JP2009545184A - 周囲の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

本発明は改良された高効率太陽電池に関する。この改良はシリコンセルの追加を含み、太陽電池の活性領域の少なくとも一部を囲んでいる。シリコンセルは、太陽電池の活性領域を完全に囲んでいるのが好ましい。シリコンセルはスカベンジャーセルとして働き、太陽電池の他の構成要素では吸収されないであろう光を吸収し、そのエネルギーを電気に変換する。

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６０／８３４０３５号、及び２００６年１１月８日に出願された米国仮出願第６０／８５７６３５号の利益を主張し、各々を参照して、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、１つ以上の周囲のシリコンスカベンジャーセル(silicon scavenger cells)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、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、太陽電池の活性領域(active region)の少なくとも一部を囲む１つ以上のシリコンセルを含む。

ある好ましい実施態様では、シリコンセルは太陽電池の活性領域を完全に囲む。

本発明のある態様では、改良された高効率太陽電池は、「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」構成、「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、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体」構成、及び「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成から成る群から選ばれた構成を備えているのが好ましい。

本発明の別の態様では、改良された高効率太陽電池は、
ａ）ＩＩＩ−Ｖセル、及びＩＩＩ−Ｖセルより大きい面積を有するシリコンセルを含むソーラーモジュールと、
ｂ）太陽円盤からの光をＩＩＩ−Ｖセル上に集光させる手段と、を含み、
シリコンセルが、太陽円盤からの光が入射する面と対向するＩＩＩ−Ｖセルの面に隣接して位置しているのが好ましい。

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、太陽電池の活性領域を完全に囲むシリコンセルと、を備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」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、太陽電池の活性領域を完全に囲むシリコンセルと、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４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、太陽電池の活性領域を完全に囲むシリコンセルと、を備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。 図５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、太陽電池の活性領域を完全に囲むシリコンセルと、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。 図６は、改良された太陽電池の実施態様を示しており、ソーラーモジュールと、太陽円盤からの光をＩＩＩ−Ｖセル上に集光する手段と、を含んでいる。 図７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、太陽電池の活性領域の一部を囲むシリコンセルと、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。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、１つ以上のシリコンセルの追加である。シリコンセルは、太陽電池の活性領域の少なくとも一部を囲み、好ましくは太陽電池の活性領域を完全に囲む。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。

本発明のある態様では、改良された高効率太陽電池は、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＬＥＧＣ積層体」構成、あるいは「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を有しているのが好ましい。特に好ましいのは、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成である。

「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構造を備えた太陽電池の１つの実施態様では、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。

「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構造を備えた太陽電池の別の実施態様では、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、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。本明細書では、これらの太陽電池は、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成を備えた太陽電池と呼ばれる。「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」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高エネルギーギャップセル（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、
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」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。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高エネルギーギャップセル（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−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、低エネルギーギャップセルＬＥＧＣ積層体を含んでいる。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−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高エネルギーギャップセル（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、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。

「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。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、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高エネルギーギャップセル（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。

Ｅ_ｇ ^ｍは、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分が導かれる全てのセルのうちで、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、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。

本明細書で用いられている「太陽電池の活性領域」とは、入射光を吸収するためのセルと、入射光又は直射日光のスペクトルに分けるのに用いられる光学部品と、を含む太陽電池の領域を指す。太陽電池が「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成を有する場合、活性領域は、ＨＥＧＣ積層体とダイクロイックミラーとを含む領域である。太陽電池が「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を含む場合、活性領域は、ＨＥＧＣ積層体と、ＭＥＧＣ積層体と、ダイクロイックミラーとを含む領域である。太陽電池が「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＬＥＧＣ積層体」構成を含む場合、活性領域は、ＨＥＧＣ積層体と、ＬＥＧＣ積層体と、ダイクロイックミラーとを含む領域である。太陽電池が「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を含む場合、活性領域は、ＨＥＧＣ積層体と、ＭＥＧＣ積層体と、ＬＥＧＣ積層体と、ダイクロイックミラーとを含む領域である。存在している他のセル及び反射ミラーも、上述の構成の活性領域に含まれるだろう。太陽電池が、ソーラーモジュール、つまりＩＩＩ−Ｖ属／シリコンの２重セル(dual cell)を含んでいる場合、活性領域は、存在しているＩＩＩ−Ｖセル、他のセル及び光学部品も含む。

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２０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。

本明細書で用いられている「太陽電池の活性領域の少なくとも一部を囲む」とは、１つ以上の太陽電池が、活性領域の構成を完全に又は部分的に囲むこと、又は１つ以上の太陽電池が、活性領域全体を部分的に囲むこと、を意味する。

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、太陽電池の活性領域の少なくとも一部、好ましくは活性領域の全てを囲むように配置される。シリコンセルが活性領域を完全に囲む場合、太陽光がその領域に入ることを可能にするアクセスが提供されなくてはならない。これらのシリコンスカベンジャーセルの目的は、太陽電池の効率を上昇させるために、他のセルに吸収されない光を遮って、その光に含まれるエネルギーの少なくとも一部を吸収し捕捉することである。シリコンスカベンジャーセルが活性領域を完全に囲む場合、それらは迷光をすべて遮る。シリコンスカベンジャーセルに入射する迷光のいくらかは、ＭＥＧＣ積層体やＬＥＧＣ積層体のセルなどの存在する他のセルに入射しなかった光や、これらの他のセルで反射された光や、例えばＭＥＧＣ積層体のセルに吸収されなかった光である。太陽電池に入射する散乱光のいくらかは、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体に向けて方向付けることができるが、散乱光の一部はＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体に入射することができない。太陽電池が太陽に直接向けられていない場合、この一部は増加するだろう。このように、本発明のシリコンセルは、高効率という目標、特に、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に好ましい構成を備えた太陽電池という目標に貢献する。シリコンセルは、太陽電池の容器の内壁に沿って配置してもよく、又は、内壁から離れて配置して取付けボード(mounting boards)の上に取り付けられてもよい。シリコンセルは、太陽電池内の他のセルと隣接していてもよい。

図２〜図５及び図７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」構成と、太陽電池の活性領域を完全に囲んでいる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１０Ａは、シリコンセル１１〜１４と、ＨＥＧＣ積層体２１と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。シリコンセル１１〜１４は、太陽電池の例示的な断面図には図示されていない２つのシリコンセルと共に、活性領域を完全に囲む箱状配置(box- like configuration)を形成している。シリコンセル１１は箱の上面を形成し、開口１５は太陽光の活性領域へのアクセスを提供する。シリコンセル１２は箱の底面を形成し、セルの１３、１４は箱の側面として機能する。図示されていないシリコンセルが、図２の切断面の上方にある面内で箱の前面を形成し、図示されていない第２のシリコンセルが、図２の切断面の下方にある面内で箱の後面を形成して、箱状封止体(box enclosure)が完成する。箱状配置の６つのセルは活性領域を完全に囲み、迷光をすべて遮る。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。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する。光３３及び光３４は、典型的には、アレンジされて、他のセルに入射するだろう。

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」構成と、太陽電池の活性領域を完全に囲んでいる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１０Ｂは、シリコンセル１１〜１４と、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とを含んでいる。シリコンセル１１〜１４は、太陽電池の例示的な断面図には図示されていない２つのシリコンセルと共に、活性領域を完全に囲む箱状配置を形成している。シリコンセル１１は箱の上面を形成し、開口１５は太陽光の活性領域へのアクセスを提供する。シリコンセル１２は箱の底面を形成し、セルの１３、１４は箱の側面として機能する。図示されていないシリコンセルが、図３の切断面の上方にある面内で箱の前面を形成し、図示されていない第２のシリコンセルが、図３の切断面の下方にある面内で箱の後面を形成して、箱状封止体が完成する。箱状配置の６つのセルは活性領域を完全に囲み、迷光をすべて遮る。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。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する。光３４は、典型的には、アレンジされて、他のセルに入射するだろう。

図４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−ＬＥＧＣ積層体」構成と、太陽電池の活性領域を完全に囲んでいる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１０Ｃは、シリコンセル１１〜１４と、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。シリコンセル１１〜１４は、太陽電池の例示的な断面図には図示されていない２つのシリコンセルと共に、活性領域を完全に囲む箱状配置を形成している。シリコンセル１１は箱の上面を形成し、開口１５は太陽光の活性領域へのアクセスを提供する。シリコンセル１２は箱の底面を形成し、セルの１３、１４は箱の側面として機能する。図示されていないシリコンセルが、図４の切断面の上方にある面内で箱の前面を形成し、図示されていない第２のシリコンセルが、図４の切断面の下方にある面内で箱の後面を形成して、箱状封止体が完成する。箱状配置の６つのセルは活性領域を完全に囲み、迷光をすべて遮る。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。光３３は、典型的には、アレンジされて、他のセルに入射するだろう。

図５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、太陽電池の活性領域を完全に囲んでいる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１０Ｄは、シリコンセル１１〜１４と、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とを含んでいる。シリコンセル１１〜１４は、太陽電池の例示的な断面図には図示されていない２つのシリコンセルと共に、活性領域を完全に囲む箱状配置を形成している。シリコンセル１１は箱の上面を形成し、開口１５は太陽光の活性領域へのアクセスを提供する。シリコンセル１２は箱の底面を形成し、セルの１３、１４は箱の側面として機能する。図示されていないシリコンセルが、図５の切断面の上方にある面内で箱の前面を形成し、図示されていない第２のシリコンセルが、図５の切断面の下方にある面内で箱の後面を形成して、箱状封止体が完成する。箱状配置の６つのセルは活性領域を完全に囲み、迷光をすべて遮る。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。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。

図７は、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、太陽電池の活性領域の一部を囲んでいるシリコンスカベンジャーセルと、を備えている。太陽電池１０Ｅ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、２つのシリコンスカベンジャーセル４１Ａ、４１Ｂ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。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、反射ミラー４０によって反射される。反射光３４は、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。ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体はすべて、シリコンスカベンジャーセル４１Ａ、４１Ｂに支持されて図示されている。シリコンスカベンジャーセル４１Ａ、４１Ｂの間の分離４２は、光３２の透過を可能にするために提供される。シリコンスカベンジャーセル４１Ａ、４１Ｂは、他で捕捉されなかった光を吸収する。

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ダイクロイックミラーを用いた場合、図２〜図５及び図７に示された、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によって反射され、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を透過する。結果として、図２〜図５及び図７に示されたＬＥＧＣ積層体２３の位置にＭＥＧＣ積層体２２が配置され、図２〜図５及び図７に示されたＭＥＧＣ積層体２２の位置にＬＥＧＣ積層体２３が配置される。

Ｅ_ｇ ^ｍは、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分が導かれる全てのセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいのが好ましい。例えば「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成あるいは「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成のように、ＭＥＧＣ積層体が存在する場合、Ｅ_ｇ ^ｍ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のエネルギーギャップとほぼ等しいのが好ましい。エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分がさらにスペクトルで分割されるならば、Ｅ_ｇ ^ｍは、空間的に分割された光を入射されたセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しい。

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。エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む光の成分がさらにスペクトルで分割されるならば、それは、最も低いエネルギーギャップを有するセルとして用いるのに好適なセルでもある。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１．４ｅＶ）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。シリコンセルも、電気的に直列又は並列に接続して、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。シリコンセルは、同じ電力結合器に接続することができる。太陽電池の活性領域を囲むシリコンセルも、他のセルと離れ、そして互いと離れて、電気接続と接触することができる。

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。

本発明の別の態様において、改良された高効率太陽電池は、ＩＩＩ−Ｖセルと、ＩＩＩ−Ｖセルより大きい面積のシリコンセルと、を含むソーラーモジュールを有しているのが好ましい。シリコンセルはスカベンジャーセルである。この太陽電池は、太陽円盤からの光をＩＩＩ−Ｖセル上に集光する手段をさらに含んでいる。太陽電池の効率を上昇させる最近の研究には、太陽円盤からの日光を高効率ＩＩＩ−Ｖセル上に集束することが含まれている。太陽円盤からの光をＩＩＩ−Ｖセル上に集光することは、セルの効率向上をもたらす。それはまた、セル中のＩＩＩ−Ｖ材料の必要な面積の減少も可能にする。ＩＩＩ−Ｖセルはシリコンセルより一般的に高価であるので、このことは重要である。しかしながら、太陽円盤からの光だけがＩＩＩ−Ｖセルによって利用される。快晴日に、太陽電池に入射する光のわずか約８５％が太陽円盤からの光である。散乱光（太陽光の他の１５％）は、ＩＩＩ−Ｖセル上に集光できず、無駄になる。曇った日の太陽束(solar flux)の合計が、依然として快晴日の約２０％であるならば、ほぼすべての光は散乱され、ほとんどの光はＩＩＩ−Ｖセルに到着しないだろう。大気によって散乱されたこの光を捕捉して、太陽電池の効率を改良する必要があり、それがシリコンスカベンジャーセルの担う役割である。

図６は、本発明のソーラーモジュールと、太陽円盤からの光をＩＩＩ−Ｖセル上に集光する手段と、を含む改良された太陽電池６０の実施態様を示している。光を集光する手段は、レンズ６１で表わされている。レンズ６１は、太陽円盤からの光がＩＩＩ−Ｖセル６２の上面に入射するように配置されている。太陽の位置が変化したときに、太陽円盤からの光がＩＩＩ−Ｖセル上に集光し続けることを保証するために、太陽電池は角度追尾を受けるだろう。線６３、６４、６５は、レンズ６１の外周を通過する太陽円盤からの光線を表わす。格子状にハッチングされた領域６６は、太陽円盤からの光が入射しているＩＩＩ−Ｖセルの上面の領域を示し、光線６３、６４、６５は領域６６の周囲に向かっている。シリコンセル６７は、ＩＩＩ−Ｖセルの下面（つまり、太陽光が入射する表面と対向するＩＩＩ−Ｖセルの表面）に接触して配置されている。シリコンセルの面積はＩＩＩ−Ｖセルより大きく、また、大気によって散乱された光の大部分を捕捉するのに十分な大きさにすべきである。線６８、６９は、レンズ６１の外周を通過する散乱光の光線を表わす。斜線で影をつけた領域７０は、散乱光が入射しているシリコンセルの表面を示し、光線６８、６９は領域７０の周囲に向かっている。ＩＩＩ−Ｖセルに入射して吸収されない光はＩＩＩ−Ｖセルを通過し、そしてＩＩＩ−Ｖセルの下側のシリコンセルの一部によって捕捉される。それにより、太陽電池の効率のさらなる上昇を提供する。

散乱光の大部分を捕捉するのに必要なシリコンセルの面積は、個々の太陽電池と、太陽光を集光するのに用いられる手段と、に対して決定することができる。典型的には、シリコンセルの面積は、ＩＩＩ−Ｖセルの面積の少なくとも約１０倍である。上述のように、シリコンセルは、太陽光が入射する面と対向するＩＩＩ−Ｖセルの面に隣接している。好ましくは、シリコンセルとＩＩＩ−Ｖセルとは接触している。単一のシリコンセルの代わりに複数のシリコンセルを使用してもよく、典型的には、それらを結合した面積はＩＩＩ−Ｖセルの面積の少なくとも１０倍である。

上述のＩＩＩ−Ｖ材料のいずれも、ＩＩＩ−Ｖセルに用いることができる。ＩＩＩ−Ｖセルは、１.２ｅＶ以上のエネルギーギャップを有しているのが好ましく、１.４ｅＶ以上のエネルギーギャップを有しているのがより好ましい。ＩＩＩ−Ｖセルは、ＧａＡｓベースのセルであるのが好ましい。個々のセルを、個々の電気接続と接触させるのが好ましい。

＜好ましい実施態様の実施例＞
ＩＩＩ−ＶセルとＩＩＩ−Ｖセルより大きい面積のシリコンセルとを含むソーラーモジュールと、光をＩＩＩ−Ｖセル上に集光する手段は、以下のように作り上げられた。１．０５インチ（２．６７ｃｍ）四方の回路基板は、０．８×０．６インチ（２×１．５ｃｍ）のシリコンセルを支持した。４．３×４．３ｍｍのＩＩＩ−Ｖセルは、シリコンセルの中央にエポキシ樹脂で接着された。ＩＩＩ−Ｖセルは、トンネル接続によって電気的に直列接続された２つのｐ−ｎ接合から成るタンデム積層ダイオードだった。上面の接続はＩｎＧａＰベースであり、１．７５ｅＶのバンドギャップを有していた。底部の接続はＧａＡｓベースであり、１．４２ｅＶのバンドギャップを有していた。各セルは、厚さ約０.４ｍｍだった。各セルが個々にアクセスしてそれらの出力が適切な回路で合計されるように、ワイヤボンドが、各セルから回路基板上のパッドに接続された。出力ケーブルと接続するために、ピンが回路基板上に取り付けられた。シリコンセルの大部分の領域、つまり電極の領域以外の全てが活性だった。ＩＩＩ−Ｖセルの活性領域は３×３.５ｍｍだった。セル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が、ＩＩＩ−Ｖセルを通過してシリコンセルに入射するように、ＩＩＩ−Ｖは磨かれ、その裏面（すなわち、太陽光が入射する面と対向する面）に反射防止コーティングを有していた。ＩＩＩ−Ｖセルを透過したこのような光と、シリコンセルに直接入射する捕捉光 (scavenged light)とは、両方とも、シリコンセル中の太陽誘起光電流に寄与する。太陽円盤からの光をＩＩＩ−Ｖセル上に集光する手段は、直径２５ｍｍ、焦点距離２５ｍｍのガラスレンズから構成されていた。レンズは、穴を備えたブランクの回路基板により支持され、そこにエポキシ樹脂で接着された。穴は、レンズと嵌合するように切られている。レンズは７／８インチ（２．２ｃｍ）の金属スタンドオフで支持された。ＩＩＩ−Ｖセルの上面は、レンズの中心から約２１.４ｍｍ下に、つまりレンズの焦点よりも上に位置していた。ＩＩＩ−Ｖセルの表面における太陽光のスポットは、直径約２ｍｍだった。太陽光の約７°の角度変化は、依然としてＩＩＩ−Ｖセルの活性領域に向かう光スポットをもたらすだろう。

快晴日の十分な太陽の中は、ＩＩＩ−Ｖセルの最大出力は７８ｍＷ（電圧２．０５Ｖで、３７．５ｍＡ）であり、シリコンセルの最大出力は１０．６ｍＷ（電圧０．３５６Ｖで、２９．９ｍＡ）だった。

Claims (20)

1. 改良された高効率太陽電池であって、
   改良が、前記太陽電池の活性領域の少なくとも一部を囲む１つ以上の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. 前記シリコンセルは、前記太陽電池の前記活性領域を完全に囲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。
3. 前記太陽電池の構成は、
   「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」構成、
   「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、
   「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体」構成、及び
   「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣは積層体」構成、
   から成る群から選択され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。
4. 前記太陽電池は前記「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成を有することを特徴とする請求項３に記載の改良された高効率太陽電池。
5. 前記太陽電池は前記「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を有することを特徴とする請求項３に記載の改良された高効率太陽電池。
6. 前記ダイクロイックミラーは、前記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を提供し、前記光の成分の一方はエネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含み、前記光の成分の他方はエネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含み、
   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、前記成分の残りの一方は前記ダイクロイックミラーを透過し、
   ここで、前記Ｅ_ｇ ^ｍは、エネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含む前記光の成分が導かれる全てのセルのうちで、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４に記載の改良された高効率太陽電池。
7. 前記ダイクロイックミラーは、前記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を提供し、前記光の成分の一方はエネルギー≧Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含み、前記光の成分の他方はエネルギー＜Ｅ_ｇ ^ｍの光子を含み、
   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、前記成分の残りの一方は前記ダイクロイックミラーを透過し、
   ここで、前記Ｅ_ｇ ^ｍ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５に記載の改良された高効率太陽電池。
8. 前記最も低いエネルギーギャップを有するセルが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７に記載の改良された高効率太陽電池。
9. 前記太陽電池の構成は、
   「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」構成、
   「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、
   「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体」構成、及び
   「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣは積層体」構成、
   から成る群から選択され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。
10. 前記ＨＥＧＣ積層体、前記ＭＥＧＣ積層体、前記ＬＥＧＣ積層体、及び前記活性領域を囲む前記シリコンセルの中の個々のセルは、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９に記載の改良された高効率太陽電池。
11. 前記太陽電池は、ＩＩＩ−Ｖセルと、太陽円盤からの光を前記ＩＩＩ−Ｖセル上に集光する手段と、を含んでおり、
    前記ＩＩＩ−Ｖセルより大きい面積のシリコンセルは、前記太陽円盤からの光が入射する面と対向する前記ＩＩＩ−Ｖセルの面に隣接して位置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。
12. 前記ＩＩＩ−Ｖセルと前記シリコンセルとが接触してい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. 前記シリコンセルの面積は、前記ＩＩＩ−Ｖセルの面積の少なくとも１０倍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。
14. ＩＩＩ−Ｖセルと、太陽円盤からの光を前記ＩＩＩ−Ｖセル上に集光する手段と、を含む改良された高効率太陽電池であって、
    前記改良された高効率太陽電池は、前記ＩＩＩ−Ｖセルより大きい面積のシリコンセルを含み、
    前記シリコンセルは、前記太陽円盤からの光が入射する面と対向する前記ＩＩＩ−Ｖセルの面に隣接して位置していることを特徴とする改良された高効率太陽電池。
15. 前記ＩＩＩ−Ｖセルと前記シリコンセルとが接触している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. 前記シリコンセルの面積は、前記ＩＩＩ−Ｖセルの面積の少なくとも１０倍である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。
17. 太陽円盤からの光が入射するＩＩＩ−Ｖセルと、前記ＩＩＩ−Ｖセルの面積より大きい面積のシリコンセルと、を含む太陽電池モジュールであって、
    前記シリコンセルは、前記太陽円盤からの光が入射する面と対向する前記ＩＩＩ−Ｖセルの面に隣接して位置していることを特徴とする太陽電池モジュール。
18. 前記ＩＩＩ−Ｖセルと前記シリコンセルとが接触していることを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池モジュール。
19. 前記シリコンセルの面積は、前記ＩＩＩ−Ｖセルの面積の少なくとも１０倍であることを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池モジュール。
20. 前記ＩＩＩ−Ｖセルは、ＩｎＧａＰ第１セルとＧａＡｓ第２セルとを含むタンデム積層体であることを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池モジュール。

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