JP2009253289A - 光起電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、エネルギー変換装置に関し、特に光起電装置に関するものである。
【解決手段】本発明の光起電装置は、複数の溝を有するシリコン基板と、前記シリコン基板の一つの表面に設置されたドープシリコン層と、前記シリコン基板に隣接して設置された第一電極と、前記第一電極に隣接したシリコン基板の表面と反対側に設置された第二電極と、を含む。ここで、前記第一電極は複数のカーボンナノチューブケーブルを含む。前記カーボンナノチューブケーブルは所定の距離で分離して前記シリコン基板の一つの表面に設置され、相互に平行に並列され、又は交叉して配列されている。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の光起電装置は、複数の溝を有するシリコン基板と、前記シリコン基板の一つの表面に設置されたドープシリコン層と、前記シリコン基板に隣接して設置された第一電極と、前記第一電極に隣接したシリコン基板の表面と反対側に設置された第二電極と、を含む。ここで、前記第一電極は複数のカーボンナノチューブケーブルを含む。前記カーボンナノチューブケーブルは所定の距離で分離して前記シリコン基板の一つの表面に設置され、相互に平行に並列され、又は交叉して配列されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、エネルギー変換装置に関し、特に光起電装置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。
図５を参照すると、従来技術のシリコン太陽電池３０は、シリコン基板３２、ドープシリコン層３４、前面電極３６及び背面電極３８を含む。前記シリコン基板３２は、前記ドープシリコン層３４とオーミック接触するように、前記ドープシリコン層３４の一つの表面に設置されている。前記前面電極３６は、ドープシリコン層３４と電気的接続されている。前記背面電極３８は、前記シリコン基板３２とオーミック接触するように、前記シリコン基板３２の一つの表面に設置されている。前記背面電極３８及び前面電極３６は外部荷重に接続されることができる。太陽光が前記太陽電池３０を照射すると、前記太陽電池３０の電界の作用で、前記ｐ−ｎ接合部に電流が生じることができる。
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
一般、前記前面電極３６及び前面電極３８は、アルミニウム、銀、金のいずれか一種からなるので、光透過性が低いという課題がある。太陽電池の光電変換効率を高めるために、前記前面電極３８は、透明な酸化インジウムスズ層を利用する。しかし、前記酸化インジウムスズ層の機械的及び化学的耐用性が良くなく、該酸化インジウムスズ層が前面電極３８になると、抵抗の分布が不均一であるので、前記太陽電池は、耐用性が良くなく、光電変換効率が高くない欠点を有する。
本発明の光起電装置は、複数の溝を有するシリコン基板と、前記シリコン基板の一つの表面に設置されたドープシリコン層と、前記シリコン基板に隣接して設置された第一電極と、前記第一電極に隣接したシリコン基板の表面と反対側に設置された第二電極と、を含む。ここで、前記第一電極は複数のカーボンナノチューブケーブルを含む。
前記カーボンナノチューブケーブルは所定の距離で分離して、平行に配列されている。
前記カーボンナノチューブケーブルは交叉して複数の空間を形成している。
単一の前記カーボンナノチューブケーブルは、複数のカーボンナノチューブワイヤを含む。
前記複数のカーボンナノチューブワイヤは、束状構造又はねじれた構造に形成されている。
単一の前記カーボンナノチューブワイヤ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。
前記カーボンナノチューブケーブルは、金属を含む。
前記第一電極及び前記シリコン基板の間には、金属構造体が設置される。
従来の光起電装置と比べると、本発明の光起電装置には、次の優れた点がある。第一は、本発明に利用したカーボンナノチューブケーブルは、良好な強靭性及び機械強度を有するので、光起電装置の使用時間が長くなることができる。第二は、本発明のカーボンナノチューブケーブルは均一に配列されているので、前記カーボンナノチューブケーブルを利用した電極に、均一な抵抗を形成することができる。第三は、複数の前記カーボンナノチューブケーブルの間に空間が形成されているので、前記カーボンナノチューブケーブルを利用した光起電装置は、良好な光透過性を有する。従って、本発明の光起電装置は、光電変換効率が非常に高い。
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を参照すると、本実施例の光起電装置１０は、シリコン基板１２と、ドープシリコン層１４と、第一電極１６と、第二電極１８と、を含む。
前記シリコン基板１２は、単結晶シリコンからなり、特に、ｐ型の単結晶シリコンからなる。前記シリコン基板１２の厚さは、２００μｍ〜３００μｍである。前記シリコン基板１２は、第一表面１２１及び該第一表面１２１に相対する第二表面１２２を含む。前記シリコン基板１２の第一表面１２１に複数の溝１２３が形成されている。隣接する前記複数の溝１２３は、所定の距離で分離して設置されている。前記距離は、１０μｍ〜３０μｍである。さらに、前記溝１２３の深さは、５０μｍ〜７０μｍである。前記複数の溝１２３の形状と寸法は制限されることなく、該溝１２３の断面が正方形、台形又は三角形などの多角形である。本実施例において、前記溝１２３の深さは６０μｍである。隣接する前記１２３の間の距離は２０μｍである。前記溝１２３の断面が正方形である。
前記ドープシリコン層１４は、前記シリコン基板１２の、前記溝１２３が形成された第一表面１２１に設置されている。前記ドープシリコン層１４は、ｎ型ドープシリコン層であり、その厚さは、５００ｎｍ〜１μｍである。前記ドープシリコン層１４は、例えば、前記シリコン基板１２に多量の燐又は砒素などのｎ型ドープ材料を打込むことによって形成される。これにより、前記ｎ型ドープ材料と前記ｐ型シリコン基板１２との間に複数のｐ―ｎ接合を形成でき、光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。前記シリコン基板１２の第一表面１２１に前記複数の溝１２３が形成されているので、前記光起電装置１０はよく光エネルギーを吸収することができ、大きなｐｎ接合の界面面積を有する。従って、光起電装置１０の光電変換の効率を高めることができる。
前記第一電極１６は、前記シリコン基板１２の第一表面１２１に設置され、該第一表面１２１とオーミック接触する。前記第二電極１８は、前記シリコン基板１２の第二表面１２２に設置される。前記第二電極１８は、アルミニウム、マグネシウム、銀のいずれか一種の金属からなり、その厚さは１０μｍ〜３００μｍである。さらに、前記光起電装置１０は、複数の第三電極２０を含む。該第三電極２０は、アルミニウム又は銀からなる。前記第三電極２０は前記第一電極１６と電気的接続され、前記第一電極１６から流れた電流を収集することができる。又は、前記複数の第三電極２０は所定の距離で分離して前記シリコン基板１２に設置されている。
図１及び図２を参照すると、前記第一電極１６は、複数のカーボンナノチューブケーブル１６１を含む。単一の前記カーボンナノチューブケーブル１６１は複数のカーボンナノチューブワイヤを含む。単一の前記カーボンワイヤは、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムからなる。前記カーボンナノチューブケーブル１６１は所定の距離で分離して前記シリコン基板１２の第一表面１２１に設置され、相互に平行に並列され、又は交叉して配列されている。前記距離は１０μｍ〜３０μｍであり、２０μｍであることが好ましい。この場合、より多くの光が前記シリコン基板に差し込むことができる。
図２を参照すると、前記カーボンナノチューブケーブル１６１は交叉して複数の空間Ｍを形成することができる。前記複数の空間Ｍは均一に分布し、各々の空間Ｍの寸法は１ｎｍ２〜２０μｍ２である。前記複数の空間Ｓは均一に分布するので、前記光起電装置１０に均一な抵抗が形成されることができる。前記カーボンナノチューブケーブル１６１の一部は前記第三電極２０に電気的接続されるので、前記第三電極２０は、前記カーボンナノチューブケーブル１６から流れた電流を収集することができる。
前記カーボンナノチューブケーブル１６１は複数のカーボンナノチューブ１６２を含む。図３及び図４を参照すると、前記複数のカーボンナノチューブ１６２は、図３に示された束状構造、又は、図４に示されたねじれた構造に形成されることができる。前記カーボンナノチューブ束状構造をねじることによって前記ねじれた構造を形成することができる。前記複数のカーボンナノチューブ１６２を束状構造に形成する場合、前記複数のカーボンナノチューブ１６２は長さが同じ、分子間力で端と端が接続されている。前記複数のカーボンナノチューブ１６２は前記カーボンナノチューブケーブル１６１の中心軸に平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブ１６２をねじれた構造に形成する場合、前記複数のカーボンナノチューブ１６２は前記カーボンナノチューブケーブル１６１の中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。
単一の前記カーボンナノチューブフィルムは少なくとも一つのカーボンナノチューブセグメントを含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメントにおけるカーボンナノチューブは、平行に並列されている。前記カーボンナノチューブは同じ長さを有し、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。
さらに、前記カーボンナノチューブケーブル１６１は、金属材料を含む。前記金属材料は、粉末状または線状に形成されている。例えば、前記カーボンナノチューブケーブル１６１は、複数の金属線及びカーボンナノチューブワイヤを織り合わせてなるものである。前記金属線は、金、銀又は銅からなる。さらに、前記カーボンナノチューブケーブル１６１におけるカーボンナノチューブワイヤは、カーボンナノチューブフィルムに金属粉末を塗布して得るものであることもできる。
さらに、前記光起電装置１０は、複数の金属帯２２を含む。前記金属帯２２は、前記シリコン基板１２の第一表面１２１及び前記第一電極１６の間に設置されている。前記金属帯２２は、アルミニウム又は銀からなり、前記第一電極１６及び前記シリコン基板１２を電気的に接続させるように設置されている。前記金属帯２２により、前記光起電装置１０の光電変換効率を高めることができる。
さらに、前記太陽電池１０は反射防止層２４を含むこともできる。該反射防止層２４は二酸化チタンからなり、前記第一電極１６の表面に設置されている。前記反射防止層２４を利用することにより、太陽光を反射することを減少し、前記光起電装置１０の光電変換効率を高めることができる。
１０ 光起電装置
１２ シリコン基板
１２１ 第一表面
１２２ 第二表面
１２３ 溝
１４ ドープシリコン層
１６ 第一電極
１６１ カーボンナノチューブケーブル
１６２ カーボンナノチューブ
１８ 第二電極
２０ 第三電極
２２ 金属帯
２４ 反射防止層
３０ 太陽電池
３２ シリコン基板
３４ ドープシリコン層
３６ 前面電極
３８ 背面電極
１２ シリコン基板
１２１ 第一表面
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１６２ カーボンナノチューブ
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２０ 第三電極
２２ 金属帯
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３０ 太陽電池
３２ シリコン基板
３４ ドープシリコン層
３６ 前面電極
３８ 背面電極
Claims (7)
- 複数の溝を有するシリコン基板と、
前記シリコン基板の一つの表面に設置されたドープシリコン層と、
前記シリコン基板に隣接して設置された第一電極と、
前記第一電極に隣接したシリコン基板の表面と反対側に設置された第二電極と、
を含み、
前記第一電極が複数のカーボンナノチューブケーブルを含むことを特徴とする光起電装置。 - 前記カーボンナノチューブケーブルが所定の距離で分離して、平行に配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の光起電装置。
- 前記カーボンナノチューブケーブルが交叉して複数の空間を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の光起電装置。
- 単一の前記カーボンナノチューブケーブルが、複数のカーボンナノチューブワイヤを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光起電装置。
- 前記複数のカーボンナノチューブワイヤが、束状構造又はねじれた構造に形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の光起電装置。
- 前記カーボンナノチューブケーブルが、金属を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光起電装置。
- 前記第一電極及び前記シリコン基板の間に、金属構造体が設置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光起電装置。
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