(57)【要約】  ハイブリッド光発電デバイス（１）は、縦に整列したナノワイア（２５）のアレイを含む第１の層（２１）内に配置された薄膜太陽電池（２）を備え、前記ナノワイアが第１のスペクトル範囲に対応する第１のバンドギャップを有する接合を有する。ナノワイア（２５）が吸収領域を形成し、非吸収領域がナノワイア間に形成される。バルク太陽電池（３）が、第１の層（２１）の下方に位置し、前記第１のバンドギャップよりも小さくかつ第２のスペクトル範囲に対応する第２のバンドギャップを有する接合を有する第２の層（３１）内に配置される。ナノワイアは、入射フォトニック波面の所定の部分が、第１のスペクトル範囲および第２のスペクトル範囲の両方での吸収のためにバルク太陽電池へと、第１のスペクトル範囲で吸収せずに非吸収領域を通過するように選択された横方向密度を第１の層において有する。
2017534184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド光発電デバイス（１）であって、
縦に整列したナノワイア（２５）のアレイを含む第１の層（２１）内に配置された薄膜太陽電池（２）であって、前記ナノワイアが第１のスペクトル範囲に対応する第１のバンドギャップを有する接合を有し、前記ナノワイア（２５）が吸収領域を形成し、非吸収領域が前記ナノワイア間に形成される、薄膜太陽電池（２）と、
前記第１の層（２１）の下方に位置し、前記第１のバンドギャップよりも小さくかつ第２のスペクトル範囲に対応する第２のバンドギャップを有する接合を有する第２の層（３１）内に配置されたバルク太陽電池（３）と
を備え、
前記ナノワイアは、入射フォトニック波面の所定の部分が、前記第１のスペクトル範囲および前記第２のスペクトル範囲の両方での吸収のために前記バルク太陽電池へと、前記第１のスペクトル範囲で吸収せずに前記非吸収領域を通過するように選択された横方向密度を前記第１の層において有する、
ハイブリッド光発電デバイス（１）。
【請求項２】
前記ナノワイアの横方向密度が、前記薄膜太陽電池内で生成される光電流と前記バルク材料太陽電池内で生成される光電流との間の電流マッチングを得るように選択される、請求項１に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項３】
複数の前記ナノワイアが、前記薄膜太陽電池内で上側薄膜電極と下側薄膜電極との間で並列に接続される、請求項１または２に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項４】
前記薄膜太陽電池が、前記下側薄膜電極（２４）と前記バルク太陽電池の上側電極（３３）との間を金属接続または金属状のガルバニ接続を介して前記バルク太陽電池に直列に接続される、請求項３に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項５】
前記ガルバニ接続は、前記薄膜太陽電池と前記バルク太陽電池との間の前記光電流マッチングに寄与するように、前記バルク太陽電池が相互に並列に（７３、７４）かつ前記薄膜太陽電池に直列に（７５）接続されるように第２のバルク太陽電池の上側電極にも接続する、請求項４に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項６】
第１の数の薄膜太陽電池が、薄膜セルの第１のストリング（７７）へと直列に相互接続され、第２の数のバルク太陽電池が、バルク太陽電池の第２のストリング（７８）へと直列に相互接続され、前記第１および第２のストリングが並列に接続され、前記ストリング内の前記数の電池が、前記ストリング間の電圧マッチングに寄与するように構成される、請求項４に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項７】
前記第１の層と前記第２の層との間に位置し、前記薄膜太陽電池の前記下側電極を前記バルク太陽電池の前記上側電極と接続する導電性層（５１）を備える、請求項４に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項８】
第１のコネクタグリッド構造（２３１）が、前記薄膜太陽電池の前記上側電極に接続され、前記ガルバニ接続が、第２のグリッド構造（３３１）を含み、前記第１および第２のグリッド構造（２３１、３３１）が、縦に実質的に重なる、請求項７に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項９】
前記第２のグリッド構造が、前記バルク太陽電池の前記上側電極（３３）を形成し、かつ前記薄膜太陽電池の前記下側電極に接続される、請求項４に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１０】
前記ガルバニ接続が、前記薄膜太陽電池と前記バルク太陽電池との間の直接電子伝導径路を与える、請求項４から９のいずれか一項に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１１】
前記ガルバニ接続が、非エピタキシャルである、請求項１０に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１２】
前記ガルバニ接続が、非整流性である、請求項１０に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１３】
前記ガルバニ接続が、オーミックである、請求項１０に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１４】
前記ガルバニ接続が、金属性導電体である、または金属性導電体として本質的に機能する縮退ドープしたマルチ結晶半導体層もしくは導電性酸化物を含む、請求項１０に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１５】
前記膜セル内の前記ナノワイアの材料が、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはこれらの合金などの直接バンドギャップ半導体である、請求項１から１４のいずれか一項に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１６】
前記バルク太陽電池が、ＳｉまたはＣＩＧＳから作られる、請求項１から１５のいずれか一項に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１７】
前記第１のバンドギャップが、前記薄膜太陽電池と前記バルク太陽電池との間の光電流マッチングに寄与するように調節される、請求項１から１６のいずれか一項に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１８】
前記バルク太陽電池の前記接合が、前記ナノワイアのアレイの下を横方向に延びる、請求項１から１７のいずれか一項に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池としての使用のための光発電デバイスの分野に関し、特に層に配置された二重セル構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
基本設計になると、太陽電池に関する市場は、２つの異なる技術により現在のところ支配されている。
【０００３】
最も広く行われている技術は、バルク太陽電池であり、支配的なバルク材料が結晶性シリコン（Ｓｉ）である。バルク材料は、例えば、単結晶シリコンまたは多結晶もしくはマルチ結晶シリコンであってもよく、そして円柱状のウェハ形状または正方形もしくは疑似正方形インゴットからの鋳造物で用意されることがある。Ｓｉに基づくバルク太陽電池は、技術的な成熟性、ならびに低い原料コストおよび毒性から恩恵を受けている。
【０００４】
他の技術は、薄膜太陽電池であり、基板上に光発電材料の１つまたは複数の薄層（薄膜）を堆積することにより典型的には作られる。膜の厚さは、数ナノメートルから数１０マイクロメートルまで変化し、したがって、例えば、Ｓｉウェハよりも実質的に薄い。使用される薄膜材料は、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化銅インジウムガリウム太陽電池（ＣＩＳまたはＣＩＧＳ）、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）および他の薄膜Ｓｉセルを含む。薄膜太陽電池は、ウェハ形状因子によっては制限されない利点を有し、したがって大きなシートに作られることがある。Ｓｉに基づく太陽電池と比較して、薄膜技術は、少ない材料消費量のために費用効果をも提供する。
【０００５】
支配的なＳｉバルク型の太陽電池よりは他の技術を研究する１つの理由は、結晶性Ｓｉのバンドギャップが約１．１ｅＶであることであり、このバンドギャップは、近赤外スペクトル領域における吸収および約０．７Ｖの開路電圧（ＶOC）に対応する。太陽は、しかしながら、可視スペクトルの黄色−緑色部にピークを持つ放射スペクトルを有するほぼ黒体放射体である。これは、大部分のフォトンが、Ｓｉバンドギャップよりも大きいエネルギーを有することを意味するが、セルは、０．７Ｖの電圧を依然として発電するだけであろう。より大きなバンドギャップを有する適切な材料から薄膜セルを製造することによって、ＶOCの増加が手に入れられることがある。１つの例は、１．４３ｅＶの直接バンドギャップを有するＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖエネルギー材料であり、約１．１Ｖの出力電圧を与える。
【０００６】
太陽電池の吸収と太陽の放射スペクトルとのマッチングの問題を克服する試みでは、異なる半導体材料から作られた多数のｐ−ｎ接合を有する多接合薄膜太陽電池が開発されてきている。このような多層デバイスでは、各材料のｐ−ｎ接合が、異なる波長の光に応じて電流を生成し、これが波長のより広い範囲の吸収を可能にし、これによりセルのエネルギー変換効率を向上させる。しかしながら、この効率は、複雑さおよび製造価格の増加という代償を払って、ならびにしばしば希元素の入手可能性に依存して得られる。
【０００７】
もう１つの多接合太陽電池が、緊急出願（ｉｎｓｔａｎｔ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）によるＷＯ２０１０／１２０２３３に提案されている。光を電気エネルギーへと変換するための多接合光発電セルが提供され、第１のｐ−ｎ接合が基板内に形成されるように個々の表面領域がドープされる基板を備える。各々のドープ領域上に、ナノワイアが形成され、その結果、第２のｐ−ｎ接合が、第１のｐ−ｎ接合と直列接続でナノワイアのところに形成される。
【０００８】
ＷＯ２０１２０５７６０４は、単接合または多接合のベース太陽電池をナノワイアまたはナノチューブｐ−ｎ接合のナノ構造と組み合わせたハイブリッド光発電デバイスを提案している。これらの構造は、主セルの上の増設光発電セルとしてベース太陽電池からの金属コレクタの上に製造される。ｐ−ｎ接合のない増設ナノワイアアレイが、光閉じ込め効果のためにベース太陽電池の解放領域に形成されることがある。
【０００９】
ＷＯ２０１２１４９６５０は、タンデム太陽電池の面積電流マッチングのための解を提案している。ボトム太陽電池およびトップ太陽電池は、縦に積層され、直列に電気的に相互接続され、ボトム太陽電池の面積が、実質的に電流マッチングした光発電デバイスを形成するために適切な比率でトップ太陽電池の面積よりも大きい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
太陽電池の分野において、特に、妥当なコストで妥当なエネルギー変換効率を手に入れることに関して、改善のための余地があることが理解されている。この目的は、独立請求項１に記載の太陽電池により実現される。好ましい実施形態のさらなる詳細が、従属請求項に列挙されている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１つの態様によれば、ハイブリッド光発電デバイスが提供され、縦に整列したナノワイアのアレイを含む第１の層内に配置された薄膜太陽電池であって、前記ナノワイアが第１のスペクトル範囲に対応する第１のバンドギャップを有する接合を有し、前記ナノワイアが吸収領域を形成し、非吸収領域がナノワイア間に形成される、薄膜太陽電池と；第１の層の下方に位置し、前記第１のバンドギャップよりも小さくかつ第２のスペクトル範囲に対応する第２のバンドギャップを有する接合を有する第２の層内に配置されたバルク太陽電池とを備え、ナノワイアは、入射フォトニック波面の所定の部分が、第１のスペクトル範囲および第２のスペクトル範囲の両方での吸収のためにバルク太陽電池へと第１のスペクトル範囲では吸収せずに非吸収領域を通過するように選択された横方向密度を第１の層において有する。
【００１２】
１つの実施形態では、ナノワイアの横方向密度が、薄膜太陽電池内で生成される光電流とバルク材料太陽電池内で生成される光電流との間の電流マッチングを得るように選択される。
【００１３】
１つの実施形態では、複数の前記ナノワイアが、前記薄膜太陽電池内で上側薄膜電極と下側薄膜電極との間で並列に接続される。
【００１４】
１つの実施形態では、薄膜太陽電池が、下側薄膜電極とバルク太陽電池の上側電極との間を金属接続または金属状のガルバニ接続を介してバルク太陽電池に直列に接続される。
【００１５】
１つの実施形態では、前記ガルバニ接続は、薄膜太陽電池とバルク太陽電池との間の光電流マッチングに寄与するように、前記バルク太陽電池が相互に並列にかつ前記薄膜太陽電池に直列に接続されるように第２のバルク太陽電池の上側電極にも接続する。
【００１６】
１つの実施形態では、第１の数の薄膜太陽電池が、薄膜セルの第１のストリングへと直列に相互接続され、第２の数のバルク太陽電池が、バルク太陽電池の第２のストリングへと直列に相互接続され、第１および第２のストリングが並列に接続され、ストリング内の前記数の電池が、前記ストリング間の電圧マッチングに寄与するように構成される。
【００１７】
１つの実施形態では、ハイブリッド光発電デバイスが、第１の層と第２の層との間に位置し、薄膜太陽電池の下側電極をバルク太陽電池の上側電極と接続する導電性層を備える。
【００１８】
１つの実施形態では、第１のコネクタグリッド構造が、薄膜太陽電池の上側電極に接続され、前記ガルバニ接続が、第２のグリッド構造を含み、前記第１および第２のグリッド構造が、縦に実質的に重なる。
【００１９】
１つの実施形態では、前記第２のグリッド構造が、バルク太陽電池の上側電極を形成し、かつ薄膜太陽電池の下側電極に接続される。
【００２０】
１つの実施形態では、ガルバニ接続が、薄膜太陽電池とバルク太陽電池との間の直接電子伝導径路を与える。
【００２１】
１つの実施形態では、ガルバニ接続が、非エピタキシャルである。
【００２２】
１つの実施形態では、ガルバニ接続が、非整流性である。
【００２３】
１つの実施形態では、ガルバニ接続が、オーミックである。
【００２４】
１つの実施形態では、ガルバニ接続が、金属性導電体である、または金属性導電体として本質的に機能する縮退ドープしたマルチ結晶半導体層もしくは導電性酸化物を含む。
【００２５】
１つの実施形態では、膜セル内のナノワイアの材料が、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはこれらの合金などの直接バンドギャップ半導体である。
【００２６】
１つの実施形態では、バルク太陽電池が、ＳｉまたはＣＩＧＳから作られる。
【００２７】
１つの実施形態では、第１のバンドギャップが、薄膜太陽電池とバルク太陽電池との間の光電流マッチングに寄与するように調節される。
【００２８】
１つの実施形態では、バルク太陽電池の接合が、前記ナノワイアのアレイの下を横方向に延びる。
【００２９】
上に列記した実施形態および下記にさらに詳細に概要を示す実施形態は、様々な方法で組み合わせられることがあることが、当業者には明白であろう。
【００３０】
発明の実施形態が、添付の図面を参照して下記に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】バルク太陽電池の上方に配置された薄膜太陽電池を含む発明の一般的な実施形態の図である。
【図２】直列に接続されたバルク太陽電池の上方に配置された直列に接続された薄膜セルを有する実施形態の図である。
【図３】図２の実施形態による薄膜太陽電池の上側層の上面図である。
【図４】図２の実施形態によるバルク太陽電池の下側層の上面図である。
【図５】薄膜セルが下にあるバルクセル３への直接ガルバニ、オーミック接続を有するタンデムセルの実施形態の図である。
【図６】図５による直列に接続されたタンデムセルのモジュールの図である。
【図７ａ−７ｄ】様々な電気的接続配置に構成された光発電デバイスの実施形態の図である。
【図８】薄膜太陽電池層のバンドギャップよりも高い周波数の光に対する、薄膜太陽電池層の部分的透過性を示している実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、発明の実施形態によるハイブリッド光発電デバイス１についての一般的な構成を模式的に図示している。デバイス１は、２つの異なる層２１、２２内に配置された光電変換のために構成された少なくとも２つのセル２、３を含む。薄膜太陽電池２は、太陽の近くに配置されるように構成されている第１の層２１内に配置される。薄膜太陽電池２は、第１のスペクトル範囲に対応する第１のバンドギャップを有する少なくとも１つの接合を含む。バルク太陽電池３は、第１の層２１の下方に位置する第２の層３１内に、すなわち、２つの層２１、３１のうちで太陽から最も遠くに配置されるように構成された第２の層３１内に配置される。バルク太陽電池３は、第１の層の第１のバンドギャップよりも小さく、かつ第２のスペクトル範囲に対応する第２のバンドギャップを有する少なくとも１つの接合を含む。さらにその上、薄膜太陽電池２は、第２のスペクトル範囲内の光に対して少なくとも部分的に透明である。また、ガラス基板などの保護透明カバー４が含まれることもある。
【００３３】
第１の層２１が１つよりも多くの薄膜太陽電池を含むことができる一方で、図示した少なくとも１つの薄膜太陽電池２は、キャリア生成がフォトンの吸収で生じるように構成され、２つの電極２３、２４間に挟まれた能動光発電材料層２２の膜を含むことができる。さらなる詳細はこの図面には示されないが、光発電材料層２２が第１の半導体材料により形成された上側ｎ型層および第２の半導体材料により形成された下側ｐ型吸収層を含むことができることが、当業者により理解されるである。接合は、前記第１のバンドギャップを有するｎ型材料とｐ型材料との間に形成される。加えて、薄膜太陽電池２は、反射防止コーティングを含むことができる。電極２３、２４は、光に対して少なくとも部分的に透明である。このような電極の一例は、薄層内に配置され、光学的に透明かつ電気的に伝導性である透明導電性膜（ＴＣＦ）である。例として、膜は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープした酸化スズ（ＦＴＯ）、およびドープした酸化亜鉛の形態の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）の層を含むことができる。他のタイプのＴＣＦ、例えば、グラフェンまたはカーボンナノチューブを含む有機膜が知られている。ＴＣＦは、上側電極２３用に、下側電極２４用に、または両者に利用されることがある。電極に関するもう１つの代替形態は、最少の遮蔽効果を有するように構成された、金属などの電気的伝導性材料の細かいグリッドである。
【００３４】
バルク太陽電池３は、好ましくはＳｉバルク材料３２から作られるが、セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）などの多の材料が有効と思われる。バルク太陽電池は、硬い膜であっても、または同様に柔軟な膜であってもよい。結果として、下記の説明が、Ｓｉバルクセル３に関する例を主に与えるとはいえ、矛盾しない限り、これらの実施形態のバルクセル３がＣＩＧＳまたは他の適したバルク材料から代わりに作られてもよいことを、当業者なら理解するであろう。バルク太陽電池３のバルクバンドギャップは、下記に論じるように、バルク太陽電池３の上方に配置された薄膜太陽電池２のバンドギャップよりも少なくとも０．２ｅＶ小さく、好ましくは少なくとも０．３ｅＶ小さいことがある。Ｓｉバルク太陽電池は、単結晶Ｓｉなどの結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）により、または多結晶Ｓｉもしくはマルチ結晶Ｓｉにより形成されることがある。バルク材料は、ｐドープした部分およびｎドープした部分を有し、これによってｐ−ｎ接合がドープした部分の間に形成される。一般には、ｐ−ｎ接合は、入射する放射光を受ける基板の表面、すなわち図１では基板の上側表面の近くに形成され、バルク材料層３１全体を通って延在することがある。電極３３および３４は、このようにしてバルク材料セル３の上側表面および下側表面に接続されることがある。薄膜セル２に関して、電極３３、３４は、ＴＦによって、または金属ワイアのオーミックコンタクト部により形成されることがある。しかしながら、代替の実施形態が利用可能である。米国特許第４，２３４，３５２号では、複数のｐおよびｎドープした領域が交互の導電性の列に太陽から遠くに面する表面のところで基板内に形成されている光発電セルが、代わりに提案されている。このように、両方の電極３３、３４が、層３１内のバルク材料３２の下側に取り付けられることがある。図１のような電極３３、３４の表示は単に模式的であることが、したがって読者により理解されるであろう。吸収されなかった光をセル３中へと反射して戻すように、反射層が、下側表面上にさらにその上設けられることがある。
【００３５】
太陽電池に関する一般的な問題は、少なくとも最低のエネルギーレベルを有するフォトンだけが半導体材料中に電子−正孔対を発生させることができることである。より小さなエネルギーを有するフォトンは、吸収されないまたは熱として吸収されるかのいずれかであり、より大きなエネルギーを有する過剰なエネルギーのフォトン、すなわち、より長い波長を有するフォトンは、熱を作り出す。これらの損失および他の損失は、太陽放射光を電気へ直接変換する際に光発電セルの効率を制限する。変換効率を大きくする試みは、したがって異なるバンドギャップを有する薄膜太陽電池の異なる層を積層することにより行われてきている。良く発達した薄膜技術である非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）は、非結晶性であり、シリコンの同素体である。非晶質シリコンは結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）（１．１ｅＶ）よりも大きなバンドギャップ（１．７ｅＶ）を有し、これは、非晶質シリコンがスペクトルの大きなエネルギーの赤外部分よりもより強く太陽光スペクトルの可視部を吸収することを意味する。ａ−Ｓｉの層は、Ｓｉの他の同素体の層と組み合わせられることが可能であり、多接合光発電セルを生成する。相互に上にこれらの層を積層することによって、光スペクトルのより広い範囲が吸収され、より多くのフォトンが捕捉され、セルの総合的な効率を向上させる。微結晶質シリコンの例では、ａ−Ｓｉの層は、ナノ結晶質Ｓｉの層と組み合わせられてタンデムセルを作り出す。トップａ−Ｓｉ層は、可視光を吸収し、ボトムナノ結晶質ｃ−Ｓｉ層に赤外部分を残す。しかしながら、ａ−Ｓｉセルは、ステブラー−ロンスキー効果のために日に当たることからの著しい出力損失に悩まされている。より薄い層は、材料を横切る電場強度を増加させることができ、劣化だけでなく光吸収／効率も減少させる。このタイプのタンデムセル、または多接合セルは、標準的には電気的に分離されている。より複雑な設計は、薄膜太陽電池が機械的および電気的の両方で接続されているいくつかの層から構成される一体的に集積されたセルである。
【００３６】
図１を参照して説明する実施形態は、第１のスペクトル範囲のより高い周波数用の薄膜太陽電池２を第２のスペクトル範囲のより低い周波数用のバルク型太陽電池３と組み合わせている記述した最新の設計とは異なり、第１の層２１は、前記第２のスペクトル範囲内の光に対して少なくとも部分的に透明である。これが、より手ごろなバルク型太陽電池を使用させるが、初めから完全な多接合薄膜セルを設計することよりもむしろ薄膜太陽電池によって全エネルギー変換の点での改善を実現することを可能にさせている。加えて、非常に限られた組み立てコストで、上に薄膜太陽電池層２１を追加することによって、例えば、このようなバルクセルインストレーションの前面ガラスに薄膜太陽電池層を接着させることによってバルクセルの既存のインストレーションを改善することが可能であろう。
【００３７】
図２は、図１の一般的な実施形態の範囲内になるより具体的な例を図示している。この実施形態では、トップナノワイアアレイに基づく薄膜太陽電池２が、ボトムバルクＳｉセル３を含む下側層３１上の上側層２１内に配置される。各層は、それぞれ、１つまたは複数のセル２および３を含むことができる。図示した実施形態では、上側層２１は、トップモジュールを形成するために直列接続部２７により接続された２つのセグメント２へとセグメント化されたナノワイア２５のアレイを含む。これが、トップモジュール内の電流を調節することを可能にさせる。対応して、２つの別々のＳｉバルク太陽電池３が層３１内に示され、導電性ワイアリング３７により直列に接続され、ボトムモジュールを形成する。
【００３８】
各ナノワイア２５は、少なくとも１つの半導体接合を含み、トップ透明電極２３に接合部の一方の側で接続され、ボトム透明電極２４に他方の側で接続される。トップおよびボトム透明電極２３、２４は、酸化シリコンなどの絶縁性誘電体２６により分離される。トップモジュールのトップ電極２３は、接着剤または他の透明層４１を介して、ガラスなどの透明基板４に取り付けられる。
【００３９】
下側層３１のボトムモジュールでは、各Ｓｉバルクセル３は、（図面では破線で示した）少なくとも１つの接合を含む。接合の一方の側は、連続的なまたはグリッド構造の電極３３と接触することがあり、他方の側は、もう１つの連続的なまたはグリッド構造の電極３４と接触することがある。図１を参照して概要を示したように、接合は、ここに示したものとは異なる幾何学的形状を有することがあり、そのケースでは、電極３３、３４は、両者ともセルの一方の側に設置されることがある。Ｓｉセル３の少なくとも一方の表面は、ＳｉＮｘ、例えば、化学量論的Ｓｉ3Ｎ4などの誘電体層３６により不働態化されることがある。セルの他の構成要素は、詳細では変わることがある。示した実施形態では、上側の１つの電極３３は、グリッド状フィンガ３３１から作られ、これはバスバー３５により相互接続される。この実施形態では、背面電極３４は連続的である。
【００４０】
積層型デバイス１は、例えば、ガラス、ＰＥＴ、スチール、等から作られた背面基板またはバッキング層５をさらに含むことができ、例えば、水分、酸素、および塩がモジュールに入り劣化を生じさせることを防止する。さらにその上、接着剤５０、例えば、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル）などの共重合体が、上側モジュールと下側モジュールとの間の空間を埋め、この２つを一緒に貼り付けるために含まれる。ＥＶＡは、下側セル３と背面基板５との間の空間ならびにトップセル２とトップガラスカバー４との間を埋め、気密封止された積層型パッケージとして形成するためにも利用されることがある。また、図面が正確な縮尺ではないことに、留意すべきである。
【００４１】
トップナノワイアセル２は、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはこれらの合金から作られ、縦に整列した半導体ナノワイア２５の周期的または非周期的アレイを含むことができる。ナノワイア２５は、大部分の太陽光スペクトルに透明であるポリマなどの非導電性誘電体２６により仕切られることがある。ナノワイア２５は、典型的には直径で１００〜２５０ｎｍの間、または好ましくは１３０〜２００ｎｍの間、そして長さで１〜３マイクロメートルであってもよい。ナノワイア２５は、３００〜８００ｎｍの範囲の中心−中心間隔でアレイ内に配置されることがある。各々１つのナノワイアは、少なくとも１つのｐ−ｎ接合を含み、ナノワイアは、各ワイアが同じ極性、例えば、各ワイアのｎ型エミッタが太陽に面した状態を有するような方法で整列される。ナノワイアのトップおよびボトム（ｎ型およびｐ型）部分は、それぞれ前述の透明電極２３および２４に接続される。トップ透明電極２３は、ＩＴＯなどの透明導電性酸化物であってもよく、厚さは、３０〜３００ｎｍの範囲であってもよい。トップ透明電極２３は、接着剤または他の透明層４１を介して、ガラスであってもよい透明カバー４にさらに貼り付けられることがある。相互接続部２７のところに図示したセグメント化は、一連のレーザおよび機械的スクライブを使用して形成されることがある。このように、第１のセグメント内のナノワイア２５のトップ部分は、透明電極２３、２４の２つの層を介して、第２の隣接するセグメント内のナノワイア２５の下側部分に接続されることがある。ナノワイア２５のボトム部分を接続する下側透明電極２４は、最上部の透明電極２３と同じ材料のものであってもよいが、異なる透明導電体材料、例えば、アルミニウムをドープした酸化亜鉛から同様に上手く構成されてもよい。
【００４２】
図３は、図２の実施形態にしたがった実施形態の上からの図を図示しているが、図２に示した２つではなくて１３個のセグメントへと分割された薄膜ナノワイアセル２を有する。図３は、第１の層２１を図示し、先の注釈に加えて、電極２３および２４ならびに誘電体２６を貫通して切断する端部アイソレーション６０が形成されている。平行なストリングへとセル２をセグメント化することが望まれる場合には、アイソレーション６０に事実上等価な追加の水平な切断が、実行されることがある。最も外側のセルセグメントの端部のところで電極２３、２４のうちの各々１つを接続するコネクタ７０、７１が追加され、接続箱８０へのワイア接続を可能にする。ここで、接続は、論じられるであろうように、２ワイアまたは４ワイア引き出し実装形態のどちらかについて完了する。
【００４３】
図４は、図２の実施形態にしたがった実施形態のバルク太陽電池層３１の上からの図を図示しており、２８個の直列に接続されたＳｉバルク太陽電池３を含む。図４から、各Ｓｉバルクセル３上で、いくつかの電極フィンガ３３１がバスバー３５からどのように延びるかが明らかである。導電性ワイアリング３７が隣接するバルクセル３を、好ましくは上側電極のところのバスバー３５まで直列に接続するために設けられる。さらにその上、コネクタ３９が、Ｓｉモジュールにとっては慣習的であるように、一緒にバルクセル３の多数のストリングを接続するために使用される。また、コネクタ３９に類似の金属ワイアリングによりやはり実現されることがある接続箱８０への接続が示されている。
【００４４】
説明した実施形態による積層型光発電デバイスの結果は、スペクトル領域の高い周波数内の受けたフォトンの大部分が上側層２１の薄膜セル２で吸収されることである。結果として、従来型のＳｉセルに対するよりも小さな電流が、下側層３１バルク太陽電池３内に生成されるであろう。この積極的な効果は、上側バルクセル電極内のフィンガ３３１間の間隔を大きくすることが可能であり、より少ないバスバー３５およびワイア３７を使用する可能性があることである。このような電極およびワイアは、標準的には銀はんだから形成され、使用を減らすことは実際にコストを削減するであろう。
【００４５】
図１に示した実施形態の１つのバージョンでは、薄膜太陽電池２およびバルク太陽電池３は、電気的に分離されることがある。言い換えると、２つの層２１、３１は、別々の電力を生成し、光学的にだけ直列に接続される４つの引き出し部を有する２つの別々のシステムとして作用することができる。別々の接続部は、したがって、ＤＣ／ＡＣ変換などをさらに取り扱うために、接続箱８０へ配線されることがある電極２３、２４、３３、３４に設けられることがある。あるいは、複数の薄膜太陽電池２は、直列に接続されることがあり、別々に複数のバルク太陽電池が、相互に直列に接続されることがある。このような実施形態の例が、図２〜図４に示したデバイスにより表されている。標準的な太陽電池インストレーションでは、１つの平面内で方向を定められた隣接する太陽電池は、太陽電池パネルまたはモジュールに標準的には接続される。太陽電池は、モジュール内で直列に通常接続され、付加的な電圧を生成する。代替として、より大きな電流を生み出すセルが、並列に接続される。しかしながら、シャドウ効果は、いくつかの直列接続されたセルのあまり照らされない並列ストリングをシャントすることがあり、実質的な電力損失および潜在的な損傷を生じさせる。
【００４６】
図１の実施形態のもう１つバージョンでは、２つの光学的に積層されたセルは、やはり相互に電気的に接続される。このような積層されたモジュールは、その後に従来型の接続箱８０に接続される２つの引き出し部を必要とするだけである。このような実施形態は、より高い電圧またはより大きな電流を作り出し、コネクタ材料を節約するという利点を与えることができる。このタイプの実施形態の異なる変形形態が、下記に説明される。
【００４７】
図５は、１つのバルク太陽電池３が１つの薄膜セル２に直接電気的に接続される実施形態を図示している。これは、発明による光発電デバイス１の１つの実施形態であるストレートタンデムと本明細書では呼ばれる。この実施形態では、１つの二重接合光発電モジュールが提供される。図５に示したトップ薄膜太陽電池がナノワイアアレイに基づくセル２であるとはいえ、例えば、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＳまたはＣＩＧＳ）、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）、等、などの他のタイプの薄膜技術が、薄膜太陽電池２を形成するために使用されることがあることが理解されるはずである。
【００４８】
図５に示した薄膜太陽電池２は、ナノワイア２５のアレイを含み、各々が少なくとも１つの接合により特徴付けられ、トップ透明電極２３に接合の一方の側でそしてボトム透明電極２４に他方の側で接続され、その結果、アレイ内のすべてのナノワイア２５が並列に接続される。トップ電極２３は、厚さが３０〜３００ｎｍの範囲内である状態のＩＴＯなどの透明導電性酸化物を含むことができる。絶縁性誘電体２６がナノワイア２５間に存在し、トップ透明電極２３とボトム透明電極２４とを分離している。誘電体２６は、好ましくは太陽光スペクトルの大部分に対して透明であり、ポリマであってもよい。ナノワイア薄膜セル２は、例えば、図２を参照して上に概略を示したように構成されることがある。
【００４９】
ボトムバルク太陽電池３は、（破線で示した）少なくとも１つの接合を有するＳｉセル３であってもよい。また、Ｓｉバルクセル３は、図２を参照して説明したように構成されることがある。図５に示した例では、Ｓｉバルク材料３２の上側表面は、ＳｉＮｘなどの１つまたは複数の誘電体層３６により不働態化される。また、バルク材料３２の下側表面は、例えば、Ａｌ2Ｏ3の層（図示せず）により不働態化されることがある。グリッド構造をした電極３３は、不働態層３６内に設けられ、不働態層を介して、電極がバルク材料３２とのコンタクトを形成する。相補型電極３４は、バルク材料３２の下側表面のところで接続され、図示した例におけるように、もう１つのグリッド構造または連続的な電極３４により形成されることがある。ストレートタンデム構成では、Ｓｉセル３上のトップ電極は、グリッド状フィンガ３３１を含む。
【００５０】
図５のタンデムセル実施形態では、トップセル２およびそのボトム電極２４は、直列に２つのセル２、３を接続するＳｉセル３のトップ電極フィンガ３３１に接続される。接続部は、導電性透明コネクタ５１により形成されることがあり、導電性透明コネクタは、ＩＴＯ、銀含有ポリマ、または他の導電性ポリマなどの導電性材料の１つまたはいくつかの層から構成されることがある。上側電極３３が薄膜セル２の下側電極２４に直接接続するので、電極３３は、いずれのバスバーをも用いずに形成されることがある。これは、材料コストを低下させ、はんだ付け時間を短縮することを意味し、また、金属導電体材料のシェーディング効果を減少させる。これらの利点がさらに強調されるこの実施形態の代替の変形形態では、フィンガ３３１ではなくて導電性ドットが、バルクセル３の上側表面の全体にわたり配置される。図５の実施形態のもう１つの変形形態では、導電性材料が、フィンガ３３１またはドットが存在する２つのセル２、３間に設けられる必要があるだけである。さらにその上、この導電性材料は、必ずしも透明である必要がない。もう１つの材料が、そのときには、セル２、３の間に、フィンガまたはドットの間に存在することがある。この材料は、透明であるべきであるが、必ずしも導電性である必要がない。
【００５１】
薄膜セルは、典型的に任意のサイズに形成されることが可能である、ところがインゴットから切断されたバルクセルは、標準的には特定のサイズに制限される。図５のストレートタンデム実施形態では、２つが１つの積層された素子として形成されるので、薄膜セル２の面積は、バルクセル３の面積により与えられる。このように、追加の電流分離層、例えば、フィンガを含む第１のグリッド構造２３１およびバスバー２８が、薄膜セル２の上側電極２３上に追加されることがある。タンデムを通る電流移動は、実質的に縦方向であり、したがって薄膜２およびＳｉセル３の表面積当たりで実質的に同じである。電流出力が余りにも大きく、透明コネクタ５１単独では抵抗損失を受けるはずであるので、これは、ストレート積層型タンデムセル内のトップセル２をセグメント化するという問題をもたらすことがある。１つの実施形態によれば、図５に示したように、この効果は、下側バルクセルの上方に第２のグリッド構造コネクタ３３１を追加することにより最小化され、下側バルクセルは、縦方向に第１のグリッド２３１と実質的に重なり、これが低抵抗接続を作り出す。重なりは、必ずしも全体である必要はないが、グリッド２３１、３３１が縦に整列するようなグリッド２３１、３３１の対応する空間分布は、損失の観点から有利である。さらにその上、図面が正確な縮尺ではないことに、再び留意すべきである。実際に、各グリッドフィンガの幅は、標準的には、薄膜セル２の厚さよりも実質的に大きいであろう。重なる方式でグリッド構造２３１、３３１を設置することは、したがって、シェーディングに起因する出力のいずれの損失もやはり最小化するであろう、というのは、第２のグリッド構造３３１が第１のグリッド構造２３１により既にシェーディングされているので、追加のシェーディング効果が第２のグリッド構造３３１によっては引き起こされないためである。
【００５２】
図６は、図５による２つのストレートタンデム１がタンデムモジュール１０へと相互に接続されている発明による光発電デバイスの実施形態を図示している。簡潔さの目的で、図５に示した大部分の参照符号は図６では繰り返されない。タンデムモジュール１０では、タンデム１は、例えば、一方のタンデム１の薄膜セル２のトップ電極２３から隣接するタンデム１のバルクセル３の下側電極３４へと走るワイア３７により直列に接続される。１つの実施形態では、ワイア３７は、一方のタンデム１の薄膜セルのトップバスバー２８を次のストレートタンデム１のバルクセルのボトム電極３４へ接続することができる。ストレートタンデム１は、ＥＶＡまたは真空などのある媒体５２内に好ましくは埋め込まれ、図２を参照して概要を示したものと同様に、前面ガラス４およびバックシート５により保護される。図６がモジュール１０内の２つのストレートタンデム１を示しているだけであるけれども、このようなモジュール１０は、より高い電圧を得るために直列に接続されたさらに多くのストレートタンデム１を含むことができることに留意すべきである。図４に示したものと同様に、モジュール１０は、いくつかの相互接続されたストレートタンデム１の複数のストリング（水平）を含むことができる。さらにその上、これらのストリングは、最も外側のタンデム１の間を追加のワイアリング３９により相互に直列に接続されることがある。
【００５３】
光学的に積層されたセル設計についての過去の解は、多層薄膜設計に基づいてきている。このような設計に関係する１つの問題は、積層された層への別々の電気的な接続を考えるときに、材料の薄さおよび層の間で電流を引き出すことの困難さに関係する。この問題に対する解は、２つの機械的に別々の薄膜太陽電池を使用し、次いでセルの外側で別々にこれらの太陽電池を一緒に配線することを含んでいる。太陽電池間の電気的接続は、さらなる難題を与え、異なるタイプの太陽電池間の接続になると、この難題は、異なる電気的特性のために大きくなることさえある。もう１つの提案された最新の解は、薄膜セルが、機械的および電気的に接続されるいくつかの層から構成されるモノリシックに集積されたセルである。しかしながら、キルヒホッフの電流法則は、一定電流を必要とし−したがって、一方のセルが他方よりも大きなスタンドアロン光電流を有するように一方のセルが設計される場合には、損失があるであろう。最新のタンデムセル設計は、２つのダイオードを相互接続するためにエサキダイオードを通常は利用する。この構成は、効率を損なわないようにするために、非常にタイトな電流マッチングが２つのダイオードに対して実行されなければならず、最適な光電流マッチングがある程度の光入力に対して実現されることが可能であるだけであるという、不利がある。これらのセルは、このように、製造することがはるかに困難である。エサキダイオードのもう１つの欠点は、エサキダイオードが高抵抗デバイスであるということである。
【００５４】
図７ａ〜図７ｄは、例として、上側薄膜セル２と下側バルクセル３とを電気的に接続する様々な方法を示し、図では、各太陽電池がダイオードとして可視化されている。また、コネクタが、接続箱（図示せず）への接続用に示されている。
【００５５】
図７ａは、図６の実施形態によるモジュールを図示している。この実施形態では、いくつかの薄膜太陽電池２が第１の層２１内に配置され、いくつかのバルク太陽電池３が下側層３１内に配置されている。各薄膜太陽電池２は、１つのバルク太陽電池３の上方に置かれ、これらは、ガルバニ接続、例えば、オーミック接続により対で電気的に接続され、直接伝導径路が認められることを意味する。このようなガルバニ接続は、堆積した非エピタキシャル金属性導体またはそれ以外には金属状導体を好ましくは含み、低抵抗金属層を含む導体、縮退ドープしたマルチ結晶半導体層、および導電性酸化物から構成される群から選択されてもよく、これらのすべては金属性導体として基本的に機能する。直接電子伝導径路が、この意味で、基本的に金属性材料を介して膜セルとバルクセルとの間に認められ、この金属性材料は、例えば、エピタキシャルエサキダイオード接続とは反対に、２つのセルの間に特定の電荷−キャリアタイプの電流マッチングの必要性を排除する。さらにその上、ガルバニ接続は、エピタキシャルエサキダイオードと比較したときに、実質的により線形で、オーミックで、非整流性に作られることもある。この接続は、電極２４と３３との間の、図５を参照して論じた接続に対応することがある。最も外側のセル、すなわち、直列チェーン内の最初と最後のセルには、接続箱８０（ここでは図示せず）への接続用のコネクタ７１、７２を形成する。エサキダイオード素子の使用を必要としない積層型太陽電池２、３間の接続は、例えば、製造の点で明確な改善を示す。
【００５６】
図７ａの実施形態では、光電流マッチングが、損失を最小にするために必要とされることがある。１つの実施形態では、電流マッチングが、バンドギャップを調節することにより行われる。１つの例では、１．１２ｅＶのバンドギャップを有するバルクＳｉセル３は、ほぼ１．７ｅＶのバンドギャップの薄膜太陽電池２と電流マッチングされることがある。実際に、ＩＩＩ族元素の適切な割合によりＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＡｓなどの三元系材料を考えることによってこれを実現することができる。光電流マッチングを得るまたは寄与するもう１つの方法は、例えば、層を薄くすることによって薄膜セル２の透明度のレベルを調節することである。再びＳｉバルク３の例およびＧａＡｓの連続する膜２を使用すると、電流マッチングを実現するために１００〜５００ｎｍの厚さを使用することができるはずである。透明度を調整する他の方法が、さらに下記に詳しく述べられるであろう。
【００５７】
図７ｂは、やはり２つのワイア７１、７２引き出し設計であるもう１つの実施形態を図示している。この設計は、図２を参照して説明したものにしたがった実施形態を含むことができる、すなわち、光学的に積層された薄膜セル２とバルクセル３との間に直接の本来備わったガルバニ接続がない。しかしながら、図７ｂに示したように、例えば、別々のワイアにより形成された追加の接続が、両方のセルを相互に接続するために使用される。この実施形態は、適切なサイズにしたセグメントへのトップモジュール２の適切なレーザスクライビング分割によりキルヒホッフの電流法則を満足するように構成される。このようなセグメントは、接続部２７によりまたは直列接続もしくは並列接続のいずれかの別々のワイアリングにより、電気的に接続されることがある。図７ｂの例では、３つのセグメントが、上側薄膜セル層２１内で１つのストリングへと直列に接続されている。対応する接続配置は、ウェハタイプのバルクセル３が利用される場合には、最小電流が１枚の全ウェハにより与えられるという制限で、下側層３１内のバルクセル３を用いて行われることがある。バルクセル３内よりも薄膜セル２内でのより大きなバンドギャップのために、フォトンが自由に変換されるときに、より大きな電圧が、バルクセル３の全体にわたるよりも薄膜セル２の全体にわたり発生するであろう。さらにその上、いくつかの実施形態では、薄膜セル２のバンドギャップは、バルクセル３のバンドギャップよりも適度に大きい。これは、主に薄膜セル２のバンドギャップよりも大きいエネルギーのすべての放射光が薄膜セル内で吸収される、ところが２つのバンドギャップの間の範囲になるエネルギーを有する放射光が薄膜２を通過してバルクセル３内で吸収されることを意味する。１つの実施形態では、薄膜２は、Ｓｉバルクセル３の上方に構成されたＧａＡｓ、例えば、平坦なＧａＡｓ層または下記に説明されるようなナノワイアに基づくセルから形成されることがある。このような構成は、ＳｉおよびＧａＡｓのバンドギャップが余りにも類似しているために、Ｓｉ中よりもＧａＡｓ層内により大きな電流を生み出すはずである。図７ｂの実施形態によれば、この不均衡は、セル２、３間の戦略的に重要な接続により少なくとも一部が克服される。示した例では、直列に接続されたバルクセル３の２つのストリング７３、７４が、並列に接続される。この並列カップリングは、薄膜セルの１つのストリング７５に順に直列に接続される。このように、光電流マッチングは、ガルバニ接続および単純な電気的設計により、エサキダイオードの使用と比較して大いに単純化されることがある。この手法は、薄膜セグメント化が、ストレートタンデム設計と比較して、トップモジュール上のフィンガに対する必要性を削減するので、高価なペーストの使用をも削減する。記したように、図７ｂのこの特定の接続例は、トップストリング７５モジュール内の電流が並列な２つのＳｉストリング７３、７４の電流に対応する場合には、適切であるはずである。チューニングに関して、別々の薄膜セグメント２間の直列接続部２７間の距離が、ある限度内で調節されることがある、またはトップモジュールまたはボトムモジュールの他のセグメント化が考えられてもよい。また、セル３の２つよりも多くのストリングが並列に接続されてもよいことが留意されるはずである。図７ｂを参照して論じた一般的な設計原理により、電流マッチングが簡単な計算および適切な接続により少なくとも部分的に得られてもよいことが理解されるであろう。
【００５８】
図７ｃは、図２〜図４の実施形態に対応する積層型光発電デバイス１の基本的な４ワイア引き出し実施形態を図示している。この実施形態では、いくつかの薄膜セルがストリング７５に直列に接続され、これによって、最も外側のセル２が接続箱に接続するためのコネクタ７１１、７１３を設けられている。同様に、いくつかのバルクセル３がストリング７６に直列に接続され、接続箱に接続するための別々のコネクタ７１２、７１４を設けられ、この接続箱は、薄膜セル２が接続される接続箱と同じであっても別のものであってもよい。両方のストリング７５、７６が同じ接続箱に接続される場合には、追加の電子機器が電流マッチングおよび他の適応化のために接続箱内に設けられてもよい。あるいは、バルクセル３および薄膜セル２は、送電網から外れて存在し、それらに、単純に２つの異なるバッテリバンクを提供させてもよい。
【００５９】
もう１つの実施形態が、図７ｄに図示されている。図７ａ〜図７ｂの実施形態が光電流マッチングに向けられていた一方で、図７ｄの実施形態は、電圧マッチングに向けられている。第１の数の薄膜セル２が、ストリング７７に直列に接続される。加えて、第２の数のバルクセル３が、ストリング７８に直列に接続される。記したように、各薄膜セル２は、より大きなバンドギャップのためにバルクセル３よりも高い電圧を与えるように構成される。しかしながら、２つのストリング７７、７８内のセルの第１の数および第２の数の注意深い選択により、ほぼ同じ電圧が２つのストリング７７、７８の全体にわたり得られることがあり、このように電圧マッチングが得られる。これらの２つのストリング７７、７８が、図面に示したように、したがって互いに並列に接続されることがある。このように、２つのワイア引き出し解が、接続箱への接続のためにコネクタ７１、７２を用いて得られる。
【００６０】
薄膜−バルクハイブリッド太陽電池構成においてダイオード間にガルバニ相互接続を利用することにより、高抵抗エサキダイオードの使用を取り除くことが可能である。さらにその上、電流マッチングに対する必要性が、かなり制限されることがある、または回路構成に応じて、完全に取り除かれる一方で少数の電極配線網接続部を維持する。
【００６１】
前述の実施形態のうちのいずれか１つと組み合わせて利用することができるさらなる実施形態が、図８を参照してここで説明されるであろう。図１の実施形態におけるように、図８の実施形態は、光発電デバイス１に関し、この光発電デバイスは、太陽の近くに配置されるように構成されている第１の層２１内に配置された薄膜太陽電池２を含む。薄膜太陽電池２は、第１のスペクトル範囲に対応する第１のバンドギャップを有する少なくとも１つの接合を含む。バルク太陽電池３は、第１の層２１の下方に位置する第２の層３１内に、すなわち、２つの層２１、３１のうちで太陽から最も遠くに配置されるように構成された第２の層３１内に配置される。バルク太陽電池３は、第１の層の第１のバンドギャップよりも小さく、そして第２のスペクトル範囲に対応する第２のバンドギャップを有する少なくとも１つの接合を含む。さらにその上、薄膜太陽電池２は、第２のスペクトル範囲内の光に対して少なくとも部分的に透明である。より具体的には、薄膜太陽電池２が薄膜セルバンドギャップに対応する周波数以上の周波数を有するフォトンを吸収することにより荷電キャリアを生成することができるので、第１の層２１は、薄膜セル２のバンドギャップとバルクセル３のバンドギャップとの間の範囲内の少なくともすべての周波数に対して、好ましくは完全に（または可能な限り高いレベルまで）透明である。これは、上に説明したすべての実施形態にも当てはまる。図８では、これは、破線の縦の矢印により図示され、第２のスペクトル範囲内の、太陽光などの入射する光を表している。このような光は、何らかの吸収をせずに薄膜セル２を好ましくは通過し、その後、光のエネルギーが電気エネルギーへと少なくとも部分的に変換される下にあるバルクセル３内で吸収されるであろう。
【００６２】
薄膜セル２のバンドギャップより下のスペクトル周波数に対する透明度に加えて、上側層２１内の薄膜セル２は、好ましくはまた、第１のスペクトル範囲の光、すなわち、薄膜太陽電池２のバンドギャップに対応する周波数または大きい周波数の光に少なくとも部分的に透明である。これは、細かい破線の縦の矢印によって図８の図面には示されており、第１のスペクトル範囲内の光の入射を表している。より具体的に、第１のスペクトル範囲の矢印のうちの１つは、バルクセル３まで薄膜セル２を貫通する。この実施形態は、このように、薄膜太陽電池２がそのバンドギャップを超える光に対して透明なある程度のレベルの、そのレベルはゼロよりも大きい、透明度を有するように慎重に構成される標準的な積層型太陽電池設計とは異なる。より具体的に、薄膜セル２が下にあるバルクセル３に直列に接続されている光発電デバイス１の好ましい実施形態では、薄膜セル２は、太陽光への露出で光電流マッチングに寄与するように、ある程度のレベルの透明度を有するように慎重に構成される。任意の積層型タンデムセルでは、すなわち、セルが直列に接続されているか否かに拘わらず、最大のバンドギャップを最上部の状態で、異なるバンドギャップの材料を次の上に材料を設置する場合には、最上部のセルを最初に最適化することを常に望み、そのセル内で可能な限り多くの光を吸収することを確実にする一般的な設計原理がある。図８を参照してここに提示した設計原理および実施形態は、このように、標準的な原理に反する概念を表している。この透明度は、薄膜セグメント３の間のある程度のレベルの透明度を得るために、第１の層２１の全体を通して薄膜セル２を仕切ることによって得られることがある。そのような実施形態では、第１の層２１内の薄膜セル２は、吸収領域および非吸収領域を含み、その結果、入射フォトニック波面の一部がバルクセル３の第２の層３１まで非吸収領域を通過するであろう。透明度のレベル、または第１の層２１を通過する入射フォトニック波面の部分の大きさは、吸収領域の横方向の密度に依存することがある。好ましくは、これらの吸収領域および非吸収領域へと仕切ることは、第１の周波数範囲の光に対する第１の層２１内の所定のレベルの透明度を手に入れるために慎重に構成される。吸収、すなわち能動領域および非吸収領域へのこの仕切りを実現する１つの方法は、選択した表面密度または横方向密度を有するナノワイアの薄膜セル２を利用することである。このようなナノワイアは、中間の非吸収領域をともなう吸収領域を形成するためにクラスタ化されることがある。代替の実施形態では、各ナノワイアは、１つの吸収領域として考えられてもよい、ところが、ナノワイア間のスペースは、非吸収領域を表す。代替の実施形態では、透明度のレベルを手に入れるようにトップセルを薄くすることが、実行されることがある。もう１つの実施形態では、薄膜セルは、量子ドットセルとして形成されることがあり、量子ドットセルでは、透明度が膜内に含まれる量子ドットの量、このような量子ドットの分布のいずれか、または両者により制御されることがある。各量子ドット、または量子ドットで覆われた表面領域が、そのときには吸収領域を画定することがある。
【００６３】
フォトンに対してある程度のレベルの透明度を有するように薄膜セル２層２１を構成すると、層２１は、やはり吸収するように構成され、薄膜セル２が下にあるバルクセル３に直列に接続される光発電デバイス１の好ましい実施形態において利用されることがある。このような実施形態では、薄膜セル層２１は、光電流マッチングに寄与するようにある程度のレベルの透明度を有するように慎重に構成されることがある。他の実施形態では、薄膜層２１は、薄膜セル２とバルクセル３との間に何らかの直列接続があるかどうかに拘わらずある程度のレベルの透明度を有するように構成される。これは下記にさらに説明されるであろう。
【００６４】
好ましい実施形態では、薄膜セル２は、ナノワイアアレイに基づく太陽電池である。そのようなタイプの薄膜セルは、ナノワイアアレイ内のナノワイア間の間隔のために、この設計では仕切られる。トップナノワイアセル２は、図２を参照して説明したように、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはこれらの合金から作られた縦に整列した半導体ナノワイア２５の周期的なまたは非周期的なアレイを含むことができる。ナノワイアセル２の上側電極２３および下側電極２４の両者は、このように透明である。このようなナノワイアに基づく太陽電池の他の例が、例えば、出願人の自身の同時係争中の出願ＰＣＴ／ＵＳ１３／７３５８１およびＳＥ１３５０６８７−８に見つけられることがある。
【００６５】
いくつかのモデルによれば、ナノワイア太陽電池２は、平坦な膜とは違って完全な吸収を有することは決してない。図８のもののような実施形態では、これはまた、積層型セル手法において使用するときに、このようなセル２の有利な特徴的な特徴になる。従前のタンデムセル設計では、多接合薄膜セルに基づいて、１つの基本的な設計原理は、最も大きなバンドギャップを有する材料、すなわち、トップセル内の吸収を最大にすること、および下にあるセルの特性を調節することによって電流マッチングを行うことである。さらに、平坦な膜では、トップセルを薄くすることにより光電流マッチングを実現しようと試みることは、膜が機能するためにある最小の厚さのものではなくてはならないので、任意ではない。しかしながら、ナノワイアアレイでは、透明度のレベルは、例えば、セル２が形成されるときにナノワイア間隔を変えることにより調節されることが可能である。
【００６６】
実際に、さらなる技術的な効果は、薄膜セル２がナノワイアに基づく太陽電池２である特定の変形に関して、図８の実施形態を用いて得られることがある。ナノワイアに基づく太陽電池の表面積は、セルの電圧ＶOCおよびフィルファクタＦＦについて大きく制限する効果を有し、したがってその効率を強く制限している。加えて、ナノワイアにおいて使用する材料の量は、また、ｐ−ｎ接合内のフォトンの表面濃度レベルを決定する。ナノワイア２５の表面密度を低くすることにより、ある程度の寸法のセル内に数少ないスレッドがあり、ナノワイア２５間のより大きな間隔をともなう。ナノワイア２５の外被表面がセル表面に大きく寄与するので、ナノワイア間隔の拡大は、また、全表面積が減少することを意味する。加えて、より少ない半導体材料が使用されるであろう。これは、ＶOCおよびＦＦ、したがってセルの相対効率を大きくする。単一接合のナノワイアに基づく太陽電池に関して、この効果は、数少ないフォトンが吸収されることにより打ち消されるので、大して重要ではないものである。しかしながら、より小さなバンドギャップを有するバルク太陽電池３の上方にナノワイアに基づく太陽電池２を積層することにより、より低い電圧がナノワイアセル２におけるよりもバルクセル３において得られるとしても、上側セル２において逃したフォトンは、バルクセル３において効率的に処理されることがある。結果として、実際の効率についての設計最適値は、非透明薄膜と比較して実際にはずれることがある。言い換えると、図８による最適化した実施形態では、薄膜セル２において逃したフォトンがバルクセル３において捕捉されることを考慮すると、ナノワイア間隔がより広くなり、最適化された単一接合ナノワイア太陽電池よりも高いレベルの透明度を意味する。ナノワイアセル２が下にあるバルクセル３と直列に接続される実施形態では、光電流マッチングの目的のために、変換効率を最適化する目的のためだけのケースであるものよりもさらに、ナノワイア間隔が大きくなることがある。
【００６７】
実際に、構成は、例えば、図７ｃの実施形態におけるような電流マッチングが目的でないケースでさえ妥当である技術的な効果を有する。ナノワイアは、比較的高価であり、長さの点である種のスイートスポットを有する。ぎっしりと詰め込んだナノワイアで薄膜層２１を埋めることによる追加の昇圧は、効率の利益よりも多くの費用が掛かり、セルは、さらに平面薄膜セルにより近づいて見えるであろう。トップセル２内の吸収は、ナノワイアについての体積の線形関数ではなく、収穫逓減のゲームである。記したように、トップセルの電圧およびフィルファクタは、光学的に理想的であるものよりも少なく材料の量を削減する場合に改善する。そのため実際の性能最適値は、光学的最適値と同じではない。ナノワイアセルに関して特に、表面は性能を制限し、表面積はワイアの数に比例する。部分的に透明なナノワイアに基づく層２１がＳｉバルク層３１の上方に構成されると、「光学的に最適化された」ケースが、完全に電流マッチングしたケースの約２．５倍の表面積を有することがあり、これがＦＦおよびＶｏｃの著しい変化をもたらす。他方で、平坦なセルは、厚さとは無関係な表面積を有する。
【００６８】
好ましい実施形態では、バルクセル３は、今日の太陽電池市場においてかなりの経済的な重みを有するＳｉバルクセル３である。さらにその上、ボトムセルがＳｉから作られるという制約、すなわち、タンデムセルを初めから最適化することよりは、ナノワイアが新しい方法でものを容易に最適化するための手段を提供するという制約に大きな価値がある。
【００６９】
ナノワイア薄膜２のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有するフォトンに対する透明度のレベルは、材料の選択、具体的な電気的接続、等、を含む多くのパラメータに依存するであろう。しかしながら、透明度の例示的なレベルは、５％に至るまで、１０％に至るまで、またはさらに高くてもよい。
【００７０】
光に対してある程度のレベルの透明度を有するように薄膜セル２を構成すると、薄膜セル２が吸収するようにも構成され、光電流マッチングに寄与するための唯１つの対策である必要がないことに留意されたい。むしろ、この設計の特徴は、図７ａ〜図７ｄにしたがった、選択された電気的カップリングと、またはバンドギャップ調節と組み合わせて利用されることがある。部分的に透明なナノワイアに基づく薄膜太陽電池２と光学的に積層型バルク太陽電池３との組み合わせが、薄膜セル２内のエネルギー効率を高めることとバルクセル３における吸収を大きくすることとをバランスさせることの可能性のために、直列相互接続を用いないでさえも技術的な効果を与えることが上記からやはり明らかであろう。実際には、いくつかの実施形態が上記において説明されてきている場合でさえ、実施形態の特徴的な特徴が矛盾しない限り、１つの実施形態の特徴的な特徴が他の実施形態の特徴的な特徴と組み合わせられてもよいという感覚で、これらの実施形態が組み合わせられてもよいことが当業者には極めて明確であろう。開示した一般的な実施形態および特定の実施形態の様々な修正形態が、別記の特許請求の範囲により規定される範囲から逸脱せずに実行されてもよいことが、さらにその上明白であろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ−７ｄ】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年6月20日(2017.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド光発電デバイス（１）であって、
縦に整列したナノワイア（２５）のアレイを含む第１の層（２１）内に配置された薄膜太陽電池（２）であって、前記ナノワイアが第１のスペクトル範囲に対応する第１のバンドギャップを有する接合を有し、前記ナノワイア（２５）が吸収領域を形成し、非吸収領域が前記ナノワイア間に形成され、前記ナノワイアがトップ透明電極（２３）へと前記接合の一方の側で、かつボトム透明電極（２４）へと他方の側で接続される、薄膜太陽電池（２）と、
前記第１の層（２１）の下方に位置し、前記第１のバンドギャップよりも小さくかつ第２のスペクトル範囲に対応する第２のバンドギャップを有する接合を有する第２の層（３１）内に配置されたバルク太陽電池（３）と、
前記薄膜太陽電池（２）の上方に配置された透明カバー（４）と
を備え、
前記ナノワイアは、入射フォトニック波面の所定の部分が、前記第１のスペクトル範囲および前記第２のスペクトル範囲の両方での吸収のために前記バルク太陽電池へと、前記第１のスペクトル範囲で吸収せずに前記非吸収領域を通過するように選択された横方向密度を前記第１の層において有する、
ハイブリッド光発電デバイス（１）。
【請求項２】
前記薄膜太陽電池（２）のトップ電極（２３）が、前記透明カバー（４）に取り付けられる、請求項１に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項３】
前記薄膜太陽電池層が、前記バルク太陽電池の上へと接着される、請求項１または２に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項４】
前記バルク太陽電池が、前記下側薄膜電極（２４）から分離され、かつガルバニ接続に配置される上側電極（３３）を備える、請求項１に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項５】
前記上側電極（３３）が、フィンガ（３３１）を有するバスバーを含む、請求項４に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項６】
前記第１の層と前記第２の層との間に位置し、前記薄膜太陽電池の前記下側電極を前記バルク太陽電池の前記上側電極とガルバニ接続する導電性層（５１）を備える、請求項４に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項７】
第１のコネクタグリッド構造（２３１）が、前記薄膜太陽電池の前記上側電極に接続され、前記ガルバニ接続が、第２のグリッド構造（３３１）を含み、前記第１および第２のグリッド構造（２３１、３３１）が、縦に実質的に重なる、請求項４に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項８】
前記第２のグリッド構造が、前記バルク太陽電池の前記上側電極（３３）を形成し、かつ前記薄膜太陽電池の前記下側電極に接続される、請求項７に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項９】
前記ガルバニ接続が、非エピタキシャルである、請求項７に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１０】
前記薄膜太陽電池が、前記ガルバニ接続を介して前記バルク太陽電池に直列に接続される、請求項１に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１１】
前記ガルバニ接続は、前記薄膜太陽電池と前記バルク太陽電池との間の前記光電流マッチングに寄与するように、前記バルク太陽電池が相互に並列に（７３、７４）かつ前記薄膜太陽電池に直列に（７５）接続されるように第２のバルク太陽電池の上側電極にも接続する、請求項１０に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１２】
第１の数の薄膜太陽電池が、薄膜セルの第１のストリング（７７）へと直列に相互接続され、第２の数のバルク太陽電池が、バルク太陽電池の第２のストリング（７８）へと直列に相互接続され、前記第１および第２のストリングが並列に接続され、前記ストリング内の前記数の電池が、前記ストリング間の電圧マッチングに寄与するように構成される、請求項１０に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１３】
前記ナノワイアの横方向密度が、前記薄膜太陽電池内で生成される光電流と前記バルク材料太陽電池内で生成される光電流との間の電流マッチングを得るように選択される、請求項１に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１４】
前記膜セル内の前記ナノワイアの材料が、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはこれらの合金などの直接バンドギャップ半導体であり、前記バルク太陽電池が、ＳｉまたはＣＩＧＳから作られる、請求項１から１３のいずれか一項に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１５】
前記バルク太陽電池の前記接合が、前記ナノワイアのアレイの下を横方向に延びる、請求項１から１４のいずれか一項に記載のハイブリッド光発電デバイス。
【請求項１６】
層（３１）内に配置されたバルク太陽電池（３）のエネルギー変換を大きくするための方法であって、
縦に整列したナノワイア（２５）のアレイを含む第１の層（２１）内に配置された薄膜太陽電池（２）を用意するステップであり、前記ナノワイアが前記バルク太陽電池のバンドギャップよりも大きい第１のバンドギャップを有する接合を有し、前記ナノワイア（２５）が前記ナノワイア間の非吸収領域をともなう吸収領域を形成し、前記ナノワイアがトップ透明電極（２３）へと前記接合の一方の側で、かつボトム透明電極（２４）へと他方の側で接続される、用意するステップと、
ハイブリッド光発電デバイス（１）を形成するために前記バルク太陽電池の上に前記薄膜太陽電池層を配置するステップであり、前記第１の層内の前記ナノワイアは、入射フォトニック波面の所定の部分が、第１のスペクトル範囲および第２のスペクトル範囲の両方での吸収のために前記バルク太陽電池へと、前記第１のスペクトル範囲で吸収せずに前記非吸収領域を通過するように選択された横方向密度を有する、配置するステップと、
前記薄膜太陽電池（２）の上方に透明カバー（４）を設けるステップと
を含む方法。
【請求項１７】
前記透明カバー（４）に前記薄膜太陽電池（２）のトップ電極（２３）を取り付けるステップ
を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記バルク太陽電池層（３１）と前記薄膜太陽電池層（２１）との間に導電性層（５１）を設けるステップと、
前記導電性層によって前記バルク太陽電池の上側電極と前記薄膜太陽電池の下側電極をガルバニ接続するステップと
を含む、請求項１６に記載の方法。
【国際調査報告】
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