(57)【要約】本発明は、ダイクロイックミラーと、ＧａＩｎＰセルである第１セル及びＧａＡｓセルである第２セルの２つのセルを含む第１のセルスタックと、Ｓｉセルである第１セル、ＧａＩｎＡｓＰセルである第２セル及びＧａＩｎＡｓセルである第３セルの３つのセルを含む第２のセルスタックと、から構成された高効率ハイブリッド太陽電池に関する。前記ダイクロイックミラーは、太陽光を２つのスペクトル成分に分けることを提供し、前記第１のセルスタックに入射する一方の光の前記成分は、エネルギーがＥｇ以上の光子を含み、前記第２のセルスタックに入射する他方の光の前記成分は、エネルギーがＥｇより小さい光子を含んでいる。
2010538455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高効率ハイブリッド太陽電池であって、
（ａ）Ｅｇで作動し、太陽光がダイクロイックミラーに入射するように配置された前記ダイクロイックミラーであって、
前記ダイクロイックミラーは、前記太陽光を２つのスペクトル成分に分けることを提供し、一方の光の前記成分はエネルギー≧Ｅｇの光子を含み、他方の光の前記成分はエネルギー＜Ｅｇの光子を含んでおり、
これらの前記成分のいずれか一方は前記ダイクロイックミラーによって反射され、残りの一方は前記ダイクロイックミラーを透過する、ダイクロイックミラーと、
（ｂ）２つのセルを含む第１のセルスタックであって、ＧａＩｎＰセルである第１セルと、ＧａＡｓセルである第２セルとは、前記第１のセルスタックのセルのうちでより大きいエネルギーギャップを有する前記第１セルから、それらのエネルギーギャップの大きい順に垂直方向に配列されており、
前記第１のセルスタックは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む前記光の成分が前記第１のセルスタックの前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記第１のセルスタックの前記セルの各々は、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過し、
Ｅｇは前記ＧａＡｓセルのエネルギーギャップとほぼ等しい、第１のセルスタックと、
（ｃ）３つのセルを含む第２のセルスタックであって、Ｓｉセルである第１セルと、ＧａＩｎＡｓＰセルである第２セルと、ＧａＩｎＡｓセルである第３セルとは、前記第２のセルスタックのセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する前記第１セルから、それらのエネルギーギャップの大きい順に垂直方向に配列されており、
前記第２のセルスタックは、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む前記光の成分が前記第２のセルスタックの前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記第２のセルスタック中の各セルの前記エネルギーギャップは＜Ｅｇであり、
前記第２のセルスタックの前記セルの各々は、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する、第２のセルスタックと、
を含むことを特徴とする高効率ハイブリッド太陽電池。
【請求項２】
前記ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を透過することを特徴とする請求項１に記載の高効率ハイブリッド太陽電池。
【請求項３】
前記ＧａＩｎＰセルのエネルギーギャプは約１．８４ｅＶであり、
前記ＧａＡｓセルのエネルギーギャプは約１．４３ｅＶであり、
前記Ｓｉセルのエネルギーギャプは約１．１２ｅＶであり、
前記ＧａＩｎＡｓＰセルのエネルギーギャプは約０．９２〜約０．９５ｅＶの範囲内にあり、
前記ＧａＩｎＡｓセルのエネルギーギャプは約０．６９ｅＶ〜約０．７４ｅＶの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の高効率ハイブリッド太陽電池。
【請求項４】
前記Ｅｇは約１.４３ｅＶであることを特徴とすることを特徴とする請求項３に記載の高効率ハイブリッド太陽電池。
【請求項５】
前記ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を透過することを特徴とする請求項４に記載の高効率ハイブリッド太陽電池。
【請求項６】
太陽光を電力に変換する方法であって、
（ａ）前記太陽光がダイクロイックミラーの表面に入射して前記ダイクロイックミラーが前記光を２つのスペクトル成分に分けるように、前記ダイクロイックミラーを配置する工程であって、一方の前記成分はエネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を含み、他方の前記成分はエネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を含んでいる、ダイクロイックミラーを配置する工程と、
（ｂ）２つのセルを含む第１のセルスタックを配置する工程であって、
ＧａＩｎＰセルである第１セルと、ＧａＡｓセルである第２セルとは、前記第１のセルスタックのセルのうちでより大きいエネルギーギャップを有する前記第１セルから、それらのエネルギーギャップの大きい順に垂直方向に配列されており、
前記第１のセルスタックは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む前記光の成分が前記第１のセルスタックの前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記第１のセルスタックの前記セルの各々は、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過し、
Ｅｇは前記ＧａＡｓセルのエネルギーギャップとほぼ等しい、第１のセルスタックを配置する工程と、
（ｃ）３つのセルを含む第２のセルスタックを配置する工程であって、
Ｓｉセルである第１セルと、ＧａＩｎＡｓＰセルである第２セルと、ＧａＩｎＡｓセルである第３セルとは、前記第２のセルスタックのセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する前記第１セルから、それらのエネルギーギャップの大きい順に垂直方向に配列されており、
前記第２のセルスタックは、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む前記光の成分が前記第２のセルスタックの前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記第２のセルスタック中の各セルの前記エネルギーギャップは＜Ｅｇであり、
前記第２のセルスタックの前記セルの各々は、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する、第２のセルスタックを配置する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を透過することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ＧａＩｎＰセルのエネルギーギャプは約１．８４ｅＶであり、
前記ＧａＡｓセルのエネルギーギャプは約１．４３ｅＶであり、
前記Ｓｉセルのエネルギーギャプは約１．１２ｅＶであり、
前記ＧａＩｎＡｓＰセルのエネルギーギャプは約０．９２〜約０．９５ｅＶの範囲内にあり、
前記ＧａＩｎＡｓセルのエネルギーギャプは約０．６９ｅＶ〜約０．７４ｅＶの範囲内にあり、
前記Ｅｇは約１.４３ｅＶであることを特徴とすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、政府によって与えられた合意Ｗ９１１ ＮＦ−０５−９−０００５に基づく政府支援で創作された。政府は発明について一定の権利を有している。
本願の請求の範囲に記載された発明は、国防総省国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）に準じて形成された、５０％効率の太陽電池コンソーシアムのため共同研究の条文に準じて創作され、２００５年１０月１日にＷ９１１ ＮＦ−０５−９−０００５がデラウェア大学に与えられた。
【０００２】
＜本発明の技術分野＞
本発明は、移動用途及び固定用途で使用するのに適している高効率ハイブリッド太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
太陽電池の開発は５０年以上進行中である。単接合(One-junction)のシリコン太陽電池は、長い間にわたって多くの注目を集め、陸上の光起電力用途で用いられてきた。しかしながら、単接合シリコン太陽電池は、太陽エネルギー変換の理論的な可能性の半分以下を捕えるだけであり、現時点における最高の実験室太陽電池であっても、たった約２４.７％の効率を提供しているに過ぎない。このことが、太陽電池の応用範囲を狭めている。
【０００４】
高機能の光起電力システムは、経済的理由及び技術的理由の両方から要求されている。太陽電池の効率を２倍にすれば、電気のコストを半分にすることができる。多くの用途では、現在の太陽電池を用いて必要な電力を提供するのに要求される面積を有していない。
【０００５】
より効率的な太陽電池のために、２つのタイプの太陽電池の構成が提案された。一方は横方向の構成である。光学分散要素は、太陽スペクトルを波長成分に分けるのに用いられる。個々の太陽電池は、各波長域の下に配置され、そして、その波長域の光に対して良好な効率を提供するようにセルが選択される。他方の構成は垂直方向の構成であり、異なるエネルギーギャップを有する個々の太陽電池が積層体(stack)中に配置されている。これらは一般にカスケードセル(cascade cells)、タンデムセル(tandem cells)又は多接合セル(multiple junction cells)と呼ばれる。太陽光は、積層体を通過する。
【０００６】
高効率の太陽電池と、そのようなセルを達成できる構成とを開発する必要がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、高効率ハイブリッド太陽電池を提供し、当該高効率ハイブリッド太陽電池は、
（ａ）Ｅｇで作動し、太陽光がダイクロイックミラーに入射するように配置された前記ダイクロイックミラーであって、前記ダイクロイックミラーは、前記太陽光を２つのスペクトル成分に分けることを提供し、一方の光の前記成分はエネルギー≧Ｅｇの光子を含み、他方の光の前記成分はエネルギー＜Ｅｇの光子を含んでおり、これらの前記成分のいずれか一方は前記ダイクロイックミラーによって反射され、残りの一方は前記ダイクロイックミラーを透過する、ダイクロイックミラーと、
（ｂ）２つのセルを含む第１のセルスタックであって、ＧａＩｎＰセルである第１セルと、ＧａＡｓセルである第２セルとは、前記第１のセルスタックのセルのうちでより大きいエネルギーギャップを有する前記第１セルから、それらのエネルギーギャップの大きい順に垂直方向に配列されており、前記第１のセルスタックは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む前記光の成分が前記第１のセルスタックの前記第１セルの表面に入射するように配置され、前記第１のセルスタックの前記セルの各々は、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過し、Ｅｇは前記ＧａＡｓセルのエネルギーギャップとほぼ等しい、第１のセルスタックと、
（ｃ）３つのセルを含む第２のセルスタックであって、シリコンセルである第１セルと、ＧａＩｎＡｓＰセルである第２セルと、ＧａＩｎＡｓセルである第３セルとは、前記第２のセルスタックのセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する前記第１セルから、それらのエネルギーギャップの大きい順に垂直方向に配列されており、前記第２のセルスタックは、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む前記光の成分が前記第２のセルスタックの前記第１セルの表面に入射するように配置され、前記第２のセルスタック中の各セルの前記エネルギーギャップは＜Ｅｇであり、前記第２のセルスタックの前記セルの各々は、それらのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子を含む光に対しては透明で当該光を透過する、第２のセルスタックと、を含むことを特徴とする。
【０００８】
ダイクロイックミラーは「コールド」ダイクロイックミラーが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、セルスタックの概略図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、実証されたハイブリッド太陽電池のデザインを示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実証されたハイブリッド太陽電池のデザインを示す。
【図３】図３は、ハイブリッド太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーと、直交する２つのセルスタック面とを備えている。
【図４】図４は、ハイブリッド太陽電池の別の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーと、同一平面に配置された２つのセルスタックとを備えている。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜好ましい実施の形態＞
本発明は、３０％を越える効率を有し、好ましくは、４０％まで及び４０％を越える効率を有する高効率太陽電池を提供する。ハイブリッド太陽電池は、ダイクロイックミラーと、ＧａＩｎＰセル及びＧａＡｓセルを含む第１のセルスタックと、Ｓｉセル、ＧａＩｎＡｓＰセル及びＧａＩｎＡｓセルを含む第２のセルスタックとで構成される。
【００１１】
Ｅｇで作動するダイクロイックミラーは、太陽光がダイクロイックミラーに入射するように配置される。いわゆる「コールド」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を透過する。いわゆる「ホット」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を反射する。２タイプのダイクロイックミラーの開発の現段階では、「コールド」ダイクロイックミラーのほうが好ましい。ダイクロイックミラーは平面でも曲面でもよい。
【００１２】
本明細書では、「セル」は、様々な積層体に含まれている個々のセルを記述するのに用いられ、それらは一般に太陽電池と呼ばれている。本明細書では、「太陽電池」の用語は、完成した装置を記述するのに用いられる。
【００１３】
上述のとおり、本明細書で用いられている「積層体中のセルのうちで最大のエネルギーギャップを有する第１セルから、エネルギーギャップの大きい順に垂直方向に配列された」とは、最大のエネルギーギャップを有する第１セル、第１セルの直下に次に大きいエネルギーギャップを有する第２セル、第２セルの直下に３番目に大きいエネルギーギャップを有する第３セル、のように、積層体中のセルが順に配列されていることを意味している。セル積層体（セルスタック）のこのような配置は、図１に模式的に示されている。セルスタック１０は３つのセル１、２、３を有しており、セル１が第１セルである。３つのセルのエネルギーギャップは、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞Ｅｇ３のような関係になっている。ここでＥｇ１はセル１のエネルギーギャップ、Ｅｇ２はセル２のエネルギーギャップ、Ｅｇ３はセル３のエネルギーギャップである。セル１は、エネルギー≧Ｅｇ１の光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇ１の光子を含む光を透過するだろう。セル２は、エネルギー≧Ｅｇ２の光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇ２の光子を含む光を透過するだろう。セル３についても同様である。セルは、光学的に直列であると見なすことができる。セルは、吸収した光子のエネルギーを電気に変換する。
【００１４】
本明細書で用いられている「吸収された」とは、セルに吸収された光子が、電子−正孔ペアの生成をもたらすことを意味する。
【００１５】
本明細書では「Ｅｇで作動するダイクロイックミラー」とは、ダイクロイックミラーが太陽光を、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光と、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光と、の２つのスペクトル成分に分けることを意味する。これらの成分のいずれか一方はダイクロイックミラーによって反射され、残りの一方はダイクロイックミラーを透過する。「コールド」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を透過する。そして、「ホット」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を反射する。一般的に、ダイクロイックミラーは、太陽光に対して垂直にならないように、配置されるだろう。このようにすると、反射光の方向は、入ってくる太陽光の方へ直接戻らずに、むしろダイクロイックミラーに入射する太陽光の方向に対して角度をなしている。また、反射光はより容易にアレンジされて、他の適当なセルスタックに入射することができる。透過から反射への遷移が、エネルギーとそれに対応する波長の範囲にわたって発生する。作動エネルギーＥｇは、この遷移領域の中間点として見なされる。例えば、「コールド」ダイクロイックミラーであれば、その遷移が非常に鋭いのでない限り、エネルギー＞Ｅｇの光子のいくらかは透過され、そしてエネルギー＜Ｅｇの光子のいくらかは反射されるだろう、と認識される。遷移範囲内では、Ｅｇより大きいエネルギーを有する光子の大部分は反射され、Ｅｇより小さいエネルギーを有する光子の大部分が透過される。上記の「Ｅｇで作動するダイクロイックミラー」の定義は、遷移領域の性質に対するこのような認識の点から理解され解釈されるべきである。既知のダイクロイックミラーでは、ダイクロイックミラーを回転させて、そこに入射する光の入射方向に対する垂直方向から遠ざけると、作動エネルギーが低いエネルギー側(高い波長側)にシフトする。また、「Ｅｇで作動するダイクロイックミラー」は、ダイクロイックミラーが入射光の方向に対して配置される位置に適用する、と理解され解釈されるべきである。ダイクロイックミラーは多層構造体であり、典型的には、２種類の透明酸化物を交互に積層した２０層以上の層を含んでいる。よりシャープな遷移のためには、より多くの層と、より高いコストとを必要とする。
【００１６】
本明細書では「ハイブリッド」は、水平構成(lateral architecture)や垂直構成(vertical architecture)ではなく、むしろ２つを組合せたもの有していることを示すための即席の(instant)太陽電池を記述するのに用いられる。
【００１７】
好ましい実施態様では、高効率太陽電池は、さらに光学素子を含んでいる。表面に入射する日射の強度又は濃度は１Ｘ（規定濃度）である。１Ｘの太陽光によって高い太陽電池効率を達成することは、より高濃度の太陽光を用いて達成するよりも、より難しく、且つより高価になる。光学素子の目的は、そこに入射する光を集めて濃度を高め、そしてダイクロイックミラーの表面に光を方向付けることである。光学素子は、静的集光器(static concentrator)である総合的な内部反射集光器を含む。この静的集光器は、太陽電池で利用可能な太陽光の出力密度を増加させる。空の大部分から光を受けるのは、広い受光角度の集光器(wide acceptance-angle concentrator)である。追尾集光器(tracking concentrator)とは異なり、静的集光器は散乱光の多くを捕捉することができ、その散乱光の大半はスペクトルの青色〜紫外線部分にある。この散乱光は、太陽スペクトル中の入射パワー(incident power)の約１０％を占める。実際には、高レベルの濃度は、年間を通じて日射のパワー密度の低い空のそれらの部分からの光を排除(reject)することにより、達成される。このように、太陽光の濃度は１０Ｘ倍以上に増える。集光器の位置を１年間ある時間に調節可能ならば、より高い濃度が得られる。光は集光器の１つの表面を通って透過し、そしてその表面は、ダイクロイックミラーの表面に隣接している。本明細書では「太陽光」とは、その濃度に関係なく、ダイクロイックミラーの表面に入射する全ての太陽スペクトルを指すのに用いられる。好ましくは、その濃度は１０Ｘ以上である。
【００１８】
ダイクロイックミラーによって反射された光及び／又はダイクロイックミラーを透過した光は、適切な積層体中の第１セルの表面に直接入射することができる。代わりに、ダイクロイックミラーによって反射された光及び／又はダイクロイックミラーを透過した光が、反射ミラーによって反射されそして方向付けられて、適切な積層体中の第１セルの表面に入射するように（つまり、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光が、第１のセルスタックの第１セルの表面に入射するように方向付けられ、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光が、第２のセルスタックの第１セルの表面に入射するように方向付けられるように）、反射ミラーを配置してもよい。ダイクロイックミラーと反射ミラーは、単一の光学部品に組み込むことができる。
【００１９】
それぞれのセルのエネルギーギャプは、セルの正確な構成及び調製方法に依存するだろう。ＧａＩｎＰセルのエネルギーギャプは約１．８４ｅＶであり、ＧａＡｓセルのエネルギーギャプは約１．４３ｅＶであり、Ｓｉセルのエネルギーギャプは約１．１２ｅＶであり、ＧａＩｎＡｓＰセルのエネルギーギャプは約０．９２〜約０．９５ｅＶの範囲内にあり、そして、ＧａＩｎＡｓセルのエネルギーギャプは約０．６９ｅＶ〜約０．７４ｅＶの範囲内にあるのが好ましい。
【００２０】
セルスタックはモノリシック構造にすることができる。代わりに、いくつかのセル又は全てのセルを、個々の基板上に調製することができる。例えば、第２のセルスタックの場合には、Ｓｉセルは、Ｓｉセル並びにＧａＩｎＡｓＰセル及びＧａＩｎＡｓセルを透過した光に対して透明な基板の上に、モノリシックタンデム(monolithic tandem)として調製することができる。
【００２１】
ある実施態様では、一方又は両方の積層体中のセルを電気的に直列に接続して、積層体用に単一の出力を提供することができる。より好ましい実施形態では、両方の積層体中の個々のセルはすべて、個々の電気接続と接触している。これは太陽電池の実質的な単純化をもたらし、セルの最適な操作を提供する価値としては、各セルを通る電圧を調節する機会を提供する。セルは、太陽電池に所望の電圧で単一の電気出力を提供する電力結合器(power combiner)と接続することができる。
【００２２】
エネルギーギャップ１.８４ｅＶを有するＧａＩｎＰセルと、エネルギーギャップ１.４３ｅＶを有するＧａＡｓセルは、第１のセルスタック用として好ましいセルである。K. A. Bertnessら、Appl. Phys. Letter 65, 989 (1994)に記載されているように、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓのタンデムセルから成る２セルスタックは、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、アルシン及び他の前駆体を用いて調製することができる。これらのセルは、それらのエネルギーギャプ未満のエネルギーの光子を透過するので、従来のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓセルと異なる。製造され実証されたタンデムセル中のセルは、個々のセル用の個々の電気接続を有してはおらず、電気的に直列に接続されていた。最高の性能を有するセル（ニューメキシコ州アルバカーキのEmcore社製によって製造された）は、０．１２４５ｃｍ２の有効面積(active area)を有しており、２５．１℃及び２０Ｘで作動させた。開放電圧（open circuit voltage：Ｖｏｃ）は２．６３１Ｖであり、短絡電流（short circuit current：Ｉｓｃ）は４１．５９ｍＡであった。最大出力（Ｐｍａｘ）は９５．４６ｍＷで、このときＶｍａｘ＝２．３３４Ｖ、Ｉｍａｘ＝４０．９０ｍＡであった。タンデムセルは、８７．２４％の曲線因子(fill factor)（Ｐｍａｘ／ＩｓｃＶｏｃ）と、３１．７％の効率とを示した。
【００２３】
第２のセルスタックの第１セルは、エネルギーギャップ１.１２ｅＶを有するシリコンセルである。最近の革新は、低価格で高機能シリコンセルを提供する機会を提供してきた。これらは、薄いシリコン接続部の使用と、絶縁体以外の手段によるシリコン表面のパッシベーション（表面安定化処理）(M. Taguchiら、「太陽電池の進展(Progress in Photovoltaics)」Research and Applications, Vol.8, p503-513(2000))と、光学的透明基板の使用と、実証されたｎ型シリコン内での高い少数キャリア寿命(A. Cuevasら、Appl. Phys. Lett. 81, 4952(2002))と、を含んでいる。シリコンセルは、ワイドエネルギーギャップの半導体アモルファスシリコンの堆積物を使って表面をパッシベート（安定化）して製造されて、高電圧と高効率を達成している。使用された構造体は、結晶シリコンとアモルファスシリコンとの間のヘテロ接合(heterojunction)を有している。デバイス性能は、結晶性シリコン基板の特性によって左右される。シリコンセルのデザイン２０は図２Ａ及び図２Ｂに示されている。図２Ａは底面図である。図示されているように、セルは幅４ｍｍ及び長さ９ｍｍである。セルの３つの縁部の周りには、幅１ｍｍの金属化バンド(metallized band)２１がある。セルの有効面積２２は、２ｍｍ×８ｍｍである。”Ａ−Ａ”に沿った断面図が図２Ｂに示されている。この図には、シリコンセル２３の底面の周りに金属化バンド２１が示されている。透明な導電性酸化物のインジウムスズ酸化物２４が、シリコンセル２３の上面に示されている。インジウムスズ酸化物層の上面にある金属化バンド２５は、金属化バンド２１と同じ面積及び形状を有している。金属化バンド２１、２５は、電気的接続とのための接点(contacts)を提供する。金属化部分すべてをセルの有効面積の外側におくことにより、その下側のセルに最大の透過性(transmittivity)が保証される。セル面積は十分に小さく、最小の抵抗損で、インジウムスズ酸化物に沿ってそしてセルのバルクを通ってゆく適切な伝導を可能にする。シリコンセルは、ＧａＡｓでフィルターした太陽光によってテストされた。これは、本発明の太陽電池の第２のセルスタックの第１セルの表面に入射するように向けられるエネルギー＜Ｅｇの光子と含む光でシミュレーションしたものである。最高の性能を有するシリコンセルは、０．１５８ｃｍ２の有効面積を有しており、２５．０℃±１．０℃及びＧａＡｓでフィルダーした２０Ｘで作動させた。Ｖｏｃは０．６９００Ｖで、Ｉｓｃは３７．１０ｍＡであった。最大出力（Ｐｍａｘ）は１５．７６ｍＷであり、このときＶｍａｘ＝０．５０８４Ｖ及びＩｍａｘ＝３１．００ｍＡであった。シリコンセルは、６１．５６％の曲線因子と、４．９９％の効率とを示した。
【００２４】
第２のセルスタックの第２セル及び第３セルは、ＧａＩｎＡｓＰセル及びＧａＩｎＡｓセルであり、２００２年ＩＥＥＥ太陽光発電専門家会議(IEEE Photovoltaic Specialists Conference)、８８４〜８８７ページのR. J. Wehrerらの議事録に記載されたように調製することができる。実証されたセルは、２つのセルが電気的に独立して接続されたモノリシックタンデムとして調製された。セルが電気的に直列に接続されなかったので、セル間にトンネル接合(tunnel junction)は含まれなかった。これにより、成長法が単純化された。２つのセルのエネルギーギャプを低下させて、わずかに高い変換効率を実現する試みがなされた。ＧａＩｎＡｓＰセルのエネルギーギャプは０．９２ｅＶであり、ＧａＩｎＡｓセルのエネルギーギャプは０．６９ｅＶであった。３端子(3-terminal)の電気的接続は、各セルの動作を独立して(independentally)測定することを可能にした。セルの動作は、理想的なシリコンフィルタ（１１００ｎｍカットオフ）の下で測定された。ＧａＩｎＡｓＰセルは、２１．４Ｘの光の下にあった。Ｖｏｃは０．４００Ｖで、短絡電流密度(short circuit current density)Ｊｓｃは２８１ｍＡ／ｃｍ２であった。それは、７２％の曲線因子と、２．７９％の効率とを示した。ＧａＩｎＡｓセルは２８．９Ｘの光の下にあった。Ｖｏｃは０．６０９Ｖで、Ｉｓｃは１６７ｍＡ／ｃｍ２であった。それは、７３％の曲線因子と、３．４６％の効率とを示した。２つのセルの結合効率(combined efficiency)は６．２％だった。
【００２５】
実証された２つのセルスタック構成部品の総合効率(total efficiency)は４２．９％だった。
【００２６】
特定の実施態様の形態によっては、セルスタックは、１つ以上の取付けボードに取り付けることができる。吸収されなかったはずの光を吸収してその光のエネルギーを電気に変換するスカベンジャーセル(scavenger cell)として機能するシリコンセルが、一方又は両方のスタックの最終セルに隣接して又は最終セルと接触して配置されてもよい。シリコンスカベンジャーセルは、セルスタック中のセルよりも大きな断面積（典型的には、セルスタック中のセルの断面積の少なくとも約１０倍）を有しているだろう。スカベンジャーセルによって遮られた光のうちのいくらかは、セルスタックに入射されなかった光、反射光、スタック内のセル（例えば、第１のセルスタック内のセル）に吸収されなかった光、及びセルスタックに入射されなかった散光である。スカベンジャシリコンセルは、電気的に直列若しくは並列に接続、又は独立して接続することができる。
【００２７】
セルの表面から反射された光は、太陽電池効率を高めるための潜在的なソース(potential source)である。光が入射するセルの表面に反射防止コーティングを塗布して、このロスを最小限にすることができる。
【００２８】
ある実施態様では、ダイクロイックミラーによって反射された光及びダイクロイックミラーを透過した光は、各々のセルスタックに入射する前に、空気中を伝搬する。別の実施態様では、これらの光を伝搬するための１つ以上の透明固体(transparent solids)が提供されてもよい。
【００２９】
図２及び図４では、同じ符号は、同じ部分を特定するために用いられる。単純化のために、様々な光線(light beams)は１つの光の筋(light ray)で表されている。
【００３０】
図３は、ハイブリッド太陽電池の実施態様を示している。太陽電池３０Ａは、「コールド」ダイクロイックミラー３１と、第１のセルスタック３２と、第２のセルスタック３３とを含んでいる。第１のセルスタック３２は２つのセル、ＧａＩｎＰセル３４とＧａＡｓセル３５とを含んでいる。第２のセルスタック３３は３つのセル、Ｓｉセル３６と、ＧａＩｎＡｓＰセル３７と、ＧａＩｎＡｓセル３８とを含んでいる。ダイクロイックミラー３１はＥｇで作動し、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を透過する。太陽光４１は、太陽光４１の方向に対して約４５°の角度で配置されたダイクロイックミラー３１に入射する。エネルギー＞Ｅｇの光子を含む光４２はダイクロイックミラーによって反射されて、第１のセルスタック３２の第１セル３４の表面に入射する。セル３４、３５の各々は、それらのエネルギーギャプ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャプ未満のエネルギーの光子を含む光に対して透明で当該光を透過する。エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光４３はダイクロイックミラーを透過し、第２のセルスタック３３の第１セル３６の表面に入射する。セル３６、３７、３８の各々は、それらのエネルギーギャプ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャプ未満のエネルギーの光子を含む光に対して透明で当該光を透過する。図３は、ハイブリッド太陽電池がＳｉスカベンジャーセル３９、４０をさらに含んでいる実施態様を示している。Ｓｉスカベンジャーセル３９はセル３５に接触し、Ｓｉスカベンジャーセル４０はセル３８に接触して図示されている。第１のセルスタック３３及び第２のセルスタック３４に入射しない各々の領域内の光は、Ｓｉスカベンジャーセル３９、４０に入射する。
【００３１】
図４は、ハイブリッド太陽電池の別の実施態様を示している。
太陽電池３０Ａは、「コールド」ダイクロイックミラー３１と、第１のセルスタック３２と、第２のセルスタック３３とを含んでいる。第１のセルスタック３２は２つのセル、ＧａＩｎＰセル３４とＧａＡｓセル３５とを含んでいる。第２のセルスタック３３は３つのセル、Ｓｉセル３６と、ＧａＩｎＡｓＰセル３７と、ＧａＩｎＡｓセル３８とを含んでいる。ダイクロイックミラー３１はＥｇで作動し、エネルギー≧Ｅｇの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光を透過する。太陽光４１は、光が図４に示すように反射されるように配置されたダイクロイックミラー３１に入射する。エネルギー＞Ｅｇの光子を含む光４２はダイクロイックミラーによって反射されて、第１のセルスタック３２の第１セル３４の表面に入射する。セル３４、３５の各々は、それらのエネルギーギャプ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャプ未満のエネルギーの光子を含む光に対して透明で当該光を透過する。エネルギー＜Ｅｇの光子を含む光４３はダイクロイックミラーを透過して、反射ミラー４４によって反射される。反射光４３は、第２のセルスタック３３の第１セル３６の表面に入射する。セル３６、３７、３８の各々は、それらのエネルギーギャプ以上のエネルギーの光子を含む光を吸収し、それらのエネルギーギャプ未満のエネルギーの光子を含む光に対して透明で当該光を透過する。図４は、ハイブリッド太陽電池がＳｉスカベンジャーセル３９、４０をさらに含んでいる実施態様を示している。Ｓｉスカベンジャーセル３９はセル３５に接触し、Ｓｉスカベンジャーセル４０はセル３８に接触して図示されている。第１のセルスタック３３及び第２のセルスタック３４に入射しない各々の領域内の光は、Ｓｉスカベンジャーセル３９、４０に入射する。この配置であれば、セルスタック及びＳｉスカベンジャーセルを、同じ実装ボード上で容易に支持することができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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