JP5103382B2 - アイソタイプヘテロ接合ダイオードを有する太陽電池アレイ - Google Patents
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Description
太陽電池は、半導体接合において互いに向かい合って接する2つの半導体層から形成される。太陽または別の光源に照らされると、太陽電池は、これら半導体層の間に電圧を生成する。高度な太陽電池の場合は、2つより多くの半導体層と、それらの半導体層のそれぞれの対になる半導体接合を有していることがある。高度な太陽電池におけるさまざまな対の半導体層はサブセルを形成し、各サブセルは、電力出力を最大化するよう、太陽の特定のスペクトル成分に合うように調整される。太陽電池の電圧および電流出力は、構造の材料および太陽電池の表面領域によって制限される。大抵、単接合太陽電池で可能な電圧よりも高い電圧を生成可能な太陽電池構造を形成するよう、多数のサブセルが直列に電気的に相互接続される。3つまでのサブセルを有したこのような多接合太陽電池構造は、現在、宇宙および地球における適用例において用いられる。これら太陽電池構造は、すべてのサブセルがほぼ同じ光子束を吸収して同じ電流を生成しているときには、よく動作する。
この発明は、ダイオードを、太陽電池の活性光起電構造と同じモノリシック構造内に成長させる、統合されたアイソタイプヘテロ接合ダイオード構造を有する太陽電池を提供する。このダイオードは、逆バイアス下において低電流を維持したまま、順電圧の低下を最小限にし、その結果、電力消散が最小限になる。アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、宇宙環境において帯電された粒子線によって生じる不具合に対して、少数キャリア装置よりも敏感でない多数キャリア装置である。このため、この発明の方策を用い、かつ宇宙船上で動作する太陽電池は、他のタイプのダイオード構造によって保護される太陽電池と比較して、動作性能において、長期にわたってより安定している。
なるように、非対称な導電性を有する。第1の層と第2の層とは、同じタイプのドーパントでドープされ、第3の層が半導体の場合は、第3層も同様である。よって、(第3の層が半導体の場合)これら3つの層はすべてnドープまたはpドープされてもよい。しかしながら、これと異なり、多くの半導体装置でのように、npnまたはpnpの形でドープされてはならない。この方策は、電子、正孔のいずれかが多数キャリアであっても機能する。第1の層と第3の層との合計の厚みが、少なくとも約1.5μmであり、第2の層の厚みが少なくとも約1.5μmであることが望ましい。
図1は、少なくとも1つの太陽電池、この場合は3つの太陽電池22、24、および26を有する太陽電池アレイ20を示す。この太陽電池22、24、および26は、電気的に直列に接続される。各太陽電池22、24、および26は、それぞれ、照らされたときに、光起電出力を生成する活性領域28、30、および32と、これら活性領域28、30、32とそれぞれ電気的に並列に接続されたアイソタイプヘテロ接合ダイオード34、36、および38とを含む。もしこれら活性領域のうちの1つが、たとえば活性領域30が、電気出力の生成を止めた場合、対応するダイオード36がなければ、他の直列に接続された太陽電池22および26によって活性領域30へ印加された電流によって、太陽電池24は損傷する。しかしながら、このアイソタイプヘテロ接合ダイオード36は、並列
な電流路を活性領域30の周りに提供し、これにより太陽電池24をこのような損傷から保護する。
は、第2の層84に対して低い電気抵抗接触を有する金属、または第2の層84と第3の層88との間で第2のヘテロ接合90を形成するよう第2の層84の上に堆積される狭いバンドギャップ半導体層である。
わち、層82および88)の合計の厚みは少なくとも約1.5μmであるべきであり、広いバンドギャップ材料(すなわち、層84)の合計の厚みは少なくとも約1.5μmであるべきである。層82および88における狭いバンドギャップ材料の厚みが、逆バイアス下におけるパンチスルー条件を決定する。広いバンドギャップ材料の層84のドーピング濃度が、1立方センチメートル当たり、1−3×1016原子のオーダであるとしたら、この1.5μmの厚みにより、パンチスルーの開始前のスタンドオフ電圧は、十分な約10ボルトに決定される。狭いバンドギャップ材料の合計の厚みと広いバンドギャップ材料の合計の厚みとはほぼ同じであることが好ましい。
Claims (11)
- 少なくとも1つの太陽電池を有する太陽電池アレイであって、前記太陽電池は、太陽に向いている前面と、後面とを有し、活性領域を有する光起電構造と、前記光起電構造の前記活性領域と電気的に並列に接続されるアイソタイプヘテロ接合ダイオードとを含み、
前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、基礎ダイオードユニットを含み、前記基礎ダイオードユニットは、
狭いバンドギャップ半導体層である第1の層と、
前記第1の層の上に堆積され、前記第1の層との間に第1のヘテロ接合を形成する広いバンドギャップ半導体層である第2の層と、
前記第2の層の上に堆積される金属である第3の層とを含み、
前記基礎ダイオードユニットは、前記第1の層から前記第3の層への方向における電流電圧特性が、前記第3の層から前記第1の層への方向における電流電圧特性と異なるように、非対称な導電性を有する、太陽電池アレイ。 - 前記第1の層と前記第3の層との合計の厚みは少なくとも約1.5μmであり、前記第2の層の厚みは少なくとも約1.5μmである、請求項1に記載の太陽電池アレイ。
- 少なくとも1つの太陽電池を有する太陽電池アレイであって、前記太陽電池は、太陽に向いている前面と、後面とを有し、活性領域を有する光起電構造と、前記光起電構造の前記活性領域と電気的に並列に接続されるアイソタイプヘテロ接合ダイオードとを含み、
前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、基礎ダイオードユニットを含み、前記基礎ダイオードユニットは、
狭いバンドギャップ半導体層である第1の層と、
前記第1の層の上に堆積され、前記第1の層との間に第1のヘテロ接合を形成する広いバンドギャップ半導体層である第2の層と、
金属である第3の層、または、
前記第2の層の上に堆積され、前記第2の層との間に第2のヘテロ接合を形成する狭いバンドギャップ半導体層であって、前記第2のヘテロ接合は、前記第2のヘテロ接合の電気抵抗を低減するようドープされる第3の層とを含む、太陽電池アレイ。 - 少なくとも1つの太陽電池を有する太陽電池アレイであって、前記太陽電池は、太陽に向いている前面と、後面とを有し、活性領域を有する光起電構造と、前記光起電構造の前記活性領域と電気的に並列に接続されるアイソタイプヘテロ接合ダイオードとを含み、
前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、少なくとも2つの電気的に直列な基礎ダイオードユニットを含み、各基礎ダイオードユニットは、
狭いバンドギャップ半導体層である第1の層と、
前記第1の層の上に堆積され、前記第1の層との間に第1のヘテロ接合を形成する広いバンドギャップ半導体層である、第2の層と、
金属である第3の層、または、前記第2の層の上に堆積され前記第2の層との間に第2のヘテロ接合を形成する狭いバンドギャップ半導体層であって、前記第2のヘテロ接合は、前記第2のヘテロ接合の電気抵抗を低減するようドープされる第3の層とを含む、太陽電池アレイ。 - すべての第1の層と第3の層との合計の厚みは少なくとも約1.5μmであり、すべての第2の層の合計の厚みは少なくとも約1.5μmである、請求項4に記載の太陽電池アレイ。
- 少なくとも1つの太陽電池を有する太陽電池アレイであって、前記太陽電池は、太陽に向いている前面と、後面とを有し、活性領域を有する光起電構造と、前記光起電構造の前記活性領域と電気的に並列に接続されるアイソタイプヘテロ接合ダイオードとを含み、
前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、基礎ダイオードユニットを含み、前記基礎ダイオードユニットは、
nドープされた狭いバンドギャップ半導体層である第1の層と、
前記第1の層の上に堆積され、前記第1の層との間に第1のヘテロ接合を形成する、nドープされた広いバンドギャップ半導体層である第2の層と、
前記第2の層の上に堆積され、前記第2の層との間に第2のヘテロ接合を形成する、nドープされた狭いバンドギャップ半導体層であって、前記第2のヘテロ接合は、前記第2のヘテロ接合の電気抵抗を低減するようドープされる第3の層とを含む、太陽電池アレイ。 - 少なくとも1つの太陽電池を有する太陽電池アレイであって、前記太陽電池は、太陽に向いている前面と、後面とを有し、活性領域を有する光起電構造と、前記光起電構造の前記活性領域と電気的に並列に接続されるアイソタイプヘテロ接合ダイオードとを含み、
前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、基礎ダイオードユニットを含み、前記基礎ダイオードユニットは、
pドープされた狭いバンドギャップの半導体層である第1の層と、
前記第1の層の上に堆積され、前記第1の層との間に第1のヘテロ接合を形成する、pドープされた広いバンドギャップ半導体層である第2の層と、
前記第2の層の上に堆積され、前記第2の層との間に第2のヘテロ接合を形成する、pドープされた狭いバンドギャップ半導体層であって、前記第2のヘテロ接合は、前記第2のヘテロ接合の電気抵抗を低減するようドープされる第3の層とを含む、太陽電池アレイ。 - 前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、価電子帯オフセットΔEvと伝導帯オフセットΔEcとが、電圧において逆方向にずれており、電子および正孔が同じ層に閉じ込められるヘテロ界面を有するタイプ1構造を有する、請求項1ないし7のいずれかに記載の太陽電池アレイ。
- 前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、価電子帯オフセットΔEcと伝導帯オフセットΔEcとが、電圧において、同じ方向にずれており、電子および正孔が異なる層に閉じ込められるヘテロ界面を有するタイプ2構造を有する、請求項1ないし7のいずれかに記載の太陽電池アレイ。
- 少なくとも2つの太陽電池を有する太陽電池アレイであって、各太陽電池は、太陽に向いている前面と、後面とを有する光起電構造を含み、前記光起電構造は活性領域と前記活性領域から電気的に絶縁される非活性領域とに分けられ、各太陽電池はさらに、前記光起電構造の前記前面および前記後面の一方の上に堆積されるアイソタイプヘテロ接合ダイオードを含み、前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、前記光起電構造の前記非活性領域の上に堆積され、前記活性領域と前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードとは電気的に並列に接続され、前記太陽電池は電気的に相互接続され、
前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、基礎ダイオードユニットを含み、前記基礎ダイオードユニットは、
狭いバンドギャップ半導体層である第1の層と、
前記第1の層の上に堆積され、前記第1の層との間に第1のヘテロ接合を形成する広いバンドギャップ半導体層である第2の層と、
金属である第3の層、または、前記第2の層の上に堆積され、前記第2の層との間に第2のヘテロ接合を形成する狭いバンドギャップ半導体層であって、前記第2のヘテロ接合は、前記第2のヘテロ接合の電気抵抗を低減するようドープされる第3の層とを含む、太陽電池アレイ。 - 前記アイソタイプヘテロ接合ダイオードは、少なくとも2つの電気的に直列な基礎ダイオードユニットを含む、請求項1ないし10の何れかに記載の太陽電池アレイ。
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