JP3234587U

JP3234587U - Ｐｓｃタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

Info

Publication number: JP3234587U
Application number: JP2021002927U
Authority: JP
Inventors: 五十嵐　五郎
Original assignee: 五十嵐　五郎
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2021-10-21
Anticipated expiration: 2031-06-17

Abstract

【課題】ペロブスカイト半導体薄膜光電変換層の光劣化および大気劣化の防止や長寿命化を図る、ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層を用いる２層構造ヘテロ接合によるＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置を提供する。
【解決手段】リンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層３およびホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層４接合のｎｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層のヘテロ接合部に、ｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜５を挟み、ｎ型電子輸送層６、ペロブスカイト結晶層７、ｐ型正孔輸送層８接合のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層を設けた２層構造ヘテロ接合の半導体薄膜光電変換層の入射面に、透明導電膜２と蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子１−１がドープされた透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明基板１を設け、裏面に裏面電極９と保護材を設けた。
【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およびペロブスカイト半導体薄膜光電変換層をヘテロ接合により、構成されたＰＳＣタンデム型ダイヤモンド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発表した。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、脱炭素の圧力はかっ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、太陽電池の変換効率の向上が期待される。

特願２０２０−１８５４２８号

実用新案文献１

実願２０２１−００１１１９号

実用新案文献２

実願２０２１−００１２７３号

実用新案文献３

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

著作 ▲Ｃ▼堀越佳治、「太陽光発電」基礎から電力系への導入まで、第８章太陽電池に用いられる材料と構造、８．３．６ペロブスカイト太陽電池ｐ１４５〜１４８、２０２０年版、株式会社内田老鶴圃

引用非特許文献３

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、５．３．１薄膜Ｓｉ太陽電池用透明導電膜ＳｎＯ_２ｐ６０〜６１、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。しかし、現在では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の目標に向け、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。政府が改定する地球温暖化対策計画の構成案は、再生可能エネルギーの「最大限の導入」を掲げる。新たな温対計画は再生可能エネルギーなどの活用で温暖化ガスの排出量を減らしながら経済を回復させるグリーン復興に軸足を置くとされる。エイチ・アイ・エス（ＨＩＳ）は、２０２０年にも次世代太陽電池のペロブスカイト太陽電池の工場を長崎県に新設すると発表した。東芝やパナソニックも２０２５年までに同タイプの実用化に動き、中国勢も独自の開発を進めているとされる。すでに次世代太陽電池として注目されるペロブスカイト太陽電池は、中国・杭州繊納光電科技は２０２１年５月、面積２０平方センチメートルのペロブスカイト太陽電池で、世界最高となるエネルギー変換効率２０．２％を達成したと発表した。本考案での低コスト高効率のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層は、光劣化および大気劣化の防止や長寿命化が課題であるとされる。したがって、ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層およびペロブスカイト結晶半導体薄膜光電変換層を用いた２層構造のヘテロ接合により構成される。ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層の透光性および放熱性により、ペロブスカイト薄膜光電変換層の光劣化および大気劣化を防ぎ、寿命を持続化させる高効率のタンデム型薄膜太陽電池装置を開発するものである。

本考案のタンデム型薄膜太陽電池の内部は、トップセル層として透光性、熱伝導率に優れた特性を有するリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層３およびホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層４接合のｎｐ型、またはｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層を用いたｎｉｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層を設け、ボトムセル層としてｎ型電子輸送層（ＴｉＯ_２，ＺｎＯ／ＳｎＯ_２）６、光吸収層のペロブスカイト結晶層（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３）７、ｐ型正孔輸送層（Ｓｐｉｒｏ−ＯＭｅＴＡＤ／ＣｕＳＣＮ）８を用いたペロブスカイト半導体薄膜光電変換層を設けた２層構造ヘテロ接合部に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層５を挟むことで、再結合を抑えたＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

トップセル層の入射面に、透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明基板１を設けたＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

トップセル層の入射面に、蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子１−１がドープされた透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明基板１を設けて、夜間の発光を光電変換するＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

トップセル層としてｎｐ型３〜５またはｎｉｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層のヘテロ接合により、ボトムセル層のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層６〜８の光劣化および大気劣化を防ぎ、寿命を持続化させるＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

トップセル層の入射面に、蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子１−１ドープの透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１または透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１を設けたｎｐ型３〜５またはｎｉｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層の入射熱および光電変換熱を放熱し、ＣＶＤダイヤモンドの透光性により、ボトムセル層のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層６〜８の変換効率を低下させないＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

本考案に係る薄膜太陽電池は、トップセル層にＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層を、ボトムセル層にペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層のヘテロ接合により構成されたことにより、ペロブスカイト半導体薄膜光電変換層の光劣化および大気劣化を防ぎ、寿命を持続化させる。蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子がドープされたＣＶＤダイヤモンド薄膜層による日射および夜間の発光を光電変換し、入射熱および光電変換熱を放熱する。ＣＶＤダイヤモンド層の透光性により、ペロブスカイトの光電変換効率を低下させない多用途利用のＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置である。

本考案に係る入射面に、透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１を設けたｎｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３〜５ヘテロ接合のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層６〜８の参考断面図。本考案に係る入射面に、蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子１−１ドープの透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１を設けたｎｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変層３〜５ヘテロ接合のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層６〜８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１４族元素に属している。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。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。本考案では、リンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜およびホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜接合のｎｐ型、または真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜ｉ型を用いたｎｉｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層のヘテロ接合部に真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜ｉ型を挟み、ペロブスカイト（ＰＳＣ）薄膜光電変換層を接合した２層構造のＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

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）を示し、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を有しているＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層である。
ペロブスカイト薄膜光電変換層は、光吸収層としてＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３のペロブスカイト結晶を、ｎ型電子輸送層としてＴｉＯ_２，ＺｎＯ／ＳｎＯ_２を用い、ｐ型正孔輸送層としてＳｐｉｒｏ−ＯＭｅＴＡＤ／ＣｕＳＣＮを固体化にしたペロブスカイト半導体薄膜光電変換層が開発され、２０％を超える太陽電池が製作される。
ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜のバンドギャップは５．４８ｅＶである。ペロブスカイト結晶のバンドギャップは１．６ｅＶで、対応してＶｏｃも１．１〜１．２ｅＶと高い効率とされるペロブスカイト半導体薄膜光電変換層である。

透明電極はＩＯＴ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。ＩＯＴ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光電変換層に用いることができる。

薄膜太陽電池の内部は、トップセルとして透光性および熱伝導率に優れた特性を有するｎｐ型またはｎｉｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層を、ボトムセルとしてペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層を用いた２層構造のヘテロ接合部に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜を挟むことで、再結合を抑えたＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

図１の参考断面図に示す。リンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層３およびホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層４接合のｎｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層のヘテロ接合部に、ｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜５を挟み、ｎ型電子輸送層（ＴｉＯ_２，ＺｎＯ／ＳｎＯ_２）６、ペロブスカイト結晶層（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３）７、ｐ型正孔輸送層（Ｓｐｉｒｏ−ＯＭｅＴＡＤ／ＣｕＳＣＮ）８接合のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層を設けた２層構造ヘテロ接合の半導体薄膜光電変換層の入射面に、透明導電膜２と透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明基板１を設け、裏面に裏面電極９と保護材１０を設けたＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

図２の参考断面図に示す。リンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層３およびホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層４接合のｎｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層のヘテロ接合部に、ｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜５を挟み、ｎ型電子輸送層（ＴｉＯ_２，ＺｎＯ／ＳｎＯ_２）６、ペロブスカイト結晶層（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３）７、ｐ型正孔輸送層（Ｓｐｉｒｏ−ＯＭｅＴＡＤ／ＣｕＳＣＮ）８接合のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層を設けた２層構造ヘテロ接合の半導体薄膜光電変換層の入射面に、透明導電膜２と蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子１−１がドープされた透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明基板１を設け、裏面に裏面電極９と保護材を設けたＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。

蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子１−１ドープの透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明基板は、太陽光などの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ダイヤモンドである。

蓄光性蛍光粒子ドープのＣＶＤ透明ナノ結晶ダイヤモンド薄膜層を入射面に設けたｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層を設けた車両の薄膜太陽電池装置は、特願２０２０−１８５４２８号に記載されている。また、蓄光性蛍光粒子ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層を入射面に設けたｐｎ型またはｐｉｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層を設けた携帯用端末機は、実願２０２１−００１１１９号に記載されている。しかし、単層のＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層であり、変換効率向上には、２層構造以上のタンデム型の半導体薄膜光電変換層が必要とされる。蓄光性蛍光粒子ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層を入射面に設けた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ｐｎ型またはｐｉｎ型ａ−Ｓｉ半導体薄膜光電変換層を設けた多接合薄膜太陽電池装置は、実願２０２１−００１２７３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。

ＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置の用途としては、携帯用端末機（実願２０２１−００１１１９号）、自動車車両や鉄道車両（特願２０２０−１８５４２８号）または船舶、航空機のボディーに設けて蓄電池を充電する。または多用途に設けて蓄電池を充電するＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置である。

トップセル層としてＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層にヘテロ接合されるボトムセル層には、シリコン系薄膜結晶のａ−Ｓｉ，μｃ−Ｓｉ、化合物系薄膜のＣＩＧＳ，ＣｄＴｅ−ＣｄＳ，カルコパイライト、有機系のペロブスカイト，有機半導体薄膜などが選択され用いることができるＰＳＣタンデム型ダイヤモンド半導体薄膜太陽電池装置。

１透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明基板
１−１蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子
２透明導電膜
３ｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層
４ｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層
５真性ｉ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層
６ｎ型電子輸送層（ＴｉＯ_２，ＺｎＯ／ＳｎＯ_２）
７ペロブスカイト結晶層（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３）
８ｐ型正孔輸送層（Ｓｐｉｒｏ−ＯＭｅＴＡＤ／ＣｕＳＣＮ）
９裏面電極
１０保護材

Claims

タンデム型薄膜太陽電池の内部は、トップセル層として透光性、熱伝導率に優れた特性を有するリンドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層およびホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層接合のｎｐ型、またはｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層を用いたｎｉｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層を設け、ボトムセル層としてｎ型電子輸送層、光吸収層のペロブスカイト結晶層、ｐ型正孔輸送層接合のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層を設けた２層構造ヘテロ接合部に、真性ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層を挟むことで、再結合を抑えたＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。
トップセル層の入射面に、透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明基板を設けた請求項１に記載のＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。
トップセル層の入射面に、蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子がドープされた透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明基板を設けて、夜間の発光を光電変換する請求項１に記載のＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。
トップセル層としてｎｐ型またはｎｉｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層のヘテロ接合により、ボトムセル層のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層の光劣化および大気劣化を防ぎ、寿命を持続化させる請求項１に記載のＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。
トップセル層の入射面に、蓄光性蛍光粒子または蓄光性蛍光微粒子ドープの透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層または透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層を設けたｎｐ型またはｎｉｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層による入射熱および光電変換熱を放熱し、ＣＶＤダイヤモンド層の透光性により、ボトムセル層のペロブスカイト（ＰＳＣ）半導体薄膜光電変換層の変換効率を低下させない請求項１から請求項４に記載のＰＳＣタンデム型ダイヤモンド薄膜太陽電池装置。