(57)【要約】【課題】光発電と熱発電を同時に行うことができる発電装置を提供する。【解決手段】本発電装置１は、表面電極３と、その裏面側に配されており、光を吸収して電気に変換する複数の光吸収素子５とを備えており、各光吸収素子５は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを有するものであって、最も表面電極３から離れた位置にある最下層の光吸収素子５の裏面には、裏面電極９が備えられており、〔１〕最下層の光吸収素子５の裏面、又は〔２〕最下層の光吸収素子５よりも、表面電極３寄りの位置にある光吸収素子５の裏面には、光を吸収して熱に変換する熱変換電極７が配されており、複数の光吸収素子５のうちから選ばれた一の光吸収素子と、一の光吸収素子よりも表面電極３から離れた位置にある他の光吸収素子とを比較すると、一の光吸収素子が吸収する光の最短波長は、他の光吸収素子が吸収する光の最短波長よりも短いか或いは同じである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面電極と、
前記表面電極の裏面側に配されており、光を吸収して電気に変換する複数の光吸収素子と、を備えており、
前記複数の光吸収素子は、それぞれ、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを有する発電装置であって、
前記複数の光吸収素子のうちの最も前記表面電極から離れた位置にある最下層の光吸収素子の裏面には、裏面電極が備えられており、
〔１〕前記最下層の光吸収素子の裏面、又は〔２〕前記最下層の光吸収素子よりも、前記表面電極寄りの位置にある光吸収素子の裏面には、光を吸収して熱に変換する熱変換電極が配されており、
前記複数の光吸収素子のうちから選ばれた一の光吸収素子と、前記一の光吸収素子よりも前記表面電極から離れた位置にある他の光吸収素子と、を比較すると、前記一の光吸収素子が吸収する光の最短波長は、前記他の光吸収素子が吸収する光の最短波長よりも短いか、或いは、同じであることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記熱変換電極が配された光吸収素子よりも、前記表面電極から離れた位置にある光吸収素子では、前記熱変換電極の配置部位に対応する部分が欠けている請求項１に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関する。更に詳しくは、本発明は、光発電と熱発電を同時に行うことができる発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電装置として、太陽光等の光エネルギーを用いて発電可能な光発電装置や熱発電装置等が知られている。更には、モード切り替えを行うことにより、一つの装置において、光発電か熱発電かを選択して行うことができる発電装置等が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−５０１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の発電装置では、得られる発電量が未だ十分とはいえず、更なる向上が求められているのが現状である。特許文献１の発電装置においても、モード選択により一方の発電のみが行われるため、従来の発電装置と同様に、更なる発電量の向上が求められている。また、この発電装置では、モードを切り替えるための回路が必要となるため、装置の構造が煩雑となる傾向にある。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、光発電と熱発電を同時に行うことができ、十分な発電量を得ることができる発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、表面電極と、
前記表面電極の裏面側に配されており、光を吸収して電気に変換する複数の光吸収素子と、を備えており、
前記複数の光吸収素子は、それぞれ、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを有する発電装置であって、
前記複数の光吸収素子のうちの最も前記表面電極から離れた位置にある最下層の光吸収素子の裏面には、裏面電極が備えられており、
〔１〕前記最下層の光吸収素子の裏面、又は〔２〕前記最下層の光吸収素子よりも、前記表面電極寄りの位置にある光吸収素子の裏面には、光を吸収して熱に変換する熱変換電極が配されており、
前記複数の光吸収素子のうちから選ばれた一の光吸収素子と、前記一の光吸収素子よりも前記表面電極から離れた位置にある他の光吸収素子と、を比較すると、前記一の光吸収素子が吸収する光の最短波長は、前記他の光吸収素子が吸収する光の最短波長よりも短いか、或いは、同じであることを要旨とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記熱変換電極が配された光吸収素子よりも、前記表面電極から離れた位置にある光吸収素子では、前記熱変換電極の配置部位に対応する部分が欠けていることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の発電装置によれば、光発電と熱発電を同時に行うことができるため、十分な発電量を得ることができる。特に、従来の太陽電池等の光発電では利用できていなかったエネルギーギャップ以上の光エネルギーを、熱エネルギーに変換して熱発電に利用することができるため、十分な発電量を得ることができる。また、曇りや雨等の悪天候であっても、外部から熱を供給することによって熱発電を行うこともできる。
また、本発明の発電装置において、熱変換電極が配された光吸収素子よりも、表面電極から離れた位置にある光吸収素子では、熱変換電極の配置部位に対応する部分が欠けている場合には、光発電に寄与する光吸収素子の数と、熱発電に寄与する光吸収素子の数を別々に設定することができ、設計の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
【図１】発電装置の構成を模式的に説明するための説明図である。
【図２】他の形態の発電装置の構成を模式的に説明するための説明図である。
【図３】他の形態の発電装置の構成を模式的に説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
【００１０】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の発電装置は、表面電極と、複数の光吸収素子と、裏面電極と、熱変換電極と、を備えている。
【００１１】
上記「表面電極」は、太陽光等の光を受光する側の電極であり、透光性の電極又はくし形状の電極からなる。この表面電極を構成する部材としては、例えば、酸化亜鉛、酸化スズ、ＩＴＯ（酸化インジウムに５〜１０ｗｔ％の酸化スズが添加されたもの）、酸化チタン、酸化ニッケル等が挙げられる。
また、表面電極の厚みは特に限定されないが、例えば、０．０５〜１μｍ（特に０．１〜０．３μｍ）とすることができる。
【００１２】
上記「光吸収素子」は、光エネルギーを吸収して電気エネルギーに変換する素子である。この光吸収素子の配設数は２以上であれば特に限定されず、２〜１０であることが好ましく、より好ましくは３〜８、更に好ましく３〜５である。尚、これらの光吸収素子は、通常、直列に配されている。
【００１３】
また、本発明の発電装置において、複数の光吸収素子のうちから選ばれた一の光吸収素子と、一の光吸収素子よりも表面電極から離れた位置にある他の光吸収素子と、を比較すると、一の光吸収素子が吸収する光の最短波長は、他の光吸収素子が吸収する光の最短波長よりも短いか、或いは、同じとなっている。
特に、本発明においては、表面電極から離れた位置に配された光吸収素子ほど、光吸収素子の吸収する光の最短波長が長くなるように設定されていることが好ましい。この場合、広範囲の波長の光エネルギー、例えば、紫外線等の短波長側から赤外線等の長波長側にかけての光エネルギーを効率良く利用することができる。
【００１４】
上記光吸収素子は、それぞれ、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを備えている。尚、必要に応じて、光電変換層として、ｉ型半導体層を更に備えていてもよい。具体的には、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との積層体からなる素子や、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間にｉ型半導体層が配された積層体からなる素子を挙げることができる。
【００１５】
本発明において、各半導体層の構成は、吸収する光の波長範囲や、配される光吸収層の数により適宜調整される。各半導体の材質は特に限定されず、公知の太陽電池等に用いられているものを用いることができる。具体的な半導体材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ等のＩＶ族半導体、化合物半導体、有機半導体等が挙げられる。上記化合物半導体としては、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＯ等のＩＩ−ＶＩ族半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等のＩＶ族化合物半導体、ＣｕＩｎＳｅ２等のカルコパイライト系半導体を含むＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体等が挙げられる。
【００１６】
各半導体層の厚みは特に限定されない。例えば、ｐ型半導体層の厚みは０．００５〜１μｍ（特に０．０１〜０．１μｍ）とすることができる。ｎ型半導体層の厚みは０．００５〜１μｍ（特に０．０１〜１μｍ）とすることができる。ｉ型半導体層の厚みは０．０１〜５μｍ（特に０．１〜１μｍ）とすることができる。
【００１７】
上記「裏面電極」は、上述の複数の光吸収素子のうち、表面電極から最も離れた位置にある最下層の光吸収素子の裏面に配されている。本発明の発電装置では、表面電極と裏面電極との間の光吸収素子における光発電による電気エネルギーを、表面電極と裏面電極から取り出すことができる。
裏面電極を構成する導電部材としては、例えば、アルミニウム合金、モリブデン、銀等の金属部材が用いられる。これらのなかでも、アルミニウム合金、モリブデン等の金属部材が好ましい。このような金属部材を用いる場合、光吸収素子を透過してしまった光を十分に反射することができ、光吸収素子における光の吸収効率を向上させることができる。
この裏面電極の厚みは特に限定されないが、例えば、０．０１〜１００μｍ（特に０．１〜１μｍ）とすることができる。
【００１８】
上記「熱変換電極」は、光を吸収して熱に変換することができる導電部材からなる電極である。本発明の発電装置では、熱変換電極における光エネルギーを利用した熱の供給により、表面電極と熱変換電極との間の光吸収素子の両端に温度差を与えることができる。そして、その温度差により生じる起電力（電気エネルギー）を、表面電極と熱変換電極から取り出すことができる。
熱変換電極を構成する導電部材としては、例えば、炭素を主成分とする炭素材料、黒色クロム、鉛フリーの黒色のルテニウムをベースとしたポリ酸化物等の光を吸収することができる黒色材料が用いられる。具体的な黒色材料としては、カーボン、黒色クロム等を挙げることができる。
熱変換電極の厚みは特に限定されないが、例えば、０．０５〜１μｍ（特に０．１〜０．３μｍ）とすることができる。
【００１９】
上記熱変換電極は、光吸収素子の両端に温度差を与えることができるように、〔１〕表面電極から最も離れた位置にある最下層の光吸収素子の裏面、又は〔２〕最下層の光吸収素子よりも、表面電極寄りの位置にある光吸収素子の裏面に配される。特に、熱発電における発電量を向上させるという観点から、光吸収素子の両端における熱の高低差が大きくなるように配されることが好ましい。
【００２０】
本発明の発電装置において、直列に配された光吸収素子同士の接合方法は特に限定されない。例えば、層間に透光性の導電体層を介して接合されていてもよいし、トンネル接合により接合されていてもよい。尚、上記熱変換電極が配された光吸収素子よりも、表面電極側に配された光吸収素子間においては、光吸収素子の両端に与えられる温度差を確保するため、上述の導電体層等の接合に加え、透光性の絶縁層を介して接合されていることが好ましい。
透光性の導電体を構成する部材としては、例えば、酸化亜鉛、酸化スズ、ＩＴＯ（酸化インジウムに５〜１０ｗｔ％の酸化スズが添加されたもの）、酸化チタン（Ｎｂ等を０．１〜３モル％添加したもの）、酸化ニッケル等が挙げられる。
この導電体の厚みは特に限定されないが、例えば、０．０１〜１μｍ（特に０．０５〜０．１μｍ）とすることができる。
透光性の絶縁体を構成する部材としては、例えば、シリカ、チタン酸ストロンチウム等が挙げられる。
この絶縁体の厚みは特に限定されないが、例えば、０．０１〜１μｍ（特に０．０５〜０．１μｍ）とすることができる。
【００２１】
また、本発明の発電装置において、熱変換電極が配された光吸収素子よりも、表面電極から離れた位置にある光吸収素子では、熱変換電極の配置部位に対応する部分が欠けた形態とすることができる。この場合、光発電に寄与する光吸収素子の数と、熱発電に寄与する光吸収素子の数を別々に設定することができ、設計の自由度を高めることができる。
【実施例】
【００２２】
以下、図面を用いて実施例により本発明を具体的に説明する。
＜実施例１＞
［１］発電装置の構成
図１に示すように、実施例１における発電装置１は、透明な表面電極３と、３層の光吸収素子５（第１光吸収素子５ａ、第２光吸収素子５ｂ、第３光吸収素子５ｃ）と、熱変換電極７と、裏面電極９と、を備えている。
表面電極３は、ＩＴＯにより形成されており、その厚みは０．３μｍである。
各光吸収素子５（５ａ、５ｂ、５ｃ）は、直列に配されており、それぞれ、ｐ型半導体層（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）とｎ型半導体層（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）との間にｉ型半導体層（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）が配された積層体からなる。これらの各光吸収素子５（５ａ、５ｂ、５ｃ）では、それぞれの持つ禁制帯幅に基づく波長の太陽光が吸収されて電気エネルギーに変換される。尚、第１光吸収素子５ａ及び第２光吸収素子５ｂにおいては、ｐ型半導体層（１１ａ、１１ｂ）とｎ型半導体層（１３ａ、１３ｂ）との間に、ｉ型半導体層（１５ａ、１５ｂ）に並んで導電体１７が更に配されている。
第１光吸収素子５ａは、表面電極３の裏面に配されている。この第１光吸収素子５ａでは、この第１光吸収素子５ａが持つ約１．８ｅＶの禁制帯幅に基づく波長の光を吸収できるように、各半導体の構成が選択されている［ｐ型半導体層１１ａ（材質；アモルファスシリコンカーバイド、厚み：０．０５μｍ）、ｉ型半導体層１５ａ（材質；アモルファスシリコン、厚み：０．３μｍ）、ｎ型半導体層１３ａ（材質；微結晶シリコン、厚み：０．０５μｍ）］。
第２光吸収素子５ｂは、透光性の導電体１９及び透光性の絶縁体２１を介して、第１光吸収素子５ａの裏面に配されている。この第２光吸収素子５ｂでは、この第２光吸収素子５ｂが持つ約１．１ｅＶの禁制帯幅に基づく波長の光を吸収できるように、各半導体の構成が選択されている［ｐ型半導体層１１ｂ（材質；微結晶シリコン、厚み：０．０５μｍ）、ｉ型半導体層１５ｂ（材質；微結晶シリコン、厚み：１μｍ）、ｎ型半導体層１３ｂ（材質；微結晶シリコン、厚み：０．０５μｍ）］。
透光性の導電体１９は、酸化チタンにより形成されており、その厚みは０．０５μｍである。
透光性の絶縁体２１は、シリカにより形成されており、その厚みは０．０５μｍである。
第３光吸収素子５ｃは、透光性の導電体２３を介して、第２光吸収素子５ｂの裏面の一部に配されている。この第３光吸収素子５ｃでは、この第３光吸収素子５ｃが持つ約０．６ｅＶの禁制帯幅に基づく波長の光を吸収できるように、各半導体の構成が選択されている［ｐ型半導体層１１ｃ（材質；微結晶シリコンゲルマニウム、厚み：０．０５μｍ）、ｉ型半導体層１５ｃ（材質；微結晶シリコンゲルマニウム、厚み：１μｍ）、ｎ型半導体層１３ｃ（材質；微結晶シリコンゲルマニウム、厚み：０．０５μｍ）］。
透光性の導電体２３は、酸化チタンにより形成されており、その厚みは０．０５μｍである。
熱変換電極７は、第２光吸収素子５ｂの裏面側における、第３光吸収素子５ｃの形成されていない領域に配されている。この熱変換電極７は、カーボンにより形成されており、その厚みは２μｍである。
裏面電極９は、第３光吸収素子５ｃの裏面に配されている。この裏面電極９は、アルミニウム合金により形成されており、その厚みは１μｍである。
【００２３】
［２］実施例１の作用効果
実施例１における発電装置１においては、表面電極３と裏面電極９との間の光吸収素子５ａ、５ｂ、５ｃにおける光発電による電気エネルギーを、表面電極３と裏面電極９から取り出すことができる。更には、熱変換電極７における光エネルギーを利用した熱の供給により、表面電極３と熱変換電極７との間の光吸収素子５ａ、５ｂの両端に温度差を与え、その温度差により生じる起電力（電気エネルギー）を、表面電極３と熱変換電極７から取り出すことができる。このように、本発明の発電装置１においては、光発電と熱発電を同時に行うことができる。特に、従来の太陽電池等の光発電では利用できていなかったエネルギーギャップ以上の光エネルギーを、熱エネルギーに変換して熱発電に利用しているため、十分な発電量を得ることができる。
また、発電装置１においては、表面電極３から離れた位置に配された光吸収素子５ほど吸収する光の最短波長が長くなるように設定されている。即ち、第１光吸収素子５ａ、第２光吸収素子５ｂ、第３光吸収素子５ｃの順に、吸収する光の最短波長が長くなるように設定されている。そのため、紫外線等の短波長側から赤外線等の長波長側にかけての広範囲の光エネルギーを効率良く発電に利用することができる。
更に、発電装置１においては、曇りや雨等の悪天候で十分な光エネルギーが得られない場合であっても、外部から熱を供給することによって熱発電を行うことができる。
【００２４】
尚、本発明においては、上記実施例１に限られず、目的、用途に応じて、本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。
例えば、実施例１の発電装置１においては、３層の光吸収素子５（５ａ、５ｂ、５ｃ）を備えた形態となっているが（図１参照）、２層の光吸収素子を備えた形態、或いは、図２に示すように、４層以上の光吸収素子５を備えた形態とすることもできる（尚、図２では、５層の光吸収素子５が配された形態を示す。）。
また、実施例１の発電装置１においては、熱変換電極３が配された第２光吸収素子５ｂよりも、表面電極３から離れた位置にある第３光吸収素子５ｃでは、熱変換電極７の配置部位に対応する部分が欠けた形態であるが（図１参照）、図３に示すように、裏面電極９及び熱変換電極７が同一の光吸収素子５に配されていてもよい。
【００２５】
前述の例は単に説明を目的とするものでしかなく、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本発明を典型的な実施形態の例を挙げて説明したが、本発明の記述および図示において使用された文言は、限定的な文言ではなく説明的および例示的なものであると理解される。ここで詳述したように、その形態において本発明の範囲または精神から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で変更が可能である。ここでは、本発明の詳述に特定の構造、材料および実施例を参照したが、本発明をここにおける開示事項に限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲内における、機能的に同等の構造、方法、使用の全てに及ぶものとする。
【００２６】
本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の発電装置は、太陽光等の光エネルギーを利用することにより、光発電と熱発電とを同時に行うことができ、発電装置分野において広く利用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１；発電装置、３；表面電極、５；光吸収素子、５ａ；第１光吸収素子、５ｂ；第２光吸収素子、５ｃ；第３光吸収素子、７；熱変換電極、９；裏面電極、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ；ｐ型半導体層、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ；ｎ型半導体層、１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ；ｉ型半導体層、１７；導電体、１９；導電体、２１；絶縁体、２３；導電体。
【図１】
2014161191.tif 000003
【図２】
2014161191.tif 000004
【図３】
2014161191.tif 000005