(57)【要約】      （修正有）【課題】限られた面積を有効に活用し光電変換効率を改善した光電変換装置を提供する。【解決手段】複数の光電変換素子１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０が同心状に配置されており、当該光電変換素子が中央部から外周側にかけて順次電気的に直列接続されており、中央部から外周側に向かって其々の光電変換素子の受光部面積が小さくなっている光電変換装置１０００。【選択図】図１
2016062969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の基板と前記基板の主表面上に順次積層された第１電極層、光電変換層、及び第２電極層を含む複数の光電変換素子とを備え、
前記複数の光電変換素子は、相対的に内側に形成されている前記光電変換素子の外周を順次取り囲むように前記基板の中央部から外周方向に向かって同心状に複数配置されており、前記中央部に配置されている前記光電変換素子から最外周に配置されている前記光電変換素子に向かって、電気接続部を介して順次電気的に直列接続されており、前記中央部から前記最外周に向かって其々の光電変換素子の受光部面積が小さくなっていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の光電変換装置であって、前記光電変換素子が円状に構成されており、前記光電変換素子の受光部面積が下記の（数２）を満たす光電変換装置。
【数２】
2016062969.tif 000007
Sn：前記中央部に配置された光電変換素子を除く前記中央部側からｎ番目の光電変換素子の受光面面積（n≧1）
S0：前記中央部に配置された光電変換素子の受光面面積
【請求項３】
請求項１記載の光電変換装置であって、前記光電変換装置の最外周に配置されている光電変換素子の形状が多角形形状で構成され、前記光電変換素子の受光部面積が下記の（数４）を満たす光電変換装置。
【数４】
2016062969.tif 000008
Sn：前記中央部に配置された光電変換素子を除く前記中央部側からｎ番目の光電変換素子の受光面面積（n≧1）
S0：前記中央部に配置された光電変換素子の受光面面積
ln：前記中央部に配置された光電変換素子を除く前記中央部側からｎ番目の光電変換素子の受光面外周長さ
r0：前記中央部に配置された光電変換素子の受光面面積と同面積の円の半径
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光電変換装置であって、光電変換層がアモルファスSi系材料で構成される光電変換装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の光電変換装置であって、前記基板がフレキシブル基板で構成される光電変換装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の光電変換装置であって、前記基板上に形成された前記光電変換層が、前記基板側から、n層、i層、p層と順に形成されており、前記第２電極層上に透明の筺体が固定されている光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関し、特に集積型薄膜光電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォンなどの携帯情報端末機器が普及するに従い、携帯情報端末機器に内蔵されているバッテリーを如何に長持ちさせるかが重要な課題として注目されている。従来から、携帯情報端末機器の限られたスペースに電源のサポートを目的として、太陽電池を備え付ける技術が開発されてきている。特許文献１には、意匠性等を考慮して複数のセル受光面を同心状に配置し、且つ各セル受光面の面積をほぼ同一にした太陽電池モジユールが開示されている。各セル受光面の面積を同一とすることにより、個々のセル出力が等しくなり、直列接続の際のパワー損失を少なくするというものである。また、特許文献２から特許文献４にも複数のセル受光面を同心状に配置した太陽電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平１−１２１９５８
【特許文献２】特開昭６２−１１１４８０
【特許文献３】特開平１１−２６７８６
【特許文献４】実開昭５８−１２２４６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１から特許文献４に開示された太陽電池モジュールでは、各セルの形状に起因する光電変換特性の違いが考慮されておらず、モジュール全体の光電変換効率が低下し、また、限られた面積を有効に活用できないという問題があった。本発明はかかる問題点を解決すべく創案されたもので、光電変換効率を改善した光電変換装置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】
【０００５】
本発明の光電変換装置は、絶縁性の基板と前記基板の主表面上に順次積層された第１電極層、光電変換層、及び第２電極層を含む複数の光電変換素子とを備え、前記複数の光電変換素子は、相対的に内側に形成されている前記光電変換素子の外周を順次取り囲むように前記基板の中央部から外周方向に向かって同心状に複数配置されており、前記中央部に配置されている前記光電変換素子から最外周に配置されている前記光電変換素子に向かって、電気接続部を介して順次電気的に直列接続されており、前記中央部から前記最外周に向かって其々の光電変換素子の受光部面積が小さくなっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、限られた受光面積の範囲内で光変換効率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施の形態１における光電変換装置の全体構成を示す平面図である。
【図２】実施の形態２における光電変換装置の全体構成を示す平面図である。
【図３】実施の形態３における光電変換装置の全体構成を示す平面図である。
【図４】実施の形態１における図１のＯ−Ｐ線に対応する断面図である。
【図５】実施の形態４における光電変換装置の全体構成を示す平面図である。
【図６】実施の形態４における図５のＯ−Ｐ線に対応する断面図である。
【図７】光電変換素子の直列抵抗と曲線因子ＦＦの相関関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明に基づいた各実施の形態における光電変換装置について、以下、図を参照しながら説明する。尚、以下に説明する各実施形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載が有る場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合が有る。
【０００９】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における光電変換装置１０００の全体構成の受光面側の平面図を示している。図４は、実施の形態１における図１のＯ−Ｐ線に対応する光電変換装置１０００の断面図を示す。
【００１０】
光電変換装置１０００は、絶縁性の基板１０の主表面上に順次形成された第１電極層１０１、１１１、１２１，１３１，１４１、１５１、光電変換層１０２、１１２、１２２、１３２、１４２、１５２、及び第２電極層１０３、１１３、１２３、１３３、１４３、１５３によって構成される複数の光電変換素子１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０（図１中では、其々の半径はｒ０〜ｒ５となる。）で構成される。絶縁性の基板は、第１電極層が形成される側の表面が絶縁性を有していれば良い。絶縁性の基板としては、ガラスや樹脂製のもの、金属などの導電性基板の表面に絶縁性膜が積層されたものなどが用いられる。第１電極層、第２電極層は酸化亜鉛系、酸化錫系、或いは、酸化インジュウム系の透明導電膜材料によって構成される。さらに、第２電極層の最表面（図４では下部）には、光の反射率増加と電気伝導性の増加を目的とした金属膜が形成されていてもよい。特に反射率、電気伝導の面で優れている銀薄膜が形成されていることが望ましい。上記目的を達成するため、本発明に基づく光電変換装置において、絶縁性の基板１０がフレキシブル基板で構成された場合、曲面に光変換装置１０００を張り付けることが可能になり、エネルギーハーベスティングを目的とした光変換素子に適している。
【００１１】
光電変換層１０２、１１２、１２２、１３２、１４２、１５２は、薄膜太陽電池に用いられる材料が用いられる。例として、ＣＩＧＳ系，有機系材料、もしくは色素増感材料で構成されていてもよい、特に光電変換層１０２、１１２、１２２、１３２、１４２、１５２がアモルファスＳｉや微結晶Ｓｉなどの薄膜Ｓｉ系材料で構成されれば、レーザースクライビングによりパターンニングが容易で各光電変換素子の受光面積を調整することが容易であり、レーザースクライビングのパターンニングを変えることで所望の発電特性に調整することが出来る。
【００１２】
複数の光電変換素子１１０、１２０、１３０、１４０、１５０は、相対的に内側に形成されている光電変換素子１００の外周を順次取り囲むように基板１０の中央部から外周に向かって同心円状に複数配置されている。複数の光電変換素子１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０は、中央部に配置されている光電変換素子１００から、最外周に配置されている光電変換素子１５０に向かって順次電気的に直列接続されている。
【００１３】
隣接する光電変換素子の第１電極層と第２電極層は、電気接続部１０５、１１５、１２５、１３５、１４５によって接続されている。中央部の第１電極層１０１は、電気接続部１１を介して電極１２に電気的に接続され、電極１２から電気が取り出される構成である。
【００１４】
電気接続部１０５、１１５、１２５、１３５、１４５は、前記第１電極層或いは第２電極層を構成する透明導電膜材料で構成される。電気接続部の接続面積は外周に行くに従って大きくなるため、光電変換素子の直列抵抗は、外周に行くに従って減少する。図７は、光電変換素子の直列抵抗Ｒｓと曲線因子ＦＦの関係を示した図である。図７に示したように、直列抵抗成分Ｒｓが小さくなるに従って、光電変換素子の曲線因子ＦＦは大きくなる。このため、外周に行くに従って光電変換素子の発電効率が良くなる。本実施形態のように其々の光電変換素子が直列に接続される場合、パワー損失が大きな光電変換素子（特性の出ていない光発電素子）に光電変換装置の発電特性が引きずられるため、せっかく発電していても効率良く電力を外部に取り出せなくなる。
【００１５】
そこで、中央部（中央部を０番目）から最外周に向かってｎ番目の光電変換素子の受光部面積Ｓｎ（ｎ≧０、ｎ＝０は、光電変換素子１００の受光面面積Ｓ０）が、最外周に向かって小さくなるように形成する。このような構成とすることにより、其々の光電変換素子でのパワー損失の変化を均一化できるために、限られた面積の範囲内で最適な光電変換効率を実現することが出来る。また、ストライプ状にパターンニングされた従来の光電変換装置に比べ、同心状に光電変換素子が配置されることで、外周部に影が掛った場合でも、中央部の受光部が陰にならない限り、発電効率が極端に下がらないといった効果を有する。
【００１６】
特に、光電変換素子が円状に構成された場合、光電変換装置１０００の中央部から最外周に向かって其々の光電変換素子の受光部面積が（数１）を満足するように受光面が形成されれば、限られた面積の範囲内でより効率の良い光変換効率を実現することが出来る。
【００１７】
【数１】
2016062969.tif 000003
ここで、（数１）は、以下の通り説明できる。
Ｓｎ：中央部に配置された光電変換素子を除く中央部側からｎ番目の光電変換素子の受光面面積（ｎ≧１）
Ｓ０：中央部に配置された光電変換素子の受光面面積
α：電気接続部でのパワー損失改善率
【００１８】
図７に示す光電変換素子の直列抵抗Ｒｓと曲線因子ＦＦの相関関係では、中央部に配置された光電変換素子を除く中央部側からｎ番目の光電変換素子の曲線因子ＦＦは、ｎが増加するに従って増加しており、√ｎで曲線因子ＦＦは線形増加している。これは、ｎが増加することで電気接続部の接触面積が増加し、その結果、直列抵抗Ｒｓが減少し曲線因子ＦＦが増加するためである。ここで、曲線因子ＦＦの変化が光電変換素子の動作電流に与える影響度は、曲線因子ＦＦの変化のほぼ半分であるので、√ｎに対しての動作電流の直列抵抗によるパワー損失改善率αは、図７の√ｎに対しての曲線因子ＦＦの傾きのほぼ半分の値である。図７では、√ｎに対しての曲線因子ＦＦの傾きは、０．００４なので、電気接続部での直列抵抗によるパワー損失改善率αの値は、約０．００２となる。
【００１９】
（数１）のパワー損失改善率αを光電変換素子の受光面面積と素子数ｎで表わすと、（数２）になる。ここで、電気接続部での直列抵抗が大きすぎると、各光電変換素子間で光電変換効率（曲線因子ＦＦ）の差が大きくなり過ぎて好ましくないことから、パワー損失改善率αは、０．００２以下であることが望ましい。
【００２０】
【数２】
2016062969.tif 000004
【００２１】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２における光電変換装置２０００の全体構成の受光面側の平面図を示している。図２のＯ−Ｐ線に対応する光電変換装置２０００の断面図は、実施の形態１と同様の構成になっているので説明を省略する。
【００２２】
光電変換装置２０００は、第１の実施形態と同様に、内側に形成されている光電変換素子の外周を順次取り囲むように基板の中央部から外周に向かって、光電変換素子２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０が同心状に複数配置されている。本実施形態において、光電変換素子２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０の受光面は六角形の形状とされている。
【００２３】
ここで、中央部（中央部を０番目）から最外周に向かってｎ番目の光電変換素子の受光部面積Ｓｎ（ｎ≧０、ｎ＝０は、光電変換素子１００の受光面面積Ｓ０）が、（数３）を満足するように、其々の受光面がパターンニングされている。
【００２４】
【数３】
2016062969.tif 000005
ここで、（数３）は、以下の通り説明できる。
Ｓｎ：中央部に配置された光電変換素子を除く中央部側からｎ番目の光電変換素子の受光面面積（ｎ≧１）
Ｓ０：中央部に配置された光電変換素子の受光面面積
α：電気接続部でのパワー損失改善率
ｌｎ：中央部に配置された光電変換素子を除く中央部側からｎ番目の光電変換素子の受光面外周長さ
ｒ０：中央部に配置された光電変換素子の受光面面積と同面積の円の半径
【００２５】
（数３）は、同心円状の場合の（数１）の導出方法が基本となっており、光電変換素子の形状が多角形になった場合、光電変換素子の受光面外周長さが、円状に比べ長くなることから、その分を補正する係数として、ｌｎ／（２πｒ０）をパワー損失改善率αに掛けている。
【００２６】
本実施形態の光電変換装置が（数３）を満たすことにより、中央部から最外周にかけて形成されている其々の光電変換素子の直流抵抗分のパワー損失を考慮し、限られた面積かつ形状の範囲内で最適な光変換効率を実現することが出来る。
【００２７】
ここで、光電変換素子２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０の形状は、多角形の形状でもよいが、平面を効率良く充填する形状として、正六角形の形状が望ましい。これにより、限られた面積かつ形状の範囲を効率良く光電変換素子でカバーできる。
（数３）のパワー損失改善率αを光電変換素子の受光面面積と素子数ｎで表わすと、（数４）になる。ここで、電気接続部での直列抵抗が大きすぎると、各光電変換素子間で光電変換効率（曲線因子ＦＦ）の差が大きくなり過ぎて好ましくないことから、パワー損失改善率αは、０．００２以下であることが望ましい。
【００２８】
【数４】
2016062969.tif 000006
【００２９】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３における光電変換装置３０００の全体構成の受光面側の平面図を示している。図３のＯ−Ｐ線に対応する光電変換装置３０００の断面図は、実施の形態１と同様の構成になっているので説明を省略する。
【００３０】
光電変換装置３０００は、相対的に内側に形成されている円状に受光面が形成された光電変換素子３００の外周を順次取り囲むように基板の中央部から外周に向かって同心状に複数の光電変換素子３１０、３２０、３３０、３４０、３５０が配置されており、かつ、外周に行くに従って連続的に受光面形状が変化しながら最外周で六角形の形状になっている。ここでは、六角形の形状を示しているが、光電変換装置３０００がカバーすべき形状に合わせて、最外周の形状を模ってもよい。例えば楕円状の面積の場合は、最外周の受光面の形状が楕円状であっても良い。
【００３１】
（実施の形態４）
図５は、実施の形態４における光電変換装置４０００の全体構成の受光面側の平面図を示している。図６は、実施の形態４における図５のＯ−Ｐ線に対応する光電変換装置４０００の断面図を示す。
【００３２】
光電変換装置４０００は、絶縁性の基板４０の主表面上に順次形成された第１電極層４０１、４１１、４２１，４３１，４４１、４５１、光電変換層４０２、４１２、４２２、４３２、４４２、４５２、及び第２電極層４０３、４１３、４２３、４３３、４４３、４５３によって構成される複数の光電変換素子４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０で構成される。第１電極層、第２電極層は酸化亜鉛系、酸化錫系、或いは、酸化インジュウム系の透明導電膜材料によって構成される。さらに、第２電極層の下面（図６では基板４０と第２電極層の間）には、光の反射率増加と電気伝導性の増加を目的とした金属膜が形成されていてもよい。特に反射率、電気伝導の面で優れている銀薄膜が形成されていることが望ましい。絶縁性の基板４０がフレキシブル基板で構成された場合、曲面に光変換装置４０００を張り付けることが可能になる。
【００３３】
光電変換層４０２、４１２、４２２、４３２、４４２、４５２が、アモルファスＳｉや微結晶Ｓｉなどの薄膜Ｓｉ系材料で構成される場合、基板４０上に形成された光電変換層が、基板４０側から、n層、i層、p層と順に形成されており、サブストレート型の薄膜太陽電池の構造を形成することで、光電変換効率を改善し、また、第２電極層上に透明の筺体４３で固定されることで、光電変換装置４０００の耐久性が向上する。
【００３４】
最外周に形成されている光電変換素子４５０に向かって順次電気的に電気接続部４０４、４１４、４２４、４３４、４４４、４５４によって、隣り合う光電変換素子の第１電極層と第２電極層が接続されている。中央部の第２電極層４０３には、電気取り出しのための電極４１が電気的に接続されており、最外周の第１電極層４５１には、電気取り出しのための電極４２が電気接続部４５４を介して電気的に接続されている。
【００３５】
以上、実施形態１から実施形態４について具体的に説明を行ったが、本発明はそれらに限定されるものではない。上述した４つの実施形態それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３６】
なお、今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  基板
１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０  光電変換素子
１０１、１１１、１２１，１３１，１４１、１５１  第１電極層
１０２、１１２、１２２、１３２、１４２、１５２  光電変換層
１０３、１１３、１２３、１３３、１４３、１５３  第２電極層
１０５、１１５、１２５、１３５、１４５  電気接続部
１０００  光電変換装置
２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０  光電変換素子
２０００  光電変換装置
３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０  光電変換素子
３０００  光電変換装置
４０  基板
４１、４１  取り出し電極
４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０  光電変換素子
４０１、４１１、４２１，４３１，４４１、４５１  第１電極層
４０２、４１２、４２２、４３２、４４２、４５２  光電変換層
４０３、４１３、４２３、４３３、４４３、４５３  第２電極層
４０５、４１５、４２５、４３５、４４５  電気接続部
４０００  光電変換装置
【図１】
2016062969.tif 000009
【図２】
2016062969.tif 000010
【図３】
2016062969.tif 000011
【図４】
2016062969.tif 000012
【図５】
2016062969.tif 000013
【図６】
2016062969.tif 000014
【図７】
2016062969.tif 000015