(57)【要約】【課題】少なくとも２つのＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセルを有するメタモルフィック多接合型太陽電池のＡＭ０環境における性能を改善すること。【解決手段】バンドギャップが小さくなる順に配列された複数の太陽電池サブセルを有する、宇宙放射環境のための多接合型太陽電池であって、ＩｎＧａＰから構成され、第１のバンドギャップを有し、付随する第１の短絡電流を有する、第１の太陽電池サブセルと、ＧａＡｓから構成され、第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有し、付随する第２の短絡電流を有する、第２の太陽電池サブセルとを含み、寿命初期状態において、第１の短絡電流は第２の短絡電流より小さく、そのためＡＭ０変換効率は最適以下になっている、多接合型太陽電池。しかしながら、寿命末期において、短絡電流は実質的に整合し、その結果、改善されたＡＭ０変換効率がもたらされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＧａＰから構成され、第１のバンドギャップ及び第１の短絡電流を有する第１の太陽電池サブセルと、
前記第１の太陽電池サブセルの上に配置されたＧａＡｓから構成され、前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップ、及び不整合の第２の短絡電流を有し、前記第１の短絡電流が前記第２の短絡電流より最大８％の量だけ小さい、第２の太陽電池サブセルと、
前記第２の太陽電池サブセルの上に配置されたＩｎＧａＡｓから構成され、前記第２のバンドギャップより小さい第３のバンドギャップ、及び前記第２の短絡電流に実質的に整合する第３の短絡電流を有する、第３の太陽電池サブセルと、
前記第３の太陽電池サブセルの上に配置されたＩｎＧａＡｓから構成され、前記第３のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップ、及び前記第３の短絡電流に実質的に整合する第４の短絡電流を有する、第４の太陽電池サブセルと、
を含む多接合型太陽電池であって、
ＡＭ０宇宙環境における前記多接合型太陽電池の「寿命末期」状態において、各々のサブセルの短絡電流が実質的に整合し、
ここで、基準短絡電流に「実質的に整合する」短絡電流は、前記短絡電流が、前記基準短絡電流の±４％以内であることを意味することを特徴とする多接合型太陽電池。
【請求項２】
前記寿命末期状態は、ＡＭ０宇宙環境における少なくとも１５年間の使用期間に対応することを特徴とする、請求項１に記載の多接合型太陽電池。
【請求項３】
前記寿命末期状態は、１平方センチメートル当たり１×１０15１−ＭｅＶ電子のフルエンスに対する曝露に対応することを特徴とする、請求項１に記載の多接合型太陽電池。
【請求項４】
前記第１の太陽電池サブセルは、前記第２の太陽電池サブセルに格子整合することを特徴とする、請求項１に記載の多接合型太陽電池。
【請求項５】
第１の勾配中間層が、前記第２と第３の太陽電池サブセルの間に設けられることを特徴とする、請求項４に記載の多接合型太陽電池。
【請求項６】
第２の勾配中間層が、前記第３と第４の太陽電池サブセルの間に設けられることを特徴とする、請求項５に記載の多接合型太陽電池。
【請求項７】
宇宙放射線環境のための多接合型太陽電池であって、バンドギャップが小さくなる順に配列された複数の太陽電池サブセルを有し、前記複数の太陽電池サブセルは、
ＩｎＧａＰから構成され、第１のバンドギャップを有し、付随する第１の短絡電流を有する、第１の太陽電池サブセルと、
ＧａＡｓから構成され、前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有し、付随する第２の短絡電流を有する、第２の太陽電池サブセルと、
を含み、
寿命初期状態において、前記第１の短絡電流は前記第２の短絡電流より小さく、そのためＡＭ０変換効率は最適以下である、
ことを特徴とする多接合型太陽電池。
【請求項８】
前記第１の短絡電流は、前記第２の短絡電流よりも最大８％の量だけ小さいことを特徴とする、請求項７に記載の多接合型太陽電池。
【請求項９】
前記の構造は、前記多接合型太陽電池の寿命末期までに生成される電気エネルギーが、最適な寿命初期ＡＭ０変換効率をもたらす構造を有する多接合型太陽電池の場合よりも大きくなるように、前記多接合型太陽電池の寿命にわたって変化するＡＭ０変換効率をもたらすことを特徴とする、請求項７に記載の多接合型太陽電池。
【請求項１０】
前記寿命末期ＡＭ０変換効率は、前記寿命初期ＡＭ０変換効率の８２％を上回ることを特徴とする、請求項９に記載の多接合型太陽電池。
【請求項１１】
前記寿命末期状態は、１平方センチメートル当たり１×１０15１−ＭｅＶ電子のフルエンスに対する曝露に対応することを特徴とする、請求項１０に記載の多接合型太陽電池。
【請求項１２】
前記複数の太陽電池サブセルは、
前記第２の太陽電池サブセルの上に配置されたＩｎＧａＡｓから構成され、前記第２のバンドギャップより小さい第３のバンドギャップを有し、前記第２の短絡電流に実質的に整合する付随する第３の短絡電流を有する、第３の太陽電池サブセルと、
前記第３の太陽電池サブセルの上に配置されたＩｎＧａＡｓから構成され、前記第３のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを有し、前記第３の短絡電流に実質的に整合する付随する第４の短絡電流を有する、第４の太陽電池サブセルと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の多接合型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアマスゼロ（ＡＭ０）環境とも呼ばれる宇宙放射線環境のための、メタモルフィック多接合型太陽電池に関する。このような太陽電池は多くの衛星で電源として使用される。
（政府権利表明）
本発明は、米国空軍によって与えられた契約番号ＦＡ９４５３−０４−０９−０３７１及びＦＡ９４５３−０４−２−００４１の下で、政府支援によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
（関連出願の相互参照）
本出願は、引用によりその全体が本明細書に組み入れられる２０１２年７月７日に出願された米国特許出願番号第１３／４９１，３９０号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００２】
より高い変換効率を求める要求が、多接合型太陽電池、即ち、バンドギャップが異なる２つ又はそれ以上の太陽電池サブセルをバンドギャップが小さくなる順に配列し、その結果、高エネルギー放射が第１の太陽電池サブセルによって吸収され、より低エネルギーの光子が第１の太陽電池サブセルを通過して次の太陽電池サブセルによって吸収されるようにした太陽電池の開発を推進してきた。各々の太陽電池内にさらに多数の太陽電池サブセルを設けるために、異なる太陽電池サブセルに対して異なる材料を使用することが知られており、その場合、太陽電池は、異なる格子定数を有する材料が使用される場合にはメタモルフィック（ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ）多接合型太陽電池と呼ばれる。各々の太陽電池サブセルは付随する短絡電流を有しており、従来、太陽電池は、各々の太陽電池サブセルの短絡電流を整合させて最大変換効率を達成するように設計されている。
【０００３】
非特許文献１に記載されているような反転メタモルフィック多接合型太陽電池構造体の製造は、成長基板の上に太陽電池サブセルを逆順に、即ち、最大バンドギャップ太陽電池サブセルから最小バンドギャップ太陽電池サブセルの順に成長させること、そして次に成長基板を除去することを伴う。
【０００４】
引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる特許文献１には、４接合型反転メタモルフィック多接合型太陽電池が論じられている。
【０００５】
宇宙での用途が意図される太陽電池の重要な要件は、電子及び陽子の粒子放射線に対する曝露に耐える能力である。ＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセルに関して行われた以前の電子放射の研究は、ＩｎＧａＰ及びＧａＡｓと比べて低い耐放射線性を示した（非特許文献２を参照されたい）。従って、ＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセルの性能は、ＡＭ０環境においてはＩｎＧａＰ又はＧａＡｓ太陽電池サブセルよりも速く低下することになる。それゆえ、ＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセルを「耐放射線性が高い（ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｈａｒｄ）」多接合型太陽電池に組み込むことには困難がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１２２７２４  Ａ１号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｍ．Ｗ．Ｗａｎｌａｓｓ他、「Ｌａｔｔｉｃｅ  Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，  ＩＩＩ−Ｖ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ３１st  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００５年１月３−７日、ＩＥＥＥ  Ｐｒｅｓｓ、２００５年
【非特許文献２】Ｍ．  Ｙａｍａｇｕｃｈｉ、「Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」、Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．、１９９５年、第７８巻、１４７６−１４８０ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、少なくとも２つのＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセルを有するメタモルフィック多接合型太陽電池のＡＭ０環境における性能を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、ＡＭ０環境における太陽電池の配備中に少なくとも２つのＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセルの変換効率が大幅に低下することを許容できるようにするために、太陽電池の太陽電池サブセルに付随する短絡電流に対して寿命初期（ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ  ｏｆ  ｌｉｆｅ）に不整合が導入され、その結果、寿命末期（ｅｎｄ  ｏｆ  ｌｉｆｅ）の多接合型デバイスの変換効率がより高くなる。
【００１０】
本発明の実施形態は、ＩｎＧａＰから構成され、第１のバンドギャップ及び第１の短絡電流を有する第１の太陽電池サブセルと、第１の太陽電池サブセルの上に配置されたＧａＡｓから構成され、第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップ、及び不整合の第２の短絡電流を有し、第１の短絡電流が第２の短絡電流より最大８％の量だけ小さい、第２の太陽電池サブセルと、第２の太陽電池サブセルの上に配置されたＩｎＧａＡｓから構成され、第２のバンドギャップより小さい第３のバンドギャップ、及び第２の短絡電流に実質的に整合する第３の短絡電流を有する、第３の太陽電池サブセルと、第３の太陽電池サブセルの上に配置されたＩｎＧａＡｓから構成され、第３のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップ、及び第３の短絡電流に実質的に整合する第４の短絡電流を有する、第４の太陽電池サブセルと、を含む多接合型太陽電池を提供する。本明細書において用いられる場合、基準短絡電流に「実質的に整合する」短絡電流は、その短絡電流が基準短絡電流の±４％以内であることを意味する。第１から第４の短絡電流は、ＡＭ０宇宙環境における多接合型太陽電池の寿命末期状態において、各々のサブセルの短絡電流が実質的に整合するように設定される。寿命末期状態は、ＡＭ０宇宙環境における少なくとも１５年間の使用期間、又は、１平方センチメートル当たり１×１０15１−ＭｅＶ電子のフルエンスに対する曝露に対応するものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による多接合型太陽電池の主要領域の概略を示す図である。
【図２】図１に示す多接合型太陽電池の４つの太陽電池サブセルの各々に関して、その太陽電池サブセルの短絡電流密度と最大バンドギャップを有する太陽電池サブセルの短絡電流との比の時間変化を示すグラフである。
【図３】図１に示す多接合型太陽電池の寿命中の変換効率の変化を電流整合型多接合型太陽電池と比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の詳細を、その例示的な態様及び実施形態を含めて説明する。図面及び以下の説明を参照するときに、同様の参照番号は、同様の又は機能的に類似した要素を識別するために使用され、例示的な実施形態の主要な特徴を、高度に単純化された図式で例証することを意図したものである。さらに、図面は、実際の実施形態のあらゆる特徴を示すことを意図したものでも、または描かれた要素の相対的寸法を示すことも意図したものでもなく、縮尺通りに描かれてはいない。
【００１３】
図１は、以後ＩＭＭ４Ｊ太陽電池と呼ぶ反転型メタモルフィック４接合型太陽電池の概略を示す。詳細には、図１は、成長基板１を除去する前のＩＭＭ４Ｊ太陽電池の主要層の分解図を示す。図１に示すＩＭＭ４Ｊ太陽電池は、典型的には代用の基板上に反転して取付けられ、成長基板１は使用前に除去されることを理解されたい。
【００１４】
ＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３を成長基板１の上に堆積させ、ＧａＡｓ太陽電池サブセル５をＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３の上に、ＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３が成長基板１とＧａＡｓ太陽電池サブセル５の間になるように堆積させる。ＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３及びＧａＡｓ太陽電池サブセル５は、成長基板１に対して格子整合する。
【００１５】
第１の勾配中間層７が、ＧａＡｓ太陽電池サブセル５と、ＧａＡｓ太陽電池サブセル５のＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３とは反対側にある第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９との間に挿入される。第１の勾配中間層７は、ＧａＡｓ太陽電池サブセル５と第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９との格子定数の間の差を埋めるためのメタモルフィック層である。
【００１６】
第２の勾配中間層１１が、第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９と、第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９の第１の勾配中間層７とは反対側にある第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３との間に挿入される。第２の勾配中間層１１は、第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９と第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３との格子定数の間の差を埋めるためのメタモルフィック層である。
【００１７】
ＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３は１．９１±０．０５ｅＶのバンドギャップを有し、ＧａＡｓ太陽電池サブセル５は１．４１±０．０５ｅＶのバンドギャップを有し、第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９は１．０２±０．０５ｅＶのバンドギャップを有し、第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３は０．６５±０．０５ｅＶのバンドギャップを有する。従って、複数の太陽電池サブセルは、成長基板からバンドギャップが小さくなる順に配列される。このようにすると、太陽放射が（成長基板１の除去後に）成長基板側から当たるとき、１．９１ｅＶを超えるエネルギーを有する光子はＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３によって概ね吸収され、１．４１ｅＶと１．９１ｅＶとの間のエネルギーを有する光子はＧａＡｓ太陽電池サブセル５によって概ね吸収され、１．０２ｅＶと１．４１ｅＶとの間のエネルギーを有する光子は第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９によって概ね吸収され、０．６５ｅＶと１．０２ｅＶとの間のエネルギーを有する光子は第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３によって概ね吸収される。この結果として４０．８％の理論変換効率が得られる。
【００１８】
宇宙での用途が意図される太陽電池の重要な要件は、電子及び陽子の粒子放射線に対する曝露に耐える能力である。前述のように、ＩｎＧａＡｓ太陽電池は、ＩｎＧａＰ太陽電池及びＧａＡｓ太陽電池より耐放射線性が低いことが知られている。従って、ＩｎＧａＡｓ太陽電池に付随する短絡電流は、ＩｎＧａＰ太陽電池及びＧａＡｓ太陽電池に付随する短絡電流より速い速度で低下することになる。
【００１９】
従来、多接合型太陽電池は、全ての太陽電池サブセルの短絡電流が太陽電池の寿命初期に実質的に同一になるように設計されている。本実施形態においては、第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９及び第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３の短絡電流がＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３及びＧａＡｓ太陽電池サブセル５の短絡電流よりも急速に低下することになるという事実を考慮して、太陽電池の寿命末期における短絡電流が実質的に整合するように、太陽電池の寿命初期における太陽電池サブセルの短絡電流は不整合を含む。このようにして、太陽電池の寿命にわたる総エネルギー変換が改善される。
【００２０】
図２は、太陽電池の寿命にわたる４つの太陽電池サブセルについての短絡電流の変換を示す。具体的には、ｙ軸は、各太陽電池の短絡電流の値をＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３の短絡電流に対して相対的に示す。個々の太陽電池サブセルの短絡電流の寿命にわたる変動は、それぞれの個々のサブセルを表すように作成された単一接合セルを用い、周囲のサブセル材料を、同じ成長中のデバイス熱負荷並びに照射に対する吸収特性を生じさせるようなアイソタイプにして、研究した。この単一接合セルを次に、５Ｅ１４及び１Ｅ１５ｅ／ｃｍ2のフルエンスの１−ＭｅＶの電子放射に曝露した。
【００２１】
予想されるように、第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９及び第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３は、ＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３及びＧａＡｓ太陽電池サブセル５より低い耐放射線性を示す。しかし、驚くべきことに、第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３は第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９よりも高い耐放射線性を示す。予想では、第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３内のＩｎＡｓ含量より高いことから、このサブセルにおける劣化の程度は第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９と比べてより高くなるはずだったので、これは予想外であった。
【００２２】
第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３の耐放射線性が第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９と比べてより高いことを説明することができる１つの理論は、寿命初期における第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３の拡散距離が、第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９の拡散距離よりも遥かに長いことであり、これはＩｎＡｓ中の少数キャリア濃度がＧａＡｓに比べてより高いことによるものであろう。従って、ひとたび電子放射を受けた第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル１３の拡散距離の変化が、第１のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセル９の拡散距離の変化より大きい場合でも、寿命末期における正味の拡散距離は、依然として第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセルにおけるほうがより長い。
【００２３】
寿命初期における太陽電池サブセル間の所望の電流不整合は、サブセルの厚さ及びサブセルのバンドギャップを変化させることによって達成することができる。この実施形態において、ＧａＡｓ太陽電池サブセル５が必要とする追加の電流は、ＩｎＧａＰ太陽電池サブセル３を電流整合のために必要な幅に比べて薄くすることによって達成され、他方、第１及び第２のＩｎＧａＡｓ太陽電池サブセルが必要とする追加の電流は、電流整合のためのバンドギャップに比べて吸収帯の増大をもたらす、バンドギャップの僅かな低減により生成される。
【００２４】
製造手順の最適化の後、ＩＭＭ４Ｊ太陽電池は寿命初期において約３４％のＡＭ０変換効率を示した。これは、寿命初期に電流整合された等価なＩＭＭ４Ｊ太陽電池と比べてわずかに減少したが、図３に示すように、本発明によるＩＭＭ４Ｊ太陽電池の寿命末期の残存係数は、寿命初期に電流整合された等価なＩＭＭ４Ｊ太陽電池の残存係数よりも著しく優れている。本発明によるＩＭＭ４Ｊ太陽電池の構造は、多接合型太陽電池の寿命末期までに生成される電気エネルギーが、最適な寿命初期ＡＭ０変換効率をもたらす構造を有する多接合型太陽電池の場合よりも大きくなるように、多接合型太陽電池の寿命にわたって変化するＡＭ０変換効率をもたらす。
【００２５】
上述の太陽電池は４接合型太陽電池であるが、本発明は、他の多接合型太陽電池、例えば５接合型又は６接合型メタモルフィック太陽電池（ＩＭＭ５Ｊ又はＩＭＭ６Ｊ太陽電池）に対しても同様に適用できることが想定される。
【符号の説明】
【００２６】
１：成長基板
３、５、９、１３：太陽電池サブセル
７、１１：勾配中間層
【図１】
2015019039.tif 000003
【図２】
2015019039.tif 000004
【図３】
2015019039.tif 000005