JP2009253296A - 光起電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エネルギー変換装置に関し、特に光起電装置に関するものである。
【解決手段】本発明の光起電装置は、基板と、前記基板の一つの表面に設置されたカーボンナノチューブ構造体と、前記基板の、前記カーボンナノチューブ構造体が設置された表面と反対側に設置された第一電極と、を含む。前記基板は、多結晶シリコンを含む。前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一つのカーボンナノチューブ層を含む。前記カーボンナノチューブ層は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム又は／及び少なくとも一つのカーボンナノチューブヤーンを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー変換装置に関し、特に光起電装置に関するものである。

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を参照する）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。

図６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と、シリコン基板３４と、ドープシリコン層３６と、前面電極３８と、を含む。前記シリコン基板３４は、多結晶シリコンからなる。前記ドープシリコン層３６は前記シリコン基板３４と密接して、それらの間にｐ−ｎ接合部が形成されている。前記前面電極３８は前記ドープシリコン層３６に電気的接続されている。前記背面電極３２は、前記シリコン基板３４とオーム接触するように、前記シリコン基板３４に設置されている。前記背面電極３２及び前面電極３８は外部荷重に接続されることができる。太陽光は前記太陽電池３０を照射すると、前記太陽電池３０の電界の作用で、前記ｐ−ｎ接合部に電流が生じることができる。

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 Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、前記多結晶シリコン基板を製造する場合、多結晶シリコン粒界の結合過程において、ダングリングボンドなどの欠陥が生じる可能性がある。移動キャリアが、前記欠陥から形成されたサイトで捕獲されると、電子流が中断されることになる。さらに、前記欠陥が原因で、電子正孔対の再結合効率が低減し、エネルギーの変換率が低くなるという課題がある。さらに、従来の太陽電池３０のドープシリコン層３６は、高温条件だけで製造できる。また、スクリーン印刷により形成された前記前面電極３８は大面積を有するので、前記太陽電池３０に照射された太陽光は、前記大面積の前面電極３８で遮蔽される。従って、前記太陽電池３０の変換効率が低くなる課題もある。

本発明の光起電装置は、基板と、前記基板の一つ表面に設置されたカーボンナノチューブ構造体と、前記基板の、前記カーボンナノチューブ構造体が設置された表面と反対側に設置された第一電極と、を含む。

前記基板は、多結晶シリコンを含む。

前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一つのカーボンナノチューブ層を含む。

前記カーボンナノチューブ層は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム又は／及び少なくとも一つのカーボンナノチューブヤーンを含む。

前記カーボンナノチューブ層は、複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記複数のカーボンナノチューブフィルムが積層されている。

前記カーボンナノチューブ層は、複数のカーボンナノチューブヤーンを含む場合、前記複数のカーボンナノチューブヤーンが並列されている。

単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメントを含む場合、単一の前記カーボンナノチューブセグメントが、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。

前記カーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブは同じ方向に沿って配列されている。

前記カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブは、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。

前記カーボンナノチューブ構造体における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、多くの微小な穴を有するカーボンナノチューブネットに形成されている。

従来技術と比べて、本発明の光起電装置は次の優れた点を有する。第一に、本発明はカーボンナノチューブ構造体を利用することにより、不飽和ダングリングボンドを飽和させて、移動キャリアが前記不飽和ダングリングボンドで捕獲されることを防止するので、ドープシリコン層を設置する必要がない。第二に、本発明はカーボンナノチューブ構造体を前面電極として利用するので、本発明の光起電装置は、良好なエネルギー変換及び電子移動の効率を高めることができる。

本発明の実施例に係る光起電装置の側面図である。 本発明の実施例に係る光起電装置の上面図である。 本発明の実施例に係るカーボンナノチューブセグメントの模式図である。 本発明の実施例に係る光起電装置の基板の一部を示す図である。 本発明の実施例に係る光起電装置の基板の一部を示す図である。 従来技術の光起電装置の側面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１を参照すると、本実施例の光起電装置１０は、基板１２と、カーボンナノチューブ構造体１４と、第一電極１６と、を含む。前記基板１２は多結晶シリコン、更にｎ型の多結晶シリコンを含む。前記基板１２は、第一表面１２１及び第二表面１２２を含む。前記基板１２の厚さは、２００μｍ〜３００μｍである。

前記第一電極１６は、金、銀又はマグネシウムを含み、その厚さは１０μｍ〜３００μｍである。さらに、前記カーボンナノチューブ構造体１４に第二電極１８を設置することができる。この代わりに、前記電極１８は、前記基板１２の第二表面１２２に設置することもできる。前記電極１８は、銀、金又はカーボンナノチューブを含む。

図２を参照すると、前記カーボンナノチューブ構造体１４は少なくとも一つのカーボンナノチューブ層１４１を含む。前記カーボンナノチューブ層１４１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。均一に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。単一の前記カーボンナノチューブ層１４１において、前記カーボンナノチューブが同じ方向に沿って平行に配列されている。この場合、前記カーボンナノチューブが分子間力で端と端で接続されている。または、単一の前記カーボンナノチューブ層１４１において、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フィルムの表面に平行し、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。又は、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、多くの微小な穴を有するカーボンナノチューブネットに形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径は１０μｍ以下になる。

前記カーボンナノチューブ層１４１は、少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムを含む。前記カーボンナノチューブ層１４１が複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含む場合、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを積み重ねて、隣接するカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブを０°〜９０°で交叉させて設置させる。又は、前記カーボンナノチューブフィルムを、隙間なく並列させて、大寸法のカーボンナノチューブ層１４１を形成することができる。前記カーボンナノチューブフィルムの幅はカーボンナノチューブアレイを成長させる基材の幅により決定され、前記カーボンナノチューブフィルムの長さは基材の寸法に限定されず、必要に応じて製造されることができる。前記カーボンナノチューブフィルムの幅は０．０１ｃｍ〜１０ｃｍに設けられる。前記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。前記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、直径が０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記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、直径が１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記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、直径が１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。

（実施例１）
本実施例において、単一の前記カーボンナノチューブ層１４１は、複数の、カーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されたカーボンナノチューブフィルムを含む。ここで、単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメント１４２を含む。図３を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４２は、平行に配列された複数のカーボンナノチューブを含む。この場合、前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは１０ｎｍ〜１００ｎｍに設けられている。

前記カーボンナノチューブフィルムは次の工程により製造される。

第一段階では、カーボンナノチューブアレイを提供する。超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２）であることが好ましい。

本実施例において、化学気相堆積（ＣＶＤ）法により前記カーボンナノチューブアレイを成長させる。まず、基材を提供する。該基材としては、Ｐ型又はＮ型のシリコン基材、又は表面に酸化物が形成されたシリコン基材が利用される。本実施例において、厚さが４インチのシリコン基材を提供する。次に、前記基材の表面に触媒層を蒸着させる。該触媒層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金である。次に、前記触媒層が蒸着された前記基材を、７００〜９００℃、空気の雰囲気において３０〜９０分間アニーリングする。最後に、前記基材を反応装置内に置いて、保護ガスを導入すると同時に前記基材を５００〜７００℃に加熱して、５〜３０分間カーボンを含むガスを導入する。これにより、高さが２００〜４００μｍの超配列カーボンナノチューブアレイが形成される。前記超配列カーボンナノチューブアレイは、相互に平行で基材に垂直に成長する複数のカーボンナノチューブからなる。前記方法により、前記超配列カーボンナノチューブアレイにアモルファスカーボン又は触媒剤である金属粒子などの不純物が残らず、純粋なカーボンナノチューブアレイが得られる。

本実施例において、前記カーボンを含むガスはアセチレンなどの炭化水素であり、保護ガスは窒素やアンモニアなどの不活性ガスである。勿論、前記カーボンナノチューブアレイは、アーク放電法又はレーザー蒸発法により得られることができる。

第二段階では、前記カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き出す。

まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。本実施例において、一定の幅を有するテープを利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で前記複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブセグメントからなる連続的なカーボンナノチューブフィルムを形成する。

前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブセグメントが端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルムが形成される。図３を参照すると、単一のカーボンナノチューブセグメント１４２は、長さが同じ複数のカーボンナノチューブを含む。該複数のカーボンナノチューブは、相互に平行に並列し、分子間力で接合されるように配列されている。前記カーボンナノチューブフィルムは複数のカーボンナノチューブセグメント１４２を含む。前記カーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブは、前記カーボンナノチューブフィルムを引く方向に平行に並列されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、均一な導電性及び均一な厚さを有する。このカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、高効率で簡単であり、工業的に実用される。

カーボンナノチューブは比表面積が高く、前記超配列カーボンナノチューブアレイには不純物がないという特性があるので、前記カーボンナノチューブフィルムには強い接着性がある。従って、前記カーボンナノチューブフィルムを含む前記カーボンナノチューブ構造体１４は、直接前記基板１２に接着することができる。

さらに、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを積み重ねて前記カーボンナノチューブ構造体を形成することができる。実用の要求に応じて、前記カーボンナノチューブフィルムの枚数を設定することができる。前記複数のカーボンナノチューブにおけるカーボンナノチューブは同じ方向に沿って配列されることができる。また、隣接する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それぞれ角度αで交叉して形成されることができる。ここで、該角度αは、０〜９０°である。

さらに、実用の条件に応じて、有機溶剤に前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬して処理することができる。前記有機溶剤は、メタノール、アルコール、アセトン又はこの二種の混合物である。本実施例において、アルコールに前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬することにより、前記カーボンナノチューブフィルムは、該アルコールの表面張力作用で、強く前記基板１２の表面に接着されることができる。

（実施例２）
本実施例において、単一の前記カーボンナノチューブ層１４１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、前記複数のカーボンナノチューブは、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。前記カーボンナノチューブが前記カーボンナノチューブフィルムの表面と成す角度は０°〜１５°である。前記角度が０°である場合、前記カーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。この場合、前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられている。

前記カーボンナノチューブ層１４１は次の工程により製造される。第一ステップでは、少なくとも一つのカーボンナノチューブアレイを提供する。第二ステップでは、前記カーボンナノチューブアレイに所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押し、カーボンナノチューブフィルムを形成する。

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は、それぞれ該カーボンナノチューブフィルムの表面と０°〜１５°の角度を成し、均一的に配列されている。前記角度が０°である場合、前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。前記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の斜めの程度は、前記カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、該圧力は大きくなるほど、前記斜めの程度が大きくなる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、前記カーボンナノチューブアレイの高さ及び該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、前記カーボンナノチューブアレイの高さが高くなり、また、該カーボンナノチューブにかけた圧力が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブ構造体の厚さが大きくなる。

さらに、前記カーボンナノチューブフィルムを、もう一つのカーボンナノチューブアレイの上に重畳させて、前記第二ステップを繰り返すことにより、複数のカーボンナノチューブフィルムを含む多層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。前記複数のカーボンナノチューブフィルムは、分子間力で相互に接着されている。

勿論、複数のカーボンナノチューブフィルムを重畳させて、前記押し器具を利用して前記複数のカーボンナノチューブフィルムを押すことにより、多層のカーボンナノチューブ層１４１を形成することができる。

（実施例３）
本実施例において、前記カーボンナノチューブ層１４１は複数のカーボンナノチューブヤーンを含む。前記カーボンナノチューブヤーンはカーボンナノチューブフィルムと比べて、より狭い幅を有する。前記カーボンナノチューブ層１４１において、前記複数のカーボンナノチューブヤーンが平行に配列されている。前記カーボンナノチューブヤーンを積層させて設置することもできる。ここで、隣接する前記カーボンナノチューブヤーンにおけるカーボンナノチューブは、０°〜９０°の角度で交叉している。

（実施例４）
本実施例において、前記カーボンナノチューブ構造体１４において、少なくとも一つのカーボンナノチューブヤーンを含むカーボンナノチューブ層と、少なくとも一枚の前記カーボンナノチューブフィルムを含むカーボンナノチューブ層と、を含む。

さらに、前記カーボンナノチューブ構造体１４の表面に、カーボンナノチューブ及び金属粉末を含む混合材料を塗布することができる。

光が前記光起電装置１０の基板１２の第一表面１２１に照射すると、前記光は十分に前記カーボンナノチューブ構造体１４で吸収され、前記単結晶シリコン基板１４と前記カーボンナノチューブ構造体１４との界面に複数の可動キャリア（電子正孔対）が生じる。前記電子正孔対は複数の電子及び正孔に分離して形成する。前記正孔は前記基板１２を透過して前記第一電極１６に達すると、前記第一電極１６で収集される。前記電子は、前記カーボンナノチューブ構造体１４へ移動して前記第二電極１８で収集される。これにより、前記光起電装置１０の外部回路に、電子流が形成されることができる。

図４及び図５を参照すると、前記基板１２の粒界１２３に不飽和ダングリングボンドがあるので、前記カーボンナノチューブ構造体１４は、カーボンナノチューブの接着性及び不飽和ダングリングボンドの作用で、前記基板１２の第一表面１２１に吸着されることができる。さらに、前記移動キャリアが前記不飽和ダングリングボンドで捕獲されることを防止することができる。従って、本発明の光起電装置は、エネルギー変換及び電子移動の効率を高めることができる。

１０、３０ 太陽電池
１２ 基板
１２１ 第一表面
１２２ 第二表面
１２３ 粒界
１４ カーボンナノチューブ構造体
１４１ カーボンナノチューブ層
１４２ カーボンナノチューブセグメント
１６ 第一電極
１８ 第二電極
３２ 背面電極
３４ シリコン基板
３６ ドープシリコン層
３８ 前面電極

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の一つの表面に設置されたカーボンナノチューブ構造体と、
   前記基板の、前記カーボンナノチューブ構造体が設置された表面と反対側に設置された第一電極と、
   を含むことを特徴とする光起電装置。
2. 前記基板が、多結晶シリコンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光起電装置。
3. 前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも一つのカーボンナノチューブ層を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の光起電装置。
4. 前記カーボンナノチューブ層が、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム又は／及び少なくとも一つのカーボンナノチューブヤーンを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光起電装置。
5. 前記カーボンナノチューブ層が、複数のカーボンナノチューブフィルムを含み、
   前記複数のカーボンナノチューブフィルムが積層されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光起電装置。
6. 前記カーボンナノチューブ層が、複数のカーボンナノチューブヤーンを含み、
   前記複数のカーボンナノチューブヤーンが並列されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光起電装置。
7. 単一の前記カーボンナノチューブフィルムが、端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメントを含み、
   単一の前記カーボンナノチューブセグメントが、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ことを特徴とする、請求項４に記載の光起電装置。
8. 前記カーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されていることを特徴とする、請求項４に記載の光起電装置。
9. 前記カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブが、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ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光電装置。
10. 前記カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブが、分子間力で接近して、相互に絡み合って、多くの微小な穴を有するカーボンナノチューブネットに形成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光起電装置。

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