(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
前記シリコン基板の一つの表面に設置された１オングストローム〜３０オングストロームの厚さのパッシベーション層と、
前記シリコン基板の、前記パッシベーション層が設置された表面と反対側に設置された背面電極と、
前記パッシベーション層の、前記シリコン基板に接続された表面と反対側に設置されたカーボンナノチューブ構造体と、を含み、
前記シリコン基板と前記カーボンナノチューブ構造体とが接合してｐｎ接合が形成され、
前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムであり、単一のカーボンナノチューブフィルムは、配向して配列された複数のカーボンナノチューブを含み、該複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、均一的に配列されることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブの端と端とが分子間力で連接され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】
前記太陽電池はさらに電極を含み、該電極が前記カーボンナノチューブ構造体の、前記パッシベーション層から離れた表面に積層して設置され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】
前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも二枚の積層されたカーボンナノチューブフィルムを含み、隣接する二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°以上９０°以下の角度を成すことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの一項に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関し、特にカーボンナノチューブを使用した太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器であり、光電池とも呼ばれる。一般的な一次電池や二次電池のように電力を蓄えるのではなく、光起電力効果により、受けた光を即時に電力に変換して出力する。主流のシリコン太陽電池（非特許文献１を参照）の他、様々な化合物半導体などを素材にしたものが実用化されている。
【０００３】
図１を参照すると、従来技術のシリコン太陽電池３０は、背面電極３２、ｐ型シリコン基板３４、パッシベーション層（ｐａｓｓｉｖａｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）３６、ｎ型ドープシリコン層３８及び前面電極４０を含む。前記ｐ型シリコン基板３４は、第一表面３４１及び第二表面３４２を含む。前記背面電極３２は、前記ｐ型シリコン基板３４の第一表面３４０とオーミック接触するように、該第一表面３４０に設置されている。前記パッシベーション層３６は、前記ｐ型シリコン基板３４の第二表面３４２と接触するように、該第二面３４２に設置される。前記ｎ型ドープシリコン層３８は、前記パッシベーション層３６の、前記ｐ型シリコン基板３４から離れた表面３６１に設置され、該パッシベーション層３６の表面３６１に接触するようになる。前記前面電極４０は、前記ｎ型ドープシリコン層３８の、前記パッシベーション層３６から離れた表面３８１に設置され、該ｎ型ドープシリコン層３８の表面３８１に接触するようになる。
【０００４】
前記太陽電池３０は、少なくとも、一つの電極４２を含む。該電極４２は、前記前面電極４０と電気的に接続するように、該前面電極４０の、前記ｎ型ドープシリコン層３８から離れた表面４０１に設置されている。該電極４２は、前記前面電極４０に流された電流を収集することに用いられる。
【０００５】
前記ｐ型シリコン基板３４と前記ｎ型ドープシリコン層３８とが接合して、複数のｐｎ接合が形成される。前記ｐｎ接合に太陽光があたると、それが刺激となって、複数の電子と正孔を発生する。前記ｐ型シリコン基板３４及び前記ｎ型ドープシリコン３８の間に設置されたパッシベーション層３６は、前記電子と正孔が前記ｐｎ接合に結合する速度を減少することができるので、前記太陽電池３０の光電変換効率を高めることができる。
【０００６】
前記前面電極４０は、導電的な金属網を採用するが、前記導電的な金属が不透明な材料であるので、光の透過率に影響を与える。太陽電池３０の光電変換効率を高めるために、前記前面電極４０は、透明な酸化インジウムスズ層を採用する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】張明杰等、“太陽電池及び多晶シリコンの製造”、「材料及び冶金の学報」、２００７年、第１６巻、第３３頁〜第３８頁
【非特許文献２】Ｋａｉｌｉ  Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ  Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ  Ｆａｎ、“Ｓｐｉｎｎｉｎｇ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｙａｒｎｓ”、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、前記酸化インジウムスズ層の機械的及び化学的耐用性が良くなく、該酸化インジウムスズ層が前面電極４０になると、前記太陽電池３０は、耐用性が良くない。前記酸化インジウムスズ層の抵抗の分布が不均一であり、同時に、前記ｎ型ドープシリコン３８自体の、光線を収集する能力が良くないので、該太陽電池３０の光電変換効率が高くない欠点がある。
【０００９】
従って、本発明は、高い光電変換効率を有し、耐用性の優れた太陽電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
太陽電池は、基板と、前記基板の一つの表面に設置されたパッシベーション層と、前記基板の、前記パッシベーション層が設置された表面と反対側に設置された背面電極と、前記パッシベーション層の、前記基板に接続された表面と反対側に設置されたカーボンナノチューブ構造体と、を含む。
【００１１】
前記カーボンナノチューブ構造体が均一に分布された複数のカーボンナノチューブを含む。
【００１２】
前記カーボンナノチューブ構造体が少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム及び／又は少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含む。
【００１３】
前記カーボンナノチューブフィルムが、同じ方向又は複数の方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。
【００１４】
前記カーボンナノチューブフィルムが、絡み合った複数のカーボンナノチューブを含む。
【００１５】
前記カーボンナノチューブフィルムが、等方的に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。
【００１６】
前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブワイヤを含み、前記複数のカーボンナノチューブワイヤが交叉してネット状に形成されている。
【００１７】
前記カーボンナノチューブワイヤが、束状構造又はねじれたワイヤ構造である。
【発明の効果】
【００１８】
従来の太陽電池と比べると、本発明の太陽電池のカーボンナノチューブ構造体は、太陽の光エネルギーをよく吸収することができるので、該カーボンナノチューブ構造体を使用した太陽電池は高い光電変換効率を有している。前記カーボンナノチューブ構造体は、優れた強靭性と機械的強度を有しているので、該カーボンナノチューブ構造体を使用した太陽電池の耐用性を高めることができる。
【００１９】
また、前記カーボンナノチューブ構造体が均一的な構造を有するので、該カーボンナノチューブ構造体を使用した前面電極が均一的な抵抗を有する。従って、前記太陽電池の性能を高めることができる。前記カーボンナノチューブ構造体における隣接するカーボンナノチューブの間に均一的に配列された隙間を有するので、該カーボンナノチューブ構造体を使用した前面電極は、優れた透光性を有する。前記カーボンナノチューブ構造体が優れた太陽光を吸収する能力及び導電性を持つので、前記太陽電池において、該カーボンナノチューブ構造体は、光電変換及び前面電極の作用を持って、ドープシリコン層が必要はなくなる。従って、前記太陽電池は、構造が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術の太陽電池の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る太陽電池の構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す太陽電池のカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブフィルムを示す図である。
【図４】図３に示すカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブセグメントを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図２を参照すると、本実施形態は、太陽電池１０を提供する。該太陽電池１０は、背面電極１２、シリコン基板１４、パッシベーション層１６、カーボンナノチューブ構造体１８及び少なくとも一つの電極２０を含む。前記シリコン基板１４は、第一表面１４１及び該第一表面１４１に相対する第二表面１４２を含む。前記背面電極１２は、前記シリコン基板１４の第一表面１４１に設置され、該第一表面１４１とオーミック接触する。前記パッシベーション層１６は、前記シリコン基板１４の第二表面１４２に設置され、該第二表面１４２と接触する。前記カーボンナノチューブ構造体１８は、前記パッシベーション層１６の、前記シリコン基板１４から離れた表面１６１に積層して設置される。前記電極２０は、前記カーボンナノチューブ構造体１８の、前記パッシベーション層１６から離れた表面１８１に積層して設置される。
【００２３】
前記背面電極１２の材料は、アルミニウム、マグネシウム、銀などの金属である。該背面電極１２の厚さは１０マイクロメートル〜３００マイクロメートルである。
【００２４】
前記シリコン基板１４は、単結晶シリコン基板又は多結晶シリコン基板であり、その厚さが２００マイクロメートル〜３００マイクロメートルである。前記シリコン基板１４は、多くの電子を生み出すことができる。
【００２５】
前記カーボンナノチューブ構造体１８は、均一に分布された複数のカーボンナノチューブを含む。該カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。該カーボンナノチューブ構造体１８におけるカーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、該単層カーボンナノチューブの直径は０．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体１８におけるカーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、該二層カーボンナノチューブの直径は１．０ナノメートル〜５０ナノメートルである。該カーボンナノチューブ構造体１８におけるカーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、該多層カーボンナノチューブの直径は１．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体１８におけるカーボンナノチューブが不純物を含まず、該カーボンナノチューブ自体の比表面積が大きいので、該カーボンナノチューブ構造体自体が強い接着性を有する。従って、該カーボンナノチューブ構造体１８は、自身の接着性を利用して、直接前記パッシベーション層１６の表面１６１に接着する。
【００２６】
前記カーボンナノチューブ構造体１８は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム及び／又は少なくともの一本のカーボンナノチューブワイヤを含む。
【００２７】
（実施例１）
本実施例において、前記カーボンナノチューブ構造体１８は少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが配向し又は配向せず配列している。
【００２８】
前記複数のカーボンナノチューブが配向して配列する場合、前記複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブ構造体１８の表面に平行し、同じ方向又は複数の方向に沿って配列されている。前記複数のカーボンナノチューブが配向せず配列する場合、前記複数のカーボンナノチューブは、互いに絡み合って、或いは、等方的に配列されているである。
【００２９】
前記複数のカーボンナノチューブが配向して配列するカーボンナノチューブフィルムは、図３に示されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから引き伸ばし、形成されるものである。該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って、配列された複数のカーボンナノチューブを含む。
【００３０】
図４を参照すると、具体的には、前記カーボンナノチューブフィルムは、端と端で接続され、長さが基本的に同じな複数のカーボンナノチューブセグメント１８６を含む。前記カーボンナノチューブセグメント１８６は、端と端が分子間力で連接される。各々のカーボンナノチューブセグメント１８６は、同じ方向に沿って、均一的に配列される複数のカーボンナノチューブ１８８からなり、各々の前記カーボンナノチューブ１８８が分子間力で緊密に連接される。前記カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから引き伸ばすことによって、形成されるので、該カーボンナノチューブフィルムの長さと幅は、カーボンナノチューブアレイが成長された基板の寸法に関係する。
【００３１】
本実施形態において、化学気相成長（ＣＶＤ）法で４インチの基板に超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献２を参照）を成長させる。前記カーボンナノチューブフィルムの幅は、０．０１センチメートル〜１０センチメートルであり、厚さは、１０ナノメートル〜１００マイクロメートルである。
【００３２】
また、前記カーボンナノチューブ構造体１８は、積層された二枚以上のカーボンナノチューブフィルムを含むことができる。隣接する二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、同じ方向又は異なる方向に沿って、配列される。具体的には、隣接する二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、角度αを成す。該角度αが０°以上９０°以下である。前記カーボンナノチューブフィルムの寸法が実際の応用を満足することができない場合、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを隙間なく平行して並列させて、大寸法のカーボンナノチューブフィルムを形成することができる。
【００３３】
前記単一のカーボンナノチューブフィルムは、絡み合った複数のカーボンナノチューブを含んでもよい。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネットで形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは、等方的に、均一に前記カーボンナノチューブ構造体１８に分布されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配列されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が１０マイクロメートル以下になる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、１マイクロメートル〜１ミリメートルである。前記カーボンナノチューブフィルムは、溶液に浸漬したカーボンナノチューブ原料をろ過して成るものである。
【００３４】
前記単一のカーボンナノチューブフィルムは、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている複数のカーボンナノチューブを含んでもよい。前記カーボンナノチューブフィルムは、押し器具を利用して、カーボンナノチューブアレイを同じ方向又は異なる方向に沿って押して形成するものである。前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、隣接するカーボンナノチューブは分子間力で接続され、カーボンナノチューブフィルムの表面と０°〜１５°の角度が形成されている。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、０．５ナノメートル〜１ミリメートルである。
【００３５】
前記カーボンナノチューブ構造体１８は、前記太陽電池１０において、光電変換及び前面電極の作用を持つ。
【００３６】
前記シリコン基板１４と前記カーボンナノチューブ構造体１８とが接合して、複数のｐｎ接合が形成される。前記ｐｎ接合に太陽光が入射されると、複数の電子と正孔が生じる。前記シリコン基板１４と前記カーボンナノチューブ構造体１８とが直接接触する場合、前記電子と正孔は、前記シリコン基板１４と前記カーボンナノチューブ構造体１８とが接触する表面に結合しやすく、前記太陽電池１０の光電変換効率に影響を与える。従って、前記シリコン基板１４と前記カーボンナノチューブ構造体１８との間に前記パッシベーション層１６が設置される。該パッシベーション層１６は、二酸化珪素又は窒化珪からなって、その厚さが１オングストローム（ａｎｇｓｔｒｏｍ）〜３０オングストロームであり、１０オングストロームであることが好ましい。
【００３７】
前記電極２０は、例えば、銀及び金などの導電的な材料又はカーボンナノチューブを含む導電的な材料からなる。該電極２０は、前記カーボンナノチューブ構造体１８に流された電流を収集することに用いられる。また、前記電極２０は、設置しなくてもよく、二つも設置してもよい。
【００３８】
また、前記太陽電池１０は、さらに反射防止層（図示せず）を含んでもよい。該反射防止層は二酸化チタンからなり、前記カーボンナノチューブ構造体１８の、前記パッシベーション層１６から離れた表面１８１に設置される。前記反射防止層を利用することにより、太陽光を反射することを減少し、前記太陽電池１０の光電変換効率を高めることができる。
【００３９】
（実施例２）
本実施例の太陽電池と前記実施例１との異なる所は、前記カーボンナノチューブ構造体１８が複数のカーボンナノチューブワイヤを含むことである。
【００４０】
前記カーボンナノチューブワイヤは、複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブワイヤは、複数のカーボンナノチューブ束からなる束状構造又は複数のカーボンナノチューブ束からなるねじれたワイヤ構造である。前記束状構造における複数のカーボンナノチューブ束は、相互に平行して、端と端が接続される。前記ねじれたワイヤ構造における複数のカーボンナノチューブ束は、端と端が接続される。隣接するカーボンナノチューブ束が分子間力（ファンデルワールス力）で接続される。一つのカーボンナノチューブ束では、端と端が接続され、所定の方向に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブ構造体１８は、前記カーボンナノチューブワイヤを交叉してネット状に形成される。
【００４１】
また、前記カーボンナノチューブ構造体１８は、前記カーボンナノチューブフィルム及び前記カーボンナノチューブワイヤの複合構造でもよい。
【００４２】
前記カーボンナノチューブ構造体は、太陽の光エネルギーをよく吸収することができるので、該カーボンナノチューブ構造体を使用した太陽電池は高い光電変換効率を有している。前記カーボンナノチューブ構造体は、優れた強靭性と機械的強度を有しているので、該カーボンナノチューブ構造体を使用した太陽電池の耐用性を高めることができる。前記カーボンナノチューブ構造体が均一的な構造を有するので、該カーボンナノチューブ構造体を使用した前面電極が均一的な抵抗を有する。従って、前記太陽電池の性能を高めることができる。前記カーボンナノチューブ構造体における隣接するカーボンナノチューブの間に均一的に配列された隙間を有するので、該カーボンナノチューブ構造体を使用した前面電極は、優れた透光性を有する。前記カーボンナノチューブ構造体が優れた太陽光を吸収する能力及び導電性を持つので、前記太陽電池において、該カーボンナノチューブ構造体は、光電変換及び前面電極の作用を持って、ドープシリコン層が必要はなくなる。従って、前記太陽電池は、構造が簡単になる。
【符号の説明】
【００４３】
１０、３０  太陽電池
１２、３２  背面電極
１４、３４  シリコン基板
１６、３６  パッシベーション層
１８  カーボンナノチューブ構造体
２０、４２  電極
３８  ドープシリコン層
４０  前面電極
１４１、３４１  シリコン基板の第一表面
１４２、３４２  シリコン基板の第二表面
１６１、３６１  パッシベーション層の表面
１８１  カーボンナノチューブ構造体の表面
３８１  ドープシリコン層の表面
４０１  前記電極の表面
１８６  カーボンナノチューブセグメント
１８８  カーボンナノチューブ
【図１】
0005027185.tif 000002
【図２】
0005027185.tif 000003
【図３】
0005027185.tif 000004
【図４】
0005027185.tif 000005