JP5138976B2 - 受光又は発光用デバイス - Google Patents

Description

この発明は、粒状の受光又は発光用の半導体素子を線状の導電性部材によって電気的に接続してから樹脂封止することにより可撓性のある紐状に構成され且つ簡単に製作できる受光又は発光用デバイスに関するものである。

従来の太陽電池は、ｐ形半導体基盤の表面にｎ形拡散層を形成し、表面側に魚骨状の受光面電極を形成し、裏面側に裏面電極を形成し、全体を平板状のパネル構造に構成したものである。この平板状の太陽電池パネルでは、朝や夕方など太陽電池への太陽光の入射角度が大きくなると、表面での反射率が高くなり、太陽電池内部へ太陽光が入射する割合が低下する。

そこで、従来から、１〜２ｍｍ位の直径の球状の半導体セルからなるソーラセルを用いた太陽電池パネルが種々提案されている。例えば、本願発明者は、ＷＯ９８／１５９８３号公報に示すように、球状半導体素子からなるソーラセルや発光デバイスを提案した。これらのデバイスは、球状のｐ形又はｎ形の単結晶シリコンに拡散層とｐｎ接合と単結晶シリコンの中心を挟んだ両端に位置する１対の電極を形成してある。

前記の多数のソーラセルを、多数行多数列のマトリックス状に配置して、直並列接続し、透明な合成樹脂で埋め込み状に封止することで太陽電池パネルとなる。このソーラセルは、１対の電極が両端に形成されているため、複数のソーラセルを直列接続する上で有利であるが、複数のソーラセルをマトリックス状に整列させ、それらの多数のソーラセルを直並列状に接続することは簡単ではない。

例えば、本願発明者は２枚のプリント基板の間に複数のソーラセルをマトリックス状にサンドイッチ的に配置して直並列状に接続することを試みた。しかし、１対のプリント基板上に複数のソーラセルを精密に位置決めして多数の電極を接続し、その上に他の１枚のプリント基板を重ねて多数の電極を接続しなければならないので、太陽電池パネルの構造が複雑になり、大型化し、部品コスト、組立コストが高価になり、太陽電池パネルの製作コストが高価になる。

ここで、多数の球状のソーラセルをマトリックス状に配置した太陽電池パネルとして、種々の構造のものが提案されている。特開平６−１３６３３号公報には、２枚のアルミ箔を介して多数のソーラセルを並列接続した太陽電池パネルが提案されている。特開平９−１６２４３４号公報に記載の太陽電池パネル又は太陽電池シートにおいては、絶縁性の縦糸と、異なる金属被膜を形成した第１、第２横糸とでメッシュを構成し、ｐ形の球状単結晶シリコンの表面に拡散層を形成した球状素子を多数製作し、メッシュの各目に球状素子を配置し、第１横糸を拡散層に接続すると共に第２横糸を球状素子に接続し、それらを合成樹脂にて樹脂封止してある。

特開昭６１−１５８３７２号公報に記載の折曲可能な発光表示体においては、２本の被覆導線を平行に並べ、その被覆導線に沿って複数の固体ランプを適当間隔おきに配置し、固体ランプの両端子を被覆導線のうちの裸部にハンダ付けにより並列接続し、固体ランプと固体ランプ間において被覆導線を撚り合わせ、最後にそれら複数の固体ランプと２本の被覆導線を可撓性の被包体の内部に埋め込み状に樹脂封止してある。

実開平５−１６４００号公報に記載の装飾用長尺点滅装置においては、可撓性と光透過性のあるリボンの内部に、平行な１対の導線と、これら導線に並列接続された複数のＬＥＤ素子とを組み込み、それら導線を電源部に接続してある。別例として、前記リボンに代えて透明なチューブを用いたものも開示されている。
ＷＯ９８／１５９８３号公報 特開平６−１３６３３号公報 特開平９−１６２４３４号公報 特開昭６１−１５８３７２号公報 実開平５−１６４００号公報

特許文献３の太陽電池パネルでは、特殊な構造のメッシュの製作が容易ではなく、製作コストも高価になる。しかも、球状素子が電極を備えていないため、第１の横糸をｐ形の球状素子と合金化しない物質でコートする必要があり、第２の横糸をｐ形の球状素子と合金化して非整流性接触が可能な物質でコーティングしなければならないため、第１、第２横糸を夫々コーティングする物質が制約され、製作コストを下げるのが難しい。第２の横糸とｐ形の球状素子とを合金化する際に加熱しているが、表面に形成されたｎ形拡散層のドナーが加熱により拡散する虞があるので、ドナーに用いる物質にも制約ができ、加熱温度の制御も困難である。球状発光素子は、独立した電極がないためプリント配線に接続する前に単独で良否判別のテストが不可能である。

紐状の発光又は受光用デバイスの場合、可撓性のあること、全方向へ発光や受光が可能であること、製作するのに有利であること、などが達成できることが望ましい。

本発明の目的は、両端部にスポット状に設けられた１対の独立した電極を有する多数の粒状半導体素子を並列接続した可撓性のある１本又は２本の紐状の受光又は発光用デバイスを提供することである。

請求項１の受光又は発光用デバイスは、複数の粒状の光電変換機能又は電光変換機能を有する半導体素子を少なくとも１列状に並べて組み込んだ受光又は発光用デバイスにおいて、前記各半導体素子は、ｐ形又はｎ形の半導体製の球状の素子本体と、この素子本体の表面部に形成されたほぼ球面状のｐｎ接合と、半導体素子の両端部にスポット状に形成され且つｐｎ接合の両端に電気的に接続された正負の電極とを有し、複数の半導体素子が隣接する半導体素子との間に所定間隔あけて１列に整列され、複数の半導体素子の各対の正電極と負電極を結ぶ導電方向を列方向と直交方向に向けて揃え且つ複数の半導体素子の複数の正電極及び複数の負電極が夫々列方向に１列に並ぶ状態に整列され、前記列方向と平行に直線的に配設されて複数の半導体素子の複数の正電極と複数の負電極とに夫々電気的に接続された１対の導電性線材であって、複数の半導体素子を並列接続する可撓性のある１対の金属製の裸の導電性線材を設け、全部の半導体素子と、１対の導電性線材を埋め込み状に被覆する可撓性のある合成樹脂製の透明な被覆材を設け、可撓性のある紐状に構成され且つその列直交断面が円形に形成され、列直交方向の全方向から受光又は全方向へ発光可能に構成されたことを特徴とするものである。

請求項２の受光又は発光用半導体デバイスは、複数の粒状の光電変換機能又は電光変換機能を有する半導体素子を組み込んだ受光又は発光用デバイスにおいて、前記各半導体素子は、ｐ形又はｎ形の半導体製の球状の素子本体と、この素子本体の表面部に形成されたほぼ球面状のｐｎ接合と、半導体素子の両端部にスポット状に形成され且つｐｎ接合の両端に電気的に接続された正負の電極とを有し、複数の半導体素子が２列に整列され且つ各列の複数の半導体素子が隣接する半導体素子との間に所定間隔あけて整列され、これら２列の複数の半導体素子における各対の正電極と負電極を結ぶ導電方向を列方向と直交方向に向けて揃え且つ前記２列が並ぶ面と平行方向に向けて揃えた状態に整列すると共に、各列の複数の半導体素子の複数の正電極及び複数の負電極が夫々列方向に１列に並ぶ状態に整列され、前記列方向と平行に直線的に配設されて各列の複数の半導体素子の複数の正電極と複数の負電極とに夫々電気的に接続された２対の導電性線材であって、各列の複数の半導体素子を並列接続すると共に一方の列の複数の半導体素子をその隣りの他方の列の複数の半導体素子に電気的に直列接続する可撓性のある２対の金属製の裸の導電性線材を設け、全部の半導体素子と、２対の導電性線材を埋め込み状に被覆する可撓性のある合成樹脂製の透明な被覆材を設け、可撓性のある紐状に構成され且つその列直交断面が８の字型に形成され、列直交方向の全方向から受光又は全方向へ発光可能に構成されたことを特徴とするものである。

請求項１の受光又は発光用デバイスによれば、半導体素子の中心を挟む両端部にスポット状に設けられた１対の電極を有する複数の半導体素子を１列状に並べて組み込み、その１列の複数の半導体素子を可撓性のある１対の金属製の裸の導電性線材によって並列接続し、全部の半導体素子と１対の導電性線材を可撓性のある透明な被覆材で覆い、可撓性のある紐状に構成され且つその列直交断面が円形に形成され、列直交方向の全方向から受光又は全方向へ発光可能に構成されたので、次の効果が得られる。

１対の電極が形成された半導体素子を組み込むので、受光又は発光用デバイスの製造工程において、半田等の低融点金属によって半導体素子の電極と金属製の裸の導電性線材とを容易に電気的に接続することができる。この受光又は発光用デバイスは、可撓性のある軟質の被覆材で覆って可撓性のある紐状に構成され且つその列直交断面が円形に形成されたため、汎用性に優れたデバイスとなり、モバイル型の種々の電子機器の電源などにも適用できる。

請求項２の受光又は発光用デバイスによれば、複数の半導体素子が２列に整列されており、各列の複数の半導体素子が可撓性のある１対の金属製の裸の導電性線材で並列接続され、一方の列の複数の半導体素子とそのとなりの他方の列の複数の半導体素子が前記導電性線材で直列接続され、全部の半導体素子と２対の導電性線材を可撓性のある透明な被覆材で覆い、可撓性のある紐状に構成され且つその列直交断面が８の字型に形成され、列直交方向の全方向から受光又は全方向へ発光可能に構成されたので、基本的に請求項１と同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本実施形態は、受光用デバイスとしての紐状の太陽電池に本発明を適用した場合の一例である。最初に、この太陽電池の製造方法とその構造について説明する。まず、第１工程において、図１〜５に示すように、１２本の導電性線材４（正極線材４ａ，負極線材４ｂ）が仮止された仮止板１と、保持板２と、例えば１２０個の半導体素子３（以下、ソーラセルという）とを準備する。仮止板１は、硬質の合成樹脂（例えば、フェノール系、エポキシ系合成樹脂など）などで構成された１〜２ｍｍ程度の厚さの矩形状のものである。

この仮止板１には、保持板２を嵌め込む為の矩形状の開口部５と、開口部５を挟んで前後に対向する位置に正極線材４ａと負極線材４ｂを交互に仮止するための１２本の溝を形成した１対の突条６とを形成する。導電性線材４は、可撓性と導電性を有し、例えば直径約０．２〜０．３ｍｍ程度の金属製の裸の線材（例えば、銅、アルミ、銀、金などの線材）である。１２本の線材４は、突条６の溝に夫々仮止されて図示のように整列され、両端部が仮止用のテープ７で止められている。各対の正極線材４ａと負極線材４ｂは、ソーラセル３の直径とほぼ等しい間隔を空けて平行に配置される。保持板２は、仮止板１と同様の硬質の合成樹脂で構成された１〜２ｍｍ程度の厚さのシート状のものであり、仮止板１の開口部５に嵌め込まれる。

図２に示すように、保持板２には、ソーラセル３を嵌め込むための六角形の保持孔８が、例えば、２０行６列のマトリックス状に１２０個形成され、各列の保持孔８が各対の正極線材４ａと負極線材４ｂの間に位置するように形成され、各列における隣接する保持孔８同士の間には所定の間隔があけられている。但し、２０行６列の保持孔８は一例に過ぎず、２０行６列に限定されるものではない。

図３に示すように、粒状のソーラセル３は、ｐ形単結晶シリコンからなる例えば直径１．０〜１．５ｍｍの球状の素子本体１１と、この素子本体１１の表面部に例えばリン（Ｐ）を拡散したｎ形の拡散層１２（厚さ約０．５μｍ）と、素子本体１１と拡散層１２の境界に形成されたほぼ球面状のｐｎ接合１３と、素子本体１１のうちのｐｎ接合が形成されていない一端部に形成された平坦部１４と、素子本体１１の中心を挟む両端部にスポット状に設けられた１対の電極１５，１６（正極１５と負極１６）と、各電極１５，１６の表面に形成された半田被膜と、１対の電極１５，１６を除いて拡散層１２の表面に形成されたパッシベーション用のＳｉＯ₂ の被膜１７（厚さ約０．４μｍ）とを有する。

このソーラセル３は、例えばＷＯ９８／１５９８３号公報に、本願の発明者が提案した方法で製作することができる。この製造方法においては、ｐ形シリコンの小片を溶融させて、落下チューブの上端部から自由落下させ、表面張力の作用で球形に保持しつつ落下する間に放射冷却で凝固させて真球状の単結晶シリコンを作る。その真球状の単結晶シリコンに、公知のエッチングやマスキングや拡散処理等の技術により、拡散層１２と、平坦部１４と、１対の電極１５，１６と、パッシベーション用の被膜１７とを形成する。

前記１対の電極１５，１６は、例えば夫々アルミニウムペースト、銀ペーストを焼成して形成するが、電極１５，１６の直径は約３００〜５００μｍであり、厚さは約２００〜３００μｍである。但し、電極１５，１６はメッキ法により形成してもよく、その他の方法で形成してもよい。各ソーラセル３は、光強度１００ｍＷ／ｃｍ² の太陽光を受光すると開放電圧約０．６Ｖの光起電力を発生する。但し、ソーラセル３は、ｎ形シリコンの素子本体にｐ形の拡散層を形成し、前記同様の１対の電極やパッシベーション用の被膜を形成したものでもよい。

或いは、図４に示すように、ソーラセル３の平坦部１４を形成せずに真球状のままの素子本体１１ａに、拡散層１２ａ、ｐｎ接合１３ａ、電極１５ａ，１６ａ、ＳｉＯ₂ の被膜１７ａなどを形成した球状のソーラセル３Ａを用いてもよい。

次に、第２工程において、図５に示すように、仮止板１の開口部５に保持板２を嵌め込み、保持板２に形成された１２０個の保持孔８に、ソーラセル３を夫々嵌め込んでいく。これらのソーラセル３は、図６に示すように、ソーラセル３における電極１５，１６を結ぶ導電方向を列と直交方向に揃えて保持孔８に載置し、高さ方向中段位置を保持孔８で保持し、正極１５の半田被膜を正極線材４ａに密着させ、負極１６の半田被膜を負極線材４ｂに密着させる。ソーラセル３が保持孔８から脱落しないように、図７に示すように作業台２０の上に仮止板１と保持板２を載置した状態で、ソーラセル３を装着する。

次に、第３工程において、図６と図７に示すように、正極線材４ａと電極１５の半田被膜との接触部と、負極線材４ｂと電極１６の半田被膜との接触部に、加熱用のビーム２１（レーザビームや赤外線ビーム）を照射し、正極線材４ａと電極１５を電気的に接続すると共に、負極線材４ｂと電極１６を電気的に接続する。こうして、各列の複数のソーラセル３を線材４ａ，４ｂを介して並列接続する。

次に、第４工程において、仮止板１の開口部５から保持板２を抜き取り、各列のソーラセル３と線材４ａ，４ｂに、軟質の透明な合成樹脂（例えば、ＥＶＡ樹脂、シリコーン樹脂など）を半溶融状態にして上下両面からコーティングする。

次に、仮止板１と共に６列のソーラセル３を、成形装置の所定の金型にセットし、適度な押圧力で圧縮成形し、図８、図９に示すように、線材４ａ，４ｂと２０個のソーラセル３を埋め込み状に被覆する被覆材２２を成形する。このように成形後、被覆材２２で被覆された各列の２０個のソーラセル３を、仮止板１から外し余分な線材４ａ，４ｂを切断すると、図８に示すような、約１０ｃｍの長さの円柱形状で且つ隣接するソーラセル３同士の間には所定の間隔があるため可撓性のある紐状の太陽電池２３が完成する。

この紐状の太陽電池２３は列直交断面が円形に形成され、列直交方向の全方向から受光可能に構成され、この太陽電池２３におけるソーラセル３をダイオード記号で図示すると、この太陽電池２３の等価回路２４は図１０に示すようになる。２０個のソーラセル３が並列接続され、正極線材４ａの端部が正極端子２５ａとなり、負極線材４ｂの端部が負極端子２５ｂとなる。

この紐状の太陽電池２３の作用、効果について説明する。
各ソーラセル３は、光強度１００ｍＷ／ｃｍ² の太陽光を受光すると約０．６Ｖの光起電力を発生するため、紐状の太陽電池２３の最大起電力は約０．６Ｖである。この紐状の円柱形の太陽電池２３は、透明な光透過性の被覆材２２で被覆されているため、被覆材２２内へ入射した光の大部分がソーラセル３へ到達するため、光の利用率が高く、発電効率が高い。

この紐状の太陽電池２３を複数本並べて、それらを直列接続したり、並列接続したり、直並列接続したりして、所望の電圧と電流の光起電力を発生する可撓性のある薄型の軽量な太陽電池を構成することができる。このような可撓性のある薄型の軽量な太陽電池は、モバイル型の種々の電子機器などの電源に適用できる可能性がある。
この太陽電池２３の製造工程において、保持板２の複数の保持孔８に複数のソーラセル３を夫々組み込んで、各ソーラセル３の高さ方向中段位置を保持し、各ソーラセル３の電極１５，１６を線材４ａ，４ｂに導電可能に接続するため、多数のソーラセル３の配置、位置決め、線材４ａ，４ｂへの電気的接続を簡単に能率的に行うことができる。

次に、前記の実施形態を部分的に変更する種々の例について説明する。
図１１に示すように、複数（例えば、２本）の紐状の太陽電池２３を接近させて並べ、それらの被覆材２２Ａを一体形成した太陽電池２３Ａに構成してもよい。
この太陽電池２３Ａは、全部のソーラセル３と２対の線材４ａ，４ｂが被覆材２２Ａによって埋め込み状に被覆されて、可撓性のある紐状の太陽電池２３Ａに構成され、その列直交断面が８の字型に形成されている。

この太陽電池２３Ａにおいては、複数のソーラセル３の列方向と平行に直線的に配設される２対の線材４ａ，４ｂにより、各列の複数のソーラセル３の複数の正電極と複数の負電極とが夫々接続されて、各列の複数のソーラセル３が２対の線材４ａ，４ｂにより夫々並列接続される。さらに、一方の列の複数のソーラセル３とその隣りの他方の列の複数のソーラセル３とが正極線材４ａと負極線材４ｂを介して直列接続され、図１２の等価回路に示すように、その光起電力は約１．２Ｖになり、この太陽電池２３Ａにおいても、太陽電池２３の場合と同様の作用、効果を奏する。

本発明の実施形態に係る仮止板と導電性線材の平面図である。 保持板の平面図である。 ソーラセルの断面図である。 別のソーラセルの断面図である。 保持板を仮止板に嵌め保持孔にソーラセルを嵌め込んだ平面図である。 図５の要部拡大図である。 図５のVII −VII 線断面図である。 紐状太陽電池の斜視図である。 紐状太陽電池の断面図である。 図８の太陽電池の等価回路の回路図である。 紐状太陽電池を２列設けた太陽電池の斜視図である。 図１１の太陽電池の等価回路の回路図である。

１ 仮止板
２ 保持板
３，３Ａ ソーラセル（半導体素子）
４ａ，４ｂ 正極線材，負極線材
５ 開口部
８ 保持孔
１１，１１ａ 素子本体
１３，１３ａ ｐｎ接合
１５，１５ａ 正極
１６，１６ａ 負極
２２ 被覆材
２３，２３Ａ 紐状の太陽電池

Claims (2)

1. 複数の粒状の光電変換機能又は電光変換機能を有する半導体素子を組み込んだ受光又は発光用デバイスにおいて、
   前記各半導体素子は、ｐ形又はｎ形の半導体製の球状の素子本体と、この素子本体の表面部に形成されたほぼ球面状のｐｎ接合と、半導体素子の両端部にスポット状に形成され且つｐｎ接合の両端に電気的に接続された正負の電極とを有し、
   複数の半導体素子が隣接する半導体素子との間に所定間隔あけて１列に整列され、
   複数の半導体素子の各対の正電極と負電極を結ぶ導電方向を列方向と直交方向に向けて揃え且つ複数の半導体素子の複数の正電極及び複数の負電極が夫々列方向に１列に並ぶ状態に整列され、
   前記列方向と平行に直線的に配設されて複数の半導体素子の複数の正電極と複数の負電極とに夫々電気的に接続された１対の導電性線材であって、複数の半導体素子を並列接続する可撓性のある１対の金属製の裸の導電性線材を設け、
   全部の半導体素子と、１対の導電性線材を埋め込み状に被覆する可撓性のある合成樹脂製の透明な被覆材を設け、
   可撓性のある紐状に構成され且つその列直交断面が円形に形成され、
   列直交方向の全方向から受光又は全方向へ発光可能に構成されたことを特徴とする受光又は発光用デバイス。
2. 複数の粒状の光電変換機能又は電光変換機能を有する半導体素子を組み込んだ受光又は発光用デバイスにおいて、
   前記各半導体素子は、ｐ形又はｎ形の半導体製の球状の素子本体と、この素子本体の表面部に形成されたほぼ球面状のｐｎ接合と、半導体素子の両端部にスポット状に形成され且つｐｎ接合の両端に電気的に接続された正負の電極とを有し、
   複数の半導体素子が２列に整列され且つ各列の複数の半導体素子が隣接する半導体素子との間に所定間隔あけて整列され、
   これら２列の複数の半導体素子における各対の正電極と負電極を結ぶ導電方向を列方向と直交方向に向けて揃え且つ前記２列が並ぶ面と平行方向に向けて揃えた状態に整列すると共に、各列の複数の半導体素子の複数の正電極及び複数の負電極が夫々列方向に１列に並ぶ状態に整列され、
   前記列方向と平行に直線的に配設されて各列の複数の半導体素子の複数の正電極と複数の負電極とに夫々電気的に接続された２対の導電性線材であって、各列の複数の半導体素子を並列接続すると共に一方の列の複数の半導体素子をその隣りの他方の列の複数の半導体素子に電気的に直列接続する可撓性のある２対の金属製の裸の導電性線材を設け、
   全部の半導体素子と、２対の導電性線材を埋め込み状に被覆する可撓性のある合成樹脂製の透明な被覆材を設け、
   可撓性のある紐状に構成され且つその列直交断面が８の字型に形成され、
   列直交方向の全方向から受光又は全方向へ発光可能に構成されたことを特徴とする受光又は発光用デバイス。