JP5628456B1 - ソーラー二次電池ならびにそれらの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】二次電池の容量を向上させる。【解決手段】本開示の実施形態におけるソーラー二次電池は、太陽電池と二次電池とを備えたソーラー二次電池であって、ソーラー二次電池における光入射面とは反対の面に沿って配列された複数の周期単位構造物を備える。各周期単位構造物は、第１の面から遠ざかる方向に突出する正極層および負極層と、これらの間の固体電解質とを含んでいる。【選択図】図１１

Description

本開示は、二次電池、および当該二次電池と太陽電池とが組み合わせられたソーラー二次電池、ならびに、それらの製造方法に関する。
充電および放電を繰り返すことの可能な二次電池が広く普及している。
一方、シリコン等の半導体基板による光起電力効果を利用した太陽電池は、従来から光エネルギーを電力に変換する光電変換装置として多用されている。また太陽電池の出力を有効に利用するために、太陽電池が出力した電力を蓄えるとともに、この蓄えた電力を放出して各種の負荷に供給する二次電池と、太陽電池とが一体化されたソーラー二次電池も広く知られている。このようなソーラー二次電池は例えば特許文献１に開示されている。
太陽電池の光電変換を向上するため、一般に太陽電池は薄膜状に形成される。このような太陽電池と二次電池とを組み合わせてコンパクトなソーラー二次電池を構成する場合、光の入射面の裏面に二次電池が配置される。二次電池は特許文献１に示されるように、太陽電池の裏面に順次、正極層、電解質層、負極層を積層して構成される。
特許文献２は、太陽電池を開示している。
特開２０１１−８９７６号公報 特開２０１２−６９５３８号公報
二次電池の容量を向上させることが求められている。特許文献１に開示されているような構成を備えた二次電池では、正極層、電解質層、および負極層の面積を拡大すれば、容量を向上させることができる。しかし、特許文献１の二次電池の場合、正極層、電解質層、および負極層の面積を拡大しても、基板の単位面積当たりの容量（容量密度）は上昇しない。容量密度を高めるには、基板上に設けられる正極層、電解質層、および負極層の積層数を増やせば良いが、積層数を大幅に増加させることは困難である。
本開示の実施形態は、容量密度の向上に寄与する構成を提供する。
本開示の二次電池は、ある態様によると、第１の面を有する絶縁体と、前記絶縁体の前記第１の面上に設けられた第１配線パターンおよび第２配線パターンと、前記第１の面に沿って第１の方向に配列された複数の周期単位構造物とを備え、前記複数の周期単位構造物の各々は、前記第１の面から遠ざかる方向に突出し、イオンを吸蔵または放出することができる第１電極と、前記第１の面から遠ざかる方向に突出し、前記イオンを吸蔵または放出することができる第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、前記イオンを伝導させる固体電解質とを含み、前記第１電極、前記固体電解質、前記第２電極が前記第１の方向に積層された構造を有し、前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ、前記第１配線パターンおよび前記第２配線パターンに電気的に接続されている。
本開示の二次電池の製造方法は、ある態様によると、第１配線パターンおよび第２配線パターンを表面に有する基板構造体を用意する工程と、前記基板構造体に支持された二次電池本体を形成する工程とを含み、前記二次電池本体は、第１の面に沿って第１の方向に配列された複数の周期単位構造物を備え、前記複数の周期単位構造物の各々は、前記第１の面から遠ざかる方向に突出し、イオンを吸蔵または放出することができる第１電極と、前記第１の面から遠ざかる方向に突出し、前記イオンを吸蔵または放出することができる第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、前記イオンを伝導させる固体電解質とを含み、前記第１電極、前記固体電解質、前記第２電極が前記第１の方向に積層された構造を有し、前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ、前記第１配線パターンおよび前記第２配線パターンに電気的に接続されている。
本開示のソーラー二次電池は、太陽電池と二次電池とを備えたソーラー二次電池であって、ある態様によると、前記太陽電池は、第１の主面、第２の主面、前記第１の主面と前記第２の主面との間に位置する半導体層、ならびに、前記第１の主面および前記第２の主面の少なくとも一方に設けられた第１電極層および第２電極層を有し、前記第１の主面は光入射面として機能し、前記二次電池は、前記太陽電池の前記第２の主面に沿って配列された複数の周期単位構造物を備え、前記複数の周期単位構造物の各々は、前記第２の主面から遠ざかる方向に突出し、イオンを吸蔵または放出することができる第１電極と、前記第２の主面から遠ざかる方向に突出し、前記イオンを吸蔵または放出することができる第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、前記イオンを伝導させる固体電解質とを含み、前記第１電極、前記固体電解質、前記第２電極が前記第１の方向に積層された構造を有し、前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ、前記太陽電池の前記第１電極層および前記第２電極層に電気的に接続されている。
ソーラー二次電池の製造方法は、ある態様によると、第１の主面、第２の主面、前記第１の主面と前記第２の主面との間に位置する半導体層、ならびに、前記第１の主面および前記第２の主面の少なくとも一方に設けられた第１電極層および第２電極層を有し、前記第１の主面は光入射面として機能する、太陽電池を用意することと、前記太陽電池と組み合わされた二次電池を得ることとを含み、前記二次電池は、前記太陽電池の前記第２の主面に平行な面に沿って配列された複数の周期単位構造物を備え、前記複数の周期単位構造物の各々は、前記太陽電池の前記第１電極層に電気的に接続され、前記太陽電池の前記第２の主面から遠ざかる方向に突出した第１電極と、前記太陽電池の前記第２電極層に電気的に接続され、前記太陽電池の前記第２の主面から遠ざかる方向に突出した第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する電解質とを有し、前記第１電極と前記第２電極とは、前記電解質の層を介して対向している。
本開示の実施形態によると、容量密度の向上が可能な構成を有する二次電池およびその製造方法、ならびに、当該二次電池と太陽電池とが組み合わせられたソーラー二次電池およびその製造方法が提供される。
本開示の実施形態１におけるソーラー二次電池の断面図 図１に示すソーラー二次電池における太陽電池の第１正極端子、第１負極端子の平面図 本開示の実施形態１における他のソーラー二次電池の断面図 本開示の実施形態２におけるソーラー二次電池の、太陽電池の第２の主面から二次電池までを透視した状態を示す平面図 図４に示すソーラー二次電池の５−５線における断面図 図４に示すソーラー二次電池の６−６線における断面図 図４に示すソーラー二次電池の７−７線における断面図 図４に示すソーラー二次電池の８−８線における断面図 図４に示すソーラー二次電池の９−９線における断面図 本開示の実施形態２におけるソーラー二次電池の直列太陽電池部における個々の太陽電池の配置を示す部分平面図 本開示のソーラー二次電池の実施形態３を示す斜視図 本開示のソーラー二次電池の実施形態３を示す断面図 本開示の実施形態３における太陽電池を示す平面図 図１２の部分拡大図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、製造途中における図１３の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃを示す工程断面図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、製造途中における図１３の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃを示す工程断面図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、製造途中における図１３の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃを示す工程断面図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、製造途中における図１３の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃを示す工程断面図 太陽電池上に設けられた絶縁層上の配線パターンを示す平面図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、製造途中における図１９の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃを示す工程断面図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、製造途中における図１９の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃを示す工程断面図 （ａ）は、絶縁層４９上に周期的に配列された第１集電体１３５および第２集電体１３６を示す平面図、（ｂ）は、その断面Ｂを示す図 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）は、実施形態３による二次電池の製造方法を示す工程断面図 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）は、実施形態３による二次電池の製造方法を示す工程断面図 ユニット集積体２５０の一部を示す断面図 ユニット集積体２５０の一部を示す斜視図 ユニット集積体２５０と集電体１３５、１３６との配置関係を示す断面図 ユニット集積体２５０と集電体１３５、１３６との接続関係を示す断面図 太陽電池上に配置されたユニット集積体２５０を示す平面図 ユニット集合体上に固体電解質が設けられた二次電池を示す平面図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、図２９の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃの一部を示す断面図 （ａ）は、積層体２４０の他の構成例を示す断面図、（ｂ）は、その積層体２４０から形成されたユニット集積体２５０を備えるソーラー二次電池を示す断面図 （ａ）は、本開示の実施形態４における積層体２４０の構成例を示す断面図、（ｂ）は、その積層体２４０から形成されたユニット集積体２５０を備えるソーラー二次電池を示す断面図 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）は、本開示の実施形態６におけるソーラー二次電池の他の製造方法を示す工程断面図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、本開示の実施形態６におけるソーラー二次電池の他の製造方法を示す工程断面図 本開示の実施形態７における太陽電池を示す平面図 （ａ）は、実施形態７における積層体２４０の構成を示す断面図、（ｂ）は、その積層体２４０から形成したユニット集積体２５０の構成を示す断面図 本開示の実施形態８における二次電池の構成を示す断面図 基板４０１上に設けられた配線パターンを示す平面図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、図３８の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃを示す図 本開示の実施形態８における二次電池の構成を示す斜視図 本開示の実施形態９における二次電池の構成を示す断面図 （ａ）は、製造途中の二次電池の上面を示す図、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、（ａ）の断面Ｂおよび断面Ｃを示す図 （ａ）は、製造途中の下層配線構造の上面を示す図、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、（ａ）の断面Ｂおよび断面Ｃを示す図 （ａ）は、製造途中の下層配線構造の上面を示す図、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、（ａ）の断面Ｂおよび断面Ｃを示す図 （ａ）は、製造途中の下層配線構造の上面を示す図、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、（ａ）の断面Ｂおよび断面Ｃを示す図 （ａ）は、製造途中の下層配線構造の上面を示す図、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）は、それぞれ、（ａ）の断面Ｂ、断面Ｃ、および断面Ｄを示す図 （ａ）は、製造途中の下層配線構造の上面を示す図、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）は、それぞれ、（ａ）の断面Ｂ、断面Ｃ、および断面Ｄを示す図 本開示の実施形態９における二次電池の構成を示す斜視図 本開示の実施形態１０における二次電池の構成を示す平面図 本開示の実施形態１０における二次電池の全体構成を示す平面図 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、図５０の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃの一部を示す断面図 （ｄ１）および（ｄ２）は、それぞれ、図５０の断面Ｄ１および断面Ｄ２を示す断面図 図５０の二次電池の等価回路図 本開示の実施形態１１における二次電池の構成例を示す断面図
本開示の二次電池は、ある例示的な態様によれば、第１の面を有する絶縁体と、この絶縁体の第１の面上に設けられた第１配線パターンおよび第２配線パターンと、第１の面に沿って第１の方向に配列された複数の周期単位構造物とを備える。複数の周期単位構造物の各々は、第１の方向に積層された第１電極（正極層）、固体電解質、および第２電極（負極層）を含む。第１電極は、第１の面から遠ざかる方向に突出し、イオンを吸蔵または放出することができる。第２電極は、第１の面から遠ざかる方向に突出し、イオンを吸蔵または放出することができる。固体電解質は、第１電極と第２電極との間に位置し、イオンを伝導させる。第１電極および第２電極は、それぞれ、上記の第１配線パターンおよび第２配線パターンに電気的に接続されている。このような構成を採用することにより、周期単位構造物に含まれる電極の対の対向面積を拡大することが容易になる。
この二次電池は、高い容量密度を実現することが可能な構成を有しており、多様な形態で使用可能である。
以下、本開示の二次電池の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態において、先行する実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付して説明し、詳細な説明を省略する場合がある。また本開示は以下の実施形態に限定されるものではない。
本開示の二次電池の理解を深めるため、まず実施形態１として、１個の「周期単位構造物」の構成を有する二次電池が太陽電池と組み合わせられた例を説明する。後述する説明から明らかなように、容量を高めるには、周期単位構造物の個数を増やせばよい。また、本開示の二次電池は、太陽電池と組み合わせて使用される必要は無い。
（実施形態１）
図１は本開示の実施形態１におけるソーラー二次電池の断面図である。なお、図１には示していないが、電解質層３１の外側には二次電池３０を封止する封止層が設けられている。このソーラー二次電池は、平板状の太陽電池２０と、二次電池３０とを有する。太陽電池２０は第１の主面２１と、第１の主面２１の反対側の第２の主面２２とを有し、第１正極端子２５と第１負極端子２６が第２の主面２２上に形成されている。第１正極端子２５および第１負極端子２６は、それぞれ、太陽電池２０の第１電極層および第２電極層として機能する。
二次電池３０は太陽電池２０の第２の主面２２に対向した対向面３３を有する。さらに二次電池３０は、第２正極端子３５と、第２負極端子３６と、正極層３７と、負極層３８と、電解質層３１とを有する。第２正極端子３５と第２負極端子３６は対向面３３上に形成されている。正極層３７は第２正極端子３５に接続され、負極層３８は第２負極端子３６に接続されている。第２正極端子３５は第１正極端子２５と電気的に接続され、第２負極端子３６は第１負極端子２６と電気的に接続されている。電解質層３１は正極層３７と負極層３８との間に介在している。正極層３７と負極層３８と電解質層３１の積層方向は、対向面３３に平行である。また図１に示すように、二次電池３０の上面には電解質層３１が設けられていてもよい。
正極層３７は、対向面３３から遠ざかる方向に突出し、イオンを吸蔵または放出することができる第１電極として機能する。負極層３８は、対向面３３から遠ざかる方向に突出し、イオンを吸蔵または放出することができる第２電極として機能する。電解質層３１は、正極層３７と負極層３８との間に位置し、イオンを伝導させる。正極層３７、電解質層３１、および負極層３８は、対向面３３に平行な方向（図１において横方向）に積層された構造を有している。また、正極層３７および負極層３８は、それぞれ、異なる配線パターンに電気的に接続されている。これらの配線パターンは、後述するように、二次電池３０の正極層３７および負極層３８を、それぞれ、太陽電池２０の第１正極端子２５および第１負極端子２６に電気的に接続する構成および機能を有している。
次に各部について詳細に説明する。まず太陽電池２０について、図２も参照しながら説明する。図２は太陽電池２０の第１正極端子２５、第１負極端子２６の平面図である。本実施形態では、太陽電池２０は平板状の半導体基板（シリコンからなる半導体層）２３を有し、第１正極端子２５と第１負極端子２６は半導体基板２３の同一面上である第２の主面２２上に形成されている。本実施形態における太陽電池２０では、第１正極端子２５および第１負極端子２６が半導体基板２３の同一面上に形成されているが、本開示のソーラー二次電池は、このような構成例に限定されない。言い換えると、第１正極端子２５および第１負極端子２６の一方が半導体基板２３の第１の主面２１側に設けられ、他方が半導体基板２３の第２の主面２２側に設けられていても良い。第１正極端子２５および第１負極端子２６の一方が半導体基板２３の第１の主面２１側に設けられている場合、その一方の端子に電気的に接続された配線を第２の主面２２側に形成すればよい。
半導体基板２３は例えば単結晶Ｓｉから構成されている。半導体基板２３の厚さは数１００μｍのオーダーである。また第１の主面２１上には厚さ数１０ｎｍの酸化珪素膜が形成され、第２の主面２２には同じく厚さ１〜２ｎｍの酸化珪素膜が形成されている。第２の主面２２上の酸化珪素膜の厚さは１．５ｎｍ以下が好ましい。薄すぎると第１正極端子２５、第１負極端子２６が半導体基板２３中に拡散し太陽電池２０の変換効率が低下する。また、厚すぎると抵抗値が増大する。なお、太陽電池２０で太陽光を吸収する半導体は、自立する剛性および強度を有する半導体基板２３に限定されず、他の基板に支持された相対的に薄い半導体の層であってもよい。
本実施形態では、第１正極端子２５と第１負極端子２６は仕事関数が異なる導体から形成されている。第１正極端子２５は例えば、金、ニッケルなどで形成され、第１負極端子２６は例えば、アルミニウム、チタン、バナジウムなどで形成されている。また、カーボンやＩＴＯ、あるいは合金なども使用可能である。第１正極端子２５と第１負極端子２６の材料は、これに限定されず、第１正極端子２５を構成する導体の仕事関数が第１負極端子２６を構成する導体の仕事関数よりも大きければよい。また第１正極端子２５と第１負極端子２６の仕事関数の差は大きいほど太陽電池２０の起電力が大きくなるため好ましい。第１の主面２１は光入射部である。
第１正極端子２５と第１負極端子２６は図２に示すように櫛形であり、櫛状の部分が互いに組み合わせられている。これにより第１正極端子２５と第１負極端子２６とが対向する部分が大きくなっている。また第１正極端子２５と第１負極端子２６との間の間隔（最短距離）は１０μｍ程度に設定されている。なお図２では第１正極端子２５と第１負極端子２６はそれぞれ５つの櫛歯を有しているが歯数は特に限定されない。第１正極端子２５と第１負極端子２６とが対向する部分が長いほど、得られる電流の大きさの点から好ましい。
第１正極端子２５と第１負極端子２６とは仕事関数が異なる導体から形成されている。そのため第１の主面２１から光が入射すると第１正極端子２５と第１負極端子２６の間に起電力を生じる。このような太陽電池の基本構成は、例えば特許文献２に開示されている。
次に二次電池３０について説明する。正極層３７は正極活物質を含んでいる。さらに導電剤や結着剤、電解質成分を含んでいてもよい。負極層３８は負極活物質を含んでいる。さらに導電剤や結着剤、電解質成分を含んでいてもよい。電解質層３１はイオン導電性の固体電解質、あるいは電解液を高分子でゲル状にしたいわゆるゲル電解質でもよい。
正極活物質として、一般に二次電池に使用される金属酸化物や、金属硫化物などのカルコゲナイドなどが利用可能である。負極活物質としても正極活物質より低電位で充放電する金属酸化物や、金属硫化物などのカルコゲナイドなどが利用可能である。負極活物質としては正極活物質よりも動作電位が低ければよく、金属リチウムやリチウム合金、金属ナトリウムなども使用可能である。負極活物質がリチウムイオンやナトリウムイオンなどの電荷媒体を吸蔵する場合は、炭素材料も利用可能である。正極活物質、負極活物質の組合せは、太陽電池２０の起電力に応じて選択すればよい。
正極層３７、負極層３８の高さ（図１における上下方向の長さ）は例えば数１００μｍオーダーである。正極層３７と負極層３８との間隔は数μｍ（ここでは１μｍ）であり、正極層３７、負極層３８の厚さ（図１における左右方向の長さ）は１００ｎｍから数１０μｍオーダ（ここでは１μｍ）であり得る。
正極層３７、電解質層３１、負極層３８は、例えば、所定の厚さを有するそれぞれのシートを作製し、それらのシートを積層した後、所定の大きさに切断することで、二次電池の発電要素を作製することができる。あるいは、後述する接続部４０上に正極層３７、電解質層３１、負極層３８を直接形成することにより二次電池３０を作製してもよい。二次電池３０の製造方法および他の構成例の詳細は、後述する。
第２正極端子３５および第２負極端子３６を構成する材料（導体）は、接続される正極層３７および負極層３８の電位により腐食されなければ特に限定されない。第２正極端子３５および第２負極端子３６は二次電池３０の上記機能要素の底面にスパッタリング等で形成してもよく、後述するように接続部４０と一体に形成した後に上記発電要素と接合してもよい。
次に太陽電池２０と二次電池３０とを接続する接続部４０について説明する。図１に示すように、接続部４０は太陽電池２０の第２の主面２２と二次電池３０の対向面３３との間に介在している。
接続部４０は、層間絶縁膜４１と、正極接合部４５と、負極接合部４６とを有する。層間絶縁膜４１は第１正極端子２５と第１負極端子２６と第２正極端子３５と第２負極端子３６に接合している。正極接合部４５は第１正極端子２５と第２正極端子３５とを接続し、負極接合部４６は第１負極端子２６と第２負極端子３６とを接続している。正極接合部４５、負極接合部４６は層間絶縁膜４１に埋設されている。
第１正極端子２５、第１負極端子２６、接続部４０を構成する各部、および第２正極端子３５、第２負極端子３６はスパッタリングやＣＶＤなどの気相法を用いることにより順次積層しながら作製することができる。
このように第１正極端子２５および第１負極端子２６が形成されているレイヤーと、第２正極端子３５および第２負極端子３６が形成されているレイヤーとは異なり、電極構造の多層化が行われている。しかも、本実施形態において正極層３７、電解質層３１、負極層３８の積層方向が対向面３３に平行である。そのため、第１正極端子２５と第２正極端子３５、第１負極端子２６と第２負極端子３６を、太陽電池２０や二次電池３０の発電要素に影響することなく容易に接続することができる。その結果、二次電池３０と太陽電池２０の接続が容易になる。そのため、接続に要する体積分を電池容量の向上に使用することができる。また正極層３７、電解質層３１、負極層３８を図１の上下方向（対向面３３に垂直な方向）、あるいは図面の奥行き方向に広げることにより、二次電池３０の容量向上に寄与することができる。
接続部４０によって太陽電池２０と二次電池３０とを接続することにより、これらの配線を固定でき、太陽電池２０と二次電池３０とを一体化することができる。ただし接続部４０以外の手段でも太陽電池２０と二次電池３０とを接続することは可能である。この場合も、第１正極端子２５と第２正極端子３５との接続、および第１負極端子２６と第２負極端子３６との接続を、太陽電池２０や二次電池３０の発電等の機能要素に影響することなく容易に達成することができる。
なお光が入射しなければ太陽電池２０の起電力は低下する。そのため、二次電池３０の電圧が太陽電池２０の起電力を上回ると二次電池３０から太陽電池２０へ電流が流れる。これにより二次電池３０に蓄えられた電力が消費（放電）される。そのため図１に示すように、正極接合部４５に整流部４８を形成し、二次電池３０から太陽電池２０への逆電流を防止してもよい。整流部４８は正極接合部４５を形成する際に、例えばＰＮ接合になるように途中で正極接合部４５を形成する材料を変える、あるいはドープによりＰＮ接合を形成すれば作製可能である。なお負極接合部４６に整流部を形成してもよく、両方に形成してもよい。すなわち、二次電池３０から太陽電池２０へ電流が流れることを抑制するように、第１正極端子２５と第２正極端子３５との間に設けられた第１整流部と、第１負極端子２６と第２負極端子３６との間に接続された第２整流部との少なくとも一方を有していればよい。
次に、二次電池の容量を増やすための構造について図３を参照しながら説明する。図３は本実施形態における他のソーラー二次電池の断面図である。図３に示す構成では、図１に示すソーラー二次電池の二次電池３０の、対向面３３の反対側の端面３４から正極層３７、負極層３８に接続された並列接続部５５を露出させ、並列接続部５５にそれぞれ正極層５７、負極層５８が接続されている。正極層５７、負極層５８、電解質層５１は第２二次電池５０を構成している。第２二次電池５０は第１二次電池である二次電池３０の端面３４に形成され、端面３４において二次電池３０と並列に接続されている。正極層５７と負極層５８と電解質層５１の積層方向もまた対向面３３に平行である。このように正極層３７、負極層３８、電解質層３１の積層方法が対向面３３に平行であるため、端面３４で容易に第２二次電池５０を並列接続し、容量を増加することができる。
なお、二次電池３０と第２二次電池５０との間に電解質層５１を形成し、並列接続部５５を用いずに端面３４以外の箇所で並列接続してもよい。また図１、図３は本実施形態における太陽電池の構造を模式的に示しており、各部の厚さや長さの比は実際のものとは異なり、また図２とも整合させていない。
（実施形態２）
次に、本開示の実施形態２として、実施形態１で述べた太陽電池２０を複数個形成して直列接続した構成について説明する。図４は本開示の実施形態２におけるソーラー二次電池の、太陽電池の第２の主面から二次電池までを透視した状態を示す平面図である。図５〜図９はそれぞれ図４における各部分における断面図である。すなわち、図５は５−５線における断面図、図６は６−６線における断面図、図７は７−７線における断面図、図８は８−８線における断面図、図９は９−９線における断面図である。
一般に、太陽電池２０の起電力は１Ｖ以下であり、一方、電子機器の駆動電圧は１．２Ｖ以上である。そのため、太陽電池２０を複数個直列接続して、二次電池に接続するのが一般的である。
図４に示す構成では、第１正極端子２５Ａ、第１負極端子２６Ａと、図１に示す半導体基板２３とで１つの太陽電池が構成されている。同様に第１正極端子２５Ｂ、第１負極端子２６Ｂと半導体基板２３、第１正極端子２５Ｃ、第１負極端子２６Ｃと半導体基板２３とでそれぞれ太陽電池が構成されている。直列接続部４２Ａは第１負極端子２６Ａと第１正極端子２５Ｂを接続し、直列接続部４２Ｂは第１負極端子２６Ｂと第１正極端子２５Ｃを接続している。これにより３つの太陽電池が直列接続されている。このように３つの太陽電池が直列太陽電池部８０を形成している。なお直列数は３つに限定されない。
この構成において、３つの太陽電池はそれぞれに、実施形態１の太陽電池２０と同様に、第１の主面とこの第１の主面の裏側の第２の主面とを有し、第１正極端子と第１負極端子は第２の主面上に形成されている。そして第１の主面が同一面となるように配置されて直列接続されて直列太陽電池部８０を構成している。
正極層３７１、負極層３８１、電解質層３１、第２正極端子３５、第２負極端子３６は、図１と同様に二次電池を構成している。このように構成された二次電池と上記３つの太陽電池が接続されることにより１つのソーラー二次電池モジュール９０が形成されている。すなわち、図８に示すように、直列太陽電池部８０の正極側の直列末端に位置する正極端太陽電池の第１正極端子２５Ａのみが第２正極端子３５と電気的に接続されている。そして、図示していないが、直列太陽電池部８０の負極側の直列末端に位置する負極端太陽電池の第１負極端子２６Ｃのみが第２負極端子３６と電気的に接続されている。この構成により機器の駆動電圧に応じた電圧を有する二次電池と、それに給電可能な直列太陽電池部８０を接続することができる。
なお図５〜図９に示すように、実施形態１と同様に接続部４０を形成することが好ましい。接続部４０は３つの太陽電池の第２の主面と二次電池の対向面との間に介在し、層間絶縁膜４１と、正極接合部４５と、負極接合部４６と、直列接続部４２Ａ、４２Ｂを有する。層間絶縁膜４１は太陽電池のそれぞれの第１正極端子２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃと、第１負極端子２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃと第２正極端子３５と第２負極端子３６に接合している。正極接合部４５は直列太陽電池部８０の正極側の直列末端に位置する太陽電池の第１正極端子２５Ａと第２正極端子３５とを接続し、層間絶縁膜４１に埋設されている。負極接合部４６は直列太陽電池部８０の負極側の直列末端に位置する太陽電池の第１負極端子２６Ｃと第２負極端子３６とを接続し、層間絶縁膜４１に埋設されている。直列接続部４２Ｂは、図８に示すように第１負極端子２６Ｂと、第１正極端子２５Ｃとを接続し、層間絶縁膜４１に埋設されるとともに３つの太陽電池の第２の主面から離れて設けられている。同様に直列接続部４２Ａは第１負極端子２６Ａと、第１正極端子２５Ｂとを接続し、層間絶縁膜４１に埋設されるとともに３つの太陽電池の第２の主面から離れて設けられている。
また直列太陽電池部８０における３つの太陽電池は単一の半導体基板２３を共有しており、第１正極端子２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃと、第１負極端子２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは、この半導体基板２３の同一面上に形成されていることが好ましい。この場合、第１正極端子２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃと、第１負極端子２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは仕事関数が異なる導体で構成されている。これにより、個々に半導体基板を用いて構成した太陽電池を直列接続するのに比べ、容易に直列太陽電池部８０を作製することができる。
次に、図１０を参照しながらさらに好ましい構造について説明する。図１０は本開示の実施形態２におけるソーラー二次電池の直列太陽電池部における個々の太陽電池の配置を示す部分平面図である。このように第１負極端子２６Ａと第１正極端子２５Ｂとの間隔、および第１負極端子２６Ｂと第１正極端子２５Ｃとの間隔が、キャリアが移動できるほど十分近い距離になるように各端子を近接して形成することが好ましい。この距離は１００μｍ以下である。なおこの構成では直列接続部４２Ａ、４２Ｂは不要である。
この構成では太陽電池に光が入射していなければ第１負極端子２６Ａと第１正極端子２５Ｂとの間および第１負極端子２６Ｂと第１正極端子２５Ｃとの間は絶縁されている。そして太陽電池に光が入射すると近接部分８１Ａ、８１Ｂがダイオードとして機能し、直列接続が形成される。図５、図８では正極接合部４５に整流部を形成しているが、半導体基板２３の抵抗が高ければ、太陽電池が発電していないときに実質的に絶縁状態になるため、二次電池から電流は流れない。そのため整流部を設けなくてもよい。
なお図示していないが、実施形態１の図３を参照して説明した構造と同様に、第２二次電池を積層して並列接続し、容量を増やすこともできる。
また図４に示すようにソーラー二次電池モジュール９０を正極接続部７５、負極接続部７６によって並列接続することもできる。これにより大面積のソーラー二次電池を形成することができる。
また複数のソーラー二次電池モジュール９０における複数の二次電池は、正極層と電解質層と負極層と電解質層をこの順に繰り返し積層された構造を有する。そのため一括で一体に形成することができる。すなわち、図７、図９に示すように、正極層３７１、電解質層３１、負極層３８１、電解質層３１、正極層３７２、電解質層３１、負極層３８２、電解質層３１、正極層３７３、電解質層３１、負極層３８３の順で積層することにより各ソーラー二次電池モジュール９０の二次電池を一体形成することができる。これによりソーラー二次電池としても製造工程が簡略化できる。
また図４に示すように直列太陽電池部８０における複数の太陽電池の配列方向と、複数のソーラー二次電池モジュール９０の配列方向は異なっている。図４は典型的な例としてこの２つの配列方向が略垂直な場合を示している。この構成において複数のソーラー二次電池モジュール９０の両端部をそれぞれに接続することにより複数のソーラー二次電池モジュール９０を容易に並列接続することができる。
以上のように、太陽電池の出力電圧を上昇させるには、複数の太陽電池を直列接続する必要がある。そのためには個々の太陽電池の微細化、高集積化が有効である。そしてこのような直列太陽電池部に対し、二次電池における正極層、電解質層、負極層の積層方向を太陽電池の面（すなわち二次電池の対向面）と平行にすることにより、図４のように複数の太陽電池の配列方向とは異なる方向に二次電池を並列接続することができる。
なお、以上の説明では平板状の太陽電池を用いているが、例えば階段状の形状を有していても、二次電池の対向面と接続可能であればよい。
また以上の説明では第１正極端子２５と第１負極端子２６は櫛形としているが、これらの形状は櫛形に限定されない。所定の間隔を有するように形成されていれば、櫛形以外に、メアンダ状や渦巻状であってもよい。
（実施形態３）
図１１は、本開示のソーラー二次電池の他の実施形態を示す斜視図である。
図１１に示されるソーラー二次電池は、前述の実施形態と同様に、太陽電池２０と二次電池３０とを備えたソーラー二次電池である。
太陽電池２０は、第１の主面２１、第２の主面２２、第１の主面２１と第２の主面２２との間に位置する半導体基板（例えばシリコンからなる半導体層）２３、ならびに、第１の主面２１および第２の主面２２の少なくとも一方に設けられた第１電極層２５および第２電極層２６を有し、第１の主面２１は光入射面として機能する。図１１の例では、第１電極層２５および第２電極層２６の両方が太陽電池２０の第２の主面２２に設けられているが、本開示のソーラー二次電池は、この例に限定されない。
本実施形態における二次電池３０は、太陽電池２０の第２の主面２２に沿って配列された複数の周期単位構造物３００を備える。この例では、多数の周期単位構造物３００が図１１のＸ軸方向に沿って配列されているが、図１１では、簡単のため、２つの周期単位構造物３００が記載されている。現実には、多数の周期単位構造物３００が配列され得る。複数の周期単位構造物３００の各々は、第２の主面２２から遠ざかる方向（Ｚ軸方向）に突出する正極層（第１電極）３７と、第２の主面２２から遠ざかる方向（Ｚ軸方向）に突出する負極層（第２電極）３８と、正極層３７と負極層３８との間に位置し、イオンを伝導させる固体の電解質３１とを含んでいる。言い換えると、各周期単位構造物３００は、正極層３７、固体電解質３１、負極層３８が図１１のＸ軸方向に積層された構造を有している。正極層３７および負極層３８は、それぞれ、太陽電池２０の第１電極層２５および第２電極層２６に電気的に接続されている。このような構成を採用することにより、二次電池３０における正極／電解質／負極の集積度が向上し、容量密度の上昇が実現する。
簡単のため、図１１には記載されていないが、太陽電池２０と二次電池３０との間には、太陽電池２０の第２の主面２２を覆う厚さ１．５ｎｍのＳｉＯ2層（極薄パシベーション層）が設けられている。このパシベーション層上には、太陽電池２０の第１電極層２５を二次電池３０の正極層３７に電気的に接続する配線パターンと、太陽電池２０の第２電極層２６を二次電池３０の負極層３８に電気的に接続する配線パターンとが設けられている。
図１２は、本実施形態における太陽電池２０および二次電池３０の断面構成を模式的に示す図である。図１２では、太陽電池２０と二次電池３０とが分離して記載され、かつ、太陽電池２０の第２の主面２２を覆う層間絶縁膜（絶縁体）４１が記載されている。本実施形態では、層間絶縁膜４１上に、第１電極層２５を二次電池３０の正極層３７に電気的に接続する複数の第１集電体１３５と、太陽電池２０の第２電極層２６を二次電池３０の負極層３８に電気的に接続する複数の第２集電体１３６とが設けられている。また、第１集電体１３５と第２集電体１３６との間は絶縁層４９によって埋められている。
本実施形態における正極層３７は正極活物質から形成され、負極層３８は負極活物質から形成される。一方、固体電解質３１は固体電解質から形成される。正極活物質は、アルカリ金属元素を含む遷移金属酸化物、あるいは上記遷移金属酸化物に含まれる遷移金属元素の一部が異種元素によって置換された遷移金属酸化物等を用いることができる。アルカリ金属元素には、例えばリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）等が挙げられる。これらのアルカリ金属元素の中でもリチウムを用いることが好ましい。遷移金属元素には、スカンジウム（Ｓｃ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、及びイットリウム（Ｙ）等からなる群から選ばれる少なくとも１種の遷移金属元素を用いることができる。これらの遷移金属元素の中でも、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ等を用いることが好ましい。異種元素としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）及びホウ素（Ｂ）等からなる群から選ばれる少なくとも１種の異種元素を用いることができる。これらの異種元素の中でも、Ｍｇ、Ａｌ等を用いることが好ましい。
このような正極活物質の具体例には、アルカリ金属元素にリチウムを用いたリチウム含有遷移金属酸化物として、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＭｎＯ2、ＬｉＮｉ1-yＣｏyＯ2（０＜ｙ＜１）、ＬｉＮｉ1-y-ｚＣｏyＭｎzＯ2（０＜ｙ＋ｚ＜１）、ＬｉＦｅＰＯ4等が挙げられる。正極活物質は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
負極活物質は、アルカリ金属イオンを吸蔵および放出可能な材料であれば、特に限定なく用いることができる。このような負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属、合金、金属酸化物、金属窒化物、及びアルカリ金属を予め吸蔵させた炭素ならびに珪素等を用いることができる。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、ピッチ系炭素繊維等が挙げられる。金属もしくは合金の具体例としては、リチウム（Ｌｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、リチウム合金、ケイ素合金、スズ合金等が挙げられる。金属酸化物としては、チタン酸リチウムや、上記リチウムと合金化する元素を含む酸化物等が上げられる。負極活物質は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
固体電解質は、アルカリ金属イオンを伝導可能な材料であれば、特に限定なく用いることができる。このような固体電解質としては、たとえば、チレンオキサイド(ＰＥＯ)やＬＩＳＩＣＯＮ(ｌｉｔｈｉｕｍ ｓｕｐｅｒｉｏｎｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ)と言われる酸化物イオン導電体、硫化物系固体電解質(ｔｈｉｏ−ＬＩＳＩＣＯＮ)などを用いることができる。具体的には、リン酸リチウム、Ｌｉ2Ｓ−ＳｉＳ2系、Ｌｉ−Ｇｅ−Ｐ−Ｏ−Ｓ系などが挙げられる。
次に、図面を参照しながら、本実施形態におけるソーラー二次電池を製造する方法の例を説明する。
まず、太陽電池２０の配線構造の形成を説明する。
図１３は、太陽電池２０の上面図であり、図１４は、その一部（１個のセル）の配線構成を示す部分拡大図である。図１３に示される太陽電池部２０は、５行４列に配列された２０個のセルを含んでいる。１列に並んだ５個のセルは直列に接続されて１つのセル集合体を形成する。図１３では、簡単のため、セル相互の接続を行う配線の記載は省略されている。図１３において、４個のセル集合体がそれぞれ破線によって区切られている。図１３の例では、４個のセル集合体が並列に接続される。１つのセルが０．５ボルトの起電力を発生する場合、５個セルが直列に接続された１つのセル集合体から２．５ボルトの起電力が得られる。必要な起電力の大きさに応じて、各セル集合体に含まれるセルの直列接続数を決定すればよい。
次に図１４を参照する。図１４に示される第１電極層２５および第２電極層２６は、それぞれが密に対向するようにパターニングされている。具体的には、第１電極層２５および第２電極層２６は、それぞれ、４本の正極フィンガーおよび４本の負極フィンガーを有し、いわゆる「くし型」の構成を形成している。この例では、第１電極層２５の正極フィンガーと第２電極２６の負極フィンガーとが等間隔で並んでいる。図１４には、第１電極層２５および第２電極２６の各部のサイズを規定するパラメータが示されている。Ｓ１は、第１電極層２５と第２電極層２６とが対向する領域におけるギャップの幅である。Ｓ２は、第２電極層２６の先端と第１電極層２５とのギャップの幅である。Ｌ１は、第１電極層２５（第２電極層２６）のライン幅である。Ｌ２は、各フィンガーの長さである。Ｓ１、Ｓ２は、例えば１０μｍ、Ｌ１は例えば５００μｍ、Ｌ２は例えば１０ｍｍに設定され得る。第１および第２電極層２５、２６の厚さは、例えば２００ｎｍに設定され得る。これらのパラメータの数値は一例に過ぎず、目的に応じて適切な値に設定され得る。
次に、図１５から図１８を参照して、太陽電池２０の第２の主面２２上に第１電極層２５および第２電極層２６を形成する工程の例を説明する。図１５（ａ）、図１６（ａ）、図１７（ａ）、図１８（ａ）は、それぞれ、図１３の断面Ａで示す部分の断面を示している。同様に、図１５（ｂ）、図１６（ｂ）、図１７（ｂ）、図１８（ｂ）は、それぞれ、図１３の断面Ｂで示す部分の断面を示し、図１５（ｃ）、図１６（ｃ）、図１７（ｃ）、図１８（ｃ）は、それぞれ、図１３の断面Ｃで示す部分の断面を示している。断面Ａおよび断面Ｂは、４列のセル集合体を横切るようにＸ軸方向に切断した断面であるのに対して、断面Ｃは１個のセルをＹ軸方向に切断した断面である。なお、断面Ａおよび断面Ｂの図と断面Ｃの図との間では、横方向のスケールの比率が現実のスケールの比率に対応していない。
まず図１５を参照する。この段階では、半導体基板２３上に第１電極層２５および第２電極層２６が形成される。本実施形態では、半導体基板２３上に厚さ１．５ｎｍのＳｉＯ2層（極薄パシベーション層）が設けられているが、太陽電池２０の構成によっては、第１電極層２５および第２電極層２６が半導体基板２３に直接に接触していてもよい。第１電極層２５および第２電極層２６は、それぞれ、導電層の堆積工程および導電層のパターニング工程を行うことにより形成され得る。導電層のパターニング工程は、公知のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（またはリフトオフ工程）を含み得る。フォトリソグラフィ工程で形成するレジストパターンにより、第１電極層２５および第２電極層２６は所望のパターンを有する形状に規定され得る。第１電極層２５および第２電極層２６の厚さは、各電極層２５、２６を構成する導電層を堆積するときに導電層の厚さを調整することによって所望の値に設定され得る。
次に図１６を参照する。この段階では、半導体基板２３上に第１電極層２５および第２電極層２６を覆う層間絶縁膜４１が形成される。層間絶縁膜４１は、ＣＶＤ法などの薄膜堆積技術、または塗布技術によって形成され得る。層間絶縁膜４１の表面は平坦化されている。層間絶縁膜４１の厚さは、５００ｎｍ以上数μｍ以下の範囲にあり、例えば１μｍである。
次に図１７を参照する。この段階では、図１７（ａ）に示されるように、層間絶縁膜４１に第２電極層２６に達するコンタクトホール４３が形成される。また、図１７（ｂ）に示されるように、層間絶縁膜４１に第１電極層２５に達するコンタクトホール４４が形成される。コンタクトホール４３、４４は、図１３に示すセル集合体の両端に位置するセルに形成される。より具体的には、１段目セルの端に位置する第２電極層２６上にコンタクトホール４３が形成され、５段目のセルの端に位置する第１電極層２５上にコンタクトホール４４が形成される。第１および第２電極層２５、２６の他の部分は、図１７（ｃ）に示されるように層間絶縁膜４１によって覆われている。
次に図１８を参照する。この段階では、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示されるように、層間絶縁膜４１のコンタクトホール４４、４３内に、それぞれ、金属プラグ１７５、１７６が形成される。金属プラグ１７５、１７６は、後述するように、この上に形成される配線パターン（集電体および配線）と電気的に接続される。太陽電池２０の第２電極２６に電気的な接続を行うため、コンタクトホール４３には例えばタングステンからなる金属プラグ１７６が形成され、第１電極２５に電気的な接続を行うため、コンタクトホール４４には例えばタングステンからなる金属プラグ１７５が形成される。金属プラグ１７５、１７６は、ＣＶＤ方法によりコンタクトホール４４、４３を金属で埋め、コンタクトホール４４、４３からはみだした金属をＣＭＰ方法で除去することにより形成され得る。
上記の工程により、太陽電池２０の第２の主面２２側は、一部で金属プラグ１７５、１７６が露出する層間絶縁膜４１によって覆われた状態に至る。この後、二次電池３０に含まれる複数の正極層３７および複数の負極層３８を、太陽電池２０の第１電極層２５および第２電極層２６に接続するための配線パターンを層間絶縁膜４１上に形成する。
層間絶縁膜４１の上面上に形成する配線パターンは、例えば図１９に示される平面レイアウトを有している。二次電池３０の正極層３７および負極層３８は、図１９のＸ軸方向に周期的に配列されるため、対応する配線パターンも、図１９に示されるように、Ｘ軸方向に周期的に配列された複数の第１集電体１３５および複数の第２集電体１３６を有している。これらの集電体１３５、１３６は、それぞれ、図１９のＹ軸方向に延びている。第１集電体１３５は、図１９のＸ軸方向に延びている第１配線１８５によって相互接続され、第２集電体１３６は、図１９のＸ軸方向に延びている第２配線１８６によって相互接続される。第１配線１８５と第２配線１８６とに挟まれた領域において、第１集電体１３５および第２集電体１３６はＸ軸方向に交互に並んでいる。本明細書では、第１集電体１３５と第１配線１８５とを合わせて「第１配線パターン」と称し、第２集電体１３６と第２配線１８６とを合わせて「第２配線パターン」と称する場合がある。
以下、図２０から図２３を参照して、図１９の配線パターンの形成方法の一例を説明する。
図２０（ａ）および図２１（ａ）は、それぞれ、図１９の断面Ａで示す部分の断面を示している。同様に、図２０（ｂ）および図２１（ｂ）は、それぞれ、図１９の断面Ｂで示す部分の断面を示し、図２０（ｃ）および図２１（ｃ）は、それぞれ、図１９の断面Ｃで示す部分の断面を示している。
まず、図２０を参照する。この段階では、層間絶縁膜４１上に第１配線１８５と第２配線１８６とが形成される。第２配線１８６は、図２０（ａ）に示すように、第２電極層２６に接続されている金属プラグ１７６に接続される。同様に、第１配線１８５は、図２０（ｂ）に示すように、第１電極層２５に接続されている金属プラグ１７５に接続される。また図２０（ｃ）に示すように、第１集電体１３５および第２集電体１３６が層間絶縁膜４１上に形成される。図２０（ｃ）では、第１電極層２５、第２電極層２６は記載を省略している。第１配線１８５は第１集電体１３５に接続され、第２配線１８６は第２集電体１３６に接続されている。これらは、同一平面上に形成されている。したがって、基板２３の表面から層間絶縁膜４１を介して、第１配線１８５、第２配線１８６、第１集電体１３５、および第２集電体１３６までの各距離は同じである。
次に図２１を参照する。この段階で、第１配線１８５、第２配線１８６、集電体１３５、１３６の隙間を埋める絶縁層４９が層間絶縁膜４１上に形成される。絶縁層４９は、例えばＣＶＤ法によって、第１配線１８５、第２配線１８６、集電体１３５、１３６の全体を覆う絶縁膜を堆積した後、第１配線１８５、第２配線１８６、集電体１３５、１３６の各上面が露出するように、その絶縁膜の不要部分を除去すること（エッチバック）により形成され得る。この段階における太陽電池２０の第２の主面２２側における構成を図２２（ａ）に示す。図２２（ｂ）は、図２２（ａ）の断面Ｂを示している。第１集電体１３５および第２集電１３６は、後述する工程により、それぞれ、正極層３７および負極層３８に電気的に接続される。このため、絶縁膜のエッチバックによって絶縁層４９を形成したとき、第１集電体１３５および第２集電１３６の上面は、いずれも、絶縁層４９によって覆われず、露出している。
図２２に示される配線パターンは、電位が相対的に正となる第１配線パターンと、電位が相対的に負となる第２配線パターンとに分かれている。第１配線パターンは、複数の第１集電体１３５および第１配線１８５による櫛の歯状のパターンを有している。同様に、第２配線パターンは、複数の第２集電体１３６および第２配線１８６による櫛の歯状のパターンを有している。本実施形態では、これに限定されないが、複数の第１集電体１３５および第１配線１８５は同じ材料から形成されており、複数の第２集電体１３６および第２配線１８６は同じ材料から形成されている。また、銅を用いることにより、第１集電体１３５、第２集電体１３６、第１配線１８５、および第２配線１８６を同一材料（銅）から形成することができる。また、図２２には示されていないが、本実施形態では、基板２３の主面と層間絶縁膜４１の上面（第１の面）との間に下層配線層（第１電極層２５および第２電極層２６）を有し、第１配線１８５および第２配線１８６は、それぞれ、対応する下層配線層に接続されている。
次に、二次電池３０の作製方法の一例を説明する。
本実施形態では、まず、図２３（ａ）に示すように、離型層１０２が上面に形成された基板１００を用意する。基板１００は、これに限定されないが、例えばポリイミドから形成され得る。基板１００がポリイミドから形成されている場合、離型層１０２は、ポリイミドの表面に対してシロキ酸による離型処理を行うことにより、形成され得る。ポリイミドの耐熱性は５００℃以上である。
次に、図２３（ｂ）に示すように、基板１００の離型層１０２上に正極活物質１３７、固体電解質１３１、および負極活物質１３８を層状に形成する。これらは、例えばＣＶＤ法、スパッタリング法、レーザデポジション法、エアロゾルデポジション法、またはこれらの組み合わせによって堆積され得る。基板１００上に形成する正極活物質１３７、固体電解質１３１、および負極活物質１３８の層数は図２３（ｂ）に示される例に限定されない。本実施形態では、図２３（ｃ）に示すように、正極活物質１３７、固体電解質１３１、負極活物質１３８、固体電解質１３１、正極活物質１３７、固体電解質１３１、負極活物質１３８、固体電解質１３１の合計８層の積層体２４０を形成する。積層体２４０の厚さ、すなわち８層の合計厚さは、図２３（ｃ）に示すように「Ｗ」である。このＷの大きさは、例えば４μｍから１００μｍの範囲内に設定され得る。この例における積層体２４０を構成する各層の厚さは１μｍであるので、Ｗ＝８μｍとなる。
正極活物質１３７の層厚は、第１集電体１３５の幅（図２２におけるＸ軸方向サイズ）に整合するように決定され得る。負極活物質１３８の層厚は、第２集電体１３６の幅（図２２におけるＸ軸方向サイズ）に整合するように決定され得る。固体電解質１３１の層厚は集電体１３５、１３６の間隔に整合するように決定され得る。固体電解質１３１の層厚は、例えば０．５μｍから１０μｍの範囲内に設定され得る。この例における固体電解質１３１の層厚は１μｍである。集電体１３５、１３６の幅（配線幅）は、例えば０．５μｍから５００μｍの範囲内に設定され得る。この例における集電体１３５、１３６の幅（配線幅）は、１μｍである。
基板１００上に上記の積層体２４０を形成した後、図２３（ｄ）に示すように、各々が幅Ｈを有する複数のユニットに積層体２４０をスライスする。このスライスは、図２３（ｄ）に示す切断面１４０に沿って積層体２４０を切断することにより行われ得る。切断は例えばレーザまたはダイシングソーを用いて行うことができる。図２３（ｄ）に示される切断面１４０は、紙面（ＺＸ面）に垂直であり、間隔ＨでＸ軸方向に周期的に設定されている。図２３（ｄ）では、切断面１４０そのものの厚さは極めて薄く記載されているが、現実の切断面１４０は幅Ｈに比べて無視できない厚さを有していても良い。例えばダイシングソーによって積層体のスライスを行う場合、ダイシングソーの厚さは１００μｍ程度であり得る。幅Ｈを１００μｍ程度に設定した場合、切断面１４０の厚さはユニットの幅Ｈと同程度になり得る。
次に図２４を参照して、二次電池の作製方法の続きの工程を説明する。
図２４（ａ）および図２４（ｂ）に示すように、積層体２４０を複数のユニット２３０にスライスした後、図２４（ｃ）および図２４（ｄ）に示すように、各ユニット２３０を９０度だけ回転させて別の基板２００上に配置する。個々のユニット２３０は、例えば、不図示の自動機械（ロボット）によって把持され、基板２００上の所望の位置に精度よく配置され得る。
正極活物質１３７、固体電解質１３１、負極活物質１３８、固体電解質１３１、正極活物質１３７、固体電解質１３１、負極活物質１３８、固体電解質１３１の積層方向が、基板２００の上面に平行な方向を向くよう各ユニット２３０が配列され、水平方向に並んだ複数のユニット２３０が連結される。
こうして得られたユニット集積体（複数のユニットの集合体）２５０において、各ユニット２３０は二次電池３０の「周期単位構造物」に相当する。正極活物質１３７、固体電解質１３１、および負極活物質１３８は、それぞれ、周期単位構造物の正極層３７、固体電解質３１、負極層３８に相当する。図２５Ａは、このユニット集積体２５０の一部断面図であり、図２５Ｂは、ユニット集積体２５０の一部斜視図である。図２５Ｂに示される「Ｄ」は、図２４および図２５Ａの「奥行方向（Ｙ軸方向）」における積層体２４０またはユニット２３０のサイズを示している。Ｄの大きさは、例えば１０μｍから１０ｍｍの範囲内に設定され得る。この例では、Ｄ＝５００μｍ、Ｈ＝５００μｍである。またこの例では、前述の通り、Ｗ＝８μｍであり、固体電解質３１、正極層３７、負極層３８の膜厚（Ｘ軸方向のサイズ）はそれぞれ１μｍである。
なお、図２５Ａにはユニット集積体２５０を支持する基板２００の記載は省略されている。ユニット集積体２５０は、基板２００に支持されている必要は無く、他の治具によって連結状態が一時的に維持されていても良いし、ユニット集積体２５０内において各ユニット２３０が相互に結合していても良い。
本実施形態における各ユニット２３０が有する正極層３７および負極層３８の個数は、任意である。図２４の例では、１個のユニット２３０に２枚の正極層３７と２枚の負極層３８とが含まれているが、１個のユニット２３０には単数の正極層３７と単数の負極層３８とが含まれてもよい。また、１個のユニット２３０に３枚以上の正極層３７と３枚以上の負極層３８とが含まれてもよい。さらに。１個のユニット２３０に含まれる正極層３７の枚数と負極層３８の枚数が一致している必要もない。例えば、あるユニット２３０に含まれる正極層３７の枚数は３、負極層３８の枚数は２であり、そのユニット２３０に隣接する他のユニット２３０に含まれる正極層３７の枚数は４、負極層３８の枚数は５であってもよい。
次に、図２２の配線パターンが形成された太陽電池２０の上にユニット集積体２５０を配置する。具体的には、図２６および図２７に示すように、ユニット集積体２５０の正極層３７を第１集電体１３５に、負極層３８を第２集電体１３６に電気的に接続する。このとき、ユニット集積体２５０を太陽電池２０の上に配置する代わりに、図２４（ｃ）に示す個々のユニット２３０を太陽電池２０の上に直接に配置しても良い。
このように本実施形態における第１集電体１３５および第２集電体１３６は、絶縁物（層間絶縁膜４１）の表面上で所定方向に沿って交互に配列されている。そして、第１集電体１３５の配列はユニット集積体２５０における正極層３７の配列に整合し、第２集電体１３６の配列はユニット集積体２５０における負極層３８の配列に整合している。このような整合は、第１集電体１３５および第２集電体１３６の平面レイアウト設計に合わせて、図２３（ｃ）に示す積層体２４０の構成層の厚さを決定すればよい。また逆に、積層体２４０の構成層の厚さに基づいて、第１集電体１３５および第２集電体１３６の平面レイアウトを設計してもよい。
本実施形態によれば、例えば図２６に示されるように、正極層３７および負極層３８の層厚（Ｘ軸方向のサイズ）に対する、正極層３７および負極層３８の高さ（Ｚ軸方向のサイズＨ）の比率を大きな値に設定できる。ここで、正極層３７および負極層３８の層厚（Ｘ軸方向のサイズ）に対する、正極層３７および負極層３８の高さ（Ｚ軸方向のサイズＨ）の比率を電極層の「アスペクト比」と定義する。本実施形態によれば、電極層のアスペクト比を１００以上１０００以下の範囲に設定することができる。
また同様に、正極層３７および負極層３８の層厚（Ｘ軸方向のサイズ）に対する、正極層３７および負極層３８の幅（Ｙ軸方向のサイズＤ）の比率を大きな値に設定できる。ここで、正極層３７および負極層３８の層厚（Ｘ軸方向のサイズ）に対する、正極層３７および負極層３８の奥行（Ｙ軸方向のサイズＤ）の比率を電極層の「奥行アスペクト比」と定義する。本実施形態によれば、電極層の奥行アスペクト比を１００以上１０００以下の範囲に設定することができる。
図示されていないが、正極層３７および負極層３８と第１集電体１３５および第２集電体１３６との間に、他の導電層が設けられていても良い。そのような導電層は、例えば異方性導電接着層であり得る。異方性導電接着層は、電気的接続の機能と接着の機能の両方を発揮し得る。ユニット集積体２５０と太陽電池２０との配置関係を固定するため、ユニット集積体２５０の少なくとも一部、好適には複数の箇所が、太陽電池２０に固着されていてもよい。
図２８は、ユニット集積体２５０を太陽電池上に配置した状態の上面図である。図２８からわかるように、ユニット集積体２５０は、第１配線１８５および第２配線１８６を跨いでおらず、第１配線１８５と第２配線１８６との間に存在する第１集電体１３５、第２集電体１３６の上に配置されている。すなわち、本実施形態におけるユニット集積体２５０のＹ軸方向のサイズＤは、第１配線１８５と第２配線１８６との間隔よりも短く設定されている。言い換えると、第１配線１８５および第２配線１８６は、それらの間にスペースを区画するように所定方向に延びており、基板法線方向から見たとき、ユニット集積体２５０に含まれる正極層３７および負極層３８は、第１配線１８５と第２配線１８６とに挟まれたスペース内に位置している。
次に、本実施形態では、図２９に示すように、ユニット集積体２５０の上部に固体電解質層３２を設ける。このような固体電解質層３２でユニット集積体２５０の上面を覆う代わりに、絶縁層でユニット集積体２５０を被覆しても良い。図２９の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃの各々の一部を、それぞれ、図３０（ａ）、図３０（ｂ）、および図３０（ｃ）に示す。簡単のため、太陽電池２０は省略している。図３０（ａ）および図３０（ｂ）に示されるように、ユニット集積体２５０が設けられていない領域の集電体１３５、１３６は、絶縁層５０によって被覆される。同様に、第１配線１８５および第２配線１８６も絶縁層５０によって被覆される。なお、図３０（ｃ）には示されていないが、ユニット集積体２５０の上面が絶縁層５０で覆われていても良い。
本実施形態では、第１配線１８５、第２配線１８６、第１集電体１３５、および第２集電体１３６は、同じ層間絶縁膜４１上に位置しており、言い換えれば、同一平面上に形成されている。また、本実施形態では、この層間絶縁膜４１の下層に太陽電池２０の電極層２５、２６が存在している。
本実施形態によれば、高集積化されたＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のキャパシタのように、基板の限定された面積領域内に多数の正極層３７および負極層３８を高密度に集積することが可能になる。正極層３７および負極層３８の配列は、薄い平板を立てた構成を有している。正極層３７および負極層３８の１つ１つは小さいが、ＤＲＡＭのキャパシタ電極のように高密度に集積され得るため、容量密度を向上させることができる。本実施形態における二次電池３０の構成は、相対的に小さな電流を長時間必要とする機器に適合している。
「正極層／電解質層／負極層／電解質層」を１セットとするとき、例えば１０００セット以上の「正極層／電解質層／負極層／電解質層」を同一基板上に集積することができる。本実施形態によれば、縦２．５ｃｍ×横２．５ｃｍの正方形（面積は６．２５ｃｍ2）の上面を有する基板上に、５０００セットの「正極層／電解質層／負極層／電解質層」を敷き詰めて１個の二次電池３０を作製することが可能である。このような二次電池３０の容量密度は、ユニット集積体２５０の高さＨに比例して上昇する。０．０６５（ｍＡｈ／ｃｍ2）の材料を用いて、５０００個のユニット２３０から１個の二次電池３０を作製した場合、ユニット集積体２５０の高さＨを１ｍｍに設定すると、約１０（ｍＡｈ／ｃｍ2）の容量密度を達成することができる。
（実施形態４）
本開示における積層体２４０の構成は、図２３に示す例に限定されない。図３１（ａ）は、積層体２４０の他の構成例を示している。図３１（ａ）の積層体２４０は、基板１００に垂直な電解質壁２４５を含んでいる。正極活物質１３７〜固体電解質１３１の８層の積層は図２３に示す積層体２４０の構成と同様である。
図３１（ａ）に示されている固体電解質壁２４５は、スライス後、図３１（ｂ）に示すように、ユニット集積体２５０の上面を覆うことになる。
このような固体電解質壁２４５は、図２３の８層の積層体２４０を形成した後、その積層体２４０に複数の貫通溝（グルーブ）を平行に形成し、それらの貫通溝を固体電解質で埋め込ことにより形成され得る。その後、前述の実施形態について説明したように、積層体２４０をスライスするとき、固体電解質壁２４５の側面を横切るように積層体２４０を切断すればよい。
（実施形態５）
図３２（ａ）は、積層体２４０の更に他の構成例を示している。図３２（ａ）の積層体２４０では、正極活物質１３７の中心部、および負極活物質１３８の中心部に金属層１３９が埋め込まれている。本実施形態では、このような積層体２４０から複数のユニット２３０を形成し、図３２（ｂ）に示すユニット集積体２５０を作製する。
図３２（ｂ）のユニット集積体２５０では、各正極層３７および各負極層３８が内部に金属層１３９を含んでいる。各金属層１３９は、対応する集電体１３５、１３６に適切に電気的に接触している。これにより、各正極層３７および各負極層３８の電気抵抗が低減される。
本実施形態では、図３２（ａ）の積層体２４０を得るため、正極活物質１３７または負極活物質１３８を堆積する工程中に、正極活物質１３７および負極活物質１３８の各々の中心部に金属（例えばアルミニウム）の層を例えばスパッタ法によって堆積する。アルミニウムは、二次電池の金属イオン種（典型的にはＬｉ）との間で合金を形成しない。
（実施形態６）
本開示における二次電池３０の製造方法は、上述した例に限定されない。半導体集積回路装置を作製する際に使用される製造方法を用いて、本開示の二次電池を作製することが可能である。
まず、図２２に示される配線パターンの形成された太陽電池を、前述した方法と同様の方法によって用意する。
次に、図３３（ａ）に示すように、集電体１３５、１３６を覆うように基板２３上にレジストマスク５００を形成する。このレジストマスク５００は、第１集電体１３５を露出させる開口部５００ａを有している。開口部５００ａの平面レイアウトは、図２２に示す第１集電体１３５の平面レイアウトに対応している。具体的には、レジストマスク５００は、ストライプパターンを形成するように周期的に配列された多数の開口部５００ａを有している。個々の開口部５００ａの位置および形状は、形成すべき個々の正極層３７の位置および形状を規定する。レジストマスク５００は、公知のフォトリソグラフィ工程によって任意の平面形状を有するよにう形成され得る。レジストマスク５００の厚さ、すなわち開口部５００ａの深さは、形成すべき正極層３７の高さに相当する。
次に図３３（ｂ）に示すように、レジストマスク５００上にレジストマスク５００の開口部５００ａ内を埋めるように正極活物質１３７を堆積する。正極活物質１３７の堆積は、例えばスパッタ方法によって行うことができる。
図３３（ｃ）に示すように、レジストマスク５００を除去する。このとき、レジストマスク５００上に存在していた正極活物質１３７もリフトオフによって除去されるため、レジストマスク５００の開口部５００ａを埋めていた正極活物質１３７が残り、正極層３７が形成される。
次に、図３３（ｄ）に示すように、正極層３７を覆い、かつ、第２集電体１３６を露出させる開口部５０２ａを有するレジストマスク５０２を形成する。開口部５０２ａの平面レイアウトは、図２２に示す第２集電体１３６の平面レイアウトに対応している。具体的には、レジストマスク５０２は、ストライプパターンを形成するように周期的に配列された多数の開口部５０２ａを有している。個々の開口部５０２ａの位置および形状は、形成すべき個々の負極層３８の位置および形状を規定する。レジストマスク５０２も、公知のフォトリソグラフィ工程によって任意の平面形状を有するよにう形成され得る。レジストマスク５０２の厚さ、すなわち開口部５０２ａの深さは、形成すべき負極層３８の高さに相当する。
図３４（ａ）に示すように、レジストマスク５０２上にレジストマスク５０２の開口部５０２ａ内を埋めるように負極活物質１３８を堆積する。負極活物質１３８の堆積は、例えばスパッタ方法によって行うことができる。
図３４（ｂ）に示すように、レジストマスク５０２を除去する。このとき、レジストマスク５０２上に存在していた負極活物質１３８もリフトオフによって除去されるため、レジストマスク５０２の開口部５０２ａを埋めていた負極活物質１３８が残り、負極層３８が形成される。負極層３８は正極層３７よりも大きくなる（背が高くなる）。
正極層３７および負極層３８が露出した状態を実現した後、図３４（ｃ）に示すように、基板２３上に固体電解質１３１をスパッタ方法により堆積する。このとき、正極層３７と負極層３８との間には電解質が埋まる。また、正極層３７および負極層３８の上にも固体電解質１３１からなる電解質層３１が形成される。
この実施形態では、正極層３７を先に形成したが、負極層３８を先に形成しても良い。その場合、後から形成する正極層３７の方が大きくなる。つまり、正極層３７、負極層３８のうち、いずれか大きくしたい電極層を後から形成すればよい。
（実施形態７）
本開示によれば、正極層３７および負極層３８は、配線パターンが形成された絶縁層から遠ざかる方向に突出していればよく、突出の方向は絶縁層に垂直である必要は無い。
図３５に示すように、本実施形態のソーラー二次電池では、正極層３７および負極層３８が傾斜している。
図３６を参照する。３６（ａ）は、積層体２４０の切断面１４０を示している。積層体２４０の構成は図２３（ｃ）に示す構成と同一である。本実施形態では、この積層体２４０を基板１００の主面に対して垂直に切断するのではなく、９０°ではないθ（シータ）の角度をつけて切断する。切断によって得たユニットを配線パターン上に位置決めして配列する方法は、前述の実施形態について説明したとおりである。
この方法によれば、正極層３７および負極層３８が斜めになった構造を有する二次電池部を得ることができる。積層体における層厚ｔと、ユニット集積体２５０における層厚ｔ１との関係は、ｔ１＝ｔ×１／ｃｏｓθである。図３６に示す幅Ｗ１と幅Ｗとの関係は、Ｗ１＝Ｗ×１／ｃｏｓθであり、図３６に示す高さＨ１とＨとの関係は、Ｈ１＝Ｈ×ｓｉｎθである。
（実施形態８）
上記の各実施形態は、太陽電池２０と二次電池３０とが複合されたソーラー二次電池であった。本開示における二次電池は、太陽電池２０から独立して使用可能である。
図３７は、本実施形態における二次電池３０の構成を単純化して示す模式的な断面図である。
絶縁性基板４０１上に、第１集電層１３５および第２集電体１３６が設けられている。第１集電層１３５および第２集電体１３６上には、それぞれ、正極層３７および負極層３８が位置している。正極層３７および負極層３８は、固体電解質３１を介して対向している。これらの構成は、例えば不図示の樹脂によって封止され得る。樹脂に代えて、ガラス材料によって封止を行っても良い。
正極層３７、負極層３８、および固体電解質３１の構成は、前述した実施形態における二次電池に含まれていた正極層３７、負極層３８、および固体電解質３１の構成と同様である。
正極層３７、負極層３８、および固体電解質３１は、基板４０１の主面に平行な方向に積層されている。基板４０１は、全体が絶縁材料から形成されている必要は無い。導電性材料または半導体材料から形成された基板と、その基板の主面に設けられた絶縁層とを備える基板構造であってもよい。例えば、ｎ型シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜上に、集電体１３５、１３６を含む配線パターンを設けても良い。また、シリコン基板の代わりに、炭化珪素（ＳｉＣ）系および窒化ガリウム（ＧａＮ）系のワイドバンドギャップ半導体の基板を用いても良い。これの基板には、不図示の集積回路および／またはパワー素子が形成され得る。
図３８は、本実施形態における二次電池の配線パターンを示す平面図である。図３８には、Ｙ軸方向に延びつつＸ軸方向に周期的に配列された複数の第１集電体１３５および複数の第２集電体１３６と、Ｘ軸方向に延びている第１配線１８５および第２配線１８６とが記載されている。図３８の断面Ａ、断面Ｂ、および断面Ｃの各々の一部を、それぞれ、図３９（ａ）、図３９（ｂ）、および図３９（ｃ）に示す。簡単のため、ユニット集積体は省略している。
図３８に示されるように、第１集電体１３５は、第１配線１８５によって相互接続され、第２集電体１３６は、第２配線１８６によって相互接続されている。本実施形態における第１配線１８５および第２配線１８６は、「引出し配線」として機能する。第１集電体１３５、第１配線１８５、第２集電体１３６、および第２配線１８６の間は絶縁層４９で埋められている。
第１集電体１３５と第１配線１８５とは、例えば同じ材料であるアルミニウム（アルミ合金でもよい）から形成され得る。第２集電体１３６と第２配線１８６とは、例えば同じ材料であるニッケル（ニッケル合金でもよい）から形成され得る。このような配線パターンの材料は、正極層３７および負極層３８の材料に応じて、適宜、適切な導電材料が選択され得る。
このような配線パターンが形成された基板４０１上に前述した種々のユニット集積体２５０を配置することにより、図４０に示す構成を備える二次電池３０が得られる。このように二次電池３０は、正極層３７が固体電解質３１にサンドイッチされ、負極層３８が固体電解質３１にサンドイッチされ、正極層３７はその下部に形成された第１集電体１３５と電気的に接続され、負極層３８はその下部に形成された第２集電体１３６と電気的に接続される構成となる。
また、図３３および図３４を参照しながら説明した製造方法により、図４０に示す正極層３７、負極層３８、および固体電解質層３１を基板４０１上に形成することも可能である。
本実施形態の二次電池３０は、前述したソーラー二次電池における二次電池３０の構成と同様の構成を備え得る。
なお、基板４０１は、自立可能な強度および剛性を有する必要はない。ユニット集積体２５０を支持する他の部材が、例えばユニット集積体２５０の基板４０１に対して反対側の面およびまたはユニット集積体２５０の側面に設けられていれば、配線パターンを支持する絶縁体は、高い強度および剛性を有する基板である必要はなく、相対的に薄い絶縁膜または絶縁フィルムであってもよい。
（実施形態９）
図４１は、第１集電体１３５および第２集電体１３６よりも下層に位置する配線（下層配線）１２５、１２６を備える構成例を示している。本実施形態による二次電池３０は、下層配線１２５、１２６が設けられた基板構造として、半導体基板４００と、半導体基板４００の主面を覆う絶縁層４０２とを有している。前述したように、絶縁層４０２が設けられた半導体基板４００の代わりに、絶縁性基板を用いてもよい。ただし、半導体基板４００を用いことにより、二次電池３０の動作に必要な制御回路などの電気回路を半導体基板４００に集積することができる。そのような電気回路が半導体基板４００に形成される場合、その電気回路の一部は配線１２５、１２６に接続され得る。
以下、図４２から図４５を参照しながら、このような二次電池３０の製造方法の一例を説明する。図４２（ａ）は、工程途中の平面図である。図４２（ａ）の断面Ｂおよび断面Ｃを、それぞれ、図４２（ｂ）および図４２（ｃ）に示す。図４３から図４５でも同様である。
まず、図４２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照する。この段階では、例えばシリコン単結晶から形成された半導体基板４００上に、例えばシリコン酸化物から形成された絶縁層４０２を形成する。このような絶縁層４０２は、熱酸化法、ＣＶＤ法、またはスパッタ法によって形成され得る。絶縁層４０２上には、第１下層配線（正極配線）１２５および第２下層配線（負極配線）１２６を形成する。これらの下層配線１２５、１２６は、二次電池３０の正極層３７および負極層３８に電荷を運ぶ役割を担う。
次に、図４３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照する。この段階では、第１下層配線１２５および第２下層配線１２６を覆うように層間絶縁膜４１を堆積する。その後、図４４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１下層配線１２５および第２下層配線１２６に達するコンタクトホール１４４、１４５を層間絶縁膜４１に形成する。
次に、図４５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、コンタクトホール１４４、１４５にメタルを埋めこむ。この後、図４６に示すように、層間絶縁膜４１上に第１集電体１３５、第１配線１８５、第２集電体１３６、および第２配線１８６を形成する。第１配線１８５は、メタルコンタクトを介して、第１下層配線１２５に電気的に接続され、第２配線１８６は、メタルコンタクトを介して、第２下層配線１２６に電気的に接続されている。図４６（ｄ）は、図４６（ａ）の断面Ｄで切断した断面図である。図４６（ｄ）に示すように、第１集電体１３５および第２集電体１３６の下に第２下層配線１２６が形成されている。
図４７に示すように、第１集電体１３５、第１配線１８５、第２集電体１３６、および第２配線１８６の間を絶縁層４９で埋めた後、ユニット集積体２５０を組み合わせれば、図４８に示す二次電池が完成される。
本実施形態では、図４２に示されるように、第１下層配線１２５および第２下層配線１２６が基板４００上に設けられているが、これらの配線１２５、１２６以外の配線または回路が基板４００上設けられていてもよい。例えばダイオードが第１下層配線１２５および第２下層配線１２６の少なくとも一方の途中に直列的に挿入されていてもよい。
（実施形態１０）
図４９は、同一基板上に複数のユニット集積体２５０が配列された二次電池の例を示す平面図である。図４９では、最上面に設けられた電解質層は記載されていない。
本実施形態における二次電池は、１つのユニット集積体２５０（点線で囲んだ部分）には、「正極／電解質／負極／電解質」または「負極／電解質／正極／電解質」を１セットとするとき、１００００個のセットが集積されている。また図中の縦方向には、６個のセットのみが記載れさているが、現実には、１００個のユニット集積体２５０が並んでいる。この場合、各ユニット集積体２５０の幅Ｘは、例えば数百μｍに設定され得る。電流Ｉがこの二次電池に入力されるとき、各ユニット集積体２５０には、Ｉ／１００の電流が流れる。幅Ｘを例えば数十μｍに設定すれば、１つの基板上に５００以上、例えば１万セットの電極対を配置することができる。
複数のユニット集積体２５０の各々について、前述した第１配線１８５および第２配線１８６が接続されている。第１配線１８５は、図４９の左側に引き出され、正の集約電極６００に接続されている。一方、第２配線１８６は、図４９の右側に引き出され、負の集約電極７００に接続されている。
本実施形態における正極層３７および負極層３８のサイズは、基板に垂直な方向から見たとき、例えば０．５μｍ×１００μｍである。
図５０は、１つのユニット集積体２５０を拡大した平面図である。図５０に示されるように、ユニット集積体２５０における「正極／電解質／負極／電解質」の構成は、前述したいずれかの実施形態における構成と同じである。
図５１（ａ）は、図５０の断面Ａを示す。図５１（ｂ）は、図５０の断面Ｂであり、図５１（ｃ）は図５０の断面Ｃである。この図５１（ｃ）に示されるように、正極層３７の下部には正の集電層１３５、負極層３８の下部には負の集電層１３６が形成されている。正の集約電極６００、および負の集約電極７００が、集積体の両端の絶縁膜上に形成されている。正の引き出し配線はこの正の集約電極に接続され、負の引き出し配線はこの負の集約電極に接続されている。集約電極６００、７００は絶縁層によって覆われている。
図５２（ｄ１）および（ｄ２）は、それぞれ、集約電極６００と第１配線１８５との関係、および集約電極７００と第２配線１８６との関係を示す断面図である。集約電極６００、７００の表面は前述の通り絶縁層で覆われているが、集約電極６００、７００の下部は引き出し配線として機能する第１配線１８５、第２配線１８６に接している。
図５３は、本実施形態における二次電池の回路図である。
（実施形態１１）
図５４は、複数のユニット集積体２５０１、２５０２、２５０３を積層した構成を備える二次電池の断面構成例を模式的に示している。この構成によれば、二次電池の容量を更に高めることができる。必要な容量にあわせてユニット集積体の積層数を決定すればよい。ユニット集積体２５０１、２５０２、２５０３の高さは、それぞれ、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３である。これらは同じ大きさである必要は無い。しかし、積層されたユニット集積体２５０１、２５０２、２５０３における正極層３７および負極層３８は、それぞれ、適切に電気的に接続される必要がある。ユニット集積体２５０１とユニット集積体２５０２との上下間には、固体電解質が配置されているが、上下に隣接するユニット集積体２５０２、２５０３の電極間（正電極間、負電極間）には固体電解質層は配置されず、集電体（１３６、１３７）が配置され得る。
本開示によれば太陽電池と二次電池を組み合わせたソーラー二次電池をコンパクトにでき、かつその製造方法も容易にできる。このようなソーラー二次電池は光電変換装置として有用である。
２０ 太陽電池
２１ 第１の主面
２２ 第２の主面
２３ 半導体基板
２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ 第１正極端子
２６、２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ 第１負極端子
３０ 二次電池（第１二次電池）
３１、５１ 電解質層
３３ 対向面
３４ 端面
３５ 第２正極端子
３６ 第２負極端子
３７、５７、３７１、３７２、３７３ 正極層
３８、５８、３８１、３８２、３８３ 負極層
４０ 接続部
４１ 層間絶縁膜
４２Ａ、４２Ｂ 直列接続部
４５ 正極接合部
４６ 負極接合部
４８ 整流部
５０ 第２二次電池
５５ 並列接続部
７５ 正極接続部
７６ 負極接続部
８０ 直列太陽電池部
８１Ａ、８１Ｂ 近接部分
９０ ソーラー二次電池モジュール

Claims (7)

  1. 太陽電池と二次電池とを備えたソーラー二次電池であって、
    前記太陽電池は、
    第１の主面、第２の主面、前記第１の主面と第２主面との間に位置する半導体層、ならびに、前記第１の主面および前記第２の主面の少なくとも一方に設けられた第１電極層および第２電極層を有し、前記第１の主面は光入射面として機能し、
    前記二次電池は、前記太陽電池の前記第２の主面に沿って配列された複数の周期単位構造物を備え、前記複数の周期単位構造物の各々は、
    前記第２の主面から遠ざかる方向に突出し、イオンを吸蔵または放出することができる第１電極と、
    前記第２の主面から遠ざかる方向に突出し、前記イオンを吸蔵または放出することができる第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、前記イオンを伝導させる固体電解質と、
    を含み、
    前記第１電極、前記固体電解質、前記第２電極が前記第１の方向に配列された構造を有し、前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ、前記太陽電池の前記第１電極層および前記第２電極層に電気的に接続されており、
    前記第１電極および前記第２電極の配列は、前記第２の主面に複数の平板を立てた構成を有している、ソーラー二次電池。
  2. 前記太陽電池の前記第２の主面を覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に設けられ、前記太陽電池の前記第１電極層に電気的に接続された第１配線パターンと前記太陽電池の前記第２電極層に電気的に接続された第２配線パターンとを備え、
    前記第１配線パターンは、前記絶縁膜上に設けられた複数の第１集電体および前記第１集電体を接続する第１配線を含み、前記第２配線パターンは、前記絶縁膜上に設けられた複数の第２集電体および前記第２集電体を接続する第２配線とを含み、
    前記第２の主面の法線方向から見たとき、前記複数の第１集電体は、前記第１配線から前記第１配線と直交する方向に延び、かつ、前記複数の第２集電体は、前記第２配線から前記第２配線と直交する方向に延びており、
    前記複数の第１集電体は、前記二次電池の前記複数の周期単位構造物に含まれる前記第１電極に電気的に接続され、かつ、前記複数の第２集電体は、前記二次電池の前記複数の周期単位構造物に含まれる前記第２電極に電気的に接続されている、請求項１に記載のソーラー二次電池。
  3. 前記太陽電池の第１電極層および前記第２電極層は、仕事関数の異なる材料から形成されている、請求項１に記載のソーラー二次電池。
  4. 第１の主面、第２の主面、前記第１の主面と第２主面との間に位置する半導体層、ならびに、前記第１の主面および前記第２の主面の少なくとも一方に設けられた第１電極層および第２電極層を有し、前記第１の主面は光入射面として機能する、太陽電池を用意することと、
    前記太陽電池と組み合わされた二次電池を得ることと、
    を含み、
    前記二次電池は、前記太陽電池の前記第２の主面に平行な面に沿って配列された複数の周期単位構造物を備え、前記複数の周期単位構造物の各々は、
    前記太陽電池の前記第１電極層に電気的に接続され、前記太陽電池の前記第２の主面から遠ざかる方向に突出した第１電極と、
    前記太陽電池の前記第２電極層に電気的に接続され、前記太陽電池の前記第２の主面から遠ざかる方向に突出した第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に位置する電解質と、
    を有し、
    前記第１電極および前記第２電極の配列は、前記第２の主面に複数の平板を立てた構成を有しており、
    前記第１電極と前記第２電極とは、前記電解質の層を介して対向している、ソーラー二次電池の製造方法。
  5. 前記太陽電池と組み合わされた二次電池を得ることは、
    前記二次電池の前記第１電極を形成する第１の層、前記電解質から形成された第２の層、および前記第２電極を形成する第３の層が積層された積層体を用意することと、
    前記積層体から前記複数の周期単位構造物を形成することと、
    前記複数の周期単位構造物を前記太陽電池の前記第２の主面側に配置し、各周期単位構造物に含まれる前記第１電極を前記太陽電池の前記第１電極層に電気的に接続し、かつ各周期単位構造物に含まれる前記第２電極を前記太陽電池の前記第２電極層に電気的に接続すること、
    を含む請求項４に記載のソーラー二次電池の製造方法。
  6. 前記積層体を用意することは、基板上に前記第１から第３の層を順次堆積してシート状の前記積層体を形成することを含み、
    前記複数の周期単位構造物を形成することは、前記積層体を切断して前記積層体から前記複数の周期単位構造物を分離することと、前記基板から前記複数の周期単位構造物を剥離することとを含む、請求項５に記載のソーラー二次電池の製造方法。
  7. 前記太陽電池と組み合わされた二次電池を得ることは、
    前記第１電極を形成する材料の堆積およびパターニングによって前記太陽電池の前記第２の主面から遠ざかる方向に突出した第１電極を形成する工程と、
    前記第２電極を形成する材料の堆積およびパターニングによって前記太陽電池の前記第２の主面から遠ざかる方向に突出した第２電極を形成する工程と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に電解質の層を形成する工程と、
    を含む、請求項４に記載のソーラー二次電池の製造方法。

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