(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型及びｐ型シリコン（単結晶、多結晶、微結晶、アモルファスシリコン及び化合物半導体を含む。以下略。）によるｐｎ接合（ｐｉｎ接合を含む。以下略。）において、例えばｎ型シリコンをマイクロレベルの粒子（以下「ｎ型マイクロ粒子」とし、ｐ型マイクロ粒子より細かいものを「ｎ型マイクロ微粒子」として、ナノレベルの粒子を含む。以下略。）にして、幾つかの層に積み上げ、その隙間を、ｎ型マイクロ粒子より微細なｐ型シリコンのマイクロレベルの粒子（以下「ｐ型マイクロ微粒子」とし、ｎ型マイクロ粒子と同程度の大きさのものを「ｐ型マイクロ粒子」とし、ナノレベルの粒子を含む。以下略。）で、すべて充填させて、従来では平面形状であったｐｎ接合面を、ｎ型マイクロ粒子とｐ型マイクロ微粒子を一体的に組み合わせて立体的に厚みを持たせたｐｎ接合層（以下「ｐｎマイクロ接合層」とし、ｐ型マイクロ粒子とｎ型マイクロ微粒子による組合せ及びｐｉｎ接合を含む。以下略。）に形成し、ｐｎマイクロ接合層のみならず、受光面となるｎ型シリコン層及び裏面となるｐ型シリコン層において、それら全てをマイクロレベルの粒子及び微粒子（ナノレベルを含む。）に成形して一体的に組み合わせた構成としたことを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、ｎ型及びｐ型シリコンをｎ型マイクロ粒子及びｐ型マイクロ微粒子に成形し、それらをｐｎマイクロ接合によってｐｎマイクロ接合層を形成させたことで高効率化を図っただけでなく、光拡散材の使用によっても高効率化を図ったことを特徴とする太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の太陽電池は光電効果によってなされるもので、これはｐｎ接合面を持つｎ型シリコンに光を照射すると、バンド間遷移等によって電子と正孔の対がｐｎ接合面の付近で発生し、空乏層のドリフト効果等によって正負の電極ができる現象を利用している。【０００３】  しかし、太陽光の持つエネルギー密度が低いため、従来の太陽電池は大きく分けて太陽光をそのままの状態で利用する平板型と、光学系等を使って高密度化してから太陽電池に入射させる集光型の二つになっている。【０００４】  通常では、前者の太陽光をそのままの状態でｎ型及びｐ型シリコンで形成されたｐｎ接合の構造によって電力を得る平板型が最も一般的な太陽電池であり、そのほとんどがインゴッドにしたシリコン固体から、結晶板（ウエハ）を製作する方法となっている。【０００５】  その中で、「球状マイクロソーラセル」という名称で、京セミ株式会社が球状のｐｎ接合を持つ商品を開発したものがある（例えば、非特許文献１参照）。【０００６】  その内容は、「直径が１〜２ｍｍ程度の小さなシリコン単結晶を用いて、シリコンの表面から１ミクロンメートル程度の深さまで不純物を拡散して、球状面のｐｎ接合を形成し、そのＰとｎの表面に対向した１対の電極を設けてセルを作る〜」というものである。【０００７】  つまり、直径１〜２ｍｍのシリコンボールを作り、それらの１個ずつに、中身をＰ型シリコンとして外側をｎ型シリコンとすることで、中身と外側の境目にｐｎ接合面を作り、さらにその１個ずつの球状の端と端に正負の電極を取り付けるというものである。【０００８】  一方、単に球状半導体を用いて太陽電池としたものもある。球状にした第１型半導体の表面に、ｐｎ接合を形成するように第２型の半導体層と透明の電導膜を一緒に張り、個々の球状半導体同士を細い導体で繋ぐ方法のものである（例えば、特許文献１参照）【０００９】  さらに、球状太陽電池をｐ型及びｎ型領域と接触する糸状の導体を横糸として、不良導体を縦糸とした構成でモジュール化したものがある（例えば、特許文献２参照。）。
【非特許文献１】「京セミ株式会社インターネットＨＰ球状マイクロソーラセル」
【特許文献１】特開２００１−１５６３１５  公報
【特許文献２】特開平０９−１６２４３４  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  従来の太陽電池では、太陽光の持つエネルギー密度が低いため、変換効率が結晶系シリコン太陽電池のｐｎ接合であっても１５〜１９％程度と低く、太陽光を十分に電力変換しているとは言えなかった。例えば１ＫＷの電力を得るためには、約７ｍ２もの受光面積（Ｐｎ接合面）が必要であり、モジュールも大規模となって製造コストが割高となっていた。また太陽の軌道に沿った受光が難しく、安定的な強度の光も得られにくかった。【００１１】  これは、従来の太陽電池の原理が光電効果によってなされるからであり、電子と正孔の対を発生するｐｎ接合面の広さが最も影響しているからである。【００１２】  そのため、太陽光によって光電効果を起こすｐｎ接合において、その単位面積当たりのｐｎ接合面積を増加させることが、より現実的に小型化を可能とし、かつ高い変換効率となる太陽電池を実現させることとなる。【００１３】  本発明は、このような問題を解決しようとするものであり、ｐ型及びｎ型シリコンのマイクロ粒子化によるｐｎマイクロ接合層の形成によって単位面積当たりのｐｎ接合面積を大幅に増加向上させ、小型化が可能となる高い変換効率の太陽電池の実現と、フレキシブルで高効率な太陽電池の実現を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】本発明は、上記目的を達成するために、太陽電池のｐｎ接合において、ｎ型及びｐ型シリコンを、例えばｎ型マイクロ粒子とｐ型マイクロ微粒子に成形して、それらを一体的に組み合わせて立体的な厚みを持つ「ｐｎマイクロ接合層」を形成させることにより、結果として起電力を大幅に増加向上させるもので、単位面積当たりのｐｎ接合面積を大幅に増大させることで小型化やコスト低減を図るものである。【００１５】まずｎ型シリコンをマイクロレベルの粒子（ｎ型マイクロ粒子）として、それを、例えば段ボールの箱に野球ボールを積み込むように積み上げる（野球ボールを例としたので、積み上げるという表現にしている。）。【００１６】次に、ｐ型シリコンをマイクロレベルの微粒子（ｐ型マイクロ微粒子）として、上記ｎ型マイクロ粒子の層の隙間に、このｐ型マイクロ微粒子を充填させるように一体的に組み合わせて「ｐｎマイクロ接合層」を形成する。なお、当該層の組み合わせ方には、請求項３記載にもある通り、ｐ型マイクロ粒子とｎ型マイクロ微粒子の場合も当然に含まれる。【００１７】この状態では、ｎ型マイクロ粒子の球状面部分に、それより小さいｐ型マイクロ微粒子が密接に接合することで、ｐｎ接合面積は平面に比して球状面分がおよそ増加することとなる。【００１８】そして、このｐｎマイクロ接合層をｐ型及びｎ型シリコン層で両側から夾み込み、電極等（等は反射防止薄膜。）を備えることで基本的なマイクロ粒子層型の高効率太陽電地ができあがる。【００１９】また、ｐｎマイクロ接合層を厚くしたり、より多くの入射光を必要とする場合には、受光面とするｎ型シリコン層においてｎ型シリコンをｎ型マイクロ粒子として配置し、そこに生じる隙間にｎ型マイクロ粒子より微細に成形した光拡散材（クリスタル、ガラス及び石英ガラス。以下略。）を充填して一体的に組み合わせ、マイクロ粒子化されたｎ型シリコン層の受光面とすることで十分に対応可能となる。【００２０】これは、光拡散材による反射や屈折作用によって、太陽光がｐｎマイクロ接合層の深部まで誘導されるので、ｐｎマイクロ接合層をより厚くしたり、より多くの角度から入射光が得られることとなるからである。【００２１】これらの解決手段による作用は、次の通りである。【００２２】まず太陽電池の原理は、半導体の陰極に光を照射すると、バンド間遷移等によってｐｎ接合面付近から生成キャリアの電子と正孔の対が発生する。ただし、ｐｎ接合面から離れた場所では、電子と正孔の再結合化によって発生した電子と正孔は消滅するが、ｐｎ接合面付近では空乏層という内蔵電界域ができあがり、ドリフト効果等が発生して電子と正孔が再結合化せずに分極され、電位差が生じて起電力が発生するというものである。【００２３】すなわち、変換効率を向上させようとするためには、ｐｎ接合面付近で生成する電子と正孔の対を、より多く発生させて分極させることが必要となる。【００２４】そのために、従来のｐｎ接合面を本発明のｐｎマイクロ接合層とすることで、単位面積当たりのｐｎ接合面積が従来の平面に比して球状面の部分がおよそ増加し、結果として、より多くの電子と正孔の対が発生して分極させることができるのである。【００２５】また、受光面とするｎ型シリコン層に光拡散材を用い、当該層内で反射や屈折を繰り返させることで、太陽光をｐｎマイクロ接合層の深部まで誘導できるので、結果としてｐｎマイクロ接合層をより厚くしたり、より多くの角度から入射光を得ることが可能となる。【００２６】さらに、ｎ型及びｐ型シリコン層をマイクロレベル（ナノレベルを含む。）の粒子としてｐｎマイクロ接合層と一体的に組み合わせることで、全ての接合点が力学的にはピン接合に近くなるので、従来の太陽電池に比して僅かでもフレキシブルな形態が可能になると思われる。
【発明の効果】
【００２７】上述したように、従来のｐｎ接合面を本発明のｐｎマイクロ接合層としたことにより、従来のｐｎ接合面が有する光電効果を全く損なうことなくｐｎ接合面積の増大を実現させたものであり、従来の１ＫＷの電力を得るために７ｍ２程度の受光面積を必要としていたものが、より小さな受光面積で賄えることとなる。【００２８】すなわち、高い変換効率ばかりでなく、従来の太陽電池に要した規模においても大幅に小型化できることとなり、運搬及び取付工事が容易になるばかりか、コスト面においても工事費及び維持経費等が大幅に低減される。【００２９】また、販売価格も低減されることから、より多くの太陽光発電（太陽電池）の普及が見込まれる。例えば、小型化によって家庭及び業務用の電気製品あるいは自動車等への普及が進むこととなる。
【発明の実施するための最良の形態】
【００３０】  以下、本発明の実施例の形態を図１〜図３に基づいて説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３１】  図１〜図３において、１ａはマイクロ粒子層型の高効率太陽電池（基本型）、１ｂはマイクロ粒子層型の高効率太陽電池（光拡散型）、１ｃはマイクロ粒子層型の高効率太陽電池（フレキシブル型）の構成内容である。
【００３２】  まず図１では、ｎ型マイクロ粒子５を単位面積当たりのｐｎ接合面積を増大させるために数層〜数十層程度に積み上げ、その際に生じる隙間にｐ型マイクロ微粒子６を充填させて形成したｐｎマイクロ接合層４を、受光面側のｎ型シリコン層２ａと裏面側のｐ型シリコン層３ａで夾むように接合することで、生成キャリアである電子と正孔の対を発生させる機能を有することとなる。
【００３３】  そして、ｎ型シリコン層２ａの外側に反射防止膜９を置き、当該太陽電池の両端となるｎ型シリコン層２ａ及びｐ型シリコン層３ａにそれぞれ電極７を配置することで上記１ａの太陽電池（基本型）が形成される。
【００３４】  図２では、ｐｎマイクロ接合層４とｐ型シリコン層３ａは変えずに、受光面側のｎ型シリコン層（光拡散型）２ｂを、垂直入射光だけでなく散乱光や弱い光をより多くｐｎマイクロ接合層４の深部まで誘導させるために、ｎ型マイクロ粒子５と光拡散材８によって一体的に組み合せる。
【００３５】  そして、ｎ型シリコン層（光拡散型）２ｂの外側に反射防止膜９を配置し、上記同様に電極７を両端に配置することで、上記１ｂの太陽電池（光拡散型）が形成される。
【００３６】図３は、ｐｎマイクロ接合層４は変えずに、受光面側のｎ型シリコン層２ａと裏面側のｐ型シリコン層３ａをそれぞれマイクロ粒子化したもので、まず受光面側のｎ型シリコン層２ａをｎ型マイクロ粒子５とし、その際に生じる隙間にそれより小さいｎ型マイクロ微粒子１０を充填させて一体的に組み合わせ、ｎ型シリコン層（粒子型）２ｃを形成する。
【００３７】また、上記同様にして裏面側のｐ型シリコン層３ａをｐ型シリコン層（粒子型）３ｂに形成する。すなわち、受光面側のｎ型シリコン層（粒子型）２ｃと裏面側のｐ型シリコン層（粒子型）３ｂでｐｎマイクロ接合層４を挟み込み、電極７を両端に配置すること等で上記１ｃの太陽電池（フレキシブル型）が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例の形態を示すマイクロ粒子層型の高効率太陽電池（基本型）の断面図
【図２】同マイクロ粒子層型の高効率太陽電池（光拡散型）の断面図
【図３】同マイクロ粒子層型の高効率太陽電池（フレキシブル型）の断面図
【符号の説明】
【００３９】１ａ  マイクロ粒子層型の高効率太陽電池（基本型）
１ｂ        同                        （光拡散型）
１ｃ        同                        （フレキシブル型）
２ａ  ｎ型シリコン層
２ｂ  同      （光拡散型）
２ｃ  同      （粒子型）
３ａ  ｐ型シリコン層
３ｂ  同      （粒子型）
４    ｐｎマイクロ接合層
５    ｎ型マイクロ粒子
６    ｐ型マイクロ微粒子
７    電極
８    光拡散材（クリスタル、石英ガラス等）
９    反射防止膜
１０  ｎ型マイクロ微粒子
１１  ｐ型マイクロ粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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