太陽電池および太陽電池装置
【課題】エネルギーの変換効率の向上を図り得る太陽電池を提供する。
【解決手段】金属電極２と、この金属電極２の表面に形成されたｐ型半導体基板３と、このｐ型半導体基板の表面に且つ当該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の金属電極とは反対側に配置された透明電極５とを具備し、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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体となし、さらに上記金属電極側に且つ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チューブ列群４Ａ，４Ｂを構成するチューブ列４ｂ，４ｃ；４ｅ，４ｆに、強さが異なる磁力を付与する磁石体１３ａ，１３ｂをそれぞれ配置したものである。
【解決手段】金属電極２と、この金属電極２の表面に形成されたｐ型半導体基板３と、このｐ型半導体基板の表面に且つ当該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の金属電極とは反対側に配置された透明電極５とを具備し、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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体となし、さらに上記金属電極側に且つ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チューブ列群４Ａ，４Ｂを構成するチューブ列４ｂ，４ｃ；４ｅ，４ｆに、強さが異なる磁力を付与する磁石体１３ａ，１３ｂをそれぞれ配置したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９７９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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且つ当該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、上記金属電極側に且つ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に、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。
【０００９】
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且つ当該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るとともにｎ型半導体にされた透明電極とを具備し、
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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【００１０】
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形成されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の表面に且つ当該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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【００１１】
また、請求項４に係る太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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、
これら各カーボンナノチューブにおける透明電極側部分に元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体にするとともに、金属電極側部分に元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
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、
上記金属電極側に且つ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に、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。
【００１２】
さらに、請求項５に係る太陽電池装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽電池を用いた太陽電池装置であって、
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。
【発明の効果】
【００１３】
上記太陽電池および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、段階的に変化させるようになし、さらにこのカーボンナノチューブに強さが異なる磁界を付与することにより、任意のバンドギャップを得るようにしたので、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配置することができる。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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る太陽電池および太陽電池装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】同太陽電池の製造方法を説明する斜視図である。
【図３】同太陽電池における光電変換効率を説明するグラフで、（ａ）は本実施の形態に係るものを示し、（ｂ）は従来例に係るタンデム型のものを示す。
【図４】本発明の実施例に係る太陽電池の概略構成を示す斜視図である。
【図５】同実施例の変形例に係る太陽電池の概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係る太陽電池および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。
本実施例に係る太陽電池の基本的な構成は、金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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。
【００１６】
この基本的な構成をもう少し詳しく説明すると、一対の電極同士間にｎ型半導体およびｐ型半導体が配置されるとともに、これら両半導体のうち、少なくとも、一方の半導体をカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）で構成したもので、またこの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、さらに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に、強さが異なる磁界（磁束、磁力とも言い換えることができる）を付与するようにしたものである。なお、「少なくとも一方の半導体をカーボンナノチューブで構成した」という意味は、一方の電極を半導体にまたは一方の電極側に半導体層を形成するとともに、カーボンナノチューブを半導体にする構成、およびカーボンナノチューブ自体にｎ型半導体とｐ型半導体とを形成する構成を考慮したものである。
【００１７】
具体的には、多数のカーボンナノチューブからなる小領域（以下、チューブ列ともいう）が６つ（少なくとも、３つ以上であればよい）並列に設けられる（以下、「並置される」ともいう）とともに、これらカーボンナノチューブの直径を段階的に、すなわち３つのチューブ列からなる大領域［以下、チューブ列群（カーボンナノチューブ群）ともいう］毎に段階にて変化させたもので、したがって太いチューブ列群と細いチューブ列群とが設けられている。
【００１８】
そして、上記各チューブ列におけるカーボンナノチューブの上下端面に、電極が形成されるとともに、所定のチューブ列に磁界を付与するようにしたものである。すなわち、一方の電極側に磁石体を配置して、所定のチューブ列におけるカーボンナノチューブに磁界を与えるようにしたものである。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
この太陽電池１は、ステンレス（ＳＵＳ：ＪＩＳ記号）などよりなる対向電極としての金属電極２と、この金属電極２の表面（上面）に配置されるとともにシリコン（Ｓｉ）よりなる基板に元素周期表の第３族の原子であるボロン（Ｂ）がドーピングされてなるｐ型半導体基板（ｐ型半導体層）３と、このｐ型半導体基板３の表面（上面）に且つ当該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の上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とを具備し、上記並置されたカーボンナノチューブ４の直径を、太いものと細いものとの２段階に変化させるとともに、これら各カーボンナノチューブ４に元素周期表の第５族の原子であるリン（Ｐ）をドーピングしてｎ型半導体にしたものである。なお、カーボンナノチューブ４は、６列にて並置されるとともに、さらにその直径が２段階でもって変化されているため、以下の説明においては、各列のカーボンナノチューブ４をチューブ列（４ａ〜４ｆ）と称するとともに、直径が同一である複数のチューブ列、ここでは３つのチューブ列（４ａ〜４ｃ，４ｄ〜４ｆ）をチューブ列群（４Ａ，４Ｂ）と称して説明する。
【００２２】
そして、上記太陽電池１に太陽光線を、カーボンナノチューブ４のチューブ列（４ａ〜４ｆ）に応じてすなわち６つの波長領域に分光して導くためのプリズムなどの分光器（分光素子と呼ぶこともできる）１２と、当該太陽電池１における透明電極５とは反対側の金属電極２の下面に配置されてカーボンナノチューブ４に所定の磁界を付与するための複数の磁石体１３と、太陽電池１の各チューブ列（４ａ〜４ｆ）により得られた電気を電気配線１４を介して導き所定電圧に調整するための電圧調整器（電圧出力回路でもある）１５とを具備することで、太陽電池装置１１が構成されており、その詳細については後述する。なお、分光器１２の手前には、太陽光線を集める集光用レンズ部１６が配置される。
【００２３】
ところで、この集光用レンズ部１６としては、例えば、径の大きさが異なるシリンドリカルレンズが用いられている。すなわち、この集光用レンズ部１６は、径が大きい第１シリンドリカルレンズ１６ａと径が小さい第２シリンドリカルレンズ１６ｂとから構成され、互いの設置間隔Ｌは、第１シリンドリカルレンズ１６ａの焦点距離ｆ１と第２シリンドリカルレンズ１６ｂの焦点距離ｆ２とを合わせた距離（Ｌ＝ｆ１＋ｆ２）にされている。したがって、第１シリンドリカルレンズ１６ａに平行な太陽光線が入射されると、太陽光線は一度焦点を結んだ後、第２シリンドリカルレンズ１６ｂに入射して再び平行光線で出射することになる。このとき、出射した太陽光線である平行光線の幅はｆ２／ｆ１に縮小されている。なお、この出射した平行光線の幅はできるだけ狭い（細い）ほうがよい。
【００２４】
そして、この平行光線を分光器１２により、分光光線として太陽電池１（正確には透明電極５上）に入射させる。また、分光器１２と太陽電池１との距離は、第１シリンドリカルレンズ１６ａより、太陽電池１の大きさが小さくて済むような距離にすることが望ましい。なお、集光用レンズ部１６は、シリンドリカルレンズを平面上に複数配置することで、太陽光線を無駄なく太陽電池１側に導くことができるが、レンズの形状についてはこれに限定されず、円形レンズであってもよい。
【００２５】
ところで、上記磁石体１３は、カーボンナノチューブ４における各チューブ列（４ａ〜４ｆ）毎に、そのバンドギャップを変化させるために設けられるもので、上述したように、磁界が付与されないものと、強さが異なる磁界すなわち磁力が付与されるものとがある。例えば、磁石体１３は、チューブ列群（４Ａ，４Ｂ）に対して、チューブ列の個数から１を引いた個数だけ配置される。
【００２６】
すなわち、図４に示すように、左側チューブ列群４Ａの一端側のチューブ列４ａには、磁石体が配置されず、その他端寄りの中間のチューブ列４ｂには磁力が弱い磁石体１３ａが配置され、さらに他端側の右側のチューブ列４ｃには、磁力が強い磁石体１３ｂが配置されている。そして、右側チューブ列群４Ｂの一端側のチューブ列４ｄには、磁石体が配置されず、その他端寄りの中間のチューブ列４ｅには磁力が弱い磁石体１３ａが配置され、さらに他端側の右側チューブ列４ｅには、磁力が強い磁石体１３ｂが配置されている。なお、チューブ列群に配置される２つの磁石体の強さについては、各チューブ列郡毎において同じ強さもの（つまり２種類の磁石体）を配置してもよく、また各チューブ列毎に異なるものであってもよい［この場合、４種類の強さが異なる磁石体が配置される（２種類×２（チューブ列群の数）＝４種類）］。
【００２７】
これにより、例えば左端のチューブ列４ａから右端のチューブ列４ｆのバンドギャップが、順番に、大きくなるようにされている。つまり、６つの異なる波長に対応するカーボンナノチューブ４を列状に配置することができる。
【００２８】
ここで、上述したチューブ列（４ａ〜４ｆ）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。
【００２９】
【表１】
この表１から、例えば磁界なしのＳ１遷移時直径が０．７７４ｎｍのカーボンナノチューブに、例えば磁束量子［φ０＝ｃ×ｈ／ｅ，但し、ｃは光速、ｈはプランク定数、ｅは電荷を表わす］の０．７５倍または０．８５倍の磁界を付与すると、バンドギャップは約１．２５倍または１．５倍となり、直径を細くすることなく、つまり太くした状態で、短い波長のバンドギャップに対応させることができる。すなわち、カーボンナノチューブの製作が容易となる。
【００３０】
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、板状のステンレス（ＳＵＳ）などからなる金属電極２の表面に配置されたｐ型半導体基板３の表面に、スパッタリング法などにより触媒としての金属［例えば、鉄（Ｆｅ）］の薄膜を形成した後、電子ビームなどにより縦横に切れ目を入れるとともにこの切れ目を入れる際の間隔を調整して触媒微粒子１０（１０ａ〜１０ｆ）をチューブ列（４ａ〜４ｆ）に対応して形成する。この鉄の触媒微粒子（１０ａ〜１０ｆ）については、各チューブ列群４Ａ，４Ｂ毎の直径に応じた大きさにされている。例えば、図面の左側３列１０Ａ（１０ａ〜１０ｃ）には直径が大きいものが、また右側の３列１０Ｂ（１０ｄ〜１０ｆ）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１０Ａの直径が大きくされて、右側の触媒微粒子１０Ｂの直径が小さくされている。
【００３１】
なお、触媒微粒子１０をカーボンナノチューブ４の直径に応じた大きさにする方法として、スパッタリングなどの方法により形成する薄膜の厚みを左側から右側に行くにしたがって薄くしてもよい。スパッタリングを用いる場合は、スパッタ条件（スパッタ時間・スパッタ源と薄膜形成面との距離）により薄膜の厚みを変えることができる。また、スパッタ源と薄膜形成面との距離を連続的に変えることにより、薄膜の厚みを連続的に変化させることができるため、やはり、カーボンナノチューブ４の直径を連続的に変化させることができる。
【００３２】
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〜１０ｆ）上にカーボンナノチューブ４（４ａ〜４ｆ）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。
【００３３】
次に、図２（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブ４（４ａ〜４ｆ）に元素周期表の第３族の原子をドーピングする（なお、ＣＶＤ時に第３族の原子を含むガスを微量に混ぜて成長させるようにしてもよい）。
【００３４】
次に、図２（ｄ）に示すように、電極境界部分にマスクをして、各チューブ列４（４ａ〜４ｆ）の上面に透明電極５をＰＶＤ法により形成する。
ここで、熱ＣＶＤ法について、少し具体的に説明しておく。
【００３５】
すなわち、ｐ型半導体基板３の表面に鉄の触媒微粒子１０を形成し、この触媒微粒子を核として高温雰囲気下で原料ガスを導きカーボンナノチューブを成長させる。なお、触媒微粒子としては、Ｆｅの代わりに、Ｎｉ、Ｃｏなどを用いてもよい。
【００３６】
具体的には、これらの金属またはその錯体等の化合物の溶液をスプレーや刷毛でｐ型半導体基板３に塗布し、またはクラスター銃でｐ型半導体基板３に打ち付けた後、乾燥させ、必要であれば加熱して皮膜を形成する。
【００３７】
皮膜の厚みは、厚過ぎると加熱による粒子化が困難になるので、好ましくは１〜１００ｎｍの範囲とされる。
次に、この皮膜を、好ましくは減圧下または非酸化雰囲気中にて、６５０〜８００℃の範囲で加熱すると、直径１〜５０ｎｍ程度の鉄の触媒微粒子が形成される。カーボンナノチューブの原料ガスとしては、アセチレン、メタン、エチレンなどの脂肪族炭化水素を使用することができ、特に、アセチレンが好ましい。アセチレンの場合、単層から多層構造で太さ０．４〜３８ｎｍのカーボンナノチューブが鉄の触媒微粒子を核として透明電極上にブラシ状に形成される。カーボンナノチューブの形成温度は、好ましくは６５０〜８００℃の範囲で、また熱ＣＶＤ法による形成時間は１〜３０分の範囲である。
【００３８】
また、透明電極５を形成するＰＶＤ法としては、真空蒸着法またはスパッタリング法が用いられる。
次に、太陽電池１を用いた太陽電池装置１１について説明する。
【００３９】
すなわち、図１に示すように、太陽電池１の各チューブ列（４ａ〜４ｆ）に太陽光線の分光が照射されるように、分光器（分光素子でもある）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〜４ｆ）の透明電極５上に導かれるようにする。
【００４０】
そして、各透明電極５に電気配線１４を介して電圧調整器１５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１５は、チューブ列（４ａ〜４ｆ）に電気配線１４を介して接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１７と、これらＤＣ／ＤＣコンバータ１７に電気配線１８を介して接続された電力加算部１９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１７は、各チューブ列（４ａ〜４ｆ）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。
【００４１】
ここで、カーボンナノチューブ４の直径が異なる場合の光電変換能力、すなわちエネルギーのバンドギャップについて説明しておく。
カーボンナノチューブの直径が異なると、それぞれのバンドギャップの値が異なり、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ｐ型またはｎ型半導体として作っておけばよい。
【００４２】
すなわち、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も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もった光については、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。
【００４３】
そして、さらに所定のバンドギャップを有するカーボンナノチューブに磁界を付与することにより、上述したように、バンドギャップの値を大きくすることができる。すなわち、同じ直径を有するカーボンナノチューブに、強さが異なる磁界を付与することにより、それぞれのバンドギャップの値を変更させる、つまり調整し得ることになる。
【００４４】
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段階的に変化させるとともに強さが異なる磁界を付与す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。
【００４５】
すなわち、この太陽電池の構成によると、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、段階的に変化させるようになし、さらにこのカーボンナノチューブに強さが異なる磁界を付与することにより、任意のバンドギャップを得るようにしたので、言い換えれば、カーボンナノチューブのバンドギャップの値を細かく調整することができるので、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配置することができる。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。
【００４６】
なお、上記太陽電池装置においては、一つの太陽電池を用いた構成として説明したが、勿論、上記太陽電池を多数設けることにより、大きい発電電力が得られることは言うまでもない。この場合、電圧調整器を例えば一つに纏めることもできる。
【００４７】
また、上記説明においては、カーボンナノチューブの直径を触媒微粒子の大きさにより調整するようにしたが、例えば熱ＣＶＤ法による形成時間を調節するようにしても、その直径を制御することができる。
【００４８】
ところで、上記実施例においては、直径が異なるチューブ列群を２つ設けた太陽電池について説明したが、直径が異なるチューブ列群を３つ以上設けることもできる。
ここで、カーボンナノチューブのチューブ列群を５つ設けた場合について説明しておく。
【００４９】
図５に示すように、この太陽電池２１は、３つの同一直径からなるチューブ列（４ａ〜４ｃ，４ｄ〜４ｆ，４ｇ〜４ｉ，４ｊ〜４ｌ，４ｍ〜４ｏ）をチューブ列群（４Ａ〜４Ｅ）毎に直径が異なるように配置したものである。
【００５０】
そして、これら各チューブ列群（４Ａ〜４Ｅ）の下方においても、上述した実施例と同様に、磁界が付与されないもの、つまり磁石体が配置されない場合と、磁力が弱い磁石体１３（１３ａ）と、磁力が強い磁石体１３（１３ａ）とが配置されている。
【００５１】
すなわち、各チューブ列群（４Ａ〜４Ｅ）における各チューブ列（４ａ〜４ｃ，４ｄ〜４ｆ，４ｇ〜４ｉ，４ｊ〜４ｌ，４ｍ〜４ｏ）に対して、３段階にて磁界が付与されたことになる。
【００５２】
したがって、磁界（磁力）の強さが３種類（磁界がない場合を含む）×カーボンナノチューブの直径が５種類＝１５種類のバンドギャップが、例えば小さいものから大きいものの順番に配置されたことになる。
【００５３】
ところで、上記実施例においては、金属電極の表面に形成されたｐ型半導体基板とｎ型半導体にされたカーボンナノチューブとでｐｎ接合を構成したが、例えば透明電極をｎ型半導体にするとともにカーボンナノチューブをｐ型半導体にしてよい。
【００５４】
この場合の太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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るとともにｎ型半導体にされた透明電極とを具備し、
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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【００５５】
また、カーボンナノチューブを上下に分けて、透明電極側部分をｎ型半導体にするとともに、金属電極側部分をｐ型半導体にしてもよい。
この場合の太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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、
これら各カーボンナノチューブにおける透明電極側部分に元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体にするとともに、金属電極側部分に元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
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、
上記金属電極側に且つ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に、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。
【００５６】
なお、上記説明においては、同一直径のカーボンナノチューブ群毎に、強さが異なる磁界を付与するように構成したが、例えば複数のカーボンナノチューブ群を全て同一直径にするとともに、各カーボンナノチューブ群毎に、強さが異なる磁界を付与することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
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
１４ 出力調整器
１７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１ 太陽電池
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９７９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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且つ当該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、上記金属電極側に且つ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に、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。
【０００９】
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且つ当該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るとともにｎ型半導体にされた透明電極とを具備し、
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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【００１０】
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形成されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の表面に且つ当該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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【００１１】
また、請求項４に係る太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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、
これら各カーボンナノチューブにおける透明電極側部分に元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体にするとともに、金属電極側部分に元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
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、
上記金属電極側に且つ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に、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。
【００１２】
さらに、請求項５に係る太陽電池装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽電池を用いた太陽電池装置であって、
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。
【発明の効果】
【００１３】
上記太陽電池および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、段階的に変化させるようになし、さらにこのカーボンナノチューブに強さが異なる磁界を付与することにより、任意のバンドギャップを得るようにしたので、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配置することができる。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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る太陽電池および太陽電池装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】同太陽電池の製造方法を説明する斜視図である。
【図３】同太陽電池における光電変換効率を説明するグラフで、（ａ）は本実施の形態に係るものを示し、（ｂ）は従来例に係るタンデム型のものを示す。
【図４】本発明の実施例に係る太陽電池の概略構成を示す斜視図である。
【図５】同実施例の変形例に係る太陽電池の概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係る太陽電池および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。
本実施例に係る太陽電池の基本的な構成は、金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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。
【００１６】
この基本的な構成をもう少し詳しく説明すると、一対の電極同士間にｎ型半導体およびｐ型半導体が配置されるとともに、これら両半導体のうち、少なくとも、一方の半導体をカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）で構成したもので、またこの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、さらに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に、強さが異なる磁界（磁束、磁力とも言い換えることができる）を付与するようにしたものである。なお、「少なくとも一方の半導体をカーボンナノチューブで構成した」という意味は、一方の電極を半導体にまたは一方の電極側に半導体層を形成するとともに、カーボンナノチューブを半導体にする構成、およびカーボンナノチューブ自体にｎ型半導体とｐ型半導体とを形成する構成を考慮したものである。
【００１７】
具体的には、多数のカーボンナノチューブからなる小領域（以下、チューブ列ともいう）が６つ（少なくとも、３つ以上であればよい）並列に設けられる（以下、「並置される」ともいう）とともに、これらカーボンナノチューブの直径を段階的に、すなわち３つのチューブ列からなる大領域［以下、チューブ列群（カーボンナノチューブ群）ともいう］毎に段階にて変化させたもので、したがって太いチューブ列群と細いチューブ列群とが設けられている。
【００１８】
そして、上記各チューブ列におけるカーボンナノチューブの上下端面に、電極が形成されるとともに、所定のチューブ列に磁界を付与するようにしたものである。すなわち、一方の電極側に磁石体を配置して、所定のチューブ列におけるカーボンナノチューブに磁界を与えるようにしたものである。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
この太陽電池１は、ステンレス（ＳＵＳ：ＪＩＳ記号）などよりなる対向電極としての金属電極２と、この金属電極２の表面（上面）に配置されるとともにシリコン（Ｓｉ）よりなる基板に元素周期表の第３族の原子であるボロン（Ｂ）がドーピングされてなるｐ型半導体基板（ｐ型半導体層）３と、このｐ型半導体基板３の表面（上面）に且つ当該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の上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とを具備し、上記並置されたカーボンナノチューブ４の直径を、太いものと細いものとの２段階に変化させるとともに、これら各カーボンナノチューブ４に元素周期表の第５族の原子であるリン（Ｐ）をドーピングしてｎ型半導体にしたものである。なお、カーボンナノチューブ４は、６列にて並置されるとともに、さらにその直径が２段階でもって変化されているため、以下の説明においては、各列のカーボンナノチューブ４をチューブ列（４ａ〜４ｆ）と称するとともに、直径が同一である複数のチューブ列、ここでは３つのチューブ列（４ａ〜４ｃ，４ｄ〜４ｆ）をチューブ列群（４Ａ，４Ｂ）と称して説明する。
【００２２】
そして、上記太陽電池１に太陽光線を、カーボンナノチューブ４のチューブ列（４ａ〜４ｆ）に応じてすなわち６つの波長領域に分光して導くためのプリズムなどの分光器（分光素子と呼ぶこともできる）１２と、当該太陽電池１における透明電極５とは反対側の金属電極２の下面に配置されてカーボンナノチューブ４に所定の磁界を付与するための複数の磁石体１３と、太陽電池１の各チューブ列（４ａ〜４ｆ）により得られた電気を電気配線１４を介して導き所定電圧に調整するための電圧調整器（電圧出力回路でもある）１５とを具備することで、太陽電池装置１１が構成されており、その詳細については後述する。なお、分光器１２の手前には、太陽光線を集める集光用レンズ部１６が配置される。
【００２３】
ところで、この集光用レンズ部１６としては、例えば、径の大きさが異なるシリンドリカルレンズが用いられている。すなわち、この集光用レンズ部１６は、径が大きい第１シリンドリカルレンズ１６ａと径が小さい第２シリンドリカルレンズ１６ｂとから構成され、互いの設置間隔Ｌは、第１シリンドリカルレンズ１６ａの焦点距離ｆ１と第２シリンドリカルレンズ１６ｂの焦点距離ｆ２とを合わせた距離（Ｌ＝ｆ１＋ｆ２）にされている。したがって、第１シリンドリカルレンズ１６ａに平行な太陽光線が入射されると、太陽光線は一度焦点を結んだ後、第２シリンドリカルレンズ１６ｂに入射して再び平行光線で出射することになる。このとき、出射した太陽光線である平行光線の幅はｆ２／ｆ１に縮小されている。なお、この出射した平行光線の幅はできるだけ狭い（細い）ほうがよい。
【００２４】
そして、この平行光線を分光器１２により、分光光線として太陽電池１（正確には透明電極５上）に入射させる。また、分光器１２と太陽電池１との距離は、第１シリンドリカルレンズ１６ａより、太陽電池１の大きさが小さくて済むような距離にすることが望ましい。なお、集光用レンズ部１６は、シリンドリカルレンズを平面上に複数配置することで、太陽光線を無駄なく太陽電池１側に導くことができるが、レンズの形状についてはこれに限定されず、円形レンズであってもよい。
【００２５】
ところで、上記磁石体１３は、カーボンナノチューブ４における各チューブ列（４ａ〜４ｆ）毎に、そのバンドギャップを変化させるために設けられるもので、上述したように、磁界が付与されないものと、強さが異なる磁界すなわち磁力が付与されるものとがある。例えば、磁石体１３は、チューブ列群（４Ａ，４Ｂ）に対して、チューブ列の個数から１を引いた個数だけ配置される。
【００２６】
すなわち、図４に示すように、左側チューブ列群４Ａの一端側のチューブ列４ａには、磁石体が配置されず、その他端寄りの中間のチューブ列４ｂには磁力が弱い磁石体１３ａが配置され、さらに他端側の右側のチューブ列４ｃには、磁力が強い磁石体１３ｂが配置されている。そして、右側チューブ列群４Ｂの一端側のチューブ列４ｄには、磁石体が配置されず、その他端寄りの中間のチューブ列４ｅには磁力が弱い磁石体１３ａが配置され、さらに他端側の右側チューブ列４ｅには、磁力が強い磁石体１３ｂが配置されている。なお、チューブ列群に配置される２つの磁石体の強さについては、各チューブ列郡毎において同じ強さもの（つまり２種類の磁石体）を配置してもよく、また各チューブ列毎に異なるものであってもよい［この場合、４種類の強さが異なる磁石体が配置される（２種類×２（チューブ列群の数）＝４種類）］。
【００２７】
これにより、例えば左端のチューブ列４ａから右端のチューブ列４ｆのバンドギャップが、順番に、大きくなるようにされている。つまり、６つの異なる波長に対応するカーボンナノチューブ４を列状に配置することができる。
【００２８】
ここで、上述したチューブ列（４ａ〜４ｆ）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。
【００２９】
【表１】
この表１から、例えば磁界なしのＳ１遷移時直径が０．７７４ｎｍのカーボンナノチューブに、例えば磁束量子［φ０＝ｃ×ｈ／ｅ，但し、ｃは光速、ｈはプランク定数、ｅは電荷を表わす］の０．７５倍または０．８５倍の磁界を付与すると、バンドギャップは約１．２５倍または１．５倍となり、直径を細くすることなく、つまり太くした状態で、短い波長のバンドギャップに対応させることができる。すなわち、カーボンナノチューブの製作が容易となる。
【００３０】
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、板状のステンレス（ＳＵＳ）などからなる金属電極２の表面に配置されたｐ型半導体基板３の表面に、スパッタリング法などにより触媒としての金属［例えば、鉄（Ｆｅ）］の薄膜を形成した後、電子ビームなどにより縦横に切れ目を入れるとともにこの切れ目を入れる際の間隔を調整して触媒微粒子１０（１０ａ〜１０ｆ）をチューブ列（４ａ〜４ｆ）に対応して形成する。この鉄の触媒微粒子（１０ａ〜１０ｆ）については、各チューブ列群４Ａ，４Ｂ毎の直径に応じた大きさにされている。例えば、図面の左側３列１０Ａ（１０ａ〜１０ｃ）には直径が大きいものが、また右側の３列１０Ｂ（１０ｄ〜１０ｆ）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１０Ａの直径が大きくされて、右側の触媒微粒子１０Ｂの直径が小さくされている。
【００３１】
なお、触媒微粒子１０をカーボンナノチューブ４の直径に応じた大きさにする方法として、スパッタリングなどの方法により形成する薄膜の厚みを左側から右側に行くにしたがって薄くしてもよい。スパッタリングを用いる場合は、スパッタ条件（スパッタ時間・スパッタ源と薄膜形成面との距離）により薄膜の厚みを変えることができる。また、スパッタ源と薄膜形成面との距離を連続的に変えることにより、薄膜の厚みを連続的に変化させることができるため、やはり、カーボンナノチューブ４の直径を連続的に変化させることができる。
【００３２】
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〜１０ｆ）上にカーボンナノチューブ４（４ａ〜４ｆ）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。
【００３３】
次に、図２（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブ４（４ａ〜４ｆ）に元素周期表の第３族の原子をドーピングする（なお、ＣＶＤ時に第３族の原子を含むガスを微量に混ぜて成長させるようにしてもよい）。
【００３４】
次に、図２（ｄ）に示すように、電極境界部分にマスクをして、各チューブ列４（４ａ〜４ｆ）の上面に透明電極５をＰＶＤ法により形成する。
ここで、熱ＣＶＤ法について、少し具体的に説明しておく。
【００３５】
すなわち、ｐ型半導体基板３の表面に鉄の触媒微粒子１０を形成し、この触媒微粒子を核として高温雰囲気下で原料ガスを導きカーボンナノチューブを成長させる。なお、触媒微粒子としては、Ｆｅの代わりに、Ｎｉ、Ｃｏなどを用いてもよい。
【００３６】
具体的には、これらの金属またはその錯体等の化合物の溶液をスプレーや刷毛でｐ型半導体基板３に塗布し、またはクラスター銃でｐ型半導体基板３に打ち付けた後、乾燥させ、必要であれば加熱して皮膜を形成する。
【００３７】
皮膜の厚みは、厚過ぎると加熱による粒子化が困難になるので、好ましくは１〜１００ｎｍの範囲とされる。
次に、この皮膜を、好ましくは減圧下または非酸化雰囲気中にて、６５０〜８００℃の範囲で加熱すると、直径１〜５０ｎｍ程度の鉄の触媒微粒子が形成される。カーボンナノチューブの原料ガスとしては、アセチレン、メタン、エチレンなどの脂肪族炭化水素を使用することができ、特に、アセチレンが好ましい。アセチレンの場合、単層から多層構造で太さ０．４〜３８ｎｍのカーボンナノチューブが鉄の触媒微粒子を核として透明電極上にブラシ状に形成される。カーボンナノチューブの形成温度は、好ましくは６５０〜８００℃の範囲で、また熱ＣＶＤ法による形成時間は１〜３０分の範囲である。
【００３８】
また、透明電極５を形成するＰＶＤ法としては、真空蒸着法またはスパッタリング法が用いられる。
次に、太陽電池１を用いた太陽電池装置１１について説明する。
【００３９】
すなわち、図１に示すように、太陽電池１の各チューブ列（４ａ〜４ｆ）に太陽光線の分光が照射されるように、分光器（分光素子でもある）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〜４ｆ）の透明電極５上に導かれるようにする。
【００４０】
そして、各透明電極５に電気配線１４を介して電圧調整器１５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１５は、チューブ列（４ａ〜４ｆ）に電気配線１４を介して接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１７と、これらＤＣ／ＤＣコンバータ１７に電気配線１８を介して接続された電力加算部１９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１７は、各チューブ列（４ａ〜４ｆ）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。
【００４１】
ここで、カーボンナノチューブ４の直径が異なる場合の光電変換能力、すなわちエネルギーのバンドギャップについて説明しておく。
カーボンナノチューブの直径が異なると、それぞれのバンドギャップの値が異なり、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ｐ型またはｎ型半導体として作っておけばよい。
【００４２】
すなわち、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も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もった光については、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。
【００４３】
そして、さらに所定のバンドギャップを有するカーボンナノチューブに磁界を付与することにより、上述したように、バンドギャップの値を大きくすることができる。すなわち、同じ直径を有するカーボンナノチューブに、強さが異なる磁界を付与することにより、それぞれのバンドギャップの値を変更させる、つまり調整し得ることになる。
【００４４】
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段階的に変化させるとともに強さが異なる磁界を付与す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。
【００４５】
すなわち、この太陽電池の構成によると、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、段階的に変化させるようになし、さらにこのカーボンナノチューブに強さが異なる磁界を付与することにより、任意のバンドギャップを得るようにしたので、言い換えれば、カーボンナノチューブのバンドギャップの値を細かく調整することができるので、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配置することができる。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。
【００４６】
なお、上記太陽電池装置においては、一つの太陽電池を用いた構成として説明したが、勿論、上記太陽電池を多数設けることにより、大きい発電電力が得られることは言うまでもない。この場合、電圧調整器を例えば一つに纏めることもできる。
【００４７】
また、上記説明においては、カーボンナノチューブの直径を触媒微粒子の大きさにより調整するようにしたが、例えば熱ＣＶＤ法による形成時間を調節するようにしても、その直径を制御することができる。
【００４８】
ところで、上記実施例においては、直径が異なるチューブ列群を２つ設けた太陽電池について説明したが、直径が異なるチューブ列群を３つ以上設けることもできる。
ここで、カーボンナノチューブのチューブ列群を５つ設けた場合について説明しておく。
【００４９】
図５に示すように、この太陽電池２１は、３つの同一直径からなるチューブ列（４ａ〜４ｃ，４ｄ〜４ｆ，４ｇ〜４ｉ，４ｊ〜４ｌ，４ｍ〜４ｏ）をチューブ列群（４Ａ〜４Ｅ）毎に直径が異なるように配置したものである。
【００５０】
そして、これら各チューブ列群（４Ａ〜４Ｅ）の下方においても、上述した実施例と同様に、磁界が付与されないもの、つまり磁石体が配置されない場合と、磁力が弱い磁石体１３（１３ａ）と、磁力が強い磁石体１３（１３ａ）とが配置されている。
【００５１】
すなわち、各チューブ列群（４Ａ〜４Ｅ）における各チューブ列（４ａ〜４ｃ，４ｄ〜４ｆ，４ｇ〜４ｉ，４ｊ〜４ｌ，４ｍ〜４ｏ）に対して、３段階にて磁界が付与されたことになる。
【００５２】
したがって、磁界（磁力）の強さが３種類（磁界がない場合を含む）×カーボンナノチューブの直径が５種類＝１５種類のバンドギャップが、例えば小さいものから大きいものの順番に配置されたことになる。
【００５３】
ところで、上記実施例においては、金属電極の表面に形成されたｐ型半導体基板とｎ型半導体にされたカーボンナノチューブとでｐｎ接合を構成したが、例えば透明電極をｎ型半導体にするとともにカーボンナノチューブをｐ型半導体にしてよい。
【００５４】
この場合の太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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るとともにｎ型半導体にされた透明電極とを具備し、
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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【００５５】
また、カーボンナノチューブを上下に分けて、透明電極側部分をｎ型半導体にするとともに、金属電極側部分をｐ型半導体にしてもよい。
この場合の太陽電池は、金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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、
これら各カーボンナノチューブにおける透明電極側部分に元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体にするとともに、金属電極側部分に元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
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、
上記金属電極側に且つ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に、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。
【００５６】
なお、上記説明においては、同一直径のカーボンナノチューブ群毎に、強さが異なる磁界を付与するように構成したが、例えば複数のカーボンナノチューブ群を全て同一直径にするとともに、各カーボンナノチューブ群毎に、強さが異なる磁界を付与することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
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
１４ 出力調整器
１７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１ 太陽電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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、上記金属電極側に且つ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に、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。
【請求項２】
金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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るとともにｎ型半導体にされた透明電極とを具備し、
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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【請求項３】
金属電極と、この金属電極の表面に形成されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の表面に且つ当該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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【請求項４】
金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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、
これら各カーボンナノチューブにおける透明電極側部分に元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体にするとともに、金属電極側部分に元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
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、
上記金属電極側に且つ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に、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。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽電池を用いた太陽電池装置であって、
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ことを特徴とする太陽電池装置。
【請求項１】
金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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、上記金属電極側に且つ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に、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。
【請求項２】
金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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るとともにｎ型半導体にされた透明電極とを具備し、
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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【請求項３】
金属電極と、この金属電極の表面に形成されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の表面に且つ当該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、これら各カーボンナノチューブに元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体となし、
さらに上記金属電極側に且つ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に、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。
【請求項４】
金属電極と、この金属電極の表面に且つ当該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、
これら各カーボンナノチューブにおける透明電極側部分に元素周期表の第５族の原子をドーピングしてｎ型半導体にするとともに、金属電極側部分に元素周期表の第３族の原子をドーピングしてｐ型半導体となし、
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、
上記金属電極側に且つ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に、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。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽電池を用いた太陽電池装置であって、
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ことを特徴とする太陽電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−４９１８８（Ｐ２０１１−４９１８８Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９３７３７（Ｐ２００９−１９３７３７）
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
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