(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを生成する光吸収層と、
前記光吸収層から電気エネルギーを導出するための反対極性の第１および第２の電極であって、前記第１および第２の電極は、前記光吸収層の対向する面に配置されており、さらに
対向する２つの面を有する透明基板であって、前記２つの面の一方は前記電極の一方に接触して被覆し且つ前記接触して被覆する面に埋め込まれた二重溝回折格子を有し、当該二重溝回折格子は、前記光吸収層表面に垂直に入射するＳ偏光の選択された１次成分を前記光吸収層に主に結合する、前記透明基板と、を備える太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池において、前記光吸収層は色素増感材料を含んでいる、太陽電池。
【請求項３】
請求項１に記載の太陽電池において、前記光吸収層は有機質である、太陽電池。
【請求項４】
請求項１に記載の太陽電池において、前記光吸収層は平行な入射面と対向面とを有し、さらに前記二重溝回折格子は入射面側に位置している、太陽電池。
【請求項５】
請求項４に記載の太陽電池において、前記入射面に入る入射光は、少なくとも２回の内部反射の後でのみ前記対向面から出射する、太陽電池。
【請求項６】
請求項４に記載の太陽電池において、さらに、前記対向面に隣接して配置された金属反射層を備える、太陽電池。
【請求項７】
平行な入射面と対向面とを有する光吸収層と、
前記光吸収層から電気エネルギーを導出するための第１および第２の電極と、および
第１および第２の二重溝回折格子であって、前記第１の二重溝回折格子は第１の透明基板を備え、該第１の透明基板は前記第１の電極に接触する第１の表面と該第１の表面に対向する第２の表面とを有し、前記第１の二重溝回折格子は前記第１の表面にのみ埋め込まれており、それによって前記第１の透明基板の前記第２の表面上に入射する光が格子要素上に衝突する前に前記第１の透明基板を通過するようにされており、前記第１の二重溝回折格子は垂直に入射するＳ偏光の選択された１次成分を主に前記光吸収層に結合するように適応され、前記第２の二重溝回折格子は第２の透明基板を備え、該第２の透明基板は前記第２の電極に接触する第１の表面と該第１の表面に対向する第２の表面とを有し、前記第２の二重溝回折格子は前記第２の透明基板の前記第１の表面にのみ埋め込まれており、前記第２の二重溝回折格子は、前記結合された１次成分の反射を、前記光吸収層を通る複数の反射の後に、前記光吸収層から出るように結合するように、前記第２の透明基板の前記第２の表面と関連付けられている、前記第１および第２の二重溝回折格子と、を備える、太陽電池。
【請求項８】
第１の電極層と、
第２の電極層と、
光入射面を有する光吸収層と、
前記第１および第２の電極層と、前記光吸収層と電解質とを収容するセル構造と、および
垂直に入射するＳ偏光の選択された１次成分を主に前記光吸収層に結合するための二重溝回折格子であって、前記二重溝回折格子は、対向する第１および第２の表面を有する透明基板を備え、前記第１の表面はその表面上に偏光が衝突する表面であり、前記第２の表面は前記光吸収層に最も近く、前記二重溝回折格子は、前記第２の表面に沿って且つその表面中にのみ埋め込まれた、規則的に配置された異なる溝幅の二重の格子要素を備える、前記二重溝回折格子と、を備える、太陽電池。
【請求項９】
請求項８に記載の太陽電池において、前記光吸収層は色素増感材料を含んでいる、太陽電池。
【請求項１０】
第１および第２の平行で対向する表面を有する有機光吸収層と、
回折光を透過させるように働き且つ前記対向する表面の１つに結合された、光学的に透明な電極と、
回折光を反射させるように働き且つ前記対向する表面に結合された、光学的に反射性の電極と、および
２つの対向する表面を有するガラス層であって、垂直に入射するＳ偏光の１次成分を前記光学的に透明な電極を介して前記有機光吸収層に主に結合するために、前記表面の一方は前記光学的に透明な電極に接触して被覆し且つ前記接触して被覆する表面に埋め込まれた二重溝回折格子を有し、それによって前記垂直に入射するＳ偏光の前記１次成分が、内部反射に基づいて複数回前記有機光吸収層を通過する、前記ガラス層と、を備える太陽電池であり、
前記太陽電池は有機太陽電池である、太陽電池。
【請求項１１】
請求項１に記載の太陽電池において、前記二重溝回折格子は、５４０ｎｍから８００ｎｍの範囲内の波長λを有するＳ偏光垂直入射光の少なくとも５０％を、内部反射の臨界角よりも大きな角度で１次回折成分中に透過的に結合するように構成されている、太陽電池。
【請求項１２】
請求項７に記載の太陽電池において、前記第１および第２の二重溝回折格子は主に垂直に入射するＳ偏光の正の１次成分を、内部反射の臨界角よりも大きな角度で前記光吸収層に結合する、太陽電池。
【請求項１３】
請求項８に記載の太陽電池において、前記二重溝回折格子は主に垂直に入射するＳ偏光の正の１次成分を、内部反射の臨界角よりも大きな角度で前記光吸収層に結合する、太陽電池。
【請求項１４】
請求項１０に記載の太陽電池において、前記二重溝回折格子は主に垂直に入射するＳ偏光の正の１次成分を、内部反射の臨界角よりも大きな角度で前記有機光吸収層に結合する、太陽電池。
【請求項１５】
請求項１に記載の太陽電池において、前記二重溝回折格子は、一連の広い溝とこれと交互の狭い溝とを備え、それぞれの広い溝の幅Ｗ１、それぞれの狭い溝の幅Ｗ２、広い溝とこれに最も近い狭い溝との間の中心間距離Ｄ１、溝深さＤ２および周期Ｐによって特徴づけられ、かつ、Ｗ１は１７０ｎｍ、Ｗ２は５０ｎｍ、Ｄ１は１９０ｎｍ、Ｄ２は４９０ｎｍおよびＰは５４０ｎｍである、太陽電池。
【請求項１６】
請求項７に記載の太陽電池において、前記第１および第２の二重溝回折格子のそれぞれは、一連の広い溝とこれと交互の狭い溝とを備え、それぞれの広い溝の幅Ｗ１、それぞれの狭い溝の幅Ｗ２、広い溝とこれに最も近い狭い溝との間の中心間距離Ｄ１、溝深さＤ２および周期Ｐによって特徴づけられ、かつ、Ｗ１は１７０ｎｍ、Ｗ２は５０ｎｍ、Ｄ１は１９０ｎｍ、Ｄ２は４９０ｎｍおよびＰは５４０ｎｍである、太陽電池。
【請求項１７】
請求項８に記載の太陽電池において、前記二重溝回折格子は、一連の広い溝とこれと交互の狭い溝とを備え、それぞれの広い溝の幅Ｗ１、それぞれの狭い溝の幅Ｗ２、広い溝とこれに最も近い狭い溝との間の中心間距離Ｄ１、溝深さＤ２および周期Ｐによって特徴づけられ、かつ、Ｗ１は１７０ｎｍ、Ｗ２は５０ｎｍ、Ｄ１は１９０ｎｍ、Ｄ２は４９０ｎｍおよびＰは５４０ｎｍである、太陽電池。
【請求項１８】
請求項１０に記載の有機太陽電池において、前記二重溝回折格子は、一連の広い溝とこれと交互の狭い溝とを備え、それぞれの広い溝の幅Ｗ１、それぞれの狭い溝の幅Ｗ２、広い溝とこれに最も近い狭い溝との間の中心間距離Ｄ１、溝深さＤ２および周期Ｐによって特徴づけられ、かつ、Ｗ１は１７０ｎｍ、Ｗ２は５０ｎｍ、Ｄ１は１９０ｎｍ、Ｄ２は４９０ｎｍおよびＰは５４０ｎｍである、太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関し、さらに特定すると、垂直入射光の１次成分を光吸収層におよび／または光吸収層から結合するための、二重溝回折格子の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
２０１０年７月７日出願の同時継続中の米国特許出願第１２／８３１，５８７号「回折格子を有する太陽電池装置」において、色素で増感した有機太陽電池と組み合わせて回折格子を使用することを議論している。ここで回折格子は、垂直入射光の１次回折成分を吸収層中に結合するように構成されている。一般に、この組合せは、色素増感および／または有機吸収性タイプの太陽電池の効率を向上させる。
【０００３】
同時継続中の出願に開示された回折格子は「単一溝」回折格子、即ち、単一の周期性と均一な溝幅と回折格子の溝間の間隔の非対称パターンとを有する、バイナリタイプ（２進形式）の格子である。
【発明の概要】
【０００４】
本発明によれば、色素増感され且つ有機タイプの太陽電池（ソラーセル）を含む太陽電池の動作における更なる向上が、二重溝回折格子、即ち、隣接する溝が周期的に配置されたセットを有する非対称回折格子であって、それぞれの溝のセットが、狭い溝とこれに隣接するより広い幅の第２の溝とを備える、二重溝回折格子の使用を通じて実現される。両方の溝は、ガラスのような透明基板中で、ＴｉＯ２またはこれと等価な材料によって充填されている。この配置を通して、１次回折成分のみを吸収層中に選択的に、且つ、吸収層を通過して結合入力光の複数の移動（偏位）を生じさせるように結合することを含む、複数の機能を向上させる、多くの能力を実行することができる。ここに記載した種々の配置において、太陽電池は透明または反射性であり、格子は吸収層の前面または背面に或いはその両方に適用できる。全反射率が望ましいが、前面の格子は背面金属層との組合せにおいて使用され、その詳細は以降に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】前面即ち光の入射面上に二重溝格子を有する色素増感型太陽電池の側断面図。
【図２】異なる電極配置を有する第２の色素増感型太陽電池の断面図。
【図３】ガラス層上の反射防止膜と共に吸収層の光の入射面上に二重溝格子を有する有機太陽電池構造の側断面図。
【図４】４Ａ〜４Ｄは、種々の望ましい機能を実行するための、太陽電池吸収層を有する二重溝回折格子の種々の配置を示す図。
【図５】ガラスとＳｎＯ２：Ｆ電極との界面におけるＴｉＯ２二重溝格子の回折角を４５０ｎｍから８００ｎｍの波長の関数として示す図。
【図６】６Ａ、６Ｂはそれぞれ、Ｓ偏光およびＰ偏光に対する回折効率を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下に図面を参照して本発明を説明するが、図面全体にわたって同様の構成部材は同様の参照符号によって示す。
【０００７】
図１を参照すると、光の入射面上に二重溝格子２４を有する色素増感型太陽電池１０が示されている。太陽電池１０は、ＳｎＯ２：Ｆの正電極１２と、これから間隔を置いて離れ、且つ同様にＳｎＯ２：Ｆで構成された負電極１４とを備えている。この二つの電極１２、１４は、不浸透性の樹脂壁１６によって接続され且つ封止されて、その中に色素増感光電極１８が配置される内部空洞を定義する。この場合、色素増感光電極は主にＴｉＯ２であるが、しかし、ＺｎＯでも可能である。セルによって形成された空洞の残りは電解質によって充填されている。プラチナ粒子２０が正電極１２の底面に固着されている。
【０００８】
ガラス層２２が、負電極の光入射面上に形成されおり、非常に大きな周期数を有する反射防止格子２３、即ち、格子２４中の溝の何れよりも遥かに小さく且つ密接している格子２３、を通して、矢印で示すように入射光を受光する。
【０００９】
格子２４は“二重溝”タイプであり、このタイプは、非対称でかつ周期的に配置された溝のセットを備えており、それぞれのセットは、前述の同時継続出願第１２／８３１，５８７号に記載されたサイズを有する広い溝２８に間隔を置いて隣接する、規則的な間隔の狭い溝２６を備えている。この同時継続出願に記載されたサイズは、狭い溝幅が５０ｎｍ、大きい溝幅が１７０ｎｍ、中心間の距離が１９０ｎｍ、溝の深さが４９０ｎｍ、周期が５４０ｎｍである。これによって、動作波長が５４０ｎｍよりも長い場合、回折角は３０°以上となる。二重溝格子２４は、垂直入射光の１次の成分がＳｎＯ２：Ｆガラス界面で反射され光電極を複数回通過してセル内に戻るように、垂直入射光の１次成分を吸収層に結合する。この吸収層は、５４０ｎｍよりも長い動作波長において、約３０°の臨界角よりも大きな回折角を有する、光電極１８によって示される。
【００１０】
図１に示す配置において、最上部のガラス層３０はポリマーのフィルムまたは板に置き換えることができ、さらに、底面のガラス層２２は透明ポリマー板によって置き換えることができる。ガラス層２２、３０の典型的な厚さは、０．５ｍｍから５ｍｍである。格子溝２６、２８中の材料は、典型的にはＴｉＯ２であるが、Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２またはＮｂ２Ｏ５によって置き換えることができる。
【００１１】
図２を参照すると、第２の色素増感型太陽電池３２が示されており、この太陽電池は、ＳｎＯ２：Ｆの正電極３４と、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ＋Ｐｔの負即ち“対向”電極３６とを、電気的直列化の便宜のために、側面コンタクト３８と関連して備えている。コンタクト３８はＳｎＯ２：Ｆが望ましい。封止用樹脂壁は、最上部のガラス層４２と、正電極３４の光入射面上に二重溝格子４８と共に形成された底面ガラス層４４と共に、電解室を完成する。なお、高周期の反射防止格子４６をオプションとして使用しても良い。
【００１２】
吸収層はさらに、ＴｉＯ２＋色素電極５０とＳｉＯ２分離子５２を備える。この分離子５２は色素増感光電極５０と対向電極３６との間に配置されている。二重溝回折格子４８は、図１の格子２４の構造仕様書に従い、実質的に同じ機能を実行する。対向電極３６の材料はカーボンであっても良いが、この場合、プラチナ内容物は必要ではない。
【００１３】
図３は有機吸収層６４を有する太陽電池５４を示す。太陽電池５４は、吸収層６４の最上面または“対向”面に固着されたアルミニウムの電極５６と、吸収層６４の光入射面に固着されたインジウムスズ酸化物の負電極５７と、負電極５７の入射面に固着され且つ高周期の反射防止格子６２と同様に二重溝回折格子６０を載置する透明ガラス層５８を備える。
【００１４】
図４の４Ａ〜４Ｄは、光吸収層の種々の構成を示し、全ての光吸収層は参照番号６６で示されている。図４Ａでは、吸収層６６の光入射面と対向面の両方の上に、非対称の二重溝回折格子６８、７０があり、これらの二重溝層はガラスキャリア内に埋め込まれており、上記の１個またはその他の材料からなることが理解される。図４Ａにおいて、垂直入射光の１次成分のみが、臨界角よりも大きな回折角で吸収層６６に結合される。入射光が反対側の格子７０に達すると、直ちに反射されて吸収層６６を通って入射格子６８に戻り、そこで再びある角度で反射されて反対側に戻り、格子７０に出会う。狭い溝と広い溝が配置されている順序は両面間で同じであるため、反対の境界への２度目の出会いは、光成分が吸収層６６を出射する原因となり、これによって太陽電池が透明となる。要するに、図４Ａに示すように、吸収層６６は底面即ち入射面から照射され、入射光は回折されて吸収層内を斜めに通過し、次に上部格子によって回折されて垂直反射し、その後底面格子６８によって回折されて斜め反射となり、その成分を、頂部格子７０を介して垂直、即ち“ｚ”方向に出射させる。太陽電池の透明性は、光路増進によって維持される。
【００１５】
図４Ｂにおいて、二重溝格子６８は入射面上にのみ位置しており、一方、金属層７２は吸収層６６の上面即ち対向面上に固着されている。光路は、従って、矢印で示すように、吸収層６６内で二重となる。従って、１個の格子のみを有する吸収層は、反射特性および臨界角よりも大きい屈折角に基づいて、光路増進を享受する。
【００１６】
図４Ｃにおいて、回折格子は再び入射面上にあり、吸収層６６の対向面上には格子または金属層の何れもが無い。従って、光学増進があっても、透明性が同様に存在し、垂直即ち“ｚ”方向成分が吸収層６６を小さな横方向シフトと共に出射する。
【００１７】
図４Ｄにおいて、二重溝層７０は吸収層６６の対向面上にのみ堆積される。図示するように、光学増進が存在する。
【００１８】
図５は、ガラスとＳｎＯ２：Ｆ電極との界面におけるＴｉＯ２二重溝格子の回折角を、４５０ｎｍから８００ｎｍの波長の関数として示している。ガラスは屈折率１．５を有し、一方、吸収層、ＳｎＯ２：Ｆ電極および電解質は約２の屈折率を有している。二重溝格子の溝内のＴｉＯ２材料は屈折率２．３８を有している。
【００１９】
図６Ａおよび６Ｂにおいて、Ｓ偏光およびＰ偏光に対する回折効率がそれぞれ示されている。Ｓ偏光は全波長範囲にわたって主に１次の回折成分に結合し、一方、Ｐ偏光は４５０ｎｍから６６１ｎｍにおいて正の１次の回折成分への大きな結合を有するが、これは、６６１ｎｍから８００ｎｍにおいて０次の結合にスイッチする。
【００２０】
図面に示し上記で説明した実施例は典型例であって、本発明の実施は、その他種々の構成において実現可能である。
【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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