JP6567539B2 - 光起電力セル、回路、及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、「HIGH BAND GAP SOLAR CELLS WITHOUT SEMICONDUCTOR JUNCTIONS」と題する、2013年11月4日に出願された米国仮特許出願第61/899,400号の出願日の利益を主張するものであり、この仮特許出願は、その開示内容を引用することにより、本明細書の一部をなすものとする。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項1:
(a)前面と、背面と、該面間の厚さ方向とを有する半導体素子であって、全体的にn型半導体から構成されるか、又は全体的にp型半導体から構成される半導体素子と、
(b)前記面のうちの第1の面の上に重なるバイアスエージェントであって、前記半導体素子内にバンド曲がりを生じさせ、それにより前記半導体素子内に空間電荷領域が現れ、該空間電荷領域全体にわたって前記厚さ方向に単一方向の電位の勾配が存在するようにする、バイアスエージェントと、
(c)前記厚さ方向に互いに離間された前方電極及び後方電極であって、該電極の各々は開放回路下で照射なしの状態において前記空間電荷領域内で前記半導体素子と接触状態にある、前方電極及び後方電極と、
を備える、光起電力セル。
請求項2:
前記前方電極及び前記後方電極は、開放回路状態の下で、1 Sun照射下において前記空間電荷領域内で前記半導体素子と接触状態にある、請求項1に記載の光起電力セル。
請求項3:
前記半導体素子は前記前方電極と前記後方電極との間に配置される半導体材料の層の形態である、請求項1に記載の光起電力セル。
請求項4:
前記空間電荷領域は前記層の厚さ全体にわたって延在する、請求項2に記載の光起電力セル。
請求項5:
前記半導体素子は直接半導体である、請求項1に記載の光起電力セル。
請求項6:
前記半導体素子は広バンドギャップ半導体である、請求項5に記載の光起電力セル。
請求項7:
前記半導体素子は全体的にn型半導体からなる、請求項5に記載の光起電力セル。
請求項8:
前記半導体素子は意図せずにドープされたn型半導体を含む、請求項7に記載の光起電力セル。
請求項9:
前記半導体素子はIII−V族半導体を含む、請求項7に記載の光起電力セル。
請求項10:
前記半導体素子は全体的にp型半導体からなり、前記バイアスエージェントは前記半導体素子の通常のフェルミ準位より高いフェルミ準位を有する、請求項5に記載の光起電力セル。
請求項11:
前記半導体素子はII−VI族半導体を含む、請求項1に記載の光起電力セル。
請求項12:
前記バイアスエージェントは金属である、請求項1に記載の光起電力セル。
請求項13:
電極のうちの1つは前記バイアスエージェントを含む、請求項12に記載の光起電力セル。
請求項14:
前記金属は透明である、請求項12に記載の光起電力セル。
請求項15:
前記電極のうちの少なくとも1つは前記半導体素子と接触する高濃度にドープされた半導体領域を含む、請求項1に記載の光起電力セル。
請求項16:
前記バイアスエージェントは前記面のうちの前記第1の面の第1の部分の上にのみ重なり、前記電極のうちの1つは前記面のうちの前記第1の面の第2の部分と接触状態にあるが、前記バイアスエージェントと直接導電性の接触状態にない、請求項1に記載の光起電力セル。
請求項17:
前記バイアスエージェントは透明である、請求項16に記載の光起電力セル。
請求項18:
(a)半導体素子の空間電荷領域全体にわたって単一方向の電位の勾配を勾配方向に維持するステップと、
(b)前記維持するステップの間、光を前記空間電荷領域内へと向け、それにより前記光のうちの少なくともいくらかが前記半導体によって吸収され、該吸収された光が電子を前記価電子帯から前記伝導帯へと励起するようにするステップと、
(c)前記勾配方向に互いに離間され、前記空間電荷領域内の又は該空間電荷領域の近傍の前記半導体と接触状態にある、1対の電極において電流を収集するステップと、
を含む、電気を生成する方法。
請求項19:
前記収集するステップの間、前記電極は前記空間電荷領域内において前記半導体と接触状態にある、請求項18に記載の方法。
請求項20:
前記電位の勾配を維持するステップは、バイアスエージェントと並列に前記半導体を維持することによって実行され、それにより前記バイアスエージェントは前記半導体内にバンド曲がりを生成する、請求項18に記載の方法。
請求項21:
前記半導体素子の空間電荷領域内の前記半導体は全体的にp型半導体又は全体的にn型半導体からなる、請求項18に記載の方法。
請求項22:
前記空間電荷領域内の前記半導体は全体的にn型半導体からなる、請求項21に記載の方法。
請求項23:
前記光は直接遷移プロセスにおいて前記半導体によって吸収される、請求項18〜20のいずれか一項に記載の方法。
請求項24:
(a)第1の面と、第2の面と、該面間の厚さ方向とを有する半導体素子と、
(b)前記第1の面の第1の部分のみの上に重なるバイアスエージェントであって、前記半導体素子内にバンド曲がりを生じさせる、バイアスエージェントと、
(c)前記第1の部分から分離した前記第1の面の第2の部分の上に重なるとともに該第2の部分と接触する第1の電極であって、前記バイアスエージェントと直接導電性の接触状態にない、第1の電極と、
(d)前記第1の面から離間したロケーションにおいて前記半導体素子と接触する第2の電極と、
を備える、光起電力セル。
請求項25:
前記半導体素子は前記第1の面と前記第2の電極との間に第1の領域を有し、該第1の領域は全体的にp型又は全体的にn型である、請求項24に記載の光起電力セル。
請求項26:
前記第2の電極は前記半導体素子の前記第2の面の少なくとも一部分の上に重なるとともに該少なくとも一部分と接触する、請求項25に記載の光起電力セル。
請求項27:
前記第1の電極は前記半導体素子の前記第1の面上において互いに離間された複数の電極素子を備える、請求項24に記載の光起電力セル。
請求項28:
各電極素子は前記第1の面と接触状態の導電性材料と、該導電性材料を前記バイアスエージェントから分離する誘電体材料とを備える、請求項27に記載の光起電力セル。
請求項29:
前記バイアスエージェントは透明であり、前記電極素子の各々は不透明材料を含む、請求項27に記載の光起電力セル。
請求項30:
前記第2の電極は前記半導体素子とオーム接触状態にある、請求項24に記載の光起電力セル。
請求項31:
前記第2の電極は前記半導体素子と接触状態にある高濃度にドープされた半導体層と、前記高濃度にドープされた半導体層と接触状態にある金属とを備える、請求項30に記載の光起電力セル。
請求項32:
前記バイアスエージェントは前記半導体素子の前記第1の面と接触状態にある透明金属を含む、請求項24に記載の光起電力素子。
請求項33:
前記バイアスエージェントは前記半導体素子の前記第1の面上に重なる透明な高濃度にドープされた半導体層を含む、請求項24に記載の光起電力セル。
請求項34:
前記半導体素子はn型半導体であり、前記バイアスエージェントは前記半導体素子の通常のフェルミ準位より低いフェルミ準位を有する、請求項24に記載の光起電力セル。
請求項35:
前記半導体素子はIII−V族半導体と、II−VI族半導体と、IV族半導体とからなる群から選択される、請求項34に記載の光起電力セル。
請求項36:
(a)半導体の第1の表面の第1の部分を、該半導体の通常のフェルミ準位と異なるフェルミ準位を有するバイアスエージェントと接触状態に維持する一方で、前記第1の表面の第2の部分を第1の電極と接触状態に維持するとともに前記第1の接触部を前記バイアスエージェントと直接導電性の接触をしていない状態に維持する、ステップと、
(b)ステップ(a)の間、第2の接触部を、前記第1の表面から離れたロケーションにおいて前記半導体と接触状態に維持するステップと、
(c)ステップ(a)及びステップ(b)の間、光を半導体内へと向け、それにより前記光のうちの少なくともいくらかが前記半導体によって吸収され、該吸収された光が電子を前記価電子帯から前記伝導帯へと励起するようにするステップと、
(d)前記電極において結果として生じる電流を収集するステップと、
を含む、電気を生成する方法。
請求項37:
前記電極間の負荷を通るように前記電流を向けることを更に含む、請求項36に記載の方法。
請求項38:
前記第1の接触部に整列された前記半導体の領域内への光の透過をブロックするステップを更に含む、請求項36に記載の方法。
請求項39:
前記第1の接触部は不透明であり、前記ブロックするステップは前記第1の接触部によって少なくとも部分的に実行される、請求項38に記載の方法。
請求項40:
前記半導体は直接遷移プロセスにおいて前記光を吸収する、請求項36に記載の方法。
請求項41:
前記半導体は間接遷移プロセスにおいて前記光を吸収する、請求項36に記載の方法。
Claims (19)
- 光起電力セルであって、
(a)第1の面と、第2の面と、該面間の厚さ方向とを有する半導体素子と、
(b)前記第1の面の第1の部分のみの上に重なるとともに該第1の部分のみと直接接触する透明なバイアスエージェントであって、前記バイアスエージェントは前記半導体素子の通常のフェルミ準位と異なる通常のフェルミ準位を有し、それにより前記バイアスエージェントは前記半導体素子内にバンド曲がりを生じさせる、透明なバイアスエージェントと、
(c)前記第1の部分から分離した前記第1の面の第2の部分の上に重なるとともに該第2の部分と直接接触する第1の電極であって、前記バイアスエージェントと直接導電性の接触状態になく、前記第1の面の前記第2の部分は前記第1の面の前記第1の部分よりも狭い、第1の電極と、
(d)前記第1の面から離間したロケーションにおいて前記半導体素子とオーム接触状態にある第2の電極であって、前記第1の電極と該第2の電極とは前記光起電力セルを通る光電流の流れの接続を形成し、前記バイアスエージェントは前記光起電力セルを通る導電経路の一部分を形成しない、第2の電極と、
を備える、光起電力セル。 - 前記半導体素子は前記第1の面と前記第2の電極との間に第1の領域を有し、該第1の領域は全体的にp型又は全体的にn型である、請求項1に記載の光起電力セル。
- 前記第2の電極は前記半導体素子の前記第2の面の少なくとも一部分の上に重なるとともに該少なくとも一部分と接触する、請求項2に記載の光起電力セル。
- 前記第1の電極は前記半導体素子の前記第1の面上において互いに離間された複数の電極素子を備え、該電極素子は互いに導通状態で接続され、前記バイアスエージェントは前記電極素子間に延在する、請求項1に記載の光起電力セル。
- 各電極素子は前記第1の面と接触状態の導電性材料と、該導電性材料を前記バイアスエージェントから分離する誘電体材料とを備える、請求項4に記載の光起電力セル。
- 前記電極素子の各々は不透明材料を含む、請求項4に記載の光起電力セル。
- 前記第2の電極は前記半導体素子と接触状態にある高濃度にドープされた半導体層と、前記高濃度にドープされた半導体層と接触状態にある金属とを備える、請求項1に記載の光起電力セル。
- 前記バイアスエージェントは前記半導体素子の前記第1の面と接触状態にある金属を含む、請求項1に記載の光起電力セル。
- 前記バイアスエージェントは前記半導体素子の前記第1の面上に重なる高濃度にドープされた半導体層を含む、請求項1に記載の光起電力セル。
- 前記半導体素子はn型半導体であり、前記バイアスエージェントは前記半導体素子の通常のフェルミ準位より低いフェルミ準位を有する、請求項1に記載の光起電力セル。
- 前記半導体素子はIII−V族半導体と、II−VI族半導体と、IV族半導体とからなる群から選択される、請求項10に記載の光起電力セル。
- 前記半導体素子は直接半導体である、請求項1に記載の光起電力セル。
- 請求項1に記載の光起動セルと、前記光起動セルの前記第1の電極及び前記第2の電極に電気的に接続された負荷とを含み、前記バイアスエージェントは前記負荷と直接導電性の接触状態にはない、回路。
- (a)半導体の第1の表面の第1の部分を、該半導体の通常のフェルミ準位と異なる通常のフェルミ準位を有するバイアスエージェントと直接接触状態に維持し、前記バイアスエージェントが前記半導体内にバンド曲がりを生じさせるようにする一方で、前記第1の部分から分離した前記第1の表面の第2の部分を第1の電極と直接接触状態に維持するとともに前記第1の電極を前記バイアスエージェントと直接導電性の接触をしていない状態に維持する、ステップと、
(b)ステップ(a)の間、第2の電極を、前記第1の表面から離れたロケーションにおいて前記半導体とオーム接触状態に維持するステップと、
(c)ステップ(a)及びステップ(b)の間、光を半導体内へと向け、それにより前記光のうちの少なくともいくらかが前記半導体によって吸収され、該吸収された光が電子を価電子帯から伝導帯へと励起するようにするステップと、
(d)前記第1の電極と前記第2の電極において結果として生じる電流を収集するステップであって、前記バイアスエージェントは光起電力セルを通る導電経路の一部分を形成しない、収集するステップと、
を含む、電気を生成する方法。 - 前記電極間の負荷を通るように前記電流を向ける一方で、前記バイアスエージェントを前記負荷と直接導電性の接触状態にないように維持することを更に含む、請求項14に記載の方法。
- 前記第1の電極に整列された前記半導体の領域内への光の透過をブロックするステップを更に含む、請求項14又は15に記載の方法。
- 前記第1の電極は不透明であり、前記ブロックするステップは前記第1の電極によって少なくとも部分的に実行される、請求項16に記載の方法。
- 前記半導体は直接遷移プロセスにおいて前記光を吸収する、請求項14又は15に記載の方法。
- 前記半導体は間接遷移プロセスにおいて前記光を吸収する、請求項14又は15に記載の方法。
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