JP2013038129A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単位面積当たりの起電力を大幅に向上して、高効率の太陽電池を提供する。また、小型化によるコスト低減とフレキシブルな形状の実現を図ることで、多用途への応用が図られる高効率の太陽電池を提供する。
【解決手段】ｐ型及びｎ型シリコンの間にｉ型アモルファスシリコンのナノメートルレベ
ルの微粒子とナノメートルレベルの薄膜層とを交互に成形成層して単位面積あたりのｐｎ接合中間部面積を大幅に増加させる。これにより生成キャリアの電子と正孔の対がより多く発生して分極化が促進されより多くの起電力が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に関し、特にｎ型及びｐ型アモルファスシリコンの中間にｉ型アモルファスシリコン層を設けた太陽電池に関する。

従来の太陽電池は光起電力効果によってなされるもので、これは結晶型においては、ｐｎ接合面を持つｎ型シリコンに光を照射すると、バンド間遷移等によって電子と正孔の対がｐｎ接合面の付近で発生し、空乏層のドリフト効果によって正負の電極ができる現象を利用している。
またアモルファスシリコン方式ではｐ型とｎ型の間に空乏層としてｉ型シリコンを積層して用いる方式が主体である。

しかしながら、太陽光の持つエネルギー密度が低いために、従来の太陽電池は大きく分けて、太陽光をそのままの状態で利用する平板型と光学系などを使って高密度化してから太陽電池に入射させる集光型の二つになっている。

通常では、前者の太陽光をそのままの状態でシリコンなどで形成されたｐｎ接合（アモルファスシリコンはｐｉｎ接合）の構造によって電力を得る平板型（平板型太陽電池）が最も一般的な太陽電池であり、結晶型はインゴットにしたシリコン固体から、結晶板（ウエハ）を製作する方法であり、アモルファスシリコン方式は蒸着あるいはコーティング他で製作する方法となっている。

最近では球状半導体を用いて太陽電池としたものがある。球状にした第１型半導体の表面に、ｐｎ接合を形成するように第２型の半導体層と透明の電導膜を一緒に張り、個々の球状半導体同士を細い導体で繋ぐ方法のものである（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、球状太陽電池をｐ型及びｎ型領域と接触する糸状の導体を横糸として、不良導体を縦糸とした構成でモジュール化したものがある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−１５６３１５号公報 特開平０９−１６２４３４号公報

従来の太陽電池では、太陽光を受けるエネルギー密度が低いため、変換効率が結晶系シリコン太陽電池のｐｎ接合型であっても１５％〜１９％程度と低く、太陽光を十分に電力変換しているとは言えなかった。例えば、１ＫＷの電力を得るためには、約７ｍ²もの受光面積（ｐｎ接合面）が必要であった。さらに、パッケージによるモジュールも大規模となってコストが割高となっていた。また、太陽の軌道に沿った受光が難しいために、安定的な強度の光も得られにくかった。

これは、従来の太陽電池の原理が光起電力効果によってなされるからであり、結晶式では電子と正孔の対を発生するｐｎ接合面（アモルファス式ではｉ接合面）の広さが最も影響しているのである。

そのため、太陽光によって光起電力効果を起こすｐｎ接合（アモルファス方式ではｉ接合面）において、その単位面積当たりの接合面積を増加させることが、より現実的に小型化を可能とし、かつ高い変換効率となる太陽電池を実現させるのである。

近年はナノテクノロジーにより電極等界面の表面積を拡大する技術が進んでいる。ナノメーターレベルに微細化が進むと面積拡大だけではなく、光起電力の向上および内部抵抗の低下の相まって変換効率の拡大が確認されている。
本発明は、ナノテクノロジーにより従来の太陽電池が有していた問題を解決しようとするものである。
太陽電池の接合面の表面積拡大にナノテクノロジーを適用する場合、従来の結晶シリコン型では構成が困難であり、本発明はアモルファスシリコンのｉ型接合面を量子ドットに準じたナノレベルの微粒子とナノレベルの薄膜層の積層により単位面積当たりのｐｉｎ接合面積を大幅に増加向上させるとともに、光起電力の向上および内部抵抗の低下により、小型化が可能となる高い変換効率の太陽電池の実現とフレキシブルで高効率な太陽電池の実現を目的とするものである。

また、このような太陽電池の改善のみならず、パッケージ化にかかる採光板の改善による光の干渉効果と集光作用を併せ用いて、さらなる高効率化を図ることをも目的とするものである。

すなわち、本発明の目的は、単位面積当たりの起電力を大幅に向上して、高効率の太陽電池を提供する。また、小型化によるコスト低減とフレキシブルな形状の実現を図ることで、多用途への応用が図られる高効率の太陽電池を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、ｎ型薄膜シリコン、及びｉ型シリコ
ン及びｐ型薄膜シリコンによる３層構造セルを有する太陽電池において、中心のｉ型シリ
コンを、ナノメーターレベルの微粒子層と、ナノメートルレベルの厚さのｉ型薄膜シリコ
ン層とを５〜１０層交互に積層したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ｉ型薄膜シリコンの最
上層にナノメーターレベルの光感受性基材を薄膜状あるいは微粒子で少なくとも１層積層したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、受光面となるｎ型薄膜シリコン層側の受光ガラス面に球状のマイクロメータレベルからナノメーターレベルのクリスタル、ガラス及び石英ガラスを充填させ、これらを光拡散材として一体的に組み合わせた層に形成したことを特徴とする。

本発明によれば、単位面積当たりの起電力を大幅に向上して、高効率の太陽電池の提供を実現し、小型化によるコスト低減とフレキシブルな形状の実現を図ることで、多用途への応用が図られる高効率の太陽電池の提供を実現することができる。

また、本発明による小型化によって家庭及び業務用の電気製品或いは自動車等への普及が急速に進むこととなる。

本発明に係る太陽電池の一実施例を示すナノ微粒子層型の高効率太陽電池（基本型）の断面図である。 本発明に係る太陽電池の他の実施例を示す酸化チタン他追加層型の高効率太陽電池（ハイブリッド型）の断面図である。 本発明に係る太陽電池の他の実施例を示すナノガラス集光層型の高効率太陽電池（多角集光型）の断面図である。

本発明は、太陽電池において、ｎ型及びｐ型アモルファスシリコンの中間にｉ型アモルファスシリコン層を設けるが、ｉ型アモルファスシリコン層をナノメーターレベルの粒子にして１層積層し、その上をナノメートルレベルの厚さでｉ型薄膜シリコンを１層積層す
る。し、微粒子と薄膜層を５〜１０層交互に積層し、その片側にｎ型薄膜シリコンを積層し、片方にｐ型薄膜シリコンを形成したことを特徴とする。

本発明は、上記目的を達成するためにアモルファス型太陽電池のｐｉｎ接合を、ｉ型接合面をナノレベルの微粒子とナノレベルの薄膜層の積層により単位面積当たりのｐｉｎ接合面積を大幅に増加向上させるとともに、光起電力の向上および内部抵抗の低下により、小型化が可能となる高い変換効率の太陽電池の実現とフレキシブルで高効率な太陽電池でかつ小型化やコスト低減を図るものである。

具体的には、ｉ型シリコンをナノメーターレベル（目安として数ｎｍ〜数百ｎｍの大きさ。）の球状の粒子として、それを１〜数層積層し、その積層表面をならすようにナノメーターレベル（目安として数ｎｍ〜数百ｎｍの厚み。）の薄膜層を積層する。
このナノメーターレベルのｉ型シリコンの微粒子層と薄膜層を交互にさらに複数層を積層させてｉ型シリコン層の表面積を拡大するとともにナノ化効果により光起電力効果を向上して変換効率を大幅に向上させる。

次に、ｎ型シリコンとｉ型シリコンのナノメーターレベルの積層層の間に酸化チタン他光感受性素子のナノメーターレベルの微粒子あるいは薄膜層を単層あるいは複数層を単一あるいは複数混合して積層することにより太陽光の幅広い波長帯に対応することでさらに変換効率を向上させるものである。

このｎ型マイクロ粒子が数段〜数十段程度積み上がって形成する立体的な層（空乏層）ができあがる。そこから生成キャリアである電子と正孔の対がより多く発生して、ドリフト効果によって再結合化せずに正負極に分極される。

そのナノメーターレベル接合層を、ｎ型及びｐ型シリコン層で両側から夾むように固定して、さらに両側に電極を配置することでナノメーター微粒子層型の高効率太陽電池ができあがる。

さらに、透明電極層を１層積層し最外部は保護を兼ねたガラス層あるいは透明樹脂層となるが隣接して名のメータレベルのガラス微粒子を積層することでこれによって、垂直入射以外の多くの角度からの太陽光を取り込むことができるようになり 集光効果を拡大してさらなる高効率太陽電池ができあがる。

これらの解決手段による作用は、次の通りである。すなわち、太陽電池の原理は、半導体の陰極に光を照射すると、バンド間遷移等によって結晶型はｐｎ接合面付近から、アモルファス型ではｉ型シリコン層において生成キャリアである電子と正孔の対が発生する。ただし、接合面から離れた場所では、電子と正孔の再結合化によって発生した電子と正孔は消滅するが、接合面付近では空乏層という内蔵電界域ができあがり、ドリフト効果が発生して電子と正孔が再結合化せずに分極され、電位差が生じて起電力が発生するものである。

つまり、この光起電力効果を利用する限りにおいて、変換効率を向上させようとするためには、接合面付近でしか生成しない電子と正孔の対を、より多く発生させて分極させることが必要となる。

そのために、受光にかかる単位面積あたりの接合面積を増加させて、かつ光起電力効果を十分に発揮できるように、ナノメーターレベルでの微粒子あるいは薄膜を積層技術を応用したものである。それにより単位面積あたりの光反応層面積が大幅に増え、従来のｐｎ接合面あるいはｉ型シリコン面の複数分に相当する機能と効果が得られることとなる。またナノメーターレベルでは光起電力が常態よりも数十％向上しまた内部抵抗も低下することからジュール熱ロスも低減して、結果としてより多くの起電力が得られることとなるからである。

また太陽光の波長帯すべてで光起電力を発する基材は現有しないし、シリコンにおいても光波長のうち２００〜１２００ｎｍであり通常では紫外線あるいは赤外線近傍などの波長は発電には寄与しないので、本発明ではｉシリコン積層の最上層にはナノメーターレベ
ルの酸化チタンなどのシリコンとは異なる光感受性基材を薄膜状あるいは微粒子で１層あるいは複数層を積層することで幅広い波長のエネルギーを受光し活用することができる。

受光面となるｎ型シリコン層側の受光ガラス面に球状のマイクロメータレベル（ナノメーターレベルも含む。以下同じ。）のクリスタル、ガラス及び石英ガラスを充填させ、これらを光拡散材として一体的に組み合わせた層に形成することにより、より多くの角度からの太陽光を取り込むことができ結果的に変換率を向上させることができた。

さらに、ｎ型及びｐ型シリコン層およびｉ型シリコン層の全てをナノメータレに成形して一体的に組み合わせた太陽電池とすることで、高効率な太陽電池でありながらも、全ての接合点がピン接合あるいは薄膜接合となるために、十分にフレキシブルな形態が可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１〜図３において、１ａはマイクロ粒子層型の高効率の太陽電池（基本型）の断面図であり、１ｂはマイクロ粒子層型の高効率の太陽電池（光拡散型）の断面図であり、１ｃはマイクロ粒子層型の高効率の太陽電池（フレキシブル型）の断面図である。

まず図１においては、太陽電池１ａは、ｉ型ナノ微粒子（シリコン微粒子）１５を、単位面積あたりの面積を増大させるために１〜数層層程度に積み上げて、その際に生じる隙間に電解質あるいはｎ型ナノ微粒子を充填させて形成した微粒子層にナノレベルのｉ型シリコン微粒子１５の薄膜を積層し、ｉ型シリコン微粒子１５と薄膜層（ｉ型アモルファスシリコン）１４とを交互に複数層の積層層を、受光面側のｎ型アモルファスシリコン層１３ｎとその裏面側となるｐ型アモルファスシリコン層１６ｐで夾むように接合することで、従来のｐｉｎ接合面と同様の構造となるとともに、生成キャリアである電子と正孔の対を発生させる機能を有することとなる。

さらに、受光面側のｎ型アモルファスシリコン層１３の外側あるいはガラス受光面（保護ガラス１１）には反射防止膜（図示せず）を置くとともに、当該太陽電池の両端となるｎ型アモルファスシリコン層１３及びｐ型アモルファスシリコン層１６にそれぞれ電極７を配置することで太陽電池（基本形）１ａが構成される。

次に図２においては、太陽電池１ｂは、ｉ型シリコン微粒子２６およびｉ型シリコン薄膜２５の交互積層層のｎ型シリコン薄膜側に酸化チタン他の光感受基材のナノ微粒子あるいはナノ薄膜（酸化チタン他ハイブリッド層）２４を積層し図１同様に透明電極２２、２８を挟みガラス（保護ガラス）２１、２９で挟んだ太陽電池（ハイブリッド形）が形成される。

そして、上記と同様に、太陽光受光側ガラス（保護ガラス３２）にナノレベルのガラス微粒子を積層した集光層３１を有する太陽電池（光多角集光型）１ｃが構成される。

＜作用効果＞
上述したように、本発明はナノテクノロジーを集約して応用した成果であり、ナノメーターレベルで微粒子および薄膜で積層することにより表面積の拡大、光起電能力の拡大、内部抵抗の低減、などの効果を得るとともに複数基材適用による波長帯域の拡大、ガラス面のナノ微粒子コーティングによる光集約量の拡大などの技術集約の結果、主に薄膜方式において従来よりも大幅な変換効率を有する太陽光発電システムを形成した。これによって、従来７％から１４％と発表されている薄膜式太陽電池の光電変換効率を２０％以上の、また製法によっては３０％前後まで向上することができた。

また、高い変換効率ばかりでなく、従来の太陽電池に要した規模においても大幅に小型化できることとなり、運搬及び取付工事が容易になるばかりか、コスト面においても工事費及び維持経費等が大幅に低減される。また、販売価格も低減されることから、メガソーラーを含め太陽光発電の普及が見込まれる。

なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。

１ａ、１ｂ、１ｃ 太陽電池
１１、１８、２１、２９、３２、４０ 保護ガラス
１２、２２、２８、３３、３９ 透明電極層
１３、２３、３４ ｎ型アモルファスシリコン
１４ ｉ型アモルファスシリコン
１５、２６、３７ ｉ型シリコン微粒子
１６ ｐ型アモルファスシリコン
１７ 電極基材
２４、３５ 酸化チタン他ハイブリッド層
２５、３６ ｉ型シリコン薄膜層
２７、３８ ｐ型シリコン層
３１ 集光層

Claims (3)

1. ｎ型薄膜シリコン、及びｉ型シリコン及びｐ型薄膜シリコンによる３層構造セルを有す
   る太陽電池において、
   中心のｉ型シリコンを、ナノメーターレベルの微粒子層と、ナノメートルレベルの厚さ
   のｉ型薄膜シリコン層とを５〜１０層交互に積層したことを特徴とする太陽電池。
2. 前記ｉ型薄膜シリコンの最上層にナノメーターレベルの光感受性基材を薄膜状あるいは
   微粒子で少なくとも１層積層したことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
3. 受光面となるｎ型薄膜シリコン層側の受光ガラス面に球状のマイクロメータレベルからナノメーターレベルのクリスタル、ガラス及び石英ガラスを充填させ、これらを光拡散材として一体的に組み合わせた層に形成したことを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
   

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