JPWO2003056633A1 - 受光又は発光用半導体装置 - Google Patents

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Abstract

受光用半導体装置としてのソーラボール１０は、球状ソーラセル１の外表面側を光透過性の外殻部材１１で覆い、ソーラセル１の電極６，７に接続された電極部材１４，１５を設けたものである。外殻部材１１は２分割体を接着したカプセル１２とその内部に充填して硬化させた充填材１３とからなる。複数のソーラボール１０をマトリックス状に配置して並列且つ直列に接続したソーラパネルを構成でき、多数の球状ソーラセル１をマトリックス状に配置し、透明な外殻部材で覆ってソーラパネルを構成できる。複数のソーラセル１を列状に配置して並列接続し、それらを透明な外殻部材で覆ったロッド又は紐状のソーラストリングを構成することができる。外殻部材１１により集光できるため、ソーラセル１の受光エリアを拡大することができる。ソーラセル１の代わりに、発光機能のある球状半導体デバイスを外殻部材で覆った発光用半導体装置も記載されている。

Description

技術分野
本発明は、受光又は発光用半導体装置に関し、特に受光又は発光機能のある球状半導体デバイスの外面側を光透過性のある外殻部材で覆って集光性能又は光放射性能を改善した装置であって、太陽電池、照明装置、表示装置、など種々の用途に適用可能なものである。
背景技術
従来、ｐ形又はｎ形の半導体からなる小径の球状の半導体素子の表面部に拡散層を介してｐｎ接合を形成し、それら多数の球状の半導体素子を共通の電極に並列接続して、太陽電池や半導体光触媒に活用する技術が研究されている。
米国特許第３，９９８，６５９号公報には、ｎ形の球状半導体の表面にｐ形拡散層を形成し、多数の球状半導体の拡散層を共通の膜状の電極（正極）に接続するとともに多数の球状半導体のｎ形コア部を共通の膜状の電極（負極）に接続して太陽電池を構成する例が開示されている。
米国特許第４，０２１，３２３号公報には、ｐ形の球状半導体素子とｎ形の球状半導体素子を直列状に配置して、それら半導体を共通の膜状の電極に接続するとともに、それら半導体素子の拡散層を共通の電解液に接触させて、太陽光を照射して電解液の電気分解を起こさせる太陽エネルギーコンバータ（半導体モジュール）が開示されている。
米国特許第４，５８２，５８８号公報や米国特許第５，４６９，０２０号公報に示す球状セルを用いたモジュールにおいても、各球状セルはシート状の共通の電極に接続することより取付けられているため、複数の球状セルを並列接続するのに適するが、複数の球状セルを直列接続するのには適していない。
一方、本発明の発明者は、米国特許第６，２０４，５４５号や米国特許第６，２９４，８２２号の特許公報に示すように、ｐ形半導体やｎ形半導体からなる球状の半導体素子に拡散層、ｐｎ接合、１対の電極を形成した粒状の発光又は受光用の半導体デバイスを提案し、米国特許第６，２０４，５４５号公報においては、多数の半導体デバイスを直列接続したり、その複数の直列接続体を並列接続して、太陽電池、水の電気分解等に供する光触媒装置、種々の発光デバイス、カラーディスプレイなどに適用可能な半導体モジュールを提案した。この半導体モジュールにおいて、何れかの直列接続体の何れかの半導体デバイスが故障によりオープン状態になると、その半導体素子を含む直列回路には電流が流れなくなり、その直列接続体における残りの正常な半導体デバイスも機能停止状態となり、半導体モジュールの出力の低下が発生する。
そこで、本願の発明者は、複数の半導体セルをマトリックス状に配置し、各列の半導体セルを直列接続すると共に各行の半導体セルを並列接続する直並列接続構造を着想し、複数の国際特許出願を提出している。
しかし、米国特許第６，２０４，５４５号公報の半導体モジュールでは、半導体セルの電極同士を接続することにより複数の半導体セルを直列接続し、この直列接続体を複数列平面的に並べた構造を採用していたので、また、半導体セルの１対の電極が非常に小さなものであるので、前記直並列接続構造を採用する場合に、製造技術が複雑になり、大型の半導体モジュールを製造するのが難しく、半導体モジュールの製造コストが高価になる。
前記のように、本発明の発明者が提案した球状半導体デバイスは、直径が１〜３ｍｍ程度の小径のものであるため、例えばソーラパネルや発光パネルを構成する場合に、多数の球状半導体デバイスを数ｍｍ間隔のマトリックス状に配置することになる。この場合、球状半導体デバイスの必要数が非常に多くなり、製作費用が高価になる。そこで、ソーラパネルの場合、各列の球状半導体デバイスに集光用のシリンドリカルな集光レンズを付随的に設けることで、列間の間隔を大きくすることにより、球状半導体デバイスの必要数を少なくすることが考えられる。しかし、太陽光の入射方向の変化に応じて集光レンズの位置や姿勢を変化させる必要があり、集光レンズを可動に支持し姿勢制御する為の機構が複雑で高価なものになり、実用性に欠ける。
他方、照明やディスプレイに用いる発光パネルの場合、小径の球状半導体デバイスから発する光の輝度が過度に高くなりやすく、適度の輝度でソフトに発光する発光パネルを構成することが難しい。
本発明の目的は、受光用球状半導体デバイスに光を集光する集光機能を高めた受光用半導体装置、複数行複数列に配置した複数の球状半導体デバイスにおける一部の球状半導体デバイスの故障による影響を受けにく且つ集光機能を高めた受光用半導体装置、１列又は複数列に配置した複数の球状半導体デバイスを列単位で並列接続し且つ集光機能を高めた受光用半導体装置、発光用球状半導体デバイスから発する光を拡散させる光拡散機能を高めた発光用半導体装置を提供することである。
発明の開示
本発明に係る受光又は発光用半導体装置は、受光機能又は発光機能のある少なくともの１つの球状半導体デバイスを備えた受光又は発光用半導体装置において、前記球状半導体デバイスは、外形が球状のｐ型又はｎ型の半導体結晶と、この半導体結晶の表層部にほぼ球面状に形成されたｐｎ接合と、このｐｎ接合の両端に接続され且つｐｎ接合の曲率中心を挟んで両側に位置する１対の電極を備え、前記球状半導体デバイスの直径の１／４以上の厚さの光透過性壁部でもって球状半導体デバイスの外面側を覆う外殻部材であって、その外表面が球面又は部分球面をなすように構成された外殻部材を設けたことを特徴とするものである。
この半導体装置が受光用半導体装置である場合には、外来光が外殻部材の外表面に入射し、その入射光の大部分は表面で屈折して外殻部材の内部へ入り、球状半導体デバイスへ到達し光起電力を発生する。外殻部材の外表面が球面又は部分球面をなしているため、入射光の入射方向が変化しても、前記と同様に球状半導体デバイスへ到達し光起電力を発生する。
外殻部材が、球状半導体デバイスの直径の１／４以上の厚さの光透過性壁部でもって球状半導体デバイスの外面側を覆っているため、外殻部材が集光機能を発揮し、各球状半導体デバイス当たりの受光面積が拡大し、各球状半導体デバイスに到達する光量が増大する。
この半導体装置が発光用半導体装置である場合には、ほぼ球面状のｐｎ接合から発生した光がほぼ全方向へ放射され、外殻部材の球面又は部分球面状の外表面から外界へ放射される。外殻部材が、球状半導体デバイスの直径の１／４以上の厚さの光透過性壁部でもって球状半導体デバイスの外面側を覆っているため、外殻部材が光拡散機能を発揮し、発光源の大きさが拡大し、発光源から放射する光の輝度が緩和されてソフトな光として外界へ放射する。
ここで、次のような構成を適宜採用することも可能である。
（ａ）前記外殻部材が、この外殻部材の外表面側部分を形成する球形の光透過性カプセルと、このカプセル内に充填して硬化させた光透過性合成樹脂からなる充填材を有する。
（ｂ）前記外殻部材の外表面には多数の微小な光乱反射面が形成された。
（ｃ）前記球状半導体デバイスの１対の電極に夫々接続され且つ外殻部材を貫通して外殻部材の外表面まで延びる１対の電極部材を設けた。
（ｄ）外表面が球面をなす前記外殻部材で夫々覆われた複数の球状半導体デバイスが複数行複数列のマトリックス状に配設され、各行又は各列の複数の球状半導体デバイスを電気的に直列接続する直列接続機構と、各列又は各行の複数の球状半導体デバイをが電気的に並列接続する並列接続機構を設けた。
（ｅ）複数の球状半導体デバイスが複数行複数列のマトリックス状に配設され、各行又は各列の複数の球状半導体デバイスを電気的に並列接続する導電接続機構を設け、前記外殻部材は、複数の球状半導体デバイスを夫々覆うほぼ球形の複数の外殻部と、複数の外殻部と一体形成された板状部とを有する。
（ｆ）前記導電接続機構は、複数の導体線とこれら複数の導体線に直交するように配設された複数の絶縁体線材とで構成された網構造のうちの前記複数の導体線からなる。
（ｇ）本発明の別の受光又は発光用半導体装置は、受光機能又は発光機能のある複数の球状半導体デバイスを備えた受光又は発光用半導体装置において、前記各球状半導体デバイスは、外形が球状のｐ型又はｎ型の半導体結晶と、この半導体結晶の表層部にほぼ球面状に形成されたｐｎ接合と、このｐｎ接合の両端に接続され且つｐｎ接合の曲率中心を挟んで両側に位置する１対の電極を備え、前記複数の球状半導体デバイスを１列状に配置して、これら複数の球状半導体デバイスを電気的に並列接続する導電接続機構を設け、前記球状半導体デバイスの直径の１／４以上の厚さの光透過性壁部でもって複数の球状半導体デバイスの外面側を共通に覆う外殻部材であって円筒状の外表面を有する外殻部材を設けたことを特徴とするものである。
（ｈ）本発明の他の受光又は発光用半導体装置は、受光機能又は発光機能のある複数の球状半導体デバイスを備えた受光又は発光用半導体装置において、前記各球状半導体デバイスは、外形が球状のｐ型又はｎ型の半導体結晶と、この半導体結晶の表層部にほぼ球面状に形成されたｐｎ接合と、このｐｎ接合の両端に接続され且つｐｎ接合の曲率中心を挟んで両側に位置する１対の電極とを備え、前記複数の球状半導体デバイスを複数列に配置して、これら複数列の各々の複数の球状半導体デバイスを列単位で電気的に並列接続する導電接続機構を設け、前記球状半導体デバイスの直径と略同等の厚さ以上の厚さの光透過性壁部でもって複数の球状半導体デバイスの外面側を共通に覆う外殻部材であって、複数列の球状半導体デバイスを夫々覆う略円柱状の複数の円柱部を有する外殻部材を設けたことを特徴とするものである。
（ｉ）前記球状半導体デバイスが前記ｐｎ接合を含む光起電力発生部を有する。
（ｊ）前記球状半導体デバイスが前記ｐｎ接合とを含む電光変換部を有する。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を実施する最良の形態について図面を参照して説明する。
最初に、受光用半導体装置としてのソーラパネルに組み込まれる球状ソラーセル１について説明する。尚、この球状ソラーセル１は球状半導体デバイスに相当する。
図１は、球状ソーラセル１の拡大断面を示すものであり、この球状ソーラセル１は、抵抗率が１Ωｍ程度のｐ形シリコン単結晶からなる直径が約０．６〜２．０ｍｍの球状結晶２を素材として構成されている。この球状結晶２の下端に直径約０．６ｍｍの平坦面３が形成され、この球状結晶２の表面部にリン（Ｐ）を拡散したｎ＋形拡散層４（厚さ約０．４〜０．５μｍ）とほぼ球面状のｐｎ接合５が形成されている。尚、前記平坦面３の直径０．６ｍｍは直径２．０ｍｍの球状結晶２の場合の大きさであ。
球状結晶２の中心（ほぼ球面状のｐｎ接合５の曲率中心）を挟んで対向する両端部には、１対の電極６，７（正極６と負極７）が設けられ、正極６が平坦面３に配置され、正極６は球状結晶２に接続され、負極７はｎ＋形拡散層４に接続されている。正極６と負極７を除く全表面にはＳｉＯ２又はＴｉＯ２の絶縁膜からなる反射防止膜８（厚さ約０．６〜０．７μｍ）が形成されている。正極６は例えばアルミニウムペーストを焼成して形成され、負極７は銀ペーストを焼成して形成される。
このような、球状ソーラセル１は、本発明者が米国特許第６，２０４，５４５号公報に提案した方法で球状結晶２を製作してから、平坦面３、ｎ＋形拡散層４、１対の電極６，７、反射防止膜８を形成することで製作することができる。球状結晶２を製作する場合、高さ約１４ｍの落下チューブを採用し、原料としてのｐ形シリコンの粒を落下チューブの上端側の内部で加熱溶融してから自由落下させながら表面張力の作用で真球状を保持しつつ凝固させてほぼ真球状の球状結晶２を製作する。尚、球状結晶２は、落下チューブに依らずに、機械的な研磨方式などの方式により球状またはほぼ球状の結晶に形成してもよい。
前記平坦面３は、球状結晶２の一部を機械的に研磨して形成することができる。この平坦面３を形成するので、球状結晶２が転がりにくくなり、真空ピンセットにて吸着可能となり、正極６と負極７とを識別可能となる。次に、ｎ＋形拡散層４を形成する場合は、球状結晶２の平坦面３とその外周側部分をＳｉＯ２などによりマスキングした状態で、ｎ形不純物としてのリン（Ｐ）を公知の方法又は前記公報に開示した方法で球状結晶２の表面に拡散させる。１対の電極６，７、反射防止膜８も公知の方法又は前記公報に開示した方法で形成することができる。この球状ソーラセル１は、光電変換機能を有し、太陽光を受光して０．５〜０．６Ｖの光起電力を発生する。
次に、前記の球状ソーラセル１の外面側を光透過性の外殻部材１１で覆った構造の半導体装置としてのソーラボール１０について説明する。
図２は、前記ソーラボール１０の拡大断面図であり、このソーラボール１０は、中心部に位置する球状ソーラセル１と、このソーラセル１の外面側をソーラセル１の直径の１／４以上の厚さの光透過性壁部でもって覆う光透過性の外殻部材１１と、１対の電極部材１４，１５とで構成されている。この外殻部材１１は、球状ソーラセル１に導入する光の光量を増大させる為のものであり、この外殻部材１１は、光透過性の球殻状のカプセル１２と、このカプセル１２内に充填された光透過性の充填材１３とで構成されている。
前記カプセル１２は、透明な絶縁性の合成樹脂（例えば、ポリカーボネイト、アクリル、ポリアリレート、メタクリル、シリコーン、ポリエステルなど）又は透明ガラスで構成され、肉厚は例えば０．２〜１．０ｍｍである。このカプセル１２の内部へソーラセル１を収容する為に、カプセル１２は１対の半球状カプセル分割体１２ａを接着することで球状カプセルに構成されている。
このカプセル１２に外部から入射する光をカプセル１２内へ極力多く導入する為に、カプセル１２の外表面には、図４に示すように尖ったピラミッド状の微小凹凸１２ｂが形成されている。この微小凹凸１２ｂは、図示のように尖ったピラミッド状のものでもよく、曲率半径の小さな部分凸球面をなすものでもよい。
前記充填材１３は、透明な絶縁性の合成樹脂（例えば、メタクリル樹脂、シリコーン樹脂を主成分とする充填剤）を液状のままカプセル１２内に充填後に加熱又は紫外線照射により硬化される。外殻部材１１の光透過性壁部の厚さ（カプセル１２の表面からソーラセル１までの厚さ）は、ソーラセル１の直径の１／４以上であることが望ましく、光透過性壁部の厚さが前記直径の１／４よりも薄い場合には、光量を増大する機能が殆ど得られない。外殻部材１１の光透過性壁部の厚さが余りに大きくなると、ソーラセル１に導入する光の光量増加に寄与しない部分が多くなるため、外殻部材１１の光透過性壁部の厚さは、ソーラセル１の直径の１／４〜５倍程度の厚さにすることが望ましい。
尚、カプセル１２の表面での光の反射を少なくする為には、カプセル１２を構成する材料の屈折率は極力１．０に近く、充填材１３を構成する合成樹脂材料の屈折率を極力大きくすることが望ましい。尚、前記外殻部材１１の大部分を複数層のカプセルで構成し、中心側から外側に向かって、光の屈折率が段階的に小さくなるような構造にしてもよい。
前記１対の電極部材１４，１５は導電性に優れる金属（例えば、銅や銀やニッケル）で構成するのが望ましい。一方の電極部材１４は外殻部材１１に形成された穴を貫通し、この電極部材１４の先端はソーラセル１の正極６に半田や導電性接着剤で接続され、この電極部材１４の外端はカプセル１２の外表面の外側へ所定長さ突出している。他方の電極部材１５は外殻部材１１に形成された穴を貫通し、この電極部材１５の先端はソーラセル１の負極７に半田や導電性接着剤で接続され、電極部材１５の外端はカプセル１２の外表面の外側へ所定長さ突出している。
前記ソーラボール１０を製作する場合、予めソーラセル１、１対の半球状カプセル分割体１２ａ、１対の電極部材１４，１５、充填材１３の液状の原料を予め準備し、最初に球状ソーラセル１に１対の電極部材１４，１５を取付け、この１対の電極部材１４，１５付きのソーラセル１を１対のカプセル分割体１２ａの内部に収容してから、それらカプセル分割体１２ａを球状に突き合わせて赤道部の接触面を接着剤で接合して球状カプセル１２にする。
次に、図５に示すように、一方の電極部材１４をカプセル１２の一方の穴から外部へ突出させ、他方の電極部材１５をカプセル１２の他方の穴から内側へ外した状態にセットし、この状態で、矢印で示すように、液状の充填材原料をカプセル１２内に充填し、次にソーラセル１をカプセル１２内の中心部に位置決めし、次に例えば紫外線を照射することで、原料を硬化させて充填材１３とする。
このソーラボール１０の作用について説明すると、図６に示すように、例えば、太陽光が入射する場合、外殻部材１１が球状をなし、その外表面に入射した光を屈折作用により中心部へ導くため、外殻部材１１の集光作用により、球状ソーラセル１へ導入される光の光量が著しく増大する。しかも、カプセル１２と充填材１３との境界面における反射により、光を内部に閉じ込める作用も得られるため、球状ソーラセル１が受光する光量が増大する。
尚、図６におけるソーラボール１０のカプセル１２の下半分の表面に反射膜を形成する場合には、球状ソーラセル１が受光する光量を一層増大させることができる。図７は、太陽光が西方へ傾いた状態を示すが、外殻部材１１の外表面が球面であるため、図６の場合とほぼ同じ条件で受光する。
次に、前記のソーラボール１０を多数組み込んで構成したソーラパネル２０について説明する。図８、図９に示すように、このソーラパネル２０は、光透過性の絶縁性の合成樹脂製のベースパネル２１と、このベースパネル２１上に複数行複数列に配置された多数のソーラボール１０と、これらソーラボール１０を直列接続する直列接続機構２２ａと、各行のソーラボール１０を並列接続する並列接続機構２２ｂと、ベースパネル２１と直列接続機構２２ａと並列接続機構２２ｂの上側表面を覆う光透過性の合成樹脂製の表面カバー層２３などで構成されている。前記ベースパネル２１は、例えば３０ｃｍ×３０ｃｍのサイズのパネルであり、透明な合成樹脂（例えば、ポリカーボネイト、アクリル、ポリアリレート、メタクリル、シリコーン、ポリエステルなど）又は透明ガラスで構成され、厚さは例えば３．０〜５．０ｍｍである。このベースパネル２１の上面には、ソーラボール１０を配置する為のほぼ半球状の凹部２４が所定間隔おきに複数行複数列のマトリックス状に形成されている。図８に示すように、前記直列接続機構２２ａと並列接続機構２２ｂは、ベースパネル２１の上面の平面部分に行方向と平行に形成された複数の帯状導電膜２５で構成されている。この帯状導電膜２５は、透明な導電性合成樹脂又は金属膜（銅、ニッケルなど）からなる。
多数のソーラボール１０の電極部材１４，１５が極性を揃えて平行に向くように方向付けられ、それらソーラボール１０が複数行複数列の凹部２４に装着される。例えば、正極６側の電極部材１４が図８の上方へ向き、負極７側の電極部材１５が図８の下方へ向いており、各電極部材１４，１５は、対応する帯状導電膜２５に半田や導電性接着材にて接続されている。
つまり、各行の複数のソーラボール１０は、その両側の帯状導電膜２５により並列接続され、各列の複数のソーラボール１０は、複数の帯状導電膜２５を介して直列接続されている。電流出力側終端の帯状導電膜２５には、金属薄板からなる正極端子２６（外部リード）が接続され、この電流出力側終端の帯状導電膜２５と反対側の終端の帯状導電膜２５には、前記と同様の負極端子２７（図１０参照）が接続されている。
前記ベースパネル２１の上側表面のうち、多数のソーラボール１０以外の部分には、光透過性の絶縁性合成樹脂からなる表面カバー層２３が形成され、多数のソーラボール１０の上半部が表面カバー層２３よりも突出した状態となっている。このソーラパネル２０の下面側へ光が透過するのを防止する為に、ベースパネル２１の下面には、金属製の反射膜２８が形成されている。但し、反射膜２８は必須のものではなく、省略することもある。
このソーラパネル２０においては、各ソーラボール１０に設けた外殻部材１１で光を集光してソーラセル１に受光させることができるため、個々のソーラセル１が分担する受光エリアが拡大される。そのため、個々のソーラセル１の発電量を多くし、ソーラセル１の利用率を高め、ソーラセル１の配列ピッチを大きくして、ソーラセル１の必要数を節減することができる。ソーラパネル２０における各ソーラボール１０の上側表面が半球面状であるため、３次元空間のすべての方向から来る光も球状ソーラセル１に導入でき、光の入射方向が変化しても、発電性能が低下することがない。
このソーラパネル２０において、ソーラボール１０を例えば５行１０列に配置したと仮定した場合に、このソーラパネル２０の等価回路は図１０に示すようになり、５０個のソーラボール１０の光起電力で発生した電流は、正極端子２６から外部回路へ流れることになる。
このソーラパネル２０においては、各列のソーラボール１０が並列接続され、各行のソーラボール１０が直列接続されているため、何れかのソーラボール１０が故障や日陰により機能低下や機能停止した場合でも、それらのソーラボール１０による光起電力が低下したり停止するだけで、正常なソーラボール１０の出力は並列接続関係にあるその他のソーラボール１０を介して分流出力されるため、一部のソーラセル１の故障や機能低下による悪影響は殆ど生じず、信頼性と耐久性に優れたソーラパネル２０となる。
ここで、図１１に示すように、負極端子２７の付近に逆流防止用ダイオード２９を設けることが望ましい。即ち、このソーラパネル２０がバッテリに接続されているような場合に、夜間ソーラパネル２０の停止中に、バッテリから電流が逆流すると、ソーラパネル２０が壊れてしまう虞があるので、逆流防止用ダイオード２９により逆電流が流れないようにする。
次に、前記ソーラボール１０の変更形態について説明する。
図１２に示すソーラボール１０Ａにおいては、前記外殻部材１１の代わりに、１種類の充填材からなる外殻部材１１Ａが設けられている。このソーラボール１０Ａを製作する場合には、図１３に示すように、ソーラセル１に１対の電極部材１４，１５を接続したものを金型１６，１７内にセットし、金型１６，１７内のキャビティ１８内に、光透過性の絶縁性の溶融状態の合成樹脂（例えば、ポリカーボネイト、アクリル、等）を注入して硬化させることにより、ソーラボール１０Ａを製作することができる。但し、このソーラボール１０Ａの外表面には、図４と同様の微小な光乱反射用の凹凸を形成することが望ましい。
次に、前記ソーラボールの別の変更形態について説明する。
図１４に示すソーラボール１０Ｂにおいては、外殻部材１１Ｂが球体の下部約１／３を除去したような部分球の形状に形成され、外殻部材１１Ｂの上側表面は部分球面に形成され、外殻部材１１Ｂの底面は平面状に形成されている。外殻部材１１Ｂは光透過性の絶縁性の合成樹脂材料で構成されている。ソーラセル１は、外殻部材１１Ｂの球の中心部に配設され、負極７と正極６を夫々上下に向け、正極６は底面から僅かに突出しており、負極７に接続された電極部材１５Ｂが外殻部材１１Ｂを貫通してその外表面から突出している。外殻部材１１Ｂの底面には、金属製の反射膜１９が正極６から分断状に形成されている。
このソーラボール１０Ｂにおいては、上方から入射する光を受光する性能においては、前記のソーラボール１０，１０Ａと同等であり、反射膜１９を形成してあるため下方へ透過する光の光量が少なくなる。外殻部材１１Ｂの材料を節減することができるから材料費を節約できる。
別実施形態１・・・・（図１５〜図１７参照）
次に、前記の球状ソーラセル１を多数組み込んだソーラパネル５０の別実施形態について説明する。但し、このソーラパネル５０は半導体装置に相当する。
図１５〜図１７に示すソーラパネル５０においては、複数の球状ソーラセル１が複数行複数列のマトリックス状に配設され、各行又は各列の複数のソーラセル１を電気的に並列接続する導電接続機構が設けられ、複数のソーラセル１を夫々覆うほぼ球形の複数の外殻部５２と、複数の外殻部５２と一体形成された板状部５３とからなる外殻部材５１が設けられている。
前記ソーラセル１は外殻部５２の中心部に位置し、外殻部５２は光透過性壁部によりソーラセル１の外表面を覆い、各外殻部５２は隣接する外殻部５２と一体的に形成されている。外殻部５２の光透過性壁部の厚さは、ソーラセル１の直径の１／４以上の厚さとするのが望ましい。この外殻部５２は、前記ソーラボール１０の外殻部材１１と同様の機能を得る為のものである。
前記導電接続機構は、複数の導電線５４と、これら導電線５４と直交状に配置された複数の絶縁体線材５５とからなる網構造５６のうちの前記複数の導電線５４で構成されている。この網構造５６において、ソーラセル１の列に沿う各１対の導電線５４はソーラセル１の直径と等しい間隔をあけて配設され、ソーラセル１の行に沿う各１対の絶縁体線材５５はソーラセル１の直径と等しい間隔をあけて配設されている。
このソーラパネル５０を製作する場合、矩形状の枠部材５７により外周部が支持された網構造５６と、多数のソーラセル１とを予め準備しておき、この網構造５６に図１５に示すように多数のソーラセル１を配置する。このとき、多数のソーラセル１の正極６が図１５の左方に向き、負極７が図１５の右方に向くようにセットする。この場合に、各ソーラセル１を網構造５６の枡目に嵌めて位置決めし固定することができるため、多数のソーラセル１を網構造５６に簡単に能率的に装着することができる。
次に、各ソーラセル１の正極６を対応する導電線５４に半田又は導電性接着剤にて接続し、各ソーラセル１の負極７を対応する導電線５４に半田又は導電性接着剤にて接続する。次に、この多数のソーラセル１を装着した網構造５６を射出成形装置の所定の金型にセットし、その金型内の成形キャビティ内に光透過性の絶縁性合成樹脂（例えば、ポリカーボネイト、アクリル等）の融液を注入して、図１５〜図１７に示すようなソーラパネル５０を成形する。その成形後に、成形品を金型から取り出し、網構造５６の外周部を１点鎖線５８の位置で切断して枠部材５７から切り離すと、図１５に示すような状態となる。
このソーラパネル５０においては、各列の複数のソーラセル１が１対の導電線５４からなる導電接続機構により並列接続されており、各列のソーラセル１の出力電圧は０．５〜０．６Ｖである。ソーラパネル５０の出力電圧を高める場合に、外周部にはみだした導電線５４を介して複数列のソーラセル１を直列接続すれば、このソーラパネル５０の等価回路は、図１０に示すような回路と同様のものとなる。但し、図１１のように、逆電流防止用の１又は複数のダイオードを設けてもよい。
このソーラパネル５０においては、基本的に前記ソーラパネル２０とほぼ同様の作用が得られる。そして、上下に対称の構造であり、上方からの光も下方からの光も同等に受光可能であるので、窓ガラスに貼り付けたソーラパネル、窓ガラスの代わりのソーラパネルに構成するすることができる。但し、このソーラパネル５０に上面側から入射する光だけを受光させるような場合には、ソーラパネル５０の下面にメッキ等の方法で反射膜を形成してもよい。
しかも、このソーラパネル５０においては、前記のソーラボール１０を多数準備してからそれらをパネル状に組み立てるのではなく、多数のソーラセル１を網構造５６を用いてパネル状に組立てから、射出成形によりソーラパネル５０にするので、製作の工程数も少なく、製作費低減の面で有利である。尚、外殻部材５１を、透明なガラスで構成することも可能である。
別実施形態２・・・・（図１８〜図２１参照）
次に、前記の球状ソーラセル１を多数組み込んだソーラストリング６１をパネル状に組立てたソーラパネル６０について説明する。但し、このソーラストリング６１は半導体装置に相当し、このソーラパネル６０も半導体装置に相当する。
図１８、図１９に示すように、ソーラパネル６０は、透明な合成樹脂製のケース６２と、このケース６２に収容した例えば５本のソーラストリング６１とで構成されている。
ケース６２は、ソーラストリング６１を収容可能なほぼ円筒状のストリング収容部６３を５個並べて一体的に形成され、各ストリング収容部６３の下端にフランジ部６４が形成されている。図２０、図２１に示すように、ソーラストリング６１は、１列に並べた複数の球状ソーラセル１と、これらソーラセル１を並列接続する導電接続機構６５と、ソーラセル１の直径の１／４以上の厚さの光透過性壁部でもって複数のソーラセル１の外面側を共通に覆う外殻部材６６であって円筒状の外表面を有する外殻部材６６とを有する。
ソーラセル１は前記実施形態において説明したものと同様のものであり、複数のソーラセル１は正極６を図２０の左方へ向け、負極７を図２０の右方へ向けた状態に導電方向を揃え、隣接のソーラセル１との間に僅かな隙間を空けた状態に配置されている。導電接続機構６５は、１対の金属製の細い導電線６５ａ，６５ｂを主体にして構成されている。この導電線６５ａ，６５ｂは、例えば銅、アルミニウム、ニッケル、銀合金又は金合金などで構成されている。複数のソーラセル１の正極６は導電線６５ａに半田や導電性合成樹脂にて夫々接続され、複数のソーラセル１の負極７は導電線６５ｂに半田や導電性合成樹脂にて夫々接続され、これらソーラセル１と導電接続機構６５とが透明な外殻部材６６で覆われている。外殻部材６６は、透明な絶縁性の合成樹脂（例えば、ポリカーボネイト、ポリアリレート、メタクリル、シリコーン、ポリエステルなど）で構成されるが、硬質の合成樹脂で構成する場合もあるし、軟質のフレキシブルな合成樹脂で構成する場合もある。前記導電線６５ａ，６５ｂの一端部分は外殻部材６６から所定長さ突出しており、その突出部から電力を外部へ取り出すことができる。
このソーラストリング６１は前記ケース６２と等しい長さに形成され、図２４に示すように、５個のソーラストリング６１をケース６２の５つのストリング収容部６３に夫々収容し、図１８に示すように外部導線６７で接続することで、５個のソーラストリング６１を直列接続することができる。この場合、各ソーラストリング６１の光起電力を約０．６Ｖとすると、図１８に示すソーラパネル６０により約３．０Ｖの光起電力を発生させることができる。
このソーラパネル６０においては、外殻部材６６の外表面が円筒面であって球面ではないが、前記外殻部材１１とほぼ同様に、種々の方向から来る光を球状ソーラセル１の方へ導入し易くし、受光量を増大させ、ソーラセル１の受光エリアを拡大する機能を発揮する。尚、前記のケース６２は必須のものではなく、５個のソーラストリング６１を並べて接着するとか、透明な１対のパネル間に組み込んでもよい。
ここで、前記ソーラストリング６１を使用する別の使用例について補足説明する。ソーラストリング６１はソーラパネル６０以外の形態でも使用することができる。例えば、モバイル型の電子機器の電源として使用するような場合には、ネックレス、ブローチ、リストバンド、ハンドバック、ベルト、帽子、メガネなどの装身具又は装身具の一部にソーラストリング６１を組み込むことができる。
この場合、必要に応じて外殻部材６６を軟質のフレキシブルな合成樹脂で構成すれば、フレキシブルなソーラストリング６１となる。また、複数のソーラストリング６１を直列的に又はリング状に配置して電気的に直列接続することも可能である。
前記ソーラストリング６１においては、複数のソーラセル１が並列接続されているため、各ソーラストリング６１の光起電力の電圧がほぼ一定（０．５〜０．６Ｖ）となるから、例えば５個又は６個のソーラストリング６１を直列接続することで、約３．０Ｖの光起電力を発生させることができるし、直列接続するソーラストリング６１の数を適宜設定することで、所望の電圧の光起電力を発生させることができる。しかも、個々のソーラセル１で発生する電流は僅かであるけれども、ソーラストリング６１に組み込むソーラセル１の数に応じた電流を発生させることができるため、汎用性に優れる。
前記ソーラストリング６１の構造は図示のものに限定されるものではなく、例えば、ソーラセル１とソーラセル１間の間隔を大きく設定し、各ソーラセル１の外面側を球状の外殻部材又はほぼ球状の外殻部で覆った構造にしてもよい。また、ソーラストリングを縦横に組み合わせて網のような構造にしてもよい。
また、ソーラストリング６１を並べたソーラパネルの例として、例えば、図２２に示すように、複数のソーラストリング６１Ａの外殻部材６６Ａ（円筒部に相当する）を一体的に構成し、ソーラパネル６０Ａを構成することもできる。
次に、前記の実施形態や変更実施形態を変更する種々の例について説明する。
１〕前記ソーラセル１におけるｐ形シリコン単結晶からなる球状結晶２の代わりに、ｎ形シリコン単結晶からなる球状結晶を採用し、ｎ形拡散層４の代わりにｐ形拡散層を形成してもよい。但し、この場合正極６と負極７が逆になる。
また、球状結晶２に平坦面３と、この平坦面３と反対側に位置し平坦面３と平行な平坦面であって平坦面３と大きさの異なる平坦面を形成し、その平坦面に負極７を設けてもよい。但し、これらの平坦面は、必須のものではなく省略可能である。
また、球状結晶２の代わりに、内部に絶縁材料製の球状のコア材を有し、このコア材の外表面を半導体の単結晶で覆った構造の球状結晶を採用してもよい。
２〕前記ソーラパネル３０におけるプリント基板の代わりに、セラミック配線基板や、金属配線ガラス基板や、透明合成樹脂板からなるシート体を採用してもよい。また、ソーラパネル３０においてワイヤボンディングにより、ソーラセル１を電気的に接続することも有る。
３〕前記実施形態においては、ソーラボール、ソーラパネル、ソーラストリングなど受光用半導体装置を例として説明したが、発光ボール、発光パネル、発光ストリングなどの発光用半導体装置にも本発明を同様に適用することができる。
この発光用半導体装置の場合、前記の球状ソーラセル１の代わりに電光変換により発光する粒状の発光ダイオード（ＬＥＤ）を組み込むことにより、ボールから発光する半導体装置、パネルから平面的に発光する半導体装置、ストリングから発光する半導体装置、を製作することができる。この発光ダイオードとしては、本願の発明者が米国特許第６，２０４，５４５号公報に提案した球状発光ダイオードやそれに類似の構造の球状発光ダイオードも採用可能である。
ここで、量子井戸構造の球状発光ダイオードの一例について説明する。
図２３に示す球状発光ダイオード７０（球状半導体デバイスに相当する）は、透明な球状サファイア７１（例えば、直径が０．６〜５．０ｍｍ）、この球状サファイア７１の表面に薄膜状に形成された球面状のＧａＮ（ガリウムナイトライド）からなるバッファ層７２、このバッファ層７２の表面に薄膜状に形成された球面状のｎ形ＧａＮ層７３、このｎ形ＧａＮ層７３の表面に薄膜状に形成された球面状のＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）からなる発光層７４、この発光層７４の表面に薄膜状に形成された球面状のｐ形ＧａＮ層７５、１対の電極７６，７７（陽極７６と陰極７７）などを有する。前記バッファ層７２や発光層７４は、ＭＯＣＶＤ法などの公知の技法により球状サファイア７１の表面に形成することができる。
陽極７６と陰極７７は、球状発光ダイオード７０の中心を挟んで一直線上に並ぶように設けられ、陽極７６と陰極７７は球状発光ダイオード７０の両端部に位置している。オーミックコンタクトからなる陽極７６はｐ形ＧａＮ層７５に接続され、オーミックコンタクトからなる陰極７７はｎ形ＧａＮ層７３に接続されている。この発光ダイオード７０においては、陽極７６から陰極７７へ順方向に電流を流すと、ｐｎ接合近傍から発光層７４の材料に応じた波長の光を発生し外部へ放射する。
前記発光層７４を形成するＩｎｘＧａ１−ｘＮにおいて、Ｉｎの組成ｘを増やすと、発光波長が長くなる。例えば、ｘ＝０．２のとき波長λｐ＝４６５ｎｍの青色光を発光し、ｘ＝０．４５のとき波長λｐ＝５２０ｎｍの緑色光を発光する。
発光用半導体装置に相当する発光用ボール８０は、球状発光ダイオード７０と、この球状発光ダイオード７０の外面側を球状発光ダイオード７０の直径の１／４以上の厚さの光透過性壁部でもって覆う外殻部材８１であって、その外表面が球面又は部分球面をなすように構成された外殻部材８１と、１対の電極７６，７７に接続されて外殻部材８１の外面外へ突出した１対の電極部材８２，８３（外部リード）などで構成されている。一方の電極部材８２は導電性接着剤により正極７６に接続され、他方の電極部材８３は導電性接着剤により負極７７に接続されている。前記外殻部材８１は透明な絶縁性の合成樹脂（例えば、エポキシ樹脂など）で構成されている。球状発光ダイオード７０の発光層７４から発生した光（図に矢印で図示）は、図示のように球状サファイア７１を貫通する光も含めて全方向へ放射する。このとき、球状発光ダイオード７０で発生した光は、外殻部材８１の全表面から放射するため、発光源が拡大し、発光源から放射する光の輝度が低下し、ソフトな光が放射することになる。尚、外殻部材８１に、必要に応じて光を拡散させる為の拡散剤（例えば、ガラスパウダー等）を混入してもよい。
前記発光ボール８０を単独の発光デバイスとして使用してもよいが、球状発光ダイオード７０又は発光ボール８０を、前記のソーラパネル２０，５０，６０のような発光パネルに構成することもできるし、前記のソーラストリング６１のような発光ストリングに構成することもできる。尚、発光ボール８０や発光パネルや発光ストリングの片面に発射膜を設けて、その片面と反対側へのみ発光する構造にする場合もある。また、球状発光ダイオード７０は一例に過ぎず、赤色光を発光するもの、白色光を発光するもの、その他の種々の色の光を発光する発光ダイオードを適用することもできる。
尚、前記球状サファイア７１の代わりに、球状のＧａＮ結晶体を採用してもよく、この場合、前記ＧａＮ製のバッファ層７２を省略することができる。
４〕前記球状ソーラセル１は、シリコンの半導体で製作した受光用半導体セルを例にして説明したが、ＳｉＧｅ，ＧａＡｓ及びその化合物、ＩｎＰ及びその化合物、ＣｕＩｎＳｅ２及びその化合物、ＣｄＴｅ及びその化合物、などの半導体で光電変換機能のある受光用半導体セルを構成することもできる。
或いは、発光用半導体セルを組み込んで発光用半導体モジュールを構成する場合には、ＧａＡｓ及びその化合物、ＩｎＰ及びその化合物、ＧａＰ及びその化合物、ＧａＮ及びその化合物、ＳｉＣ及びその化合物、などの半導体で電光変換機能のある発光用半導体セルを構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の実施例を示すものであり、図１は球状半導体デバイスの拡大断面図であり、図２はソーラボールの拡大断面図であり、図３は図２のソーラボールの拡大側面図であり、図４は外殻部材の要部拡大断面図であり、図５はカプセルの内部へ液状の透明合成樹脂を充填する状態を示す拡大断面図であり、図６，図７は夫々受光時の光の挙動を説明する為のソーラボールの拡大断面図であり、図８は図２のソーラボールを複数行複数列に配設したソーラパネルの要部拡大平面図であり、図９は図８のＩＸ−ＩＸ線断拡大図であり、図１０は図８のソーラパネルの等価回路の回路図であり、図１１は図１０の等価回路を部分的に変更した等価回路部分図であり、 図１２は変更例に係るソーラボールの拡大断面図であり、図１３は図１２のソーラボールを成形する金型と球状ソーラセルと１対の電極部材の拡大断面図であり、図１４は別の変更例に係るソーラボールの拡大断面図である。
図１５〜図１７は他の別実施形態に係るソーラパネルに関する図面であり、図１５はソーラパネルの要部拡大平面図であり、図１６は図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図であり、図１７は図１５のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
図１８〜図２１は他の別実施形態に係るソーラパネルとソーラストリングに関する図面であり、図１８はソーラパネルの平面図であり、図１９はケースの側面図であり、図２０はソーラストリングの拡大断面図であり、図２１は図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。図２２は変更例に係るソーラパネルの部分拡大側面図である。図２３は他の別実施形態に係る発光ボールの拡大断面図である。

Claims (11)

  1. 受光機能又は発光機能のある少なくとも１つの球状半導体デバイスを備えた受光又は発光用半導体装置において、
    前記球状半導体デバイスは、外形が球状のｐ型又はｎ型の半導体結晶と、この半導体結晶の表層部にほぼ球面状に形成されたｐｎ接合と、このｐｎ接合の両端に接続され且つｐｎ接合の曲率中心を挟んで両側に位置する１対の電極を備え、
    前記球状半導体デバイスの直径の１／４以上の厚さの光透過性壁部でもって球状半導体デバイスの外面側を覆う外殻部材であって、その外表面が球面又は部分球面をなすように構成された外殻部材を設けたことを特徴とする受光又は発光用半導体装置。
  2. 前記外殻部材の外表面が球面に形成され、この外殻部材は、この外殻部材の外表面側部分を形成する光透過性カプセルと、このカプセル内に充填して硬化させた光透過性合成樹脂からなる充填材とを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の受光又は発光用半導体装置。
  3. 前記外殻部材の外表面には多数の微小な光乱反射面が形成されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の受光又は発光用半導体装置。
  4. 前記球状半導体デバイスの１対の電極に夫々接続され且つ前記外殻部材を貫通して外殻部材の外表面まで延びる１対の電極部材を設けたことを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項の何れかに記載の受光又は発光用半導体装置。
  5. 外表面が球面をなす前記外殻部材で夫々覆われた複数の球状半導体デバイスが複数行複数列のマトリックス状に配設され、
    各行又は各列の複数の球状半導体デバイスを電気的に直列接続する直列接続機構と、各列又は各行の複数の球状半導体デバイをが電気的に並列接続する並列接続機構を設けたことを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項の何れかに記載の受光又は発光用半導体装置。
  6. 複数の球状半導体デバイスが複数行複数列のマトリックス状に配設され、各行又は各列の複数の球状半導体デバイスを電気的に並列接続する導電接続機構を設け、
    前記外殻部材は、複数の球状半導体デバイスを夫々覆うほぼ球形の複数の外殻部と、複数の外殻部と一体形成された板状部とを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の受光又は発光用半導体装置。
  7. 前記導電接続機構は、複数の導体線とこれら複数の導体線に直交するように配設された複数の絶縁体線材とで構成された網構造のうちの前記複数の導体線からなることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の受光又は発光用半導体装置。
  8. 受光機能又は発光機能のある複数の球状半導体デバイスを備えた受光又は発光用半導体装置において、
    前記各球状半導体デバイスは、外形が球状のｐ型又はｎ型の半導体結晶と、この半導体結晶の表層部にほぼ球面状に形成されたｐｎ接合と、このｐｎ接合の両端に接続され且つｐｎ接合の曲率中心を挟んで両側に位置する１対の電極を備え、前記複数の球状半導体デバイスを１列状に配置して、これら複数の球状半導体デバイスを電気的に並列接続する導電接続機構を設け、
    前記球状半導体デバイスの直径の１／４以上の厚さの光透過性壁部でもって複数の球状半導体デバイスの外面側を共通に覆う外殻部材であって円筒状の外表面を有する外殻部材を設けたことを特徴とする受光又は発光用半導体装置。
  9. 受光機能又は発光機能のある複数の球状半導体デバイスを備えた受光又は発光用半導体装置において、
    前記各球状半導体デバイスは、外形が球状のｐ型又はｎ型の半導体結晶と、この半導体結晶の表層部にほぼ球面状に形成されたｐｎ接合と、このｐｎ接合の両端に接続され且つｐｎ接合の曲率中心を挟んで両側に位置する１対の電極とを備え、
    前記複数の球状半導体デバイスを複数列に配置して、これら複数列の各々の複数の球状半導体デバイスを列単位で電気的に並列接続する導電接続機構を設け、
    前記球状半導体デバイスの直径と略同等の厚さ以上の厚さの光透過性壁部でもって複数の球状半導体デバイスの外面側を共通に覆う外殻部材であって、複数列の球状半導体デバイスを夫々覆う略円柱状の複数の円柱部を有する外殻部材を設けたことを特徴とする受光又は発光用半導体装置。
  10. 前記球状半導体デバイスが前記ｐｎ接合を含む光起電力発生部を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項、第５項〜第９項の何れかに記載の受光又は発光用半導体装置。
  11. 前記球状半導体デバイスが前記ｐｎ接合とを含む電光変換部を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項、第５項〜第９項の何れかに記載の受光又は発光用半導体装置。
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