JPH0888386A - 携帯型電気エネルギー負荷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 配電源から独立した携帯型の電気エネルギー
負荷装置の付加的なエネルギー供給および再充電を行
う。 【構成】 エネルギー負荷装置の表面に少なくとも１つ
のフレキシブルな太陽電池が被着される。この太陽電池
は薄いシリコン結晶ウェハにより形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エネルギー蓄積器によ
り一時的に蓄積してエネルギー供給を行う、配電源から
独立した携帯型電気エネルギー負荷装置ないしエネルギ
ー消費機器に関する。

【０００２】つまり本発明は、配電源から独立した携帯
型の電気エネルギー負荷装置に関し、たとえば使用する
ためにまたは使用中に手で持ち運ばれる電気携帯機器に
関する。

【０００３】

【従来の技術】この種のエネルギー負荷装置ないし電気
携帯機器では、一般的に再充電可能なエネルギー蓄積器
により一時的に蓄積されるエネルギー供給が行われる。
この場合、アルカリ電池や亜鉛炭素バッテリまたは水銀
ボタン電池のように充電不可能な従来のバッテリのほか
に、有利には、コンデンサや蓄電池のように再充電可能
なエネルギー蓄積器が適しており、たとえば公知のニッ
ケルカドミウム電池が適している。

【０００４】配電源から独立したエネルギー負荷装置の
最大可能な動作持続時間は、エネルギー負荷装置がその
作動状態中に消費する電力にも依存するし、設けられて
いるエネルギー蓄積器殊にエネルギー負荷装置内に組み
込まれているエネルギー蓄積器の容量にも依存する。動
作持続時間が増えるにつれてエネルギー負荷装置の使用
性能や競合力も高まるので、消費電力を抑えたりエネル
ギー蓄積器の蓄積容量を増やすことで動作持続時間を延
ばす努力が一般的になされている。

【０００５】移動形エネルギー負荷装置の、配電源から
切り離された際の動作持続時間を延ばすための別の可能
性として、付加的な光起電力式エネルギー供給手段を用
意することが挙げられる。光が十分に射し込めば、光起
電力で発生するエネルギーによってエネルギー蓄積器の
負担を軽減したりそれの代わりをしたり、および／また
はエネルギー蓄積器を再び充電することができる。

【０００６】１５％を越える変換効率をもつ性能のよい
太陽電池はこれまで、シリコン（ｃ−Ｓｉ）や砒化ガリ
ウムのような結晶性半導体物質からしか製造できなかっ
た。しかしそれらの物質は、それらからは平坦なまたは
せいぜい僅かに曲げられた太陽電池しか製造できないと
いう欠点を有する。しかもそのような太陽電池は結晶性
半導体の脆さゆえに、さらに結果として柔軟性に欠ける
ことから、曲げることはできず、あるいは十分に曲げる
ことはできない。

【０００７】したがって移動形エネルギー負荷装置にお
ける高性能太陽電池の使用はこれまで、十分に平坦であ
り広々とした表面を負荷装置において利用できるかに左
右されており、そのような負荷装置であれば平坦な結晶
性の太陽電池を備え付けることができる。しかしながら
著しく小さい移動形エネルギー負荷装置の場合、殊に電
気携帯機器の場合にはたいてい、通常の太陽電池を取り
付けることのできる表面は限られている。しかも、著し
く高いコストを付加的にかけないと、凹凸部分ないしキ
ーやスイッチのような機能部分を取り扱うための場所を
作るために、太陽電池に開口部を設けることはできな
い。したがって、ほぼ方形に構成されたまたは円形の太
陽電池によってしか、電気エネルギー負荷装置において
利用可能な平坦かつ広々とした表面を覆うことはできな
い。

【０００８】さらに別の問題点は、結晶性の太陽電池は
破損しやすいことから、太陽電池の基台および／または
カバーのための材料を著しく厚くしなければならないこ
とであり、このことは携帯型エネルギー負荷装置にとっ
て不所望な付加的な重量を意味する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、この種の携帯型電気エネルギー負荷装置において
エネルギー供給を改善し、かつ上述の欠点を回避するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段および利点】本発明によれ
ばこの課題は、付加的なエネルギー供給およびエネルギ
ー蓄積器の再充電のために、少なくとも１つのフレキシ
ブルな太陽電池が表面に積層被着されており、該太陽電
池は薄いシリコン結晶ウェハにより形成されていること
により解決される。

【００１１】従属請求項には本発明の実施形態が示され
ている。

【００１２】エネルギー負荷装置に付加的にエネルギー
を供給するために、本発明によれば薄いシリコン結晶に
より形成された少なくとも１つの太陽電池がエネルギー
負荷装置表面上に積層被着される。この種の３結晶は、
G. Martinelli による論文 "Solid State Phenomea"，V
ol.32-33(1993), p.21-26 により知られている。これ
は、互いに傾斜を有する３つの単結晶領域により構成さ
れている。これらの単結晶領域のうちそれぞれ２つの領
域間の相境界は次のような面により形成されており、す
なわちこの場合、３つのこの種の面が存在しており、こ
の３つの面はそれらに共通の１つの直線に沿って交わっ
ている。有利には、各単結晶領域のうちそれぞれ２つの
領域間の境界面は、シリコン結晶の結晶学的に定義され
ている面により形成され、［１１１］面を成している。
したがって、これらの境界面により規定された面も結晶
学的に定められた角度で交わっており、それらの角度は
共通の交線に対し垂直にみて理想的には２つの１２５．
２６゜の値と１つの１０９．４７゜の値をとる。

【００１３】この種の３結晶は、結晶中を斜めに通る
［１１１］面を有していないという利点をもつ。慣用の
シリコン単結晶は特にこの種の［１１１］面に沿って転
位を有しており、これは結晶を引き上げる際に発生し特
定破断面ないしへき開個所を成す。しかし３結晶の場
合、結晶全体を横断する転位面は存在せず、したがって
この種の面に沿って割れの生じるおそれはない。境界面
に沿って割れてしまうことは起きにくい。それというの
は境界面は共通の交点ないしは共通の交差軸において曲
げられているからである。

【００１４】この種の３結晶から、破断に対しきわめて
強いウェハを切り出すことができる。このことにより６
０μｍの厚さしかないウェハでさえ３結晶からたとえば
９５％の高い収量で切り出すことができる。そしてこれ
はやはり破断に対しきわめて強いだけでなく著しくフレ
キシブルである。適切な手法（積層）を用いることで、
薄い３結晶ウェハを問題なく曲げることができ、その際
に３結晶ウェハを割ることなく約１ｃｍまでの曲率を達
成できる。

【００１５】このようにして形成された太陽電池も３結
晶ウェハと同じ有利な力学的特性を有しているので、こ
れをエネルギー負荷装置ないしはそのケーシングの１次
元的（直線的）に曲げられた外面にも容易に取り付ける
ことができる。

【００１６】この太陽電池はたとえば６０〜１００μｍ
の厚さであって、力学的な理由でたとえば３００μｍの
厚さでなければならない従来のＣ−Ｓｉ太陽電池よりも
著しく薄い。これにより太陽電池の重量が低減され、ひ
いてはエネルギー負荷装置の重量が抑えられ、したがっ
てその取り扱いが容易になる。

【００１７】しかも、曲げられた面に被着された太陽電
池は、平坦な基体に被着された太陽電池よりも著しく頑
丈で、そのため力学的にいっそう安定している。このこ
とにより、必要な力学的安定性は（表面材料ないしケー
シング材料、太陽電池およびカバーから成る積層組織に
ついて）同等の平坦な構成の場合よりも薄い層全体の厚
さでも得られる。

【００１８】本発明によるエネルギー負荷装置のための
新規なエネルギー供給の別の利点は変換効率が改善され
る点にあり、これは著しく薄い太陽電池により得られ
る。他については同じ材料品質の場合、いっそう薄い太
陽電池により、その他は同じままの短絡電流とスペース
ファクタでもいっそう高い開放電圧が得られる。しかも
薄い太陽電池は、少数荷電キャリアのいっそう僅かな拡
散距離でも、つまりシリコンの電子的な品質がいっそう
低くても、いっそう大きい拡散距離を有する材料から成
る相応に厚い太陽電池と同じ変換効率が得られる。

【００１９】同じ外面であっても、本発明にしたがって
太陽電池の被着されたエネルギー負荷装置は、同じ材料
品質の従来の太陽電池の被着されたエネルギー負荷装置
よりも、配電源から切り離された際の動作持続時間が著
しく長い。しかも、従来の太陽電池を備えたエネルギー
負荷装置と比べて、本発明によるエネルギー負荷装置は
いっそう軽量でかつ力学的に安定しており、さらに優れ
たデザインにすることができる。なぜならば、フレキシ
ブルな太陽電池は１次元的に曲げられた表面に被着でき
るからである。

【００２０】必要な太陽電池を著しく僅かな値段で得る
ことができる。それというのは材料の節約だけでも、単
結晶シリコンから成る従来の太陽電池に比べて７５％に
なるからである。太陽電池の側でさらにコストを節約す
るために挙げられるのは、３結晶の結晶引き上げプロセ
スをいっそう迅速に行えること、引き上げられた３結晶
の冷却は僅かな時間しか必要としないこと、さらに引き
上げプロセスは、結晶構造の転位の危険がないことで、
単結晶棒を引き上げるときよりも頻繁に同じルツボから
行えることである。

【００２１】外面にスイッチやキーのような操作部材、
表示部材またはその他の凹凸部分を有するエネルギー負
荷装置には、本発明による実施形態の場合、その面にも
積層化された太陽電池を設けることができる。既述の操
作部材またはディスプレイのための場所において、被着
された太陽電池には開口部が設けられている。この場
合、それらの開口部は、被着された太陽電池の周縁部に
も配置できるし、内側にも配置できる。したがって任意
に成形された底面を有する太陽電池を形成できるだけで
なく、丸い孔や角のある孔あるいは他の形状の開口部を
太陽電池の中に設けることもできる。この種の”適切な
整形”は、従来の単結晶の太陽電池では破断の危険が高
まる理由で不可能である。

【００２２】相応の開口部を１つまたは複数の太陽電池
に設けることができることで、太陽電池を被着可能なエ
ネルギー負荷装置外面も多くなり、このことにより付加
的に太陽電池によって利用できる電力も高まる。このた
め配電源から切り離された際の動作持続時間も長くな
る。

【００２３】本発明の有利な実施形態の場合、本発明に
よるエネルギー負荷装置は移動電話機やコードレステレ
フォンである。コードレステレフォンはスタンバイモー
ドにおいて１００ｍＷよりも僅かな電力しか必要とせ
ず、送信モードでは約２５０ｍＷの電力を必要とする。
ドイツ連邦共和国のＤ−ネットで動作可能なＧＳＭ規格
による無線電話機は、典型的にはスタンバイモードにお
いて１７５ｍＷの電力を必要とし、送信モードでは約２
Ｗの電力を必要とする。

【００２４】目下利用可能なバッテリまたは蓄電池だけ
では、１〜２時間の典型的な通話時間しか許されず、そ
の後は蓄電池を再び充電しなければならない。このた
め、この電話機の完全に移動状態の、つまり完全に配電
源から独立した動作は、著しく制約されてしか実現でき
ない。

【００２５】太陽光線の入射が十分であれば、本発明に
したがって構成された移動電話機のための典型的な通話
時間が約ファクタ２だけ高められる。太陽電池の平均変
換効率が１８〜２０％であるとし、太陽電池の被着され
た表面が１００ｃｍ²だとすれば、午前中の１．５の照
度のときに２Ｗのピーク電力が得られ、これによって本
発明による移動電話機では配電源から切り離された際の
連続通話モードが可能になる。従来の太陽電池では被着
のために著しく僅かな表面しか利用できないので、この
ような成果は従来の太陽電池によっては得られない。

【００２６】本発明によるさらに別の実施形態の場合、
エネルギー負荷装置たとえば携帯電話機は、少なくとも
１つの、フラップ式に折り畳み可能であり太陽電池の被
着された部分を有しており、これにより太陽に向けて配
向可能な利用し得る太陽電池面積が高められる。この場
合、開閉可能な折り畳み式の部分は付加的な役割を果た
すことができ、たとえば同時に、エネルギー負荷装置た
とえば電話機の操作部材用のカバーの役割を果たす。ま
た、エネルギー負荷装置ないし電話機の互いに隣り合う
２つの主平面に太陽電池を被着することもでき、これら
の主表面の一方たとえば裏側を、開閉可能な折り畳み式
カバーとして構成することもできる。このことにより、
静止状態において負荷装置を広げて太陽に向けて配向可
能な太陽電池面積を拡大することができ、エネルギー負
荷装置のいっそう迅速な充電が可能となる。エネルギー
負荷装置の作動時たとえば電話をするときに、このカバ
ーは再び閉じられる。その結果、機器ないし電話機は再
びもとのコンパクトな形をとり、これにより良好な取り
扱いが保証される。

【００２７】次に、添付の６つの図面を参照して実施例
に基づき本発明を詳細に説明する。

【００２８】

【実施例の説明】図１には、本発明によるエネルギー負
荷装置用の太陽電池を製造するために利用できるような
３結晶ウェハが示されている。３つの単結晶領域１，
２，３は、直線的に延在する相境界線により分けられて
いる。これらの境界線はウェハ中心部Ｍで互いに交わっ
ており、互いに角度Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を成している。こ
れらの単結晶領域のうちそれぞれ２つの領域間の相境界
線が結晶面［１１１］と正確に一致しているかぎり、そ
してウェハが中心軸つまり各相境界線を含む３つの平面
の共通の交線に対し正確に垂直にカットされていれば、
角度Ｗ３は正確に１０９．４７゜になる。この場合、均
質な成長であれば、他の２つの角度Ｗ２とＷ１も正確に
等しい大きさであり、１２５．２６゜になる。上述の育
成条件ならびにカット条件のもとでは、３結晶ウェハに
おいて３つの単結晶領域１，２，３はすべて［１１０］
の表面を有する。さらに、中心軸に対し垂直でないよう
に設定されたカットラインでウェハを切り出すことも可
能であり、この場合には角度Ｗ１〜Ｗ３も相応に変化し
得る。また、境界平面は角度に関して理想の［１１１］
面から±２％だけ隔たっていてもよい。

【００２９】厚さ６０〜１００μｍの３結晶ウェハか
ら、慣用のステップによって１つの太陽電池を製作する
ことができる。この目的で、僅かにｐ形にドーピングさ
れたシリコン結晶ウェハから、燐を拡散させることによ
りたとえば１μｍの深さまでｐｎ接合を形成することが
できる。

【００３０】太陽電池の前面および背面の接点は、たと
えばスクリーン印刷によって取り付けることができる。

【００３１】荷電キャリア対の表面再結合を抑えるため
接点の製造後、たとえば酸化物の成長によりパッシベー
ション層が被着される。

【００３２】上述のステップを実施する前に、太陽電池
の光入射面として用いられる３結晶ウェハ表面に、たと
えばシャドウマスクを用いた構造エッチングによりざら
ざらにした表面構造を設けることができる。このことに
より、反射損失を避けることで光入射面の幾何学的形状
が改善される。

【００３３】太陽電池の性能を向上させるさらに別の手
法として、たとえば硼素またはアルミニウムをウェハつ
まり太陽電池の背面に拡散させることで、背面フィール
ド（back surface field）を形成することができる。も
っぱら前面接点の領域にｎ＋＋形のドーピングを平坦に
施すことで、変換効率がいっそう高められる。

【００３４】３結晶ウェハから太陽電池を製造するため
のこれらのステップならびに本発明によるものではない
さらに別のステップについては、先願のドイツ連邦共和
国特許第４３４３２９６号明細書に示されている。本発
明にとって決定的な意味をもつのは、１次元的（直線
的）に曲げられた負荷装置表面上にも被着できるように
するのに十分にフレキシブルな太陽電池が、薄い３結晶
ウェハから製造されることだけである。

【００３５】図２には、表面に被着された太陽電池の横
断面図が示されている。表面４はエネルギー負荷装置の
外面であり、これは一般的にエネルギー負荷装置のケー
シング材料により、たとえばプラスチックまたはアルミ
ニウムのような金属により形成されている。被着させる
ために、太陽電池６と表面４との間に接着シート５が配
置されており、これはたとえば熱可塑性のプラスチック
から成る溶融接着シートである。太陽電池６を覆って封
止するためにさらに別のプラスチックシート７が用いら
れる。このシートも溶融接着シートとすることができる
し、または溶融接着シートにより被着された、抵抗力の
ある透過性のプラスチック材料から成る保護シートたと
えば過フッ素化ポリエチレンから成る保護シートとする
ことができる。

【００３６】被着させるために、各層を所定の順序で互
いに上下に置き、同時に押圧力を加えながら溶融接着シ
ートの軟化点以上に加熱する。これと同時に真空にする
ことで、この被着プロセスが容易になる。

【００３７】適切な装置であれば、太陽電池６の被着を
１次元的に曲げられた表面４上においても行える。積層
は十分に安定しており、さらに別の成形プロセスを行う
ことができ、たとえば、積層を所望の形状にする目的
で、あるいは必要であれば開口部を切り出すかかまたは
打ち抜くために、打ち抜きプロセスまたは切断プロセス
を行うことができる。

【００３８】図３には、移動形エネルギー負荷装置のた
めの実施例として、被着されたフレキシブルな太陽電池
を備えた無線電話機８の斜視図が示されている。本発明
によればこの無線電話機８の場合、表面領域の１つまた
は複数に太陽電池を被着させることができる。この場
合、最大の連続した表面は裏側９である。しかし、ここ
では３つの部分に分けられている無線電話機８の前面に
太陽電池を設けることもでき、マイクロフォン部１０、
操作部１１およびスピーカ部１３を太陽電池とともに被
着させることができる。この場合、開口部を切り出すか
打ち抜くことで、マイクロフォン、スピーカおよびキー
パネル１２のための開口部が残される。

【００３９】図４には無線電話機８の裏側９が示されて
おり、これは図３に示されているように１次元的に曲げ
ることができる。ここには１つまたは複数の太陽電池が
全面にわたって設けられており、その際、最小１ｃｍま
での曲率を有する丸くされた縁の上にも太陽電池を被着
させることができる。

【００４０】図５には、本発明によるエネルギー負荷装
置のためのさらに別の実施例として、他の形式で構成さ
れた無線電話機の平面図が示されている。この電話機は
側方にフラップ式に開閉可能な折り畳み式カバー１４を
有しており、これにはその裏側（図示せず）に積層化さ
れたフレキシブルな太陽電池が被着されている。カバー
１４は無線電話機前面のための覆いを成すことができ、
したがってキーパネルやマイクロフォンおよびスピーカ
部分のような機能部分を保護する役割を成す。しかし、
側方に開閉可能な折り畳み式カバー１４を裏側に設ける
こともできる。

【００４１】図６には、図５に示された電話機を裏側か
ら見た様子が示されている。裏側９にも、開かれている
折り畳み式カバー１４の図示されている側にも、フレキ
シブルな太陽電池が全面にわたって被着されている。

【００４２】この場合、カバー１４が電話機裏側９のた
めの覆いであるとよい。ここではカバーは、静止状態な
いしスタンバイモードのときにのみ、および十分な太陽
光線が射し込んでいるときにのみ、開けることができ
る。通話中、カバー１４はさらに裏側に向かって折り畳
まれ、これによりやはり図３に示されているようなコン
パクトな携帯機器が得られる。このように折り畳まれた
状態では、カバー１４により電話機裏側９の太陽電池が
覆い隠され、したがって（このように閉められた）電話
機の動作状態では、図６に示されている面をもはや見る
ことができない。もちろん、電話機ないしカバー１４の
図６には示されていない側にも、同様に太陽電池を被着
させることができる。

【００４３】本発明によるエネルギー負荷装置は、各実
施例で示された無線電話機に限定されるものでないこと
は自明である。むしろ、配電源から切り離されており電
気的に作動するあらゆる携帯機器を本発明にしたがって
構成することができる。そして以下のような場合には必
ず、本発明によって格別な利点が得られる。すなわち、
エネルギー消費が大きいためエネルギー蓄積器を頻繁に
交換したり追加充電しなければならない場合、携帯機器
つまりエネルギー負荷装置をいっそう簡単に取り扱える
ようにするために僅かな重量が望まれる場合、あるいは
携帯機器にとってかなり長い動作休止期間があるかまた
は僅かにしかエネルギーを消費しないスタンバイモード
時相が著しく長い場合に、本発明によって格別な利点が
得られる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、配電源から独立した携
帯型の電気エネルギー負荷装置の付加的なエネルギー供
給および再充電を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】３結晶ウェハの平面図である。

【図２】積層組織の横断面図である。

【図３】本発明によるエネルギー負荷装置である電話機
の斜視図である。

【図４】電話器の裏側を示す図である。

【図５】フラップ式に開閉可能な折り畳み式カバーを備
えた電話機を示す図である。

【図６】図５に示されている電話器の裏側を示す図であ
る。

【符号の説明】

１，２，３ 単結晶領域 ４ エネルギー負荷装置の外面 ５ 溶融接着シート ６ 太陽電池 ７ プラスチックシート ８ コードレステレフォン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルトゥール エンドレス ドイツ連邦共和国 ミュンヘン トゥンブ リンガーシュトラーセ 10 (72)発明者 リヒャルト アインツィンガー ドイツ連邦共和国 シュタインヘーリング アーベルスドルファーシュトラーセ ７

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エネルギー蓄積器により一時的に蓄積し
   てエネルギー供給を行う、配電源から独立した携帯型電
   気エネルギー負荷装置において、 付加的なエネルギー供給およびエネルギー蓄積器の再充
   電のために、少なくとも１つのフレキシブルな太陽電池
   が表面上に積層被着されており、該太陽電池は薄いシリ
   コン結晶ウェハから作製されていることを特徴とする、
   エネルギー負荷装置。
2. 【請求項２】 シリコンの３結晶ウェハから形成された
   太陽電池の活性的な半導体層（６）は６０〜１００μｍ
   の厚さである、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 少なくとも部分的に１次元的に曲げられ
   た表面（９）を有しており、少なくとも部分的に曲げら
   れた前記表面上に太陽電池が積層被着されている、請求
   項１または２記載の装置。
4. 【請求項４】 移動無線機器（８）またはコードレステ
   レフォン（８）である、請求項１〜３のいずれか１項記
   載の装置。
5. 【請求項５】 積層被着された太陽電池は、当該エネル
   ギー負荷装置（８）の表面（１１）よりも隆起してまた
   は窪んで配置されている操作キー、スイッチまたは当該
   エネルギー負荷装置の他の機能部（１２）のための開口
   部を有する、請求項１〜４のいずれか１項記載の装置。
6. 【請求項６】 前記太陽電池は、互いに傾斜を有する３
   つの単結晶領域（１，２，３）を有しており、各領域は
   太陽電池の表面上で、１点で交わる直線により分けられ
   ている、請求項１〜５のいずれか１項記載の装置。
7. 【請求項７】 １点で交わる前記の各線は互いに１２
   ５．２６゜および１０９．４７゜（それぞれ±２％）の
   角度（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）を成しており、各単結晶領域
   のうち それぞれ２つ領域間のすべての境界面はシリコ
   ンの結晶面［１１１］である、請求項６記載の装置。