JP6025834B2 - 改善された変換効率を有する太陽電池 - Google Patents

Description

本明細書は、改善された変換効率を示す太陽電池に関する。具体的には、本明細書は、電流拡散層を含む多重ｐｎ接合太陽電池、並びにそのような太陽電池及び集光光学素子を含む集光型光起電力モジュールに関する。

化石燃料に対する代替エネルギー源を求めて、地熱エネルギー、水力発電エネルギー、水素、バイオ燃料、及び風力エネルギーを含む、いくつかの選択肢が探求されている。しかし、益々魅力的になっている選択肢は太陽エネルギーの利用である。光起電力太陽電池は、入射太陽光を捕獲し、吸収された光子を電池を通って流れる電子及びホールに変換し、電流を発生させ、電気を生成するように使用されてもよい。残念ながら、エネルギー変換のための光起電力電池の使用に対する１つの主要な歴史的欠点は、そのような電池のエネルギー効率である。失われる入射太陽光からのエネルギーは、光起電力電池の反射オフ、熱力学的損失、電池の内部量子効率、及び電池の導電効率に帰される場合がある。最も初期の光起電力電池は、入射太陽光からのエネルギーの約１〜２％のみを変換した。単一ｐｎ接合シリコンウェハからなる現代の太陽電池は、約１５〜２５の最大変換効率を得ることができる。

しかし、主要な最近の進歩は、この領域でなされている。複数のｐｎ接合部、並びにＩＩＩ〜Ｖ半導体等の他の結晶質材料からなる多重太陽電池に光束を集光させるために光学素子を使用して、研究者は、およそ４０％の変換効率を得ている。当技術分野において、そのような太陽電池の変換効率を引き続き改善する解決法を提供する大きな必要性がある。

一態様において、本明細書は、多重接合太陽電池に関する。多重接合太陽電池は、第１のｐｎ接合部、第１のｐｎ接合部の下に位置付けられる第２のｐｎ接合部、第１のｐｎ接合部の上に位置付けられる電流拡散層、及び第１のｐｎ接合部と反対側で電流拡散層上に位置付けられる電極を含む。第１のｐｎ接合部は、ｎドープされた第１のＩＩＩ〜Ｖ半導体層及びｐドープされた第１のＩＩＩ〜Ｖ半導体層を含む。第２のｐｎ接合部は、ｎドープされた第２のＩＩＩ〜Ｖ半導体層及びｐドープされた第２のＩＩＩ〜Ｖ半導体層を含む。電流拡散層は、ＩＩ〜ＶＩ半導体層であり、２．８ｅＶ、３．１ｅＶ、又は３．４ｅＶを超えるバンドギャップエネルギーを有してもよい。少なくともいくつかの実施形態において、多重接合太陽電池は、第２のｐｎ接合部の下に位置付けられる第３のｐｎ接合部を更に含んでもよい。多重接合太陽電池は、電極と電流拡散層との間に位置付けられる透明な導体も含んでよい。いくつかの実施形態において、多重接合太陽電池は、集光型光起電力モジュールの部分である。

別の態様において、本明細書は、太陽光及び多重接合太陽電池を集光させることができる光学素子を含む、集光型光起電力電池構造に関する。光学素子は、入射太陽光を受光し、１００ｓｕｎを超え、若しくは潜在的に１５０ｓｕｎを超え、又は更に２００ｓｕｎを超える強度を有する光が多重接合太陽電池に入射するように、前記入射太陽光を多重接合太陽電池に集束する。多重接合太陽電池は、光学素子からの集束される光が電流拡散層に入射するように、エピタキシャルなＩＩＩ〜Ｖ半導体のｐｎ接合部及びＩＩＩ〜Ｖ半導体のｐｎ接合部と光学素子との間に位置付けられるエピタキシャルなＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層を含む。いくつかの実施形態において、光学素子は、フレネルレンズ又は潜在的にはミラー等のレンズであってもよい。多重接合太陽電池は、電流拡散層の表面上に電極を更に含んでもよい。いくつかの実施形態において、多重接合太陽電池は、電極と電流拡散層との間に透明な導体を含んでもよい。

多重接合太陽電池の断面図。 本明細書による多重接合太陽電池の断面図。 本明細書による多重接合太陽電池の断面図。 本明細書による多重接合太陽電池の断面図。 本明細書による多重接合太陽電池の断面図。 本明細書による集光型光起電力電池構造の断面図。 本明細書による集光型光起電力電池構造の断面図。

上に集光された光が入射する複数のｐｎ接合部を有する多重光起電力太陽電池は、変換効率のかつて経験されたことのない水準を達成している。これらの電池は、２００ｓｕｎを超える強度にある光を受光してもよい。ゆえに、そのような電池における電流密度は、３Ａｍｐ／ｃｍ^２超であってもよい。残念ながら、これらの電池においての変換効率の高められた水準にも関わらず、金属電極（「電極抵抗」）と関連付けられた寄生抵抗及び光源に最も近い半導体層中の横方向の電流の流れを有する寄生抵抗（「広がり抵抗」）は、電池の効率をなお、顕著に低下させ、電池の性能を変換の理論的に可能な水準未満に保持する。太陽電池の表面の電極を合わせてより近くに離間配置することが広がり抵抗を低減する場合がある一方で、これは、顕著により多くの表面区域のシャドーイング、したがって、アクティブ領域の太陽電池に入り、使用可能なエネルギーに変換され得るより少ない光をもたらし得る。

光源に最も近いｐｎ接合半導体層の厚さを増加させることは、広がり抵抗を低減し得るが、典型的に、短波長光に対する変換効率を低下させる犠牲を払う。ＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３：ＳｎＯ_３）又はＺｎＯ：Ａｌ等、電極のための透明な導体を付加することは、概ね、これらの材料がスパッタコーティング等の典型的手段によって堆積させられるとき、導体は、上面半導体層への低抵抗接触を形成しないため、残念ながら、実現可能な解決法ではない。ＩＩＩ〜Ｖ半導体層の表面は、その高さが大部分、適用される導体から独立する、従来の透明な導体が適用されるとき、ショットキー障壁が形成されるようにフェルミ準位を固定する。良好に設計された電池において、直列抵抗による損失は、５００ｓｕｎの強度で６％の効率の低下の原因となり得る。

ゆえに、多重接合太陽電池、及びそのような太陽電池を使用して、広がり抵抗を最小化し得る集光型光起電力モジュールを提供することは、非常に所望であろう。本明細書は、太陽と太陽電池内の複数のｐｎ接合部との間にＩＩ〜ＶＩ半導体層を提供することによる、そのような解決法を記載する。ＩＩ〜ＶＩ半導体層は、太陽電池のＩＩＩ〜Ｖ表面でエピタキシャルに成長させられ、電流拡散層として機能する。層は、高バンドギャップエネルギーと透過性である一方、多重接合太陽電池全体で横方向に流れる電流に対する低シート抵抗を電極に提供し、ＩＩ〜ＶＩ／ＩＩＩ〜Ｖヘテロ界面で低い電気抵抗を有することによって、変換損失を最小化するように機能する。

図１は、当技術分野で現在使用される変換三重接合太陽電池１００の例示を提供する。三重接合太陽電池１００は、ｎドープされた層１０２及びｐドープされた層１０４からなる第１のｐｎ接合部１０３、ｎドープされた層１０６及びｐドープされた層１０８からなる第２のｐｎ接合部１０７、並びにｎドープされた層１１０及びｐドープされた層１１２からなる第３のｐｎ接合部１１１を含んでもよい。ｎドープされた層１０２、１０６、１１０、及びｐドープされた層１０４、１０８、１１２は、いずれの適切な材料からなってもよく、少なくともいくつかの場合、ＩＩＩ〜Ｖ半導体材料からなってもよい。典型的に、これらの接合部は、モノリシックに製作され、高濃度ドープされたトンネル接合部によって直列に接続される。底面ｐｎ接合部の下に、この場合には、第３のｐｎ接合部１１１及びｐドープされた第３の層１１２下に背後電極１９０がある。三重接合太陽電池の１つの典型的構造は、Ｒ．Ｒ．Ｋｉｎｇ，４０％ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅ Ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９０，１８３５１６（２００７）に見られ得る。ｎドープされた層１０２の表面１１６に位置付けられるのは、相互接続されたセグメントからなる電極１１４である。上述のように残念ながら、図１に例示される構造において、電極部分は、非常に近い距離Ｄ_Ｅで共に離間配置されなければならない。これは、電極部分１１４が広がり抵抗及び層１０２中での電流損失を低減するように、共に近くで離間配置されなければならないためである。残念ながら、電極１１４が不透明な材料からなる場合、電極は位置付けられる表面１１６の部分に影を落とし、したがって、より少ない入射太陽光が使用可能エネルギーに変換されることを可能にすることは勿論である。また、簡潔に言及されたように、電極１１４用に透明な電極を使用することは、ＩＴＯ等の通常使用される透明な電極材料が表面１１６との低抵抗の接触を形成しないため、実行可能な解決法ではない。

図１の構造に関連付けられた問題への１つの潜在的な解決法は、図２の構造によって例示される。図２は、本明細書による多重接合太陽電池２００を提供する。多重接合太陽電池は、ｎドープされた第１のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２０２及びｐドープされた第１のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２０４を含む、第１のｐｎ接合部２０３を含む。少なくともいくつかの実施形態において、ｎドープされた第１の半導体層及びｐドープされた第１の半導体層は、（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなってもよい。ここにおいて、合金における任意の要素を示すために、括弧が使用される、すなわち、ＧａＩｎＰは、（Ａｌ）ＧａＩｎＰの１つの組成物である。この記載された明細書全体において材料組成物に使用されるとき、括弧は、任意の要素を含意することを理解されたい。他の実施形態において、ｎドープされた第１の半導体層及びｐドープされた第１の半導体層は、ＩｎＰ又はＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓからなってもよい。多重接合太陽電池は、（入射光と反対の）電池内の第１のｐｎ接合部２０３の下に位置付けられる、第２のｐｎ接合部２０７を更に含む。第２のｐｎ接合部２０７は、ｎドープされた第２のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２０６及びｐドープされた第２のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２０８を含む。少なくともいくつかの実施形態において、ｎドープされた第２の半導体層及びｐドープされた第２の半導体層は、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓからなってもよい。

図２に例示されるのは、太陽電池に必ずしも含まれないが、ｎドープされた第３のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２１０及びｐドープされた第３のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２１２からなる第３のｐｎ接合部２１１であってもよい。含まれる場合、ｎドープされた第３の半導体層及びｐドープされた第３の半導体層は、例えば、ゲルマニウムからなってもよい。多重接合太陽電池２００は、相互接続されたセグメントからなる電極２１４も含む。しかし、図１に例示される実施形態と異なり、本明細書は、（入射光２３０の側面の）第１のｐｎ接合部２０３の上に電流拡散層２２０を提供する。電流拡散層は、界面２２２の層２０２上でエピタキシャルに成長させられる、ＩＩ〜ＶＩ半導体層からなる。電流拡散層は、電極２１４のセグメントによって吸収される前に、電流が太陽電池の横方向の範囲に渡って低い抵抗で流れることを可能にする。層２２０の有効な電流拡散は、電極２１４のセグメントが図１に例示される、先に使用された実施形態におけるよりはるかに大きい距離Ｄ_Ｅで離間配置されることを可能にし、したがって、太陽電池の表面２１８に影を落とされることによる損失を低下させる。断面図から示されるが、電極２１４のセグメントは、その長さが図２のページ内又はページ外へと延在する離散的な線形電極セグメントとして理解されてもよい。セグメントのそれぞれは、少なくとも０．１ｍｍ、又は少なくとも０．１５ｍｍ、又は潜在的に更に０．２０ｍｍまでの距離Ｄ_Ｅによって最も近い隣接セグメントから離間配置されてもよい。十分に低いシート抵抗を供給するために、電流拡散層２２０が典型的に１マイクロメートルを超え、いくつかの実施形態において１０マイクロメートルを超える、相当に実質的厚さ２２４を有することが重要である。

電極２１４は、ＩＩ〜ＶＩ半導体層に低抵抗のオーム接触を提供する。ＩＩ〜ＶＩ半導体がｎ型であるとき、電極２１４は、半導体と接触する、Ｔｉ等の比較的低い仕事関数の金属層を含んでもよい。ＩＩ〜ＶＩ半導体がｐ型であるとき、電極２１４は、半導体と接触する、Ｐｄ等の比較的高い仕事関数の金属層を含んでもよい。どちらの場合においても、電極２１４の残部は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕ等、優れた電気導電性を有する金属又は合金を含んでもよい。電極２１４の厚さは、許容損害を提供するように選択されるべきである。電極セグメントの間のより大きな分離のために、それぞれのセグメント内の電流は増加させられ、そのために電極の厚さは、結果的に、増加させられるべきである。したがって、スケールに合わせ示されないが、図２〜７の目下記載される太陽電池の電極（例えば、２１４）の厚さは、従来技術のそれ（例えば図１、電極１１４）より実質的に大きくあるべきである。

多重接合太陽電池２００は、電極２１４と共に電池から電流を引くための後側電極２９０を更に含む。後側電極２９０は、入射太陽光から反対側の多重接合太陽電池の表面にあるため、連続層であっても、又は電極２１４として分割されてもよい。後側電極２９０は、太陽電池並びにリフレクタ及びヒートシンクのための経路にオーム接触を提供する。電極は、金属、又は金、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン、クロム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、タングステン、インジウム、並びにそれらの混合体及び合金を含む金属合金を含むが、これらに限定されない、当技術分野において既知の適切な導電性材料のいずれの種類であってもよい。電極はＩＴＯなどの透明な導電性酸化物で形成することもできる。電極２１４及び２９０は、典型的に、順次、ＡＣ回路に電力を提供するインバータ等の外部負荷又は回路にｄｃ電力を提供するように使用されてもよい。

電流拡散層２２０は、概ね、ワイドバンドギャップＩＩ〜ＶＩ半導体の材料から作製されてもよい。電流拡散層２２０の構造に成長させられる特に好適なＩＩ〜ＶＩ半導体の材料は、ＭｇＺｎＳＳｅ、ＢｅＭｇＺｎＳｅ、ＣｄＭｇＺｎＳｅ、又はＢｅＺｎＴｅである場合がある。これらのＩＩ〜ＶＩ半導体の材料の選択は、ｐｎ接合部（例えば、２０３）を構成するＩＩＩ〜Ｖ半導体材料の結晶構造があれば、特に有効である場合がある。ＩＩ〜ＶＩ半導体層は、ヘテロ界面全体での電流の流れに対する障壁を呈する可能性のある、ヘテロ界面でのトラップ電荷を最小化するために、最小のヘテロ界面での結晶学的欠陥（例えば、転位）を伴うＩＩＩ〜Ｖ表面でエピタキシャルに成長させられることが好ましい。これは、ＩＩＩ〜Ｖ半導体層に対してほぼ格子整合している（又は換言すれば、ｎドープ及びｐドープされた第１の半導体層２０２、２０４、又は接合部２０３に対して格子整合している）ＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層２２０を成長させることによって達成されてもよい。例えば、ＭｇＺｎＳＳｅ又はＢｅＭｇＺｎＳｅは、ＧａＡｓ又はＧｅ基板上で成長させられた（Ａｌ）ＧａＩｎＰに対して格子整合して成長させられてもよい。同様に、ＣｄＭｇＺｎＳｅ又はＢｅＺｎＴｅは、ＩｎＰ、又はＩｎＰ基板上で成長させられたＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓに対して格子整合して成長させられてもよい。

電流拡散層は、また、相当に高く、太陽スペクトルのほとんどを透明にするバンドギャップエネルギーを有するものとして理解されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、電流拡散層は、２．８ｅＶを超え、又は３．１ｅＶを超え、及び潜在的に３．４ｅＶを超えるバンドギャップエネルギーを有してもよい。ＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層のエピタキシャルな成長によって利用可能な結晶学的欠陥の低い濃度は、高いキャリヤ移動度及び低い電荷トラッピングを提供することによって高い導電性も可能にする。低いシート抵抗は、適切な不純物を伴うＩＩ〜ＶＩ半導体層をドープすることによって得られる。ＭｇＺｎＳＳｅ、ＢｅＺｎＭｇＳｅ、及びＣｄＭｇＺｎＳｅを含む特定のＩＩ〜ＶＩ半導体は、浅い準位ドナーとｎ型ドープすることによって高い導電性を得ることができる。ゆえに、少なくともいくつかの実施形態において、電流拡散層２２０は、ドープされてもよい。Ｃｌ及びＡｌが好ましい浅い準位ドナーであるが、選択肢としては、Ｆ、Ｂｒ、Ｉ、Ｇａ及びＩｎが挙げられる。ＢｅＺｎＴｅを含む特定のＩＩ〜ＶＩ半導体は、浅い準位アクセプタとｐ型ドープすることによって高い導電性を得ることができ、Ｎが好ましい浅い準位アクセプタであるが、選択肢としては、Ｐ、Ａｓ、及びＣｕが挙げられる。最適なドーパント濃度は、典型的には、１０^１８ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−３の範囲である。より高い濃度で、キャリヤ移動度における減少は、達成し得る導電性を限定する。適切なドーピング及び厚さを使用することによって、ＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層のシート抵抗は、１００オーム／平方未満、又は１０オーム／平方未満までになる場合がある。いくつかの実施形態において、潜在的障壁が、ヘテロ界面における伝導又は価電子帯オフセットのために存在する。そのようなヘテロ障壁の電気抵抗は、ヘテロ障壁を通る量子力学的トンネリングを促進するＩＩＩ〜Ｖ付近のＩＩ〜ＶＩ半導体層の中の非常に高いドーパント濃度によって軽減される。ＩＩ〜Ｖエピタキシャルな層をドープする更なる論述は、その全てが本明細書に参照によって組み込まれる、共同所有される米国特許第５，２４８，６３１号に見出され得る。

簡潔に言及されたように、本明細書の多重接合太陽電池は、第３のｐｎ接合部を含む必要がない。例えば、図３の多重接合太陽電池３００は、ｎドープされた第１のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２０２及びｐドープされた第１のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２０４を伴う第１のｐｎ接合部２０３と、ｎドープされた第２のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２０６及びｐドープされた第２のＩＩＩ〜Ｖ半導体層２０８、並びに電流拡散層２２０及び電極２１４を伴う第２のｐｎ接合部２０７とを含む。しかし、第２のｐｎ接合部２０７の下の第３のｐｎ接合部は、太陽電池３００内に存在しない。金属の後側電極２９０は、典型的に、ＩＩ〜ＶＩ電流スプレッダ層と反対側の太陽電池の表面を覆う。後側電極は、太陽電池へのオーム接触、並びにヒートシンクのための経路を提供する。多くの実施形態において、基板２８０は、太陽電池のｐｎ接合部を支持し、接合部から後側接点２９０へと電気及び熱を伝導する。一実施例において、第１のｐｎ接合部２０２は、ＩｎＰ又はＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓから構成され、第２のｐｎ接合部２０７は、ＧａＩｎＡｓ（Ｐ）を含み、これらの両方がＩｎＰ基板２８０上で成長させられる。エピタキシャルなＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層は、ｎ型ＣｄＭｇＺｎＳｅ又はｐ型ＢｅＺｎＴｅを含む。後側接点２９０は、概ね、図２に関して記載されたそれと類似の電極であってもよい。

別の実施形態において、図４に例示されるように、多重接合太陽電池は、電流拡散層と電極との間に別個の層を含んでもよい。多重接合太陽電池４００は、図２に例示される積層として互いに同じ相関で、第１のｐｎ接合部４０３、第２のｐｎ接合部４０７、電流拡散層４２０、及び恐らくは第３のｐｎ接合部４１１を含む。しかし、電極４１４を電流拡散層の表面に直接配置するよりは、むしろ透明な導体４２６が、電極４１４と電流拡散層４２０との間に位置付けられる。後側電極４９０は、図２の電極２９０と同様に、多重接合太陽電池の反対側に存在する。ほとんどのＩＩＩ〜ＶＩ半導体と異なり、いくつかのＩＩ〜ＶＩ半導体は、遊離面において強いフェルミ準位ピニングを示さない。ゆえに、エピタキシャルなＩＩ〜ＶＩとＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３：ＳｎＯ_３）又はＺｎＯ：Ａｌ等の従来の（非エピタキシャルな）透明な導体との間に低い抵抗の界面を製作することが可能である。ＩＩ〜ＶＩエピタキシャルな電流拡散層の頂面に従来の透明な導体を付加することは、電流拡散による損失を更に減少させるように補助し得る。

別の企図される多重接合太陽電池は、図５に例示される。多重接合太陽電池５００は、ｐドープされた第３の半導体層５１２及びｎドープされた第３の層５１１からなる第３のｐｎ接合５１１を含んでもよい。ｎドープされた第３の層は、ｐドープされた第２の層５０８及びｐドープされた第２の層５０６の下に積層されてもよく、これらは第２のｐｎ接合部５０７を構成する。しかし、第２のｐｎ接合部５０７の上に、別個の電流拡散層と共に別個のｐｎ接合部はない。むしろ、ｐドープされた第１の半導体層５０４は、ｎドープされた第２の半導体層５０６上に位置付けられる。ｐドープされた第１の層５０４上に位置付けられるのは、ｎドープされた第１の電流拡散層５３２である。これらの２つの層は、ｐｎ接合部５３３を形成する。上記の実施形態の多くにおいて、電流拡散層、例えば２２０は、ｐドープされてもよい。しかし、これらの他の実施形態におけるｐｎ接合部は、例えば、別個のｎ及びｐドープされたＩＩＩ〜Ｖ半導体層から構成されるであろう。ここにおいて、ｐｎ接合部を構成するｎドープされた層は、実際にはＩＩ〜Ｖ材料であり、問題の電流拡散層としても機能する。太陽電池６６０は、入射太陽光に向く前側電極５１４及び電池の反対側表面の後側電極５９０も含む。

勿論、有効に適切に機能するために、本明細書の多重接合太陽電池は、概ね、入射太陽光を集光し、小さい電池に導きもする大きな装置の部分にされなければならない。１つのそのような装置は、図６の集光型光起電力電池構造６００によって例示される。集光型光起電力電池構造６００は、部分的に光学素子６４０からなる。光学素子は、多重接合太陽電池６６０の位置と反対側の表面で入射太陽光６５０を受光するように位置付けられる。光学素子は、光を集光し、それを小さい表面（すなわち、多重接合太陽電池６６０の表面）に向かって集束するように使用される、いずれの適切なレンズであってもよい。例えば、レンズは、図６に示されるそれのような凸レンズであってもよく、又はフレネルレンズ、平凸レンズ等であってもよい。いずれの適切なレンズも使用されてもよい。加えて、単一の光学素子６４０として示されるが、光学素子６４０は、潜在的に異なる形状を有するレンズを伴う複数の部分要素レンズからなってもよい。

光学素子６４０は、入射光６５０を受光し、多重接合太陽電池６６０の表面に集束された光６３０として、光を送る。光学素子６４０は、多重接合太陽電池の表面の単位区域毎の光束が光学素子６４０の表面よりもはるかに大きくなるように、多重接合太陽電池に到達すると、太陽光を大量に集光するべきである。実際には、多重接合太陽電池に到達する光６３０は、１００ｓｕｎを超える強度で、潜在的には１５０ｓｕｎを超え、そして潜在的には２００ｓｕｎを超えるまでの強度で電池上に入射すべきである。

多重接合太陽電池６６０は、上記の図２〜５の太陽電池のいずれにも潜在的に対応することを理解されたい。図６に示されるように、多重接合太陽電池は、部分的に複数のエピタキシャルなＩＩＩ〜Ｖ半導体のｐｎ接合部６０３、６０７、６１１からなる。電池は、更に、部分的に、ＩＩＩ〜Ｖ ｐｎ接合部６０３、６０７、６１１と光学素子６４０との間に位置付けられるエピタキシャルなＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層６２０からなる。この位置付けは、光学素子６４０からの集束される光６３０が、ｐｎ接合部に到達する前に、電流拡散層６２０上に入射するような位置付けである。

上記の太陽電池においてのように、多重接合太陽電池は、離散的な線形部分に分離され、光学素子６４０に向く電流拡散層６２０の表面に位置付けられる、電極６１４を含んでもよい。電極は、いくつかの実施形態において、不透明である場合がある。電極６１４の離散的な線形部分は、図２の電池と共に記載されたように、少なくとも０．１ｍｍ、又は少なくとも０．１５ｍｍ、若しくは潜在的に０．２０ｍｍまでの距離によって離間配置されてもよい。必要に応じて、図４の太陽電池と共に示されたように、多重接合太陽電池６６０は、電極６１４と電流拡散層６２０との間に位置付けられる透明な導体６２６を含んでもよい。太陽電池５００は、電池の反対側の表面に後側電極６９０も含む。

多くの実施形態において、ｐｎ接合部６０３、６０７、６１１は、ｐドープ及びｎドープされたＩＩＩ〜Ｖ半導体層又は層からなってもよい。これらの層は、Ｇｅ、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、又はＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓからなってもよい。電流拡散層６２０は、層がＭｇＺｎＳＳｅ、ＢｅＭｇＺｎＳｅ、ＣｄＭｇＺｎＳｅ、又はＢｅＺｎＴｅからなってもよい場合、概ね、ＩＩ〜Ｖ半導体層であろう。

いくつかの実施形態において、レンズは、図６に示されるように光を集光し、それを多重接合太陽電池に集束するために使用されてもよいが、他の構造も企図される。例えば、図７は、集光型光起電力電池構造の別の実施形態を例示する。この場合も、太陽光７５０は、光学素子７４０上に入射する。しかし、ここにおいては、光学素子はミラー７４０である。この構造では、ミラー７４０は、光を反射するだけでなく、多重接合太陽電池７６０の小さい表面区域上の集光された光７３０としてその集束も行うように、成形される。この実施形態は、要素が入射太陽光７５０を集光し、それを太陽電池に向かって向けることができる限り、企図される構造で光学素子として使用されてもよい、広いアレーの要素の例示を提示する。

初期的に論じられたように、本明細書の多重接合太陽電池は、従来技術の多くよりも著しく効率的である。多重接合太陽電池は、３５％を超え、３７％を超え、そして潜在的に３９％又は４０％を超えるまでの効率で入射太陽光をエネルギーに変換し得る。例えば、高い集光性（４００ｓｕｎを超える）で、エピタキシャルなＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層及び適切な電極を付加することは、３パーセント点（例えば、３７％から４０％へと）だけ電池効率を改善し得る。

ほとんどの実施形態において、ＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層上への反射防止被覆は、太陽光を太陽電池中に効率的に結合するために有用である。

本発明は、上記の特定の実施例及び実施形態に限定されるものと見做されるべきではなく、そのような実施形態は、本発明の様々な態様の説明を容易にするように詳細に記載されている。むしろ本発明は、添付される特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨及び範囲内に含まれる様々な改変形態、等価の工程、及び選択的装置を含む、本発明の全ての態様を包含するものと理解されたい。

Claims (2)

1. 多重接合太陽電池であって、
   ｎドープされた第１のＩＩＩ〜Ｖ半導体層及びｐドープされた第１のＩＩＩ〜Ｖ半導体層を備える第１のｐｎ接合部と、
   前記第１のｐｎ接合部の下に位置付けられる第２のｐｎ接合部であって、ｎドープされた第２のＩＩＩ〜Ｖ半導体層及びｐドープされた第２のＩＩＩ〜Ｖ半導体層を備える、第２のｐｎ接合部と、
   第１のｐｎ接合部の上に位置付けられる電流拡散層であって、前記第１のｐｎ接合部の表面に直接配されるエピタキシャルなＩＩ〜ＶＩ半導体層を備え、ｎ型ドープされたＢｅＭｇＺｎＳｅ又はｐ型ドープされたＢｅＺｎＴｅを含む、電流拡散層と、
   前記第１のｐｎ接合部とは反対側で前記電流拡散層に位置付けられた電極と、を備える、多重接合太陽電池。
2. 集光型光起電力モジュールであって、
   太陽光を集光することができる光学素子と、
   多重接合太陽電池と、を備え、
   前記光学素子が、入射太陽光を受光し、１００ｓｕｎを超える強度を有する光が前記多重接合太陽電池に入射するように、前記入射太陽光を前記多重接合太陽電池上に集束させ、
   前記多重接合太陽電池が、エピタキシャルなＩＩＩ〜Ｖ半導体のｐｎ接合部を備え、エピタキシャルなＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層をさらに備え、前記ＩＩ〜ＶＩ半導体の電流拡散層が、前記光学素子により集束された光が前記電流拡散層に入射するように、前記ＩＩＩ〜Ｖ半導体のｐｎ接合部と前記光学素子との間に位置付けられ、
   前記電流拡散層が、１つ以上の前記ＩＩＩ〜Ｖ半導体のｐｎ接合部の表面に直接配されてエピタキシャルな構造を形成するＩＩ〜ＶＩ半導体層を備え、ｎ型ドープされたＢｅＭｇＺｎＳｅ又はｐ型ドープされたＢｅＺｎＴｅを含む、集光型光起電力モジュール。

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