JP2006041452A5 - - Google Patents

Description

マイクロ粒子層型の高効率太陽電池

本発明は、シリコン等による太陽電池のｐｎ接合をｐｎマイクロ接合としたこと及びその 部分を厚くしたり積み上げる等によってｐｎマイクロ接合層としたことにより単位面積当 たりのｐｎ接合面積を増加させて高効率化を図っただけでなく、光拡散材や採光板を併せ て使用する等によっても高効率化を図ったことを特徴とする太陽電池に関する。

従来の太陽電池は光電効果によってなされるもので、これはｐｎ接合面を持つｎ型シリコンに光を照射すると、バンド遷移等によって電子と正孔の対がｐｎ接合面の付近で発生し、空乏層のドリフト効果等によって正負の電極ができる現象を利用している。

しかし、太陽光の持つエネルギー密度が低いため、従来の太陽電池は大きく分けて太陽光をそのままの状態で利用する平板型と、光学系などを使って高密度化してから太陽電池に入射させる集光型の二つになっている。

通常では、前者の太陽光をそのままの状態でシリコン等で形成されたｐｎ接合の構造によって電力を得る平板型が最も一般的な太陽電池であり、そのほとんどがインゴットにしたシリコン固体から、結晶板（ウエハ）を製作する方法となっている。

その中で、「球状マイクロソーラセル」という名称で、京セミ株式会社が球状のｐｎ接合を持つ商品を開発したものがある（例えば、非特許文献１参照）。

その内容は、「直径が１〜２ｍｍ程度の小さなシリコン単結晶を用いて、シリコンの表面から１ミクロンメートル程度の深さまで不純物を拡散して、球状面のｐｎ接合を形成し、そのＰとｎの表面に対向した１対の電極を設けてセルを作る〜」というものである。

つまり、直径１〜２ｍｍのシリコンボールを作り、それらの１個ずつに、中身をＰ型シリコンとして外側をｎ型シリコンとすることで、中身と外側の境目にｐｎ接合面を作り、さらにその１個ずつの球状の端と端に正負の電極を取り付けるというものである。

一方、単に球状半導体を用いて太陽電池としたものもある。球状にした第１型半導体の表面に、ｐｎ接合を形成するように第２型の半導体層と透明の電導膜を一緒に張り、個々の球状半導体同士を細い導体で繋ぐ方法のものである（例えば、特許文献１参照）

さらに、球状太陽電池をｐ型及びｎ型領域と接触する糸状の導体を横糸として、不良導体を縦糸とした構成でモジュール化したものがある（例えば、特許文献２参照。）。
「京セミ株式会社インターネットＨＰ球状マイクロソーラセル」 特開２００１−１５６３１５ 公報 特開平０９−１６２４３４ 公報

従来の太陽電池では、太陽光の持つエネルギー密度が低いため、変換効率が結晶系シリコン太陽電池のｐｎ接合であっても１５〜１９％程度と低く、太陽光を十分に電力変換しているとは言えなかった、例えば１ＫＷの電力を得るためには、約７ｍ^２もの受光面積（Ｐｎ接合面）が必要であり、モジュール等も大規模となって製造コスト等が割高となっていた。また、太陽の軌道に沿った受光が難しく、安定的な強度の光も得られにくかった。

これは、従来の太陽電池の原理が光電効果によってなされるからであり、電子と正孔の対を発生するｐｎ接合面の広さが最も影響しているのである。

そのため、太陽光によって光電効果を起こすｐｎ接合において、その単位面積当たりのｐｎ接合面積を増加させることが、より現実的に小型化を可能とし、かつ高い変換効率となる太陽電池を実現させるのである。

本発明は、このような問題を解決しようとするものであり、ｐ型及びｎ型シリコンの全部 あるいは一部を粒子状態としてそれらに大小の差を設けて接合する「ｐｎマイクロ接合」 及びそれを層状とした「ｐｎマイクロ接合層」により単位面積当たりのｐｎ接合面積を大 幅に増加向上させ、小型化が可能となる高い変換効率の太陽電池の実現とコストの低減化 を図るだけでなく、フレキシブルで高効率な太陽電池の実現をも目的とするものである（ これらをまとめて「マイクロ粒子層型の太陽電池」という。）。

また、パッケージ化にかかる採光板の改善による光の干渉効果と集光作用、さらには本発明の太陽電池を帯状にして渦巻き状の太陽電池モジュール（又は太陽電池パネル）とすることを併せ用いて、さらなる高効率化を図ることをも目的とするものである。

上記目的を達成するために太陽電池のｐｎ接合において、例えばｐ型及びｎ型シリコンの 一部を大小の差を設けた粒子状態（ここでは、大きい方を「ｎ型マイクロ粒子」、小さい 方を「ｐ型マイクロ微粒子」とする。）として、まず大きい方のｎ型マイクロ粒子を、段 ボール箱に野球ボールを積み込むような感じで積み上げる。

次に、その段ボール箱の中で数段に積み上がったｎ型マイクロ粒子の層の隙間に、小さい 方のｐ型マイクロ微粒子を充填させるように一体的に組み合わせることで、「ｐｎマイク ロ接合層」ができあがる。

この状態では、大きい方のｎ型マイクロ粒子の球状面部分に、それより小さいｐ型マイク ロ微粒子が密接に接合することで、ｐｎ接合面積は平面に比して球状面分がおよそ増加す ることとなる。

そして、このｐｎマイクロ接合層をｐ型及びｎ型シリコンで両側から夾み込み、電極等を 備えることで基本的なマイクロ粒子層型の高効率太陽電地ができあがる。

また、上記ｐ型及びｎ型シリコンのそれぞれにおいても、例えばｎ型シリコンの全部ある いは一部を粒子状態として、大きい方をｎ型マイクロ粒子、小さい方に球状の光拡散材を 用いて一体的に組み合わせると、ｐｎマイクロ接合層への入射光の強度が従前より改善さ れることが期待できる。

一方、採光板は、まず波長０．３〜１．０マイクロメータ程の太陽光が概ね干渉して強め 合う間隔（概ね０．１〜数ミリ程度）のスリットを設けて、次に受光面から一定の距離を 開けて取り付ける。なお、干渉効果によって強め合うには、当該波長の半波長の整数倍の 距離のうち、技術可能な距離を採用する。

これは、太陽光の強度を高めるために、太陽光から取り込める基本的な波長帯を対象とし て干渉効果を得ようとするものである。ただし、この採光板は入射光を阻害しないよう十 分な配慮が必要となるが、このスリット効果については、透明な採光板の光の損失率が通 常４〜５％程度あることを考えると、十分に有効となるものと思われる。

また、採光板の表面に反射防止薄膜を設ける場合、上記スリット部分にのみ厚みを僅か加えることで、十分レンズ効果が発揮されることとなる。しかしこの厚みが強すぎては、入射光自が減衰してしまう。

さらに、本発明の太陽電池を直列配置となるように、例えば幅数センチから数十センチメートル、長さ数十センチメートルから数十メートルの薄い帯状に成形し、又はこれを両面から太陽光が入射するように抱き合わせた帯状にし、粒子状の光拡散材を充填するための隙間を残しつつ、方形（又は円形）の中心に向けて渦巻き状に巻き込んでいく。

その隙間部分には粒子状の光拡散材で充填する。そして、それらの上下及び側面の防護体 には主に硬質樹脂材等を用い、上部の反射防止薄膜と下部の反射薄膜及び電極等を備える 。

これらの解決手段による作用は、次の通りである。まず太陽電池の原理は、半導体の陰極に光を照射すると、バンド間遷移等によってｐｎ接合面付近から生成キャリアの電子と正孔の対が発生する。ただし、ｐｎ接合面から離れた場所では、電子と正孔の再結合化によって発生した電子と正孔は消滅するが、ｐｎ接合面付近では空乏層という内蔵電界域ができあがり、ドリフト効果等が発生して電子と正孔が再結合化せずに分極され、電位差が生じて起電力が発生するものである。

つまり、変換効率を向上させようとするためには、ｐｎ接合面付近で生成する電子と正孔の対を、より多く発生させて分極させることが必要となる。

そのために、ｐｎ接合をｐｎマイクロ接合あるいはｐｎマイクロ接合層とすることで、単 位面積当たりのｐｎ接合面積が従来の平面に比して球状面の部分（球状の粒子状態とした 場合）がおよそ増加し、その結果より多くの電子と正孔の対が発生して分極させることが できるのである。

また、受光面となるｎ型シリコンの層においても、全部あるいは一部を粒子状態として、 その隙間に光拡散材を一体的に組み合わせることで、直射光でけでなく散乱光に対しても 有効に作用することとなる。

これらのように、ｐｎ接合をｐｎマイクロ接合やｐｎマイクロ接合層としたり、受光面を 工夫したりした太陽電池では、変換効率のより高効率化が期待できるだけでなく、採光板 の活用によっても改善効果が期待できることから、結果として小型化も十分可能となり製 造コスト等の低減も図られることとなる。

上述したように、本発明のマイクロ粒子層型の高効率太陽電池は、変換効率の高効率化が 期待できることで多くのメリットが期待される。

例えば製造面では小型化等により製造コストの低減が図られ、原材料の少量化等が期待で きる。また流通・販売面でも小型化等により輸送コストの低減や迅速な対応だけでなく、 販売単価や工事費等が低減されることとなる。

さらに顧客としては、本発明の太陽電池によって従来の太陽電池に比して発電電力量が増 加することで、一般電気事業者への販売増加による収益も期待できる。

発明の実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例の形態を図１〜図６に基づいて説明する。ただし、本発明はこれら に限定されるものではない。

図１〜図３において、１ａはマイクロ粒子層型の高効率太陽電池（基本型）、１ｂはマイクロ粒子層型の高効率太陽電池（光拡散型）、１ｃはマイクロ粒子層型の高効率太陽電池（フレキシブル型）の構成内容である。

まず図１では、ｎ型マイクロ粒子５を、単位面積当たりのｐｎ接合面積を増大させるために数層〜数十層程度に積み上げ、その際に生じる隙間にｐ型マイクロ粒子６を充填させて形成したｐｎマイクロ接合層４を、受光面側のｎ型シリコン２ａと裏面側のｐ型シリコン３ａで夾むように接合することで、生成キャリアである電子と正孔の対を発生させる機能を有することとなる。

そして、ｎ型シリコン２ａの外側に反射防止膜９を置き、当該太陽電池の両端となるｎ型 シリコン２ａ及びｐ型シリコン３ａにそれぞれ電極７を配置することで上記１ａの太陽電 池（基本型）が構成される。

図２では、ｐｎマイクロ接合層４とｐ型シリコン３ａは変えずに、受光面側のｎ型シリコ ン（光拡散型）２ｂの層を、垂直入射光だけでなく散乱光や弱い光をより多くｐｎマイク ロ接合層４に誘導させるために、ｎ型マイクロ粒子５と光拡散材８（クリスタル、ガラス 及び石英等）によって一体的に組み合せる。

そして、ｎ型シリコン（光拡散型）２ｂの外側に反射防止膜９を置き、上記同様に電極７ を両端に配置することで、上記１ｂの太陽電池（光拡散型）が構成される。

図３では、ｐｎマイクロ接合層４は変えずに、受光面側のｎ型シリコン２ａと裏面側のｐ 型シリコン３ａを、それぞれ粒子状態としたものである。

具体的には、まず受光面側のｎ型シリコン２ａをｎ型マイクロ粒子５とし、その際に生じ る隙間にそれより小さいｎ型マイクロ微粒子１０を充填させて一体的に組み合わせる。こ れにより、ｎ型シリコン２ａを粒子状態としたｎ型シリコン（粒子型）２ｃが形成される 。

上記同様にして裏面側のｐ型シリコン３ａがｐ型シリコン（粒子型）３ｂに形成される。

すなわち、受光面側のｎ型シリコン（粒子型）２ｃと裏面側のｐ型シリコン（粒子型）３ ｂで、ｐｎマイクロ接合層４を挟み込み、電極７を両端に配置すること等で上記１ｃの太 陽電池（フレキシブル型）が構成される。

一方、図４の採光板本体１２では、透明な耐熱性樹脂などの採光板１４に細いスリット１５を設けるものであるが、そのスリット１５の設定間隔は、光の干渉効果によって強め合うような距離１６にすることが必要である。

なお、必要に応じて、採光板１４の表面に設ける反射防止膜（採光板用）１３のスリット１５位置にかかる部分の厚み１７を僅かに厚くすることで、一定程度のレンズ効果が期待できる。厚すぎては透過光のエネルギーが損失し過ぎることとなる。

図５及び図６では、まず幅数センチメートルから数十センチメーメートル程度で、長さ数十センチメートルから数十メートルとした帯状の上記太陽電池１ｂを２つ、絶縁膜１９を間にして抱き合わせ状にし、粒子状の光拡散材８を充填するための隙間を残しつつ、方形（又は円形）の中心に向けて渦巻状に巻き込んでいく。

そして、それらの上下部分（上部防護体２０は透明で太陽光反射防止膜９を付加したガ ラス材あるいは硬質樹脂材（以下「硬質樹脂材」という。）とし、下部防護体２１は反射薄膜２２を付した硬質樹脂材とする。）及び側面を硬質樹脂材（側面防護体１８）で覆い、パネル用電極２３を通して一体的な方形（又は円形）の渦巻き状の太陽電池モジュール （又は太陽電池パネル）２４とする。

本発明の実施例の形態を示すマイクロ粒子層型の高効率太陽電池（基本型）の断面図 同マイクロ粒子層型の高効率太陽電池（光拡散型）の断面図 同マイクロ粒子層型の高効率太陽電池（フレキシブル型）の断面図 同採光板の断面図 図２記載のマイクロ粒子層型の高効率太陽電池（光拡散型）を活用した太陽電池モジュール（太陽電地パネル）の平面図 図５記載の太陽電池モジュール（太陽電池パネル）のＡ−Ａ断面図

符号の説明

１ａ マイクロ粒子層型の高効率太陽電池（基本型）
１ｂ 同 （光拡散型）
１ｃ 同 （フレキシブル型）
２ａ ｎ型シリコン
２ｂ 同 （光拡散型）
２ｃ 同 （粒子型）
３ａ ｐ型シリコン
３ｂ 同 （粒子型）
４ ｐｎマイクロ接合層
５ ｎ型マイクロ粒子
６ ｐ型マイクロ微粒子
７ 電極
８ 光拡散材（クリスタル、石英ガラス等）
９ 反射防止膜
１０ ｎ型マイクロ微粒子
１１ ｐ型マイクロ粒子
１２ 採光板本体
１３ 反射防止膜（採光板用）
１４ 採光板
１５ スリット
１６ 光が干渉して強め合う距離
１７ 厚み
１８ 側面防護体
１９ 絶縁膜
２０ 上部防護体
２１ 下部防護体
２２ 反射薄膜
２３ パネル用電極
２４ 太陽電池モジュール（太陽電池パネル）

Claims (8)

1. シリコン等による太陽電池のｐｎ接合（ｐｉｎ接合、多接合、ショットキー接合、ヘテロ 接合及び積層等を含む。以下略。）において、ｐ型及びｎ型シリコン（結晶系、非結晶系 及び化合物半導体系等。以下略。）の全部あるいは一部を粒子状態（主に球状で格子状等 も含む。大きさはミリ、マイクロ、ナノメーター及び液相レベル等。以下略。）とし、そ れらに大小の差を設けて接合させることでｐｎ接合面積を増加させたことを特徴とする太 陽電池。
2. 請求項１に記載された粒子状態として、それらに大小の差を設けたｐ型及びｎ型シリコン によるｐｎ接合の部分を、厚くしたり積み上げる等によって従来平面であったｐｎ接合を 立体的なｐｎ接合（以下「ｐｎマイクロ接合層」という。）としたことを特徴とする太陽 電池。
3. 請求項１及び請求項２に記載されたｐ型及びｎ型シリコンの全部あるいは一部を粒子状態 として、それらに大小の差を設けたｐｎ接合（以下「ｐｎマイクロ接合」という。）した ことを特徴とする接合方法。
4. 請求項３に記載されたｐｎマイクロ接合の部分を、厚くしたり積み上げる等によってｐｎ マイクロ接合層としたことを特徴とする接合方法。
5. 請求項１及び請求項２に記載されたｐ型及びｎ型シリコンの全部あるいは一部を粒子状態 として大小の差を設ける時に、球状等の光拡散材（ダイヤモンド、クリスタル、ガラス、 石英及び透明樹脂等。以下略。）となるものを一体的に組み合わせたことを特徴とする太 陽電池。
6. 入射光の波長の一部又は複数を干渉効果によって強い光とするために、その光が強め合うように干渉し合う間隔距離を持つスリットを設けた採光板を有することを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の太陽電池。
7. 請求項６に記載された、光が強め合うように干渉し合う間隔距離を持つスリットを設けた こと、あるいはこのスリットの位置に合致する部分の反射防止膜を僅かに厚くしレンズ効 果を持たせたことを特徴とする採光板。
8. 請求項１あるいは請求項２記載の太陽電池を、直列配置となるように薄い帯状のモジュー ル等（片面あるいは抱き合わせの両面型とする。）に成形し、それらを渦巻き状としたこ とを特徴とする太陽電池モジュールあるいは太陽電池パネル（隙間部分に粒子状の光拡散 材を充填した場合も含む。以下略）。