JPS58158976A - 太陽エネルギ−変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アモルファス半導体の太陽エネルギー変換装
置に係わり、特にその特異な形状により太陽熱も収集で
き、利用形態が多様に変化できるエネルギー変換効率の
高いノ１イブリッド型の太陽エネルギー変換装置に関す
る。

光電変換層にアモルファス半導体を用いる太陽電池は、
低コスト太１場電池の第一候補として、有望視され各方
面でその変換効率向上の努力がなされている。しかしな
がら、従来の太陽電池は平板構造であり、その形状から
、利用形態におのづから制約がある。さらに言えば、平
板構造では５ｃｒｎ角程度の大型素子にすると電気エネ
ルギーの変換効率が４〜５％程度にしかならないという
欠点があった。この原因は、大形化するにつれて、アモ
ルファスシリコン膜が不均一になりやすい、ピンホール
等の欠陥が増えろ、透明導電膜の抵抗が大きくなり電池
の内部抵抗が増すからである。特に現在の透明導電膜は
、酸化インジウム−酸化スズ系のＩＴＯ膜と呼ばれろも
のが大半であるが、その面抵抗は２０〜２００Ω／ｃｒ
／ｌと大ぎ（、この高抵抗は無視できない問題となって
いる。一部に、その解決策として透明導電膜の上に枝状
の金属層を設け、透明導電膜の低導電性を金属層で補な
うようにした平板形の太陽電池も提案されているが、枝
状の金属層が太陽光線の入射を遮ぎり、これが変換効率
の低下をもたらすという別の問題を生じている。

さらに言えば、従来、ハイブリッド型の太陽エネルギー
変換装置は集熱機能に重点が置かれていたため、その電
気エネルギー−・の変換効率は低く、せいぜい２〜６％
であった。その理由は、集光型の装置になっているもの
が多く、集光しないものに比べ、素子温度が高くなる事
も原因になっている。

本発明は、以上のような点を鑑み、鋭意工夫したべ）の
であり、具体的には、基体として少なくとも表面が良導
電性の管状物を用い、これを一方の電極とし、光に活性
なアモルファスの半導体層を基体の表面に形成し、さら
に透明導電層を該半導体層の上に積層し、他方の電極と
して、前記の透明導電層上の一部に、さらに言えば、太
陽光を遮ざらないような位置に管状基体の長手方向にそ
って長形の良導電層を配してなる太閤エネルギー変換装
置であり、本発明では、管状基体の中空部（て熱運搬媒
体を流通させ、基体の温度上昇を抑えるとともに、太陽
熱をもエネルギーとして取り出すものである。

図面の第１図および第２図に示される本発明の太陽エネ
ルギー変換装置の一実施例に基いて、さらに詳細に説明
すると、基体（１）はその断面の幅（（比して長さの大
きい管状物であり、材質として金属の単体を用いるか、
あるいはガラスやセラミ。

りなどの絶縁物の表面に金属のめっき眉や蒸着層を設け
たものなど、少なくとも表面を良導電性である管状基体
を用いろ。図の実施例では断面円形の基体（１１であり
、その側面のは１４全周に光Ｃτ活＋１゜なアモルファ
スシリコンの半導体層（２）が設けられている。ここで
「光に対して活性」という意味は、　　下もしくは上か
ら、ｎ　型／Ｉ型／Ｐ　型の三層構成のアモルファスン
リコン半導体層となし、入射する光のエネルギーを電気
エネルギーに変換できろ半導体層であることを意味する
。図の実施例では半導体層（２）ヲま基体（１）の左端
部（３）において設けられていないが、これは、この左
端部（３）を、基体（１）を一方の電極とした際の端子
部分とするためである。

半導体層（２）の上には透明導電層（４）を積層する。

透明導電層（４）の材質としては酸化インジウム、酸化
スズ、または酸化インジウノ・〜酸化スズの二成分膜（
ＩＴＯ膜）などを用いろか、金棒の蒸着薄膜を用いるこ
とがあげられる。この透明導電層（４）の上の一部に、
すなわち図の実施例では下側半分に、良導電層（５ンを
設ける。この良導電層（５１は基体（１）の長手方向に
そって細長（設けるのが良く、その幅は太陽光線を遮ぎ
らない最大幅として基体の断面外周の４　であり、かが
る構造のとき、他方の電極として低抵抗なものとなりつ
る。すなわち、失言したように、透明導電膜（３）は２
ｏ〜２００Ω／ｄ程度の比較的高抵抗のものであり、良
導電層（５）は、透明導電膜（４）の導電性を補なう集
電体となるものである。良導電層（５）の形成手段とし
ては、真空蒸着などの薄膜形成手段にて金属層を施すほ
か、銀ペーストや導電性インキを塗布もしくは印刷（−
て形成する手段があげられる。

基体（１１の断面形状は、図の実施例では円形であり、
これが一般的な形状であると言えるが、その他の形状、
例えば断面四角形の板状体や断面楕円形のものなども本
発明に含まれる。また、その幅について言うと、幅をあ
まりにも大きくして、それにつれて透明導電層（４）の
幅が大きくなると、電池の直列抵抗が増すので、基体（
１）の幅はあまり大きくしないのが良い。１［］ａ以下
の幅、好ましくは６■以下の径ないし幅の管状基体ｆｌ
）を用いろことが良い。第１図に示すような構造にした
後、基体（１１と良導電層（５）とを電極とすることで
太閤電池としては完成する。管状基体（１）の中空部（
６）には水やフレオンガスのような熱運搬媒体を一方か
ら他方へ流通させるものである。

第３図は、本発明の装置の一使用態様を示す説明図であ
るが、図によれば、太陽光線、ｅ＋、ｅ２．８３等を一
焦点に集光し、太Ｉ湧の動きに追動する凹面鏡（力と、
その焦点の位置に配置された本発明の太陽エネルギー変
換装置（８）が示されている。この場合、本発明の装置
（８）は管状の細長いものであるので、平板状のものに
比べて凹面鏡（７）に入射する太１場光線をほとんど遮
ぎることかなく、そのうえ凹面鏡（力から反射した光を
ほぼ直角の面で受は取ることができるので、反射率も小
さくでき効率（ を高めることができる。

しかも、第３図の例によれば、良導電層ｆ５１の幅を太
陽電池（７）の断面円周の＋−皆。程度にしたから、電
池面に直接入射する太陽光線（ｐ４）をも電気エネルギ
ーに変換できるものであり、いずれにしてもエネルギー
の変換効率を高めるのに適している。さらに熱運搬媒体
（９）を中空部（６）に流すことにより、熱エネルギー
の摂取ができ、基体ｆｉｌの温度上列を抑制できる。

第４謬Ｗおいて説明すると、この場合は、太陽光線を直
接受けて電気エネルギーを得るものであるが、本発明の
管状のエネルギー変換装置（８）を多数個横に連接して
、大面積の太陽電池としたものであり、それぞれの良導
電層ｆ５１を電気的に接続すべ（、銀ペーストなどを裏
打ちして一方の電極Ｏｏ）となし、他方の電極である基
体（１）ニついてもリード線などで同様に並列的に接続
したものである。

この例によれば、上方から入射する太陽光線罎は良導電
層（５１によって遮ぎられるということが全くなく、装
置（８）は入射する太陽光線の全てを受は取ることがで
きる。しかも、抵抗率の高い透明導電層の導電性を良導
電層（５）が補なうので導電抵抗も低くなり、大形の太
陽電池であってもエネルギーロスの少ない、したがって
、入射する太陽エネルギーに対して変換効率の高い太陽
電池となるものである。多数個であろうと、第４図（ｂ
）に示すように中空部（６）に熱運搬媒体（９）を流す
ために、多数の素子に共通なパイプ（Ｉｌｌを両端に付
設する。

その他、本発明の変換装置によれば、入射した太陽光線
は電池内部で繰り返し反射を行ない、光に対して活性な
ｎ生型／ｌ型／′ｒ）生型の半導体層を何　　　度も横
切るということがある、すなわち、第４図に示すように
、透明導電層ｆ−１１の面に対して斜めに入射した太陽
光線昭）は、半導体層（２）を経て、基体ｆｉｌの金属
光沢面（ａ）Ｋて反射し、透明導電層（４）の面（ｂ）
にて全反射して再び半導体層（２）へ入射するという現
象がある。このことも、光エネルギーを電気エネルギー
へ変換する効率を高めるのに寄与するものである。

なお、本発明の太閤エネルギー変換装置に用いる光に活
性な半導体層はアモルファス（非晶質）あるいは微細結
晶質であるから、断面が円形、四角形等の任意の形状の
基体であっても、プラズマ気相蒸着法や、真空蒸着法、
反応性スパッター蒸着法などで容易に施すことができる
ことは言うまでもない。

以上のように、本発明の太閤エネルギー変換装置によれ
ば、基体の温度上昇を抑え、しかもその特殊な形状を呈
するによって、高い変換効率で電気エネルギーが得られ
るものであり、太陽熱を摂取できることとあわせて能率
的なエネルギー変換装置となっているものである。

以下に実施例を述べる。

〔実施例１〕 基体として３ｗｍ径で肉厚０．５　ｗｇの表面を鏡面仕
上げした長さ３ｏＣＷＬのステンレス鋼の管体を用い、
この基体を中性洗剤溶液で超音波洗浄した後、純水中で
リンスし、酸処理により重金属を除去し、再び純水によ
る超音波洗浄、カスケードリンサーによるリンスを施し
た後、イソプロピルアルコール蒸気による洗浄乾燥を行
ない、基体の前処理とした。

この基体の端部な５間にわたってマスクしたものをプラ
ズマＣＶＤ装置内に、蒸着物が均一に表面に付着するよ
うに回転冶具に支持させ、電気的に浮いた状態に設置し
た。基体を接地状態にしても、カソード電極としてもさ
しつがえない。基本的な反応ガスとしては、水素ガスに
対して５ｌ１１４ガスを１０％含有する混合ガスを用い
た。ｎ生型の半導体層を形成するためのガスとしては、
水素ガスに対してホスフィンガス（ｋ’　ｆｌｓ　）を
１１０００ＰＰ添加したガスを前記の混合ガスに対して
体積比で０００１〜３１％の間で混入したガスを用い、
ｐ＋型の半導体層を形成するためのガスとしては、水素
ガスに対してジボランガス（Ｈ２Ｈ６）蜘４を１１００
０ＰＰ添加したガスを前記の混合ガスに対して体積比で
０．００１〜０１％の間で混入したガスを用いた。層の
厚さは、Ｐ生型／１型／ｎ＋型それぞれ５ｏ〜５ｏｏＸ
／３ｏｏｏ〜１ｏｏｏＯＡ１５０〜１ｏｏｏＸとした。

混合ガスの流量は１０〜１００　Ｓ　ＣＣ／　ｍで一゛
装置内に導入した。蒸着時の基体の温度は２００１：に
設定し、光に活性なアモルファスシリコン半導体層を棒
状基体上に形成した。

次に、このものを透明導電膜形成用のスパッター蒸着装
置内に移し、基体と透明導電膜が短絡しないようにマス
クした後、酸化スズを５％含有する酸化インジウムの透
明導電膜を１ｏｏｏλ厚に形成した。この膜の光透過率
は８０〜９０％で、１００〜２００Ω／７の面抵抗であ
った。

このようにして得られたものの下側半分に１μｍ厚の金
属アルミニウムを真空蒸着して良導電層とした。これを
９５個第４図に示すように並列に設置して固定し、良導
電層が施された下側に、低温乾燥型の銀ペーストで単位
素子間の短絡を行ない、これを一方の電極とし、管状基
体側を他方の電極とする太陽電池とした。しかる後、管
状基体の開口端にポリカーボネイト製の流入用パイプを
差し込み、水を流入させた。

この装置の電気エネルギーへの変換効率は、ＡＭｌの照
射条件で、約５％であったが、これは、同一条件で作製
した５＋ｏ＋角の平板型太陽電池素子の変換効率（いわ
ゆる真性変換効率）とほとんど同じであった。また集熱
性能を調べろため、波長域０６μｍ〜２０μｍに亘り反
射率を測定した。

その結果、０３μｍ〜１５μｍ程度の範囲では、２０％
以下、１５μｍ〜２０μｍの範囲では、８０％以上であ
り、選択吸収膜として良好な性能を４１−している事が
わかった。

〔実施例２〕 基体として５ｆｌ径で肉厚１市、長さ１００市のステン
レス鋼製の管状体を用い、実施例１と同様にして電池構
造を形成し、良導電層として、金属アルミニウム蒸着層
にかえて、低温焼成タイプの銀ペーストを基体の長手方
向に直線的に塗布して形成した。得られた良導電層の幅
は基体の円周の約嵐　であった。このものは第３図に示
すように、凹面鐘と組合せて用いるのに適していた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の太閤電池の一実施例を長手方向に沿
って切断したところを示す拡大中央断面図、第２１￥１
は同じく長手方向に対して垂直に切断したところを示す
拡大断面図であり、第６図は本発明の太陽電池の使用形
態の一例を示す説明図、第４図（ａ）（Ｉ））は同じく
他の使用形態の一例を示す説明図であり、第５図は半導
体層の中を入射光線が導電層　（５）・・・良導電層 特許出願人 凸版印刷株式会社 第１図 第４図（１，）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも表面が良導電性である管状基体を一方
   の電極となし、光に活性なアモルファスの半導体層を該
   管状基体の表面に形成し、該半導体層の上に透明導電層
   を積層し、該透明導電層の上の一部に前記管状基体の長
   手方向にそった長形の良導電層からなる他方の電極を設
   けてなり、さらに前記管状基体の中空部に熱運搬媒体を
   流通させることを特徴とする太陽エネルギー変換装置。
2. （２）管状基体の断面の外形が円形であり、その直径が
   １０ＩＤＩ以下である特許請求の範囲第１項記載の太陽
   エネルギー変換装置。
3. （３）棒状基体が板状であり、その幅がＩ　３１１１ｍ
   以下である特許請求の範囲第１項記載の太陽エネルギー
   変換装置。