(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λを有する光の成分に反応する光電吸収体であって、色素増感光電極及び有機吸収体からなる群より選択された光電吸収体を含む電池と、
第１極性の第１電極と、
第２極性の第２電極と、
垂直入射光の一次成分を前記吸収体に結びつけるための第１の回折格子と
を含み、前記第１の回折格子が、
前記第１電極と第１の界面で接触する第１の光透過性基材と、
前記第１の界面に位置する周期的に配置された格子素子であって、２よりも大きい屈折率を有する格子材料から構成され、かつ０．８４λ〜０．９０λの周期及び０．５９λ〜０．６９λの高さを有する格子素子と
を含み、λが４５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内にある、太陽電池組立体。
【請求項２】
前記格子材料が二酸化チタン（ＴｉＯ2）、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）及び五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）のいずれかである、請求項１に記載の太陽電池組立体。
【請求項３】
前記第１及び第２電極がフッ素をドープした二酸化スズ（ＳｎＯ2：Ｆ）から作成される、請求項１に記載の太陽電池組立体。
【請求項４】
前記電池が電解質を含む、請求項１に記載の太陽電池組立体。
【請求項５】
前記格子材料がＴｉＯ2である、請求項２に記載の太陽電池組立体。
【請求項６】
非偏光の光がまず入射する前記第１の光透過性基材の表面が反射防止特性を作り出すよう改質されている、請求項１に記載の太陽電池組立体。
【請求項７】
前記改質が前記第１の回折格子の周期よりも短い周期を有する反射防止の格子を含む、請求項６に記載の太陽電池組立体。
【請求項８】
前記格子の回折特性が、６５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲において少なくとも２の光学経路の増大を達成するようなものである、請求項１に記載の太陽電池組立体。
【請求項９】
第２の光透過性基材と、周期的に配置された誘電体の格子素子とを含む第２の回折格子であって、前記第２の回折格子の格子素子が前記第１の回折格子の格子素子と同じ周期及び高さを有する第２の回折格子をさらに含み、
前記第２の回折格子の前記誘電体の格子素子が前記第２の光透過性基材と前記第２電極の界面に位置し、前記第２の回折格子の格子素子が前記第１の回折格子の格子素子に対して周期が４分の１だけ横方向にシフトされた、請求項１に記載の太陽電池組立体。
【請求項１０】
前記光電吸収体が色素増感光吸収体である、請求項１に記載の太陽電池組立体。
【請求項１１】
λが７５０ｎｍである、請求項１に記載の太陽電池組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池、より詳しくは回折格子を用いて吸収体を横切る斜めの一次回折モード成分を作り、それによって電池の効率を高める色素増感又は有機吸収体タイプの太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々のタイプの太陽電池が非偏光の太陽光を電気エネルギーに変換するために開発されている。太陽電池の研究における主要な目的は効率の向上と製造コストの低減である。色素増感光電極及び／又は有機吸収体を用いた太陽電池は、従来の結晶シリコン太陽電池よりも製造費用が非常に安い。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の第１の態様は、太陽電池技術と回折格子技術の組み合わせによる効率の改善された太陽電池組立体である。本明細書においてさらに記載されるように、太陽電池は、色素増感又は有機タイプのものであることができ、回折格子は、光電池の両側の一方又は両方の電極層に結合されたガラス又は他の光透過性材料の１つ又は複数の基材の形態を採用することができ、電極の境界部に透過性材料の表面に組み込まれたＴｉＯ2などの回折格子材料のパターンを示す。格子は、普通（垂直）の入射光の一次回折成分のみを結びつけるよう構築される。
【０００４】
本発明の第２の態様によれば、その完全な開示が参照により本明細書に含められるヒデオ・イズミ及びＮａｄｅｒ  Ｅｎｇｈｅｔａによって２０１０年１月２５日に出願された米国特許出願第１２／６９２，６８８号の同時係属出願において記載されている両側回折格子技術と太陽電池技術を有利に組み合わせることが可能であることが見出された。
【０００５】
この知見に従って、周期的に配置された回折格子材料をその中に組み込んだ基材を使用する回折格子が二面太陽電池の両側に配置され、非偏光の光がこれらの両方の側に入射するようにしている。２つの格子の周期性は同じであるが、一方の格子は２つの格子のうちもう一方の格子材料に対して少し、好ましくは４分の１周期だけシフトされ、それによって光電池を通過する斜めの回折成分が抜け出すのを防ぎ、これらの成分を光電池を通して第２のパスに戻す。これによって色素増感及び有機吸収体タイプの光電池の効率が高められることが見出された。
【０００６】
本明細書では添付図面について説明され、これらの図では、同様の符号は幾つかの図面を通して同様の部分を指している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明を具体化した第１の太陽電池組立体の断面図である。
【図２】本発明を具体化した第２の太陽電池組立体の断面図である。
【図３】本発明の態様を具体化した第３の光電池組立体又はその一部の断面図である。
【図４】一次回折成分に対する増大効果を示す図である。
【図５】本明細書に記載される太陽電池における波長対経路長の増大効果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、図面、特に図１を参照すると、電解質１６中に光吸収層１４を有する色素増感光電極を含む光電解質電池１２を含む太陽電池組立体１０が示されている。電池２４の上部境界は正極１８によって画定され、電池の底部は負極２０によって画定される。樹脂シール２２によって電解質の電池体積の側面が閉じられている。電極１８、２０はフッ素をドープした二酸化スズ（ＳｎＯ2：Ｆ）であることができ、光電極は色素増感二酸化チタン（ＴｉＯ2）であることができる。
【０００９】
下方の回折格子は、その表面に長方形の溝の周期的な配列が形成されたガラス基材２６によって画定され、その表面はフッ素をドープした二酸化スズの電極２０と結合し、それと光学的な境界を形成している。溝は二酸化チタン（ＴｉＯ2）で満たされ、回折素子３０を形成している。光透過性のプラスチックを基材２６の製造においてガラスの代わりに使用してもよい。光が太陽電池組立体１０の下から入射するところの表面は、反射防止の格子２８を構成する浅く周期性の低い長方形の溝のパターンによって改質されており、反射防止特性を付与している。
【００１０】
周期的な二酸化チタンの素子３４を備えたガラス基材３２から構成される第２の回折格子は上方の電極１８に結合され、光が入射する上面３６は、反射防止の格子３６を示すよう改質されている。
【００１１】
図１に示されるように、下方の基材２６の回折格子素子３０は、上方の基材３２における回折格子素子３４の幾何学的な間隔周期を４分の１だけシフトしたものであり、したがって、上記の係属出願である米国特許出願第１２／６９２，６８８号でより十分に記載されているように、光学的なブロッキング機能を発揮する。
【００１２】
図１の組立体における各格子は、ガラスとフッ素をドープした二酸化スズ電極との界面においてガラス中の周期的な溝を満たすＴｉＯ2の長方形の素子を含む周期的な構造体からなる。ガラスを通過する非偏光の太陽光は、主として斜めの一次回折モードに回折され、結果として、電解質１６中に浸漬された二酸化チタンの色素増強光電極の光吸収層１４を通る回折成分の移動経路が増大する。図１の両側配置の利点は、２つの基材２６と３２の回折格子素子３０と３４の間の４分の１の先のシフトとともに、両側からの非偏光の太陽光の経路が増大するという事実である。上記の米国特許出願第１２／６９２，６８８号において記載されるデバイスとは異なり、シフトされた格子はここでは固定されていることに留意されたい。
【００１３】
図１の構造体のための製造プロセスは、ガラス基材２６、３２に周期的な溝を作成し、当該溝を二酸化チタンで満たし、そして得られた構造体をフッ素をドープした二酸化スズ電極１８、２０に結合させることを伴う。格子の周期は、斜めの回折を達成するために波長のオーダーであるのに対し、反射防止表面２８、３６の距離周期は非常に小さい。白金粒子３８が電極１８の内面、すなわち電池の内部にある表面に結合される。
【００１４】
図１の構造体におけるガラス部材及び電解質が１．５の屈折率を有するのに対し、吸収層及び二酸化スズ電極は約２の屈折率を有する。二酸化チタンの屈折率は２．３８である。全体的な設計は以下の仕様を有する。すなわち、格子素子の周期（Ｐ）は０．８４λ〜０．９λであり、曲線因子（Ｒ）は０．３４〜０．４４であり、格子素子の高さ（Ｈ）は０．５９λ〜０．６９λである。回折格子３０、３４の屈折率は、光吸収層１４、電解質１６、及び電極１８、２０の屈折率よりも大きい。より詳細には、その内容が参照により本明細書に含められる２００９年１２月１５日に出願された同時係属出願の米国特許出願第１２／６３８，３３４号を参照されたい。ここで、λは７５０ｎｍであり、周期Ｐは６５５ｎｍ又は０．８７λであり、エッジ幅は２５５ｎｍであり、曲線因子は０．３９であり、格子高さは４８０ｎｍ又は０．６４λである。
【００１５】
図４は、格子がどのようにして普通の入射光の一次成分のみを電池に結びつけるのかを示している。図５は図１、図４の太陽電池組立体１０で実現される光学経路の増大を示している。縦軸は光吸収層１４の厚さに対する有効経路長を表している。光学経路は１往復すなわち下から上そして下への戻りにおいて計算される。図５に示すとおり、６５０ｎｍ〜８００ｎｍにおいて２の経路長の増大が達成され、４５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲における平均の増大値は１．８である。
【００１６】
次に、図２を参照すると、色素増感太陽電池組立体４０のための第２の構成が示されている。電解質４２で満たされた電池は、色素増感二酸化チタン光電極／光吸収層５２を含む電解質電池を画定するシールされた縁部４４を有する。フッ素をドープした二酸化スズから作成される負極４６が部分的な境界層を形成し、二酸化ケイ素セパレータ５０によって色素増感電極／光吸収層５２から隔てられたＬ形の正極４８が下方の境界の残りの部分を形成している。図２の構造体における同一平面内であるが横方向に反対の正極と負極がある物理的配置により、隣り合う物理的関係において太陽電池を電気的に直列化する能力が向上する。
【００１７】
図２の構造体は、二酸化チタンの周期的に配置された格子素子５６を備えかつ反射防止特性のための微細な溝を設けたパターン５８を示すガラス基材５４をさらに含む。
【００１８】
図２に示される構造体の上側は、格子素子６２の周期的な配置と反射を低減する上部パターン構造６４を備えた上方のガラス基材６０を含む。また、回折格子素子５６、６２の屈折率は、吸収層、電解質及び電極の屈折率よりも大きい。
【００１９】
電極４８は、構成材料としてＩｎ2Ｏ3：Ｓｎ＋Ｐｔ又は炭素を使用することができる。炭素が使用される場合、白金元素を省くことができる。
【００２０】
図２の太陽電池構造体は、本質的には図１に関して上で記載したように機能する。図４は、光電池を通る一次回折成分の移動経路の増大を示すものであり、この構造体の結果として可能性のある効率の向上が推定される。上でも説明したとおり、構造体の両側の性質によって、２つの方向のそれぞれから入射する非偏光の太陽光に関してこのような増大が得られる。
【００２１】
図３は、一方の側にインジウムスズ酸化物の負極７４が結合し、反対側にアルミニウムの正極７６が結合した（機能的に光吸収層１４と類似の）有機吸収層７２を含む、格子によって増強した太陽電池構造体７０の形態の本発明のさらなる実施態様を示すものである。周期的な二酸化チタンの回折格子素子８０を備えたガラス回折層７８がインジウムスズ酸化物の電極７４に結合され、好ましくは光入射表面が反射防止の格子８２の短い距離周期の格子溝を示すよう改質されている。有機吸収層７２を通る一次成分の移動経路の増大もまた図３の構造体において実現される。
【００２２】
当業者であれば、本発明に対する種々の改良及び付加に想到するであろう。例えば、回折格子素子３４を有しない片面の実施態様の基材３２はポリマーの膜又はプレートから構成することができる。回折格子素子３０を有する基材２６も同様に、透明のポリマープレートから構成することができる。基材２６、３２の典型的な厚さは０．５ｍｍ〜５ｍｍである。光吸収層１４の二酸化チタンはＺｎＯ又はＳｎＯ2で置換することができる。二酸化チタンの格子材料もまた、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2又はＮｂ2Ｏ5で置換することができ、これらのすべてが２よりも大きい屈折率を有する。加えて、回折格子素子３０、３４、５６、６２及び８０の幾何学的形状は必ずしも長方形ではなく、三角形又は「ブレーズド（ｂｌａｚｅｄ）」であってもよい。
【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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