专利名称：叠层型太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及叠层型太阳能电池，为了有效利用太阳光频谱内大范围的波长分量，在叠积灵敏度波长带不同的2种或更多种太阳能电池组件中，编入已插入多个球状太阳能电池的电池群组件，作为至少1种太阳能电池组件。
背景技术：
太阳光的频谱在地面上具有使600nm附近为峰值、并且从紫外到远红外的宽广波长区，为了接收这样的太阳光并效率良好地将其变换成电能，在依赖于单一能带间隙的太阳能电池中，能利用的频谱范围受到限制，光电变换高效率化有限。因此，提出一种太阳能电池，其结构将太阳光的频谱划分成多个灵敏度波长带，并对各灵敏度波长带分别制作能效率良好地进行光电变换的多种太阳能电池组件(或单元太阳能电池或太阳能电池层)，将它们从太阳光入射侧开始，按灵敏度波长带中心波长短(带隙大)的顺序叠积，从而吸收大范围太阳光频谱，进行光电变换。
目前，提出的已有太阳能电池如下。
(a)通过光学上的滤光镜划分成多个波长带，并将适合各灵敏度波长带的多种独立太阳能电池组件配置在各光路上的太阳能电池。《Potential ForIncreasing the Efficiency of Photovoltaic Systems by Using Multiples CellConcept(用多电池概念提高光电池效率的潜力)》(N.S.Alvi、C.E.Bakus和G.W.Madesen著，Conf.Proc.12th IEEE Photovoltaic Specialist Conference957(1976))中，记述这种太阳能电池。
(b)在公共衬底上依次使能带间隙不同的多个半导体层结晶生长，并合为一体地叠积2层太阳能电池层的太阳能电池。
(c)用灵敏度波长带(带隙)不同的半导体个别制作多种太阳能电池板，并将这些太阳能电池板配置在太阳光的光路上的太阳能电池。
在《III-V Compounds For Solar Cell Applications(用于太阳能电池的III-V族类的化合物)》(A.W.Bett、F.Dimroth、G.Stollwerck和O.V.Sulima著，Appl.Phys.A69，119-129(1999))中，记述上述(b)和(c)。
上述(a)～(c)的任一种，其构成叠层型太阳能电池的单元太阳能电池，都在平面状半导体晶圆或半导体层制作pn结。上述(a)的太阳能电池形成滤光镜的光损耗带来的性能降低和成本高，而且多个单元太阳能电池之间的空间大，其定位和固定等要费力。
上述(b)的太阳能电池因一块衬底上结晶生长成的半导体种类的结晶结构和晶格常数不同而受到限制，难以形成带隙不同的期望形状的pn结。而且，需要隧道结，使叠积的太阳能电池层之间流通电流；但该隧道结部分的电阻高。又，由于叠积的多个太阳能电池层的光电流不一致，存在整个太阳能电池的输出电流受最低侧太阳能电池层限制的问题。
上述(c)的太阳能电池无(b)的太阳能电池那样的结晶生长方面的限制，但太阳光入射侧的单元太阳能电池需要使该单元太阳能电池上未吸收的波长带的光通过的窗。单元太阳能电池的叠层数和感光面积加大时，梳状电极部分的面积增加，存在因单元太阳能电池的位置偏差而有效感光面积容易减小的缺点。而且，与(b)的太阳能电池相同，也由于叠积单一pn结组成的单元太阳能电池，各单元太阳能电池的输出电流不一致，留有整个太阳能电池的输出受输出电流小的单元太阳能电池限定的问题。
本发明的目的在于提供一种能消除上述问题并使对太阳光进行光电变换的效率可显著改善的叠层型太阳电池。
发明内容
本发明的叠层型太阳电池，编入多个太阳能电池组件，并将其叠积成一体，其中，包含具有不同的灵敏度波长带的多种太阳能电池组件，并将这些太阳能电池组件叠积成灵敏度波长带的中心波长越短的组件越处在靠近太阳光入射侧，并且由具有排成多行、多列的多个实质上球状的太阳能电池的电池群组件构成至少一种太阳能电池组件。由于包含具有不同的灵敏度波长带的多种太阳能电池组件，能利用太阳光频谱内宽广波长范围的太阳光进行发电。波长越短的光，透射性越弱，因而通过上述那样叠层，使灵敏度波长带的中心波长越短的太阳能电池组件处在越靠近太阳光入射侧，能提高各太阳能电池组件的光电变换效率。
编入多个实质上球状的太阳能电池的电池群组件中，通过改变对多个太阳能电池作串并联的电路的串联数和并联数，能方便地改变输出电流。因此，通过改变至少1个电池群组件的输出电流，容易使多种太阳能电池组件的输出电流一致，在提高太阳能电池的光电变换效率方面有利。
电池群组件中的太阳能电池具有实质上球面状的pn结，因而通过使多个太阳能电池的配置密集，加大电池群组件的pn结总面积，可提高光电变换效率。又，由于电池群组件的各太阳能电池具有实质上球面状的pn结，入射到各太阳能电池的入射光有机会2次遭遇pn结，所以在提高光电效率方面有利。由于能构成各太阳能电池具有锁光作用，在提高光电变换效率方面有利。又，球面上反射的光能改变光路，入射到其它太阳能电池，使总体上光的吸收性提高。
各电池群组件的太阳能电池可独立制作，不受构成其它太阳能电池组件的pn结的半导体晶格常数等的影响。
这里，除上述组成外，还可适当采用下列组成。
(1)由具有平面状公共pn结的平面感光组件，构成至少一种太阳能电池组件。
(2)具有4种太阳能电池组件，其中由具有排列成多行、多列的实质上球状太阳能电池的电池群组件，构成3种太阳能电池组件，由具有平面状公共pn结的平面感光组件，构成1种太阳能电池组件。
(3)通过行方向或列方向上延伸并往外部导出的多条引线，将所述多个电池群组件中的排列成多行、多列的太阳能电池进行电连接。
(4)各电池群组件具有通过所述多条引线，将各电池群组件串并联的串并联电路。
(5)具有将多种太阳能电池组件串联的串联电路，并且构成各电池群组件的串并联电路，使得各电池群组件的输出电流实质上等于所述平面感光组件的输出电流。
(6)所述各电池群组件具有平面上排列成多行、多列的多个球状太阳能电池的2个层，并将这2层的太阳能电池配置成俯视接近而不重叠。
(7)将所述平面感光组件配置在最下层，使其处在多个电池群组件的下侧，并且在该平面感光组件的下部或下表面侧，设置能反射太阳光的反射构件。
(8)处在太阳光入射方向的最靠近入射侧的太阳能电池组件以外的任一太阳能电池组件中，在该太阳能电池组件的表面形成反射其上侧的太阳能电池组件容易吸收的灵敏度波长带的光的镜膜。
(9)所述电池群组件中，将多个太阳能电池收装到透明玻璃或合成树脂材料的内部，并形成埋入状。
(10)将透明的玻璃或合成树脂组成的透明构件，粘合在处于太阳光入射方向上最靠近入射侧的太阳能电池组件的上表面。
(11)将所述平面感光组件配置在比多个电池群组件靠近下侧的最下层，并且3种电池群组件具有从太阳光入射侧依次叠积的第1～第3电池群组件，第1电池群组件具有在实质上球状的GaP单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池，第2电池群组件具有在实质上球状的GaAs单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池，第3电池群组件具有在实质上球状的Si单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池。
(12)(11)项中的所述平面感光组件具有形成在n型InP半导体衬底上形成的InGaAs半导体层内的平面状公共pn结。
(13)将所述平面感光组件配置在比多个电池群组件靠近上侧的最上层，并且3种电池群组件具有从太阳光入射侧依次叠积的第1～第3电池群组件，第1电池群组件具有在实质上球状的GaAs单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池，第2电池群组件具有在实质上球状的Si单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池，第3电池群组件具有在实质上球状的Ge单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池。
(14)(13)项中的所述平面感光组件具有形成在n型GaP半导体衬底上形成的GaAsP半导体层内的平面状公共pn结。
(15)具有2种平面感光组件，并且在这2种平面感光组件之间插入1个或多个电池群组件。
(16)将多种太阳能电池组件形成为圆筒状，并且将这些太阳能电池组件叠积成同心圆状。
图1(a)～(g)是制造球状Si太阳能电池的多个工序的Si单晶等的剖视图。
图2是球状Ge太阳能电池的剖视图。
图3是制造GaP太阳能电池的多个工序的GaP单晶等的剖视图。
图4是制造GaAlAs/GaAs太阳能电池的多个工序的GaAs单晶等的剖视图。
图5是Si电池群组件的俯视图。
图6是图5的VI-VI线剖视图。
图7是图5的VII-VII线剖视图。
图8是InGaAs/InP平面感光组件的俯视图。
图9是图8的IX-IX线剖视图。
图10是GaAsP/GaP平面感光组件的俯视图。
图11是图10的XI-XI线剖视图。
图12是第1例叠层型太阳能电池的俯视图。
图13是图12的叠层型太阳能电池的剖视图。
图14是太阳光的相对能量密度和第1例太阳电池中编入的太阳能电池等的相对光谱灵敏度的分布图。
图15是说明第1例太阳电池的入射、反射、吸收等的说明图。
图16是第1例太阳能电池的串并联电路和串联电路的概略电路图。
图17是第2例太阳能电池的剖视图。
图18是第2例太阳能电池的剖视图。
图19是太阳光的相对能量密度和第2例太阳能电池中编入的太阳能电池等的相对光谱灵敏度的分布图。
图20是另一实施例的叠层型太阳能电池的立体图。
图21是图20的太阳电池的剖视图。
具体实施例方式
首先，说明作为构成本发明叠层型太阳能电池的单元电池起作用的4种实质上球状的太阳能电池；接着，说明编入球状太阳能电池的电池群组件；接着，说明平面感光组件后，说明编入多个电池群组件和1个平面感光组件而构成的太阳能电池。然后，进一步说明将多个圆筒状电池群组件叠积成同心圆状的圆筒形太阳能电池。
球状太阳能电池与本申请发明人已在日本国专利第3262174号中提出的相同。制作此太阳能电池(球面感光型电池)时，制作球状的半导体结晶，在该半导体结晶的表层部形成实质上球面状的pn结，在隔半导体结晶的中心对置的表面位置设置正负电极，并且将该正负电极连接到pn结的两极。
这种太阳能电池几乎没有对太阳光入射方向形成方向性，因而即使太阳直射光的入射角度变化，也呈现良好的感光能力，并且对周围的反射光也呈现良好的感光能力。具有容易将入射光闭锁在太阳能电池内并利用球面状pn结有效进行光电变换的特点。
制造这种球状太阳能电池时，最好使用接近太阳能电池尺寸的球状半导体结晶，以减小半导体材料的损耗。作为该球状半导体结晶的制造方法，可用例如本发明人已在日本国专利第3231244号中提出的方法。即，使熔化状态的半导体液滴从坠落管的上部自由坠落，并且对坠落中途的液滴进行过冷却，从外部给予刺激，使其凝固，从而制作球状或粒状的单晶。
采用含有蒸汽压高的元素的化合物半导体时，可用例如本申请发明人在日本国专利第3287579中提出的方法。该方法中，将化合物半导体原料和构成该原料的元素中蒸汽压高的元素与保护气一起纳入密封的安瓿中，使其从坠落管的上部自由坠落，并且用与上文所述相同的方式，也使熔化状态的半导体原料在自由坠落中凝固，从而制作球状或粒状的单晶。但是，也可不用这些方法，而通过从大的单晶切割出接近太阳能电池的体积的立方体，并利用机械化学手段将该立方体加工成圆球状后，制作球状单晶。用这些球状单晶制作球状或实质上球状的太阳能电池，并且用多个太阳能电池制作具有对太阳光的特有灵敏度波长带的太阳能电池组件(电池群组件)。本申请的频谱划分型太阳能电池(叠层型太阳能电池)是组合具有不同灵敏度波长带的2种或更多的太阳能电池组件并加以合成的电池，有时也根据需要组合平面型pn结感光组件(平面感光组件)，并加以合成。
首先，说明本发明叠层型太阳能电池中编入的多种太阳能电池(单元太阳能电池)的结构和制法。这里阐述的太阳能电池可用上述公知技术或其它公知技术制造，因而简单说明。图1(a)～(g)示出制造编入具有太阳光频谱内的中间波长区(约500nm～1100nm)的灵敏度波长带的太阳能电池组件的、以实质上球状的硅(Si)单晶11为主体制作的实质上球状的Si太阳电池10时的制作工序。Si是能带间隙为1.12eV的间接迁移型半导体。
制作图1(a)所示的粒状p型硅单晶11时，使一定量的Si液滴从流动惰性气体的坠落管的上部自由坠落，坠落中借助表面张力形成球状，并在坠落中途从过冷状态施加接触液滴的一点等物理刺激，使其快速凝固，从而获得直径约1.2mm的p型硅单晶11。
p型硅单晶11的凸起部分是在凝固的最后阶段形成的。如图1(b)所示，将该凸起部分切割成平面状，作为基准面12。基准面12是直径约0.3mm左右的平坦面。基准面12用于后面工序在杂质扩散、电极形成、输出特性测量、布线等工序中进行定位。接着，如图1(c)所示，在整个表面形成氧化硅膜13。接着，如图1(d)所示，在基准面12及其外周附近留下氧化硅膜13，并去除其它氧化硅膜13。接着，如图1(e)所示，通过对图1(a)的硅单晶11加热并扩散磷(P)或砷(As)作为n型杂质，形成n型扩散层14，而且在p型Si单晶11与n型扩散层14之间形成实质上球面状的pn结15。在该n型杂质扩散时，也形成薄的Si氧化膜16。在基准面12及其附近留下p型Si单晶11的表面，使其不受扩散层14覆盖。接着，如图1(f)所示，进行蚀刻，暂先去除氧化硅膜13、16后，再次在整个面形成薄氧化硅膜组成的防反射膜17。接着，如图1(g)所示，以基准面12为定位标，在从基准面12朝向p型硅单晶11的表面的中心部和n型扩散层14的表面的中心部，将含有银的糊剂涂敷成点状并进行烧固，则取得银贯穿薄氧化硅膜17(防反射膜)分别电阻性接触p型硅单晶11、n型扩散层14的表面的正电极18和负电极19。这些电极18、19处在隔单晶硅11的中心对置的位置，因而维持光输入和光电动势分布的对称性，电流分布的偏差小，pn结15效率良好地起作用。
图2是具有太阳光频谱内的长波长区(约800nm～1600nm)的灵敏度波长带的太阳能电池组件中编入的、将实质上球状的锗(Ge)单晶作为主体制作的锗太阳能电池20的剖视图。锗是能带间隙为0.66eV的间接迁移型半导体，可经历与上述硅太阳能电池10相同的工序制造该锗太阳能电池20。
图2中示出直径约1.2mm的p型锗单晶21、基准面22、对n型杂质(磷或砷)进行热扩散而形成的n型扩散层24、pn结25、防反射膜26、由含少量铟的锡形成而且电阻性接触p型锗单晶21的正电极27、由含少量锑的锡形成并且电阻性接触n型扩散层24的负电极28。
图3(a)～(g)示出制造具有太阳光频谱内的短波长区(约300nm～600nm)的灵敏度波长带的太阳能电池组件中编入的、以球状磷化镓(GaP)单晶为主体制作的实质上球状的磷化镓太阳能电池30时的制造工序。磷化镓(GaP)是能带间隙为约2.25eV的间接迁移型半导体该磷化镓太阳能电池30具有太阳光频谱内的短波长侧的灵敏度波长带。制作该太阳能电池30时，首先从n型磷化镓单晶坯料切割出边长为约1.6mm的立方体，用机械化学研磨法对其进行加工，从而制作图3(a)所示的直径约1.2mm的球状n型磷化镓单晶31。接着，如图3(b)所示，切割球状n型磷化镓单晶31的下端部，形成基准面32。接着，如图3(c)所示，在磷化镓单晶31的整个表面形成氮化硅膜33(Si3N4)。接着，如图3(d)所示，留下基准面32及其外周附近的氮化硅膜33，作为扩散掩模，并去除其它氮化硅膜33。
接着，如图3(e)所示，形成扩散锌(Zn)等p型杂质并由p型磷化镓组成的扩散层34、以及作为该扩散层34与n型磷化镓单晶31的边界的实质上球面状pn结35。形成扩散层34和pn结35后，完全去除用作扩散掩模的氮化硅膜33。接着，如图3(f)所示，在整个表面形成由薄的氧化硅膜组成的防反射膜36。接着，如图3(g)所示，以基准面32为定位标，在p型扩散层34的表面的中心和从基准面32朝向n型磷化镓单晶31的表面的中心部，将以金为主体并分别含有锌、锗作为掺杂剂的糊剂涂覆成点状，而且以高温进行短时间加热处理，则形成金等金属贯穿薄氧化硅膜并分别电阻性接触p型磷化镓层34和n型磷化镓单晶31的正电极37和负电极38。
图4(a)～(d)示出制造具有太阳光频谱内的短波长区(约500nm～850nm)的灵敏度波长带的太阳能电池组件中编入的、以实质上球状的砷化镓(GaAs)单晶为主体制作的实质上球状的GaAlAs/GaAs太阳能电池40的制造工序。砷化镓(GaAs)是能带间隙为1.43eV的直接迁移型半导体，具有上述硅和磷化镓之间的能带间隙。
首先，如图4(a)所示，制作直径为约1.2mm的实质上球状n型砷化镓单晶41。可如上述磷化镓单晶31那样，用机械化学工艺形成该砷化镓单晶41。然而，为了减少原材料损耗而且取得良好的单晶，可用本申请发明人在日本国专利第3287579号中提出的方法制作。这种方法中，将n型砷化镓原材料和少量砷真空封入石英安瓿，在从外部将内部的砷化镓原材料加热成熔化的状态下，使其一面自由坠落，一面使其冷却并凝固地进行制作。在自由坠落中的微小重力状态下，砷化镓熔液因表面张力而形成球状，并且在过冷状态中施加物理刺激(激发)，使其快速凝固，从而制作图4(a)所示的实质上球状的砷化镓单晶41。接着，如图4(b)所示，在n型砷化镓单晶41的表面，用液相外延法使Ga0.2Al0.8As层49(3元混晶半导体)生长成薄膜。这时，在对镓熔液添加少量原材料砷化镓和作为掺杂剂的锌的镓熔液的容器中，以高温浸渍砷化镓单晶41并使其保持短时间后，进行冷却，从而使Ga0.2Al0.8As层49外延生长在表面上。在Ga0.2Al0.8As结晶生长时，锌往n型砷化镓单晶41侧扩散，形成p型砷化镓层44，并且在该砷化镓层44的表面形成pn结45。
接着，如图4(c)所示，在表面形成氧化硅膜组成的防反射膜46后，水平切割n型砷化镓单晶的表面的凸起部，形成直径约0.3mm左右的基准面42。接着，如图4(d)所示，以基准面42为定位标，在朝向p型GaAlAs层49的表面的中心和从基准面44侧朝向n型砷化镓单晶41的表面的中心部，将以晶为主体并分别含有锌、锗作为掺杂剂的糊剂涂覆成点状，并以高温进行短时间加热处理。利用该加热处理，形成金等金属薄贯穿氧化硅膜46(防反射膜)并分别电阻性接触p型GaAlAs层49和n型砷化镓单晶的正电极47和负电极48。
此外，制作上述GaAlAs/GaAs太阳能电池40时，可通过在GaAlAs层49内形成pn结45，或改变GaAlAs层49的组成比，使能带间隙改变，从而使灵敏度波长带往短波长侧移位。也可不设置GaAlAs层49，而将杂质扩散到球状的n型砷化镓单晶41，形成同质结型的pn结。
图5～图7中示出，将多个硅太阳能电池10编排成多行、多列的硅电池群组件70(硅太阳能电池组件)。图5～图7中，是概念性示出编入100个电池的组件的例子，但实际的硅电池群组件编入几百或几千个硅太阳能电池。
根据图5～图7，说明该硅电池群组件70的结构和制造方法。首先，制作将10个太阳能电池10等间距地并联在一对引线(在直径0.1mm左右的铜线上镀银的引线)之间的硅太阳能电池阵71。
将正引线73和负引线74分别焊接在太阳能电池10的正电极18和太阳能电池的负电极19，制作10个该太阳能电池阵71。将5个阵71等间隔地并行配置在上层，将5个阵71等间隔地并行配置在下层，并配置成下层的阵71位于上层的阵71之间，而且上下太阳能电池10俯视接近而不重叠。然后，用合成树脂75a(例如具有柔软性的硅树脂)将其模塑成形为一体。上下太阳能电池10还侧视不重叠地接近。在上层平面状配置5行、10列的太阳能电池10，在下层也平面状配置5行、10列的太阳能电池10。将多个太阳能电池编排成多行、多列矩阵状的实际硅电池群组件70为薄的挠性板状结构体。但是也可构成非挠性的组件。
在所述合成树脂75a的下表面，粘接透明玻璃片76(厚度为0.2mm左右)。该透明玻璃片76保持硅太阳能电池组件70的机械强度，而且用作与其它太阳能电池组件接合用的基准平面。树脂模塑成形后的正引线73和负引线74的2端延伸到透明合成树脂75a的外部，以便与其它太阳能电池阵和其它太阳能电池组件进行电连接。用10条正引线73和10条负引线74形成将100个硅太阳能电池10串并联的串并联电路75(参考图16)，后面根据图16阐述该串并联电路75。
也能通过与制作上述硅电池群组件70相同地编入锗太阳能电池20，代替硅太阳能电池10，制作电池群组件80(太阳能电池组件)(参考图17)。通过编入磷化镓太阳能电池30，代替硅太阳能电池10，也能制作电池群组件90(太阳能电池组件)(参考图13)。通过编入GaAlAs/GaAs太阳能电池40，代替硅太阳能电池10，也能制作电池群组件100(太阳能电池组件)(参考图13、图17)。与硅电池群组件70的串并联电路75相同，也在后面阐述这些组件80、90、100的串并联电路。
本申请发明人已在国际公开公报WO2004/001858号等中揭示了编入这种球状的多个太阳能电池的太阳能电池组件。
接着，图8、图9示出作为一例本申请的叠层型太阳能电池中编入的、对太阳光的长波长区(约900nm～1700nm)的频谱具有灵敏度波长带的太阳能电池组件(单元组件)的InGaAs/InP平面感光组件60。
在n型InP衬底61的表面上，使n型In0.53Ga0.47As层62外延生长，并从该n型层上扩散作为p型杂质的锌，形成p型In0.53Ga0.47As层64，从而形成平面状的公共pn结65。也可在该扩散时，将Si3N4用作扩散掩模，有选择地扩散成留下n型In0.53Ga0.47As层62的周缘，从而形成p型层64。
虽然未示出，但也可在InGaAs层64上，使能带间隙大于该层的n型磷化铟(InP)外延生长后，从其表面扩散p型杂质，从而在InGaAs层64内形成pn结。通过设置作为窗层的磷化铟层，降低表面的复合率，能改善光电变换效率。上述In和Ga的组成比只不过是例子，可改变。
接着，如图8所示，在成为感光面的p型InGaAs的表面形成冷光镜膜66。由设定成反射波长约1100nm或更短的光并使长于该波长的光透射的电介体多层膜构成冷光镜膜66。电介体多层膜是交替叠积高折射率电介体(TiO2、Ta2O5等)的膜和低折射率电介体(SiO2)的膜而成的，并考虑反射的波长和反射率，以设定各自的厚度和膜数。
设置负电极68(含少量锗、镍的金)，使其电阻性接触n型InP衬底61的整个下表面；设置形成带状以增多感光面积的正电极67(含少量锌的金)，使其电阻性接触p型InGaAs层64的表面。可根据公知的InGaAs/InP长波长光电二极管的制造技术等，制造此平面感光型组件60。接着，将铜线上镀银的引线(直径0.1mm)组成的正引线67a和负引线68a分别焊接在正电极67和负电极68。
图10、图11是本申请的叠层型太阳能电池中编入的、作为一例对太阳光频谱内的短波长区(约300nm～600nm)具有灵敏度波长带的太阳电池组件(单元组件)的GaAsP/GaP平面感光组件50的俯视图、剖视图。
在n型磷化镓衬底51上，用公知的汽相外延生长法形成GaAs0.1P0.9层52。在此组成的情况下，GaAsP是能带间隙为约2.21eV的间接型迁移半导体。接着，从GaAsP层52上扩散作为p型杂质的锌，形成p型GaAs0.1P0.9层54，从而在该GaAsP层54内形成pn结55。虽然未示出，但在n型GaAsP层52的表面周缘设置扩散掩模Si3N4膜，进行锌扩散，从而形成平面状pn结。公知的黄色发光二极管(LED)的制造法中也用此方法。
设置分别电阻性接触GaAsP层54和磷化镓衬底51的表面的正电极57(含少量锌的金)和负电极58(含少量锗、镍的金)。为了增多平面感光组件50的感光面积，使正电极57和负电极58如图中所示那样形成细带状，并且对齐两侧的位置。在带状电极57包围的感光窗的表面设置透明的防反射膜56。上述p型GaAsP层54成为GaAsP/GaP平面感光组件50的感光表面，在后面阐述的太阳能电池300(参考图17)的情况下，穿透GaAsP/GaP平面感光组件50的长波长的光入射到配置在该组件50下侧的3层太阳能电池组件侧。接着，用铜线上镀银的引线(直径0.1mm)将正引线57a和负引线58a分别焊接在正电极57和负电极58的2端，使其电连接，并且将该引线57a、58a引出到该平面感光组件50的外部。
接着，说明第1例的叠层型太阳能电池200。
图12、图13是用磷化镓电池群组件90、GaAlAs/GaAs电池群组件100、硅电池群组件70和InGaAs/InP平面感光组件60这4种的4个太阳能电池组件构成的叠层型太阳能电池200的俯视图和剖视图。
在这种叠层型太阳能电池200中，叠积对太阳光频谱具有不同灵敏度波长带的太阳能电池组件90、100、70、60，使灵敏度波长带的中心波长越短的组件，处在越靠近太阳光入射侧。从图14判明，太阳能电池组件90、100、70、60的灵敏度波长带的中心波长的关系为组件90的中心波长(约450nm)＜组件100的中心波长(约700nm)＜组件70的中心波长(约800nm)＜组件60的中心波长(约1300nm)。因此，将氮化铝衬底201配置在最下层，在该衬底上依次叠积编入透明合成树脂202内的InGaAs/InP平面感光组件60、硅电池群组件70、GaAlAs/GaAs电池群组件100、磷化镓电池群组件90，使其以透明粘接方式接合，并且将透明玻璃保护层203重叠在形成对太阳光感光的感光面的最上层，用透明粘接剂接合。
组件60的正负引线67a和68a、组件70的正负引线73和74、组件100的正负引线103和104、组件90的正负引线93和94分别延伸到各组件的外部，构成各组件70、100、90的串并联电路75、105、95(参考图16)。
图14是概念性示出太阳光频谱分析装置取得的太阳光频谱、叠层型太阳能电池200的光谱灵敏度特性(实线)和构成该电池的太阳能电池30、40、10等单独使用时的光谱灵敏度特性。
在图14中，太阳光频谱和叠层型太阳能电池200的光谱灵敏度特性的带隙部分(图中的斜线部分)是该太阳能电池200中不能进行光电变换的光能量未利用部分，超过太阳能电池200的光谱灵敏度特性的灵敏度波长区的长波长频谱部分是穿透该太阳能电池200的能量未利用部分。它们都是不能进行光电变换的损耗能量，因而希望使其最小。
组件90、100、70、60分别单独使用，则不仅灵敏度波长带狭小，而且过分大于接收的光的能带的能量部分不能有效用作输出。图14示出通过叠积并组合能带间隙(对应于灵敏度波长带)不同的太阳能电池组件，使可利用的波长区(图中的空白部分)变宽，取得高光电变换效率。
图15是对叠层型太阳能电池200中入射光的光路和反射光的光路、反射和吸收状态说明下列3种情况的说明图。从该图判明，编入球状或实质上球状的太阳能电池30、40、10的叠层型太阳能电池200有效。
情况1垂直入射到透明保护玻璃203的太阳光，在光路上的各太阳能电池30、40、10和组件60中垂直行进。
去除在折射率不同的界面反射的光和被各太阳能电池以外的物质吸收的光后垂直传播的太阳光，基本上根据反映能带间隙的太阳能电池特性得到吸收，有助于光电变换。在这种叠层型太阳能电池200中，按照能带间隙高的顺序，从太阳光入射侧依次配置太阳能电池30、40、10，因而按照波长短的光到波长长的光的顺序，依次被太阳能电池30、40、10和组件60吸收。在入射侧的上侧的电池未吸收完的光入射到其下端的下一级太阳能电池，该处未吸收的光入射到其下端的下一级太阳能电池，最后的组件60未吸收的光成为透射损失。
这样，上端的太阳能电池对下端的太阳能电池和组件60起滤光器的作用，因而减小接收过分的光能量并变换成热能的比率。形成在灵敏度波长带最长的InGaAs/InP平面感光组件60的上表面的冷光镜66作为对短于硅太阳能电池10能作光电变换的最长波长的光的波长区的光进行反射并使长于该波长的波长区的光透射的滤光器起作用。这样，防止InGaAs/InP平面感光组件60吸收过分大的光能量，抑制平面感光组件60的温度升高，改善其耐久性。与此相同，上端的太阳能电池对下端的太阳能电池吸收具有过分的能量的光，进行光电变换，因而也抑制太阳能电池100、70的温度升高。
在实质上球状的太阳能电池中，光穿透该太阳能电池时，根据光能量的大小，从入射点往行进方向产生光吸收，但相对于太阳能电池的中心，在相反侧也存在相同的pn结，因而吸收灵敏度波长带内的长波长的光，具有灵敏度波长带变宽的特点。
情况2入射光被太阳能电池的表面反射。
如图15所示，被球状太阳能电池30、40、10的表面反射的光入射到其它太阳能电池，并根据其光学特性产生吸收、透射。光反射不仅在太阳能电池产生，而且太阳能电池的正负引线、透明玻璃片96、106、76也产生。反射光在组件90、100、70、60的内部反复反射，使光扩散到整个组件。因此，光也入射到直射光未到达的太阳能电池下侧(感光侧的相反侧)，取得使整个太阳能电池的输出增加的效果。此效果根据下部的太阳能电池、透明玻璃和TiO2等填充物的配置方法，能使上部太阳能电池之间通过的光进一步提高。
情况3在太阳能电池内部捕捉并闭锁倾斜状入射到表面的太阳光。由于太阳能电池30、40、10的折射率大，根据入射的太阳光的角度，在太阳能电池内会产生全反射造成的锁光作用，能期望产生太阳能电池内的pn结作光电变换的分量从而输出高的效果。
情况4将光闭锁在透明保护玻璃203与组件60的冷光镜66之间，提高光的吸收性和光电变换效率。
图16示出一例叠积上述感光部表面积相等的组件90、100、70、60的所述叠层型太阳能电池200中对组件90、100、70、60进行串联的串联电路205、以及将各组件90、100、70中多个太阳能电池30、40、10串并联从而使叠层型太阳能电池200的输出最大的最佳串并联电路95、105、75。串并联电路95、105、75基本上构成组件90、100、70的输出电流分别等于输出电流最小的组件60的输出电流，串并联电路95、105、75基本上构成有效利用上述正负引线93、95、103、104、73、74、67a、68a。
将InGaAs/InP平面感光组件60的最大输出电流取为I的情况下，假设将磷化镓电池群组件90的全部太阳能电池30并联时的最大输出电流为2I，将GaAlAs/GaAs电池群组件100的全部太阳能电池40并联时的最大输出电流为3I，将硅电池群组件70的全部太阳能电池10并联时的最大输出电流为4I。以上述情况为例进行说明。
如图16所示，组件90中，将串并联电路95的串联数设定为2，则输出电流为I。组件100中，将串并联电路105的串联数设定为2，则输出电流为I。组件70中，将串并联电路75的串联数设定为4，则输出电流为I。于是，组件90、100、70的输出电流分别为I，与组件60的输出电流I相等。这样构成组件90、100、70、60的输出电流相同时，组件90、100、70发挥最大发电能力。
进一步具体的进行说明。即，将1个太阳能电池30、40、10的最大输出电流分别取为i30、i40、i10，将多个太阳能电池30、40、10的并联数分别取为N30、N40、N10，将组件60的输出电流取为I。
设定并联数，使得公式i30×N30＝i40×N40＝i10×N10＝I成立，则组件90、100、70、60的输出电流为实质上相同的值。
此外，设1个太阳能电池30、40、10的最大输出电压分别为v30、v40、v10，多个太阳能电池30、40、10的串联数分别为M30、M40、M10，组件60的输出电压为v60，则叠层型太阳能电池200的输出电压V＝(v30×M30)+(v40×M40)+(i10×M10)+v60。
这样，通过在构成叠层型太阳能电池200的多个组件90、100、70、60中调整对太阳能电池进行串并联的并联数和串联数，能使整个叠层型太阳能电池200的输出(功率)最大。
可通过作为太阳能电池阵的端子的正负引线构成这种串并联电路95、105、75，但也可构成利用电子开关电路与太阳光频谱或入射光的变动对应地切换串并联电路95、105、75，改变串联数和并联数，使输出最大。各组件90、100、70中，通过引线将并联多个太阳能电池而构成的太阳能电池阵串联，因而即使多个太阳能电池中产生特性偏差，也形成适应该偏差的电流分担，使组件的输出降低最小。已有的叠层型太阳能电池中，由于仅用平面感光组件，难以如本申请的叠层型太阳能电池200那样谋求利用串并联的输出电流调整。
在以上说明的叠层型太阳能电池200中，从上侧依次叠积电池群组件90、100、70，在最下层配置平面感光组件60，并且配置成灵敏度波长带的中心波长越短的，处在越靠近太阳光入射侧，所以能使波长短的透射性差的光在上层吸收，波长长的透射性好的光在下层吸收。因此，能提高叠层型太阳能电池200的光电变换效率。
由于在上侧的3层编入电池群组件90、100、70，在最下层编入感光组件60，上侧的组件中对平面感光组件60反射的反射光进行光电变换。在这方面有利。尤其在组件60设置对组件90、100、70容易作光电变换的1100nm或更短的波长的光进行反射的冷光镜66，因而在有效利用反射光以提高光电变换效率方面有利。电池群组件90、100、70分别对其下侧的组件100、70、60作为滤光器起作用，因而这些处在下侧的组件不容易过热，在提高光电效率方面有利。如图14所示，由于适当设定组件90、100、70、60的灵敏度波长带，可对光电变换供给太阳光频谱的大范围的光，使叠层型太阳能电池200的光电变换效率有可能提高到50％或更高。
而且，如图16所示，将串并联电路95、105、75设定成组件90、100、70各自的输出电流等于组件60的输出电流，因而能使叠层型太阳能电池200的发电功能充分发挥，提高光电变换效率。
又，在编入组件90、100、70中的太阳能电池30、40、10分别形成防反射膜36、46、17，电池本身使斜方向的入射光反射并扩散，增加光吸收效率，也增加叠层型太阳能电池200内部的锁光效率，有效作用于提高光电变换效率。
组件90、100、70中，将太阳能电池30、40、10配置成2层，并且俯视和侧视都密集配置太阳能电池30、40、10，因而pn结的总面积大，改善光电变换效率。
而且，各太阳能电池30、40、10中，使连接正负电极的方向朝向水平方向，所以对各太阳能电池入射从上侧入射的光时，有机会遭遇至少2次pn结，使光电变换效率得以改善。
又，由于编入各组件90、100、70的太阳能电池30、40、10能独立制作，不受其它太阳能电池组件的半导体的晶格常数等的影响，使设计和制作的自由度良好。
接着，说明第2例叠层型太阳能电池300。其中，虽然使叠层型太阳能电池300采用的组件的类型与叠层型太阳能电池200的组件部分不同，但结构与叠层型太阳能电池200的相同，因而简单说明。
图17、图18是由GaAsP/GaP平面感光组件50、GaAlAs/GaAs电池群组件100、硅电池群组件70和锗电池群组件80这4种的4个太阳能电池组件构成的叠层型太阳能电池300的剖视图。
在这种叠层型太阳能电池300中，叠积对太阳光频谱具有不同灵敏度波长带的太阳能电池组件50、100、70、80，使灵敏度波长带的中心波长越短的组件处在越靠近太阳光入射侧。从图19判明，太阳能电池组件50、100、70、80的灵敏度波长带中心波长形成的关系为组件50的中心波长(约450nm)＜组件100的中心波长(约700nm)＜组件70的中心波长(约800nm)＜组件80的中心波长(约1200nm)。因此，在最下层配置氮化铝衬底301，在该衬底上依次叠积锗电池群组件80、硅电池群组件70、GaAlAs/GaAs电池群组件100、GaAsP/GaP平面感光组件50，并用透明粘接剂接合后，在形成对太阳光进行感光的感光面的最上层叠置透明玻璃保护层304，并用透明粘接剂粘接。
组件80的正负引线83和84、组件70的正负引线73和74、组件100的正负引线103和104、组件50的正负引线57a和58a分别延伸到组件的外部，构成各自的组件的串并联电路(省略图示)。
在这种叠层型太阳能电池300中，处在最靠近入射侧的GaAsP/GaP平面感光组件50对短波长区的光作光电变换，穿透该组件50的光在其下侧的组件100的GaAlAs/GaAs太阳能电池40受到光电变换，穿透该组件100的光在其下侧的组件70的硅太阳能电池10受到光电变换，穿透该组件70的长波长的光在锗太阳能电池20受到光电变换。
在锗太阳能电池20的下侧，通过透明粘接剂粘接并固定镀覆铝反射膜302的氮化铝衬底301。铝反射膜302起对在上部的太阳能电池之间通过并逸出的光和在组件内部反射的光进行再反射的作用，减少太阳光未利用的份额。
在各组件100、70、80的太阳能电池40、10、20之间，与根据图15说明的相同，也产生光的反射、散射，使光也入射到太阳能电池的下侧，供光电变换。与根据图16说明的相同，也根据各太阳能电池40、10、20的输出特性设定各组件100、70、80的串并联电路的最佳串联数和并联数，以便使组件100、70、80的输出电流分别等于组件50的输出电流。
在以上说明的叠层型太阳能电池300中，也取得基本上与叠层型太阳能电池200相同的作用效果，但简单说明与叠层型太阳能电池200的不同点。能有效利用将难以构成球状太阳能电池的、对太阳光频谱的短波长区具有灵敏度波长带的GaAsP化合物半导体作为主体的平面感光组件50，以构成叠层型太阳能电池300。而且，利用形成在最上层的平面感光组件50的防反射膜56，能强化该电池300的内部锁光作用。
在上文说明的实施例中，对太阳光频谱的短波长侧的高能带或长波长侧的低能带利用平面感光组件60、50。在这种波长区实现高光电变换的化合物半导体的太阳能电池组件中，也可未必采用球状太阳能电池，采用制作上容易的平面感光组件，则在效益费用比方面有利。
接着，说明另一实施例的叠层型太阳能电池。
如图20、图21所示，这种叠层型太阳能电池400的结构为以贴紧状将圆筒状的2种太阳能电池组件410、420叠积成同心圆状，在最外层覆盖薄的透明玻璃或合成树脂制的透明圆筒体401，最内层也装同样的薄的透明玻璃或合成树脂的透明圆筒体402。
在该叠层型太阳能电池400的中心部形成流体通路403，从该电池400将热传给该流体通路403中流通的液体或气体，使叠层型太阳能电池400冷却。
内侧的太阳能电池组件410，是使多个所述锗太阳电池20排列成多行、多列并构成圆筒状的锗电池群组件。它与将上述锗电池群组件80构成圆筒状的组件相同。外侧的太阳能电池组件420是使多个上述GaAlAs/GaAs太阳能电池40排列成多行、多列并构成圆筒状的GaAlAs/GaAs电池群组件。它与将上述GaAlAs/GaAs电池群组件100构成圆筒状的组件相同。
在各组件410、420中，各太阳能电池阵的正负引线404、405从组件410、420的两端往外部伸出，但各太阳能电池阵最好配置成连接太阳能电池20、80的正负电极的线朝向与太阳光入射方向正交的方向。
在各太阳能电池组件410、420中，分别构成串并联电路，以便通过正负引线404、405对多个太阳能电池20、80进行串并联，使太阳能电池组件410、420的输出电流相等。
由于太阳光从外部入射，将灵敏度波长带中心波长长的锗电池群组件410配置在内侧，将灵敏度波长带中心波长短的GaAlAs/GaAs电池群组件420配置在外侧。
这种叠层型太阳能电池400是叠积2层太阳能电池组件410、420的太阳能电池，但对箭头号那样从上侧入射的太阳光而言，相当于4层结构的太阳能电池；对该电池400的左右两侧部，则相当于4层或更多层的太阳能电池。因此，太阳光遭遇太阳能电池单元的机会多，使光电变换效率提高。
而且，此叠层型太阳能电池400由于外形为圆筒状，无对太阳光入射方向的方向性，容易吸收从各种方向入射的太阳光。而且，能利用内部的流体通路中流通的流体进行冷却，所以光电变换效率提高，并且抑制热造成的劣化，使耐久性也得到改善。
本实施例中，以2层结构的太阳能电池为例进行了说明，但将3种或更多种圆筒形太阳能电池组件叠积成圆筒状的3层结构、4层结构、5层结构的叠层型太阳能电池也能实现。
接着，说明对上述实施例作局部变换的变换方式。
(1)编入到叠层型太阳能电池的太阳能电池组件的种类可为2种，也可为3种、5种或更多种，但最好取为至少1种太阳能电池组件由具有多个太阳能电池的电池群组件构成，至少1种太阳能电池组件由平面感光组件构成。而且，配置成灵敏度波长带的中心波长越短的组件，处在越靠近太阳光入射侧。
例如，设置1种平面感光组件和1种电池群组件，将平面感光组件配置在入射侧的上层，将电池群组件配置在下层。反之，将电池群组件配置在入射侧的上层，将平面感光组件配置在下层。
例如，设置1种平面感光组件和2种电池群组件，将1个平面感光组件配置在入射侧的上层，1个电池群组件配置在中层，1个电池群组件配置在下层。反之，将1个电池群组件配置在上层，1个电池群组件配置在中层，1个平面感光组件配置在下层。
例如，设置2种平面感光组件和2种电池群组件，将2种电池群组件配置在中层，并且将平面感光组件分别配置在上层和下层，使它们上下对插。
(2)用氮化镓(GaN)单晶和碳化硅(SiC)单晶等吸收紫外线并进行发电的半导体，构成配置在最上层的平面感光组件(太阳能电池组件)。这时，由于能有效利用光能量大的紫外线进行发电，不仅可提高叠层型太阳能电池的光电变换效率，而且能利用紫外线有效抑制下侧的太阳能电池组件劣化。
(3)可将上述半导体以外的能作光电变换的硅等非晶态半导体、III-V族类化合物半导体(例如InGaN、InGaP等)、II-VI族类化合物半导体(例如ZnO、Cd-Te等)、包含VI族元素(S、Se、Te等)的硫属化合物半导体(例如CuInGaSe2)作为材料，制造太阳能电池。
(4)用电池群组件，构成全部编入到叠层型太阳能电池中的多个太阳能电池组件。这时，最好在最下层的太阳能电池组件的下部或下表面设置具有对光进行反射的功能的反射膜或反射构件。
(5)用具有柔软性的透明片材代替上述透明玻璃保护层76和氮化铝衬底201、301等硬材料，形成柔软的叠层型太阳能电池。
(6)可采用透明的绝缘玻璃代替上述组件70、80、90、100的透明合成树脂75a。
(7)在上述组件70、80、90、100内部的光透射部分混入透明且折射率较大的玻璃、二氧化钛(TiO2)等散射材料(填充物)，以提高光透射部分的光学性能。
权利要求
1.一种叠层型太阳能电池，编入多个太阳能电池组件，并将其叠积成一体，其特征在于，包含具有不同的灵敏度波长带的多种太阳能电池组件，并将这些太阳能电池组件叠积成灵敏度波长带的中心波长越短的组件越处在靠近太阳光入射侧，并且由具有排成多行、多列的多个实质上球状的太阳能电池的电池群组件，构成至少一种太阳能电池组件。
2.如权利要求1中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，由具有平面状公共pn结的平面感光组件，构成至少一种太阳能电池组件。
3.如权利要求1中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，具有4种太阳能电池组件，其中由具有排列成多行、多列的实质上球状太阳能电池的电池群组件，构成3种太阳能电池组件，由具有平面状公共pn结的平面感光组件，构成1种太阳能电池组件。
4.如权利要求1至3中任一项所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，通过行方向或列方向上延伸并往外部导出的多条引线，将所述多个电池群组件中的排列成多行、多列的太阳能电池进行电连接。
5.如权利要求4中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，各电池群组件具有通过所述多条引线，将各电池群组件串并联的串并联电路。
6.如权利要求5中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，具有将多种太阳能电池组件串联的串联电路，并且构成各电池群组件的串并联电路，使得各电池群组件的输出电流实质上等于所述平面感光组件的输出电流。
7.如权利要求6中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，所述各电池群组件具有平面上排列成多行、多列的多个球状太阳能电池的2个层，并将这2层的太阳能电池配置成俯视接近而不重叠。
8.如权利要求4中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，将所述平面感光组件配置在最下层，使其处在多个电池群组件的下侧，并且在该平面感光组件的下部或下表面侧，设置能反射太阳光的反射构件。
9.如权利要求7中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，处在太阳光入射方向的最靠近入射侧的太阳能电池组件以外的任一太阳能电池组件中，在该太阳能电池组件的表面，形成反射其上侧的太阳能电池组件容易吸收的灵敏度波长带的光的镜膜。
10.如权利要求7中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，所述电池群组件中，将多个太阳能电池收装到透明玻璃或合成树脂材料的内部，并形成埋入状。
11.如权利要求7中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，将透明的玻璃或合成树脂组成的透明构件，粘合在处于太阳光入射方向上最靠近入射侧的太阳能电池组件的上表面。
12.如权利要求3中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，将所述平面感光组件配置在比多个电池群组件靠近下侧的最下层，并且3种电池群组件具有从太阳光入射侧依次叠积的第1～第3电池群组件，第1电池群组件具有在实质上球状的GaP单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池，第2电池群组件具有在实质上球状的GaAs单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池，第3电池群组件具有在实质上球状的Si单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池。
13.如权利要求12中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，所述平面感光组件具有形成在n型InP半导体衬底上形成的InGaAs半导体层内的平面状公共pn结。
14.如权利要求3中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，将所述平面感光组件配置在比多个电池群组件靠近上侧的最上层，并且3种电池群组件具有从太阳光入射侧依次叠积的第1～第3电池群组件，第1电池群组件具有在实质上球状的GaAs单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池，第2电池群组件具有在实质上球状的Si单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池，第3电池群组件具有在实质上球状的Ge单晶表层部形成实质上球面状的pn结的多个太阳能电池。
15.如权利要求14中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，所述平面感光组件具有形成在n型GaP半导体衬底上形成的GaAsP半导体层内的平面状公共pn结。
16.如权利要求2中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，具有2种平面感光组件，并且在这2种平面感光组件之间插入1个或多个电池群组件。
17.如权利要求1中所述的叠层型太阳能电池，其特征在于，将多种太阳能电池组件形成为圆筒状，并且将这些太阳能电池组件叠积成同心圆状。
全文摘要
编入4个太阳能电池组件并将其叠积成一体的叠层型太阳能电池(200)，包含具有不同灵敏度波长带的4种太阳能电池组件(90、100、70、60)，并且叠积这4种太阳能电池组件(90、100、70、60)，使得灵敏度波长带的中心波长越短的组件，处在越靠近太阳光入射侧。其中，用具有排列成多行、多列的多个实质上球状的太阳能电池(30、40、10)的电池群组件，分别构成3种太阳能电池组件(90、100、70)，并且用平面感光组件构成最下层的太阳能电池组件(60)。
文档编号H01L31/042GK1883055SQ20048003398
公开日2006年12月20日 申请日期2004年3月12日 优先权日2004年3月12日
发明者中田仗祐 申请人:京半导体股份有限公司