JP6355608B2 - 統合されたスタック状の４接合太陽電池 - Google Patents

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Description

本発明は、統合されたスタック状の多接合太陽電池に関する。
太陽電池（ソーラーセル）により太陽光を電気エネルギに変換する可及的高い効率を達成するために、数年来、様々な半導体材料からなる多接合太陽電池の研究が重ねられてきた（下記非特許文献１）。多接合太陽電池は、入射光を、重ね合わせに積層された、異なるバンドギャップエネルギを有する部分太陽電池（サブソーラーセル）に分割する。最高効率を達成するために、半導体材料と、半導体材料のバンドギャップエネルギとは、互いに整合されねばならない。その結果、好ましくは、電気的に直列に接続された部分太陽電池の各々は、できる限り等しい電流を発生させる。さらに、宇宙での使用のためには、高い効率の他に、高エネルギの電子及び／又は陽子（例えば太陽フレア）に対して高い放射線安定性も所望されている。
スタックの個々のサブセルの半導体材料が、同じ格子定数を有している限り、サブセルは、エピタキシ法により製造される。下記非特許文献２から、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＮＡｓ及びＧｅからなる格子整合型４接合太陽電池が公知である。特にＩｎＧａＮＡｓサブセルの結晶品質上の理由から、不十分な効率が達成されるにすぎない。
サブセルが異なる格子定数を有している場合、第１の態様では、２つのサブセル間にメタモルフィックバッファ層（ｍｅｔａｍｏｒｐｈｅ Ｐｕｆｆｅｒｓｃｈｉｃｈｔ）が挿入される。下記非特許文献３から、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、メタモルフィックバッファ及びＧｅからなるサブセルの順序が公知である。さらに下記非特許文献４から、ＩｎＧａＰ、第１のメタモルフィックバッファを有するＧａＡｓ、第２のメタモルフィックバッファを有する第１のＩｎＧａＡｓサブセル及び第２のＩｎＧａＡｓサブセルからなるサブセルの別の順序が公知である。
異なる格子定数を有する材料を組み合わせる別の態様は、ウエハボンディング法の使用である。この場合、異なる格子定数を有するサブセルが接合される。下記非特許文献５、下記非特許文献６及び下記非特許文献７から、４つのサブセルを有するボンディングされた太陽電池スタックが公知である。さらに下記非特許文献８から、２つのボンディングされた太陽電池部分を有する５接合太陽電池スタックが公知である。
Ｗ．Ｇｕｔｅｒ，Ｏｐｔｉｍｉｅｒｕｎｇ ｖｏｎ ＩＩＩ−Ｖ ｂａｓｉｅｒｔｅｎ Ｈｏｃｈｌｅｉｓｔｕｎｇｓｓｏｌａｒｚｅｌｌｅｎ，Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｕｎｉ Ｋｏｎｓｔａｎｚ，Ｆａｋｕｌｔａｅｔ ｆｕｅｒ Ｐｈｙｓｉｋ，２０１１ Ｍｅｕｓｅｌ ｅｔ ａｌ．，ＩＩＩ−Ｖ ＭＵＬＴＩＪＵＮＣＴＩＯＮ ＳＯＬＡＲ ＣＥＬＬＳ−ＦＲＯＭ ＣＵＲＲＥＮＴ ＳＰＡＣＥ ＡＮＤ ＴＥＲＲＥＳＴＲＩＡＬ ＰＲＯＤＵＣＴＳ ＴＯ ＭＯＤＥＲＮ ＣＥＬＬ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥＳ，５ｔｈ ＷＣＰＥＣ，２０１０，Ｖａｌｅｎｃｉａ，１ＡＰ．１．５ Ｇｕｔｅｒ ｅｔ ａｌ．，ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ，ＱＵＡＬＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＯＦ ＳＰＡＣＥ ＳＯＬＡＲ ＣＥＬＬＳ ＷＩＴＨ ３０％ ＥＯＬ ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ，Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｓｐａｃｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１４，Ｎｏｏｒｄｗｉｊｋｅｒｈｏｕｔ，Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ Ｃｏｒｎｆｅｌｄ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｆｏｕｒ ｓｕｂ−ｃｅｌｌ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｍｕｌｔｉ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ（ＩＭＭ） ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ＡＭ０ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ，３５ｔｈ ＩＥＥＥ ＰＶＳＣ，２０１０，Ｈｏｎｏｌｕｌｕ，ＵＳＡ Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ Ｕｗｅ Ｓｅｉｄｅｌ，Ｇｒｅｎｚｆｌａｅｃｈｅｎｕｎｔｅｒｓｕｃｈｕｎｇｅｎ ａｍ Ｔｕｎｎｅｌｋｏｎｔａｋｔ ｅｉｎｅｒ ＭＯＣＶＤ−ｐｒａｅｐａｒｉｅｒｔｅｎ Ｔａｎｄｅｍｓｏｌａｒｚｅｌｌｅ，ＨＵ Ｂｅｒｌｉｎ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｓｃｈ−Ｎａｔｕｒｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｌｉｃｈｅｎ Ｆａｋｕｌｔａｅｔ Ｉ，０９．０１．２００７ Ｊ．Ｂｏｉｓｖｅｒｔ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｓｐａｃｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ａｔ ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ，ｉｎ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＰＶＳＣ），２０１０，３５ｔｈ ＩＥＥＥ，２０−２５ Ｊｕｎｅ ２０１０，Ｈｏｎｏｌｕｌｕ，ＩＳＳＮ：０１６０−８３７１ Ｒ．Ｋｒａｕｓｅ ｅｔ ａｌ．，Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄｅｄ ４−Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／／ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓ，ＡＩＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ １６１６，４５（２０１４）；ｄｏｉ：１０．１０６３／１．４８９７０２５ Ｐ．Ｔ．Ｃｈｉｕ ｅｔ ａｌ．，Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｂｏｎｄｅｄ ５Ｊ Ｃｅｌｌ Ｆｏｒ Ｓｐａｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ４（１），ｐｐ．４９３，２０１４
これを背景として本発明の課題は、従来技術を発展させる装置を提供することである。
上記課題は、請求項１に記載の特徴を有する、統合されたスタック状の多接合太陽電池により解決される。本発明の好ましい態様は、従属請求項に係る発明である。
本発明によれば、統合されたスタック状の多接合太陽電池であって、第１の格子定数と第１のバンドギャップエネルギとを有するＩｎＧａＰ化合物からなる層を有し、層の厚さは１００ｎｍより大きく、層はエミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている第１のサブセルと、第２の格子定数と第２のバンドギャップエネルギとを有するＩｎｍＰｎ化合物からなる層を有し、層の厚さは１００ｎｍより大きく、層はエミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている第２のサブセルと、第３の格子定数と第３のバンドギャップエネルギとを有するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙ化合物からなる層を有し、層の厚さは１００ｎｍより大きく、層はエミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている第３のサブセルと、第４の格子定数と第４のバンドギャップエネルギとを有するＩｎＧａＡｓ化合物からなる層を有し、層の厚さは１００ｎｍより大きく、層はエミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている第４のサブセルと、を備え、バンドギャップエネルギに関して、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞Ｅｇ３＞Ｅｇ４が成立し、２つのサブセル間にウエハボンドを有する領域が形成されており、この領域は、最大２００ｎｍの厚さを有し、格子定数は、この領域において少なくとも０．０１ｎｍの飛躍的変化（Ｓｐｒｕｎｇ）をし、かつ／又は結晶配向は、この領域において変化し、かつ／又は無定形の中間層がこの領域に形成されており、かつ第３のサブセルの層と第４のサブセルの層とは、互いに格子整合されており、かつ／又は格子定数に関して、ａ３＝ａ４±Δ１が成立し、ここでΔ１≦０．００３ｎｍであり、かつ第２のサブセルの層の化学量論に関して、１＞ｍ＞０．９及び１＞ｎ＞０．８が成立し、第３のサブセルの層の化学量論に関して、１＞ｘ＞０．２及び１＞ｙ＞０．１が成立する、統合されたスタック状の多接合太陽電池が提供される。
明りょう性の理由から附言しておくと、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞Ｅｇ３＞Ｅｇ４の関係は、第１のサブセルが第２のサブセルより大きなバンドギャップエネルギを有し、第２のサブセルが第３のサブセルより大きなバンドギャップエネルギを有し、第３のサブセルが第４のサブセルより大きなバンドギャップエネルギを有することを意味する。
最大のバンドギャップエネルギを有するサブセルが、統合されたスタック状の多接合太陽電池の上側に配置されていること、すなわち太陽光が、第１のサブセルの表面に入射することは、自明である。第１のサブセルの通過後、吸収されなかった光は、第２のサブセルに衝突し、最終的に第４の最も下側のサブセルまで、光の長波領域が吸収される。統合されたスタック状の多接合太陽電池のために担体基板が存在する場合、担体基板は、常に最も下側のサブセルに結合されている。附言すると、ウエハボンドを有する領域を除いて、サブセルは、ウエハボンドの下及びウエハボンドの上においてそれぞれモノリシックに統合されている。さらに附言すると、以下において、「太陽電池スタック」なる概念は、「統合されたスタック状の多接合太陽電池」なる称呼と同義と解され、「ウエハボンド」なる概念は、２つの半導体板の接合と解される。
１つの利点は、本発明に係る太陽電池スタックが、高い効率を有し、かつ放射線耐性のある多数のサブセルを有していることである。この場合、ＩｎＰ化合物を有する２以上のサブセルが使用される。特に、放射線に対して特に安定な材料、例えばＡｌＩｎＧａＰ及びＩｎＰ並びにＩｎＧａＡｓＰが使用される。特に、ＩｎＰでは、既に３００Ｋ未満の温度で、放射線損傷の回復が起こる一方、ＧａＡｓをベースとするサブセルでは、６００°Ｋを上回る温度で初めて回復が始まることが、実験から判っている。換言すると、放射線耐性であると同時に、互いに調整されたバンドギャップを有するサブセルの接合により、高い効率を有する太陽電池スタックが製造される。この太陽電池スタックは、特別な放射線耐性に基づいて好ましくは宇宙での使用にも好適である。
一態様において、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉ及び／又は金属からなる化合物から基板が形成されている。好ましくは、基板は、両太陽電池部分の製造時に担体として使用される。本態様において、互いに異なる格子定数を有する２つの基板が使用される。一態様において、基板の各々には、エピタキシ法により単数又は複数のサブセルが製造される。サブセルのボンディング後、少なくとも第１のサブセル上の基板は、剥離される。
一態様において、第４のサブセルの層の厚さは、２．２μｍ未満であり、かつ／又は半導体ミラーが第４のサブセルの下に形成されている。層の厚さが薄ければ薄い程、サブセルの放射線安定性は大きい。さらに第４のサブセルの下には、サブセルの層厚さを減じるために、半導体ミラーが配置されてもよい。第４のサブセルの下への半導体ミラーの組み付けにより、所定の波長領域が、反射により、その上に位置するサブセルの吸収領域に反射されることは、自明である。これにより、吸収領域を通る光路は、１次近似的に倍増される。択一的な態様において、第４のサブセルの下に光学背面ミラー（ＯＰＴ）が設けられており、背面ミラーは、金属化合物又は金属化合物と誘電性の層とからなる組み合わせを有する。これにより、光が広帯域に再びセル内に反射されて戻されることが、簡単に達成される。
以下において、背面ミラー及び光学ミラーなる概念は、同義に使用する。波長領域への半導体ミラーの正確な調節は、光学ミラーによって省略される。さらに光学ミラーは、安価かつ簡単に製造可能であり、半導体ミラーより大幅に高い反射率、すなわち略１００％の反射率を有している。さらに、多接合太陽電池により利用されない赤外光の反射により、宇宙での太陽電池の動作温度が明らかに下げられ、これにより、多接合太陽電池の効率はさらに高められる。
好ましい態様において、半導体ミラーは、第３のサブセルと第４のサブセルとの間に形成されている。半導体ミラーは、好ましくは、第３のサブセルで吸収可能な光の波長領域を反射する。半導体ミラーにより、第３のサブセルを通る光の光路は、延長される。同時に、好ましくは第４のサブセルにおける吸収のための長波の光は、透過される。
特に好ましい態様において、第３のサブセルと第４のサブセルとの間の半導体ミラーに対して付加的に、光学ミラーが第４のサブセルの下に形成されている。
別の態様において、飛躍的変化が形成されている領域は、最大１００ｎｍの厚さを有し、かつ／又は格子定数は、少なくとも０．０１５ｎｍの飛躍的変化をする。「領域」なる称呼は、ウエハボンドの界面を含む範囲を指し、界面範囲の延在長さ又は厚さは、大抵の場合、数ｎｍにすぎないことは、自明である。好ましい態様において、ウエハボンド、これにより格子定数の飛躍的変化は、第１のサブセルと第２のサブセルとの間に形成されている。
好ましい態様において、第３のサブセルの層と、第４のサブセルの層とは、互いに格子整合されており、かつ／又は格子定数に関してａ３＝ａ４±Δ２が成立し、ここでΔ２≦０．００１５ｎｍである。
一態様において、第２のサブセルの層の化学量論に関して、ｍ＞０．９５及びｎ＞０．９が成立し、かつ／又は第３のサブセルの層の化学量論に関して、ｘ＞０．６５及びｙ＞０．３が成立する。換言すれば、両サブセルは、Ｖ族の元素に関して９０％より大きな極めて高いリン含有量を有する層及びＶ族の元素に関して３０％より大きな少なくとも高いリン含有量を有する層を有している。
一態様において、第４のサブセルの層は、ＩｎＧａＡｓＰ化合物からなり、リン含有量は、Ｖ族の元素に関して５％より大きいかつ／又は３０％より小さい。
別の態様において、第１のサブセルとウエハボンドとの間に、第５のサブセルが形成されており、第５のサブセルは、第５の格子定数と第５のバンドギャップエネルギとを有する層を有し、層の厚さは、１００ｎｍより大きく、層はエミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されており、バンドギャップエネルギに関して、Ｅｇ１＞Ｅｇ５＞Ｅｇ２が成立し、格子定数に関して、ａ５＝ａ１±Δ３が成立し、ここでΔ３≦０．０１である。これにより、第５のサブセルは、その上に位置する第１のサブセルと、その下に位置する第２のサブセルとの間のバンドギャップエネルギを有している。その結果、太陽電池スタックは、５つの積層されたサブセルを有している。
別の態様において、第１のサブセルの層のバンドギャップエネルギは、１．８８ｅＶより大きく、第２のサブセルの層のバンドギャップエネルギは、１．３ｅＶ〜１．５ｅＶであり、第３のサブセルの層のバンドギャップエネルギは、０．９ｅＶ〜１．１ｅＶであり、第４のサブセルの層のバンドギャップエネルギは、０．６ｅＶ〜０．９ｅＶである。
また、第１のサブセルの層は、（Ａｌ）ＩｎＧａＰからなり、第２のサブセルの層は、ＩｎＰからなり、第３のサブセルの層は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、第４のサブセルの層は、ＩｎＧａＡｓからなると、有利である。この種の組み合わせが高い効率を有することは、実験から判っている。
別の態様において、第１のサブセルの層のバンドギャップエネルギは、２．０ｅＶより大きく、第２のサブセルの層のバンドギャップエネルギは、１．２ｅＶ〜１．４ｅＶであり、第３のサブセルの層のバンドギャップエネルギは、０．９ｅＶ〜１．１ｅＶであり、第４のサブセルの層のバンドギャップエネルギは、０．６ｅＶ〜０．９ｅＶであり、第５のサブセルの層のバンドギャップエネルギは、１．４ｅＶ〜１．７ｅＶである。
好ましい態様において、第１のサブセルの層は、ＡｌＩｎＧａＰからなり、第２のサブセルの層は、ＩｎＰからなり、第３のサブセルの層は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、第４のサブセルの層は、ＩｎＧａＡｓからなり、第５のサブセルの層は、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰからなる。択一的な態様において、第１のサブセルの層は、ＡｌＩｎＧａＰからなり、第２のサブセルの層は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、第３のサブセルの層は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、第４のサブセルの層は、ＩｎＧａＡｓからなり、第５のサブセルの層は、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰからなる。
好ましい態様において、ウエハボンドは、第１のサブセルと第２のサブセルとの間に形成されており、両サブセルの両格子定数の差に関して、ａ１＜ａ２−０．０１ｎｍが成立する。好ましくは、両格子定数間の差は、少なくとも０．０１５ｎｍ、最も好ましくは少なくとも０．０３ｎｍである。好ましくは、第２のサブセルの層と第３のサブセルの層とは、互いに格子整合されており、格子定数に関して、ａ２＝ａ３±Δ１又はａ２＝ａ３±Δ２が成立する。
好ましい態様において、第１のサブセルに素材結合（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：分子間力等の化学結合による束縛）を介してスーパーストレート（Ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔ）が結合されており、スーパーストレートは、カバーガラスを有する。「スーパーストレート」なる概念は、本明細書では、太陽電池スタックの上面の担体と解される。一態様において、多接合太陽電池の下の担体基板は、少なくとも部分的に又は完全に不要である。１つの利点は、これにより宇宙での使用のために極めて軽量の太陽電池が製造されることにある。
以下に、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。図中、同種の部分には、同一の符号を付した。図示の実施の形態は、著しく概略化したものであり、すなわち間隔や、縦横の延在長さは、正確な縮尺で表したものでなく、特に断りのない限り、図面から導き出し得る相互の幾何学的な関係も有しない。
４接合太陽電池を有する第１の実施の形態を示す図である。 図１に示した第１の実施の形態の詳細図である。 光学ミラーを備える４接合太陽電池を有する第２の実施の形態を示す図である。 ５接合太陽電池を有する第３の実施の形態を示す図である。 図４に示した第３の実施の形態の詳細図である。 図４に示した第３の実施の形態の別の詳細図である。
図１は、統合されたスタック状の多接合太陽電池１０の第１の実施の形態を示している。隣に示したグラフＤ１は、多接合太陽電池１０のスタックに沿った格子定数ａ及びバンドギャップＥｇの推移を示している。
多接合太陽電池１０は、第１のサブセルＳＣ１を有している。第１のサブセルＳＣ１は、第１の格子定数ａ１と第１のバンドギャップエネルギＥｇ１とを有する層Ｓ１を有している。さらに多接合太陽電池１０は、第２のサブセルＳＣ２を有し、第２のサブセルＳＣ２は、第２の格子定数ａ２と第２のバンドギャップエネルギＥｇ２とを有する層Ｓ２を有している。さらに多接合太陽電池１０は、第３の格子定数ａ３と第３のバンドギャップエネルギＥｇ３とを有する層Ｓ３を有する第３のサブセルＳＣ３を有している。さらに多接合太陽電池１０は、第４のサブセルＳＣ４を有し、第４のサブセルＳＣ４は、第４の格子定数ａ４と第４のバンドギャップエネルギＥｇ４とを有する層Ｓ４を有している。グラフＤ１に示すように、それぞれの層Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４と対応するサブセルＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４との間では、バンドギャップエネルギＥｇに関して差異が形成されておらず、かつ格子定数ａに関して差異が形成されていない。換言すれば、サブセルＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４は、両パラメータに関してそれ自体均質である。
２つの隣接するサブセルＳＣ１とＳＣ２との間、ＳＣ２とＳＣ３との間、ＳＣ３とＳＣ４との間には、それぞれ、結合領域Ｂが形成されている。結合領域Ｂ内には、それぞれ１つのトンネルダイオードと別の層とが形成されている（それぞれ図示せず）。グラフＤ１に示すように、個々のサブセルＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４のバンドギャップエネルギＥｇ１，Ｅｇ２，Ｅｇ３，Ｅｇ４、ひいては個々のサブセルＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４内の層Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４も、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞Ｅｇ３＞Ｅｇ４の関係を満たす。
グラフＤ１に示すように、第１のサブセルＳＣ１と第２のサブセルＳＣ２との間には、ウエハボンドが、格子定数ａにおける飛躍的変化を伴って形成されている。附言すると、格子定数ａにおける飛躍的変化は、少なくとも０．０１ｎｍ、好ましくは少なくとも０．０１５ｎｍ、最も好ましくは少なくとも０．０３ｎｍの大きさを有している。換言すると、第２のサブセルＳＣ２の格子定数ａ２は、第１のサブセルＳＣ１の格子定数ａ１より少なくとも０．０１ｎｍ大きい。すなわち、ａ１＜ａ２−０．０１ｎｍが成立する。好ましくは、両格子定数ａ１，ａ２間の差は、少なくとも０．０１５ｎｍ、最も好ましくは少なくとも０．０３ｎｍである。結合領域Ｂ内において、飛躍的変化が形成されている領域の厚さが、最大２００ｎｍ、好ましくは最大１００ｎｍ、最も好ましくは最大５０ｎｍの厚さを有していることは、自明である。
さらに第２のサブセルＳＣ２の層Ｓ２、第３のサブセルＳＣ３の層Ｓ３及び第４のサブセルＳＣ４の層Ｓ４は、それぞれ互いに格子整合されている。個々のサブセルＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４の層Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の格子定数ａ２，ａ３，ａ４に関して、ａ２＝ａ３±Δ１及びａ２＝ａ４±Δ１（Δ１≦０．００３ｎｍ）が成立し、好ましくは格子定数に関して、ａ２＝ａ３±Δ２及びａ２＝ａ４±Δ２（Δ２＝０．００１５ｎｍ）が成立する。
さらに第２のサブセルＳＣ２の層Ｓ２の化学量論に関して、１＞ｍ＞０．９及び１＞ｎ＞０．８が成立し、かつ第３のサブセルＳＣ３の層Ｓ３の化学量論に関して、１＞ｘ＞０．２及び１＞ｙ＞０．１が成立する。好ましくは、第２のサブセルＳＣ２の層Ｓ２の化学量論に関して、ｍ＞０．９５及びｎ＞０．９が成立し、かつ／又は第３のサブセルＳＣ３の層Ｓ３の化学量論に関して、ｘ＞０．６５及びｙ＞０．３が成立する。これにより、サブセルＳＣ２及びＳＣ３は、高いリン含有量を有している。
ウエハボンドの別の図示しない特徴は、結晶配向がウエハボンドの領域で変化することである。また、一般に無定形の中間層（図示せず）が、この領域に形成されている。
さらに第１のサブセルＳＣ１の層Ｓ１の厚さは、１００ｎｍより大きい。層Ｓ１は、エミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている。好ましくは、第１のサブセルＳＣ１は、ＩｎＧａＰ化合物を有している。
さらに第２のサブセルＳＣ２の層Ｓ２の厚さは、１００ｎｍより大きい。層Ｓ２は、エミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている。好ましくは、第２のサブセルＳＣ２は、ＩｎｍＰｎ化合物を有している。
第３のサブセルＳＣ３の層Ｓ３の厚さも、１００ｎｍより大きい。層Ｓ３は、エミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている。好ましくは、第３のサブセルＳＣ３は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙ化合物を有している。
さらに第４のサブセルＳＣ４の層Ｓ４の厚さも、１００ｎｍより大きい。層Ｓ４は、エミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている。好ましくは、第４のサブセルＳＣ４は、ＩｎＧａＡｓ化合物を有している。
図２は、図１に示した第１の実施の形態の詳細図を開示している。次に、図１との関連でした説明との相違点についてのみ説明する。
第１のサブセルＳＣ１の層Ｓ１は、０．５６ｎｍの格子定数ａ１を有し、１．９ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ１を有する（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる化合物を有している。さらに第２のサブセルＳＣ２の層Ｓ２は、０．５９ｎｍの格子定数ａ２を有し、１．３５ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ２を有するＩｎＰからなる化合物を有している。さらに第３のサブセルＳＣ３の層Ｓ３は、０．５９ｎｍの格子定数ａ３を有し、１．０ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ３を有するＩｎＧａＡｓＰからなる化合物を有している。最後に第４のサブセルＳＣ４の層Ｓ４は、０．５９ｎｍの格子定数ａ４を有し、０．７ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ４を有するＩｎＧａＡｓからなる化合物を有している。
図３は、４接合太陽電池を有する第２の実施の形態を示している。次に、前述の実施の形態との相違点についてのみ説明する。
グラフＤ２は、サブセルＳＣ１〜ＳＣ４に関する格子定数ａ及びバンドギャップエネルギＥｇの推移を示している。
第１のサブセルＳＣ１〜第４のサブセルＳＣ４の層Ｓ１〜Ｓ４は、それぞれのサブセルＳＣ１〜ＳＣ４と融合されている。第４のサブセルＳＣ４の下には、光学ミラーあるいは背面ミラーＯＰＴが形成されている。
第１のサブセルＳＣ１は、（Ａｌ）ＩｎＧａＰ化合物を有する５００ｎｍ〜２８００ｎｍの総厚さを有している。好ましくは、第１のサブセルＳＣ１のエミッタ、空間電荷領域及びベースは、完全に（Ａｌ）ＩｎＧａＰ化合物からなる。総厚さは、１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する第１のｎ型ドーピング領域と、４００ｎｍ〜２５００ｎｍの厚さを有するｐ型ドーピング領域とに分けられる。ｎ型ドーピング領域は、Ｓｉドーピングを有し、ｐ型ドーピング領域は、Ｚｎドーピングを有している。
第２のサブセルＳＣ２は、１５０ｎｍ〜２８００ｎｍの総厚さを有し、ＩｎＰ化合物を有している。好ましくは、第２のサブセルＳＣ２のエミッタ、空間電荷領域及びベースは、完全にＩｎＰ化合物からなる。総厚さは、５０ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する第１のｎ型ドーピング領域と、１００ｎｍ〜２５００ｎｍの厚さを有するｐ型ドーピング領域とに分けられる。ｎ型ドーピング領域は、Ｓｉドーピングを有し、ｐ型ドーピング領域は、Ｚｎドーピングを有している。
第３のサブセルＳＣ３は、１１００ｎｍ〜２８００ｎｍの総厚さを有し、ＩｎＧａＡｓＰ化合物を有している。好ましくは、第３のサブセルＳＣ３のエミッタ、空間電荷領域及びベースは、完全にＩｎＧａＡｓＰ化合物からなる。総厚さは、１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する第１のｎ型ドーピング領域と、１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの厚さを有するｐ型ドーピング領域とに分けられる。ｎ型ドーピング領域は、Ｓｉドーピングを有し、ｐ型ドーピング領域は、Ｚｎドーピングを有している。
第４のサブセルＳＣ４は、１１００ｎｍ〜２８００ｎｍの総厚さを有し、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）化合物を有している。好ましくは、第４のサブセルＳＣ４のエミッタ、空間電荷領域及びベースは、完全にＩｎＧａＡｓ（Ｐ）化合物からなる。総厚さは、１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する第１のｎ型ドーピング領域と、１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの厚さを有するｐ型ドーピング領域とに分けられる。ｎ型ドーピング領域は、Ｓｉドーピングを有し、ｐ型ドーピング領域は、Ｚｎドーピングを有している。
図４は、５接合太陽電池を有する第３の実施の形態を示している。次に、前述の実施の形態との相違点についてのみ説明する。
第１のサブセルＳＣ１と第２のサブセルＳＣ２との間に、第５のサブセルＳＣ５が形成されており、第５のサブセルＳＣ５は、第５の格子定数ａ５と第５のバンドギャップエネルギＥｇ５とを有する層Ｓ５を有している。第５のサブセルＳＣ５の層Ｓ５の厚さは、１００ｎｍより大きい。層Ｓ５は、エミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている。
グラフＤ３は、サブセルＳＣ１〜ＳＣ５に関する格子定数ａ及びバンドギャップエネルギＥｇの推移を示している。それゆえ、本実施の形態では、ウエハボンドが、第５のサブセルＳＣ５と第２のサブセルＳＣ２との間に形成されている。さらに第１のサブセルＳＣ１と第５のサブセルＳＣ５とが、互いに格子整合されて形成されており、同じ格子定数ａを有している。さらに第２のサブセルＳＣ２〜第４のサブセルＳＣ４も、それぞれ互いに格子整合されて形成されており、同じ格子定数ａを有している。第５のサブセルＳＣ５の層Ｓ５のバンドギャップエネルギＥｇ５は、第２のサブセルＳＣ２の層Ｓ２のバンドギャップエネルギＥｇ２より大きく、第１のサブセルＳＣ１の層Ｓ１のバンドギャップエネルギＥｇ１より小さい。
図５は、図４との関連で説明した５接合太陽電池を有する第３の実施の形態の詳細図である。次に、前述の実施の形態との相違点についてのみ説明する。
第１のサブセルＳＣ１の層Ｓ１は、０．５６ｎｍの格子定数ａ１を有し、２．２ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ１を有するＡｌＩｎＧａＰからなる化合物を有している。さらに第５のサブセルＳＣ５の層Ｓ５は、０．５６ｎｍの格子定数ａ５を有し、１．６ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ５を有するＡｌＧａＡｓからなる化合物を有している。さらに第２のサブセルＳＣ２の層Ｓ２は、０．５９ｎｍの格子定数ａ２を有し、１．３５ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ２を有するＩｎＰからなる化合物を有している。さらに第３のサブセルＳＣ３の層Ｓ３は、０．５９ｎｍの格子定数ａ３を有し、１．０５ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ３を有するＩｎＧａＡｓＰからなる化合物を有している。最後に第４のサブセルＳＣ４の層Ｓ４は、０．５９ｎｍの格子定数ａ４を有し、０．７４ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ４を有するＩｎＧａＡｓからなる化合物を有している。
図６は、図４との関連で説明した５接合太陽電池を有する第３の実施の形態の別の詳細図である。次に、前述の実施の形態との相違点についてのみ説明する。
第１のサブセルＳＣ１の層Ｓ１は、０．５６ｎｍの格子定数ａ１を有し、２．１６ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ１を有するＡｌＩｎＧａＰからなる化合物を有している。さらに第５のサブセルＳＣ５の層Ｓ５は、０．５６ｎｍの格子定数ａ５を有し、１．５３ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ５を有するＡｌＧａＡｓからなる化合物を有している。さらに第２のサブセルＳＣ２の層Ｓ２は、０．５９ｎｍの格子定数ａ２を有し、１．２６ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ２を有するＩｎＧａＡｓＰからなる化合物を有している。さらに第３のサブセルＳＣ３の層Ｓ３は、０．５９ｎｍの格子定数ａ３を有し、０．９８ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ３を有するＩｎＧａＡｓＰからなる化合物を有している。最後に第４のサブセルＳＣ４の層Ｓ４は、０．５９ｎｍの格子定数ａ４を有し、０．７４ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇ４を有するＩｎＧａＡｓからなる化合物を有している。
１０ 多接合太陽電池、 ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５ 格子定数、 Ｂ 結合領域、 Ｅｇ１，Ｅｇ２，Ｅｇ３，Ｅｇ４，Ｅｇ５ バンドギャップエネルギ、 ＯＰＴ 光学ミラーあるいは背面ミラー、 Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５ 層、 ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４，ＳＣ５ サブセル

Claims (22)

  1. 第１の格子定数（ａ１）と第１のバンドギャップエネルギ（Ｅｇ１）とを有するＩｎＧａＰ化合物からなる層（Ｓ１）を有し、該層（Ｓ１）の厚さは１００ｎｍより大きく、該層（Ｓ１）はエミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている第１のサブセル（ＳＣ１）と、
    第２の格子定数（ａ２）と第２のバンドギャップエネルギ（Ｅｇ２）とを有するＩｎｍＰｎ化合物からなる層（Ｓ２）を有し、該層（Ｓ２）の厚さは１００ｎｍより大きく、該層（Ｓ２）はエミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている第２のサブセル（ＳＣ２）と、
    第３の格子定数（ａ３）と第３のバンドギャップエネルギ（Ｅｇ３）とを有するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙ化合物からなる層（Ｓ３）を有し、該層（Ｓ３）の厚さは１００ｎｍより大きく、該層（Ｓ３）はエミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている第３のサブセル（ＳＣ３）と、
    第４の格子定数（ａ４）と第４のバンドギャップエネルギ（Ｅｇ４）とを有するＩｎＧａＡｓ化合物からなる層（Ｓ４）を有し、該層（Ｓ４）の厚さは１００ｎｍより大きく、該層（Ｓ４）はエミッタの一部としてかつ／又はベースの一部としてかつ／又はエミッタとベースとの間に位置する空間電荷領域の一部として形成されている第４のサブセル（ＳＣ４）と、
    を備える、統合されたスタック状の４接合太陽電池であって、
    バンドギャップエネルギに関して、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞Ｅｇ３＞Ｅｇ４が成立し、
    ２つのサブセル（ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４）間にウエハボンドを有する領域が形成されており、
    該領域は、最大２００ｎｍの厚さを有し、
    格子定数は、該領域において少なくとも０．０１ｎｍの飛躍的変化をし、
    結晶配向は、該領域において変化し、
    無定形の中間層が該領域に形成されており、
    かつ前記第３のサブセル（ＳＣ３）の層（Ｓ３）と前記第４のサブセル（ＳＣ４）の層（Ｓ４）とは、互いに格子整合されており、かつ／又はａ３＝ａ４±Δ１、ここでΔ１≦０．００３ｎｍであり、
    かつ前記第２のサブセル（ＳＣ２）の層（Ｓ２）の化学量論に関して、１＞ｍ＞０．９及び１＞ｎ＞０．８が成立し、前記第３のサブセル（ＳＣ３）の層（Ｓ３）の化学量論に関して、１＞ｘ＞０．２及び１＞ｙ＞０．１が成立し、
    かつ前記第１のサブセル（ＳＣ１）の層（Ｓ１）は、０．５６ｎｍの格子定数（ａ１）を有し、１．９ｅＶのバンドギャップエネルギ（Ｅｇ１）を有する（Ａｌ）ＩｎＧａＰからなる化合物を有する、
    ことを特徴とする、統合されたスタック状の４接合太陽電池。
  2. ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉ又は金属からなる化合物から基板が形成されている、請求項１記載の４接合太陽電池。
  3. 前記第４のサブセル（ＳＣ４）の層（Ｓ４）の厚さは、２．２μｍ未満である、請求項１又は２記載の４接合太陽電池。
  4. 半導体ミラー（ＤＢＲ）が形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  5. 光学背面ミラー（ＯＰＴ）を備え、該光学背面ミラー（ＯＰＴ）は、金属化合物又は金属化合物と誘電性の層とからなる組み合わせを有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  6. 前記飛躍的変化が形成されている領域は、最大１００ｎｍの厚さを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  7. 前記格子定数は、前記領域において少なくとも０．０１５ｎｍの飛躍的変化をする、請求項１から６までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  8. 前記第３のサブセル（ＳＣ３）の層（Ｓ３）と、前記第４のサブセル（ＳＣ４）の層（Ｓ４）とは、互いに格子整合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  9. 前記格子定数に関してａ３＝ａ４±Δ２が成立し、ここでΔ２≦０．００１５ｎｍである、請求項１から８までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  10. 前記第２のサブセル（ＳＣ２）の層（Ｓ２）の化学量論は、ｍ＞０．９５及びｎ＞０．９が成立する、請求項１から９までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  11. 前記第３のサブセル（ＳＣ３）の層（Ｓ３）の化学量論に関して、ｘ＞０．６５及びｙ＞０．３が成立する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  12. 前記第４のサブセル（ＳＣ４）の層（Ｓ４）は、ＩｎＧａＡｓＰ化合物からなり、リン含有量は、Ｖ族の元素に関して５％より大きいかつ／又は３０％より小さい、請求項１から１１までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  13. 前記第２のサブセル（ＳＣ２）の層（Ｓ２）のバンドギャップエネルギ（Ｅｇ２）は、１．３ｅＶ〜１．５ｅＶであり、前記第３のサブセル（ＳＣ３）の層（Ｓ３）のバンドギャップエネルギ（Ｅｇ３）は、０．９ｅＶ〜１．１ｅＶであり、前記第４のサブセル（ＳＣ４）の層（Ｓ４）のバンドギャップエネルギ（Ｅｇ４）は、０．６ｅＶ〜０．９ｅＶである、請求項１から１２までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  14. 前記第１のサブセル（ＳＣ１）の層（Ｓ１）は、（Ａｌ）ＩｎＧａＰからなり、前記第２のサブセル（ＳＣ２）の層（Ｓ２）は、ＩｎＰからなり、前記第３のサブセル（ＳＣ３）の層（Ｓ３）は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、前記第４のサブセル（ＳＣ４）の層（Ｓ４）は、ＩｎＧａＡｓからなる、請求項１から１３までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  15. 前記ウエハボンドは、前記第１のサブセル（ＳＣ１）と前記第２のサブセル（ＳＣ２）との間に形成されており、前記第２のサブセル（ＳＣ２）の層（Ｓ２）と前記第３のサブセル（ＳＣ３）の層（Ｓ３）とは、互いに格子整合されており、ａ２＝ａ３±Δ１又はａ２＝ａ３±Δ２が成立する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  16. 前記第１のサブセル（ＳＣ１）に素材結合を介してスーパーストレートが結合されており、該スーパーストレートは、カバーガラスを有する、請求項１から１５までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  17. 前記第３のサブセルと前記第４のサブセルとの間に半導体ミラーが形成されており、かつ／又は前記第４のサブセルの下に光学ミラー（ＯＰＴ）が形成されている、請求項３から１６までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  18. 前記第１のサブセル（ＳＣ１）は、５００ｎｍ〜２８００ｎｍの総厚さを有する、請求項１から１７までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  19. 前記第１のサブセル（ＳＣ１）において、前記第１のサブセル（ＳＣ１）の前記エミッタ、前記空間電荷領域及び前記ベースは、完全に（Ａｌ）ＩｎＧａＰ化合物からなり、前記総厚さは、１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する第１のｎ型ドーピング領域と、４００ｎｍ〜２５００ｎｍの厚さを有するｐ型ドーピング領域とに分けられ、前記第１のｎ型ドーピング領域は、Ｓｉドーピングを有し、前記ｐ型ドーピング領域は、Ｚｎドーピングを有する、請求項１８記載の４接合太陽電池。
  20. 前記第２のサブセル（ＳＣ２）は、１５０ｎｍ〜２８００ｎｍの総厚さを有し、前記第２のサブセル（ＳＣ２）の前記エミッタ、前記空間電荷領域及び前記ベースは、完全にＩｎＰ化合物からなり、ｎ型ドーピング領域は、Ｓｉドーピングを有し、ｐ型ドーピング領域は、Ｚｎドーピングを有する、請求項１から１９までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  21. 前記第３のサブセル（ＳＣ３）は、１１００ｎｍ〜２８００ｎｍの総厚さを有し、前記第２のサブセル（ＳＣ２）の前記エミッタ、前記空間電荷領域及び前記ベースは、完全にＩｎＧａＡｓＰ化合物からなり、ｎ型ドーピング領域は、Ｓｉドーピングを有し、ｐ型ドーピング領域は、Ｚｎドーピングを有する、請求項１から２０までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
  22. 前記第４のサブセル（ＳＣ４）は、１１００ｎｍ〜２８００ｎｍの総厚さを有し、前記第２のサブセル（ＳＣ２）のエミッタ、前記空間電荷領域及び前記ベースは、完全にＩｎＧａＡｓ（Ｐ）化合物からなり、ｎ型ドーピング領域は、Ｓｉドーピングを有し、ｐ型ドーピング領域は、Ｚｎドーピングを有する、請求項１から２１までのいずれか１項記載の４接合太陽電池。
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