JP2010500748A - 太陽電池複合体に一体化された薄膜電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、一体化デバイス（１０）であって、少なくとも１つの無機光起電力セル（１６）と、少なくとも１つの無機光起電力セルを支持する基板と、少なくとも１つの無機光起電力セルに結合された予備組立て薄型電池（３４）と、一体化デバイスを密封する封入材とを有し、基板及び封入材のうちの一方は、予備組立て薄型電池によって形成されている、一体化デバイスに関する。本発明は又、このような一体化デバイスの製造方法に関する。

Description

本発明は、少なくとも１つの無機光起電力セルと少なくとも１つの無機光起電力セルに結合された薄型電池を有する一体化デバイスに関する。本発明は又、このような一体化デバイスの製造方法に関する。

太陽電池及び薄型電池を有するデバイスの一例が、米国特許出願公開第２００２／００９２５５８号明細書に開示されている。より詳細に説明すると、米国特許出願公開第２００２／００９２５５８号明細書のデバイスは、透明なＩＴＯ（インジウム錫酸化物）基板と、基板上に形成された薄膜太陽電池と、太陽電池上に形成され、太陽電池によって生じた電流を受け取る薄膜電池と、最後に、薄膜電池上に形成された保護層とを有する。

米国特許出願公開第２００２／００９２５５８号明細書

しかしながら、米国特許出願公開第２００２／００９２５５８号明細書に開示されているような電池の完全一体化は、費用が極めて高くつく。というのは、厚い層に関する薄膜技術は、高価な機械を用いた長い成膜時間を必要とするからである。また、米国特許出願公開第２００２／００９２５５８号明細書に開示された構造体は、デバイスを保護するための追加の包装材を必要とし、それにより、比較的厚い構造体が生じる場合がある。このために、多くの用途に関し、厚みの小さいことは重要なファクターである。

本発明の目的は、これら問題を解決し、安価で厚さが薄くなった改良型の一体化デバイスを提供することにある。

この目的及び以下の説明から明らかになる他の目的は、添付の特許請求の範囲に記載された一体化デバイス及びこのような一体化デバイスの製造方法によって達成される。

本発明の一観点によれば、一体化デバイスであって、少なくとも１つの無機光起電力セルと、少なくとも１つの無機光起電力セルを支持する基板と、少なくとも１つの無機光起電力セルに結合された予備組立て薄型電池と、一体化デバイスを密封する封入材とを有し、基板及び封入材のうちの一方は、予備組立て薄型電池によって形成されていることを特徴とする一体化デバイスが提供される。

この結果、電池は、一体化デバイスの頂部封入材としての役目を果たし又は一体化デバイスの支持及び（又は）保護基板としての役目を果たす機能を更に有する。これにより、先行技術の構造体と比較して薄く且つ頑丈なデバイスが得られる。というのは、別個の封入材／基板を省くことができるからである。

一実施形態では、基板は、透明な基板であり、少なくとも１つの無機光起電力セルは、透明な基板上で処理され、予備組立て薄型電池は、一体化デバイスを密封するために少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置されている。この場合、予備組立て電池は、一体化デバイスの封入材としての役目を果たす。さらに、透明な基板は、可撓性材料で作られるのが良く、それにより、デバイス全体が可撓性となることができる。

別の実施形態では、予備組立て薄型電池は、少なくとも１つの無機光起電力セルに取り付けられ、薄型電池は、基板としての役目を果たし、薄型電池から見て少なくとも１つの無機光起電力セルの他方の側に封入被膜が設けられている。この場合、予備組立て電池は、一体化デバイスの基板としての役目を果たす。

一実施形態では、或る特定の電圧を達成するために、複数個の無機光起電力セルが電池に直列に接続された状態で結合される。

一実施形態では、一体化デバイスは、少なくとも１つの無機光起電力セルから見て予備組立て薄型電池の反対側に設けられた有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を更に有し、薄型電池は、ＯＬＥＤに電力供給するようになっている。ＯＬＥＤは、例えばディスプレイ又は光源であるのが良い。さらに、一体化デバイスは、ＯＬＥＤから出て反射されて一体化デバイスに戻る光を検出するようになった検出器を更に有するのが良い。一体化デバイスは、例えば、機器のためのオン／オフスイッチとして使用でき、このスイッチは、ＯＬＥＤから出て、外部物体、例えばユーザの指で反射された光によって作動される。

一実施形態では、固定剤が、少なくとも１つの無機光起電力セルの周りに且つ少なくとも１つの無機光起電力セルと予備組立て薄型電池との間に塗布され、固定剤は、ゲッタ物質から成る。ゲッタ物質は、吸水性物質、例えば酸化カルシウムである。固定剤は、少なくとも１つの無機光起電力セルと予備組立て薄型電池を互いに接合すると共に少なくとも１つの無機光起電力セルを一体化デバイスの側部のところの水分から保護するのに役立つ。

本発明の別の観点によれば、一体化デバイスの製造方法であって、透明な基板を用意するステップと、少なくとも１つの無機光起電力セルを透明な基板上で処理するステップと、一体化デバイスを密封するために予備組立て薄型電池を少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置するステップとを有することを特徴とする方法が提供される。この場合、予備組立て電池は、一体化デバイスの封入材として働く。

一実施形態では、この方法は、封入被膜を少なくとも１つの無機光起電力セルが処理されるべき透明な基板の側で透明な基板に設けるステップと、少なくとも１つの無機光起電力セルを処理した後に透明な基板を除去するステップとを更に有する。この場合、予備組立て電池は、一体化デバイスの基板として働く。好ましくは、透明な基板は、予備組立て薄型電池が少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置された後に除去される。予備組立て薄型電池は、例えば、積層法によって少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置されるのが良い。

一実施形態では、この方法は、薄型電池を少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置した後、薄型電池に電解液を充填するステップを更に有する。電池に電解液を充填する前においては、電池は、非常に平らで、従って、良好に積層状態になり、それにより、電池の密封特性が向上する。

一実施形態では、この方法は、ＯＬＥＤを予備組立て薄型電池の頂部上に配置するステップを更に有する。ＯＬＥＤは、ディスプレイ又は光源であるのが良く、ＯＬＥＤに電池によって電力供給することができる。

次に、本発明の現時点において好ましい実施形態を記載した添付の図面を参照して本発明の上記観点及び他の観点について詳細に説明する。

本発明の一実施形態としての一体化デバイスの概略断面側面図である。 本発明の別の実施形態としての一体化デバイスの概略断面側面図である。 図２の一体化デバイスの変形例の概略断面側面図である。 本発明の更に別の実施形態としての一体化デバイスの製造ステップを示す概略断面側面図である。 本発明の更に別の実施形態としての一体化デバイスの製造ステップを示す概略断面側面図である。

図１は、本発明の一実施形態としての一体化デバイス１０の断面側面図である。一体化デバイス１０は、基板１２を有している。基板１２は、透明な基板であるべきであり、この基板は、例えば、ガラス又はプラスチックで作られるのが良い。基板１２上にはシャドウマスクを用いてＩＴＯ層１４が被着される。ＩＴＯ層１４は、後で得られる光起電力セルへの接続手段としての役目を果たす。ＩＴＯ層１４上では、２つの無機光起電力セル（例えば、太陽電池）１６ａ，１６ｂが処理される。各光起電力セル１６は、図１において下から上に見て、ｎ型シリコン層１８、真性シリコン層２０及びｐ型シリコン層２２を有し、これらの層は、それぞれの頂部上に被着される。各ＩＴＯ層１４の面積は、ＩＴＯ層１４への電気的接続を可能にするために光起電力セル１６の底部面積よりも幾分大きい。ＳｉＮ２６が、絶縁目的で光起電力セル１６の側部に被着されている。最後に、ＴｉＮ＋Ａｌ２８が、シャドウマスクにより被着されており、その結果、接触領域３２ａが光起電力セル１６ａの底部のところでＩＴＯ層上に形成され、光起電力セル１６ａの頂部が光起電力セル１６ｂの底部に（光起電力セル１６ｂのＩＴＯ層１４を介して）接続され、接触領域３２ｂが光起電力セル１６ｂの頂部上に形成されている。

次に、接触領域３２ａ，３２ｂを除き、光起電力セル１６を覆うと共にこれを平らにするためにグルー３０が光起電力セル１６全体に塗布される。グルー３０は、好ましくは、印刷によって塗布される。また、吸水性ゲッタ物質、例えば酸化カルシウムＣａＯをグルー３０に混ぜ込んで光起電力セル１６を一体化デバイスの側部に存在する水分から保護するのが良い。また、標準型グルーのリム（図示せず）を一体化デバイスの周りに（後で得られる電池を除く）に塗布して水の侵入を減少させ、それにより一体化デバイスを一段と保護するのが良い。最後に、あらかじめ組み立てられた（予備組立て）薄型電池３４が、グルー３０の頂部上に配置する。予備組立て電池３４の一方の極３８ａが、第１の接続部３６ａを介して接触領域３２ａに接続され、予備組立て電池３４の他方の極３８ｂは、第２の接続部３６ｂを介して接触領域３２ｂに接続される。光起電力セル１６ａ，１６ｂは、電池３４に直列に接続されており、それにより、光起電力セル１６は、電池３４を充電することができる。電池３４は、一体化デバイスへの電池の組み込みが主として、電池を一体化デバイスの残部と組み立てることから成るという意味においてあらかじめ組み立てられている（予備組立てされている）。

他の被膜又は密封手段を予備組立て電池３４の頂部上に設ける必要はない。この場合、予備組立て薄型電池３４は、デバイス１０の頂側部封入材として働き、それにより、専用の頂部封入材又は密封手段の使用が回避される。この目的のため、予備組立て薄型電池３４は、平べったく、しかも水に対して不透性（水密）であると共に（或いは）空気に対して不透性であるべきである。このような特性を備えた例示の予備組立て電池は、フィリップス（Philips）社製のリチレン（Lithylene）電池である。また、一体化デバイスの製造中、或る電池（例えば、リチレン電池、ＮｉＣｄ電池及びＮｉＭｈ電池）に関し、デバイスへの電池の取り付け後、電池に電解液を充填するのが有益な場合がある。というのは、電池は、電解液が無ければ非常に平べったいからである。この場合、電池は、良好に積層状態にあり、従って良好に密封を行うことになる。

図１に示す一体化デバイス１０では、ＩＴＯ層１４の厚さは、１２０ｎｍのオーダーであり、ｎ型シリコン層１８の厚さは、１００ｎｍのオーダーであり、真性シリコン層２０の厚さは、５００ｎｍのオーダーであり、ｐ型シリコン層２２の厚さは、１００ｎｍのオーダーであり、ＴｉＮの厚さは、１０ｎｍのオーダーであり、Ａｌの厚さは、２００ｎｍのオーダーであり、予備組立て電池３４の厚さは、５００μｍのオーダーであるのが良い。

単一の電池３４が図１に記載されているが、関連の光起電力セルを備えた数個の電池を共通の透明な基板上に設けても良い。数個の電池は、直列に接続されるのが良く、この場合、１つの電池の直列接続された光起電力セルは、別の電池の直列接続された光起電力セルと並列に（同時に）用いられる。

図２は、本発明の別の実施形態としての一体化デバイス１０の断面側面図である。図２のデバイスは、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）４０が予備組立て電池３４の頂部上に設けられている点を除き図１のデバイスとほぼ同じである。ＯＬＥＤ４０は、グルー４２によって電池に取り付けられ、ガラス基板４４で密封され、そしてＯＬＥＤ４０の照明を可能にするために電池３４に接続されるのが良い。ＯＬＥＤは、ディスプレイ又は光源であるのが良い。この実施形態では、自律型の一体化デバイスが形成され、この場合、光は、光起電力セル１６によりエネルギーに変換され、このエネルギーは、ＯＬＥＤ４０による使用のために電池３４に蓄えられる。ＯＬＥＤ４０は、例えば、電池３４の状態を指示する電池表示器であるのが良い。

図２の一体化デバイスの変形例では、光検出器４６が、図３に示されているように、光起電力セル１６、電池３４及びＯＬＥＤ４０に隣接して延長状態の基板１２上に配置されている。光検出器４６は、例えば、ＰＩＮダイオードであるのが良い。このようなＰＩＮダイオードは、同一のプロセスステップを用いて光起電力セル１６と同時に作製でき、従って、デバイスに追加される余分の費用はほんの僅かである。光検出器４６は、ＯＬＥＤ４０から出て、外部物体４８、例えばユーザの指により反射されてデバイス１０に戻る光を検出し、反射光の検出時に適当な手立てを講じる、例えば、一体化デバイスが関連している機器のオン又はオフスイッチを起動するようになっている。また、他の機能、例えば調光、色変化（２つ以上の色のＯＬＥＤが用いられている場合）等を実行することができる。

図４ａ及び図４ｂは、本発明の別の実施形態としての一体化デバイス１０の製造ステップを示す断面側面図である。図４ａに示されているデバイス１０は、封入被膜５０及びポリマー被膜５２がガラス基板１２とデバイスの残部との間に被着されている点を除き、図１のデバイスとほぼ同じである。製造にあたり、好ましくは、封入被膜５０及びポリマー被膜５２を基板１２に被着させ、その後、ＩＴＯ層１４の残部、光起電力セル１６等をこれら被膜の上で処理する。封入被膜５０は、ＮＯＮＯＮ−スタック（窒化シリコン−酸化シリコン−窒化シリコン−酸化シリコン−窒化シリコン）であるのが良く、ポリマー被膜５２は、ポリイミドで作られるのが良い。

次に、基板１２を図４ｂに示すようなＥＰＬＡＲ（Electronic on Plastic by Laser Release）プロセス（レーザ放出によるプラスチック上へのエレクトロニクスの実装）に従ってレーザによってポリマー被膜５２から分離するのが良く、後には基板１２の無い最終のデバイス１０が残り、この場合、基板が無い代わりに、予備組立て薄型電池３４が、デバイス基板としての役目を果たす。ガラス基板１２が無くても、可撓性の一体化デバイス１０全体を実現することができる。注目されるべきこととして、可撓性の一体化デバイス１０全体は、可撓性電池３４、例えば上述のリチレン電池とみて良い。しかしながら、基板１２の無い剛性デバイスも又想定される。

本発明には多くの考えられる用途が存在する。光起電力セル及び電池を備えた一体化デバイスは、例えば、種々の機器における再生可能な電力源として使用できる。光起電力セル、電池及びＯＬＥＤを備えた一体化デバイスは、外部電源とは独立したスタンドアロン型ランプ又はディスプレイとして使用できる。このようなデバイスは、有利には、到達しがたい場所に配置される信号装置として使用できる。

当業者であれば、本発明は、上述の好ましい実施形態に限定されることがないということが分かる。逆に、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で多くの改造例及び変形例を想到できる。例えば、予備組立て電池は、基板として働くことができ、ガラス基板は、図２及び図３に開示された実施形態においても分離することができる（図４ａ及び図４ｂを参照して説明したように）。

Claims (14)

1. 一体化デバイスであって、
   少なくとも１つの無機光起電力セルと、
   前記少なくとも１つの無機光起電力セルを支持する基板と、
   前記少なくとも１つの無機光起電力セルに結合された予備組立て薄型電池と、
   前記一体化デバイスを密封する封入材とを有し、前記基板及び前記封入材のうちの一方は、前記予備組立て薄型電池によって形成されている、
   ことを特徴とする一体化デバイス。
2. 前記基板は、透明な基板であり、前記少なくとも１つの無機光起電力セルは、前記透明な基板上で処理され、前記予備組立て薄型電池は、前記一体化デバイスを密封するために前記少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置されている、請求項１記載の一体化デバイス。
3. 前記透明な基板は、可撓性材料で作られている、請求項２記載の一体化デバイス。
4. 前記予備組立て薄型電池は、前記少なくとも１つの無機光起電力セルに取り付けられ、前記薄型電池は、基板としての役目を果たし、前記薄型電池から見て前記少なくとも１つの無機光起電力セルの他方の側に封入被膜が設けられている、請求項１記載の一体化デバイス。
5. 前記予備組立て薄型電池に直列に接続された状態で結合された複数個の無機光起電力セルを有する、請求項１記載の一体化デバイス。
6. 前記少なくとも１つの無機光起電力セルから見て前記予備組立て薄型電池の反対側に設けられた有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を更に有し、前記薄型電池は、前記ＯＬＥＤに電力供給するようになっている、請求項１記載の一体化デバイス。
7. 前記ＯＬＥＤから出て反射されて前記一体化デバイスに戻る光を検出するようになった検出器を更に有する、請求項６記載の一体化デバイス。
8. 固定剤が、前記少なくとも１つの無機光起電力セルの周りに且つ前記少なくとも１つの無機光起電力セルと前記予備組立て薄型電池との間に塗布され、前記固定剤は、ゲッタ物質から成る、請求項１記載の一体化デバイス。
9. 一体化デバイスの製造方法であって、
   透明な基板を用意するステップと、
   少なくとも１つの無機光起電力セルを前記透明な基板上で処理するステップと、
   前記一体化デバイスを密封するために予備組立て薄型電池を前記少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置するステップとを有する、方法。
10. 封入被膜を前記少なくとも１つの無機光起電力セルが処理されるべき前記透明な基板の側で前記透明な基板に設けるステップと、
    前記少なくとも１つの無機光起電力セルを処理した後に前記透明な基板を除去するステップとを更に有する、請求項９記載の方法。
11. 前記透明な基板は、前記予備組立て薄型電池が前記少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置された後に除去される、請求項１０記載の方法。
12. 前記予備組立て薄型電池は、積層法によって前記少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置される、請求項９記載の方法。
13. 前記薄型電池を前記少なくとも１つの無機光起電力セルの頂部上に配置した後、前記薄型電池に電解液を充填するステップを更に有する、請求項９記載の方法。
14. ＯＬＥＤを前記予備組立て薄型電池の頂部上に配置するステップを更に有する、請求項９記載の方法。

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