JPH0642561B2 - ソーラー・アレーの形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は金属箔マトリクス内に
配置されたシリコンの球から、露光した時に発電する太
陽電池（ソーラー・セル）を形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽光線を他の形の有用なエネルギに変
換することによつてエネルギを発生する装置はよく知ら
れており、太陽が主なエネルギ源であるという経済性の
為、こういう装置は絶えず開発され且つ改良されてい
る。この様な１つの装置が米国特許第４，０２１，３２
３号に記載されており、この米国特許では、硝子又はプ
ラスチックの様な透明なマトリクスで構成されたソーラ
ー・アレーに、その片側にＮ形表皮部を持つＰ形のシリ
コン、又はその片側にＰ形表皮部を持つＮ形シリコンの
粒子をマトリクス内に埋込んで設けたソーラー・アレー
が記載されている。大体半分の粒子がＮ形表皮部を持つ
Ｐ形であり、残りがＰ形表皮部を持つＮ形であることが
好ましいが、この構成を変えることが出来る。マトリク
スの裏側では、それから突出する粒子が適当な導電メタ
ライズ部分によって相互接続される。シリコン粒子の表
皮部がマトリクスの前側から伸出す。こういうアレー
は、マトリクスの前側と接触する電解質、好ましくは臭
化水素酸（ＨＢｒ）内に浸漬する。電解質と接触する異
なる導電型のシリコン粒子の間の電位差の為、ＨＢｒを
泡立つ水素ガスと溶解したままになっている臭素とに電
気分解する太陽光の下で、その間に電位差が設定され
る。水素ガスを収集し、例えば燃料電池等の様なエネル
ギ源とするが、これは周知である。

【０００３】こういう形式のソーラー・アレーでは、シ
リコン粒子が電気分解に独立に参加する。その結果、ア
レーによって反応生成物が発生される速度は、若干の粒
子のＰ−Ｎ接合が短絡し又は分路されても、あまり影響
を受けない。

【０００４】太陽光線から有用なエネルギを発生する別
の装置は、上に述べた種類と同様であるが、電気分解を
行なわずに、電力を発生する様に構成されている。この
様な１つの装置が米国特許第２，９０４，６１３号に記
載されている。その他の構成も可能であるが、役に立つ
実施例は、硝子又はプラスチックの様な透明マトリクス
にＰ形表皮部を持つＮ形シリコンの粒子を設けて構成さ
れる。粒子のＮ形のコアがマトリクスの裏側から突出
し、適当な導電メタライズ部分によって相互接続され
る。Ｐ形表皮部がマトリクスの前側から突出し、細い金
属格子の上の酸化錫の様な導電性で透光性の材料によっ
て相互接続される。太陽光の下では、このアレーの後側
及び前側の相互接続部の間に電位差が設定され、それを
適当に接続して、外部の電気負荷に直接的に給電するこ
とが出来る。

【０００５】この技術の改良が米国特許出願第５６２，
７８２号に記載されている。この出願には、前に述べた
発明の改良が記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】然し、現状では、上に
述べた従来の方法に従って、ソーラー・セルを製造する
コストはあまり経済性がなく、この従来の方式はこれま
で経済的に大きな成功を収めていない。従って、経済的
に成り立ち得るソーラー・セルを供給する為には、こう
いうアレーを比較的高価ではなく経済的に製造出来るこ
とが絶対条件である。

【０００７】

【問題を解決するための手段】この発明では、上に述べ
た従来の問題を大幅に削減し、前に引用した従来技術と
較べて、ソーラー・アレーを経済的に製造することが出
来る様なソーラー・アレーを形成する方法を提供する。

【０００８】簡単に言うと、この発明では、その表面に
自然の酸化アルミニウムを持つと考えられる様な標準型
の可撓性アルミニウム箔の第１のシートを設けて、ソー
ラー・アレーを形成する。シリコンの球を配置すべき場
所で箔を打出して、金属マトリクスを形成する。その
後、箔をきれいにして有機物を除き、打出しを行なった
薄い区域を除去してそこに開口を作る為にエッチングを
し、シリコン球を挿入する為の場所を作る。別のエッチ
ング工程を用いて、箔にマット面（ｍａｔｔｅｓｕｒｆ
ａｃｅ）を作る。箔が、それに適用すべき球に対するハ
ウジングを形成すると共にその前側接点を形成する。Ｐ
形の上にＮ形表皮部を持つシリコンの球を箔の表側にデ
ポジットし、箔の裏側に真空チャックを設けて、球を前
以って形成した開口に吸込み、その中に途中まで入れ
て、空気がこの開口を通過することを遮断する。最初は
開口の数に較べて過剰の数の球を使うので、最終的には
全ての開口が球で埋められ、その後使われなかった球
は、箔の後面をブラッシング等することによって除去さ
れる。

【０００９】次にシリコンの球をインパクト・プレスを
使うことによってアルミニウム箔に結合する。このプレ
スが球を開口の中に押込み、球の赤道が箔より上方にあ
って、箔の表側（太陽又は光の方を向いた側）に来る様
にする。強い力で球を開口の中にこの様に押込むことに
より、シリコンの球と接触した表面のアルミニウムが裂
け、その場所で新鮮なアルミニウムが露出する。アルミ
ニウムに対するシリコンの球の移動によって生ずる剪断
により、表面の酸化アルミニウムも削り落されて、この
様な露出した新鮮なアルミニウムが得られる。この作用
は、アルミニウム箔、特に露出したアルミニウムと接触
する球の部分から、酸化シリコンの実質上前部を除去す
る。この作用は、約５００℃乃至５７７℃未満の範囲内
の温度にアルミニウムをおいて行なわれ、この時、アル
ミニウムは固体であるが変形し易くなり、これに対して
シリコンはこの温度では依然として剛体である。（イン
パクトの持続時間が十分短かければ、５７７℃より高い
温度にすることも出来る。）新鮮なアルミニウムが２酸
化シリコンを浸食し、インパクトの際、インパクトを加
えた場所で実質的にそれを除去する。この様にして、シ
リコンとアルミニウムの間の結合が得られ、シリコンの
Ｎ形表皮層に対するアルミニウム接点が形成される。こ
の後、箔と球から成るアレーを周囲温度まで冷却して、
箔が再び硬化するのに任せる。

【００１０】次に、球が露出している箔の裏側をエッチ
して、そこにあるＮ形表皮部を除去する。これは、アル
ミニウム箔がシリコン・エッチャントに対するマスクと
して作用するからである。箔自体は、普通はその上にご
く薄い自然の酸化物コーティングが形成されている為
に、あまり反応性はない。次に、アレーを硫酸バス（ｂ
ａｔｈ）（約１０％Ｈ₂ ＳＯ₄ ）内に約１／２分間入れ
てアレーを陽極酸化し、アルミニウムの上に酸化物コー
ティングを設ける。次に、アルミニウムを密封してシリ
コンを陽極酸化する為に、０．５％Ｈ₃ ＰＯ₄ を含む別
の陽極酸化バスを用いる。この様にして約１０μｍのＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 及び０．１μｍのＳｉＯ₂ が成長する。次に球
の後面をラップして、それと接触させる為の面を設け
る。ラップ過程により、この面が粗面化され、この為良
好なオーミック接点が形成されるようになる。次に、薄
いアルミニウムの第２の箔をラップした面に適用し、５
００℃乃至５７７℃未満の範囲内の温度まで予熱した
後、箔をラップした領域にインパクト・プレスして、こ
の領域に対する接点を形成する。

【００１１】リール形実施例でアレーを形成する場合、
第２の箔を球に結合する前に、隣接するアレーの間の場
所で、表皮部を２つの箔の間に配置する。この実施例で
は、第２の箔を球に結合する際、上側及び下側の箔を表
皮部に押付けるが、それと結合はしない。その後、アレ
ーの両側で、表皮部の上で箔を適当にけがき、アレーの
両側で、各々の箔に対する箔延長部を設ける。次にこの
箔延長部を直列回路に互いに接続して、拡大回路を形成
することが出来る。

【００１２】上に述べた様な表皮部を持つアレーをけが
き、互いに分離し、面取りして、長方形のアレーの片側
だけが接点の形で外向きに伸びる第２の箔部分を持つ様
にすることが出来る。こういう接点を他のアレーの第１
の箔部分に任意の幾何学的な形で接続して、入力及び出
力を持つモジュールを作る。

【００１３】その結果、各々のシリコンの球のおもな部
分がアレーの前側に配置されて太陽光線を受取る為に利
用し得る表面の大きさを大きくしたソーラー・セルが得
られる。更に、当然ながら、このアレーは可撓性であ
り、アルミニウム箔に光反射器を持っており、比較的少
数の高価ではない材料及び処理工程を用いて提供され
る。

【００１４】

【実施例】第１図及び第２図には、この発明に従ってソ
ーラー・アレーを形成する為の、この発明の特徴を利用
した処理工程が略図で示されている。最初、厚さ約２ミ
ルのアルミニウム箔１を用意する。この箔は可撓性であ
って、環境に対して普通に露出している為に、その表面
にごく薄い自然の酸化物層を持っているのが普通であ
る。以下の説明はソーラー・アレーの１個の部材に関す
るものであるが、前に説明した従来技術から判る様に、
アレー全体には多数のアレー部材があることを承知され
たい。

【００１５】最初にアルミニウム箔１を（ａ）に示す様
に周期的な６角形の配置で、例えば中心間１６ミルで打
出し、厚さが薄くなった打出し部３は、その中に配置し
ようとする球の直径より若干小さい直径にする。打出し
部は円形又は６角形の様なその他の幾何学的な形であっ
てよい。多角形の打出しの場合、中心を通って多角形を
横切る線は、これに適用する球の直径より小さくする。
次に、箔を洗浄して有機物を除去し、その後（ｂ）に示
す様に熱した水酸化ナトリウム又はカリウムを用いてエ
ッチし、箔の内、打出し部３を作った領域を除去すると
共に、その場所に開口５を設ける。打出し領域３は、エ
ッチングの間、箔の他の部分よりも一層薄手である為
に、箔の他の部分より先に除去されると共に、そこで行
われた打出しによる冷間加工がなされている為にも、エ
ッチされるのが一層速い。これをアルミニウム・マトリ
クスと呼ぶ。

【００１６】この点で、随意選択により、２５％ＨＦ、
６０％ＨＮＯ₃ 及び１５％氷酢酸であるエッチャントの
５０％溶液を用いたエッチングにより、箔に或る生地を
持たせ、後方反射を最小限に抑えるマトリクス面を作る
ことが出来る。

【００１７】（ｃ）に示す様に、Ｎ形表皮部９及びＰ形
内部１１を持つ複数個のシリコンの球７を箔１上のマト
リクスの上側１５にデポジットし、真空チャックを用い
て箔の裏側１３に真空を加えて、球７を開口５の中に引
込む。最初に箔の裏側では、開口５の数に比べて過剰の
球７を用いるので、全ての開口が球７で埋まり、その後
過剰の球７がブラシがけ等により、箔１の上側から除去
される。ここで用る球は直径が１４．５ミルであること
が好ましく、前に述べた様に、開口５の断面直径は１
４．５ミルより小さく、箔の裏側で箔に真空がかけられ
るが、その理由は後で説明する。

【００１８】この後、（ｄ）に示す様に、箔を加熱し、
ついでインパクト・プレスを使うことにより、球７がア
ルミニウム箔１の開口５の中に結合される。この時、球
７が素早く開口５の中に埋込まれ、開口内で剪断作用を
生じ、それが開口の所の箔の内面にある酸化アルミニウ
ムを削取り、新鮮なアルミニウム元素を露出する。前に
述べた様に、球７が開口５の中に埋込まれる時にアルミ
ニウムは５３０℃の温度に加熱されており、この為アル
ミニウムは反応性であって、機械的な性質が幾分粘性を
持ち、容易に変形する。従って、元素のアルミニウムが
球の上にある非常に薄い自然の酸化シリコン層と反応し
て、それを除去し、この為箔１のアルミニウムがこの時
球のＮ形層９内にあるシリコン元素と直接的に結合し
て、それに対する接点を形成することが出来る。

【００１９】球の赤道がアルミニウム箔１より上方、又
はその上方１５にある様に、球７が開口５内に配置され
る。こういう配置は、アルミニウム箔１の上下に配置さ
れた圧力パッドを使うことによって可能になる。圧力パ
ッドはクッションとして作用する窒化硼素の粉末の様な
離型剤で被覆した厚さ約８ミルのアルミニウム箔で形成
されており、この為、インパクト・プレスのハンマーが
インパクトを加える際に球を損傷することがない。更
に、圧力パッドがハンマーの衝撃を吸収する。箔１の１
５側にある上側の圧力パッドで箔１の１３側にある下側
の圧力パッドよりも厚手であって、前に述べた様に、球
の赤道が箔からずれる様にする。２ｃｍ平方のアレーに
対し、約４８フィート・ポンドのインパクト・エネルギ
ぎ首尾よく作用することが判った。この為、アルミニウ
ムがこの時シリコンに直接的に結合されることは、前に
述べた通りである。

【００２０】箔１の後側の面１３及び球７の内、この側
にある部分を、この後（ｅ）に示す様にエッチャントを
用いてエッチして、Ｎ形層９の内、アレー後面の上にあ
る部分を取去り、Ｐ形領域を露出する。自然の酸化物を
その上に持つアルミニウム箔１がこのエッチャントに対
してマスクとして作用し、アレーの後側１３にある層９
の部分だけを除去することが出来る様にする。この後、
アレーを脱イオン水で洗滌してエッチャントを除き、次
に（ｆ）に示す様に、約２０ボルトで約１／２分間の
間、１０％Ｈ₂ ＳＯ₄ 溶液内でアレーを陽極酸化して、
露出したシリコン及びアルミニウム箔１を不働態化す
る。次に約２０ボルトで約１／２分間０．５％Ｈ₃ ＰＯ
₄ 溶液内でアレーを陽極酸化する。陽極酸化に要する時
間は、バスの電流がゼロになって打切られる時の関数で
あり、これが約１／２分であることが判った。燐酸を使
うことが重要であり、これは酸化アルミニウム内の孔を
塞ぎ、前にエッチしたシリコン表面に約１，０００Åの
酸化物層２１を作ることが判った。

【００２１】次に、陽極酸化の際に形成された後側２１
を周知の方法で機械的に削磨することにより、陽極酸化
したアレーの球７をラップする。このラッピングによ
り、２酸化シリコン２１及び若干のシリコンの両方が除
去されて、球７の後面１７が平坦になり、１７に示す様
に粗面が得られ、この為その上にオーミック接点を形成
することが出来る。次に、約１／２ミルのアルミニウム
の薄箔１９を（ｈ）に示す様に各々の球７の後面１７の
上に配置して、それがラップした平坦な領域１７の上に
来る様にする。このアルミニウムは好ましくは５３０℃
の温度、又は約５００乃至５７７℃の範囲内の温度に加
熱するが、前に述べた様な条件がある。加熱された箔１
９がこの後インパクト・プレスによって球７に圧着さ
れ、このインパクトによって露出したアルミニウムと、
ラッピング並びにアルミニウム元素によるインパクトの
為に球７の後面で露出したシリコンとの間の結合部が形
成される。前に（ｄ）について述べたのと同じ様に結合
を行なうことにより、シリコン領域１１に対する箔の接
点１９が形成される。アルミニウム箔１の陽極酸化の
為、この箔の表面の上には厚い酸化アルミニウムがあっ
て、箔１の及び箔１９の間の短絡を防止する。（（ｉ）
に示す様に、アレーの前側の面の上に標準的な反射防止
コーティングを適用し、シリコンの光の吸収を改善する
ことが出来る。）従って、シリコンの球の大部分が入射
する太陽光線に露出し、アレーが可撓性であって、使わ
れる処理並びに使われる材料が比較的高価でなく且つ数
が少ない様にして、ソーラー・アレーが提供されたこと
が理解されよう。

【００２２】実際の処理工程では、上に述べた様なアレ
ーは、別々のアレーとしてではなく、リール形の実施例
で設けるのが普通である。その後、アレーは寸法が例え
ば１ｍ×２ｍである様なモジュールに形成され、こうい
う設計のままで試験される。これまで述べた様にして形
成された各々のアレーは各辺が１０ｃｍ程度であるのが
普通である。

【００２３】上に述べた様なソーラー・アレーをリール
形に作り、それからモジュールを形成する為には、図３
乃至図６に示す様な手順に従う。最初に図３について説
明すると、この図にはアレー相互接続装置が１次元で示
されている。図３（ａ）では、前側の接点箔部材３３に
球３１を固定した１個のアレー３０が示されており、後
側箔部材３５はまだ球に取付けられていない。図４
（ａ）にはっきりと示されている様に、アレー３０の間
にシム３７を挿入する。図４（ａ）から判る様に、前側
の箔３３は後側の箔３５より寸法が小さいが、その理由
は後で明らかになる。

【００２４】次に図３（ｂ）を見ると、この時後側の箔
３５が球３１及びシム３７と接触していることが判る。
上側の箔３３もシムと接触している。これは図１の工程
（ｈ）で、この処理工程の一部分として後側の箔３５を
球３１に結合する時に達成される。箔３３，３５はシム
３７に接着せず、単にそれと接触しているだけである。
この後、次にシムの上の、図３（ｂ）のＶ字形記号の場
所で箔をけがき、アレーを互いに分離し且つシムを取外
した後、図３（ｃ）及び図４（ｃ）に示す様な装置を作
る。次に図３（ｃ）及び図４（ｂ）に示す様なアレーを
図４（ｃ）に示す様に面取りして、後側の箔３５の一部
分である４つの耳を作る。これらの耳はアレーの四角の
各辺にあって、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと記してある。次に図３
（ｄ）及び図４（ｄ）に示す様に、耳Ｂ，Ｃ，Ｄをアレ
ーの下に折返し、その後図３（ｅ）に示す様に、超音波
結合等により、耳Ａをこの後、アレーの耳Ｂ，Ｃ又はＤ
の内の１つに結合することにより、このアレーをこの後
のアレーに固定する。

【００２５】相互接続工程は図５の３次元表示の装置で
示す様に行なうことが出来る。この装置では、耳Ａが伸
出している１つのアレーを、別のアレーの耳Ｂ，Ｃ又は
Ｄの内の１つとこの耳Ａとが接触する様に位置ぎめす
る。この手順を直線又はその他の通路で続けて、完全な
モジュールを作る。完成されたモジュールが図６に示さ
れており、耳Ａが隣接するアレー３０の耳Ｂ，Ｃ又はＤ
に固定されて、６０個のアレーの直列回路を形成する前
後に配置された通路を作る。更に、モジュールに対する
入力４１及び出力４３となる耳を設ける。

【００２６】図６のモジュールを形成した後、図２につ
いて説明すると、モジュールを試験し、試験に成功すれ
ば、モジュールは支持材料等に取り付けられる工程に進
み、その後結合出で耳を超音波で結合し、その後モジュ
ールをカプセル封じして、環境に対する適当な封じを施
す。次にカプセル封じしたモジュールを標準的に試験
し、動作し得るモジュールが使える状態になる。

【００２７】この発明を特定の好ましい実施例について
説明したが、当業者にはいろいろな変更が考えられよ
う。従って特許請求の範囲は、この様な全ての変更を抱
括する様に、従来技術から見て可能な限り広く解釈され
るべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従ってソーラー・アレーを形成するの
に使われる処理工程を示す略図。

【図２】図１のプロセスを示すプロセス線図。

【図３】１次元で表わしたアレー相互接続手順を示す略
図。

【図４】２次元で示したアレー相互接続手順を示す略
図。

【図５】３次元で表わしたアレー相互接続を示す略図。

【図６】本発明のモジュールの略図。

【符号の説明】

１ 第１のアルミニウム箔 ５ 開口 ７ シリコンの球 ９ Ｎ型表皮部 １１ Ｐ型内部 １９ 第２のアルミニウム箔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ソーラー・アレーを形成する方法に於い
   て、 （ａ） 第１のアルミ箔を用意し、 （ｂ） 前記第１アルミ箔の所定位置に開口を形成し、 （ｃ） 表皮部が第１導電形でその表皮部下が第２導電
   形の半導体粒子を前記開口の各々に、該半導体粒子が前
   記第１アルミ箔の両側から突出するように配置し、 （ｄ） 前記第１アルミ箔の片側にある前記第１導電形
   表皮部を除去し、 （ｅ） 前記第１アルミ箔の前記片側、並びに前記第１
   導電形表皮部が除去された前記半導体粒子面の上に絶縁
   層を形成し、 （ｆ） 前記第１導電形表皮部が除去された前記半導体
   粒子面の一部、並びにそれを覆う前記絶縁層を除去し、 （ｇ） 前記半導体粒子面の一部が除去された領域に第
   ２のアルミニウム箔を結合するステップを含むソーラー
   ・アレーを形成する方法。