JP3234179U - Ｃｖｄダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変換効率が向上し、夜間の光電変換が可能な光透過性及び熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置を提供する。【解決手段】ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、シリコン系または化合物系半導体薄膜光電変換層を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置であり、入射面に蓄光性蛍光粒子１−１ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１又は透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１を設け、ホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜２及びリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜３接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けて再結合を抑えたヘテロ接合ｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜６・７接合の半導体薄膜光電変換層の入射側に、透明導電膜５又は裏面電極８と保護フィルム９を設けた。【選択図】図２

Description

本考案は、ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、ヘテロ接合シリコン系半導体薄膜光電変換層または化合物系半導体薄膜光電変換層を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置に関する。

日本政府は、２０５０年までに温暖化ガスの排出量を実質ゼロにする目標を表明した。環境対応は世界的な潮流のため、環境を「成長の柱」と位置づけ、再生可能エネルギーなどの技術革新や投資を促し、次世代産業の育成を支援する方針とされる。化石燃料を減らし、脱炭素の圧力はかつてない高まりにより、太陽電池などの再生可能エネルギーを増やすとされる。

特願２０２０−１８５４２８号 特願２０２０−０３１０１５号 特開２０１７−０２８２３４号

実用新案文献１

実用新案登録第３２２３０９５号

非特許文献

引用非特許文献１

監修 藤森直治，鹿田真一、ダイヤモンドエレクトロニクスの最前線《普及版》第４章 ナノ結晶ダイヤモンド薄膜 ｐ３６〜４４、第６章 半導体特性 ｐ６３〜７１、第７章 ｐ型ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜の半導体特性 ｐ７５〜８４、第８章 ｎ型ドーピングと半導体特性 ｐ８６〜９８、２０１４年版、株式会社 シーエムシー出版。

引用非特許文献２

監修 荒川泰彦、 超高効率太陽電池・関連材料の最前線《普及版》第２章 ４・グラフェンを用いた太陽電池用透明導電膜の開発 グラフェンの成膜技術 ｐ４４〜４５、ＣＶＤ法によるグラフェンの成膜 ｐ５０〜５５、５・薄膜太陽電池用ＺｎＯ系透明導電膜 ｐ５６、５．４ＺｎＯ透明導電膜の電気特性・光学特性の両立 ｐ６５〜７２、第３章 多接合太陽電池 １．２多接合太陽電池の高効率化の可能性 ｐ９３、１．７多接合太陽電池の将来展望 ｐ１０４〜１０６、２０１７年版、株式会社 シーエムシー出版。

太陽電池モジュールの生産は日本やドイツのメーカーがリードした時期もあったが、世界シェア首位のジンコソーラーなど中国産が７割を占める。日本政府は、２０５０年までに温暖化ガスの排出量を実質ゼロ目標に向け、温暖化ガスの削減につながる太陽電池などの再生可能エネルギー技術の投資を促し、次世代産業の育成を支援するとされる。太陽電池の変換効率向上が期待される。単接合太陽電池では、変換効率２６〜３０％が限界とされる。さらに高効率化をはかるためには、バンドギャップの異なる材料からなる太陽電池を多層に積層した多接合構造が主流とされる。ａ−Ｓｉ薄膜太陽電池の現状効率１４．５％〜１６％に対して、限界効率は１８．５％〜２３．５％と試算される。化合物系のＣＩＧＳ太陽電池の目標効率は小面積セルで２５％、大面積モジュールで２２％とされている。ホウ素またはリンドープのシリコン系半導体薄膜光電変換層または化合物系半導体薄膜光電変換層の多接合薄膜太陽電池の放熱及び変換効率向上が課題であった。

光透過性及び熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置において、
ホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜およびリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜接合のｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を設けて再結合を抑えたヘテロ接合ｐｎ型またはｐｉｎ型ａ−Ｓｉ系半導体薄膜光電変換層または化合物系半導体薄膜光電変換層を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

ｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層の入射面に、透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜または透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜に蓄光性蛍光粒子をドープし、蓄光性蛍光粒子の発光を光電変換するＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

光透過性および熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層へのヘテロ接合により、ＣＶＤダイヤモンドおよびシリコン系または化合物系半導体薄膜光電変換層の変換効率が向上し、夜間の蓄光性蛍光粒子の発光を光電変換する。日射熱または光電変換熱をＣＶＤダイヤモンドが放熱する多接合薄膜太陽電池装置であり、蓄電池を充電する多目的利用のＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

本考案に係る入射面に、ＣＶＤ透明ダイヤモンド薄膜１を設けたｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けたヘテロ接合の、ｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層の参考断面図。 本考案に係る入射面に、蓄光性蛍光粒子１−１ドープＣＶＤ透明ダイヤモンド薄膜１を設けたｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けたヘテロ接合の、ｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層の参考断面図。

ＣＶＤダイヤモンド半導体はシリコン（Ｓｉ）と同じ第１４族元素に属している。ｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体のドープは、第１３族元素のホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などをドープすることができる。ｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体のドープは、第１５族元素の窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などをドープすることができる。ｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を設けたヘテロ接合ｐｎ型またはｐｉｎ型ａ−Ｓｉ系半導体薄膜光電変換層または化合物系半導体薄膜光電変換層によるダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。
ＣＶＤダイヤモンドは、高出力型マイクロ波プラズマＣＶＤ法またはマイクロ波プラズマＣＶＤ法、表面波プラズマＣＶＤ法による透明ナノ結晶ダイヤモンド薄膜が用いられる。

ＣＶＤダイヤモンドはバンドギャップ５．４８ｅＶの半導体としての特性を有し、熱伝導率２２（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を示す。ヒートシンク材料の熱伝導率は、ＣＶＤダイヤモンド２２（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）、銅４．０（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）、ＣＶＤダイヤモンドは銅と比較して５．５倍も熱を伝えやすい。シリコン１．５６（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）と比較すると約１５倍の熱伝導率または放熱性を有し、優れた光透過性および熱伝導率の放熱性を有している。硬度５６〜１１５（ＧＰａ）を有し、フリーエキシトンの束縛エネルギーが８０ｍｅＶもある。ＣＶＤナノ結晶ダイヤモンド薄膜は、低温成膜、高い表面平坦性、可視光線平均透過率（λ：４００〜８００ｎｍ）＝９０％である。ＣＶＤダイヤモンドは熱伝導性、弾性定数、耐熱性、耐化学薬品性、耐放射線性、絶縁性、絶縁破壊など物質中最高もしくは準最高値を有する材料される。

透明電極はＩＴＯやＳｎＯ_２、ＺｎＯなどのワイドギャップ半導体で対応可能であった。４０％以上の変換効率の太陽電池には、約２μｍ程度の赤外光まで発電に寄与させることが不可欠になる。ＩＴＯやＳｎＯ_２では長波長光まで光を透過させることは難しい。ＣＶＤ法によるグラフェンは赤外光までの透過率８０％以上に維持する。最近では２層グラフェンまたは数層グラフェンなどがあり、適した透明導電膜をＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜光電変換層に用いることができる。

ｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層にヘテロ接合するｐｎ型またはｐｉｎ型シリコン系半導体薄膜光電変換層は、ａ−Ｓｉ半導体薄膜層、ａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＧｅ半導体薄膜層、ＳＷＣＮＴ半導体薄膜およびａ−Ｓｉ半導体薄膜層接合の半導体薄膜光電変換層である。化合物系半導体薄膜光電変換層は、ＣＩＧＳ半導体薄膜層、ＣＩＳ半導体薄膜層、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ半導体薄膜層、ＰＳＣ（ペロブスカイト）半導体薄膜層などの半導体薄膜光電変換層を設けたダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

図１に示す。光透過性及び熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置において、
ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層２・３に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けることで再結合を抑えたヘテロ接合ｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層６・７の多接合半導体薄膜光電変換層の入射面に、透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。
ホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜２およびリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜３接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けることで再結合を抑えたヘテロ接合の、ホウ素ドープｐ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜６およびリンドープｎ型ａーＳｉ半導体薄膜７接合のｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層の多接合薄膜光電変換層の入射側に、透明導電膜５または裏面電極８と保護フィルム９を設け、入射面に透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置の構成。ＣＶＤダイヤモンドの光透過性および熱伝導率に優れた放熱性により、多接合半導体薄膜光電変換層の変換効率が向上する多接合薄膜太陽電池装置。
ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層は、特願２０２０−１８５４２８号に記載されている。

図２に示す。光透過性及び熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置において、
ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層２・３に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けることで再結合を抑えたヘテロ接合ｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層６・７の多接合半導体薄膜光電変換層の入射面に、蓄光性蛍光粒子１−１ドープの透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１を設けたダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。
ホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜２およびリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜３接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けることで再結合を抑えたヘテロ接合の、ホウ素ドープｐ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜６およびリンドープｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜７接合のｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層の多接合薄膜光電変換層の入射側に、透明導電膜５または裏面電極８保護フィルム９設け、入射面に蓄光性蛍光粒子１−１ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置の構成。ＣＶＤダイヤモンドの光透過性および熱伝導率に優れた放熱性により、多接合半導体薄膜光電変換層の変換効率が向上する多接合薄膜太陽電池装置。

蓄光蛍光粒子１−１ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１は、太陽光の２００ｎｍ〜５２２ｎｍ程度の波長を吸収し、夜間４００ｎｍ〜７００ｎｍ未満の波長で発光する。ＣＶＤダイヤモンドは広帯域の光学的透過性を有し、束縛エネルギーが８０ｍｅＶもある。ＣＶＤダイヤモンド薄膜１に蓄光蛍光粒子１−１をドープし、夜間に発光する光を光電変換するＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置の構成。ＣＶＤダイヤモンド薄膜１はＣＶＤナノ結晶ダイヤモンド薄膜も同様である。
蓄光性蛍光粒子が分散された透明樹脂基板などは、特願２０１７−０２８２３４号・特願２０２０−０３１０１５号に記載されている。蓄光性蛍光粒子ドープＣＶＤ透明ナノ結晶ダイヤモンド薄膜は、特願２０２０−１８５４２８号に記載されている。蓄光性蛍光粒子が分散された透明基板は実用新案登録第３２２３０９５号に記載されている。

ホウ素またはリンドープのｐｎ型またはｐｉｎ型多接合薄膜太陽電池は、ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、シリコン系ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層、ａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＧｅ半導体薄膜光電変換層、ＳＷＣＮＴ半導体薄膜層およびａ−Ｓｉ半導体薄膜層接合の光電変換層のいづれかの２接合構造薄膜太陽電池である。ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、化合物系ＣＩＧＳ半導体薄膜光電変換層、ＣＩＳ半導体薄膜光電変換層、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ半導体薄膜光電変換層、ＰＳＣ（ペロブスカイト）半導体薄膜光電変換層のいづれかの２接合構造薄膜太陽電池装置である。また、ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、シリコン系および化合物系半導体薄膜光電変換層接合の３接合構造を設けることができるダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置である。用途しては、携帯用端末機または自動車車両や鉄道車両、船舶、航空機などのボディーに設け、蓄電池を充電する多目的利用のダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

耐放射線性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜は、シリコンと同じ第１４族の半導体である。放射線に強い第１３族のガリウムやインジウムまたは第１５族のヒ素やリンドープのｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を設け、再結合を抑えたヘテロ接合の化合物系ＣＩＧＳまたはＣｄＳ／ＣｄＴｅやＰＳＣ半導体薄膜層などの２接合構造薄膜光電変換層の多接合薄膜太陽電池は航空機等に設けることができる。放射線に強いガリウムやインジウムまたはヒ素やリンドープの耐放射線性ｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を設け、ジャパンエナジーによる効率３０．３％のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ２接合セル、または効率３３．３％のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ３接合セル（ジャパンエナジー・住友電工・豊田工大による共同研究成果）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体光電変換層を設けた３接合または４接合などの多接合薄膜太陽電池は、宇宙空間で活動する人工衛星や国際宇宙ステーションなどに利用することが可能なＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置である。

１ 透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜
１−１ 蓄光性蛍光粒子
２ ｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜
３ ｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜
４ 真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜
５ 透明導電膜
６ ｐ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜
７ ｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜
８ 裏面電極
９ 保護フィルム

本考案は、ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、ヘテロ接合シリコン系半導体薄膜光電変換層または化合物系半導体薄膜光電変換層を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置に関する。

日本政府は、２０５０年までに温暖化ガスの排出量を実質ゼロにする目標を表明した。環境対応は世界的な潮流のため、環境を「成長の柱」と位置づけ、再生可能エネルギーなどの技術革新や投資を促し、次世代産業の育成を支援する方針とされる。化石燃料を減らし、脱炭素の圧力はかつてない高まりにより、太陽電池などの再生可能エネルギーを増やすとされる。

特願２０２０−１８５４２８号 特願２０２０−０３１０１５号 特開２０１７−０２８２３４号

実用新案文献１

実用新案登録第３２２３０９５号

非特許文献

引用非特許文献１

監修 藤森直治，鹿田真一、ダイヤモンドエレクトロニクスの最前線《普及版》 第４章 ナノ結晶ダイヤモンド薄膜 ｐ３６〜４４、第６章 半導体特性 ｐ６３〜７１、第７章 ｐ型ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜の半導体特性 ｐ７５〜８４、第８章 ｎ型ドーピングと半導体特性 ｐ８６〜９８、２０１４年版、株式会社 シーエムシー出版。

引用非特許文献２

監修 荒川泰彦、超高効率太陽電池・関連材料の最前線《普及版》 第２章 ４・グラフェンを用いた太陽電池用透明導電膜の開発 グラフェンの成膜技術 ｐ４４〜４５、ＣＶＤ法によるグラフェンの成膜 ｐ５０〜５５、５・薄膜太陽電池用ＺｎＯ系透明導電膜 ｐ５６、５．４ＺｎＯ透明導電膜の電気特性・光学特性の両立 ｐ６５〜７２、第３章 多接合太陽電池 １．２多接合太陽電池の高効率化の可能性 ｐ９３、１．７多接合太陽電池の将来展望 ｐ１０４〜１０６、２０１７年版、株式会社 シーエムシー出版。

太陽電池モジュールの生産は日本やドイツのメーカーがリードした時期もあったが、世界シェア首位のジンコソーラーなど中国産が７割を占める。日本政府は、２０５０年までに温暖化ガスの排出量を実質ゼロ目標に向け、温暖化ガスの削減につながる太陽電池などの再生可能エネルギー技術の投資を促し、次世代産業の育成を支援するとされる。太陽電池の変換効率向上が期待される。単接合太陽電池では、変換効率２６〜３０％が限界とされる。さらに高効率化をはかるためには、バンドギャップの異なる材料からなる太陽電池を多層に積層した多接合構造が主流とされる。ａ−Ｓｉ薄膜太陽電池の現状効率１４．５％〜１６％に対して、限界効率は１８．５％〜２３．５％と試算される。化合物系のＣＩＧＳ太陽電池の目標効率は小面積セルで２５％、大面積モジュールで２２％とされている。ホウ素またはリンドープのシリコン系半導体薄膜光電変換層または化合物系半導体薄膜光電変換層の多接合薄膜太陽電池の放熱及び変換効率向上が課題であった。

光透過性及び熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置において、
ホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜およびリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜接合のｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を設けて再結合を抑えたヘテロ接合ｐｎ型またはｐｉｎ型ａ−Ｓｉ系半導体薄膜光電変換層または化合物系半導体薄膜光電変換層を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

ｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層の入射面に、透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜、または、蓄光性蛍光粒子がドープされた透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜が設けられ、蓄光性蛍光粒子の発光を光電変換するＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

光透過性および熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層へのヘテロ接合により、ＣＶＤダイヤモンドおよびシリコン系または化合物系半導体薄膜光電変換層の変換効率が向上し、夜間の蓄光性蛍光粒子の発光を光電変換する。日射熱または光電変換熱をＣＶＤダイヤモンドが放熱する多接合薄膜太陽電池装置であり、蓄電池を充電する多目的利用のＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

本考案に係る入射面に、ＣＶＤ透明ダイヤモンド薄膜１を設けたｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けたヘテロ接合の、ｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層の参考断面図。 本考案に係る入射面に、蓄光性蛍光粒子１−１ドープＣＶＤ透明ダイヤモンド薄膜１を設けたｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けたヘテロ接合の、ｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層の参考断面図。

ＣＶＤダイヤモンド半導体はシリコン（Ｓｉ）と同じ第１４族元素に属している。ｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体のドープは、第１３族元素のホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などをドープすることができる。ｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体のドープは、第１５族元素の窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などをドープすることができる。ｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を設けたヘテロ接合ｐｎ型またはｐｉｎ型ａ−Ｓｉ系半導体薄膜光電変換層または化合物系半導体薄膜光電変換層によるダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。
ＣＶＤダイヤモンドは、高出力型マイクロ波プラズマＣＶＤ法またはマイクロ波プラズマＣＶＤ法、表面波プラズマＣＶＤ法による透明ナノ結晶ダイヤモンド薄膜が用いられる。

ＣＶＤダイヤモンドはバンドギャップ５．４８ｅＶの半導体としての特性を有し、熱伝導率２２（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を示す。ヒートシンク材料の熱伝導率は、ＣＶＤダイヤモンド２２（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）、銅４．０（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）、ＣＶＤダイヤモンドは銅と比較して５．５倍も熱を伝えやすい。シリコン１．５６（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）と比較すると約１５倍の熱伝導率または放熱性を有し、優れた光透過性および熱伝導率の放熱性を有している。硬度５６〜１１５（ＧＰａ）を有し、フリーエキシトンの束縛エネルギーが８０ｍｅＶもある。ＣＶＤナノ結晶ダイヤモンド薄膜は、低温成膜、高い表面平坦性、可視光線平均透過率（λ：４００〜８００ｎｍ）＝９０％である。ＣＶＤダイヤモンドは熱伝導性、弾性定数、耐熱性、耐化学薬品性、耐放射線性、絶縁性、絶縁破壊など物質中最高もしくは準最高値を有する材料される。

透明電極はＩＴＯやＳｎＯ_２、ＺｎＯなどのワイドギャップ半導体で対応可能であった。４０％以上の変換効率の太陽電池には、約２μｍ程度の赤外光まで発電に寄与させることが不可欠になる。ＩＴＯやＳｎＯ_２では長波長光まで光を透過させることは難しい。ＣＶＤ法によるグラフェンは赤外光までの透過率８０％以上に維持する。最近では２層グラフェンまたは数層グラフェンなどがあり、適した透明導電膜をＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜光電変換層に用いることができる。

ｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層にヘテロ接合するｐｎ型またはｐｉｎ型シリコン系半導体薄膜光電変換層は、ａ−Ｓｉ半導体薄膜層、ａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＧｅ半導体薄膜層、ＳＷＣＮＴ半導体薄膜およびａ−Ｓｉ半導体薄膜層接合の半導体薄膜光電変換層である。化合物系半導体薄膜光電変換層は、ＣＩＧＳ半導体薄膜層、ＣＩＳ半導体薄膜層、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ半導体薄膜層、ＰＳＣ（ペロブスカイト）半導体薄膜層などの半導体薄膜光電変換層を設けたダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

図１に示す。光透過性及び熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置において、
ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層２・３に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けることで再結合を抑えたヘテロ接合ｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層６・７の多接合半導体薄膜光電変換層の入射面に、透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。
ホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜２およびリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜３接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けることで再結合を抑えたヘテロ接合の、ホウ素ドープｐ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜６およびリンドープｎ型ａーＳｉ半導体薄膜７接合のｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層の多接合薄膜光電変換層の入射側に、透明導電膜５または裏面電極８と保護フィルム９を設け、入射面に透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置の構成。ＣＶＤダイヤモンドの光透過性および熱伝導率に優れた放熱性により、多接合半導体薄膜光電変換層の変換効率が向上する多接合薄膜太陽電池装置。
ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層は、特願２０２０−１８５４２８号に記載されている。

図２に示す。光透過性及び熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置において、
ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層２・３に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けることで再結合を抑えたヘテロ接合ｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層６・７の多接合半導体薄膜光電変換層の入射面に、蓄光性蛍光粒子１−１がドープされた透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１を設けたダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。
ホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜２およびリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜３接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜４を設けることで再結合を抑えたヘテロ接合の、ホウ素ドープｐ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜６およびリンドープｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜７接合のｐｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層の多接合薄膜光電変換層の入射側に、透明導電膜５または裏面電極８保護フィルム９設け、入射面に蓄光性蛍光粒子１−１がドープされた透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置の構成。ＣＶＤダイヤモンドの光透過性および熱伝導率に優れた放熱性により、多接合半導体薄膜光電変換層の変換効率が向上する多接合薄膜太陽電池装置。

蓄光蛍光粒子１−１ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜１は、太陽光の２００ｎｍ〜５２２ｎｍ程度の波長を吸収し、夜間４００ｎｍ〜７００ｎｍ未満の波長で発光する。ＣＶＤダイヤモンドは広帯域の光学的透過性を有し、束縛エネルギーが８０ｍｅＶもある。ＣＶＤダイヤモンド薄膜１に蓄光蛍光粒子１−１をドープし、夜間に発光する光を光電変換するＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置の構成。ＣＶＤダイヤモンド薄膜１はＣＶＤナノ結晶ダイヤモンド薄膜も同様である。
蓄光性蛍光粒子が分散された透明樹脂基板などは、特願２０１７−０２８２３４号・特願２０２０−０３１０１５号に記載されている。蓄光性蛍光粒子ドープＣＶＤ透明ナノ結晶ダイヤモンド薄膜は、特願２０２０−１８５４２８号に記載されている。蓄光性蛍光粒子が分散された透明基板は実用新案登録第３２２３０９５号に記載されている。

ホウ素またはリンドープのｐｎ型またはｐｉｎ型多接合薄膜太陽電池は、ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、シリコン系ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層、ａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＧｅ半導体薄膜光電変換層、ＳＷＣＮＴ半導体薄膜層およびａ−Ｓｉ半導体薄膜層接合の光電変換層のいづれかの２接合構造薄膜太陽電池である。ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、化合物系ＣＩＧＳ半導体薄膜光電変換層、ＣＩＳ半導体薄膜光電変換層、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ半導体薄膜光電変換層、ＰＳＣ（ペロブスカイト）半導体薄膜光電変換層のいづれかの２接合構造薄膜太陽電池装置である。また、ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、シリコン系および化合物系半導体薄膜光電変換層接合の３接合構造を設けることができるダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置である。用途しては、携帯用端末機または自動車車両や鉄道車両、船舶、航空機などのボディーに設け、蓄電池を充電する多目的利用のダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

耐放射線性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜は、シリコンと同じ第１４族の半導体である。放射線に強い第１３族のガリウムやインジウムまたは第１５族のヒ素やリンドープのｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を設け、再結合を抑えたヘテロ接合の化合物系ＣＩＧＳまたはＣｄＳ／ＣｄＴｅやＰＳＣ半導体薄膜層などの２接合構造薄膜光電変換層の多接合薄膜太陽電池は航空機等に設けることができる。放射線に強いガリウムやインジウムまたはヒ素やリンドープの耐放射線性ｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を設け、ジャパンエナジーによる効率３０．３％のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ２接合セル、または効率３３．３％のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ３接合セル（ジャパンエナジー・住友電工・豊田工大による共同研究成果）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体光電変換層を設けた３接合または４接合などの多接合薄膜太陽電池は、宇宙空間で活動する人工衛星や国際宇宙ステーションなどに利用することが可能なＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置である。

１ 透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜
１−１ 蓄光性蛍光粒子
２ ｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜
３ ｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜
４ 真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜
５ 透明導電膜
６ ｐ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜
７ ｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜
８ 裏面電極
９ 保護フィルム

Claims (2)

1. 光透過性及び熱伝導率に優れたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置において、
   ホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜およびリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜接合のｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を設けて再結合を抑えたヘテロ接合ｐｎ型またはｐｉｎ型ａ−Ｓｉ系半導体薄膜光電変換層または化合物系半導体薄膜光電変換層を設けたＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。
2. ｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層の入射面に、透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜または透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜に蓄光性蛍光粒子をドープし、蓄光性蛍光粒子の発光を光電変換する請求項１に記載のＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜の多接合薄膜太陽電池装置。

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