JP2009253281A - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、太陽電池に関し、特にカーボンナノチューブを利用した太陽電池に関するものである。
【解決手段】本発明の太陽電池は、第一表面及び第二表面を有する単結晶シリコン基板と、前記単結晶シリコン基板と電気的に接続するように、前記単結晶シリコン基板の第二表面に設置された背面電極と、前記単結晶シリコン基板の第一表面に設置されたカーボンナノチューブ構造体と、を含む。前記カーボンナノチューブ構造体は、均一に分布された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいては、カーボンナノチューブが同じ方向に沿って平行に並列されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に関し、特にカーボンナノチューブを利用した太陽電池に関するものである。
太陽電池は光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器であり、光電池とも呼ばれる。一般的な一次電池や二次電池のように電力を蓄えるのではなく、光起電力効果により、受けた光を即時に電力に変換して出力する。主流のシリコン太陽電池（非特許文献１を参照する）の他、様々な化合物半導体などを素材にしたものが実用化されている。
カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ,ＣＮＴ）は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員の飯島澄男よって１９９１年に発見された。カーボンナノチューブは良好な導電性能及び光透過性、良好な化学的安定性、大きなアスペクト比（長さと直径の比）を有する。従って、カーボンナノチューブを太陽電池に利用することが注目されている。
図４を参照すると、従来のＣＮＴ太陽電池３０は、背面電極３２と、単結晶シリコン基板３４と、カーボンナノチューブフィルム３６と、を含む。前記単結晶シリコン基板３４は第一表面３４２及び第二表面３４４を含む。ここで、前記カーボンナノチューブフィルム３６は、光電変換材料及び第一電極として利用されている。前記カーボンナノチューブフィルム３６の厚さは、５０〜２００ｎｍである。前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブが不均一に配列されているので、前記カーボンナノチューブフィルムの抵抗が高く、前記カーボンナノチューブフィルムを利用した光電変換器の作業効率が低いという課題がある。
張明杰等、"太陽電池及び多晶シリコンの製造"、「材料及び冶金の学報」、２００７年、第１６巻、第３３頁〜第３８頁 Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
前記課題を解決するために、本発明は、高い光電変換効率を有し、耐久性の優れた太陽電池を提供する。
本発明の太陽電池は、第一表面及び第二表面を有する単結晶シリコン基板と、前記単結晶シリコン基板と電気的に接触するように、前記単結晶シリコン基板の第二表面に設置された背面電極と、前記単結晶シリコン基板の第一表面に設置されたカーボンナノチューブ構造体と、を含む。
前記カーボンナノチューブ構造体は、均一に分布された複数のカーボンナノチューブを含む。
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。
単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいては、カーボンナノチューブが同じ方向に沿って平行に並列されている。
単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブセグメントを含む。
前記カーボンナノチューブセグメントにおいては、長さが同じ複数のカーボンナノチューブが平行に並列されている。
前記カーボンナノチューブ構造体は、複数の積層したカーボンナノチューブフィルムを含む。
隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。
前記単結晶シリコン基板は、Ｎ型又はＰ型の単結晶シリコン基板である。
従来技術と比べて、本発明の太陽電池は次の優れた点がある。第一は、本発明は良好な光透過率を有するカーボンナノチューブ構造体を利用することにより、太陽電池の光電変化率を高めることができる。第二は、本発明はカーボンナノチューブ構造体を利用するので、本発明の太陽電池は、優れた強靭性及び機械性能を有することができる。第三は、本発明のカーボンナノチューブ構造体の製造方法は簡単であるので、本発明の太陽電池のコストが低くなることになる。第四は、カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが均一に分布されているので、本発明の太陽電池に均一な抵抗が形成されることができる。第五は、隣接するカーボンナノチューブの間に隙間があるので、カーボンナノチューブ構造体の光透過性が高くなることができる。
本発明の実施例に係る太陽電池の側面図である。 本発明の実施例に係るカーボンナノチューブフィルムの模式図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の上面図である。 従来の太陽電池の側面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１及び図３を参照すると、本実施例の太陽電池１０は、背面電極１２、単結晶シリコン基板１４、カーボンナノチューブ構造体１６を含む。前記単結晶シリコン基板１４は、第二表面１４２及び該第二表面１４２に相対する第一表面１４４を含む。前記背面電極１２は、前記単結晶シリコン基板１４の第二表面１４２に設置され、該第二表面１４２と電気的に接続されている。前記カーボンナノチューブ構造体１６は前記単結晶シリコン基板１４の第一表面１４４に設置されている。前記カーボンナノチューブ構造体１６は、第一表面１６２及び該第一表面１６２に相対する第二表面１６４を含む。
前記太陽電池１０は、少なくとも一つの電極１８を含む。該電極１８は、金、銀又はカーボンナノチューブを含む。前記電極１８は前記カーボンナノチューブ構造体１６の第一表面１６２又は第二表面１６４に接触するように設置されている。前記電極１８は前記カーボンナノチューブ構造体１６から流れる電流を収集するために設置されている。
前記太陽電池１０は、さらに少なくとも一つの保護層２０を含む。前記保護層２０は二酸化ケイ素又は窒化ケイ素を含む。前記保護層２０は、前記単結晶基板１４の第一表面１４４及び前記カーボンナノチューブ構造体１６の第二表面１６４の間に設置されている。前記保護層２０により、前記単結晶基板１４及び前記カーボンナノチューブ構造体１６の接触表面での電子及びホールの結合を減速させることができ、前記太陽電池１０の光電変換効果が向上する。
前記背面電極１２は、アルミニウムやマグネシウム、銀などのいずれか一種を含む。該背面電極１２の厚さは１０μｍ〜３００μｍである。前記単結晶シリコン基板１４は、Ｐ型又はＮ型単結晶シリコン基板であり、その厚さが２００μｍ〜３００μｍである。前記単結晶シリコン基板１４及び前記カーボンナノチューブ構造体１６の間に複数のヘテロ接合が形成されるので、前記太陽電池１０により太陽エネルギーを電力エネルギーに変換することができる。
図３を参照すると、前記カーボンナノチューブ構造体１６は少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、均一に分布されたカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、その直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍである。カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、その直径は１.０ｎｍ〜５０ｎｍである。該カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、その直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍである。
図２を参照すると、本実施形態において、単一の前記カーボンナノチューブフィルムは少なくとも一つのカーボンナノチューブセグメント１８６を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１８６におけるカーボンナノチューブ１８８は、平行に並列されている。前記カーボンナノチューブ１８８は同じ長さを有し、分子間力で接続されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、幅が１ｃｍ〜１０ｃｍ、厚さが０．０１μｍ〜１００μｍであるように設けられている。
さらに、前記カーボンナノチューブ構造体１６は、積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。ここで、各々のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは同じ方向に沿って平行に並列されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。
前記カーボンナノチューブ構造体１６において、カーボンナノチューブの間に隙間が形成されているので、光は十分に前記カーボンナノチューブ構造体１６で吸収されることができる。この場合、前記単結晶シリコン基板１４と前記カーボンナノチューブ構造体１６との界面に複数の可動キャリア（電子正孔対）が生じることになる。前記電子正孔対は複数の電子及びホールを含む。前記複数の電子は、前記カーボンナノチューブ構造体１６へ移動して前記電極１８で収集されるが、前記ホールは前記背面電極１２へ移動する。その後、前記ホールは前記背面電極１２で収集される。
前記カーボンナノチューブフィルム１６０の製造方法は、カーボンナノチューブアレイを提供する第一サブステップと、前記カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き出す第二サブステップと、を含む。
前記第一ステップの第一サブステップにおいて、前記カーボンナノチューブアレイは超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２）であることが好ましい。
本実施形態において、化学気相堆積（ＣＶＤ）法により前記カーボンナノチューブアレイを成長させる。まず、基材を提供する。該基材としては、Ｐ型又はＮ型のシリコン基材、又は表面に酸化物が形成されたシリコン基材が利用される。本実施形態において、厚さが４インチのシリコン基材を提供する。次に、前記基材の表面に触媒層を蒸着させる。該触媒層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金である。次に、前記触媒層が蒸着された前記基材を、７００〜９００℃、空気雰囲気において３０〜９０分間アニーリングする。最後に、前記基材を反応装置内に置いて、保護ガスを導入すると同時に前記基材を５００〜７００℃に加熱して、５〜３０分間カーボンを含むガスを導入する。
これにより、高さが２００〜４００μｍの超配列カーボンナノチューブアレイが形成される。前記超配列カーボンナノチューブアレイは、相互に平行で基材に垂直に成長する複数のカーボンナノチューブからなる。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、該カーボンナノチューブの直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、該二層カーボンナノチューブの直径は１ｎｍ〜５０ｎｍである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、該多層カーボンナノチューブの直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍである。
本実施形態において、前記カーボンを含むガスは、エチレン、メタン、アセチレン、エタン、またはその混合物などの炭化水素であり、保護ガスは窒素やアンモニアなどの不活性ガスである。勿論、前記カーボンナノチューブアレイは、アーク放電法又はレーザー蒸発法でも得られる。前記方法により、前記超配列カーボンナノチューブアレイにアモルファスカーボン又は触媒剤である金属粒子などの不純物が残らず、純粋なカーボンナノチューブアレイが得られる。
前記第一ステップの第二サブステップにおいて、まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。本実施形態において、一定の幅を有するテープを利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で前記複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブ束からなる連続のカーボンナノチューブフィルムを形成する。
前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブ束が端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルムが形成される。前記カーボンナノチューブフィルムは、所定の方向に沿って配列し、端と端で接合される複数のカーボンナノチューブからなる一定の幅を有するフィルムである。前記カーボンナノチューブフィルムは、均一な導電性及び均一な厚さを有する。このカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、高効率で簡単であり、工業的に実用される。
さらに、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを積層して、複数のカーボンナノチューブを交差してネットを形成させることができる。ここで、各々のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは同じ方向に沿って平行に並列されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。
表１を参照すると、ｎ−ＳｉはＮ型の単結晶シリコン基板であり、ｐ−ＳｉはＰ型の単結晶シリコン基板である。前記カーボンナノチューブ構造体１６は、少なくとも二枚の積層したカーボンナノチューブフィルム１６０を含む。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、９０°の角度で交差している。表１を見ると、前記カーボンナノチューブ構造体１６は、四枚の積層したカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記太陽電池１０の効率が最大の程度に達することができる。
Figure 2009253281
１０、３０ 太陽電池
１２、３２ 背面電極
１４、３４ 単結晶シリコン基板
１４２ 第二表面
１４４ 第一表面
１６ カーボンナノチューブ構造体
１６０ カーボンナノチューブフィルム
１６２ 第一表面
１６４ 第二表面
１８ 電極
１８６ カーボンナノチューブセグメント
１８８ カーボンナノチューブ
２０ 保護層
３４２ 第一表面
３４４ 第二表面

Claims (9)

  1. 第一表面及び第二表面を有する単結晶シリコン基板と、
    前記単結晶シリコン基板と電気的に接続するように、前記単結晶シリコン基板の第二表面に設置された背面電極と、
    前記単結晶シリコン基板の第一表面に設置されたカーボンナノチューブ構造体と、
    を含むことを特徴とする太陽電池。
  2. 前記カーボンナノチューブ構造体が、均一に分布された複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  4. 単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブが同じ方向に沿って平行に並列されていることを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池。
  5. 単一の前記カーボンナノチューブフィルムが、複数のカーボンナノチューブセグメントを含むことを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池。
  6. 前記カーボンナノチューブセグメントにおいて、長さが同じ複数のカーボンナノチューブが平行に並列されていることを特徴とする、請求項５に記載の太陽電池。
  7. 前記カーボンナノチューブ構造体が、複数の積層したカーボンナノチューブフィルムを含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の太陽電池。
  8. 隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、それぞれ０°〜９０°の角度で交差していることを特徴とする、請求項８に記載の太陽電池。
  9. 前記単結晶シリコン基板がＮ型又はＰ型の単結晶シリコン基板であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の太陽電池。
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