JP2007273491A - 光電変換素子、繊維状構造体、織物、布地および壁紙材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】全体として面状の光電変換素子において、光電変換素子の主面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向を垂直とする。光電変換素子は、その主面に沿った方向に順次配置されたp型半導体層13およびn型半導体層14により構成されるpn接合からなり、その主面に沿った方向にp型半導体層13と接して配置されたp電極11およびn型半導体層14と接して配置されたn電極12を有する。光電変換素子の全体の形状は円形、三角形、四角形、六角形などの各種の形状であってよい。
【選択図】図2
Description
この発明が解決しようとする他の課題は、究極的には理論最大効率に迫る極めて高い光電変換効率を得ることができ、しかも例えば衣服に用いることで人間の体から輻射される赤外線により発電を行うことができる光電変換素子を提供することである。
上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により上記光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直であることを特徴とするものである。
光電変換素子であって、
上記光電変換素子に最も高い光電変換効率を与える方向から入射する光について、上記光電変換素子に入射する上記光の進行方向と上記光電変換素子内のpn接合面とが平行であることを特徴とするものである。
ここで、この光電変換素子においては、典型的には、pn接合面が光電変換素子の主面に沿った方向に複数、好適には少なくとも10以上、より好適には100以上、繰り返し配置される。
光電変換素子であって、
上記光電変換素子に垂直に入射する光の進行方向と上記光電変換素子内のp電極およびn電極とが平行であることを特徴とするものである。
ここで、この光電変換素子はpn接合面を有し、そのp型半導体層にp電極がオーミック接触し、そのn型半導体層にn電極がオーミック接触している。
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に垂直なpn接合面を有することを特徴とするものである。
ここで、典型的には、光電変換素子の主面に垂直なpn接合面がこの主面に沿った方向に複数、好適には少なくとも10以上、より好適には100以上、繰り返し配置される。
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に沿った方向に順次配置された第1の導電型の第1の半導体層および第2の導電型の第2の半導体層により構成された接合を有することを特徴とするものである。
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に沿った方向に順次配置された第1の電極と真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層と第2の電極とにより構成され、上記第1の電極および上記第2の電極は互いに仕事関数が異なる導電材料からなる接合を有することを特徴とするものである。
光電変換効率を理論最大効率に近づける観点より、好適には、真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層は光電変換素子に入射する光の進行方向に複数の部分に分割され、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップは上記の光の入射進行に沿って手前から奥側に段階的に減少している。この場合、好適には、これらの複数の部分のそれぞれの部分の上記の光の進行方向の厚さがそのバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光のその部分における吸収長以上である。こうすることで、光電変換素子に例えば太陽光が入射した場合、この太陽光はバンドギャップが一番大きい半導体にまず入射し、最終的にバンドギャップが一番小さい半導体に入射することになり、この過程で太陽光スペクトルのうちの短い波長の光から長い波長の光に亘って順次吸収され、しかもこの吸収量は最大化される。このため、真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層の分割数および使用する半導体の種類によって、太陽光スペクトルの主要部あるいは実質的に全部の光を光電変換することができ、究極的には光電変換効率を理論最大効率に近づけることができる。
第5および第6の発明に関連して説明したことは、その性質に反しない限り、第1〜第4の発明においても同様に成立する。
第1〜第6の発明による光電変換素子は繊維状構造体に用いることができる。具体的には、この繊維状構造体は、その構造の少なくとも一部にこれらの光電変換素子の構造あるいは断面構造を有する。この繊維状構造体を用いて例えば織物、布地、壁紙材料などを作ることができる。
全体として矩形の断面形状を有する繊維状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の少なくとも一側面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により上記光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直であることを特徴とするものである。
第7の発明においては、その性質に反しない限り、第1〜第6の発明に関連して説明したことが成立する。
第1〜第7の発明において、光電変換素子には、太陽電池のほか、光センサーなども含まれる。また、必要に応じて、第1〜第7の発明に係る光電変換素子を複数組み合わせてモジュール化あるいはシステム化してもよい。
図2AおよびBはこの発明の第1の実施形態による太陽電池を示す。ここで、図2Aは上面図(平面図)、図2Bはこの太陽電池の直径方向の断面図である。図2AおよびBに示すように、この太陽電池は、p電極11とn電極12とが、それらの間にp型半導体層13とn型半導体層14とからなるpn接合を挟んで渦巻き状に形成されたもので、全体として円形の面状の形状(薄い円板形状)を有する。この場合、p電極11の外側および内側ともp型半導体層13、n電極12の外側および内側ともn型半導体層14になっており、この太陽電池は動径方向で見るとp型半導体層13とn型半導体層14とからなるpn接合が並列接続された構造を有する。
p電極11およびn電極12はそれぞれp型半導体層13およびn型半導体層14とオーミック接触する導電材料により構成される。
図3に示すように、例えば所定幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム21の一方の面にあらかじめp電極11を形成したものと、これと同じ幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム22の一方の面にあらかじめn電極12を形成したものとを用意する。これらの樹脂製ベースフィルム21、22は一般的には図示省略したローラに巻き付けられた状態で用意されるが、これに限定されるものではない。
以上のようにして、図2AおよびBに示す目的とする太陽電池が製造される。
この太陽電池の平面形状は図2に示す太陽電池と同様である。図4にこの太陽電池の詳細構造を模式的に示す。図4において、p電極11とn電極12とが背中合わせになる部位には樹脂などの各種の絶縁体からなるテープ41が設けられており、このテープ41によりp電極11とn電極12とが互いに電気的に絶縁されている。この場合、n電極12は全面電極であり、n型半導体層14とオーミック接触しているのに対し、p電極11は円板の厚さ(W)方向に互いに分離された細長いn個の微小p電極11−1〜11−nからなる。これらの微小p電極11−1〜11−nの幅はそれぞれW1 、W2 、…、Wn であり、これらは互いに同一であっても異なっていてもよい。符号42は芯材を示す。
図4A〜Dに示すように、この塗布装置のノズル43は、上面43aから下面43bに貫通した5個の開口部44〜47を有する。これらの開口部44〜47は矩形の断面形状を有し、先端部(下面43b側の部分)に向かって先すぼまりの形状を有する。これらの開口部44〜47の内部には図示省略した塗布液供給機構により塗布液が供給され、この開口部44〜47の先端から外部に塗布液が吐出されるようになっている。開口部44〜47の先端の矩形の辺の長さa、bは形成しようとする半導体ストライプの幅に応じて決められるが、例えば1〜10μm程度であり、開口部44〜47の間隔cも例えばこれと同程度とすることができる。
開口部44〜47の内部に例えばそれぞれバンドギャップがEg1、Eg2、Eg3、Eg4、Eg5(Eg1>Eg2>Eg3>Eg4>Eg5)の半導体材料を溶媒に溶かした塗布液を入れる。そして、ノズル43の下面43aをテープ41に近接させ、テープ41を長手方向に送りながら、塗布液に上から圧力を加えることで開口部44〜47の先端から外部に塗布液を吐出する。こうすることで、テープ41上に、バンドギャップがそれぞれEg1、Eg2、Eg3、Eg4、Eg5のn型半導体層14−1、14−2、14−3、14−4、14−5を形成する。例えば、バンドギャップがEg1の材料として直径90nm程度のPbSe微粒子(吸収ピーク波長2300nm)、バンドギャップがEg2の材料として直径4.0nm程度のCdSe微粒子(吸収ピーク波長585nm)、バンドギャップがEg3の材料として直径2nm程度のPbSe微粒子(吸収ピーク波長800nm)、バンドギャップがEg4の材料として直径4.5nm程度のPbSe微粒子(吸収ピーク波長1100nm)、バンドギャップがEg5の材料として直径90nm程度のPbSe微粒子(吸収ピーク波長2300nm)を用いる。
この太陽電池においては、第1または第2の実施形態による太陽電池における薄膜状のp電極11およびn電極12の代わりに、金属などの導電材料からなるワイヤーを用いる。図8にこの太陽電池の一部の平面図を示す。図8に示すように、この場合、太陽電池の主面に垂直な方向に互いに平行に延びる多数のワイヤー51によりp電極11が形成されており、同じく太陽電池の主面に垂直な方向に互いに平行に延びる多数のワイヤー52によりn電極12が形成されている。
この第3の実施形態によれば、第1または第2の実施形態と同様な利点に加えて、それぞれワイヤー51、52によりp電極11およびn電極12が形成されていることにより、太陽電池に入射する光がこれらのp電極11およびn電極12により吸収される確率が大幅に低減し、入射光を極めて有効に利用することができるという利点を得ることができる。
図9はこの光電変換素子を示す。図9に示すように、この光電変換素子61は、矩形の断面形状を有する繊維状の形状を有するものである。この光電変換素子61の断面の一辺の長さは例えば0.1mm〜1mm程度であり、長さは必要に応じて選ばれる。この光電変換素子61は、例えば、第1または第2の実施形態による製造方法により、第1または第2の実施形態による太陽電池における接合と同様な接合62(詳細構造は省略するが、図9Bに示す断面63は、例えば、図4に示されたテープ状構造のエッジのような構造を持つ)を例えば10〜100周期繰り返し積層したものを形成し、これを長手方向に例えばストライプ状に切断することにより製造することができるが、これに限定されるものではなく、他の方法により製造してもよい。
この繊維状の形状を有する光電変換素子61、すなわち光電変換機能を有する繊維状構造体を用いて織物や布地を作ることができ、これを用いて衣服を作ることができる。一例を図10に示す。図10に示すように、この光電変換機能を有する繊維状構造体78を横糸および縦糸に用いて衣服を作ることができる。符号79はこの繊維状構造体78の断面を示す。人がこの衣服を着た場合、体から外部に輻射される赤外線がこの繊維状構造体78に入射して光電変換が行われることにより、発電を行うことが可能である。人の体温は概ね36℃程度であるから、人の体の表面からは波長約5〜10μmの赤外線が輻射され、そのパワーは50W程度であり、最大で約1.5Wの発電が可能である。
また、この繊維状構造体78よりなる織物あるいは壁紙材料を屋根裏部屋やボイラー横など高温の黒体輻射源の近傍に、この黒体輻射源とできるだけ温度差が大きいように、かつこの黒体輻射源と温度平衡に至らないように、張ることにより、効率よく黒体輻射を電気エネルギーに変換することができる。
図11〜図14はこの太陽電池の製造方法を示す。ここでは、バンドギャップがEg1、Eg2、Eg3、Eg4、Eg5、Eg6(Eg1>Eg2>Eg3>Eg4>Eg5>Eg6)の6種類のバルクヘテロジャンクション型有機半導体を用いた太陽電池を製造する場合について説明するが、これに限定されるものではない。
図11Aに示すように、まず、基板71を用意する。
次に、図11Bに示すように、基板71の全面にバンドギャップがEg6の有機半導体層72を塗布形成する。同様にして、図11Cに示すように、バンドギャップがEg5の有機半導体層73、バンドギャップがEg4の有機半導体層74、バンドギャップがEg3の有機半導体層75、バンドギャップがEg2の有機半導体層76およびバンドギャップがEg1の有機半導体層77を順次塗布形成する。
次に、図14Aに示すように、有機半導体層72の下方から、円板12aの一方の主面に多数の針状部12bが立設された構造を有するn電極12を金属などの導電材料により形成したものを矢印で示すように近づけ、最終的に図14Bに示すように、針状部12bを有機半導体層72〜77に突き通すとともに、円板12aを有機半導体層72に密着させる。
この第6の実施形態による太陽電池においては、第2の実施形態におけるp型半導体層13とn型半導体層14とからなるpn接合の代わりに、真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層を互いに仕事関数が異なる2種類の導電材料からなるアノード電極およびカソード電極(第1の電極および第2の電極)で挟んだ接合を用いる。その他のことは第2の実施形態による太陽電池と同様である。
この太陽電池では、図4に示す構造は、アノード電極、カソード電極ともに、全面に形成された単一平面電極、あるいは図8に断面構造を示すようなマルチワイヤー電極を用いることができ、簡単化できる。さらに、出力電圧は上記の2種の導電材料の仕事関数の差で与えられ、間に挟まれる真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層のバンドギャップによらないので、光の吸収は太陽光の全スペクトル幅に広げつつ、かつ出力電圧は、これらの半導体層のバンドギャップによらず一定ということで極めて使い勝手の良い高効率な太陽電池が簡便かつ低コストで得られる。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。必要に応じて、上述の実施形態の二以上を組み合わせてもよい。
また、例えば、図4の構造において2層構造をとり、上方に紫外線を光電変換する半導体層として例えばGaInN層(厚さW1 )を、下方に紫外線より長波長の光を光電変換する半導体層としてアモルファスシリコン層(厚さW2 )を配置することにより、トータルの光電変換効率を高めつつ、かつ同時に光劣化の大きいアモルファスシリコン層を高い信頼性で用いることができる。また、アモルファスシリコンの代わりに、太陽光下での劣化が激しいとされる有機半導体材料を用いる場合についても全く同様に上述の手法を用いることができる。
また、第1、第2、第3、第5または第6の実施形態による太陽電池(より一般的には光電変換素子)を複数敷き詰めて太陽電池システム(光電変換システム)を構成してもよい。これらの太陽電池は直列または並列に接続することができる。太陽電池を六角形の面状に形成することにより、この六角形の形状を有する太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めて太陽電池システムを構成することができる。
Claims (29)
- 全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により上記光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直であることを特徴とする光電変換素子。 - 光電変換素子であって、
上記光電変換素子に最も高い光電変換効率を与える方向から入射する光について、上記光電変換素子に入射する上記光の進行方向と上記光電変換素子内のpn接合面とが平行であることを特徴とする光電変換素子。 - 光電変換素子であって、
上記光電変換素子に垂直に入射する光の進行方向と上記光電変換素子内のp電極およびn電極とが平行であることを特徴とする光電変換素子。 - 全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に垂直なpn接合面を有することを特徴とする光電変換素子。 - 上記主面に垂直なpn接合面が上記主面に沿った方向に複数、繰り返し配置されたことを特徴とする請求項4記載の光電変換素子。
- 全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に沿った方向に順次配置された第1の導電型の第1の半導体層および第2の導電型の第2の半導体層により構成された接合を有することを特徴とする光電変換素子。 - 上記光電変換素子の上記主面に沿った方向に上記第1の半導体層と接して配置された第1の電極および上記第2の半導体層と接して配置された第2の電極を有することを特徴とする請求項6記載の光電変換素子。
- 上記第1の電極、上記第1の半導体層、上記第2の半導体層および上記第2の電極が所定の中心の周りに渦巻き状または同心形状に形成されていることを特徴とする請求項7記載の光電変換素子。
- 上記光電変換素子が上記主面に沿った方向に上記接合を複数有することを特徴とする請求項6記載の光電変換素子。
- 複数の上記接合が互いに並列または直列に接続されていることを特徴とする請求項9記載の光電変換素子。
- 上記第1の電極および上記第2の電極の少なくとも一方が上記主面に垂直な方向に延びるワイヤー状に形成されていることを特徴とする請求項7記載の光電変換素子。
- 上記第1の半導体層および上記第2の半導体層が互いに同種の半導体からなり、上記第1の半導体層および上記第2の半導体層の上記主面に垂直な方向の厚さが、上記半導体のバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光の上記半導体中における吸収長以上であることを特徴とする請求項6記載の光電変換素子。
- 上記第1の半導体層および上記第2の半導体層は上記光の進行方向に沿って複数の部分に分割され、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップは上記光の進行方向に沿って手前から奥側に段階的に減少していることを特徴とする請求項6記載の光電変換素子。
- 上記第1の半導体層および上記第2の半導体層は上記光の進行方向に沿って複数の部分に分割され、これらの部分の上記第1の半導体層および上記第2の半導体層は互いに同種の半導体からなり、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップは上記光の進行方向に沿って手前から奥側に段階的に減少していることを特徴とする請求項6記載の光電変換素子。
- 上記複数の部分のそれぞれの部分の上記光の進行方向の厚さがそのバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光の上記部分における吸収長以上であることを特徴とする請求項14記載の光電変換素子。
- 全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に沿った方向に順次配置された第1の電極と真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層と第2の電極とにより構成され、上記第1の電極および上記第2の電極は互いに仕事関数が異なる導電材料からなる接合を有することを特徴とする光電変換素子。 - 上記第1の電極と上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層と上記第2の電極とが所定の中心の周りに渦巻き状または同心形状に形成されていることを特徴とする請求項16記載の光電変換素子。
- 上記光電変換素子の上記主面に沿った方向に上記接合を複数有することを特徴とする請求項16記載の光電変換素子。
- 複数の上記接合が並列または直列に接続されていることを特徴とする請求項18記載の光電変換素子。
- 上記第1の電極および上記第2の電極の少なくとも一方が上記主面に垂直な方向に延びるワイヤー状に形成されていることを特徴とする請求項16記載の光電変換素子。
- 上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層の上記主面に垂直な方向の厚さが、上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光の上記半導体中における吸収長以上であることを特徴とする請求項16記載の光電変換素子。
- 上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層は上記光の進行方向に沿って複数の部分に分割され、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップは上記光の進行方向に沿って手前から奥側に段階的に減少していることを特徴とする請求項16記載の光電変換素子。
- 上記複数の部分の上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層の上記光の進行方向に沿った厚さは、その部分を構成する上記半導体のバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する上記光の、その部分を構成する半導体における吸収長以上であることを特徴とする請求項22記載の光電変換素子。
- 繊維状構造体であって、その構造の少なくとも一部に請求項1〜23のいずれか一項記載の光電変換素子の構造を有することを特徴とする繊維状構造体。
- 繊維状構造体であって、その構造の少なくとも一部に請求項1〜23のいずれか一項記載の光電変換素子の断面構造を有することを特徴とする繊維状構造体。
- 請求項25または26記載の繊維状構造体を用いたことを特徴とする織物。
- 請求項25または26記載の繊維状構造体を用いたことを特徴とする布地。
- 請求項25または26記載の繊維状構造体を用いたことを特徴とする壁紙材料。
- 全体として矩形の断面形状を有する繊維状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の少なくとも一側面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により上記光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直であることを特徴とする光電変換素子。
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