発電装置及びそのような発電装置を備えた発電システム
【課題】光発電及び熱発電を行うことができる発電装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る発電装置の一形態は、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとが積層された複数のｐｎ積層体１１と、複数のｐｎ積層体１１同士を接続して、光発電モード又は熱発電モードに切り替えるモード切り替え部１６と、を備える。モード切り替え部１６は、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層同11a士を並列に接続し且つｎ型半導体層１１ｂ同士を並列に接続することにより、光発電モードに切り替える。また、モード切り替え部１６は、異なるｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとを直列に接続することにより、熱発電モードに切り替える。
【解決手段】本発明に係る発電装置の一形態は、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとが積層された複数のｐｎ積層体１１と、複数のｐｎ積層体１１同士を接続して、光発電モード又は熱発電モードに切り替えるモード切り替え部１６と、を備える。モード切り替え部１６は、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層同11a士を並列に接続し且つｎ型半導体層１１ｂ同士を並列に接続することにより、光発電モードに切り替える。また、モード切り替え部１６は、異なるｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとを直列に接続することにより、熱発電モードに切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置及びそのような発電装置を備えた発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する太陽電池が利用されている。この光エネルギーとしては、主に太陽光が使用される。
【０００３】
例えば、太陽電池は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層されて形成される。太陽電池は、太陽光等の光を受けて、ｐｎ接合部において電子−正孔対が発生することによって起電力が生じる。
【０００４】
太陽電池の形成材料としては、無機物系及び有機物系がある。無機物系の太陽電池では、無機物半導体材料として主にＳｉが用いられる。ｐ型又はｎ型の極性は、Ｓｉに不純物を添加することによって制御される。
【０００５】
また、有機物系の太陽電池では、有機半導体材料として、有機色素、導電性ポリマ等の有機化合物又はカーボンナノチューブ等が用いられる。そして、これらの材料は、例えば、ガラス等の電気絶縁性の基板上に配置されて太陽電池が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−７８０６６号公報
【特許文献２】特開平９−１５３５３号公報
【特許文献３】特開２００７−８１０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
太陽光を利用する太陽電池は、太陽光を利用できない夜間には、発電することができない。また、日中であっても、雨や曇り等の天候によっては、太陽光が弱いために、十分に発電することができない場合もある。
【０００８】
また、発電装置としては、簡易な構造であることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書で開示する発電装置の一形態によれば、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層された複数のｐｎ積層体と、複数の上記ｐｎ積層体同士を接続して、光発電モード又は熱発電モードに切り替えるモード切り替え部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
上述した発電装置の一形態によれば、簡易な構造を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変化させることができると共に、利用できる光エネルギーが十分でない場合であっても、発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書に開示する発電システムの第１実施形態のシステム構成図である。
【図２】（Ａ）は図１に示す発電装置のｐｎ積層体の配置状態を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（Ａ）は図２のｐｎ積層体の拡大平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図４】図１の発電装置におけるｐｎ積層体及びモード切り替え部を説明する図である。
【図５】（Ａ）はｐｎ体積層体の他の配置状態を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】本明細書に開示する発電システムの第２実施形態のｐｎ積層体及びモード切り替え部を示す図である。
【図７】本明細書に開示する発電システムの第３実施形態のｐｎ積層体を示す図である。
【図８】図７のｐｎ積層体における端部電極の形成材料及びその熱伝導率を示す図である。
【図９】（Ａ）は本明細書に開示する発電システムの第４実施形態のｐｎ積層体の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【図１０】本明細書に開示する発電システムの第５実施形態のｐｎ積層体の断面図である。
【図１１】本明細書に開示する発電システムの第６実施形態のｐｎ積層体の平面図である。
【図１２】図１１のｐｎ積層体のＺ１−Ｚ１線断面図である。
【図１３】本明細書に開示する発電システムの第７実施形態のシステム構成図である。
【図１４】本明細書に開示する発電システムの第８実施形態のシステム構成図である。
【図１５】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第１実施形態の製造工程を示す図（その１）である。
【図１６】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第１実施形態の製造工程を示す図（その２）である。
【図１７】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第１実施形態の製造工程を示す図（その３）である。
【図１８】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第１実施形態の製造工程を示す図（その４）である。
【図１９】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その１）であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＺ２−Ｚ２線拡大断面図である。
【図２０】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その２）である。
【図２１】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その３）である。
【図２２】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その４）であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＺ３−Ｚ３線拡大断面図である。
【図２３】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その５）である。
【図２４】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その６）である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本明細書で開示する発電システムの好ましい第１実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００１３】
図１は、本明細書に開示する発電システムの第１実施形態を示す図である。図２は、図１に示す発電装置のｐｎ積層体の配置状態を示す図である。図３（Ａ）は図２のｐｎ積層体の拡大平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。図４は、図１の発電装置におけるｐｎ積層体及びモード切り替え部を説明する図である。
【００１４】
発電システム１は、図１に示すように、発電装置１０と、発電装置１０を制御する制御装置３０と、を有する。
【００１５】
発電装置１０は、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとが積層された複数のｐｎ積層体１１と、複数のｐｎ積層体１１同士を接続して、光発電モード又は熱発電モードに切り替えるモード切り替え部１６と、を備えることができる。
【００１６】
発電装置１０は、光発電モードでは、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光発電を行う。また、発電装置１０は、熱発電モードでは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電を行うことができる。
【００１７】
発電装置１０は、例えば、太陽光が利用できる昼間は、光発電モードで発電し、太陽光を利用できない夜間は、熱発電モードで発電を行ってもよい。
【００１８】
制御装置３０は、発電装置１０を光発電モード又は熱発電モードに切り替える判断を行って、且つモード切り替え部１６に対してモードの切り替えを実行させる切り替え判断部３１を備えることができる。また、制御装置３０は、切り替え判断部３１がモード切り替えの判断を行うタイミングを与えるタイマー部３２と、切り替え判断部３１が光発電モード又は熱発電モードに切り替える判断を行うための情報が記憶された記憶部３３と、を備えることができる。
【００１９】
記憶部３３には、発電システム１が設置される場所の緯度又は高度等の情報と、過去の統計に基づいた日照確率と、光発電による発電量が熱発電による発電量よりも多くなると予想される日時を記憶することができる。
【００２０】
切り替え判断部３１は、タイマー部３２によって与えられたタイミングで、記憶部３３に記憶された情報を元にして、発電装置１０を光発電モード又は熱発電モードに切り替える判断を行う。
【００２１】
制御装置３０は、例えば、パーソナルコンピュータを用いて形成できる。また、記憶部３３としては、ＲＯＭ又はフラッシュメモリ等の半導体記憶装置、磁気記憶装置等を用いて形成できる。
【００２２】
発電装置１０において光発電モードで発電された電力は、図１に示すように、＋Ｖｓｏｌ及びーＶｓｏｌから、整流器７０を介してパワーコンディショナ５０に出力される。太陽発電モードで発電された電力は、光強度の変化に伴って変動するので、出力された電力は、パワーコンディショナ５０によって、出力電圧＋Ｖｏｕｔが一定に調整されて、負荷に出力される。
【００２３】
パワーコンディショナ５０からの出力には、蓄電器６０が並列に接続されているので、天候による光発電電力の変動が更に防止される。
【００２４】
また、発電装置１０において、熱発電モードで発電された電力は、＋ＶＴＥ及びーＶＴＥから、同様に、整流器７０を介してパワーコンディショナ５０に出力された後、負荷に出力される。
【００２５】
整流器７０は、光発電モードで発電された電力が、＋ＶＴＥに逆流することを防止する。また、整流器７０は、熱発電モードで発電された電力が、＋Ｖｓｏｌに逆流することを防止する。
【００２６】
なお、蓄電池６０は、発電装置１０とパワーコンディショナ５０との間に配置されても良い。
【００２７】
以下、発電装置１０に関して、更に説明を行う。
【００２８】
図２に示すように、ｐｎ積層体１１は、縦長の矩形形状を有する。ｐｎ積層体１１を形成するｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂは、それぞれも、縦長の矩形形状を有する。ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとは、それぞれの長手方向を一致させて積層されている。
【００２９】
ｐｎ積層体１１は、下側の半導体層と同じ形状を有する電気絶縁性の基板１２を有する。ｐｎ積層体１１では、基板１２上に、ｐ型半導体１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂが積層されている。
【００３０】
発電装置１０では、複数のｐｎ積層体１１は、幅方向に間隔をあけて、一列に並んで配置される。ここで、幅方向とは、ｐｎ積層体１１の長手方向と直交する方向である。
【００３１】
図２に示すように、隣接するｐｎ積層体１１におけるｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとの積層の順番は異なっていてもよい。
【００３２】
図２（Ｂ）の左側のｐｎ積層体１１では、基板１２側に配置されたｎ型半導体層１１ｂは、その上に積層されたｐ型半導体層１１ａよりも寸法が大きい方が好ましい。また、図２（Ａ）の中央のｐｎ積層体１１では、基板１２側に配置されたｐ型半導体層１１ａは、その上に積層されたｎ型半導体層１１ｂよりも寸法が大きい方が好ましい。
【００３３】
光発電モードでは、ｐｎ積層体１１は、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとのｐｎ接合部分において光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００３４】
また、熱発電モードでは、ｐｎ積層体１１は、ｐ型半導体層１１ａ又はｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部に温度差を設け、長手方向に起電力を発生させて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００３５】
なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）では、説明を簡単にするため、３つのｐｎ積層体１１が一列に配置された状態が示されているが、更に多くの数のｐｎ積層体１１が、一列に配置されていても良い。また、発電装置１０では、複数のｐｎ積層体１１が、２次元のアレイ状に配置されていても良い。
【００３６】
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、更にｐｎ積層体１１の構造を以下に説明する。図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すｐｎ積層体１１は、ｐ型半導体層１１ａがｎ型半導体層１１ｂの上に積層されているが、後述する説明は、ｎ型半導体層１１ｂがｐ型半導体層１１ａの上に積層されたｐｎ積層体に対しても適宜適用される。
【００３７】
ｐｎ積層体１１は、上述したｐ型半導体１１ａ、ｎ型半導体１１ｂ及び基板１２以外にも、ｐ型半導体層１１ａの上方の全面に形成された上部電極１３としての全面電極を有する。上部電極１３は、太陽光に対して透明である。ｐｎ積層体１１は、上部電極１３側を太陽に向けて配置される。
【００３８】
また、ｐｎ積層体１１は、ｎ型半導体層１１ｂの下方に離隔して形成された下部電極１４としてのくし歯型電極を有する。複数の下部電極１４が、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向に対して間隔をあけて配置されている。
【００３９】
更に、ｐｎ積層体１１では、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部には、他のｐｎ積層体の半導体層と接続されるか又は熱発電した電力を取り出すための端部電極１５ａ、１５ｂが形成されている。端部電極１５ａ、１５ｂは、ｐ型半導体層１１ａが積層されていない部分のｎ型半導体層１１ｂの上に配置されている。
【００４０】
更にまた、基板１２には、基板１２内における熱の伝導を防止するための複数のスリット１２ａが形成されている。図３（Ｂ）に示すように、複数のスリット１２ａの間隔は、ｐｎ積層体１１の長手方向における一方の端部１１ｄに近づくと共に、漸増している。即ち、ｐｎ積層体１１の長手方向における他方の端部１１ｃに近づくと共に、漸減している。
【００４１】
ｐｎ積層体１１を熱電素子として用いる場合には、ｐｎ積層体１１の長手方向の両端部に温度差を設ける。例えば、端部電極１５ａ側を低温領域として、端部電極１５ｂ側を高温領域とする。この場合、端部電極１５ａ、１５ｂが接続されたｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部における温度差が大きい程、ｎ型半導体層１１ｂ内の起電力が大きくなる。
【００４２】
そこで、ｐｎ積層体１１では、その長手方向と直交する方向に複数のスリット１２ａを設けてある。このスリット１２ａを設けることによって、例えば、端部電極１５ｂ側を高温領域とした場合には、端部電極１５ｂ側からの熱エネルギーが、基板１２を伝わって、低温領域である端部電極１５ａ側へ伝導することが防止される。
【００４３】
ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂの形成材料としては、ＳｉまたはＧｅを主成分として含む無機半導体材料を用いることができる。
【００４４】
ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂとしては、製造コストを低減する観点から、基板１２上に形成されたＰｏｌｙ−Ｓｉの薄膜を用いることが好ましい。
【００４５】
また、基板１２として、ｐ型のＳｉ基板を用いれば、基板１２をｐ型半導体層として用いることができる。同様に、基板１２として、ｎ型のＳｉ基板を用いれば、基板１２をｎ型半導体層として用いることができる。特に、単結晶又は多結晶のＳｉ基板を基板１２として用いることにより、光発電の性能を向上させることができる。
【００４６】
ｐ型半導体層１１ａに添加するｐ型ドーパントとしては、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、又はＩｎを用いることができる。また、ｎ型半導体層１１ｂに添加するｎ型ドーパントとしては、例えば、Ｐ、Ａｓ、又はＳｂを用いることができる。
【００４７】
上部電極１３の形成材料としては、例えばＩＴＯ、ＺｎＯ、又はＴｉＯ2を用いることができる。
【００４８】
基板１２の形成材料としては、例えば、ガラス、アルミナ又は石英等を用いることができる。
【００４９】
次に、発電装置１０のモード切り替え部１６を、図４を参照して、更に以下に説明する。図４には、３つのｐｎ積層体１１が幅方向に間隔をあけて配置されており、モード切り替え部１６によって、複数のｐｎ積層体１１同士の接続を変更して、発電装置１０が光発電モード又は熱発電モードに切り替えられる。
【００５０】
モード切り替え部１６は、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａ同士を並列に接続し、且つｎ型半導体層１１ｂ同士を並列に接続することにより、光発電モードに切り替える。
【００５１】
具体的には、モード切り替え部１６は、図４に示すように、ｐ型半導体層１１ａ同士を、並列に接続する第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂと、ｎ型半導体層１１ｂ同士を並列に接続する第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂと、を有する。
【００５２】
第１スイッチング素子１７ａは、図４左側のｐ型半導体層１１ａと、図４中央のｐ型半導体層１１ａとを、上部電極１３及び下部電極１４を介して接続する。また、第１スイッチング素子１７ｂは、図４中央のｐ型半導体層１１ａと、図４右側のｐ型半導体層１１ａとを、上部電極１３を介して接続する。
【００５３】
第２スイッチング素子１８ａは、図４左側のｎ型半導体層１１ｂと、図４中央のｎ型半導体層１１ｂとを、上部電極１３を介して接続する。また、第１スイッチング素子１８ｂは、図４中央のｎ型半導体層１１ｂと、図４右側のｎ型半導体層１１ｂとを、上部電極１３及び下部電極１４を介して接続する。
【００５４】
第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂと第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂとは、光発電モードへ切り替えるための共通のＰＶモード切り替え信号線１６ａに接続される。第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ及び第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂは、ＰＶモード切り替え信号線１６ａからの信号を入力すると導通状態になる。ＰＶモード切り替え信号線１６ａは、モード切り替え部１６に接続する。
【００５５】
また、モード切り替え部１６は、異なるｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとを直列に接続することにより、熱発電モードに切り替える。
【００５６】
具体的には、モード切り替え部１６は、異なるｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとを、端部電極１５ａ、１５ｂを介して接続する第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂを有する。
【００５７】
第３スイッチング素子１９ａは、図４左側のｎ型半導体層１１ｂを、端部電極１５ａを介して、図４中央のｐ型半導体層１１ａと接続する。また、第３スイッチング素子１９ｂは、図４中央のｐ型半導体層１１ａを、端部電極１５ｂを介して、図４右側のｎ型半導体層１１ｂと接続する。
【００５８】
第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂは、発電装置１０を熱発電モードへ切り替えるためのＴＥモード切り替え信号線１６ｂに接続する。第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂは、ＴＥモード切り替え信号線１６ｂからの信号を入力すると導通状態になる。ＴＥモード切り替え信号線１６ｂは、モード切り替え部１６に接続する。
【００５９】
各ｐｎ積層体１１には、複数の下部電極１４同士を接続する第５スイッチング素子２１が配置される。図４に示すように、各ｐｎ積層体１１では、複数の第５スイッチング素子２１が並列に接続されており、第５スイッチング素子の導通によって、複数の下部電極１４が、並列に接続される。
【００６０】
第５スイッチング素子２１は、発電装置１０を光発電モードへ切り替えるためのＰＶモード切り替え信号線１６ａに接続する。第５スイッチング素子２１は、ＰＶモード切り替え信号線１６ａからの信号を入力すると導通状態になる。
【００６１】
本実施形態では、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂ及び、第５スイッチング素子２１は、ノーマリーオフのトランジスタである。ノーマリーオフとは、ＰＶモード切り替え信号線１６ａ又はＴＥモード切り替え信号線１６ｂからの信号が入力されない場合には、トランジスタが非導通状態にあり、信号が入力されると導通状態になる意味である。また、各スイッチング素子としては、継電器又は機械的なスイッチを用いても良い。
【００６２】
次に、発電装置１０が光発電モードで発電する動作について、以下に説明する。
【００６３】
まず、光発電モードでは、モード切り替え部１６が、ＰＶモード切り替え信号線１６ａに信号を出力することによって、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、及び第５スイッチング素子２１が導通状態になる。一方、ＴＥモード切り替え信号線１６ｂには信号が出力されていないので、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂは非導通状態にある。
【００６４】
第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂが導通状態になることによって、複数のｐｎ積層体１１において、ｐ型半導体層１１ａ同士が並列に接続される。また、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂが導通状態になることによって、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｎ型半導体層１１ｂ同士が並列に接続される。
【００６５】
また、第５スイッチング素子２１が導通状態になることによって、各ｐｎ積層体１１における複数の下部電極１４同士が並列に接続される。
【００６６】
そして、太陽光等の光を各ｐｎ積層体１１の上面に照射することによって、各ｐｎ積層体１１は、光エネルギーを電気エネルギーに変化して発電する。このように発生した電力は、出力端子＋Ｖｓｏｌ及びーＶｓｏｌからとり出される。
【００６７】
次に、発電装置１０が熱発電モードで発電する動作について、以下に説明する。
【００６８】
まず、熱発電モードでは、モード切り替え部１６が、ＴＥモード切り替え信号線１６ｂに信号を出力することによって、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂが導通状態になる。一方、ＰＶモード切り替え信号線１６ａには信号が出力されないので、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、及び第５スイッチング素子２１は非導通状態にある。
【００６９】
第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂが導通状態になることによって、異なるｐｎ積層体１１において、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとが直列に接続される。
【００７０】
そして、各ｐｎ積層体１１における電極端子１５ｂ側の長手方向の一方の端部１１ｄを、高温領域Ｈとし、長手方向の他方の端部１１ｃを低温領域Ｌとして、温度差を設ける。
【００７１】
ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂそれぞれの長手方向に温度勾配が生じると、ゼーベック効果により起電力が生じる。ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとでは、温度勾配に対する起電力の向きが逆方向になる。発電装置１０では、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとが直列に接続されているので、各半導体層における起電力の向きが一致して発電できる。このように発生した電力は、出力端子＋ＶＴＥ及びーＶＴＥからとり出される。
【００７２】
発電システム１は、発電装置１０を用いて、例えば、昼間は太陽光を利用して光発電モードで発電を行い、太陽光を利用できない夜間には、地熱を利用して熱発電モードで発電を行うことができる。
【００７３】
夜間では、地面の温度は、大気の温度よりも高くなる場合が多い。例えば、ｐｎ積層体１１を地面の上に水平に配置すると、基板１２にスリット１２ａが形成されていない端部電極１５ｂ側の温度は、地面の温度に近づいて高い温度になる。一方、基板１２に複数のスリット１２ａが形成されている端部電極１５ａ側は、スリット１２ａの断熱作用によって、地熱が伝導しにくいので、相対的に、大気の温度に近い低い温度になる。このようにして、ｐｎ積層体１１の長手方向に温度勾配を形成して、熱発電を行うことができる。
【００７４】
このようにして、発電システム１は、天候に関わらず１日中、発電を行うことができる。
【００７５】
上述した本実施形態の発電システム１によれば、熱発電モードでは、光エネルギーを電気エネルギーに変化させることができる。また、利用できる光エネルギーが十分でない場合には、熱発電モードで熱発電を行うことができる。
【００７６】
また、発電システム１は、光発電素子及び熱発電素子として同じ半導体層を使用し、ｐｎ積層体におけるｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂの電気的接続を変えることによって、発電モードを切り替えるので、簡易な構造を有する。
【００７７】
更に、制御装置３０によって、光発電モード又は熱発電モードを選択して、発電量の高いモードを選択することによって、効率的な発電が行える。
【００７８】
次に、上述した実施形態の変形例を、図５を参照して、以下に説明する。
【００７９】
発電装置１０は、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、隣接するｐｎ積層体１１におけるｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとの積層の順番が同じであっても良い。図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、３つのｐｎ積層体１１が幅方向に一列に配置されており、各ｐｎ積層体１１では、ｐ型半導体層１１ａがｎ型半導体層１１ｂの上に積層されている。
【００８０】
モード切り替え部１６は、光発電モードでは、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａ同士を並列に接続し、且つｎ型半導体層１１ｂ同士を並列に接続する。この点に関しては、配線の接続方法が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。
【００８１】
また、モード切り替え部１６は、熱発電モードは、異なるｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとを直列に接続する。この点に関しても、配線の接続方法が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。
【００８２】
この変形例では、全てのｐｎ積層体１１の構造が同じであるので、ｐｎ積層体の製造が簡易となる。
【００８３】
次に、本明細書に開示する第２〜第７実施形態の発電システムを、図面を参照しながら以下に説明する。第２〜第７実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図６〜図１４において、図１〜図４と同じ構成要素に同じ符号を付してある。
【００８４】
以下、本明細書に開示する第２実施形態の発電システムを、図６を参照して、説明する。図６は、本明細書に開示する発電システムの第２実施形態のｐｎ積層体及びモード切り替え部を示す図である。
【００８５】
本実施形態の発電システムでは、モード切り替え部１６が第３スイッチング素子１９としてノーマリーオンのタイプを有している点が、上述した第１実施形態に対して異なっている。
【００８６】
モード切り替え部１６は、ノーマリーオフである第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ及び第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂと、ノーマリーオンである第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂと、を有する。
【００８７】
第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂと第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂと第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂとは、共通の１本のモード切り替え制御信号線１６ｃに接続される。モード切り替え制御信号線１６ｃは、モード切り替え部１６に接続する。
【００８８】
ノーマリーオンとは、モード切り替え制御信号線１６ｃからの信号が入力されない場合には、トランジスタが導通状態にあり、信号が入力されると非導通状態になる意味である。
【００８９】
次に、本実施形態の発電装置１０が光発電モードで発電する動作について、以下に説明する。
【００９０】
まず、光発電モードでは、モード切り替え部１６が、モード切り替え信号線１６ｃに信号を出力することによって、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、及び第５スイッチング素子２１が導通状態になる。一方、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂは非導通状態となる。
【００９１】
そして、太陽光等の光を各ｐｎ積層体１１の上面に照射することによって、各ｐｎ積層体１１は、光エネルギーを電気エネルギーに変化して発電する。このように発生した電力は、出力端子＋Ｖｓｏｌ及びーＶｓｏｌからとり出される。
【００９２】
次に、発電装置１０が熱発電モードで発電する動作について、以下に説明する。
【００９３】
まず、熱発電モードでは、モード切り替え部１６が、モード切り替え信号線１６ｃへの信号の出力を停止することによって、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂが導通状態になる。一方、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、及び第５スイッチング素子２１は、非導通状態になる。
【００９４】
そして、各ｐｎ積層体１１における電極端子１５ｂ側の長手方向の一方の端部１１ｄを、高温領域Ｈとし、長手方向の他方の端部１１ｃを低温領域Ｌとして、温度差を設ける。このように発生した電力は、出力端子＋ＶＴＥ及びーＶＴＥからとり出される。
【００９５】
上述した本実施形態の発電システム１によれば、モード切り替え部１６における配線の数を低減することができる。
【００９６】
次に、本明細書に開示する第３実施形態の発電システムを、図７を参照して、以下に説明する。図７は、本明細書に開示する発電システムの第３実施形態のｐｎ積層体を示す図である。
【００９７】
本実施形態では、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向における温度差を増大させて、熱発電モードにおける発電量を増大させる工夫がなされている。
【００９８】
具体的には、ｎ型半導体層１１ｂの両端部に配置された端部電極１５ａ、１５ｂ及び基板１２に形成されたスリット１２ａが、上述した第１実施形態とは異なっている。
【００９９】
図７に示すように、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向の一方の端部１１ｄに配置される端部電極１５ｂは、他方の端部１１ｃに配置される端部電極１５ａよりも寸法が大きい。具体的には、一方の端部電極１５ｂの平面積は、他方の端部電極１５ａよりも大きく形成されている。
【０１００】
寸法が大きい一方の端部電極１５ｂは、寸法の小さい他方の端部電極１５ａよりも熱伝導が大きいので、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部における温度差を大きくすることができる。例えば、基板１２の長手方向にわたる温度が均一であっても、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向には温度勾配を発生させることができる。
【０１０１】
また、一方の端部電極１５ｂは、ｎ型半導体層１１ｂと基板１２との間に配置されている。端部電極１５ａ、１５ｂの形成材料としては、電気導電率の良いもの、例えば、Ａｇ、Ｃｕ等の金属を用いることが好ましい。そして、電気導電率のよい材料は、熱伝導率も優れている。
【０１０２】
そこで、熱伝導率の優れた端部電極１５ａを、ｎ型半導体層１１ｂと基板１２との間に配置することによって、地面等の熱源から基板１２が受け取った熱エネルギーをｎ型半導体層１１ｂの端部に効率よく伝えることができる。
【０１０３】
一方、他方の端部電極１５ｂは、ｎ型半導体層１１ｂの表面に配置されているので、一方の端部電極１５ａのような働きは有していない。
【０１０４】
このようにして、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部における温度差を更に大きくすることができる。
【０１０５】
上述した観点から、一方の端部電極１５ｂの形成材料としては、ｎ型半導体層１１ｂの端部の温度を高くするために、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましい。一方、他方の端部電極１５ａの形成材料としては、ｎ型半導体層１１ｂの温度を相対的に低くするために、熱伝導率の低い材料を用いることが好ましい。
【０１０６】
図８に、端部電極の材料として用いることのできる材料及びその熱伝導率を示す。一方の端部電極１５ｂの形成材料としては、例えば、Ａｇ又はＣｕ等を用いることができる。また、他方の端部電極１５ｂの形成材料としては、例えば、Ｉｎ又はＳｎ等を用いることができる。
【０１０７】
また、本実施形態では、基板１２に形成されている複数のスリット１２ａの幅は、ｐｎ積層体１１の長手方向の他方の端部１１ｃに近づくと共に、漸増している。即ち、スリット１２ａの幅は、ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄに近づくと共に、漸減している。
【０１０８】
このようなスリット１２ａを用いることによって、基板１２の長手方向における温度勾配を増加させることができる。上述した第１実施形態でも、基板１２の温度勾配を増加させるために、同じ幅を有するスリットの間隔を変化させて配置していたが、そのためにはより多くの数のスリットを基板１２に形成する必要があった。一方、本実施形態では、幅の異なるスリットを用いるので、基板１２に形成するスリットの数を減らしつつ、同じ効果が得られるため、製造コストを低減できる。
【０１０９】
上述した熱発電では、夜間に地熱を熱源として発電する場合を例として説明を行った。一方、発電装置１０は、太陽光を熱源として、昼間に熱発電を行うことも可能である。このように、昼間に熱発電を行う観点からは、一方の端部電極１５ｂの形成材料としては、ｎ型半導体層１１ｂの端部の温度を高くするために、光反射率の低い材料を用いて、太陽光を吸収させることが好ましい。一方、他方の端部電極１５ａの形成材料としては、ｎ型半導体層１１ｂの端部の温度を相対的に低くするために、光反射率の高い材料を用いて、太陽光を反射させることが好ましい。光反射率の低い材料としては、例えば、ＣｕやＩｎを用いることができる。また、光反射率の高い材料としては、例えば、ＡｇやＡｌを用いることができる。
【０１１０】
上述した本実施形態のｐｎ積層体１１によれば、端部電極に対して、寸法、配置位置、熱伝導率、又は光反射率を適宜選択することによって、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向における温度勾配を増加させて、熱発電量を向上させることができる。
【０１１１】
また、上述した説明は、端部電極がｐ型半導体層１１ａの長手方向の両端部に配置されたｐｎ積層体に対しても適宜適用される。
【０１１２】
次に、本明細書に開示する第４実施形態の発電システムを、図９を参照して、以下に説明する。図９（Ａ）は本明細書に開示する発電システムの第４実施形態のｐｎ積層体の平面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【０１１３】
本実施形態の発電システムでは、上部電極１３が、全面電極ではなく、くし歯形電極である点が、上述した第１実施形態とは異なっている。複数の上部電極１３が、ｐ型半導体層１１ａの上に、ｐ型半導体層１１ａの長手方向に対して間隔をあけて配置されている。
【０１１４】
本実施形態では、上部電極１３が、ｐｎ積層体１１の長手方向に対して、下部電極１４と同じ位置に配置されている。
【０１１５】
ただし、ｐ型半導体層１１ａの長手方向の両端部には、端部電極１５ａ、１５ｂが配置されている。熱発電モードでは、ｐ型半導体層１１ａの端部電極１５ａ、１５ｂが、隣接するｐｎ積層体１１のｎ型半導体層１１ｂの端部電極と接続される。
【０１１６】
光発電モードでは、励起された少数キャリアが電極との界面で再結合することを抑制する観点から、電極と半導体層との接触面積は小さいことが好ましい。本実施形態では、この観点から、上部電極１３として、くし歯形電極を用いている。
【０１１７】
また、このように光が入射する側にくし歯形電極を用いる場合には、電極の幅を狭めると共に、電極同士の間の間隔を広げて、半導体層への光の入射を妨げないことが好ましい。
【０１１８】
上述した本実施形態の発電システムによれば、上部電極１３としてくし歯形電極を用いているので、少数キャリアの再結合が抑制できるので、光発電モードの発電効率を向上させることができる。
【０１１９】
次に、本明細書に開示する第５実施形態の発電システムを、図１０を参照して、以下に説明する。図１０は、本明細書に開示する発電システムの第５実施形態のｐｎ積層体の断面図である。
【０１２０】
基板１２は、ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂが配置されている面が、地面に対して水平な底面１２ｂに対して角度αの傾きを有している。
【０１２１】
この角度αは、太陽光がｐ型半導体層１１ａに効率よく入射するように、発電装置１０を有する発電システム１が設置される緯度及び高度に基づいて決定されることが好ましい。角度αは、例えば、春分又は秋分の日の正午の時点に、半導体層が、太陽からの光を垂直に受ける角度として決定することができる。
【０１２２】
基板１２の厚さは、図１０に示すように、ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄに近づくと共に漸減しており、角度αを形成する。一方、基板１２の厚さは、ｐｎ積層体１１の長手方向の他方の端部１１ｃに近づくと共に漸増している。
【０１２３】
また、ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄは、基板１２の厚さが薄いので、ｎ型半導体層１１ｂに地熱が伝わり易い。一方、ｐｎ積層体１１の長手方向の他方の端部１１ｃは、基板１２が厚いので、ｎ型半導体層１１ｂには地熱が伝わり難い。
【０１２４】
基板１２の形成材料としては、熱伝導性の低い材料を用いることが、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向における温度差を大きくする上で好ましい。基板１２の形成材料としては、例えば、ガラス又はプラスチックを用いることができる。
【０１２５】
また、基板１２の厚さが薄いｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部には、基板１２の内部に蓄熱材２５が配置されている。蓄熱材２５は、昼間に太陽光を受けることにより蓄熱し、蓄熱した熱を夜間に放出して一方の端部１１ｄ側のｎ型半導体層１１ｂの部分の温度を高める。こうして、夜間の熱発電モードにおいて、熱発電の効率を高めることができる。
【０１２６】
更に、ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄは、地中に打ち込まれた熱伝導性の杭２６と、熱的に接続されており、地熱が、上記端部１１ｄに伝導し易くなっている。杭２６の形成材料としては、熱伝導性の良い材料を用いることが好ましい。杭２６の形成材料として、例えば、銅を用いることができる。
【０１２７】
一方、基板１２の厚さが厚いｐｎ積層体１１の長手方向の他方の端部は、複数のスリット１２ａが設けられており、ｎ型半導体層１１ｂへの地熱の伝導を防止している。
【０１２８】
また、本実施形態では、下部電極１４の幅は、一方の端部１１ｄに近づくと共に漸増しており、地熱が、基板１２から、下部電極１４を介して、ｎ型半導体層１１ｂにおける一方の端部１１ｄ側に伝導し易くなっている。
【０１２９】
一方、下部電極１４の幅は、他方の端部１１ｃに近づくと共に漸減しており、地熱が、基板１２から、下部電極１４を介して、ｎ型半導体層１１ｂにおける他方の端部１１ｃ側に伝導し難くなっている。
【０１３０】
本実施形態では、上部電極１３がくし歯型電極によって形成されており、上部電極１３の配置密度が、一方の端部１１ｄに近づくと共に漸増している。即ち、上部電極１３の配置密度が、他方の端部１１ｃに近づくと共に漸減している。
【０１３１】
上述した本実施形態の発電システムによれば、光発電及び熱発電の効率が高められている。
【０１３２】
次に、本明細書に開示する第６実施形態の発電システムを、図１１及び図１２を参照して、以下に説明する。図１１は、本明細書に開示する発電システムの第６実施形態のｐｎ積層体の平面図である。図１２は、図１１のｐｎ積層体のＺ１−Ｚ１線断面図である。
【０１３３】
本実施形態のｐｎ積層体１１は、太陽光に対して透明な基板１２を有している。図１２に示すように、太陽光を、ｐｎ積層体１１に対して、基板１２側から照射する。
【０１３４】
基板１２の上には、複数のｐ型半導体層１１ａが配置される。各ｐ型半導体層１１ａの上には、ｎ型半導体層１１ｂが配置される。
【０１３５】
基板１２とｐ型半導体層１１ａとの間には、下部電極１４としてのくし歯型電極が配置される。また、ｎ型半導体層１１ｂの上には、上部電極１３として全面電極が配置される。
【０１３６】
図１１及び図１２に示すように、端部電極１５ａ、１５ｂは、ｐ型半導体層１１ａの長手方向の両端部において、ｐ型半導体層１１ａと基板１２との間に配置される。
【０１３７】
図１２に示すように、端部電極１５ａは、隣接するｐｎ積層体１１の端部電極１５ｂに向かって延びている。同様に、端部電極１５ｂは、隣接するｐｎ積層体１１の端部電極１５ａに向かって延びている。
【０１３８】
本実施形態では、モード切り替え部１６は、対向する端部電極１５ａと端部電極１５ｂとの間を接続する第４スイッチング素子２０を有する。第４スイッチング素子２０には、ＴＥモード信号線１６ｂが接続されており、ＴＥモード切り替え信号線１６ｂからの信号を入力すると導通状態になる。ＴＥモード切り替え信号線１６ｂは、モード切り替え部１６に接続する。
【０１３９】
熱発電モードにおいて、モード切り替え部１６は、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａ同士を直列に接続する。そして、各ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄを、高温領域Ｈとし、長手方向の他方の端部１１ｃを低温領域Ｌとして、温度差を設ける。このようにして、ｐ型半導体層１１ａのみを用いて熱発電を行うことができる。そして、発生した電力は、出力端子＋ＶＴＥ及びーＶＴＥからとり出される。
【０１４０】
光発電モードでは、第１実施形態と同様に、モード切り替え部１６が、ＰＶモード信号線１６ａに信号を送ることによって、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ及び第５スイッチング素子２１を導通状態にする。そして、ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂそれぞれが並列に接続される。
【０１４１】
ｐ型半導体層１１ａ又はｎ型半導体層１１ｂの形成材料としては、有機半導体材料を用いることが好ましい。有機半導体材料としては、有機色素、導電性ポリマ等の有機化合物又はカーボンナノチューブ等を用いることができる。
【０１４２】
具体的には、ｐ型半導体層１１ａの形成材料としては、例えば、フラーレン誘導体を用いることができる。また、ｎ型半導体層１１ｂの形成材料としては、例えば、３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ（Ｐ３ＨＴ）を用いることができる。
【０１４３】
基板１２の形成材料としては、太陽光を透過する電気絶縁性の材料を用いることが好ましい。例えば、基板１２の形成材料としてガラスを用いることができる。
【０１４４】
また、基板１２とｐ型半導体層１１ａとの間及びｎ型半導体層１１ｂと上部電極１３との間に、バッファ層を形成しても良い。このバッファ層の形成材料としては、例えば、ＴｉＯ2、ＭｏＯ3、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、又はＢＣＰ（ｂａｔｈｏｃｕｐｒｏｉｎｅ）を用いることができる。
【０１４５】
上述した本実施形態によれば、透明な基板１２から太陽光を入射するので、上部電極１３及び半導体層が直接外気にさらされないため、ｐｎ積層体１１の耐久性が向上する。
【０１４６】
なお、この第４スイッチング素子２０が、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｎ型半導体層１１ｂ同士を直列に接続するようにして、モード切り替え部１６が、熱発電モードに切り替えるようにしても良い。また、基板１２としては、透明なフィルムを用いても良い。また、上部電極１３を透明電極にして、光を上方から入射、あるいは上面と下面の両方から入射させる形にしても良い。
【０１４７】
次に、本明細書に開示する第７実施形態の発電システムを、図１３を参照して、以下に説明する。図１３は、本明細書に開示する発電システムの第７実施形態のシステム構成図である。
【０１４８】
本実施形態では、制御装置３０は、切り替え判断部３１と、光センサ３４と、温度センサ３５と、を有する。切り替え判断部３１は、光センサ３４及び温度センサ３５の出力に基づいて、モード切り替え部１６に対してモードの切り替えを実行させる。
【０１４９】
切り替え判断部３１は、光センサ３４及び温度センサ３５の出力を入力して、光発電モードによる発電量と熱発電モードによる発電量の内、発電量の高いモードを選択する。そして、切り替え判断部３１は、モード切り替え部１６に対して選択されたモードへ切り替えを実行させる。
【０１５０】
上述した本実施形態によれば、太陽光の照射量又は温度等の現在の天候に基づいて、最適な発電モードを選択して、より効率の高い発電を行うことができる。
【０１５１】
また、上述した第７実施形態の変形例として、光センサとして、発電装置１０のｐｎ積層体１１を用いても良い。この光センサとしてのｐｎ積層体１１の発電電圧が、所定の閾値以上である場合には光発電を行い、所定の閾値未満の場合には、熱発電を行っても良い。
【０１５２】
次に、本明細書に開示する第８実施形態の発電システムを、図１４を参照して、以下に説明する。図１４は、本明細書に開示する発電システムの第８実施形態のシステム構成図である。
【０１５３】
本実施形態の制御装置３０は、切り替え判断部３１と、タイマー部３２と、光発電モードにおける発電電力及び熱発電モードにおける発電電力を測定する電力測定部３６を有している。
【０１５４】
電力測定部３６には、光発電モードにおける電力出力＋Ｖｓｏｌ及びーＶｓｏｌが入力される。また、電力測定部３６には、熱発電モードにおける電力出力＋ＶＴＥ及びーＶＴＥが入力される。
【０１５５】
タイマー部３２は、所定の間隔で、光発電モード及び熱発電モードそれぞれのモードに切り替えるように、切り替え判断部３１に対して信号を出力する。この所定の間隔は、例えば、１０分から３０分の間とすることができる。
【０１５６】
切り替え判断部３１は、タイマー部３２からの信号を入力すると、光発電モード及び熱発電モードそれぞれのモードで所定の時間の間発電を行うように、モード切り替え部１６を切り替える。
【０１５７】
発電装置１０では、モード切り替え部１６の切り替えによって、光発電モード及び熱発電モードそれぞれのモードで所定の時間の間発電を行う。
【０１５８】
電力測定部３６は、光発電モードにおける発電電力及び熱発電モードにおける発電電力を測定して、測定した電力値を切り替え判断部３１に出力する。
【０１５９】
それぞれの発電電力を入力した切り替え判断部３１は、光発電モードにおける発電量と、熱発電モードにおける発電量とを比較して、発電量の多い方のモードに、モード切り替え部１６を切り替える。
【０１６０】
上述した本実施形態によれば、太陽光の照射量又は温度等の現在の天候に基づいて、所定の間隔で、最適な発電モードを選択して効率良く発電することができる。
【０１６１】
次に、上述した発電システムの発電装置におけるｐｎ積層体の好ましい製造方法の第１実施形態を、図１５〜図１８を参照して、以下に説明する。
【０１６２】
まず、図１５（Ａ）に示すように、ｐ型のＳｉ基板１２上に、マスクパターン８０が形成される。基板１２は、単結晶基板でも良いし、多結晶基板であっても良い。ｐ型のＳｉ基板１２が、ｐ型半導体層を兼ねる。
【０１６３】
次に、図１５（Ｂ）に示すように、基板１２をアルカリ性溶液に浸漬して、異方性エッチングが行われる。その結果、マスクパターン８０に覆われていない基板１２の表面にテクスチャ構造８１が形成される。このテクスチャ構造８１を設けることによって、光発電モードにおいて、太陽光を効率良く吸収し、より多くの光励起を行うことができる。アルカリ性溶液としては、例えば、ＫＯＨ又はＮａＯＨ溶液を用いることができる。
【０１６４】
次に、図１５（Ｃ）に示すように、マスクパターン８０の開口部分にＰ等の不純物を熱拡散させて、基板１２の表面にｎ型半導体層１１ｂが形成される。
【０１６５】
次に、図１５（Ｄ）に示すように、ｎ型半導体層１１ｂの上に、反射防止層８３が形成される。反射防止層８３の形成方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はスパッタ法を用いることができる。反射防止層８３の形成材料としては、例えばＳｉＮを用いることができる。
【０１６６】
次に、図１６（Ｅ）に示すように、マスクパターン８０が除去される。
【０１６７】
次に、図１６（Ｆ）に示すように、反射防止層８３の上にマスク層８４が形成される。
【０１６８】
次に、図１６（Ｇ）に示すように、基板１２におけるｎ型半導体層１１ｂが形成される面とは反対側の面上に、絶縁層８５が形成される。絶縁層８５の形成方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はスパッタ法を用いることができる。絶縁層８５の形成材料としては、例えばＳｉＯ2を用いることができる。
【０１６９】
次に、図１６（Ｈ）に示すように、絶縁層８５の上に、くし歯型の下部電極を形成するためのマスクパターン８６が形成される。
【０１７０】
次に、図１７（Ｉ）に示すように、マスクパターン８６の開口部に露出した絶縁層８５の部分がエッチングにより除去される。このエッチングとしては、フッ酸を用いたウエットエッチング又はドライエッチングを用いることができる。
【０１７１】
次に、図１７（Ｊ）に示すように、マスクパターン８６の開口部に露出した基板１２の部分に、ボロン等を熱拡散して、ｐ＋領域である不純物拡散層８７が形成される。
【０１７２】
次に、図１７（Ｋ）に示すように、不純物拡散層８７及びマスクパターン８６の上に導体層８８が形成される。導体層８８の形成方法としては、スパッタ法又は蒸着法を用いることができる。導体層８８の形成材料としては、例えばＡｌ又はＡｕ等の金属を用いることができる。
【０１７３】
次に、図１７（Ｌ）に示すように、導体層８８の一部を残すと共に、導体層８８がマスクパターン８６と共に除去される。導体層８８の残された一部は、下部電極１４を形成する。
【０１７４】
次に、図１８（Ｍ）に示すように、マスク層８４をパターニングして、マスクパターン８９が形成される。マスクパターン８９の開口部は、下部電極１４の位置と一致している。
【０１７５】
次に、図１８（Ｎ）に示すように、基板１２の上に、導体層９０が形成される。導体層９０の形成方法としては、スパッタ法又は蒸着法を用いることができる。導体層９０の形成材料としては、例えばＡｌ又はＡｕ等の金属を用いることができる。
【０１７６】
次に、図１８（Ｏ）に示すように、リフトオフによって、導体層９０の一部を残すと共に、導体層９０がマスクパターン８９と共に除去されて、上部電極１３及び端部電極１５ａ、１５ｂが形成される。
【０１７７】
上述した製造方法の第１実施形態によって、ｐｎ積層体１１が形成される。
【０１７８】
なお、基板１２の上にｎ型半導体層１１ｂを形成しても良い。この場合には、ｎ型不純物としてＰ等が添加されたｎ型Ｓｉ基板を用いる。また、ｎ＋領域として、Ｐ等のｎ型不純物を拡散して不純物拡散層が形成される。
【０１７９】
上述した本実施形態のｐｎ積層体の製造方法は、従来の太陽電池の製造方法を適宜利用できるので、容易にｐｎ積層体を製造することが可能である。
【０１８０】
次に、上述した発電システムの発電装置におけるｐｎ積層体の好ましい製造方法の第２実施形態を、図１９〜図２４を参照して、以下に説明する。上述した第６実施形態のｐｎ積層体は、例えば、本実施形態を用いて形成される。
【０１８１】
まず、図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）に示すように、ガラス基板１２上に、下部電極及び端部電極を形成するためのマスクパターン１００が形成される。
【０１８２】
次に、図２０に示すように、ガラス基板１２上に、導電層１０１が形成される。導電層１０１の形成方法としては、例えば、スパッタ法を用いることができる。導電層１０１の形成材料としては、例えば、ＩＴＯ又はＺｎＯを用いることができる。
【０１８３】
次に、図２１に示すように、リフトオフによって、導電層１０１の一部を残すと共に、導電層１０１がマスクパターン１００と共に除去されて、下部電極１４及び端部電極１５ａ、１５ｂが形成される。
【０１８４】
次に、図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）に示すように、基板１２上に、マスクパターン１０２が形成される。
【０１８５】
次に、基板１２上に、ｐ型半導体層をスピンコート等により塗布した後、マスクパターン１０２を除去して、図２３に示すように、基板１２上に、ｐ型半導体層１１ａが形成される。ｐ型半導体層１１ａの形成材料としては、ドナー型の導電性高分子、例えば３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ（Ｐ３ＨＴ）を用いることができる。また、下部電極１４とｐ型半導体層１１ａとの間のキャリアの移動をスムーズにするため、バッファ層を設けても良い。このバッファ層として、例えばＴｉＯ2やＭｏＯ3、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳを用いることができる。
【０１８６】
次に、図２４に示すように、マスクパターン（図示せず）を用いて、ｐ型半導体層１１ａの上に、ｎ型半導体層１１ｂが形成される。ｎ型半導体層１１ｂの形成方法としては、例えば、蒸着法を用いることができる。ｎ型半導体層１１ｂの形成材料としては、例えば、フラーレン誘導体であるＰＣＢＭを用いることができる。ここで用いたマスクパターンは、マスクパターン１０２と同じ寸法のものを用いることができる。
【０１８７】
次に、図１２に示すように、ｎ型半導体層１１ｂの上に、上部電極１３が形成される。上部電極１３の形成材料としては、例えば、Ａｌ，Ａｇ又はＡｕを用いることができる。上部電極１３の形成方法としては、例えば、蒸着法を用いることができる。また、上部電極１３とｎ型半導体層１１ｂとの間のキャリアの移動をスムーズにするため、バッファ層を設けても良い。このバッファ層として、例えばＢＣＰ膜（ｂａｔｈｏｃｕｐｒｏｉｎｅ）を用いることができる。
【０１８８】
本発明では、上述した各実施形態の発電システム及び発電装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
【０１８９】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【０１９０】
１ 発電システム
１０ 発電装置
１１ ｐｎ積層体
１１ａ ｐ型半導体層
１１ｂ ｎ型半導体層
１１ｃ 他方の端部
１１ｄ 一方の端部
１２ 基板
１２ａ スリット
１２ｂ 底面
１３ 上部電極（太陽電池用）
１４ 下部電極（太陽電池用）
１５ａ、１５ｂ 端部電極（熱発電用）
１６ モード切り替え部
１６ａ ＰＶモード切り替え信号線
１６ｂ ＴＥモード切り替え信号線
１６ｃ モード切り替え信号線
１７ 第１スイッチング素子
１８ 第２スイッチング素子
１９ 第３スイッチング素子
２０ 第４スイッチング素子
２１ 第５スイッチング素子
２２ ＰＶモード切り替え信号線
２３ ＴＥモード切り替え信号線
２４ モード切り替え信号線
２５ 蓄熱材
２６ 杭
３０ 制御装置
３１ 切り替え判断部
３２ タイマー部
３３ 記憶部
３４ 光センサ
３５ 温度センサ
３６ 電圧測定部
５０ パワーコンディショナ
６０ 蓄電器
７０ 整流器
８０ マスクパターン
８１ テクスチャ構造
８３ 反射防止層
８４ マスク層
８５ 絶縁層
８６ マスクパターン
８７ 不純物拡散層
８８ 導電体層
８９ マスクパターン
９０ 導電体層
１００ マスクパターン
１０１ 導電体層
１０２ マスクパターン
Ｈ 高温領域
Ｌ 低温領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置及びそのような発電装置を備えた発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する太陽電池が利用されている。この光エネルギーとしては、主に太陽光が使用される。
【０００３】
例えば、太陽電池は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層されて形成される。太陽電池は、太陽光等の光を受けて、ｐｎ接合部において電子−正孔対が発生することによって起電力が生じる。
【０００４】
太陽電池の形成材料としては、無機物系及び有機物系がある。無機物系の太陽電池では、無機物半導体材料として主にＳｉが用いられる。ｐ型又はｎ型の極性は、Ｓｉに不純物を添加することによって制御される。
【０００５】
また、有機物系の太陽電池では、有機半導体材料として、有機色素、導電性ポリマ等の有機化合物又はカーボンナノチューブ等が用いられる。そして、これらの材料は、例えば、ガラス等の電気絶縁性の基板上に配置されて太陽電池が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−７８０６６号公報
【特許文献２】特開平９−１５３５３号公報
【特許文献３】特開２００７−８１０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
太陽光を利用する太陽電池は、太陽光を利用できない夜間には、発電することができない。また、日中であっても、雨や曇り等の天候によっては、太陽光が弱いために、十分に発電することができない場合もある。
【０００８】
また、発電装置としては、簡易な構造であることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書で開示する発電装置の一形態によれば、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層された複数のｐｎ積層体と、複数の上記ｐｎ積層体同士を接続して、光発電モード又は熱発電モードに切り替えるモード切り替え部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
上述した発電装置の一形態によれば、簡易な構造を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変化させることができると共に、利用できる光エネルギーが十分でない場合であっても、発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書に開示する発電システムの第１実施形態のシステム構成図である。
【図２】（Ａ）は図１に示す発電装置のｐｎ積層体の配置状態を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（Ａ）は図２のｐｎ積層体の拡大平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図４】図１の発電装置におけるｐｎ積層体及びモード切り替え部を説明する図である。
【図５】（Ａ）はｐｎ体積層体の他の配置状態を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】本明細書に開示する発電システムの第２実施形態のｐｎ積層体及びモード切り替え部を示す図である。
【図７】本明細書に開示する発電システムの第３実施形態のｐｎ積層体を示す図である。
【図８】図７のｐｎ積層体における端部電極の形成材料及びその熱伝導率を示す図である。
【図９】（Ａ）は本明細書に開示する発電システムの第４実施形態のｐｎ積層体の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【図１０】本明細書に開示する発電システムの第５実施形態のｐｎ積層体の断面図である。
【図１１】本明細書に開示する発電システムの第６実施形態のｐｎ積層体の平面図である。
【図１２】図１１のｐｎ積層体のＺ１−Ｚ１線断面図である。
【図１３】本明細書に開示する発電システムの第７実施形態のシステム構成図である。
【図１４】本明細書に開示する発電システムの第８実施形態のシステム構成図である。
【図１５】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第１実施形態の製造工程を示す図（その１）である。
【図１６】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第１実施形態の製造工程を示す図（その２）である。
【図１７】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第１実施形態の製造工程を示す図（その３）である。
【図１８】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第１実施形態の製造工程を示す図（その４）である。
【図１９】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その１）であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＺ２−Ｚ２線拡大断面図である。
【図２０】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その２）である。
【図２１】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その３）である。
【図２２】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その４）であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＺ３−Ｚ３線拡大断面図である。
【図２３】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その５）である。
【図２４】本明細書に開示する発電装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示す図（その６）である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本明細書で開示する発電システムの好ましい第１実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００１３】
図１は、本明細書に開示する発電システムの第１実施形態を示す図である。図２は、図１に示す発電装置のｐｎ積層体の配置状態を示す図である。図３（Ａ）は図２のｐｎ積層体の拡大平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。図４は、図１の発電装置におけるｐｎ積層体及びモード切り替え部を説明する図である。
【００１４】
発電システム１は、図１に示すように、発電装置１０と、発電装置１０を制御する制御装置３０と、を有する。
【００１５】
発電装置１０は、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとが積層された複数のｐｎ積層体１１と、複数のｐｎ積層体１１同士を接続して、光発電モード又は熱発電モードに切り替えるモード切り替え部１６と、を備えることができる。
【００１６】
発電装置１０は、光発電モードでは、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光発電を行う。また、発電装置１０は、熱発電モードでは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電を行うことができる。
【００１７】
発電装置１０は、例えば、太陽光が利用できる昼間は、光発電モードで発電し、太陽光を利用できない夜間は、熱発電モードで発電を行ってもよい。
【００１８】
制御装置３０は、発電装置１０を光発電モード又は熱発電モードに切り替える判断を行って、且つモード切り替え部１６に対してモードの切り替えを実行させる切り替え判断部３１を備えることができる。また、制御装置３０は、切り替え判断部３１がモード切り替えの判断を行うタイミングを与えるタイマー部３２と、切り替え判断部３１が光発電モード又は熱発電モードに切り替える判断を行うための情報が記憶された記憶部３３と、を備えることができる。
【００１９】
記憶部３３には、発電システム１が設置される場所の緯度又は高度等の情報と、過去の統計に基づいた日照確率と、光発電による発電量が熱発電による発電量よりも多くなると予想される日時を記憶することができる。
【００２０】
切り替え判断部３１は、タイマー部３２によって与えられたタイミングで、記憶部３３に記憶された情報を元にして、発電装置１０を光発電モード又は熱発電モードに切り替える判断を行う。
【００２１】
制御装置３０は、例えば、パーソナルコンピュータを用いて形成できる。また、記憶部３３としては、ＲＯＭ又はフラッシュメモリ等の半導体記憶装置、磁気記憶装置等を用いて形成できる。
【００２２】
発電装置１０において光発電モードで発電された電力は、図１に示すように、＋Ｖｓｏｌ及びーＶｓｏｌから、整流器７０を介してパワーコンディショナ５０に出力される。太陽発電モードで発電された電力は、光強度の変化に伴って変動するので、出力された電力は、パワーコンディショナ５０によって、出力電圧＋Ｖｏｕｔが一定に調整されて、負荷に出力される。
【００２３】
パワーコンディショナ５０からの出力には、蓄電器６０が並列に接続されているので、天候による光発電電力の変動が更に防止される。
【００２４】
また、発電装置１０において、熱発電モードで発電された電力は、＋ＶＴＥ及びーＶＴＥから、同様に、整流器７０を介してパワーコンディショナ５０に出力された後、負荷に出力される。
【００２５】
整流器７０は、光発電モードで発電された電力が、＋ＶＴＥに逆流することを防止する。また、整流器７０は、熱発電モードで発電された電力が、＋Ｖｓｏｌに逆流することを防止する。
【００２６】
なお、蓄電池６０は、発電装置１０とパワーコンディショナ５０との間に配置されても良い。
【００２７】
以下、発電装置１０に関して、更に説明を行う。
【００２８】
図２に示すように、ｐｎ積層体１１は、縦長の矩形形状を有する。ｐｎ積層体１１を形成するｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂは、それぞれも、縦長の矩形形状を有する。ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとは、それぞれの長手方向を一致させて積層されている。
【００２９】
ｐｎ積層体１１は、下側の半導体層と同じ形状を有する電気絶縁性の基板１２を有する。ｐｎ積層体１１では、基板１２上に、ｐ型半導体１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂが積層されている。
【００３０】
発電装置１０では、複数のｐｎ積層体１１は、幅方向に間隔をあけて、一列に並んで配置される。ここで、幅方向とは、ｐｎ積層体１１の長手方向と直交する方向である。
【００３１】
図２に示すように、隣接するｐｎ積層体１１におけるｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとの積層の順番は異なっていてもよい。
【００３２】
図２（Ｂ）の左側のｐｎ積層体１１では、基板１２側に配置されたｎ型半導体層１１ｂは、その上に積層されたｐ型半導体層１１ａよりも寸法が大きい方が好ましい。また、図２（Ａ）の中央のｐｎ積層体１１では、基板１２側に配置されたｐ型半導体層１１ａは、その上に積層されたｎ型半導体層１１ｂよりも寸法が大きい方が好ましい。
【００３３】
光発電モードでは、ｐｎ積層体１１は、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとのｐｎ接合部分において光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００３４】
また、熱発電モードでは、ｐｎ積層体１１は、ｐ型半導体層１１ａ又はｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部に温度差を設け、長手方向に起電力を発生させて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００３５】
なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）では、説明を簡単にするため、３つのｐｎ積層体１１が一列に配置された状態が示されているが、更に多くの数のｐｎ積層体１１が、一列に配置されていても良い。また、発電装置１０では、複数のｐｎ積層体１１が、２次元のアレイ状に配置されていても良い。
【００３６】
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、更にｐｎ積層体１１の構造を以下に説明する。図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すｐｎ積層体１１は、ｐ型半導体層１１ａがｎ型半導体層１１ｂの上に積層されているが、後述する説明は、ｎ型半導体層１１ｂがｐ型半導体層１１ａの上に積層されたｐｎ積層体に対しても適宜適用される。
【００３７】
ｐｎ積層体１１は、上述したｐ型半導体１１ａ、ｎ型半導体１１ｂ及び基板１２以外にも、ｐ型半導体層１１ａの上方の全面に形成された上部電極１３としての全面電極を有する。上部電極１３は、太陽光に対して透明である。ｐｎ積層体１１は、上部電極１３側を太陽に向けて配置される。
【００３８】
また、ｐｎ積層体１１は、ｎ型半導体層１１ｂの下方に離隔して形成された下部電極１４としてのくし歯型電極を有する。複数の下部電極１４が、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向に対して間隔をあけて配置されている。
【００３９】
更に、ｐｎ積層体１１では、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部には、他のｐｎ積層体の半導体層と接続されるか又は熱発電した電力を取り出すための端部電極１５ａ、１５ｂが形成されている。端部電極１５ａ、１５ｂは、ｐ型半導体層１１ａが積層されていない部分のｎ型半導体層１１ｂの上に配置されている。
【００４０】
更にまた、基板１２には、基板１２内における熱の伝導を防止するための複数のスリット１２ａが形成されている。図３（Ｂ）に示すように、複数のスリット１２ａの間隔は、ｐｎ積層体１１の長手方向における一方の端部１１ｄに近づくと共に、漸増している。即ち、ｐｎ積層体１１の長手方向における他方の端部１１ｃに近づくと共に、漸減している。
【００４１】
ｐｎ積層体１１を熱電素子として用いる場合には、ｐｎ積層体１１の長手方向の両端部に温度差を設ける。例えば、端部電極１５ａ側を低温領域として、端部電極１５ｂ側を高温領域とする。この場合、端部電極１５ａ、１５ｂが接続されたｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部における温度差が大きい程、ｎ型半導体層１１ｂ内の起電力が大きくなる。
【００４２】
そこで、ｐｎ積層体１１では、その長手方向と直交する方向に複数のスリット１２ａを設けてある。このスリット１２ａを設けることによって、例えば、端部電極１５ｂ側を高温領域とした場合には、端部電極１５ｂ側からの熱エネルギーが、基板１２を伝わって、低温領域である端部電極１５ａ側へ伝導することが防止される。
【００４３】
ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂの形成材料としては、ＳｉまたはＧｅを主成分として含む無機半導体材料を用いることができる。
【００４４】
ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂとしては、製造コストを低減する観点から、基板１２上に形成されたＰｏｌｙ−Ｓｉの薄膜を用いることが好ましい。
【００４５】
また、基板１２として、ｐ型のＳｉ基板を用いれば、基板１２をｐ型半導体層として用いることができる。同様に、基板１２として、ｎ型のＳｉ基板を用いれば、基板１２をｎ型半導体層として用いることができる。特に、単結晶又は多結晶のＳｉ基板を基板１２として用いることにより、光発電の性能を向上させることができる。
【００４６】
ｐ型半導体層１１ａに添加するｐ型ドーパントとしては、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、又はＩｎを用いることができる。また、ｎ型半導体層１１ｂに添加するｎ型ドーパントとしては、例えば、Ｐ、Ａｓ、又はＳｂを用いることができる。
【００４７】
上部電極１３の形成材料としては、例えばＩＴＯ、ＺｎＯ、又はＴｉＯ2を用いることができる。
【００４８】
基板１２の形成材料としては、例えば、ガラス、アルミナ又は石英等を用いることができる。
【００４９】
次に、発電装置１０のモード切り替え部１６を、図４を参照して、更に以下に説明する。図４には、３つのｐｎ積層体１１が幅方向に間隔をあけて配置されており、モード切り替え部１６によって、複数のｐｎ積層体１１同士の接続を変更して、発電装置１０が光発電モード又は熱発電モードに切り替えられる。
【００５０】
モード切り替え部１６は、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａ同士を並列に接続し、且つｎ型半導体層１１ｂ同士を並列に接続することにより、光発電モードに切り替える。
【００５１】
具体的には、モード切り替え部１６は、図４に示すように、ｐ型半導体層１１ａ同士を、並列に接続する第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂと、ｎ型半導体層１１ｂ同士を並列に接続する第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂと、を有する。
【００５２】
第１スイッチング素子１７ａは、図４左側のｐ型半導体層１１ａと、図４中央のｐ型半導体層１１ａとを、上部電極１３及び下部電極１４を介して接続する。また、第１スイッチング素子１７ｂは、図４中央のｐ型半導体層１１ａと、図４右側のｐ型半導体層１１ａとを、上部電極１３を介して接続する。
【００５３】
第２スイッチング素子１８ａは、図４左側のｎ型半導体層１１ｂと、図４中央のｎ型半導体層１１ｂとを、上部電極１３を介して接続する。また、第１スイッチング素子１８ｂは、図４中央のｎ型半導体層１１ｂと、図４右側のｎ型半導体層１１ｂとを、上部電極１３及び下部電極１４を介して接続する。
【００５４】
第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂと第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂとは、光発電モードへ切り替えるための共通のＰＶモード切り替え信号線１６ａに接続される。第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ及び第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂは、ＰＶモード切り替え信号線１６ａからの信号を入力すると導通状態になる。ＰＶモード切り替え信号線１６ａは、モード切り替え部１６に接続する。
【００５５】
また、モード切り替え部１６は、異なるｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとを直列に接続することにより、熱発電モードに切り替える。
【００５６】
具体的には、モード切り替え部１６は、異なるｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとを、端部電極１５ａ、１５ｂを介して接続する第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂを有する。
【００５７】
第３スイッチング素子１９ａは、図４左側のｎ型半導体層１１ｂを、端部電極１５ａを介して、図４中央のｐ型半導体層１１ａと接続する。また、第３スイッチング素子１９ｂは、図４中央のｐ型半導体層１１ａを、端部電極１５ｂを介して、図４右側のｎ型半導体層１１ｂと接続する。
【００５８】
第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂは、発電装置１０を熱発電モードへ切り替えるためのＴＥモード切り替え信号線１６ｂに接続する。第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂは、ＴＥモード切り替え信号線１６ｂからの信号を入力すると導通状態になる。ＴＥモード切り替え信号線１６ｂは、モード切り替え部１６に接続する。
【００５９】
各ｐｎ積層体１１には、複数の下部電極１４同士を接続する第５スイッチング素子２１が配置される。図４に示すように、各ｐｎ積層体１１では、複数の第５スイッチング素子２１が並列に接続されており、第５スイッチング素子の導通によって、複数の下部電極１４が、並列に接続される。
【００６０】
第５スイッチング素子２１は、発電装置１０を光発電モードへ切り替えるためのＰＶモード切り替え信号線１６ａに接続する。第５スイッチング素子２１は、ＰＶモード切り替え信号線１６ａからの信号を入力すると導通状態になる。
【００６１】
本実施形態では、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂ及び、第５スイッチング素子２１は、ノーマリーオフのトランジスタである。ノーマリーオフとは、ＰＶモード切り替え信号線１６ａ又はＴＥモード切り替え信号線１６ｂからの信号が入力されない場合には、トランジスタが非導通状態にあり、信号が入力されると導通状態になる意味である。また、各スイッチング素子としては、継電器又は機械的なスイッチを用いても良い。
【００６２】
次に、発電装置１０が光発電モードで発電する動作について、以下に説明する。
【００６３】
まず、光発電モードでは、モード切り替え部１６が、ＰＶモード切り替え信号線１６ａに信号を出力することによって、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、及び第５スイッチング素子２１が導通状態になる。一方、ＴＥモード切り替え信号線１６ｂには信号が出力されていないので、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂは非導通状態にある。
【００６４】
第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂが導通状態になることによって、複数のｐｎ積層体１１において、ｐ型半導体層１１ａ同士が並列に接続される。また、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂが導通状態になることによって、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｎ型半導体層１１ｂ同士が並列に接続される。
【００６５】
また、第５スイッチング素子２１が導通状態になることによって、各ｐｎ積層体１１における複数の下部電極１４同士が並列に接続される。
【００６６】
そして、太陽光等の光を各ｐｎ積層体１１の上面に照射することによって、各ｐｎ積層体１１は、光エネルギーを電気エネルギーに変化して発電する。このように発生した電力は、出力端子＋Ｖｓｏｌ及びーＶｓｏｌからとり出される。
【００６７】
次に、発電装置１０が熱発電モードで発電する動作について、以下に説明する。
【００６８】
まず、熱発電モードでは、モード切り替え部１６が、ＴＥモード切り替え信号線１６ｂに信号を出力することによって、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂが導通状態になる。一方、ＰＶモード切り替え信号線１６ａには信号が出力されないので、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、及び第５スイッチング素子２１は非導通状態にある。
【００６９】
第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂが導通状態になることによって、異なるｐｎ積層体１１において、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとが直列に接続される。
【００７０】
そして、各ｐｎ積層体１１における電極端子１５ｂ側の長手方向の一方の端部１１ｄを、高温領域Ｈとし、長手方向の他方の端部１１ｃを低温領域Ｌとして、温度差を設ける。
【００７１】
ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂそれぞれの長手方向に温度勾配が生じると、ゼーベック効果により起電力が生じる。ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとでは、温度勾配に対する起電力の向きが逆方向になる。発電装置１０では、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとが直列に接続されているので、各半導体層における起電力の向きが一致して発電できる。このように発生した電力は、出力端子＋ＶＴＥ及びーＶＴＥからとり出される。
【００７２】
発電システム１は、発電装置１０を用いて、例えば、昼間は太陽光を利用して光発電モードで発電を行い、太陽光を利用できない夜間には、地熱を利用して熱発電モードで発電を行うことができる。
【００７３】
夜間では、地面の温度は、大気の温度よりも高くなる場合が多い。例えば、ｐｎ積層体１１を地面の上に水平に配置すると、基板１２にスリット１２ａが形成されていない端部電極１５ｂ側の温度は、地面の温度に近づいて高い温度になる。一方、基板１２に複数のスリット１２ａが形成されている端部電極１５ａ側は、スリット１２ａの断熱作用によって、地熱が伝導しにくいので、相対的に、大気の温度に近い低い温度になる。このようにして、ｐｎ積層体１１の長手方向に温度勾配を形成して、熱発電を行うことができる。
【００７４】
このようにして、発電システム１は、天候に関わらず１日中、発電を行うことができる。
【００７５】
上述した本実施形態の発電システム１によれば、熱発電モードでは、光エネルギーを電気エネルギーに変化させることができる。また、利用できる光エネルギーが十分でない場合には、熱発電モードで熱発電を行うことができる。
【００７６】
また、発電システム１は、光発電素子及び熱発電素子として同じ半導体層を使用し、ｐｎ積層体におけるｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂの電気的接続を変えることによって、発電モードを切り替えるので、簡易な構造を有する。
【００７７】
更に、制御装置３０によって、光発電モード又は熱発電モードを選択して、発電量の高いモードを選択することによって、効率的な発電が行える。
【００７８】
次に、上述した実施形態の変形例を、図５を参照して、以下に説明する。
【００７９】
発電装置１０は、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、隣接するｐｎ積層体１１におけるｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとの積層の順番が同じであっても良い。図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、３つのｐｎ積層体１１が幅方向に一列に配置されており、各ｐｎ積層体１１では、ｐ型半導体層１１ａがｎ型半導体層１１ｂの上に積層されている。
【００８０】
モード切り替え部１６は、光発電モードでは、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａ同士を並列に接続し、且つｎ型半導体層１１ｂ同士を並列に接続する。この点に関しては、配線の接続方法が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。
【００８１】
また、モード切り替え部１６は、熱発電モードは、異なるｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａとｎ型半導体層１１ｂとを直列に接続する。この点に関しても、配線の接続方法が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。
【００８２】
この変形例では、全てのｐｎ積層体１１の構造が同じであるので、ｐｎ積層体の製造が簡易となる。
【００８３】
次に、本明細書に開示する第２〜第７実施形態の発電システムを、図面を参照しながら以下に説明する。第２〜第７実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図６〜図１４において、図１〜図４と同じ構成要素に同じ符号を付してある。
【００８４】
以下、本明細書に開示する第２実施形態の発電システムを、図６を参照して、説明する。図６は、本明細書に開示する発電システムの第２実施形態のｐｎ積層体及びモード切り替え部を示す図である。
【００８５】
本実施形態の発電システムでは、モード切り替え部１６が第３スイッチング素子１９としてノーマリーオンのタイプを有している点が、上述した第１実施形態に対して異なっている。
【００８６】
モード切り替え部１６は、ノーマリーオフである第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ及び第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂと、ノーマリーオンである第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂと、を有する。
【００８７】
第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂと第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂと第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂとは、共通の１本のモード切り替え制御信号線１６ｃに接続される。モード切り替え制御信号線１６ｃは、モード切り替え部１６に接続する。
【００８８】
ノーマリーオンとは、モード切り替え制御信号線１６ｃからの信号が入力されない場合には、トランジスタが導通状態にあり、信号が入力されると非導通状態になる意味である。
【００８９】
次に、本実施形態の発電装置１０が光発電モードで発電する動作について、以下に説明する。
【００９０】
まず、光発電モードでは、モード切り替え部１６が、モード切り替え信号線１６ｃに信号を出力することによって、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、及び第５スイッチング素子２１が導通状態になる。一方、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂは非導通状態となる。
【００９１】
そして、太陽光等の光を各ｐｎ積層体１１の上面に照射することによって、各ｐｎ積層体１１は、光エネルギーを電気エネルギーに変化して発電する。このように発生した電力は、出力端子＋Ｖｓｏｌ及びーＶｓｏｌからとり出される。
【００９２】
次に、発電装置１０が熱発電モードで発電する動作について、以下に説明する。
【００９３】
まず、熱発電モードでは、モード切り替え部１６が、モード切り替え信号線１６ｃへの信号の出力を停止することによって、第３スイッチング素子１９ａ、１９ｂが導通状態になる。一方、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ、及び第５スイッチング素子２１は、非導通状態になる。
【００９４】
そして、各ｐｎ積層体１１における電極端子１５ｂ側の長手方向の一方の端部１１ｄを、高温領域Ｈとし、長手方向の他方の端部１１ｃを低温領域Ｌとして、温度差を設ける。このように発生した電力は、出力端子＋ＶＴＥ及びーＶＴＥからとり出される。
【００９５】
上述した本実施形態の発電システム１によれば、モード切り替え部１６における配線の数を低減することができる。
【００９６】
次に、本明細書に開示する第３実施形態の発電システムを、図７を参照して、以下に説明する。図７は、本明細書に開示する発電システムの第３実施形態のｐｎ積層体を示す図である。
【００９７】
本実施形態では、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向における温度差を増大させて、熱発電モードにおける発電量を増大させる工夫がなされている。
【００９８】
具体的には、ｎ型半導体層１１ｂの両端部に配置された端部電極１５ａ、１５ｂ及び基板１２に形成されたスリット１２ａが、上述した第１実施形態とは異なっている。
【００９９】
図７に示すように、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向の一方の端部１１ｄに配置される端部電極１５ｂは、他方の端部１１ｃに配置される端部電極１５ａよりも寸法が大きい。具体的には、一方の端部電極１５ｂの平面積は、他方の端部電極１５ａよりも大きく形成されている。
【０１００】
寸法が大きい一方の端部電極１５ｂは、寸法の小さい他方の端部電極１５ａよりも熱伝導が大きいので、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部における温度差を大きくすることができる。例えば、基板１２の長手方向にわたる温度が均一であっても、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向には温度勾配を発生させることができる。
【０１０１】
また、一方の端部電極１５ｂは、ｎ型半導体層１１ｂと基板１２との間に配置されている。端部電極１５ａ、１５ｂの形成材料としては、電気導電率の良いもの、例えば、Ａｇ、Ｃｕ等の金属を用いることが好ましい。そして、電気導電率のよい材料は、熱伝導率も優れている。
【０１０２】
そこで、熱伝導率の優れた端部電極１５ａを、ｎ型半導体層１１ｂと基板１２との間に配置することによって、地面等の熱源から基板１２が受け取った熱エネルギーをｎ型半導体層１１ｂの端部に効率よく伝えることができる。
【０１０３】
一方、他方の端部電極１５ｂは、ｎ型半導体層１１ｂの表面に配置されているので、一方の端部電極１５ａのような働きは有していない。
【０１０４】
このようにして、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向の両端部における温度差を更に大きくすることができる。
【０１０５】
上述した観点から、一方の端部電極１５ｂの形成材料としては、ｎ型半導体層１１ｂの端部の温度を高くするために、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましい。一方、他方の端部電極１５ａの形成材料としては、ｎ型半導体層１１ｂの温度を相対的に低くするために、熱伝導率の低い材料を用いることが好ましい。
【０１０６】
図８に、端部電極の材料として用いることのできる材料及びその熱伝導率を示す。一方の端部電極１５ｂの形成材料としては、例えば、Ａｇ又はＣｕ等を用いることができる。また、他方の端部電極１５ｂの形成材料としては、例えば、Ｉｎ又はＳｎ等を用いることができる。
【０１０７】
また、本実施形態では、基板１２に形成されている複数のスリット１２ａの幅は、ｐｎ積層体１１の長手方向の他方の端部１１ｃに近づくと共に、漸増している。即ち、スリット１２ａの幅は、ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄに近づくと共に、漸減している。
【０１０８】
このようなスリット１２ａを用いることによって、基板１２の長手方向における温度勾配を増加させることができる。上述した第１実施形態でも、基板１２の温度勾配を増加させるために、同じ幅を有するスリットの間隔を変化させて配置していたが、そのためにはより多くの数のスリットを基板１２に形成する必要があった。一方、本実施形態では、幅の異なるスリットを用いるので、基板１２に形成するスリットの数を減らしつつ、同じ効果が得られるため、製造コストを低減できる。
【０１０９】
上述した熱発電では、夜間に地熱を熱源として発電する場合を例として説明を行った。一方、発電装置１０は、太陽光を熱源として、昼間に熱発電を行うことも可能である。このように、昼間に熱発電を行う観点からは、一方の端部電極１５ｂの形成材料としては、ｎ型半導体層１１ｂの端部の温度を高くするために、光反射率の低い材料を用いて、太陽光を吸収させることが好ましい。一方、他方の端部電極１５ａの形成材料としては、ｎ型半導体層１１ｂの端部の温度を相対的に低くするために、光反射率の高い材料を用いて、太陽光を反射させることが好ましい。光反射率の低い材料としては、例えば、ＣｕやＩｎを用いることができる。また、光反射率の高い材料としては、例えば、ＡｇやＡｌを用いることができる。
【０１１０】
上述した本実施形態のｐｎ積層体１１によれば、端部電極に対して、寸法、配置位置、熱伝導率、又は光反射率を適宜選択することによって、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向における温度勾配を増加させて、熱発電量を向上させることができる。
【０１１１】
また、上述した説明は、端部電極がｐ型半導体層１１ａの長手方向の両端部に配置されたｐｎ積層体に対しても適宜適用される。
【０１１２】
次に、本明細書に開示する第４実施形態の発電システムを、図９を参照して、以下に説明する。図９（Ａ）は本明細書に開示する発電システムの第４実施形態のｐｎ積層体の平面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【０１１３】
本実施形態の発電システムでは、上部電極１３が、全面電極ではなく、くし歯形電極である点が、上述した第１実施形態とは異なっている。複数の上部電極１３が、ｐ型半導体層１１ａの上に、ｐ型半導体層１１ａの長手方向に対して間隔をあけて配置されている。
【０１１４】
本実施形態では、上部電極１３が、ｐｎ積層体１１の長手方向に対して、下部電極１４と同じ位置に配置されている。
【０１１５】
ただし、ｐ型半導体層１１ａの長手方向の両端部には、端部電極１５ａ、１５ｂが配置されている。熱発電モードでは、ｐ型半導体層１１ａの端部電極１５ａ、１５ｂが、隣接するｐｎ積層体１１のｎ型半導体層１１ｂの端部電極と接続される。
【０１１６】
光発電モードでは、励起された少数キャリアが電極との界面で再結合することを抑制する観点から、電極と半導体層との接触面積は小さいことが好ましい。本実施形態では、この観点から、上部電極１３として、くし歯形電極を用いている。
【０１１７】
また、このように光が入射する側にくし歯形電極を用いる場合には、電極の幅を狭めると共に、電極同士の間の間隔を広げて、半導体層への光の入射を妨げないことが好ましい。
【０１１８】
上述した本実施形態の発電システムによれば、上部電極１３としてくし歯形電極を用いているので、少数キャリアの再結合が抑制できるので、光発電モードの発電効率を向上させることができる。
【０１１９】
次に、本明細書に開示する第５実施形態の発電システムを、図１０を参照して、以下に説明する。図１０は、本明細書に開示する発電システムの第５実施形態のｐｎ積層体の断面図である。
【０１２０】
基板１２は、ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂが配置されている面が、地面に対して水平な底面１２ｂに対して角度αの傾きを有している。
【０１２１】
この角度αは、太陽光がｐ型半導体層１１ａに効率よく入射するように、発電装置１０を有する発電システム１が設置される緯度及び高度に基づいて決定されることが好ましい。角度αは、例えば、春分又は秋分の日の正午の時点に、半導体層が、太陽からの光を垂直に受ける角度として決定することができる。
【０１２２】
基板１２の厚さは、図１０に示すように、ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄに近づくと共に漸減しており、角度αを形成する。一方、基板１２の厚さは、ｐｎ積層体１１の長手方向の他方の端部１１ｃに近づくと共に漸増している。
【０１２３】
また、ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄは、基板１２の厚さが薄いので、ｎ型半導体層１１ｂに地熱が伝わり易い。一方、ｐｎ積層体１１の長手方向の他方の端部１１ｃは、基板１２が厚いので、ｎ型半導体層１１ｂには地熱が伝わり難い。
【０１２４】
基板１２の形成材料としては、熱伝導性の低い材料を用いることが、ｎ型半導体層１１ｂの長手方向における温度差を大きくする上で好ましい。基板１２の形成材料としては、例えば、ガラス又はプラスチックを用いることができる。
【０１２５】
また、基板１２の厚さが薄いｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部には、基板１２の内部に蓄熱材２５が配置されている。蓄熱材２５は、昼間に太陽光を受けることにより蓄熱し、蓄熱した熱を夜間に放出して一方の端部１１ｄ側のｎ型半導体層１１ｂの部分の温度を高める。こうして、夜間の熱発電モードにおいて、熱発電の効率を高めることができる。
【０１２６】
更に、ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄは、地中に打ち込まれた熱伝導性の杭２６と、熱的に接続されており、地熱が、上記端部１１ｄに伝導し易くなっている。杭２６の形成材料としては、熱伝導性の良い材料を用いることが好ましい。杭２６の形成材料として、例えば、銅を用いることができる。
【０１２７】
一方、基板１２の厚さが厚いｐｎ積層体１１の長手方向の他方の端部は、複数のスリット１２ａが設けられており、ｎ型半導体層１１ｂへの地熱の伝導を防止している。
【０１２８】
また、本実施形態では、下部電極１４の幅は、一方の端部１１ｄに近づくと共に漸増しており、地熱が、基板１２から、下部電極１４を介して、ｎ型半導体層１１ｂにおける一方の端部１１ｄ側に伝導し易くなっている。
【０１２９】
一方、下部電極１４の幅は、他方の端部１１ｃに近づくと共に漸減しており、地熱が、基板１２から、下部電極１４を介して、ｎ型半導体層１１ｂにおける他方の端部１１ｃ側に伝導し難くなっている。
【０１３０】
本実施形態では、上部電極１３がくし歯型電極によって形成されており、上部電極１３の配置密度が、一方の端部１１ｄに近づくと共に漸増している。即ち、上部電極１３の配置密度が、他方の端部１１ｃに近づくと共に漸減している。
【０１３１】
上述した本実施形態の発電システムによれば、光発電及び熱発電の効率が高められている。
【０１３２】
次に、本明細書に開示する第６実施形態の発電システムを、図１１及び図１２を参照して、以下に説明する。図１１は、本明細書に開示する発電システムの第６実施形態のｐｎ積層体の平面図である。図１２は、図１１のｐｎ積層体のＺ１−Ｚ１線断面図である。
【０１３３】
本実施形態のｐｎ積層体１１は、太陽光に対して透明な基板１２を有している。図１２に示すように、太陽光を、ｐｎ積層体１１に対して、基板１２側から照射する。
【０１３４】
基板１２の上には、複数のｐ型半導体層１１ａが配置される。各ｐ型半導体層１１ａの上には、ｎ型半導体層１１ｂが配置される。
【０１３５】
基板１２とｐ型半導体層１１ａとの間には、下部電極１４としてのくし歯型電極が配置される。また、ｎ型半導体層１１ｂの上には、上部電極１３として全面電極が配置される。
【０１３６】
図１１及び図１２に示すように、端部電極１５ａ、１５ｂは、ｐ型半導体層１１ａの長手方向の両端部において、ｐ型半導体層１１ａと基板１２との間に配置される。
【０１３７】
図１２に示すように、端部電極１５ａは、隣接するｐｎ積層体１１の端部電極１５ｂに向かって延びている。同様に、端部電極１５ｂは、隣接するｐｎ積層体１１の端部電極１５ａに向かって延びている。
【０１３８】
本実施形態では、モード切り替え部１６は、対向する端部電極１５ａと端部電極１５ｂとの間を接続する第４スイッチング素子２０を有する。第４スイッチング素子２０には、ＴＥモード信号線１６ｂが接続されており、ＴＥモード切り替え信号線１６ｂからの信号を入力すると導通状態になる。ＴＥモード切り替え信号線１６ｂは、モード切り替え部１６に接続する。
【０１３９】
熱発電モードにおいて、モード切り替え部１６は、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｐ型半導体層１１ａ同士を直列に接続する。そして、各ｐｎ積層体１１の長手方向の一方の端部１１ｄを、高温領域Ｈとし、長手方向の他方の端部１１ｃを低温領域Ｌとして、温度差を設ける。このようにして、ｐ型半導体層１１ａのみを用いて熱発電を行うことができる。そして、発生した電力は、出力端子＋ＶＴＥ及びーＶＴＥからとり出される。
【０１４０】
光発電モードでは、第１実施形態と同様に、モード切り替え部１６が、ＰＶモード信号線１６ａに信号を送ることによって、第１スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、第２スイッチング素子１８ａ、１８ｂ及び第５スイッチング素子２１を導通状態にする。そして、ｐ型半導体層１１ａ及びｎ型半導体層１１ｂそれぞれが並列に接続される。
【０１４１】
ｐ型半導体層１１ａ又はｎ型半導体層１１ｂの形成材料としては、有機半導体材料を用いることが好ましい。有機半導体材料としては、有機色素、導電性ポリマ等の有機化合物又はカーボンナノチューブ等を用いることができる。
【０１４２】
具体的には、ｐ型半導体層１１ａの形成材料としては、例えば、フラーレン誘導体を用いることができる。また、ｎ型半導体層１１ｂの形成材料としては、例えば、３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ（Ｐ３ＨＴ）を用いることができる。
【０１４３】
基板１２の形成材料としては、太陽光を透過する電気絶縁性の材料を用いることが好ましい。例えば、基板１２の形成材料としてガラスを用いることができる。
【０１４４】
また、基板１２とｐ型半導体層１１ａとの間及びｎ型半導体層１１ｂと上部電極１３との間に、バッファ層を形成しても良い。このバッファ層の形成材料としては、例えば、ＴｉＯ2、ＭｏＯ3、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、又はＢＣＰ（ｂａｔｈｏｃｕｐｒｏｉｎｅ）を用いることができる。
【０１４５】
上述した本実施形態によれば、透明な基板１２から太陽光を入射するので、上部電極１３及び半導体層が直接外気にさらされないため、ｐｎ積層体１１の耐久性が向上する。
【０１４６】
なお、この第４スイッチング素子２０が、複数のｐｎ積層体１１に対して、ｎ型半導体層１１ｂ同士を直列に接続するようにして、モード切り替え部１６が、熱発電モードに切り替えるようにしても良い。また、基板１２としては、透明なフィルムを用いても良い。また、上部電極１３を透明電極にして、光を上方から入射、あるいは上面と下面の両方から入射させる形にしても良い。
【０１４７】
次に、本明細書に開示する第７実施形態の発電システムを、図１３を参照して、以下に説明する。図１３は、本明細書に開示する発電システムの第７実施形態のシステム構成図である。
【０１４８】
本実施形態では、制御装置３０は、切り替え判断部３１と、光センサ３４と、温度センサ３５と、を有する。切り替え判断部３１は、光センサ３４及び温度センサ３５の出力に基づいて、モード切り替え部１６に対してモードの切り替えを実行させる。
【０１４９】
切り替え判断部３１は、光センサ３４及び温度センサ３５の出力を入力して、光発電モードによる発電量と熱発電モードによる発電量の内、発電量の高いモードを選択する。そして、切り替え判断部３１は、モード切り替え部１６に対して選択されたモードへ切り替えを実行させる。
【０１５０】
上述した本実施形態によれば、太陽光の照射量又は温度等の現在の天候に基づいて、最適な発電モードを選択して、より効率の高い発電を行うことができる。
【０１５１】
また、上述した第７実施形態の変形例として、光センサとして、発電装置１０のｐｎ積層体１１を用いても良い。この光センサとしてのｐｎ積層体１１の発電電圧が、所定の閾値以上である場合には光発電を行い、所定の閾値未満の場合には、熱発電を行っても良い。
【０１５２】
次に、本明細書に開示する第８実施形態の発電システムを、図１４を参照して、以下に説明する。図１４は、本明細書に開示する発電システムの第８実施形態のシステム構成図である。
【０１５３】
本実施形態の制御装置３０は、切り替え判断部３１と、タイマー部３２と、光発電モードにおける発電電力及び熱発電モードにおける発電電力を測定する電力測定部３６を有している。
【０１５４】
電力測定部３６には、光発電モードにおける電力出力＋Ｖｓｏｌ及びーＶｓｏｌが入力される。また、電力測定部３６には、熱発電モードにおける電力出力＋ＶＴＥ及びーＶＴＥが入力される。
【０１５５】
タイマー部３２は、所定の間隔で、光発電モード及び熱発電モードそれぞれのモードに切り替えるように、切り替え判断部３１に対して信号を出力する。この所定の間隔は、例えば、１０分から３０分の間とすることができる。
【０１５６】
切り替え判断部３１は、タイマー部３２からの信号を入力すると、光発電モード及び熱発電モードそれぞれのモードで所定の時間の間発電を行うように、モード切り替え部１６を切り替える。
【０１５７】
発電装置１０では、モード切り替え部１６の切り替えによって、光発電モード及び熱発電モードそれぞれのモードで所定の時間の間発電を行う。
【０１５８】
電力測定部３６は、光発電モードにおける発電電力及び熱発電モードにおける発電電力を測定して、測定した電力値を切り替え判断部３１に出力する。
【０１５９】
それぞれの発電電力を入力した切り替え判断部３１は、光発電モードにおける発電量と、熱発電モードにおける発電量とを比較して、発電量の多い方のモードに、モード切り替え部１６を切り替える。
【０１６０】
上述した本実施形態によれば、太陽光の照射量又は温度等の現在の天候に基づいて、所定の間隔で、最適な発電モードを選択して効率良く発電することができる。
【０１６１】
次に、上述した発電システムの発電装置におけるｐｎ積層体の好ましい製造方法の第１実施形態を、図１５〜図１８を参照して、以下に説明する。
【０１６２】
まず、図１５（Ａ）に示すように、ｐ型のＳｉ基板１２上に、マスクパターン８０が形成される。基板１２は、単結晶基板でも良いし、多結晶基板であっても良い。ｐ型のＳｉ基板１２が、ｐ型半導体層を兼ねる。
【０１６３】
次に、図１５（Ｂ）に示すように、基板１２をアルカリ性溶液に浸漬して、異方性エッチングが行われる。その結果、マスクパターン８０に覆われていない基板１２の表面にテクスチャ構造８１が形成される。このテクスチャ構造８１を設けることによって、光発電モードにおいて、太陽光を効率良く吸収し、より多くの光励起を行うことができる。アルカリ性溶液としては、例えば、ＫＯＨ又はＮａＯＨ溶液を用いることができる。
【０１６４】
次に、図１５（Ｃ）に示すように、マスクパターン８０の開口部分にＰ等の不純物を熱拡散させて、基板１２の表面にｎ型半導体層１１ｂが形成される。
【０１６５】
次に、図１５（Ｄ）に示すように、ｎ型半導体層１１ｂの上に、反射防止層８３が形成される。反射防止層８３の形成方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はスパッタ法を用いることができる。反射防止層８３の形成材料としては、例えばＳｉＮを用いることができる。
【０１６６】
次に、図１６（Ｅ）に示すように、マスクパターン８０が除去される。
【０１６７】
次に、図１６（Ｆ）に示すように、反射防止層８３の上にマスク層８４が形成される。
【０１６８】
次に、図１６（Ｇ）に示すように、基板１２におけるｎ型半導体層１１ｂが形成される面とは反対側の面上に、絶縁層８５が形成される。絶縁層８５の形成方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はスパッタ法を用いることができる。絶縁層８５の形成材料としては、例えばＳｉＯ2を用いることができる。
【０１６９】
次に、図１６（Ｈ）に示すように、絶縁層８５の上に、くし歯型の下部電極を形成するためのマスクパターン８６が形成される。
【０１７０】
次に、図１７（Ｉ）に示すように、マスクパターン８６の開口部に露出した絶縁層８５の部分がエッチングにより除去される。このエッチングとしては、フッ酸を用いたウエットエッチング又はドライエッチングを用いることができる。
【０１７１】
次に、図１７（Ｊ）に示すように、マスクパターン８６の開口部に露出した基板１２の部分に、ボロン等を熱拡散して、ｐ＋領域である不純物拡散層８７が形成される。
【０１７２】
次に、図１７（Ｋ）に示すように、不純物拡散層８７及びマスクパターン８６の上に導体層８８が形成される。導体層８８の形成方法としては、スパッタ法又は蒸着法を用いることができる。導体層８８の形成材料としては、例えばＡｌ又はＡｕ等の金属を用いることができる。
【０１７３】
次に、図１７（Ｌ）に示すように、導体層８８の一部を残すと共に、導体層８８がマスクパターン８６と共に除去される。導体層８８の残された一部は、下部電極１４を形成する。
【０１７４】
次に、図１８（Ｍ）に示すように、マスク層８４をパターニングして、マスクパターン８９が形成される。マスクパターン８９の開口部は、下部電極１４の位置と一致している。
【０１７５】
次に、図１８（Ｎ）に示すように、基板１２の上に、導体層９０が形成される。導体層９０の形成方法としては、スパッタ法又は蒸着法を用いることができる。導体層９０の形成材料としては、例えばＡｌ又はＡｕ等の金属を用いることができる。
【０１７６】
次に、図１８（Ｏ）に示すように、リフトオフによって、導体層９０の一部を残すと共に、導体層９０がマスクパターン８９と共に除去されて、上部電極１３及び端部電極１５ａ、１５ｂが形成される。
【０１７７】
上述した製造方法の第１実施形態によって、ｐｎ積層体１１が形成される。
【０１７８】
なお、基板１２の上にｎ型半導体層１１ｂを形成しても良い。この場合には、ｎ型不純物としてＰ等が添加されたｎ型Ｓｉ基板を用いる。また、ｎ＋領域として、Ｐ等のｎ型不純物を拡散して不純物拡散層が形成される。
【０１７９】
上述した本実施形態のｐｎ積層体の製造方法は、従来の太陽電池の製造方法を適宜利用できるので、容易にｐｎ積層体を製造することが可能である。
【０１８０】
次に、上述した発電システムの発電装置におけるｐｎ積層体の好ましい製造方法の第２実施形態を、図１９〜図２４を参照して、以下に説明する。上述した第６実施形態のｐｎ積層体は、例えば、本実施形態を用いて形成される。
【０１８１】
まず、図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）に示すように、ガラス基板１２上に、下部電極及び端部電極を形成するためのマスクパターン１００が形成される。
【０１８２】
次に、図２０に示すように、ガラス基板１２上に、導電層１０１が形成される。導電層１０１の形成方法としては、例えば、スパッタ法を用いることができる。導電層１０１の形成材料としては、例えば、ＩＴＯ又はＺｎＯを用いることができる。
【０１８３】
次に、図２１に示すように、リフトオフによって、導電層１０１の一部を残すと共に、導電層１０１がマスクパターン１００と共に除去されて、下部電極１４及び端部電極１５ａ、１５ｂが形成される。
【０１８４】
次に、図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）に示すように、基板１２上に、マスクパターン１０２が形成される。
【０１８５】
次に、基板１２上に、ｐ型半導体層をスピンコート等により塗布した後、マスクパターン１０２を除去して、図２３に示すように、基板１２上に、ｐ型半導体層１１ａが形成される。ｐ型半導体層１１ａの形成材料としては、ドナー型の導電性高分子、例えば３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ（Ｐ３ＨＴ）を用いることができる。また、下部電極１４とｐ型半導体層１１ａとの間のキャリアの移動をスムーズにするため、バッファ層を設けても良い。このバッファ層として、例えばＴｉＯ2やＭｏＯ3、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳを用いることができる。
【０１８６】
次に、図２４に示すように、マスクパターン（図示せず）を用いて、ｐ型半導体層１１ａの上に、ｎ型半導体層１１ｂが形成される。ｎ型半導体層１１ｂの形成方法としては、例えば、蒸着法を用いることができる。ｎ型半導体層１１ｂの形成材料としては、例えば、フラーレン誘導体であるＰＣＢＭを用いることができる。ここで用いたマスクパターンは、マスクパターン１０２と同じ寸法のものを用いることができる。
【０１８７】
次に、図１２に示すように、ｎ型半導体層１１ｂの上に、上部電極１３が形成される。上部電極１３の形成材料としては、例えば、Ａｌ，Ａｇ又はＡｕを用いることができる。上部電極１３の形成方法としては、例えば、蒸着法を用いることができる。また、上部電極１３とｎ型半導体層１１ｂとの間のキャリアの移動をスムーズにするため、バッファ層を設けても良い。このバッファ層として、例えばＢＣＰ膜（ｂａｔｈｏｃｕｐｒｏｉｎｅ）を用いることができる。
【０１８８】
本発明では、上述した各実施形態の発電システム及び発電装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
【０１８９】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【０１９０】
１ 発電システム
１０ 発電装置
１１ ｐｎ積層体
１１ａ ｐ型半導体層
１１ｂ ｎ型半導体層
１１ｃ 他方の端部
１１ｄ 一方の端部
１２ 基板
１２ａ スリット
１２ｂ 底面
１３ 上部電極（太陽電池用）
１４ 下部電極（太陽電池用）
１５ａ、１５ｂ 端部電極（熱発電用）
１６ モード切り替え部
１６ａ ＰＶモード切り替え信号線
１６ｂ ＴＥモード切り替え信号線
１６ｃ モード切り替え信号線
１７ 第１スイッチング素子
１８ 第２スイッチング素子
１９ 第３スイッチング素子
２０ 第４スイッチング素子
２１ 第５スイッチング素子
２２ ＰＶモード切り替え信号線
２３ ＴＥモード切り替え信号線
２４ モード切り替え信号線
２５ 蓄熱材
２６ 杭
３０ 制御装置
３１ 切り替え判断部
３２ タイマー部
３３ 記憶部
３４ 光センサ
３５ 温度センサ
３６ 電圧測定部
５０ パワーコンディショナ
６０ 蓄電器
７０ 整流器
８０ マスクパターン
８１ テクスチャ構造
８３ 反射防止層
８４ マスク層
８５ 絶縁層
８６ マスクパターン
８７ 不純物拡散層
８８ 導電体層
８９ マスクパターン
９０ 導電体層
１００ マスクパターン
１０１ 導電体層
１０２ マスクパターン
Ｈ 高温領域
Ｌ 低温領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層された複数のｐｎ積層体と、
複数の前記ｐｎ積層体同士を接続して、光発電モード又は熱発電モードに切り替えるモード切り替え部と、
を備える発電装置。
【請求項２】
前記モード切り替え部は、複数の前記ｐｎ積層体に対して、前記ｐ型半導体層同士を並列に接続し、且つ前記ｎ型半導体層同士を並列に接続することにより、光発電モードに切り替える請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記モード切り替え部は、異なる前記ｐｎ積層体に対して、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とを直列に接続することにより、熱発電モードに切り替える請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記モード切り替え部は、複数の前記ｐｎ積層体に対して、複数の前記ｐｎ積層体に対して、前記ｐ型半導体層同士を直列に接続するか、又は前記ｎ型半導体層同士を直列に接続することにより、熱発電モードに切り替える請求項２に記載の発電装置。
【請求項５】
前記切り替え部は、前記ｐ型半導体層同士を並列に接続する第１スイッチング素子と、前記ｎ型半導体層同士を並列に接続する第２スイッチング素子と、異なる前記ｐｎ積層体に対して、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層と直列に接続する第３スイッチング素子と、を有する請求項３に記載の発電装置。
【請求項１】
ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層された複数のｐｎ積層体と、
複数の前記ｐｎ積層体同士を接続して、光発電モード又は熱発電モードに切り替えるモード切り替え部と、
を備える発電装置。
【請求項２】
前記モード切り替え部は、複数の前記ｐｎ積層体に対して、前記ｐ型半導体層同士を並列に接続し、且つ前記ｎ型半導体層同士を並列に接続することにより、光発電モードに切り替える請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記モード切り替え部は、異なる前記ｐｎ積層体に対して、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とを直列に接続することにより、熱発電モードに切り替える請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記モード切り替え部は、複数の前記ｐｎ積層体に対して、複数の前記ｐｎ積層体に対して、前記ｐ型半導体層同士を直列に接続するか、又は前記ｎ型半導体層同士を直列に接続することにより、熱発電モードに切り替える請求項２に記載の発電装置。
【請求項５】
前記切り替え部は、前記ｐ型半導体層同士を並列に接続する第１スイッチング素子と、前記ｎ型半導体層同士を並列に接続する第２スイッチング素子と、異なる前記ｐｎ積層体に対して、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層と直列に接続する第３スイッチング素子と、を有する請求項３に記載の発電装置。
【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１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【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１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１１−５０１４７（Ｐ２０１１−５０１４７Ａ）
【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２００９−１９５４０４（Ｐ２００９−１９５４０４）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【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２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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