(57)【要約】光起電力装置は、電気絶縁層により分離された上部セルと下部セルとを備える。セルと層は、単一のモノリシック構造として形成され、各セルから独立して電流を取り出すことができるように、別々の電気接点が上部および下部セルに設けられる。上部セルは、下部セルよりも大きいバンドギャップを有しているため、上部セルによって吸収および変換されない入射した低いエネルギーの光子は、下部セルに伝搬して変換可能である。関心のあるスペクトル範囲に合わせるために、２つのバンドギャップが選択される。装置は、２つのセルのバンドギャップと関係する異なる波長帯の２つの光子源を含むシステムに、各セルが１つの光子源からの光子を変換可能なように組み込まれる。一方の光子源は、太陽であってよく、他方は熱光子源などのローカル光子源であってよい。あるいはまた、両方の光子源がローカル光子源であってもよい。装置の動作は、上部セルをタンデムセルまたはＭＩＭＳ構成、または両方として構成することにより、さらに最適化および拡張可能である。【選択図】図６
2009510719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１バンドギャップを有する半導体材料から形成され、且つ自身から電流を取り出すための第１電気接点を有する下部光起電力セルと、
前記下部光起電力セル上にモノリシックに形成された電気絶縁層と、
前記第１バンドギャップよりも大きい第２バンドギャップを有する半導体材料から前記電気絶縁層上にモノリシックに形成され、且つ自身から電流を取り出すための第２電気接点を有する上部光起電力セルと、
を備える光起電力装置と、
前記第１バンドギャップに主に関係する第１波長帯に波長を有する光子を、前記光起電力装置に供給することができる１つ以上の第１光子源と、
前記第２バンドギャップに主に関係する第２波長帯に波長を有する光子を、前記光起電力装置に供給することができる１つ以上の第２光子源と、
を備えることを特徴とする光起電力システム。
【請求項２】
前記第１および第２光子源の一方は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルから光子を集め、それらを前記光起電力装置に送るよう設定された光子収集アセンブリであり、前記第１および第２光子源の他方は、ローカル光子源であることを特徴とする請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項３】
前記ローカル光子源は、熱光子源、単色光子源、またはルミネッセンス光子源であることを特徴とする請求項２に記載の光起電力システム。
【請求項４】
前記第２光子源は、光子収集アセンブリであり、前記上部光起電力セルは、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルより放出された光子の光起電力変換に最適化されていることを特徴とする請求項２または３に記載の光起電力システム。
【請求項５】
前記下部光起電力セルは、前記ローカル光子源により放出された光子の光起電力変換に最適化されていることを特徴とする請求項４に記載の光起電力システム。
【請求項６】
前記第１光子源はローカル光子源であり、前記第２光子源もまたローカル光子源であることを特徴とする請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項７】
一方または両方のローカル光子源は、熱光子源、単色光子源、またはルミネッセンス光子源であることを特徴とする請求項６に記載の光起電力システム。
【請求項８】
前記第１光子源は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルから光子を集め、それらを前記光起電力装置に送るよう設定された光子収集アセンブリであり、前記第２光子源は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルから光子を集め、それらを前記光起電力装置に送るよう設定された光子収集アセンブリであることを特徴とする請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項９】
前記第１光子源および前記第２光子源は、前記第１波長帯および前記第２波長帯の光子を供給可能な共通のローカル光子源であることを特徴とする請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項１０】
前記第１光子源からの光子は、前記上部光起電力セルおよび前記絶縁層を介して前記下部光起電力セルに供給され、前記第２光子源からの光子は、前記上部光起電力セルに直接供給されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の光起電力システム。
【請求項１１】
前記上部光起電力セルが前記第１光子源により供給された光子を受けることができる第１コンフィギュレーションと、前記上部光起電力セルが前記第２光子源により供給された光子にさらされる第２コンフィギュレーションとの間で当該光起電力システムを構成可能とする位置決め機構をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の光起電力システム。
【請求項１２】
前記第１光子源からの光子は、前記下部光起電力セルに直接供給され、前記第２光子源からの光子は、前記上部光起電力セルに直接供給されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の光起電力システム。
【請求項１３】
前記下部光起電力セルは、間接遷移半導体材料から形成されることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の光起電力システム。
【請求項１４】
前記間接遷移半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコン−ゲルマニウム合金であることを特徴とする請求項１３に記載の光起電力システム。
【請求項１５】
前記第１電気接点は、前記電気絶縁層の反対側の、前記下部光起電力セルの下方側に位置していることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の光起電力システム。
【請求項１６】
前記電気絶縁層は、前記上部光起電力セルが形成される半導体材料のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有することを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の光起電力システム。
【請求項１７】
前記上部光起電力セルは、電気的に直列に接続され、且つモノリシック集積モジュール構造（ＭＩＭＳ）を形成するために前記上部光起電力セルの平面に互いに隣接して配置された、２つ以上の光起電力サブセルを備えることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の光起電力システム。
【請求項１８】
各光起電力サブセルは、上下に配置され、且つ異なるバンドギャップの半導体材料から形成された２つ以上のｐｎ接合構造を備え、該２つ以上のｐｎ接合構造は、１つ以上のトンネル接合により電気的に直列に接続され、タンデム光起電力サブセルを形成していることを特徴とする請求項１７に記載の光起電力システム。
【請求項１９】
前記上部光起電力セルは、上下に配置され、且つ異なるバンドギャップの半導体材料から形成された２つ以上のｐｎ接合構造を備え、該２つ以上のｐｎ接合構造は、１つ以上のトンネル接合により電気的に直列に接続され、タンデム光起電力セルを形成していることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の光起電力システム。
【請求項２０】
前記上部光起電力セルは、前記上部光起電力セルにおける光子の再利用を高めるために、１つ以上のブラッグ反射器および／またはフォトニックキャビティ構造を備えることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の光起電力システム。
【請求項２１】
前記下部光起電力セルの１つ以上の表面は、電荷キャリアの表面再結合を低減するためにパッシベーションされていることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の光起電力システム。
【請求項２２】
前記第１電気接点は電気接点の第１単一ペアを備え、前記第２電気接点は、電気接点の第２単一ペアを備えることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の光起電力システム。
【請求項２３】
光起電力効果により電気を発生する方法であって、
第１バンドギャップを有する半導体材料から形成され、且つ自身から電流を取り出すための第１電気接点を有する下部光起電力セルと、
前記下部光起電力セル上にモノリシックに形成された電気絶縁層と、
前記第１バンドギャップよりも大きい第２バンドギャップを有する半導体材料から前記電気絶縁層上にモノリシックに形成され、且つ自身から電流を取り出すための第２電気接点を有する上部光起電力セルと、
を備える光起電力装置を設けるステップと、
１つ以上の第１光子源により供給された、前記第１バンドギャップに主に関係する第１波長帯に波長を有する光子に前記光起電力装置をさらして、少なくとも前記下部光起電力セルから電流を取り出すステップと、
１つ以上の第２光子源により供給された、前記第２バンドギャップに主に関係する第２波長帯に波長を有する光子を前記光起電力装置にさらして、少なくとも前記上部光起電力セルから電流を取り出すステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記第１および第２光子源の一方は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルであり、前記第１および第２光子源の他方は、ローカル光子源であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ローカル光子源は、熱光子源、単色光子源、またはルミネッセンス光子源であることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２光子源は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルであり、前記上部光起電力セルは、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルより放出された光子の光起電力変換に最適化されていることを特徴とする請求項２４または２５に記載の方法。
【請求項２７】
日照時間内は前記光起電力装置を太陽により供給された光子にさらすステップと、日照時間外は前記光起電力装置を前記ローカル光子源により供給された光子にさらすステップとを備えることを特徴とする請求項２４から２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記第１光子源はローカル光子源であり、前記第２光子源もまたローカル光子源であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
一方または両方のローカル光子源は、熱光子源、単色光子源、またはルミネッセンス光子源であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
１つ以上の第１時間の間は、前記第１光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすステップと、前記１つ以上の第１時間と異なる１つ以上の第２時間の間は、前記第２光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすステップとを備えることを特徴とする請求項２８または２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第２光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすのと同時に、前記第１光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすステップを備えることを特徴とする請求項２８または２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１光子源は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルから光子を集め、それらを前記光起電力装置に送るよう設定された光子収集アセンブリであり、前記第２光子源は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルから光子を集め、それらを前記光起電力装置に送るよう設定された光子収集アセンブリであることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１光子源および前記第２光子源は、前記第１波長帯および前記第２波長帯の光子を供給可能な共通のローカル光子源であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすステップと、前記第２光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすステップは、それぞれ、前記上部光起電力セルを光子にさらすステップを備えることを特徴とする請求項２３から３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
前記第１光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすステップは、前記上部光起電力セルが前記第１光子源からの光子にさらされる第１コンフィギュレーションに前記光起電力装置を設定するステップを備え、前記第２光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすステップは、前記上部光起電力セルが前記第２光子源からの光子にさらされる第２コンフィギュレーションに前記光起電力装置を設定するステップを備えることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすステップは、前記第１光子源からの光子に前記下部光起電力セルをさらすステップを備え、前記第２光子源により供給された光子に前記光起電力装置をさらすステップは、前記第２光子源からの光子に前記上部光起電力セルをさらすステップを備えることを特徴とする請求項２３から３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３７】
添付の図面の図２から９を参照して実質的に説明される光起電力システム。
【請求項３８】
添付の図面の図２から９を参照して実質的に説明される光起電力効果により電気を発生する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電力セルからの電気の発生は長年にわたって現実化されているが、全体的な電気発生のかなりの割合を占めるまでには未だ至っていない。これは、主に個々の光起電力セルのコストが依然として高いため、光起電力セルにより発生された電気は従来の方法で生成された電気よりも高価であるからである。コストを低減するためには、２つのアプローチを用いることができる。一つの選択肢は、セルをより安価な材料で製造することであるが、これは一般的に低い変換効率の原因となってしまう。もう一つの方法としては、セルの効率を高めてもよい。高効率のセルは、太陽からの光が大きな領域にわたって集められ、小さい領域の光起電力セルに集中される太陽集光器、または、燃料の燃焼により発生されるような高温源から生成された高強度の光によりセルが照明される熱光起電力システムにおいて用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
光起電力セルは、単一のバンドギャップの半導体材料（シリコンなど［１］）で形成されてもよいが、この種の理想的な材料でさえ、太陽照射などの広いスペクトル範囲の光を変換したときに、限られた変換効率しか実現できない。効率を高める一つの技術は、照射する太陽スペクトルの異なる部分を変換するために異なるバンドギャップを有する多数のセルを用いることである。各セルは、限られた照射スペクトルを受光するのに最適化される。このアプローチは、複雑度が増すのを犠牲として、全体的な変換効率を高める。たとえば、要求されるスペクトル分割は、スペクトルの適切な部分を関連するセルに屈折させる光学部材を用いて実現することができるが、これは、特に光が集中した状態では実現するのが困難である。
【０００４】
代わりとなる技術は、２つ以上の異なるセルを、最も高いバンドギャップのセルを構造体の照射面に位置させて、バンドギャップ順に積み重ねることである。各セルにより吸収されなかった光は、最適なセルによって変換されるように、スタックの中にさらに入り込む。このようなデバイスは、タンデムセルと称される。タンデムセルを構成するセルは、別々に成長され、機械的な方法でスタックされてもよく［２］、または、（たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、および液相エピタキシー法（ＬＰＥ）などの）周知の成長技術のいずれかを用いることにより、デバイス全体がモノリシックに成長されてもよい［３，４］。機械的にスタックされたセルは、多くの工学的および商業的な問題を有する。機械的スタックにおける各セルは、それぞれ成長のための基板を必要とするが、これは全体的なコストを高める。加えて、スタックに良好な電気的接続、効率を低下させる熱を分散させるためにセル間に良好な熱的接続、およびセル間に良好な光学的結合を提供するために、複雑な工学技術が要求される。全体的に、このようなセルは、効率が悪く、信頼性が低いのに悩まされがちである。これらの理由により、共通の基板にセルが次々に成長されたモノリシックスタックが好ましい。モノリシックセル構造では、異なるバンドギャップ領域間においてオーミック電気接続を作ることが必要とされる。これは、全体の構造が２つの電気接続のみを有するように、セル間にトンネルダイオードを用いることにより実現される。構造内における個々のセルは、全てのセルに対して同じ電流が流れるように、直列に接続される。このような設計は、効率的な動作のために各セルが同じ電流を生成しなければならないという電流の制約をもたらす。特定のスペクトル（たとえばＡＭ１．５Ｄ）用の構造を設計し、最適化することは可能であるが、地球の太陽集光器システムなどにおいて実際に用いられる際に、スペクトルが１日を通しておよび年間を通して変化する。これは、多くの時間において、個々のセルが一致した電流ではなく、デバイスの効率が、設計された照射スペクトルのときに記録された最適な値から減少していることを意味している。さらに、セルのバンドギャップの変動は、最適に調和された電流から効率が減少することを意味するので、温度の変動は集光器システムにおいて重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本発明の第１の態様に係る光起電力システムは、第１バンドギャップを有する半導体材料から形成され、且つ自身から電流を取り出すための第１電気接点を有する下部光起電力セルと、下部光起電力セル上にモノリシックに形成された電気絶縁層と、第１バンドギャップよりも大きい第２バンドギャップを有する半導体材料から電気絶縁層上にモノリシックに形成され、且つ自身から電流を取り出すための第２電気接点を有する上部光起電力セルと、を備える光起電力装置と、第１バンドギャップに主に関係する第１波長帯に波長を有する光子を、光起電力装置に供給することができる１つ以上の第１光子源と、第２バンドギャップに主に関係する第２波長帯に波長を有する光子を、光起電力装置に供給することができる１つ以上の第２光子源と、を備える。
【０００６】
本発明は、２つの別々の波長領域に亘って動作可能な光起電力装置を提供するために、信頼性があり、実績のあるモノリシックデバイス技術を用いているが、個々のセル間で電流を一致させる必要が排除され、トンネル接合を必要としない。従って、従来のタンデムおよび積層マルチセル光起電力装置の多くの不利点が取り除かれる。上部および下部セルを電気的に絶縁したことにより、それぞれが、完全に異なるスペクトル範囲に対して最適な効率で設計され、動作することが可能となる。各セルは、他方のセルと完全に独立して動作可能であり、その結果、それぞれは、その関係する光子源の最大光子変換効率に向けて最適化することが可能であり、他方のセルおよび／または光子源の動作にかかわらず効率的に動作可能である。従って、本発明は、単一のコンパクトなデバイスで、異なる光子源からの光子を独立して最適に変換するハイブリッドシステムを提供する。２つのセルのバンドギャップは、要求されるシステムのスペクトル範囲に合わせて選択可能であり、従って、標準的なタンデムデバイスのように電流制限することなく、単一セルデバイスの動作範囲を超えて動作範囲を拡大する。異なる波長で動作する２つの完全に別々の光子源は、利用可能な光パワーを混合して調和することにより高効率の電気発生を提供するために、単一の光起電力装置と結合されている。
【０００７】
ある実施形態においては、第１および第２光子源の一方は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルから光子を集め、それらを光起電力装置に送るよう設定された光子収集アセンブリであり、第１および第２光子源の他方は、ローカル光子源である。たとえば、ローカル光子源は、熱光子源、単色光子源、またはルミネッセンス光子源である。このようにして、システムは、昼間の間は太陽光子から発電し、夜間にはローカル光子源に切り替えることにより、２４時間電気を発生するために用いることができる。従来の太陽セルに対するこの利点は、コストが削減されることである。これは、両モードにおいて高効率を維持しながら、セルの全体的なコストが２つの動作レジーム間で分割されるためである。このための実用的な設定は、上部セルを太陽セルとして用いることである。この場合において、第２光子源は、光子収集アセンブリであり、上部光起電力セルは、太陽により放出された光子、またはルミネッセンス源による短波長での減衰や、高バンドギャップ光起電力セルによるモディフィケイションなどの何らかの方法で太陽をスペクトル的にモディファイしたものにより放出された光子の光起電力変換に最適化される。また、下部光起電力セルは、ローカル光子源により放出された光子の光起電力変換に最適化されていてもよい。しかしながら、上部セルにおける変換のために短波長の光子を生成する光子源とともに、適切な大きなバンドギャップ材料が上部セルに利用可能である場合には、下部セルは、太陽光変換に用いられてもよい。
【０００８】
他の実施形態においては、第１光子源はローカル光子源であってもよく、前記第２光子源もまたローカル光子源であってもよい。ローカル光子源は、熱光子源、単色光子源、またはルミネッセンス光子源などであってよい。たとえば特定のバンドギャップまたは吸収閾値を備える特に効率的な半導体材料を利用するために、ローカル光子源の任意の組み合わせが所望するように用いられてもよい。これにより、効率的な電気発生のために装置を非常に精密に調整することが可能となる。
【０００９】
あるいはまた、第１光子源は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルから光子を集め、それらを光起電力装置に送るよう設定された光子収集アセンブリであってもよく、第２光子源は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルから光子を集め、それらを光起電力装置に送るよう設定された光子収集アセンブリであってもよい。この設定は、装置全体における変換のために２つの個別のセルのバンドギャップに応じて光子を効果的な方法で供給することにより、太陽スペクトルの高効率の利用を可能とする。バンドギャップは、出来るだけ多くの太陽スペクトルをカバーするために、互いに補完するよう選択することができる。太陽光子は、その波長に応じて、最も適切なセルに導かれてもよい。
【００１０】
さらには、弟１光子源および第２光子源は、第１波長帯および第２波長帯の光子を供給可能な共通のローカル光子源であってもよい。２つのセルは、それらのバンドギャップがともに出来るだけ多くのローカル光子源の出力スペクトルをカバーするように選択することができ、その結果、出来るだけ多くの光子源出力が利用され得る。これは、たとえば、比較的広帯域のローカル光子源から高い変換効率を実現するために役立つ。
【００１１】
これらの構成のいずれにおいても、第１光子源からの光子は、上部光起電力セルおよび絶縁層を介して下部光起電力セルに供給され、第２光子源からの光子は、上部光起電力セルに直接供給され得る。言い換えると、装置の上面は、両方の光子源の出力にさらされており、第１光子源からの長波長の光子が上部セルを吸収されずに通過した場合、電気発生のために下部セルに吸収される。この設定は、たとえば反射防止コーティングおよび電気接点の配置および目的の露光領域外のハウジングにより、光起電力装置の１つの表面だけしか、光子露光のために最適化される必要がないという点において役立つ。この設定を促進するために、システムは、上部光起電力セルが第１光子源により供給された光子を受けることができる第１コンフィギュレーションと、上部光起電力セルが第２光子源により供給された光子にさらされる第２コンフィギュレーションとの間で当該光起電力システムを構成可能とする位置決め機構をさらに備えてもよい。
【００１２】
光起電力装置に関して、半導体材料およびｐｎ接合構造の多くの組み合わせを上下セルに用いることが可能であり、広範囲の機能性を提供する。たとえば、下部光起電力セルは、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコン−ゲルマニウム合金などの間接遷移半導体材料から形成されてもよい。
【００１３】
有利には、第１電気接点は、前記電気絶縁層の反対側の、前記下部光起電力セルの下方側に位置している。
【００１４】
好ましくは、電気絶縁層は、前記上部光起電力セルが形成される半導体材料のバンドギャップよりも大きい吸収閾値を有する。これにより、波長が長すぎて上部セルにより変換できない光子が、吸収されることなしに電気絶縁層を通過して、変換のために下部セル内に到達することが可能となる。
【００１５】
ある実施形態では、上部光起電力セルは、電気的に直列に接続され、且つモノリシック集積モジュール構造（ＭＩＭＳ）を形成するために前記上部光起電力セルの平面に互いに隣接して配置された、２つ以上の光起電力サブセルを備えてもよい。これにより、ＭＩＭＳ構成の利点を、本発明の利点と組み合わせることが可能となる。この構成は、モノリシックに成長された電気絶縁層により製造される。さらに、各光起電力サブセルは、上下に配置され、且つ異なるバンドギャップの半導体材料から形成された２つ以上のｐｎ接合構造を備え、該２つ以上のｐｎ接合構造は、１つ以上のトンネル接合により電気的に直列に接続され、タンデム光起電力サブセルを形成してもよい。あるいはまた、タンデムの２つのセルは、セルの上端に独立して接触されてもよい。これにより、タンデムセルの利点もまた組み込まれる。あるいはまた、タンデムセルの利点は、ＭＩＭＳ構成を用いずに利用されてもよい。たとえば、上部光起電力セルは、上下に配置され、且つ異なるバンドギャップの半導体材料から形成された２つ以上のｐｎ接合構造を備え、該２つ以上のｐｎ接合構造は、１つ以上のトンネル接合により電気的に直列に接続され、タンデム光起電力セルを形成してもよい。この場合もやはり、タンデムの２つのセルは、セルの上端に独立して接触されてもよい。
【００１６】
上部光起電力セルが、上部光起電力セルにおける光子の再利用を高めるために、１つ以上のブラッグ反射器および／またはフォトニックキャビティ構造を備えるように装置を構成することにより、効率が改善される。代えてまたは加えて、下部光起電力セルの１つ以上の表面は、電荷キャリアの表面再結合を低減するためにパッシベーションされていてもよい。
【００１７】
電気接点の総数は上下セルに用いられる接合構造に応じて選択されてもよいが、魅力的な簡易な構造は、４端子装置である。これに従うと、第１電気接点は電気接点の第１単一ペアを備え、第２電気接点は、電気接点の第２単一ペアを備える。
【００１８】
本発明の第２の態様は、光起電力効果により電気を発生する方法である。この方法は、第１バンドギャップを有する半導体材料から形成され、且つ自身から電流を取り出すための第１電気接点を有する下部光起電力セルと、下部光起電力セル上にモノリシックに形成された電気絶縁層と、第１バンドギャップよりも大きい第２バンドギャップを有する半導体材料から電気絶縁層上にモノリシックに形成され、且つ自身から電流を取り出すための第２電気接点を有する上部光起電力セルと、を備える光起電力装置を設けるステップと、１つ以上の第１光子源により供給された、第１バンドギャップに主に関係する第１波長帯に波長を有する光子に光起電力装置をさらして、少なくとも下部光起電力セルから電流を取り出すステップと、１つ以上の第２光子源により供給された、第２バンドギャップに主に関係する第２波長帯に波長を有する光子を光起電力装置にさらして、少なくとも上部光起電力セルから電流を取り出すステップと、を備える。
【００１９】
第１および第２光子源の一方は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルであってもよく、第１および第２光子源の他方は、ローカル光子源であってもよい。たとえば、第２光子源は、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルであってもよく、上部光起電力セルは、太陽またはモディファイされた太陽スペクトルにより放出された光子の光起電力変換に最適化されていてもよい。従って、この方法は、日照時間内は光起電力装置を太陽により供給された光子にさらすステップと、日照時間外は光起電力装置をローカル光子源により供給された光子にさらすステップとを備えてもよい。
【００２０】
あるいはまた、第１光子源はローカル光子源であってもよく、第２光子源もまたローカル光子源であってもよい。この方法は、１つ以上の第１時間の間は、第１光子源により供給された光子に光起電力装置をさらすステップと、１つ以上の第１時間と異なる１つ以上の第２時間の間は、第２光子源により供給された光子に、光起電力装置をさらすステップとを備えてもよい。あるいはまた、この方法は、第２光子源により供給された光子に光起電力装置をさらすのと同時に、第１光子源により供給された光子に光起電力装置をさらすステップを備えてもよい。
【００２１】
第１光子源により供給された光子に光起電力装置をさらすステップと、第２光子源により供給された光子に光起電力装置をさらすステップは、それぞれ、前記上部光起電力セルを光子にさらすステップを備えてもよい。さらに、第１光子源により供給された光子に光起電力装置をさらすステップは、上部光起電力セルが前記第１光子源からの光子にさらされる第１コンフィギュレーションに光起電力装置を設定するステップを備えてもよく、第２光子源により供給された光子に光起電力装置をさらすステップは、上部光起電力セルが第２光子源からの光子にさらされる第２コンフィギュレーションに光起電力装置を設定するステップを備えてもよい。あるいはまた、第１光子源により供給された光子に光起電力装置をさらすステップは、第１光子源からの光子に下部光起電力セルをさらすステップを備えてもよく、第２光子源により供給された光子に光起電力装置をさらすステップは、第２光子源からの光子に上部光起電力セルをさらすステップを備えてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、従来技術に係る太陽電池などの単純な光起電力セルの概略図を示す。セル１０は、ｐｎ接合を含むシリコンなどの半導体材料の部分１２を備える。すなわち、半導体部分１２は、ｐ型半導体である第２部分１６に隣接して配置されたｎ型半導体の第１部分１４を備える。この配置により、接合部を横切って電場が形成される。電場は、一方の側のイオン化ドナーおよび他方の側のイオン化アクセプタから発生する。セル１０の両側、従って接合部の両側には、電気接点１８が設けられている。
【００２３】
適切なエネルギーの（すなわち適切な波長帯の）電磁放射の光子がセル１０に入射し、半導体により吸収されたとき、そのエネルギーは、電子を半導体の価電子帯から伝導帯に移動させ、これにより電子正孔対が発生される。電場により、電子は接合部のｎ型側に移動され、正孔は接合部のｐ型側に移動される。このようにして、電荷が移動する。導線を電気接点１８に接続することにより外部の電流路が設けられると、電子が電流として経路に沿ってｐ型側へ流れ、電場の影響を受けてそこに移動している正孔と結合する。従って、光子のエネルギーは、電流へと変換され、この電流は、外部の電流路に接続された負荷１９により利用することができる。これが光起電力効果である。光子が、太陽放射、すなわち太陽光から生じる場合、光起電力セル１０は太陽電池であり、太陽のエネルギーから電力を生成するために使用可能である。
【００２４】
しかしながら、単一のバンドギャップの半導体材料から製造される図１に示すタイプのセルは、太陽照射などの広い波長帯の光子を変換する際に、変換効率が限られる。たとえば、シリコンは、優れた半導体材料であるが、近赤外線および可視光の吸収が悪い。
【００２５】
本発明は、専用の電気接点を有し且つ絶縁層により分離されることにより、独立して動作するよう構成された上部および下部光起電力セルを備える光起電力装置を組み込んだシステムを提案することにより、この問題を解決しようとするものである。従って、この装置は、様々な光子源とあわせて用いられ、一方または両方が異なる時間に照射される。
【００２６】
図２は、このような光起電力装置の第１の実施形態の概略図である。装置２０は、下部光起電力セル２２と、上部光起電力セル２４と、２つのセルの間に設けられた電気絶縁層２６とを備える。下部光起電力セル２２は、ｐｎ接合構造を有する。このｐｎ接合構造は、下部光起電力セル２２の下面または背面に隣接した、交互のｐ型およびｎ型半導体材料の一連の領域２８により規定され、真性半導体材料または低濃度ドープの半導体材料の基板３０に形成されている。各領域２８は、電気接点を有する。ｐ型領域は電気的に接続され、正の電気端子すなわち接続３２を与えられる。ｎ型領域は電気的に接続され、負の電気端子すなわち接続３４を与えられる。これにより、電流を下部光起電力セル２２から取り出すことが可能となる。
【００２７】
上部光起電力セル２４は、図１に類似したｐｎ接合構造を有しており、ｎ型材料の層３８を覆うｐ型材料の層３６を備える。上部光起電力セル２４から電流を取り出すための電気的接続が、上部光起電力セル２４の上面の電気接点４２により提供される。そして、上部光起電力セル２４の下には、横断導電層（transverse conducting layer）３９が、さらなる電気接点４０のためのスペースを提供するために、上部光起電力セル２４の端部を超えて延設されている。横断導電層３９は、絶縁層２６上に形成されている。
【００２８】
上部光起電力セル２４は、下部光起電力セル２２が形成されている半導体材料の有効バンドギャップよりも大きい有効バンドギャップを有する半導体材料で形成されている。従って、波長が長すぎて上部光起電力セル２４により吸収することができない入射光子は、下部光起電力セル２２まで通過し、そこで低バンドギャップ材料により吸収される。このようにして、両方のバンドギャップをカバーするスペクトル範囲を有する入射照明に対して、光起電力装置のスペクトル範囲および変換効率は、どちらか一方のセルだけの範囲および効率よりも増加される。
【００２９】
電気絶縁層２６は、上部光起電力セル２４と下部光起電力セル２２との間に、すなわち、上部光起電力セル２４の下面と下部光起電力セル２２の上面との間に配置されている。従って、上部および下部のセルは独立して動作し、２つのセルの間で電流の流れはない。
【００３０】
装置２０は、モノリシック構造であり、順々に下方の層に直接、層を成長または堆積させることにより製造される。適切な半導体成長／堆積技術であればどのような技術であっても用いることができる。たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、または液相エピタキシー法（ＬＰＥ）などを用いることができる。基板層にドープしてｐ型およびｎ型領域を形成するために、次の層の追加の前または後に、拡散、イオン注入、またはその他のプロセスを用いることができる。それ故に、装置は、下部セルに適した材料の基板を選択し、層を堆積または成長させることにより、および／またはドープした領域を形成することにより基板から下部セルを作り、下部セルまたはその基板の表面に絶縁層を形成し、絶縁層上に上部セルを作り、再度、層および／またはドープした層を形成することにより形成されてもよい。あるいは、さまざまな層の成長または堆積の後に、下部セルを形成するためのドーピングが上部セルのドーピングと一緒に行われてもよい。また、上部および下部セル用の電気接点が、製造プロセスを通して単一の段階または異なる段階において、形成される。
【００３１】
記載された構造は、従来提案されているスタックセルおよびタンデムセルなどの広域スペクトル範囲の装置よりも多くの利点を提供する。たとえば、
・上部および下部のセルの電気的絶縁により、各セルの動作条件が最適化され、改善された変換効率が提供される。これは、従来のタンデムセルでは不可能である。従来のタンデムセルでは、最もパフォーマンスの悪いセルが他のセルを制限するよう動作する。
・電気的絶縁、および各セルの関連した専用の電気的接続により、装置は、タンデムセルの電流制限から解放される。タンデムセルでは、個々のセルまたは接合領域がトンネルダイオードまたは接合を用いて直列に接続されており、全体の電流が最も低電流のセルの電流に制限される。従って、この装置は、スペクトルおよび温度変動における効率の依存性が改善されている。
・期待される２０年またはそれより長い装置のライフタイムの間、一方のセルは、他方のセルとは異なる速度で劣化するかもしれない。セルの独立した電気的動作により、この劣化は、直列に接続されたセルの場合ほど問題とならない。各セルは、他のセルに影響を受けることなく、連続的に最適な変換を行うことができるからである。
・スタックセルと比較して、モノリシック構造は、上下のセル間において良好な光学的結合を提供する。上部セルが歪みバランス量子井戸太陽電池［５］を備えるなどの、上部セルにおいて放射性再結合を受けやすい実施形態において、発生した光子は効果的に下部セルに結合でき、全体的な効率が高められる。
・モノリシックに成長されるが、独立しているセルは、従来のタンデムセルよりも容易に特性を測定できる。このセルでは、他方のセルの特性を測定するために、一方のセルにバイス光が必要とされる。この場合、暗ＩＶ、光ＩＶおよび量子効率などの特性を直接測定することができる。
・モノリシック構造は、装置の様々な部分にわたって良好な熱的接続を確保する。これにより、変換効率を下げる可能性のある過剰な熱をヒートシンクに効率的に伝達することができる。
・この設計は、多数のトンネル接合を含んだ設計よりも不良に対する耐性が高いので、製造時において、装置の高収率が実現される。従来のタンデムセルにおいては、上部セルのバンドギャップの製造に帰因する変動により、本発明に係る装置よりも多くの効率の変動が存在する。
【００３２】
図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、本発明に係る装置から得られるポテンシャル効率のグラフを示す。図３Ａは、シリコン下部セルを備えた装置に関するものであり、図３Ｂは、ゲルマニウム下部セルを備えた装置に関する。それぞれ濃度レベル５００倍である。それぞれにおいて、上部セル単独（ライン４６）および下部セル単独（ライン４８）の効率Ｅｆｆは、様々な上部セルのバンドギャップＥｇに対して、本発明に係る装置の組み合わされたセル（ライン４４）と比較されている。これらのグラフは、所定の上部セルのバンドギャップに対して、個々のセルの効率を超えてどのように効率が増加するかを表している。
【００３３】
また、図３Ｃは、上部セルのバンドギャップに対する効率の変化をプロットしたものである。この場合、発明の実施の形態に係る４端子の装置における下部セルの効率（ライン１００）、上部セルの効率（ライン１０２）、および全体の効率（ライン１０４）が、理想的な２端子の従来のタンデムセルの効率（ライン１０８）と比較されている。また、ＧａＡｓのバンドギャップが表されている（ライン１０６）。４端子装置の効率は、タンデムセルの効率よりも、トップセルのバンドギャップに対して敏感ではないことが分かる。バンドギャップは、温度に強く依存しているので、４端子装置の効率は、従来型のタンデムセルよりも、太陽集光器システムにおいて発生する温度変化に対して敏感ではない。
【００３４】
図２の装置２０は、本発明に係る光起電力装置の単なる一例であることは強調されるべきである。上部および下部光起電力セルのそれぞれは、電流の抽出に関して、セルが他方のセルから独立して動作するのを可能とするどんな光起電力セル構造を有していてもよい。ｐ型およぼｎ型領域は、実行可能な接合（おそらくアンドープの層または領域と併用して、真性または低濃度ドープの半導体材料）を形成し、且つ別個の電気接点がそれぞれのセルに設けられることを可能とするいかなる形状および配置を有してもよい。さらなる実施例が以下に説明される。これらは、典型的な例であり、限定するものではない。また、装置の特性を別のアプリケーションに合わせることができるように、異なる半導体材料の範囲が２つのセルに用いられてもよい。ある実施形態では、下部セルは、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウム化合物若しくは合金などの間接遷移材料から形成されてもよい。
【００３５】
たとえば、上部セルは、ＧａＡｓをベースとしたセル（歪み平衡量子井戸太陽電池（strain-balanced quantum well solar cell）またはＧａＩｎＰ／ＧａＡｓタンデムセルなど）であってもよく、下部セルは、ゲルマニウム基板から形成されてもよい。この材料の組み合わせは、特に有利である。ゲルマニウムのバンドギャップは、スペクトル領域およびＧａＡｓ上部セルの効率を広げるのにとても適している。また、ＧａＡｓの格子定数は、ゲルマニウムの格子定数と同じくらいであるので、上部セルは、下部セル上にうまくエピタキシー成長することができる。そしてとにかく、ゲルマニウム基板はＧａＡｓ基板よりもずっと安価である。
【００３６】
下部セルにゲルマニウムを用いることにより、単一セルのゲルマニウム装置によく用いられる有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）成長という高価で時間のかかる工程なしで、大部分は最適化することができる。これにより、全体的な開発時間およびコストを削減することができる。
【００３７】
絶縁層に関し、これは、エピタキシーなどの任意の適切な製造技術により、下部セル（下部セルは、予め成長させたセル構造、または後に接合領域が拡散などの技術により形成される単純な半導体基板を備えてもよい）の上面にモノリシックに成長される。装置が、両方のセルの光子が上部セルを介して伝達される構成において用いられる場合、絶縁層に要求される特性は、上部セルにより吸収されない光子の少なくとも一部が、絶縁層を通って下部セル内に移動できることである。従って、絶縁層は、層内における吸収を減らすために、上部セルよりも高い（そしてまた、それ故下部セルよりも高い）有効バンドギャップまたは吸収閾値を有することが望ましい。また、これにより、絶縁層は、電荷キャリアをその発生したセル内に保持する少数キャリアミラーとして機能することができる。ＧａＡｓに格子整合し、且つＧａＡｓよりも高いバンドギャップのＡｌＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ合金は、絶縁層に適した材料例である。しかしながら、要求される機能性を提供する他の材料もまた、用いることが可能である。
【００３８】
装置の前面および背面上の電気接点は、蒸着、レーザ溝埋込式電気接点メタライゼーション（laser grooved buried contact metallisation）、またはスクリーンプリントなどの任意の適切な技術をもちいて製造することが可能である。多くのこれらの技術は、エレクトロニクス産業において十分に確立されている。上述したように、上部セルの電気接点は、装置（および上部セル）の上面または前面に設けられており、下部セルの電気接点は、装置（および下部セル）の背面または下面に設けられている。しかしながら、電気接点が別の場所に配置されている実施の形態は除外されない。２つのセルに対する別々の接点は、それぞれが独立して機能することを可能とする。これは、利用可能な最大効率、および変動するスペクトル条件に伴って効率がどのように変動するかに利点を提供する。加えて、各セルが電気的に独立していることは、たとえばソーラーパネルや太陽集光器に用いられるモジュールを形成するために多数のデバイスを接続する際に、より柔軟性を提供する。しかしながら、どのような実施形態においても、最小限の必要条件は、２つの電気接点のペア（合計４つの電気接点）、上部セル用の単一のペア、および下部セル用の単一のペアである。
【００３９】
下部セルは、それゆえ、図２に示されるような背面接触セルであってもよい。このようなセルは、１９７０年代に熱光起電力（thermophotovoltaics）［６］に用いるために開発された。熱光起電力では、熱体（hot body）からの光は電気に変換される。高い効率を実現するために、光源は、セルに入射する照明スペクトルが狭帯域となるように選択エミッタに覆われる。しかしながら、この構造は、電流の多くが損失の多い前面の近くで発生する太陽光線を利用したアプリケーションには有効ではないため、損失を低減するために高ドープの前面を用いることにより、ソーラー照明［７］で用いる最適化された類似の構造を後に働かせる。背面接触のゲルマニウムセルが最近になって提案されている［３，４，７，８］。ある構造では、３端子のタンデム構造は、従来の背面接触の２端子のゲルマニウムセルとして動作する下部セルと、さらに上部セルまたはセル用の追加的な接点とを含む。
【００４０】
ある実施形態では、光起電力装置の上部セルは、モノリシック集積モジュール構造（ＭＩＭＳ）［９−１５］として構成されている。ＭＩＭＳ構成は、他の利点と合わせて、上部セルに対してトップ接触（top-contacting）を提供する。ＭＩＭＳは、電流を低減して、所定の高照明レベルのために電圧を増加し、従って直列抵抗の影響を低減することを目的として、熱光起電力のために開発された。ＭＩＭＳデバイスが高い集中太陽光に用いられるとき、同様の効果が生じ得る。この構造の下部または基板は、自由キャリア吸収を低減され、且つセルからの未吸収光が光子源へと反射されるように、できるだけ純粋にすべきである。しかしながら、純粋な、またはアンドープの基板の使用は、セルの電気接点としての基板の従来の使用を妨げる。従って、全ての接点は、セルの上面に設けられ、これは、本発明との関連において役立つ構成である。上部セルの下部は、絶縁層上に直接成長され、従って接触面としての使用には便利ではない。
【００４１】
ＭＩＭＳデバイスは、２つ以上の独立した光起電力サブセルを備えており、それぞれは、図１の層状構造などの、ｎ型材料の領域およびｐ型材料の領域から形成されるｐｎ接合を備えている。サブセルは、代わりに、真性領域を備えるｐｉｎ接合構造を有してもよい。真性領域は、量子井戸を含んでもよいし、含まなくてもよい。個々のサブセルは、共通基板内または共通基板上において互いに隣接しており、そして、全てのサブセルが同時に照明にさらされるように、入射照明に対して実質的に直交する共通の平面に、別々の構成要素として形成される（接合領域が物理的に分離している）。サブセルは、セルの個々の寄与が合計されるように、電気的に直列に接続される。多数の別個のＭＩＭＳのサブセルを用いることは、全体の照明領域が同じ単一のセルと比較して、増大された電圧と低減された電流を提供する。これは、オーミック損失を低減する。同じサイズのサブセルにおいて、デバイスがその上面に亘って均一な照明を受ける場合、ＭＩＭＳ構成は最も効率的に動作し、直列接続されたサブセルのそれぞれは、同じ電流を発生する。あるいはまた、サブセルは、それぞれのサブセルが異なるサイズであるが、同じ電流を発生するように、不均一な照明に対して最適化されてもよい。
【００４２】
図４は、本発明の実施形態の概略図であり、上部セルがいくつかのＭＩＭＳサブセルを備えている。デバイス５０は、前述同様に、絶縁層２６により上部セル２４から電気的に絶縁された下部セル２２を備えており、絶縁層２６および上部セル２４は、下部セル２２上にモノリシックに成長されている。この例において、下部セルは、図２に関して説明したような、基板３０に形成された複数の交互に並ぶｐ型とｎ型の表面領域を備えた背面接触セルを備えており、これらは、プラス端子およびマイナス端子を与えるために相互接続されている。上部セル２４は、３つのＭＩＭＳのサブセル５２を備える。サブセル５２は、高度にドープされた横断導電層（transverse conducting layer）５４上に成長されている。横断導電層５４は、絶縁層２６上に成長されている。各サブセル５２は、ｐｎ接合を備える。横断導電層５４上に形成されたｎ型半導体５６の層と、ｎ型層５６上方のｐ型半導体５８の層と、真性材料の中間層５７（これは、好ましい構造に応じて削除されてもよいし、また、量子井戸を含んでも含まなくともよい）とから構成されるｐｎ接合を備える。各サブセル５２は、隣り合うセルから物理的に分離されている。横断導電層５４には溝が形成されており、各サブセルの側面には絶縁層６０が加えられている。絶縁層６０は、ｐｎ接合をブリッジしており、各セルに対して横断導電層５４を形成することによりサブセルを電気的に絶縁している。さらにまた、あるサブセルの横断導電層５４を、隣接するサブセルの上端において直列に反対側のドーピング５８の層に接続するために、導電層６２が絶縁層６０の上に加えられている。サブセル５２から電流を取り出すために、最左端のサブセルの導電層６２の先端は、接点５９を有しており、最右端のサブセルの横断導電層５４は、接点６１を有している。各サブセルの電気的構成は、図４のようなｐｉｎ（あるいはｐｎ）か、ｎｉｐ（あるいはｎｐ）とすることができる。サブセル５２に用いられる半導体材料は、下部セル２２に用いられるよりも大きいバンドギャップを有する。横断導電層５４および電気絶縁層２６の材料は、未吸収の光子が下部セル２２に通過できるように選択される。
【００４３】
図４の例は、特に簡単な構成である。実際には、ＭＩＭＳサブセルの数は、おそらく多くなるし、サブセルは、デバイスの上面と平行な１次元または２次元のアレイ状に配置される。言い換えると、サブセルは、デバイスと、上部セルの平面に配置される。この平面は、予期される入射光の伝搬方向に対して略垂直である。サブセルの位置、形状および数量は、入射する照明スポットの形状に合うように最適化することができる。照明スポットは、一般に、合焦されるかまたは集光されている。さらに、各サブセル内におけるｐ型およびｎ型領域の構成は、図４に示されるものと異なっていてもよい。動作可能な接合であるが、サブセルが電気的に直列に接続されるとともに物理的に分離されていることを可能とする任意の構成が用いられてもよい。
【００４４】
他の実施形態では、上部セル２４は、従来のタンデムセルを備えてもよい。そのタンデムセルでは、サブセルを電気的に直列に接続するためのトンネル接合とともに、バンドギャップを高めた２つ以上のｐｎ接合（別個のサブセル）が、互いの上部に成長されている［９］。タンデムセルには様々な不利な点（電流制限など）があるにもかかわらず、これらの構成は、通常のタンデムセルまたは単一接合の上部セルの本発明のデバイスと比較して効率を向上させる。さらに、タンデムセル構成のスペクトル範囲は、電気的に絶縁された下部セルにより拡張される。下部セルの動作を可能とするために、上部タンデムセルの各光起電力サブセルは、下部セルの材料よりも大きいバンドギャップを有する半導体材料から製造されるべきである。
【００４５】
図５は、上部セルがタンデムセルの形状を有するデバイスの概略図を示す。タンデムセルは２つのサブセルを備える。デバイス７０は、前述同様に、絶縁層２６により分離された上部セル２４と下部セル２２とを備えており、独立した電気的接続が与えられている。下部セル２２は、図２に関して前述した接合構造を有する。上部セルは、上部サブセルまたはｐｎ接合領域６４と、下部サブセルまたはｐｎ接合領域６６とを備える。２つの接合６４、６６の間には、２つの接合間を電流が流れるのを許容するトンネル接合６８がある。従って、トンネル接合６８は、２つの接合を電気的に直列に接続する。上部セル２４全体からコモン電流を取り出すための電気的接続は、上部サブセル６４の上面の電気接点７２により与えられる。エピタキシャルに成長した高濃度ドープの横断導電層７３の縁には、さらなる電気接点７４が設けられている。横断導電層７３は、下部サブセル６６の下に成長されているが、下部サブセル６６を超えて突き出ている。上部サブセルは、下部サブセルよりも大きなバンドギャップを有する。下部サブセルは、下部セルよりも大きなバンドギャップを有する。その結果、未吸収の入射光子は、デバイスを通って適切なバンドギャップの接合部に到達するまで下方に進む。サブセルの電気的構成は、図示のようにｎｐ（またはｎｉｐ）であってもよいし、あるいはまたｐｎ（またはｐｉｎ）であってもよい。ｉ領域は、量子井戸を含んでも含まなくてもよい。
【００４６】
上部セルのタンデムオプションは、図５のタンデムセルを成長させることにより、ＭＩＭＳ構成と組み合わせることができ、その後続いてタンデムセルをＭＩＭＳサブセルに組み立てる。
【００４７】
上部および下部セルのその他の特徴もまた、熟慮されている。たとえば、上部セル（またはサブセル）は、上部セル内での光子の再利用を促進し、吸収を高めるために、１つ以上のブラッグ反射器および／またはフォトニックキャビティ構造を含んでもよい。下部セルは、パッシベーションが施されてもよい。パッシベーションは、表面近くにおいて光により発生されたキャリアが再結合するのを低減する表面処理である［１６］。または、光子損失を低減する少数キャリアミラーを形成するために、ドーピングが施されてもよい。これらのアプローチは、また、光子吸収を増加させ、その結果変換効率を向上させることも目的としている。
【００４８】
本発明に係る光起電力装置は、一つにはスペクトル範囲が比較的広いことと、様々なセルに対して適切な材料を選択することにより、スペクトル範囲を所定の光子源に特に合わせることができることの両方の理由により、発電アプリケーションの広範囲に適している。特に、光子が熱源により生成される太陽スペクトルまたは熱光起電スペクトル［１７］での動作に合わせることができる。その結果、デバイスは、ハイブリッド太陽／熱光起電モードでの利用が可能となる。ハイブリッド太陽／熱光起電モードでは、デバイスは、日中の間は太陽照明にさらされ、夜間には熱源からの照明にさらされる。上部セルまたは下部セルの一方は、可視波長が大半を占める太陽光子が効率的に変換されるよう設計することができ、他方は、赤外波長が大半を占める熱光子が効率的に変換されるように設計することができる。上部セルは、太陽セルとして選択でき、下部セルは、熱セルとして選択できる。それぞれの効果的なバンドギャップにより、上部セルは、長波長の熱光子に対して実質的に透明となるので、熱光子は、下部セルに透過し、デバイスの上面は、太陽光子および熱光子を受けることができる。太陽光を利用した動作では、上部セルが電気の多くを生成する可能性が高いが、下部セルもまた、相当量を生成する。熱光起電モードでは、電気の大部分は下部セルにおいて生成されるであろう。デバイスは、太陽光を受けるのに最適な位置から、適切に配置された熱源からの光子を受けるのに最適な位置に移動することができるように、ピボット上などに移動可能に取り付けられる。太陽光の位置は、通常１日の間に太陽を追跡する可変の位置である。位置の間でデバイスを移動させる任意の適切な位置決め機構が採用されてよい。この選択は、サイズ、コスト、および太陽と熱源の相対的位置などのファクターに依存する。あるいはまた、熱源は、熱光子をデバイスに供給する位置内に、および該位置から外に、おそらくデバイスの移動とともに移動されてもよい。さらに別の手段において、移動可能な構成を含んだ、レンズ、ミラーおよび／または光ファイバの構成が採用されてもよい。その熱源からの関連する放射（太陽または熱）をデバイスの適切な部分に導くために採用されてもよい。一般に、デバイス、熱源およびレンズなどを備えるシステムを構成することができる任意の位置決め装置を採用することができる。これらは、デバイスが太陽光子を受けるよう配置されたコンフィギュレーションと、デバイスが熱光子を受けるよう配置されたコンフィギュレーションとの間で用いられる。
【００４９】
各セルがデバイスの機能をそれぞれ別の時間に支配しているこの種のハイブリッド動作は、従来の直列接続されたタンデムセルでは不可能である。これらは、効率的な動作のために、常時各セルにおいて等しい電流が発生されることを有するからである。
【００５０】
図６は、本発明の装置をこのハイブリッドモードに用いたシステムの簡略図を示す。装置１０は、太陽８２からの光子の変換向けに最適化された上部セル２４と、熱源８４からの長波長の光子の変換向けに最適化された下部セル２２とを備える。熱源８４は、装置１０の近傍であるが、装置１０と太陽８２の間ではないところに位置している。本発明に従って、絶縁層２６は、２つのセルを分離している。装置１０は、ピボットシステム８０上に取り付けられている。ピボットシステム８０は、装置の上面が太陽にさらされている第１のポジション（図示されている）から、上面が熱源８４にさらされている第２のポジション１０’（図面に破線で描かれている）に装置１０を移動可能である。図面は、高度に単純化されており、太陽からの光子を集め、それらを装置１０に集光するための代表的なレンズ８６（光子収集アセンブリ）を除いて、上部および下部セルの電気接点、これらが接続される電気回路、光子を集光してデバイス上に導くレンズおよびその他の光カプラー、モータまたは類似の駆動デバイス、またはヒートシンクなどの構成要素は図示していない。
【００５１】
本発明は、光起電力装置が異なる波長の光子を発する２つの異なる光源により照明されるシステムを提供するが、このハイブリッド動作は、太陽と熱の組み合わせに限定されない。太陽熱発電に用いられる代替的なシステムは、熱源の代わりのローカル光子源として他の光源を採用してもよい。熱源は、放射線（光子）を生成するものであり、その強度およびスペクトル分布は、熱源の温度および熱源が製造される材料に依存している。これは、太陽光子を補う光子を提供するために、その他の任意の放射源に置き換えられてもよい。この放射源は、光起電力装置のどちらかのセルにより変換することのできる波長範囲の光子を供給可能である。変換することのできる波長範囲の光子は、これらのセルのバンドギャップにより決定される。ローカル光子源の例は、レーザおよび発光ダイオードなどの実質的に単色光の光子源と、燐光体、有機色素、半導体結晶およびナノ粒子などの材料の放射性脱励起により通常狭帯域の放射線を供給する冷光源とを含む。狭帯域光源または単色光源の利点は、放出された光子の波長範囲が、関連する光起電力セルのバンドギャップにぴったりと一致させることができるので、光子の大部分が吸収されることである。また、広帯域または白色光源を代わりに用いてもよい。
【００５２】
このように、ハイブリッドシステムは、異なる有効バンドギャップの電気的に絶縁された２つのセルを有するモノリシック光起電力装置を含む。光起電力装置は、異なる出力波長範囲の２つの関連する光子源が与えられており、それぞれ１つは、２つのセルのうち少なくとも一方において変換される光子を提供する。夜間に光子を提供するために補助的なローカル光子源を有するソーラーシステムにおいて、光子源の一方は、ローカル光子源であり、上述したような任意の適切な形態をとってもよい。他方の光子源は、効果的には太陽であるが、太陽光子を効率的に光起電力装置に供給するためには、システムは、さらにレンズ、ミラー、光ファイバ、ライトパイプ、導波路、および太陽放射を集めてデバイスの適切な部分に導いて集光する同類のものなどのいくつかの構成要素を含むべきである。この太陽光子収集アセンブリは、光子源と考えられる。従って、システムは、２つの光子源を有し、一方は波長とバンドギャップに応じて各セルと関係している。
【００５３】
さらに、太陽からの光子の供給は、実質的に全部の太陽スペクトルの直接の供給であってもよいし、また、モディファイされた太陽スペクトルからの光子の供給であってもよい。太陽スペクトルのモディファイでは、太陽出力は、減衰され、先端が切り取られ、または光起電力装置に至る前に何らかの方法で別なように変形される。
【００５４】
また、システムは、両方の光子源が太陽スペクトルから生じた光子を供給する、完全なソーラーシステムであってもよい。従って、各光子源は、完全なまたは変形された太陽スペクトルを供給する太陽光子収集アセンブリとすることができる。
【００５５】
しかしながら、この装置は、太陽光発電用のシステムに限定されない。前述の実施形態の太陽／光子収集アセンブリに代えて、システムは、さらなるローカル光子源を備えてもよい。各ローカル光子源は、バンドギャップに応じて、装置のどちらかのセルにおける効率的な変換に合った波長帯の光子を供給する。２つのローカル光子源は、異なる出力波長の２つのレーザなどの、異なる波長で動作可能な同タイプのものであってもよいし、適切なローカルの光子源の任意の組み合わせに応じた２つの異なるタイプのものであってもよい。ローカル光子源は、セルが形成される半導体材料のバンドギャップに合った良好なスペクトルを提供するために選択可能であり、おそらく、たとえば、特に効率的な光起電材料が有効に利用される。
【００５６】
ソーラーシステムと同様に、２つのローカル光子源を備えるシステムは、オルタネートモードで動作可能である。オルタネータモードでは、光子源は、それぞれ別の時間に動作される。あるいはまた、光子源は、両者が同時に光起電力装置に光子を提供するように、同時に動作されてもよい。さらに別の方法は、補充モードである。補充モードでは、一方の光子源は、光子の大部分を提供し、システムからの電力の要求が一時的に増加した場合、他方の光子源に追加でスイッチが入れられる。
【００５７】
２つの光子源が異なる時間に動作するようにされているシステムにおいては、システムは、ソーラーシステムに関して説明したように、上部セルが第１のローカル光子源から光子、これは下部セルまで伝搬する、を受ける第１のポジションと、上部セルが第２のローカル光子源からの光子、これは上部セルにおいて吸収される、を受ける第２のポジションとの間の構成要素構成するために、移動または位置設定アセンブリを含んでもよい。
【００５８】
図７は、このようなシステムの実施例の簡略図を示す。このシステムにおいて、装置１０は、ピボットシステム８０により、上部セル２４が第１のローカル光子源８８に隣接している第１の位置と、上部セル２４が第２のローカル光子源９０に隣接している第２の位置（破線で１０’として示されている）との間を移動可能である。この場合も先と同様に、レンズ、電気的接続、ヒートシンクなどは図示されていない。
【００５９】
あるいはまた、システムは、両方のローカル光子源により、上部セルを同時に照明するように構成されてもよい。図８は、このような構成の実施例の簡略図である。装置１０は、それぞれの光子源８８、９０に対して固定されたままであり、各光子源は、レンズ、ミラーなどの光子源から放出された光を装置１０の上部セル２４上に導くよう構成されたアセンブリ９２、９４を有する。このタイプの固定された構成は、太陽光子源とローカル光子源のシステムよりも、２つのローカル光子源に実施する方が容易である。これは、レンズアセンブリの一方が、終日にわたって太陽の位置を追跡する必要がないためである。図８のシステムは、２つの光子源からの光子を同時にまたは交互に供給するのに用いることができる。
【００６０】
図９は、同時照明と交互照明の両方に用いるのに適したシステムのさらなる実施例の簡略図を示す。この場合、２つの光子源８８、９０は、光子をそれらの関連するセル２２、２４にそれぞれ直接供給するよう位置される。図８と同様に、これは、どんな可動部分も必要とせず、さらに絶縁層２６が、下部セル２２用の第１の光子源８８からの光子に対して透明であることを要求しない。しかしながら、吸収のために、両方のセル２２、２４が入射光子を受けるのに適した表面を有することを必要とする。図９の構成は、太陽光子収集アセンブリが光子源の一方を形成するソーラーシステムに採用されてもよい。
【００６１】
全ての実施例では、一方または両方の光起電力セルは、従来のバンドギャップを有する半導体セルであってもよい。あるいはまた、セルの一方または両方は、量子井戸セルであってもよい。量子井戸セルでは、バンドギャップが、効果的なバンドギャップ、吸収限界またはバンド端の観点からより普通に考えられている。本発明を理解して実施するために、これらの様々な用語は同じ意味を持ち、従って、本明細書において交互に用いられていることを理解されたい。
【００６２】
さらに、第１の光子源と第２の光子源のそれぞれは、２つ以上の光子源で置き換えられてもよい。これれの光子源は、第１および第２のバンドギャップと関連する第１および第２の波長帯の光子を供給するために、連携して動作する。このオプションは、たとえば、バンドギャップのどちらかに合う特定の光子スペクトルを得るため、または所望の光パワーレベルを得るために用いられてよい。
【００６３】
（参考文献）
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【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】従来技術に係る光起電力セルの概略図である。
【図２】本発明の実施形態において用いる光起電力装置の概略図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に従って用いる光起電力装置から得られる変換効率のグラフを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に従って用いる光起電力装置から得られる変換効率のグラフを示す図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態に従って用いる光起電力装置から得られる変換効率のグラフを示す図である。
【図４】本発明のさらなる実施形態において用いるＭＩＭＳ構成を組み込んだ光起電力装置の概略図である。
【図５】本発明のさらなる実施形態において用いるトンネル接合を組み込んだ光起電力装置の概略図である。
【図６】本発明の様々な実施形態に従った光起電力装置を組み込んだシステムの概略図である。
【図７】本発明の様々な実施形態に従った光起電力装置を組み込んだシステムの概略図である。
【図８】本発明の様々な実施形態に従った光起電力装置を組み込んだシステムの概略図である。
【図９】本発明の様々な実施形態に従った光起電力装置を組み込んだシステムの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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