(57)【要約】第１、第２主面及び複数の側面を有して成る実質的に透明な基体と、基体の第１主面に結合され、第１、第２主面及び少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合を有して成る薄膜半導体層と、入射光が基体を通して半導体層に導波モードで伝播し、半導体層の第１主面と第２主面との間を複数回反射し、ｐ−ｎ接合に複数回作用するようにする光案内機構とを有して成ることを特徴とする光起電装置。
2012507884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２主面及び複数の側面を有して成る実質的に透明な基体と、
前記基体の第１主面に結合され、第１、第２主面及び少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合を有して成る薄膜半導体層と、
入射光が前記基体を通して前記半導体層に導波モードで伝播し、該半導体層の前記第１主面と第２主面との間を複数回反射し、前記ｐ−ｎ接合に複数回作用するようにする光案内機構と、
を有して成ることを特徴とする光起電装置。
【請求項２】
第１、第２主面及び複数の側面を有して成る実質的に透明な第１基体と、
前記第１基体の第１主面に結合され、少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合を有して成る第１薄膜半導体層と、
第１、第２主面及び複数の側面を有して成る実質的に透明な第２基体と、
前記第２基体の第１主面に結合され、少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合を有して成る第２薄膜半導体層であって、前記第１半導体層と離間対向配置され、間に間隙が形成されて成る第２半導体層と、
入射光が前記各々の第１、第２基体を通して、前記各々の第１、第２半導体層に各々の導波モードで伝播し、前記第１主面と第２主面との間を複数回反射し、前記各々のｐ−ｎ接合に複数回作用するようにする少なくとも１つの光案内機構と、
を有して成ることを特徴とする装置。
【請求項３】
第１、第２主面及び複数の側面を有して成る実質的に透明な基体と、
第１、第２主面を有し、前記基体の第１主面に結合され、少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合を含んで成る薄膜半導体層と、
太陽光を前記基体の複数の側面の１つに案内し、該太陽光が前記基体を通して前記半導体層に導波モードで伝播し、該半導体層の前記第１主面と第２主面との間を複数回反射し、前記ｐ−ｎ接合に複数回作用するようにする集光装置と、
を有して成ることを特徴とする光起電装置。
【請求項４】
第１、第２主面及び複数の側面を有して成る実質的に透明な基体と、
前記基体の第１主面に結合され、少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合を有して成る薄膜半導体層と、
（ｉ）太陽光を前記基体の第１、第２主面の１つに案内する焦点軸を有して成る少なくとも１つの太陽集光器及び（ｉｉ）前記第１、第２主面の１つから前記基体に入射した前記太陽光を前記太陽集光器の焦点軸に対し斜めに案内し、該太陽光が前記基体に結合すると共に導波モードで前記半導体層に結合するようにする少なくとも１つの対応する方向変更素子を備えた集光装置と、
を有して成る光起電装置であって、
前記半導体層の第１、第２主面近傍のそれぞれの誘電率不連続面によって、入射光が該半導体層の第１主面と第２主面との間を前記導波モードで複数回反射し、前記ｐ−ｎ接合に複数回作用することを特徴とする装置。
【請求項５】
第１、第２主面及び複数の側面を有して成る実質的に透明な基体と、
複数の半導体層であって、少なくとも第１半導体層が前記基体の第１主面に結合され、第１、第２主面を有して成り、各々の半導体層が少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合を有して成る複数の半導体層と、
入射光が前記基体を通して前記複数の半導体層に導波モードで伝播し、該複数の半導体層の前記第１主面と第２主面との間を複数回反射し、前記ｐ−ｎ接合に複数回作用するようにする光案内機構と、
を有して成ることを特徴とする光起電装置。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は米国出願第１２/２６３，５８３号（２００８年１１月３日出願）の優先権を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、感光性薄膜半導体層が透明な基体に結合されて成る装置のような光起電装置を提供するための方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
太陽光電池は、副産物として温室効果ガスを発生しないため、電気エネルギー生成のための魅力的な方法である。従来の薄膜太陽電池には基本的にスーパーストレート型とサブストレート型という２つの構成がある。スーパーストレート型においては、入射した光が上部に配された活性半導体材料を支持する透明な材料を透過する。サブストレート型においては、活性半導体材料に光が入射し、その後基体に到達する。上部に半導体材料１４が配された基体１２を備えた従来のスーパーストレート型光起電装置１０を図１に示す。この半導体材料（結晶シリコン）は、光が通過すると非結合電荷（電子とホール）を生成し、１対の導電体の両端に電圧Ｖを発生する特徴を有するｐ−ｎ接合１６を備えている。この構成において、基体は透明であり光が透過して半導体材料１４に到達することができる。
【０００４】
従来の太陽電池の主な問題にはコスト、効率、及び太陽電池製造に関わる形状因子がある。これ等の問題に対処するために様々な単結晶又は薄膜製造工程が開発されている。単結晶太陽電池は高効率であるがその製造工程は非常に高価である。このような場合、特に高価なＩＩＩ−Ｖ族太陽電池及び多接合太陽電池の場合、太陽集光器が用いられる。薄膜半導体製造技術は比較的安価であるが、一般にエネルギー変換効率が低い。（コスト削減のため）半導体層を薄くするにつれ、即ち、シリコンが約１μｍ未満になると、赤外線エネルギーの吸収が大幅に低下し太陽電池の効率が急激に低下する。
【０００５】
図１において、従来の太陽電池の構成によっては、基体１２と半導体１４との間に光散乱層（例えば、粗面化した透明導電性酸化物）が配されている場合がある。別の非連続面（例えば、金属化層）を半導体材料１４と反対側の表面に配することができる。このような散乱層及び金属化層により光がそれぞれの角度で各々の層に反射して跳ね返るため、一部の光が半導体材料１４に捕捉される（光の散乱と捕捉）。この方法によりｐ−ｎ接合１６における太陽エネルギーの変換は改善されるが、光が散乱して構造体外部に出てしまうため完全に捕捉することはできない。
【０００６】
アモルファス材料、マイクロ又はナノ結晶材料、多結晶材料、及び/又は結晶材料を含むシリコンを主成分とする太陽電池は、一般に層厚が５μｍ未満であり、光の捕捉が非常に重要である。アモルファス・シリコン太陽電池及びマイクロ結晶シリコン太陽電池においては、ドープ層の導電性が低いため、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層が一般に用いられている。スーパーストレート構成においては、ＴＣＯ層が（前記のように）粗面化され、ＴＣＯ層と半導体層との間に光散乱界面を形成している。マイクロ結晶シリコンの場合、表面構造の光散乱性能とシリコンの電気輸送特性との間に妥協点が存在している。それが単接合マイクロ結晶電池及びアモルファス/マイクロ結晶（マイクロモルフ）タンデム接合電池の光捕捉性能に影響を及ぼしている。サブストレート構成にも同様の制約がある。多結晶又は結晶薄膜シリコン太陽電池の場合にも散乱層が用いられる。スーパーストレート構成の多結晶電池は基体とシリコンとの界面において散乱を得ているが、結晶シリコン太陽電池の場合には基体とシリコンとの界面は一般に平坦である。ここでも、凹凸シリコンが背面反射体に用いられ散乱を得ている。サブストレート構成において、多結晶及び結晶シリコン太陽電池は空気とシリコンとの界面、及び/又はシリコンと基体との界面における散乱を採用している。製造工程の段数を減らし性能を向上させるため、凹凸表面を使用しない光の捕捉方法が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記理由から、太陽エネルギーのコストは従来の商用電源より２〜３倍高い。家庭、共同住宅、工業団地等の屋上設置用途、あるいは商用電源が簡単に入手できない場所における用途等、特定の太陽エネルギー分野においては、軽量及び低形状因子が重要な強みとなる。従って、当技術分野において、低価格、高効率、軽量、及び低形状因子を特徴とする太陽光電池を提供するための新たな手法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つ以上の実施の形態によれば、光起電装置が提供される。この光起電装置は、第１、第２主面及び複数の側面を有して成る実質的に透明な基体と、この基体の第１主面に結合され、第１、第２主面及び少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合を有して成る薄膜半導体層と、入射光が基体を通して半導体層に導波モードで伝播し、半導体層の第１主面と第２主面との間を複数回反射し、ｐ−ｎ接合に複数回作用するよう機能する光案内機構を有して成ることを特徴とするものである。
【０００９】
この半導体層の厚さは約２μｍ未満とすることができ、例えば約１〜２μｍである。実質的に透明な基体はガラス、ガラス・セラミック、及びポリマーのうちの少なくとも１つから形成することができる。
【００１０】
添付図面と併せて本明細書を理解することにより、当業者にとってその他の態様、特徴、効果等は明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の各種態様を示すため、現時点において好ましい態様を図面により示す。しかし、本発明は図示した明確な配置及び手段に限定されるものではない。
【図１】従来の光起電装置の側面図。
【図２】本発明の１つ以上の態様による光起電装置の斜視図。
【図３】本発明の更に別の１つ以上の態様による光起電装置の側面図。
【図４】本発明の更に別の１つ以上の態様による別の光起電装置の側面図。
【図５】本発明の更に別の１つ以上の態様による別の光起電装置の側面図。
【図６】本発明の更に別の１つ以上の態様による別の光起電装置の側面図。
【図７】本発明の更に別の１つ以上の態様による別の光起電装置の側面図。
【図８】本発明の更に別の１つ以上の態様による別の光起電装置の側面図。
【図９】本発明の更に別の１つ以上の態様による別の光起電装置の側面図。
【図１０】本発明の更に別の１つ以上の態様による別の光起電装置の側面図。
【図１１Ａ】本発明の更に別の１つ以上の態様による別の光起電装置の側面図。
【図１１Ｂ】図１１Ａの光起電装置に使用される別の光誘導素子の側面図。
【図１２Ａ】本発明の光起電装置の基本動作概念に関連した特定の評価パラメータのシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１２Ｂ】本発明の光起電装置の基本動作概念に関連した特定の評価パラメータのシミュレーション結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
同様の要素には同一の符号を付した図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図２は本発明の１つ以上の実施の形態による光起電装置１００の斜視図である。光起電装置１００は第１、第２主面１０８、１１０及び複数の側面を備え、一般に正平行六面体を成す実質的に透明な基体１０２を有している。少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合１０６を備えた半導体層１０４が基体１０２の第１主面に結合されている。
【００１３】
ここで、構造体１００は、以下に詳細に説明するように、光が内部を導波モードで伝播するため、複合導波特性を示すものとみなす。実際、半導体層１０４の第１主面と第２主面との間を（光の散乱と対照的に）１つ又は複数の導波モードで光が伝播することができる。これに加え、又はこれに代えて、基体１０２と半導体層１０４とから成る複合構造体内部を１つ又は複数の導波モードで光が伝播することができる。１つ又は複数の導波モードによる光の伝播は（従来技術における）光の散乱や捕捉とは異なる。光の散乱や捕捉においては、光は非連続面において、それぞれの角度で反射する（それによって、かなりの光エネルギーが電池から逃避してしまう）。これに反し、１つ又は複数の導波モードによる光の伝播は、実質的に全内部反射特性を示し、光エネルギーの逃避はごく僅かであるか全くない。
【００１４】
感光性ｐ−ｎ接合１０６の構造的及び電気的詳細は比較的複雑であるが、当技術分野では良く知られ理解されている。従って、簡潔明快を旨として、（製造技術、導電体の位置等を含む）かかる詳細は本明細書から割愛する。しかし、太陽電池技術において、ｐ−ｎ接合が半導体材料内に形成され太陽の放射エネルギーが電流に変換される。放射エネルギーの吸収によって生成された電子/ホール対がｐ−ｎ接合により分離され、外部負荷に有益な電流が発生する。半導体材料及び製造方法に応じ、当技術分野において、様々な形式の太陽電池が開発されている。単純なｐ−ｎ接合のものもあれば、より複雑で高効率を得るために最適化されたものもある。このようなより複雑な接合にはｐ−ｉ−ｎ接合がある。ｐ−ｎ接合及び/又はｐ−ｉ−ｎ接合にｐ＋及びｎ＋層を追加して電荷収集効率を向上したものもある。本明細書において、ｐ−ｎ接合と言った場合には、前記の接合、既存文献に記載のもの、及び/又は今後開発されるものも含むものとする。
【００１５】
図２の破線矢印で示すように、入射太陽エネルギー（光）が基体１０２に入射する。具体的には、光線Ａで示すように、側面又は主面１０８、１１０の１つから入射する。光線Ａの角度に応じ、基体１０２と半導体１０４との間の非連続面において、光線Ａ’が斜めに反射し、光線Ｂが特定の角度で半導体層１０４に入射する。光線Ｂは半導体層１０４の遠方側の主面において、光線Ｂ’として反射する。散乱構造体がないため、光線Ｂ’は光線Ｂの全内部反射となる。（光線Ａ’は主面１１０において反射して戻され半導体層１０４に向かい、この伝播パターンが連続する。）光線Ｂ’の角度に応じ、光線は光線Ｃとして半導体層１０４から出射するか、光線Ｂ、Ｂ’、Ｂ’’等のように導波モードで半導体層１０４の主面に平行な方向に伝播する。後述するように、光起電装置１００は入射光線Ａが基体１０２を通して臨界角以上の角度で半導体層１０４に伝播し、導波作用によって光線Ｂ、Ｂ’、Ｂ’’等 がもたらされるよう機能する光案内機構を備えることができる。導波作用は（前記のように）光線の角度及び導体層１０４の第１、第２主面近傍におけるそれぞれの誘電率の不連続面によって生じる。従って、入射光が半導体層１０４の第１主面と第２主面との間を複数回反射すると、その太陽光のエネルギーがｐ−ｎ接合１０６に複数回作用する。
【００１６】
光線Ａ’のように当初から半導体層１０４に入射しなかった光、あるいは光線Ｃのように半導体層１０４から出射し基体１０２に入射した光は、光Ｄのように基体の主面１１０において反射し半導体層１０４に戻ることができる。光線Ａ’のように当初から半導体層１０４に入射しなかった光、あるいは光線Ｃのようなその他の光が表面１１０の界面において全内部反射するよう構造体を設計することが好ましい。従って、反射角にもよるが、このような光は半導体層１０４に再度入射し前記のような導波モードで内部を伝播することができる。
【００１７】
前記のように、別の方法として又は追加として、基体１０２と半導体層１０４とから成る複合構造体内部を別の１つ以上の導波モードで光を伝播させることができる。この特徴は光線Ｄのような光線が基体１０２の内部を伝播し、光線Ｅ、Ｅ’、Ｄ’、Ｄ’’により更に光線Ｅ’、Ｅ’’ ’がもたらされるよう臨界角以上の角度で半導体層１０４に入射すると達成される。
【００１８】
多数回ｐ−ｎ接合１０６に作用する前記光の反射作用は従来の技術と比較して光起電装置１００の効率を著しく向上させるという有益な効果をもたらすことができる。実際、光起電装置１００は縦型導波路構造を成し、それによって吸収経路長が増大し効率が向上すると共に形状因子が低下する。これは、光が半導体層１０４に入射し、反射の都度部分的に吸収される結果、より多くの電子/ホール対が生成されるためのである。多数回反射することにより、太陽光線が効率よく吸収される。この方法は、基本的に、従来容認されていた半導体層の厚さと太陽光の吸収との間の制限的関係を切り離すものである。従って、薄膜構成において、赤外スペクトルであっても効率的に光を吸収することができる。その結果、効率を犠牲にすることなく、低コストの薄膜太陽電池を得ることができる。
【００１９】
この方法の原理は集束され基体１０２に案内された光が、入射角、基体１０２の厚さ、半導体層１０４の特性、光案内材料/光案内構造体の使用等に応じ、ｐ−ｎ接合を介して数回反射することである。反射の都度、太陽光線が活性太陽電池を横断し吸収されることにより電子/ホール対が発生する。半導体層１０４内を（主面１０８、１１０と平行な方向に）数ミリメートル伝播する間に、太陽光が数回反射し、活性媒体内における有効経路長が増大する。この経路長は下式により近似することができる。
【００２０】
（経路）/（反射回数）〜２＊ｔ/ｓｉｎ（シータ）
ここで、シータは活性半導体層１０４内における放射線の内角、ｔは活性半導体層の厚さである。高さ数ミリメートルの基体であっても、活性半導体層１０４を通した有効経路長は活性半導体層１０４の厚さの数倍になり、長波長を含む太陽光線を完全又はほぼ完全に吸収することができる。
【００２１】
光が多数回ｐ−ｎ接合に作用する前記反射作用により、従来の技術と比較して光起電装置１００の効率が著しく向上するという効果が得られる。このことは、例えば半導体層１０４が厚さ約１μｍ未満の薄膜であっても同様である。当技術分野で一般的に認められているように、薄膜太陽電池及び厚膜太陽電池は製造方法及び太陽電池に用いられる活性半導体層の物理的な厚さによって定義される。本明細書に開示の導波型太陽電池においては、単一経路における太陽光線の吸収によって識別される。地表面における太陽光線は紫外光から近赤外光に至る一連の波長を含んでいる。
【００２２】
半導体１０４の材料及びそのバンドギャップに応じ、太陽電池が対象とする波長範囲がある。太陽光の波長を関数として、特にバンド端近傍において、吸収係数は非常に大きな値から小さな値まで変化する。例えば、単結晶シリコンの波長範囲は約３５０ｎｍ〜約１１００ｎｍである。４００ｎｍにおける単結晶シリコンの吸収係数は約８．８９×１０４ｃｍ−１である。これに対し、９００ｎｍにおける単結晶シリコンの吸収係数は僅か２．１５×１０２ｃｍ−１である。９００ｎｍの太陽光線が厚さ１μｍ（０．０００１ｃｍ）の単結晶シリコン太陽電池に当たると、単一経路において吸収される太陽光線は僅か２％であるのに対し、４００ｎｍの場合には約９９％が吸収される。この場合、厚さ１μｍの電池は単一経路において９００ｎｍの太陽光線の大半を吸収することができず、単一経路構造にしては薄過ぎると見なされる。このような太陽電池は本明細書に開示の導波型太陽電池において“薄膜”太陽電池と見なす。また、１１００ｎｍまでの太陽光線の大半を吸収するためにはシリコンの厚さが約１００〜２００μｍ必要であり、このような厚さの電池は“厚膜”太陽電池と見なす。
【００２３】
１つ以上の実施の形態において、層１０４の半導体材料の形態はアモルファス、マイクロ又はナノ結晶、多結晶、あるいは実質的に単結晶であってよい。“実質的”という用語は、通常半導体材料は本質的又は故意に付加された格子欠陥や結晶粒界のような少なくとも一定の内部又は表面欠陥を有していることを考慮したものである。また、“実質的”という用語は、特定のドーパントにより半導体材料の結晶構造が歪められるか又は影響を受けるという事実を反映したものでもある。説明上、半導体層１０４はシリコンから成るものとする。前記特徴（及び後述する特徴）は、ＩＩＩ−Ｖ族ＧａＡｓ、ニセレン化銅インジウム・ガリウム、ＩｎＰ等、別の無機半導体材料を使用した場合にも適用される。更にＩＶ−ＩＶ族（即ち、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ）、元素（即ち、Ｇｅ）、あるいはＩＩ−ＶＩ族（即ち、ＺｎＯ、ＺｎＴｅ等）のような別の半導体材料も使用できる。適切な配慮をすれば、有機薄膜半導体も使用可能である。
【００２４】
実質的に透明な基体１０２はガラス、ガラス・セラミック、ポリマー等から形成することができる。例えば、基体１０２は酸化物ガラス又はアルカリ土類イオンを含むガラス基体のような酸化物ガラス・セラミックから形成することができる。ガラスはコーニング社のガラス組成＃１７３７、又はコーニング社のガラス組成、イーグル２０００（登録商標）のようなシリカを主成分とするものである。
【００２５】
例えば、半導体層１０４がシリコンであり、基体１０２がガラス又はガラス・セラミックから成る場合、既存の技術により半導体層１０４を基体１０２に接合することができる。適切な技術には陽極接合方法がある。適切な陽極接合方法は米国特許第７,１７６,５２８号明細書に記載されている。前記引用により前記明細書の記述がそっくりそのまま本明細書に組み込まれたものとする。
【００２６】
多数の半導体層１０４を基体１０２の１つ以上の主面に間隔を空けて配するタイル手法も使用できる。このような構成において、それぞれの電極を並列及び/又は直列に接続することにより所望の電圧及び電流を得ることができる。
【００２７】
別の光起電装置１００Ａの側面図である図３において、装置の構造的特徴に変更を加えることにより、光エネルギーの電力への変換効率を更に向上させることができる。光起電装置１００Ａは図２の光起電装置１００と同様の構造を有しているが、装置１００Ａは少なくとも２つの薄膜半導体層１０４Ａ、１０４Ｂ、及び各々が少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合１０６Ａ、１０６Ｂを備え、それぞれ基体１０２の第１主面１０８及び第２主面１１０に結合された少なくとも１つの層１０４を有している。この構成において、複合導波構造体の導波特性により半導体層１０４Ａ、１０４Ｂの各々において導波作用を生じさせ、光を反射させることにより各々の薄膜半導体層１０４Ａ、１０４Ｂのそれぞれのｐ−ｎ接合１０６Ａ、１０６Ｂに複数回作用させることができる。
【００２８】
各々の半導体層１０４Ａ、１０４Ｂにおける図示の光の伝播は説明のために簡略化したものである。しかし、それぞれの半導体層１０４Ａ、１０４Ｂ単独又は（図２で説明したように）１つ以上の複合構造体による導波作用を実現することができる。  図３の例において、複合構造体の一例は基体１０２と半導体層１０４Ａとの組合せである（複合構造体を通して図２で説明したような導波作用が生じる−光線Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｅ’、Ｄ’、 Ｄ’’、Ｅ’’、 Ｅ’’ ’等）。これに代えて又はこれに加え、別の複合構造体として基体１０２と半導体層１０４Ｂとの組合せがあり、ここでも複合構造体を通して導波作用が生じる。複合構造体の更に別の例として、基体１０２と２つの半導体層１０４Ａ、１０４Ｂとの組合せがある。そのような場合、導波モード伝播には（ｉ）基体１０２から半導体層１０４Ａに向かう光線、（ｉｉ）半導体層１０４Ａから基体１０２を通り抜け半導体層１０４Ｂに向かう反射光線、（ｉｉｉ）半導体層１０４Ｂから基体１０２を通り抜け半導体層１０４Ａに向かう反射光線、及び（ｉＶ）繰返しが含まれる。
【００２９】
図４は本発明の更に別の態様による別の光起電装置１００Ｂの側面図である。図示の構造体１００Ｂ内における光の伝播は繰返しを省略したものであるが、半導体層１０４（及び/又は複合構造体）内における導波作用は図２と同様である。図示の実施の形態においては、光学機構を追加して太陽エネルギーの吸収及び発電性能を向上している。太陽光線の方向を変える、例えば、１つ以上のレンズ、プリズム、反射体、散乱表面等を用いて、導波作用及び光の捕捉を向上させることができる。更に、集光光学系は透過型、反射型、又は回折型であってよく、結像構造又は非結像構造であってよい。
【００３０】
具体的には、光起電装置１００Ｂは、太陽光を基体１０２の複数の側面の１つに案内し、導波モードで基体１０２に結合されるよう機能する集光装置を有している。この集光装置は基体１０２の複数の側面の１つに向かう焦点軸Ｆを有する太陽集光器１２０であってよい。特に、焦点軸Ｆは光起電装置１００Ｂの垂直軸Ｎを横断（直角に交差）するものである。
【００３１】
前記に代えて又は前記に加えて、集光装置は基体１０２の１つの側面又は複数の側面の特徴を成す凸端部１２２を備えることができる。端部１２２の湾曲特性により、単独又は集光器１２０との組合せにより、より多くの光が導波モードにされる。
【００３２】
複合導波路は透明基体１０２と半導体層１０４とから成っている。複合導波路は様々な機能を果たす様々な中間層を更に備えることができる。例えば、基体１０２と半導体層１０４との間に１つ以上の透明な導電層又はその他の誘電体層を備えることができる。これ等の層は電荷収集電極及び/又は反射防止膜又は結合剤として機能する。
【００３３】
従来技術のようにｐ−ｎ接合表面全体に光を照射するのとは対照的に、中間層又はその他の層により選択的散乱/回折機能を最適な位置に配置することができる。この散乱/回折機能により半導体層１０４内における導波作用を誘発することができる。また、これらの機能により更なる光の捕捉が促進される。複合導波路の中間層における１つの制約は無用な損失を招来せず、ｐ−ｎ接合１０６においてできるだけ多くの光が吸収され最大の効率が得られるようにすることである。
【００３４】
図５は本発明の更に別の態様による別の光起電装置１００Ｃの側面図である。前記吸収経路長の増大及び/又は活性半導体層１０４の高さ（図５における縦寸法）を減じてコスト低減を図ることを更に発展させ、光反射要素１２４を用いて基体１０２の底部側面に到達した光を反射又は散乱させるようにしたものである。図５の光反射要素１２４の拡大図が示すように、少なくとも１つの光反射要素１２４が基体１０２の複数の側面の少なくとも１つ（例えば、底部側面）の近傍に配されている。光反射要素１２４により、第１主面１０８と第２主面１１０との間を導波モードで複数回反射した光の伝播方向を反転又は変更して、第１主面１０８と第２主面１１０との間を導波モードで更に複数回反射させｐ−ｎ接合に更に複数回作用させることができる。光反射素子は様々の形態を成すことができるが、その１つの例としてプリズム型（散乱型)構造体があげられる。別の形態にはレンズ、プリズム、反射体、散乱表面、回折表面等がある。パネル長は約数十センチメートルであり、得られた太陽光線のすべて又は殆んどすべてを吸収することができる。
【００３５】
基体１０２の長さに沿って且つ複合導波路の開口数以下において光の方向が変えられることが好ましい。ランダム散乱構造体と比較して、プリズム型及び回折型機構の方が前記機能をより良く果たすことができる。これ等の構造体の目的は光の方向を変えてｐ−ｎ接合の有効吸収を増大させることであって、光を散乱させて複合導波路を成す太陽電池の外部に放出することではない。
【００３６】
一般に、半導体層１０４の厚さは約１〜１０マイクロメートルであるのに対し、基体１０２の厚さは約数百マイクロメートルである。基体１０２及び半導体層１０４の屈折率は、構造体の導波光線の反射間の距離が前記式で決定されるような値である。充分な反射回数とそれに伴うｐ−ｎ接合における高い光吸収を得るためには、基体１０２の高さを数ミリメートルから数センチメートルにする必要がある。１〜２μｍの半導体層１０４内を導波することにより、光の吸収は大幅に向上する。このような場合、各々の反射には僅か数マイクロメートルしか必要とされず、相当数の反射回数及び高吸収を達成するために必要な基体１０２の高さは僅か数十〜数百マイクロメートルである。
【００３７】
図５は選択的回折機構又は選択的散乱機構１２５を入射面近傍（この場合、複合導波構造体１００Ｃの上端部近傍）に配することにより半導体層１０４内の導波作用が促進されることを示している。最初に半導体層１０４に入射した後、回折/選択的散乱表面１２５によって浅い（基体１０２及び半導体層の屈折率によって決まる臨界角より大きい）角度に方向が変えられた場合、光線は基体１０２に再入射しない。代わりに、光線は半導体層１０４内において全内部反射し導波作用が生じる。導波作用が開始し再散乱が起きないようにするためには、散乱機構１２５が入射点近傍において数十マイクロメートル幅の間隙を有する幅が僅か数マイクロメートルの帯状である必要がある。基体１０２に結合されたシリコン層１０４において、シリコン層１０４の外表面にアクセスしてそのようなパターニングを行ってから更に処理を進めることができる。前記に代えて又は前記に加えて、回折機構又は散乱機構を追加の透明誘電体層又はパッシベーション層に配することができる。
【００３８】
図２において、基体１０２の必要な高さを低減するため、例えば、主面１１０の空気/基体界面に散乱機構を付加することができる。この散乱機構は表面１１０の全長又は光が入射する端部から対向端部に向けた一部分であってよい。これにより、素子１２４の光方向変更表面（図５）が必要なくなり、素子１２４の非常に薄い端部の処理と比較して実装が容易になる。
【００３９】
図６は本発明の更に別の態様による別の光起電装置１００Ｄの側面図である。本実施の形態においては、各々が図２の光起電装置１００と構造が略同じである少なくとも一対の光起電装置１００−１、１００−２が用いられている。ここでも、図示の構造体１００Ｄ内における光の伝播は繰返しを省略したものであるが、半導体層１０４−１、半導体層１０４−２（及び/又は複合構造体）内における導波作用は図２と同様である。少なくとも第１及び第２半導体層１０４−１、１０４−２は離間対向配置され、その間に間隙Ｇが形成されている。間隙は各々のロッド１３０Ａ、１３０Ｂを介して形成されている。間隙Ｇ内に配されたロッド１３０Ａ、１３０Ｂは第１及び第２半導体層１０４−１、１０４−２を相隔てると共に/又は導波モードで間隙に沿って伝播しそれぞれのｐ−ｎ接合に複数回作用するように少なくとも一部の太陽光を間隙Ｇに集中させることができる。この間隙に高屈折率材料あるいは空気のような気体又は流体を満たすことができる。このように、それぞれの基体１０２の端部から入射した光により各々の半導体層１０４内において多数回の反射が得られるのに加え、入射光が間隙に入射することにより更に半導体層１０４に入射し、半導体層１０４内において導波されｐ−ｎ接合に複数回作用する。これにより、約０．１〜１μｍの薄膜半導体層１０４であっても吸収が増大する。間隙は約０．１〜０．７ｍｍとすることができる。
【００４０】
装置Ｄ内における光の伝播の様々な態様に戻り、２つの半導体層１０４−１、１０４−２及び間隙Ｇを含む複合構造体を規定することができる。このような例において、１つ以上の導波モードの光の伝播を以下のように規定することができる。即ち、（ｉ）間隙Ｇから半導体層１０４−１に向かう光線Ｂ（光線が反射されて間隙に戻され別の伝播モードが開始される）、（ｉｉ）半導体層１０４−１から反射されて間隙Ｇに戻り、更に半導体層１０４−２に向かう反射光線、（ｉｉｉ）半導体層１０４−２から反射されて間隙Ｇに戻り、更に半導体層１０４−１に向かう反射光等が規定される。
【００４１】
前記により、例えば以下のうちの少なくとも１つの別の複合構造体が装置１００Ｄ内に規定できることを当業者は理解できる。即ち、（ｉ）第1基体１０２−１及び第１半導体層１０４−１、（ｉｉ）第２基体１０２−２及び第２半導体層１０４−２、（ｉｉｉ）間隙Ｇ及び第１半導体層１０４−１、（ｉＶ）間隙Ｇ及び第２半導体層１０４−２、（ｖ）間隙Ｇ及び第１、第２半導体層１０４−１、１０４−２、及び（ｖｉ）前記の組合せ。
【００４２】
図７は本発明の更に別の態様による別の光起電装置１００Ｅの側面図である。基体１０２と半導体層１０４との組合せは、前記構成又は後で説明する構成の何れか適切なものであってよい。光起電装置１００Ｅは太陽光を基体１０２の複数の側面の１つに案内し、太陽光が基体１０２に結合し、次いで導波モードで半導体層１０４に結合するよう機能する集光装置１３２を更に有している。一例として、集光装置１３２は、壁に沿って延びる縦スロット１３４を備えた略円筒形のロッドを有している。基体１０２及び半導体層１０４は基体１０２の複数の側面の１つがスロット１３４の底部１３６に当接するようにしてスロット１３４内に位置している。スロット１３４は誇張表示されているが（基体１０２及び半導体層１０４との間に間隙が示されているが）、実際の装置ではピッタリと嵌合していることが好ましい。
【００４３】
スロット１３４の深さは、基体１０２及び半導体層１０４のロッド１３２の上端からの距離が最適な光収集にとって適切となる深さである。この点において、ロッド１３２は太陽光を導波モードで基体１０２に結合させる光学特性を有している。例えば、ロッド１３２は、ガラス、透明ポリマー、及び/又はプレキシガラスのような高屈折率（従って、高開口数）材料から成る追尾型又は非追尾型集光器であってよい。ロッド１３２はより多くの装置配列を可能とすると共に収差を低減する形状とされる。前記に代えて又は前記に加えて、ロッド１３２表面の一部を修正して、基体１０２の主面の１つに太陽光を結合させる光学特性を持たせることができる。例えば、要素１３８は光の方向を変え捕捉されるようにするための（反射型及び/又は散乱型）粗面、溝、コーティング等であってよい。これにより、本来ロッド１３２から離れる光を基体１０２及び層１０４に向けることができる。前記に代えて又は前記に加えて、要素１３８はロッド１３２の壁から出射する光を基体１０２及び半導体層１０４に戻す１つ以上の反射体をロッド１３２の外面近傍に備えることができる。多数のロッド集光器１３２を並べることにより面積に拡張することができる。
【００４４】
二次テーパー集光器である、１つ以上の別の反射体１３９Ａ、１３９Ｂ（図８）を単独又はロッド１３２及び/又は集光器１２０と組み合せて使用することも可能であり、これにより別の実施の形態１００Ｆが構成される。二次テーパー集光器１３９Ａ、１３９Ｂを用いて基体１０２に集光されない光を収集捕捉することができる。これは非追尾型集光器１３２にとって特に好ましい。反射体１３９Ａ、１３９Ｂは一次元屈折又は反射テーパー及び/又は光捕捉構造を備えた光漏斗を有することができる。これ等は軽量且つ回折又は屈折型集束素子を成す波形一次元直線または方物線光漏斗であってよい。テーパーの内表面は高反射コーティングで被膜されていても、誘電体反射鏡であってもよい。かかる構成は集中係数が低い場合に適している。
【００４５】
各々の反射体１３９Ａ、１３９Ｂは基体１０２及び半導体層１０４の近傍にそれぞれ第１端部１３７Ａ、１３７Ｂを有している。反射体１３９Ａ、１３９Ｂはそれぞれ第１端部１３７Ａ、１３７Ｂから反対端部１３５Ａ、１３５Ｂに向けて傾斜している。この構成において、反射体１３９Ａ、１３９Ｂにより光が反射して基体１０２及び半導体層１０４に向けて戻され、基体１０２の主面１０８、１１０の１つに結合される。
【００４６】
太陽が日中地平線上を移動するにつれ、ロッド１３２の長尺により太陽光線が捕捉されるよう円柱レンズの長軸を東西方向に向けることができる。低集光構造のものにおいては、地平線上の太陽位置の季節変動により光線が軸上に照射されなくても、著しく効率を低下させることなく、ロッド１３２の高開口数によって捕捉することができる。
【００４７】
図９は本発明の更に別の態様による別の光起電装置１００Ｇの側面図である。本実施形態において、集光装置１４０は一体的に結合された屈折集束型テーパー集光器を備えている。特に、集光装置１４０は細い端部に沿って延びる縦スロット１３４を備えた楔形ロッドを有している。基体１０２及び半導体層１０４は基体１０２の複数の側面の１つがスロット１３４の底部１３６に当接するようにしてスロット１３４内に位置している。楔形ロッド１４０は透明ポリマー又はガラス材料から成ることができる。プレキシガラス又はポリマー材料は安価、成形が容易、軽量であるが、耐久性が比較的低く短波長の太陽光線を吸収する。ガラスは潜在的に耐久性が高く、紫外光や青色光の吸収が低いが成形が比較的難しく高屈折率材料としては高価である。
【００４８】
楔形ロッド１４０は太陽光を基体１０２の複数の側面の１つに向けると共に、本来基体１０２に結合されない光の方向を変えて基体１０２及び半導体層１０４に戻す光学特性を有している。楔形ロッド１４０は基体１０２の側面に向かう焦点軸を規定するスロット１３４に対向する凸半球表面１４２を有している。楔形ロッド１４０は少なくとも１つの側面、好ましくはロッド１４０の細い端部から基体１０２及び半導体層１０４の外側に傾斜して凸半球表面１４２のそれぞれの端部１４２Ａ、１４２Ｂに延びる一対の側面１４４、１４６を有している。それぞれの側面１４４、１４６は本来基体１０２に結合しない光の方向変えて基体１０２及び半導体層１０４に向け、例えば基体１０２の主面１０８、１１０の１つに結合させる。側面１４４、１４６は所望する方向に光を集束する回折型であってよい。
【００４９】
図１０は本発明の更に別の態様による別の光起電装置１００Ｈの側面図である。基体１０２と半導体層１０４との組合せは、前記構成又は後で説明する構成の何れか適切なものであってよく、図示の構造体は図２の基本的な光起電装置１００と同じである。光起電装置１００Ｈは太陽光を基体１０２の複数の側面の１つに案内し、太陽光が基体１０２に結合し、次いで導波モードで半導体層１０４に結合するよう機能する集光装置１５０を更に有している。
【００５０】
一例として、集光装置１５０は内容積１５４を画成する円筒壁１５２を備えた一体型中空円筒を有している。基体１０２及び半導体層１０４は少なくとも一部が内容積１５４内に位置している。円筒壁１５２は、導波モードで基体１０２に結合されるよう基体１０２の複数の側面の１つに太陽光を向けることができる反射性内表面を有している。これに代えて又はこれに加えて、壁１５２の反射性内表面は基体１０２及び半導体層１０４に光を戻して、基体１０２の主面１０８、１１０の１つに結合させることができる。
【００５１】
スロット１５６は日中において焦点移動を可能とするものであり、これにより非追尾型太陽光パネルの効率が大幅に低下することはない。光起電装置１００Ｈは前記のような太陽集光器１２０を更に備え光をスロット１５６に向けることができる。
【００５２】
図１１Ａは本発明の更に別の態様による別の光起電装置１００Ｉの側面図である。この実施の形態は導波及び捕捉構造を変形したものであり、光起電装置は縦ではなく横向きである。光起電装置１００Ｉは第１及び第２主面１０８、１１０及び複数の側面を備えた基体１０２有している。１つ以上の半導体層１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃが基体１０２の主面１０８に結合され、少なくとも１つの感光性ｐ−ｎ接合１０６を有している。
【００５３】
本実施の形態（前記本発明の他の実施の形態同様）１つ以上のｐ−ｎ接合１０６を支持することができる。これらの接合はホモ型又はヘテロ型であってよい。広波長域をカバーし太陽光スペクトルのすべてを効率よく使用する半導体層１０４を選定することができる。例えば、単結晶シリコンをアモルファス・シリコン、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等と共に使用することができる。また、単結晶シリコンはポリマー半導体と組み合わせることもできる。この方法は単一経路における半導体層１０４の吸収が充分でないすべての太陽電池に有益である。
【００５４】
図１１Ａに示すように、半導体層１０４は重畳多接合構造体１０４Ｄ、１０４Ｅとするか又は空間的に分離された構造体１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃとすることができる。
【００５５】
構造体１００Ｉの集光装置は、各々が基体１０２の第１主面１０８に太陽光を案内するよう機能する、焦点軸Ｆを有する１つ以上の太陽集光器１２０Ａ、１２０Ｂを備えている。基体１０２の第１主面１０８の光入射領域に入射角及びスペクトルが異なる光を収集するためのＡＲコーティングを施すことができる。また、光収集装置は第１主面１０８を通して基体１０２に入射した太陽光を太陽集光器１２０Ａ、１２０Ｂの焦点軸に対し斜めに向け、導波モードで半導体層１０４に結合させることができる１つ以上の対応する反射素子１２１Ａ、１２１Ｂを備えている。
【００５６】
前記幾つかの実施の形態同様、構造体１００Ｉ内における図示の光の伝播は簡略化して繰返しを省略したものであるが、すべての半導体層１０４及び/又は多数の複合構造体の各々において前記のように導波作用が生じる。
【００５７】
横型導波路構造体１００Ｉは幾つかの実施の形態を成すことができる。図１１Ａの実施の形態において、光方向変更素子１２１は基体１０２に組み込まれている。この素子は反射/回折空洞とすることができる。
【００５８】
代替成形空洞を用いた場合には基体の強度がより良く維持される等有益である。この代替手段において、適切な材料から成る成形“リドロー・ガラス管”が基体１０２底部の適切な位置に取り付けられる。例えば、図１１Ｂに示すように、プリズム形ガラス管１２３を大きなガラス・ブランクから線引きし、プリズム形に成形し、加熱・リドローすることにより最終的に１〜２ｍｍの寸法とすることができる。ファイバー・リドロー法と同様の低コスト技術により方向変更構造体を製造することができる。バッチプロセスにより、プリズム１２３の外平面に金属又は誘電体反射コーティングを施すことができる。方向変更プリズム１２３の寸法及びファセット角は、基体１０２のパラメータ、集光レンズ１２０のパラメータ、地平線上における太陽の季節的な移動変化等に基づいて設計される。方向変更プリズム１２３のどの平面に集束されるかに応じ、太陽光線は半導体層１０４に向け左側又は右側に方向が変えられる。これは光線を収集し、地平線上における太陽の季節的な移動変化があっても効率を維持する上で有益である。
【００５９】
横型複合導波路太陽電池の利点には以下のものがあげられる。まず、大型パネルへの拡張性がある。基体１０２は非常に大きく、間隔を１〜２ｍｍとして、幅が数ミリメートル又はセンチメートルの長い半導体層１０４を接着又は蒸着することができる（図１１Ａ）。次に、縦型導波路構造と比較して丈が低い。この形状因子上の利点はこれまで集光構造は実用的でないと見なされてきた特定の屋上設置用途にとって重要である。横型は図２の縦型構造において必要である大きなパネルを高さ５〜１０ｍｍの細片に切断又は線鋸切断する必要がないため組立及び処理コストが潜在的に安い。
【００６０】
この構造体の方が特定のＡＲコーティング及び電気接続作業を行う場合簡単である。従来の光捕捉構造と比較して、複合導波路の際立った特徴は光の入射位置を太陽電池の光導波領域から分離したことである。従来技術のサブストレート構造（又はスーパーストレート構造）（例えば、図１）においては、太陽電池の活性表面全体に光が入射する。光捕捉/散乱機構を用いる場合には、活性表面全体に配置する必要がある。一部の区間にそのような機構がない場合、その領域に入射した光は散乱せずｐ−ｎ接合を通る経路は１つのみとなる。また、１つの領域に捕捉された光はその近傍の散乱機構によって再度散乱し太陽電池の外部に出射してしまうこともある。
【００６１】
これに対し、本発明の１つ以上の実施の形態においては光の入射区域と導波区域とが分離されている。例えば、図２において、光の入射点は複合導波路の端部平面（基体１０２の上端部）であり、活性ｐ−ｎ接合面は端部平面から分離し且つ直交している。同様に、図１１Ａにおいて、光入射面と活性ｐ−ｎ接合面とは分離している。方向変更光学素子１２１により、複合導波路への光の入射が促進される。この素子と図４の低集光光学系１２０とを組み合わせることができる。この方法は従来の技術より多くの利点を有している。重要な利点は光の捕捉が散乱機構に依存しないことである。これにより、従来の構造における再散乱問題が解消される。また、この方法はｐ−ｎ接合の配置に対し柔軟性を有している。例えば、図３のように、透明基体の両面にｐ−ｎ接合を設けることができる。また、複合導波路方式は散乱及び回折面を選択した位置のみに配置できる柔軟性があり、再散乱を懸念することなく半導体層内の導波作用を向上させることができる。一般に半導体層は１〜２μｍであり、基体を含めた複合導波路ではなく、半導体層内における導波作用により、（図５で説明したように）本来必要である数ミリメートルではなく、１００〜２００μｍ内において光が吸収される。更に、入射平面が高屈折率の半導体層を含んでいないため、一般に低屈折率のガラス又はポリマーである透明基体の入射平面のＡＲコーティングの設計が容易である。これにより、広波長域及び広角度範囲に対し、より良い最適化が可能になる。
【００６２】
図１２Ａ、１２Ｂは本発明の光起電装置の基本動作概念に関連した特定の評価パラメータのシミュレーション結果を示すグラフである。これ等のシミュレーション結果は集光光学系を有しない図２、図３の構成における太陽電池上面の入射角と達成可能最大電流密度（ＭＡＣＤ）との関係を示している。これ等の結果は、本明細書で説明した光起電構造体が、半導体層の厚さが約１μｍ未満、鉛直高さが約２ｍｍであっても、長波長を含む相当量の太陽光を吸収できることを示している。モデルの波長領域３００〜１２００ｎｍに対し、最大のＭＡＣＤ値は４５．９ｍＡ/ｃｍ２である。３０ｍＡ/ｃｍ２を超える値を良好とし、３５ｍＡ/ｃｍ２を超える値を非常に良好とする。図１２Ａ、１２Ｂの水平軸は基体１０２の端面（例えば、図２参照）における入射角を示している。０〜４５度の角度範囲は、図４に示すような潜在的集光器に関連した角度を示している。図１２Ａは示している。平面反射体の特性（線２０２）及び図５の１２４に位置するランバート反射体の特性（線２０４）を示している。このシミュレーションは幅０．７ｍｍ、高さ１０ｍｍの基体１０２に対するものである。半導体材料１０４は厚さ１μｍシリコン層である。図１２Ｂは片面構造１００（線２０６）と両面構造１００Ａ（線２０８）との相違を示している。このシミュレーションは幅０．７ｍｍ、高さ２ｍｍの基体１０２及び図５の１２４に位置するランバート反射体に対するものである。装置の性能は基体１０２の幅の強関数である。狭幅の基体１０２は、広幅の基体と比較して、低い高さで非常に良好な性能を得ることができる。基体の厚さが０．２ｍｍ、ガラスの高さが５．０ｍｍの装置のＭＡＣＤ値は４０ｍＡ/ｃｍ２を超えている。このモデルは高ドープ・シリコンの損失、接触子によるシャドーイング損失、金属接触子の吸収損失を含む幾つかの潜在的損失を考慮していない。
【００６３】
特定の実施の形態に関連して本発明について説明したが、これ等の実施の形態は、当然のことならが、本発明の原理及び用途を例示するためのものに過ぎない。従って、例示した実施の形態に対し多くの改良が可能であり、添付のクレームに規定する本発明の精神及び範囲を逸脱することなく別の構成を考え出すことができることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６４】
１００                 光起電装置
１０２                 基体
１０４                 半導体層
１０６                 感光性ｐ−ｎ接合
１０８                 第１主面
１１０                 第２主面
１２０                 集光器
１２１Ａ、１２１Ｂ      反射素子
１２２                 凸端部
１２３                 プリズム形ガラス管
１２４                 光反射素子
１２５                 選択的回折/散乱機構
１３２                 ロッド
１３４                 縦スロット
１４０                 楔形ロッド
１４２                 凸半球表面
１５０                 集光装置
１５２                 円筒壁
【図１】
2012507884.tif 000003
【図２】
2012507884.tif 000004
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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2012507884.tif 000018
2012507884.tif 000019
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