JP3754431B2 - Photovoltaic generator - Google Patents

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Description

本発明は、光発電装置に関する。
本件明細書中、pin接合というのは、ほぼ球状の光電変換素子の内から外に、または外から内に、順次的にn形、i形およびp形の各半導体層が形成された構成を含むものと解釈されなければならない。
The present invention relates to a photovoltaic power generation apparatus.
In the present specification, a pin junction is a structure in which n-type, i-type and p-type semiconductor layers are sequentially formed from the inside to the outside of a substantially spherical photoelectric conversion element or from the outside to the inside. It must be interpreted as including.

典型的な第1先行技術は、結晶シリコン半導体ウエハから成る光電変換素子を含む。この第1先行技術では、結晶を製造するための工程が繁雑であり、費用が高くなる。また単結晶バルクからカッティング、スライシング、ポリッシングなどの工程を経て、半導体ウエハを製造するので工程が繁雑であり、さらにそのカッティング、スライシング、ポリッシングなどの工程で生じる結晶の切削屑が、容量比にして約50%以上にもなり、無駄になる。   A typical first prior art includes a photoelectric conversion element made of a crystalline silicon semiconductor wafer. In the first prior art, the process for producing the crystal is complicated and the cost is high. Also, semiconductor wafers are manufactured from single-crystal bulk through processes such as cutting, slicing, and polishing, and the process is complicated, and crystal cutting waste generated in the processes such as cutting, slicing, and polishing is reduced in volume ratio. It becomes about 50% or more and is wasted.

この問題を解決する他の第2先行技術は、アモルファスSi(略称a−Si)薄膜から成る。この第2先行技術は、プラズマ化学気相成長法によって、光電変換層を薄膜状で形成するので、従来技術の単結晶バルクからのカッティング、スライシング、ポリッシングなどの工程が不要であり、堆積した膜の全てを素子の活性層として用いることができるという利点がある。この反面、アモルファスSi太陽電池は、アモルファス構造に起因して、半導体内部に多数の結晶欠陥、すなわちギャップステイツが存在し、したがって光誘起劣化現象が存在し、光電変換効率が低下するという問題がある。この問題を解決するために、従来では、水素化処理によって不活性化する技術が開発され、アモルファスSi太陽電池などの電子デバイスが製造可能になっている。   Another second prior art for solving this problem is an amorphous Si (abbreviated a-Si) thin film. In this second prior art, since the photoelectric conversion layer is formed in a thin film by plasma chemical vapor deposition, steps such as cutting, slicing, and polishing from a single crystal bulk of the prior art are unnecessary, and the deposited film There is an advantage that all of the above can be used as the active layer of the device. On the other hand, the amorphous Si solar cell has a problem that due to the amorphous structure, there are a large number of crystal defects, that is, gap states, inside the semiconductor, and thus there is a light-induced degradation phenomenon and the photoelectric conversion efficiency is lowered. . In order to solve this problem, conventionally, a technology for inactivation by hydrogenation treatment has been developed, and electronic devices such as amorphous Si solar cells can be manufactured.

しかしながら、こうした処理によっても、結晶欠陥の効果を無くすことが不可能であり、たとえばアモルファスSi太陽電池には、依然として、光電変換効率が15〜25%程度劣化するという泣き所を保有している。   However, even with such treatment, it is impossible to eliminate the effect of crystal defects. For example, amorphous Si solar cells still have a crying point that the photoelectric conversion efficiency deteriorates by about 15 to 25%.

最近成功した光劣化を抑制する新技術として、光電活性i層を極端に薄くして、かつ太陽電池セルを2接合または3接合にするスタック形太陽電池が実現され、光劣化を10%程度まで抑制することに成功している。この光劣化は、太陽電池セルの動作温度が高いとき、光劣化の回復することが明らかとなり、こうした状態で動作/稼動するモジュール技術も開発されつつあるが、充分とは言い難い。   As a new technology to suppress photodegradation that has recently been successful, a stack type solar cell in which the photoelectric active i layer is made extremely thin and the solar cell has two or three junctions has been realized. Succeeded in controlling. It has become apparent that this photodegradation recovers from the photodegradation when the operating temperature of the solar cell is high, and a module technology that operates / operates in such a state is being developed, but it is not sufficient.

このような問題を解決するさらに他の第3先行技術は、たとえば特公平7−54855に開示される。この第3先行技術では、p形Si球にn形Si表皮部を持つ球状粒子を、穴のあいた偏平なアルミニウム箔に埋込み、そのアルミニウム箔の裏面から、n形Si表皮部をエッチングして内部のp形Si球を露出し、この露出したp形Si球を、もう1つのアルミニウム箔に接続してソーラ・アレーを構成する。   Still another third prior art for solving such a problem is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 7-54855. In this third prior art, spherical particles having an n-type Si skin portion on a p-type Si sphere are embedded in a flat aluminum foil having a hole, and the n-type Si skin portion is etched from the back surface of the aluminum foil to the inside. The p-type Si sphere is exposed, and the exposed p-type Si sphere is connected to another aluminum foil to form a solar array.

この第3先行技術では、高純度のSiの使用量を軽減して原価の低減を図ろうとすれば、粒子の外径を小さくして、全体の平均厚みを薄くする必要がある。また変換効率の向上を図るためには、受光面を大きくする必要があり、その受光面を大きくするために粒子を相互に近接して配置し、したがって小さい外径を有する多数の粒子が密に配置されてアルミニウム箔に接続されなければならない。その結果、粒子とアルミニウム箔との接続作業工程が繁雑になり、原価の低減に劣る。   In the third prior art, if it is intended to reduce the cost by reducing the amount of high-purity Si used, it is necessary to reduce the outer diameter of the particles and reduce the overall average thickness. In order to improve the conversion efficiency, it is necessary to enlarge the light receiving surface, and in order to enlarge the light receiving surface, the particles are arranged close to each other, so that a large number of particles having a small outer diameter are densely packed. Must be placed and connected to the aluminum foil. As a result, the process of connecting the particles and the aluminum foil becomes complicated, and the cost is inferior.

本発明の目的は、高純度のSiなどの半導体材料の使用量を低減し、しかも大量生産が容易であり、つまり省資源、省エネルギ形の製造を可能にして、安価に実現される高信頼性、高効率の光発電装置を提供することである。   The object of the present invention is to reduce the amount of semiconductor material such as high-purity Si, and to facilitate mass production, that is, to enable resource-saving and energy-saving manufacturing, and to be realized at low cost. Is to provide a photovoltaic device with high efficiency and high efficiency.

本発明の他の目的は、集光比を大きくすることができる光発電装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a photovoltaic device capable of increasing the concentration ratio.

本発明は、(a)ほぼ球状の形状を有し、第1半導体層およびそれよりも外方の第2半導体層を有し、第2半導体層の開口部から第1半導体層の一部分が露出し、第1および第2半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、
(b)支持体であって、
第1導体と第2導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、
第1導体または第1導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、
凹部の開口端は、多角形であり、相互に隣接する各開口端は、連続し、
各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第1導体または第1導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、
第1導体は、光電変換素子の第2半導体層に電気的に接続され、
第2導体は、第1半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含むことを特徴とする光発電装置である。
また本発明は、等ピッチで列を成して設けられることを特徴とする。
The present invention includes (a) a substantially spherical shape, a first semiconductor layer and a second semiconductor layer outside the first semiconductor layer, and a part of the first semiconductor layer is exposed from the opening of the second semiconductor layer. A plurality of photoelectric conversion elements that output photovoltaic power from the first and second semiconductor layers;
(B) a support,
An electrically insulated state is formed between the first conductor and the second conductor via an electrical insulator,
A plurality of recesses whose inner surfaces are formed by the first conductor or a coating layer formed on the first conductor are formed adjacent to each other,
The open ends of the recesses are polygonal, and the open ends adjacent to each other are continuous,
A photoelectric conversion element is disposed in each recess, and the photoelectric conversion element is irradiated with reflected light from the first conductor of the recess or the coating layer formed on the first conductor,
The first conductor is electrically connected to the second semiconductor layer of the photoelectric conversion element,
The second conductor includes a support that is electrically connected to the exposed portion of the first semiconductor layer.
Further, the present invention is characterized by being provided in rows at equal pitches.

また本発明は、前記多角形は、正6角形であることを特徴とする。
本発明に従えば、ほぼ球状の複数の各光電変換素子が、支持体の複数の各凹部にそれぞれ配置され、この凹部の内面は、第1導体または第1導体上に形成された被覆層によって形成され、したがって太陽光などの外部からの光は、光電変換素子に直接に照射されるとともに、凹部内面の第1導体または第1導体上に形成された被覆層によって反射されて光電変換素子に照射される。
In the invention, it is preferable that the polygon is a regular hexagon.
According to the present invention, each of the plurality of substantially spherical photoelectric conversion elements is disposed in each of the plurality of recesses of the support, and the inner surface of the recess is formed by the first conductor or the coating layer formed on the first conductor. Thus, external light such as sunlight is directly applied to the photoelectric conversion element, and is reflected by the first conductor on the inner surface of the recess or the coating layer formed on the first conductor to the photoelectric conversion element. Irradiated.

光電変換素子は、凹部内に配置されるので、相互に間隔をあけて設けられ、すなわち光電変換素子が密に配置されることは無い。したがって光電変換素子の個数を減少して光電変換素子を構成する高純度のたとえばSiなどの材料の使用量を低減することができるとともに、光電変換素子と支持体の導体との接続工程を容易にすることができる。   Since the photoelectric conversion elements are arranged in the recesses, they are provided with a space therebetween, that is, the photoelectric conversion elements are not densely arranged. Therefore, the number of photoelectric conversion elements can be reduced to reduce the amount of high-purity material such as Si constituting the photoelectric conversion elements, and the process of connecting the photoelectric conversion elements and the conductor of the support can be facilitated. can do.

しかも複数の凹部は、相互に隣接して形成され、これによって外部からの光は、凹部内面で反射して光電変換素子に照射し、外部からの光を有効に、光電変換素子の光起電力の発生のために、利用することができる。こうして本発明の光電変換素子の光源に臨む単位面積あたりの発電電力をできるだけ大きくすることができる。   In addition, the plurality of recesses are formed adjacent to each other, whereby external light is reflected from the inner surface of the recess and irradiates the photoelectric conversion element, so that the light from the outside is effectively used, and the photovoltaic power of the photoelectric conversion element Can be used for the generation of Thus, the generated power per unit area facing the light source of the photoelectric conversion element of the present invention can be increased as much as possible.

本発明の光電変換素子には、単結晶、多結晶またはアモルファスの材料から成ってもよく、シリコン系、化合物半導体系、その他の材料から成ってもよく、またたとえばpn形、pin形の各構造を有していてもよく、その他たとえば、ショットキーバリヤ形、MIS(metal-insulator-semiconductor)形、ホモ接合形、ヘテロ接合形およびその他の構成を有していてもよい。   The photoelectric conversion element of the present invention may be made of a single crystal, polycrystal, or amorphous material, and may be made of silicon, compound semiconductor, or other materials. In addition, for example, it may have a Schottky barrier type, a MIS (metal-insulator-semiconductor) type, a homojunction type, a heterojunction type, and other configurations.

中心側の第1半導体層は、外側の第2半導体層の開口部から部分的に露出しており、これらの第1および第2半導体層間から、光照射時に発生される光起電力を取出すことができる。支持体の凹部に配置された光電変換素子の第2半導体層は、支持体の第1導体に電気的に接続される。光電変換素子の内部の第1半導体層の露出部分は、第1導体とは電気絶縁体を介して設けられた第2導体に、電気的に接続される。第1導体と第2導体とが面状に形成される構造では、複数の光電変換素子は、これらの第1および第2導体によって並列接続され、大きな電流を導出することができる。   The first semiconductor layer on the center side is partially exposed from the opening of the second semiconductor layer on the outer side, and the photovoltaic force generated during light irradiation is taken out from these first and second semiconductor layers. Can do. The 2nd semiconductor layer of the photoelectric conversion element arrange | positioned at the recessed part of a support body is electrically connected to the 1st conductor of a support body. The exposed portion of the first semiconductor layer inside the photoelectric conversion element is electrically connected to a second conductor provided via an electrical insulator with respect to the first conductor. In the structure in which the first conductor and the second conductor are formed in a planar shape, the plurality of photoelectric conversion elements are connected in parallel by the first and second conductors, and a large current can be derived.

光電変換素子は、真球であってもよいけれども、真球でなくても、その外表面が、真球以外のほぼ球状であればよい。第1半導体層は、中実のほぼ球状に形成されてもよいけれども、本発明の実施の他の形態では、予め準備した芯体の外周面に第1半導体層が被覆して形成された構成であってもよく、あるいはまたほぼ球状の第1半導体層の中心付近が空胴である構成を有してもよい。   The photoelectric conversion element may be a true sphere. However, the outer surface of the photoelectric conversion element may be a substantially spherical shape other than the true sphere, even if it is not a true sphere. Although the first semiconductor layer may be formed in a substantially spherical shape, in another embodiment of the present invention, the first semiconductor layer is formed by covering the outer peripheral surface of a core body prepared in advance. Alternatively, it may have a configuration in which the vicinity of the center of the substantially spherical first semiconductor layer is a cavity.

凹部の開口端は、多角形であり、すなわち3角形以上の多角形であり、たとえば蜂の巣状の正6角形であってもよい。   The opening end of the concave portion is a polygon, that is, a polygon of a triangle or more, and may be a regular hexagon having a honeycomb shape, for example.

特に本発明に従えば、光に臨む面積内に、できるだけ多くの凹部を形成することができ、したがって凹部の内面の第1導体による反射光を、光電変換素子に反射して導くことができ、集光比を大きくすることができる。   In particular, according to the present invention, as many recesses as possible can be formed in the area facing the light, and therefore, the reflected light from the first conductor on the inner surface of the recess can be reflected and guided to the photoelectric conversion element, The light collection ratio can be increased.

また本発明は、凹部の相互に隣接する各開口端は、逆U字状に連続することを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the opening ends adjacent to each other of the recesses are continuous in an inverted U shape.

また本発明は、(a)ほぼ球状の形状を有し、第1半導体層およびそれよりも外方の第2半導体層を有し、第2半導体層の開口部から第1半導体層の一部分が露出し、第1および第2半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、
(b)支持体であって、
第1導体と第2導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、
第1導体または第1導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、
凹部の相互に隣接する各開口端は、逆U字状に連続し、
各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第1導体または第1導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、
第1導体は、光電変換素子の第2半導体層に電気的に接続され、
第2導体は、第1半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含むことを特徴とする光発電装置である。
According to the present invention, (a) the first semiconductor layer has a substantially spherical shape, has a first semiconductor layer and a second semiconductor layer outside the first semiconductor layer, and a portion of the first semiconductor layer extends from the opening of the second semiconductor layer. A plurality of photoelectric conversion elements exposed and outputting photovoltaic power from the first and second semiconductor layers;
(B) a support,
An electrically insulated state is formed between the first conductor and the second conductor via an electrical insulator,
A plurality of recesses whose inner surfaces are formed by the first conductor or a coating layer formed on the first conductor are formed adjacent to each other,
Open ends adjacent to each other of the recesses are continuous in an inverted U shape,
A photoelectric conversion element is disposed in each recess, and the photoelectric conversion element is irradiated with reflected light from the first conductor of the recess or the coating layer formed on the first conductor,
The first conductor is electrically connected to the second semiconductor layer of the photoelectric conversion element,
The second conductor includes a support that is electrically connected to the exposed portion of the first semiconductor layer.

本発明に従えば、凹部が逆U字状の屈曲部によって連なり、このことによっても、光に臨む面積内に、できるだけ多くの凹部を形成することができ、したがって凹部の内面の第1導体による反射光を、光電変換素子に反射して導くことができ、集光比を大きくすることができる。   According to the present invention, the concave portions are connected by the inverted U-shaped bent portion, and this also makes it possible to form as many concave portions as possible in the area facing the light, and accordingly, by the first conductor on the inner surface of the concave portion. The reflected light can be reflected and guided to the photoelectric conversion element, and the condensing ratio can be increased.

また本発明は、凹部は、底になるにつれて先細状に形成され、
凹部の底もしくはその周辺で、光電変換素子の第1および第2半導体層が、相互に電気的に絶縁されている第2および第1導体に、それぞれ電気的に接続されることを特徴とする。
Further, in the present invention, the concave portion is formed in a tapered shape toward the bottom,
The first and second semiconductor layers of the photoelectric conversion element are electrically connected to the second and first conductors, which are electrically insulated from each other, at or near the bottom of the recess, respectively. .

また本発明は、光電変換素子は、第2半導体層の開口部と、この開口部から露出している第1半導体層の一部分とが、一平面である構成を有することを特徴とする。   According to the invention, the photoelectric conversion element has a structure in which the opening of the second semiconductor layer and a part of the first semiconductor layer exposed from the opening are in one plane.

本発明によれば、光電変換素子の材料、特に高価なSiの使用量を大幅に低減し、さらに光電変換素子の数を減少して光電変換素子と支持体との接続作業工程を簡素化し、このようにして生産性が向上され、原価が低減される。特に本発明の光電変換素子を用いることによって、省資源、省エネルギ形の製造方法によって実現することができる。支持体の凹部の内面を形成する第1導体またはその被覆層による太陽光などの反射光を、光電変換素子に照射し、光を有効に利用することができる。第1導体またはその被覆層は、光を反射する働きを果たすとともに、光電変換素子の第2半導体層に接続されて、電流を導く働きを果たす。このような支持体の構成は単純であり、生産性が優れている。   According to the present invention, the material of the photoelectric conversion element, particularly the amount of expensive Si used is greatly reduced, and the number of photoelectric conversion elements is further reduced to simplify the connection work process between the photoelectric conversion element and the support, In this way, productivity is improved and costs are reduced. In particular, by using the photoelectric conversion element of the present invention, it can be realized by a resource-saving and energy-saving manufacturing method. Light reflected by the first conductor forming the inner surface of the concave portion of the support or its coating layer, such as sunlight, can be irradiated to the photoelectric conversion element to effectively use the light. The first conductor or the coating layer thereof serves to reflect light and is connected to the second semiconductor layer of the photoelectric conversion element to serve to guide current. The structure of such a support is simple and the productivity is excellent.

また本発明によれば、光に臨む面積内に、できるだけ多くの凹部を形成することができ、したがって凹部の内面の第1導体による反射光を、光電変換素子に反射して導くことができ、集光比を大きくすることができる。   Further, according to the present invention, it is possible to form as many recesses as possible in the area facing the light, and therefore, the reflected light from the first conductor on the inner surface of the recesses can be reflected and guided to the photoelectric conversion element, The light collection ratio can be increased.

図1は本発明の実施の一形態の光発電装置1の一部の拡大断面図であり、図2は光発電装置1の全体の構成を示す断面図であり、図3は図2に示される光発電装置1の分解斜視図である。光発電装置1は基本的に、ほぼ球状の形状を有する複数の光電変換素子2と、その光電変換素子2が搭載される支持体3とから成る組合せ体4が、透光性合成樹脂材料、たとえばPVB(ポリビニルブチラール)、EVA(エチレンビニルアセテート)などから成る充填層5内に埋設され、この充填層5には、太陽光などの光源側にポリカーボネートなどの透光性保護シート6が配置されて固定される。充填層5の保護シート6と反対側(図1の下方)の表面には、合成樹脂材料などから成る防水性裏面シート12が固定される。こうして光発電装置1の全体の形状は、偏平な板状である。   FIG. 1 is an enlarged sectional view of a part of a photovoltaic device 1 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view showing the entire configuration of the photovoltaic device 1, and FIG. 3 is shown in FIG. It is a disassembled perspective view of the photovoltaic device 1 to be obtained. The photovoltaic device 1 basically has a combination 4 consisting of a plurality of photoelectric conversion elements 2 having a substantially spherical shape and a support 3 on which the photoelectric conversion elements 2 are mounted. For example, it is embedded in a filling layer 5 made of PVB (polyvinyl butyral), EVA (ethylene vinyl acetate), etc., and a transparent protective sheet 6 such as polycarbonate is disposed on the filling layer 5 on the light source side such as sunlight. Fixed. A waterproof back sheet 12 made of a synthetic resin material or the like is fixed to the surface of the filling layer 5 opposite to the protective sheet 6 (downward in FIG. 1). Thus, the overall shape of the photovoltaic device 1 is a flat plate shape.

光電変換素子2は、第1半導体層7、およびそれよりも外方の第2半導体層8を有する。第2半導体層8には開口部9が形成される。第1半導体層7の一部分10は、開口部9から図1の下方に露出する。図1の上方から光11が照射されることによって、光電変換素子2の第1および第2半導体層7,8間から光起電力が出力される。   The photoelectric conversion element 2 includes a first semiconductor layer 7 and a second semiconductor layer 8 located outside the first semiconductor layer 7. An opening 9 is formed in the second semiconductor layer 8. A portion 10 of the first semiconductor layer 7 is exposed downward from FIG. By irradiating light 11 from above in FIG. 1, photovoltaic power is output between the first and second semiconductor layers 7 and 8 of the photoelectric conversion element 2.

支持体3は、第1導体13と第2導体14との間に電気絶縁体15がサンドイッチされ、こうして第1および第2導体13,14が、電気絶縁体15を介して電気的に絶縁されて構成される。第1および第2導体13,14は、たとえばアルミニウム箔であってもよく、そのほかの金属製シートであってもよい。電気絶縁体15は、たとえばポリイミドなどの合成樹脂材料であってもよく、そのほかの電気絶縁性材料から成ってもよい。複数の各凹部17は、隣接して形成され、この凹部17の内面は、第1導体13によって形成される。各凹部17内の底には、光電変換素子2がそれぞれ配置される。   In the support 3, an electrical insulator 15 is sandwiched between the first conductor 13 and the second conductor 14, and thus the first and second conductors 13 and 14 are electrically insulated via the electrical insulator 15. Configured. The first and second conductors 13 and 14 may be, for example, an aluminum foil or other metal sheet. The electrical insulator 15 may be a synthetic resin material such as polyimide, for example, or may be made of another electrical insulating material. The plurality of recesses 17 are formed adjacent to each other, and the inner surface of the recess 17 is formed by the first conductor 13. The photoelectric conversion elements 2 are respectively disposed on the bottoms of the recesses 17.

図4は、支持体3の一部の平面図である。凹部17の開口端18は多角形であり、たとえばこの実施の形態では蜂の巣状の正6角形であり、本発明の実施の他の形態では、たとえば3角形以上の他の多角形であってもよい。図4において開口端18の長さW1は、たとえば2mmであってもよい。相互に隣接する各開口端18は、連続し、すなわち凹部17は、図1における逆U字状の屈曲部19によって連なる。これによって光11に臨む面積内に、できるだけ多くの凹部17を形成することができ、したがって凹部17の内面の第1導体13による反射光を、光電変換素子2に反射して導くことができ、集光比を大きくすることができる。   FIG. 4 is a plan view of a part of the support 3. The open end 18 of the recess 17 is polygonal, for example, a honeycomb-shaped regular hexagon in this embodiment, and in another embodiment of the present invention, for example, other polygons having a triangular shape or more may be used. Good. In FIG. 4, the length W1 of the opening end 18 may be 2 mm, for example. Each open end 18 adjacent to each other is continuous, that is, the concave portion 17 is connected by an inverted U-shaped bent portion 19 in FIG. As a result, as many recesses 17 as possible can be formed in the area facing the light 11, and thus the reflected light from the first conductor 13 on the inner surface of the recesses 17 can be reflected and guided to the photoelectric conversion element 2, The light collection ratio can be increased.

凹部17は、底になるにつれて、たとえば放物線状に先細状に形成される。凹部17の底で、光電変換素子2の第1半導体層7が支持体3の第2導体14に接続部21で電気的に接続される。光電変換素子2の第2半導体層8は、凹部の底もしくはその周辺で、支持体3の第1導体13に電気的に接続される。   The concave portion 17 is formed in a tapered shape, for example, in a parabolic shape as it reaches the bottom. At the bottom of the recess 17, the first semiconductor layer 7 of the photoelectric conversion element 2 is electrically connected to the second conductor 14 of the support 3 through the connection portion 21. The second semiconductor layer 8 of the photoelectric conversion element 2 is electrically connected to the first conductor 13 of the support 3 at the bottom of the recess or its periphery.

図5は、光電変換素子2の支持体3に搭載される前の状態における光電変換素子31を示す断面図である。図5の光電変換素子31は、前述の図1に類似する断面構造を有する。第1半導体層7は、球状であり、n形Siから成る。第1半導体層7は、アモルファス、単結晶または多結晶であってもよい。この第1半導体層7の外方に形成される第2半導体層8は、p形Siである。この第2半導体層8は、アモルファス、単結晶または多結晶であってもよい。この第2半導体層8は、第1半導体層7よりも光学的バンドギャップを広くとれば、たとえばp形a−SiCとすれば、ワイドギャップ窓作用が達成される。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the photoelectric conversion element 31 in a state before being mounted on the support 3 of the photoelectric conversion element 2. The photoelectric conversion element 31 of FIG. 5 has a cross-sectional structure similar to that of FIG. The first semiconductor layer 7 has a spherical shape and is made of n-type Si. The first semiconductor layer 7 may be amorphous, single crystal, or polycrystalline. The second semiconductor layer 8 formed outside the first semiconductor layer 7 is p-type Si. The second semiconductor layer 8 may be amorphous, single crystal, or polycrystalline. If the second semiconductor layer 8 has a wider optical band gap than the first semiconductor layer 7, for example, p-type a-SiC, a wide gap window effect is achieved.

本発明の実施の他の形態では、図5に示される第1半導体層7は、直接遷移形半導体層によって実現され、たとえばn形導電形式を有するInAs、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、CuInS、GaAs、InGaP、CdTeから成るグループから選ばれた1種類であってもよい。この直接遷移形半導体層によって形成された第1半導体層7の上に、第2半導体層8が形成され、この第2半導体層8は、p形導電形式を有する半導体AlGaAs、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、GaAs、AlGaP、CdTeまたはそれに類似する化合物半導体のグループから選ばれた1種類である。こうしてpn接合構造が形成される。 In another embodiment of the present invention, the first semiconductor layer 7 shown in FIG. 5 is realized by a direct transition type semiconductor layer, for example, InAs, CuInSe 2 , Cu (InGa) Se 2 having n-type conductivity type, One type selected from the group consisting of CuInS, GaAs, InGaP, and CdTe may be used. A second semiconductor layer 8 is formed on the first semiconductor layer 7 formed by the direct transition semiconductor layer, and the second semiconductor layer 8 is made of a semiconductor AlGaAs, CuInSe 2 , Cu (p) having a p-type conductivity type. InGa) Se 2 , GaAs, AlGaP, CdTe, or a similar compound semiconductor group. Thus, a pn junction structure is formed.

第1および第2半導体層7,8にアモルファス半導体を用いる工程では、後述の図6のように、第1半導体層68および第2半導体層70の間に、i半導体層69を形成し、これによってpin接合構造が形成されてもよい。   In the step of using an amorphous semiconductor for the first and second semiconductor layers 7 and 8, an i semiconductor layer 69 is formed between the first semiconductor layer 68 and the second semiconductor layer 70 as shown in FIG. A pin junction structure may be formed.

図5に示される光電変換素子31を用いて、図1に示される支持体3とともに組合せ体4を製造する方法を、次に説明する。   Next, a method for manufacturing the combination 4 together with the support 3 shown in FIG. 1 using the photoelectric conversion element 31 shown in FIG. 5 will be described.

図6は、光電変換素子2と支持体3とを有する組合せ体4を製造する方法を説明するための断面図である。前述の図5に示される球状の光電変換素子2が製造された後、図6に示されるように、光電変換素子2が切削加工される。図6に示される光電変換素子2では、第2半導体層8の開口部9から第1半導体層7の一部分10が露出している。この開口部9は、中心角θ1が180°未満の範囲で平面状に形成される。中心角θ1は、たとえば45〜90°であってもよく、好ましくは60〜90°であってもよい。光電変換素子31の外径D1は、たとえば0.5〜2mmφ未満であってもよく、さらに好ましくは0.8〜1.2mmφである。開口部9の内径は、参照符D2で示される。集光比x=S1/S2は、2〜8倍であり、好ましくは4〜6倍である。   FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the combination 4 having the photoelectric conversion element 2 and the support 3. After the spherical photoelectric conversion element 2 shown in FIG. 5 is manufactured, the photoelectric conversion element 2 is cut as shown in FIG. In the photoelectric conversion element 2 shown in FIG. 6, a part 10 of the first semiconductor layer 7 is exposed from the opening 9 of the second semiconductor layer 8. The opening 9 is formed in a planar shape in a range where the central angle θ1 is less than 180 °. The central angle θ1 may be 45 to 90 °, for example, and preferably 60 to 90 °. The outer diameter D1 of the photoelectric conversion element 31 may be, for example, less than 0.5 to 2 mmφ, and more preferably 0.8 to 1.2 mmφ. The inner diameter of the opening 9 is indicated by reference numeral D2. The light collection ratio x = S1 / S2 is 2 to 8 times, preferably 4 to 6 times.

図7は、球状の光電変換素子31を切削加工して開口部9を形成する工程を説明するための断面図である。複数の球状光電変換素子31は、その上部が吸引パッド34によってそれぞれ真空吸引され、無端ベルト状研磨材35によって研磨される。研磨材35は、ローラ36,37にわたって巻掛けられて回転駆動される。   FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a process of cutting the spherical photoelectric conversion element 31 to form the opening 9. The upper portions of the plurality of spherical photoelectric conversion elements 31 are vacuum-sucked by the suction pads 34 and polished by the endless belt-shaped abrasive 35. The abrasive 35 is wound around rollers 36 and 37 and driven to rotate.

再び図6を参照して、支持体3の製造にあたって、アルミニウム箔の第1導体13が準備され、この第1導体13には接続孔39が形成される。接続孔39の内径D3は、光電変換素子2の外径D1未満であって、第2半導体層8の開口部9の内径D2を超える値に選ばれる(D1>D3>D2)。薄板状の電気絶縁体15が準備され、この電気絶縁体15には接続孔40が形成される。接続孔40の内径D4は、光電変換素子2の開口部9の内径D2未満である(D2>D4)。こうして接続孔39を有する第1導体13と接続孔40を有する電気絶縁体15とが重ねられて接着されて一体化され、これらの接続孔39,40の各軸線は一直線上に存在する。さらに第2導体14が重ねられて接着されて一体化され、偏平な支持体3aが形成される。本発明の実施の他の形態では、接続孔39を有する第1導体13と、接続孔40を有する電気絶縁体15と、第2導体14とが、同時に重ねられて接着されて一体化されてもよい。第1および第2導体13,14ならびに電気絶縁体15の厚みは、たとえば60μmであってもよい。光電変換素子2の開口部9付近は、接続孔39に嵌まり込み、電気絶縁体15の接続孔40に臨む。前記開口部9付近は、接続孔39に臨んで第1導体13上に置かれてもよい。   Referring again to FIG. 6, in manufacturing the support 3, a first conductor 13 made of aluminum foil is prepared, and a connection hole 39 is formed in the first conductor 13. The inner diameter D3 of the connection hole 39 is less than the outer diameter D1 of the photoelectric conversion element 2 and is selected to be larger than the inner diameter D2 of the opening 9 of the second semiconductor layer 8 (D1> D3> D2). A thin plate-shaped electrical insulator 15 is prepared, and a connection hole 40 is formed in the electrical insulator 15. The inner diameter D4 of the connection hole 40 is less than the inner diameter D2 of the opening 9 of the photoelectric conversion element 2 (D2> D4). Thus, the first conductor 13 having the connection hole 39 and the electrical insulator 15 having the connection hole 40 are overlapped and bonded and integrated, and the axes of these connection holes 39 and 40 are in a straight line. Furthermore, the 2nd conductor 14 is piled up, adhere | attached and integrated, and the flat support body 3a is formed. In another embodiment of the present invention, the first conductor 13 having the connection hole 39, the electrical insulator 15 having the connection hole 40, and the second conductor 14 are simultaneously overlapped and bonded and integrated. Also good. The thicknesses of the first and second conductors 13 and 14 and the electrical insulator 15 may be 60 μm, for example. The vicinity of the opening 9 of the photoelectric conversion element 2 is fitted into the connection hole 39 and faces the connection hole 40 of the electrical insulator 15. The vicinity of the opening 9 may be placed on the first conductor 13 facing the connection hole 39.

図1も併せて参照して、光電変換素子2の開口部9よりも図1の上方で第2半導体層8の開口部9を囲む外周面と、支持体3aまたは3の第1導体13の第1接続孔39付近の部分、すなわち第1接続孔39の内周面またはその第1接続孔39付近で第1接続孔39を囲む部分とが、電気的に接続される。第2半導体層8の外周面と第1導体13との接続部分44(図1参照)は、開口部9を含む仮想平面の周縁部45よりも第1導体13とは反対側(図1の上方)に位置し、これによって第1導体13が第1導体7と電気的に導通することを確実に防ぎ、またこの接続部分44は、開口部9を含む仮想平面に平行であってかつ光電変換素子2の中心46を通る仮想平面47よりも開口部9側(図1の下方)に存在する。   Referring also to FIG. 1, the outer peripheral surface surrounding the opening 9 of the second semiconductor layer 8 above the opening 9 of the photoelectric conversion element 2 and the first conductor 13 of the support 3 a or 3. A portion in the vicinity of the first connection hole 39, that is, an inner peripheral surface of the first connection hole 39 or a portion surrounding the first connection hole 39 in the vicinity of the first connection hole 39 is electrically connected. A connection portion 44 (see FIG. 1) between the outer peripheral surface of the second semiconductor layer 8 and the first conductor 13 is opposite to the first conductor 13 with respect to the peripheral portion 45 of the virtual plane including the opening 9 (see FIG. 1). This ensures that the first conductor 13 is not in electrical communication with the first conductor 7, and this connection portion 44 is parallel to the virtual plane including the opening 9 and is photoelectrically It exists on the opening 9 side (lower side in FIG. 1) than the virtual plane 47 passing through the center 46 of the conversion element 2.

その後、偏平な支持体3aがプレスによって塑性変形加工され、複数の凹部17が隣接して形成される。第2導体14は、電気絶縁体15の接続孔40から図6の上方に突出し、すなわち接続孔40を挿通して隆起するように変形されて接続部21が形成される。こうして形成された支持体3の高さH1は、たとえば約1mmであってもよい。   Thereafter, the flat support 3a is plastically deformed by pressing, and a plurality of recesses 17 are formed adjacent to each other. The second conductor 14 protrudes upward in FIG. 6 from the connection hole 40 of the electrical insulator 15, that is, is deformed so as to protrude through the connection hole 40 to form the connection portion 21. The height H1 of the support 3 formed in this way may be about 1 mm, for example.

第1半導体層7と第2導体14との電気的接続工程、および第2半導体層8と第1導体13との電気的接続工程との両工程は、いずれが先に順次的に行われてもよく、あるいはまた同時に行われてもよい。
こうして形成された凹部17内に、開口部9を有する光電変換素子2が配置される。
Both of the electrical connection process between the first semiconductor layer 7 and the second conductor 14 and the electrical connection process between the second semiconductor layer 8 and the first conductor 13 are sequentially performed first. Or may be performed simultaneously.
The photoelectric conversion element 2 having the opening 9 is disposed in the recess 17 thus formed.

本発明の実施の他の形態では、導体13/絶縁体15/導体14の3層構造を、凹部17が形成されるように塑性変形加工した後、上述の各接続孔39,40を、2種類の各レーザ光を用いて、導体13と絶縁体15とにそれぞれ形成して、支持体3を製造してもよい。   In another embodiment of the present invention, the three-layer structure of conductor 13 / insulator 15 / conductor 14 is plastically deformed so that the recess 17 is formed, and then each of the connection holes 39, 40 described above is The support 3 may be manufactured by forming the conductor 13 and the insulator 15 using each kind of laser light.

図8は、支持体3の凹部17内に光電変換素子2を配置する工程を示す簡略化した斜視図である。前述の図7において吸引パッド34で真空吸引された状態で切削加工された光電変換素子2は、その開口部9が下方に臨んだ姿勢のままで、支持体3の凹部17内に搬送されて配置される。吸引パッド34は、複数個、たとえば100個、列を成して設けられる。吸引パッド34によって光電変換素子2が凹部17内に配置された後、支持体3が進行方向42に凹部17の1ピッチだけ移動され、前述と同様にして吸引パッド34を用いて光電変換素子2を、新たな凹部17に配置する。このような動作が繰返されて全ての凹部17に光電変換素子2が配置される。その後、光電変換素子2は支持体3に凹部17の底で電気的に接続される。   FIG. 8 is a simplified perspective view showing a process of disposing the photoelectric conversion element 2 in the recess 17 of the support 3. The photoelectric conversion element 2 that has been cut while being vacuum-sucked by the suction pad 34 in FIG. 7 is conveyed into the recess 17 of the support 3 with the opening 9 facing downward. Be placed. A plurality of, for example, 100 suction pads 34 are provided in a row. After the photoelectric conversion element 2 is disposed in the concave portion 17 by the suction pad 34, the support 3 is moved by one pitch of the concave portion 17 in the traveling direction 42, and the photoelectric conversion element 2 is used by using the suction pad 34 as described above. Is placed in a new recess 17. Such an operation is repeated to arrange the photoelectric conversion elements 2 in all the recesses 17. Thereafter, the photoelectric conversion element 2 is electrically connected to the support 3 at the bottom of the recess 17.

光電変換素子2の第1半導体層7は、開口部32で露出し、第2導体14の接続孔40で接続部21に電気的に接続される。また光電変換素子2の第2半導体層8は、開口部9の上部の外周部が第1導体13の接続孔39付近の部分と電気的に接続される。これらの第1および第2導体13,14と光電変換素子2の第2および第1半導体層8,7との電気的な各接続は、たとえばレーザ光を用いて共晶によって、または導電性ペーストを用いて、もしくは金属バンプを用いて電気的に接続されてもよい。こうして鉛を含むはんだを用いることなく、電気的接続を行うことができ、環境の保護の観点から好ましい。   The first semiconductor layer 7 of the photoelectric conversion element 2 is exposed at the opening 32 and is electrically connected to the connection portion 21 through the connection hole 40 of the second conductor 14. In the second semiconductor layer 8 of the photoelectric conversion element 2, the outer periphery of the upper portion of the opening 9 is electrically connected to the portion near the connection hole 39 of the first conductor 13. Each electrical connection between the first and second conductors 13 and 14 and the second and first semiconductor layers 8 and 7 of the photoelectric conversion element 2 is performed by eutectic crystal using, for example, laser light or conductive paste. Or may be electrically connected using metal bumps. Thus, electrical connection can be made without using lead-containing solder, which is preferable from the viewpoint of environmental protection.

図9は、光電変換素子2と支持体3とを有する組合せ体4,4bが接続された状態を示す斜視図である。組合せ体4,4bの外方に延びる平面状の周辺部61,61bで、電気的な接続が行われる。   FIG. 9 is a perspective view illustrating a state in which the combination bodies 4 and 4b including the photoelectric conversion element 2 and the support body 3 are connected. Electrical connection is made at the planar peripheral portions 61 and 61b extending outward of the combination bodies 4 and 4b.

図10は、図9に示される組合せ体4,4bの周辺部61,61b付近の分解断面図である。一方の組合せ体4の支持体3の第1導体13の上に、他方の支持体3bの第2導体14が、重ねられて電気的に接続され、固定される。こうして複数の支持体3,3b毎の光電変換素子2による光起電力を直列接続し、したがって希望する高い電圧を取り出すことができる。   FIG. 10 is an exploded cross-sectional view of the vicinity of the peripheral portions 61 and 61b of the combination bodies 4 and 4b shown in FIG. On the first conductor 13 of the support 3 of one combination 4, the second conductor 14 of the other support 3 b is overlapped and electrically connected and fixed. Thus, the photovoltaic power generated by the photoelectric conversion elements 2 for each of the plurality of supports 3 and 3b can be connected in series, so that a desired high voltage can be taken out.

図11は、組合せ体4,4b,4cを電気的に接続した状態を示す簡略化した側面図である。隣接する一方の組合せ体4の周辺部61の上または下に他方の組合せ体4bの周辺部61bを重ねて、電気的に前述のように接続する。さらに組合せ体4bの前述の周辺部61bと反対側の周辺部61b1は、隣接する組合せ体4cの周辺部61cに上下に重ねられて電気的に接続される。組合せ体4bの一方の周辺部61bが、組合せ体4の周辺部61bの下方に図11に示されるように配置される構成では、他方の周辺部61b1は、組合せ体4cの周辺部61cの上方に配置され、こうしていわば2段状に交互に上下に組合されて、接続される。周辺部61,61b;61b1,61cの図11における左右方向の重なった長さL61は、たとえば1mmであってもよい。   FIG. 11 is a simplified side view showing a state where the combination bodies 4, 4b, 4c are electrically connected. The peripheral part 61b of the other combination 4b is overlapped on or below the peripheral part 61 of the adjacent one of the combinations 4 and electrically connected as described above. Further, the peripheral portion 61b1 on the opposite side of the peripheral portion 61b of the combination 4b is vertically connected to and electrically connected to the peripheral portion 61c of the adjacent combination 4c. In the configuration in which one peripheral portion 61b of the combination body 4b is arranged below the peripheral portion 61b of the combination body 4 as shown in FIG. 11, the other peripheral portion 61b1 is above the peripheral portion 61c of the combination body 4c. In this way, they are connected in the form of two-tiered alternating top and bottom. The length L61 of the peripheral portions 61, 61b; 61b1, 61c overlapping in the left-right direction in FIG. 11 may be, for example, 1 mm.

図12は、隣接する組合せ体4,4bの電気的な接続構造を示す断面図である。一方の組合せ体4の周辺部61は、立上っており、他方の組合せ体4bの周辺部61bは立下って形成される。周辺部61における導体14と、周辺部61bの導体13とが電気的に接続される。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing an electrical connection structure between adjacent combination bodies 4 and 4b. The peripheral part 61 of one combination 4 rises and the peripheral part 61b of the other combination 4b falls. The conductor 14 in the peripheral part 61 and the conductor 13 in the peripheral part 61b are electrically connected.

図13は、本発明の実施の他の形態における組合せ体4,4bの電気的接続状態を示す断面図である。この実施の形態は、図12の実施の形態に類似するけれども、特にこの実施の形態では、組合せ体4の立上った周辺部61の導体13が、組合せ体4bの立下った周辺部61bの導体14に電気的に接続される。このような図12および図13の接続構造によれば、支持体3,3bの凹部を近接し、限られた面積にできるだけ多くの凹部および光電変換素子を配置することができるようになる。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing an electrical connection state of the combination bodies 4 and 4b according to another embodiment of the present invention. This embodiment is similar to the embodiment of FIG. 12, but in this embodiment in particular, the conductor 13 of the peripheral portion 61 rising of the combination 4 is connected to the peripheral portion 61b of the combination 4b. The conductor 14 is electrically connected. According to the connection structure shown in FIGS. 12 and 13, the concave portions of the supports 3 and 3b can be brought close to each other, and as many concave portions and photoelectric conversion elements as possible can be arranged in a limited area.

図14は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の一部の断面図である。図14および後述の図15〜図20では、各半導体層は、周方向に展開した偏平な形状で示されているけれども、実際には、円弧状に半径方向内方から外方にすなわち各図面の下方から上方に向かって順次的に、積層して球面を有して形成されている。   FIG. 14 is a partial cross-sectional view of a photoelectric conversion element 2 according to another embodiment of the present invention. In FIG. 14 and FIGS. 15 to 20 described later, each semiconductor layer is shown as a flat shape developed in the circumferential direction. The layers are sequentially laminated from the bottom to the top to form a spherical surface.

図14では、光電変換素子の半径方向内方から外方に向かって順次的に、n形微結晶(μc)Si層63、n形多結晶(poly)Si層64/p形a−SiC層65/p形微結晶SiC層66のダブルヘテロ接合層を有する構成を有する。このようなpn接合を有する光電変換素子の構成は、表1に示す。   In FIG. 14, the n-type microcrystalline (μc) Si layer 63, the n-type polycrystalline (poly) Si layer 64 / p-type a-SiC layer sequentially from the radially inner side to the outer side of the photoelectric conversion element. The structure has a double heterojunction layer of 65 / p type microcrystalline SiC layer 66. The structure of the photoelectric conversion element having such a pn junction is shown in Table 1.

Figure 0003754431
Figure 0003754431

図15は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。各半導体層68,69,70は、前述の表1の構成を有する。本発明の実施の他の形態では、図15の光電変換素子2において、半導体層68として、n形の単結晶または多結晶のSiが用いられてもよい。   FIG. 15 is a cross-sectional view of a photoelectric conversion element 2 according to another embodiment of the present invention. Each of the semiconductor layers 68, 69, and 70 has the configuration shown in Table 1 above. In another embodiment of the present invention, n-type single crystal or polycrystalline Si may be used as the semiconductor layer 68 in the photoelectric conversion element 2 of FIG.

図16は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。各半導体層の具体的な構成は、前述の表1に示されるとおりである。本発明の実施の他の形態では、この図16における半導体層73,74は、n形結晶Siであってもよい。また半導体層74は、i形微結晶Siであってもよい。   FIG. 16 is a cross-sectional view of a photoelectric conversion element 2 according to another embodiment of the present invention. The specific configuration of each semiconductor layer is as shown in Table 1 above. In another embodiment of the present invention, the semiconductor layers 73 and 74 in FIG. 16 may be n-type crystal Si. The semiconductor layer 74 may be i-type microcrystalline Si.

図17は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。図17〜図20の光電変換素子2は、2接合のスタック構造を有する。本発明の実施の他の形態では、3接合以上のスタック構造を有する光電変換素子2が用いられてもよい。図17〜図20の各光電変換素子2の具体的な構成は、表2に示されるとおりである。   FIG. 17 is a cross-sectional view of a photoelectric conversion element 2 according to another embodiment of the present invention. The photoelectric conversion element 2 of FIGS. 17 to 20 has a two-junction stack structure. In another embodiment of the present invention, a photoelectric conversion element 2 having a stack structure of three or more junctions may be used. The specific configuration of each photoelectric conversion element 2 in FIGS. 17 to 20 is as shown in Table 2.

Figure 0003754431
Figure 0003754431

図17において、内部セル81の外方に外部セル82が形成される。半導体層84は、n形アモルファスSiであってもよく、半導体層85はp形微結晶Siであってもよく、さらに半導体層87は微結晶SiCであってもよい。半導体層86のpin接合層は、光電変換素子2の半径方向内方から外方に順次的にp形、i形およびn形の各半導体層が積層されて構成されてもよいが、本発明の実施の他の形態では、内部セル81の半導体層84,85の導電形式を図17とは逆にし、外部セル82の半導体層86,87の導電形式を図17とは逆とし、この半導体層86では、n形、i形およびp形の半導体層が順次的に形成されてもよく、このことは前述のとおりであって、そのほかの構成を有するpin接合層を備えた光電変換素子2に関して同様である。   In FIG. 17, an external cell 82 is formed outside the internal cell 81. The semiconductor layer 84 may be n-type amorphous Si, the semiconductor layer 85 may be p-type microcrystalline Si, and the semiconductor layer 87 may be microcrystalline SiC. The pin junction layer of the semiconductor layer 86 may be configured by sequentially stacking p-type, i-type, and n-type semiconductor layers from the radially inner side to the outer side of the photoelectric conversion element 2. In another embodiment of the present invention, the conductivity type of the semiconductor layers 84 and 85 of the internal cell 81 is reversed from that of FIG. 17, and the conductivity type of the semiconductor layers 86 and 87 of the external cell 82 is reversed from that of FIG. In the layer 86, n-type, i-type, and p-type semiconductor layers may be sequentially formed. This is as described above, and the photoelectric conversion element 2 including the pin junction layer having the other configuration. The same is true for.

図18は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。内部セル101と外部セル102とには、半導体層103〜106;107〜111が積層されて構成される。   FIG. 18 is a cross-sectional view of a photoelectric conversion element 2 according to another embodiment of the present invention. The internal cell 101 and the external cell 102 are configured by stacking semiconductor layers 103 to 106; 107 to 111.

図19は、本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。内部セル112と外部セル113とには、半導体層114〜117;118〜122が積層されて構成される。半導体層117に代えて、p形アモルファスSiOであってもよい。半導体層121も同様に、p形アモルファスSiOであってもよい。   FIG. 19 is a cross-sectional view of a photoelectric conversion element 2 according to another embodiment of the present invention. The internal cell 112 and the external cell 113 are configured by stacking semiconductor layers 114 to 117 and 118 to 122. Instead of the semiconductor layer 117, p-type amorphous SiO may be used. Similarly, the semiconductor layer 121 may be p-type amorphous SiO.

図20は、本発明のさらに他の実施の形態の光電変換素子2の断面図である。内部セル124と外部セル125とは、半導体層126〜129;130〜134が形成される。半導体層129に代えて、p形アモルファスSiOが用いられてもよい。
本発明の光電変換素子2は、前述の構成以外の構成を有していてもよい。
FIG. 20 is a cross-sectional view of a photoelectric conversion element 2 according to still another embodiment of the present invention. In the internal cell 124 and the external cell 125, semiconductor layers 126 to 129 and 130 to 134 are formed. Instead of the semiconductor layer 129, p-type amorphous SiO may be used.
The photoelectric conversion element 2 of the present invention may have a configuration other than the above-described configuration.

本発明の実施の他の形態では、支持体3に代えて、たとえばポリカーボネートなどの電気絶縁性合成樹脂材料などの射出成形などの成形によって凹部を形成し、その表面に、Niなどの導電性材料をメッキして、第1および第2導体を形成し、支持体を製造してもよい。第1および第2導体は、たとえばアルミニウム箔であってもよいが、Crメッキによって、またはAgメッキによって形成されてもよく、さらにこれらの金属Ni、Cr、Al、Ag等を蒸着もしくはスパッタ等により形成してもよい。第1導体の上には、被覆層が形成されてもよく、この被覆層は、たとえばメッキなどによって形成される金属製であってもよく、または合成樹脂製であってもよい。   In another embodiment of the present invention, instead of the support 3, a recess is formed by injection molding such as an electrically insulating synthetic resin material such as polycarbonate, and a conductive material such as Ni is formed on the surface thereof. May be plated to form first and second conductors to produce a support. The first and second conductors may be, for example, an aluminum foil, but may be formed by Cr plating or Ag plating. Further, these metals Ni, Cr, Al, Ag, etc. are deposited or sputtered. It may be formed. A coating layer may be formed on the first conductor, and this coating layer may be made of metal formed by plating or the like, or may be made of synthetic resin.

本発明は、次の実施の形態が可能である。
(1)(a)ほぼ球状の形状を有し、第1半導体層およびそれよりも外方の第2半導体層を有し、第2半導体層の開口部から第1半導体層の一部分が露出し、第1および第2半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、(b)支持体であって、第1導体と第2導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、第1導体または第1導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第1導体または第1導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、第1導体は、光電変換素子の第2半導体層に電気的に接続され、第2導体は、第1半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含むことを特徴とする光発電装置。
The following embodiments are possible for the present invention.
(1) (a) It has a substantially spherical shape, has a first semiconductor layer and a second semiconductor layer outside the first semiconductor layer, and a part of the first semiconductor layer is exposed from the opening of the second semiconductor layer. A plurality of photoelectric conversion elements that output photovoltaic power from the first and second semiconductor layers, and (b) a support body between the first conductor and the second conductor via an electrical insulator, A plurality of recesses are formed adjacent to each other, and the inner surface is formed by the first conductor or a coating layer formed on the first conductor, and a photoelectric conversion element is disposed in each recess. The reflected light from the first conductor of the recess or the coating layer formed on the first conductor is irradiated to the photoelectric conversion element, and the first conductor is electrically connected to the second semiconductor layer of the photoelectric conversion element, The second conductor includes a support that is electrically connected to the exposed portion of the first semiconductor layer. The photovoltaic device according to claim and.

(2)光電変換素子の外径は、0.5〜2mmφであることを特徴とする光発電装置。
光電変換素子の外径は、0.5〜2mmφであり、好ましくは0.8〜1.2mmφであり、あるいはまた約1mmφであってもよい。これによって高純度のSiなどの材料の使用量を充分少なくし、しかも発生電力をできるだけ大きくすることができるようになるとともに、製造時の球状光電変換素子のハンドリングが容易であり、生産性が優れている。
(2) The photovoltaic device characterized in that the outer diameter of the photoelectric conversion element is 0.5 to 2 mmφ.
The outer diameter of the photoelectric conversion element is 0.5 to 2 mmφ, preferably 0.8 to 1.2 mmφ, or may be about 1 mmφ. As a result, the amount of high-purity Si and other materials used can be reduced sufficiently, and the generated power can be increased as much as possible. Also, the spherical photoelectric conversion element can be easily handled at the time of manufacture, and the productivity is excellent. ing.

(3)前記第2半導体層の開口部の中心角θ1は、45〜90°であることを特徴とする光発電装置。   (3) The photovoltaic device, wherein the central angle θ1 of the opening of the second semiconductor layer is 45 to 90 °.

前述のように中心角θ1を、45〜90°に選ぶことによって、さらに好ましくは60〜90°に選ぶことによって、第1および第2半導体層が、前記開口部の形成によって廃棄される量を低減し、無駄を抑制することができる。しかも中心角θ1を、このような値の範囲に選ぶことによって、第1半導体層と支持体の第2導体との電気的接続のために必要な開口部の面積を得ることができる。   As described above, by selecting the central angle θ1 to 45 to 90 °, more preferably to 60 to 90 °, the amount of the first and second semiconductor layers discarded due to the formation of the opening is reduced. Can be reduced and waste can be suppressed. In addition, by selecting the central angle θ1 in such a range of values, the area of the opening necessary for electrical connection between the first semiconductor layer and the second conductor of the support can be obtained.

(4)支持体に形成された凹部の開口端は、たとえば蜂の巣状の多角形であり、相互に隣接する各開口端は、連続し、凹部は、底になるにつれて先細状に形成され、凹部の底もしくはその周辺で、光電変換素子の第1および第2半導体層が、相互に電気的に絶縁されている第2および第1導体に、それぞれ電気的に接続されることを特徴とする光発電装置。   (4) The opening end of the recess formed in the support is, for example, a honeycomb-shaped polygon, each opening end adjacent to each other is continuous, and the recess is formed in a tapered shape toward the bottom. The first and second semiconductor layers of the photoelectric conversion element are electrically connected to the second and first conductors, which are electrically insulated from each other, at or near the bottom of the light source, respectively. Power generation device.

(5)支持体の凹部の底もしくはその周辺で、第1導体には、円形の第1接続孔39が形成されるとともに、電気絶縁体には、第1接続孔39の軸線を含む一直線上に軸線を有する円形の第2接続孔40が形成され、光電変換素子の前記開口部付近は、第1接続孔39に嵌まり込み、第2半導体層の開口部の上部の外周面と第1導体の第1接続孔39の端面もしくは端面付近の部分とが、電気的に接続され、前記開口部から露出した第1半導体層の前記部分が、第2接続孔40を介して第2導体に電気的に接続されることを特徴とする光発電装置。   (5) A circular first connection hole 39 is formed in the first conductor at or near the bottom of the concave portion of the support, and the electric insulator is on a straight line including the axis of the first connection hole 39. A circular second connection hole 40 having an axis is formed, and the vicinity of the opening of the photoelectric conversion element is fitted into the first connection hole 39, and the first outer peripheral surface of the opening of the second semiconductor layer and the first The end surface of the first connection hole 39 of the conductor or a portion near the end surface is electrically connected, and the portion of the first semiconductor layer exposed from the opening is connected to the second conductor via the second connection hole 40. A photovoltaic device characterized by being electrically connected.

(6)光電変換素子の外径をD1とし、前記第2半導体層の開口部の内径をD2とし、第1接続孔39の内径をD3とし、第2接続孔40の内径をD4とするとき、D1>D3>D2>D4に選ぶことを特徴とする光発電装置。   (6) When the outer diameter of the photoelectric conversion element is D1, the inner diameter of the opening of the second semiconductor layer is D2, the inner diameter of the first connection hole 39 is D3, and the inner diameter of the second connection hole 40 is D4. , D1> D3> D2> D4.

第1導体の第1接続孔39に、光電変換素子の前記開口部付近が嵌まり込み、その開口部から露出した第1半導体層の前記一部分が、支持体の電気絶縁体に形成された第2接続孔40を介して第2導体に、電気的に接続される。これによって第1導体、電気絶縁体および第2導体を有する支持体の第1および第2導体を、光電変換素子の第2および第1半導体層と電気的に容易にそれぞれ接続することができるようになる。   The vicinity of the opening of the photoelectric conversion element is fitted into the first connection hole 39 of the first conductor, and the part of the first semiconductor layer exposed from the opening is formed on the electrical insulator of the support. It is electrically connected to the second conductor via the two connection holes 40. As a result, the first and second conductors of the support having the first conductor, the electrical insulator, and the second conductor can be easily and electrically connected to the second and first semiconductor layers of the photoelectric conversion element, respectively. become.

第2半導体層と第1導体との電気的接続に関して、前述の図1の開口部9よりも上方で第2半導体層の開口部9の上部の外周面と、第1導体の第1接続孔39の端面もしくは端面付近の部分、すなわち第1接続孔39の内周面および/またはその第1接続孔39付近で第1接続孔39を囲む部分とが、電気的に接続される。   Regarding the electrical connection between the second semiconductor layer and the first conductor, the outer peripheral surface above the opening 9 of the second semiconductor layer above the opening 9 in FIG. 1 and the first connection hole of the first conductor. The end surface of 39 or a portion in the vicinity of the end surface, that is, the inner peripheral surface of the first connection hole 39 and / or the portion surrounding the first connection hole 39 in the vicinity of the first connection hole 39 are electrically connected.

第1半導体層7の開口部9から露出した部分10には、第2導体14が第2接続孔40を挿通して、たとえば隆起して塑性変形されて電気的に接続されてもよく、または第2接続孔40に設けられた導電性ペーストによって、もしくは金属などの導電性バンプなどによって、第2導体14に電気的に接続されてもよい。   The second conductor 14 may be inserted into the second connection hole 40 in the portion 10 exposed from the opening 9 of the first semiconductor layer 7, for example, raised and plastically deformed, or electrically connected, or The second conductor 14 may be electrically connected by a conductive paste provided in the second connection hole 40 or by a conductive bump such as a metal.

またこれらの外径D1および内径D2,D3,D4を、前述の不等式のとおりに選ぶことによって、不所望な電気的短絡を防いで、確実な電気的接続が可能になる。   Further, by selecting the outer diameter D1 and the inner diameters D2, D3, and D4 in accordance with the inequality described above, it is possible to prevent undesired electrical short-circuiting and ensure reliable electrical connection.

(7)支持体の凹部の開口端の面積をS1とし、光電変換素子の中心を含む断面積をS2とするとき、集光比x=S1/S2を、2〜8に選ぶことを特徴とする光発電装置。   (7) When the area of the opening end of the concave portion of the support is S1, and the cross-sectional area including the center of the photoelectric conversion element is S2, the light collection ratio x = S1 / S2 is selected from 2 to 8. Photovoltaic power generator.

(8)(a)ほぼ球状の形状を有し、第1半導体層およびそれよりも外方の第2半導体層を有し、第2半導体層の開口部から第1半導体層の一部分が露出し、第1および第2半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、(b)支持体であって、第1導体と第2導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、第1導体または第1導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第1導体または第1導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、第1導体は、光電変換素子の第2半導体層に電気的に接続され、第2導体は、第1半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含み、光電変換素子の外径は、0.5〜2mmφであり、支持体の凹部の開口端の面積をS1とし、光電変換素子の中心を含む断面積をS2とするとき、集光比x=S1/S2を、2〜8に選ぶことを特徴とする光発電装置。   (8) (a) It has a substantially spherical shape, has a first semiconductor layer and a second semiconductor layer outside the first semiconductor layer, and a part of the first semiconductor layer is exposed from the opening of the second semiconductor layer. A plurality of photoelectric conversion elements that output photovoltaic power from the first and second semiconductor layers, and (b) a support body between the first conductor and the second conductor via an electrical insulator, A plurality of recesses are formed adjacent to each other, and the inner surface is formed by the first conductor or a coating layer formed on the first conductor, and a photoelectric conversion element is disposed in each recess. The reflected light from the first conductor of the recess or the coating layer formed on the first conductor is irradiated to the photoelectric conversion element, and the first conductor is electrically connected to the second semiconductor layer of the photoelectric conversion element, The second conductor includes a support electrically connected to the exposed portion of the first semiconductor layer. The outer diameter of the photoelectric conversion element is 0.5 to 2 mmφ, where the area of the opening end of the concave portion of the support is S1, and the cross-sectional area including the center of the photoelectric conversion element is S2, the light collection ratio x = S1 / S2 is selected from 2 to 8.

(9)(a)ほぼ球状の形状を有し、第1半導体層およびそれよりも外方の第2半導体層を有し、第2半導体層の開口部から第1半導体層の一部分が露出し、第1および第2半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、(b)支持体であって、第1導体と第2導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、第1導体または第1導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第1導体または第1導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、第1導体は、光電変換素子の第2半導体層に電気的に接続され、第2導体は、第1半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含み、光電変換素子の外径は、0.8〜1.2mmφであり、支持体の凹部の開口端の面積をS1とし、光電変換素子の中心を含む断面積をS2とするとき、集光比x=S1/S2を、4〜6に選ぶことを特徴とする光発電装置。   (9) (a) It has a substantially spherical shape, has a first semiconductor layer and a second semiconductor layer outside the first semiconductor layer, and a part of the first semiconductor layer is exposed from the opening of the second semiconductor layer. A plurality of photoelectric conversion elements that output photovoltaic power from the first and second semiconductor layers, and (b) a support body between the first conductor and the second conductor via an electrical insulator, A plurality of recesses are formed adjacent to each other, and the inner surface is formed by the first conductor or a coating layer formed on the first conductor, and a photoelectric conversion element is disposed in each recess. The reflected light from the first conductor of the recess or the coating layer formed on the first conductor is irradiated to the photoelectric conversion element, and the first conductor is electrically connected to the second semiconductor layer of the photoelectric conversion element, The second conductor includes a support electrically connected to the exposed portion of the first semiconductor layer. When the outer diameter of the photoelectric conversion element is 0.8 to 1.2 mmφ, the area of the opening end of the concave portion of the support is S1, and the cross-sectional area including the center of the photoelectric conversion element is S2, the light collection ratio x = Photovoltaic generator characterized by selecting S1 / S2 as 4-6.

支持体の凹部の開口端は、たとえば蜂の巣状の多角形であり、たとえば六角形であってもよく、この凹部は底になるにつれて先細状に形成され、その底に、光電変換素子が配置され、その光電変換素子が、凹部の底もしくはその周辺で、支持体の各導体に接続される。凹部の開口端が多角形であって、各開口端が連続することによって、太陽光などの光源に臨む支持体における光電変換素子の位置以外の全面で受けた光の全てを、光電変換素子に照射することができるようになる。したがって集光比x=S1/S2を、たとえば2〜8倍として、また好ましくは4〜6倍として、いわば集光形光電変換素子を実現することができる。これによって前述のように光電変換素子の相互の間隔を大きくし、光電変換素子の個数を減少することができ、かつ支持体との電気的な接続作業工程を簡素化することができる。したがって光電変換素子の材料となる高純度半導体の使用量を減少し、安価に実施することができるようになる。支持体の構成は、比較的簡単であり、生産性に優れており、製造が容易である。   The opening end of the concave portion of the support is, for example, a honeycomb-like polygon, and may be, for example, a hexagon. The concave portion is tapered toward the bottom, and a photoelectric conversion element is disposed on the bottom. The photoelectric conversion element is connected to each conductor of the support at the bottom of the recess or the periphery thereof. The opening end of the recess is polygonal, and each opening end is continuous, so that all the light received on the entire surface other than the position of the photoelectric conversion element on the support facing the light source such as sunlight is transferred to the photoelectric conversion element. It becomes possible to irradiate. Therefore, the condensing photoelectric conversion element can be realized by setting the condensing ratio x = S1 / S2 to 2 to 8 times, and preferably 4 to 6 times, for example. As a result, the distance between the photoelectric conversion elements can be increased as described above, the number of photoelectric conversion elements can be reduced, and the electrical connection work process with the support can be simplified. Therefore, the amount of high-purity semiconductor used as a material for the photoelectric conversion element can be reduced, and it can be implemented at low cost. The structure of the support is relatively simple, excellent in productivity, and easy to manufacture.

たとえば本件発明者の実験によれば、ほぼ球状のSiから成る光電変換素子を、その外径が800〜1000μmφとなるように形成した本件光発電装置では、集光比xを4〜6倍とすれば、光発電装置で使用される全ての光電変換素子を構成するSiと同一重量のSiを、仮想上、光発電装置への光源からの光線に垂直な仮想平面への投影面積と等しい面積を有する平板に換算したときの厚みは、約90〜120μmになり、したがって発生電力1WあたりのSiの使用量は、2g未満の値で済むという画期的な結果を得られることになった。前述の結晶シリコン半導体ウエハから成る光電変換素子の第1先行技術では、結晶シリコンの厚みは、350〜500μmであり、スライスロスを含めると、約1mmとなる。そのため、第1先行技術では、発生電力1WあたりのSiの使用量は、約15〜20g程度である。したがって、Siの使用量を、前述の第1先行技術に比べて大幅に軽減することができる。   For example, according to the experiment of the present inventor, in the present photovoltaic device in which a photoelectric conversion element made of substantially spherical Si is formed so that its outer diameter is 800 to 1000 μmφ, the condensing ratio x is 4 to 6 times. Then, Si having the same weight as Si constituting all the photoelectric conversion elements used in the photovoltaic device is virtually equal to the projected area on the virtual plane perpendicular to the light beam from the light source to the photovoltaic device. When converted into a flat plate having a thickness of about 90 to 120 μm, the amount of Si used per 1 W of generated power is less than 2 g. In the first prior art of the photoelectric conversion element composed of the above-described crystalline silicon semiconductor wafer, the thickness of the crystalline silicon is 350 to 500 μm, and when the slice loss is included, it is about 1 mm. Therefore, in the first prior art, the amount of Si used per 1 W of generated power is about 15 to 20 g. Therefore, the amount of Si used can be greatly reduced as compared with the first prior art described above.

集光比xが8を超える値とすれば、光電変換素子の必要な数を減少することができ、発生電力1WあたりのSiの使用量をさらに軽減することができるが、その反面、実際には集光比xの増加とともに、凹部に入射された光エネルギの光電変換素子に吸収される光エネルギに対する比率である集光効率が悪くなり、その結果、性能の低下を招いてしまう。   If the condensing ratio x is a value exceeding 8, the necessary number of photoelectric conversion elements can be reduced, and the amount of Si used per 1 W of generated power can be further reduced. As the condensing ratio x increases, the condensing efficiency, which is the ratio of the light energy incident on the concave portion to the light energy absorbed by the photoelectric conversion element, deteriorates, resulting in a decrease in performance.

前述のとおり、光電変換素子の外径を0.5〜2mmφに選び、好ましくは0.8〜1.2mmφに選ぶとともに、集光比xを、2〜8に選び、好ましくは4〜6に選ぶことによって、光電変換素子の数を減少し、発生電力1WあたりのSiの使用量を軽減することができるとともに、光電変換素子と支持体との電気的な接続作業工程をさらに簡素化することができるようになる。このようにして光電変換素子の外径の数値選択との組合せは、光電変換素子の数を減少し、発生電力1WあたりのSiの使用量を低減するために重要である。   As described above, the outer diameter of the photoelectric conversion element is selected from 0.5 to 2 mmφ, preferably from 0.8 to 1.2 mmφ, and the light collection ratio x is selected from 2 to 8, preferably from 4 to 6. By selecting, the number of photoelectric conversion elements can be reduced, the amount of Si used per 1 W of generated power can be reduced, and the electrical connection work process between the photoelectric conversion elements and the support can be further simplified. Will be able to. Thus, the combination with the numerical value selection of the outer diameter of the photoelectric conversion element is important for reducing the number of photoelectric conversion elements and reducing the amount of Si used per 1 W of generated power.

光電変換素子の外径が0.5mmφ未満では、Siの使用量は低減するが、光電変換素子の必要な数が増加してしまい、またその外径が2mmφを超える構成では、光電変換素子の必要な数は減少するが、Siの使用量は多くなってしまう。   When the outer diameter of the photoelectric conversion element is less than 0.5 mmφ, the amount of Si used is reduced, but the required number of photoelectric conversion elements increases, and when the outer diameter exceeds 2 mmφ, Although the required number decreases, the amount of Si used increases.

集光比xが2未満では、Siの使用量を充分低減することはできず、また8を超えると、集光効率がたとえば80%未満に悪化し、性能の低下を招く結果になる。集光比xを前述の値の範囲に選ぶことによって、集光効率を80%以上とし、さらに90%以上とすることができるようになる。   If the light collection ratio x is less than 2, the amount of Si used cannot be reduced sufficiently. If it exceeds 8, the light collection efficiency deteriorates to, for example, less than 80%, resulting in performance degradation. By selecting the condensing ratio x within the above-mentioned range, the condensing efficiency can be 80% or more, and further 90% or more.

こうして、光電変換素子の外径と集光比xとを前述の数値の範囲に選び、これによって前述の第3先行技術に比べて、光電変換素子の必要な数と、発生電力1WあたりのSiの使用量とをいずれも、1/5〜1/10に激減することができるという卓越した効果が達成される。   Thus, the outer diameter of the photoelectric conversion element and the light condensing ratio x are selected within the above-mentioned numerical range, and thereby, compared with the above-described third prior art, the required number of photoelectric conversion elements and the Si per 1 W of generated power. An excellent effect is achieved in that both of the amount used can be drastically reduced to 1/5 to 1/10.

またアモルファスSi光電変換素子を用いて前述の集光比で集光した構成では、光電変換素子の温度を、アモルファスSi薄板の光電変換素子に比べて上昇させ、たとえば40〜80℃とすることができる。これによってアモルファスSi光電変換素子の劣化を抑制し、長寿命にすることが可能である。   Moreover, in the structure which condensed with the above-mentioned condensing ratio using the amorphous Si photoelectric conversion element, the temperature of a photoelectric conversion element shall be raised compared with the photoelectric conversion element of an amorphous Si thin plate, for example, shall be 40-80 degreeC. it can. Thereby, it is possible to suppress the deterioration of the amorphous Si photoelectric conversion element and to extend the life.

(10)図14のように、光電変換素子は、一方導電形式の第1半導体層64の外方に、第1半導体層よりも光学的バンドギャップが広い他方導電形式の第2半導体層65が形成されて、pn接合を有することを特徴とする光発電装置。   (10) As shown in FIG. 14, in the photoelectric conversion element, the second conductive type second semiconductor layer 65 having an optical band gap wider than that of the first semiconductor layer is disposed outside the first conductive type first semiconductor layer 64. A photovoltaic device which is formed and has a pn junction.

(11)図15および図16のように、光電変換素子は、一方導電形式の第1半導体層68,73の外方に、アモルファス真性半導体層69,74、および第1半導体層よりも光学的バンドギャップが広い他方導電形式のアモルファス第2半導体層70,76が、この順序で形成されて、pin接合を有することを特徴とする光発電装置。   (11) As shown in FIG. 15 and FIG. 16, the photoelectric conversion element is more optical than the amorphous intrinsic semiconductor layers 69 and 74 and the first semiconductor layer outside the first semiconductor layers 68 and 73 of one conductivity type. A photovoltaic device characterized in that amorphous second semiconductor layers 70 and 76 of the other conductivity type having a wide band gap are formed in this order and have a pin junction.

(12)第1半導体層は、n形Siであり、第2半導体層は、p形アモルファスSiCであることを特徴とする光発電装置。   (12) The photovoltaic device, wherein the first semiconductor layer is n-type Si and the second semiconductor layer is p-type amorphous SiC.

(13)第1半導体層であるn形Siは、n形結晶Siまたはn形微結晶(μc)Siであることを特徴とする光発電装置。   (13) The photovoltaic device, wherein the n-type Si as the first semiconductor layer is n-type crystalline Si or n-type microcrystalline (μc) Si.

異種のアモルファス半導体によってpnまたはpinのヘテロ接合窓構造を構成する。光の入射側に存在する窓材料の第2半導体層の光学的バンドギャップを、内側の第1半導体層よりも広くし、これによって第2半導体層の光吸収係数を小さくしてこの第2半導体層で光が吸収されないようにし、表面層での電子と正孔との再結合を減らし、光吸収損失を軽減し、また短波長側の感度を増してワイドギャップ窓作用を達成し、その結果、エネルギ変換効率を向上することができる。   A heterojunction window structure of pn or pin is constituted by different kinds of amorphous semiconductors. The optical band gap of the second semiconductor layer of the window material existing on the light incident side is made wider than that of the inner first semiconductor layer, thereby reducing the light absorption coefficient of the second semiconductor layer. The layer prevents light from being absorbed, reduces recombination of electrons and holes in the surface layer, reduces light absorption loss, and increases sensitivity on the short wavelength side to achieve a wide gap window effect, resulting in The energy conversion efficiency can be improved.

特にpin接合構造では、光起電力発生層である真性半導体層(i層)に、光エネルギをより多く導き入れるとともに、短波長側の感度を増してワイドギャップ窓作用を達成することができる。前述の先行技術におけるp形Si球の外方にn形Si表皮部を形成した粒子に比べて、きわめて優れたエネルギ変換動作が行われることになる。   In particular, in the pin junction structure, more optical energy can be introduced into the intrinsic semiconductor layer (i layer) that is the photovoltaic generation layer, and the sensitivity on the short wavelength side can be increased to achieve a wide gap window effect. Compared with the particles in which the n-type Si skin portion is formed outside the p-type Si sphere in the above-described prior art, an extremely superior energy conversion operation is performed.

pin接合を有する光電変換素子のi層では、光が吸収されて電子・正孔対を作って光電流を生成し輸送する役目を果たし、p層とn層とは、フェルミ準位を価電子帯と伝導帯の近くに固定して、i層で発生した電子、正孔を、両電極に運ぶ内部電界を作って光生成キャリアを収集する役目を果たす。こうしてエネルギ変換効率の向上が図られる。   In the i layer of a photoelectric conversion element having a pin junction, light is absorbed to create electron-hole pairs to generate and transport a photocurrent, and the p layer and the n layer have Fermi levels representing valence electrons. It is fixed near the band and conduction band and serves to collect photogenerated carriers by creating an internal electric field that carries electrons and holes generated in the i layer to both electrodes. Thus, the energy conversion efficiency is improved.

(14)図17のように、光電変換素子は、最内方の第1半導体層を有する内部セル81と、その内部セルの外方に形成され、最外方の第2半導体層を有する外部セル82とを含み、スタック形構造を有することを特徴とする光発電装置。   (14) As shown in FIG. 17, the photoelectric conversion element includes an inner cell 81 having an innermost first semiconductor layer and an outer cell formed outside the inner cell and having an outermost second semiconductor layer. A photovoltaic device comprising a cell 82 and having a stack structure.

(15)内部セル81は、pn接合層またはpin接合層を有し、外部セル82は、pn接合層またはpin接合層を有することを特徴とする光発電装置。   (15) The photovoltaic device characterized in that the internal cell 81 has a pn junction layer or a pin junction layer, and the external cell 82 has a pn junction layer or a pin junction layer.

(16)内部セル81は、内から外に順に、一方導電形式の第1半導体層84と、他方導電形式のアモルファスおよび/または微結晶の半導体層85とを有し、外部セル82は、内から外に順に、アモルファスpin接合層86と、このpin接合層よりも光学的バンドギャップが広いアモルファスまたは微結晶の第2半導体層87とを有することを特徴とする光発電装置。   (16) The internal cell 81 has, in order from the inside to the outside, a first semiconductor layer 84 of one conductivity type and an amorphous and / or microcrystalline semiconductor layer 85 of the other conductivity type. A photovoltaic device comprising: an amorphous pin junction layer 86 and an amorphous or microcrystalline second semiconductor layer 87 having an optical band gap wider than that of the pin junction layer.

(17)図18のように、内部セル101は、内から外に順に、一方導電形式の第1半導体層104と、他方導電形式のアモルファスおよび/または微結晶の半導体層105,106とを有し、外部セル102は、内から外に順に、一方導電形式の微結晶半導体層107と、アモルファス真性半導体層108と、他方導電形式の微結晶の第2半導体層111とを有することを特徴とする光発電装置。   (17) As shown in FIG. 18, the internal cell 101 includes, in order from the inside to the outside, a first semiconductor layer 104 having one conductivity type and amorphous and / or microcrystalline semiconductor layers 105 and 106 having the other conductivity type. The external cell 102 includes, in order from the inside to the outside, a microcrystalline semiconductor layer 107 having one conductivity type, an amorphous intrinsic semiconductor layer 108, and a second semiconductor layer 111 having a microcrystalline semiconductor type having the other conductivity type. Photovoltaic power generator.

(18)図19のように、内部セル112は、内から外に順に、一方導電形式のアモルファスの第1半導体層114と、アモルファス真性半導体層115と、他方導電形式のアモルファス半導体層117とを有し、外部セル113は、内から外に順に、一方導電形式の微結晶半導体層118と、アモルファス真性半導体層119と、他方導電形式の微結晶の第2半導体層122とを有することを特徴とする光発電装置。   (18) As shown in FIG. 19, the internal cell 112 includes, in order from the inside to the outside, an amorphous first semiconductor layer 114 having one conductivity type, an amorphous intrinsic semiconductor layer 115, and an amorphous semiconductor layer 117 having the other conductivity type. The external cell 113 includes, in order from the inside to the outside, a microcrystalline semiconductor layer 118 having one conductivity type, an amorphous intrinsic semiconductor layer 119, and a second semiconductor layer 122 having a microcrystalline semiconductor type having the other conductivity type. A photovoltaic power generator.

(19)図20のように、内部セル124は、内から外に順に、一方導電形式のアモルファスの第1半導体層126と、微結晶の真性半導体層127と、他方導電形式であって、第1半導体層よりも光学的バンドギャップが広いアモルファス半導体層129とを有し、外部セル125は、内から外に順に、一方導電形式の微結晶半導体層130と、アモルファス真性半導体層131と、他方導電形式の微結晶の第2半導体層134とを有することを特徴とする光発電装置。   (19) As shown in FIG. 20, the internal cell 124 includes, in order from the inside to the outside, the amorphous first semiconductor layer 126 having one conductivity type, the intrinsic semiconductor layer 127 having a microcrystalline structure, and the other conductivity type. And an amorphous semiconductor layer 129 having an optical band gap wider than that of one semiconductor layer. The outer cell 125 includes, in order from the inside to the outside, a microcrystalline semiconductor layer 130 of one conductivity type, an amorphous intrinsic semiconductor layer 131, and the other A photovoltaic device, comprising: a second semiconductor layer 134 of microcrystalline conductivity type.

微結晶(μc)半導体層は、導電度が高く、このような微結晶半導体層を、第1半導体層とpin接合層との間に導入することによって、光電変換効率を向上することができる。アモルファスpin接合層によって、またそのアモルファスpin接合層と第2半導体層とのヘテロ接合によって、光生成キャリアの有効な収集を行うことができるとともに、光生成キャリアの再結合の損失を軽減することができる。   The microcrystalline (μc) semiconductor layer has high conductivity, and the photoelectric conversion efficiency can be improved by introducing such a microcrystalline semiconductor layer between the first semiconductor layer and the pin junction layer. The amorphous pin junction layer and the heterojunction between the amorphous pin junction layer and the second semiconductor layer can effectively collect photogenerated carriers and reduce the recombination loss of photogenerated carriers. it can.

アモルファス半導体は、支持体の凹部の内面による反射光を受光することによって、たとえば40〜80℃に昇温され、これによって光電変換特性の劣化が抑制され、好都合である。この光電変換素子は、ほぼ球状に形成されているので、直接光および反射光を受光する単位面積あたりの光の入射エネルギが大きくなることが抑制され、このことによってもまた、光電変換特性の劣化が抑制されることになる。   An amorphous semiconductor is advantageous in that it is heated to, for example, 40 to 80 ° C. by receiving reflected light from the inner surface of the concave portion of the support, thereby suppressing deterioration in photoelectric conversion characteristics. Since this photoelectric conversion element is formed in a substantially spherical shape, it is possible to suppress an increase in incident energy of light per unit area for receiving direct light and reflected light, which also causes deterioration in photoelectric conversion characteristics. Will be suppressed.

(20)第1半導体層は、直接遷移形半導体層であることを特徴とする光発電装置。
(21)直接遷移形半導体層は、InAs、GaSb、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、CuInS、GaAs、InGaP、CdTeから成るグループから選ばれた1種類であることを特徴とする光発電装置。
(20) The photovoltaic device, wherein the first semiconductor layer is a direct transition type semiconductor layer.
(21) is direct transition type semiconductor layer, InAs, GaSb, CuInSe 2, Cu (InGa) Se 2, CuInS, GaAs, InGaP, photovoltaic device, characterized in that the one member selected from the group consisting of CdTe .

内側の第1半導体層を、光を吸収しやすい直接遷移形半導体層によって実現し、これによって電子と正孔との充分な遷移確率を得ることができ、このことによってもまた、光電変換効率を向上することができる。   The inner first semiconductor layer can be realized by a direct transition semiconductor layer that easily absorbs light, thereby obtaining a sufficient transition probability between electrons and holes. This also increases the photoelectric conversion efficiency. Can be improved.

(22)複数の支持体が隣接して配置され、各支持体の周辺部は、外方に延在して形成されており、この周辺部で、隣接する一方の支持体の第1導体と、他方の支持体の第2導体とが、重ねられて電気的に接続されることを特徴とする光発電装置。   (22) A plurality of supports are arranged adjacent to each other, and a peripheral portion of each support is formed to extend outward, and in this peripheral portion, the first conductor of one adjacent support and The photovoltaic device, wherein the second conductor of the other support is overlapped and electrically connected.

(23)前記各周辺部は、立上り部分または立下り部分を有し、立上り部分または立下り部分が重ねられて電気的に接続されることを特徴とする光発電装置。   (23) Each of the peripheral portions has a rising portion or a falling portion, and the rising portion or the falling portion is overlapped and electrically connected.

光電変換素子が搭載された複数の支持体の周辺部で、一方の支持体の第1導体と、他方の支持体の第2導体とを重ねて接続し、こうして支持体毎の光電変換素子による光起電力を直列接続し、希望する高い電圧を取り出すことができる。   At the periphery of the plurality of supports on which the photoelectric conversion elements are mounted, the first conductor of one support and the second conductor of the other support are overlapped and connected, and thus depending on the photoelectric conversion element for each support Photovoltaic power can be connected in series to extract a desired high voltage.

前述の図12および図13に示されるように、支持体の周辺部の立上り部分と立下り部分とを重ねて電気的に接続し、または立上り部分同士を、または立下り部分同士を電気的に接続するようにしてもよい。これによって支持体の凹部を近接し、限られた面積にできるだけ多くの凹部および光電変換素子を配置することができるようになる。   As shown in FIG. 12 and FIG. 13 described above, the rising part and the falling part of the peripheral part of the support are overlapped and electrically connected, or the rising parts are connected or the falling parts are electrically connected. You may make it connect. As a result, the concave portions of the support are brought close to each other, and as many concave portions and photoelectric conversion elements as possible can be arranged in a limited area.

特に、光電変換素子の外径を0.5〜2mmφ、好ましくは0.8〜1.2mmφに選ぶとともに、集光比xを2〜8、好ましくは4〜6に選ぶことによって、前述の第3先行技術に比べて発生電力1WあたりのSiの使用量と光電変換素子の必要な数とを、1/5〜1/10に激減することができるという卓越した効果を達成することができるようになる。Siの使用量を低減することによって、光発電装置を安価に実現することができるとともに、光電変換素子の数を減少して光電変換素子と支持体との電気的な接続作業工程を簡素化し、こうして生産性が向上され、このことによっても安価な光発電装置が実現されることになる。
したがって高信頼性、高効率の光発電装置を提供することができるようになる。
In particular, the outer diameter of the photoelectric conversion element is selected to be 0.5 to 2 mmφ, preferably 0.8 to 1.2 mmφ, and the condensing ratio x is selected to be 2 to 8, preferably 4 to 6, so that 3 An excellent effect that the amount of Si used per 1 W of generated power and the required number of photoelectric conversion elements can be drastically reduced to 1/5 to 1/10 as compared with the prior art can be achieved. become. By reducing the amount of Si used, the photovoltaic device can be realized at low cost, and the number of photoelectric conversion elements is reduced to simplify the electrical connection work process between the photoelectric conversion elements and the support, In this way, productivity is improved, and this also realizes an inexpensive photovoltaic device.
Therefore, a highly reliable and highly efficient photovoltaic device can be provided.

外側のアモルファス第2半導体層の光学的バンドギャップを、中心側の第1半導体層よりも広くしてpn接合またはpin接合を構成し、これによって、光の入射側の窓材料の第2半導体層で光が吸収されないようにし、表面層での再結合を減らし、ワイドギャップ窓作用を達成し、光電変換効率の向上を図ることができる。   The optical band gap of the outer amorphous second semiconductor layer is made wider than that of the first semiconductor layer on the center side to form a pn junction or pin junction, whereby the second semiconductor layer of the window material on the light incident side Thus, light can be prevented from being absorbed, recombination in the surface layer can be reduced, a wide gap window action can be achieved, and photoelectric conversion efficiency can be improved.

また、中心側の第1半導体層と、それよりも外方のpin接合層との間に、導電度の高い微結晶(μc)半導体層を介在することによって、エネルギ変換効率の向上を図ることができる。   Further, the energy conversion efficiency is improved by interposing a microcrystalline (μc) semiconductor layer having high conductivity between the first semiconductor layer on the center side and the pin junction layer on the outer side. Can do.

また、直接遷移形第1半導体層を用いて、エネルギ変換効率を向上することも可能である。
また、光電変換素子の製造が容易である。
It is also possible to improve energy conversion efficiency using the direct transition type first semiconductor layer.
Moreover, manufacture of a photoelectric conversion element is easy.

本発明の実施の一形態の光発電装置1の一部の拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the photovoltaic device 1 of one embodiment of the present invention. 光発電装置1の全体の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating the overall configuration of a photovoltaic power generation apparatus 1. 図2に示される光発電装置1の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the photovoltaic device 1 shown by FIG. 支持体3の一部の平面図である。3 is a plan view of a part of a support body 3. FIG. 光電変換素子2の支持体3に搭載される前の状態における光電変換素子31を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion element 31 in the state before mounting in the support body 3 of the photoelectric conversion element. 光電変換素子2と支持体3とを有する組合せ体4を製造する方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the method to manufacture the combination body 4 which has the photoelectric conversion element 2 and the support body 3. FIG. 真球状の光電変換素子31を切削加工して開口部32を形成する工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the process of cutting the true spherical photoelectric conversion element 31, and forming the opening part 32. FIG. 支持体3の凹部17内に光電変換素子2を配置する工程を示す簡略化した斜視図である。FIG. 6 is a simplified perspective view showing a process of placing the photoelectric conversion element 2 in the recess 17 of the support 3. 光電変換素子2と支持体3とを有する組合せ体4,4bが接続された状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state to which the combination bodies 4 and 4b which have the photoelectric conversion element 2 and the support body 3 were connected. 図9に示される組合せ体4,4bの周辺部61,61b付近の分解断面図である。FIG. 10 is an exploded sectional view of the vicinity of the peripheral portions 61 and 61b of the combination bodies 4 and 4b shown in FIG. 組合せ体4,4b,4cを電気的に接続した状態を示す簡略化した側面図である。It is the simplified side view which shows the state which connected the combination bodies 4, 4b, and 4c electrically. 隣接する組合せ体4,4bの電気的な接続構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the electrical connection structure of the adjacent combination bodies 4 and 4b. 本発明の実施の他の形態における組合せ体4,4bの電気的接続状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the electrical connection state of the combination bodies 4 and 4b in the other embodiment of this invention. 本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の一部の断面図である。It is sectional drawing of a part of photoelectric conversion element 2 of other form of implementation of this invention. 本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。It is sectional drawing of the photoelectric conversion element 2 of other form of implementation of this invention. 本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。It is sectional drawing of the photoelectric conversion element 2 of other form of implementation of this invention. 本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。It is sectional drawing of the photoelectric conversion element 2 of other form of implementation of this invention. 本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。It is sectional drawing of the photoelectric conversion element 2 of other form of implementation of this invention. 本発明の実施の他の形態の光電変換素子2の断面図である。It is sectional drawing of the photoelectric conversion element 2 of other form of implementation of this invention. 本発明のさらに他の実施の形態の光電変換素子2の断面図である。It is sectional drawing of the photoelectric conversion element 2 of other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 光発電装置
2 光電変換素子
3,3b 支持体
4 組合せ体
7 第1半導体層
8 第2半導体層
9 開口部
10 一部分
13 第1導体
14 第2導体
15 電気絶縁体
17 凹部
18 開口端
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photovoltaic device 2 Photoelectric conversion element 3, 3b Support body 4 Combination body 7 1st semiconductor layer 8 2nd semiconductor layer 9 Opening part 10 Part 13 1st conductor 14 2nd conductor 15 Electrical insulator 17 Recessed part 18 Opening end

Claims (7)

(a)ほぼ球状の形状を有し、第1半導体層およびそれよりも外方の第2半導体層を有し、第2半導体層の開口部から第1半導体層の一部分が露出し、第1および第2半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、
(b)支持体であって、
第1導体と第2導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、
第1導体または第1導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、
凹部の開口端は、多角形であり、相互に隣接する各開口端は、連続し、
各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第1導体または第1導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、
第1導体は、光電変換素子の第2半導体層に電気的に接続され、
第2導体は、第1半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含むことを特徴とする光発電装置。
(A) It has a substantially spherical shape, has a first semiconductor layer and a second semiconductor layer outside the first semiconductor layer, and a part of the first semiconductor layer is exposed from the opening of the second semiconductor layer. And a plurality of photoelectric conversion elements that output photovoltaic power from the second semiconductor layer,
(B) a support,
An electrically insulated state is formed between the first conductor and the second conductor via an electrical insulator,
A plurality of recesses whose inner surfaces are formed by the first conductor or a coating layer formed on the first conductor are formed adjacent to each other,
The open ends of the recesses are polygonal, and the open ends adjacent to each other are continuous,
A photoelectric conversion element is disposed in each recess, and the photoelectric conversion element is irradiated with reflected light from the first conductor of the recess or the coating layer formed on the first conductor,
The first conductor is electrically connected to the second semiconductor layer of the photoelectric conversion element,
The second conductor includes a support that is electrically connected to the exposed portion of the first semiconductor layer.
前記多角形は、等ピッチで列を成して設けられることを特徴とする請求項1記載の光発電装置。   The photovoltaic device according to claim 1, wherein the polygons are provided in rows at an equal pitch. 前記多角形は、正6角形であることを特徴とする請求項1または2記載の光発電装置。   The photovoltaic device according to claim 1, wherein the polygon is a regular hexagon. 凹部の相互に隣接する各開口端は、逆U字状に連続することを特徴とする請求項1〜3のうちの1つに記載の光発電装置。   4. The photovoltaic device according to claim 1, wherein the opening ends adjacent to each other of the recesses are continuous in an inverted U shape. 5. (a)ほぼ球状の形状を有し、第1半導体層およびそれよりも外方の第2半導体層を有し、第2半導体層の開口部から第1半導体層の一部分が露出し、第1および第2半導体層間から光起電力を出力する複数の光電変換素子と、
(b)支持体であって、
第1導体と第2導体との間に、電気絶縁体を介して、電気的に絶縁した状態を構成し、
第1導体または第1導体上に形成された被覆層によって内面が形成された複数の凹部が、隣接して形成され、
凹部の相互に隣接する各開口端は、逆U字状に連続し、
各凹部内に光電変換素子が配置されて凹部の第1導体または第1導体上に形成された前記被覆層による反射光が光電変換素子に照射され、
第1導体は、光電変換素子の第2半導体層に電気的に接続され、
第2導体は、第1半導体層の前記露出した部分に電気的に接続される支持体とを含むことを特徴とする光発電装置。
(A) It has a substantially spherical shape, has a first semiconductor layer and a second semiconductor layer outside the first semiconductor layer, and a part of the first semiconductor layer is exposed from the opening of the second semiconductor layer. And a plurality of photoelectric conversion elements that output photovoltaic power from the second semiconductor layer,
(B) a support,
An electrically insulated state is formed between the first conductor and the second conductor via an electrical insulator,
A plurality of recesses whose inner surfaces are formed by the first conductor or a coating layer formed on the first conductor are formed adjacent to each other,
Open ends adjacent to each other of the recesses are continuous in an inverted U shape,
A photoelectric conversion element is disposed in each recess, and the photoelectric conversion element is irradiated with reflected light from the first conductor of the recess or the coating layer formed on the first conductor,
The first conductor is electrically connected to the second semiconductor layer of the photoelectric conversion element,
The second conductor includes a support that is electrically connected to the exposed portion of the first semiconductor layer.
凹部は、底になるにつれて先細状に形成され、
凹部の底もしくはその周辺で、光電変換素子の第1および第2半導体層が、相互に電気的に絶縁されている第2および第1導体に、それぞれ電気的に接続されることを特徴とする請求項1〜5のうちの1つに記載の光発電装置。
The recess is formed in a tapered shape toward the bottom,
The first and second semiconductor layers of the photoelectric conversion element are electrically connected to the second and first conductors, which are electrically insulated from each other, at or near the bottom of the recess, respectively. The photovoltaic device according to claim 1.
光電変換素子は、第2半導体層の開口部と、この開口部から露出している第1半導体層の一部分とが、一平面である構成を有することを特徴とする請求項1〜6のうちの1つに記載の光発電装置。   The photoelectric conversion element has a configuration in which an opening of the second semiconductor layer and a part of the first semiconductor layer exposed from the opening are in one plane. A photovoltaic power generator according to one of the above.
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