(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの透明な光起電力電池（４２）を有する太陽電池構造体（１０）であって、
前記太陽電池構造体（１０）が、少なくとも１つのポリマー層（３６）が１つの蛍光材料又は複数の蛍光材料の混合物でドープされた少なくとも２つのポリマー層（３６、４８）を含み、前記少なくとも１つのポリマー層（３６）が少なくとも１つの透明な光起電力電池（４２）を覆い、その際、前記太陽電池構造体（１０）が、本質的に層構造（１８）として設計されており、この層構造中で少なくとも１つの光起電力電池（４２）が、蛍光材料でドープされた第一ポリマー層（３６）と別の同様に蛍光材料が設けられた第二ポリマー層（４８）との間に配置されており、その際、層構造（１８）が、第一のミラーコーティングされた端部（３２）及び第二のミラーコーティングされた端部（３４）並びにまたミラーコーティングされたおもて面の及び裏面の端部を有することを特徴とする、太陽電池構造体（１０）。
【請求項２】
前記の１つの蛍光材料又は複数の蛍光材料の混合物が、有機蛍光染料を含有する、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項３】
前記の１つの蛍光材料又は複数の蛍光材料の混合物が、無機りん光発光体を含む、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項４】
前記の１つの蛍光材料が、量子ドットを含有する、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項５】
前記の少なくとも２つのポリマー層（３６、４８）が、次のリストの材料：ポリアクリラート、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリラウリルメタクリラート（ＰＬＭＡ）又はポリマーから選択されている、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項６】
前記の少なくとも２つのポリマー層（３６、４８）が、ポリカーボネートから製造されている、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項７】
前記の少なくとも１つの透明な光起電力電池（４２）が、Graetzelタイプによる染料太陽電池である、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項８】
前記の少なくとも１つの透明な光起電力電池（４２）が、薄膜半導体電池として設計されている、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項９】
前記の少なくとも１つの透明な光起電力電池（４２）が、有機太陽電池である、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項１０】
前記蛍光材料が、１ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの濃度で前記の少なくとも２つのポリマー層（３６、４８）中へ導入される、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項１１】
前記蛍光材料が、２０ｐｐｍ〜２００ｐｐｍの濃度で前記の少なくとも２つのポリマー層（３６、４８）中に導入されている、請求項１０記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項１２】
前記少なくとも２つのポリマー層（３６、４８）の下方に鏡面（２、２６）が配置されている、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項１３】
前記太陽電池構造体（１０）の照射側（１２）に、第一の蛍光材料が設けられた第一ポリマー層（３６）の第一の側（３８）に接して、帯域フィルター（２０）が配置されている、請求項１記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項１４】
蛍光材料として、ペリレン又は他の光安定な染料が使用され、これらは高い量子収率を有する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項１５】
蛍光材料としてりん光発光性の無機希土類化合物が、前記少なくとも２つのポリマー層（３６、４８）のドープに使用される、請求項１から１４までのいずれか１項記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項１６】
前記の少なくとも２つのポリマー層（３６、４８）のドープに使用される蛍光材料の濃度を調節して、前記の少なくとも２つのポリマー層（３６、４８）の層厚の透過率を、できるだけ幅広いスペクトル領域全体で１０％未満にする、請求項１から１５までのいずれか１項記載の太陽電池構造体（１０）。
【請求項１７】
前記の透明な光起電力電池の１つ又はそれ以上の機能層が、蛍光分子又はナノ粒子でドープされている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の太陽電池構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池構造体を対象とするものであり、前記構造体は１つの蛍光染料又は複数の蛍光染料の混合物でドープされた１つ又はそれ以上のポリマー層を含み、前記層の上又は前記層の間に、１つ又はそれ以上の透明な太陽電池が存在し、ここで、透明な太陽電池は、その光活性層が吸収極大で８０％未満の吸収を有することにより特徴付けられる。
【０００２】
技術水準
太陽スペクトルを太陽電池の分光感度により良好に適合されたスペクトルへ変換するための蛍光ソーラーコレクターの使用は、既に１９７０年代に記載されていた、米国特許(US)第4,110,123号明細書及びWeber他, Applied Physics, 15, 1976, 2299-2300。
【０００３】
一方では、改善された分光感度を有する太陽電池によって、太陽光のエネルギーはより良好に利用されることができる。従来の太陽電池、例えばケイ素から製造された太陽電池において、前記エネルギーの大部分は熱の形で失われる。結晶シリコンのバンドギャップは１．１eVである。より高いエネルギーを有する太陽光の全ての光子は、前記太陽電池によって吸収されることができるが、しかしながら、過剰のエネルギーの熱への変換が行われる。太陽電池の加熱は、そしてまたそれらの効率を減少させる。発光分子は、吸収された太陽スペクトルを、低いエネルギーで輸送するので、前記分子の適した選択の場合に、太陽電池の加熱は低下される。太陽電池の加熱の代わりに、発光分子が埋め込まれているマトリックスが加熱されることになる。
【０００４】
他方では、発光ソーラーコレクターの使用により、光が例えばガラス又はプラスチックから製造されたマトリックス中で、辺縁部での全反射により導かれることによって、太陽電池が備え付けられなければならない、必要とされる面積は減少されることができる。辺縁部には、個々の太陽電池が存在する。この実施態様を用いて、全ての構造体のコストは、平面的に配置された太陽電池と比較してかなり低下されることができる。
【０００５】
Goetzberger & Greubel, Applied Physics, 14, (1977) 123-139の刊行物には、太陽電池及び蛍光コレクターの複数の可能な配置が記載されている。３２％の最適条件下での理論的に可能な変換効率が記載され、これは、今日入手可能な太陽電池の変換効率をかなり上回る。
【０００６】
米国特許(US)第4,367,367号明細書、Reisfeld他並びに刊行物Nature 274 (1978), p.144-145からは、ウラニルが添加剤として添加されたガラスを、及び蛍光染料との組合せ物を、ソーラーコレクターとしての使用のために使用することが読み取れる。その際に、それぞれ染料は、太陽光のある波長領域を吸収し、かつこの波長領域を、特殊な太陽電池がそのそれぞれ最も高い感度を有する他の波長領域に放出する。染料の複数の層及び異なる太陽電池からなる適した構造により、太陽の太陽スペクトルが最適に利用されることができる。
【０００７】
これまで記載された発光系又は蛍光系を有するソーラーコレクターのいずれも、今日まで商業的に利用されておらず、ましてや大量生産まで開発されていないことはいうまでもない、それというのも、一方では使用される有機染料は、太陽光中での分解によって損傷を受け、他方では無機りん光発光体は、ソーラーコレクター中の吸収損失を克服するのに十分な量子収率を有しないからである。
【０００８】
近年、しかしながら、ソーラーコレクター中で使用されることができる新規の安定な蛍光染料の開発が行われた。刊行物Maruyama & Kitamura, Solar Energy Materials and Solar Cells 69(1), (2001), p.61-68からは、ＣＤＳ／ＣＤＴＥ太陽電池上に平らに施与されるソーラーコレクター中の蛍光染料をどのようにして、前記太陽電池の性能を１４％まで高めることを可能にしたかが読み取れる。刊行物Nozik他、Electrochemicals Soc. Proc. Vol., 第10巻(2001), p.61-68からは、量子ドットと太陽電池との組合せを使用することが読み取れる。使用される量子ドットは、高い安定性を有し、かつ光分解の影響を受けない。他方では、前記量子ドットは、しかしながら、前記マトリックス中で、蛍光染料と比較してはるかにより低い量子収率を有する。前記量子ドットは、９０％を上回る量子収率を示す蛍光染料に比較して、約５０％の量子収率を有する。これまで、必要とされる高い光学効率を有するプレートを製造することに成功していない。
【０００９】
透明な太陽電池、例えばGraetzel電池、有機又は無機の薄膜半導体電池は、同様に知られている。
Graetzel電池は、互いに典型的には２０μm〜４０μmの間隔を有する２つのガラス電極から構成されている。双方の電極は、内側で、透明な電気伝導性層、例えばＦＴＯ（フッ素ドープされた二酸化スズＳｎＯ2）でコーティングされており、この層は典型的には０．１μmの厚さを有する。双方の電極は、それらの機能に従い、作用電極（電子を発生する）及び対向電極とも呼ばれる。作用電極上に、１０μm厚さの範囲内で、ナノ孔層二酸化チタンＴｉＯ2が施与されている。そしてまたその表面上に、光安定な染料の単層が吸収されている。対向電極上に、数μm厚さの触媒層が存在し、この層はたいてい白金から製造されている。双方の電極間の領域は、レドックス電解質、例えばヨウ素Ｉ2及びヨウ化カリウムからなる溶液で、充填されている。
【００１０】
別のタイプの透明な太陽電池は、有機ｐ−ｉ−ｎ電池である。この電池は、可視スペクトル領域での吸収に非本質的にのみ寄与する大きな光学バンドギャップを有する有機材料からなるｐ−及びｎ−ドープされた伝導性層からなる。他方では、ｉは、ドープされていない光活性層であり、この層が全厚で光電流の発生に寄与できるように薄く保持される。そのような電池を用いて、ほぼ１００％の内部量子収率が、証明されることができた。
【００１１】
いわゆるTang電池も透明な太陽電池に含まれる。この電池は、ヘテロ接合へのエキシトンの拡散に基づいており、このヘテロ接合でこれらのエキシトンは自由電荷キャリアへ分離される。制限するファクターは、その際にエキシトン拡散長であり、この長さは光の浸透深さよりもはるかに小さい。約８０nmのTang電池の全厚のうち、それゆえ、約１０〜２０nmのみ、すなわちヘテロ接合のすぐ近くの周囲のみが、光電流の発生に寄与する。
【００１２】
透明な太陽電池は、太陽光の特定の成分を吸収し、かつ光エネルギーを電流へ変換する。効率的な透明な太陽電池は、入射する光のスペクトル領域内で高い吸収を有しなければならない。この高い吸光度は、全ての電池タイプの場合に光活性層の厚さの増大により達成されることができる。前記層厚の増大は、他方では、光吸収後に発生されるエキシトン、電子及び正孔が、電極までのより長い区間を進まなければならず、かつ電極への経路で再結合損失の影響下にあることにより、効率を低下させる。
【００１３】
発明の開示
太陽光を弱くのみ吸収する透明な太陽電池の効率を改良するという課題が本発明の基礎となっている。
【００１４】
本発明によれば、１つの蛍光染料又は複数の蛍光染料の混合物でドープされた少なくとも１つのポリマー層を含み、前記ポリマー層の上又は前記ポリマー層の間に、１つ又はそれ以上の透明な太陽電池が存在する太陽電池構造体が提案される。前記蛍光染料は、これらが太陽光のできるだけ大きな成分を吸収し、かつその透明な太陽電池の光活性層の吸収バンドへ放出するように選択される。有利な一実施態様において、最下層の下面に、ミラーが取り付けられることができる。本発明により提案される太陽電池構造体の最上層の上面に、帯域フィルターが取り付けられることができる。
【００１５】
ドープされた少なくとも１つのポリマー層中で発生された蛍光は、それらのプレート間にあり、そこに配置された少なくとも１つの光起電力電池を透射し、かつ前記光起電力電池を何度も通過する。前記層間にある太陽電池は、有利には、ポリマー層なしで、入射する太陽光の特定の成分を既に吸収し、かつこの成分を電流へ変換する。ドープされたポリマー層の間、上又は下に配置されている透明な太陽電池を何度も透射することにより、太陽光のはるかにより高い成分が吸収されることができ、かつ電流へ変換されることができる。さらに、前記太陽電池による前記蛍光の平坦な透射角によって吸収確率が高められる。前記機能層の透射の数は、前記層構造のできるだけ少ない厚さにより増加される。
【００１６】
本発明により提案される太陽電池構造体は、０〜０．５である少ない吸収、及び光活性層の１０nm〜３００nmのごく僅かな層厚を有するに過ぎず、かつより少ない再結合損失により特徴付けられる、１つ又はそれ以上の太陽電池を含む。
【００１７】
前記太陽電池構造体の側端部は、有利には多様に設計されることができる。全反射角の外側に放出された光（約２０％のオーダー）を層構造中に導くために、場合により、選択的に反射する帯域フィルター層が、本発明により提案される太陽電池構造体に、光が入射する上面に、すなわち照射側に、施与されることができる。層状に設計された太陽電池構造体の下方では、透過された光は、反射板を経て、太陽電池構造体中へ反射して戻ることができる。これらのポリマープレートのドープのための蛍光染料として、好ましい一実施態様において、ペリレン又は他の光安定な染料が使用されることができ、これらはできるだけ高い量子収率を有する。さらに、量子ドット又はりん光発光性の無機希土類化合物が適している。
【００１８】
本発明により提案される太陽電池構造体の特に好ましい一実施態様において、ドープされたポリマー層は、ポリマー蛍光コレクタープレートとしてポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）もしくはポリラウリルメタクリラート（ＰＬＭＡ）から製造されることができる。ここで使用される蛍光染料の濃度は、前記プレートの層厚の吸光度が、できるだけ幅広いスペクトル領域全体でほぼ１であるように調節される。本発明の特に好ましい一実施態様において、１つ又はそれ以上の有機又は無機の蛍光染料の染料濃度は、前記ポリマー層のドープのために２０ppm〜１００ppmのオーダーである。前記ポリマー層の層厚は、できるだけ小さいべきであり、かつ前記光活性層の頻繁な透射を保証するために好ましくは０．１〜１mmの範囲内で選択されるべきである。
【００１９】
図面に基づいて、本発明は以下により詳細に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明により提案される太陽電池構造体の第一の実施態様の略示図。
【図２】本発明により提案される太陽電池構造体の別の実施態様の層構造の略示図。
【００２１】
実施の形態
図１による描写からは、本発明により提案される太陽電池構造体の変更態様が見出されることができる。
【００２２】
図１は、ポリマー層３６を含む太陽電池構造体１０を示す。ポリマープレート３６の下方に、光起電力電池４２が存在し、その下にそしてまた鏡面２が配置されていてよい。符号１４は、照射側１２に入射する光を呼び、この光はポリマー層３６中に"溶解された"色素蛍光分子１に命中する。これらの分子から、入射光１４は、確率分布において、考えられる全ての可能な空間方向へ、波長シフトされて放出される。これから放出された光は、その後の考察のために、ポリマー層３６の第一反射面３での全反射のために、第二反射面４へ、すなわち鏡面２の上面へ反射される部分に対してのみ関係している。図１に示された太陽電池構造体１０  −  層構造１８として構成される  −  は、ポリマー層３６に加えて、極めて薄く設計された光起電力電池４２を含み、この電池の下に既に述べた鏡面２が存在する。前記太陽電池構造体には、その辺縁部にミラーコーティングされた端部３２及び３４が設けられている。示されていないおもて面及び裏面の端部もミラーコーティングされている。これは、−  図１に表示されたように  −、蛍光が側面で層構造１８から、特にポリマー層３６から漏れることを防止する。第一反射面３への入射光１４のまず最初に蛍光染料分子１により放出された成分の反射に基づき、前記光線の屈折後に、光起電力電池４２による第一次光通過(erster Lichtdurchlauf)５が起こる。
【００２３】
第二反射面４、すなわち鏡面２での反射に基づき、光起電力電池４２によるさらに第二次光通過６並びに第二のミラーコーティング設計された端部３４の内側での前記光の反射が続く。この端部により反射された光は、改めて光起電力電池４２中へ、すなわちここでは上面から入る。
【００２４】
全反射の限界角よりも大きい角度下に放出される入射光１４の成分は、何度も光起電力電池４２を通過する。図１による描写から分かるように、本発明による太陽電池構造体１０は、ポリマー層３６の形態で少なくとも１つの蛍光層を含む。この層中に、蛍光染料分子が、図１中の符号１参照、溶解されている。ポリマー層３６内部の蛍光染料分子１の均一な分布から逸脱して、この層中に、蛍光ナノ粒子、いわゆる量子ドットも、微細分散されて挿入されていてもよく、これらの量子ドットは前記蛍光染料分子の機能を引き受ける。
【００２５】
図１に示されたその最も単純な実施態様において、本発明により提案される太陽電池構造体１０は、ポリマー層３６及び光起電力電池４２に加えて、反射板として利用される鏡面２を含む。この場合に、層構造１は、前記の構成要素２、３６並びに４２を含む。次に、特に図２による描写に関連してさらに示されるように、太陽電池構造体１０は、図１に示された層よりも多い層を有することもできる。
【００２６】
図１による描写において符号３２及び３４により表示されたような端部のミラーコーティングにより、放出された光の光線が、側面出口でポリマープレート３６から、まさしくミラーコーティングされた第一及び第二の端部３２もしくは３４に基づいて、図１に単に表示されている光通過５、６の数の上昇が妨げられることによって達成されることができる。
【００２７】
図１による描写において、太陽電池構造体１０の層構造１８は、鏡面２を含む。図１による実施態様における太陽電池構造体１０に関連して、蛍光染料分子１は、最も小さい粒子の形でポリマー層３６中に溶解されている。前記蛍光染料もしくは前記量子ドットは、光起電力電池４２の機能層（ｎ、ｐ導体、電解質等）中へ導入されていてもよい。その際に、層３６は割愛することができる。
【００２８】
図２による描写から、本発明により提案されるスタック形に設計された太陽電池構造体の別の実施態様が見出されることができる。
【００２９】
図２は、本発明により提案される太陽電池構造体１０が、照射側１２から光１４が照射されることを示す。図２における描写による太陽電池構造体１０は、本質的には１つの層構造１８として設計されている。照射側１２に、光１４が太陽電池構造体１０中へ入射するのに対し、このことは、照射側１２に向かい合った側１６には起こらない。場合により、本発明により提案される、図２に略示的に示された太陽電池構造体１０の照射側１２に、帯域フィルター２０が設けられることができる。帯域フィルター２０は、全反射角の外側に放出された光を、太陽電池構造体１０中へ導くのに利用される。図２における描写による太陽電池構造体１０の照射側１２に帯域フィルター２０が配置されていてよいのに対し、向かい合った側１６に反射板２６が設けられることができる。反射板２６は、透過された光を反射して太陽電池構造体中へ戻すという目的を有する。帯域フィルター２０は、符号２２により同定される第一の側及び第一ポリマー層３６の第一の側３８に割り当てられる別の第二の側２４を含む。第一ポリマー層３６は、層構造１８の部分である。第一ポリマー層３６と、少なくとも１つの別の第二ポリマー層４８との間に、光起電力電池４２が存在する。起電力電池４２は、任意の透明な太陽電池によって製造されていてよい透明な太陽電池である。
【００３０】
図２による描写からは、層構造１８が、第一のミラーコーティングされた端部３２及び第二のミラーコーティングされた端部３４を有することが分かる。示されていないおもて面及び裏面の端部も、ミラーコーティングされている。２における描写による層構造１８は、それに加えて、第一ポリマー層３６及び少なくとも１つの光起電力電池４２を含み、第一ポリマー層３６の第一の側３８に、場合により帯域フィルター２０がその第二の側２４で施与されることができ、光起電力電池４２は第一ポリマープレート３６の第二の側４０と第二ポリマープレート４８の第一の側５０との間に存在する。場合により、第二ポリマープレート４８の第二の側５２に、反射板２６が、太陽電池構造体１０中で透過された光を改めて反射するために、割り当てられていてよい。
【００３１】
本発明により提案される太陽電池構造体１０は、第一もしくは第二のポリマープレート３６もしくは４８が、１つ又はそれ以上の無機又は有機の蛍光染料又は他の蛍光材料でドープされていることにより特徴付けられる。第一ポリマープレート３６もしくは第二ポリマープレート３８のドープは、本発明に関連して、第一ポリマー層３６もしくは第二ポリマー層３８が製造されているポリマー材料中へ、蛍光分子又はナノ粒子（量子ドット）が導入されていることであると理解されるべきである。第一ポリマー層３６もしくは第二ポリマー層３８の製造のための材料として、好ましくはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）もしくはポリラウリルメタクリラート（ＰＬＭＡ）が使用される。第一ポリマープレート３６もしくは第二ポリマープレート３８のドープの際に、使用される蛍光染料の濃度もしくは複数の蛍光材料の蛍光染料を含有する混合物の濃度が、前記プレートの層厚の透過が太陽光のできるだけ幅広いスペクトル領域全体でほぼ１０％であるように調節される。有利には、無機又は有機の蛍光染料もしくは使用される蛍光材料の混合物の染料濃度は２０ppm〜１００ppmに調節される。
【００３２】
第一ポリマー層３６もしくは第二ポリマー層３８のドープのための蛍光染料として、とりわけペリレン又は他の光安定な染料も使用されることができ、これらはできるだけ高い量子収率を有する。さらに、第一ポリマー層３６もしくは第二ポリマー層３８のドープのために、量子ドット又はりん光発光性の無機希土類化合物も使用されることができる。
【００３３】
本発明により提案される太陽電池構造体１０は、太陽光の一成分を吸収し、かつ光子エネルギーを電気エネルギーへ変換する。太陽電池構造体１０は、透明な太陽電池とは異なり、入射する光のスペクトル領域内で高い吸収を有する。このことは、蛍光層３６及び４８が、光を吸収し、かつ全反射により太陽電池構造体１０中に導くことにより達成される。その際に、導かれた光は、それぞれの通過の際に、透明な太陽電池４２の光活性層により一部は吸収され、かつ電気エネルギーへ変換される。その透明な太陽電池の光活性層の層厚、ひいては吸収の増大は、その透明な太陽電池中でのエキシトン、電子及び正孔のより長い経路をもたらすだろう。より長い経路は、しかし光吸収後に発生された電子−正孔対の高められる再結合確率のために、達成可能な効率を低下させる。
【符号の説明】
【００３４】
１  蛍光染料分子、  ２  鏡面、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、  ３  第一反射面、  ４  第二反射面、  ５  第一次光通過、  ６  第二次光通過、  １０  太陽電池構造体、  １２  照射側、  １４  入射光、  １６  向かい合った側、  １８  層構造、  ２０  帯域フィルター、  ２２  帯域フィルターの第一の側、  ２４  帯域フィルターの第二の側、  ２６  拡散性反射板、  ２８  拡散性反射板の第一の側、  ３０  拡散性反射板の第二の側、  ３２  第一のミラーコーティングされた端部、  ３４  第二のミラーコーティングされた端部、  ３６  第一ポリマープレート、  ３８  第一ポリマープレートの第一の側、  ４０  第一ポリマープレートの第二の側、  ４２  光起電力電池、  ４４  第一の側、  ４６  第二の側、  ４８  第二ポリマープレート、  ５０  第二ポリマープレートの第一の側、  ５２  第二ポリマープレートの第二の側
【図１】
0005562238.tif 000002
【図２】
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