または両方の表面にパターニングすることが可能なピラー３４を含む。後者（例えば図７Ｂ）の場合、中間層は、機械的結合の前に、サブセル３６および４０の一方または両方の表面に分散させることが可能な、シリカまたは重合体のスペーサービーズ３８を含む。図７Ｂでは、サブセル間の接着は、サブセルのアクティブ区域の周りに塗布された低粘度の接着材３９によって行われる。領域間（例えばピラー３４（図７Ａ）間、および／または、スペーサービーズ３８（図７Ｂ）間）の媒体３７は、固体（誘電性）、気体（空気やヘリウムなど）、真空または液体であってよく、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって透明である。
〔第６の実施形態〕
第６の実施形態では、図８Ａおよび８Ｂに示されるように、サブ波長の厚みの中間層は、サブセルの機械的結合および電気的絶縁の両方を確保する、少なくとも１つのさらなる成分材料を有している。これらの成分材料は、既に説明した任意の誘電性材料または接着材料であってよく、下方のサブセルのスペクトル反応の範囲にわたって、透明でなければならない。
一方の例では、図８Ａに示されるように、上方のサブセル４２および下方のサブセル４８は、サブ波長の厚みの中間層によって分離されている。この中間層は、上方のサブセル４８の背面コンタクト４４と、下方のサブセル４８の正面コンタクト４７とを分離する電気的絶縁層４６を含む。上方のサブセル４２は、片側がコンタクトされており、上方のサブセル４２の背面コンタクト４４には、図８Ａに示されるように、上面からビアホール４３を介するプロセスによって接近可能である。すなわち、ビアホール４３の側壁を、一般的に用いられる誘電体層（窒化珪素、二酸化珪素等）で電気的に絶縁し、続いて、該誘電体の上部のビアホール４３を、金属パッド４５で充填する。上方のサブセル４２の正面コンタクト４１および下方のサブセル４８の背面コンタクト４９が、残りのコンタクトを提供する。
他方の例では、上方のサブセル５２は、両面がコンタクトされており、上方のサブセル５２の背面コンタクト５４へのアクセスは、熱圧着ボンディング方法によって実現される。中間層は、下方のサブセル５８の上面に堆積させた誘電性材料の電気的絶縁層５６を含む。次に、下方のサブセル５８の正面のグリッド５７に位置合わせされた中間コンタクトグリッド５５を堆積させ、下方および上方のサブセルを、下方のサブセル５８の正面コンタクトグリッド５７と中間コンタクトグリッド５５との間を熱圧縮することにより、機械的に結合させる。正面コンタクトグリッド５７および中間コンタクトグリッド５５は、様々な種類の金属、または、Ａｕ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎなどの元素との合金から構成されていてよい。次に、誘電体層５６を、パターニングして、コンタクトグリッド間に空隙５３を生成する。この空隙は、空気、ヘリウムなどの気体によって充填され得る。コンタクトグリッド、中間金属グリッド、および誘電体層によって示される厚み全体は、中間層の厚みＸと等しく、本発明にかかるサブ波長の厚みとなるはずである。
上方のサブセル５２の正面コンタクト５１および下方のサブセル５８の背面コンタクトは、出力端子５０を介した残りの電気コンタクトを提供するものである。
図８Ａおよび８Ｂのいずれの例でも、各サブセルは、別々に、電気的に接続される。
〔第７の実施形態〕
第７の実施形態では、図９に示されるように、サブ波長の厚みの中間層は、直列接続されたサブセルの機械的結合および電気的接続の両方を確保する、少なくとも１つのさらなる成分材料を有している。これらの成分材料は、様々な種類の金属、またはＡｕ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎなどの元素との合金から構成されていてよい。合金組成物は、上方のサブセル６１および下方のサブセル６５の半導体材料との接触抵抗を最小化するように選択される。機械的結合の前に、成分材料６２および６４を、各サブセル上に別々にパターニングして、様々な幾何学的形状（一般的に太陽電池のグリッドコンタクトに用いられる形状、例えば、リング状、指状、または逆四角形の設計を含む）にする。成分材料間の空隙を、少なくとも１つまたは複数の気体および／または固体の媒体６３で充填することが可能である。積層された成分材料６２および６４によって示される全厚みは、中間層の厚みＸと等しく、本発明にかかるサブ波長の厚みであるはずである。
本発明を特定の１つまたは複数の実施形態を参照しながら図示および説明したが、本明細書および添付の図面を読解することにより、同等の変更または変形例も可能であることは、同業者には明らかになろう。特に、上述の部材（コンポーネント，アッセンブリ、装置、構成など）によって実施される様々な機能に関して、このような部材を説明するために用いられる用語（「手段」への言及を含む）は、他に記載がない限り、ここに記載の、本発明の典型的な１つまたは複数の実施形態の機能を実行する開示された構造体と構成的に同等でなくても、記載の部材の特定の機能を実行する任意の部材（すなわち、機能的に同等の部材）を指すものである。さらに、本発明の具体的な特徴について、幾つかの実施形態のうちの１つまたは複数の実施形態だけについて説明してきたが、このような特徴は、所定のまたは特定の用途にとって望ましいおよび有効であるように、他の実施形態の１つまたは複数の他の特徴と組み合わせてもよい。
〔第８の実施形態〕
第８の実施形態では、図１０に示されるように、上方のサブセル６７は、ＧａＩｎＰ材料、（Ｉｎ）ＧａＡｓ材料、およびＩｎＧａＡｓ材料から構成される薄膜トリプル接合であり、下方のサブセル６９は、Ｇｅ材料から構成されるシングル接合である。サブセル６７とサブセル６９との間の、厚みＸの中間層６８は、他の実施形態において説明したように、機械的結合、光学的結合、および熱的結合を提供する。上方のセルの第３の接合におけるＩｎ組成物を調節して、機械的に積層された４接合構造体の最適なバンドギャップを得ることが可能である。最適なバンドギャップは、上方のサブセル６７および下方のサブセル６９が無関係に接続されているならば、１ｅＶに近く、または、上方のサブセル６７および下方のサブセル６９が直列に接続されているならば、１．０４ｅＶに近い。下方のサブセル６９のＧｅ接合は、Ｇｅ基板上、または、変態ＳｉＧｅ基板７０上に成長させる。上方のサブセル６７および下方のサブセル６９を、有機接着材（シリコンベースの接着材、シアノアクリレートベースの接着材、樹脂など）または無機接着材（金属、シリカなど）で結合した後、上方のサブセル６７の基板を除去する。
本発明にかかる機械的に積層されたセルは、マルチ接合太陽電池を必要とするあらゆる光電池システムに利用可能であり、より具体的には、地上または宇宙のアプリケーションの、平板システムおよび集光型システムの両方において、利用可能である。
１ 機械的に積層されたサブ波長セル
２ 副光学素子
３ 入射光線
４ 主要光学素子
５ 放熱板
６ 上方のサブセル
７ 中間層
８ 下方のサブセル
９ 電気出力端子
１０ 上方のサブセルの正面コンタクト
１１ 上方のサブセル
１２ 上方のサブセルの背面コンタクト
１３ 下方のサブセルの正面コンタクト
１４ 中間層
１５ 下方のサブセル
１６ 下方のサブセルの背面コンタクト
１７ 下方のサブセルの拡張された正面コンタクト
１８ 機能領域１
１９ 多成分の中間層
２０ 機能領域２
２１ 機能領域３
２２ 上方のサブセル１
２３ 中間層１
２４ 介在するサブセル２
２５ 中間層２
２６ 介在するサブセル３
２７ 下方のサブセル４
２８ 上方のサブセル
２９ 反射防止コーティング１
３０ 連続的なボンディング層
３１ 中間層
３２ 下方のサブセル
３３ 上方のサブセル
３４ ピラー
３５ 下方のサブセル
３６ 上方のサブセル
３７ 透明体
３８ スペーサービーズ
３９ 接着材
４０ 下方のサブセル
４１ 上方のサブセルの正面コンタクト
４２ 上方のサブセル
４３ パッシベーションされたビアホール
４４ 上方のサブセルの背面コンタクト
４５ 背面コンタクト用のコンタクトバッド
４６ 絶縁体層
４７ 下方のサブセルの正面コンタクト
４８ 下方のサブセル
４９ 下方のサブセルの背面コンタクト
５０ 電気出力端子
５１ 上方のサブセルの正面コンタクト
５２ 上方のサブセル
５３ 透明体
５４ 上方のサブセルの背面コンタクト
５５ 媒介する上方のサブセル用のコンタクトグリッド
５６ 絶縁体層
５７ 下方のサブセルの正面コンタクト
５８ 下方のサブセル
５９ 下方のサブセルの背面コンタクト
６０ 上方のサブセルの正面コンタクト
６１ 上方のサブセル
６２ 上方のサブセルの背面コンタクト
６３ 透明な誘電体
６４ 下方のサブセルの正面コンタクト
６５ 下方のサブセル
６６ 下方のサブセルの背面コンタクト
６７ 上方のサブセル
６８ 中間層
６９ 下方のサブセル
７０ 基板

Claims (28)

  1. 少なくとも１つの接合を有する第１の光電池サブセルと、
    少なくとも１つの接合を有すると共に上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する第２の光電池サブセルと、
    上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に光学的結合をもたらす中間層とを含む、マルチ接合光電池構造体であって、
    上記中間層は、上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップに相当する光の真空波長と実質的に同様またはこれよりも少ない物理的な厚みを有している、マルチ接合光電池構造体。
  2. 上記第１の光電池サブセルは、ＧａＩｎＰ材料、（Ｉｎ）ＧａＡｓ材料、およびＧａＡｓ材料から構成される薄膜トリプル接合を含み、上記第２の光電池サブセルは、Ｇｅ材料から構成されるシングル接合を含む、請求項１に記載の構造体。
  3. 上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に機械的結合をさらにもたらす、請求項１または２に記載の構造体。
  4. 上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に熱的結合をさらにもたらす、請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造体。
  5. 上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に電気的直列接続をさらにもたらす、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造体。
  6. 上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に電気的絶縁をさらにもたらし、各上記光電池サブセルは、別々に、電気的に接続される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造体。
  7. 上記中間層は、非サブ波長の厚みの中間層により得られる太陽スペクトル加重平均反射率よりも低い太陽スペクトル加重平均反射率に相当するサブ波長の厚みを有している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の構造体。
  8. 上記中間層は、上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップと上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップとの間の対応する波長領域において、太陽スペクトル加重平均反射率が１５％未満の光学的結合をもたらす、請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造体。
  9. 上記中間層は、上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップと上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップとの間の対応する波長領域において、太陽スペクトル加重平均反射率が１０％未満の光学的結合をもたらす、請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造体。
  10. 上記中間層は、上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップと上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップとの間の対応する波長領域において、太陽スペクトル加重平均反射率が５％未満の光学的結合をもたらす、請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造体。
  11. 上記中間層は、上記第１の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップと上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップとの間の対応する波長領域において、太陽スペクトル加重平均反射率が１％未満の光学的結合をもたらす、請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造体。
  12. 上記中間層内の不透明な領域による吸収によって生じる平均透過損失は、１０％未満である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の構造体。
  13. 上記中間層は、１つまたは複数の反射防止（ＡＲ）コーティングを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の構造体。
  14. 上記中間層は空気を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の構造体。
  15. 上記中間層は、熱伝導係数Ｇｔｈを有し、ここで、Ｇｔｈ＞０．２５ＷＣ−１である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の構造体。
  16. 上記中間層は、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間に機械的接着をもたらす結合剤を含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の構造体。
  17. 上記中間層は、異質の層内に、異なる成分材料の分離領域を含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の構造体。
  18. 上記異なる成分材料のうちの少なくとも１つは、高い熱伝導率を有する、請求項１７に記載の構造体。
  19. 第３のサブセル、および
    上記第２の光電池サブセルと上記第３の光電池サブセルとの間に光学的結合をもたらす別の中間層をさらに含み、
    上記第３のサブセルは、少なくとも１つの接合を含むと共に、上記第２の光電池サブセルの最も小さいバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有し、
    上記別の中間層は、上記第３のサブセルの最も小さいバンドギャップに相当する真空波長と実質的に同様またはこれよりも少ない光学的厚みを有している、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の構造体。
  20. 上記光電池サブセルのうちの少なくとも１つは、当該光電池サブセルの元の基板から剥離された薄膜型のサブセルである、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の構造体。
  21. 上記中間層は、少なくとも１つのピラーまたはスペースビーズを含む、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の構造体。
  22. 第１の光電池サブセルを形成するステップと、
    第２の光電池サブセルを形成するステップと、
    上記第１の光電池サブセルおよび上記第２の光電池サブセルのうちの少なくとも１つの光電池サブセルの表面に中間層を形成するステップと、
    上記第１の光電池サブセルおよび上記第２の光電池サブセルの対向する各表面を、上記第１の光電池サブセルと上記第２の光電池サブセルとの間の中間層と結合するステップとを含む、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の構造体を生成する方法。
  23. 中間層を形成する上記ステップは、上記第１の光電池サブセルおよび上記第２の光電池サブセルのうちの少なくとも１つの光電池サブセルの表面を、薄膜材料でコーティングすることを含む、請求項２２に記載の方法。
  24. 上記中間層はアクリル樹脂を含む、請求項２３に記載の方法。
  25. 上記中間層はスピンオンガラスを含む、請求項２３に記載の方法。
  26. 中間層を形成する上記ステップは、上記第１の光電池サブセルおよび上記第２の光電池サブセルの背面コンタクト層および正面コンタクト層をダイレクトボンディングすることを含む、請求項２２に記載の方法。
  27. 上記ダイレクトボンディングは、熱圧着ボンディングである、請求項２６に記載の方法。
  28. 上記光電池サブセルのうちの少なくとも１つの光電池サブセルは、当該光電池サブセルが形成された基板から剥離されている、請求項２２〜２７のいずれか１項に記載の方法。
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