CN1220277C - 发光或感光半导体组件及其制造方法 - Google Patents

发光或感光半导体组件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

太阳能组件(20)具有第1和第2板体(21、22),插入到该板体(21,22)之间形成导电方向与板体的面正交的状态的多列(多群)球状太阳能电池(11),使各群球状太阳能电池(11)并联的机构,使各群球状太阳能电池(11)与其相邻群球状太阳能电池(11)串联的机构,正极端子(23)和负极端子(24)。从左端侧开始依次对奇数列的球状太阳能电池(11)将正极形成在下方,负极形成在上方,对偶数列球状太阳能电池(11)将正极形成在上方,负极形成在下方。

Description

发光或感光半导体组件及其制造方法
技术领域
本发明涉及发光或感光半导体组件及其制造方法,尤其涉及在一对板体之间插入具有pn结和一对电极的多个粒状半导体单元、并且对这些多个半导体单元进行串并联的结构及其制造方法。该半导体组件可作太阳能电池板、照明板、显示器、半导体光催化剂等各种用途。
背景技术
历来,一直在研究一种技术,在由p型或n型组成的小粒球状半导体元件的表面部通过扩散层形成pn结,并且将这些多个半导体元件并联在公共电极,有效地用于太阳能电池。
美国专利号3,998,659的公报揭示的例子是:在n型球状半导体的表面形成p型扩散层,并且将多个球状半导体扩散层连接成膜状公共电极(正极),同时将多个球状半导体的n型核部连接成膜状公共电极(负极),从而构成太阳能电池。
美国专利号4,021,323公报揭示的太阳能转换器(半导体组件)将p型球状半导体元件与n型半导体元件配置成串联状,使这些半导体元件连接膜状公共电极,同时让这些半导体元件的扩散层接触公共电解液,并且照射太阳光,使电解液电解。
即使美国专利号4,583,588的公报和美国专利号5,469,020的公报所揭示采用球状单元的组件中,由于利用球状单元连接板状公共电极安装各单元,适合并联多个球状单元,但不适合串联多个球状单元。
另一方面,本申请的发明者,如WO98/15983和WO99/10935号国际公开公报所揭示,提出在由p型或n型半导体组成的球状半导体元件形成扩散层、pn结和一对电极的粒状发光或感光半导体单元。而且,WO98/15983号公报中提出串联多个球状半导体单元,又并联该多个串联体,形成可用于太阳能电池、提供水的电解等的光触媒装置、各种发光器件、彩色显示器等的半导体组件。
该半导体组件中,某一串联体的某一半导体单元因故障而成为开路状态时,含该半导体元件的串联电路不流通电流,该串联体中剩下的正常半导体单元也为功能停止状态,使半导体组件输出降低。
因此,本申请的发明者构思将多个半导体单元配置成矩阵状,串联各列半导体单元,同时并联各行半导体的串并联结构,提出多个国际专利申请。
然而,WO98/15983号公报的半导体组件中,采用的结构利用连接各半导体单元的电极串联多个半导体后,以平面方式并联多个该串联体,而且半导体单元的一对电极非常小,所以采用上述串并联结构时,制造技术复杂,难以制造大型半导体组件,该组件制造成本高。
也就是说,制作半导体组件时,并联第1行的多个半导体单元后,在该行上面插入并连接下一行的多个半导体单元,使其为并联和串联状态,必须依次重复此过程,以组装上述串并联结构。而且,串联的单元之间没有间隔,存在未必能取入周围的反射光和散射光的问题。
本发明的目的是提供以串并联结构连接粒状的多个半导体单元的发光或感光半导体组件。本发明的另一目的是提供具有便于利用单元间反射光和散射光的单元配置的发光或感光半导体组件。本发明的另一目的是提供具有能以简单制造技术制作的串并联结构的发光或感光半导体组件。本发明的又一目的是提供制造成本可降低的发光或感光半导体组件制造方法。
发明内容
本发明的发光或感光半导体组件中装配有具有发光或感光功能的多个粒状半导体单元,其中所述多个半导体单元各自具有p型或n型半导体粒、在半导体粒的表层部形成的pn结、和以相对置状形成在半导体粒两端并且连接pn结两端的一对电极,
其特征在于,所述发光或感光半导体组件还具有透光性绝缘材料制成的第1板体和与该第1板体平行对置且由绝缘材料制成的第2板体、
所述多个粒状半导体单元在第1板体和第2板体之间配置成多行多列的矩阵状,同时所述多个半导体单元都配置成使连接所述一对电极的导电方向与所述一对板体正交的状态,
将以分组状配置成导电方向相对齐的多个半导体单元作为一个群,所述多个粒状半导体单元被划分成多个群,
在所述第1板体和所述第2板体相互对置的内表面,设置有并联各群的多个半导体单元的并联机构、以及
在所述第1板体和所述第2板体相互对置的内表面,设置有串联各群的半导体单元和与其相邻群的半导体单元的串联机构。
这里,可适合采用以下结构。
(1)所述各半导体单元具有光电变换带来的感光功能。
(2)所述各半导体单元具有电光变换带来的发光功能。
(3)所述粒状半导体单元是球状半导体单元。
(4)所述粒状半导体单元是圆柱状半导体单元。
(5)所述第2板体由透光性板体组成。
(6)所述第1板体由玻璃制板体组成,该玻璃制板体的外表面设置有多个微细棱锥槽纹或凹凸。
(7)所述一对板体由合成树脂制柔性板体组成。
(8)所述一对板体间的多个半导体单元之间的空间填充有绝缘性透明合成树脂。
(9)所述并联机构具有分别设置在第1、第2板体的内表面的第1导电膜,所述串联机构具有分别设置在第1、第2板体的内表面的第2导电膜。
(10)在(9)所述的半导体组件中,所述第1板体内表面的第1、第2导电膜由金属氧化物制导电膜组成。
(11)在(10)所述的半导体组件中,所述第2板体内表面的第1、第2导电膜由金属氧化物制导电膜组成。
(12)在(10)所述的半导体组件中,所述第2板体内表面的第1、第2导电膜由起光反射膜作用的金属制导电膜组成。
(13)在(9)所述的半导体组件中,所述第1板体内表面的第1、第2导电膜由印刷布线组成。
(14)在(13)所述的半导体组件中,所述第2板体内表面的第1、第2导电膜由印刷布线组成。
(15)在(13)所述的半导体组件中,所述第2板体内表面的第1、第2导电膜由起光反射膜作用的金属制导电膜组成。
(16)所述第2板体用透光性板体组成,结构上做成可对从所述一对板体的表面侧和背面侧入射的外来光进行感光。
(17)在(16)所述的半导体组件中,各所述半导体单元之间设置规定的间隔,结构上做成可从所述一对板体的表面侧局部透视到背面侧,或可从其背面侧局部透视到表面侧。
(18)在(2)所述的半导体组件中,所述第2板体用透光性板体组成,结构上做成可对所述一对板体的表面侧或背面侧辐射光。
本发明的发光或感光半导体组件的制造方法,包括下述工序:
预先准备透光性绝缘材料制成的第1板体和与该第1板体可平行对置且由绝缘材料制成的第2板体以及有发光或感光功能且包括一对电极的多个半导体单元的第1工序,
在所述第1、第2板体的内表面分别形成多个导电膜的第2工序,
在所述第1板体各导电膜的一部分粘接多个半导体单元的一个电极而且同时在第2板体各导电膜的一部分粘接多个半导体单元中与上述一个电极相同的一个电极的第3工序,以及
使所述第1、第2板体接近对置并将第1板体各导电膜粘固的多个半导体单元中另一电极粘接到第2板体的相应导电膜而且同时将第2板体各导电膜粘固的多个半导体单元中另一电极粘接到第1板体的相应导电膜的第4工序。
本发明的发光或感光半导体组件的制造方法,包括下述工序:
预先准备透光性绝缘材料制成的第1板体和与该第1板体可平行对置且由绝缘材料制成的第2板体、以及有发光或感光功能且包括一对电极的多个半导体单元的第1工序,
在所述第1、第2板体的内表面分别形成多个导电膜的第2工序,
在所述第2板体各导电膜粘接多个半导体单元的一个电极的第3工序,以及
使所述第1、第2板体接近对置并且将第2板体侧粘接的多个半导体单元的另一电极粘接到第1板体的相应导电膜的第4工序。
这里,在所述第4工序中,将该第4工序内并联的多个半导体单元群串联到相邻的群。
附图说明
图1是球状太阳能电池的剖视图。
图2是另一球状太阳能电池的剖视图。
图3是太阳能组件的第1板体的后视图。
图4是太阳能组件的第2板体的俯视图。
图5是示出组装第1板体和第2板体过程中的状态的剖视图。
图6是第1板体的俯视图。
图7是太阳能组件的俯视图。
图8是太阳能组件的剖视图。
图9是太阳能组件的等效电路图。
图10是变换形态1所涉及太阳能组件的第1板体的后视图。
图11是第2板体的俯视图。
图12是太阳能组件的剖视图。
图13是变换形态2所涉及太阳能组件的第1板体的俯视图。
图14是第板体的后视图。
图15是第2板体的俯视图。
图16是太阳能组件的剖视图。
图17是太阳能组件中关键部分的放大剖视图。
图18是太阳能组件的等效电路图。
图19是变换形态3所涉及太阳能组件的第1板体的后视图。
图20是第2板体的俯视图。
图21是太阳能组件的剖视图。
图22是球状二极管的剖视图。
图23是变换的第1板体的后视图。
图24是另一球状太阳能电池的剖视图。
图25是另一球状太阳能电池的剖视图。
图26是圆柱状太阳能电池的剖视图。
实施发明的最佳方式
下面,参照附图说明本发明的实施形态。
图1、图2示出作为粒状感光半导体单元的球状太阳能电池1、11。图1所示的球状太阳能电池1将电阻率为1Ωm左右的p型硅单晶组成的直径约0.6mm~2.0mm的球状晶体2作为原材料而制成。在该球状晶体2的下端形成直径约0.6mm的平坦面3,并且在该球状晶体2的表面形成磷(P)扩散的n+型扩散层4(厚度约为0.4μm~0.5μm)和pn结5。上述平坦面3的直径0.6mm是直径2.0mm的球状晶体2时的尺寸。
包围球状晶体2的中心而形成对置的两端部设置一对电极6、7(正极6和负极7),负极7配置的平坦面3。正极6连接球状晶体2,负极7连接n+型扩散层4。除正极6和负极7外,整个表面形成由SiO2或TiO2的绝缘膜组成的防反射膜(厚度约为0.6μm~0.7μm)。正极6通过烧结铝糊而形成,负极7通过烧结银糊而形成。
这种球状太阳能电池1可用本发明人在WO98/15983号公报提出的方法制作球状晶体2后,形成平坦面3、n+型扩散层4、一对电极6和7、防反射膜8,加以制作。制作球状晶体2时,采用高度约14m的滴管,将作为原材料的p型硅粒在滴管上端侧的内部加热熔化后,使其一面自由滴落,一面利用表面张力的作用保持完整球状进行凝固,从而制作大致完整形状的球状晶体2。球状晶体2也可不依靠滴管,而利用机械研磨等方式形成球状或大致球状的晶体。
所示平坦面3可通过机械研磨部分球状晶体2而形成。为了形成该平坦面3,可使球状晶体2不易转动,用真空镊吸附,以识别正极6和负极7。接着,形成n+扩散层4时,在掩蔽球状晶体2部分顶部的状态下,用公知方法或上述公报揭示的方法使作为n型杂质的磷(P)扩散到球状晶体2的表面。也可用公知方法或上述公报揭示的方法形成一对电极6和7、防反射膜8。该球状太阳能电池1具有光电变换功能,接受太阳光后,产生0.5V~0.6V的光电动势。
图2所示的球状太阳能电池11与图1所示球状太阳能电池1相比,将n+型扩散层14和一对电极16、17的位置做成相反,其余结构大致相同。该球状太阳能电池11具有由p型硅单晶组成的球状晶体12、平坦面13、n+型扩散层14、pn结15、由正极16和负极17组成的一对电极16和17以及防反射膜18,这些部分与上述球状太阳能电池1的球状晶体2、平坦面3、n+型扩散层4、pn结5、一对电极6和7以及防反射膜8相同,能同样地制作或形成。
接着,可用上述球状太阳能电池1、11的任一方或双方组成作为半导体组件的面板状太阳能组件。因此,第1实施形态中,根据图3~图9说明采用球状太阳能电池11的太阳能组件20的制造方法。
首先,说明太阳能组件20的概况。
太阳能组件20的结构是在一对板体21、22之间将多个球状太阳能电池11插入成多行多列的矩阵状,设该组件20的纵横尺寸为例如10cm×20cm,球状太阳能电池11的排列间距为例如4mm,则可将多个球状太阳能电池11配置成例如25行、50列的矩阵状。这样微细的结构难以图示,因而本实施形态中为了便于理解将50个球状太阳能电池11配置成5行10列的情况作为例子,加以放大后示出,以进行说明。
如图7、图8所示,该组件20具有含透光性绝缘材料制成的第1板体21和与该板体21平行对置且用绝缘材料制成的第2板体22的一对板体、和在这些板体21与22之间配置成5行10列的50个球状太阳能电池11。第2板体22的左端部和右端部分别设置正极端子23和负极端子24。
各球状太阳能电池11配置成连接一对电极16、17的导电方向与一对板体21、22正交的状态。各列对齐导电方向,配置同种球状太阳能电池11。如图5所示,第1板体21粘接的各列的5个球状太阳能电池11配置成正极16朝上且负极17朝下的状态,第2板体22粘接的各列的5个球状太阳能电池11配置成正极16朝下且负极17朝上的状态。一对板体21、22相互对置的内表面设置并联各群的5个球状太阳能电池11的并联机构和使各群球状太阳能电池11与其相邻球状太阳能电池11串联的串联机构。
下面说明太阳能组件20的制造方法和详细结构。
首先,预先准备第1和第2板体21和22、25个球状太阳能电池1以及50个球状太阳能电池11。
第1和第2板体21和22是厚度0.1mm~0.5mm的透明柔性印刷电路板,用透明的电绝缘合成树脂材料(聚碳酸酯、丙烯酸酯、多芳基化合物、甲基丙烯、硅、聚酯等)组成。为了减少太阳能组件20上入射光的反射损耗,第1板体21的外表面(上表面)形成多行多列的圆顶状小凸部25(相对于凹凸)。可在使第1板体21形成行时,形成该多行多列的凸部25。
接着,图3示出上下倒置的第1板体21。如图3所示,第1板体21的内表面(下表面)形成5组梯状导电路径26(导电膜),同时如图4所示,在第2板体22的内表面(上表面)形成4组梯状导电路径27(导电膜)和2组的半梯状28、29(导电膜)。第1板体21的内表面粘贴铜箔,在掩蔽导电路径26的状态下进行蚀刻处理,形成印刷布线后,在该布线的表面镀银,形成导电路径26。同样,第2板体22的内表面粘贴铜箔,在掩蔽导电路径27~29的状态下进行蚀刻处理,形成印刷布线后,在该布线的表面镀银,形成导电路径27~29。
第2板体22中,在左端部分形成连接半梯状路径28的正极端子23,右端部分形成连接半梯状路径29的负极端子24。正极端子23和负极端子24上形成通孔23a、24a,用于将太阳能组件20电连接到别的太阳能组件和电布线。形成导电路径26~29时,形成使导电路径26~29中球状太阳能电池11的正负电极16和17接合的交点部大致为圆形的焊盘部30。
接着,如图3所示,使第1板体21的内表面成为朝向上方的状态,在各列的5个球状太阳能电池11的正极16涂敷导电性环氧树脂等导电性粘结剂,使其粘接各组导电路径26中一个并联部26a的5个焊盘部30。而且,该粘接硬化后,在各列的5个球状太阳能电池11的负极17涂敷导电性粘结剂。
与此相同,如图4所示,使第2板体22的内表面成为朝向上方的状态,在各列的5个球状太阳能电池11的正极16涂敷导电性环氧树脂等导电性粘结剂,使其粘接各组导电路径27中一个并联部27a的5个焊盘部30,同时粘接左端部导电路径28中并联部28a的5个焊盘部30。而且,该粘接硬化后,在各列的5个球状太阳能电池11的负极17涂敷导电性粘结剂。
接着,如图3所示,第1板体21的内表面外周部粘贴丁基橡胶组成的密封层31,并且形成一个开口部31a。同样,如图4所示,第2板体22的内表面外周部粘贴丁基橡胶组成的密封层32,使其与上述密封层31对置,并且形成与上述开口部31a对应的一个开口部32a。
接着,如图5所示,使第1板体21形成与图3中的姿势相反的状态,让该第1板体21与第2板体22的上方对置,将第1板体21的5列球状太阳能电池1定位于与第2板体22的5个并联部27b、29b对置的状态后,使第1和第2板体21和22接近,将第1板体21的各列球状太阳能电池11的负极17粘接到第2板体22的相应并联部27b、29b,并且将第2板体22的各列球状太阳能电池11的负极17粘接到第1板体21的相应并联部26b。这时,使密封层31与密封层32接合,并且加热使其硬化后,形成矩形框状的密封层壁33。然后,从开口部31a和32a上形成的注入口将绝缘性透明液体(甲基丙烯树脂和硅树脂为主成分的填充剂)注入并填充到第1和第2板体21和22之间的密封层壁33内侧的空间,利用加热或照射紫外线使柔性填充材料34硬化,则完成太阳能组件20。
又,可一面以第1板体21内表面朝向下方的状态在输送流水线上输送,一面进行对第1板体21的导电路径26的形成和球状太阳能电池11的粘接,因而可利用编入种种装置和机构的自动化流水线进行太阳能组件20的组装。还可用透明导电合成树脂膜构成导电路径26~29。
以上那种结构的太阳能组件20中,各列的5个球状太阳能电池11(各群球状太阳能电池)利用上下的并联部26a、27a、28a、26b、27b、29b进行并联。如图3所示,第1板体21中各组导电路径26的并联部26a、26b利用串联部26c进行串联。同样,如图4所示,第2板体22中各组导电路径的并联部27a、27b由串联部27c加以串联,左端侧的并联部28a由串联部28c串联到正极端子23。右端侧的并联部29b由串联部29c串联到负极端子24。这样,各列的球状太阳能电池11(各群球状太阳能电池)通过串联部26c~29c串联到相邻列(群)的球状太阳能电池11,在其2端连接正极端子23和负极端子24。即,上下的并联部26a、27a、28a、26b、27b、29b相当于并联机构,同时还相当于第1导电膜,而串联部26c~29c相当于串联机构,同时还相当于第2导电膜。
图9示出该太阳能组件20的等效电路,一个球状太阳能电池11的光电动势为例如0.6V时,正极端子23与负极端子24之间产生6.0V的光电动势。于是,各行的10个球状太阳能电池11产生的电流为I,则从正极端子23输出5I的电流到外部负载。
该太阳能组件20中,各列(各群)的5个球状太阳能电池11并联,并且各列的5个球状太阳能电池11与其相邻列的5个球状太阳能电池11串联,因而即使某个球状太阳能电池11因故障或阴天而功能下降或停止作用时,仅该球状太阳能电池11的光电动势降低或停止,正常的球状太阳能电池11通过有并联关系的其他球状太阳能电池分流输出,因而几乎不发生部分球状太阳能电池故障或功能降低造成的坏影响,成为可靠性和牢固性优良的太阳能组件20。
该太阳能组件20通常将第1板体21朝向光入射侧配置,但由于第1板体21的表面形成多个细小的凸部25,外来光的入射方向倾斜大时,也反复进行多个凸部25表面上的折射和不规则反射,同时把光导入内部,从各种方向入射到球状太阳能电池11。各球状太阳能电池11的表面为球面,因而导入各种方向来的光的光导入性优越,能使太阳能组件20保持光的利用率高。而且,由于球状太阳能电池11为球状,不会将可吸收光的入射方向约束得狭窄,可吸收各种方向来的光,使光的利用率高。
第2板体22用透明材料组成,因而即使从背侧通过第2板体22入射的光也产生光电动势。但是,结构上也可做成无来自第2板体22背侧的光入射时,在第2板体22的背面粘贴对从第1板体21入射的光进行反射的反射膜。
该太阳能组件20在各球状太阳能电池11之间设置规定的间隔,并且用透明材料组成第1和第2板体21和22,具有采光性,因而可将该组件20用作窗玻璃,或贴在窗玻璃上使用。但是,不需要采光时,结构上也可做成减小球状太阳能电池11的配置间距,提高发电能力。
这种太阳能组件20,其厚度为约1.0mm~3.0mm,非常薄,且重量轻,结构为柔性,因而利用范围广,可装在建筑物的屋顶、墙、壁面、各种物体的曲面状表面上使用。例如,能实现贴在汽车车身表面进行发电的太阳能组件,或能实现插入到汽车窗玻璃进行发电的太阳能组件。还能做成可插入衣服用于移动设备电源的组件。又能做成卷状物那样,可收装,可展开的组件。结构上做成曲面状组件时,还能扩大光学方向性。
这种光学组件20中,构件数量少,薄且轻,因而体积小,可用比较简单的自动化流水线制造,产生的废弃物少。
而且,可将球状太阳能电池11直接压接在第1和第2板体21和22的导电路径26~29,所以该电池11的配置和布线设计自由度大。可适当选择电池数,能根据小输出组件、高压组件、大输出组件等用途自由设计。这种太阳能组件20具有正极端子23和负极端子24,因而可借助制作多个标准太阳能组件20,将这些组件串联、并联或串并联,根据用途适当扩充。这种太阳能组件20结构上做成球状太阳能电池11之间空开规定间隔,就成为透光型的可采光组件,因而变成可贴在窗玻璃上使用的组件。该组件20还能做成各种形状。
下面,说明部分改变上述实施形态的各种变换形态。
变换形态1(参照图10~图12)
这种太阳能组件40用第1和第2板体41和42、插入这些板体41和42之间的5行10列球状太阳能电池1和11、并联各列的5个球状太阳能电池1、11(各群球状太阳能电池)的并联机构、对各群太阳能电池1、11和其相邻群的球状太阳能电池1、11进行串联的串联机构组成。第1和第2板体41和42与上述第1和第2板体21和22相同。第1板体41内表面形成的5组导电路径46(导电膜)形式比上述导电路径26简单,但这些导电路径46结构与导电路径26相同,各导电路径46具有并联部46a、46b和串联部46c。
第2板体42的内表面形成4个导电膜47、左右两端侧的2个导电膜48和49、与导电膜48合为一体的正极端子43、与导电膜49合为一体的负极端子44,这些导电膜47~49与上述导电路径27~29相同,其结构为铜箔表面镀银。
该太阳能组件40的制造方法基本上与上述太阳能组件20的制造方法大致相同,因而仅简单说明。
首先,预先准备第1和第2板体41和42、25个球状太阳能电池1以及25个球状太阳能电池11。其次,在第1板体41的内表面形成5组导电路径46,同时在第2板体的内表面形成导电膜47~49。接着,如图11所示,用合成树脂粘结剂将各列球状太阳能电池1的负极7粘接到相应导电膜47、49的规定位置,同时用导电性合成树脂粘结剂将各列球状太阳能电池11的正极16粘接到相应导电膜47、48的规定位置。然后,粘贴密封层51使其围绕这些球状太阳能电池1、11的四周。而且,在第2板体42所粘接各列的球状太阳能电池1的正极6和各列的球状太阳能电池11和负极17分别涂敷导电性合成树脂粘结剂。接着,使第板体41的内表面与第2板体42对置且接近,将各组导电路径46接合到相邻的26球状太阳能电池1、11的正极6和负极17。这时,将各列球状太阳能电池1的正极6粘接到并联部46a的焊盘部50,各列球状太阳能电池11的负极17粘接到并联部46b的焊盘部50。而且,将密封层51粘接到第板体41的内表面后,进行加热,使密封层51硬化。此后,从密封层51的开口部51a往内部填充与上述绝缘性透明液相同的绝缘性透明液,并利用加热或照射紫外线使其硬化成填充材料52,则完成该太阳能组件40。该组件40的等效电路与图9的等效电路相同,各列(各群)的球状太阳能电池1利用导电路径46的并联部46a和导电膜47、49进行并联,各列(各群)的球状太阳能电池11利用导电路径46的并联部46b和导电膜47、48进行并联,各群的球状太阳能电池1、11与其相邻群的球状太阳能电池11、1用导电膜47或导电路径46的串联部46c加以串联。
该太阳能组件40接受仅入射到第1板体41的外来光,并进行发电。其中,导电膜47~49也作为使光反射的反射膜起作用。其他的作用、效果与上述太阳能组件20大致相同。
变换形态2(参照图13~图18)
此太阳能组件60利用上述球状太阳能电池1、11,其结构与太阳能组件20、40大致相同,能大致相同地制作,因而仅简单说明该组件60的结构和制造方法。
该太阳能组件60用第1和第2板体61和62、插入这些板体61和62之间的例如6行14列球状太阳能电池1和11、并联各列的球状太阳能电池1、11各群球状太阳能电池的并联机构、对各群太阳能电池1、11和其相邻群的球状太阳能电池1、11进行串联的串联机构等组成。第1和第2板体61和62用厚度3mm~4mm的透明强化白玻璃板组成,在第1板体61的上表面以6行7列的矩阵状形成棱锥槽纹63,该槽纹63的顶部位于各球状太阳能电池1、11的垂直上方,如图13所示。希望各棱锥槽纹63中面与面形成的顶角为45度以下,但不限于此。
图14示出将第1板体61上下倒置的状态,该图所示第1板体61的内表面形成由透明导电金属氧化物(例如ITO、SmO2、ZnO等)薄膜组成的7个导电膜64,使其构成7列。如图15所示,第2板体62的内表面形成与上述导电膜64相同的8个导电膜65、左端侧连接导电膜65的正极端子66、右端侧的负极端子67、和右端侧导电膜65与负极端子67之间的2组防反向电流二极管68。制作该太阳能组件60时,预先制作第1和第2板体61和62、42个球状太阳能电池1、和42个球状太阳能电池11。
接着,在第1和第2板体61和62的内表面分别形成多个导电膜64、65,同时在第2板体62形成正极端子66、负极端子67、2个防反向电流二极管68。
接着,如图14所示,用导电性粘结剂在第1板体61的各导电膜64的右端部粘接6个球状太阳能电池1(1群球状太阳能电池);这时,各球状太阳能电池1的正极6粘接到导电膜64。同样,如图15所示,用导电性粘结剂在第2板体62的各导电膜65的右端部粘接6个球状太阳能电池1(1群球状太阳能电池);这时,各球状太阳能电池1的正极16粘接到导电膜65。进而,在第1板体61的外周部将密封层69粘贴成矩形框状,同时在第2板体62的外周部将密封层70粘贴成矩形框状。密封层69、70分别预先形成开口部69a、70a。
接着,在第1板体61的各球状太阳能电池1的负极7涂敷导电性粘结剂,同时第2板体62的各球状太阳能电池11的负极17也涂敷导电性粘结剂的状态下,使第板体61成为内表面翻转向下的形态,让第1板体61与第2板体62对置并接近,将第1板体61中各列球状太阳能电池1的负极7接合到第2板体62中相应的导电膜65,同时将第2板体62中各列球状太阳能电池11的负极17接合到第1板体61的导电膜64,使上下密封层69、70对接。然后,进行加热处理,使密封层69、70硬化。
接着,在第1和第2板体61和62之间的空间,即,密封层69、70内侧的空间,填充例如丙烯类透明绝缘合成树脂的溶液,作为填充材料71,并使其硬化。利用该填充材料71能提高太阳能组件60的强度和牢固性。图18示出该组件60的等效电路,在负极端子67附近如图中所示那样设置2个防反向电流二极管68。也就是说,在诸如该组件60连接蓄电池等情况下,夜间太阳能组件60停止工作时,如果电流从蓄电池倒流到正极端子66,可能损坏太阳能电池1、11,因而结构上做成利用上述防反向电流二极管68阻止反向电流。
以上的太阳能组件60中,如图18所示,各列球状太阳能电池1、11利用导电膜64、65进行并联,并且将球状太阳能电池1的列与球状太阳能电池11的列交错配置,通过导电膜64、65将各列(各群)球状太阳能电池1、11与其相邻各列(各群)球状太阳能电池11、1串联,因而达到与上述太阳能组件20、40大致相同的作用、效果。
图17为了示出太阳能组件60上入射光的行动,图中所示局部放大。由于第1板体61的表面形成许多棱锥槽纹63,垂直入射的光当然不用说,即使从其他各种方向入射的光也不难导入到球状太阳能电池1、11,能提高入射光利用率。
该太阳能组件60中,第1和第2板体61和62是透明玻璃制品,导电膜64、65也用透明导电合成树脂组成,因而利用通过第1板体61入射的光,或利用通过第2板体62入射的光,都产生光电动势。而且,各球状太阳能电池1、11之间设置规定的间隔,部分光能透过,具有采光性,因而该太阳能组件60可用作窗玻璃,或贴在窗玻璃上使用。
也可在第1板体61的表面形成许多有规则的微细凹凸,代替许多棱锥槽纹63。还可在第2板体62的表面形成许多棱锥槽纹63,或形成许多有规则的微细凹凸。
变换形态3(参照图19~图22)
该太阳能组件80由第1和第2板体81和82、插入这些板体8 1和82之间的3群72个球状太阳能电池1和11、并联各列的球状太阳能电池1、11各群球状太阳能电池的并联机构、对各群太阳能电池1、11和其相邻群的24个球状太阳能电池1、11进行串联的串联机构等组成。
各群的24个球状太阳能电池11以正极16在下、负极17在上的状态配置成6行4列的矩阵状,并且利用第1、第2板体81、82的导电膜83~86进行并联。中央群的左侧配置1列6个的球状导电体87,右侧群的左侧配置1列6个的球状导电体87,右侧群球状太阳能电池11和中央群球状太阳能电池11利用6个球状导电体87加以串联,也利用6个球状导电体87将中央群球状太阳能电池11与左侧群球状太阳能电池11串联。
第1板体81用形成棱锥槽纹的与上述第1板体61同样的玻璃板组成。第2板体82用玻璃环氧树脂等FRP制成的印刷电路板组成。
图19示出将第1板体81上下倒置的图,该第板体81的内表面形成由金属氧化物透明导电薄膜组成的3个导电膜83。如图20所示,第2板体82的内表面形成具有光反射功能的4个导电膜84~86。该导电膜84~86在表面形成微细凹凸的铜箔表面进行镀银。
第2板体82的左端部形成针状正极端子88,该端子连接导电膜84并且贯穿第2板体82。第2板体82的右端部形成针状负极端子89,该端子连接导电膜86并且贯穿第2板体82。第1板体81的导电膜83与第2板体82的导电膜86之间连接球状二极管90,用于防止电流从正极端子88倒流到太阳能组件80。所述球状导电体87在铁合金小球体的表面进行镀银,并且在上下两端形成一对电极(该电极可省略)。球状导电体的高度与球状太阳能电池11的高度相同。
如图22所示,球状二极管90具有由p型硅组成的球状晶体95、n型扩层96、pn结97、一对电极91和92(阳极91和阴极92)、覆盖阴极92侧的上半部分的金属膜92a、绝缘膜98。球状二极管90的阳极91连接导电膜86。
该太阳能组件80的制作方法与上述太阳能电池20、40、60的制作方法大致相同,因而仅简单说明。
首先,预先准备第1和第2板体81和82、72个球状太阳能电池11、12个球状导电体87和球状二极管90等。
其次,在第1板体81的内表面形成导电膜83,同时在第2板体82的内表面形成导电膜84~86,还形成正极端子88和负极端子89。接着,在第2板体82的各导电膜84、85配置6行4列的24个球状太阳能电池11,并利用导电粘结剂在导电膜84、85上粘接各球状太阳能电池11的正极16。导电膜86的中央部配置球状二极管90,并利用导电粘结剂将其阳极91粘接到导电膜86。
接着,在全部太阳能电池11的负极17、全部球状导电体87的顶部和球状二极管90的阴极92涂敷导电粘结剂。然后,在第2板体82内表面的外周部粘贴密封层93,并形成开口部93a。
这种状态下,使形成正规形态的第1板体81从第2板体82的上方对置并接近,将第1板体81的各导电膜83粘接到相应的各群球状太阳能电池11的负极17,将各列球状导电体87的顶部粘接到相应的导电膜83。然后,在第1板体81粘接密封层93的状态下,对密封层93加热,使其硬化。此后,从密封层93的开口部93a往内部填充丙烯酸酯等透明合成树脂的溶液,使其硬化后,作为透明填充材料94。这样,就完成太阳能组件80。
说明该组件80的作用、效果。但该组件80的功能与上述太阳能组件20、40、60大致相同,因而下面仅简单说明。
太阳能组件80中,各群的24个球状太阳能电池11利用上下导电膜83~85进行并联,左侧群的球状太阳能电池11与中央群的球状太阳能电池11利用6个球状导电体87加以串联,也利用6个球状导电体87将中央群的球状太阳能电池11与右侧群球状太阳能电池11串联。
入射到第1板体81的外来光到达球状太阳能电池11,则各群球状太阳能电池11产生约0.6V的光电动势,该光电动势(约1.8V)产生的电流从正极端子88输出到蓄电池和外部负载。该太阳能组件80由于各群设置多行多列的球状太阳能电池11,整个太阳能组件80可根据需要使输出电流增多,降低输出电压。但也可串联多个这种太阳能组件80,使输出电压提高。又由于插入防反向电流用的二极管90,能可靠防止从外部流入到太阳能组件80中正极端子88的反向电流,能可靠防止反向电流损坏太阳能电池11。
该太阳能组件80采用一种球状太阳能电池11,因而在球状太阳能电池11的制作和太阳能组件80的安装方面有利。由于各群设置多行多列球状太阳能电池11,导电膜83~85的结构简单。第2板体82的导电膜84~86具有光反射功能,因而通过第1板体81入射的光受到反射、散射,便于球状太阳能电池11吸收。
可用1根金属制成的棒代替上述各列的球状导电体87,也可设置多个球状二极管90。
还可采用图23所示的第1板体81A代替上述第1板体81。该第1板体81A中,形成图中所示作为导电膜的3组印刷布线99,代替3个导电膜83。
下面,说明变换上述实施形态和变换实施形态的各种例子。
[1]图24、图25所示的粒状太阳能电池100、110尺寸与上述球状太阳能电池1、11相同,也具有同样的发电功能,因而能与球状太阳能电池1、11一起用于太阳能组件,或代替球状太阳能电池1、11。
图24的太阳能电池100具有n型硅单晶球状晶体101、形成在该球状晶体101的一个端部的平坦面102、p型扩散层103、pn结104、形成在平坦面102的负极107、包围球状晶体101的中心且与负极107对置的正极106、由绝缘膜组成的防反射膜105等。
图25所示的球状太阳能电池110具有p型硅单晶球状晶体111、形成在该球状晶体111的两端部且尺寸不同的平坦面112和113、n型扩散层114、pn结115、在大尺寸平坦面112上形成的正极117、包围球状晶体111的中心且与正极117对置并形成在小尺寸平坦面113上的负极118、由绝缘膜组成的防反射膜116。
[2]图26所示的粒状太阳能电池120尺寸与上述球状太阳能电池1、11相同,也具有同样的发电功能,因而能与球状太阳能电池1、11一起用于太阳能组件,或代替球状太阳能电池1、11。该圆柱状太阳能电池120将电阻率为1Ωm左右的p型硅组成的直径1.5mm的圆柱体作为原材料制成。该圆柱状太阳能电池120具有由p型硅组成的圆柱状晶体121、n型扩散层122、pn结123、p+型扩散层124、设置在圆柱状太阳能电池120轴心方向两端的一对电极125和126(正极125和负极126)、由绝缘膜组成的防反射膜127等。
[3]上述太阳能组件是感光半导体组件的例子,但插入利用电光变换进行发光且结构与上述球状太阳能电池1、11相同的粒状发光二极管(LED)代替上述发光组件中的球状太阳能电池1、11,就能制作以平面方式发光的发光半导体组件。在发光二极管的情况下,连接p型晶体或扩散层的电极为阳极,连接n型扩散层或晶体的电极为阴极,电流从阳极正向流到阴极时,从pn结附近产生波长与晶体和扩散层的材料相适应的光,辐射到外部。也可采用本申请的发明人在WO98/15983号公报提出的球状发光二极管和结构与其类似的球状发光二极管。
发光半导体组件采用以透明的第1、第2板体从两面发光的组件、或以透明的第1板体和将光反射到第1板体的不透明第2板体仅对单面发光的组件等形态。
[4]上述太阳能组件20以仅在第1板体21的外表面形成多个凸部的情况为例进行了说明,但第2板体22的外表面上,也可与第1板体21的外表面相同,形成多个凸部25。还可形成多个微细棱锥槽纹,以代替第1板体21的多个凸部25。但该太阳能组件20的多个凸部25、上述太阳能组件40、60的第1板体表面的棱锥槽纹和微细凹凸结构未必需要,也可将第1板体的表面做成无凹凸的平面。
[5]上述球状太阳能电池1、11以用硅半导体制作的感光半导体单元为例进行了说明,但也可用SiGe和GaAs及其化合物、InP及其化合物、CuInSe2及其化合物、CdTe及其化合物等半导体组成具有光电变换功能的感光半导体单元。
或者,在插入发光半导体单元组成发光半导体组件时,可用GaAs及其化合物、InP及其化合物、GaP及其化合物、GaN及其化合物、SiC及其化合物等半导体组成具有电光变换功能的发光半导体单元。
[6]可用陶瓷布线基板和金属布线玻璃基板代替上述太阳能组件20、40中的印刷电路板,可用由透明合成树脂板组成的板体代替透明玻璃板组成的板体。
[7]可采用焊锡、铟合金代替上述导电粘结剂。上述填充材料34、52、71、94未必需要,也可省略。上述防反向电流二极管68和球状二极管90未必需要,也可省略。

Claims (22)

1.一种发光或感光半导体组件,所述发光或感光半导体组件中装配有具有发光或感光功能的多个粒状半导体单元,其中所述多个半导体单元各自具有p型或n型半导体粒、在半导体粒的表层部形成的pn结、和以相对置状形成在半导体粒两端并且连接pn结两端的一对电极,
其特征在于,所述发光或感光半导体组件还具有透光性绝缘材料制成的第1板体和与该第1板体平行对置且由绝缘材料制成的第2板体、
所述多个粒状半导体单元在第1板体和第2板体之间配置成多行多列的矩阵状,同时所述多个半导体单元都配置成使连接所述一对电极的导电方向与所述一对板体正交的状态,
将以分组状配置成与导电方向相对齐的多个半导体单元作为一个群,所述多个粒状半导体单元被划分成多个群,
在所述第1板体和所述第2板体相互对置的内表面,设置有并联各群的多个半导体单元的并联机构、以及
在所述第1板体和所述第2板体相互对置的内表面,设置有串联各群的半导体单元和与其相邻群的半导体单元的串联机构。
2.如权利要求1所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述各半导体单元具有光电变换带来的感光功能。
3.如权利要求1所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述各半导体单元具有电光变换带来的发光功能。
4.如权利要求1所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述粒状半导体单元是球状半导体单元。
5.如权利要求1所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述粒状半导体单元是圆柱状半导体单元。
6.如权利要求1所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第2板体由透光性板体组成。
7.如权利要求2所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第1板体由玻璃制板体组成,该玻璃制板体的外表面设置有多个微细棱锥槽纹或凹凸。
8.如权利要求1所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述一对板体由合成树脂制柔性板体组成。
9.如权利要求1所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述一对板体间的多个半导体单元之间的空间,填充有绝缘性透明合成树脂。
10.如权利要求1所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述并联机构具有分别设置在第1、第2板体的内表面的第1导电膜,所述串联机构具有分别设置在第1、第2板体的内表面的第2导电膜。
11.如权利要求10所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第1板体内表面的第1、第2导电膜由金属氧化物制导电膜组成。
12.如权利要求11所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第2板体内表面的第1、第2导电膜由金属氧化物制导电膜组成。
13.如权利要求11所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第2板体内表面的第1、第2导电膜由起光反射膜作用的金属制导电膜组成。
14.如权利要求10所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第1板体内表面的第1、第2导电膜由印刷布线组成。
15.如权利要求14所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第2板体内表面的第1、第2导电膜由印刷布线组成。
16.如权利要求14所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第2板体内表面的第1、第2导电膜由起光反射膜作用的金属制导电膜组成。
17.如权利要求2所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第2板体用透光性板体组成,结构上做成可对从所述一对板体的表面侧和背面侧入射的外来光进行感光。
18.如权利要求17所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
各所述半导体单元之间设置规定的间隔,结构上做成可从所述一对板体的表面侧局部透视到背面侧,或可从其背面侧局部透视到表面侧。
19.如权利要求3所述的发光或感光半导体组件,其特征在于,
所述第2板体用透光性板体组成,结构上做成可对所述一对板体的表面侧或背面侧辐射光。
20.一种发光或感光半导体组件的制造方法,其特征在于,包括下述工序:
预先准备透光性绝缘材料制成的第1板体和与该第1板体可平行对置且由绝缘材料制成的第2板体、以及有发光或感光功能且包括一对电极的多个半导体单元的第1工序,
在所述第1、第2板体的内表面分别形成多个导电膜的第2工序,
在所述第1板体各导电膜的一部分粘接多个半导体单元的一个电极、而且同时在第2板体各导电膜的一部分粘接多个半导体单元中与上述一个电极相同的一个电极的第3工序,以及
使所述第1、第2板体接近对置、并将第1板体各导电膜粘固的多个半导体单元中另一电极粘接到第2板体的相应导电膜、而且同时将第2板体各导电膜粘固的多个半导体单元中另一电极粘接到第1板体的相应导电膜的第4工序。
21.一种发光或感光半导体组件的制造方法,其特征在于,包括下述工序:
预先准备透光性绝缘材料制成的第1板体和与该第1板体可平行对置且由绝缘材料制成的第2板体、以及有发光或感光功能且包括一对电极的多个半导体单元的第1工序,
在所述第1、第2板体的内表面分别形成多个导电膜的第2工序,
在所述第2板体各导电膜粘接多个半导体单元的一个电极的第3工序,以及
使所述第1、第2板体接近对置、并且将第2板体侧粘接的多个半导体单元的另一电极粘接到第1板体的相应导电膜的第4工序。
22.如权利要求21所述的发光或感光半导体组件的制造方法,其特征在于,
所述第4工序中,将该第4工序内并联的多个半导体单元群串联到相邻的群。
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