(57)【要約】太陽電池は、光起電性エネルギ源と、この光起電性エネルギ源の前面上に配置された金属グリッドラインの前面アレイと、この金属グリッドラインの前面アレイと電気的に連続している母線構造とを備えている。その母線構造は、光起電性エネルギ源の前面上に重なって接触している電気絶縁層と、この電気絶縁層上に重なって接触している金属母線層とを有している。金属母線層は、金属グリッドラインの前面アレイと電気的に連続している。太陽電池は、集中装置太陽電池であることが好ましい。【選択図】なし
2007525006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面およびその反対側に配置された後面を有する光起電性エネルギ源と、
この光起電性エネルギ源の前面上に配置された金属グリッドラインの前面アレイと、
金属グリッドラインの前面アレイと電気的に連続している母線構造とを備えており、
この母線構造は、
光起電性エネルギ源の前面上に重なって接触している電気絶縁層と、
この電気絶縁層上に重なって接触している金属母線層とを有しており、金属母線層は金属グリッドラインの前面アレイと電気的に連続している太陽電池。
【請求項２】
光起電性エネルギ源は２つの半導体材料層を備えている請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
光起電性エネルギ源は３以上の半導体材料層を備えている請求項１記載の太陽電池。
【請求項４】
太陽電池はさらに、光起電性エネルギ源の後面上に重なってこれと接触している後面金属電極を備えている請求項１記載の太陽電池。
【請求項５】
電気絶縁装置は酸化物または窒化物である請求項１記載の太陽電池。
【請求項６】
電気絶縁層の厚さは約０．３乃至約２マイクロメートルである請求項１記載の太陽電池。
【請求項７】
電気絶縁層の厚さは約０．５マイクロメートルである請求項１記載の太陽電池。
【請求項８】
電気絶縁層は、金属母線層を越えて横方向に延在している請求項１記載の太陽電池。
【請求項９】
さらに、太陽エネルギを光起電性エネルギ源の前面に集中させるために配置された太陽光集中装置を備えている請求項１記載の太陽電池。
【請求項１０】
さらに、太陽エネルギを２００太陽を超える集中率で光起電性エネルギ源の前面に集中させるために配置された太陽光集中装置を備えている請求項１記載の太陽電池。
【請求項１１】
さらに、太陽エネルギを約３００乃至約５００太陽の集中率で光起電性エネルギ源の前面に集中させるために配置された太陽光集中装置を備えている請求項１記載の太陽電池。
【請求項１２】
２以上の半導体材料層を備え、前面およびその反対側に配置された後面を有している光起電性エネルギ源と、
太陽エネルギを光起電性エネルギ源の前面に集中させるように構成された太陽光集中装置と、
光起電性エネルギ源の前面上に配置された金属グリッドラインの前面アレイと、
光起電性エネルギ源の後面上に重なってそれと接触している後面金属電極と、
金属グリッドラインの前面アレイと電気的に連続している母線構造とを備えており、
この母線構造は、
光起電性エネルギ源の前面上に重なって接触している電気絶縁層と、
この電気絶縁層上に重なって接触している金属母線層とを有しており、金属母線層は金属グリッドラインの前面アレイと電気的に連続している太陽電池。
【請求項１３】
電気絶縁層は酸化物である請求項１２記載の太陽電池。
【請求項１４】
電気絶縁層の厚さは、約０．３乃至約２マイクロメートルである請求項１２記載の太陽電池。
【請求項１５】
電気絶縁層の厚さは約０．５マイクロメートルである請求項１２記載の太陽電池。
【請求項１６】
電気絶縁層は金属母線層を越えて横方向に延在している請求項１２記載の太陽電池。
【請求項１７】
太陽光集中装置の集中率は約３００乃至約５００太陽である請求項１２記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流遮断から保護された太陽電池に関し、とくに、高い集中率を有する集中装置太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、１以上の半導体接合部を形成する互いに緊密に接触した光活性半導体材料の２以上の層を備えている。太陽光のような適切な形態の光により刺激されたとき、これらの接合部は電気エネルギを発生する。これは、光電流および光電圧の形態で表される。外部負荷が太陽電池を横切って接続されたとき、順方向バイアス電圧の印加によって電力が回路から引き出されることができる。最新の太陽電池は、３以上の半導体層と、それらの各対の半導体接合部とを備えていることができる。最新の太陽電池の半導体層の種々の対は、この太陽電池の電力出力を最大化するように太陽の種々のスペクトル成分と同調されている。
【０００３】
最新の多層太陽電池は集中装置構成において非常に有効に使用されており、その太陽電池の表面積より広い面積に対する太陽のパワーがミラーまたはその他によって太陽電池上に集中される。各集中装置太陽電池は、同じ表面積を有する非集中装置太陽電池より著しく高い電流出力を生成する。集中装置太陽電池のほうが製造費用は高価であるが、そのコストは高い集中レベルでの動作で相殺される。集中装置太陽電池を使用すべきか、あるいは非集中装置太陽電池を使用すべきかはその太陽電池の用途に応じて決まるが、しかし、たとえば、集中装置太陽電池を低いセルおよびシステムコストおよび高集中率で動作させることが可能ならば、多数の地上で使用する太陽電池は電力利用設備に対して集中装置太陽電池を使用することになるであろう。同様に、集中装置太陽電池を軽量でコンパクトなものにすることが可能ならば、多くの宇宙適用がそれらの恩恵を受けるであろう。集中率は典型的に、太陽の強度の倍数、たとえば２００太陽等で表され、この２００太陽とは、太陽電池の前面上に入射した太陽エネルギの強度が同じ表面積に対する通常の太陽の強度の２００倍であるということである。
【０００４】
半導体層において光を吸収した結果生成された電流は、太陽に向けられた太陽電池の前面上に配置された金属グリッドラインと、太陽と反対の方向を向いた太陽電池の後面上の後面金属電極とを有するコレクタ構造によって収集される。その後、収集された電流は母線構造によってコレクタ構造から導き出される。母線構造は通常は太陽電池のエッジに沿ってその前面上に配置されている。この構造は非集中装置太陽電池に対して十分に動作する。
【０００５】
しかしながらこの構造は、高集中率で、とくに、約２００太陽より高い集中率で集中装置太陽電池の高電流条件では適切に機能する能力が限られている。高い電流はまた太陽電池の活性面積の寸法に依存する。既存の設計は早期に故障するため、典型的な太陽電池に比較して太陽電池およびシステムのコストを下げる試みはその短い動作寿命によって無効にされる。とくに、高集中システム上の太陽電池のような、比較的近づきにくい場所で使用される太陽電池はその短い寿命のために候補から除外される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、高集中率の集中装置太陽電池としての使用に適しており、あるいは低集中率の集中装置太陽電池に、もしくは非集中装置太陽電池にさえ適した太陽電池が必要とされている。本発明はこの必要性を満足させ、さらに関連した利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、従来の太陽電池と比較して改良された電流伝送特性を有する太陽電池を提供する。本発明の方法は、グリッドラインからの電流が母線構造に送られてこの母線構造により導かれるため、その母線構造中の電流が高くなる集中装置太陽電池に適用されたときに、その利点が最大になる。母線構造においてさらに高い電流を伝送することにより、集中装置太陽電池は通常の集中装置太陽電池より高い集中率で、したがって高い効率で動作することができる。太陽電池の寿命は、太陽電池の故障しきい値を増加させることにより延ばされる。非集中装置太陽電池におけるものより高い開回路電圧が生成され、それによって高いフィルファクタ（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ）を可能にする。さらに、追加された利点として、逆方向バイアス破壊電圧が増加され、その一方で装置の飽和電流を減少させる。
【０００８】
本発明によると、太陽電池は光起電性エネルギ源を備え、その光起電性エネルギ源は接触したｎ型およびｐ型の半導体層と、前面およびその反対側に配置された後面とを備えている。太陽電池は、光起電性エネルギ源の前面上に配置された金属グリッドラインの前面アレイを有している。また、典型的に、光起電性エネルギ源の後面上には後面金属電極が重ねられてこれと接触している。母線構造が金属グリッドラインの前面アレイと電気的に連続している。この母線構造は、光起電性エネルギ源の前面上に重なって接触している電気絶縁層と、この電気絶縁層上に重なって接触している金属母線層とを有している。金属母線層は、金属グリッドラインの前面アレイと電気的に連続している。
【０００９】
光起電性エネルギ源は任意の動作タイプのものであることができる。典型的に、それは、半導体材料の２以上の層を備えた比較的薄い平坦な構造であり、１つの好ましい場合においては、周期表中のＩＩＩ−Ｖ元素の元素グループの金属有機気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）によって成長される。最も簡単な光起電性エネルギ源はちょうど２つの光活性半導体材料層を有しており、一方、集中装置太陽電池において使用されるさらに複雑でさらに高電流の光起電性エネルギ源は３以上の光活性半導体材料層を有している。
【００１０】
母線構造の電気絶縁層は、二酸化珪素（ＳｉＯ2）ような酸化物であることが好ましい。電気絶縁層の厚さは約０．３乃至約２マイクロメートルであることが好ましく、非常に好ましい最適な厚さは約０．５マイクロメートルである。金属母線層と光起電性エネルギ源との間のエッジ電流漏洩を回避するために、電気絶縁層はそれが金属母線層と重なりあう（あるいは、金属母線層より広くなる）ように金属母線層の下から横方向に延在していることもまた好ましい。
【００１１】
上述したように、本発明の方法は、太陽電池が太陽エネルギを光起電性エネルギ源の前面に集中させるために配置された太陽光集中装置を備えた集中装置太陽電池であるときに、その利点が最大になる。太陽光集中装置によって達成される集中率は、２００太陽より高いことが好ましく、約３００乃至約５００太陽および１０００以上程度の太陽が非常に好ましい。
【００１２】
高い集中率を有する通常の集中装置太陽電池の電流制限および早期故障の原因は、光起電性エネルギ源の下に位置する半導体材料を通って金属母線層を短絡させる小さい局部電流分路（時に“フィラメント”と呼ばれる）によって発生された熱の結果であることが決定されている。これらの電流分路は、成長プロセスの結果としての微小な半導体欠陥および半導体材料中の異物の微粒子のために生じる。結晶成長技術を修正することによってこのような欠陥および微分子を徹底的に回避することは可能であるが、しかし現在のところこのような解決方法は利用することはできない。
【００１３】
その代りに、本発明の方法は、電気絶縁層を金属母線層と光起電性エネルギ源の半導体材料の表面との間に配置する。電気絶縁層は分路を通った電流を遮断し、主要な故障メカニズムである局部的な加熱を回避する。この方法は、これが光起電性エネルギ源との前面電気コンタクトとして機能する金属導体の量を減少させ、それによって結果的に金属グリッドラインのアレイ中の電流密度が見掛け上は増加するため、いくぶん直観に反したものである。しかしながら、太陽電池のグリッドパターンは分離された金属母線層の真下の半導体材料中での電流収集の欠如を補償するように設計されているため、これは問題ではない。分路故障メカニズムを回避することにより、著しく高い電流が電流を金属グリッドラインの前面のアレイから導く金属母線層を通って流れることが可能になることが認められている。
【００１４】
本発明の方法は電気絶縁層を金属グリッドラインのアレイの下に配置しない。何故ならそれは、これが太陽電池の前面からのそれらの電流収集に悪影響を及ぼすからである。
【００１５】
以上のように、本発明の方法は、太陽電池が高い電流で、およびさらによい電気特性で動作することを可能にする。本発明の別の特徴および利点は、以下の好ましい実施形態のさらに詳細な説明および本発明の原理を例示によって示している添付図面から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、電圧／電流生成素子30を備えた太陽電池20を示しており、この電圧／電流生成素子30は、前面24とその反対側に配置された後面26とを有する光起電エネルギ源22を含む太陽電池20を備えている。示されている例においては、太陽電池20は集中装置太陽電池18の一部であり、この集中装置太陽電池18は、太陽エネルギを光起電エネルギ源22の前面24に向って集めるように配置された太陽光集中装置28を有している。太陽光集中装置28はミラー、屈折レンズ、または複数のミラーと複数のレンズを組合せたものを備えている。別の形態の太陽光集中装置28が使用されてもよいが、示されている太陽光集中装置28は、太陽電池20がその放物面の焦点の近くに配置されている放物面ミラーである。示されている光線路32は、太陽光集中装置28から電圧／電流生成素子30に反射された太陽光の通路を示している。
【００１７】
本発明の方法は、全ての太陽電池に関して有用であるが、この方法は、２００太陽より高く、非常に好ましくは約３００乃至約５００太陽の集中率を有するこのような集中装置太陽電池18により非常に有効に使用される。（集中率は１つの太陽の強度の倍数で表される。２００の集中率は、光起電性エネルギ源22の前面24上に入射した太陽放射線の強度が同じ表面積に対する太陽の普通の強度の２００倍であることを示している。）
図２乃至４は、電圧／電流生成素子30をさらに詳細に種々の観察方向の図で示している。光起電エネルギ源22は比較的薄い多層構造の半導体層34であり、この多層構造の各層は半導体材料から形成され、互いに対向して接触しており、太陽光またはその他の光によって照射されたときにそれらの間に電圧を生成するように構成されている。光起電エネルギ源22はちょうど２つの半導体層34を有していてもよいし、あるいはそれは３以上の半導体層34を有していてもよい。３個以上の半導体層34を有するものであって２００個以上の半導体層34を有することが多い光起電性エネルギ源22が集中装置太陽電池18において使用されることが好ましい。このような光起電性エネルギ源22の構造およびそれらの製造技術は、ここに記載されている特徴を除いて技術的に知られている。たとえば、その開示がここにおいて参考文献とされている米国特許第 5,330,585号明細書を参照されたい。
【００１８】
太陽電池20の電圧／電流生成素子30はさらに、光起電性エネルギ源22の前面24上に配置して付着された金属グリッドライン38の前面アレイを有する電流コレクタ構造36を備えている。光は、金属グリッドライン38の間の間隙を通って光起電性エネルギ源22に到達する。電流コレクタ構造36はまた、光起電性エネルギ源22の後面26上に重なってこれと接触している後面金属電極40を備えている。光起電性エネルギ源22の後面26を光で照射する必要がないため、後面金属電極40は典型的にこの後面26全体をカバーする。金属グリッドライン38は、光起電性エネルギ源22の平面において測定された典型的に約１５マイクロメートルの最も狭い幅ＷGを有している。金属グリッドライン38の厚さは典型的に約５マイクロメートルであり、後面金属電極40の厚さは典型的に約５マイクロメートルである。金属グリッドライン38および後面金属電極40は、順方向バイアス電圧が半導体光起電性エネルギ源22を横切って印加されたときに生成された電流を収集する。金属グリッドライン38および後面金属電極40はそれぞれ金属であり、典型的には銀である。
【００１９】
母線構造42は、金属グリッドライン38の前面アレイとの電気連続性を提供する。母線構造42は、金属グリッドライン38によって光起電性エネルギ源22の前面24から収集された電流を外部位置（示されていない）に導く。
【００２０】
母線構造42は、光起電性エネルギ源22の前面24の一部分上に重なってこれに接触している電気絶縁層44を備えている。この電気絶縁層44は酸化物または窒化物であることが好ましく、二酸化珪素（ＳｉＯ2）であることが非常に好ましい。電気絶縁層44の厚さｔIは、約０．３乃至約２マイクロメートルであることが好ましく、約０．５マイクロメートルであることが非常に好ましい。電気絶縁層44の厚さｔIが約０．３マイクロメートルより薄い場合、電気絶縁層44が配置されていないむき出しのスポットが現れるか、あるいは電気絶縁層44にピンホールが生じる危険がある。どちらの場合にも、結果的に分路の可能などの位置でも付加的な電流集中が発生する可能性がある。電気絶縁層44の厚さｔIが約２マイクロメートルより厚い場合、電気絶縁層44と光起電性エネルギ源22の半導体層34との間の、電気絶縁層44の完全性を含む埋込みひずみ（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ  ｓｔｒａｉｎ）が減少する可能性がある。この影響は、電気絶縁層44を光起電性エネルギ源22から剥離させて故障させる可能性のある熱膨張係数の差による熱ひずみの結果生じた熱応力と関連して作用する。さらに、厚すぎる電気絶縁層44は金属グリッドライン38と金属母線層との間に高すぎる段差46を生成し、これによって金属グリッドライン38から金属母線層に流れる電流が妨害される可能性がある。
【００２１】
母線構造42はさらに、電気絶縁層44の上に重なってこれに接触している金属母線層48を備えている。この金属母線層48は、金属グリッドライン38の前面アレイと電気的に連続している。金属母線層48は、光起電性エネルギ源22の平面において測定された最も狭い幅ＷBを有しており、それは金属グリッドライン38の最も狭い幅ＷGよりはるかに広い。金属母線層48は通常金属グリッドライン38と同じ金属から形成され、その厚さは典型的に約５マイクロメートルである。
【００２２】
電気絶縁層44は、電気絶縁層44および光起電性エネルギ源22が生成された結晶成長または付着プロセスの結果として光起電性エネルギ源22のその前面24に存在している可能性のある欠陥および異物と金属母線層48との間に電流分路が形成されないようにする。電気絶縁層44は金属母線層48を越えて横方向に延在し、それによってはみ出し部分50を形成することが望ましい。すなわち、電気絶縁層44は前面24の平面における全ての方向において金属母層48より広いことが好ましい。はみ出し部分50は、任意の電流路および、したがって、金属母線層48と光起電性エネルギ源22との間の短絡を阻止する。
【００２３】
金属グリッドライン38および母線構造42によってカバーされていない光起電性エネルギ源22の前面24の残りの部分は、随意に、通常の多層反射防止被覆52でカバーされる。
【００２４】
図５は、太陽電池20を製造する方法を示している。ステップ60において、光起電性エネルギ源22が生成される。光起電性エネルギ源22を生成する技術は技術的に知られており、たとえば、米国特許第 5,330,585号明細書に記載されている。
【００２５】
ステップ62において、その大きさを規定するために適切なマスクを使用して電気絶縁層44が付着される。電気絶縁層44が二酸化珪素である場合、その電気絶縁層44は低圧化学気相付着法（ＬＰＣＶＤ）またはプラズマ増強された化学気相付着法（ＰＥＣＶＤ）によって付着されることが好ましい。
【００２６】
ステップ64において、その横方向の大きさ（電気絶縁層44の横方向の大きさより小さく、それによってはみ出し部分50を残すことが好ましい）を規定するのに必要とされる適切なフォトマスクを使用して金属母線層48を付着させる。銀の金属母線層48の場合、この付着ステップ64は物理気相付着法によって行われることが好ましい。
【００２７】
太陽光集中装置28が使用される場合、ステップ66において、これを電圧／電流生成素子30に関して配置し、集中装置太陽電池18の製造を終了する。
【００２８】
本発明の方法にしたがって、その集中率が３２５太陽になるように設計された集中装置太陽電池が製造され、同じ形態であるが電気絶縁層44を有しない集中装置太陽電池と比較するテストを行われた。電気絶縁層44を有する集中装置太陽電池は約５．６アンペアの平均順方向バイアス電流で故障し、一方電気絶縁層44を有しない集中装置太陽電池は約３．５アンペアの平均順方向バイアス電流で故障する。この重要な結果は、この特定の設計に関して、電気絶縁層44を有する集中装置太陽電池は約３５０太陽までの集中率で動作することができ、一方電気絶縁層44を有しない集中装置太陽電池が動作することのできる最大集中率はわずか約２００太陽に過ぎないことを意味している。もっと高い電流で動作することのできる別の太陽電池設計に関して、集中率は上述したものより高い連続動作しきい値に到達する。とくに、５００および１０００太陽に対して製造された集中装置太陽電池が本発明の方法により設計されており、それらは故障せずに動作することに成功している。
【００２９】
電気絶縁層44を有するおよび有しない集中装置太陽電池はまた、逆バイアス条件においてテストされた。電気絶縁層44が存在する結果、逆バイアス破壊電圧が増加し、飽和電流が低下した。
【００３０】
以上、本発明の特定の実施形態を説明するために詳細に記載してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の修正および増強を行うことが可能である。したがって、本発明は添付された特許請求の範囲のみによって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】集中装置太陽電池の概略図。
【図２】図１に示されている太陽電池の平面図。
【図３】図２に示されている太陽電池の斜視図。
【図４】図２に示されている太陽電池の図２のライン４−４における断面図。
【図５】太陽電池を処理する方法のブロックフロー図。
【図１】
2007525006.tif 000003
【図２】
2007525006.tif 000004
【図３】
2007525006.tif 000005
【図４】
2007525006.tif 000006
【図５】
2007525006.tif 000007
【国際調査報告】
2007525006.tif 000008
2007525006.tif 000009