JP6113273B2 - 光起電力デバイスおよび光起電力デバイスを動作させる方法 - Google Patents
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Description
光起電力素子(PV)は、光起電力効果を示す材料を介して太陽放射を直流の電気に変換することによって電力を生成する。
光起電力セル(またはPVセル、さらに太陽電池もしくは光電池)は、光のエネルギを光起電力効果によって電気に直接変換する固体デバイス(半導体PVセル)またはポリマ・デバイス(例えば、有機PVセル)である。
薄膜光起電力セル(または薄膜太陽電池)は、基板に堆積させた光起電力材料の1つまたは複数の薄層(または薄膜)からなる太陽電池である。堆積させた層の厚さは、ナノメートルから数十マイクロメーター以上におよぶ。薄膜PVセルは、使用されるPV材料、すなわち、
アモルファス・シリコン(a−Si)、
他の薄膜シリコン(TF−Si)、
テルル化カドミウム(CdTe)、
銅インジウム・ガリウム・セレン化物(CISまたはCIGS)、
および
色素増感太陽電池(DSC)または他のポリマ/有機太陽電池などによって分類され得る。
光起電力モジュール(さらに太陽電池モジュール、太陽電池パネルまたは光起電力パネル)は、接続された光起電力セルの組立体である。
第1の態様によると、本発明は、
アモルファス光起電力材料と、
下限角周波数ωmin≧0から上限角周波数ωmaxに広がる所与の阻止帯域を有する帯域阻止フィルタ構造であって、ωmax>ωminであり、フィルタ構造が、デバイス内で光起電力材料に対して配置され、ωmin<ω*<ωmaxとなるような阻止帯域内の角周波数ω*を有する、光起電力材料に達する電磁放射を減衰させ、ωminおよびωmaxが、前記角周波数ω*がアモルファス光起電力材料の価電子帯テール(valence band tail)(VBT)の状態からアモルファス光起電力材料の伝導帯テール(conduction band tail)(CBT)の状態への電子励起hバーω*に相当するようなものである、帯域阻止フィルタ構造と
を備える光起電力デバイスとして具現化される。
阻止帯域の上限角周波数ωmaxに相当するエネルギhバーωmaxは、アモルファス光起電力材料の移動度ギャップhバーωM以下であり、好ましくは前記移動度ギャップhバーωMに等しい。
阻止帯域の下限角周波数に相当するエネルギhバーωminは、アモルファス光起電力材料の光学ギャップhバーωgapよりも小さい。
アモルファス材料の阻止帯域の幅に相当するエネルギ2hバー(Δωc+Δωv)は、アモルファス光起電力材料の伝導帯テールの広がりに相当するエネルギhバーΔωcとアモルファス光起電力材料の価電子帯テールの広がりに相当するエネルギhバーΔωvとの和の2倍に相当する。
阻止帯域は、下限角周波数ωmin=ωgap−Δωc−Δωvと上限角周波数ωmax=ωgap+Δωc+Δωvとの間に広がり、ωgapが光吸収材料の光学ギャップhバーωgapに相当し、ΔωcおよびΔωvが、アモルファス光起電力材料の伝導帯テールの広がりおよびアモルファス光起電力材料の価電子帯テールの広がりにそれぞれ相当するエネルギhバーΔωcおよびhバーΔωvにそれぞれ相当する。
hバーΔωcおよびhバーΔωvは、それぞれ伝導帯テールの状態のアーバック・エネルギ(Urbach energy)および価電子帯テールの状態のアーバック・エネルギである。
アモルファス光起電力材料は、水素化アモルファス・シリコンを含む。
アモルファス光起電力材料は、水素化アモルファス・シリコンを含み、hバーωgapが1.7〜2.0eVであり、hバーΔωc+hバーΔωvが0.2eVよりも小さく、好ましくは0.1〜0.2eVである。
アモルファス光起電力材料には、
ゲルマニウムがドープされた、またはゲルマニウムおよび炭素がドープされた水素化アモルファス・シリコン、
テルル化カドミウム(CdTe)、
銅インジウム・ジセレニド(CIS)、
無機アモルファス材料、または
有機光起電力材料
が含まれる。
デバイスは、層状構造を有し、前記層状構造の1つまたは複数が帯域阻止構造を形成する。
層状構造は、異なる材料、好ましくはa−Si:Hおよびa−SiGe:Hの2つ以上の隣接した層のパターンを含み、このパターンが層状構造に沿って繰り返される。
前記隣接した層の一方が阻止帯域内の放射周波数を吸収するように設計され、前記隣接した層のもう一方が、好ましくは隣接した層の両方が前記アモルファス光起電力半導体材料を含む。
層状構造は、ブラッグ反射器(Bragg reflector)を形成し、このブラッグ反射器が阻止帯域内の周波数を有する放射を反射するように構成され、好ましくは全方向性反射器として構成される。
帯域阻止構造は、層状構造の層に隣接する帯域阻止フィルタ層である。
テール領域(VBT)を有する所与のアモルファスPV材料の価電子帯VB。
テール領域(CBT)を有する伝導帯CB。
ωmaxは、(阻止帯域の)上限角周波数を表示する。
hバーωMは、移動度ギャップに相当する。
ωminは、(阻止帯域の)下限角周波数である。
hバーωgapは、光学ギャップに相当するエネルギである。
EUCは、CBTアーバック・エネルギである。
EUVは、VBTアーバック・エネルギを表し、平均アーバック・エネルギが以降EUによって表示される。
VB領域(広がった状態ESに相当する)。
VBT領域(局在化した状態LSに相当する)。
深い欠陥Dに相当する中央のピーク。しかし、深い欠陥は、考案された解決策に重大な役割を果たさないので、深い欠陥は、左側のエネルギ準位図には反映されていない。
やはり局在化した状態LSに相当するCBT領域。
同様に広がった状態ESに相当するCB領域。
移動度線のそれぞれは、広がった状態ESを局在化した状態LSから分離する。
帯域阻止フィルタ層20、
pドープされた半導体層32、
光吸収材料34、すなわち、真性a−Siを主成分とする半導体(またはi−a−Si:H)、および
nドープされた半導体層36
を特に含む。
単独の層32、34および36の配置は、本質的に従来のデバイスに類似している。p型層に向かって移動するホールの移動度がn型層に向かって移動する電子よりも大幅に低いので、p型層は、フィルタに次いで、一番上に、すなわち、依然として光の強さがより強いままの場所に配置され、その結果、ホールは、電子よりも短い距離を移動して、それぞれの層(電子に対してはn型、およびホールに対してはp型)に達するはずなので、ホールの収集効率が向上する。やはり、層32、34および36は、望ましくない放射周波数を減衰させる、または除去するための帯域阻止フィルタ層20「の下に」配置される。
ガラス層42、
ZnO:Al(層44)、
p+a−SiC:H(層32)、
i−a−Si:H(層34)、および
n+a−SiC:H(層36)
から構成される。
単独の層42、44、32、34および36の層配置は、やはり従来技術のデバイスと類似している。すなわち、Siを主成分とする層をガラス42上に堆積させ、透明な導電性酸化物(ここではZnO:Al)の層で被覆する。しかし、帯域阻止フィルタ層20が一番上に配置され、このフィルタが上で論じたような所望の特性を有する。
活性層への光路上に配置されたフィルタ層(またはカバー層)20(図11では、光は底部から来ると仮定されている)、
ガラス層42(変形形態では、層20および42が1つおよび同一の層であってもよいことに留意されたい)、
透明な導電性酸化物、またはTCO44、
a−Si:H層34、および
バック電極46
を示す。
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J.M. ButcherおよびH.N.Rutt, J.Phys.E:Sci.Instrum.16, 1026 (1983年)
10f 光起電力デバイス(マルチチップ・パッケージ)
20、21 帯域阻止フィルタ構造/フィルタ
32 pドープされた半導体層
34 アモルファス光起電力(活性)半導体材料
35 光吸収材料/追加の半導体層
36 nドープされた半導体層
42 ガラス層
44 透明な導電性酸化物(またはTCO)
46 バック電極
CB 伝導帯
CBT 伝導帯テール
EU 平均的なアーバック・エネルギ
EUC CBTアーバック・エネルギ
EUV VBTアーバック・エネルギ
hバーωM 移動度ギャップ
hバーωgap 光学ギャップ
VB 価電子帯
VBT 価電子帯テール
ωmin 阻止帯域の下限角周波数
ωmax 阻止帯域の上限角周波数
[ωmin、ωmax] 阻止帯域
Claims (15)
- アモルファス光起電力材料(34)と、
下限角周波数ωmin≧0から上限角周波数ωmaxに広がる所与の阻止帯域を有する帯域阻止フィルタ構造(20)であって、ωmax>ωminであり、前記フィルタ構造が、デバイス内で前記光起電力材料に対して配置され、ωmin<ω*<ωmaxとなる前記阻止帯域内の角周波数ω*を有する、前記光起電力材料に達する電磁放射を減衰させ、ωminおよびωmaxが、前記角周波数ω*が前記アモルファス光起電力材料の価電子帯テール(VBT)の状態から前記アモルファス光起電力材料の伝導帯テール(CBT)の状態への電子励起
を備える光起電力デバイス(10a〜e)。 - 前記アモルファス光起電力材料(34)が水素化アモルファス・シリコンを含む、請求項1ないし6のいずれか一項に記載の光起電力デバイス(10a〜e)。
- 前記アモルファス光起電力材料が
ゲルマニウムがドープされた、またはゲルマニウムおよび炭素がドープされた水素化アモルファス・シリコン、
テルル化カドミウム(CdTe)、
銅インジウム・ジセレニド(CIS)、
無機アモルファス材料、または
有機光起電力材料
を含む、請求項1ないし6のいずれか一項に記載の光起電力デバイス(10a〜e)。 - 前記デバイスが層状構造を有し、前記層状構造の1つまたは複数の層が前記帯域阻止構造を形成する、請求項1ないし9のいずれか一項に記載の光起電力デバイス(10a〜e)。
- 前記層状構造が異なる材料、a−Si:Hおよびa−SiGe:Hの2つ以上の隣接した層のパターンを含み、前記パターンが前記層状構造に沿って繰り返される、請求項10に記載の光起電力デバイス(10c〜e)。
- 前記隣接した層の一方が前記阻止帯域内の放射周波数を吸収するように設計され、前記隣接した層のもう一方または隣接した層の両方が、前記アモルファス光起電力半導体材料を含む、請求項11に記載の光起電力デバイス(10d)。
- 前記層状構造がブラッグ反射器を形成し、前記ブラッグ反射器が前記阻止帯域内の周波数を有する放射を反射するように構成される、あるいは全方向性反射器として構成される、請求項10ないし12のいずれか一項に記載の光起電力デバイス(10e)。
- 前記帯域阻止構造が前記層状構造の層に隣接する帯域阻止フィルタ層(20)である、請求項10ないし12のいずれか一項に記載の光起電力デバイス(10a〜c)。
- 前記光起電力デバイスを放射に露出させ、前記光吸収材料に達する、および前記阻止帯域内の周波数を有する放射をフィルタ除去するステップと、
前記光起電力デバイスによって電力を生成するステップと
を含む、請求項1ないし13のいずれか一項に記載の光起電力デバイスを動作させる方法。
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