(57)【要約】  本発明は、入射した光を効率良く光電変換することが可能な光電変換素子および当該光電変換素子を備える光電変換モジュールを提供することを目的とする。本発明による光電変換素子は、透明基板（２）と、透明基板（２）上に形成された第１透明電極（３）と、第１透明電極（３）上に積層して形成された少なくとも３つの光電変換層（７，８，９）と、各光電変換層（７，８，９）のうちの最上の光電変換層（９）上に形成された第２透明電極（５）とを備え、各光電変換層（７，８，９）は、光吸収層（１２）を有し、第１透明電極（３）および第２透明電極（５）に接しない光電変換層（８）の光吸収層（１２）は、第１透明電極（３）に接する光電変換層（７）の光吸収層（１２）、および第２透明電極（５）に接する光電変換層（９）の光吸収層（１２）よりもバンドギャップが小さい。
2019167227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板（２）と、
前記透明基板（２）上に形成された第１透明電極（３）と、
前記第１透明電極（３）上に積層して形成された少なくとも３つの光電変換層（７，８，９）と、
各前記光電変換層（７，８，９）のうちの最上の前記光電変換層（９）上に形成された第２透明電極（５）と、
を備え、
各前記光電変換層（７，８，９）は、光吸収層（１２）を有し、
前記第１透明電極（３）および前記第２透明電極（５）に接しない前記光電変換層（８）の前記光吸収層（１２）は、前記第１透明電極（３）に接する前記光電変換層（７）の前記光吸収層（１２）、および前記第２透明電極（５）に接する前記光電変換層（９）の前記光吸収層（１２）よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
各前記光電変換層（７，８，９）の積層方向の中心に位置する前記光電変換層（８）の前記光吸収層（１２）は、各前記光電変換層（７，８，９）の前記光吸収層（１２）のうちで最もバンドギャップが小さく、
各前記光電変換層（７，８，９）の前記光吸収層（１２）のバンドギャップは、各前記光電変換層（７，８，９）の積層方向の中心に位置する前記光電変換層（８）から、前記第１透明電極（３）に接する前記光電変換層（７）、および前記第２透明電極（５）に接する前記光電変換層（９）の各々に向かって対称的に大きくなっていることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
各前記光電変換層（７，８，９）は、Ｐ型半導体層（１１）と、前記Ｐ型半導体層（１１）上に形成された前記光吸収層（１２）と、前記光吸収層（１２）上に形成されたＮ型半導体層（１３）とを有し、
隣り合う２つの前記光電変換層（８，９）間であって、前記光吸収層（１２）のバンドギャップが小さい方の前記光電変換層（８）の前記Ｎ型半導体層（１３）と、前記光吸収層（１２）の前記バンドギャップが大きい方の前記光電変換層（９）の前記Ｐ型半導体層（１１）との間に接合層（１８）をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記接合層（１８）は、リンおよびボロンのうちの少なくとも１つがドーピングされたアモルファスシリコン系材料、アモルファスシリコン系材料に微小なシリコン系結晶成分がドーピングされた微結晶シリコン系材料、酸化チタン、酸化錫、酸化亜鉛、酸化マンガン、および酸化銅のうちのいずれか１つからなることを特徴とする、請求項３に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記接合層（１８）の膜厚は、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３または４に記載の光電変換素子。
【請求項６】
各前記光電変換層（７，８，９）は、アモルファスシリコン、アモルファス酸化シリコン、アモルファス炭化シリコン、アモルファス窒化シリコン、アモルファスゲルマニウム、多結晶シリコン、および微結晶シリコンのうちのいずれか１つからなることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記第１透明電極（３）および前記第２透明電極（５）に接しない前記光電変換層（８）の前記光吸収層（１２）は、アモルファスシリコンからなり、
前記第１透明電極（３）に接する前記光電変換層（７）の前記光吸収層（１２）、および前記第２透明電極（５）に接する前記光電変換層（９）の前記光吸収層（１２）は、バンドギャップが１．７ｅＶ〜２．０５ｅＶであるアモルファスシリコン系材料からなることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記第１透明電極（３）および前記第２透明電極（５）に接しない前記光電変換層（８）の前記光吸収層（１２）は、アモルファスシリコンからなり、
前記第１透明電極（３）に接する前記光電変換層（７）の前記光吸収層（１２）、および前記第２透明電極（５）に接する前記光電変換層（９）の前記光吸収層（１２）は、膜厚が１００ｎｍ〜４００ｎｍであるアモルファス炭化シリコンまたはアモルファス酸化シリコンからなることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の光電変換素子（２０）と、
前記光電変換素子を接地面に対して垂直方向に支持する支持材（２１）と、
を備える、光電変換モジュール。
【請求項１０】
前記光電変換素子（２６，２７）は複数あり、
前記支持材（２１）は、各光電変換素子（２６，２７）を接地面に対して垂直方向に支持することを特徴とする、請求項９に記載の光電変換モジュール。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか１項に記載の光電変換素子（２９）と、
前記光電変換素子（２９）と空間を隔てて平行に設けられた反射材（２３）と、
を備える、光電変換モジュール。
【請求項１２】
前記反射材（３９）は、前記光電変換素子（３６）に対して凹状に湾曲し、
前記光電変換素子（３６）の面積は、前記反射材（３９）の面積よりも小さいことを特徴とする、請求項１１に記載の光電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光電変換層を積層した薄膜積層型の光電変換素子および当該光電変換素子を備える光電変換モジュールに関し、特に対向する両面で受光可能な光電変換素子および当該光電変換素子を備える光電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電所の導入が積極的に進められている。太陽電池は、重要な分散電源の１つとして需要が見込まれており、また、住宅発電用途にも需要が見込まれている。さらに、様々な情報を多数のセンサを用いて収集し、収集したデータをビッグデータとして解析して利用するＩｏＴ（Internet of Things）においても、太陽電池は、多数のセンサの動作電源を確保する必要があるとの観点から、配線コストがかからない環境発電素子として注目されている。【０００３】
住宅の室内、事務所、または工場などで太陽電池を環境発電素子として利用する場合、太陽光発電所のような屋外とは異なり、微弱な室内照明の光で発電する必要がある。この場合、屋外で一般的に利用されている結晶シリコン系太陽電池では、入射光量が低下した時の光電変換の変換損失が大きいという問題がある。従って、微弱な入射光でも変換効率が低下しにくいアモルファスシリコンまたは有機薄膜を光電変換層に用いた薄膜系太陽電池が利用されている。【０００４】
アモルファスシリコンを用いた太陽電池に代表される薄膜シリコン系光電変換素子では、変換効率を向上させる方法の１つとして、２つ以上の光電変換層を積層した薄膜積層型の光電変換素子が考案されている。薄膜積層型の光電変換素子では、光入射側に大きなバンドギャップを有する光電変換層を設け、当該光電変換層から光入射側とは反対側に向かって順に小さくなるようなバンドギャップを有する光電変換層を設けることによって、入射光の広い波長範囲に渡って効率良く光電変換することを可能にしている（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
また、太陽電池モジュールの出力を増加させるために、正面からの入射光だけでなく、周辺環境による反射などで裏面に入射する光も内部に取り込む構造である両面受光型を採用した太陽電池モジュールが考案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３７６０８号公報
【特許文献２】特開２０００−２４３９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、変換効率が高い薄膜積層型の光電変換素子に対して、屋内のような複数の光源から入射する光を最大限内部に取り込むために対向する両面で受光可能な構造を適用しても、裏面側から入射する光に対して最適なバンドギャップ配置とはならず、光電変換の変換効率が低くなるという問題があった。【０００８】
特許文献１では、光が一方向から入射することを前提としており、様々な方向から入射する室内照明などの光を光電変換素子に入射させることができないという問題がある。また、特許文献２では、両面から光を入射させることができるモジュール構造が示されているが、このモジュール構造内に特許文献１のような薄膜積層型の光電変換素子の裏面電極を透光性材料に変更して配置しても、裏面側から入射した光を効率良く光電変換することができないという問題がある。このように、従来では、光電変換の効率の向上に改善の余地があった。【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、入射した光を効率良く光電変換することが可能な光電変換素子および当該光電変換素子を備える光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明による光電変換素子は、透明基板と、透明基板上に形成された第１透明電極と、第１透明電極上に積層して形成された少なくとも３つの光電変換層と、各光電変換層のうちの最上の光電変換層上に形成された第２透明電極とを備え、各光電変換層は、光吸収層を有し、第１透明電極および第２透明電極に接しない光電変換層の光吸収層は、第１透明電極に接する光電変換層の光吸収層、および第２透明電極に接する光電変換層の光吸収層よりもバンドギャップが小さい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光電変換素子は、透明基板と、透明基板上に形成された第１透明電極と、第１透明電極上に積層して形成された少なくとも３つの光電変換層と、各光電変換層のうちの最上の光電変換層上に形成された第２透明電極とを備え、各光電変換層は、光吸収層を有し、第１透明電極および第２透明電極に接しない光電変換層の光吸収層は、第１透明電極に接する光電変換層の光吸収層、および第２透明電極に接する光電変換層の光吸収層よりもバンドギャップが小さいため、入射した光を効率良く光電変換することが可能となる。【００１２】
本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による光電変換素子の構成の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１による光電変換層の構成の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による光電変換層のエネルギーバンド構造の一例を示す図である。
【図４】白色ＬＥＤの光の波長スペクトルの一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１による各光電変換層のエネルギーバンド構造の一例を示す図である。
【図６】白色ＬＥＤの光の波長スペクトルの一例を示す図である。
【図７】アモルファス炭化シリコンを光吸収層とした場合における光電変換素子の出力特性をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１による光電変換素子の開放電圧および短絡電流の入射光強度依存性の一例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２による光電変換素子の構成の一例を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３による光電変換素子の構成の一例を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１による各光電変換層における電子および正孔の挙動を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態３による各光電変換層における電子および正孔の挙動を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態４による光電変換モジュールの構成の一例を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態４による光電変換モジュールの構成の一例を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態４による光電変換モジュールの構成の一例を示す上面図である。
【図１６】本発明の実施の形態５による光電変換モジュールの構成の一例を示す断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態６による光電変換モジュールの構成の一例を示す断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態６による光電変換モジュールの構成の一例を示す断面図である。
【図１９】図１８のＡ１−Ａ２断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態７による光電変換モジュールの構成の一例を示す断面図である。
【図２１】前提技術による光電変換素子の構成の一例を示す断面図である。
【図２２】前提技術による各光電変換層のエネルギーバンド構造の一例を示す図である。
【図２３】前提技術による各光電変換層のエネルギーバンド構造の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。
【００１５】
＜前提技術＞
本発明の実施の形態の前提技術について説明する。
【００１６】
図２１は、前提技術による光電変換素子４０の構成の一例を示す断面図である。
【００１７】
図２１に示すように、透明基板４１上に第１透明電極４２が形成されている。第１透明電極４２上に第１光電変換層４３、第２光電変換層４４、および第３光電変換層４５が順に積層して形成されている。第３光電変換層４５上に第２透明電極４６が形成されている。
【００１８】
図２２は、前提技術による各光電変換層４３，４４，４５のエネルギーバンド構造の一例を示す図である。なお、図２２は、図２１に示す光電変換素子４０に特許文献１の構造を適用した場合の一例を示している。図２２に示すエネルギーバンド構造を有する光電変換素子４０は、一方向から入射する光を受光する。
【００１９】
図２２において、Ｅｇ１は第１光電変換層４３のバンドギャップを示し、Ｅｇ２は第２光電変換層４４のバンドギャップを示し、Ｅｇ３は第３光電変換層４５のバンドギャップを示している。また、ＥＬは入射光の光エネルギーを示している。図２２に示すように、光入射側である透明基板４１側から順にバンドギャップが小さくなるように第１光電変換層４３、第２光電変換層４４、および第３光電変換層４５が形成されている。すなわち、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞Ｅｇ３の関係が成り立っている。
【００２０】
このような構成において、入射光のうちの高い光エネルギーを有する光は、最も大きなバンドギャップＥｇ１を有する第１光電変換層４３で吸収されて光電変換が行われる。また、入射光のうちの小さな光エネルギーを有する光は、第１光電変換層４３よりもバンドギャップが小さい第２光電変換層４４および第３光電変換層４５で吸収されて光電変換が行われる。このように、図２２に示すエネルギーバンド構造を有する光電変換素子は、入射光の広い波長範囲に渡って効率良く光電変換することが可能である。
【００２１】
図２２に示すエネルギーバンド構造を有する光電変換素子は、光が一方向から入射することを前提としている。しかし、例えば、住宅の室内、事務所、または工場などで光電変換素子を利用する場合、太陽光発電所のような屋外とは異なり、様々な場所に設置された室内照明から入射する光を想定しなければならないが、図２２に示すエネルギーバンド構造を有する光電変換素子では、様々な方向から入射する室内照明などの光を効率良く光電変換することができないという問題がある。
【００２２】
図２３は、前提技術による各光電変換層４３，４４，４５のエネルギーバンド構造の一例を示す図である。なお、図２３は、図２１に示す光電変換素子４０に特許文献２の構造を適用した場合の一例を示している。図２３に示すエネルギーバンド構造を有する光電変換素子４０は、対向する両面に光が入射する。
【００２３】
図２３において、Ｅｇ１は第１光電変換層４３のバンドギャップを示し、Ｅｇ２は第２光電変換層４４のバンドギャップを示し、Ｅｇ３は第３光電変換層４５のバンドギャップを示している。また、ＥＬＲは裏面入射光の光エネルギーを示している。ここで、裏面入射光とは、第２透明電極４６側から入射する光のことをいう。各光電変換層４３，４４，４５のエネルギーギャップの関係は、図２２と同様である。なお、図示していないが、透明基板４１側からも光が入射する。
【００２４】
図２３に示す構成において、裏面入射光は、最も小さなバンドギャップＥｇ３を有する第３光電変換層４５で吸収されて光電変換が行われる。このとき、ＥＬＲ−Ｅｇ３分のエネルギーが損失となってしまう。このように、図２３に示すエネルギーバンド構造を有する光電変換素子は、透明基板４１側から入射する入射光については効率良く光電変換することが可能であるが、裏面入射光については効率良く光電変換することができない。また、近年の省エネ化の要求によって採用が多くなっているＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源の特性を考慮すると、上記損失の影響は大きくなると考えられる。
【００２５】
本発明の実施の形態では、このような問題を解決するためになされたものであり、以下に詳細に説明する。
【００２６】
＜実施の形態１＞
＜構成＞
図１は、本発明の実施の形態１による光電変換素子１の構成の一例を示す断面図である。
【００２７】
図１に示すように、支持基板である透明基板２上に第１透明電極３が形成されている。第１透明電極３上に第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９が順に積層して形成されている。第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９は、光電変換領域４を構成している。第３光電変換層９上に第２透明電極５が形成されている。第２透明電極５上に封止剤６が形成されている。
【００２８】
透明基板２は、ガラス、プラスチック、または樹脂シートなど、１００℃〜３００℃程度の光電変換層の形成プロセスに耐え得る素材を使用する。
【００２９】
第１透明電極３および第２透明電極５は、酸化錫、酸化チタン、酸化インジウム錫、酸化マグネシウム、酸化亜鉛などの金属酸化物からなり、スパッタ法、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、または蒸着法などを用いて形成される。
【００３０】
第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９は、光電変換可能な材料を用いることにより形成される。例えば、組成比を変えることによってバンドギャップを制御することが可能なアモルファスシリコン系材料の他、多結晶シリコン系材料、または微結晶シリコン系材料を用いて、スパッタ法、プラズマ化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法によって第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９を形成することが望ましい。アモルファスシリコン系材料としては、例えばアモルファスシリコン、アモルファス酸化シリコン、アモルファス炭化シリコン、アモルファス窒化シリコン、またはアモルファスゲルマニウムなどが挙げられる。また、分子構造により吸収する波長帯を制御することができるフラーレンまたはπ共役系高分子などの有機分子材料を用いて第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９を形成してもよい。
【００３１】
封止剤６は、湿気の侵入、外気の侵入、または物理的な損傷から光電変換素子１を保護するために、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などの樹脂材料からなる。
【００３２】
図２は、光電変換層１０の構成の一例を示す断面図である。光電変換層１０は、図１に示す第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９を代表したものである。すなわち、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々は、図２に示す光電変換層１０と同じ構成である。
【００３３】
図２に示すように、光電変換層１０は、Ｐ型半導体層１１、真性半導体からなる光吸収層１２、およびＮ型半導体層１３を有している。Ｐ型半導体層１１上に光吸収層１２が形成され、光吸収層１２上にＮ型半導体層１３が形成されている。
【００３４】
図３は、光電変換層１０のエネルギーバンド構造の一例を示す図である。
【００３５】
図３に示すように、光吸収層１２において入射光が吸収されて発生した電子−正孔対は、Ｐ型半導体層１１とＮ型半導体層１３との電位差によって光吸収層１２で生じる電界によって分離され、外部に取り出される。このとき、入射光の光エネルギーＥＬと、光吸収層１２のバンドギャップＥｇとのエネルギー差がある場合、ＥＬの光エネルギーを受け取った電子は一旦より高いエネルギー準位に励起された後、当該エネルギー準位とバンドギャップＥｇとの差分に相当するＥＬ−Ｅｇ分のエネルギーを熱として放出する。このとき放出されるエネルギーが、光電変換時の損失となる。
【００３６】
図４は、室内照明として利用されている白色ＬＥＤの光の波長スペクトルの一例を示す図である。
【００３７】
太陽光は、波長が約３００ｎｍ〜１２００ｎｍの幅広いエネルギーの光を含んでいる。一方、白色ＬＥＤは、波長が約４００ｎｍ〜７００ｎｍのエネルギーが比較的高い短波長の光しか含まれていない。従って、小さなバンドギャップを有する光電変換層を光の入射側に設けると、それによる光電変換の損失の影響は、屋外での利用時に比べてはるかに大きいと考えられる。
【００３８】
図５は、本実施の形態１による第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々におけるエネルギーバンド構造の一例を示す図である。
【００３９】
図５に示すように、本実施の形態１による光電変換素子１では、最も小さなバンドギャップＥｇ２を有する第２光電変換層８は、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９のうちの中心に形成されている。すなわち、最も小さなバンドギャップを有する光電変換層は、複数形成された光電変換層のうちの積層方向の中心に形成されている。
【００４０】
また、最も大きなバンドギャップＥｇ１，Ｅｇ３を有する第１光電変換層７および第３光電変換層９については、第１光電変換層７は第１透明電極３に隣接するように形成され、第３光電変換層９は第２透明電極５に隣接するように形成されている。このような構成とすることによって、光エネルギーＥＬの入射光が入射する側には、第１光電変換層７と、第１光電変換層７よりもバンドギャップが小さい第２光電変換層８とが順に形成されているため、光電変換時の損失を低減することができる。また、光エネルギーＥＬＲの入射光が入射する側には、第３光電変換層９と、第３光電変換層９よりもバンドギャップが小さい第２光電変換層８とが順に形成されているため、光電変換時の損失を低減することができる。
【００４１】
＜本実施の形態１による光電変換素子の詳細な検討＞
発明者らが本実施の形態１による光電変換素子を詳細に検討した結果について説明する。
【００４２】
屋内での利用を想定して、図６に示すような波長スペクトルを有する白色ＬＥＤを光源とした場合における光電変換素子の構造のシミュレーションを行った。現在市販されている白色ＬＥＤの多くは、図６に示すように、波長が４５０ｎｍおよび５７０ｎｍ辺りを中心とする２つのピークが重なったような特性を有している。
【００４３】
光電変換領域４の厚さは、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９がどのような材料を使用するのかによって異なるが、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々によって生成される光電流が一致する必要があるため、使用する材料の吸収係数と、図６に示すような入射光の波長スペクトル特性とに基づいて算出することが可能である。
【００４４】
入射光を全て吸収して光電変換に利用することを考慮すると、光吸収層１２にはある程度の厚さが必要となる。一方、特に最もバンドギャップが小さい第２光電変換層８の光吸収層１２では、当該光吸収層１２の全域に光が到達しない場合は、その光が到達しない領域が高抵抗となり光電変換の効率が低下してしまう。従って、第２光電変換層８の光吸収層１２によって入射光をほぼ完全に吸収し得る膜厚ｔｍａｘを算出し、第２光電変換層８の膜厚は膜厚ｔｍａｘを超えないようにする必要がある。
【００４５】
また、両面から入射した入射光の各々が第２光電変換層８で全て吸収されて後段には進入しない状況が最も厚い膜厚条件であると考えられる。従って、第２光電変換層８から見て両面側の各々に対して当該膜厚条件が適用されるため、膜厚ｔｍａｘの２倍を光電変換領域４の厚さの上限として設計することが望ましい。透過率Ｔを表す下記の式（１）に吸収係数αおよび膜厚ｔを代入することによって、対象とする波長の光を全て吸収し得る限界の膜厚ｔｍａｘを算出することができる。式（１）によって得られた膜厚ｔｍａｘの２倍の値が、光電変換領域４の厚さの上限となる。
【００４６】
Ｔ＝ｅ−αｔ  ・・・（１）
【００４７】
例えば、アモルファスシリコンで第２光電変換層８の光吸収層１２を形成した場合、アモルファスシリコンの吸収係数αを用いて上記の式（１）を計算すると、第２光電変換層８の光吸収層１２の膜厚が約４０００ｎｍあれば、第２光電変換層８の光吸収層１２の後段に進入する光は１０％以下となる。ただし、アモルファスシリコン系材料を用いて形成された光電変換素子の場合、膜厚の増加に伴って内蔵電界の減少が生じやすく、電圧および曲線因子が低下することを考慮すると、光電変換領域４の膜厚は１０００ｎｍ以下にすることが望ましい。
【００４８】
また、本実施の形態１による光電変換素子１のように、複数の光電変換層が電気的に直列に接続されている積層型の光電変換素子の場合、各光電変換層で生成される光電流が等しくなるように設計することが重要である。光電変換素子１全体の電圧は、各光電変換層が直列に接続されているため、各光電変換層で生成される電圧の和となる。一方、光電変換素子１全体の電流は、各光電変換層のうちの最も電流値が小さい光電変換層の値に制限されてしまう。各光電変換層間で生じた光電流の差分である電流ミスマッチは、光電変換素子の外部に取り出されることなく光電変換素子の内部で再結合して熱損失となってしまう。
【００４９】
積層型の光電変換素子の構造を決定する際には、電流ミスマッチによる損失を低減するために、各光電変換層で生成される光電流が一致するように設計する必要があるが、両面から光が入射しかつ複数の光電変換層を積層して形成した構造では、当該設計が困難となる。
【００５０】
これに対して、本実施の形態１による光電変換素子１のように、複数の光電変換層のうちの中心に位置する光電変換層から両面の各々に形成されている透明電極に向かって各光電変換層のバンドギャップが対称的に大きくなるような構造とすることによって、光が入射する両面の各々において個別に各光電変換層を設計する必要がなく、光が入射する一方の面について各光電変換層を最適に設計した構造を、そのまま他方の面について適用することができる。ただし、複数の光電変換層のうちの中心に位置する光電変換層については、光が入射する両面から最も波長が長い光、すなわち最も光エネルギーが小さい光が入射するため、割り当てられる入射エネルギーが片側のみに光が入射する場合における入射エネルギーの倍になることを考慮して設計する必要がある。
【００５１】
本実施の形態１による光電変換素子１のように、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の３つの光電変換層を用いる場合は、入射した光をどのように分割するのかを考慮する必要がある。図４に示すような白色ＬＥＤの光源を想定した場合、一方の面から入射する光の総フォトン数は約１．７×１０１５ｃｍ−２である。これを第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々で分割して電流マッチングをとる必要がある。第１光電変換層７および第３光電変換層９では、一方の面から入射する光の総フォトン数のうちの２／３のフォトンを利用することができればよい。第２光電変換層８では、両面から光が入射してくるため、一方の面から入射する光の総フォトン数のうちの１／３のフォトンを利用することができればよい。これを光の波長に当てはめると、第１光電変換層７および第３光電変換層９では波長６００ｎｍよりも短波長の光を利用し、第２光電変換層８では波長６００ｎｍよりも長波長の光を利用することによって、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々から得られる電流値が一致する。従って、第１光電変換層７および第３光電変換層９のバンドギャップは、２．０５ｅＶ以下が望ましい。第１光電変換層７および第３光電変換層９に２．０５ｅＶよりも高いバンドギャップの材料を用いると、第１光電変換層７および第３光電変換層９から得られる電流が少なくなり、電流が少なくなった分、すなわち第２光電変換層８で得られる電流との差分が損失となる。
【００５２】
第２光電変換層８にバンドギャップが約１．７ｅＶのアモルファスシリコンを用いた場合、白色ＬＥＤから出射された光はほぼ全て第２光電変換層８で吸収することができる。従って、上記のフォトンの分割利用の計算をそのまま適用することができ、第１光電変換層７および第３光電変換層９には、バンドギャップが１．７ｅＶ〜２．０５ｅＶの材料を用いることが望ましい。例えば、アモルファス炭化シリコンまたはアモルファス酸化シリコンの炭素または酸素の含有量を調整することによって、容易に上記のバンドギャップの条件を満足することができる。
【００５３】
図７は、光吸収層１２をアモルファス炭化シリコンで形成した場合における光電変換素子の出力特性をシミュレーションした結果の一例を示す図である。具体的には、波長が６００ｎｍの単色光を、バンドギャップが２．０５ｅＶの光吸収層１２を有する第１光電変換層７および第３光電変換層９に入射させた場合における光電変換素子の出力特性をシミュレーションした結果の一例を示している。図７において、各値は最大値で規格化している。
【００５４】
図７に示すように、電流は、光吸収層１２の膜厚の増加に従って増加するが、光吸収層１２の内部で再結合が増加するため、光吸収層１２の膜厚が４００ｎｍを超えると低下していく。また、曲線因子は、光吸収層１２の膜厚の増加に従って低下していく。従って、光電変換効率は、光吸収層１２の膜厚が１００ｎｍ〜４００ｎｍの間、より望ましくは１００ｎｍ〜３００ｎｍの間で高くなることが分かる。表１は、等しい強度の白色ＬＥＤの光が両面に入射する条件下で、光電変換領域４の総膜厚を５００ｎｍまたは７５０ｎｍとした場合における、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々の光吸収層１２から得られる光電流が等しくなる当該各光吸収層１２の膜厚を算出した結果を示している。表１において、「総膜厚」は光電変換領域４の総膜厚を示し、「第１光電変換層７」は第１光電変換層７の光吸収層１２の膜厚を示し、「第２光電変換層８」は第２光電変換層８の光吸収層１２の膜厚を示し、「第３光電変換層９」は第３光電変換層９の光吸収層１２の膜厚を示している。
【００５５】
【表１】
2019167227.tif 000003
【００５６】
＜製造方法＞
本実施の形態１による光電変換素子１の製造方法について説明する。
【００５７】
まず、透明基板２である無アルカリガラス上に、第１透明電極３の材料である酸化亜鉛を膜厚が５００ｎｍ〜７００ｎｍとなるように有機金属気相成長法によって形成する。これにより、第１透明電極３が形成される。第１透明電極３の膜厚は、第１透明電極３の導電率、透過率、光の散乱特性を元に適宜に変更することが可能であるが、後に形成するアモルファスシリコンからなる光電変換領域４の膜厚によっては、当該光電変換領域４に急峻な凹凸形状が存在すると内部に欠陥が発生しやすくなり、リーク電流の原因となってしまう。従って、本実施の形態１では、第１透明電極３の膜厚を薄めに設定し、第１透明電極３の表面が平坦になるように形成している。
【００５８】
次に、第１透明電極３上に、光電変換領域４の総膜厚が７５０ｎｍとなるように、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９をプラズマ化学気相成長法によって順に積層して形成する。表２は、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々の光吸収層１２の成長条件を示している。表２において、「第２光電変換層８」は第２光電変換層８の光吸収層１２を示し、「第１、第３光電変換層７，９」は第１光電変換層７および第３光電変換層９の各々の光吸収層１２を示している。
【００５９】
【表２】
2019167227.tif 000004
【００６０】
表２に示すように、第２光電変換層８については、シラン（ＳｉＨ４）をシリコンの原料ガスとし、当該原料ガスを水素（Ｈ２）で希釈することによって、アモルファスシリコンからなる光吸収層１２を形成する。また、第１光電変換層７および第３光電変換層９については、シラン（ＳｉＨ４）をシリコンの原料ガスとし、当該原料ガスを第２光電変換層８の光吸収層１２の形成時よりも多くの水素（Ｈ２）で希釈するとともに、基板温度を上昇させて二酸化炭素（ＣＯ２）を導入することによって、第２光電変換層８の光吸収層１２よりもバンドギャップの大きなアモルファス炭化シリコンからなる光吸収層１２を形成する。
【００６１】
表２に示す成長条件で得られるアモルファス炭化シリコンのバンドギャップは、アモルファスシリコンのバンドギャップよりも約０．２ｅＶ大きい値である。第１光電変換層７および第３光電変換層９の各々の光吸収層１２を構成するアモルファス炭化シリコンのバンドギャップは、第２光電変換層８の光吸収層１２を構成するアモルファスシリコンのバンドギャップよりも０．２ｅＶ高い１．９ｅＶであるため、上述した第１光電変換層７および第３光電変換層９のバンドギャップの最適値内に収まっている。
【００６２】
第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々におけるＰ型半導体層１１およびＮ型半導体層１３は、共通の条件で形成する。Ｐ型半導体層１１は、ワイドバンドギャップのアモルファス炭化シリコンで形成する。Ｎ型半導体層１３は、導電率が高い微結晶シリコンで形成する。
【００６３】
次に、第３光電変換層９上に、第２透明電極５の材料である酸化亜鉛を膜厚が５００ｎｍ〜７００ｎｍとなるように有機金属気相成長法によって形成する。
【００６４】
図８は、本発明の実施の形態１による光電変換素子１の開放電圧および短絡電流の入射光強度依存性の一例を示す図である。
【００６５】
図８に示すように、短絡電流は入射光強度に強く依存しているが、開放電圧は入射光強度が低いときでも２Ｖ程度を保っている。これを第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９のうちの１つの層当たりの値に換算すると０．７８Ｖとなり、一般的なアモルファスシリコン太陽電池の開放電圧である０．６Ｖ〜０．７Ｖよりも高い電圧が得られている。すなわち、バンドギャップが大きい第１光電変換層７および第３光電変換層９を、バンドギャップが小さい第２光電変換層８の両面側の各々に形成することによる効果が得られている。また、バンドギャップが小さい第２光電変換層８を、バンドギャップが大きい第１光電変換層７および第３光電変換層９の各々で挟むことによる光電変換素子１の特性低下は、本作製条件においてはみられてはいない。
【００６６】
以上のことから、本実施の形態１によれば、対向する両面で受光可能な光電変換素子において、複数の第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９が積層して形成されており、中心に位置する第２光電変換層８の光吸収層１２のバンドギャップは、第１透明電極３に接する第１光電変換層７の光吸収層１２、および第２透明電極５に接する第３光電変換層９の光吸収層１２のバンドギャップよりも小さい。従って、複数の光源から入射する光を効率良く光電変換することが可能となる。
【００６７】
＜実施の形態２＞
図９は、本発明の実施の形態２による光電変換素子１４の構成の一例を示す断面図である。
【００６８】
図９に示すように、光電変換素子１４は、第１光電変換層７と第２光電変換層８との間に第４光電変換層１５を備え、第２光電変換層８と第３光電変換層９との間に第５光電変換層１６を備えることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１による光電変換素子１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６９】
第４光電変換層１５は、複数の第４光電変換層１５１〜第４光電変換層１５ｘを含んでいる。各第４光電変換層１５１〜第４光電変換層１５ｘは、図２に示す光電変換層１０と同じ構成である。第４光電変換層１５１〜第４光電変換層１５ｘの各々のバンドギャップは、第２光電変換層８から第１光電変換層７に向かって大きくなるように形成されている。すなわち、第２光電変換層８のバンドギャップ＜第４光電変換層１５１のバンドギャップ＜・・・＜第４光電変換層１５ｘのバンドギャップ＜第１光電変換層７の関係が成り立つ。
【００７０】
第５光電変換層１６は、複数の第５光電変換層１６１〜第５光電変換層１６ｘを含んでいる。各第５光電変換層１６１〜第５光電変換層１６ｘは、図２に示す光電変換層１０と同じ構成である。第５光電変換層１６１〜第５光電変換層１６ｘの各々のバンドギャップは、第２光電変換層８から第３光電変換層９に向かって大きくなるように形成されている。すなわち、第２光電変換層８のバンドギャップ＜第５光電変換層１６１のバンドギャップ＜・・・＜第５光電変換層１６ｘのバンドギャップ＜第３光電変換層９の関係が成り立つ。
【００７１】
表３は、等しい強度の白色ＬＥＤの光が両面に入射する条件下で、光電変換領域４の総膜厚を５００ｎｍまたは７５０ｎｍとした場合における、第１光電変換層７、第２光電変換層８、第３光電変換層９、第４光電変換層１５、および第５光電変換層１６の各々の光吸収層１２から得られる光電流が等しくなる当該各光吸収層１２の膜厚を算出した結果を示している。
【００７２】
表３において、「総膜厚」は光電変換領域４の総膜厚を示し、「第１光電変換層７」は第１光電変換層７の光吸収層１２の膜厚を示し、「第４光電変換層１５」は第４光電変換層１５の光吸収層１２の膜厚を示し、「第２光電変換層８」は第２光電変換層８の光吸収層１２の膜厚を示し、「第５光電変換層１６」は第５光電変換層１６の光吸収層１２の膜厚を示し、「第３光電変換層９」は第３光電変換層９の光吸収層１２の膜厚を示している。
【００７３】
【表３】
2019167227.tif 000005
【００７４】
以上のことから、本実施の形態２によれば、第１光電変換層７と第２光電変換層８との間に第４光電変換層１５を形成し、第２光電変換層８と第３光電変換層９との間に第５光電変換層１６を形成しているため、第１光電変換層７、第２光電変換層８、第３光電変換層９、第４光電変換層１５、および第５光電変換層１６の各々におけるエネルギー損失を実施の形態１よりも低減することができる。ここで、エネルギー損失は、入射光の光エネルギーをＥＬ、光電変換層のバンドギャップをＥｇとした場合、ＥＬ−Ｅｇで表される。
【００７５】
なお、上記では、計算の単純化のために、第４光電変換層１５および第５光電変換層１６の各々のエネルギーギャップの大きさ、膜厚、および光電変換層の数が、第２光電変換層８を中心として対称となる場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、第４光電変換層１５および第５光電変換層１６のうちのいずれか一方のみを形成してもよい。また、第４光電変換層１５および第５光電変換層１６の各々に含まれる光電変換層の数は必ずしも同じである必要はない。
【００７６】
＜実施の形態３＞
図１０は、本発明の実施の形態３による光電変換素子１７の構成の一例を示す断面図である。
【００７７】
図１０に示すように、光電変換素子１７は、第２光電変換層８と第３光電変換層９との間に接合層１８を備えることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１による光電変換素子１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００７８】
図１１は、実施の形態１による光電変換素子１の第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々の光電変換層における電子および正孔の挙動を説明するための図である。実施の形態１による光電変換素子１は、接合層１８を備えていない。
【００７９】
図１１に示すように、第２光電変換層８のＮ型半導体層１３における価電子帯のエネルギー準位が、第３光電変換層９のＰ型半導体層１１における価電子帯のエネルギー準位よりも高エネルギー側に存在する場合がある。積層型の光電変換素子では、理想的には、第２光電変換層８および第３光電変換層９の端部において、第２光電変換層８のＮ型半導体層１３に存在する電子と、第２光電変換層８に隣接する光電変換層９のＰ型半導体層１１に存在する正孔とが一対一で再結合することによって電気的な連続性を保つと考えられている。
【００８０】
しかし、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々のエネルギー準位が図１１に示すような関係である場合、第３光電変換層９のＰ型半導体層１１に存在する正孔が第２光電変換層８のＮ型半導体層１３に存在する電子と再結合せずに、一部の正孔が第２光電変換層８の界面に留まる。このような状態になると、第２光電変換層８のＰ型半導体層１１において正孔の再結合の相手が存在せず、また第２光電変換層８のＮ型半導体層１３において電子の再結合の相手が存在せず、これらが要因となって再結合損失が生じる可能性がある。
【００８１】
このような問題を解決するために、本実施の形態３による光電変換素子１７は、図１２に示すように、第２光電変換層８と第３光電変換層９との間に、電子と正孔との再結合を補助する接合層１８が形成されている。図１２に示すように、第２光電変換層８の電子と、第３光電変換層９の正孔とは、接合層１８のトラップ準位で再結合される。
【００８２】
接合層１８は、正孔の移動を妨げるような価電子帯のエネルギー構造を有するＰ型またはＮ型のワイドバンドギャップ半導体材料、またはバンドギャップ内部に多数の再結合準位を内包する材料を用いることにより形成される。具体的には、接合層１８は、リンおよびボロンのうちの少なくとも１つがドーピングされたアモルファスシリコン系材料、アモルファスシリコン系材料に微小なシリコン系結晶成分がドーピングされた微結晶シリコン系材料、または金属酸化物を用いて、プラズマ化学気相成長法、スパッタ法、または蒸着法などによって形成される。アモルファスシリコン系材料としては、例えばアモルファスシリコン、アモルファス酸化シリコン、アモルファス炭化シリコンなどが挙げられる。金属酸化物としては、酸化チタン、酸化錫、酸化亜鉛、酸化マンガン、酸化銅などが挙げられる。接合層１８は、金属酸化物の積層であってもよい。
【００８３】
接合層１８をプラズマ化学気相成長法、スパッタ法、または蒸着法によって形成する場合、接合層１８の成膜レートは数Å／秒程度である。また、接合層１８の膜厚は、キャリアを捕獲して再結合させるために１ｎｍ以上必要である。接合層１８の膜厚が厚すぎると、直列抵抗の増加、および接合層１８において光吸収損失が生じる。従って、接合層１８の膜厚は、第１光電変換層７、第２光電変換層８、および第３光電変換層９の各々におけるＰ型半導体層１１およびＮ型半導体層１３と同程度の約４０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００８４】
以上のことから、本実施の形態３によれば、第２光電変換層８と第３光電変換層９との間に接合層１８を形成しているため、バンドギャップが大きい第３光電変換層９の正孔が、バンドギャップが小さい第２光電変換層８で過剰に留まることを防ぎ、再結合損失を低減することができる。
【００８５】
＜実施の形態４＞
図１３は、本発明の実施の形態４による光電変換モジュール１９の構成の一例を示す断面図である。
【００８６】
図１３に示すように、光電変換モジュール１９は、光電変換素子２０と、支持材２１と、カバー２２とを備えている。光電変換素子２０は、実施の形態１〜３で説明した光電変換素子のいずれかに相当する。
【００８７】
支持材２１は、光電変換素子２０を接地面に対して垂直方向に支持する。支持材２１は、光電変換素子２０を支持し、かつ光電変換モジュール１９を設置箇所に取り付けることが可能な強度を有していればよい。また、例えば図１４に示すように、支持材２１の光電変換素子２０を支持している面上に反射材２３を設けてもよい。反射材２３は、金属板、白色プラスチック、反射コーティング、または白色塗料などで構成することができる。反射材２３を設けることによって、反射材２３に入射した光を反射材２３で反射させて光電変換素子２０に入射させることができる。すなわち、光電変換素子２０に入射する光を増加させることができる。
【００８８】
カバー２２は、光電変換素子２０および支持材２１を保護するために、光電変換素子２０および支持材２１全体を覆うように設けられている。カバー２２は、ガラスまたはプラスチックなどの透光性の材料で構成されている。なお、図１３において、カバー２２の形状は箱型であるが、光電変換モジュールのデザインおよび取扱いの容易さに応じて任意の形状にしてもよい。例えば、カバー２２の形状は、半円形のドーム形状、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状、または球体形状であってもよい。
【００８９】
カバー２２の内部は、中空であってもよいが、これに限るものではない。例えば、カバー２２の内部を、光電変換素子の封止剤に用いるような高分子ポリマーで充填することによって、光電変換モジュールの強度および耐久性を向上させることができる。
【００９０】
光電変換モジュール１９は、例えば図１４に示すように、支持材２１にビアホールなど設け、当該ビアホールを通して光電変換素子２０に接続する取り出し電極２４を設けてもよい。光電変換素子２０が光電変換して得られた電力は、取り出し電極２４を介して外部に取り出される。
【００９１】
図１５は、図１４の上面図である。なお、図１５では、支持材２１の図示を省略している。図１５に示すように、光電変換素子２０の光が入射される面に沿って取り出し電極２４を設けることによって、光電変換モジュール１９の側面から電力を取り出すことができる。また、光電変換モジュール１９の内部、例えば支持材２１上に各種センサ、信号処理のためのＩＣ（Integrated Circuit）、または蓄電素子を設けることも可能である。
【００９２】
以上のことから、本実施の形態４によれば、光電変換素子２０を接地面に対して垂直方向に支持しているため、光電変換素子２０の両面に光を入射させることが可能となる。
【００９３】
なお、上記では、光電変換素子２０を接地面に対して垂直方向に設ける場合について説明した。これは、光電変換素子２０を接地面に対して垂直方向に設けた場合、光電変換素子２０は左右対称となるため、両面への入射光強度が設計しやすいためである。光電変換素子２０を接地面に対して斜め方向に設けることも可能である。
【００９４】
＜実施の形態５＞
図１６は、本発明の実施の形態５による光電変換モジュール２５の構成の一例を示す断面図である。
【００９５】
図１６に示すように、光電変換モジュール２５は、複数の光電変換素子２６，２７を備えることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態４と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００９６】
光電変換素子２６，２７は、実施の形態１〜３で説明した光電変換素子のいずれかに相当する。支持材２１は、各光電変換素子２６，２７を接地面に対して垂直方向に支持する。
【００９７】
光電変換素子２６，２７の各々は、外部の光源からの光に対して互いが影にならないように、十分な間隔を空けて設ける必要がある。これにより、光電変換素子２６，２７の設置面積に対する出力電力を大きくすることができる。なお、図１６では、光電変換素子２６，２７を支持材２１の両端に設けているが、これに限るものではない。光電変換素子２６，２７は、互いが影にならなければどのような位置に設けてもよい。また、光電変換モジュール２５は、３つ以上の光電変換素子を備えてもよい。この場合も、互いが影にならなければどのような位置に設けてもよい。
【００９８】
また、２つの光電変換素子２６，２７を直列に接続すると高電圧の出力を得ることができ、２つの光電変換素子２６，２７を並列に接続すれば高電流の出力を得ることができる。これにより、光電変換モジュール２５の電気的な出力の特性を変更することができる。
【００９９】
以上のことから、本実施の形態５によれば、複数の光電変換素子２６，２７を接地面に対して垂直方向に支持しているため、光電変換素子２０の両面に光を入射させることが可能となる。また、複数の光電変換素子２６，２７を直列に接続する、または並列に接続することによって、光電変換モジュール２５の電気的な出力の特性を変更することが可能となる。
【０１００】
＜実施の形態６＞
図１７は、本発明の実施の形態６による光電変換モジュール２８の構成の一例を示す断面図である。
【０１０１】
図１７に示すように、光電変換モジュール２８は、光電変換素子２９と、ケース３０と、設置基板３１と、反射材２３とを備えている。光電変換素子２９は、実施の形態１〜３で説明した光電変換素子のいずれかに相当する。反射材２３は、実施の形態４で説明した反射材２３に相当する。
【０１０２】
光電変換素子２９は、反射材２３と空間を隔てて平行になるようにケース３０に設けられている。なお、図１７では、光電変換素子２９は反射材２３と平行に設けられているが、これに限るものではない。例えば、特定の方向から入射する光が支配的な場合は、光電変換素子２９を反射材２３と平行にならないように、すなわち傾けて設けてもよい。これにより、光電変換素子２９の両面に入射される光強度を同じにすることができる。
【０１０３】
図１７では、光電変換素子２９がケース３０に直接設けられているが、これに限るものではない。例えば、図１８に示すように、ケース３０の内部において光電変換素子３３を支持体３４で固定する構成であってもよい。図１９は、図１８のＡ１−Ａ２断面図であり、図１８を下から見た図である。図１９に示すように、光電変換素子３３は、四隅を支持体３４で支持されている。なお、支持体３４の数および形状は、光電変換素子３３の大きさおよび形状に応じて適宜に変更することができる。
【０１０４】
以上のことから、本実施の形態６によれば、光電変換素子３３を反射材２３と空間を隔てて平行に設けているため、光電変換素子３３の反射材２３とは反対側の面には光源からの光が入射され、光電変換素子３３の反射材２３側の面には反射材２３で反射した光が入射される。これにより、光電変換素子３３の両面に光を入射させることができる。
【０１０５】
＜実施の形態７＞
図２０は、本発明の実施の形態７による光電変換モジュール３５の構成の一例を示す断面図である。
【０１０６】
図２０に示すように、光電変換モジュール３５は、反射材３９の形状、および光電変換素子３６と反射材３９との関係に特徴を有している。その他の構成は、実施の形態６と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。光電変換素子３６は、実施の形態１〜３で説明した光電変換素子のいずれかに相当する。反射材２３は、実施の形態４で説明した反射材２３に相当する。
【０１０７】
反射材２３は、光電変換素子３６に対して凹状に湾曲しており、反射材２３で反射した光を光電変換素子３６に集光することができる。また、光電変換素子３６の面積は、反射材３９の面積よりも小さい。具体的には、光電変換モジュール３５を上から見たときに、光電変換素子３６の面積Ｓｐｖと、反射材３９の面積Ｓｒｅｆから光電変換素子３６の面積Ｓｐｖを引いた面積Ｓｒｅｆ−Ｓｐｖとがほぼ同じになるように設計すればよい。
【０１０８】
以上のことから、本実施の形態７によれば、反射材２３は光電変換素子３６に対して凹状に湾曲し、光電変換素子３６の面積は反射材３９よりも小さいため、電灯の直下のように擬似的な平行光が入射する環境下、または光源が１つしかないスポットライトのような点光源の光が入射する環境下など、直進光が支配的な場所に光電変換モジュール３５を設置した場合であっても両面に同等の光強度の光を入射させることが可能となる。
【０１０９】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【０１１０】
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【０１１１】
１  光電変換素子、２  透明基板、３  第１透明電極、４  光電変換領域、５  第２透明電極、６  封止剤、７  第１光電変換層、８  第２光電変換層、９  第３光電変換層、１０  光電変換層、１１  Ｐ型半導体層、１２  光吸収層、１３  Ｎ型半導体層、１４  光電変換素子、１５  第４光電変換層、１６  第５光電変換層、１７  光電変換素子、１８  接合層、１９  光電変換モジュール、２０  光電変換素子、２１  支持材、２２  カバー、２３  反射材、２４  取り出し電極、２５  光電変換モジュール、２６，２７  光電変換素子、２８  光電変換モジュール、２９  光電変換素子、３０  ケース、３１  設置基板、３２  光電変換モジュール、３３  光電変換素子、３４  支持体、３５  光電変換モジュール、３６  光電変換素子、３７  ケース、３８  設置基板、３９  反射材、４０  光電変換素子、４１  透明基板、４２  第１透明電極、４３  第１光電変換層、４４  第２光電変換層、４５  第３光電変換層、４６  第２透明電極。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年7月3日(2018.7.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と、
前記透明基板上に形成された第１透明電極と、
前記第１透明電極上に積層して形成された少なくとも３つの光電変換層と、
各前記光電変換層のうちの最上の前記光電変換層上に形成された第２透明電極と、
を備え、
各前記光電変換層は、光吸収層を有し、
前記第１透明電極および前記第２透明電極に接しない前記光電変換層の前記光吸収層は、前記第１透明電極に接する前記光電変換層の前記光吸収層、および前記第２透明電極に接する前記光電変換層の前記光吸収層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
各前記光電変換層の積層方向の中心に位置する前記光電変換層の前記光吸収層は、各前記光電変換層の前記光吸収層のうちで最もバンドギャップが小さく、
各前記光電変換層の前記光吸収層のバンドギャップは、各前記光電変換層の積層方向の中心に位置する前記光電変換層から、前記第１透明電極に接する前記光電変換層、および前記第２透明電極に接する前記光電変換層の各々に向かって対称的に大きくなっていることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
各前記光電変換層は、Ｐ型半導体層と、前記Ｐ型半導体層上に形成された前記光吸収層と、前記光吸収層上に形成されたＮ型半導体層とを有し、
隣り合う２つの前記光電変換層間であって、前記光吸収層のバンドギャップが小さい方の前記光電変換層の前記Ｎ型半導体層と、前記光吸収層の前記バンドギャップが大きい方の前記光電変換層の前記Ｐ型半導体層との間にのみ接合層をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記接合層は、リンおよびボロンのうちの少なくとも１つがドーピングされたアモルファスシリコン系材料、アモルファスシリコン系材料に微小なシリコン系結晶成分がドーピングされた微結晶シリコン系材料、酸化チタン、酸化錫、酸化亜鉛、酸化マンガン、および酸化銅のうちのいずれか１つからなることを特徴とする、請求項３に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記接合層の膜厚は、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３または４に記載の光電変換素子。
【請求項６】
各前記光電変換層は、アモルファスシリコン、アモルファス酸化シリコン、アモルファス炭化シリコン、アモルファス窒化シリコン、アモルファスゲルマニウム、多結晶シリコン、および微結晶シリコンのうちのいずれか１つからなることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記第１透明電極および前記第２透明電極に接しない前記光電変換層の前記光吸収層は、アモルファスシリコンからなり、
前記第１透明電極に接する前記光電変換層の前記光吸収層、および前記第２透明電極に接する前記光電変換層の前記光吸収層は、バンドギャップが１．７ｅＶ〜２．０５ｅＶであるアモルファスシリコン系材料からなることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記第１透明電極および前記第２透明電極に接しない前記光電変換層の前記光吸収層は、アモルファスシリコンからなり、
前記第１透明電極に接する前記光電変換層の前記光吸収層、および前記第２透明電極に接する前記光電変換層の前記光吸収層は、膜厚が１００ｎｍ〜４００ｎｍであるアモルファス炭化シリコンまたはアモルファス酸化シリコンからなることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記光吸収層は、真性半導体であり、
各前記光電変換層で得られた電流は、前記第１透明電極および前記第２透明電極のみから取り出されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の光電変換素子と、
前記光電変換素子を接地面に対して垂直方向に支持する支持材と、
を備える、光電変換モジュール。
【請求項１１】
前記光電変換素子は複数あり、
前記支持材は、各光電変換素子を接地面に対して垂直方向に支持することを特徴とする、請求項１０に記載の光電変換モジュール。
【請求項１２】
請求項１から９のいずれか１項に記載の光電変換素子と、
前記光電変換素子と空間を隔てて平行に設けられた反射材と、
を備える、光電変換モジュール。
【請求項１３】
前記反射材は、前記光電変換素子に対して凹状に湾曲し、
前記光電変換素子の面積は、前記反射材の面積よりも小さいことを特徴とする、請求項１２に記載の光電変換モジュール。
【国際調査報告】
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