JP2010114316A - 光起電力素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体層としてカーボンナノチューブを含む半導体層を有し、広いバンドキャップ範囲で光電変換を行うことができ、もって高い発電効率を発揮することができる光起電力素子を提供する。
【解決手段】 太陽電池Ｍ１における半導体層３は、表面電極２に近い側から順にｐ型半導体層３１、ｉ型半導体層３２、およびｎ型半導体層３３を備えている。ｐ型半導体層３１、ｉ型半導体層３２、およびｎ型半導体層３３は、カーボンナノチューブを含有している。ｐ型半導体層３１を構成するカーボンナノチューブの直径は、ｉ型半導体層３２を構成するカーボンナノチューブの直径よりも小さくされている。また、ｉ型半導体層３２を構成するカーボンナノチューブの直径は、ｎ型半導体層３３を構成するカーボンナノチューブの直径よりも小さくされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光の入射によって起電力を発生させる光起電力素子に係り、特に、太陽電池セルなどとして用いられる光起電力素子およびその製造方法に関する。

太陽電池などに用いられる光起電力素子として、従来、ｐ型半導体物質とｎ型半導体物質とがｐｎ接合またはｐｉｎ接合され、ｐ型半導体物質またはｎ型半導体物質が、複数のカーボンナノチューブが互いに電気的に接続された状態で配されてなる構造体膜からなる太陽電池が知られている（たとえば、特許文献１）。この太陽電池は、ｐ型半導体物質またはｎ型半導体物質が、複数のカーボンナノチューブからなることにより、幅広い波長の光を利用できたり、キャリアの輸送性の向上を期待できたりといった利点を有するというものである。
特開２００６−２３７２０４号公報

しかし、上記特許文献１に開示された太陽電池（光電変換素子）においては、ｐ型半導体物質またはｎ型半導体物質（半導体層）が、複数のカーボンナノチューブから構成されており、狭い範囲でのバンドギャップしか有していない。このため、狭い範囲でのスペクトルでしか光電変換が行われず、その結果、光電変換による発電効率が高いとはいえないという問題があった。

そこで、本発明の課題は、半導体層としてカーボンナノチューブを含む半導体層を有し、広いバンドキャップ範囲で光電変換を行うことができ、もって高い発電効率を発揮することができる光起電力素子を提供することにある。

本発明に係る光起電力素子は、光が入射する光入射面と、光入射面の裏側に配置された裏面とを備え、光入射面と裏面との間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とが形成された光起電力素子であって、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層は、複数のカーボンナノチューブを含んで構成されており、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層のうち、裏面側に配置される層に含まれるカーボンナノチューブの径が、光入射面側に配置される層に含まれるカーボンナノチューブの径よりも小径とされていることを特徴とするものである。

本発明に係る光起電力素子においては、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層のうち、裏面側に配置される層に含まれるカーボンナノチューブの径が、光入射面側に配置される層に含まれるカーボンナノチューブの径よりも小径とされている。このため、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層において、異なる波長の光を吸収することができる。したがって、広いバンドキャップ範囲で光電変換を行うことができ、もって高い発電効率を発揮することができる。また、カーボンナノチューブのエネルギーバンドギャップは、その直径に反比例するため、その径が小さいほどエネルギーバンドギャップが大きくなる。したがって、裏面側に配置される層に含まれるカーボンナノチューブの径が、光入射面側に配置される層に含まれるカーボンナノチューブの径よりも小径とされている。よって、光入射面に近い側の半導体層の方が、エネルギーバンドギャップが大きくなっているので、多くの波長の光を吸収することができる。したがって、さらに発電効率を向上させることができる。

また、本発明に係る光起電力素子は、上記光起電力素子を製造するにあたり、表面に形成された光入射面と、光入射面の裏側に配置された裏面とを備え、光入射面と裏面との間に、カーボンナノチューブをそれぞれ含むｐ型半導体層とｎ型半導体層とが形成された光起電力素子を製造するにあたり、カーボンナノチューブを溶媒に混合してカーボンナノチューブ含有溶液を製造し、カーボンナノチューブ含有溶液を吹付対象物に吹き付けて塗布し、カーボンナノチューブ含有溶液の塗布後、カーボンナノチューブ含有溶液に含まれる溶媒を蒸発させて、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層のうちの少なくとも一方を形成するものである。

本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、カーボンナノチューブを溶媒に混合してカーボンナノチューブ含有溶液を製造し、カーボンナノチューブ含有溶液を吹付対象物に吹き付けて塗布し、カーボンナノチューブ含有溶液の塗布後、カーボンナノチューブ含有溶液に含まれる溶媒を蒸発させる。このため、カーボンナノチューブを含む半導体層を形成する際に真空装置などを要することなく、簡素な装置によって半導体層を形成することができる。

ここで、カーボンナノチューブ含有溶液の塗布後、カーボンナノチューブ含有溶液を加熱乾燥することによって、カーボンナノチューブ含有溶液に含まれる溶媒を蒸発させる態様とすることができる。

このように、カーボンナノチューブ含有溶液を加熱乾燥することによって、カーボンナノチューブ含有溶液に含まれる溶媒を蒸発させることにより、溶媒を短時間で蒸発させることができる。その結果、光起電力素子の製造時間の短縮化を図ることができる。

本発明に係る光起電力素子によれば、半導体層としてカーボンナノチューブを含む半導体層を有し、広いバンドキャップ範囲で光電変換を行うことができ、もって高い発電効率を発揮することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の側断面図である。光起電力素子である太陽電池Ｍ１は、いわゆるｐ−ｉ−ｎ接合型の太陽電池であり、光の入射に応じて起電力を発生する。図１に示すように、太陽電池Ｍ１は、透明基板１、表面電極２、半導体層３、および裏面電極４を備えている。これらの透明基板１、表面電極２、半導体層３、および裏面電極４は、光Ｌの進行方向に沿って、その進行方向の手前側（図示上側）からこの順に積層されるように配置されている。透明基板１の表面が光入射面となる。

また、半導体層３は、ｐ型半導体層３１、ｉ型半導体層３２、およびｎ型半導体層３３を備えている。これらのｐ型半導体層３１、ｉ型半導体層３２、およびｎ型半導体層３３は、光Ｌの進行方向手前側からこの順で積層されるように設けられている。

透明基板１は、表面電極２、半導体層３、および裏面電極４を保持する保持基板として機能するものであり、光透過性を有している。この透明基板１は、たとえば、ガラスを主成分とし、厚さが２ｍｍとされている。透明基板１は、その表面側から光が入射される一方、その裏面に表面電極２が接合されている。

表面電極２は、板状を呈しており、光を透過する透明電極であるとともに、起電力を取り出すための正電極（＋電極）として機能するものである。この表面電極２は、たとえば、グラファイトや金属カーボンナノチューブを主成分としている。この表面電極２の裏面には、半導体層３が接合されている。

半導体層３におけるｐ型半導体層３１は、正孔を収集する正孔収集部として機能するものである。このｐ型半導体層３１は、ホウ素がドープ（添加）されたカーボンナノチューブを主成分とする半導体からなり、導電型がｐ型（第１導電型）とされている。ｐ型半導体層３１に含まれるカーボンナノチューブとしては、たとえば直径が１．０５ｎｍのものが用いられる。また、ｐ型半導体層３１のキャリア濃度は、ｉ型半導体層３２よりも高くなっている。

ｉ型半導体層３２は、光Ｌを吸収して電子および正孔を生成する光吸収部として機能するものである。このｉ型半導体層３２は、不純物がドープされていないカーボンナノチューブを主成分とする真性半導体からなり、導電型がｉ型（intrinsic semiconductor）とされている。ｉ型半導体層３２に含まれるカーボンナノチューブとしては、直径がｐ型半導体層３１に含まれるカーボンナノチューブの直径よりも大きく、たとえば直径が１．２３ｎｍのものが用いられる。

ｎ型半導体層３３は、電子を収集する電子収集部として機能するものである。このｎ型半導体層３３は、リンがドープされたカーボンナノチューブを主成分とする半導体からなり、導電型がｎ型（第２導電型）とされている。ｎ型半導体層３３に含まれるカーボンナノチューブとしては、直径がｐ型半導体層３およびｉ型半導体層３２に含まれるカーボンナノチューブの直径よりも大きく、たとえば直径が１．３７ｎｍのものが用いられる。また、ｎ型半導体層３３のキャリア濃度は、ｉ型半導体層３２よりも高くなっている。

裏面電極４は、起電力を取り出すための負電極（−電極）として機能するものである。この裏面電極４は、板状を呈しており、半導体層３の裏面に接合されている。裏面電極４は、グラファイトや金属カーボンナノチューブを主成分としており、その縦方向が太陽電池Ｍ１における各層の積層方向に沿った方向に配置されている。

以上の構成を有する本実施形態に係る太陽電池Ｍ１は、半導体層３を構成するｐ型半導体層３１、ｉ型半導体層３２、およびｎ型半導体層３３のそれぞれにカーボンナノチューブが含まれている。また、ｐ型半導体層３１、ｉ型半導体層３２、およびｎ型半導体層３３に含まれるカーボンナノチューブは、その直径が、相互に異なるものとされている。このため、ｐ型半導体層３１、ｉ型半導体層３２、およびｎ型半導体層３３の各層において、異なる波長の光を吸収することができる。したがって、広いバンドキャップ範囲で光電変換を行うことができ、もって高い発電効率を発揮することができる。

このとき、ｐ型半導体層３１、ｉ型半導体層３２、およびｎ型半導体層３３における表面電極２側に近いカーボンナノチューブの径の方が、裏面電極４側に近いカーボンナノチューブの径よりも小さくされている。カーボンナノチューブのエネルギーバンドギャップは、その径に反比例するため、その径が小さいほどエネルギーバンドギャップが大きくなる。このため、光入射面に近い側の半導体層の方が、エネルギーバンドギャップが大きくなっているので、多くの波長の光を吸収することができる。したがって、さらに発電効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態に係る太陽電池Ｍ１では、裏面電極４における金属カーボンナノチューブは、その縦方向が太陽電池Ｍ１における各層の積層方向に沿った方向に配置されている。このため、半導体層３によって吸収しきれなかった光を高い反射率をもって反射させることができる。このため、半導体層３においてさらに多くの光を吸収することができ、さらに発電効率を向上させることができる。

次に、本実施形態に係る太陽電池の製造方法について説明する。本実施形態に係る太陽電池Ｍ１においては、半導体層３においてカーボンナノチューブが用いられている。半導体層３は、次の手順で形成される。透明基板１に対して表面電極２を形成した後、この表面電極２が形成された透明基板１に対して半導体層３を形成する。半導体層３を製造する際には、カーボンナノチューブを溶媒に混合したカーボンナノチューブ含有溶液を用意する。カーボンナノチューブ含有溶液における溶媒としては、たとえば水（純水）が用いられる。

続いて、図２に示すように、カーボンナノチューブ含有溶液Ｗをノズル２０から透明基板１に吹き付けて、カーボンナノチューブ含有溶液を塗布する。カーボンナノチューブ含有溶液Ｗを塗布する際には、スプレー方式やインクジェット方式を用いることができる。透明基板１にカーボンナノチューブ含有溶液Ｗを塗布したら、図示しないヒーターなどを用いて、カーボンナノチューブ含有溶液Ｗを加熱してカーボンナノチューブ含有溶液Ｗの溶媒を蒸発させて乾燥させる。こうして、カーボンナノチューブで構成され、半導体層３のうちのｐ型半導体層３１となる薄膜を生成する。その後、同様の手順よって、半導体層３のうちのｉ型半導体層３２およびｎ型半導体層３３を生成する。その後、裏面電極４を生成して、太陽電池Ｍ１とする。

このように、太陽電池Ｍ１を製造するにあたり、カーボンナノチューブ含有溶液Ｗを塗布することによって半導体層３を形成することにより、真空装置等の大掛かりな設備を要することなく、半導体層３を形成することができる。また、カーボンナノチューブ含有溶液を加熱乾燥することによって、カーボンナノチューブ含有溶液に含まれる溶媒を蒸発させることにより、溶媒を短時間で蒸発させることができる。その結果、光起電力素子の製造時間の短縮化を図ることができる。

さらに、カーボンナノチューブを製造する際のカーボンナノチューブの直径の調整方法について説明する。カーボンナノチューブは、アーク放電法によって製造することができる。ここで、アーク放電法によってカーボンナノチューブを製造する際、製造されるカーボンナノチューブの直径は、製造時に用いられる触媒金属の種類に依存する。このとき、触媒金属としてIII族の金属触媒を用いることにより、鉄族触媒を用いた場合よりも直径が大きいカーボンナノチューブを製造することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る太陽電池Ｍ２は、複数の半導体層を備えている。図３は、第２の実施形態に係る太陽電池の要部側断面図である。

図３に示すように、本実施形態に係る太陽電池Ｍ２は、第１半導体層３Ａおよび第２半導体層３Ｂを備えており、各半導体層３にそれぞれｐ型半導体層３１Ａ，３１Ｂおよびｎ型半導体層３３Ａ，３３Ｂが設けられている。この半導体層３の裏面にアルミ基板５が設けられている。

また、各半導体層３Ａ，３Ｂは、いずれもカーボンナノチューブを含んで構成されている。このうち、もっとも表面電極に近い側に配置された第１ｐ型半導体層３１Ａを構成するカーボンナノチューブの直径がもっとも小さく設定されている。また、第１ｎ型半導体層３３Ａを構成するカーボンナノチューブの直径は、第１ｐ型半導体層３１Ａを構成するカーボンナノチューブの直径よりも大きく設定されている。

さらに、第２ｐ型半導体層３１Ｂを構成するカーボンナノチューブの直径は、第１ｎ型半導体層３３Ａを構成するカーボンナノチューブの直径よりも大きく設定されている。そして、第２ｎ型半導体層３３Ｂを構成するカーボンナノチューブの直径は、第２ｐ型半導体層３１Ｂを構成するカーボンナノチューブの直径よりも大きく設定されている。その他の点については、上記第１の実施形態と同様の構成を有している。

以上の構成を有する本実施形態に係る太陽電池Ｍ２では、複数組のｐ型半導体層およびｎ型半導体層が設けられているが、この場合においても、上記第１の実施形態と同様、半導体層３Ａ，３Ｂの各層に異なる直径のカーボンナノチューブが含有されていることから、広いバンドギャップ範囲で光電変換を行うことができ、高い発電効率を発揮することができる。また、表面電極側に近いカーボンナノチューブの直径の方が裏面電極側に近いカーボンナノチューブの直径よりも小さくされている。このため、光入射面に近い側の半導体層の方が、多くの波長の光を吸収することができ、さらに発電効率を向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、表面電極および裏面電極を金属カーボンナノチューブで構成しているが、これらの一方または両方を他の導電体で構成することができる。また、上記実施形態では、ｐ型半導体層のドーパントとしてホウ素を用いているが、ドーパントしては、ホウ素のほか、窒素、臭素などを用いることができる。さらに、ｎ型半導体層のドーパントとしてリンを用いているが、ドーパントとしては、リン以外にフッ素などを用いることができる。

さらに、上記実施形態では、半導体層３を、光Ｌの入射側から順にｐ型半導体層３１、ｉ型半導体層３２、ｎ型半導体層３３としているが、ｎ型半導体層、ｉ型半導体層、ｐ型半導体層の順とすることもできる。この場合、表面電極２が負（−）電極、裏面電極４が正（＋）電極となる。

第１の実施形態に係る太陽電池の側断面図である。 半導体層を形成する際の模式図である。 第１の実施形態に係る太陽電池の要部側断面図である。

符号の説明

１…透明基板、２…表面電極、３…半導体層、４…裏面電極、５…アルミ基板、２０…ノズル、３１…ｐ型半導体層、３２…ｉ型半導体層、３３…ｎ型半導体層、Ｌ…光、Ｍ１，Ｍ２…太陽電池、Ｗ…カーボンナノチューブ含有溶液。

Claims (3)

1. 光が入射する光入射面と、前記光入射面の裏側に配置された裏面とを備え、前記光入射面と前記裏面との間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とが形成された光起電力素子であって、
   前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層は、複数のカーボンナノチューブを含んで構成されており、
   前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層のうち、前記裏面側に配置される層に含まれるカーボンナノチューブの径が、前記光入射面側に配置される層に含まれるカーボンナノチューブの径よりも小径とされていることを特徴とする光起電力素子。
2. 請求項１に記載の光起電力素子を製造するにあたり、
   カーボンナノチューブを溶媒に混合してカーボンナノチューブ含有溶液を製造し、
   前記カーボンナノチューブ含有溶液を吹付対象物に吹き付けて塗布し、
   前記カーボンナノチューブ含有溶液の塗布後、前記カーボンナノチューブ含有溶液に含まれる溶媒を蒸発させて、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層のうちの少なくとも一方を形成することを特徴とする光起電力素子の製造方法。
3. 前記カーボンナノチューブ含有溶液の塗布後、前記カーボンナノチューブ含有溶液を加熱乾燥することによって、前記カーボンナノチューブ含有溶液に含まれる溶媒を蒸発させる請求項２に記載の光起電力素子の製造方法。

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