(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのアクティブ層と、透明なカバープレートとを含む光起電力装置であって、
前記カバープレートは、少なくとも１つの側において幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイを含み、かつ前記光起電力装置の前記少なくとも１つのアクティブ層の受光面と光学的にコンタクトしており、
前記アレイ中の複数の前記幾何学的なオプティカルレリーフ構造体は、底面および１つの頂上部を含み、これらは少なくとも３つのｎ多角形の表面によってコネクトされている、ただしｎは４以上であり、
前記オプティカルレリーフ構造体の底面はｍ個の辺からなる多角形形状からなり、オプティカルレリーフ構造体は、少なくともｍ＋１個の表面を含む、
ことを特徴とする光起電力装置。
【請求項２】
前記頂上部は、前記底面に対する垂線において測定した場合に前記底面に対する距離が最も長い点と定義される、
ことを特徴とする請求項１記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記透明なカバープレートは、相互に隣接し合う隣接構造を有する幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイを含む、
ことを特徴とする請求項１または２記載の光起電力装置。
【請求項４】
前記透明なカバープレートは、互いに同一の配向、交互の配向、またはランダムな配向を有する幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイを含む、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項５】
前記オプティカルレリーフ構造体のアレイの表面はコーティングによって被覆されている、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項６】
前記コーティングは、前記オプティカルレリーフ構造体とは異なる屈折率を有し、前記コーティングの形状は、幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイに対して補完的であり、前記コーティングを有する光起電力装置は、レリーフのない構造を有するようになっている、
ことを特徴とする請求項５記載の光起電力装置。
【請求項７】
少なくとも１つの側において幾何学的なオプティカルレリーフ構造のアレイを含む前記透明なカバープレートは、ガラスから形成されている、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項８】
少なくとも１つの側において幾何学的なオプティカルレリーフ構造のアレイを含む前記透明なカバープレートは、ポリマー材料から形成されている、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項９】
前記ポリマーはポリメタクリル酸メチルである、
ことを特徴とする請求項８記載の光起電力装置。
【請求項１０】
前記ポリマーはポリカーボネートである、
ことを特徴とする請求項８記載の光起電力装置。
【請求項１１】
前記ポリマーは、有利には紫外線吸収剤、および／または、ヒンダードアミン系光安定剤によって安定化されている、
ことを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項１２】
前記オプティカルレリーフ構造体のアレイを含む透明なカバープレートの中にルミネセンス色素が設けられている、
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項１３】
前記オプティカルレリーフ構造体のアレイを含む透明なカバープレートと、前記光起電力装置のアクティブ層の受光面との間の層に、ルミネセンス色素が設けられている、
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項１４】
前記ルミネセンス色素は、複数のルミネセンス色素の混合物を含む、
ことを特徴とする請求項１２または１３記載の光起電力装置。
【請求項１５】
前記ルミネセンス色素の濃度は、カバープレート面積１ｍ２およびカバープレート厚さ１ｍｍ当たりの色素が０．００１〜５０ｇである、
ことを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項１６】
前記ルミネセンス色素は有機色素である、
ことを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項１７】
前記ルミネセンス色素は無機色素である、
ことを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項１８】
少なくとも１つの側において幾何学的なオプティカルレリーフ構造のアレイを含む前記透明なカバープレートがポリマー材料から形成される場合、前記ルミネセンス色素は、ポリマーを安定化させる紫外線吸収剤として作用する、
ことを特徴とする請求項１２から１７のいずれか一項記載の光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのアクティブ層およびカバープレートを含む光起電力装置であって、前記カバープレートは、前記アクティブ層の受光面の反射損失を低減するために、少なくとも１つの側においてオプティカルレリーフ構造体のアレイを含み、かつ前記アクティブ層の受光面と光学的にコンタクトしている形式の光起電力装置に関する。前記カバープレートまたはシートは、光起電力装置のスペクトル感度を改善するためにルミネセンス分子と組み合わせて使用することもできる。ルミネセンス分子は、前記カバープレートの中にあるか、または前記カバープレートとコンタクトしている。
【０００２】
光起電力装置は、光エネルギを電気エネルギに変換するために一般に広く使用されている。この装置は、露光下にて電荷キャリアを生成する光吸収材料からなるアクティブ層を含む。現在、光起電力装置においてよく知られているアクティブ層はシリコンである。しかしながら、例えばガリウム砒素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、または銅・インジウム・ガリウム・セレン化合物（ＣＩＧＳ）のような様々な材料を使用することができる。アクティブ層にて生成された電荷は、電気を伝導する導電コンタクトへと分散される。アクティブ層は薄くて壊れやすい性質を有するので、通常、例えばガラス製の透明なカバープレートによって外部影響から保護されている。当該技術分野からは、アクティブ層もカバープレートも両方とも、光起電力装置に入射する光の一部を反射することが知られている。特にアクティブ層は高屈折率であるので、−シリコンの場合には−入射光の２２％にまで至り得る大きな反射損失が引き起こされる。反射光を電気エネルギに変換することはできないので、この反射損失は光起電力装置の効率を著しく低減させる。
【０００３】
光起電力装置の効率を低下させる別の影響は、例えば紫外線（ＵＶ）または青色光等のような通常短い波長に対する、アクティブ層の低い量子効率である。この低い感度は、材料のバンドギャップに起因する。バンドギャップは、価電子帯の頂上から伝導帯の底までのエネルギ差に関連しており、ここでは電子が一方の帯から別の帯へと飛び移ることができる。バンドギャップのために、アクティブ層は、光エネルギが最も効率的に電気エネルギに変換される最適な光波長を有する。この最適な波長よりも高いまたは低い波長を有する光は、電気エネルギに変換される際の効率がより悪くなる。短波長領域における光起電力装置のスペクトル感度を低下させ得る第２の影響は、カバープレートによる光の吸収である。カバープレートは通常可視光に対して透明であるが、ＵＶ領域においてはしばしば吸収する。結果として、この光は光起電力装置のアクティブ層に到着することができず、この光を電気エネルギに変換することはできなくなってしまう。
【０００４】
このような反射損失を低減するために、光吸収性材料またはいわゆるアクティブ層の上面に、反射防止コーティングを被覆することができる。反射防止コーティングは、アクティブ層の屈折率とカバープレートの屈折率の間にある屈折率を有する透明な材料の、１つの四分の一波長層からなる。この反射防止コーティングは理論的には中心波長においてゼロ反射率を提供し、中心の周囲の広帯域における波長に対する反射を低減させるが、この層の加工処理および材料のコストは比較的高い。
【０００５】
さらにこのコーティングを製造するための加工処理技術（例えば化学的気相成長法）は広範囲にわたり、時間消費的である。加えて、反射防止コーティングは、該反射防止コーティングが設けられた面においてのみ機能する。したがって、アクティブ層とカバープレートの両方の反射を、これらの面の一方に１つの反射防止コーティングを使用することによって低減させるということは不可能である。
【０００６】
反射損失を低減するための別の方法は、アクティブ層の表面を構造化することである。これは材料そのものを直接的に構造化するか、またはこの材料が上に蒸着される基板を表面構造化することによって実施することができる。アクティブ層を一般的なピラミッド型またはＶ字型構造体によって構造化することにより、アクティブ層における反射損失は、表面における多重反射（multiple reflection）によって低減される。この多重反射は、光に、パネルに入射する多数の機会を提供するものである。この効果はアクティブ層の表面における反射損失を低減するので、反射防止効果（an anti-reflection effect）と呼ばれることが多い。第二にこの構造体は、いくつかの場合において、アクティブ層によって吸収されずに基板表面によって反射される光を、部分的に閉じこめることができる。結果としてアクティブ層による光吸収の機会は増加する。アクティブ層の構造化は光起電力装置の効率を著しく改善することができるが、製造方法は非常に困難であり、大変コストがかかる。ウェットケミカルエッチングまたは反応性イオンエッチングのような加工処理が、所期の効果を実現するためによく使用される。アクティブ層の構造化も、カバープレートの反射損失は低減しない。
【０００７】
当該技術分野からは、前の段落において上述したのと同じ技術思想を、ガラス製プレート、すなわちカバープレートの光透過率を改善するために使用できることが知られている。ここではプレートの反射損失を低減し、ひいては透過率を増加させるために、このプレートにＶ字型構造（G.A. Landis, 21st IEEE photovoltaic specialist conference, 1304-1307 (1990)）またはWO03/046617に開示されたようなピラミッド型構造体が設けられる。この構造体は、例えば注入成形（casting）またはプレスによってガラス製プレートに設けることができる。しかしながらモデル研究（U. Blieske et all, 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 188-191 (2003)）によれば、当該プレートを光起電力装置のカバープレートとして使用する場合には、該装置の最大効率は、これは反射損失の約３０％の低減であるが、たった６％だけしか増加し得ない。実際には結果はより劣るものであり、３％しか獲得できない。構造体はアクティブ層の反射損失をいくらか低減しているが、該構造体は主に、カバープレートの反射損失を低減している。したがって、光起電力装置の全体的な反射損失の低減および効率の増加は小さい。
【０００８】
したがって本発明の課題は、光起電力装置の効率を改善すること、および、反射損失、特にアクティブ層の反射損失が一層低減された光起電力装置を提供することである。
【０００９】
この課題は、少なくとも１つのアクティブ層と、透明なカバープレートとを含む光起電力装置であって、前記カバープレートは、少なくとも１つの側において幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイを含み、かつ前記光起電力装置の前記少なくとも１つのアクティブ層の受光面と光学的にコンタクトしている形式の光起電力装置において、前記オプティカルレリーフ構造体は、底面および１つの頂上部を含み、これらは少なくとも３つのｎ多角形の表面によってコネクトされている、ただしｎは４以上である、ことを特徴とする光起電力装置によって解決される。
【００１０】
頂上部は、個々の幾何学的なオプティカルレリーフ構造体の上側部分として定義される。頂上部は、個々の幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のうちの、底面に対して最も遠く離れた１つの点である。頂上部は、底面に対する垂線において測定した場合に底面に対する距離が最も長い点である。
【００１１】
透明なカバープレートは１つの個々の幾何学的なオプティカルレリーフ構造体だけを含むことができるが、該透明なカバープレートが複数の幾何学的なオプティカルレリーフ構造体からなるアレイを含む方が有利である。アレイは、複数のエレメントからなるグループ、この場合には、１つの基板上の複数の行および列に互いに隣接して位置づけまたは配置される複数の個々の幾何学的なオプティカルレリーフ構造体の集合またはグループとして理解すべきである。有利には、アレイは少なくとも４つの幾何学的なオプティカルレリーフ構造体を含む。
【００１２】
驚くべきことに、オプティカルレリーフ構造体を含むカバープレートが光起電力装置のアクティブ層の受光面の反射損失を低減する、ということを示すことができた。ただし前記カバープレートが、前記アクティブ層の受光面と光学的にコンタクトするよう配置されているという条件付きである。この要求が満たされない場合には、前記アクティブ層への前記カバープレートの透過率は、構造化されていない表面と比べて同等かまたはより小さくなるように低減される。
【００１３】
有利には、オプティカルレリーフ構造体の底面はｍ個の辺からなる多角形形状を含み、オプティカルレリーフ構造体は、合計して少なくともｍ＋１個の表面を含む。
【００１４】
本発明によるオプティカルレリーフ構造体に対する上記所定の要求は、Ｖ字型またはあらゆるピラミッド型構造体の場合には満たされない。本発明による個々の幾何学的なオプティカルレリーフ構造体の実施例は、図３に示されている。この実施例は、決して本発明を制限することを意味するわけではない。ここでは、幾何学的なオプティカルレリーフ構造体は、六辺形の底面を１つの頂上部と直接コネクトしている３つの正方形の表面を含み、オプティカルレリーフ構造体は全体で９つの表面を有している。この構造は、従来技術によるＶ字型構造またはあらゆるピラミッド型構造体とは異なる。繰り返し式のＶ字型構造体は、定義上平行な表面のみを含む。ピラミッド型構造体は、定義上、ｎ多角形の底面を頂上部とコネクトしているｎ個の三角形を含む。図３に図示された構造はこれらの要求のいずれも満たさない。
【００１５】
本発明による幾何学的なオプティカルレリーフ構造体は２つの主要な機能を有する：
１．ｎ個の辺からなる多角形底面を介して構造に入射する光は、少なくとも部分的に、前記構造体の表面によってもときた方向に反射される。
２．前記構造体の表面を介して構造体に入射する光は、少なくとも部分的に透過される。
【００１６】
本発明の有利な実施形態においては、１つの幾何学的なオプティカルレリーフ構造体は、該構造体を構成している全ての表面に関して一点に収束しているべきである。有利には、底面と全ての表面との間の角度を９０°以下とすべきである。
【００１７】
本発明の別の有利な実施形態においては、透明なカバープレートは、相互に隣接し合う隣接構造を備える幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイを含む。これらの構造体は、全ての構造体の配向が互いに同じになるよう、交互になるよう、またはランダムになるように配置することができる。
【００１８】
平面に対する反射損失は入射角φに依存することが知られている。平面のケースにおいては、光源、すなわち太陽が面に対して垂直である場合に反射損失は小さい。反射損失は、入射角φが９０°である場合、すなわち光源が光起電力装置の面に対して平行である場合に最大まで増加する。同様の影響が、傾向は異なるが、従来技術から公知のピラミッド型構造体のアレイに関しても観察される。しかしながら両方のケースにおいて、反射損失は少なくとも大部分において角度θとは無関係である。方向角とも呼ぶことができるこの角度θは、装置に対する、光源、すなわち太陽の東西南北の位置を決定する角度である。驚くべきことに、本発明による幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイにとっては、反射損失の低減は、角度θに著しく依存している。この依存関係により、太陽の軌道に対する幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイの配向は、光起電力装置の性能に著しい影響を与える。したがって本発明の光起電力装置の有利な実施形態においては、アレイは、θに対する最適性能が最大光度において達成されるように位置づけられている。
【００１９】
オプティカルレリーフ構造体のｎ多角形底面が円によって表され、多角形底面のエッジが円の周線上に延在する場合には、円の直径Ｄは有利には３０ｍｍより小さく、さらに有利には１０ｎｍより小さく、最も有利には３ｍｍより小さい。
【００２０】
構造体の高さは底面の直径Ｄに依存しており、有利には０．１ *Ｄと２*Ｄの間にある。
【００２１】
本発明の光起電力装置の有利な実施形態においては、オプティカルレリーフ構造体のアレイの表面がコーティングによって被覆される。コーティングは、防曇コーティング、防汚コーティング、防傷コーティング等とすることができる。
【００２２】
本発明による光起電力装置のより有利な実施形態においては、コーティングは、オプティカルレリーフ構造体とは異なる屈折率を有し、コーティングの形状は、幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイに対して補完的であり、コーティングを有する光起電力装置がレリーフのない構造を有するようになっている。例えばオプティカルレリーフ構造を高屈折率材料で製造し、これを低屈折率材料によって被覆後にレリーフ構造体がなくなるように被覆することが可能である。換言すると、高屈折率のオプティカルレリーフ構造体は低屈折率の材料によって"充填"されるのである。
【００２３】
オプティカルレリーフ構造体を含むカバープレートはあらゆる透明な材料から製造することができる。透明な材料は、４００−１２００ｎｍの範囲内で０．２ｍｍ−１よりも小さい線形吸収を有する材料と理解すべきである。有利には、オプティカルレリーフ構造体はポリマー材料から形成される。ポリマー材料の例は、ポリカーボネート、メタクリル酸メチル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ポリアクリルアミド、またはこれらの化合物である。ポリマーは、有利には紫外線吸収剤、および／または、ヒンダードアミン系光安定剤によって安定化される。
【００２４】
別の有利な実施形態においては、オプティカルレリーフ構造体はガラス、例えばケイ酸塩ガラスまたは石英ガラスから製造される。
【００２５】
プレートの厚さは有利には３０ｍｍよりも薄く、より有利には１０ｍｍより薄く、最も有利には３ｍｍよりも薄い。
【００２６】
本発明によるオプティカルレリーフ構造体を含むカバープレートは、当該分野において公知の加工処理方法、例えば射出成形、熱カレンダ加工、レーザ構造化、フォトリソグラフィ法、粉末加圧成形、鋳込み成形、研削、または加熱加圧成形法等によって得ることができる。
【００２７】
光起電力装置のアクティブ層の低いスペクトル感度、特に低い波長の影響を克服するために、ルミネセンス色素をアクティブ層の上に、またはアクティブ層の上方に設けることができる。当該ルミネセンス色素は、前記アクティブ層によって効率的に使用されない波長をより効率的に使用される波長に変換し、こうすることによって装置のスペクトル感度を改善する。ルミネセンス色素のルミネセンス分子は短い波長を吸収し、より長い波長の光を再放出する。
【００２８】
したがって本発明は、冒頭に説明したような光起電力装置において、オプティカルレリーフ構造体のアレイを含む透明なカバープレートの中にルミネセンス色素が存在する光起電力装置にも関する。
【００２９】
しかしながら、ルミネセンス色素のルミネセンス分子によって放射された光の一部を、従来技術による光起電力装置のアクティブ層が使用することはできない。なぜなら前記光の一部はアクティブ層から離れた方向に向けられるか、またはアクティブ層の高い屈折率のせいでアクティブ層によって反射されるからである。結果としてルミネセンス色素は、実際には、従来技術の光起電力装置の効率を約２％しか上昇させることができない(HJ. Hovel et all, Solar energy materials, 2, 19-29 (1979))。
【００３０】
本発明による光起電力装置と、当該技術分野では公知のルミネセンス色素とを組み合わせると、驚くべきことに、ルミネセンス色素のルミネセンス分子を単に加えただけということから予期される以上に光起電力装置のスペクトル感度が改善されるという相乗効果が生じる。
【００３１】
しかしながらカバープレートにルミネセンス分子が加えられる場合、このカバープレートは４００−１２００ｎｍの範囲の波長の少なくとも一部内で不透明になり得るということは言及すべきである。
【００３２】
本発明によるオプティカルレリーフ構造体を含む透明なカバープレートにルミネセンス分子を加えると、光起電力装置のスペクトル感度は、構造化されていない表面に比べて改善される（図２参照）。オプティカルレリーフ構造を含むカバープレートは、光起電力装置のアクティブ層の受光面におけるルミネセンス分子によって放射された光の吸収を、ルミネセンス光の反射損失を低減することによって、および、アクティブ層から放射されるルミネセンス光をアクティブ層にリダイレクトすることによって増加させる。ルミネセンス分子は、有利にはカバープレートの内部に分散されているが、オプティカルレリーフ構造体を含む透明なカバープレートと光起電力装置のアクティブ層の受光面との間の別個の層に存在することもできる。オプティカルレリーフ構造体を含む透明なカバープレートおよび／またはルミネセンス分子を含む層と、光起電力装置のアクティブ層の受光面との間の光学的なコンタクトが必要とされる。
【００３３】
また、本発明によるオプティカルレリーフ構造体のアレイは、ルミネセンス色素の所要の濃度および層厚さを低減させることもできる。ルミネセンス色素によって別の波長に変換される光の量は、当該色素によって吸収される光の量と関連しており、当該色素によって吸収される光の量自体は、ランベルト・ベールの法則に基づいて層厚さおよび色素濃度に関連している：
吸光度 = ε * [C] * l    (1)
ε = モル吸光係数[L mol-1 cm-1]
[C] = 色素濃度[mol L-1]
l = 層厚さ[cm]。
【００３４】
入射光の大部分が吸収されること、ひいてはルミネセンス分子が最適に使用されることを保証するためには、ε, I または [C]のいずれかを大きくしなければならない。εは色素の固有特性なので変更できず、また、ルミネセンス色素はポリマーなどのようなマトリクス材料への溶解度が限定されているため[C]は限定されるので、したがって薄い層（l）を有する必要がある。薄い層が必要であり、かつルミネセンス色素自体の費用が高いので、これは比較的コスト高である。
【００３５】
このように、ルミネセンス分子と本発明によるオプティカルレリーフ構造体のアレイと組み合わせたことによる相乗効果は、出力増加に制限されない。オプティカルレリーフ構造体のアレイは、ルミネセンス色素を含む層を通る入射光の光路長を増加させる。結果として、比較的低いルミネセンス分子濃度および比較的薄い層を、効率を低減させることなく使用することができる。
【００３６】
使用できるルミネセンス分子は例えば蛍光性または燐光性とすることができ、ルミネセンス分子は、ダウンコンバージョンルミネセンスとアップコンバージョンルミネセンスの両方とすることができる。有利な分子は蛍光性であり、例えばペリレン、クマリン、ローダミン、ナフタルイミド、ベンゾキサンテン、アクリジン、オーラミン、ベンゾアントロン、シアニン、スチルベン、ルブレン、ルシフェリン、またはこれらの誘導体とすることができる。
【００３７】
したがってルミネセンス分子を含むルミネセンス色素は、有利には有機色素である。しかしながらルミネセンス色素を無機色素とすることも可能である。有利には、ルミネセンス色素は、透明なカバープレートを形成するポリマーを安定化させるための紫外線吸収剤として作用する。
【００３８】
ルミネセンス色素は、複数のルミネセンス色素の混合物を含むことができる。ルミネセンス色素の濃度は、カバープレート面積１ｍ２およびカバープレート層厚１ｍｍ当たり、０．００１から５０ｇの間である。
【００３９】
光学的コンタクトが達成されるか否かは、オプティカルレリーフ構造体のアレイを含む透明なプレートと光起電力装置とを接続させる媒体の屈折率に依存している。前記要素間に媒体が存在しない場合、定義上光学的コンタクトが達成される。その他全ての場合においては、光学的コンタクトは、前記要素間にある媒体の屈折率が平均して少なくとも１．２である場合に達成される。媒体の屈折率が平均して少なくとも１．３であるとより好ましく、媒体の屈折率が少なくとも１．４であると最も好ましい。媒体の屈折率を検出するためには、アッベ屈折計を使用すべきである。
【００４０】
例えば、オプティカルレリーフ構造体のアレイを含む透明なカバープレートがｎ＝１．５のポリメタクリル酸メチルから製造され、光起電力装置のアクティブ層がｎ＝３．８のシリコンから製造され、前記２つの要素間の媒体がｎ＝１の空気である場合には、光学的コンタクトは達成されない。
【００４１】
オプティカルレリーフ構造体のアレイを含む透明なカバープレートがｎ＝１．５のポリメタクリル酸メチルから製造され、光起電力装置のアクティブ層がｎ＝３．８のシリコンから製造され、媒体が屈折率ｎ＝１．５の接着剤である場合には、光学的コンタクトが達成される。
【００４２】
光学的コンタクトが達成されるか否かは、透明なカバープレートおよび／またはルミネセンス分子を含む層と、光起電力装置のアクティブ層の受光面との間の距離とは関係がない。
【００４３】
本発明による光起電力装置は、該光起電力装置のアクティブ層の反射損失を、構造化されていない面に比べて３０％も、さらには６０％以上も低減することができる。
【００４４】
本発明は、少なくとも１つのアクティブ層と、透明なカバープレートとを含む光起電力装置であって、前記カバープレートは、少なくとも１つの側において幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイを含み、かつ前記光起電力装置の前記少なくとも１つのアクティブ層の受光面と光学的にコンタクトしている形式の光起電力装置において、前記オプティカルレリーフ構造体は、底面および１つの頂上部を含み、これらは少なくとも３つのｎ多角形の表面によってコネクトさられている、ただしｎは４以上である、ことを特徴とする光起電力装置に関する。本発明に鑑みて、少なくとも１つの面において本発明による幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイを含むプレートは、該プレートを光起電力装置と組み合わせて使用する目的で製造される場合には、本発明の範囲内に含まれる。
【００４５】
理解のためにいくつかの実施例を以下に示すが、しかし本発明の範囲を制限するためのものではない。
【００４６】
比較例１
シリコン層と光学的にコンタクトしている非構造化カバーガラスを含む光起電力装置の反射損失がシミュレートされる光線追跡研究が行われた。実験セットアップは、図６に示されている。
【００４７】
模擬光起電力装置は、シリコンの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝４．２９５、吸収係数８８９／ｍｍ）を有する薄い層から形成された。この層は、ガラスの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝１．５、吸収係数０／ｍｍ）を有する３．５ｍｍ厚の層と直接コンタクトしている。
【００４８】
模擬光起電力装置の上に平行光源を配置することによって日光がシミュレートされた。光源は、総強度１０００Ｗかつ波長５００ｎｍを有する合計１０００光線を放射した。
【００４９】
反射損失は、シリコンの光学特性を有する前記薄い層によって吸収される光の量と、入射光の強度とを比較することによって決定される。反射光の量は、入射光と吸収光との差から計算される。以下の表において反射損失は、角θにわたって平均されて、入射角（φ）の関数として与えられる。φが０の場合には、光源は模擬光起電力装置に対して垂直である。低角度における反射損失は特に重要である。なぜならこれは実際には、高輝度および／または直射日光を含む状況に相当するからである。高角度はさほど重要でなく、低輝度および／または散乱日光に相当し、光起電力装置の効率にはさほど寄与しない。
【００５０】
かなりの光の量が全ての角度において反射されることを観察することができる。したがって、シリコン層を含みかつガラス製カバープレートと光学的にコンタクトしている光起電力装置の効率は、これらの層からの反射損失によって著しく低下する。
【００５１】
比較例２
当該技術分野には公知のピラミッド型構造体のアレイによって構造化されており、かつシリコン層と光学的にコンタクトしているカバーガラスを含む、光起電力装置の反射損失がシミュレートされる光線追跡研究が行われた。
【００５２】
模擬光起電力装置は、シリコンの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝４．２９５、吸収係数８８９／ｍｍ）を有する薄い層から形成された。この薄い層は、ガラスの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝１．５、吸収係数０／ｍｍ）を有する３．５ｍｍ厚の層と直接コンタクトしている。この３．５ｍｍ厚の層の、前記シリコンの光学特徴を有する薄い層とは反対側の面は、２０ｘ２０個のピラミッド型構造体のアレイによって表面加工されている。ピラミッド構造は、３ｘ３ｍｍの正方形底面と、４５°の半角とを有する。
【００５３】
日光は、比較例１に記載したものと同じセットアップによってシミュレートされた。
【００５４】
この結果を比較例１の結果と比較すると、ピラミッド型構造体のアレイによってカバーガラスを構造化することにより、光起電力装置の反射損失が低減されるということを観察することができる。
【００５５】
実施例１
本発明による光起電力装置の反射損失がシミュレートされる光線追跡研究が行われた。
【００５６】
模擬光起電力装置は、シリコンの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝４．２９５、吸収係数８８９／ｍｍ）を有する薄い層から形成された。この薄い層は、ガラスの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝１．５、吸収係数０／ｍｍ）を有する３．５ｍｍ厚の層と直接コンタクトしている。この３．５ｍｍ厚の層の、前記シリコンの光学特徴を有する薄い層とは反対側の面は、２０ｘ２０個のオプティカルレリーフ構造体のアレイによって表面加工されている。個々のオプティカルレリーフ構造体は、図２に図示する形状を呈している。
【００５７】
日光は、比較例１に記載したものと同じセットアップによってシミュレートされた。
【００５８】
この結果を比較例１および２の結果と比較すると、０〜１５°の低角度においては、反射損失が、構造化されていないガラス製カバープレートに比べて１９．６％に至るまで低減され、かつ、従来技術から公知のピラミッド型構造体のアレイによって構造化されたカバープレートに比べて７．２％に至るまで低減されることを観察することができる。５０〜９０°の高角度においても、反射損失は、構造化されていないガラス製カバープレートおよびピラミッド型に構造化されたガラス製カバープレートに比べて低減される。
【００５９】
シリコン層を含みかつ本発明の構造体を有するガラス製カバープレートと光学的にコンタクトしている光起電力装置の効率は、構造化されていないガラス製カバープレートや従来技術から公知のピラミッド型に構造化されたガラス製カバープレートに比べて格段に増加すると結論づけられる。反射損失の低減、ひいては光起電力装置の効率の増加は、０〜１５°と５０〜９０°において特に大きい。
【００６０】
比較例１および２の結果と実施例１の結果は、以下の表に示されている：
【表１】
0005380738.tif 000002
【００６１】
表１：構造化されていないカバープレートを備える光起電力装置の反射損失（比較例１）、ピラミッド型に表面加工された表面を備える光起電力装置の反射損失（比較例２）、本発明の表面構造を備える光起電力装置の反射損失（実施例１）。
【００６２】
比較例３
光起電力装置によって吸収され、かつ光起電力装置の最上部の別個の層にあるルミネセンス分子によって放射される光の量を調査するための光線追跡研究が行われた。
【００６３】
模擬光起電力装置は、シリコンの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝４．２９５、吸収係数８８９／ｍｍ）を有する薄い層から形成された。この層は、ガラスの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝１．５、吸収係数０／ｍｍ）を有する３．５ｍｍ厚の層と直接コンタクトしている。
【００６４】
付加的な１．２５ｍｍ厚の層が、光起電力装置の最上部に配置された。この層は、ガラスの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝１．５、吸収係数０／ｍｍ）を有する前記３．５ｍｍ厚の層と直接コンタクトしており、同じ光学特性を有している。この層には２０個の球状の光源がランダムに分布された。光源は、合計１０００Ｗの輝度を備える合計１０００光線を放射する。
【００６５】
放射された光のうち５４７Ｗはシリコン層に吸収され、４６０Ｗはシリコン層によって反射されたか、またはシリコン層から離れる方向に放射されたことが観察された。
【００６６】
実施例２
光起電力装置によって吸収され、かつ光起電力装置の最上部の別個の層にあるルミネセンス分子によって放射される光の量を調査するための光線追跡研究が行われた。この層は、本発明によって構造化されている。
【００６７】
模擬光起電力装置は、シリコンの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝４．２９５、吸収係数８８９／ｍｍ）を有する薄い層から形成された。この層は、ガラスの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝１．５、吸収係数０／ｍｍ）を有する３．５ｍｍ厚の層と直接コンタクトしている。
【００６８】
付加的な１．２５ｍｍ厚の層が、光起電力装置の最上部に配置された。この層は、ガラスの光学特性（λ＝５００ｎｍにおいてｎ＝１．５、吸収係数０／ｍｍ）を有する前記３．５ｍｍ厚の層と直接コンタクトしており、同じ光学特性を有している。この層のうち光起電力装置とは反対側の面は、２０ｘ２０個の本発明による構造体によって構造化された。この層には２０個の球状の光源がランダムに分布された。光源は、合計１０００Ｗ輝度を備える合計１０００光線を放射する。
【００６９】
放射された光のうち６５３Ｗはシリコン層に吸収され、３６０Ｗはシリコン層によって反射されたか、またはシリコン層から離れる方向に放射されたことが観察された。この結果を比較例３の結果と比較すると、ルミネセンス分子を含む層を本発明の構造体のアレイによって構造化することにより、ルミネセンス分子の効果の効率は２０％に至るまで増加可能であると結論付けることができる。
【００７０】
実施例３
従来技術から公知のような平坦なガラス製前面を含むアモルファスシリコン（a-Si）型太陽電池の表面からの反射損失が、外部のサンプルコンパートメントＭＣＰ−３１００が装備された分光光度計ＵＶ３１００−ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ（島津製作所社製）によって検出された。太陽電池は、外部のサンプルコンパートメントの中の積分球の裏側に、入射サンプルビームに対して８度の角度で取り付けられた。この反射損失は、（図５ｃのようなアレイに積み重ねられており、図３ａに図示するような）本発明のオプティカルレリーフ構造体のアレイを備えるフロントカバーを含むアモルファスシリコン型太陽電池と比較された。２つの太陽電池の反射損失は図７に示されている。本発明のオプティカルレリーフ構造体のアレイを備えるフロントカバーを含む太陽電池は、格段に小さい反射損失を有すると結論づけることができる。５００〜７００ｎｍにおいて、反射損失は２０．８％から２．０％に低減された。
【００７１】
実施例４
反射防止コーティングと、従来技術から公知のような平坦なガラス製前面とを含む単結晶シリコン（m-Si）型太陽電池の表面からの反射損失が、外部のサンプルコンパートメントＭＣＰ−３１００が装備された分光光度計ＵＶ−３１００−ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ（島津製作所社製）によって検出された。太陽電池は、外部のサンプルコンパートメントの中の積分球の裏側に、入射サンプルビームに対して８度の角度で取り付けられた。この反射損失は、（図５ｃのようなアレイに積み重ねられており、図３ａに図示するような）本発明のオプティカルレリーフ構造体のアレイを備えるフロントカバーと反射防止コーティングとを含む単結晶シリコン型太陽電池と比較された。２つの太陽電池の反射損失は図８に示されている。本発明のオプティカルレリーフ構造体のアレイを備えるフロントカバーを含む太陽電池は、格段に小さい反射損失を有すると結論づけることができる。７００〜８００ｎｍにおいて、反射損失は１１．９％から２．３％に低減された。
【００７２】
実施例５
従来技術から公知のような平坦なガラス製前面を含む多結晶シリコン（p-Si）型太陽電池の表面からの反射損失が、外部のサンプルコンパートメントＭＣＰ−３１００を備える分光光度計ＵＶ−３１００−ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ（島津製作所社製）によって検出された。太陽電池は、外部のサンプルコンパートメントの中の積分球の裏側に、入射サンプルビームに対して８度の角度で取り付けられた。この反射損失は、（図５ｃのようなアレイに積み重ねられており、図３ａに図示するような）本発明のオプティカルレリーフ構造体のアレイを備えるフロントカバーを含む多結晶シリコン型太陽電池と比較された。２つの太陽電池の反射損失は図９に示されている。本発明のオプティカルレリーフ構造体のアレイを備えるフロントカバーを含む太陽電池は、格段に小さい反射損失を有すると結論づけることができる。７００〜８００ｎｍにおいて、反射損失は２０．０％から７．２％に低減された。
【００７３】
実施例６
平坦なフロントカバーを備えるアモルファスシリコン（a-Si）型太陽電池、および、本発明によって（図５ｃのようなアレイに積み重ねられており、図３ａに図示するように）構造化されたフロントカバーを備えるアモルファスシリコン型太陽電池の、短絡電流（Isc）および開放電圧（Voc）が、ソーラーシミュレータを使用して測定された。IscとVocは、本発明によって構造化されたフロントカバーを備えるa-Si型太陽電池に関して格段に高いという結果が示された。
【００７４】
平坦なフロントカバーを備えるa-Si
Isc = 9.54 mA
Voc = 11.49 V
本発明によって構造化されたフロントカバーを備えるa-Si
Isc = 11.32 mA
Voc = 11.62 V
【００７５】
実施例７
反射防止コーティングと平坦なフロントカバーとを備える単結晶シリコン（m-Si）型太陽電池、および、反射防止コーティングと本発明によって（図５ｃのようなアレイに積み重ねられており、図３ａに図示するように）構造化されたフロントカバーを備える単結晶シリコン型太陽電池の、短絡電流（Isc）および開放電圧（Voc）が、ソーラーシミュレータを使用して測定された。IscとVocは、本発明によって構造化されたフロントカバーを備えるm-Si型太陽電池に関して格段に高いという結果が示された。
【００７６】
平坦なフロントカバーを備えるm-Si
Isc = 1.670A
Voc = 0.570V
本発明によって構造化されたフロントカバーを備えるm-Si
Isc = 1.840 A
Voc = 0.574 V
【００７７】
実施例8
平坦なフロントカバーを備える多結晶シリコン（p-Si）型太陽電池、および、本発明によって（図５ｃのようなアレイに積み重ねられており、図３ａに図示するように）構造化されたフロントカバーを備える多結晶シリコン型太陽電池の、短絡電流（Isc）および開放電圧（Voc）が、ソーラーシミュレータを使用して測定された。IscとVocは、本発明によって構造化されたフロントカバーを備えるp-Si型太陽電池に関して格段に高いという結果が示された。
【００７８】
平坦なフロントカバーを備えるp-Si
Isc = 1.480 A
Voc = 0.552 V
本発明によって構造化されたフロントカバーを備えるp-Si
Isc = 1.540 A
Voc = 0.558 V
【００７９】
本発明を、以下の図面を用いてより詳細に図示する。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１ａ，ｂは、構造化されたプレートによるアクティブ層の反射損失の低減を示す概略図である。
【図２】図２ａ，ｂは、オプティカルレリーフ構造およびルミネセンス分子を含むプレートによるスペクトル感度の増加を示す概略図である。
【図３】図３は、個々のオプティカルレリーフ構造体の斜視図を示し、なお、ａ）ｎ＝４であり、ｂ）およびｃ）ｎ＝∞である。
【図４】図４は、個々のオプティカルレリーフ構造体のａ）上面図、ｂ）０°の側面図、ｃ）６０°の側面図を示す。
【図５】図５ａ，ｂ，ｃは、互いに隣接し合う隣接構造を有する幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイの一部の上面図である。
【図６】図６は、構造化されていないカバープレートを備えた光起電力装置の反射損失を測定するための実験セットアップを示す。
【図７】図７は、平坦なガラス製前面を含むアモルファスシリコン（a-Si）型太陽電池の表面からの反射損失、および、本発明のオプティカルレリーフ構造体のアレイを備えるフロントカバーを含むアモルファスシリコン型太陽電池の反射損失を示す。
【図８】図８は、反射防止コーティングと平坦なガラス製前面とを含む単結晶シリコン（m-Si）型太陽電池の表面からの反射損失、および、反射防止コーティングと本発明のオプティカルレリーフ構造体のアレイを備えるフロントカバーとを含む単結晶シリコン型太陽電池の反射損失を示す。
【図９】図９は、平坦なガラス製前面を含む多結晶シリコン（p-Si）型太陽電池の表面からの反射損失、および、本発明のオプティカルレリーフ構造体のアレイを備えるフロントカバーを含む多結晶シリコン型太陽電池の反射損失を示す。
【００８１】
図１ａは、図１ｂに図示するようなオプティカルレリーフ構造体のアレイを含むカバープレートによるアクティブ層の反射損失の低減と比較して、従来技術による平坦かつ透明なカバープレートを備えたアクティブ層の反射損失を示す概略図である。オプティカルレリーフ構造体は、光起電力装置のアクティブ層の受光面の反射損失を低減する。アクティブ層から反射された光は底面を介してオプティカルレリーフ構造体に入り、前記オプティカルレリーフ構造体によって少なくとも部分的に光のもときた方向へ、すなわちアクティブ層へと反射される。
【００８２】
図２ａは、従来技術による平坦かつ透明なカバープレートおよび付加的なルミネセンス色素層を備えるアクティブ層を備えた、光起電力装置のスペクトル感度を示す概略図である。図２ｂに図示するようなルミネセンス分子と組み合わされたオプティカルレリーフ構造体を含むカバープレートは、構造化されていない表面と比較して、光起電力装置のスペクトル感度を改善する。オプティカルレリーフ構造およびルミネセンス分子を含むカバープレートは、光起電力装置のアクティブ層の受光面における、ルミネセンス分子によって放射された光の吸収を、以下のようにして増加させる。すなわち放射された光の反射損失を低減し、かつアクティブ層から離れた方向に放射される光をリダイレクトすることによって増加させる。
【００８３】
図３は、本発明による個々のオプティカルレリーフ構造体の斜視図である。図３ａは、３つの正方形表面（ｎ＝４）を含むオプティカルレリーフ構造体を図示しており、この正方形表面は、六辺形底面を１つの頂上部に直接接続しており、このオプティカルレリーフ構造体は全体で９つの面を有している。図３ｂ，３ｃは、部分的に丸められた面に対する実施例を図示している。丸められた、曲げられた、または部分的に曲げられた面は、ｎ多角形の面であり、この際ｎは無限である。
【００８４】
図４は、図３の個々のオプティカルレリーフ構造体をａ）上面図、ｂ）側面図0°、ｃ）側面図60°において示す。
【００８５】
図５は、相互に隣接し合う隣接構造を有する幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイの一部の上面図である。図５ａは、全ての構造体の配向が互いに同じになるように位置づけられた幾何学的なオプティカルレリーフ構造体を図示している。図５ｂは、構造体の配向が互いに交互になるように位置づけられた幾何学的なオプティカルレリーフ構造体を図示している。図５ｃは、構造体の配向が互いにランダムになるように位置づけられた幾何学的なオプティカルレリーフ構造体を図示している。
【００８６】
図６は、構造化されていないカバープレートを備える光起電力装置の反射損失を測定するための実験セットアップを示す。模擬光起電力装置は、シリコンの光学特性を有する薄い層から形成された。この層は、ガラスの光学特性を有する層と直接コンタクトしている。模擬光起電力装置の上に平行光源を配置することによって日光がシミュレートされた。反射損失は、入射光の強度と、シリコンの光学特性を有する前記薄い層によって吸収される光の量とを比較することによって決定される。反射光の量は、入射光と吸収光との差から計算される。図面は角度θおよび入射角（φ）を図示している。反射損失は、角度θにわたって平均され、入射角（φ）の関数として与えられる。φが０の場合には、光源は模擬光起電力装置に対して垂直である。
【図１】
0005380738.tif 000003
【図２】
0005380738.tif 000004
【図３ａ）】
0005380738.tif 000005
【図３ｂ）】
0005380738.tif 000006
【図３ｃ）】
0005380738.tif 000007
【図４ａ）】
0005380738.tif 000008
【図４ｂ）】
0005380738.tif 000009
【図４ｃ）】
0005380738.tif 000010
【図５ａ）】
0005380738.tif 000011
【図５ｂ）】
0005380738.tif 000012
【図５ｃ）】
0005380738.tif 000013
【図６】
0005380738.tif 000014
【図７】
0005380738.tif 000015
【図８】
0005380738.tif 000016
【図９】
0005380738.tif 000017