KR20080013979A - 초고효율 태양 전지 - Google Patents

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KR20080013979A
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solar cells
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알렌 바네트
크리스티아나 혼스버그
마이클 더블유. 하니
마이클 제이. 맥패든
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유니버시티 오브 델라웨어
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Abstract

본 발명은 50% 이상의 효율을 달성할 수 있고 저 비용으로 대량 제조될 수 있는 광전 변환 태양 전지의 실현을 위한 장치 및 방법이다. 본 발명의 장치는 더 넓은 재료 선택, 고 효율 지원, 다수의 현재의 비용 유발자 제거, 및 복수의 다른 기술혁신의 포함을 허용하는 통합형 옵티컬 및 태양 전지 설계이다.
광전 변환, 태양 전지, 색 분산 소자, 광학 콘덴서, 스펙트럼

Description

초고효율 태양 전지{ULTRA AND VERY-HIGH EFFICIENCY SOLAR CELLS}
본 발명은 초고효율 태양 전지의 개발에 관한 것이다. 본 발명은 상당히 증가된 재료 및 디바이스 아키텍처 공간에 기초하고 있다. 특히, 본 발명은 저비용 제조를 위한 다양한 접근법 세트뿐만 아니라 54% 효율의 달성을 가능하게 하는 얇은 정적 집광기를 활용한다.
본 발명은 그 모델링된 한계에 근접하고 낮은 비용으로 대규모로 제조가능한 태양 전지의 실현을 위한 장치 및 방법이다. 본 발명은 통합된 광학 및 태양 전지 설계로서, 설계 공간을 상당히 증가시킨다. 광학 설계를 태양 전지 설계와 통합하는 것은 훨씬 더 넓은 재료 선택을 가능하게 하고, 높은 효율을 가능하게 하며, 다수의 현재의 비용 유발자들을 제거할 수 있게 하고, 복수의 다른 기술혁신을 포함할 수 있게 한다.
본 발명은 비용을 줄이면서도, 태양 전지 기술에서 현재 최상의 실시들의 높은 성능 및 안정성에 영향을 주는 기술혁신에 적용된다. 본 발명에 대한 2단의 접근법은 45% 효율을 달성하는 데 비교적 낮은 기술적 리스크 설계로 시작하고, 그리고나서, 이들 새로운 개념들을 저비용, 초고성능 태양 전지에 통합할 새로운 가능 기술을 개발함과 동시에 그 플랫폼상에서 >54%의 효율을 달성하도록 구축된다.
본 발명은 적어도 2개의 광학 설계 및 디바이스 아키텍처를 포함한다. 우선, 수평 아키텍처는 광을 스펙트럼 성분으로 분할하여 개별적인 디바이스의 활용이 스펙트럼의 각 부분에 대해 최적화될 수 있게 한다. 이러한 아키텍처 및 설계는 격자 및 전류 매칭 제한을 피하고 스펙트럼 미스매치 손실을 제거함으로써 다수의 재료 제한을 회피한다. 이러한 아키텍처/설계에 대한 핵심은 스펙트럼 미스매치를 제거하는 에너지 변환 접합 및 독립적인 전기적 콘택트 각각의 독립적인 최적화이다.
두 번째로, 독립적으로 접촉된 수직 접합 스택을 가지는 수직 아키텍처는 수평 아키텍처 태양 전지에 대한 병렬 접근법을 제공한다. 이러한 아키텍처/설계는 수평 아키텍처 태양 전지의 것들과 유사한 장점을 실현하지만, 수직 스택을 가지고 있다. 특히, 수직 스택의 각 태양 전지는 개별적으로 접촉될 수 있으므로, 전류 매칭 이슈를 피하고 재료 선택의 유연성을 증가시키며 스펙트럼 미스매치를 피한다.
본 발명의 개발은 경계 조건으로서 열역학적 제한으로 시작된 훈련된 설계 접근법에 의해 견인되었다. 설계의 각 부분은 모든 요구된 고효율 태양 전지 파라미터, 즉 광 흡수, 소수 캐리어 수집, 전압 생성, 및 이상적인 다이오드(필(fill) 인자)를 달성하는 능력에 대해 분석된다. 최적으로는, 스펙트럼의 각 부분에 대한 바람직한 설계 전압 생성이 달성된다.
뿐만 아니라, 본 발명은 현재의 기술 수준 상태에 영향을 주고 고성능 베이스라인을 제공한다. 또한, 본 발명은 최고성능 태양 전지 기술로 시작하고, 이들이 (1) 유사한 비용으로 더 높은 성능을 달성하거나 (2) 동일한 성능에서 더 낮은 비용을 증명함에 따라, 새로운 디바이스 아키텍처 및 프로세스 기술을 추가한다. 더구나, 정적 집광에 기초한 광학 설계 및 반도체 디바이스 아키텍처의 통합은 다수의 기술 옵션을 가지는 강력한 설계 및 기술 공간을 유도한다.
본 발명의 한 실시예는 효율적인 태양 전지를 위한 장치로서, 색 분산 소자; 광학 콘덴서; 및 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지를 포함하고, 상기 색 분산 소자, 광학 콘덴서 및 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지는 수평 아키텍처로 구성되고, 상기 색 분산 소자는 상기 장치에 의한 처리를 위해 입사광을 복수의 스펙트럼 성분으로 분할한다.
바람직하게는, 상기 실시예는 상기 광학 콘덴서가 타일형 특징이 있는 것을 포함한다. 뿐만 아니라, 바람직하게는 상기 실시예에서, 상기 색 분산 소자, 광학 콘덴서 및 스펙트럼 분리된 태양 전지는 입사되는 복수의 스펙트럼 성분 각각을 처리하기 위해 각각 최적화된다. 또한, 바람직하게는 상기 실시예에서, 광학 콘덴서는 입사광의 대부분의 확산광을 캡처하고, 광학 콘덴서는 정적 집광기이다. 또한, 바람직하게는 상기 실시예에서, 정적 집광기의 집광은 10X 내지 200X의 범위이다. 또한, 상기 실시예에서, 복수의 태양 전지 각각은 복수의 스펙트럼 성분 각각의 아래에 놓인다. 더구나, 바람직하게는 상기 실시예에서, 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지는 전압 버스에 개별적으로 접촉된다.
본 발명의 다른 실시예는 효율적인 태양 전지를 위한 장치로서, 색 분산 소자; 광학 콘덴서; 및 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지를 포함하고, 상기 색 분산 소자, 광학 콘덴서 및 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지는 상기 장치에 의한 처리를 위해 입사광을 복수의 스펙트럼 성분으로 분할하는 수직 아키텍처로 구성되고, 각 스펙트럼 분리된 태양 전지는 수직 스택이다.
바람직하게는, 상기 실시예는 상기 광학 콘덴서가 타일형 특징이 있는 것을 포함한다. 뿐만 아니라, 바람직하게는 상기 실시예에서, 상기 색 분산 소자, 광학 콘덴서 및 스펙트럼 분리된 태양 전지는 입사되는 복수의 스펙트럼 성분 각각을 처리하기 위해 각각 최적화된다. 또한, 바람직하게는 상기 실시예에서, 광학 콘덴서는 입사광의 대부분의 확산광을 캡처하고, 광학 콘덴서는 정적 집광기이다. 또한, 바람직하게는 상기 실시예에서, 정적 집광기의 집광은 10X 내지 200X의 범위이다. 또한, 상기 실시예에서, 복수의 태양 전지 각각은 복수의 스펙트럼 성분 각각의 아래에 놓인다. 더구나, 바람직하게는 상기 실시예에서, 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지는 전압 버스에 개별적으로 접촉된다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 광전 변환 태양 전지를 위한 장치로서, 컬렉터 타일; 제1 프리즘; 제2 프리즘; 스펙트럼 스플리터; 정적 집광기; 및 광학 인터커넥트 및 태양 전지 디바이스 구조를 이용하는 수평 아키텍처 및 수직 아키텍처 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 및 제2 프리즘은 상기 컬렉터 타일의 입력 개구에 있고, 상기 제1 프리즘은 매우 높은 분산성 프리즘이고, 상기 제2 프리즘은 낮은 분산 프리즘이다.
바람직하게는, 상기 실시예에서, 스펙트럼 스플리터는 광 및 태양 빔 중 적어도 하나를 고 에너지, 중간 에너지 및 저 에너지 영역으로 분할하도록 구성된다. 뿐만 아니라, 바람직하게는 상기 실시예에서, 정적 집광기는 광 및 태양 빔 중 적어도 하나의 스펙트럼 스플리터로의 정렬을 허용하도록 구성된 마이크로-트랙커를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는 상기 실시예에서, 상기 수평 아키텍처는, 광 및 태양 빔 중 적어도 하나를 복수의 스펙트럼 성분으로 분할하고, 상기 복수의 스펙트럼 성분 각각에 대해 최적화된 개별 디바이스를 활용하고, 각 에너지 변환 접합 및 독립적인 전기적 콘택트를 독립적으로 최적화하고, 광 및 태양 빔 중 적어도 하나의 스펙트럼을 성분 컬러로 분할하도록, 상기 정적 집광기와 통합되는 추가적인 광학 소자를 포함하고, 분리된 태양 전지를 상기 성분 컬러 각각의 아래에 배치하고, 각 태양 전지를 개별로 접촉하고, 개별 태양 전지를 개별 전압 버스와 접촉하도록 구성된다.
또한, 바람직하게는 상기 실시예에서, 상기 디바이스 구조는, 재료의 대역갭에 근접한 범위의 파장에 대해 고성능을 위한 재료로 구성되고, 고, 중간 및 저 에너지 광자에 대해 다른 재료로 구성되는 복수 접합 태양 전지를 더 포함하고, 상기 고성능을 위한 재료는, 고 에너지 광자를 위한 GaInAsP 재료 시스템으로부터의 삼원 화합물; 중간 에너지 광자를 위한 실리콘; 및 저 에너지 광자를 위한 InGaAs 또는 다른 열 광전 변환(TPV) 재료를 더 포함하고, 상기 복수 접합 태양 전지를 위한 다른 재료는, III-질화물 재료 시스템; 상기 고 에너지 광자를 위한 In-풍부한 결함 내성의 III-V 재료; 및 저 에너지 광자를 위한 Si/Ge 재료 시스템을 더 포함한다.
더구나, 바람직하게는 상기 실시예에서, 태양 전지를 위한 재료는 자기-조립 제조 기술에 관련하여 복수의 엑시톤 생성 및 복수의 에너지 레벨(중간 대역) 태양 전지 중 적어도 하나를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 태양 전지를 구성하기 위한 방법으로서, 유리 기판을 p+ 실리콘으로 코팅하고 재결정화하는 단계; 상기 p+ 실리콘 상에 선택 파장 광 트랩핑 층을 퇴적하고 형성하는 단계; 상기 p+ 실리콘 상에 n형 실리콘을 성장시키고 재결정화하는 단계; 상기 n형 실리콘 상에 GaP의 영역을 버퍼층으로서 선택적으로 성장시키는 단계; GaAsP 태양 전지를 성장시키는 단계; GaInP 태양 전지를 성장시키는 단계; InGaN 태양 전지를 성장시키는 단계; 각 태양 전지로의 전기적 콘택트를 형성하는 단계; 및 집광기(및 분산) 광학계에 매칭된 반-반사층을 퇴적하는 단계를 포함한다.
뿐만 아니라, 바람직하게는 상기 실시예는 다른 유리를 n형 실리콘으로 코팅하고 재결정화하는 단계; (Si:Ge 양자 도트의)실리콘:게르마늄 합금을 성장시키는 단계; 실리콘 p+ 접합을 성장시키는 단계; 광 트랩핑 구조를 퇴적하는 단계; 및 전기적 콘택트를 형성하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 정적 집광에 기초한 반도체 디바이스에 대한 통합된 광학 아키텍처/설계 플로 다이어그램의 예를 도시하고 있다.
도 2는 초고효율 태양 전지를 구현하기 위한 본 발명의 방법을 예시하는 다이어그램의 예를 도시하고 있다.
도 3은 1X, 10X, 20X, 50X 집광에 대해, 공기 매스 1.5G 스펙트럼에 대해 대역 갭의 개수에 따른 효율의 플롯 예를 도시하고 있다.
도 4는 태양 전지 효율 > 50%에 대한 요구 조건을 도시하고 있다.
도 5는 수평 태양 전지 아키텍처의 예를 도시하고 있다.
도 6은 수직 태양 전지 아키텍처의 예를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 제안된 아키텍처 및 디바이스 구조의 개요의 예를 도시하고 있다.
도 8은 복수 엑시톤 생성 태양 전지의 예를 도시하고 있다.
도 9는 n-베이스, 얇은 구조를 이용함으로써 저비용, 고성능 태양 전지로의 경로를 보여주는 PC1D 모델링 결과의 예를 도시하고 있다.
도 10은 저비용 재료를 이용하는 얇은 p-베이스 태양 전지의 예를 도시하고 있다.
도 11은 복수의 에너지 레벨 태양 전지에 대한 2개의 구성 예를 도시하고 있다.
도 12는 3개의 PbSe QD 크기 및 하나의 PbS에 대해, 하나의 광자로부터의 엑시톤 형성을 위한 양자 수득률 대 QD 대역갭에 대한 광자 에너지의 비율로서 표현된 광자 에너지의 예를 도시하고 있다.
도 13은 선택적 에너지 콘택트 기반 컨택팅 양자 도트 어레이의 예를 도시하고 있다.
도 14는 본 발명의 기술 옵션을 확장하는 다양한 접근법의 예를 도시하고 있 다(파트 I).
도 15는 본 발명의 기술 옵션을 확장하는 다양한 접근법의 예를 도시하고 있다(파트 II).
도 16은 6J 태양 전지에 대한 대역 갭의 예를 도시하고 있다.
도 17은 수평 광학 시스템에 대한 개략도의 예를 도시하고 있다.
열역학 효율 한계에 접근하는 것은 임의의 에너지 변환 프로세스의 최종 목적이고, 성숙한 에너지 기술은 그 이상적인 효율의 약 85%로 동작한다. 1-접합 실리콘 태양 전지는 50년 동안 집중적으로 개발되고 있었고, 상용 디바이스가 실험실 태양 전지의 성능에 도달하는 데 여전히 실질적인 개선이 요구되지만, 이러한 이정표에 접근하고 있다. 실리콘 태양 전지의 이러한 진척들은 지상 광전 변환 소자의 일관되고 신속한 성장을 가속화시켰지만, 1-접합 태양 전지는 태양 에너지 변환을 위한 이론적 포텐셜의 단지 약 절반만을 캡처하고, 따라서 광전 변환 소자를 낮은 전력 밀도가 수용가능한 애플리케이션들로 제한시킨다. 새로운 고성능 접근법은 워파이터(Warfighter)와 같은 확장된 애플리케이션 범위를 허용한다.
고성능 제조가능한 광전 변환 소자의 현재의 장벽을 극복하기 위해서는, 근본적으로 새로운 기술이 요구된다. 문제 - 현재의 지상 태양 전지 효율을 3배로 하거나 그 비용을 100만큼 줄이면서도 공간 셀 효율을 66%만큼 증가시키는 것- 의 중대성은 복수의 기술혁신을 필요로 한다. 도 1의 프로 다이어그램에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법은 옵티컬(optical), 인터커넥트 및 태양 전지 설계를 통합하 여, 재료, 디바이스 구조 및 제조 기술의 측면에서 고성능 광전 변환 소자에 대한 설계 공간을 상당히 증가시킨다. 도 1에 지적된 바와 같이, 본 발명의 방법은 증가된 이론적 효율, 현재의 재료/비용 트레이드오프를 우회하는 새로운 아키텍처, 비-이상적인 재료로부터의 개선된 성능, 현재의 태양 기술(실리콘 태양 전지를 포함함)에 대한 이상적인 성능 한계에 더 근접하게 접근할 수 있는 디바이스 설계, 감소된 스펙트럼 미스매치 손실 및 증가된 재료 선택의 유연성을 포함하여 복수의 장점들을 제공한다.
본 발명의 통합된 옵티컬/태양 전지 디바이스는 면적당 비용을 유지하면서도 효율 개선을 달성하고, 따라서 광전 변환 소자에 대한 애플리케이션을 확대시킨다. 도 2는 (1) 광학 설계, (2) 태양 전지 설계, 및 (3) 태양 전지에 대한 수평/수직 아키텍처로의 단일 태양 전지의 통합의 단계를 도시하는 플로 다이어그램의 예이다. 뿐만 아니라, 도 3은 공기 매스(AM) 1.5G 스펙트럼에 대해 대역갭의 개수가 집광에 의해 가변됨에 따른 효율 플롯의 예이다.
뿐만 아니라, 본 발명의 방법은 우선 성능에 초점을 맞추는 설계 접근법으로서, 현재의 기술-수준의 광전 변환 기술의 이용은 고 및 저 에너지 광자에 대해서는 고성능, 저비용의 복수 접합 III-V, 및 중간 에너지 광자에 대해서는 새로운 실리콘 태양 전지를 설계할 수 있게 한다. 또한, 본 발명은 새로운 태양 전지 아키텍처 및 광학 소자를 통해 현재의 비용 유발자(driver)들을 우회한다. 또한, 본 발명은 증가된 설계 공간 유연성을 활용하고, III-질화물 또는 최근에 증명된 In-풍부한 III-V 결함-내성 재료를 이용하여, 2개의 다른 III-V 기반 태양 전지를 제 공한다.
또한, 본 발명은 더욱더 야심적인 목표 - 반도체 기술에 전형적인 것으로부터 효율/비용을 분리시키고 코팅(즉, 저비용으로 넓은 면적에 적용될 수 있음)으로 태양 전지의 패러다임을 이동시킴 - 를 처리한다. 그러한 변화의 실현은 새로운 물리적 동작 원리를 가지는 태양 전지의 개발뿐만 아니라, 새로운 제조 기술에 따라 좌우된다. 최근에, 특히 유기 재료 또는 나노 구조와 같은 새로운 재료에 기초한 다수의 저비용의 새로운 접근법이 제안되었고, 이들은 바람직한 광학적 또는 흡수 특성을 보여 왔다. 그러나 초고효율의 그러한 접근법의 구현에는 근본적인 장벽이 있고, 본 발명은 성능의 근본적인 장벽뿐만 아니라 저비용 나노 구조를 만드는 기술적 도전 모두를 처리한다.
도 4는 >50% 효율 태양 전지에 대한 요구 조건을 요약하는 다이어그램의 예이다. 특히, >50% 태양 전지의 실현은 적어도 3가지 인자, (1) 63%의 열역학 효율, (2) 그 이론적 효율의 >80%를 실현하는 태양 전지, 및 (3) 대량 생산 시 $100/m2로의 경로로 $1,000/m2 이하를 유도하는 제조 접근법을 포함한다. 이들 인자들은 이하에 더 상세하게 설명된다.
50% 이상 실제 효율을 가지는 태양 전지에 대한 제1 기준은, 효율 한계 계산에 포함되지 않는 불가피한 디바이스 손실을 허용하도록, 공기 매스(AM) 1.5G 스펙트럼 조건에서 이상적인 이론적 효율이 50% 이상이어야 된다는 것이다. 수십 년간 최적화되었던 최상의 태양 전지는 그 이론적 효율의 ~75 - 80%에 도달하고, 따라서 이론적 효율은 목표 효율(50%)에 25%만큼 초과해야 하므로, 요구되는 열역학 효율을 63%로 한다.
도 3은, 상기 언급된 바와 같이, AM 1.5G 스펙트럼에 대한 대역갭의 개수 함수로서 상세한 밸런스 접근법을 이용하여 계산된 효율을 도시하고 있고, 1-태양 조건에서 9개 또는 10개의 개별적인 접합들(새로운 태양 전지 접근법을 이용하는 경우라도 9-10개의 분리된 에너지 레벨 또는 엑시톤 생성 이벤트)이 필요하다는 것을 보여주고 있다. 수 개의 스펙트럼이 효율 계산에 이용되고, 스펙트럼 각각은 한계적으로 다른 효율 값을 제공한다. 애플리케이션은 낮은 집광을 가지는 지상이므로 AM 1.5G 스펙트럼을 이용한다.
그러한 다수의 재료는 재료의 가용성, 비용, 통합, 및 미스매치 손실을 포함하는 여러 가지 이유 때문에 실제적이지 않다. 효율을 증가시키는 것은 집광을 통해 또는 태양 스펙트럼을 변경함으로써 입력 전력 밀도를 증가시키는 것을 요구한다. 본 발명의 방법은 그러한 프로세스(인광체, 업/다운 변환)의 효율이 고효율 광전 변환 소자에 대해 요구되는 것보다 작으므로, 태양 스펙트럼을 변경하는 것에 따라 좌우되는 접근법을 회피한다. 그러나 본 발명은 이러한 영역에서의 브레이크스루(breakthrough)가 발생하는 경우에 통합된 옵티컬/태양 전지 설계 접근법이 그러한 효과를 활용하는 데 이상적으로 적합하다는 것을 포함한다. 주로 대규모 애플리케이션에 적합한 트랙킹 집광기를 회피하기 위해, 본 발명은 종래 모듈에 이상적으로 채용되는 정적 집광기를 포함한다. 뿐만 아니라, 도 3은 10 내지 20-X 집광이 주어진 개수의 대역 갭에 대해 효율을 증가시키고 9개 또는 10개보다는 단지 5-6개의 접합이 요구된다는 것을 보여주고 있다.
>50% 효율을 달성하기 위해, 태양 전지는 그 이론적 효율 63%의 >80%를 달성해야 한다. 태양 전지의 효율은 η=(IscVocFF)/Pin으로 주어지고, 여기에서 Isc는 단락 회로 전류로서 광의 흡수 및 광 생성된 캐리어의 수집에 좌우되고, Voc는 개방 회로 전압이며, FF는 필 인자(fill factor)이다. 이론적 효율의 >80% 달성하기 위해, 이들 모두는 도 4에 도시된 바와 같이, 그 이론적 값들에 가능한 한 근접해야 한다. 흡수 깊이(1/α, 여기에서 α는 흡수 계수)가 디바이스 두께 및 소수 캐리어 확산 길이 양쪽보다 작은 경우에, 반도체-pn 접합에 대한 높은 흡수 및 수집이 발생한다. 더 낮은 흡수 계수를 가지는 벌크 재료들이 더 큰 소수 캐리어 확산 길이를 가지고 있으므로, 이것은 높은 품질 재료로 용이하게 달성된다. 심지어 결함이 있는 재료에 대해서도, pn 접합 태양 전지는 광-트래핑 및 드리프트 필드 태양 전지와 같은 적절한 디바이스 설계 및 파라미터로 높은 수집을 가지고 있고, pn 접합에 대해, 흡수 및 수집은 디바이스 설계 및 광학 소자에 의해 제어될 수 있다. 그러나 흡수 및 수집 모두는 나노 구조로 된 접근법에 있어서는 더 어렵고, 높은 흡수 및 수집을 달성하는 데 추가적인 광학 소자 및 개선된 디바이스 설계를 요구한다.
pn 접합 및 다른 새로운 접근법 모두에 대해, >80%의 이론적 효율을 달성하는 데 있어서의 중심 이슈는, 특히 더 높은 재조합 및 감소된 Voc를 가지는 실제적으로 가능한 결함이 있는 재료를 이용하는 경우에, 그 이론적 값의 >90%인 전압을 실현하는 것이다. Voc는, 일반적으로 흡수 및 수집이 전체 접합에 걸쳐 통합되더라도, 재료에서 최저 품질의 로컬화된 영역에 의해 설정된다. 이것은 단지 낮은-결함의 단결정 태양 전지 접합만이 Voc가 그 이론적 한계에 접근하는 것을 보여주고 있기 때문이고, 옵서버(absorber) 층이 전하를 수집/이동시키는 것과 동일한 재료가 아닌 접근법(유기 및 염료-감응형 태양 전지)이 흡수 재료에 의해 부과되는 이론적 효율 한계 근처에서 수행하지 않는 이유이다. 재조합이 옵서버의 방사 재조합에 의해 제한되는 경우에, 최저의 가능한 이론적 재조합이 달성되고, 그리고 대부분의 구성에서 이동 재료는 불충분하므로, 그러한 구조는 이론적 전압의 높은 비율을 달성하지 못한다. 그러므로 이론적 효율의 높은 비율을 달성하는 데 있어서의 중심적인 이슈는 옵서버(이동 재료와 다른 경우)뿐만 아니라, 수집 재료의 재료 품질이다.
태양 전지의 비용은 3가지 주된 유발자, 1) 기판, 2) 에피택셜 성장 또는 접합 형성, 및 3) 금속화 및 반반사 코팅과 같은 처리로 분할될 수 있다. 본 발명은 비싼 III-V 또는 실리콘 기판의 이용을 회피하고 최종 태양 전지를 유리 - 비교적 저가인 기판 - 상에서 조립함으로써 기판 비용을 최소화시킨다. 제조 프로세스에서 실리콘 웨이퍼가 이용되더라도, 이들은 전기적으로 액티브할 필요가 없으므로, 낮은 비용이 될 수 있다. III-V 층의 에피택셜 성장의 비용이 현재 매우 높더라도, 높은 비용은 원재료 비용보다는 자본 투자와 주로 관련되어 있다. 이들 비용은 대규모 생산에 의해 감소될 수 있다. 이들 모두 3가지의 비용을 감소하기 위한 주된 전략은 집광을 이용하여 반도체 면적을 줄이는 것이다.
>50% 효율 태양 전지에 대한 요구 조건의 상기 설명은 매우 높은 성능의 태양 전지에 도달하는 데 수 개의 중심적인 도전이 있다는 것을 보여주고 있다. 이들 중 제1의 도전은 정적 집광기에 대한 필요성이다. 이전에, 현재의 태양 전지 모듈에 대한 정적 집광기는 제안되었지만, 큰 셀 크기는 광학계(optics)를 너무 두껍게 하고 너무 낮은 집광을 만든다. 본 발명은, 정적 집광기의 설계를 태양 전지 및 인터커넥트 기술과 통합하고, 상기 언급된 이슈를 회피하고 얇은 광학 소자를 이용하여 더 높은 집광을 제공하는 고성능 마이크로-집광기를 허용함으로써, 이러한 한계를 우회한다.
> 50% 효율 태양 전지를 달성하는 데 있어서의 도전은, (1) 특정 대역갭이 최적 효율을 달성해야 하는 필요성에 의해 부과되는 제한, (2) 직렬-접속된, 전류-매칭된 아키텍처에 의해 부과되는 대역 갭 제한, (3) 격자-매칭 제한, (4) 하나의 층의 에피택셜 성장이 다른 모든 것과 양립해야 하므로 재료 양립성 제한(즉, 성장 온도는 다른 층들에 영향을 미쳐서는 안 되고, 열적 확산 계수는 근접하게 매칭되어야 하며, 인터-확산은 회피되어야 한다, 등), (5) 스펙트럼 미스매치로 인한 손실, 및 (6) 비용 고려를 포함하는, 재료 선택 시의 다수의 경합하는 제한에 기인한다.
본 발명은 그 모델링된 한계에 근접하고 대규모로 동시에 제조가능한 태양 전지를 실현한다. 상기 설명된 본 발명의 접근법은 트랙킹없는 높은 집광을 달성하고 >50% 효율을 가지는 태양 전지를 구현할 때 재료/비용 이슈를 해결하는 것과 같은 중심적인 기술적 도전에 대한 강력한 해결책을 허용한다.
본 발명은 통합된 옵티컬 및 태양 전지 설계로서, 설계 공간을 상당히 증가시킨다. 광학 설계를 태양 전지 설계와 통합함으로써, 훨씬 더 넓은 재료 선택이 허용되어, 높은 효율, 다수의 현재의 비용 유발자의 제거를 허용하고 복수의 다른 기술혁신의 포함을 가능하게 한다. 핵심 광학 소자는 정적 집광기로서, 나중에 수평 또는 수직 아키텍처 중 하나에 이용된다. 콤팩트하고 강력한 패키징을 달성하기 위해, 본 발명의 광학 집광기는 타일형 특징을 가질 것이고, 그 설계는 최대 변환 효율을 달성하는 광학계 및 셀의 동시-최적화에 따라 좌우될 것이다.
정적 집광기는 태양 전지 상의 전력 밀도를 증가시키지만, 트랙킹을 필요로 하지 않으며, 하늘의 대부분으로부터 광을 수용하는 와이드 수용-각도 광학 소자(통상, 비-이미징)를 이용함으로써 1-태양 태양 모듈에 채용되어 동일하게 이용된다. 트랙킹 집광기와는 달리, 정적 집광기는 태양 스펙트럼의 입사 전력의 ~ 10%를 구성하는 확산광의 대부분을 캡처할 수 있다. 더 넓은 수용 각도에 대한 트레이드-오프는 더 낮은 집광이다. 실제로, 높은 집광 레벨은 1년 전체에 걸쳐 전력 밀도가 낮은 하늘 영역으로부터의 광을 거절함으로써 달성되고, 트랙킹없이 10X 집광을 허용한다. 또한, 모듈 위치가 연중 어떤 포인트에서도 수동으로 조정될 수 있다면, 최대 집광이 증가한다. 모듈이 고정된 위치에 얼마나 오래 유지되느냐에 따라, 집광은 10X 내지 200X의 범위가 될 수 있다.
도 5는 트랙킹을 위해 광학 시트를, 그리고 수평 에너지 수집을 위해 분산 소자를 슬라이딩함으로써 정적 집광기가 증가될 수 있는 방법을 예시하고 있다. 트랙킹은 태양 전지의 기본적인 타일형 구조에 통합될, 저비용 평면 광학계의 인접하는 시트를 채용함으로써 달성될 수 있다. 태양이 이동함에 따라, 태양 모듈의 코너에서 피에조(piezo)-트랙터에 의해 시트를 X 및 Y로 밀리미터의 일부만큼 시프트하는 것은, 태양의 이미지의 위치 및 각도가 태양 위치와 무관한 분산 소자의 것들과 매칭하도록 보장하는 단순하고 저비용의 트랙킹 메커니즘을 제공할 수 있다. 단일 저비용, 저전력 DSP 회로는 시스템의 모든 태양 전지에 대한 모든 감지, 제어, 서보 및 액튜에이션 로직을 핸들링한다. 동작 시, 태양 전지 효율을 나타내는 피드백 신호가 서보 루프에 활용되어 이동가능한 시트(들)의 위치를 조정할 것이다.
트랙킹없는 수평 태양 전지를 구현하기 위해서는, 하늘을 가로지르는 태양의 이동이 고려되어야 한다. 마이크로-트랙커를 구비한 집광기는 스펙트럼 스플리터로의 태양 빔의 정렬을 허용한다. 스펙트럼이 분할되는 스펙트럼 영역 또는 저장소(bin)의 더 큰 개수가 광학 설계에 의해 결정되고, 태양광을 "잘못된" 태양 전지로 스티어링함으로 인해 스펙트럼 빈의 개수가 증가함에 따라 손실이 증가한다. 이를 피하기 위해, 각각이 2 또는 3개의 스택으로 구성된 더 작은 개수의 개별적인 태양 전지들이 이용될 수 있다. 본 발명의 태양 전지 디바이스 설계는 광을 3가지 영역 또는 저장소, 즉 고 에너지, 중간 에너지 및 저 에너지로 분할하는 데 초점을 맞추고 있다.
상기 언급된 수평 아키텍처에 대한 병렬적 접근법은 도 6에 도시된 바와 같이, 태양 전지가 독립적으로 접촉될 수 있는 수직으로-통합된 디바이스이다. 유의 할 점은, 다양한 콘택트 스킴 및 쇼팅(shorting) 접합이 가능하다는 점이다. 이러한 접근법은 액티브 태양 전지 없이 표면 면적의 대부분을 남겨두는 정적 집광기의 포함으로 인해 가능하게 되고, 따라서 개별적인 접합으로의 분리된 콘택트 형성을 위한 여지를 남겨둔다. 독립적으로 접속된 수직 아키텍처는 스펙트럼 미스매치를 최소화하고 재료 선택의 유연성을 증가시키며 터널 콘택트를 회피한다는 점에서 수평 태양 전지 아키텍처와 유사한 장점을 실현한다. 통합 프로세스에 따라, 이러한 접근법은 층 전사를 이용함으로써 격자 매칭을 회피할 수도 있다.
본 발명은 광학 소자에 의해 허용된 확장된 설계 공간 중에서, 최종적으로 저 비용을 달성하는 데 근본적으로 양립할 수 없는 높은 성능의 양태들만을 제거하는 성능을 위한 제1 설계를 선택한 후, 저 비용 제조를 위한 설계를 선택한다. 본 발명의 방법은 초기 페이즈(phase)의 병렬적 접근법과 관련되어, 어떤 경우든 성공은 하나의 고 리스크 접근법에 따라 좌우되지 않는다. 아키텍처/디바이스 접근법은 도 7의 플로 다이어그램에 도시되어 있다.
본 발명의 방법에서의 높은 성능 강조는 그 대역갭에 근접한 파장 범위에 대해 최고의 성능을 증명한 재료를 이용하고 고, 중간 및 저 에너지 광자에 대해 다른 재료를 제공하는 복수의 접합 태양 전지를 개발하는 것에 기초한 코어 접근법을 유도한다. 최고성능 재료는 고 에너지 광자에 대한 GaInAsP 재료 시스템, 중간 에너지 광자에 대한 실리콘, 및 저 에너지 광자에 대한 InGaAs 또는 다른 열 광전 변환(TPV) 재료로부터 삼원 화합물이다.
제2 설계 방법 제한은 재료 및 접근법이 대규모 제조 및 저비용에 부합하도 록 보장하는 것이다. 이것은 기판, 제조 및 통합 비용을 감소시키는 핵심 접근법을 유도한다. IC 산업계에 의해 풍부하게 보여지는 바와 같이, 대규모 제조는 모놀리딕 접근법으로부터 이점이 발생하고, 낮은 통합 비용은 모놀리딕 구조에 의해 달성되며, 낮은 재료 비용은 실리콘 기판의 이용을 통해 달성되므로, 가장 낮은 제조가능성 리스크는 실리콘 상에 직접 성장시키는 것으로 구성되고, 이는 낮은 기판 및 통합 비용을 제공한다.
본 발명의 방법이 높은 성공 가능성을 제공하지만, 다른 재료 시스템 및 접근법도 고유의 장점이 있다는 것을 인식한다. 본 발명의 방법의 병렬적 접근법은 감소된 비용으로 개선된 성능 또는 등가의 성능 중 어느 하나로 인해 핵심 접근법을 대신할 수도 있다. 이들 접근법들은 III-질화물 재료 시스템과 같이 복수의 접합 태양 전지에 대한 다른 재료들, 높은 에너지 광자에 대한 인-풍부한 결함-내성 III-V 재료를 이용한 새로운 디바이스 구조, 및 낮은 에너지 광자를 위한 Si/Ge 재료 시스템을 포함할 수 있다.
다르게는, 높은 기술적 리스크를 가지고 있지만 높은 이익(pay-off)을 가지는 본 발명의 다른 방법은 자기-조립된 제조 기술과 조합하여, 복수 엑시톤 생성 또는 복수의 에너지 레벨(중간 대역) 태양 전지 중 어느 하나를 이용하여, 나노 구조 가상 대역갭 태양 전지를 개발하는 것이다. 실제로, 모든 설계 및 기술들은 상호 관련된다. 예를 들면, 나노 구조 가상 대역갭 태양 전지가 저 에너지 컨버터로서의 실현에 최적으로 적합하고 가장 근접하며, 최종 태양 전지는 나노 구조와 복수의 접합 접근법 간의 하이브리드일 수 있다. 이들 각 광전 변환 개념은 이하의 섹션에서 더 상세하게 설명된다.
고 에너지 광자에 대한 고성능, 저비용 III-V 재료 셀은 이하에 더 설명된다. 복수의 접합 태양 전지(또한, 탠덤으로 불림)는 복수의 pn 접합으로 구성되고, 각각은 태양 스펙트럼의 좁은 범위를 변환시킨다. 3개의 접합(3J) 복수 접합 태양 전지는 현재 상태의 기술 수준을 나타내고, 175X에서 37.3%의 효율이 있으며 최근에 확인된 결과는 10X에서 37.9%이었다.
현재의 3J 접근법에 기초한 증분적 방법은 III-V 또는 Ge를 최종 태양 전지에 통합하는 본질적인 비용, 더 높은 대역갭에 대한 격자 매칭 제한을 증가시키는 것, 높은 대역갭 재료에서의 선택 부족, 특히 Ge가 액티브 태양 전지로서 이용되지 않는 경우의 중간- 및 저 에너지 범위에서의 이상적인 재료의 부족을 포함하는 수 개의 근본적인 도전들에 직면한다. 전체적으로, 도전들은 (1) 추가적인 3 내지 4개 재료에서 이상적인 pn 접합을 개발하고, 동시에 (2) 인자 100 이상만큼 현재의 탠덤의 비용을 감소시키는 것으로서 요약될 수 있다.
뿐만 아니라, >50%를 달성하기 위해 구현될 수 있는 복수의 집광기/태양 전지 조합이 있다. 4J 태양 전지는 >150X의 집광을 요구하고, 7J 태양 전지는 >5X를 요구한다. 4J 태양 전지는 높은 집광 내부적으로-트랙킹 정적 집광기의 성공에 좌우되므로, 본 발명은 실리콘 상부에 3J가 있고 실리콘 아래에 1-3J가 있는 중간 에너지 컨버터로서 실리콘을 가지는 5-7J 태양 전지를 포함한다. 최적 디자인은 실리콘 상에 3J 및 Si 아래에 하나, 둘 또는 3개의 접합을 포함하므로, 5와 7 간의 접합 개수는 낮은 에너지 컨버터에 좌우된다. 낮은-대역 갭 디바이스가 실리콘 기 판에 분리되어 성장되거나 부착되므로, 고, 중간 및 저 에너지 디바이스가 분리되어 고려될 수 있다.
Si의 이용은 비용 및 높은 대역갭 문제를 감소시키고, 저 에너지 광자에 대해 Si/Ge를 이용하는 것은 저 에너지 디바이스에 대한 대역 갭을 증가시킨다. 이러한 접근법은 상당한 유연성 및 높은 성공 가능성을 제공한다. 우리가 단지 하나의 5J 태양 전지(7J보다는)를 구현하고 접합의 최적화가 완전하게 실현되지 않은 것(따라서, 우리가 저 에너지에 대한 이론적 효율의 단지 50% 및 모든 태양 전지의 이론적 효율의 75%를 달성할 수 있게 함)으로 가정하는 경우, 20X에서의 전체 효율은 45.1%이다. 3개의 최저 대역갭 접합에 대한 이론적 효율의 75% 및 더 높은 대역갭에 대해 85%를 가지는 6J를 달성하는 경우, 우리는 20X에서 53.7%를 달성한다.
특히 GaAs의 통합을 위해, III-V 재료에 대한 기판으로서 실리콘을 이용하는 장점은, 오랫동안 인식되어 왔고, 광학 디바이스, 집적 회로 및 광전 변환 소자에 대한 이러한 기술을 개발하도록 수많은 노력을 촉진해 왔지만, 한결같이 빈약한 재료 품질에 직면했다. 통합된 옵티컬/태양 전지 접근법은 본 발명이 아래에 설명된 바와 같은 수 개의 이유들 때문에 이것을 회피하도록 허용한다.
우선, 대역갭의 유연성이 실질적으로 증가되고, 따라서 우리는 격자-매칭 및 전류 매칭 제한이 혹독하지 않은 재료를 선택할 수 있다. 예를 들면, 6J 태양 전지에서, 제3 접합의 대역갭을 실리콘의 대역갭으로 고정하고, 상부 대역갭을 2.2eV 이하로 제한시키며, 최저 에너지 갭을 0.7eV로 증가시키는 것은 상대적으로 1% 이하만큼 효율을 변경한다.
두 번째로, 비-이상적인 재조합 컴포넌트가 더 높은 바이어스에서는 덜 중요하게 되므로, 낮은 집광 레벨을 이용함으로써, 디바이스는 더 높은 변위(dislocation) 밀도를 견딜 수 있다. 이것은 변성(metamorphic) 저 대역갭 태양 전지를 포함하는 레코드 태양 전지가 단순히 증가된 전력 밀도에 의해 그리고 낮은 집광에서 다른 최근의 탠덤 리포트에 의해 설명될 수 있는 것보다 낮은 집광(10X) 하에서 더 큰 부분만큼 개선되었다는 점에서 최근에 실험적으로 증명되었다.
본 발명의 방법은, 상부 3개의 접합이 6J 태양 전지의 전체 전력의 60%를 생성할 수 있으므로, 접근법이 새로운 태양 전지 설계, 새로운 재료 시스템, 및 버퍼층 성장의 진척의 조합을 통해 실리콘 상에서 높은 품질 성장을 달성하는 데 초점을 맞추고 있는 상태에서, 높은 광자 에너지 변환을 위한 복수의 병렬적 접근법을 활용한다.
최고성능 태양 전지는 Ge 또는 III-V 기판, 및 GaInAsP 재료 시스템으로부터의 삼원 재료를 이용한다. 전통적인 성능 및 비용 유발자를 회피하기 위해, 본 발명은 3J 태양 전지를 저비용 실리콘 상에 성장시키는 것을 포함한다. 가장 낮은 리스크의 접근법은 최고 대역 태양 전지가 Si 상에서 성장되도록 Si 상에 "인버팅된(inverted)" 태양 전지를 성장시킨 후, 나머지 디바이스를 더 높은 격자 상수 및 더 낮은 대역갭으로 그레이딩하는 것이다. 이러한 접근법의 가능한 특징은 최근에 증명된 고품질 스텝-그레이딩된 버퍼 층의 접근법을 확장하여 Si 기판상의 고품질 성장을 허용한다. Si/고 대역갭 태양 전지에 대한 격자 미스매치는 현재의 고성능 탠덤 태양 전지에 대한 격자 미스매치와 유사하고, 높은 성공 가능성을 제공한다.
또한, 전기적으로는 불충분하지만 결정학적으로는 고품질 웨이퍼는 매우 낮은 비용이므로 실리콘 기판이 희생 기판이 될 수 있기 때문에, 이러한 접근법은 저 비용이다. 또한, 희생 웨이퍼 층의 이용은 층 전사를 낮은 비용으로 대규모로 제조 가능하게 하는 현재의 장벽을 극복시킨다. 개별적인 층들을 얇게 하고 또한 Al-포함 그레이드의 이용을 포함하여 버퍼 조성을 최적화시킴으로써, 이러한 접근법을 액티브 Si 태양 전지 상에 셀의 직접적인 성장으로 확장시킬 수 있고, Si 상에 저비용, 고성능 모놀리딕 태양 전지를 허용한다.
III-질화물 재료 시스템은 고성능 멀티-접합 태양 전지 및 저비용 양쪽 모두, 사파이어(현재 이용됨)와 비교할 때 <111> Si에 대한 양호한 격자 매칭, 질화물에 집중된 현재의 산업, 높은 변위 밀도가 있는 경우라도 높은 방사 효율, 결함 있는 재료로부터 양호한 수집을 허용하는 높은 이동성, 표면 재결합의 제어를 허용하는 큰 압전 상수, 2.2eV 이상의 직접 대역갭을 가지는 디바이스 설계를 허용하는 높은 대역갭 재료의 가용성을 허용하는 수 개의 특징들이 있다. 그러한 고 대역갭은 다른 확립된 재료 시스템에서는 가용하지 않지만, 이들이 다수 개수의 셀을 가지는 복수의 접합 태양 전지에 필요하기 때문에 바람직하다.
이들 장점들과 결합되는 것은, 저 대역갭의 In-풍부한 InGaN 재료 시스템(특히 실제 디바이스에서 p형 도전을 달성하는 경우)의 미개발 상태, 사파이어 기판의 비용, 및 낮은 소수 캐리어 수명을 포함하는, 실질적인 도전들이다. 기판으로서 Si를 이용하는 것은 사파이어의 비용을 피하고, 제안된 대역갭에 대해 사파이어와 비교할 때 개선된 격자 매칭을 제공하며, 열팽창 계수의 큰 미스매치에도 불구하고 GaN과의 양립성을 이미 증명했다. 또한, 요구되는 최저 대역갭은 1.5eV 이상이므로, 실리콘의 이용은 InN과의 이슈를 피한다. 우리는 이미 GaN 및 InGaN 태양 전지에서의 높은 수집 및 전압을 증명했고, 내부 전계에 대한 제어는 핵심적인 설계 파라미터라는 것을 식별했다. Georgia Institute of Technology에서 개발된 InGaN에 대해 새로운 도펀트 기술, 및 압전 효과의 영향을 포함하는 디바이스 설계를 활용함으로써, 본 발명은 고성능 InGaN 태양 전지를 달성할 수 있다.
본 발명은 현재의 태양 전지 기술의 비용/성능 장점에 영향을 미침으로써 고성능 및 저비용 모두를 달성한다. 실험실 실리콘 태양 전지가 높은 성능을 증명했지만, 중심적인 기술적 도전은 고성능 특징을 저비용 태양 전지에 포함시키는 것이다. 본 발명은 더 얇은 실리콘 접합으로의 이동, 절연체 이외의 수단에 의한 Si 표면의 패시베이션, 광학적으로 투명한 기판의 이용, 및 n형 실리콘에서의 최근에 증명된 높은 소수 캐리어 수명을 포함하여, 태양 전지 설계의 수개의 기술혁신에 의해 가능해진, 유리 상에 성장된 새로운 태양 전지이다. 그러한 초저비용 접근법으로의 이동과 연관된 리스크를 완화하기 위해, 본 발명은 병렬적 접근법을 활용한다.
본 발명은 퇴적된 코팅을 이용하는 표면 패시베이션의 최근 진척, 및 광 트랩핑에서의 제안된 기술혁신(나노 구조 재료에 설명됨)을 활용하여, 유리보다는 실리콘 웨이퍼 상에서 고성능을 실현한다. 본 발명은 표면을 패시베이션하고 더 높은 전압 및 효율을 달성하는 넓은-대역갭 반도체의 퇴적으로 결정성 실리콘 태양 전지를 제조하는 접근법을 포함한다.
초고효율 복수 접합 태양 전지에서의 근본적인 도전은 저 에너지 광자의 효율적인 전환이다. 이것은 단지 재료 문제(재료 이슈도 있지만)만이 아니라, 오히려 광전 변환 접근법을 통한 직접 열 변환에서 발생되는 근원적인 문제이다. 효율 한계 계산은 재조합이 방사적으로 제한되고 준-페르미(Fermi) 레벨은 도전 및 원자가 대역 에지에서 임의적으로 근접하게 만들 수 있다고 가정한다. 레코드-효율 태양 전지, Si 및 III-V 탠덤 모두는 통상 방사 제한의 0.1eV 내에서 Voc를 달성한다. 방사 제한은 비교적 느리게 가변되므로, 간단한 등식은 Voc≒q(Eg-0.4eV)이다. 넓은 대역갭 태양 전지에 대해, 0.4eV는 전체 전압의 작은 부분이지만, 더 좁은 대역갭에 대해 이는 지배적인 영향을 미친다. 가능한 최고 전압을 유지하기 위해, 본 발명은 헤테로구조 및 광 트랩핑을 이용함으로써 낮은 대역갭 재료의 재조합 체적의 최소화와 결합되는 최고성능 저 대역갭 재료, 열 광전 변환 디바이스에 대해 개발된 것들을 이용한다.
두 번째 핵심적인 한계는 종래 기판과의 큰 격자 미스매치로 인해, 저 대역갭 태양 전지를 현재의 디바이스와 통합하는 어려움이다. 층 전사는 현재의 TPV 태양 전지의 이용을 허용하지만, 더 낮은 비용 접근법은 실리콘 웨이퍼의 후방 상에 Si/Ge 태양 전지를 성장시키고, 흡수를 증가시키기 위해 광 트랩핑을 새로운 접근법에 포함시킨다. 저 대역갭 재료에서의 낮은 Voc를 회피하는 병렬적 접근법으로서, 본 발명은 이하에 설명되는 바와 같이, 가상 대역갭 태양 전지를 이용한다.
나노 구조 가상 대역갭 태양 전지 및 광자 결정이 이하에 더 설명된다. 나 노 구조의 PV의 변형 잠재력은 2개의 다른 특성, 첫째로는 핵심적인 재료 파라미터를 변경하고 제어하는 나노-구조의 성능, 및 두 번째로는 에피택셜 성장 프로세스가 아니라 저비용의 새로운 자기-조립 프로세스에 의해 나노 구조의 재료를 구현하는 잠재력으로부터 발생하고, 따라서, 반도체들을 추구하는 효율 모델보다는 코팅을 추구하는 비용 모델로의 광전 변환기술에서 장기간 추구해왔던 "최종적인" 패러다임 시프트를 허용한다. 나노 구조를 통한 재료 속성의 제어는, 광자가 그 에너지에서 또는 그 근처에서 "물리적" 대역갭을 필요로 하지 않고 효율적으로 변환되는 가상 대역갭 태양 전지를 이용함으로써, 단일 나노 구조 태양 전지는 이론적으로 단일 pn 접합 태양 전지의 효율을 초과할 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 나노 구조 가상 대역갭 태양 전지가 낮은-대역갭 pn 접합 접근법에 의해 조우하는 낮은 전압을 극복하는 데 이용될 수 있는 추가적인 장점을 제공하고, 재료 설계 공간을 추가로 열어준다.
가상 대역갭 태양 전지에는 2개의 물리적 메커니즘, 즉 복수의 엑시톤 생성 및 복수의 에너지 레벨 태양 전지가 이용된다. 이들 접근법 모두는 그 구현에 나노 구조에 따라 좌우되고, 본 발명은 순서화된 양자 도트 어레이, 및 어레이를 접촉하기 위한 새로운 디바이스 아키텍처의 형성을 통해 실제적이고 낮은-비용의 나노 구조 디바이스를 허용하는 추가 기술혁신을 이용한다.
6J 태양 전지에 대한 대역갭 및 재료 옵션
고 에너지 증명된 III-V 재료 III-질화물 결함 내성
2.1 - 2.44eV GaInP/AlGaInP InGaN
1.8 - 1.95eV GaInP/GaAsP InGaN InGaP
1.4 - 1.55eV GaAsP InGaN InGaP
중간 에너지 실리콘 태양 전지
1.12eV 실리콘 기판 유리 상의 얇은 n/p
저 에너지 TPV 재료 Si/Ge 합금
0.9 - 0.95eV InGaAs Si/Ge
0.5eV, 0.7eV InGaAs Ge
본 발명 광학 효과의 방법은 2가지 광학 소자, 정적 집광기 및 수평 태양 전지를 위한 광학계의 설계 및 개발을 포함한다. 이들 접근법의 근본적인 신규성은 태양 전지 어셈블리의 통합 부분으로서 이들 광학 소자들의 포함이다. 집광기 및 수평 광학계에 대한 통합은 광학 소자 어레이가 태양 전지 칩 패키지에 부착되는 그 최종 제조 단계에서(예를 들면, 간단한 "스냅-온" 어셈블리 단계로서) 발생하는 것이 바람직할 것이다. 추천된 집광기 및 수평 광학계에 대한 광학적 접근법에 대한 프로세스 기술은 일괄-생성가능한 굴절, 반사 및 회절 기술의 범위를 포함하고, 이들로 제한되지 않는다.
본 발명의 방법은 제조가능성; 개발, 생산, 조립, 정렬 및 유지보수의 비용; 허용한도; 온도 민감도; 안정성 및 신뢰성; 및 성능에 대해 추천된 접근법을 이론적으로 그리고 실험적으로 분석하는 것을 포함할 것이다. 광학 소자의 성능에서의 트레이드-오프의 분석은 라디오미터 손실(흡수, 산란 및 반사로 인함), 반전가능하거나 영구적인 환경 또는 세월 영향(온도, 습도, 먼지, 스크래치, 및 유사한 효과로 인함), 및 광 수집에서의 비-이상성(예를 들면, 광자 일부의 전달이 "잘못된" 접합을 유발할 수 있는 광학 수차로 인함)과 같은 이슈에 초점을 맞출 것이다.
기술 II, III-V 복수 접합 태양 전지가 이하에 설명된다. >50% 효율의 복수 접합 태양 전지의 실현을 가능하게 하는 중심적인 프로세스 기술은 주로 실리콘으로 된 저비용 기판 및 태양 전지를 가지는 고성능 태양 전지를 허용하는 III-V 층을 포함하는 제조가능한 접근법의 개발이다. 상기 표 1은 본 발명에 이용되는 접근법의 개요를 보여주고 있다.
GaInAsP 재료 시스템으로부터 삼원 재료를 이용하여 현재의 탠덤 태양 전지에 대해 얻어진 레코드 효율은 매우 높은 효율 PV 디바이스에 대한 이들 재료의 적합성을 증명한다. 이들 재료를 이용하여 새로운 3J 태양 전지를 실현하는 데 있어서의 중심적인 도전은 액티브 실리콘 웨이퍼와 3J의 통합을 허용하는 접근법을 개발하고, 이용하는 GaInAsP 재료 시스템의 상한인 더 높은 대역갭 태양 전지에 대한 접근법을 개발하는 것이다.
3J를 직접적으로 성장시키는 최종적인 목적은 실리콘 상에 공칭 1.5eV, 1.8eV 및 2.2eV의 대역갭들로 스택하는 것이다. 실제 재료 파라미터를 이용한 디바이스 모델링은, 이러한 구조의 능력이 50%에 도달하는 것을 보여주고 있다. 이상적인 GaInAsP-유사 재료를 이용하는 디바이스 시뮬레이션은 전체 태양 스펙트럼 전체에 대해 10X 집광 하의 3개의 접합 고 에너지 스택에 대해 달성가능한 효율 39.5%를 예측한다. PC1D를 이용하는 경우, Si 중간 태양 전지 및 기저 셀에 대해, 광전 변환 소자에서 가장 흔하게 이용되는 pn 접합 시뮬레이터는 전체 태양 스펙트럼에 대해 전체 효율 15.4%를 제공한다. 이들 효율을 조합하면, 이론적 효율 63.2%와 비교할 때 전체 효율 59.7%를 제공한다. 이전에 레코드 효율은 유사한 시뮬레이션 결과의 90%에 도달했고, 이는 잘-최적화된 디바이스는 이론적 효율의 85%에 도달할 수 있으며 이는 우리의 모델을 지지하고 전체 태양 전지가 >50%를 달성할 수 있다는 것을 나타낸다.
본 발명은 다른 재료 조성에 대해 재료 및 성장 파라미터를 시험하고 최적화하기 위해 III-V(GaAs) 기판상에 성장시키는 초기 접근법에 뒤따르는 실리콘 상에 고성능 태양 전지로의 개발 경로를 포함한다. 에칭-중지 층을 성장시키고 인버팅된 구성(즉, 제1 태양 전지로서 최고 대역갭 재료로)으로 성장시킴으로써, 층들이 Si 기판에 전사될 수 있고, 웨이퍼가 제거된다. 이러한 접근법의 실행가능성은 인버팅된 GaInP/GaAs/GaInAs 셀에 대해 달성된 10X에서 레코드 효율 37.9%에 의해 증명되었다. GaAs 상에서의 초기 성장은 인버팅된 구조의 양태를 증명하고 배우는 간편한 방식을 제공할 것이다. GaAs-기반 3J, 고 대역 갭 구조는 GaAs 기판이 재이용될 수 있는 경우에 유용하게 될 것이다. 재이용이 가능하지만, 실제적인 장점은 Si 상에 성장시킴으로써 얻어지고, 따라서 본 발명은 대규모 제조가능성으로의 바람직한 경로로서 기판 재이용에 좌우되지 않는다.
개발 경로를 위한 본 발명의 방법에서의 다음 단계는 저비용의 전기적으로 비활성이지만 높은 결정 품질 실리콘 기판상에 인버팅된 태양 전지 구조를 성장시키는 것이다. 이러한 접근법이 Si 상의 직접적 성장으로의 개발 경로로서 주로 의도된 경우, Si 기판이 희생 기판이 될 수 있을 만큼 비용이 낮을 수 있으므로 이러한 접근법은 리스크를 완화한다. 실리콘 상의 III-V 성장은 과거에는 제한된 성공을 경험했지만, 본 발명은 Si에 매칭된 GaAsN 합금 격자를 이용하여 최근에 증명되었던 Si 상의 고품질, 코히어런트(과거에 연구된 완화된 구조 대신) III-V 성장의 핵 형성과 같이 최근에 개발되었던 새로운 접근법을 이용할 것이다. 다르게는, Si-Ge 그레이드는 코히어런트 격자-매칭된 GaInP를 응집하기에 앞서서 격자 상수를 조정하는 데 이용될 수 있다. 37.9% 효율에 의해 증명되었던 주의 깊게 최적화된 그레이드는 본 발명의 구조의 각 그레이드 각각에 대해 필요로 되는 것보다 더 많은 스트레인을 경감시킨다. 지금까지 실리콘 상의 연구 어떤 것도 인버팅된 접근법을 이용하지 않았다. Si 바로 위의 3J 스택의 개발에서의 최종 단계는 인버팅된 태양 전지 구조에 개발된 버퍼/액티브 층을 박화시켜, Si 상의 1.5eV 디바이스에 대해 낮은 결함 밀도 템플레이트가 달성될 수 있고 2개의 더 높은 대역갭이 이러한 디바이스 상에 성장된다.
III-질화물 시스템은 화이트/블루 LED의 이용으로 인해, 급속한 개발을 겪었다. InGaN 재료는 이전에 추정된 한계 1.9eV보다 낮은 대역갭을 구현하는데 이용될 수 있으므로, 이전 1.9eV 보다는 0.68eV로서 InN의 대역갭의 증명은 이것을 태양 전지에 대한 이상적인 후보로 만든다. 본 발명은 Si 상에서의 성장을 포함하므로, 낮은-대역갭 In-풍부한 질화물과 연관된 다수의 재료 이슈들이 회피된다. 그러므로 실리콘 상에 고효율 InGaN 태양 전지를 구현하는 데 있어서의 중심적인 도전은 낮은 소수 캐리어 수명 및 Si 상의 성장을 위한 버퍼층의 개발이다.
소수 캐리어 수명이 높은 효율 태양 전지를 허용하는 실험적 및 시뮬레이션 증거가 모두 존재한다. 본 발명은 20X에서 3개의 접합을 이용하고, 이들 결과들은, 주로 질화물의 매우 높은 흡수 계수 및 높은 전계를 유지하는 능력으로 인해, 심지어 낮은 수명이 존재하는 GaN 재료에서 측정되는 동안에도, 내부 양자 효율은 전체 스펙트럼 영역에 걸쳐 98% 이상으로 유지되고 모델 전압이 고품질 태양 전지로부터 예상되는 특성 Voc=q(Eg-0.4eV)를 달성하여, >50% 태양 전지에 대한 기준을 충족하는 것을 보여주고 있다. 또한, 콘택트 층에서 높은 기생 흡수를 가지는 업-최적화된 초기 디바이스에 대한 실험적 결과는 GaN 태양 전지에서 60% 이상의 내부 양자 효율을 달성했다. 뿐만 아니라, 2.4eV에서 광 방출 및 광 루미네선스를 가지는 디바이스에 대해, 본 발명은 2V의 전압을 달성했다.
InGaN 시스템의 고효율 잠재력에 대한 추가 확신은 새로운 태양 전지 접근법을 개발하는 데 이용될 수 있고 비교적 새로운 재료 시스템을 제안하는 것과 연관된 리스크를 완화시키는 높은 압전 상수 및 편광 효과와 같은, 질화물의 다른 장점이 있는 재료 특성으로부터 발생한다. Ge 또는 다른 기판상에서의 성장 및 층 전사를 이용하는 것과 같은 추가적인 리스크 완화 접근법, 및 p-형 도핑으로 이슈를 감소시키는 디바이스 설계 및 성장 접근법.
개발 경로는 2가지 병렬적 경로에 초점을 맞추고 있다. 우선, 태양 전지 아키텍처 및 재료는 사파이어 상에서 성장되어 특징화됨으로써 디바이스-설계 관련 이슈를 식별하고 해결하며 재료 성장 조건을 최적화한다. 중심적인 새로운 디바이스 이슈는 성장 조건의 최적화를 통해, 그리고 질화물의 압전 특성을 활용하고 낮은 표면 재조합 속도를 증명하며 도핑 조건을 최적화함으로써, p-i-n 태양 전지 구조에서 높은 전계를 유지하는 것을 포함한다. 1.5eV 및 1.9eV 디바이스는 MBE를 통해 성장되고, 더 높은 대역갭은 MOCVD에 의해 성장될 것이다. 이것과 병렬로, 실험적으로 최적화되어야 하는 제2 중심적 이슈는 Si 상의 성장을 위한 버퍼층의 개발이다. 실리콘은 제안된 InGaN 조성에 대해 더 근접한 격자 상수가 있는 데 대해, Si의 열 팽창 계수는 InGaN과 실질적으로 다르고, 따라서 버퍼층 성장 조건 및 조성(AlN 재료 시스템과의 합금을 포함함)의 최적화를 필요로 한다. 실리콘 상에서의 큰 면적, 크랙없는 낮은 변위 밀도 막의 현재의 증명은 버퍼층 최적화의 실행가능성을 증명한다. 개발 계획의 나중 스테이지는 버퍼층과 디바이스 구조의 저 비용, 고성능 태양 전지로의 조합, 및 기술 전사 및 대규모 생산에 어느 것이 가장 적합한지를 결정하기 위해 2개의 성장 기술의 제조가능성 및 비용의 평가와 관련된다.
분석은, 22%의 1-태양 효율을 가지는 실제적인 실리콘 태양 전지가 달성될 수 있다는 것을 나타낸다. 스택으로 그 안에 통합되는 경우, 이것은 제1 생성 설계에 기초하여 >50% 효율을 유도한다. 이러한 새로운 설계는 n형 실리콘의 불순물 및 결함의 소수 캐리어 수명 허용한도를 이용한다. 설계는 또한 n형 표면을 패시베이팅하는 상대적 용이함을 이용한다. 태양 전지 재료 비용은 웨이퍼-기반 실리콘 태양 전지에 비해 80% 이상만큼 감소될 것이다. 더구나, 이러한 접근법은 개방 회로 전압이 현재의 태양 전지로부터 증명된 것들보다 더 높도록 허용한다. 고 효율, 낮은-비용 실리콘 디바이스를 개발하는 프로젝트는 델라웨어 대학, 뉴 사우스 웨일즈 대학, BP 솔라, 및 블루 스퀘어의 협업을 통해 낮은-리스크로 만들어졌다. 이 팀은 Si 태양 전지의 선도하는 전문가들의 협업을 나타낸다.
도 15에 도시된 바와 같이, 얇은 태양 전지에서, 감소된 재조합 체적 및 높은 캐리어 수집의 조합으로 인해, 감소된 소수 캐리어 수명으로 높은 효율이 달성될 수 있다. 심지어 10㎲의 소수 캐리어 수명에 대해서도, 얇은 디바이스의 효율은 21% 이상이 될 수 있다. 100㎲의 수명은 더 낮은 품질 재료에 대해 증명되었고, 타깃 값이 될 것이다.
후방-접합 태양 전지는 전방 표면 재조합의 값에 매우 민감하고, 따라서 후방 접합 디바이스의 전방 표면은 잘-패시베이팅되어야 한다. 그러나 n형 전방 표면은 n형 실리콘이 더 용이하게 패시베이팅될 수 있다는 사실을 활용하고, 따라서 전방 표면 재조합에 의해 부과되는 효율 한계는 수명이 100㎲인 < 20㎛ 두께의 디바이스에 대해 22% 이상으로 유지된다. 후방-접합 디바이스의 추가 장점은 이들이 후방 표면 재조합 속도에 크게 민감하지 않으므로, 심지어 매우 얇은 디바이스에 대해서도, 1,000cm/sec의 후방 표면 재조합은 20과 50㎛ 두께 사이의 디바이스에 대해 실질적으로 무시가능한 영향을 유입시킨다는 것이다. 이들 장점들은, 표면으로부터 탈출하는 광의 20%에 달하는 광학 가둠(confinement)의 손실을 포함하는 경우라도, 10 내지 50㎛ 두께 범위의 디바이스에 대해 22% 이상의 효율이 여전히 달성될 수 있다는 것을 의미한다.
태양 디바이스 설계는 현재의 얇은 실리콘 설계로부터 중요한 출발이다. 특히, 이러한 얇은 실리콘 태양 전지는 매우 높은 전압을 달성하도록 설계될 것이다. 이하는 구조의 설명이다.
기판은 700 내지 1000℃의 온도 범위에 대해 실리콘에 매칭되는 열 계수인 유리로 만들어진다. 기판은 1mm보다 큰 그레인을 형성하도록 재결정화되는 P+ 실리콘으로 코팅된다. 유리 상의 P+ 실리콘은 불순물 확산 장벽, 선택적 파장 광학 반사기, 및 그 위에 퇴적될 옵서버(absorber) 층에 대한 패시베이션 층으로서 기능하는 코팅을 수용한다. 개구는 장벽, 광학 및 패시베이션 층을 통해 만들어진다. 예를 들면, 100마이크론 상의 10마이크론 개구(라운드)가 중심에 있다. 개구들은 캐리어들이 재조합하기 이전에 수집되도록 충분히 근접하다. 실리콘 광자 옵서버는 N형이다. 옵서버 층은 CVD에 의해 퇴적되어 표준 기술을 이용하여 재결정화될 수 있다. 옵서버 층의 두께는 이러한 애플리케이션에 대해 20 및 50 마이크론 사이이다. CVD뿐만 아니라 이러한 옵서버를 퇴적하는 데 수 개의 유효적인 저 비용 방식이 있다. 상부 표면 패시베이션은 플로팅(floating) 접합 또는 GaP 또는 GaAsP와 같은 고성능, 고온 헤테로페이스일 수 있다.
또한, 재조합 체적이 감소하므로, 양호한 표면 패시베이션을 가지는 얇은 태양 전지는 심지어 완전히 이상적인 재료를 가지는 종래의 두꺼운 디바이스보다 더 높은 전압을 가지고 있다. 전통적으로, 표면 패시베이션은 결함의 물리적 패시베이션에 주로 기초하고 있다. 그러나 최근 결과는, 패시베이션은 표면 구조를 변경하는 코팅 또는 처리를 이용함으로써 달성될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 이러한 접근법은 고도의 재료 특정 정보 및 모든 다른 재료에 대한 최적화를 요구하는 것보다는, 새롭고 일반적인 표면 패시베이션 클래스가 개발될 수 있게 한다. 전체적으로, 광 트랩핑의 높은 레벨 및 양호한 표면 패시베이션은 비-이상성을 완화시킬 뿐만 아니라, 이미 잘-최적화된 디바이스에 대한 이론적 전압 한계를 더 근접하게 근사시키고 실제적인 태양 전지에서 높은 효율을 달성할 수 있게 한다.
본 발명은 열 광전 변환(TPV) 애플리케이션을 위해 설계된 현재의 기술수준에 따른 저 대역갭 디바이스를 이용하고, 층 전사 및 기판 재이용을 이용하여 이들을 실리콘 태양 전지와 통합시킨다. 효율을 더 증가시키고 층 전사와 연관된 제조가능성 리스크를 줄이기 위해, 본 발명은 태양 전지의 후방에서 직접 성장시킬 수 있도록 하는 새로운 Si/Ge 태양 전지 설계를 이용한다. 또한, 본 발명은 높은 Voc 저 대역갭 디바이스에 대해 2개의 옵션을 이용하고, 이들 양쪽은 광 트래핑에 좌우된다. 광 트랩핑을 통해 동일한 흡수를 유지하면서도 디바이스의 두께를 줄임으로써, 전체 재조합이 감소되고, 따라서 전압이 증가한다. 이러한 접근법은 낮은 표면 재조합 속도를 필요로 하고, 이는 제안된 InAs 및 Si/Ge 재료 시스템 모두에서 달성될 수 있다.
제2 접근법은 진성 영역에서 효율적인 대역갭을 변형하기 위해 양자 웰(또는 디바이스 구조에 포함될 수 있는 다른 나노 구조)을 이용하는 것에 초점을 맞추고 있다. 이러한 접근법은 나노 구조의 포함으로부터 열역학적 효율 증가를 추구하지 않고, 따라서 다른 나노 구조 디바이스에 존재하는 불확실성 및 리스크가 여기에는 적용되지 않는다. 이러한 접근법을 이용하는 이전 QW 태양 전지 구조는, QW 태양 전지에 대해, Voc가 물리적 대역갭을 가지는 유사한 디바이스보다 더 높다는 것을 나타냈고, 높은 수집 가능성을 보여주었다. 나노 구조로 된 재료와 연관된 감소된 흡수는 광 트랩핑에 의해 우회된다.
본 발명의 방법은, TPV 재료를 이용하기 위한 개발 계획이 InP 상의 InGaAs 재료 시스템의 2-접합 스택의 증명 및 최적화, 그리고나서 실리콘 기판으로의 이들 구조의 층 전사의 증명과 관련되는 것을 포함한다. Si/Ge 태양 전지에 대한 개발계획은 0.9eV 태양 전지를 개발하고 최적화하며, 광 트랩핑을 통합하여 높은 흡수 및 전압을 달성하는 것과 관련된다. 이러한 0.9eV Si/Ge 태양 전지 상의 Ge 태양 전지의 성장은 2J 스택이 Si 상에 직접 성장되는 것을 허용한다.
나노 구조가 광전 변환 소자에서 높은 효율을 달성하는 잠재력은 여전히 논쟁 중이다. 유망한 결과는, 유효 대역갭, 유효 발광 또는 복수 엑시톤 생성과 같은 새로운 흡수 프로세스의 미세조정(tailoring)을 포함하여 광학적으로-기반된 측정, 및 광 방출기 및 검출기에서 나노 구조의 유익한 이용에 대한 추가 포인트를 이용하여 보고되었다. 비평자들은, 심지어 MBE-성장된 구조를 이용하더라도 나노 구조로 된 태양 전지의 효율은 나노 구조가 없는 디바이스보다 일정하게 더 낮고, 증명된 진보들은 흡수/방출에 초점을 맞추고 있으며, 디바이스는 현재의 반도체 디바이스의 흡수의 일부(제어하기 가장 용이한 태양 전지 파라미터), 수집, 전압 및 FF는 훨씬 더 적게도 달성하지 못한다고 지적한다. 모델링 및 실험 연구는, 둘 다 맞다고 지적한다 - 현재의 증명은 특정 나노 구조 구성 및 재료의 이용을 배제하는 근본적인 이슈를 무시하고 이들 현재의 증명들이 핵심 물리적 메커니즘을 증명하는 데 매우 중요하다는 사실에도 불구하고 태양 전지 성능의 심지어 이론적 개선마저도 방지함으로써, 근본적인 흠을 포함하고 있다.
본 발명은 복수의 엑시톤 생성 MEG 및 복수의 에너지 레벨(MEL) 태양 전지(중간 대역이 특정 경우임)를 포함하고, 이들만이 요구된 물리적 메커니즘이 높은 효율 태양 전지와 일치된 레벨에서 발생하는 것을 증명했기 때문이다. (MEG) 태양 전지에서, 높은 에너지 광자는 도 8에 도시된 바와 같이 복수의 엑시톤을 생성한다. MEL 태양 전지에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 저 에너지 광자는 캐리어를 중간 에너지 레벨까지 여기하고, 다른 광자는 캐리어를 중간 에너지 레벨로부터 최고 에너지 레벨까지 여기시킨다.
나노 구조로 된 태양 전지의 핵심 도전은 캐리어의 이동(transport)과 관련된다. 나노 구조에서 본래의 감금 포텐셜은 재료 특성의 미세조정(tailoring)을 가능하게 하지만, 이들은 나노 구조의 낮은 에너지 레벨에서 캐리어의 이동에 대한 장벽을 유발시킨다. LED 및 레이저는, 나노 구조로부터 수집이 아니라 나노 구조로의 캐리어 주입을 요구하므로 이러한 문제를 피한다. 이동 문제에 대한 2가지 근본적인 해결책, 즉 (1) 도 8에 도시된 바와 같이 최소-대역의 형성을 촉진시키고 미니대역이 캐리어를 이동시키는 밀접한 공간 나노 구조로 된 어레이의 이용, 또는 (2) 장벽 또는 매트릭스 재료의 도전/원자가 대역으로 감금 포텐셜의 캐리어의 여기(열적으로, 전계를 통해 또는 광자 - 유도된 변이 중 어느 하나를 통함) - 그리고나서 캐리어를 이동시키는 것으로 작용함 - 가 있다.
밀접하게 스페이싱된 나노 구조 어레이를 이동 문제를 해결하는 데 이용하는 것은, 수 개의 제한들을 유발시킨다. 단지 QD 밀접하게 스페이싱된 어레이들만이 대역 사이에서 제로 밀도 상태를 가지고 있다. 다른 나노 구조 어레이에서, 캐리어는 최저 에너지 레벨로 신속하게 열중성자화된다. 중간 대역 태양 전지(이동을 위한 미니대역을 이용하는 MEL 태양 전지)에서, 캐리어는 상부 에너지 레벨에서 추출되어야만 하고, 느려진 냉각 레이트를 나타내는 나노 구조 재료에서도, 열중성자화는 큰 손실 메커니즘을 나타낸다. 또한, QD 어레이 이외의 나노 구조에서 MEG를 이용하는 것은 단지 QD만이 높은 복수 엑시톤 생성 레이트를 증명하여 주므로, 큰 리스크이다. 그러므로 미니-대역을 이용하는 태양 전지에 대해, 단지 QD 어레이만이 효율 증가를 제공할 것이다.
그러나 미니-대역 접근법은 2가지 핵심 도전을 포함한다. 긴 범위 순서를 가지는 QD의 밀접하게 스페이싱된 어레이는 특히 저비용 방식으로 제조하기 힘들지만, QD 어레이가 미니-대역이 형성하도록 순서화되지 않는다면, 태양 전지는 매트릭스 또는 장벽 재료의 속성에 의해 지배될 것이다. 또한, 금속은 미니-대역 디바이스를 접촉하는 데 직접 이용될 수 없는데, 이는 이것이 미니-대역의 2개를 함께 "쇼팅"시키기 때문이다. 종래 반도체에서 성장된 나노 구조에서, 반도체들의 얇은 벌크 영역은 금속과 나노 구조 사이에 이용될 수 있다.
광범위한 연구조사에도 불구하고, 비-종래의 반도체 재료는 셀 성능을 제한시키는 나쁜 이동 속성을 보여주고 있고, 따라서 고성능 태양 전지는 이들 재료에서의 이동에 종속되어서는 안 된다. 예를 들면, QD가 염료 감응형 태양 전지의 염료를 대체하거나 QD가 유기 재료에 존재하는 접근법은 높은 리스크의 긴 기간 접근법을 나타내고, 이는 태양 전지가 QD가 아닌 매트릭스에 의해 제어되기 때문이다. 이것은 나노 구조의 직접적인 금속 콘택트를 허용하는 선택적 에너지 콘택트를 개발함으로써 회피될 수 있다. 그러므로 저비용 방식으로 MEL 또는 MEG 미니-대역 이동 태양 전지를 구현하기 위해, 최적 재료 및 디바이스 설계, 선택적 에너지 콘택트, 및 저비용 밀접하게 스페이싱된 순서화된 QD 어레이가 모두 요구된다.
나노 구조 재료에서의 이동에 대한 다른 접근법은 광자를 이용하여 캐리어를 상부 에너지 대역으로 여기하는 것이다. 이러한 프로세스는 양자 웰 및 양자 도트 인트라-적색 광검출기(QWIP 및 QDIP)에 이용된다. 일단 이러한 에너지에서, 캐리어는 나노 구조로 다시 캡처되는 것이 방지되어야 한다. 나노 구조를 둘러싸는 장벽 또는 매트릭스 재료가 양호한 이동 특성을 가지고 있고 강한 전계가 있으며 캐리어가 나노 구조에서 이동되지 않는다면, 장벽의 이동은 고성능을 허용한다. 이들 요구 조건들은 유용한 나노 구조 구성을 제한한다. 나노 구조에서 캐리어를 이동시키는 것을 피하기 위해, 캐리어의 이동 방향은 나노 구조의 감금에 수직이므로, QD 및 QW 구조를 허용하지만, 나노로드(nanorod)는 광 흡수의 방향에 평행하게 정렬되지 않는다.
효율적인 복수 엑시톤 생성(MEG)은 PbSe 및 PbS와 같은 저 대역갭 재료로 만들어진 반도체 나노결정 양자 도트(QD)에서 관찰되었다. 이론적 효율은 복수 캐리어 생성 프로세스의 임계 에너지 및 이 임계에서 생성된 전자의 개수에 좌우된다. 하나의 흡수된 광자로부터 3개의 엑시톤까지 생성된다. 실제 태양 전지에서 결과를 활용하는 데 있어서의 중심적인 도전은 충격 이온화 태양 전지의 모델링 및 이해를 개선하고, QD를 충분한 집광으로 막에 포함시켜 높은 흡수를 제공하며, 포토 생성된 엑시톤을 분리시키고 자유 전자 및 정공을 디바이스 콘택트에 이동시키며, 효율적인 엑시톤 생성을 보여주는 추가적인 재료를 식별하는 것을 요구한다. 이들 이슈들은 염료 감응형 또는 유기 접근법과 같은 태양 전지 구조를 이용하여 분석되어 최적화된 후, 모세관 프로세스를 이용하여 순서화된 어레이에 적용되며, 이들은 병렬적으로 개발된다.
복수의 준-페르미 레벨 디바이스가 추가로 이하에 설명된다. MEL 태양 전지는 복수의 에너지 레벨 또는 대역들이 생성 및 재조합 모두를 통해 동시에 방사적으로 결합되는 디바이스 구조에 좌우된다. 그 개발의 핵심적인 도전은 모든 대역 간의 동시 방사 결합의 증명 및 최적 재료 시스템 및 디바이스의 개발이다. 이러한 저 에너지 광자 범위에서 요구되는 인터서브대역 변이가 QW 및 QD 인트라-적색 광검출기에서 잘 문서화되고 증명되므로, 본 발명은 저 에너지 광자를 이용한다. 최근 모델링은 III-V의 Sb-기반 QD를 보여주고 있고, Si/Ge 시스템은 이상적인 MEL 태양 전지를 구현하는 능력을 나타내며, 따라서 7J 탠덤을 달성하기 위해 Si 아래의 3-스택의 등가로서 이용될 수 있다. 우리는 우선 MEL 태양 전지 구조에 대한 실제 모델의 개발, 및 III-V MEL 태양 전지 및 Si/Ge MBE-성장된 태양 전지 모두에서 3개-방사적으로 결합된 대역의 증명에 초점을 맞추고 있다. III-V MBE 성장된 디바이스는 모델을 검증하고 프로세스를 이해하는 데 이용되고, 우리는 Si 태양 전지의 후방 상에 이들이 직접적으로 성장될 수 있으므로 나중 페이즈에서 Si/Ge QD 접근법에 초점을 맞춘다.
선택적 에너지 콘택트 및 저비용의, 순서화된 양자 도트 어레이는 이하에 더 설명된다. 저 비용 나노 구조 태양 전지는 순서화된 QD 어레이 및 나노 구조 자체로의 선택적 에너지 콘택트의 이용 모두를 필요로 한다. 이러한 반도체를 엔지니어링하는 것은 원하는 대역 구조를 달성하는 데 양자 도트의 규칙적인 어레이를 이용하는 근본적으로 새로운 기술의 개발을 필요로 할 것이다. 화이트사이드는 그의 실험실에서 개척된 기술, 즉 자기-조립을 유발하는 모세관 힘의 이용을 이용하여 헥스(hex)-팩킹된 대칭으로 양호한 긴-범위 순서화를 가지는 작은 입자 어레이를 생성할 것이다. 이러한 연구에서, 퇴각하는 드롭 에지로부터의 모세관 작용은 도트를 규칙적인 패턴으로 강제한다(바이러스 입자의 헥스-팩킹된 2D 결정의 형성을 위해 광범위하게 개발되고 잘-증명된 기술). 기체-액체 인터페이스에서 결정성 콜로이드 어레이를 제조하고 이들을 기판에 전사하는 데 Langmuir-Blodgett 기술을 이용하기 위한 포텐셜이 고려될 것이다.
양자 도트 어레이를 접촉하는 것은 일반적으로 어렵고, 에너지-선택성을 지키는 것은 이를 더욱더 어렵게 한다. 20nm 금속막은 통상 10% 거칠기를 나타낼 것이다. (2nm는 3-4 모노층이다). 이 층 상에서 금속막을 기화시키는 것은 기저 도트 어레이의 손상 및 표면 장력으로 발생하는 콘택트 비-균일성으로 인해, 문제를 해결하지 못한다. 그러나 Au는 엘라스토머 표면(예를 들면, 폴리디메틸실록산) 상의 박막으로 퇴적되어, 얇고 균일한 컨택팅 층을 생성할 수 있고, PDMS/Au의 기계적 부합성은 이용가능한 원자-레벨 콘택트를 생성한다. 금 상에 얇은 폴리(아닐린) 막을 이용하는 관련된 전극은 아마도 훨씬 더 낮은 전기적 콘택트를 만들지만, 증명될 필요가 있다. 통상적으로, 얇은 Au 컨택팅 층(통상 20nm 두께)은 엘라스토머와 조합되어, Au와 양자 도트 어레이 간의 정확한 스페이싱을 허용한다. 이런 종류의 시스템들은 통상 터널링 콘택트를 형성하고, 지금까지 어느 곳에서든 개발된 가장 신뢰성 있는 시스템이다. 단지 도전 대역으로의 에너지-선택적 콘택트를 달성하기 위해(그럼으로써, 원자가 대역 또는 미니대역으로의 쇼팅을 방지함), 공진 터널링 콘택트의 개발을 요구한다. 본 발명은 반도체-절연체-반도체-절연체-금속 구조로부터 그러한 콘택트를 형성한다.
나노 구조 태양 전지는 흡수를 증가시키는 구조를 포함한다. 나노 구조 재료의 낮은 체적 및 이동을 위해 디바이스를 얇게 유지할 필요성으로 인해, 이들 접근법은 유효 흡수를 진척시키는 특징을 가지고 있다. 광 트랩핑은 전통적으로 태양 전지에 이용되고, 복수 통과를 위해 광을 액티브 영역으로 감금시킴으로써 물리적 디바이스 두께와 비교할 때 광학 경로 길이의 증가를 참조한다. 광 트랩핑의 낮은 레벨은 종래 반사기(금속 또는 브래그(Bragg) 중 하나)로 달성될 수 있지만, 제안된 얇은 구조의 더 높은 광 트랩핑은 근본적으로 새로운 접근법을 필요로 한다. 본 발명은 작은 특징 크기를 허용하면서도 광을 스티어링하고 반사하는 광자 결정을 설계함으로써 광 흡수를 구현한다. 본 발명에 대한 광 트랩핑 접근법은 저 에너지 셀을 포함하고, 비교적 새로운 광자 대역 갭(PBG) 재료 기술과 관련된다. 그러나 PBG 기술은 리소그래픽 제조 접근법의 이용에 기초하고 있고, 따라서 그것이 완전히 성숙한 경우에 일괄 제조에 수정가능하도록 계획된다.
통합을 처리하는 다수의 수락가능한 접근법이 있다. 중요한 가이드라인은 최고 온도 프로세스를 우선 수행하고 그 다음에 스텝 다운하도록 설계하는 것이다. 이하는 이것이 달성될 수 있는 일부 방식이다. 우선, 우리는 도시된 바와 같이 수평 설계 또는 수직 설계 중 어느 하나에 기초한 기본적인 접근법을 회상한다. 양쪽의 경우에, 정적 집광기(및 분산 소자는 분리되어 제조될 수 있다). 이들은 최종 단계에서 광전 변환 디바이스와 짝이 이루어질 수 있다. 디바이스 구축은 기판으로 시작한다. 이들 예들에 대해, 우리는 유리를 이용한다. 이하는 시퀀스 예이다.
1. 유리 기판을 p+ 실리콘으로 코팅하고 재결정화한다.
2. 실리콘 상에 선택 파장 광 트랩핑 층을 퇴적하여 형성한다.
3. 구조 상에 n형 실리콘을 성장시키고 재결정화한다.
4. GaP 버퍼층의 선택 영역 성장.
5. GaAsP 태양 전지를 성장시킨다.
6. GaInP 태양 전지를 성장시킨다.
7. InGaN 태양 전지를 성장시킨다.
8. 잉크-젯 기술을 이용하여 전기 콘택트를 형성한다.
9. 집광기(및 분산) 광학계에 매칭된 반-반사층을 퇴적한다.
다음으로, 기저 태양 전지를 성장시킨다. 이하는 예이다.
10. 다른 유리를 n형 실리콘으로 코팅하고 재결정화한다.
11. 실리콘:게르마늄 합금(Si:Ge 양자 도트의)을 성장시킨다.
12. 실리콘 p+ 접합을 성장시킨다.
13. 광 트랩핑 구조를 퇴적시킨다.
14. 잉크-젯 기술로 전기적 콘택트를 형성한다.
수평 접합 디바이스에 대해, 고 에너지 디바이스 또는 층 전사 또는 조합 각각을 위해 선택적 에피택셜 성장을 이용할 수 있다. 임의의 태양 전지의 근본적인 부분은 그 반-반사(AR) 코팅이다. 현재의 AR 코팅은, 태양 전지가 현재 이러한 전체 범위에 걸쳐 변환되지 않으므로, 전체 태양 스펙트럼에 대해 낮은 반사를 위해 설계되지 않는다. 연속적으로 가변되는 인덱스 AR 코팅을 개발함으로써, 본 발명은 전체 스펙트럼 범위에서 반사도를 감소시킬 수 있다.
정적 집광에 기초한 광학 설계와 반도체 디바이스 아키텍처의 통합은 다수의 다양한 기술 옵션으로 강력한 새로운 설계 및 기술 공간을 유도한다. 이러한 강력한 공간은, 프로그램 목적의 달성을 시의적절한 방식으로 유도할 수 있는 이들 기술 접근법에 식별하는 것에 초점을 맞추고 있는 상태에서 페이즈 I로 확장될 것이다. 그 프로젝트는 이하의 전략에 따라 관리될 것이다.
1. 최고성능을 설계하라. 적용되는 유일한 비용 기준은 최종 제품에서 III-V 또는 게르마늄 기판과 같은 높은 고정된-비용 컴포넌트의 제거이다.
본 발명은 광학계 및 고, 중간 및 저 에너지 디바이스로 분할된다. 이들 각 접근법은 증명된 고성능 재료를 저비용 포맷으로 이용하여 프로그램 목적을 달성하는 코어 플랫폼을 가지고 있다. 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 기술 옵션을 확장하는 다양한 접근법들이 이것에 추가된다.
설계의 모든 부분은 모든 요구된 파라미터, 광 흡수, 전하 분리, 소수 캐리어 수집, 전압 생성, 다이오드 이상성(필 인자), 가격 적정성, 재료 양립성, 및 제조가능성을 충족시키는 능력에 대해 스코어링될 것이다. 현재의 고성능 태양 전지 기술이 영향을 받고, 새로운 디바이스 아키텍처 및 프로세스 기술은 (1) 유사한 비용에서 더 높은 성능 또는 (2) 동일한 성능에서 더 낮은 비용을 증명함에 따라 추가될 것이다.
광학 소자의 조합, 수평 및 수직 태양 전지 아키텍처, 다양한 태양 전지 재료 시스템(초기 스테이지에서 6개의 재료 시스템을 조사했다), 및 다른 태양 전지 구조는 풍부한 설계 공간을 제공한다. 광학계, 통합, 및 태양 전지 구조의 동시-설계는, 광학 소자의 성능이 통합 전략 및 태양 전지 설계에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 그러므로 핵심 접근법이 6J 태양 전지로 구성되고 3개의 에너지 범위로 분할되지만, 광학계는 태양 전지 설계를 실질적으로 다르게 할 수 있다. 예를 들면, 내부적으로-트랙킹하는 집광기들이 제조가능성, 신뢰성 및 저비용, 및 150X 이상의 집광 비율을 증명하는 경우에, 단지 4 내지 5개의 접합이 요구된다. 또한, 광학 설계에 따라, 이들 접합들 모두는 수평 아키텍처를 이용하여 기판상에 분리되게 배치되거나, 모놀리딕으로 통합될 수 있다. 다르게는, 이들 높은 집광으로도, 제안된 6J 태양 전지는 여전히 55% 이상의 효율을 제공하는 데 이용될 수 있다.
본 발명의 옵티컬/태양 전지 설계의 핵심 소자는 정적 집광기이다. 이들이 현재 지상 모듈에 이용되지 않지만, 이것은 모두 증명되었던 이론적, 기술적 또는 구현 이슈로 기인하는 것이 아니라, 지상의 광전 변환 소자는 현재의 실리콘 제조 라인을 새로운 설계 및 통합 프로세스로 변환하는 어려움에 주로 관련된, 정적 집광기의 상용 적용성을 제한하는 가정에 의해 현재 한정된다는 사실 때문이다.
정적 집광기의 실행가능성은 현재의 광학 기술이 성능 타깃을 충족시킬 수 있는 집광 및 광학 효율 모두를 허용하는 것을 보여주는 예비 광학 설계에 의해 더 향상된다. 높은 효율 집광기라도 새로운 처리 또는 제조 성능보다는 설계 전문지식에 좌우된다.
본 발명의 방법은 정적 집광기로의 적어도 2개의 경로, 즉 (1) 마이크로-렌즈에 기초한 더 낮은 집광, 및 (2) 이동가능한 렌즈 시트와 관련된 더 높은 집광 접근법을 포함한다. 양쪽 접근법이 유사한 광학적 효율을 산출한다고 가정하면, 2개 사이에서의 결정은 각 접근법의 비용 및 제조가능성을 추정하고, 태양 전지 성능을 모듈로 통합하며 생성된 에너지의 비용을 $/kWh로 비교하는 것에 대해 수행된다.
본 발명의 제2의 새로운 광학 소자는 수평 태양 전지 아키텍처에 대한 광학계로서, 더 큰 기술적 리스크를 가지고 있을 뿐만 아니라 재료 유연성, 통합, 신뢰성의 측면에서 실질적인 성과(pay-off)를 가지고 있다. 또한, 수평적 접근법은 멀티컬러 검출기와 같은 다른 광학/광자 영역에 이익이 될 수 있으므로, 이러한 영역에서의 성공은 다른 산업과 동시-개발을 겪을 수 있다. 수평 광학계 및 통합에 대한 리스크를 줄이는 핵심 전략은 태양 스펙트럼이 분할되는 "저장소(bin)"의 개수에 허용된 유연성이다. 다수의 저장소는 광학 설계 및 통합 모두를 더 어렵게 만든다. 작은 개수의 저장소는 재료 선택의 유연성을 감소시키는 데 반해, 저장소의 개수는 접합의 개수보다 작으므로, 접합 중 수 개는 가장 단순한 조립을 위해 모놀리딕으로 성장될 것이다. 코어 접근법은 도 7에 도시된 3개의 저장소(고, 중간 및 저 에너지) 및 설계의 개발과 관련되고, 수평 광학계의 실행가능성을 증명한다. 수평 광학계 및 통합을 위한 설계에서 2개의 결정 포인트가 있다. 이들 중 하나는 페이즈 1의 엔드에서 수행되어, 우리는 진행할 2개의 수평/광학 설계, 하나는 마이크로-트랙커를 이용하는 높은 집광/수평 설계에 기초한 것과 모든 광학 설계에 기초하는 다른 하나를 식별한다. 페이즈 2에서, 실험적 구현을 포함하는 상세한 성능 특성은 비용, 광학 효율, 및 집광 타깃을 충족시키는 이들 접근법 각각의 능력을 결정한다. 페이즈 2 이후에 본질적인 다운-선택을 가지는 디바이스 기술과는 달리, 양쪽 광학 접근법은 다른 애플리케이션에 대한 최적을 나타냄에 따라, 페이즈 3으로 순방향으로 이동될 것이다.
복수 접합 태양 전지에 대한 리스크 관리는 증명된 고성능을 가지는 코어 접근법을 이용하고, 통합된 옵티컬/태양 전지 설계에 의해 허용된 유연성을 활용함으로써 비용을 최소화하는 것으로 구성된다. 또한, 전체 전력의 66%를 생성하는 고 에너지 광자에 대해, 본 발명은 복수의 병렬적 접근법을 포함하여, >50% 효율 태양 전지의 전체 목적을 달성하기 위해 경로들 중 단지 하나에서의 성공을 필요로 한다.
실리콘 상에서 성장된 GaInAsP-기반 III-V 태양 전지에 대한 리스크 관리는 이하에 추가로 설명된다. 상기 설명된 바와 같이, GaInAsP 재료 시스템에서 고성능 3J 태양 전지를 달성하는 데 있어서의 중심적인 도전은 실리콘 기판상의 ~ 1.5eV 태양 전지의 성장, 및 ~ 2.2eV에서 고 대역갭 태양 전지의 개발이다. 고 대역갭 GaInP는 현재 기판보다 Si에 더 밀접하게 매칭되는 격자 상수를 가지고 있으므로, 고 대역갭 태양 전지와 연관된 리스크는 Si 상에 성장되는 경우에 낮다.
전략의 예는 표 2에 도시되어 있고, 실리콘 상의 GaInAsP-기반 층의 선택적인 에피택셜 오버성장과 관련된다. 그러한 오버성장 영역은 고도로 격자-미스매칭된 기판상에서 바로 성장되는 경우보다 더 높은 결정학적 품질을 가지는 것으로 보여주었다. 또한, 이용되는 성장 접근법에 따라, 선택적 성장은 재료 비용을 줄이는 장점을 가지고 있다. 선택적 성장 옵션을 추구하기 위한 결정 포인트는 실리콘 상에 성장된 개별적인 대역갭의 증명에 기초한, 페이즈 II에 발생할 것이다. 또한, 이러한 스테이지에서, GaAs 층 전사의 비용 및 제조가능성은 다른 접근법이 요구되는지를 결정하도록 평가될 것이다.
코어 접근법 전략 1 전략 2 대안
Si 태양 전지 상에서 성장된 GaInAsP 희생 Si 상에서 성장된 GaInAsP GaAs 또는 Ge 상의 GaInAsP, 웨이퍼 재이용 선택적/과성장
장점: 저 비용, 고성능 접근법. 장점: 저 비용 Si 웨이퍼는 층 전사로 제조가능성 및 비용 이슈를 감소시킨다. 장점: 고 효율 탠덤에서 현재이용됨. 장점: 높은 격자 미스매치에도 불구하고, 양호한 재료 품질을 달성한다.
리스크: Si 상에서 ~ 1.5eV 재료에 대해 높은 품질 격자-미스매칭된 성장. 리스크: 버퍼 층의 최적화. 리스크: - 높은 대역갭 GaInP. - 대규모 생산에서 층 전사 및 웨이퍼 재이용. 도전: 새로운 툴 및 프로세스의 개발
III-질화물 태양 전지의 잠재적 리스크는 종래 III-V 재료와 비교할 때 III-질화물의 덜 개발된 상태로 인해 GaInAsP 재료 시스템의 것들보다 더 높다. 그러나 이들은 LED 산업으로부터 집중적인 개발을 겪고 있고, 이들 재료를 이용하는 리스크를 완화시키는 하나의 인자는 개발이 LED 산업에 의해 공유된다는 것이고, 우리는 이러한 산업에 의해 개발된 진보들을 활용할 수 있다.
다른 산업으로부터의 질화물에 대한 큰 개발 노력을 통해 리스크의 감소뿐만 아니라, 우리의 요구가 보증됨에 따라 다른 그룹을 포함할 수 있는 개방된 포털을 유지함으로써, 본 발명은 수개의 추가 리스크 관리 전략을 포함한다. III-질화물과 연관된 리스크는 실리콘 기판의 이용, 성장 접근법의 잠재적 비용, 및 질화물의 높은 방사 수명과 전류 수집의 어려움 간의 잠재적 링크이다. 실리콘 기판의 이용과 연관된 리스크를 관리하기 위해, 그룹 멤버들은 현재 다른 기판 기술과 관련된다.
제1 다른 기판은 사파이어 자체로서, 본질적으로는 높은 재료 비용이 있지 않고 리본 성장과 같은 저비용 접근법에 의해 성장되었다. 사파이어의 추가적인 잠재적인 장점은 광학 매체로서 다수의 이상적인 속성이 있다는 것이고, 따라서 새로운 통합된 렌즈/태양 전지 개념을 허용할 수 있다.
재료 비용 관점으로부터 제2 잠재적으로 저비용 기판은 ZnO로서, 높은 전력과 같은, III-질화물을 개발하는 다른 산업에 의해 활용될 수도 있는 기술적 장점들을 더 가지고 있다. 예를 들면, MBE의 고도로 효율적인 분자 빔 특성은 MOCVD에 대해 0.1%보다 작은 것에 비해 질화물 애플리케이션에서 금속성 소스 재료의 ~ 80%를 활용한다. 이들 2개의 이슈들의 조합은 MBE가 질화물 애플리케이션에 대해 동작하는 데 적어도 1000배 더 싸게 한다.
질화물의 최종 잠재적인 리스크는, 심지어 낮은 소수 캐리어 수명에 대해서도, 질화물에 대해 보여지는 높은 방사 방출은 캐리어의 로컬화에 기인하고 광-생성된 캐리어의 수집을 어렵게 만든다는 것이다. 성장의 최적화는 양자 웰 구조에 대한 필요성을 완화시키거나 성장된 층에서의 페이즈 분리를 제거하는, 본질적으로 추구되는 하나의 수단이지만, 팀의 QD 및 QW 태양 전지의 경험은 여기에서 직접적인 응용가능성이 있다. 태양 전지 결과는, 전계가 임계값 이상인 경우에 양자 웰에 로컬화된 캐리어로부터의 수집을 허용하는 것을 보여주었다. 이들 애플리케이션에 대해, 나노 구조는 pn 접합은 이론적 효율을 증가시키지 않으므로, 방사 결합, 충격 이온화, 등의 요구 조건은 적용되지 않는다.
낮은 에너지 광자의 효율적인 변환은 광전 변환 소자에서 더 어려운 이슈 중 하나를 나타낸다. 그러나 스펙트럼의 더 낮은 부분에 포함된 전력은 비교적 낮고(전체의 15%), 우리의 접근법은 낮은 광자 에너지의 극적인 개선에 의존하지 않는다. 결과적으로, 이러한 프로세스와 연관된 핵심 리스크는 기술적 리스크가 아니라, 열 광전 변환 애플리케이션에 이용되는 재료에 이용되는 디바이스 및 접근법을 이용하여 저비용 및 제조가능성을 증명하는 능력이다. 낮은 양자 에너지로의 병렬적 접근법은 간접적인 재료의 이전 성능 제한을 광 트랩핑에 대한 새로운 접근법에 의해 우회하는 Si/Ge 시스템을 이용하고, 이는 이전에 증명되었지만 광전 변환 소자에 적용되지 않았다.
리스크/장점 커브의 가장 극단의 엔드에서의 접근법은 나노 구조 가상 대역갭 태양 전지를 개발하는 것이다. 높은 리스크에도 불구하고, 우리의 접근법은 (1) 나노 구조 태양 전지에 대한 실험적으로-기반된 디바이스 모델의 엄격한 이론적 개발, (2) 요구된 물리적 메커니즘을 증명한 접근법의 이용, 및 (3) 저비용 QD 어레이에 기초한 구조를 구현하는 방식의 개발에 의해, 높은 성공 가능성이 있다.
본 발명은 최적 재료, 디바이스 설계 규칙, 타깃 효율, 및 비-이상성의 충격이 모두 알려져 있지 않으므로, 우리의 접근법의 중심적인 실험적으로-기반된 디바이스 시뮬레이션의 개발을 더 포함한다. 예를 들면, IR 검출기에 이용되는 인터-서브-대역 변환은 태양 전지에서 증명되지 않았다. 대역 구조는 IR 검출기에는 영향을 미치지 않지만, 태양 전지에서 큰 비-이상성을 유발한다. 그러나 이들은 재료 시스템을 변경함으로써 회피될 수 있다. 광전 변환 디바이스는 복수의 준-페르미 레벨 분리(LED, 레이저 및 검출기는 지배적인 변환이 있다), 새로운 흡수 메커니즘(예를 들면, 복수의 엑시톤 생성)을 요구하고 수집 및 순방향 바이어스 전류 모두의 계산을 요구하며(광 검출기 및 LED는 하나 또는 다른 하나에 의해 지배된다) 호핑 이동과 같은 이동 메커니즘을 포함하므로, 현재의 모델링 프로그램이 적절하지 않다. 우리는 나노 구조 디바이스를 모델링하고 특성화할 때 각각이 고유한 모델링/특성화 경험이 있는 3개의 대학과 NREL에 걸치는 팀을 구성함으로써 이러한 도전에 대응한다.
디바이스 설계 규칙 및 최적 태양 전지 구조의 개발뿐만 아니라, 본 발명은 QD 어레이를 제조하는 방식, 나노 구조 어레이에 접촉하는 방식, 및 재료의 흡수를 증가시키는 방식을 포함하는, 본 발명의 구조를 구현하는 저비용 접근법을 제공한다. 광자 대역갭 나노 구조가 이미 흡수 및 방출을 제어하는 성능을 증명했으므로, 흡수를 증가시키는 것은 최저 기술적 리스크를 동반한다.
더 적극적이지만 이론적으로는, Au+/콜로이드/Au-층의 브래그 스택은 모든 광자가 양자 도트에 의해 흡수될 때까지 구조 내부에서 이들을 분산하거나 바운싱함으로써 다소의 모든 광자가 캡처될 수 있도록 한다. 브래그 스택의 복수 층들은 복수의 나노 제조 단계에 의해, 또는 단일 Au+/콜로이드/Au-층의 큰 시트를 만들고 이를 폴딩하거나 롤링시켜 복수 층 구조를 얻음으로써 형성될 수 있다. 추가적인 리스크 관리 접근법은 코어-및-셀 구조를 이용하는 것이다. (UT-Austin의 Naomi Hillis가 이 분야에서 뛰어난 논문을 발간했다). 예를 들면, 유리 비드 상의 금의 20nm 층은 모노층-원활할 수 있고, 뛰어난 단분산성(monodisperse) 품질 및 긴-범위 순서를 가지는 완전히 결정-형 격자로 형성될 수 있다. 추가 코팅은 인접 비드로부터 셀을 분리하고 비드-비드 콘택트를 조절하는 데 이용될 수 있다.
6J 태양 전지에 대한 최적 대역갭은 도 17에 도시되어 있고, 직렬 접속 및 격자 매칭의 완화는 실리콘 플랫폼상에서의 태양 전지의 개발을 가능하게 한다는 것을 증명한다. Si 플랫폼은 다수의 장점을 제공하지만, 중요하게도 효율 타깃(그 대역갭 근처의 파장 범위에서) 및 비용 타깃 모두를 현재 충족시킬 수 있는 유일한 재료라는 점이다. 설계는 현재의 고성능 재료가 더 높은 대역갭의 2개에 이용될 수 있게 한다. 낮은 집광의 최종 장점은, 태양 전지가 디바이스의 증가된 동작 포인트로 인해, 결함에 덜 민감하게 된다는 것이다.
뿐만 아니라, 정적 집광기는 태양 전지 상의 전력 밀도를 증가시키지만, 트랙킹을 필요로 하지 않으며, 하늘의 넓은 부분으로부터 광을 수용하는 넓은 수용-각도 광학 소자(통상적으로 비-이미징)를 이용함으로써 1-태양 태양 모듈에 채용되어 동일하게 이용된다. 트랙킹 집광기와는 달리, 정적 집광기는 태양 스펙트럼에서 입사 전력의 ~ 10%를 구성하는 확산 광의 대부분을 캡처할 수 있다. 더 넓은 수용 각도에 대한 트레이드-오프는 더 낮은 집광이다. 애플리케이션은 모듈 위치가 연중 임의의 포인트에서 수동으로 조정될 수 있도록 허용하는 경우, 최대 집광이 증가한다. 모듈이 고정된 위치에서 얼마나 길게 유지되는냐에 따라, 집광은 10X 내지 200X의 범위가 될 수 있다.
또한, 수평 구성에서, 분산성 디바이스(예를 들면, 굴절 그레이팅 또는 프리즘)가 광학 경로에 삽입되고, 광이 분광계에서 발생하는 것과 동일한 방식으로 각도 상으로 분산된다. 슬릿이 있고 따라서 소스의 크기가 분산 방향으로 매우 작은 분광계와는 달리, 태양은 ~ 0.5도의 전체 각도를 범위로 한다. 이는 후술하는 바와 같이 설계를 복잡하게 한다.
광을 분산시키는 다른 방법은 도 17에 도시된 바와 같이, 일부 파장은 표면에서 반사되고 다른 것들은 투과되는 이색성 거울을 이용하는 것이다. 이색성 거울의 상용 예는 냉각 거울로서, 가시광은 반사되고 적외선은 투과된다. 이색성 시스템은 수평 접근법에 대한 베이스라인 설계로서 기능한다. 구형으로 또는 실린더형의 대칭 광학계 간의 선택, 입수가능한 광학 시스템과 양립되는 코팅에서의 층의 개수와 같은 이슈에 초점을 맞추는 수평 광학계에 대한 진행중인 설계가 있고, 다수의 광학 설계는 90% 이상의 광학 효율을 달성했다.
본 발명의 상기 설명은 본 발명을 예시하고 설명한다. 추가로, 본 개시는 상기 언급된 컨텍스트에서 본 발명의 단지 바람직한 실시예만을 도시하고 기재하고 있지만, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변형 및 환경에서 이용할 수 있고, 상기 설명 및/또는 관련 기술의 숙련 또는 지식에 따라 여기에 표현된 본 발명에 따른 개념의 범주 내에서 변경 또는 변형이 가능하다. 상기 여기에서 설명된 실시예들은 본 발명을 실시하는 것으로 알려진 최상의 모드를 설명하고 본 기술분야의 숙련자들이 특정 애플리케이션 또는 본 발명의 이용에 의해 요구되는 다양한 변형을 가지고서, 그러한 또는 다른 실시예에서 본 발명을 활용할 수 있게 하려는 것이다. 따라서, 상기 설명은 본 발명을 여기에 개시된 형태 또는 애플리케이션으로 제한하려는 것이 아니다. 또한, 첨부된 청구항들은 다른 실시예를 포함하는 것으로 해석되어야 하는 것이다.

Claims (24)

  1. 효율적인 태양 전지를 위한 장치로서,
    색 분산 소자;
    광학 콘덴서; 및
    복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지
    를 포함하고,
    상기 색 분산 소자, 광학 콘덴서 및 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지는 수평 아키텍처로 구성되고, 상기 색 분산 소자는 상기 장치에 의한 처리를 위해 입사광을 복수의 스펙트럼 성분으로 분할하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 콘덴서는 타일형 특징이 있는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 색 분산 소자, 광학 콘덴서 및 스펙트럼 분리된 태양 전지는 입사되는 복수의 스펙트럼 성분 각각을 처리하기 위해 각각 최적화되는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학 콘덴서는 상기 입사광의 대부분의 확산광을 캡처하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광학 콘덴서는 정적 집광기인 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정적 집광기의 집광은 10X 내지 200X의 범위인 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 태양 전지 각각은 상기 복수의 스펙트럼 성분 각각의 아래에 놓이는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지 각각은 전압 버스에 개별적으로 접촉되는 장치.
  9. 효율적인 태양 전지를 위한 장치로서,
    색 분산 소자;
    광학 콘덴서; 및
    복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지
    를 포함하고,
    상기 색 분산 소자, 광학 콘덴서 및 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지는 상기 장치에 의한 처리를 위해 입사광을 복수의 스펙트럼 성분으로 분할하는 수직 아키텍처로 구성되고, 각 스펙트럼 분리된 태양 전지는 수직 스택인 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 색 분산 소자, 광학 콘덴서 및 스펙트럼 분리된 태양 전지는 상기 복수의 스펙트럼 성분 각각에 대하여 각각 최적화되는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광학 콘덴서는 입사광의 태양 스펙트럼에 입사하는 확산광의 대부분을 캡처하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광학 콘덴서는 정적 집광기인 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 정적 집광기의 집광은 10X 내지 200X의 범위인 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 태양 전지 각각은 상기 복수의 스펙트럼 성분 각각의 아래에 놓 이는 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 스펙트럼 분리된 태양 전지 각각은 전압 버스에 개별적으로 접촉되는 장치.
  16. 광전 변환 태양 전지를 위한 장치로서,
    컬렉터 타일;
    제1 프리즘;
    제2 프리즘;
    스펙트럼 스플리터;
    정적 집광기; 및
    광학 인터커넥트 및 태양 전지 디바이스 구조를 이용하는 수평 아키텍처 및 수직 아키텍처 중 적어도 하나
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 프리즘은 상기 컬렉터 타일의 입력 개구에 있고, 상기 제1 프리즘은 매우 높은 분산성 프리즘이고, 상기 제2 프리즘은 낮은 분산 프리즘인 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 스펙트럼 스플리터는 광 및 태양 빔 중 적어도 하나를 고 에너지, 중간 에너지 및 저 에너지 영역으로 분할하도록 구성되는 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수평 아키텍처는,
    광 및 태양 빔 중 적어도 하나를 복수의 스펙트럼 성분으로 분할하고,
    상기 복수의 스펙트럼 성분 각각에 대해 최적화된 개별 디바이스를 활용하고,
    각 에너지 변환 접합 및 독립적인 전기적 콘택트를 독립적으로 최적화하고,
    광 및 태양 빔 중 적어도 하나의 스펙트럼을 성분 컬러로 분할하도록, 상기 정적 집광기와 통합되는 추가적인 광학 소자를 포함하고,
    분리된 태양 전지를 상기 성분 컬러 각각의 아래에 배치하고, 각 태양 전지를 개별로 접촉하고,
    개별 태양 전지를 개별 전압 버스와 접촉하도록 구성되고,
    상기 수직 아키텍처는,
    수직 접합 스택을 독립적으로 접촉하고,
    상기 광전 변환 태양 전지의 수평 아키텍처로의 병렬적 접근법을 제공하고,
    독립적으로 접촉된 태양 전지를 가지는 수직으로 통합된 디바이스를 제공하도록 구성되는 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 디바이스 구조는,
    재료의 대역갭에 근접한 범위의 파장에 대해 고성능을 위한 재료로 구성되고, 고, 중간 및 저 에너지 광자에 대해 다른 재료로 구성되는 복수 접합 태양 전지를 더 포함하고,
    상기 고성능을 위한 재료는,
    고 에너지 광자를 위한 GaInAsP 재료 시스템으로부터의 삼원 화합물;
    중간 에너지 광자를 위한 실리콘; 및
    저 에너지 광자를 위한 InGaAs 또는 다른 열 광전 변환(TPV) 재료를 더 포함하고,
    상기 복수 접합 태양 전지를 위한 다른 재료는,
    III-질화물 재료 시스템;
    상기 고 에너지 광자를 위한 In-풍부한 결함 내성의 III-V 재료; 및
    저 에너지 광자를 위한 Si/Ge 재료 시스템을 더 포함하는 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 태양 전지를 위한 재료는 자기-조립 제조 기술에 관련하여 복수의 엑시톤 생성 및 복수의 에너지 레벨(중간 대역) 태양 전지 중 적어도 하나를 더 포함하는 장치.
  21. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 태양 전지 각각은 광전 변환 디바이스인 장치.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 태양 전지 각각은 광전 변환 디바이스인 장치.
  23. 태양 전지를 구성하기 위한 방법으로서,
    유리 기판을 p+ 실리콘으로 코팅하고 재결정화하는 단계;
    상기 p+ 실리콘 상에 선택 파장 광 트랩핑 층을 퇴적하고 형성하는 단계;
    상기 p+ 실리콘 상에 n형 실리콘을 성장시키고 재결정화하는 단계;
    상기 n형 실리콘 상에 GaP의 영역을 버퍼층으로서 선택적으로 성장시키는 단계;
    GaAsP 태양 전지를 성장시키는 단계;
    GaInP 태양 전지를 성장시키는 단계;
    InGaN 태양 전지를 성장시키는 단계;
    각 태양 전지로의 전기적 콘택트를 형성하는 단계; 및
    집광기(및 분산) 광학계에 매칭된 반-반사층을 퇴적하는 단계
    를 포함하는 태양 전지 구성 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    다른 유리를 n형 실리콘으로 코팅하고 재결정화하는 단계;
    (Si:Ge 양자 도트의)실리콘:게르마늄 합금을 성장시키는 단계;
    실리콘 p+ 접합을 성장시키는 단계;
    광 트랩핑 구조를 퇴적하는 단계; 및
    전기적 콘택트를 형성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지 구성 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2090972A2 (en) 2008-02-15 2009-08-19 Lg Electronics Inc. Mobile communication device equipped with touch screen and method of controlling the same
WO2013033671A1 (en) * 2011-09-02 2013-03-07 Amberwave, Inc. Solar cell

Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008094517A1 (en) * 2007-01-30 2008-08-07 Solasta, Inc. Photovoltaic cell and method of making thereof
KR101093588B1 (ko) * 2007-09-07 2011-12-15 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 멀티-정션 솔라 셀
JP4986056B2 (ja) * 2007-12-13 2012-07-25 シャープ株式会社 集光式光電変換装置
US8710354B2 (en) 2007-12-19 2014-04-29 Honeywell International Inc. Solar cell with hyperpolarizable absorber
US8106388B2 (en) 2007-12-19 2012-01-31 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell with rigid bridge molecule
US8067763B2 (en) 2007-12-19 2011-11-29 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell with conjugated bridge molecule
US8089063B2 (en) 2007-12-19 2012-01-03 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell with electron rich anchor group
US8759138B2 (en) 2008-02-11 2014-06-24 Suncore Photovoltaics, Inc. Concentrated photovoltaic system modules using III-V semiconductor solar cells
US9331228B2 (en) 2008-02-11 2016-05-03 Suncore Photovoltaics, Inc. Concentrated photovoltaic system modules using III-V semiconductor solar cells
US8288649B2 (en) 2008-02-26 2012-10-16 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell
CN103398494B (zh) 2008-03-05 2017-03-01 史泰克公司 冷却系统和操作热电冷却系统的方法
WO2009126539A1 (en) * 2008-04-07 2009-10-15 Eric Ting-Shan Pan Solar-to-electricity conversion modules, systems & methods
US8373063B2 (en) 2008-04-22 2013-02-12 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell
US8299355B2 (en) 2008-04-22 2012-10-30 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell
US8283561B2 (en) 2008-05-13 2012-10-09 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell
US8148632B2 (en) 2008-07-15 2012-04-03 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell
US8455757B2 (en) 2008-08-20 2013-06-04 Honeywell International Inc. Solar cell with electron inhibiting layer
JP5291427B2 (ja) * 2008-10-15 2013-09-18 スタンレー電気株式会社 光起電力発生装置
JP2010114349A (ja) * 2008-11-10 2010-05-20 Konica Minolta Holdings Inc 複合発電装置
US8227686B2 (en) 2009-02-04 2012-07-24 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell
US8227687B2 (en) 2009-02-04 2012-07-24 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cell
US8426728B2 (en) 2009-06-12 2013-04-23 Honeywell International Inc. Quantum dot solar cells
US20120048322A1 (en) * 2009-06-19 2012-03-01 Uttam Ghoshal Device for converting incident radiation into electrical energy
EP2454549A4 (en) 2009-07-17 2014-07-02 Sheetak Inc HEAT PIPES AND THERMOELECTRIC COOLING DEVICES
JP5500540B2 (ja) * 2009-07-27 2014-05-21 国立大学法人神戸大学 量子ドット太陽電池
JP5582744B2 (ja) * 2009-08-20 2014-09-03 日立造船株式会社 太陽電池およびその製造方法並びに太陽電池装置
US9012771B1 (en) 2009-09-03 2015-04-21 Suncore Photovoltaics, Inc. Solar cell receiver subassembly with a heat shield for use in a concentrating solar system
US9806215B2 (en) 2009-09-03 2017-10-31 Suncore Photovoltaics, Inc. Encapsulated concentrated photovoltaic system subassembly for III-V semiconductor solar cells
US8490619B2 (en) * 2009-11-20 2013-07-23 International Business Machines Corporation Solar energy alignment and collection system
US8372678B2 (en) 2009-12-21 2013-02-12 Honeywell International Inc. Counter electrode for solar cell
KR101131485B1 (ko) 2010-08-02 2012-03-30 광주과학기술원 무반사를 위한 나노구조의 제조방법 및 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법
JP5556639B2 (ja) * 2010-12-07 2014-07-23 株式会社豊田中央研究所 光電変換素子
BR112014027099A2 (pt) 2012-05-31 2017-06-27 Dow Global Technologies Llc artigo manufaturado e método
ES2894747T3 (es) * 2013-09-03 2022-02-15 Segton Adt Sas Unidad de plataforma de conversión multiplicadora de todo el espectro solar para una conversión óptima de luz en electricidad
US9876133B2 (en) 2014-08-19 2018-01-23 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Photovoltaic system for spectrally resolved solar light
DE102015006379B4 (de) * 2015-05-18 2022-03-17 Azur Space Solar Power Gmbh Skalierbare Spannungsquelle
WO2017193125A1 (en) * 2016-05-06 2017-11-09 Rensselaer Polytechnic Institute High absorption photovoltaic material and methods of making the same

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5148985A (ko) * 1974-10-24 1976-04-27 Sharp Kk
US3988166A (en) * 1975-01-07 1976-10-26 Beam Engineering, Inc. Apparatus for enhancing the output of photovoltaic solar cells
US4021267A (en) * 1975-09-08 1977-05-03 United Technologies Corporation High efficiency converter of solar energy to electricity
US4204881A (en) * 1978-10-02 1980-05-27 Mcgrew Stephen P Solar power system
DE3005914A1 (de) * 1980-02-16 1981-09-10 Werner H. Prof. Dr.-Ing. 7065 Winterbach Bloss Solarzellenanordnung
US4340617A (en) * 1980-05-19 1982-07-20 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus for depositing a material on a surface
US4312330A (en) * 1980-06-26 1982-01-26 Swedlow, Inc. Focusing device for concentrating radiation
US4350837A (en) * 1981-02-11 1982-09-21 Clark Stephan R Spectrovoltaic solar energy conversion system
US4328389A (en) * 1981-02-19 1982-05-04 General Dynamics Corporation Inherent spectrum-splitting photovoltaic concentrator system
US4418238A (en) * 1981-10-20 1983-11-29 Lidorenko Nikolai S Photoelectric solar cell array
US4433199A (en) * 1982-06-17 1984-02-21 Middy Gerald W Solar insolation and concentration by coupled fiber optics
US4663030A (en) * 1985-02-08 1987-05-05 The Black Clawson Company Disk rotor for selectifier screen
US4700013A (en) * 1985-08-19 1987-10-13 Soule David E Hybrid solar energy generating system
DE3741477A1 (de) * 1987-12-08 1989-06-22 Fraunhofer Ges Forschung Konzentratoranordnung
US5322572A (en) * 1989-11-03 1994-06-21 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Monolithic tandem solar cell
US5089055A (en) * 1989-12-12 1992-02-18 Takashi Nakamura Survivable solar power-generating systems for use with spacecraft
JPH03272186A (ja) * 1990-03-22 1991-12-03 Sumitomo Electric Ind Ltd タンデム構造超高効率太陽電池
ES2023332A6 (es) * 1990-07-23 1992-01-01 Univ Madrid Politecnica Cavidad confinadora de luz con limitacion anguloespacial del haz emergente.
DK170125B1 (da) * 1991-01-22 1995-05-29 Yakov Safir Solcellemodul
US5641501A (en) * 1994-10-11 1997-06-24 Ethicon, Inc. Absorbable polymer blends
US5902417A (en) * 1996-12-12 1999-05-11 Hughes Electornics Corporation High efficiency tandem solar cells, and operating method
US6015950A (en) * 1997-05-13 2000-01-18 Converse; Alexander K. Refractive spectrum splitting photovoltaic concentrator system
JP2002289900A (ja) * 2001-03-23 2002-10-04 Canon Inc 集光型太陽電池モジュール及び集光型太陽光発電システム
US6469241B1 (en) * 2001-06-21 2002-10-22 The Aerospace Corporation High concentration spectrum splitting solar collector
US6515217B1 (en) * 2001-09-11 2003-02-04 Eric Aylaian Solar cell having a three-dimensional array of photovoltaic cells enclosed within an enclosure having reflective surfaces
US6841816B2 (en) * 2002-03-20 2005-01-11 Foveon, Inc. Vertical color filter sensor group with non-sensor filter and method for fabricating such a sensor group
US20080283121A1 (en) * 2002-05-07 2008-11-20 Nanoptek Corporation Bandgap-shifted semiconductor surface and method for making same, and apparatus for using same
US6689949B2 (en) * 2002-05-17 2004-02-10 United Innovations, Inc. Concentrating photovoltaic cavity converters for extreme solar-to-electric conversion efficiencies
JP4269651B2 (ja) * 2002-11-19 2009-05-27 大同特殊鋼株式会社 集光型太陽光発電装置
US20040112424A1 (en) * 2002-10-03 2004-06-17 Daido Steel Co., Ltd. Solar cell assembly, and photovoltaic solar electric generator of concentrator type
IL157716A0 (en) * 2003-09-02 2004-03-28 Eli Shifman Solar energy utilization unit and solar energy utilization system
US7081584B2 (en) * 2003-09-05 2006-07-25 Mook William J Solar based electrical energy generation with spectral cooling
US20050211291A1 (en) * 2004-03-23 2005-09-29 The Boeing Company Solar cell assembly
ITMI20050590A1 (it) * 2005-04-08 2006-10-09 Antonini Andrea Sistema fotovoltaico a concentrrazione di radiazione basato su selezione spettrale
US7435989B2 (en) * 2005-09-06 2008-10-14 Canon Kabushiki Kaisha Semiconductor device with layer containing polysiloxane compound
US20070137691A1 (en) * 2005-12-19 2007-06-21 Cobb Joshua M Light collector and concentrator
US7741557B2 (en) * 2005-12-19 2010-06-22 Corning Incorporated Apparatus for obtaining radiant energy
US20070157924A1 (en) * 2005-12-22 2007-07-12 Solbeam, Inc. Method for light ray steering
US20080048102A1 (en) * 2006-08-22 2008-02-28 Eastman Kodak Company Optically enhanced multi-spectral detector structure
US20080314436A1 (en) * 2007-03-30 2008-12-25 O'connell Dan Solar augmentation system
US20080251112A1 (en) * 2007-04-10 2008-10-16 Raytheon Company Concentrating photovoltaic kaleidoscope and method
US8487179B2 (en) * 2008-02-07 2013-07-16 Rebecca Grace Willmott System and method for the improvement of photovoltaic cell efficiency

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2090972A2 (en) 2008-02-15 2009-08-19 Lg Electronics Inc. Mobile communication device equipped with touch screen and method of controlling the same
WO2013033671A1 (en) * 2011-09-02 2013-03-07 Amberwave, Inc. Solar cell

Also Published As

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