JP2004281708A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

【目的】水溶液の電解、除菌、殺菌、有機物などの分解、浄化、各種イオンの電着と鉱物などの回収、更に電極からのガスの発生を抑制できるような小型で受光部が常時自動的に外来光に向く浮上構造の太陽電池を提供する。
【構成】基板にフロートと錘を取り付けて浮く構造にすると共に、太陽電池の受光部が常時自動的に外来光を向くようにする。また、同一基板に必要な個数のダイオード列を形成して、発電部の出力端に並列接続してあり、電解によるガス発生を抑制できるようにする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池を水溶液などの溶液に浸しながら光を受けて発電させて、その起電力で、基板に一体化させた陽極と陰極とにより、水溶液に浸しながら水溶液の電解、ガスの発生、溶存イオンの電着、殺菌、有機物の分解、浄化などの作用を行わせる太陽電池に関するもので、太陽光などの外来光が水溶液に吸収されないか、またはほとんど吸収されないうちに受光部に到達するようにフロートをつけて浮かすようにしたこと、過大な電圧が発生しないように抑制するようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、太陽電池パネルにガス収集用チャンバを持つフロートをつけて、水面に浮かし、太陽電池パネルを水中に埋没させないように水面から距離を置くようにすると共に、太陽電池パネルの下方に形成したチューブの内側と外側に陰極と陽極の電極を配して、水素ガスや酸素ガスを生成して分離収集するようにした装置があった（ＵＳＰ４５６５６１７）。
【０００３】
また、従来、本願発明者の発明による太陽電池を水溶液などの溶液に埋没させながら光を受けて発電させて、その起電力で、溶液の電解、ガスの発生、溶存イオンの電着、殺菌、浄化などの作用を行わせる浸漬型の太陽電池があった（特開２００２−１７０９８０）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、太陽電池パネルにガス収集用チャンバを持つフロートを取り付け、水面から太陽電池パネルを隔離するようにすると共に、それらの目的のために電解による水素や酸素などの発生ガスを分離するためのチューブを下方の水中に設け、その内外に電極を配していたが、大掛かりな装置になるものであった。
【０００５】
また、水溶液の殺菌、有機物の分解やイオンの電着に依る浄化などの目的では、ビニール袋などの密閉に近い空間で使用したいことが多く、その空間での圧力が上昇してしまい、膨れ上がってしまうという問題があった
【０００６】
また、従来の浸漬型の太陽電池においても、やはり、殺菌、有機物の分解やや水の浄化、触媒作用などの目的では、水溶液の電気分解による多少のガスの発生を許しても、可能な限りガスの発生を抑えたいという要望があった。
【０００７】
本発明は、太陽電池において、水溶液（溶質がほとんど無い水も含む）の電解、除菌、殺菌、有機物などの分解、浄化、各種イオンの電着とそれによる鉱物などの回収、触媒作用などで、小型化させて、太陽電池を水溶液に浮かせるようにして、水溶液が太陽電池の受光部を覆ったとしてもその量が少なく、太陽光などの発電のための外来光の水溶液による吸収を極力少なくさせて、ほとんどの外来光が受光部に到達するようにして発電効率を高めて有効に電解や電着などができるようにすること、電解に依るガスの発生を極力抑制するか、制限するようにした太陽電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる太陽電池は、基板１に形成した太陽電池の陽極２０１と陰極２０２とを水溶液２０に浸しながら発電させて使用する太陽電池において、水溶液２０より比重を小さくさせたフロート６０を基板１に具備してあること、このフロート６０により太陽電池が水溶液２０に浮く構造であること、陰極及び陽極の電極の少なくとも一部は同一基板１に一体に形成してあり、陰極及び陽極の電極の一部は少なくとも水溶液２０に浸るように形成してあることを特徴するものである。
【０００９】
単結晶や多結晶またはアモルファスシリコンなどの半導体のチップ状基板１にｐｎ接合などからなる太陽電池セルの直並列接続などで形成した発電部を有する基板１にフロート６０を取り付けて構成した太陽電池が水溶液２０中に沈んでしまわないようにしてあり、陽極２０１及び陰極２０２の電極が基板１に形成してあるが、必要に応じてフロート６０にまで延在させることもできるようにしてあり、常に水溶液２０に浸り、水溶液２０の電解、ガスの発生、溶存イオンの電着、殺菌、有機物の分解、浄化、触媒などの作用を行わせるようにした場合である。
【００１０】
太陽電池の受光部１１は、必ずしも水溶液２０の水面から顔を出させておく必要はなく、水溶液２０中にあっても沈まないで水面付近に漂ってさえいれば良いので、水溶液２０での太陽光などの外来光の吸収を少なくさせることができる。
【００１１】
また、フロート６０は、必要に応じて、太陽電池を形成している基板１から脱着可能な構造にしておくこともできる。
【００１２】
また、フロート６０にも陽極２０１、陰極２０２や配線２１０となる電極を形成してあり、フロート６０が基板１から脱着可能な構造にしてあるときには、フロート６０の電極の一部が基板１に一体形成した電極と接触または接合されるようにしておくと良い。
【００１３】
本発明の請求項２に係わる太陽電池は、フロート６０が膜構造であり、基板１に形成してある場合で、フロート６０がプラスチック薄膜や気泡を含む膜など、水溶液２０に対して比重が小さく、小型で簡便に形成できるようにした場合である。
【００１４】
このような膜構造のフロート６０は、発電部１０を形成した基板１に貼り付けるようにしてもよく、フォトレジスト膜のように太陽電池を形成する過程で一体に形成することもできる。
【００１５】
このような太陽電池を形成する過程で一体形成したフロート６０には、太陽電池の陽極２０１と陰極２０２との電極を延在させて、フロート６０にも電極を形成して、水溶液２０に常に浸るようにすることもできる。
【００１６】
本発明の請求項３に係わる太陽電池は、太陽電池の受光部１１が受光する外来光方向を常に向くように錘（７０）を具備した構造の場合である。
【００１７】
シリコン基板などは、一般に０．６ｍｍ程度の薄さであり、太陽電池の受光部１１の面積が約１０ｍｍ角場合、フロート６０を付けて水溶液２０に浮かせた場合、受光部１１が水溶液２０の内側に向いてしまうことがあるので、基板１またはフロート６０に錘７０を付けて、常に受光部１１が太陽光などの外来光側を向くようにさせるものである。このようにすると、たとえ反転しても錘７０の作用で自動的に受光部１１が水溶液２０の上方に向きを変える事ができて常に外来光を受けているので、発電効率を上げさせることができる。
【００１８】
本発明の請求項４に係わる太陽電池は、基板１に形成した太陽電池の陽極２０１と陰極２０２とを水溶液２０に浸しながら発電させて使用する太陽電池において、半導体接合ダイオード９０が必要な個数だけ直列接続してあるダイオード列９５を同一の基板１に形成してあること、このダイオード列９５は発電部１０の出力端に並列接続になるように構成され、所望の出力電圧以上の電圧が発生しないように出力電圧が制限されていることを特徴とするものである。
【００１９】
水溶液２０に浸しながら発電させて使用する太陽電池は、必ずしも電解により酸素や水素、または塩素ガスなどを発生させることが目的でなく、むしろ、これらのガスの発生を抑えて、水溶液２０、特に水の中に含まれるイオンの除去、殺菌、除菌、有機物の分解、重金属イオンなどの電着などで水を浄化させたいなどの目的がある。
【００２０】
密閉したビニール袋中の水の殺菌やイオンの電着などでは、むしろ、電解によるガスの発生はビニール袋を膨らませてしまうので困ることが多い。
【００２１】
上述のように電解によるガスの発生を抑制するのに、順方向となる半導体接合を必要な個数だけ直列接続してダイオード列９５を形成し、太陽電池の出力端に並列接続しておくことにより、ダイオード列９５の順方向立ち上がり電圧を利用して所望の電圧、たとえば、実験によると水素や酸素ガスが発生する水の電解には２．１ボルトの直流電圧が必要で、これよりわずかに小さい電圧、たとえば、１．９ボルト以上の電圧が発生しないようにすることができる。
【００２２】
本発明の請求項５に係わる太陽電池は、半導体接合ダイオード９０がｐｎ接合である場合である。
【００２３】
シリコンのｐｎ接合からなる半導体接合ダイオード９０の場合は、１個の立ち上がり電圧は約０．６５ボルトであり、３個のｐｎ接合の半導体接合ダイオード９０を直列に順方向になるように接続すると１．９５ボルト程度で電流が流れだすので、太陽電池への入射光を強くしても１．９５ボルト程度以上は水溶液２０に電圧が印加されないから、水溶液２０が電解されて水素や酸素ガスがほとんど発生しないことになる。しかし、電極へのイオンの電着は生じること、また、わずかに酸性水やアルカリ水が生じるので、殺菌効果や有機物の分解、触媒作用などに寄与させることができる。
【００２４】
また、炭化珪素などの結晶からなるｐｎ接合の半導体接合ダイオード９０を用いた場合には、これらのｐｎ接合を構成する不純物濃度にも依るが順方向立ち上がり１．８ボルト程度もあり、必ずしも複数の半導体接合ダイオード９０を直列接続しなくとも、１個でも足りることになる。このように請求項４にある「半導体接合ダイオード（９０）が必要な個数だけ直列接続してあるダイオード列（９５）必要な個数だけ直列接続してあるダイオード列９５」とは、１個の半導体接合ダイオード９０も含まれるものである。
【００２５】
ｐｎ接合の半導体接合ダイオード９０を作成しにくい半導体を用いた場合には、ショットキー接合の半導体接合ダイオード９０を用いても良い。
【００２６】
本発明の請求項６に係わる太陽電池は、ダイオード列９５として、これを構成する半導体接合ダイオード９０のすべてが順方向バイアスになるように構成されてある場合である。
【００２７】
例えば、ツエナー効果を利用した逆方向バイアスによる出力電圧の制限を行うこともできるが、丁度良い電圧のツエナーダイオードである半導体接合ダイオード９０の作成は歩留まりが悪く困難であるから、半導体接合ダイオード９０の個数を多くする必要はあるが順方向の立ち上がり電圧を利用した方が木目細かい設定電圧の選択ができるという利点がある。
【００２８】
本発明の請求項７に係わる太陽電池は、陽極２０１、陰極２０２や配線２１０の電極にカーボンを含む材料を用いた場合である。
【００２９】
水溶液２０の電解において、大きな電圧を印加して大きな電流を流すようにすると、特に陽極として用いた薄膜金属が剥がれたり、溶けたりしてしまうという問題があった。このためには、カーボンブラックを含む導電性塗料を電極として用いると安定であることが実験から判明した。カーボンブラックを含む導電性塗料を電極として用いるには印刷技術で容易に形成できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の太陽電池の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
【実施例１】
図１は、本発明の太陽電池における一実施例の概略図で、ＳＯＩ層１１０を有する基板１に配線２１０を介して直列接続された受光部１１となる５個のｐｎ接合３０が形成されてあり、それぞれが発電部１０の太陽電池セルの受光部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅを構成している。この受光部１１の面に形成された陽極２０１と陰極２０２とが、基板１の裏面に形成された薄膜状のフロート６０の上に延びて形成してある場合で、錘７０が基板１のフロート６０の形成面側に取り付けてある場合である。
【００３２】
図１（ａ）は平面図の概略図で、図１（ｂ）は、同図（ａ）のＸ−Ｘにおける断面概略図である。
【００３３】
図１では、ＳＯＩ層１１０はｐ型層３１から成り、ｎ型不純物を拡散してｎ型層４１を形成して、ｐｎ接合３０を有する受光部１１を形成している場合であり、このｎ型層４１に酸化シリコンからなる絶縁層５１に窓開けした後、ｎ型電極４２を形成している。そして、ＳＯＩ層１１０のｐ型層３１からも窓開けをしてｐ型電極３２を形成し、陽極２０１と電気的に配線２１０を介して接合させると共に、ｎ型層４１も陰極２０２に電気的に接合させている。
【００３４】
５個の各ｐｎ接合３０はリークなしで完全な直列接続にさせるために、ＳＯＩ層１１０のｐ型層３１にスリット８０を下部の埋め込み酸化膜である絶縁層５０まで到達するような深さに設けて電気的に分断している。
【００３５】
スパッタリングによるアルミニウム薄膜などの酸やアルカリに弱い材料で形成した配線２１０や陽極２０１と陰極２０２とは、水溶液２０の電解にも耐性があるように、カーボンの導電性ペーストを用いて被覆して用いると良いことが実験的に確認された。
【００３６】
フロート６０は１００ミクロンメートル程度の厚めのシート状フォトレジスト薄膜を用いることもできる。この場合は、バターン化も容易で好都合である。
【００３７】
錘７０は、セラミックスの棒を利用すると薬品耐性や安定性があり好適である。なお、図１に示す本実施例では、錘保持部７１はプラスチック部材を用いて、浮力を増加させた場合を示してあり、水溶液２０の水面レベル２５が破線で示してあるように、フロート６０付近にある場合を示している。もちろん、錘保持部７１なしで、直接、種々の形状の錘７０を基板１に、直接接合、または脱着可能な構造で取り付けても良い。
【００３８】
錘７０の作用で、上述の構成による本願発明の太陽電池は、水溶液２０に放り投げても自動的に錘７０が水溶液２０の中に沈み、受光部１１が水面に顔を出すようになっており、有効に太陽光などの外来光を受けることができるので、高効率の水溶液電解用などに用いる太陽電池が提供される。
【００３９】
本実施例では、薄膜状のフロート６０が基板１の裏面全面に形成してあり、陽極２０１と陰極２０２をそこまで延在形成した場合であるが、ここでは図示しないが薄膜状のフロート６０を一部にして、残された基板１の裏面の領域に直接、陽極２０１と陰極２０２とを延在形成してもよい。
【００４０】
【実施例２】
図２は、本発明の太陽電池における図１に示した実施例と同様に、ＳＯＩ層１１０を有する基板１に発電部１０を形成し、その受光部１１が錘７０とフロート６０の作用で常に水溶液２０中で、水面レベル２５の上方の外来光を見るように設計してある場合の一実施例を示す断面概略図である。
【００４１】
フロート６０は、たとえば、プラスチック製などとし、多少、柔軟性を持たせてあり、セラミックス製の錘７０と接合してあり、接合されたフロート６０と錘７０とは、断面をコの字構造とさせて脱着可能な構造としてある。さらに断面をコの字構造の内側に配線２１０を形成して、装着後、基板１の受光部１１側に設けた陽極２０１と陰極２０２とに機械的および電気的に接合させるようにしてある。さらに、配線２１０は錘７０の外側にまで延在させて、常に水溶液２０に浸るようにしている場合であり、このとき、水溶液２０に浮かせた太陽電池の受光部１１は、水面レベル２５より下面に潜っている場合を示している。
【００４２】
太陽電池が外来光を受けて発電して、その発生電圧が水溶液２０を電解するに足りる光強度であれば、陽極２０１付近には酸性水、陰極２０２付近にはアルカリ水である電解水の発生することになる。なお、水素や酸素などのガスが発生するに足りる発生電圧であれば、電極からガスの発生が起こる。
【００４３】
また、水溶液２０中にある各種イオンのうち、正イオンは陰極２０２に、負イオンは陽極２０１に引かれて移動し、特に金属イオンのうち、イオン化傾向の小さいものは、陰極２０２に電着して、水溶液２０中のイオン濃度が少なくなる。このようにイオン濃度が少なくなることは、水の浄化に繋がる。
【００４４】
【実施例３】
図３は、本発明の太陽電池における一実施例の平面概略図であり、ダイオード列９５を発電部１０に並列接続した構造の例を示している。ここでは、図１に示した実施例と同様であるが、同一の基板１に、ｐｎ接合の半導体接合ダイオード９０を３個直列接続してあり、これらの３個の半導体接合ダイオード９０ａ、９０ｂ、９０ｃからなるダイオード列９５の出力端子は、配線２１０で発電部１０の陽極２０１と陰極２０２に並列接続になるように構成されている場合を示している。このとき、ダイオード列９５は、発電部１０の受光部１１に外来光が照射されて、起電力が発生したときに、すべて順方向バイアスされるように接続してあり、平均して１個の半導体接合ダイオード９０は０．６５ボルトで立ち上がるので、３個では１．９５ボルトで急激に立ち上がり順方向電流が流れ出すので、たとえば、水の電解による水素ガスや酸素ガス発生には、２．１ボルト必要であるから、強い光強度の外来光があっても、ガスの発生が抑えられる。しかし、このとき水溶液２０中に重金属イオンがあると、陰極２０２に電着されるので、重金属イオンを水溶液２０中から除去できるので、水の浄化として利用できるし、また逆に、重金属の回収として利用することもできる。
【００４５】
なお、図３に示す実施例では、３個の半導体接合ダイオードからなるダイオード列９５の各々は、スリット８０により電気的に絶縁分離している場合を示し、さらに、基板１の裏面には図１と同様、フロート６０と錘７０が形成されてあり、水溶液２０に浮く構造で、常に水面上方を受光部１１が向くようにした構造の場合を示している。
【００４６】
以上、上述の実施例では、シリコンの単結晶基板を用いた場合であったが、たとえば、ガラス基板にアモルファスシリコンの発電部１０を形成して発電させてもよい。
【００４７】
また、ダイオード列９５もショットキー障壁ダイオードの列でも同様の事ができることは言うまでもない。
【００４８】
また、１個の半導体接合ダイオード立ち上がり電圧によっては、複数個の直列接続でなくて、１個だけで足りることもある。
【００４９】
上述の実施例は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の主旨および作用、効果が同一でありながら、本発明の多くの変形があることは明らかである。
【００５０】
【発明の効果】
従来の太陽電池パネルにガス収集用チャンバを持つフロート６０を取り付けたり、チューブを取り付けていたので、大掛かりな装置になるものであった。
【００５１】
しかし、以上説明したように、本発明の太陽電池によると、水溶液２０より比重を小さくさせた薄いフロート６０を基板１のチップに直接接合してあり、このフロート６０により水溶液２０に浮く構造であること、また、陰極及び陽極の電極の少なくとも一部は同一基板１に一体に形成してあり、陰極及び陽極の電極の一部は少なくとも水溶液２０に浸るように形成してあるから、極めて小型の太陽電池が提供できる。
【００５２】
また、太陽電池の受光部１１が受光する外来光方向を常に自動的に向くようにフロート６０と錘７０が取り付けてあるので、たとえ水溶液２０に外来光が吸収される場合でも太陽電池は沈まず、受光部１１の上にある水溶液２０の層が少なくて済むので、外来光を大量に受光することができて、高効率の太陽電池が提供できる。
【００５３】
また、半導体接合ダイオードが必要な個数だけ直列接続してあるダイオード列９５が同一の基板１に形成して、発電部１０の出力端に並列接続になるように構成されており、所望の出力電圧以上の電圧が発生しないように出力電圧が制限されているので、電極からのガスの発生が抑えられ、水溶液２０、特に水の中に含まれるイオンの除去、殺菌、除菌、有機物の分解、重金属イオンなどの電着などで水の浄化や触媒に利用することができるという利点がある。
【００５４】
また、陽極２０１と陰極２０２とを、基板１から配線２１０によりフロート６０や錘７０まで延在させて、水溶液２０との接触面積を大きくさせることができると共に、常に水溶液２０に浸ることができるようにしているので、電着による電極の被覆の割合が少なくなり、さらに外来光があれば常に太陽電池が電圧を発生しており、常に水溶液２０の電解などに寄与できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の一実施例を示すもので、図１（ａ）は平面図の概略図で、図１（ｂ）は、同図（ａ）のＸ−Ｘにおける断面概略図である。
【図２】本発明の太陽電池の一実施例を示すもので、その断面概略図である。
【図３】本発明の太陽電池における一実施例の平面概略図であり、ダイオード列９５を発電部１０に並列接続した構造の例を示している。
【符号の説明】
１ 基板
１０ 発電部
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ 受光部
２０ 水溶液
２５ 水面レベル
３０ ｐｎ接合
３１ ｐ型層
３２ ｐ型電極
４１ ｎ型層
４２ ｎ型電極
５０，５１ 絶縁層
６０ フロート
７０ 錘
７１ 錘保持部
８０ スリット
９０、９０ａ、９０ｂ、９０ｃ 半導体接合ダイオード
９５ ダイオード列
１１０ ＳＯＩ層
２０１ 陽極
２０２ 陰極
２１０ 配線

Claims (7)

1. 基板（１）に形成した太陽電池の陽極（２０１）と陰極（２０２）とを水溶液（２０）に浸しながら発電させて使用する太陽電池において、水溶液（２０）より比重を小さくさせたフロート（６０）を基板（１）に具備してあること、該フロート（６０）により水溶液（２０）に浮く構造であること、陽極（２０１）及び陰極（２０２）の電極の少なくとも一部は同一基板（１）に一体に形成してあり、かつ陽極（２０１）及び陰極（２０２）の電極の一部は少なくとも水溶液（２０）に浸るように形成してあることを特徴とする太陽電池。
2. フロート（６０）は膜構造であり、基板（１）に形成してある請求項１記載の太陽電池。
3. 太陽電池の受光部（１１）が受光する外来光方向を常に向くように錘（７０）を具備した請求項１または２のいずれかに記載の太陽電池。
4. 基板（１）に形成した太陽電池の陽極（２０１）と陰極（２０２）とを水溶液（２０）に浸しながら発電させて使用する太陽電池において、半導体接合ダイオード（９０）が必要な個数だけ直列接続してあるダイオード列（９５）を同一の基板（１）に形成してあること、該ダイオード列（９５）は発電部（１０）の出力端に並列接続になるように構成され、所望の出力電圧以上の電圧が発生しないように出力電圧を制限されていることを特徴とする太陽電池。
5. 半導体接合ダイオード（９０）がｐｎ接合である請求項４記載の太陽電池。
6. ダイオード列（９５）は、これを構成する半導体接合ダイオード（９０）のすべてが順方向バイアスになるように構成されてある請求項４または５のいずれかに記載の太陽電池。
7. 電極にカーボンを含む材料を用いた請求項１から５のいずれかに記載の太陽電池。

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