DE60132722T2 - Lichtempfindliche oder lichtemittierende Vorrichtung - Google Patents

Lichtempfindliche oder lichtemittierende Vorrichtung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtempfangende oder lichtsendende Halbleitervorrichtung, und spezieller eine Vorrichtung, bei der das Äußere einer sphärischen Halbleitervorrichtung mit einer lichtempfangenden oder lichtsendenden Funktion mit einem lichtsendenden äußeren Schalenelement bedeckt ist, um die Lichtsammelperformance oder die Lichtstrahlungsperformance zu verbessern. Dies kann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden, wie Solarzellen, Beleuchtungsvorrichtungen und Anzeigevorrichtungen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In dem Stand der Technik offenbart die EP 0 866 506 A1 zwei Typen von Halbleitervorrichtungen: Eine Halbleitervorrichtung, die hauptsächlich aus einem oder aus mehreren sphärischen Halbleiterelementen gebildet ist, die jeweils aufgebaut werden durch Bilden eines photovoltaischen Energieerzeugungsabschnitts und durch ein Paar von Elektroden auf einem sphärischen Halbleiterkristall; und eine Halbleitervorrichtung, die hauptsächlich aus einem oder aus mehreren sphärischen Halbleiterelementen gebildet ist, die jeweils aufgebaut werden durch Bilden eines p-n Übergangs und durch ein Paar von Elektroden auf einem sphärischen Halbleiterkristall.
  • Gemäß dem Stand der Technik offenbart ebenfalls die EP 0 940 860 A1 eine kleine sphärische Solarzelle – sphärischer Halbleiter, enthaltend: einen sphärischen Kern; einen reflektierenden Film, der auf der Oberfläche des Kerns gebildet ist; eine Halbleiterdünnfilmschicht, die ungefähr sphärisch und auf der Oberfläche des reflektierenden Films gebildet ist; einen n + p Übergang, der auf der Halbleiterdünnfilmschicht gebildet ist; einen Passivierungsfilm; und einen Oberflächenschutzfilm aus Titandioxid. Ein Paar von Elektroden 11a, 11b ist mit beiden Seiten des n + p Übergangs verbunden.
  • Gemäß dem Stand der Technik offenbart ebenfalls die EP 1 102 332 A2 ein Verfahren zum Erzeugen eines photovoltaischen Felds, enthaltend die Schritte zum Bilden einer Mehrzahl von Löchern in einer ersten Elektrodenplatte, Einpassen einer Mehrzahl von photovoltaischen Elementen in die Mehrzahl der Löcher, wobei jedes Element einen P-N Übergang zwischen einem Kernbereich und einem Schalenbereich aufweist, elektrisches Verbinden eines ersten Bereichs des Schalenbereichs jedes photovoltaischen Elements mit der ersten Elektrodenplatte, Entfernen von einem der gegenüberliegenden zweiten Bereiche des Schalenbereichs jedes photovol taischen Elements, die auf beiden Seiten des ersten Bereichs des Schalenbereichs lokalisiert sind, so dass ein dritter Bereich des Kernbereichs jedes photovoltaischen Elements freigelegt wird, und elektrisches Verbinden des dritten Bereichs des Kernbereichs jedes photovoltaischen Elements mit einer zweiten Elektrodenplatte.
  • Üblicherweise konzentriert sich die Forschung auf eine Technologie, bei der ein pn Übergang gebildet wird über eine Diffusionsschicht auf einer Oberfläche eines sphärischen Halbleiterelements mit kleinem Durchmesser, das aus einem p-Typ oder n-Typ Halbleiter gebildet ist, verbinden vieler dieser sphärischen Halbleiterelemente parallel mit einer gemeinsamen Elektrode, und praktisches Verwenden als eine Solarzelle oder als Halbleiterphotokatalysator.
  • Die US 3,998,659 offenbart eine Solarzelle, die derart konfiguriert ist, dass eine p-Typ Diffusionsschicht auf der Oberfläche eines n-Typ sphärischen Halbleiters gebildet ist, die Diffusionsschichten vieler sphärischer Halbleiter mit einer gemeinsamen Membranelektrode verbunden sind (positive Elektrode), und die n-Typ Kerne vieler sphärischer Halbleiter mit einer gemeinsamen Membranelektrode (negative Elektrode) verbunden werden.
  • Die US 4,021,323 offenbart einen Solarenergieumwandler (Halbleitermodul), in dem p-Typ sphärische Halbleiterelemente und n-Typ sphärische Halbleiterelemente in Serie angeordnet sind, diese Halbleiterelemente mit einer gemeinsamen filmähnlichen Elektrode verbunden sind, und die Diffusionsschichten dieser Halbleiterelemente in Kontakt gebracht werden mit einer gemeinsamen Elektrode in dem Elektrolyt, so dass das Elektrolyt einer Elektrolyse unterzogen wird, wenn es mit Sonnenlicht bestrahlt wird.
  • Bei den Modulen für sphärische Zellen, die offenbart sind in US 4,582,588 und 5,469,020 , wird jede sphärische Zelle angebracht, indem sie verbunden wird mit einer gemeinsamen blattähnlichen Elektrode, so dass diese Konfiguration geeignet ist für eine parallele Verbindung einer Mehrzahl von Zellen, aber nicht für eine serielle Verbindung.
  • In der Zwischenzeit, wie diskutiert in US 6,204,545 und 6,294,822 hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung eine körnige lichtempfangende oder lichtsendende Halbleitervorrichtung vorgeschlagen, in der eine Diffusionsschicht, ein pn Übergang und ein Paar von Elektroden auf sphärischen Halbleiterelementen gebildet sind, die von einem p-Typ oder n-Typ Halbleiter sind, und in der US 6,204,545 hat der Erfinder ein Halbleitermodul vorgeschlagen, das für Solarzellen, Photokatalysatorvorrichtungen, die bei der Elektrolyse von Wasser verwendet werden, in einer Vielzahl von Lichtsendevorrichtungen und Farbanzeigen, und dergleichen anwendbar ist. Bei diesem Halbleitermodul, wenn irgendeine der Halbleitervorrichtungen in irgendeiner der seriellen Verbindung durch Fehlfunktion offen wird, hört der Strom auf zu der seriellen Schaltung zu fließen, die dieses Halbleiterelement enthält, die verbleibenden ordnungsgemäß funktionierenden Halbleitervorrichtungen in der Serienverbindung beenden ebenfalls ihre Funktion, und die Ausgabe des Halbleitermoduls wird reduziert.
  • In Anbetracht des Vorangegangenen haben die Erfinder eine serielle/parallele Verbindungsstruktur aufgebracht, bei der eine Mehrzahl von Halbleiterzellen in einer Matrix angeordnet sind, die Halbleiterzellen in jeder Spalte in Serie verbunden sind, und die Halbleiterzellen in jeder Reihe parallel verbunden sind, und haben verschiedene internationale Patentanmeldungen eingereicht.
  • Das Halbleitermodul in der US 6,204,545 verwendet jedoch eine Struktur, bei der die Elektroden der Halbleiterzellen derart verbunden sind, dass eine Vielzahl von Halbleiterzellen in Serie verbunden sind, und diese seriellen Verbindungen sind in einer Mehrzahl von planaren Reihen angeordnet, und das Paar von Elektroden für jede Halbleiterzelle ist extrem klein, so dass wenn die oben genannte serielle/parallele Verbindungsstruktur verwendet wird, die Herstellung kompliziert wird, ein großes Halbleitermodul schwer zu erzeugen ist, und die Herstellungskosten eines Halbleitermoduls zunehmen.
  • Wie oben diskutiert hat die sphärische Halbleitervorrichtung, die durch den Erfinder vorgeschlagen worden ist, einen kleinen Durchmesser von nur wenigen 1 bis 3 mm, so dass wenn sie in einem Solarfeld oder einem Lichtsendefeld beispielsweise angewendet wird, eine große Anzahl dieser sphärischen Halbleitervorrichtungen nur wenige mm beabstandet in einer Matrix angeordnet werden kann. Da so viele sphärische Halbleitervorrichtungen in diesem Fall erforderlich sind, werden die Herstellungskosten größer. Bei einem Solarfeld ist es möglich die Anzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen zu reduzieren, die benötigt werden, durch zusätzliches Bereitstellen der sphärischen Halbleitervorrichtungen in jeder Spalte mit einer zylindrischen Kondensorlinse, so dass der Abstand zwischen Spalten vergrößert wird. Die Position und die Orientierung der Kondensorlinse muss jedoch gemäß der Einfallsrichtung des Sonnenlichts variiert werden, und ferner ist auch ein komplexer und teurer Mechanismus notwendig, um die Orientierung der Kondensorlinse bewegbar abzustützen und zu steuern, so dass diese Situation unpraktisch ist.
  • In der Zwischenzeit, in dem Fall eines Lichtsendefelds, dass verwendet wird zur Beleuchtung oder zur Anzeige tendiert das Licht, das von der sphärischen Halbleitervorrichtung mit kleinem Durchmesser ausgesendet wird, dazu übermäßig hell zu sein, und es ist schwierig ein Lichtsendefeld zu konstruieren, das weiches Licht mit geeigneter Helligkeit aussendet.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer lichtempfangenden Halbleitervorrichtung mit verbesserter Sammelfunktion, die Licht in einer lichtempfangenden sphärischen Halbleitervorrichtung sammelt; eine lichtempfangende Halbleitervorrichtung mit verbesserter Sammelfunktion und die weniger anfällig ist bei einer Fehlfunktion von einer der sphärischen Halbleiterelemente, wenn eine Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen in einer Mehrzahl von Reihen und einer Mehrzahl von Spalten angeordnet ist; eine lichtempfangende Halbleitervorrichtung mit verbesserter Sammelfunktion und bei der eine Mehrzahl von sphärischen Halbleitervorrichtungen, die in einer oder in mehreren Spalten angeordnet sind, parallel in jeder Spalteneinheit verbunden sind; und eine lichtsendende Halbleitervorrichtung mit verbesserter Lichtdiffusionsfunktion, die das Licht, das von der lichtsendenden sphärischen Halbleitervorrichtung gesendet wird, diffus macht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die lichtempfangende oder lichtsendende Halbleitervorrichtung gemäß einem Beispiel, das verwendet wird zum Erklären der Merkmale der vorliegenden Erfindung, enthält mindestens eine sphärische Halbleitervorrichtung mit einer Lichtempfangsfunktion oder einer Lichtsendefunktion, wobei die sphärische Halbleitervorrichtung ein p-Typ oder n-Typ Halbleiterkristall mit einer sphärischen äußeren Form enthält, einen pn Übergang, der im Wesentlichen sphärisch auf dem Oberflächenschichtbereich des Halbleiterkristalls gebildet ist, und ein Paar von Elektroden, die mit beiden Enden des pn Übergangs verbunden und auf jeder Seite lokalisiert sind, wobei das Zentrum der Krümmung des pn Übergangs dazwischen angeordnet ist, und ein äußeres Schalenelement bereitgestellt ist, um ein äußeres der sphärischen Halbleitervorrichtung mit einer lichtdurchlässigen Wandkomponente zu bedecken, deren Dicke 1/4 des Durchmes sers der sphärischen Halbleitervorrichtung ist, und so dass die äußere Oberfläche dieses äußeren Schalenelements eine Kugel oder Teilkugel bildet.
  • Wenn diese Halbleitervorrichtung eine lichtempfangende Halbleitervorrichtung ist, fällt externes Licht auf die äußere Fläche des äußeren Schalenelements, wobei das meiste dieses einfallenden Lichts an der Oberfläche gebrochen wird und in das Innere des äußeren Schalenelements eintritt, möglicherweise die sphärische Halbleitervorrichtung erreicht und photovoltaische Energie erzeugt. Da die äußere Fläche des äußeren Schalenelements sphärisch oder teilweise sphärisch ist, erreicht das einfallende Licht die sphärische Halbleitervorrichtung und erzeugt photovoltaische Energie, selbst wenn die Einfallsrichtung variiert.
  • Das das äußere Schalenelement das äußere der sphärischen Halbleitervorrichtung mit einer lichtdurchlässigen Wandkomponente bedeckt, deren Dicke mindestens 1/4 des Durchmessers der sphärischen Halbleitervorrichtung ist, übt das äußere Schalenelement eine Sammelfunktion aus, wobei der lichtempfangende Oberflächenbereich pro sphärische Halbleitervorrichtung vergrößert wird und mehr Licht jede sphärische Halbleitervorrichtung erreicht.
  • Wenn diese Halbleitervorrichtung eine lichtsendende Halbleitervorrichtung ist, wird das Licht, das von dem im Wesentlichen sphärischen pn Übergang erzeugt wird, im Wesentlichen in alle Richtungen abgestrahlt, und nach außen von der sphärischen oder teilsphärischen äußeren Oberfläche des äußeren Schalenelements abgestrahlt. Da das äußere Schalenelement das äußere der sphärischen Halbleitervorrichtung mit einer lichtdurchlässigen Wandkomponente bedeckt, deren Dicke mindestens 1/4 des Durchmessers der sphärischen Halbleitervorrichtung ist, übt das äußere Schalenelement eine Lichtdiffusionsfunktion aus, wobei die Größe der Lichtsendequelle vergrößert wird, die Helligkeit des Lichts, das von der Sendequelle ausgestrahlt wird, reduziert wird, und ein weicheres Licht nach außen abgestrahlt wird.
  • Die folgenden Konstitutionen können nach Wunsch verwendet werden.
    • (a) Die äußere Oberfläche des äußeren Schalenelements enthält eine sphärische lichtdurchlässige Kapsel, die den äußeren Oberflächenbereich des äußeren Schalenelements bildet, und einen Füller, der aus einem lichtdurchlässigen synthetischen Harz besteht, das in diese Kapsel gepackt wird und aushärtet.
    • (b) Eine Vielzahl von mikroskopischen Lichtstreuflächen ist auf der äußeren Oberfläche des äußeren Strahlenelements gebildet.
    • (c) Ein Paar von Elektrodenelementen wird geschaffen, die jeweils mit dem Paar von Elektroden der sphärischen Halbleitervorrichtung verbunden sind und sich durch das äußere Schalenelement mindestens zu der äußeren Oberfläche des äußeren Schalenelements erstrecken.
    • (d) Eine Mehrzahl von sphärischen Halbleitervorrichtungen, die jeweils eine äußere Oberfläche haben, die mit dem äußeren Schalenelement bedeckt ist, das eine Kugel bildet, ist in einer Matrix einer Mehrzahl von Reihen und einer Mehrzahl von Spalten angeordnet, und es werden ein serieller Verbindungsmechanismus zur seriellen elektrischen Verbindung der Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen in jeder Reihe oder Spalte und ein paralleler Verbindungsmechanismus zum parallelen elektrischen Verbinden der Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen in jeder Spalte oder Reihe geschaffen.
    • (e) Eine Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen ist in einer Matrix einer Mehrzahl von Reihen und einer Mehrzahl von Spalten angeordnet, wobei ein Leitungsverbindungsmechanismus geschaffen wird zur parallelen elektrischen Verbindung der Mehrzahl der sphärischen. Halbleitervorrichtungen in jeder Reihe oder Spalte, und das äußere Schalenelement einer Mehrzahl von im Wesentlichen sphärischen äußeren Schalenkomponenten enthält, die jede der Mehrzahl von sphärischen Halbleitervorrichtungen bedecken, und eine flache Komponente, die mit der Mehrzahl der äußeren Schalenkomponenten integriert gebildet ist.
    • (f) Der Leitungsverbindungsmechanismus enthält eine Mehrzahl von Leiterdrähten, die Teil einer Netzwerkstruktur sind, die gebildet ist durch eine Mehrzahl von Leiterdrähten und einer Mehrzahl von Isolatordrähten, die senkrecht zu diesen Leiterdrähten ausgelegt sind.
    • (g) Eine lichtempfangende oder lichtsendende Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält eine Mehrzahl von sphärischen Halbleitervorrichtungen mit einer Lichtempfangsfunktion und einer Lichtsendefunktion, wobei jede der sphärischen Halbleitervorrichtungen ein p-Typ oder n-Typ Halbleiterkristall mit einer sphärischen äußeren Form enthält, einen pn Übergang, der im Wesentlichen sphärisch auf dem Oberflächenschichtbereich des Halbleiter kristalls gebildet ist, und ein Paar von Elektroden, die mit beiden Enden des pn Übergangs verbunden und auf jeder Seite lokalisiert sind, wobei das Zentrum der Krümmung des pn Übergangs dazwischen angeordnet ist, wobei ein Leitungsverbindungsmechanismus geschaffen wird zum parallelen elektrischen Verbinden der Mehrzahl von sphärischen Halbleitervorrichtungen mit der Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen, die in einer einzelnen Spalte angeordnet sind, und wobei ein äußeres Schalenelement geschaffen wird, das ein äußeres der Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen mit einer lichtdurchlässigen Wandkomponente bedeckt, deren Dicke mindestens 1/4 des Durchmessers der sphärischen Halbleitervorrichtung ist, und die eine zylindrische äußere Oberfläche aufweist.
    • (h) Eine noch andere lichtempfangende und lichtsendende Halbleitervorrichtung enthält eine Mehrzahl von sphärischen Halbleitervorrichtungen mit einer Lichtempfangsfunktion oder mit einer Lichtsendefunktion, wobei jede der sphärischen Halbleitervorrichtungen ein p-Typ oder n-Typ Halbleiterkristall mit einer sphärischen äußeren Form enthält, einen pn Übergang, der im Wesentlichen sphärisch auf dem Oberflächenschichtbereich des Halbleiterkristalls gebildet ist, und ein Paar von Elektroden, die mit beiden Enden des pn Übergangs verbunden und auf jeder Seite lokalisiert sind, wobei das Zentrum der Krümmung des pn Übergangs dazwischen angeordnet ist, eine Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen ist in einer Mehrzahl von Spalten angeordnet, es wird ein Leitungsverbindungsmechanismus geschaffen zum parallelen elektrischen Verbinden einer Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen jeder dieser Spalten in Spalteneinheiten, und es wird ein äußeres Schalenelement geschaffen, das gemeinsam das Äußere der Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen mit einer lichtdurchlässigen Wandkomponente bedeckt, deren Dicke mindestens ungefähr gleich dem Durchmesser der sphärischen Halbleitervorrichtungen ist, und die eine Mehrzahl von Zylindern aufweist mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form, die jede der Mehrzahl von Spalten der sphärischen Halbleitervorrichtungen bedecken.
    • (i) Die sphärischen Halbleitervorrichtungen haben einen photovoltaischen Energiegenerator, der den pn Übergang enthält.
    • (j) Die sphärischen Halbleitervorrichtungen haben einen elektrooptischen Wandler, der den pn Übergang enthält.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen vergrößerten Querschnitt einer sphärischen Halbleitervorrichtung;
  • 2 einen vergrößerten Querschnitt eines Solarballs;
  • 3 eine vergrößerte Seitenansicht des Solarballs gemäß 2;
  • 4 einen detaillierten vergrößerten Querschnitt des äußeren Schalenelements;
  • 5 einen vergrößerten Querschnitt, der den Zustand verdeutlicht, wenn das innere einer Kapsel mit einem flüssigen, transparenten, synthetischen Harz gefüllt worden ist;
  • 6, 7 jeweils vergrößerte Querschnitte eines Solarballs, um das Verhalten von Licht während seines Empfangs zu verdeutlichen;
  • 8 eine detaillierte vergrößerte Draufsicht eines Solarfelds, in dem die Solarbälle gemäß 2 in einer Mehrzahl von Reihen und einer Mehrzahl von Spalten angeordnet sind;
  • 9 einen vergrößerten Querschnitt entlang der Schnittlinie IX-IX in 8;
  • 10 ein Schaltungsdiagramm einer äquivalenten Schaltung des Solarfelds gemäß 8;
  • 11 ein äquivalentes Schaltungsteildiagramm, in dem Teil der äquivalenten Schaltung gemäß 10 geändert worden ist;
  • 12 einen vergrößerten Querschnitt des Solarballs, bezüglich eines Modifikationsbeispiels,
  • 13 einen vergrößerten Querschnitt der Form, die verwendet wird, um den Solarball gemäß 12 zu formen, eine sphärische Solarzelle und ein Paar von Elektrodenelementen;
  • 14 einen vergrößerten Querschnitt des Solarballs bezüglich eines anderen Modifikationsbeispiels;
  • 15 bis 17 Diagramme, die das Solarfeld gemäß einem anderen Beispiel, das nicht beansprucht wird, betreffen, wobei 15 eine detaillierte vergrößerte Draufsicht des Solarfelds ist, 16 ein Querschnitt entlang der Schnittlinie XVI-XVI in 15, und 17 ein Querschnitt entlang der Schnittlinie XVII-XVII in 15 ist;
  • 18 bis 21 Diagramme, die das Solarfeld und Solarstring bezüglich eines Ausführungsbeispiels betreffen, wobei 18 eine Draufsicht des Solarfelds ist, 19 eine Seitenansicht des Gehäuses, 20 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Solarstrings und 21 ein Querschnitt entlang der Schnittlinie XXI-XXI in 20;
  • 22 eine detaillierte vergrößerte Seitenansicht des Solarfelds bezüglich eines Modifikationsbeispiels; und
  • 23 einen vergrößerten Querschnitt eines lichtemittierenden Balls bezüglich eines anderen Beispiels.
  • Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Zuerst erfolgen Beschreibungen einer sphärischen Solarzelle 1, die in ein Solarfeld integriert ist, das als eine lichtempfangende Halbleitervorrichtung dient. Diese Solarzelle 1 entspricht einer sphärischen Halbleitervorrichtung.
  • 1 zeigt einen vergrößerten Querschnitt der sphärischen Solarzelle 1. Diese Solarzelle 1 ist aus einem sphärischen Kristall 2 mit einem Durchmesser von ungefähr 0,6 bis 2,0 mm, besteht aus einem p-Typ Siliziummonokristall mit einem Widerstand von ungefähr 1 Ωm. Eine flache Oberfläche 3 mit einem Durchmesser von ungefähr 0,6 mm ist am Boden dieses sphärischen Kristalls 2 gebildet. Auf dem Oberflächenbereich dieses sphärischen Kristalls 2 ist eine n + Typ Diffusionsschicht 4 (ungefähr 0,4 bis 0,5 μm dick) gebildet, in der Phosphor (P) eindiffundiert ist, und einen pn Übergang 5, der im Wesentlichen eine sphärische Form aufweist. Der 0,6 mm Durchmesser der flachen Oberfläche 3 ist die Größe, wenn das sphärische Kristall 2 einen Durchmesser von 2,0 mm hat.
  • Ein Paar von Elektroden 6,7 (positive Elektrode 6 und negative Elektrode 7) ist an den zwei Enden bereitgestellt, wobei das Zentrum des sphärischen Kristalls 2 (das Zentrum der Krümmung des pn Übergangs 5) dazwischen angeordnet ist. Die positive Elektrode 6 ist auf der flachen Oberfläche 3 angeordnet und mit dem sphärischen Kristall 2 verbunden, während die negative Elektrode 7 mit der n + Typ Diffusionsschicht 4 verbunden ist. Die gesamte Oberfläche, die eine andere ist als die positive Elektrode 6 und die negative Elektrode 7 ist mit einem antireflektivem Film 8 (ungefähr 0,6 bis 0,7 μm dick) bedeckt, der besteht aus einem SiO2 oder TiO2 Isolationsfilm. Die positive Elektrode 6 wird gebildet durch Erwärmen einer Aluminiumpaste als Beispiel, und die negative Elektrode 7 wird beispielsweise gebildet durch Erwärmen einer Silberpaste.
  • Eine Solarzelle 1, wie diese, kann produziert werden, indem zuerst das sphärische Kristall 2 durch das durch den Erfinder in der US 6,204,545 vorgeschlagene Verfahren erzeugt werden, und dann indem die flache Oberfläche 3, die n + Typ Diffusionsschicht 4, das Paar von Elektroden 6, 7 und der antireflektive Film 8 gebildet werden. Wenn das sphärische Kristall 2 erzeugt wird, wird ein Fallrohr mit einer Höhe von ungefähr 14 m verwendet, p-Typ Siliziumkörner (Rohmaterial) erwärmt und innerhalb des oberen Endes des Fallrohrs geschmolzen, und das Material fällt frei und verfestigt sich während auf Grund der Oberflächenspannung es in einer echten sphärischen Form gehalten wird, wodurch sphärische Kristalle 2 in der Form von den im wesentlichen echten Kugeln erzeugt werden. Die sphärischen Kristalle 2 brauchen nicht mit einem Fallrohr gebildet werden, und können stattdessen in sphärische oder im Wesentlichen sphärische Kristalle geformt werden durch Schleifen oder ein anderes derartiges Verfahren.
  • Die flache Oberfläche 3 kann geformt werden durch mechanisches Schleifen eines Teils des sphärischen Kristalls 2. Das Formen dieser flachen Oberfläche 3 macht das sphärische Kristall weniger anfällig für Rollen, erlaubt dass es in ein Vakuumfutter eingespannt wird, und erlaubt ein Unterscheiden der positiven Elektrode 6 von der negativen Elektrode 7. Als nächstes, wenn die n + Typ Diffusionsschicht 4 gebildet wird, werden die flache Oberfläche 3 des sphärischen Kristalls 2 und der Bereich um die äußere Peripherie dieser flachen Oberfläche 3 mit SiO2 maskiert, und Phosphor (P) wird als n-Typ Verunreinigung in die Oberfläche des sphärischen Kristalls 2 eindiffundiert durch ein bekanntes Verfahren oder ein Verfahren, das in der obigen Publikation offenbart ist. Das Paar von Elektroden 6, 7 und der antireflektive Film 8 können auch gebildet werden durch ein bekanntes Verfahren oder das Verfahren, das in der obigen Publikation offenbart ist. Diese Solarzelle 1 hat eine photoelektrische Umwandlungsfunktion und erzeugt eine photovoltaische Energie von 0,5 bis 0,6 V, wenn sie mit Sonnenlicht bestrahlt wird.
  • Als nächstes werden Beschreibungen gegeben von dem Solarball 10 als eine Halbleitervorrichtung, die derart strukturiert ist, dass das Äußere der oben genannten Solarzelle 1 mit einem lichtdurchlässigen äußeren Schalenelement 11 bedeckt ist.
  • 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt des Solarballs 10. Dieser Solarball 10 enthält die Solarzelle 1, die im Zentrum lokalisiert ist, das lichtdurchlässige äußere Schalenelement 11, das das äußere dieser Solarzelle 1 mit einer lichtdurchlässigen Wandkomponente beschichtet, deren Dicke mindestens 1/4 des Durchmessers der Solarzelle 1 ist, und ein Paar von Elektrodenelementen 14, 15. Das äußere Schalenelement 11 dient zur Erhöhung der Lichtmenge, die in die Solarzelle 1 eingebracht wird, und enthält eine Kapsel 12 in der Form einer lichtdurchlässigen sphärischen Schale, und einen lichtdurchlässigen Füller 13, der diese Kapsel 12 füllt.
  • Die Kapsel 12 ist aus einem transparenten, isolierenden synthetischen Harz (beispielsweise Polycarbonat, Acryl, Polyarylat, Metacryl, Silikon oder Polyester) oder einem transparenten Glas, und ist beispielsweise 0,2 bis 1,0 mm dick. Damit das innere der Kapsel 12 die Solarzelle 1 aufnehmen kann ist die Kapsel 12 als sphärische Kapsel gebildet, indem ein Paar von halbkugelförmigen Kapselsegmenten 12a verbunden werden.
  • Damit soviel Licht wie möglich auf diese Kapsel 12 von außen in die Kapsel 12 geführt wird, sind eine Vielzahl von mikroskopischen Unregelmäßigkeiten 12b in der Form von gepunkteten Pyramiden, wie in 4 gezeigt, auf der äußeren Oberfläche der Kapsel 12 als Lichtstreuoberflächen gebildet. Diese mikroskopischen Unregelmäßigkeiten 12b können die in der Zeichnung gezeigten spitzen Pyramiden sein, oder können konvex gekrümmte Oberflächen mit einem kleinen Krümmungsradium enthalten.
  • Der Füller 13 wird bereitgestellt durch Füllen des Inneren der Kapsel 12 mit einem transparenten isolierenden synthetischen Harz (ein derartiger Füller, dessen Hauptkomponente Metacylharz oder Silikonharz ist) in flüssiger Form und dann durch Aushärten des Füllers durch Erwärmen oder durch UV Bestrahlung. Die Dicke der lichtdurchlässigen Wandkomponente des äußeren Schalenelements 11 (die Dicke von der Oberfläche der Kapsel 12 bis zu der Solarzelle 1) ist vorzugsweise mindestens 1/4 des Durchmessers der Solarzelle 1. Wenn die Dicke der lichtdurchlässigen Wandkomponente kleiner als 1/4 des oben genannten Durchmessers ist, wird fast keine Funktion der Erhöhung der Lichtmenge erhalten. Wenn die lichtdurchlässige Wandkomponente des äußeren Schalenelements 11 zu dick ist gibt es jedoch einen größeren Bereich, der nicht dazu beiträgt die Lichtmenge, die zu der Solarzelle 1 geführt wird, zu erhöhen, so dass die Dicke der lichtdurchlässigen Wandkomponente des äußeren Schalenelements 11 vorzugsweise ungefähr 1/4 bis 5 mal die Dicke der Solarzelle 1 ist.
  • Um die Reflexion des Lichts an der Oberfläche der Kapsel 12 zu reduzieren ist der Brechungsindex des Materials, das die Kapsel 12 bildet, so nahe wie möglich bei 1,0, und der Brechungsindex des synthetischen Harzmaterials, das den Füller 13 bildet, ist so groß wie möglich. Die Mehrheit des äußeren Schalenelements 11 kann aus einer Kapsel sein, die eine Mehrzahl von Schichten aufweist, mit einem optischen Brechungsindex, der vom Zentrum aus nach außen gehend abnimmt.
  • Das Paar von Elektrodenelementen 14, 15 ist vorzugsweise aus einem Metall mit einer hervorragenden Leitfähigkeit (beispielsweise Kupfer, Silber oder Nickel). Das Elektrodenelement 14 verläuft durch ein Loch, das in dem äußeren Schalenelement 11 gebildet ist, wobei das distale Ende des Elektrodenelements 14 mit einem Lötmittel oder einem elektrisch leitfähigen Kleber mit der positiven Elektrode 6 der Solarzelle 1 verbunden ist, und das andere Ende des Elektrodenelements 14 um eine bestimmte Länge von der äußeren Oberfläche der Kapsel 12 nach außen weg steht. Das Elektrodenelement 15 verläuft durch ein Loch, das in dem äußeren Schalenelement 11 gebildet ist, wobei das distale Ende des Elektrodenelements 15 mit einem Lötmittel oder einem anderen elektroleitenden Kleber mit der negativen Elektrode 7 der Solarzelle 1 verbunden ist, und das andere Ende des Elektrodenelements 15 um eine bestimmte Länge von der äußeren Oberfläche der Kapsel 12 nach außen weg steht.
  • Wenn der Solarball 10 produziert wird, werden die Solarzelle 1, das Paar von halbkugelförmigen Kapselsegmenten 12a, das Paar der Elektrodenelemente 14, 15 und das flüssige Rohmaterial des Füllers 13 vorbereitet, das Paar von Elektrodenelementen 14, 15 wird zuerst an die sphärische Solarzelle 1 angebracht, und diese Solarzelle 1 mit angebrachten Paar von Elektrodenelementen 14, 15 wird in das Paar der halbkugelförmigen Kapselsegmente 12a untergebracht, anschließend werden die Kapselsegmente 12a zusammengebracht, um eine Kugel zu bilden, und die Kontaktoberflächen um den Umfang herum werden mit einem Kleber verbunden, um eine sphärische Kapsel 12 zu erzeugen.
  • Als nächstes, wie in 5 gezeigt, wird das Elektrodenelement 14 gebildet, um von einem der Löcher in der Kapsel 12 nach außen wegzustehen, das Elektrodenelement 15 wird von dem anderen Loch in der Kapsel 12 weg und zu dem inneren gesetzt, und in diesem Zustand wird das Innere der Kapsel 12 mit dem flüssigen Füllerrohmaterial gefüllt, wie durch die Pfeile angegeben. Die Solarzelle 1 wird dann am Zentrum innerhalb der Kapsel 12 positioniert, und es wird dann eine UV Bestrahlung beispielsweise durchgeführt, die das Rohmaterial aushärtet, um den Füller 13 zu erzeugen.
  • Die Aktion dieses Solarballs 10 wird jetzt beschrieben. Wie in 6 gezeigt, wenn beispielsweise Sonnenlicht einfällt, da das das äußere Schalenelement 11 kugelförmig ist, und das auf dessen äußere Oberfläche einfallende Licht zu dem Zentrum durch Brechung geführt wird, wird die Lichtmenge, die zu der sphärischen Solarzelle 1 geführt wird, merklich erhöht durch die Sammelaktion des äußeren Schalenelements 11. Darüber hinaus erzeugt die Reflektion an der Grenze zwischen der Kapsel 12 und dem Füller 13 eine Aktion, wodurch das Licht in das Innere begrenzt wird, so dass die Lichtmenge, die von der sphärischen Solarzelle 11 empfangen wird, erhöht wird.
  • Die Lichtmenge, die von der sphärischen Solarzelle 11 empfangen wird, kann weiter erhöht werden, indem ein antireflektiver Film auf der Oberfläche der unteren Hälfte der Kapsel 12 des Solarballs 10 gemäß 6 gebildet wird. 7 zeigt den Zustand, wenn das Sonnenlicht von Westen schräg einfällt, aber da die äußere Oberfläche des äußeren Schalenelements 11 sphärisch ist sind die Bedingungen, unter denen das Licht empfangen wird, im Wesentlichen die gleichen wie in 6.
  • Als nächstes wird ein Solarfeld 20, in dem viele Solarbälle 10 integriert sind, beschrieben. Wie in 8 und 9 gezeigt enthält dieses Solarfeld 20 ein Basisfeld 21, das aus einem lichtdurchlässigen, isolierenden, synthetischen Harz gebildet ist, eine Mehrzahl von Solarbällen 10, die in einer Mehrzahl von Reihen und einer Mehrzahl von Spalten auf diesem Basisfeld 21 angeordnet sind, einen seriellen Verbindungsmechanismus 22a zur seriellen Verbindung dieser Solarballe 10, einen parallelen Verbindungsmechanismus 22b zur parallelen Verbindung jeder Reihe der Solarbälle 10, eine lichtdurchlässige, synthetische Harzoberflächenbeschichtungsschicht 23, die die obere Fläche des Basisfelds 21, den seriellen Verbindungsmechanismus 22a und den parallelen Verbindungsmechanismus 22b abdeckt, usw. Das Basisfeld 21 ist aus einem transparenten synthetischen Harz (beispielsweise Polycarbonat, Acryl, Polyarylat, Metacryl, Silikon oder Polyester) oder einem transparenten Glas mit einer Größe von 30 cm × 30 cm und einer Dicke von beispielsweise 3,0 bis 5,0 mm. Im Wesentlichen halbkugelförmige Ausnehmungen 24 zum Unterbringen der Solarbälle 10 sind in einer Matrix aus einer Mehrzahl von Reihen und einer Mehrzahl von Spalten bei einem bestimmten Abstand oben auf diesem Basis feld 21 gebildet. Wie in 8 gezeigt sind der serielle Verbindungsmechanismus 22a und der parallele Verbindungsmechanismus 22b gebildet durch eine Mehrzahl von Streifen von leitfähigem Film 25, die parallel zu dem planaren Bereich oben auf dem Basisfeld 21 gebildet sind. Diese leitfähigen Filmstreifen 25 bestehen aus einem transparenten, leitfähigen, synthetischen Harz oder einem Metallfilm (beispielsweise Kupfer oder Nickel).
  • Die Elektrodenelemente 14, 15 der Mehrzahl von Solarbällen 10 sind parallel mit ihrer Polarität ausgerichtet orientiert, und diese Solarbälle 10 sind in der Mehrzahl von Reihen und der Mehrzahl von Spalten der Ausnehmungen 24 montiert. Beispielsweise weist das Elektrodenelement 14 auf der Seite der positiven Elektrode 6 nach oben in 8, das Elektrodenelement 15 auf der Seite der negativen Elektrode 7 weist nach unten gemäß 8, und die Elektrodenelement 14, 15 sind durch Lötmittel oder einen elektrisch leitenden Kleber mit den entsprechenden leitfähigen Filmstreifen 25 verbunden.
  • In anderen Worten, die Mehrzahl der Solarbälle 10 in jeder Reihe ist parallel mit den leitfähigen Filmstreifen 25 auf beiden Seiten verbunden, und die Mehrzahl der Solarbälle 10 in jeder Spalte ist seriell über eine Mehrzahl der leitfähigen Filmstreifen 25 verbunden. Ein positiver Elektrodenanschluss 26 (externe Leitung), der aus einem dünnen Metallblatt besteht, das mit dem leitfähigen Filmstreifen 25 an dem Ende auf der Stromausgangsseite verbunden ist, und ein negativer Elektrodenanschluss 27 (siehe 10), der der gleiche ist, wie der oben diskutierte, ist mit dem leitfähigen Filmstreifen 25 auf dem gegenüberliegenden Ende von dem leitfähigen Filmstreifen 25 auf diesem Ende auf der Stromausgangsseite verbunden.
  • Die Oberflächenbeschichtungsschicht 23, die aus einem lichtdurchlässigen isolierenden synthetischen Harz besteht, ist über der oberen Fläche des Basisfelds 21 ausgebildet, ausgenommen der Teil, wo die Mehrzahl der Solarbälle 10 vorhanden ist. Die obere Hälfte der Mehrzahl der Solarbälle 10 steht jenseits der Oberflächenbeschichtungsschicht 23 weg. Ein metallreflektierender Film 28 ist auf der unteren Oberfläche des Basisfelds 21 gebildet, um zu verhindern, dass Licht zur Unterseite des Solarfelds 20 übertragen wird. Der reflektive Film 28 ist nicht wesentlich, und kann weggelassen werden.
  • Mit diesem Solarfeld 20 wird das Licht, das von der Solarzelle 10 empfangen wird, von dem äußeren Schalenelement 114, das für jeden Solarball 10 bereitgestellt ist, gesammelt, so dass jede Solarzelle 1 Licht über einen größeren Bereich empfängt. Jede Solarzelle 1 erzeugt entsprechend mehr Elektrizität, der Verwendungsfaktor der Solarzelle 1 ist größer und die Solarzellen 1 können mit größerem Abstand angeordnet werden, was weniger Solarzellen 1 bedeutet, die erforderlich sind. Da die obere Oberfläche jedes Solarballs 10 halbkugelförmig in dem Solarfeld 20 ist, kann Licht, das von allen Richtungen im dreidimensionalen Raum kommt, zu den sphärischen Solarzellen 1 geführt werden, so dass keine Reduzierung der Energieerzeugungsperformance erfolgt, wenn die Richtung des Lichteinfalls geändert wird.
  • Wenn man annimmt, dass die Solarbälle 10 in zehn Reihen und fünf Spalten in dem Solarfeld 20 beispielsweise angeordnet sind, dann ist eine äquivalente Schaltung dieses Solarfelds 20 in 10 gezeigt, und der Strom, der als photovoltaische Energie durch die 50 Solarbälle 10 erzeugt wird, fließt von dem positiven Elektrodenanschluss 26 zu einer externen Schaltung.
  • Da die Solarbälle 10 in jeder Reihe parallel verbunden sind, und die Solarbälle 10 in jeder Spalte in Serie verbunden sind, bei diesem Solarfeld 20, selbst wenn eine Reduzierung oder ein Stoppen der Funktion auftritt aufgrund von Schatten oder einer Fehlfunktion von irgendeinem der Solarbälle 10, reduziert sich lediglich die photovoltaische Energie von diesen Solarbällen 10 oder stoppt, und die Ausgabe der gut funktionierenden Solarbälle 10 wird durch die anderen Solarbälle 10, die parallel verbunden sind, abgelenkt, so dass fast kein nachteiliger Effekt entsteht, der von einer Fehlfunktion oder einer Funktionsreduzierung einiger Solarzellen 1 stammt resultiert, so dass das Ergebnis ist, dass das Solarfeld 20 eine hervorragende Zuverlässigkeit und Lebensdauer hat.
  • Wie in 11 gezeigt wird vorzugsweise eine Sperrstromdiode 29 nahe dem negativen Elektrodenanschluss 27 bereitgestellt. Wenn dieses Solarfeld 20 mit einer Batterie verbunden wird, besteht speziell die Gefahr, dass das Solarfeld 20 beschädigt wird, wenn Strom von der Batterie zurückkommt, während das Solarfeld 20 bei Nacht abgeschaltet ist, so dass der Fluss des umgekehrten Stroms verhindert wird durch die Sperrstromdiode 29.
  • Als nächstes wird eine Modifikation des Solarballs 10 beschrieben.
  • Mit dem in 12 gezeigten Solarball 10A wird ein äußeres Schalenelement 11A, das besteht aus einer Art Füller, bereitgestellt anstelle dem oben diskutierten äußeren Schalenelement 11.
  • Wenn dieser Solarball 10A produziert wird, wie in 13 gezeigt, werden das Paar von Elektrodenelementen 14, 15, die mit der Solarzelle 1 verbunden sind, in Formen 16, 17 platziert, ein lichtdurchlässiges, isolierendes, geschmolzenes synthetisches Harz (beispielsweise Polycarbonat oder Acryl) in einen Behälter 18 innerhalb der Formen 16, 17 gegossen, und ausgehärtet, was den Solarball 10A erzeugt. Vorzugsweise werden mikroskopische Lichtstreuunregelmäßigkeiten ähnlich wie die in 4 gezeigten, auf der äußeren Oberfläche des Solarballs 10A gebildet.
  • Als nächstes wird eine andere Modifikation des Solarballs beschrieben.
  • Mit dem in 14 gezeigten Solarball 10B wird ein äußeres Schalenelement 11B in der Form einer Teilkugel derart gebildet, dass ungefähr das untere Drittel der Kugel entfernt ist. Die obere Oberfläche des äußeren Schalenelements 11B ist als eine Teilkugel gebildet, während der Boden des äußeren Schalenelements 11B flach ausgebildet ist. Das äußere Schalenelement 11B ist aus einem lichtdurchlässigen, isolierenden synthetischen Harzmaterial. Die Solarzelle 1 ist am Zentrum der Kugel des äußeren Schalenelements 11B lokalisiert, die negative Elektrode 7 und die positive Elektrode 6 sind nach oben bzw. unten orientiert, die positive Elektrode 6 steht leicht vom Boden weg, und ein Elektrodenelement 15B, das mit der negativen Elektrode 7 verbunden ist, verläuft durch das äußere Schalenelement 11B und steht von dessen äußerer Fläche weg. Ein metallreflektiver Film 19 ist auf dem Boden des äußeren Schalenelements 11B gebildet, das durch die positive Elektrode 6 unterteilt wird.
  • Die Performance dieses Solarballs 10B bezüglich eines Empfangens von Licht, das von oben einfällt, wird verglichen mit der von Solarbällen 10, 10A, und da der reflektive Film 19 gebildet ist, wird weniger Licht nach unten übertragen. Der Materialverbrauch ist geringer, da weniger Material erforderlich ist für das äußere Schalenelement 11B.
  • Anderes Beispiel 1 (siehe 15 bis 17)
  • Als nächstes werden Beschreibungen gegeben über ein Solarfeld 50, in dem viele Solarzellen 1 integriert sind. Dieses Solarfeld 50 entspricht einer Halbleitervorrichtung. Mit dem Solarfeld 50, das in den 15 bis 17 gezeigt ist, werden eine Mehrzahl von sphärischen Solarzellen 1 angeordnet in einer Matrix aus einer Mehrzahl von Reihen und einer Mehrzahl von Spalten, ein Leitungsverbindungsmechanismus ist für ein elektrisches paralleles Verbinden der Mehrzahl von Solarzellen 1 in jeder Reihe oder Spalte bereitgestellt, und ein äußeres Schalenelement 51 ist bereitgestellt, das eine Mehrzahl von im Wesentlichen sphärischen äußeren Schalenkomponenten 52 enthält, die die Mehrzahl der Solarzellen 1 bedecken, und eine flache Komponente 53 ist integriert mit der Mehrzahl der äußeren Schalenkomponenten 52 ausgebildet.
  • Die Solarzellen 1 sind am Zentrum der äußeren Schalenkomponenten 52 lokalisiert, wobei die äußeren Schalenkomponenten 52 die äußere Oberfläche der Solarzellen 1 mit einer lichtdurchlässigen Wandkomponente bedecken, und jede der äußeren Schalenkomponenten 52 integriert mit dessen benachbarter äußerer Schalenkomponente 52 ausgebildet ist. Die Dicke der lichtdurchlässigen Wandkomponente der äußeren Schalenkomponenten 52 ist vorzugsweise mindestens 1/4 des Durchmessers der Solarzelle 1. Die äußeren Schalenkomponenten 52 haben die gleiche Funktion wie das äußere Schalenelement 11 des Solarballs 10.
  • Der Leitungsverbindungsmechanismus enthält eine Mehrzahl von Leitungsdrähten 54, die Teil einer Netzwerkstruktur 56 sind, die besteht aus diesen Leitungsdrähten 54 und einer Mehrzahl von Isolatordrähten 55, die senkrecht zu den Leitungsdrähten 54 angeordnet sind. In dieser Netzwerkstruktur 56 sind die Paare von Leitungsdrähten 54 entlang einer Spalte der Solarzellen 1 mit einem Abstand bereitgestellt, der gleich dem Durchmesser der Solarzellen 1 ist, und die Paare von Isolatordrähten 55 entlang einer Reihe der Solarzellen 1 sind bereitgestellt mit einem Abstand gleich dem Durchmesser der Solarzellen 1.
  • Wenn dieses Solarfeld 50 erzeugt wird, besteht der erste Schritt darin eine Mehrzahl von Solarzellen 1 und die Netzwerkstruktur 56 vorzubereiten, deren äußere Peripherie durch einen rechteckigen Rahmen 57 abgestützt wird, und darin die Mehrzahl der Solarzellen 1 auf dieser Netzwerkstruktur 56, wie in 15 gezeigt, anzuordnen. Die positive Elektrode 6 der Solarzellen 1 werden derart installiert, dass sie nach links weisen, bei Betrachtung in 15, und die negativen Elektroden 7 nach rechts weisen, bei Betrachtung der 15. In diesem Fall, da die Solarzellen 1 in die Quadrate der Netzwerkstruktur 56 eingepasst werden können und fixiert werden können, können viele Solarzellen 1 einfach und effizient auf der Netzwerkstruktur 56 montiert werden.
  • Als nächstes werden die positiven Elektroden 6 der Solarzellen 1 durch ein Lötmittel oder einen elektrisch leitenden Kleber mit den entsprechenden Leitungsdrähten 54 verbunden, und die negativen Elektroden 7 der Solarzellen 1 werden durch Lötmittel oder einen elektrisch leitenden Kleber mit den entsprechenden Leitungsdrähten 54 verbunden. Die Netzwerkstruktur 56, zu der diese vielen Solarzellen 1 montiert worden sind, wird dann in einer bestimmten Form einer Spritzgussvorrichtung platziert, eine Schmelze aus lichtdurchlässigem isolierendem synthetischen Harz (beispielsweise Polycarbonat oder Acryl) wird in den vom Hohlraum dieser Form eingespritzt, und das Solarfeld 50, wie in den 15 bis 17 gezeigt, wird geformt. Nach diesem Formen wird der geformte Artikel aus der Form herausgenommen, und die äußere Peripherie der Netzwerkstruktur 56 wird geschnitten, wie durch die gestrichelten Linien 58 angegeben, und von dem Rahmen 57 getrennt, wodurch der in 15 gezeigte Zustand erhalten wird.
  • Bei diesem Solarfeld 50 wird die Mehrzahl der Solarzellen 1 in jeder Spalte parallel verbunden durch den Leitungsverbindungsmechanismus, der besteht aus einem Paar von Leitungsdrähten 54, und die Ausgangsspannung der Solarzellen 1 in jeder Spalte beträgt 0,5 bis 0,6 V. Um die Ausgangsspannung des Solarfelds 50 anzuheben kann eine Mehrzahl von Spalten der Solarzellen 1 über die Leitungsdrähte 54, die zu der äußeren Peripherie weg stehen, seriell verbunden werden, in welchem Fall die äquivalente Schaltung dieses Solarfelds 50 gleich der in 10 gezeigte Schaltungen ist. Eine oder mehrere Dioden zur Verhinderung eines Rückstroms können bereitgestellt werden, wie in 11 gezeigt.
  • Grundsätzlich wird mit diesem Solarfeld 50 die gleiche Wirkung erhalten, wie mit dem oben beschriebenen Solarfeld 20. Da die Struktur vertikal symmetrisch ist, so dass Licht von oben und von unten gleich empfangen werden kann, ermöglicht diese Konfiguration auch die Konstruktion eines Solarfelds, das für Fensterglas angewendet wird, oder ein Solarfeld, das anstelle eines Fensterglases verwendet wird. Wenn jedoch ein Lichteinfall von der oberen Seite durch das Solarfeld 50 erfolgt, kann ein reflektierender Film gebildet werden durch Plattieren oder ein anderes derartiges Verfahren auf der Bodenseite des Solarfelds 50.
  • Darüber hinaus, mit diesem Solarfeld 50, anstelle eines Vorbereitens vieler Solarbälle 10 und dann eines Zusammenbauens dieser in ein Feld wird ein Feld aufgebaut aus einer Mehrzahl von Solarzellen 1 unter Verwendung der Netzwerkstruktur 56, mit einem anschließenden Er zeugen des Solarfelds 50 durch Spritzgussformen, so dass die Produktion weniger Schritte umfasst und die Produktionskosten reduziert werden. Es ist auch möglich, dass das äußere Schalenelement 51 aus transparentem Glas besteht.
  • Als nächstes werden Beschreibungen gegeben für ein Ausführungsbeispiel eines Solarfelds 60 gemäß der Erfindung (siehe 18 bis 21), bei dem die Solarzellen 1 in einen Solarstring 61 integriert sind, und diese in Feldform zusammengebaut werden. Dieser Solarstring 61 entspricht einer Halbleitervorrichtung, und dieses Solarfeld 60 entspricht auch einer Halbleitervorrichtung.
  • Wie in den 18 und 19 gezeigt enthält das Solarfeld 60 ein Gehäuse 62 aus transparentem synthetischem Harz, und fünf (beispielsweise) Solarstrings 61, die in diesem Gehäuse 62 untergebracht sind. Das Gehäuse 62 enthält die fünf integriert geformten im Wesentlichen zylindrischen Stringhalter 63, die in der Lage sind die Solarstrings 61 zu halten, und einen Flansch 64, der am unteren Ende jedes der Stringhalter 63 geformt ist. Wie in den 20 und 21 gezeigt, haben die Solarstrings 61 eine Mehrzahl von sphärischen Solarzellen 1, die in einer Spalte angeordnet sind, einen Leitungsverbindungsmechanismus zum parallelen Verbinden dieser Solarzellen 1, und ein äußeres Schalenelement 66, das eine zylindrische Außenfläche aufweist und alles außerhalb der Mehrzahl der Solarzellen 1 mit einer lichtdurchlässigen Wandkomponente bedeckt, deren Dicke mindestens 1/4 des Durchmessers einer Solarzelle 1 ist.
  • Die Solarzellen 1 sind die gleichen wie die in den obigen Ausführungsbeispielen beschriebenen. Eine Mehrzahl der Solarzellen 1 ist mit ihrer Leitfähigkeitsrichtung ausgerichtet angeordnet mit den positiven Elektroden 6 nach links in 20 weisend und mit den negativen Elektroden 7 nach rechts in 20 weisend, und derart, dass ein kleiner Spalt zwischen benachbarten Solarzellen 1 verbleibt. Der Leitungsverbindungsmechanismus 65 ist hauptsächlich gebildet durch ein Paar von schmalen Metallleitungsdrähten 65a, 65b. Diese Leitungsdrähte 65a, 65b sind beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Silberlegierung oder Goldlegierung. Die positiven Elektroden 6 einer Mehrzahl von Solarzellen 1 sind durch ein Lötmittel oder einen elektrisch leitenden Kleber mit dem Leitungsdraht 65a verbunden, während die negativen Elektroden 7 einer Mehrzahl von Solarzellen 1 durch ein Lötmittel oder einen elektrisch leitenden Kleber mit dem Leitungsdraht 65b verbunden sind. Diese Solarzellen 1 und der Leitungsverbindungsmechanismus 65 sind durch das transparente äußere Schalenelement 66 abgedeckt.
  • Das äußere Schalenelement 66 ist aus einem transparenten isolierenden synthetischen Harz (beispielsweise Polycarbonat, Polyarylat, Methacryl, Silikon oder Polyester), kann aber gebildet sein aus einem harten synthetischen Harz oder einem weichen, flexiblen synthetischen Harz. Ein Ende der Leitungsdrähte 65a, 65b steht um eine bestimmte Länge von dem äußeren Schalenelement 66 weg, und Energie kann von diesen weg stehenden Enden genommen werden.
  • Diese Solarstrings 61 haben die gleiche Länge wie das Gehäuse 62, und wie in 18 gezeigt, sind fünf der Solarstrings 61 in den fünf Stringhaltern 63 des Gehäuses 62 untergebracht. Die fünf Solarstrings 61 können seriell verbunden sein durch Verbinden mit externen Leitern 67, wie in 18 gezeigt. In diesem Fall, wenn die photovoltaische Energie der Solarstrings 61 angenommen wird als ungefähr 0,6 V, dann kann das Solarfeld 60, wie in 18 gezeigt, eine photovoltaische Energie von ungefähr 3,0 V erzeugen.
  • Bei diesem Solarfeld 60 ist die äußere Oberfläche des äußeren Schalenelements 66 zylindrisch anstelle von sphärisch, aber mehr oder weniger genauso wie das äußere Schalenelement 11, wie oben diskutiert, und Licht, das von verschiedenen Richtungen kommt, kann leicht in Richtung sphärische Solarzellen 1 geführt werden, was die Menge an Licht, das empfangen wird erhöht, so dass jede Solarzelle 1 Licht über einen größeren Bereich empfängt. Das Gehäuse 62 ist nicht wesentlich, und die fünf Solarstrings 61 können stattdessen ausgerichtet sein oder zusammengefügt sein oder sandwichartig angeordnet sein zwischen einem Paar von transparenten Feldern.
  • Eine zusätzliche Beschreibung wird zu diesem Zeitpunkt für ein anderes Beispiel der Verwendung der Solarstrings 61 gegeben. Die Solarstrings 61 können auch in Konfigurationen verwendet werden, die andere sind als das Solarfeld 60. Wenn beispielsweise die Solarstrings 61 verwendet werden als Energieversorgung für ein mobiles elektronisches Gerät, können sie in Halsketten, Broschen, Armbändern, Handtaschen, Gürteln, Hüten, Brillen oder in andere derartige persönliche Accessoires oder als Teil derartiger Accessoires integriert ausgebildet sein.
  • In diesem Fall, wenn das äußere Schalenelement 66 aus einem weichen, flexiblen synthetischen Harz ist, je nach Anforderung, ist das Ergebnis flexible Solarstrings 61. Es ist auch mög lich, dass eine Mehrzahl der Solarstrings 61 seriell angeordnet wird, oder in einer verknüpften Form, so dass sie elektrisch in Serie verbunden sind.
  • Bei den Solarstrings 61, da eine Mehrzahl von Solarzellen 1 parallel verbunden ist, ist die Spannung der photovoltaischen Energie jedes der Solarstrings 61 im Wesentlichen konstant (0,5 bis 0,6 V), und folglich kann eine photovoltaische Energie von ungefähr 3,0 V erzeugt werden, indem fünf oder sechs der Solarstrings 61 in Serie verbunden werden, und eine photovoltaische Energie der gewünschten Spannung kann erzeugt werden, indem die Anzahl der Solarstrings 61, die seriell zu verbinden sind, geeignet ausgewählt wird. Darüber hinaus, obwohl nur ein sehr geringer Strom durch jede individuelle Solarzelle 1 erzeugt wird, kann ein Strom entsprechend der Anzahl an Solarzellen 1, die in die Solarstrings 61 integriert sind, erzeugt werden, was eine hervorragende Flexibilität gewährleistet.
  • Die Struktur der Solarstrings 61 ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigte beschränkt, und stattdessen wird beispielsweise eine Struktur mit einem großen Abstand gesetzt zwischen den Solarzellen 1, und das Äußere jeder Solarzelle 1 wird bedeckt mit einem sphärischen äußeren Schalenelement oder einem im Wesentlichen sphärischen äußeren Schalenelement. Eine Struktur wie ein Netzwerk, in dem Solarstrings längs und quer kombiniert werden, kann auch verwendet werden.
  • Als ein Beispiel eines Solarfelds, bei dem die Solarstrings 61 ausgerichtet sind, wie in 22 gezeigt, können die äußeren Schalenelemente 66A (entsprechend den zylindrischen Komponenten) einer Mehrzahl von Solarstrings 61A integriert strukturiert sein, um ein Solarfeld 60A zu konfigurieren.
  • Als nächstes werden verschiedene Beispiele des Modifizierens der obigen Ausführungsbeispiele und Modifikationen beschrieben.
    • 1) In der Solarzelle 1 kann ein sphärisches Kristall bestehend aus einem n-Typ Siliziummonokristall verwendet werden anstelle des sphärischen Kristalls 2 bestehend aus einem p-Typ Siliziummonokristall, und eine p-Typ Diffusionsschicht kann gebildet werden anstelle der n-Typ Diffusionsschicht 4. In diesem Fall sind die positive Elektrode 6 und die negative Elektrode 7 umgekehrt.
  • Eine flache Oberfläche 3 und eine flache Oberfläche, die auf der gegenüberliegenden Seite dieser flachen Oberfläche 3 lokalisiert ist, die parallel zu der flachen Oberfläche 3 ist und die von unterschiedlicher Größe zu der Größe der flachen Oberfläche 3 ist, können auf dem sphärischen Kristall 2 gebildet werden, und die negative Elektrode 7 kann auf dieser flachen Oberfläche bereitgestellt werden. Diese flachen Oberflächen sind nicht wesentlich, und können weggelassen werden.
  • Anstelle des sphärischen Kristalls 2 kann ein sphärisches Kristall verwendet werden, das in seinem Inneren einen sphärischen Kern aus einem isolierenden Material aufweist, und bei dem die äußere Oberfläche dieses Kerns mit einem Halbleitermonokristall bedeckt ist.
    • 2) Ein keramisches Drahtsubstrat, ein Metalldrahtglassubstrat oder ein Blatt bestehend aus einem transparenten synthetischen Harz können verwendet werden anstelle des gedruckten Substrats in dem Solarfeld 30. Auch können Solarzellen 1 elektrisch verbunden werden durch Drahtbonden in dem Solarfeld 30.
    • 3) In der obigen Erklärung und den Ausführungsbeispielen wurden Beispiele einer lichtempfangenden Halbleitervorrichtung wie Solarball, Solarfeld oder Solarstring beschrieben, die vorliegende Erfindung kann jedoch ähnlich angewendet werden auf einen lichtsendenden Ball, lichtsendendes Feld, lichtsendender String oder eine andere lichtsendende Halbleitervorrichtung. In dem Fall dieser lichtsendenden Halbleitervorrichtung können eine Halbleitervorrichtung, die Licht von einem Ball sendet, eine Halbleitervorrichtung, die Licht in planarer Weise von einem Feld sendet, oder eine Halbleitervorrichtung, die Licht von einem String sendet, erzeugt werden durch Integrieren einer granularen lichtemittierenden Diode (LED), die Licht durch elektrooptische Umwandlung aussendet, anstelle der sphärischen Solarzelle 1, wie diskutiert. Die sphärische lichtemittierende Diode, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung in US 6,204,545 vorgeschlagen wurde, oder eine sphärische lichtemittierende Diode mit einer ähnlichen Struktur können auch als diese lichtemittierende Diode verwendet werden.
  • Ein Beispiel einer sphärischen lichtemittierenden Diode mit einer Quantentopfstruktur wird jetzt beschrieben.
  • Die sphärische lichtemittierende Diode 70 (entspricht der sphärischen Halbleitervorrichtung), wie in 23 gezeigt, enthält einen transparenten sphärischen Saphir 71 (mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,6 bis 5,0 mm), eine Pufferschicht 72, die außer einem sphärischen GaN (Gallium Nitrid) besteht, das gebildet wird als ein Dünnfilm auf der Oberfläche dieses sphärischen Saphirs 71, eine sphärische n-Typ GaN-Schicht 73, die als ein Dünnfilm auf der Oberfläche dieser Pufferschicht 72 gebildet wird, eine lichtemittierende Schicht 74, die besteht aus sphärischem InGaN (Indium Gallium Nitrid), die als ein Dünnfilm auf der Oberfläche dieser n-Typ GaN-Schicht 73 gebildet ist, eine sphärische p-Tpy GaN-Schicht 75, die gebildet ist als Dünnfilm auf der Oberfläche dieser lichtemittierenden Schicht 74, ein Paar von Elektroden 76, 77 (Anode 76 und Katode 77), usw. Die Pufferschicht 72 und die lichtemittierenden Schicht 74 können auf der Oberfläche des sphärischen Saphirs 71 durch einen bekannten Prozess wie beispielsweise MOCVD gebildet werden.
  • Die Anode 76 und die Katode 77 werden bereitgestellt, um in einer geraden Linie auf jeder Seite des Zentrums der sphärischen lichtemittierenden Diode 70 ausgerichtet zu sein, und sind an den zwei Enden der sphärischen lichtemittierenden Diode 70 positioniert. Die Anode 76, die einen Ohmschen Kontakt aufweist, ist mit der p-Typ GaN-Schicht 75 verbunden, während die Katode 77, die ebenfalls einen Ohmschen Kontakt aufweist, mit der n-Typ GaN-Schicht 73 verbunden ist. Bei dieser lichtemittierenden Diode 70, wenn Strom vorwärts von der Anode 76 zu der Katode 77 fließt, wird Licht bei einer Wellenlänge erzeugt, die dem Material der lichtemittierenden Schicht 74 von Nahe dem pn-Übergang erzeugt, und nach außen abgestrahlt.
  • Wenn das Material, das die lichtemittierende Schicht 74 bildet, gleich InxGa1-XN ist, wird Licht gesendet bei einer längeren Wellenlänge, wenn das Ausmaß an Indium x zunimmt. Beispielsweise, wenn x = 0,2 wird blaues Licht mit einer Wellenlänge λp von 465 nm ausgesendet, und wenn x = 0,45 ist, wird grünes Licht mit einer Wellenlänge λp von 520 nm ausgesendet. Ein lichtemittierender Ball 80 (entspricht einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung) enthält die sphärische lichtemittierende Diode 70, ein äußeres Schalenelement 81, das das Äußere dieser sphärischen lichtemittierenden Diode 70 mit einer lichtdurchlässigen Wandkomponente abdeckt, dessen Dicke mindestens 1/4 des Durchmessers der sphärischen lichtemittierenden Diode 70 ist, wobei die äußere Oberfläche dieses äußeren Schalenelements 81 sphärisch oder teilweise sphärisch ist, ein Paar von Elektrodenelementen 82, 83 (externe Drähte), die mit dem Paar von Elektroden 76, 77 verbunden sind und von der äußeren Oberfläche des äußeren Scha lenelements 81 weg stehen nach außen. Das Elektrodenelement 82 ist mit der positiven Elektrode 76 verbunden durch einen elektrisch leitenden Kleber, während das Elektrodenelement 83 mit der negativen Elektrode 77 durch einen elektrisch leitenden Kleber verbunden ist. Das außere Schalenelement 81 ist aus einem transparenten, isolierenden synthetischen Harz (beispielsweise Epoxydharz). Das Licht, das von der lichtemittierenden Schicht 74 der sphärischen lichtemittierenden Diode 70 erzeugt wird (angegeben durch die Pfeile in den Zeichnungen) enthält das Licht, das durch den sphärischen Saphir 71 verläuft, das in alle Richtungen abstrahlt, die in den Zeichnungen gezeigt. Da das Licht, das durch die sphärische lichtemittierende Diode 70 erzeugt wird, von der gesamten Oberfläche des äußeren Schalenelements 81 abstrahlt, ist die Lichtsendequelle größer, die Helligkeit des Lichts, das von dieser Quelle abgestrahlt wird, kleiner, und ein weicheres Licht wird abgestrahlt. Ein Diffusionsmittel (beispielsweise Glaspulver) kann dem äußeren Schalenelement 81 hinzugegeben werden, um das Licht nach Bedarf diffus zu machen. Der lichtemittierende Ball 80 kann als eine einzelne lichtemittierende Vorrichtung verwendet werden, aber die sphärische lichtemittierende Diode 70 oder der lichtemittierende Ball 80 können auch gebildet werden als ein lichtemittierendes Feld wie beispielsweise Solarfelder 20, 50, 60, wie oben diskutiert, oder können als ein lichtemittierender String wie beispielsweise Solarstring 61 gebildet sein. In einigen Fällen kann ein reflektiver Film bereitgestellt werden auf einer Seite des lichtemittierenden Balls 80, des lichtemittierenden Felds oder des lichtemittierenden Strings, so dass Licht nur von der Seite, die dieser Seite gegenüberliegt, ausgesendet wird. Ebenso ist die sphärische lichtemittierende Diode 70 lediglich ein Beispiel, und kann stattdessen eine lichtemittierende Diode sein, die rotes Licht aussendet, oder eine, die weißes Licht aussendet, oder eine die irgendeine von verschiedenen anderen Farben von Licht aussendet.
  • Ein sphärisches GaN Kristall kann verwendet werden anstelle des sphärischen Saphirs 71, in welchem Fall die GaN Pufferschicht 72 weggelassen werden kann.
    • 4) Die sphärische Solarzelle 1, wie oben beschrieben, war ein Beispiel einer lichtemittierenden Halbleiterzelle, die erzeugt wird aus einem Siliziumhalbleiter, aber sie kann auch aus irgendeiner anderen lichtempfangenden Halbleiterzelle mit einer photoelektrischen Umwandlungsfunktion gebildet werden, wie beispielsweise SiGe, GaAs und Verbindungen davon, InP und Verbindungen davon, CuInSe2 und Verbindungen davon, und CdTe und Verbindungen davon.
  • Alternativ, wenn ein lichtemittierendes Halbleitermodul gebildet wird durch Integrieren von lichtemittierenden Halbleiterzellen, können die lichtemittierenden Halbleiterzellen mit einer elektrooptischen Umwandlungsfunktion aus Halbleitern sein wie beispielsweise GaAs und Verbindungen davon, InP und Verbindungen davon, GaP und Verbindungen davon, GaN und Verbindungen davon, und SiC und Verbindungen davon.

Claims (4)

  1. Lichtempfangende oder lichtsendende Halbleitervorrichtung (61) enthaltend eine Mehrzahl von sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) mit einer Lichtempfangsfunktion oder einer Lichtsendefunktion, wobei jede der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) mit einem p-Typ oder n-Typ Halbleiterkristall (2) mit einer sphärischen äußeren Form ausgestattet ist, mit einem pn-Übergang (5), der im Wesentlichen sphärisch auf dem Oberflächenschichtbereich des Halbleiterkristalls (2) gebildet ist, und mit einem Paar von Elektroden (6, 7), die mit beiden Enden des pn-Übergangs (5) verbunden und auf jeder Seite lokalisiert sind, wobei das Zentrum der Krümmung des pn-Übergangs (5) dazwischen angeordnet ist, wobei die Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) in einer einzelnen Spalte angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass: ein Leitungsverbindungsmechanismus (65) bereitgestellt ist zum parallelen elektrischen Verbinden der Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1); und ein äußeren Schalenelement (66) bereitgestellt ist, das gemeinsam eine Außenseite der Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) mit einer lichtdurchlassenden Wandkomponente abdeckt, deren Dicke mindestens 1/4 des Durchmessers der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) ist, und die eine zylindrische äußere Oberfläche aufweist.
  2. Lichtempfangende oder lichtsendende Halbleitervorrichtung (60A), enthaltend eine Mehrzahl von sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) mit einer Lichtempfangsfunktion oder einer Lichtsendefunktion, wobei jede der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) einen p-Typ oder n-Typ Halbleiterkristall (2) mit einer sphärischen äußeren Form enthält, einen pn-Übergang (5), der im Wesentlichen sphärisch auf dem Oberflächenschichtbereich des Halbleiterkristalls (2) gebildet ist, und ein Paar von Elektroden (6, 7), die mit beiden Enden dieses pn-Übergangs (5) verbunden und auf jeder Seite lokalisiert sind, wobei das Zentrum der Krümmung des pn-Übergangs (5) dazwischen angeordnet ist; und die Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) in einer Mehrzahl von Spalten (61A) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass: ein Leitungsverbindungsmechanismus (65) bereitgestellt ist zum parallelen elektrischen Verbinden einer Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) jeder dieser Spalten (61A) in Spalteneinheiten; und ein äußeres Schalenelement (66A) bereitgestellt ist, das gemeinsam ein Äußeres der Mehrzahl der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) mit einer lichtdurchlassenden Wandkomponente abdeckt, deren Dicke mindestens ungefähr gleich dem Durchmesser der sphärischen Halbleitervorrichten (1) ist, und das eine Mehrzahl von Zylindern einer im Wesentlichen zylindrischen Form aufweist, die jeweils die Mehrzahl der Spalten (61A) der sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) abdecken.
  3. Lichtempfangende oder lichtsendende Halbleitervorrichtung (61, 60A) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) einen fotovoltaischen Energiegenerator haben, der den pn-Übergang (5) enthält.
  4. Lichtempfangende oder lichtsendende Halbleitervorrichtung (61, 60A) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die sphärischen Halbleitervorrichtungen (1) einen elektrooptischen Wandler aufweisen, der den pn-Übergang (5) enthält.
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