(57)【要約】      （修正有）【課題】入射する光の反射を抑えることで太陽電池の発電効率の向上を図る。【解決手段】太陽電池は、入射光側に形成された、平均ピッチが発電波長以下の凹凸部１１を有する基材１０を備え、凹凸部１１の入射光側には、基材１０側に位置するにしたがって、屈折率が高くなる複数の層が設けられ、複数の層は、凹凸部１１による凹凸形状を残して被覆する被覆層と、凹凸部１１による凹凸形状を平坦化する充填層２２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光側に形成された、平均ピッチが発電波長以下の凹凸部を有する基材を備え、
前記凹凸部の入射光側には、前記基材側に位置するにしたがって、屈折率が高くなる複数の層が設けられ、
複数の前記層は、
前記凹凸部による凹凸形状を残して被覆する被覆層と、
前記凹凸部による凹凸形状を平坦化する充填層と、を備えることを特徴とする
太陽電池。
【請求項２】
前記複数の層の入射光側には、第２反射防止構造が設けられていることを特徴とする
請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記第２反射防止構造は、前記複数の層側から順に、第２の複数の層と、第２の凹凸部を有することを特徴とする
請求項２に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を入射して発電を行う太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギーを利用したエネルギー供給の需要が高まりつつある。中でも太陽光を受光して発電を行う太陽光発電は、クリーンな自然エネルギー利用として脚光を浴びている。このような太陽光発電では、太陽電池にて太陽光を受光して発電が行われる。しかしながら、太陽電池に使用されるシリコン（Ｓｉ）などの太陽電池材料は、元々、屈折率、反射率が高い上、斜めから入射した場合にはさらに反射率が高くなり、発電効率が極端に低下する。また、集光型または導光型太陽電池においては、集光又は導光した太陽光の一部又は全部が太陽電池に斜めに入射することが考えられる。
【０００３】
このように、太陽光を受光して発電を行う太陽電池においては、斜めからの入射に対しても有効に発電を行うことが望まれている。特許文献１や特許文献２に開示されるように、光学分野では、凹凸部を使用して入射光を屈折させることで反射を抑制する各種構造が提案されている。このような光学的構造を設けることで、反射光を抑制し、透過光を増加させることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１８２００３号公報
【特許文献２】特開２００８−２０３４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、特許文献１や特許文献２に開示されるような凹凸部を有する光学的構造に改善を図ることで、反射光を抑制するとともに透過光の増加を図り、発電効率の向上を図ることとしている。また、凹凸部のアスペクト比を抑えることで、太陽電池の作製の容易化を図ることとしている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態に係る太陽電池は、
入射光側に形成された、平均ピッチが発電波長以下の凹凸部を有する基材を備え、
前記凹凸部の入射光側には、前記基材側に位置するにしたがって、屈折率が高くなる複数の層が設けられ、
複数の前記層は、
前記凹凸部による凹凸形状を残して被覆する被覆層と、
前記凹凸部による凹凸形状を平坦化する充填層と、を備えることを特徴とする。
太陽電池。
【０００７】
さらに本発明の実施形態に係る太陽電池において、
前記複数の層の入射光側には、第２反射防止構造が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
さらに本発明の実施形態に係る太陽電池において、
前記第２反射防止構造は、前記複数の層側から順に、第２の複数の層と、第２の凹凸部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、凹凸部の入射光側に設けられた、基材側に位置するにしたがって屈折率が高くなる複数の層を設けるとともに、当該複数の層が凹凸部による凹凸形状を残して被覆する被覆層と、凹凸部による凹凸形状を平坦化する充填層としたことで、太陽電池における入射光（太陽光）の反射を抑え、透過率を向上させることで発電効率の向上を図ることが可能となる。また、本構成により凹凸形状のアスペクト比を抑えることが可能となり、太陽電池の作製の容易化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽電池の構成を示す模式図
【図２】本発明の実施形態に係る太陽電池の詳細（側断面）を示す模式図（実施例１）
【図３】本発明の実施形態に係る基材部分の詳細（上面）を示す模式図
【図４】Ｓｉ平板で形成された太陽電池の構成を示す図（比較例１−１）
【図５】Ｓｉ平板＋薄膜層２層で形成された太陽電池の構成を示す図（比較例１−２）
【図６】実施例１の反射回折効率の総和（反射０次回折効率）を示す図
【図７】比較例１−１の反射回折効率の総和（反射０次回折効率）を示す図
【図８】比較例１−２の反射回折効率の総和（反射０次回折効率）を示す図
【図９】Ｓｉのモスアイ構造で形成された太陽電池の構成を示す図（比較例１−３）
【図１０】比較例１−３の反射回折効率の総和（反射０次回折効率）を示す図
【図１１】本発明の実施形態に係る太陽電池の詳細（側断面）を示す模式図（実施例２）
【図１２】Ｓｉのモスアイ構造で形成された太陽電池の構成を示す図（比較例２−１）
【図１３】実施例２の反射回折効率の総和（反射０次回折効率）を示す図
【図１４】比較例２−１の反射回折効率の総和（反射０次回折効率）を示す図
【図１５】本発明の他の実施形態に係る太陽電池の構成を示す模式図（実施例３）
【図１６】本発明の実施形態に係る第２反射防止構造（側断面）を示す模式図
【図１７】第２反射防止構造の反射回折効率の総和（反射０次回折効率）を示す図
【図１８】第２反射防止構造との組み合わせの反射回折効率の総和（反射０次回折効率）を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
では、本発明の実施形態に係る太陽電池について図を用いて説明を行う。図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池の構成を示す模式図である。図１には、太陽電池１の断面の様子が示されている。本実施形態の太陽電池１は、シリコン（Ｓｉ）など太陽電池材料となる基材１０の表面、すなわち、入射光側に反射防止構造２０を有して構成される。ここで、太陽電池１に対する入射角度αは、太陽電池１の表面に対する垂線となす角度にて定義される。
【００１２】
太陽光を入射光として発電を行う太陽電池１では、シリコン（Ｓｉ）などの太陽電池材料自体の反射率が元々高いこと、また、朝夕などに太陽光が斜めから入射した場合（入射角度αが大になった場合）、反射率はさらに高くなることなどを理由に、有効な発電効率を得ることが困難な状況にある。
【００１３】
本実施形態では、このような状況を鑑み、太陽電池１に対する太陽光の入射角度が大きくなった場合においても太陽光を有効に入射させ、効率的に発電を行うことを可能としている。
【００１４】
（実施例１）
図２には、本発明の実施形態に係る太陽電池の詳細（側断面）を示す模式図が示されている。太陽電池１は、シリコン（Ｓｉ）などの太陽電池材料からなる基材１０と、基材１０の表面、すなわち、入射光側に設けられた反射防止構造２０を有して構成されている。基材１０の表面には、凹凸部１１が形成されている。本実施形態の凹凸部１１は、２次元周期構造を有しており、１つの凹凸部１１は四角錐形状を有している（モスアイ構造）。本実施形態では、凹凸部１１のピッチＰを０．１８μｍ、凹凸部１１の高さＨを０．１３４μｍとしている。したがって、凹凸部１１のアスペクト比（＝高さＨ／ピッチＰ）は、０．７４となっている。
【００１５】
凹凸部１１の隣り合う頂部１１ａの間隔は、ピッチＰの周期構造を有している。ピッチＰは、入射する太陽光の発電波長以下となるように設定されている。本実施形態では、一定のピッチＰとしているが、このピッチＰはランダムであってもよい。その場合、ピッチＰの平均値が入射する太陽光の発電波長以下となるように設定される。図３には、図２において基材１０の上面図が示されている。図２に示される側断面は、ちょうど図３の頂部１１ａを含むＡ−Ａ間において切断したときの様子となっている。図３のＢ−Ｂ間において切断したときにおいても、図２と同様の側断面が現れることとなる。
【００１６】
この基材１０の凹凸部１１表面には、反射防止構造２０が設けられている。本実施形態の反射防止構造２０は２つの層で形成されている。基材１０側から順に被覆層２１、充填層２２となっている。被覆層２１は、凹凸部１１の直上に設けられた層であって、凹凸部１１が形成する凹凸形状を残しつつ、凹凸部１１を被覆する薄膜層である。なお、被覆層２１を均一な厚さの層とすることで凹凸部１１の凹凸形状を再現することとしてもよいが、被覆層２１の厚さが頂部２１ａあるいは谷部２１ｂなどで部分的に異なった場合には、凹凸形状は多少の変化を伴うこととなる。充填層２２は、被覆層２１の直上に設けられた層であって、凹凸部１１によって形成された凹凸形状を埋める形態で平坦化する層である。
【００１７】
基材１０には太陽電池材料となるシリコン（Ｓｉ）が使用されている。シリコン（Ｓｉ）の屈折率は、使用する光の波長によって異なるが、ある発電波長において約３．６である。被覆層２１の材料には、酸化チタン（ＴｉＯ2）を使用しており、高さＨ方向の厚さ
は、０．０６３μｍである。。被覆層２１は、基材１０に対して蒸着、薄膜スパッタリングなどの製造方法にて設けられる。本実施形態の被覆層２１の発電波長における屈折率は代表波長において約２．０となっている。一方、充填層２２には、発電波長内の広い波長域において屈折率が約１．５となる透明材料を使用している。このように本実施形態では、反射防止構造２０を形成する複数の層２１、２２の屈折率が、入射する太陽光の側から基材１０側に向かって順に高くなるように設定されている。このような構成により、広域の入射角度において反射を抑制することが可能となっている。さらに、反射防止構造２０中、最も凹凸部１１側に位置する層（この場合、被覆層２１）の屈折率を、基材１０よりも低く設定しておくことで、反射の抑制はより効果的となる。
【００１８】
本実施形態の反射防止構造２０は、被覆層２１、充填層２２の２層構造としているが、被覆層２１を複数層とすることも可能である。充填層２２にて平坦化された上に、さらに平坦な層を設けることとしてもよい。何れの場合においても、反射防止構造２０を形成する複数の層の屈折率は、基材１０側に位置するにしたがって、高くなるように設定されることとなる。
【００１９】
このような本実施形態の太陽電池の反射効率を比較するための比較例を図４、図５に示しておく。図４に示される比較例１−１は、太陽電池材料として基材１０のみで太陽電池１を構成した例である。基材１０は平板形状であり、その材料にはシリコン（Ｓｉ）が使
用されている。図５に示される比較例１−２は、基材１０上に第１薄膜層４１と第２薄膜層４２からなる２層を設けた形態となっている。この比較例１−２では、基材１０の材料にはシリコン（Ｓｉ）を使用している。また、第１薄膜層４１の材料には、実施例１の充填層２２と同じ透明材料を使用している。そして、第２薄膜層４２の材料には、実施例１の被覆層２１と同じ酸化チタンＴｉＯ2を使用している。
【００２０】
図６〜図８には、実施例１、比較例１−１、比較例１−２について、入射角度別の反射回折効率の総和が示されている。この反射回折効率の総和は、複数次の反射光の反射効率の総和であるが、実質０次光の反射効率に相当したものとなっている。ここで、本明細書内の他の図も含めて、（１−反射回折効率の総和）が透過回折効率の総和となっており、これが太陽電池の発電に寄与することとなる。したがって、反射回折効率の総和が小さくなるほど、発電効率は大きくなる。図６の実施例１の結果をみると、比較例１−１、比較例１−２よりも反射回折効率が低減されていることがみてとれる。特に、実施例１中、入射角度が６０゜以下では、反射回折効率の総和は、０．１（１０％）以下に抑えられている。このように、本実施形態の太陽電池では、反射回折効率の改善が図られている。
【００２１】
図９には、図２に記載する実施例１と同様の反射回折効率性能を、凹凸部１１のみで形成した場合の太陽電池１（比較例１−３）が示されている。この太陽電池１は、シリコン（Ｓｉ）からなる基材１０に、実施例１と同じピッチＰ（０．１８μｍ）で凹凸部１１を形成してる。但し、凹凸部１１の高さ、および、アスペクト比が異なっている。図１０には、図９の比較例１−３の反射回折効率の総和が示されている。図６の実施例１の性能と同様、入射角度６０゜以下において、反射効率の総和が０．１（１０％）以下に抑えられている。
【００２２】
図１０に示される性能を凹凸部１１のみで実現した場合、図９の構成においてアスペクト比（高さＨ／ピッチＰ）は、２．０となる。これは実施例１がアスペクト比を０．７４としていたのに対し、約２．７倍のアスペクト比となっている。凹凸部１１のアスペクト比が大きくなった場合、凹凸部１１が先鋭化されるため作製が困難になる。また、凹凸部１１が欠損しやすくなるため、取り扱いが困難となる。また、凹凸部１１に欠損が生じた場合には、所望の性能が得られなくなる。本実施形態では、凹凸部１１側に反射防止構造２０を設けたことで、アスペクト比を抑えることが可能となっている。作製を容易にする都合上、アスペクト比は１．０以下とすることが好ましい。さらに、本実施形態では、充填層２２を設けているため、凹凸部１１を表面に露出することなく、凹凸部１１の欠損を軽減することが可能となっている。
【００２３】
（実施例２）
次に、本発明の他の実施形態に係る太陽電池（実施例２）について説明する。図１１には、本発明の実施形態に係る太陽電池１の詳細（側断面）を示す模式図が示されている。本実施形態の太陽電池１の構成は、主に、凹凸部１１のアスペクト比、及び、充填層２２の構成において実施例１と異なっている。基材１０の材料にはシリコン（Ｓｉ）を使用している。凹凸部１１の高さＨは、０．４５０μｍ、ピッチＰは、０．１８μｍであって、アスペクト比（＝高さＨ／ピッチＰ）は、２．５である。薄膜層２１の材料には硫化亜鉛（ＺｎＳ）を使用しており、高さＨ方向の厚さは、０．１８３μｍである。充填層２２には、屈折率１．５の透明材料を使用している。なお、この充填層２２の高さは、凹凸部１１にて形成される凹凸形状を埋め、平坦部を形成する高さよりも大きければ任意に設定可能である。
【００２４】
図１２には、実施例２と性能を比較するための太陽電池（比較例２−１）の構成が示されている。比較例２−１は、実施例２の基材と同じ構成であり、基材１０の材料には、シリコン（Ｓｉ）が使用されている。また、凹凸部１１の高さＨは、０．４５０μｍ、ピッ
チＰは、０．１８μｍであって、アスペクト比（＝高さＨ／ピッチＰ）は、２．５である。
【００２５】
図１３には、実施例２における入射角度別の反射回折効率の総和が示されている。ただし、図１３における入射角度は、他の図とは異なり充填層２２内での入射角度となっている。実施例２では、実施例１と比較してアスペクト比を十分に大きくしたこと、充填層２２の高さＴを凹凸形状よりも高くしたことを主な理由として、全ての入射角度において実施例１よりも性能の改善が図られている。図１４に示される比較例２−１の反射回折効率の総和と比較しても十分な改善が図られている。
【００２６】
（実施例３）
本実施形態の太陽電池では、反射防止構造２０中、充填層２２を設けたことで、凹凸部１１の凹凸形状の平坦化が図られている。したがって、反射防止構造２０にさらに別の反射防止構造（第２反射防止構造）を設けることも容易である。図１５には、本発明の他の実施形態に係る太陽電池１の構成が示されている。本実施形態では、基材１０上に設けられた反射防止構造２０の上に、さらに第２反射防止構造３０が設けられている。この第２反射防止構造３０において、反射防止構造２０に入射する入射角度を抑えることで、さらなる反射回折効率の低減が図られている。
【００２７】
図１６には、第２反射防止構造３０の構成例が示されている。本実施形態では、図１１に示される太陽電池１（実施例２）の上に第２反射防止構造３０を設けた形態となっている。太陽電池１を構成する充填層２２の上には、第１〜第３薄膜層３２〜３４（第２の層）が設けられている。本実施形態では、第１薄膜層３２に膜厚０．０１６μｍのフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、第２薄膜層３３に膜厚０．００５μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2）、第３薄膜層３４に膜厚０．０１３μｍのＵＶ硬化樹脂（商品名：ＰＡＫ−０１）を使用している。
【００２８】
本実施形態では３層からなる薄膜層の構成としているが、薄膜層の層数は任意の数とすることが可能である。特に本実施形態では、最も充填層２２に近い箇所に位置する第３薄膜層３４の屈折率を、充填層２２の屈折率よりも高くすることで、性能の向上が図られている。さらに、各第１〜第３薄膜層３２〜３４の屈折率を、充填層２２に近づくにしたがって高くなるように設定することで性能の向上が図られる。
【００２９】
第１薄膜層３２の上部には凹凸部３１が設けられている。凹凸部３１は、屈折率が１．５の透明材料にて構成されている。この凹凸部３１は、図２などで説明した凹凸部１１と同様、平均ピッチＰ２が発電波長以下の２次元周期構造を有している。本実施形態では、凹凸部３１のピッチＰ２を、０．１８μｍ、高さＨ２を、０．４５μｍとしている。凹凸部３１は、ちょうど頂点を切り取ったような形状の四角錐形状であり、頂部３１ａに平坦な部分を有している。また、凹凸部３１の頂部３１ａの幅Ｔは、ピッチＰ２の０．１倍以下、また、凹凸部３１の底部の幅Ｂは、ピッチＰ２の０．９倍以上とすることが好ましい。なお、底部の幅Ｂを１倍未満とする場合、凹凸部３１を形成する個々の四角錐の間には、第１薄膜層３２が露出する平坦面が形成される。本実施形態では、頂部３１ａの幅をピッチＰ２の０．１倍、凹凸部３１の底の幅ＢをピッチＰ２と同じ長さ（１倍）としている。
【００３０】
図１７には、この第２反射防止構造３０単体での性能、すなわち、反射回折効率の総和が示されている。図１８には第２実施例（図１１）と第２反射防止構造３０を組み合わせた実施形態における性能（反射回折効率の総和）が示されている。空気などの太陽電池１の周囲から０〜９０゜の入射角度で第２反射防止構造３０に入射した入射光（太陽光）は、充填層２２中で屈折して０゜〜約４１．８゜（臨界角）に抑えられる。そのため、第２
実施例（図１１）と第２反射防止構造３０を組み合わせた場合、図１７と、図１３の約４１．８゜以下の性能（反射回折効率の総和が略０）の合成となり、図１７とほぼ同様の性能になる。第２反射防止構造３０を使用したことで、入射角度が６０゜以内の場合で０．０４（４％）以下、７０゜の場合で０．１（１０％）以下、８０゜の場合で０．３（３０％）以下となっており、図６に示される実施例１の性能と比較して改善が図られている。
【００３１】
なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【００３２】
１…太陽電池、１０…基材、１１…凹凸部、１１ａ…頂部、１１ｂ…谷部、２０…反射防止構造、２１…被覆層、２１ａ…頂部、２１ｂ…谷部、２２…充填層、３０…第２反射防止構造、３１…凹凸部、３２…第１薄膜層、３３…第２薄膜層、３４…第３薄膜層、４１…第１薄膜層、４２…第２薄膜層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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