JP3776098B2

JP3776098B2 - 光発電装置

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Publication number: JP3776098B2
Application number: JP2003338061A
Authority: JP
Inventors: 圭弘浜川; 幹男室園; 秀行 ▲高▼倉
Original assignee: 圭弘浜川; 幹男室園; 秀行 ▲高▼倉
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP2004104138A

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、
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に選び、
各凹部内の底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、集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２を、４〜６に選ぶことを特徴とする。
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。

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。

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。
凹部の開口端は、後述の図４に示されるように多角形であり、これによって光に臨む面積内に、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導体または第１導体上に形成された被覆層による反射光を、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。

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。

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。

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。

本発明に従えば、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し、このように集光比を適切に選ぶことによって、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、安価に本発明を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。

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。したがって本発明では、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。

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。

また本発明は、各光電変換素子は、各凹部内に配置されることを特徴とする。
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。

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は、一平面である構成を有することを特徴とする。

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。

特に本発明によれば、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。光発電装置１の全体の構成を示す断面図である。図２に示される光発電装置１の分解斜視図である。支持体３の一部の平面図である。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。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。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。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。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。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。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。隣接する組合せ体４，４ｂの電気的な接続構造を示す断面図である。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。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。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。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。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。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。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。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。

符号の説明

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

Claims

（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、
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に選び、
各凹部内の底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。
集光比ｘ＝Ｓ１／Ｓ２を、４〜６に選ぶことを特徴とする請求項１記載の光発電装置。
各光電変換素子は、各凹部内に配置され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。
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１〜３のうちの１つに記載の光発電装置。
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は、一平面である構成を有することを特徴とする請求項１〜４のうちの１つに記載の光発電装置。