JP2008147609A - アモルファスシリコンベースの太陽電池を有する縦列太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外光から可視光までを吸収する、アモルファスシリコンを含む縦列太陽電池を提供する。
【解決手段】ＧａＡｓ基板１０２上に化合物半導体あるいは有機半導体等のアクティブ材料層１０１からなる非シリコンベースの太陽電池を形成する。その上に半導体トンネル接合等による導電界面構造１０５を介してアモルファスシリコン層１０６を形成しアモルファスシリコンベースの太陽電池とする。アモルファスシリコンによって短波長の入射光を吸収し、非シリコン層によって可視光を吸収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、縦列太陽電池に関するものであって、特に、アモルファスシリコンベースの頂層の太陽電池を有する縦列太陽電池に関するものである。

光起電装置の電流出力を最大化するため、半導体材料により吸収される異なるエネルギーと波長の光子数量を増加する必要がある。太陽のスペクトルは約３００〜２２００ナノメーターの間に分布し、対応するエネルギーはそれぞれ４．２〜０．５９電子ボルト（ｅＶ）の間である。光起電装置により吸収される太陽のスペクトルの部分は、半導体材料の光学バンドギャップエネルギー（ｏｐｔｉｃａｌ ｂａｎｄｃａｐ ｅｎｅｒｇｙ）の値により決定される。光学バンドギャップエネルギーに満たない太陽輻射（太陽光）は、半導体材料により吸収されず、よって、光起電装置の電気、電流、電圧、電力の生成に効果がない。

数年の発展を経て、太陽電池は種々の成功を収めている。単一接合太陽電池は有用であるが、多接合太陽電池の功能と変換効率を達成することができない。残念ながら、多接合太陽電池と単一接合太陽電池は異なる材料から形成され、一部の太陽のスペクトルだけを捕捉して電力に転換する。多接合太陽電池はアモルファスシリコンとその合金層、水素化非晶質シリコンカーボン、水素化非晶質シリコンゲルマニウム等により製作され、広く、且つ、低い光学バンドギャップ内層を有する。アモルファスシリコン太陽電池は、高い開路電圧と低い電流を有し、太陽スペクトルの４００〜９００ｎｍの光波を捕捉し、電力に転換する。

よって、大範囲、低コストの光起電装置への応用において、アモルファス水素化シリコンベースの太陽電池技術が現在において最有力候補である。いかにして、アモルファスシリコンを光起電装置へ応用するかが現在の課題であり、高効率の電子素子を発展させる解決方案でもある。

解決しようとする課題は、縦列太陽電池を提供し、アモルファスシリコン太陽電池を有し、非シリコンベースの太陽電池上に設置し、アモルファスシリコン層が２００〜６００ｎｍの入射光を吸収することができる。

更に、縦列太陽電池を提供し、非シリコンベースの太陽電池の入射面上に、アモルファスシリコンベースの層構造を設置し、この層状アモルファスシリコン太陽電池は、入射角度と関係が低い抗反射層に設計できる。

本発明の実施例は、縦列太陽電池構造を提供し、非シリコンベースの底層の太陽電池と層状アモルファスシリコンベースの頂層の太陽電池を有し、非シリコンベースの底層太陽電池上に設置する。

本発明の縦列太陽電池は、非シリコンベースの太陽電池上にアモルファスシリコン太陽電池を有し、アモルファスシリコン層が２００〜６００ｎｍの入射光を吸収することができる。

図１を参照すると、本実施形態の縦列太陽電池構造は、層状頂層の太陽電池を底層太陽電池の上に設置し、実施例中、ｐ−ｎ単一接合型は、底層電池基板１０２上に単一光学バンドギャップを有するアクティブ材料層１０１を設置する。ｐ−ｎ型、及び、ｐ−ｉ−ｎ型は底層電池基板１０２上にマルチ光学バンドギャップを有する多層のアクティブ材料層１０１を設置する。アクティブ材料層１０１と底層電池基板１０２間にその他のバッファ層等の層を有してもよい。

本実施例中、底層電池基板１０２はガリウムヒ素GaAs基板である。このガリウムヒ素を基板とするのは半導体構造に基づき、故に、原型的な第ＩＩＩ−Ｖ族二元半導体材料は皆この半導体材料とすることができ、その成分とガリウムヒ素が対応していればよい。当然のことながら、ある延伸応用、電子素子の要求を満たすか、或いは、アルミ等の不要な不純物が許容されて、確立されたGaAs製造工程を継続使用する。その他の特殊な要求の不純物、及び、重要でない修正も許容されて、ヒ素とガリウムの結合は少なくとも基板組成の９５％である。この他、注意すべきことは、"基板"はアクティブ層下のあらゆる材料、例えば、ミラー層、導波路層、クラッド層、或いは、他のアクティブ層の二倍以上の厚さである層である。

次に、実施例中、アクティブ材料層１０１は光吸収層である。実際の構造から、アクティブ材料層１０１は底層電池基板１０２上のバルク材、或いは、薄膜で、アクティブ材料層１０１は単元素、多元素、或いは、化合物等からなり、化合物材料はIII-V 、或いは、 II-VI 二元半導体材料、例えば、アルミニウムひ素AlAs, アルミガリウムヒソＡｌＧａＡｓ, ガリウムヒ素ＧａＡｓ, インジウムリンＩｎＰ, インジウムガリウムヒ素ＩｎＧａＡｓ, 硫化銅／硫化亜鉛カドミウムＣｕ_２Ｓ／（Ｚｎ，Ｃｄ）, 銅インジウムセレン／硫化亜鉛カドミウムＣｕＩｎＳｅ_２／（Ｚｎ，Ｃｄ）、及び、カドテル／ｎ型硫化カドミウムＣｄＴｅ／ｎ−ＣｄＳである。又、アクティブ材料層１０１は単質材質、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）から形成してもよい。

アクティブ材料層１０１は銅、インジウム、ガリウム、セレン(Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｄｉｕｍ Ｃａｌｌｉｕｍ Ｓｅｌｅｎｉｄｅ， ＣＩＧＳ)からなる多層薄膜の複合物で、ここで、ＣＩＧＳは薄膜複合物の組成を指し、黄銅鉱半導体、例えば、セレン化銅インジウム(ＣｕＩｎＳｅ_２)、セレン化銅ガリウム (ＣｕＧａＳｅ_２)、及び、ＣｕＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＳｅ_２の薄膜である。もう一つの実施例中、アクティブ材料層１０１は光吸収染料からなり、例えば、二酸化チタンナノ粒子のメソ多孔性層の色素増感ルテニウム有機金属染料等である。また、アクティブ材料層１０１は、有機物／ポリマー材料からなり、例えば、有機半導体、ポリマー、及び、小分子化合物、例えば、ポリフェニレンビニレン(ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ)、銅フタロシアニン (ｃｏｐｐｅｒ ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ)、カーボンフラーレン(ｃａｒｂｏｎ ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ)である。本発明の実施例中の底層太陽電池は、あらゆる適当な非シリコンベースの太陽電池、例えば、ゲルマニウムベースの太陽電池、III-V族二元半導体太陽電池、色素増感太陽電池（ｄｙｅｓｏｌａｒｃｅｌｌ，ＤＳＣ）、有機太陽電池、或いは、ＣＩＧＳ太陽電池である。

本実施形態の精神によると、ドープ、無ドープ、或いは、結合した一つ、或いは、多層のアモルファスシリコン層１０６は底層太陽電池上に設置でき、例えば、導電界面構造１０５はアモルファスシリコン層１０６の間に設置される。本実施例中、一、或いは、多層アモルファスシリコン層１０６は単一のｐ−ｎ接合型、或いは、ｐ−ｉ−ｎ接合型であり、よって、アモルファスシリコン層１０６はｎ型ドープ部分、ｐ型ドープ部分、及び、無ドープ部分を含む。ここで"アモルファスシリコン"はアモルファスシリコン材料、及び、アモルファスシリコンベース材料で、例えば、アモルファスシリコン１０６はａ−Ｓｉ：Ｈ、ａ−ＳｉＣ：Ｈ 、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ、或いは、ａ−ＳｉＧｅＣ：Ｈであるが、上述に限定されない。

導電界面構造１０５はアモルファスシリコン層１０６とアクティブ材料層１０１間に設置され、実施例中、導電界面構造１０５は半導体トンネル接合、例えば、ＧａＡｓトンネル接合であり、導電界面構造１０５は、例えば、透明導電酸化物で、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、或いは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を含む。また、導電界面構造１０５は非常に薄い金属薄膜、例えば、金（Ａｕ）である。更に、頂層太陽電池、及び、底層太陽電池の層状外側は導体層１０３、１０４を連接端とし、透明導電層（ＩＴＯ）、ＺｎＯ）、或いは、金属層である。

よって、太陽光１００が縦列太陽電池構造に照射する時、２００〜６００ｎｍの紫外線（ＵＶ）等、短波長の太陽光１００は、まず、頂層太陽電池により吸収され、その後、可視光の波長範囲の太陽光１００は非シリコンベースの太陽電池により吸収される。この他、底層太陽電池のため、短波長太陽光を吸収する頂層太陽電池は抗反射層に設計される。

実施例中、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）はドーパント、或いは、無ドーパントのアモルファスシリコン層１０６の製作に応用できる。アモルファスシリコン層１０６は、図２で示されるように、波長範囲が約３５０〜４５０ｎｍの短波長入射光を吸収するのに優れた効果を有する。この他、アモルファスシリコン層１０６の光吸収と入射光角度の相関性が低く、且つ、抗反射であり、よって、アモルファスシリコン層１０６は底層太陽電池に設置する前、底層太陽電池が吸収しにくい短波長入射光を吸収する。本実施例中、底層太陽電池上に設置されたアモルファスシリコン層１０６は光エネルギー２．７〜４ｅＶに対し好ましい効果を有する。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

本発明の実施例の縦列太陽電池構造の断面図である。 本発明の実施例によるアモルファスシリコンの光吸収状況を示す図である。

符号の説明

１００ 太陽光
１０１ アクティブ材料層
１０２ 底層電池基板
１０３、１０４ 導体層
１０５ 導電界面構造
１０６ アモルファスシリコン層

Claims (25)

1. 縦列太陽電池構造であって、底層太陽電池と、前記底層太陽電池上の頂層太陽電池と、からなり、前記頂層太陽電池はアモルファスシリコンベースの太陽電池で、且つ、太陽光は前記アモルファスシリコンベースの太陽電池上に入射することを特徴とする縦列太陽電池構造。
2. 更に、導電界面構造を有し、前記底層太陽電池と前記頂層太陽電池間に設置されることを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
3. 前記導電界面構造は透明導電酸化物からなることを特徴とする請求項２に記載の縦列太陽電池構造。
4. 前記導電界面構造はトンネル接合構造であることを特徴とする請求項２に記載の縦列太陽電池構造。
5. 前記導電界面構造は金属材料の薄膜であることを特徴とする請求項２に記載の縦列太陽電池構造。
6. 前記アモルファスシリコンベースの太陽電池はｐ−ｎ型接合であることを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
7. 前記アモルファスシリコンベースの太陽電池はｐ−ｉ−ｎ型接合であることを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
8. 前記アモルファスシリコンベースの太陽電池はｎ型、及び、ｐ型ドープのアモルファスシリコン層であることを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
9. 前記アモルファスシリコンベースの太陽電池は無ドープのアモルファスシリコン層であることを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
10. 前記アモルファスシリコンベースの太陽電池はａ−Ｓｉ：Ｈ、ａ−ＳｉＣ：Ｈ、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ、或いは、ａ−ＳｉＧｅＣ：Ｈの材料からなることを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
11. 前記底層太陽電池は、ゲルマニウムベースの光吸収材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
12. 前記底層太陽電池はIII-V二元半導体材料からなる光吸収材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
13. 前記底層太陽電池はII-VI二元半導体材料からなる光吸収材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
14. 前記底層太陽電池は光吸収材料を含み、有機化合物材料からなることを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
15. 前記底層太陽電池は、ルテニウム有機金属染料の光吸収材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
16. 前記底層太陽電池は、銅、インジウム、ガリウム、セレンからなる光吸収材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の縦列太陽電池構造。
17. 縦列太陽電池構造であって、非シリコンベースの太陽電池と、前記非シリコンベースの太陽電池上のアモルファスシリコンベースの太陽電池と、からなり、前記アモルファスシリコンベースの太陽電池は、光波波長が２００〜６００ｎｍの太陽光を吸収することを特徴とする縦列太陽電池構造。
18. 更に、透明導電界面構造を有し、前記非シリコンベースの太陽電池と前記アモルファスシリコンベースの太陽電池間に設置されることを特徴とする請求項１７に記載の縦列太陽電池構造。
19. 更に、トンネル接合構造を有し、前記非シリコンベースの太陽電池と前記アモルファスシリコンベースの太陽電池間に設置されることを特徴とする請求項１７に記載の縦列太陽電池構造。
20. 更に、金属材料薄膜を有し、前記非シリコンベースの太陽電池と前記アモルファスシリコンベースの太陽電池間に設置されることを特徴とする請求項１７に記載の縦列太陽電池構造。
21. 前記非シリコンベースの太陽電池は、ゲルマニウムベースの太陽電池を含むことを特徴とする請求項１７に記載の縦列太陽電池構造。
22. 前記非シリコンベースの太陽電池はIII-V、或いは、II-VI族二元半導体太陽電池を含むことを特徴とする請求項１７に記載の縦列太陽電池構造。
23. 前記非シリコンベース太陽電池は有機化合物太陽電池を含むことを特徴とする請求項１７に記載の縦列太陽電池構造。
24. 前記非シリコンベース太陽電池は染料太陽電池を含むことを特徴とする請求項１７に記載の縦列太陽電池構造。
25. 前記非シリコンベース太陽電池は銅、インジウム、ガリウム、セレン太陽電池を含むことを特徴とする請求項１７に記載の縦列太陽電池構造。

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