高効率太陽電池
本発明は新しい構成の高効率太陽電池に関する。ある実施態様では、太陽電池は、高エネルギーギャップセル積層体およびダイクロイックミラーを含んでいる。高エネルギーギャップセル積層体は、太陽光をスペクトル成分に分ける前に太陽光に露出される。高エネルギーギャップセル積層体中の各セルは、それ自身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、つまり、太陽光の青緑色〜紫外線の部分を吸収する。高エネルギーギャップセル積層体中の各セルは、それ自身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させる。そして、残りの光（つまり、高エネルギーギャップセル積層体を透過した光）のスペクトル分離が、ダイクロイックミラーによって行なわれる。
【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】
＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２００６年７月２８日に出願された米国仮出願第６０/８３３９９４号の利益を主張し、参照してその全体を本明細書に組み込む。
【０００３】
＜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太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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】
【０００８】
本発明は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体を含み、太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、高効率太陽電池を提供する。
【０００９】
太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体を透過した光が入射される１つ以上のスペクトルビームスプリッタ(spectral beam splitter)をさらに含んでおり、１つ以上のスペクトルビームスプリッタは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つ以上のスペクトル成分に分ける。
【００１０】
ある態様では、本発明は、
（ａ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体であって、太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅｇｍで作動し、ＨＥＧＣ積層体を透過した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ダイクロイックミラーであって、Ｅｇｍ＜Ｅｇｈであり、ダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでおり、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、ダイクロイックミラーと、
を含む高効率太陽電池を提供する。
【００１１】
別の態様では、本発明はまた、
（ａ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体であって、太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅｇｍで作動し、ＨＥＧＣ積層体を透過した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ダイクロイックミラーであって、Ｅｇｍ＜Ｅｇｈであり、ダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでおり、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、ダイクロイックミラーと、
（ｃ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体であって、ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＭＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置され、ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＭＥＧＣ積層体と、
（ｄ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体であって、ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＬＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置され、ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅｇｍであり、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＬＥＧＣ積層体と、
を含む高効率太陽電池も提供する。
【００１２】
Ｅｇｍは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分が導かれる全てのセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいのが好ましい。
【００１３】
本発明はまた、太陽光を電力に変換する方法も提供し、その方法は、
（ａ）太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光がＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように、高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体を配置する工程であって、ＨＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されており、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、ＨＥＧＣ積層体を配置する工程と、
（ｂ）ＨＥＧＣ積層体を透過した光を、２つのスペクトル成分に空間的に分ける工程であって、一方の成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでいる、光を分ける工程と、
（ｃ）エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＭＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように、中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体を配置する工程であって、ＭＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されており、ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＭＥＧＣ積層体を配置する工程と、
（ｄ）エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＬＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体を配置する工程であって、ＬＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されており、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＬＥＧＣ積層体を配置する工程と、
を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、セルスタックの概略図を示す。
【図２】図２は、太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成を備えている。
【図３】図３は、太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【図４】図４は、太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【図５】図５は、太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【図６】図６は、太陽電池のさらに別の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【図７】図７は、太陽電池のさらに別の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を反射するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜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、５０％まで及び５０％を越える効率を有する高効率太陽電池を提供する。
【００１６】
ある実施態様では、太陽電池は、高エネルギーギャップセルと、高エネルギーギャップセルを透過した光を分けるダイクロイックミラーとを含んでいる。この新規な太陽電池の構成では、分散装置によって太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光に高エネルギーギャップセルを露出することは、高効率の太陽電池を達成可能にする上で、及び太陽電池の様々な実施態様を提供する上で、重要な役割を果たす。この新規な構成は、実用的な高効率太陽電池を可能にするように、太陽スペクトルのすべての部分を効率的に使用することを提供する。高エネルギーセルは、エネルギー≧Ｅｇｈの高エネルギー光子、つまり、太陽光の青緑色〜紫外線の部分を吸収し、そのエネルギーを電気に変換する。高エネルギーセルはエネルギー＜Ｅｇｈの光子に対しては透明で当該光子を透過する。そして、残りの光（つまり、高エネルギーギャップセルを透過した光）のスペクトル分離が、１つ以上のスペクトルビームスプリッタによって行なわれる。スペクトルビームスプリッタは、ダイクロイックミラー、１つ以上のプリズム、１つ以上のレンズ、フィルター、あるいは光をスペクトル成分に分けることのできる他の光学スプリッタであってもよい。スペクトルビームスプリッタはダイクロイックミラーであるのが好ましい。スペクトル分離より前に、青緑色〜紫外線の光は高エネルギーギャップセルによって吸収されているので、ダイクロイックミラーに対する要求は緩和される。従って、残りの光について、改良された安価な分離が達成可能である。また、残りの光を吸収してそのエネルギーを電気に変換するのに用いられるセルへの要求も、緩和される。結果として、実用的な高効率太陽電池を達成することができる。
【００１７】
Ｅｇｍで作動するダイクロイックミラーは、高エネルギーギャップセルを透過した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≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍ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≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇｍ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。その後、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、他のセルによって吸収されて、そのエネルギーは電気に変換されてもよい。
【００１８】
別の実施態様では、太陽光が入射する高エネルギーギャップセルは、異なるエネルギーギャップ（それらは全て≧Ｅｇｈである）を有する２つ以上の高エネルギーギャップセルのうちの１つである。セルは、積層体中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高い順に垂直方向に配列される。この場合もやはり、スペクトルビームスプリッタによって太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光にＨＥＧＣ積層体中の第１セルを露出することは、高効率の太陽電池を達成可能にする上で、及び太陽電池の様々な実施態様を提供する上で、重要な役割を果たす。
第１セルは、そのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を吸収し、そのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子に対しては透明で当該光子を透過する。積層体中の第２セルは、第１セルより低いエネルギーギャップを有しており、そのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を吸収し、そのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子に対しては透明で当該光子を透過する。他のセルも、同様にして積層体中に存在している。この実施態様では、Ｅｇｍで作動するダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した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。この場合もやはり、その後、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、他のセルによって吸収されて、そのエネルギーは電気に変換されてもよい。異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層セル中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されたＨＥＧＣ積層体についての記載であって、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＨＥＧＣ積層体についての記載は、上述の実施形態（１つだけの高エネルギーギャップセルを有する実施形態と、２つ以上の高エネルギーギャップセルを有する実施形態）の両方を包含する。本明細書では、これらの太陽電池は、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成を備えた太陽電池と呼ばれる。
【００１９】
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。
【００２０】
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高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、吸収した光子のエネルギーを電気に変換する。
【００２１】
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。
【００２２】
本明細書では「Ｅｇｍ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ＨＥＧＣ積層体を透過した光を、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光と、エネルギー＜Ｅｇｍ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≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。「ホット」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇｍ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、ＨＥＧＣ積層体を透過した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、ＨＥＧＣ積層体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、他のセル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Ｅｇｍは、この遷移領域の中間点として見なされる。その遷移が非常に鋭いのでない限り、エネルギー＞Ｅｇｍの光子のいくらかは透過され、そしてエネルギー＜Ｅｇｍ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、Ｅｇｍ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、Ｅｇｍ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「Ｅｇｍ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。「Ｅｇｍ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。
【００２３】
太陽電池のある実施態様では、太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体及びダイクロイックミラーに加えて、ＭＥＧＣ積層体を含んでいる。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされて(arranged)ＭＥＧＣ積層体に入射する。本明細書では、この太陽電池は「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池と呼ばれている。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされて他のセルに入射する。例えば、この光は、他のセルに入射する前に、スペクトル成分にさらに分けてもよい。
【００２４】
太陽電池の別の実施態様では、太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体及びダイクロイックミラーに加えて、ＬＥＧＣ積層体を含んでいる。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされてＬＥＧＣ積層体に入射する。本明細書では、この太陽電池は「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池と呼ばれている。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされて他のセルに入射する。例えば、この光は、他のセルに入射する前に、スペクトル成分にさらに分けてもよい。
【００２５】
太陽電池の特に好ましい実施態様では、太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体及びダイクロイックミラーに加えて、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体を含んでいる。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされてＭＥＧＣ積層体に入射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされてＬＥＧＣ積層体に入射する。本明細書では、この太陽電池は「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池と呼ばれている。
【００２６】
ＭＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されている。ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＭＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置されている。ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈである。ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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。好ましくは、ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含んでいる。
【００２７】
ＬＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されている。ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＬＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置されている。ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅｇｍである。ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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。好ましくは、ＬＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含んでいる。最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップは、それを透過した光子の大部分を効率的に吸収できるくらいに十分低いのが好ましい。
【００２８】
ダイクロイックミラーが作動するように設計されるＥｇｍは、用いられている特定のセルのエネルギーギャップによって決定される。Ｅｇｍは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分が導かれる全てのセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいのが好ましい。例えば「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成あるいは「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成のように、ＭＥＧＣ積層体が存在する場合、Ｅｇｍは、ＭＥＧＣ積層体中のセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しいのが好ましい。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がさらにスペクトルで分割されるならば、Ｅｇｍは、空間的に分割された光を入射されたセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しい。
【００２９】
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≧Ｅｇｍの光子を含む光が、ＭＥＧＣ積層体の第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＜Ｅｇｍの光子を含む光が、ＬＥＧＣ積層体の第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。
【００３０】
図２〜図７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２つの光の筋(light ray)で表されている。
【００３１】
図２は、太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成を備えている。太陽電池２０Ａは、ＨＥＧＣ積層体２１と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射される。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過する。
【００３２】
図３は、太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｂは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥｇ２６、Ｅｇ２７を有する２つのセル２６、２７を含んでおり、ここで、Ｅｇ２６とＥｇ２７は両方とも≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、また、Ｅｇ２６＞Ｅｇ２７である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射され、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２６の表面に入射する。セル２６、２７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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過する。
【００３３】
図４は、太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｃは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＬＥＧＣ積層体２３は、異なるエネルギーギャップＥｇ２８、Ｅｇ２９を有する２つのセル２８、２９を含んでおり、ここで、Ｅｇ２８とＥｇ２９は両方とも＜Ｅｇｍであり、また、Ｅｇ２８＞Ｅｇ２９である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射される。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過して、ＬＥＧＣ積層体２３の第１セル２８の表面に入射する。セル２８、２９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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。
【００３４】
図５は、太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｄは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥｇ２６、Ｅｇ２７を有する２つのセル２６、２７を含んでおり、ここで、Ｅｇ２６とＥｇ２７は両方とも≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、また、Ｅｇ２６＞Ｅｇ２７である。図示されているＬＥＧＣ積層体２３は、異なるエネルギーギャップＥｇ２８、Ｅｇ２９を有する２つのセル２８、２９を含んでおり、ここで、Ｅｇ２８とＥｇ２９は両方とも＜Ｅｇｍであり、また、Ｅｇ２８＞Ｅｇ２９である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射され、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２６の表面に入射する。セル２６、２７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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過して、ＬＥＧＣ積層体２３の第１セル２８の表面に入射する。セル２８、２９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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。
【００３５】
図６は、太陽電池の別の実施態様を示しており、３つの積層体が単一の取付けボード(mounting boards)の上に取り付けられた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｅは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「コールド」ダイクロイックミラー２４と、反射鏡４０と、単一の取付けボード４１とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥｇ２６、Ｅｇ２７を有する２つのセル２６、２７を含んでおり、ここで、Ｅｇ２６とＥｇ２７は両方とも≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、また、Ｅｇ２６＞Ｅｇ２７である。図示されているＬＥＧＣ積層体２３は、異なるエネルギーギャップＥｇ２８、Ｅｇ２９を有する２つのセル２８、２９を含んでおり、ここで、Ｅｇ２８とＥｇ２９は両方とも＜Ｅｇｍであり、また、Ｅｇ２８＞Ｅｇ２９である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射され、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２６の表面に入射する。セル２６、２７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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過して、反射ミラー４０によって反射される。反射光３３は、ＬＥＧＣ積層体２３の第１セル２８の表面に入射する。セル２８、２９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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体はすべて、取付けボード４１に支持される。取付けボード４１の開口４２は、光３１の透過を可能にするために提供される。代わりに、透明な材料で開口を充填してもよく、又は光３１に対して透明な取付けボードを用いてもよい。
【００３６】
Ｅｇｍで作動し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを用いた場合、図２〜図６に示された、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーによって反射され、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーを透過する。結果として、図２〜図６に示されたＬＥＧＣ積層体２３の位置にＭＥＧＣ積層体２２が配置され、図２〜図６に示されたＭＥＧＣ積層体２２の位置にＬＥＧＣ積層体２３が配置される。このことは、図６と図７との比較によりはっきりと理解される。
【００３７】
図７は、太陽電池の別の実施態様を示しており、３つの積層体が単一の取付けボードの上に取り付けられた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｆは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「ホット」ダイクロイックミラー２４と、反射鏡４０と、単一の取付けボード４１とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥｇ２６、Ｅｇ２７を有する２つのセル２６、２７を含んでおり、ここで、Ｅｇ２６とＥｇ２７は両方とも≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、また、Ｅｇ２６＞Ｅｇ２７である。図示されているＬＥＧＣ積層体２３は、異なるエネルギーギャップＥｇ２８、Ｅｇ２９を有する２つのセル２８、２９を含んでおり、ここで、Ｅｇ２８とＥｇ２９は両方とも＜Ｅｇｍであり、また、Ｅｇ２８＞Ｅｇ２９である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を反射する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーによって反射され、ＬＥＧＣ積層体２３の第１セル２８の表面に入射する。セル２８、２９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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーを透過して、反射ミラー４０によって反射される。反射光３２は、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２６の表面に入射する。セル２６、２７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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体はすべて、取付けボード４１に支持される。取付けボード４１の開口４２は、光３１の透過を可能にするために提供される。代わりに、透明な材料で開口を充填してもよく、又は光３１に対して透明な取付けボードを用いてもよい。
【００３８】
エネルギーギャップ≧２.０ｅＶを有するＨＥＧＣ積層体用のセルに適している材料は、ＩＩＩ−Ｖ属のＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ及びＡｌＩｎＧａＮの材料系から選ぶことができる。エネルギーギャップ２.４ｅＶを有するＩｎＧａＮセルは、好ましいセルである。調製のためには、例えば、２００６年５月１０日にハワイ州ワイコロアで行われた２００６年ＩＥＥＥ第４回太陽光発電世界会議(IEEE ４th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion)でのO. Janiらの議事録を参照されたい。ＨＥＧＣ積層体がセルを１つだけ含んでいる場合、サファイヤ基板上のＩｎＧａＮが好ましい。ＩｎＧａＮ−サファイヤの組み合わせは、ＩｎＧａＮの屈折率約２．１〜２．３及びサファイヤの屈折率約１.８と低い屈折率を有している。このことは、セル表面からの太陽光の反射を最小限にするために用いられる光学的反射防止コーティングに対する要求を緩和する。サファイヤ基板を成形して、レンズとして機能させることもできる。
【００３９】
エネルギーギャップ＜２.０ｅＶ且つ≧Ｅｇｍ（ここで、Ｅｇｍは約１．４ｅＶ）を有するＭＥＧＣ積層体用のセルに適している材料は、ＩＩＩ−Ｖ属のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓの材料系から選ぶことができる。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、ＭＥＧＣ積層体用の好ましいセルのうちの２つである。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ＭＥＧＣ積層体は、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。
【００４０】
ＧａＡｓは、ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセル用に好適なセルである。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がさらにスペクトルで分割されるならば、それは、最も低いエネルギーギャップを有するセルとして用いるのに好適なセルでもある。従って、Ｅｇｍは約１.４３ｅＶであるのが好ましい。
【００４１】
エネルギーギャップ＜Ｅｇｍ（ここで、Ｅｇｍは約１．４ｅＶ）を有し、ＬＥＧＣ積層体に用いるのに適したセルは、エネルギーギャップ１.１２ｅＶを有するシリコンセルと、エネルギーギャップ＜１ｅＶを有するＩｎＧａＡｓセル及びＩｎＧａＡｓＰセルである。シリコンセルとその調製はよく知られている。ＩｎＧａＡｓセルは、熱光発電(thermophotovoltaic)用の用途に設計された技術装置(art devices)の状態である。調製のためには、例えば、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らの議事録を参照されたい。
【００４２】
ある実施態様では、１つ以上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、ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体の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。
【００４３】
特定の実施態様の形態によっては、ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体およびＬＥＧＣ積層体は、１つ以上の取付けボードに取り付けることができる。取付けボードは、吸収されなかったはずの光を吸収し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、１つ以上のシリコンセルを構成してもよい。
【００４４】
セルの表面から反射された光は、太陽電池の効率を低減する潜在的な原因である。光が入射するセルのいずれかの表面に反射防止コーティングを塗布して、この損失を最小限にすることができる。
【００４５】
ある実施態様では、ＨＥＧＣ積層体を透過した光、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、ダイクロイックミラー及び各々のセルあるいは積層体に入射する前に、空気中を伝搬する。別の実施態様では、これらの様々な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。
【００４６】
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ＨＥＧＣ積層体中の第１セル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、ＨＥＧＣ積層体中の第１セル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、ＨＥＧＣ積層体中の第１セル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。
【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】
＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２００６年７月２８日に出願された米国仮出願第６０/８３３９９４号の利益を主張し、参照してその全体を本明細書に組み込む。
【０００３】
＜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太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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】
【０００８】
本発明は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体を含み、太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、高効率太陽電池を提供する。
【０００９】
太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体を透過した光が入射される１つ以上のスペクトルビームスプリッタ(spectral beam splitter)をさらに含んでおり、１つ以上のスペクトルビームスプリッタは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つ以上のスペクトル成分に分ける。
【００１０】
ある態様では、本発明は、
（ａ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体であって、太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅｇｍで作動し、ＨＥＧＣ積層体を透過した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ダイクロイックミラーであって、Ｅｇｍ＜Ｅｇｈであり、ダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでおり、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、ダイクロイックミラーと、
を含む高効率太陽電池を提供する。
【００１１】
別の態様では、本発明はまた、
（ａ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体であって、太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅｇｍで作動し、ＨＥＧＣ積層体を透過した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ダイクロイックミラーであって、Ｅｇｍ＜Ｅｇｈであり、ダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでおり、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、ダイクロイックミラーと、
（ｃ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体であって、ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＭＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置され、ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＭＥＧＣ積層体と、
（ｄ）異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体であって、ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＬＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置され、ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅｇｍであり、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＬＥＧＣ積層体と、
を含む高効率太陽電池も提供する。
【００１２】
Ｅｇｍは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分が導かれる全てのセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいのが好ましい。
【００１３】
本発明はまた、太陽光を電力に変換する方法も提供し、その方法は、
（ａ）太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光がＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように、高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体を配置する工程であって、ＨＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されており、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、それによりＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、ＨＥＧＣ積層体を配置する工程と、
（ｂ）ＨＥＧＣ積層体を透過した光を、２つのスペクトル成分に空間的に分ける工程であって、一方の成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでいる、光を分ける工程と、
（ｃ）エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＭＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように、中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体を配置する工程であって、ＭＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されており、ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＭＥＧＣ積層体を配置する工程と、
（ｄ）エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＬＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体を配置する工程であって、ＬＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されており、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＬＥＧＣ積層体を配置する工程と、
を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、セルスタックの概略図を示す。
【図２】図２は、太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成を備えている。
【図３】図３は、太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【図４】図４は、太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【図５】図５は、太陽電池の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【図６】図６は、太陽電池のさらに別の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【図７】図７は、太陽電池のさらに別の実施態様を示しており、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を反射するダイクロイックミラーを備えた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜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、５０％まで及び５０％を越える効率を有する高効率太陽電池を提供する。
【００１６】
ある実施態様では、太陽電池は、高エネルギーギャップセルと、高エネルギーギャップセルを透過した光を分けるダイクロイックミラーとを含んでいる。この新規な太陽電池の構成では、分散装置によって太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光に高エネルギーギャップセルを露出することは、高効率の太陽電池を達成可能にする上で、及び太陽電池の様々な実施態様を提供する上で、重要な役割を果たす。この新規な構成は、実用的な高効率太陽電池を可能にするように、太陽スペクトルのすべての部分を効率的に使用することを提供する。高エネルギーセルは、エネルギー≧Ｅｇｈの高エネルギー光子、つまり、太陽光の青緑色〜紫外線の部分を吸収し、そのエネルギーを電気に変換する。高エネルギーセルはエネルギー＜Ｅｇｈの光子に対しては透明で当該光子を透過する。そして、残りの光（つまり、高エネルギーギャップセルを透過した光）のスペクトル分離が、１つ以上のスペクトルビームスプリッタによって行なわれる。スペクトルビームスプリッタは、ダイクロイックミラー、１つ以上のプリズム、１つ以上のレンズ、フィルター、あるいは光をスペクトル成分に分けることのできる他の光学スプリッタであってもよい。スペクトルビームスプリッタはダイクロイックミラーであるのが好ましい。スペクトル分離より前に、青緑色〜紫外線の光は高エネルギーギャップセルによって吸収されているので、ダイクロイックミラーに対する要求は緩和される。従って、残りの光について、改良された安価な分離が達成可能である。また、残りの光を吸収してそのエネルギーを電気に変換するのに用いられるセルへの要求も、緩和される。結果として、実用的な高効率太陽電池を達成することができる。
【００１７】
Ｅｇｍで作動するダイクロイックミラーは、高エネルギーギャップセルを透過した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≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍ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≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇｍ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。その後、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、他のセルによって吸収されて、そのエネルギーは電気に変換されてもよい。
【００１８】
別の実施態様では、太陽光が入射する高エネルギーギャップセルは、異なるエネルギーギャップ（それらは全て≧Ｅｇｈである）を有する２つ以上の高エネルギーギャップセルのうちの１つである。セルは、積層体中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高い順に垂直方向に配列される。この場合もやはり、スペクトルビームスプリッタによって太陽光をスペクトル成分に分ける前に、太陽光にＨＥＧＣ積層体中の第１セルを露出することは、高効率の太陽電池を達成可能にする上で、及び太陽電池の様々な実施態様を提供する上で、重要な役割を果たす。
第１セルは、そのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を吸収し、そのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子に対しては透明で当該光子を透過する。積層体中の第２セルは、第１セルより低いエネルギーギャップを有しており、そのエネルギーギャップ以上のエネルギーの光子を吸収し、そのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子に対しては透明で当該光子を透過する。他のセルも、同様にして積層体中に存在している。この実施態様では、Ｅｇｍで作動するダイクロイックミラーは、ＨＥＧＣ積層体を透過した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。この場合もやはり、その後、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、他のセルによって吸収されて、そのエネルギーは電気に変換されてもよい。異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルが、ＨＥＧＣ積層セル中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されたＨＥＧＣ積層体についての記載であって、太陽光はＨＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射し、ＨＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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、ＨＥＧＣ積層体についての記載は、上述の実施形態（１つだけの高エネルギーギャップセルを有する実施形態と、２つ以上の高エネルギーギャップセルを有する実施形態）の両方を包含する。本明細書では、これらの太陽電池は、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成を備えた太陽電池と呼ばれる。
【００１９】
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。
【００２０】
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高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、吸収した光子のエネルギーを電気に変換する。
【００２１】
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。
【００２２】
本明細書では「Ｅｇｍ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ＨＥＧＣ積層体を透過した光を、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光と、エネルギー＜Ｅｇｍ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≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。「ホット」ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇｍ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、ＨＥＧＣ積層体を透過した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、ＨＥＧＣ積層体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、他のセル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Ｅｇｍは、この遷移領域の中間点として見なされる。その遷移が非常に鋭いのでない限り、エネルギー＞Ｅｇｍの光子のいくらかは透過され、そしてエネルギー＜Ｅｇｍ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、Ｅｇｍ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、Ｅｇｍ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「Ｅｇｍ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。「Ｅｇｍ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。
【００２３】
太陽電池のある実施態様では、太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体及びダイクロイックミラーに加えて、ＭＥＧＣ積層体を含んでいる。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされて(arranged)ＭＥＧＣ積層体に入射する。本明細書では、この太陽電池は「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池と呼ばれている。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされて他のセルに入射する。例えば、この光は、他のセルに入射する前に、スペクトル成分にさらに分けてもよい。
【００２４】
太陽電池の別の実施態様では、太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体及びダイクロイックミラーに加えて、ＬＥＧＣ積層体を含んでいる。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされてＬＥＧＣ積層体に入射する。本明細書では、この太陽電池は「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池と呼ばれている。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされて他のセルに入射する。例えば、この光は、他のセルに入射する前に、スペクトル成分にさらに分けてもよい。
【００２５】
太陽電池の特に好ましい実施態様では、太陽電池は、ＨＥＧＣ積層体及びダイクロイックミラーに加えて、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体を含んでいる。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされてＭＥＧＣ積層体に入射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分は、アレンジされてＬＥＧＣ積層体に入射する。本明細書では、この太陽電池は「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えた太陽電池と呼ばれている。
【００２６】
ＭＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されている。ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＭＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置されている。ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈである。ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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。好ましくは、ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含んでいる。
【００２７】
ＬＥＧＣ積層体は、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上のセルを含み、それらのセルは、ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列されている。ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分がＬＥＧＣ積層体中の第１セルの表面に入射するように配置されている。ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅｇｍである。ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上のセルは、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。好ましくは、ＬＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含んでいる。最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップは、それを透過した光子の大部分を効率的に吸収できるくらいに十分低いのが好ましい。
【００２８】
ダイクロイックミラーが作動するように設計されるＥｇｍは、用いられている特定のセルのエネルギーギャップによって決定される。Ｅｇｍは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分が導かれる全てのセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいのが好ましい。例えば「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成あるいは「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成のように、ＭＥＧＣ積層体が存在する場合、Ｅｇｍは、ＭＥＧＣ積層体中のセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しいのが好ましい。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がさらにスペクトルで分割されるならば、Ｅｇｍは、空間的に分割された光を入射されたセルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しい。
【００２９】
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≧Ｅｇｍの光子を含む光が、ＭＥＧＣ積層体の第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＜Ｅｇｍの光子を含む光が、ＬＥＧＣ積層体の第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。
【００３０】
図２〜図７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２つの光の筋(light ray)で表されている。
【００３１】
図２は、太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー」構成を備えている。太陽電池２０Ａは、ＨＥＧＣ積層体２１と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射される。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過する。
【００３２】
図３は、太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｂは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥｇ２６、Ｅｇ２７を有する２つのセル２６、２７を含んでおり、ここで、Ｅｇ２６とＥｇ２７は両方とも≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、また、Ｅｇ２６＞Ｅｇ２７である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射され、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２６の表面に入射する。セル２６、２７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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過する。
【００３３】
図４は、太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｃは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＬＥＧＣ積層体２３は、異なるエネルギーギャップＥｇ２８、Ｅｇ２９を有する２つのセル２８、２９を含んでおり、ここで、Ｅｇ２８とＥｇ２９は両方とも＜Ｅｇｍであり、また、Ｅｇ２８＞Ｅｇ２９である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射される。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過して、ＬＥＧＣ積層体２３の第１セル２８の表面に入射する。セル２８、２９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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。
【００３４】
図５は、太陽電池の実施態様を示しており、「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｄは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「コールド」ダイクロイックミラー２４とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥｇ２６、Ｅｇ２７を有する２つのセル２６、２７を含んでおり、ここで、Ｅｇ２６とＥｇ２７は両方とも≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、また、Ｅｇ２６＞Ｅｇ２７である。図示されているＬＥＧＣ積層体２３は、異なるエネルギーギャップＥｇ２８、Ｅｇ２９を有する２つのセル２８、２９を含んでおり、ここで、Ｅｇ２８とＥｇ２９は両方とも＜Ｅｇｍであり、また、Ｅｇ２８＞Ｅｇ２９である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射され、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２６の表面に入射する。セル２６、２７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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過して、ＬＥＧＣ積層体２３の第１セル２８の表面に入射する。セル２８、２９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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。
【００３５】
図６は、太陽電池の別の実施態様を示しており、３つの積層体が単一の取付けボード(mounting boards)の上に取り付けられた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｅは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「コールド」ダイクロイックミラー２４と、反射鏡４０と、単一の取付けボード４１とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥｇ２６、Ｅｇ２７を有する２つのセル２６、２７を含んでおり、ここで、Ｅｇ２６とＥｇ２７は両方とも≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、また、Ｅｇ２６＞Ｅｇ２７である。図示されているＬＥＧＣ積層体２３は、異なるエネルギーギャップＥｇ２８、Ｅｇ２９を有する２つのセル２８、２９を含んでおり、ここで、Ｅｇ２８とＥｇ２９は両方とも＜Ｅｇｍであり、また、Ｅｇ２８＞Ｅｇ２９である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を透過する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーによって反射され、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２６の表面に入射する。セル２６、２７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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーを透過して、反射ミラー４０によって反射される。反射光３３は、ＬＥＧＣ積層体２３の第１セル２８の表面に入射する。セル２８、２９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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体はすべて、取付けボード４１に支持される。取付けボード４１の開口４２は、光３１の透過を可能にするために提供される。代わりに、透明な材料で開口を充填してもよく、又は光３１に対して透明な取付けボードを用いてもよい。
【００３６】
Ｅｇｍで作動し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を反射し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過するダイクロイックミラーを用いた場合、図２〜図６に示された、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーによって反射され、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーを透過する。結果として、図２〜図６に示されたＬＥＧＣ積層体２３の位置にＭＥＧＣ積層体２２が配置され、図２〜図６に示されたＭＥＧＣ積層体２２の位置にＬＥＧＣ積層体２３が配置される。このことは、図６と図７との比較によりはっきりと理解される。
【００３７】
図７は、太陽電池の別の実施態様を示しており、３つの積層体が単一の取付けボードの上に取り付けられた「ＨＥＧＣ積層体−ダイクロイックミラー−ＭＥＧＣ積層体−ＬＥＧＣ積層体」構成を備えている。太陽電池２０Ｆは、ＨＥＧＣ積層体２１と、ＭＥＧＣ積層体２２と、ＬＥＧＣ積層体２３と、「ホット」ダイクロイックミラー２４と、反射鏡４０と、単一の取付けボード４１とを含んでいる。図示されているＨＥＧＣ積層体２１は、エネルギーギャップＥｇｈを有する１つのセル２５を含んでいる。図示されているＭＥＧＣ積層体２２は、異なるエネルギーギャップＥｇ２６、Ｅｇ２７を有する２つのセル２６、２７を含んでおり、ここで、Ｅｇ２６とＥｇ２７は両方とも≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、また、Ｅｇ２６＞Ｅｇ２７である。図示されているＬＥＧＣ積層体２３は、異なるエネルギーギャップＥｇ２８、Ｅｇ２９を有する２つのセル２８、２９を含んでおり、ここで、Ｅｇ２８とＥｇ２９は両方とも＜Ｅｇｍであり、また、Ｅｇ２８＞Ｅｇ２９である。ダイクロイックミラー２４はＥｇｍで作動し、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を透過し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を反射する。太陽光３０は、高エネルギーギャップセル２５の表面に入射する。高エネルギーギャップセル２５は、エネルギー≧Ｅｇｈの光子を含む光を吸収し、エネルギー＜Ｅｇｈの光子を含む光３１を透過する。光３１は、光３１の方向に対して垂直にならないように配置されたダイクロイックミラー２４に入射する。エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光３３はダイクロイックミラーによって反射され、ＬＥＧＣ積層体２３の第１セル２８の表面に入射する。セル２８、２９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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光３２はダイクロイックミラーを透過して、反射ミラー４０によって反射される。反射光３２は、ＭＥＧＣ積層体２２の第１セル２６の表面に入射する。セル２６、２７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未満のエネルギーの光子を含む光を透過する。ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体はすべて、取付けボード４１に支持される。取付けボード４１の開口４２は、光３１の透過を可能にするために提供される。代わりに、透明な材料で開口を充填してもよく、又は光３１に対して透明な取付けボードを用いてもよい。
【００３８】
エネルギーギャップ≧２.０ｅＶを有するＨＥＧＣ積層体用のセルに適している材料は、ＩＩＩ−Ｖ属のＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ及びＡｌＩｎＧａＮの材料系から選ぶことができる。エネルギーギャップ２.４ｅＶを有するＩｎＧａＮセルは、好ましいセルである。調製のためには、例えば、２００６年５月１０日にハワイ州ワイコロアで行われた２００６年ＩＥＥＥ第４回太陽光発電世界会議(IEEE ４th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion)でのO. Janiらの議事録を参照されたい。ＨＥＧＣ積層体がセルを１つだけ含んでいる場合、サファイヤ基板上のＩｎＧａＮが好ましい。ＩｎＧａＮ−サファイヤの組み合わせは、ＩｎＧａＮの屈折率約２．１〜２．３及びサファイヤの屈折率約１.８と低い屈折率を有している。このことは、セル表面からの太陽光の反射を最小限にするために用いられる光学的反射防止コーティングに対する要求を緩和する。サファイヤ基板を成形して、レンズとして機能させることもできる。
【００３９】
エネルギーギャップ＜２.０ｅＶ且つ≧Ｅｇｍ（ここで、Ｅｇｍは約１．４ｅＶ）を有するＭＥＧＣ積層体用のセルに適している材料は、ＩＩＩ−Ｖ属のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓの材料系から選ぶことができる。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、ＭＥＧＣ積層体用の好ましいセルのうちの２つである。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ＭＥＧＣ積層体は、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。
【００４０】
ＧａＡｓは、ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセル用に好適なセルである。エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光の成分がさらにスペクトルで分割されるならば、それは、最も低いエネルギーギャップを有するセルとして用いるのに好適なセルでもある。従って、Ｅｇｍは約１.４３ｅＶであるのが好ましい。
【００４１】
エネルギーギャップ＜Ｅｇｍ（ここで、Ｅｇｍは約１．４ｅＶ）を有し、ＬＥＧＣ積層体に用いるのに適したセルは、エネルギーギャップ１.１２ｅＶを有するシリコンセルと、エネルギーギャップ＜１ｅＶを有するＩｎＧａＡｓセル及びＩｎＧａＡｓＰセルである。シリコンセルとその調製はよく知られている。ＩｎＧａＡｓセルは、熱光発電(thermophotovoltaic)用の用途に設計された技術装置(art devices)の状態である。調製のためには、例えば、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らの議事録を参照されたい。
【００４２】
ある実施態様では、１つ以上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、ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体及びＬＥＧＣ積層体の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。
【００４３】
特定の実施態様の形態によっては、ＨＥＧＣ積層体、ＭＥＧＣ積層体およびＬＥＧＣ積層体は、１つ以上の取付けボードに取り付けることができる。取付けボードは、吸収されなかったはずの光を吸収し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、１つ以上のシリコンセルを構成してもよい。
【００４４】
セルの表面から反射された光は、太陽電池の効率を低減する潜在的な原因である。光が入射するセルのいずれかの表面に反射防止コーティングを塗布して、この損失を最小限にすることができる。
【００４５】
ある実施態様では、ＨＥＧＣ積層体を透過した光、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、ダイクロイックミラー及び各々のセルあるいは積層体に入射する前に、空気中を伝搬する。別の実施態様では、これらの様々な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。
【００４６】
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ＨＥＧＣ積層体中の第１セル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、ＨＥＧＣ積層体中の第１セル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、ＨＥＧＣ積層体中の第１セル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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギーギャップセル(ＨＥＧＣ)積層体を含む高効率太陽電池であって、前記ＨＥＧＣ積層体は、前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含み、
太陽光は、前記太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射し、
前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、
前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであることを特徴とする高効率太陽電池。
【請求項２】
前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光が入射される１つ以上のスペクトルビームスプリッタをさらに含んでおり、
１つ以上の前記スペクトルビームスプリッタは、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つ以上のスペクトル成分に分けることを特徴とする請求項１に記載の高効率太陽電池。
【請求項３】
高効率太陽電池であって、
（ａ）高エネルギーギャップセル(ＨＥＧＣ)積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＨＥＧＣ積層体であって、
太陽光は、前記太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射し、
前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、
前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅｇｍで作動し、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記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、
Ｅｇｍ＜Ｅｇｈであり、
前記ダイクロイックミラーは、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の前記成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の前記成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでおり、
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、
を含むことを特徴とする高効率太陽電池。
【請求項４】
前記ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む前記光を透過することを特徴とする請求項３に記載の高効率太陽電池。
【請求項５】
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであり、
前記Ｅｇｍは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が導かれる全ての前記セルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいことを特徴とする請求項３に記載の高効率太陽電池。
【請求項６】
前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅｇｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項５に記載の高効率太陽電池。
【請求項７】
さらに、
（ｃ）中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＭＥＧＣ積層体であって、
前記ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が前記ＭＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、
前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＭＥＧＣ積層体を含むことを特徴とする請求項３に記載の高効率太陽電池。
【請求項８】
さらに、
（ｃ）低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＬＥＧＣ積層体であって、
前記ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分が前記ＬＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅｇｍであり、
前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＬＥＧＣ積層体を含むことを特徴とする請求項１に記載の高効率太陽電池。
【請求項９】
高効率太陽電池であって、
（ａ）高エネルギーギャップセル(ＨＥＧＣ)積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＨＥＧＣ積層体であって、
太陽光は、前記太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射し、
前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、
前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅｇｍで作動し、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記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、
Ｅｇｍ＜Ｅｇｈであり、
前記ダイクロイックミラーは、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の前記成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の前記成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでおり、
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、
（ｃ）中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＭＥＧＣ積層体であって、
前記ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が前記ＭＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、
前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＭＥＧＣ積層体と、
（ｄ）低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＬＥＧＣ積層体であって、
前記ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が前記ＬＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅｇｍであり、
前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＬＥＧＣ積層体と、
を含むことを特徴とする高効率太陽電池。
【請求項１０】
前記ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む前記光を透過し、
前記ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む反射光が前記ＭＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む透過光が前記ＬＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置されていることを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１１】
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであり、
前記Ｅｇｍは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しいことを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１２】
前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅｇｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項１１に記載の高効率太陽電池。
【請求項１３】
前記ＨＥＧＣ積層体は１つのセルを含み、前記ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含み、前記ＬＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含むことを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１４】
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであり、
前記Ｅｇｍは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しいことを特徴とする請求項１０に記載の高効率太陽電池。
【請求項１５】
前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅｇｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項１４に記載の高効率太陽電池。
【請求項１６】
前記ＨＥＧＣ積層体は１つのセルを含み、前記ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含み、前記ＬＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含むことを特徴とする請求項１０に記載の高効率太陽電池。
【請求項１７】
前記ＨＥＧＣ積層体、前記ＭＥＧＣ積層体及び前記ＬＥＧＣ積層体の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とを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１８】
さらに、反射ミラーを含み、
前記反射ミラーは、前記ダイクロイックミラーを透過した前記光が、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配置されていることを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１９】
前記太陽光を集めて濃度を高め、前記太陽光を方向付けて前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に照射するための光学素子をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項２０】
太陽光を電力に変換する方法であって、
（ａ）太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記太陽光が高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体中の第１セルの表面に入射するように、前記ＨＥＧＣ積層体を配置する工程であって、
前記ＨＥＧＣ積層体は、前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含み、
前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、
前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、それにより前記ＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、前記ＨＥＧＣ積層体を配置する工程と、
（ｂ）前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光を、２つのスペクトル成分に空間的に分ける工程であって、一方の前記成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の前記成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでいる、前記光を分ける工程と、
（ｃ）エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体中の第１セルの表面に入射するように、前記ＭＥＧＣ積層体を配置する工程であって、
前記ＭＥＧＣ積層体は、前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含み、
前記ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、
前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、前記ＭＥＧＣ積層体を配置する工程と、
（ｄ）エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体中の第１セルの表面に入射するように、前記ＬＥＧＣ積層体を配置する工程であって、
前記ＬＥＧＣ積層体は、前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含み、
前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、前記ＬＥＧＣ積層体を配置する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであり、
前記Ｅｇｍは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しいことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅｇｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項１】
高エネルギーギャップセル(ＨＥＧＣ)積層体を含む高効率太陽電池であって、前記ＨＥＧＣ積層体は、前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含み、
太陽光は、前記太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射し、
前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、
前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであることを特徴とする高効率太陽電池。
【請求項２】
前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光が入射される１つ以上のスペクトルビームスプリッタをさらに含んでおり、
１つ以上の前記スペクトルビームスプリッタは、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した光を２つ以上のスペクトル成分に分けることを特徴とする請求項１に記載の高効率太陽電池。
【請求項３】
高効率太陽電池であって、
（ａ）高エネルギーギャップセル(ＨＥＧＣ)積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＨＥＧＣ積層体であって、
太陽光は、前記太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射し、
前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、
前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅｇｍで作動し、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記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、
Ｅｇｍ＜Ｅｇｈであり、
前記ダイクロイックミラーは、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の前記成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の前記成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでおり、
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、
を含むことを特徴とする高効率太陽電池。
【請求項４】
前記ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む前記光を透過することを特徴とする請求項３に記載の高効率太陽電池。
【請求項５】
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであり、
前記Ｅｇｍは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が導かれる全ての前記セルのうちで、最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップと、ほぼ等しいことを特徴とする請求項３に記載の高効率太陽電池。
【請求項６】
前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅｇｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項５に記載の高効率太陽電池。
【請求項７】
さらに、
（ｃ）中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＭＥＧＣ積層体であって、
前記ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が前記ＭＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、
前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＭＥＧＣ積層体を含むことを特徴とする請求項３に記載の高効率太陽電池。
【請求項８】
さらに、
（ｃ）低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＬＥＧＣ積層体であって、
前記ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光の成分が前記ＬＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅｇｍであり、
前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＬＥＧＣ積層体を含むことを特徴とする請求項１に記載の高効率太陽電池。
【請求項９】
高効率太陽電池であって、
（ａ）高エネルギーギャップセル(ＨＥＧＣ)積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＨＥＧＣ積層体であって、
太陽光は、前記太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射し、
前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、
前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＨＥＧＣ積層体と、
（ｂ）Ｅｇｍで作動し、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記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、
Ｅｇｍ＜Ｅｇｈであり、
前記ダイクロイックミラーは、前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光を２つのスペクトル成分に分けること提供し、一方の前記成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の前記成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでおり、
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、
（ｃ）中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＭＥＧＣ積層体であって、
前記ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が前記ＭＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、
前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＭＥＧＣ積層体と、
（ｄ）低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含む前記ＬＥＧＣ積層体であって、
前記ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が前記ＬＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＬＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは＜Ｅｇｍであり、
前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、ＬＥＧＣ積層体と、
を含むことを特徴とする高効率太陽電池。
【請求項１０】
前記ダイクロイックミラーは、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光を反射し、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む前記光を透過し、
前記ＭＥＧＣ積層体は、エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む反射光が前記ＭＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置され、
前記ＬＥＧＣ積層体は、エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む透過光が前記ＬＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に入射するように配置されていることを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１１】
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであり、
前記Ｅｇｍは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しいことを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１２】
前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅｇｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項１１に記載の高効率太陽電池。
【請求項１３】
前記ＨＥＧＣ積層体は１つのセルを含み、前記ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含み、前記ＬＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含むことを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１４】
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであり、
前記Ｅｇｍは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しいことを特徴とする請求項１０に記載の高効率太陽電池。
【請求項１５】
前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅｇｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項１４に記載の高効率太陽電池。
【請求項１６】
前記ＨＥＧＣ積層体は１つのセルを含み、前記ＭＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含み、前記ＬＥＧＣ積層体は少なくとも２つのセルを含むことを特徴とする請求項１０に記載の高効率太陽電池。
【請求項１７】
前記ＨＥＧＣ積層体、前記ＭＥＧＣ積層体及び前記ＬＥＧＣ積層体の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とを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１８】
さらに、反射ミラーを含み、
前記反射ミラーは、前記ダイクロイックミラーを透過した前記光が、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配置されていることを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項１９】
前記太陽光を集めて濃度を高め、前記太陽光を方向付けて前記ＨＥＧＣ積層体中の前記第１セルの表面に照射するための光学素子をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の高効率太陽電池。
【請求項２０】
太陽光を電力に変換する方法であって、
（ａ）太陽光をスペクトル成分に分ける前に、前記太陽光が高エネルギーギャップセル（ＨＥＧＣ）積層体中の第１セルの表面に入射するように、前記ＨＥＧＣ積層体を配置する工程であって、
前記ＨＥＧＣ積層体は、前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上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高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含み、
前記ＨＥＧＣ積層体中の各セルの前記エネルギーギャップは≧Ｅｇｈであり、
前記ＨＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、それにより前記ＨＥＧＣ積層体を透過する光を提供する、前記ＨＥＧＣ積層体を配置する工程と、
（ｂ）前記ＨＥＧＣ積層体を透過した前記光を、２つのスペクトル成分に空間的に分ける工程であって、一方の前記成分はエネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む光を含み、他方の前記成分はエネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む光を含んでいる、前記光を分ける工程と、
（ｃ）エネルギー≧Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が中エネルギーギャップセル（ＭＥＧＣ）積層体中の第１セルの表面に入射するように、前記ＭＥＧＣ積層体を配置する工程であって、
前記ＭＥＧＣ積層体は、前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含み、
前記ＭＥＧＣ積層体中の各セルのエネルギーギャップは≧Ｅｇｍ且つ＜Ｅｇｈであり、
前記ＭＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、前記ＭＥＧＣ積層体を配置する工程と、
（ｄ）エネルギー＜Ｅｇｍの光子を含む前記光の成分が低エネルギーギャップセル（ＬＥＧＣ）積層体中の第１セルの表面に入射するように、前記ＬＥＧＣ積層体を配置する工程であって、
前記ＬＥＧＣ積層体は、前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上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、前記エネルギーギャップの高い順に垂直方向に配列された、異なるエネルギーギャップを有する１つ以上の前記セルを含み、
前記ＬＥＧＣ積層体中の１つ以上の前記セルは、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、前記ＬＥＧＣ積層体を配置する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
Ｅｇｈ≧２．０ｅＶであり、
前記Ｅｇｍは、前記ＭＥＧＣ積層体中で最も低いエネルギーギャップを有するセルのエネルギーギャップとほぼ等しいことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記最も低いエネルギーギャップを有する前記セルがＧａＡｓセルであり、前記Ｅｇｍが約１.４３ｅＶであることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００９−５４５１８２（Ｐ２００９−５４５１８２Ａ）
【公表日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２２７８９（Ｐ２００９−５２２７８９）
【出願日】平成１９年７月２５日（２００７．７．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１６６６７
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９１２９０
【国際公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【出願人】（５９２０６３３５３）ユニバーシティー、オブ、デラウェア (12)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＤＥＬＡＷＡＲＥ
【出願人】（５０３２５９３８１）ビーピー・コーポレーション・ノース・アメリカ・インコーポレーテッド (84)
【出願人】（５０００２０３５７）ジョージア テック リサーチ コーポレイション (39)
【出願人】（３０９０２５７５３）
【氏名又は名称原語表記】ＤＡＲＰＡ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２５日（２００７．７．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１６６６７
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９１２９０
【国際公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【出願人】（５９２０６３３５３）ユニバーシティー、オブ、デラウェア (12)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＤＥＬＡＷＡＲＥ
【出願人】（５０３２５９３８１）ビーピー・コーポレーション・ノース・アメリカ・インコーポレーテッド (84)
【出願人】（５０００２０３５７）ジョージア テック リサーチ コーポレイション (39)
【出願人】（３０９０２５７５３）
【氏名又は名称原語表記】ＤＡＲＰＡ
【Ｆターム（参考）】
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