JP2007507868A - 光起電力素子 - Google Patents

Abstract

【課題】製造しやすく、効率を改善した光起電力素子を提供する。
【解決手段】光起電力ユニットの太陽電池として使用するための光起電力素子が、光子吸収体（１０）を具備する。導電性の作用素子（１２）は少なくとも一部が前記光子吸収体（１０）に埋め込まれる。前記作用素子（１２）は界面によって前記光子吸収体（１０）から分離する。前記作用素子（１２）はさらに前記光子吸収体（１０）よりも高い電子移動度を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光を吸収することによって電気エネルギーを発生させるための太陽電池として特に太陽光発電設備で使用する光起電力素子に関する。

高効率の太陽電池は、例えば下記特許文献１又は２で周知である。それによると、高効率の光起電力素子は、単結晶のゾーン溶融およびｐドープした（約１．５×１０^１６ｃｍ^−３）シリコン製の「ｐベース」と呼ばれる光子吸収体を具備する。光子吸収体の導電率は約１Ω^−１ｃｍ^−１で、厚さは約２００μｍである。光子吸収体の前面は、溝付きの逆ピラミッドで表面処理する。高い反射防止効果を得るために、光子吸収体の前面を、厚さ約１００ｎｍの熱成長させた二酸化珪素（ＳｉＯ_２）層で被覆する。ＳｉＯ_２層の下に、約１×１０^１９ｃｍ^−３から１×１０^２０ｃｍ^−３存在し、侵入度が約０．５から３μｍのエミッター層を設ける。光量子の吸収により励起される電子を供給又は散逸するために、光を受ける光子吸収体の前面にＴｉ−Ｐｄ−Ａｇ製の金属導体を備える。光子吸収体の下面には裏接触面としてアルミニウムを蒸着させる。蒸着したアルミニウムは点接点により裏面電界（ＢＳＦ）に接続する。この点接点とＢＳＦで、蒸着したアルミニウムと光子吸収体との電気接触を確保する。
「Ｓｏｎｎｅｎｅｎｅｒｇｉｅ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｋ」Ｂ．Ｇ．Ｔｅｕｂｎｅｒ Ｖｅｒｉａｇ， Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， １９９７） Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｖｅｒｂｕｎｄ Ｓｏｎｎｅｎｅｎｅｒｇｉｅ Ｔｈｅｍｅｎ ９５／９６、 Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｋ ３

光起電力素子を使って、２１．３％のピーク効率が達成できる。しかしこの効率でもまだ低すぎる。特に光起電力の力で、特に化石燃料から再生可能エネルギー資源に大規模に切り換えるためには、現在達成できる光起電力素子の効率では不十分である。

ドイツ公開特許１９８３７３６５号公報から、太陽光を受ける太陽電池の受光エリアに、金、銀、又はヒ化ガリウムのクラスタを設けることが知られている。クラスタのサイズは３０００から１００００原子の間で、１０μｍよりも小さい。共鳴効果により、クラスタは追加電流を提供する追加の対の電荷キャリアを生み、それによって効率が改善する。このような太陽電池の欠点は、クラスタに用いる材料がかなり高価であることである。さらに、クラスタが太陽電池に比べ非常に小さいため、クラスタを光子吸収体に用いる材料に導入することは複雑で困難である。

本発明の課題は、製造しやすく、効率を改善した光起電力素子又は光起電力装置を提供することである。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の特徴を備える光起電力素子および請求項１６に記載の特徴を備える光起電力装置により解決する。

驚くことに、導電性の作用素子を少なくとも一部光子吸収体に埋め込む本発明の光起電力素子でより高い効率が得られることが分かった。光子吸収体は例えば従来の太陽電池の吸収体層でもよいが、これを特にｐドープしてから、「ｐベース」として設計する。ここで作用素子を界面によって光子吸収体から分離する。すなわち作用素子は光子吸収体のドーピングや光子吸収体の合金ではなく、光子吸収体とは異なる物理特性をもつ素子である。さらに、作用素子は光子吸収体より電子移動度が高い。特に、作用素子の導電率は光子吸収体のものよりも高い。好ましくは、作用素子の導電率は１．４Ω^−１ｃｍ^−１より高く、より好ましくは１．６Ω^−１ｃｍ^−１よりも高く、特に好ましくは２．０Ω^−１ｃｍ^−１、さらに好ましくは８．０Ω^−１ｃｍ^−１より高い。本発明に従い、作用素子は表面の大きな素子として作り、体積に比べて大きな表面をもつ。このために、作用素子は特に細長く、例えば細長い円筒形又は平行六面体とする。表面積対体積の比は特に２．５より大きくし、好ましくは４．０より大きく、さらに好ましくは６．５より大きくする。

光子吸収体と導体の体積比は、好ましくは２〜７の範囲とする。特に好ましくは約４の体積比である。

作用素子は、例えば、従来の光起電力素子と比べ、導体が光子吸収体の外側ではなく内側に配置されるような導体にする。驚くことに、作用素子の好適な実施例は、電気的に絶縁される、すなわち作用素子は正極にも負極にも接続されず、少なくとも一部が光子吸収体内に配置されることが分かった。このように、作用素子は正極にも負極にも接続されず、電圧源に接触しないで光子吸収体に埋め込まれる導体とすることができる。

作用素子の埋め込まれる部分は一定の増幅特性をもつように思われる。光量子で励起される電子はその電気インパルスを簡単に作用素子内部の電子に移すようだ。この電気インパルスは作用素子内では、よりオーム抵抗の高い媒体、すなわち特に光子吸収体又は周囲との界面で、高エネルギーの電気インパルスが作用素子から光子吸収体を通って電気導体まで伝達できるだけの十分なエネルギーが作用素子に蓄積されるまで反射される。導体は本光起電力素子の一部である必要はないが、例えば光起電力素子を受ける光起電力装置の外側当接面となることもできる。この効果は増幅効果を生じさせる共鳴現象によるものであると想定される。このように、作用素子は増幅素子又は電気共鳴体である。このように作用素子は周波数帯域幅が約７５Ｈｚ〜８５Ｈｚの波動特性をもつ電気共鳴を生じる。作用素子は特に電子を蓄積して、それを例えば温度によって光子吸収体に放出し、それによって追加の電子／正孔発生が誘発されて、増幅が増すことになり、それによって効率が改善する。

光子吸収体における光子の吸収は、光子吸収体から電界に沿って電流として放出できる電子／正孔対を生む。この利点は、例えば、光子吸収体の向かい合う面にそれぞれ正極又は負極に接続するコンデンサプレートを備えられることである。好適な実施例では、少なくとも一部が光子吸収体に埋め込まれる少なくとも１つの導体を提供することによって電界を作る。こうして、コンデンサプレートを光子吸収体の外側に配置するのを避ける。作用素子と同様に、導体も光子吸収体に埋め込んでもよく、それによって異なる製造プロセスを避けて、製造コストを削減する。さらに、異なる材料組成を提供するのを避けるように、導体は作用素子と同じ組成にしてもよい。このように、複数の作用素子を埋め込む表面の大きな光子吸収体をまず製造することが可能である。その後、表面の大きな光子吸収体を複数の小さな光子吸収体に分割できる。電界を作るために、個々の作用素子を導体として設計できる。例えば、正極又は負極に接続するケーブルを作用素子の１つにハンダ付けできる。好ましくは、個々の作用素子を直列に接続する。このため、十分に機能する太陽電池が、大量生産に適した単純な構造の手段で製造できる。

好適な実施例では、少なくとも２つの導体を光子吸収体に配置して、導体の一方を正極に接続する正極導体とし、他方の導体を負極に接続する負極導体とする。特に好適な実施例では、正極導体は、光子吸収体の第１前端面で終端し、又は第１前端面よりも突き出し、負極導体は対応する設計で、光子吸収体の第２前面で終端するように、又は第２前面よりも突き出すように配置する。このように非常に単純な方法で、複数の特にすべての正極導体を第１前面のバス導体を介して相互接続し、複数の特にすべての負極導体を第２前面の第２バス導体を介して相互接続できる。

光起電力素子は多層構造であることが好ましい。この実施例では、光起電力素子は、当接面を介して接触する少なくとも２つの光子吸収体を具備する。光子吸収体の向きは平行で逆向きであることが好ましい。特に好適な実施例では、正極導体と負極導体を、正極導体と負極導体が当接面で隔てられるように配置する。それによって、正極導体と負極導体との間により大きな空間的な分離が得られる。また、例えば作用素子と導体の両方が配置される２つの光子吸収体は同一の構造にして、一方の光子吸収体の導体を正極に接続し、他方の光子吸収体の導体を負極に接続することができる。それによって、本光起電力素子は特に大量生産に適する。好ましくは、光起電力素子は、例えば、４層から構成され、例えば第３層と第４層をそれぞれ第１層および第２層と平行で逆向きにしてもよい。こうすることによって、吸収度を高めることができる。吸収度をさらに高めるために、４層より多くの層を設けてもよい。

好ましくは光子吸収体を実質的にシリコン、特に単結晶シリコン製にし、場合によってはそれを「ｐベース」を作るようにドープする。

作用素子は好ましくは大部分、特にすべてを金属製とし、場合によってはドープ又は合金化する。原材料コストが高いために、Ｐｔ、Ａｇ、およびＡｕといった金属は避けるのが好ましい。特に、金属は元素の周期表の第３〜６族の典型元素又は第１〜８族の遷移元素から選ぶ。金属は、電子の構成が外周のｄ殻に少なくとも１０電子を有する金属であることが好ましい。

発明はさらに、溝を有する受光素子を具備する光起電力装置に関係する。この溝は前述の光起電力素子を収容する。光起電力装置は、正極又は負極に接続される第１および第２接続導体を具備する。接続導体は光起電力素子との電気接続を確保する。この利点は、接続導体が特に正極導体又は負極導体に接続され、および／又は対応するバス導体に接続されることである。それにより、コストを節約したモジュラー構造で、場合によってはそれ自体をモジュラー式に組み立てる複数の光起電力素子を接続することが可能である。このために、溝に複数の光起電力素子を備えて、溝を光起電力素子の少なくとも１つの光子吸収体と接触させて、特に導体からは絶縁する。好適な実施例では、光起電力装置は少なくとも溝の領域を導電性にし、ＡＩＰ（アルミニウムイソプロポキシド）など、場合によってはドープされる好ましくはアルミニウム含有金属から構成する。受光素子は、次のように説明できる増幅機能を実質的に有する。少なくとも０．８ｅＶのエネルギーをもつ光子吸収体から出るすべての電子は、光誘起によるｐベースから生じるか、又は追加的に共鳴誘起による作用素子から生じるが、これが所定の幾何学条件下で受光素子に届き、そこで流出した電子が約３倍の数になって光子吸収体に戻るような増幅効果を生じる電気移動を誘発する。受光素子から光子吸収体に戻るこの電子の部分は、受光素子に衝突するほどの量の残留光が光誘導された電子によって増える。この点に関し、特に光起電力素子は受光素子の溝に嵌め込む構成にして、受光素子と光起電力素子との直接的な接触が得られるようにするのが好ましい。

好ましくは、複数の第１接続導体を１つだけの第１電流導体に接続し、複数の第２接続導体を１つだけの第２電流導体に接続する。こうして、光起電力装置によって提供される全体の電圧を１対の導体を使って分岐できる。第２電流導体は「裏面電界」の機能を果たし、「裏面電界」は「裏面ライン」の形にする。こうして、このように形成された「裏面ライン」を空間的に分離して、短絡を避ける、又は干渉電界を減少させることが可能である。それによって裏接触面を形成するための材料の使用量が減少する。

周知のシステムと対照的に、本発明は、電荷を分離するのに必要な電界を広い空間に広げて、特に光起電力素子の以下の要素を満たす。
―帯状／ワイヤ状の導体が機能的にｎ^＋エミッターに対応する。
―負極板がシリコン基板に埋め込まれる。
―シリコン層が、それぞれ平行で逆向きの対として設計される。
―正極板がシリコン基板に埋め込まれる。

特に好適な実施例では、光起電力装置は、並んで配置される少なくとも２つの光起電力装置に機械的および電気的に接続される接続手段を具備する。機械的又は電気的接続は、別々の接続手段で行っても共通の接続手段で行ってもよい。このように、複数の光起電力装置とモジュラー式に接続し、場合によってはそれを直列に接続することが可能で、例えばそれによって特に大型の光起電力設備を組み立てることができる。

独立発明は、単結晶異方性シリコンを製造する方法を提供する。まず、ドープした単結晶シリコンの平行六面体を、光起電力素子の光子吸収体の意図する層厚に対応する薄片に切断する。この薄片をゆっくり、例えば９０分以内に、その溶融点まで加熱し、特にこの温度水準で約３０分間維持する。その後シリコン薄片を約３００℃まで、特に間隔をあけて、例えば８時間かけて慎重に冷却する。約３００℃からは冷却は管理せずに行える。この手順の後、層の厚さが均一な単結晶異方性シリコンの好ましくは円形薄片が得られる。好ましくは、このシリコン薄片から３つの光子吸収体が切断されて、互いに決まった角度で、特に半径方向に対称的に配置される。この方法で、結晶構造が非常に均一な配向性を有する光子吸収体が製造できる。このように、２つの光子吸収体を互いに平行で逆向きに配置することが可能であり、それによって光量子を吸収する能力が向上する。こうして、異方性光子吸収体は結晶構造が互いに平行で反対方向の向きになる（α＝１８０°）。

以下は、添付図面を参照した本発明の好適な実施例の詳細な説明である。

図１に図示する光子吸収体１０に、導電性の作用素子１２が電気絶縁されて埋め込まれている。また、作用素子は正極導体１４および負極導体１６として設計される。ハンダ付けしやすくするために、正極導体１４の一部は光子吸収体１０の第１前面１８から突き出している。同様に、負極導体１６の一部は光子吸収体１０の第２前面２０から突き出している。

光子吸収体１０は特に９５ｎｍから１２２０ｎｍの範囲の電磁波を吸収できる。光子吸収体１０の吸収極大は特に１３０ｎｍ±１５ｎｍおよび７２０ｎｍ±１５ｎｍである。このため、約４２％の電磁波の吸収度が得られる。

作用素子１２、正極導体１４、および負極導体１６は全体が光子吸収体１０に埋め込まれる。それらの光子吸収体１０の外方側表面は、光子吸収体１０の表面と同一平面上にある（図２）。

本光起電力素子の別の実施例では、複数の作用素子１２、正極導体１４、および負極導体１６が光子吸収体１０に配置される（図３）。作用素子１２、正極導体１４、および負極導体１６の間の相互距離は、効率が特に高くなる位置にする。場合によっては、この距離は使用する材料によって実験で求めることができる。作用素子１２の電気絶縁のために、光子吸収体１０の前面１８、２０と作用素子１２の前面の間にシリコンパッド２２が配置される。作用素子１２、正極導体１４、および負極導体１６は細長く、実質的に互いに平行に配置される。作用素子１２、正極導体１４、および負極導体１６は実質的に並んで配置され、実質的に平行六面体の形状を有する細片として設計される。

正極導体１４と負極導体１６の突端部は、それぞれ第１バス導体２４と第２バス導体２６に、特にはんだ付けで接続される（図４）。バス導体２４、２６は、それぞれ第１前面１８と第２前面２０に設けられる。

本光起電力素子は１層でも、２層でも、又は多層でもよい（図５）。光子吸収体１０は例えば４つの層２８、３０、３２、３４を具備することができ、各々が当接面３６を介して接触する。高い反射防止効果を生み、光吸収又は放射線吸収を高めるために、光子吸収体１０はその上面と下面に「光トラップ」として作用する表面処理したポリカーボネート層３８を設けるのが好ましい。両側で、ポリカーボネート層３８自体の外部に本光起電力素子を損傷から保護するガラス層４０を設ける。最大限の光吸収を得るために、第１層２８と第３層３２は互いに平行で逆向きの異方性結晶構造とする。同様に、第２層３０と第４層３４も互いに平行で向きの異方性結晶構造とする。多層構造の光起電力素子４４は受光素子５４によって保持される。このため、開口角、もしくは光子吸収体１０もしくは層２８、３０、３２、３４が吸収できる電磁波の入射角は、１３０°よりも大きく、かつ約１５３°以下である。

好ましくは窒素などの酸素含有量が低い気体を充填する。こうすることで、収率を１０％高めることができる。好ましくは、場合によっては温暖化効果の削減に加えて、特に０．３〜０．５バールの真空度も設定される。

本光起電力素子の多層構造の実施例において、バス導体２４、２６も複数の層に渡すのが好ましい（図６、図７）。そのため、バス導体２４、２６は例えば縦方向に配置する。正極導体１４４と負極導体１６は向かい合う前面１８および２０から突き出しているため、短絡の危険を回避できる。ただし、バス導体２４、２６を反対の電荷を帯びる導体の端部に渡さないようにして、この領域の強力な電界による干渉と短絡の可能性をそれぞれ回避するのが好ましい。

本光起電力装置４２は、複数の光起電力素子４４を具備する（図８）。電池内で、光起電力素子４４の第１バス導体２６が各々接続導体４６に接続される。同様に、バス導体２７は接続導体４８に接続される。後者が「裏面ライン」として構成される裏接触面を形成する一方、バス導体２６は機能上従来の光起電力システムのｎ^＋エミッターに対応する。個々の光起電力素子の接続導体４６および４８はさらに端極を介して電気接続される。また、光起電力装置４２は、隣接する光起電力装置４２を機械的に接続する接続手段（図示せず）を具備する。さらに、隣接する光起電力装置４２の導体５０、５２が電気的に相互接続される。図６および７は、考えられるその後の導体の配置の構造を示す。これらは直列に接続される。

複数の光起電力素子４４を受けるために、光起電力装置４２は溝５６を備える受光素子５４を有する（図９）。光起電力素子４４は受光素子５４の溝５６に入れる。こうして、受光素子５４は少なくとも一部を導電性にし、第３層３２および第４層と接触させることによって増幅器として機能することができる。反対の極性をもつ導体との接触は避けるのが好ましい。好適な構造では、受光素子４４は最下層３４の下に開口５７を有し、それによって材料を節約する。できれば、開口５７は、例えばＡＩＰで全体を閉じることができる。層２８、３０、３２、３４は特に、合計の厚さが約３ｍｍから１８ｍｍの厚い層のシステムとして設計して、光起電力素子４４が破損する危険を減らすようにする。

光子吸収体１０を製造するためには、まず単結晶異方性シリコンのシリコン薄片５８を作り（図１０）、そこから光子吸収体１０を切断する。好ましくは、切断される光子吸収体１０は、シリコン薄片５８の縁の部分の原子格子に構造的な欠陥ができる可能性を回避するために、シリコン薄片５８の縁６０から離した位置にする。光子吸収体１０を切断した後に残るシリコン薄片５８の残りは、後で溶融して再利用できるので、シリコン薄片の材料は十分にリサイクルできる。

光起電力素子の概略斜視図である。 図１の線II−IIに沿って切断した光起電力素子の概略切断図である。 光起電力素子の第２の実施例の概略上平面図である。 図３の線IV−IVに沿って切断した光起電力素子の概略断面側面図である。 多層構造の光起電力素子の概略側面図である。 図５の矢印IVの方向から見た光起電力素子の概略断面側面図である。 図５の矢印VIIの方向から見た光起電力素子の概略断面側面図である。 光起電力装置の概略上平面図である。 図８の線IX−IXに沿って切断した光起電力装置の概略断面側面図である。 光子吸収体を作成するためのシリコン薄片の概略上平面図である。

Claims (16)

1. 光起電力素子が、光子吸収体（１０）と、少なくとも一部が前記光子吸収体（１０）に埋め込まれる導電性の表面の大きな作用素子（１２）とを具備し、
   前記作用素子（１２）が界面によって前記光子吸収体（１０）とは分離し、前記作用素子（１２）が前記光子吸収体（１０）よりも電子移動度が大きいことを特徴とする光起電力素子。
2. 前記作用素子（１２）が実質的に電気絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の光起電力素子。
3. 少なくとも１つの導体（１４、１６）が少なくとも一部前記光子吸収体（１０）に埋め込まれ、その導体が特に前記作用素子（１２）と同じ組成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光起電力素子。
4. 前記作用素子（１２）と前記導体（１４、１６）が細長く、実質的に互いに平行であることを特徴とする請求項３に記載の光起電力素子。
5. 導体が正極導体（１４）と負極導体（１６）として構成され、前記正極導体（１４）が前記光子吸収体（１０）の第１前面（１８）で終端するか、もしくは前記第１前面（１８）よりも突き出し、前記負極導体（１６）が前記光子吸収体（１０）の第２前面（２０）で終端するか、もしくは第２前面（２０）よりも突き出すことを特徴とする請求項３又は４に記載の光起電力素子。
6. 当接面（３６）を介して接触する少なくとも２つの光子吸収体（２８、３０、３２、３４）が設けられる多層構造において、前記正極導体（１４）と前記負極導体（１６）が、前記正極導体（１４）と前記負極導体（１６）が前記当接面（３６）によって互いに分離するように配置されることを特徴とする請求項５に記載の光起電力素子。
7. 複数の正極導体（１４）が第１バス導体（２７）を介して互いに接続され、複数の負極導体（１６）が第２バス導体（２６）を介して互いに接続されることを特徴とする請求項５又は６に記載の光起電力素子。
8. 前記光子吸収体（１０）が実質的にシリコン、特に異方性の単結晶シリコンから作られることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光起電力素子。
9. 各２つの光子吸収体（２８、３２；３０、３４）が互いに平行で逆向きの結晶構造を有することを特徴とする請求項８に記載の光起電力素子。
10. 前記作用素子（１２）の大部分、特に全体が金属製であることを特徴とする請求項１から９いずれかに記載の光起電力素子。
11. 前記作用素子（１２）の金属を第３から６族の典型元素から選択し、又は第１から８族から選ぶ遷移金属であり、好ましくはその電子構成がｄ殻に少なくとも１０電子を有することを特徴とする請求項１０に記載の光起電力素子。
12. 前記作用素子（１２）の導電率が１．４Ω^−１ｃｍ^−１より高く、好ましくは１．６Ω^−１ｃｍ^−１より高く、さらに好ましくは２．０Ω^−１ｃｍ^−１より高いことを特徴とする請求項１から１１いずれかに記載の光起電力素子。
13. 請求項１から１２いずれかに記載の光起電力素子（４４）が少なくとも１つ配置される溝（５６）を備える受光素子（５４）を具備する光起電力装置であって、前記光起電力素子（４４）に存在する導体（１４、１６）が各々バス導体（２６、２７）に接続されることを特徴とする光起電力装置。
14. 少なくとも１つの溝（５６）に複数の光起電力素子（４４）が配置され、前記溝（５６）が前記光起電力素子（４４）の少なくとも１つの光子吸収体（１０）と接触することを特徴とする請求項１３に記載の光起電力装置。
15. 複数の第１接続導体（４６）と複数の第２接続導体（４８）が各々、第１電流導体（５０）と第２電流導体（５２）にそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の光起電力装置。
16. 並べて配置される少なくとも２つの光起電力装置（４２）を機械的および電気的に接続するための接続手段を備えることを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載の光起電力装置。
    
    

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