(57)【要約】【課題】本発明は、シリコンウェハとして使用できない端材を用いて極めて安価に製造することができる太陽電池を提供することを目的とするものである。【解決手段】太陽電池１は、ｎ型シリコン材料を粉砕した粉砕物を層状に形成したｎ型層２、ｐ型シリコン材料を粉砕した粉砕物を層状に形成したｐ型層３、ｎ型層２及びｐ型層３の間に配設された境界シート体４、ｎ型層２の上面に配設されたシート状の金網５、ｐ型層３の下面に配設された分離シート体６及び備長炭を粉砕した粉砕物を層状に形成した導電層７、導電層７の下面に配設された金属箔からなる導電性シート体８、積層された各層及び各シート体の全体の外面を被覆するカバー体９を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型シリコン材料の粉砕物を層状に形成したｎ型層と、ｐ型シリコン材料の粉砕物を層状に形成したｐ型層と、前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に両層の粉砕物が混合しないように配設されるとともに光が透過可能な柔軟性のある絶縁材料からなる境界シート体と、前記ｎ型層の前記境界シート体とは反対側の面に粉砕物に接触して設けられた第一導電体と、前記ｐ型層の前記境界シート体とは反対側の面に粉砕物に接触して設けられた第二導電体とを有し、前記ｎ型層及び前記ｐ型層の粉砕物は、前記境界シート体において当該境界シート体を貫通して互いに直接接触した状態となっており、前記第一及び第二導電体の少なくとも一方に入射した光が透過して前記境界シート体における前記粉砕物の接触部分に照射可能とされていることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記境界シート体は、薄い紙材料からなることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記第一導電体は、金属製の網体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記第二導電体は、前記ｐ型層に接触する分離シート体及び備長炭の粉砕物を層状に形成した導電層を備えており、前記ｐ型層及び前記導電層の粉砕物が前記分離シート体において当該分離シート体を貫通して互いに直接接触した状態となっていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項５】
前記導電層の前記分離シート体とは反対側の面に金属箔からなる導電性シート体が前記導電層の粉砕物に接触して設けられていることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池。
【請求項６】
外面全体を覆う透明なカバー体を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン材料の粉砕物を用いた太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池には、単結晶シリコン系、多結晶シリコン系、アモルファスシリコン系、化合物半導体系といった多くの種類が開発されている。単結晶シリコン系の太陽電池は、ｐ型シリコンとｎ型シリコンとの間のｐｎ接合部分に太陽光を照射することにより、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。また、単結晶シリコン系の太陽電池は、半導体集積回路の製造技術を活用して容易に製造できることから、ｐ型シリコン基板上にｎ型シリコン薄膜を成膜してｐｎ接合を形成することが行なわれている。
【０００３】
こうしたシリコン基板を用いた製造方法では材料コストがかかることから、シリコン基板を使用しない製造方法が提案されている。例えば、特許文献１では、球状のｎ型アモルファスシリコンの表面をｐ型アモルファスシリコンで被覆してｐｎ接合を形成することが記載されている。また、特許文献２では、ｎ型結晶シリコン粉末の表面にｉ型アモルファスシリコン層、ｐ型アモルファスシリコン層を順次形成してｐｎ接合を形成することが記載されている。また、特許文献３では、シリコンウェハに適さないインゴット部分を粉砕して得られた単結晶シリコン粒子内にｐｎ接合を生成して太陽電池に用いる点が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１６４５５４号公報
【特許文献２】特開平５−４８１２６号公報
【特許文献３】特表平９−５０６４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のシリコン基板を用いた太陽電池では、材料コストや製造コストが高価であり、製造した太陽電池パネルが破損するとパネル全体を交換しなければならず、維持コストが高いのも普及を妨げる要因の１つとなっている。
【０００５】
一方、半導体集積回路の製造に必要なシリコンウェハをインゴットから切断して製造する場合、シリコンウェハとして使用できない端材が発生することから、こうした端材を有効活用することが求められている。上述した特許文献においてもその有効活用方法の１つとして太陽電池として用いることが提案されているが、コストの面で実用化が難しいと考えられる。
【０００６】
そこで、本発明は、シリコンウェハとして使用できない端材を用いて極めて安価に製造することができる太陽電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る太陽電池は、ｎ型シリコン材料の粉砕物を層状に形成したｎ型層と、ｐ型シリコン材料の粉砕物を層状に形成したｐ型層と、前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に両層の粉砕物が混合しないように配設されるとともに光が透過可能な柔軟性のある絶縁材料からなる境界シート体と、前記ｎ型層の前記境界シート体とは反対側の面に粉砕物に接触して設けられた第一導電体と、前記ｐ型層の前記境界シート体とは反対側の面に粉砕物に接触して設けられた第二導電体とを有し、前記ｎ型層及び前記ｐ型層の粉砕物は、前記境界シート体において当該境界シート体を貫通して互いに直接接触した状態となっており、前記第一及び第二導電体の少なくとも一方に入射した光が透過して前記境界シート体における前記粉砕物の接触部分に照射可能とされていることを特徴とする。さらに、前記境界シート体は、薄い紙材料からなることを特徴とする。さらに、前記第一導電体は、金属製の網体からなることを特徴とする。さらに、前記第二導電体は、前記ｐ型層に接触する分離シート体及び備長炭の粉砕物を層状に形成した導電層を備えており、前記ｐ型層及び前記導電層の粉砕物が前記分離シート体において当該分離シート体を貫通して互いに直接接触した状態となっていることを特徴とする。さらに、前記導電層の前記分離シート体とは反対側の面に金属箔からなる導電性シート体が前記導電層の粉砕物に接触して設けられていることを特徴とする。さらに、外面全体を覆う透明なカバー体を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、上記のような構成を備えることで、ｎ型シリコン材料及びｐ型シリコン材料をそれぞれ粉砕した粉砕物を互いに直接接触させてｐｎ接合を形成することができるので、極めて安価に製造することが可能となる。
【０００９】
すなわち、ｎ型シリコン材料の粉砕物とｐ型シリコン材料の粉砕物を単に混合するだけでは、それぞれの粉砕物が個々に接触した部分でｐｎ接合が実現できるものの発生した電子及び正孔は、別の接触部分で発生した電子及び正孔と結合するため、全体として起電力が発生しないと考えられるが、本発明では、ｎ型層とｐ型層との間に両層の粉砕物が混合しないように配設されるとともに光が透過可能な柔軟性のある絶縁材料からなる境界シート体を備えており、ｎ型層及びｐ型層の粉砕物が境界シート体において当該境界シート体を貫通して互いに直接接触した状態となっているため、境界シート体に沿ってｐｎ接合が形成されるようになる。したがって、ｐｎ接合に光が照射されることで発生した電子及び正孔は、それぞれの層の粉砕物を通って流れていき、それぞれの層に接触する第一及び第二導電体から外部に取り出すことができるようになる。
【００１０】
シリコン材料の粉砕物は、機械的に粉砕することで角ばった形状に形成されるため、柔軟性のある境界シート体に突き刺さって容易に貫通し、互いに接触した状態が形成される。しかしながら、境界シート体から粉砕物が他の層に入り込んで混合状態となると、境界ソート体に沿ったｐｎ接合が形成されないため、好ましくない。したがって、個々の粉砕物が境界シート体に保持されるように貫通した状態で互いに接触することが望ましい。そのため、境界シート体としては薄いシート状の紙材料が好適で、例えば、ペーパータオル等の紙材料を用いるとよい。紙繊維の間に粉砕物が絡まるように保持されることで、安定したｐｎ接合状態を実現することができる。
【００１１】
ｎ型層及びｐ型層は、シリコン材料を粉砕したものを用いるので、シリコンウェハを作成する際に生じるインゴットの端材を粉砕して活用することができ、境界シート体についても市販されているペーパータオル等をそのまま利用できるので、極めて安価でかつ簡単に製造することが可能となる。
【００１２】
また、第一導電体として金属製の網体を用いることで、ｎ型層の粉砕物と接触して導通状態を確保するとともに網目から太陽光等の光が入射して粉砕物の間の隙間を通り、境界シート体の接触部分に光を導入することができる。境界シート体についても光が透過するため境界シート体の粉砕物の接触部分全体に満遍なく光が届くようになる。
【００１３】
第二導電体として、ｐ型層に接触する分離シート体及び備長炭の粉砕物を層状に形成した導電層を備え、ｐ型層及び導電層の粉砕物が分離シート体において当該分離シート体を貫通して互いに直接接触した状態となっていることで、ｐ型層の粉砕物に対して導電性を有する備長炭の粉砕物が接触して導通状態を実現することができる。そして、粉砕物同士が接触することで、全体として互いの層の接触面積を大きくすることができる。
【００１４】
また、導電層の分離シート体とは反対側の面に金属箔からなる導電性シート体を導電層の粉砕物に接触して設けることで、導電層の粉砕物と導電性シート体との間が導通状態となり、導電性シート体から外部に正孔を効率よく取り出すことができる。
【００１５】
また、外面全体を覆う透明なカバー体を有することで、太陽光等の光がカバー体を透過して入射することができ、各層及び各シート体を密着した状態で安定して保持させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明に係る太陽電池の実施形態に関する断面模式図である。太陽電池１は、ｎ型シリコン材料を粉砕した粉砕物を層状に形成したｎ型層２、ｐ型シリコン材料を粉砕した粉砕物を層状に形成したｐ型層３、ｎ型層２及びｐ型層３の間に配設された境界シート体４、ｎ型層２の上面に配設されたシート状の金網５、ｐ型層３の下面に配設された分離シート体６及び備長炭を粉砕した粉砕物を層状に形成した導電層７、導電層７の下面に配設された金属箔からなる導電性シート体８、積層された各層及び各シート体の全体の外面を被覆するカバー体９を備えている。
【００１８】
そして、金網５及び導電性シート体８には、照明装置等の負荷装置１０が接続されており、太陽電池１で発生した起電力により電流Ｉが負荷装置１０を流れるようになっている。
【００１９】
ｎ型層２及びｐ型層３を構成する粉砕物には、半導体集積回路等を製造する際に用いられるシリコン基板をそのまま利用することができる。そのため、シリコン基板を作成する際に生じるインゴットの端材を粉砕して使用すれば、端材の再利用が可能となり、材料コストを大幅に低減することができる。粉砕方法としては、ハンマーで叩いて粉砕したり、ミル等の粉砕装置を用いて粉砕するようにしてもよい。こうして粉砕された粉砕物は、角ばった形状に形成されて、境界シート体４に突き刺さって容易に貫通するようになる。
【００２０】
粉砕物は、粒径が小さいほど粉砕物同士の接触面積が大きくなり、同じ層内での導通状態がよくなるとともに境界シート体４でのｐｎ接合を形成する接触面積を大きくできるが、外部から入射した光が内部を透過できる程度の隙間が形成されている必要があり、１ｍｍ程度の網目の篩で通過したものを用いるとよい。
【００２１】
ｎ型層２及びｐ型層３の層厚は、境界シート体４に形成されたｐｎ接合で発生した電子及び正孔が効率よく流れるように薄く形成するほうが好ましいが、ｐｎ接合する粒子が境界シート体４において十分な密度で安定した保持されるようにある程度の層厚を確保することが望ましい。
【００２２】
境界シート体４は、光が透過可能な柔軟性のある絶縁材料からなり、例えば、市販のペーパータオルのような薄いシート状の紙材料を用いるとよい。境界シート体４は、ｎ型層２及びｐ型層３の粉砕された粒子が突き刺さることで貫通するとともに貫通した状態で紙繊維に保持されるようになり、両層の粒子が境界シート体４に沿って直接接触してｐｎ接合状態を安定して保持することができる。紙材料以外にも、粉砕された粒子が突き刺さって貫通し安定したｐｎ接合状態を実現することができる材料であれば使用することが可能である。
【００２３】
第一導電体として用いられる金網５は、ｎ型層２の粉砕物が通過しない程度の網目を備え粉砕物との間で電気的に導通状態となるものであればよく、市販の金網を用いることもできる。粉砕物の篩に用いた金網をそのまま利用するようにしてもよい。金網以外にも、入射する光を遮断しないもので導電性を有するものであれば、第一導電体として用いることができる。例えば、透明なシート体の片面に透明な導電材料を塗布した導電体を使用することも可能である。
【００２４】
第二導電体として用いられる分離シート体６及び導電層７は、ｐ型層３の粉砕物を安定した状態で保持するとともに粉砕物との間で電気的な導通状態を確保する。分離シート体６は、柔軟性のある薄い絶縁材料又は導電材料からなるシート材からなる。境界シート体４と同様に柔軟性のある絶縁材料用いることができ、市販のペーパータオルのような薄いシート状の紙材料を用いるとよい。こうした材料を用いることで、ｐ型層３及び導電層７の粉砕物が混合することがなく、両層の間が電気的に良好な導通状態を保持することができる。また、ｐ型層３の粉砕された粒子が分離シート体６に突き刺さって貫通した状態に保持されて導電層７の備長炭の粉砕物と直接接触して導通状態となる。
【００２５】
導電層７は、導電性のある備長炭を粉砕した粉砕物を用いているので、ｐ型層３の粉砕物との間の接触面積を大きくすることができ、ｐｎ接合で発生正孔が効率よく流れるようになる。備長炭を粉砕した粉砕物の粒径は、接触面積を大きくするためには、ｐ型層３の粉砕物と同程度か小さくするとよい。備長炭以外の導電性材料を粉砕して用いることも可能である。
【００２６】
導電性シート体８は、導電層７の下面全体を覆うように設けられており、導電層７の粉砕物を安定した状態に保持するとともに粉砕物との間で電気的な導通状態を確保する。導電性シート体８としては、例えば、市販のアルミ箔のような金属箔を用いるとよい。そして、導電性シート体８に配線を電気的に接続して外部負荷装置１０に電流を流すようにすることができる。
【００２７】
太陽電池１の外面全体を覆うカバー体９は、透明なビニールシートを袋状にしたものを用い、内部に上述の各層及び各シート体を積層したものを収容して密封し、真空パックによりカバー体９を密着させるようにする。カバー体９を密着させることで、各層の粉砕物同士を圧接して確実に接触状態に保持することができる。そのため、境界シート体４及び分離シート体６における粉砕物の接触状態が安定するとともに、各層内の粉砕物の接触による電気的な導通状態を安定したものとすることができる。
【００２８】
図２は、太陽電池１の一部拡大断面模式図である。太陽光等の光が上面の金網５を通過して内部に入射する。ｎ型層２とｐ型層３との間に配設された境界シート体４には、ｎ型シリコン材料の粉砕物又はｐ型シリコン材料の粉砕物が貫通して互いに直接接触し、ｐｎ接合が形成されている。粉砕物が境界シート体４を通り抜けて互いに混ざり合うことは防止されている。内部に入射した光は、ｎ型層２の粒子の間に形成された隙間を通過して境界シート体４に沿って形成されたｐｎ接合部分に照射され、太陽光エネルギーが電気エネルギー変換される。そして、発生した電子がｎ型層２内の粉砕物を通って金網５に流れていき、発生した正孔がｐ型層３内の粉砕物から導電層７の粉砕物を通って導電性シート体８に流れていく。したがって、金網５と導電性シート体８とを電気的に接続することで、電流が流れるようになる。
【００２９】
図３は、上述の太陽電池１を複数枚直列に接続した場合を示す斜視図である。隣接する太陽電池１の上面の第一導電体と底面の第二導電体を配線１１により交互に電気的に接続して直列接続する。このように複数枚の太陽電池１を直列接続することで、全体の起電力を大きくすることができる。また、図４は、トタン葺きの屋根１００に太陽電池１を複数配列した場合を示す斜視図である。太陽電池１は、屋根の形状に合せて帯状の形状に形成して配列し、隣接する太陽電池１の上部において第一導電体及び第二導電体を電気的に接続し、下部において第一導電体及び第二導電体を電気的に接続することで、各太陽電池１を直列に接続する。このように屋根に太陽電池１を配列すれば、屋根を利用して発電することができる。
【実施例】
【００３０】
ｎ型シリコン基板及びｐ型シリコン基板をハンマーで叩いて粉砕し、網目が１ｍｍの大きさのステンレス製金網により篩をかけて金網を通り抜けた粉砕物を準備した。備長炭をハンマーで叩いて粉砕し、同様に金網で篩をかけて通り抜けた粉砕物を準備した。
【００３１】
市販のアルミ箔を矩形状（２０ｃｍ×１０ｃｍ）で所定の大きさに切断し、予めその端部に配線をハンダ付けにより接続しておく。そして、アルミ箔の上面全体に備長炭の粉砕物を数ｍｍ程度で層状に均して導電層を形成する。市販のペーパータオルをアルミ箔と同じ大きさに切断して導電層の上面全体を被覆し、分離シート体とする。分離シート体の上面全体にｐ型シリコンの粉砕物を数ｍｍ程度で層状に均してｐ型層を形成する。
【００３２】
市販のペーパータオルをアルミ箔と同じ大きさに切断してｐ型層の上面全体を被覆し、境界シート体とする。境界シート体の上面全体にｎ型シリコンの粉砕物を数ｍｍ程度で層状に均してｎ型層を形成する。
【００３３】
ｎ型層の上面に篩に用いた金網の端部に予め配線をハンダ付けにより接続し、ｎ型層の上面全体を覆うように配置する。以上積層したものを透明のビニール袋の内部に挿入して配線を外部に導出した状態で開口部を密封し真空パックする。
【００３４】
作成した太陽電池の配線に対して充電されていないコンデンサを接続し、太陽電池に太陽光を１日照射した。照射後テスタにより配線の間の電圧を測定したところ、０．５Ｖの電圧が測定できた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る実施形態に関する断面模式図である。
【図２】本発明に係る実施形態に関する拡大断面模式図である。
【図３】太陽電池を直列接続する場合を示す斜視図である。
【図４】屋根に太陽電池を配列した場合を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    太陽電池
２    ｎ型層
３    ｐ型層
４    境界シート体
５    金網
６    分離シート体
７    導電層
８    導電性シート体
９    カバー体
【図１】
2008153251.tif 000003
【図２】
2008153251.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008153251.tif 000006