(57)【要約】【課題】より高い光電変換効率を示す光電変換素子を提供する。【解決手段】透明導電層１１Ｂを有し入射光Ｌ１を透過する透明電極１１と、透明導電層１１Ｂと隣接して設けられた受光層１３と、この受光層１３を挟んで透明電極１１と反対側に設けられた対向電極１２と、受光層１３が設けられた領域において受光層１３よりも入射光Ｌ１が入射する側に選択的に配置され、かつ、入射光Ｌ１を受光層１３へ向けて反射する斜面Ｓ１，Ｓ２を含む反射部材１１Ｃとを備える。これにより、入射光Ｌ１のうち、反射部材１１Ｃの斜面Ｓ１，Ｓ２に照射された成分をも受光層１３へ入射させることができる。さらに、反射部材１１Ｃを高導電性材料により構成すれば、低抵抗化が実現される。【選択図】図１
2009094001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子であって、
透明導電層と、
前記透明導電層と隣接して設けられた受光層と、
前記透明導電層と隣接して配置されると共に前記透明導電層よりも高い導電率を有する反射体と、
前記受光層を挟んで前記透明導電層と反対側に設けられた対向電極と
を備え、
前記反射体は、前記受光層よりも前記入射光が入射する側に選択的に配置され、かつ、前記入射光を前記受光層へ向けて反射する斜面を有する
ことを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記反射体は前記斜面を形成する第１の部分と、それ以外の部分を占める第２の部分とを有し、
前記第１の部分における前記入射光に対する反射率は前記第２の部分よりも高く、
前記第２の部分における導電率は前記第１の部分および透明導電層よりも高い
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
入射光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子であって、
透明導電層と、
前記透明導電層と隣接して設けられた受光層と、
前記受光層を挟んで前記透明導電層と反対側に設けられた対向電極と、
前記受光層よりも前記入射光が入射する側に選択的に配置され、かつ、前記入射光を前記受光層へ向けて反射する斜面を有する反射体と、
前記反射体と対応する領域のうち、前記反射体の、前記入射光が入射する側と反対側において前記透明導電層と接するように配置されると共に前記透明導電層よりも高い導電率を有する補助電極と
を備えたことを特徴とする光電変換素子。
【請求項４】
前記反射体の斜面は、前記受光層の表面に対して４５°よりも大きく９０°未満の内角をなしている
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記反射体を複数有し、全ての前記反射体における前記受光層の表面と直交する断面が同一の二等辺三角形であり、隣り合う前記反射体同士の間隔が以下の条件式（１）を満たす
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
Ｄ≧−Ｗ／（２×ｃｏｓ２θ）  ……（１）
（但し、Ｄは隣り合う反射体同士の間隔であり、Ｗは反射体の底面の幅であり、θは斜面と受光層の表面とのなす内角である。）
【請求項６】
前記斜面の表面粗さは、Ｒａ値で０．２μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項７】
入射光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子であって、
透明導電層と、
前記透明導電層と隣接して設けられた受光層と、
前記受光層を挟んで前記透明導電層と反対側に設けられた対向電極と、
前記受光層よりも前記入射光が入射する側に選択的に配置されると共に、前記受光層の表面に対して４５°傾斜した斜面を持つ反射体と、
前記反射体の、前記入射光が入射する側における前記斜面と対応した領域に選択的に配置され、前記入射光を第１の偏光方向に偏光した第１の直線偏光光束に変換して前記斜面に照射する第１の偏光変換素子と、
前記反射体の、前記入射光が入射する側における前記斜面と対応した領域以外の領域に選択的に配置され、前記入射光を第２の偏光方向に偏光した第２の直線偏光光束に変換する第２の偏光変換素子と、
前記反射体と同一の階層において前記第２の偏光変換素子と対応した領域に設けられ、前記第２の偏光変換素子からの前記第２の直線偏光光束を透過すると共に前記斜面において反射した前記第１の直線偏光光束を前記受光層へ向けて反射させる光合波素子と
を備えたことを特徴とする光電変換素子。
【請求項８】
入射光を透過する電極であって、
透明導電体と、前記透明導電体の上に選択的に配置されると共に前記透明導電体の表面に対して傾斜した斜面を少なくとも１つ含む反射体とを有し、
前記斜面が、前記入射光を、その進行方向の成分を含む反射光に変換する
ことを特徴とする電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を透過可能な電極、およびこの電極を備えた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光等の光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池が知られている。近年では、色素を光増感剤として用いた色素増感型の太陽電池が特に注目されている。この色素増感型の太陽電池は、一般に普及しているシリコン半導体を用いた太陽電池よりも、製造コストを削減でき、大がかりな設備を必要としないため、次世代の太陽電池として実用化に向けた開発が進められている（例えば特許文献１〜４参照）。
【０００３】
一般に、色素増感型の太陽電池は、色素が光を吸収して電子を放出する性質を利用して発電を行うものであり、電解液を介した電気化学的なセル構造を持つのが特徴である。具体的には、透明電極に二酸化チタン（ＴｉＯ2 ）等の酸化物を焼き付けて多孔質構造としたのち色素を吸着させたものと、電解液を介して対極を貼り合わせた構造となっている。このような構造では、色素が吸着された酸化物の多孔質構造が発電層として機能する。すなわち、光を吸収した色素が電子を放出すると、この電子が酸化物から注入されて透明電極間を移動し、一方、電解液中では酸化還元反応が繰り返される。これにより、定常的に光電変換が行われる仕組みとなっている。
【特許文献１】特開平１−２２０３８０号公報
【特許文献２】特開平５−５０４０２３号公報
【特許文献３】特表２００２−５１２７２９号公報
【特許文献４】特開２００３−３０８８９１号公報
【０００４】
ところで、上記のような色素増感型の太陽電池における透明電極は、例えばＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）やＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）等からなる透明導電層を有している。このため、透明導電層自体の電気抵抗が大きく、その結果、電流損失が生じ、光電変換効率の向上を阻害する要因となっていた。なお、透明導電層の電気抵抗を低減するため、それ自体の厚みを厚くする方法も考えられるが、十分に低い抵抗値が得られるほどに厚くすると入射光（太陽光）の吸収量が大きくなりすぎてしまうので、結果として光電変換効率の低下を招くこととなる。
【０００５】
そこで、透明導電層と接するように金属配線層を設け、透明電極の低抵抗化を図る手法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【特許文献５】特開２００４−１４６４２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、発電層（酸化物の多孔質構造）よりも金属配線層が光の入射側に配置された場合には、その金属配線層自体が入射光の遮蔽物となってしまい、その存在領域では光電変換が行われないので太陽電池全体での光電変換効率が低下してしまうこととなる。また、金属配線層よりも光の入射側に発電層を設けるようにすると、太陽電池の構造上、発電層の、光の入射側と反対側には電解液が存在することから、電解液との接触を完全に遮断して金属配線層の腐食を防止する必要性が生じる。そのためには、何らかの遮蔽層によって金属配線層を覆うなどの複雑な機構とせざるを得ず、製造効率や信頼性確保の面で好ましくない。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、より高い光電変換効率を示す光電変換素子を提供することにある。本発明の第２の目的は、遮光部材を有しつつ高い光透過率を示し、上記のような光電変換素子に好適に用いられる電極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の光電変換素子は、入射光のエネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、透明導電層と、この透明導電層と隣接して設けられた受光層と、透明導電層と隣接して配置されると共に透明導電層よりも高い導電率を有する反射体と、受光層を挟んで透明導電層と反対側に設けられた対向電極とを備え、反射体が、受光層よりも入射光が入射する側に選択的に配置され、かつ、入射光を受光層へ向けて反射する斜面を有するようにしたものである。
【０００９】
本発明の第１の光電変換素子では、反射体が、透明導電層よりも高い導電率を有し、かつ、透明導電層と接するように配置されているので、透明導電層の補助電極として機能し、透明導電層での電流損失が抑制される。また、反射体の斜面に照射された入射光は、反射光として受光層に照射されることとなる。よって、斜面を持たない反射体を設けた場合と比較して透過率の低下が抑制される。
【００１０】
本発明の第１の光電変換素子では、反射体が、斜面を形成する第１の部分と、それ以外の部分を占める第２の部分とを有し、第１の部分における入射光に対する反射率は第２の部分よりも高く、第２の部分における導電率は第１の部分および透明導電層よりも高くなるようにするとよい。こうすることで、反射体の全ての部分を同一の材料種で形成する場合と比べ、透過率および導電率の双方を高めるのに適した構造となる。
【００１１】
本発明の第２の光電変換素子は、入射光のエネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、透明導電層と、この透明導電層と隣接して設けられた受光層と、受光層を挟んで透明導電層と反対側に設けられた対向電極と、受光層よりも入射光が入射する側に選択的に配置され、かつ、入射光を受光層へ向けて反射する斜面を有する反射体と、この反射体と対応する領域のうち、反射体の、入射光が入射する側と反対側において透明導電層と接するように配置されると共に透明導電層よりも高い導電率を有する補助電極とを備えるようにしたものである。
【００１２】
本発明の第２の光電変換素子では、透明導電層よりも高い導電率を有し、かつ、透明導電層と接するように配置された補助電極を備えているので、透明電極での電流損失が抑制される。また、反射体の斜面に照射された入射光は、反射光として受光層に照射されることとなる。よって、このような反射体を設けない場合と比較して透過率の低下が抑制される。
【００１３】
本発明の第１および第２の光電変換素子では、反射体の斜面が、受光層の表面に対して４５°よりも大きく９０°未満の内角をなしているとよい。入射光が受光層の表面に対して垂直に入射する場合に、入射光の透過率がより高まるからである。ここでいう「内角」とは、斜面と受光層の表面とのなす角度のうち、反射体の、受光層の表面に垂直な断面（以下、単に反射体の垂直断面という。）に含まれる部分の角度を意味する。
【００１４】
本発明の第１および第２の光電変換素子では、反射体の垂直断面が鋭角三角形であることが望ましい。反射体に照射された入射光のうち、より多くの成分が反射光に変換されて透過する（受光層に照射される）こととなるからである。さらに、反射体を複数有する場合には、全ての反射体の垂直断面が同一の二等辺三角形であり、隣り合う反射体同士の間隔が以下の条件式（１）を満たすことが望ましい。任意の反射体の斜面において反射した反射光が、隣接する反射体に遮られることなく電極を透過する（受光層に照射される）からである。但し、Ｄは隣り合う反射体同士の間隔であり、Ｗは反射体の底面の幅であり、θは斜面と受光層の表面とのなす内角である。ここで、「同一の二等辺三角形」とは、形状および寸法が全て互いに等しい二等辺三角形を意味する。
Ｄ≧−Ｗ／（２×ｃｏｓ２θ）  ……（１）
なお、ここでいう「鋭角三角形」および「二等辺三角形」とは、幾何学的に厳密に定義される鋭角三角形および二等辺三角形のみならず、製造上のばらつきや機械加工上の限度に伴う誤差をも許容する概念である。
【００１５】
本発明の第１および第２の光電変換素子では、斜面の表面粗さが、Ｒａ値で０．２μｍ以下であることが望ましい。斜面の表面粗さがＲａ値で０．２μｍを超える場合と比べて、飛躍的に反射率が高まるからである。
【００１６】
本発明の第３の光電変換素子は、入射光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子であって、透明導電層と、この透明導電層と隣接して設けられた受光層と、受光層を挟んで透明導電層と反対側に設けられた対向電極と、受光層よりも入射光が入射する側に選択的に配置されると共に受光層の表面に対して４５°傾斜した斜面を持つ反射体と、この反射体の、入射光が入射する側における斜面と対応した領域に選択的に配置され、入射光を第１の偏光方向に偏光した第１の直線偏光光束に変換して斜面に照射する第１の偏光変換素子と、反射体の、入射光が入射する側における斜面と対応した領域以外の領域に選択的に配置され、入射光を第２の偏光方向に偏光した第２の直線偏光光束に変換する第２の偏光変換素子と、反射体と同一の階層において第２の偏光変換素子と対応した領域に設けられ、第２の偏光変換素子からの第２の直線偏光光束を透過すると共に斜面において反射した第１の直線偏光光束を受光層へ向けて反射させる光合波素子とを備えるようにしたものである。
【００１７】
本発明の第３の光電変換素子では、入射光が第１および第２の直線偏光光束に変換され、第１の直線偏光光束は反射体の斜面および光合波素子によって順に反射されて受光層へ向かい、第２の直線偏光光束は光合波素子をそのまま透過するので、斜面を持たない反射体を設けた場合と比較して透過率の低下が抑制される。
【００１８】
本発明の電極は、入射光を透過するものであって、透明導電体と、この透明導電体の上に選択的に配置されると共に透明導電体の表面に対して傾斜した斜面を少なくとも１つ含む反射体とを有し、斜面が、入射光を、その進行方向の成分を含む反射光に変換するようにしたものである。なお、反射体の斜面と、透明導電体の表面とが互いに交わっている（接している）場合に限定されるものではなく、互いに離れていてもよい。
【００１９】
本発明の電極では、透明導電体上に設けられた反射体の斜面が、入射光を、その進行方向の成分を含む反射光に変換するようにしたので、斜面に照射された入射光は反射光として、この電極を透過することとなる。よって、斜面を持たない反射体を設けた場合と比較して透過率の低下が抑制される。ここで、斜面が、透明導電体の表面に対して所定の角度を有するようにしたので、入射光が透明導電体の表面に対して垂直に入射する場合にもその機能が発揮され、入射光の透過率が高まる。
【００２０】
本発明の電極では、反射体が斜面を１つのみ含む場合には、反射体における透明導電体の表面と直交する断面が直角三角形であるとよい。このような構成は、より多くの入射光が透過するのに適している。なお、ここでいう「直角三角形」とは、幾何学的に厳密に定義される直角三角形のみならず、製造上のばらつきや機械加工上の限度に伴う誤差をも許容する概念である。
【００２１】
本発明の電極では、反射体が、透明導電体よりも導電率の高い導電性材料からなり、かつ、透明導電体と接するように配置されているとよい。この場合には、電極としての低抵抗化が可能となる。その際、反射体が、斜面を形成する第１の部分と、それ以外の部分を占める第２の部分とを有し、第１の部分における入射光に対する反射率が第２の部分よりも高く、第２の部分における導電率が第１の部分および透明導電体よりも高くなるようにするとよい。こうすることで、反射体の全ての部分を同一の材料種で形成する場合と比べ、透過率および導電率の双方を高めるのに適した構造となる。
【００２２】
本発明の電極では、反射体が、反射体と対応する領域のうち、反射体の、入射光が入射する側と反対側において透明導電体と接するように配置されると共に、透明導電体よりも低抵抗である導電層をさらに有するようにしてもよい。その場合、反射体を透明体とし、反射体と異なる屈折率を有する他の透明体によって覆うようにしてもよい。
【００２３】
本発明の電極では、斜面の表面粗さが、Ｒａ値で０．２μｍ以下であることが望ましい。斜面の表面粗さがＲａ値で０．２μｍを超える場合と比べて、飛躍的に反射率が高まるからである。
【００２４】
本発明の電極では、反射体が、透明導電体の、入射光が入射する側に設けられて２つの斜面を含む場合には、それら２つの斜面が透明導電体の表面に対してそれぞれなす内角の和は、９０°より大きく１８０°未満であるとよい。特に、２つの斜面が、それぞれ透明導電体の表面に対して４５°よりも大きく９０°未満の内角をなすようにすると、入射光が透明導電体の表面に対して垂直に入射する場合に、入射光の透過率がより高まるので好ましい。ここでいう「内角」とは、２つの斜面と透明導電体の表面とのなす角度のうち、反射体の、透明導電体の表面に垂直な断面（以下、単に反射体の垂直断面という。）に含まれる部分の角度を意味する。
【００２５】
本発明の電極では、反射体の、透明導電体の表面と直交する断面が鋭角三角形であることが望ましい。反射体に照射された入射光のうち、より多くの成分が反射光に変換されて透過することとなるからである。さらに、反射体を複数有する場合には、全ての反射体の断面が同一の二等辺三角形であり、隣り合う反射体同士の間隔が以下の条件式（１）を満たすことが望ましい。任意の反射体の斜面において反射した反射光が、隣接する反射体に遮られることなく電極を透過するからである。但し、Ｄは隣り合う反射体同士の間隔であり、Ｗは反射体の底面の幅であり、θは斜面と透明導電体の表面とのなす内角である。
Ｄ≧−Ｗ／（２×ｃｏｓ２θ）  ……（１）
【発明の効果】
【００２６】
本発明の第１および第２の光電変換素子によれば、受光層と対応する領域において受光層よりも入射光が入射する側に反射体を設け、その斜面が、入射光を受光層へ向かう反射光に変換するようにしたので、入射光のうち、反射体以外の領域に照射された成分のみならず、反射体の斜面に照射された成分をも受光層へ入射させることができる。特に第１の光電変換素子によれば、反射体が高い導電率を有するように構成したので、その反射体が不透明であってもそのような反射体がない場合と比べ、受光層への照射量の低下を抑制しつつ、より高い導電性を得ることができる。一方、第２の光電変換素子によれば、反射体と対応する領域のうち、反射体の、入射光が入射する側と反対側に高い導電率を有する補助電極を設けるようにしたので、反射体が非導電性であっても、受光層への照射量の低下を抑制しつつ、より高い導電性を得ることができる。よって、本発明の第１および第２の光電変換素子では、いずれにおいても単位面積当たりの発電量を向上させることができる。
【００２７】
また、本発明の第３の光電変換素子によれば、入射光を第１の直線偏光光束および第２の直線偏光光束に変換すると共に、反射体の斜面が、第１の偏光変換素子からの第１の直線偏光光束を光合波素子へ向けて反射し、光合波素子が反射体の斜面からの第１の直線偏光光束を受光層へ向けて反射すると共に第２の偏光変換素子からの第２の直線偏光光束を透過するように構成したので、入射光のうち、反射体の斜面に照射された成分および光合波素子に照射された成分をも受光層へ入射させることができる。したがって、上記第１および第２の光電変換素子と同様に、単位面積当たりの発電量を向上させることができる。
【００２８】
本発明の電極によれば、透明導電体の上に、その表面に対して傾斜した斜面を含む反射体を設け、その斜面によって入射光を、その進行方向の成分を含む反射光に変換するようにしたので、入射光のうち、反射体以外の領域に照射された成分のみならず、反射体の斜面に照射された成分をも透過させることができる。したがって、例えば金属などの不透明な高導電性材料を上記の反射体として設置することで、そのような反射体がない場合と比べ、透過率の低下を抑制しつつ、より高い導電性を得ることができる。あるいは、これに限らず、不透明な材料（遮光性の高い材料）からなる何らかの構造物を設ける必要性がある場合に、その構造物を上記のような斜面を含む反射体として設けることで、透過率の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
［第１の実施の形態］
まず、図１から図３を参照して、本発明における第１の実施の形態としての光電変換素子について説明する。
【００３１】
図１（Ａ）は、本実施の形態の光電変換素子を透明電極１１（後に詳述）の側から眺めた平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示したII−II切断線に沿った矢視方向の断面図である。また、図２は、図１（Ｂ）に示した断面の一部を拡大したものである。この光電変換素子はいわゆる色素増感型の太陽電池であり、太陽光などの入射光のエネルギー（光エネルギー）を電気エネルギーに変換する機能を有している。
【００３２】
図１（Ｂ）に示したように、この光電変換素子は、互いに対向して配置された透明電極１１および対向電極１２と、それらに挟まれるように透明電極１１の側から順に設けられた受光層１３および電解質層１４とを備えている。
【００３３】
透明電極１１は作用電極とも呼ばれ、透明基板１１Ａと、その一方の面（対向電極１２の側の面）に形成されて受光層１３と隣接する透明導電層１１Ｂと、透明基板１１Ａに離散的に埋設されて一部が透明導電層１１Ｂと接するように形成された複数の反射部材１１Ｃとを有している。
【００３４】
透明基板１１Ａは、例えば、ガラス、プラスチック、透明ポリマーフィルムなどの透明な絶縁性材料によって構成されている。透明ポリマーフィルムとしては、例えばテトラアセチルセルロース（ＴＡＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、シンジオクタチックポリステレン（ＳＰＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアリレート（ＰＡｒ）、ポリスルフォン（ＰＳＦ）、ポリエステルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、環状ポリオレフィン、ブロム化フェノキシなどが挙げられる。透明導電層１１Ｂは、例えば、インジウム・スズ複合酸化物（ＩＴＯ）、フッ素をドーピングした酸化スズ（ＦＴＯ）などの透明性を有する導電性材料によって構成されている。透明導電層１１Ｂの厚みは、光透過率や導電率などの物性を考慮して設定されるが、例えば０．１μｍ〜５０μｍ程度である。この透明電極１１は、太陽光などの入射光を透過させて受光層１３へ導くと共に、例えば負極として機能する。
【００３５】
複数の反射部材１１Ｃは、一対の斜面Ｓ１，Ｓ２を有する構造物である。斜面Ｓ１，Ｓ２は、この光電変換素子に対して透明電極１１の側から入射する入射光Ｌ１を、その進行方向の成分を含む反射光に変換する機能を発揮する反射面である。複数の反射部材１１Ｃは、受光層１３の厚み方向に沿った断面（図１（Ｂ））において、それぞれ一対の斜面Ｓ１，Ｓ２と底面ＢＳとによって囲まれた三角形状をなしており、受光層１３の表面１３Ｓに沿って互いに平行に一方向へ延在している。反射部材１１Ｃは、例えば銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），金（Ａｕ），銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ）または錫（Ｓｎ）などの、透明導電層１１Ｂよりも高い導電率を有する金属材料によって構成され、面内方向における透明導電層１１Ｂの電圧降下（あるいは電流損失）を補うように機能する。中でも銀および銅は、特に導電率が高いうえ、光の反射率も高いので望ましい。とりわけ銀は可視光に対する反射率が高い一方、紫外光に対する反射率が低いので、優れた光電変換効率を得るのに最適な材料といえる。さらに反射率を高めるためには、一対の斜面Ｓ１，Ｓ２の表面粗さは、Ｒａ値で０．２μｍ以下であることが望ましい。また、一対の斜面Ｓ１，Ｓ２が受光層１３の表面１３Ｓに対してそれぞれなす角度α，βは、いずれも４５°よりも大きく９０°未満となっている。角度α，βは、それぞれ、全ての反射部材１１Ｃにおいて同一である（一対の斜面Ｓ１，Ｓ２の傾斜角度が全ての反射部材１１Ｃにおいて統一されている）ことが望ましく、角度αと角度βとが等しいこと（すなわち二等辺三角形であること）が特に望ましい。さらに、底面ＢＳの幅Ｗが全ての反射部材１１Ｃにおいて等しく（すなわち、全ての反射部材１１Ｃが合同な二等辺三角形であり）、かつ、隣り合う反射部材１１Ｃとの隙間の幅Ｄが全て等しくなるように複数の反射部材１１Ｃが等間隔で配置されていることが望ましい。
【００３６】
受光層１３は、図２に示したように、例えば、緻密層１３Ａと多孔質層１３Ｂとから形成されている。緻密層１３Ａは透明導電層１１Ｂとの界面に形成され、構造上、緻密で空隙が少ないことが好ましく、特に膜状であることが好ましい。一方の多孔質層１２Ｂは電解質層１４と接する側に設けられ、空隙が多く、大きな表面積を有する構造が好ましく、特に多孔質の微粒子が付着している構造が好ましい。受光層１３の構成材料としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化インジウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムなどの酸化物が挙げられる。中でも、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ニオブが好ましく、とりわけ酸化チタンが最も適している。また、これらの材料のうちのいずれか１種を単独で用いてもよいが、２種以上を複合（混合、混晶、固溶体など）させて用いてもよく、例えば、酸化亜鉛と酸化スズ、酸化チタンと酸化ニオブなどの組み合わせで使用することもできる。
【００３７】
受光層１３は、多孔質層１３Ｂに色素１５を担持している。色素１５としては、例えば可視域や赤外域の光に対して吸収性を発揮するものが用いられる。また、多孔質層１３Ｂへの吸着性を有することが望ましいので、カルボキシル基、カルボン酸無水基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基などを有する分子からなるとよい。具体的には、ルテニウム（Ｒｕ）金属錯体、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイシン系色素、キナクリドン色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンラン系色素、ポリフェニル系色素、フタロシアニン系色素、ペリレン系色素、インジゴ系色素等が用いられる。色素１５は、受光層１３における緻密層１３Ａや多孔質層１３Ｂを構成する材料（酸化物半導体など）が、ほとんど光を吸収しないので、光の吸収波長域を拡げる光増感剤として機能し、光を吸収することにより励起された電子を放出する性質を有している。色素１５として、これらの色素を単独で用いてもよいし、複数混合して用いてもよい。
【００３８】
電解液層１４は、酸化還元対となるイオンを含む電解液からなるものである。電解液としては、レドックス電解質を溶媒に添加した溶液が好ましい。レドックス電解質は、酸化還元対として、例えば、ヨウ素／ヨウ化物、臭素／臭化物等を有するものであることが好ましい。このような電解質としては、例えば、ハロゲン化セシウム、ハロゲン化四級アルキルアンモニウム類、ハロゲン化イミダゾリウム類、ハロゲン化チアゾリウム類、ハロゲン化オキサゾリウム類、ハロゲン化キノリニウム類、ハロゲン化ピリジニウム類から選ばれる一種以上とハロゲン単体との組み合わせを用いることができる。具体的には、ヨウ化セシウム、四級アルキルアンモニウムヨージド類のテトラエチルアンモニウムヨージド、テトラプロピルアンモニウムヨージド、テトラエブチルアンモニウムヨージド、テトラペンチルアンモニウムヨージド、テトラヘキシルアンモニウムヨージド、テトラへプチルアンモニウムヨージド、トリメチルフェニルアンモニウムヨージド、イミダゾリウムヨージド類として３−メチルイミダゾリウムヨージド、１−プロピル−２，３−ジメチルイミダゾリウムヨージド、チアゾリウムヨージド類として３−エチル−２−メチル−２−チアゾリウムヨージド、３−エチル−５−（２−ヒドロキシエチル）−４−メチルチアゾリウムヨージド、３−エチル−２−メチルベンゾチアゾリウムヨージド、オキサゾリウムヨージド類として３−エチル−２−メチル−ベンゾキサゾリウムヨージド、キノリニウムヨージド類として１−エチル−２−メチルキノリニウムヨージド、ピリジニウムヨージド類の１種以上とヨウ素との組み合わせ、あるいは四級アルキルアンモニウムブロミド等と臭素との組み合わせを用いることができる。また、ＣｕＩ、ＣｕＳＣＮ、ＮｉＯ、Ｃｕ2Ｏ、ＫＩなどのｐ型半導体固体ホール輸送材料を用いてもよい。溶媒は水系でアセトニトリル−エチレンカーボネート混合溶液など様々なものを用いることができる。電解液層１４は、電解液をゲル化剤によって半固体化したゲル状電解質の形態であってもよい。この電解液層１４において、含有される酸化還元対イオンが、それぞれ、負極において酸化反応、正極において還元反応を繰り返すことにより、連続的な電子の移動を生じ、定常的は光電変換を可能にしている。
【００３９】
対向電極１２は、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、ＩＴＯ、ＦＴＯなどの導電性金属酸化物のほか、金、銀、白金などの金属、あるいは導電性高分子などの導電性材料によって構成されている。これらの導電材は、単独で用いてもよく、複数混合して用いてもよい。
【００４０】
この光電変換素子では、太陽光などの光が透明電極１１の側から入射すると、その光は透明電極１１を透過して受光層１３の表面１３Ｓに到達する。受光層１３に照射された光は、多孔質層１３Ｂに担持された色素１５に吸収され、色素１５に含まれる電子を励起する。励起された電子は多孔質層１３Ｂおよび緻密層１３Ａに注入され、隣接する透明導電層１１Ｂに移動し、外部回路（図示せず）を経由して対極である対向電極１２に到達する。一方、電界液相１４では、色素１５に残存するホールが電解液中のイオンを酸化し、この酸化されたイオンが対向電極１２側において上記の電子を受け取ることで還元される。このようにして、両極間における電子の移動とそれに伴う酸化還元反応とが繰り返されることにより、定常的な光電変換が行われる。
【００４１】
特に、本実施の形態では反射部材１１Ｃを設け、その断面形状を一対の斜面Ｓ１，Ｓ２を有する鋭角三角形としたので、図３に示したように、透明電極１１の側から反射部材１１Ｃと対応する領域Ｒ１に入射する入射光Ｌ１が効率的に受光層１３に吸収される。具体的には、斜面Ｓ１，Ｓ２の角度α，βが、いずれも４５°よりも大きく９０°未満となっているので、受光層１３の表面１３Ｓに対して垂直な方向から入射光Ｌ１が領域Ｒ１に入射すると、その入射光Ｌ１は一対の斜面Ｓ１，Ｓ２において反射したのち反射光として受光層１３の表面１３Ｓに全て照射されることとなる。したがって、より効率的に光電変換が行われることとなる。なお、図３は入射光Ｌ１の光路を説明するための概略断面図であり、図１（Ｂ）の一部を拡大したものに相当する。図３では、光路を視認し易くするため、透明電極１１および受光層１３の断面に示すべきハッチングを省略している（後出の図５，図６，図１０についても同様である）。また、厳密には透明基板１１Ａと透明導電層１１Ｂとの屈折率差により光路が屈折するが、図３では図示を簡略化している。
【００４２】
また、反射部材１１Ｃが、透明導電層１１Ｂよりも導電率の高い金属材料からなり、かつ、透明導電層１１Ｂと接するように配置されているので、面内方向における透明導電層１１Ｂの電圧降下（あるいは電流損失）が補われ、透明電極１１の低抵抗化を実現することができる。その結果、やはり光電変換効率が向上する。
【００４３】
また、全ての反射部材１１Ｃの断面を合同な二等辺三角形とした場合には、全ての反射部材１１Ｃを、相互の隙間の領域Ｒ２の幅Ｄが以下の条件式（１）を満たすように等間隔で配置することで、入射光Ｌ１の全てを受光層１３に照射することができる。
Ｄ≧−Ｗ／（２×ｃｏｓ２θ）  ……（１）
（但し、Ｄは隣り合う反射部材１１Ｃ同士の間隔であり、Ｗは反射部材１１Ｃの底辺の幅であり、θはαおよびβを表す。）
【００４４】
特に、以下の条件式（２）を満たす場合に、受光層１３に対する反射光を、より均質な分布に近づけることができるうえ、全体の透過率を低下させることなく複数の反射部材１１Ｃをより高密度に配置して低抵抗化を図ることができる。その結果、より優れた光電変換効率を実現することができる。
Ｄ≧−Ｗ／ｃｏｓ２θ  ……（２）
【００４５】
また、本実施の形態では、斜面Ｓ１，Ｓ２の表面粗さをＲａ値で０．２μｍ以下とすれば、斜面Ｓ１，Ｓ２の反射率が飛躍的に高まる（例えば、刊行物「軽金属、第５４巻、第２号、２００４年、ｐ．４５−５０、米原ほか著」を参照）ので、さらなる光電変換効率の向上を図ることができる。
【００４６】
次に、本実施の形態における変形例としての光電変換素子についていくつか説明する。
【００４７】
図４は、第１の変形例（変形例１）としての光電変換素子の要部を拡大して表した断面図であり、図３に対応している。上記実施の形態では、反射部材１１Ｃの全てを同一の材料種で形成するようにしたが、本変形例は、反射部材１１Ｃを、斜面Ｓ１，Ｓ２を形成する外層１１Ｃ１と、それ以外の部分を占める内層１１Ｃ２との２層構造としたものである。この場合、例えば外層１１Ｃ１の構成材料として内層１１Ｃ２よりも入射光Ｌ１に対する反射率の高いものを用いる一方で、内層１１Ｃ２の構成材料として外層１１Ｃ１よりも導電率の高いものを用いるようにすれば、透過率および導電率の双方を高め、光電変換効率の向上により適した構造となる。あるいは、外層１１Ｃ１の構成材料として、反射部材１１Ｃを覆う透明基板１１Ａとの親和性の高い材料を選択し、機械的強度や化学的安定性の向上を図ることもできる。このように、２層構造とすることで、光電変換効率やその他の物性を向上させるための設計上の自由度を確保することができる。なお、特性上の要求に応じて、２層構造に限らず３つ以上の部分からなる構造としてもよい。
【００４８】
図５は、第２の変形例（変形例２）としての光電変換素子の要部を拡大して表した断面図であり、図３に対応している。上記実施の形態では、反射部材１１Ｃを、透明導電層１１Ｂよりも導電率の高い導電性材料で形成するようにしたが、本変形例は、これを透明導電層１１Ｂと同等以下の導電率を有する材料によって形成し、透明導電層１１Ｂよりも低抵抗である金属導電層１６を別途設けるようにしたものである。この場合、金属導電層１６は、反射部材１１Ｃと対応する領域Ｒ１のうち、反射部材１１Ｃの、入射光Ｌ１が入射する側と反対側において透明導電層１１Ｂと接するように配置される。ここでは、光電変換効率の低下を避けるため、金属導電層１６の幅を、斜面Ｓ１，Ｓ２からの反射光が照射されない領域に収まるように設定することが望ましい。なお、本変形例では、反射部材１１Ｃを、透明基板１１Ａと異なる屈折率を有する透明体によって構成してもよい。
【００４９】
また、上記実施の形態では、反射部材１１Ｃが２つの斜面を含む場合（反射部材１１Ｃの断面が鋭角三角形をなす場合）について説明したが、反射部材１１Ｃが斜面を１つのみ含むようにしてもよい。その場合には、図６に表した第３の変形例（変形例３）としての光電変換素子のように、反射部材１１Ｃにおける受光層１３の表面１３Ｓと直交する断面の形状を、表面１３Ｓに平行な底面ＤＳと、これに垂直な面Ｓ５と、斜面Ｓ６とで囲まれた直角三角形とすることが望ましい。このような構成とすることで、入射光Ｌ１を受光層１３の表面１３Ｓに対して垂直に入射させた場合に、より多くの入射光が透過するのに適したものとなる。
【００５０】
また、上記実施の形態では、反射部材１１Ｃの断面形状を、頂角が鋭角である二等辺三角形としたが、幾何学的に厳密な二等辺三角形でなくともよい。例えば図７に表した第４の変形例（変形例４）としての光電変換素子のように、頂角に相当する部分が丸みを帯びていてもよい。このような形状とすることで、例えば、透明基板１１Ａを切削して反射部材１１Ｃを設けるための溝を加工する際の、あるいは経年変化に伴う透明基板１１Ａの割れや亀裂の発生を抑制することができる。
【００５１】
また、上記実施の形態では、反射部材１１Ｃの断面形状を二等辺三角形としたが、底角の異なる鋭角三角形であってもよい。具体的には、図８に表した第５の変形例（変形例５）としての光電変換素子のように、底角である角度αと角度βが異なる（すなわち、斜面Ｓ１と斜面Ｓ２との長さが異なる）鋭角三角形であってもよい。
【００５２】
また、反射部材１１Ｃが３つ以上の斜面を含むようにしてもよい。具体的には、図９に表した第６の変形例（変形例６）としての光電変換素子のように、反射部材１１Ｃの断面形状を、例えば斜面Ｓ１，Ｓ２と底角α，βとで規定される三角形と、斜面Ｓ３，Ｓ４と底角γ，δとで規定される台形とを組み合わせた形状としてもよい。この場合においても、斜面Ｓ１〜Ｓ４によって反射した反射光が領域Ｒ２の受光層１３に全て入射するようにすれば、入射光のエネルギーを効率的に光電変換することができる。
【００５３】
また、上記実施の形態では、反射部材１１Ｃの断面形状を、頂角が鋭角である二等辺三角形としたが、図１０に表した第７の変形例（変形例７）としての光電変換素子のように、鈍角三角形であってもよい。但し、本変形例においても斜面Ｓ１，Ｓ２が受光層１３の表面１３Ｓに対してそれぞれなす角度αおよび角度βの和は、９０°より大きく１８０°未満である。この場合には、受光層１３の表面１３Ｓと斜面Ｓ２とがなす角度βが鈍角となっているので、図１０（Ａ）に示したように、入射光Ｌ１が受光層１３の表面１３Ｓに対して垂直に入射すると斜面Ｓ２には入射光Ｌ１が当たらない。しかし、斜面Ｓ１が受光層１３の表面１３Ｓに対して４５°よりも大きく９０°未満の角度αで傾斜しているので、反射部材１１Ｃに注がれた入射光Ｌ１は、全て斜面Ｓ１で反射されたのち、受光層１３の表面１３Ｓに照射される。また、図１０（Ｂ）に示したように、入射光Ｌ１が表面１３Ｓに対して斜めに入射した場合であっても、その入射角度が反射部材１１Ｃの頂角ｔの範囲内であれば、斜面Ｓ１，Ｓ２の双方で反射した反射光が受光層１３の表面１３Ｓに照射されることとなる。
【００５４】
以上、本実施の形態の変形例をいくつか例示して説明したが、反射部材１１Ｃが、受光層１３の表面１３Ｓに対して傾斜した斜面を含み、その斜面が入射光Ｌ１を、その進行方向の成分を含む反射光に変換する限りにおいて、斜面を持たない反射部材を設けた場合と比較して受光層１３への照射量の低下を抑制することができる。いずれにしても、反射部材１１Ｃを複数設ける場合には、隣り合う反射部材１１Ｃ同士が互いに入射光を遮ることのないようにすると共に、隣り合う反射部材１１Ｃ同士が斜面からの反射光を互いに受けることのないように、所定の間隔をもって配置することが必要となる。
【００５５】
［第２の実施の形態］
次に、図１１を参照して、本発明における第２の実施の形態としての光電変換素子について説明する。図１１は、本実施の形態の光電変換素子の積層方向に沿った要部断面を表している。
【００５６】
この光電変換素子では、反射部材１１Ｃが、透明導電層１１Ｂの、入射光Ｌ１が入射する側に離散的に配置され、その斜面Ｓ１，Ｓ２が透明導電層１１Ｂおよび受光層１３の表面に対して４５°傾斜している。反射部材１１Ｃの間の領域Ｒ２には、偏光ビームスプリッタ１９がそれぞれ配置されている。さらに、反射部材１１Ｃの、入射光Ｌ１が入射する側における斜面Ｓ１，Ｓ２と対応した領域Ｒ１には第１の偏光変換素子１７が選択的に配置される一方、それ以外の領域Ｒ２には第２の偏光変換素子１８が選択的に配置されている。第１の偏光変換素子１７は、入射光Ｌ１を第１の偏光方向（例えばＳ偏光方向）に偏光した第１の直線偏光光束Ｓに変換して斜面Ｓ１，Ｓ２に照射するものである。一方、第２の偏光変換素子１８は、入射光Ｌ１を第２の偏光方向（Ｐ偏光方向）に偏光した第２の直線偏光光束Ｐに変換するものである。それ以外の点については、上記第１の実施の形態と同様の構成であるので、説明を省略する。
【００５７】
この光電変換素子では、受光層１３および透明導電層１１Ｂの表面と直交する方向から入射光Ｌ１が照射されると、第１の偏光変換素子１７によって変換された第１の直線偏光光束Ｓは、斜面Ｓ１，Ｓ２によって反射されたのち、偏光ビームスプリッタ１９の反射面１９Ｓ１，１９Ｓ２によって再度反射され、受光層１３へ向かうこととなる。その一方、第２の偏光変換素子１８によって変換された第２の直線偏光光束Ｐは、偏光ビームスプリッタ１９をそのまま透過し、受光層１３へ向かうこととなる。よって、この光電変換素子であっても、入射光Ｌ１のうち、反射部材１１Ｃに照射される成分を受光層１３に照射することができるので、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００５８】
以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態等では、電極間に挟まれる電解質として電解液を用いる場合について説明したが、これに限定されず、固体電解質を用いるようにしてもよい。また、用途としては、色素増感型の太陽電池に限定されず、光センサ等、他の光電変換デバイスにも適用可能である。
【００５９】
また、上記実施の形態等では、受光層よりも入射側に、少なくとも反射部材同士の隙間の領域（例えば図３などの領域Ｒ２）に対応するように光拡散層を設けるとよい。そうすることで、受光層に照射される光の強度分布が均質化され、光電変換効率がよりいっそう向上することとなる。なお、光拡散層としては、ガラス、ポリカーボネートをはじめとする透光性材料の表面に凹凸加工を施したものや内部に微細孔や微細粒子を有するものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明における第１の実施の形態としての光電変換素子の構成を示す平面図および断面図である。
【図２】図１に示した光電変換素子の要部を拡大した断面図である。
【図３】図１に示した光電変換素子の作用を説明するための概念図である。
【図４】図１に示した光電変換素子の第１の変形例の断面図である。
【図５】図１に示した光電変換素子の第２の変形例の断面図である。
【図６】図１に示した光電変換素子の第３の変形例の断面図である。
【図７】図１に示した光電変換素子の第４の変形例の断面図である。
【図８】図１に示した光電変換素子の第５の変形例の断面図である。
【図９】図１に示した光電変換素子の第６の変形例の断面図である。
【図１０】図１に示した光電変換素子の第７の変形例の断面図である。
【図１１】本発明における第２の実施の形態としての光電変換素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１１…透明電極、１１Ａ…透明基板、１１Ｂ…透明導電層、１１Ｃ…反射部材、１２…対向電極、１３…受光層、１３Ａ…緻密層、１３Ｂ…多孔質層、１４…電解液層、１５…色素、１６…金属導電層、１７…第１の偏光変換素子、１８…第２の偏光変換素子、１９…偏光ビームスプリッタ、Ｓ１〜Ｓ４…斜面、α，β…角度。
【図１】
2009094001.tif 000003
【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】
2009094001.tif 000009
【図８】
2009094001.tif 000010
【図９】
2009094001.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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