JP5155241B2 - 太陽電池 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池に関し、特にカーボンナノチューブを使用した太陽電池に関するものである。

太陽電池は光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器であり、光電池とも呼ばれる。一般的な一次電池や二次電池のように電力を蓄えるのではなく、光起電力効果により、受けた光を即時に電力に変換して出力する。主流のシリコン太陽電池（非特許文献１を参照する）の他、様々な化合物半導体などを素材にしたものが実用化されている。

図１を参照すると、従来技術のシリコン太陽電池３０は、背面電極３２、シリコン基板３４、ドープシリコン層３６及び前面電極３８を含む。前記シリコン基板３４は、第一表面３４１及び第二表面３４３を含む。前記背面電極３２は、該第一表面３４１とオーミック接触するように、前記シリコン基板３４の第一表面３４１に設置されている。前記シリコン基板３４の第二表面３４３に、複数の凹槽３４２が形成される。光電変換材料としての前記ドープシリコン層３６は、前記複数の凹槽３４２の内表面３４４に形成される。前記前面電極３８は、導電的な金属網を採用し、前記シリコン基板３４の第二表面３４３に設置されるが、前記導電的な金属が不透明な材料であるので、光の透過率に影響を与える。太陽電池の光電変換効率を高めるために、前記前面電極３８は、透明な酸化インジウムスズ層を採用する。

張明杰等、"太陽電池及び多晶シリコンの製造"、「材料及び冶金の学報」、２００７年、第１６巻、第３３頁〜第３８頁 Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、前記酸化インジウムスズ層の機械及び化学耐用性が良くなく、該酸化インジウムスズ層が前面電極３８になると、抵抗の分布が不均一であるので、前記太陽電池は、耐用性が良くなく、光電変換効率が高くない欠点がある。

従って、本発明は、高光電変換効率を有し、耐用性が良い太陽電池を提供することを課題とする。

太陽電池は、第一表面と該第一表面に対向する第二表面を有し、該第二表面に複数の凹槽が形成されたシリコン基板と、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触する背面電極と、前記凹槽の内表面に設置されたドープシリコン層と、前記シリコン基板の第二表面に設置された前面電極と、を含む。前記前面電極がカーボンナノチューブ複合構造体を含む。

前記カーボンナノチューブ複合構造体は、カーボンナノチューブ構造体及び該カーボンナノチューブ構造体に分布された金属粒子を含む。

前記金属粒子は、プラチナ粒子、パラジウム粒子、ルテニウム粒子、銀粒子、金粒子又はそれらの少なくとも二種以上の混合物である。

前記カーボンナノチューブ構造体が均一に分布された複数カーボンナノチューブを含む。

前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。

前記カーボンナノチューブフィルムが、同じ方向又は複数の方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。

前記カーボンナノチューブフィルムが、絡み合った複数のカーボンナノチューブを含む。

前記カーボンナノチューブフィルムが、等方的に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。

従来の太陽電池と比べると、本発明の太陽電池の前面電極は、カーボンナノチューブ複合構造体を採用し、該カーボンナノチューブ複合構造体がカーボンナノチューブ構造体及び金属粒子を含むので、太陽の光エネルギーをよく、吸収することができるので、該太陽電池が高光電変換効率を有する。前記カーボンナノチューブ複合構造体は、良い強靭性と機械強度を有するので、該カーボンナノチューブ複合構造体を前面電極となる太陽電池の耐用性を高めることができる。

前記カーボンナノチューブ複合構造体が均一的な構造を有し、該カーボンナノチューブ複合構造体を使用した前面電極が均一的な抵抗を有するので、前記太陽電池の性能を高めることができる。前記カーボンナノチューブ複合構造体における隣接するカーボンナノチューブの間に均一的に配列された隙間を有するので、該カーボンナノチューブ複合構造体を使用した前面電極は、良い透光性を有する。

従来技術の太陽電池の構造を示す図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の構造を示す断面図である。 図２に示す太陽電池の前面電極の構造を示す図である。 図２に示す太陽電池の前面電極のカーボンナノチューブフィルムを示す図である。 図２に示すカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブセグメントを示す図である。

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２を参照すると、本実施例の太陽電池１０は、背面電極１２、シリコン基板１４、ドープシリコン層１６、前面電極１８、反射防止層２２及び電極２０を含む。前記シリコン基板１４は、第一表面１４１及び該第一表面１４１に相対する第二表面１４３を含む。前記背面電極１２は、アルミニウムからなって、前記シリコン基板１４の第一表面１４１に設置され、該第一表面１４１とオーミック接触する。前記シリコン基板１４の第二表面１４３には、複数の凹槽１４２が分離して設置されている。前記ドープシリコン層１６は光電変換材料として、前記複数の凹槽１４２の内表面１４４に形成される。前記前面電極１８は、カーボンナノチューブ複合構造体を含み、前記シリコン基板１４の第二表面１４３に設置される。該前面電極１８は、前記シリコン基板１４の第二表面１４３に接触する第二表面１８２及び該第二表面１８２に相対する第一表面１８１を含む。前記反射防止層２２は、二酸化チタンからなって、前記前面電極１８の第一表面１８１に設置される。前記電極２０は、銀からなって、前記反射防止層２２の、前記前面電極１８の第一表面１８１から離れる表面に設置される。

前記太陽電池１０の電極２０は、例えば、銀及び金などの導電的な材料又はカーボンナノチューブを含む導電的な材料からなる。該電極２０は、前記前面電極１８の第一表面１８１又は第二表面１８２に設置してもよく、該第一表面１８１又は該第二表面１８２に電気的に接続される。前記電極２０は、前記前面電極１８に流された電流を収集することに用いられる。また、前記電極２０は、設置しなくてもよく、二つも設置してもよい。

前記反射防止層２２は、前記前面電極１８の第二表面１８２に設置されてもよい。前記反射防止層２６を利用することにより、太陽光を反射することを減少し、前記太陽電池１０の光電変換効率を高めることができる。また、前記反射防止層２２は、設置しなくてもよい。

前記背面電極１２の材料は、アルミニウム、マグネシウム、銀などの金属である。該背面電極１２の厚さは１０マイクロメートル〜３００マイクロメートルである。

前記シリコン基板１４は、ｐ型単結晶シリコン基板であり、その厚さが２００マイクロメートル〜３００マイクロメートルである。隣接する前記凹槽１４２の距離が１０マイクロメートル〜３０マイクロメートルであり、前記凹槽１４２の深さが５０マイクロメートル〜７０マイクロメートルである。前記複数の凹槽１４２の形状と寸法は特に制限されず、該凹槽１４２の断面が正方形、台形又は三角形などの多角形である。前記ドープシリコン層１６は、ｎ型ドープシリコン層であり、その厚さは、５００ナノメートル〜１マイクロメートルである。前記ドープシリコン層１６は、例えば、前記シリコン基板１４に多量の燐又は砒素などのｎ型ドープ材料を打込むことによって形成される。これにより、前記ｎ型ドープ材料と前記ｐ型シリコン基板１４との間に複数のｐｎ接合を形成でき、光エネルギーを電気エネルギーに変換させることができる。前記シリコン基板１４の第二表面１４３に前記複数の凹槽１４２が形成されるので、前記太陽電池１０はよく光エネルギーを吸収することができ、大きなｐｎ接合の界面面積を有する。従って、太陽電池１０の光電変換の効率を高めることができる。

図３を参照すると、前記前面電極１８は、カーボンナノチューブ複合構造体を採用する。前記カーボンナノチューブ複合構造体は、カーボンナノチューブ構造体１８３及び複数の金属粒子１８４を含む。前記金属粒子１８４は、プラチナ粒子、パラジウム粒子、ルテニウム粒子、銀粒子、金粒子又はそれらの少なくとも二種以上の混合物である。本実施例において、該金属粒子は、銀粒子である。前記金属粒子の平均粒径は、１ナノメートル〜１０ナノメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体１８３の重量は、前記カーボンナノチューブ複合構造体の重量の７０％〜８０％であり、前記金属粒子１８４の重量は、前記カーボンナノチューブ複合構造体の重量の１０％〜３０％である。該金属粒子１８４は、前記カーボンナノチューブ構造体１８３に均一に分布し、カーボンナノチューブ複合構造体を形成するようになる。

前記カーボンナノチューブ複合構造体を製造する方法は、下記のように述べる。まず、前記カーボンナノチューブ構造体１８３を金属塩の溶液に浸漬し、該金属塩を前記カーボンナノチューブ構造体１８３の表面に吸着させる。次に、還元雰囲気で高温で該金属塩を還元し、前記カーボンナノチューブ構造体１８３に分布されたナノ金属粒子１８４を形成する。或いは、化学気相成長（ＣＶＤ）法で前記カーボンナノチューブ構造体１８３の表面にナノ金属粒子又はナノフィルムを形成する。

前記カーボンナノチューブ構造体１８３におけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。該カーボンナノチューブ構造体１８３における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る場合、該単層カーボンナノチューブの直径は０．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体１８３におけるカーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、該二層カーボンナノチューブの直径は１．０ナノメートル〜５０ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体１８３におけるカーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、該多層カーボンナノチューブの直径は１．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体１８３におけるカーボンナノチューブが不純物を含まず、該カーボンナノチューブの自体の比表面積が大きいので、該カーボンナノチューブ構造体１８３の自体が強い接着性を有する。従って、該カーボンナノチューブ構造体１８３は、自体の接着性を利用して、直接に前記シリコン基板１４の第二表面１４３に接着することができる。

さらに、前記カーボンナノチューブ構造体１８３は少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含むことができる。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが配向し又は配向せず配列している。

前記複数のカーボンナノチューブが配向して配列する場合、前記複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブ構造体１８３の表面に平行し、同じ方向又は複数の方向に沿って配列されている。前記複数のカーボンナノチューブが配向せず配列する場合、前記複数のカーボンナノチューブは、互いに絡み合って、或いは、等方的に配列されているである。

（実施例１）
本実施例において、前記複数のカーボンナノチューブが配向して配列するカーボンナノチューブフィルムは、図４に示されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから引き伸ばし、形成されるものである。該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って、配列された複数のカーボンナノチューブを含む。図５を参照すると、具体的には、前記カーボンナノチューブフィルムは、端と端に接続され、基本的に同じ長さの複数のカーボンナノチューブセグメント１８６を含む。前記カーボンナノチューブセグメント１８６は、端と端が分子間力で連接される。各々のカーボンナノチューブセグメント１８６は、同じ方向に沿って、均一的に配列される複数のカーボンナノチューブ１８８からなり、各々の前記カーボンナノチューブ１８８が分子間力で緊密に連接される。前記カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから伸び出すことによって、形成されるので、該カーボンナノチューブフィルムの長さと幅は、カーボンナノチューブアレイが成長された基板の寸法に関係する。

本実施例において、化学気相成長（ＣＶＤ）法で４インチの基板に超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献２を参照）を成長する。前記カーボンナノチューブフィルムの幅は、０．０１センチメートル〜１０センチメートルであり、厚さは、１０ナノメートル〜１００マイクロメートルである。

また、前記カーボンナノチューブフィルムの寸法が実際の応用を満足することができない場合、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを隙間なく平行に並列し、大寸法のカーボンナノチューブフィルムを形成することができる。

（実施例２）
単一のカーボンナノチューブフィルムは、絡み合った複数のカーボンナノチューブを含む。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネットに形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは、等方的に、均一に前記カーボンナノチューブ構造体に分布されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配列されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が１０マイクロメートル以下になる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、１マイクロメートル〜１ミリメートルである。前記カーボンナノチューブフィルムは、溶液に浸漬したカーボンナノチューブ原料をろ過して成るものである。

（実施例３）
単一のカーボンナノチューブフィルムは、等方的に配列されているか、所定の複数の方向に沿って配列されているか、または、異なる方向に沿って配列されている複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブフィルムは、押し器具を利用して、カーボンナノチューブアレイを同じ方向又は異なる方向に沿って押して成るものである。前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、隣接するカーボンナノチューブは分子間力で接続され、カーボンナノチューブフィルムの表面と０°〜１５°の角度が形成されている。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、０．５ナノメートル〜１ミリメートルである。

前記カーボンナノチューブ構造体１８３は、積層された二枚のカーボンナノチューブフィルムを含むことができる。隣接する二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、同じ方向又は異なる方向に沿って、配列される。具体的には、隣接する二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、角度αを成す。該角度αが０°以上９０°以下である。

前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの間に隙間があるので、前記前面電極１８が均一的な抵抗、良い透光性を有する。かつ、前記前面電極１８にカーボンナノチューブ構造体１８３を利用するので、該前面電極１８は良い強靭性と機械強度を有する。従って、前記前面電極１８を使用した太陽電池１０の光電変換効率と耐用性を高めることができる。

太陽光が前記カーボンナノチューブ構造体１８３に照射する場合、一部分の太陽光は、前記前面電極１８に照射する。他の一部分の太陽光は、前記前面電極１８のカーボンナノチューブ複合構造体における隣接するカーボンナノチューブの間の隙間を通して、前記太陽電池１０の複数の凹槽１４２に照射する。

太陽光が前記前面電極１８における金属粒子１８４の表面に照射する場合、該金属粒子１８４の内部で表面プラズモンを発生する。該表面プラズモンは、正負の荷電粒子を含み、全体として電気的にほぼ中性を保つ粒子の集団である。しかし、表面プラズモンが太陽光に照射されて、光起電力効果を発生する場合、局所平衡が破壊されると、正負の荷電粒子が前記金属粒子１８４の内部で繰り返して運動して振動を発生する。該振動を表面プラズモン振動と言う。照射する太陽光の周波数及び表面プラズモンの周波数が同じである場合、前記金属粒子１８４における自由電子が共鳴し、表面プラズモンが放射状態を形成し、即ち、前記前面電極１８に照射した太陽光を外部に放射する。これによって、前記金属粒子１８４は、太陽光を前記凹槽１４２に放射する。従って、前記太陽電池１０が太陽光を吸収する能力が、大きくなる。

太陽光が前記複数の凹槽１４２に照射する場合、該凹槽１４２の内表面に繰り返して反射されるので、該太陽電池１０におけるシリコン基板１４の第二表面１４３が更によく光エネルギーを吸収することができる。前記複数の凹槽１４２の内表面１４４において、ｐ型シリコン基板１４とｎ型ドープシリコン層１６とが接合して、複数のｐｎ接合が形成される。接合する表面にｎ型ドープシリコンにおける余分の電子がｐ型シリコン基板に移動するようになり、抵抗層又は接触電位差（ｃｏｎｔａｃｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が生じる。前記ｐ型シリコン基板が陽極に接続すると、前記ｎ型ドープシリコンが陰極に接続すると、該ｎ型ドープシリコンにおける余分の電子及びｐｎ接合の電子が陽極に移動しやすいので、前記抵抗層が薄くなり、前記接触電位差が小さくなる。従って、抵抗が小さくなり、大きな電流を形成することができる。即ち、前記ｐｎ接合に太陽光があたると、それが刺激となって、複数の電子と正孔を発生する。複数の電子と正孔は、前記ｐｎ接合によって振り分けられ、前記ｎ型ドープシリコンにおける電子が前記前面電極１８に移動し、前記ｐ型シリコン基板における正孔が前記背面電極１２に移動する。これによって、該前面電極１８と該背面電極１２の間の外部回路に電流を生む。

さらに、前記太陽電池１０は、複数の金属層（図示せず）を含む。該金属層の材料は、アルミニウム又は銀である。前記複数の金属層は、それぞれ前記シリコン基板１４の第二表面１４３に設置し、前記前面電極１８との間に複数のヘテロ接合（ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成されるので、該前面電極１８とシリコン基板１４との電気接続性を高めることができ、前記太陽電池１０の光電変換効率を高めることができる。

前記前面電極１８は、カーボンナノチューブ複合構造体を採用し、該カーボンナノチューブ複合構造体がカーボンナノチューブ構造体及び金属粒子を含むので、太陽の光エネルギーをよく、吸収することができるので、該前面電極１８を使用した太陽電池１０が高光電変換効率を有する。前記カーボンナノチューブ複合構造体は、良い強靭性と機械強度を有するので、該カーボンナノチューブ複合構造体を前面電極１８となる太陽電池１０の耐用性を高めることができる。前記カーボンナノチューブ複合構造体が均一的な構造を有し、該カーボンナノチューブ複合構造体を使用した前面電極１８が均一的な抵抗を有するので、前記太陽電池１０の性能を高めることができる。前記カーボンナノチューブ複合構造体における隣接するカーボンナノチューブの間に均一的に配列された隙間を有するので、該カーボンナノチューブ複合構造体を使用した前面電極１８は、良い透光性を有する。

１０、３０ 太陽電池
１２、３２ 背面電極
１４、３４ シリコン基板
１６、３６ ドープシリコン層
１８、３８ 前面電極
２０ 電極
２２ 反射防止層
１４１、３４１ シリコン基板の第一表面
１４２、３４２ 凹槽
１４３、３４３ シリコン基板の第二表面
１４４、３４４ 凹槽の内表面
１８１ 前面電極の第一表面
１８２ 前面電極の第二表面
１８３ カーボンナノチューブ構造体
１８４ 金属粒子
１８６ カーボンナノチューブセグメント
１８８ カーボンナノチューブ

Claims (3)

1. 第一表面と該第一表面に対向する第二表面を有し、該第二表面に複数の凹槽が形成されたｐ型のシリコン基板と、
   前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触する背面電極と、
   前記凹槽の内表面を含む前記第二表面上全体に設置されたｎ型のドープシリコン層と、
   前記シリコン基板の第二表面に設置された前面電極と、
   を含み、
   前記前面電極がカーボンナノチューブ複合構造体を含み、
   前記カーボンナノチューブ複合構造体は、カーボンナノチューブ構造体及び該カーボンナノチューブ構造体に均一に分布された金属粒子よりなり、
   前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムであり、単一のカーボンナノチューブフィルムは、配向して配列された複数のカーボンナノチューブを含み、該複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、均一的に配列されており、
   前記金属粒子の重量は、前記カーボンナノチューブ複合構造体の重量の１０％〜３０％であり、
   前記前面電極は、前記凹槽の内表面と接触しないように前記凹槽の開口を被覆していることを特徴とする太陽電池。
2. 前記金属粒子は、プラチナ粒子、パラジウム粒子、ルテニウム粒子、銀粒子、金粒子又はそれらの少なくとも二種以上の混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムを含み、隣接する二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°以上９０°以下の角度を成すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の太陽電池。