JP2962502B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents
Photoelectric conversion deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、なだれ増倍現象を利用
した太陽電池のような光電変換装置の改良に関するもの
である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a photoelectric conversion device such as a solar cell utilizing an avalanche multiplication phenomenon.
【０００２】[0002]
【従来の技術】太陽電池は、太陽光の放射エネルギーを
直接電気エネルギーに変換する固体エネルギー変換装置
であり、図６はその基本的な構造のセル１０の略断面図
である。たとえば、Ｐ型シリコン基板のＰ型領域４の受
光面側にＮ型領域３を形成し、両者の間にＰＮ接合を形
成する。2. Description of the Related Art A solar cell is a solid-state energy converter for directly converting radiant energy of sunlight into electric energy. FIG. 6 is a schematic sectional view of a cell 10 having a basic structure. For example, an N-type region 3 is formed on the light-receiving surface side of a P-type region 4 of a P-type silicon substrate, and a PN junction is formed between the two.
【０００３】図７（ａ）および（ｂ）は、そのエネルギ
ーバンド図である。Ｅc はコンダクションバンドレベ
ル，Ｅv はバレンスバンドレベル，ＥF はフェルミレベ
ルである。ＰＮ接合に半導体材料の禁制帯幅より大きい
エネルギーの光が照射された場合、光子の吸収によって
電子−正孔対が生成される。FIGS. 7A and 7B are energy band diagrams thereof. E c is the conduction band level, the E v valence band level, the E F is the Fermi level. When the PN junction is irradiated with light having an energy larger than the band gap of the semiconductor material, electron-hole pairs are generated by absorption of photons.
【０００４】図７（ａ）にしめすようにＰ型領域および
Ｎ型領域が外部回路で短絡されている場合は、接合部に
ある電界で、２つのキャリアは分離され、電子はＮ型領
域へ正孔はＰ型領域へ向かって動き光電流が流れる。When the P-type region and the N-type region are short-circuited by an external circuit as shown in FIG. 7A, two carriers are separated by an electric field at the junction, and electrons are transferred to the N-type region. The holes move toward the P-type region and a photocurrent flows.
【０００５】図７（ｂ）に示すように、回路が開放され
ている場合は、分離されたキャリアが作る電位差Ｖが両
端子間に観察される。As shown in FIG. 7B, when the circuit is open, a potential difference V generated by the separated carriers is observed between both terminals.
【０００６】よって、有限の負荷抵抗をＰＮ接合に接続
することで、その両端で起電力が発生するので、ＰＮ接
合に照射された光のエネルギーが電気エネルギーに変換
され外部に取出される。Therefore, when a finite load resistor is connected to the PN junction, an electromotive force is generated at both ends of the PN junction, so that the energy of light applied to the PN junction is converted into electric energy and extracted to the outside.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】太陽電池の変換効率を
支配する要素はいくつかある。その最も重要な要素の１
つに、太陽電池材料の禁制帯幅と太陽光スペクトルとの
整合性がある。There are several factors that govern the conversion efficiency of a solar cell. One of its most important elements
First, there is compatibility between the forbidden band width of the solar cell material and the solar spectrum.
【０００８】つまり、禁制帯幅に相当するエネルギー以
下の光は吸収されず、光電変換に寄与しない。また、禁
制帯幅に相当するエネルギー以上の光は、電子−正孔対
を生成した余分のエネルギーを主に熱として消費してし
まい、この余分なエネルギーは光電変換されない。That is, light having energy equal to or less than the forbidden band width is not absorbed and does not contribute to photoelectric conversion. In addition, light having an energy equal to or larger than the energy corresponding to the forbidden band width consumes excess energy generated as an electron-hole pair mainly as heat, and this excess energy is not photoelectrically converted.
【０００９】したがって、現在実用化されている太陽電
池の変換効率は、シリコンを材料とした太陽電池で約１
７％程度（地上光下）、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）を材
料とした太陽電池で約２０％程度（地上光下）と、比較
的低い値にとどまっているという問題点があった。Therefore, the conversion efficiency of a solar cell currently in practical use is about 1 in a solar cell made of silicon.
There is a problem that the solar cell made of GaAs (gallium arsenide) has a relatively low value of about 7% (under ground light) and about 20% (under ground light).
【００１０】高効率化の試みの１つとして、図８に示さ
れるような禁制帯幅の異なった２つ以上のＰＮ接合たと
えばＰＮ接合１１と１２を縦方向に重ね合せ、太陽光の
放射エネルギーを広い波長範囲にわたって有効に光電変
換しようとする波長分割型太陽電池の試みがある。As one of attempts to improve the efficiency, as shown in FIG. 8, two or more PN junctions having different forbidden band widths, for example, PN junctions 11 and 12 are vertically overlapped, and the radiant energy of sunlight is increased. There has been an attempt of a wavelength division type solar cell for effectively performing photoelectric conversion over a wide wavelength range.
【００１１】しかし、この構造の太陽電池は基本的に多
端子構造で、工程が複雑になるか、または複数の外部回
路を設けなければならないので、実用化が難しいという
問題点があった。However, the solar cell having this structure has a problem that it is basically difficult to put into practical use because the process is complicated or a plurality of external circuits must be provided.
【００１２】本発明の目的は、太陽電池の光電変換効率
を飛躍的に向上させるための、逆バイアス条件下で動作
する新しい太陽電池の基本概念を提供することにある。An object of the present invention is to provide a basic concept of a new solar cell which operates under a reverse bias condition so as to dramatically improve the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明の１つの態様によ
る光電変換装置は、異なる波長に対して最大感度を有す
る複数の太陽電池よりなり、ある波長に対して最大感度
を有する太陽電池に発生した電圧により他の波長に対し
て最大感度を有する太陽電池に逆バイアスを与え、この
逆バイアスによって発生されたなだれ増倍現象によって
増大された出力電流が得られることを特徴としている。
本発明のもう１つの態様による光電変換装置は、太陽光
の主として短波長領域で動作する第１の太陽電池と、太
陽光の主として中波長以上の領域で動作する第２の太陽
電池とよりなり、第１の太陽電池の発生した電圧により
第２の太陽電池に逆バイアスを与え、この逆バイアスに
よって発生されたなだれ増倍現象によって増大された出
力電流が得られることを特徴としている。 According to one aspect of the present invention,
Photoelectric converters have maximum sensitivity for different wavelengths
Maximum sensitivity for a certain wavelength
Due to the voltage generated in the solar cell with
Reverse bias to the solar cell with maximum sensitivity
Avalanche multiplication caused by reverse bias
It is characterized in that an increased output current is obtained.
The photoelectric conversion device according to another aspect of the present invention includes a solar light
A first solar cell that operates mainly in a short wavelength region;
A second sun operating in the region of the sunshine, mainly in the middle wavelength and above
Battery and the voltage generated by the first solar cell
Apply a reverse bias to the second solar cell, and apply this reverse bias
Therefore, the output increased by the avalanche multiplication phenomenon
It is characterized in that a force current can be obtained.
【００１４】[0014]
【作用】太陽電池に逆バイアスが与えられると、広い空
乏層幅が形成される。逆バイアスを与える手段として太
陽光スペクトルの短波長領域の光を吸収する第１の太陽
電池を使用したとすると、第１の太陽電池で吸収しきれ
なかった中波長ないし長波長領域の光が第２の太陽電池
で吸収され、電子−正孔対が生じる。この電子が接合中
の強電界によって加速し、いわゆるなだれ降伏が発生す
る。第２の太陽電池の両端に外部回路として有限の負荷
抵抗を接続すると、なだれ降伏によって増倍された光電
流が流れ出力として取出される。When a reverse bias is applied to a solar cell, a wide depletion layer width is formed. Assuming that the first solar cell that absorbs light in the short wavelength region of the solar spectrum is used as a means for applying a reverse bias, light in the middle wavelength or long wavelength region that could not be absorbed by the first solar cell can be used. Absorbed by the solar cell No. 2 to generate electron-hole pairs. These electrons are accelerated by the strong electric field during the bonding, and so-called avalanche breakdown occurs. When a finite load resistance is connected as an external circuit to both ends of the second solar cell, the photocurrent multiplied by the avalanche breakdown flows and is taken out as an output.
【００１５】[0015]
【実施例】図１は本発明の光電変換装置の一実施例のブ
ロック図である。太陽電池による第１の素子１と第２の
素子２が光の入射方向に対してその順に縦型に重ね合さ
れている。両者の間はたとえばシリコン系樹脂等入射光
に対して透明な接着剤が使用される。第２の素子２は、
第１の素子１の発生した電圧によってかなり高い逆バイ
アス（すなわちＰ型領域に−電位、Ｎ型領域に＋電位）
が印加されるよう、外部回路によって接続される。第２
の素子の両端に出力を取出すための端子が取付けられ、
外部負荷ＲL に接続される。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a photoelectric conversion device according to the present invention. A first element 1 and a second element 2 of a solar cell are vertically stacked in that order in the light incident direction. An adhesive transparent to incident light such as a silicon resin is used between the two. The second element 2 is
A considerably high reverse bias due to the voltage generated by the first element 1 (that is, a negative potential in the P-type region and a positive potential in the N-type region)
Are connected by an external circuit so as to be applied. Second
Terminals for taking out output are attached to both ends of the element of
Connected to external load RL .
【００１６】図２は第１の素子１の一例の接続を示す図
面で、たとえば、Ｎ型領域３およびＰ型領域４からなる
複数の太陽電池が＋側端子７および−側端子６により直
列に接続されることで、高い光起電圧を発生する構造の
例である。第１の素子は太陽光スペクトルの主として短
波長領域の光を光電変換するため、材料は禁制帯幅の大
きい半導体材料が好ましい。たとえばＳｉＣ（シリコン
カーバイド）が用いられる。FIG. 2 is a diagram showing an example of connection of the first element 1. For example, a plurality of solar cells composed of an N-type region 3 and a P-type region 4 are connected in series by a positive terminal 7 and a negative terminal 6. This is an example of a structure that generates a high photovoltaic voltage by being connected. Since the first element photoelectrically converts light mainly in a short wavelength region of the sunlight spectrum, the material is preferably a semiconductor material having a large forbidden band width. For example, SiC (silicon carbide) is used.
【００１７】図３は第１の素子の他の例の断面図で、集
積化した構造の例である。半絶縁性の高抵抗ＳｉＣ基板
５にイオンインプランテーション法で、受光面にたとえ
ばＮ型領域３およびＰ型領域４を形成し、接続用の導電
性薄膜６−１をＣＶＤ法等で形成し、直列に結線した例
である。受光面をＰ型にすることもできる。FIG. 3 is a sectional view of another example of the first element, which is an example of an integrated structure. For example, an N-type region 3 and a P-type region 4 are formed on a light receiving surface of a semi-insulating high-resistance SiC substrate 5 by an ion implantation method, and a conductive thin film 6-1 for connection is formed by a CVD method or the like. This is an example of connecting in series. The light receiving surface may be a P-type.
【００１８】図４は第１の素子を構成する太陽電池のＰ
Ｎ接合のエネルギーバンド図である。たとえば、材料は
３Ｃ型ＳｉＣの場合、禁制帯幅が２．２ｅＶであるの
で、太陽光スペクトルの波長約５６０ｎｍ以下の光を吸
収し、起電圧ＥL が発生する。この範囲の入射フォトン
数は限られており、高い起電圧を期待できるが、短絡し
た場合流れる光電流はわずかである。よって、この単体
素子を図２または図３に示すように複数接続すること
で、第２の素子２の逆バイアス用の高電圧発生回路とし
て使用できる。単体素子の発生電圧は約１．８ボルト程
度が期待できるので、５〜２０個の接続で約９Ｖ〜３６
Ｖを得ることができる。FIG. 4 shows the P of the solar cell constituting the first element.
FIG. 3 is an energy band diagram of an N junction. For example, the material in the case of 3C type SiC, bandgap since it is 2.2 eV, and the absorption wavelength of about 560nm or less of the light of the sunlight spectrum, induced voltage E L is generated. Although the number of incident photons in this range is limited and a high electromotive voltage can be expected, the photocurrent flowing when short-circuited is small. Therefore, by connecting a plurality of the single elements as shown in FIG. 2 or FIG. 3, the single element can be used as a high voltage generating circuit for reverse bias of the second element 2. Since the generated voltage of a single element can be expected to be about 1.8 volts, about 9 V to 36
V can be obtained.
【００１９】図５は第２の素子２の働きを説明するため
のエネルギーバンド図である。第２の素子２は、高濃度
にドープされたＰ+ Ｎ+ 接合またはＰ+ ＩＮ+ 接合から
なる比較的禁制帯幅の小さい半導体材料による素子であ
る。これに第１の素子１から逆バイアスが印加される
と、空乏層またはＩ層に強電界が形成される。FIG. 5 is an energy band diagram for explaining the function of the second element 2. The second element 2 is an element made of a semiconductor material having a relatively small forbidden band, which is composed of a highly doped P + N + junction or P + IN + junction. When a reverse bias is applied from the first element 1 to this, a strong electric field is formed in the depletion layer or the I layer.
【００２０】ここで、第１の素子では光電変換が不可能
であった主として中波長，長波長領域の太陽光を吸収す
ることによって発生した電子−正孔が注入されると、平
均自由行程を進む間に、強電界からエネルギーを得、原
子と衝突してその共有結合の電子をコンダクションバン
ドに励起し、新たな電子−正孔対を発生させる。これに
よって多数のキャリアが発生するいわゆるなだれ降伏が
生ずる。Here, when electrons and holes generated mainly by absorbing sunlight in the medium wavelength and long wavelength regions, which cannot perform photoelectric conversion in the first device, are injected, the mean free path is reduced. As it proceeds, it gains energy from a strong electric field and collides with atoms to excite its covalent electrons into a conduction band, generating new electron-hole pairs. This causes a so-called avalanche breakdown in which many carriers are generated.
【００２１】このなだれ降伏によるなだれ増倍の過程に
より、従来の構造の太陽電池から得られていた光電流の
数倍〜数十倍の光電流を得ることができる。また、この
電流は第１の素子１からなる逆バイアス用の電源回路に
は流れず、適切な外部負荷Ｒ L を接続することで外部に
増倍された光起電力を取出すことができる。In the process of avalanche multiplication by this avalanche yielding
More than the photocurrent obtained from the solar cell of the conventional structure
Several times to several tens times of photocurrent can be obtained. Also this
The current is supplied to the power supply circuit for reverse bias comprising the first element 1.
Does not flow and an appropriate external load R LBy connecting to the outside
The multiplied photovoltaic power can be extracted.
【００２２】第２の素子２の材料としては、たとえば、
ＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ等III −Ｖ族化合物半導体が
挙げられる。なお、光起電圧として約１ボルト程度が発
生するが、第１の素子から印加される逆バイアスによっ
て打消される。すなわち、第１の素子から発生する光起
電圧を約３０Ｖとすると、第２の素子へ印加される逆バ
イアスは約２９Ｖとなる。As a material of the second element 2, for example,
III-V group compound semiconductors such as GaAsP and InGaAs. Although about 1 volt is generated as the photovoltaic voltage, it is canceled by the reverse bias applied from the first element. That is, when the photovoltaic voltage generated from the first element is about 30 V, the reverse bias applied to the second element is about 29 V.
【００２３】なお、本実施例に示す第１の素子の材料Ｓ
ｉＣは耐放射線性に優れた材料として知られ、また第２
の素子は、強電界が印加された空乏層またはＩ層でなだ
れ増倍される構造であるため、放射線損傷の影響が小さ
い。したがって本発明による光電変換装置は宇宙環境に
おける動作においても、劣化が極めて小さいという特徴
を有する。The material S of the first element shown in this embodiment
iC is known as a material having excellent radiation resistance.
Has a structure in which an avalanche is multiplied by a depletion layer or an I layer to which a strong electric field is applied, so that the influence of radiation damage is small. Therefore, the photoelectric conversion device according to the present invention has a feature that deterioration is extremely small even in operation in a space environment.
【００２４】本発明による光電変換装置は、従来の単一
の半導体ＰＮ接合からなる太陽電池あるいはそれらを重
ね合せた太陽電池と異なり、第１の素子により第２の素
子に逆バイアスを加え内部に電流増倍機能を有する新し
い太陽電池である。The photoelectric conversion device according to the present invention differs from a conventional solar cell comprising a single semiconductor PN junction or a solar cell obtained by superposing them, by applying a reverse bias to the second element by the first element and internally. It is a new solar cell with a current multiplication function.
【００２５】[0025]
【発明の効果】本発明によれば、現在の太陽電池の数倍
以上の高出力を得ることができ、かつ耐放射線性に優れ
ているから、太陽電池が関係する各種産業分野の発展に
寄与するところ大である。According to the present invention, a high output several times higher than that of the current solar cell can be obtained and the radiation resistance is excellent, so that it contributes to the development of various industrial fields related to the solar cell. It is great to do.
【図１】本発明の一実施例のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of one embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１の素子の一例の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of an example of the first element of the present invention.
【図３】本発明の第１の素子の他の例の断面図である。FIG. 3 is a sectional view of another example of the first element of the present invention.
【図４】本発明の第１の素子のエネルギーバンド図であ
る。FIG. 4 is an energy band diagram of the first device of the present invention.
【図５】本発明の第２の素子のエネルギーバンド図であ
る。FIG. 5 is an energy band diagram of the second device of the present invention.
【図６】太陽電池の略断面図である。FIG. 6 is a schematic sectional view of a solar cell.
【図７】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ太陽電池を短絡
した場合と開放した場合のエネルギーバンド図である。FIGS. 7A and 7B are energy band diagrams when the solar cell is short-circuited and when the solar cell is opened, respectively.
【図８】異なる特性の太陽電池を重ねた場合の平面図で
ある。FIG. 8 is a plan view when solar cells having different characteristics are stacked.
１ 第１の素子 ２ 第２の素子 ３ Ｎ型領域 ４ Ｐ型領域 ５ ＳｉＣ基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st element 2 2nd element 3 N-type area 4 P-type area 5 SiC substrate
Claims (4)
数の太陽電池よりなり、ある波長に対して最大感度を有
する太陽電池の発生した電圧により他の波長に対して最
大感度を有する太陽電池に逆バイアスを与え、この逆バ
イアスによって発生されたなだれ増倍現象によって増大
された出力電流が得られることを特徴とする光電変換装
置。 1. A solar cell having a maximum sensitivity to another wavelength, comprising a plurality of solar cells having a maximum sensitivity to different wavelengths, wherein a voltage generated by the solar cell having a maximum sensitivity to a certain wavelength is used. Apply a reverse bias,
Increased by avalanche multiplication caused by Ias
The photoelectric conversion device you characterized in that output current is obtained.
第１の太陽電池と、太陽光の主として中波長以上の領域
で動作する第２の太陽電池とよりなり、第１の太陽電池
の発生した電圧により第２の太陽電池に逆バイアスを与
え、この逆バイアスによって発生されたなだれ増倍現象
によって増大された出力電流が得られることを特徴とす
る光電変換装置。 2. A first solar cell comprising a first solar cell mainly operating in a short wavelength region of sunlight and a second solar cell mainly operating in a region of a medium wavelength or more of sunlight. A reverse bias is applied to the second solar cell by the applied voltage, and the avalanche multiplication phenomenon generated by the reverse bias
It is characterized Rukoto obtain increased output current by
That the photoelectric conversion device.
主材料はＳｉＣであることを特徴とする請求項１または
２に記載の光電変換装置。 3. A main material of the solar cell in which the reverse bias is given or claim 1, characterized in that a SiC
3. The photoelectric conversion device according to 2.
とその逆バイアスが与えられる太陽電池とが光の入射方And the reverse biased solar cell
向に関して互いに重ねられていることを特徴とする請求Claims characterized by being superimposed on one another in terms of orientation
項１から３のいずれかの項に記載の光電変換装置。Item 4. The photoelectric conversion device according to any one of Items 1 to 3.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP5041072A JP2962502B2 (en) | 1993-03-02 | 1993-03-02 | Photoelectric conversion device |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP5041072A JP2962502B2 (en) | 1993-03-02 | 1993-03-02 | Photoelectric conversion device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06260667A JPH06260667A (en) | 1994-09-16 |
| JP2962502B2 true JP2962502B2 (en) | 1999-10-12 |
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ID=12598246
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-
1993
- 1993-03-02 JP JP5041072A patent/JP2962502B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH06260667A (en) | 1994-09-16 |
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