JP2010093101A

JP2010093101A - 同軸太陽電池の構造及びその長線形構造の連続製造方法

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Publication number: JP2010093101A
Application number: JP2008262554A
Authority: JP
Inventors: Chun-Chu Yang; 春足楊
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Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2010-04-22

Abstract

【課題】本発明は同軸太陽電池の構造及びその長線形構造の連続製造方法を提案する。
【解決手段】本発明に係る同軸太陽電池発電ダイオードの同軸集電極構造は環状などの厚さの暴露式受光層が直接に入射光の励起作用によるホール・エレクトロンペアを受け、PN接合面によって形成した半径が内蔵電場を駆動し等距離経路により同軸の内外ダイオードにドリフトするようになる。光子は直接に暴露のドリフト領域に進入するので、ホール・エレクトロンペアを励起して均一に内蔵電場作用で分離し電流を出力し拡散電流による押しエネルギー損失と再結合損失の発生を避ける。そうすると、光電転換効率を高めると共に、短波長で表面に入射する光子エネルギーを少しもロスしない。線形同軸太陽電池は一層ずつ同心環状の半導体層或いは化合物薄膜層により前後に蒸着して成るので、長くなり連続に製造しコストを低減するようになる。
【選択図】図１０

Description

本発明は太陽電池の発電ダイオードを同軸構造及びその長線形構造の同軸太陽電池の連続製造方法によって構成される太陽電池の集電器に関する。

太陽エネルギーを利用して給電拡大することは昨今のエネルギー不足の下で、一刻も猶予できない重要な技術となっている。どのように太陽電池の製造コストを下げるかという課題以外に、光電転換効率を高めることも、すでに代替エネルギーを大きく推進できるか否かの最も重要な要素の一つとなっている。

太陽電池は光電池（ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ）とも称され、光エネルギー放射を電気エネルギーに転換することは、従来の光電効率（ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣＥＦＦＥＣＴ）である。太陽が放射する光子が入射して時に太陽電池内の活性領域(ＤＥＰＬＥＴＩＯＮＲＥＧＩＯＮのようなＡＣＴＩＶＥＲＥＧＩＯＮ)に入り吸収されてホール・エレクトロンペア(ＰＡＩＲＳＯＦＥＬＥＴＲＯＮＳＡＮＤＨＯＬＥＳ)を生じ、これらのホール・エレクトロンが即ち内蔵電場分離(ＳＥＰＡＲＡＴＥＤＦＲＯＭＢＵＩＬＴ−ＩＮＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＦＩＥＬＤ)である。

例えば水素化合アモルファス・シリコン(a-Si:H)(ＨＹＤＲＯＧＥＮＡＴＥＤＡＭＯＲＰＨＯＵＳＳＩＬＩＣＯＮ)素材構造で製造したP-I-N型太陽電池は、内蔵電場がそのP-型半導体層、I型真性半導体層(ＩＮＴＲＩＮＳＩＣ)、及びＮ型半導体層の中に形成される。適切な波長の光子はI層にて吸収されてホール・エレクトロンペアを生じると、電子は内蔵電場の作用でＮ型半導体層の外電極に流れて、ホールは内蔵電場の作用でP型の半導体層の外電極に流れる。このような電子とホールの流動は、太陽電池の光電圧(ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＧＥ)と光電流(ＰＨＯＴＯＣＵＲＲＥＮＴ)を形成する。ホールのドリフト方向は電場方向と同じである。内蔵電場の作用する力の関係で、電子とホールのドリフト速度(ＤＲＩＦＴＳＰＥＥＤ)が電場外で生じる電子とホールの拡散速度(ＤＩＦＦＵＳＩＯＮＳＰＥＥＤ)よりずっと速いため、電子とホールが拡散速度で生じる電流は光電流の出力にやや不利であり、比較的遅い拡散電流がドリフト電流よりやや時間が経たないと太陽電池の外に流出できず、また出力前に再結合(ＲＥＣＯＭＭＢＩＮＡＴＩＯＮ)を生じて消えてしまうことさえある。光電流を高めて持続的に光子衝撃を受けて、急速に内部に累積されたエネルギーが増加して効率的に放出するために、常に拡散領域(ＤＩＦＦＵＳＩＯＮＲＥＧＩＯＮ)を縮小し、ドリフト領域(ＤＲＩＦＴＲＥＧＩＯＮ)を拡大する方法で、P型半導体とＮ型半導体の間で、比較的厚く且つ如何なるドナー(ＤＯＮＯＲ)やアクセプター(ＡＣＣＥＰＴＯＲ)も混入していない真性半導体(ＩＮＴＲＩＮＳＩＣＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ)を挟んで、図１に示すようにP-I-N型太陽電池ダイオードになる。これは即ちＰＩＮの使用原理である。このようなP-I-N三層構造の下で、空乏領域(ＤＥＰＬＥＴＩＯＮＲＥＧＩＯＮ)はＰ型半導体とＮ型半導体の両端接合面付近にも同時に現れる。I型半導体自体は高い抵抗作用を有することから、両端の接合面の電場はI型半導体全体の上に拡大分布して、図１の右側に示すように、I型半導体をすべて高電場の分布状態にする。両端の空乏領域の電気量から生ずる電場強度の分布が、ドリフト領域をすでに太陽電池内全体をいっぱいに占めるまでに拡大していることが分かる。大部分の入射光子はI型半導体内の適切な深度で吸収され、即ち光電流の大部分はドリフト電流が形成することから、ＰＮ型太陽電池と比較すると、ＰＩＮ型太陽電池は高い反応速度(ＲＥＳＰＯＮＳＥＳＰＥＥＤ)の出力効率を得て、太陽電池効率(ＳＯＬＡＲＣＥＬＬＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹη)を高めることができる。

内蔵電場外で入射して混ざったN或いはＰ型層の中から生じた電子とホールのキャリアーは、電場の外にあって且つ電場の作用で一時生じた拡散電流(ＤＩＦＦＩＳＩＯＮＣＵＲＲＥＮＴ)がないため、その流動速度が遅く、寿命は短く、再結合を経て熱エネルギーは消失し、電流出力に貢献できないだけでなく、熱運動が引き続き増加して温度上昇し、効率の低下を招く。このためP-I-N太陽電池最の最表層P層に入射、又はN-I-P太陽電池の最表層Ｎ層に入射する光子エネルギーは、元々効率的に電気エネルギーに転換する機会を失ってしまった。このことは下記の太陽スペクトル中に含まれる各波長の光子量及び各波長の光子の進入可能な半導体素材の深度と関係する。

太陽光が電気エネルギーに転換可能な量は図２のような太陽光スペクトルの分布図から見ると、図２は太陽エネルギーの強度の太陽スペクトルの波長に対する関係を表している。AM0は宇宙即ち大気圏外のエネルギーの分布で、ここで太陽光が通過する空気量はＡＩＲＭＡＳＳと称し、(AM，m)で表し，宇宙には空気がなく天頂で設定することからでＡＭ０と表示する。m= Secθ，θは太陽の天頂角で、天頂時の太陽θ=0⁰、Sec 0⁰=1で，従って地面の天頂の測量値はAM1である。しかし緯度が関係するため、常に天頂の３０度の仰角で太陽光を得ることで、AM2の曲線分布( Sec 30⁰ = 2)がある。全波長分布領域でこのスペクトル分布を積分すると、AM0の総エネルギーが135.3mW/cm²であることが得られ、AM2は約72〜75mW/cm²である。

そのエネルギーと波長分布の関係を見ると、波長０．７μmは最大値で、即ちこの波長の光子量が最も多い。図3に示すように、これは光子量密度の波長に対する関係で見ることができる。各波長の光子量と光子自身のエネルギーは、半導体素材のエネルギーギャップを激破して光電流発電の技術原理を生み出すことができ、既に発展して長い間応用されている。今なお素材を使用して全スペクトルの波長を吸収して電気エネルギーに転換するものがなく、その上太陽電池素材自体が異なる波長吸収係数の差異について、光子侵入がどれほど深いとどれだけの電流を生じるかという問題を引き起こして、製造の複雑さがずっと高まることとなる。このことは図4の各種素材吸収係数と侵入深度の波長関係図から見出され、図4で例示したシリコン素材の吸収係数の分布、シリコンのエネルギーギャップ(ｂａnｄｇａｐ) Eg =０．６７eV は，シリコンに吸収される光エネルギーの中で、波長の最も長い波長は、カットオフ波長(ＣＵＴＯＦＦＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ)といい、
ａc =hc/ΔE ≒ 1.2398 /ΔE(eV) =1.13μmである。即ちシリコン素材で製造された太陽電池は、入射が該波長の光子より大きく、吸収されて電気エネルギーに転換され得ない。

同じ道理で、Ge素材のカットオフ波長は1.85μmで、GaAsは1.65μmである。このためゲルマニウム素材で太陽電池とした場合、1.85μm以上のスペクトルエネルギーは吸収されず無駄になってしまう。入射深度では、シリコン素材で光電池とし、しかも1.0μmの波長の光エネルギーを吸収することが出来るようにした場合、シリコン素材の厚さを100μm以上にしなければならない。100μmが指している深度とはホール・エレクトロンペアの電荷空乏領域又は空間電荷領域(ＤＥＰＬＥＴＩＯＮＬＡＹＥＲ、又はＳＰＡＣＥＣＨＡＲＧＥＲＥＧＩＯＮ )の位置の深度である。即ち空乏領域の幅及びその上のN型(光子がまず表層に進入するか又は光子が下から進入したP型)の半導体素材の厚さを加える。宇宙での使用を考慮すると、電力確保が難しいため、一層全スペクトルの吸収の可能性を考慮する必要がある。例えば短波長の極めて浅い深度と長波長の極めて深い深度は、あらゆる進入光子が光電流に転換する効率を高める。しかし惜しいことに、短波長の吸収位置が表層部位にあり、さらには従来の光電池は転換機能のない拡散電流箇所に属している。長波長の極めて深い深度での吸収は厚みのある素材で製造する必要があることから、宇宙打ち上げ燃料コストの上昇を表している。従って太陽電池素材の選択は十分慎重に考慮しなければならない。全スペクトル吸収の太陽電池は通常何層もの異なっている素材が積層されて出来ており、例えば第一層の薄いシリコンが製造された後、カットオフ波長以上をさらに加えないと貫通できず、またGeのような層の厚みが約1μmから10μmの再吸収可能な素材を加えて、更に1μmから100μmのInGaAsという第3層を加え、全部で300μmの厚さ構造によって機能を高める。

従来の半導体太陽電池、有機半導体の太陽電池などの製造技術で、全て平面型基板上で一層ずつ、平張式に蒸着、エピタキシー、コーティング、拡散印刷などの方法で必要な素材を積層し、最下層の電極と最上層の電極で集電極として、太陽光を集中させて発電活性領域(ＡＣＴＩＶＥＲＥＧＩＯＮ)の中のPN接合面に形成された内蔵電場に放射させて、励起ホール・エレクトロンペアの内在する累積した電荷運動エネルギー分離(ＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮ)を出力目的とする。従来の技術から太陽電池の構造では、その上層の不透光の集電電極は最良の光電入力転換位置を占め、太陽から発せられる多くの光を妨げ、しかも集電導体が電流出力端に接近しないように、電流集合がさらに多い時に導体抵抗が大きくなり電圧が下がることがわかる。従って図５に示すように、電流出力端に接近すると、次第に導体面積を拡大して、受光面積を減らし、元々の発電機能を低下させ、入射効率を無駄にする。この集電電極の遮光問題を克服するため、透明電極に変更して入力する光エネルギーを増加する技術もあるが、現在全透明電極の素材もこの問題を解決できていない。また従来の上下層式の積層法の発電電池では、この元来内蔵電場をドリフトさせるPN接合面は、当初はドナー(又はアクセプター)が電離(ＩＯＮＩＺＡＴＩＯＮ)して電場を活性させた平均的分布させた。しかし照射が持続すると、上下層構造で且つリード線で出力した電極配列(例えば各種グリッド形態)を集電するために、密度が均等でない情況で、密度が不均等な電流分布を出力する結果となる。このことは元のPN接合面の内蔵電場の平均分布から遷移して、次第に電場が不均等な分布状況となって、ドリフト領域内で移動距離の長短の差異を招く。異なるドリフト距離が異なるドリフト速度、異なる電子移動率及び異なるホール移動率を生じて、図６に示すように、この内部で電荷が電場分布の不均等が押しエネルギー消耗を生じ、電荷がスローダウンして再結合損失して、発電効率を下げてしまう。図では弱い電場の箇所で照射されて生じたホール・エレクトロンペアは、ドリフトして電流を出力するのに不利で、電子とホールの緩慢な移動率は再結合損失にゆっくりと変わる。

光が半導体内部を伝導する際、光子は入射深度によってエネルギーが衰える状況は生じ、吸収係数α(cm ^-1 )で記述することができる。半導体深度xに入射する波長λの光子数Np (x)は下記の式で表わされる。
Np(x)= Np(0) exp(-α(λ)x) (1)
その中、Np(0)は半導体表面に進入する光子数である。図４で示すように、吸収係数と異なる太陽電池を使用した半導体素材は、光子に入射する波長λの関係図に対して、各種波長の光子が各種の異なる半導体内に入射可能な深度を理解するのに用いることができる。例を挙げると、波長が0.5μmの太陽光のシリコン中の吸収係数はα=10 ⁴ cm ^-1である。これは0.5μmの波長を入射する光は進入深度1μm以内で、つまり吸収されてホール・エレクトロンペアを生じる。0.5μmの波長はまた太陽スペクトルが最も強いエネルギー箇所(太陽の地面に入射する光子量の最も多い波長)であり、図３より、図４は各波長の光子が光電池に入射できる深度であることがわかる。0.5μmの光を1μmもの浅い発電可能なPN接合領域に進入させると、入射光表面から起算して、ホール・エレクトロンペアを生じるPN接合面までは1μmより小さく、非常に薄い。このために第一層の薄いN層を製造しないと0.5μm波長の太陽光エネルギーをPN接合面に十分に導入して大部分の電力を生み出すことができない。これはまた、従来の太陽電池の進入第一層のN又はP層が相対的に極めて薄い原因のひとつであることがわかる。さらに短い波長が収集して電力に転換できない原因がわかる。

従来の太陽電池のコストが高過ぎる主な原因のひとつは、主として製造時点でのチップ基板(SUBSTRATE)コストによる。こうした原始コストの多くは高値なインゴット(INGOT)から基板を1片ずつ裁断する際、ロスの方が得られる部分より多い。このため大量の経済的安価な太陽電池を製造するには、必ずこのような方法を変えなければならない。さもなくば高コストという事実を変えることができない。

上記の先行技術で製造した従来の太陽電池発電ダイオードの４つの欠点は下記のとおりである。即ち、
一、従来の上下層式の蒸着エピタキシー堆積法で製造した太陽電池は、上下で電流を収集する電極の相対位置のつりあいが取れていないため、発電効率が低下する。
二、従来の上下層式の蒸着エピタキシー堆積法で製造した太陽電池は、極めて薄い入射深度の短波長の光子を十分に吸収して転換することができず、短波長の光子エネルギーを浪費する。
三、上下層の集電方式の電極が出光口を占用して、完全に遮光の欠陥を回避できない。
四、インゴットから基板を裁断する際、1片ずつ精製素材を裁断するロスコストを太陽電池の原始素材コストに転嫁するため、高価な太陽電池の使用をスムースに広めることができない。

本発明は特許文献１「屈折率が半径上に分布する同軸光導光ファイバー及びその同軸半導体の光源と検光器の共同構造の同軸光導システム」における同軸半導体の検光器の構造原理を利用して、同軸太陽電池構造を製造することで同時に上記の問題を解決することができる。
中華民国特許第０９５１４６９６３号明細書

同軸半導体の検光器はプラス・マイナス、内外同軸で等距離の給電する２つの電極が、中間で光を検査する環状半導体層の同軸方式に対して給電して、出力電流の変動(又は拡大)を検出又は収集して形成した同軸半導体の検光器の構造を構成している。

本発明は同軸電極の出力を利用して内蔵電場から電流を集める構造方式であり、下記の２つの方法で同時に上記の問題を解決する。

１. 図７で示したような各太陽電池の発電ダイオードを同軸構造化し、従来の発電ダイオードの電極の上下層に配列した配置を同軸化配置に変える。そして更に多層同軸構造化の太陽電池の軸心共同構造を、同一軸心上で重ねて直列にし、図８示したFSCSCのような、全スペクトの吸収の同軸太陽電池FSCSC (ＦＵＬＬＳＰＥＣＴＲＵＭＣＯＡＸＩＡＬＳＯＬＡＲＣＥＬＬ、以下FSCSCという)方法を編み出す。各FSCSCの軸心電極を外環電極に接続して、それぞれ直列で電圧を上げ、並列で電流を大きくする方法で、高い効率の各種平面給電装置を構成することができる。

２.同軸太陽電池の構造を長線形で大面積の同軸太陽電池の配列方式にして、従来の基板平面形態の1片ずつ構成する太陽電池板に取って代え、ローコストで経済的規模の給電を達成する。インゴットを裁断して基板素材として製造することがないため、高いコストの問題を解決することができる。

詳しい説明は次の通りである。
１. 図７で示したような太陽電池の発電ダイオードを同軸構造化して、従来の発電ダイオードの電極の上下層に配列した配置を同軸化配置に変える。励起活性層即ち空乏領域は平層分布形態で下層に埋蔵せず、同軸の環状分布形態に変える。本例示の同軸太陽電池はＰＩＮ構造で、７０１は同軸の軸心電極、７０２はN型の環状半導体層、７０３はI型の環状半導体層、７０４はP型の環状半導体層、７０５は同軸の外環状電極の出力端、７０６は絶縁誘電体層、７０７は軸心給電極出力端である。その環状の空乏領域は直接表面に露出して、直接受光面を形成し、たとえ最も短い波長の光子でも、すぐに吸収することができる。励起ホール・エレクトロンペアによって、直接ドリフト領域の内蔵電場内で加速し、しかも高速移動の駆動電流出力を直接形成して、短波長は高速で直接出力の結果が得られる。これで上記２つの問題を解決した。同じ道理で、その他の各波長領域の光子のエネルギーは、異なる吸収素材のエネルギーギャップ分布と入射深度との関係によって積層の層の数と各層の厚みを組み合わせ、例えば図８のような短い波長の同軸太陽電池層８０１、中間スペクトル領域の同軸太陽電池層８０２及び長波長領域の同軸太陽電池層８０３、そして同軸心８０４が共同構造で重層に直列して完全な全スペクトル吸収の同軸太陽バッテリーを構成する。

図９に示すように、本発明の同軸太陽電池のダイオード内の環状など厚さのPN接合領域において、電離して発生したプラス・マイナスは放射状に等距離に電場に分布する。光子が直接入射して発生したホール・エレクトロンペアは、それぞれPN接合面によって内蔵して放射状に電場駆動し、それぞれ最短等距離経路で各同軸層の内外2電極にドリフトする。この領域で持続的に光子が衝突して発生し、高速で中に堆積する高数量と高電位の電子とホール群は、充電した電池と同様に、外部に電力を提供することができる。従って、本同軸太陽電池のダイオードは短波長の光子の吸収転換の電流が得られるだけでなく、その上更に飽和している電力を提供することもでき、1つ目の問題を解決する。この平面図から、給電する同軸の内外2電極を提供して、ユニットFSCSCの主な発生電力のドリフト領域から見ると、給電電極は些かも光子の進入経路を占用していないことが分かる。しかし全体のFSCSC位置の受光領域から言えば、同軸の外環電極が光子進入ポイントを占用しているだけで、その検査光の占用割合は多くないが、有効なドリフト領域の遮光損失や吸収損失をもたらさない。従って、本発明の同軸太陽電池の構造も3つ目の問題を解決することができる。

１.同軸太陽電池の構造を線形の直並列の配列方式にして、従来の硬い基板の平面形態に製造された太陽電池板に取って代えて、直並列で電力を供給する。高価な基板素材で製造しないため、4つ目の高コストの問題を解決することができる。従来のシリコン素材のシングルインゴットを裁断してウエハを製造した太陽電池は初期に多数を占めていた。インゴットを裁断して基板にする際、1片ずつ精製素材を裁断するロスコストを太陽電池の原始素材コストに転嫁するため、高価な太陽電池の使用をスムースに広めることができない。最近マルチシリコン素材による平面上で製作する代替方法が開発されて、上記のシングルインゴットを裁断してウエハ基板にして製造した太陽電池の高コストという欠点をなくした。然しながら、平板型で太陽電池を製造する方法では、半導体の有限な面積で平均的にコーティング、エピタキシー、蒸着などの製造工程を無くすことはできない。このため巨大面積を製造することができず、しかも必ず更に大面積で遠方から放射される太陽エネルギーを収集しなければならない。従来の太陽電池の1片ずつの平板型太陽電池で、直並列の配列・組合せにして大面積で収集して給電をしないと、大規模給電設備が設置できない。このような直並列の配列・組合せでは、電流と電圧を高めると、極めて複雑な構造となって多くの共用の不必要な空間が無駄となって、コストが上昇するだけでなく、インターフェイスの複合抵抗をもたらして既に転換している電力を消耗する。

長年の光ファイバーの製造の経験から、これを同軸太陽電池の製造に応用し、有機半導体の素材又は無機半導体素材のアモルファスシリコン(ＡＭＯＲＰＨＯＵＳＳＩＬＩＣＯＮ)又は多結晶シリコン(ＰＯＬＹＣＲＹＳＴＡＬＬＩＮＥＳＩＬＩＣＯＮ)を使用して、MOCVDやPCVD蒸着の方式のような各種薄膜蒸着(ＴＨＩＮＦＩＬＭＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ)から細長い線形構造の同軸太陽電池を製造することができる。面は線の連続した組合せであり、曲面は曲線の連続した組合せである。従って、太陽電池を同軸線形の太陽電池に製造するには、細長い直線形又は配置すべき曲面構造に従って、大面積の給電設備を製造すると、極めてローコストで単面の極めて大面積で電力を出力する経済的な運動エネルギーを実現することができ、人類社会の福祉に計り知れない貢献をすると共に、数百年来の石油化学産業と電気動力が地球温暖化を生じた害を減らすこととなる。

図11は本発明の実施例２を示しており、線形の同軸太陽電池で大面積の給電設備を構成し、それは１０００本の長さ1メートルの同軸太陽電池で並列接続して構成されており、実例で説明することとする。またコストダウンするため、本発明の更に連続して長線形の同軸太陽電池を製造する方法は、実施例３のように、大規模で経済的なで量産を実現することが期待される。

以上を総括すると、本発明は同軸化太陽電池の給電の電極構造を新たに位置付けして、以上の従来の太陽電池の問題を解決する共に、下記の目的を達成することができる。

一、同軸化太陽電池の発電機能が向上し、同軸コンデンサー構造が電力を更に飽和させ、しかもまた短波長を直接光子に入射して吸収させ、又は何層もの異なった素材の吸収係数及びエネルギーギャップ素材の同軸共用構造が、FSCSC全スペクトル吸収の同軸太陽電池構造を構成して、更に完備した太陽電池の給電の組合せを提供する。

二、入口の電極線妨害がなく、光エネルギーの入口が大きくなって効率を高めることができる。

三、線形の同軸太陽のバッテリーを使用して、大面積の平面又は曲面構造の装置にして、小さく且つ複雑な電気を消費し、空間を占め、素材を無駄にする従来の構成方法を変えて、合理化、大規模化した経済的量産を達成することができ、人々の生活を利すると共に、国家の新しい産業の発展の好機を促進するものである。

本発明のその他の目的、長所及びその他の斬新な事項、その他の適用性の範囲などは、それぞれ下記の詳細説明で言及すると共に、関連する図説内容と互いに照合することとする。一部は今後技術検査人又は本発明実施人が本発明の同軸構造化の精神とそれに続く発展技術を更に容易にマスターできる。本発明の長所と目標は、本願の特許請求の範囲内で記述した同軸構造の原理と方法手段などは組合せ利用して実現することができる。

本発明の実施例の各細部を説明するのに参考番号を引用した素子は、何れも同様又は機能の上で同じであると見なし、且つ極めて簡略化した図解方式で実例を図説して主な実施特徴を表している。従って、図示したものは決して実際の実施例のすべての特徴を描写したものではなく、描写した素子は決して相対的寸法又は数量ではなく、従って示された図面は比例描写されておらず、本発明の同軸太陽電池の基本精神で描写している。

実施例1はネット状分布している同軸太陽電池で構成された太陽電池の給電装置の構造であり、図１０により説明する。

図１０の同軸太陽電池の給電器内の各太陽電池は、各ライン１００個の図７のようなシリコン質Ｐ−Ｉ−Ｎ型同軸太陽電池から構成され、全部で１００ラインである。各同軸太陽電池１００１はＰ−Ｉ−Ｎ型同軸太陽電池で、１００２は各同軸太陽電池の給電軸心電極である。１００３は各同軸太陽電池の同軸化の外円環の集電陰極で、１００９はこの陰極の集電共用出力端子である。１００４はP-型環状半導体であり、１００５はI-型環状真性半導体層である。１００６は内環N-型環状半導体層である。１００７は平面絶縁誘電体層であり、１００８はすべての１００２軸心電極の底部を同じ平面に連接した陽極の共同平面で、１０１０はこの平面の陽極出力端子である。

上述の詳しい説明で述べた本発明の同軸太陽電池の発電原理のように、各波長の光子が直接ドリフト領域に入射するため、異なった深度の励起電子とホールは、PN接合面に平均的に分布して内蔵された放射状の電場に等距離で同時にドリフトして、順調に分離して流れた電流は、計１００００個の同軸太陽電池が並列に配列されて電流を出力する給電のバッテリーと同様である。このバッテリーは更に電気設備に必要な電圧と電流値の最低と最高の状況によって、それぞれ直列又は並列接続して給電し、完璧に給電力する目的を達成する。

図１０が示す本発明の同軸太陽電池は、本発明の同軸太陽電池の給電の主な精神を代表する同軸共同構造の主張とするに過ぎず、その他同軸共同構造を等価発揮する太陽電池発電の機能及び応用する各種態様を説明する。

実例１で述べたように、本願の同軸太陽電池が構成する給電設備は、直接短い波長の光子エネルギーをスペクトル領域に持つだけでなく、従来の太陽電池で吸収転換した浅い層の電気エネルギーを電力に吸収転換し難く、また吸収深度の更に長い波長の光子が必要な深度の製造工程の割り振り予想も可能である。又は第１の層上層のカットオフ波長の深度の外に、更に第２又は第３層の適切な吸収転換エネルギーギャップ素材を積層して、全スペクトル吸収の同軸太陽バッテリーを達成する。

図１１の本発明の実施例２では、線形同軸太陽電池で、大きな単位面積の給電装置を構成して、この大きな単位面積の給電装置は１０００本で各長さが１０００ミリメートル(1メートル)の線形同軸太陽電池１１０１を並列接続して、同一平面又は特定曲面に埋め込んで、例えば、航空機や自動車のボディの流線形曲面は固定台座１１０２上に構成する。このように構成した各ユニットバッテリーは、更に電気設備に必要な電圧と電流値の最低と最高の状況によって、それぞれ直列又は並列接続して給電し、供給に必要な電力効率目標を達成することができる。

各線形の同軸太陽電池１１０１は下記同軸化素材で構成され、反射作用を有する金属導体の軸心陽電極１１０３、円管状のN型半導体層１１０４、円管状のI型半導体層１１０５、円管状のP型半導体層１１０６、透明な円管状の外環電極の導体層１１０７、外側が抗反射コーティングされた表面保護層１１０８及び固定台座にインターフェイスを埋め込んだ反射コーティング層１１０９などを含む。各線形同軸心陽電極１１０３を並列接続して正電気子出力端子１１１０を構成して、１１０７外環陰極を並列接続して負電気出力端子１１１１を構成する。

線形同軸太陽電池は高効率な集電原理をも具備し、上述の本発明の同軸化の均等な内蔵電場の作用に同様で、側面に入射した光子はホール・エレクトロンペアに励起衝撃して、持続して分離しコンデンサーや給電能力を累積する。直接ドリフト領域が露出しておらず、極めて短い波長の光エネルギーが若干失われたことは遺憾に思う。然しながら、側面の大面積にボールレンズ形の同軸太陽電池に進入すると、内部が素材の特性ニーズに従って反射と屈折を割り振り、長短兼備した光吸収経路が得られる。従って、図１２のように、より小さい半径で比較的に軽い同軸太陽電池構造を製造して、広いスペクトル面の吸収作用を達成することができると共に、比較的短い波長の微細な損失部分を補うこともできる。

実施例２では、本願の線形同軸太陽電池で構成した給電設備は、更に小さい線径の同軸太陽電池構造で、更に広いスペクトル面の光子エネルギーの吸収作用を達成することができ、またさらに大きい単位面積で平面又はいかなる曲面での配列をも構成することができ、いかなる応用ケースや発電ツールに必要な外形の組合せ、角度の組合せ、直並列の組合せ、給電量の組合せ又は地形と緯度の組合せなどの発電作用に適合させられる。このようにインゴットで基板の形式に裁断する製造工程や、非シングルシリコンの平面の製造工程で小片を組合せて製造した各種の方式から脱却して、ローコストで大面積の太陽電池を製造して給電する効率を達成して、人類の使用に供して、人類の幸福の創造へと拡大する。

実施例３は、図１３により本発明の実施例２の図１１で示した同軸の長線形の太陽電池の連続製造法を実施する。線形の同軸太陽電池は幾層もの同心の円環状半導体層又は化合物の薄膜層が相前後して蒸着して出来ている。従って、長線形の光ファイバーが繰糸するようなコーティング製造工程技術方式で連続して製造することができる。ステンレスワイヤのような軸心導体１３０２は、原料供給巻軸１３０１より引き出す。まず環状のN型半導体層の蒸着設備１３０３を通って、コーティング済のN型層の同軸構造１３０４を生産する。更に環状のI型半導体層の蒸着設備１３０５を通って、コーティング済のN型層及びI型層の２層の同軸構造１３０６を生産する。更に環状のP型半導体層の蒸着設備１３０７を通って、コーティング済のN型層、I型層及びP型層の計３層の同心層の同軸構造１３０８を生産する。更に環状の外環電極導電層の蒸着設備１３０９を通って、コーティング済のN型層、I型層、P型層及び透明な導電導層の計４層の同心層の同軸構造１３１０を生産する。また更に環状の抗反射層又は保護層の蒸着設備１３１１を通って、コーティング済のN型層、I型層、P型層、透明な導電層が及び抗反射の計５層の同心層の同軸の長線形構造１３１２を生産する。一定速度の帰還制御回転軸１３１３を通り、巻取装置１３１４から連続して絶えず巻き取って、全体の製造工程を完了する。

各円環状の蒸着設備は、薄膜蒸着吹付けコーティング方式、CIGSや染料に敏感な太陽電池DSSCのような薄膜種類の異なる蒸着の厚さ、又はエピタキシーの形成条件の必要性など各種製造工程を眼に捉えてオンライン製造設備を割り振り、必要な長線形の同軸構造の太陽電池の各製品の給電目標を達成する。

長線形の同軸太陽電池を横に並べて帯状太陽電池に製造し、軟性の大面積の給電装置を配列形成することができる。図１４は図１３で製造した長線形の同軸太陽電池が太陽電池に製造される概略図である。１４０１は数十又は百本の長線形の同軸太陽電池を横に並べて引き出し、被覆機(ＥＸＴＲＵＤＥＲ)又は大面積の帯状製造設備１４０２の帯状コーティング成形ヘッド１４０３通って、最後に巻取設備１４０４で帯状の長線形同軸太陽電池の製造工程を完了する。

上記の各素子の機能及びその同軸給電機能、又は２つ若しくは多数の素子の機能及びその同軸使用の給電機能は、全て単独又は共同で上記タイプと異なるその他のタイプの同軸共同構造の太陽電池発電システムに効率的に応用できることが分かる。

本文は同軸化太陽電池、及びその同軸線形の太陽バッテリーの同軸化太陽電池の発電システム及びその連続製造方法を図解説明し本発明を詳しく述べている。しかしこのことは本発明がこれら図示された細部に限定されることを意図しているのではなく、本発明の精神を逸脱しない如何なる方式の前提で、本発明に対して各種修正と構造の改変を実施することができる。

以上の説明を更に分析して本発明の要旨を全面的に披露する必要は無く、それは既に人々が現存知識を応用して、先行技術の観点と併せて、本発明の一般又は具体的な態様の基本的特徴を合理的に構成する前提で、本発明を修正し各種応用し又はその他の素材を使用して本発明に容易く応用でき、また、これらの修正が添付した特許請求の範囲の等価意義ならびに範囲内であるものとする。

従来のＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ太陽電池構造と内蔵電場の概略図である。太陽エネルギー強度と太陽スペクトル波長の関係図である。太陽光子量密度と太陽スペクトル波長の関係図である。各種素材の吸収係数と侵入深度対波長の関係図である。従来の集電導体が入射光を阻止する例示概略図である。従来の太陽電池の上下の集電電極分布が内蔵電場の変化とドリフト電流の方向を形成する概略図である。ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ型同軸太陽電池構造の斜視断面概略図である。例示の全スペクトル吸収の同軸太陽電池構造の斜視断面概略図である。同軸太陽電池ＰＮの接合面が放射状の内蔵電場分布の上面図である。実施例１の同軸太陽バッテリーの給電装置の概略図である。実施例２の線形同軸太陽バッテリーの給電装置の概略図である。実施例２の線形同軸太陽バッテリーの給電装置内の光子入射経路の上面概略図である。実施例３の長線形同軸太陽電池の連続製造方法の概略図である。実施例３の長線形同軸太陽電池が帯状太陽電池を製作する概略図である。

符号の説明

１００１同軸太陽電池
１００２給電軸心電極
１００３外円環の集電陰極
１００４ P-型環状半導体
１００５ I-型環状真性半導体層
１００６内環N-型環状半導体層
１００７平面絶縁誘電体層
１００８陽極の共同平面
１００９集電共用出力端子
１０１０陽極出力端子

Claims

平面或いは半導体基板で同軸給電を有する２つの内外導体を形成し、その隙間は多層同心環状半導体層或いは化合物層からなる同軸太陽電池の受光構造であり、太陽光子を持続的に受けて環状半導体層或いは化合物層に照射し転換するエネルギーを蓄えて正負を有し同軸が給電を出力する２つの電極を形成し環状の受光帯が太陽光子エネルギーを直接に吸収するようにし、且つ均一半径で内蔵電場の作用で励起したホール・エレクトロンペアの分離による駆動電流或いは他のエネルギーを出力することを目的する同軸太陽電池構造であって、同軸給電を有する２つの内外導体電極は光電転換機能を有する各環状半導体層或いは化合物層と同心共同構造を形成することを特徴とする同軸太陽電池構造。
同軸で多層に積層し吸収波長を選択する太陽電池構造であって、吸収される太陽放射光子波長エネルギーを出力する各種多層同軸太陽電池給電構造を構成し、さらに
請求項1に記載する微小な入射深度波長の同軸太陽電池或いは
請求項1に記載する中度な入射深度波長の同軸太陽電池或いは
請求項1に記載する深い入射深度波長の同軸太陽電池或いは
請求項1に記載する他特殊エネルギーギャップ材料による同軸太陽電池と、
上記一層以上の給電構造或いは給電兼光導光の軸心を直列に接続して共用共同構造とし、各波長によって深く入射して配列し、垂直に積層して各同軸の外環電極からそれぞれ給電を出力し応用電力の構造を組立てることを特徴とする請求項1に記載する同軸太陽電池構造。
請求項1に記載する同軸太陽電池に応じて軸性により長くなる線形同軸太陽電池構造であって、同軸太陽電池を線形で細い同軸太陽電池に形成し、太陽光子は側端から入射し給電を図る目的を達成することを特徴とする請求項1に記載する線形同軸太陽電池構造。
請求項1に記載する同軸太陽電池構造によるに大面積の平面或いは曲面の同軸太陽電池給電装置であって、平面配列或いは曲面配列の方法により並列に出力し、直列に出力し或いは並直列に組合せて出力し、太陽電池が給電を図る装置を目的にすることを特徴とする請求項1に記載する同軸太陽電池構造。
請求項２に記載する各長線形の同軸太陽電池構造によるに大面積の平面或いは曲面の同軸太陽電池給電装置であって、平面配列或いは曲面配列の方法により並列に出力し、直列に出力し或いは並直列に組合せて出力し、太陽電池が給電を図る装置を目的にすることを特徴とする請求項1に記載する同軸太陽電池構造。
請求項３に記載する各長線形の同軸太陽電池構造によるに大面積の平面或いは曲面の同軸太陽電池給電装置であって、平面配列或いは曲面配列の方法により並列に出力し、直列に出力し或いは並直列に組合せて出力し、太陽電池が給電を図る装置を目的にすることを特徴とする請求項1に記載する同軸太陽電池構造。
長線形同軸太陽電池を連続製造する方法であって、本方法を実現する蒸着或いはコーティング設備は、垂直で上下に配列する方法、或いは水平に配列する方法、或いは一部に垂直と水平に配列する方法により、長線形同軸太陽電池の構造軸心導電極を一つずつ各設備の中央を貫通させ、層ごとに連続蒸着して長線形同軸太陽電池を製造する方法であって、作成した長線形同軸太陽電池内の同心共同構造の各環状半導体層或いは化合物層及び導電層は持続的に内層から外層へ軸性により直線に長くなり蒸着し成ることを特徴とする長線形同軸太陽電池を連続製造する方法。