(57)【要約】【課題】受光した外部光を光電変換装置外に逃さないようにし、無駄なく光電変換に利用することで、従来よりも発電効率の高い光電変換装置を提供する。【解決手段】入射光８はシリンドリカル状集光曲面群４により直線スリット状光透過孔群６に集光され、対向配置された第１光電変換層２と第２光電変換層５との間に導入される。導入された光は、各光電変換層２・５のそれぞれで一部吸収と一部反射とを繰り返す。すなわち、各光電変換層２・５の一方で光電変換されず、反射されてしまう反射光が存在しても、その反射光は、各光電変換層２・５の他方で受光され、その一部が改めて光電変換される。したがって、高い発電効率の光電変換装置を提供することができる。【選択図】　図１
2004119879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光電変換層と、
第１光電変換層に対向配置された第２光電変換層と、
第１光電変換層および第２光電変換層の間に、光を導入する光導入手段と
を備えたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
上記第１光電変換層と上記第２光電変換層の波長感度が異なっていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
上記第１光電変換層と上記第２光電変換層との間に、各光電変換層の少なくとも一方における光電変換に寄与する波長の蛍光を発する透明材層を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
上記第２光電変換層には、光を通す光透過孔が形成され、
上記光導入手段は、該光透過孔に光を集光する集光素子を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項５】
上記集光素子は、シリンドリカル状集光曲面を備え、
上記光透過孔は、シリンドリカル状集光曲面の円筒軸に平行に延伸する直線スリット状光透過孔であることを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
対向配置された２つの光電変換層の間に光を導入し、２つの光電変換層の間で光の多重反射を行わせることを特徴とする光電変換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池に代表される光電変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の太陽電池は、図１３に示すように、ｐｎ接合による光電変換を行う多結晶Ｓｉ太陽電池や（例えば、特許文献２参照）、図１４に示すように、ｐｉｎ接合による光電変換を行う非晶質Ｓｉ太陽電池である。（例えば、特許文献１参照）。また、図示しないが、単結晶Ｓｉ基板上に、ｐｎ接合を形成した単結晶Ｓｉ太陽電池がある。
【０００３】
図１３に示す多結晶Ｓｉ太陽電池においては、支持体を兼ねた基板１３１上に、光反射効果を有する電極金属層１３２、電極金属層１３２と多結晶Ｓｉ半導体層１３４との電気的接触を良好にするために設けた、ｎ型不純物およびｐ型不純物の一方を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１３３、多結晶Ｓｉ半導体層１３３と同じ伝導型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１３４、多結晶Ｓｉ半導体層１３３、１３４と反対の伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１３５、電流を取り出すための集電電極１３６、効率的に光を取り込むための反射防止層１３７とから構成されている。
【０００４】
また、図１４に示す非晶質Ｓｉ太陽電池においては、支持体を兼ねた基板１４１上に、光反射効果を有する電極金属層１４２、非晶質Ｓｉ半導体からなりｎ型不純物がドーピングされたｎ層１４３、非晶質Ｓｉ半導体からなり真性半導体であるｉ層１４４、非晶質Ｓｉ半導体からなりｐ型不純物がドーピングされたｐ層１４５、電流を取り出すための集電電極１４６、効率的に光を取り込むための反射防止層１４７とから構成されている。
【０００５】
これらの太陽電池以外に、基板側から光を入射させる図１５に示すような太陽電池が提案されている。この太陽電池は、光入射側から順に、透明基板１５１、透明基板１５１上に、効率的に光を取り込むための反射防止層１５２、電流を取り出すための集電電極１５３、非晶質Ｓｉ半導体からなりｐ型不純物がドーピングされたｐ層１５４、非晶質Ｓｉ半導体からなり真性半導体であるｉ層１５５、非晶質Ｓｉ半導体からなりｎ型不純物がドーピングされたｎ層１５６、光反射効果を有する電極金属層１５７とから構成されている。
【０００６】
ところで、上記非晶質Ｓｉ太陽電池と多結晶Ｓｉ太陽電池の波長感度は異なっており、非晶質Ｓｉ太陽電池の場合、概ね５５０ｎｍの波長の光に対する発電効率が極大となり、多結晶Ｓｉ太陽電池の場合、概ね７００ｎｍの波長の光に対する発電効率が極大となる。
【０００７】
高効率の太陽電池を実現するためには、太陽光の広範囲な波長スペクトルを有効に利用することが必要なので、図１３に示す多結晶Ｓｉ半導体で構成したｐｎ接合と、図１４に示す非晶質Ｓｉ半導体で構成したｐｉｎ接合とを積層することにより、より広い波長感度を有するタンデム構造太陽電池が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−４８１２７号公報　（１９９３年２月２６日公開）
【０００９】
【特許文献２】
特開平１１−２１４７１７号公報　（１９９９年８月６日公開）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図１３〜図１５に示す従来の構成では、以下に記す種々の要因により、発電効率が低いという問題を有している。
【００１１】
第１の要因は、反射防止層１３７、１４７、１５２にある。すなわち、従来の太陽電池においては、表面反射を極力抑えることを目的として、光入射面もしくは光入射面の近傍に導電性透明膜からなる反射防止層１３７、１４７、１５２が設けられているが、表面反射を完全に零とすることは困難であり、入射光の一部が反射されるという問題が生じる。また、上記反射防止層１３７、１４７、１５２は、一般に、波長依存性を有しており、設計波長中心から光波長がずれることにより、表面反射が増大してしまうという問題もある。
【００１２】
したがって、比較的広い波長の光を光電変換に利用することができるタンデム構造太陽電池においても、反射防止層が表面反射してしまう光については、取り込むことができないため、無駄に捨てる結果になっている。
【００１３】
第２の要因は、集電電極１３６、１４６、１５３にある。すなわち、電流を取り出すため、光入射側に設けられた集電電極１３６、１４６、１５３は、入射光を完全に反射してしまうため、さらに確実に発電効率のさらなる低下をもたらすことになる。
【００１４】
ところで、光を吸収して電荷を発生させ、発電を行う多結晶Ｓｉ半導体層１３４、非晶質Ｓｉ半導体ｉ層１４４、１５５は、入射した光を吸収するために十分な膜厚が必要なので、発電効率を上げる目的で、その膜厚を厚くすることが考えられる。しかし、半導体層の膜厚が、あまり厚くなると、電荷の走行距離が増大するため、外部に取り出すことのできる電流が減少するという問題が生じる。また、半導体層の膜厚増加は、製造時間の増加、及び、材料使用量の増加につながるため、コスト増加につながるという問題を生じる。
【００１５】
したがって、前述のような半導体層等を含む光電変換層の入射光吸収率を改善するためには、半導体層の膜厚自体を増加させることなく、光電変換層への入射光量を如何に増大させるかが、最大の課題であるといえる。これはまた、太陽光などの外部光を無駄なく利用することで、外部出力電流を減少させることなく、前記半導体層の膜厚を薄くできるようにするには、どうすればよいか、という課題に換言できる。
【００１６】
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、太陽光の中のより広範囲な波長の光を、有効に光電変換に利用して、高い発電効率を実現することが可能な光電変換装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光電変換装置は、上記課題を解決するために、第１光電変換層と、第１光電変換層に対向配置された第２光電変換層と、第１光電変換層および第２光電変換層の間に、光を導入する光導入手段とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
上記の構成によれば、第１光電変換層と第２光電変換層とは対向配置されているので、第１光電変換層と第２光電変換層との間に導入された光は、第１光電変換層と第２光電変換層のそれぞれで一部吸収と一部反射とを繰り返す。すなわち、第１光電変換層および第２光電変換層の一方で光電変換されず、反射されてしまう反射光が存在しても、その反射光は、第１光電変換層および第２光電変換層の他方で受光され、その一部が改めて光電変換される。
【００１９】
したがって、本発明の光電変換装置は、対向する２層の光電変換層の間で起きる多重反射により、入射光を無駄なく利用できるので、優れた発電効率を実現することができる。
【００２０】
また、本発明の光電変換装置は、上記第１光電変換層と上記第２光電変換層の波長感度が異なっていることを特徴としている。
【００２１】
ここで、光電変換層の波長感度とは、光の波長に依存した光電変換率の大きさのことである。この波長感度を第１光電変換層と第２光電変換層とで異ならせることにより、第１光電変換層および第２光電変換層の一方だけでは光電変換し切れない波長の光を光電変換できるようになる。これにより、光電変換できる光の波長幅が広くなるため、光の利用効率が上昇し、発電効率を一層高めることが可能になる。
【００２２】
なお、光電変換層の波長感度は、光電変換層の構成材料の選択によって変えることができる。
【００２３】
また、対向配置する各光電変換層の波長感度の異ならせ方は、２通りに限られるものではない。例えば、第１光電変換層として、波長感度が異なる複数の光電変換層を平面的に配置し、これに対して、さらに波長感度の異なる第２光電変換層を対向配置してもよい。この場合、波長感度を少なくとも３通り以上に異ならせた２つの光電変換層を対向させることができる。
【００２４】
この構成に加えてさらに、第２光電変換層として、波長感度が異なる複数の光電変換層を平面的に配置すれば、波長感度を少なくとも４通り以上に異ならせた２つの光電変換層を対向させることができる。
【００２５】
異なる波長感度の数が増大する程、光電変換できる光の波長域を広げることができるので、波長によらずほぼフラットな感度を持つ超タンデム型光電変換装置を実現することができる。
【００２６】
また、本発明の光電変換装置は、上記の課題を解決するために、上記第１光電変換層と上記第２光電変換層との間に、各光電変換層の少なくとも一方における光電変換に寄与する波長の蛍光を発する透明材層を備えたことを特徴とする
上記の構成によれば、第１光電変換層と上記第２光電変換層との間に導入された光は、両層間で多重反射を繰り返すときに、上記透明材層を繰り返し通過する。このとき、透明材層は、各光電変換層の少なくとも一方における光電変換に寄与する波長の蛍光を発するので、光電変換に利用される光が結果的に増え、発電効率がさらに向上する。
【００２７】
なお、光電変換層は、通常、ある波長で光電変換率が極大となるような波長感度を示すので、上記透明材層は、光電変換層にとって感度が低い波長を感度が高い波長に変換する蛍光特性を示すことが好ましい。
【００２８】
さらに、第１光電変換層と上記第２光電変換層とで波長感度を異ならせた場合には、各光電変換層それぞれの極大感度波長の中間値付近の波長を持つ蛍光を発するような蛍光特性を、透明材層に持たせることが好ましい。これにより、両層において光電変換に利用可能な光が増えるので、発電効率はさらに向上する。
【００２９】
なお、第１光電変換層と上記第２光電変換層との間に配置される透明基板や、透明接着剤層等が、上記透明材層の範疇に含まれる。
【００３０】
例えば、透明材層が透明基板の場合、第２光電変換層を光入射側の面に備えた透明基板や、第１光電変換層を光入射側と反対側に備えた透明基板や、各光電変換層を備えた透明基板の間に別途介在させた透明基板等が、上記透明材層として機能する。
【００３１】
また、例えば、透明材層が透明接着剤層の場合、各光電変換層を備えた透明基板同士を接着固定する透明接着剤層や、各光電変換層を備えた透明基板と、両透明基板間に別途介在させた透明基板とを互いに接着固定する透明接着剤層等が、上記透明材層として機能する。
【００３２】
なお、本発明として記載した構成を、前記発明として記載した各構成と、必要に応じて任意に組み合わせてもよい。
【００３３】
また、本発明の光電変換装置は、上記の課題を解決するために、上記第２光電変換層には、光を通す光透過孔が形成され、上記光導入手段は、該光透過孔に光を集光する集光素子を備えていることを特徴としている。
【００３４】
上記の構成によれば、光が、集光素子によって第２光電変換層の光透過孔に集光される。その集光された光は、光透過孔を通り抜け、第１光電変換層と第２光電変換層との間に導入される。そして、第２光電変換層における光透過孔以外の領域と第１光電変換層との間で、前記多重反射が起き、各光電変換層で光の一部吸収と一部反射とが繰り返される。
【００３５】
したがって、対向配置された第１光電変換層および第２光電変換層に対して、光入射側に集光素子を配置する簡単な光学系を組むだけで、発電効率の高い光電変換装置を作製することができる。
【００３６】
なお、本発明として記載した構成を、前記発明として記載した各構成と、必要に応じて任意に組み合わせてもよい。
【００３７】
また、本発明の光電変換装置は、上記の課題を解決するために、上記集光素子は、シリンドリカル状集光曲面を備え、上記光透過孔は、シリンドリカル状集光曲面の円筒軸に平行に延伸する直線スリット状光透過孔であることを特徴としている。
【００３８】
上記の構成において、集光素子により集光される光が、第２光電変換層の光透過孔を通過するときの通過光量をできるだけ多くするためには、光透過孔を通過する光の断面形状が、光透過孔の形状と高い類似性を有していること、好ましくは光の断面面積が光透過孔の面積以内となることである。
【００３９】
上記の構成によれば、シリンドリカル状集光曲面は、線状の集光状態を作り出すので、光透過孔として、その延伸方向がシリンドリカル状集光曲面の円筒軸と平行に配置された直線スリット状光透過孔を採用することによって、線状に集光された光は直線スリット状光透過孔へと効率良く集光される。
【００４０】
この結果、該直線スリット状光透過孔から効率良く入射した光が、各光電変換層の間で多重反射するので、様々な集光素子と透過孔との組み合わせの中でも、高い発電効率を実現することができる。
【００４１】
また、シリンドリカル状集光曲面は細長い集光領域をカバーすることができるので、その細長い集光領域を横に並べ、それに合わせて直線スリット状光透過孔を第２光電変換層に複数形成すれば、大きな光電変換装置を作製することができる。すなわち、より短小な形状の集光領域と比較して、少ない数の集光領域で大きな集光素子を構成することができるため、集光素子の構成を簡素化し、光電変換装置のコストを下げることにも役立つ。
【００４２】
また、本発明の光電変換方法は、上記の課題を解決するために、対向配置された２つの光電変換層の間に光を導入し、２つの光電変換層の間で光の多重反射を行わせることを特徴としている。
【００４３】
これにより、既に説明した多重反射の作用により、高い発電効率を実現することができる。なお、この光電変換方法は、太陽光を利用して発電する太陽電池の発電効率を向上させるのに好適である。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光電変換装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４５】
図１は、本発明の光電変換装置の概略的な断面斜視図を示している。本発明の光電変換装置の第１の特徴的な構成は、図１に示すように、第１光電変換層２と、第１光電変換層２に対向配置された第２光電変換層５と、第１光電変換層２および第２光電変換層５の間に、光を導入する光導入手段としての集光素子３とを備えた点である。
【００４６】
上記第２光電変換層５には、光透過孔として、直線スリット状光透過孔群６が形成されているので、集光素子３に入射した入射光８は、集光素子３によって直線スリット状光透過孔群６に対して集光され、直線スリット状光透過孔群６を通して第１光電変換層２と第２光電変換層５との間に導入される。
【００４７】
すると、第１光電変換層２と第２光電変換層５とは対向しているので、第１光電変換層２と第２光電変換層５との間に導入された光は、第１光電変換層２と第２光電変換層５のそれぞれで一部吸収と一部反射とを繰り返す。すなわち、第１光電変換層２および第２光電変換層５の一方で光電変換されず、反射されてしまう反射光が存在しても、その反射光は、第１光電変換層２および第２光電変換層５の他方で受光され、その一部が改めて光電変換される。
【００４８】
したがって、本発明の光電変換装置は、対向する２層の光電変換層の間で起きる多重反射により、入射光を無駄なく利用できるので、優れた発電効率を実現することができる。
【００４９】
以下、各構成要素を詳細に説明する。
【００５０】
集光素子３は、光入射側の面に、例えばシリンドリカル状集光曲面群４のような集光構造が形成されている。該シリンドリカル状集光曲面群４は、各シリンドリカル状集光曲面の凸面が光入射側を向き、複数のシリンドリカル状集光曲面が、それぞれの円筒軸を平行にして並列されている。なお、集光素子３の光出射側の面は、平坦面になっているので、複数のシリンドリカル状集光曲面の配列方向は、光出射側の面と平行をなしている。
【００５１】
また、集光素子３に対し、その光出射側には、第２光電変換層５を備えた透明基板７が設けられている。ただし、第２光電変換層５は、透明基板７の光入射面に形成されている。この第２光電変換層５に、シリンドリカル状集光曲面群４で集光された光を通すための直線スリット状光透過孔群６が形成されている。
【００５２】
該直線スリット状光透過孔群６は、個々のシリンドリカル状集光曲面に対応した複数の直線スリット状光透過孔で構成されている。さらに、シリンドリカル状集光曲面で直線状に集光された光が、直線スリット状光透過孔を最も効率良く通過するようにとの観点で、該シリンドリカル状集光曲面の円筒軸の方向と、該直線スリット状光透過孔の延伸方向とが平行になるように配置されている。
【００５３】
ここで、図１では、該シリンドリカル状集光曲面に対して、真上から入射する光の光軸上であって、その光が線状に集光される位置に、対応する直線スリット状光透過孔が配置されている。
【００５４】
さらに、透明基板７の光出射側には、第１光電変換層２を備えた支持基板１が設けられている。ただし、第１光電変換層２は、支持基板１の光入射面に形成されている。
【００５５】
このようにして、第１光電変換層２と第２光電変換層５とは、それぞれ支持基板１と透明基板７によって支持固定された状態で対向している。
【００５６】
なお、ここでは、光導入手段として機能する集光素子３が、シリンドリカル状集光曲面を備えているとして説明したが、直線スリット状光透過孔群６に光を導く機能を有しておれば良く、これに限られるものではない。例えば、図１においては、常に曲率半径の等しいシリンドリカル状集光曲面が並列配置された集光素子について示しているが、シリンドリカル状集光曲面の頂部から側部にかけて、徐々に曲率半径が小さくなるようなシリンドリカル状集光曲面を用いることにより、入射光８が側部に入射した場合に発生するコマ収差を低減することが可能となり、光軸が傾いて入射角が増大することによる発電効率の低下を抑制することが可能となる。
【００５７】
また、集光構造をフレネル集光素子により構成することによっても、直線スリット状光透過孔群６に光を集光することが可能である。この場合、凹凸段差の少ないフレネル集光素子を用いることにより、集光素子３を薄くすることが可能となり、光電変換装置の薄型化を実現することができる。
【００５８】
また、第１光電変換層２または第２光電変換層５としては、従来技術において述べたような多結晶Ｓｉ太陽電池、非晶質Ｓｉ太陽電池、タンデム構造の太陽電池等に用いられている光電変換層を用いることが可能である。また、他に、単結晶Ｓｉ太陽電池や、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）２、ＣｕＧａＳｅ２などのＣＩＳ系太陽電池等に用いられている光電変換層を用いることも可能である。
【００５９】
また、上記集光素子３と透明基板７と光電変換素子とを、それぞれ、独立して形成することが可能なので、製造プロセスにおいて発生する傷等の損傷が抑制され、高い発電効率を有する光電変換装置を安定して製造することができる。
【００６０】
上記の構成により、入射光８は、集光素子３上のシリンドリカル状集光曲面群４により集光され、透明基板７上に形成された直線スリット状光透過孔群６を通過し、支持基板１上の第１光電変換層２へと照射され最初の光電変換が行われる。第１光電変換層２で吸収されずに反射された反射光は、透明基板７に設けられた第２光電変換層５に照射され、ここでさらなる光電変換が行われる。第２光電変換層５でもなお吸収されずに反射された反射光は、再度、第１光電変換層２へと照射され、さらなる光電変換が行われる。
【００６１】
このように、直線スリット状光透過孔群６から入射した光が、第１光電変換層２と第２光電変換層５との間で多重反射を繰り返すことにより、光電変換素子の発電効率を高めることが可能となる。
【００６２】
図２は、支持基板１上に設けられた第１光電変換層２として用いた多結晶Ｓｉ光電変換層の一例を示している。すなわち、第１光電変換層２は、支持体を兼ねた支持基板１上に、光反射効果を有する電極金属層９、電極金属層９と半導体層との電気的接触を良好にするために設けたｐ型またはｎ型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１０、多結晶Ｓｉ半導体層１０と同じ伝導型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１１、多結晶Ｓｉ半導体層１０、１１と反対の伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１２、電流を取り出すための集電電極１３、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層１４とで構成されている。
【００６３】
次に、図３に、本発明を実現するための第２光電変換層５の断面拡大図を示す。第２光電変換層５は、非晶質Ｓｉ光電変換層からなる。すなわち、本発明の第２光電変換層５においては、図３に示すように、透明基板７上に、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層１５が積層され、電流を取り出すための複数の集電電極１６がライン状に設けられている。そして、各集電電極１６の形成位置に対応して、複数の光電変換部が、互いに所定間隔を開けて、帯状に形成されており、隣り合う光電変換部同士の間が、上記した個々の直線スリット状光透過孔になっている。
【００６４】
さらに、上記個々の光電変換部は、非晶質Ｓｉ半導体からなりｐ型不純物がドーピングされたｐ層１７、非晶質Ｓｉ半導体からなり真性半導体であるｉ層１８、非晶質Ｓｉ半導体からなりｎ型不純物がドーピングされたｎ層１９、および光反射効果を有する電極金属層２０からなる積層構造をなしている。
【００６５】
ここで、反射防止層１５は、透明基板７上の光入射面側一面に形成されているが、上記光電変換部の積層構造の一部として、各層１７〜１９や電極金属層２０と同様に光透過孔群６を有する構造としてもよい。また、集電電極１６は、第１光電変換層２からの反射光が各層１７〜１９に照射される必要があるため、上記各層１７〜１９の幅より狭く形成されている。
【００６６】
光電変換装置を通常の太陽電池として用いる場合、図２に示すように、反射防止層１４側から太陽光が導入され、多結晶Ｓｉ半導体層１０〜１２（または非晶質Ｓｉ半導体層）で光電変換が行われる。しかし、該反射防止層１４は、一般に波長依存性を有しており、全ての波長の光の反射を完全に防止することは不可能であり、該反射防止層１４からの反射光が存在することになる。また、電流を取り出すための集電電極１３に照射された光は、該集電電極１３により完全に反射されることになる。
【００６７】
これが、上述したように、第１光電変換層２で反射光が生まれる主な理由である。また、第２光電変換層５においても、同様に、反射防止層１５および集電電極１６が主因となって、反射光が生まれる。
【００６８】
ところで、上記第１光電変換層２に多結晶Ｓｉ半導体を用い、上記第２光電変換層５に非晶質Ｓｉ半導体を用いたのにも重要な理由がある。それは、第１光電変換層２の波長感度と第２光電変換層５の波長感度とを異ならせるためであり、この点は本発明の第２の特徴点である。なお、光電変換層の波長感度とは、光の波長に依存した光電変換率の大きさのことである。
【００６９】
詳細は、後の実施例中で具体的に説明するが、要するに、光電変換層の構成材料によって、光電変換率が極大となる波長が変化する。すなわち、第１光電変換層２と第２光電変換層５とで、光電変換率が極大となる波長を意図的に異ならせると、第１光電変換層２および第２光電変換層５の一方だけでは光電変換し切れない波長の光を光電変換できるようになる。これにより、光電変換できる光の波長幅が広くなるため、光の利用効率が上昇し、発電効率を一層高めることが可能になる。
【００７０】
【実施例】
［実施例１］
本発明の実施例１として、図１〜図３に示す構成の光電変換装置を作製した。
【００７１】
シリンドリカル状集光曲面群４を有する集光素子３は、ロール成形法により作製した。すなわち、屈折率１．５のポリカーボネート樹脂製の透明平板基板を、熱変形温度近傍の温度まで温度上昇させ、円柱状のローラーと、円柱表面にシリンドリカル状集光曲面群４に対応した凹凸を有するローラーとの間を、温度上昇した上記透明平板基板を通過させることにより、一方の面が平らで、他方の面にシリンドリカル状集光曲面群４を有する集光素子３を形成した。
【００７２】
次に、第１光電変換層２としては、従来と同様な方法により図２に示す多結晶Ｓｉ半導体層を主要部とする光電変換層を、以下のようにして作製した。
【００７３】
支持体を兼ねたステンレス製の支持基板１上に、光反射効果を有する膜厚１００ｎｍのＡｌ０．９５Ｔｉ０．０５合金からなる電極金属層９をスパッタリングにより形成した後、電極金属層９と半導体層との電気的接触を良好にするために設けたｎ型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１０、多結晶Ｓｉ半導体層１０と同じｎ型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１１、多結晶Ｓｉ半導体層１０、１１と反対の伝導型であるｐ型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１２をプラズマＣＶＤ装置により順次形成した。
【００７４】
多結晶Ｓｉ半導体層１０は、基板温度２５０℃の条件で、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＰＨ３ガスの混合比を最適化した混合ガスをＣＶＤ装置に導入し、ガス圧２０Ｐａとして、１００Ｗの高周波電力を投入することにより形成した。こうして、電極金属層９上には、Ｐが高濃度にドープされた膜厚３０ｎｍの多結晶Ｓｉ半導体層１０を堆積した。
【００７５】
次に、多結晶Ｓｉ半導体層１１は、基板温度５５０℃の条件で、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＰＨ３ガスの混合比を最適化した混合ガスをＣＶＤ装置に導入し、ガス圧５０Ｐａとして、３５０Ｗの高周波電力を投入することにより形成した。こうして、多結晶Ｓｉ半導体層１０上には、Ｐがわずかにドーピングされた膜厚１５０ｎｍの多結晶Ｓｉ半導体層１１を堆積した。
【００７６】
多結晶Ｓｉ半導体層１１は、光を吸収し、電荷を発生させ、発電を行う層であり、十分に光を吸収させるため、従来の光電変換装置においては、通常その厚さが５０００ｎｍ以上５００００ｎｍ以下に設定される。これに対し、本発明においては、直線スリット状光透過孔群６（図１）からの入射光が、第１光電変換層２と第２光電変換層５との間で入射、反射を繰り返すため、効率的に光を吸収させることができるので、多結晶Ｓｉ半導体層１１を薄くすることが可能である。すなわち、その膜厚を１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下と薄くした場合においても高い発電効率を得ることができる。したがって、多結晶Ｓｉ半導体層１３の形成時間を大幅に短縮することが可能となり、光電変換装置の低コスト化を実現することができる。
【００７７】
次に、多結晶Ｓｉ半導体層１２は、基板温度３５０℃の条件で、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＢＦ３ガスの混合比を最適化した混合ガスをＣＶＤ装置に導入し、ガス圧５０Ｐａとして、１００Ｗの高周波電力を投入することにより形成した。こうして、多結晶Ｓｉ半導体層１１上には、Ｂがドーピングされた膜厚１５ｎｍのｐ型の多結晶Ｓｉ半導体層１２を堆積した。
次に、多結晶Ｓｉ半導体層１０〜１２で構成されるｐｎ接合を形成した支持基板１をスパッタリング装置に取り付け、くし型集電電極１３の形状に対応した遮蔽マスクを支持基板１の多結晶Ｓｉ半導体層１２の表面に装着した状態で、ＡｌＴｉ合金ターゲットを用いて膜厚１００ｎｍのＡｌ０．９５Ｔｉ０．０５合金からなる幅０．１ｍｍ、間隔５ｍｍのくし型集電電極１３を形成した。
【００７８】
最後に、Ｉｎ２Ｏ３ターゲットを用い、酸素雰囲気中で反応性スパッタリングを行うことにより、多結晶Ｓｉ半導体層１２及びくし型の集電電極１３上に、膜厚６５ｎｍの導電性透明膜１４を形成した。
【００７９】
一方、図１・３に示す、第２光電変換層５としては、直線スリット状光透過孔群６を有する非晶質Ｓｉ半導体層１７〜１９からなる光電変換層を、以下のようにして作製した。（図３）
まず、板厚２ｍｍのポリカーボネート樹脂からなる透明基板７上に、膜厚３０ｎｍのＳｎＯ２透明導電層を反射防止層１５として、反応性スパッタリングにより形成した。この後、ライン状の集電電極１６に対応した遮蔽マスクを反射防止層１５の表面に装着した状態で、ＡｌＴｉ合金ターゲットを用いたスパッタリングにより、膜厚１００ｎｍのＡｌ０．９５Ｔｉ０．０５合金からなる、幅０．５ｍｍ、のライン状の集電電極１６を、１０ｍｍ間隔で形成した。
【００８０】
次に、集電電極１６に対応した上記遮蔽マスクを取り外し、直線スリット状光透過孔群６に対応した遮蔽マスクを取り付けた後、ｐ型不純物ドープ半導体層であるｐ層１７、真性半導体層であるｉ層１８、ｎ型不純物ドープ層であるｎ層１９がこの順に積層された非晶質Ｓｉ半導体を主要部とする光電変換層を、プラズマＣＶＤ装置による気相成長法で形成した。
【００８１】
各半導体層は、それぞれ、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガスの混合ガスを用いて気相成長した膜厚１５ｎｍのａ−ＳｉＣ：Ｈのｐ層１７、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガスの混合ガスを用いて気相成長した膜厚１００ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈのｉ層１８、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス・ＰＨ３ガスの混合ガスを用いて気相成長した膜厚１５ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈのｎ層１９とした。
【００８２】
上記非晶質Ｓｉ半導体の各層１７〜１９を形成した後、膜厚１００ｎｍのＡｌからなる光反射効果を有する電極金属層２０をスパッタリングにより形成した。
【００８３】
最後に、直線スリット状光透過孔群６に対応した遮蔽マスクを取り外すことにより、直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５を透明基板７上に形成した。
【００８４】
ここで、多結晶Ｓｉ半導体層を用いた上記第１光電変換層２と非晶質Ｓｉ半導体層を用いた第２光電変換層５の波長感度を図４に示す。図４に示すように、第１光電変換層２は、概ね７００ｎｍの波長の光に対する発電効率が極大となり、第２光電変換層５は、概ね５５０ｎｍの波長の光に対する発電効率が極大となった。
【００８５】
逆に、第１光電変換層２は、第２光電変換層５の発電効率が極大になる５５０ｎｍ付近の波長の光に対する感度が弱く、第２光電変換層５は、第１光電変換層２の発電効率が極大になる７００ｎｍ付近の波長の光に対する感度が弱くなっていることが分かる。
【００８６】
このように、各光電変換層２・５は、効率良く光電変換できる光の波長域が、太陽光に含まれる波長域の一部であり、しかも相互にずれているため、各光電変換層２・５の一方だけを備えた光電変換装置では、利用し切れない波長の光が残ることになる。
【００８７】
そこで、本発明の光電変換装置は、波長感度が異なる第１光電変換層２および第２光電変換層５を備えることで、光電変換できる光の波長域を広げるという、タンデム型光電変換装置の効果を得ている。その上に、本発明の光電変換装置は、各光電変換層２・５を対向配置して、その間で起きる多重反射を利用することにより、各反射防止層１４・１５で反射してしまう光を光電変換装置外に逃がさない構成を採っているので、従来のタンデム型光電変換装置では達成できない発電効率を実現することができる。
【００８８】
なお、対向配置する各光電変換層２・５は、波長感度が互いに異なる例を示したが、これに限らず、第１光電変換層として、波長感度が異なる複数の光電変換層を平面的に配置し、これに対して、さらに波長感度の異なる第２光電変換層を対向配置してもよい。この場合、波長感度を少なくとも３通り以上に異ならせた２つの光電変換層を対向させることができる。
【００８９】
上記の構成に加えてさらに、第２光電変換層として、波長感度が異なる複数の光電変換層を平面的に配置すれば、波長感度を少なくとも４通り以上に異ならせた２つの光電変換層を対向させることができる。
【００９０】
異なる波長感度の数が増大する程、光電変換できる光の波長域を広げることができ、波長によらずほぼフラットな感度を持つ超タンデム型光電変換装置を作製することができる。
【００９１】
以上のようにして作製した、上記シリンドリカル状集光曲面群４を有する集光素子３と、上記第１光電変換層２を有する支持基板１と、直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５が設けられた透明基板７とを、図１に示すように配置固定した。
【００９２】
ここで、シリンドリカル状集光曲面群４としては、曲率半径１０ｍｍのシリンドリカル状集光曲面群４が、幅１０ｍｍの間隔で並んだ構成とし、その焦点距離Ｆはおよそ２８ｍｍであり、直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５と、シリンドリカル状集光曲面群４との最大距離が２５ｍｍとなるように、すなわち焦点距離Ｆより短い距離で配置した。また、直線スリット状光透過孔群６は、その幅を２ｍｍとし、第２光電変換層５上に１０ｍｍ間隔で設けた。
【００９３】
上記実施例１の光電変換装置に対して、太陽光シミュレーター（光強度１００ｍＷ／ｃｍ２）により、光を入射させ、第１光電変換層２から得られる開放電圧Ｖ１１と短絡電流Ｉ１１、及び、第２光電変換層から得られる開放電圧Ｖ１２と短絡電流Ｉ１２を調査した。同時に、比較例１として、上記支持基板１上に上記第１光電変換層２を設けただけの構成の光電変換装置について、その開放電圧Ｖ１０と短絡電流Ｉ１０とを調べた。
【００９４】
その結果、実施例１の第１光電変換層２においては、Ｖ１１／Ｖ１０＝１．２２、Ｉ１１／Ｉ１０＝１．５６となり、実施例１の第１光電変換層２において、比較例１の光電変換装置よりも高い発電効率が得られることが確認された。また、実施例１の第２光電変換層５においても、Ｖ１２／Ｖ１０＝０．９０、Ｉ１２／Ｉ１０＝０．７５となり、実施例１の第２光電変換層５においても、比較例１とほぼ同程度の発電効率が得られていることが確認された。
【００９５】
この結果は、第１光電変換層２として用いた多結晶Ｓｉ光電変換層の波長感度と、第２光電変換層５として用いた非晶質Ｓｉ光電変換層の波長感度が異なることにより、第１光電変換層２において、長波長側の光が光電変換に寄与し、第２光電変換層５において、短波長側の光が光電変換に寄与したことにより、第１光電変換層２と第２光電変換層５の両方で高い発電効率が実現したものである。
【００９６】
［実施例２］
実施例２の光電変換装置は、図１に示す実施例１の光電変換装置において、透明基板７として、各光電変換層２・５の少なくとも一方における光電変換に寄与する波長の蛍光を発するような蛍光特性を有する透明基板７（透明材層）を用いるものである。
【００９７】
具体的には、板厚２ｍｍのポリカーボネート樹脂製基板に、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１０体積％含有させた透明基板７を用いて、実施例１と同様にして図１に示す構成の光電変換装置を作製した。
【００９８】
上記蛍光粒子は、各光電変換層２・５のどちらにおいても、光電変換に殆ど利用されない波長の光を、各光電変換層２・５の少なくとも一方の光電変換に利用される波長の光に変換する。したがって、光電変換に利用される光が増えるので、発電効率がさらに向上する。
【００９９】
具体的には、上記蛍光粒子は、波長４００ｎｍ近傍の光を、波長６００ｎｍ近傍の光に変換する。図４に基づいて説明したように、第１光電変換層２は、概ね７００ｎｍの波長の光に対する発電効率が極大となるので、波長４００ｎｍ近傍の光を光電変換に利用しない。同様に、第２光電変換層５は、概ね５５０ｎｍの波長の光に対する発電効率が極大となるので、波長４００ｎｍ近傍の光を光電変換に殆ど利用しない。
【０１００】
これに対し、図４から明らかなように、各光電変換層２・５は、どちらも波長６００ｎｍ近傍の光を光電変換に利用する。発電効率を上げるには、蛍光粒子が各光電変換層２・５の少なくとも一方における光電変換に寄与する波長の蛍光を発すればよいが、上記のように、変換後の波長が、各光電変換層２・５それぞれの極大感度波長の中間値付近になるような蛍光を発することが好ましい。
【０１０１】
こうして、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、第１光電変換層２と第２光電変換層５との間で入射、反射を繰り返すことにより、第１光電変換層２と第２光電変換層５とにおいて、蛍光粒子により変換された波長６００ｎｍ近傍の光による光電変換が発生し、光電変換装置の発電効率を一層高くすることが可能となる。
【０１０２】
実施例２の光電変換装置に対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを調査した結果、蛍光粒子を分散させた透明基板７を用いることにより、実施例１の光電変換装置に比較して、第１光電変換層２において、開放電圧Ｖが７％大きくなり、短絡電流Ｉが１２％大きくなることを確認し、第２光電変換層５において、開放電圧Ｖが４％大きくなり、短絡電流Ｉが１５％大きくなることを確認した。
【０１０３】
［実施例３］
本発明の実施例３として、図１に示す実施例１に記載の光電変換装置において、第２光電変換層５を有する透明基板７と第１光電変換層２を有する支持基板１とを、蛍光特性を有する透明接着剤を用いて接着固定した光電変換装置を作製した。なお、透明接着剤は、各光電変換層２・５の少なくとも一方における光電変換に寄与する波長の蛍光を発するような蛍光特性を有する透明材層の一形態である。
【０１０４】
実施例１に記載の光電変換装置においては、集光素子３と透明基板７と支持基板１とを透明接着剤を用いて接着固定することにより、光電変換装置の機械的強度を高め、光電変換装置の薄型化を図ることが可能である。
【０１０５】
これに対し、本実施例３の光電変換装置においては、機械的強度の向上よりも、発電効率の向上を主目的としているので、実施例１に記載の透明基板７と支持基板１とを、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１０体積％含有させた紫外線硬化樹脂を用いて接着固定した。該紫外線硬化樹脂層の層厚は、５０μｍであった。
【０１０６】
本実施例３においても、実施例２と同様に、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、各光電変換層２・５の光電変換に寄与することにより、光電変換装置の発電効率を高めることが可能である。
【０１０７】
本実施例３の光電変換装置に対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを調査した結果、実施例１の光電変換装置に比較して、第１光電変換層２において、開放電圧Ｖが４％大きくなり、短絡電流Ｉが１０％大きくなることを確認し、第２光電変換層５において、開放電圧Ｖが３％大きくなり、短絡電流Ｉが１０％大きくなることを確認した。
【０１０８】
［実施例４］
本発明の実施例４の光電変換装置として、図５および図６に示す光電変換装置を作製した。実施例１においては、透明基板７上に第２光電変換層５を設けたが、本実施例４の光電変換装置においては、集光素子３の片面（光出射面）に、直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５が設けられている。第２光電変換層５の設け方を除けば、他の構成については、実施例１の光電変換装置と同じである。本実施例４の構成とすることにより、透明基板７が不要となり、光電変換装置の構成を簡略化することができる。
【０１０９】
上記の構成によっても、集光素子３に対する入射光８は、シリンドリカル状集光曲面群４により集光され、直線スリット状光透過孔群６を通過して、第１光電変換層２と第２光電変換層５との間に導入される。この結果、発電効率が向上する多重反射作用については、既に説明したとおりである。
【０１１０】
支持基板１上には、実施例１と同じく、多結晶Ｓｉ半導体層を用いて第１光電変換層２を形成した。直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５は、図６に示すように、実施例１と同様に遮蔽マスクを取り付けた状態で、集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４に対向する面に、膜厚１００ｎｍのＡｌからなる光反射効果を有する電極金属層２１、膜厚１５ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈのｎ層２２、膜厚１００ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈのｉ層２３、膜厚１５ｎｍのａ−ＳｉＣ：Ｈのｐ層２４、膜厚１００ｎｍのＡｌ０．９５Ｔｉ０．０５合金からなる、幅０．５ｍｍ、間隔１０ｍｍのライン状の集電電極２５、膜厚３０ｎｍの反射防止層２６としてのＳｎＯ２透明導電層を順次形成することにより、非晶質Ｓｉ半導体を主要部とする第２光電変換層５を作製した。
【０１１１】
上記シリンドリカル状集光曲面群４及び直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５が設けられた集光素子３と、上記第１光電変換層２を有する支持基板１とを、図５に示すように配置固定した。
【０１１２】
ここで、シリンドリカル状集光曲面群４としては、曲率半径１０ｍｍのシリンドリカル状集光曲面が、幅１０ｍｍの間隔で並んだ構成とし、その焦点距離Ｆはおよそ２８ｍｍであり、直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５と、シリンドリカル状集光曲面群４との最大距離が２５ｍｍとなるように、集光素子３の板厚を調整した。また、直線スリット状光透過孔群６は、その幅を２ｍｍとし、第２光電変換層５上に１０ｍｍ間隔で設けた。
【０１１３】
上記実施例４の光電変換装置に対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、光を入射させ、第１光電変換層２から得られる開放電圧Ｖ４１と短絡電流Ｉ４１、および第２光電変換層から得られる開放電圧Ｖ４２と短絡電流Ｉ４２を調査した。同時に、比較例４として、上記支持基板１上に上記第１光電変換層２を設けただけの構成の光電変換装置について、その開放電圧Ｖ４０と短絡電流Ｉ４０とを調べた。
【０１１４】
その結果、実施例４の第１光電変換層２においては、Ｖ４１／Ｖ４０＝１．１５、Ｉ４１／Ｉ４０＝１．６６となり、実施例４の第１光電変換層２において、比較例４の光電変換装置よりも高い発電効率が得られることが確認された。また、実施例４の第２光電変換層５においても、Ｖ４２／Ｖ４０＝０．９５、Ｉ４２／Ｉ４０＝０．９５となり、実施例４の第２光電変換層５においても、比較例４とほぼ同程度の発電効率が得られていることが確認された。
【０１１５】
この結果は、第１光電変換層２として用いた多結晶Ｓｉ光電変換層の波長感度と、第２光電変換層５として用いた非晶質Ｓｉ光電変換層の波長感度が異なることにより、第１光電変換層２において、長波長側の光が光電変換に寄与し、第２光電変換層５において、短波長側の光が光電変換に寄与したことにより、第１光電変換層２と第２光電変換層５の両方で高い発電効率が実現したものである。
【０１１６】
実施例４に記載の光電変換装置においては、第１光電変換層２が設けられた支持基板１と、一方の面にシリンドリカル状集光曲面群４が設けられ、他方の面に直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５が設けられた集光素子３とを用いた構成について記載したが、図７に示すように、上記支持基板１と上記集光素子３との間に、透明基板２７（透明材層）を設けることも可能である。
【０１１７】
この場合、第１光電変換層２と第２光電変換層５との間に位置する透明基板２７として、実施例２と同様の蛍光特性を有する透明基板を用いることにより、発電効率をさらに高めることが可能である。また、実施例３と同様に、集光素子３、透明基板７、支持基板１をそれぞれ接着固定する接着剤として、実施例３と同様の蛍光特性を有する透明接着剤を用いることにより、発電効率をさらに高めることが可能である。
【０１１８】
［実施例５］
本発明の実施例５の光電変換装置について、図８及び図９を用いて説明する。本実施例５に記載の光電変換装置は、図５に示す実施例４の光電変換装置における第１光電変換層２を有する支持基板１の替わりに、光電変換素子用透明基板２８の光入射面と反対側の面に第１光電変換層２９を設けた構成となっている。
【０１１９】
したがって、入射光８は、集光素子３上のシリンドリカル状集光曲面群４により集光され、直線スリット状光透過孔群６を通過し、光電変換素子用透明基板２８を透過した後、第１光電変換層２９に照射される。なお、第１光電変換層２９と第２光電変換層５との間で起きる多重反射により、発電効率が高められる点は、前記各実施例と同様である。
【０１２０】
ここで、実施例５の第１光電変換層２９は、光電変換素子用透明基板２８側から光が入射してくるため、図９に示すような構成である。すなわち、光電変換素子用透明基板２８上に、Ｉｎ２Ｏ３からなる膜厚６５ｎｍの導電性透明膜である反射防止層３０、膜厚１００ｎｍのＡｌ０．９５Ｔｉ０．０５合金からなる幅０．１ｍｍ、間隔５ｍｍのくし型の集電電極３１、ｎ型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層３２、多結晶Ｓｉ半導体層３２と同じｎ型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層３３、多結晶Ｓｉ半導体層３２、３３と反対の伝導型であるｐ型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層３４、光反射効果を有する膜厚１００ｎｍのＡｌ０．９５Ｔｉ０．０５合金からなる電極金属層３５、紫外線硬化樹脂からなる表面保護層３６が順次形成された構成を有している。
【０１２１】
上記実施例５の光電変換装置に対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、光を入射させ、第１光電変換層２９から得られる開放電圧Ｖ５１と短絡電流Ｉ５１、及び、第２光電変換層５から得られる開放電圧Ｖ５２と短絡電流Ｉ５２を調査した。同時に、比較例５として、上記光電変換素子用透明基板２８上に上記第１光電変換層２９を設けただけの構成の光電変換装置について、その開放電圧Ｖ５０と短絡電流Ｉ５０とを調べた。
【０１２２】
その結果、実施例５の第１光電変換層２９においては、Ｖ５１／Ｖ５０＝１．１５、Ｉ５１／Ｉ５０＝１．５４となり、実施例５の第１光電変換層２９において、比較例５の光電変換装置よりも高い発電効率が得られることが確認された。また、実施例５の第２光電変換層５においても、Ｖ５２／Ｖ５０＝０．８９、Ｉ５２／Ｉ５０＝０．７０となり、実施例５の第２光電変換層５においても、比較例５とほぼ同程度の発電効率が得られていることが確認された。
【０１２３】
この結果は、第１光電変換層２９として用いた多結晶Ｓｉ光電変換層の波長感度と、第２光電変換層５として用いた非晶質Ｓｉ光電変換層の波長感度が異なることにより、第１光電変換層２において、長波長側の光が光電変換に寄与し、第２光電変換層５において、短波長側の光が光電変換に寄与したことにより、第１光電変換層２９と第２光電変換層５の両方で高い発電効率が実現したものである。
【０１２４】
本実施例５に記載の光電変換装置においても、実施例４に記載の光電変換装置と同様に、第２光電変換層５が設けられた集光素子３と第１光電変換層２９が設けられた光電変換素子用透明基板２８とを透明接着剤で接着固定することにより、光電変換装置の機械的強度を高めることが可能である。
【０１２５】
また、光電変換素子用透明基板２８として、実施例２と同様の蛍光特性を有する透明基板を用いることにより、第１光電変換層２９における光電変換にも、第２光電変換層５における光電変換にも利用されない波長の光を、各光電変換層５・２９の少なくとも一方で光電変換可能な波長の光に変換することができる。
【０１２６】
また、光電変換素子用透明基板２８と集光素子３とを接着固定する透明接着剤として、実施例３と同様の蛍光特性を有する透明接着剤を用いることにより、同様にして、光電変換装置の発電効率を高めることが可能である。
【０１２７】
本実施例５においては、図８に示すように、集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４に対向する面に、直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５を設けた構成について説明したが、図１０に示すように、第１光電変換層２９が形成された光電変換素子用透明基板２８の光入射側の面に、直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５を設けた構成においても、同様に発電効率を高めることが可能である。
【０１２８】
この場合、入射光８は、集光素子３上のシリンドリカル状集光曲面群４により集光され、光電変換素子用透明基板２８上に設けられた直線スリット状光透過孔群６を通過し、光電変換素子用透明基板２８を透過した後、第１光電変換層２９に照射される。直線スリット状光透過孔群６から入射した光が、第１光電変換層２９と第２光電変換層５との間で入射、反射を繰り返すことにより、光電変換装置の発電効率が高められる。
【０１２９】
また、図１１に示すように、実施例１と同様に、直線スリット状光透過孔群６を有する第２光電変換層５が設けられた透明基板３７を、集光素子３及び図８に示す光電変換素子用透明基板２８との間に配置した構成においても、同様に発電効率を高めることが可能である。この場合、図１２に示すように、透明基板３７を上下反転した構成とすることも可能である。
【０１３０】
なお、図１０に示すように、光電変換素子用透明基板２８の両面に第１光電変換層２９および第２光電変換層５を設けた構成では、第１光電変換層２９を形成した後、第２光電変換層５を形成した場合、第１光電変換層２９の形成時に、第２光電変換層５を形成する面に発生した傷や塵埃付着により、第２光電変換層５自体の特性劣化が発生するおそれがある。
【０１３１】
したがって、より高い発電効率を実現するためには、第１光電変換層２と第２光電変換層５とを別々の基板上に形成する実施例１の構成や、別々に形成したあと接着剤で一体化する構成が望ましい。しかしながら、図１０の構成によれば、基板枚数を削減することができ、太陽電池パネルの低コスト化及び薄型化を実現することが可能である。
【０１３２】
また、図１０、図１１及び図１２に示す構成の光電変換装置においても、直線スリット状光透過孔群６よりも第１光電変換層２９側に位置する透明基板や透明接着剤として、蛍光特性を有する透明基板、若しくは、蛍光特性を有する透明接着剤を用いることにより、既に説明した理由により、光電変換装置の発電効率を高めることが可能である。
【０１３３】
本発明の明細書においては、光電変換層として、波長感度の異なる第１光電変換層と第２光電変換層とを用いた例を示しているが、第１光電変換層と第２光電変換層として、全く同一の光電変換層を用いることも可能である。この場合、本発明の実施例と比較して、発電効率が低くなるが、同一設備を用いて第１光電変換層と第２光電変換層を形成することが可能であり、光電変換装置の低コスト化を実現することができる。
【０１３４】
また、本発明の明細書においては、互いに波長感度の異なる光電変換層として、多結晶Ｓｉ光電変換層と非晶質Ｓｉ光電変換層とを用いた例を示したが、これに限られるものではない。例えば、単結晶Ｓｉ光電変換層と非晶質Ｓｉ光電変換層とを用いることも可能であり、また、ＣｄＳ−Ｃｕ２Ｓ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層を用いた光電変換層を用いることも可能である。
【０１３５】
また、実施例２から実施例５に記載の光電変換装置においては、蛍光粒子として、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を用いたが、これに限られるものではない。例えば、蛍光粒子として、粒径２〜２０μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を使用することにより、２００〜４５０ｎｍの波長（高エネルギー）の光を吸収し、６２５ｎｍの波長（低エネルギー）の光を放射させるダウンコンバージョンタイプの蛍光体を用いることが可能である。
【０１３６】
また、Ｅｒ３＋イオンを含有した酸化フッ化物系結晶化ガラスを用いることにより、８５０ｎｍ近傍の波長（低エネルギー）の光を吸収し、５５０〜６６０ｎｍの波長（高エネルギー）の光を放射させることが可能であり、このようなアップコンバージョンタイプの蛍光体を用いた場合においても、同様に本発明の光電変換装置の発電効率を高めることが可能である。
【０１３７】
これら以外の蛍光材料として、酸化ストロンチウムと酸化アルミニウムからなる化合物に希土類元素のユウロピウム（Ｅｕ）とジスプロシウム（Ｄｙ）を添加したＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｄｙや、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ，Ｄｙや、ＣａＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｄｙや、ＺｎＳ：Ｃｕ等の蛍光材料を用いることも可能である。
【０１３８】
また、シアニン系色素、ピリジン系色素、ローダミン系色素等の有機色素を含有させることによっても、同様に、短波長の光を長波長の光に変換することが可能であり、発電効率を高くすることが可能である。
【０１３９】
さらに、これらの蛍光材料を任意の組み合わせで複数種類を同時に用いることにより、より高い発電効率を得ることが可能である。
【０１４０】
また、実施例１から実施例５に記載の光電変換装置においては、集光素子３及び透明基板７・３７として、ポリカーボネート樹脂基板を用いたが、これに限られるものではない。集光素子３及び透明基板７・３７として、スチレン系透明樹脂、オレフィン系透明樹脂、エチレン系透明樹脂、アクリル系透明樹脂からなる様々なプラスチック板を用いることが可能である。また、作製方法も射出成形法に限られるものでなく、キャスティング法や熱間成形法等を用いることが可能である。
【０１４１】
さらに、モールド法やロール成形法により作製したガラス製の集光素子３および透明基板７・３７を用いることも可能である。集光素子３および透明基板７・３７として、ガラス基板を用いることにより、耐環境性が著しく改善され、長期使用に対しても安定して高い発電効率を維持することが可能である。
【０１４２】
また、実施例１から実施例３に記載の光電変換装置においては、曲率半径１０ｍｍのシリンドリカル状集光曲面群を用いて、入射光の集光を行ったが、光透過孔群に入射光を集光することが可能であれば良く、上記シリンドリカル状集光曲面群に限られるものではなく、さらに直線スリット状光透過孔群との組み合わせに限られるものでもない。例えば、シリンドリカル状集光曲面群の代わりに、場所により曲率半径が変化するような非球面の集光曲面群を用いることも可能である。
【０１４３】
なお、本発明の光電変換装置は、集光曲面群を設けた透明集光基板と、上記第１光電変換層を設けた第１基板と、上記光透過孔群を有する第２光電変換層を設けた第２透明基板とを備えた構成としてもよい。
【０１４４】
これにより、上記各基板を別々に作製することが可能となる。この結果、１枚の基板の両面に、集光曲面群と第１光電変換層を設ける場合や、１枚の基板の両面に、各光電変換層を設ける場合等に比べて、作製済みの基板面が他方の面の作製時に受ける傷等の損傷が抑制され、所望の性能を保有した光電変換装置の製造が可能となる。
【０１４５】
また、本発明の光電変換装置は、上記集光曲面群を透明基板の一方の面に設け、上記透過孔を有する第２光電変換層を、該透明基板の他方の面に設け、上記第１光電変換層を第１基板に設けた構成でもよい。
【０１４６】
なお、上記第１基板を透明基板とし、上記第１光電変換層を、該透明基板の光入射側とは反対側の面に設けてもよい。
【０１４７】
さらに、本発明の光電変換装置は、集光曲面群を設けた透明集光基板と、一方の面に上記第２光電変換層が設けられ、他方の面に上記第１光電変換層が設けられた透明基板とを備えた構成でもよい。
【０１４８】
いずれの構成においても、基板枚数を削減することができるので、光電変換装置の低コスト化、薄型化を実現することができる。
【０１４９】
【発明の効果】
本発明の光電変換装置は、以上のように、第１光電変換層と、第１光電変換層に対向配置された第２光電変換層と、第１光電変換層および第２光電変換層の間に、光を導入する光導入手段とを備えたことを特徴としている。
【０１５０】
それゆえ、対向する２層の光電変換層の間で起きる多重反射により、それぞれの光電変換層で光電変換が行われるので、入射光を無駄なく利用でき、優れた発電効率を実現することができるという効果を奏する。
【０１５１】
また、本発明の光電変換装置は、上記第１光電変換層と上記第２光電変換層の波長感度が異なっていることを特徴としている。
【０１５２】
それゆえ、第１光電変換層および第２光電変換層の一方だけでは光電変換し切れない波長の光を光電変換できるようになる。これにより、光電変換できる光の波長幅が広くなるため、光の利用効率が上昇し、発電効率を一層高めることが可能になるという効果をさらに奏する。
【０１５３】
さらに、異なる波長感度の種類を増やす程、光電変換できる光の波長域を広げることができるので、波長によらずほぼフラットな感度を持つ超タンデム型光電変換装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１５４】
また、本発明の光電変換装置は、上記第１光電変換層と上記第２光電変換層との間に、各光電変換層の少なくとも一方における光電変換に寄与する波長の蛍光を発する透明材層を備えたことを特徴とする
それゆえ、透明材層は、各光電変換層の少なくとも一方における光電変換に寄与する波長の蛍光を発するので、光電変換に利用される光が結果的に増え、発電効率がさらに向上するという効果を奏する。
【０１５５】
また、本発明の光電変換装置は、上記第２光電変換層には、光を通す光透過孔が形成され、上記光導入手段は、該光透過孔に光を集光する集光素子を備えていることを特徴としている。
【０１５６】
それゆえ、対向配置された第１光電変換層および第２光電変換層に対して、光入射側に集光素子を配置する簡単な光学系を組むだけで、発電効率の高い光電変換装置を作製することができるという効果をさらに奏する。
【０１５７】
また、本発明の光電変換装置において、上記集光素子は、シリンドリカル状集光曲面を備え、上記光透過孔は、シリンドリカル状集光曲面の円筒軸に平行に延伸する直線スリット状光透過孔であることを特徴としている。
【０１５８】
それゆえ、シリンドリカル状集光曲面によって線状に集光された光が、直線スリット状光透過孔へと効率良く集光され、該直線スリット状光透過孔を通過した後、各光電変換層の間で多重反射するので、様々な集光素子と透過孔との組み合わせの中でも、高い発電効率を実現することができる。
【０１５９】
また、シリンドリカル状集光曲面は、少ない数で大きな集光素子を構成することができるため、集光素子の構成を簡素化し、光電変換装置のコストを下げることにも役立つという効果をさらに奏する。
【０１６０】
また、本発明の光電変換方法は、以上のように、対向配置された２つの光電変換層の間に光を導入し、２つの光電変換層の間で光の多重反射を行わせることを特徴としている。
【０１６１】
それゆえ、既に説明した多重反射の作用により、高い発電効率を実現することができる。なお、この光電変換方法は、太陽光を利用して発電する太陽電池に適用することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電変換装置の構成例を示す断面斜視図である。
【図２】本発明の光電変換装置に用いる第１光電変換層の構成例を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の光電変換装置に用いる第２光電変換層の構成例を示す模式的な断面図である。
【図４】各光電変換層の波長感度を示すグラフである。
【図５】本発明の光電変換装置の他の構成例を示す断面斜視図である。
【図６】図５に示す光電変換装置に用いる第２光電変換層の構成例を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の光電変換装置のさらに他の構成例を示す断面斜視図である。
【図８】本発明の光電変換装置のさらに他の構成例を示す断面斜視図である。
【図９】ず８に示す光電変換装置に用いる第１光電変換層の構成例を示す模式的な断面図である。
【図１０】本発明の光電変換装置のさらに他の構成例を示す断面斜視図である。
【図１１】本発明の光電変換装置のさらに他の構成例を示す断面斜視図である。
【図１２】本発明の光電変換装置のさらに他の構成例を示す断面斜視図である。
【図１３】従来の太陽電池の構成例を示す模式的な断面図である。
【図１４】従来の太陽電池の他の構成例を示す模式的な断面図である。
【図１５】従来の太陽電池のさらに他の構成例を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１　支持基板
２　第１光電変換層
３　集光素子（光導入手段）
４　シリンドリカル状集光曲面群
５　第２光電変換層
６　直線スリット状光透過群
７　透明基板（透明材層）
８　入射光
２７　透明基板（透明材層）
２８　光電変換素子用透明基板（透明材層）
２９　第１光電変換層
３７　透明基板（透明材層）
【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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