JPH0558271B2 - - Google Patents

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JPH0558271B2
JPH0558271B2 JP2245100A JP24510090A JPH0558271B2 JP H0558271 B2 JPH0558271 B2 JP H0558271B2 JP 2245100 A JP2245100 A JP 2245100A JP 24510090 A JP24510090 A JP 24510090A JP H0558271 B2 JPH0558271 B2 JP H0558271B2
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JP
Japan
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light
conversion device
photoelectric conversion
layer
heat
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JP2245100A
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Japanese (ja)
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JPH03227575A (en
Inventor
Shunpei Yamazaki
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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
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Publication of JPH0558271B2 publication Critical patent/JPH0558271B2/ja
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    • 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

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光電変換装置において、太陽光の如き
連続光において短波長側の光を利用して光起電力
を発生せしめるとともに、この装置に対し昇温に
より特性劣化用にしか作用しない赤外光の如き光
エネルギをこの光電変換装置内で熱に変換せしめ
ることなく透過させてしまうことを目的としてい
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention generates photovoltaic force in a photoelectric conversion device by using light on the short wavelength side of continuous light such as sunlight, and also provides a photovoltaic device for generating photovoltaic power by using light on the short wavelength side of continuous light such as sunlight. The purpose of this is to allow light energy such as infrared light, which only acts on the photoelectric conversion device, to pass through the photoelectric conversion device without converting it into heat.

本発明は光照射面でのPまたはN型半導体層に
おいて入射光がその半導体層内に添加された不純
物により散乱・吸収され、熱に変換された結果光
電変換装置が発熱してしまうことを防ぐため、こ
の照射面での半導体層のエネルギバンド巾をI型
半導体層(真性または意図的に導電型を決める不
純物を添加しない実質的に真性の導電型を有する
半導体層)(以下I層という)のバンド巾と比較
して広くせしめたこと、さらにI層を透過しさら
に裏面に設けられたNまたはP型の半導体層にお
いてもI層のバンド巾より小さいエネルギ(長い
波長)の光を透過させてしまうことによりこの部
分での発熱を防ぐことを目的としている。
The present invention prevents incident light from being scattered and absorbed by impurities added into the semiconductor layer in the P- or N-type semiconductor layer on the light irradiation surface and converted into heat, which causes the photoelectric conversion device to generate heat. Therefore, the energy band width of the semiconductor layer on this irradiated surface is defined as an I-type semiconductor layer (a semiconductor layer having a substantially intrinsic conductivity type without the addition of impurities that determine the intrinsic or intentional conductivity type) (hereinafter referred to as I layer). In addition, light with energy (longer wavelength) smaller than the band width of the I layer can be transmitted through the I layer and also through the N or P type semiconductor layer provided on the back side. The purpose of this is to prevent heat generation in this area.

本発明はかくの如くPINまたはNIP型構造を有
する光電変換装置において、光−電変換のみを行
い、光−熱変換を行い得る光または赤外線等の発
熱要因となるエネルギ源をそのまま素通りさせて
しまうことを目的としている。
As described above, in a photoelectric conversion device having a PIN or NIP type structure, the present invention performs only photo-electrical conversion, and allows energy sources that cause heat generation such as light or infrared rays that can perform photo-thermal conversion to pass through as is. The purpose is to

本発明はこのため従来より行われている光照射
面側の電極を透光性にするに加えて、半導体の裏
面に設けられている電極をも金属の面電極とする
のではなく、透光性電極とせしめることを特徴と
している。
Therefore, in addition to making the electrode on the side of the light irradiation surface transparent, which has been conventionally done, the present invention also makes the electrode provided on the back surface of the semiconductor transparent, instead of using a metal surface electrode. It is characterized by being used as a sex electrode.

さらに本発明は光電変換装置を透過してきた赤
外線を利用してその裏面に設けられた冷却部に熱
エネルギを与え、結果として変換装置の昇温を防
ぐとともにヒートパイプ系による光熱変換装置と
しての水を温めることをそれぞれ個別にするので
はなく一体化して、光照射面積を増やすことなく
実施し、ないしは太陽光を一部電気に変換し、一
部を暖水に用いることにより総合利用率を40%以
上にすることを特徴としている。
Furthermore, the present invention utilizes infrared rays that have passed through the photoelectric conversion device to give thermal energy to the cooling section provided on the back side of the photoelectric conversion device, thereby preventing the temperature of the conversion device from rising, and using water as a photothermal conversion device using a heat pipe system. Instead of heating each part separately, it can be integrated without increasing the area irradiated with light, or by converting some of the sunlight into electricity and using some of it to heat water, the overall utilization rate can be increased to 40%. % or more.

従来光電変換装置1は第1図にその縦断面図の
一例が示されているが、照射光15に対し半導体
1の上面に光照射側の表面電極として透光性電極
3、さらにその抵抗を保障するための櫛型電極お
よび外部引き出し電極4が設けられ、下面の裏面
電極2として金属、例えばアルミニユームが裏面
でのシート抵抗を減少させるため全面に設けられ
ていた。
An example of a vertical cross-sectional view of the conventional photoelectric conversion device 1 is shown in FIG. A comb-shaped electrode and an external lead-out electrode 4 are provided for the purpose of ensuring the safety, and a metal, such as aluminum, is provided on the entire surface as the back electrode 2 on the lower surface in order to reduce the sheet resistance on the back surface.

しかしこの裏面の金属電極はこの面にて光を再
び表面側に反射してその光路を2倍またはそれ以
上にする効果を有しているため、半導体の厚さを
100〜200μmと約1/2にすることができ、光吸収係
数の低い単結晶シリコンのような材料においては
意味ともつている。しかしアモルフアスまたはセ
ミアモルフアス(10〜1000Åの大きさを有するマ
イクロクリスタル性構造の半結晶性半導体膜)の
如き非単結晶半導体においては、その半導体の厚
さが0.3〜2μmと薄くてよく、さらにその光吸収
係数も単結晶半導体の10倍も大きいため、かくの
如き反射効果を有する裏面電極はまつたく無価値
である。
However, the metal electrode on the back side has the effect of reflecting the light back to the front side and doubling or more the optical path, so the thickness of the semiconductor can be reduced.
It can be reduced to about 1/2 of 100 to 200 μm, which is significant in materials such as single crystal silicon, which has a low light absorption coefficient. However, in non-single-crystalline semiconductors such as amorphous or semi-amorphous (a semi-crystalline semiconductor film with a microcrystalline structure having a size of 10 to 1000 Å), the thickness of the semiconductor may be as thin as 0.3 to 2 μm; Since its light absorption coefficient is also 10 times larger than that of a single crystal semiconductor, a back electrode with such a reflective effect is completely worthless.

しかし従来この非単結晶半導体(NSCSと以下
いう)においても単結晶半導体(以下SCSとい
う)と同様に裏面金属電極が設けられており、そ
の効果は光照射側の光(例えば赤外線)に対し遮
蔽効果(半導体を昇温させる効果)しか有さず、
きわめて都合の悪いものであつた。
However, conventionally, this non-single crystal semiconductor (hereinafter referred to as NSCS) is also provided with a metal electrode on the back surface, similar to single crystal semiconductors (hereinafter referred to as SCS), and its effect is to shield light (for example, infrared rays) on the irradiation side. It only has an effect (the effect of increasing the temperature of the semiconductor),
It was extremely inconvenient.

本発明はかかる欠点を防止するため、光電変換
装置の裏面に対しても光照射面と同様に透光性電
極としたことを特徴としている。
In order to prevent such drawbacks, the present invention is characterized in that the back surface of the photoelectric conversion device is also provided with a light-transmitting electrode in the same way as the light irradiation surface.

さらに本発明は、かくの如き透光性電極を照射
面および裏面に設けることにより、入射光のうち
15〜25%のエネルギを外部(裏面方向の外部)に
放出でき光電変換装置自体の発熱を防ぐことがで
きた。
Furthermore, the present invention provides light-transmitting electrodes as described above on the irradiation surface and the back surface, thereby making it possible to reduce the amount of incident light.
It was possible to release 15 to 25% of the energy to the outside (externally in the direction of the back side) and prevent the photoelectric conversion device itself from generating heat.

しかしさらに調査した結果、短波長の光特に
600nm以下の波長(2eV以上の光エネルギを有す
る)の光に対しては、入射光面側のPまたはN型
の導電型を有する半導体層(以下PまたはN層と
いう)を300〜1000Åの厚さに形成すると40〜60
%も吸収され、電気エネルギに変換されることな
く単に熱エネルギになつてしまい、光電変換装置
自体の発熱をさせひいては変換効率の低下にのみ
寄与してしまつていることが判明した。
However, further investigation revealed that short wavelength light, especially
For light with a wavelength of 600 nm or less (having a light energy of 2 eV or more), a semiconductor layer with a conductivity type of P or N type (hereinafter referred to as P or N layer) on the incident light surface side is formed with a thickness of 300 to 1000 Å. 40-60 when formed
% was absorbed and simply turned into thermal energy without being converted into electrical energy, causing the photoelectric conversion device itself to generate heat and contributing only to a decrease in conversion efficiency.

本発明はかかる事実を防ぐため、このPまたは
N層に対し窓効果をさせてI層よりも広いエネル
ギバンド巾とさせたことを特徴としている。
In order to prevent such a situation, the present invention is characterized in that a window effect is applied to the P or N layer so that the energy band width is wider than that of the I layer.

本発明はかかる目的のため、PまたはN型の導
電型を有するSixC1-x(0<x<1),Si3N4-x(0
<x<4)またはSiO2-x(0<x<2)と化合物
化せしめ、そのX値を選択することにより2.0eV
(620nm)〜4.0eV(310nm)のエネルギバンド巾
を有せしめ、このバンド巾以下の光エネルギを有
する照射光を透過させてしまうことができた。
For this purpose, the present invention provides six C 1-x (0<x<1), Si 3 N 4-x (0
<x<4) or SiO 2-x (0<x<2), and by selecting the X value, the
(620 nm) to 4.0 eV (310 nm), and was able to transmit irradiated light having optical energy below this band width.

かくすることにより照射光面でのPまたはN層
での吸収されて熱になつてしまう光量は20〜10%
にまで下げることができ、光電変換装置の発熱を
1/3〜1/4にまで押さえることができた。
By doing this, the amount of light that is absorbed by the P or N layer on the irradiated light surface and becomes heat is reduced to 20 to 10%.
We were able to reduce the heat generation of the photoelectric conversion device to 1/3 to 1/4.

さらに本発明はかかる構造にして照射光面のP
またはN層を窓構造とするに加えて、長波長
(700nm以上)の赤外線に対し裏面に設けられた
N+またはP+層がきわめて悪影響を与えることが
わかつた。これはこのN+またはP+層がそのエネ
ルギバンド巾をI層と同じく1.4〜1.8eVとすると
その中に添加されたNまたはP型用不純物(例え
ばリン、ホウ素)により光散乱をさせてしまうた
めである。このため作製はこの裏面のNまたはP
層は2000Å程度も無造作に形成していたが、本発
明はかかる層に対し光照射面と同様にI層に比べ
て広いエネルギバンド巾を有せしめたことを特徴
としている。
Furthermore, the present invention has such a structure and the P of the irradiation light surface is
Or, in addition to making the N layer a window structure, a
It was found that N + or P + layers have a very negative effect. This is because if this N + or P + layer has an energy band width of 1.4 to 1.8 eV, the same as the I layer, the N or P type impurities added therein (e.g. phosphorus, boron) will cause light scattering. It's for a reason. For this reason, the fabrication is done with N or P on the back side.
Although the layer was formed casually with a thickness of about 2000 Å, the present invention is characterized in that the layer has a wider energy band width than the I layer, similar to the light irradiation surface.

即ちこのNまたはP層を照射面側のPまたはN
層と同様に2.0〜4.0eVとすることにより、この半
導体層を透過する700nm以上の波長の赤外線を5
〜10倍も増すことができた。即ち入射光の20〜30
%がこの裏面電極側のNまたはP層での不純物散
乱により光電変換装置を発熱させてしまつていた
が、本発明はこの発熱を広いエネルギバンド巾と
することにより3〜7%とすることができた。
That is, this N or P layer is
By setting the voltage to 2.0 to 4.0 eV as in the semiconductor layer, infrared rays with wavelengths of 700 nm or more that pass through this semiconductor layer can be reduced by 5.
It was possible to increase it by ~10 times. i.e. 20-30 of the incident light
%, the photoelectric conversion device generates heat due to impurity scattering in the N or P layer on the back electrode side, but the present invention reduces this heat generation to 3 to 7% by making the energy band width wide. was completed.

かくすることにより、入射光側では太陽光に対
し従来は照射面で40〜60%、裏面で20〜30%の光
エネルギが熱エネルギになつてしまつていたもの
が、照射面で10〜20%、裏面で3〜7%となり、
従来の60〜90%の光−熱変換をI層での光−熱変
換を考慮しても15〜30%にまでさげることができ
その差の光エネルギは光として裏面電極下に設け
られた熱エネルギを吸収して用いるヒートパイプ
等の光−熱変換装置に与えることができ、太陽光
の総合有効利用率を本発明の光電変換装置により
光電変換率8〜15%、さらにその直下の光熱変換
装置により40〜65%を有効利用できた。このため
総合有効利用率として従来の5〜30%を48〜80%
にまで高めることができた。
By doing this, on the incident light side, 40-60% of the light energy from sunlight on the irradiated surface and 20-30% on the back surface was converted into heat energy, but it is reduced to 10-10% on the irradiated surface. 20%, 3-7% on the back side,
The conventional light-to-heat conversion of 60 to 90% can be reduced to 15 to 30% even when taking into account the light-to-heat conversion in the I layer, and the difference in light energy is converted into light and is provided under the back electrode. Thermal energy can be absorbed and given to a light-to-heat conversion device such as a heat pipe, and the overall effective utilization rate of sunlight can be increased to 8 to 15% by the photoelectric conversion device of the present invention. The converter enabled effective utilization of 40 to 65%. Therefore, the overall effective utilization rate is 48-80% instead of the conventional 5-30%.
I was able to raise it to .

特に光電変換装置内での発熱を照射面、裏面に
窓効果をもつPまたはN層を設けて防ぐことによ
り光電変換装置それ自体の変換効率を5%より12
〜15%にまでAM1下で高めることができ、その
相乗効果はきわめて著しいものであつた。
In particular, by preventing heat generation within the photoelectric conversion device by providing a P or N layer with a window effect on the irradiation surface and back surface, the conversion efficiency of the photoelectric conversion device itself can be increased from 5% to 12%.
It could be increased to ~15% under AM1, and the synergistic effect was quite remarkable.

さらに熱エネルギの伝導が熱として下部の変換
装置に伝えるのではなく、赤外線等の輻射エネル
ギにより下部の光熱変換装置に伝えるため、その
効果が大きく、光熱変換装置より再び熱エネルギ
を光電変換装置がもらいうけることを防ぐことが
できた。即ちこの光熱変換装置と光電変換装置と
の間に真空領域を設けることにより、伝導による
熱の移動を禁止し、輻射による熱の移動を行い、
ひいては光電変換装置と光熱変換装置とをともに
有効に動作させることができた。
Furthermore, the conduction of thermal energy is not transmitted as heat to the lower photothermal converter, but as radiant energy such as infrared rays is transmitted to the lower photothermal converter, which has a great effect, and the photothermal converter transfers thermal energy back to the photoelectric converter. I was able to prevent it from happening. That is, by providing a vacuum region between the photothermal conversion device and the photoelectric conversion device, heat transfer by conduction is prohibited, and heat transfer is performed by radiation.
As a result, both the photoelectric conversion device and the photothermal conversion device were able to operate effectively.

本発明において非晶質(以下ASという)また
は半非晶質(以下セミアモルフアス即ちSASと
いう)即ち結晶の大きさの小さい結晶性半導体
(2.5μm以下特に10〜1000Åの大きさを有するも
の)または結晶体と非結晶体との混合体または非
結晶体よりなるSASはそのエネルギバンド巾が
1.4〜1.8eV特に1.6eVを有し、特に有効であるこ
とが判明した。
In the present invention, amorphous (hereinafter referred to as AS) or semi-amorphous (hereinafter referred to as semi-amorphous or SAS), that is, a crystalline semiconductor with a small crystal size (less than 2.5 μm, especially one having a size of 10 to 1000 Å) Or, SAS consisting of a mixture of crystal and amorphous or amorphous has an energy band width of
1.4-1.8 eV, especially 1.6 eV, and were found to be particularly effective.

第2図は横軸に反射された光の波長を示し、縦
軸は表面および裏面に透光性電極を設けた構造に
おける透過率を示す。
In FIG. 2, the horizontal axis shows the wavelength of reflected light, and the vertical axis shows the transmittance in a structure in which transparent electrodes are provided on the front and back surfaces.

図面より明らかな如く、NSCS(非単結晶即ち
ASまたはSASの如き珪素半導体でエネルギバン
ド巾が1.4eV以上有する多結晶を含む非単結晶)
を用いた本発明においては曲線5に示す如く半導
体の厚さが0.3〜3μnときわめて薄くてもよいた
め、そのエネルギバンド巾(Egという)に対応
する700nm(Eg1.6eV)よりも長波長側において
は90%以上のほとんどの光が半導体およびその表
面および裏面の透光性電極を経て反対側にまで透
過していることがわかる。しかし曲線6のSCS
(単結晶珪素)を用いた構造においては半導体の
厚さが200〜300μmもあるため、エネルギバンド
巾である1.1eV以下の赤外線においても透過率が
あまり大きくなく、透過できなかつた光は半導体
内にて熱に蓄積され、半導体のキヤリア移動度を
下げるための昇温にした作用しなくなつている。
As is clear from the drawing, NSCS (non-single crystal
Silicon semiconductors such as AS or SAS (non-single crystals including polycrystals with an energy band width of 1.4 eV or more)
In the present invention using the semiconductor, as shown in curve 5, the thickness of the semiconductor may be as extremely thin as 0.3 to 3 μn. It can be seen that more than 90% of the light is transmitted to the opposite side through the semiconductor and the transparent electrodes on its front and back surfaces. However, the SCS of curve 6
In a structure using (single-crystal silicon), the thickness of the semiconductor is 200 to 300 μm, so the transmittance is not very high even for infrared rays below the energy band width of 1.1 eV, and the light that cannot be transmitted is inside the semiconductor. Heat is accumulated in the semiconductor, and the temperature increase to lower the carrier mobility of the semiconductor is no longer effective.

このことよりNSCSにおいては本発明の表面裏
面ともに透光性であることがきわめて効果が大き
くさらにそのNSCSのエネルギバンド巾も単結晶
珪素の1.1eVよりも大きな1.4〜2.0eVと赤外線に
対し透光性を有することが光電変換効率を高める
のみではなく、半導体の昇温をも防ぐことができ
るためきわめて好ましいものであつた。
Therefore, in NSCS, the fact that both the front and back surfaces of the present invention are translucent is extremely effective. Furthermore, the energy band width of NSCS is 1.4 to 2.0 eV, which is larger than the 1.1 eV of single crystal silicon, making it transparent to infrared rays. It is extremely preferable to have the properties because it not only increases the photoelectric conversion efficiency but also prevents the temperature of the semiconductor from rising.

第3図はPまたはN層に用いるための広いエネ
ルギバンド巾を設けた場合の相対透過率をエネル
ギバンド巾が従来どおりの1.6eV10、本発明の
2.0〜4.0eVの一例としての2.5eV7,8および
3.5eV9において示したものである。横軸はプラ
ズマグロー放電法を利用して300℃にて珪化物気
体であるシランまたは四弗化珪素と炭化物気体で
あるメタンまたはフロンを混合し、SixC1-x(0<
x<1)を設け、そのX値を制御することにより
得られた光学的エネルギ巾である。測定は反射型
のモノクロメータにて行つた。曲線7,11はP
またはN型用不純物を添加しなかつた場合の透過
率と波長との関係を示す。曲線8,9,10はP
型用不純物であるホウ素またはN型用不純物であ
るリンをSixC1-x(0<x<1)において同時にジ
ボランまたはフオスヒンを0.1〜5モル%混入し
て得られたものである。
Figure 3 shows the relative transmittance when a wide energy band width is provided for use in the P or N layer.
2.5eV7,8 and as an example of 2.0~4.0eV
This is shown at 3.5eV9. The horizontal axis shows SixC 1-x (0<
x<1), and is the optical energy width obtained by controlling the X value. Measurements were performed using a reflection type monochromator. Curves 7 and 11 are P
Or, it shows the relationship between transmittance and wavelength when no N-type impurity is added. Curves 8, 9, and 10 are P
It is obtained by simultaneously mixing boron as a mold impurity or phosphorus as an N-type impurity in SixC 1-x (0<x<1) with 0.1 to 5 mol% of diborane or phosphin.

不純物を意図的に添加しない真性の半導体は
SASの場合1.6eVを有していたため、17におい
てこれよりも短波長側の光を曲線11に示す如く
吸収して、電子・ホール対を発生させることがで
きた。しかしこれと同じエネルギバンド巾を有す
るPまたはN型不純物は曲線10に示す如く、同
様に短波長側で100%の吸収を示すため、ここで
は不純物による再結合中心が多いため、励起され
て電子・ホールは再び同じPまたはN層で再結合
して光電変換に寄与することがない。加えて領域
50のEgより小さい長波長側の光すら30〜40%
も吸収してしまうため、光電変換装置自体を昇温
させてしまつていた。
Intrinsic semiconductors with no intentionally added impurities are
In the case of SAS, it had 1.6 eV, so in 17 it was possible to absorb light with a shorter wavelength as shown in curve 11 and generate electron-hole pairs. However, P- or N-type impurities with the same energy band width similarly exhibit 100% absorption on the short wavelength side, as shown in curve 10, so here, there are many recombination centers due to the impurity, and the electrons are excited. - Holes do not recombine in the same P or N layer and contribute to photoelectric conversion. In addition, even light on the long wavelength side smaller than Eg in the region 50 is reduced by 30 to 40%.
This also causes the temperature of the photoelectric conversion device itself to rise.

このためPまたはN層に対し、結果として広い
エネルギバンド巾を有せしめ、そのEgを2.5eVと
すると曲線8を、また3.5eVとすると曲線9を得
ることができた。これらの曲線においては太陽光
が強いエネルギを有する500〜700nmにおいて高
い透過率を得るため、照射面側に設けるPまたは
N層として広いEgを有せしめることがきわめて
重要であることがわかる。
For this reason, the P or N layer was made to have a wide energy band width, and when Eg was set to 2.5 eV, curve 8 was obtained, and when Eg was set to 3.5 eV, curve 9 was obtained. These curves show that it is extremely important to have a wide Eg as the P or N layer provided on the irradiation surface side in order to obtain high transmittance in the 500 to 700 nm range where sunlight has strong energy.

さらにこの曲線8,9は領域50の赤外線領域
いおいてもI層と同じEgの曲線10に比較して
透過率が20〜35%も大きいため、赤外線の外部へ
の放出を可能としている。
Further, curves 8 and 9 have transmittances 20 to 35% higher in the infrared region of region 50 than curve 10 of Eg, which is the same as the I layer, so that infrared rays can be emitted to the outside.

これらの曲線はPまたはN層が500〜1000Åの
厚さの場合を示したが、この厚さを1/2または二
倍にするとその透過率がそれぞれ2倍または1/2
になることはいうまでもない。
These curves show the case where the P or N layer is 500 to 1000 Å thick, but if this thickness is halved or doubled, the transmittance will be doubled or halved, respectively.
Needless to say, it will become.

また図面ではI層の曲線7,11は0.5〜1μm
としたが、これを0.3〜3μmとかえてもよい。し
かし薄くしすぎると、この半導体層での光の吸収
量が少なくなり、厚くしすぎると透過すべき赤外
線の吸収がおき、自己発熱をしてしまうため本発
明のSASを用いる場合は0.5〜1μmが最適であつ
た。
Also, in the drawing, the curves 7 and 11 of the I layer are 0.5 to 1 μm.
However, this may be changed to 0.3 to 3 μm. However, if it is made too thin, the amount of light absorbed by this semiconductor layer will decrease, and if it is made too thick, it will absorb infrared rays that should be transmitted, resulting in self-heating. was optimal.

第4図はA,Cに本発明の基本縦断面図構造を
示したものである。
4A and 4C show the basic vertical cross-sectional structure of the present invention.

即ちガラス等の透光性基板45を通して光15
が照射され、ガラス上にスズ(Sn),インジユー
ム(In),アンチモン(Sb)の酸化物により導電
性でありかつ透光性の被膜16,19が設けられ
ている。被膜16は光照射面側の透光性電極であ
り、19は同様に透光性の裏面電極である。I型
半導体20と光照射面側のP層22、裏面側のN
層23が設けられている。
That is, light 15 passes through a transparent substrate 45 such as glass.
is irradiated, and electrically conductive and transparent coatings 16 and 19 are provided on the glass using oxides of tin (Sn), indium (In), and antimony (Sb). The coating 16 is a light-transmitting electrode on the light irradiation surface side, and 19 is a light-transmitting back electrode. I-type semiconductor 20, P layer 22 on the light irradiation side, N layer on the back side
A layer 23 is provided.

第4図Bに示す如く、P、N層を50〜1000Åの
厚さに、またI層を0.5〜1μmの厚さにして形成
し、PおよびN層22,23を2.5eV、3.5eVと
するとAM1下において変換効率8.0〜10%、12.0
〜14%をそれぞれ得ることができた。
As shown in FIG. 4B, the P and N layers are formed with a thickness of 50 to 1000 Å, the I layer is formed with a thickness of 0.5 to 1 μm, and the P and N layers 22 and 23 are formed with a voltage of 2.5 eV and 3.5 eV. Then, under AM1, the conversion efficiency is 8.0 to 10%, 12.0
~14% each.

本発明は以上のごとく、大きなEgを有する光
を光電変換し、また小さな光特に赤外光を15′
として裏面電極より外部に放出せしめた。かくす
ることにより半導体自身の温度が上昇することを
防ぎ結果として光電変換効率の向上と光熱変換装
置との複合化を成就することができた。
As described above, the present invention photoelectrically converts light with a large Eg, and converts small light, especially infrared light, into
As a result, it was emitted to the outside from the back electrode. In this way, the temperature of the semiconductor itself was prevented from rising, and as a result, it was possible to improve the photoelectric conversion efficiency and achieve combination with a photothermal conversion device.

第4図Cは半導体装置にP(I)IN型(P型半
導体22−トンネル電流を許容する絶縁または半
絶縁膜17−実質的に真性の半導体1−N型半導
体23)を設け、22,23に対しその表面裏面
に密接して透明電極を第4図Aと同様に形成した
ものである。
FIG. 4C shows a semiconductor device provided with a P(I) IN type (P-type semiconductor 22 - insulating or semi-insulating film 17 allowing tunneling current - substantially intrinsic semiconductor 1 - N-type semiconductor 23), 22, Transparent electrodes are formed closely on the front and back surfaces of 23 in the same manner as in FIG. 4A.

図面では基板は半導体側の裏面側に15として
透明ガラスにより設けられている。
In the drawing, the substrate is provided with transparent glass as 15 on the back side of the semiconductor side.

第4図DはCの光電変換装置1のエネルギバン
ドダイヤグラムをその番号を対応して示してい
る。
FIG. 4D shows an energy band diagram of the photoelectric conversion device 1 of C with corresponding numbers.

この縦断面図において絶縁または半絶縁膜I層
は10〜30Åの膜厚を有する炭化珪素SiC、窒化珪
素Si3N4を設けたもので、P−I接合の接合面に
おけるボイド、ピンホール等により接合面のリー
クの発生を防止している。かくすることにより光
電変換装置におけるフイルムフアクターが向上し
第4図Aにおいて0.5〜0.55であつたものが、0.7
〜0.75を示す向上することができ、最大18%の変
換効率をAM1の条件下で得ることができた。
In this vertical cross-sectional view, the insulating or semi-insulating film I layer is made of silicon carbide (SiC) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) having a film thickness of 10 to 30 Å, and voids, pinholes, etc. at the joint surface of the P-I junction are formed. This prevents leakage from occurring at the bonding surface. By doing this, the film factor in the photoelectric conversion device was improved, and the film factor, which was 0.5 to 0.55 in FIG. 4A, was reduced to 0.7.
A conversion efficiency of up to 18% could be obtained under AM1 conditions, showing an improvement of ~0.75.

第4図A,Bの装置において透光性電極とは櫛
型電極とし、櫛の間のみを透光性としても、また
金、アルミニユームを20〜50Åの極薄膜にて形成
させた半透明であつても、本発明と同一思想であ
る。しかしかかる構造においては透過率が十分で
ない、製造が微妙である等の欠点を有し、大面積
には必ずしも適していない。
In the devices shown in Figures 4A and B, the translucent electrode is a comb-shaped electrode, and only the space between the combs is translucent, or it is a translucent electrode made of gold or aluminum with an extremely thin film of 20 to 50 Å. However, the idea is the same as that of the present invention. However, such a structure has drawbacks such as insufficient transmittance and delicate manufacturing, and is not necessarily suitable for large areas.

本発明においては光照射時における雰囲気が10
〜30℃の室温においては透光性にするのみでその
効果が大きい。
In the present invention, the atmosphere during light irradiation is 10
At room temperature of ~30°C, simply making it translucent has a great effect.

しかしさらにその雰囲気が40〜100℃と高温に
おいては、その熱エネルギが変換効率の低下を促
してしまう。このためこの半導体の裏面電極下に
冷却機構を有する熱変換装置をヒートパイプ等を
利用して設けることも本発明の他の特徴である。
However, when the atmosphere is at a high temperature of 40 to 100 degrees Celsius, the thermal energy promotes a decrease in conversion efficiency. Therefore, another feature of the present invention is that a heat converter having a cooling mechanism is provided under the back electrode of the semiconductor using a heat pipe or the like.

ヒートパイプは一般に低温部より熱エネルギを
とり高温部にこの熱エネルギを与える系であり、
その一例はUSP3875926(太陽熱エネルギ集合シ
ステム)に示されている。
A heat pipe is generally a system that takes heat energy from a low-temperature part and gives this heat energy to a high-temperature part.
An example is shown in USP 3875926 (Solar Thermal Energy Collection System).

本発明はかくの如き光熱変換装置を本発明の裏
面の透明電極に隣接してその下側に設けることが
できるのである。
In the present invention, such a photothermal conversion device can be provided adjacent to and below the transparent electrode on the back surface of the present invention.

かくすることにより、太陽光に対して直列に
Egより大きい光エネルギを有する短波長光をま
ず光電変換装置により電気エネルギを取り出し、
さらにEgより小さな光エネルギを有する長波長
の光例えば赤外線に対してはこの光電変換装置を
透過してその下側の光熱変換装置により熱エネル
ギを取り出すようにしたものである。
By doing this, in series with sunlight
Short wavelength light with optical energy greater than Eg is first extracted into electrical energy by a photoelectric conversion device,
Further, long-wavelength light having a light energy smaller than Eg, such as infrared light, is transmitted through this photoelectric conversion device and the thermal energy is extracted by the photothermal conversion device below.

第5図は本発明の光電変換装置にヒートパイプ
を一体化して設けた場合の一例を示す斜視図であ
る。
FIG. 5 is a perspective view showing an example in which a heat pipe is integrally provided in the photoelectric conversion device of the present invention.

図面において太陽光15に対し上側電極16、
半導体1、下側電極19、外部接続端子34,3
5よりなつている。
In the drawing, an upper electrode 16 for sunlight 15,
Semiconductor 1, lower electrode 19, external connection terminals 34, 3
It's more familiar than 5.

冷却水は32よりヒートパイプ30を経て33
に放出される。図面ではヒートパイプを三段並列
に設けたものである。しかしこれを直列に接続し
てもよく、またこの温水33により再度他のヒー
トパイプを経て変換効率の向上を図つてもよい。
この場合、一般にはアルコール、フロリーナート
等の液を用い次段にて熱容量の大きな水を用いる
光熱変換装置とするとその効率を高めることがで
きた。
The cooling water passes through the heat pipe 30 from 32 to 33
is released. In the drawing, three heat pipes are arranged in parallel. However, these may be connected in series, and the hot water 33 may be passed through another heat pipe again to improve the conversion efficiency.
In this case, the efficiency of the photothermal conversion device can generally be increased by using a liquid such as alcohol or Fluorinert and then using water with a large heat capacity in the next step.

第5図において光電変換装置が結果としてヒー
トパイプのその反射防止膜となつており、その面
でも赤外線透光用光電変換装置とヒートパイプ等
光熱変換装置との一体化は好ましいものであつ
た。
In FIG. 5, the photoelectric conversion device serves as the antireflection film of the heat pipe, and from this point of view as well, the integration of the photoelectric conversion device for transmitting infrared light and the photothermal conversion device such as the heat pipe is preferable.

以上の説明より明らかな如く、本発明は光電変
換装置であつて、光照射表面側の電極のみならず
裏面に対しても透光性電極およびPおよびN層を
I層に比べて広いエネルギバンド巾を有せしめ、
特に1.6eV以下のエネルギを有する光特に赤外光
に対しこの光電変換装置自体の昇温を防ぎ、この
赤外光を含む熱エネルギをこの裏面電極側に接し
て設けられた冷却用の熱電変換装置を光に対して
直列接続せしめることにある。その結果、同一照
射面側にて光−電、光−熱変換により総合変換効
率を70〜90%にまで高めることができた。
As is clear from the above description, the present invention is a photoelectric conversion device in which a light-transmitting electrode and a P and N layer are used not only for the electrode on the light irradiation surface side but also for the back surface, which has a wider energy band than the I layer. have a width,
In particular, the temperature of this photoelectric conversion device itself is prevented from increasing due to light having an energy of 1.6 eV or less, especially infrared light, and thermal energy including this infrared light is transferred to a thermoelectric conversion device for cooling provided in contact with this back electrode side. The purpose is to connect the device in series to the light. As a result, we were able to increase the overall conversion efficiency to 70-90% through photo-electrical and photo-thermal conversion on the same irradiation surface side.

本発明は珪素のアモルフアスまたはセミアモル
フアス半導体を利用した光電変換装置とヒートパ
イプを用いた光−熱変換装置とを一体化したこと
を特徴としている。その結果、それぞれの効果を
波長の短い光により発電を、また長い波長により
発熱を起こすため、光電変換装置と光−熱変換装
置との間を真空として断熱させるためこの装置部
での昇温を防止しひいては光電変換効率を高め、
また光熱変換において無駄になつていた光を発熱
に利用した相乗効果を利用したものである。
The present invention is characterized in that a photoelectric conversion device using an amorphous or semi-amorphous silicon semiconductor and a light-to-heat conversion device using a heat pipe are integrated. As a result, the short wavelength light generates electricity, and the long wavelength light generates heat, so in order to create a vacuum between the photoelectric conversion device and the light-to-thermal conversion device and insulate it, the temperature rise in this device section is suppressed. prevention and ultimately increase photoelectric conversion efficiency,
It also takes advantage of the synergistic effect of using the wasted light in photothermal conversion to generate heat.

その結果、一般家庭の限られた面積の屋根を利
用して太陽光の一部を発電にまた他の一部を湯沸
かしに利用したきわめて効果の高い太陽エネルギ
の変換装置を作ることができた。なお本発明は本
発明人の出願になる特許願55−181463,55−
181464(S55.12.22出願)の光電変換装置をさらに
発展させたものであることを付記する。
As a result, we were able to create an extremely effective solar energy conversion device that utilizes the limited roof area of a typical home to use part of the sunlight to generate electricity and the other part to heat water. The present invention is based on patent application No. 55-181463, 55- filed by the inventor.
It should be noted that this is a further development of the photoelectric conversion device of No. 181464 (filed on Dec. 22, 2015).

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

第1図は従来の光電変換装置の縦断面図を示
す。第2図は本発明の光電変換装置にて得られた
波長に対する透過光の特性を示す。第3図は本発
明の光電変換装置に用いたI層、P層およびN層
の波長と相対透過率との関係を示す。第4図A,
Cは本発明の光電変換装置を示しB,Dはそれぞ
れA,Cに対応するエネルギバンド図を示してい
る。第5図は本発明の光電変換装置と光熱変換装
置とを一体化した光電変換装置の実施例を示す。
FIG. 1 shows a longitudinal cross-sectional view of a conventional photoelectric conversion device. FIG. 2 shows the characteristics of transmitted light with respect to wavelength obtained by the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 3 shows the relationship between wavelength and relative transmittance of the I layer, P layer, and N layer used in the photoelectric conversion device of the present invention. Figure 4A,
C shows a photoelectric conversion device of the present invention, and B and D show energy band diagrams corresponding to A and C, respectively. FIG. 5 shows an embodiment of a photoelectric conversion device in which a photoelectric conversion device and a photothermal conversion device of the present invention are integrated.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 光照射表面及び裏面に透光性電極を有する光
照射により光起電力を発生させる半導体装置と、
光照射により熱を発生させるヒートパイプとを有
し、それらが互いに真空断熱され、かつ前記半導
体装置の半導体層を透過した光の一部が、前記ヒ
ートパイプにおいて熱発生に用いられる構成とせ
しめた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、半導体装置
はPINまたはNIP型構造を有しており、P型半導
体層およびN型半導体層はI型半導体層に比較し
て広いエネルギバンド巾を有せしめ、かつP型半
導体層およびN型半導体層に密接した電極がとも
に透光性電極であることを特徴とする光電変換装
置。
[Scope of Claims] 1. A semiconductor device that generates photovoltaic force by light irradiation and has transparent electrodes on the light irradiation surface and the back surface,
and a heat pipe that generates heat by irradiation with light, the heat pipes being vacuum insulated from each other, and a part of the light transmitted through the semiconductor layer of the semiconductor device being used for heat generation in the heat pipe. A photoelectric conversion device characterized by: 2. In claim 1, the semiconductor device has a PIN or NIP type structure, and the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer have a wider energy band width than the I-type semiconductor layer, A photoelectric conversion device characterized in that the electrodes in close contact with the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer are both transparent electrodes.
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