JP2011108763A - Solar cell and method of manufacturing the same, and solar cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブを用いた太陽電池およびその製造方法並びにこの太陽電池を用いた太陽電池装置に関するものである。 The present invention relates to a solar cell using carbon nanotubes, a manufacturing method thereof, and a solar cell device using the solar cell.
太陽電池は、単結晶、多結晶、アモルファスシリコンからなるシリコン系のものが主流であり、住宅や事業所などに普及しつつあるが、エネルギーの変換効率が低いという欠点がある。エネルギーの変換効率が低い要因の一つして、通常の太陽電池は、バンドギャップが１つしかなく、バンドギャップ未満のエネルギーを有する長波長光線については光電変換できず、逆に、バンドギャップを超えるエネルギーを有する短波長光線については、バンドギャップ分のエネルギーしか光電変換できなかった。 Solar cells are mainly made of silicon based on single crystal, polycrystal, and amorphous silicon and are becoming popular in homes and offices, but have a drawback of low energy conversion efficiency. One of the causes of low energy conversion efficiency is that a normal solar cell has only one band gap, and can not photoelectrically convert long-wavelength light having energy less than the band gap. About the short wavelength light which has the energy exceeding, only the energy for a band gap was able to be photoelectrically converted.
このような欠点に対処するものとして、２つ以上の異なるバンドギャップを有する太陽電池が提案されている（特許文献１参照）。 As a countermeasure against such a drawback, a solar cell having two or more different band gaps has been proposed (see Patent Document 1).
上述したように、エネルギーの変換効率を向上させるためには、特許文献１に示すように、２つ以上のバンドギャップを有するように、言い換えれば、バンドギャップを細かく調整することが考えられる。 As described above, in order to improve the energy conversion efficiency, it is conceivable to finely adjust the band gap so as to have two or more band gaps, as described in Patent Document 1, in other words.
しかし、シリコン等の結晶を利用した半導体では、化合物半導体も含めて、元素の選択の仕方により、バンドギャップが固定されてしまい、任意のバンドギャップを得ることが困難であり、したがってエネルギーの変換効率の向上を図ることができなかった。また、タンデムタイプおよびそれ以上の重ね合わせタイプでは、上層の太陽電池が太陽光線を吸収および散乱させることになり、下部の太陽電池に必要な光が減衰してしまう。 However, in semiconductors using crystals such as silicon, the band gap is fixed depending on the element selection method, including compound semiconductors, and it is difficult to obtain an arbitrary band gap. It was not possible to improve. In addition, in the tandem type and the superposition type higher than that, the upper solar cell absorbs and scatters solar rays, and the light necessary for the lower solar cell is attenuated.
そこで、本発明は、エネルギーの変換効率の向上を図り得る太陽電池およびその製造方法並びにこの太陽電池を用いた太陽電池装置を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the solar cell which can aim at the improvement of the conversion efficiency of energy, its manufacturing method, and the solar cell apparatus using this solar cell.
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に配置されたｎ型またはｐ型の半導体層と、この半導体層の表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブと、これら各カーボンナノチューブの金属電極とは反対側に配置された透明電極とを具備し、
上記カーボンナノチューブを、主として金属的性質を有するように、つまり金属として形成するとともに、上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化させるようにしたものである。
In order to solve the above problems, a solar cell according to claim 1 of the present invention includes a metal electrode, an n-type or p-type semiconductor layer disposed on the surface of the metal electrode, and a surface perpendicular to the surface of the semiconductor layer. A plurality of juxtaposed carbon nanotubes, and a transparent electrode disposed on the opposite side of the metal electrode of each carbon nanotube,
The carbon nanotubes have mainly metallic properties, that is, formed as a metal, and the diameter of the juxtaposed carbon nanotubes is changed stepwise or continuously from one side to the other side. Is.
また、請求項２に係る太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に配置されたｎ型またはｐ型の半導体層と、この半導体層の表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブと、これら各カーボンナノチューブの金属電極とは反対側に配置された透明電極とを具備し、
上記各カーボンナノチューブを、主として金属的性質を有するように、つまり金属として形成するとともに、これら各カーボンナノチューブに炭素原子価とは異なる原子価を有する原子（半導体がｎ型の場合には５価以上の原子、ｐ型の場合には３価以下の原子）をドーピングし、
さらに上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化させるとともに、上記並置されたカーボンナノチューブに磁界を付与するように構成したものである。
A solar cell according to
Each of the carbon nanotubes is formed so as to have mainly metallic properties, that is, as a metal, and each carbon nanotube has an atom having a valence different from the carbon valence (if the semiconductor is n-type, the valence of 5 or more) In the case of p-type),
Further, the diameter of the juxtaposed carbon nanotubes is changed stepwise or continuously from one side to the other side, and a magnetic field is applied to the juxtaposed carbon nanotubes.
また、請求項３に係る太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に配置された半導体層と、この半導体層の表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブと、これら各カーボンナノチューブの金属電極とは反対側に配置された透明電極とを具備し、
上記各カーボンナノチューブを、主として金属的性質を有するように、つまり金属として形成するとともに、これら各カーボンナノチューブに炭素原子価とは異なる原子価を有する原子をドーピングし、
さらに上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化させるとともに、上記並置されたカーボンナノチューブの直径に応じた、強さが異なる磁界を付与するように構成したものである。
A solar cell according to
Each of the carbon nanotubes is mainly formed to have metallic properties, that is, as a metal, and each carbon nanotube is doped with an atom having a valence different from the carbon valence,
Further, the diameter of the juxtaposed carbon nanotubes is changed stepwise or continuously from one side to the other side, and a magnetic field having a different strength is applied according to the diameter of the juxtaposed carbon nanotubes. It is configured.
また、本発明の請求項４に係る太陽電池の製造方法は、金属電極の表面に半導体層を形成し、
次にこの半導体層の表面に且つ当該表面に垂直に、複数のカーボンナノチューブを、その直径が一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化するように並列に且つ主として金属的性質を有するように、つまり金属として形成し、
次にこれら各カーボンナノチューブの端面に透明電極を形成する方法である。
Moreover, the manufacturing method of the solar cell which concerns on
Next, on the surface of the semiconductor layer and perpendicular to the surface, a plurality of carbon nanotubes are arranged in parallel and mainly in a metallic manner so that the diameter changes stepwise or continuously from one side to the other side. That is, as a metal,
Next, a transparent electrode is formed on the end face of each carbon nanotube.
さらに、本発明の請求項５に係る太陽電池装置は、
請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池を用いた装置であって、
太陽電池の透明電極の表面に、太陽光線を分光させる分光器を配置するとともに、この太陽電池における各カーボンナノチューブにて得られた電気を所定電圧に調整する電圧調整器を具備したものである。
Furthermore, the solar cell device according to
A device using the solar cell according to claim 1,
A spectroscope that separates sunlight rays is disposed on the surface of the transparent electrode of the solar cell, and a voltage regulator that adjusts the electricity obtained from each carbon nanotube in the solar cell to a predetermined voltage is provided.
上記太陽電池およびその製造方法並びにこの太陽電池を用いた太陽電池装置の構成によると、透明電極と金属電極との間にカーボンナノチューブを配置するとともに、このカーボンナノチューブの直径を、順次、段階的にまたは連続的に変化させるようにしたので、例えば太陽光線を分光させた際に、それぞれの波長に応じたバンドギャップを有するカーボンナノチューブを形成しておくことができる。したがって、太陽光線の広範囲の波長領域に亘って光電変換を行うことができるので、エネルギーの変換効率が優れた、すなわち光電変換効率が優れた太陽電池および太陽電池装置を提供することができる。 According to the configuration of the solar cell, the manufacturing method thereof, and the solar cell device using the solar cell, the carbon nanotubes are arranged between the transparent electrode and the metal electrode, and the diameters of the carbon nanotubes are sequentially and stepwise. Alternatively, since it is changed continuously, for example, when sunlight is dispersed, carbon nanotubes having band gaps corresponding to the respective wavelengths can be formed. Therefore, since it is possible to perform photoelectric conversion over a wide wavelength range of sunlight, it is possible to provide a solar cell and a solar cell device with excellent energy conversion efficiency, that is, excellent photoelectric conversion efficiency.
そして、カーボンナノチューブを、主として金属的性質を有するように、つまり金属として形成したので、大きいバンドギャップが得られ、より短い波長、すなわち広範囲の波長領域に対応することができる。 Since the carbon nanotubes are mainly formed so as to have metallic properties, that is, as a metal, a large band gap can be obtained, and a shorter wavelength, that is, a wide wavelength range can be dealt with.
さらに、このカーボンナノチューブに磁界を付与するようにしたので、より一層、広範囲の波長領域に対応することができ、言い換えれば、通常の半導体としてのカーボンナノチューブに比べると、径が大きいもので対応することができる。すなわち、太陽電池の製作が容易となる。 Furthermore, since a magnetic field is applied to the carbon nanotube, it is possible to cope with a wider range of wavelengths, in other words, with a larger diameter than a carbon nanotube as a normal semiconductor. be able to. That is, the solar cell can be easily manufactured.
以下、本発明の実施の形態に係る太陽電池およびその製造方法並びにこの太陽電池を用いた太陽電池装置を具体的に示した実施例に基づき説明する。 Hereinafter, a solar cell according to an embodiment of the present invention, a method for manufacturing the solar cell, and a solar cell device using the solar cell will be described based on specific examples.
以下、本実施例１の太陽電池およびその製造方法、並びにこの太陽電池を用いた太陽電池装置について説明するが、まず本実施例１に係る太陽電池の基本的な構成について説明する。 Hereinafter, although the solar cell of this Example 1, its manufacturing method, and the solar cell apparatus using this solar cell are demonstrated, the basic structure of the solar cell which concerns on this Example 1 is demonstrated first.
この太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に配置された半導体基板（半導体層）と、この半導体基板の表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブと、これら各カーボンナノチューブの金属電極とは反対側に配置された透明電極とを具備し、且つ上記カーボンナノチューブを、主として、金属的性質を有するように形成するとともに、上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させたものである。 The solar cell includes a metal electrode, a semiconductor substrate (semiconductor layer) disposed on the surface of the metal electrode, a plurality of carbon nanotubes juxtaposed perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, and a metal electrode of each of these carbon nanotubes. Comprises a transparent electrode disposed on the opposite side, and the carbon nanotubes are mainly formed to have metallic properties, and the diameter of the juxtaposed carbon nanotubes is increased from one side to the other side. It was changed in stages.
この基本的な構成をもう少し詳しく説明すると、上記カーボンナノチューブについては、電極表面に対して垂直（所謂、垂直配向である）に且つ多数（ここでは、３つ以上であり、言い方によっては、「３つ以上の複数」ということもできる）並列に設けられたもので、例えば多数領域に且つ列状に分けられるとともにこれら各領域毎にその直径が段階的に変化されたものである。 This basic structure will be explained in more detail. The carbon nanotubes are perpendicular to the electrode surface (so-called vertical alignment) and many (here, three or more, depending on the phrase, “3 For example, it is divided into a large number of regions and arranged in rows, and the diameter of each region is changed stepwise.
具体的には、多数のカーボンナノチューブからなる領域（以下、チューブ列ともいう）が５つ（３つ以上、すなわち３列以上であればよい）並列に設けられる（並置される）とともに、これらのカーボンナノチューブの直径をチューブ列毎に段階的に変化させたもので、例えば太いものから細いものが順番に設けられている。そして、このカーボンナノチューブについては、主として金属的性質を有するように（金属と同様の自由電子帯を有するように）、つまり金属として形成される。 Specifically, five regions (hereinafter also referred to as tube rows) made of a large number of carbon nanotubes are provided (arranged in parallel) with five (three or more, that is, three or more rows) in parallel. The diameter of the carbon nanotube is changed stepwise for each tube row, and for example, the thickest to the thinner are provided in order. The carbon nanotubes are mainly formed so as to have metallic properties (to have a free electron band similar to that of metals), that is, as a metal.
ここで、カーボンナノチューブの物理的性質について説明しておくと、カーボンナノチューブには、金属としての性質を有するものと半導体としての性質を有するものとがあり、これらの作り分けはカイラリティを制御することにより行われる。具体的には、カーボンナノチューブを形成する際に基板の表面に配置される触媒微粒子の大きさ、クリフの高さなどを制御することにより行うことができる。 Here, the physical properties of carbon nanotubes will be explained. Carbon nanotubes can be classified into metal properties and semiconductor properties, and these can be used to control chirality. Is done. Specifically, the carbon nanotubes can be formed by controlling the size of catalyst fine particles arranged on the surface of the substrate, the height of the cliff, and the like.
例えば、カーボンナノチューブの結晶構造としては、アームチェア型、ジグザグ型などがあるが、アームチェア型については、金属と同様の電気伝導性を有している。したがって、カーボンナノチューブとしては、アームチェア型［カイラル指数の差がゼロ（ｎ−ｍ＝０）、またはカイラル指数の差が３の倍数となる］のものが形成される（製造方法は、例えば特開２００４−７５４２２号公報に開示されている）。その他、なお、「主として金属的性質を有する」という表現を用いたのは、カーボンナノチューブ全体を金属として形成できない場合、すなわち半導体カーボンナノチューブが混入している場合でも、光は光電変換可能なカーボンナノチューブに吸収されるため、発電は可能である。例えば、４０％程度の割合で半導体カーボンナノチューブが混入している場合でも、十分な（実用的な）発電が可能である。 For example, the crystal structure of the carbon nanotube includes an armchair type and a zigzag type, and the armchair type has electric conductivity similar to that of metal. Therefore, as the carbon nanotube, an armchair type (a difference in chiral index is zero (nm = 0) or a difference in chiral index is a multiple of 3) is formed (the manufacturing method is, for example, a special method). No. 2004-75422). In addition, the expression “mainly having metallic properties” is used because carbon nanotubes that can be photoelectrically converted even when the entire carbon nanotubes cannot be formed as metal, that is, when semiconductor carbon nanotubes are mixed. It is possible to generate electricity. For example, even when semiconductor carbon nanotubes are mixed at a rate of about 40%, sufficient (practical) power generation is possible.
ところで、上述したカーボンナノチューブの形成方向である「垂直」には、当然ながら許容範囲があり、カーボンナノチューブの根元と先端とを結ぶ直線が、電極表面の垂線に対して、例えば９０±１０°の範囲内であればよい。この意味では、「略垂直」と言い換えることもできる。 Incidentally, the above-mentioned “vertical”, which is the formation direction of the carbon nanotube, naturally has an allowable range, and the straight line connecting the root and the tip of the carbon nanotube is, for example, 90 ± 10 ° with respect to the perpendicular to the electrode surface. It may be within the range. In this sense, it can be paraphrased as “substantially vertical”.
ここで、上記基本的構成に係る太陽電池の製造方法を、図１および図２に基づき説明する。
まず、図１に基づき太陽電池の具体的な構成について説明しておく。
Here, the manufacturing method of the solar cell which concerns on the said basic structure is demonstrated based on FIG. 1 and FIG.
First, a specific configuration of the solar cell will be described with reference to FIG.
この太陽電池１は、アルミニウム（Ａｌ）［銅（Ｃｕ）を用いることもできる］より形成されるとともに長方形の板状にされた金属電極２と、この金属電極２の上面（表面）に配置され且つシリコン（Ｓｉ）より形成された長方形の基板に元素周期表の第３族元素であるホウ素（Ｂ）がドーピングされてなるｐ型半導体基板（半導体層）３と、このｐ型半導体基板３の上面（表面）に且つ当該上面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブ４と、これら各カーボンナノチューブ４の上面（端面）に配置された透明電極（ＦＴＯ，ＺｎＯ，ＩＴＯ，ＦＴＯ／ＩＴＯ，ＧＺＯ，ＡＺＯなどが用いられる）５とが具備され、また上記並置されたカーボンナノチューブ４については、主として金属的性質を有するもの、つまり金属として形成されるとともに、その直径が、太いものから細いものへと、順次、変化されたものである。具体的には、カーボンナノチューブ４は３つ以上（多数）の列状でもって、ここでは、５つの列状でもって形成されているものとして説明する。勿論、カーボンナノチューブの配列は、その直径を連続的に変化させるようにしたものでもよい。
The solar cell 1 is formed of aluminum (Al) [copper (Cu) can also be used] and is disposed on a rectangular plate-
次に、上記太陽電池１を用いた太陽電池装置１１について説明する。
すなわち、図１に示すように、上記太陽電池１のカーボンナノチューブ４のチューブ列（４ａ〜４ｅ）に太陽光線の分光が照射されるように、分光器（分光素子である）１２を配置し、分光された光線が、それぞれの波長に対応するチューブ列（４ａ〜４ｅ）の透明電極５上に導かれるようにする。
Next, the
That is, as shown in FIG. 1, a spectroscope (which is a spectroscopic element) 12 is arranged so that the spectrum of solar rays is irradiated onto the tube rows (4a to 4e) of the
そして、各透明電極５に電気配線１３を介して電圧調整器１４が接続されて、所定の電圧が得られるようにされている。なお、この電圧調整器１４は、チューブ列（４ａ〜４ｅ）に電気配線１３を介して接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、これらＤＣ／ＤＣコンバータ１６に電気配線１７を介して接続された電力加算部１８とから構成されて、所定電圧の電力が出力される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、各チューブ列（４ａ〜４ｅ）から取り出される電圧が同一（所定電圧）となるように調整（変換）するためのものである。
And the
次に、図２に基づき、上記太陽電池１の要部であるカーボンナノチューブの部分を主体とした太陽電池の製造方法を概略的に説明しておく。
まず、図２（ａ）に示すように、ｐ型半導体基板（ｎ型でもよい）３の上面（表面）に、電子ビームを用いて（スパッタ法、真空蒸着法で薄膜形成したものであってもよい）鉄（Ｆｅ）の触媒微粒子１０（１０ａ〜１０ｅ）をチューブ列（４ａ〜４ｅ）に対応して形成した後、加熱処理を行う。この鉄の触媒微粒子１０（１０ａ〜１０ｅ）については、各チューブ列（４ａ〜４ｅ）毎の直径に応じた大きさにされている。例えば、図面の左寄りのチューブ列には直径が大きいものが、また右寄りのチューブ列には直径が小さいものが配置される。すなわち、左側の触媒微粒子１０の直径が大きくされて、右側の触媒微粒子１０の直径が小さくされている。
Next, based on FIG. 2, the manufacturing method of the solar cell which mainly has the part of the carbon nanotube which is the principal part of the said solar cell 1 is demonstrated roughly.
First, as shown in FIG. 2A, a thin film is formed on the upper surface (surface) of a p-type semiconductor substrate (which may be n-type) 3 by using an electron beam (sputtering or vacuum deposition). Alternatively, iron (Fe) catalyst fine particles 10 (10a to 10e) are formed corresponding to the tube rows (4a to 4e), and then heat treatment is performed. The iron catalyst fine particles 10 (10a to 10e) are sized according to the diameter of each tube row (4a to 4e). For example, the left tube row in the drawing has a large diameter, and the right tube row has a small diameter. That is, the diameter of the left catalyst
次に、図２（ｂ）に示すように、熱ＣＶＤ法により、鉄の触媒微粒子１０（１０ａ〜１０ｅ）上にカーボンナノチューブ４（４ａ〜４ｅ）を形成する。このとき、触媒微粒子１０の大きさに応じて、その上面に形成されるカーボンナノチューブ４の直径つまり太さが決まるとともに、カイラリティの制御により、主として、金属的性質を有するものが形成される。なお、カーボンナノチューブ４の長さについては時間と濃度とに依存する。
Next, as shown in FIG. 2B, carbon nanotubes 4 (4a to 4e) are formed on the iron catalyst fine particles 10 (10a to 10e) by a thermal CVD method. At this time, the diameter, that is, the thickness of the
次に、図２（ｃ）に示すように、電極区切り部分にマスクをして、各チューブ列（４ａ〜４ｅ）の上面（端面）に透明電極５をＰＶＤ法により形成する。そして、最後に、底面の半導体の裏にＡｌなどの金属電極２をスパッタ法、真空蒸着法などにより付ける。
Next, as shown in FIG.2 (c), the electrode partition part is masked and the
ここで、金属的性質を有するカーボンナノチューブ、すなわち金属のカーボンナノチューブの光電変換能力について説明する。
この金属のカーボンナノチューブにおいても、半導体性質を有するカーボンナノチューブと同様に、光を吸収すると、電子が内側軌道の伝導帯から外側軌道の伝導帯に遷移（Ｍ１遷移と呼ばれている）するという性質を有しており、比較的大きいバンドギャップを有している。
Here, the photoelectric conversion ability of carbon nanotubes having metallic properties, that is, metal carbon nanotubes will be described.
In this carbon nanotube of metal, as in the case of carbon nanotubes having semiconductor properties, when light is absorbed, the property is that electrons transition from the conduction band of the inner orbit to the conduction band of the outer orbit (referred to as M1 transition). And has a relatively large band gap.
そして、カーボンナノチューブの直径が異なる場合、それぞれのバンドギャップの値が異なり（直径が小さいほど、バンドギャップが大きくなる）、したがって分光された太陽光線が持っているエネルギーｈνと等しいバンドギャップを持った直径のカーボンナノチューブを作っておくことにより、多くの波長に対処することができる。 And when the diameters of the carbon nanotubes are different, the values of the respective band gaps are different (the smaller the diameter, the larger the band gap), and thus the band gap equal to the energy hν of the dispersed sunlight. Many wavelengths can be dealt with by making carbon nanotubes of diameter.
具体的に説明すると、バンドギャップの異なるカーボンナノチューブ（バンドギャップがＥｇ１〜Ｅｇｎ、但し、Ｅｇｎ−１＜Ｅｇｎ）がｎ個ある場合、Ｅｇ２より小さくＥｇ１以上のエネルギーを持った光はバンドギャップＥｇ１の太陽電池で受光されて光電変換が行われる。また、Ｅｇ３より小さくＥｇ２以上のエネルギーを持った光については、バンドギャップＥｇ２の太陽電池で受光されて光電変換が行われる。以下、同様に、バンドギャップＥｇｎを越え、紫外線までの最大エネルギーを有する光については、Ｅｇｎのバンドギャップを持った太陽電池で受光して光電変換が行われる。 More specifically, when there are n carbon nanotubes with different band gaps (band gap is Eg 1 to Eg n , where Eg n-1 <Eg n ), the energy is smaller than Eg 2 and higher than Eg 1 The light is received by the solar cell having the band gap Eg 1 and subjected to photoelectric conversion. Further, light having energy smaller than Eg 3 and greater than or equal to Eg 2 is received by a solar cell having a band gap Eg 2 and subjected to photoelectric conversion. Hereinafter, similarly, beyond the band gap Eg n, for light having a maximum energy of up to ultraviolet, photoelectric conversion is performed is received by the solar cell with a bandgap of Eg n.
このような構成の太陽電池を用いることにより、光電変換し得るエネルギー量を図示すると、図３（ａ）のグラフのようになる。なお、比較例として、従来技術であるタンデム型の太陽電池の場合を（ｂ）に示しておく。これらのグラフから、カーボンナノチューブの直径を順次段階的に変化させることにより得られる、つまり光電変換し得るエネルギー量が格段に優れていることが分かる。 The amount of energy that can be photoelectrically converted by using the solar cell having such a configuration is shown in the graph of FIG. As a comparative example, the case of a conventional tandem solar cell is shown in FIG. From these graphs, it can be seen that the amount of energy that can be obtained by sequentially changing the diameter of the carbon nanotubes, that is, the amount of energy that can be photoelectrically converted, is remarkably excellent.
すなわち、この太陽電池およびその製造方法、並びにこの太陽電池を用いた太陽電池装置の構成によると、金属電極と透明電極との間にカーボンナノチューブを配置するとともに、このカーボンナノチューブの直径を、順次、段階的に（または連続的に）変化させるようにしたので、例えば太陽光線を分光させた際に、それぞれの波長に応じたバンドギャップを有するカーボンナノチューブを形成しておくことができる。したがって、太陽光線の広範囲の波長領域に亘って光電変換を行うことができるので、エネルギーの変換効率が優れた、すなわち光電変換効率が優れた太陽電池および太陽電池装置を提供することができる。 That is, according to the configuration of the solar cell and the manufacturing method thereof, and the solar cell device using the solar cell, the carbon nanotube is disposed between the metal electrode and the transparent electrode, and the diameter of the carbon nanotube is sequentially changed. Since it is changed stepwise (or continuously), for example, when sunlight is dispersed, carbon nanotubes having a band gap corresponding to each wavelength can be formed. Therefore, since it is possible to perform photoelectric conversion over a wide wavelength range of sunlight, it is possible to provide a solar cell and a solar cell device with excellent energy conversion efficiency, that is, excellent photoelectric conversion efficiency.
そして、カーボンナノチューブを、主として金属的性質を有するように、つまり金属として形成したので、大きいバンドギャップが得られ、より短い波長、すなわち広範囲の波長領域に対応することができる。 Since the carbon nanotubes are mainly formed so as to have metallic properties, that is, as a metal, a large band gap can be obtained, and a shorter wavelength, that is, a wide wavelength range can be dealt with.
以下、本発明の実施例２に係る太陽電池およびその製造方法、並びにこの太陽電池を用いた太陽電池装置について説明する。
上記実施例１においては、カーボンナノチューブを、主として金属的性質を有するもの、つまり金属として説明したが、本実施例２においては、この金属として形成されたカーボンナノチューブに磁力付与手段（磁界付与手段）にて磁力（磁界）を付与することにより、半導体的性質を有するように、つまりカーボンナノチューブを半導体にしたものとして説明する。
Hereinafter, a solar cell according to Example 2 of the present invention, a manufacturing method thereof, and a solar cell device using the solar cell will be described.
In the first embodiment, the carbon nanotube is mainly described as having a metallic property, that is, a metal. However, in the second embodiment, a magnetic force applying means (magnetic field applying means) is applied to the carbon nanotube formed as the metal. By applying a magnetic force (magnetic field) at, it will be described as having semiconductor properties, that is, a carbon nanotube as a semiconductor.
以下、本実施例２について説明するが、実施例１と異なる箇所は、金属電極側に磁力付与手段として磁石体を配置するようにしたもので、したがって実施例１と同じ構成部材には同一の部材番号を付すとともにその構成については簡単に説明する。 Hereinafter, the second embodiment will be described. The difference from the first embodiment is that a magnet body is arranged as a magnetic force applying means on the metal electrode side. Therefore, the same components as those of the first embodiment are the same. A member number is given and its configuration will be briefly described.
図４に示すように、この太陽電池２１は、カーボンナノチューブ４を主として金属的性質を有するように、つまり金属として形成するとともに、金属電極２の下方（下面）に、１個の磁石体（電磁石でもよい）２２を配置したものである。なお、このとき、半導体基板（半導体層）３はｐ型（またはｎ型）にされるとともに、カーボンナノチューブ４には、炭素原子の原子価と異なる原子価を有する原子がドーピングされて、ｎ型またはｐ型にされる。例えば、カーボンナノチューブ４をｎ型にする場合には、元素周期表の第５族元素であるリン（Ｐ）がドーピングされ、またｐ型にする場合には、元素周期表の第３族元素であるホウ素（Ｂ）がドーピングされる。勿論、実施例１で説明したように、カーボンナノチューブ４を金属として形成する際には、カイラリティの制御が行われる。
As shown in FIG. 4, this
そして、磁石体２２により、カーボンナノチューブ４全体に同一強さの磁力（磁束量子半分磁界）を付与することにより、大きいバンドギャップを有する金属カーボンナノチューブを半導体とすることができ、またドープされている原子により、ｎ型またはｐ型にすることもできる。半導体化に伴って、バンドギャップの小さな準位も生じるが、入射光の波長が十分短い場合は、この遷移より高い準位への遷移が主体となる。
And, by applying a magnetic force (flux quantum half magnetic field) of the same strength to the
このように、カーボンナノチューブに磁力（磁界）を付与することにより、金属としてのギャップエネルギー（Ｍ１）に変化させ得るとともに、より一層、広範囲の波長領域に対応することができ、言い換えれば、通常の半導体としてのカーボンナノチューブに比べると、径が大きいもので対応することができる。すなわち、太陽電池の製作が容易となる。また、半導体に変化させてｐｎ接合にすることで、金属カーボンナノチューブのままでの接合に比べて、発電効率を向上させることができる。 As described above, by applying a magnetic force (magnetic field) to the carbon nanotube, the gap energy (M1) as a metal can be changed, and a wider wavelength range can be dealt with. Compared with a carbon nanotube as a semiconductor, it can cope with one having a large diameter. That is, the solar cell can be easily manufactured. Further, by changing to a semiconductor to form a pn junction, the power generation efficiency can be improved as compared with the junction using metal carbon nanotubes.
上述したチューブ列（４ａ〜４ｅ）に対する具体的な数値、すなわち太陽光線の波長と、バンドギャップと、カーボンナノチューブの直径との関係を下記の表１に示す。 Table 1 below shows specific numerical values for the above-described tube rows (4a to 4e), that is, the relationship between the wavelength of sunlight and the band gap and the diameter of the carbon nanotube.
上述した太陽電池およびその製造方法、並びにこの太陽電池を用いた太陽電池装置の構成によると、実施例１と同様の効果に加えて、カーボンナノチューブが有するバンドギャップを大きくすることができるので、より一層、広範囲の波長の光線に対応することができる。 According to the above-described solar cell and the manufacturing method thereof, and the configuration of the solar cell device using this solar cell, in addition to the same effects as in Example 1, the band gap of the carbon nanotube can be increased. Furthermore, it is possible to deal with light beams in a wide range of wavelengths.
ここで、本実施例２に係る太陽電池の概略構成を示すと、以下のようになる。
この太陽電池は、金属電極２と、この金属電極２の表面に配置された半導体基板（半導体層）３と、この半導体基板３の表面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブ４と、これら各カーボンナノチューブ４の金属電極２とは反対側に配置された透明電極５とを具備し、
上記各カーボンナノチューブ４を、主として金属的性質を有するように、つまり金属として形成するとともに、これら各カーボンナノチューブ４に炭素原子価とは異なる原子価を有する原子、例えばリン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）をドーピングし、
さらに上記並置されたカーボンナノチューブ４の直径を一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化させるとともに、上記並置されたカーボンナノチューブ４に磁石体２２により磁力（磁界）を付与するようにしたものである。
Here, it is as follows when the schematic structure of the solar cell which concerns on the present Example 2 is shown.
The solar cell includes a
Each of the
Further, the diameter of the juxtaposed
また、太陽電池の製造方法についても、簡単に説明すると以下のようになる。
この製造方法は、金属電極２の表面に半導体基板（半導体層）３を形成する工程と、この半導体基板３の上面（表面）に且つ当該上面に垂直に、複数のカーボンナノチューブ４を、その直径が一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化するように並列に且つ主として金属的性質を有するように、つまり金属として形成するとともに、これら各カーボンナノチューブに炭素原子価とは異なる原子価を有する原子、例えばリン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）をドーピングする工程と、
これら各カーボンナノチューブ４の上面（端面）に透明電極５を形成するとともに、上記金属基板２側に磁石体２２を配置して磁力（磁界）を付与する工程とを具備する方法である。
A method for manufacturing a solar cell will be briefly described as follows.
In this manufacturing method, a step of forming a semiconductor substrate (semiconductor layer) 3 on the surface of the
And forming a
さらに、この太陽電池を用いた太陽電池装置についても、実施例１に記載したものと同様の構成を有するものであり、その説明については省略する。 Furthermore, the solar cell device using this solar cell also has the same configuration as that described in Example 1, and the description thereof is omitted.
以下、本発明の実施例３に係る太陽電池およびその製造方法、並びにこの太陽電池を用いた太陽電池装置について説明する。
上記実施例２においては、金属的性質を有するつまり金属としてのカーボンナノチューブに、１個の磁石体を配置して同一の磁力つまり均一な強さの磁力（磁界）を付与するように説明したが、本実施例３においては、カーボンナノチューブのチューブ列毎に磁力（磁界）の強さを変化させるようにしたものである。
Hereinafter, a solar cell according to Example 3 of the present invention, a manufacturing method thereof, and a solar cell device using the solar cell will be described.
In the second embodiment, it has been described that one magnet body is disposed on a carbon nanotube having a metallic property, that is, a metal, to apply the same magnetic force, that is, a magnetic force (magnetic field) having a uniform strength. In the third embodiment, the strength of the magnetic force (magnetic field) is changed for each tube row of carbon nanotubes.
以下、本実施例３について説明するが、実施例２と異なる箇所は、それぞれ異なる強さの磁力を有する磁石体を複数個配置したことにあるため、この部分に着目して説明するとともにそれ以外の構成についてはその説明を省略する。 Hereinafter, the third embodiment will be described. The difference from the second embodiment is that a plurality of magnet bodies each having a different magnetic strength are arranged. The description of the configuration is omitted.
この太陽電池は、カーボンナノチューブを、主として金属的性質を有するもの、つまり金属として形成するとともに、金属電極の下方（下面）に、磁石体（電磁石でもよい）を複数個配置するとともに、各磁石体の磁力（磁界）の強さが異なるようにしたものである。磁石体以外の構成については、実施例２で説明した通りである。 In this solar cell, carbon nanotubes are mainly formed of a metal property, that is, as a metal, and a plurality of magnet bodies (or electromagnets) may be disposed below (underside) the metal electrode, and each magnet body The strength of the magnetic force (magnetic field) is different. The configuration other than the magnet body is as described in the second embodiment.
このように、カーボンナノチューブに磁力（磁界）を付与することにより、金属としてのギャップエネルギー（Ｍ１）を変化させることができるとともに、それぞれのチューブ列に付与される磁力の強さが異なるようにされているため、カーボンナノチューブにおけるギャップエネルギーの値を細かく変化させることができるため、より広範囲の波長の光線にも対応した太陽電池を得ることができる。 Thus, by applying a magnetic force (magnetic field) to the carbon nanotube, the gap energy (M1) as a metal can be changed, and the strength of the magnetic force applied to each tube row is made different. Therefore, since the gap energy value in the carbon nanotube can be finely changed, it is possible to obtain a solar cell corresponding to a light beam having a wider range of wavelengths.
ここで、本実施例３に係る太陽電池の概略構成を示すと、以下のようになる。
この太陽電池は、金属電極と、この金属電極の上面（表面）に配置された半導体基板（半導体層）と、この半導体基板の上面に垂直に複数並置されたカーボンナノチューブと、これら各カーボンナノチューブの金属電極とは反対側に配置された透明電極とを具備し、
上記各カーボンナノチューブを、主として、金属的性質を有するように形成するとともに、これら各カーボンナノチューブに炭素原子価とは異なる原子価を有する原子、例えばリン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）をドーピングし、
さらに上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的に変化させるとともに、上記直径が段階的に変化されたカーボンナノチューブにおける同一直径のカーボンナノチューブ群毎に、強さが異なる磁力を付与するように構成したものである。この場合も、カーボンナノチューブの直径を連続的に変化させるようにしてもよく、またその磁力付与については、カーボンナノチューブの直径に応じて（に基づき）区分けされた範囲毎に、その強さが異なるようにされる。
Here, it is as follows when the schematic structure of the solar cell which concerns on the present Example 3 is shown.
The solar cell includes a metal electrode, a semiconductor substrate (semiconductor layer) disposed on the upper surface (front surface) of the metal electrode, a plurality of carbon nanotubes juxtaposed vertically on the upper surface of the semiconductor substrate, A transparent electrode disposed on the opposite side of the metal electrode,
The carbon nanotubes are mainly formed so as to have metallic properties, and each carbon nanotube is doped with an atom having a valence different from the carbon valence, for example, phosphorus (P) or boron (B),
Further, the diameters of the juxtaposed carbon nanotubes are changed stepwise from one side to the other side, and the strength is different for each carbon nanotube group having the same diameter in the carbon nanotubes having the diameter changed stepwise. It is configured to apply a magnetic force. Also in this case, the diameter of the carbon nanotube may be continuously changed, and the strength of the magnetic force is different for each divided range according to (based on) the diameter of the carbon nanotube. To be done.
また、太陽電池の製造方法についても、簡単に説明すると以下のようになる。
この製造方法は、金属電極の上面（表面）に半導体基板（半導体層）を形成する工程と、この半導体基板の上面（表面）に且つ当該上面に垂直に、複数のカーボンナノチューブを、その直径が一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化するように並列に且つ主として金属的性質を有するように形成するとともに、これら各カーボンナノチューブに炭素原子価とは異なる原子価を有する原子、例えばリン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）をドーピングする工程と、
次にこれら各カーボンナノチューブの上面（端面）に透明電極を形成するとともに、上記金属基板側に磁石体により磁力（磁界）を付与する工程とを具備する方法である。
A method for manufacturing a solar cell will be briefly described as follows.
In this manufacturing method, a semiconductor substrate (semiconductor layer) is formed on the upper surface (surface) of a metal electrode, and a plurality of carbon nanotubes are formed on the upper surface (surface) of the semiconductor substrate and perpendicular to the upper surface. Atoms having a valence different from the carbon valence in each carbon nanotube while being formed in parallel and mainly having metallic properties so as to change stepwise or continuously from one side to the other side Doping with, for example, phosphorus (P) or boron (B);
Next, a transparent electrode is formed on the upper surface (end surface) of each carbon nanotube, and a magnetic force (magnetic field) is applied to the metal substrate side by a magnet body.
さらに、この太陽電池を用いた太陽電池装置についても、実施例１に記載したものと同様の構成を有するものであり、その説明については省略する。 Furthermore, the solar cell device using this solar cell also has the same configuration as that described in Example 1, and a description thereof will be omitted.
１ 太陽電池
２ 金属電極
３ ｐ型半導体基板
４ カーボンナノチューブ
５ 透明電極
１１ 太陽電池装置
１２ 分光器
１３ 出力調整器
１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１ 太陽電池
２２ 磁石体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
上記カーボンナノチューブを、主として、金属的性質を有するように形成するとともに、上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化させたことを特徴とする太陽電池。 Metal electrode, semiconductor layer disposed on the surface of the metal electrode, a plurality of carbon nanotubes juxtaposed perpendicular to the surface of the semiconductor layer, and a transparent electrode disposed on the opposite side of the metal electrode of each carbon nanotube And
The carbon nanotubes are mainly formed so as to have metallic properties, and the diameters of the juxtaposed carbon nanotubes are changed stepwise or continuously from one side to the other side. Solar cell.
上記各カーボンナノチューブを、主として金属的性質を有するように形成するとともに、これら各カーボンナノチューブに炭素原子価とは異なる原子価を有する原子をドーピングし、
さらに上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化させるとともに、上記並置されたカーボンナノチューブに磁界を付与するように構成したことを特徴とする太陽電池。 Metal electrode, semiconductor layer disposed on the surface of the metal electrode, a plurality of carbon nanotubes juxtaposed perpendicular to the surface of the semiconductor layer, and a transparent electrode disposed on the opposite side of the metal electrode of each carbon nanotube And
Each carbon nanotube is formed so as to have mainly metallic properties, and each carbon nanotube is doped with an atom having a valence different from the carbon valence,
Furthermore, the diameter of the juxtaposed carbon nanotubes is changed stepwise or continuously from one side to the other side, and a magnetic field is applied to the juxtaposed carbon nanotubes. battery.
上記各カーボンナノチューブを、主として金属的性質を有するように形成するとともに、これら各カーボンナノチューブに炭素原子価とは異なる原子価を有する原子をドーピングし、
さらに上記並置されたカーボンナノチューブの直径を一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化させるとともに、上記並置されたカーボンナノチューブの直径に応じた、強さが異なる磁界を付与するように構成したことを特徴とする太陽電池。 Metal electrode, semiconductor layer disposed on the surface of the metal electrode, a plurality of carbon nanotubes juxtaposed perpendicular to the surface of the semiconductor layer, and a transparent electrode disposed on the opposite side of the metal electrode of each carbon nanotube And
Each carbon nanotube is formed so as to have mainly metallic properties, and each carbon nanotube is doped with an atom having a valence different from the carbon valence,
Further, the diameter of the juxtaposed carbon nanotubes is changed stepwise or continuously from one side to the other side, and a magnetic field having a different strength is applied according to the diameter of the juxtaposed carbon nanotubes. A solar cell characterized in that it is configured as follows.
次にこの半導体層の表面に且つ当該表面に垂直に、複数のカーボンナノチューブを、その直径が一方側から他方側に向かって段階的にまたは連続的に変化するように並列に且つ主として金属的性質を有するように形成し、
次にこれら各カーボンナノチューブの端面に透明電極を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。 Forming a semiconductor layer on the surface of the metal electrode;
Next, on the surface of the semiconductor layer and perpendicular to the surface, a plurality of carbon nanotubes are arranged in parallel and mainly in a metallic manner so that the diameter changes stepwise or continuously from one side to the other side. Formed to have
Next, a transparent electrode is formed on the end face of each of these carbon nanotubes.
太陽電池の透明電極の表面に、太陽光線を分光させる分光器を配置するとともに、この太陽電池における各カーボンナノチューブにて得られた電気を所定電圧に調整する電圧調整器を具備したことを特徴とする太陽電池装置。
A solar cell device using the solar cell according to any one of claims 1 to 3,
A spectroscope that disperses sunlight rays is arranged on the surface of the transparent electrode of the solar cell, and a voltage regulator that adjusts the electricity obtained from each carbon nanotube in the solar cell to a predetermined voltage is provided. A solar cell device.
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