JP6730367B2 - 太陽電池 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池に関する。
太陽エネルギーは、現在最も清潔なエネルギー源の一つである。太陽エネルギーの利用方式は、光エネルギー−熱エネルギーの変換、光エネルギー−電気エネルギーの変換、光エネルギー−化学エネルギーの変換を含む。太陽電池は、光エネルギーが電気エネルギーに変換する典型的な例であり、半導体材料の光起電力効果を利用して、製造されるものである。現在、シリコン太陽電池が主要な太陽電池である（非特許文献１を参照）。シリコン太陽電池において、単結晶シリコン及び多結晶シリコンが光電転換の材料とされる。シリコン太陽電池は一般的に、単結晶シリコンウェハーで製造される。
張明傑など、"多結晶シリコンの生産"、材料及び冶金学報、２００７年、第１６巻、ｐ．３３−３８
しかしながら、現在、単結晶シリコンウェハーの製造技術が発展のニーズを満足できず、且つ単結晶シリコンウェハーの製造が大量の電気エネルギーを消耗するので、単結晶シリコンウェハーが非常に高くなり、単結晶シリコンウェハーを採用する部品も非常に高くなっている。近年は、多結晶シリコンウェハーを有するシリコンのコストが低くなり、産量が顕著に多くなっている。しかし、従来技術の多結晶シリコン太陽電池は、構造が複雑である。そして、多結晶シリコンウェハーの生長過程において、熱応力の作用により、結晶粒に大量の欠陥（例えば、ダングリングボンド、粒界、ディスロケーション、微小な欠陥等）が形成され、太陽電池の全体の性能に影響を及ぼす。
これによって、ファンデルワールスヘテロ接合構造を含む新型の太陽電池を提供する必要がある。
太陽電池は、背面電極、半導体構造及び前面電極を含む。前記半導体構造は積層して設置されるＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含み、該半導体構造が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含む、前記背面電極が前記半導体構造の第一表面に設置され、カーボンナノチューブである。前記前面電極が透明導電フィルムであり、該透明導電フィルムが堆積する方法によって、前記半導体構造の第二表面に形成され、該半導体構造を前記カーボンナノチューブと前記導電フィルムとの間に設置させ、前記カーボンナノチューブ、前記半導体構造及び前記導電フィルムが積層して、多層の立体構造を形成する。
前記カーボンナノチューブが金属性のカーボンナノチューブである。
前記多層の立体構造の横方向断面の面積が１ｎｍ２〜１０００ｎｍ２である。
前記半導体構造の厚さが１ナノメートル〜１０００ナノメートルである。
太陽電池は、第一電極、第二電極、絶縁層、ゲート電極及び太陽電池ユニットを含む。前記絶縁層が前記ゲート電極の表面に設置される。前記太陽電池ユニットが背面電極、半導体構造及び前面電極を含む。前記半導体構造が前記絶縁層の表面に設置され、前記絶縁層を通じて、前記ゲート電極と絶縁して設置され、前記半導体構造が積層して設置されるＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含み、該半導体構造が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含む。前記背面電極が前記半導体構造の第一表面に設置され、カーボンナノチューブである。前記前面電極が透明導電フィルムであり、該透明導電フィルムが堆積する方法によって、前記半導体構造の第二表面に形成され、該半導体構造を前記カーボンナノチューブと前記導電フィルムとの間に設置させ、前記カーボンナノチューブ、前記半導体構造及び前記導電フィルムが積層して、多層の立体構造を形成する。前記第一電極が前記カーボンナノチューブと電気的に接続され、前記第二電極が前記透明導電フィルムと電気的に接続される。
従来技術と比べて、本発明は、新型の太陽電池を提供する。太陽電池はコストが低く、構造が簡単であり、未来のナノ電子工学及びナノ光電子工学の領域に巨大な応用潜在力を有する。
本発明の第一実施例の太陽電池の構造を示す図である。 本発明の第一実施例の太陽電池の側面を示す図である。 本発明の第一実施例の他の太陽電池の側面を示す図である。 本発明の第二実施例の太陽電池の構造を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１及び図２を参照すると、本発明の第一実施例は、太陽電池１００を提供する。太陽電池１００は、背面電極１０２、半導体構造１０４及び前面電極１０６を含む。背面電極１０２が半導体構造１０４の表面に設置される。半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜１０００ナノメートルである。前面電極１０６が半導体構造１０４の他の表面に設置され、半導体構造１０４を背面電極１０２と前面電極１０６との間に設置させる。半導体構造１０４がＰ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂを含む。Ｐ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂが積層して設置される。半導体構造１０４が第一表面及び第二表面を含み、第一表面及び第二表面が対向して設置される。
背面電極１０２は、一つのカーボンナノチューブである。カーボンナノチューブが金属性のカーボンナノチューブであり、カーボンナノチューブの直径は制限されず、０．５ナノメートル〜１５０ナノメートルである。ある実施例において、カーボンナノチューブの直径が１ナノメートル〜１０ナノメートルである。好ましくは、カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートル〜５ナノメートルである。本実施例において、カーボンナノチューブが金属性の単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートルである。カーボンナノチューブが半導体構造１０４の第一表面に設置され、第一表面と直接的に接触される。
半導体構造１０４は、二次元構造の半導体層である。即ち、半導体構造１０４の厚さが小さくて、半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜２０００ナノメートルである。好ましくは、半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜１０００ナノメートルである。より好ましくは、半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜２００ナノメートルである。半導体構造１０４がＰ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂを含み、Ｐ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂが積層して設置される。半導体構造１０４が第一表面及び第二表面を含み、第一表面及び第二表面が対向して設置される。図２を参照すると、第一表面がＰ型半導体層１０４ａの表面であり、第二表面がＮ型半導体層１０４ｂの表面である。背面電極１０２がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置され、前面電極１０６がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置される。
図３を参照すると、他の実施例において、第一表面がＮ型半導体層１０４ｂの表面であり、第二表面がＰ型半導体層１０４ａの表面である。背面電極１０２がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置され、前面電極１０６がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置される。Ｐ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂの材料が制限されず、無機化合物半導体、元素半導体、有機半導体又はこれらの材料がドープされた材料である。本実施例において、Ｐ型半導体層１０４ａの材料がセレン化タングステン（ＷＳｅ２）であり、その厚さが６ナノメートルであり、Ｎ型半導体層１０４ｂの材料が硫化モリブデン（ＭＯＳ２）であり、その厚さが２．６ナノメートルである。背面電極１０２がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置され、前面電極１０６がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置される。
前面電極１０６が透明導電フィルムである。透明導電フィルムの材料は、導電材料である。具体的には、導電材料が金属、導電性ポリマー又はＩＴＯである。透明導電フィルムが半導体構造１０４の第二表面に直接的に堆積される。透明導電フィルムが半導体構造１０４の第二表面に堆積される具体的な方法は、制限されず、イオンスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法又は他のフィルムをコーティングする方法であってもよい。透明導電フィルムの厚さが制限されず、５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。ある実施例において、透明導電フィルムの厚さが５ナノメートル〜１００ナノメートルである。もうある実施例において、透明導電フィルムの厚さが５ナノメートル〜２０ナノメートルである。透明導電フィルムの形状が制限されず、長手形状、線形、方形などの形状である。本実施例において、透明導電フィルムは、材料が金属であり、形状が長手形状である。
背面電極１０２、半導体構造１０４及び前面電極１０６が積層して設置される。具体的には、カーボンナノチューブ、半導体構造１０４及び透明導電フィルムが積層して、多層の立体構造１１０を形成する。カーボンナノチューブのサイズが半導体構造１０４及び透明導電フィルムのサイズより小さいので、多層の立体構造１１０の断面の面積がカーボンナノチューブの直径及び長さによって決まる。多層の立体構造１１０は、横方向断面及び縦方向断面を定義して、横方向断面が半導体構造１０４の表面に平行する断面であり、縦方向断面が半導体構造１０４の表面に垂直する断面である。横方向断面の面積がカーボンナノチューブの直径及び長さによって決まる。縦方向断面の面積がカーボンナノチューブの長さ及び多層の立体構造１１０の厚さによって決まる。カーボンナノチューブのサイズが半導体構造１０４及び透明導電フィルムのサイズより小さいので、多層の立体構造１１０の横方向断面及び縦方向断面の面積が小さく、多層の立体構造１１０の体積も小さい。好ましくは、多層の立体構造１１０の横方向断面の面積は、０．２５ｎｍ２〜１０００００ｎｍ２である。更に好ましくは、多層の立体構造１１０の横方向断面の面積は、１ｎｍ２〜１００００ｎｍ２である。
カーボンナノチューブ及び透明導電フィルムと半導体構造１０４は、多層の立体構造１１０にファンデルワールスヘテロ接合構造を形成する。応用する時には、カーボンナノチューブ及び透明導電フィルムが半導体構造１０４の対向する二つの表面に設置される電極であると見られ、カーボンナノチューブ及び透明導電フィルムにバイアス電圧を印加して、多層の立体構造１１０がオン状態になる。この時に、電流が多層の立体構造１１０の横方向断面を流れて、太陽電池１００の有効部分が多層の立体構造１１０である。太陽電池１００の全体のサイズが多層の立体構造１１０の体積より大きればよい。従って、太陽電池１００が小さいサイズを有してもよく、多層の立体構造１１０を含めばよい。太陽電池１００はナノスケールの太陽電池となる。太陽電池は、ナノスケールのサイズ及びより高い集積度を持つ。
本発明の太陽電池１００がカーボンナノチューブに基づく非対称のファンデルワールスヘテロ接合構造（ＣＣＶＨ）である。半導体構造は、二次元の構造であり、非対称にカーボンナノチューブ及び透明導電フィルムとの間に挟まれる。半導体構造がＰ−Ｎ接合を含み、カーボンナノチューブ及び導電フィルムがそれぞれＰ−Ｎ接合の二つの電極とする。カーボンナノチューブが特別な幾何学的形状及びエネルギーバンド構造を有するので、カーボンナノチューブのフェルミエネルギーがゲート電極に変調されやすい。従って、太陽電池が独特の優れた性能を表現する。
図４を参照すると、本発明の第二実施例は、太陽電池２００を提供する。太陽電池２００は、第一電極２０２、第二電極２０４、絶縁層２１０、ゲート電極２０８及び太陽電池ユニット２０６を含む。太陽電池ユニット２０６の構造が第一実施例の太陽電池１００の構造と同じであり、ここで詳しく説明しない。即ち、第一実施例の太陽電池１００と比べて、本実施例の太陽電池２００は、更に第一電極２０２、第二電極２０４、絶縁層２１０及びゲート電極２０８を含む。具体的には、太陽電池ユニット２０６が絶縁層２１０を通じて、ゲート電極２０８と絶縁して設置され、第一電極２０２が背面電極１０２と電気的に接続され、第二電極２０４が前面電極１０６と電気的に接続され、ゲート電極２０８が絶縁層２１０を通じて、背面電極１０２、半導体構造１０４、前面電極１０６、第一電極２０２及び第二電極２０４と絶縁して設置される。
太陽電池２００において、ゲート電極２０８及び絶縁層２１０が積層して設置され、太陽電池ユニット２０６が絶縁層２１０の表面に設置され、絶縁層２１０をゲート電極２０８と太陽電池ユニット２０６との間に位置させる。太陽電池２００において、背面電極１０２としてのカーボンナノチューブが絶縁層２１０の表面に直接的に設置され、半導体構造１０４がカーボンナノチューブの上方に設置され、カーボンナノチューブを半導体構造１０４と絶縁層２１０との間に位置させ、前面電極１０６としての透明導電フィルムが半導体構造１０４の上方に位置する。本実施例において、カーボンナノチューブは、絶縁層２１０の表面に直接的に設置され、ゲート電極２０８に接近して、ゲート電極２０８が太陽電池ユニット２０６を制御することができる。また、透明導電フィルムがゲート電極２０８から離れるので、透明導電フィルムは半導体構造１０４及びゲート電極２０８に遮蔽効果を生成することができず、太陽電池２００が作動できないことを防止するようになる。本実施例において、カーボンナノチューブがＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置され、透明導電フィルムがＰ型半導体層１０４ａの表面に設置され、Ｐ型半導体層１０４ａは、厚さが６ナノメートルであるＷＳｅ２であり、Ｎ型半導体層１０４ｂは、厚さが２.６ナノメートルであるＭｏＳ２である。
第一電極２０２及び第二電極２０４が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。第一電極２０２及び第二電極２０４も導電フィルムであってもよく、導電フィルムの厚さが２ナノメートル〜１００マイクロメートルである。本実施例において、第一電極２０２及び第二電極２０４が金及びチタンからなる金属複合構造である。具体的には、金属複合構造が金層及びチタン層からなり、金層がチタン層の表面に設置される。チタン層の厚さが５ナノメートルであり、金層の厚さが５ナノメートルである。本実施例において、第一電極２０２は、カーボンナノチューブと電気的に接続され、カーボンナノチューブの一端に設置され、カーボンナノチューブの表面と緊密に接触する。チタン層がカーボンナノチューブの表面に設置され、金層がチタン層の表面に設置される。第二電極２０４は、透明導電フィルムと電気的に接続され、透明導電フィルムの一端に設置され、透明導電フィルムの表面と緊密に接触する。チタン層が透明導電フィルムの表面に設置され、金層がチタン層の表面に設置される。
絶縁層２１０の材料が絶縁材料であり、その厚さが１ナノメートル〜１００マイクロメートルである。絶縁層２１０がカーボンナノチューブとゲート電極２０８とを、間隔を置いて、絶縁的に設置させる。本実施例において、絶縁層の材料が酸化シリコンである。
ゲート電極２０８が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。本実施例において、ゲート電極２０８が層状の構造であり、絶縁層２１０がゲート電極２０８の表面に設置され、第一電極２０２、第二電極２０４及び太陽電池ユニット２０６が絶縁層２１０に設置され、ゲート電極２０８及び絶縁層２１０に支持される。
本実施例の太陽電池２００が応用される時には、太陽光線が透明導電フィルムを通して、半導体構造１０４に照射され、半導体構造１０４と、カーボンナノチューブ及び透明導電フィルムとは、ファンデルワールスヘテロ接合構造を形成するので、光起電力効果を生成して、光エネルギーが電気エネルギーに変換する。本実施例の太陽電池２００において、カーボンナノチューブが背面電極１０２とされ、絶縁層２１０に直接的に設置され、ゲート電極２０８と絶縁層２１０のみが隔てられ、カーボンナノチューブが特別な性能を有するので、ゲート電極によって、太陽電池ユニット２０６における半導体構造の作動性能を調節でき、異なる半導体材料からなる太陽電池２００の性能を向上できる。
１００ 太陽電池
１０２ 背面電極
１０４ 半導体構造
１０４ａ Ｐ型半導体層
１０４ｂ Ｎ型半導体層
１０６ 前面電極
１１０ 多層の立体構造
２００ 太陽電池
２０２ 第一電極
２０４ 第二電極
２０６ 太陽電池ユニット
２０８ ゲート電極
２１０ 絶縁層

Claims (5)

  1. 背面電極、半導体構造及び前面電極を含む太陽電池において、
    前記半導体構造が積層して設置されるＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含み、該半導体構造が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含み、
    前記背面電極が前記半導体構造の第一表面に設置され、一つの単層カーボンナノチューブであり、
    前記前面電極が透明導電フィルムであり、該透明導電フィルムが堆積する方法によって、前記半導体構造の第二表面に形成され、該半導体構造を前記単層カーボンナノチューブと前記透明導電フィルムとの間に設置させ、前記単層カーボンナノチューブ、前記半導体構造及び前記透明導電フィルムが積層して、多層の立体構造を形成し、
    前記単層カーボンナノチューブが、第一の方向に沿って延在しており、
    前記半導体構造の第二表面に前記透明導電フィルムを積層させたものが、前記単層カーボンナノチューブを跨いで、前記第一の方向と交差する第二の方向に沿って延在しており、
    前記多層の立体構造の前記半導体構造の表面に平行する断面の面積は、一つの前記単層カーボンナノチューブの直径及び長さによって決まることを特徴とする太陽電池。
  2. 前記単層カーボンナノチューブが金属性の単層カーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記多層の立体構造の前記半導体構造の表面に平行する断面の面積が１ｎｍ２〜１０００ｎｍ２であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  4. 第一電極、第二電極、絶縁層、ゲート電極及び太陽電池ユニットを含む太陽電池において、
    前記絶縁層が前記ゲート電極の表面に設置され、
    前記太陽電池ユニットが背面電極、半導体構造及び前面電極を含み、
    前記半導体構造が前記絶縁層の表面に設置され、前記絶縁層を通じて、前記ゲート電極と絶縁して設置され、前記半導体構造が積層して設置されるＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含み、該半導体構造が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含み、
    前記背面電極が前記半導体構造の第一表面に設置され、一つの単層カーボンナノチューブであり、
    前記前面電極が透明導電フィルムであり、該透明導電フィルムが堆積する方法によって、前記半導体構造の第二表面に形成され、該半導体構造を前記単層カーボンナノチューブと前記透明導電フィルムとの間に設置させ、前記単層カーボンナノチューブ、前記半導体構造及び前記透明導電フィルムが積層して、多層の立体構造を形成し、
    前記単層カーボンナノチューブが、前記絶縁層の表面上において第一の方向に沿って延在しており、
    前記半導体構造の第二表面に前記透明導電フィルムを積層させたものが、前記絶縁層の表面上における前記単層カーボンナノチューブを跨いで、前記第一の方向と交差する第二の方向に沿って延在しており、
    前記多層の立体構造の前記半導体構造の表面に平行する断面の面積は、一つの前記単層カーボンナノチューブの直径及び長さによって決まり、
    前記第一電極が、前記単層カーボンナノチューブと電気的に接続され、前記単層カーボンナノチューブにおける前記第一の方向の一端に設置されており、
    前記第二電極が、前記透明導電フィルムと電気的に接続され、前記透明導電フィルムにおける前記第二の方向の一端に設置されていることを特徴とする太陽電池。
  5. 前記第一電極及び前記第二電極は、金及びチタンからなる金属複合構造をなしており、
    前記第一電極のチタン層が、前記単層カーボンナノチューブの表面に設置されるとともに、前記第一電極の金層が前記第一電極のチタン層の表面に設置され、
    前記第二電極のチタン層が、前記透明導電フィルムの表面に設置されるとともに、前記第二電極の金層が前記第二電極のチタン層の表面に設置されている
    ことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池。
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