(57)【要約】【課題】  比較的広い面積の光発電層に多くの光エネルギーを集中させて、太陽光などから効率良く発電できる光発電装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】  絶縁材料または金属材料で形成された基台２の内部に空間部３が形成されている。空間部３の内壁面４は球面である。内壁面４に、外側電極層１１、半導体層１２、内側電極層１３が積層されて光発電層１０が形成されている。空間部３は光通路５を介して外部と連通している。集光レンズ２１で集光された光が、空間部３の内部に与えられ、内壁面４に沿って広い面積に形成されている光発電層１０に光エネルギーが与えられて、電力に変換される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台の内部に形成された空間部と、前記基台の外部から前記空間部へ光を通過させる光通路とが設けられ、
前記空間部の内壁面に、外側電極層と、光エネルギーを電力に変換する半導体層と、透光性の内側電極層とが順に積層されており、前記外側電極層と前記内側電極層との間に発生する電力が前記基台の外部に取り出し可能とされていることを特徴とする光発電装置。
【請求項２】
前記空間部の断面積の最大値が、前記光通路の断面積よりも大きい請求項１記載の光発電装置。
【請求項３】
前記空間部の内壁面が球面である請求項１または２記載の光発電装置。
【請求項４】
前記基台の外部に集光レンズが設けられ、前記集光レンズによって、前記光通路内または前記空間部内に集光させられる請求項１ないし３のいずれかに記載の光発電装置。
【請求項５】
前記基台が金属製であり、前記半導体層で発せられる熱を伝達する放熱部材として機能する請求項１ないし４のいずれかに記載の光発電装置。
【請求項６】
基台の半体に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内壁面に、外側電極層と、光エネルギーを電力に変換する半導体層と、透光性の内側電極層とを順に積層する工程と、
前記半体どうしを接合し、それぞれの凹部を合わせて空間部を形成するとともに、それぞれの半体に形成されている前記外側電極層と前記半導体層および前記内側電極層を互いに接合する工程と、
前記のいずれかの工程と同時に、またはこれらの工程とは別に、基台の外部から前記空間部に光を通過させる光通路を形成する工程と、
を有することを特徴とする光発電装置の製造方法。
【請求項７】
それぞれの半体に形成される凹部の内壁面が、半球面である請求項６記載の光発電装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光などの光を電力に変換する半導体層を備えた光発電装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池と称される光発電装置は、光エネルギーがｐｎ接合の半導体層によって電力に変換される。この光発電装置の発電効率を向上させるためには、半導体層に多くの光エネルギーを集中させることが必要である。
【０００３】
特許文献１に記載された光発電装置は、球形状の空間の内面に光反射体が設けられ、前記空間の下部に太陽電池が設置されている。太陽光は、フレネルレンズで集光されて、前記空間の内部に集光され、空間の内面で反射されて太陽電池に与えられる。
【０００４】
この光発電装置は、球形状の空間の内面で光を反射することで、太陽電池に光エネルギーを集中させようとするものである。しかし、空間の内面の面積に比較して太陽電池の面積が小さすぎるため、光発電効率を高めるのに限界がある。また、面積の小さい太陽電池に光エネルギーが集中しすぎるため、太陽電池からの発熱量が非常に多くなることが予測される。
【０００５】
特許文献２に記載された光起電力装置は、透明のプラスチック材料で形成された筒状、柱状または球状の支持体の表面に、透明電極層と半導体光活性層および裏面電極層が積層されて起電力素子が形成されている。透明のプラスチック材料で形成されて外周面に高反射性膜が設けられた導入部が、支持体とは別体に形成されており、この導入部が支持体に接合されて、光が導入部の内部から支持体の内部に導かれる。
【０００６】
上記光起電力装置は、筒状、柱状または球状の支持体に、透明材料で形成された導入部が接合されているため、全体の構造が複雑で小型化することが難しい。また、太陽光が導入部の内部に入射して支持体の内部に導かれる構造であるため、導入部の表面で光が反射されやすく、導入部と支持体との接合面でも光が反射されやすくなり、光の利用効率を高めるのに限界がある。
【０００７】
特許文献３に記載された密閉型太陽光発電は、太陽電池セル自体が内部空洞立体物に成型されたもの、または内部空洞立体物の内面に太陽電池セルが敷き詰められたものであり、レンズによって太陽光を空洞内に導き、太陽電池セルで発電するというものである。
【０００８】
しかし、太陽電池セルそのものを内部空洞立体物に成型するのはきわめて難しく、また、内部空洞立体物の内面に多数の太陽電池セルを敷き詰めるのも困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１９８５５６号公報
【特許文献２】実願平１−６８２９２号（実開平３−８４５５号）のマイクロフィルム
【特許文献３】特開２００１−３１３４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、比較的広い面積の半導体層を使用して、光エネルギーが半導体層に効率良く与えられるようにして、発電効率を高めることができる光発電装置を提供することを目的としている。
【００１１】
また、本発明は、均一な膜の半導体層を空間の内面に形成して発電効率を高めることができる光発電装置の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の光発電装置は、基台の内部に形成された空間部と、前記基台の外部から前記空間部へ光を通過させる光通路とが設けられ、
前記空間部の内壁面に、外側電極層と、光エネルギーを電力に変換する半導体層と、透光性の内側電極層とが順に積層されており、前記外側電極層と前記内側電極層との間に発生する電力が前記基台の外部に取り出し可能とされていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の光発電装置は、空間部の内壁面に形成された半導体層に光エネルギーを効果的に集中させることができる。半導体層は、空間部の内壁面のほぼ全域に形成されているため、半導体層の面積を比較的広くでき、発電時の急激な発熱を抑制できるようになる。
【００１４】
本発明の光発電装置は、前記空間部の断面積の最大値が、前記光通路の断面積よりも大きいものである。
【００１５】
本発明の光発電装置は、前記空間部の内壁面が球面である。この場合の球面は、真球面であることが好ましいが、長球面や楕円球面などであってもよい。
【００１６】
本発明は、前記基台の外部に集光レンズが設けられ、前記集光レンズによって、前記光通路内または前記空間部内に集光させられるものとして使用される。
【００１７】
さらに本発明は、前記基台が金属製であり、前記半導体層で発せられる熱を伝達する放熱部材として機能するものが好ましい。
【００１８】
基台の全体を放熱部材とすることで、発電時に半導体層から発せられる熱を効果的に外部に導くことができる。
【００１９】
次に、本発明の光発電装置の製造方法は、基台の半体に凹部を形成する工程と、前記凹部の内壁面に、外側電極層と、光エネルギーを電力に変換する半導体層と、透光性の内側電極層とを順に積層する工程と、前記半体どうしを接合し、それぞれの凹部を合わせて空間部を形成するとともに、それぞれの半体に形成されている前記外側電極層と前記半導体層および前記内側電極層を互いに接合する工程と、前記のいずれかの工程と同時に、またはこれらの工程とは別に、基台の外部から前記空間部に光を通過させる光通路を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
この場合に、それぞれの半体に形成される凹部の内壁面が、半球面である。
【００２０】
本発明の光発電装置の製造方法は、基台の内部に形成される空間部の内壁に、半導体層ならびに内側電極層と外側電極層とを、均一な膜厚で欠陥なくに成膜できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光発電装置は、光を半導体層に効率よく与えて、効率の良い発電を行うことができる。また空間部の内壁面の広い範囲に半導体層が形成されているため、極端に小さい半導体層に光が集中することがなく、過大な発熱を抑制しやすい。
【００２２】
本発明の光発電装置の製造方法は、基台の空間部の内壁面に、内側電極層と半導体層および外側電極層を均一な膜厚で欠陥なく形成しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の光発電装置の断面図、
【図２】基台の半体の平面図、
【図３】図２に示す基台の半体をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図、
【図４】（Ａ）は、図２に示す基台の半体をＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図、（Ｂ）は外側電極層を成膜する工程を示す断面図、（Ｃ）は半導体層と内側電極層を成膜する工程を示す断面図、
【図５】基台の半体どうしを接合した状態を示す断面図、
【図６】本発明の第２の実施の光発電装置の断面図、
【図７】第２の実施の形態の一方の基台の半体を示す断面図、
【図８】第２の実施の形態の他方の基台の半体に、外側電極層と半導体層および内側電極層を形成し、さらに通電路を形成する工程を示す断面図、
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示す第１の実施の形態の光発電装置１は、基台２を有している。基台２は、ガラスや合成樹脂などの絶縁材料で形成されている。あるいは基台２が金属で形成されている。基台２が金属材料で形成されていると、特にアルミニウムなどのような熱伝導率の高い金属材料で形成されていると、基台２が、発電時に発せられる光を放熱する放熱部材として機能できる。
【００２５】
基台２の内部に空間部３が形成されている。空間部３は所定の容積を有している。空間部３は、光通路５のみで基台２の外部空間と光学的に連続しており、光通路５を除いて、外部空間から空間部３の内部に光が入ることがない。
【００２６】
空間部３の内壁面４に、光発電層１０が設けられている。光発電層１０は、空間部３の内壁面４において、光通路５および通電路６を除く領域のほぼ全域に形成されている。光発電層１０を構成する各層は、光通路５と通電路６を除く領域で途切れることなく連続の膜として、均一な厚さで形成されている。
【００２７】
光発電層１０は、空間部３の内壁面４の表面に形成された外側電極層１１と、その表面に形成されて、光エネルギーを電力に変換する半導体層１２と、さらにその表面に積層された内側電極層１３とで構成されている。外側電極層１１は、金、銀、銅などの低抵抗材料で形成されている。半導体層１２は、シリコンを主体とするｐ型半導体の膜と、同じくシリコンを主体とするｎ型半導体の膜とが積層されたｐｎ接合の半導体活性層である。内側電極層１３は、ＩＴＯ、酸化スズ、酸化亜鉛などの透光性の導電層である。
【００２８】
基台２がガラスなどの絶縁材料で形成されているときは、光発電層１０の外側電極層１１が、空間部３の内壁面４に直接に成膜される。基台２がアルミニウムなどの導電性の金属材料で形成されているときは、空間部３の内壁面４に無機絶縁材料などで形成された絶縁層が成膜され、その表面に光発電層１０の外側電極層１１が成膜される。
【００２９】
通電路６では、外側電極層１１と連続して一体に形成された外側引出し電極層１４が基台２の外部に引き出されている。通電路６の中心部に、内側電極層１３と導通する内側引出し電極層１５が設けられ、基台２の外部に引き出されている。内側引出し電極層１５は、金、銀、銅などの低抵抗材料で内側電極層１３と別体に形成されている。図１では、通電路６において、外側引出し電極層１４と内側引出し電極層１５との間に半導体層１２の一部が介在しているが、外側引出し電極層１４と内側引出し電極層１５との間に、無機絶縁材料などで形成された絶縁層が設けられていることが好ましい。
【００３０】
光発電装置１に、集光レンズ２１が対向している。集光レンズ２１の焦点は光通路５の内部に設定され、または空間部３の内部の上方位置に設定されている。太陽光などの光が、集光レンズ２１で集光されて空間部３の内部に入ると、光エネルギーが空間部３の内部に閉じ込められ、内壁面４に沿って広い面積に形成されている光発電層１０によって電力に変換され、通電路６に設けられた外側引出し電極層１４と内側引出し電極層１５とで、基台２の外部に取り出される。
【００３１】
光発電層１０が、空間部３の内壁面４において光通路５と通電路６を除く広い範囲で形成されているため、小さい面積の光発電層に光エネルギーが集中することがなく、光発熱層１０からの発熱量が極端に増大するのを避けることができる。また、基台２をアルミニウムなどで形成し、放熱部材として機能させると、発電時の熱が基台２で導かれて外部に放熱され、冷却効果が高められる。
【００３２】
光通路５から入射した光を空間部３に封じ込め、内壁面４に形成された光発電層１０に光エネルギーを効果的に与えるためには、空間部３が立体的で閉鎖された空間であることが必要である。
【００３３】
そのためには、空間部３の断面積の最大値Ａ１が、光通路５の断面積Ａ２よりも大きいことが必要である。空間部３の断面積の最大値Ａ１は、光通路５の断面積Ａ２の２倍以上であることが好ましく、さらには３倍以上が好ましい。
【００３４】
図１には、空間部３の中心（重心）Ｏを含み且つ光通路５の中心線を通る面で切断された断面が示されている。この断面において、内壁面４に光発電層１０が形成されている角度範囲（２×θ１）が、１８０度を越えていることが必要であり、好ましくは２００度以上、さらに好ましくは２７０度以上である。
【００３５】
空間部３の内壁面４の立体形状はどのようなものであってもよいが、内壁面４は、角部を有することなく全体に連続する凹曲面であることが好ましい。内壁面４が連続する凹曲面であれば、内壁面４の広い範囲において、光発電層１０の各層を均一な厚さで欠陥なく連続して形成しやすくなる。内壁面４の形状は、図１に示すような真球面であることが好ましいが、長球面または楕円球面などであってもよい。
【００３６】
図１に示す光発電装置１は、光通路５が空間穴であり、基台２の外部空間が、光通路５を介して空間部３と連通している。ただし、光通路５が透明な材料で塞がれていてもよい。また光ファイバーの端面が光通路５に嵌合しており、外部において集光レンズで集光された光が光ファイバーで導かれて、空間部３の内部に与えられるものであってもよい。
【００３７】
次に、前記光発電装置１の製造方法を説明する。
図２と図３および図４（Ａ）は基台２の半体２ａを示している。基台２の半体２ａは、ガラスや合成樹脂などの絶縁材料、またはアルミニウムなどの金属材料で形成されている。
【００３８】
基台２に凹部３ａが隣接して間隔を空けて形成される。図３と図４（Ａ）に示すように、凹部３ａの内壁面４ａは半球面である。隣り合う凹部３ａ，３ａの間に溝２５ａが形成されており、前記溝２５ａとは反対側の位置に、それぞれの凹部３ａ，３ａと連続する溝２６ａ，２６ａが形成されている。図３に示すように、溝２５ａの内壁面の形状は半円筒形状である。これは溝２６ａ，２６ａにおいても同じである。
【００３９】
図４（Ｂ）に示すように、それぞれの凹部３ａ，３ａの内壁面４ａ，４ａおよび溝２５ａと溝２６ａ，２６ａの内壁面に、金、銀、銅などの低抵抗材料層がスパッタや蒸着などの手段で形成されて、外側電極層半体１１ａが形成される。半体２ａがガラスや合成樹脂材料などの絶縁材料で形成されているときは、半体２ａに低抵抗材料層が直接に形成される。半体２ａがアルミニウムなどの金属材料で形成されているときは、凹部３ａ，３ａの内壁面４ａ，４ａおよび溝２５ａと溝２６ａ，２６ａの内壁面に無機絶縁層などの絶縁材料層が形成され、その上に低抵抗材料層が形成される。
【００４０】
図４（Ｃ）に示すように、前記外側電極層半体１１ａの表面に、ｐｎ接合の半導体活性層がＣＶＤ法などで成膜されて、半導体層半体１２ａが形成され、さらにその表面に透光性の導電性材料がＣＶＤ法やスパッタで成膜されて、内側電極層半体１３ａが形成される。
【００４１】
図４（Ｃ）の工程で、凹部３ａ，３ａの内壁面４ａ，４ａに沿って形成された光発電層半体１０ａが完成する。溝２５ａの内部では、内側電極層半体１３ａで囲まれた光通路半体５ａが、半円筒状の空間として形成される。さらに、図４（Ｃ）の工程では、溝２６ａ，２６ａの内部において、内側電極層半体１３ａで囲まれた空間に、金、銀、銅などの低抵抗材料がスパッタまたは蒸着で埋められて、内側引出し電極層半体１５ａが形成される。
【００４２】
図５に示すように、光発電層半体１０ａおよび内側引出し電極層半体１５ａが形成された半体２ａ，２ａどうしが重ね合わされて基台２が形成される。このとき、凹部３ａ，３ａどうしが合わされて空間部３が形成され、球面形状の内壁面４が形成される。また、光発電層半体１０ａの各層が互いに接合されて光発電層１０が形成され、光通路半体５ａ，５ａどうしが合わされて円筒形状の空間である光通路５が形成される。さらに、内側引出し電極層半体１５ａ，１５ａどうしが合わされて内側引出し電極層１５が形成される。
【００４３】
半体２ａ，２ａがガラスなどの絶縁材料で形成されているときは、絶縁材料どうしが接着剤で接着されて基台２が形成され、半体２ａ，２ａが金属製のときは、半体２ａ，２ａどうしが接合金属を介して接合されて基台２が形成される。光発電層半体１０ａの外側電極層半体１１ａと内側電極層半体１３ａは短絡させることなく、外側電極層半体１１ａ，１１ａどうしと、内側電極層半体１３ａ，１３ａどうしが、接合金属を介して接合され、または導電性接着剤を介して接合される。
【００４４】
図５に示すように、半体２ａ，２ａどうしが接合された後に、切断面Ｌ１，Ｌ２で切断することによって、図１に示す光発電装置１が完成する。
【００４５】
図６以下は、第２の実施の形態の光発電装置１０１を示している。
第２の実施の形態では、図１ないし図５に示された第１の実施の形態の光発電装置１と実質的に同じ機能を発揮する部分に同じ符号を付して、詳しい説明を省略する。
【００４６】
図６に示す光発電装置１０１は、第１の半体２ａと第２の半体２ｂが接合されて基台２が形成されている。基台２の内部に空間部３が形成されており、その内壁面４は球面である。基台２の外部空間と空間部３は光通路５によって光学的に連結されている。図６の実施の形態では、光通路５は空間部３と連通する空間通路である。
【００４７】
空間部３の内壁面４に、外側電極層１１と半導体層１２および内側電極層１３が積層された光発電層１０が形成されている。光発電層１０は、空間部３の内壁面４において、光通路５を形成する穴以外の全領域に渡って連続層で且つ均一な層で形成されている。
【００４８】
光通路５の外周には、内側引出し電極層１５が形成されており、この内側引出し電極層１５が、光発電層１０の内側電極層１３と導通している。光通路５の外周には、光発電層１０の外側電極層１１と一体に形成された外側引出し電極層１４が形成されている。内側引出し電極層１５と外側引出し電極層１４との間には、無機絶縁材料などで形成された絶縁層１６が介在し、内側引出し電極層１５と外側引出し電極層１４とが絶縁されている。
【００４９】
図６に示す光発電装置１０１は、外部から光を導入する光通路５の外周が、外側電極層１１と内側電極層１３に導通する通電路となっている。この光発電装置１０１は、光通路５と通電路とが１箇所に集約されて配置されているため、内壁面４に十分に広い面積で光発電層１０を形成することが可能になる。
【００５０】
以下、光発電装置１０１の製造方法を説明する。
図７に示すように、基台２を構成する第１の半体２ａに半球状の内壁面４ａを有する凹部３ａが形成される。凹部３ａの数は、製造しようとする光発電装置１０１の数に応じて、自由に設定される。
【００５１】
第１の半体２ａの表面および凹部３ａの内壁面４ａに低抵抗材料層が成膜されて外側電極層半体１１ａが形成される。その後、凹部３ａの内部において、外側電極層半体１１ａの表面に、半導体層半体１２ａと内側電極層半体１３ａが順に積層されて成膜される。その結果、凹部３ａの内壁面４ａの全域に、光発電層半体１０ａが連続して一定の膜厚で形成される。
【００５２】
図８（Ａ）に、基台２を構成する第２の半体２ｂが示されている。第２の半体２ａには複数の凹部３ｂが形成される。それぞれの凹部３ｂの内壁面４ｂは半球面である。第２の半体２ｂでは、それぞれの凹部３ｂの底部に、裏面方向に貫通する貫通穴２７が形成される。
【００５３】
図８（Ａ）に示すように、第２の半体２ｂの表面と、それぞれの凹部３ｂの内壁面４ｂに低抵抗材料層が成膜されて、外側電極層半体１１ｂが形成される。このとき、同じ抵抗体材料層で貫通穴２７が埋められて、貫通穴２７の内部に導電層１４ａが形成される。
【００５４】
図８（Ａ）に示すように、凹部３ｂの内部では、外側電極層半体１１ｂの表面に、半導体層半体１２ｂと内側電極層半体１３ｂが形成される。その結果、それぞれの凹部３ｂの内壁面４ｂの全域に、光発電層半体１０ｂが連続して一定の膜厚で形成される。
【００５５】
次に、図８（Ｂ）に示すように、貫通穴２７に埋められた導電層１４ａの中心部に穴が空けられ、この穴の内部に、金、銀、銅などの低抵抗材料が埋め込まれて内側導電層１５ｂが形成される。図８（Ｃ）に示すように、内側導電層１５ｂと前記導電層１４ａとの間を削りこんで無機絶縁材料が充填されて、絶縁層１６が形成される。さらに、内側導電層１５ｂの中心に穴が空けられて光通路５が形成される。
【００５６】
その結果、光通路５の外周に、内側電極層半体１３ｂと導通する内側引出し電極層１５と、外側電極層半体１１ｂと一体の外側引出し電極層１４が形成される。そして、内側引出し電極層１５と外側電極層半体１１ｂが絶縁層１６で絶縁される。
【００５７】
その後に、図７に示す第１の半体２ａと図８（Ｃ）に示す第２の半体とが合わせられ接合されて基台２が形成され、凹部３ａと凹部３ｂが合わせられて空間部３が形成される。それぞれの空間部３毎に基台２が分離されて、図６に示す光発電装置１０１が完成する。
【符号の説明】
【００５８】
１  光発電装置
２  基台
２ａ，２ｂ  半体
３  空間部
３ａ，３ｂ  凹部
４，４ａ，４ｂ  内壁面
５  光通路
６  通電路
１０  光発電層
１１  外側電極層
１２  半導体層
１３  内側電極層
１４  外側引出し電極層
１５  内側引出し電極層
２１  集光レンズ
１０１  光発電装置
【図１】
2012044050.tif 000003
【図２】
2012044050.tif 000004
【図３】
2012044050.tif 000005
【図４】
2012044050.tif 000006
【図５】
2012044050.tif 000007
【図６】
2012044050.tif 000008
【図７】
2012044050.tif 000009
【図８】
2012044050.tif 000010