KR20090117691A

KR20090117691A - 고효율 태양 전지

Info

Publication number: KR20090117691A
Application number: KR1020097004440A
Authority: KR
Inventors: 알렌 엠. 바넷; 데이비드 에밀 칼슨; 윌리암 알랜 두리틀; 크리스티아나 비트리스 혼스버그; 더블라스 앤드류 커크패트릭
Original assignee: 유니버시티 오브 델라웨어; 디에이알피에이; 조지아 테크 리서치 코포레이션; 비피 코포레이션 노쓰 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2009-11-12
Also published as: WO2008091290A3; EP2054941A2; US20090320903A1; KR20090117690A; JP2009545182A; WO2008091291A9; WO2008091291A3; EP2070126A2; US20110048520A1; WO2008091290A2; CN101765921A; JP2009545183A; WO2008091290A9; US20110061726A1; US20090314332A1; WO2008091291A2

Abstract

본 발명은 신규한 구조를 가진 고효율 태양 전지에 관한 것이다. 일 실시예에서 태양 전지는 고효율 갭 셀 스택과 이색성 거울로 이루어진다. 고에너지 갭 셀 스택은 태양광을 스펙트럼 성분으로 분할하기 전에 태양광에 노출된다. 고에너지 갭 셀 스택 내의 각 셀은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광, 즉 태양광의 청색-녹색에서 자외선에 이르는 부분까지 흡수한다. 이 고에너지 갭 셀 스택 내의 각 셀은 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 투명하며 이를 투과시킨다. 그러면 나머지 광, 즉 고에너지 갭 셀 스택에 의해 투과된 광의 스펙트럼은 이색성 거울에 의해 분할된다.

태양 전지, HEGC, 이색성 거울, MEGC, LEGC, 실리콘 셀, 스캐빈저 셀

Description

고효율 태양 전지{HIGH EFFICIENCY SOLAR CELL}

본 발명은 정부와 맺은 계약 W911NF-05-9-0005에 따른 정부 지원으로 발명된 것이다. 정부는 본 발명에 대해 일정 지분을 갖는다.

본 발명은 2005년 10월 1일 유니버시티 오브 델라웨어(University of Delaware)에 수여된 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)(W911NF-05-9-0005)에 따라서 구성된 50% 효율 태양 전지 컨소시엄의 공동 연구 규약에 따라 발명된 것이다.

관련 출원의 상호 인용

본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 인용으로서 포함된 미국 가출원 번호 제60/833,994호(출원일: 2006, 7월 28일)의 우선권을 주장한다.

기술분야

본 발명은 이동식이나 고정식 모두의 응용분야에 사용하는데 적합한 고효율 태양 전지에 관한 것이다.

태양 전지 개발은 50년 이상동안 진행되어 오고 있다. 단접합(one-junction) 실리콘 태양 전지는 그 기간 동안 많은 주목을 받아왔으며 지상 광발전(photovoltaic) 응용분야에서 사용된다. 그러나 단접합 실리콘 태양 전지는 그 에너지 효율이 최상의 실험용 태양 전지의 이론적인 태양 에너지 효율의 절반보다 작으며, 현재 약 24.7% 효율에 불과하다. 이것은 그와 같은 셀의 응용을 제한한다.

고성능 광발전 시스템은 경제적 이유와 기술적 이유 양면에서 필요하다. 태양 전지의 효율을 배로 늘리면 전기값을 반으로 줄일 수 있다. 많은 응용 분야는 지금의 태양 전지를 이용해서는 필요 전력을 제공하는 데 필요한 면적을 갖고 있지 못하다.

더 높은 효율의 태양 전지에 대해서는 2가지 타입의 태양 전지 구조가 제안되어 있다. 그 중 한가지는 측면(lateral) 구조이다. 태양광 스펙트럼을 그 파장 성분으로 분할하는 데는 광분산 소자가 이용된다. 개별적인 태양 전지들은 각 파장 대역 하에 배치되며 그 파장 대역의 광에 대해 양호한 효율을 주도록 선택된다. 다른 구조는 에너지 갭이 서로 다른 개별적인 태양 전지들이 스택으로 배치된 수직 구조이다. 이러한 태양 전지는 일반적으로 캐스케이드형(cascade), 탠덤형(tandem) 또는 다중 접합 전지라 한다. 태양광은 이 스택을 통과한다.

고효율 태양 전지와 이 태양 전지를 달성할 수 있는 구조를 개발할 필요가 있다.

본 발명은, 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 고에너지 갭 셀(high energy gap cell; HEGC) 스택을 포함하는 고효율 태양 전지를 제공하는데, 상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 태양광이 상기 태양광의 스펙트럼 성분들로의 임의의 분할이 있기 전에 상기 HEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하고, 상기 HEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^h보다 크거나 같고, 상기 HEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시켜, 상기 HEGC 스택에 의해 투과되는 광을 제공한다.

태양 전지는 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광이 충돌하는 하나 또는 그 이상의 스펙트럼 빔 분할기를 더 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 스펙트럼 빔 분할기는 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광을 2 또는 그 이상의 스펙트럼 성분으로 분할한다.

일 양상에서, 본 발명은,

(a) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택으로서, 상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 태양광이 상기 태양광의 스펙트럼 성분들로의 임의의 분할이 있기 전에 상기 HEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하고, 상기 HEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^h보다 크거나 같고, 상기 HEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시켜, 상기 HEGC 스택에 의해 투과되는 광을 제공하는 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택; 및

(b) E_g ^m에서 동작하는 이색성 거울로서, 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광이 상기 이색성 거울에 충돌하도록 배치되며, E_g ^m<E_g ^h이고, 상기 이색성 거울은 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광을 2개의 스펙트럼 성분, 즉 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분과 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분으로 분할하고, 상기 성분들 중 하나는 상기 이색성 거울에 의해 반사되고, 다른 하나는 상기 이색성 거울에 의해 투과되는 이색성 거울

을 포함하는 고효율 태양 전지를 제공한다.

다른 양상에서, 본 발명은 또한,

(a) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택으로서, 상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 태양광이 상기 태양광의 스펙트럼 성분들로의 임의의 분할이 있기 전에 상기 HEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하고, 상기 HEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^h보다 크거나 같고, 상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시켜, 상기 HEGC 스택에 의해 투과되는 광을 제공하는 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택;

(b) E_g ^m에서 동작하는 이색성 거울로서, 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광이 상기 이색성 거울에 충돌하도록 배치되며, E_g ^m<E_g ^h이고, 상기 이색성 거울은 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광을 2개의 스펙트럼 성분, 즉 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분과 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분으로 분할하고, 상기 성분들 중 하나는 상기 이색성 거울에 의해 반사되고, 다른 하나는 상기 이색성 거울에 의해 투과되는 이색성 거울;

(c) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 중간 에너지 갭 셀(MEGC) 스택으로서, 상기 MEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분은 상기 MEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치되고, 상기 MEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m보다는 크거나 같고 E_g ^h보다는 작고, 상기 MEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 중간 에너지 갭 셀(MEGC) 스택; 및

(d) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 저에너지 갭 셀(LEGC) 스택으로서, 상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분은 상기 LEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치되고, 상기 LEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m보다 작고, 상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 저에너지 갭 셀(LEGC) 스택

을 포함하는 고효율 태양 전지를 제공한다.

바람직하게는, E_g ^m은 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분이 향하는 모든 셀 중 최저 에너지 갭을 가진 셀의 에너지 갭과 거의 같다.

또한, 본 발명은, 태양광을 전력으로 변환하는 방법으로서,

(a) 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택을 태양광이 상기 태양광의 스펙트럼 성분들로의 임의의 분할이 있기 전에 상기 HEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치하는 단계로서, 상기 HEGC 스택은 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하며, 상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 상기 HEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^h보다 크거나 같고, 상기 HEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시켜, 상기 HEGC 스택에 의해 투과되는 광을 제공하는 단계;

(b) 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광을 광의 2개의 스펙트럼 성분, 즉 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분과 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분으로 공간적으로 분할하는 단계;

(c) 중간 에너지 갭 셀(MEGC) 스택을 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분이 상기 MEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치하는 단계로서, 상기 MEGC 스택은 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하며, 상기 MEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 상기 MEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m보다는 크거나 같고 E_g ^h보다는 작고, MEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 단계; 및

(d) 저에너지 갭 셀(LEGC) 스택을 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분이 상기 LEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치하는 단계로서, 상기 LEGC 스택은 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하며, 상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 단계

를 포함하는 태양광 전력 변환 방법을 제공한다.

도 1은 전지 스택의 개략도.

도 2는 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과하는 이색성 거울(dichroic mirror)을 가진 "HEGC 스택-이색성 거울" 구조를 갖는 태양 전지의 실시예를 도시한 도.

도 3은 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과하는 이색성 거울을 가진 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택" 구조를 갖는 태양 전지의 실시예를 도시한 도.

도 4는 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과하는 이색성 거울을 가진 "HEGC 스택-이색성 거울-LEGC 스택" 구조를 갖는 태양 전지의 실시예를 도시한 도.

도 5는 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과하는 이색성 거울을 가진 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택-LEGC 스택" 구조를 갖는 태양 전지의 실시예를 도시한 도.

도 6은 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과하는 이색성 거울을 가진 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택-LEGC 스택" 구조를 갖는 태양 전지의 다른 실시예를 도시한 도.

도 7은 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 투과하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과하는 이색성 거울을 가진 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택-LEGC 스택" 구조를 갖는 태양 전지의 실시예를 도시한 도.

본 발명은 효율이 30% 이상, 바람직하게는 50%까지나 이를 넘는 고효율 태양 전지를 제공한다.

일 실시예에서 태양 전지는 고효율 갭 셀과 이 고효율 갭 셀에 의해 투과된 광을 분할하는 이색성 거울로 이루어진다. 본 발명의 신규한 태양 전지 구조에서는 분산 장치에 의해 태양광을 스펙트럼 성분으로 분할하기 전에 고에너지 갭 셀을 태양광에 노출시키는 것이 고효율 태양 전지의 실현 가능하게 하고 이 태양 전지의 다양한 실시예를 제공하는 데 핵심 역할을 한다. 이와 같은 신규한 구조에 따라서 태양광 스펙트럼의 모든 부분이 효율적으로 이용될 수 있어 실용적인 고효율 태양 전지를 만들어낼 수가 있다. 고에너지 셀은 광자 에너지≥E_g ^h인 높은 에너지를 가진 광자, 즉 태양광의 청색-녹색에서 자외선에 이르는 부분까지 흡수하여 이 에너지를 전기로 변환한다. 이 고에너지 셀은 에너지<E_g ^h인 광자에 투명하며 이를 투과시킨다. 그러면 나머지 광, 즉 고에너지 갭 셀에 의해 투과된 광의 스펙트럼은 하나 또는 그 이상의 스펙트럼 빔 분할기에 의해 분할된다. 스펙트럼 빔 분할기는 이색성 거울, 하나 또는 그 이상의 프리즘, 하나 또는 그 이상의 렌즈, 필터, 또는 광을 스펙트럼 성분으로 분할하는 임의의 다른 광 분할기일 수 있다. 바람직하게는 스펙트럼 빔 분할기는 이색성 거울이다. 청색-녹색에서 자외선에 이르는 광은 스펙트럼 분할 전에 고에너지 갭 셀에 의해 흡수되었으므로 이색성 거울에 대한 요건이 완화된다. 이와 같이 하여 나머지 광에 대한 분할이 개선되면서 소요되는 비 용도 줄일 수가 있다. 나머지 광을 흡수하여 그 에너지를 전기로 변환하는데 사용된 셀에 대한 요건도 완화된다. 이에 따라서 실용적이면서 효율이 높은 태양 전지를 실현할 수가 있다.

E_g ^m에서 동작하는 이색성 거울은 고에너지 갭 셀에 의해 투과된 광이 이색성 거울에 충돌하도록 배치된다. 소위 "저온(cold)" 이색성 거울은 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고, 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과한다. 소위 "고온(hot)" 이색성 거울은 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 투과하고, 광자 에너지<E_g ^m인 광은 반사한다. 2가지 타입의 이색성 거울의 현 개발 단계에서는 "저온" 이색성 거울이 바람직하다. 이색성 거울은 평면형이거나 곡면형일 수 있다. 그러면 이색성 거울에 의해 반사 및 투과된 광은 다른 셀들에 의해 흡수되어 그 에너지가 전기로 변환될 수 있다.

다른 실시예에서 태양광이 충돌하는 고에너지 갭 셀은 E_g ^h보다 크거나 같은 서로 다른 에너지 갭을 가진 2 또는 그 이상의 고에너지 갭 셀 중 하나이다. 이 셀들은 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고 에너지 갭이 작아지는 순서로 HEGC 스택에 수직으로 배치된다. 다시 태양광을 스펙트럼 빔 분할기에 의해 스펙트럼 성분으로 분할하기 전에 HEGC 스택 내의 제1 셀을 태양광에 노출시키는 것이 고효율 태양 전지의 실현을 가능하게 하고 태양 전지의 다양한 실시예를 제공하는데 핵심 역할을 한다. 제1 셀은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 에너지의 광자는 흡수하며 그 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자에 대해서는 투명하여 광자를 투과시킨다. 스택에서 제2 셀은 제1 셀보다 에너지 갭이 낮으며, 그 에너지 갭보다 크거나 같은 에너지의 광자는 흡수하며, 그 에너지 갭보다 작은 에너지의 광자에 대해서는 투명하여 광자를 투과시킨다. 스택 내에 있는 임의의 다른 셀들에 대해서도 마찬가지이다. 이 실시예에서 E_g ^m에서 동작하는 이색성 거울은 HEGC 스택에 의해 투과된 광이 이색성 거울에 충돌하도록 배치된다. 그러면 다시 이색성 거울에 의해 반사 및 투과된 광은 다른 셀에 의해 흡수되어 그 에너지가 전기로 변환될 수 있다. HEGC 스택 셀 내의 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하며, 태양광은 HEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하고, HEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^h보다 크거나 같고, HEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 HEGC 스택에 대한 설명은 전술한 실시예들, 즉 단 하나의 고에너지 갭 셀을 가진 실시예와 2 이상의 고에너지 갭 셀을 가진 실시예 모두를 포함한다. 이들 태양 전지는 여기서는 "HEGC 스택-이색성 거울" 구조를 가진 태양 전지라 한다.

"셀"은 여기서는 여러 스택에 포함되고 일반적으로 태양 전지라 불리는 개별 셀들을 기술하는 데 사용된다. 용어 "태양 전지"는 여기서는 완전한 장치를 설명하는데 사용된다.

전술한 바와 같이, 본원에서 이용되는 바와 같이, "스택 내의 셀들 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된"은 스택 내의 셀들이 최대 에너지 갭을 가진 제1 셀, 제1 셀 바로 아래에 그 다음 최대 에너지 갭을 가진 제2 셀, 제2 셀 바로 아래에 세 번째 최대 에너지 갭을 가진 제3 셀 등이 순차적으로 배치된다는 것을 의미한다. 이와 같은 셀 스택 구성은 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 셀 스택(10)은 3개의 셀(1, 2, 3)을 갖고 있는데, 이 중에서 셀(1)이 제1 셀이다. 이 3개 셀의 에너지 갭은 E_g ¹>E_g ²>E_g ³과 같으며, 여기서 E_g ¹는 셀(1)의 에너지 갭이고, E_g ²는 셀(2)의 에너지 갭이고, E_g ³은 셀(3)의 에너지 갭이다. 셀(1)은 광자 에너지≥E_g ¹인 광은 흡수하고 광자 에너지<E_g ¹인 광은 투과시킬 것이다. 셀(2)은 광자 에너지≥E_g ²인 광은 흡수하고 광자 에너지<E_g ²인 광은 투과시킬 것이다. 셀(3)에 대해서도 마찬가지이다. 이 셀들은 흡수된 광자 에너지를 전기로 변환한다.

여기서 사용된 "흡수"는 셀에 의해 흡수된 광자가 전자-정공 쌍의 생성으로 나타난다는 것을 의미한다.

"E_g ^m에서 동작하는 이색성 거울"은 여기서는 이색성 거울이 HEGC 스택에 의해 투과된 광을 2개의 스펙트럼 성분, 즉 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분과 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분으로 분할한다는 것을 의미하는 것으로 사용된다. 이 성분들 중 하나는 이색성 거울에 의해 반사되고, 다른 하나는 이색성 거울에 의해 투과된다. "저온" 이색성 거울은 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과시키며, "고온(hot)" 이색성 거울은 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 투과시키고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 반사한다. 통상적으로 이색성 거울은 HEGC 스택에 의해 투과된 광에 수직하지 않도록 배치될 것이다. 이런 식으로, 반사된 광의 방향은 HEGC 스택쪽으로 바로 되돌아 가는 것이 아니라 이색성 거울에 충돌하는 광의 방향에 대해 소정 각도를 가지며, 반사된 광은 다른 셀들에 충돌하도록 더 쉽게 배치될 수 있다. 투과에서 반사로의 전이는 에너지들과 대응 파장들의 범위에서 일어난다. 동작 에너지 E_g ^m는 이 전이 영역의 중간점으로 택해진다. 이 전이가 극히 급격하지 않다면 에너지>E_g ^m인 일부 광자는 투과되고, 에너지<E_g ^m인 일부 광자는 반사될 것으로 인식된다. 이 전이 영역에서 E_g ^m보다 큰 에너지를 가진 대부분의 광자는 반사되 고, E_g ^m보다 작은 에너지를 가진 대부분의 광자는 투과된다. "E_g ^m에서 동작하는 이색성 거울"에 대한 상기 정의는 전이 영역의 특성에 대한 이러한 인식과 관련하여 이해되고 해석되어야 한다. 주어진 이색성 거울에 있어서, 이색성 거울이 이것에 충돌하는 광빔의 입사 방향에 수직한 것으로부터 벗어나도록 회전됨에 따라 그 동작 에너지가 더 낮은 에너지(더 높은 파장)로 이동하며, "E_g ^m에서 동작하는 이색성 거울"은 이색성 거울이 충돌광의 방향에 대하여 배치되는 위치에 적용되는 것으로 이해되고 해석되어야 한다. 이색성 거울은 다층 구조체로서 통상적으로 2개의 투명 산화물의 20개 또는 그 이상의 교대 층을 포함한다. 전이가 더 급격하면 층수가 더 많아야 하며 비용도 더 들게 된다.

태양 전지의 일 실시예에서, 태양 전지는 HEGC 스택과 이색성 거울에 더하여 MEGC 스택으로 구성된다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분은 MEGC에 충돌하도록 배치되어 있다. 이 태양 전지는 여기서는 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택" 구조를 가진 태양 전지라 한다. 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분은 다른 셀에 충돌하도록 배치되어 있다. 예컨대 이 광은 다른 셀에 충돌하기 전에 스펙트럼 성분으로 더 분할될 수 있다.

태양 전지의 다른 실시예에서, 태양 전지는 HEGC 스택과 이색성 거울에 더하 여 LEGC 스택으로 구성된다. 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분은 LEGC 스택에 충돌하도록 배치되어 있다. 이 태양 전지는 여기서는 "HEGC 스택-이색성 거울-LEGC 스택" 구조를 가진 태양 전지라 한다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분은 다른 셀에 충돌하도록 배치되어 있다. 예컨대 이 광은 다른 셀에 충돌하기 전에 스펙트럼 성분으로 더 분할될 수 있다.

태양 전지의 특히 바람직한 실시예에서, 태양 전지는 HEGC 스택과 이색성 거울에 더하여 MEGC 스택과 LEGC 스택으로 구성된다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분은 MEGC 스택에 충돌하도록 배치되어 있고, 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분은 LEGC 스택에 충돌하도록 배치되어 있다. 이 태양 전지는 여기서는 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택-LEGC 스택" 구조를 가진 태양 전지라 한다.

MEGC 스택은 MEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함한다. MEGC 스택은 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분이 MEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치된다. MEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m보다는 크거나 같고 E_g ^h보다는 작다. MEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다. 바람직하게는 MEGC 스택은 적어도 2개의 셀을 포함한다.

LEGC 스택은 LEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함한다. LEGC 스택은 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분이 LEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치된다. LEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m보다 작다. LEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다. 바람직하게는 LEGC 스택은 적어도 2개의 셀을 포함한다. 바람직하게는 최저 에너지 갭을 가진 셀의 에너지 갭은 이 셀에 투과된 대부분의 광자를 효과적으로 흡수할 정도로 충분히 낮다.

이색성 거울이 동작하도록 설계된 E_g ^m은 사용되는 특정 셀의 에너지 갭에 의해 결정된다. 바람직하게는 E_g ^m은 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분이 향하는 모든 셀 중 최저 에너지 갭을 가진 셀의 에너지 갭과 거의 같다. "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택" 구조나 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택-LEGC 스택" 구조에서처럼 MEGC 스택이 있는 경우에는 바람직하게는 E_g ^m은 MEGC 스택내의 셀 중 최저 에너지 갭을 가진 셀의 에너지 갭과 거의 같다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분이 스펙트럼으로(spectrally) 더 분할되는 경우에는, E_g ^m은 공간적으로 분할된 광이 충돌하는 셀 중 최저 에너지 갭을 가진 셀의 에너지 갭과 거의 같다.

이색성 거울에 의해 반사 및/또는 투과된 광은 적당한 스택 내의 제1 셀의 표면에 직접 충돌할 수 있다. 아니면, 이색성 거울에 의해 반사 및/또는 투과된 광이 반사 거울에 의해 반사되고, 적당한 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하게 되도록, 즉 광자 에너지≥E_g ^m인 광이 MEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하게 되고, 광자 에너지<E_g ^m인 광이 LEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하게 되도록 반사 거울이 배치될 수 있다.

도 2 내지 도 7에서 동일한 도면부호는 동일한 실체를 나타내는데 사용된다. 간단하게 하기 위하여 여러 가지 광빔은 2개의 광선으로 나타낸다.

도 2는 "HEGC 스택-이색성 거울" 구조를 가진 태양 전지의 실시예를 도시한 것이다. 태양 전지(20A)는 HEGC 스택(21)과 "저온" 이색성 거울(24)로 이루어진다. 도시된 HEGC 스택(21)은 에너지 갭 E_g ^h를 가진 하나의 셀(25)을 포함한다. 이 색성 거울(24)은 E_g ^m에서 동작하며, 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과시킨다. 태양광(30)은 고에너지 갭 셀(25)의 표면에 충돌한다. 고에너지 갭 셀(25)은 광자 에너지≥E_g ^h인 광은 흡수하고 광자 에너지<E_g ^h인 광(31)은 투과시킨다. 이 광(31)은 이 광(31)의 방향에 수직하지 않도록 배치된 이색성 거울(24)에 충돌한다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광(32)은 이색성 거울에 의해 반사된다. 광자 에너지<E_g ^m인 광(33)은 이색성 거울에 의해 투과된다.

도 3은 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택" 구조를 가진 태양 전지의 실시예를 도시한 것이다. 태양 전지(20B)는 HEGC 스택(21), MEGC 스택(22) 및 "저온" 이색성 거울(24)로 이루어진다. 도시된 HEGC 스택(21)은 에너지 갭 E_g ^h를 가진 하나의 셀(25)을 포함한다. 도시된 MEGC 스택(22)은 서로 다른 에너지 갭 E_g ²⁶및 E_g ²⁷을 가진 2개의 셀(26, 27)을 포함하며, 여기서 E_g ²⁶ 및 E_g ²⁷은모두 ≥E_g ^m이고 <E_g ^h이며, E_g ²⁶> E_g ²⁷ 이다. 이색성 거울(24)은 E_g ^m에서 동작하며, 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과시킨다. 태양광(30)은 고에너지 갭 셀(25)의 표면에 충돌한다. 고에너지 갭 셀(25)은 광자 에너지≥E_g ^h인 광은 흡수하고 광자 에너지<E_g ^h인 광(31)은 투과시킨다. 이 광(31)은 이 광(31)의 방향에 수직하지 않도록 배치된 이색성 거울(24)에 충돌한다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광(32)은 이색성 거울에 의해 반사되어 MEGC 스택(22)의 제1 셀(26)의 표면에 충돌한다. 셀들(26, 27) 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다. 광자 에너지<E_g ^m인 광(33)은 이색성 거울에 의해 투과된다.

도 4는 "HEGC 스택-이색성 거울-LEGC 스택" 구조를 가진 태양 전지의 실시예를 도시한 것이다. 태양 전지(20C)는 HEGC 스택(21), LEGC 스택(23) 및 "저온" 이색성 거울(24)로 이루어진다. 도시된 HEGC 스택(21)은 에너지 갭 E_g ^h를 가진 하나의 셀(25)을 포함한다. 도시된 LEGC 스택(23)은 서로 다른 에너지 갭 E_g ²⁸및 E_g ²⁹를 가진 2개의 셀(28, 29)을 포함하며, 여기서 E_g ²⁸ 및 E_g ²⁹은 모두 <E_g ^m이고, E_g ²⁸> E_g ²⁹ 이다. 이색성 거울(24)은 E_g ^m에서 동작하며, 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과시킨다. 태양광(30)은 고에너지 갭 셀(25)의 표면에 충 돌한다. 고에너지 갭 셀(25)은 광자 에너지≥E_g ^h인 광은 흡수하고 광자 에너지<E_g ^h인 광(31)은 투과시킨다. 이 광(31)은 이 광(31)의 방향에 수직하지 않도록 배치된 이색성 거울(24)에 충돌한다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광(32)은 이색성 거울에 의해 반사된다. 광자 에너지<E_g ^m인 광(33)은 이색성 거울에 의해 투과되어 LEGC 스택(23)의 제1 셀(28)의 표면에 충돌한다. 셀들(28, 29) 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다.

도 5는 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택-LEGC 스택" 구조를 가진 태양 전지의 실시예를 도시한 것이다. 태양 전지(20D)는 HEGC 스택(21), MEGC 스택(22), LEGC 스택(23), 및 "저온" 이색성 거울(24)로 이루어진다. 도시된 HEGC 스택(21)은 에너지 갭 E_g ^h를 가진 하나의 셀(25)을 포함한다. 도시된 MEGC 스택(22)은 서로 다른 에너지 갭 E_g ²⁶ 및 E_g ²⁷을 가진 2개의 셀(26, 27)을 포함하며, 여기서 E_g ²⁶ 및 E_g ²⁷은 모두 ≥E_g ^m이고 <E_g ^h이며, E_g ²⁶ > E_g ²⁷ 이다. 도시된 LEGC 스택(23)은 서로 다른 에너지 갭 E_g ²⁸ 및 E_g ²⁹를 가진 2개의 셀(28, 29)을 포함하며, 여기서 E_g ²⁸ 및 E_g ²⁹은 모두 <E_g ^m이고, E_g ²⁸ > E_g ²⁹ 이다. 이색성 거울(24)은 E_g ^m에서 동작하며, 광자 에너지≥ E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과시킨다. 태양광(30)은 고에너지 갭 셀(25)의 표면에 충돌한다. 고에너지 갭 셀(25)은 광자 에너지≥E_g ^h인 광은 흡수하고 광자 에너지<E_g ^h인 광(31)은 투과시킨다. 이 광(31)은 이 광(31)의 방향에 수직하지 않도록 배치된 이색성 거울(24)에 충돌한다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광(32)은 이색성 거울에 의해 반사되어 MEGC 스택(22)의 제1 셀(26)의 표면에 충돌한다. 셀들(26, 27) 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다. 광자 에너지<E_g ^m인 광(33)은 이색성 거울에 의해 투과되어 LEGC 스택(23)의 제1 셀(28)의 표면에 충돌한다. 셀들(28, 29) 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다.

도 6은 3개의 스택이 하나의 실장 기판에 실장된 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택-LEGC 스택" 구조를 가진 태양 전지의 다른 실시예를 도시한 것이다. 태양 전지(20E)는 HEGC 스택(21), MEGC 스택(22), LEGC 스택(23), "저온" 이색성 거울(24), 반사 거울(40) 및 하나의 실장 기판(41)으로 이루어진다. 도시된 HEGC 스택(21)은 에너지 갭 E_g ^h를 가진 하나의 셀(25)을 포함한다. 도시된 MEGC 스택(22) 은 서로 다른 에너지 갭 E_g ²⁶ 및 E_g ²⁷을 가진 2개의 셀(26, 27)을 포함하며, 여기서 E_g ²⁶및 E_g ²⁷은 모두 ≥E_g ^m이고 <E_g ^h이며, E_g ²⁶ > E_g ²⁷ 이다. 도시된 LEGC 스택(23)은 서로 다른 에너지 갭 E_g ²⁸ 및 E_g ²⁹를 가진 2개의 셀(28, 29)을 포함하며, 여기서 E_g ²⁸ 및 E_g ²⁹은 모두 <E_g ^m이고, E_g ²⁸ > E_g ²⁹ 이다. 이색성 거울(24)은 E_g ^m에서 동작하며, 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과시킨다. 태양광(30)은 고에너지 갭 셀(25)의 표면에 충돌한다. 고에너지 갭 셀(25)은 광자 에너지≥E_g ^h인 광은 흡수하고 광자 에너지<E_g ^h인 광(31)은 투과시킨다. 이 광(31)은 이 광(31)의 방향에 수직하지 않도록 배치된 이색성 거울(24)에 충돌한다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광(32)은 이색성 거울에 의해 반사되어 MEGC 스택(22)의 제1 셀(26)의 표면에 충돌한다. 셀들(26, 27) 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다. 광자 에너지<E_g ^m인 광(33)은 이색성 거울에 의해 투과되고 반사 거울(40)에 의해 반사된다. 반사된 광(33)은 LEGC 스택(23)의 제1 셀(28)의 표면에 충돌한다. 셀들(28, 29) 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지 를 가진 광은 흡수하고 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다. HEGC, MEGC 및 LEGC 스택은 모두 실장 기판(41)에 의해 지지된다. 광(31)의 전송을 허용하기 위해 실장 기판(41) 내에 개구부(42)가 구비된다. 대안으로서 투명 재료가 이 개구부를 채우거나, 광(31)에 투명한 실장 기판이 사용될 수 있다.

E_g ^m에서 동작하고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 반사하고 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 투과시키는 이색성 거울이 이용되는 경우에는, 도 2 내지 도 6에 나타낸 광자 에너지<E_g ^m인 광(33)은 이색성 거울에 의해 반사되고, 광자 에너지≥E_g ^m인 광(32)은 이색성 거울에 의해 투과된다. 그 결과, MEGC(22)는 도 2 내지 도 6에서 LEGC 스택(23)이 보이는 곳에 배치되고, LEGC 스택(23)은 도 2 내지 도 6에서 MEGC 스택(22)이 보이는 곳에 배치된다. 이것은 도 6과 도 7을 비교해보면 명확하게 알 수 있다.

도 7은 3개의 스택이 하나의 실장 기판에 실장된 "HEGC 스택-이색성 거울-MEGC 스택-LEGC 스택" 구조를 가진 태양 전지의 다른 실시예를 도시한 것이다. 태양 전지(20F)는 HEGC 스택(21), MEGC 스택(22), LEGC 스택(23), "고온" 이색성 거울(24), 반사 거울(40) 및 하나의 실장 기판(41)으로 이루어진다. 도시된 HEGC 스택(21)은 에너지 갭 E_g ^h를 가진 하나의 셀(25)을 포함한다. 도시된 MEGC 스택(22) 은 서로 다른 에너지 갭 E_g ²⁶ 및 E_g ²⁷을 가진 2개의 셀(26, 27)을 포함하며, 여기서 E_g ²⁶및 E_g ²⁷은 모두 ≥E_g ^m이고 <E_g ^h이며, E_g ²⁶ > E_g ²⁷ 이다. 도시된 LEGC 스택(23)은 서로 다른 에너지 갭 E_g ²⁸ 및 E_g ²⁹를 가진 2개의 셀(28, 29)을 포함하며, 여기서 E_g ²⁸ 및 E_g ²⁹은 모두 <E_g ^m이고, E_g ²⁸ > E_g ²⁹ 이다. 이색성 거울(24)은 E_g ^m에서 동작하며, 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 투과시키고 광자 에너지<E_g ^m인 광은 반사한다. 태양광(30)은 고에너지 갭 셀(25)의 표면에 충돌한다. 고에너지 갭 셀(25)은 광자 에너지≥E_g ^h인 광은 흡수하고 광자 에너지<E_g ^h인 광(31)은 투과시킨다. 이 광(31)은 이 광(31)의 방향에 수직하지 않도록 배치된 이색성 거울(24)에 충돌한다. 광자 에너지<E_g ^m인 광(33)은 이색성 거울에 의해 반사되어 LEGC 스택(23)의 제1 셀(28)의 표면에 충돌한다. 셀들(28, 29) 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다. 광자 에너지≥E_g ^m인 광(32)은 이색성 거울에 의해 투과되고 반사 거울(40)에 의해 반사된다. 반사된 광(32)은 MEGC 스택(22)의 제1 셀(26)의 표면에 충돌한다. 셀들(26, 27) 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너 지를 가진 광은 흡수하고 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시킨다. HEGC, MEGC 및 LEGC 스택은 모두 실장 기판(41)에 의해 지지된다. 광(31)의 전송을 허용하기 위해 실장 기판(41) 내에 개구부(42)가 구비된다. 대안으로서 투명 재료가 이 개구부를 채우거나, 광(31)에 투명한 실장 기판이 사용될 수 있다.

에너지 갭≥2.0 eV인 HEGC 스택의 셀들에 적합한 재료는 III-V족 GaInP/AlGaInP 및 AlInGaN 재료계 중에서 선택될 수 있다. 에너지 갭이 2.4 eV인 InGaN 셀은 바람직한 셀이다. 제작을 위해서는 예컨대 「O. Jani et al., Conference Record, 2006 IEEE 4^th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, May 10, 2006, Waikoloa, Hawaii」를 참조한다. HEGC 스택이 단 하나의 셀을 포함하는 경우에는 사파이어 기판 상의 InGaN이 바람직하다. InGaN-사파이어 조합은 그 굴절율이 InGaN의 경우 약 2.1 내지 2.3이고, 사파이어의 경우 약 1.8로서 그 굴절율이 낮다. 이것은 셀 표면으로부터의 태양광의 반사를 최소화하는데 이용되는 광 반사방지 코팅에 대한 요건을 완화시킨다. 사파이어 기판은 렌즈로서 기능하도록 성형될 수 있다.

에너지 갭<2.0 eV이고 ≥E_g ^m인 (여기서, E_g ^m는 약 1.4 eV임) MEGC 스택의 셀들에 적합한 재료는 III-V족 GaInP/GaAsP/GaInAs 재료계 중에서 선택될 수 있다. 에너지 갭이 1.84 eV인 GaInP 셀과 에너지 갭이 1.43 eV인 GaAs 셀은 MEGC 스택의 2가지 바람직한 셀이다. GaInP/GaAs 탠덤형 셀로 이루어진 2-셀 MEGC 스택은 「 K. A. Bertness et al., Appl. Phys. Lett. 65, 989 (1994)」에 기재된 바와 같이 트리메틸 갈륨, 트리메틸 인듐, 포스핀, 아르신, 기타 다른 전구체를 이용하여 제작될 수 있다.

GaAs는 MEGC 스택에서 최저 에너지 갭을 가진 셀에 대해서 바람직한 셀이다. 또한 이것은 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분이 스펙트럼으로 더 분할되는 경우에 최저 에너지 갭을 가진 셀로서 이용되는 바람직한 셀이다. 그러므로 E_g ^m는 약 1.43 eV인 것이 바람직하다.

LEGC 스택에서 사용하는데 적합한 에너지 갭<E_g ^m인 (여기서 E_g ^m는 약 1.4 eV임) 셀은 에너지 갭이 1.12 eV인 실리콘 셀과 에너지 갭<1eV인 InGaAs 및 InGaAsP 셀이다. 실리콘 셀과 그 제작은 공지되어 있다. InGaAs 셀은 열광발전 응용 분야를 위해 설계된 최첨단 디바이스이다. 제작을 위해서는 예컨대 「R. J. Wehrer et al., Conference Record, IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002, p 884-887」를 참조한다.

일 실시예에서 하나 또는 그 이상의 스택 내의 셀들은 전기적으로 직렬 연결되어 스택을 위한 단일 출력을 제공할 수 있다. 더 바람직한 실시예에서 HEGC, MEGC 및 LEGC 스택 내의 모든 개별적인 셀들은 개별적인 전기 접속부과 접촉한다. 이에 따라 태양 전지는 상당히 간단화되며, 각 셀에 걸리는 전압이 그 셀을 최적으로 동작하게 하는 값으로 조정되게 할 수 있다. 셀들은 단일의 전기적 출력을 원 하는 전압으로 태양 전지에 제공하는 전력 결합기에 연결될 수 있다.

HEGC, MEGC 및 LEGC 스택은 특정 실시예의 구성에 따라 하나 또는 그 이상의 실장 기판에 실장될 수 있다. 실장 기판은 광을 흡수하여 전기로 변환하는 스캐빈저 셀(이것이 없으면 광을 흡수할 수 없음)로 기능하는 실리콘 셀 형태로 되어 있을 수 있다.

셀 표면으로부터 반사된 광은 태양 전지의 효율을 감소시킬 수가 있다. 이러한 손실을 최소화하기 위하여 광이 충돌하는 임의의 셀의 표면에 반사방지 코팅이 도포될 수 있다.

일 실시예에서 HEGC 스택에 의해 투과된 광과 이색성 거울에 의해 반사 및 투과된 광은 이색성 거울과 각자의 셀 또는 스택에 충돌하기 전에 공중으로 전파한다. 다른 실시예에서 이들 여러 가지 광이 전파하는 하나 또는 그 이상의 투명 고체가 구비될 수 있다.

바람직한 실시예에서 고효율 태양 전지는 광학 소자를 더 포함한다. 표면을 치는 태양광 방사의 강도 또는 농도는 1X, 즉 통상적인 농도이다. 더 높은 농도의 태양광을 이용하는 것보다 1X 태양광을 가지고 태양 전지 효율을 높이는 것이 더 어렵고 비용도 더 많이 든다. 이 광학 소자의 목적은 이 소자에 충돌하는 광을 모아 집광하고 이 광을 HEGC 스택 내의 제1 셀의 표면으로 보내는 것이다. 이 광학 소자는 고정형 집광기(static concentrator)인 내부 전반사 집광기를 포함한다. 이 고정형 집광기는 태양 전지에 의해 이용될 수 있는 태양광의 전력 밀도를 증가시킨다. 이것은 하늘의 넓은 지역으로부터 광을 수용하는 광역 수용각 집광 기(wide acceptance-angle concentrator)이다. 추적형 집광기(tracking concentrator)와는 달리 고정형 집광기는 확산광의 대부분(그 중에서 많은 부분이 스펙트럼의 청색에서 자외선에 이르는 부분임)을 포획할 수 있다. 이 확산광은 태양광 스펙트럼에서 입사 전력의 약 10%를 구성한다. 실제로는 연중 태양광 방사의 전력 밀도가 낮은 하늘의 지역으로부터의 광은 받아들이지 않음으로써 농도 레벨을 높인다. 이런 식으로 태양광의 농도는 10X의 인수만큼 증가된다. 집광기의 위치가 연중 특정 시기에서 조정될 수 있으면 더 높은 농도가 얻어진다. 광은 집광기의 일 표면을 통해 투과되며, 이 표면은 HEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 인접해 있다. "태양광"은 여기서는 농도에 상관없이 HEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하는 완전한 태양광 스펙트럼을 지칭하는 데 이용된다. 바람직하게는 이 농도는 10X 또는 그 이상이다.

Claims

고효율 태양 전지로서,

에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 고에너지 갭 셀(high energy gap cell; HEGC) 스택을 포함하고,

상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 태양광이 상기 태양광의 스펙트럼 성분들로의 임의의 분할이 있기 전에 상기 HEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하고, 상기 HEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^h보다 크거나 같고, 상기 HEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시켜, 상기 HEGC 스택에 의해 투과되는 광을 제공하고, E_g ^h≥2.0 eV인 고효율 태양 전지.
제1항에 있어서,

상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광이 충돌하는 하나 또는 그 이상의 스펙트럼 빔 분할기를 더 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 스펙트럼 빔 분할기는 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광을 2 또는 그 이상의 스펙트럼 성분으로 분할하는 고효 율 태양 전지.
고효율 태양 전지로서,

(a) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택으로서, 상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 태양광이 상기 태양광의 스펙트럼 성분들로의 임의의 분할이 있기 전에 상기 HEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하고, 상기 HEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^h보다 크거나 같고, 상기 HEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시켜, 상기 HEGC 스택에 의해 투과되는 광을 제공하는 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택; 및

(b) E_g ^m에서 동작하는 이색성 거울로서, 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광이 상기 이색성 거울에 충돌하도록 배치되며, E_g ^m<E_g ^h이고, 상기 이색성 거울은 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광을 2개의 스펙트럼 성분, 즉 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분과 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분으로 분할하고, 상기 성분들 중 하나는 상기 이 색성 거울에 의해 반사되고, 다른 하나는 상기 이색성 거울에 의해 투과되는 이색성 거울

을 포함하는 고효율 태양 전지.
제3항에 있어서,

상기 이색성 거울은 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고, 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과시키는 고효율 태양 전지.
제3항에 있어서,

E_g ^h≥2.0 eV이고, E_g ^m은 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분이 향하는 모든 셀 중 최저 에너지 갭을 가진 셀의 에너지 갭과 거의 같은 고효율 태양 전지.
제5항에 있어서,

상기 최저 에너지 갭을 가진 셀은 GaAs 셀이고, E_g ^m은 약 1.43 eV인 고효율 태양 전지.
제3항에 있어서,

(c) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 중간 에너지 갭 셀(mid energy gap cell; MEGC) 스택을 더 포함하고,

상기 MEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 상기 MEGC 스택은 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분이 상기 MEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치되고, 상기 MEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m보다는 크거나 같고 E_g ^h보다는 작고, 상기 MEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 고효율 태양 전지.
제1항에 있어서,

(c) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 저에너지 갭 셀(low energy gap cell; LEGC) 스택을 더 포함하고,

상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 상기 LEGC 스택은 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분이 LEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치되고, 상기 LEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m보다 작고, 상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 고효율 태양 전지.
고효율 태양 전지로서,

(a) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택으로서, 상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 태양광이 상기 태양광의 스펙트럼 성분들로의 임의의 분할이 있기 전에 상기 HEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하고, 상기 HEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^h보다 크거나 같고, 상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시켜, 상기 HEGC 스택에 의해 투과되는 광을 제공하는 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택;

(b) E_g ^m에서 동작하는 이색성 거울로서, 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광이 상기 이색성 거울에 충돌하도록 배치되며, E_g ^m<E_g ^h이고, 상기 이색성 거울은 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광을 2개의 스펙트럼 성분, 즉 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분과 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분으로 분할하고, 상기 성분들 중 하나는 상기 이색성 거울에 의해 반사되고, 다른 하나는 상기 이색성 거울에 의해 투과되는 이색성 거울;

(c) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 중간 에너지 갭 셀(MEGC) 스택으로서, 상기 MEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분은 상기 MEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치되고, 상기 MEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m보다는 크거나 같고 E_g ^h보다는 작고, 상기 MEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 중간 에너지 갭 셀(MEGC) 스택; 및

(d) 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하는 저에너지 갭 셀(LEGC) 스택으로서, 상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분은 상기 LEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치되고, 상기 LEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m보다 작고, 상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 저에너지 갭 셀(LEGC) 스택

을 포함하는 고효율 태양 전지.
제9항에 있어서,

상기 이색성 거울은 광자 에너지≥E_g ^m인 광은 반사하고, 광자 에너지<E_g ^m인 광은 투과시키고, 상기 MEGC 스택은 광자 에너지≥E_g ^m인 상기 반사된 광이 상기 MEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치되고, 상기 LEGC 스택은 광자 에너지<E_g ^m인 상기 투과된 광이 상기 LEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치된 고효율 태양 전지.
제9항에 있어서,

E_g ^h≥2.0 eV이고, E_g ^m은 상기 MEGC 스택 내의 최저 에너지 갭을 가진 셀의 에 너지 갭과 거의 같은 고효율 태양 전지.
제11항에 있어서,

상기 최저 에너지 갭을 가진 셀은 GaAs 셀이고, E_g ^m은 약 1.43 eV인 고효율 태양 전지.
제9항에 있어서,

상기 HEGC 스택은 하나의 셀을 포함하고, 상기 MEGC 스택은 적어도 2개의 셀을 포함하고, 상기 LEGC 스택은 적어도 2개의 셀을 포함하는 고효율 태양 전지.
제10항에 있어서,

E_g ^h≥2.0 eV이고, E_g ^m은 상기 MEGC 스택 내의 최저 에너지 갭을 가진 셀의 에너지 갭과 거의 같은 고효율 태양 전지.
제14항에 있어서,

상기 최저 에너지 갭을 가진 셀은 GaAs 셀이고, E_g ^m은 약 1.43 eV인 고효율 태양 전지.
제10항에 있어서,

상기 HEGC 스택은 하나의 셀을 포함하고, 상기 MEGC 스택은 적어도 2개의 셀을 포함하고, 상기 LEGC 스택은 적어도 2개의 셀을 포함하는 고효율 태양 전지.
제9항에 있어서,

상기 HEGC, MEGC 및 LEGC 스택 내의 모든 개별 셀들은 개별적인 전기 접속부들과 접촉하는 고효율 태양 전지.
제9항에 있어서,

상기 이색성 거울에 의해 투과된 광이 반사 거울에 의해 반사되어 적당한 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하게 지향시키도록 배치된 반사 거울을 더 포함하는 고효율 태양 전지.
제9항에 있어서,

상기 태양광을 모아 집광하고, 상기 집광된 태양광을 상기 HEGC 스택 내의 상기 제1 셀의 표면에 충돌하도록 지향시키는 광학 소자를 더 포함하는 고효율 태양 전지.
태양광을 전력으로 변환하는 방법으로서,

(a) 고에너지 갭 셀(HEGC) 스택을 태양광이 상기 태양광의 스펙트럼 성분들 로의 임의의 분할이 있기 전에 상기 HEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치하는 단계로서, 상기 HEGC 스택은 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하며, 상기 HEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 상기 HEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^h보다 크거나 같고, 상기 HEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시켜, 상기 HEGC 스택에 의해 투과되는 광을 제공하는 단계;

(b) 상기 HEGC 스택에 의해 투과된 광을 광의 2개의 스펙트럼 성분, 즉 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분과 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분으로 공간적으로 분할하는 단계;

(c) 중간 에너지 갭 셀(MEGC) 스택을 광자 에너지≥E_g ^m인 광의 성분이 상기 MEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치하는 단계로서, 상기 MEGC 스택은 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하며, 상기 MEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 상기 MEGC 스택 내의 각 셀의 에너지 갭은 E_g ^m 보다는 크거나 같고 E_g ^h보다는 작고, MEGC 스택 내의 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 단계; 및

(d) 저에너지 갭 셀(LEGC) 스택을 광자 에너지<E_g ^m인 광의 성분이 상기 LEGC 스택 내의 제1 셀의 표면에 충돌하도록 배치하는 단계로서, 상기 LEGC 스택은 에너지 갭이 작아지는 순서로 수직으로 배치된 서로 다른 에너지 갭을 가진 하나 또는 그 이상의 셀을 포함하며, 상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 중 제1 셀이 최대 에너지 갭을 갖고, 상기 LEGC 스택 내의 상기 하나 또는 그 이상의 셀 각각은 그 에너지 갭보다 크거나 같은 광자 에너지를 가진 광은 흡수하고, 그 에너지 갭보다 작은 광자 에너지를 가진 광에 대해서는 투명하여 그 광을 투과시키는 단계

를 포함하는 태양광 전력 변환 방법.
제20항에 있어서,

E_g ^h≥2.0 eV이고, E_g ^m은 상기 MEGC 스택 내의 최저 에너지 갭을 가진 셀의 에너지 갭과 거의 같은 태양광 전력 변환 방법.
제21항에 있어서,

상기 최저 에너지 갭을 가진 셀은 GaAs 셀이고, E_g ^m은 약 1.43 eV인 태양광 전력 변환 방법.