ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体セルを有する高集光型地上ソーラーセル構成体
【課題】ソーラーセル当たり１５ワット以上のピークＤＣ電力を発生する地上発電用のIII−Ｖ化合物半導体多接合ソーラーセルを提供する。
【解決手段】太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルが開示される。この集光型光起電性ソーラーセルは、５００Ｘより大きい集光度を生成するための集光レンズと集光される光のビームの経路に配置されたソーラーセルとを具備し、このソーラーセルは、第１の光活性接合を含み、底部のソーラーサブセルを形成する、ゲルマニウム基板と、該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するバンドギャップ、７０００オングストロームを超える厚さ、及び、３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有し、２０個の太陽より大きな集光レベルで動作するように構成された、該中間サブセルの上に配置された燐化インジウムガリウムの上部サブセルと、を含む。
【解決手段】太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルが開示される。この集光型光起電性ソーラーセルは、５００Ｘより大きい集光度を生成するための集光レンズと集光される光のビームの経路に配置されたソーラーセルとを具備し、このソーラーセルは、第１の光活性接合を含み、底部のソーラーサブセルを形成する、ゲルマニウム基板と、該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するバンドギャップ、７０００オングストロームを超える厚さ、及び、３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有し、２０個の太陽より大きな集光レベルで動作するように構成された、該中間サブセルの上に配置された燐化インジウムガリウムの上部サブセルと、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、日光を電気エネルギに変換するための集光型地上ソーラーパワーシステム用のソーラーセルのデザインに関し、より詳細には、集光レンズとIII-Ｖ族族化合物半導体を用いたソーラーセルとを含む構成体に関し、ソーラーセルにおける光学的な集光レベルを最適化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
地上ソーラーパワー用途として商業的に入手できるシリコンソーラーセルは、８％から１５％の範囲の効率を有する。III-Ｖ族族化合物に基づいた化合物半導体ソーラーセルは、通常の動作条件において２８％の効率を有する。さらに、III-Ｖ族族化合物半導体の光起電性（photovoltaic）セルにソーラーエネルギを集中させることにより、セルの効率が集光状態のもとで３７％以上の効率にまで高められる、ということが周知となっている。
【０００３】
地上ソーラーパワーシステムは、現在、低コストにより広範囲に入手できるという観点からシリコンソーラーセルを使用する。III-Ｖ族族化合物半導体ソーラーセルは、このようなデバイスを選択する際に電力対重量に関する効率の方がワット当たりのコストを考慮することよりも重要であるような衛星用途において広く利用されているが、このようなソーラーセルは、（エアマス０即ちＡＭ０として知られている）地球の大気の上部におけるソーラースペクトルに対してデザインされており、（エアマス１.５即ちＡＭ１.５として知られている）地表面に存在するソーラースペクトルのカバレージには適していない。また、ＡＭ０セルは、地上のソーラー追跡集光型光起電性システムにおいて使用するようには構成されていない。
【０００４】
シリコン及びIII-Ｖ族化合物半導体の両ソーラーセルのデザインでは、１つの電気的コンタクトが、典型的にはソーラーセルの光吸収側即ち前側に配置され、第２のコンタクトがセルの後側に配置されている。光活性半導体が基板の光吸収側に配置され、この半導体は、光がセル内に吸収されるときに電子の流れを生成する１又はそれ以上のｐ-ｎ接合を含む。この電子の流れを捕獲するためにセルの上面にグリッド線が延び、このグリッド線は、前側のコンタクト又はボンディングパッドに接続される。
【０００５】
ソーラーセルのデザインを定める重要な観点は、ソーラーセルを構成する半導体材料層の物理的構造（組成、バンドギャップ及び層の厚み）である。ソーラーセルは、異なるバンドギャップを伴う材料を用いてできるだけ多くのソーラースペクトルを変換するために、垂直の多接合構造を形成するように製造されることが多い。本発明に係るデザインに有用な多接合構造の１つのタイプは、ゲルマニウムの底部セル、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の中間セル、及び、燐化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）の上部セルにより構成される、三重接合のソーラーセル構造である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明がなされる前にあっては、地上用途に適した三重接合III-Ｖ族化合物半導体ソーラーセルに入射する集光レベルによる影響が考慮されておらず、また、セルの効率を最大にするための集光レベルが決定されていない。
【０００７】
本発明は、ソーラーセル当たり１５ワットを超えるピークＤＣ電力を発生させる地上発電用途のために改良されたIII-Ｖ族化合物半導体多接合ソーラーセルを提供することを目的とする。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、集光型光起電性地上発電用途のための高電流を受け入れるようにIII-Ｖ族半導体ソーラーセルの前面にグリッド構造体を設けることである。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、地上発電用途のために高集光ＡＭ１.５太陽放射に適した組成を有する比較的厚い前部又は上部サブセル半導体層を有するIII-Ｖ族半導体ソーラーセルを提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、ソーラーセルが最大効率で動作できるように集光光学系（optics）を備えた複数のソーラーセルアレイによって構成された地上ソーラーパワーシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一般的な用語を用いて要約すると、本発明は、太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルを提供するものであり、この集光型光起電性ソーラーセルは、第１の光活性接合を含み、底部のソーラーサブセルを形成する、ゲルマニウム基板と、該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、該中間サブセルの上に配置され、ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するためのバンドギャップを有し、さらに、７０００オングストロームより大きい厚さ及び３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有して２０個の太陽より大きな集光レベルで動作するように構成された、燐化インジウムガリウムの上部サブセルであって、該上部サブセルの電流密度が３５アンペア／平方センチメートルより大きい上部サブセルと、該上部サブセルの上に配置された表面グリッドであって、前記上部サブセルの表面積の約５％をカバーし、当該ソーラーセルにより生成される比較的高い電流を導通させるように構成された、グリッドパターンを有する表面グリッドと、を具備する。
【００１２】
別の態様として、本発明は、太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルを提供するものであり、この集光型光起電性ソーラーセルは、第１の光活性接合を含む底部サブセルと、該底部サブセルの上の配置され、第２の光活性接合を含む中間サブセルと、光活性接合、及び、５００オーム／平方未満の上部層のシート抵抗によりＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化し、２０個の太陽より大きい集光レベルで動作するように構成されたバンドギャップを有する、前記中間サブセルの上に配置された上部サブセルと、を具備する。
【００１３】
別の態様として、本発明は、態様からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルを提供するものであり、この集光型光起電性ソーラーセルは、第１の光活性接合を含むゲルマニウム基板と、該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、該中間サブセルの上に配置された燐化インジウムガリウムの上部サブセルであって、ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するためのバンドギャップ、及び、該上部サブセルの表面における集光された日光に関連した増加された電流を搬送するために７０００オングストロームより大きな厚さを有する上部サブセルと、を具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の付加的な目的、効果及び新規な特徴が、以下に示す詳細な説明を含む本出願による開示から、及び、本発明を実施することにより、当業者に明らかとなろう。以下、好ましい実施の形態を参照しつつ本発明を説明するが、本発明がこれに限定されるものではないということを理解されたい。本明細書に開示された技術に接した当業者であれば、本明細書により開示され特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲に含まれるような、他の分野における付加的な用途、変形及び実施の形態を認識できよう。
【００１５】
以下、本発明の例示的な態様及び実施の形態を含む本発明の詳細を説明する。添付図面及び以下の説明において、同様の又は機能的に類似した構成要素を識別するために同様の参照符号が用いられ、この参照符号は、非常に簡略化した概略的な手法により例示的な実施の形態の主要な特徴を示すことを意図したものである。さらに、添付図面は、実際の実施の形態の必ずしもすべての特徴を示しているわけでもなく、図示された構成要素の相対的な寸法を示すものでもなく、さらに、正確な縮尺で描かれているものではない。
【００１６】
三重接合III-Ｖ族化合物半導体ソーラーセルの典型的な半導体構造のデザインが、引用により本出願に組み入れられる米国特許第６,６８０,４３２号において、詳細に説明されている。かかるセルは、宇宙（ＡＭ０）の太陽放射に適したものとして説明されているので、本発明の１つの態様は、このようなセルのデザインを、本発明に係る地上（ＡＭ１.５）ソーラースペクトル放射を有する集光型光起電性用途のために、変更し又は適合させることである。
【００１７】
図１の具体例に示すように、底部サブセル１０が、ｐ型のゲルマニウム（Ｇｅ）により形成された基板１１、１２を含み、底部が、サブセル１０のベース層としても機能する。金属コンタクト層又はパッド１４が、ベース層１１の底部に形成され、多接合ソーラーセルに対する電気的コンタクトを設ける。さらに、底部セル１０は、例えば、ｎ型Ｇｅエミッタ領域１２とｎ型核生成層１３とを含む。核生成層１３は、基板１１、１２上に配設され、エミッタ層１２は、上位層からＧｅ基板に対してドーパントを拡散することによりＧｅ基板に形成され、これにより、ｐ型ゲルマニウム基板の上部１２をｎ型領域１２に変更する。高濃度でドープされた（heavily doped）ｎ型砒化ガリウム層１４が、核生成層１３上に配設され、エミッタ領域１２に対する砒素ドーパントのソースとなる。
【００１８】
成長基板及びベース層１１は、好ましくはｐ型Ｇｅ成長基板及びベース層であるが、他の半導体材料を、成長基板及びベース層として又は成長基板のみとして、使用することもできる。このような基板は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｍｏ、ステンレススチール、ソーダライムガラス、及びＳｉＯ2を、これらに限定することなく含む。
【００１９】
高濃度でドープされた（heavily doped）ｐ型砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）及び（ＧａＡｓ）トンネル接合層１４、１５が、核生成層１３上に配設され、トンネルダイオードを形成するとともに、底部サブセルと中間サブセル２０との間に低抵抗経路を設けることができる。
【００２０】
中間サブセル２０は、高濃度でドープされた（highly doped）ｐ型砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）背面フィールド（ＢＳＦ）層１６と、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層１７と、高濃度でドープされた（highly doped）ｎ型燐化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ2）エミッタ層１８と、高濃度でドープされた（highly doped）ｎ型燐化インジウムアルミニウム窓層１９と、を含む。
【００２１】
窓層は、典型的にはエミッタと同一のドーピングタイプを有するが、エミッタより高いドーピング濃度を有する。さらに、窓層は、窓における少数キャリアによる光発生（photogeneration）及び注入を抑制することにより窓層に生じる再結合を低減するために、エミッタより高いバンドギャップを有することが望ましいことが多い。光起電性セルの窓、エミッタ、ベース及び／又はＢＳＦ層に対して、次のものを含む様々な半導体材料を使用できることに注意されたい。ＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＺｎＳＳｅ、ＣｄＳＳｅ、及び、本発明の技術的思想に包含される他の材料。
【００２２】
中間サブセル３０７のＩｎＧａＡｓベース層１７は、例えば、約１.５％のインジウムを含むことができる。他の組成を使用することもできる。ベース層１７は、底部サブセル１０のトンネル接合層１４、１５の上にＢＳＦ層が堆積された後に、ＢＳＦ層１６の上に形成される。
【００２３】
ＢＳＦ層１６は、中間サブセル２０における再結合ロスを低減するために設けられる。ＢＳＦ層１６は、背面付近の高濃度でドープされた（highly doped）領域から少数キャリアを駆動して、再結合ロスの影響を最小にする。したがって、ＢＳＦ層１６は、ソーラーセルの背面における再結合ロスを減少し、これにより、ベース層／ＢＳＦ層の界面における再結合を低減する。エミッタ層が堆積された後に、窓層１９が中間サブセル２０のエミッタ層１８に堆積される。また、中間サブセル２０における窓層１９は、再結合ロスの低減を助長し、その下に横たわる接合のセル面の非活性化（passivation）を改善する。
【００２４】
上部セル３０の層を堆積する前に、高濃度でドープされた（highly doped）ｎ型ＩｎＡｌＰ2及びｐ型ＩｎＧａＰトンネル接合層２１、２２が中間サブセル２０上に各々堆積させることにより、トンネルダイオードを形成することができる。
【００２５】
サブセル間に配設されるトンネルダイオード層は、５０アンペア／平方センチメータを超える、トンネルダイオードを通る電流密度をサポートするための厚みを有する。動作中において、上部サブセルの電流密度は３５アンペア／平方センチメータを超える。
【００２６】
ここに示す例では、上部サブセル３０は、高濃度でドープされた（highly doped）ｐ型燐化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＰ）ＢＳＦ層２３と、ｐ型ＩｎＧａＰ2ベース層２４と、高濃度でドープされた（highly doped）ｎ型ＩｎＧａＰ2エミッタ層２５と、強くドープされたｎ型ＩｎＡｌＰ2窓層２６と、を含む。上部サブセル３０のベース層２４は、中間サブセル２０のトンネル接合層２１、２２上にＢＳＦ層２３が形成された後に、ＢＳＦ層２３上に堆積される。窓層２６は、ベース層２４上にエミッタ層２５が形成された後に、上部サブセルのエミッタ層２５上に堆積される。キャップ層２７が、堆積させられ、部セル３０の窓層２６の上の別々のコンタクト領域にパターン化される。
【００２７】
キャップ層２７は、上部サブセル３０９から金属グリッド層４０に対する電気的コンタクトとして機能する。上部サブセルのシート抵抗は、好ましくは、約２５０オーム／平方センチメータであり、いずれにせよ、３３０オーム／平方未満である。いくつかの実施の形態では、上部サブセルは、７０００オングストロームを上回る厚みを有し、３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有しており、２０個分の太陽より高い集光レベルで動作するように構成される。動作中に、上部サブセルの電流密度は、３５アンペア／平方センチメータを上回る。ドープされたキャップ層２７は、例えば、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ層のような半導体層である。また、キャップ層２７のコンタクト領域間において窓層２６の表面に反射防止コーティング２８を設けることもできる。
【００２８】
結果として得られるソーラーセルは、上部、中間及び底部のサブセルに対して、それぞれ、１.９ｅＶ、１.４ｅＶ及び０.７ｅＶのバンドギャップを有する。ソーラーセルは、１５ワットを超えるＤＣ電力を発生させるように５００Ｘを越えるファクタにより集中させた日光により照射されたときに、少なくとも３.０ボルトの開回路電圧（Ｖoc）を有し、少なくとも０.１３アンペア／ワットという短絡時の応答性を有し、少なくとも０.７０の充填ファクタ（fill factor; ＦＦ）を有し、２５°Ｃ、エアマス１.５（ＡＭ１.５）又は同様の地上スペクトルの条件下において、少なくとも３５％の効率を有する。
【００２９】
図２は、図１に示したソーラーセルの上面図であって、第１の実施の形態におけるグリッド線４０を示す図である。特に、図１は、２つの典型的なグリッド線４０を含む図２のＡ−Ａ面を通る断面を示す。グリッド線４０は、ソーラーセルの活性領域にわたり４つの同じ象限Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４に配列される。この実施の形態では、セルは、四重の回転方向対称性であり、すなわち、セルは、９０度回転することができ、回転後のセルにおけるグリッド線の各構成は、回転前のグリッド線の構成と同じである。
【００３０】
図３は、図１のソーラーセルの上面図であって、第２の実施の形態におけるグリッド線を示す図である。特に、グリッド線は、セルの両側において２本のバスバー間に延びる。第１及び第２のいずれの実施の形態でも、厚み又は高さは４ミクロン以上であり、幅は５ミクロン未満であり、ピッチ（即ち、隣接する複数のグリッド線の中心間の距離）は、１００ミクロンより大きく２００ミクロンより小さい。
【００３１】
グリッドパターンの総表面積は、上部サブセルの表面積の約２.０％から５.０％をカバーする。ある実施の形態では、グリッドパターンの総表面積は、上部サブセルの表面積の約５.０％をカバーする。グリッドパターン及び線の寸法は、ソーラーセルにより発生された比較的高い電流を搬送するように選択される。
【００３２】
図４は、本発明に係る構造を有するソーラーセルの効率を、ソーラーセルの全表面積のパーセントとしてグリッド線の表面カバレージの関数として示すグラフである。グラフのピークは、表面積の２から５％の範囲にあり、したがって、本発明の１つの態様によれば、グリッド線の表面カバレージは、その範囲内で選択される（例えば、約５％）。
【００３３】
図５は、本発明による構造を有するソーラーセルの効率を、ソーラーセルの表面に入射する光線強度の太陽の数として測定された光の集光度（concentration）の関数として示すグラフである。換言すれば、効率は、集光光学系（concentration optics）の倍率（power）の関数である。グラフのピークは、６００Ｘから８００Ｘの範囲にあり、したがって、本発明の１つの態様によれば、他のファクタに関わりなく、集光光学系の最適値をその範囲内で選択しなければならない。
【００３４】
図５のグラフによる教示に伴う困難さは、ソーラーセルの表面における光の強度が増加するにつれて、セルの温度が上昇することである。温度上昇は、セルが通常の動作仕様（即ち周囲温度より４０〜５０°Ｃ上）で動作するために、セルを著しく冷却するか又はセルから放熱させることを必要とする。
【００３５】
半導体構造体及びグリッドデザインの特定の実施の形態について本発明を説明したが、当業者であれば、多くの付加的な変更及び変形が明らかであろう。
【００３６】
例えば、本発明は、１つ以上のホモ接合セル又はサブセル、即ちｐ型半導体とｎ型半導体との間にｐ-ｎ接合が形成され、両半導体は同じ化学的組成及び同じバンドギャップを有し、ドーパントの種及びタイプだけが相違するようなセル又はサブセルを使用することができる。或いはまた、本発明は、１以上のヘテロ接合セル又はサブセル、すなわち、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｐ-ｎ接合が形成され、そのｐ-ｎ接合を形成するｐ型及びｎ型の領域に異なるドーパント種及びタイプを使用するのに加えて、ｎ型及びｎ型領域に半導体材料の異なる化学的組成を、及び／又はｐ型領域に異なるバンドギャップエネルギを有するセル又はサブセルを使用してもよい。したがって、本発明のこの態様は、あらゆる観点において、例示的なものと考えられるものであって限定的なものではない。本発明のこの態様の技術的範囲は、これに関連する添付した特許請求の範囲により示され、この特許請求の範囲の意義及びその均等物の範囲に属する全ての変更が、本発明に含められるべきものである。
【００３７】
上述した構成要素の各々には、又は、２つ以上の構成要素を一緒にしたものには、上述したタイプとは異なる他の形式の地上ソーラーセルシステム及び構造体における有用な用途が考えられるであろう。
【００３８】
本発明は、III-Ｖ族化合物半導体を使用するソーラーセル半導体構造体において実現されたものとして説明したが、本発明の技術的思想から逸脱することなく、種々の変形及び構造的な変更を行うことができるので、本発明は、本明細書において示した詳細に限定されるものではない。
【００３９】
（１）本発明の第１の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルであって、５００Ｘより大きい集光度を生成するための集光レンズと、集光される光のビームの経路に配置されたソーラーセルと、を具備し、前記ソーラーセルが、第１の光活性接合を含み、底部のソーラーサブセルを形成する、ゲルマニウム基板と、該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するバンドギャップ、７０００オングストロームを超える厚さ、及び、３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有し、２０個の太陽より大きな集光レベルで動作するように構成された、該中間サブセルの上に配置された燐化インジウムガリウムの上部サブセルと、を含み、該上部サブセルの電流密度が３５アンペア／平方センチメータより大きい、ことを特徴とする。
（２）本発明の第２の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記上部セルの上に配置され、該上部セルの表面積の約２.５％〜５％をカバーするグリッドパターンを有する、表面グリッド、をさらに具備する、ことを特徴とする。
（３）本発明の第３の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第２の態様において、前記グリッドパターンが５ミクロン以下の幅を有する複数の線を含む、ことを特徴とする。
（４）本発明の第４の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第２の態様において、前記グリッドパターンが、４ミクロンを超える厚さを有する複数の線、及び、１００ミクロンを超える中心間ピッチを含む、ことを特徴とする。
（５）本発明の第５の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第２の態様において、前記グリッドパターンが、前記上部セルの表面をカバーする複数の平行なグリッド線により構成される、ことを特徴とする。
（６）本発明の第６の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記ソーラーセルが、少なくとも３.０Ｖの開回路電圧（Ｖoc）と、少なくとも０.１３アンペア／ワットという短絡時の応答性と、少なくとも０.７０の充填ファクタと、を有し、エアマス１.５という日射量において３５％を超える変換効率により１０ワットを超えるＤＣ電力を生成する、ことを特徴とする。
（７）本発明の第７の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記上部サブセル、前記中間サブセル及び底部サブセルのバンドギャップが、それぞれ、１.９ｅＶ、１.４ｅＶ及び０.７ｅＶである、ことを特徴とする。
（８）本発明の第８の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記上部サブセルの半導体層の厚さが１ミクロン以上である、ことを特徴とする。
（９）本発明の第９の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記底部サブセルと前記中間サブセルとの間に配置された第１のトンネルダイオードと、前記中間サブセルと前記上部サブセルとの間に配置された第２のトンネルダイオードと、をさらに具備し、各トンネルダイオードが、５０アンペア／平方センチメートルを超える電流密度をサポートすることができるものである、ことを特徴とする。
（１０）本発明の第１０の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第２の態様において、前記シート抵抗及び前記グリッドパターンの表面積が、前記充填ファクタを最大化するように選択される、ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明により構成された地上ソーラーセルの拡大断面図である。
【図２】図１のソーラーセルの上面図であって第１実施の形態におけるグリッド線を示す図である。
【図３】図１のソーラーセルの上面図であって、第２実施の形態におけるグリッド線を示す図である。
【図４】本発明による構造を有するソーラーセルの効率を、グリッド線の表面カバレージの関数として示すグラフである。
【図５】本発明による構造を有するソーラーセルの効率を、セルの表面上のソーラー集光レベルの関数として示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、日光を電気エネルギに変換するための集光型地上ソーラーパワーシステム用のソーラーセルのデザインに関し、より詳細には、集光レンズとIII-Ｖ族族化合物半導体を用いたソーラーセルとを含む構成体に関し、ソーラーセルにおける光学的な集光レベルを最適化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
地上ソーラーパワー用途として商業的に入手できるシリコンソーラーセルは、８％から１５％の範囲の効率を有する。III-Ｖ族族化合物に基づいた化合物半導体ソーラーセルは、通常の動作条件において２８％の効率を有する。さらに、III-Ｖ族族化合物半導体の光起電性（photovoltaic）セルにソーラーエネルギを集中させることにより、セルの効率が集光状態のもとで３７％以上の効率にまで高められる、ということが周知となっている。
【０００３】
地上ソーラーパワーシステムは、現在、低コストにより広範囲に入手できるという観点からシリコンソーラーセルを使用する。III-Ｖ族族化合物半導体ソーラーセルは、このようなデバイスを選択する際に電力対重量に関する効率の方がワット当たりのコストを考慮することよりも重要であるような衛星用途において広く利用されているが、このようなソーラーセルは、（エアマス０即ちＡＭ０として知られている）地球の大気の上部におけるソーラースペクトルに対してデザインされており、（エアマス１.５即ちＡＭ１.５として知られている）地表面に存在するソーラースペクトルのカバレージには適していない。また、ＡＭ０セルは、地上のソーラー追跡集光型光起電性システムにおいて使用するようには構成されていない。
【０００４】
シリコン及びIII-Ｖ族化合物半導体の両ソーラーセルのデザインでは、１つの電気的コンタクトが、典型的にはソーラーセルの光吸収側即ち前側に配置され、第２のコンタクトがセルの後側に配置されている。光活性半導体が基板の光吸収側に配置され、この半導体は、光がセル内に吸収されるときに電子の流れを生成する１又はそれ以上のｐ-ｎ接合を含む。この電子の流れを捕獲するためにセルの上面にグリッド線が延び、このグリッド線は、前側のコンタクト又はボンディングパッドに接続される。
【０００５】
ソーラーセルのデザインを定める重要な観点は、ソーラーセルを構成する半導体材料層の物理的構造（組成、バンドギャップ及び層の厚み）である。ソーラーセルは、異なるバンドギャップを伴う材料を用いてできるだけ多くのソーラースペクトルを変換するために、垂直の多接合構造を形成するように製造されることが多い。本発明に係るデザインに有用な多接合構造の１つのタイプは、ゲルマニウムの底部セル、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の中間セル、及び、燐化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）の上部セルにより構成される、三重接合のソーラーセル構造である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明がなされる前にあっては、地上用途に適した三重接合III-Ｖ族化合物半導体ソーラーセルに入射する集光レベルによる影響が考慮されておらず、また、セルの効率を最大にするための集光レベルが決定されていない。
【０００７】
本発明は、ソーラーセル当たり１５ワットを超えるピークＤＣ電力を発生させる地上発電用途のために改良されたIII-Ｖ族化合物半導体多接合ソーラーセルを提供することを目的とする。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、集光型光起電性地上発電用途のための高電流を受け入れるようにIII-Ｖ族半導体ソーラーセルの前面にグリッド構造体を設けることである。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、地上発電用途のために高集光ＡＭ１.５太陽放射に適した組成を有する比較的厚い前部又は上部サブセル半導体層を有するIII-Ｖ族半導体ソーラーセルを提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、ソーラーセルが最大効率で動作できるように集光光学系（optics）を備えた複数のソーラーセルアレイによって構成された地上ソーラーパワーシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一般的な用語を用いて要約すると、本発明は、太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルを提供するものであり、この集光型光起電性ソーラーセルは、第１の光活性接合を含み、底部のソーラーサブセルを形成する、ゲルマニウム基板と、該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、該中間サブセルの上に配置され、ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するためのバンドギャップを有し、さらに、７０００オングストロームより大きい厚さ及び３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有して２０個の太陽より大きな集光レベルで動作するように構成された、燐化インジウムガリウムの上部サブセルであって、該上部サブセルの電流密度が３５アンペア／平方センチメートルより大きい上部サブセルと、該上部サブセルの上に配置された表面グリッドであって、前記上部サブセルの表面積の約５％をカバーし、当該ソーラーセルにより生成される比較的高い電流を導通させるように構成された、グリッドパターンを有する表面グリッドと、を具備する。
【００１２】
別の態様として、本発明は、太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルを提供するものであり、この集光型光起電性ソーラーセルは、第１の光活性接合を含む底部サブセルと、該底部サブセルの上の配置され、第２の光活性接合を含む中間サブセルと、光活性接合、及び、５００オーム／平方未満の上部層のシート抵抗によりＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化し、２０個の太陽より大きい集光レベルで動作するように構成されたバンドギャップを有する、前記中間サブセルの上に配置された上部サブセルと、を具備する。
【００１３】
別の態様として、本発明は、態様からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルを提供するものであり、この集光型光起電性ソーラーセルは、第１の光活性接合を含むゲルマニウム基板と、該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、該中間サブセルの上に配置された燐化インジウムガリウムの上部サブセルであって、ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するためのバンドギャップ、及び、該上部サブセルの表面における集光された日光に関連した増加された電流を搬送するために７０００オングストロームより大きな厚さを有する上部サブセルと、を具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の付加的な目的、効果及び新規な特徴が、以下に示す詳細な説明を含む本出願による開示から、及び、本発明を実施することにより、当業者に明らかとなろう。以下、好ましい実施の形態を参照しつつ本発明を説明するが、本発明がこれに限定されるものではないということを理解されたい。本明細書に開示された技術に接した当業者であれば、本明細書により開示され特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲に含まれるような、他の分野における付加的な用途、変形及び実施の形態を認識できよう。
【００１５】
以下、本発明の例示的な態様及び実施の形態を含む本発明の詳細を説明する。添付図面及び以下の説明において、同様の又は機能的に類似した構成要素を識別するために同様の参照符号が用いられ、この参照符号は、非常に簡略化した概略的な手法により例示的な実施の形態の主要な特徴を示すことを意図したものである。さらに、添付図面は、実際の実施の形態の必ずしもすべての特徴を示しているわけでもなく、図示された構成要素の相対的な寸法を示すものでもなく、さらに、正確な縮尺で描かれているものではない。
【００１６】
三重接合III-Ｖ族化合物半導体ソーラーセルの典型的な半導体構造のデザインが、引用により本出願に組み入れられる米国特許第６,６８０,４３２号において、詳細に説明されている。かかるセルは、宇宙（ＡＭ０）の太陽放射に適したものとして説明されているので、本発明の１つの態様は、このようなセルのデザインを、本発明に係る地上（ＡＭ１.５）ソーラースペクトル放射を有する集光型光起電性用途のために、変更し又は適合させることである。
【００１７】
図１の具体例に示すように、底部サブセル１０が、ｐ型のゲルマニウム（Ｇｅ）により形成された基板１１、１２を含み、底部が、サブセル１０のベース層としても機能する。金属コンタクト層又はパッド１４が、ベース層１１の底部に形成され、多接合ソーラーセルに対する電気的コンタクトを設ける。さらに、底部セル１０は、例えば、ｎ型Ｇｅエミッタ領域１２とｎ型核生成層１３とを含む。核生成層１３は、基板１１、１２上に配設され、エミッタ層１２は、上位層からＧｅ基板に対してドーパントを拡散することによりＧｅ基板に形成され、これにより、ｐ型ゲルマニウム基板の上部１２をｎ型領域１２に変更する。高濃度でドープされた（heavily doped）ｎ型砒化ガリウム層１４が、核生成層１３上に配設され、エミッタ領域１２に対する砒素ドーパントのソースとなる。
【００１８】
成長基板及びベース層１１は、好ましくはｐ型Ｇｅ成長基板及びベース層であるが、他の半導体材料を、成長基板及びベース層として又は成長基板のみとして、使用することもできる。このような基板は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｍｏ、ステンレススチール、ソーダライムガラス、及びＳｉＯ2を、これらに限定することなく含む。
【００１９】
高濃度でドープされた（heavily doped）ｐ型砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）及び（ＧａＡｓ）トンネル接合層１４、１５が、核生成層１３上に配設され、トンネルダイオードを形成するとともに、底部サブセルと中間サブセル２０との間に低抵抗経路を設けることができる。
【００２０】
中間サブセル２０は、高濃度でドープされた（highly doped）ｐ型砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）背面フィールド（ＢＳＦ）層１６と、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層１７と、高濃度でドープされた（highly doped）ｎ型燐化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ2）エミッタ層１８と、高濃度でドープされた（highly doped）ｎ型燐化インジウムアルミニウム窓層１９と、を含む。
【００２１】
窓層は、典型的にはエミッタと同一のドーピングタイプを有するが、エミッタより高いドーピング濃度を有する。さらに、窓層は、窓における少数キャリアによる光発生（photogeneration）及び注入を抑制することにより窓層に生じる再結合を低減するために、エミッタより高いバンドギャップを有することが望ましいことが多い。光起電性セルの窓、エミッタ、ベース及び／又はＢＳＦ層に対して、次のものを含む様々な半導体材料を使用できることに注意されたい。ＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＺｎＳＳｅ、ＣｄＳＳｅ、及び、本発明の技術的思想に包含される他の材料。
【００２２】
中間サブセル３０７のＩｎＧａＡｓベース層１７は、例えば、約１.５％のインジウムを含むことができる。他の組成を使用することもできる。ベース層１７は、底部サブセル１０のトンネル接合層１４、１５の上にＢＳＦ層が堆積された後に、ＢＳＦ層１６の上に形成される。
【００２３】
ＢＳＦ層１６は、中間サブセル２０における再結合ロスを低減するために設けられる。ＢＳＦ層１６は、背面付近の高濃度でドープされた（highly doped）領域から少数キャリアを駆動して、再結合ロスの影響を最小にする。したがって、ＢＳＦ層１６は、ソーラーセルの背面における再結合ロスを減少し、これにより、ベース層／ＢＳＦ層の界面における再結合を低減する。エミッタ層が堆積された後に、窓層１９が中間サブセル２０のエミッタ層１８に堆積される。また、中間サブセル２０における窓層１９は、再結合ロスの低減を助長し、その下に横たわる接合のセル面の非活性化（passivation）を改善する。
【００２４】
上部セル３０の層を堆積する前に、高濃度でドープされた（highly doped）ｎ型ＩｎＡｌＰ2及びｐ型ＩｎＧａＰトンネル接合層２１、２２が中間サブセル２０上に各々堆積させることにより、トンネルダイオードを形成することができる。
【００２５】
サブセル間に配設されるトンネルダイオード層は、５０アンペア／平方センチメータを超える、トンネルダイオードを通る電流密度をサポートするための厚みを有する。動作中において、上部サブセルの電流密度は３５アンペア／平方センチメータを超える。
【００２６】
ここに示す例では、上部サブセル３０は、高濃度でドープされた（highly doped）ｐ型燐化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＰ）ＢＳＦ層２３と、ｐ型ＩｎＧａＰ2ベース層２４と、高濃度でドープされた（highly doped）ｎ型ＩｎＧａＰ2エミッタ層２５と、強くドープされたｎ型ＩｎＡｌＰ2窓層２６と、を含む。上部サブセル３０のベース層２４は、中間サブセル２０のトンネル接合層２１、２２上にＢＳＦ層２３が形成された後に、ＢＳＦ層２３上に堆積される。窓層２６は、ベース層２４上にエミッタ層２５が形成された後に、上部サブセルのエミッタ層２５上に堆積される。キャップ層２７が、堆積させられ、部セル３０の窓層２６の上の別々のコンタクト領域にパターン化される。
【００２７】
キャップ層２７は、上部サブセル３０９から金属グリッド層４０に対する電気的コンタクトとして機能する。上部サブセルのシート抵抗は、好ましくは、約２５０オーム／平方センチメータであり、いずれにせよ、３３０オーム／平方未満である。いくつかの実施の形態では、上部サブセルは、７０００オングストロームを上回る厚みを有し、３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有しており、２０個分の太陽より高い集光レベルで動作するように構成される。動作中に、上部サブセルの電流密度は、３５アンペア／平方センチメータを上回る。ドープされたキャップ層２７は、例えば、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ層のような半導体層である。また、キャップ層２７のコンタクト領域間において窓層２６の表面に反射防止コーティング２８を設けることもできる。
【００２８】
結果として得られるソーラーセルは、上部、中間及び底部のサブセルに対して、それぞれ、１.９ｅＶ、１.４ｅＶ及び０.７ｅＶのバンドギャップを有する。ソーラーセルは、１５ワットを超えるＤＣ電力を発生させるように５００Ｘを越えるファクタにより集中させた日光により照射されたときに、少なくとも３.０ボルトの開回路電圧（Ｖoc）を有し、少なくとも０.１３アンペア／ワットという短絡時の応答性を有し、少なくとも０.７０の充填ファクタ（fill factor; ＦＦ）を有し、２５°Ｃ、エアマス１.５（ＡＭ１.５）又は同様の地上スペクトルの条件下において、少なくとも３５％の効率を有する。
【００２９】
図２は、図１に示したソーラーセルの上面図であって、第１の実施の形態におけるグリッド線４０を示す図である。特に、図１は、２つの典型的なグリッド線４０を含む図２のＡ−Ａ面を通る断面を示す。グリッド線４０は、ソーラーセルの活性領域にわたり４つの同じ象限Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４に配列される。この実施の形態では、セルは、四重の回転方向対称性であり、すなわち、セルは、９０度回転することができ、回転後のセルにおけるグリッド線の各構成は、回転前のグリッド線の構成と同じである。
【００３０】
図３は、図１のソーラーセルの上面図であって、第２の実施の形態におけるグリッド線を示す図である。特に、グリッド線は、セルの両側において２本のバスバー間に延びる。第１及び第２のいずれの実施の形態でも、厚み又は高さは４ミクロン以上であり、幅は５ミクロン未満であり、ピッチ（即ち、隣接する複数のグリッド線の中心間の距離）は、１００ミクロンより大きく２００ミクロンより小さい。
【００３１】
グリッドパターンの総表面積は、上部サブセルの表面積の約２.０％から５.０％をカバーする。ある実施の形態では、グリッドパターンの総表面積は、上部サブセルの表面積の約５.０％をカバーする。グリッドパターン及び線の寸法は、ソーラーセルにより発生された比較的高い電流を搬送するように選択される。
【００３２】
図４は、本発明に係る構造を有するソーラーセルの効率を、ソーラーセルの全表面積のパーセントとしてグリッド線の表面カバレージの関数として示すグラフである。グラフのピークは、表面積の２から５％の範囲にあり、したがって、本発明の１つの態様によれば、グリッド線の表面カバレージは、その範囲内で選択される（例えば、約５％）。
【００３３】
図５は、本発明による構造を有するソーラーセルの効率を、ソーラーセルの表面に入射する光線強度の太陽の数として測定された光の集光度（concentration）の関数として示すグラフである。換言すれば、効率は、集光光学系（concentration optics）の倍率（power）の関数である。グラフのピークは、６００Ｘから８００Ｘの範囲にあり、したがって、本発明の１つの態様によれば、他のファクタに関わりなく、集光光学系の最適値をその範囲内で選択しなければならない。
【００３４】
図５のグラフによる教示に伴う困難さは、ソーラーセルの表面における光の強度が増加するにつれて、セルの温度が上昇することである。温度上昇は、セルが通常の動作仕様（即ち周囲温度より４０〜５０°Ｃ上）で動作するために、セルを著しく冷却するか又はセルから放熱させることを必要とする。
【００３５】
半導体構造体及びグリッドデザインの特定の実施の形態について本発明を説明したが、当業者であれば、多くの付加的な変更及び変形が明らかであろう。
【００３６】
例えば、本発明は、１つ以上のホモ接合セル又はサブセル、即ちｐ型半導体とｎ型半導体との間にｐ-ｎ接合が形成され、両半導体は同じ化学的組成及び同じバンドギャップを有し、ドーパントの種及びタイプだけが相違するようなセル又はサブセルを使用することができる。或いはまた、本発明は、１以上のヘテロ接合セル又はサブセル、すなわち、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｐ-ｎ接合が形成され、そのｐ-ｎ接合を形成するｐ型及びｎ型の領域に異なるドーパント種及びタイプを使用するのに加えて、ｎ型及びｎ型領域に半導体材料の異なる化学的組成を、及び／又はｐ型領域に異なるバンドギャップエネルギを有するセル又はサブセルを使用してもよい。したがって、本発明のこの態様は、あらゆる観点において、例示的なものと考えられるものであって限定的なものではない。本発明のこの態様の技術的範囲は、これに関連する添付した特許請求の範囲により示され、この特許請求の範囲の意義及びその均等物の範囲に属する全ての変更が、本発明に含められるべきものである。
【００３７】
上述した構成要素の各々には、又は、２つ以上の構成要素を一緒にしたものには、上述したタイプとは異なる他の形式の地上ソーラーセルシステム及び構造体における有用な用途が考えられるであろう。
【００３８】
本発明は、III-Ｖ族化合物半導体を使用するソーラーセル半導体構造体において実現されたものとして説明したが、本発明の技術的思想から逸脱することなく、種々の変形及び構造的な変更を行うことができるので、本発明は、本明細書において示した詳細に限定されるものではない。
【００３９】
（１）本発明の第１の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルであって、５００Ｘより大きい集光度を生成するための集光レンズと、集光される光のビームの経路に配置されたソーラーセルと、を具備し、前記ソーラーセルが、第１の光活性接合を含み、底部のソーラーサブセルを形成する、ゲルマニウム基板と、該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するバンドギャップ、７０００オングストロームを超える厚さ、及び、３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有し、２０個の太陽より大きな集光レベルで動作するように構成された、該中間サブセルの上に配置された燐化インジウムガリウムの上部サブセルと、を含み、該上部サブセルの電流密度が３５アンペア／平方センチメータより大きい、ことを特徴とする。
（２）本発明の第２の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記上部セルの上に配置され、該上部セルの表面積の約２.５％〜５％をカバーするグリッドパターンを有する、表面グリッド、をさらに具備する、ことを特徴とする。
（３）本発明の第３の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第２の態様において、前記グリッドパターンが５ミクロン以下の幅を有する複数の線を含む、ことを特徴とする。
（４）本発明の第４の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第２の態様において、前記グリッドパターンが、４ミクロンを超える厚さを有する複数の線、及び、１００ミクロンを超える中心間ピッチを含む、ことを特徴とする。
（５）本発明の第５の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第２の態様において、前記グリッドパターンが、前記上部セルの表面をカバーする複数の平行なグリッド線により構成される、ことを特徴とする。
（６）本発明の第６の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記ソーラーセルが、少なくとも３.０Ｖの開回路電圧（Ｖoc）と、少なくとも０.１３アンペア／ワットという短絡時の応答性と、少なくとも０.７０の充填ファクタと、を有し、エアマス１.５という日射量において３５％を超える変換効率により１０ワットを超えるＤＣ電力を生成する、ことを特徴とする。
（７）本発明の第７の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記上部サブセル、前記中間サブセル及び底部サブセルのバンドギャップが、それぞれ、１.９ｅＶ、１.４ｅＶ及び０.７ｅＶである、ことを特徴とする。
（８）本発明の第８の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記上部サブセルの半導体層の厚さが１ミクロン以上である、ことを特徴とする。
（９）本発明の第９の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第１の態様において、前記底部サブセルと前記中間サブセルとの間に配置された第１のトンネルダイオードと、前記中間サブセルと前記上部サブセルとの間に配置された第２のトンネルダイオードと、をさらに具備し、各トンネルダイオードが、５０アンペア／平方センチメートルを超える電流密度をサポートすることができるものである、ことを特徴とする。
（１０）本発明の第１０の態様に係る集光型光起電性ソーラーセルは、第２の態様において、前記シート抵抗及び前記グリッドパターンの表面積が、前記充填ファクタを最大化するように選択される、ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明により構成された地上ソーラーセルの拡大断面図である。
【図２】図１のソーラーセルの上面図であって第１実施の形態におけるグリッド線を示す図である。
【図３】図１のソーラーセルの上面図であって、第２実施の形態におけるグリッド線を示す図である。
【図４】本発明による構造を有するソーラーセルの効率を、グリッド線の表面カバレージの関数として示すグラフである。
【図５】本発明による構造を有するソーラーセルの効率を、セルの表面上のソーラー集光レベルの関数として示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルであって、
５００Ｘより大きい集光度を生成するための集光レンズと、
集光される光のビームの経路に配置されたソーラーセルと、
を具備し、
前記ソーラーセルが、
第１の光活性接合を含み、底部のソーラーサブセルを形成する、ゲルマニウム基板と、
該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、
ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するバンドギャップ、７０００オングストロームを超える厚さ、及び、３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有し、２０個の太陽より大きな集光レベルで動作するように構成された、該中間サブセルの上に配置された燐化インジウムガリウムの上部サブセルと、
を含み、
該上部サブセルの電流密度が３５アンペア／平方センチメータより大きい、
ことを特徴とする集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項２】
前記上部セルの上に配置され、該上部セルの表面積の約２.５％〜５％をカバーするグリッドパターンを有する、表面グリッド、をさらに具備する、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項３】
前記グリッドパターンが５ミクロン以下の幅を有する複数の線を含む、請求項２に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項４】
前記グリッドパターンが、４ミクロンを超える厚さを有する複数の線、及び、１００ミクロンを超える中心間ピッチを含む、請求項２に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項５】
前記グリッドパターンが、前記上部セルの表面をカバーする複数の平行なグリッド線により構成される、請求項２に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項６】
前記ソーラーセルが、
少なくとも３.０Ｖの開回路電圧（Ｖoc）と、少なくとも０.１３アンペア／ワットという短絡時の応答性と、少なくとも０.７０の充填ファクタと、を有し、
エアマス１.５という日射量において３５％を超える変換効率により１０ワットを超えるＤＣ電力を生成する、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項７】
前記上部サブセル、前記中間サブセル及び底部サブセルのバンドギャップが、それぞれ、１.９ｅＶ、１.４ｅＶ及び０.７ｅＶである、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項８】
前記上部サブセルの半導体層の厚さが１ミクロン以上である、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項９】
前記底部サブセルと前記中間サブセルとの間に配置された第１のトンネルダイオードと、前記中間サブセルと前記上部サブセルとの間に配置された第２のトンネルダイオードと、をさらに具備し、
各トンネルダイオードが、５０アンペア／平方センチメートルを超える電流密度をサポートすることができるものである、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項１０】
前記シート抵抗及び前記グリッドパターンの表面積が、前記充填ファクタを最大化するように選択される、請求項２に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項１】
太陽からエネルギを生成するための集光型光起電性ソーラーセルであって、
５００Ｘより大きい集光度を生成するための集光レンズと、
集光される光のビームの経路に配置されたソーラーセルと、
を具備し、
前記ソーラーセルが、
第１の光活性接合を含み、底部のソーラーサブセルを形成する、ゲルマニウム基板と、
該基板の上に配置された砒化ガリウムの中間サブセルと、
ＡＭ１.５スペクトル領域における吸収を最大化するバンドギャップ、７０００オングストロームを超える厚さ、及び、３３０オーム／平方未満のシート抵抗を有し、２０個の太陽より大きな集光レベルで動作するように構成された、該中間サブセルの上に配置された燐化インジウムガリウムの上部サブセルと、
を含み、
該上部サブセルの電流密度が３５アンペア／平方センチメータより大きい、
ことを特徴とする集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項２】
前記上部セルの上に配置され、該上部セルの表面積の約２.５％〜５％をカバーするグリッドパターンを有する、表面グリッド、をさらに具備する、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項３】
前記グリッドパターンが５ミクロン以下の幅を有する複数の線を含む、請求項２に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項４】
前記グリッドパターンが、４ミクロンを超える厚さを有する複数の線、及び、１００ミクロンを超える中心間ピッチを含む、請求項２に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項５】
前記グリッドパターンが、前記上部セルの表面をカバーする複数の平行なグリッド線により構成される、請求項２に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項６】
前記ソーラーセルが、
少なくとも３.０Ｖの開回路電圧（Ｖoc）と、少なくとも０.１３アンペア／ワットという短絡時の応答性と、少なくとも０.７０の充填ファクタと、を有し、
エアマス１.５という日射量において３５％を超える変換効率により１０ワットを超えるＤＣ電力を生成する、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項７】
前記上部サブセル、前記中間サブセル及び底部サブセルのバンドギャップが、それぞれ、１.９ｅＶ、１.４ｅＶ及び０.７ｅＶである、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項８】
前記上部サブセルの半導体層の厚さが１ミクロン以上である、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項９】
前記底部サブセルと前記中間サブセルとの間に配置された第１のトンネルダイオードと、前記中間サブセルと前記上部サブセルとの間に配置された第２のトンネルダイオードと、をさらに具備し、
各トンネルダイオードが、５０アンペア／平方センチメートルを超える電流密度をサポートすることができるものである、請求項１に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【請求項１０】
前記シート抵抗及び前記グリッドパターンの表面積が、前記充填ファクタを最大化するように選択される、請求項２に記載の集光型光起電性ソーラーセル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１７７１７２（Ｐ２００９−１７７１７２Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４１０（Ｐ２００９−２４１０）
【出願日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【出願人】（５０９００９６７０）エムコア コーポレイション (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【出願人】（５０９００９６７０）エムコア コーポレイション (5)
【Ｆターム（参考）】
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