JP3239104U

JP3239104U - 園芸用ハウスに設けたタンデム型ｃｖｄダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。

Info

Publication number: JP3239104U
Application number: JP2022002423U
Authority: JP
Inventors: 五郎五十嵐
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2032-07-05

Abstract

【課題】ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜型および有機系半導体薄膜型をタンデム型に設けた太陽光の入射、または遮蔽する構成による高効率、または耐久性を持ったＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置を提供する。【解決手段】トップセル層に、ホウ素ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層３および窒素ドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層４接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３・４に、再結合を抑えるｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を設け、ボトムセル層に、ｐ型電子供与体６およびｎ型電子受容体８を混合したバルクヘテロ接合構造、または、超階層ナノ構造の有機半導体薄膜光電変換層６・８のタンデム型、または、ｐ型正孔輸送層６、ペロブスカイト結晶層、ｎ型電子輸送層８接合のペロブスカイト半導体薄膜光電変換層をタンデム型に設けた。【選択図】図１

Description

園芸用ハウス内への太陽光の入射、または遮蔽するタンデム型薄膜太陽電池を設けて蓄電池を充電し、促成栽培を促す、園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置に関する。

第二世代薄膜太陽電池には、μｃ－Ｓｉ薄膜、ａ－Ｓｉ薄膜、ＣＩＧＳ薄膜、ＣｄＴｅ薄膜、色素増感薄膜、ペロブスカイト薄膜、有機薄膜などがある。透明で日光を遮らないくガラスの表面に貼る薄膜は、有機薄膜型が最適とされる。透光性のＣＶＤダイヤモンド薄膜型および有機薄膜型、またはペロブスカイト薄膜型をタンデム型に設けて園芸用ハウス内への太陽光の入射、または遮蔽するタンデム型薄膜太陽電池を、園芸用ハウスのガラスまたは樹脂板に設けて蓄電池を充電し、促成栽培に活用される。脱炭素社会の実現には高効率のタンデム型薄膜太陽電池を園芸用ハウスに設けた促成栽培が重要とされる。

実用新案文献１

実用新案登録第３２３４５８７号

実用新案文献２

実用新案登録第３２３４１７９号

実用新案文献３

実用新案登録第３２２２３９６号

実用新案文献４

実用新案登録第２５２１６３８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

入まで、第８章太陽電池に用いられる材料と構造、８．３．４有機化合物系太陽電池ｐ１４０～１４３、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、第５章新型太陽電池・材料１有機薄膜太陽電池と超階層ナノ構造素子ｐ１４８～１５５、１．４超階層ナノ構造の開発ｐ１５６～１５８、２０１７年版、株式会社シーエムシー出版。

引用非特許文献４

日本経済新聞、「室内や壁に薄膜太陽電池」軽く長寿命、シリコン型の次狙う、２０２２年６月１０日（テック）１１版、日本経済新聞社。

従来の薄膜型太陽電池は、園芸用ハウス内に太陽光を入射させる促成栽培には課題があった。有機薄膜型は太陽光を遮らないという利点があり、変換効率は屋外で最高１３％、寿命は１０年とされるが空気中の酸素や水分の素子内への侵入や、光照射に伴う有機材料の劣化が課題とされる。軽く安価なペロブスカイト薄膜型は、変換効率も高いが寿命が１～２年とされ、光劣化や大気劣化による寿命が最大の課題とされる。したがって本考案では、ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜型および有機系半導体薄膜型をヘテロ接合による耐久性を持った、タンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置を考案した。

園芸用ハウスのガラスまたは樹脂板に設けてハウス内への太陽光の入射、または遮蔽するＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層および有機系半導体薄膜光電変換層をヘテロ接合によるタンデム型薄膜太陽電池を設けて蓄電池を充電し、促成栽培を促す、園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置において、
トップセル層として、ホウ素（Ｂ）ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層３および窒素（Ｎ）ドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層４接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３・４に、再結合を抑えるｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を設け、ボトムセル層として、ｐ型電子供与体６およびｎ型電子受容体８を混合したバルクヘテロ接合構造の有機半導体薄膜光電変換層６・８、または、ｐ型電子供与体６およびｎ型電子受容体８の超階層ナノ構造の有機半導体薄膜光電変換層６・８をタンデム型に設けて蓄電池を充電し、促成栽培を促す、園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。

ボトムセル層として、ｐ型正孔輸送層（Ｓｐｉｒｏ－ＯＭｅＴＡＤ／ＣｕＳＣＮ）６、光吸収ペロブスカイト結晶層（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３）７、ｎ型電子輸送層（ＴｉＯ_２，ＺｎＯ／ＳｎＯ_２）８接合のペロブスカイト半導体薄膜光電変換層にヘテロ接合のｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層を設けて、再結合を抑えた園芸用ハウスに設けたタンデムＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。

トップセル層の入射面に透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１、または、蓄光性蛍光粒子１－１ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１を設けて夜間に発光する蓄光性蛍光粒子１－１の光を光電変換する、園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。

園芸用ハウス内への太陽光の入射、または遮蔽を選択できる高効率のタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池を、園芸用ハウスのガラスまたは樹脂板に設けて蓄電池を充電し、促成栽培を促すことができる。ＣＶＤダイヤモンド薄膜型および有機系薄膜型をヘテロ接合構造にすることにより、耐久性を持った園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置である。

本考案に係る、ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３・４接合部にｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を伴うヘテロ接合の、ｐ型電子供与体６およびｎ型電子受容体８を混合したバルクヘテロ接合型有機半導体薄膜光電変換層を設けた、タンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜光電変換層の参考断面図。本考案に係る、ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３・４接合部にｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を伴うヘテロ接合の、ｐ型電子供与体６およびｎ型電子受容体８の超階層ナノ構造の有機半導体薄膜光電変換層を設けた、タンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜光電変換層の参考断面図。本考案に係る、ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３・４接合部にｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を伴うヘテロ接合の、ｐ型正孔輸送層６、光吸収ペロブスカイト結晶層７、ｎ型電子輸送層８接合のペロブスカイト半導体薄膜光電変換層を設けた、タンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜光電変換層の参考断面図。本考案に係る、ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３・４接合部にｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を伴うヘテロ接合の、ｐ型正孔輸送層６、光吸収ペロブスカイト結晶層７、ｎ型電子輸送層８接合のペロブスカイト半導体薄膜光電変換層の入射面に、蓄光性蛍光粒子１－１ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１を設けた、タンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系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薄膜層へのドープは第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薄膜層へのドープは第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。
本考案では、ホウ素（Ｂ）ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層および窒素（Ｎ）ドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、ｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を伴うヘテロ接合を設けた構成。

ＣＶＤダイヤモンドのバンドギャップは、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）でありＣＶＤダイヤモンドは銅と比較して５．５倍も熱伝導率に優れ、放熱性がある。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、低温成膜とうこう、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、透光性、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とされる。ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜は、高出力型マイクロ波プラズマＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、表面波プラズマＣＶＤ法によるナノ結晶ダイヤモンド薄膜などが用いられる。

ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層の変換効率は素子レベルで約２８％程度とされる。有機薄膜型の変換効率は１０～１５％程度とされ、寿命は約１０年程度としている。ペロブスカイト薄膜型の変換効率は１０～２０％程度とされるが寿命は１～２年程度と短いのが最大の課題である。国外では、英オックスフォード大学発スタートアップのオックスフォードＰＶは、シリコン型の上にペロブスカイト型を置いたタンデム型光電変換層の変換効率が２９．５％を達成したとしている。中国のスタートアップ企業の大正微納科技公司は、変換効率１３～１５％程度を見込みとしている。国内では、東芝がフィルム型のペロブスカイト薄膜で約１５％の変換効率を達成したとしている。

透明電極または透明導電体はＩＴＯやＳｎＯ_２、ＺｎＯなど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、適した透明電極または透明導電体を選択し、タンデム型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜変換層に設けることができる。

ｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層にｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層を伴うヘテロ接合による半導体薄膜光電変換層は、μｃ－Ｓｉ薄膜層、ａ－Ｓｉ薄膜層、ＣＩＧＳ薄膜層、ＣｄＴｅ薄膜層、色素増感薄膜層、ペロブスカイト薄膜層、有機半導体薄膜層などを選択し、タンデム型に設けることができる。

図１の参考断面図に示す。園芸用ハウスのガラスまたは樹脂板に設けてハウス内への太陽光の入射、または遮蔽するＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層および有機系半導体薄膜光電変換層をヘテロ接合によるタンデム型薄膜太陽電池を設けて蓄電池を充電し、促成栽培を促す、園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置において、
トップセル層として、ホウ素（Ｂ）ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層３および窒素（Ｎ）ドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層４接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３・４に、再結合を抑えるｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を設け、ボトムセル層として、ｐ型電子供与体６およびｎ型電子受容体８を混合したバルクヘテロ接合構造の有機半導体薄膜光電変換層６・８をタンデム型半導体薄膜光電変換層３・４・５・６・８の入射面に、ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１および透明導電体２を設け、裏面透明電極９、またはアルミ電極９および透明保護材１０、または保護材１０を設けた構成のタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。

図２の参考断面図に示す。トップセル層として、ホウ素（Ｂ）ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層３および窒素（Ｎ）ドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層４接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３・４に、再結合を抑えるｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を設け、ｐ型電子供与体６およびｎ型電子受容体８の超階層ナノ構造の有機半導体薄膜光電変換層６・８をタンデム型半導体薄膜光電変換層３・４・５・６・８の入射面に、ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１および透明導電体２を設け、裏面透明電極９、またはアルミ電極９および透明保護材１０、または保護材１０を設けた構成のタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。

図３の参考断面図に示す。トップセル層として、ホウ素（Ｂ）ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層３および窒素（Ｎ）ドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層４接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層３・４に、再結合を抑えるｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を設け、ボトムセル層として、ｐ型正孔輸送層（Ｓｐｉｒｏ－ＯＭｅＴＡＤ／ＣｕＳＣＮ）６、光吸収ペロブスカイト結晶層（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３）７、ｎ型電子輸送層（ＴｉＯ_２，ＺｎＯ／ＳｎＯ_２）接合のペロブスカイト半導体薄膜光電変換層６・７・８に、ｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層５を伴うヘテロ接合によることで、再結合を抑えたタンデム型半導体薄膜光電変換層３・４・５・６・７・８の入射面に、ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１および透明導電体２を設け、裏面透明電極９、またはアルミ電極９および透明保護材１０、または保護材１０を設けた構成のタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。

図４の参考断面図に示す。トップセル層の入射面に、透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１、または蓄光性蛍光粒子１－１ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層１を設け、夜間に発光する蓄光性蛍光粒子１－１の光を光電変換する構成、図１、図２、図３、共通のタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。

実用新案登録第２５２１６３８号の保温ハウス等に設ける場合は、太陽光の入射を必要としないため、タンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜光電変換層の裏面には、アルミ電極９および保護材１０を設けた構成でよい。

１ＣＶＤダイヤモンド薄膜層
１－１蓄光性蛍光粒子
２透明導電体
３ホウ素（Ｂ）ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層
４窒素（Ｎ）ドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層
５ｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層
６ｐ型電子供与体、または、ｐ型正孔輸送層
７光吸収ペロブスカイト結晶層
８ｎ型電子受容体、または、ｎ型電子輸送層
９裏面透明電極、またはアルミ電極
１０透明保護材、または保護材

Claims

園芸用ハウスのガラスまたは樹脂板に設けてハウス内への太陽光の入射、または遮蔽するＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層および有機系半導体薄膜光電変換層をヘテロ接合によるタンデム型薄膜太陽電池を設けて蓄電池を充電し、促成栽培を促す、園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置において、
トップセル層として、ホウ素（Ｂ）ドープｐ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層および窒素（Ｎ）ドープｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜層接合のｐｎ型ＣＶＤダイヤモンド半導体薄膜光電変換層に、再結合を抑えるｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層を設け、ボトムセル層として、ｐ型電子供与体およびｎ型電子受容体を混合したバルクヘテロ接合構造の有機半導体薄膜光電変換層、または、ｐ型電子供与体およびｎ型電子受容体の超階層ナノ構造の有機半導体薄膜光電変換層をタンデム型に設けて蓄電池を充電し、促成栽培を促す、園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。
ボトムセル層として、ｐ型正孔輸送層、光吸収ペロブスカイト結晶層、ｎ型電子輸送層接合のペロブスカイト半導体薄膜光電変換層にヘテロ接合のｉ型真性ＣＶＤダイヤモンド薄膜層を設けて、再結合を抑えた請求項１に記載の、園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。
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、蓄光性蛍光粒子ドープ透明ＣＶＤダイヤモンド薄膜層を設けて夜間に発光する蓄光性蛍光粒子の光を光電変換する請求項１または請求項２に記載の、園芸用ハウスに設けたタンデム型ＣＶＤダイヤモンド有機系半導体薄膜太陽電池装置。