JPH0117273B2 - - Google Patents

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JPH0117273B2
JPH0117273B2 JP57009756A JP975682A JPH0117273B2 JP H0117273 B2 JPH0117273 B2 JP H0117273B2 JP 57009756 A JP57009756 A JP 57009756A JP 975682 A JP975682 A JP 975682A JP H0117273 B2 JPH0117273 B2 JP H0117273B2
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JP
Japan
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electrode
semiconductor
redox
light
photoelectric conversion
Prior art date
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Application number
JP57009756A
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Japanese (ja)
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JPS58127385A (en
Inventor
Shunpei Yamazaki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority to JP57009756A priority Critical patent/JPS58127385A/en
Publication of JPS58127385A publication Critical patent/JPS58127385A/en
Publication of JPH0117273B2 publication Critical patent/JPH0117273B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/17Photovoltaic cells having only PIN junction potential barriers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548Amorphous silicon PV cells

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は光照射により電子およびホールを励起
して光起電力を発生する光電変換装置をレドツク
ス(還元―酸化反応用溶液)と一体化せしめるこ
とにより、出力の平たん化と電力の貯蔵さらに夜
間の電力使用等を行なわしめんとするものであ
る。 従来光電変換装置特に太陽電池においては、光
照射によつて光起電力を発生させることができ
る。しかしこの太陽電池は太陽光の照射されてい
る時のみ、その照射強度に比例して出力が出るた
め、晴、くもり等で出力の変動が大きい。一般家
庭の屋根に設けた場合、夜間照明を行なう際に光
起電力が出ない等の欠点があり、民生用の実用化
には大きな問題であつた。 これらを補なうため二次電池を用いる方法が知
られている。しかし二次電池は価格が高く、他の
設置場所を有する等の欠点を有していた。 他方レドツクス反応が知られている。これは代
表的には水中のTiO2等の酸化物半導体に光照射
を行ない、この面で発生する電子およびホールを
利用して、レドツクス(酸化(オキシデイシヨ
ン)−還元(リダクシヨン)反応またはかかる反
応を行なう溶液を総称していう)を行なわせよう
とするものである。 かかる従来のレドツクス反応においては、レド
ツクス溶液に接する半導体電極に光照射が行なわ
れることを必要不可欠な条件と考えていた。それ
は特にこの反応に用いられる半導体代表的には酸
化チタン等の酸化物半導体が光照射により半導体
とレドツクス溶液との間に界面準位を作り、この
準位により半導体表面をエネルギ的に曲げ、空乏
層領域を用いるという思想に基ずくものである。 しかしこの界面準位はこの半導体表面でのこの
半導体自体とレドツクス溶液との反応の進行によ
り変化特に劣化しやすく、そのため実際の反応を
光照射により行なわせても、1時間〜1日でその
反応を実質的に停止してしまうほどであつた。 さらにこの光化学反応においては、有色の溶液
を用いることができないという欠点をも有してい
た。 本発明はかかる欠点を除去するため、プラズマ
気相法により200〜300℃の低温で作られる水素ま
たはハロゲン元素が添加されたアモルフアスまた
はセミアモルフアス構造を有する非単結晶半導体
を0.3〜1μmときわめてうすく設けた光起電力発
生用半導体を用いたこと、さらにこの半導体自体
がPINまたはNIP接合をひとつまたは複数接合を
タンデム構造(PINPIN接合またはNIPNIP接
合)で有しており、レドツクスと接する第3の電
極面は導電基板に接するNまたはP型の半導体の
極性に合わせてカソードまたはアノードを有せし
め、電気化学ポテンシヤルのみで決定することが
できるようにしたものである。そのためいわゆる
界面準位の影響を全くうけなくすることができた
ことにある。 さらに従来レドツクス反応として第1図に示さ
れている如く照射光10は容器2をへて溶液中を
進行し10その後カソードまたはアノードの電極
55に照射されていた。このため照射光10の約
30〜40%が容器表面および容器溶液との界面で反
射60され、約60〜70%が溶液中を進行する。こ
の溶液が透光性例えば水であれば特に短波長の
100〜300nmの光をきわめて吸収しやすいため、
結果として電極に必要な短波長光は5〜10%しか
照射されない。さらにこの電極の表面でさらにそ
の20〜40%が反射20されるため、実質的に照射
光のうちの反応に寄与する部分は300nm以上
1100nmまでの可視、赤外光であり、かつTiO2
極(Eg=3.5eV)では300〜350nmの全体の10〜
20%しか有効でない。このため全入射光例えば太
陽光の0.1〜0.2%しか有効利用されないという大
きな欠点を有していた。加えてレドツクス溶液が
本発明に用いる鉄、クロム等のビピリジン等の有
色のレドツクス溶液においては光化学反応をさせ
ることは全く不可能であつた。 本発明はかかる欠点を除去するもので、レドツ
クス反応を行なう半導体の電極層と光照射が行な
われる半導体の表面を分離し、互いに反対面に設
けたことを第1の特徴としている。これはレドツ
クス反応の反応面自体に光照射を必要とせず、光
照射によつて発生した電子またはホールのみとこ
のレドツクス用の第3の電極の電極面での電位
(単極特性)のみが重要であり、むしろ逆にPIN
接合を構成する半導体においては、真性半導体
(積極的に不純物を添加しないI層)は電子、ホ
ールの発生およびその上,下面のPおよびN層に
発生したホール、電子をそれぞれの第1および第
3の電極への移動を助長する如き半導体中の内部
電界という如く機能のすべてを独立させ、その制
御性高効率化をはかつたことが重要であるという
思想に基ずく。 第1図は従来より知られた水をレドツクス溶液
とした反応により、水素、酸素を発生せしめよう
とする概要を示す。その一例は特開昭54―4582ま
たはApp1.Phys.Lett29巻No.6,15(1976)338〜
340に示されている。本発明はかかる欠点を補つ
たものである。第1図の概要を示す。 レドツクス溶液3を水を供給したガラス容器2
においてアノード55、カソード54が設けられ
アノード表面には酸化チタンがコーテイングされ
た半導体ができている。また光特に太陽光10が
加えられ、その結果アノード側にて酸素が発生し
44より外部に放出される。またカソード54側
より水素が発生し、43より放出される。これは
負荷25を介した電流により電気化学反応がおき
る。 この図面より明らかな如く、従来はレドツクス
反応用に半導体を用いた場合、その半導体より電
気を直接とり出すことはできなかつた。さらにこ
の半導体より電気エネルギを必要量制御してとり
出し、不要の電気エネルギを有効利用するための
副産物として貯蔵することも不可能であつた。 本発明は以上のような単にレドツクス反応を有
効に行なわせるのみではなく、光−電気変換、光
−レドツクス(蓄電、放電)反応と3種類を行な
うことができる。このため太陽光が照射されてい
ない時は電気エネルギをとり出し、余剰分をレド
ツクス反応せしめ、さらに夜間等においては貯蔵
された反応生成物を再反応させて再び電気エネル
ギをとり出すことをも可能とした全時間・全天候
型の光電変換装置である。 本発明はさらに光照射がされる主面でこの太陽
電池系を設け、その裏面に一体化して蓄電効果を
有するレドツクス系を設けることを特徴としてい
る。 さらにそのレドツクス系は再生型燃料電池の機
能を有する充放電が可能なプラントシステムをも
提供することにある。 すなわち第1の電極を構成する導電性基板例え
ばチタン、ステンレスまたはアルミニユーム基板
の上面にPINまたはNIP接合を有する非単結晶の
半導体により光起電力を発生せしめる。この半導
体上の光照射表面に設けられた第2の電極を構成
するITO(酸化インジユームと酸化スズの混合
体)、導電性酸化チタンまたは導電性酸化チタン
と酸化インジユームとの多層膜その他の透光性導
電膜、さらにこの導電膜上にくし型に設けられた
補助電極により構成する第2の電極により外部に
とり出す。他方半導体の下層のNまたはP層より
なる半導体層に電気的に連続した導電性基板の反
対面には選択的または全面に設けられた第3の電
極があり、レドツクス溶液と接し、このレドツク
スに電子またはホールを提供する。この第3の電
極は電極材料が第1の電極と同一であつても、ア
ノードまたはカソードとして作用する場合は、第
1と第3の電極は同一材料でよい。特にカソード
としその材料としてステンレスであつた場合、そ
の上面にカソード用電極を設けてもよい。 さらにまたこの第3の電極での直列抵抗の増加
を防ぐため、この電極は10A〜1μm特に50〜300
Åと極薄にし、その抵抗を1Ω以下にしたことが
重要である。 すなわち第1の電極である基板上の半導体がP
またはN型においてはレドツクス用の電極も半導
体層で発生した電荷をレドツクス系に与えやすい
極性すなわちアノードまたはカソードとなるよう
にそれぞれ合わせこまれて第3の電極を設けてい
る。 さらにこのレドツクス溶液は非水溶液と水溶液
とがある。特に水溶系レドツクスにおいて水を用
いる場合、半導体がレドツクスにN層を接してい
るカソード電極側にて水素を発生し、またホール
をもらうまたは電子を放出するアノード電極側で
あるP層側では酸素が発生する。このため光電変
換効率の高い1.3〜2.0eVのエネルギバンド巾を有
するとともにPIN接合を構成している非単結晶半
導体特に水素またはハロゲン元素が再結合中心中
和用として添加されているアモルフアスまたは格
子歪を有する5〜100Åの微結晶性を有するセミ
アモルフアス半導体を用いた光電変換装置と一体
化して、酸素と水素とを分離発生させることがで
きた。 また本発明においては、従来より知られた白金
−酸化チタン半導体電極系を用いたレドツクス系
に比べて大きな違いを有する。すなわち従来より
知られた酸化チタンはエネルギバンド巾が3.2eV
を有するため、照射光のうち紫外線のみが有効に
電子・ホール対を作り分離することができる。こ
のため太陽光等の500nmを中心とする連続光に対
してはきわめて効率が低い。またその製造におい
て600〜800℃の高温高エネルギを必要とする。他
方本発明においてはEg(エネルギバンド巾)を1.0
〜2.5eVを用い、特に照射光で電子・ホールを発
生させる活性領域にEg=1.3〜2.0eVを有する非
単結晶の珪素、炭化珪素、珪化ゲルマニユームを
用いたことを他の特徴としている。 すなわちこのうち珪素特にアモルフアスまたは
5〜100Åのシヨートレンジオーダの微結晶性を
有するセミアモルフアス構造の珪素においては、
プラズマ気相法によりシラン、SiF4等を200〜300
℃の低温で作るため、Egは1.4〜1.9eVを有する
ため、光特に太陽光に対し3500〜5000Åの短波長
の光吸収係数が単結晶珪素(Eg1.1eV)に比べ10
〜30倍も短波長側の効率が大きい。加えて本発明
のPIN接合におけるI層(真性または実質的に真
性の導電型)をその短波長側での光吸収係数が20
倍も単結晶珪素に比べて大きいため、その厚さを
0.3〜1μm代表的には0.5μmでよく、さらにこの活
性半導体層に積層して半導体電極として安定させ
るためのPまたはN層に対しては、SixC1-x(O
x1)特にx=0.2〜0.7の光学的エネルギバン
ド巾を1.8〜2.8eVとI層の1.3〜2.0eV代表的には
1.6〜1.8eVに比べ広く設けたヘテロ接合とさせ
た。 かかる構造にすることにより、光電変換装置と
しては照射光がレドツクス溶液等で吸収されず、
すべてがPIN接合を有する半導体に照射させるこ
とにより、例えば太陽電池として5〜15%の変換
効率を得、この電気エネルギをレドツクス用電極
として最も理想の第3の電極を設けることによ
り、光電変換とレドツクス反応とを独立に精度よ
く制御せしめることができるようになつた。 さらに本発明においては、レドツクスに密接す
る第3の電極が半導体であることにこだわらず以
下の材料を用いることができる。 すなわちアノード材料として酸化スズ、酸化ア
ンチモン、酸化チタン、酸化鉄、炭化珪素、炭
素、酸化スズまたは酸化アンチモンが添加された
酸化チタン、カソード材料として炭化珪素、白金
タングステン、ステンレス、炭素、酸化インジユ
ーム、酸化インジユームが添加された酸化チタン
等とした。特に半導体を電極材料とする場合に、
アノードとするにはホールが出やすくする(電子
を受けいれやすくなる)ためのP型半導体とし、
またカソードとしては電子を放出しやすくするた
めリンまたはヒ素が添加されたN型半導体を用い
ることが好ましかつた。金属とする場合はカソー
ドに仕事関数の大きな材料特にφM=3.5eV以上と
すると好ましかつた。 前記したヘテロ接合を有する光電変換装置に関
しては、本発明人の出願になる特許願 米国特許
公告4254429号(対応日本特許願53―83467,
83468 S53.7.8出願)米国特許公告4239554号(対
応日本特許願53―86867,86868 S53.7.17出願)
にその詳細が示されている。 さらにこのPIN接合を2つまたはそれ以上重ね
て作るタンデム構造とすると、電圧を1つの0.7
〜1.0Vより1.5〜1.8Vとできるため、さらに好ま
しかつた。 以下に図面に従つて本発明の実施例を示す。 実施例 1 第2図は本発明のPIN接合を有する非単結晶半
導体12はP型半導体層14が第1の電極30上
に設けられ、I型半導体層15、N型半導体層1
6が設けられ、N型半導体層上に対抗電極として
9が設けられている。 またこの光照射10に対抗する電極9の補助電
極23とにより第2の電極を構成し、外部引出し
端子8はスイツチ17をへて負荷11を駆動す
る。 他方第1の電極30はそれに密接したレドツク
ス用の第3の電極24が設けられ、これに対抗し
て電極28がその基板をかねた補助電極29とに
より第4の電極を構成している。 光電変換用半導体の12の表面を機械的に保護
するため、透光性ホルダー(例えば強化ガラス)
21とその間に透光性充填材20例えばシーフレ
ツクスが設けられている。この半導体装置の周辺
部は22で耐レドツクス性および機械強度性を保
つエポキシまたはポリイミド樹脂で補強絶縁をさ
せた。 レドツクス溶液3は水の分配を行う場合はイオ
ン変換膜64はなく、水の供給41,42より効
率よくアノードにて酸素を、カソードにて水素を
発生し、それぞれを43,44より放出させた。 このレドツクス反応をさせる場合は、スイツチ
19をオン状態にさせればよい。すなわち電気エ
ネルギを得るにはスイツチ17により負荷11を
駆動し、水の分解はスイツチ19によりその双方
を自由に選択させることができるようになつた。 この結果太陽電池としての7〜15%の変換効率
を得、また酸素水素発生用としても外部電を加え
ることなく成就させることができた。 特に第3の電極24を50〜300Åと極薄とした。
酸化鉄(αFe2O3)を第1の基板電極上に設け、
また他方の第4の電極を白金またはグラフアイト
とした場合、飽和電流として120mA/cm2を得る
ことができる。このためAM1(100mW/cm2)の
光照射により10mA/cm2の短絡電流を得ることが
でき、エネルギの変換効率の第1図に示す如き効
率0.2〜0.4%より10倍の1.5〜3%を得ることがで
きた。 第3の電極として酸化チタンを添付法にて設け
た場合も同様の1.7〜2.6%を得ることができた。 実施例 2 この実施例はレドツクス溶液として非水溶液を
用いたものである。このため第2図においてイオ
ン交換膜24を設け、アノード24、カソード2
8にて充電された溶液が混合しないようにした。 このレドツクスの非水性の溶媒として、プリピ
レンカーボネイト
The present invention integrates a photoelectric conversion device that generates photovoltaic power by exciting electrons and holes with light irradiation with redox (reduction-oxidation reaction solution), thereby flattening the output, storing power, and even storing power at night. The aim is to reduce electricity usage, etc. BACKGROUND ART Conventional photoelectric conversion devices, particularly solar cells, can generate photovoltaic force by irradiation with light. However, this solar cell produces output only when it is irradiated with sunlight and is proportional to the intensity of the irradiation, so the output fluctuates greatly depending on whether it is sunny or cloudy. When installed on the roof of a general household, there are drawbacks such as no photovoltaic power being generated when illuminating at night, which is a major problem for practical use in civilian use. A method of using a secondary battery to compensate for these problems is known. However, secondary batteries have drawbacks such as being expensive and requiring separate installation locations. On the other hand, redox reactions are known. Typically, this involves irradiating an oxide semiconductor such as TiO 2 in water with light, and using the electrons and holes generated on this surface to initiate a redox (oxidation-reduction) reaction or such a process. This is a general term for solutions that carry out reactions). In such conventional redox reactions, it has been considered an essential condition that the semiconductor electrode in contact with the redox solution be irradiated with light. In particular, the semiconductor used in this reaction, typically an oxide semiconductor such as titanium oxide, is irradiated with light to create an interface level between the semiconductor and the redox solution, and this level energetically bends the semiconductor surface and depletes it. This is based on the idea of using layer regions. However, this interface level is susceptible to change and especially deterioration due to the progress of the reaction between the semiconductor itself and the redox solution on the semiconductor surface, so even if the actual reaction is carried out by light irradiation, the reaction will be completed within 1 hour to 1 day. It was so bad that it virtually stopped. Furthermore, this photochemical reaction has the disadvantage that colored solutions cannot be used. In order to eliminate such drawbacks, the present invention has developed a non-single-crystal semiconductor having an amorphous or semi-amorphous structure to which hydrogen or halogen elements are added, which is produced at a low temperature of 200 to 300 degrees Celsius by a plasma vapor phase method. In addition, this semiconductor itself has one or more PIN or NIP junctions in a tandem structure (PINPIN junction or NIPNIP junction), and a third junction in contact with redox is used. The electrode surface has a cathode or an anode depending on the polarity of the N or P type semiconductor in contact with the conductive substrate, so that it can be determined only by electrochemical potential. Therefore, it is possible to completely eliminate the influence of so-called interface states. Further, in the conventional redox reaction, as shown in FIG. 1, the irradiated light 10 passes through the container 2 and travels through the solution 10, and is then irradiated onto the cathode or anode electrode 55. For this reason, the irradiation light 10
30-40% is reflected 60 at the container surface and the interface with the container solution, and approximately 60-70% travels through the solution. If this solution is translucent, e.g. water, it is especially important for short wavelengths.
Because it is extremely easy to absorb light in the 100-300 nm range,
As a result, only 5 to 10% of the short wavelength light necessary for the electrodes is irradiated. Furthermore, an additional 20 to 40% of the light is reflected at the surface of this electrode, so the portion of the irradiated light that actually contributes to the reaction is 300 nm or more.
Visible and infrared light up to 1100nm, and a total of 10~300~350nm with TiO 2 electrode (Eg = 3.5eV)
Only 20% effective. For this reason, it has a major drawback in that only 0.1 to 0.2% of the total incident light, such as sunlight, can be effectively utilized. In addition, when the redox solution used in the present invention is a colored redox solution such as bipyridine containing iron, chromium, etc., it is completely impossible to cause a photochemical reaction. The present invention aims to eliminate this drawback, and its first feature is that the electrode layer of the semiconductor that performs the redox reaction and the surface of the semiconductor that is irradiated with light are separated and provided on opposite sides of each other. This does not require light irradiation on the reaction surface itself for the redox reaction, and only the electrons or holes generated by light irradiation and the potential (monopolar characteristic) at the electrode surface of the third electrode for redox are important. , or rather the PIN
In the semiconductor that constitutes the junction, the intrinsic semiconductor (the I layer to which no impurities are actively added) generates electrons and holes, and the holes and electrons generated in the P and N layers on the upper and lower surfaces are transferred to the first and second layers, respectively. This is based on the idea that it is important to make all the functions independent, such as the internal electric field in the semiconductor that promotes the movement of No. 3 to the electrode, and to improve its controllability and efficiency. FIG. 1 shows an outline of a conventionally known method for generating hydrogen and oxygen through a reaction using water as a redox solution. An example is JP-A-54-4582 or App1.Phys.Lett Vol. 29 No. 6, 15 (1976) 338~
340 shown. The present invention compensates for these drawbacks. An overview of Figure 1 is shown. Glass container 2 containing redox solution 3 and water
An anode 55 and a cathode 54 are provided, and the surface of the anode is made of a semiconductor coated with titanium oxide. Further, light, particularly sunlight 10, is applied, and as a result, oxygen is generated on the anode side and released from 44 to the outside. Further, hydrogen is generated from the cathode 54 side and released from the cathode 43. This causes an electrochemical reaction to occur due to the current flowing through the load 25. As is clear from this drawing, in the past, when a semiconductor was used for a redox reaction, it was not possible to directly extract electricity from the semiconductor. Furthermore, it has been impossible to control and extract the necessary amount of electrical energy from this semiconductor and store it as a by-product for effective use of unnecessary electrical energy. The present invention not only allows effective redox reactions as described above, but also enables three types of reactions: photo-electrical conversion and photo-redox (electricity storage, discharge) reactions. Therefore, when there is no sunlight, it is possible to extract electrical energy and cause the surplus to undergo a redox reaction, and at night, it is also possible to re-react the stored reaction products and extract electrical energy again. This is an all-time, all-weather photoelectric conversion device. The present invention is further characterized in that the solar cell system is provided on the main surface that is irradiated with light, and a redox system that has an integrated power storage effect is provided on the back surface. Furthermore, the redox system also provides a plant system capable of charging and discharging that has the function of a regenerative fuel cell. That is, a photovoltaic force is generated by a non-single-crystal semiconductor having a PIN or NIP junction on the upper surface of a conductive substrate, such as a titanium, stainless steel, or aluminum substrate constituting the first electrode. ITO (a mixture of indium oxide and tin oxide), conductive titanium oxide, a multilayer film of conductive titanium oxide and indium oxide, and other light-transmitting materials that constitute the second electrode provided on the light-irradiated surface of this semiconductor It is taken out to the outside through a second electrode constituted by a conductive film and an auxiliary electrode provided in a comb shape on the conductive film. On the other hand, on the opposite side of the conductive substrate, which is electrically continuous with the semiconductor layer consisting of the N or P layer below the semiconductor, there is a third electrode provided selectively or on the entire surface, which is in contact with the redox solution and is connected to the redox. Provide electrons or holes. Even if the third electrode is made of the same electrode material as the first electrode, if it acts as an anode or a cathode, the first and third electrodes may be made of the same material. In particular, when the cathode is made of stainless steel, a cathode electrode may be provided on its upper surface. Furthermore, to prevent an increase in series resistance at this third electrode, this electrode should be
It is important to make it extremely thin, with a resistance of 1Ω or less. In other words, the semiconductor on the substrate, which is the first electrode, is P
Alternatively, in the case of the N type, the redox electrodes are also provided with third electrodes that are aligned so that the polarity is such that the electric charges generated in the semiconductor layer are easily imparted to the redox system, that is, the anode or the cathode. Furthermore, this redox solution includes non-aqueous solutions and aqueous solutions. In particular, when water is used in water-soluble redox, hydrogen is generated on the cathode side where the semiconductor contacts the redox with the N layer, and oxygen is generated on the P layer side, which is the anode electrode side where the semiconductor receives holes or emits electrons. Occur. For this reason, non-single crystal semiconductors that have an energy band width of 1.3 to 2.0 eV with high photoelectric conversion efficiency and constitute PIN junctions, especially amorphous or lattice-strained semiconductors in which hydrogen or halogen elements are added to neutralize recombination centers. It was possible to separate and generate oxygen and hydrogen by integrating it with a photoelectric conversion device using a semi-amorphous semiconductor with microcrystallinity of 5 to 100 Å. Furthermore, the present invention has a significant difference compared to the conventionally known redox system using a platinum-titanium oxide semiconductor electrode system. In other words, the energy band width of conventionally known titanium oxide is 3.2 eV.
Therefore, among the irradiated light, only the ultraviolet rays can effectively create electron-hole pairs and separate them. For this reason, the efficiency is extremely low for continuous light centered around 500 nm, such as sunlight. Moreover, its production requires high temperature and high energy of 600 to 800°C. On the other hand, in the present invention, Eg (energy band width) is set to 1.0.
Another feature is that non-single-crystal silicon, silicon carbide, and germanium silicide with Eg of 1.3 to 2.0 eV are used in the active region that generates electrons and holes with irradiation light. That is, among these silicon, especially amorphous or semi-amorphous silicon having a microcrystalline structure in the short range of 5 to 100 Å,
Silane, SiF 4 , etc. 200-300% by plasma vapor phase method
Because Eg is produced at a low temperature of 1.4 to 1.9 eV, the light absorption coefficient for light, especially sunlight, at short wavelengths of 3500 to 5000 Å is 10% lower than that of single crystal silicon (Eg 1.1 eV).
The efficiency on the short wavelength side is ~30 times greater. In addition, the I layer (intrinsic or substantially intrinsic conductivity type) in the PIN junction of the present invention has a light absorption coefficient of 20 on the short wavelength side.
Since it is twice as large as single crystal silicon, its thickness can be reduced.
0.3 to 1 μm, typically 0.5 μm;
x1) In particular, the optical energy band width of x = 0.2 to 0.7 is 1.8 to 2.8 eV, and the I layer is typically 1.3 to 2.0 eV.
The heterojunction was set wider than 1.6 to 1.8 eV. By adopting such a structure, the irradiated light is not absorbed by the redox solution etc. in the photoelectric conversion device.
By irradiating a semiconductor that has a PIN junction, a conversion efficiency of 5 to 15% can be obtained, for example as a solar cell, and by providing the most ideal third electrode as an electrode for redox, this electric energy can be used for photoelectric conversion. It has become possible to control redox reactions independently and accurately. Furthermore, in the present invention, the following materials can be used without regard to the fact that the third electrode in close contact with the redox is a semiconductor. Namely, the anode material is tin oxide, antimony oxide, titanium oxide, iron oxide, silicon carbide, carbon, tin oxide, or titanium oxide added with antimony oxide, and the cathode material is silicon carbide, platinum tungsten, stainless steel, carbon, indium oxide, or indium oxide. It was made of titanium oxide or the like to which indium was added. Especially when using semiconductor as electrode material,
To use it as an anode, use a P-type semiconductor to make it easier to generate holes (easier to accept electrons).
Further, it is preferable to use an N-type semiconductor doped with phosphorus or arsenic for the cathode to facilitate electron emission. When using metal, it is preferable to use a material with a large work function for the cathode, especially φ M =3.5 eV or more. Regarding the photoelectric conversion device having the above-mentioned heterojunction, the patent application filed by the present inventor is U.S. Patent Publication No. 4254429 (corresponding Japanese Patent Application No. 53-83467,
83468 S53.7.8 application) U.S. Patent Publication No. 4239554 (corresponding Japanese patent application No. 53-86867, 86868 S53.7.17 application)
The details are shown in. Furthermore, if we create a tandem structure by stacking two or more PIN junctions, the voltage can be reduced to 0.7
It was more preferable because it could be set to 1.5 to 1.8V rather than 1.0V. Examples of the present invention will be shown below with reference to the drawings. Embodiment 1 FIG. 2 shows a non-single crystal semiconductor 12 having a PIN junction according to the present invention, in which a P-type semiconductor layer 14 is provided on a first electrode 30, an I-type semiconductor layer 15, an N-type semiconductor layer 1
6 is provided, and 9 is provided as a counter electrode on the N-type semiconductor layer. Further, the electrode 9 and the auxiliary electrode 23 opposing the light irradiation 10 constitute a second electrode, and the external lead terminal 8 drives the load 11 through the switch 17. On the other hand, the first electrode 30 is provided with a third electrode 24 for redox in close proximity thereto, and the electrode 28 constitutes a fourth electrode with an auxiliary electrode 29 serving as its substrate. In order to mechanically protect the 12 surfaces of the photoelectric conversion semiconductor, a translucent holder (e.g. tempered glass) is used.
21 and a translucent filler 20, such as Seaflex, is provided therebetween. The peripheral area of this semiconductor device was reinforced and insulated at 22 with epoxy or polyimide resin to maintain redox resistance and mechanical strength. When distributing water, the redox solution 3 does not require the ion conversion membrane 64, and generates oxygen at the anode and hydrogen at the cathode more efficiently than the water supplies 41 and 42, and releases them from 43 and 44, respectively. . In order to cause this redox reaction, the switch 19 may be turned on. In other words, the switch 17 can be used to drive the load 11 to obtain electrical energy, and the switch 19 can be used to decompose water. As a result, we were able to obtain a conversion efficiency of 7 to 15% as a solar cell, and also succeeded in generating oxygen and hydrogen without adding any external electricity. In particular, the third electrode 24 is made extremely thin, with a thickness of 50 to 300 Å.
Providing iron oxide (αFe 2 O 3 ) on the first substrate electrode,
When the other fourth electrode is made of platinum or graphite, a saturation current of 120 mA/cm 2 can be obtained. Therefore, a short circuit current of 10 mA/cm 2 can be obtained by light irradiation of AM1 (100 mW/cm 2 ), which is 1.5 to 3%, which is 10 times higher than the energy conversion efficiency of 0.2 to 0.4% shown in Figure 1. was able to obtain. Similar values of 1.7 to 2.6% could be obtained when titanium oxide was provided as the third electrode using the attached method. Example 2 In this example, a non-aqueous solution was used as the redox solution. For this reason, in FIG. 2, an ion exchange membrane 24 is provided, an anode 24, a cathode 2
8 to prevent the charged solutions from mixing. Propylene carbonate is used as a non-aqueous solvent for this redox.

【式】(以下単 にPPKという)またはアセトニトリル(CH3
CN)が無水物すなわち電極反応が少なく安定な
無毒な溶媒の代表的なものである。 レドツクス溶質としてビピリジン(bpy)また
は4,4(CH)bpyの如きその化合物(以下単に
ビピリジンという)または1,
10Phenanthroline(phen)または4.7−
(C6H4SO3)phen2-の如きその化合物(単にフエ
ナンフロリンという)を用いた。特に溶媒として
これらのFe,RuまたはO5を用いた以下の材料を
用いた。すなわち Fe(ビピリジン)2+ 3,(C1042- 2(単にFBPという) Fe(フエナンスロリン)2+ 3,(C1042- 2 Ru(ビピリジン)2+ 3,(C1042- 2(単にRBPという) Ru(フエナンスロリン)2+ 3,(C1042- 2 特に物性的にはRBPがすぐれているが、低価
格であり無毒性無公害材料であるFBPが実用上
好ましいものであつた。 かくの如き材料をレドツクスとして用いること
により、レドツクス反応、すなわち FBP2+FBP3++e- アノード FBP2++e-FBP1+ カソード ただし→充電、←放電 の反応を行なわしめることができた。 カソードとして CBP3++e-CBP2+ ただしCBPはクロムのビピリジンを示すに示
される如く、クロムのリーガントを溶媒として用
いてもよい。この充電を行なう場合は、スイツチ
19をオンにして行なつた。また蓄積されたエネ
ルギを放電する場合はスイツチ18をオンとして
負荷11を用いてその逆反応をさせた。また単な
る光電変換装置の出力として用いる場合は、スイ
ツチ17をオンとすればよい。さらに光照射によ
り充電をさせるから同時に平かつされた電圧を放
電させるにはスイツチ17をオンしさらにスイツ
チ18をオンとすればよい。 かくすることにより、回路系において光エネル
ギを平滑化された電圧にてとり出すことができ
た。レドツクス溶液は図面ではさらに4,5に充
填するため供給は41,42、排出口43,44
を設け大出力化をさせてもよい。その他第2図に
ついては実施例1と同様である。 かくすることによつて光エネルギを充電しさら
に放電させた出力の効率は従来示していた0.5〜
1%を5〜10倍の5〜10%を得ることができた。 実施例 3 この実施例は第3図にそのシステムを示してい
るが、実施例2のレドツクス系を大型化したプラ
ントの例である。 図面においてレドツクス溶液は4,5に実施例
2に示される如くに充填、さらにこの光照射10
を加えてそれぞれのレドツクスを48,53の各
タンクに充填し、ポンプ46,45にて循環させ
て電気出力はD―A変換器および昇温器49をへ
て外部電力系51,52に50にて供給される。 このシステムは光照射がなく、また余じよう電
力51がある場合、それによりレドツクス系4,
5に充電させることができるようになつた。 以上のことよりこの実施例は光−電気変換の電
気エネルギの蒸積、放出とレドツクス系により余
剰電力の蓄積、放出とを同一プラズトで行なわせ
たものである。 これは非水溶性のレドツクスを用いたため、こ
の溶液の劣化、電極反応、さらに電極のレドツク
ス溶液への溶解を防いだために初めて可能になつ
たものである。 このため1〜100MWHの電気エネルギの蓄積、
放出も可能になり、光電変換装置の裏面に一体化
して設けたレドツクスシステムによつて初めて可
能となつた。 以上の説明より明らかな如く、本発明は光電変
換装置とレドツクス反応とを一体化して設けるこ
とができるための光電変換装置の構造を供給する
ものであり、その実用上の効果としていわゆるス
モールスケールの一般家庭用のエネルギ変換さら
に町全体のエネルギ変換までもきわめて有効なも
のとさせたものであり、工業上きわめて重要なも
のと判断される。
[Formula] (hereinafter simply referred to as PPK) or acetonitrile (CH 3 -
CN) is an anhydride, which is a typical stable non-toxic solvent with little electrode reaction. Bipyridine (bpy) or its compounds such as 4,4(CH)bpy (hereinafter simply referred to as bipyridine) or 1,
10Phenanthroline (phen) or 4.7−
Compounds such as (C 6 H 4 SO 3 )phen 2- (simply referred to as phenanphroline) were used. In particular, the following materials using Fe, Ru, or O 5 as solvents were used. That is, Fe (bipyridine) 2+ 3 , (C10 4 ) 2- 2 (simply referred to as FBP) Fe (phenanthroline) 2+ 3 , (C10 4 ) 2- 2 Ru (bipyridine) 2+ 3 , (C10 4 ) 2- 2 (Simply referred to as RBP) Ru (phenanthroline) 2+ 3 , (C10 4 ) 2- 2 RBP is particularly superior in terms of physical properties, but FBP, which is a low-cost, non-toxic and non-polluting material, is practically preferable. It was hot. By using such a material as a redox, it was possible to carry out a redox reaction, that is, FBP 2+ FBP 3+ +e - anode FBP 2+ + e - FBP 1+ cathode, where → charge, ← discharge. As a cathode, CBP 3+ +e - CBP 2+ However, as shown in CBP represents bipyridine of chromium, a ligand of chromium may be used as a solvent. When performing this charging, the switch 19 was turned on. In addition, when discharging the accumulated energy, the switch 18 was turned on and the load 11 was used to cause the reverse reaction. Further, when the signal is simply used as an output of a photoelectric conversion device, the switch 17 may be turned on. Furthermore, since the battery is charged by light irradiation, the flattened voltage can be discharged at the same time by turning on the switch 17 and then turning on the switch 18. By doing so, it was possible to extract optical energy at a smoothed voltage in the circuit system. In the drawing, the redox solution is further filled into ports 4 and 5, so the supply ports are 41 and 42, and the discharge ports 43 and 44.
may be provided to increase the output. The rest of FIG. 2 is the same as in the first embodiment. By doing this, the output efficiency of charging and discharging light energy is 0.5 to 0.5, which was previously shown.
We were able to obtain 5 to 10%, which is 5 to 10 times more than 1%. Embodiment 3 This embodiment, whose system is shown in FIG. 3, is an example of a plant in which the redox system of Embodiment 2 is enlarged. In the drawing, the redox solution is filled in 4 and 5 as shown in Example 2, and the light irradiation 10
The redox is added to each tank 48, 53 and circulated by pumps 46, 45, and the electrical output is passed through the DA converter and temperature riser 49 to the external power system 51, 52. Supplied by In this system, when there is no light irradiation and there is surplus power 51, the redox system 4,
5 can now be charged. From the above, this embodiment uses the same plasma to evaporate and release electrical energy for photo-electrical conversion, and to store and release excess power using a redox system. This was made possible for the first time because the use of water-insoluble redox prevented the solution from deteriorating, electrode reactions, and dissolution of the electrode into the redox solution. Therefore, storage of electrical energy of 1 to 100 MWH,
Emission is also possible, and was made possible for the first time by a redox system integrated into the back side of the photoelectric conversion device. As is clear from the above description, the present invention provides a structure for a photoelectric conversion device that can integrate a photoelectric conversion device and a redox reaction, and its practical effect is that of a so-called small scale. It has become extremely effective in converting energy for general households and even for entire towns, and is considered to be extremely important from an industrial perspective.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来の半導体装置を用いたレドツクス
反応用半導体装置である。第2図は本発明の半導
体装置の概要を示す。第3図は第2図の半導体装
置を用いたレドツクス発電システムである。
FIG. 1 shows a semiconductor device for redox reaction using a conventional semiconductor device. FIG. 2 shows an outline of the semiconductor device of the present invention. FIG. 3 shows a redox power generation system using the semiconductor device shown in FIG.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 導電性基板よりなる第1の電極の上の光照射
面側にPIN接合を少なくともひとつ有する非単結
晶半導体を設け、前記半導体上の光照射面側に第
2の電極を設け、前記第1の電極の半導体とは反
対側にあり、かつ第1の電極と、連結して、前記
第1の電極に接する半導体の持つPまたはNの導
電型に対応してアノードまたはカソードとして作
用する第3の電極を設け前記第3の電極と第4の
電極との間にレドツクス溶液を設け前記第1及び
第2の電極間の半導体において光起電力を発生せ
しめるとともに、前記光起電力によつて第3の電
極をとおしてレドツクス反応せしめることを特徴
とする光電変換装置。 2 特許請求の範囲第1項において、半導体上部
のNまたはP型の導電型を有する半導体層上に積
層して透光性の第2の電極を有することを特徴と
する光電変換装置。 3 特許請求の範囲第1項において、レドツクス
溶液に接する第4の電極は第3の電極とは逆極性
を有する電極材料よりなることを特徴とする光電
変換装置。
[Claims] 1. A non-single crystal semiconductor having at least one PIN junction is provided on the light irradiation surface side of a first electrode made of a conductive substrate, and a second electrode is provided on the light irradiation surface side of the semiconductor. an anode or A third electrode acting as a cathode is provided, and a redox solution is provided between the third electrode and the fourth electrode to generate a photovoltaic force in the semiconductor between the first and second electrodes, and to generate a photovoltaic force in the semiconductor between the first and second electrodes. A photoelectric conversion device characterized in that a redox reaction is caused through a third electrode by an electromotive force. 2. A photoelectric conversion device according to claim 1, further comprising a light-transmitting second electrode laminated on a semiconductor layer having N or P type conductivity above the semiconductor. 3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the fourth electrode in contact with the redox solution is made of an electrode material having a polarity opposite to that of the third electrode.
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