(57)【要約】【課題】太陽光エネルギーを電力に変換する際の変換効率を低コストでしかも低労力で向上させる。【解決手段】太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池用の波長変換素子において、供給される太陽光のうち太陽電池２の吸収帯域に対応する光を透過可能な基板１１と、供給される太陽光における紫外光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する複数の量子ドット１１からなる入力側量子ドットグループ１３と、第１のエネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループ１３を構成する各量子ドット１２から基板１１を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて紫外光より長波長である、太陽電池２の吸収帯域の出力光を生成する出力側の量子ドット１４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池用の波長変換素子において、
基板と、
供給される太陽光における紫外光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する複数の量子ドットからなる入力側量子ドットグループと、
上記第１のエネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記紫外光より長波長である、上記太陽電池の吸収帯域の出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする太陽電池用の波長変換素子。
【請求項２】
上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、波長４００ｎｍ未満の紫外光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有し、
上記出力側の量子ドットは、波長４００ｎｍ以上の出力光を生成すること
を特徴とする請求項１記載の太陽電池用の波長変換素子。
【請求項３】
上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットにより吸収される紫外光は、波長３８０ｎｍ以下であること
を特徴とする請求項１又は２記載の太陽電池用の波長変換素子。
【請求項４】
上記量子ドットの代替として、分子、イオンを上記基板中に分散させてなること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の太陽電池用の波長変換素子。
【請求項５】
上記第１のエネルギー準位との共鳴するエネルギー準位を有する他の量子ドットを介して、上記入力側量子ドットグループを構成する量子ドットから上記出力側の量子ドットへ励起子を伝送すること
を特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項記載の太陽電池用の波長変換素子。
【請求項６】
上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、波長４００ｎｍ以上の光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有し、
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する量子ドットの吸収波長より長波長であり、かつ上記太陽電池の吸収特性が極大となる波長以下の出力光を生成すること
を特徴とする請求項１記載の太陽電池用の波長変換素子。
【請求項７】
上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、上記出力側の量子ドットよりも形成比率が高いこと
を特徴とする請求項１〜６のうち何れか１項記載の太陽電池用の波長変換素子。
【請求項８】
太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池と、
供給される太陽光のうち上記太陽電池の吸収帯域に対応する光をそのまま透過させ、また供給される太陽光における紫外光を上記太陽電池の吸収帯域の出力光に変換する請求項１〜７のうち何れか１項記載の太陽電池用の波長変換素子とを備えること
を特徴とする太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池用の波長変換素子について、特に変換効率を向上させるとともに紫外線による太陽電池の劣化を軽減する上で好適な太陽電池用の波長変換素子、これを利用した太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は太陽光のエネルギーを直接電力に変換する太陽光発電システムの心臓部を構成するものであり、Ｓｉ単結晶、多結晶、あるいはアモルファスＳｉのｐ−ｎ接合面、ショットキーバリアー面等で構成されている。この太陽電池の構造としては、太陽電池素子単体（セル）をそのままの状態で使用することなく、一般的に数枚〜数十枚の太陽電池素子を直列、並列に配線し、長期間に亘りセルを保護するために各種パーケージングが施され、ユニット化される。
【０００３】
このパッケージに組み込まれたユニットを太陽電池モジュールといい、一般的に太陽光が当たる面をガラス面で覆い、熱可塑性プラスチックからなる充填材で間隙を埋め、裏面を封止用シートで保護された構成になっている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０４８９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１２に太陽光のスペクトル分布を示す。太陽光のスペクトルは紫外線から赤外線まで幅広く分布するが、短波長（紫外、紫、青）の光になるほど光子は大きなエネルギーを持ち、より大きな禁制帯幅を超えてキャリアを励起できる。この短波長側の光に対応した禁制帯幅を持つ単接合太陽電池を用いれば、より大きな電圧を得ることができ、短波長域の光のエネルギーをより効率良く利用できる。しかしながら、かかる単接合太陽電池により禁制帯幅を拡げすぎれば、より長波長の光は素通りして利用されず、変換効率が悪化してしまう。
【０００６】
また、図１２に示すように、短波長から長波長にかけて複数種の太陽電池素子７１〜７３で構成するいわゆる多接合太陽電池も提案されているが、材料コストが増加するとともに製造労力の負担が増大してしまうという問題点があった。
【０００７】
更に、紫外光が太陽電池素子に直接照射されることにより、これが経時的に劣化してしまうのを防止する必要性もあった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、太陽光エネルギーを電力に変換する際の変換効率を低コストでしかも低労力で向上させることができ、しかも紫外線による太陽電池の劣化を軽減することが可能な太陽電池用の波長変換素子、太陽電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明を適用した太陽電池用の波長変換素子は、上述した課題を解決するために、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池用の波長変換素子において、供給される太陽光のうち上記太陽電池の吸収帯域に対応する光を透過可能な基板と、供給される太陽光における紫外光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する複数の量子ドットからなる入力側量子ドットグループと、上記第１のエネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記紫外光より長波長である、上記太陽電池の吸収帯域の出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えることを特徴とする。もちろんかかる出力光を生成する準位も吸収に寄与し、そのため太陽光の一部を吸収することで逆に発電部へ到達する太陽光を減少させる効果も持つが、出力光を生成する準位はその準位を持つ量子ドットの密度（個数）を紫外光により励起される量子ドットと比較し大幅（例えばサイズ比が1:2の場合には1/8以下にできる。）に低くすることが可能であるので、出力光を生成する準位は吸収よりも出力光の発生への寄与が遙に大きい。したがって、太陽電池の効率の良い波長の光を発電部に供給することが可能となり、結果発電効率は向上する。
【００１０】
また、本発明を適用した太陽電池用の波長変換素子では、上記基板は、上記太陽電池の吸収帯域に対応する可視光の波長を透過可能とされ、上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、波長４００ｎｍ以上の光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有し、上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する量子ドットの吸収波長より長波長であり、かつ上記太陽電池の吸収特性が極大となる波長以下の出力光を生成することを特徴とするものであってもよい。
【００１１】
また、本発明を適用した太陽電池用の波長変換素子では、上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、上記出力側の量子ドットよりも形成比率が高いことを特徴とするものであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
上述した構成からなる本発明では、太陽電池により吸収することができる光のスペクトル強度を増加させることができることから、発電効率をより向上させることができる。しかも、波長変換素子を通過する太陽光は、紫外光成分をより低下させることができることから、この太陽電池に対して直接的に照射される紫外光の量を減少させることが可能となる。このため、紫外光が太陽電池に直接照射されることによる経時的な劣化を抑えることが可能となる。
【００１３】
また、本発明によれば、従来の如く短波長から長波長にかけて複数種の太陽電池素子で構成するいわゆる多接合太陽電池を構成することなく、太陽光のより広帯域のスペクトル成分を発電に使用することができ、発電効率向上をより安価に、しかも低労力で実現することが可能となる。
【００１４】
更に、本発明によれば、入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、波長４００ｎｍ以上の光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有し、出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する量子ドットの吸収波長より長波長であり、かつ上記太陽電池の吸収特性が極大となる波長以下の出力光を生成するように構成した場合、エネルギー吸収効率をより向上させることが可能となる。
【００１５】
また、入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットについて、出力側の量子ドットよりも形成比率を高くすることにより、可視光については基板をそのまま透過させ、紫外光については可視光に変換する割合を高くすることができ、エネルギー吸収効率を向上させることができる点において有利となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を適用した太陽電池モジュールの構成図である。
【図２】波長変換素子の構成の概略を説明するための図である。
【図３】各量子ドットのエネルギー準位を示す図である。
【図４】太陽光のスペクトル分布を示す図である。
【図５】各量子ドットのエネルギー準位を示す他の図である。
【図６】各量子ドットのエネルギー準位を示す更なる他の図である。
【図７】波長変換素子を構成する量子ドットの吸収強度分布を示す図である。
【図８】照射された光の波長に対する、太陽電池により生成された起電力の関係を示す図である。
【図９】この本発明例の比較例に対する起電流の増加率並びに太陽電池における受光感度を示す図である。
【図１０】太陽電池の受光感度の例を示す図である。
【図１１】量子ドットが形成された基板に入射させた光の波長に対する、光の吸収量、光の発光量の関係を示す図である。
【図１２】従来技術の問題点について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
本発明は、図１に示すようなる太陽電池用の波長変換素子１に適用される。この波長変換素子１は、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池２における太陽光の入射側に配置される。太陽電池２は、筐体１０に収容可能とされ、波長変換素子１は、かかる筐体１０に収容された太陽電池２の上面を覆いつつ、当該筐体１０に装着可能とされている。なお、本発明は、かかる太陽電池２、波長変換素子１を備える太陽電池モジュール４として適用するようにしてもよい。
【００１９】
太陽電池２は、厚さ０．３〜０．４ｍｍ程度のＳｉ単結晶、多結晶、あるいはアモルファスＳｉのｐ−ｎ接合面、ショットキーバリアー面等で構成されている。例えば、結晶Ｓｉの場合にその禁制帯幅は、１．１２ｅＶであり、太陽電池に用いた場合、近紫外域から１．２μｍ程度までの波長の光を吸収して発電することができる。多結晶Ｓｉの場合には、結晶の粒径が数ｍｍ程度で構成されている。単結晶Ｓｉに比べると面積あたりの出力（変換効率）は低下するものの、エネルギー収支の面では単結晶Ｓｉより優れている。またアモルファスＳｉを太陽電池２に適用する際には、シランガスから化学気相成長(ＣＶＤ)させることにより作製される。結晶Ｓｉに比べてエネルギーギャップが大きいため、高温時も出力が落ちにくい特性を有する。
【００２０】
図２は、波長変換素子１の構成の概略を説明するための図である。波長変換素子１は、基板１１と、この複数の量子ドット１２からなる入力側量子ドットグループ１３と、入力側量子ドットグループ１３近傍に設けられた出力側の量子ドット１４とを備えている。
【００２１】
基板１１は、ガラスやポリカーボネート樹脂等からなる。基板１１を構成するガラスついては、白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどが用いられるが、一般的には厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが多く使用される。また基板１１を構成するガラスついて、ＧａＡｓやＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等をドープしたガラス等で構成するようにしてもよい。また、この基板１１は、ポリカーボネート樹脂で構成する場合、厚みが５ｍｍ程度のものが多く使用される。いずれの場合においても、この基板１１は、供給される太陽光のうち太陽電池２の吸収帯域に対応する光を透過可能な材料で構成されていてもよいし、これに限らず、太陽光の何れの帯域も透過可能な材料で構成されていてもよい。
【００２２】
入力側量子ドットグループ１３を構成する量子ドット１２や、出力側の量子ドット１４は、ＣｕＣｌ等の材料系で構成され、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。各量子ドット１２、１４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット１２、１４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット１２,１４を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。
【００２３】
これら各量子ドット１２、１４を構成する材料系として上記ＣｕＣｌを用いる場合において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数ｍｍ/ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドット１２,１４を包含したＮａＣｌ結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット１２,１４のサイズを自在に制御することもでき、これらを１００ｎｍ以下の領域に並べて形成させることも可能となる。
【００２４】
なお、これら各量子ドット１２,１４は、更に分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板１１上に作製してもよいし、また近接場光ＣＶＤを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。
【００２５】
以下の説明においては、量子ドット１２、１４を構成する材料系としてＣｕＣｌを用いる場合を例に挙げて説明をする。これら量子ドット１２、１４では、励起子の閉じ込め系によりキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。また、この量子ドット１２、１４におけるエネルギー準位は、下位において比較的離散的に存在しているが、上位になるにつれて連続して存在することとなり、次第に帯状になる。
【００２６】
このような量子ドット１２、１４が形成された基板１１に対して、太陽光が入射されると、紫外光がこの量子ドット１２により吸収されることになる。
【００２７】
以下、太陽光のうち紫外光を量子ドット１２が吸収した場合の挙動について説明をする。
【００２８】
図３は、各量子ドット１２、１４のエネルギー準位を示している。各量子ドット１２,１４における量子閉じ込め準位Ｅ（nx,ny,nz）は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式（１）により定義される。
【００２９】
Ｅ（nx,ny,nz）＝h2/8π2m（π/L）2（nx2+ny2+nz2）・・・・・（１）
【００３０】
この式（１）に基づき、各量子ドット１２,１４のＥ（nx,ny,nz）を計算する。ここで量子ドット１２と、量子ドット１４との辺長比が、およそ１：√２であるとき、図３に示すように、量子ドット１２における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、量子ドット１４における量子準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。即ち、量子ドット１２の量子準位（１,１,１）と、量子ドット１４の量子準位（２,１,１）は、互いに励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるためには、量子ドット１２における量子準位（１,１,１）に対応する波長の入射光Ａをそれぞれ供給することにより、かかる量子準位へ励起子を励起させることができる。
【００３１】
仮に波長λ１の入射光Ａを供給することにより、量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へ励起子を励起させた場合には、かかる量子準位（１,１,１）と量子ドット１４における量子準位（２,１,１）との間で共鳴が生じる。
【００３２】
その結果、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、量子ドット１４の量子準位（２,１,１）へ移動し、さらに量子ドット１４の量子準位（１,１,１）へ遷移する。この結果、見かけ上、量子ドット１２から量子ドット１４へ励起子が移動することになる。
【００３３】
そして、この量子ドット１４の量子準位（１,１,１）へ移動した励起子は、そこから発光する。この量子ドット１４の下位の量子準位（１,１,１）からの発光は、出力信号としての出力光として取り出されることになるが、その波長λ２は、入射光の波長λ１と比較していきおい長くなる。これは、量子ドット１４のサイズが、量子ドット１２と比較して大きいからである。
【００３４】
即ち、このような互いに共鳴準位を持つとともに、量子ドット１４のサイズを量子ドット１２よりも大きく構成することにより、量子ドット１２から量子ドット１４へ励起子を移動させることが可能となる。基板１１上において辺長比が互いに異なる各量子ドット１２,１４を形成させることにより、（１）式に基づく量子準位をほぼ等しくすることができ、これらの間で共鳴を起こさせることにより、体積の小さい量子ドット１２から体積の大きい量子ドット１４へ励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で体積（サイズ）を互いに異ならせることにより、これらの間で励起子を伝送することができる。
【００３５】
このため、かかる励起子の伝送原理を利用して、体積の小さい量子ドット１２に応じた波長λ１の入射光Ａを供給することにより、それぞれの量子準位に励起子を励起させ、これを体積の大きい量子ドット１４へ伝送する。量子ドット１４では、かかる伝送された励起子を下位準位へ放出することにより波長λ２からなる出力光Ｂを生成する。その結果、この量子ドット１２から量子ドット１４への励起子の移動を通じて、波長λ１の入射光Ａをより長波長からなる波長λ２の出力光Ｂへ変換することが可能となる。
【００３６】
ここで、波長λ１を紫外光の波長となるように、量子ドット１２におけるＥ（１１１）を設定し、また、この量子ドット１２におけるＥ（１１１）と共鳴するように量子ドット１４におけるＥ（２１１）を設定することにより、波長λ１の紫外光からなる入射光Ａを、より長波長λ２からなる出力光Ｂに変換することができる。
【００３７】
図４(a)は、太陽光のスペクトル分布を示す。太陽光のスペクトルは紫外線から赤外線まで幅広く分布するが、例えば多結晶Ｓｉの太陽電池２により発電効率の高い帯域は、４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度である。
【００３８】
このため、波長４００ｎｍ未満の紫外光は、かかる太陽電池２により直接的に吸収することができない。しかしながら、本発明では、上述した構成からなる波長変換素子１を、太陽電池２の入射側に配置している。このため、太陽電池２により吸収可能な帯域は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの光は、量子ドット１２により吸収されることが無いため、そのまま波長変換素子１を通過して太陽電池２に到達し、また、波長４００ｎｍ未満の紫外光は、量子ドット１２により吸収されることになり、上述したメカニズムに基づいてより長波長の出力光Ｂに変換されることになる。ここで、この出力光Ｂの波長λ２が４００ｎｍ〜７００ｎｍの間となるように量子ドット１２、１４を制御したとき、この波長変換素子１を通過した光のスペクトル分布は、図４(b)に示すように、紫外領域のスペクトル強度が低下し、その分４００〜７００ｎｍの波長帯域におけるスペクトル強度が高くなる。もちろんかかる出力光を生成する準位も吸収に寄与し、そのため太陽光の一部を吸収することで逆に発電部へ到達する太陽光を減少させる効果も持つが、出力光を生成する準位はその準位を持つ量子ドットの密度（個数）を紫外光により励起される量子ドットと比較し大幅（例えばサイズ比が1:2の場合には1/8以下にできる。）に低くすることが可能であるので、出力光を生成する準位は吸収よりも出力光の発生への寄与がはるかに大きい。したがって、太陽電池の効率の良い波長の光を発電部に供給することが可能となり、結果発電効率は向上する。
【００３９】
その結果、太陽電池２により吸収することができる光のスペクトル強度を増加させることができることから、発電効率をより向上させることができる。しかも、波長変換素子１を通過する太陽光は、紫外光成分をより低下させることができることから、この太陽電池２に対して直接的に照射される紫外光の量を減少させることが可能となる。このため、紫外光が太陽電池２に直接照射されることによる経時的な劣化を抑えることが可能となる。
【００４０】
また、本発明によれば、従来の如く短波長から長波長にかけて複数種の太陽電池素子で構成するいわゆる多接合太陽電池を構成することなく、太陽光のより広帯域のスペクトル成分を発電に使用することができ、発電効率向上をより安価に、しかも低労力で実現することが可能となる。
【００４１】
しかも、本発明によれば、宇宙線や真空紫外線等もこの波長変換素子１により吸収することができることから、これらが直接的に太陽電池２へ照射されるのを防止することができ、素子の寿命を長くすることが可能となる。
【００４２】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図５に示すように、量子ドット１２’が基板１１上において更に形成されていてもよい。この量子ドット１２’は、量子ドット１２よりもさらにサイズが小さく構成されている。また、量子ドット１２’と、量子ドット１４との辺長比が１：２であるとき、この量子ドット１２’における量子準位（１,１,１）におけるＥ（１１１）は、量子ドット１４の量子準位（２,２,２）におけるＥ（２２２）と等しく、互いに共鳴する準位である。この量子ドット１２’からも同様に励起子が量子ドット１４へと移動していくことになる。量子ドット１２’により吸収される入射光Ａ’の波長λ１’は、量子ドット１２により吸収される入射光Ａの波長λ１とは異なるものであるが、係る入射光Ａ’も同様に量子ドット１２’内において光励起させ、これを量子ドット１４へ伝送してより長波長の波長λ２の出力光Ｂに変換することが可能となる。
【００４３】
特に紫外光の帯域は４００ｎｍ未満の領域において帯域幅を有するものであるところ、かかる紫外光のいずれの波長をも量子ドット１２で吸収してこれを出力光Ｂに変換することで、太陽電池２における変換効率を向上させる必要がある。このため、多岐に亘るサイズや種類からなる量子ドット１２を基板１１上に形成させ、紫外光のいずれの波長をも量子ドット１２で吸収できる構成とする必要がある。仮にサイズを異ならせた場合においても、上述した図５に示すように、出力側の量子ドット１４において、これと共鳴準位をもたせることにより、励起子の移動を実現することが可能となる。
【００４４】
なお出力側の量子ドット１４は、出力光Ｂの波長λ２が４００ｎｍ〜７００ｎｍの間となるように制御される場合に限定されるものではなく、太陽電池２の吸収帯域に対応する波長領域であればいかなる波長λ２で構成されていてもよい。
【００４５】
ちなみに、この出力側量子ドット１４も同様に、多岐に亘るサイズや材質で構成することにより、その出力光Ｂの波長λ２や共鳴準位が互いに相違するものであってもよい。但し、この出力光の波長λ２が太陽電池の吸収帯域に対応する波長であり、しかも量子ドット１２における量子準位と共鳴準位を有することが必須となる。
【００４６】
また、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図６に示すように、入力側量子ドットグループ１３を構成する量子ドット１２から、出力側の量子ドット１４へ励起子を伝送する際において、他の量子ドット１６を介して行うようにしてもよい。
【００４７】
例えば、量子ドット１２、量子ドット１６、量子ドット１４間において、それぞれ辺長比が１：√２：２で構成されているものとする。このとき、量子ドット１２におけるＥ（１１１）と、量子ドット１６におけるＥ（２１１）とが共鳴することになり、よりサイズの大きい量子ドット１６に対して量子ドット１２から励起子によるエネルギー移動が起きることになる。また、量子ドット１６におけるＥ（１１１）と、量子ドット１４におけるＥ（２１１）とが共鳴することになり、よりサイズの大きい量子ドット１４に対して量子ドット１６から励起子によるエネルギー移動が起きることになる。その結果、最終的に量子ドット１２により吸収された波長λ１からなる入射光Ａは、波長λ２からなる出力光Ｂに波長変換されることになる。このように、量子ドット１２、１４のみではなく、その間に他の量子ドット１４を介して励起子を伝送する構成においても、本発明所期の効果を得ることが可能となる。ちなみに、この量子ドット１６は１種類で構成されている場合に限定されるものではなく、段階的に徐々に小さくなるように構成されていてもよい。
【００４８】
なお、本発明においては、量子ドット１２について、波長４００ｎｍ未満の紫外光に応じて励起子が励起されるように、第１のエネルギー準位Ｅ（１１１）が形成されていることになるが、そのときの吸収強度は図７に示すように波長４００ｎｍ未満を中心とした分布が形成されていることが望ましい。実際に、これら各量子ドット１２により吸収される紫外光は波長３８０ｎｍ以下である。図７はＣｕＣｌ量子ドットで平均サイズ５nmとした結果であり、量子ドットのサイズ分布等の制御により、波長４００nm付近ではわずかな吸収しかないが、強い発光が存在する。
【００４９】
特に太陽電池モジュール４としての適用を考える場合において、この紫外光の波長の光を吸収し、これを長波長の光へ変換することが必須となるため、量子ドット１２について上述した分布になるように調整することが望ましい。
【００５０】
更に本発明においては、量子ドットの代替として、分子、イオンを上記基板中に分散させて構成するようにしてもよい。具体的には、入力される太陽光のうち、４００ｎｍ以下の波長の成分を十分に吸収し得るだけの濃度を持つ、４００ｎｍ以下の波長帯域に吸収を持つ分子、イオンと波長４００ｎｍ以上の入力光をほとんど吸収しないように濃度調整された波長４００ｎｍ以上に発光帯域を持つ分子、イオンが同時に分散されたガラス、樹脂、結晶などである。
【実施例１】
【００５１】
以下、本発明を適用した太陽電池用の波長変換素子１、並びに太陽電池２の実施例について説明をする。
【００５２】
上述した効果を検証するために、以下の実験を行った。この実験では、本発明例として、基板１１上にＣｄＳｅからなる量子ドット１２、１４を形成させた波長変換素子１と太陽電池２とからなる太陽電池モジュール４を、また比較例として、何ら量子ドット１２、１４を設けない基板１１と、太陽電池２とからなる比較用の太陽電池モジュールを使用する。ちなみに、本発明例、比較例においてそれぞれ使用する太陽電池２は、互いにほぼ同一の光吸収特性を示すものである。
【００５３】
この実験では、それぞれ準備した本発明例、比較例について実際に波長３００〜６００ｎｍの光を照射し、太陽電池２により吸収されることにより生じる起電力を測定する。
【００５４】
図８は、かかる実験結果を示しており、横軸が照射された波長を、縦軸が太陽電池２により生成された起電力を示している。本発明例、比較例ともに波長が高くなるにつれて起電力が高くなるのが分かる。これは本発明例、比較例において実装されている太陽電池２の吸収帯域が、特に波長３００〜６００ｎｍの範囲において長波長になるほど吸収特性が向上するため、これに応じて生成される起電力が高くなるためである。
【００５５】
また、この図８において可視光域（４００ｎｍ以上）では、ほぼ本発明例、比較例ともに同一の起電力となっている。しかしながら、この可視光域において徐々に波長を下げ、４００ｎｍ近くまで下がると、この本発明例と比較例との間で起電力の差異が生じてくるのが分かる。この差異は、本発明例の起電力が、比較例の起電力よりも高くなることにより生じるものである。
【００５６】
また、紫外光域（４００ｎｍ未満）では、本発明例と比較例との起電力差がさらに大きくなる。そして、この起電力差は、波長が低くなるにつれて更に大きくなる傾向が示されている。
【００５７】
実際にこの紫外光域においては、太陽電池２における受光感度は極めて低い。このため、比較例にように何ら量子ドットが形成されていない場合には、モジュール内に入射された紫外光域の光がそのまま太陽電池２に到達するものの、かかる帯域において太陽電池２は受光感度が低いことから、起電力の向上に殆ど寄与しない。これに対して、本発明例では、紫外光を吸収可能な入力側の量子ドット１２を基板１１上に形成させている。このため、この紫外光を吸収し、上述したメカニズムに基づいて出力側の量子ドット１４を介して長波長側で放出させることができる。かかる長波長側の方が太陽電池２における受光感度が向上することから、起電力がより向上することになる。これが、本発明例と比較例との間の起電力の差異として現れてくることになる。
【００５８】
図９は、この本発明例の比較例に対する起電流の増加率並びに太陽電池２における受光感度を示している。起電力増加率は、本発明例における起電流ＩＡと、比較例における起電流ＩＢとしたとき、（ＩＡ−ＩＢ）/ＩＢで表される。
【００５９】
この起電流の増加率は、紫外光域において高くなり、可視光域において低くなっているのが分かる。また、起電流増加率は、この図９の傾向からみる限り、紫外光域内において波長が低くなるにつれて増加し、また波長が高くなるにつれて減少する。さらに、この起電力増加率は、４００ｎｍ以上の可視光域において、５００ｎｍ以上の領域における起電力増加率よりも、４００ｎｍ近傍における起電力増加率の方が僅かながら高くなっているのが分かる。
【００６０】
また、この図９において示した受光感度は、波長３６０ｎｍから立ち上がり、４００ｎｍあたりまで急激に上昇し、４００ｎｍ以上では、波長の増加とともに光吸収緩やかに上昇する。なお、この受光感度の傾向はあくまで太陽電池２における一例であり、これに限定されるものではないことは勿論である。
【００６１】
このような図９に示す傾向の下で本発明例では、入力側の量子ドット１２について４００ｎｍ以下の紫外光域の光を吸収可能とし、さらに出力側の量子ドット１４において４００ｎｍ超の可視光域の光を放出可能とすることにより、入力側の量子ドット１２により吸収された紫外光のエネルギーが可視光として放出されることになる。また可視光域においては、上述したように太陽電池２の受光感度が高くなるため、起電力増加率を向上させることが可能となる。
【００６２】
なお、本発明例では、４００ｎｍ超の領域であっても４００ｎｍ近傍においては、未だ起電流増加率が高くなっている。このため、入力側の量子ドット１２について４００ｎｍ以上の可視光域の光を吸収可能としてもよい。かかる場合には、入力側量子ドットグループを構成する各量子ドット１２は、波長４００ｎｍ以上の光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有しており、出力側の量子ドット１４は、量子ドット１２の吸収波長より長波長である範囲においての出力光を生成可能とされている。
【００６３】
例えば、入力側量子ドットグループを構成する各量子ドット１２は、波長４６０ｎｍの光を吸収可能とされており、出力側の量子ドット１４は、５６０ｎｍの光が放出可能なように設計されているものとする。かかる場合において、量子ドット１２は、波長４６０ｎｍの光を吸収し、量子ドット１４は、波長５６０ｎｍの光を放出することになるが、図９に示すように、太陽電池２の受光感度は、波長５６０ｎｍの方が波長４６０ｎｍよりも高くなっている。このため、波長４６０ｎｍの光を量子ドット１２により吸収してこれを量子ドット１４を介して波長５６０の光として放出した方が、エネルギー吸収効率を向上させることができ、ひいては、起電流増加率をも向上させることが可能となる。
【００６４】
即ち、波長４００ｎｍ超の可視光域においても、波長が高くなるにつれて受光感度は、増加する。これに着目し、可視光域においても、この受光感度の増加領域において、吸収能を示す量子ドット１２を設け、さらにこれよりも長波長側において出力光を放出可能な量子ドット１４を設けることにより、エネルギー吸収効率を改善することが可能となる。
【００６５】
ちなみに、この受光感度の増加領域は、太陽電池２によって異なる。例えばＳｉ製の太陽電池の場合には、一般的に受光感度の増加領域は、４００〜８００ｎｍである。
【００６６】
また、図１０は、Ｓｉ系の太陽電池２の受光感度の例を示している。かかる例において波長４００ｎｍ以上の可視光域では、その吸収特性が極大となる波長は約９５０ｎｍである。このため、この図１０に示す太陽電池２における受光感度の増加領域は４００〜９５０ｎｍである。このような光吸収特性を示す太陽電池２に対して本発明を適用する際には、受光感度の増加領域は４００〜９５０ｎｍにおいて吸収能を示す量子ドット１２を設け、さらにこれよりも長波長側において出力光を放出可能な量子ドット１４を設けることになる。但し、この出力側の量子ドット１４により放出される出力光がかかる光吸収性能の増加領域の上限である９５０ｎｍを超えてしまうと却って太陽電池２によるエネルギー吸収性能が低下してしまう。従って、量子ドット１４は、太陽電池２の吸収特性が極大となる波長以下の出力光を生成するようなものとすることが望ましい。
【実施例２】
【００６７】
また、本発明では、入力側量子ドットグループを構成する各量子ドット１２は、出力側の量子ドット１４よりも形成比率が高くなるようにしてもよい。即ち、量子ドット１２の総数が量子ドット１４の総数よりも多くなるように設定してもよい。
【００６８】
図１１(a)は、量子ドット１２、１４が形成された基板１１に入射させた光の波長に対する、これら量子ドット１２、１４による光の吸収量の関係を示している。また図１１(b)は、紫外光の光を入射させた場合における量子ドット１２、１４からの光の発光量の波長依存性の関係を示している。図中実線は、何れも出力側の量子ドット１４が入力側の量子ドット１２よりも少ない場合（以下、出力側低比率という。）を示しており、図中点線は、何れも出力側の量子ドット１４が入力側の量子ドット１２よりも多い場合（以下、出力側高比率という。）を示している。ちなみにこの例では、量子ドット１２が主として紫外光域における吸収性能を発揮し、また量子ドット１４が主として可視光域において光を放出するように形成されている場合を想定している。
【００６９】
図１１(a)に示すように、光吸収量は、出力側低比率の場合には、紫外域において高くなっている。これは、量子ドット１２の比率が高いため、紫外域における吸収性能が高くなっている。これに対して、出力側の量子ドット１４の比率が低いために、可視光域において吸収性能が低下しているのが分かる。その結果、量子ドット１４により吸収される可視光の量が低下してしまう。
【００７０】
これに対して、出力側高比率の場合には、点線で示すように、紫外光域における吸収性能が低下し、その代わりに可視光域における吸収性能が増加している。これは、出力側の量子ドット１４の形成比率が高いことから、かかる可視光を量子ドット１４自身が吸収してしまうことによる。
【００７１】
また図１１(b)に示すように、紫外光の光を照射した場合には、出力側低比率の場合において、可視光域において光発光量が高くなっているのが分かる。このような可視光域においてピークが生じる理由として、出力側低比率の場合においては、入力側の量子ドット１２において吸収された紫外光のエネルギーが、出力側の量子ドット１４において可視光として放出されたためである。入力側の量子ドット１２の総数が多い分、紫外光のエネルギーに基づいて可視光として放出される量が多くなるためである。このような可視光域においてピークが生じる理由として、出力側高比率の場合においては、出力側の量子ドット１４自身が吸収した僅かな可視光を、再び可視光域において出力光として放出しているためである。出力側の量子ドット１４の総数が多い分、可視光として放出される量が多くなるためである。
【００７２】
しかしながら、全体のエネルギー効率を考えた場合には、出力側低比率の方が有利となる。その理由として、出力側高比率の場合、出力側の量子ドット１４の総数が増加するが、可視光の光を量子ドット１４が一度吸収して、これを放出することになる。その結果、この量子ドット１４により吸収されることによる励起子のエネルギー分が必ずしも１００％出力光として放出されるわけではなく熱等に変換される分もあり、量子ドット１４による吸収、放出の無い場合と比較して結局のところエネルギー損失が多くなってしまう。
【００７３】
これに対して、出力側低比率の場合には、出力側の量子ドット１４が少ないため、可視光域の入射光については、量子ドット１４により吸収されることなくそのまま基板１１を透過して太陽電池２側へ入射する割合が高くなり、その結果、エネルギー損失の低下を防止することができる。また、入力側の量子ドット１２の形成比率が高いために、紫外光側においては、量子ドット１２により吸収されて紫外光のエネルギーに基づいて可視光として放出される量が多くなる。即ち、出力側低比率の場合は、出力側高比率の場合と比較して、可視光については基板１１をそのまま透過させ、紫外光については可視光に変換する割合を高くすることができる点において有利となる。
【符号の説明】
【００７４】
１  波長変換素子
２  太陽電池
４  太陽電池モジュール
１０  筐体
１１  基板
１２  量子ドット
１３  入力側量子ドットグループ
１４  量子ドット
【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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