JP2015050413A - Ｐｃｂを利用した太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ボールまたは多面体形状の光電効果発生体を使用して受光面積を増大させると共に、ＰＣＢ基板構造を活用して製造コストをも低減することができる従来と異なる新しい構造の太陽電池を提供する。
【解決手段】本発明は、複数の固定ホールと導通ホールが交互に貫通形成された絶縁性材質の基板と、前記固定ホール上に配置されるように前記基板に固定されるボール形状または多面体形状を有し、前記基板の上部に露出した露出領域を介して受光し、光電効果を発生させる複数の光電効果発生体と、前記基板の上面に形成され、前記各光電効果発生体の受光領域と連結される複数の上部電極と、前記各光電効果発生体の不受光領域と連結されるように前記基板の下面に形成され、前記導通ホールを介して前記上部電極と導通する複数の下部電極とを含むＰＣＢを利用した太陽電池を開示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＣＢとシリコンボールを利用した構造の太陽電池に関する。

太陽電池というのは、光エネルギーを電気エネルギーに変える装置であって、Ｐ型半導体とＮ型半導体と言う２種類の半導体を使用して電気を発生させる。太陽電池に光を照らせば、内部で電子と正孔が発生する。発生した電荷は、Ｐ、Ｎ極に移動し、Ｐ極とＮ極との間に電位差（光起電力）が発生する。この際、太陽電池に負荷を連結すれば、電流が流れるようになり、これを光電効果と言う。

現在、太陽光発電システムで一般的に使用しているシリコン太陽電池は、シリコンウェーハ基板、上部電極、下部電極などを含む構造を有する。シリコンウェーハ基板は、Ｐ層とＮ層が接合され、Ｐ−Ｎ接合を構成し、一般的に基板の上部をＮ層、基板の下部をＰ層で形成する。Ｎ層の上面には、上部電極と反射防止膜が形成され、Ｐ層の下面には、下部電極が形成される。このような構造を有する太陽電池に光を照らせば、内部で電子と正孔が発生し、発生する電荷のうち電子は、Ｎ型半導体側に、正孔は、Ｐ型半導体側に移動する。移動した各電荷は、接合された電極に移動し、電流が流れるようになる。

前述したような太陽電池の構造によれば、上部電極により光が遮られ、受光面積が縮小される問題があり、セルとセルがリボンなどで接合され、太陽電池モジュールの場合、リボンの導線抵抗により効率が減少するなどの問題がある。光電変換効率を向上させるための努力として、上部電極の線幅を減少させて、受光面積を増大させるか、または太陽電池の反射率を低減し、反射損失を減少させるなどの試みを挙げることができる。一方、このような試みとともに、太陽電池の製造コストを低減するための多様な研究が行われている実情である。

本発明は、前述したような点に鑑みてなされたもので、その目的は、ボールまたは多面体形状の光電効果発生体を使用して受光面積を増大させると共に、ＰＣＢ基板構造を活用して製造コストをも低減することができる従来と異なる新しい構造の太陽電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の固定ホールと導通ホールが交互に貫通形成された絶縁性材質の基板と、前記固定ホール上に配置されるように前記基板に固定されるボールまたは多面体形状を有し、前記基板の上部に露出した露出領域を介して受光し、光電効果を発生させる複数の光電効果発生体と、前記基板の上面に形成され、前記各光電効果発生体の受光領域と連結される複数の上部電極と、前記各光電効果発生体の不受光領域と連結されるように前記基板の下面に形成され、前記導通ホールを介して前記上部電極と導通する複数の下部電極とを含むＰＣＢを利用した太陽電池を開示する。

前記光電効果発生体は、Ｐ型またはＮ型シリコンを含み、前記光電効果発生体の受光領域表面には、Ｐ−Ｎ接合を構成する拡散層が形成されることができる。

前記光電効果発生体の表面は、テクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）形状を有することができ、前記光電効果発生体の表面には、反射防止物質がコーティングされたコーティング層が形成されることができる。

前記上部電極は、前記固定ホールを限定するように形成され、前記光電効果発生体の受光領域と連結される連結部と、前記連結部から第１方向に沿って延長される第１延長部と、前記第１延長部の端部に形成され、前記導通ホールを限定するように形成される上部導通部とを含む構成を有することができる。

前記下部電極は、前記固定ホールの内部に充填され、前記光電効果発生体の不受光領域と連結される充填部と、前記充填部から前記第１方向と反対方向の第２方向に沿って延長される第２延長部と、前記第２延長部の端部に形成され、前記導通ホールを限定するように形成される下部導通部とを含む構成を有することができる。

前記固定ホールの内部には、前記連結部と前記充填部との間を絶縁させるための絶縁材が形成されることができる。

前記基板の上面には、反射防止物質がコーティングされて形成される反射防止膜がさらに形成されることができ、前記反射防止膜の上面には、ＣＮＴコーティング層が形成されたガラスプレートが配置されることができる。

前記基板の下面には、前記基板の熱を拡散させる熱拡散フィルムがさらに積層されることができる。

前記基板の下面には、前記下部電極と電気的に連結された回路パターンを具備する少なくとも１つの回路基板がさらに配置されることができる。

前記基板には、風の抵抗を低減させるように空気を通過させるエアホールが貫通形成されることができる。

以上の本発明によるＰＣＢを利用した太陽電池の目的と構成は、提供される図面に基づく本発明の好ましい実施例に対する詳細な説明によってさらに明確に理解されることができる。

以上説明したように、前述したような構成の本発明によれば、ボールまたは多面体形状の光電効果発生体を利用して光を吸収するので、従来の平板型太陽電池に比べて受光面積を増大させることができ、光電効果発生体の下部に上部電極が位置するので、上部電極により光が遮断される問題を解決することができる。

また、ＰＣＢ基板の回路パターン製作技法を使用して太陽電池の製造が可能なので、製造工程を単純化し、製造コストを節減することができる。

また、シリコンボールの表面テクスチャ構造、シリコンボールの反射防止コーティング層、ガラスプレートのＣＮＴコーティング層構造により反射損失を顕著に低減させることができる。

また、基板の面積及びシリコンボールの個数によって多様な面積の太陽電池を製作することができ、セル間の連結のためのリボンを使用する必要がないので、リボンの導線抵抗によって発生する電力損失問題を解決することができる。

図１は、本発明の一実施例によるＰＣＢを利用した太陽電池の断面図である。 図２は、図１に示された基板の平面図である。 図３は、図１に示された基板の背面図である。 図４は、図１に示されたシリコンボールの拡大断面図である。 図５は、上部電極配列の一例を示す基板の平面図である。 図６は、下部電極配列の一例を示す基板の背面図である。 図７は、本発明の他の実施例によるＰＣＢを利用した太陽電池の断面図である。

以下、本発明に係るＰＣＢを利用した太陽電池について図面を参照してさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例によるＰＣＢを利用した太陽電池の断面図である。そして、図２は、図１に示された基板の平面図であり、図３は、図１に示された基板の背面図である。

図１〜図３を参照すれば、本発明の太陽電池は、絶縁性材質の基板１１０と、基板１１０に設置される複数の光電効果発生体と、基板１１０の上面に形成される複数の上部電極１３０と、基板１１０の下面に形成される複数の下部電極１４０とを含む。

基板１１０は、絶縁性材質よりなり、一般的なＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）に使用される基板が用いられる。基板１１０は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドなどの材質で形成されることができる。

基板１１０には、複数の固定ホール１１１と導通ホール１１２が交互に貫通形成される。固定ホール１１１と導通ホール１１２は、特定方向に沿って交互に形成されている。固定ホール１１１は、シリコンボール１２０と下部電極１４０を導通させるための空間を提供し、導通ホール１１２は、上部電極１３０と下部電極１４０を導通させるための空間を提供する。

光電効果発生体は、基板１１０に固定され、光を受けることによって光電効果を発生させる機能をする。光電効果発生体は、光電効果を発生させる半導体物質、例えば、シリコン、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの物質で形成可能である。

本発明の光電効果発生体は、受光領域を増加させるために、ボール形状または多面体形状を有する。本明細書で使用されるボール形状というのは、外部面が曲面形状を有する形状を包括し、球形状のみならず、卵円形の球を含む概念を言う。また、多面体は、四面体、五面体、六面体、八面体、十二面体など多角形の面で取り囲まれた立体構造を指称する。

光電効果発生体は、その自体が光電効果を発生させる半導体物質で形成された構造を有するか、または絶縁性材質（例えば、プラスチック、ガラスなど）のボールまたは多面体の外郭に光電効果を発生させる半導体物質がコーティングされた構造を有することができる。後者の場合、ボールまたは多面体にコーティングされるコーティング物質としてシリコン、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳなどを例示することができる。

以下では、光電効果発生体がシリコン材質としてボール形状を有する構造を例示して説明することにし、説明の便宜のために、「光電効果発生体」を「シリコンボール１２０」と称することにする。したがって、以下で説明されるシリコンボール１２０と関連した事項は、前述した他の形状の光電効果発生体にも同一に適用可能であると言える。

複数のシリコンボール１２０は、固定ホール１１１上に配置されるように基板１１０に固定される。シリコンボール１２０は、その一部分が各固定ホール１１１に挿入され、基板１１０に固定されることができ、固定ホール１１１の直径より大きい直径を有する。シリコンボール１２０は、基板１１０の上部に露出した部分（以下、「露出領域」という）を介して受光し、光電効果を発生させる。シリコンボール１２０の構成についてさらに詳しく説明することにする。

本実施例では、シリコンボール１２０が固定ホール１１１に挿入される構成を例示したが、このような構成に限定されるものではなく、光電効果発生体の形状及びサイズによって固定ホール１１１に挿入されない構成も可能である。例えば、光電効果発生体が固定ホール１１１より大きいサイズの多面体形状を有する場合、固定ホール１１１を覆うように基板１１０上に固定されることができる。

複数の上部電極１３０は、基板１１０の上面に形成され、各シリコンボール１２０の受光領域（すなわち露出領域）と連結される。図２を参照すれば、上部電極１３０は、連結部１３１、第１延長部１３２、上部導通部１３３を含む構造を有することができる。

連結部１３１は、固定ホール１１１を限定するように形成され、シリコンボール１２０の受光領域と連結される。連結部１３１は、リング形状で形成可能であり、シリコンボール１２０の受光領域に接触し、これと電気的に連結される。

第１延長部１３２は、連結部１３１から第１方向（図２の右側方向）に沿って延長される構造を有する。第１延長部１３２は、連結部１３１から第１方向に離れた位置の導通ホール１１２まで延長される。

上部導通部１３３は、第１延長部１３２の端部に形成され、導通ホール１１２を限定するように形成される。上部導通部１３３は、連結部１３１と同様にリング形状で形成可能である。

複数の下部電極１４０は、基板１１０の後面に形成され、各シリコンボール１２０の固定ホール１１１の内部に挿入され、受光しない部分（以下、「不受光領域」という）と連結される。下部電極１４０は、導通ホール１１２を介して上部電極１３０と導通し、各シリコンボール１２０の電気的連結（直列連結）が行われるようにする。

図３を参照すれば、下部電極１４０は、充填部１４１、第２延長部１４２、及び下部導通部１４３を含む。

充填部１４１は、固定ホール１１１の内部に充填され、シリコンボール１２０の不受光領域と連結される。充填部１４１は、導電性物質が固定ホール１１１の内部に充填されて形成される。固定ホール１１１の内部には、連結部１３１と充填部１４１との間を絶縁させるための絶縁材１１６が形成されることができる。

第２延長部１４２は、充填部１４１から第２方向（第１方向の反対方向、図３の左側方向）に沿って延長される構造を有し、充填部１４１から第２方向に離れた位置の導通ホール１１２まで延長される。

下部導通部１４３は、第２延長部１４２の端部に形成され、導通ホール１１２を限定するように形成される。下部導通部１４３は、上部導通部１３３と同様に、リング形状で形成可能であり、導通ホール１１２内壁のメッキ層１１５を介して上部電極１３０の上部導通部１３３と連結される。

上部電極１３０と下部電極１４０は、銅、シルバーなどの導電性材質で形成され、印刷回路基板（ＰＣＢ）の一般的な回路パターン形成方法と同一の方法で形成可能である。前述したような電極構成により、シリコンボール１２０の受光領域は、上部電極１３０を介して第１方向に離れた位置の下部電極１４０と電気的に連結され、シリコンボール１２０の不受光領域は、下部電極１４０を介して第２方向に離れた位置の上部電極１３０と電気的に連結される。

基板１１０の上面には、反射防止物質（例えば、フッ素系樹脂、ナノ粒子、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂など）がコーティングされて反射防止膜１５０が形成され、基板１１０の下面には、絶縁性材質のオーバーコーティング層１８０が形成され、下部電極１４０を保護する。

反射防止膜１５０の上面には、光の通過が可能な透光性材質（例えば、ガラス）の透光性プレート１６０が配置され、上部電極１３０を保護する。透光性プレート１６０の上面には、炭素ナノチューブ物質を含有するＣＮＴコーティング層１７０が形成されることができる。ＣＮＴコーティング層１７０は、反射率を減少させて、最大限多い量の光がシリコンボール１２０に伝達されるようにする。

基板１１０の下面には、基板の熱を拡散させる熱拡散フィルムがさらに積層されることができる。熱拡散フィルムは、基板１１０の熱を外部に放出させる機能を行い、オーバーコーティング層１８０がある場合、その下部に付着されることができる。

以上で説明した太陽電池の構造によれば、シリコンボール１２０を利用して光を吸収するので、従来の平板型太陽電池に比べて受光面積を増大させることができ、シリコンボール１２０の下部に上部電極１３０が位置するので、上部電極１３０により光が遮られる問題が発生するおそれがない。また、ＰＣＢ基板の回路パターン製作技法を使用して太陽電池の製造が可能なので、製造工程を単純化し、製造コストを節減することができる。

図４は、図１に示されたシリコンボールの拡大断面図である。
シリコンボール１２０は、Ｐ型またはＮ型シリコンを含み、シリコンボール１２０の受光領域の表面には、Ｐ−Ｎ接合を構成する拡散層１２１が形成される。シリコンボール１２０は、Ｐ型またはＮ型ドーパント（ｄｏｐａｎｔ）をさらに含むことができる。

図４の場合、シリコンボール１２０がＰ型シリコンで形成され、シリコンボール１２０の表面にＮ型の拡散層１２１が形成された構造を例示している。このような場合、Ｐ型シリコン材質のシリコンボール１２０に５族元素を含むＰＯＣｌ₃、Ｈ₃ＰＯ₄などを高温で拡散させて、ドーピング工程を行い、Ｎ型拡散層１２１を形成させることができる。シリコンボール１２０が基板１１０に付着した状態でドーピング工程を行うことも可能であるが、このような場合、基板１１０上には、ＰＯＣｌ₃またはＨ₃ＰＯ₄層がさらに形成されるようになる。

一方、図４のようなシリコンボール１２０は、その自体がシリコンで形成された構造を有することができると共に、絶縁性ボールにシリコンがコーティングされた構造を有することも可能であると言える。

上部電極１３０のボール連結部１３１は、拡散層１２１、Ｎ極に接触し、下部電極１４０の充填部１４１は、シリコンボール１２０のＰ極領域に連結されるようになる。シリコンボール１２０に光が映れば、シリコンボール１２０の内部で電子と正孔が発生し、電子は、Ｎ型拡散層１２１の側に移動し、上部電極１３０に移動し、正孔は下部電極１４０に移動し、電流が流れるようになる。

シリコンボール１２０の表面は、反射率を低減させることができるようにテクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）形状１２２を有することができ、シリコンボール１２０の表面には、反射防止物質がコーティングされたコーティング層１２３がさらに形成されることができる。このようにシリコンボール１２０にテクスチャ表面を形成し、その表面の上に反射防止コーティング層１２３を形成すると共に、透光性プレート１６０にもＣＮＴコーティング層１７０を形成することによって、反射損失を顕著に低減することができる。

図５は、上部電極配列の一例を示す基板の平面図であり、図６は、下部電極配列の一例を示す基板の背面図である。

図５及び図６を参照すれば、上部電極１３０が複数の列を形成するように配列されており、下部電極１４０は、上部電極１３０の配列に相当するように配列されている。このような形状だけではなく、上部電極のパターン形状及び配列によって多様な構造の太陽電池製作が可能である。

特に、従来、シリコン太陽電池の場合、複数のセルを連結して太陽電池モジュールを製造したが、本発明によれば、このような概念が不要になり、基板１１０の面積及びシリコンボール１２０の個数によって多様な面積の太陽電池を製作することができる。また、セル間の連結のためのリボンを使用する必要がないので、リボンの導線抵抗により発生する電力損失問題を解決することができる。

一方、基板には、風の抵抗を低減させるように空気を通過させるエアホール１１７が貫通形成されることができる。複数のエアホール１１７は、基板１１０の上下面を貫通する形状を有することができ、これによれば、風は、基板１１０の上下面を貫通するようになる。図５及び図６は、スリット形状のエアホール１１７が一定間隔で離れて形成されたことを例示しているが、エアホール１１７の形状及び個数は多様に変形実施可能である。

図７は、本発明の他の実施例によるＰＣＢを利用した太陽電池の断面図である。
本実施例による太陽電池は、前述した実施例の構成に特定機能を具現するための回路基板１９０がさらに配置された構成を有する。回路基板１９０は、基板１１０の下面に配置され、下部電極１４０と電気的に連結された回路パターン１９１、１９２を具備する。

このように本発明の太陽電池は、ＰＣＢの構造を有しているので、特定機能を有する回路基板１９０を積層して一体化された構造の具現が可能であると言える。例えば、太陽電池をエネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）に連結する場合、回路基板１９０に太陽電池とエネルギー貯蔵システム間の連結及び信号変換機能を付与することができると言える。

本実施例は、回路基板１９０の上面及び下面に上部回路パターン１９１及び下部回路パターン１９２がそれぞれ設けられる構造を例示している。これによれば、上部回路パターン１９１及び下部回路パターン１９２は、導通ホール内壁のメッキ層１９３を介して互いに導通する。このような形状の回路基板１９０の構造は、例示的な事項であって、太陽電池に付加される回路基板１９０の形状、個数などは多様な形状に変形実施可能であると言える。例えば、回路パターンを単面で形成することも可能であり、２個以上の回路基板１９０、すなわちｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒの回路基板を積層することも可能であると言える。

以上では、本発明によるＰＣＢを利用した太陽電池を添付の図面を参照して説明したが、本発明は、本明細書に開示された実施例と図面によって限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で当業者によって多様な変形が行われることができる。

Claims (12)

1. 複数の固定ホールと導通ホールが交互に貫通形成された絶縁性材質の基板と；
   前記固定ホール上に配置されるように前記基板に固定されるボール形状または多面体形状を有し、前記基板の上部に露出した露出領域を通じて受光し、光電効果を発生させる複数の光電効果発生体と；
   前記基板の上面に形成され、前記各光電効果発生体の受光領域と連結される複数の上部電極と；
   前記各光電効果発生体の不受光領域と連結されるように前記基板の下面に形成され、前記導通ホールを介して前記上部電極と導通される複数の下部電極と、を含むＰＣＢを利用した太陽電池。
2. 前記光電効果発生体は、Ｐ型またはＮ型シリコンを含み、前記光電効果発生体の受光領域表面には、Ｐ−Ｎ接合を構成する拡散層が形成されることを特徴とする請求項１に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
3. 前記光電効果発生体の表面は、テクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）形状を有することを特徴とする請求項１に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
4. 前記光電効果発生体の表面には、反射防止物質がコーティングされたコーティング層が形成されることを特徴とする請求項１に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
5. 前記上部電極は、
   前記固定ホールを限定するように形成され、前記光電効果発生体の受光領域と連結される連結部と；
   前記連結部から第１方向に沿って延長される第１延長部と；
   前記第１延長部の端部に形成され、前記導通ホールを限定するように形成される上部導通部と；を含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
6. 前記下部電極は、
   前記固定ホールの内部に充填され、前記光電効果発生体の不受光領域と連結される充填部と；
   前記充填部から前記第１方向と反対方向の第２方向に沿って延長される第２延長部と；
   前記第２延長部の端部に形成され、前記導通ホールを限定するように形成される下部導通部と；を含むことを特徴とする請求項５に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
7. 前記固定ホールの内部には、前記連結部と前記充填部との間を絶縁させるための絶縁材が形成されることを特徴とする請求項６に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
8. 前記基板の上面に反射防止物質がコーティングされて形成される反射防止膜をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
9. 前記反射防止膜の上面に配置されるガラスプレートと；
   前記ガラスプレートの上面に形成され、炭素ナノチューブ物質を含有するＣＮＴコーティング層と；をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
10. 前記基板の下面に積層され、前記基板の熱を拡散させる熱拡散フィルムをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
11. 前記基板の下面に配置され、前記下部電極と電気的に連結された回路パターンを具備する少なくとも１つの回路基板をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。
12. 前記基板には、風の抵抗を低減させるように空気を通過させるエアホールが貫通形成されることを特徴とする請求項１に記載のＰＣＢを利用した太陽電池。

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