JP2013128115A

JP2013128115A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2013128115A
Application number: JP2012273218A
Authority: JP
Inventors: Yuan-Hao Jin; 元浩金; Qunqing Li; 群慶李; 守善 ▲ハン▼; Feng-Yan Fan
Original assignee: Qinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Qinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: TWI481050B; US20130153011A1; US20140283893A1; CN103165719A; US10109757B2; JP5596113B2; TW201327879A; CN103165719B; US8809675B2

Abstract

【課題】太陽光を受け取る面積が大きく且つ太陽光の吸収率が高い太陽電池を提供する。
【解決手段】Ｍ個のｐｎ接合ユニット１２と、Ｍ−１個の内部電極１４と、第一集電極１６と、第二集電極１８と、を含む太陽電池であって、前記Ｍは自然数であり、且つＭ≧２という条件を満し、隣接する二つのｐｎ接合ユニット１２の間には、内部電極１４が設置され、Ｍ個のｐｎ接合ユニット１２とＭ−１個の内部電極１４とは、一つの直線上に並列に且つ接触して設置されて、一つの一体整列構造を形成し、第一集電極１６と、第二集電極１８とは、前記一体整列構造の両側に設置され、少なくとも一つの内部電極１４は、一つのカーボンナノチューブアレイからなり、ｐｎ接合ユニット１２は、受光面及びそれに対向する光出射面を有し、前記受光面は、前記直線と平行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に関するものである。

太陽電池は光電変換原理を応用して、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。具体的には、光起電力効果を利用して、太陽光エネルギーを直接電力に変換する電力機器であり、一般的な一次電池や二次電池のように電力を蓄えるのではなく、光起電力効果により、受けた光エネルギーを即時に電力に変換して出力する。現在、主流のシリコン太陽電池（非特許文献１を参照）の他、様々な化合物半導体などを素材にしたものが実用化されている。

現在、太陽電池としては主にシリコン太陽電池が利用されている。従来のシリコン太陽電池は、背面電極と、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前面電極と、を含む。前記シリコン太陽電池の中で、前記ｐ型半導体層とｎ型半導体層はｐｎ接合を形成し、該ｐｎ接合に太陽光があたると、それが刺激となって複数の電子と正孔が発生する。該複数の電子と正孔は、電場の作用下で分離し且つ背面電極と前面電極にそれぞれ移動する。前記シリコン太陽電池の背面電極及び前面電極が負荷を受けると、該背面電極及び前面電極の間に外部回路の負荷を通じて電流が流れる。

しかし、従来のシリコン太陽電池は光子が前面電極とｎ型半導体層を通じて、ｐｎ接合に到達する。これにより、一部の入射する太陽光が前面電極とｎ型半導体層に吸収されるため、ｐｎ接合の太陽光の吸収率が低くなり、ｐｎ接合で発生する電流キャリアを減少させる。従って、従来のシリコン太陽電池は太陽光の吸収率が低い。

張明杰等、"太陽電池及び多晶シリコンの製造"、「材料及び冶金の学報」、２００７年、第１６巻、第３３頁〜第３８頁

従って、前記課題を解決するために、本発明は太陽光を受け取る面積が大きく且つ太陽光の吸収率が高い太陽電池を提供する。

本発明の太陽電池は、Ｍ個のｐｎ接合ユニットと、Ｍ−１個の内部電極と、第一集電極と、第二集電極と、を含む太陽電池であって、前記Ｍは自然数であり、且つＭ≧２という条件を満し、隣接する二つのｐｎ接合ユニットの間には、内部電極が設置され、前記Ｍ個のｐｎ接合ユニットとＭ−１個の内部電極とは、一つの直線上に並列に且つ接触して設置されて、一つの一体整列構造を形成し、前記第一集電極と、第二集電極とは、前記一体整列構造の両側に設置され、少なくとも一つの前記内部電極は、一つのカーボンナノチューブアレイからなり、前記ｐｎ接合ユニットは、受光面及びそれに対向する光出射面を有し、前記受光面は、前記直線と平行する。

本発明の太陽電池において、前記カーボンナノチューブアレイは互いに平行する複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブは隣接する二つのｐｎ接合ユニットにそれぞれ接続される。

本発明の太陽電池において、前記光出射面には、反射素子が設置される。

従来の技術と比べて、本発明の太陽電池は、太陽光が受光面に直接入射することができ、且つ該受光面は電極によって被覆されないため、光子は電極とｎ型シリコン層を通過する必要がなく、ｐｎ接合に直接到達でき、ｐｎ接合での光の吸収率を高める。これにより、ｐｎ接合は大量の電子と正孔を発生させて、太陽電池の光起電力効果を高めることができる。また、太陽電池の光出射面に反射層を設置する。該反射層によって、光出射面から出射された光線はｐｎ接合側に反射された後ｐｎ接合に吸収される。これにより、太陽電池の光起電力効果を高めることができる。

本発明の実施例１の太陽電池の構造を示す図である。本発明の実施例１の太陽電池の立体構造を示す図である。本発明の実施例１の太陽電池の局部の拡大図である。本発明の実施例１の太陽電池の局部の拡大図である。本発明の実施例２の太陽電池の製造方法の工程を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本発明の実施例１は太陽電池１０を提供する。該太陽電池１０はＭ個のｐｎ接合ユニット１２と、Ｍ−１個の内部電極１４と、第一集電極１６と、第二集電極１８と、を含む。Ｍは自然数であり、且つ下記の式（１）を満たす。

（式１）
Ｍ≧２（１）

該Ｍ個のｐｎ接合ユニット１２は、受光面１７及びそれに対向する光出射面１１を有し、一つの直線上に順次に並列し且つ接触して設置される。また、Ｍ−１個の内部電極１４によって、Ｍ個のｐｎ接合ユニット１２は直列接続される。受光面１７は前記直線と平行する。外界光線は、受光面１７へ入射する。

一つのｐｎ接合ユニット１２は、第一表面１２１と、第一シリコン層１２２と、接触面１２５と、第二シリコン層１２６と、第二表面１２３と、を有する。第一シリコン層１２２と第二シリコン層１２６とは並列に接触して設置される。第一表面１２１は、第一シリコン層１２２における第二シリコン層１２６から離れた表面であり、第二表面１２３は、第二シリコン層１２６における第一シリコン層１２２から離れた表面である。接触面１２５は、第一シリコン層１２２と第二シリコン層１２６との接触面である。第一表面１２１と、接触面１２５と、第二表面１２３とは、互いに間隔をあけて相互に平行して設置される。接触面１２５において、第一シリコン層１２２と第二シリコン層１２６とは接触して、ｐｎ接合を形成する。

第一集電極１６は、第一番目のｐｎ接合ユニット１２の第一表面１２１に設置され、第二集電極１８は、第Ｍ番目のｐｎ接合ユニット１２の第二表面１２３に設置される。少なくとも一つの内部電極１４はカーボンナノチューブアレイからなる。本実施例において、各々の内部電極１４は一つのカーボンナノチューブアレイからなる。

Ｍ個のｐｎ接合ユニット１２と、Ｍ−１個の内部電極１４と、第一集電極１６と、第二集電極１８とは、一つの直線上に順次に並列し且つ接触して設置されて、一つの一体整列構造を形成する。ここで一体整列構造とは、太陽電池１０において、前記各層が同一の直線上に、連続に並列し且つ接触して設置されて一つの構造を形成することである。Ｍ個のｐｎ接合ユニット１２の受光面は連続して接続されて平面を形成する或いは間隔をあけてずらして設置される。即ち、隣接する二つのｐｎ接合ユニット１２の間の内部電極１４は、その一部が露出される。これにより、露出された内部電極１４の部分に太陽光が入射できるため、光の透過率を高めることができる。

第一シリコン層１２２はｎ型シリコン層或いはｐ型シリコン層であり、第二シリコン層１２６はｎ型シリコン層或いはｐ型シリコン層である。第一シリコン層１２２と第二シリコン層１２６のタイプは相反する。第一シリコン層１２２がｐ型シリコン層である場合、第二シリコン層１２６はｎ型シリコン層である。第一シリコン層１２２がｎ型シリコン層である場合、第二シリコン層１２６はｐ型シリコン層である。本実施例において、第一シリコン層１２２はｐ型シリコン層であり、第二シリコン層１２６はｎ型シリコン層である。

一つのｐｎ接合ユニット１２において、各々の第一シリコン層１２２は、第一表面１２１及び接触面１２５に互いに連続する第一側面（図示せず）を備え、各々の第二シリコン層１２６は、第二表面１２３及び接触面１２５とに互いに連続する第二側面（図示せず）を備える。この第一側面と第二側面とは受光面１７を形成する。また、ｐｎ接合はｐ型シリコン層とｎ型シリコン層との接触面付近に形成される。従って、ｐｎ接合は受光面１７に露出される。

第一シリコン層１２２は層状構造であり、単結晶シリコン或いは多結晶シリコンからなる。第一シリコン層１２２の厚さは第一表面１２１から接触面１２５までの距離であり、その厚さは２００ｎｍ〜３００ｎｍである。第一側面の第一表面１２１及び接触面１２５に対する角度は０°〜１８０°（１８０°は含まず)であり、好ましくは９０°である。本実施例において、第一側面は、第一表面１２１及び接触面１２５に垂直であり、第一シリコン層１２２は単結晶シリコンからなり且つその厚さは２００ｎｍである。

第二シリコン層１２６は層状構造であり、シリコン片に過量のｎ型ドープされた材料（例えば、リン或いはヒ素）を注入することによって形成される。第二シリコン層１２６の厚さは接触面１２５から第二表面１２３までの距離であり、その厚さは１０ｎｍ〜１μｍである。第二側面の接触面１２５及び第二表面１２３に対する角度は０°〜１８０°（１８０°は含まず)であり、好ましくは９０°である。本実施例において、第二側面は、接触面１２５及び第二表面１２３に垂直であり、第二シリコン層１２６の厚さは５０ｎｍである。

一つのｐｎ接合ユニット１２において、該ｐｎ接合に太陽光があたると、それが刺激となって複数の電子と正孔が発生する。該複数の電子と正孔は電場の作用下で分離し、ｎ型シリコン層の電子は第二集電極１８に移動し、ｐ型シリコン層の正孔は第一集電極１６に移動する。複数の電子と正孔は第二集電極１８及び第一集電極１６に収集されて電流を形成する。これにより、太陽電池２０は、光起電力効果を利用して、太陽光エネルギーを直接電力に変換する。

Ｍ個のｐｎ接合ユニット１２は、Ｍ−１個の内部電極１４によって互いに直列接続される。これは複数の直列接続した組電池に類似する。従って、太陽電池１０の電圧はＭ個のｐｎ接合ユニットの電圧の総和である。

太陽電池１０が有するｐｎ接合ユニット１２の数量は限定されず、必要とする出力電圧によって設定することができる。太陽電池１０の電圧は、一つのｐｎ接合ユニットの電圧の整数倍である。本実施例において、太陽電池１０は１００個のｐｎ接合ユニットを含む。

第二集電極１８及び第一集電極１６は、太陽電池１０の内部に形成される電流を収集した後、外部導線（図示せず）によって、電流を外部に導出する。

太陽電池１０が作動すると、太陽光は直接受光面１７に当たるため、第一集電極１６に入射する必要がない。従って、第一集電極１６は連続した面状構造でも良く、この際、第一表面１２１の全てを被覆する。更に、第一集電極１６は格子状構造でも良く、この際、第一集電極１６は第一表面１２１の一部を被覆する。第一集電極１６は導電性の材料からなり、該材料は金属、導電性ポリマー、ＩＴＯ又はカーボンナノチューブアレイである。好ましくは、第一集電極１６は連続した面状構造の金属材料層からなり、該金属材料層は第一表面１２１の全てを被覆する。金属材料は、アルミニウム、銅或いは銀である。また、第一集電極１６の厚さに制限はなく、好ましくは、その厚さは５０ｎｍ〜３００ｎｍである。本実施例において、第一集電極１６はアルミ箔からなり、厚さは２００ｎｍである。

太陽電池１０が作動すると、太陽光は直接受光面１７に当たるため、第二集電極１８に入射する必要もない。従って、該第二集電極１８は連続した面状構造でも良く、この際、第二表面１２３の全てを被覆する。更に、第二集電極１８は格子状構造でも良く、この際、第二集電極１８は第二表面１２３の一部を被覆する。第二集電極１８は導電性の材料からなり、該材料は金属、導電性ポリマー、ＩＴＯ又はカーボンナノチューブアレイである。第二集電極１８の材料と第一集電極１６の材料とは同じでも或いは同じでなくても良い。好ましくは、第二集電極１８は連続した面状構造の金属材料層からなり、該金属材料層は第二表面１２３の全てを被覆する。金属材料は、アルミニウム、銅或いは銀である。第二集電極１８の厚さに制限はないが、好ましくは、その厚さは５０ｎｍ〜３００ｎｍである。本実施例において、第二集電極１８はアルミ箔からなり、厚さは２００ｎｍである。

第一集電極１６及び第二集電極１８は光を通過させないため、光が第一集電極１６と第二集電極１８を通過することによって起こる光起電力効果の低下を防止することができる。

内部電極１４はカーボンナノチューブアレイからなる。又は、内部電極１４は金属、導電ポリマー或いはＩＴＯからなる。該カーボンナノチューブアレイは複数のカーボンナノチューブを含み、該金属は、アルミニウム、銅或いは銀である。カーボンナノチューブアレイによって、隣接する二つのｐｎ接合ユニット１２は電気的に接続される。カーボンナノチューブアレイの一端は、一つのｐｎ接合ユニット１２の第一表面１２１と接触し、前記カーボンナノチューブアレイの一端と相対する一端は、前記一つのｐｎ接合ユニット１２と隣接するｐｎ接合ユニット１２の第二表面１２３と接触する。具体的には、カーボンナノチューブアレイにおいて、多数のカーボンナノチューブの一端は、一つのｐｎ接合ユニット１２の第一表面１２１と接触し、多数のカーボンナノチューブの一端と相対する一端は、前記一つのｐｎ接合ユニット１２と隣接するｐｎ接合ユニット１２の第二表面１２３と接触する。ここで、多数のカーボンナノチューブとは、製造方法と製造条件の制限により、カーボンナノチューブアレイに存在する少数のカーボンナノチューブの両端と隣接するカーボンナノチューブとが接触するため第一表面１２１と第二表面１２３とに接触しない場合或いは少数のカーボンナノチューブの一端が第一表面１２１或いは第二表面１２３と接触し、該一端と対向する一端が隣接するカーボンナノチューブと接触する場合があることを指す。

カーボンナノチューブアレイの中の大多数のカーボンナノチューブは、直線或いは曲線状に、第一表面１２１から第二表面１２３まで延伸する。図１を参照すると、カーボンナノチューブアレイは直線状に、第一表面１２１から第二表面１２３まで延伸する。この際、カーボンナノチューブアレイにおいて、カーボンナノチューブ同士は相互にほぼ平行している。ここで、ほぼ平行しているとは、成長する過程において、成長環境或いは成長条件の制限により、カーボンナノチューブは完全には成長方向に成長できないことを指す。即ち、カーボンナノチューブアレイにおいて、全てのカーボンナノチューブ同士が相互に平行し且つその長さが同じであるわけではないが、そうである必要はない。図３を参照すると、カーボンナノチューブアレイにおいて、カーボンナノチューブは湾曲状を呈する。カーボンナノチューブは、曲線状に延伸して、隣接する二つのｐｎ接合ユニット１２に接続される。前記曲線の形状は制限されず、弓型、Ｓ型或いは他の湾曲形状でも良い。カーボンナノチューブアレイにおいて、カーボンナノチューブは湾曲した曲線が同じでも或いは同じでなくても良い。本実施例において、カーボンナノチューブは直線状に、第一表面１２１から第二表面１２３まで延伸し且つ第一表面１２１と第二表面１２３とに接続される。

カーボンナノチューブアレイは純粋なカーボンナノチューブからなる。ここで純粋なカーボンナノチューブとは、如何なる化学修飾或いは機能化処理も行われていないカーボンナノチューブのことである。本実施例において、カーボンナノチューブアレイは超配列のカーボンナノチューブアレイである。超配列のカーボンナノチューブアレイは単層カーボンナノチューブアレイ、２層カーボンナノチューブアレイ或いは多層カーボンナノチューブアレイである。前記カーボンナノチューブアレイにおいて、カーボンナノチューブの長さは制限されないが、好ましくは、カーボンナノチューブアレイの中のカーボンナノチューブの長さは１μｍ以上である。更に好ましくは、カーボンナノチューブアレイの中のカーボンナノチューブの長さは３００μｍ〜４００μｍである。本実施例において、カーボンナノチューブアレイの中のカーボンナノチューブの長さは１５０μｍである。製造過程と製造条件に制限があるため、第一表面１２１及び第二表面１２３は滑らかではなく凹凸であるため、カーボンナノチューブの長さが１μｍ以上である場合、カーボンナノチューブは、その第一表面１２１と第二表面１２３との接触に優れる。従って、隣接する二つのｐｎ接合ユニット１２は、カーボンナノチューブによって、有利に電気的接続される。

カーボンナノチューブアレイは、好ましくは、開口型カーボンナノチューブアレイであり、該開口型のカーボンナノチューブアレイの中のカーボンナノチューブは、先端開口型のカーボンナノチューブである。先端閉口型のカーボンナノチューブと比べて、先端開口型のカーボンナノチューブは、軸方向に対する導電性に優れているため、総抵抗を減少させ且つ外界に提供する電流を増大させるため、太陽電池１０の光起電力効果を高めることができる。

カーボンナノチューブアレイの中のカーボンナノチューブは、好ましくは、金属性カーボンナノチューブである。半導体性カーボンナノチューブと比べて、金属性カーボンナノチューブは導電性に優れるため、総抵抗を減少させ且つ外界に提供する電流を増大させるため、太陽電池１０の光起電力効果を高めることができる。

図４を参照すると、カーボンナノチューブアレイは、該カーボンナノチューブアレイに隣接する二つのｐｎ接合ユニットと接触する。該接触する二つの表面には、金属層１４２がそれぞれ設置される。また、該接触する二つの表面の内の一つの表面に対して金属層１４２を設置しても良い。好ましくは、金属層１４２は複数の金属粒子を含み、該複数の金属粒子は、カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブの一端に設置される。金属層１４２は、カーボンナノチューブアレイとｐｎ接合ユニットのｐ型シリコン層或いはｎ型シリコン層との間の抵抗を減少させる。これにより、総抵抗が減少するため、外界に提供する電流を増大させ、太陽電池１０の光起電力効果を高めることができる。

少なくとも一つの内部電極１４はカーボンナノチューブアレイ複合材料からなる。カーボンナノチューブアレイ複合材料は、カーボンナノチューブアレイと導電材料との複合体である。カーボンナノチューブアレイにおいて、カーボンナノチューブの間に間隙があり、導電材料が該間隙に設置される。導電材料は、ポリマー導電性複合材料或いは低融点金属材料である。カーボンナノチューブアレイ複合材料は内部電極１４の抵抗を減少させ、太陽電池１０の光起電力効果を高める。

ポリマー導電性複合材料は、ポリマー相変化材料と導電粒子を含み、該導電粒子はポリマー相変化材に分散されている。ポリマー相変化材料は、特定の温度（相変化点）で熔化するポリマーである。該ポリマー相変化材料はシリコーンゴム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エポキシ樹脂、ポリホルムアルデヒド、ポリアセタール或いはパラフィンの何れか一種からなる。ポリマー相変化材料に、導電粒子が均一に分散されることによって、ポリマー導電性複合材料の導電性が実現される。該導電粒子は、銀ガラス、銀アルミニウム或いは銀の何れか一種からなる。

低融点金属材料は、低融点金属、低融点金属からなる合金或いは混合物である。該低融点金属はスズ（Ｓｎ）、銅、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）金、銀、ビスマス（Ｂｉ）、アルミニウムの何れか一種からなる。該合金或いは混合物はピューター、インジウム・スズ合金、錫銀銅合金、金シリコン合金、金・ゲルマニウム合金の何れか一種からなる。

太陽電池１０が作動すると、太陽光が第一側面と第二側面からなる受光面１７に入射する。この際、受光面１７は第二集電極１８によって被覆されていないため、ｐｎ接合は直接露出される。これにより、光子は第二集電極１８とｎ型シリコン層を通じて、ｐｎ接合に到達する必要がない。従って、ｐｎ接合は直接光子を吸収でき且つ光子の吸収率が高くなるため、ｐｎ接合は更に多くの電子と正孔を発生させることができる。

第二集電極１８は受光面１７上に設置されないため、太陽光の入射を妨げることを考慮しなくて良い。従って、第二集電極１８の形状は何れの形状でも良い。更に、第二集電極１８は面状構造であり、ｎ型シリコン層の表面の全てを被覆する。これにより、第二集電極１８の面積を増大させ、ｐｎ接合で発生する電子キャリアが第二集電極１８に拡散する距離を減少させ、電子キャリアの内部損耗を減少させて、太陽電池１０の光起電力効果を高めることができる。

更に、ｐｎ接合が大量の太陽光を吸収するように、受光面１７に反射防止層１９を設置する。反射防止層１９は太陽光を入射させることができるが、太陽光の吸収率は少なく且つ太陽光の反射を減少させる。反射防止層１９は窒化ケイ素或いはシリカなどからなり、その厚さは１５０ｎｍより小さい。本実施例において、反射防止層１９は窒化ケイ素からなり、その厚さは９０ｎｍである。

本実施形態において、太陽電池１０の光出射面１１は受光面１７と対向する面であり、該光出射面１１には反射素子１５が設置される。反射素子１５によって、光出射面１１から出射される光線はｐｎ接合側に反射した後ｐｎ接合に吸収され、太陽電池１０の光起電力効果を高める。また、反射素子１５は反射層でも良い。該反射層は光出射面１１と接触して設置され且つ第一集電極１６及び第二集電極１８と電気的に絶縁される。前記反射層は連続した面状構造を有する金属材料層からなる。金属材料は、アルミニウム、金、銅、銀の中の何れか一種或いはそれらの任意の組み合わせの合金からなる。また、反射層の厚さに対する制限はないが、光出射面１１から出射される光線を最大限に反射することが好ましい。好ましくは、反射層の厚さは２０μｍ以上である。本実施例において、反射層の厚さは２０μｍである。

更に、前記反射層は導電材料からなっても良い。この際、反射層とカーボンナノチューブアレイが接触するのを防止するために、反射層と光出射面１１との間に、透明絶縁層１３が設置される。透明絶縁層１３は光出射面１１に全てを被覆され、反射層は該透明絶縁層１３に全てを被覆される。これにより、反射層と光出射面１１とは電気的に絶縁される。透明絶縁層１３は、カーボンナノチューブアレイを介して、ｐｎ接合ユニット１２を直列接続させることもできる。この際、透明絶縁層１３は複数のナノ粒子を含む。透明絶縁層１３の材料は化学的に安定した材料であり、ダイヤモンド、シリコン、炭化ケイ素、シリカ、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素の何れか一種或いは多種からなる。また、透明絶縁層１３の厚さは、複数のカーボンナノチューブアレイを電気的に絶縁することができれば、その厚さに制限はなく、透明絶縁層１３の厚さは５ｎｍ〜１００ｎｍである。光線が透明絶縁層１３に吸収されることを減少させるために、透明絶縁層１３の厚さは５ｎｍ〜５０ｎｍであるのが好ましい。更に好ましくは、透明絶縁層１３の厚さは５ｎｍ〜２０ｎｍである。本実施例において、透明絶縁層１３の厚さは５ｎｍである。

物理気相成長法（ＰＶＤ）法或いは化学気相蒸着法（ＣＶＤ）法によって、透明絶縁層１３を光出射面１１上に直接成長させる。或いは透明絶縁層１３を光出射面１１上に塗る。真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法によって、透明絶縁層１３上に反射層を形成する。反射層は、真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法等の方法によって、光出射面１１上に形成される。しかし、この際、第一集電極１６及び第二集電極１８は前記反射層に被覆されないようにしなければならず、マスク或いはエッチング方法によって、第一集電極１６及び第二集電極１８を反射層の外に露出させる。

反射層と光出射面１１との間に、透明絶縁層１３は設置しなくても良いが、この際、反射層と光出射面１１は、一定の距離をあけて設置して、互いに絶縁させなければならない。この距離に制限はないが、好ましくは、１０ｍｍ〜５０ｃｍである。反射素子１５は基板を含み、反射層は該基板の表面に設置される。前記基板の形状に制限はないが、好ましくは、光出射面１１の形状と同じである。基板の材料はガラス、セラミクス、シリカなどの絶縁材料からなる。本実施例において、基板はセラミクス基板である。真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法によって、反射層は基板の表面に形成される。

反射素子１５は複数のミクロ組織と反射材料を含む。該複数のミクロ組織は出射面１１の表面に均一に設置される。該複数のミクロ組織は突起或いは突溝である。ミクロ組織の形状はＶ型、円筒型、半円球型、ピラミッド型、尖るように削られたピラミッド型の中の何れか一種或いは多種の形状である。前記反射材料は複数のミクロ組織の表面に設置され且つその反射材料はアルミニウム、金、銅、銀の中の何れか一種或いはそれらの任意の組み合わせの合金からなる。真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法によって、反射材料は複数のミクロ組織の表面に形成される。

更に、光出射面１１を処理することによって、光出射面１１に複数のミクロ組織を形成することもできる。複数のミクロ組織を形成する方法は限定されない。

太陽電池１０の厚さは受光面１７から光出射面１１までの距離である。受光面１７から入射する太陽光の、ｐ型シリコン層とｎ型シリコン層に対する光透過率によって、太陽電池１０の厚さは設定できる。好ましくは、太陽電池１０の厚さは太陽光の光透過率が零になる場合の厚さであり、この際、太陽電池１００は太陽光を有効に利用できる。本実施例において、太陽電池１０の厚さは５０ｎｍ〜３００ｎｍである。

（実施例２）
図５を参照すると、本発明の実施例２は太陽電池１０の製造方法を提供し、該製造方法は以下のステップを含む。

先ず、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの予備体１２０を提供し、一つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０が第一シリコン基板１２２０及び第二シリコン基板１２６０を含むステップ（Ｓ１００）と、隣接する二つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０の間に内部電極１４を設置し、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの構造体１３０を形成するステップ（Ｓ２００）と、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの構造体１３０を、一つの直線に沿って順次に並列し且つ接触させて、一つの一体整列構造を形成するステップ（Ｓ３００）と、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの構造体１３０が形成する一体整列構造の対抗する両側に、それぞれ第一集電極基板１６０と、第二集電極基板１８０とを設置し、太陽電池の母体を形成するステップ（Ｓ４００）と、太陽電池の母体を切断して、受光面を有する複数の太陽電池１０を形成するステップ（Ｓ５００）と、を含む。

ステップ（Ｓ１００）において、一つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０は第一シリコン基板１２２０及び第二シリコン基板１２６０を含む。第一シリコン基板１２２０と第二シリコン基板１２６０とは、互いに接触して設置される。また、一つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０は、第一表面１２１と第二表面１２３を含み、該第一表面１２１と第二表面１２３とは対向して設置される。第一表面１２１は、第一シリコン層１２２における第二シリコン層１２６から離れた表面であり、第二表面１２３は、第二シリコン層１２６における第一シリコン層１２２から離れた表面である。

第一シリコン基板１２２０はｎ型シリコン片或いはｐ型シリコン片であり、第二シリコン基板１２６０はｎ型シリコン片或いはｐ型シリコン片である。第一シリコン基板１２２０と第二シリコン基板１２６０とのタイプは相反する。第一シリコン基板１２２０がｐ型シリコン片である場合、第二シリコン基板１２６０はｎ型シリコン片であり、第一シリコン基板１２２０がｎ型シリコン片である場合、第二シリコン基板１２６０はｐ型シリコン片である。本実施例において、第一シリコン基板１２２０はｐ型シリコン片であり、第二シリコン基板１２６０はｎ型シリコン片である。

第一シリコン基板１２２０は単結晶シリコン或いは多結晶シリコンからなる。本実施例において、第一シリコン基板１２２０はｐ型単結晶シリコン片からなり、その厚さは２００ｎｍ〜３００ｎｍである。ｐ型単結晶シリコン片の形状及び面積に制限はなく、必要に応じて選択できる。第二シリコン基板１２６０はシリコン片に過量のｎ型ドープ材料（例えば、リン或いはヒ素）を注入することによって形成される。第二シリコン基板１２６０の厚さは１０ｎｍ〜１μｍである。

ステップ（Ｓ２００）において、一つのｐｎ接合ユニットの構造体１３０は、一つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０と一つの内部電極１４を含む。少なくとも一つの内部電極１４はカーボンナノチューブアレイ１４０を有する。

内部電極１４の形成方法は限定されない。例えば、各々のｐｎ接合ユニットの予備体１２０において、第一表面１２１に内部電極１４を形成する或いは第二表面１２３に内部電極１４を形成する或いは第一表面１２１の一部に内部電極１４を形成して、内部電極１４を形成した第一表面１２１の一部と対応しない第二表面１２３の一部に内部電極１４を形成する。しかし、この際、隣接する二つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０の間に、内部電極１４が形成されなければならない。本実施例に係る各々のｐｎ接合ユニットの予備体１２０は、その第一表面１２１に内部電極１４がそれぞれ形成される。また、内部電極１４の全てはカーボンナノチューブアレイである。

化学気相蒸着法によって、カーボンナノチューブアレイ１４０は形成される。該カーボンナノチューブアレイ１４０は超配列のカーボンナノチューブアレイ或いは開口型カーボンナノチューブアレイである。

前記超配列カーボンナノチューブアレの製造方法は以下のステップを含む。

先ず、少なくとも一つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１に、触媒層を形成する。該触媒層は、熱堆積法、電子ビーム蒸着法或いはスパッタリング法によって、形成される。触媒層は、鉄、コバルト、ニッケルの中の一種或いはそれらの合金からなる。本実施例において、触媒層は鉄からなる。次に、触媒層が形成されたｐｎ接合ユニットの予備体１２０を、７００〜９００℃の空気の雰囲気において３０〜９０分間アニーリングする。最後に、ｐｎ接合ユニットの予備体１２０を反応装置に置いて、保護ガスを導入すると同時に、ｐｎ接合ユニットの予備体１２０を５００〜７００℃に加熱して、５〜３０分間カーボンを含むガスを導入する。これにより、高さが１００〜４００μｍである超配列カーボンナノチューブアレイが成長する。カーボンを含むガスはアセチレン、エチレン、メタンなどの炭化水素である。本実施例において、カーボンを含むガスはアセチレンであり、保護ガスはアルゴンである。超配列カーボンナノチューブアレイの高さは１５０μｍである。

開口型カーボンナノチューブアレイの製造方法は以下のステップを含む。

先ず、少なくとも一つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１に、触媒層を形成する。次に、触媒層が形成されたｐｎ接合ユニットの予備体１２０を、支持構造に置く。該支持構造は石英からなり舟形に形成される。支持構造は開口部を有する。次に、支持構造を反応容器に置く。該反応容器は吸気口を有し、支持構造の開口部を反応容器の吸気口に向ける。次に、化学気相蒸着法によって、反応気体を導入して、所定の反応温度に加熱して、カーボンナノチューブアレイを成長させる。最後に、成長過程において、カーボンを含むガスの濃度を素早く減少させて、カーボンナノチューブの成長を突如終わらせて、開口型のカーボンナノチューブを形成する。触媒層は、触媒の粉末からなっても良いが、膜の形状に形成されてもよい。触媒膜層は、鉄、コバルト、ニッケル又はその合金からなる。触媒の粉末層は、鉄の粉末、コバルトの粉末などからなる。（詳しい説明は特許ＣＮ１９３５６３７Ｂを参照）。

カーボンナノチューブアレイ１４０を成長させると、カーボンナノチューブアレイ１４０の一端はｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１に接続され、接続されない一端は自由端である。化学気相蒸着法によって、カーボンナノチューブを成長させる方法は、頂端生長法と底端生長法がある。底端生長法によって、カーボンナノチューブを成長させる場合、カーボンナノチューブとｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１との間に金属粒子が形成される。該金属粒子は触媒が残って形成されたものである。頂端生長法によって、カーボンナノチューブを成長させる場合、カーボンナノチューブアレイ１４０の自由端に金属粒子が形成される。即ち、ステップ（Ｓ３００）の後、カーボンナノチューブとｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第二表面１２３との間に金属粒子が形成される。本実施例において、カーボンナノチューブとｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１との間に金属粒子が形成される。該金属粒子は、カーボンナノチューブアレイ１４０とｐｎ接合ユニットの予備体１２０との間の抵抗を減少させる。これにより、総抵抗が減少するため、外界に提供する電流は増大し、太陽電池１０の光起電力効果を高めることができる。

また、底端成長法によって、カーボンナノチューブを成長させる場合、カーボンナノチューブアレイ１４０とｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１の間には、触媒が残って形成された金属粒子が残り、該金属粒子は金属層を形成する。カーボンナノチューブアレイ１４０を成長させた後、真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法によって、カーボンナノチューブアレイ１４０の自由端に金属層を形成する。即ち、ステップ（Ｓ３００）の後、カーボンナノチューブ１４０と隣接する二つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０との間に金属層が形成される。金属層は、カーボンナノチューブアレイ１４０とｐｎ接合ユニットの予備体１２０との間の抵抗を減少させる。総抵抗が減少するため、外界に提供する電流は増大し、太陽電池１０の光起電力効果を高めることができる。

カーボンナノチューブアレイが形成された後、真空蒸着法によって、カーボンナノチューブアレイと導電材料はカーボンナノチューブアレイ複合材料を形成する。

カーボンナノチューブアレイ複合材料の製造方法は以下のステップを含む。

先ず、金型を提供し、熔融した導電材料を該金型に配置する。次に、ｐｎ接合ユニットの予備体１２０の表面に形成されたカーボンナノチューブアレイを、熔融した導電材料中に配置する。これにより、導電材料がカーボンナノチューブの間にできた隙間を埋める。最後に、熔融した導電材料を冷却した後金型を除去して、カーボンナノチューブアレイ複合材料を形成する。

ステップ（Ｓ３００）において、カーボンナノチューブアレイ１４０によって、隣接するｐｎ接合ユニットの予備体１２０は連接される。これにより、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの構造体３００は、一つの直線上に順次に並列し且つ接触して設置されて、一つの一体整列構造を形成する。該一体整列構造は受光面１７を含み、該受光面１７は外部の光線を受け、且つ前記直線と平行する。また、銀ペーストによって、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの構造体１３０は並列して接着して設置される。具体的には、各ｐｎ接合ユニットの構造体１３０において、ｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第二表面１２３の四つの辺縁点に、銀ペーストを形成することによって、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの構造体１３０を並列して接着して設置する。また、プレス機械によって、複数のｐｎ接合ユニットの構造体１３０を並列して接着して設置することもできる。図３を参照すると、この際、圧力作用の原因で、カーボンナノチューブアレイ１４０は湾曲していることがわかる。

ステップ（Ｓ４００）において、第一個目のｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第二表面１２３には第一集電極基板１６０が形成され、第Ｍ個目のｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１には第二集電極基板１８０が形成される。ステップ（Ｓ３００）では、第一個目のｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第二表面１２３に、カーボンナノチューブアレイ１４０を成長させず、第一個目のｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第二表面１２３に、第一集電極基板１６０を形成する。ステップ（Ｓ２００）において、第Ｍ個のｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１には、カーボンナノチューブアレイ１４０が成長している。従って、該成長したカーボンナノチューブアレイ１４０は第二集電極基板１８０として働く。第一集電極基板１６０と第二集電極基板１８０とは互いに間隔あけて設置される。第一集電極基板１６０及び第二集電極基板１８０は受光面１７と近接する。

第一集電極基板１６０は連続した平面構造であり、金属材料層或いはカーボンナノチューブアレイからなる。該金属材料はアルミニウム、銅或いは銀などからなる。導電接着剤によって、第一集電極基板１６０は、第一個目のｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第二表面１２３に接着する。本実施例において、第一集電極基板１６０はアルミ箔である。

更に、真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法によって、第Ｍ個目のｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１に成長したカーボンナノチューブアレイ１４０の自由端に金属層を形成する。該カーボンナノチューブアレイ１４０と金属層とは、第二集電極基板１８０として働く。該金属層はカーボンナノチューブアレイ１４０の自由端を被覆してカーボンナノチューブアレイ１４０を保護する。

更に、第二集電極基板１８０の製造方法は以下のステップを含む。

先ず、ステップ（Ｓ２００）の後、第Ｍ個目のｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１に成長したカーボンナノチューブアレイ１４０を除去する。次に、真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法によって、第Ｍ個目のｐｎ接合ユニットの予備体１２０の第一表面１２１に金属層を形成する。該金属層は第二集電極基板１８０である。

ステップ（Ｓ５００）において、太陽電池の母体を切断する方法とその方向に制限はないが、切断する方向は少なくとも一つの平面構造を形成し、該平面構造は切断する方向と平行する。好ましくは、太陽電池の母体を第一集電極基板１６０と第二集電極基板１８０とにおける平面と垂直する方向に切断して、受光面１７を有する複数の太陽電池１０を形成する。該受光面１７は切断面である或いは該切断面と平行し且つ対向する表面である。

更に、ステップ（Ｓ５００）の後、真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法によって、受光面１７に反射防止層１９を設置しても良い。反射防止層１９は太陽光を入射させることができるが太陽光の吸収率は少なく且つ太陽光の反射を減少させる。反射防止層１９は窒化ケイ素或いはシリカなどからなり、その厚さは１５０ｎｍより小さい。本実施例において、反射防止層１９は窒化ケイ素からなり、厚さは９０ｎｍである。

更に、ステップ（Ｓ５００）の後、得られた各太陽電池１０の光出射面１１に真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法によって反射層を設置する。また、真空蒸着法或いはマグネトロン・スパッタ法によって、光出射面１１と反射層との間に透明絶縁層１３を設置する。透明絶縁層１３はシリカ、ダイヤモンド、プラスチック或いは樹脂からなり、その厚さは５ｎｍ〜１５ｎｍである。

本発明が提供する太陽電池１０の製造方法は次の優れた点がある。第一に、化学気相蒸着法によって、カーボンナノチューブアレイを成長させると、ｐｎ接合ユニットとカーボンナノチューブアレイの間に金属粒子が残る。これにより、ｐｎ接合ユニットとカーボンナノチューブアレイの間の接触抵抗を減少させて、太陽電池の光起電力効果を高めることができる。第二に、ｐｎ接合ユニットの第一表面１２１に、カーボンナノチューブアレイを直接成長させる。この際、該カーボンナノチューブアレイの自由端は、隣接するｐｎ接合ユニットの第二表面１２３と直接接触する。これにより、ｐｎ接合ユニットに発生する電流が、カーボンナノチューブアレイにおけるカーボンナノチューブの軸方向に沿って伝導する。従って、カーボンナノチューブの優れた軸方向導電性を利用し、総抵抗を減少させて、外界に提供する電流を増大して、太陽電池の光起電力効果を高めることができる。第三に、ｐｎ接合ユニットの表面に、内部電極として、カーボンナノチューブアレイを直接成長させる。この際、カーボンナノチューブアレイはｐｎ接合ユニットの表面に緊密に結合しているため、太陽電池の寿命を延ばす。第四に、複数のカーボンナノチューブアレイを有するｐｎ接合ユニットを並列に接触させて一つの一体整列構造を形成する。この一体整列構造を切断して複数の太陽電池を形成する方法によって、太陽電池の生産率を高めることができる。

（実施例３）
本発明の実施例３は、太陽電池１０の製造方法を提供し、該製造方法は、以下のステップを含む。

先ず、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの予備体１２０を提供し、一つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０は第一シリコン基板１２２０と第二シリコン基板１２６０を含むステップ（Ｓ１００）と、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの予備体１２０を一つの直線に沿って順次に並列して且つ接触させるステップ（Ｓ２００）と、隣接する二つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０の間に内部電極１４を設置し、一つの一体整列構造を形成するステップ（Ｓ３００）と、一体整列構造の対向する両側に、それぞれ第一集電極基板１６０と、第二集電極基板１８０とを設置して、太陽電池の母体を形成するステップ（Ｓ４００）と、太陽電池の母体を切断して、受光面を有する複数の太陽電池１０を形成するステップ（Ｓ５００）と、を含む。

本発明の実施例３が提供する太陽電池１０の製造方法は実施例２が提供する太陽電池１０の製造方法とは基本的に同じであるが異なる点は、Ｍ個のｐｎ接合ユニットの予備体１２０を順次に並列し且つ接触して設置した後、隣接する二つのｐｎ接合ユニットの予備体１２０の間に、内部電極１４を設置することである。

１０太陽電池
１１光出射面
１２ｐｎ接合ユニット
１３透明絶縁層
１４内部電極
１５反射素子
１６第一集電極
１７受光面
１８第二集電極
１９反射防止層
１２０ｐｎ接合ユニットの予備体
１２１第一表面
１２２第一シリコン層
１２３第二表面
１２５接触面
１２６第二シリコン層
１３０ｐｎ接合ユニットの構造体
１４０カーボンナノチューブアレイ
１４２金属層
１６０第一集電極基板
１８０第二集電極基板
１２２０第一シリコン基板
１２６０第二シリコン基板

Claims

Ｍ個のｐｎ接合ユニットと、Ｍ−１個の内部電極と、第一集電極と、第二集電極と、を含む太陽電池であって、
前記Ｍは自然数であり、且つ
Ｍ≧２
という条件を満し、
隣接する二つのｐｎ接合ユニットの間には、内部電極が設置され、
前記Ｍ個のｐｎ接合ユニットとＭ−１個の内部電極とは、一つの直線上に並列に且つ接触して設置されて、一つの一体整列構造を形成し、
前記第一集電極と、第二集電極とは、前記一体整列構造の両側に設置され、
少なくとも一つの前記内部電極は、一つのカーボンナノチューブアレイからなり、
前記ｐｎ接合ユニットは、受光面及びそれに対向する光出射面を有し、
前記受光面は、前記直線と平行することを特徴とする太陽電池。
前記カーボンナノチューブアレイは互いに平行する複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブが隣接する二つのｐｎ接合ユニットにそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記光出射面には、反射素子が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。