JP2011238717A - 全波整流型太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】変換効率の高い太陽電池を作ることをその課題とした。
【解決手段】自己相似形状を持つ微小な受光片を放射状に配備し、その中心部分に２系統の電極を設け、それぞれの受光片ごとに放射状部分の中心に近い部分をＰＮ半導体層を介して２系統の電極の一方に、同一受光片の放射状部分の中心に近い別の部分をＮＰ半導体層を介してもう一方の電極に接続してマイクロセルを構成し、該マイクロセルをそれぞれのマイクロセルが接触することが無いように一平面上に多数配備し、これらのマイクロセルを直列及び並列に接続する構造とした。受光片が自己相似形状を持つために広い波長範囲にわたる光を捉えることが出来、且つ、受光片が放射状に配備されているためさまざまな方向に偏光した光を捉えて全波整流することが出来るため、変換効率の高い太陽電池を得ることが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池に関するものである。

最近、地球温暖化防止の観点から、風力、太陽熱、太陽光等、温暖化ガスを放出することがなく環境破壊を起こす恐れのない自然エネルギーが注目されている。本発明はこれら自然エネルギーの中の太陽光を利用する太陽電池に関するものである。

現在一般的に用いられている太陽電池はシリコンを使用したものであるが、光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率はそれほど大きなものでなくその据付に当たっては相当広い面積を必要とするものである。

従来の太陽電池は上記のように変換効率が低く、シリコンを使用した太陽電池では世界最高といわれるものであっても２５〜２６％程度、市販されている一般品では１５〜１６％程度である。太陽電池の変換効率が高いと、工事費、据付面積が少なくてすみ有利であることは明らかである。このため変換効率の高い太陽電池を作ることをその課題とした。

従来の太陽電池は半導体のＰＮ接合を利用して電気を得るものであるが、本発明にあっては受光片に発生する高周波電流を半導体のＰＮ接合面とＮＰ接合面を使って全波整流して直流にすることで、変換効率の高い太陽電池を得るものである。

本発明によって太陽電池の変換効率が上がり、据付面積の低減、工事費の低減が期待できる。

マイクロモジュールの拡大図 マイクロセルの拡大図 マイクロエレメントの回路図 マイクロセルの電極構造の拡大図 マイクロセル中心部の拡大図 図５のＡ−Ａ断面図

以下、本発明になる全波整流型太陽電池の詳細な実施の形態を、図面およびこれらに付した符号を引用して具体的に説明する。

本発明は、電磁波の一種である太陽光を平面上に設けた多数の受光片１３に照射し、そこに発生する高周波電流を全波整流することによって直流電流を得んとするものである。

太陽電池の原理について、一般的には太陽電池内部にある価電子帯の電子が太陽光中の光子がもつエネルギーｈνによってエネルギーの高い伝導帯に持ち上げられ、価電子帯の電子が抜けたところに正孔が生成し、光子がもつエネルギーｈνによって生じたこれらの電子と正孔が電極に集められ光電流となって回路内を流れるものと説明されている。

しかし光線は電磁波の一種であることから、太陽光を照射することによって受光片１３に高周波電流が発生し、この高周波電流を整流して直流電流を得ることができると考えることも出来る。本発明はこの考えの下に太陽光によって発生した高周波電流を全波整流することによって大きな出力を得るようにしたものである。

図１は本発明になる全波整流型太陽電池を構成するマイクロモジュール１０の一部分の拡大図、図２はマイクロセル１１の拡大図である。図１は正三角形が規則正しく並んでいるだけの単純な構造のように見えるがそうではなく、かなり複雑な構造を持ったものである。これの基本となるものは図２に示す正三角形の受光片１３を６枚持つ正六角形をしたマイクロセル１１であり、このマイクロセル１１を直列及び並列に接続できるようにした配線を持つ絶縁性基板２０（図６参照）の上に平面を覆い尽くすように規則正しく並べたものである。図１ではマイクロセル１１は１８個しか示していないが実際には１枚の絶縁性基板２０の上に数百万から数千万個のマイクロセル１１を乗せて数ミリ角のマイクロモジュール１０を形成し、このマイクロモジュール１０を数百個集めて一個のマクロスケールのセルとし、このマクロスケールのセルを数十個集めてマクロスケールのモジュールとするのである。このまとめ方は上記の数に限ったものではなく融通性があり状況に応じ変更することが可能である。

図３はこのマイクロセル１１を構成する基本となるマイクロエレメント１２を示した回路図である。マイクロエレメント１２は、自己相似形状を持つ２枚の受光片１３を対向させて図３の回路図に示すように組み立てられている。２枚の受光片１３は広帯域ダイポールアンテナとして働き、受光片１３が受けた光（電磁波）によって発生する高周波電流を中央の集電端に集め、４個のダイオード１４で全波整流し、（＋）電極１５及び（−）電極１６から直流電流として取り出すものである。受光片１３は金属等の導電性に優れた材料を用いて蒸着やスパッタリング等の方法で作れば良く光透過性は必ずしも必要ではない。その形状を自己相似性を持つ形状とするのはこれにより広帯域性を持たせて広い波長範囲の光線に対応できるようにするためである。

マイクロエレメント１２の寸法は、向かい合った２枚の受光片１３の一方の底辺から他方の底辺までの長さが対象とする光（電磁波）の波長の半分から数倍の大きさ程度の極めて小さいものである。マイクロエレメント１２の４個のダイオード１４はそれぞれ図３に示すように２個ずつ（＋）電極１５と（−）電極１６につながっている。もちろんこれらのダイオード１４は電線で接続されているわけではなく後で説明するように立体構造によって接続されることになる。

このマイクロエレメント１２を３組用意し、受光片１３同士が接触することが無いように６０度ずつずらせて組み合わせ図２に示す正六角形のマイクロセル１１を構成する。このようにマイクロエレメント１２を何組か組み合わせて受光片１３を放射状に並べるのはこれによってさまざまな角度に偏光した光にも対応できるようにするためである。

本例ではマイクロエレメント１２を構成する受光片１３の形状は頂角を６０度とする二等辺三角形（正三角形）であるが、受光片１３の形状は正三角形に限ったものではなく受光片１３の形状を頂角を４５度とする二等辺三角形、頂角を３６度とする二等辺三角形あるいは頂角を３０度とする二等辺三角形とすることも可能である。この場合マイクロセルは正八角形、正十角形あるいは正十二角形となりマイクロモジュールを構成する際にマイクロセルで埋めきれない空隙が若干残るが、面積比としては小さいものであり性能に大きな悪影響を及ぼすものではない。

１個のマイクロセル１１を構成する受光片１３の枚数についても、マイクロセル１１はマイクロエレメント１２を単位として構成するものであるという原則を厳密に守れば偶数になるが、受光片１３の数が多くなると１枚の受光片と厳密に向かい合った位置に対になる受光片がなくてもその近辺の受光片がその代役を担うため受光片１３の数は必ずしも偶数でなくても良く、マイクロエレメント１２の半分の構造を基本単位としてこれを９個、１１個、１３個等、奇数個放射状に配備して１個のマイクロセル１１を構成することも可能である。

次に電極の形状やダイオードの構成方法等、その構造の詳細な内容について説明する。
図４はマイクロセル１１の中心にある電極を拡大して示したものである。マイクロセル１１は放射状に配備された受光片１３を持っているが、この放射状に配備された受光片１３の中心に近い部分に２系統の電極が設けられている。図４に示す環叉状電極２３と円盤状電極２４がこれである。これらの電極は絶縁性基板２０の上に形成されている。勿論基板には電極が１組だけあるのではなく、必要とする電圧及び電流に応じてマイクロセル１１が直列及び並列に数百万から数千万個接続されるようにつくられている。それぞれの電極は図４の拡大図に示すように、引出し線２５を持った一箇所を切り取った円環の中に、引出し線２５を持った円板を入れ子状に置いたものである。

外側の環叉状電極２３上にＰ型半導体スポット２１を、内側の円板状電極２４上にＮ型半導体スポット２２を形成し、それぞれのスポットの上に外側の環叉状電極２３上のスポットに対してはＮ型半導体スポット２２を、内側の円板状電極２４上のスポットに対してはＰ型半導体スポット２１を、それらの上に乗せる受光片の位置に対応するように形成する。図４には示していないが半導体を設けなかった部分には絶縁層を設けて全体が半導体スポットと同じ高さになるようにする。この上に受光片を設けて図３のマイクロエレメント１２の半分が形成されることになる。

この工程によって受光片の放射状部分の中心に近い部分に受光片側をＰ型、電極側をＮ型としたＰＮ半導体層を介して一方の電極に接続されると共に、同一の受光片の放射状部分の中心に近い別の部分に受光片側をＮ型、電極側をＰ型としたＮＰ半導体層を介してもう一方の電極に接続されることになり図３に示したマイクロエレメント１２の半分が形成されることになる。
この工程を受光片が放射状になるように電極の全周について行いマイクロセル１１を形成する。さらにこのマイクロセル１１を直列及び並列に接続してマイクロモジュール１０を形成する。マイクロセル１１及びマイクロモジュール１０を形成するに当たっては受光片が他の受光片と接触することが無いように注意することが必要である。

図５は半導体スポットを形成した電極の上に６枚の受光片１３を放射状に載せたときの中心部の構造を示した拡大図である。この図においても図がわかり難くなるため絶縁層は表示していない。

図６はこの中心部の構造をさらに理解しやすくするため図５のＡ−Ａの部分の断面を示した断面図である。図中、２６は図４及び図５で表示しなかった絶縁層である。
この断面図より明らかなように環叉状電極２３の上にＰ型半導体スポット２１さらにその上にＮ型半導体スポット２２が形成されており、この部分がダイオードとして働き受光片１３に発生する高周波電流を整流するわけである。円板状電極２４についても極性は逆になるが同様のことが言える。受光片１３はその端部においてＰＮ接触面とＮＰ接触面の双方に接続されて図３に示した回路が形成され、高周波電流が全波整流される。この場合円盤状電極が（＋）極に環叉状電極２３が（−）極になる。

マイクロセル１１の電極を図４のように一部を切り欠いた円環と円板で入れ子状にして上下に引出し線２５をつけた構造にするとマイクロセル１１を直列に接続することが非常に簡単になる。なお、円環と円板は一例としてあげたものでありこれを円形でなく多角形としても何ら問題は無い。この円環と円板は受光片１３の集電端が出来るだけマイクロセル１１の中央に近づくようにすることが望ましい。

半導体スポットは上記の例とは逆に、外側の環叉状電極上にＮ型半導体スポットを、内側の円板状電極上にＰ型半導体スポットを形成し、それぞれのスポットの上に外側の環叉状電極上のスポットに対してはＰ型半導体スポットを、内側の円板状電極上のスポットに対してはＮ型半導体スポットを形成しても良い。このように上層と下層を入れ替えると当然のことながら出力の極性は逆になる。

始めに述べたように、このように構成されたマイクロセル１１を図１に示したように亀の甲状に並べ、必要とする電圧及び電流に応じて直列・並列に数百万から数千万個接続してマイクロモジュール１０を形成する。さらに目的とする電力が得られるようにこのマイクロモジュール１０を必要枚数接続してマクロスケールのセルを作り、このマクロスケールのセルを必要枚数接続して透明な保護層を設けてマクロスケールのモジュールとし屋根等に設置することになる。

本発明による太陽電池の特徴は全波整流するため出力が大きくなることのほか、透明電極を必要としないため高価なインジウムが不要となること、受光片１３の形状を自己相似形として広帯域性を持たせてあるため広い範囲にわたる波長の光を電気に変換することが出来ること、受光片１３を放射状に配備してあるためさまざまな角度に偏向した光を電気に変換することが出来ること等がある。ただ、従来の太陽電池では平面上に均一な層を設ければよかったが本発明ではＩＣの製造に近い工程が必要になるというデメリットも存在する。

また出力については通常の太陽電池ではＰ型半導体と接触する電極が（＋）に、Ｎ型半導体と接触する電極が（−）になるが、本発明になる太陽電池ではＰ型半導体と接触する電極が（−）に、Ｎ型半導体と接触する電極が（＋）となり通常の太陽電池とは逆になるので注意が必要である。

本装置は太陽電池として使用することを意図して開発したものではあるが、マイクロエレメント１２の寸法をマイクロ波の波長に対応できるように大きくすればマイクロ波の電力輸送に使用するレクテナ装置とすることも可能である。

１０ マイクロモジュール
１１ マイクロセル
１２ マイクロエレメント
１３ 受光片
１４ ダイオード
１５ （＋）電極
１６ （−）電極
２０ 絶縁性基板
２１ Ｐ型半導体スポット
２２ Ｎ型半導体スポット
２３ 環叉状電極
２４ 円板状電極
２５ 引出し線
２６ 絶縁層

Claims (2)

1. 導電性に優れた材料からなる自己相似形状を持つ微小な受光片をそれぞれの受光片が接触することが無いように放射状に配備し該受光片に発生する高周波電流を全波整流して直流電流を取り出す全波整流型太陽電池であって、放射状に配備された受光片の放射状部分の中心部分に２系統の電極を設け、それぞれの受光片ごとに放射状部分の中心に近い部分を受光片側をＰ型半導体とし電極側をＮ型半導体としたＰＮ半導体層を介して２系統の電極の一方に接続すると共に、同一受光片の放射状部分の中心に近い別の部分を受光片側をＮ型半導体とし電極側をＰ型半導体としたＮＰ半導体層を介して２系統の電極のもう一方に接続してマイクロセルを構成し、該マイクロセルをそれぞれのマイクロセルが接触することが無いように一平面上に多数配備し、これらのマイクロセルを直列及び並列に接続する構造とした全波整流型太陽電池
2. 中心部分に設ける２系統の電極として、円板状電極もしくは多角形板状電極と、一部を切り欠いた円環もしくは一部を切り欠いた多角形環からなる環叉状電極を入れ子状に設けた請求項１に記載の全波整流型太陽電池。
   

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