JP2009081160A - ソーラーセルおよび電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】外付け部品としてダイオードを取り付ける必要が無く、従来のシート状の構造を損なうことなく、あらかじめ逆流防止用のダイオードが内部に搭載されているソーラーセルを備えたソーラーセルおよびそのソーラーセルを備えた電子機器を提供すること。
【解決手段】平板状の基板と、当該平板状の基板表面に形成された下部電極と、当該下部電極と上部電極とで挟持する発電用半導体層と、下部電極と上部電極のそれぞれに接続し、発電用半導体層で発電した電気エネルギーを外部に取り出すための引き出し電極と、を有するソーラーセルにおいて、下部電極または上部電極のいずれか一方と、引き出し電極との間に、逆流防止用のダイオードを設ける構成とした。
【選択図】図1

Description

本発明は、接合半導体を利用したソーラーセルおよび電子機器に関し、特に外部回路に接続した場合の逆流防止機能を備えたセル構造のソーラーセルと、そのソーラーセルを備えた電子機器に関する。
ソーラーセルは、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものとして、近年各所で多くの利用がなされている。とりわけ可動部分が無いことや、平面状に形成されることから、携帯性を要求される様な電子機器には、非常に好都合な発電素子である。その代表的な応用例として、電子時計(腕時計)がある。
ここで、ソーラーセルを搭載した腕時計の構造例を図7に示した。
図のように、腕時計にはケース101、風防ガラス102、裏蓋103で囲まれた外装に、文字板104、針105を搭載し、文字板104の下にはソーラーセル106、ムーブメント107、二次電池108aを備えている。風防ガラス102より入射した外部光は、半透過性の文字板104を透過し、ソーラーセル106に到達することで発電が行われる。
ここで発電された電力は、ムーブメント107内部に備えられた回路系を経由して、二次電池108aに蓄えられる。そのソーラーセル107と二次電池108aを利用した、具体的な回路構成が知られている(たとえば特許文献1参照。)。
この特許文献1には、ソーラーセルと二次電池との間に逆流防止用ダイオードを接続し、その二次電池と並列して時計用の駆動回路が設けられているムーブメントを備えた太陽電池付き電子時計が示されている。これによって、ソーラーセルが光を受けて発電しているときは、電流は逆流防止用ダイオードの順方向を通るために、二次電池にエネルギーが蓄えられ、駆動回路にもエネルギーを供給することができる。それに対して、光発電が行われていない時には、二次電池から放電されるエネルギーで駆動回路を動作することとなるが、駆動回路からソーラーセルに戻ろうとする電流は、逆流防止用ダイオードの逆方向電流となるため、そこで遮られることで無駄な放電を無くすことができる形態となっている。
以上のように従来の構成を用いることで、ソーラーセルで発電した電気エネルギーは、あらかじめ用意した二次電池に効率よく蓄えることが可能であり、また、光が照射されない間においても、蓄えられたエネルギーをロス無く活用することが可能となる。
特開2000−162341号公報(第4頁−第6頁、第1図)
この逆流防止用ダイオードを利用することは非常に一般的になっているが、従来例でも見られるように、ダイオードは一つの電子部品として用意されており、電子回路系に付加されるものである。いかに小さな部品とはいえ、集積回路以外の外付け部品が増えることは、非常に収納領域の狭い腕時計の内部では好ましくないことであり、特に女性用のさらに小さな腕時計などでは搭載しにくいものである。
また図7からも分かるように、腕時計のスペース効率を悪くしているもう一つのものに
、ボタン型の二次電池108aの存在がある。図のように二次電池108aは、ある程度の厚みがあることから、腕時計の厚みに制約を与えてしまうとともに、ムーブメント107の大きな面積を使うことから、ムーブメント107の設計にも制約を与えてしまう。
そこで、フィルム型の二次電池を利用して、ソーラーセル106と重ねてしまうことで、非常にスペース効率が良くなることが考えられるが、先に述べたように、ソーラーセル106と二次電池108aとの間には逆流防止用ダイオードを搭載する必要があるため、従来の様な電子部品を新たに取り付けることは、ソーラーセルと二次電池を重ね合わせてスリム化した効果が薄れてしまうと共に、工程的に煩雑になってしまう。
そこで、本発明の目的は上記の問題を解決し、外付け部品としてダイオードを取り付ける必要が無く、従来のシート状の構造を損なうことなく、あらかじめ逆流防止用のダイオードが内部に搭載されているソーラーセル、およびそのソーラーセルを備えた電子機器を提供することにある。
上記の目的を達成するために本発明のソーラーセルおよび電子機器においては、下記に記載する手段を採用する。
本発明のソーラーセルは、平板状の基板と、当該平板状の基板表面に形成された下部電極と、当該下部電極と上部電極とで挟持する発電用半導体層と、下部電極と上部電極のそれぞれに接続し、発電用半導体層で発電した電気エネルギーを外部に取り出すための引き出し電極と、を有するソーラーセルにおいて、下部電極または上部電極のいずれか一方と、引き出し電極との間に、逆流防止用のダイオードを設けたことを特徴とするものである。
また、本発明のソーラーセルは、発電用半導体層の一部が切り欠かれて下部電極が露出しており、逆流防止用のダイオードが、この露出部の下部電極に接続して設けられていることを特徴とするものである。
また、本発明のソーラーセルは、発電用半導体層と、逆流防止用のダイオードが、ともに同じ積層構造により形成されており、さらに逆流防止用のダイオードは、発電用半導体層と、同時に形成されたものであることを特徴とするものである。
また、本発明のソーラーセルは、逆流防止用のダイオードが形成された、平板状の基板表面の反対側面に遮光材が設けられており、さらには上部電極の上層、または平板状の基板表面の反対側面のいずれか一方の面に、発電用半導体層で発電した電気エネルギーを、引き出し電極を介して蓄電するためのフィルム状二次電池が一体化して接合されていることを特徴とするものである。
また、本発明の電子機器は、ソーラーセルを備え、当該ソーラーセルに入射する光により発生する電気エネルギーを、機器に供給することを特徴とするものである。
本発明のソーラーセルでは逆流防止ダイオードをソーラーセルの内部に作り込んでいるため、余分な電子部品が不必要となり、これを搭載する電子機器のスペースを有効利用することが出来る。
また、本来ソーラーセルに含まれている発電用半導体層と同じ製造工程で、逆流防止ダイオードを作り込むことが出来ることから、外見上はほとんど変化がない構成のまま、ダ
イオード機能を内部に付加させられるにもかかわらず、余分な製造コストもかからない。
さらに、外付け部品のダイオードを用いることなく、フィルム状二次電池と貼り合わせることで、二次電池一体化型のソーラーセルを容易に実現出来るため、ソーラーセルの用途をさらに広めることが可能である。
本発明のソーラーセル、特にフィルム状二次電池一体型のセルを電子機器に相当する腕時計に搭載することで、今までのダイオード部品、さらにはボタン型二次電池のスペースが必要なくなるため、より薄型のソーラーセル付き腕時計が実現できる。また、本構成により、新しい機能部品を搭載した新型腕時計を実現することも可能となる。
[第1の実施形態]
初めに図1と図2を用いて、本発明のソーラーセルの実施形態について説明する。図1は、本発明のソーラーセルの構成を示す図面である。
図1に示す様に、ソーラーセル1aは、透明のガラスあるいは耐熱性フィルムを基板10として、その表面に薄膜を積層した構造になっている。この基板10に直接接するように、透明性をもった下部電極20がほぼ全面に形成されている。
そして、下部電極20の上には2つの半導体層が形成されている。その一つは多くの面積を占める発電用半導体層30であり、p型半導体とn型半導体が積層されたpn構造を有しているものである。この発電用半導体層30は、光を吸収して電気エネルギーに変換するソーラーセルとしての中心的役割をする膜であり、この半導体層を、効率や安定性を考慮して、p型半導体とn型半導体の中間にi型半導体を介在させ、pin構造としても良い。
もう一つの半導体層は、発電用半導体層30に比べ狭い領域に形成されているが、こちらはダイオード層70となっている。後述するがこのダイオード層70は、発電用半導体層30と同時に形成するため、内部の積層構造は発電用半導体層70と同じになっている。この様にして、この発電用半導体層30は、その一部が切り欠かれて下部電極20が露出した形態となっており、逆流防止用のダイオード層70が、この露出部の下部電極20に接続して設けられている。
また、2つの半導体層の上には上部電極40がそれぞれ形成されており、2つの半導体層は、上部電極40と下部電極20とでサンドイッチされた構造になっている。また、上部電極40には二つの引き出し電極61、62が、それぞれ発電用半導体層30とダイオード層70とに電気的に接続できるよう形成されている。この様にして、上部電極40と引き出し電極61、62との間に、逆流防止用のダイオードを有する構成となる。さらに、引き出し電極61、62以外の部分には、絶縁も兼ねた保護膜50が形成されている。
このようなソーラーセル1aではその構成上、透明な基板10を透過した外部光が発電用半導体層30に到達することで、光エネルギー変換が行われるが、さらに二次電池を介した場合の動作について述べておく。図2は、本発明のソーラーセルにおける充放電回路の構成例を示す図である。本図には、図1に示した、本発明のソーラーセルの引き出し電極61、62に、図2に示す二次電池108aと駆動回路85を接続した場合の、簡単な電流の流れを示している。
図2において、本発明のソーラーセルにおける発電用半導体層30とダイオード層70を、二つのダイオードマークで表している。
図2に示す、発電用半導体層30とダイオード層70の二つの半導体層は、セル内部では下部電極20を介して接続しており、ソーラーセル1aに外部光が入射すると、発生した電流はAの矢印方向に流れ、二次電池108aに到達し充電が行われる。この時、ダイオード層70は、その膜構成が発電用半導体層30と同じであるため、発電時に流れる電流と、ダイオードの整流機能の順方向が一致するようになり、充電電流は遮られることはない。
これに対して、光が当たって無い場合に、二次電池108aからのエネルギーを駆動回路85に供給する場合は、Bの矢印の電流方向となる。すると、ダイオード層70に到達した電流は、ダイオードの整流方向とは逆方向となるため、ダイオード層70は逆流防止用ダイオードとして働き、発電用半導体層30方向、つまりはソーラーセル内部に向けて放電することはなく、効果的に駆動回路85に電流を流すことができるような構成となっていることが分かる。
以上から明らかなように、本発明のソーラーセル1aでは、内部のダイオード層70は発電用半導体層30と逆極性をもって直列に接続された構造になっているため、引き出し電極61、62で外部回路と接続した場合に、逆流防止用のダイオードとして機能出来ることがわかる。つまりは、本発明のソーラーセル1aでは、そのシート状の構成は全く変化させずに、逆流防止用ダイオードを内部に搭載でき、外部回路と接続する場合に余分な部品が必要なくなる。
ここで、外部光で発電を行っているときにダイオード層70にも光が当たると、わずかながら同様に発電が行われ、整流効率が悪くなってしまう。そのため、基板10の裏側でちょうどダイオード層70の下側にあたる部分に、必要に応じて遮光材80を設ける。これにより、ソーラーセル内部のダイオード特性を更に良くすることが可能となる。
つづいて、本発明のソーラーセル1aの製造方法について図3の工程図を用いて説明する。図3は、本発明のソーラーセルの製造方法を示す図面である。
まず、基板10としてガラス板あるいはPET(ポリエチレンテレフタレート)やPEN(ポリエチレンナフタレート)などの透明性のあるフィルムを用意し、図3(a)の様に、その基板表面に下部電極20を形成する。ここでは、下部電極20に、ITO(酸化インジウムスズ)やSnO2(酸化スズ)など透明電極を用い、スパッタリングなどの真空成膜法を利用して基板10のほぼ全面に形成する。
次に、図3(b)に示す様に、下部電極20に続き半導体膜31をやはりほぼ全面に形成する。半導体膜31は、真空槽内にシランなどの反応性ガスを導入し、高周波電圧を導入したプラズマCVD法を用いて形成することから、材料はシリコン半導体となる。この半導体膜31は3層構造になっており、不純物ドーピングガスを導入して形成するp型半導体とn型半導体およびその間に不純物を導入しないi型半導体をサンドイッチした構造となっている。また、半導体膜31の上に上部電極40を形成する。上部電極40には、アルミ、銀、金などの反射率の高い金属材料を、スパッタリング法を用いて形成する。なお、強度や密着性を保つために、その他のチタン、クロム、ニッケルなどと積層構造にしてもよい。
上部電極40を形成した後に、フォトリソグラフィー法を利用して所望の形のフォトレジストをその表面に形成し(図示せず)、反応性ガスを用いたドライエッチング法により、図3(c)のように、半導体膜31と上部電極40を一部分離するようにエッチング加工する。このエッチング加工により、半導体膜31は面積の大きな発電用半導体層30と
、小さなダイオード層70とに分割される。
つづいて図3(d)の様に、基板表面に形成した構成体の全体を、保護膜50でコーティングする。ここで用いる保護膜50には、エポキシ系、シリコン系、アクリル系などの樹脂を用いることが出来る。コーティングには、スクリーン印刷法を利用することで、2ヵ所に穴の開いた膜を形成し、加熱あるいは紫外線を照射するなどして硬化している。なお、ここで形成された開口部からは、分離された発電用半導体層30の上層に位置する上部電極40と、ダイオード層70の上層に位置する上部電極40とがそれぞれ露出している。
最後に図3(e)のように、2ヵ所の保護膜50の形成されていない部分のそれぞれに、引き出し電極61、62を形成する。引き出し電極61、62は、カーボン粒子や金属粒子をエポキシなどの有機樹脂中に混入した導電性樹脂を用い、スクリーン印刷法を用いて塗布した後に、加熱硬化して形成する。なお、片方の引き出し電極61は、発電用半導体層30上の上部電極40に接触し、他方の引き出し電極62は、ダイオード層70上の上部電極40に接するように配置される。
そして、この工程の最後に、必要に応じて黒色顔料等からなる遮光材80を形成する。遮光材80は、印刷法などにより、基板10の裏側でダイオード層70の下にあたるところのみに、部分的に形成する。
以上の工程を経ることによって、図1に示したソーラーセル1aを製造することが出来る。本発明のソーラーセル1aの製造方法は、この様にソーラーセル1aに含まれている発電用半導体層30とダイオード層70とを同じ工程で作れることから、外見上も従来と変化がないソーラーセルに作り上げることが出来、ダイオード機能を搭載するにもかかわらず、余分な製造コストもかからない有効な構成となる。
[第2の実施形態]
続いて、図4を用いて本発明のソーラーセルの異なった構成について説明する。図4は、本発明の他の実施形態におけるソーラーセルの構成を示す図面である。
本実施形態におけるソーラーセル1bは、保護膜50に設けた開口部から、引き出し電極61、62を導出している第1の実施形態に代えて、基板10に設けた貫通孔から引き出し電極61、62を導出させた形態を採用している。他の構成は、先に示した形態と同じとなっているので、以下の説明ではその相違点について主に説明し、共通する部材の構成および作用については、簡単に説明する。
図4に示す様に、本実施形態におけるソーラーセル1bは、透明の耐熱性フィルムを基板10として、その上に薄膜を積層した構造になっている。また、基板10に直接接するように、金属膜による下部電極20と、発電用半導体層30と、上部電極40とが順に形成されている。
また、第1の実施の形態でも述べたが、ダイオード層70の内部の積層構造は、発電用半導体層70と同じになっている。また、ダイオード層70と発電用半導体層30との間隙には、上部電極間のショートを防ぐための絶縁膜51が設けられている。
この2つの半導体層の上には、光透過性の材料からなる上部電極40が形成されており、2つの半導体層は、上部電極40と下部電極20とでサンドイッチされた構造になっている。また、上部電極40には、基板10に設けられた貫通孔から、二つの引き出し電極61、62が、それぞれ発電用半導体層30とダイオード層70とに電気的に接続できる
よう形成されている。さらに、上部電極40の表面には絶縁も兼ねた透明な保護膜50が形成されている。保護膜50の上でダイオード層70の上側にあたる部分には、必要に応じて遮光材80を設けている。
この第2の実施形態のソーラーセル1bは、その構成から明らかなように、上部電極側の保護膜50が透明なため、第1の実施形態のソーラーセルと光の入射面が反対となる。この構成から、透明な基板10を選択する必要が無くなり、各種添加剤などを混合して強度や耐熱性などを向上させた基板10が利用でき、基板材料の選択性が向上する。これによって、半導体を形成する条件を広げられ、セルの高性能化を図ることが可能となる。
続いて、第2の実施形態のソーラーセル1bについて、簡単に製造方法について説明する。
まず、図4に示す基板10として、PETやPENの樹脂フィルムを用意し、その上に下部電極20、半導体膜31、上部電極40、保護膜50、遮光材80を連続して形成する。ただし、下部電極20は、第1の実施形態で用いた上部電極40の金属材料を、そして上部電極40には、第1の実施形態で用いた下部電極20の透明導電膜を用いる。その他の材料構成は同じであるが、本実施形態では、外部光は保護膜50側から入射するため、保護膜50は透明性のある樹脂を用いる必要がある。
これらの膜を積層した後、基板10に引き出し電極61、62を形成するための穴加工を施すが、これはレーザーを用いた加工方法を利用して行う。続いて、下部電極20と半導体膜31もレーザー加工により一部分割することで、発電用半導体層30とダイオード層70を形成する。最後に、スクリーン印刷法を用いて、二つの引き出し電極61、62を作成することで、ソーラーセル1bが完成する。
第2の実施形態のソーラーセル1bの製造では、膜の加工にフォトリソグラフィーを利用せず、レーザーによる加工を主としていることから、大がかりな設備を必要とせず連続的な加工が出来るため、コスト的に安く製造することが可能となる。
以上、第1の実施形態と第2の実施形態で本発明のソーラーセル1a、1bの構成を説明したが、両者の構成は光の入射側が上下反対になっているだけで、基本的には同じ構成である。つまり、第1の実施形態の下部電極20は、第2の実施形態の上部電極40と機能が同じで、第1の実施形態の上部電極40は、下部電極20と機能が同じである。同様に、第1の実施形態の基板10と第2の実施形態の保護膜50との機能、また、第1の実施形態の保護膜50と第2の実施形態の基板10との機能も同じである。
[第3の実施形態]
次に、先に示したソーラーセル構造に、充電用のフィルム状二次電池を貼り付けて一体化した本発明のソーラーセルについて説明をする。図5は、本実施形態におけるフィルム状二次電池を一体化したソーラーセル106の構成を示す図面である。
図5に示す様に、本発明のソーラーセル106は、発電側のソーラーセル1aと、フィルム状二次電池により構成されている。
発電側のソーラーセル1aは、図1で述べた構成と同じとなっており、基板10、下部電極20、発電用半導体層30、上部電極40、保護膜50、引き出し電極61、62、ダイオード層70および遮光材80を有して構成されている。
また、保護膜50の上面に被着されるフィルム状二次電池108bは、全て膜状、板状の素材から形成されており、つまりは固体電解質層91、第1の反応極92、第2の反応
極93、端子電極94および封止フィルム95からなっている。このフィルム状二次電池108bは、固体電解質層91に含むリチウムイオンの反応極でのドーピングを利用した、リチウムイオン型二次電池である。
ソーラーセル1aとフィルム状二次電池108bは、両者の引き出し電極61、62と端子電極94を相対向させて位置合わせし、両電極間は接合電極90によって接続されている。接合電極90には、カーボン粒子や金属粒子を樹脂に分散混合した、導電性接着剤を用いている。そして、その他の保護膜50と封止フィルム95が接触している面は、接着剤や粘着材を利用して貼り合わせている。
以上のような構成を取ることにより、充電池と、さらにその間には逆流防止用のダイオードをも内部に含んだ、非常にスリムでコンパクトな実用的な発電セルを構築することが出来る。
さらに、この二次電池一体型のソーラーセル106を腕時計に搭載することで、新しい効果を腕時計に付加することが出来る。その構成例を図6に示した。図6は、ソーラーセルを搭載した電子機器として示した腕時計の断面図である。
図6に示す様に、腕時計は、ケース101、風防ガラス102と裏蓋103で囲まれた空間に、文字板104と針105を収納しており、その文字板104の下にソーラーセル106、フィルム状二次電池108bとムーブメント107を設けている。ここで、ソーラーセル106とフィルム状二次電池108bは、図5に示した様に一体化した構造となっている。
この様に、二次電池一体型のソーラーセルが面状となっていることから、文字板104とムーブメント107との間の狭い領域に搭載が可能となり、その間にはその他の部品を挿入する必要がなくなる。ここで、ムーブメント107内部の回路とソーラーセル106、あるいはフィルム状二次電池108bとの電気的な接触は、図5で説明した、露出している端子電極94にバネ性の端子などで接触することで、簡単に達成することが出来る。
この様な構成を取ることで、従来必要であったボタン型の二次電池が要らなくなることから、ソーラー発電にて駆動する時計を、さらに薄型化することが可能となるとともに、二次電池の配置にこだわらない自由度の大きなムーブメントの設計が可能となる。
なお、上記説明では電子機器として腕時計を例に挙げて説明したが、本発明の電子機器はこれに限定されるものではない。例えば、携帯電話連携機器、電卓、PDA等の携帯型電子機器に適用ができる。この様な携帯型電子機器においては、動作の持続性を考慮して、ソーラーセルの実際の使用や応用検討がなされているが、その一方で機器自体の小型・薄型化はさらに加速しているため、腕時計同様に部品点数の減少や薄型化が必要になっている。この様なことから、各種携帯型電子機器にも本発明の技術は有用となる。また同様な理由から、小型で携帯利用を行う、心拍計や脈拍計や歩数計を含むライフサイエンス機器にも適用できる。その他、地震警報装置や匂いセンサーを含む環境センシング機器では、メンテナンスフリーの考えから無電源化が必要となる小型電子機器であり、この様な機器への本発明のソーラーセルの応用も非常に適している。
本発明の実施形態におけるソーラーセルを示した断面図である。 本発明の実施形態における充放電回路構成を示した図である。 本発明の実施形態におけるソーラーセルの製造工程を示した断面図である。 本発明の異なる実施形態におけるソーラーセルを示した断面図である。 本発明の実施形態におけるフィルム状二次電池を一体化したソーラーセルの断面図である。 本発明の実施形態におけるソーラーセルを搭載した腕時計の断面図である。 従来のソーラーセルを搭載した腕時計の断面図である。
符号の説明
1 ソーラーセル
10 基板
20 下部電極
30 発電用半導体層
31 半導体膜
40 上部電極
50 保護膜
61 引き出し電極
62 引き出し電極
70 ダイオード層
80 遮光材
85 駆動回路
90 接合電極
91 固体電解質層
92 第1の反応極
93 第2の反応極
94 端子電極
95 封止フィルム
101 ケース
102 風防ガラス
103 裏蓋
104 文字板
105 針
106 ソーラーセル
107 ムーブメント
108a 二次電池
108b フィルム状二次電池

Claims (7)

  1. 平板状の基板と、
    当該平板状の基板表面に形成された下部電極と
    当該下部電極と上部電極とで挟持する発電用半導体層と、
    前記下部電極と前記上部電極のそれぞれに接続し、前記発電用半導体層で発電した電気エネルギーを外部に取り出すための引き出し電極と、を有するソーラーセルにおいて、
    前記下部電極または前記上部電極のいずれか一方と前記引き出し電極との間に、逆流防止用のダイオードを設けた
    ことを特徴とするソーラーセル。
  2. 前記発電用半導体層の一部が切り欠かれて、前記下部電極が露出しており、
    前記逆流防止用のダイオードは、この露出部の前記下部電極に接続して設けられている
    ことを特徴とする請求項1に記載のソーラーセル。
  3. 前記発電用半導体層と、前記逆流防止用のダイオードは、ともに同じ積層構造により形成されている
    ことを特徴とする請求項2に記載のソーラーセル。
  4. 前記逆流防止用のダイオードは、前記発電用半導体層と、同時に形成されたものである
    ことを特徴とする請求項3に記載のソーラーセル。
  5. 前記逆流防止用のダイオードが形成された、前記平板状の基板表面の反対側面に、遮光材が設けられている
    ことを特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載のソーラーセル。
  6. 前記上部電極の上層、または前記平板状の基板表面の反対側面のいずれか一方の面に、前記発電用半導体層で発電した前記電気エネルギーを、前記引き出し電極を介して蓄電するためのフィルム状二次電池が一体化して接合されている
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のソーラーセル。
  7. 請求項1から6のいずれか一項に記載のソーラーセルを備え、当該ソーラーセルに入射する光により発生する電気エネルギーを、機器に供給する
    ことを特徴とする電子機器。
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