(57)【要約】【課題】太陽光を光電変換層に入射しやすくするとともに、光電変換層に入射された光をその内部に閉じ込めて光電変換効率の高い太陽電池及び太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】透明導電膜１２０に入射した光が、光電変換層１３０との境界に達したとき、光電変換層１３０側に入射しやすいように、光電変換層１３０の屈折率を透明導電膜１２０の屈折率より大きくしておく。これにより、光電変換層１３０に入射した光を光電変換層１３０の内部にできるだけ閉じ込めるようにすることができる。【選択図】図１
2008251799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路の一端を除く表面上に透明導電膜、光電変換層、及び反射膜が順次積層されており、前記光導波路の一端から入射した光を前記光電変換層で吸収して光電変換を行う太陽電池であって、
前記光電変換層の屈折率が前記透明導電膜の屈折率よりも大きい
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記透明導電膜の屈折率は、前記光導波路の屈折率よりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記光電変換層の屈折率は、前記前記透明導電膜の屈折率より少なくとも１以上大きい
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記光電変換層の屈折率は、３以上である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記光導波路の一端に照射される光を集光して前記光導波路に入射させる集光レンズが、前記光導波路の一端に備えられている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記光電変換層の膜厚は、内部に生成されるキャリアの拡散長の１００倍以下である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の太陽電池が、前記光導波路の長手方向の向きをそろえて複数配列されている
ことを特徴とする太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路を基板に用いた太陽電池及び太陽電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷が小さく、再生可能なエネルギー源として太陽電池の普及が促進されている。太陽電池の更なる普及拡大のためには、太陽電池の低価格化を進める必要があり、そのためには製造コストの低減が必要不可欠である。特に、シリコン系太陽電池に関しては、そのコストの約４０％を占めるシリコン基板の材料コストを下げることが必須の条件となっている。シリコン基板の材料コストを下げる一手段として、シリコン以外の安価な材料を基板に用い、その上にシリコン薄膜を成膜してデバイス化することで、シリコン自体の使用量を削減した太陽電池の開発が鋭意検討されている。
【０００３】
また、シリコン系以外の太陽電池としては、太陽電池層に有機膜を用いたものや増感色素を用いたものが研究されている。このような太陽電池においても、シリコン系太陽電池と同様に、高価な有機膜や増感色素の使用量を低減することが検討されており、安価な基板上に太陽電池層を作製する方法が鋭意検討されている。
【０００４】
従来の太陽電池の一例を図５に示す。太陽電池９００は、ガラス基板９０４の上に、反射防止膜を兼ねた上側電極（透明導電膜）９０２と半導体膜９０１と反射膜を兼ねた下側電極９０３とから構成された太陽電池層が形成されている。太陽電池９００は、太陽光を半導体膜９０１が吸収することによりキャリアが発生し、それを電極９０２、９０３で外部に取り出すことで光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる仕組みとなっている。また、上側電極９０２には補助電極９０５も設けられている。
【０００５】
上記のように構成された従来の太陽電池９００では、半導体膜９０１が薄いと照射された太陽光が半導体膜９０１に吸収されずに透過してしまう割合が増える結果、太陽電池９００として低い光電変換効率しか得られなくなってしまう。
【０００６】
光電変換効率を改善するための一手段として、図６に示す特許文献１に記載の太陽電池９１０では、集光手段を設けることで任意の方向から照射される太陽光を太陽電池の受光面に照射させるようにしている。太陽電池９１０は、半円筒状の光入射部９１３に入射された太陽光を集光して光誘導路９１２に送り、光誘導路９１２から平板状太陽電池９１１の受光面に入射させるようにしている。
【０００７】
上記構成の太陽電池９１０では、任意の方向から入射される光を光入射部９１３で集光するように構成していることから、受光面が照射方向と垂直になるようにその向きを調整する必要がなくなる。また、光入射部９１３に入射された太陽光が、光誘導路９１２に送られて平板状太陽電池９１１の受光面に繰返し入射されることで太陽電池９１０の受光効率が高められる。
【０００８】
光電変換効率の改善を図った従来の太陽電池の別の例として、図７に示す特許文献２に記載の太陽電池も知られている。特許文献２に記載の太陽電池９２０は、透明基板９２１の一方の面に透明導電膜９２２、光電変換層９２３、透明導電膜９２４、及び第１の反射層９２５からなる薄膜太陽電池を設け、透明基板９２１の他方の面には第２の反射層９２６と集光レンズ群９２９を設けた構成としている。
【０００９】
特許文献２に記載の太陽電池９２０では、集光レンズ群９２９で集光した光を第２の反射層９２６に設けたピンホール９２７から透明基板９２１に入射させ、この入射光を第１の反射層９２５と第２の反射層９２６との間に閉じ込める構成としている。このように、入射光を第１の反射層９２５と第２の反射層９２６との間に閉じ込めることで、薄膜太陽電池に照射させる光量を増大させ、これにより光電変換効率を高めるようにしている。
【特許文献１】特開２０００−２２１９４号公報
【特許文献２】特開２００３−４６１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図５に示すような従来の太陽電池９００では、略膜厚方向に入射した光が反射膜９０３で１回反射されて外部に放出されるまでの間に吸収される割合で変換効率が決まるため、光電変換効率を高めるためには半導体膜９０１の膜厚を大きくする必要がある。一方、半導体膜９０１の膜厚を大きくすると、その間でのキャリアのトラップ確率が高くなり、これは光電変換効率を低下させる要因となってしまう。このことから、図５に示すような従来の太陽電池９００では、半導体膜９０１の膜厚を大きくしても光電変換効率を大きく改善することはできない。また、太陽光の入射方向に対して受光面を垂直に設置する必要があるため、太陽電池が大型化してしまうといった問題もある。
【００１１】
特許文献１に記載の太陽電池９１０では、平板状太陽電池９１１、光誘導路９１２、光入射部９１３等について屈折率等の具体的な特性が示されていないため、入射光を平板状太陽電池９１１の受光面に必ずしも効率よく照射させることができるものではない。一例として、光誘導路９１２に閉じ込められた光が平板状太陽電池９１１の受光面で反射されて光誘導路９１２に戻されたり、平板状太陽電池９１１に入射されても吸収されずにすぐに光誘導路９１２に戻る割合が高くなってしまう恐れもある。
【００１２】
さらに、特許文献２に記載の太陽電池９２０では、集光レンズを多数用いており、これを薄膜太陽電池と組み合わせた構成としているが、集光レンズの焦点がピンホール９２７の位置に一致するように精度よく位置合せを行う必要がある。このような位置合せを多数のレンズそれぞれについて行う必要があることから、生産効率が低下して高コストとなってしまうといった問題がある。また、特許文献１に記載の太陽電池９１０と同様に、光電変換層９２３に効率よく入射されずに透明基板９２１の内部に入射光が閉じ込められてしまうといった恐れもある。
【００１３】
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、太陽光を光電変換層に入射しやすくするとともに、光電変換層に入射された光をその内部に閉じ込めて光電変換効率の高い太陽電池及び太陽電池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】
【００１４】
本発明の太陽電池の第１の態様は、光導波路の一端を除く表面上に透明導電膜、光電変換層、及び反射膜が順次積層されており、前記光導波路の一端から入射した光を前記光電変換層で吸収して光電変換を行う太陽電池であって、前記光電変換層の屈折率が前記透明導電膜の屈折率よりも大きいことを特徴とする。
【００１５】
本発明の太陽電池の他の態様は、前記透明導電膜の屈折率は、前記光導波路の屈折率よりも大きいことを特徴とする。
【００１６】
本発明の太陽電池の他の態様は、前記光電変換層の屈折率は、前記前記透明導電膜の屈折率より少なくとも１以上大きいことを特徴とする。
【００１７】
本発明の太陽電池の他の態様は、前記光電変換層の屈折率は、３以上であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の太陽電池の他の態様は、前記光導波路の一端に照射される光を集光して前記光導波路に入射させる集光レンズが、前記光導波路の一端に備えられていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の太陽電池の他の態様は、前記光電変換層の膜厚は、内部に生成されるキャリアの拡散長の１００倍以下であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の太陽電池モジュールの第１の態様は、上記のいずれかの太陽電池が、前記光導波路の長手方向の向きをそろえて複数配列されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明の通り本発明によれば、光電変換層の屈折率を前記透明導電膜の屈折率よりも大きくすることにより、太陽光を光電変換層に入射しやすくするとともに、光電変換層に入射された光をその内部に閉じ込めて光電変換効率の高い太陽電池及び太陽電池モジュールを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態における太陽電池及び太陽電池モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る太陽電池を、図１を用いて以下に説明する。図１（ａ）は太陽電池１００の外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）は太陽電池１００の内部構造を示す長手方向の断面図である。本実施形態の太陽電池１００は、表面に透明導電膜１２０が形成されたファイバ１１０を基板として用いており、透明導電膜１２０の外周に半導体膜である光電変換層１３０を形成し、さらに光電変換層１３０の外周に反射膜１４０を形成している。
【００２４】
基板であるファイバ１１０は、長手方向の一端が太陽光を入力可能に露出されており、他端には外周部と同様の各膜が形成されている。また、透明導電膜１２０は、内側電極として用いられており、反射膜１４０が外側電極を兼ねている。さらに、内側電極として透明導電膜１２０を補助して抵抗値を下げるために、透明導電膜１２０上に補助電極１６０をグリッド状に設けている。
【００２５】
光電変換層１３０は半導体層で形成されており、ｐ型の半導体とｎ型の半導体を積層した構造とすることができ、あるいはＰＩＮ型半導体を用いることも可能である。また、光電変換層１３０として、シリコン系の半導体を用いることができ、あるいは有機系の半導体を用いてもよい。
【００２６】
上記のように構成された本実施形態の太陽電池１００では、太陽光１５０がファイバ１１０の一端からその内部に入力されると、ファイバ１１０の内部を通過する間に透明導電膜１２０を通過して光電変換層１３０に達する。そして、光電変換層１３０を通過する間に半導体に吸収されて光電変換が行われるが、吸収されること無く光電変換層１３０を通過して反射膜１４０に達した光は、ここで反射されて再び光電変換層１３０に戻る。
【００２７】
上記の構造は従来から知られている太陽電池の構造と同様であるが、本実施形態の太陽電池１００では、さらに透明導電膜１２０と光電変換層１３０のそれぞれに対して屈折率を規定することで、ファイバ１１０に入射された太陽光１５０が効率的に光電変換に利用されるようにしている。より好ましくは、ファイバ１１０に対しても屈折率を規定するのがよい。
【００２８】
本実施形態の太陽電池１００では、ファイバ１１０に入射された太陽光１５０が透明導電膜１２０との境界に達したとき、透明導電膜１２０側に入射しやすいように透明導電膜１２０の屈折率をファイバ１１０の屈折率より大きくしている。すなわち、屈折率が小さい方から大きい方には光は通過しやすいことから、本実施形態の太陽電池１００ではファイバ１１０と透明導電膜１２０のそれぞれの屈折率に対し下記の関係を規定している。
【数１】
2008251799.tif 000003
ここで、ｎ１、ｎ２はそれぞれファイバ１１０と透明導電膜１２０の屈折率を表す。
【００２９】
透明導電膜１２０に入射した光が、次に光電変換層１３０との境界に達したとき、ここでも光電変換層１３０側に入射しやすいように、本実施形態では透明導電膜１２０と光電変換層１３０とのそれぞれの屈折率に対して下記の関係を規定している。
【数２】
2008251799.tif 000004
ここで、ｎ３は光電変換層１３０の屈折率を表す。このように、ファイバ１１０、透明導電膜１２０、及び光電変換層１３０のそれぞれの屈折率を（式１）と（式２）で規定することで、ファイバ１１０に入射された太陽光が光電変換層１３０に到達しやすくすることができる。
【００３０】
光電変換層１３０に入射した光は、一部が半導体に吸収されて光電変換される一方、吸収されること無く反射膜１４０に達した光は、ここで反射されて再び光電変換層１３０に戻る。そして、再び一部が半導体に吸収されて光電変換されるが、吸収されなかった光は透明導電膜１２０との境界に達する。ここで、光電変換層１３０の屈折率が透明導電膜１２０の屈折率より大きいことから、透明導電膜１２０側に入射せずに反射されて再度光電変換層１３０側に戻る光の割合が高くなる。特に、透明導電膜１２０との境界への入射角が大きいと、透明導電膜１２０側には全く入射せずに全反射されることになる。
【００３１】
上記の通り屈折率を（式１）及び（式２）に基づいて規定することにより、光電変換層１３０側に入射した光は、透明導電膜１２０と反射膜１４０との間で閉じ込められる割合が増加し、これにより光電変換層１３０内で半導体に吸収されて光電変換が行われる割合、すなわち光電変換効率が高くなる。光が透明導電膜１２０と反射膜１４０との間で閉じ込められている状態を、模式的に図２に示す。ここでは、光１５１が透明導電膜１２０と反射膜１４０との間で閉じ込められている状態を示している。
【００３２】
反射膜１４０で反射されて透明導電膜１２０との境界に達した光は、その一部の光１５２が透明導電膜１２０側に入射するが、図２に示すように、ここでもファイバ１１０と透明導電膜１２０のそれぞれの屈折率の関係（式１）より、ファイバ１１０との境界で反射されて透明導電膜１２０側に戻る。透明導電膜１２０側に戻った光は、さらに光電変換層１３０側に入射し、光電変換層１３０内で吸収されて光電変換が行われる割合を高めるのに寄与する。
【００３３】
このように、本実施形態の太陽電池１００では、光電変換層１３０に入射した光が透明導電膜１２０と反射膜１４０との間に閉じ込められる割合を高くするとともに、透明導電膜１２０側に漏出した光もファイバ１１０との境界で反射されて再び光電変換層１３０側に戻りやすくすることが可能となっており、これにより光電変換層１３０内で光が吸収されて光電変換効率を高めることが可能となる。
【００３４】
本実施形態の太陽電池１００は、ファイバ１１０を基板としてその周囲に太陽電池を構成する各層を形成していることから、透明導電膜１２０側からの光がファイバ１１０との境界で反射されずにファイバ１１０側に漏出すると、ファイバ１１０内を通過して対向する側から透明導電膜１２０に入射し、さらに光電変換層１３０に入射することで光電変換に利用される。
【００３５】
上記のように、本実施形態の太陽電池１００ではファイバ１１０の一端から入射した太陽光１５０を太陽電池１００の内部で多重反射させて光電変換層１３０で光電変換させることができるが、さらに太陽電池１００を構成する各層の屈折率を（式１）及び（式２）に基づいて規定することで、入射光をできるだけ光電変換層１３０内に閉じ込めて吸収されやすくすることができ、これにより従来に比べて光電変換効率を大幅に高めることが可能となる。
【００３６】
本実施形態の太陽電池１００として、例えばファイバ１１０にガラスファイバを用いてガラス基板とし、透明導電膜１２０として例えばＩＴＯ（インジウム鈴酸化物）を用い、さらに光電変換層１３０をシリコン系の半導体層としたとき、それぞれの屈折率をガラス基板１．５程度、ＩＴＯ２．０程度、シリコン系半導体層３．５程度とすることができ、上記の（式１）及び（式２）を満たすように太陽電池１００を構成することができる。なお、外側電極の反射膜１４０としては、反射率の高い銀又はアルミニウム等の金属膜を用いることができる。
【００３７】
一般に、光の吸収は光の通るパスの長さに比例することから、従来の太陽電池では光電変換層の入射方向の幅を大きくするのが好ましかった。但し、光電変換層の幅を大きくすると、キャリアが電極に達するまでにトラップされてしまう確率も高くなり、却って光電変換効率を低下させてしまう恐れもあった。本実施形態の太陽電池１００では、入射した光をその内部で多重反射させる構造としていることから、光電変換層１３０を１回通過する間のパスの長さが短くても、光電変換層１３０を繰り返し通過させることで高い光電変換効率を実現することが可能となっている。
【００３８】
従って、本実施形態の太陽電池１００では、光電変換効率を低下させることなく光電変換層１３０を薄くすることが可能となる。光電変換層１３０を薄くすることで、内側電極の透明導電膜１２０と外側電極の反射膜１４０との距離が短くなり、これによって光電変換層１３０内でのキャリアパスを小さくしてトラップ確率を低減させることが可能となる。すなわち、電極間の抵抗（内部抵抗）を低減して太陽電池１００の光電変換効率を高めることが可能となる。光電変換層１３０の膜厚は、内部に生成されるキャリアの拡散長の１００倍以下とするのが好ましい。
【００３９】
本実施形態の太陽電池１００の製造方法として、ファイバ１１０にガラスファイバを用いて透明ガラス基板とし、その上に透明導電膜１２０としてスパッタにてＺｎＯ電極を２００ｎｍ程度形成させることができる。あるいは、ガラスファイバの線引き時にＩＴＯ膜を形成させるようにすることも可能である。
【００４０】
光電変換層１３０の製造方法として、プラズマＣＶＤを用いてｐ型シリコン膜、ｉ型シリコン膜、ｎ型シリコン膜を順に成膜する方法を用いることができる。原料ガスとしてＳｉＨ４とＨ２の混合ガスを用い、ｐ型の膜を形成する場合には原料ガスにＢ２Ｈ６を少量混ぜ、またｎ型の膜を形成する場合にはＰＨ３を少量混ぜて用いることができる。この場合、それぞれの半導体膜の膜厚を、例えばｐ型膜を２０ｎｍ、ｉ型膜を１００ｎｍ、ｎ型膜を２０ｎｍとすることができる。光電変換層１３０の上に反射膜１４０を形成する方法として、例えばＡｇ又はアルミニウムをスパッタにより成膜させることができる。
【００４１】
上記説明の通り、本実施形態の太陽電池１００では、各層の屈折率を（式１）及び（式２）に基づいて規定することで、ファイバ１１０から入射した太陽光１５０をできるだけ光電変換層１３０内に閉じ込めて吸収されやすくすることで、高い光電変換効率を実現することが可能となる。これに加えて、光電変換効率を低下させることなく光電変換層１３０の厚さを小さくすることが可能なことから、電極間の内部抵抗を低減して光電変換効率をさらに高めることが可能となる。
【００４２】
また、光電変換層１３０を薄くすることで、半導体膜の使用量を低減してコスト低減を図ることも可能である。本実施形態の太陽電池１００は、光電変換層１３０としてシリコン系の半導体あるいは有機系の半導体のいずれを用いることも可能である。特に、有機系の太陽電池とする場合には、上記の（式１）及び（式２）を満たす材質を選択することで、高い光電変換効率を実現することができる。太陽電池１００を構成する各層の屈折率を（式１）及び（式２）を満たすように構成する効果は、有機系太陽電池や内部抵抗の大きい太陽電池に対してより顕著に得られる。
【００４３】
本発明の別の実施形態に係る太陽電池を、図３を用いて以下に説明する。本実施形態の太陽電池２００は、太陽光１５０を入射するファイバ１１０の一端に集光レンズ２１０を設けているのを特徴としている。このような集光レンズ２１０をファイバ１１０の一端に設けることにより、ファイバ１１０の軸方向に対し斜め方向から照射される太陽光に対しても、これを集光してファイバ１１０に効率よく入射させることが可能となる。
【００４４】
次に、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールを、図４を用いて以下に説明する。本実施形態の太陽電池モジュール３００は、複数の太陽電池１００を縦横に配列して構成されている。各太陽電池１００の太陽光を入射させるためのファイバ１１０の一端は、全て同一方向に揃えられており、各太陽電池１００ともほぼ等しい光電変換効率を実現することが可能となる。
【００４５】
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る太陽電池及び太陽電池モジュールの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における太陽電池及び太陽電池モジュールの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽電池を示す斜視図及び断面図である。
【図２】光が透明導電膜と反射膜との間に閉じ込められている状態を模式的に示す図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールを示す斜視図である。
【図５】従来の太陽電池の一例を示す斜視図及び断面図である。
【図６】従来の太陽電池の別の例を示す斜視図である。
【図７】従来の太陽電池のさらに別の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１００、２００、９００、９１０、９２０    太陽電池
１１０    ファイバ
１２０、９２２、９２４    透明導電膜
１３０、９２３    光電変換層
１４０    反射膜
１５０、１５１，１５２    光
１６０    補助電極
９０１    半導体膜
９０２、９０３    電極
９０４    ガラス基板
９１１    平板状太陽電池
９１２    光誘導路
９１３    光入射部
９２１    透明基板
９２５、９２６    反射層
９２７    ピンホール
９２９    集光レンズ群
【図１】
2008251799.tif 000005
【図２】
2008251799.tif 000006
【図３】
2008251799.tif 000007
【図４】
2008251799.tif 000008
【図５】
2008251799.tif 000009
【図６】
2008251799.tif 000010
【図７】
2008251799.tif 000011