(57)【要約】  非常に高効率の太陽電池の設計について記載する。新規の交番バイアススキームにより、ホットキャリアの抽出を可能にすることによって、光電力抽出能力を電池の禁制帯幅を超えて増強する。従来の太陽電池に適用すると、この交番バイアススキームは、その正味効率の２倍以上の能力を有する。量子井戸（ＱＷ）又は量子ドット（ＱＤ）を組み込んだ太陽電池と合わせて適用すると、上述の交番バイアススキームは、このような太陽電池の電力抽出カバー範囲を、場合によっては太陽光スペクトル全体にわたって拡張する能力を有する。このような電池において、新規の交番バイアススキームによって、電池のエネルギ変換能力を、電池材料の禁制帯幅を超えて拡張し、量子閉じ込め構造を用いて、電池のエネルギ変換能力を、電池の禁制帯幅未満に拡張する。光閉じ込めキャビティを電池構造内に組み込むことにより、電池の内部光放出を吸収できるようにし、これによって電池の効率を更に増強する。
2013531391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単接合並びに第１及び第２のコンタクトを有する太陽電池に関して、前記第１及び第２のコンタクトにわたるバイアスを、前記バイアスの最小値と最大値の間で周期的に交番させること；
前記バイアスの最小値と最大値の間での交番の期間は、前記太陽電池のホットキャリア冷却時間より短く、これにより、様々なエネルギレベルにわたって、前記太陽電池から光励起キャリアを抽出すること
を含む、太陽電池を動作させる方法。
【請求項２】
前記太陽電池はバルク材料太陽電池である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記太陽電池には量子閉じ込めが組み込まれている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記バイアスの最小値は、前記太陽電池のビルトインポテンシャルが、前記太陽電池内で光励起される電子及び正孔（キャリア）を、前記太陽電池の前記第１及び第２のコンタクトに向けて、その最大値に近づく又は到達する輸送速度で加速するために十分なほど高くなるようなバイアス値であり；並びに
前記バイアスの最大値は、前記太陽電池内で生成される前記光励起キャリア（ホットキャリア）の電気化学ポテンシャルの最大値と実質的に等しい、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記太陽電池はまず、固定バイアスで動作して、回路に電力を供給して、これによって、前記第１及び第２のコンタクトにわたる前記バイアスを、前記バイアスの最小値と最大値の間で周期的に交番させる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記太陽電池のバイアス値が前記バイアスの最小値に近づく又は到達するサブ期間は、前記太陽電池が達成する平均光電圧を、その可能な最高値又はその付近に維持するために十分なほど短く選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記太陽電池のバイアス値が前記バイアスの最小値に近づく又は到達する前記サブ期間は、前記太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記太陽電池の前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するような平均キャリア輸送速度を持続するために十分なほど長く選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記バイアスの最小値と最大値の間での周期的な交番の前記期間、及び前記サブ期間と前記交番期間との比は、前記太陽電池の禁制帯幅、キャリア移動性及び結晶格子特性に応じて選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記バイアスの最小値及び最大値は、共に前記太陽電池の順方向バイアス内である、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記順方向バイアスの前記交番は、前記交番期間より短い少なくとも１つの時間間隔を含み、その間に、前記太陽電池のバイアスは、前記太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するために十分な平均キャリア輸送速度を持続するような、逆バイアス持続時間及び反復期間値に到達する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記太陽電池のバイアス値が前記バイアスの最小値に近づく又は到達する前記サブ期間は、前記太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するような平均キャリア輸送速度を持続するために十分なほど長く選択され、
前記太陽電池のバイアス値が前記バイアスの最小値に近づく又は到達する前記サブ期間は、前記太陽電池が達成する前記平均光電圧を、その可能な最高値又はその付近に維持するために十分なほど短く選択され、
前記バイアスの最小値と最大値の間での周期的な交番の前記期間、及び前記サブ期間と前記交番期間との比は、前記太陽電池の前記禁制帯幅、前記キャリア移動性及び前記結晶格子特性に応じて選択され、
これにより、前記太陽電池のコンタクト間での前記抽出エネルギの分離が、前記太陽電池内の前記光励起キャリアの前記電気化学ポテンシャルのプロファイルに実質的に適合する様々な抽出エネルギにわたって一時的に広がることができ、従って、単接合太陽電池が、多接合太陽電池のエネルギ抽出効率の便益を有することができるようになる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記太陽電池のバイアス値が前記バイアスの最小値に近づく又は到達する前記サブ期間は、前記太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するような平均キャリア輸送速度を持続するために十分なほど長く選択され、
前記太陽電池のバイアス値が前記バイアスの最小値に近づく又は到達する前記サブ期間は、前記太陽電池が達成する前記平均光電圧を、その可能な最高値又はその付近に維持するために十分なほど短く選択され、
前記バイアスの最小値と最大値の間での周期的な交番の前記期間、及び前記サブ期間と前記交番期間との比は、前記太陽電池の前記禁制帯幅、前記キャリア移動性及び前記結晶格子特性に応じて選択され、
これにより、前記太陽電池のコンタクト間での前記抽出エネルギの分離が、前記ホットキャリア冷却速度と同等、またはこれより速い速度で、広範な抽出エネルギにわたって一時的に広がることができ、
これにより、前記太陽電池内の前記光励起キャリア間の前記エネルギ分離と実質的に等しい、前記コンタクト間の瞬間的なエネルギ分離によって、前記太陽電池のコンタクトに到達する前記光励起キャリアを、各前記コンタクトにおける、時間的に不連続の狭い抽出エネルギ幅を通して、前記太陽電池の負荷へと輸送することができるようになる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記太陽電池の材料は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウムジセレニド（ＣＩＳ）、銅インジウムガリウムジセレニド（ＣＩＧＳ）及びIII−Ｖ材料の合金から選択され；
前記太陽電池の前記第１及び第２のコンタクト間での、前記バイアスの最小値と最大値の間での前記バイアス値の前記交番は、前記ホットキャリア冷却時間と同等、又はこれより短い交番期間を有し、これにより、前記ホットキャリアを、前記太陽電池材料又は前記太陽電池のコンタクト内で冷却される前に前記太陽電池から抽出できるような、前記時間的に不連続の狭い抽出エネルギ幅を可能とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記太陽電池の前記材料は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウムジセレニド（ＣＩＳ）、銅インジウムガリウムジセレニド（ＣＩＧＳ）及びIII−Ｖ材料の合金から選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記バイアスの最小値と最大値の間での前記太陽電池の前記バイアス値の前記交番は、前記太陽電池材料の前記禁制帯幅エネルギから、前記太陽電池から抽出される前記ホットキャリアの前記電気化学ポテンシャルの前記最大値と実質的に等しいエネルギにまで及ぶ、前記太陽電池内で生成される前記光励起キャリアの前記エネルギプロファイルに実質的に適合する様々な抽出エネルギにわたって、前記太陽電池内の前記光励起キャリアを抽出する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記太陽電池は、量子閉じ込め構造若しくは光閉じ込め構造又はその両方を備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記バイアスの最小値と最大値の間での前記太陽電池の前記バイアス値の前記交番は、前記太陽電池材料の前記禁制帯幅エネルギから、前記太陽電池から抽出される前記ホットキャリアの前記電気化学ポテンシャルの前記最大値と実質的に等しいエネルギにまで及ぶエネルギ範囲にわたって広がるエネルギを有する太陽光の光子によって光励起された、前記太陽電池内のキャリアを抽出する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記太陽電池の前記バイアス値の前記交番は、前記太陽電池の前記禁制帯幅エネルギの実質的に下から、前記太陽電池から抽出される前記ホットキャリアの前記電気化学ポテンシャルの前記最大値と実質的に等しいエネルギ値にまで及ぶ、前記太陽電池内で生成される前記光励起キャリアの前記エネルギプロファイルに実質的に適合する様々な抽出エネルギにわたって、前記太陽電池内の光励起キャリアの抽出を提供する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記太陽電池の前記バイアス値の前記交番は、前記太陽電池の前記禁制帯幅エネルギの実質的に下から、前記太陽電池から抽出される前記ホットキャリアの前記電気化学ポテンシャルの前記最大値と実質的に等しいエネルギにまでの、広範なエネルギ範囲にわたって広がるエネルギを有する太陽光の光子によって光励起された、前記太陽電池内のキャリアの抽出を引き起こす、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記太陽電池は、量子井戸又は量子ドットからなる量子閉じ込め構造を備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記量子閉じ込め構造は、多重量子井戸を含み、
前記多重量子井戸の禁制帯幅は、勾配を含み、これにより、前記量子井戸に様々な異なる禁制帯幅値を提供し、前記様々な異なる禁制帯幅値は、前記太陽電池材料の禁制帯幅値未満である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
コア太陽電池；
前記コア太陽電池に連結されたバイアス回路であって、時間的に変化するバイアスを前記コア太陽電池に提供し、前記コア太陽電池の出力から受け取る電気エネルギを出力負荷に連結する、バイアス回路；
を備える太陽電池であって、
前記コア太陽電池の前記出力の、前記時間的に変化するバイアスは、前記バイアスの最小値と最大値の間で交番し；
前記バイアスの最小値と最大値の間での前記バイアスの交番の期間は、前記コア太陽電池が、様々なエネルギレベルにわたる光励起キャリアを前記コア太陽電池から抽出するための、ホットキャリア冷却時間よりも短い、太陽電池。
【請求項２３】
前記コア太陽電池は第１及び第２のコンタクトを有し；
前記バイアス回路は、前記第１及び第２のコンタクト間のバイアス値が、前記バイアスの最小値と最大値の間で周期的に交番するように、接続され、
前記バイアスの最小値は、前記コア太陽電池の内部ビルトイン電場が、前記コア太陽電池内で生成される（光励起される）電子及び正孔（キャリア）が前記第１及び第２のコンタクトへ輸送されるほど十分に高くなるような値であり、
前記バイアスの最大値は、前記コア太陽電池内で生成される前記キャリア（ホットキャリア）の電気化学ポテンシャルの最大値と実質的に等しい値である、請求項２２に記載の太陽電池。
【請求項２４】
前記バイアス値の交番の前記期間は、前記バイアス値が前記バイアスの最小値に近づく又は到達することができるサブ期間を含み、
前記サブ期間は、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するような平均キャリア輸送速度を持続するために十分なほど長く選択される、請求項２３に記載の太陽電池。
【請求項２５】
前記バイアス値の交番の前記期間は、前記バイアス値が前記バイアスの最小値に近づく又は到達することができる前記サブ期間を含み、
前記サブ期間は、前記コア太陽電池が達成する平均光電圧を、その可能な最高値又はその付近に維持するために十分なほど短く選択される、請求項２３に記載の太陽電池。
【請求項２６】
前記バイアス値の交番の前記期間は、前記バイアス値が前記バイアスの最小値に近づく又は到達する前記サブ期間を含み、
前記サブ期間は、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するような平均キャリア輸送速度を持続するために十分なほど長く選択され、
前記サブ期間の持続時間と前記交番期間との比は、前記コア太陽電池の禁制帯幅、キャリア移動性及び結晶格子特性に応じて選択される、請求項２３に記載の太陽電池。
【請求項２７】
前記コア太陽電池は自己バイアス式であり、これにより、初期化にあたって、前記コア太陽電池は、固定バイアスで動作し、前記バイアス回路は、まず前記固定バイアスコア太陽電池から電力供給されて初期化され、続いて、前記コア太陽電池の安定状態動作のための交番バイアス値をもたらす、請求項２３に記載の太陽電池。
【請求項２８】
前記コア太陽電池の前記バイアスの最大値及び最小値は共に、前記コア太陽電池の順方向バイアスの範囲内である、請求項２３に記載の太陽電池。
【請求項２９】
前記コア太陽電池は、III−Ｖ三元合金インジウムガリウムニトリド（ＩｎxＧａ1-xＮ）からなり、
下付き文字「ｘ」は、前記三元合金ＩｎＧａＮ内のインジウム取り込み比率を示し、
前記コア太陽電池には多重量子井戸が組み込まれ、
前記多重量子井戸にわたる前記「ｘ」を小さい値から大きい値に変化させ、窒化ガリウムの禁制帯幅にわたって広がる禁制帯幅を有する多数の量子井戸を生成することによって、前記量子井戸に関して様々な異なる禁制帯幅値を提供することにより、前記多重量子井戸の前記禁制帯幅は勾配を有し、前記様々な異なる禁制帯幅値は、前記コア太陽電池の前記禁制帯幅値未満である、請求項２８に記載の太陽電池。
【請求項３０】
前記コア太陽電池は、太陽放射のエネルギスペクトルの殆どにわたって広がる太陽光スペクトルを有する、請求項２９に記載の太陽電池。
【請求項３１】
前記バイアス回路は、前記バイアスの最大値及び最小値が共に前記コア太陽電池の前記順方向バイアスの範囲内であるようにし、
前記バイアス値の前記交番の前記期間を、
前記コア太陽電池の前記バイアスが瞬間的に逆バイアス値に到達できる少なくとも１つの短い時間間隔を含むようにし、
前記逆バイアス値持続時間及び反復の期間は、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するのに十分な平均キャリア輸送速度を持続させる、請求項２３に記載の太陽電池。
【請求項３２】
前記コア太陽電池の材料は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウムジセレニド（ＣＩＳ）、銅インジウムガリウムジセレニド（ＣＩＧＳ）及びIII−Ｖ材料の合金から選択される、請求項３１に記載の太陽電池。
【請求項３３】
前記コア太陽電池の材料は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウムジセレニド（ＣＩＳ）、銅インジウムガリウムジセレニド（ＣＩＧＳ）及びIII−Ｖ材料の合金から選択され；
前記バイアスの最小値と最大値の間での前記バイアス値の前記交番は、前記コア太陽電池材料の前記禁制帯幅エネルギから、前記コア太陽電池から抽出される前記ホットキャリアの前記電気化学ポテンシャルの前記最大値と実質的に等しいエネルギ値にまで及ぶ、前記コア太陽電池内で生成される前記光励起キャリアの前記エネルギプロファイルに実質的に適合する様々な抽出エネルギにわたる、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの抽出につながる、請求項３１に記載の太陽電池。
【請求項３４】
前記バイアス値の交番の前記期間は、前記バイアス値が最小値に近づく又は到達することができる前記サブ期間を含み、
前記サブ期間は、前記コア太陽電池が達成する前記平均光電圧を、その可能な最高値又はその付近に維持するために十分なほど短く、
また、前記サブ期間は、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するような平均キャリア輸送速度を持続するために十分なほど長く、
前記サブ期間の持続時間と前記交番期間との比は、前記コア太陽電池の前記禁制帯幅、前記キャリア移動性及び前記結晶格子特性に応じて選択され、
これにより、前記コア太陽電池のコンタクト間での前記抽出エネルギの分離が、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの前記電気化学ポテンシャルのプロファイルに実質的に適合する広範な抽出エネルギにわたって一時的に広がることができ、従って、単接合太陽電池が、多接合太陽電池のエネルギ抽出効率の便益を有することができるようになる、請求項３１に記載の太陽電池。
【請求項３５】
前記バイアス値の交番の前記期間は、前記バイアス値が最小値に近づく又は到達することができる前記サブ期間を含み、
前記サブ期間は、前記コア太陽電池が達成する前記平均光電圧を、その可能な最高値又はその付近に維持するために十分なほど短く、
また、前記サブ期間は、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するような平均キャリア輸送速度を持続するために十分なほど長く、
前記サブ期間の持続時間と前記交番期間との比は、前記コア太陽電池の前記禁制帯幅、前記キャリア移動性及び前記結晶格子特性に応じて選択され、
これにより、前記コア太陽電池のコンタクト間での前記抽出エネルギの分離が、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの前記電気化学ポテンシャルのプロファイルに実質的に適合する広範な抽出エネルギにわたって一時的に広がることができ、従って、前記コア太陽電池が、前記第１及び第２のコンタクト間に固定バイアスを有する前記コア太陽電池を使用して達成可能なものよりも高い光電圧及び光電流値を達成することができるようになる、請求項３１に記載の太陽電池。
【請求項３６】
前記コア太陽電池の前記バイアスの最大値及び最高値は共に、前記コア太陽電池の前期順方向バイアスの範囲内であり、
前記バイアス回路は、前記コア太陽電池の背面に設置される回路基板又は集積回路チップ上に実装され、前記コア太陽電池の前記交番バイアス値を引き起こす、請求項３１に記載の太陽電池。
【請求項３７】
前記コア太陽電池は、量子閉じ込め構造若しくは光閉じ込め構造又はその両方を備える、請求項３１に記載の太陽電池。
【請求項３８】
前記コア太陽電池は、量子井戸又は量子ドットからなる量子閉じ込め構造を備える、請求項３７に記載の太陽電池。
【請求項３９】
前記量子閉じ込め構造は、多重量子井戸を含み、
前記多重量子井戸の禁制帯幅は、勾配を含み、これにより、前記量子井戸に様々な異なる禁制帯幅値を提供し、前記様々な異なる禁制帯幅値は、前記コア太陽電池材料の禁制帯幅値未満である、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記コア太陽電池の材料は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウムジセレニド（ＣＩＳ）、銅インジウムガリウムジセレニド（ＣＩＧＳ）及びIII−Ｖ材料の合金からなる群から選択され；
前記量子閉じ込め構造は、前記コア太陽電池材料の前記禁制帯幅エネルギの実質的に下から、前記コア太陽電池から抽出される前記ホットキャリアの前記電気化学ポテンシャルの前記最大値と実質的に等しいエネルギ値にまで及ぶ、前記コア太陽電池内で生成される前記光励起キャリアの前記エネルギプロファイルに実質的に適合する様々な抽出エネルギにわたる、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの抽出を可能にする、請求項３８に記載の太陽電池。
【請求項４１】
前記コア太陽電池の材料は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウムジセレニド（ＣＩＳ）、銅インジウムガリウムジセレニド（ＣＩＧＳ）及びIII−Ｖ材料の合金からなる群から選択され；
前記量子閉じ込め構造は、前記コア太陽電池材料の前記禁制帯幅エネルギの実質的に下から、前記コア太陽電池から抽出される前記ホットキャリアの前記電気化学ポテンシャルの前記最大値と実質的に等しいエネルギ値にまで及ぶエネルギ範囲に広がるエネルギを有する、前記コア太陽電池内の光励起キャリアの抽出を可能にする、請求項３９に記載の太陽電池。
【請求項４２】
前記バイアス値の交番の前記期間は、前記バイアス値が最小値に近づく又は到達することができる前記サブ期間を含み、
前記サブ期間は、前記コア太陽電池内の前記光励起キャリアの実質的に全てを、前記ホットキャリア冷却時間内に、前記第１及び第２のコンタクトへ輸送するような平均キャリア輸送速度を持続するために十分なほど長く選択され、
また、前記サブ期間は、前記コア太陽電池が達成する前記平均光電圧を、その可能な最高値又はその付近に維持するために十分なほど短く、
前記サブ期間の持続時間と前記交番期間との比は、前記コア太陽電池の前記禁制帯幅、前記キャリア移動性及び前記結晶格子特性に応じて選択され、
これにより、前記太陽電池のコンタクト間での前記抽出エネルギの分離が、前記ホットキャリア冷却速度と同等、またはこれより速い速度で、広範な抽出エネルギにわたって一時的に広がることができ、
これにより、前記コア太陽電池内の前記光励起電子及び正孔（キャリア）間の前記エネルギ分離と実質的に等しい、前記コンタクト間の瞬間的なエネルギ分離によって、前記コア太陽電池のコンタクトに到達する前記光励起キャリアを、各前記コンタクトにおける、時間的に不連続の狭い抽出エネルギ幅を通して、前記太陽電池の負荷へ輸送することができるようになる、請求項３１に記載の太陽電池。
【請求項４３】
前記コア太陽電池の材料は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウムジセレニド（ＣＩＳ）、銅インジウムガリウムジセレニド（ＣＩＧＳ）及びIII−Ｖ材料の合金からなる群から選択され、これによって、前記ホットキャリアを、前記コア太陽電池の材料又は前記対１及び第２のコンタクト内で冷却される前に抽出することができる、請求項４２に記載の太陽電池。
【請求項４４】
前記コア太陽電池の前記バイアスの最大値及び最小値は共に、前記コア太陽電池の順方向バイアス範囲内であり、
前記コア太陽電池は、反射性側壁、反射性背面及び質感加工された上面を有する微小キャビティの形態の、光閉じ込め構造を更に備え；
前記光閉じ込め微小キャビティの前記反射背側壁を用いて、前記微小キャビティの前記上面の電気接触メッシュと、前記微小キャビティの前記背面の接触パッドとを相互接続する、請求項３１に記載の太陽電池。
【請求項４５】
前記光閉じ込め微小キャビティは、前記第１及び第２のコンタクト間に、前記コア太陽電池からの前記ホットキャリアの抽出を可能とするのに十分なほど小さい距離を提供する、請求項４４に記載の太陽電池。
【請求項４６】
前記微小キャビティは、前記コア太陽電池内で生成される光子（内部放出光子）の閉じ込め及びその後の吸収、並びにそれに続く、前記コア太陽電池からの前記内部放出光子による光励起キャリアの抽出を可能にすることにより、前記コア太陽電池の効率を更に向上させる、請求項４４に記載の太陽電池構造。
【請求項４７】
前記バイアス回路は、時間的に変化する非散逸性負荷を前記コア太陽電池に提供する、請求項２２に記載の太陽電池。
【請求項４８】
前記バイアス回路はスイッチング調整器である、請求項２２に記載の太陽電池。
【請求項４９】
前記スイッチング調整器の切り替えは、前記スイッチング調整器の入力に連結され、前記バイアスの最小値及び最大値を達成するように前記スイッチング調整器を制御する電圧制御によるものである、請求項４８に記載の太陽電池。
【請求項５０】
前記コア太陽電池はバルク材料太陽電池である、請求項２２に記載の太陽電池。
【請求項５１】
前記コア太陽電池には量子閉じ込めが組み込まれる、請求項２２に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年７月９日に提出された米国特許出願第１２／８３３６６１号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、太陽電池、太陽光発電システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
太陽電池の効率ロスのメカニズム：
今日の太陽電池は、ショックレー−クワイサーモデル（ＳＱモデル、Ｗ．Ｓｈｏｃｋｌｅｙ及びＨ．Ｊ．Ｑｕｅｉｓｓｅｒ著「Ｄｅｔａｉｌｅｄ  Ｂａｌａｎｃｅ  Ｌｉｍｉｔ  ｏｆ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｐ−ｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ」ｊ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．、３２巻、５１０〜５１９ページ、１９６１年３月）によって確立される理論的な効率レベルを実質的に下回って動作する。ここに記載する太陽電池の設計は、ＳＱモデルによって確立される限界を超えることができる。太陽電池の効率を向上させてＳＱモデルを超えるために、太陽電池の効率の低下が起こるメカニズムを理解することが重要である。図１（出典「Ｔｈｉｒｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」Ｍ．Ａ．Ｇｒｅｅｎ著、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、ニューヨーク、２００３年、３５〜４３ページ）は、単接合太陽電池におけるこれらの効率低下メカニズムを示す。図１を参照すると、太陽電池の効率ロスメカニズムは、以下に列挙する効果を含む。
【０００４】
（１）デバイスの禁制帯幅（Ｅgで表す）未満のエネルギ（Ｅp）を有する光子の入射を示し、このエネルギは吸収されず、従って、光子のエネルギは、太陽電池によって電流に変換されない。
【０００５】
（２）デバイスの禁制帯幅を超えるエネルギを有する光子の入射を示し、このエネルギは吸収されるが、音子の生成による、光励起電子及び正孔（キャリア）の、それぞれ伝導帯の底（ＣＢＭ）及び価電子帯の頂上（ＶＢＭ）への緩和（図１に破線で示す）によって、過剰なエネルギを熱として失う。このロスメカニズムでは、まず、太陽電池の材料の禁制帯幅を超えるエネルギを有する光励起キャリアが、他のキャリアと平衡化して、ボルツマン分布で記述可能なキャリア群を形成する（図２参照）。この時点において、キャリア分布を定義する温度は、材料の格子温度を超えており、従って、キャリアは「ホットキャリア」と呼ばれる。典型的には、上昇する温度に関連する更なるエネルギは、その低い実効質量により、主に電子が含有する。典型的な太陽電池では、ホット電子は、冷却時間τcの間に音子を生成することによって、その過剰なエネルギを電池の材料の格子に与えることにより、電池の材料の格子と平衡化される（図２参照）。次に、これらの音子は他の音子と相互作用し、電池の材料の禁制帯幅Ｅgを超えた、吸収された電子のエネルギＥpは、熱に変化して失われ、従って、太陽電池によって電圧に変換されない。キャリアの可動性及び電池の材料の結晶格子特性に応じて、キャリア冷却時間τcは、数ピコ秒から数ナノ秒となる（図２参照）。図２に示すように、キャリア冷却時間τcが終わると、光励起キャリア分布は、それぞれ電池の材料の伝導帯及び価電子帯の端、即ちＣＢＭ及びＶＢＭに近い電子及び正孔の狭いエネルギ分布と合体する。光励起キャリアの寿命のこの最終段階では、典型的には、数マイクロ秒（キャリア再結合時間τr）かけて、光励起キャリアがその残留エネルギを光子に与えて順次再結合する。従来の太陽電池が、光励起キャリアのエネルギを電気エネルギに変換できるように、光励起キャリアは、再結合する前に、即ちキャリア再結合時間τrが過ぎる前に、分割されて電池のコンタクトへと輸送される必要がある。従来の太陽電池の設計パラメータは、典型的には、光励起キャリアを、その再結合前に、即ちキャリア再結合時間τrが過ぎる前に、電池のコンタクトへと輸送するために必要なキャリア輸送特性を達成するために選択される。以上の議論から、光励起キャリアに付与された太陽光の光子エネルギは、２つの主段階、即ちキャリア冷却段階及びキャリア再結合段階で消散する。これら２つの手段界のうち前者、即ち冷却段階の間、光励起キャリアは、材料の禁制帯幅エネルギ分離を超えるそのエネルギを音子に付与し、その一方で、後者即ち再結合段階の間、光励起キャリアは、典型的には材料の禁制帯幅エネルギ分離に等しいその残留エネルギを、放射再結合によって光子に付与する。
【０００６】
（３）禁制帯幅と等しいエネルギを有する光子、又は禁制帯幅より低いエネルギを有する存在し得る複数の光子を抽出及び生成する前に、放射再結合する、光励起キャリア（電子及び正孔）を示す。これらの光子は再吸収され得るため、放射されるこのエネルギは必ずしも失われるわけではない。しかし、放射されるこれらの光子は、閉じ込められない限り、電池の背面から入射する太陽光へと再び放出され、永久に失われ、これは、太陽電池が達成できる最大効率を最終的に制限する効果である。大抵のバルク半導体材料では、キャリア再結合の時間規模は、典型的には数マイクロ秒未満である（図２参照）。太陽電池を効率のよいものとするために、大半の光励起キャリアを、キャリアが再結合する前に電池のコンタクトへと輸送して抽出する必要があるが、この時点で電池から抽出される電子及び正孔のエネルギ分離は電池の材料の禁制帯幅エネルギと同等でしかない。
【０００７】
（４）電気的状態が禁制帯幅内にあることより、非放射再結合する光励起キャリア（電子及び正孔）を示す。これらの状態は典型的には、太陽電池の材料の格子構造の欠陥又は不純物原子によるものであり、その結果起こるキャリアの非放射再結合によって音子が生成され、従って、これらのキャリアの励起を引き起こす吸収される太陽光の光子のエネルギは、太陽電池によって電流に変換されずに熱へと変化する。このロスメカニズムは、モノリシック多接合積層型太陽電池の主たる効率ロスメカニズムの１つであり、このような太陽電池では、連続する層間の格子のミスマッチが、格子の不整合な転位を生成し得、これによって、キャリアの非放射再結合が起こり得る積層された電池の境界の更なる領域が生成され、太陽電池の性能が大幅に減衰し得る。
【０００８】
（５）太陽電池のコンタクトによって効率的に抽出されない光励起キャリア（電子及び正孔）を示す。このロスメカニズムは典型的には電池のコンタクトの高い抵抗によるものであり、これはキャリアを電池から抽出するにあたって非効率の原因となる傾向があり、従って、太陽電池が達成できる最大効率を最終的に制限する。このメカニズムもまた、モノリシック多接合積層型太陽電池の重要な効率ロスメカニズムであり、多接合積層から電流を抽出するためのコンタクトが２つしか無く、積層内で最低の個別電流を生成する電池構造によって、多接合積層全体の総電流が制限されてしまう。また、このロスメカニズムは、ホットキャリアを太陽電池から抽出することを困難にする主因であり、なぜならこれらのキャリアはコンタクトで急速に冷却される傾向があり、これは、ホットキャリアが電池の接合点付近に集まることを引き起こす効果であり、これらのキャリアを冷却前に抽出することを困難にするからである。
【０００９】
上述の効率ロスメカニズムに加えて、太陽電池の効率を予測するために通常用いる理論モデル、即ちＳＱモデルは、太陽電池が達成可能であるとされる効率を制限する、ある前提を含んでおり、従って、太陽電池設計者が太陽電池の設計を真の限界まで押し上げる多少の妨げとなる。これらの前提のうち最も関係の深いものを以下に列挙する。
１．入力は、集光されていない太陽光スペクトルである；
２．入射する太陽光の光子はそれぞれ、１対の電子−正孔しか生成しない；
３．電池は、擬フェルミ準位（ＱＦＬ）の分離を１つしか達成できない；
４．電池は、電池とキャリアの温度が等しいという熱平衡状態で動作する；
５．電池は、電池は定電流条件下で動作する。
【００１０】
ＳＱモデルに基づく太陽電池効率の制限は、入射する太陽光の光子あたり抽出可能な電気エネルギの量を試験することで計算される。入射する太陽光の光子は、電子を太陽電池の材料の価電子帯から伝導帯へと励起し、電池の材料の禁制帯幅を超えるエネルギを有する光子のみが電力を生成する。これは即ち、太陽光スペクトルの光子の約半分は１．１ｅＶ未満のエネルギしか有さないため、１．１ｅＶの禁制帯幅を有するシリコン（Ｓｉ）太陽電池の理論的変換効率が５０％未満となることを意味する。６０００°Ｋの太陽光から吸収される太陽光の光子と、３００°Ｋで動作する電池との間のエネルギの差を考えると、ＳＱモデル平衡前提は、電池の材料の禁制帯幅エネルギより上及び下のいかなる太陽光光子エネルギも失われることを暗示している。青い光子は、１．１ｅＶを超える太陽エネルギの約半分を有するので、これらの２つの前提を組み合わせると、単接合Ｓｉ太陽電池について、およそ３０％の理論効率ピーク性能という結果となる。
【００１１】
ＳＱモデルの前提が包含する効率の制限に加えて、太陽電池に使用する材料系に包含される、考慮すべきその他の複数の事項が存在し、それは例えば、材料系のキャリア生成速度及び移動特性等である。これらのタイプの考慮すべき事項は、通常の条件下では電池の効率に影響を及ぼさないが、ある条件（例えば、集光による、入射する太陽光の光子の数の増加）下ではさらなる制限をもたらす。上述の２つの効果のうち第１のもの、即ちキャリア生成速度は、光励起の結果としてキャリアが電池の材料内で生成される速度に飽和（又は最大）レベルを設定し、従って、電池から抽出できるエネルギの量を制限する。直感的には、電池表面への太陽光の光子の入射が増加すると、電池が生成できるエネルギの量は増加するはずである。しかし、これは、電子移動性が低いために、光励起の上昇とともに、電子より遥かに速い速度で正孔の数が増加するようないくつかの材料系（例えばＳｉ等）の場合には当てはまらない。この正孔と電子の密度の不均衡によって、光励起電子は、抽出される前に、豊富に存在する正孔と再結合されてしまい、従って、電池から抽出できる電子／正孔の数に制限をもたらす。Ｓｉ電池では、２ｓｕｎの入射光未満でこの制限速度（平衡）に達してしまう。その結果、Ｓｉ太陽電池の表面に太陽光の２倍の光が入射すると、キャリア生成速度は１ｓｕｎの場合よりわずかに高くなるだけであり、入力エネルギと出力エネルギの比が低下し、即ち効率が極めて低くなる。以上から、Ｓｉ太陽電池は、太陽光集光装置を用いても効率的ではない。
【００１２】
その他の材料系、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）等における電子移動性はシリコンよりはるかに高く、これにより、光励起電子はより速く電池の接合点に到達することができ、従って、正孔／電子密度の不均衡の発生を緩和し、電子と正孔が抽出される前に再結合してしまう機会を減らし、これによって、入射する太陽光の光子の数は増加し続けることができ、結果として、平衡に達する前の光励起キャリアの数が増加する。従って、このような電子の移動性の上昇により、このような材料系から作製した太陽電池は、集光した太陽光の下で、向上した効率を有することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本開示の以下の節における議論は、上述の効率ロスメカニズムの多くを回避する、いくつかの新規の設計アプローチを明らかにし、従って、以下の節で記載する交番バイアス太陽電池設計は、極めて高い太陽光電力変換効率を提供することができる。本開示の、その後に続く節では、交番バイアス太陽電池の複数の実施形態の省コスト性能について議論し、それを、現在慣用の太陽電池が達成できる性能と比較する。従って、以下の議論の目的は、本発明の交番バイアス太陽電池が達成すると予想される省コスト性能が、光電池産業の第３世代（３Ｇ）の目標に到達するような、キロワット時（ｋＷｈ）当たりの太陽光エネルギコストを提供可能であることを示すことである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
ホットキャリアの利用：
既に説明したように、太陽電池の主たるロスメカニズムの１つは、ホットキャリア緩和による、電池の材料の禁制帯幅を超えるエネルギを有する太陽光の光子の入射のロスであり、図１の（２）に示すロスメカニズムである。ホット電子を分離して、冷却が起こる前にコンタクトにこれを集中させることは理論的には可能であるが、従来の太陽電池では、ホットキャリアの熱平衡化の速度が速い（冷却時間τcが短い）ため、このようなことは観察されない。現在、当該技術の研究者は、ホットキャリアを利用する太陽電池効率の向上のために、２つの概念、即ち、エネルギ選択性コンタクト（ＳＥＣ）及び多重励起子生成（ＭＥＧ）を用いる直接的な抽出を考えている。どちらの概念もまず、キャリアの冷却速度を遅くすることを基にしているが、異なる方法でホットキャリアのエネルギを利用する。
【００１５】
ＳＥＣを用いた直接のホットキャリアの励起の理論的処理について図３Ａ（「Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  ｍａｔｅｒｉａｌ  ａｎｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」Ｐ．Ｗｕｒｆｅｌ著、４６（１９９７年）、４３−５２ページ）に図示しているが、これは広く公開されており、ホットキャリアを効率的に抽出することができれば、単接合電池から熱力学的限界の６８％近くの、太陽電池の実質的な効率の向上が可能であることが分かっている（「Ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」Ｊ．Ｎｅｌｓｏｎ著、Ｉｍｐｅｒｉａｌ  Ｃｏｌｌａｇｅ  Ｐｒｅｓｓ、２００３年、３０９−３１６ページ）。しかし、ホット（高エネルギ）電子及び正孔（キャリア）を電池のコンタクトに分離することは容易ではなく、これは、これらのホットキャリアに、ホットキャリアの高いエネルギが熱として急速に失われる原因となる光子との相互作用によって、その高いエネルギを失う傾向があるためである。ＳＥＣ及びＭＥＧアプローチ両方において、電池内の光励起ホットキャリア数を維持することの背後にある全体的な概念は、電子−音子の相互作用を最小化することである。しかし、金属コンタクトの近傍では、コンタクトで起こり得る多数の電気的状態によって、ホットキャリアは極めて容易に冷却されてしまう。従って、ホットキャリアは、典型的には電池の接合点の付近に集まり、冷却前にこれらのキャリアを輸送して抽出することははるかに困難になる。典型的な太陽電池の材料では、ホットキャリアが冷却前に電池の材料内を移動できる距離は極めて短い傾向にあり（１ミクロン未満）、冷却前にホットキャリアを電池のコンタクトへ輸送することは更に困難になる。
【００１６】
ＳＥＣアプローチの原理は、次に起こり得る状態との間に大きな禁制帯幅を有する、狭い状態密度を有するコンタクトの材料を使用することであることに留意すべきである（「Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ａｎｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」Ｐ．Ｗｕｒｆｅｌ著、４６（１９９７年）、４３−５２ページ）。しかし、狭い状態密度はまた、極めて低い電子移動性をもたらし、従って、状態密度の狭さと、コンタクトを通した十分に高い伝導性の維持との間に、ある程度の妥協が必要となる。ＳＥＣが実用可能となる前に対処する必要がある更なる問題は、電池のジオメトリ及びそれに関連するコンタクトのジオメトリである。ホットキャリアが冷却前に電池の材料内を移動できる距離が、典型的に極めて短いものであるとすると、コンタクトに集める前にキャリアが冷却されないことを確実にするために、キャリアがＳＥＣコンタクトの極めて近くで生成されるように電池構造を設計することが必要となる。従って、ホットキャリアが移動しなければならない距離を最小化するために、極めて短い吸収材領域及び／又は回旋状表面が必要となり得る（「Ｔｈｉｒｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」Ｍ．Ａ．Ｇｒｅｅｎ著、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、２００３年、３５−４３ページ）。
【００１７】
ホットキャリアを利用する太陽電池の効率を向上させるための他の可能性は、ＭＥＧによるものである（「Ｔｈｉｒｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」Ｍ．Ａ．Ｍａｒｔｉｎ著、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２００６年、８１−８８ページ）。この場合、ホット電子の過剰エネルギを用いて、更なる励起子、即ち、結合した電子−正孔対を生成する。ホット電子は、１つの追加の電子−正孔対を生成するために、禁制帯幅Ｅgの少なくとも２倍のエネルギを有していなければならない。このプロセスは、禁制帯幅の２倍のエネルギを有する電子に限定されず、より高いエネルギを有する電子にも拡張することができる。１−ｓｕｎ、ＡＭ１．５スペクトルでの、ＭＥＧ強化電池の予想される理論的効率は、４４％を超え、太陽光を最大限に集光すると、この効率はＳＥＣ電池の効率に近づくことができる。ＭＥＧはバルク半導体で起こり得るが、その蓋然性は、電池の効率に取り立てて貢献することがないほど低いものである（「Ｔｈｉｒｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ」Ｇｒｅｇｏｒｙ  Ｆ．Ｂｒｏｗｎ及びＪｕｎｑｉａｏ  Ｗｕ著、Ｌａｓｅｒ  ＆  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｒｅｖ．、１−１２（２００９年）、オンライン出版、２００９年２月２日）。
【００１８】
既に述べたように、ホットキャリアの冷却速度を遅くすることは、ＳＥＣ及びＭＥＧアプローチの両方にとって必須の条件であり、当該分野で現在最も広く研究が行われている、これを達成するための方法は、量子閉じ込め構造の使用によるものである。ホットキャリアの冷却時間が、バルク半導体の典型的な冷却時間を超える場合がある。この現象は、量子閉じ込め構造を組み込んだ多くの材料系で起こることが予測される。まず、多重量子井戸（ＭＱＷ）及び量子ドット（ＱＤ）は、研究の結果、バルク半導体よりもはるかに長いホットキャリア冷却時間を有することがわかった（「Ｔｈｉｒｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ」Ｇｒｅｇｏｒｙ  Ｆ．Ｂｒｏｗｎ及びＪｕｎｑｉａｏ  Ｗｕ著、Ｌａｓｅｒ  ＆  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｒｅｖ．、１−１２（２００９年）、オンライン出版、２００９年２月２日）。このタイプの構造では、数十ナノ秒に及ぶホットキャリア冷却温度が観察された。この増加は、量子構造における音子ボトルネック効果として知られる現象に起因するものであった。典型的には、ホット電子は、光学音子との相互作用によって冷却され、量子閉じ込めの存在によって、光学音子の非平衡レベルが生成され得る。ＭＱＷ又はＱＤの量子閉じ込め状態による音子ボトルネック効果によって、これらの光学音子は、格子と十分に速く平衡することができず、従って、ホット電子の更なる冷却を遅くする、即ちその冷却時間τcを延長させる（図２参照）。ＭＱＷの２次元量子閉じ込め内で、例えば典型的には太陽光を集光した場合に発生する比較的高い照明レベルを必要とする、高いキャリア光励起密度で、音子ボトルネック効果が起こる。しかし、ＱＤの３次元量子閉じ込め状態によると、あらゆる照明レベルにおいて音子ボトルネック効果が起こることが予測される。ＭＱＷ及びＱＤのホットキャリアの冷却速度を遅くした結果、これらのタイプのデバイス構造は、ホットキャリアの励起において重要な役割を果たすことが予測される。
【００１９】
原理的には、電池の材料が有する量子閉じ込め構造によってホットキャリアの冷却速度が遅くなった、図３Ａに示すＳＥＣホットキャリア電池では、コンタクトの状態密度の狭さによってキャリアをその高いエネルギレベルで回収することができるホット状態にキャリアがまだある間に、キャリアをコンタクトへ輸送するための時間が十分にある。これにより、電池によって得られる光電圧の上昇が理論的に可能になる。しかし、電池のコンタクトでの上昇した光電圧は、キャリアを電池のコンタクトに輸送する役割を果たす内蔵電位Ｖbiに対して反対に作用する傾向がある。その結果、キャリアをコンタクトに輸送するために必要な時間（キャリア抽出時間）は、キャリア再結合時間τrに届き得るほど実質的に増加する；つまり、電池のキャリアのビルトイン輸送メカニズムが弱まることによって、キャリアが、コンタクトに到達する前に再結合し、その結果、実質的に従来の電池以下の正味エネルギ抽出を有する電池によって得られる光電流の、実質的な減少が起こる。よって、ＳＥＣホットキャリア電池は理論上はより高い光電圧を生成することができるが、実現される上昇は九分通り、延長されたキャリア抽出時間の直接的結果である光電流の減少によるオフセットよりも大きくなる。
【００２０】
再生可能なエネルギ、特に光電（ＰＶ）太陽電池への関心が高まっているため、コストを実質的に上昇させずにＰＶ電池の効率を向上させるという要求が増している。ホットキャリアＰＶ太陽電池は、ＰＶ電池の効率の実質的な向上をもたらすことができるものと理論的には予想されていたが、今日まで、このような予想はどれも実現されていない。既に議論した、ホットキャリア太陽電池の２つのアプローチは、キャリア冷却時間を増加させるための手段を必要とし、これは、電池の材料内に量子閉じ込め構造を含むことを必要とし、従って電池のコストを上昇させてしまう可能性が高い。ＭＥＧホットキャリア電池の利益は、極めて高い太陽光集光の下でしか実現することができず、従って、このアプローチは非実用的となる。多層超格子の使用をしばしば必要とする、特別なタイプのコンタクトを必要とすることに加えて、ＳＥＣホットキャリア太陽電池アプローチは、従来のＰＶ太陽電池がもたらすことができるエネルギ効率よりも高いエネルギ効率に到達することができるこの電池の能力に対して反作用する、それが本質的に有する欠陥の影響を受けているものと思われる。より高効率かつ低コストのＰＶ電池に関する高い要望があり、また、この目的を達成するために現在追求されているアプローチに弱点があるため、より高い効率を、太陽電池のコストの有意な上昇を伴わずに効果的に実現できるようなＰＶ太陽電池アプローチは、有意な市場価値をほぼ確実に有することになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、光電太陽電池の効率ロスメカニズムを示す図である。
【図２】図２は、光電太陽電池の効率ロスメカニズムを示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、エネルギ選択性コンタクトを使用する従来技術の光電太陽電池のエネルギ帯構造を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、従来の固定バイアス太陽電池における電子の流れを示す図である。
【図４】図４は、暗所及び照明下における、従来のｐ−ｎ接合太陽電池の電流−電圧（Ｉ、Ｖ）特性を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の可変バイアスホットキャリア太陽電池の好ましい実施形態の、ハイレベルなブロック図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の可変バイアスホットキャリア太陽電池の光電圧の波形を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明のホットキャリア太陽電池の詳細なブロック図である。
【図６】本発明のホットキャリア太陽電池の、予想される（Ｉ、Ｖ）特性を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、直流（ＤＣ）出力を有する本発明のホットキャリア太陽電池の、例示的なブロック図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、交流（ＡＣ）出力を有する本発明のホットキャリア太陽電池の、例示的なブロック図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の自己バイアスホットキャリア太陽電池の例示的なブロック図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、直流（ＤＣ）出力を有する本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池の、例示的なブロック図である。
【図８】図８は、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池の例示的な実装を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明のホットキャリア太陽電池の代替実施形態を示す、ハイレベルなブロック図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明のホットキャリア太陽電池の代替実施形態の、交番直列バイアスの光電圧の波形を示す図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明のホットキャリア太陽電池の代替実施形態の、パルス並列バイアスの光電圧の波形を示す図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本発明のホットキャリア太陽電池の代替実施形態の、並列バイアスの典型的なブロック図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、量子閉じ込め手段を有する本発明のホットキャリア太陽電池のコア太陽電池のエネルギ帯構造を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、量子閉じ込め手段を有する本発明のホットキャリア太陽電池のコア太陽電池の中間帯を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、光閉じ込め手段を有する本発明のホットキャリア太陽電池のコア太陽電池の断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、光閉じ込め手段及び量子閉じ込め手段の両方を有する、本発明のホットキャリア太陽電池のコア太陽電池の断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池のための材料系の候補を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下の本発明の詳細な説明における「１つの実施形態」又は「ある実施形態」の参照は、その実施形態に関して記載される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。この詳細な説明の随所に見られる「１つの実施形態では」という表現は、その全てが必ずしも同一の実施形態を指しているわけではない。
【００２３】
ここで記載されることになるホットキャリアを得るためのアプローチは、上述の従来技術のように、ホットキャリア冷却速度を遅くすることによるものではなく、その代わりに、ホットキャリア抽出を加速させることによるものである。ここで記載するホットキャリア抽出のためのアプローチは、キャリア抽出が十分速ければ、キャリアがそのエネルギを熱として失う前にキャリアを抽出することができる、という所見に由来する。ホットキャリア冷却時間τc内で、即ちキャリアが冷却される前に、キャリアをコンタクトへ輸送する役割を果たす電場の強度を瞬間的に上昇させることができれば、上記は達成可能である。電場の強度のこのような上昇による効果は、キャリア抽出時間がキャリア冷却時間τcより短くなり、それによって、キャリアがまだ「ホット」である状態、即ちキャリアが電池の禁制帯幅の縁を超えるエネルギレベルをまだ有している状態でキャリアを抽出することが可能となる程度に、ホットキャリアの輸送速度を上昇させることである。これを達成することができれば、ホットキャリアが集中する場所の近傍に複雑な超格子コンタクトを用いる、現在主流のものとして追求されているアプローチ（これを達成するのは幾何学的形状上かなり困難であることが分かっている）よりも極めて容易にデバイスレベルで実装できることは間違いない。このようなアプローチのホットキャリア抽出能力は、既に説明した複雑な超格子コンタクトのエネルギ選択性のいかなる態様によっても制限されることはなく、太陽電池デバイスの構造を煩雑化するいかなる幾何学的制約も生み出すことはない。寧ろ、このようなアプローチは、デバイス材料レベルではなく回路レベルでの追加だけで、従来のバルク材料にも、量子閉じ込めベースの太陽電池にも合わせて適用される。以下の議論では、この節の残りの部分において、バルク材料電池におけるこのアプローチの応用の更なる詳細を提供し、続く節において、ここで記載したキャリア加速アプローチを同様に適用することができる、量子閉じ込め構造を有する太陽電池におけるこのアプローチの応用の更なる詳細を提供する。
【００２４】
照明無しで、太陽電池のｎ型側とｐ型側とを接触させることにより、電池のｎ型側からｐ型側への一時的な電流が生じ、従来接合点の内蔵電位Ｖbiとして知られている、電池の接合点の２つの側のフェルミ準位の差により生じるコンタクトの電位をオフセットする。この一時的な電流は、電池の接合点で分散した電荷によって形成される電場が、電子と正孔に作用するコンタクトの拡散力をオフセットすると、停止する。照明下で、入射する太陽光光子による光励起によって、ｐ型側の価電子帯からの光励起電子が伝導帯へと進むにつれて電池内のキャリア数密度が上昇する。この電池内での光励起キャリア数の増加により、電池のビルトイン電場εbiは光励起キャリアを分割し、電子及び正孔がそれぞれ電池のｎコンタクト及びｐコンタクトへと移動するようにする。電池の２つの側にわたって負荷を接続すると、図３Ｂに示すように、光励起電子は電池内を、電池のｐ型側からｎ型側への方向へ流れ、ｎ型側コンタクトにおいて抽出されて、接続された負荷へと流れ、負荷内へ移動する際にエネルギを失い、電池のｐ型側コンタクトを介して電池へ戻り、ここで電池のｐ型側で待ち受けている正孔と再結合する。太陽電池及び接続された負荷内での、電子のこの順方向バイアス流を、図３Ｂに示す。
【００２５】
図３Ｂを参照すると、電池のコンタクトにわたる負荷抵抗の値ＲLoadに依存して、電池のコンタクトで生み出される光電圧は、キャリア輸送効果を持つ電池の内部電場εbiと反作用する、電池の接合点にわたる電場εpvを引き起こす。電池のコンタクトにわたる光電圧が増大すると、電池の内蔵電位Ｖbiによって引き起こされる電池の内部電場εbiは、電池のコンタクトで生み出される光電圧によって引き起こされる対向する電場εpvによって弱められる。その結果、電池のコンタクトへの光励起キャリアの輸送は順次弱められ、再結合前に電池のコンタクトへ到達できる光励起キャリアの数はより少なくなる。この効果は、ホットキャリア太陽電池にとって有害であり、なぜなら、電池の輸送メカニズムは主として内蔵電位Ｖbiによって引き起こされる電池内部電場εbiであり、その一方で、電池から抽出される電子のエネルギ、及び従って、電子が電池のコンタクトにわたって生成すると予測される光電圧が、従来の太陽電池の光電圧より極めて高いためである。既に説明したように、ホットキャリア抽出の後に必要とされる電池のビルトインキャリア輸送メカニズムは弱められ、これは光電流の低下につながり、従って、ホットキャリア太陽電池の高い電力抽出効率は得られなくなる。
【００２６】
図４は、従来のｐ−ｎ接合太陽電池の、暗所（４０５）及び照明下（４１０）での電流−電圧（Ｉ、Ｖ）特性を示す。今日慣用の単接合太陽電池から得られる出力を最大化するために、負荷抵抗値ＲLoadを、典型的には反作用する電場εbi及びεpv、即ち、電池の内蔵電位Ｖbi及び電池のコンタクトで発生する光電圧によって引き起こされる電場の間の平衡点で選択し、これは、電池から得られる最大光電圧（Ｖm）及び光電流（Ｉm）を達成する。得られる最大光電圧（Ｖm）及び光電流（Ｉm）は、典型的には、図４の（Ｉ、Ｖ）カーブの折れ曲がる点（４１５）付近のバイアスで電池によって達成される。これらの最大光電圧Ｖm及び光電流Ｉm値を達成するために、２つの反作用する電場εbi及びεpvの間の平衡は、キャリアが再結合する前に、最大数の光励起キャリアをコンタクトに輸送するのに十分なキャリア輸送力を残さなければならない。電池の内蔵電位Ｖbiの典型的な値、即ち接合点の数ミクロンの空乏領域にわたる内部電場を生成する値である〜１ボルトによって、キャリア輸送速度（従来からドリフト速度としても知られる）は、電池の空乏領域にわたって、典型的には〜１０7ｃｍ／ｓの範囲の飽和速度に達することができる。電池のコンタクトにわたる光電圧が最小値である場合、このレベルのキャリア輸送速度によって、キャリアが再結合する前に、光励起キャリアを電池のコンタクトへと容易に輸送することができる。このことは、電池の光電圧が図４の（Ｉ、Ｖ）カーブの折れ曲がる点（４１５）より下にある場合に、電池が生成する光電流がその最大値を取ることを示す図４において明らかである。しかし、電池のコンタクトにわたる高電圧が可能な最高値である場合、これは典型的には電池の禁制帯幅の範囲内である（典型的にはシリコンで１．１ｅＶ、ガリウムヒ素で１．４ｅＶ）が、結果として得られる電池のコンタクトにわたる電場εpvは、電池の内部電場εbiを、キャリアが全て電池のコンタクトに輸送されて輸送が停止する程度に弱め、コンタクトに到達して電池から抽出される前にキャリアが再結合するため、電池の光電流は最小値まで減衰する。このことは、電池の光電圧が図４の（Ｉ、Ｖ）カーブの折れ曲がる点（４１５）より上にある場合に、電池が生成する光電流が急激に最小値まで減衰することを示す図４において明らかである。この条件は、ホットキャリア太陽電池では酷く悪化する。というのは、このような電池の背景にある主たる目的は、電池材料の禁制帯幅エネルギより実質的に高いエネルギを有するホット電子を抽出することであるが、電池の光電圧が電池材料の禁制帯幅エネルギより実質的に高い値に達した場合、キャリアの輸送の役割を果たす電池の内部電場εbiは、いずれのエネルギレベルの光励起キャリアも電池のコンタクトに到達することができないほど十分に弱められてしまうためである。
【００２７】
本発明のホットキャリア太陽電池の設計の好ましい実施形態のハイレベルなブロック図を、図５Ａに示す。本発明のホットキャリア太陽電池のこの好ましい実施形態は、電池を通る光励起キャリアの平均輸送速度を、キャリアが冷却される前に、即ちキャリア冷却時間τcより短い時間内に光励起キャリアが電池のコンタクトに輸送されるような値に維持するために、電池が生成する光電圧を、最小値（Ｖmin）と最大値（Ｖmax）の間で逐次変化させることができるようにすることによって、既に記載した従来技術のホットキャリア電池設計が直面する欠点を克服する。本発明のホットキャリア太陽電池５００の設計の交番光電圧の最小値Ｖminとして、内部ビルトイン電場εbiが依然として最大値を有するような点、つまり光励起キャリア輸送速度が最大値に到達できるような点を選択する。本発明のホットキャリア太陽電池５００の交番光電圧の最大値Ｖmaxとしては、太陽電池５００内の光励起キャリアの電気化学電位の最大値と実質的に同程度の値を選択する。（電気化学電位とは、太陽光の光子による光励起によって引き起こされる、半導体材料の擬フェルミ準位間のエネルギ分離である。）本発明のホットキャリア太陽電池５００の交番光電圧のこのような最大値としては、このような高い光電圧値が有する、電池の内部ビルトイン電場εbiの値を減衰させる反作用効果を考慮せずに、電池が達成できる最高光電圧を選択する。従来の太陽電池の（Ｉ、Ｖ）特性に関する、Ｖmin及びＶmaxの値の取り得る範囲を、図４に符号４２０で示す。本発明のホットキャリア太陽電池５００の光電圧の、上述の基準に基づいて選択した最小値Ｖminと最大値Ｖmaxとの間での交番の結果、電池を通る光励起キャリア輸送速度がそれぞれ最大値及び最小値に到達する期間の交番が起こる。本発明のホットキャリア電池の光電圧の最小値と最大値の間での交番のデューティサイクルに応じて、結果として得られる光励起キャリアの平均輸送速度を、電池の光電圧がその交番サイクルの最大値にある場合でさえ、電池のコンタクトへのキャリアの連続的な輸送を提供する、従って光電流を提供するような値に維持することができる。
【００２８】
図５Ｂは、本発明のホットキャリア電池５００の光電圧の交番を表す波形を示す。図５Ｂに示すように、本発明のホットキャリア太陽電池５００の光電圧の、最小値Ｖminと最大値Ｖmaxの間での交番は、持続時間Ｔbを有する。本発明のホットキャリア電池５００の光電圧の交番を表す図５Ｂの波形の、第１の主要パラメータは、その間に光電圧が最小値Ｖminに到達することができる、サイクルＴbのパーセントであり、これは図５Ｂで（αＴb）で表され、また、光励起キャリアの必要な平均輸送速度を持続させるのに十分なほど長く、その一方で、ホットキャリア電池５００によって達成される平均光電圧を可能な最高値に維持するのに十分なほど短い長さに維持する必要がある。本発明のホットキャリア太陽電池５００のコンタクトへの光励起キャリアの輸送の主要な部分は、電池の内部ビルトイン電場εbiが、交番サイクルＴbの間にその最大値まで上昇することができる場合、光電圧交番サイクルＴbの期間（αＴb）の間に起こる。既に述べたように、電池の光電圧がその最小値Ｖminである場合、光励起キャリアの輸送速度は期間（αＴb）の間に〜１０7ｃｍ／ｓに到達することができ、これは１ｎｓの間に光励起電子を１００μｍ輸送するのに十分である。期間（αＴb）の間に増大し減衰するキャリア輸送速度の過渡効果を考慮すると、この期間の間の光励起キャリアの平均輸送速度は、〜０．１×１０7ｃｍ／ｓにしか到達することができないが、これはなお、１ｎｓの間に光励起電子を１００μｍ輸送するのに十分であると仮定するのは妥当である。これは即ち、電池の光電圧がその最小値Ｖminに到達する、光電圧交番期間のサブインターバル（αＴb）＝１ｎｓである場合、電池の内部電場εbiは、この時間間隔内に１０μｍ近くの光励起キャリアを輸送することができることを意味する。これは、期間（αＴb）を、光励起キャリアが電池のコンタクトまで輸送される必要がある平均距離に応じて選択することができることを暗示する。例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）単接合太陽電池では、電池のエミッタとベース層との間の典型的な厚さは５μｍ未満であることができ、これは、ＧａＡｓ太陽電池の光励起キャリアは、電池のコンタクトで抽出されるために２．５μｍの平均距離を移動しなければならないことを暗示する。これは、ＧａＡｓ太陽電池に関して、（αＴb）＝０．２５ｎｓは、電池５００内の光励起キャリアのほぼ全てを、ホットキャリア冷却時間τc内にコンタクトへ輸送するのに十分な時間を得るために十分であることを意味する。テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウムジセレニド（ＣＩＳ）、銅インジウムガリウムジセレニド（ＣＩＧＳ）等の薄膜タイプの太陽電池にも同等の値（αＴb）が適用されるが、これは、これらのタイプの太陽電池でも、電池のエミッタとベース層との間の典型的な厚さは５μｍ未満であることができるためである。シリコン（Ｓｉ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）太陽電池等の間接禁制帯幅太陽電池に関して、これらの電池の光吸収の長さが大きいため、電池のエミッタとベース層の典型的な厚さはＧａＡｓ、ＣｄＴｅ及びＣＩＧＳ太陽電池より極めて大きくなり得る。しかし、これらの電池の間接禁制帯幅、キャリア移動性及び結晶格子特性により、これらの電池のホットキ��リア冷却時間τcを、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ及びＣＩＧＳ太陽電池より少なくとも一桁だけ長くすることができる。Ｓｉ単接合太陽電池では、電池エミッタとベース層の典型的な厚さは３００μｍであり得るが、これは、Ｓｉ太陽電池の光励起キャリアが、電池のコンタクトで抽出されるために平均距離１５０μｍを移動しなければならなくなることを意味している。これは、Ｓｉ太陽電池に関して、（αＴb）＝１５ｎｓは、電池５００内の光励起キャリアのほぼ全てを、ホットキャリア冷却時間τc内にコンタクトへ輸送するのに十分な時間を得るために十分であることを意味する。
【００２９】
キャリア輸送時間の値はＳｉ太陽電池においてより高いが、Ｓｉのホットキャリア冷却時間τcもまた同様に長くなることが予想されることに留意されたい。それでもなお、本開示の後続の議論は、Ｓｉ電池のコンタクト間の厚さを実質的に削減することができる光閉じ込め手段をＳｉ太陽電池構造内に組み込めば、キャリア輸送時間は実質的に短くすることができることを示す。光閉じ込め手段を組み込んだこのような薄いＳｉ太陽電池に関して、厚さ２０μｍのシリコンフィルムは、光閉じ込め手段を有さない、厚さ４００μｍのＳｉ電池より極めて高い吸収率を有する（「Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」Ｗｕｒｆｅｌ著、１７３−１７７ページ）。更に、後の議論でも説明する埋め込みコンタクトも組み込んだ、光閉じ込め手段を組み込んだ薄いＳｉ太陽電池では、電池のコンタクト間の距離を５μｍ程度にすることができ、これにより、このタイプの電池のキャリア輸送時間を、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ及びＣＩＧＤ太陽電池に匹敵するものとすることができる。これは、光閉じ込め手段を組み込んだＳｉ太陽電池に関して、（αＴb）＝０．２５ｎｓとすることも可能であることを意味する。
【００３０】
本発明のホットキャリア電池５００の光電圧の交番を表す図５Ｂの波形の、第２の主要パラメータは、その間に光電圧が最小値Ｖminから最大値Ｖmaxまでの全サイクルを通過することができるサイクルＴbである。最小の光電圧交番サイクル期間（αＴb）の間に電池内で光励起キャリアを輸送する能力により、あとは、キャリア冷却時間τcと実質的に等しい又はこれより短くなるように、サイクルＴbを選択すればよい。既に説明したように、電池材料の結晶格子特性に応じて、数ナノ秒の時間規模でホットキャリア冷却が起こるため、本発明のホットキャリア電池の光電圧の交番、即ちサイクルＴbもまた同様に、数ナノ秒程度となるよう選択することができる。ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ及び薄膜Ｓｉタイプの太陽電池に関して、期間（αＴb）＝０．２５ｎｓを選択することにより、パラメータα＝０．１という値は、Ｔb＝２．５ｎｓという結果を生み、これは、その間に実質的に全てのホットキャリアが電池５００のコンタクトへ輸送されるサブサイクル（αＴb）の発生前に、サイクル時間Ｔb内で電池が生成するホットキャリアが冷却される機会を確実に有するようにするために十分な短さである。
【００３１】
電池５００のコンタクトにわたる光電圧は、サイクルＴbの間に、電池の禁制帯幅エネルギ未満から、電池５００から抽出されるホットキャリアのエネルギに対応する所望の最大値まで広がる値の範囲にわたって変化するため、光励起キャリア輸送は、全サイクルＴbを通して、輸送速度を変化させつつ起こり続け、サイクルＴb内の様々な瞬間において電池５００のコンタクトに到達するキャリアを、そのエネルギレベルに比例するエネルギレベルで抽出することに留意されたい。従来のＳｉ太陽電池（つまり、光閉じ込め手段又は埋め込みコンタクトを組み込んでいないものを指す）に関して、より大きな値のパラメータαを選択することができ、例えばα＝０．５とすると、その結果Ｔb＝３０ｎｓという値が生まれ、これは、冷却前に、有意な数の光励起ホットキャリアを電池から確実に抽出するために十分な値であり得、これは、既に説明したように、Ｓｉベースの電池のホットキャリア冷却時間τcが、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ及びＣＩＧＳベースの太陽電池のホットキャリア冷却時間よりも有意に（１桁近く）長いことが予測されるからである。
【００３２】
本発明のホットキャリア電池５００の光電圧が、サイクルＴbの間に最小値Ｖminから最大値Ｖmaxまで変化することによって、電池内で生成される光励起キャリアのエネルギプロファイルに実質的に適合するようにすることができる抽出エネルギ範囲にわたる、光励起キャリアの抽出が可能であり、上記範囲は、電池の禁制帯幅エネルギから、サイクルＴbの間に電池５００の光電圧が到達できるように選択した最大値によって定義される最大エネルギレベルにまで及ぶ。現在流通している全ての従来の単接合光電太陽電池は、単一のエネルギレベルでしか電池から光励起キャリアを抽出できないので、上記のことは、本発明のホットキャリア電池５００に固有の特筆すべき特徴である。コストのかかるｐ−ｎ接合の積層を用いる多接合太陽電池でなければ、広範なエネルギレベルにわたって光励起キャリアを抽出することができず、それでも１つの接合層あたり単一のエネルギレベルで抽出するだけである。これと対照的に、本発明のホットキャリア電池５００は、広範なエネルギレベルにわたって、かつ単接合のみを用いて、光励起キャリアを抽出することができる。本発明のホットキャリア太陽電池５００は、その光電圧の交番により、抽出エネルギの幅広い範囲にわたって、キャリア冷却速度τcと同等の、又はこれよりも速い速度で時間的に広がる太陽電池のように考えることができ、これにより、冷却前だけでなく、そのエネルギレベルと同程度のエネルギレベルにおいても、電池からキャリアを抽出することができる。既に説明したように、本発明のホットキャリア電池５００のキャリア抽出エネルギは、ホットキャリア冷却時間τc内で広範なエネルギレベルを通って循環するため、電池５００のコンタクト間の瞬間的な抽出エネルギの差は、キャリア対冷却時間間隔τc内で、ホット電子／正孔対のエネルギレベル分離に適合するので、任意の値の電気化学ポテンシャル（エネルギ分離）で電池のコンタクトに到達するホット電子／正孔対（キャリア対）を、コンタクトで冷却される前に電池５００の負荷に運ぶこともできることにも、言及しておく価値がある。これは、サイクルＴbのいずれの所定の瞬間において、電池５００の瞬間的な光電圧、従ってコンタクト間の電位分離が、時間間隔Ｔb≦τc内で光励起されるホット電子／正孔対のいくつかのエネルギレベル分離に適合し、これにより、このようなキャリア対を、エネルギレベル分離の減衰の前に、適合したエネルギ分離を有するコンタクトを通して、電池から負荷へと運ぶことができることを意味する。この特徴により、本発明のホットキャリア電池５００は、電池からホットキャリアを抽出するための複雑なエネルギ選択性コンタクトを必要としない。これは、電池の光電圧の交番サイクルＴb（これはホットキャリア冷却時間間隔τcと同等であるか、又はこれより短い）内の時間のいずれの不連続な瞬間においても、本発明のホットキャリア電池５００の交番光電圧が、ホットキャリア冷却時間間隔τcより実質的に短い時間間隔だけ続く、電池のコンタクトにおける瞬間的及び時間的に不連続の狭い抽出エネルギ帯を利用可能とし、また、キャリアの冷却時間τcと等しい、又はこれより短い時間Ｔbで周期的に利用可能でもあるようにすることによって可能となる。換言すると、本発明のホットキャリア電池５００のコンタクトの抽出エネルギレベルは、電池の光電圧がホットキャリア冷却速度より速い速度で交番するに従って、時間的にエネルギ選択されるようになっている。更に、時間的にエネルギ選択性である以上に、ホットキャリア電池５００のコンタクト間の抽出エネルギレベル分離は、電池の禁制帯幅エネルギから、電池の禁制帯幅エネルギより実質的に高い所望のエネルギレベルまでの範囲に及ぶ、幅広いエネルギ帯をカバーするよう、時間的に変化するようにもなっている。本発明のホットキャリア太陽電池５００の、これらの固有の特徴は、実際、多接合太陽電池における電池のエネルギ抽出効率の便益を、実質的により低いコストで、単接合太陽電池から得ることを可能とする。
【００３３】
図５Ａに示すように、コア太陽電池要素５３０とそれぞれ直列又は並列のバイアス回路５１０又は５２０を組み込むことにより、本発明のホットキャリア電池５００の光電圧は、図５Ｂに示す波形に従って変化するようになっている。バイアス回路５１０又は５２０は、一体回路デバイスとして、又は従来のＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ又はＳｉベースの太陽電池と一体化できる別個の構成要素回路基板として、実装することができる。図５Ｂに示すように、電池の光電圧を時間的に変化させるために、バイアス回路５１０又は５２０は、コア太陽電池５３０のコンタクトにわたる実効抵抗も、コア太陽電池５３０のコンタクトにわたる光電圧が図５Ｂに示す波形を描くように、時間的に変化するようにする必要がある。残りの議論では、直列バイアス回路５１０の詳細な説明に焦点を当てているが、並列バイアス回路５２０の設計は、一連の設計パラメータが異なるとはいえ、実質的に同一であるため、普遍性を欠くことはない。当業者は、ここで提供される直列バイアス回路５１０に関する詳細な説明を、並列バイアス回路５２０の設計パラメータを選択するために容易に利用することができる。
【００３４】
図５Ｃは、図５Ｃの破線のブロック内に組み込んだ並列バイアス回路５１０を利用した、本発明のホットキャリア太陽電池５００の例示的な詳細なブロック図を示す。図５Ｃは、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ又はＳｉベースのｐ−ｎ接合太陽電池であってよいコア太陽電池５３０に直列に接続されたバイアス回路５１０を示す。図５Ｃに示したバイアス回路５１０は基本的には、発振器５５０、ダイオード５６０、並びに図５Ｃに描かれた多数の抵抗及びコンデンサからなる、時間的に変化する抵抗Ｒvである。発振器５５０の機能は、周波数ｆsを有する可変電圧信号ｖinを生成することであり、ｆsの値は、本発明のホットキャリア太陽電池５００の光電圧Ｖoutの所望の交番サイクルＴbの逆数に等しく、即ちｆs＝（Ｔb）-1である。既に議論した設計例に関して、Ｔb＝２．５という値を選択してＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ又は薄膜Ｓｉベースの本発明のホットキャリア太陽電池に実装する場合、発振器５５０が生成する必要のある周波数ｆsは、ｆs＝４００ＭＨｚである。既に議論した設計例に関して、Ｔb＝１．５という値を選択して、従来のＳｉベースの電池と合わせた本発明のホットキャリア電池５００に実装する場合、発振器５５０が生成する必要のある周波数ｆsは、ｆs＝６６．７ＭＨｚである。
【００３５】
コア太陽電池５３０のコンタクトにわたる光電圧Ｖoutの所望の最大値及び最小値をそれぞれ生成するために必要な、可変抵抗Ｒvの最大値及び最小値を実現するように、ダイオード５６０の（Ｉ、Ｖ）特性とともに抵抗及びコンデンサ対の値（Ｒ1、Ｃ1）を選択する。サイクル時間Ｔbに関するサブインターバルのデューティサイクル（αＴb）を設定する比率αを実現するように、ダイオード５６０の（Ｉ、Ｖ）特性とともに抵抗及びコンデンサ対の値（Ｒ2、Ｃ2）を選択する。発振器５５０が生成する電圧ｖinの１回のサイクルの間、電圧ｖinの時間変化によって、ダイオード５６０にわたる実効抵抗は周期的に変化し、これにより、バイアス回路５１０全体の実効抵抗Ｒvが、最小値ＲvminからＲvmaxまで周期的に変化する。負荷抵抗ＲLも考慮すると、バイアス回路５１０の実効抵抗のこの周期的な変化によって、本発明のホットキャリア太陽電池５００の図５Ｃの例示的実装の光電圧Ｖoutも、図５Ｂに示す波形を描いて周期的に変化する。当業者にとって、時間的に変化する抵抗を実装することの所望の効果は、上述の方法以外の多くの代替方法で実現可能であり、その最終的な効果は同一であることは既知である。
【００３６】
図５Ｃに示すタイプの直列バイアス回路５１０は、交番バイアス太陽電池５００の実装に必要な周波数範囲内で変調信号をうまく生成するように設計することができる無線応用形態において典型的に使用されるものと同様である。当業者にとって、図５Ｂに示すバイアス波形を生成して同等の最終結果を得るために使用することができる、図５Ｃに示したもの以外の多くの代替回路設計が存在することは既知である。
【００３７】
図６は、本発明のホットキャリア太陽電池５００で得られると予測される光電圧及び光電流（Ｉ、Ｖ）特性の図である。上述の議論で説明したように動的にバイアスを印加する場合、ホットキャリア太陽電池５００で達成される光電圧及び光電流は、実際にはコア太陽電池５３０から得られる光電圧及び光電流であることに留意されたい。従って、図５Ｃを参照すると、ホットキャリア太陽電池５００で達成される光電圧及び光電流はそれぞれ、負荷抵抗ＲLにわたる電圧及びこれを通る電流である。既に説明したように、本発明のホットキャリア太陽電池５００の光電圧Ｖoutを、図５Ｂに示す波形を描くように時間的に変化させる場合、Ｅoutで表される、コア太陽電池５３０のコンタクトにおける実効抽出エネルギも、図５Ｂに示す波形を描くように時間的に変化する。図６は、一群の曲線６１１、６１２、６１３、６１４、６１５及び６１６を示し、これらはそれぞれ、コンタクトにおける抽出エネルギが、１．５ｅＶから２．５ｅＶの範囲のＥoutの値である場合に、コア太陽電池５３０から得られると予測される（Ｉ、Ｖ）特性を表すものである。本発明のホットキャリア太陽電池５００から得られると予測される（Ｉ、Ｖ）特性を、一群の曲線６１１、６１２、６１３、６１４、６１５及び６１６の包絡線６２０として図６に示し、これらは、コア太陽電池５３０にわたる電圧が、光電圧のＶminからＶmaxまでの範囲内の一連の値を通過する場合に、ホットキャリア太陽電池５００によって達成されると予測される光電圧及び光電流を表す。
【００３８】
図６に示すように、本発明のホットキャリア太陽電池５００で得られると予測される（Ｉ、Ｖ）特性は、広い範囲にわたって広がり、これは電池５００のコンタクトにおける抽出エネルギＥoutの広範な値によって可能となるが、このＥoutの値は、コア太陽電池５３０の禁制帯幅のわずかに下から、組み込まれたバイアス回路５１０によって可能となるホットキャリア太陽電池５００の最大光電圧Ｖoutに対応するＥoutの値まで広がる。例えば、ホットキャリア太陽電池５００のコンタクトにおける抽出エネルギＥoutは、ホットキャリア冷却速度と同等又はこれより速い速度で変化するようになっているため、本発明のホットキャリア太陽電池５００の光電圧変化サイクルＴb内の、電池５００のコンタクトの励起エネルギＥoutの瞬間的な値が１．７ｅＶである瞬間において、電池５００の光電圧Ｖoutは〜１．１５Ｖであり、Ｅout＝１．７ｅＶのエネルギ値で太陽光の光子によって光励起された電池５００によって抽出されるキャリアの数を表す光電流の値を有する。同様に、電池５００の光電圧Ｖoutが〜１．３５Ｖである瞬間において、ホットキャリア電池５００の光電流の値は、Ｅout＝１．９ｅＶのエネルギ値で太陽光の光子によって光励起された電池５００によって抽出されるキャリアの数を示す。実際、本発明のホットキャリア太陽電池５００の可変バイアスによって、電池は、広範な値のエネルギを有する太陽光の光子によって光励起されたキャリアを、これらの光励起キャリアのエネルギがキャリア冷却効果によって失われる前に抽出することができ、これにより、本発明のホットキャリア電池５００から、従来の静的（固定）バイアス値で単独で作動するコア電池５３０によって得られるものより実質的に高い、包絡線６２０で表される値の光電圧及び光電流を得ることができる。
【００３９】
既に説明したように、本発明のホットキャリア太陽電池５００の光電圧及び光電流は、図５Ｂに示す波形と実質的に同等のプロファイルで時間的に変化する。ホットキャリア太陽電池５００の可変出力を利用するために、この可変出力をＤＣ又はＡＣフォーマットに変換する必要がある。本発明のホットキャリア太陽電池５００のＤＣへの変換は、ホットキャリア太陽電池５００の光電圧Ｖoutを、バイアス回路５１０の出力ｖoutと混合して、これにより、ラジオが受信した信号を無線周波数（ＲＦ）帯域から基底帯域に変換するダウンコンバートと全く同じ方法で、基底帯域にダウンコンバートすることによって達成できる。これは、図７Ａに示すように、ホットキャリア太陽電池５００の出力にミキサを追加することによって達成できる。図７Ａにおいて７００で示す本発明のホットキャリア電池の全体的構成は、コア太陽電池５３０、コア太陽電池５３０に直列に接続されたバイアス回路５１０、及びこれらの集合出力に接続されたミキサ５４０からなる。本発明のホットキャリア電池７００の全体的構成は、図５Ａに示すような、コア太陽電池と並列に接続されるバイアス回路５２０を用いても等しく実装することができることに留意されたい。
【００４０】
代替として、本発明のホットキャリア太陽電池７００の出力を、図７Ｂに示すように、まずバイアス回路５１０の出力ｖoutを、所望のＡＣフォーマットと同一の周波数を有する発振器信号と混合し、更に、この混合後の出力ｖoutを、ホットキャリア太陽電池の光電圧Ｖoutと混合して、ＡＣフォーマットの所望の周波数にダウンコンバートすることにより、ＡＣフォーマットに変換することができる。例えば、本発明のホットキャリア太陽電池７００の出力を６０ＨｚのＡＣフォーマットにすることを所望する場合、まず、ミキサ７５０を用いて、バイアス回路５１０の出力ｖoutを６０Ｈｚ発振器７４５の出力信号と混合し、その結果生まれた信号を、ミキサ５４０を用いてホットキャリア太陽電池５００の出力Ｖoutと更に混合して、ホットキャリア太陽電池７００全体からの６０ＨｚのＡＣフォーマットの出力を生成する。出力をＡＣフォーマットにもＤＣフォーマットにも変換できる、ホットキャリア太陽電池７００のこの固有の特徴は、ホットキャリア太陽電池５００の交番バイアスという面によって可能となっている。ホットキャリア太陽電池７００の図７Ａ及び図７Ｂの構成に含まれる、出力をそれぞれＤＣ又はＡＣにするための混合回路間の違いは、その複雑さにおいて大差ないものであるということは、わざわざ言うまでもないことである。このことは、ホットキャリア太陽電池７００の図７Ａ及び図７ＢのＤＣ及びＡＣ構成は、実質的に同じコストで作製可能であり、また、実質的に同じ太陽光電力変換効率を達成できるということを暗示している。これは、本発明のホットキャリア太陽電池７００を今日慣用の太陽電池と比較した場合の有意な差であり、今日慣用の太陽電池では、典型的には、そのＤＣ出力をＡＣ出力に変換するためのインバータが必要であり、追加のコストがかかる上、電池全体の効率が２５％低下する。
【００４１】
使用可能な別のバイアス印加スキームを図７Ｄに示し、これは、所望の目的及び所望の結果の両方を示している。ここに示すように、コア太陽電池５３０は、グラウンドと出力回路７１０との間に接続され、出力回路７１０は負荷に接続される。出力回路７１０は高周波数形態のスイッチング調整器７４０を備え、これはとりわけ（Ｖmin、Ｖmax）電圧値を制御するための電圧制御７３０を有し、スイッチング調整器７４０のスイッチングを制御して、コア太陽電池５３０上に可変非散逸性負荷（通常の回路によるロスを除く）を提供するようにし（コア太陽電池の出力と回路のグラウンドとの間に一時的に連結されるインダクタであって、このインダクタは次に、回路の出力へと切り替えられて、インダクタに一時的に貯蔵される磁性エネルギを回復する）、ＤＣ出力を提供する。特に、大半のスイッチング調整器は典型的には、負荷の変化にかかわらず、調整された電圧出力を負荷に与えるようにスイッチングを制御するが、図７Ｄのスイッチング調整器７４０は、その入力における（即ち、コア太陽電池５３０の出力における）電圧を制御し、コア太陽電池５３０の出力における電圧がＶminとＶmaxとの間で所望の周波数で行き来するようにする。当業者ならば、スイッチングのデューティサイクル、スイッチング周波数又はこれら若しくはその他のパラメータの組み合わせを制御することで、これを達成できる。
【００４２】
Ｖmaxへの電圧変化に関して、Ｖmaxは、コア太陽電池の開回路電圧より高い電圧であり、そのため、（Ｖmin、Ｖmax）を制御する電圧制御７３０は、Ｖmaxをコア太陽電池の開回路電圧より高い電圧に引き上げる能力を有する必要がある。よって、図７Ｄでは、（Ｖmin、Ｖmax）を制御する電圧制御７３０はノード７２０における電圧を感知するだけでなく、ノード７２０における電圧を、それ自体で到達し得る電圧を超えて引き上げる能力も有する。コア太陽電池５３０がなお高い電圧で電流を出力しているため、引き上げのためのノード７２０におけるインピーダンスは極めて高いことが予想される。これを考慮して、Ｖmaxを、ノード７２０の電圧を引き上げるために必要な力が、コア太陽電池５３０から回収される力を超えるような電圧に設定してよく、何らかの理由がなければ、幾分高めの値のＶmaxが有益であることがわかっている。また、総合的に考慮すべきなのは、太陽電池システムのいくつかの小さい部分の効率でなく、太陽電池システム全体の効率であるので、Ｖmaxを、ノード７２０の電圧を引き上げるために必要な力が、コア太陽電池５３０から回収される力と等しくなるような電圧より若干低い電圧に設定することも可能である。図７Ｄに示すように、引き上げのための少量の電力を、負荷への出力から取ってもよい。
【００４３】
ノード７２０における電圧がＶmaxまで上昇する際、スイッチング調整器７４０はどちらかというと作動していない状態であるか、又は場合によっては全く作動しておらず、Ｖmaxへの上昇は、まずはコア太陽電池５３０の出力、コンデンサＣ1の値及びノード７２０での引き上げによって制御され、次に、スイッチング調整器７４０がより作動する状態となって、コンデンサＣ1からの電荷をスイッチング調整器７４０を通して負荷に伝送し、電荷より速い出力コンデンサＣ2をコア太陽電池５３０によってコンデンサＣ1に加えて、コンデンサＣ1の電圧をＶminまで減少させ、その後サイクルが繰り返される。そして、ＶmaxからＶminへの電圧変化は、スイッチング調整器７４０の１回のスイッチングサイクルで達成することができ、Ｖminの所望の精度を維持するために、サイクル毎に調整が行われる。これにより、コンデンサＣ1の値によって、ＶmaxとＶminの間の電圧の波形を少なくとも部分的に制御して、スイッチング調整器の周波数要件を最小化する。図７Ｄでは、電圧制御７３０への入力は、ｆs＝１／Ｔbで表される（図５Ｂ及び６を参照）。システムの動作に応じて、実際の電圧変化周波数はｆsであってもよく、又はそれより高くてもよい。また、Ｖmax及びＶminは、朝、昼、夜、晴天、曇天、人工光など、コア太陽電池に入射する光の特性に関して調整するために、プログラム可能であるか、又は自己適応型であってもよい。
【００４４】
図７Ｄでは、スイッチング調整器７４０はコンデンサＣ1の電圧を制御して、所望の周波数のＶmin及びＶmaxを達成する。従って、負荷のＤＣ電圧はこの回路によっては調整されず、配電システムに連結するための６０Ｈｚに負荷のＤＣ電圧を変換するための、この回路に接続されたインバータ等の回路によって効果的に調整される。また、スイッチング調整器７４０は、必要に応じて、ステップアップ、ステップダウン、又はステップアップ／ステップダウン調整器であってよい。このようなスイッチング回路は、先行技術でよく知られており、ここで更に説明する必要はない。
【００４５】
交番バイアスホットキャリア太陽電池の性能：
本発明のホットキャリア太陽電池の実施形態７００の性能を分析するために、特定の設計パラメータ及び実装における詳細を考慮に入れる必要がある。このような詳細のうち第一のものは、バイアス回路５１０又は５２０及びミキサ回路５４０を実装するために用いるアプローチ、並びにこれらの回路をホットキャリア太陽電池７００のコア太陽電池要素５３０に一体化する方法である。図８は、本発明のホットキャリア太陽電池７００の例示的実装形態を示し、ここでは、バイアス回路５１０又は５２０及びミキサ回路５４０は、太陽電池モジュールの背面に接着される集積回路（ＩＣ）デバイスとして実装されている。ホットキャリア太陽電池７００は、コア太陽電池５３０以外の更なる回路、即ちバイアス回路５１０又は５２０及びミキサ回路５４０を含み、これらは電池が生成する電力のいくらかを消費するため、ホットキャリア太陽電池７００の効率は、結果として予測される電力付加効率ＰＡＥに関して評価しなければならず（ＰＡＥは、ＲＦ回路設計から借用された用語であり、これによると、入力から出力への増幅利得を達成するＲＦ回路のＰＡＥは、回路の入力電力と出力電力の間の差を供給電力で除算したものである）、これは以下の式で表され、
ＰＡＥ＝η（ＩＬM）−（ＰLO＋ＰM）／ＰL   等式１
ここで、
ηは、ホットキャリア太陽電池７００で達成できる太陽光電力変換効率であり；
ＩＬMは、出力電力対入力電力の比で表される、出力ミキサ５４０の挿入損失であり；
ＰLOは、バイアス回路５１０又は５２０が消費する電力であり；
ＰMは、ミキサ回路５４０が消費する電力であり；
ＰLは、ホットキャリア太陽電池７００に入射する太陽放射の放射強度である。
【００４６】
ＩＬM及びＰMの値は、設計アプローチ及びホットキャリア太陽電池７００の出力ミキサ５４０が扱う電力レベルに依存する。等式１で表されるホットキャリア太陽電池７００の効率を定量的に分析するために、図７Ａに示すバイアス回路５１０及びミキサ回路５４０は、コア太陽電池５３０の１００ｃｍ2のサブ電池領域を駆動するよう設計されたものであると仮定する。図８に示すサブ電池を複数使用して任意のサイズのホットキャリア太陽電池７００を作製することができることに留意されたく、サブ電池はそれぞれ固有の駆動回路を有し、これらの出力を結合して、ＡＣ又はＤＣフォーマットの単一の出力を設ける。想定上のサブ電池サイズに関して、この想定上のサブ電池領域に入射するＡＭ１．５の太陽光束の放射強度はＰL＝１０Ｗである。このようなレベルの入射太陽光の放射強度、及びホットキャリア太陽電池７００の予想される太陽光電力変換効率η＝０．５４から、ミキサ５４０の入力における予想される電力は、５．４Ｗの範囲となる。理論的に予測されるホットキャリア太陽電池の効率は、１ｓｕｎにおいて熱力学的限界である６８％に到達することができるが、この性能分析例のために、ホットキャリア太陽電池７００が達成する効率の予想される値は、実装におけるロスを見込んで、ホットキャリア太陽電池７００の効率の予測される理論的限界の８０％未満になるよう、従来通り選択することに留意されたい。
【００４７】
これらの予想される値に基づいて、０．１８ミクロンのＣＭＯＳ集積回路によるバイアス回路５１０及びミキサ回路５４０の実装によって、以下の性能パラメータを従来通り得ることができると推定する：
ＩＬM＝０．９５；
ＰLO＝１０８ｍＷ、
ＰM＝２７０ｍＷ；及び
ＰL＝１０Ｗ。
【００４８】
上記の値を等式１で用いると、本発明者の基準設計例で使用するホットキャリア太陽電池７００に関して推定される電力付加効率（ＰＡＥ）は、ＰＡＥ＝０．４７であり、これは、ホットキャリア太陽電池７００を実装するために用いた典型的な従来のコア太陽電池５３０の効率の２倍以上である。
【００４９】
ホットキャリア太陽電池７００の想定した効率η＝０．５４を考慮すると、この基準設計例は、交番バイアスを生成してホットキャリア太陽電池７００の出力をＡＣ又はＤＣに変換するために使用する追加の回路は、電池の出力電力の約１２％を消費することを暗示する。本発明のホットキャリア太陽電池７００では、バイアス回路及びミキサ回路によって、上記のパーセンテージの半分未満しか失われないにも関わらず、従来の太陽電池では、その出力において典型的に使用されるＤＣ／ＡＣインバータによって、電池から得られる電力の２５％以上が失われ、しかし、固定バイアスで動作するホットキャリア太陽電池７００を実装するために使用される従来のコア太陽電池５４０のＤＣ／ＡＣインバータの前では、２倍以上の粗効率を実現することができることに留意されたい。このことは、ＡＣ出力における比較に基づいて考えると、ホットキャリア太陽電池７００は、出力にＡＣ／ＤＣインバータを有する従来の太陽電池のおよそ２．７倍の太陽光電力変換効率を全体として達成し得ることを意味する。
【００５０】
上述の電力付加効率の推定レベルを用いて、ホットキャリア太陽電池７００の自己バイアススキームも実行可能であることに留意されたい。図７Ｃに示すこのような自己バイアススキームでは、ホットキャリア太陽電池７００は、初期化のためのいかなる追加電力の供給も必要とせず、初め、生成したエネルギのわずかな部分を交番バイアス及びミキサ回路の初期化のために使用する、非交番（固定）バイアスモードで動作する。図７Ｃに示すように、ホットキャリア太陽電池７００の電力出力を、太陽電池出力電力５９０から供給を受ける電力供給ライン５８５を用いて、図５Ｃで破線の囲み５８０内にまとめて示すバイアス回路５１０及びミキサ回路５４０に電力供給を提供するために使用する。バイアス回路５１０及びミキサ回路５４０が安定状態に達するとすぐに（１ミリ秒未満）、本発明のホットキャリア太陽電池７００の交番バイアスモードの動作によって、ホットキャリア太陽電池７００を実装するために使用した従来のコア太陽電池５３０で得られる出力電力の２倍以上が得られると予想される。
【００５１】
コストに関する考察：
上記の議論で説明した交番バイアス及びミキサ回路は、０．１８ミクロンのＣＭＯＳ技術を用いて、〜１ｍｍ2のダイ領域を必要とするものと推定される。このような小さいサイズのダイに関連する全体の実装コストを削減するために、図８に示すサブ電池のうち４つのバイアス及びミキサ回路を４つの（クアッド）サブ電池それぞれの中心の背面に配置される単一のチップ上に容易にまとめることができる。このようなチップは、０．１８ミクロンのＣＭＯＳ技術を用いると、〜４ｍｍ2のダイ領域を有すると推定され、実装前のダイのコストは１つのダイ当たり〜０．１９ドルと推定される。クアッドバイアス＆ミキサチップの実装コストは、ダイのコストの５倍の範囲内であると従来通り推定され、これにより、クアッドバイアス＆ミキサチップ１つ当たり〜１ドルの推定コストとなる。グロブトップ等の低コストの実装技術を用いて、クアッドバイアス＆ミキサチップを図８に示すホットキャリア太陽電池７００のサブ電池の背面に直接一体化する場合には特に、この推定は九分通り従来通りのものである。既に説明した設計例に基づくホットキャリア太陽電池７００のクアッドサブ電池によって得られる推定出力電力を考慮すると、クアッドバイアス＆ミキサチップを追加することにより、ワット当たりコストのオフセットδＷpは〜０．０５ドル／Ｗとなり、これは、追加のコスト〜２５ドル／ｍ2で１平方メートル当たり２５個のクアッドバイアス＆ミキサチップを使用して、Ｓｉベースホットキャリア太陽電池から得られる推定正味出力電力が〜４７５Ｗ／ｍ2となることを意味する。Ｓｉ太陽電池の一般的なワット当たりコストはＷp〜３−５ドル／Ｗの範囲であることを考えると、従来のＳｉ太陽電池をＳｉベースホットキャリア太陽電池７００に変換するための推定コストオフセットは、Ｓｉ太陽電池のワット当たりコストＷpの現在の値の１％〜１．６％の範囲になると推定され、これはあらゆる実用目的において無視してよいものである。ホットキャリア太陽電池７００で実現可能な電力出力の増加を考えると、Ｓｉ太陽電池をコア要素５３０として組み込んだホットキャリア太陽電池７００の推定ワット当たりコストは、（Ｗp）〜１−１．７ドル／Ｗの範囲となり、これは３倍以上のワット当たりコストの削減を表している。この規模のワット当たりコストのオフセットδＷp及び効率上昇において、例えばＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ又は薄膜Ｓｉ等の薄膜タイプ太陽電池をコア太陽電池５３０として用いる本発明のホットキャリア太陽電池７００は、１ドル／Ｗより十分低い、場合によってはＷp〜０．３ドル／Ｗの範囲のワット当たりコストＷpを達成でき、これは、第３世代太陽電池において提唱される範囲内に十分収まるものである。
【００５２】
逆バイアスホットキャリア太陽電池：
上記の議論で説明した交番バイアスホットキャリア太陽電池５００の実施形態７００は、光励起キャリアの輸送速度を瞬間的に上昇させるために、電池の光電圧出力を周期的に下げることによるものである。同等の効果を異なる方法で達成する代替的なアプローチは、十分に短い時間間隔で、電池のコンタクトに外部逆バイアスを断続的に印加することである。短い逆バイアスパルスの断続的な印加は、電池のコンタクトにわたる追加の外部電場εextを導入し、これは実際には電池のビルトイン電場を強化するよう作用する。その結果、これらの逆バイアスパルス間隔は、光励起キャリアの輸送速度を電池材料の飽和速度より上まで瞬間的に上昇させ、印加した逆バイアスパルスの振幅に応じて、光励起キャリア輸送速度はバリスティック輸送を超えるレベルに到達することができる。本発明のホットキャリア太陽電池５００のこの代替実施形態は、逆バイアスパルスを生成するために並列バイアス回路５２０を用い、これにより、電池のコンタクトへの光励起キャリア輸送時間を実質的に短くすることができる。更に、本発明のホットキャリア太陽電池５００のこの代替実施形態は同時に直列バイアス回路５１０も用いるが、これは、逆バイアスが印加される時間の間の輸送速度よりは低いものの、高い輸送速度を持続するため、また、実施形態５００及び７００の文脈で既に説明した、時間的に選択性のエネルギ抽出スキームを実装するためのものである。本発明のホットキャリア太陽電池５００のこの代替実施形態の主要な特徴は、本発明のホットキャリア太陽電池５００の、キャリア輸送に関する態様とキャリア抽出エネルギに関する態様とを分離することができることである。本発明のホットキャリア太陽電池のこれら２つの態様を分離することで、逆バイアスパルスを断続的に印加するサイクルを適切に選択し、その一方で電池の光電圧の変動サイクルの適切な値を独立して選択することにより、時間的に連続して高い値のキャリア輸送速度を維持することができるようになり、これにより、ホットキャリア太陽電池５００及び７００の時間的に選択性のエネルギ抽出スキームで、電池のコンタクトにおいて、冷却される前に光励起キャリアを適時抽出することができるようにすることができる。
【００５３】
図９Ａは、ホットキャリア太陽電池５００の代替実施形態（ここでは９００で示す）のブロック図を示し、これは、電池９００のコンタクトにわたる抵抗を生み、これによって、既に説明した実施形態７００におけるものと実質的に同様の方法で、ホットキャリア電池９００の光電圧出力値を最小値Ｖminと最大値Ｖmaxの間で周期的に変化させる、バイアス回路５１０と同様の直列バイアス回路９１０に加えて、コンタクトにわたる短い持続時間の逆バイアスパルス流を生成するための並列バイアス回路９２０を使用する。直列バイアス回路９１０によって導入される可変バイアスの効果は、ホットキャリア太陽電池９００がそのコンタクトにおいて、コア太陽電池要素５３０の禁制帯幅エネルギのわずかに下から、バイアス回路９２０で可能な光電圧の最大値によって可能となる最大所望エネルギレベルにまで及ぶ、広い範囲の抽出エネルギＥoutで、ホットキャリアを抽出できることである。本発明のホットキャリア太陽電池９００の場合、光電圧の波形はもはや、既に説明した２つのサブインターバルαＴb及び（１−α）Ｔbを含まず、その代わり、電池の光電圧出力の断続的な変化サイクルの時間Ｔbを、キャリア冷却時間τcと同等、又はこれより短い時間とすることのみを必要とする。
【００５４】
図９Ｂは、ホットキャリア太陽電池９００の光電圧の波形を示し、この図は、この波形が、例えば上で特定したように選択された最小値Ｖmin及び最大値Ｖmaxを有する、単純な正弦波形となることができることを示す。キャリア輸送の加速に関する態様と、時間的に選択性のキャリアエネルギ抽出に関する態様とを分離することで、ホットキャリア太陽電池９００の光電圧の断続的な変化サイクルの時間Ｔbを、ホットキャリア太陽電池５００及び７００の場合よりも更に短くすることができる。Ｔb〜１ｎｓで、ホットキャリア太陽電池９００の抽出エネルギＥoutは、いくつかの太陽電池の材料系におけるキャリア冷却速度よりも相当速い速度で変化する。Ｔb〜１ｎｓを実現するために、バイアス回路９１０が含む発振器の周波数は、ｆs〜１ＧＨｚである。
【００５５】
直列バイアス回路９１０によって生成される、時間的に変化する光電圧もまた、既に説明したキャリア輸送加速効果を生むが、ホットキャリア太陽電池９００におけるキャリア輸送加速効果の大部分は、並列バイアス回路９２０によって達成されるものである。並列バイアス回路９２０は、コア太陽電池要素５３０にわたる、極めて短くかつ周期的な逆バイアスパルスを生成する。並列バイアス回路９２０が生成してコア太陽電池要素５３０にわたって印加されるバイアスの波形を、図９Ｂに示す。図９Ｂに示す波形は、持続時間ｔp、パルス反復サイクルＴp、振幅Ｖpをそれぞれ有する、逆バイアスの基本的に周期的な短いパルス流である。並列バイアス回路９２０が生成する各パルスをコア太陽電池５３０のコンタクトに印加すると、外部電場εextが発生し、この外部電場εextはコア太陽電池５３０のビルトイン電場εbiと同一方向であり、従って実際には、電子を電池の負コンタクトに輸送し、正孔を電池の正コンタクトに輸送するビルトイン電場εbiの効果を増強する。従来の太陽電池の（Ｉ、Ｖ）特性に呼応する値Ｖpの可能な範囲を、図４に符号４２５で示す。
【００５６】
並列バイアス回路９２０が生成する逆バイアスの持続時間ｔpの間、電子をホットキャリア太陽電池９００の負コンタクトに、正孔を正コンタクトに輸送するよう同一方向に作用する２つの電場εbi及びεextが組み合わさった恊働効果の下で、キャリアがコア太陽電池５３０のコンタクトへと輸送される。コア太陽電池５３０の内部ビルトイン電場εbiと、並列バイアス回路９２０が生成する逆バイアスパルスが印加されて発生する外部電場εextとの第一の、かつ主要な違いは、この外部電場εextは、コンタクトからコンタクトまで、電池の厚さ全体にわたって延在し、その一方で、内部ビルトイン電場εbiはコア太陽電池５３０の空乏領域の厚さ内に存在することである。コア太陽電池５３０の内部ビルトイン電場εbiと、並列バイアス回路９２０が生成する逆バイアスパルスが印加されて発生する外部電場εextとの第二の違いは、外部電場εextの強度は、所望のキャリア加速効果を生成するために必要な適切なレベルに設定することができることである。更に、外部電場εextは短い時間間隔で周期的に印加されるため、外部電場εextを生成する回路即ち並列バイアス回路９２０が消費する電力量は極めて少ない。
【００５７】
逆バイアスの持続時間ｔpの間、内部電場εbi及び外部電場εextはどちらも同一方向に作用し、どちらも、光励起キャリアをコア太陽電池５３０のコンタクトに輸送するよう働く。印加する逆バイアスパルスの振幅Ｖpを適切に選択すると、パルス持続時間ｔpの間、キャリア輸送速度が、典型的には１０7ｃｍ／ｓであるバリスティック輸送を超える速度に到達し、そして〜１０7ｃｍ／ｓの飽和速度レベルまで急激に減衰するように、内部電場εbiと外部電場εextを合わせた強度を設定することができる。逆バイアスパルスの振幅Ｖp、持続時間ｔp、及びパルス反復サイクルＴpを適切に選択すると（例えばＶp〜−１Ｖ、Ｔp〜１ｎｓ、及びｔp〜０．１Ｔp）、コア太陽電池５３０にわたるキャリア輸送速度を、飽和速度１０7ｃｍ／ｓに極めて近い値に連続的に維持することができる。これは、コア太陽電池５３０のコンタクトへの光励起キャリアの輸送を、１ｎｓで１００μｍ近くに連続的に維持することができることを意味し、これによって、コンタクト間厚さが〜５μｍの薄いコア太陽電池５３０（ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ又は薄いＳｉ等）内で生成される光励起キャリアが、２５ｐｓ以内に電池のコンタクトに到達でき、これは殆どの太陽電池材料のホットキャリア冷却時間τcより十分に短い。ホットキャリア太陽電池９００のこれらの特徴の組み合わせにより、典型的なコンタクト間厚さが〜３００μｍの従来のＳｉ太陽電池への応用も可能となり、この場合、〜１．５ｎｓのキャリア輸送時間が実現され、これもまた、Ｓｉ材料のホットキャリア冷却時間τcより十分に短い。
【００５８】
直列バイアス回路９１０及び並列バイアス回路９２０がそれぞれ生成するバイアスの集合によって、ホットキャリア太陽電池９００は、光励起キャリアを、キャリアが冷却される十分前にコア太陽電池５３０のコンタクトへ輸送することができ、また、電池のコンタクトでキャリアが冷却される前に、時間的に変化する選択性の抽出エネルギでこれらのキャリアを抽出することができる。ホットキャリア太陽電池９００で使用する直列バイアス回路９１０のブロック図は、図５Ｃに示す直列バイアス回路５１０のブロック図と実質的に同一である。図９Ｄは、本発明のホットキャリア太陽電池５００の実施形態９００と合わせて使用可能な並列バイアス回路５２０の典型的なブロック図を示す。図９Ｄに示すタイプの回路は、超広帯域無線応用例において典型的に使用されるものと同一であり、数ピコ秒未満の持続時間、１ナノ秒より小さい反復時間のパルスを生成するよう設計することができる。このような設計パラメータは、図９Ｃに示す逆バイアスは系を生成するために容易に適用することができる。当業者には、図９Ｃに示す逆バイアス波形を生成するために使用でき、同等の最終結果をもたらす、図９Ｄに示すもの以外の多くの代替回路設計が存在することが知られている。
【００５９】
図９Ａに示すように、実施形態９００の場合には、ミキサ回路５４０がダウンコンバートを行う前に、印加した逆バイアスの広帯域スペクトルを電池９００の出力から除去するためにローパスフィルタ９５０を追加しなければならないが、その他はホットキャリア太陽電池５００と同様にして、直列バイアス回路９１０の出力を負荷抵抗ＲLにわたる電池の出力と混合することによって、ホットキャリア太陽電池９００の最終出力をＤＣ又はＡＣフォーマットのどちらかにダウンコンバートする。図９ＡはＡＣ出力を提供するホットキャリア太陽電池９００の構成を示すが、図９Ａのブロック図から６０Ｈｚ発振器７４５及びミキサ７５０を削除することにより、ホットキャリア太陽電池９００の構成を、ＤＣ出力を提供するように容易に実現することができる。
【００６０】
太陽電池のロスメカニズムに関する既出の議論を参照すると、本発明のホットキャリア太陽電池５００、７００及び９００は、２つの主要なロスメカニズム；即ちロスメカニズム（２）：ホットキャリア冷却と、ロスメカニズム（５）：コンタクト抽出効率とを回避することによって、正味効率を達成する。以下の節における議論は、本発明の交番バイアススキームを、ＱＷ又はＱＤ等の量子閉じ込め構造を組み込んだコア太陽電池と合わせて実装する場合、結果としてできるホットキャリア太陽電池は、主要なロスメカニズムのうち別の１つ、即ちロスメカニズム（１）：Ｅp＜Ｅgである光子のロスと、ロスメカニズム（３）：放射再結合による光励起キャリアのロスとを回避することによって、更に高い正味効率の上昇を達成することができることを示そうとするものである。以下の議論で説明するように、光及び量子閉じ込め構造の両方を組み込んだコア太陽電池５３０を用いるホットキャリア太陽電池５００、７００及び９００は、多接合太陽電池で達成されるものを上回る正味効率を達成し得るため、モノリシック多接合積層の必要性及びそれと関連する格子のミスマッチの問題（これらはロスメカニズム（４）の主要な原因である）を共に回避することによって、ロスメカニズム（４）を間接的に回避する。
【００６１】
カバー範囲が拡張された交番バイアスホットキャリア太陽電池：
コア太陽電池５３０として、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ及びＣＩＧＳ等のｐ−ｎ接合太陽電池を用いる、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池の複数の実施形態について、以上の議論で説明したが、本節の議論は、電池の禁制帯幅Ｅg未満のエネルギＥpを有する入射太陽光の光子のエネルギをも回収するために、本発明の交番バイアス太陽電池の能力を拡張することを目的とする。この目的を達成するための方法は、本発明の交番バイアス太陽電池を、ＱＷ及びＱＤ等の量子閉じ込め構造を組み込んだIII−Ｖ材料太陽電池と合わせて応用することである。これは、本発明の交番バイアス太陽電池の魅力的な応用である。というのは、III−Ｖ合金の多彩な材料禁制帯幅選択肢、並びにIII−Ｖ合金を本発明の交番バイアススキームと組み合わせた際の直接禁制帯幅及び高いキャリア移動性により、拡張された太陽光スペクトルのカバー範囲を有し、極めて高い正味効率をもたらす単接合太陽電池を生み出すことができるからである。以下の議論はＭＱＷベース太陽電池に限定したものであるが、量子閉じ込めのこれ以外の側面による効果の他、ＱＤベースの交番バイアスホットキャリア太陽電池の背景にある概念も、実質的に同一である。
【００６２】
ＱＷ及びＱＤ等の量子閉じ込め構造を用いる光電（ＰＶ）太陽電池は広く研究されてきたが、このような太陽電池が、太陽光の光子の吸収を本来の電池の禁制帯幅未満にまで拡張することにより、効率の増強を達成できると予測されている（「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」Ｋ．Ｗ．Ｊ．Ｂａｒｎｈａｍら著、Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｅ１４  （２００２年）２７−３６ページ）にも関わらず、バルク材料の太陽電池に比べて広範に利用されるには至っておらず、これは主として、予測される効率の増強と、電池のコストの上昇との間の不均衡が原因である。この不均衡は、量子閉じ込めベースの太陽電池の禁制帯幅拡張の大半が、禁制帯幅の低エネルギ側でのものであり、従って、電池の光子吸収能力は波長が長い方にしか増大しないという事実による。更に、達成される電池の禁制帯幅の拡張幅は、使用する材料系及び組み込む量子構造の禁制帯幅構造に大いに依存する。しかし、既に議論したように、太陽電池に量子構造を組み込むことにより、III−Ｖ材料合金系におけるホットキャリアの冷却速度を遅くする（冷却時間τcを延長する）ことができる。III−Ｖ材料のキャリア冷却時間は典型的には、Ｓｉ、ＣｄＴｅ又はＣＩＧＳ材料系のキャリア冷却時間より短いため、量子構造を組み込んだ太陽電池における、このように延長されたキャリア冷却時間τcによって、本発明の交番バイアススキームをIII−Ｖ材料ベース太陽電池により容易に適用することができるようになる。本発明の交番バイアスホットキャリア抽出スキームを適用することによる、電池材料の禁制帯幅Ｅgを超えるエネルギの光励起キャリアを抽出することができるという便益は、量子構造を組み込んだIII−Ｖ材料ベース太陽電池にも等しく適用される。光励起キャリアエネルギ抽出を電池材料の禁制帯幅Ｅg未満に拡張する、組み込まれた量子構造による効果と、光励起キャリアエネルギ抽出を電池材料の禁制帯幅Ｅgを超えて拡張する、本発明の交番バイアスによる効果とを組み合わせた結果、場合によっては太陽光スペクトルのほぼ全部分に及ぶこともできる拡張されたカバー範囲を有する太陽電池を実現できる。例えば、本発明の交番バイアススキームを、ＱＷ又はＱＤ等の量子閉じ込め構造を組み込んだＧａＡｓベース太陽電池と合わせて適用する場合、このような本発明のホットキャリア太陽電池の光励起キャリア抽出を、ＧａＡｓの禁制帯幅エネルギ値Ｅg＝１．４２ｅＶより十分に下及び上に拡張することができる。
【００６３】
上記の議論で説明した本発明の交番バイアススキームは、ＱＷ又はＱＤ等の量子閉じ込め構造を組み込んだIII−Ｖ材料ベース太陽電池をコア太陽電池５３０とする実施形態５００、７００又は９００の場合と全く同様にして、ＭＱＷベース太陽電池と合わせて適用することができる。このようなコア太陽電池５３０のエネルギ帯構造を図１０Ａに示し、この図１０Ａは、ｐ−ｉ−ｎ接合太陽電池の固有領域内に組み込まれたＭＱＷを示す（「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」Ｋ．Ｗ．Ｊ．Ｂａｒｎｈａｍら著、Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｅ１４（２００２年）２７−３６ページ）。組み込まれるＭＱＷは、電池のエネルギ抽出能力を、電池材料の禁制帯幅エネルギＥg未満まで拡張するよう設計される。これは、ＭＱＷのバンドエネルギが次第に少なくなる（勾配を有する）ようにし、電池の禁制帯幅Ｅg未満のエネルギ帯の広範なカバー範囲を提供することによって達成できる。勾配を有するＭＱＷが意味するところは図１０Ａに示されており、この図１０Ａは、共に電池材料の禁制帯幅Ｅg未満であるＥaからＥbまでの異なる値を有する、組み込まれたＱＷそれぞれに関する禁制帯幅を示す。ＥaからＥbまでのエネルギレベル範囲は、電池の光子エネルギ吸収能力の、固有の禁制帯幅エネルギＥg未満までの拡張と見ることができる。これは、電池の禁制帯幅エネルギＥg未満のＥaからＥbの範囲のエネルギを有する入射太陽光の光子による、キャリアの光励起が可能となることを意味している。実際、このアプローチは、電池の禁制帯幅Ｅg及びそれ未満のエネルギを有する入射太陽光の光子を電池が変換できるようにすることにより、既に説明した電池効率ロスメカニズム（１）を実質的に克服する。この効果の詳細な説明を、以下の議論において提供する。
【００６４】
ＭＱＷベースの交番バイアスホットキャリア電池のエネルギ帯構造を、図１０Ｂに図示する。照明下において、ＭＱＷベースの交番バイアスホットキャリア電池のエネルギ帯構造は、少なくとも３つの擬フェルミ準位（ＱＦＬ）によって表すことができる（「Ｄｅｔａｉｌｅｄ  Ｂａｌａｎｃｅ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｌｉｍｉｔｓ  ｗｉｔｈ  Ｑｕａｓｉ−Ｆｅｒｍｉ  Ｌｅｖｅｌ  Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ」Ｓ．Ｐ．Ｂｒｅｍｎｅｒ、Ｒ．Ｃｏｒｋｉｓｈ及びＣ．Ｂ．Ｈｏｎｓｂｅｒｇ著、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ、ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．１０、１９９９年１０月；Ａ．Ｌｕｑｕｅ及びＡ．Ｍａｒｔｉ著「Ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ：ｔｈｅ  ｐａｔｈ  ｆｏｒ  ｍａｓｓ  ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｏｌａｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ、ｖｏｌ．４４、Ｎｏ．１６、２００８年７月）：
・電池の価電子帯（ＶＢ）における正孔の数を表す、ＱＦＬV；
・勾配を有するＭＱＷによって形成される中間帯（ＩＢ）における電子及び正孔（キャリア対）の数を表す。ＱＦＬI；及び
・電池の伝導帯（ＣＢ）における電子の数を表す、ＱＦＬC。
【００６５】
電池材料の禁制帯幅Ｅg又はそれ未満のエネルギを有する、図１０ＡでそれぞれＰ1、Ｐ2、Ｐ3で示す複数の太陽光の光子の吸収によって、図１０Ｂに示すように、勾配を有するＭＱＷによって生成される多重ＱＦＬ分割の間での、以下の多重キャリア遷移：ＶＢ→ＣＢ、ＶＢ→ＩＢ、ＩＢ→ＣＢが可能となる。
【００６６】
量子閉じ込めベースのコア太陽電池５３０を組み込んだホットキャリア太陽電池５００、７００又は９００において、交番バイアスを使用する場合、図１０Ａに示す、勾配を有するＭＱＷによって吸収される「余分な」低エネルギの光子Ｐ2及びＰ3によって生成されるキャリアが抽出され、これは「余分な」電流に寄与する。この余分な電流は、（電池の禁制帯幅に対して）より低いエネルギにおける光子の吸収の拡張に起因し、また、勾配を有するＭＱＷにおける量子閉じ込め効果による、キャリア数の増加にも起因する（「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」Ｋ．Ｗ．Ｊ．Ｂａｒｎｈａｍら著、Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｅ１４（２００２年）２７−３６ページ）。この場合における主たる差異は、本発明のホットキャリア太陽電池５００、７００及び９００の時間的に変化する光電圧も、そのＶminが拡張され、これにより、コア電池５３０の材料の禁制帯幅エネルギＥg未満のエネルギを有する光励起キャリアの抽出に必要な、コンタクトにおけるより低い抽出エネルギを提供できることであろう。本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池のこの実施形態の更なる利点は、太陽電池の光電圧を、電池材料の禁制帯幅Ｅg未満のエネルギを有する光励起キャリアの抽出に必要なより低い値に交番させることにより、電池が周期的に、より低い光電圧値で動作できるようにもなり、ひいてはキャリア輸送電場値を周期的に上昇させることができ、これによって電池のキャリア輸送能力を増強することができることである。これは、電池の光電圧を低下させて本発明のホットキャリア太陽電池５００、７００及び９００のキャリア輸送能力を増強している時間の間、値が低下した光電圧は、本発明のホットキャリア太陽電池のコア太陽電池内に組み込んだ量子構造によって可能となる、電池材料の禁制帯幅エネルギ未満のエネルギを有する光励起キャリアの抽出に必要な、より低い値の電池のコンタクトにおける抽出エネルギを提供するために活用されることを意味する。
【００６７】
光閉じ込め交番バイアスホットキャリア太陽電池：
既に説明したように、ホットキャリア太陽電池の実施形態５００、７００及び９００に使用するコア太陽電池５３０のコンタクト間厚さは、キャリア輸送時間に大いに影響し、従って、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池の性能に大いに影響する。例えば、Ｓｉのキャリア寿命特性は典型的にはIII−Ｖ材料より相当長いにも関わらず、既に説明したように、シリコンベースのコア太陽電池５３０に関して、ホットキャリア太陽電池９００及び５００によって、〜１．５ｎｓから〜１５ｎｓの範囲のキャリア輸送時間を達成できる。これらの値は、図２に示すキャリア寿命のキャリア冷却段階の上端である。結果として、本発明の交番バイアスホットキャリア抽出スキームの便益は、従来のＳｉ太陽電池のような、コンタクト間厚さが厚い太陽電池では十分に実現できない。しかし、コスト削減を理由として、Ｓｉベース太陽電池の厚さを削減することを目的とする徹底した努力が続けられており；この動向のおかげで、本発明の交番バイアスホットキャリア抽出スキームの便益をこのような電池で完全に実現することもできるようになるであろう。例えば、電池の上面に質感加工を施し、更に、Ｓｉベース太陽電池の背面に反射性表面を配置することにより、電池の吸収体に入射する複数の光の反射を引き起こし、電池に入射する太陽光の光子を、極めて薄い電池の吸収体で吸収することができるようになる。この単純な光トラップ手段によって、厚さ２０μｍのＳｉ太陽電池が、４００μｍのＳｉ太陽電池よりも相当に良好な光吸収性能を有することができるようになる（「Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」Ｐ．Ｗｕｒｆｅｌ著、１７３−１７７ページ）。
【００６８】
上で参照したものと同様の光トラップに関する態様と埋め込みコンタクトとを活用する光閉じ込め太陽電池構造（「Ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」Ｊ．Ｎｅｌｓｏｎ著、１８８−１９１ページ）を、図１１Ａに示す。図１１Ａに示すように、このような電池構造には反射性の垂直な側壁が組み込まれ、これらの側壁は電池全体を、典型的にはそれぞれが数十ミクロン程度の幅ＬCを有する複数のサブ電池に分割する。これらの側壁は、複数の役割を果たす。第一に、側壁を用いて、電池全体にわたる複数の光学微小キャビティを作製する。これらの微小キャビティは、初めに通過する際にはキャリアの光励起を引き起こさない入射太陽光の光子の光閉じ込め、及び、光励起キャリアの放射再結合によって電池構造内で発生する光子の光閉じ込めを提供する。第二に、図１１Ａに示すように、側壁は埋め込みコンタクトの横木の役割も果たし、電池の上面の微小メッシュと相互連結される。図１１Ａに示すように、微小メッシュは数ミクロン程度の直交するピッチを有し、サブ電池の上側表面全体に広がり、印加したバイアスの均一な分散と、電池の上面の光の入射を大きく阻止することなく電池の電力出力を抽出するための均一なコンタクトとを提供する。
【００６９】
図１１Ａに示す微小キャビティの、反射性微小キャビティサブ電池の側壁、背面及び質感加工した上面によって達成される光閉じ込めの結果、サブ電池に入る光は４〜６回反射し、その後、微小キャビティサブ電池の側壁及び背面での吸収によって減衰する。微小キャビティサブ電池の側壁間の距離がＬC〜５０μｍである場合、図１１に示す、生成される微小キャビティサブ電池構造の光閉じ込め能力により、図１１Ａに示す光閉じ込め微小キャビティを組み込んだＳｉベース太陽電池において、〜５μｍのコンタクト間厚さを達成することができる。既に説明したように、このコンタクト間厚さにより、〜０．２５ｎｓのキャリア抽出時間が可能となり、これは十分に、シリコン電池の予想されるキャリア冷却時間内である。図１１Ａに示す光閉じ込め電池構造を、本発明のホットキャリア太陽電池の構成５００、７００及び９００のコア電池５３０の構造として使用すると、これらの電池をより短いキャリア輸送時間で動作させることができる。更に、これによって、光励起キャリアの放射再結合によって生成される光子によるキャリアの光励起を促進することもできるが、典型的な太陽電池では、これらの光子はこのような電池構造内に閉じ込められないため、既に説明した効率ロスメカニズム（３）によって失われてしまうものである。
【００７０】
図１１Ａの光閉じ込め微小キャビティを組み込んだ電池構造によって提供される光閉じ込めと、図１０Ａの電池材料構造によって提供されるキャリア量子閉じ込めとの組み合わせを、交番バイアス太陽電池５００、７００及び９００のコア太陽電池５３０の文脈で図１１Ｂに示すように一体として使用すると、初めに通過する際にはキャリアの励起を引き起こさない光子によるキャリア励起の蓋然性を高める役割を果たすことにも言及しておく価値がある。放射再結合によって生成される光子が後に１つ又は複数のキャリアの励起を引き起こす可能性を、サブ電池微小キャビティの光閉じ込め及びＭＱＷのキャリア閉じ込め効果による、生成された光子の寿命の延長によって、大きく増大することができる。よって、光子閉じ込めに関する態様とキャリア閉じ込めに関する態様との図１１Ｂに示す組み合わせにより、実際に、１つの太陽光の光子が複数のキャリアの励起を引き起こす見込みが増大し、これは、既に議論したＳＱモデルにより確立された効率の限界の主たる前提、即ち、入射太陽光の光子が１つの電子−正孔対のみを生成するという前提を回避する効果である。
【００７１】
太陽電池のロスメカニズムに関する既出の議論を参照すると、本発明のホットキャリア太陽電池は、以下のロスメカニズムを回避することにより、正味効率の上昇を達成できる：（１）Ｅp＜Ｅgの光子のロス、（２）ホットキャリアの緩和によるロス、（３）放射再結合による光励起キャリアのロス、及び（５）コンタクト抽出効率によるロス。更に、本発明のホットキャリア太陽電池は、モノリシック多接合電池の効率と同等の効率を単接合電池構造によって達成することができ、従ってロスメカニズムを誘発する格子のミスマッチに関する問題を回避できるため、ロスメカニズム（４）も一緒に回避する。
【００７２】
以上の議論に基づいて、ＱＷ又はＱＤ等の量子閉じ込め構造及び光子閉じ込め微小キャビティサブ電池を組み込んだ、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池は、以下のことが可能である：
１．電池材料の禁制帯幅Ｅgの、及びそれを超える、及びそれ未満のエネルギを有する入射太陽光の光子のエネルギを電力に変換する；
２．光励起キャリアの放射再結合による内部光放出に関わるエネルギを、失われることになるはずの放出された光子をリサイクルすることによって利用する；
３．入射太陽光の単一の光子によって、複数のキャリア対の励起を達成する；
４．多重ＱＦＬ分割を組み込んだ電池構造から、光励起キャリアを抽出できるようにする；並びに
５．ＡＣ／ＤＣインバータのロスを削減する交番出力モードで動作する。
【００７３】
材料系の候補：
既に説明したように、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池は、Ｓｉ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ等の従来のバルク材料太陽電池、バルクＧａＡｓ等のIII−Ｖ材料、並びにＱＷ及びＱＤ等の量子閉じ込めを組み込んだ太陽電池と合わせて実装することができる。図１２（「Ｔｈｉｒｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ」Ｇｒｅｇｏｒｙ  Ｆ．Ｂｒｏｗｎ及びＪｕｎｑｉａｏ  Ｗｕ著、Ｌａｓｅｒ  ＆  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｒｅｖ．、１−１２（２００９年）、オンライン出版、２００９年２月２日から翻案）は、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池と合わせて使用可能な太陽電池材料系の複数の候補の禁制帯幅エネルギを、太陽光スペクトルのエネルギ分布と関連させて示す。図１２に示すように、Ｓｉ、ＩｎＰ及びＧａＡｓベースの電池を含む、今日において最も高効率の単接合電池は、１．１ｅＶ〜１．４ｅＶの禁制帯幅エネルギを有し、典型的には、大陽エネルギスペクトルの比較的狭い帯域の太陽光の光子しかエネルギに変換できない。大陽エネルギスペクトルのこの狭いカバー範囲が、今日の単接合光電太陽電池の効率を１ｓｕｎにおいて３０％未満に根本的に制限するものである。実際問題として、正味効率は、大部分はＤＣ／ＡＣインバータによる２５％のロスである、実装におけるロスによって更に低下し、これにより、典型的な単接合太陽電池モジュールの正味効率は２０％を優に下回る。実際問題として、単接合Ｓｉ電池の最高効率は、ＤＣ／ＡＣインバータのロスを計上しなくても２４％未満の効率であり、もしこれを考慮に入れれば、電池から得られる正味効率は１８％となる。これに比べて、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池は、０．６５ｅＶ〜３．１５ｅＶに及ぶ太陽光の光子エネルギカバー範囲を有することができ、従って、太陽光スペクトルの大部分をカバーすることができ、１８％より何倍も高いレベルの正味効率を得ることができる。
【００７４】
交番バイアスホットキャリア太陽電池の２つの候補の大陽エネルギスペクトルカバー範囲を、図１２に示す。第一の候補は、図１２ではＳｉ−ＡＢＣとして示すＳｉベースのものであり、従来のＳｉ太陽電池、又は図１１Ａで説明した、光閉じ込め微小キャビティを組み込んだ薄いＳｉ太陽電池を用いる。第二の候補は、勾配を有するＭＱＷを組み込んだＩｎxＧａ1-xＮ材料系ベースのものであり、図１２ではＩｎＧａＮ  ＭＱＷ−ＡＢＣとして示す。本発明の交番バイアスホットキャリア抽出スキームによって、Ｓｉベース太陽電池のスペクトルカバー範囲を、Ｓｉ禁制帯幅エネルギである１．１ｅＶからからほぼ３ｅＶにまで及ぶように拡張することができ、従って、全体の電力変換効率を、従来のＳｉ電池の２．５倍以上とすることができる。今日の高効率Ｓｉベース太陽電池で得られる電力の典型的な小売価格は０．３５ドル／ｋＷｈであり（「Ｓｏｌａｒ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：Ｅｘｐａｎｄｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｏｐｔｉｏｎｓ」Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＥＰＲＩ）、２００７年１２月）、本発明の交番バイアススキームの実装のために追加する構成要素によるコストの上昇を考慮すると、Ｓｉベース交番バイアス太陽電池で達成することができる効率上昇により、０．１５ドル／ｋＷｈの太陽光電力の小売価格が得られ、これは今日のＳｉ電池で達成される電力小売価格の半分未満であり、今日の慣用の電力小売価格範囲内に十分収まっている。
【００７５】
インジウムガリウムニトリド（ＩｎxＧａ1-xＮ）材料系は、０．６５ｅＶから３．４ｅＶに及ぶ禁制帯幅エネルギを有し、これにより、この材料は太陽光スペクトルにほぼ完全に適合する。この材料系の太陽光スペクトルカバー範囲の全能力は、既に記載したＭＱＷベースＩｎxＧａ1-xＮ交番バイアスホットキャリア太陽電池によって達成することができる。図１０Ａの勾配を有するＭＱＷは、多重量子井戸にわたるインジウムの取り込みの値「ｘ」を小さい値から大きい値に変化させ、窒化ガリウム（ＧａＮ）の禁制帯幅にわたって広がる禁制帯幅を有する多数の量子井戸を生成することにより、（ＩｎxＧａ1-xＮ）材料を用いることと合わせて実現することができる。ＭＱＷベースＩｎxＧａ1-xＮ材料の中間帯の適切な設計により、ＩｎxＧａ1-xＮ材料は、ほぼ０．６５ｅＶから３．４ｅＶまで広がる禁制帯幅を実現することができるようになる。このタイプの材料系は、本発明の交番バイアススキームと合わせて使用すると、太陽光スペクトルのほぼ全範囲のカバー範囲を達成することができ、これにより、特に太陽光集光装置と合わせて使用した場合、単接合太陽電池から超高効率を達成することができるようになる。既に説明したように、このような電池の出力電力は既に交流電流であり、達成できる効率の殆どを利用すると、その他の実装に関するロスを考慮した上でも、７０％以上の正味効率を達成する能力を提供することができる。このレベルの正味効率及び２．２５ドル／Ｗの推定コストＷpにより、１００倍太陽光集光装置と共に動作するＩｎxＧａ1-xＮ  ＭＱＷ交番バイアスホットキャリア太陽電池は、０．１０ドル／ｋＷｈの太陽光電力の小売価格を達成する能力を有し、これは今日の最も高効率な慣用の太陽電池で得られる電力の小売価格の１／３未満であり、今日の慣用の電力小売価格範囲内に十分収まっている。
【００７６】
以上で説明したように、本開示に記載した、バルクＳｉ電池及びＭＱＷベースIII−Ｖ太陽電池における交番バイアススキームの適用の２つの例から、電池が生成する電力の小売価格の何倍もの削減が予測され、これは、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池が、第３世代（３Ｇ）太陽電池のコスト目標に到達することができることを示している。
【００７７】
性能比較：
表１は、今日最も使用されている太陽電池で得られる効率と、上で議論した交番バイアスホットキャリア太陽電池の２つの応用例；即ち１ｓｕｎで動作するＳｉベース電池、及び１００倍太陽光集光装置（１００ｓｕｎ）と共に動作するＩｎxＧａ1-xＮ  ＭＱＷベース電池で得られると予測される正味効率（又は電力付加効率ＰＡＥ）とを合わせて表にしたものである。表１の比較を釣合の取れたものとするために、列挙した現行の太陽電池で得られる効率は、その出力に必要なＤＣ／ＡＣコンバータによる推定２５％のロスを反映していないことに留意されたい。その一方で、交番バイアスホットキャリア太陽電池の出力はＡＣであるため、表１に列挙した２つの交番バイアス電池の予測される効率性能は、実装において発生し得るロスを加味した、システムレベルでの正味効率である。従って、意義のある一対一比較のために、現行の太陽電池の効率性能値は、２５％だけ減少させるべきである。
【００７８】
表１では、上述した本発明の交番バイアススキームを用いて実装した太陽電池が、現行の単接合電池で得られる効率の何倍もの向上を達成できるという、本開示全体に及ぶ主題を浮き彫りにしている。更に、表１はまた、選択する材料に応じて、ＱＷ又はＱＤの量子閉じ込め構造ベースの太陽電池は、多接合太陽電池と同等又は場合によってはそれより高い正味効率を達成する能力を有することも強調している。これが実現されれば、このレベルの正味効率を達成する省コスト性の便益は、太陽電池産業を、設定した３Ｇ目標の達成へと進めることができる可能性が極めて高い。
【００７９】
【表１】
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表１
本発明の交番バイアスホットキャリア電池の予測される効率と、従来の太陽電池の効率との比較
【００８０】
結論：
本開示は、太陽電池において極めて高い効率を達成するための新規の設計アプローチを記載するものである。第一に、新規の交番バイアススキームについて記載し、これは、ホットキャリアの抽出を可能にすることにより、光電圧抽出能力を、電池の禁制帯幅を超えて増強するものである。バルク材料の単接合太陽電池と合わせて適用すると、記載した交番バイアスホットキャリア電池は、そのコア電池の正味効率の２倍以上の能力を有する。第二に、交番バイアススキームを量子井戸（ＱＷ）又は量子ドット（ＱＤ）ベースの太陽電池と合わせて適用すると、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池は、そのコア太陽電池の電力抽出カバー範囲を、太陽光スペクトル全体にまで拡張する能力を有し、従って、前例のないレベルの太陽光電力抽出効率の達成を可能とする。第三に、交番バイアススキームを、量子閉じ込めと光閉じ込めの両方を組み込んだコア太陽電池と合わせて適用すると、そのような太陽電池は、今日の太陽電池の効率を制限するロスメカニズムのほぼ全てを潜在的に回避することができる。これは、記載した交番バイアススキームのホットキャリア抽出能力を、電池の光電圧電力抽出能力を電池の禁制帯幅未満まで拡張するために、勾配を有するＭＱＷを組み込み、また、放射再結合によって生成されたキャリアを利用して、吸収した単一の光子当たり複数のキャリアの生成を可能にするために、サブ電池の光子閉じ込め微小キャビティを組み込んだ、新規の電池設計と組み合わせて、更に電池の効率を増進することによって達成される。
【００８１】
従って、本発明は複数の態様を有し、これらの態様は必要に応じて単独で、又は様々な組み合わせ若しくは部分的組み合わせで実施してよい。ここでは、限定目的ではなく説明を目的として、本発明の好ましい実施形態を開示及び記載したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に関する様々な変更を行ってよいことが、当業者には理解されるであろう。
【００８２】
以上の詳細な説明において、本発明をその特定の実施形態を参照して説明した。しかしながら、本発明のより広範な精神及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を行うことができることは明らかであろう。従って、設計の詳細及び図面は、限定を意味するものではなく説明を意味するものであると理解すべきである。本発明の一部を、好ましい実施形態に関する上述の実装と異なる形で実装してよいことは、当業者には理解されるであろう。例えば、本発明の交番バイアスホットキャリア太陽電池の直列及び並列バイアス回路を、多数の変形例によって実装することができること、並びにこれらのバイアス回路の特定の設計パラメータによって、交番バイアスの特性、ひいては結果として作製される太陽電池の性能を実質的に変更することができることは、当業者には理解されるであろう。更に、本発明の上述の実施形態の詳細に対して、その背景にある原理及び教示から逸脱することなく、多くの変更を行うことが可能であることも、当業者には理解されるであろう。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ定義されるべきである。
【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４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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