KR20040064300A - 수광 또는 발광용 반도체 장치 - Google Patents

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Abstract

수광용 반도체 장치로서의 솔라볼(10)은, 구형 솔라셀(1)의 외표면측을 광투과성의 외각(外殼) 부재(11)로 피복하여, 솔라셀(1)의 전극(6, 7)에 접속된 전극 부재(14, 15)를 설치한 것이다. 외각 부재(11)는 2분할체를 접착한 캡슐(12)과 그 내부에 충전하여 경화시킨 충전재(13)로 이루어진다. 복수개의 솔라볼(10)을 매트릭스형으로 배치하여 병렬 또한 직렬로 접속한 솔라 패널을 구성할 수 있고, 다수의 구형 솔라셀(1)을 매트릭스형으로 배치하고, 투명한 외각 부재로 피복하여 솔라 패널을 구성할 수 있다. 복수개의 솔라셀(1)을 열형으로 배치하여 병렬 접속하고, 이들을 투명한 외각 부재로 덮은 로드(rod) 또는 스트링형의 솔라 스트링을 구성할 수 있다. 외각 부재(11)에 의해 집광할 수 있기 때문에, 솔라셀(1)의 수광 에리어를 확대할 수 있다. 솔라셀(1) 대신에, 발광 기능이 있는 구형 반도체 디바이스를 외각 부재로 덮은 발광용 반도체 장치도 기재되어 있다.

Description

수광 또는 발광용 반도체 장치 {LIGHT RECEIVING OR EMITTING SEMICONDUCTOR APPARATUS}
종래, p형 또는 n형의 반도체로 이루어지는 소경(小徑)의 구형의 반도체 소자의 표면부에 확산층을 사이에 두고 pn접합을 형성하고, 이들 다수의 구형의 반도체 소자를 공통의 전극에 병렬 접속하여, 태양 전지나 반도체 광촉매에 활용하는 기술이 연구되어 왔다.
미국 특허 제3,998,659호 공보에는, n형의 구형 반도체의 표면에 p형 확산층을 형성하고, 다수의 구형 반도체의 확산층을 공통의 막형(膜形) 전극(플러스극)에 접속하는 동시에 다수의 구형 반도체의 n형 코어부를 공통의 막형 전극 마이너스극)에 접속하여 태양 전지를 구성하는 예가 개시되어 있다.
미국 특허 제4,021,323호 공보에는, p형의 구형 반도체 소자와 n형의 구형 반도체 소자를 직렬형으로 배치하고, 이들 반도체를 공통의 막형 전극에 접속하는동시에, 이들 반도체 소자의 확산층을 공통의 상기 분해액에 접촉시켜, 태양광을 조사하여 분해액의 전기 분해를 일으키게 하는 태양 에너지 컨버터(반도체 모듈)가 개시되어 있다.
미국 특허 제4,582,588호 공보나 미국 특허 제5,469,020호 공보에 개시된 구형 셀을 사용한 모듈에 있어서도, 각 구형 셀은 시트형의 공통의 전극에 접속함으로써 장착되어 있기 때문에, 복수개의 구형 셀을 병렬 접속하는데 적합하지만, 복수개의 구형 셀을 직렬 접속하는데는 적합하지 않다.
한편, 본 발명의 발명자는, 미국 특허 제6,204,545호나 미국 특허 제6,294, 822호의 특허 공보에 개시된 바와 같이, p형 반도체나 n형 반도체로 이루어지는 구형의 반도체 소자에 확산층, pn접합, 한쌍의 전극을 형성한 입상(粒狀)의 발광 또는 수광용의 반도체 디바이스를 제안하고, 미국 특허 제6,204,545호 공보에 있어서는, 다수의 반도체 디바이스를 직렬 접속하거나, 그 복수개의 직렬 접속체를 병렬 접속하여, 태양 전지, 물의 전기 분해 등에 제공하는 광촉매 장치, 각종 발광 디바이스, 컬러 디스플레이 등에 적용 가능한 반도체 모듈을 제안했다. 이 반도체 모듈에 있어서, 어느 직렬 접속체의 어느 반도체 디바이스가 고장에 의해 오픈 상태가 되면, 그 반도체 소자를 포함한 직렬 회로에는 전류가 흐르지 않게 되고, 그 직렬 접속체에 있어서의 나머지의 정상적인 반도체 디바이스도 기능 정지 상태가 되어, 반도체 모듈의 출력의 저하가 발생한다.
따라서, 본원의 발명자는, 복수개의 반도체 셀을 매트릭스형으로 배치하고, 각 열의 반도체 셀을 직렬 접속하는 동시에 각 행의 반도체 셀을 병렬 접속하는 직병렬 접속 구조를 착상하여, 복수건의 국제 특허 출원을 제출하고 있다.
그러나, 미국 특허 제6,204,545호 공보의 반도체 모듈에서는, 반도체 셀의 전극들을 서로 접속함으로써 복수개의 반도체 셀을 직렬 접속하고, 이 직렬 접속체를 복수열 평면적으로 배열한 구조를 채용하고 있었으므로, 또, 반도체 셀의 한쌍의 전극이 매우 작은 것이므로, 상기 직병렬 접속 구조를 채용하는 경우에, 제조 기술이 복잡하게 되어, 대형의 반도체 모듈을 제조하는 것이 어렵고, 반도체 모듈의 제조 비용이 고가로 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 발명자가 제안한 구형 반도체 디바이스는, 직경이 1~3mm 정도의 소경의 것이기 때문에, 예를 들면 솔라 패널이나 발광 패널을 구성하는 경우에, 다수의 구형 반도체 디바이스를 수mm 간격의 매트릭스형으로 배치하게 된다. 이 경우, 구형 반도체 디바이스의 필요수가 매우 많아져, 제작 비용이 고가로 된다. 따라서, 솔라 패널의 경우, 각 열의 구형 반도체 디바이스에 집광용의 실린드리컬한 집광 렌즈를 부수적으로 설치함으로써, 열 사이의 간격을 크게 함으로써, 구형 반도체 디바이스의 필요수를 줄이는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 태양광의 입사 방향의 변화에 따라 집광 렌즈의 위치나 자세를 변화시킬 필요가 있어, 집광 렌즈를 가동 가능하게 지지하여 자세 제어하기 위한 기구가 복잡하여 고가의 것이 되어, 실용성이 부족하다.
한편, 조명이나 디스플레이에 이용하는 발광 패널의 경우, 소경의 구형 반도체 디바이스로부터 발하는 광의 휘도가 과도하게 높아지기 쉽고, 적당한 휘도로 소프트하게 발광하는 발광 패널을 구성하는 것이 어렵다.
본 발명의 목적은, 수광용 구형 반도체 디바이스에 광을 집광하는 집광 기능을 높인 수광용 반도체 장치, 복수행 복수열로 배치한 복수개의 구형 반도체 디바이스에 있어서의 일부의 구형 반도체 디바이스의 고장에 의한 영향을 받지 않고 또한 집광 기능을 높인 수광용 반도체 장치, 1열 또는 복수열로 배치한 복수개의 구형 반도체 디바이스를 열단위로 병렬 접속하고 또한 집광 기능을 높인 수광용 반도체 장치, 발광용 구형 반도체 디바이스로부터 발하는 광을 확산시키는 광확산 기능을 높인 발광용 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 수광 또는 발광용 반도체 장치에 관한 것이며, 특히 수광 또는 발광 기능이 있는 구형(球形) 반도체 디바이스의 외면측을 광투과성이 있는 외각(外殼) 부재로 피복하여 집광 성능 또는 광방사 성능을 개선한 장치이며, 태양 전지, 조명 장치, 표시 장치, 등 각종 용도에 적용 가능한 것이다.
도면은 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로서,
도 1은 구형 반도체 디바이스의 확대 단면도이다.
도 2는 솔라볼의 확대 단면도이다.
도 3은 도 2의 솔라볼의 확대 측면도이다.
도 4는 외각 부재의 주요부 확대 단면도이다.
도 5는 캡슐의 내부에 액상의 투명 합성 수지를 충전하는 상태를 나타낸 확대 단면도이다.
도 6, 도 7은 각각 수광시의 광의 거동을 설명하기 위한 솔라볼의 확대 단면도이다.
도 8은 도 2의 솔라볼을 복수행 복수열로 설치한 솔라 패널의 주요부 확대 평면도이다.
도 9는 도 8의 IX-IX선 단면 확대도이다.
도 10은 도 8의 솔라 패널의 등가(等價) 회로의 회로도이다.
도 11은 도 10의 등가 회로를 부분적으로 변경한 등가 회로 부분도이다.
도 12는 변경예에 관한 솔라볼의 확대 단면도이다.
도 13은 도 12의 솔라볼을 성형하는 금형과 구형 솔라셀과 한쌍의 전극 부재의 확대 단면도이다.
도 14는 다른 변경예에 관한 솔라볼의 확대 단면도이다.
도 15~도 17은 다른 다른 실시예에 관한 솔라 패널에 관한 도면으로서, 도 15는 솔라 패널의 주요부 확대 평면도이며, 도 16은 도 15의 XVI-XVI선 단면도이며, 도 17은 도 15의 XVII-XVIl선 단면도이다.
도 18~도 21은 다른 다른 실시예에 관한 솔라 패널과 솔라 스트링에 관한 도면이며, 도 18은 솔라 패널의 평면도이며, 도 19는 케이스의 측면도이며, 도 20은 솔라 스트링의 확대 단면도이며, 도 21은 도 20의 XXI-XXI선 단면도이다.
도 22는 변경예에 관한 솔라 패널의 부분 확대 측면도이다.
도 23은 다른 실시예에 관한 발광볼의 확대 단면도이다.
본 발명에 관한 수광 또는 발광용 반도체 장치는, 수광 기능 또는 발광 기능이 있는 적어도의 하나의 구형 반도체 디바이스를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 장치에 있어서, 상기 구형 반도체 디바이스는, 외형이 구형인 p형 또는 n형의 반도체 결정과, 이 반도체 결정의 표층부에 대략 구면형으로 형성된 pn접합과, 이 pn접합의 양단에 접속되고 또한 pn접합의 곡률 중심을 사이에 두고 양측에 위치하는 한쌍의 전극을 구비하고, 상기 구형 반도체 디바이스의 직경의 1/4 이상의 두께의 광투과성 벽부로 구형 반도체 디바이스의 외면측을 피복하는 외각 부재로서, 그 외표면이 구면 또는 부분 구면을 이루도록 구성된 외각 부재를 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
이 반도체 장치가 수광용 반도체 장치인 경우에는, 외래광이 외각 부재의 외표면에 입사하고, 그 입사광의 대부분은 표면에서 굴절하여 외각 부재의 내부에 들어가, 구형 반도체 디바이스에 도달하여 광기전력(光起電力)을 발생한다. 외각 부재의 외표면이 구면 또는 부분 구면을 이루고 있기 때문에, 입사광의 입사 방향이 변화해도, 상기와 마찬가지로 구형 반도체 디바이스에 도달하여 광기전력을 발생한다.
외각 부재가, 구형 반도체 디바이스의 직경의 1/4 이상의 두께의 광투과성 벽부로 구형 반도체 디바이스의 외면측을 덮고 있기 때문에, 외각 부재가 집광 기능을 발휘하고, 각 구형 반도체 디바이스당의 수광 면적이 확대되어, 각 구형 반도체 디바이스에 도달하는 광량이 증대한다.
이 반도체 장치가 발광용 반도체 장치인 경우에는, 대략 구면형의 pn접합으로부터 발생한 광이 대략 전(全)방향으로 방사되어, 외각 부재의 구면 또는 부분 구면형의 외표면으로부터 외계로 방사된다. 외각 부재가, 구형 반도체 디바이스의 직경의 1/4 이상의 두께의 광투과성 벽부로 구형 반도체 디바이스의 외면측을 덮고 있기 때문에, 외각 부재가 광확산 기능을 발휘하고, 발광원의 크기가 확대되고, 발광원으로부터 방사하는 광의 휘도가 완화되어 소프트한 광으로서 외계로 방사된다.
여기서, 다음과 같은 구성을 적당하게 채용하는 것도 가능하다.
(a) 상기 외각 부재가, 이 외각 부재의 외표면측 부분을 형성하는 구형의 광투과성 캡슐과, 이 캡슐 내에 충전하여 경화시킨 광투과성 합성 수지로 이루어지는 충전재를 가진다.
(b) 상기 외각 부재의 외표면에는 다수의 미소한 광난반사면(光亂反射面)이 형성되었다.
(c) 상기 구형 반도체 디바이스의 한쌍의 전극에 각각 접속되고, 또한 외각부재를 관통하여 외각 부재의 외표면까지 연장되는 한쌍의 전극 부재를 설치하였다.
(d) 외표면이 구면을 이루는 상기 외각 부재로 각각 피복된 복수개의 구형 반도체 디바이스가 복수행 복수열의 매트릭스형으로 설치되고, 각 행 또는 각 열의 복수개의 구형 반도체 디바이스를 전기적으로 직렬 접속하는 직렬 접속 기구와, 각 열 또는 각 행의 복수개의 구형 반도체 디바이스를 전기적으로 병렬 접속하는 병렬 접속 기구를 설치하였다.
(e) 복수개의 구형 반도체 디바이스가 복수행 복수열의 매트릭스형으로 설치되어 각 행 또는 각 열의 복수개의 구형 반도체 디바이스를 전기적으로 병렬 접속하는 도전 접속 기구를 설치하고, 상기 외각 부재는, 복수개의 구형 반도체 디바이스를 각각 피복하는 대략 구형의 복수개의 외각부와, 복수개의 외각부와 일체로 형성된 판상부(板狀部)를 가진다.
(f) 상기 도전 접속 기구는, 복수개의 도체선과 이들 복수개의 도체선에 직교하도록 설치된 복수개의 절연체 선재로 구성된 망 구조 중 상기 복수개의 도체선으로 이루어진다.
(g) 본 발명의 다른 수광 또는 발광용 반도체 장치는, 수광 기능 또는 발광 기능이 있는 복수개의 구형 반도체 디바이스를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 장치에 있어서, 상기 각 구형 반도체 디바이스는, 외형이 구형인 p형 또는 n형의 반도체 결정과, 이 반도체 결정의 표층부에 대략 구면형으로 형성된 pn접합과, 이 pn접합의 양단에 접속되고, 또한 pn접합의 곡률 중심을 사이에 두고, 양측에 위치하는 한쌍의 전극을 구비하고, 상기 복수개의 구형 반도체 디바이스를 1열형으로 배치하여, 이들 복수개의 구형 반도체 디바이스를 전기적으로 병렬 접속하는 도전 접속 기구를 설치하고, 상기 구형 반도체 디바이스의 직경의 1/4 이상의 두께의 광투과성 벽부로 복수개의 구형 반도체 디바이스의 외면측을 공통으로 피복하는 외각 부재로서 원통형의 외표면을 가지는 외각 부재를 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
(h) 본 발명의 다른 수광 또는 발광용 반도체 장치는, 수광 기능 또는 발광 기능이 있는 복수개의 구형 반도체 디바이스를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 장치에 있어서, 상기 각 구형 반도체 디바이스는, 외형이 구형인 p형 또는 n형의 반도체 결정과, 이 반도체 결정의 표층부에 대략 구면형으로 형성된 pn접합과, 이 pn접합의 양단에 접속되고 또한 pn접합의 곡률 중심을 사이에 두고 양측에 위치하는 한쌍의 전극을 구비하고, 상기 복수개의 구형 반도체 디바이스를 복수열로 배치하여, 이들 복수열의 각각의 복수개의 구형 반도체 디바이스를 열단위로 전기적으로 병렬 접속하는 도전 접속 기구를 설치하고, 상기 구형 반도체 디바이스의 직경과 대략 동등한 두께 이상의 두께의 광투과성 벽부로 복수개의 구형 반도체 디바이스의 외면측을 공통으로 피복하는 외각 부재로서, 복수열의 구형 반도체 디바이스를 각각 피복하는 대략 원주형의 복수개의 원주부를 가지는 외각 부재를 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
(i) 상기 구형 반도체 디바이스가 상기 pn접합을 포함한 광기전력 발생부를 가진다.
(j) 상기 구형 반도체 디바이스가 상기 pn접합을 포함한 전광 변환부를 가진다.
이하, 본 발명을 실시하는 최선의 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
최초에, 수광용 반도체 장치로서의 솔라 패널에 내장되는 구형 솔라셀(1)에 대해 설명한다. 그리고, 이 구형 솔라셀(1)은 구형 반도체 디바이스에 상당한다.
도 1은, 구형 솔라셀(1)의 확대 단면을 나타낸 것이며, 이 구형 솔라셀(1)은, 저항율이 1Ωm정도의 p형 실리콘 단결정으로 이루어지는 직경이 약 0.6~2.0mm의 구형 결정(2)을 소재로 하여 구성되어 있다. 이 구형 결정(2)의 하단에 직경 약 0.6mm의 평탄면(3)이 형성되고, 이 구형 결정(2)의 표면부에 인(P)을 확산한 n+형 확산층(4)(두께 약 0.4~0.5μm)로 대략 구면형의 pn접합(5)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 평탄면(3)의 직경 0.6mm는 직경 2.0mm의 구형 결정(2)의 경우의 크기이다.
구형 결정(2)의 중심(대략 구면형의 pn접합(5)의 곡률 중심)을 사이에 두고 대향하는 양단부에는, 한쌍의 전극(6, 7)(플러스극(6)과 마이너스극(7)이 설치되고, 플러스극(6)이 평탄면(3)에 배치되고, 플러스극(6)은 구형 결정(2)에 접속되고, 마이너스극(7)은 n+형 확산층(4)에 접속되어 있다. 플러스극(6)과 마이너스극(7)을 제외한 전표면에는 SiO2 또는 TiO2의 절연막으로 이루어지는 반사 방지막(8)(두께 약 0.6~0.7μm이 형성되어 있다. 플러스극(6)은 예를 들면 알루미늄 페이스트를 소성(燒成)하여 형성되고, 마이너스극(7)은 은페이스트를 소성하여 형성된다.
이러한, 구형 솔라셀(1)은, 본 발명자가 미국 특허 제6,204,545호 공보에서 제안한 방법으로 구형 결정(2)을 제작하고 나서, 평탄면(3), n+형 확산층(4), 한쌍의 전극(6, 7), 반사 방지막(8)을 형성함으로써 제작할 수 있다. 구형 결정(2)을 제작하는 경우, 높이 약 14m의 낙하 튜브를 채용하고, 원료로서의 p형 실리콘의 입자를 낙하 튜브의 상단 측의 내부에서 가열 용융하고 나서 자유 낙하시키면서 표면 장력의 작용으로 진구형(眞球形)을 유지하면서 응고시켜 대략 진구형의 구형 결정(2)을 제작한다. 그리고, 구형 결정(2)은, 낙하 튜브에 의하지 않고, 기계적인 연마 방식 등의 방식에 의해 구형 또는 대략 구형의 결정으로 형성해도 된다.
상기 평탄면(3)은, 구형 결정(2)의 일부를 기계적으로 연마하여 형성할 수 있다. 이 평탄면(3)을 형성하므로, 구형 결정(2)이 쉽게 구르지 않아, 진공 핀셋으로 흡착 가능해져, 플러스극(6)과 마이너스극(7)을 식별 가능해진다. 다음에, n+형 확산층(4)을 형성하는 경우는, 구형 결정(2)의 평탄면(3)과 그 외주측 부분을 SiO2등에 의해 마스킹한 상태로, n형 불순물로서의 인(P)을 공지의 방법 또는 상기 공보에 개시한 방법으로 구형 결정(2)의 표면에 확산시킨다. 한쌍의 전극(6, 7), 반사 방지막(8)도 공지의 방법 또는 상기 공보에 개시한 방법으로 형성할 수 있다. 이 구형 솔라셀(1)은, 광전 변환 기능을 가지고, 태양광을 수광하여 0.5~0.6V의 광기전력을 발생한다.
다음에, 상기 본 구형 솔라셀(1)의 외면측을 광투과성의 외각 부재(11)으로 덮은 구조의 반도체 장치로서의 솔라볼(solar ball)(10)에 대해 설명한다.
도 2는, 상기 솔라볼(10)의 확대 단면도이며, 이 솔라볼(10)은, 중심부에 위치하는 구형 솔라셀(1)과, 이 솔라셀(1)의 외면측을 솔라셀(1)의 직경의 1/4 이상의 두께의 광투과성 벽부로 피복하는 광투과성의 외각 부재(11)와 한쌍의 전극 부재(14, 15)로 구성되어 있다. 이 외각 부재(11)는, 구형 솔라셀(1)에 도입하는 광의 광량을 증대시키기 위한 것이며, 이 외각 부재(11)는, 광투과성의 구각형(球殼形)의 캡슐(12)과, 이 캡슐(12) 내에 충전된 광투과성의 충전재(13)로 구성되어 있다.
상기 캡슐(12)은, 투명한 절연성의 합성 수지(예를 들면, 폴리카보네이트, 아크릴, 폴리아릴레이트, 메타크릴, 실리콘, 폴리에스텔 등) 또는 투명 유리로 구성되고, 두께는 예를 들면 0.2~1.0mm이다. 이 캡슐(12)의 내부에 솔라셀(1)을 수용하기 위해, 캡슐(12)은 한쌍의 반구형 캡슐 분할체(12a)를 접착함으로써 구형 캡슐로 구성되어 있다.
이 캡슐(12)에 외부로부터 입사하는 광을 캡슐(12) 내에 극력 많이 도입하기위해, 캡슐(12)의 외표면에는, 도 4에 나타낸 바와 같이 예리한 피라미드형의 미소(微小) 요철(凹凸)(12b)이 형성되어 있다.
이 미소 요철(12b)은, 도시와 같이 예리한 피라미드형의 것이라도 되고, 곡률 반경이 작은, 부분 철구면(凸球面)을 이루는 것이라도 된다.
상기 충전재(13)는, 투명한 절연성의 합성 수지(예를 들면, 메타크릴 수지, 실리콘 수지를 주성분으로 하는 충전제)를 액상인 채 캡슐(12) 내에 충전 후에 가열 또는 자외선 조사에 의해 경화된다. 외각 부재(11)의 광투과성 벽부의 두께(캡슐(12)의 표면으로부터 솔라셀(1)까지의 두께)는, 솔라셀(1)의 직경의 1/4 이상인 것이 바람직하고, 광투과성 벽부의 두께가 상기 직경의 것 1/4보다 얇은 경우에는, 광량을 증대하는 기능을 거의 얻을 수 없다. 외각 부재(11)의 광투과성 벽부의 두께가 너무 커지면, 솔라셀(1)에 도입하는 광의 광량 증가에 기여하지 않는 부분이 많아지므로, 외각 부재(11)의 광투과성 벽부의 두께는, 솔라셀(1)의 직경의 1/4~ 5배 정도의 두께로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 캡슐(12)의 표면에서의 광의 반사를 작게 하기 위해서는, 캡슐(12)를 구성하는 재료의 굴절률은 극력 1.O에 가깝게, 충전재(13)를 구성하는 합성 수지 재료의 굴절률을 극력 크게 하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 외각 부재(11)의 대부분을 복수층의 캡슐로 구성하고, 중심측으로부터 외측으로 향해, 광의 굴절률이 단계적으로 작아지는 것 같은 구조로 해도 된다.
상기 한쌍의 전극 부재(14, 15)는 도전성이 우수한 금속(예를 들면, 동이나 은이나 니켈)으로 구성하는 것이 바람직하다. 한쪽의 전극 부재(14)는 외각 부재(11)에 형성된 구멍을 관통하고, 이 전극 부재(14)의 선단은 솔라셀(1)의 플러스극(6)에 반전이나 도전성 접착제로 접속되고, 이 전극 부재(14)의 외단은 캡슐(12)의 외표면의 외측으로 소정 길이 돌출되어 있다.
한쪽의 전극 부재(15)는 외각 부재(11)에 형성된 구멍을 관통하고, 이 전극 부재(15)의 선단은 솔라셀(1)의 마이너스극(7)에 반전이나 도전성 접착제로 접속되어 전극 부재(15)의 외단은 캡슐(12)의 외표면의 외측에 소정 길이 돌출되어 있다.
상기 솔라볼(10)을 제작하는 경우, 미리 솔라셀(1), 한쌍의 반구형 캡슐 분할체(12a), 한쌍의 전극 부재(14, 15), 충전재(13)의 액상의 원료를 미리 준비하고, 최초에 구형 솔라셀(1)에 한쌍의 전극 부재(14, 15)를 장착하고, 이 한쌍의 전극 부재(14, 15)를 가지는 솔라셀(1)을 한쌍의 캡슐 분할체(12a)의 내부에 수용하고 나서, 이들 캡슐 분할체(12a)를 구형으로 맞대어 적도부의 접촉면을 접착제로 접합하여 구형 캡슐(12)로 한다.
다음에, 도 5에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 전극 부재(14)를 캡슐(12)의 한편의 구멍으로부터 외부로 돌출시키고, 다른 쪽의 전극 부재(15)를 캡슐(12)의 다른 쪽의 구멍으로부터 안쪽으로 벗어난 상태로 세트하고, 이 상태로, 화살표로 나타낸 바와 같이, 액상의 충전재 원료를 캡슐(12) 내에 충전하고, 다음에 솔라셀(1)을 캡슐(12) 내의 중심부에 위치 결정하고, 다음에, 예를 들면 자외선을 조사함으로써, 원료를 경화시켜 충전재(13)로 한다.
이 솔라볼(10)의 작용에 대해 설명하면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 태양광이 입사하는 경우, 외각 부재(11)가 구형을 이루고, 그 외표면에 입사한광을 굴절 작용에 의해 중심부로 안내하므로, 외각 부재(11)의 집광 작용에 의해, 구형 솔라셀(1)에 도입되는 광의 광량이 현저하게 증대한다. 또한, 캡슐(12)과 충전재(13)의 경계면에서의 반사에 의해, 광을 내부에 가두는 작용도 얻을 수 있기 때문에, 구형 솔라셀(1)이 수광하는 광량이 증대한다.
그리고, 도 6에서의 솔라볼(10)의 캡슐(12)의 하반신의 표면에 반사막을 형성하는 경우에는, 구형 솔라셀(1)이 수광하는 광량을 한층 증대시킬 수가 있다.
도 7은, 태양광이 서방으로 경사진 상태를 나타내지만, 외각 부재(11)의 외표면이 구면이기 때문에, 도 6의 경우와 대략 같은 조건으로 수광한다.
다음에, 상기한 솔라볼(10)을 다수 내장하여 구성한 솔라 패널(20)에 대하여 설명한다. 도 8, 도 9에 나타낸 바와 같이, 이 솔라 패널(20)은, 광투과성의 절연성의 합성 수지제의 베이스 패널(21)과, 이 베이스 패널(21) 상에 복수행 복수열로 배치된 다수의 솔라볼(10)과, 이들 솔라볼(10)을 직렬 접속하는 직렬 접속 기구(22a)와, 각 행의 솔라볼(10)을 병렬 접속하는 병렬 접속 기구(22b)와, 베이스 패널(21)과 직렬 접속 기구(22a)와 병렬 접속 기구(22b)의 상측 표면을 피복하는 광투과성의 합성 수지제의 표면 커버층(23) 등으로 구성되어 있다. 상기 베이스 패널(21)은, 예를 들면 30cm×30cm의 사이즈의 패널이며, 투명한 합성 수지(예를 들면, 폴리카보네이트, 아크릴, 폴리아릴레이트, 메타크릴, 실리콘, 폴리에스텔 등) 또는 투명 유리로 구성되고, 두께는 예를 들면 3.0~5.0mm이다. 이 베이스 패널(21)의 상면에는, 솔라볼(10)을 배치하기 위한 대략 반구형(半球形)의 철부(凸部)(24)가 소정 간격을 두고 복수행 복수열의 매트릭스형으로 형성되어 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 직렬 접속 기구(22a)와 병렬 접속 기구(22b)는, 베이스 패널(21)의 표면의 평면 부분에 행방향과 평행으로 형성된 복수개의 밴드형 도전막(25)으로 구성되어 있다. 이 밴드형 도전막(25)은, 투명한 도전성 합성 수지 또는 금속막(동, 니켈 등)로 이루어진다.
다수의 솔라볼(10)의 전극 부재(14, 15)가 극성을 나란히 하여 평행으로 향하도록 방향 지을 수 있고, 이들 솔라볼(10)이 복수행 복수열의 철부(24)에 장착된다. 예를 들면, 플러스극(6) 측의 전극 부재(14)가 도 8의 윗쪽으로 향하고, 마이너스극(7) 측의 전극 부재(15)가 도 8의 하부로 향하고 있고, 각 전극 부재(14, 15)는, 대응하는 밴드형 도전막(25)에 납땜이나 도전성 접착재로 접속되어 있다.
즉, 각 행의 복수개의 솔라볼(10)은, 그 양측의 밴드형 도전막(25)에 의해 병렬 접속되고, 각 열의 복수개의 솔라볼(10)은, 복수개의 밴드형 도전막(25)을 사이에 두고 직렬 접속되어 있다. 전류 출력측 종단의 밴드형 도전막(25)에는, 금속 박판(薄板)으로 이루어지는 플러스극 단자(26)(외부 리드)가 접속되고, 이 전류 출력측 종단의 밴드형 도전막(25)과 반대측의 종단의 밴드형 도전막(25)에는, 상기와 같은 마이너스극 단자(27)(도 10 참조)가 접속되어 있다.
상기 베이스 패널(21)의 위쪽 표면 중, 다수의 솔라볼(10) 이외의 부분에는, 광투과성의 절연성 합성 수지로 이루어지는 표면 커버층(23)이 형성되고, 다수의 솔라볼(10)의 상반부가 표면 커버층(23)으로부터 돌출된 상태로 되어 있다.
이 솔라 패널(20)의 하면측으로 광이 투과하는 것을 방지하기 위해, 베이스 패널(21)의 하면에는, 금속제의 반사막(28)이 형성되어 있다. 단, 반사막(28)은 필수는 아니고, 생략되는 경우도 있다. 이 솔라 패널(20)에 있어서는, 각 솔라볼(10)에 설치한 외각 부재(11)로 광을 집광하여 솔라셀(1)에 수광시킬 수가 있기 때문에, 개개의 솔라셀(1)이 분담하는 수광 에리어가 확대된다. 그러므로, 개개의 솔라셀(1)의 발전량을 많게 하고, 솔라셀(1)의 이용율을 높여 솔라셀(1)의 배열 피치를 크게 하여, 솔라셀(1)의 필요수를 절감할 수 있다. 솔라 패널(20)에서의 각 솔라볼(10)의 위쪽 표면이 반구면형이기 때문에, 3차원 공간의 모든 방향으로부터 오는 광도 구형 솔라셀(1)에 도입할 수 있어, 광의 입사 방향이 변화되어도, 발전 성능이 저하되지 않는다.
이 솔라 패널(20)에 있어서, 솔라볼(10)을 예를 들면 5행 10열로 배치한 것으로 가정한 경우에, 이 솔라 패널(20)의 등가 회로는 도 10에 나타낸 바와 ㄱㅌ이 되고, 50개의 솔라볼(10)의 광기전력으로 발생한 전류는, 플러스극 단자(26)으로부터 외부 회로에 흐르게 된다.
이 솔라 패널(20)에 있어서는, 각 열의 솔라볼(10)이 병렬 접속되고, 각 행의 솔라볼(10)이 직렬 접속되어 있기 때문에, 어느 솔라볼(10)이 고장이나 빛을 받지 못한 것에 의해 기능 저하나 기능 정지된 경우라도, 그들 솔라볼(10)에 의한 광기전력이 저하되거나 정지하는 것뿐이며, 정상적인 솔라볼(10)의 출력은 병렬 접속 관계에 있는 그 외의 솔라볼(10)을 사이에 두고 분류 출력되기 때문에, 일부의 솔라셀(1)의 고장이나 기능 저하에 의한 악영향은 거의 생기지 않고, 신뢰성과 내구성이 우수한 솔라 패널(20)이 된다.
여기서, 도 11에 나타낸 바와 같이, 마이너스극 단자(27)의 부근에 역류 방지용 다이오드(29)를 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 이 솔라 패널(20)이 배터리에 접속되어 있은 것 같은 경우에, 야간 솔라 패널(20)의 정지중에, 배터리로부터 전류가 역류하면, 솔라 패널(20)이 파괴되어 버릴 우려가 있으므로, 역류 방지용 다이오드(29)에 의해 역전류가 흐르지 않게 한다.
다음에, 상기 솔라볼(10)의 변형예에 대해 설명한다.
도 12에 나타낸 솔라볼(10A)에 있어서는, 상기 외각 부재(11) 대신에, 1종류의 충전재로 이루어지는 외각 부재(11A)가 설치되어 있다. 이 솔라볼(10A)을 제작하는 경우에는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 솔라셀(1)에 한쌍의 전극 부재(14, 15)를 접속한 것을 금형(16, 17) 내에 세트하고, 금형(16, 17) 내의 캐비티(18) 내에, 광투과성의 절연성의 용융 상태의 합성 수지(예를 들면, 폴리카보네이트, 아크릴, 등)을 주입하여 경화시킴으로써, 솔라볼(10A)을 제작할 수 있다. 단, 이 솔라볼(10A)의 외표면에는, 도 4와 같은 미소한 광난반사용의 요철(凹凸)을 형성하는 것이 바람직하다.
다음에, 상기 솔라볼의 다른 변형예에 대해 설명한다.
도 l4에 나타낸 솔라볼(10B)에 있어서는, 외각 부재(11B)가 구체(球體)의 하부 약 1/3을 제거한 것 같은 부분구(部分球)의 형상으로 형성되고, 외각 부재(11B)의 위쪽 표면은 부분 구면으로 형성되고, 외각 부재(11B)의 저면은 평면형으로 형성되어 있다. 외각 부재(11B)는 광투과성의 절연성의 합성 수지 재료로 구성되어 있다. 솔라셀(1)은, 외각 부재(11B)의 구(球)의 중심부에 설치되고, 마이너스극(7)과 플러스극(6)을 각각 상하를 향해, 플러스극(6)은 저면으로부터 약간 돌출하고 있고, 마이너스극(7)에 접속된 전극 부재(15B)가 외각 부재(11B)를 관통하여 그 외표면으로부터 돌출하고 있다. 외각 부재(11B)의 저면에는 금속제의 반사막(19)이 플러스극(6)으로부터 분단형(分斷形)으로 형성되어 있다.
이 솔라볼(10B)에 있어서는, 윗쪽으로부터 입사하는 광을 수광하는 성능에 있어서는, 상기한 솔라볼(10, 10A)과 동등하고, 반사막(19)이 형성되어 있기 때문에 하부에 투과되는 광의 광량이 적게 된다. 외각 부재(11B)의 재료를 절감할 수 있기 때문에 재료비를 절약할 수 있다.
다른 실시예 1····(도 15~도 17 참조)
다음에, 상기한 구형 솔라셀(1)을 다수 내장한 솔라 패널(50)의 다른 실시예에 대해 설명한다. 단, 이 솔라 패널(50)은 반도체 장치에 상당한다. 도 15~도 17에 나타낸 솔라 패널(50)에 있어서는, 복수개의 구형 솔라셀(1)이 복수행 복수열의 매트릭스형으로 설치되고, 각 행 또는 각 열의 복수개의 솔라셀(1)을 전기적으로 병렬 접속하는 도전 접속 기구가 설치되고, 복수개의 솔라셀(1)을 각각 피복하는 대략 구형의 복수개의 외각부(52)와, 복수개의 외각부(52)와 일체로 형성된 판상부(53)로 이루어지는 외각 부재(51)가 설치되어 있다.
상기 솔라셀(1)은 외각부(52)의 중심부에 위치하고, 외각부(52)는 광투과성 벽부에 의해 솔라셀(1)의 외표면을 덮고, 각 외각부(52)는 인접하는 외각부(52)와 일체적으로 형성되어 있다. 외각부(52)의 광투과성 벽부의 두께는, 솔라셀(1)의 직경의 1/4 이상의 두께로 하는 것이 바람직하다. 이 외각부(52)는, 상기 솔라볼(10)의 외각 부재(11)와 같은 기능을 얻기 위한 것이다.
상기 도전 접속 기구는, 복수개의 도전선(導電線)(54)과, 이들 도전선(54)과 직교형으로 배치된 복수개의 절연체 선재(55)로 이루어지는 망 구조(56) 중 상기 복수개의 도전선(54)으로 구성되어 있다. 이 망 구조(56)에 있어서, 솔라셀(1)의 열에 따르는 각 한쌍의 도전선(54)은 솔라셀(1)의 직경과 동동한 간격을 두고 설치되고, 솔라셀(1)의 행에 따르는 각 한쌍의 절연체 선재(55)는 솔라셀(1)의 직경과 동등한 간격을 두고 설치되어 있다.
이 솔라 패널(50)을 제작하는 경우, 직사각형상의 프레임 부재(57)에 의해 외주부가 지지된 망 구조(56)와, 다수의 솔라셀(1)을 미리 준비해 두고, 이 망 구조(56)에 도 15에 나타낸 바와 같이 다수의 솔라셀(1)을 배치한다. 이 때, 다수의 솔라셀(1)의 플러스극(6)이 도 15의 좌측으로 향하고, 마이너스극(7)이 도 15의 우측으로 향하도록 세트한다. 이 경우에, 각 솔라셀(1)을 망 구조(56)의 망 눈(mesh)에 끼워 위치 결정하여 고정할 수 있기 때문에, 다수의 솔라셀(1)을 망 구조(56)에 간단하게 능률적으로 장착할 수 있다.
다음에, 각 솔라셀(1)의 플러스극(6)을 대응하는 도전선(54)에 납땜 또는 도전성 접착제에 의해 접속하고, 각 솔라셀(1)의 마이너스극(7)을 대응하는 도전선(54)에 납땜 또는 도전성 접착제에 의해 접속한다. 다음에, 이 다수의 솔라셀(1)을 장착한 망 구조(56)를 사출 성형 장치의 소정의 금형에 세트하고, 그 금형 내의 성형 캐비티 내에 광투과성의 절연성 합성 수지(예를 들면, 폴리카보네이트, 아크릴 등)의 융액을 주입하고, 도 15~도 17에 나타낸 것 같은 솔라 패널(50)을 성형한다. 그 성형 후에, 성형품을 금형으로부터 꺼내, 망 구조(56)의 외주부를 1점 쇄선(58)의 위치에서 절단하여 프레임 부재(57)로부터 떼어내면, 도 15에 나타낸 것 같은 상태가 된다.
이 솔라 패널(50)에 있어서는, 각 열의 복수개의 솔라셀(1)이 한쌍의 도전선(54)으로 이루어지는 도전 접속 기구에 의해 병렬 접속되어 있고, 각 열의 솔라셀(1)의 출력 전압은 0.5~0.6V이다. 솔라 패널(50)의 출력 전압을 높이는 경우에, 외주부에는 비어져나온 도전선(54)를 사이에 두고 복수열의 솔라셀(1)을 직렬 접속하면, 이 솔라 패널(50)의 등가 회로는, 도 10에 나타낸 것 같은 회로와 같은 것이 된다. 단, 도 11과 같이, 역전류 방지용의 1 또는 복수개의 다이오드를 설치하여도 된다.
이 솔라 패널(50)에 있어서는, 기본적으로 상기 솔라 패널(20)과 대략 같은 작용을 얻을 수 있다. 그리고, 상하로 대칭의 구조이며, 윗쪽으로부터의 광도 하방으로부터의 광도 동등하게 수광 가능하므로, 창유리에 접착된 솔라 패널, 창유리의 대신의 솔라 패널에 구성할 수 있다. 단, 이 솔라 패널(50)에 상면측으로부터 입사하는 광만을 수광시키도록 한 경우에는, 솔라 패널(50)의 하면에 도금 등의 방법으로 반사막을 형성해도 된다.
또한, 이 솔라 패널(50)에 있어서는, 상기한 솔라볼(10)을 다수 준비하고 나서, 이들을 패널형으로 조립하는 것이 아니라, 다수의 솔라셀(1)을 망 구조(56)를 이용하여 패널형으로 조립하고나서, 사출 성형에 의해 솔라 패널(50)로 하므로, 제작의 공정수도 적고, 제작비 저감의 면에서 유리하다. 그리고, 외각 부재(51)를, 투명한 유리로 구성하는 것도 가능하다.
다른 실시예(2)····(도 19~도 21 참조)
다음에, 상기한 구형 솔라셀(1)을 다수 내장한 솔라 스트링(61)을 패널형으로 조립한 솔라 패널(60)에 대해 설명한다. 단, 이 솔라 스트링(61)은 반도체 장치에 상당하고, 이 솔라 패널(60)도 반도체 장치에 상당한다.
도 18, 도 19에 나타낸 바와 같이, 솔라 패널(60)은, 투명한 합성 수지제의 케이스(62)와, 이 케이스(62)에 수용한 예를 들면 5개의 솔라 스트링(61)으로 구성되어 있다.
케이스(62)는, 솔라 스트링(61)을 수용 가능한 대략 원통형의 스트링 수용부(63)를 5개 배열하여 일체적으로 형성되고, 각 스트링 수용부(63)의 하단에 플랜지부(64)가 형성되어 있다. 도 20, 도 21에 나타낸 바와 같이, 솔라 스트링(61)은, 일렬로 배열한 복수개의 구형 솔라셀(1)과, 이들 솔라셀(1)을 병렬 접속하는 도전 접속 기구(65)와, 솔라셀(1)의 직경의 1/4 이상의 두께의 광투과성 벽부로 복수개의 솔라셀(1)의 외면측을 공통으로 피복하는 외각 부재(66)로서 원통형의 표면을 가지는 외각 부재(66)를 가진다.
솔라셀(1)은 상기 실시예에 있어서 설명한 것과 같은 것이며, 복수개의 솔라셀(1)은 플러스극(6)을 도 20의 좌측으로 향하고, 마이너스극(7)을 도 20의 우측을 향한 상태로 도전 방향을 가지런히 하고, 인접한 솔라셀(1)과의 사이에 약간의 간격을 둔 상태로 배치되어 있다. 도전 접속 기구(65)는, 한쌍의 금속제의 가는 도전선(65a, 65b)을 주체로 하여 구성되어 있다. 이 도전선(65a, 65b)은, 예를 들면 동, 알루미늄, 니켈, 은합금 또는 금합금 등으로 구성되어 있다. 복수개의 솔라셀(1)의 플러스극(6)은 도전선(65a)에 납땜이나 도전성 합성 수지로 각각 접속되고, 복수개의 솔라셀(1)의 마이너스극(7)은 도전선(65b)에 납땜이나 도전성 합성 수지로 각각 접속되고, 이들 솔라셀(1)과 도전 접속 기구(65)가 투명한 외각 부재(66)로 덮여 있다. 외각 부재(66)는, 투명한 절연성의 합성 수지(예를 들면, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 메타크릴, 실리콘, 폴리에스텔 등)로 구성되지만, 경질의 합성 수지로 구성하는 경우도 있고, 연질의 플렉시블한 합성 수지로 구성하는 경우도 있다. 상기 도전선(65a, 65b)의 일단 부분은 외각 부재(66)으로부터 소정 길이 돌출되어 있고, 그 돌출부로부터 전력을 외부로 꺼낼 수가 있다.
이 솔라 스트링(61)은 상기 케이스(62)와 동일한 길이로 형성되고, 도 24에 나타낸 바와 같이, 5개의 솔라 스트링(61)을 케이스(62)의 5개의 스트링 수용부(63)에 각각 수용하고, 도 18에 나타낸 바와 같이 외부 도선(67)으로 접속함으로써, 5개의 솔라 스트링(61)을 직렬 접속할 수 있다. 이 경우, 각 솔라 스트링(61)의 광기전력을 약 0.6V로 하면, 도 18에 나타낸 솔라 패널(60)에 의해 약 3.0V의 광기전력을 발생시킬 수가 있다.
이 솔라 패널(60)에 있어서는, 외각 부재(66)의 외표면이 원통면으로서 구면은 아니지만, 상기 외각 부재(11)와 대략 마찬가지로 각종 방향으로부터 오는 광을 구형 솔라셀(1)쪽으로 쉽게 안내하게 하고, 수광량을 증대시켜, 솔라셀(1)의 수광 에리어를 확대하는 기능을 발휘한다. 그리고, 상기한 케이스(62)는 필수는 아니고, 5개의 솔라 스트링(61)을 나란히 접착한다든가, 투명한 한쌍의 패널 사이에 내장해도 된다.
여기서, 상기 솔라 스트링(61)을 사용하는 다른 사용예에 대해 보충 설명한다. 솔라 스트링(61)은 솔라 패널(60) 이외의 형태라도 사용할 수 있다.
예를 들면, 모바일형의 전자 기기의 전원으로서 사용하는 것 같은 경우에는, 넥크리스, 브로치, 리스트밴드, 핸드백, 벨트, 모자, 안경 등의 장신구 또는 장신구의 일부에 솔라 스트링(61)을 내장할 수가 있다.
이 경우, 필요에 따라서 외각 부재(66)를 연질의 유연한 합성 수지로 구성하면, 유연한 솔라 스트링(61)이 된다. 또, 복수개의 솔라 스트링(61)을 직렬적으로 또는 링형태로 배치하여 전기적으로 직렬 접속하는 것도 가능하다.
상기 솔라 스트링(61)에 있어서는, 복수개의 솔라셀(1)이 병렬 접속되어 있기 때문에, 각 솔라 스트링(61)의 광기전력의 전압이 대략 일정(0.5~0.6V)하게 되기 때문에, 예를 들면 5개 또는 6개의 솔라 스트링(61)을 직렬 접속함으로써, 약 3.0V의 광기전력을 발생시킬 수가 있고, 직렬 접속하는 솔라 스트링(61)의 수를 적당히 설정함으로써, 원하는 전압의 광기전력을 발생시킬 수가 있다. 또한, 개개의 솔라셀(1)로 발생하는 전류는 적지만, 솔라 스트링(61)에 내장한 솔라셀(1)의 수에 따른 전류를 발생시킬 수가 있기 때문에, 범용성이 우수하다.
상기 솔라 스트링(61)의 구조는 도시한 것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 솔라셀(1)과 솔라셀(1) 사이의 간격을 크게 설정하고, 각 솔라셀(1)의 외면측을 구형의 외각 부재 또는 대략 구형의 외각부로 덮은 구조로 해도 된다. 또, 솔라 스트링을 종횡으로 조합하여 망과 같은 구조로 해도 된다.
또, 솔라 스트링(61)을 배열한 솔라 패널의 예로서, 예를 들면, 도 22에 나타낸 바와 같이, 복수개의 솔라 스트링(61A)의 외각 부재(66A)(원통부에 상당함)를 일체적으로 구성하고, 솔라 패널(60A)을 구성할 수도 있다.
다음에, 상기한 실시예나 변경 실시예를 변경하는 각종 예에 대해 설명한다.
[1] 상기 솔라셀(1)에 있어서의 p형 실리콘 단결정으로 이루어지는 구형 결정(2) 대신에, n형 실리콘 단결정으로 이루어지는 구형 결정을 채용하고, n형 확산층(4) 대신에 p형 확산층을 형성해도 된다. 단, 이 경우 플러스극(6)과 마이너스극(7)이 거꾸로 된다.
또, 구형 결정(2)에 평탄면(3)과, 이 평탄면(3)과 반대측에 위치하여 평탄면(3)과 평행한 평탄면으로서 평탄면(3)과 크기가 다른 평탄면을 형성하고, 그 평탄면에 마이너스극(7)을 설치하여도 된다. 단, 이러한 평탄면은, 필수의 것은 아니고 생략 가능하다.
또, 구형 결정(2) 대신에, 내부에 절연 재료제의 구형의 코어재를 가지고, 이 코어재의 외표면을 반도체의 단결정으로 덮은 구조의 구형 결정을 채용해도 된다.
[2] 상기 솔라 패널(30)에 있어서의 프린트 기판 대신에, 세라믹 배선 기판이나, 금속 배선 유리 기판이나, 투명 합성 수지판으로 이루어지는 시트체를 채용해도 된다. 또, 솔라 패널(30)에 있어서 와이어 본딩에 의해, 솔라셀(1)을 전기적으로 접속하는 경우도 있다.
[3] 상기 실시예에 있어서는, 솔라볼, 솔라 패널, 솔라 스트링 등 수광용 반도체 장치를 예로서 설명했지만, 발광볼, 발광 패널, 발광 스트링 등의 발광용 반도체 장치에도 본 발명을 마찬가지로 적용할 수 있다. 이 발광용 반도체 장치의 경우, 상기한 구형 솔라셀(1) 대신에 전광 변환에 의해 발광하는 입상(粒狀)의 발광 다이오드(LED)를 내장함으로써, 볼로부터 발광하는 반도체 장치, 패널로부터 평면적으로 발광하는 반도체 장치, 스트링으로부터 발광하는 반도체 장치를 제작할 수 있다. 이 발광 다이오드로서는, 본원의 발명자가 미국 특허 제6,204,545)호 공보에 제안한 구형 발광 다이오드나 그와 유사한 구조의 구형 발광 다이오드도 채용 가능하다.
여기서, 양자(量子) 우물 구조의 구형 발광 다이오드의 일례에 대해 설명한다.
도 23에 나타낸 구형 발광 다이오드(70)(구형 반도체 디바이스에 상당함)는, 투명한 구형 사파이어(71)(예를 들면, 직경이 0.6~5.0mm), 이 구형 사파이어(71)의 표면에 박막형으로 형성된 구면형의 GaN(갈륨 나이트 라이드)로 이루어지는 버퍼층(72), 이 버퍼층(72)의 표면에 박막형으로 형성된 구면형의 n형 GaN층(73), 이 n형 GaN층(73)의 표면에 박막형으로 형성된 구면형의 InGaN(인듐갈륨나이트라이드)로 이루어지는 발광층(74), 이 발광층(74)의 표면에 박막형으로 형성된 구면형의 p형 GaN층(75), 한쌍의 전극(76, 77)(양극(76)과 음극(77)) 등을 가진다. 상기 버퍼층(72)이나 발광층(74)은, N4OCVD법 등의 공지의 기법에 의해 구형 사파이어(71)의 표면에 형성할 수 있다.
양극(76)과 음극(77)은, 구형 발광 다이오드(70)의 중심을 사이에 두고 일직선상에 배열되도록 설치되고, 양극(76)과 음극(77)은 구형 발광 다이오드(70)의 양단부에 위치하고 있다. 오믹 컨택트로 이루어지는 양극(76)은 p형 GaN층(75)에 접속되고, 오믹 컨택트로 이루어지는 음극(77)은 n형 GaN층(73)에 접속되어 있다. 이 발광 다이오드(70)에 있어서는, 양극(76)으로부터 음극(77)에 순방향으로 전류를 흘리면, pn접합 근방으로부터 발광층(74)의 재료에 응한 파장의 광을 발생하여 외부로 방사한다.
상기 발광층(74)을 형성하는 InXGa1-XN에 있어서, In의 조성 x를 늘리면, 발광 파장이 길어진다. 예를 들면, x=0.2일 때 파장λp=465nm의 청색광을 발광하고, x=0.45일 때 파장λp=520nm의 녹색광을 발광한다. 발광용 반도체 장치에 상당하는 발광용 볼(80)은, 구형 발광 다이오드(70)와, 이 구형 발광 다이오드(70)의 외면측을 구형 발광 다이오드(70)의 직경의 1/4 이상의 두께의 광투과성 벽부로 피복하는 외각 부재(81)로서, 그 외표면이 구면 또는 부분 구면을 이루도록 구성된 외각 부재(81)와, 한쌍의 전극(76, 77)에 접속되어 외각 부재(81)의 외면 밖으로 돌출한 한쌍의 전극 부재(82, 83)(외부 리드) 등으로 구성되어 있다. 한쪽의 전극 부재(82)는 도전성 접착제에 의해 플러스극(76)에 접속되고, 다른 쪽의 전극 부재(83)는 도전성 접착제에 의해 마이너스극(77)에 접속되어 있다. 상기 외각 부재(81)는 투명한 절연성의 합성 수지(예를 들면, 에폭시 수지 등)로 구성되어 있다. 구형 발광 다이오드(70)의 발광층(74)으로부터 발생한 광(도면에 화살표로 도시)은, 도시와 같이 구형 사파이어(71)을 관통하는 광도 포함하여 전(全)방향으로 방사한다. 이 때, 구형 발광 다이오드(70)로 발생한 광은, 외각 부재(81)의 전(全)표면으로부터 방사하기 때문에, 발광원이 확대되고, 발광원으로부터 방사하는 광의 휘도가 저하되고, 소프트한 광이 방사되게 된다.
그리고, 외각 부재(81)에, 필요에 따라서 광을 확산시키기 위한 확산제(예를 들면, 유리 피우더 등을 혼입해도 된다. 상기 발광볼(80)을 단독의 발광 디바이스로서 사용해도 되지만, 구형 발광 다이오드(70) 또는 발광볼(80)을, 상기한 솔라 패널(20, 50, 60)과 같은 발광 패널에 구성할 수도 있고, 상기한 솔라 스트링(61)과 같은 발광 스트링에 구성할 수도 있다. 그리고, 발광볼(80)이나 발광 패널이나 발광 스트링의 한 면에 발사막을 설치하고, 그 한 면과 반대측으로만 발광하는 구조로 하는 경우도 있다. 또, 구형 발광 다이오드(70)는 일례에 지나지 않고, 적색광을 발광하는 것, 백색광을 발광하는 것, 그 외의 각종 색의 광을 발광하는 발광 다이오드를 적용할 수도 있다.
그리고, 상기 구형 사파이어(71) 대신에, 구형의 GaN 결정체를 채용해도 되고, 이 경우, 상기 GaN제의 버퍼층(72)를 생략할 수 있다.
[4] 상기 구형 솔라셀(1)은, 실리콘의 반도체로 제작한 수광용 반도체 셀을 예로서 설명했지만, SiGe, GaAs 및 그 화합물, InP 및 그 화합물, CuInSe2 및 그 화합물, CdTe 및 그 화합물, 등의 반도체로 광전 변환 기능이 있는 수광용 반도체 셀을 구성할 수도 있다.
또는, 발광용 반도체 셀을 내장하여 발광용 반도체 모듈을 구성하는 경우에는, GaAs 및 그 화합물, InP 및 그 화합물, GaP 및 그 화합물, GaN 및 그 화합물, SiC 및 그 화합물, 등의 반도체로 광전 변환 기능이 있는 발광용 반도체 셀을 구성할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 수광용 구형 반도체 디바이스에 광을 집광하는 집광 기능을 높인 수광용 반도체 장치, 복수행 복수열로 배치한 복수개의 구형 반도체 디바이스에 있어서의 일부의 구형 반도체 디바이스의 고장에 의한 영향을 받지 않고 또한 집광 기능을 높인 수광용 반도체 장치, 1열 또는 복수열로 배치한 복수개의 구형 반도체 디바이스를 열단위로 병렬 접속하고 또한 집광 기능을 높인 수광용 반도체 장치, 발광용 구형 반도체 디바이스로부터 발하는 광을 확산시키는 광확산 기능을 높인 발광용 반도체 장치를 얻을 수 있는 것이다.

Claims (11)

  1. 수광 기능 또는 발광 기능이 있는 적어도 1개의 구형(球形) 반도체 디바이스를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 장치에 있어서,
    상기 구형 반도체 디바이스는, 외형이 구형인 p형 또는 n형의 반도체 결정과, 상기 반도체 결정의 표층부에 대략 구면형으로 형성된 pn접합과, 상기 pn접합의 양단에 접속되고 또한 pn접합의 곡률 중심을 사이에 두고 양측에 위치하는 한쌍의 전극을 구비하고, 상기 구형 반도체 디바이스의 직경의 1/4 이상 두께의 광투과성 벽부로 구형 반도체 디바이스의 외면측을 피복하는 외각(外殼) 부재로서, 그 외표면이 구면(球面) 또는 부분 구면을 이루도록 구성된 외각 부재를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외각 부재의 외표면이 구면으로 형성되고, 상기 외각 부재는, 상기 외각 부재의 외표면측 부분을 형성하는 광투과성 캡슐과, 상기 캡슐 내에 충전하여 경화시킨 광투과성 합성 수지로 이루어지는 충전재를 가지는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외각 부재의 외표면에는 다수의 미소한 광난반사면(光亂反射面)이 형성된 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구형 반도체 디바이스의 한쌍의 전극에 각각 접속되고 또한 상기 외각 부재를 관통하여 외각 부재의 외표면까지 연장되는 한쌍의 전극 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외표면이 구면을 이루는 상기 외각 부재로 각각 피복된 복수개의 구형 반도체 디바이스가 복수행 복수열의 매트릭스형으로 배열되고,
    각 행 또는 각 열의 복수개의 구형 반도체 디바이스를 전기적으로 직렬 접속하는 직렬 접속 기구와, 각 열 또는 각 행의 복수개의 구형 반도체 디바이스를 전기적으로 병렬 접속하는 병렬 접속 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    복수개의 구형 반도체 디바이스가 복수행 복수열의 매트릭스형으로 배열되고, 각 행 또는 각 열의 복수개의 구형 반도체 디바이스를 전기적으로 병렬 접속하는 도전 접속 기구를 구비하고,
    상기 외각 부재는, 복수개의 구형 반도체 디바이스를 각각 피복하는 대략 구형의 복수개의 외각부와, 복수개의 외각부와 일체로 형성된 판상부(板狀部)를 가지는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 도전 접속 기구는, 복수개의 도체선과 이들 복수개의 도체선과 직교하도록 배열된 복수개의 절연체 선재(線材)로 구성된 망(網) 구조 중의 상기 복수개의 도체선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  8. 수광 기능 또는 발광 기능이 있는 복수개의 구형 반도체 디바이스를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 장치에 있어서,
    상기 각각의 구형 반도체 디바이스는, 외형이 구형인 p형 또는 n형의 반도체 결정과, 상기 반도체 결정의 표층부에 대략 구면형으로 형성된 pn접합과, 상기 pn접합의 양단에 접속되고 또한 pn접합의 곡률 중심을 사이에 두고 양측에 위치하는 한쌍의 전극을 구비하고, 상기 복수개의 구형 반도체 디바이스를 1열형으로 배치하고, 이들 복수개의 구형 반도체 디바이스를 전기적으로 병렬 접속하는 도전 접속 기구를 구비하고,
    상기 구형 반도체 디바이스의 직경의 1/4 이상 두께의 광투과성 벽부로 복수개의 구형 반도체 디바이스의 외면측을 공통으로 피복하는 외각 부재로서, 원통형의 외표면을 가지는 외각 부재를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  9. 수광 기능 또는 발광 기능이 있는 복수개의 구형 반도체 디바이스를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 장치에 있어서,
    상기 각 구형 반도체 디바이스는, 외형이 구형인 p형 또는 n형의 반도체 결정과, 상기 반도체 결정의 표층부에 대략 구면형으로 형성된 pn접합과, 상기 pn접합의 양단에 접속되고 또한 pn접합의 곡률 중심을 사이에 두고 양측에 위치하는 한쌍의 전극을 구비하고,
    상기 복수개의 구형 반도체 디바이스를 복수열로 배치하여, 이들 복수열의 각각의 복수개의 구형 반도체 디바이스를 열단위로 전기적으로 병렬 접속하는 도전 접속 기구를 구비하고, 상기 구형 반도체 디바이스의 직경과 대략 동등한 두께 이상의 광투과성 벽부로 복수개의 구형 반도체 디바이스의 외면측을 공통으로 피복하는 외각 부재로서, 복수열의 구형 반도체 디바이스를 각각 피복하는 대략 원주형의 복수개의 원주부를 가지는 외각 부재를 구비한 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  10. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구형 반도체 디바이스는, 상기 pn접합을 포함한 광기전력(光起電力) 발생부를 가지는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 장치.
  11. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구형 반도체 디바이스는, 상기 pn접합을 포함한 전광(電光) 변환부를 가지는 것을 특징으로 하는 수광 또는 발광용 반도체 장치.
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