JP2017517150A - アンチモン化材料に基づく多重接合光起電力セル - Google Patents

Abstract

本発明は、高度な太陽光集光（≧１０００太陽光）下において使用できる光起電力セルに関する。本発明によるこのセルは、アンチモン化ガリウムに基づく基板上に形成された少なくとも１つの接合部を含むセルからなり、前記少なくとも１つの接合部が、基板ＧａＳｂ上の格子整合したアンチモン化材料（Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓｙＳｂ１−ｙ）に基づく２つの合金を含む。複数の接合部がある場合、２つの隣接する接合部は、トンネル接合によって分離している。

Description

本発明は、光起電力セルに関する。その特に有益な用途は、高度な太陽光集光下（forte concentration solaire）での用途において見出される。しかし、それは太陽光集光がなくても同様に使用することができることから、それはより広い範囲を有する。

電力生産のために化石エネルギーの使用を少なくすることを含む、温室効果ガス排出量の削減という世界的な状況において、多くの国が再生可能エネルギーのシェアを拡大することを約束している。世界的な景気後退を考慮すると、環境面の見地と化石エネルギーに基づくシステムと比較した経済的競争力との両方を原則とするエネルギー生産又は変換システムを開発するという２つの要素からなる課題がある。この目標は、現在の変換システムの効率を高める必要がある再生可能エネルギー源からのエネルギー生産コストを削減することなくして達成することはできない。

電気のコストを太陽光を端緒として低減するために、いくつかの解決法が考えられ、明らかにされてきた。
ａ．所与の変換効率に対する既存の技術の生産コストの削減。特に第一世代のシリコン技術を用いたこの分野では、ここ数年間の光起電力の市場における新しい産業的プレイヤーの到着により、Ｓｉセルの価格を３年間で６倍下げることが可能になったため、今日の戦略の余地はかなり限られており、したがって、このタイプの技術を使用した光起電力電力設備の価格は、今日では１ユーロ／ｃＷである。
ｂ．セルの変換効率を上げる：この選択肢は、第一世代のシリコン技術とともに使用することはできない。これらのセルはそれらの熱力学的な限界にほとんど近づいており、そしてこのタイプのセルの改善の余地は今日ではほとんどなく、効率に関する理論的な潜在力がほとんど無限大でありこの利点が太陽光集光下における使用により強調される第三世代として知られている多接合セルには当てはまらない。非常に高度な集光用の光起電力セクタは、ソーラーフラックスが、集光前の照射照度の１０００倍を超える太陽光照射照度レベルを得ることを可能にする光学系により集光されているシステムに関する。
ｃ．ソーラーフラックスを濃縮させることが可能な光学系の使用：光集光器の焦点にソーラーセルを置くことによって、集光型光起電発電（ＣＰＶ）変換システムを簡単に製造することができる。セルの短絡回路電流（Ｉｓｃ）が、吸収されるソーラーフラックスに正比例することから、所与の量の電力を生成するために必要なセルの表面積を、太陽光照射集光係数（Ｘ）と等しい係数により少なくすることができる。さらに、セルが集光された太陽光照射に曝されたときには、開回路電圧（Ｖｏｃ）は、理論的にはＬｎ（Ｘ）として増加し、これにより、変換効率に関して同等のゲイン（gain equivalent）を提供する。しかし、実際には、セルの直列抵抗が、電流の二乗に比例ししたがってＸの二乗に比例して増加するジュール損失をも引き起こし、数百の太陽の典型的な集光係数では、相対ゲインが２５％を超えることはめったにない。さらに、Ｖｏｃの増加に結び付いた効率的なゲインは、非常に高度な集光に関しても低下する集光器の光学的効率に結びついている受取ったソーラーパワーの損失によって部分的に相殺される。さらに、セル上で達成される節約（l'economie）は、太陽光集光及び追跡システムの増加したコストより小さくあってはならない。それにもかかわらず、集光器の使用は、今日では、陸上用途用のＩＩＩ−Ｖ元素に基づく第三世代セルを使用することを可能にする唯一の技術的選択肢である。

１９９０年代でさえも、シリコンベースのセルが集光器に使用されていたが、このセクタの可能性は集光に関して非常に制限されており、特に、このタイプのセルの本質的に不十分な性能とその温度の上昇によるその効率の大幅な低下とをもたらす結果となる。これが、少なくとも高度な太陽光集光の分野では、集光器における使用においてはより有望なＩＩＩ−Ｖセクタに替えて、第一世代のセルが採用されない理由である。

アメリカの企業であるＳｏｌａｒ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ（登録商標）が提供している、９４２Ｘ（９４２ｋＷ／ｍ^２の直接照射）の集光率に対して測定された４４％の効率を有する０．３ｃｍ^２のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ三重接合セルが知られている。

太陽光追跡を用いた高度集光システムにおけるＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ三重接合セルを記載している文献ＷＯ２０１２１４９０２２が知られている。

集光係数３０２Ｘに対して測定された４４．４％の効率を有する、シリコン上のＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ三重接合セルが知られている。http://sharp-world.com/corporate/news/130614.html

本発明は、高度な集光において高い変換効率を有する光起電力セルに関する。

本発明はまた、広範囲の太陽光スペクトルを吸収するのに適したセルに関する。

本発明はさらに、先行技術の状態に対する、高度な集光及び非常に高度な集光下での、光起電力を端緒とした電力の生産コストの低減に関する。

前記目的の少なくとも１つは、高度な太陽光集光下において最適効率で使用することができる光起電力セルにより達成される。本発明によるセルは、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）に基づく基板上に形成された少なくとも１つの接合部を含むセルからなり、格子整合したアンチモン合金に基づく前記少なくとも１つの接合部は、基板上に形成される。

高度な太陽光集光により、１０００と等しい若しくはそれより多い、又はさらに、９００と等しい若しくはそれより多い数を乗じた太陽の太陽光照射照度を意味する。熱光起電力（ＴＰＶ）装置は従来技術において公知である。これらの装置の原理は、熱の影響下における黒体の赤外線照射からの電気の生成である。前記装置は、この温度上昇が太陽光起源のものであろうとなかろうと、アブソーバ（黒体）の温度上昇を電力に変換するように設計されている。ＴＰＶ装置は、温度上昇を赤外線照射に変換する役割を果たす黒体の使用を必要とするが、これは、その原理が全ての加熱を正確に避けることである本発明ではそうではない。さらに、ＴＰＶデバイスは、得られる低い変換効率を考慮して、一般に単純な構造及び低コスト技術を有する。

本発明によるセルでは、ＩＩＩ−Ｓｂセクタの潜在力が特に利用される。基板は一般にＧａＳｂである。セルは、モノリシックセルを得るために、好ましくは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は有機金属気相エピタキシー（ＭＯＣＶＤ）を用いたエピタキシャル成長によって製造される。アンチモン化材料（ＩＩＩ−ＳＢ）の使用により、高度な太陽光集光下での使用中における非常に高い効率を達成することが可能になる。

基板上に複数の接合部を形成することにより、ソーラーフラックスの広範なスペクトルをカバーすることが可能になる。理想的には、光起電力セルは、接合部の数の制限のない多接合セル（少なくとも２つの接合部）である。異なる接合部は、好ましくは、エピタキシャル成長によって形成されたスタックである。

アンチモン化材料のバンドギャップの非常に良好な相補性のために、本発明によるセルは、非常に濃縮されたソーラーフラックスで使用するための非常に有望なかつ革新的な解決法を構成する。実際には、ＧａＳｂ基板上に全て格子整合した合金を使用する結果としての非常に多様なアクセス可能なバンドギャップにより、最小限の接合部の数による太陽光スペクトルの最適な使用を想定することが可能になる。本発明の有利な特徴によれば、複数の接合部の場合において、隣接する２つの接合部をトンネル接合部によって分離することができ、そして、接合部を、ＧａＳｂ基板上において、全て格子整合した同じ性質及び異なる組成の合金により構成することができる。

本発明の有利な特徴によれば、前記少なくとも１つの接合部は、バンドギャップエネルギー勾配を有することができる。

有利には、アンチモン合金は四元材料（materiau quaternaire）である。他のタイプ、例えば、三元又は五元（ternaire ou quinaire）の材料も想定することができる。

有利には、各々の合金は、Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ四元アンチモン化材料であることができる。

本発明の好ましい実施態様によれば、セルは、効果的に、３つの接合部：
―各々がアンチモン化ガリウムから構成されそしてそれぞれｎドープ及びｐドープされている２つの材料に基づく第一接合部、
―それぞれｎドープ及びｐドープされており各々がアンチモンを含む四元合金である２つの材料に基づく第二接合部、
―それぞれｎドープ及びｐドープされており各々がアンチモンを含む四元合金である２つの材料に基づく第三接合部
を含む。

好ましくは、四元合金は、Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ材料であり、好ましくは、ｘは０と１の間に含まれ、ｙ＝（０．０３９６・ｘ）／（０．０４４６＋０．０３１５・ｘ）である。

本発明によるこの材料は、ｘを変化させ、そしてｙすなわちヒ素組成を調整することによって（分子ジェット又は有機金属気相による）エピタキシーによって有利に設計され、本発明による全ての四元材料に関して格子整合を保存する。Ｘは、材料のバンドギャップエネルギーレベルによって変化し、ｙは、材料の格子パラメータによって変化する。

エピタキシャル成長による材料の設計の間、材料の構成要素の組成は、連続的に又は段階的に変化し（特に、前記のような四元材料の例においてパラメータｘ及びｙを変化させる）、単一のバンドギャップエネルギーではなく、所定の接合部に関するバンドギャップエネルギーの連続的又は段階的な変化を得ることができる。例えば、基板に近いほど、バンドギャップエネルギーの減少が大きくなる。このようにして、バンドギャップエネルギー勾配が有利に生成される。

第一接合部は、有利には基板上に直接形成される。

特に前記に加えて、第一接合部のバンドギャップエネルギーレベルが約０．７２６ｅＶに等しく、第二接合部のバンドギャップエネルギーレベルが約１．２２ｅＶに等しく、そして第三接合部のバンドギャップエネルギーレベルが約１．６ｅＶに等しいアレンジメントを想定することができる。したがって、利益は、エネルギーレベルの相補的性質に由来する。

より具体的には、非限定的な例として、第三接合部の合金はＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ_{０．０８５}Ｓｂ_０．９５材料であることができる。同様に、第二接合部の合金はＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ_{０．０３５}Ｓｂ_{０．９６５}材料であることができる。高度な太陽光集光下での効率を最大にするように、これらの合金が設計される。

本発明の有利な特徴によれば、トンネル接合部は、１．１０^１９ｃｍ^−３と１０．１０^１９ｃｍ^−３の間、好ましくは１．１０^１９ｃｍ^−３によるドープを有するＩｎＡｓ／ＧａＳｂから形成される。例えば、合計の厚さは約３０ｎｍとすることができる。

さらに、各々の接合部を、ｎ型アブソーバに関して１．１０^１６ｃｍ^−３及び１０．１０^１６ｃｍ^−３の間、好ましくは５．１０^１６ｃｍ^−３で、ｐ型エミッタに関して１．１０^１８ｃｍ^−３及び１０．１０^１８ｃｍ^−３、好ましくは５．１０^１８ｃｍ^−３でドープすることができる。

非限定的な例として、本発明によるセルは、以下：
―基板の厚さは３５０μｍである；
―ＧａＳｂから形成された第一接合部（底部接合部）は、ｎ型材料に関して４μｍ、そしてｐ型材料に関して０．２μｍの厚さを有する；
―第二接合部（中間接合部）は、ｎ型材料に関して４μｍ、そしてｐ型材料に関して０．４μｍの厚さを有する；
―第三接合部（上部接合部）は、ｎ型材料に関して３μｍ、そしてｐ型材料に関して０．５５μｍの厚さを有する；
の寸法特性を有することができる。

トンネル接合部は、それぞれ、ｐ型又はｎ型材料当たり１５ｎｍの厚さを有することができる。

有利には、各々のトンネル接合部は、ダイオードであり、このダイオードのｎ型材料は、直接隣接するｎ型合金のものよりも多いドープを有する。そして、各々のトンネル接合部は、ダイオードであり、このダイオードのｐ型材料は、直接隣接するｐ型合金のものよりも多いドープを有する。

本発明の他の利点及び特徴は、決して限定的ではない実施態様の詳細な説明及び添付の図面を検討することによって明らかになるであろう。

図１は、高度な太陽光集光下での光起電力変換装置の非常に単純化された概略図である。

図２は、本発明による大きなバンドギャップを有する四元セル（cellule quaternaire）の概略図である。

図３は、本発明による中間バンドギャップを有する四元セルの概略図である。

図４は、本発明によるタンデム四元セル（２つの接合部）の概略図である。

図５は、本発明による三重接合四元セルの概略図である。

図６は、本発明による最適化された三重接合四元セルの概略図である。

図７は、バンドギャップエネルギー勾配を有する接合部の概略図である。

本発明によるセルは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によってモノリシックに製造されたアンチモン化材料（ＧａＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂなど）に基づく多接合セルから成るという点で、新しい技術的ルートを開拓する。ＧａＳｂ上に格子整合した材料のバンドギャップの非常に良好な相補性（ＧａＳｂに関して０．７２５ｅＶ、四元ＧａＡｌＡｓＳｂのバンドギャップに関して最大で１．６４ｅＶ（間接バンドギャップ）、及び２ｅＶ（間接バンドギャップ））により、前記のセルは、高度に濃縮されたソーラーフラックス下における使用のための既存のセルに対する信頼できそして独創的な代替物（alternative credible et originale）を構成する。

本発明によれば、使用される合金により、材料のバンドギャップ及び格子パラメータを独立して調節することが可能になる。

前記のソーラーフラックスを実装するには、光学的集光システムが必要である。集光器の光起電力変換には、フレネルレンズをベースにした反射システム及びパラボラ系集光器（concentrateurs paraboliques）を使用した屈折システムの２つの主要な集光器技術が現在使用されている。パラボラ系集光器により、非常に高い集光比率（Ｘ＞１００００）を達成することができ、一方で、フレネルレンズは、１０００〜１５００の係数をほとんど超えることはない。どちらの場合においても、太陽光追跡システム（トラッカー）が必要である。発光集光器のような他の概念により、トラッカーを不要にすることができるが、その性能は今日においても良好でない。

本発明によるセルは、あらゆるタイプの集光型光起電力システムに関連するソーラーパネルに組み込むことができる。非限定的な例として、本発明によるセルは、光起電力システム、例えば文献ＷＯ２０１２／１４９０２２に記載されているものにおいて、有利に使用することができる。この文献ＷＯ２０１２／１４９０２２は、集光型光起電力装置用の太陽光追跡システムを記載している。本発明によるセルは、この文献ＷＯ２０１２／１４９０２２に記載された三重接合セル、すなわち、インジウム−ガリウムホスフィド、ガリウムヒ素、及びゲルマニウムＧａｌｎＰを含む合金の代わりに使用することができる。先行技術のセルにより、３５０ｎｍの近紫外スペクトルから約１６００ｎｍの近赤外スペクトルに及ぶ太陽光変換周波数範囲が可能となる。

太陽光集光の原理は図１に示されている。太陽１は集光器２を照らす。集光器２に到達したソーラーフラックス４は、冷却装置７に位置する光起電力セル３に導かれる濃縮フラックス５に変換される。測定ユニット６により、短絡電流Ｉｓｃ及び開放回路電圧Ｖｏｃを回収することが可能となる。セル３によって生成される電流は、それが受け取る光束に比例する。集光器２（パラボラ系集光器又はフレネルレンズ）を使用してソーラーフラックスをセルにＸ倍集中させることにより、集光なしで得られる電流よりもＸ倍大きな電流が得られる。

産業用の集光型光起電力システムでは、２段階集光光学系を用いることができ、一次集光器（パラボラ又はレンズ）と同様に、二次光学系が一般に焦点に追加され、これは、場合により過集光（surconcentration）の機能を、しかし特に、ソーラーセルの性能の劣化を避けるために不可欠である光束のホモジナイゼーション（d'homogeneisation）の機能を提供する。数百の（又はさらに最大１０００、若しくは小さな寸法を有するセルに関してそれを超える）太陽の集光値に関して、セルの過加熱を制限するには、受動的な冷却（自然対流により冷却されたヒートシンクに連結されたセル）で、一般的には十分である。最高の集光では、伝熱流体（水）を用いた能動冷却（強制対流）が不可欠になる。

図２は、本発明による光起電力セルの例を示す。１．６５７ｅＶに等しいバンドギャップエネルギーを有する第一層２２がエピタキシャル成長したＧａＳｂ材料の基板２１が示されている。この層２２は、ｎドープ又はｐドープされることができる。次に、第二層２３が第一層２２上に形成されるが、これは、より薄い厚さを有する。層２２及び２３は、同一のアンチモン化材料、すなわち合金１と呼ばれる同一の合金に基づいて形成され、したがって両方が、１．６５７ｅＶに等しいバンドギャップエネルギーを有する。第二層２３がｐドープ又はｎドープされる。有利には、合金１は、アンチモンベースの４元材料であり、その結果、完全な格子整合がＧａＳｂ基板２１上に形成される。セルは、終端層２４で仕上げられる。

図３は、１．２３ｅＶに等しいバンドギャップエネルギーを有する第一層３２がエピタキシャル成長により形成されたＧａＳｂ基板３１を示す。この層２２は、ｎドープ又はｐドープされることができる。次に、この第一層３２上に第二層３３が形成されるが、これはより薄い厚さを有する。層３２及び３３は、同一のアンチモン化材料、すなわち合金２と呼ばれる同一の合金に基づいて形成され、したがって両方が、１．２３ｅＶに等しいバンドギャップエネルギーを有する。第二層３３がｐドープ又はｎドープされる。有利には、合金２は、アンチモンベースの四元材料であり、その結果、完全な格子整合がＧａＳｂ基板３１上に形成される。セルは、終端層３４で仕上げられる。

エネルギーレベルは、概算の可能性のあるデータである。例えば、合金２のバンドギャップエネルギーは１．２３ｅＶであるが、同様に、１．２２ｅＶであることができる。

ＧａＳｂのバンドギャップエネルギーは０．７２６ｅＶである。バンドギャップエネルギーが相補的であるという事実のために、図２及び３のセルは、拡大されたスペクトルにわたってソーラーフラックスを捕捉することが可能となる。

このスペクトルをさらに拡大するために、図４及び５に示すように複数の接合部を形成することが想定される。

図４は、１．２３ｅＶに等しいバンドギャップエネルギーを有する合金２の第一層４２がエピタキシャル成長によって形成されるＧａＳｂ基板４１を示す。この層４２は、ｎドープ又はｐドープされることができる。次に、この第一層４２上に合金２の第二層４３が形成されるが、これはより薄い厚さを有する。層４３がｐドープ又はｎドープされる。２つの層４２及び４３のアセンブリは、第一接合部を構成する。次に、合金１の層４４及び４５によって構成された第二接合部が形成される。層４４が、ｎドープ又はｐドープされる。層４４上に直接形成された層４５がｐドープ又はｎドープされる。セルは、終端層４６で仕上げられる。有利には、エピタキシャル成長によって、２つの接合部の間にトンネル接合部４７が形成され、その利点は、第一接合部に由来するキャリアのセルの接触部（終端層４６）への抽出である。

図５は、理想的には、ＧａＳｂ基板５１上に形成された３つの接合部を含む。第一接合部は、有利には、ｎドープ又はｐドープされたＧａＳｂの第二層５２が形成された基板５１によって構成される第一層を含む。トンネル接合部５８により、ＧａＳｂ接合部から生じるキャリアを第二接合部に抽出することが可能になる。次に、合金２の層５３と合金２の層５４とからなる第二接合部が成長する。一般に、記載されているセルでは、第二層（上層）は第一層よりも薄い厚さを有する。しかし、他のアレンジメント、例えば、他の接合部のアレンジメントとは無関係に、上部層が下部層より厚い接合部も可能である。

第二接合部５３、５４上に第二トンネル接合部５９を形成させ、その結果、合金１の層５６によって覆われた合金１の層５５から成る第三接合部５５、５６が成長する。

２つのトンネル接合部は、異なる接合部間のバンド接続を可能にし、その結果、ソーラーフラックススペクトルの効果的な吸収が得られるようになる。セルは終端層５７により仕上げられる。

次に、本発明による光起電力セルの優先的で非限定的な例である図６を参照する。これは、ＧａＳｂ基板６１上に全て格子整合した３つの接合部のみを有する非常に良好なバンドギャップの相補性を有するアンチモン化材料に基づくセルである。有利には、基板は、１・１０^１７ｃｍ^−３の濃度でｎドープされ、０．７２６ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する。その厚さは約４００μｍである。

次に、５・１０^１６ｃｍ^−３の濃度でｐドープされたＧａＳｂ材料からバッファ層６２を形成する。その厚さは１．３μｍである。この層６２は、一緒に第一接合部を形成する層６３と関連している。ＧａＳｂ材料の層６３は、５・１０^１８ｃｍ^−３の濃度でｎ＋ドープされる。その厚さは１５０ｎｍである。この層は、層６２の厚さと比較して、実質的に１から１０の比ではるかに小さい厚さを有する。ｐ−ｎ接合を形成する対６２、６３において、層６２はアブソーバの役割を有し、他方で、層６３はエミッタの役割を有する。

第二接合部６５、６６は区別することができ、アンチモン化材料、より具体的には、組成がＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ_{０．０３５}Ｓｂ_{０．９６５}である四元合金の層６５で構成されることができる。この層６５は５・１０^１６ｃｍ^−３の濃度でｐドープされる。その厚さは４〜８μｍである。この層６５は、第二接合部を共に形成する層６６と関連している。

アンチモン化材料、より具体的には、組成Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ_{０．０３５}Ｓｂ_{０．９６５}の四元合金の層６６も、５・１０^１８ｃｍ^−３の濃度でｎ＋ドープされる。その厚さは１５０ｎｍである。この層は、層６５の厚さと比較してはるかに薄い厚さを有する。ｐ−ｎ接合を形成する対６５、６６において、層６５はアブソーバの役割を果たす一方、層６６はエミッタの役割を果たす。２つの層のバンドギャップエネルギーはそれぞれ１．２３ｅＶである。

２つの接合部６２、６３及び６５、６６の間に、トンネル接合部６４、実際には、１・１０^１９ｃｍ^−３の濃度でｐ＋＋ドープされたＩｎＡｓＧａＳｂから形成することができる第一層と、１・１０^１９ｃｍ^−３の濃度を有するｎ＋＋ドープされた第二層とにより構成されるダイオードが形成される。トンネル接合部６４の厚さは１０〜１００ｎｍの間である。

複数のタイプの合金、例えば、以下のようなものを本発明によるトンネル接合部に用いることができる：
−ＩｎＡｓ
−ＧａＳｂ
−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ
−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ
−ＧａＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ
−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ
−ＩｎＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ
−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓｙＳｂ_１−ｙ
−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓｙＳｂ_１−ｙ

本発明によるトンネル接合部は、特に、約３０ｎｍ（１０と１００ｎｍの間）のオーダーの厚さでありそして前記の材料の１つによって構成される高ドープ（１・１０^１９ｃｍ^−３から）により特徴付けることができる。

したがって、例えば、基板のバンドギャップのエネルギーレベルを発端として、エネルギー値の連続的な範囲にわたり各々の接合部のバンドギャップエネルギーのレベルを決定することが可能となる。この場合、この範囲は、ＧａＳｂ基板バンドギャップのエネルギーレベル（７２５ｍｅＶ）から１．６４ｅＶまで連続的に進むことができ、これは従来技術の状態で好ましいＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓセクタには当てはまらない。従って、エネルギーレベルは、ソーラーフラックスの吸収の連続性を保証するように決定される。換言すれば、四元合金は、０．７２５ｅＶと直接バンドギャップによる１．６４ｅＶ（間接バンドギャップによる２ｅＶ）との間に含まれるバンドギャップエネルギーを有することができる。

第三接合部６８、６９は第二接合部上に形成される。この第三接合部は、アンチモン化材料の、より具体的には、組成ＡｌＡｓ_{０．０８５ｙ}Ｓｂ_{０．９１５}の四元合金層６８から成る。この層６８は、５・１０^１６ｃｍ^−３の濃度でｐドープされる。その厚さは４〜８μｍである。この層６８は、一緒に第三接合部を形成する層６９と関連している。

アンチモン化材料の、より具体的には、組成ＡｌＡｓ_{０．０８５ｙ}Ｓｂ_{０．９１５}の四元合金の層６９も、５・１０^１８ｃｍ^−３の濃度でｎドープされる。その厚さは１００ｎｍである。この層は、層６８の厚さと比較してはるかに薄い厚さを有する。ｐ−ｎ接合を形成する対６８、６９において、層６８はアブソーバの役割を果たす一方、層６９はエミッタの役割を果たす。

２つの接合部６５、６６と６８、６９との間には、トンネル接合部、実際には、１・１０^１９ｃｍ^−３の濃度を有するｐ＋＋でドープされた第一層と、１・１０^１９ｃｍ^−３の濃度を有するｎ＋＋でドープされた第二層とで構成されるダイオードが形成される。トンネル接合部６７の厚さは、１０〜１００ｎｍの間に含まれる。

最後の接触層７０は第三接合部に配置される。それは、ｎ＋＋１・１０^２０ｃｍ^−３でｎ＋＋ドープされたＧａＳｂを基にした材料で構成される。その厚さは約２ｎｍである。

図７は、可変バンドギャップエネルギーＥｇを有する単一の接合部（同じタイプである又は同じタイプではない他の接合部を追加することができる）を含むセルの例を示す。ｐドープ領域に示される「エネルギーファンネル」は、セル内のバンドギャップエネルギーＥｇにおける変化の簡単な図である。

したがって、本発明は、高度な太陽光集光下（＞１０００Ｘ）での使用のために最適化された非常に高い効率を有する多接合太陽光セルに関する。これは、優先的には分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）によるモノリシックスタックの形態において得られるアンチモンベース材料（ＧａＳｂ、Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙなど）によって構成される。基板上の全てが格子整合した四元合金であるアンチモン化材料の使用により、これらの材料間のバンドギャップの非常に良好な相補性を得ることが可能になる。

使用される合金により、ＧａＳｂ基板上に格子整合したまま、７２５ｍｅＶと２ｅＶより大きい値（plus de 2eV）との間で連続的にバンドギャップを変化させることが可能になる。ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ又はＧｅセクタは、材料のバンドギャップ及び格子定数を独立して調整することができず、太陽光スペクトルの最適な使用のために、特にギャップエネルギーが１．４５ｅＶ未満であるものに必要な全てのバンドギャップを得ることができない。

もちろん、本発明は、前記の例に限定されず、そして本発明の範囲を逸脱することなく、これらの例に対して多くの、特に接合部の数及び使用される合金の組成の調整をすることができる。図６の例は、ｐ型基板に基づいているが、ｎ型基板に基づいたセルを想定することもできる。

Claims (17)

1. アンチモン化ガリウムＧａＳｂに基づく基板上に形成された少なくとも１つの接合部を含むセルからなることを特徴とする、高度な太陽光集光下において使用することができる光起電力セルであって、前記少なくとも１つの接合部が、格子整合したアンチモン合金に基づく前記基板上に形成される、前記光起電力セル。
2. 複数の接合部の場合において、隣接する２つの接合部がトンネル接合部によって分離されており、そして、前記接合部が、前記ＧａＳｂ基板上において、全て格子整合した同じ性質及び異なる組成の合金により構成されることを特徴とする、請求項１に記載の光起電力セル。
3. 前記少なくとも１つの接合部が、バンドギャップエネルギー勾配を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の光起電力セル。
4. 前記アンチモン合金が、四元材料であることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の光起電力セル。
5. 前記四元材料が、Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ材料であることを特徴とする、請求項４に記載の光起電力セル。
6. 前記Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ材料が、ｘが０と１の間に含まれ、そしてｙ＝（０．０３９６・ｘ）／（０．０４４６＋０．０３１５・ｘ）であるようなものであることを特徴とする、請求項５に記載の光起電力セル。
7. ３つの接合部：
   ―各々がアンチモン化ガリウムから構成されそしてそれぞれｎドープ及びｐドープされている２つの材料に基づく第一接合部、
   ―それぞれｎドープ及びｐドープされており各々がアンチモンを含む四元合金である２つの材料に基づく第二接合部、
   ―それぞれｎドープ及びｐドープされており各々がアンチモンを含む四元合金である２つの材料に基づく第三接合部
   を含むことを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の光起電力セル。
8. 前記四元材料が、０．７２５ｅＶと直接バンドギャップによる１．６４ｅＶ又は間接バンドギャップによる２ｅＶとの間に含まれるバンドギャップエネルギーを有することを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載の光起電力セル。
9. 前記第一接合部のバンドギャップエネルギーが約０．７２６ｅＶに等しく、前記第二接合部のバンドギャップエネルギーが約１．２ｅＶに等しく、そして前記第三接合部のバンドギャップエネルギーが約１．６ｅＶに等しいことを特徴とする、請求項７又は８に記載の光起電力セル。
10. 前記第三接合部の合金が、材料ＡｌＡｓ_{０．０８５}Ｓｂ_{０．９１５}であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の光起電力セル。
11. 前記第二接合部の合金が、材料Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ_{０．０３５}Ｓｂ_{０．９６５}であることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の光起電力セル。
12. 前記トンネル接合部が、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂに基づいて形成され、そして１・１０^１９ｃｍ^−３と１０・１０^１９ｃｍ^−３の間、好ましくは１・１０^１９ｃｍ^−３でドープされることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の光起電力セル。
13. 各々の接合部が、ｎ型アブソーバに関して１・１０^１６ｃｍ^−３及び１０・１０^１６ｃｍ^−３の間、好ましくは５・１０^１６ｃｍ^−３で、そして、ｐ型エミッタに関して１・１０^１８ｃｍ^−３及び１０・１０^１８ｃｍ^−３の間、好ましくは５・１０^１８ｃｍ^−３でドープされることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の光起電力セル。
14. ―前記基板がｐ型でありそして数百μｍの厚さを有し；
    ―前記第一接合部が、ｐ型材料に関して１μｍ及び２μｍの間に含まれそしてｎ型材料に関して１５０ｎｍである厚さを有し；
    ―前記第二接合部が、ｐ型材料に関して４μｍ及び８μｍの間に含まれそしてｎ型材料に関して１５０ｎｍである厚さを有し；
    ―前記第三接合部が、ｐ型材料に関して４μｍ及び８μｍの間に含まれそしてｎ型材料に関して１００ｎｍである厚さを有する
    ことを特徴とする、請求項７〜１３のいずれか一項に記載の光起電力セル。
15. 前記トンネル接合部が、それぞれ、ｐ型又はｎ型材料に関して１５ｎｍの厚さを有することを特徴とする、請求項７〜１４のいずれか一項に記載の光起電力セル。
16. 各々のトンネル接合部が、ダイオードであり、前記ダイオードのｎ型材料が、直接近接するｎ型合金のドープよりも多いドープを有することを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の光起電力セル。
17. 各々のトンネル接合部が、ダイオードであり、前記ダイオードのｐ型材料が、直接近接するｐ型合金のドープよりも多いドープを有することを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の光起電力セル。

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