(57)【要約】【課題】光電変換素子を提供する。【解決手段】第１基板と、第１基板と対向して配置される第２基板と、第１基板と第２基板との間に配置され、第１グリッド電極を備える第１電極と、を備え、第１グリッド電極のピッチＰに対する第１グリッド電極の線幅Ｗの第１比率Ｗ／Ｐは、光電変換素子の光電変換効率によって設計される光電変換素子である。これにより、効率の改善のための集電電極の設計仕様が提示され、高効率の光電変換素子が提供される。【選択図】図１
2011082163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と、
前記第１基板と対向して配置される第２基板と、
前記第１基板と第２基板との間に配置され、第１グリッド電極を備える第１電極と、を備え、
前記第１グリッド電極のピッチＰに対する第１グリッド電極の線幅Ｗの第１比率Ｗ／Ｐは、光電変換素子の光電変換効率によって設計されることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記第１グリッド電極は、複数の第１フィンガー電極を備え、
前記第１グリッド電極の線幅Ｗは、各第１フィンガー電極の線幅であり、
前記第１グリッド電極のピッチＰは、隣接した第１フィンガー電極間の距離であ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】
前記光電変換効率のηは、以下のように定義されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子；
η＝１００×（Ｖｏｃ×Ｊｓｃ×ＦＦ）／Ｐｏ
ここで、Ｖｏｃは開放電圧（Ｖ）、Ｊｓｃは短絡電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）、ＦＦはフィルファクタ、Ｐｏは入射光の強度（ｍＷ／ｃｍ２）を表す。
【請求項４】
前記第１比率Ｗ／Ｐは、少なくとも０．０１２５以上であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子（Ｗ／Ｐ≧０．０１２５）。
【請求項５】
前記線幅Ｗは、少なくとも０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子（Ｗ≧０．５ｍｍ）。
【請求項６】
前記第１比率Ｗ／Ｐは、少なくとも０．００９以上であり、最大０．１以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子（０．００９≦Ｗ／Ｐ≦０．１）。
【請求項７】
前記第１比率Ｗ／Ｐは、最大０．０６２５以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子（Ｗ／Ｐ≦０．０６２５）。
【請求項８】
前記第１比率Ｗ／Ｐは、少なくとも０．０１２５以上であり、最大０．０６２５以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子（０．０１２５≦Ｗ／Ｐ≦０．０６２５）。
【請求項９】
前記第１電極と第２基板との間の第２電極をさらに備え、
前記第２電極は、第２グリッド電極を備え、
前記第２グリッド電極のピッチＰ´に対する第２グリッド電極の線幅Ｗ´の第２比率Ｗ´／Ｐ´は、光電変換素子の光電変換効率によって設計され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１０】
前記第２グリッド電極の線幅Ｗ´は、少なくとも０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項９に記載の光電変換素子（Ｗ´≧０．５ｍｍ）。
【請求項１１】
前記第２比率Ｗ´／Ｐ´は、少なくとも０．００９以上であり、最大０．１以下であることを特徴とする請求項９に記載の光電変換素子（０．００９≦Ｗ´／Ｐ´≦０．１）。
【請求項１２】
前記第２比率Ｗ´／Ｐ´は、最大０．０６２５以下であることを特徴とする請求項９に記載の光電変換素子（Ｗ´／Ｐ´≦０．０６２５）。
【請求項１３】
前記第２グリッド電極は、複数の第２フィンガー電極を備え、
前記第２グリッド電極の線幅Ｗ´は、各第２フィンガー電極の線幅であり、
前記第２グリッド電極のピッチＰ´は、隣接した第２フィンガー電極間の距離であることを特徴とする請求項９に記載の光電変換素子。
【請求項１４】
前記第１電極と第２電極との間の半導体層をさらに備え、
前記半導体層は、感光性染料を含むことを特徴とする請求項１３に記載の光電変換素子。
【請求項１５】
前記第１電極上の半導体層をさらに備え、
前記半導体層は、感光性染料を含む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１６】
前記第１電極は、前記第１基板と第１グリッド電極との間の透明導電層をさらに備え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１７】
前記第１グリッド電極は、金属素材を含む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１８】
第１基板と、
前記第１基板と対向する第２基板と、
前記第１基板と第２基板との間に配置され、第１グリッド電極を備える第１電極と、
前記第１基板と第２基板との間に配置され、第２グリッド電極を備える第２電極と、を備え、
前記第１グリッド電極のピッチＰに対する第１グリッド電極の線幅Ｗの第１比率Ｗ／Ｐ、及び前記第２グリッド電極のピッチＰ´に対する第２グリッド電極の線幅Ｗ´の第２比率Ｗ´／Ｐ´は、光電変換素子の光電変換効率によって設計されることを特徴とする光電変換素子。
【請求項１９】
前記第１比率Ｗ／Ｐ及び第２比率Ｗ´／Ｐ´のうち少なくとも一つは、少なくとも０．００９以上であり、最大０．１以下であることを特徴とする請求項１８に記載の光電変換素子（０．００９≦Ｗ／Ｐ，Ｗ´／Ｐ´≦０．１）。
【請求項２０】
前記第１比率Ｗ／Ｐ及び第２比率Ｗ´／Ｐ´のうち少なくとも一つは、最大０．０６２５以下であることを特徴とする請求項１８に記載の光電変換素子（Ｗ／Ｐ，Ｗ´／Ｐ´≦０．０６２５）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子に係り、集電電極の設計を通じて発電効率が改善される光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、化石燃料を代替するエネルギーの源泉として、光エネルギーを電気エネルギーに変化する光電変換素子について多様な研究が進められており、太陽光を利用する太陽電池が多く注目されている。
【０００３】
多様な駆動原理を有する太陽電池についての研究が進められているが、そのうち、半導体のｐｎ接合を利用するウェーハ形態のシリコンまたは結晶質の太陽電池は、最も多く普及されているが、高純度の半導体材料を形成及び取り扱うという工程の特性上、製造コストが高いという問題がある。
【０００４】
シリコン太陽電池と異なり、染料感応型の太陽電池は、可視光線の波長を有する光が入射すれば、それを受けて励起電子を生成できる感光性染料、励起された電子を受け入れる半導体物質、及び外部回路から戻る電子と反応する電解質を主な構成とし、従来の太陽電池に比べて飛躍的に高い光電変換効率を有するので、次世代の太陽電池として期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、効率の改善のための集電電極の設計仕様を提案することによって、高効率の光電変換素子を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的及びその他の目的を達成するための本発明の光電変換素子は、第１基板と、前記第１基板と対向して配置される第２基板と、前記第１基板と第２基板との間に配置され、第１グリッド電極を備える第１電極と、を備え、前記第１グリッド電極のピッチＰに対する第１グリッド電極の線幅Ｗの第１比率Ｗ／Ｐは、光電変換素子の光電変換効率によって設計されることを特徴とする。
【０００７】
例えば、前記第１グリッド電極は、複数の第１フィンガー電極を備え、前記第１グリッド電極の線幅Ｗは、各第１フィンガー電極の線幅であり、前記第１グリッド電極のピッチＰは、隣接した第１フィンガー電極間の距離である。
例えば、前記光電変換効率ηは、以下のように定義される。
η＝１００×（Ｖｏｃ×Ｊｓｃ×ＦＦ）／Ｐｏ
ここで、Ｖｏｃは開放電圧（Ｖ）、Ｊｓｃは短絡電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）、ＦＦはフィルファクタ、Ｐｏは入射光の強度（ｍＷ／ｃｍ２）を表す。
例えば、前記第１比率Ｗ／Ｐは、少なくとも０．０１２５以上（Ｗ／Ｐ≧０．０１２５）である。
例えば、前記線幅Ｗは、少なくとも０．５ｍｍ以上（Ｗ≧０．５ｍｍ）である。
例えば、前記第１比率Ｗ／Ｐは、少なくとも０．００９以上であり、最大０．１以下（０．００９≦Ｗ／Ｐ≦０．１）である。
例えば、前記第１比率Ｗ／Ｐは、最大０．０６２５以下（Ｗ／Ｐ≦０．０６２５）である。
例えば、前記第１比率Ｗ／Ｐは、少なくとも０．０１２５以上であり、最大０．０６２５以下（０．０１２５≦Ｗ／Ｐ≦０．０６２５）である。
【０００８】
一実施形態による光電変換素子は、前記第１電極と第２基板との間の第２電極をさらに備え、前記第２電極は、第２グリッド電極を備え、前記第２グリッド電極のピッチＰ´に対する第２グリッド電極の線幅Ｗ´の第２比率Ｗ´／Ｐ´は、光電変換素子の光電変換効率によって設計される。
【０００９】
例えば、前記第２グリッド電極の線幅Ｗ´は、少なくとも０．５ｍｍ以上（Ｗ´≧０．５ｍｍ）である。
例えば、前記第２比率Ｗ´／Ｐ´は、少なくとも０．００９以上であり、最大０．１以下（０．００９≦Ｗ´／Ｐ´≦０．１）である。
例えば、前記第２比率Ｗ´／Ｐ´は、最大０．０６２５以下（Ｗ´／Ｐ´≦０．０６２５）である。
【００１０】
一実施形態による光電変換素子は、前記第２グリッド電極は、複数の第２フィンガー電極をさらに備え、前記第２グリッド電極の線幅Ｗ´は、各第２フィンガー電極の線幅であり、前記第２グリッド電極のピッチＰ´は、隣接した第２フィンガー電極間の距離である。
一実施形態による光電変換素子は、前記第１電極と第２電極との間の半導体層をさらに備え、前記半導体層は、感光性染料を含む。
一実施形態による光電変換素子は、前記第１電極上の半導体層をさらに備え、前記半導体層は、感光性染料を含む。
例えば、前記第１電極は、前記第１基板と第１グリッド電極との間の透明導電層をさらに備える。
例えば、前記第１グリッド電極は、金属素材を含む。
【００１１】
本発明の他の側面による光電変換素子は、第１基板と、前記第１基板と対向する第２基板と、前記第１基板と第２基板との間に配置され、第１グリッド電極を備える第１電極と、前記第１基板と第２基板との間に配置され、第２グリッド電極を備える第２電極と、を備え、前記第１グリッド電極のピッチＰに対する第１グリッド電極の線幅Ｗの第１比率Ｗ／Ｐ、及び前記第２グリッド電極のピッチＰ´に対する第２グリッド電極の線幅Ｗ´の第２比率Ｗ´／Ｐ´は、光電変換素子の光電変換効率によって設計されることを特徴とする。
一実施形態において、前記第１比率Ｗ／Ｐ及び第２比率Ｗ´／Ｐ´のうち少なくとも一つは、少なくとも０．００９以上であり、最大０．１以下（０．００９≦Ｗ／Ｐ，Ｗ´／Ｐ´≦０．１）である。
一実施形態において、前記第１比率Ｗ／Ｐ及び第２比率Ｗ´／Ｐ´のうち少なくとも一つは、最大０．０６２５以下（Ｗ／Ｐ，Ｗ´／Ｐ´≦０．０６２５）である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光電変換効率の改善のための集電電極の設計仕様が提供され、これによって、基板抵抗及び基板開口率と直結されるグリッド電極の形状及び配置設計が最適化される。すなわち、グリッド電極の線幅及び電極ピッチが互いに関連した新たな設計変数を提案し、高い発電特性が獲得される設計範囲を提示することによって、高効率の光電変換素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による光電変換素子の断面構造を示す図面である。
【図２】図１に示した光電極の例示的な電極パターンを示す図面である。
【図３】図２に示した光電極のモデリングを説明するための図面である。
【図４】光電極モデルから一つの等価抵抗が演算される過程を説明するための図面である。
【図５】グリッド電極の線幅Ｗによる等価抵抗の変化を示す図面である。
【図６】グリッド電極の線幅Ｗと電極ピッチＰとの相対的な比率Ｗ／Ｐによって、基板の開口率が変化する様相を示す図面である。
【図７】グリッド電極の線幅Ｗと電極ピッチＰとの相対的な比率Ｗ／Ｐによって、光電変換効率が変化する様相を示す図面である。
【図８】本発明の他の実施形態による光電変換素子の断面構造を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態による光電変換素子について説明する。図１には、本発明の一実施形態による光電変換素子の断面構造が示されている。図１を参照すれば、光電極１１３が形成された受光面基板１１０と、相対電極１２３が形成された相対基板１２０とが互いに対向して配置され、前記光電極１１３上には、光ＶＬにより励起される感光性染料を吸着した半導体層１１８が形成され、前記半導体層１１８と相対電極１２３との間には、電解質層１５０が介在される。
【００１５】
前記受光面基板１１０及び相対基板１２０は、封止材１３０を介在して所定の間隙をおいて合着され、受光面基板１１０と相対基板１２０との間には、電解質層１５０を構成する電解液が充填される。前記光電極１１３及び相対電極１２３は、導線１６０を利用して接続され、外部回路１８０を通じて電気的に連結される。ただし、複数の光電変換素子が直列／並列に接続されてモジュール化される構成では、光電変換素子の電極１１３，１２３が直列接続または並列接続され、接続部の両端が外部回路１８０と連結される。
【００１６】
前記受光面基板１１０は、透明素材で形成され、高い光透過率を有する素材で形成されることが望ましい。例えば、前記受光面基板１１０は、ガラス素材のガラス基板や樹脂フィルムで構成される。樹脂フィルムは、通常、可撓性を有するため、柔軟性が要求される用途に適している。
【００１７】
前記光電極１１３は、透明導電膜１１１と、透明導電膜１１１上に形成されたメッシュパターンのグリッド電極１１２とを備える。前記透明導電膜１１１は、透明性と電気伝導性とを兼ね備えた素材で形成され、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ），ＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ），ＡＴＯ（Ａｎｔｉｍｏｎｙ−ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などのＴＣＯ（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｏｘｉｄｅ）で形成される。前記グリッド電極１１２は、光電極１１３の電気抵抗を低めるために導入されたものであり、光電変換作用によって生成された電子を受け取って、低抵抗の電流パスを提供する集電用配線として機能する。例えば、前記グリッド電極１１２は、電気伝導性に優れた金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属素材で形成され、メッシュ状にパターン化される。
【００１８】
前記光電極１１３は、光電変換素子の負極として機能し、高い開口率を有することが望ましい。光電極１１３を通じて入射された光ＶＬは、半導体層１１８に吸着された感光性染料の励起源として作用するので、許容される多くの光ＶＬを入射させることによって、光電変換効率を向上させることができる。例えば、前記開口率は、光電極１１３が被着された基板面積のうち、有効に光が入射される入射領域が占める比率を表す。通常、グリッド電極１１２は、金属素材のような不透明な素材で形成されるので、グリッド電極１１２が占有する面積ほど開口率が低くなり、グリッド電極１１２の線幅Ｗは、光ＶＬの入射領域を制限するものであるので、幅が狭く形成されることが望ましい。ただし、前記グリッド電極１１２は、光電極１１３の電気抵抗を低めるための目的で導入されたものであるので、例えば、電極１１２の線幅Ｗを制限することによって発生する抵抗値の増加を相殺するように、ピッチＰ（隣接した電極との間隔に該当）をそれほどに狭く設計できる。
【００１９】
前記グリッド電極１１２の外表面には、保護層１１５がさらに形成される。前記保護層１１５は、グリッド電極１１２が電解質層１５０と接触して反応することによって、グリッド電極１１２が腐食されるなど、電極損傷が起こることを防止する機能を行う。前記保護層１１５は、電解質層１５０と反応しない物質で構成され、例えば、硬化性の樹脂物質で構成される。
【００２０】
前記半導体層１１８自体は、従来の光電変換素子として使われた半導体素材を利用して形成され、例えば、Ｃｄ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｐｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ａｇ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｓｉ，Ｃｒなどの金属酸化物で形成される。前記半導体層１１８は、感光性染料を吸着することによって、光電変換効率を向上させることができる。例えば、前記半導体層１１８は、５ｎｍないし１０００ｎｍの粒径の半導体粒子を分散させたペーストを電極１１３が形成された基板１１０上に塗布した後、所定の熱または圧力を適用する加熱処理または加圧処理を経て形成される。
【００２１】
前記半導体層１１８に吸着された感光性染料は、受光面基板１１０を透過して入射された光ＶＬを吸収し、感光性染料の電子は、基底状態から励起状態に励起される。励起された電子は、感光性染料と半導体層１１８との電気的な結合を利用して、半導体層１１８の伝導帯に転移された後、半導体層１１８を通過して光電極１１３に到達し、光電極１１３を通じて外部に引き出されることによって、外部回路１８０を駆動する駆動電流を形成する。
【００２２】
例えば、前記半導体層１１８に吸着される感光性染料は、可視光帯域で吸収を示し、光励起状態から迅速に半導体層１１８への電子移動を惹起する分子で構成される。前記感光性染料は、液状、半固体のゲル状、固状のうちいずれか一つの形態を取ることができる。例えば、前記半導体層１１８に吸着される感光性染料としては、ルテニウム系の感光性染料が使われる。所定の感光性染料を含む溶液中に半導体層１１８が形成された基板１１０を浸漬させる方式で、感光性染料を吸着した半導体層１１８が得られる。
前記電解質層１５０としては、一対の酸化体と還元体とを含むレドックス電解質が適用され、固状電解質、ゲル状電解質、液状電解質などがいずれも使われる。
【００２３】
一方、受光面基板１１０と対向して配置される相対基板１２０は、透明性を特に要求しないが、光電変換効率を向上させるための目的で、両側から光ＶＬを受けることができるように透明素材で形成され、受光面基板１１０と同じ素材で形成される。特に、前記光電変換素子が窓枠の構造物に設置されるＢＩＰＶ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）用途で活用される場合には、室内に流入される光ＶＬを遮断しないように、光電変換素子の両側に透明性を有することが望ましい。
【００２４】
前記相対電極１２３は、透明導電膜１２１と、前記透明導電膜１２１上に形成された触媒層１２２とを備える。前記透明導電膜１２１は、透明性と電気伝導性とを兼ね備えた素材で形成され、例えば、ＩＴＯ，ＦＴＯ，ＡＴＯなどのＴＣＯで形成される。前記触媒層１２２は、電解質層１５０に電子を提供する還元触媒機能を有する素材で形成され、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｇ）、銀（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属や、酸化スズなどの金属酸化物、またはそのグラファイトなどのカーボン系物質で構成される。
【００２５】
前記相対電極１２３は、光電変換素子の正極として機能し、電解質層１５０に電子を提供する還元触媒の機能を行う。半導体層１１８に吸着された感光性染料は、光ＶＬを吸収して励起され、励起された電子は、光電極１１３を通じて外部に引き出される。一方、電子を失った感光性染料は、電解質層１５０の酸化により提供される電子を受け取って再び還元され、酸化された電解質層１５０は、外部回路１８０を経て相対電極１２３に到達した電子により再び還元されて、光電変換素子の作動過程が完成される。
【００２６】
図２は、光電極１１３が形成された受光面基板１１０の平面図である。図２に示したように、透明導電膜１１１上には、所定の形状にパターン化されたグリッド電極１１２が形成されている。前記グリッド電極１１２は、一方向Ｚ１に沿ってストライプパターンに平行に延びるフィンガー電極１１２ａと、前記フィンガー電極１１２ａを横切る方向Ｚ２に延び、フィンガー電極１１２ａから電子を集めて外部に引き出すバスバー１１２ｂとを備える。一方、Ｐ，Ｗは、グリッド電極１１２のピッチ及び線幅を表す。例えば、グリッド電極１１２の線幅Ｗは、各フィンガー電極１１２の線幅と定義され、グリッド電極１１２のピッチＰは、隣接したフィンガー電極１１２ａ間の距離と定義される。
【００２７】
図３には、光電極１１３の電気的特性を解析するためのモデルが示されている。図３を参照すれば、前記光電極１１３は、格子上の電流パスＭと、電流パスＭ上の抵抗素子ＩＴＯ，Ａｇとでモデリングされた。前記電流パスＭは、光電変換作用で生成された電子が透明導電膜１１１を経由してグリッド電極１１２に沿って移動する電流経路を形象化したものであって、ストライプパターンのグリッド電極１１２と、グリッド電極１１２間の透明導電膜１１１とを導線網で単純化させたものである。前記抵抗素子ＩＴＯ，Ａｇは、透明導電膜１１１及びグリッド電極１１２の抵抗成分を表し、例えば、各抵抗素子ＩＴＯ，Ａｇは、透明導電膜１１１に該当するＩＴＯの非抵抗値と、グリッド電極１１２に該当するＡｇの非抵抗値とを有する。グリッド電極１１２の電極ピッチＰ及び電極線幅Ｗによって、非抵抗値との乗算により抵抗素子ＩＴＯ，Ａｇの電気抵抗が計算される。例えば、電極ピッチＰの増減によって、透明導電膜１１１を形象化した抵抗素子ＩＴＯの長さが変化するとモデリングされ、非抵抗値との乗算により電気抵抗が変わる。また、電極線幅Ｗの増減によって、グリッド電極１１２を形象化した抵抗素子Ａｇの幅が変化するとモデリングされ、非抵抗値との乗算により電気抵抗が変わる。
【００２８】
本解析では、一定の基板面積１００ｍｍ×１００ｍｍに対して、グリッド電極１１２の電極ピッチＰ及び線幅Ｗを変化させつつ光電極１１３の等価抵抗を計算し、グリッド電極１１２の厚さは、一定の値に固定した。図４は、所定の条件によって完成された光電極のモデルを例示的に示し、数値的な演算を通じて一つの等価抵抗が求められる。例えば、図４の光電極モデルをＯｒＣＡＤ−ＰＳｐｉｃｅに入力し、一つのノードにＶｄｃ＝１Ｖを接続し、光電極モデルと接地との間に外部負荷抵抗Ｒ＝１Ωを連結させた後、演算を行って得られた電流値から光電極１１３の等価抵抗が得られる。
【００２９】
図５は、グリッド電極１１２の線幅Ｗによって、光電極１１３の等価抵抗が変化する様相を示したプロファイルである。各プロファイルにおいて、グリッド電極１１２の電極ピッチＰは、４ｍｍ、８ｍｍ及び１１．３ｍｍと一定である。図５を参照すれば、グリッド電極１１２の線幅Ｗが増加するにつれて、等価抵抗は減少する傾向を見せ、特に、線幅０．５ｍｍ以下で等価抵抗は急激な増加を見せる。したがって、前記線幅は、少なくとも０．５ｍｍ以上に設計されることが望ましい。
【００３０】
図５の解析結果から、光電極１１３の電気抵抗を減らし、集電効率を向上させるためには、グリッド電極１１２の線幅Ｗを広げることが有利であるということが分かる。一方、受光面基板１１０の開口率を増加させ、有効に光が入射される入射領域を広げるためには、不透明なグリッド電極１１２の線幅Ｗをできる限り狭めることが有利である。グリッド電極１１２の線幅Ｗによる利益と不利益を互いに折衝して光電変換効率が極大化されるように、グリッド電極１１２の線幅Ｗを最適化させることが望ましい。
【００３１】
一方、グリッド電極１１２の設計は、受光面基板１１０の開口率に直接的に影響を与え、特に、一定の基板面積に対して、グリッド電極１１２のピッチＰ及び線幅Ｗは、開口率を決定づける要素となる。図６は、グリッド電極１１２の線幅ＷとピッチＰとの相対的な比率Ｗ／Ｐを新たな設計変数に設定し、一定の基板面積に対して、Ｗ／Ｐ比率による開口率の変化を測定した結果である。
【００３２】
図６を参照すれば、グリッド電極１１２の線幅Ｗと電極ピッチＰとの相対的な比率Ｗ／Ｐによって、受光面基板１１０の開口率は増減する。すなわち、Ｗ／Ｐ比率が減少するにつれて開口率は増加し、Ｗ／Ｐ比率が増加するにつれて開口率は減少する。換言すれば、グリッド電極１１２の線幅Ｗが狭くなるにつれて、そして、電極ピッチＰが広い間隔に形成されるにつれて、基板の開口率は増加する。逆に、グリッド電極１１２の線幅Ｗが広くなるにつれて、そして、電極ピッチＰが稠密な間隔に形成されるにつれて、開口率は減少する。特に、Ｗ／Ｐ＝０．０６２５付近で基板の開口率は急激な減少を見せるので、Ｗ／Ｐ比率は、０．０６２５以下に制限することが望ましい。
【００３３】
図７は、グリッド電極の線幅Ｗと電極ピッチＰとの相対的な比率Ｗ／Ｐによって、光電変換効率ηが変化する様相を示す図面である。ここで、光電変換効率ηは、光電変換素子に対する入力としての入射光強度Ｐｏ（ｍＷ／ｃｍ２）、光電変換素子の電気的な出力特性を表す開放電圧Ｖｏｃ（Ｖ）、短絡電流密度Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ２）、及びフィルファクタＦＦから、以下の数式１により計算される。
【００３４】
【数１】
2011082163.tif 000003
【００３５】
η＝１００×（Ｖｏｃ×Ｊｓｃ×ＦＦ）／Ｐｏ
ここで、Ｖｏｃは開放電圧（Ｖ）、Ｊｓｃは短絡電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）、ＦＦはフィルファクタ、Ｐｏは入射光の強度（ｍＷ／ｃｍ２）を表す。
【００３６】
図７を参照すれば、グリッド電極１１２の線幅Ｗと電極ピッチＰとの相対的な比率Ｗ／Ｐによって、光電変換効率は増減する。さらに具体的に、光電変換効率は、Ｗ／Ｐ＝０．０１２５で約４．７％の最大値を見せ、これを頂点としてＷ／Ｐ軸に沿って減少する傾向を見せる。まず、Ｗ／Ｐ＝０．０１２５以上では、Ｗ／Ｐ比率が増加するにつれて、光電変換効率が低下する傾向を見せるが、かかる様相は、図６に示した開口率のプロファイルと類似している。これは、基板の開口率が光電変換効率に直接的に反映された結果であって、光電変換効率が開口率の変化を追従するためであると分析される。特に、光電変換効率は、Ｗ／Ｐ＝０．０６２５付近で急激な減少を見せるので、Ｗ／Ｐ比率は、０．０６２５以下に制限することが望ましい。
【００３７】
一方、Ｗ／Ｐ＝０．０１２５以下の領域では、Ｗ／Ｐ比率が減少するにつれて、光電変換効率が急激に低下する傾向を見せる。これは、Ｗ／Ｐ比率が適正レベルより小さくなれば、光電極の電気抵抗が増加して、光電変換効率を制限するためである。すなわち、Ｗ／Ｐ比率が小さいということは、グリッド電極１１２の線幅Ｗは狭く形成される一方、電極ピッチＰは、広い間隔に形成されることを意味するので、グリッド電極１１２の電極面積が縮小し、電気抵抗が増加する。したがって、Ｗ／Ｐ比率は、少なくとも０．０１２５以上に制限することが望ましい。
【００３８】
結論的に、グリッド電極１１２の線幅Ｗと電極ピッチＰとの相対的な比率Ｗ／Ｐは、０．０１２５≦Ｗ／Ｐ≦０．０６２５の範囲内で設計されることが望ましい。Ｗ／Ｐ比率が上限（０．０６２５）を外れて過度に増加すれば、開口率が制限要素として作用して光電変換効率が低下し、Ｗ／Ｐ比率が前記下限（０．０１２５）より小さく設計されれば、光電極の電気抵抗が制限要素として作用して光電変換効率が低下する。
【００３９】
図７に示した光電変換効率の変化様相を参照するとき、光電変換効率は、少なくとも４．４％以上に設計されることが望ましい。したがって、光電変換効率が４．４％以上となるように、グリッド電極１１２の線幅Ｗとグリッド電極１１２のピッチＰとの相対的な比率Ｗ／Ｐは、０．００９≦Ｗ／Ｐ≦０．０６２５に設計されることが望ましい。
【００４０】
図８には、本発明の他の実施形態による光電変換素子の断面構造が示されている。図８を参照すれば、光入射方向から光電極１１３が形成された受光面基板１１０、感光性染料を吸着した半導体層１１８、電解質層１５０、及び相対電極２２３が形成された相対基板２２０が順次に配置される。前記光電極１１３は、透明導電膜１１１と、透明導電膜１１１上に形成されたメッシュパターンのグリッド電極１１２とを備える。前記光電極１１３と対向して配置される相対電極２２３は、透明導電膜２２１、前記透明導電膜２２１上に形成された触媒層２２２、及び前記触媒層２２２上に形成されたメッシュパターンのグリッド電極２２４を備える。
【００４１】
本実施形態では、光電極１１３だけでなく、相対電極２２３にもグリッド電極２２４が形成されるという点で、図１の実施形態と構造的に異なる。前記グリッド電極２２４は、相対電極２２３の電気抵抗を低めるために導入されたものであって、外部回路１８０を経て相対電極２２３に到達した電子を受け取って、電解質層１５０に供給するための低抵抗の電流パスを提供する。例えば、前記グリッド電極２２４は、電気伝導性に優れた金（Ａｇ）、銀（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属素材で形成され、メッシュ状にパターン化される。
【００４２】
前記グリッド電極２２４の外表面には、保護層２２５がさらに形成される。前記保護層２２５は、グリッド電極２２４が電解質層１５０と接触して反応することによって、グリッド電極２２４が腐食されるなど、電極損傷が起こることを防止する機能を行う。前記保護層２２５は、電解質層１５０と反応しない物質で構成され、例えば、硬化性の樹脂物質で構成される。
【００４３】
一方、図５ないし図７に示した光電極の電気的特性、開口率及び光電変換効率に関する技術的事項は、本実施形態の光電極１１３に対してはもちろん、相対電極２２３に対しても同一に適用される。すなわち、図５ないし図７及びそれらを参照して説明された技術的事項は、光電変換効率を改善するための相対電極２２３の設計仕様を提供し、これによって、相対電極２２３に編成されたグリッド電極２２４の電極ピッチＰ´と線幅Ｗ´とを最適化させることができる。
【００４４】
本発明は、添付された図面に示した実施形態を参考にして説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、光電変換素子関連の技術分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１１０  受光面基板
１１１，１２１  透明導電膜
１１２，２２４  グリッド電極
１１２ａ  フィンガー電極
１１２ｂ  バスバー
１１３  光電極
１１５，２２５  保護層
１１８  半導体層
１２０  相対基板
１２２  触媒層
１２３  相対電極
１３０  封止材
１５０  電解質層
１６０  導線
１８０  外部回路
Ｗ  グリッド電極の線幅
Ｐ  グリッド電極のピッチ
Ｍ  電流パス
ＩＴＯ，Ａｇ  抵抗素子
【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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