発電システム
【課題】光エネルギーを利用して、電気エネルギーおよび熱エネルギーの双方を得ることが可能な発電システムを提供する。
【解決手段】発電システム１は、容器１１内に、電解液Ａと、光電変換機能を有する複数の半導体チップ１２とが封入されてなり、光エネルギーを吸収してガスを発生するガス生成部１０と、ガス生成部１０により発生したガスを利用して電気エネルギーを生成する発電部２０と、容器１１内部から熱エネルギーを吸収する給湯器３０とを備えている。ガス生成部１０では、容器１１内へ入射した光が複数の半導体チップ１２により吸収され、電解液Ａにおいて電気分解が生じる。容器１１内でガス（例えば水素）が発生し、この発生ガスを利用して、発電部２０が電気エネルギーを生成する。容器１１内部では、上記電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じるが、給湯器３０により、容器１１内部から熱エネルギーが吸収される。
【解決手段】発電システム１は、容器１１内に、電解液Ａと、光電変換機能を有する複数の半導体チップ１２とが封入されてなり、光エネルギーを吸収してガスを発生するガス生成部１０と、ガス生成部１０により発生したガスを利用して電気エネルギーを生成する発電部２０と、容器１１内部から熱エネルギーを吸収する給湯器３０とを備えている。ガス生成部１０では、容器１１内へ入射した光が複数の半導体チップ１２により吸収され、電解液Ａにおいて電気分解が生じる。容器１１内でガス（例えば水素）が発生し、この発生ガスを利用して、発電部２０が電気エネルギーを生成する。容器１１内部では、上記電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じるが、給湯器３０により、容器１１内部から熱エネルギーが吸収される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば太陽光を利用して発電を行う発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン系のソーラーセル（太陽電池）の大型化、高光電変換効率の実現へ向けて様々な開発が進められている（例えば、特許文献１，２）。太陽電池は、一般に家やビル等の外壁や屋根に設置されて使用されるものが多く、そのため、光電変換機能を持つ結晶材料を平板状に敷詰めたパネル型のデバイスとして形成される。
【０００３】
ところが、このようなパネル型の太陽電池では、所望の電力量を得るためには、大面積化が必要とされ、その設置面積も大きく確保しなければならない。また、電極配線の設置や、屋外環境での耐性を得るための表面コーティング等を行う必要があるため、発電効率が犠牲になることがある。
【０００４】
更には、屋根等に固定設置するパネル型の太陽電池では、時間帯や季節によって大きく角度を変える太陽の光を十分に吸収できない。例えば、日が浅い角度へ傾くに従って、平面に対する照射面積は縮小するため、光吸収効率は低下する。パネル型の太陽電池において光吸収効率が最大となるのは、太陽光がほぼ垂直にパネルへ入射する南中時（日の出と日の入との中間の時間帯）のみである。従って、実際には、一日を通してほぼ傾斜している太陽からの光エネルギーを十分に受け取っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５６−１６３２８５号公報
【特許文献２】特開昭５７−１３１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、上記特許文献１，２では、ウェハの状態から細分化して形成した微小な太陽電池素子を、容器内に満たした電解液に懸濁させてなる電気分解装置が提案されている。これにより、パネル型の太陽電池に比べ、狭小な設置面積で効率的に太陽光を取り込むことができる。このような構造により、光エネルギーに基づいて電気分解を生じさせ、水素等のガスを発生させることが記載されている。
【０００７】
また、このようにして発生させたガスを燃料電池へ供給することにより電気エネルギーを生成することができ、即ち太陽光による発電システムを実現できる。一方近年、太陽熱給湯システムが見直されている。これは、太陽光発電に比べて、エネルギー変換効率が高いためである。しかしながら、一般家庭の限られたスペースでは、太陽光発電と給湯システムを同時に設置することは難しく、電気の利便性から、太陽光発電を選ぶ家庭が多いようである。電力供給だけでなく、例えば給湯等を同時に行うことが可能なハイブリッド型のシステムが可能になれば、一つの装置を設置することで、電気を使える利便性と、両者を合わせたこれまでにないような高いエネルギー変換効率が期待できる。即ち、電気エネルギーだけでなく、熱エネルギーをも得ることが可能な夢の発電システムが実現されることになる。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光エネルギーを利用して、電気エネルギーおよび熱エネルギーの双方を得ることが可能な発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発電システムは、容器内に、電解液と、光電変換機能を有する複数の半導体素子とが封入されてなり、光エネルギーを吸収してガスを発生するガス生成部と、ガス生成部により発生したガスを利用して電気エネルギーを生成する発電部と、容器内部から熱エネルギーを吸収する熱交換部とを備えたものである。
【００１０】
本発明の発電システムでは、ガス生成部において、容器内に入射した光が、複数の半導体素子により吸収されると、電解液において電気分解が生じる。これにより、容器内ではガス（例えば水素）が発生する（光エネルギーがガスに変換される）。発電部は、そのようにして発生したガスを利用して、電気エネルギーを生成する。一方、容器内部では、上記電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じるが、熱交換部により、容器内部から熱エネルギーが吸収される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発電システムによれば、ガス生成部において、容器内に電解液と光電変換機能を有する複数の半導体素子とを封入したので、容器内に入射した光を、複数の半導体素子により吸収して、電解液において電気分解を起こすことができる。これにより、容器内においてガス（例えば水素）を発生させることができ、発電部はその発生したガスを利用して、電気エネルギーを生成することが可能となる。一方、容器内部では、上記電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じるが、熱交換部により容器内部から熱エネルギーを吸収することができる。よって、光エネルギーを利用して、電気エネルギーおよび熱エネルギーの双方を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの全体構成を表すブロック図である。
【図２】図１に示したガス生成部の概略構成を表す斜視図および断面図である。
【図３】図１に示した容器の詳細構成を表す断面図である。
【図４】図１に示したガス生成部の配置構成の一例である。
【図５】図１に示したｐｎ接合素子の断面構成を表す模式図である。
【図６】図１に示した燃料電池の断面構成を表す模式図である。
【図７】実測（光照射なし）による電圧と電流密度との関係図である。
【図８】実測（光照射あり）による電圧と電流密度との関係図である。
【図９】発電システム１全体における入射波長と光吸収率の関係図である。
【図１０】シミュレーションに用いた素子構造（平板、１５０ｎｍピッチ）を表す図である。
【図１１】実測によるインピーダンス測定結果を表す図である。
【図１２】ピッチとＣ60（フラーレン）単層膜の抵抗値（実測値）との関係を表す特性図である。
【図１３】シミュレーションモデルの等価回路を表す図である。
【図１４】平板を用いた場合の等価回路によるシミュレーション結果（電流−電圧特性）を示す図である。
【図１５】立体構造を有する場合の等価回路によるシミュレーション結果（電流−電圧特性）を示す図である。
【図１６】光電変換効率を平板比で表した図である。
【図１７】実際に作製した太陽電池のＴＥＭ写真である。
【図１８】本発明の太陽電池の一変形例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。尚、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（熱交換部に接続された冷却管を容器内部に設けた例）
２．変形例（冷却管を容器側面に隣接して設けた（リフレクタを利用した）例）
３．他の変形例（容器およびリフレクタの形状の他の例）
【００１４】
＜実施の形態＞
［発電システム１の構成］
図１は、本発明の一実施の形態に係る発電システム（発電システム１）の全体構成を表したものである。発電システム１は、太陽光エネルギーを利用して電気エネルギーを生成する太陽電池システムであり、ガス生成部１０と、ガス分離フィルタ１３と、発電部２０と、配管３１と、給湯器３０（熱交換部）とを備えている。
【００１５】
図２は、ガス生成部１０およびガス分離フィルタ１３の一構成例を表したものであり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はガス生成部１０の横断面図である。ガス生成部１０は、容器１１の内部に電解液Ａが充填されたものであり、この電解液Ａ中に、複数の半導体チップ１２を分散して含んでいる。容器１１は、その側面の一部にリフレクタ（後述のリフレクタ１１ａ）を有しており、容器１１内に入射してきた光を乱反射させて光吸収効率を高めるようになっている。電解液Ａは、例えば所定の濃度のリン酸（Ｈ3ＰＯ4）水溶液であり、その濃度は、電気二重層を考慮して適切な値に設定されている。半導体チップ１２は、光電変換機能を有する微細な太陽電池素子である。以下、各部の具体的な構成について説明する。
【００１６】
（容器１１）
容器１１は、電解液Ａおよび複数の半導体チップ１２を収容するものであり、内部において発生したガスを外部へ取り出し可能となっている。この容器１１は、また、太陽光等の光を透過させ、内部へ取り込む役割を有している。容器１１は、太陽光に対して透明な材料（例えばガラス）で構成されている。理想的には太陽光に対する透過率が９７％以上の超透過ガラスが挙げられる。これは、例えば、ガラス表面に、ＳｉＯ2からなる厚みが１００ｎｍの反射防止（ＡＲ）膜が被覆されたものである。このような超透過ガラスは、例えばナノサイズのＳｉＯ2粉末を溶剤に溶き、ガラス表面に塗布した後、約７００℃で焼成することによって作製することができる。また、このような容器１１に使用されるガラスは、表面に凹凸（梨地模様）を有していてもよい。また、通常の窓ガラスなどよりも鉄の成分比が少なく、透明度が高い白板ガラスを用いてもよい。更に、内部保護のために、特殊な熱処理が施されていてもよい。尚、ガラス材料としては、石英(天然、または合成（二酸化珪素を更に特殊な化学プロセスにより高純度の塩化珪素に合成したもの)等が挙げられる。
【００１７】
容器１１の全体形状は、その内部への光取り込み効率（光閉じ込め効率）を考慮した形状であることが望ましい。例えば、図２（Ａ）に示したように、一軸方向に沿って延在する円筒形状となっている。換言すると、図２（Ｂ）に示したように、容器１１の横断面形状は円形状となっている。但し、所望の光取り込み効率を確保可能であれば、他の形状であってもよく、例えば横断面形状が矩形状等の多角形状であってもよい。
【００１８】
容器１１の側面（光入射面と反対側の背面）の一部には、リフレクタ１１ａが設けられている。リフレクタ１１ａは、例えば、容器１１の側面に沿って、複数の突状部１１ａ１が並設されてなり、透明材料、例えばＢＫ７，合成石英により構成されている。突条部１１ａ１は、容器１１と互いに同一方向に延在するかまぼこ型（平凸型）のシリンドリカル（Cylindrical）形状を有している。換言すると、突状部１１ａ１の横断面形状は、図２（Ｂ）に示したように、半円状または楕円状となっている。この突条部１１ａ１の本数は、特に限定されないが、望ましくはより広い角度範囲で太陽光を取り込み可能となるように設定されている。例えば、方位角１００°の方向から容器１１へと向かう光が、容器１１内へ入射する前に、リフレクタ１１ａによって遮断されないような（リフレクタ１１ａに当たることなく容器１１へ入射し得るような）本数となっていることが望ましい。また、リフレクタ１１ａは、容器１１の側面に、完全に密着することなく、所定のギャップ（エアギャップ，空隙）を介して設けられていることが望ましい。このようなリフレクタ形状および配置により、容器１１内部で光を効率的に乱反射させ、半導体チップ１２における光吸収率を向上させることができる。
【００１９】
この容器１１ａの上部には、内部において発生したガス、ここでは水素（Ｈ2）および酸素（Ｏ2）をそれぞれ分離するためのガス分離フィルタ１３が取り付けられている。ガス分離フィルタ１３によって分離された水素および酸素のうち、水素は、水素取出口１３ａ、酸素は酸素取出口１３ｂからそれぞれ取り出し可能となっている。
【００２０】
一方、容器１１ａ内には、複数（ここでは３本）の配管３１が配設され、この配管３１の内部を熱交換液体Ｂが流れるようになっている。配管３１は、給湯器３０に接続されており、給湯器３０と容器１１との間において熱交換液体Ｂを循環させるためのものである。この配管３１のうち容器１１に内設される部分（冷却管３１ａ）において、容器１１の内部を冷却しつつ、容器１１内の熱を吸収するようになっている。尚、熱交換液体Ｂが本発明における熱交換媒体の一具体例に相当するが、この熱交換媒体としては、配管３１内を循環可能なものであれば、液体状のものに限らず、気体（ガス）状または固体状のものであってもよい。
【００２１】
配管３１に用いられる材料の屈折率は、光の遮蔽効果を抑えるために、電解液Ａの屈折率とほぼ同値（例えば±０．０５以内）となっていることが望ましい。また、より望ましくは、この配管３１における冷却管３１ａが、容器１１内の局所的な領域に偏って配設されている。これは容器１１内の一部のみを冷やすことによって、容器１１内に温度勾配を生じさせ、電解液Ａの対流を起こし易くなるためである。この対流によって、半導体チップ１２が攪拌され、その沈殿が抑制されるというメリットがある。
【００２２】
図３は、上記のような容器１１の最適形状（一例）についてのシミュレーション結果を表したものであり、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は容器１１側面とリフレクタ１１ａとの境界部分の拡大横断面図である。尚、このシミュレーションでは、容器１１およびリフレクタ１１ａの材料としていずれも、屈折率１．４６６のガラスを用いた。シミュレーションの結果、容器１１の最適形状は、外径が８６０ｍｍ、高さ（外寸）が１０３０ｍｍ、内径が８３４ｍｍ、高さ（内寸）が１０００ｍｍとなった。また、リフレクタ１１ａの最適形状、即ち、各突条部１１ａ１の最適形状は、その横断面形状が直径６０ｍｍの半円形状で、高さが１０３０ｍｍとなり、そのような突条部１１ａ１の最適本数は１１となった。更に、これらの容器１１の側面とリフレクタ１１ａとの間には、エアギャップを設けることが望ましいが、このエアギャップＤの最適寸法は４ｍｍとなった。
【００２３】
上記形状により、容器１１（およびリフレクタ１１ａ）では、例えば夏至の日の太陽がほぼ水平方向に移動する際の方位角の範囲（−１００°〜１００°）および所定の仰角の範囲（１５°〜９０°）に位置する太陽からの照射光を容器１１内に効率的に（計算上最大の効率で）取り込むことができる。また、例えば、冬至の日では、太陽の位置は浅い仰角（３０°以下）をとるが、そのような角度方向からの光に対しても効率的な光取り込みが可能である。
【００２４】
（半導体チップ１２）
半導体チップ１２は、光電変換機能を有する半導体材料、例えば微結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳ系材料またはＧａＩｎＰ系材料等により構成されている。ここでは、ｐ型シリコン（例えばボロン（Ｂ）ドープ）とｎ型シリコン（例えばヒ素（Ａｓ）ドープ）の積層構造（タンデム構造）を有するｐｎ接合素子を例に挙げて説明する。尚、この他にも、ＰＩＮ多重量子構造を有するものであってもよい。半導体チップ１２は、半導体ウェハの状態から多分割されて作製されたものである。その分割数や寸法は特に限定されるものではないが、例えば、半導体ウェハとして、６０ｍｍ（Ｚ）×６２０ｍｍ（Ｘ）×８００ｍｍ（Ｙ）のスケールのものを用いた場合、例えば図４（Ａ）〜（Ｈ）に示したような分割数に設定することができる。尚、図４（Ａ）〜（Ｅ）は、縦方向（Ｚ方向）には分割せずにＸＹ平面のみでの分割した例であり、図４（Ｆ）〜（Ｈ）は、図４（Ｅ）に示した分割状態から更に、Ｚ方向に沿って２分割，３分割，５分割した各場合に相当する。あるいは、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、図４（Ｅ）に示した分割状態から更に、Ｚ方向の分割（２分割，３分割，５分割）をランダムに行うようにしてもよい。
【００２５】
この半導体チップ１２は、具体的には次のようなタンデム構造を有している。図６は、半導体チップ１２の断面構造を表したものである。このように、半導体チップ１２は、ｐ型Ｓｉ層１２０ａとｎ型Ｓｉ層１２０ｂとからなるｐｎ接合部１２０を複数（ここでは９つ）積層したものである。換言すると、ｐ型Ｓｉ層１２０ａとｎ型Ｓｉ層１２０ｂとが交互に９層ずつ積層されている。ｐ型Ｓｉ層１２０ａおよびｎ型Ｓｉ層１２０ｂの厚みはそれぞれ、例えば１μｍである。但し、最下層のｎ型Ｓｉ層１２０ｂ１については、ウェハ形成時におけるバッファ層として機能し、例えば厚みが２μｍの低ドープ層となっている。一方、最上層のｐ型Ｓｉ層１２０ａ１については、キャップ層として機能し、高ドープ層となっている。尚、図示は省略するが、このような積層構造の下層にはｎ型のシリコン基板、上層にはＡｕとＴｉとを積層したドット電極（例えば直径２μｍ，ピッチ５μｍ）が配設されている。
【００２６】
半導体チップ１２における積層数（ｐｎ接合部１２０の数）は、電気二重層に要する電圧と水の電気分解に要する電圧とを予め算出しておき、これら２つの合計電圧以上の起電力を生じるように設定されることが望ましい。尚、本実施の形態では、半導体チップ１２として、ｐ型シリコンおよびｎ型シリコン、電解液Ａとして濃度５％のリン酸水溶液を用いた場合、上記のようなｐｎ９層ずつの積層構造において、上記合計電圧を達成できることが確認された。
【００２７】
この半導体チップ１２は、例えば次のようにして作製することができる。即ち、まず、ｎ型シリコン基板上に、バッファとなる低ドープのｎ型Ｓｉ層１２０ｂ１を２μｍ成膜した後、ｐ型Ｓｉ層１２０ａを１μｍ、ｎ型Ｓｉ層１２０ｂを１μｍそれぞれ成膜する。この際、ｐ型Ｓｉ層１２０ａおよびｎ型Ｓｉ層１２０ｂのいずれも、例えばＣＶＤ法により成膜することができる。これらのｐ型Ｓｉ層１２０ａおよびｎ型Ｓｉ層１２０ｂを計９ペア積層する。尚、最後に成膜するｐ型Ｓｉ層１２０ａ１は高ドープ層とする。このようにして形成したウェハ表面（ｐ型Ｓｉ層１２０ａ１上）に、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）および金をこの順に積層してなるドット電極を、例えば真空蒸着法およびフォトリソグラフィ法により形成する。
【００２８】
上記のようにして作製したウェハを、所望のサイズにダイシングして数ミリ角のダイス形状（チップ）に細かく切断（分割）する。このダイシングによって露出した積層膜の側面は熱酸化処理によってコーティングする。このコーティングにより、積層膜側面部分が電解液Ａと接触して光触媒反応による分解が抑制されると共に、側面で結晶欠陥が生じた場合に、この結晶欠陥を伝ってリークする暗電流が防止される。更に、半導体チップ１２におけるプラス極とマイナス極とを分離絶縁させる機能も有している。これにより、ｐ型Ｓｉ層１２０ａおよびｎ型Ｓｉ層１２０ｂの多層構造を有する半導体チップ１２を複数、作製することができる。
【００２９】
尚、半導体チップ１２の作製手法としては、上記のものに限らず、半導体ウェハに対し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、基板上において複数の積層膜をそれぞれ柱状に（全体としては凹凸状に）加工した後、それらを分離するようにしてもよい。
【００３０】
（発電部２０）
発電部２０は、例えば水素ボンベ２１と、酸素ボンベ２２と、燃料電池２３とを備えたものである。水素ボンベ２１は、水素ガスを貯蔵するものであり、ガス分離フィルタ１３によって分離後の水素（図２（Ａ）における水素取出口１３ａから取り出された水素）を収容すると共に、その水素を燃料電池２３へ供給するものである。酸素ボンベ２２は、酸素ガスを貯蔵するものであり、ガス分離フィルタ１３によって分離後の酸素（図２（Ａ）における酸素取出口１３ｂから取り出された酸素）を収容すると共に、その酸素を燃料電池２３へ供給するものである。燃料電池２３は、水素および酸素の化学反応によって電気エネルギーを生成するものである。
【００３１】
図７は、燃料電池２３の一構成例を表したものである。このように、燃料電池２３は、例えば、アノード電極２３Ａとカソード電極２３Ｃとにより、電解質層２３Ｂを挟み込んだものである。アノード電極２３Ａ側には、水素供給口２３ａ１が設けられており、水素ボンベ２１から水素が導入されるようになっている。カソード電極２３Ｃ側には、酸素供給口２３ｃ１が設けられており、酸素ボンベ２２から酸素が導入されるようになっている。カソード電極２３Ｃ側には、また、反応生成物としての水（Ｈ2Ｏ）を排出するための排出口が設けられている。
【００３２】
（給湯器３０）
給湯器３０は、容器１１の内部から熱エネルギーを吸収（回収）する機能を有し、このような機能を利用して例えば温水Ｃを供給可能となっている。この給湯器３０は、配管３１に連結された熱変換部３０ａを有しており、配管３１内の熱交換液体Ｂに吸収された熱エネルギーを回収しつつ、エネルギー回収後の熱交換液体Ｂを再び配管３１へ戻して循環させるものである。これにより、配管３１内を循環する熱交換液体Ｂは、冷却管３１ａを通過する過程において、容器１１内を冷却しつつ熱エネルギーを吸収した後、配管３１を伝って熱変換部３０ａの一端ｅ１へ流れ込む。この後、熱変換部３０ａにおいて、熱交換液体Ｂに吸収された熱エネルギーが回収され、他端ｅ２より、再び配管３１へ流れ出す。このようにして、この給湯器３０により、容器１１内の熱エネルギーが吸収されるようになっている。
【００３３】
［発電システム１の作用・効果］
（電気エネルギーの生成）
本実施の形態では、ガス生成部１０において、容器１１の内部へ取り込まれた光は、リフレクタ１１ａによって乱反射され、複数の半導体チップ１２により吸収される。半導体チップ１２では、ｐ型Ｓｉ層１２０ａとｎ型Ｓｉ層１２０ｂとからなるｐｎ接合部１２０が複数層（ここでは９層）積層されているので、十分な起電力を生じる。例えば、ｐｎ接合部１２０を９層直列に積層してなる本実施の形態では、４．５Ｖ相当の起電力を得ることができる。これにより、容器１１内では、ガス（水素および酸素）が気泡となって激しく発生し（光エネルギーがガスに変換され）、発生したガスは、ガス分離フィルタ１３において水素と酸素とに分離される。
【００３４】
分離された水素は発電部２０の水素ボンベ２１へ、酸素は酸素ボンベ２２へそれぞれ貯蔵される。発電部２０では、このようにして水素ボンベ２１および酸素ボンベ２２へ貯蔵された水素および酸素を利用して、電気エネルギーを生成する。具体的には、燃料電池２３では、図７に示したアノード電極２３Ａ側に水素が供給されると、アノード電極２３Ａにおいて、式（１）の反応が起こる。一方、カソード電極２３Ｃ側に酸素が供給されると、カソード電極２３Ｃでは、以下の式（２）の反応が起こる。このような電気化学反応によって、電気エネルギーが生成される（化学エネルギーが電気エネルギーに変換される）。尚、カソード電極２３Ｃにおいて生成された水は、排出口２３ｃ２を介して外部へ排出される。
Ｈ2→２Ｈ+２ｅ- ………（１）
(１／２)Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→ ３Ｈ2Ｏ ………（２）
【００３５】
（熱エネルギーの取得）
この一方で、容器１１内では、上記のような電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じる。本実施の形態では、容器１１と給湯器３０とが、配管３１によって接続され、この配管３１は、その一部（容器１１側）が冷却管３１ａとして容器１１の内部に設けられる一方、給湯器３０において所定の熱変換器３０ａに連結されている。このような配管３１内において熱交換液体Ｂを循環させることにより、熱交換液体Ｂは、冷却管３１ａを通過する過程において、容器１１内を冷却しつつ熱エネルギーを吸収した後、配管３１を伝って熱変換部３０ａの一端ｅ１へ流れ込む。その後、熱変換部３０ａにおいて、熱交換液体Ｂが吸収した熱エネルギーが回収され、他端ｅ２より、再び配管３１へ流れ出す。このように、給湯器３０では、熱交換液体Ｂの循環を利用して、容器１１内部の熱エネルギーを吸収する。
【００３６】
以上のように、本実施の形態では、ガス生成部１０において、容器１１内に電解液Ａと光電変換機能を有する複数の半導体チップ１２とを封入したので、容器１１内に入射した光を、複数の半導体チップ１２により吸収させ、電解液Ａにおいて電気分解を起こすことができる。これにより、容器内においてガス（水素および酸素）を発生させることができ、発電部２０はその発生したガスを利用して、電気エネルギーを生成することが可能となる。一方、容器１１内部では、上記電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じるが、給湯部３０により容器１１内部から熱エネルギーを吸収することができる。よって、光エネルギーを利用して、電気エネルギーおよび熱エネルギーの双方を得ることが可能となる。
【００３７】
即ち、太陽からの光エネルギーを、電気エネルギーとしてだけでなく熱エネルギーとしても利用することができ、光エネルギーを余すことなく活用することができる。このようなシステムの実現により、ハイブリッド型の発電システムとして様々な応用化が期待できる。
【００３８】
また、容器１１内に、冷却管３１ａを設ける（望ましくは容器１１内の光入射側と反対の背面側に設ける）ことにより、上述のように、容器１１内部から熱エネルギーを吸収できるだけでなく、容器１１内で温度勾配を生じさせて、熱対流を起こすことができる。ここで、容器１１内に封入された複数の半導体チップ１２は、容器１１の底部に沈殿することがあるが、沈殿した状態では、光利用効率が低下して起電力が生じにくい。上記のような熱対流が容器１１内で起きると、電解液Ａが攪拌され、半導体チップ１２が均等に分散され、光利用効率が向上し易くなる。
【００３９】
また、上記のような熱エネルギーの吸収により、次のような効果も期待できる。即ち、ＰＮ接合を用いた太陽電池素子では、温度上昇によってその変換効率が低下することが知られているが、このような素子の冷却効果も期待できる。
【００４０】
更に、ガス生成部１０において、容器１１が所定の円筒形状を有すると共に、容器１１に所定のリフレクタ１１ａが設けられているので、入射光を取り込み易い（取り込み可能な入射角度範囲が広い）ため、容器１１の設置の自由度が高い。例えば、容器１１を立てた状態においても使用可能であるため、例えばベランダ等の狭小な領域にも設置可能であり、特に家庭での設置に便利である。勿論、外壁や屋根等の平らな場所に、容器１１を寝かした状態で複数並設することもできる（図８）。
【００４１】
加えて、容器１１が上記のような所定の円筒形状を有し、また側面の一部に所定のリフレクタ１１ａが設けられていることにより、例えば方位角−１００°〜１００°の範囲内および仰角１５°〜９０°の範囲内に位置する太陽から、容器１１内部へ効率良く光が取り込まれる。つまり、従来のような平板状のパネル型太陽電池に比べ、季節や時刻を問わず、太陽光を効率的に取り込み易くなる。
【００４２】
ここで、図９に、太陽の位置（方位角，仰角）と日光照射量との関係を示す。このように、方位角−１００°〜１００°の範囲および仰角１５°〜９０°の範囲をカバーし得るのであれば、大部分の太陽光をロス無く取り込み可能であることがわかる。また、図１０には、太陽の位置による光取り込み効率について示す。
【００４３】
更に、図１１（Ａ）には、太陽の方位角と吸収エネルギーについての関係について示す。ここでは、実施例１が、本実施の形態で説明したようなリフレクタ１１ａを有する円筒形状の容器１１を用いた場合の特性を表している。尚、実施例２として、リフレクタを設けていない直方体形状（ボックス状）の容器を用いた場合の特性を示す。また、比較例としてウェハを用いた場合（パネル型の太陽電池）の特性と、夏至の日の地表到達照射量（Ｗ／ｍ2）についても示す。但し、比較例で用いたウェハの平面積と、実施例１，２で用いたチップの総面積は同一とする。これにより、実施例１では、ウェハ状態の比較例に比べて、吸収エネルギーが大幅に向上していることがわかる。また、図１１（Ｂ）には、仰角４５°における太陽光の吸収エネルギー（棒グラフ）および吸収効率（折れ線グラフ）について、上記比較例および実施例１，２と、円筒形状の容器１１にリフレクタを設けていない容器を用いた場合の例（実施例３）についても示す。これにより、太陽の仰角４５°の場合の入射光に対する吸収エネルギーは、実施例３では５９５．４４Ｗであるのに対し、実施例１では６２２．４７Ｗとなることがわかり、円筒形状の容器１１に対してリフレクタ１１ａを設けることにより、光取り込み効率を約４．５％向上させることができる。また、実施例１では、直方体の箱型容器の実施例２と比較しても、１３％以上も吸収エネルギーが向上する。更に、パネル型の比較例と比較すると、約２９３％も向上している。
【００４４】
また、図１２には、ウェハの分割数毎の光入射角度と吸収光量の関係について示す。このように、ウェハの状態から分割数を増やすに連れて、吸収光量は入射角度に依存しにくくなることがわかる。より分割数が多い程、即ち容器１１内に、より微細な半導体チップが数多く分散している程、光吸収率が高まることがわかる。
【００４５】
次に、上記実施の形態の変形例について説明する。以下では、上記実施の形態と同様の、構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４６】
（変形例）
図１３は、変形例１に係るガス生成部の構成を説明するための図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。本変形例のガス生成部も、上記実施の形態と同様の、ガス分離部１３、発電部２０および給湯器３０を備えた発電システムへ適用可能なものである。本変形例においても、ガス生成部は、容器１１の内部に電解液Ａが充填されたものであり、この電解液Ａ中に複数の半導体チップ１２を分散して含んでいる。また、容器１１は、その全体形状が円筒形状となっており、側面の一部にリフレクタ４１ａを有している。また、リフレクタ４１ａは、例えば、容器１１の側面に沿って、複数の突状部が並設されてなり、これらの突条部は、上記実施の形態の突条部１１ａ１と同様の材料により構成され、上述した理由からその配置や本数が設定されている。また、各突状部の外形状は、シリンドリカル形状となっており、横断面形状における外形（輪郭）は、図１３（Ｂ）に示したように、半円状または楕円状となっている。
【００４７】
但し、本変形例では、このリフレクタ４１ａが中空状に成型されており、その内部を熱交換液体Ｂが流れるようになっている。即ち、本変形例では、リフレクタ４１ａが、上記実施の形態で説明した冷却管として機能し、このリフレクタ４１ａが、上述した配管３１の一部として設けられている。この場合、リフレクタ４１ａは、上記実施の形態と異なり、容器１１の側面に密着して設けられることが望ましい。これにより、容器１１内の冷却効果を高めると共に、熱エネルギーを吸収し易くなるためである。
【００４８】
本変形例のように、熱エネルギーを吸収するための冷却管は、容器１１の内部に限らず、容器１１の側面に隣接して設けるようにしてもよい。これにより、上記実施の形態と同等の効果を得ることができると共に、リフレクタ４１ａを冷却管として併用することができる。これにより、冷却管を容器１１内部へ配設した場合に比べ、容器１１内に熱対流の妨げとなるものがなくなるため、容器１１内での攪拌効果をより効果的なものすることができる。
【００４９】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、容器１１およびリフレクタ１１ａの最適形状として、図３に示した形状を例に挙げたが、本発明の容器およびリフレクタの形状はこれに限らず、様々な形状を取り得る。例えば、図１４（Ａ）〜（Ｄ）、図１５（Ａ）〜（Ｃ）、図１６（Ａ）〜（Ｃ）、図１７（Ａ），（Ｂ）、図１８（Ａ）〜（Ｃ）の各図に示したような形状としてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１…太陽電池、２１Ａ…光射出面、２１Ｂ…界面、２２…透明基板、２２Ａ，２４Ａ…立体構造、２２Ｂ…凸部、２２Ｃ…頂部、２２Ｄ…谷部、２３…受光素子、２４…透明電極、２４Ｂ…谷部、２５…光電変換層、２６…反射電極、３０…原盤、３０Ａ…型ロール、３０Ｂ…板状原盤。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば太陽光を利用して発電を行う発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン系のソーラーセル（太陽電池）の大型化、高光電変換効率の実現へ向けて様々な開発が進められている（例えば、特許文献１，２）。太陽電池は、一般に家やビル等の外壁や屋根に設置されて使用されるものが多く、そのため、光電変換機能を持つ結晶材料を平板状に敷詰めたパネル型のデバイスとして形成される。
【０００３】
ところが、このようなパネル型の太陽電池では、所望の電力量を得るためには、大面積化が必要とされ、その設置面積も大きく確保しなければならない。また、電極配線の設置や、屋外環境での耐性を得るための表面コーティング等を行う必要があるため、発電効率が犠牲になることがある。
【０００４】
更には、屋根等に固定設置するパネル型の太陽電池では、時間帯や季節によって大きく角度を変える太陽の光を十分に吸収できない。例えば、日が浅い角度へ傾くに従って、平面に対する照射面積は縮小するため、光吸収効率は低下する。パネル型の太陽電池において光吸収効率が最大となるのは、太陽光がほぼ垂直にパネルへ入射する南中時（日の出と日の入との中間の時間帯）のみである。従って、実際には、一日を通してほぼ傾斜している太陽からの光エネルギーを十分に受け取っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５６−１６３２８５号公報
【特許文献２】特開昭５７−１３１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、上記特許文献１，２では、ウェハの状態から細分化して形成した微小な太陽電池素子を、容器内に満たした電解液に懸濁させてなる電気分解装置が提案されている。これにより、パネル型の太陽電池に比べ、狭小な設置面積で効率的に太陽光を取り込むことができる。このような構造により、光エネルギーに基づいて電気分解を生じさせ、水素等のガスを発生させることが記載されている。
【０００７】
また、このようにして発生させたガスを燃料電池へ供給することにより電気エネルギーを生成することができ、即ち太陽光による発電システムを実現できる。一方近年、太陽熱給湯システムが見直されている。これは、太陽光発電に比べて、エネルギー変換効率が高いためである。しかしながら、一般家庭の限られたスペースでは、太陽光発電と給湯システムを同時に設置することは難しく、電気の利便性から、太陽光発電を選ぶ家庭が多いようである。電力供給だけでなく、例えば給湯等を同時に行うことが可能なハイブリッド型のシステムが可能になれば、一つの装置を設置することで、電気を使える利便性と、両者を合わせたこれまでにないような高いエネルギー変換効率が期待できる。即ち、電気エネルギーだけでなく、熱エネルギーをも得ることが可能な夢の発電システムが実現されることになる。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光エネルギーを利用して、電気エネルギーおよび熱エネルギーの双方を得ることが可能な発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発電システムは、容器内に、電解液と、光電変換機能を有する複数の半導体素子とが封入されてなり、光エネルギーを吸収してガスを発生するガス生成部と、ガス生成部により発生したガスを利用して電気エネルギーを生成する発電部と、容器内部から熱エネルギーを吸収する熱交換部とを備えたものである。
【００１０】
本発明の発電システムでは、ガス生成部において、容器内に入射した光が、複数の半導体素子により吸収されると、電解液において電気分解が生じる。これにより、容器内ではガス（例えば水素）が発生する（光エネルギーがガスに変換される）。発電部は、そのようにして発生したガスを利用して、電気エネルギーを生成する。一方、容器内部では、上記電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じるが、熱交換部により、容器内部から熱エネルギーが吸収される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発電システムによれば、ガス生成部において、容器内に電解液と光電変換機能を有する複数の半導体素子とを封入したので、容器内に入射した光を、複数の半導体素子により吸収して、電解液において電気分解を起こすことができる。これにより、容器内においてガス（例えば水素）を発生させることができ、発電部はその発生したガスを利用して、電気エネルギーを生成することが可能となる。一方、容器内部では、上記電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じるが、熱交換部により容器内部から熱エネルギーを吸収することができる。よって、光エネルギーを利用して、電気エネルギーおよび熱エネルギーの双方を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの全体構成を表すブロック図である。
【図２】図１に示したガス生成部の概略構成を表す斜視図および断面図である。
【図３】図１に示した容器の詳細構成を表す断面図である。
【図４】図１に示したガス生成部の配置構成の一例である。
【図５】図１に示したｐｎ接合素子の断面構成を表す模式図である。
【図６】図１に示した燃料電池の断面構成を表す模式図である。
【図７】実測（光照射なし）による電圧と電流密度との関係図である。
【図８】実測（光照射あり）による電圧と電流密度との関係図である。
【図９】発電システム１全体における入射波長と光吸収率の関係図である。
【図１０】シミュレーションに用いた素子構造（平板、１５０ｎｍピッチ）を表す図である。
【図１１】実測によるインピーダンス測定結果を表す図である。
【図１２】ピッチとＣ60（フラーレン）単層膜の抵抗値（実測値）との関係を表す特性図である。
【図１３】シミュレーションモデルの等価回路を表す図である。
【図１４】平板を用いた場合の等価回路によるシミュレーション結果（電流−電圧特性）を示す図である。
【図１５】立体構造を有する場合の等価回路によるシミュレーション結果（電流−電圧特性）を示す図である。
【図１６】光電変換効率を平板比で表した図である。
【図１７】実際に作製した太陽電池のＴＥＭ写真である。
【図１８】本発明の太陽電池の一変形例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。尚、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（熱交換部に接続された冷却管を容器内部に設けた例）
２．変形例（冷却管を容器側面に隣接して設けた（リフレクタを利用した）例）
３．他の変形例（容器およびリフレクタの形状の他の例）
【００１４】
＜実施の形態＞
［発電システム１の構成］
図１は、本発明の一実施の形態に係る発電システム（発電システム１）の全体構成を表したものである。発電システム１は、太陽光エネルギーを利用して電気エネルギーを生成する太陽電池システムであり、ガス生成部１０と、ガス分離フィルタ１３と、発電部２０と、配管３１と、給湯器３０（熱交換部）とを備えている。
【００１５】
図２は、ガス生成部１０およびガス分離フィルタ１３の一構成例を表したものであり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はガス生成部１０の横断面図である。ガス生成部１０は、容器１１の内部に電解液Ａが充填されたものであり、この電解液Ａ中に、複数の半導体チップ１２を分散して含んでいる。容器１１は、その側面の一部にリフレクタ（後述のリフレクタ１１ａ）を有しており、容器１１内に入射してきた光を乱反射させて光吸収効率を高めるようになっている。電解液Ａは、例えば所定の濃度のリン酸（Ｈ3ＰＯ4）水溶液であり、その濃度は、電気二重層を考慮して適切な値に設定されている。半導体チップ１２は、光電変換機能を有する微細な太陽電池素子である。以下、各部の具体的な構成について説明する。
【００１６】
（容器１１）
容器１１は、電解液Ａおよび複数の半導体チップ１２を収容するものであり、内部において発生したガスを外部へ取り出し可能となっている。この容器１１は、また、太陽光等の光を透過させ、内部へ取り込む役割を有している。容器１１は、太陽光に対して透明な材料（例えばガラス）で構成されている。理想的には太陽光に対する透過率が９７％以上の超透過ガラスが挙げられる。これは、例えば、ガラス表面に、ＳｉＯ2からなる厚みが１００ｎｍの反射防止（ＡＲ）膜が被覆されたものである。このような超透過ガラスは、例えばナノサイズのＳｉＯ2粉末を溶剤に溶き、ガラス表面に塗布した後、約７００℃で焼成することによって作製することができる。また、このような容器１１に使用されるガラスは、表面に凹凸（梨地模様）を有していてもよい。また、通常の窓ガラスなどよりも鉄の成分比が少なく、透明度が高い白板ガラスを用いてもよい。更に、内部保護のために、特殊な熱処理が施されていてもよい。尚、ガラス材料としては、石英(天然、または合成（二酸化珪素を更に特殊な化学プロセスにより高純度の塩化珪素に合成したもの)等が挙げられる。
【００１７】
容器１１の全体形状は、その内部への光取り込み効率（光閉じ込め効率）を考慮した形状であることが望ましい。例えば、図２（Ａ）に示したように、一軸方向に沿って延在する円筒形状となっている。換言すると、図２（Ｂ）に示したように、容器１１の横断面形状は円形状となっている。但し、所望の光取り込み効率を確保可能であれば、他の形状であってもよく、例えば横断面形状が矩形状等の多角形状であってもよい。
【００１８】
容器１１の側面（光入射面と反対側の背面）の一部には、リフレクタ１１ａが設けられている。リフレクタ１１ａは、例えば、容器１１の側面に沿って、複数の突状部１１ａ１が並設されてなり、透明材料、例えばＢＫ７，合成石英により構成されている。突条部１１ａ１は、容器１１と互いに同一方向に延在するかまぼこ型（平凸型）のシリンドリカル（Cylindrical）形状を有している。換言すると、突状部１１ａ１の横断面形状は、図２（Ｂ）に示したように、半円状または楕円状となっている。この突条部１１ａ１の本数は、特に限定されないが、望ましくはより広い角度範囲で太陽光を取り込み可能となるように設定されている。例えば、方位角１００°の方向から容器１１へと向かう光が、容器１１内へ入射する前に、リフレクタ１１ａによって遮断されないような（リフレクタ１１ａに当たることなく容器１１へ入射し得るような）本数となっていることが望ましい。また、リフレクタ１１ａは、容器１１の側面に、完全に密着することなく、所定のギャップ（エアギャップ，空隙）を介して設けられていることが望ましい。このようなリフレクタ形状および配置により、容器１１内部で光を効率的に乱反射させ、半導体チップ１２における光吸収率を向上させることができる。
【００１９】
この容器１１ａの上部には、内部において発生したガス、ここでは水素（Ｈ2）および酸素（Ｏ2）をそれぞれ分離するためのガス分離フィルタ１３が取り付けられている。ガス分離フィルタ１３によって分離された水素および酸素のうち、水素は、水素取出口１３ａ、酸素は酸素取出口１３ｂからそれぞれ取り出し可能となっている。
【００２０】
一方、容器１１ａ内には、複数（ここでは３本）の配管３１が配設され、この配管３１の内部を熱交換液体Ｂが流れるようになっている。配管３１は、給湯器３０に接続されており、給湯器３０と容器１１との間において熱交換液体Ｂを循環させるためのものである。この配管３１のうち容器１１に内設される部分（冷却管３１ａ）において、容器１１の内部を冷却しつつ、容器１１内の熱を吸収するようになっている。尚、熱交換液体Ｂが本発明における熱交換媒体の一具体例に相当するが、この熱交換媒体としては、配管３１内を循環可能なものであれば、液体状のものに限らず、気体（ガス）状または固体状のものであってもよい。
【００２１】
配管３１に用いられる材料の屈折率は、光の遮蔽効果を抑えるために、電解液Ａの屈折率とほぼ同値（例えば±０．０５以内）となっていることが望ましい。また、より望ましくは、この配管３１における冷却管３１ａが、容器１１内の局所的な領域に偏って配設されている。これは容器１１内の一部のみを冷やすことによって、容器１１内に温度勾配を生じさせ、電解液Ａの対流を起こし易くなるためである。この対流によって、半導体チップ１２が攪拌され、その沈殿が抑制されるというメリットがある。
【００２２】
図３は、上記のような容器１１の最適形状（一例）についてのシミュレーション結果を表したものであり、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は容器１１側面とリフレクタ１１ａとの境界部分の拡大横断面図である。尚、このシミュレーションでは、容器１１およびリフレクタ１１ａの材料としていずれも、屈折率１．４６６のガラスを用いた。シミュレーションの結果、容器１１の最適形状は、外径が８６０ｍｍ、高さ（外寸）が１０３０ｍｍ、内径が８３４ｍｍ、高さ（内寸）が１０００ｍｍとなった。また、リフレクタ１１ａの最適形状、即ち、各突条部１１ａ１の最適形状は、その横断面形状が直径６０ｍｍの半円形状で、高さが１０３０ｍｍとなり、そのような突条部１１ａ１の最適本数は１１となった。更に、これらの容器１１の側面とリフレクタ１１ａとの間には、エアギャップを設けることが望ましいが、このエアギャップＤの最適寸法は４ｍｍとなった。
【００２３】
上記形状により、容器１１（およびリフレクタ１１ａ）では、例えば夏至の日の太陽がほぼ水平方向に移動する際の方位角の範囲（−１００°〜１００°）および所定の仰角の範囲（１５°〜９０°）に位置する太陽からの照射光を容器１１内に効率的に（計算上最大の効率で）取り込むことができる。また、例えば、冬至の日では、太陽の位置は浅い仰角（３０°以下）をとるが、そのような角度方向からの光に対しても効率的な光取り込みが可能である。
【００２４】
（半導体チップ１２）
半導体チップ１２は、光電変換機能を有する半導体材料、例えば微結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳ系材料またはＧａＩｎＰ系材料等により構成されている。ここでは、ｐ型シリコン（例えばボロン（Ｂ）ドープ）とｎ型シリコン（例えばヒ素（Ａｓ）ドープ）の積層構造（タンデム構造）を有するｐｎ接合素子を例に挙げて説明する。尚、この他にも、ＰＩＮ多重量子構造を有するものであってもよい。半導体チップ１２は、半導体ウェハの状態から多分割されて作製されたものである。その分割数や寸法は特に限定されるものではないが、例えば、半導体ウェハとして、６０ｍｍ（Ｚ）×６２０ｍｍ（Ｘ）×８００ｍｍ（Ｙ）のスケールのものを用いた場合、例えば図４（Ａ）〜（Ｈ）に示したような分割数に設定することができる。尚、図４（Ａ）〜（Ｅ）は、縦方向（Ｚ方向）には分割せずにＸＹ平面のみでの分割した例であり、図４（Ｆ）〜（Ｈ）は、図４（Ｅ）に示した分割状態から更に、Ｚ方向に沿って２分割，３分割，５分割した各場合に相当する。あるいは、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、図４（Ｅ）に示した分割状態から更に、Ｚ方向の分割（２分割，３分割，５分割）をランダムに行うようにしてもよい。
【００２５】
この半導体チップ１２は、具体的には次のようなタンデム構造を有している。図６は、半導体チップ１２の断面構造を表したものである。このように、半導体チップ１２は、ｐ型Ｓｉ層１２０ａとｎ型Ｓｉ層１２０ｂとからなるｐｎ接合部１２０を複数（ここでは９つ）積層したものである。換言すると、ｐ型Ｓｉ層１２０ａとｎ型Ｓｉ層１２０ｂとが交互に９層ずつ積層されている。ｐ型Ｓｉ層１２０ａおよびｎ型Ｓｉ層１２０ｂの厚みはそれぞれ、例えば１μｍである。但し、最下層のｎ型Ｓｉ層１２０ｂ１については、ウェハ形成時におけるバッファ層として機能し、例えば厚みが２μｍの低ドープ層となっている。一方、最上層のｐ型Ｓｉ層１２０ａ１については、キャップ層として機能し、高ドープ層となっている。尚、図示は省略するが、このような積層構造の下層にはｎ型のシリコン基板、上層にはＡｕとＴｉとを積層したドット電極（例えば直径２μｍ，ピッチ５μｍ）が配設されている。
【００２６】
半導体チップ１２における積層数（ｐｎ接合部１２０の数）は、電気二重層に要する電圧と水の電気分解に要する電圧とを予め算出しておき、これら２つの合計電圧以上の起電力を生じるように設定されることが望ましい。尚、本実施の形態では、半導体チップ１２として、ｐ型シリコンおよびｎ型シリコン、電解液Ａとして濃度５％のリン酸水溶液を用いた場合、上記のようなｐｎ９層ずつの積層構造において、上記合計電圧を達成できることが確認された。
【００２７】
この半導体チップ１２は、例えば次のようにして作製することができる。即ち、まず、ｎ型シリコン基板上に、バッファとなる低ドープのｎ型Ｓｉ層１２０ｂ１を２μｍ成膜した後、ｐ型Ｓｉ層１２０ａを１μｍ、ｎ型Ｓｉ層１２０ｂを１μｍそれぞれ成膜する。この際、ｐ型Ｓｉ層１２０ａおよびｎ型Ｓｉ層１２０ｂのいずれも、例えばＣＶＤ法により成膜することができる。これらのｐ型Ｓｉ層１２０ａおよびｎ型Ｓｉ層１２０ｂを計９ペア積層する。尚、最後に成膜するｐ型Ｓｉ層１２０ａ１は高ドープ層とする。このようにして形成したウェハ表面（ｐ型Ｓｉ層１２０ａ１上）に、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）および金をこの順に積層してなるドット電極を、例えば真空蒸着法およびフォトリソグラフィ法により形成する。
【００２８】
上記のようにして作製したウェハを、所望のサイズにダイシングして数ミリ角のダイス形状（チップ）に細かく切断（分割）する。このダイシングによって露出した積層膜の側面は熱酸化処理によってコーティングする。このコーティングにより、積層膜側面部分が電解液Ａと接触して光触媒反応による分解が抑制されると共に、側面で結晶欠陥が生じた場合に、この結晶欠陥を伝ってリークする暗電流が防止される。更に、半導体チップ１２におけるプラス極とマイナス極とを分離絶縁させる機能も有している。これにより、ｐ型Ｓｉ層１２０ａおよびｎ型Ｓｉ層１２０ｂの多層構造を有する半導体チップ１２を複数、作製することができる。
【００２９】
尚、半導体チップ１２の作製手法としては、上記のものに限らず、半導体ウェハに対し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、基板上において複数の積層膜をそれぞれ柱状に（全体としては凹凸状に）加工した後、それらを分離するようにしてもよい。
【００３０】
（発電部２０）
発電部２０は、例えば水素ボンベ２１と、酸素ボンベ２２と、燃料電池２３とを備えたものである。水素ボンベ２１は、水素ガスを貯蔵するものであり、ガス分離フィルタ１３によって分離後の水素（図２（Ａ）における水素取出口１３ａから取り出された水素）を収容すると共に、その水素を燃料電池２３へ供給するものである。酸素ボンベ２２は、酸素ガスを貯蔵するものであり、ガス分離フィルタ１３によって分離後の酸素（図２（Ａ）における酸素取出口１３ｂから取り出された酸素）を収容すると共に、その酸素を燃料電池２３へ供給するものである。燃料電池２３は、水素および酸素の化学反応によって電気エネルギーを生成するものである。
【００３１】
図７は、燃料電池２３の一構成例を表したものである。このように、燃料電池２３は、例えば、アノード電極２３Ａとカソード電極２３Ｃとにより、電解質層２３Ｂを挟み込んだものである。アノード電極２３Ａ側には、水素供給口２３ａ１が設けられており、水素ボンベ２１から水素が導入されるようになっている。カソード電極２３Ｃ側には、酸素供給口２３ｃ１が設けられており、酸素ボンベ２２から酸素が導入されるようになっている。カソード電極２３Ｃ側には、また、反応生成物としての水（Ｈ2Ｏ）を排出するための排出口が設けられている。
【００３２】
（給湯器３０）
給湯器３０は、容器１１の内部から熱エネルギーを吸収（回収）する機能を有し、このような機能を利用して例えば温水Ｃを供給可能となっている。この給湯器３０は、配管３１に連結された熱変換部３０ａを有しており、配管３１内の熱交換液体Ｂに吸収された熱エネルギーを回収しつつ、エネルギー回収後の熱交換液体Ｂを再び配管３１へ戻して循環させるものである。これにより、配管３１内を循環する熱交換液体Ｂは、冷却管３１ａを通過する過程において、容器１１内を冷却しつつ熱エネルギーを吸収した後、配管３１を伝って熱変換部３０ａの一端ｅ１へ流れ込む。この後、熱変換部３０ａにおいて、熱交換液体Ｂに吸収された熱エネルギーが回収され、他端ｅ２より、再び配管３１へ流れ出す。このようにして、この給湯器３０により、容器１１内の熱エネルギーが吸収されるようになっている。
【００３３】
［発電システム１の作用・効果］
（電気エネルギーの生成）
本実施の形態では、ガス生成部１０において、容器１１の内部へ取り込まれた光は、リフレクタ１１ａによって乱反射され、複数の半導体チップ１２により吸収される。半導体チップ１２では、ｐ型Ｓｉ層１２０ａとｎ型Ｓｉ層１２０ｂとからなるｐｎ接合部１２０が複数層（ここでは９層）積層されているので、十分な起電力を生じる。例えば、ｐｎ接合部１２０を９層直列に積層してなる本実施の形態では、４．５Ｖ相当の起電力を得ることができる。これにより、容器１１内では、ガス（水素および酸素）が気泡となって激しく発生し（光エネルギーがガスに変換され）、発生したガスは、ガス分離フィルタ１３において水素と酸素とに分離される。
【００３４】
分離された水素は発電部２０の水素ボンベ２１へ、酸素は酸素ボンベ２２へそれぞれ貯蔵される。発電部２０では、このようにして水素ボンベ２１および酸素ボンベ２２へ貯蔵された水素および酸素を利用して、電気エネルギーを生成する。具体的には、燃料電池２３では、図７に示したアノード電極２３Ａ側に水素が供給されると、アノード電極２３Ａにおいて、式（１）の反応が起こる。一方、カソード電極２３Ｃ側に酸素が供給されると、カソード電極２３Ｃでは、以下の式（２）の反応が起こる。このような電気化学反応によって、電気エネルギーが生成される（化学エネルギーが電気エネルギーに変換される）。尚、カソード電極２３Ｃにおいて生成された水は、排出口２３ｃ２を介して外部へ排出される。
Ｈ2→２Ｈ+２ｅ- ………（１）
(１／２)Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→ ３Ｈ2Ｏ ………（２）
【００３５】
（熱エネルギーの取得）
この一方で、容器１１内では、上記のような電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じる。本実施の形態では、容器１１と給湯器３０とが、配管３１によって接続され、この配管３１は、その一部（容器１１側）が冷却管３１ａとして容器１１の内部に設けられる一方、給湯器３０において所定の熱変換器３０ａに連結されている。このような配管３１内において熱交換液体Ｂを循環させることにより、熱交換液体Ｂは、冷却管３１ａを通過する過程において、容器１１内を冷却しつつ熱エネルギーを吸収した後、配管３１を伝って熱変換部３０ａの一端ｅ１へ流れ込む。その後、熱変換部３０ａにおいて、熱交換液体Ｂが吸収した熱エネルギーが回収され、他端ｅ２より、再び配管３１へ流れ出す。このように、給湯器３０では、熱交換液体Ｂの循環を利用して、容器１１内部の熱エネルギーを吸収する。
【００３６】
以上のように、本実施の形態では、ガス生成部１０において、容器１１内に電解液Ａと光電変換機能を有する複数の半導体チップ１２とを封入したので、容器１１内に入射した光を、複数の半導体チップ１２により吸収させ、電解液Ａにおいて電気分解を起こすことができる。これにより、容器内においてガス（水素および酸素）を発生させることができ、発電部２０はその発生したガスを利用して、電気エネルギーを生成することが可能となる。一方、容器１１内部では、上記電気分解による反応熱や、太陽光による輻射熱により温度上昇を生じるが、給湯部３０により容器１１内部から熱エネルギーを吸収することができる。よって、光エネルギーを利用して、電気エネルギーおよび熱エネルギーの双方を得ることが可能となる。
【００３７】
即ち、太陽からの光エネルギーを、電気エネルギーとしてだけでなく熱エネルギーとしても利用することができ、光エネルギーを余すことなく活用することができる。このようなシステムの実現により、ハイブリッド型の発電システムとして様々な応用化が期待できる。
【００３８】
また、容器１１内に、冷却管３１ａを設ける（望ましくは容器１１内の光入射側と反対の背面側に設ける）ことにより、上述のように、容器１１内部から熱エネルギーを吸収できるだけでなく、容器１１内で温度勾配を生じさせて、熱対流を起こすことができる。ここで、容器１１内に封入された複数の半導体チップ１２は、容器１１の底部に沈殿することがあるが、沈殿した状態では、光利用効率が低下して起電力が生じにくい。上記のような熱対流が容器１１内で起きると、電解液Ａが攪拌され、半導体チップ１２が均等に分散され、光利用効率が向上し易くなる。
【００３９】
また、上記のような熱エネルギーの吸収により、次のような効果も期待できる。即ち、ＰＮ接合を用いた太陽電池素子では、温度上昇によってその変換効率が低下することが知られているが、このような素子の冷却効果も期待できる。
【００４０】
更に、ガス生成部１０において、容器１１が所定の円筒形状を有すると共に、容器１１に所定のリフレクタ１１ａが設けられているので、入射光を取り込み易い（取り込み可能な入射角度範囲が広い）ため、容器１１の設置の自由度が高い。例えば、容器１１を立てた状態においても使用可能であるため、例えばベランダ等の狭小な領域にも設置可能であり、特に家庭での設置に便利である。勿論、外壁や屋根等の平らな場所に、容器１１を寝かした状態で複数並設することもできる（図８）。
【００４１】
加えて、容器１１が上記のような所定の円筒形状を有し、また側面の一部に所定のリフレクタ１１ａが設けられていることにより、例えば方位角−１００°〜１００°の範囲内および仰角１５°〜９０°の範囲内に位置する太陽から、容器１１内部へ効率良く光が取り込まれる。つまり、従来のような平板状のパネル型太陽電池に比べ、季節や時刻を問わず、太陽光を効率的に取り込み易くなる。
【００４２】
ここで、図９に、太陽の位置（方位角，仰角）と日光照射量との関係を示す。このように、方位角−１００°〜１００°の範囲および仰角１５°〜９０°の範囲をカバーし得るのであれば、大部分の太陽光をロス無く取り込み可能であることがわかる。また、図１０には、太陽の位置による光取り込み効率について示す。
【００４３】
更に、図１１（Ａ）には、太陽の方位角と吸収エネルギーについての関係について示す。ここでは、実施例１が、本実施の形態で説明したようなリフレクタ１１ａを有する円筒形状の容器１１を用いた場合の特性を表している。尚、実施例２として、リフレクタを設けていない直方体形状（ボックス状）の容器を用いた場合の特性を示す。また、比較例としてウェハを用いた場合（パネル型の太陽電池）の特性と、夏至の日の地表到達照射量（Ｗ／ｍ2）についても示す。但し、比較例で用いたウェハの平面積と、実施例１，２で用いたチップの総面積は同一とする。これにより、実施例１では、ウェハ状態の比較例に比べて、吸収エネルギーが大幅に向上していることがわかる。また、図１１（Ｂ）には、仰角４５°における太陽光の吸収エネルギー（棒グラフ）および吸収効率（折れ線グラフ）について、上記比較例および実施例１，２と、円筒形状の容器１１にリフレクタを設けていない容器を用いた場合の例（実施例３）についても示す。これにより、太陽の仰角４５°の場合の入射光に対する吸収エネルギーは、実施例３では５９５．４４Ｗであるのに対し、実施例１では６２２．４７Ｗとなることがわかり、円筒形状の容器１１に対してリフレクタ１１ａを設けることにより、光取り込み効率を約４．５％向上させることができる。また、実施例１では、直方体の箱型容器の実施例２と比較しても、１３％以上も吸収エネルギーが向上する。更に、パネル型の比較例と比較すると、約２９３％も向上している。
【００４４】
また、図１２には、ウェハの分割数毎の光入射角度と吸収光量の関係について示す。このように、ウェハの状態から分割数を増やすに連れて、吸収光量は入射角度に依存しにくくなることがわかる。より分割数が多い程、即ち容器１１内に、より微細な半導体チップが数多く分散している程、光吸収率が高まることがわかる。
【００４５】
次に、上記実施の形態の変形例について説明する。以下では、上記実施の形態と同様の、構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４６】
（変形例）
図１３は、変形例１に係るガス生成部の構成を説明するための図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。本変形例のガス生成部も、上記実施の形態と同様の、ガス分離部１３、発電部２０および給湯器３０を備えた発電システムへ適用可能なものである。本変形例においても、ガス生成部は、容器１１の内部に電解液Ａが充填されたものであり、この電解液Ａ中に複数の半導体チップ１２を分散して含んでいる。また、容器１１は、その全体形状が円筒形状となっており、側面の一部にリフレクタ４１ａを有している。また、リフレクタ４１ａは、例えば、容器１１の側面に沿って、複数の突状部が並設されてなり、これらの突条部は、上記実施の形態の突条部１１ａ１と同様の材料により構成され、上述した理由からその配置や本数が設定されている。また、各突状部の外形状は、シリンドリカル形状となっており、横断面形状における外形（輪郭）は、図１３（Ｂ）に示したように、半円状または楕円状となっている。
【００４７】
但し、本変形例では、このリフレクタ４１ａが中空状に成型されており、その内部を熱交換液体Ｂが流れるようになっている。即ち、本変形例では、リフレクタ４１ａが、上記実施の形態で説明した冷却管として機能し、このリフレクタ４１ａが、上述した配管３１の一部として設けられている。この場合、リフレクタ４１ａは、上記実施の形態と異なり、容器１１の側面に密着して設けられることが望ましい。これにより、容器１１内の冷却効果を高めると共に、熱エネルギーを吸収し易くなるためである。
【００４８】
本変形例のように、熱エネルギーを吸収するための冷却管は、容器１１の内部に限らず、容器１１の側面に隣接して設けるようにしてもよい。これにより、上記実施の形態と同等の効果を得ることができると共に、リフレクタ４１ａを冷却管として併用することができる。これにより、冷却管を容器１１内部へ配設した場合に比べ、容器１１内に熱対流の妨げとなるものがなくなるため、容器１１内での攪拌効果をより効果的なものすることができる。
【００４９】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、容器１１およびリフレクタ１１ａの最適形状として、図３に示した形状を例に挙げたが、本発明の容器およびリフレクタの形状はこれに限らず、様々な形状を取り得る。例えば、図１４（Ａ）〜（Ｄ）、図１５（Ａ）〜（Ｃ）、図１６（Ａ）〜（Ｃ）、図１７（Ａ），（Ｂ）、図１８（Ａ）〜（Ｃ）の各図に示したような形状としてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１…太陽電池、２１Ａ…光射出面、２１Ｂ…界面、２２…透明基板、２２Ａ，２４Ａ…立体構造、２２Ｂ…凸部、２２Ｃ…頂部、２２Ｄ…谷部、２３…受光素子、２４…透明電極、２４Ｂ…谷部、２５…光電変換層、２６…反射電極、３０…原盤、３０Ａ…型ロール、３０Ｂ…板状原盤。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に、電解液と、光電変換機能を有する複数の半導体素子とが封入されてなり、光エネルギーを吸収してガスを発生するガス生成部と、
前記ガス生成部により発生したガスを利用して電気エネルギーを生成する発電部と、
前記容器内部から熱エネルギーを吸収する熱交換部と
を備えた発電システム。
【請求項２】
前記容器と前記熱交換部との間において熱交換媒体を循環させるための配管を備え、
前記配管の一部に相当する冷却管が、前記容器の内部に設けられるか、または前記容器の側面に隣接して設けられている
請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記冷却管は、前記容器の内部において、局所的な領域に偏って１または複数設けられている
請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記冷却管は、前記容器の内部において、光入射側と反対側の領域に設けられている
請求項３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記容器の側面に隣接して中空構造のリフレクタが設けられ、
前記リフレクタが前記冷却管として機能する
請求項２に記載の発電システム。
【請求項６】
前記容器の横断面形状は、多角形または円形である
請求項１に記載の発電システム。
【請求項７】
前記容器の側面の一部にリフレクタが設けられている
請求項６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記リフレクタは、前記容器の側面との間に空隙を有する
請求項７に記載の発電システム。
【請求項９】
前記リフレクタは、複数の突条部を有する
請求項７に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記複数の突条部はそれぞれ、横断面形状が半円形または楕円形である
請求項９に記載の発電システム。
【請求項１１】
前記容器は、複数並設されている
請求項１に記載の発電システム。
【請求項１２】
前記半導体素子は、半導体ウェハを複数個分割して作製されたものである
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１３】
前記半導体素子は、ｐ型シリコン層とｎ型シリコン層とが交互に複数積層されたものである
請求項１２に記載の発電システム。
【請求項１４】
前記ガスは、少なくとも水素（Ｈ2）を含むものである
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１５】
前記ガスは、前記水素と酸素（Ｏ2）とを含むものである
請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１６】
前記ガス生成部により発生した水素および酸素を分離するガス分離フィルタを備えた
請求項１５に記載の発電システム。
【請求項１７】
前記発電部は、
前記ガス分離フィルタにより分離された水素および酸素をそれぞれ貯蔵するガス貯蔵部と、
前記ガス貯蔵部に貯蔵された水素および酸素を利用して電気エネルギーを生成する燃料電池と
を有する
請求項１６に記載の発電システム。
【請求項１】
容器内に、電解液と、光電変換機能を有する複数の半導体素子とが封入されてなり、光エネルギーを吸収してガスを発生するガス生成部と、
前記ガス生成部により発生したガスを利用して電気エネルギーを生成する発電部と、
前記容器内部から熱エネルギーを吸収する熱交換部と
を備えた発電システム。
【請求項２】
前記容器と前記熱交換部との間において熱交換媒体を循環させるための配管を備え、
前記配管の一部に相当する冷却管が、前記容器の内部に設けられるか、または前記容器の側面に隣接して設けられている
請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記冷却管は、前記容器の内部において、局所的な領域に偏って１または複数設けられている
請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記冷却管は、前記容器の内部において、光入射側と反対側の領域に設けられている
請求項３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記容器の側面に隣接して中空構造のリフレクタが設けられ、
前記リフレクタが前記冷却管として機能する
請求項２に記載の発電システム。
【請求項６】
前記容器の横断面形状は、多角形または円形である
請求項１に記載の発電システム。
【請求項７】
前記容器の側面の一部にリフレクタが設けられている
請求項６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記リフレクタは、前記容器の側面との間に空隙を有する
請求項７に記載の発電システム。
【請求項９】
前記リフレクタは、複数の突条部を有する
請求項７に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記複数の突条部はそれぞれ、横断面形状が半円形または楕円形である
請求項９に記載の発電システム。
【請求項１１】
前記容器は、複数並設されている
請求項１に記載の発電システム。
【請求項１２】
前記半導体素子は、半導体ウェハを複数個分割して作製されたものである
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１３】
前記半導体素子は、ｐ型シリコン層とｎ型シリコン層とが交互に複数積層されたものである
請求項１２に記載の発電システム。
【請求項１４】
前記ガスは、少なくとも水素（Ｈ2）を含むものである
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項１５】
前記ガスは、前記水素と酸素（Ｏ2）とを含むものである
請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１６】
前記ガス生成部により発生した水素および酸素を分離するガス分離フィルタを備えた
請求項１５に記載の発電システム。
【請求項１７】
前記発電部は、
前記ガス分離フィルタにより分離された水素および酸素をそれぞれ貯蔵するガス貯蔵部と、
前記ガス貯蔵部に貯蔵された水素および酸素を利用して電気エネルギーを生成する燃料電池と
を有する
請求項１６に記載の発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−５９６６４（Ｐ２０１２−５９６６４Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０４３７７（Ｐ２０１０−２０４３７７）
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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