JP2011044511A - 太陽電池およびその製造方法並びに太陽電池装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】n型半導体にされた透明電極2と、この透明電極2の下面に且つ当該下面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブ3と、これら各カーボンナノチューブ3の透明電極2とは反対側の下面に配置された金属電極4とを具備し、上記並置されたカーボンナノチューブ3の直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させるとともに、これら各カーボンナノチューブ3に元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体となし、さらに太陽電池1の透明電極2の表面に、太陽光線を分光させる分光器12を配置するとともに、この太陽電池1における各カーボンナノチューブ3にて得られた電気を所定電圧に調整する電圧調整器14を具備したもの。
【選択図】図1
Description
上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させたものである。
上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させるとともに、これら各カーボンナノチューブに元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体にしたものである。
これら各カーボンナノチューブにおける透明電極側部分に元素周期表第5族の原子をドーピングしてn型半導体にするとともに、金属電極側部分に元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体となし、
さらに上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させたものである。
上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させるとともに、これら各カーボンナノチューブに元素周期表第5族の原子をドーピングしてn型半導体となし、
さらに上記金属電極と上記カーボンナノチューブとの間にp型半導体層を配置したものである。
また、請求項6に係る太陽電池の製造方法は、金属電極の表面にp型半導体層を形成し、次にこのp型半導体層の表面に且つ当該表面に垂直に、複数のカーボンナノチューブを、その直径が一方側から他方側に向かって段階的に変化するように並列に形成し、次にこれらのカーボンナノチューブに元素周期表第5族の原子をドーピングしてn型半導体となし、次にこのカーボンナノチューブの端面に透明電極を形成する方法である。
次に上記カーボンナノチューブの透明電極側部分に元素周期表第5族の原子をドーピングしてn型半導体にするとともに、カーボンナノチューブの金属電極側部分に元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体にする方法である。
太陽電池の透明電極の表面に、太陽光線を分光させる分光器を配置するとともに、この太陽電池における各カーボンナノチューブにて得られた電気を所定電圧に調整する電圧調整器を具備したものである。
まず、本実施の形態に係る太陽電池およびこの太陽電池を用いた太陽電池装置の基本的構成について説明する。
ところで、上述したカーボンナノチューブの形成方向である「垂直」には、当然ながら許容範囲があり、カーボンナノチューブの根元と先端とを結ぶ直線が、電極表面の垂線に対して、例えば90±10°の範囲内であればよい。この意味では、「略垂直」と言い換えることもできる。
まず、図1に基づき太陽電池の具体的な構成について説明しておく。
まず、図2(a)に示すように、n型半導体にされた透明電極(FTO,ZnO,ITO,FTO/ITO,GZO,AZOなどが用いられる)2の表面にスパッタリングなどの方法により触媒としての金属[例えば、鉄(Fe)]の薄膜を形成した後、電子ビームにより縦横に切れ目を入れるとともにこの切れ目を入れる際の間隔を調整して触媒微粒子10を形成する。この鉄の触媒微粒子10については、チューブ列毎におけるカーボンナノチューブ3の直径に応じた大きさにされている。例えば、図面の左側から右側に向かって、直径が大きいものから小さいものにされている。すなわち、左側の触媒微粒子10Aの直径が大きくされて、右側に行くにしたがって触媒微粒子10B〜10Eの直径が段階的に小さくされている。
ここで、熱CVD法について、少し具体的に説明しておく。
次に、この皮膜を、好ましくは減圧下または非酸化雰囲気中にて、650〜800℃の範囲で加熱すると、直径0.1〜50nm程度の鉄の触媒微粒子が形成される。なお、触媒微粒子の形成方法については、上述したように、スパッタリングによる方法であってもよい。また、カーボンナノチューブの原料ガスとしては、アセチレン、メタン、エチレンなどの脂肪族炭化水素を使用することができ、特に、アセチレンが好ましい。アセチレンの場合、太さ0.4〜38nmのカーボンナノチューブが鉄の触媒微粒子を核として透明電極上にブラシ状に形成される。カーボンナノチューブの形成温度は、好ましくは650〜800℃の範囲で、また熱CVD法による形成時間(以下、CVD時間という)は1〜30分の範囲である。
次に、太陽電池1を用いた太陽電池装置11について説明する。
カーボンナノチューブの直径が異なると、それぞれのバンドギャップの値が異なり、したがって分光された太陽光線が持っているエネルギーhνと等しいバンドギャップを持った直径のカーボンナノチューブをp型またはn型半導体として作っておけばよい。
図4に示すように、この太陽電池21は、n型半導体にされた透明電極(例えば、FTO電極が用いられる)22と、この透明電極22の下面(表面)に且つ当該下面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブ23と、これら各カーボンナノチューブ23の透明電極22とは反対側の下面(表面)に配置された対向電極としての金属電極24とを具備し、上記並置されたカーボンナノチューブ23の直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させるとともに、これら各カーボンナノチューブ23に元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体にしたものである。
まず、n型半導体の透明電極22の表面に、大きさが異なる鉄(Fe)の触媒微粒子(Pt,Coなどの微粒子でもよい)を形成する。なお、大きさとしては、上述したように、5段階で、すなわち5列でもって設けられる。
(1).透明電極に触媒としての金属の薄膜を形成した後、電子ビームにより、縦横に切れ目を入れるとともに、この切れ目を入れる際にその間隔を調整して触媒微粒子を形成する。間隔の調整に際し、加熱してその粒径および形状を整える。
(2).透明電極の表面に、スパッタリングにより触媒に係る金属の薄膜を形成する。この薄膜を形成する際に、金属源と透明電極との間の距離を変化させることにより、直径の異なる触媒微粒子が形成される。
例えば、透明電極22を高温にして、熱分解したC2H2,CH4などの炭化水素ガスを供給すると、触媒微粒子からカーボンナノチューブ23が成長する。勿論、成長するカーボンナノチューブ23の直径(太さ)は、触媒微粒子の大きさに依存する。
すなわち、チューブ列毎に区切るためのマスクを被せた後、マスクが被せられないカーボンナノチューブ23の上端に、PVD法により、Cu,Au,Ag,Alなどの金属を付着させる。なお、PVD法の代わりに、熱式真空蒸着、電子ビームによる蒸着、スパッタリングなどを用いてもよい。
図5に示すように、この太陽電池31は、二酸化ケイ素(SiO2)により形成された透明基板32と、この透明基板32の下面(表面)に配置されるとともにn型半導体にされた透明電極(例えば、FTO電極が用いられる)33と、この透明電極33の下面(表面)に且つ当該下面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブ34と、これら各カーボンナノチューブ34の透明電極33とは反対側の下面(表面)に配置された対向電極としての金属電極35とを具備し、上記並置されたカーボンナノチューブ34の直径を一方側から他方側に向かって、段階的に変化させる、例えば細くするとともに、これら各カーボンナノチューブ34に元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体にしたものである。
この製造方法は、基本的には実施例1と同様であるため、概略的に説明する。
まず、二酸化ケイ素により形成された透明基板32の表面に、n型半導体の透明電極33を形成する。
次に、カーボンナノチューブ34に、B,Al,Ga,In,Tiなどの第3族の原子をドーピングしてP型半導体にする。
図6に示すように、この太陽電池41は、二酸化ケイ素(SiO2)により形成された透明基板42と、この透明基板42の下面(表面)に配置されたn型半導体にされた透明電極(例えば、FTO電極が用いられる)43と、この透明電極43の下面(表面)に且つ当該表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブ44と、これら各カーボンナノチューブ44の透明電極43とは反対側の下面(表面)に配置された対向電極としての金属電極45とを具備し、これら各カーボンナノチューブ44における透明電極側部分44aに元素周期表第5族の原子をドーピングしてn型半導体にするとともに、金属電極側部分44bに元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体となし、さらに上記並置されたカーボンナノチューブ44の直径を一方側から他方側に向かって、段階的に変化させたものである。
まず、二酸化ケイ素よりなる透明基板42の表面に、スパッタリングにより透明電極43を形成する。
次に、この触媒微粒子上に、例えば熱CVD法によりカーボンナノチューブ44を形成する。このとき、ホスフィン(PH3)などが微量に添加されて、カーボンナノチューブ44の透明電極側部分44aがn型半導体にされる。
なお、本実施例3では、透明基板42の表面に透明電極43を配置するように説明したが、勿論、透明電極だけであってもよい。
図7に示すように、この太陽電池51は、SUS(ステンレスのJIS記号)などよりなる金属電極52と、この金属電極52の表面に配置されるとともに元素周期表第3族のボロン(B)などの原子がドーピングされてなるp型半導体基板(p型半導体層)53と、このp型半導体基板53の表面に且つ当該表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブ54と、これら各カーボンナノチューブ54の金属電極52とは反対側の表面に形成された対向電極としての透明電極(例えば、FTO電極が用いられる)55とを具備し、上記並置されたカーボンナノチューブ54の直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させるとともに、これら各カーボンナノチューブ53に元素周期表第5族のリン(P)などの原子をドーピングしてn型半導体にしたものである。
この製造方法は、基本的には実施例1と同様であるため、概略的に説明する。
例えば、長方形の板状にされたステンレス(SUS)などにより形成された金属電極52の表面に、シリコン(Si)などの基板に元素周期表第3族のボロン(B)などの原子をドーピングしてp型半導体基板53を形成する。
次に、カーボンナノチューブ54に、Pなどの元素周期表第5族原子をドーピングしてn型半導体にする。
本実施例4では、上述したとおり、カーボンナノチューブ54を形成した後に、透明電極55を形成するため、熱CVD法における高温下では適用が困難なITOなども用いることができる。
2 透明電極
3 カーボンナノチューブ
4 金属電極
10 触媒微粒子
11 太陽電池装置
12 分光器
14 電圧調整器
16 DC/DCコンバータ
22 透明電極
23 カーボンナノチューブ
24 金属電極
31 太陽電池
32 透明基板
33 透明電極
34 カーボンナノチューブ
35 金属電極
41 太陽電池
42 透明基板
43 透明電極
44 カーボンナノチューブ
44a 透明電極側部分
44b 金属電極側部分
45 金属電極
51 太陽電池
52 金属電極
53 p型半導体基板
54 カーボンナノチューブ
55 透明電極
61 太陽電池
62 金属電極
63 p型半導体基板
Claims (8)
- 透明電極と、この透明電極の表面に且つ当該表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブと、これら各カーボンナノチューブの透明電極とは反対側に配置された金属電極とを具備し、
上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させたことを特徴とする太陽電池。 - n型半導体にされた透明電極と、この透明電極の表面に且つ当該表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブと、これら各カーボンナノチューブの透明電極とは反対側に配置された金属電極とを具備し、
上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させるとともに、これら各カーボンナノチューブに元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体にしたことを特徴とする太陽電池。 - 透明電極と、この透明電極の表面に且つ当該表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブと、これら各カーボンナノチューブの透明電極とは反対側に配置された金属電極とを具備し、
これら各カーボンナノチューブにおける透明電極側部分に元素周期表第5族の原子をドーピングしてn型半導体にするとともに、金属電極側部分に元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体となし、
さらに上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させたことを特徴とする太陽電池。 - 透明電極と、この透明電極の表面に且つ当該表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブと、これら各カーボンナノチューブの透明電極とは反対側に配置された金属電極とを具備し、
上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させるとともに、これら各カーボンナノチューブに元素周期表第5族の原子をドーピングしてn型半導体となし、
さらに上記金属電極と上記カーボンナノチューブとの間にp型半導体層を配置したことを特徴とする太陽電池。 - n型半導体にされた透明電極の表面に且つ当該表面に垂直に、複数のカーボンナノチューブを、その直径が一方側から他方側に向かって段階的に変化するように並列に形成し、次にこれらのカーボンナノチューブに元素周期表第5族の原子をドーピングしてp型半導体となし、次にこのカーボンナノチューブの端面に金属電極を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
- 金属電極の表面にp型半導体層を形成し、次にこのp型半導体層の表面に且つ当該表面に垂直に、複数のカーボンナノチューブを、その直径が一方側から他方側に向かって段階的に変化するように並列に形成し、次にこれらのカーボンナノチューブに元素周期表第5族の原子をドーピングしてn型半導体となし、次にこのカーボンナノチューブの端面に透明電極を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
- 一方の透明電極と他方の金属電極との間で且つこれら電極表面に対して垂直に複数のカーボンナノチューブを、その直径が一方側から他方側に向かって段階的に変化するように並列に形成し、
次に上記カーボンナノチューブの透明電極側部分に元素周期表第5族の原子をドーピングしてn型半導体にするとともに、カーボンナノチューブの金属電極側部分に元素周期表第3族の原子をドーピングしてp型半導体にすることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の太陽電池を用いた太陽電池装置であって、
太陽電池の透明電極の表面に、太陽光線を分光させる分光器を配置するとともに、この太陽電池における各カーボンナノチューブにて得られた電気を所定電圧に調整する電圧調整器を具備したことを特徴とする太陽電池装置。
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