(57)【要約】【課題】太陽電池に対して取り付けが可能とされ、照射される光を所望の波長に変換することで、赤外線領域の光電変換特性を向上させ、実効的な電力変換効率を向上させる。【解決手段】照射される光の波長を変換する波長変換シートにおいて、光透過性の膜状の樹脂２１と、樹脂２１内に均一に分散して２層以上に亘って含められた波長変換体２２とを備え、波長変換体２２は、上記樹脂２１内に入射された光を吸収して近接場光を滲出する微粒子又は色素分子からなり、滲出させた近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、変換対象の波長成分の帯域変換を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射される光の波長を変換する波長変換シートにおいて、
光透過性の膜状の樹脂と、
上記樹脂内に均一に分散して２層以上に亘って含められた波長変換体とを備え、
上記波長変換体は、上記樹脂内に入射された光を吸収して近接場光を滲出する微粒子又は色素分子からなり、滲出させた上記近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、上記変換対象の波長成分の帯域変換を行うこと
を特徴とする波長変換シート。
【請求項２】
請求項１記載の波長変換シートが取り付けられた太陽電池において、
上記波長変換シートが貼着される透明電極膜と、
上記透明電極膜の表面に形成された、ｐ層、発電層及びｎ層を含む半導体層と、
上記半導体層上に形成された裏面電極膜とを備え、
上記波長変換シートにおける上記波長変換体は、上記基板内に入射された太陽光を吸収して近接場光を滲出して上記非断熱過程に基づいて、上記太陽光のうち変換対象の波長成分について、上記発電層の吸収可能帯域まで帯域変換すること
を特徴とする太陽電池。
【請求項３】
請求項１記載の波長変換シートの作製方法であって、
光透過性の樹脂液に、微粒子又は色素分子からなる波長変換体を混合した混合液を撹拌し、
上記混合液を加圧濾過し、
上記樹脂液をシート状に成形して固化すること
を特徴とする波長変換シートの作製方法。
【請求項４】
上記加圧濾過では、８００ｎｍ以下の波長変換体を抽出すること
を特徴とする請求項３記載の波長変換シートの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池等を始めとした光電変換デバイスに照射される光の波長を変換する波長変換シート及びその作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は太陽光のエネルギーを直接電力に変換する太陽光発電システムの心臓部を構成するものであり、Ｓｉ単結晶、多結晶、あるいはアモルファスＳｉのｐ−ｎ接合面、ショットキーバリアー面等で構成されている。この太陽電池の構造としては、太陽電池素子単体（セル）をそのままの状態で使用することなく、一般的に数枚〜数十枚の太陽電池素子を直列、並列に配線し、長期間に亘りセルを保護するために各種パーケージングが施され、ユニット化される。
【０００３】
Ｓｉ太陽電池は、量子効率が極めて高く、入射される太陽光の全光子のうち実に４３％を電子に変換することが可能となる。しかしながら、このＳｉ太陽電池を実際に動作させる場合において、いかに高いエネルギーの光子を吸収しても、得られる電圧は０．７Ｖ程度である。このため、仮に３ｅＶのエネルギーからなる光子を吸収した場合において、３−０．７＝２．３Ｖものエネルギーを損失することになる。即ち、実効的な電力変換効率は、量子効率と比較して低くなり、より性能のよいものであっても２０％程度となる。このため、これら実効的な電力変換効率の向上を図ることが可能な太陽電池が従来より望まれていた。
【０００４】
また１０００ｎｍより長波長である赤外線領域では、Ｓｉ太陽電池の吸収スペクトルから逸脱していることから、太陽電池における発電に利用できないものとされてきた。実際にこの赤外線領域の光を発電に利用するためには、かかる赤外用の太陽電池素子を用意する必要があるが、システム全体が高価になるという問題点があった。
【０００５】
また、短波長から長波長にかけて複数種の太陽電池素子で構成するいわゆる多接合太陽電池も提案されているが、材料コストが増加するとともに製造労力の負担が増大してしまうという問題点があった。
【０００６】
更に、非特許文献１に示すように、光電変換可能な太陽光のスペクトル帯域を拡張する観点から、異なる材料の組み合わせや量子ドットのサイズ分布等を利用した太陽電池も提案されている。
【０００７】
しかしながら、この非特許文献１に開示されている太陽電池は、より複雑な構成からなるため、作製労力の負担が増大し、高コストに繋がるという問題点があった。また、この非特許文献１に開示の太陽電池では、光電変換可能な帯域が紫外光から赤色光に至る、波長１０００ｎｍ以下に限られており、赤外線領域の光電変換特性向上という課題の直接的な解決には至らなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M.A.Green,Prog.Photovolt.Res.Appl.,14(2006)45
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、このような太陽電池に対して取り付けが可能とされ、照射される光を所望の波長に変換することで、赤外線領域の光電変換特性を向上させ、実効的な電力変換効率を向上させることが可能な、波長変換シート及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の波長変換シートは、照射される光の波長を変換する波長変換シートにおいて、光透過性の膜状の樹脂と、上記樹脂内に均一に分散して２層以上に亘って含められた波長変換体とを備え、上記波長変換体は、上記樹脂内に入射された光を吸収して近接場光を滲出する微粒子又は色素分子からなり、滲出させた上記近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、上記変換対象の波長成分の帯域変換を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の太陽電池は、請求項１記載の波長変換シートが取り付けられた太陽電池において、上記波長変換シートが貼着される透明電極膜と、上記透明電極膜の表面に形成された、ｐ層、発電層及びｎ層を含む半導体層と、上記半導体層上に形成された裏面電極膜とを備え、上記波長変換シートにおける上記波長変換体は、上記基板内に入射された太陽光を吸収して近接場光を滲出して上記非断熱過程に基づいて、上記太陽光のうち変換対象の波長成分について、上記発電層の吸収可能帯域まで帯域変換することを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の波長変換シートの作製方法は、請求項１記載の波長変換シートの作製方法であって、光透過性の樹脂液に、微粒子又は色素分子からなる波長変換体を混合した混合液を撹拌し、上記混合液を加圧濾過し、上記樹脂液をシート状に成形して固化することを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の波長変換シートの作製方法は、請求項３記載の発明において、上記加圧濾過では、８００ｎｍ以下の波長変換体を抽出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
上述した構成からなる本発明によれば、波長変換体をより小径で構成していることにより、大径からなる波長変換体がシート内に含められるのを防止することができる。この大径からなる波長変換体は、透明性の低下を引き起こすばかりでなく、光の散乱損失を大きくしてしまう。しかしながら、本発明では、大径からなる波長変換体を除外していることで、このような光の散乱損失を防止することができ、しかもシート自体の透明性を確保することが可能となる。
【００１５】
しかも、本発明では、波長変換体が凝集して塊状になっているものが殆ど無いため、当該波長変換体が塊状に凝集することによる光の散乱損失を防止することが可能となる。
【００１６】
また、本発明では、波長変換体がシート内において複数層に亘り設けられていることから、波長変換効率を向上させることが可能となる。つまり光の散乱損失の低減と、波長変換効率の向上の双方を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明を適用した太陽電池の実施形態について説明するための図である。
【図２】本発明を適用した太陽電池用波長変換シートの構成について説明するための図である。
【図３】本発明を適用した太陽電池用波長変換シートの作製方法について説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明を適用した太陽電池用波長変換シートにより、赤外光を波長変換した後のスペクトル分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
本発明を適用した太陽電池用波長変換シート１は、図１に示すようなる太陽電池２に適用される。太陽電池２は、太陽電池用波長変換シート１が設けられる透明電極膜１１と、透明電極膜１１の表面に形成された半導体層１５と、半導体層１５上に形成された裏面電極膜１６とを備えている。
【００２０】
太陽電池用波長変換シート１は、図２に示すように、樹脂２１と、この樹脂２１に多層に亘り含められている波長変換体２２とを備えている。
【００２１】
樹脂２１は、光透過性の例えばシリコン樹脂や、塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート樹脂等からなる。この樹脂２１は、厚さ数ｍｍ以下の薄膜状で構成されるものであればいかなる樹脂を用いるようにしてもよい。
【００２２】
波長変換体２２は、樹脂２１内に入射された太陽光を吸収して近接場光を滲出する微粒子又は色素分子からなる。波長変換体２２を微粒子で構成する場合には、直径５０ｎｍ以下のＧａＡｓ、又は直径１０ｎｍ以下のＣｄＳｅからなる量子ドットで構成してもよい。また、波長変換体２２は、色素分子として、例えばローダミン等を使用するようにしてもよい。このローダミンとは、例えばエタノール、メタノールなどを溶媒とし、発振波長域が５６０ｎｍ〜６００ｎｍで、５３０ｎｍ付近に吸収ピークがあるレーザー用色素である。
【００２３】
波長変換体２２は、樹脂２１内において多層に亘り含められている。ここで１層とは、所定の厚さの範囲において、少なくとも波長変換体２２が所定密度含まれている層が複数層に亘り設けられている。
【００２４】
透明電極膜１１は、ＳｎＯ2膜、ＩＴＯ膜、又はＺｎＯ膜などの透明導電性酸化物の膜で構成される。
【００２５】
半導体層１５は、透明電極膜１１の上に形成されたｐ型半導体で構成されるｐ層１２、ｐ層１２の上に形成された発電層１３と、この発電層１３の上に形成されたn型半導体からなるｎ層１４を備えている。ちなみに、このｐ層１２、発電層１３、ｎ層はいずれもアモルファスシリコン層である。
【００２６】
ｐ層１２はｐ導電型決定不純物原子であるホウ素がドープされたシリコン又はシリコンカーバイトによって形成されている。ｐ層１２には、更に、ハロゲン原子もドープされていてもよい。
【００２７】
またｎ層１４は、シリコン、シリコンカーバイドなどのシリコン合金に、燐や窒素などに例示されるｎ導電型決定不純物原子をドープする事により形成される。
【００２８】
ちなみに、ｐ層１２とｎ層１４の中間にある発電層１３は、ｐｎ接合間に形成される空乏層とされていてもよいし、またｐ層１２とｎ層１４の間に別途形成されたi型半導体として構成されていてもよい。
【００２９】
またｐ層１２とｎ層１４は、発電層１３を介してその位置が入れ替わっていてもよい。即ち、透明電極膜１１の直上にｐ層１２が、また後述する裏面電極膜にｎ層１４が接触する構成となる。これは、後述する第２の実施形態においても同様である。
【００３０】
裏面電極膜１６は、電極としての機能を有する。裏面電極膜１６は、銀やアルミニウムなどの金属材料を用いて形成することができる。
【００３１】
次に、本発明を適用した太陽電池２の動作について説明をする。先ず基板２１に入射された太陽光は、伝搬光として基板２１内を伝播していく。そして、この入射された伝搬光としての太陽光は、基板２１内に含められた波長変換体２２により吸収される。この波長変換体２２は、吸収した太陽光に基づいて近接場光を滲出させる。この波長変換体２２から滲出された近接場光により、非断熱過程が誘起されることになる。この非断熱過程とは、近接場光が非常に小さな寸法の空間内に局在し、空間的に急峻な光勾配を持つことを利用したものである。この非断熱過程により電子状態が吸収できないような１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの波長の光であっても振動準位等を介した他段階遷移により電子状態を励起しうる。その結果発電に寄与する励起電子と正孔が生成される。生成された電子正孔対の一部は再結合し吸収された波長よりも短波長で発光するこのメカニズムで伝搬光を短波長に変換することが可能となる。
【００３２】
このようにして、入射された太陽光としての伝搬光は、近接場光に変換され、さらにこの近接場光は再び伝搬光となって基板２１から出射することになる。この基板２１から出射された光は、発電部１３へ到達し、電力に変換されることになる。
【００３３】
波長変換のスペクトル分布の例を示す。太陽光のスペクトルは紫外線から赤外線まで幅広く分布するが、例えばシリコンで構成される太陽電池２により発電効率の高い帯域は、４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度である。このため、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光（赤外領域の光）は、太陽電池２により直接的に吸収することができない。しかしながら、本発明では、上述した構成からなる波長変換体２２を基板２１内に含めている。
【００３４】
特にこの波長変換体２２を直径５０ｎｍ以下のＧａＡｓ、又は直径１０ｎｍ以下のＣｄＳｅからなる量子ドットで構成することにより、太陽電池２により通常、吸収可能な４００ｎｍ〜７００ｎｍの光はそのまま通過して発電部１３へ到達することになる。これに対して、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光や赤外領域の光は、波長変換体２２により吸収され、近接場光とされて上述した非断熱過程を経て短波長の伝搬光へと変換されることになる。これは、太陽電池２により吸収可能な波長帯域が長波長側に拡大することに相当する。
【００３５】
このように、本発明を適用した太陽電池２では、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光を、発電層１３により吸収可能な短波長の光に変換することができる。
【００３６】
このため、従来において、太陽電池の吸収スペクトルから逸脱していることから、太陽電池における発電に利用できないものとされてきた、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光を、本発明では発電に利用することが可能となり、電力変換効率を向上させることが可能となる。特にこの波長１０００ｎｍを超える、長波長の光の光子は、エネルギーが小さく、波長１８００ｎｍ程度では、太陽電池２における発電部１３の１cell当たりの開放電圧が０．７ｅＶと極めて低い。このため、太陽電池２から得られる電圧が０．７Ｖ程度である場合、この波長１８００ｎｍ程度の光を光電変換することにより、実効的な電力変換効率はほぼ１００％となる。このように、実効的な電力変換効率を向上させるためには、より長波長の光を受光し、これを電力に変換することが効果的であるが、本発明はそれを実現することが可能となる。
【００３７】
また、本発明では、上述の如き波長変換体２２を含ませた基板２１を容易するのみで、極めて簡単な構成で、低い製造労力かつ安価で、所期の効果を発揮させることが可能となる。
【００３８】
次に、本発明を適用した太陽電池用波長変換シート１の作製方法について説明をする。先ずステップＳ１１において、樹脂液に波長変換体２２を混合する。この樹脂液は、上述した樹脂２１が硬化する前の液体化した状態にあるものをいう。この樹脂液に波長変換体２２を構成する微粒子又は色素分子を混合したものを、以下、混合液という。
【００３９】
次にステップＳ１２へ移行し、混合液を撹拌することにより、波長変換体２２を分散させる。この波長変換体２２が凝集した塊状となってしまうと、近接場光を好適に発生させる環境を作り出すことができないことから、このステップＳ１２において、波長変換体２２を分散させる。このステップＳ１２では、いかなる方法で撹拌を行うようにしてもよいが、例えばすり鉢等に混合液を入れて、棒状のすりこぎでこれをすることにより、凝集している波長変換体２２を分散させるようにしてもよい。
【００４０】
次にステップＳ１３へ移行し、混合液を加圧濾過する。この加圧濾過は、波長変換体２２を所望の径以下のもののみ選択的に抽出するために実行する。このとき、実際に照射される光のうち、変換対象の波長成分の１／４以下の径からなる波長変換体２２のみが通過可能な濾過を行うようにしてもよい。ここでいう変換対象の波長成分とは、２００〜８００ｎｍの波長帯域において太陽電池の光電変換効率が高い場合には、その帯域に変換するのが望ましい。例えば、１０００〜３０００ｎｍの波長が連続して立っている太陽光の場合には、変換対象の波長成分が１０００〜３０００ｎｍであり、その１／４以下の径からなる波長変換体２２で構成しておくことにより、太陽電池の光電変換効率が高い帯域まで変換することが可能となる。
【００４１】
また、加圧濾過における加圧条件は、１０気圧とし、濾過におけるメッシュの径は約２２０ｎｍのものを用いるようにしてもよい。
【００４２】
更に、本発明では、上記加圧濾過において、径が８００ｎｍ以下の波長変換体２２を抽出するようにしてもよい。一般に２００〜８００ｎｍの波長帯域において太陽電池の光電変換効率が高く、その波長帯域に応じた波長変換体２２の径としておくことにより、光電変換効率の高い帯域に太陽光を変換することが可能となるためである。
【００４３】
ちなみに、このステップＳ１３における加圧濾過は、加圧が必須とはならず、単なる濾過を行うものであってもよい。また、その濾過の方法についても、その種類はいかなるものであってもよい。
【００４４】
最後に、ステップＳ１４へ移行し、樹脂液をシート状に成形する。この過程で、樹脂液は硬化して、固体状のシートに仕上げられる。
【００４５】
このようにして作製された波長変換体２２は、ステップＳ１２のプロセスを実行していることにより、波長変換体２２が凝集して塊状になっているものが殆ど無く、またシート内において均一に分散している状態となっている。これに加えて、ステップＳ１３において加圧濾過されていることから、変換対象の波長成分の１／４以下の径からなる波長変換体２２のみがシート内に含まれている。
【００４６】
このため、波長変換体２２を変換対象の波長成分の１／４以下の径で構成していることにより、大径からなる波長変換体２２がシート内に含められるのを防止することができる。この大径からなる波長変換体２２は、透明性の低下を引き起こすばかりでなく、光の散乱損失を大きくしてしまう。しかしながら、本発明では、大径からなる波長変換体２２を除外していることで、このような光の散乱損失を防止することができ、しかもシート自体の透明性を確保することが可能となる。
【００４７】
しかも、本発明では、ステップＳ１２のプロセスを実行していることにより、波長変換体２２が凝集して塊状になっているものが殆ど無いため、当該波長変換体２２が塊状に凝集することによる光の散乱損失を防止することが可能となる。
【００４８】
また、本発明では、波長変換体２２がシート内において複数層に亘り設けられていることから、波長変換効率を向上させることが可能となる。つまり光の散乱損失の低減と、波長変換効率の向上の双方を実現することが可能となる。
【００４９】
図４は、本発明を適用した太陽電池用波長変換シート１により、赤外光を波長変換した後のスペクトル分布を示している。この２種類のスペクトルは、何れも本発明を適用した太陽電池用波長変換シート１を介した波長変換によるものである。即ち、本発明では、ステップＳ１２における撹拌と、ステップＳ１３における加圧濾過との何れか１以上を制御することで、波長変換後のスペクトル分布も自在に調整することが可能となる。
【符号の説明】
【００５０】
１  太陽電池用波長変換シート
２  太陽電池
１１  透明電極膜
１５  半導体層
１６  裏面電極膜
２１  樹脂
２２  波長変換体
【図１】
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【図２】
2014043503.tif 000004
【図３】
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【図４】
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