JP2012134193A

JP2012134193A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2012134193A
Application number: JP2010282504A
Authority: JP
Inventors: Makoto Izumi; 誠泉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-07-12

Abstract

【課題】単結晶半導体のバンドギャップを欠陥を増加させずに変化させて、太陽電池としての性能を向上させること。
【解決手段】太陽光スペクトルを想定した場合、太陽電池材料のバンドギャップとしては1.4eVが適している。しかし、安価な単結晶を得やすいシリコンのバンドギャップは室温で1.12eVであるため効率が悪い。しかし、バンドギャップを変化させるため、他の元素を混入させる方法で単結晶を得るのは困難である。一方、多結晶やアモルファスではバンドギャップを制御できるが、欠陥が増加する。そこで、単結晶を金属などの基板に接着させて、変形、加工させることで格子定数に変化させ、単結晶をまま、バンドギャップの大きさを制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、単結晶を使用した太陽電池に関するものである。

単結晶を使用した太陽電池は格子欠陥が少ないため、キャリアの再結合が抑制でき、高効率の太陽電池を作製することが可能である。しかし、バンドギャップは材料固有のものであるため、太陽光のスペクトルに適したバンドギャップに調整する事は困難である。

多結晶の太陽電池やアモルファスの太陽電池においては、複数の元素を混入させることにより、バンドギャップの調整が可能であるが、格子欠陥が増加する。

シリコン単結晶にゲルマニウムや炭素を注入するなどして単結晶を保ちながら、バンドギャップを調整する方法もあるが、ゲルマニウムや炭素が含まれる厚さは太陽電池用には薄すぎるため、効果が少ない。

そのため、量子井戸などを利用してバンドギャップを調整する方法が試みられている。

特許第2615404

S.M.SZE著「SEMICONDUCTOR DEVICES Physics and Technology」Bell Telephone Laboratories出版 1985年安藤妙子名古屋大学博士論文「薄膜材料のオンチップ引張試験ならびに疲労試験」

解決しようとする課題は、単結晶型太陽電池において、欠陥密度を増加させずにバンドギャップを調整する事。

本発明は、単結晶シリコンを金属などの基板に接合した後、基板を塑性変形させ、単結晶シリコンを歪ませて格子定数を変化させることを特徴とする太陽電池である。

太陽光の下では、一種類の半導体を使用する太陽電池では最も発電効率を高くなるバンドギャップの値は約1.4eVであるが、シリコンでは室温で約1.12eVである。シリコンの格子間隔を狭めるとバンドギャップが大きくなるため、1.12eVより大きくなり、太陽電池としての効率が上昇する。

図１はシリコン単結晶中の電子の運動量とエネルギーの関係を示した説明図である。（実施例１）図２はシリコン単結晶での格子定数とバンドギャップの関係を示した説明図である。（実施例１）図３は太陽電池の作製方法を示した説明図である。（実施例１）図４は太陽電池の作製方法を示した説明図である。（実施例１）図５は太陽電池の作製方法を示した説明図である。（実施例２）図６は太陽電池の作製方法を示した説明図である。（実施例２）図７は太陽電池の作製方法を示した説明図である。（実施例３）

単結晶の半導体を基板に接着してから、変形させることにより、バンドギャップを調整し、太陽電池の効率を増加させる方法である。

図1は単結晶シリコン格子での結晶方位方向の電子の運動量と価電子帯、伝導帯の電子のエネルギーの関係を示したものである。伝導帯での電子のエネルギーは方位[100]近辺で極小値をとる。一方で価電子帯での電子のエネルギーは[000]で極大値をとり、そのエネルギー差は室温で約1.12eVである（非特許文献１）。

図２は、シリコンの結晶構造であるダイアモンド型結晶における格子定数とバンドギャップの関係を示したものである。このようにシリコン格子定数の0.543nm近辺では格子定数が小さいほど、バンドギャップが大きくなることが分かる。したがって、バンドギャップを大きくする時には格子定数を小さく、バンドギャップを小さくする時には格子定数を大きくすればよい（非特許文献１）。

[100]方向に3.5％圧縮できれば、バンドギャップの推定値は1.4eVとなり、太陽電池としての最適値にすることが出来る。

シリコンは共有結合で結晶を構成しているため、転位が起こりにくい。また、[100]に4.25％の伸びても破断しないことが実験でも報告されている（非特許文献２）。そのため、シリコン薄膜の歪は格子定数の歪と比例しているとみなせる。また、単結晶においては圧縮と引張試験はほぼ対称とみなせるため、数％の格子定数の変化は応力をかけることによって可能であることが分かる。

図３は金属基板に単結晶シリコンを接合させた時の概略図である。実施例１ではシリコンの結晶方位[100]を面内に含ませている場合について記述する。シリコンが[100]方向の格子定数小さくなるようにする図３の状態から図４のように基板ごと圧縮させ、基板が塑性変形を起こさせることにより、格子定数を変化させる。

[100]方向を面と垂直にしている場合、すなわち面方位[100]で切り出した場合である。この場合は基板を図５、６のように面を延伸させることにより、垂直方向に圧縮応力をかけ、[100]方向に圧縮させる。図５の場合は面と水平に延伸させるが、図６の場合は曲面になるように延伸させた場合である。

[100]方向と垂直方向に延伸させると[100]方向に圧縮応力がかかるため、実施例１の場合と同じ効果が生まれる。

実施例３では基板に金属ではなく、光を透過する導電膜とガラスを使用した場合である。図７のようにガラスの両側に透明電極をつけて、太陽光側に面方位[100]のシリコン単結晶膜を反対側に結晶方位[100]を面内に含むシリコン単結晶をのせて、適切な温度をかけながら延伸させた後、冷却する。この方法により、吸収できる光の波長が増加するとともに効率よく発電ができる。

本発明は簡便で安価な方法で太陽電池の効率を高めるものであり、家庭用、産業用、またはポータブル機器への電源として利用できる。

１単結晶シリコン
２金属基板
３単結晶シリコンと金属を接着させているシリサイド層
４結晶方位［100］の方向
５圧縮方向
６延伸方向
７ガラス基板
８透明導電膜

Claims

単結晶半導体を金属または導電性膜を含んだ基板と接着し、基板を変形させることにより、単結晶半導体の格子間隔を変化させ、バンドギャップを制御した太陽電池。
請求項１の単結晶半導体が単結晶シリコンであり、[100]方向に圧縮または、[100]と垂直の方向に延伸させて、バンドギャップを増加させた太陽電池。
光を透過する基板の両側に導電性膜を含んだ膜を作製し、一方の面に面方位[100]の単結晶シリコン膜を、他方の面に結晶方位[100]を面内に含む単結晶シリコン膜を接着し、この基板を延伸させることにより、一方のシリコン膜ではバンドギャップが大きくし、他方のシリコン膜ではバンドギャップが小さくした太陽電池。