JP2009260355A - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、太陽電池に関する。
【解決手段】本発明の太陽電池は、太陽電池は、第一表面と該第一表面に対向する第二表面を有し、該第二表面に複数の凹槽が形成されたシリコン基板と、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触する背面電極と、前記凹槽の内表面に設置されたドープシリコン層と、前記シリコン基板の第二表面に設置された前面電極と、を含む。前記前面電極がカーボンナノチューブ複合構造体を含む。
【選択図】図2

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使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。
図1を参照すると、従来技術のシリコン太陽電池30は、背面電極32、シリコン基板34、ドープシリコン層36及び前面電極38を含む。前記シリコン基板34は、第一表面341及び第二表面343を含む。前記背面電極32は、該第一表面341とオーミック接触するように、前記シリコン基板34の第一表面341に設置されている。前記シリコン基板34の第二表面343に、複数の凹槽342が形成される。光電変換材料としての前記ドープシリコン層36は、前記複数の凹槽342の内表面344に形成される。前記前面電極38は、導電的な金属網を採用し、前記シリコン基板34の第二表面343に設置されるが、前記導電的な金属が不透明な材料であるので、光の透過率に影響を与える。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採用する。
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
しかし、前記酸化インジウムスズ層の機械及び化学耐用性が良くなく、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がある。
従って、本発明は、高光電変換効率を有し、耐用性が良い太陽電池を提供することを課題とする。
太陽電池は、第一表面と該第一表面に対向する第二表面を有し、該第二表面に複数の凹槽が形成されたシリコン基板と、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触する背面電極と、前記凹槽の内表面に設置されたドープシリコン層と、前記シリコン基板の第二表面に設置された前面電極と、を含む。前記前面電極がカーボンナノチューブ複合構造体を含む。
前記カーボンナノチューブ複合構造体は、カーボンナノチューブ構造体及び該カーボンナノチューブ構造体に分布された金属粒子を含む。
前記金属粒子は、プラチナ粒子、パラジウム粒子、ルテニウム粒子、銀粒子、金粒子又はそれらの少なくとも二種以上の混合物である。
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。
前記カーボンナノチューブフィルムが、同じ方向又は複数の方向に沿って配列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フィルムが、絡み合っ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フィルムが、等方的に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。
従来の太陽電池と比べると、本発明の太陽電池の前面電極は、カーボンナノチューブ複合構造体を採用し、該カーボンナノチューブ複合構造体がカーボンナノチューブ構造体及び金属粒子を含むので、太陽の光エネルギーをよく、吸収することができるので、該太陽電池が高光電変換効率を有する。前記カーボンナノチューブ複合構造体は、良い強靭性と機械強度を有するので、該カーボンナノチューブ複合構造体を前面電極となる太陽電池の耐用性を高めることができる。
前記カーボンナノチューブ複合構造体が均一的な構造を有し、該カーボンナノチューブ複合構造体を使用した前面電極が均一的な抵抗を有するので、前記太陽電池の性能を高めることができる。前記カーボンナノチューブ複合構造体における隣接するカーボンナノチューブの間に均一的に配列された隙間を有するので、該カーボンナノチューブ複合構造体を使用した前面電極は、良い透光性を有する。
従来技術の太陽電池の構造を示す図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の構造を示す断面図である。 図2に示す太陽電池の前面電極の構造を示す図である。 図2に示す太陽電池の前面電極のカーボンナノチューブフィルムを示す図である。 図2に示す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セグメントを示す図である。
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2を参照すると、本実施例の太陽電池10は、背面電極12、シリコン基板14、ドープシリコン層16、前面電極18、反射防止層22及び電極20を含む。前記シリコン基板14は、第一表面141及び該第一表面141に相対する第二表面143を含む。前記背面電極12は、アルミニウムからなって、前記シリコン基板14の第一表面141に設置され、該第一表面141とオーミック接触する。前記シリコン基板14の第二表面143には、複数の凹槽142が分離して設置されている。前記ドープシリコン層16は光電変換材料として、前記複数の凹槽142の内表面144に形成される。前記前面電極18は、カーボンナノチューブ複合構造体を含み、前記シリコン基板14の第二表面143に設置される。該前面電極18は、前記シリコン基板14の第二表面143に接触する第二表面182及び該第二表面182に相対する第一表面181を含む。前記反射防止層22は、二酸化チタンからなって、前記前面電極18の第一表面181に設置される。前記電極20は、銀からなって、前記反射防止層22の、前記前面電極18の第一表面181から離れる表面に設置される。
前記太陽電池10の電極20は、例えば、銀及び金などの導電的な材料又はカーボンナノチューブを含む導電的な材料からなる。該電極20は、前記前面電極18の第一表面181又は第二表面182に設置してもよく、該第一表面181又は該第二表面182に電気的に接続される。前記電極20は、前記前面電極18に流された電流を収集することに用いられる。また、前記電極20は、設置しなくてもよく、二つも設置してもよい。
前記反射防止層22は、前記前面電極18の第二表面182に設置されてもよい。前記反射防止層26を利用することにより、太陽光を反射することを減少し、前記太陽電池10の光電変換効率を高めることができる。また、前記反射防止層22は、設置しなくてもよい。
前記背面電極12の材料は、アルミニウム、マグネシウム、銀などの金属である。該背面電極12の厚さは10マイクロメートル〜300マイクロメートルである。
前記シリコン基板14は、p型単結晶シリコン基板であり、その厚さが200マイクロメートル〜300マイクロメートルである。隣接する前記凹槽142の距離が10マイクロメートル〜30マイクロメートルであり、前記凹槽142の深さが50マイクロメートル〜70マイクロメートルである。前記複数の凹槽142の形状と寸法は特に制限されず、該凹槽142の断面が正方形、台形又は三角形などの多角形である。前記ドープシリコン層16は、n型ドープシリコン層であり、その厚さは、500ナノメートル〜1マイクロメートルである。前記ドープシリコン層16は、例えば、前記シリコン基板14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14との間に複数のpn接合を形成でき、光エネルギーを電気エネルギーに変換させることができる。前記シリコン基板14の第二表面143に前記複数の凹槽142が形成されるので、前記太陽電池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、太陽電池10の光電変換の効率を高めることができる。
図3を参照すると、前記前面電極18は、カーボンナノチューブ複合構造体を採用する。前記カーボンナノチューブ複合構造体は、カーボンナノチューブ構造体183及び複数の金属粒子184を含む。前記金属粒子184は、プラチナ粒子、パラジウム粒子、ルテニウム粒子、銀粒子、金粒子又はそれらの少なくとも二種以上の混合物である。本実施例において、該金属粒子は、銀粒子である。前記金属粒子の平均粒径は、1ナノメートル〜10ナノメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体183の重量は、前記カーボンナノチューブ複合構造体の重量の70%〜80%であり、前記金属粒子184の重量は、前記カーボンナノチューブ複合構造体の重量の10%〜30%である。該金属粒子184は、前記カーボンナノチューブ構造体183に均一に分布し、カーボンナノチューブ複合構造体を形成するようになる。
前記カーボンナノチューブ複合構造体を製造する方法は、下記のように述べる。まず、前記カーボンナノチューブ構造体183を金属塩の溶液に浸漬し、該金属塩を前記カーボンナノチューブ構造体183の表面に吸着させる。次に、還元雰囲気で高温で該金属塩を還元し、前記カーボンナノチューブ構造体183に分布されたナノ金属粒子184を形成する。或いは、化学気相成長(CVD)法で前記カーボンナノチューブ構造体183の表面にナノ金属粒子又はナノフィルムを形成する。
前記カーボンナノチューブ構造体183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構造体183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、該単層カーボンナノチューブの直径は0.5ナノメートル〜50ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体183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1.0ナノメートル〜50ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体183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1.5ナノメートル〜50ナノメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体183におけるカーボンナノチューブが不純物を含まず、該カーボンナノチューブの自体の比表面積が大きいので、該カーボンナノチューブ構造体183の自体が強い接着性を有する。従って、該カーボンナノチューブ構造体183は、自体の接着性を利用して、直接に前記シリコン基板14の第二表面143に接着することができる。
さらに、前記カーボンナノチューブ構造体183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ことができる。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが配向し又は配向せず配列している。
前記複数のカーボンナノチューブが配向して配列する場合、前記複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブ構造体183の表面に平行し、同じ方向又は複数の方向に沿って配列されている。前記複数のカーボンナノチューブが配向せず配列する場合、前記複数のカーボンナノチューブは、互いに絡み合って、或いは、等方的に配列されているである。
(実施例1)
本実施例において、前記複数のカーボンナノチューブが配向して配列するカーボンナノチューブフィルムは、図4に示されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから引き伸ばし、形成されるものである。該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って、配列された複数のカーボンナノチューブを含む。図5を参照すると、具体的には、前記カーボンナノチューブフィルムは、端と端に接続され、基本的に同じ長さの複数のカーボンナノチューブセグメント186を含む。前記カーボンナノチューブセグメント186は、端と端が分子間力で連接される。各々のカーボンナノチューブセグメント186は、同じ方向に沿って、均一的に配列される複数のカーボンナノチューブ188からなり、各々の前記カーボンナノチューブ188が分子間力で緊密に連接される。前記カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから伸び出すことによって、形成されるので、該カーボンナノチューブフィルムの長さと幅は、カーボンナノチューブアレイが成長された基板の寸法に関係する。
本実施例において、化学気相成長(CVD)法で4インチの基板に超配列カーボンナノチューブアレイ(非特許文献2を参照)を成長する。前記カーボンナノチューブフィルムの幅は、0.01センチメートル〜10センチメートルであり、厚さは、10ナノメートル〜100マイクロメートルである。
また、前記カーボンナノチューブフィルムの寸法が実際の応用を満足することができない場合、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを隙間なく平行に並列し、大寸法のカーボンナノチューブフィルムを形成することができる。
(実施例2)
単一のカーボンナノチューブフィルムは、絡み合った複数のカーボンナノチューブを含む。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネットに形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは、等方的に、均一に前記カーボンナノチューブ構造体に分布されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配列されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が10マイクロメートル以下になる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、1マイクロメートル〜1ミリメートルである。前記カーボンナノチューブフィルムは、溶液に浸漬したカーボンナノチューブ原料をろ過して成るものである。
(実施例3)
単一のカーボンナノチューブフィルムは、等方的に配列されているか、所定の複数の方向に沿って配列されているか、または、異なる方向に沿って配列されている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フィルムは、押し器具を利用して、カーボンナノチューブアレイを同じ方向又は異なる方向に沿って押して成るものである。前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、隣接するカーボンナノチューブは分子間力で接続され、カーボンナノチューブフィルムの表面と0°〜15°の角度が形成されている。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、0.5ナノメートル〜1ミリメートルである。
前記カーボンナノチューブ構造体183は、積層された二枚のカーボンナノチューブフィルムを含むことができる。隣接する二枚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、同じ方向又は異なる方向に沿って、配列される。具体的には、隣接する二枚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、角度αを成す。該角度αが0°以上90°以下である。
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の間に隙間があるので、前記前面電極18が均一的な抵抗、良い透光性を有する。かつ、前記前面電極18にカーボンナノチューブ構造体183を利用するので、該前面電極18は良い強靭性と機械強度を有する。従って、前記前面電極18を使用した太陽電池10の光電変換効率と耐用性を高めることができる。
太陽光が前記カーボンナノチューブ構造体183に照射する場合、一部分の太陽光は、前記前面電極18に照射する。他の一部分の太陽光は、前記前面電極18のカーボンナノチューブ複合構造体における隣接するカーボンナノチューブの間の隙間を通して、前記太陽電池10の複数の凹槽142に照射する。
太陽光が前記前面電極18における金属粒子184の表面に照射する場合、該金属粒子184の内部で表面プラズモンを発生する。該表面プラズモンは、正負の荷電粒子を含み、全体として電気的にほぼ中性を保つ粒子の集団である。しかし、表面プラズモンが太陽光に照射されて、光起電力効果を発生する場合、局所平衡が破壊されると、正負の荷電粒子が前記金属粒子184の内部で繰り返して運動して振動を発生する。該振動を表面プラズモン振動と言う。照射する太陽光の周波数及び表面プラズモンの周波数が同じである場合、前記金属粒子184における自由電子が共鳴し、表面プラズモンが放射状態を形成し、即ち、前記前面電極18に照射した太陽光を外部に放射する。これによって、前記金属粒子184は、太陽光を前記凹槽142に放射する。従って、前記太陽電池10が太陽光を吸収する能力が、大きくなる。
太陽光が前記複数の凹槽142に照射する場合、該凹槽142の内表面に繰り返して反射されるので、該太陽電池10におけるシリコン基板14の第二表面143が更によく光エネルギーを吸収することができる。前記複数の凹槽142の内表面144において、p型シリコン基板14とn型ドープシリコン層16とが接合して、複数のpn接合が形成される。接合する表面にn型ドープシリコンにおける余分の電子がp型シリコン基板に移動するようになり、抵抗層又は接触電位差(contact potential difference)が生じる。前記p型シリコン基板が陽極に接続すると、前記n型ドープシリコンが陰極に接続すると、該n型ドープシリコンにおける余分の電子及びpn接合の電子が陽極に移動しやすいので、前記抵抗層が薄くなり、前記接触電位差が小さくなる。従って、抵抗が小さくなり、大きな電流を形成することができる。即ち、前記pn接合に太陽光があたると、それが刺激となって、複数の電子と正孔を発生する。複数の電子と正孔は、前記pn接合によって振り分けられ、前記n型ドープシリコンにおける電子が前記前面電極18に移動し、前記p型シリコン基板における正孔が前記背面電極12に移動する。これによって、該前面電極18と該背面電極12の間の外部回路に電流を生む。
さらに、前記太陽電池10は、複数の金属層(図示せず)を含む。該金属層の材料は、アルミニウム又は銀である。前記複数の金属層は、それぞれ前記シリコン基板14の第二表面143に設置し、前記前面電極18との間に複数のヘテロ接合(heterojunction)が形成されるので、該前面電極18とシリコン基板14との電気接続性を高めることができ、前記太陽電池10の光電変換効率を高めることができる。
前記前面電極18は、カーボンナノチューブ複合構造体を採用し、該カーボンナノチューブ複合構造体がカーボンナノチューブ構造体及び金属粒子を含むので、太陽の光エネルギーをよく、吸収することができるので、該前面電極18を使用した太陽電池10が高光電変換効率を有する。前記カーボンナノチューブ複合構造体は、良い強靭性と機械強度を有するので、該カーボンナノチューブ複合構造体を前面電極18となる太陽電池10の耐用性を高めることができる。前記カーボンナノチューブ複合構造体が均一的な構造を有し、該カーボンナノチューブ複合構造体を使用した前面電極18が均一的な抵抗を有するので、前記太陽電池10の性能を高めることができる。前記カーボンナノチューブ複合構造体における隣接するカーボンナノチューブの間に均一的に配列された隙間を有するので、該カーボンナノチューブ複合構造体を使用した前面電極18は、良い透光性を有する。
10、30 太陽電池
12、32 背面電極
14、34 シリコン基板
16、36 ドープシリコン層
18、38 前面電極
20 電極
22 反射防止層
141、341 シリコン基板の第一表面
142、342 凹槽
143、343 シリコン基板の第二表面
144、344 凹槽の内表面
181 前面電極の第一表面
182 前面電極の第二表面
183 カーボンナノチューブ構造体
184 金属粒子
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

Claims (8)

  1. 第一表面と該第一表面に対向する第二表面を有し、該第二表面に複数の凹槽が形成されたシリコン基板と、
    前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触する背面電極と、
    前記凹槽の内表面に設置されたドープシリコン層と、
    前記シリコン基板の第二表面に設置された前面電極と、
    を含み、
    前記前面電極がカーボンナノチューブ複合構造体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複合構造体は、カーボンナノチューブ構造体及び該カーボンナノチューブ構造体に分布された金属粒子を含むことを特徴とする、請求項1に記載の太陽電池。
  3. 前記金属粒子は、プラチナ粒子、パラジウム粒子、ルテニウム粒子、銀粒子、金粒子又はそれらの少なくとも二種以上の混合物であることを特徴とする、請求項2に記載の太陽電池。
  4. 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カーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項2又は3に記載の太陽電池。
  5. 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2から4のいずれか一項に記載の太陽電池。
  6. 前記カーボンナノチューブフィルムが、同じ方向に沿って配列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5に記載の太陽電池。
  7. 前記カーボンナノチューブフィルムが、絡み合っ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5に記載の太陽電池。
  8. 前記カーボンナノチューブフィルムが、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている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5に記載の太陽電池。
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