(57)【要約】【課題】光電変換効率を向上させる。【解決手段】光の吸収波長域が同一又は略同一である複数の光電変換素子２１〜２３を、面直角方向に積層して構成する。すなわち、下層に配置された光電変換素子２１の上面に、中層の光電変換素子２２を積層し、中層に配置された光電変換素子２２の上面に、上層の光電変換素子２３を積層する。光電変換素子２１、２２、及び２３には、夫々、電極２４、２５、及び２６が設けてあり、各電極２４〜２６を介して光電変換素子２１〜２３は電気的に接続される。また、下層になるほど、厚みの大きな光電変換素子、又は空乏層の厚みが大きな光電変換素子を配置することが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光によって発電する光電変換部を備え、
前記光電変換部は、
光の吸収波長域が同一又は略同一である複数の光電変換素子を、面直角方向に積層して構成されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記光電変換部は、
下層になるほど、厚みの大きな前記光電変換素子が配置され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】
前記光電変換部は、
下層になるほど、空乏層の厚みが大きな前記光電変換素子が配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記光電変換部は、
前記光電変換素子毎に電極が設けられ、面直角方向から見て、各層における前記電極の配置が同一であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記光電変換部は、
少なくとも一部の前記光電変換素子同士が並列接続されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記光電変換部は、
前記吸収波長域の光を透過する電極が設けられることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記複数の光電変換素子は、
同一材料によって形成されることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換装置の受光面に照射される光強度が高過ぎると、電流が増加し、直列抵抗による曲線因子（フィルファクタ）の低下が生じて光電変換効率が低下してしまう。そこで、特許文献１に記載の従来技術では、セルを細分化する、つまり小面積化した複数のセルを面方向に並べることにより、電流の増加を抑制し、光電変換効率を高めることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３６３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セルを細分化すると、その分、セル同士の隙間等、発電に寄与しない領域が増えてしまうため、光電変換効率の向上を妨げる要因となってしまう。
本発明の課題は、光電変換効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様に係る光電変換装置は、受光によって発電する光電変換部を備え、光電変換部は、光の吸収波長域が同一又は略同一である複数の光電変換素子を、面直角方向に積層して構成される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、複数の光電変換素子を積層しているため、光電変換素子を面方向に並べたときのように、発電に寄与しない領域が増えることを抑制することができる。また、上層の光電変換素子で光の一部が吸収されると、残りが下層へと透過してゆくため、一層あたりの集光比を軽減することができる。特に、各層の吸収波長域を同一又は略同一としているため、一層あたりの集光比を一定の割合で軽減することができる。こうして、光電変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】光電変換部の断面図である。
【図２】集光比と変換効率の関係を示すグラフである。
【図３】複数の光電変換素子を面方向に並べた例を示す図である。
【図４】第２実施形態を示す光電変換部の断面図である。
【図５】第３実施形態を示す光電変換部の断面図である。
【図６】第４実施形態を示す光電変換部の断面図である。
【図７】第５実施形態を示す光電変換部を示す図である。
【図８】第６実施形態を示す光電変換部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【０００９】
《第１実施形態》
《構成》
図１は、光電変換部の断面図である。
光電変換部１１は、受光によって発電するものであり、ここでは、三つの光電変換素子２１、２２、及び２３を、面直角方向に積層して構成される。すなわち、下層に配置された光電変換素子２１の上面に、中層の光電変換素子２２を積層し、中層に配置された光電変換素子２２の上面に、上層の光電変換素子２３を積層している。光電変換素子２１、２２、及び２３には、夫々、電極２４、２５、及び２６が設けられており、各電極２４〜２６を介して光電変換素子２１〜２３は全て電気的に接続されている。
【００１０】
図中の（ａ）は、光照射部１２から例えばレーザやＬＥＤによって光を照射する例であり、図中の（ｂ）は、例えばレンズやミラー等の集光部１３を介して光を照射する例である。何れの場合も、太陽光より光の照射強度が強くなる。
照射された光は、先ず上層の光電変換素子２３で一部が吸収され、残りが下層へと透過する。次いで中層の光電変換素子２２で一部が吸収され、残りが下層へと透過し、最後に下層の光電変換素子２１で吸収される。
【００１１】
光電変換素子２１〜２３としては、例えば太陽電池、フォトダイオード、窒化物半導体などが知られている。光電変換素子２１〜２３は、全て同一材料によって形成される。同一材料とは、バンドギャップなどの光吸収特性（吸収波長域）が同一又は略同一であるということを指している。例えば、太陽電池であれば、結晶シリコンと微結晶シリコンの組み合わせとしてもよいし、化合物太陽電池であれば、その材料組成比を調整した組み合わせとしてもよい。
【００１２】
《作用》
次に、第１実施形態の作用について説明する。
単位面積当たりの入射光強度、つまり集光比（concentration ratio）を高めることにより、光電変換効率（Conversion efficiency）を高めることができる。シャープ技報第９３号、２００５年１２月（ｐｐ.５０、 図１）に示されているように、例えばＳｉ太陽電池の場合、非集光時での変換効率が約１９％であるのに対して、４０倍集光時には２１％に向上する。これはｐｎ接合の逆方向電流が集光比によって変化しないのに対して、出力電流が集光比の上昇と共に増加していくためである。
【００１３】
しかしながら、さらに集光比をアップしていくと、出力電流と共に光電変換素子の直列抵抗が指数関数的に増加するため、変換効率が頭打ちになり、そして減少していくことが知られている。
図２は、集光比と変換効率の関係を示すグラフである。
例えばＳｉ太陽電池の場合、集光比を４００倍に設定すると、変換効率が１５％まで低下する。この現象はレーザやＬＥＤなどから発せられた人工光に対しても同様である。したがって、光電変換素子の変換効率が低下しない程度に、適宜、集光比を設定することが重要になる。
【００１４】
これに対して、一つの光電変換素子を細分化する、つまり小面積化した複数の光電変換素子を面方向に並べることにより、電流の増加を抑制し、光電変換効率を高めることが考えられる。
図３は、複数の光電変換素子を面方向に並べた例を示す図である。
ここでは、小面積化した４つの光電変換素子３１〜３４を並べている。各光電変換素子同士の間には、スリット（隙間）を設ける必要があり、またクラック対策として角には面取りを施している。こうして、光電変換素子を細分化し、面方向に並べる構成では、発電に寄与しない領域が増えてしまうという問題があった。
【００１５】
そこで、第１実施形態では、同一材料によって形成された光電変換素子２１〜２３を、面直角方向に積層している。言い換えると、一つの光電変換素子を多層に分割し、積層している。この場合、各光電変換素子２１〜２３の厚みの合計値は、比較のために分割前の一つの光電変換素子の厚みに対応させることが望ましい。このように複数の光電変換素子２１〜２３を積層することで、光電変換素子を面方向に並べたときのように、発電に寄与しない領域が増えることを抑制することができる。これにより、より多くの出力電流を得ることができる。
【００１６】
また、上層の光電変換素子で光の一部が吸収されると、残りが下層へと透過してゆくため、一層あたりの集光比を軽減することができる。また、各層の吸収波長域を同一又は略同一としているため、一層あたりの集光比を一定の割合で軽減することができる。これにより、光電変換効率を向上させることができる。さらに、一層あたりの厚みが減少することで、光電変換によって生成されたキャリアが電極まで移動する距離が短くなり、光電変換効率をさらに高めることができる。
【００１７】
《対応関係》
光電変換部１１が「光電変換部」に対応する。光電変換素子２１〜２３が「複数の光電変換素子」に対応する。
【００１８】
《効果》
次に、第１実施形態における主要部の効果を記す。
（１）第１実施形態に係る光電変換装置は、光の吸収波長域が同一又は略同一である複数の光電変換素子２１〜２３を、面直角方向に積層して構成される。
このように、複数の光電変換素子２１〜２３を積層しているため、光電変換素子を面方向に並べたときのように、発電に寄与しない領域が増えることを抑制することができる。また、上層の光電変換素子で光の一部が吸収されると、残りが下層へと透過してゆくようになり、一層あたりの集光比を軽減することができる。特に、各層の吸収波長域を同一又は略同一としているため、一層あたりの集光比を一定の割合で軽減することができる。こうして、光電変換効率を向上させることができる。
【００１９】
（２）第１実施形態に係る光電変換装置は、複数の光電変換素子を、全て同一材料によって形成する。
これにより、光の吸収波長域を同一又は略同一にすることができる。
【００２０】
《第２実施形態》
《構成》
第２実施形態は、下層になるほど、厚みの大きな光電変換素子を配置したものである。
ここでは、各光電変換素子の厚みを異ならせたことを除いては、前述した第１実施形態と同様であるため、共通する部分については、詳細な説明を省略する。
図４は、第２実施形態を示す光電変換部の断面図である。
下層になるほど、厚みの大きな光電変換素子を配置する。すなわち、下層に配置された光電変換素子２１の厚みが最も大きく、上層に配置された光電変換素子２３の厚みが最も小さい。
【００２１】
《作用》
次に、第２実施形態の作用について説明する。
各光電変換素子２１〜２３は、光の吸収波長域が同一又は略同一である。したがって、下層になるほど、光電変換素子の厚みを大きくすることで、各層の光吸収量を均等にすることができる。各光電変換素子２１〜２３を直列接続している場合、夫々の出力電流の最小値に制限されることになる。したがって、各層の出力電流を均等化することにより、結果的に出力電流を増加させることができる。
第２実施形態において、前述した第１実施形態と共通する部分については、同様の作用効果が得られるものとし、詳細な説明は省略する。
【００２２】
《効果》
次に、第２実施形態における主要部の効果を記す。
（１）第２実施形態に係る光電変換装置は、下層になるほど、厚みの大きな光電変換素子が配置される。
このように、下層になるほど、厚みの大きな光電変換素子を配置することで、光吸収量を均等化し、出力電流を増加させることができる。
【００２３】
《第３実施形態》
《構成》
第３実施形態は、下層になるほど、空乏層の厚みが大きな光電変換素子を配置したものである。
ここでは、空乏層の厚みを異ならせたことを除いては、前述した第２実施形態と同様であるため、共通する部分については、詳細な説明を省略する。
【００２４】
図５は、第３実施形態を示す光電変換部の断面図である。
図中の（ａ）は、結晶Ｓｉ太陽電池の例を示し、図中の（ｂ）は、ＣＩＧＳ太陽電池の例を示す。各光電変換素子２１〜２３は、夫々、ＰＮ接合部に、電子やキャリア（正孔）がほとんど存在しない空乏層２７〜２９が存在する。そして、下層になるほど、空乏層の厚みが大きな光電変換素子を配置している。すなわち、下層に配置された光電変換素子２１における空乏層２７の厚みが最も大きく、上層に配置された光電変換素子２３における空乏層２９の厚みが最も小さい。
【００２５】
《作用》
次に、第３実施形態の作用について説明する。
光電変換素子内で、主に光起電力を発生するのは空乏層である。したがって、下層になるほど、光電変換素子における空乏層の厚みを大きくすることで、より正確に各層の光吸収量を均等にすることができる。したがって、第２実施形態よりも、各層の出力電流を均等化することができ、結果的に出力電流を増加させることができる。
第３実施形態において、前述した第２実施形態と共通する部分については、同様の作用効果が得られるものとし、詳細な説明は省略する。
【００２６】
《効果》
次に、第３実施形態における主要部の効果を記す。
（１）第３実施形態に係る光電変換装置は、下層になるほど、空乏層の厚みが大きな光電変換素子が配置される。
このように、下層になるほど、空乏層の厚みが大きな光電変換素子を配置することで、より正確に光吸収量を均等化し、出力電流を増加させることができる。
【００２７】
《第４実施形態》
《構成》
第４実施形態は、面直角方向から見て、各層における電極の配置を同一にしたものである。
ここでは、電極の配置について説明するが、前述した第１実施形態と共通する部分については、詳細な説明を省略する。
【００２８】
図６は、第４実施形態を示す光電変換部の断面図である。
図中の（ａ）は、光電変換部１１の断面図を示し、図中の（ｂ）は、光電変換部１１を上方（光源側）から見た平面図を示す。光電変換素子２１、２２、及び２３の上面には、夫々、電極２４、２５、及び２６が設けられている。電極２４〜２６は、２本ずつあり、略平行に設けられている。そして、上方（光源側）から見て、各層における電極２４〜２６の配置を同一にしている。すなわち、平面視で、電極２６の真下に、この電極２６と重なるように、電極２５、２６を配置することにより、各電極２４〜２６の配置を縦方向に揃えている。
【００２９】
《作用》
次に、第４実施形態の作用について説明する。
各光電変換素子２１〜２３の上面に、夫々、電極２４〜２６を設けているため、この電極２４〜２６が、各光電変換素子２１の受光を遮ってしまい、その下面側が影となってしまう。また、上層に位置する電極２６の影は、上層の光電変換素子２３のみならず、さらに下方の光電変換素子２２及び２１にも影響を与え、中層に位置する電極２５の影は、中層の光電変換素子２２のみならず、さらに下方の光電変換素子２１にも影響を与える。このように、電極２４〜２６は受光を遮るものとなる。
【００３０】
そこで、面直角方向、つまり上方（光源側）から見て、各層における電極２４〜２６の配置を同一にする。これにより、各電極２４〜２６によって影となる領域が共通になり、光を遮る範囲を最小限に抑制することができる。したがって、光電変換効率が低下することを抑制できる。
第４実施形態において、前述した第１実施形態と共通する部分については、同様の作用効果が得られるものとし、詳細な説明は省略する。
【００３１】
《効果》
次に、第４実施形態における主要部の効果を記す。
（１）第４実施形態に係る光電変換装置は、面直角方向から見て、各層における電極２４〜２６の配置を同一にする。
このように、各層における電極２４〜２６の配置を同一にすることで、影によって生じる損失を最小限にし、光電変換効率が低下することを抑制できる。
【００３２】
《第５実施形態》
《構成》
第５実施形態は、少なくとも一部の光電変換素子を並列接続したものである。
ここでは、各光電変換素子の接続について説明するが、前述した第１実施形態と共通する部分については、詳細な説明を省略する。
図７は、第５実施形態を示す光電変換部を示す図である。
図中の（ａ）は、光電変換部１１の外観図であり、図中の（ｂ）は、全ての光電変換素子を並列接続した光電変換部１１の断面図であり、図中の（ｃ）は、一部の光電変換素子を並列接続した光電変換部１１の断面図である。
【００３３】
下層の光電変換素子２１と中層の光電変換素子２２との間には、絶縁膜４１を介装し、中層の光電変換素子２２と上層の光電変換素子２３との間には、絶縁膜４２を介装する。絶縁膜４１、４２には、例えばガラスや高分子膜等を用いる。また、下層の光電変換素子２１の下面には一対の下面電極４３を設け、光電変換素子２１の上面には一対の上面電極４４を設ける。中層の光電変換素子２２の下面には一対の下面電極４５を設け、光電変換素子２２の上面には一対の上面電極４６を設ける。上層の光電変換素子２３の下面には一対の下面電極４７を設け、光電変換素子２３の上面には一対の上面電極４８を設ける。
【００３４】
図中の（ｂ）では、下層の光電変換素子２１と、中層の光電変換素子２２と、上層の光電変換素子２３と、を全て並列に接続している。また、図中の（ｃ）では、下層の光電変換素子２１と、上層の光電変換素子２３と、を並列に接続し、中層の光電変換素子２２については、他の回路へと接続している。
なお、各光電変換素子２１〜２３、絶縁膜４１、４２、及び各電極４３〜４８を、階段状に示しているが、これは便宜的に描いているのであって、実際の形状を表している訳ではない。
【００３５】
《作用》
次に、第５実施形態の作用について説明する。
各光電変換素子２１〜２３のうち、少なくとも一部の光電変換素子同士を並列接続することにより、各光電変換素子２１〜２３を直列接続する構成と比べて、出力電流が低下することを抑制できる。
第５実施形態において、前述した第１実施形態と共通する部分については、同様の作用効果が得られるものとし、詳細な説明は省略する。
【００３６】
《効果》
次に、第５実施形態における主要部の効果を記す。
（１）第５実施形態に係る光電変換装置は、少なくとも一部の光電変換素子同士を並列接続する。
このように、少なくとも一部の光電変換素子同士を並列接続することにより、全てを直列接続する構成と比べて、出力電流が低下することを抑制できる。
【００３７】
《第６実施形態》
《構成》
第６実施形態は、各光電変換素子で吸収する波長域の光を透過可能な電極を設けるものである。
ここでは、各光電変換素子の電極について説明するが、前述した第１実施形態と共通する部分については、詳細な説明を省略する。
【００３８】
図８は、第６実施形態を示す光電変換部を示す図である。
ここでは、各光電変換素子２１、２２、及び２３に設ける電極として、各光電変換素子２１、２２、及び２３で吸収する波長域の光を透過可能な透明性導電膜５１、５２、及び５３を設けている。透明性導電膜５１、５２、及び５３には、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：tin-doped indium oxide）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ：Fluorine-doped tin oxide）等がある。また、Ａｇナノワイヤーを含有したポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：Polymethyl methacrylate）や、ＩＴＯナノワイヤーを含有したポリメタクリル酸メチル樹脂等がある。
【００３９】
《作用》
次に、第６実施形態の作用について説明する。
各光電変換素子２１、２２、及び２３で吸収する波長域の光を透過可能な透明性導電膜５１、５２、及び５３を、電極として用いるので、各光電変換素子２１〜２３の受光を遮ることがない。したがって、光電変換効率が低下することを抑制できる。
第６実施形態において、前述した第１実施形態と共通する部分については、同様の作用効果が得られるものとし、詳細な説明は省略する。
【００４０】
《効果》
次に、第６実施形態における主要部の効果を記す。
（１）第６実施形態に係る光電変換装置は、各光電変換素子２１、２２、及び２３で吸収する波長域の光を透過可能な透明性導電膜５１、５２、及び５３を、電極として用いる。
このように、透明性導電膜５１、５２、及び５３を電極として用いるので、影によって生じる損失を略解消し、光電変換効率が低下することを抑制できる。
【００４１】
以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。また、各実施形態は、任意に組み合わせて採用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１１  光電変換部
１２  光照射部
１３  集光部
２１〜２３  光電変換素子
２４〜２６  電極
２７〜２９  空乏層
４１、４２  絶縁膜
４３〜４８  電極
５１  透明性導電膜
【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】
2016219704.tif 000009
【図８】
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