KR20100066525A - High efficiency hybrid solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 휴대용 애플리케이션 및 고정용 애플리케이션의 사용에 적절한 고효율 하이브리드 태양 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency hybrid solar cell suitable for use in portable and stationary applications.
본 발명은 정부와 체결한 W911NF-05-9-0005 협정 하에서 정부의 지원을 받아 발명되었다. 정부는 본 발명에 대하여 특정 권리를 갖는다.The present invention was invented with the support of the government under the W911NF-05-9-0005 agreement with the government. The government has certain rights in this invention.
본 명세서에 기술된 발명은 델라웨어 대학에 2005년 10월 1일 수여된 DARPA 상(Defense Advanced Research Projects Agency award), W911NF-05-9-0005에 의거해 작성된 50% 효율의 태양 전지 컨소시엄에 대한 공동 연구 논문(Articles of Collaboration for the 50% Efficient Solar Cells Consortium)에 따라 발명되었다.The invention described herein is directed to a 50% efficient solar cell consortium created under the Defense Advanced Research Projects Agency award, W911NF-05-9-0005 awarded to the University of Delaware on October 1, 2005. It was invented according to the Articles of Collaboration for the 50% Efficient Solar Cells Consortium.
태양 전지(solar cell)의 개발은 50년이 넘게 진행되어 왔다. 단일 접합 실리콘 태양 전지(one-junction silicon solar cells)는 그 기간 동안 많은 관심을 받아왔고, 지상용 태양 전지 애플리케이션(terrestrial photovoltaic applications)에 사용된다. 그러나 단일 접합 실리콘 태양 전지는 현재 최상의 실험실 태양 전지가 오직 약 24.7%의 효율을 가짐으로써 태양 에너지 전환에 대한 이론적 가능성의 절반도 안 되는 효율을 갖는다. 이는 그러한 전지의 애플리케이션을 제한한다. The development of solar cells has been in progress for over 50 years. One-junction silicon solar cells have received a lot of attention during that time and are used in terrestrial photovoltaic applications. Single-junction silicon solar cells, however, are currently less than half the theoretical potential for solar energy conversion, with the best laboratory solar cells currently having an efficiency of only about 24.7%. This limits the application of such cells.
고성능 광전지 시스템은 경제적인 이유 및 기술적인 이유 모두를 위해 요구된다. 전기의 가격은 태양 전지의 효율이 두 배가 됨으로써 반으로 감소될 수 있다. 많은 애플리케이션은 필요로 하는 전력을 현재의 태양 전지를 사용하여 제공하기 위해 요구되는 영역을 갖지 않는다. High performance photovoltaic systems are required for both economic and technical reasons. The price of electricity can be cut in half by doubling the efficiency of the solar cell. Many applications do not have the area required to provide the power needed using current solar cells.
더 효율적인 태양 전지를 얻기 위해 두 가지 형태의 태양 전지 구조가 제안되어 왔다. 하나는 수평 구조(lateral architecture)이다. 광학 분산 요소(optical dispersion element)는 태양 스펙트럼을 그의 파장 성분으로 분할하도록 사용된다. 별개의 태양 전지는 각 파장 대역에 위치되고, 전지는 그들이 그 파장 대역의 빛에 대해 높은 효율을 제공하도록 선택된다. 또 다른 구조는 상이한 에너지 갭을 가지는 별개의 태양 전지가 스택 내에 배열되는 수직 구조이다. 이들은 일반적으로 캐스케이드식 접합 전지, 탠덤형 접합 전지, 또는 복수의 접합 전지로 지칭된다. 태양광은 스택을 거쳐 통과된다. Two types of solar cell structures have been proposed to obtain more efficient solar cells. One is the lateral architecture. Optical dispersion elements are used to divide the solar spectrum into its wavelength components. Separate solar cells are located in each wavelength band and the cells are selected so that they provide high efficiency for light in that wavelength band. Another structure is a vertical structure in which separate solar cells with different energy gaps are arranged in a stack. These are generally referred to as cascaded junction cells, tandem junction cells, or a plurality of junction cells. Sunlight passes through the stack.
고효율 태양 전지의 개발 및 그러한 태양 전지의 달성을 가능하게 하는 구조에 대한 필요성이 존재한다.There is a need for development of high efficiency solar cells and structures that enable the achievement of such solar cells.
본 발명은, The present invention,
(a) Eg에서 동작하는 다이크로익 거울(dichroic mirror) - 상기 다이크로익 거울은, 태양광이 상기 다이크로익 거울에 충돌하도록(impinges) 위치되고, 상기 태양광을 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛의 한 성분 및 Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛의 한 성분으로 구성된 두 개의 스펙트럼 성분(spectral components)으로 분할하며, 상기 성분 중 하나는 상기 다이크로익 거울에 의하여 반사되고, 상기 성분 중 다른 하나는 상기 다이크로익 거울에 의하여 투과됨 - ,(a) E g dichroic mirror (dichroic mirror) as operating in a - by the dichroic mirror, the sun light is located (impinges) to impinge on the dichroic mirror as the dichroic, the solar E g Split into two spectral components consisting of one component of light comprising photons of more energy and one component of light comprising photons of energy less than E g , one of the components being the dichroic mirror Is reflected by the other one of the components is transmitted by the dichroic mirror.
(b) GaInP 전지인 제1 전지 및 GaAs 전지인 제2 전지로 구성된 두 전지를 포함하는 제1 전지 스택(cell stack) - 상기 제1 전지 및 상기 제2 전지는 그들의 에너지 갭의 내림차순으로 수직 방향으로 배열되어 상기 제1 전지 스택의 상기 전지 중 상기 제1 전지가 더 큰 에너지 갭을 가지며, 상기 제1 전지 스택은 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 상기 빛의 성분이 상기 제1 전지 스택의 상기 제1 전지의 표면에 충돌하도록 위치되며, 상기 제1 전지 스택의 상기 전지 각각은 그들의 에너지 갭과 동일하거나 그보다 큰 에너지의 광자를 포함하는 빛을 흡수하고, 그들의 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛에 대하여 투광성을 가지며 이 빛을 투과시키고, Eg는 대략 상기 GaAs 전지의 에너지 갭과 동일함 - , 및(b) a first cell stack comprising two cells consisting of a first cell as a GaInP cell and a second cell as a GaAs cell, wherein the first cell and the second cell are in a vertical direction in descending order of their energy gap; Arranged so that the first cell of the cells of the first cell stack has a larger energy gap, and the first cell stack is E g The components of light, including photons of more energy, are positioned to impinge on the surface of the first cell of the first cell stack, each of the cells of the first cell stack being of an energy equal to or greater than their energy gap. Absorbs light including photons and is transparent to light containing photons of energy smaller than their energy gap, and transmits this light, E g is approximately equal to the energy gap of the GaAs cell-,
(c) Si 전지인 제1 전지, GaInAsP 전지인 제2 전지, 및 GaInAs 전지인 제3 전지로 구성된 세 개의 전지를 포함하는 제2 전지 스택 - 상기 제1 전지, 상기 제2 전지, 및 상기 제3 전지는 그들의 에너지 갭의 내림차순으로 수직 방향으로 배열되어 상기 제2 전지 스택의 상기 전지 중 상기 제1 전지가 최대 에너지 갭을 가지며, 상기 제2 전지 스택은 Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 상기 빛의 성분이 상기 제2 전지 스택의 상기 제1 전지의 표면에 충돌하도록 위치되며, 상기 제2 전지 스택의 각각의 전지의 상기 에너지 갭은 Eg보다 작고, 상기 제2 전지 스택의 전지 각각은 그들의 에너지 갭과 동일하거나 그보다 큰 에너지의 광자를 포함하는 빛을 흡수하고, 그들의 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛에 대하여 투광성을 가지며 이 빛을 투과시킴 - 을 포함하는 고효율 하이브리드 태양 전지를 제공한다.(c) a second cell stack comprising three cells comprising a first cell as a Si cell, a second cell as a GaInAsP cell, and a third cell as a GaInAs cell-the first cell, the second cell, and the second cell The three cells are arranged in a vertical direction in descending order of their energy gap such that the first of the cells of the second cell stack has a maximum energy gap, the second cell stack comprising photons of energy less than E g. Wherein the light component is positioned to impinge the surface of the first cell of the second cell stack, wherein the energy gap of each cell of the second cell stack is less than E g and each of the cells of the second cell stack Absorbs light containing photons of energy equal to or greater than their energy gap, and transmits light with light transmissive to light containing photons of energy smaller than their energy gap. It provides a high efficiency hybrid solar cell comprising a.
다이크로익 거울은 "콜드(cold)" 다이크로익 거울인 것이 바람직하다.The dichroic mirror is preferably a "cold" dichroic mirror.
도 1은 전지 스택(cell stack)을 도시하는 도식적인 도면.
도 2a 및 도 2b는 기술된(demonstrated) 하이브리드 태양 전지의 설계를 도시하는 도면.
도 3은 Eg 이상의 에너지의 광자를 갖는 빛을 반사하고 Eg보다 작은 에너지의 광자를 갖는 빛을 투과시키는 다이크로익 거울(dichroic mirror) 및 직교하는 두 전지 스택면을 포함하는 하이브리드 태양 전지의 실시예를 도시하는 도면.
도 4는 Eg 이상의 에너지의 광자를 갖는 빛을 반사하고 Eg보다 작은 에너지의 광자를 갖는 빛을 투과시키는 다이크로익 거울 및 동일 평면 구성(coplanar configuration)에서의 두 전지 스택을 갖는 하이브리드 태양 전지의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.1 is a schematic diagram illustrating a cell stack.
2A and 2B show the design of a hybridstrated hybrid solar cell.
3 is E g An embodiment of a hybrid solar cell comprising a dichroic mirror and two orthogonal cell stack surfaces that reflect light having photons of energy above and transmit light having photons of energy less than E g drawing.
4 shows a hybrid solar cell having a dichroic mirror that reflects light with photons of energy above E g and transmits light with photons of energy below E g and a stack of two cells in a coplanar configuration. Figure showing another embodiment.
본 발명은 30%를 넘어 바람직하게는 40%까지 그리고 40%를 넘는 효율을 갖는 고효율 하이브리드 태양 전지를 제공한다. 하이브리드 태양 전지는 다이크로익 거울, GaInP 전지 및 GaAs 전지를 포함하는 제1 전지 스택, Si 전지, GaInAsP 전지, 및 GaInAs 전지를 포함하는 제2 스택으로 구성된다. The present invention provides a high efficiency hybrid solar cell having an efficiency above 30%, preferably up to 40% and above 40%. The hybrid solar cell consists of a first cell stack comprising a dichroic mirror, a GaInP cell and a GaAs cell, a Si cell, a GaInAsP cell, and a second stack comprising a GaInAs cell.
Eg에서 동작하는 다이크로익 거울은 태양광이 다이크로익 거울에 충돌하도록(impinges) 위치된다. 이른바 "콜드(cold)" 다이크로익 거울은 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛을 반사하고, Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛을 투과시킨다. 이른바 "핫(hot)" 다이크로익 거울은 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛을 투과시키고, Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛을 반사한다. 두 형태의 다이크로익 거울이 개발된 현재 상태에서 "콜드" 다이크로익 필터가 선호된다. 다이크로익 거울은 평면이거나(planar) 곡면일(curved) 수 있다. The dichroic mirror operating at E g is positioned so that sunlight impinges on the dichroic mirror. So-called "cold (cold)" dichroic mirror is dichroic and reflects light comprising photons of energy than E g, the transmitting light comprising photons of energy less than E g. So-called "hot (hot)" dichroic mirror is dichroic and transmitting light comprising photons of energy E g or more, and reflects light comprising photons of energy less than E g. In the current state of development of both types of dichroic mirrors, "cold" dichroic filters are preferred. The dichroic mirror may be planar or curved.
"전지"는 본 명세서에서, 다양한 스택에 포함되면서 일반적으로 태양 전지라고 지칭되는 개별 전지를 기술하기 위해 사용된다. 용어 "태양 전지"는 본 명세서에서 최종 장치(complete device)를 기술하기 위해 사용된다."Cell" is used herein to describe an individual cell, which is generally referred to as a solar cell while included in various stacks. The term "solar cell" is used herein to describe a complete device.
위에서 제시된 바와 같이, 본 명세서에서 "전지의 에너지 갭의 내림차순으로 수직 방향으로 배열되어 스택 내 전지 중 제1 전지가 최대 에너지 갭을 갖는"은 스택 내 전지가 최대 에너지 갭을 갖는 제1 전지, 제1 전지 바로 아래의 그 다음 최대 에너지 갭을 갖는 제2 전지, 제2 전지 바로 아래의 세 번째로 큰 에너지 갭을 갖는 제3 전지 등의 순으로 순차적으로 배열된다는 것을 의미한다. 전지 스택의 배열은 도 1에 도식적으로 도시된다. 전지 스택(10)은 세 개의 전지(1, 2, 및 3)를 가지며, 전지(1)가 제1 전지가 된다. 
본 명세서에서 사용된 "흡수된"은 전지에 의해 흡수된 광자에 의한 전자-홀 쌍의 생성을 의미한다. As used herein, "absorbed" refers to the generation of electron-hole pairs by photons absorbed by the cell.
"Eg에서 동작하는 다이크로익 거울"은 본 명세서에서 다이크로익 거울이 태양광을 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛의 한 성분 및 Eg 이하의 에너지의 광자를 포함하는 빛의 한 성분으로 구성된 두 개의 스펙트럼 성분(spectral components)으로 분할한다는 것을 의미하도록 사용된다. 이러한 성분 중 하나는 다이크로익 거울에 의해 반사되고, 다른 하나는 다이크로익 거울에 의해 투과된다. "콜드(cold)" 다이크로익 거울은 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛을 반사하고, Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛을 투과시키며, "핫(hot)" 다이크로익 거울은 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛을 투과시키고, Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛을 반사한다. 일반적으로 다이크로익 거울은 태양광에 수직이 되지 않도록 위치될 것이다. 이런 방법에서, 반사광(reflected light)의 방향은 정확하게 입사된 태양광의 방향을 향하지 않지만, 다이크로익 거울에 충돌하는(impinging) 태양광의 방향에 대해 각(angle)을 갖고, 반사광이 적절한 전지 스택에 충돌하도록 더 용이하게 배열될 수 있다. 에너지 및 대응하는 파장 영역 상에서 투과에서 반사로의 전이(transition)가 일어난다. 동작 에너지 Eg는 이 전이 영역의 중심점(midpoint)으로 받아들여진다. 예를 들면, "콜드" 다이크로익 거울에 대하여, 전이가 매우 급격하게(sharp) 일어나지 않는다면, Eg보다 큰 에너지를 갖는 일부 광자는 투과될 것이고, Eg보다 작은 에너지를 갖는 일부 광자는 반사될 것이라고 인식된다. 전이 영역에서, Eg보다 큰 에너지를 갖는 대부분의 광자는 반사되고, Eg보다 작은 에너지를 갖는 대부분의 광자는 투과된다. 위의 "Eg에서 동작하는 다이크로익 거울"은 전이 영역의 성질에 대한 이러한 인식(recognition)의 측면에서 이해되고 해석되어야 한다. 주어진 다이크로익 거울에 대하여, 다이크로익 거울이 다이크로익 거울에 충돌하는 광선의 입사 방향의 수직 방향으로부터 멀어지도록 회전함에 따라 동작 에너지(operating energy)는 낮은 에너지로(높은 파장으로) 이동하고, "Eg에서 동작하는 다이크로익 거울"은 다이크로익 거울이 충돌하는 빛(impinging light)의 방향과 관련되어(relative to) 배치되는 위치에 적용되는 것이 적합하다고 이해되고 해석되어야 한다. 다이크로익 거울은 일반적으로 두 투명한 옥사이드의 20개 이상의 교호층(alternate layers)을 포함하는 다층 구조이다. 급격한 전이는 더 많은 층과 고비용을 요구한다. "E g dichroic mirror to the dichroic operating in" is one of light comprising photons of the one component and the E g or less of optical energy containing photons of more dichroic mirrors for solar E g energy into dichroic herein It is used to mean splitting into two spectral components consisting of components. One of these components is reflected by the dichroic mirror and the other is transmitted by the dichroic mirror. Dichroic mirrors as "cold (cold)" dyke is sikimyeo reflects light comprising photons of more than E g energy, transmitted through the light including photons of less energy than E g, "hot (hot)" dichroic mirror to the dichroic It is transmitted through the light comprising photons of energy and more than E g, and reflects the light comprising photons of energy less than E g. In general, dichroic mirrors will be positioned so that they are not perpendicular to sunlight. In this way, the direction of the reflected light does not exactly point in the direction of the incident sunlight, but has an angle to the direction of the sunlight impinging the dichroic mirror, and the reflected light is directed to the appropriate cell stack. It can be more easily arranged to collide. Transition from transmission to reflection occurs over energy and the corresponding wavelength region. The operating energy E g is taken as the midpoint of this transition region. For example, for a "cold" dichroic mirror, if no transition occurs very sharp, some photons with energy greater than E g will be transmitted and some photons with energy less than E g will reflect It will be recognized. In the transition region, most photons with energy greater than E g are reflected and most photons with energy less than E g are transmitted. The above "dichroic mirror operating at E g " should be understood and interpreted in terms of this recognition of the nature of the transition region. For a given dichroic mirror, as the dichroic mirror rotates away from the vertical direction of the direction of incidence of the light beam impinging the dichroic mirror, the operating energy moves at a lower energy (higher wavelength) and , "Dichroic mirror operating at E g " should be understood and interpreted as being applicable to the position where the dichroic mirror is placed relative to the direction of the impinging light. Dichroic mirrors are generally multi-layered structures comprising more than 20 alternating layers of two transparent oxides. Rapid transitions require more layers and higher costs.
"하이브리드"는 본 명세서에서 수평 구조나 수직 구조가 아니라 두 가지를 혼합한 구조를 갖는다는 것을 나타내도록 인스턴트 태양 전지를 기술하기 위해 사용된다. "Hybrid" is used herein to describe an instant solar cell to indicate that it has a structure that is a mixture of the two, not a horizontal or vertical structure.
바람직한 실시예에서, 고효율 태양 전지는 광학 요소를 더 포함한다. 표면에 닿는(striking) 태양 복사의 광도(intensity) 또는 집광도(concentration)는 1X, 즉 표준 집광도(normal concentration)이다. 1X 태양광으로 고효율 태양 전지를 달성하는 것은 더 높은 집광도의 태양광을 사용하는 것에 비해 더 어렵고 비싸다. 광학 요소의 목적은 광학 요소에 충돌하는 빛을 모으고 집광시키며, 다이크로익 거울의 표면을 향하게 하는 것이다. 광학 요소는 고정 집광기(static concentrator)인 내부 전반사 집광기(total internal reflecting concentrator)를 포함한다. 고정 집광기는 태양 전지에 의해 활용될 수 있는 태양광의 출력 밀도(power density)를 증가시킨다. 이 것은 넓은 영역의 하늘로부터 빛을 수용하는 넓은 수광각(acceptance-angle)을 갖는 집광기이다. 추적 집광기(tracking concentrator)와는 다르게, 고정 집광기는, 많은 비율이 스펙트럼의 파란색에서 자외선 부분에 존재하는 확산광(diffuse light)의 대부분을 잡아낼(capture) 수 있다. 이러한 확산광은 태양 스펙트럼의 입사 전력(incident power)의 약 10%를 구성한다(makes up). 실제로 높은 레벨의 집광도는 일년 내내(throughout the year) 태양 복사의 출력 밀도가 낮은 하늘의 영역으로부터의 빛을 거부함(rejecting)으로써 달성된다. 이러한 방법으로, 태양광의 집광도는 10X 또는 그 이상으로 증가된다. 만약 집광기의 위치가 한 해 동안 소정의 시간에서 조정될 수 있다면, 더 높은 집광도가 얻어진다. 빛은 집광기의 일 표면을 통해 투과되고, 그 표면은 다이크로익 거울의 표면과 접한다. "태양광"은 본 명세서에서 집광도에 관계 없이 다이크로익 거울의 표면에 충돌하는 전체(complete) 태양 스펙트럼으로 지칭되도록 사용된다. 집광도는 10X 또는 그 이상인 것이 바람직하다. In a preferred embodiment, the high efficiency solar cell further comprises an optical element. The intensity or concentration of the solar radiation striking the surface is 1 ×, the normal concentration. Achieving high efficiency solar cells with 1X sunlight is more difficult and expensive compared to using higher concentrations of sunlight. The purpose of the optical element is to collect and focus the light impinging on the optical element and to direct the surface of the dichroic mirror. The optical element includes a total internal reflecting concentrator that is a static concentrator. Fixed collectors increase the power density of sunlight that can be utilized by solar cells. This is a light collector with a wide acceptance-angle that receives light from a wide area of sky. Unlike tracking concentrators, fixed concentrators can capture most of the diffuse light that is present in the ultraviolet portion of the spectrum in large proportions. This diffuse light makes up about 10% of the incident power of the solar spectrum. Indeed, high levels of condensation are achieved by rejecting light from areas of the sky where the output density of solar radiation is low throughout the year. In this way, the concentration of sunlight is increased to 10X or more. If the position of the light collector can be adjusted at a given time during the year, a higher light intensity is obtained. Light is transmitted through one surface of the collector and the surface is in contact with the surface of the dichroic mirror. "Sunlight" is used herein to refer to the complete solar spectrum impinging on the surface of the dichroic mirror, regardless of the degree of light collection. It is preferable that the condensing degree is 10X or more.
다이크로익 거울에 의해 반사되고/반사되거나 투과된 빛은 적절한 스택 내의 제1 전지의 표면에 직접적으로 충돌할 수 있다. 이와 달리, 다이크로익 거울에 의하여 반사되고/반사되거나 투과되는 빛이 반사 거울에 의해 반사되고 적절한 스택 내의 제1 전지의 표면에 충돌하는 방향으로 인도되도록 반사 거울(reflecting mirror)이 위치될 수 있는데, 예를 들면 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛은 제1 전지 스택의 제1 전지의 표면에 충돌하도록 인도되고, Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛은 제2 전지 스택의 제1 전지의 표면에 충돌하도록 인도된다. 다이크로익 거울 및 반사 거울은 단일 광학 구성 요소로 병합될 수 있다.Light reflected and / or transmitted by the dichroic mirror may impinge directly on the surface of the first cell in a suitable stack. Alternatively, a reflecting mirror may be positioned so that light reflected and / or transmitted by the dichroic mirror is directed by the reflecting mirror and directed in a direction that impinges on the surface of the first cell in the appropriate stack. For example, light containing photons of energy above E g is directed to impinge on the surface of the first cell of the first cell stack, and light comprising photons of energy less than E g is generated in the first cell of the second cell stack. Guided to hit the surface of the cell. Dichroic mirrors and reflective mirrors may be incorporated into a single optical component.
각 전지의 에너지 갭은 전지의 정확한 구성(exact composition) 및 제조 방법에 의존할 수 있다. GaInP 전지의 에너지 갭은 약 1.84eV이고, GaAs 전지의 에너지 갭은 약 1.43eV이며, Si 전지의 에너지 갭은 약 1.12eV인 것이 바람직하다. GaInAsP 전지의 에너지 갭은 약 0.92eV에서 약 0.95eV 사이에 존재하고, GaInAs 전지의 에너지 갭은 약 0.69eV에서 약 0.74eV 사이에 존재한다. The energy gap of each cell may depend on the exact composition of the cell and the manufacturing method. The energy gap of the GaInP cell is about 1.84 eV, the energy gap of the GaAs cell is about 1.43 eV, and the energy gap of the Si cell is preferably about 1.12 eV. The energy gap of the GaInAsP cell is between about 0.92 eV and about 0.95 eV, and the energy gap of the GaInAs cell is between about 0.69 eV and about 0.74 eV.
전지 스택은 모놀리식(monolithic) 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 일부 전지 또는 모든 전지는 별개의 기판 상에 제조될 수 있다. 예를 들면, 제2 전지 스택의 경우, Si 전지는 Si 전지에 의하여 투과되는 빛에 대해 투광성이 있는 기판 상에 제조될 수 있고, GaInAsP 전지 및 GaInAs 전지는 모놀리식 탠덤(tandem)형으로 제조될 수 있다. The cell stack may have a monolithic structure. Alternatively, some or all of the cells may be fabricated on separate substrates. For example, in the case of the second cell stack, the Si cell can be fabricated on a substrate that is translucent to light transmitted by the Si cell, while the GaInAsP cell and GaInAs cell are made in a monolithic tandem type. Can be.
일 실시예에서, 하나의 스택 또는 두 스택 내의 전지는 스택에 대하여 단일 출력을 제공하도록 전기적으로 직렬 연결된다. 더 바람직한 실시예에서, 두 스택 내의 모든 개별 전지는 별개의 전기적 접속부(electrical connections)와 접촉한다(are contacted). 이로 인해 태양 전지의 실질적인 단순화가 이뤄지고, 이는 전지의 최적화된 동작을 제공하도록 각 전지의 양단에 걸리는 전압을 조절할 수 있는 기회를 제공한다. 이 전지는 원하는 전압에서 태양 전지에 대해 단일 전기적 출력을 제공하는 출력 합성기(power combiner)에 연결될 수 있다. In one embodiment, the cells in one stack or both stacks are electrically connected in series to provide a single output for the stack. In a more preferred embodiment, every individual cell in both stacks is in contact with separate electrical connections. This results in a substantial simplification of the solar cells, which provides an opportunity to adjust the voltage across each cell to provide optimized operation of the cell. The cell can be connected to a power combiner that provides a single electrical output to the solar cell at the desired voltage.
1.84eV의 에너지 갭을 갖는 GaInP 전지 및 1.43eV의 에너지 갭을 갖는 GaAs 전지는 제1 전지 스택에 대해 선호되는 전지이다. GaInP/GaAs 탠덤형 전지로 구성되는 두 전지 스택은 K. A. Bertness et al., Appl. Phys. Lett. 65, 989 (1994)에 기술된 바와 같은 트리메틸 갈륨, 트리메틸 인듈, 포스핀, 아르신, 및 그 밖의 전구체(precursors)를 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 전지는 그들의 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자를 투과시키기 때문에 종래의 GaInP/GaAs 전지와 다르다. 제조되고 설명된 탠덤형 전지에서, 전지는 개별 전지에 대한 별개의 전기적 연결을 갖지 않았고, 전기적으로 직렬로 연결된다. (Emcore Corporation, Albuquerque, NM에 의해 제조된) 최고의 성능을 가졌던 전지는 0.1245cm2의 활성 영역(active area)을 갖고, 25.1
제2 전지 스택의 제1 전지는 1.12eV의 에너지 갭을 갖는 실리콘 전지이다. 최근의 발전은 저비용으로 고성능 실리콘 전지를 제공할 기회를 제공해 왔다. 이는 얇은 실리콘 접합, 절연체 이외의 수단에 의한 실리콘 표면의 패시베이션의 사용{M. Taguchi et al., 태양 전지의 발전: 연구 및 애플리케이션, Vol 8, p 503-513 (2000)} 및 광학적으로 투명한 기판 및 n 형 실리콘에서의 증명된 높은 마이너리티 캐리어 수명의 사용{A. Cuevas et al., Appl. Phys. Lett. 81, 4952(2002)}을 포함한다. 실리콘 전지는, 표면을 패시베이팅하고 고전압 및 고효율을 달성하기 위해 넓은 에너지 갭 반도체 무정질(amorphous) 실리콘의 피착(deposition)을 사용하여 제조된다. 사용된 구조는 결정질(crystalline) 실리콘 및 무정질 실리콘 간의 이종 접합(heterojunction)을 갖는다. 장치 성능은 결정질 실리콘 기판의 특성에 의해 좌우된다. 실리콘 전지 설계(20)는 도 2a 및 도 2b에서 도시된다. 도 2a는 저면도이다. 도시된 바와 같이, 전지는 4mm의 폭 및 9mm의 길이를 갖는다. 장치의 세 가장자리 주위로 1mm 폭의 금속화 밴드(metallized band; 21)가 존재한다. 활동 전지 영역(22)은 
제2 전지 스택의 제2 전지 및 제3 전지인 GaInAsP 전지 및 GaInAs 전지는 R. J. Wehrer et al., 컨퍼런스 기록, IEEE 광전지 전문가 컨퍼런스, 2002, p 884-887에 기술된 바와 같이 제조될 수 있다. 설명된 전지는 두 전지가 전기적으로 독립 연결되는 모놀리식 탠덤형으로 제조되었다. 전지가 전기적으로 직렬 연결되지 않았기 때문에, 터널 접합은 전지 사이에 포함되지 않았다. 이는 성장 과정(growth procedure)을 단순화시킨다. 미세하게 더 높은 전환 효율을 얻기 위하여 두 전지의 에너지 갭을 감소시키는 시도(attempt)가 행하여졌다. GaInAsP 전지의 에너지 갭은 0.92eV였고, GaInAs 전지의 에너지갭은 0.69eV였다. 3 단자 전기 접속(3-terminal electrical connection)은 독립적으로 각 전지의 성능을 측정하는 것을 가능하게 하였다. 전지의 성능은 이상화된 실리콘 필터(1100nm 차단) 하에서 측정되었다. GaInAsP 전지는 21.4X 빛 이하였다. Voc는 0.400V였고, 단락 회로 전류 밀도 Jsc는 281mA/cm2였다. GaInAsP 전지는 72%의 필 팩터 및 2.79%의 효율을 제시하였다. GaInAs 전지는 28.9X 빛 이하였다. Voc는 0.609V였고, Isc는 167mA/cm2였다. GaInAs 전지는 73%의 필 팩터 및 3.46%의 효율을 제시하였다. 두 전지의 종합 효율(combined efficiency)은 6.2%였다. GaInAsP cells and GaInAs cells, which are the second and third cells of the second cell stack, can be prepared as described in RJ Wehrer et al., Conference Records, IEEE Photovoltaic Expert Conference, 2002, p 884-887. The described cells were made in a monolithic tandem type in which the two cells were electrically connected independently. Since the cells were not electrically connected in series, no tunnel junction was included between the cells. This simplifies the growth procedure. Attempts have been made to reduce the energy gap of the two cells to obtain finer higher conversion efficiency. The energy gap of the GaInAsP cell was 0.92 eV, and the energy gap of the GaInAs cell was 0.69 eV. The 3-terminal electrical connection made it possible to measure the performance of each cell independently. The performance of the cell was measured under an idealized silicon filter (1100 nm blocking). GaInAsP cells were less than 21.4 × light. V oc was 0.400 V and short circuit current density J sc was 281 mA / cm 2 . GaInAsP cells showed a fill factor of 72% and an efficiency of 2.79%. GaInAs cells were less than 28.9X light. V oc was 0.609 V and I sc was 167 mA / cm 2 . GaInAs cells showed a 73% fill factor and 3.46% efficiency. The combined efficiency of the two cells was 6.2%.
설명된 두 전지 스택 구성 요소의 전체 효율은 42.9%였다. The overall efficiency of the two cell stack components described was 42.9%.
전지 스택은 특정 실시예의 구성에 따라 하나 이상의 마운팅 보드에 마운팅될 수 있다. 흡수되지 않았을 뻔한 빛을 흡수하여 빛을 전기로 전환하기 위해 스캐빈저 전지(scavenger cell)로 동작할 수 있는 실리콘 전지가 하나의 스택 또는 두 스택 내의 마지막 전지에 접하거나 연속하도록 위치될 수 있다. 실리콘 스캐빈저 전지는 전지 스택의 전지보다 더 넓은 단면을 가질 수 있는데, 일반적으로 전지 스택의 전지의 단면보다 적어도 약 10배 더 넓다. 스캐빈저 전지에 의해 가로채어진 빛의 일부는 전지 스택에 입사하지 못하는 빛이고, 반사광은 예를 들면 제1 전지 스택의 전지와 같은 스택 내 전지에 의해 흡수되지 못하는 빛이며, 확산광은 전지 스택에 영향을 주지 못한다. 스캐빈저 실리콘은 전기적으로 직렬 연결 또는 병렬 연결되거나 또는 독립적으로 연결될 수 있다. The cell stack may be mounted to one or more mounting boards, depending on the configuration of the particular embodiment. Silicon cells, which can act as scavenger cells to absorb light that would not have been absorbed and convert light into electricity, can be placed in contact with or contiguous with the last cell in one stack or two stacks. The silicon scavenger cell may have a wider cross section than the cell of the cell stack, which is generally at least about 10 times wider than the cross section of the cell of the cell stack. Some of the light intercepted by the scavenger cell is light that is not incident on the cell stack, reflected light is light that is not absorbed by cells in the stack, for example, cells in the first cell stack, and diffused light is the cell. It does not affect the stack. The scavenger silicon can be electrically connected in series or in parallel or can be connected independently.
전지의 표면으로부터 반사된 빛은 태양 전지 효율을 감소시키는 잠재적인 원인이 된다. 반사 방지 코팅(anti-reflection coating)은 빛이 이러한 손실을 최소화하기 위해 충돌하는 임의의 전지의 표면에 사용될 수 있다. Light reflected from the surface of the cell is a potential source of reduced solar cell efficiency. An anti-reflection coating can be used on the surface of any cell where light impinges to minimize this loss.
일 실시예에서, 다이크로익 거울에 의해 반사되고 투과된 빛은 각 전지 스택에 충돌하기 전에 공기로 전파된다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 투광성이 있는 고체는 이러한 빛이 고체를 통해 전파되도록 제공될 수 있다. In one embodiment, the light reflected and transmitted by the dichroic mirror is propagated into the air before it hits each cell stack. In another embodiment, one or more translucent solids may be provided such that such light propagates through the solids.
도 3 및 도 4에서, 동일한 번호는 동일한 개체를 식별하기 위해 사용된다. 간결성을 위해, 다양한 광선은 하나의 광선으로 표시된다. In Figures 3 and 4, the same numbers are used to identify the same individuals. For the sake of brevity, the various rays are represented by one ray.
도 3은 하이브리드 태양 전지의 실시예를 도시한다. 태양 전지(30A)는 "콜드" 다이크로익 거울(31), 제1 전지 스택(32), 및 제2 전지 스택(33)으로 구성된다. 제1 전지 스택(32)은 GaInP 전지(34) 및 GaAs 전지(35)로 구성된 두 전지를 포함한다. 제2 전지 스택(33)은 Si 전지(36), GaInAsP 전지(37), 및 GaInAs(38) 전지로 구성된 세 개의 전지를 포함한다. 다이크로익 거울(31)은 Eg에서 동작하고, Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛을 반사하며, Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛을 투과시킨다. 태양광(41)은 태양광(41)의 방향에 대해 약 
도 4는 하이브리드 태양 전지의 또 다른 실시예를 도시한다. 태양 전지(30A)는 "콜드" 다이크로익 거울(31), 제1 전지 스택(32), 제2 전지 스택(33), 및 반사 거울(44)로 구성된다. 제1 전지 스택(32)은 GaInP 전지(34) 및 GaAs 전지(35)로 구성된 두 전지를 포함한다. 제2 전지 스택(33)은 Si 전지(36), GaInAsP 전지(37), 및 GaInAs 전지(38)로 구성된 세 개의 전지를 포함한다. 다이크로익 거울(31)은 Eg에서 동작하고, Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛을 반사하며, Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛을 투과시킨다. 태양광(41)은 도 4에 도시된 바와 같이 빛이 반사되도록 위치되는 다이크로익 거울(31)에 충돌한다. Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛(42)은 다이크로익 거울에 의해 반사되고, 제1 전지 스택(32)의 제1 전지(34)의 표면에 충돌한다. 전지(34 및 35) 각각은 그들의 에너지 갭과 같거나 그보다 큰 에너지의 광자를 포함하는 빛을 흡수하고, 그들의 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛에 대하여 투광성을 가지며 이 빛을 투과시킨다. Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛(43)은 다이크로익 거울에 의해 투과되고, 반사 거울(44)에 의해 반사된다. 반사광(43)은 제2 전지 스택(33)의 제1 전지(36)의 표면에 충돌한다. 전지(36, 37, 및 38) 각각은 그들의 에너지 갭과 같거나 그보다 큰 에너지의 광자를 포함하는 빛을 흡수하고, 그들의 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛에 대해 투광성을 가지며 이 빛을 투과시킨다. 도 4는 하이브리드 태양 전지가 Si 스캐빈저 전지(39 및 40)를 더 포함하는 실시예를 도시한다. Si 스캐빈저 전지(39)는 전지(35)와 연속되게 도시되고, Si 스캐빈저 전지(40)는 전지(38)와 연속하게 도시된다. 제1 전지 스택(33) 및 제2 전지 스택(34)에 충돌하지 않는 그들 각각의 영역 내의 빛은 Si 스캐빈저 전지(39 및 40)에 충돌한다. 이러한 구성에서, 전지 스택 및 Si 스캐빈저 전지는 동일한 마운팅 보드 상에서 용이하게 지지될 수 있다.4 illustrates another embodiment of a hybrid solar cell.
Claims (8)
(b) GaInP 전지인 제1 전지 및 GaAs 전지인 제2 전지로 구성된 두 전지를 포함하는 제1 전지 스택(cell stack) - 상기 제1 전지 및 상기 제2 전지는 그들의 에너지 갭의 내림차순으로 수직 방향으로 배열되어 상기 제1 전지 스택의 상기 전지 중 상기 제1 전지가 더 큰 에너지 갭을 가지며, 상기 제1 전지 스택은 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 상기 빛의 성분이 상기 제1 전지 스택의 상기 제1 전지의 표면에 충돌하도록 위치되며, 상기 제1 전지 스택의 상기 전지 각각은 그들의 에너지 갭과 동일하거나 그보다 큰 에너지의 광자를 포함하는 빛을 흡수하고, 그들의 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛에 대하여 투광성을 가지며 이 빛을 투과시키고, Eg는 대략 상기 GaAs 전지의 에너지 갭과 동일함 - ; 및
(c) Si 전지인 제1 전지, GaInAsP 전지인 제2 전지, 및 GaInAs 전지인 제3 전지로 구성된 세 개의 전지를 포함하는 제2 전지 스택 - 상기 제1 전지, 상기 제2 전지, 및 상기 제3 전지는 그들의 에너지 갭의 내림차순으로 수직 방향으로 배열되어 상기 제2 전지 스택의 상기 전지 중 상기 제1 전지가 최대 에너지 갭을 가지며, 상기 제2 전지 스택은 Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 상기 빛의 성분이 상기 제2 전지 스택의 상기 제1 전지의 표면에 충돌하도록 위치되며, 상기 제2 전지 스택의 각각의 전지의 상기 에너지 갭은 Eg보다 작고, 상기 제2 전지 스택의 전지 각각은 그들의 에너지 갭과 동일하거나 그보다 큰 에너지의 광자를 포함하는 빛을 흡수하고, 그들의 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛에 대하여 투광성을 가지며 이 빛을 투과시킴 -
을 포함하는, 고효율 하이브리드 태양 전지.(a) E g dichroic mirror (dichroic mirror) as operating in a - by the dichroic mirror, the sun light is located (impinges) to impinge on the dichroic mirror as the dichroic, the solar E g Split into two spectral components consisting of one component of light comprising photons of more energy and one component of light comprising photons of energy less than E g , one of the components being the dichroic mirror Reflected by the other one of the components is transmitted by the dichroic mirror;
(b) a first cell stack comprising two cells consisting of a first cell as a GaInP cell and a second cell as a GaAs cell, wherein the first cell and the second cell are in a vertical direction in descending order of their energy gap; Arranged so that the first cell of the cells of the first cell stack has a larger energy gap, and the first cell stack is E g The components of light, including photons of more energy, are positioned to impinge on the surface of the first cell of the first cell stack, each of the cells of the first cell stack being of an energy equal to or greater than their energy gap. Absorbs light including photons and transmits light with light including photons of energy smaller than their energy gap, and E g is approximately equal to the energy gap of the GaAs cell; And
(c) a second cell stack comprising three cells comprising a first cell as a Si cell, a second cell as a GaInAsP cell, and a third cell as a GaInAs cell-the first cell, the second cell, and the second cell The three cells are arranged in a vertical direction in descending order of their energy gap such that the first of the cells of the second cell stack has a maximum energy gap, the second cell stack comprising photons of energy less than E g. Wherein the light component is positioned to impinge the surface of the first cell of the second cell stack, wherein the energy gap of each cell of the second cell stack is less than E g and each of the cells of the second cell stack Absorbs light containing photons of energy equal to or greater than their energy gap, and transmits light with light transmissive to light containing photons of energy smaller than their energy gap.
Containing, high efficiency hybrid solar cell.
(a) 다이크로익 거울을 위치시키는 단계 - 상기 태양광은 상기 다이크로익 거울의 표면에 충돌하고, 상기 다이크로익 거울은 상기 태양광을 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 빛의 한 성분 및 Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛의 한 성분으로 구성된 두 개의 스펙트럼 성분으로 분할함 - ;
(b) GaInP 전지인 제1 전지 및 GaAs 전지인 제2 전지로 구성된 두 전지를 포함하는 제1 전지 스택을 위치시키는 단계 - 상기 제1 전지 및 상기 제2 전지는 그들의 에너지 갭의 내림차순으로 수직 방향으로 배열되어 상기 제1 전지 스택의 상기 전지 중 상기 제1 전지가 더 큰 에너지 갭을 가지며, 상기 제1 전지 스택은 Eg 이상의 에너지의 광자를 포함하는 상기 빛의 성분이 상기 제1 전지 스택의 상기 제1 전지의 표면에 충돌하도록 위치되며, 상기 제1 전지 스택의 상기 전지 각각은 그들의 에너지 갭과 동일하거나 그보다 큰 에너지의 광자를 포함하는 빛을 흡수하고, 그들의 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛에 대하여 투광성을 가지며 이 빛을 투과시키고, Eg는 대략 상기 GaAs 전지의 에너지 갭과 동일함 - ; 및
(c) Si 전지인 제1 전지, GaInAsP 전지인 제2 전지, 및 GaInAs 전지인 제3 전지로 구성된 세 개의 전지를 포함하는 제2 전지 스택을 위치시키는 단계 - 상기 제1 전지, 상기 제2 전지, 및 상기 제3 전지는 그들의 에너지 갭의 내림차순으로 수직 방향으로 배열되어 상기 제2 전지 스택의 상기 전지 중 상기 제1 전지가 최대 에너지 갭을 가지며, 상기 제2 전지 스택은 Eg보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 상기 빛의 성분이 상기 제2 전지 스택의 상기 제1 전지의 표면에 충돌하도록 위치되며, 상기 제2 전지 스택의 각각의 전지의 상기 에너지 갭은 Eg보다 작고, 상기 제2 전지 스택의 전지 각각은 그들의 에너지 갭과 동일하거나 그보다 큰 에너지의 광자를 포함하는 빛을 흡수하고, 그들의 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자를 포함하는 빛에 대하여 투광성을 가지며 이 빛을 투과시킴 -
를 포함하는, 방법.As a method for converting sunlight into power,
(a) positioning a dichroic mirror, wherein the sunlight impinges on the surface of the dichroic mirror, wherein the dichroic mirror E g Split into two spectral components consisting of one component of light comprising photons of the above energy and one component of light comprising photons of energy less than E g- ;
(b) positioning a first cell stack comprising two cells, the first cell being a GaInP cell and the second cell being a GaAs cell, the first cell and the second cell being in a vertical direction in descending order of their energy gap; Arranged so that the first cell of the cells of the first cell stack has a larger energy gap, and the first cell stack is E g The components of light, including photons of more energy, are positioned to impinge on the surface of the first cell of the first cell stack, each of the cells of the first cell stack being of an energy equal to or greater than their energy gap. Absorbs light including photons and transmits light with light including photons of energy smaller than their energy gap, and E g is approximately equal to the energy gap of the GaAs cell; And
(c) positioning a second cell stack comprising three cells, the first cell being a Si cell, the second cell being a GaInAsP cell, and a third cell being a GaInAs cell-the first cell and the second cell And the third cells are arranged in a vertical direction in descending order of their energy gap such that the first cell of the cells of the second cell stack has a maximum energy gap, and the second cell stack has an energy of less than E g . The component of light comprising photons impinges on the surface of the first cell of the second cell stack, wherein the energy gap of each cell of the second cell stack is less than E g and the second cell Each cell in the stack absorbs light containing photons of energy equal to or greater than their energy gap, and is transmissive to light containing photons of energy less than their energy gap. Penetrate this light-
Including, the method.
8. The method of claim 7, wherein the energy gap of the GaInP cell is about 1.84 eV, the energy gap of the GaAs cell is about 1.43 eV, the energy gap of the Si cell is about 1.12 eV, and the energy gap of the GaInAsP cell is about. Wherein the energy gap of the GaInAs cell is in a range from about 0.69 eV to about 0.74 eV, and E g is approximately 1.43 eV.
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