JPS6148799B2 - - Google Patents

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JPS6148799B2
JPS6148799B2 JP56053063A JP5306381A JPS6148799B2 JP S6148799 B2 JPS6148799 B2 JP S6148799B2 JP 56053063 A JP56053063 A JP 56053063A JP 5306381 A JP5306381 A JP 5306381A JP S6148799 B2 JPS6148799 B2 JP S6148799B2
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gaalas
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silicon
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Aiuan Chaperu Terii
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International Business Machines Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽電池に係り、さらに具体的には本
発明はタンデム(tandem)構造を有する太陽電
池に係る。
Si及びGaAsを用いる高効率のコンセントレー
タ(concentrator)太陽電池を実現しうることが
すでに発見されている。
“The V−groove Multijunction Solar
Cell”、by Terry I.Chappellpublished in IEEE
Transactions on Electron Devices、Vol.ED−
26 No.7、July1979においてはV字溝多重接合太
陽電池と称せられるタイプのシリコン光電コンバ
ータが示されている。米国特許第4200472号にお
いても同様の技術が開示されている。その太陽電
池は高電圧、低電流出力を生じるように直列に接
続された多数の独立したダイオード素子のアレイ
からなる。電池のすべての素子はV字溝エツチン
グを用いることによつて単一のウエハから同時に
形成される。コンピユータを用いて詳細にシユミ
レーシヨンを行つた結果にもとづいて、太陽光は
およそ100回もしくはそれ以上の回数集光された
のち、太陽光のもとで動作される場合、この電池
に関して変換効率は24%を超過するということが
予測される。他のシリコン・セルに対するこの電
池の利点は控え目なバルク・キヤリア寿命のみに
関しての20%以上の変換効率が得られること、開
路電圧が高いこと、直列抵抗が非常に低いこと、
簡単な1マスク製造工程を用いうること、前面に
ガラスを用いることによつて優れた環境保護が与
えられることなどである。
米国特許第4128133号においては絶縁基板の1
つの側面においてフラツトな−直接禁止帯幅
セルを有し、他の側面にフラツトな直接禁止帯
幅セルを有する形態の太陽電池が示されている。
本発明の目的はシリコン太陽電池においてGaP
ヘテロ接合を用いることによつて高い開路電圧を
得る技術を与えることにある。
本発明の他の目的は全体的として梯形の断面を
有するV字型シリコン太陽電池上に角度をもたせ
てGaPを付着し成長させる技術を与えることにあ
る。
本発明の他の目的は高い開路電圧及び高い変換
効率を呈するシリコン太陽電池を与えることにあ
る。
本発明の他の目的はタンデム型の電気的に絶縁
されたヘテロ接合を有する、V字溝多重接合を有
する、低電流の、高電流密度の太陽電池を与える
ことにある。
本発明の他の目的はGaAlAs−GaP(半絶縁性
の)−Siのモノリシツク・タンデム型のセル構造
体を与えることにある。
本発明の他の目的は各々のセルが梯形の断面を
呈するV字構相互接続領域を有する多重接合
GaAlAsセルを与えることにある。
本発明の他の目的は太陽電池構造体において用
いるためのV字溝GaAlAs表面上に角度をもたせ
た分子ビーム・エピタキシイもしくはイオン注入
を施すことにある。
本発明の他の目的は太陽電池において用いるた
めの高キヤリア寿命及び高光学吸収を呈する半導
体材料を与えることにある。
本発明の太陽エネルギー変換装置は第1の周波
数の光に応答する第1の半導体材料の領域と、第
1の量の溝部を有するp−n接合と第1の周波数
とは異つた周波数の光に応答する第2の半導体材
料の領域と、第2の量の溝部を有するp−n接合
とを有する。第1の量の接合及び第2の量の接合
は第1及び第2の半導体材料におけるp−n接合
から比較しうる電気的特性を与えるように動作す
る。第1及び第2の領域は電気的絶縁性を有しか
つ少くとも第2の周波数の光に対して光学的に透
明な基板に隣接し、しかもそれから分離されてい
る。
本発明を実施することによつて、半絶縁性の光
学的に透明な基板の両側面上において異つた光周
波数に応答しうる、直列に接続されるが電気的に
絶縁された間接禁止帯幅太陽電池であるところの
V字溝ダイオード素子を用いる太陽電池が与えら
れる。そのデバイスは少くともおよそ40%の非常
に高い効率、高い開路電圧及び低い直列抵抗を有
する。一実施例の構造体は1つの側面において一
連のシリコンV字溝ダイオード素子よりなるSiセ
ル及び他の側面において一連のGaAlAsV字ダイ
オード素子よりなるGaAlAsセルを有する。Siセ
ル及びGaAlAsセルの特性における溝はV字溝の
数を制御することによつて整合される。
Si及びGaAsの高効率コンセントレータ太陽電
池を実現しうることをすでに説明したが、本発明
はタンデム・セルが形成される非常に高い効率の
コンセントレータ・セルを実現させるための構造
体を与える。本発明によつて別個のセルが電気的
に絶縁されないタンデム太陽電池における低効率
の問題が解決される。本発明の構造体によつて電
気的な絶縁が容易に実施される。
シリコン(バルク領域)及びGaP(ヘテロ接合
領域)から形成されるヘテロ接続V字溝多重接合
型の太陽電池の計算された変換効率の1例は太陽
光が300回照射された状態においておよそ30%で
ある。従来技術の最も優秀なシリコン太陽電池は
任意の強度の集光された太陽光において21%を越
える変換効率を得ることができない。即ち本発明
のヘテロ接合V字溝多重接合太陽セル(現存する
技術によつて製造することができる)は従来技術
におけるシリコン太陽電池において得られた変換
効率を上廻る変換効率を呈することができる。
多重接合太陽電池はV字溝シリコン構造体の選
択された表面上にGaP領域を成長させることによ
り改良される。本発明の実施においては、シリコ
ンV字溝多重接合太陽電池においてn及びp型の
GaPヘテロ接合が用いられる。1つの例としてそ
のGaP領域は分子ビーム・エピタキシイ技術を用
いることによつて角度をもたせてGaPを付着させ
ることによつてV字溝シリコン構造体の選択され
た表面上に成長される。シリコンの禁止帯幅
(1.12eV)に対してGaP(2.25eV)の大きな禁止
帯幅によつてV字溝セルのn型及びp型の収集領
域の非常に高いエミツタ効率を得ることができ
る。高い太陽光照射フアクタ及び若しくは光バル
ク・キヤリア寿命のホモ接合(homojunction)
シリコン太陽電池において通常生じるエミツタ劣
化が本発明の二重ヘテロ接合太陽電池において回
避される。
本発明の太陽電池の構造が第3図に示されてい
る。基本的には、それはGaP基板の底面上に形成
された溝部を有する多重接合シリコン太陽電池を
備えた、同じGaPの半絶縁性基板上に形成された
多重接合GaAlAsセルから構成されている。
従来技術の多重接合セルは、“The V−groove
Multijunction Solar Cell”、by T.I.Chappell、
IEEE Trasactions on Electron Devices、Vol.
ED−26、No.7、July1979、USP4062698並びに
IBM Technical Research Bulletin Vol.20、
p.1612、Sep.1977に示されている。
第3図の構造体において、シリコン梯形素子の
長い基部のパツシベーシヨンが上記従来技術に従
つてSiO2によつて与えられる。
GaAlAs層は、Applied Physics Letters、V
Vol.20、No.10、15May1972、p.375 by J.M.
Woodall et al.に示されたような表面状態を回避
するために分子ビーム・エピタキシイもしくは液
相エピタキシイを用いることによつて半絶縁GaP
基板上に傾斜状態で成長される。GaAlAs層にお
ける溝部は周辺エツチングによつて形成され、
T.I.Chappellによる論文に示された角度を持たせ
たイオン注入もしくは角度を持たせた分子ビー
ム・エピタキシイ成長によつて形成された表面に
対するドーピングが実施される。シリコン層は界
面状態を回避するために分子ビーム・エピタキシ
イ技術を用いることによつて傾斜された状態で成
長される。シリコン多重接合セルのための残りの
製造ステツプはT.I.Chappellによる論文において
示されている。
本発明のタンデムGaAlAs−Si太陽電池は40%
を越える高い変換率を呈する。それを構成する2
つのセルは電気的に絶縁されているのでそれらの
短絡電流のマツチングは必要とされない。よつて
本発明のタンデム・セルは日没、日の出並びに曇
つた日のような変動する気象条件の下において高
い変換効率を維持する。
第1図は参照すると、各々長手側面15及び1
7を有する複数個のシリコン半導体13が透明な
絶縁基板10上に設けられている。半導体13
は、酸化物でありうる領域12において基板10
に対して結合された別個の〔100〕結晶性配向ウ
エハである。側面15及び17はこれらの条件下
において〔100〕結晶性配向の方向に沿つて優先
的食刻剤においてより急速に食刻され、よつて図
示されるように傾斜をなす〔111〕結晶面が露出
される。
半導体13はドープされないものであるか、も
しくは導電型を決定する不純物でもつて軽くドー
プされる。シリコン・ウエハからシリコン半導体
部13をエツチングする場合の寸法制御のために
初期に段階において設けられた酸化物層22のよ
うなエツチング・マスクが半導体部13の上部を
覆つている。半導体部13の側面15及び17は
アンダーカツトされた状態にある。例として、側
面15に沿つてn導電タイプのリン化ガリウムの
領域14が設けられる。同様にして側面17に沿
つてp導電タイプのリン化ガリウムの領域16が
設けられる。GaP領域14及び16は角度を持た
せた電子ビーム・エピタキシヤル付着技術によつ
て形成することができる。次に真空蒸着によつて
不連続金属層(例えばアルミニウム)が設けられ
る。その金属層は酸化層22のアンダーカツト部
の上に3つの部分18,20,24のように設け
られる。それは隣接するシリコン半導体部におけ
るn型及びp型のリン化ガリウム領域の間の電気
的接点となる。さらに不連続金属層はシリコン半
導体部13において変換されつつある太陽光のた
めの光学的反射カバーとなる。
第2−1図乃至第2−3図はヘテロ接合V字溝
多重接合太陽電池(第1図)のための製造ステツ
プを示す。第2−1図は酸化層32において透明
な絶縁基板30(例えばコーニング社のタイプ
7070ガラス)に対して結合された〔100〕結晶方
位を有するシリコン・ウエハ36を示す。酸化物
エツチング・マスク38はシリコン・ウエハ36
の優先エツチングの際の寸法制御を与える。酸化
物層38及び32は熱酸化によつてシリコン・ウ
エハ36の上に形成することができる。
第2−2図において、〔111〕結晶方位の長手側
面を有する電気的に絶縁されたシリコン部40を
形成するためにシリコン・ウエハ36は酸化物層
32まで優先的にエツチングされた状態が示され
ている。角度を持たせた分子ビーム・エピタキシ
ヤル付着によつてシリコン部40の左手の長手側
面上にn導電型GaP42の層が付着される。同様
にシリコン部40の右手の長手側面上にp導電型
のGaP44が付着される。
第2−3図は層46,48及び50からなる金
属層によつて与えられる隣接するシリコン部のn
導電型GaP及びp導電型GaP領域の間に電気的接
点を有する完成されたヘテロ接合V字溝多重接合
太陽電池を示している。金属層48は酸化物層3
8のための光学的に反射性のカバーとなる。
第3図は本発明の実施によつて与えられるタン
デムGaAlAs−Si有溝太陽電池を示す。GaAlAs
有溝太陽電池66は大きな禁止帯幅(2.25eV)
を有する半絶縁性GaP基板62上に形成された長
手側面86及び87を有する複数個のGaAlAs半
導体から成る。そのGaAlAs半導体は、GaAlAs
−GaP界面70における表面状態を回避するため
に傾斜した状態で液相エピタキシイ化学蒸着もし
くは分子ビーム・エピタキシイによつて成長され
たGaAlAsの3つの共面層72,74及び76を
有する。反射防止被覆体78はGaAlAs半導体内
への太陽光の有効な結合を可能にする。
GaAlAs層76は、厚0.1マイクロメータ、高光
学的透明度及び低吸収度を得るための3.0eVの直
接禁止帯幅によつて特徴付けられるp型の
Ga0.05Al0.95Asよりなる。GaAlAs層72は10マ
イクロメータの厚さ、1.95eVのエネルギよりも
小さいエネルギを有するフオトンに対して高光学
的透明度を得るための2.8eV直接禁止帯幅でもつ
て特徴づけられるn型のGa0.1Al0.9Asからなる。
GaAlAs層76及び72は、1.95eVの直接禁止帯
幅、3マイクロメータの厚さでもつて特徴付けら
れ、p導電型もしくはn導電型決定不純物でもつ
て軽くドープされたGa0.5Al0.5As吸収層74のい
ずれかの側面上にヘテロ接合を形成する。これら
のヘテロ接合はGaAlAs太陽電池のp型またはn
型GaAlAs集光領域76及び72において高いエ
ミツタ効率を与える。すなわち、吸収層74の間
接的禁止帯幅よりも広い直接禁止帯幅をもつ層7
2及び76は、その広い直接禁止帯幅によつて、
生成されたキヤリアの再結合を抑制し、以て
GaAlAs太陽電池66の高開路電圧及び高変換効
率をもたらす。また、間接禁止帯幅が直接禁止帯
幅より小さい吸収層74中では、通常の直接禁止
帯幅の方が大きい材料中とは異なり、キヤリアは
主としてオージエ再結合によつて寿命を制限され
るので、その寿命が、通常の直接禁止帯幅の方が
大きい材料中よりも長くなる。このことはまた、
変換効率の向上に寄与する。
n型及びp型のGaAlAs領域88及び89は厚
さ0.1マイクロメータ3.0eVの直接禁止帯幅でもつ
て特徴付けられるGa0.05Al0.95Asよりなる。それ
らは各々n型及びp型のGaAlAs領域72及び7
6との電気的接点を与えるために長手側面86及
び87に沿つて角度付けられた分子ビーム・エピ
タキシヤル付着によつて形成される。隣接する
GaAlAs部のn型及びp型のGa0.05Al0.95As領域
の間の電気的接点はインジウム−酸化錫のような
透明な導電性接点84によつて与えられる。
シリコン多重結合V字溝太陽電池60は第1図
及び第2図に示されるものと同様のものである
が、次の点が異つている。(1)シリコン半導体13
はSi−GaP界面68における表面状態を回避する
ように電子ビーム・エピタキシイもしくは化学蒸
着によつて半絶縁性GaP基板62上に形成された
シリコン層から吸収され、(2)パツシベーシヨン酸
化層12はGaP−Siヘテロ接合によつて置き換え
られている。その代わりに半絶縁性GaP層62を
分子ビーム・エピタキシイもしくは化学蒸着によ
つてシリコン半導体13上に形成することができ
る。シリコン太陽電池60はおよそ50マイクロメ
ータ(μm)の高さ寸法Hを有する。これは
GaAlAs太陽電池66のGa0.5Al0.5As吸収層74
の禁止帯幅(1.95eV)よりも小さいエネルギで
あつて、シリコン禁止帯幅(1.12eV)よりも大
きなエネルギを有する太陽光におけるほとんどの
フオトンを吸収するに十分に大きくなるように選
択される。
GaAlAs太陽電池66の出力は、2つの太陽電
池の動作電圧が等しくなるように太陽電池の一方
もしくは両方について部材の周期を変化させるこ
とによつてシリコン太陽電池60を出力と整合さ
せることができる。これによつて2つの太陽電池
の出力電流は並列に加えることができる。本発明
のタンデム太陽電池は曇り日及び日の出時、日没
時に見られるような変動する環境において高い動
作効率を維持しうる。
第3図のタンデムGaAlAs−Si V字溝太陽電池
は吸収層のために間接的禁止帯幅半導体材料及び
両方の太陽電池の集収(collection)領域のため
に異形接合を用いている。したがつて、最大可能
な変換効率は直接禁止帯幅半導体材料の場合のよ
うなband−to−band再結合によるのではなく、
或いはホモ接合集光領域を用いる太陽電池におけ
るような集収領域のエミツタ効率の損失によるも
のではなく、吸収層におけるオージエ再結合によ
つて制限される。集収領域のための吸収層及び異
形接合のための間接禁止帯幅半導体材料は本発明
のタンデムGaAlAs−Si V字溝太陽電池に対して
従来のタンデム太陽電池よりも高い変換効率を与
える。
間接的禁止帯幅を有する1つの成分(AlAs)
及び直接禁止帯幅(GaAs)を有する1つの成分
からなる3元半導体材料がタンデム太陽電池にお
ける太陽電池の吸収層のために用いられる。3元
材料の成分はGa0.5Al0.5Asに対して例えば2.05eV
の直接禁止帯幅よりもエネルギが僅かに小さい間
接禁止帯幅(例えばGa0.05Al0.5Asに対して
1.95eV)を生じるように選択される。これによ
り直接禁止帯幅よりも間接禁止帯幅がエネルギが
低いので材料のキヤリア寿命を長くすることがで
きる。
さらに、その直接禁止帯幅がその間接禁止帯幅
よりもエネルギにおいて僅かに高いので、直接禁
止帯幅半導体材料におけるように太陽光における
フオトンの高い光学的吸収を呈する。さらに3元
材料は非常に高いキヤリア濃度が得られることを
可能にする。その理由は間接禁止帯幅よりも高い
エネルギを有する太陽光におけるフオトンのほと
んどを吸収するために薄い材料層(3μm)が必
要とされるに過ぎないこと、材料のキヤリア寿命
が大であることによるものである。結果として第
3図の太陽電池66の開路電圧は非常に高く、そ
の変換効率も非常に高くなる。
シリコン太陽電池のn+及びp+集収領域の両方
のためのGaPヘテロ接合をフオトリソグラフイを
用いることなくシリコン・セルの片面処理に設け
ることができる。V字溝幾何形状によつて角度を
持たせた付着技術によるGaPヘテロ接合の形成が
可能となる。
タンデム太陽電池における2つのセルの電圧出
力はそれらの電流出力が有効に並列に加え合わせ
られ得るように整合されることができる。V字溝
太陽電池の一方もしくは両方の周期を変化させる
ことによつて、その2つのセルの動作電圧を相互
に整合させることができる。セルの並列動作によ
つて曇天、日の出及び日の入において生じるよう
なタンデム太陽電地と照射する太陽光がそのスペ
クトル・エネルギを変化させつつあるような状態
のもとにおいても高い動作効率が呈せられる。
本発明のタンデム太陽電池は、高い効率で2つ
の独立した負荷を動作させるために用いられる2
つの電気的に絶縁された、相互に異つた値の高い
電圧出力を与えることができる。本発明のタンデ
ム太陽電池における2つのセルの電圧出力はV字
溝部の周期を変化させることによつて制御され、
電気的に絶縁されるのでその電圧は2つの異つた
電気的負荷の動作条件に見合うように設定するこ
とができる。1例として1方の出力を24ボルトの
バツテリーを充電するために第2の出力を100ボ
ルトポンプ用モータに用いることができる。
図面をさらに詳細に説明すると、参照番号10
はCorning社タイプ7070ガラスのような透明な絶
縁性基板である。12は基板10に対して結合さ
れた半導体部13の表面をパツシベーシヨンのた
めの酸化層である。13は優先エツチングによつ
て形成されたシリコン半導体部である。14は半
導体部13の側面15上のn導電型のリン化ガリ
ウム層である。15は半導体部13の左手長手側
面である。16は半導体部13の側面17におけ
るn導電型リン化ガリウム層である。17は半導
体部13の右手の長手側面である。18はn型
GaP層14を接続するための金属層である。20
はp型GaP層16を接続するための金属層であ
る。22は半導体部13のエツチングにおける寸
法制御を行う酸化層である。24は酸化層22の
ための光学的反射カバーを与える金属層である。
第2−1図において30は例えばCorning社の
タイプ7070ガラスのような透明絶縁性基板であ
る。32はウエハ36の下方表面のパツシベーシ
ヨンのための酸化層である。36は軽くドープさ
れたn型もしくはp型の〔100〕のシリコン・ウ
エハである。38はウエハ36のエツチングにお
ける寸法制御を与える酸化層である。
第2−2図において30はCorning社のタイプ
7070ガラスのような透明絶縁性基板である。32
はウエハ36の下方表面のパツシベーシヨンのた
めの酸化層である。38はウエハ36のエツチン
グにおける寸法制御を与える酸化層である。40
は優先エツチングによつて形成されたシリコン半
導体である。42は半導体40の左手の長手側面
上のn型リン化ガリウム層である。44はシリコ
ン部の右手の長手側面上のp型リン化ガリウム層
である。
第2−3図において30はCorning社のタイプ
7070ガラスのような透明な絶縁性基板である。3
2はウエハ36の下方表面のパツシベーシヨンの
ための酸化層である。46は各々n型及びp型の
GaP層42及び44を相互に接続するための金属
層である。48は酸化層38のための光学的反射
カバーを与える金属層である。50はp型GaP層
44を接続するための金属層である。51はn型
GaP層42を接続するための金属層である。
第3図において、60は素子13乃至24によ
つて構成される第1図のV字溝シリコン太陽電池
である。62は60及び66の機械的な支持を与
えるGaP半絶縁性基板である。66はV字溝
GaAlAs太陽電池である。68はシリコン半導体
13及びGaP基板62の間の界面である。70は
GaAlAs層72及びGaP基板62の間の界面であ
る。72は2.8eVの直接禁止帯幅を有する厚さ10
μmのn型Ga0.1Al0.9As層である。同じような
1.9eVの間接禁止帯幅を有する厚さ3μmの軽く
ドープされたn型もしくはp型のGa0.5Al0.5As層
である。76は3.0eV禁止帯を有する厚さ0.1μm
のp型Ga0.05Al0.95As層である。78は層76内
への太陽光の有効な結合を得るための反射防止層
である。82は72,74,76及び78からな
るGaAlAs本体の右手の長手側面である。84は
隣接するGaAlAs本体を相互に接続するための導
電性透明接点である。86は層72,74,76
からなるGaAlAs本体の右手の長手側面である。
87は層72,74,76からなるGaAlAs本体
の左手の長手側面である。88はn型の
Ga0.1Al0.9As層72に対する電気的接続を得るた
めのn型Ga0.05Al0.95As層である。89はn型の
Ga0.05Al0.95As層76に対する電気的接続を得る
ためのp型Ga0.05Al0.95Asである。
次に、本発明の装置の変換効率を適当な例にお
いて計算してみよう。集光された太陽光により動
作する本発明のGaAlAs−Siタンデム・セルの変
換効率は、シリコン・セルの前にあるGaAlAs層
の吸収を考慮して個々のセルの出力から推定する
ことができる。それらの出力は、その短絡電流、
開路電圧及びfillフアクタの積によつて与えられ
る。1.95eVの吸収層禁止帯を有するGaAlAsセル
の場合、短絡電流は集光されない太陽光において
はおよそ16mA/cm2である(H.J.Hovel、Solar
Cells(Semiconductors and Semimetals、
Vol.11)、A.C.Beer and R.K.Willardson、Eds.
New York:Academic Press、1975、ch.3とい
う文献の第20図を参照されたい)。また、開路
電圧Vocは次の式で与えられることが知られてい
る。
Voc=kT/q・ln(Δn・P/n2 i) この式でkはボルツマン定数、Tはケルビン温
度、qは電子1個分の電荷、Δnは光の照射によ
つて半導体内に生成された電子の密度、Pは半導
体内のp型ドーパントの密度、niは熱平衡状態
で半導体内に存在する電子密度である。
さらに、Δn=τo・GLとあらわされる。この
式で、τoは生成された電子の平均寿命、GLは単
位体積あたりの電子生成速度である。さらに、G
L=16mA/cm2×Xc/(qW)、この式で、Xcは太
陽光集光フアクタ、Wは照射領域の幅である。
ここでVocを具体的に計算するために、上記各
パラメータに、本発明のGaAlAsセルにつき適当
であると考えられる数値を代入する。先ず、Tに
ついては室温である300〓を選ぶ。すると、k=
1.380622×10-23J・K-1、q=1.6021917×10-19C
であるので、kT/qはほぼ0.026Vとなる。ま
た、P=1.0×1018cm-3、n2 i=2.0×104cm-6である
とする。τoは、上記GaAlAsセルではほぼ1.0×
10-6秒である。さらにXc=500、W=3.0×10-4cm
とする。
これらから先ず、GL=16×10-3×500/
(1.6021917×10-19×3.0×10-4)=1.664×1023
(cm3・秒)、よつてΔn=τoL=1.664×1017/cm3 さらに、Δn・P/n2i=1.664×1017×1.0×
1018/2.0×104=8.332×1030 よつて、Voc=0.26×ln(8.332×1030)=0.026
×(30+log108.332)/log10e=1.852V そのfillフアクタは0.9である。即ち500の太陽
光集光フアクタにおけるGaAlAsセルの出力は、 PGaAlAs=500×16mA/cm2×0.852V×0.9 =13.33W/cm2 シリコン・セルに関しては集光されない光陽光
において(40.5mA/cm2−16mA/cm2)=24.5mA/cm2
の短絡電流が存在し(前述のH.J.Hovelの著書の
第20図を参照されたい)、バルク・キヤリア寿
命がオージエ再結合によつて制限される場合には
開路電圧Vocが次の式で与えられることが知られ
ている。
Voc=kT/q・ln(Δn・Δp/n2 i) この式で、Δn、Δpはそれぞれ、光の照射に
よつて半導体内に発生された、電子及び正孔の密
度であり、他の記号の意味は前記と同様である。
特にΔn=Δp=τGLであり、τはキヤリアの
平均寿命、GLは単位体積あたりのキヤリア生成
速度である。また、キヤリア再結合率αを用いて
τ=1/(αΔn)、Δn=(GL/α)1/3
あらわすことができる。さらに、GL=24.5mA/
cm2×Xc/(qH/1.93)である。この式でHはシ
リコン半導体領域の高さ寸法である。
ここでVocを具体的に計算するために、n2i
2.1×1020cm-6、H=5.0×10-3cm、α=3.8×10-31
cm/秒、Xc=500であるとする。すると、GL
=500×24.5×10-3×1.93/(5.0×10-3×
1.6021917×10-19)=2.951×1022/(cm3・秒)、よ
つてΔn=(2.951×1022/3.8×10-311/3
(7.766×10521/3=4.266×1017cm-3、これから、
Voc=0.026×ln((4.266×10172/2.1×1020)=
0.026×ln(8.666×1014)=0.895V この場合において、fillフアクタは0.8であつて
(前述のH.J.Hovelの著書の第34図を参照)、太
陽光集光フアクタが500である場合のSiセルの出
力は、 PSi=500×24.5mA/cm2×0.895V×0.8 =8.77W/cm2 従つて、GaAlAs−Siタンデム・セルの結合さ
れた出力及び効率は次のようになる。
Pout=PGaAlSi+PSi=13.33W/cm2 +8.77W/cm2=22.1W/cm2 一方、Air Mass1、すなわち大気圏を垂直に通
過してくる太陽輻射の強度は95.6mW/cm2である
から、Pin=500×95.6mW/cm2=47.8W/cm2 よつて、変換効率=Pout/Pin=22.1/47.8=
0.462 すなわち変換効率は46.2%である。
本発明を実施するために用いられるGaAlAs及
びSi太陽電池は全く無視しうる直列抵抗損失を呈
する多重結合太陽電池である。したがつて上に示
した計算においては、直列抵抗による損失は考慮
されなかつた。通常は、集光された太陽光のもと
において太陽電池が動作される場合、直列抵抗は
重要な要素となる。さらに、第3図に示されるよ
うにデバイス全体の面積の僅かに小さい部分にお
いて透明電極が用いられるのでシヤドウ損失は本
質的に無視できる。
本発明の第1の局面は絶縁性基板の1つの側面
上の第1のタイプの光学的に能動的な半導体材料
と関連する第1の多重p−nヘテロ接合を含む第
1の太陽電池と、絶縁基板の反対側の第2のタイ
プの光学的に能動的な半導体材料と関連する第2
の多重p−nヘテロ接合を有する第2の太陽電池
からなる太陽エネルギ変換装置である。
本発明の第2の局面は、第1のタイプの半導体
材料がGaAlAsであり、第2のタイプの半導体材
料がSiであり、基板が半絶縁性GaPであるような
上記の第1の局面に示された太陽エネルギ変換装
置である。
本発明の第3の局面は、次のような特徴を有す
る上記第1の局面に示された太陽エネルギ変換装
置である。即ち上記第1の材料Aが間接禁止帯幅
及びオージエ再結合によつて制限されるキヤリア
寿命を有し、Aの一方のが側面がn+導電型とな
るようにドープされた材料A′oの間に異形接合を
有し、Aよりも大きい禁止帯幅を有し、そしてA
に対して格子整合されている。Aの他の側面は、
p導電型となるようにドープされたヘテロ接合
A′pを有し、Aよりも大きい禁止帯幅を有し、そ
してAに対して格子整合されている。A′pに隣接
して絶縁層が設けられる。その禁止帯幅はA材料
よりも大きいかもしくは等しく、またそのセル1
及びセル2の間の界面は各々原子的に適合してい
る。上記第2の材料Bは材料Aよりも小さい禁止
帯幅およびオージエ再結合によつて制限されるキ
ヤリア寿命を有する。Bの1つの側面はn導電型
にドープされた材料B′oのヘテロ接合を有し、B
と格子整合される。Bの他の側面はp導電型にド
ープされた材料B′pのヘテロ接合を有し、Bと格
子整合されている。
本発明の第4の局面は上記第3の局面において
示された太陽エネルギ変換装置であつて次のよう
な特徴を有する。上記第1の材料Aは
Ga1-xAlxAsであつて、間接禁止帯及びオージエ
再結合によつて制限されるキヤリア寿命を有す
る。Aの1つの側面はn+の導電型にドープされ
た材料A′o(n−Ga1-xAlyAs)のヘテロ接合を有
し、Aよりも大きな禁止帯幅を有し、Aに対して
格子整合されている。Aの他の側面はp導電型に
ドープされたA′p(p−Ga1-yAlyAs)の異形接合
を有し、Aよりも大きい禁止帯幅を有し、Aに対
して格子整合されている。上記の絶縁基板はその
禁止帯幅がA材料の禁止帯幅よりも大きいかもし
くは等しく、そのセル1及び2の間の界面が各々
原子的に適合された絶縁層である。上記第2の材
料B(Si)は材料Aよりも小さい間接禁止帯幅を
有する。Bの1つの側面はn導電型にドープされ
た材料B′o(n−GaP)のヘテロ接合を有し、B
に対して格子整合されている。Bの他の側面はp
導電型にドープされた材料B′p(p−GaP)のヘ
テロ接合を有し、Bに対して格子整合されてい
る。
本発明の第5の局面は上記第4の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつて、次のような特
徴と有する。上記第1の材料Aはその直接禁止帯
幅におけるよりもこのエネルギが幾分低い間接禁
止帯幅を有し、よつて長いキヤリア寿命並びに間
接禁止帯幅よりもエネルギが僅かに大きいフオト
ンの高度の光学的吸収を呈する。
本発明の第6の局面は上記第5の局面において
示された太陽エネルギ変換装置であつて、上記材
料Aが間接禁止帯幅半導体材料及び直接禁止帯幅
半導体材料の3元半導体材料化合物である。
本発明の第7の局面は上記第6の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつて、上記材料Aが
−族3元半導体材料である。
本発明の第8の局面は上記第7の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつて上記第1の材料
AがGa1-xAlxAsであつてxは0.5である。
本発明の第9の局面は上記第7の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつて、Aが
Ga1-xAlxAsであつてxが0.4×0.6である。
本発明の第10の局面は太陽エネルギ変換装置で
あつて次のような特徴を有する。第1の半導体材
料の領域が第1の周波数の光に応答するものであ
つて、第1の量の溝が設けられたp−n接合を有
する。第2の半導体材料の領域は上記第1の周波
数光とは異つた周波数の光に応答し第2の量の溝
の設けられたp−n接合を有する。上記第1の量
の接合第2の量の接合は上記第1及び上記第2の
半導体材料におけるp−n接合からの比肩しうる
電気的特性を与えるように働く。上記第1及び第
2の領域は相互に隣接しており、しかも電気的な
絶縁特性を有する基板によつて分離されている。
又それらの領域は少くとも上記第2の周波数の光
に対して光学的に透明である。
本発明の第11の局面は半導体エネルギ変換装置
に係り、次のような特性を有する。第1の材料A
が間接禁止帯幅を有し、キヤリア寿命がオージエ
再結合によつて制限されている。材料Aの一方の
側面はn+導電型にドープされた材料のA′oの間
に異形接合を有しAよりも大きな禁止帯幅を有
し、Aに対して格子整合されている。Aの他の側
面はp導電型にドープされたヘテロ接合A′pを有
しAよりも大きな禁止帯幅を有し、Aに対して格
子整合されている。
本発明の第12の局面は上記第11の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつて次のような特性
を有する。上記第1の材料Aがその直接禁止帯幅
よりもエネルギが幾分低い間接禁止帯幅を有し、
よつて長いキヤリア寿命を有し、上記間接禁止帯
幅よりもエネルギにおいて僅かに大きいフオトン
につき高度の光学的吸収を呈する。
本発明の第13の局面は上記第12の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつて、上記材料が間
接禁止帯幅半導体材料及び直接禁止帯幅半導体材
料の3元半導体材料化合物である。
本発明の第14の局面は上記第13の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつて、上記材料Aが
乃至族の3元半導体材料である。
本発明の第15の局面は上記第14の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつて、上記第1の材
料AがGa1-xAlxAsであつてxがおよそ0.5であ
る。
本発明の第16の局面は上記第14の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつてAが
Ga1-xAlxAsであつてxが0.4×0.6である。
本発明の第17の局面は次のような特徴を有する
太陽エネルギ変換装置である。半導体材料Aが間
接禁止帯幅を有し、キヤリア寿命がオージエ再結
合によつて制限されている。Aの1つの側面はn
型にドープされた半導体材料Aoのヘテロ接合を
有する。Aの他の側面はp型にドープされた半導
体材料Apのヘテロ接合を有する。上記材料Ao
びApは上記材料Aよりも大きな禁止帯幅を有す
る。
本発明の第18の局面は上記第17の局面に示され
た太陽エネルギ変換装置であつて、上記半導体材
料Aがシリコンであり、上記半導体材料Aoがn
型のリン化ガリウムであり、そして上記半導体材
料Apがp型のリン化ガリウムである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るシリコン2重ヘテロ接合
V字溝多重接合太陽電池を示す図である。第2図
は第1図の太陽電池のための主要な製造ステツプ
を示す図である。第3図は本発明に係る太陽エネ
ルギ変換装置の1実施例を示す図である。 10……透明絶縁基板、12……酸化層、13
……シリコン半導体ウエハ、14……n+リン化
ガリウム領域、15,17……長手側面、16…
…p+リン化ガリウム領域、18,20,24…
…金属層、22……酸化層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 (a) 光学的に透明な絶縁性の基板と、 (b) 上記基板の一側面に形成され、直接禁止帯幅
    よりも小さい間接禁止帯幅をもち、キヤリアの
    寿命がオージエ再結合によつて制限される、光
    学的に活性の第1の半導体領域と、 (c) n型にドープされ、上記第1の領域の間接禁
    止帯幅よりも大きい禁止帯幅をもち、上記第1
    の領域とヘテロ接合を形成する第2の半導体領
    域と、 (d) p型にドープされ、上記第1の領域の間接禁
    止帯幅よりも大きい禁止帯幅をもち、上記第1
    の領域とヘテロ接合を形成する第3の半導体領
    域と、 (e) 上記基板の反対側面に形成され、上記第1の
    領域の間接禁止帯幅よりも小さい間接禁止帯幅
    をもち、キヤリアの寿命がオージエ再結合によ
    つて制限される、光学的に活性の第4の半導体
    領域と、 (f) n型にドープされ、上記第4の領域の間接禁
    止帯幅よりも大きい禁止帯幅をもち、上記第4
    の領域とヘテロ接合を形成する第5の半導体領
    域と、 (g) p型にドープされ、上記第4の領域の間接禁
    止帯幅よりも大きい禁止帯幅をもち、上記第4
    の領域とヘテロ接合を形成する第6の半導体領
    域を具備する太陽エネルギー変換装置。 2 上記第1の半導体領域がGa1-xAlxAsであ
    り、 上記第2の半導体領域がn−Ga1-yAlyAs(y
    >x)であり、 上記第3の半導体領域がp−Ga1-zAlzAs(z
    >x)であり、 上記第4の半導体領域がSiであり、 上記第5の半導体領域がn−GaPであり、 上記第6の半導体領域がp−GaPである特許請
    求の範囲第1項記載の太陽エネルギー変換装置。
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