JP2011146508A - ソーラーセル - Google Patents

Abstract

【課題】 ソーラーセルを腕時計などの電子機器に搭載する場合、セルを複数に切り分け直列接続した多段セルにすることで、電子機器を直接駆動できる出力電圧得ることが出来る。しかし、セルが分割されることで、セルユニット間に出来た隙間が見えてしまうことから、多段型ソーラーセルの使用は、電子機器のデザインを左右する大きな問題となっていた。
【解決手段】 絶縁性の基板上に、金属電極膜、半導体膜、透明電極膜の順に各膜を積層してなるセルユニットを複数有する多段型ソーラーセルにおいて、透明電極膜側から異なる前記セルユニットの間隙を透過した光が照射される位置に、有色透明膜と金属反射膜を有するソーラーセルを提供する。
【選択図】図１

Description

腕時計など電子機器に利用する多段セル型の太陽電池であって、特にセル間を電気的に分割する分割線を見えなくし、外観上の色の統一感を持った太陽電池の構造に関する。

ソーラーセルは、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものとして、近年各所で多くの利用がなされている。とりわけ可動部分が無いことや、平面状に形成されることから、携帯性を要求される様な電子機器には非常に好都合な発電素子である。その代表的な応用例としては、腕時計がある。

一般的に腕時計では最も大きな面積で光が受けられるように、文字板の位置にソーラーセルは配置され、発電を行う構造となっている。文字板は腕時計においてデザイン性を決める重要な部分であるため、機能部品であるソーラーセルではあるが、その外観上の美しさと言うこともソーラーセルを決める非常に重要な要素となっている。

現在の腕時計用のソーラーセルはシリコンを発電層に用いた薄膜型が一般的である。しかしシリコンからなるソーラーセルの開放電圧はせいぜい０．７Ｖほどであるため、通常の電子機器を動作させるには電圧が足りない。そこで、実用上のソーラーセルでは発電部分をいくつかに分割し、部分的な接続電極で接続して直列化することで、全体の電圧を上昇させ電子回路に必要な電圧にあわせている。

この様にソーラーセルを複数に分割することにより、セルとセルとの間には、発電層が存在しない境界線が見られるようになる。ここでは、この境界線のことを分割線と呼ぶことにする。そこで、図６には、従来のソーラーセルの断面図を示した。

図６では、基板１０上に金属電極膜２０、半導体膜３０、透明電極膜４０の順に薄膜が形成されており、基本的にはこれらで太陽電池は構成されている。そして、セルユニットは電気的に独立するように、それぞれの膜は図の真中あたりにて分断している。このソーラーセルは、上側の透明電極側から光が透過し、半導体膜３０に達して発電を行う。半導体膜３０に達した光は、すべてが吸収されるわけではなく一部は下部にある金属電極膜２０にて反射して帰ってくるため、半導体膜３０にアモルファスシリコンを用いた場合には、発電部分は赤みを帯びた色のセルとして認識される。

しかし、分割された部分では金属電極膜２０が無いところで光が反射して戻ってくる、あるいは光透過性の基板１０であれば基板１０の裏側に透過してしまうため、セルユニットの部分とはおのずと見え方が異なり、はっきり分割線として認識されてしまう。ここで図６に示したように、金属電極膜２０の隙間の部分が分割線２５と言うことになる。

この様な構造から多段に接続したソーラーセルでは分割線２５が認識されてしまうということは、腕時計においては非常に重要な問題である。先にも説明したように、ソーラーセルは文字板位置に配置されるため、腕時計のデザイン性を損なう、あるいは非常に制限するものとなる。そこで、従来では、特許文献１に見られるような対策を行っている。

従来対策のソーラーセルの構造を図７に示した。ここでは基板１０上に形成した金属電極膜２０、半導体膜３０、透明電極膜４０の上に、透明な保護膜７０を形成し、さらにその上に遮蔽膜８０を印刷により形成している。遮蔽膜８０は発電部分と似た色の不透明な樹脂を用い、分割線の上に印刷されているため、視覚的に分割線は隠れて見えなくなると
言う効果がある。

特開平８−２５５９２２号公報（図３）

前述のように、特許文献１の構成をとることにより、分割線は遮蔽膜により隠れてしまうため見難くなり、デザイン上で一定の効果があることは分かっている。
しかし、印刷した遮蔽膜は、少なくとも１０ミクロン以上の厚みがあるために、その膜厚が認識できてしまう。つまり、今度は線状の遮蔽膜の膜エッジが確認できてしまう。また、印刷している表面の膜質が周りと異なるために、やはり分割線に沿った線があることは分かってしまった。

また、新たに形成した遮蔽膜は分割線を完全に隠す必要があるが、印刷精度の関係から、もともとある分割線の幅よりも広く形成する必要がある。これは、必要以上の遮蔽をするということであり、発電層を隠してしまい、発電効率を下げるという反対に不利な面もある。

そこで本発明の目的は上記の問題を解決し、本来の発電性能には影響を与えずに、多段に形成したソーラーセルの分割線をほとんど見えなくするような構造を提供し、ソーラーセルの外観上の見栄えを良好にすることにある。

上記の目的を達成するために、本発明のソーラーセルは、下記に記載する手段を採用する。

金属電極膜、半導体膜、透明電極膜の順に各膜を積層してなるセルユニットを複数有するソーラーセルにおいて、透明電極膜側から異なるセルユニットの間隙を透過した光が照射される位置に、有色透明膜と金属反射膜を有することを特徴とするソーラーセルとする。

本発明のソーラーセルは基板を有し、基板とセルユニットとの間に、金属反射膜と有色透明膜を有することが好ましく、さらには金属反射膜と有色透明膜は基板表面の全面に形成されていることがなおよい。

本発明のソーラーセルは、セルユニットと有色透明膜との間には、基板を有することが好ましく、または有色透明膜は基板となり、セルユニットが基板の片面に形成されており、基板の他方の面には、金属反射膜が形成されていることも好ましい。

本発明のソーラーセルは金属反射膜は金属電極膜と同じ材料を用いることが好ましく、さらに半導体膜はアモルファスシリコン薄膜であり、有色透明膜はアモルファスシリコンの吸収波長と同様に、４００ｎｍ〜６００ｎｍにピークを有する光吸収特性を有することがなおよく、さらに有色透明膜もアモルファスシリコン薄膜であることがより好ましい。

以上の構成をとることにより、本発明のソーラーセルでは、従来分割線として認識されていたセル間の隙間部分に金属反射膜があることにより、金属反射膜面での光の反射が生じ、分割線は認識しにくくなる。

さらに、金属反射膜の上には有色透明膜があることで、入射および反射光は有色透明膜内にて吸収される。これはまさに入射光がセルユニットの半導体膜にて吸収され金属電極膜から反射する過程と同じであり、両者の視覚的な差は無くなり、より分割線は認識しにくくなる。

さらに、有色透明膜の吸収波長を半導体膜の吸収波長と近づけることにより、つまり両者の色合いが同様になることで、分割線はほとんど認識できなくなる。

そして、本発明における分割線の消去方法では、光が入射する側から遠い側に膜を形成するのみで、従来のように遮蔽物で発電に必要な膜面を覆うことが無く、発電特性を低下させることは無い。
この様に本発明のソーラーセルは、独立したセルユニットを並べた多段セル構造を用いても、セル間を分割する線が見えなく、全面が均一になることから、各種の電子機器に用いたとしても光発電と言う機能を備えつつ、そのデザイン性に余計な制約を与えることが無い。

本発明の実施形態における第１実施例のソーラーセルの断面図である。 本発明の実施形態におけるソーラーセルの平面図である。 本発明の実施形態における第１実施例のソーラーセルの異なる構造を示した断面図である。 本発明の実施形態における第２実施例のソーラーセルの断面図である。 本発明の実施形態における第３実施例のソーラーセルの断面図である。 ソーラーセルの基本的構造を示した断面図である。 従来のソーラーセルの断面図である。

〔実施例１〕
はじめに、本発明のソーラーセルの第１の構造について説明する。図１には本実施例のソーラーセルの断面図を示している。

本実施例のソーラーセルにおいて、まず基板１０は絶縁性のガラスや有機フィルムを用いている。有機フィルムとしては、耐熱性が必要であるため、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリイミド、アクリル、ポリカーボネート、シクロオレフィン系ポリマー、ポリアミドなどが利用可能であるが、本実施例では、ＰＥＮを用いている。

基板１０の上には、金属反射膜５０が形成されている。本実施例では、この金属反射膜５０の材料としては、反射率の高いアルミニウムを用いているが、その他、銀、ニッケル、クロム、チタン、白金、金、など多くの金属類の使用が可能である。ただし、この金属反射膜５０は後に述べる金属電極膜２０と材質を同じにすることがさらに効果が高いため、アルミニウムや銀などの導電率と反射率のどちらの性能も高いものが有用となる。

金属反射膜５０のアルミニウムは、基板１０上にスパッタリング法を用いて約１００ｎｍの薄膜として形成する。基板１０に直接アルミニウムを形成しても良いが、密着性などの観点からそれを強化するためには、チタンやクロムをまず基板１０にスパッタリング法
を用いて形成し、その上にアルミニウムを形成したほうが好ましい。

金属反射膜５０の上には、有色透明膜６０が形成されている。有色透明膜６０は光透過性はあるが、どの波長領域においても１００％近いいわゆる無色透明ではなく、可視光領域にある程度吸収を有するものである。

これには、たとえばポリイミド樹脂や一部のエポキシ樹脂のような光吸収性の官能基を有することにより、黄色から茶色を呈するものを利用することが出来る。あるいは、これらポリイミド樹脂やエポキシ樹脂、またはアクリル樹脂などに所望の光吸収特性を有する色素を含有させたものでも良い。

色素としては、太陽電池の色を考慮すると、赤系統から黄色系統が望ましいと考えられる。本実施例では、太陽電池の半導体としてアモルファスシリコンを利用している。アモルファスシリコンは、４００ｎｍ〜６００ｎｍの間に吸収ピークを有し、その透過光は赤系統の色調を有している。そこで、樹脂としては透明なエポキシ樹脂を用い、アモルファスシリコンと同様な波長帯に吸収を有した赤色の樹脂用染料を混合し、光透過性の有色樹脂とした。

この樹脂は、スクリーン印刷法を用いて金属反射膜５０が形成されている基板１０全面に約２０ミクロンの厚みで塗布した。塗布した基板１０は電気炉中にて加熱し、硬化した有色透明膜６０を得た。有色透明膜６０の塗布方法は、用いる樹脂の粘度によって、スピンコーティング法やドクターブレード法なども利用することが出来る。

有色透明膜６０の上には、金属電極膜２０が形成されている。金属電極膜２０は電極としての役目を持つことから、ある程度の低い抵抗値が必要である。そして、実際に光発電を行う際には、その上に形成される半導体膜３０を通過した光を再度半導体膜３０に戻して再利用できるよう、金属電極膜２０には高い反射率が必要とされる。そこで、ここでは金属電極膜２０に、金属反射膜５０と同じアルミニウム薄膜を用いた。

金属電極膜２０の形成方法も金属反射膜５０と同じように、スパッタリング法を用いて行ったが、やはり密着層としてチタン薄膜を予め成膜した後に形成した。

図から分かるように金属電極膜２０は２つに分れているが、これは本実施例のソーラーセルが多段のセルからなっているからであり、金属電極膜２０も分割されている。このために、金属電極膜２０を形成する際は、必要な電極形状に窓加工されている金属マスクを基板に配置し、スパッタリング成膜する、いわゆるマスクパターン化法を用いて、成膜当初から金属電極膜２０が必要な数に分割されているように形成する。ちなみに、この金属電極膜２０の間隙が本実施例で課題としている分割線２５になる。

金属電極膜２０の上には半導体膜３０が形成されている。半導体膜３０は図には示していないが、金属電極膜２０に近いほうからｎ型半導体、真性半導体、ｐ型半導体の３層構造になっているものである。そしてこの材料にはアモルファスシリコン半導体を用いている。アモルファスシリコンの膜はシランガスを主ガスとし、必要に応じてドーピングガスを利用した、プラズマＣＶＤ法を用いて形成している。

半導体膜３０の上には透明電極膜４０が形成されている。透明電極膜４０にはＩＴＯ（酸化インジウムチタン）が利用されるが、こちらもスパッタリング法を用いて形成することが出来る。

金属電極膜２０と同様にその上の半導体膜３０と透明電極膜４０は分割されているが、
これによって金属電極膜２０も含めて複数のセルユニット１となっている。そして半導体膜３０と透明電極膜４０は成膜時には一度全面に形成した後、フォトリソグラフィーにより所望のパターンを形成し、ドライエッチング法で分割部を取り除くという方法を利用している。あるいは、フォトリソグラフィーを利用せずとも、加工用のレーザー光を用いて、分割部分の膜を直接除去する方法を利用することも可能である。

以上の積層膜構造により本実施例のソーラーセルは構成されているが、必要に応じて透明電極膜４０を形成した側に保護膜を形成すると、耐環境性が向上する。保護膜は透明な樹脂をスクリーン印刷等で形成すると良い。

本実施例のソーラーセルについて、その動作を説明する。それぞれのセルユニット１には透明電極膜４０の側から光が入射するが、透明電極膜４０を光は透過し、半導体膜３０に達する。半導体膜３０は可視光吸収性があり、それにより半導体内部での光電荷分離がおき、光を電気エネルギーに変換することが出来る。

ただし、セルユニット１は複数に分割されて電気的つながりが無いため、それぞれが発電しているのみである。そこで図２に示した本実施例のソーラーセルの平面図のように、外周部分でそれぞれのセルユニットを接続電極１００により直列化している。ちなみに、直列化した最終端のセルユニット１には、外部取り出しようの引き出し電極１１０が形成されている。

この、接続電極１００と引き出し電極１１０とは、カーボン粒子などをエポキシ系樹脂に混練した導電性ペーストを用いて、スクリーン印刷法により形成している。この様な構造をとることにより、たとえば図２のソーラーセルでは各セルユニットで発電した電圧を４倍に増幅して出力することが出来る。しかし、セルユニット１が分かれているため、前述したように分割線２５は存在してしまう。

セルユニット１へ入った光は入射時に半導体膜３０で吸収され、さらに金属電極膜２０から反射した光も吸収されて発電に寄与する。しかし、すべての波長の光は吸収できないため、透過した光は眼に入り半導体膜３０がアモルファスシリコンならセルユニット１は赤色に見える。従来は分割線２５の部分には膜が無く、光が透過してしまうため図２のようにはっきり認識されてしまった。

しかし、本実施例のソーラーセルでは、発電するセルユニット１の下に有色透明膜６０と金属反射膜５０が存在し、分割線２５部分にはそれが現れている。分割線２５部分に来た光は、有色透明膜６０にて発電部分と同じように入射時と金属反射膜５０からの反射時に吸収されるが、有色透明膜６０は透過光が赤色になるよう着色されているため、人間の目にはセルユニット１と同様に認識される。つまり、全体に赤色をしたソーラーセルとなり、分割線２５自体は全く気にならないセルとなる。

上記の説明では、有色透明膜６０と金属反射膜５０は基板１０全面に形成しているが、必要なのは分割線２５の領域のみである。それゆえ、たとえば図３のように金属電極膜２０の間隙よりわずかに大きい金属反射膜５０があればそれで良い。同様に有色透明膜６０も半導体膜３０の間隙に相当する幅があれば期待する効果は得られるものである。なお、図１、図２では、分割線２５近傍に半導体膜３０と透明電極膜４０の段差は存在する。しかし、これらはせいぜい１μｍ以下の薄膜であり、また基本的に光透過性であるため、従来の遮蔽膜のような１０μｍ以上の不透明膜とは異なり、認識するのは困難である。

〔実施例２〕
図４には、本実施例のソーラーセルにおける第２の構造を示している。本構造においても基板１０は透明性を有するガラスやフィルムを利用している。

基板１０の上には直接金属電極膜２０が形成されている。そして、金属電極膜２０の上に半導体膜３０、さらに透明電極膜４０が形成されている。これらの材質や製造方法に関しては、先に述べた実施例１と同じである。

さらに基板１０の反対面には有色透明膜６０と金属反射膜５０が形成されているが、有色透明膜６０の方が基板に直接形成されている。こちらの材料に関しても、実施例１と同じであり、製造方法も同様である。また、図４では基板１０裏面全面に有色透明膜６０と金属反射膜５０が形成されているが、どちらも少なくとも金属電極膜２０の間隙幅領域に存在すればよい。

この実施例においても、透明電極膜４０側から入射した光は、分割線２５領域を透過して透明基板１０も透過する。そして、光の一部は有色透明膜６０にて吸収され、金属反射膜５０にて反射されて戻ってくる。これは、半導体膜３０と金属電極膜２０との透過反射形態と同じであり、やはり分割線２５の内外にて視覚的違いは非常に小さくなり、分割線２５はほとんど認識できなくなる。

さらに本実施例のソーラーセルでは、金属電極膜２０を形成する際、直接基板に形成できることから、下地の平坦性や耐熱性などを気にすることなく行えるため、製造条件として容易になる。

また本実施例のソーラーセルでは、有色透明膜６０は発電部分との接触が無いため絶縁性のものである必要が無く、導電性や半導体性のものを使っても良い。そこで、たとえば発電層に用いている半導体膜３０と同じ膜としてアモルファスシリコンを成膜した。すると有色透明膜６０と金属反射膜５０との構成は、半導体膜３０と金属電極膜２０との構成と全く同じになることから、外部からの認識も同じとなり、分割線２５については殆ど認識できなくなり、さらに効果的である。

〔実施例３〕
さらに図５には、本実施例のソーラーセルにおける第３の構造を示している。このソーラーセルにおいても、基板１０上に直接金属電極膜２０が形成されている。そして、金属電極膜２０の上に半導体膜３０、さらに透明電極膜４０が形成されている。これらの材質や製造方法に関しては、先に述べた実施例１と同じである。

しかしながら、本実施例のソーラーセルにおいては、その基板１０の材料が異なる。基板１０はフィルム材料を用いているが、単に無色透明ではなく可視光領域の吸収がある。つまり、基板１０が有色透明膜と同じ機能を持っているものである。基板１０としては、耐熱性がありかつ本来可視光の短波長側の吸収があるポリイミドフィルムを使うことが適当である。

さらに基板１０の裏面には金属反射膜５０が直接形成されている。透明電極膜４０側から入射した光は、分割線２５領域を透過して透明基板１０も透過する。そして、光の一部は基板１０に達し吸収され、金属反射膜５０にて反射されて戻ってくる。これも、半導体膜３０と金属電極膜２０との透過反射形態と同じであり、やはり分割線２５の内外にて視覚的違いは非常に小さくなり、分割線２５は認識しにくくなる。

本実施例のソーラーセルでは、基板１０が有色透明膜の特性を兼ねていることから、新たに膜形成が必要とならないため、製造が容易になる。また、基板１０材料としてはポリ
イミドを使うとしたが、たとえばポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂などに色素を添加してフィルムを成型して利用することも可能である。

１ セルユニット
１０ 基板
２０ 金属電極膜
２５ 分割線
３０ 半導体膜
４０ 透明電極膜
５０ 金属反射膜
６０ 有色透明膜
７０ 保護膜
８０ 遮蔽膜
１００ 接続電極
１１０ 引き出し電極

Claims (8)

1. 金属電極膜、半導体膜、透明電極膜の順に各膜を積層してなるセルユニットを複数有するソーラーセルであって、前記透明電極膜側から異なる前記セルユニットの間隙を透過した光が照射される位置に、有色透明膜と金属反射膜とを有するソーラーセル。
2. 基板を有し、該基板と前記セルユニットとの間に、前記金属反射膜と前記有色透明膜とを有することを特徴とする請求項１に記載のソーラーセル。
3. 前記金属反射膜と前記有色透明膜は前記基板表面の全面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のソーラーセル。
4. 前記セルユニットと前記有色透明膜との間には、基板を有することを特徴とする請求項１に記載のソーラーセル。
5. 前記有色透明膜は基板となり、前記セルユニットが前記基板の片面に形成されており、前記基板の他方の面には、前記金属反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のソーラーセル。
6. 前記金属反射膜は前記金属電極膜と同じ材料を用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のソーラーセル。
7. 前記半導体膜はアモルファスシリコン薄膜であり、前記有色透明膜はアモルファスシリコンの吸収波長と同様に、４００ｎｍ〜６００ｎｍにピークを有する光吸収特性を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のソーラーセル。
8. 前記有色透明膜もアモルファスシリコン薄膜であることを特徴とする請求項７に記載のソーラーセル。

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