JP2009545183A - シリコンスカベンジャーセルを備えた高効率太陽電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成又は「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えた、改良された高効率太陽電池に関する。この改良は、吸収されなかったはずの光を吸収し光のエネルギーを電気に変換するスカベンジャーセルとして機能するシリコンセルの追加を含む。シリコンセルは、ＭＥＧＣ積層体中のセルのうちで最も小さいエネルギーギャップを有するセルと隣接して位置している。

Description

本発明は、政府によって与えられた合意Ｗ９１１ ＮＦ−０５−９−０００５に基づく政府支援で創作された。政府は発明について一定の権利を有している。
本願の請求の範囲に記載された発明は、国防総省国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）に準じて形成された、５０％効率の太陽電池コンソーシアムのため共同研究の条文に準じて創作され、２００５年１０月１日にＷ９１１ ＮＦ−０５−９−０００５がデラウェア大学に与えられた。

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２００６年７月２８日に出願された米国仮出願第６０/８３３９９５号の利益を主張し、参照してその全体を本明細書に組み込む。

＜本発明の技術分野＞
本発明は、シリコンスカベンジャーセル(silicon scavenger cell)を備えた、改良された高効率太陽電池に関する。この太陽電池は、移動用途及び固定用途で使用するのに適している。

太陽電池の開発は５０年以上進行中である。単接合(One-junction)のシリコン太陽電池は、長い間にわたって多くの注目を集め、陸上の光起電力用途で用いられてきた。しかしながら、単接合シリコン太陽電池は、太陽エネルギー変換の理論的な可能性の半分以下を捕えるだけであり、現時点における最高の実験室太陽電池であっても、たった約２４.７％の効率を提供しているに過ぎない。このことが、太陽電池の応用範囲を狭めている。

高機能の光起電力システムは、経済的理由及び技術的理由の両方から要求されている。太陽電池の効率を２倍にすれば、電気のコストを半分にすることができる。多くの用途では、現在の太陽電池を用いて必要な電力を提供するのに要求される面積を有していない。

より効率的な太陽電池のために、２つのタイプの太陽電池の構成が提案された。一方は横方向の構成である。光学分散要素は、太陽スペクトルを波長成分に分けるのに用いられる。個々の太陽電池は、各波長域の下に配置され、そして、その波長域の光に対して良好な効率を提供するようにセルが選択される。他方の構成は垂直方向の構成であり、異なるエネルギーギャップを有する個々の太陽電池が積層体(stack)中に配置されている。これらは一般にカスケードセル(cascade cells)、タンデムセル(tandem cells)又は多接合セル(multiple junction cells)と呼ばれる。太陽光は、積層体を通過する。

高効率の太陽電池を開発する必要がある。

本発明は、「高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体−ダイクロイックミラー−中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体」構成又は「高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体−ダイクロイックミラー−中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体−低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体」構成を備えた、改良された高効率太陽電池を提供するものであり、その改良は、ＭＥＧＣ積層体中のセルのうちで最も低いエネルギーギャップを有するセルと隣接して位置しているシリコンセルを含む。

図１は、セルスタックの概略図を示す。 図２は、改良された太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーと、ＭＥＧＣ積層体と接触したシリコンセルと、を備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を備えている。 図３は、改良された太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーと、ＭＥＧＣ積層体と接触したシリコンセルと、を備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。

＜好ましい実施の形態＞
本発明は、改良された高効率太陽電池を提供する。改良された高効率太陽電池は、３０％を越える効率を有し、好ましくは、５０％まで及び５０％を越える効率を有する。ある態様では、改良された太陽電池は、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を有している。別の態様では、改良された太陽電池は、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を有している。この改良は、吸収されなかったはずの光を吸収し光のエネルギーを電気に変換するスカベンジャーセルとして機能するシリコンセルの追加である。本発明によって提供されるシリコンセルは、太陽電池の効率を上昇させる。

ある実施態様では、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構造又は「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池の太陽電池は、高エネルギーギャップセルと、高エネルギーギャップセルを透過した光を分けるダイクロイックミラーとを含んでいる。この太陽電池の構成では、分散装置によって太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光に高エネルギーギャップセルを露出することは、高効率の太陽電池を達成可能にする上で、及び太陽電池の様々な実施態様を提供する上で、重要な役割を果たす。この構成は、実用的な高効率太陽電池を可能にするように、太陽スペクトルのすべての部分を効率的に使用することを提供する。高エネルギーセルは、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｈの高エネルギー光子、つまり、太陽光の青緑色〜紫外線の部分を吸収し、そのエネルギーを電気に変換する。高エネルギーセルはエネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｈの光子に対しては透明で当該光子を透過する。そして、残りの光（つまり、高エネルギーギャップセルを透過した光）のスペクトル分離が、ダイクロイックミラーによって行なわれる。スペクトル分離より前に、青緑色〜紫外線の光は高エネルギーギャップセルによって吸収されているので、ダイクロイックミラーに対する要求は緩和される。従って、残りの光について、改良された安価な分離が達成可能である。また、残りの光を吸収してそのエネルギーを電気に変換するのに用いられるセルへの要求も、緩和される。結果として、実用的な高効率太陽電池を達成することができる。

Ｅ_ｇ ^ｍで作動するダイクロイックミラーは、高エネルギーギャップセルを透過した光がダイクロイックミラーに入射するように配置される。いわゆる「コールド」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を透過する。いわゆる「ホット」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を反射する。その後、ダイクロイックミラーによって反射された光及びダイクロイックミラーを透過した光は、他のセルによって吸収されて、そのエネルギーは電気に変換されてもよい。

別の実施態様では、太陽光が入射する高エネルギーギャップセルは、異なるエネルギーギャップ（それらは全て≧Ｅ_ｇ ^ｈである）を有する２つ以上の高エネルギーギャップセルのうちの１つである。セルは、ＨＥＧＣ積層体中で最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列される。第１セルは、そのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を吸収し、そのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子に対しては透明で当該光子を透過する。積層体中の第２セルは、第１セルより低いエネルギーギャップを有しており、そのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を吸収し、そのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子に対しては透明で当該光子を透過する。他のセルも、同様にして積層体中に存在している。この実施態様では、Ｅ_ｇ ^ｍで作動するダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光がダイクロイックミラーに入射するように配置される。この場合もやはり、その後、ダイクロイックミラーによって反射された光、及びダイクロイックミラーを透過した光は、他のセルによって吸収されて、そのエネルギーは電気に変換されてもよい。異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層セル中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列されたＨＥＧＣ積層体についての記載であって、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過するＨＥＧＣ積層体についての記載は、上述の実施形態（１つだけの高エネルギーギャップセルを有する実施形態と、２つ以上の高エネルギーギャップセルを有する実施形態）の両方を包含する。

「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体及びダイクロイックミラーに加えて、中エネルギーギャップセルＭＥＧＣ積層体を含んでいる。ダイクロイックミラーによって提供されたエネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分は、アレンジされて(arranged)ＭＥＧＣ積層体に入射する。本明細書においては、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池は、
（ａ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列されたＨＥＧＣ積層体であって、太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過し、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅ_ｇ ^ｍで作動し、ＨＥＧＣ積層体を透過した光がダイクロイックミラーに入射するように配置されたダイクロイックミラーであって、Ｅ_ｇ ^ｍ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、ダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の成分はエネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を含み、他方の成分はエネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を含んでおり、これらの成分のいずれか一方はダイクロイックミラーによって反射され、残りの一方はダイクロイックミラーを透過する、ダイクロイックミラーと、
（ｃ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列されたＭＥＧＣ積層体であって、ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分がＭＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置され、ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｍ且つ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する、ＭＥＧＣ積層体と、
を含む太陽電池である。

「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体及びダイクロイックミラーに加えて、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体を含んでいる。ダイクロイックミラーによって提供されたエネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分は、アレンジされてＭＥＧＣ積層体に入射し、ダイクロイックミラーによって提供されたエネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分は、アレンジされてＬＥＧＣ積層体に入射する。本明細書においては、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池は、
（ａ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列されたＨＥＧＣ積層体であって、太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過し、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅ_ｇ ^ｍで作動し、ＨＥＧＣ積層体を透過した光がダイクロイックミラーに入射するように配置されたダイクロイックミラーであって、Ｅ_ｇ ^ｍ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、ダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の成分はエネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を含み、他方の成分はエネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を含んでおり、これらの成分のいずれか一方はダイクロイックミラーによって反射され、残りの一方はダイクロイックミラーを透過する、ダイクロイックミラーと、
（ｃ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列されたＭＥＧＣ積層体であって、ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分がＭＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置され、ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｍ且つ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する、ＭＥＧＣ積層体と、
（ｄ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列されたＬＥＧＣ積層体であって、ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分がＬＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置され、ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅ_ｇ ^ｍであり、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する、ＬＥＧＣ積層体と、
を含む太陽電池である。

上述の両方の構成では、Ｅ_ｇ ^ｍは、ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいのが好ましい。

本明細書では、「セル」は、太陽電池の様々な積層体に含まれている個々のセルを記述するのに用いられ、また、ＭＥＧＣ積層体に隣接したシリコンセルを記述するのにも用いられる。これらのセルは一般に太陽電池と呼ばれている。本明細書では、「太陽電池」の用語は、完成した装置を記述するのに用いられる。

上述のとおり、本明細書で用いられている「積層体中のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された」とは、最大のエネルギーギャップを有する第１セル、第１セルの直下に次に大きいエネルギーギャップを有する第２セル、第２セルの直下に３番目に大きいエネルギーギャップを有する第３セル、のように、積層体中のセルが順に配列されていることを意味している。セル積層体（セルスタック）のこのような配置は、図１に模式的に示されている。セルスタック１０は３つのセル１、２、３を有しており、セル１が第１セルである。３つのセルのエネルギーギャップは、Ｅ_ｇ ^１＞Ｅ_ｇ ^２＞Ｅ_ｇ ^３のような関係になっている。ここでＥ_ｇ ^１はセル１のエネルギーギャップ、Ｅ_ｇ ^２はセル２のエネルギーギャップ、Ｅ_ｇ ^３はセル３のエネルギーギャップである。セル１は、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^１の光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^１の光子を含む光を透過するだろう。セル２は、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^２の光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^２の光子を含む光を透過するだろう。セル３についても同様である。セルは、吸収した光子のエネルギーを電気に変換する。

本明細書で用いられている「吸収された」とは、セルに吸収された光子が、電子−正孔ペアの生成をもたらすことを意味する。

本明細書では「Ｅ_ｇ ^ｍで作動するダイクロイックミラー」とは、ダイクロイックミラーがＨＥＧＣ積層体を透過した光を、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光と、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光と、の２つのスペクトル成分に分けることを意味する。これらの成分のいずれか一方はダイクロイックミラーによって反射され、残りの一方はダイクロイックミラーを透過する「コールド」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を透過する。「ホット」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を反射する。一般的に、ダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光に対して垂直にならないように、配置されるだろう。このようにすると、反射光の方向は、ＨＥＧＣ積層体の方へ直接戻らずに、むしろダイクロイックミラーに入射する光の方向に対して角度をなしている。また、反射光はより容易にアレンジされて、他のセルに入射することができる。透過から反射への遷移が、エネルギーとそれに対応する波長の範囲にわたって発生する。作動エネルギーＥ_ｇ ^ｍは、この遷移領域の中間点として見なされる。その遷移が非常に鋭いのでない限り、エネルギー＞Ｅ_ｇ ^ｍの光子のいくらかは透過され、そしてエネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子のいくらかは反射されるだろう、と認識される。遷移範囲内では、Ｅ_ｇ ^ｍより大きいエネルギーを有する光子の大部分は反射され、Ｅ_ｇ ^ｍより小さいエネルギーを有する光子の大部分が透過される。上記の「Ｅ_ｇ ^ｍで作動するダイクロイックミラー」の定義は、遷移領域の性質に対するこのような認識の点から理解され解釈されるべきである。既知のダイクロイックミラーでは、ダイクロイックミラーを回転させて、そこに入射する光の入射方向に対する垂直方向から遠ざけると、作動エネルギーが低いエネルギー側(高い波長側)にシフトする。「Ｅ_ｇ ^ｍで作動するダイクロイックミラー」とは、ダイクロイックミラーが入射光の方向に対して配置される位置に適用する、と理解され解釈されるべきである。ダイクロイックミラーは多層構造体であり、典型的には、２種類の透明酸化物を交互に積層した２０層以上の層を含んでいる。よりシャープな遷移のためには、より多くの層と、より高いコストとを必要とする。

ＭＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列されている。ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分がＭＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置されている。ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｍ且つ＜Ｅ_ｇ ^ｈである。ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する。好ましくは、ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含んでいる。

ＬＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列されている。ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分がＬＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置されている。ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅ_ｇ ^ｍである。ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する。好ましくは、ＬＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含んでいる。最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップは、それを透過した光子の大部分を効率的に吸収できるくらいに十分低いのが好ましい。

ダイクロイックミラーによって反射された光及び／又はダイクロイックミラーを透過した光は、適切な積層体中の第１セルの表面に直接入射することができる。代わりに、ダイクロイックミラーによって反射された光及び／又はダイクロイックミラーを透過した光が、反射ミラーによって反射されそして方向付けられて、適切な積層体中の第１セルの表面に入射するように（つまり、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光が、ＭＥＧＣ積層体の第１セルの表面に入射するように方向付けられ、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光が、ＬＥＧＣ積層体の第１セルの表面に入射するように方向付けられるように）、反射ミラーを配置してもよい。

本発明のシリコンセルは、ＭＥＧＣ積層体中のセルのうちで最も小さいエネルギーギャップを有するセル（つまり、ＭＥＧＣ積層体中で最後のセル）と隣接して位置している。本明細書で用いられている「隣接して(adjacent)」とは、シリコンセルが、ＭＥＧＣ積層体中で最後のセルのすぐ近くにあることを示しており、必ずしもその最後のセルと接触していなくてもよい。シリコンセルは、ＭＥＧＣ積層体中の最後のセルと接触しているのが好ましい。シリコンセルの目的は、太陽電池の効率を上昇させるために、ＭＥＧＣ積層体を透過した光を吸収し、その光に含まれるエネルギーの少なくとも一部を捕捉することである。シリコンセルの断面積は、少なくともＭＥＧＣ積層体中のセルの断面積を有するべきであり、また、セルは、ＭＥＧＣ積層体を透過したすべての光がシリコンセルに入射するように配置されるべきである。透過光は、ＭＥＧＣ積層体に入射する光の部分から成り、ＭＥＧＣ積層体中のセルの中で最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップより低いエネルギーの光子を含んでいる。その光の量は、ＭＥＧＣ積層体中のセル中で最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップと、Ｅ_ｇ ^ｍとの差、及びダイクロイックミラーの遷移領域の急峻さに依存する。シリコンセルは、失われるはずのエネルギーを吸収して、そのエネルギーを電気に変換するスカベンジャーセルとして機能する。このように、シリコンセルは、太陽スペクトルのすべての部分を効率的に使用するための本構成の目標に貢献し、太陽電池の効率を上昇させる。

図２及び図３では、同じ符号は、同じ部分を特定するために用いられる。単純化のために、様々な光線(light beams)は光の筋(light ray)で表されている。

図２は、改良された太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成と、シリコンスカベンジャーセルと、を備えている。改良された太陽電池２０Ａは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、「コールド」ダイクロイックミラー２４と、格子状にハッチングされた領域で示した本発明のシリコンセル２５と、を含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥ_ｇ ^ｈを有する１つのセル２６を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥ_ｇ ^２７、Ｅ_ｇ ^２８を有する２つのセル２７、２８を含んでおり、ここで、Ｅ_ｇ ^２７とＥ_ｇ ^２８は両方とも≧Ｅ_ｇ ^ｍ且つ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、また、Ｅ_ｇ ^２７＞Ｅ_ｇ ^２８である。ダイクロイックミラー２４はＥ_ｇ ^ｍで作動し、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を透過する。太陽光３１は、高エネルギーギャップセル２６の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２６は、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｈの光子を含む光３２を透過する。光３２は、光３２の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーによって反射され、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２７の表面に入射する。セル２７、２８の各々は、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップ未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。図示されているシリコンセル２５は、ＭＥＧＣ積層体中の最後のセルに接触しており、ＭＥＧＣ積層体２２を透過した光を受け、そして、シリコンセルのエネルギーギャップ１．１２ｅＶより大きいエネルギーの光子を含む光を吸収して、失われるはずだったそのエネルギーから電気を提供する。エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光３４はダイクロイックミラーを透過し、アレンジされて他のセルに入射する。

図３は、改良された太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成と、シリコンスカベンジャーセルと、を備えている。改良された太陽電池２０Ｂは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「コールド」ダイクロイックミラー２４と、格子状にハッチングされた領域で示した本発明のシリコンセル２５と、を含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥ_ｇ ^ｈを有する１つのセル２６を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥ_ｇ ^２７、Ｅ_ｇ ^２８を有する２つのセル２７、２８を含んでおり、ここで、Ｅ_ｇ ^２７とＥ_ｇ ^２８は両方とも≧Ｅ_ｇ ^ｍ且つ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、また、Ｅ_ｇ ^２７＞Ｅ_ｇ ^２８である。図示されているＬＥＧＣ積層体２３は、異なるエネルギーギャップＥ_ｇ ^２９、Ｅ_ｇ ^３０を有する２つのセル２９、３０を含んでおり、ここで、Ｅ_ｇ ^２９とＥ_ｇ ^３０は両方とも＜Ｅ_ｇ ^ｍであり、また、Ｅ_ｇ ^２９＞Ｅ_ｇ ^３０である。ダイクロイックミラー２４はＥ_ｇ ^ｍで作動し、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を透過する。太陽光３１は、高エネルギーギャップセル２６の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２６は、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｈの光子を含む光３２を透過する。
光３２は、光３２の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーによって反射され、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２７の表面に入射する。セル２７、２８の各々は、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップ未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。図示されているシリコンセル２５は、ＭＥＧＣ積層体中の最後のセルに接触しており、ＭＥＧＣ積層体２２を透過した光を受け、そして、シリコンセルのエネルギーギャップ１．１２ｅＶより大きいエネルギーの光子を含む光を吸収して、失われるはずだったそのエネルギーから電気を提供する。エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光３４はダイクロイックミラーを透過して、ＬＥＧＣ積層体２３の第１セル２９の表面に入射する。セル２９、３０の各々は、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップ未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。

エネルギーギャップ≧２.０ｅＶを有するＨＥＧＣ積層体用のセルに適している材料は、ＩＩＩ−Ｖ属のＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ及びＡｌＩｎＧａＮの材料系から選ぶことができる。エネルギーギャップ２.４ｅＶを有するＩｎＧａＮセルは、好ましいセル材料である。調製のためには、例えば、２００６年５月１０日にハワイ州ワイコロアで行われた２００６年ＩＥＥＥ第４回太陽光発電世界会議(IEEE ４th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion)でのO. Janiらの議事録を参照されたい。ＨＥＧＣ積層体がセルを１つだけ含んでいる場合、サファイヤ基板上のＩｎＧａＮが好ましい。ＩｎＧａＮ−サファイヤの組み合わせは低い屈折率を有しており、セル表面からの太陽光の反射を最小限にするために用いられる光学的反射防止コーティングに対する要求を緩和する。サファイヤ基板を成形して、レンズとして機能させることもできる。

エネルギーギャップ＜２.０ｅＶ且つ≧Ｅ_ｇ ^ｍ（ここで、Ｅ_ｇ ^ｍは約１．４ｅＶ）を有するＭＥＧＣ積層体用のセルに適している材料は、ＩＩＩ−Ｖ属のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓの材料系から選ぶことができる。エネルギーギャップ１.８４ｅＶを有するＧａＩｎＰセルと、エネルギーギャップ１.４３ｅＶを有するＧａＡｓセルは、ＭＥＧＣ積層体用の好ましいセルのうちの２つである。K. A. Bertnessら、Appl. Phys. Letter 65, 989 (1994)に記載されているように、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓのタンデムセルから成る２セルＭＥＧＣ積層体は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、アルシン及び他の前駆体を用いて調製することができる。

ＧａＡｓは、ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセル用に好適なセルである。従って、Ｅ_ｇ ^ｍは約１.４３ｅＶであるのが好ましい。

エネルギーギャップ＜Ｅ_ｇ ^ｍ（ここで、Ｅ_ｇ ^ｍは約１．２ｅＶ〜約１．４ｅＶの範囲）を有し、ＬＥＧＣ積層体に用いるのに適したセルは、エネルギーギャップ１.１２ｅＶを有するシリコンセルと、エネルギーギャップ＜１ｅＶを有するＩｎＧａＡｓセル及びＩｎＧａＡｓＰセルである。シリコンセルとその調製はよく知られている。ＩｎＧａＡｓセルは、熱光発電(thermophotovoltaic)用の用途に設計された技術装置(art devices)の状態である。調製のためには、例えば、２００２年ＩＥＥＥ太陽光発電専門家会議(IEEE Photovoltaic Specialists Conference)、８８４〜８８７ページのR. J. Wehrerらの議事録を参照されたい。

ある実施態様では、１つ以上の積層体中のセルを電気的に直列に接続して、積層体用に単一の出力を提供することができる。ＭＥＧＣ積層体中のセル及びＭＥＧＣ積層体に隣接したシリコンセルも、電気的に直列に接続して、単一の出力を提供することができる。より好ましい実施形態では、ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体の中の個々のセル並びにＭＥＧＣ積層体に隣接したシリコンセルはすべて、個々の電気接続と接触している。これは太陽電池の実質的な単純化をもたらし、セルの最適な操作を提供する価値としては、各セルを通る電圧を調節する機会を提供する。セルは、太陽電池に所望の電圧で単一の電気出力を提供する電力結合器(power combiner)と接続することができる。

セルの表面から反射された光は、太陽電池の効率を低減する潜在的な原因である。光が入射するセルのいずれかの表面に反射防止コーティングを塗布して、この損失を最小限にすることができる。

好ましい実施態様では、改良された高効率太陽電池は、さらに光学素子を含んでいる。表面に入射する日射の強度又は濃度は１Ｘ（規定濃度）である。１Ｘの太陽光によって高い太陽電池効率を達成することは、より高濃度の太陽光を用いて達成するよりも、より難しく、且つより高価になる。光学素子の目的は、そこに入射する光を集めて濃度を高め、そしてＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に光を方向付けることである。光学素子は、静的集光器(static concentrator)である総合的な内部反射集光器を含む。この静的集光器は、太陽電池で利用可能な太陽光の出力密度を増加させる。空の大部分から光を受けるのは、広い受光角度の集光器(wide acceptance-angle concentrator)である。追尾集光器(tracking concentrator)とは異なり、静的集光器は散乱光の多くを捕捉することができ、その散乱光の大半はスペクトルの青色〜紫外線部分にある。この散乱光は、太陽スペクトル中の入射パワー(incident power)の約１０％を占める。実際には、高レベルの濃度は、年間を通じて日射のパワー密度の低い空のそれらの部分からの光を排除(reject)することにより、達成される。このように、太陽光の濃度は１０Ｘ倍に増える。集光器の位置を１年間ある時間に調節可能ならば、より高い濃度が得られる。光は集光器の１つの表面を通って透過し、そしてその表面は、ＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に隣接している。本明細書では「太陽光」とは、その濃度に関係なく、ＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射する全ての太陽スペクトルを指すのに用いられる。好ましくは、その濃度は１０Ｘ以上である。

Claims (18)

1. 「高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体−ダイクロイックミラー−中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体」構成を備えた、改良された高効率太陽電池であって、
   （ａ）前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＨＥＧＣ積層体であって、
   太陽光は、前記太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射し、
   前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｈであり、
   前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過し、それにより前記ＨＥＧＣ積層体を透過する前記光を提供する、ＨＥＧＣ積層体と、
   （ｂ）Ｅ_ｇ ^ｍで作動し、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光がダイクロイックミラーに入射するように配置された前記ダイクロイックミラーであって、
   Ｅ_ｇ ^ｍ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、
   前記ダイクロイックミラーは、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の前記成分はエネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を含み、他方の前記成分はエネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を含んでおり、
   これらの前記成分のいずれか一方は前記ダイクロイックミラーによって反射され、残りの一方は前記ダイクロイックミラーを透過する、ダイクロイックミラーと、
   （ｃ）前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＭＥＧＣ積層体であって、
   前記ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む前記光の成分が前記ＭＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
   前記ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｍ且つ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、
   前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する、ＭＥＧＣ積層体と、
   を含み、
   改良が、前記ＭＥＧＣ積層体中の前記セルのうちで最も低いエネルギーギャップを有するセルと隣接して位置しているシリコンセルを含むことを特徴とする改良された高効率太陽電池。
2. Ｅ_ｇ ^ｈ≧２．０ｅＶであり、
   前記Ｅ_ｇ ^ｍは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有する前記セルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の改良された高効率太陽電池。
3. 前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅ_ｇ ^ｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項２に記載の改良された高効率太陽電池。
4. 前記シリコンセルは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も小さいエネルギーギャップを有する前記セルと接触していることを特徴とする請求項１に記載の改良された高効率太陽電池。
5. 前記ＨＥＧＣ積層体は１つのセルを含むことを特徴とする請求項１に記載の改良された高効率太陽電池。
6. 前記ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含むことを特徴とする請求項５に記載の改良された高効率太陽電池。
7. 前記ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含むことを特徴とする請求項１に記載の改良された高効率太陽電池。
8. 前記ＨＥＧＣ積層体及び前記ＭＥＧＣ積層体の中の個々のセル、並びに前記ＭＥＧＣ積層体と隣接する前記シリコンセルはすべて、個々の電気接続と接触していることを特徴とする請求項１に記載の改良された高効率太陽電池。
9. 前記太陽光を集めて濃度を高め、前記太陽光を方向付けて前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に照射するための光学素子をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の改良された高効率太陽電池。
10. 「高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体−ダイクロイックミラー−中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体−低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体」構成を備えた、改良された高効率太陽電池であって、
    （ａ）前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＨＥＧＣ積層体であって、
    太陽光は、前記太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射し、
    前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｈであり、
    前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過し、それにより前記ＨＥＧＣ積層体を透過する前記光を提供する、ＨＥＧＣ積層体と、
    （ｂ）Ｅ_ｇ ^ｍで作動し、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光がダイクロイックミラーに入射するように配置された前記ダイクロイックミラーであって、
    Ｅ_ｇ ^ｍ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、
    前記ダイクロイックミラーは、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の前記成分はエネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を含み、他方の前記成分はエネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光を含んでおり、
    これらの前記成分のいずれか一方は前記ダイクロイックミラーによって反射され、残りの一方は前記ダイクロイックミラーを透過する、ダイクロイックミラーと、
    （ｃ）前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＭＥＧＣ積層体であって、
    前記ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む前記光の成分が前記ＭＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
    前記ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅ_ｇ ^ｍ且つ＜Ｅ_ｇ ^ｈであり、
    前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する、ＭＥＧＣ積層体と、
    
    （ｄ）前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＬＥＧＣ積層体であって、
    前記ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む前記光の成分が前記ＬＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
    前記ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅ_ｇ ^ｍであり、
    前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する、ＬＥＧＣ積層体と、
    を含み、
    改良が、前記ＭＥＧＣ積層体中の前記セルのうちで最も低いエネルギーギャップを有するセルと隣接して位置しているシリコンセルを含むことを特徴とする改良された高効率太陽電池。
11. Ｅ_ｇ ^ｈ≧２．０ｅＶであり、
    前記Ｅ_ｇ ^ｍは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有する前記セルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいことを特徴とする請求項１０に記載の改良された高効率太陽電池。
12. 前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅ_ｇ ^ｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項１１に記載の改良された高効率太陽電池。
13. 前記シリコンセルは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も小さいエネルギーギャップを有する前記セルと接触していることを特徴とする請求項１０に記載の改良された高効率太陽電池。
14. 前記ＨＥＧＣ積層体は１つのセルを含むことを特徴とする請求項１０に記載の改良された高効率太陽電池。
15. 前記ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含み、前記ＬＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含むことを特徴とする請求項１４に記載の改良された高効率太陽電池。
16. 前記ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含み、前記ＬＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含むことを特徴とする請求項１０に記載の改良された高効率太陽電池。
17. 前記ＨＥＧＣ積層体、前記ＭＥＧＣ積層体及び前記ＬＥＧＣ積層体の中の個々のセル、並びに前記ＭＥＧＣ積層体と隣接する前記シリコンセルはすべて、個々の電気接続と接触していることを特徴とする請求項１０に記載の改良された高効率太陽電池。
18. 前記太陽光を集めて濃度を高め、前記太陽光を方向付けて前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に照射するための光学素子をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の改良された高効率太陽電池。

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