JP2005086101A - 太陽電池アレイ製造方法、太陽電池アレイ装置、太陽電池アレイ装置を備える電子機器及び電子機器システム - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池が可動であるにもかかわらず小型に構成できる太陽電池アレイを提供すること。
【解決手段】 制御回路を積層形成した半導体基板１上に、アクチュエータ９と太陽電池１０とを形成し、アクチュエータ９及び太陽電池１０を分割して、各々がアクチュエータ９に保持された多数の太陽電池１０からなる太陽電池アレイを形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、太陽電池に関し、特に各々がアクチュエータに保持された複数の太陽電池からなる太陽電池アレイに関する。

従来からメンテナンスフリーで使用する機器の電源として太陽電池が利用されている。太陽光を有効に利用するためには、太陽電池面が太陽の方向に向くように設置する必要がある。しかしながら、電池面が固定であると、時間あるい季節によって太陽光の角度が変化するので、発電効率が低下することがあった。したがって、太陽電池を可動式にして、常に太陽に正対するように制御することが試みられているが、その可動部の可動範囲が大きく、可動部が大型になり、全体システムを小型化することが困難となっていた。また可動部が故障すると大幅な発電電力の低下が起こるという問題があった。

例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を応用して製造されたセンサ又は情報処理機器を屋外に放置して使用する場合に、その電源として可動式の太陽電池を用いようとしても、可動部が大きいとＭＥＭＳを利用して得られる小型化のメリットが損なわれることになる。従来には、ＭＥＭＳ応用の機器と太陽電池とを両者のメリットを生かした形で組合わせた技術は存在しなかった。

本発明は、前記の問題点に鑑み、太陽電池が可動であるにもかかわらず小型に構成できる太陽電池アレイ製造方法及び太陽電池アレイ装置、この製造方法に従って製造された太陽電池アレイ装置、該太陽電池アレイを有する電子機器、及び該電子機器からなるネットワークを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様では、制御回路を積層形成した基板上に、アクチュエータと、太陽電池とを形成し、アクチュエータ及び太陽電池を分割して、各々がアクチュエータに保持された複数の太陽電池からなる太陽電池アレイを形成する製造方法を提供する。この方法によれば、多数の太陽電池からなる可動の太陽電池アレイを容易に製造できる。

この場合、アクチュエータは、一部が犠牲層で保持され、太陽電池アレイ形成工程でこの犠牲層が除去されて製造されることができる。

また、アクチュエータの上面、あるいは太陽電池の第１層に凹凸をエッチングにより形成するようにして、太陽光を有効利用するようにもできる。

本発明の第２の態様では、各々がアクチュエータに保持された複数の太陽電池からなる太陽電池アレイ装置及び前記製造方法により製造された太陽電池アレイ装置が提供される。

このような太陽電池アレイ装置では、アクチュエータの故障で発電効率が大幅に低下することが少なくなる。

ここでは、太陽電池の発電量が最大となるように前記アクチュエータを駆動することができ、また、電力を蓄電するために２次電池又はコンデンサを備えることができる。

本発明の第３の態様では、前記太陽電池アレイ装置を備える電子機器が提供される。

この電子機器は、球形カバーを二重に配置し、太陽電池アレイを支持した内部の球形カバーを所望の方向に移動可能にすることができる。

このように構成すると、太陽電池を搭載する電子機器の設置コストや設置に要する時間を大幅に削減することができる。

また、信号の送受信のために、アンテナ及び送受信回路を備えることできる。

さらに、本発明の第４の態様では、アンテナ及び送受信回路を備え、太陽電池アレイを備える複数の電子機器を含み、自律的にネットワークを形成する電子機器システムを提供する。

このように構成すると、容易に無線通信ネットワークを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

最初に、本発明の太陽電池アレイの一実施形態の製造方法を説明する。この製造方法の一つの特徴は、複数の太陽電池がアレイ状に配置されている太陽電池アレイを、ＭＥＭＳとして製造することである。

図１には、本発明による太陽電池アレイの一実施形態の概略平面図を示す。太陽電池アレイは、各太陽電池ａjk（１≦ j,k ≦ｎ）を有する。ここでは、太陽電池の数は縦横同数としたが、縦と横で相違してもよい。本例では例えばｎ＝３２であり、３２×３２＝１０２４個のセルａjkから成る。後に詳しく説明するように、各セルａjkごとに機械的駆動部すなわちアクチュエータを備え、太陽からの光線を最大効率で受光できるように、セルごとに太陽に対して移動あるいは回動可能となっている。このように、それぞれ駆動部を有する多数のセルから太陽電池アレイを構成したから、仮に１０個のアクチュエータが故障しても、１０２４個のセルを備えていると出力低下は１％以下であり、長期間安定な電力供給が可能である。他方、１枚の太陽電池を可動に保持する方式では、アクチュエータが故障した場合には角度の制御が不能となり出力が大幅に低下することになる。

図２は、本例の太陽電池アレイの製造工程の中間段階の一工程を示す断面図である。集積回路が作り込まれた半導体基板１上に、酸化膜２が堆積され、酸化膜２は化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化され、その上にメタル層３が形成されている。ヒンジ５が、第１の犠牲層４を介して形成されている。ヒンジ５を支えるヒンジ支持ポスト６１、６２とヨーク７がその上に形成され、第２の犠牲層８を介して、アクチュエータ９が形成される。後の工程でアクチュエータ９は各セルに分離され、第１及び第２の犠牲層４，８は除去され、アクチュエータ９は可動となる。このようなアクチュエータの形成工程はＭＥＭＳとして公知である（例えば、特開平５−３３３２７９号公報参照）。

本実施形態では、この一括して形成されているアクチュエータ９上に太陽電池１０を同様に一括して積層形成する。図２では、太陽電池アレイを構成する１セルの断面を示したが、アクチュエータ９と太陽電池１０は、他のセル上に連続して形成されている。

太陽電池の表面積を増加させるために、アクチュエータ上面をエッチングして凹凸を形成する。あるいは、アクチュエータ上面を平坦に形成し、その上に形成された太陽電池の第１層上面をエッチングして凹凸を形成してもよい。微小な凹凸を付与するためのエッチングは、ウェットエッチングでもよいし、規則的な凹凸を付与するために、パターニングの後ドライエッチングを行ってもよい。ドライエッチングとしては、ＸｅＦ２ガスを用いてもよいし、ハロゲン元素，ＳＦ６，ＮＦ３などのプロセスガスを用いるプラズマドライエッチングを採用することができる。

太陽電池１０は、積層型で、例えばＰＩＮ型のアモルファスシリコンからなり、アクチュエータ９や半導体回路に影響を与えないようにプラズマＣＶＤで形成され、アクチュエータ９上に一括して形成される。太陽電池の積層は、クラスタツールを備えた製造装置で順次チャンバ内で処理してもよいし、同一チャンバ内でガスを逐次切替えて処理するようにしてもよい。

その後、プラズマエッチングにより、アクチュエータ９と太陽電池１０は、各セルごとに分離され、第１の犠牲層４及び第２の犠牲層９が除去され、アクチュエータ９の下部に空隙を構成する。これを図３に示す。アクチュエータ９は、アクチュエータに対向する駆動電極による静電気力で駆動される。

このようにして、例えば３２×３２の太陽電池のアレイが得られる。本発明によると、多数の太陽電池からなる太陽電池アレイが、アクチュエータの上に一括して形成された後太陽電池を分割分離して形成することができるので、太陽電池アレイの製造が容易となる。

図４に、このようにして得られた太陽電池を用いる電子機器の一例を示す。

図４に示した電子機器は、主として通信の中継器として用いられるもので、球状で透明な内側カバー２１と同様に球状で透明な外側カバー２２を備え、内側カバー２１と外側カバー２２とは、潤滑材８０を介してお互いに回動可能となっている。内側カバー２２には、カバーの中心を通る平坦な部材からなる基板５０が固着され、基板５０の一方側には、太陽電池アレイ３１を少なくとも前面が透明なパッケージ３２で覆った太陽電池ユニット３０と、アンテナと送受信回路を備える電子回路ユニット４０とが備えられている。太陽電池ユニット３０は、基板から適宜の角度に支えられ、この角度は使用する場所によって調整可能となっている。また、基板５０の反対側には、大容量コンデンサ７０を備えている。大容量コンデンサ７０は、発電された電力を蓄えるためのものであり、同時に錘の機能を果たしている。さらに基板５０の内側カバーの近傍で、中心から対象の位置に永久磁石９１及び９２が、磁力線の方向を揃えて配置されている。

本例はこのように構成され、カバー２１及び２２が、潤滑材を封入した二重構造の球体で構成され、内側カバー２１に保持された大容量コンデンサ７０が錘となっているので、どのように配置されても太陽電池ユニット３０が自動的に上側にくる。また、基板５０が水平から傾かないように重量バランスが調整されている。なお、カバー７１，７２間には潤滑材を封入したが、二重構造の球体が自由に回動できれば、潤滑材を使用しなくてもよく、また他の支持部材を使用してもよい。錘を兼用する大容量コンデンサ７０に代えて、二次電池すなわち充電池を用いてよい。

永久磁石９１，９２は、方位磁針として配置されており、基板５０が保持されている内側カバー２１は外側カバー２２に対して自由に移動可能であるから、基板５０の向きが、永久磁石によって自動的に調整される。これにより、太陽電池ユニット３０の方位を調整することができ、さらに効率の良い発電を実現できる。もちろん、太陽電池アレイ３１の向きは北半球では南向きになるように基板５０上に配置されている。また、アレイ面が太陽に正対するように、アレイ３１の角度は設置される緯度に応じて調整され、具体的には、設置場所の太陽の平均高さに合致している。

そして、本例の太陽電池アレイは、各セルがその角度を変化させることができるから、発電電力量をモニタしながら、太陽電池面を最大発電量を得る角度に制御すると、時刻あるいは季節に関係せずに最大発電量を得ることができる。

このように構成された太陽電池付電子機器は、受光可能な場所に配置するだけで自動的に最大の発電能力が実現できるから、設置に要する時間やコストを大幅に削減することができる。また、場所によっては、例えば航空機やヘリコプタにより空中から散布するだけで、最大の発電能力が実現できる。

本例では、基板５０上にアンテナと送受信回路を備える電子回路ユニット４０を備えているから、相互に通信を行って自動的にネットワークを構築することができる。すなわち、例えば大規模災害地において短時間で簡便に通信網が構築できる。また、砂漠、密林、山岳地帯であっても、ケーブルを設置する必要がないから、自然環境に影響を与えずに通信網を構築することができる。

さらに、基板上にはその他適宜のセンサ、電子回路等を搭載することができ、センサから得られた信号を、構築されたネットワークを介して情報処理センター等に送信することができる。また、ネットワークを介して情報や信号のみならず、電力を送受信するようにしてもよい。このようにすると、大きな電力が必要な地点に必要な電力を送ることができる。

なお、本発明による太陽電池アレイは、屋内の照明の下でも使用可能であることはいうまでもない。

本発明の一実施形態である太陽電池アレイを示す概略図である。 本発明の他の実施形態である太陽電池アレイ製造方法の中間工程を示す断面図である。 本発明の他の実施形態である太陽電池アレイ製造方法の最終工程を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態である太陽電池アレイを備える電子機器を示す概略図である。

符号の説明

１…半導体基板
２…酸化膜
３…メタル層
４…第１犠牲層
５…ヒンジ
６１，６２…ヒンジし支持ポスト
７…ヨーク
８…第２犠牲層
９…アクチュエータ
１０…太陽電池
２１…内側カバー
２２…外側カバー
３０…太陽電池ユニット
４０…電子回路ユニット
５０…基板
７０…コンデンサ
８０…潤滑材
９１，９２…永久磁石

Claims (29)

1. 半導体基板に制御回路を積層形成する制御回路形成工程と、
   前記制御回路上にアクチュエータを積層形成するアクチュエータ形成工程と、
   前記アクチュエータ上に太陽電池を形成する太陽電池形成工程と、
   前記アクチュエータ及び前記太陽電池を分割して、各々がアクチュエータに保持された複数の太陽電池から構成される太陽電池アレイを形成する太陽電池アレイ形成工程と
   を有する太陽電池アレイ製造方法。
2. 前記アクチュエータは、一部が犠牲層で保持され、太陽電池アレイ形成工程で前記犠牲層が除去される請求項１に記載の太陽電池アレイ製造方法。
3. 前記アクチュエータ形成工程において、前記アクチュエータの上面に凹凸をエッチングにより形成する請求項１又は２に記載の太陽電池アレイ製造方法。
4. 前記太陽電池形成工程において、前記太陽電池の第１層に凹凸をエッチングにより形成する請求項１又は２に記載の太陽電池アレイ製造方法。
5. 前記エッチングは、ウェットエッチングである請求項３又は４に記載の太陽電池アレイ製造方法。
6. 前記エッチングは、パターニングの後のドライエッチングである請求項３又は４に記載の太陽電池アレイ製造方法。
7. 前記ドライエッチングは、ＸｅＦ２ガスによるドライエッチングである請求項６に記載の太陽電池アレイ製造方法。
8. 前記ドライエッチングは、プラズマドライエッチングである請求項６に記載の太陽電池アレイ製造方法。
9. 前記プラズマドライエッチングは、ハロゲン元素を含むプロセスガスによる請求項８に記載の太陽電池アレイ製造方法。
10. 前記プラズマドライエッチングは、ＳＦ６又はＮＦ３を含むプロセスガスによる請求項９に記載の太陽電池アレイ製造方法。
11. 前記太陽電池形成工程の少なくとも一部を、プラズマＣＶＤで製造する請求項１〜１０の少なくとも１項に記載の太陽電池アレイ製造方法。
12. 前記太陽電池形成工程では、積層構造を有する太陽電池を形成する請求項１〜１１の少なくとも１項に記載の太陽電池アレイ製造方法。
13. 前記積層構造は、同一装置内で製造される請求項１２に記載の太陽電池アレイ製造方法。
14. 前記積層構造は、同一チャンバ内でガスを逐次切替えて製造される請求項１２に記載の太陽電池アレイ製造方法。
15. 制御回路が積層形成された半導体基板と、
    前記制御回路上に形成された複数のアクチュエータと、
    前記複数のアクチュエータ上に積層形成された太陽電池と
    を備える太陽電池アレイ装置。
16. 請求項１〜１４に記載の製造方法により製造された、各々がアクチュエータに保持された複数の太陽電池から構成される太陽電池アレイを備えた太陽電池アレイ装置。
17. 前記太陽電池の発電量が最大となるように前記アクチュエータを駆動する制御機構を備えた請求項１５又は１６に記載の太陽電池アレイ装置。
18. 電力を蓄電するために２次電池又はコンデンサを備える請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の太陽電池アレイ装置。
19. 前記太陽電池は保護のためにパッケージされ、該パッケージは少なくとも太陽電池アレイに面する側が透明である請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の太陽電池アレイ装置。
20. 請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の太陽電池アレイ装置を備える電子機器。
21. 前記電子機器は、透明なカバーで覆われた請求項２０に記載の電子機器。
22. 前記カバーは、球形である請求項２１に記載の電子機器。
23. 前記太陽電池アレイ装置が自動的に上方に向かうように重量バランスが調整された請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の電子機器。
24. 前記重量バランスを調整するために、二次電池又はコンデンサを錘の一部として用いる請求項２３に記載の電子機器。
25. 前記球形カバーの外側に少なくとも内面が球形である外側カバーが配置された請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の電子機器。
26. 前記太陽電池アレイが自動的に所望の方向に向かうように永久磁石が配置された請求項２０〜２５のいずれか１項に記載の電子機器。
27. 前記球形カバーと前記外側カバーとの間に潤滑材が封入された請求項２５又は２６に記載の電子機器。
28. 信号の送受信のために、アンテナ及び送受信回路を備えた請求項２０〜２７のいずれか１項に記載の電子機器。
29. 請求項２８に記載の電子機器を複数有し、各電子機器が自律的に信号を送受信してネットワークを形成する電子機器システム。

Images