專利名稱：太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用碳納米管的太陽(yáng)能電池和使用該太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)能電池裝置。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能電池以單晶、多晶、非晶硅構(gòu)成的硅系為主流，廣泛應(yīng)用于住宅和廠房等， 但是其缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低。能量轉(zhuǎn)換效率低的一個(gè)原因如下通常的太陽(yáng)能電池只有一個(gè)帶隙，具有小于帶隙的能量的長(zhǎng)波光線不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而具有超過(guò)帶隙的能量的短波光線中，僅有帶隙部分的能量能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。針對(duì)所述缺點(diǎn)，公開(kāi)了具有兩個(gè)以上不同帶隙的太陽(yáng)能電池(例如參照日本專利公開(kāi)公報(bào)特開(kāi)2003-197930號(hào))。如上所述，為了提高能量的轉(zhuǎn)換效率，如專利文獻(xiàn)1所示，可以考慮具有兩個(gè)以上的帶隙，換言之使帶隙變細(xì)。然而，在利用硅等晶體的半導(dǎo)體中，也包含化合物半導(dǎo)體在內(nèi)，根據(jù)元素的選擇方法帶隙就已固定，想得到任意的帶隙十分困難，因此不能提高能量的轉(zhuǎn)換效率。此外，在串接型以及多層重疊型的情況下，由于上層的太陽(yáng)能電池吸收和散射太陽(yáng)光線，所以下部的太陽(yáng)能電池所需要的光線發(fā)生衰減。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供能提高能量轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能電池裝置。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明第一方式的太陽(yáng)能電池包括透明電極；多個(gè)碳納米管，并列設(shè)置在所述透明電極的表面上且與所述表面垂直；以及金屬電極，配置在各所述碳納米管的與透明電極相反的一側(cè)，所述并列設(shè)置的碳納米管的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化。此外，本發(fā)明第二方式的太陽(yáng)能電池如下通過(guò)η型半導(dǎo)體形成所述第一方式的太陽(yáng)能電池中的透明電極，并且在碳納米管中摻雜元素周期表第三族的原子，將所述碳納米管形成為P型半導(dǎo)體。此外，本發(fā)明第三方式的太陽(yáng)能電池如下在所述第一方式太陽(yáng)能電池的碳納米管的透明電極側(cè)部分中摻雜元素周期表第五族的原子，形成η型半導(dǎo)體，并在所述第一方式太陽(yáng)能電池的碳納米管的金屬電極側(cè)部分中摻雜元素周期表第三族的原子，形成P型半導(dǎo)體。此外，本發(fā)明第四方式的太陽(yáng)能電池如下在所述第一方式的太陽(yáng)能電池的碳納米管中摻雜元素周期表第五族的原子，將所述碳納米管形成為η型半導(dǎo)體，并且在所述金屬電極和所述碳納米管之間配置P型半導(dǎo)體層。另外，本發(fā)明第五方式的太陽(yáng)能電池裝置使用上述第一方式的太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能電池裝置配置有分光器，所述分光器將太陽(yáng)光線分光到太陽(yáng)能電池的透明電極的表面上，并且所述太陽(yáng)能電池裝置還包括電壓調(diào)整器，所述電壓調(diào)整器將所述太陽(yáng)能電池中
3各碳納米管得到的電力調(diào)整到規(guī)定電壓。按照所述太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能電池裝置的結(jié)構(gòu)，在透明電極和金屬電極之間配置碳納米管，且所述碳納米管的直徑依次階梯性變化，所以例如將太陽(yáng)光線分光時(shí)，能夠形成對(duì)應(yīng)各個(gè)波長(zhǎng)、即具有任意帶隙的碳納米管。因此，由于可以橫跨太陽(yáng)光線的較寬范圍的波長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所以可以提供能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)良、即光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)良的太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能電池裝置。


圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式的太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能電池裝置的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的立體圖。圖2A是說(shuō)明同一太陽(yáng)能電池的制造方法的立體圖。圖2B是說(shuō)明同一太陽(yáng)能電池的制造方法的立體圖。圖2C是說(shuō)明同一太陽(yáng)能電池的制造方法的立體圖。圖2D是說(shuō)明同一太陽(yáng)能電池的制造方法的立體圖。圖3A是說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方式的同一太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的圖表。圖;3B是說(shuō)明通常的串接型太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的圖表。圖4是表示本發(fā)明實(shí)施例1的太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的立體圖。圖5是表示本發(fā)明實(shí)施例2的太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的立體圖。圖6是表示本發(fā)明實(shí)施例3的太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的立體圖。圖7是表示本發(fā)明實(shí)施例4的太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的立體圖。圖8是表示本發(fā)明實(shí)施例4的太陽(yáng)能電池變形例的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的立體圖。
具體實(shí)施例方式以下，說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方式的太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能電池裝置(對(duì)應(yīng)權(quán)利要求1和權(quán)利要求5)。首先，說(shuō)明本實(shí)施方式的太陽(yáng)能電池和使用所述太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)能電池裝置的
基本結(jié)構(gòu)。S卩，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)包括透明電極；多個(gè)碳納米管，并列設(shè)置在所述透明電極的表面且垂直于該表面；以及作為對(duì)置電極的金屬電極，配置在各所述碳納米管的與透明電極相反的一側(cè)。所述并列設(shè)置的碳納米管的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化。具體說(shuō)明所述基本結(jié)構(gòu)，一對(duì)電極之間配置有η型半導(dǎo)體和ρ型半導(dǎo)體，且所述兩半導(dǎo)體中的至少一方的半導(dǎo)體由碳納米管(CNT)構(gòu)成。此外，由于相對(duì)于電極表面垂直(所謂垂直取向)且并列設(shè)置多個(gè)(此處為三個(gè)以上，也可以稱為三個(gè)以上的多個(gè))所述碳納米管，所以例如所述碳納米管以列狀分離成多個(gè)區(qū)域，并且其直徑按照每個(gè)所述區(qū)域依次變化。具體而言，并列設(shè)置五個(gè)(三個(gè)以上、即三列以上即可)由多個(gè)碳納米管構(gòu)成的區(qū)域(以下，也稱管陣列)，且所述碳納米管的直徑按照每個(gè)管陣列呈階梯性變化，例如按照從粗到細(xì)依次設(shè)置。然后，在各所述管陣列的碳納米管的上下表面形成電極。
而且，上述的作為碳納米管形成方向的“垂直”當(dāng)然存在允許范圍，相對(duì)于電極表面的垂線，連接碳納米管的基端和前端的直線在例如90士 10°的范圍內(nèi)即可。在這種意義上，也可以稱為“大體垂直”。另外，所述“至少一方的半導(dǎo)體由碳納米管構(gòu)成”是指，一方的電極由半導(dǎo)體形成或者一方的電極側(cè)上形成半導(dǎo)體層，并且考慮碳納米管為半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，以及碳納米管自身形成η型半導(dǎo)體和ρ型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。以下，根據(jù)圖1和圖2Α 圖2D說(shuō)明所述基本結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的制造方法。首先，基于圖1說(shuō)明太陽(yáng)能電池的具體結(jié)構(gòu)。所述太陽(yáng)能電池1包括透明電極2，是長(zhǎng)方形板狀的η型半導(dǎo)體；多個(gè)碳納米管 3，并列設(shè)置在所述透明電極2的下表面且垂直于該下表面(根據(jù)圖1規(guī)定上下方向，具體將太陽(yáng)光線的入射側(cè)作為上側(cè)進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)然也可以上下顛倒，因此，也可以僅稱為透明電極的表面)；以及作為對(duì)置電極的金屬電極4，配置在所述碳納米管3的下端面(也可以稱為表面)。另外，具體而言，是具有三個(gè)以上(多個(gè))碳納米管3的列狀，此處對(duì)具有五個(gè)的列狀的情況進(jìn)行說(shuō)明。具體如后所述的太陽(yáng)能電池裝置11包括棱鏡等分光器12(也可以稱為分光元件)，將太陽(yáng)光線分光成五個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域并導(dǎo)向所述太陽(yáng)能電池1 ；以及電壓調(diào)整器14(也是電壓輸出電路)，將由太陽(yáng)能電池1的列狀碳納米管3得到的電力通過(guò)電線13引導(dǎo)并調(diào)整為規(guī)定電壓。另外，分光器12的正前方配置有聚集太陽(yáng)光線的聚光用透鏡部15。并且，例如使用直徑大小不同的柱面透鏡作為所述聚光用透鏡部15。S卩，所述聚光用透鏡部15由大直徑的第一柱面透鏡1 和小直徑的第二柱面透鏡1 構(gòu)成，其相互之間的設(shè)置間隔L為第一柱面透鏡15a的焦距fl與第二柱面透鏡15b的焦距f2之和(L = fl+f2)。因此，當(dāng)平行的太陽(yáng)光線入射第一柱面透鏡15a時(shí)，太陽(yáng)光線一度聚焦后，入射第二柱面透鏡15b并再次成為平行光線射出。這時(shí)，出射的太陽(yáng)光線的平行光線的寬度縮小為f2/fl。另外，該出射的平行光線的寬度越窄(細(xì))越好。然后，所述平行光線經(jīng)分光器12作為分光光線入射太陽(yáng)能電池1 (確切說(shuō)是透明電極2上)。此外，優(yōu)選以太陽(yáng)能電池1的大小能夠小于第一柱面透鏡15a的方式，設(shè)定分光器12與太陽(yáng)能電池1的距離。另外，聚光用透鏡部15通過(guò)在平面上配置多個(gè)柱面透鏡， 能夠?qū)⑻?yáng)光線不浪費(fèi)地導(dǎo)向太陽(yáng)能電池1 一側(cè)，但是透鏡的形狀不限于此，也可以是圓形透鏡。以下，基于圖2A 圖2D，簡(jiǎn)要說(shuō)明所述太陽(yáng)能電池1的制造方法。首先，如圖2A所示，在形成為η型半導(dǎo)體的透明電極2 (使用FTO、ZnO, ΙΤ0, FTO/ IT0、GZ0、AZ0等)的表面上，利用濺射等方法形成作為催化劑的金屬(例如鐵(Fe))的薄膜后，在利用電子束形成縱橫裂縫的同時(shí)，調(diào)整切割所述裂縫時(shí)的間隔并形成催化劑微粒10。 該鐵的催化劑微粒10的大小與每個(gè)管陣列中碳納米管3的直徑相對(duì)應(yīng)。例如，從圖中左側(cè)朝向右側(cè)，直徑從大到小排列。即，左側(cè)的催化劑微粒IOA的直徑大，隨著朝向右側(cè)，催化劑微粒IOB IOE的直徑階梯性減小。另外，作為使催化劑微粒10的大小與碳納米管3的直徑對(duì)應(yīng)的方法，也可以使利用濺射等方法形成的薄膜的厚度從左側(cè)向右側(cè)逐漸變薄。使用濺射時(shí)，可以利用濺射條件 (濺射時(shí)間、濺射源與薄膜形成面之間的距離)改變薄膜的厚度。此外，通過(guò)連續(xù)改變?yōu)R射源與薄膜形成面之間的距離，可以使薄膜的厚度連續(xù)性變化，所以能夠使碳納米管3的直徑連續(xù)性變化。隨后，如圖2B所示，利用熱CVD法(化學(xué)氣相沉積)在鐵的催化劑微粒10上形成碳納米管3。這時(shí)，對(duì)應(yīng)催化劑微粒10的大小，決定其上表面形成的碳納米管3的直徑、即粗細(xì)。接著，如圖2C所示，在碳納米管3中摻雜元素周期表第三族的原子(另外，進(jìn)行熱 CVD法時(shí)也可以微量混合含有第三族原子的氣體并進(jìn)行沉積)。隨后，如圖2D所示，在電極邊界部分設(shè)置掩模后，通過(guò)PVD法(物理氣相沉積)在各管陣列的上表面形成金屬電極4。此處對(duì)熱CVD法作一些具體說(shuō)明。S卩，在透明電極的基板上形成鐵的催化劑微粒，以所述催化劑微粒為核，在高溫氣氛下引導(dǎo)原料氣體使碳納米管生長(zhǎng)。另外，可以使用Ni、Co等取代!^e作為催化劑微粒。具體而言，將這些金屬或者其絡(luò)合物等化合物的溶液用噴霧器或刷毛涂布在透明電極的基板上，或者用束槍(々，7夕一銃)打到透明電極的基板上后，使其干燥并在必要時(shí)加熱以形成薄膜。由于薄膜過(guò)厚時(shí)難以通過(guò)加熱產(chǎn)生粒子化，所以優(yōu)選其厚度在1 IOOnm的范圍。接著，優(yōu)選在減壓條件下或者非氧化氣氛中，在650 800°C的范圍加熱所述薄膜，從而形成直徑0. 1 50nm程度的鐵催化劑微粒。另外如上所述，催化劑微粒的形成方法也可以使用濺射方法。此外，作為碳納米管的原料氣體，能夠使用乙炔、甲烷、乙烯等脂肪族碳?xì)浠衔?，特別優(yōu)選乙炔。選用乙炔時(shí)，以鐵的催化劑微粒為核，在透明電極上以刷狀形成粗細(xì)為0. 4 38nm的碳納米管。碳納米管的形成溫度優(yōu)選650 800°C的范圍，此外采用熱CVD法的形成時(shí)間(以下稱為CVD時(shí)間)在1 30分的范圍。此外，作為形成金屬電極4的PVD法，使用真空蒸鍍法或者濺射法。以下，說(shuō)明使用所述太陽(yáng)能電池1的太陽(yáng)能電池裝置11。S卩，以使太陽(yáng)光線的分光照射在太陽(yáng)能電池1的各管陣列3A 3E上的方式配置分光器12，并且分光后的光線被引導(dǎo)到對(duì)應(yīng)各個(gè)波長(zhǎng)的管陣列3A 3E的透明電極2上。并且，電壓調(diào)整器14通過(guò)電線13連接在各金屬電極4上，以分別得到規(guī)定的電壓。另外，所述電壓調(diào)整器14輸出規(guī)定電壓的電力，其包括DC/DC轉(zhuǎn)換器16，通過(guò)電線13 連接在管陣列3上；以及電力加法部18，通過(guò)電線17連接在這些DC/DC轉(zhuǎn)換器16上。另外， DC/DC轉(zhuǎn)換器16用于將各管陣列3A 3E輸出的電壓調(diào)整(轉(zhuǎn)換)為一致(規(guī)定電壓)。在此，對(duì)碳納米管3的直徑不同時(shí)的光電轉(zhuǎn)換能力、即能量的帶隙進(jìn)行說(shuō)明。碳納米管的直徑不同時(shí)，各自的帶隙的值不同，因此將如下直徑的碳納米管制作成P型或者η型半導(dǎo)體即可，即，其具有與分光的太陽(yáng)光線所具有的能量hv相等的帶隙。即，帶隙不同的碳納米管(帶隙為^ NEg1^fiEglriCEgn)為η個(gè)時(shí)，具有小于且在以上能量的光，通過(guò)帶隙Eg1的太陽(yáng)能電池受光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。此外，具有
小于^3且在以上能量的光，通過(guò)帶隙的太陽(yáng)能電池受光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。以下同樣，超過(guò)帶隙并具有直到紫外線的最大能量的光，通過(guò)帶隙的太陽(yáng)能電池受光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。圖3Α的圖表示出了通過(guò)使用所述結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，能夠進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的能量。另外作為比較例，圖3B示出了現(xiàn)有的普通的串接型太陽(yáng)能電池的情況。從所述圖表可知， 通過(guò)使碳納米管的直徑依次階梯性變化而得到的、即能夠進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的能量顯著提高。S卩，按照所述太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，在透明電極和金屬電極之間配置碳納米管，并且使所述碳納米管的直徑依次階梯性變化，所以例如在對(duì)太陽(yáng)光線進(jìn)行分光時(shí)，能夠形成具有對(duì)應(yīng)各個(gè)波長(zhǎng)的帶隙的碳納米管。因此，可以橫跨太陽(yáng)光線的較寬范圍的波長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所以能夠提供能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)良、即光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)良的太陽(yáng)能電池。另外，在所述太陽(yáng)能電池裝置中，說(shuō)明了使用一個(gè)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，不言而喻， 通過(guò)設(shè)置多個(gè)所述太陽(yáng)能電池，能得到較大的發(fā)電電力。此時(shí)，例如也可以將電壓調(diào)整器整合為一個(gè)。此外，在上述說(shuō)明中，根據(jù)催化劑微粒的大小調(diào)整碳納米管的直徑，但是例如通過(guò)調(diào)節(jié)CVD時(shí)間，也可以控制碳納米管的直徑。并且，下述為所述太陽(yáng)能電池的具體例子、即實(shí)施例。(實(shí)施例1)以下，說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例1 (對(duì)應(yīng)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2)的太陽(yáng)能電池。如圖4所示，所述太陽(yáng)能電池21包括形成為η型半導(dǎo)體的透明電極22 (例如使用FTO電極)；多個(gè)碳納米管23，并列設(shè)置在所述透明電極22的下表面(表面)且與該下表面垂直；以及作為對(duì)置電極的金屬電極24，配置在各所述碳納米管23的與透明電極22 相反一側(cè)的下表面(表面)上。使所述并列設(shè)置的碳納米管23的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化，并且在各所述碳納米管23中摻雜元素周期表第三族的原子，形成ρ型半導(dǎo)體。以下說(shuō)明所述太陽(yáng)能電池21的制造方法。首先，在η型半導(dǎo)體的透明電極22的表面，形成大小不同的鐵(Fe)的催化劑微粒 (也可以是Pt、Co等的微粒)。另外如上所述，所述催化劑微粒的大小為5個(gè)等級(jí)，即以5 列進(jìn)行設(shè)置。另外，使催化劑微粒的粒徑變化來(lái)形成催化劑微粒的方法有下述兩種。(1)在透明電極上形成作為催化劑的金屬薄膜后，利用電子束在所述薄膜上縱橫切割裂縫，并在切割所述裂縫時(shí)調(diào)整裂縫的間隔以形成催化劑微粒。調(diào)整間隔時(shí)進(jìn)行加熱， 以調(diào)整粒徑和形狀。(2)利用濺射，在透明電極的表面上形成催化劑的金屬薄膜。形成所述薄膜時(shí)，通過(guò)改變金屬源和透明電極之間的距離，形成直徑不同的催化劑微粒。接著，在所述透明電極22的表面所形成的催化劑微粒上，通過(guò)熱CVD法形成碳納米管23。即，使碳納米管23生長(zhǎng)。例如，使透明電極22為高溫并向其供給熱分解的C2H2、CH4等碳?xì)浠衔餁怏w時(shí)， 碳納米管23從催化劑微粒上生長(zhǎng)。當(dāng)然，生長(zhǎng)的碳納米管23的直徑(粗細(xì))依賴于催化劑微粒的大小。此外，如上所述，為了改變碳納米管的直徑，除了改變催化劑微粒的大小以外，還可以改變CVD時(shí)間。S卩，CVD時(shí)間短時(shí)，碳納米管層數(shù)少且直徑細(xì)，CVD時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，層數(shù)多且直徑粗。這樣，可以通過(guò)CVD時(shí)間調(diào)節(jié)碳納米管的粗細(xì)。另外，盡管粗碳納米管為多層結(jié)構(gòu)， 但利用的是最外殼的碳納米管的帶隙。
接著，在碳納米管23中摻雜元素周期表第三族的原子(B、Al、Ga、In、Ti等)，形成P型半導(dǎo)體。具體而言，將含有第三族原子的乙硼烷(B2H6)等氣體熱分解后吹附到碳納米管23上。另外，在碳納米管23的生長(zhǎng)工序中，也可以在碳?xì)浠衔餁怏w中微量混入含第三族原子的氣體。隨后，在直徑不同的各碳納米管23上、即每個(gè)管陣列上形成金屬電極M，可以得到太陽(yáng)能電池21。即，在每個(gè)管陣列上覆蓋用于分區(qū)的掩模后，在未覆蓋掩模的碳納米管23的上端，通過(guò)PVD法附著Cu、Au、Ag、Al等金屬。另外，還可以代替PVD法，而是使用熱式真空蒸鍍、電子束蒸鍍、濺射等。(實(shí)施例2)以下，說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例2 (對(duì)應(yīng)權(quán)利要求2)的太陽(yáng)能電池。如圖5所示，所述太陽(yáng)能電池31包括由二氧化硅(SiO2)形成的透明基板32 ；透明電極33 (例如使用FTO電極)，配置在所述透明基板32的下表面(表面)且形成為η型半導(dǎo)體；多個(gè)碳納米管34，并列設(shè)置在所述透明電極33的下表面(表面)且與該下表面垂直；以及作為對(duì)置電極的金屬電極35，配置在各所述碳納米管34的與透明電極33相反一側(cè)的下表面(表面)。使所述并列設(shè)置的碳納米管34的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化，例如使其階梯性變細(xì)，而且在各所述碳納米管34中摻雜元素周期表第三族的原子，形成P型半導(dǎo)體。以下說(shuō)明所述太陽(yáng)能電池31的制造方法。該制造方法基本與實(shí)施例1相同，所以只作簡(jiǎn)要說(shuō)明。首先，在由二氧化硅形成的透明基板32的表面形成η型半導(dǎo)體的透明電極33。然后，在所述透明電極33的表面形成大小不同的狗、Pt、Co等催化劑微粒。另外如上所述，以5個(gè)等級(jí)、即以5列形成大小不同的催化劑微粒。接著，利用與實(shí)施例1同樣的方法，在透明電極33的表面所形成的催化劑微粒上， 通過(guò)熱CVD法形成碳納米管34。然后，在碳納米管34中摻雜B、Al、Ga、In、Ti等第三族的原子，形成ρ型半導(dǎo)體。然后，在直徑不同的各管陣列上用濺射法等形成金屬電極35，得到太陽(yáng)能電池 31。所述制造方法簡(jiǎn)單敘述如下。S卩，所述太陽(yáng)能電池的制造方法為如下方法將多個(gè)碳納米管并列設(shè)置在形成為 η型半導(dǎo)體的透明電極的表面上且與該表面垂直，且多個(gè)碳納米管的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化，接著，在所述碳納米管中摻雜元素周期表第三族的原子，形成P型半導(dǎo)體，然后在所述碳納米管的端面上形成金屬電極。另外，也可以和上述相反，在預(yù)先制作的碳納米管的端面上通過(guò)濺射形成透明電極。(實(shí)施例3)以下，說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例3 (對(duì)應(yīng)權(quán)利要求3)的太陽(yáng)能電池。如圖6所示，所述太陽(yáng)能電池41包括由二氧化硅(SiO2)形成的透明基板42 ；透明電極43 (例如使用FTO電極)，配置在所述透明基板42的下表面(表面)并形成為η型半導(dǎo)體；多個(gè)碳納米管44，并列設(shè)置在所述透明電極43的下表面(表面)上且與該表面垂直；以及作為對(duì)置電極的金屬電極45，配置在各所述碳納米管44的與透明電極43相反一側(cè)的下表面(表面)上。在各所述碳納米管44的透明電極側(cè)部分4 中摻雜元素周期表第五族的原子，形成η型半導(dǎo)體，并在金屬電極側(cè)部分44b中摻雜元素周期表第三族的原子， 形成P型半導(dǎo)體，而且使所述并列設(shè)置的碳納米管44的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化。以下，說(shuō)明所述太陽(yáng)能電池41的制造方法。首先，在由二氧化硅構(gòu)成的透明基板42的表面上，利用濺射形成透明電極43。然后，在所述透明電極43的表面上通過(guò)濺射形成鐵的催化劑微粒。隨后，在所述催化劑微粒上利用例如熱CVD法形成碳納米管44。這時(shí)，通過(guò)添加微量磷化氫(PH3)等，使碳納米管44的透明電極側(cè)部分44a成為η型半導(dǎo)體。然后，進(jìn)一步在所述η型碳納米管44a的端面上形成ρ型碳納米管44b。這時(shí)，添加微量乙硼烷(B2H6)等而成為ρ型半導(dǎo)體。即，碳納米管44的金屬電極側(cè)部分44b成為ρ 型半導(dǎo)體。隨后，在直徑不同的各碳納米管44上、即在每個(gè)管陣列上利用Al等形成金屬電極 45。另外，本實(shí)施例3中，說(shuō)明了在透明基板42的表面配置透明電極43的情況，當(dāng)然， 也可以僅有透明電極。該制造方法簡(jiǎn)單敘述如下。S卩，所述太陽(yáng)能電池的制造方法為如下方法將多個(gè)碳納米管并列設(shè)置在一方的透明電極和另一方的金屬電極之間且與它們的電極表面垂直，并且使多個(gè)碳納米管的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化，然后在所述碳納米管的透明電極側(cè)部分中摻雜元素周期表第五族的原子，形成η型半導(dǎo)體，并且在碳納米管的金屬電極側(cè)部分中摻雜元素周期表第三族的原子，形成P型半導(dǎo)體。(實(shí)施例4)以下，說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例4(對(duì)應(yīng)權(quán)利要求4)的太陽(yáng)能電池。如圖7所示，所述太陽(yáng)能電池51包括由SUS (不銹鋼的JIS標(biāo)記)等構(gòu)成的金屬電極52 ；摻雜元素周期表第三族的硼(B)等原子而形成的ρ型半導(dǎo)體基板(ρ型半導(dǎo)體層)53，配置在所述金屬電極52的表面上；多個(gè)碳納米管54，并列設(shè)置在所述ρ型半導(dǎo)體基板53的表面且與該表面垂直；以及作為對(duì)置電極的透明電極55 (例如使用FTO電極)，形成在各所述碳納米管M的與金屬電極52相反一側(cè)的表面上。使所述并列設(shè)置的碳納米管 54的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化，并且在各所述碳納米管53中摻雜元素周期表第五族的磷(P)等原子，形成η型半導(dǎo)體。以下說(shuō)明所述太陽(yáng)能電池51的制造方法。該制造方法基本與實(shí)施例1相同，所以只作簡(jiǎn)要說(shuō)明。例如，在由長(zhǎng)方形板狀的不銹鋼(SUQ等形成的金屬電極52的表面上形成ρ型半導(dǎo)體基板53，且所述ρ型半導(dǎo)體基板53通過(guò)在硅(Si)等基板上摻雜元素周期表第三族的硼(B)等原子而形成。隨后，在所述ρ型半導(dǎo)體基板53的表面形成大小不同的！^ (也可以是Pt、Co等) 的催化劑微粒。另外如上所述，以5個(gè)等級(jí)、即以5列設(shè)置大小不同的催化劑微粒。
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然后，利用與實(shí)施例1相同的方法，在P型半導(dǎo)體基板53的表面所形成的催化劑微粒上，利用熱CVD法形成碳納米管M。隨后，在碳納米管M中摻雜磷等元素周期表第五族原子，形成η型半導(dǎo)體。然后，在直徑不同的各管陣列上用濺射法等形成透明電極55，得到太陽(yáng)能電池 51。在本實(shí)施例4中，如上所述，在形成碳納米管M之后形成透明電極55，因此能夠使用熱CVD法中高溫下難以適用的ITO等。該制造方法簡(jiǎn)單敘述如下。S卩，所述太陽(yáng)能電池的制造方法為如下方法在金屬電極的表面形成ρ型半導(dǎo)體層，然后將多個(gè)碳納米管并列形成在所述P型半導(dǎo)體層的表面且與該表面垂直，且多個(gè)碳納米管的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化，隨后在所述碳納米管中摻雜元素周期表第五族的原子，形成η型半導(dǎo)體，然后在所述碳納米管的端面上形成透明電極。另外，如圖8所示，也可以替代所述實(shí)施例4的太陽(yáng)能電池的金屬電極52和ρ型半導(dǎo)體基板53，使用由Cu等形成的金屬電極62和由Mo等形成的金屬基板63，來(lái)得到太陽(yáng)能電池61。在所述各實(shí)施例中，說(shuō)明了在電極的表面依次形成帶隙不同(即直徑不同)的碳納米管組，但也可以預(yù)先在電極表面按照不同帶隙形成碳納米管組，隨后通過(guò)依次組合碳納米管組來(lái)制造太陽(yáng)能電池。(工業(yè)實(shí)用性)本發(fā)明在透明電極和金屬電極之間配置碳納米管，并使所述碳納米管的直徑依次階梯性變化，所以例如對(duì)太陽(yáng)光線進(jìn)行分光時(shí)，可以形成對(duì)應(yīng)各個(gè)波長(zhǎng)的、即具有任意帶隙的碳納米管。因此，由于能夠橫跨太陽(yáng)光線的較寬范圍的波長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所以可以提供能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)良的太陽(yáng)能電池。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能電池，其特征在于包括透明電極；多個(gè)碳納米管，并列設(shè)置在所述透明電極的表面上且與所述表面垂直；以及金屬電極，配置在各所述碳納米管的與透明電極相反的一側(cè)，所述并列設(shè)置的碳納米管的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述透明電極由η型半導(dǎo)體形成， 并且在碳納米管中摻雜元素周期表第三族的原子，形成ρ型半導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，在碳納米管的透明電極側(cè)部分中摻雜元素周期表第五族的原子，形成η型半導(dǎo)體，并且在碳納米管的金屬電極側(cè)部分中摻雜元素周期表第三族的原子，形成P型半導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，在碳納米管中摻雜元素周期表第五族的原子，形成η型半導(dǎo)體，并且在所述金屬電極和所述碳納米管之間配置ρ型半導(dǎo)體層。
5.一種太陽(yáng)能電池裝置，其特征在于，使用權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能電池裝置配置有分光器，所述分光器將太陽(yáng)光線分光到太陽(yáng)能電池的透明電極的表面上，并且所述太陽(yáng)能電池裝置還包括電壓調(diào)整器，所述電壓調(diào)整器將所述太陽(yáng)能電池中各碳納米管得到的電力調(diào)整到規(guī)定電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能電池裝置。該太陽(yáng)能電池包括形成為n型半導(dǎo)體的透明電極(2)；多個(gè)碳納米管(3)，并列設(shè)置在所述透明電極(2)的下表面上且與該下表面垂直；以及金屬電極(4)，配置在各所述碳納米管(3)的與透明電極(2)相反一側(cè)的下表面上；所述并列設(shè)置的碳納米管(3)的直徑從一側(cè)朝向另一側(cè)呈階梯性變化，而且在各所述碳納米管(3)中摻雜第三族的原子，形成p型半導(dǎo)體。
文檔編號(hào)H01L31/04GK102473752SQ20108003146
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者平岡和志, 杉本巖生, 滝谷俊夫, 高鍋浩二 申請(qǐng)人:日立造船株式會(huì)社