JP2020178115A - 太陽電池の低温性能向上を目指した設計 - Google Patents

太陽電池の低温性能向上を目指した設計 Download PDF

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Abstract

【課題】−５０℃未満の温度での動作を向上させるための太陽電池を提供する。【解決手段】太陽電池はｐ型ドープされたヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）またはヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）から成る裏面電界（ＢＳＦ）層と、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化インジウムガリウム物（ＩｎＧａＡｓ）から成るセルを有する。Ｚｎがｐ型ドープされたＡｌＧａＡｓ ＢＳＦ層を基準太陽電池のミドルセルのＧａＩｎＰ ＢＳＦ層の代わりに用いる、ＩＩＩ−Ｖ ３Ｊ太陽電池を示す。一例では、ＢＳＦ層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含み、ｘ＝０．２である。一つの代替的な例として、ＢＳＦ層は、Ｉｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含んでもよく、ｘ＝０．２である。一つの代替的な例として、ＢＳＦ層は、炭素（Ｃ）がｐ型ドープされていてもよい。【選択図】なし

Description

本開示は概して、太陽電池の低温性能向上を目指した設計に関する。
標準的な宇宙ベースの太陽電池は室温付近またはそれ以上で動作するミッションで使用されるが、現在、太陽電池のさまざまな新しい用途では、−５０℃をはるかに下回る温度で動作する必要がある。
例えば、ＵＡＶ（無人航空機）は、気温が−７０℃に近づく５００００フィート超の高度で動作可能である。別の例として、木星と土星への深宇宙探査では、−１４０から−１６５℃の間で動作する。
したがって、今後ますます一般的になるこのような用途のために、低温での太陽電池の性能が重要である。残念ながら、多くの太陽電池は室温に近い性能で最適化されており、低温では性能が大幅に低下する。
したがって、約−５０℃未満の温度での動作に最適化された装置のための太陽電池設計が必要とされている。
本開示は、約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ｐ型ドープされたヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）またはヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）から成る裏面電界（ＢＳＦ）層と、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）から成るセルを有する太陽電池を備えた装置について説明する。
裏面電界層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含み得、ｘは約０．８未満であり、例えばｘ＝０．２である。裏面電界層は、亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）がｐ型ドープされたものであり得る。
この裏面電界層は、リン化ガリウムインジウム物（ＧａＩｎＰ）から成るミドルセル（ＭＣ）の裏面電界層と比較して低い障壁高さを有するミドルセルベースとともにヘテロ接合層を形成することができる。
この裏面電界層は、価電子帯で約９０ｍｅＶ以下の障壁高さを有するミドルセルベースとヘテロ接合層を形成することができる。障壁高さにより多数キャリアホールの約−５０℃未満の温度までの熱化が可能になり、障壁に伴う抵抗損失が軽減される。障壁高さは抵抗損失を軽減する。
太陽電池の効率は、室温から約−１５０℃までの温度範囲で温度の低下とともに単調に増加する。
また、本開示では、約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、亜鉛がドープされたヒ化アルミニウムガリウムから成るミドルセル裏面電界層を有する太陽電池を製造することを含む方法も説明する。
さらに、本開示は、約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ｐ型ドープされたヒ化アルミニウムガリウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ａｒｓｅｎｉｄｅ）（ＩｎＡｌＧａＡｓ）またはヒ化ンジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）から成る裏面電界層と、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）から成るセルを有する太陽電池を使用して電流を発生させることを含む方法を説明する。
最後に、本開示は、約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ミドルセルベースとミドルセル裏面電界層とを有する太陽電池を備えた装置であって、ベースがヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＡｓ）から成り、裏面電界層は：裏面電界層がベースに対する約１００ｍｅＶ未満の価電子帯オフセットを有し；裏面電界層がベースに対するＩ型かＩＩ型のいずれかのバンドアライメントを有し；裏面電界層がベースに対する約０ｍｅＶ超の伝導帯オフセットを維持する材料から成り、それにより裏面電界層がヘテロステップの（ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｅｐ）パッシベーション層として機能し、かつ、少数キャリア電子をｐ−ｎ接合層に向けて反射し、集める装置を説明する。
ベース表面電界層の格子定数は、ミドルセルベースの格子定数とほぼ同じであり得る。
裏面電界層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成っていてもよく、ｘは約０．８未満である。
裏面電界層は、ヒ化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ）から成り、ｘは約０．８未満であり、ｙは裏面電界層の格子定数がベースの格子定数とほぼ同じになるように選択される。
裏面電界層は、アンチモン化ヒ化アルミニウムガリウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ａｒｓｅｎｉｄｅ ａｎｔｉｍｏｎｙ）（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＳｂｙ）から成り、ｘは約０．８未満であり、ｙはベースに対するＩ型またはＩＩ型のバンドアライメントと一致するように選択される。
これより図面を参照する。類似の参照番号は、以下の図面を通じて同様の部品を表している。
トリプル接合型太陽電池の概略図であり、１００ａの基準（ｂａｓｅｌｉｎｅ）太陽電池および１００ｂの新規の太陽電池を示す。 図２は、−１５０℃から３０℃で測定された基準太陽電池のＬＩＶ（光電流電圧）曲線のグラフである。 図３Ａおよび３Ｂは、新規および基準太陽電池の裏面電界層をベースヘテロ接合型太陽電池と比較したバンドギャップ図のグラフである。 図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃは、低温性能を改善する様々な材料の状況に対する可能なバンドアライメントを示すグラフである。 図５は、−１５０℃から３０℃で測定された新規太陽電池のＬＩＶ曲線のグラフである。 図６は、基準および新規太陽電池の裏面電界層の温度の関数としての最大電力のグラフである。
以下の説明では、本明細書の一部を形成し、本開示が実施され得る特定の例を例として示す添付の図面を参照する。他の例も利用可能であることと、本開示の範囲を逸脱することなく構造的な変更が加えられてよいことが理解されるべきである。
［概要］
この開示は、低温、例えば−５０℃未満での性能を改善する太陽電池の設計ルールを説明している。
具体的には、低温性能の主な制約は、温度の低下とともに指数関数的に増加するヘテロ接合抵抗の存在である。標準のトリプル接合（３Ｊ）太陽電池の主なヘテロ接合抵抗は、ミドルセルベースとＢＳＦ層との間で発生する。価電子帯の材料のオフセットは、整流ダイオードとして機能する。公称動作温度では、回路内に集められた光生成ホールによって、障壁は容易に乗り越えられる。低温では、価電子帯エネルギーの中断（ヘテロステップ）が整流障壁として機能する。
低温での３Ｊ太陽電池の性能に関するこの問題に対処する試みは以前からあった。
一つの試みは、標準の３Ｊ宇宙太陽電池を低温で使用し、低温性能の低下を許容することであった。
ミドルセルＢＳＦ層との境界面付近のミドルセルベースのｐ型ドーピングを変更することであった。ドーピングの変化により、ヘテロ接合障壁の幅が狭くなる可能性があり、ヘテロ接合障壁全体のトンネル輸送を増加させ、ヘテロ接合抵抗を低減できる。これは問題を軽減するが、温度と正確なドーピングレベルによっては、良くても僅かな軽減でしかない。
本開示は、基準ＢＳＦ層材料を交換してヘテロ接合障壁を低減、排除または再配向することにより、このヘテロ接合抵抗を低減する。具体的には、本開示に記載の一例では、約−５０℃未満の温度で太陽電池の性能を改善するための、ＡｌＧａＡｓまたはＩｎＡｌＧａＡｓから成るミドルセルＢＳＦ層を有する新規の太陽電池を説明する。一例では、新規のＢＳＦ層は、ｌＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含み、ｘ＝０．２である。
実験データは、−１５０℃での新規のＢＳＦ層の効率の、基準ＢＳＦ層に対する２５％向上を示している。実際、新規の太陽電池の性能は、基準太陽電池よりも２０−３０％優れている。
［技術的な説明］
図１Ａおよび１Ｂは層の概念図であり、基準ＩＩＩ−Ｖ ３Ｊ太陽電池１００ａおよび新規ＩＩＩ−Ｖ ３Ｊ太陽電池１００ｂをそれぞれ備える装置の断面を示す。
図１Ａは、現在製造されている基準ＩＩＩ−Ｖ ３Ｊ太陽電池１００ａを示す。太陽電池１００ａは、５−１５ｍΩのｐドープゲルマニウム（ｐ−Ｇｅ）基板１０２を含み、その上に、標準（ｓｔｄ）核生成層１０４、バッファ層１０６、下部トンネル接合層１０８、ＺｎがドープされたＧａＩｎＰ ＢＳＦ層１１０ａ、ＧａＩｎＡｓベース１１２およびＩｎＧａＡｓエミッタ層１１４から成るミドルセル（ＭＣ）、ＭＣウィンドウ層１１６、上部トンネル接合層１１８、ＧａＩｎＰから成る上部セル（ＴＣ）ＢＳＦ層１２０、ＧａＩｎＰから成るＴＣ層１２２、リン化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＰ）ウィンドウ層１２４、ならびにＧａＩｎＡｓキャップ層１２６が堆積され、かつ／または作られる。
図１Ｂは、Ｚｎがｐ型ドープされたＡｌＧａＡｓ ＢＳＦ層１１０ｂを基準太陽電池１００ａのミドルセルのＧａＩｎＰ ＢＳＦ層１１０ａの代わりに用いる、本開示による新規のＩＩＩ−Ｖ ３Ｊ太陽電池１００ｂを示す。一例では、ＢＳＦ層１１０ｂはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含み、ｘ＝０．２である。一つの代替的な例として、ＢＳＦ層１１０ｂは、Ｉｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを含んでもよく、ｘ＝０．２である。一つの代替的な例として、ＢＳＦ層１１０ｂは、炭素（Ｃ）がｐ型ドープされていてもよい。太陽電池１００ａ、１００ｂは、反射防止膜、前面および裏面金属接点など、図面を簡略化する目的で示されていない他の特徴を含み得る。
図２は、電流（Ａ）対電圧（Ｖ）のグラフであり、基準太陽電池１００ａのミドルセルにおいてＧａＩｎＰ ＢＳＦ層１１０ａを使用した結果を示す。室温から−５０℃まで、ＬＩＶ曲線は、Ｖｏｃ（開回路電圧）付近で線形挙動を伴い、適切に挙動している。Ｖｏｃの増加により、この範囲での温度の低下に伴って効率が増加する。ただし、−５０℃未満の温度では、ＬＩＶはＶｏｃ付近で非線形性を示す。これらの非線形性は、フィルファクターの損失および太陽電池１００ａ性能の著しい喪失をもたらす。この非線形性は、漏洩ダイオード整流によって引き起こされる。
図３Ａおよび３Ｂは、いずれもＧａＩｎＡｓベース１１２とともにヘテロ接合層を形成する、ＡｌＧａＡｓ ＢＳＦ層１１０ｂとＧａＩｎＰ ＢＳＦ層１１０ａのバンドギャップダイアグラムの比較を示すグラフである。
図３Ａに示されるように、モデリングは、ＡｌＧａＡｓ ＢＳＦ層１１０ｂが、ＧａＩｎＰ ＢＳＦ層１１０ａと比較して価電子帯において約９０ｍｅＶ以下の低い障壁高さを有するミドルセルベース１１２とともにヘテロ接合層を形成することを示す。障壁高さが低いと、多数キャリアホールをはるかに低い温度、すなわち約−５０℃未満まで熱化でき、障壁に伴う抵抗損失が軽減される。
図３Ｂに示されるように、ＧａＩｎＰ ＢＳＦ層１１０ａは、価電子帯において３００ｍｅＶという著しく高いヘテロ接合障壁高さを形成する。−５０℃超の温度では、多数キャリアホールがこの障壁を越えて熱化するのに十分なエネルギーがある。−５０℃未満の温度では、熱エネルギーが不十分であり、Ｖｏｃ付近の太陽電池１００ａのＬＩＶ曲線で非線形挙動の形で現れるヘテロ接合抵抗を引き起こす。したがって、ドーピングを増やしても問題は解消されない。
図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃは、例えば−５０℃未満などの低温性能を改善する、さまざまな材料の状態に対する可能なバンドアライメントを示すグラフである。
図４Ａは、価電子帯がベース材料の価電子帯に近く、１００ｍｅＶ未満の小さなオフセットが得られるＩ型オフセットの図３Ａと同様の場合を示している。この限界は、−５０℃未満の温度では、ホールが障壁を乗り越えるためのエネルギーが、−５０℃でのｋＴすなわち１９．３ｍｅＶの標準熱エネルギーのおよそ５倍以下であることから、重要である。
図４Ｂは、ベースとＢＳＦ層との間の価電子帯でオフセットが発生しないポテンシャル設計を示す。
図４Ｃは、オフセットがＩＩ型で、負のオフセットがあり、ＢＳＦ層価電子帯エネルギーがベース材料のそれよりも高い電位設計を示す。繰り返しになるが、ヘテロステップオフセットが整流障壁を形成するため、ＩＩ型バンドアライメント材料には１００ｍｅＶ近い制限が存在する。
材料選択については、ＢＳＦ層材料の実際のエネルギーレベルは異なり、ＩＩＩ−Ｖ半導体装置の当業者にはよく理解されている。ＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓベースサブセル用のＢＳＦ層材料の選択は、次の主な判断基準に従う材料を選択するのが最適であろう：第１に、１００ｍｅＶ未満の価電子帯オフセットを有するものでなければならない；第２に、ベースに対するＩ型かＩＩ型いずれかのバンドアライメントであること；第３に、伝導帯のバンドオフセットを０ｍｅＶを超えるように維持するものでなければならない。それにより、それらは、ヘテロステップのパッシベーション層として機能し続け、少数キャリア電子を境界面から離し、ｐ−ｎ接合層に向けて反射し、集める。
最後に、ＢＳＦ層の格子定数がベースの格子定数に近いかほぼ同じであれば、材料の選択は優れている。この判断基準により、境界面で生じる欠陥の数が最小になり、ＢＳＦ層は少数キャリアの界面の再結合速度を低下させる。
ＧａＡｓとＧａＩｎＡｓの例として、ＢＳＦ層材料の最良の選択は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０．８未満）；ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ（ｘは０．８未満であり、ｙは、合金ＢＳＦ層が母材の格子定数とほぼ一致するように選択される）；ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＳｂｙ（ｘは０．８未満であり、ｙはＩ型またはＩＩ型アライメントに一致するように選択される）から選択され得る。他のさまざまな組み合わせが、ＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＰＡｓ、ＡｌＧａＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＢｉ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓＢｉ、ＢＧａＡｓ、ＢＡｌＧａＡｓ、ＢＡｌＧａＩｎＡｓ等の多元合金と、さらに上記の組み合わせの材料合金の例から選択され得る。上で概説した基準に従う限り、他の母材、例えばＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＩｎＰＧａＩｎＡｓおよびＧａＡｓＳｂ等で作られたサブセルに対してさらなる組み合わせが提案されてもよい。
図５は、電流（Ａ）対電圧（Ｖ）のグラフであり、ヘテロ接合障壁の減少が新規の太陽電池１００ｂの性能に及ぼす影響を示す。図２のＧａＩｎＰ ＢＳＦ層１１０ａを用いた基準太陽電池１００ａとは対照的に、ＡｌＧａＡｓ ＢＳＦ層１１０ｂを用いた新規の太陽電池１００ｂは、−１５０℃の最低測定温度まで、特にＶｏｃ付近で良好に挙動するＬＩＶ曲線を示す。ＡｌＧａＡｓ ＢＳＦ層１１０ｂを使用した新規の太陽電池１００ｂは依然として、温度の低下とともにＶｏｃの増加を示す。
図６は、最大電力（ｍＷ／ｃｍ２）対温度（Ｃ）のグラフであり、ＧａＩｎＰ ＢＳＦ層１１０ａを使用した基準太陽電池１００ａとＡｌＧａＡｓ ＢＳＦ層１１０ｂを使用した新規の太陽電池１００ｂを比較している。
ＧａＩｎＰ ＢＳＦ層１１０ａの場合、室温から−５０℃の基準太陽電池１００ａの電圧増加により、効率が増加する。−５０℃から−１５０℃の温度では、基準太陽電池１００ａの効率は、Ｖｏｃ付近の高いヘテロ接合抵抗およびそれに伴う非線形性により、温度の低下とともに低下する。
ＡｌＧａＡｓ ＢＳＦ層１１０ｂの場合、太陽電池１００ｂの効率は、約２０℃から３０℃の室温と約−１５０℃の温度との間の温度範囲で、温度の低下とともに単調に増加する。この非常に対照的な挙動により、−５０℃から低温セル性能に相違が生じる。−１５０℃では、新規の太陽電池１００の効率の差は２５％であり、これは、これらの条件で動作する太陽電池１００ａ、１００ｂの大幅な改善である。
［代替例および変更例］
上記の説明は、例示および説明を目的として提示されており、網羅的であること、または説明した例に限定されることを意図するものではない。上述の特定の説明の代わりに、多くの代替例および変更例を使用することができる。
例えば、ＡｌＧａＡｓとＩｎＡｌＧａＡｓがこれまで最も深く研究されてきた材料であるが、他の複数の潜在的な材料を使用することもできる。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ以外のＡｌＧａＡｓおよびＩｎ０．０１Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ以外のＩｎＡｌＧａＡｓの組成物、ならびにＧｅ／ＧａＡｓ基板に整合したＩｎＧａＡｓＰ合金格子を使用することができる。
別の例では、本開示は、広く採用されているトリプル接合型太陽電池について説明しているが、多数キャリアのヘテロ接合抵抗を下げる材料を含むように設計されたシングル接合、ｆダブル接合または他の多接合型太陽電池のいかなる例も包含するように拡張することができる。これには、それぞれ価電子帯または伝導帯のＢＳＦ層からベースへの遷移またはウィンドウ層からエミッタ層への遷移が含まれる。
さらに別の例では、本開示は、新規の太陽電池１００ｂを大まかに説明し、ＢＳＦ層１１０ｂは特定の材料を含むと具体的に説明しているが、代替例では、新規の太陽電池１００ｂおよびＢＳＦ層１１０ｂがこれらもしくは他の材料から成るか、または本質的にこれらもしくは他の材料から成ると説明され得る。
同様に、本開示は、約−５０℃以下の温度で所望の方法で機能する新規の太陽電池１００ａを説明しているが、代替例では、新規の太陽電池１００ｏが約−１００℃以下、−１５０℃以下、またはそれより低い他の温度で機能すると説明することができる。
さらに、本開示は、以下の条項による例を含む。
条項１ 約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ｐ型ドープされたヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）またはヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）から成る裏面電界（ＢＳＦ）層と、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）から成るセルを有する太陽電池を備えた装置。
条項２ 裏面電界層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成る、条項１に記載の装置。
条項３ ｘが約０．８未満である、条項２に記載の装置。
条項４ ｘ＝０．２である、条項３に記載の装置。
条項５ 裏面電界層に亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）がｐ型ドープされている、条項１から４のいずれか一項に記載の装置。
条項６ 裏面電界層が、リン化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＰ）から成るミドルセル裏面電界層と比較して低い障壁高さを有するミドルセルベースとともにヘテロ接合層を形成する、条項１から５のいずれか一項に記載の装置。
条項７ 裏面電界層が、価電子帯で約９０ｍｅＶ以下の障壁高さを有するミドルセルベースとともにヘテロ接合層を形成する、条項１から６のいずれか一項に記載の装置。
条項８ 障壁高さにより多数キャリアホールの約−５０℃未満の温度までの熱化が可能になり、障壁に伴う抵抗損失が軽減される、条項７に記載の装置。
条項９ 障壁高さが抵抗損失を軽減する、条項７または８に記載の装置。
条項１０ 太陽電池の効率が室温から約−１５０℃までの温度範囲で温度の低下とともに単調に増加する、条項１から９のいずれか一項に記載の装置。
条項１１ 約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ｐ型ドープされたヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）またはヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）から成る裏面電界層と、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）から成るセルを有する太陽電池を製造することを含む、方法。
条項１２ 裏面電界層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、ｘが約０．８未満である、条項１に記載の方法。
条項１３ 裏面電界層に亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）がｐ型ドープされている、条項１１または１２に記載の方法。
条項１４ 約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ｐ型ドープされたヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）またはヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）から成る裏面電界層と、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）から成るセルを有する太陽電池を使用して電流を発生させることを含む、方法。
条項１５ 裏面電界層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、ｘが約０．８未満である、条項１４に記載の方法。
条項１６ 約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ミドルセル（ＭＣ）ベースとミドルセル裏面電界（ＢＳＦ）層とを有する太陽電池を備えた装置であって、ベースがヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＡｓ）から成り、裏面電界層は：裏面電界層がベースに対する約１００ｍｅＶ未満の価電子帯オフセットを有し；裏面電界層がベースに対するＩ型かＩＩ型のいずれかのバンドアライメントを有し；裏面電界層がベースに対する約０ｍｅＶ超の伝導帯オフセットを維持する材料から成り、それにより裏面電界層がヘテロステップパッシベーション層として機能し、かつ、少数キャリア電子をｐ−ｎ接合層に向けて反射し、集める、装置。
条項１７ ベース表面電界層の格子定数がミドルセルベースの格子定数とほぼ同じである、条項１６に記載の装置。
条項１８ 裏面電界がヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ）から成り、ｘが約０．８未満である、条項１６または１７に記載の装置。
条項１９ 裏面電界層がヒ化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ）から成り、ｘが約０．８未満であり、ｙは裏面電界層の格子定数がベースの格子定数とほぼ同じになるように選択される、条項１６から１８のいずれか一項に記載の装置。
条項２０ 裏面電界層がアンチモン化ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＳｂｙ）から成り、ｘが約０．８未満であり、ｙはベースに対するＩ型またはＩＩ型のバンドアライメントと一致するように選択される、条項１６から１９のいずれか一項に記載の装置。

Claims (20)

  1. 約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ｐ型ドープされたヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）またはヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）から成る裏面電界（ＢＳＦ）層と、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）から成るセルを有する前記太陽電池を備えた装置。
  2. 前記裏面電界層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成る、請求項１に記載の装置。
  3. ｘが約０．８未満である、請求項２に記載の装置。
  4. ｘ＝０．２である、請求項３に記載の装置。
  5. 前記裏面電界層が亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）でｐ型ドープされている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記裏面電界層が、リン化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＰ）から成るミドルセル裏面電界層と比較して低い障壁高さを有するミドルセルベースとともにヘテロ接合層を形成する、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記裏面電界層が、価電子帯で約９０ｍｅＶ以下の障壁高さを有するミドルセルベースとともにヘテロ接合層を形成する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記障壁高さにより多数キャリアホールの約−５０℃未満の温度までの熱化が可能になり、前記障壁に伴う抵抗損失が軽減される、請求項７に記載の装置。
  9. 前記障壁高さが抵抗損失を軽減する、請求項７または８に記載の装置。
  10. 前記太陽電池の効率が室温から約−１５０℃までの温度範囲で温度の低下とともに単調に増加する、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
  11. 約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ｐ型ドープされたヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）またはヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）から成る裏面電界層と、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）から成るセルを有する前記太陽電池を製造することを含む、方法。
  12. 前記裏面電界層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、ｘが約０．８未満である、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記裏面電界層が亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）でｐ型ドープされている、請求項１１または１２に記載の方法。
  14. 約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ｐ型ドープされたヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）またはヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）から成る裏面電界層と、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）から成るセルを有する前記太陽電池を使用して電流を発生させることを含む、方法。
  15. 前記裏面電界層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎ０．０１ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成り、ｘが約０．８未満である、請求項１４に記載の方法。
  16. 約−５０℃未満の温度での太陽電池の動作を向上させるための、ミドルセル（ＭＣ）ベースとミドルセル裏面電界（ＢＳＦ）層とを有する前記太陽電池を備える装置であって、
    前記ベースがヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＡｓ）から成り、前記裏面電界層は：
    前記裏面電界層が前記ベースに対する約１００ｍｅＶ未満の価電子帯オフセットを有し；
    前記裏面電界層が前記ベースに対するＩ型かＩＩ型いずれかのバンドアライメントを有し；
    前記裏面電界層が前記ベースに対する約０ｍｅＶ超の伝導帯オフセットを維持する
    ような材料から成り、それにより前記裏面電界層がヘテロステップパッシベーション層として機能し、かつ、少数キャリア電子をｐ−ｎ接合層に向けて反射し、集める、装置。
  17. 前記ベース表面電界層の格子定数が前記ミドルセルベースの格子定数とほぼ同じである、請求項１６に記載の装置。
  18. 前記裏面電界層がヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ）から成り、ｘが約０．８未満である、請求項１６または１７に記載の装置。
  19. 前記裏面電界層がヒ化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ）から成り、ｘが約０．８未満であり、ｙは前記裏面電界層の格子定数が前記ベースの格子定数とほぼ同じになるように選択される、請求項１６または１７に記載の装置。
  20. 前記裏面電界層がアンチモン化ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＳｂｙ）から成り、ｘが約０．８未満であり、ｙは前記ベースに対するＩ型またはＩＩ型のバンドアライメントと一致するように選択される、請求項１６または１７に記載の装置。
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