多重接合太陽電池（Multi-junction solar cell MJ）は、異なる半導体材料で作られた複数のp-n接合を有する太陽電池である。 各材料のp-n接合は、異なる波長の光に応答して電流を生成する。 複数の半導体材料を使用することにより、より広い波長範囲の吸光度が可能になり、細胞の太陽光を電気エネルギー変換効率に改善する。
従来のシングルジャンクションセルは最大理論効率が33.16％です。 理論的には、無限の接合部は、高濃度の太陽光の下で86.8％の限界効率を有するであろう。
現在、従来の結晶シリコン太陽電池の最良の実験室の例は、20％〜25％の効率を有し、マルチジャンクションセルの実験例は、集中太陽光の下で46％を超える性能を示している。 タンデムセルの商業的な例は、1日の照明の下で30％で広く入手可能であり、集中した日光の下で約40％まで改善する。 しかし、この効率は、複雑さと製造コストの増加を犠牲にして得られる。 これまでのところ、より高い価格とより高い価格対性能比により、特に電力対重量比が高い航空宇宙分野での使用が特殊な役割に限定されていました。 地上のアプリケーションでは、これらの太陽電池はコンセントレータの太陽光発電（CPV）に出現しており、世界各地に設置されています。
タンデム製作技術は、既存の設計の性能を改善するために使用されてきた。 特に、この技術は、従来の結晶シリコンとは対照的に、アモルファスシリコンを用いた低コストの薄膜太陽電池に適用して、軽量でフレキシブルな約10％の効率を有するセルを製造することができる。 このアプローチは、いくつかの商用ベンダーによって使用されてきましたが、これらの製品は現在屋根材のような特定のニッチな役割に限定されています。
説明
太陽電池の基礎
従来の光起電力セルは、一般に、頂部および底部に堆積された金属接点を有するドープされたシリコンから構成される。 ドーピングは、通常、セル上部の薄い層に適用され、特定のバンドギャップエネルギー、例えば、pn接合を有するpn接合を生成する。
太陽電池の頂部に当たる光子は、反射されるか、またはセルに透過される。 送信された光子は、hν≥Eg であれば 、電子 – ホール対を生成して、 そのエネルギー hν を電子 に与える可能性がある。 空乏領域では、ドリフト電界Edriftは、電子と正孔の両方をそれぞれのnドープ領域とpドープ領域（それぞれ上方と下方）に向かって加速する。 結果として生じる電流Igは、生成された光電流と呼ばれる。 準中性領域では、散乱電界Escattはpドープ（nドープ）領域に向かって正孔（電子）を加速し、散乱光電流Ipscatt（Inscatt）を与える。 その結果、電荷の蓄積により電位Vと光電流Iphが現れる。 この光電流の式は、発生光線および散乱光電流を加えることによって得られる：Iph = Ig + Inscatt + Ipscatt。
照明下の太陽電池のJV特性（Jは電流密度、すなわち単位面積当たりの電流）は、暗闇の中のダイオードのJ-V特性をIphだけ下にシフトすることによって得られる。 太陽電池は電力を供給し、それを吸収しないように設計されているので、電力P = V・Iphは負でなければならない。 したがって、動作点（Vm、Jm）は、V> 0およびIph <0の領域に位置し、電力| P |の絶対値を最大にするように選択される。 損失メカニズム 太陽電池の理論的性能は、最初に1960年代に深く研究され、今日はショックリー・ケーザーの限界として知られています。 この限界は、太陽電池設計に固有のいくつかの損失メカニズムを記述している。 第1は、黒体放射による損失であり、これは、絶対ゼロより上の物質対象に影響を及ぼす損失メカニズムである。 標準的な温度および圧力の太陽電池の場合、この損失は電力の約7％を占める。 第2の効果は、「再結合」として知られている効果であり、光電効果によって生成された電子は、以前の励起によって残された電子正孔と合致する。 シリコンでは、これは電力の10％を占めます。 しかし、支配的な損失メカニズムは、太陽電池が光の中のすべてのパワーを抽出できないこと、および特定の光子から全くパワーを取り出すことができないという関連する問題です。 これは、光子が材料のバンドギャップを克服するのに十分なエネルギーを有しなければならないという事実による。 光子がバンドギャップより少ないエネルギーを有する場合、それは全く集められない。 これは、赤外線スペクトルのほとんどに敏感ではない従来の太陽電池の主な考慮事項ですが、それは太陽から来る電力のほぼ半分に相当します。 逆に、バンドギャップより多くのエネルギーを有する光子、例えば青色光は、最初にバンドギャップよりも高い状態に電子を放出するが、この余分なエネルギーは「緩和」として知られる過程で衝突によって失われる。 この失われたエネルギーは細胞内で熱に変わり、黒体の損失をさらに増加させる副作用があります。 これらの要因のすべてを組み合わせると、従来のシリコンセルのような単一バンドギャップ材料の最大効率は約34％である。 つまり、細胞に当たる太陽光のエネルギーの66％が失われます。 実用上の懸念は、これをさらに低減させ、特に表面または金属端子からの反射を、現代の高品質のセルで約22％に低減する。 より狭いバンドギャップ材料とも呼ばれる下限は、より長い波長、より低いエネルギーの光子を変換する。 より高いまたはより広いバンドギャップ材料は、より短い波長、より高いエネルギーの光を変換する。 AM1.5スペクトルの分析は、約1.1eV（近赤外では約1100nm）で最良のバランスに達し、シリコンおよび他の有用な半導体の自然なバンドギャップに非常に近いことがわかります。 多接合セル 複数の材料層から作製されたセルは、複数のバンドギャップを有することができ、したがって、上述のように緩和に失われるエネルギーの一部を捕捉して変換する、複数の光波長に応答する。 例えば、一方が赤色光に、もう一方が緑色に調整された2つのバンドギャップを有するセルを有する場合、緑色、シアンおよび青色光の余分なエネルギーは、緑色感光性材料のバンドギャップにのみ失われ、赤色、黄色およびオレンジ色のエネルギーは、赤色感光性材料のバンドギャップにのみ失われる。 シングルバンドギャップデバイスで行われたものと同様の分析に続いて、2ギャップデバイスの完全なバンドギャップが1.1eVおよび1.8eVであることを実証することができる。 都合のよいことに、特定の波長の光は、より大きなバンドギャップの材料と強く相互作用しない。これは、異なる材料を重ね合わせることによってマルチジャンクションセルを作ることができることを意味します。最上部の最短波長（最大バンドギャップ）とセルのボディを通って増加します。吸収されるべき適切な層に到達するために光子がセルを通過しなければならないので、各層で生成される電子を収集するために透明な導体を使用する必要がある。 タンデムセルを製造することは、材料の薄さおよび層の間の電流の抽出が困難であることが主な理由で、容易な作業ではない。 簡単な解決法は、2つの機械的に分離した薄膜太陽電池を使用し、次いでそれらをセルの外側で別々にワイヤーにすることである。 この技術はアモルファスシリコン太陽電池で広く使用されており、Uni-Solar社の製品は3つの層を使用して約9％の効率を達成しています。 よりエキゾチックな薄膜材料を使用した実験室の例は、30％以上の効率を示しています。 より困難な解決法は、セルが機械的および電気的に接続された多数の層からなる「モノリシックに集積された」セルである。 これらのセルは、各層の電気的特性を慎重に一致させる必要があるため、製造するのがずっと困難です。 特に、各層に発生する光電流を一致させる必要があり、そうでなければ電子は層の間で吸収される。 これは、III-V半導体が最もよく満たす特定の材料にその構造を限定する。 材料選択 各サブセルの材料の選択は、格子整合、電流整合、および高性能光電子特性の要件によって決定される。 最適な成長および結果としての結晶品質のためには、各材料の結晶格子定数aを厳密に一致させなければならず、格子整合デバイスが得られる。 この制約は、小さな程度の格子不整合を含む最近開発された変成太陽電池では幾分緩和されている。 しかしながら、より大きな程度のミスマッチまたは他の成長不完全性は、電子特性の劣化を引き起こす結晶欠陥をもたらし得る。 各サブセルは電気的に直列に接続されているので、各接合部には同じ電流が流れる。 材料は、バンドギャップが減少するように順序付けられ、例えば、サブバンドギャップ光（hc /λ
MJ太陽電池および他の光起電装置には大きな違いがあります（上記の表を参照）。 物理的には、MJ太陽電池の主な特性は、より大きな光子エネルギースペクトルを捕捉するために1つ以上のpn接合を有することであるが、薄膜太陽電池の主な特性は、厚い層の代わりに薄膜を使用して、コスト効率の比。 2010年現在、MJソーラーパネルは他よりも高価です。 これらの違いは、異なる用途を示唆しています。MJ太陽電池は、陸上用途のために宇宙およびc-Si太陽電池で好まれています。
ソーラーセルとSiソーラー技術の効率は比較的安定していますが、ソーラーモジュールとマルチジャンクション技術の効率は進歩しています。
MJ太陽電池の測定は、通常、光コンセントレータ（これは他のセルの場合はしばしばそうでない）および標準試験条件（STC）を用いて、実験室で行われる。 STCは、地上用途では、AM1.5スペクトルを基準として規定しています。 この空気質量（AM）は、空の太陽の固定位置48°と833W / m2の固定出力に対応します。 したがって、入射光のスペクトル変動および環境パラメータは、STCでは考慮されない。
その結果、地上環境でのMJ太陽電池の性能は、実験室で達成されたものより劣る。 さらに、MJ太陽電池は、電流がSTCの下で一致するように設計されているが、必ずしも現場条件下では一致しない。 異なる技術の性能を比較するためにQE（λ）を使用することができるが、QE（λ）はサブセルの電流の整合に関する情報を含まない。 重要な比較点は、むしろ同じ入射光で生成される単位面積当たりの出力電力である。
アプリケーション
2010年現在、MJ太陽電池のコストは高すぎて、特殊なアプリケーションの外で使用することはできませんでした。 高いコストは、主に複雑な構造と材料の高価によるものです。 それにもかかわらず、少なくとも400の太陽の照明下で光集光装置を用いると、MJソーラーパネルは実用的になる。
より安価な多接合材料が利用可能になるにつれ、他の用途は、様々な大気条件を有する微小気候のためのバンドギャップ工学を必要とする。
MJ細胞は現在、火星探査ミッションで利用されています。
宇宙の環境は全く異なっています。 大気がないため、太陽スペクトルは異なります（AM0）。 セルは1.87eVを超える光子のより大きい光子束と1.87eVと1.42eVとの間の光子束のため、貧弱な電流整合を有する。 この結果、GaAs接合部に電流が少なくなり、InGaP接合部がMPP電流以下で動作し、GaAs接合部がMPP電流以上で動作するため、全体的な効率が低下します。 電流整合を改善するために、InGaP層を意図的に薄くして、追加の光子を下部GaAs層に浸透させる。
陸上集中型アプリケーションでは、大気による青色光の散乱によって、光子束が1.87eVを超えて減少し、接合電流のバランスがよくなります。 フィルタされなくなった放射粒子は、細胞を損傷する可能性があります。 損傷には、イオン化と原子変位の2種類があります。 それでもなお、MJ細胞は、より高い耐放射線性、より高い効率およびより低い温度係数を提供する。