JP2015518283A - セル配列 - Google Patents

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Abstract

相互に積層された複数の太陽電池サブセルを含むセル配列。複数の太陽電池サブセルのうち少なくとも１つの太陽電池サブセルは、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む。

Description

本開示の様々な態様は、太陽電池などにおけるセル配列に関する。
ＩＩＩ−Ｖ多接合型（ＭＪ）太陽（ＰＶ）電池は、これらの材料の直接遷移性に起因する高い太陽光変換効率のために、メガワット規模の系統連系型太陽光発電所（０．１ＭＷから１００Ｗ超）にとって現在入手可能な最高の技術としてのニッチな用途を有する。現在、最先端の生産規模のＭＪ ＩＩＩ−Ｖ ＰＶセルは、集光太陽光の下で最大４４％の太陽光変換効率を記録している。この太陽光変換効率の値は、他の競合太陽電池技術の間でも大差で最も高い。１０００×の太陽光密度下（１０００ｓｕｎ）で、電池効率４４％の１ｃｍ２ ＩＩＩ−Ｖ ＭＪ太陽電池は、直径１２７ｍｍ（５インチ）のシリコン太陽電池１４個分の大きさの電力を生じる。太陽電池変換効率における最近の飛躍的進歩により、ＩＩＩ−Ｖ集光型太陽光発電（ＣＰＶ）技術は、系統連系型のメガワット規模の発電に関してかつてないほどに発展する可能性がある。主要なＣＰＶ事業者は大規模に設備された生産能力、および少なくとも６００ＭＷ／年の容量に対処する能力を有する。
多接合型ＰＶセルの最も一般的な形態は、３つのサブセルからなるもので、これは三接合型太陽電池と呼ばれている。図１Ａは、従来の多接合型ＰＶセルにおけるＧａＩｎＰ、ＧａＡｓおよびＧｅの異なるサブセルによる太陽光スペクトルおよび光子吸収特性を示している。図１Ｂは、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓおよびＧｅサブセルからなる従来の多接合型ＰＶセルがどのように太陽エネルギーを吸収するのかについての概略図を示している。直接遷移半導体であるＧａＩｎＰおよびＧａＡｓから形成されたサブセルは、それぞれ、約１．９ｅＶ超および約１．４〜約１．９ｅＶの太陽エネルギー窓領域を吸収するように調整される。ゲルマニウム（Ｇｅ）で形成された底部のサブセルは、約０．７ｅＶ〜約１．４ｅＶのエネルギーの光子を吸収するように調整される。
図１Ａにおける実線は、異なる波長での太陽光スペクトルのパワー密度を表す。実践の下の塗り潰された領域は、多接合型ＰＶセルによって電力に変換されたパワー密度を表す。多接合型ＰＶセルの変換効率は、１ｅＶのエネルギー領域において不良であることが分かる。ＧａＡｓ層を通過する光子は１．４２ｅＶ未満を有する。これらの光子の一部はＧｅバンドギャップ（０．６７ｅＶ）を上回る過剰なエネルギーを持つ。この過剰エネルギーは、エネルギー変換過程中に熱の形で失われる。
本開示の様々な態様は、上記の課題に少なくとも部分的に対処する改善された太陽電池を提供する。
様々な実施形態では、相互に積層された複数の太陽電池サブセルを含むセル配列であって、複数の太陽電池サブセルのうち少なくとも１つの太陽電池サブセルは、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む。
様々な実施形態では、太陽電池を形成する方法であって、複数の太陽電池サブセルを相互に積層する工程を含み、複数の太陽電池サブセルのうち少なくとも１つの太陽電池サブセルは、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む。
本発明は、詳細な説明を、非限定的な実施例および添付の図面と併せて参照することにより、より良く理解されよう。
図１Ａは、従来の多接合型ＰＶセルにおけるＧａＩｎＰ、ＧａＡｓおよびＧｅの異なるサブセルによる太陽光スペクトルおよび光子吸収特性を示す。図１Ｂは、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓおよびＧｅサブセルを含むかまたはそれらからなる従来の多接合型ＰＶセルがどのように太陽エネルギーを吸収するのかについての概略図を示している。 様々な実施形態に従って、基板上の（Ｓｉ）Ｇｅベースのサブセル（ＧｅまたはＳｉＧｅのいずれか一方）、その（Ｓｉ）Ｇｅベースのサブセル上のＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル、そのＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル上のＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースのサブセル（ＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓのいずれか一方）、およびそのＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースのサブセル上の（Ａｌ）ＧａＩｎＰベースのサブセル（ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれか一方）を含む太陽電池の概略図を示す。 様々な実施形態に従って、基板上のＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル、そのＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル上のＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースのサブセル（ＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓのいずれか一方）、およびそのＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースのサブセル上の（Ａｌ）ＧａＩｎＰベースのサブセル（ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれか一方）を含む太陽電池の概略図を示す。 様々な実施形態に従ったＧａＮＡｓＳｂベースのサブセルの概略図を示す。 １ｓｕｎ、ＡＭ１．５Ｇスペクトル条件で測定した図４のＧａＮＡｓＳｂサブセルの光電流を説明するグラフを示す。 図４における様々な実施形態に従ったＧａＮＡｓＳｂサブセルの開回路電圧ＶＯＣを、太陽光密度に対してプロットしたグラフを示す。 従来のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ二接合型太陽電池および図３の様々な実施形態に従ったＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓＳｂ三接合型太陽電池の開回路電圧ＶＯＣに対して電流密度をプロットしたグラフを示す。 図３の様々な実施形態に従ったＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓＳｂ三接合型太陽電池の太陽光密度に対して開回路電圧ＶＯＣをプロットしたグラフを示す。
詳細な説明
以下の詳細な説明は添付の図面を参照するが、図面は、本発明を実施し得る特定の詳細および実施形態を説明する目的で示したものである。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施可能な程度に十分詳細に説明されている。他の実施形態が採用されてもよく、また、本発明の範囲から逸脱することなく構造上および理論上の変更も可能である。これらの様々な実施形態は必ずしも相互排他的ではなく、よって、複数の実施形態を他の１つまたは複数の実施形態と組み合わせて新たな実施形態をとすることも可能である。
本発明が容易に理解され、実用的な効果がもたらされるように、図面を参照しつつ、特定の実施形態を限定目的ではなく例示目的で説明する
様々な実施形態において、セル配列は、相互に積層された複数の太陽電池サブセルを含み、これらの複数の太陽電池サブセルのうち少なくとも１つの太陽電池サブセルは、ガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）、ヒ素（Ａｓ）およびアンチモン（Ｓｂ）の合金を含む。様々な実施形態において、セル配列は太陽電池セル配列である。
換言すれば、太陽電池セル配列は、互いの上に積層された２つ以上のサブセルを備える多接合型太陽電池であってもよい。
ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金は、窒素含量を変化させることにより伝導帯のバンドオフセットを独立して調整するための柔軟性を提供し得る。一方、価電子帯のバンドオフセットはアンチモン含量を変化させることにより調整できる。これにより、ＧａＮＡｓＳｂ合金のバンドギャップを操作することが可能となる。ＧａＮＡｓＳｂ合金ベースのサブセルを有する太陽電池は、特定のエネルギー領域を有する光子、特に約０．６ｅＶ〜約１．４ｅＶまたは約０．９ｅＶ〜約１．１ｅＶの範囲のエネルギー領域を有する光子を吸収するように調整され得る。これにより、上述した課題のいくつかへの対処に貢献する。
ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセルは、ＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の他の窒化物ベースのサブセルと比較して、いくつかの利点を有する。ＧａＮＡｓＳｂではアンチモン（Ｓｂ）原子が存在し、かつ調製中にインジウム（Ｉｎ）原子が存在しないため、ＧａＮＡｓＳｂにおける窒素関連欠陥はより少なくなり得る。アンチモンは、置換窒素（Ｎ）原子の取込み率を向上させ、窒素関連欠陥の発生を抑制する界面活性剤として働く。一方、インジウムの取込み希薄窒化物成長は、窒素原子取込み率を低下させ、窒素関連欠陥の発生を促進し得る。
また、ＧａＮＡｓＳｂ合金の材料系では、所望のバンドギャップを得るのに必要な窒素原子がＧａＩｎＮＡｓのような材料よりも少なくて済み、これにより窒素関連欠陥の数が減少し得る。
この向上した置換的取込み特性は、ＧａＮＡｓＳｂ材料における欠陥密度の低下に貢献し得る。材料における置換的取込み率の低さは窒素関連欠陥の発生を促進し得、これは一般にキャリアの寿命および太陽電池の性能に悪影響を及ぼし得る。
様々な実施形態において、合金は式ＧａＮｘＡｓ１−ｘ−ｙＳｂｙを有してもよい。
様々な実施形態によれば、０．０１≦ｘ≦０．０４である。様々な実施形態によれば、０．０４≦ｙ≦０．１５である。
様々な実施形態において、セル配列は基板上にある。様々な実施形態において、基板は、ガリウムヒ素、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、傾斜組成シリコンゲルマニウムのような半導体材料を含んでいてもよい。様々な実施形態において、基板は硬質基板でもよい。他の代替実施形態において、基板は可撓性基板でもよい。様々な実施形態において、セル配列は、複数の太陽電池サブセルのうちの１つである基板を更に含んでもよい。
様々な実施形態において、太陽電池サブセルのうちの少なくとも１つは複数の層を含んでいてもよい。
様々な実施形態において、複数のサブセルは、トンネル接合層によって相互に離間していてもよい。トンネル接合は、２つのサブセル間の低い電気抵抗および光学的低損失接続をもたらし得る。別法として、複数のサブセルは中間層によって相互に離間していてもよい。
様々な実施形態において、各太陽電池サブセルを構成する層は実質的に無歪み格子で基板と格子整合される。換言すれば、各太陽電池サブセルは複数の層を含んでいてもよい。各層における元素の原子が格子を形成する。各層における格子の原子間距離は、隣接する層の格子と、２つの層の両格子が実質的に歪まずに整合するようなものとする。このようにして、太陽電池サブセルの層は実質的に無歪みの格子を形成し、また、異なるサブセル間の層および基板も実質的に無歪みの格子を形成する。したがって、格子のクラック等の欠陥の数が最小化される。換言すれば、このようにすることで、太陽電池の性能の低下につながる可能性のある格子不整合に起因する欠陥の発生が抑制され得る。
様々な実施形態において、基板により近い太陽電池サブセルは、基板からより遠い太陽電池サブセルよりも、低いエネルギーの光子を電気エネルギーに変換するために吸収するように構成される。
最上部のサブセルは、最もエネルギーの高い光子のみがこの層に吸収されることを確実にするために、最も大きいバンドギャップを有し得る。エネルギーのより低い光子は、最上部のサブセルの材料中で電子−正孔対を形成できるほどのエネルギーを持っていないため、このサブセルを通過する。最上部から最底部に向かうに従って、各サブセルが持つバンドギャップはそれぞれの上にあるサブセルよりも小さくなる。ある特定のサブセルによって吸収される光子は、その特定のサブセルのバンドギャップよりも大きいエネルギーを持ち得るが、その特定のサブセルの上にあるサブセルのバンドギャップよりは小さいエネルギーを持つ。セル配列における少なくとも１つのサブセルは、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む。換言すれば、セル配列における少なくとも１つの太陽電池サブセルは、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む層を有する。ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル上に、太陽電池サブセル（第１の隣接するサブセル）があってもよい。第１の隣接する太陽電池サブセルは、ＧａＮＡｓＳｂの合金のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する対応する層を有し得る。ＧａＮＡｓＳｂ層を有するサブセルの下に、太陽電池サブセル（第２の隣接するサブセル）があってもよい。第２の隣接する太陽電池サブセルは、ＧａＮＡｓＳｂのバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する対応する層を有し得る。
この文脈において、第２の太陽電池サブセルに隣接する第１の太陽電池サブセルというのは、第２の太陽電池サブセルと直接隣り合う第１の太陽電池サブセル、または、第１の太陽電池サブセルがトンネル接合層または中間層によって第２の太陽電池サブセルから離間していることを指す。換言すれば、第１の太陽電池サブセルと第２の太陽電池サブセルとの間には他の太陽電池サブセルは存在しない。
ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセルがない従来の場合では、第１の隣接するサブセルから第１の隣接するサブセルの下にある第２の隣接するサブセルに伝わる光子は、第２の隣接するサブセルのバンドギャップよりも大きいエネルギーを持つならば、第２の隣接するサブセルに吸収される。しかし、第１の隣接するサブセルと第２の隣接するサブセルとの間のエネルギーバンドギャップの差が大きいため、第２の隣接するサブセルは、結局は第２の隣接するサブセルのバンドギャップよりもはるかに高いが第１のサブセルのバンドギャップよりは依然として低いエネルギーを持つ光子を吸収することになる。この過剰エネルギーは熱として失われ得る。ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセルは、第１の隣接するサブセルのエネルギーバンドギャップと第２の隣接するサブセルのそれとの間のエネルギーバンドギャップを有し得るため、ＧａＮＡｓＳｂのバンドギャップよりも高いエネルギーを持つこれらの光子のいくつかを吸収可能である。これにより、熱として失われる過剰エネルギーの一部を減少させる。
このようにして、太陽電池の効率を向上させることができる。換言すれば、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセルを提供することによって、いくつかの光子については吸収される光子エネルギー間の差が減少し、これにより熱として失われる過剰エネルギーの減少がもたらされる。
基板により近い太陽電池サブセルよりも低いエネルギーを持つ光子を電気エネルギーへの変換のために吸収するように構成された、基板から遠い太陽電池サブセルを用いるセル配列も想定される。基板は光学的に透過性であってもよく、サブセルよりも広いエネルギーバンドギャップを有し得る。基板を通る光子のうち、最もエネルギーの高いものを除く大部分は基板に吸収されない。基板に隣接するサブセルを通り、そのサブセルのエネルギーバンドギャップよりも高いエネルギーを持つ光子は、そのサブセルに吸収される。最底部（基板に最も近い）から最上部（基板から最も遠い）に向かうに従って、各サブセルが持つバンドギャップはそれぞれの下にあるサブセルよりも小さくなる。
様々な実施形態において、第１の太陽電池サブセルはセル配列の最上面に配置され、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルが、第１の太陽電池サブセルの下に配置される。これにより、光が第１の太陽電池サブセルに受け取られ、第１の太陽電池サブセルを通過した光の一部がそのガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルに受け取られる。様々な実施形態において、第１の太陽電池サブセルは（Ａｌ）ＧａＩｎＰを含んでいてもよい。換言すれば、第１の太陽電池サブセルは、アルミニウムガリウムインジウムリン（ＡｌＧａＩｎＰ）またはガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）のいずれか１つを含んでいてもよい。様々な実施形態において、第１の太陽電池サブセルと、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む太陽電池サブセルとの間に１つ以上の太陽電池サブセルが配置されてもよい。様々な実施形態において、第１の太陽電池サブセルを通過し、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルに受け取られる光の一部は、第１の太陽電池サブセルのエネルギーバンドギャップよりも小さいが、上記ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルのエネルギーバンドギャップと同等以上のエネルギーを有し得る。
様々な実施形態において、第２の太陽電池サブセルはセル配列の最底部に配置されてもよく、ここで、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルは第２の太陽電池サブセルの上に配置される。これにより、光がそのガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルに受け取られ、そのガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルを通過した光の一部が第２の太陽電池サブセルに受け取られる。様々な実施形態において、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む太陽電池サブセルと第２の太陽電池サブセルとの間に１つ以上の太陽電池が配置されてもよい。様々な実施形態において、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルを通過し、第２の太陽電池サブセルに受け取られる光の一部は、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルのエネルギーバンドギャップよりも小さいが、第２の太陽電池サブセルのエネルギーバンドギャップと同等以上のエネルギーを有し得る。
様々な実施形態において、セル配列は、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルに隣接するガリウムヒ素を含む太陽電池サブセルを更に含んでもよい。
様々な実施形態において、セル配列は、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルに隣接するインジウムガリウムヒ素を含む太陽電池サブセルを更に含んでもよい。
様々な実施形態において、セル配列は、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルに隣接するゲルマニウムを含む太陽電池サブセルを更に含んでもよい。
様々な実施形態によれば、合金は約０．６ｅＶ〜約１．４ｅＶまたは約０．９ｅＶ〜約１．１ｅＶの範囲のエネルギーバンドギャップを有し得る。換言すると、合金ＧａＮＡｓＳｂを構成する種々の元素の組成を調整することにより、合金ＧａＮＡｓＳｂのバンドギャップを約０．６ｅＶ〜約１．４ｅＶまたは約０．９ｅＶ〜約１．１ｅＶの範囲に調整することができる。
図２は、様々な実施形態に従って、基板２０２上の（Ｓｉ）Ｇｅベースのサブセル２０４（ＧｅまたはＳｉＧｅのいずれか一方）、その（Ｓｉ）Ｇｅベースのサブセル２０４上のＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル２０６、そのＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル２０６上のＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースのサブセル２０８（ＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓのいずれか一方）、およびそのＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースのサブセル２０８上の（Ａｌ）ＧａＩｎＰベースのサブセル２１０（ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれか一方）を含む太陽電池２００の概略図を示す。様々な実施形態において、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル２０６上にサブセル２０８（第１の隣接するサブセル）があってもよい。第１の隣接するサブセルは、ＧａＮＡｓＳｂのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する層を有し得る。第１の隣接するサブセル２０８の対応する層は、ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ）を含んでいてもよい。ガリウムインジウムヒ素は約１．０ｅＶ〜約１．４２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し得る。ガリウムインジウムヒ素のバンドギャップはインジウムの濃度と共に変動し得る。様々な実施形態において、第１の隣接するサブセル２０８の対応する層はガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を含んでいてもよい。ガリウムヒ素のバンドギャップは約１．４２ｅＶであり得る。ＧａＮＡｓＳｂ層を有するサブセル２０６の下に、サブセル（第２の隣接するサブセル）２０４があってもよい。また、第２の隣接するサブセル２０４は、ＧａＮＡｓＳｂのバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する対応する層を有し得る。第２の隣接するサブセルの対応する層は、約０．６７ｅＶ〜約１．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有するシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）であってもよい。ＳｉＧｅのバンドギャップはシリコンの濃度に依存し得る。第２の隣接するサブセルの対応する層はゲルマニウムであってもよい。ゲルマニウムのバンドギャップは約０．６７ｅＶであり得る。第１の隣接するサブセル２０８（すなわちＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースのサブセル）からＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル２０６に伝わる光子は、約１．４２ｅＶを下回るエネルギーを有し得る。Ｇｅの場合、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル２０６がないと、約０．６７ｅＶ〜約１．４２ｅＶの範囲のエネルギーを持つ光子は第２の隣接するサブセル２０４（すなわちＧｅベースのサブセル）に吸収され得る。約０．６７ｅＶを超えるエネルギーを持つ光子については、約０．６７ｅＶを上回る過剰エネルギーは熱として失われ得る。ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル２０６をＧａＡｓベースのサブセル２０８とＧｅベースのサブセル２０４と間に配置し、また、合金ＧａＮＡｓＳｂのバンドギャップを約０．６ｅＶ〜約１．４ｅＶまたは約０．９ｅＶ〜約１．１ｅＶの範囲内の値に調整することにより、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル２０６はその値を超えるエネルギーを持つ光子を吸収するように構成される。そのため、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル２０６を用いなければ熱として失われていたであろうエネルギーの一部は、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル２０６で生成された正孔および電子における運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギーに変換される。ＧａＮＡｓＳｂ中の種々の元素の組成を調整することにより、基板２０２、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓおよび（Ｓｉ）ＧｅとのＧａＮＡｓＳｂの格子整合を可能にしながら、ＧａＮＡｓＳｂのバンドギャップが約０．６ｅＶ〜約１．４ｅＶまたは約０．９ｅＶ〜約１．１ｅＶの範囲内の値に調整される。換言すれば、ＧａＮＡｓＳｂ中の種々の元素の組成を変化させることにより、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓのバンドギャップと（Ｓｉ）Ｇｅのそれとの間のバンドギャップを提供することで太陽電池２００の効率を向上させることができ、かつ同時に欠陥の発生を抑制する。
さらに、第１の隣接するサブセル２１０上のサブセルの対応する層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰを含んでいてもよい。様々な実施形態において、第１の隣接するサブセル２０８上のサブセル２１０は、約１．９ｅＶを超えるエネルギーを持つ光子を吸収するように構成されてもよい。
図３は、様々な実施形態に従って、基板３０２上のＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル３０４、そのＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル３０４上のＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースのサブセル３０６（ＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓのいずれか一方）、およびそのＧａ（Ｉｎ）Ａｓベースのサブセル３０６上の（Ａｌ）ＧａＩｎＰベースのサブセル３０８（ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれか一方）を含む太陽電池３００の概略図を示す。様々な実施形態において、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル３０４上にサブセル３０６（第１の隣接するサブセル）があってもよい。第１の隣接するサブセル３０６は、ＧａＮＡｓＳｂ３０４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第１の層を有し得る。第１の隣接するサブセル３０６の第１の層はガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ）を含んでいてもよい。ＧａＩｎＡｓは約１．０ｅＶ〜約１．４２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し得る。ガリウムインジウムヒ素のバンドギャップはインジウムの濃度と共に変動し得る。様々な実施形態において、第１の隣接するサブセル３０６の対応する層はガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を含んでいてもよい。ガリウムヒ素のバンドギャップは約１．４２ｅＶであり得る。様々な実施形態において、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル３０４は基板３０２の上にあってもよい。第１の隣接するサブセル３０６（すなわちＧａＡｓベースのサブセル）からＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル３０４に伝わる光子は、約１．４２ｅＶを下回るエネルギーを有し得る。ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセルがないと、約１．４２ｅＶ未満のエネルギーを持つ光子は基板３０２を通過するか、またはその後の光子の熱としてのエネルギー損失を伴って基板３０２に吸収される。ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル３０４をＧａＡｓベースのサブセル３０６と基板３０２と間に配置し、また、合金ＧａＮＡｓＳｂのバンドギャップを約０．６ｅＶ〜約１．４ｅＶまたは約０．９ｅＶ〜約１．１ｅＶの範囲内の値に調整することにより、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル３０６はその値を超えるエネルギーを持つ光子を吸収するように構成される。そのため、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル３０６を用いなければ熱として失われていたであろう過剰エネルギーの一部は、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル３０４で生成された正孔および電子における電気エネルギーに変換される。ＧａＮＡｓＳｂ中の種々の元素の組成を調整することにより、基板およびＧａ（Ｉｎ）ＡｓとのＧａＮＡｓＳｂの格子整合を可能にしながら、ＧａＮＡｓＳｂのバンドギャップが約０．６ｅＶ〜約１．４ｅＶまたは約０．９ｅＶ〜約１．１ｅＶの範囲内の値に調整される。換言すれば、ＧａＮＡｓＳｂ中の種々の元素の組成を変化させることにより、ＧａＡｓよりも低いバンドギャップを提供することで太陽電池３００の効率を向上させることができ、かつ同時に欠陥の発生を抑制する。さらに、第１の隣接するサブセル３０６上のサブセル３０８の第１の層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰを含んでいてもよい。様々な実施形態において、第１の隣接するサブセル３０６上のサブセル３０８は、１．９ｅＶを超えるエネルギーを持つ光子を吸収するように構成されてもよい。
図４は、様々な実施形態に従ったＧａＮＡｓＳｂベースのサブセル４００の概略図を示す。様々な実施形態において、サブセルは第１の層４０４および第１の層４０４上の第２の層４０６を含んでいてもよく、ここで、第１の層４０４（ベース層とも称される）はガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンからなる合金を含んでいてもよい。サブセル４００は多接合型太陽電池に用いられ得る。様々な実施形態において、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンを含むかまたはそれらからなる合金は、太陽電池のサブセルまたは太陽電池に用いられる。
また、第２の層４０６はエミッタ層とも称される場合がある。概して、第２の層４０６は、ＧａＮＡｓＳｂの合金よりも大きいかまたは同等のバンドギャップ、およびＧａＮＡｓＳｂの合金と同程度の格子定数を有する適切な材料を含み得る。これにより、第１の層４０４および第２の層４０６は実質的に無歪みの格子を形成するように整合され得る。様々な実施形態において、第２の層４０６はＧａ（Ｉｎ）Ａｓおよび（Ａｌ）Ｇａ（Ｉｎ）Ｐを含んでいてもよい。様々な実施形態において、第２の層４０６はＧａＮＡｓＳｂを含んでいてもよい。換言すれば、第２の層４０６は第１の層４０４と同じ材料のものでも、異なる材料のものでもよい。
ＧａＮＡｓＳｂサブセルを含む各サブセルは、表面フィールド層４１０を更に含んでもよい。表面フィールド層４１０は、少数キャリアをｐｎ接合部に向けてはね返すことにより、表面再結合を抑制する働きをする。ＧａＮＡｓＳｂサブセルを含む各サブセルは、裏面フィールド層４０２を更に含んでもよい。裏面フィールド層４０２は、少数キャリアをｐｎ接合部に向けてはね返すことにより、少数キャリアの再結合を抑制するのを助ける。表面フィールド層４１０および裏面フィールド層４０２は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰを含み得る。
ＧａＮＡｓＳｂサブセルを含む各サブセルはまた、脱離阻止層４０８を含んでもよい。脱離阻止層４０８は、現場での高温の焼鈍し工程中の表面損傷を抑制し得る。
様々な実施形態において、第１の層４０４に第１の導電型のドーパントをドープしてもよく、第２の層４０６には第２の導電型のドーパントがドープされる。様々な実施形態において、任意選択の裏面フィールド層４０２および第１の層４０４には第１の導電型のドーパントがドープされ、任意選択の表面フィールド層４１０、任意選択の離脱阻止層４０８および第２の層４０６には第２の導電型のドーパントがドープされる。
様々な実施形態において、第１の層４０４にはケイ素のようなｎ型ドーパントがドープされる。様々な実施形態において、第２の層４０６にはベリリウム、炭素または亜鉛のようなｐ型ドーパントがドープされる。様々な実施形態において、任意選択の裏面フィールド層４０２および第１の層４０４にはケイ素のようなｎ型ドーパントがドープされ、任意選択の表面フィールド層４１０、任意選択の脱離阻止層４０８および第２の層４０６にはベリリウム、炭素または亜鉛のようなｐ型ドーパントがドープされる。
別法として、様々な実施形態において、第１の層４０４にベリリウム、炭素または亜鉛のようなｐ型ドーパントをドープしてもよい。様々な実施形態において、第２の層４０６にはケイ素のようなｎ型ドーパントがドープされる。様々な実施形態において、任意選択の裏面フィールド層４０２および第１の層４０４にはベリリウム、炭素または亜鉛のようなｐ型ドーパントがドープされ、任意選択の表面フィールド層４１０、任意選択の脱離阻止層４０８および第２の層４０６にはケイ素のようなｎ型ドーパントがドープされる。
様々な実施形態において、太陽電池は複数の電極を更に含んでもよい。各サブセルは外部回路につながる一対の電極を有してもよい。
ＧａＮＡｓＳｂサブセルを備える太陽電池は、ＧａＮＡｓＳｂサブセルを持たない従来の太陽電池と比べて少なくとも５％高い太陽電池効率を有し得る。
様々な実施形態では、太陽電池を形成する方法であって、複数の太陽電池サブセルを相互に積層する工程を含み、複数の太陽電池サブセルのうち少なくとも１つの太陽電池サブセルは、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含み得る。
様々な実施形態において、複数のサブセルのうち少なくとも１つのサブセルの層は、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンを含むかまたはそれらからなる合金を含み、ＧａＡｓＳｂのエピタキシャル層を成長させ、そのエピタキシャル層を窒素に曝露することにより形成される。
図５は、１ｓｕｎ、ＡＭ１．５Ｄスペクトル条件で測定した図４のＧａＮＡｓＳｂサブセルの光電流を説明するグラフを示す。測定は、１．４２ｅＶのＧａＡｓバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーを持つ光子をブロックする８５０ｎｍ長通過フィルタを用いて行った。このフィルタは、三接合型太陽光発電（ＰＶ）積層体におけるＧａＮＡｓＳｂ材料の性能がシミュレートされるように選択された。ＧａＮＡｓＳｂサブセルは０．４７Ｖの開回路電圧ＶＯＣ、１０．５ｍＮ／ｃｍ２の短絡電流密度ＪＳＣ、および７２％の曲線因子を生成可能であることが分かる。また、ＶＯＣの値はより高い太陽光密度によって更に増加し得る。ＶＯＣが高くなるほど、高いエネルギー変換効率がもたらされる。
図６は、図４における様々な実施形態に従ったＧａＮＡｓＳｂサブセルの開回路電圧ＶＯＣを、太陽光密度に対してプロットしたグラフを示す。ＧａＮＡｓＳｂサブセルのＶＯＣ値は約２００ｓｕｎの密度で０．７Ｖに達し、ＧａＮＡｓＳｂサブセルがＣＰＶ用途に適したものであることが分かる。図６には、より高い太陽光密度によってＶＯＣの値が増加することが示されている。ＶＯＣが高くなるほど、高いエネルギー変換効率がもたらされる。
また、ＧａＮＡｓＳｂベースのサブセルを多接合型（ＭＪ）ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ太陽電池に組み込んだ。図７は、従来のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ二接合型太陽電池および図３の様々な実施形態に従ったＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓＳｂ三接合型太陽電池の開回路電圧ＶＯＣに対して電流密度をプロットしたグラフを示す。ＧａＮＡｓＳｂサブセルの組み込みはＶＯＣの値を０．４Ｖ改善し、電池のより高いエネルギー変換効率をもたらすことが分かる。
図８は、図３の様々な実施形態に従ったＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓＳｂ三接合型太陽電池の太陽光密度に対して開回路電圧ＶＯＣをプロットしたグラフを示す。図８に示されるように、太陽光集光器を用いることによって、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓＳｂ三接合型太陽電池のＶＯＣ値は約２００の太陽光密度では約２．８０Ｖまで更に増加可能である。
限定的実施例としてではなく説明目的のみであるが、「実質的に」という用語は、厳密値または実際値からの±５％の変動として定量化される場合がある。例えば、「ＡはＢと（少なくとも）実質的に等しい」という文言は、Ａが厳密にＢと等しい場合、またはＡがＢの例えば値の±５％以内の差である場合、あるいはその逆の場合の実施形態を包含する。
様々な実施形態の文脈において、数値に適用されているような「約」という用語は、厳密値およびその値の±５％の範囲を包含する。
特定の実施形態を参照して本発明を詳細に示し説明したが、添付の特許請求の範囲により規定されるように、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形式上および細部において様々に変更可能であることが当業者には理解されるはずである。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって示され、各請求項の均等の意味および範囲に含まれる全ての変更も包含されるものとする。

Claims (26)

  1. セル配列であって、
    相互に積層された複数の太陽電池サブセルを含み、
    複数の太陽電池サブセルのうち少なくとも１つの太陽電池サブセルは、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む、セル配列。
  2. 合金が式ＧａＮｘＡｓ１−ｘ−ｙＳｂｙを有する、請求項１に記載のセル配列。
  3. 合金が約０．６ｅＶ〜約１．４ｅＶの範囲のエネルギーバンドギャップを有する、請求項１または２に記載のセル配列。
  4. 複数の太陽電池サブセルがトンネル接合層によって相互に離間している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセル配列。
  5. ０．０１≦ｘ≦０．０４である、請求項２に記載のセル配列。
  6. ０．０４≦ｙ≦０．１５である、請求項２に記載のセル配列。
  7. 少なくとも１つの太陽電池サブセルが複数の層を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のセル配列。
  8. 第１の太陽電池サブセルがセル配列の最上面に配置され、
    ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む前記少なくとも１つの太陽電池サブセルが、第１の太陽電池サブセルの下に配置されることにより、光が第１の太陽電池サブセルに受け取られ、第１の太陽電池サブセルを通過した光の一部がガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む前記少なくとも１つの太陽電池サブセルに受け取られる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のセル配列。
  9. 第１の太陽電池サブセルが、アルミニウムガリウムインジウムリンまたはガリウムインジウムリンのいずれか１つを含む、請求項８に記載のセル配列。
  10. ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む前記少なくとも１つの太陽電池サブセルに隣接するガリウムヒ素を含む太陽電池サブセルを更に含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のセル配列。
  11. ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む前記少なくとも１つの太陽電池サブセルに隣接するインジウムガリウムヒ素を含む太陽電池サブセルを更に含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のセル配列。
  12. 第２の太陽電池サブセルがセル配列の最底部に配置され、
    ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む前記少なくとも１つの太陽電池サブセルが第２の太陽電池サブセルの上に配置されることにより、光がガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む前記少なくとも１つの太陽電池サブセルに受け取られ、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む前記少なくとも１つの太陽電池サブセルを通過した光の一部が第２の太陽電池サブセルに受け取られる、
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセル配列。
  13. ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む少なくとも１つの太陽電池サブセルに隣接するゲルマニウムを含む太陽電池サブセルを更に含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のセル配列。
  14. 各サブセルが裏面フィールド層を更に含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のセル配列。
  15. 各サブセルが脱離阻止層を更に含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のセル配列。
  16. 各サブセルが表面フィールド層を更に含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のセル配列。
  17. 複数の太陽電池サブセルのうちの、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む前記少なくとも１つの太陽電池サブセルが、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金からなる第１の層と、第１の層上の第２の層とを含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のセル配列。
  18. 第２の層がガリウムヒ素を含む、請求項１７に記載のセル配列。
  19. 第１の層に第１の導電型のドーパントがドープされており、第２の層に第２の導電型のドーパントがドープされている、請求項１７または１８に記載のセル配列。
  20. セル配列が基板上にある、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のセル配列。
  21. 各太陽電池サブセルを構成する層が実質的に無歪み格子で基板と格子整合される、請求項２０に記載のセル配列。
  22. 基板が半導体材料を含む、請求項２０または２１に記載のセル配列。
  23. 半導体材料がガリウムヒ素である、請求項２２に記載のセル配列。
  24. 基板により近い太陽電池サブセルが、基板からより遠い太陽電池サブセルよりも、低いエネルギーの光子を電気エネルギーに変換するために吸収するように構成される、請求項２０〜２３のいずれか一項に記載のセル配列。
  25. 基板からより遠い太陽電池サブセルが、基板により近い太陽電池サブセルよりも、低いエネルギーの光子を電気エネルギーに変換するために吸収するように構成される、請求項２０〜２３のいずれか一項に記載のセル配列。
  26. セル配列を製造する方法であって、
    複数の太陽電池サブセルを相互に積層する工程を含み、
    複数の太陽電池サブセルのうち少なくとも１つの太陽電池サブセルは、ガリウム、窒素、ヒ素およびアンチモンの合金を含む、方法。
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