(57)【要約】本発明は、半導電性領域（４〜９）の対の間に少なくとも一つの第一の接合部を含んでいる光電池に関する。半導体領域の対のうち少なくとも一つが、第二の物質の形成物をその中に間隔を置いて配置されているところの第一の物質を含んでいる超格子の少なくとも一部を含んでいる。該形成物は十分に小さい寸法を有するので、該超格子の実効バンドギャップが該寸法によって少なくとも部分的に決定される。該半導電性領域間に吸収層が施与され、該吸収層は、輻射を吸収して電荷キャリアの励起をもたらすための物質を含んでおり、該吸収層は該物質自体によって励起準位が決定されるような厚さを有する。該超格子の実効エネルギー帯のうち少なくとも一つおよび該吸収層の物質の励起準位のうち一つが、それぞれ、該吸収層の物質の励起準位のうち少なくとも一つおよび該超格子の実効エネルギー帯に整合するように選択される。【選択図】図１
2009517876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導電性領域（４〜９）の対の間に少なくとも一つの第一の接合部を含んでいる光電池であって、該半導電性領域の対のうちの少なくとも一つが、第二の物質の形成物をその中に間隔を置いて配置されているところの第一の物質を含んでいる超格子の少なくとも一部を含んでおり、該形成物は、該超格子の実効エネルギー帯間の実効バンドギャップが該成形物の寸法によって少なくとも部分的に決定されるように十分に小さい寸法を有し、該半導電性領域間に吸収層（２４〜２６）が備えられ、該吸収層が、輻射を吸収して電荷キャリアの励起をもたらすための物質を含んでおり、該吸収層は該物質自体によって励起準位が決定されるような厚さを有する光電池において、
該超格子の実効エネルギー帯のうちの少なくとも一つおよび該吸収層の物質の励起準位のうちの一つが、それぞれ、該吸収層の物質の励起準位のうちの少なくとも一つおよび該超格子の実効エネルギー帯に整合するように選択されていることを特徴とする、光電池。
【請求項２】
接合部によって分離されかつ各対とともに減少する実効バンドギャップを有する半導電性領域（４〜９）の一連の対を含み、該半導電性領域（４〜９）のうちの少なくとも二つが、超格子と、それに隣接する、輻射を吸収して電荷キャリアの励起をもたらすための物質の層（２４〜２６）であって、励起準位が該物質自体によって決定されるような厚さを有する層（２４〜２６）と、を含んでいる、請求項１に従う光電池。
【請求項３】
各超格子が異なった半導体物質の層（１０〜２１）の周期的に繰り返される組み合わせを含んでおり、超格子の個々の層中のいずれの半導体物質の実効バンドギャップとも異なる実効バンドギャップを該超格子に付与すべく十分に該層が薄い、請求項１または２に従う光電池。
【請求項４】
超格子が真性半導電性物質から構成され、光電池がさらに、該光電池内に内部電場を生じるように配置された、別様にドープされたＮ型およびＰ型半導電性領域の少なくとも一対を含んでいる、請求項１〜３のいずれか１項に従う光電池。
【請求項５】
吸収層が当該半導電性領域の間に挟まれ、当該半導電性領域が互に異なった実効バンドギャップを有している、請求項１〜４のいずれか１項に従う光電池。
【請求項６】
輻射を吸収するための該物質が、直接半導体、有機分子物質およびナノ結晶を含んでいる物質のうち少なくとも一つを含んでいる、請求項１〜５のいずれか１項に従う光電池。
【請求項７】
超格子が、異なったアモルファス半導体物質の層（１０〜２１）の周期的に繰り返される組み合わせを含んでいる、請求項１〜６のいずれか１項に従う光電池。
【請求項８】
超格子が、水素化半導体物質の層（１０〜２１）の周期的に繰り返される組み合わせを含んでいる、請求項１〜７のいずれか１項に従う光電池。
【請求項９】
箔のある長さ上に物質の層（１０〜２６）を堆積し、該層のうちの少なくともいくつかをパターニングして光電池（１）のアレイを形成することを含み、それによって請求項１〜８のいずれか１項に従う電池のアレイが形成される、光電池のアレイを製造する方法。
【請求項１０】
層が、製造ライン（１８）中のステーション（１９、２０）の少なくとも一つにおいて堆積され、半連続的な長さの箔が各ステーション（１９、２０）を通って前進させられる、請求項９に従う方法。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１項に従う光電池（１）の複数を含んでいる光起電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導電性領域の対の間に少なくとも一つの第一の接合部を含んでいる光電池に関し、この光電池では、該半導電性領域の対のうち少なくとも一つが、第二の物質の形成物をその中に間隔を置いて配置されているところの第一の物質を含んでいる超格子の少なくとも一部を含んでおり、該形成物は十分に小さい寸法を有するので、該超格子の実効バンドギャップが該寸法によって少なくとも部分的に決定され、該半導電性領域間に吸収層が施与され、該吸収層が、輻射を吸収して電荷キャリアの励起をもたらすための物質を含んでおり、該吸収層は該物質自体によって励起準位が決定されるような厚さを有する。
【０００２】
本発明は、光電池のアレイを製造する方法にも関する。
【０００３】
本発明は、複数の光電池を含んでいる光起電装置にも関する。
【背景技術】
【０００４】
このような光電池、製造方法および光起電装置の例は知られている。特許文献１は、ガラスまたはプラスチックから造られ、透明導電性酸化物の層で被覆された透明基板を含んでいるｐ−ｉ−ｎ型光電池を記載している。ｐ−層が導電性酸化物層上に形成され、真性層（ｉ−層）がｐ−層上に形成される。ｎ−層がｉ−層上に形成され、金属背面接触層がｎ−層上に形成される。ドープされた層の導電性を減少することなく該層における吸収を下げるために、超格子が使用されてｐ−層および／またはｎ−層が形成される。
【０００５】
特許文献２は、バンドギャップが第一の所定の値を有する超格子物質を含んでいる第一の活性領域、バンドギャップが第二の所定の値を有する第二の超格子物質を含んでいる第二の活性領域、ならびに第一および第二の活性領域間を電流が流れることができるように第一および第二の活性領域を電気的に相互接続する手段を含んでいるタンデム太陽電池を記載している。アモルファス超格子は多層状物質であり、これらの層は半導電性または絶縁性の四面体結合されたアモルファス物質の薄板であり、該物質は、四面体結合された元素または当該四面体結合された元素を含有する合金から形成されている。各層は厚さが約１５００Å未満である。
【０００６】
後者の電池の問題点は、それを十分に効率的にするために、活性領域を形成する異なった半導電性物質の層の非常に多くの組み合わせを、それが含んでいなければならないことである。さもなければ、超格子によって形成された活性領域において入射光のわずかな部分のみが吸収されるだろう。しかし、該超格子に追加の層を加えることは、該公知の装置を製造することを高価にするだろう。
【特許文献１】米国特許第４，７１８，９４７号明細書
【特許文献２】米国特許第４，５９８，１６４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
所定の製造努力に対して比較的高効率な太陽エネルギーの変換をもたらす光電池、製造方法および光起電装置を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
超格子の実効エネルギー帯のうち少なくとも一つおよび吸収層の物質のエネルギー励起準位のうち一つが、それぞれ、該吸収層の物質のエネルギー励起準位のうち少なくとも一つおよび該超格子の実効エネルギー帯に実質的に整合するように選択されることを特徴とする光電池によって、この目的は達成される。
【発明の効果】
【０００９】
二つの半導電性領域のうち少なくとも一つの第一は、超格子の少なくとも一部を含んでいるので、光電池は比較的高効率にされることができる。超格子の実効バンドギャップは太陽スペクトルの好都合な範囲に一致させられることができる。超格子の個々の層中のいずれの半導体物質の実効バンドギャップとも異なる実効バンドギャップを超格子に付与するために、両物質の形成物の寸法は十分に小さくなければならないという不利点（および十分な輻射を吸収する光電池を造るためには、通常多くの層が堆積されなければならないという不利点）は、輻射を吸収して電荷キャリアの励起をもたらすための物質の層が存在する故に低められる。励起された電荷キャリアは隣接する超格子に移動され、このようにして太陽エネルギーの変換の効率を高める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
光電池内で、輻射を吸収して励起された電荷キャリアが生成される機能、それに続く逆極性の電荷キャリアが分離される（ｐ型およびｎ型ドープ層の存在の故に、対立する電荷は、組み込まれた電場中に反対方向へと引き込まれる。）機能、電荷キャリアの輸送の機能、および分離され輸送された電荷キャリアの収集の機能の間の区別がはっきりされることができる。提案された構造の利点は、機能の分離が達成され、さらに最適化されることができることである。輻射の吸収のための吸収層の物質は、高い吸収係数を有するように特に選択されることができ、他方、超格子を形成する第一および第二の物質、ならびに両物質の形成物の寸法は所望の実効バンドギャップをもたらすように選択される。実効バンドギャップは、超格子中の物質の化学組成および／または構造組成ならびに該物質の形成物の寸法の双方に依存する。輻射を吸収するための吸収層は均一であり、１の処理段階での形成を許し、該層の励起準位は該層の厚さに依存しない。該励起準位は吸収層の化学組成および／またはその成分の相にのみ依存する。
【００１１】
輻射を吸収するための吸収層の励起準位が実効伝導帯に実質的に一致する場合には、負の電荷キャリアの移動はより効率的である。準位が、たとえば実効伝導帯の下縁の０．２ｅＶ以内で、より好ましくは０．１ｅＶ未満以内で一致すると、移動後に失われるエネルギーがより少ない。輻射を吸収するための吸収層の物質が、該吸収層に隣接する半導電性領域の実効価電子帯に実質的に一致する、少なくとも１の安定なエネルギー準位を示す場合には、正の電荷キャリアの移動はより効率的である。準位が、たとえば実効価電子帯の上縁の０．２ｅＶ以内で、より好ましくは０．１ｅＶ未満以内で一致すると、移動後に失われるエネルギーがより少ない。言い換えれば、超格子の実効帯のうち少なくとも一つおよび吸収層の物質の励起準位のうち一つを、それぞれ吸収層の物質の励起準位のうち少なくとも一つおよび超格子の実効帯に実質的に整合するように選択することは、光電池の効率を増加する。超格子の少なくとも１部を含んでいる半導電性領域は、エネルギー選択的輸送層として機能して、輻射を吸収するための吸収層中で生成されたキャリアを取り除く。
【００１２】
１の実施態様は、接合部によって分離され各対とともに減少する実効バンドギャップを有する一連の半導電性領域の対を含み、その場合に、該半導電性領域のうち少なくとも二つが、超格子と、それに隣接する、輻射を吸収して電荷キャリアの励起をもたらすための物質の吸収層であって、励起準位が該物質自体によって決定されるような厚さを有する吸収層と、を含んでいる。
【００１３】
このようにして、いわゆるタンデム電池またはマルチ接合電池が提供される。この構成の利点は、これが、太陽スペクトルの異なった範囲をそれぞれの範囲に特に適合化された異なった領域で変換するために使用されることができることである。電荷キャリアの熱化、すなわち光子がその中に吸収されるところの領域の実効バンドギャップよりも高いエネルギーを有する光子の吸収によって電荷キャリアが生成されるときの熱の発生を、これは減少させる。一連の超格子に直接隣接し、輻射を吸収して電荷キャリアの励起をもたらすための物質の吸収層であって、励起準位が該物質自体によって決定されるような厚さを有する吸収層の存在は、輻射が一連中の次の半導電性領域に到達する前に最大限可能な周波数範囲がろ過されることを確実にする。
【００１４】
１の実施態様では、各超格子は異なった半導体物質の層の周期的に繰り返される組み合わせを含んでおり、該層は十分に薄くて、個々の超格子層中のいずれの半導体物質の実効バンドギャップとも異なる実効バンドギャップをその超格子に付与している。
【００１５】
別の実施態様、たとえば量子ドット超格子を有する実施態様と比較して、本発明の実施態様は、このような超格子を工業的規模で製造する明確な経路が存在する利点を有する。
【００１６】
１の実施態様では、吸収層は半導電性領域の間に挟まれ、これら半導電性領域は異なった実効バンドギャップを有する。
【００１７】
この実施態様は、吸収層の両面上で生成された電荷キャリアが光電池の効率に寄与することを可能にする。
【００１８】
１の実施態様では、輻射を吸収するための物質は、直接遷移型半導体、有機分子物質およびナノ結晶を含んでいる物質のうち少なくとも一つを含んでいる。
【００１９】
後者の種類の物質は、多相構造を含んでいる物質、たとえば該物質中に規則的に配置されたナノメートルサイズの粒子を有するマトリクスから成る物質を包含する。これらの物質では吸収端面は、粒子のサイズを変えることによって操作されることができ、したがって隣接する超格子の実効バンドギャップにエネルギー的に整合されることができる。これは光電池を比較的高効率にすることに寄与する。有機分子物質は、太陽スペクトルの特定の範囲における吸収を達成することに最も容易に適合可能であり、特定の超格子の実効伝導帯および／または価電子帯に整合するように適合させるのが最も容易である。
【００２０】
１の実施態様では、異なったアモルファス半導体物質の層の周期的に繰り返される組み合わせを、超格子は含んでいる。
【００２１】
上記の効果は、実質的に格子の不整合による何らかのひずみを回避することである。この理由の故に、アモルファス半導体物質が、積層するのが最も容易である。
【００２２】
１の実施態様では、水素化半導体物質の層の周期的に繰り返される組み合わせを、超格子は含んでいる。
【００２３】
上記の効果は、配位欠陥を不動態化することである。
【００２４】
他の側面に従うと、光電池のアレイを製造する方法は、箔の全長上に物質の層を堆積し、該層のうち少なくとも一つをパターニングして光電池のアレイを形成することを含み、それによって本発明に従う電池のアレイが形成される。
【００２５】
本発明の光電池の構成の故に、堆積される必要がある物質の層がより少なくなり、製造努力の実質的な節減がもたらされる。
【００２６】
好ましくは、製造ライン中の少なくとも一つのステーションにおいて層は堆積され、該製造ラインでは準連続長の箔が各ステーションを通って前進させられる。
【００２７】
これは光電池のアレイを製造する好都合な様式である。というのは、所望のアレイが箔から切り離されることができるからである。その上、時間のかかるチャンバーの状態調節が回避され、物質の層の堆積の間の交換時間が、アレイを製造するための全時間から省かれる。
【００２８】
他の側面に従うと、本発明に従う光起電装置は、本発明に従う光電池の複数を含んでいる。
【００２９】
該装置は製造するのが比較的に容易であり、同時に良好なエネルギー変換効率を示す。
【００３０】
本発明はこれから、添付された図面を参照してさらに詳細に記載される。
【００３１】
光電池１が、本発明を例示する必要の限りのみにおいて図１に示される。実際の光起電装置では、光電池を環境から密封するためのプラスチック箔の１以上の層および／またはガラス薄板を包含するさらなる層中に、光電池１はカプセル封入されるだろう。例示された実施態様において、光電池１はタンデム電池、すなわち単セルのスタックである。この場合、スタック中の個々のセルは電気的に直列に接続される。並列接続が代案であるが、より複雑である。
【００３２】
例示された光電池１は二端子装置であり、上部電極２および下部電極３を含む。上部電極は透明導電性物質、たとえばＳｎＯ２（酸化スズ）、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｚｎ２ＳｎＯ４（スズ酸亜鉛）、Ｃｄ２ＳｎＯ４（スズ酸カドミウム）またはＩｎＴｉＯ（酸化インジウムチタン）から造られる。下部電極３は金属、たとえばＡｌ（アルミニウム）もしくはＡｇ（銀）、金属合金または透明導電性物質から少なくとも部分的に造られる。１の実施態様では、下部電極３は金属と透明導電性物質との組み合わせから造られ、前者は光電池１の外側に向かって置かれる。
【００３３】
図１の実施態様における光電池１は、半導電性領域４〜９を含んでいる。他の実施態様では、これより少ないまたは多いこのような領域があってもよい。半導電性領域の各対のうち、一方は電子の効率的な輸送領域として機能し、他方は正孔の効率的な輸送領域として機能するように配置される。
【００３４】
図１の実施態様では、半導電性領域４〜９のそれぞれは超格子を含んでいる。超格子に基づいた半導体は従来技術で知られている。本明細書では、超格子の語は公知の二つの変形の両方、すなわち第二の物質の層をその中に間隔を置いて配置されているところの第一の物質の層を含んでおり、双方が十分に薄くてバンドギャップに影響を及ぼす一変形、およびナノ結晶が半導電性層から形成され、ナノ結晶、すなわち量子ドットのサイズが超格子の実効バンドギャップに影響を及ぼす一変形の両方を表すために使用される。後者の種類の超格子の例は、Ｇｒｅｅｎ，Ｍ．Ａ．、「Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ａｌｌ−ｓｉｌｉｃｏｎ  ｔａｎｄｅｍ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ」、１９ｔｈ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ、仏国、パリ、２００４年６月７〜１１日に、より完全に提示されている。層状の種類の超格子は、本明細書に記載されたより詳細な実施態様に含まれている。
【００３５】
層状超格子は、ウェル（井戸）と呼ばれる低いバンドギャップの半導体物質の層と、バリア（障壁）と呼ばれる広いバンドギャップ物質の層との周期的に繰り返される組み合わせを含んでいる。したがって、図１において、第一の半導電性領域４は、第一のバリア層１０ａ〜１０ｃと第一のウェル層１１ａ〜１１ｃとの繰り返される組み合わせを含んでいる。第二の半導電性領域５は、第二のバリア層１２ａ〜１２ｃと第二のウェル層１３ａ〜１３ｃとの繰り返される組み合わせを含んでおり、他方、第三の半導電性領域６は、第三のバリア層１４ａ〜１４ｃと第三のウェル層１５ａ〜１５ｃとの繰り返される組み合わせを含んでいる。第四、第五および第六の半導電性領域７〜９は、それぞれ第四、第五および第六のバリア層１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１７ｃおよび１８ａ〜１８ｃを、それぞれ第四、第五および第六のウェル層１９ａ〜１９ｃ、２０ａ〜２０ｃおよび２１ａ〜２１ｃと交互に含んでいる。層１０〜２１の厚さの値は１〜２ｎｍの範囲に、少なくとも１０ｎｍ未満の範囲にある。半導電性領域４〜９のそれぞれは、一百ｎｍの台、少なくとも２００ｎｍ未満の全厚さを有する。
【００３６】
図１の実施例の層１０〜２１は水素化またはフッ素化アモルファス半導電性物質から造られる。好適な例は水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、水素化アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）、水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）、水素化アモルファスシリコンナイトライド（ａ−ＳｉＮ：Ｈ）および水素化アモルファスシリコンオキサイド（ａ−ＳｉＯ：Ｈ）を含む。ａ−Ｓｉ：Ｈのバンドギャップは堆積条件に依存し、１．６ｅＶ〜１．９ｅＶで様々である。ａ−Ｓｉ：Ｈを炭素、酸素または窒素で合金化すると、合金のバンドギャップが広がり、他方、ゲルマニウムを添加するとバンドギャップが下がる。ａ−Ｓｉ：Ｈおよびａ−ＳｉＧｅ：Ｈをウェル、すなわちウェル層１１、１３、１５、１９、２１の物質として使用し、ならびにａ−ＳｉＣ：Ｈ、ａ−ＳｉＮ：Ｈまたはａ−ＳｉＯ：Ｈをバリア、すなわちバリア層１０、１２、１４、１６、１８の物質として使用することによって、好適な実施態様が造られることができる。ａ−Ｓｉ：Ｈに基づいた層の非周期的構造および水素が配位欠陥を不動態化する能力は、結晶質超格子の場合には当てはまる格子整合のための厳格な要件を取り除く。
【００３７】
超格子を形成するために、いくつかの手法の１以上が使用されることができる。これらの手法は化学気相成長法、反応性（共）スパッタリング法および反応性（共）蒸発法等を包含する。例示された実施例を製造するために好都合な手法はプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）である。シランのようなケイ素源搬送ガスに適当なガスを添加することによって、ａ−Ｓｉ：Ｈの合金化が容易に達成されることができるので、この手法は好都合である。格子整合されてもなくエピタキシャルでもないが、それでもなお欠陥が本質的になく原子的にほとんど急峻である界面を有する超格子が組み立てられることができることが実証された。
【００３８】
隣接する半導電性領域４〜９の別々の対は、Ｎ型およびＰ型領域を含んでいるトンネル再結合接合部２２、２３によって分離されている。トンネル再結合接合部２２、２３は内部直列接続を提供し、そこで、隣接する半導電性領域の対から到達する対立電荷キャリアの再結合が起きる。トンネル再結合接合を形成する層を通ってのキャリアのトンネル作用は、該再結合を促進する。光生成されたキャリアの有効な再結合は、該接合部の中心部における欠陥状態を通して起きる。該接合部の中心部における光生成されたキャリアの再結合は、太陽電池内に電流の流れを保つ。
【００３９】
半導電性領域のそれぞれの対のうち、一方は正孔の効率的な輸送領域として機能し、他方は電子の効率的な輸送領域として機能する。図１の例示された実施態様では、Ｎ型半導体領域およびＰ型半導体領域、すなわちトンネル再結合接合部２２、２３の一部を形成するドープされた半導体領域に、超格子は付着される。該ドープされた領域が超格子を含んでいてもよいことが注記される。
【００４０】
周知のように、ドープされた層からの大部分の電荷キャリアの外部拡散によって形成された、別様にドープされた半導体中の空間電荷は、内部電場を生じる。励起によって生成された可動電荷キャリアの分離を、これは引き起こす。第一および第二の半導電性領域４、５の組み合わせは、太陽スペクトルの第一の範囲内の太陽エネルギーを変換し、第三および第四の半導電性領域６、７の組み合わせは、太陽スペクトルの第二の、異なっているがひょっとすると重なり合う領域を変換し、第五および第六の半導電性領域８、９の組み合わせは、さらに他の範囲を変換する。トンネル再結合接合部２２、２３は、三対の半導電性領域が直列に電気接続されていることを確実にする。
【００４１】
半導電性領域４〜９は、漸次減少する実効バンドギャップを有する。したがって、第一および第二の半導電性領域４、５は、より大きい実効バンドギャップを有し、その結果、太陽スペクトルのより高い（周波数）範囲にある光子を捕捉する。中間の半導電性領域６、７は、太陽スペクトルの中間の範囲にある実効バンドギャップを有する。より低い半導電性領域８、９は、太陽スペクトルのより低い範囲にある実効バンドギャップを有する。上部半導電性領域４、５は、上部電極２に最も近く置かれる。使用中、上部電極２は入射光に曝露され、入射光はこのようにして半導電性領域４〜９中を、減少する実効バンドギャップの順番に通過する。電荷キャリアの熱化が抑制される故に、太陽エネルギー変換の改良された効率を、この配置はもたらす。
【００４２】
半導電性領域４〜９の上部、中間および下部の対の中間に、輻射を吸収するための物質の第一、第二および第三の吸収層２４〜２６をそれぞれ挿入した結果として、入射輻射の吸収の大部分は該吸収層によって占められる。したがって、ウェル層およびバリア層の量を低減することによって、半導電性領域の厚さは限定されることができ、これは製造の観点から好都合である。輻射を吸収するための物質の吸収層２４〜２６は、対を形成するそれぞれの超格子に隣接する。これらの組成によってその励起準位が決定されるような厚さを、該吸収層は有する。該厚さの好適な値は、約５０ｎｍの範囲に、好ましくは約１０ｎｍの範囲にある。
【００４３】
吸収層２４〜２６は、直接遷移型半導体物質を含んでいてもよい。このような物質は１０４〜１０６ｃｍ−１の比較的高い吸収係数を有し、その結果、吸収層２４〜２６は薄く保たれることができる。たとえば、２．４５ｅＶのバンドギャップを有するＣｄＳは、５００ｎｍにおいて約１０５ｃｍ−１の吸収係数を有し、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２は、このバンドギャップが１．０〜１．７ｅＶの広い範囲で様々であることができ、このエネルギー範囲において１０４〜１０５ｃｍ−１の吸収係数を有する。吸収は、価電子帯から伝導帯への電子の励起が関係する。比較的高い吸収係数も、選択肢の一つである、すなわち有機分子物質の特徴である。本明細書に記載された実施例において、このような物質が使用される。有機分子物質中では、励起された電荷キャリアは普通、励起子と呼ばれる。好適な有機分子物質はポルフィリンおよびフタロシアニンを包含する。これらは、それぞれ約２．９ｅＶおよび１．７７ｅＶの光子エネルギー準位に相当する周波数を中心として狭い吸収帯を有する。特にフタロシアニン分子は化学的に非常に安定であり、真空蒸発によって堆積されることができる。吸収層２４〜２６中の該物質の励起準位は、これらが隣接する超格子の実効バンドに整合することが許されるように選択される。これらのバンドギャップは薄層１０〜２１の寸法によって巧みに設計されることができるので、このような整合は比較的高い精度で達成されることができる。
【００４４】
吸収層２４〜２６中の電荷キャリアは、隣接する超格子の実効伝導帯の下方境界以上の準位へ励起される。これは電荷キャリアの超格子への移動を比較的高い効率で許す。電荷キャリアが伝導帯へ移動される際に被る熱化損失が低い故に、該効率は高い。整合は、好ましくは１電子ボルトの十分の一の範囲内の値、たとえば０．１または０．２ｅＶの値まで精密である。分子物質中で、電荷キャリアは最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）まで励起され、これはしたがって隣接する超格子の実効伝導帯の下方境界に整合する。好ましくは、そこから電荷キャリアが励起されるところの状態（この状態は、輻射を吸収するための分子物質中の最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）と呼ばれる。）は、実効価電子帯に、少なくともその上限に同じ精度までで整合する。
【００４５】
図２は、光電池１の一般概念をエネルギー線図によって示す。第一および第二の吸収層２７、２８は超格子２９〜３２の一部に隣接する。超格子２９〜３２は、実質的に真性半導電性物質の特性を有する。これらは、隣接する吸収層２７、２８の安定準位または励起準位に実質的に整合された伝導帯または価電子帯を有するエネルギー選択的輸送層を形成する。実際、図２に示されたように、超格子３０、３２の伝導帯は、隣接する吸収層２７、２８の励起準位のわずかに下にあり、他方、超格子２９、３１の価電子帯は、隣接する吸収層２７、２８の安定準位のわずかに上にある。
【００４６】
第一の吸収層２７に隣接する超格子３０の一部および第二の吸収層２８に隣接する超格子３１の一部は、異なった実効バンドギャップを有する半導電性領域を形成する。超格子２９〜３２のうちの一つの一部が電子または正孔の有効な輸送として機能するか否かは、三つのトンネル再結合接合部３３〜３５のうちの一つの隣接半導電性領域の性質によって決定される。トンネル再結合接合部３３〜３５は、それぞれ一対の半導電性層を含んでおり、そのうちの一方はドープされてＰ型半導電性層にされ、他方はＮ型半導電性層にされる。トンネル再結合接合部の機能は、超格子２９〜３２のそれぞれと統合された吸収層２７、２８との間の直列接続を与えること、および光電池１の活性領域内に内部電場を構成することである。
【００４７】
図３は、光電池１の図２の一般概念の一変形をエネルギー線図によって示す。この場合にも、第一および第二の吸収層２７、２８は超格子２９〜３２の一部に隣接する。しかし、単一対の超格子２９〜３２は図３の実施態様において異なっている。一対内において異なった実効バンドギャップを有するように、超格子２９〜３２は選択される。超格子２９中で励起された負の電荷キャリアは、トンネル再結合接合部３４に向かって強制的に送られ、他方、超格子３０中で励起された正の電荷キャリアは、トンネル再結合接合部３３に向かって送られるように、バンドギャップは設計される。
【００４８】
図４は、これまで説明されてきた太陽電池１の構成を有する太陽電池のアレイを製造するための製造ライン３６を示す。この実施例における製造ライン３６は二つのステーション３７〜３８を含んでおり、これらを通して箔の全長が前進させられる。第一のロール３９から第二のロール４０に箔が移動されるときに、太陽電池のアレイは該箔上に形成される。二つのステーション３７、３８は、これらよりも多くがあることもできるので、例示のためのみである。特にＰＥＣＶＤが使用される場合には、箔の通路に沿って置かれた一つ以上のステーション３７、３８において層１０〜２１、２４〜２６を相次いで形成することによって、太陽電池は非常に効率的に製造されることができる。レーザーまたは他の切削技術を使用して、パターニングが施与されて、個々の電池が形成される。第一および第二のロール３８、３９を使用する故に、ロール３９、４０の最大実施可能な直径によって主に制限されて、準連続製造が可能になる。さらなる処理、たとえばプラスチック保護層の施与、裏張層の除去等の後に、箔の全長から好適なサイズのアレイが形成されることができる。アレイはそれから、適当なコネクタおよび任意的な付加回路を含んでいる光起電装置中へと取り込まれる。スペクトル選択的吸収物質の吸収帯に整合するように設計された実効バンドギャップを有する超格子と併せて、該物質のユニットを使用することは、とりわけタンデム電池の構成に使用することは、光起電装置を高効率にしかつそれを製造するのが比較的複雑ではないものにする。
【００４９】
本発明は上記の実施態様に限定されず、添付された特許請求の範囲の範囲内で様々であることができる。たとえば、輻射を吸収するための物質の吸収帯は部分的に重なり合うことができる。また、輻射をスペクトル選択的に吸収するための層に隣接する半導電性領域の各対のうちの一つが、超格子を含んでいる代わりに、無機の、直接遷移型または間接遷移型の半導電性物質から造られる実施態様も可能である。さらに、マルチ接合電池を形成する半導電性領域の対は、無機半導電性物質の層によって分離されてもよく、またはこのような層は電極と超格子との間に施与されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】光電池の実施例の構成を示す、正確な縮尺ではない概略図である。
【図２】光電池の一変形を示すエネルギー線図である。
【図３】光電池の他の一変形を示すエネルギー線図である。
【図４】光電池のアレイを製造するための製造ラインを示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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