太陽電池
【課題】太陽電池の受光面グリッド電極の受光面側に回折部材を備えることにより、シャドー損失が生じることなく、効率的に光を取り込むことができる太陽電池を提供する。
【解決手段】光電変換層４の受光面側に複数の集電グリッドを備える太陽電池１において、集電グリッドより受光面側に回折部材２が配置され、前記回折部材２には、回折を起こす構造の部位と、回折を起こさない構造の部位が形成されており、回折部材２の回折を起こす構造が形成された部位が、集電グリッドの上部に位置。
【解決手段】光電変換層４の受光面側に複数の集電グリッドを備える太陽電池１において、集電グリッドより受光面側に回折部材２が配置され、前記回折部材２には、回折を起こす構造の部位と、回折を起こさない構造の部位が形成されており、回折部材２の回折を起こす構造が形成された部位が、集電グリッドの上部に位置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関し、特に、太陽電池の受光面の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、光電変換層としてシリコン、化合物、有機物等を使用し、光電変換層の受光面、及び、受光面と反対側の面、すなわち裏面には、電極部が形成されている。裏面の電極部は面状に形成されているが、受光面の電極部は、光電変換層へ光を取り込むためにグリッド状に形成されている。
太陽電池では、直列抵抗の低減が重要な課題であるが、太陽電池における主な直列抵抗成分は、（１）受光面グリッド電極の抵抗、（２）受光面グリッド電極間の横方向の抵抗、（３）トンネル接合や各層の縦方向の抵抗、（４）裏面電極の抵抗がある。その中で、受光面グリッド電極間の横方向の抵抗は、グリッド電極の間隔を狭めることで、グリッド電極間の抵抗を低減することができるが、その一方で、光入射を遮る電極の占有面積の増加によりシャドー損失が増加するという問題がある。この問題を解決策として、十字型のグリッドパターンを配することによって、収集した電流が４方向から取り出されるようにし、直列抵抗を低く抑えつつ、シャドー損失を抑えることに成功している（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】シャープ技報 第９３号 ２００５年１２月
【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、非特許文献１では、シャドー損失が生じることに変わりはなく、グリッド電極の間隔を狭めるにつれ、シャドー損失は増大していく。本発明は、シャドー損失を生じることのない太陽電池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】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を行った結果、太陽電池の受光面グリッド電極の受光面側に回折部材を備えることにより、シャドー損失が生じることなく、効率的に光を取り込むことができることを見出し、本発明を完成させた。
【０００６】
すなわち、本発明は、光電変換層の受光面側に複数の集電グリッドを備える太陽電池において、前記集電グリッドより受光面側に回折部材が配置され、前記回折部材には、回折を起こさない構造の部位と、回折を起こさない構造の部位が形成されており、前記回折部材の回折を起こす構造が形成された部位が、集電グリッドの上部に位置していることを特徴とする太陽電池である。
上記の太陽電池により、集電グリッド上部に入射した光は回折部材により回折するため光を効率的に取り込むことができる。
さらに本発明は、前記太陽電池であって、
回折部材の光による分離幅をＺ、集電グリッドのピッチをＧ、集電グリッドの幅をＷとした場合、集電グリッドの受光面平面において、下記式１を満たす太陽電池である。
【０００７】
＜式１＞
（Ｇ−Ｗ/２）＞Ｚ＞Ｗ/２
（ここで、回折部材による光の分離幅Ｚは、下記式により表される回折部材の格子ピッチをＸ、集電グリッドと回折部材間の間隔をＹ、入射光の中心波長をλとした場合、下記式２により算出する。）
＜式２＞
Ｚ＝Ｙtanθ〔θ＝sin-1（λ/Ｘ）〕
【０００８】
上記の太陽電池により、集電グリッドの中心の上部に入射した光は、入射した集電グリッドと隣接する集電グリッドとの中間地点に入射するように回折される。よって、さらに効率的に光を取り込むことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の太陽電池では、回折部材により、グリッド電極上に入射する光を回折させ、グリッド電極間に入射させることができるため、シャドー損失を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の太陽電池の断面図である。
【図２】本発明の太陽電池の断面図である。
【図３】本発明の透明導電膜を有する太陽電池の断面図である。
【図４】本発明の太陽電池における太陽光の集光方法を示す模式図である。
【図５】実施例１に記載の回折部材を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、光電変換層の受光面側に集電グリッドを備えている太陽電池において、集電グリッドより受光面側に、回折を起こす構造が形成された部位と回折を起こさない均一な構造の部位とが交互に形成された回折格子を備えており、集電グリッドの上部には回折を起こす構造が形成された部位が位置していることを特徴とする太陽電池である。以下に、図面を参照にしながら、本発明の太陽電池について詳細に説明する。
【００１２】
図１において、太陽電池１は、光電変換層４、光電変換層４の裏面に設置された電極６、光電変換層４の受光面に設置された集電グリッド５、集電グリッド５の受光面に設置された回折部材２を備えている。回折部材２と集電グリッド５の間には隙間が設けられており、この隙間にＩＴＯ透明導電膜などの透明導電膜７が挿入されていてもよい。
【００１３】
回折部材２は、回折を起こす構造が形成された部位３と、回折を起こさない均一な構造の部位とが交互に形成されており、集電グリッド５の上部には回折を起こす構造が形成された部位が位置している。
【００１４】
回折部材の格子ピッチをＸ、集電グリッドと回折部材間の隙間をＹ、入射光の中心波長をλとした場合、回折部材による光の分離幅Ｚは式１及び式２により表される。
【００１５】
Ｚ＝Ｙtanθ （式１）
θ＝sin-1（λ/Ｘ） （式２）
【００１６】
本発明の太陽電池では、集電グリッド５のピッチをＧ、集電グリッド５の幅をＷとした場合、回折部材２による光の分離幅Ｚは式３により規定される。
【００１７】
（Ｇ−Ｗ/２）＞Ｚ＞Ｗ/２ （式３）
【００１８】
この構造により、集電グリッド５の中心の上部に入射した光Ａは、入射した集電グリッドと隣接する集電グリッドとの中間地点に入射するように回折される（図４参照）。
回折部材２は、透明性の高い材料から構成されていることが好ましく、ガラス、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、塩化ビニル系樹脂が例示できる。
【００１９】
回折部材の回折を起こす部位３は、上記の透明性の高い材料の表面に微細な溝を形成して位相差をつけるものを用いることができる。溝の形状としては、鋸歯状溝、正弦波状溝、矩形状溝、台形状溝などを用いることができる。また、上記の透明性の高い材料の内部に屈折率差を形成して位相差をつけるものを用いても構わない。
【００２０】
上記のような回折部材２は、例えば、光重合性組成物を塗布したガラス基板の上方に、回折パターンが描写されたエリアと光透過域とが交互に形成されたフォトマスクを配置し、紫外平行光を照射して光重合性組成物を重合硬化する方法により製造することができる。
【００２１】
上記の太陽電池では、集電グリッドの上部に入射した光は、回折部材により回折され光電変換層に入射し、集電グリッドの間に入射した光は、回折されずにそのまま光電変換層に入射することが可能となるので、シャドー損失の抑制された、設置面積あたりの変換効率の高い太陽電池を提供することができる。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
〈回折部材の作製〉
新中村化学工業社製ＮＫエステル１４Ｇ：５０質量部、新中村化学工業社製ＮＫオリゴＵ−２ＰＰＡ：２５質量部、トリメチロールプロパントリアクリレート：１０質量部、フェノキシエチルアクリレート：１５質量部からなる混合物に、光重合開始剤として１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン：１質量部を溶解させ光重合性組成物を得た。
【００２３】
光重合性組成物を１００ｍｍ角のガラス基板に滴下し、スピンコータを用いて被覆した。次いで、光重合性組成物を被覆したガラス基板上方に、幅２００μｍの描写エリアと幅２００μｍの光透過域とが交互に形成されており、描写エリアの中には幅２μｍの光透過域が４μｍピッチで互いに平行に配列しているフォトマスクを配置し、１２００ｍＪ／ｃｍ２で波長半値全幅が１００ｎｍ以下であり光強度分布が略一定の紫外平行光を照射した。その後、フォトマスクを取り外し、更に１２００ｍＪ／ｃｍ２で波長半値全幅が１００ｎｍ以下であり光強度分布が略一定の紫外平行光を照射して光重合性組成物を重合硬化することによって厚さ１００μｍの回折部材を得た。この回折部材は、図５に示すように、透光性のシート状のマトリックス中に、回折パターンが描写された幅２００μｍの回折エリアが４００μｍピッチで一次元配列しており、回折エリア中には、マトリックスと異なる屈折率を有する幅２μｍの帯状構造体がマトリックスの厚さ方向に直交する面内に４μｍピッチで、回折エリアと平行に一次元配列している。
【００２４】
〈回折部材設置効果の評価〉
太陽電池の代わりに光電センサを、集電グリッドの代わりに光不透過域を使用し、本発明の太陽電池で使用される回折部材の効果を評価した。光電センサの上に、幅２００μｍの光不透過域を、ピッチ４００μｍで互いに平行に配列し、光不透過域の上方に、３．１ｍｍの隙間を介して、上述の方法で作製した回折部材を、光不透過域の上部に回折を起こす構造が形成された部位が位置するように設置した。この回折部材を設置した光電センサに、波長５２０μｍの光を照射したところ、光電センサの出力電流は２６μＡであった。
【００２５】
（比較例１）
回折部材を設置しない以外は、実施例と同じ光電センサを用い、実施例と同じ条件で評価を行ったところ、光電センサの出力センサの出力電流は２０μＡであった。
【符号の説明】
【００２６】
１：太陽電池
２：回折部材
３：回折エリア
４：光電変換層
５：集電グリッド
６：裏面電極
７：透明導電膜
８：帯状構造体
９：マトリックス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関し、特に、太陽電池の受光面の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、光電変換層としてシリコン、化合物、有機物等を使用し、光電変換層の受光面、及び、受光面と反対側の面、すなわち裏面には、電極部が形成されている。裏面の電極部は面状に形成されているが、受光面の電極部は、光電変換層へ光を取り込むためにグリッド状に形成されている。
太陽電池では、直列抵抗の低減が重要な課題であるが、太陽電池における主な直列抵抗成分は、（１）受光面グリッド電極の抵抗、（２）受光面グリッド電極間の横方向の抵抗、（３）トンネル接合や各層の縦方向の抵抗、（４）裏面電極の抵抗がある。その中で、受光面グリッド電極間の横方向の抵抗は、グリッド電極の間隔を狭めることで、グリッド電極間の抵抗を低減することができるが、その一方で、光入射を遮る電極の占有面積の増加によりシャドー損失が増加するという問題がある。この問題を解決策として、十字型のグリッドパターンを配することによって、収集した電流が４方向から取り出されるようにし、直列抵抗を低く抑えつつ、シャドー損失を抑えることに成功している（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】シャープ技報 第９３号 ２００５年１２月
【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、非特許文献１では、シャドー損失が生じることに変わりはなく、グリッド電極の間隔を狭めるにつれ、シャドー損失は増大していく。本発明は、シャドー損失を生じることのない太陽電池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】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を行った結果、太陽電池の受光面グリッド電極の受光面側に回折部材を備えることにより、シャドー損失が生じることなく、効率的に光を取り込むことができることを見出し、本発明を完成させた。
【０００６】
すなわち、本発明は、光電変換層の受光面側に複数の集電グリッドを備える太陽電池において、前記集電グリッドより受光面側に回折部材が配置され、前記回折部材には、回折を起こさない構造の部位と、回折を起こさない構造の部位が形成されており、前記回折部材の回折を起こす構造が形成された部位が、集電グリッドの上部に位置していることを特徴とする太陽電池である。
上記の太陽電池により、集電グリッド上部に入射した光は回折部材により回折するため光を効率的に取り込むことができる。
さらに本発明は、前記太陽電池であって、
回折部材の光による分離幅をＺ、集電グリッドのピッチをＧ、集電グリッドの幅をＷとした場合、集電グリッドの受光面平面において、下記式１を満たす太陽電池である。
【０００７】
＜式１＞
（Ｇ−Ｗ/２）＞Ｚ＞Ｗ/２
（ここで、回折部材による光の分離幅Ｚは、下記式により表される回折部材の格子ピッチをＸ、集電グリッドと回折部材間の間隔をＹ、入射光の中心波長をλとした場合、下記式２により算出する。）
＜式２＞
Ｚ＝Ｙtanθ〔θ＝sin-1（λ/Ｘ）〕
【０００８】
上記の太陽電池により、集電グリッドの中心の上部に入射した光は、入射した集電グリッドと隣接する集電グリッドとの中間地点に入射するように回折される。よって、さらに効率的に光を取り込むことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の太陽電池では、回折部材により、グリッド電極上に入射する光を回折させ、グリッド電極間に入射させることができるため、シャドー損失を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の太陽電池の断面図である。
【図２】本発明の太陽電池の断面図である。
【図３】本発明の透明導電膜を有する太陽電池の断面図である。
【図４】本発明の太陽電池における太陽光の集光方法を示す模式図である。
【図５】実施例１に記載の回折部材を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、光電変換層の受光面側に集電グリッドを備えている太陽電池において、集電グリッドより受光面側に、回折を起こす構造が形成された部位と回折を起こさない均一な構造の部位とが交互に形成された回折格子を備えており、集電グリッドの上部には回折を起こす構造が形成された部位が位置していることを特徴とする太陽電池である。以下に、図面を参照にしながら、本発明の太陽電池について詳細に説明する。
【００１２】
図１において、太陽電池１は、光電変換層４、光電変換層４の裏面に設置された電極６、光電変換層４の受光面に設置された集電グリッド５、集電グリッド５の受光面に設置された回折部材２を備えている。回折部材２と集電グリッド５の間には隙間が設けられており、この隙間にＩＴＯ透明導電膜などの透明導電膜７が挿入されていてもよい。
【００１３】
回折部材２は、回折を起こす構造が形成された部位３と、回折を起こさない均一な構造の部位とが交互に形成されており、集電グリッド５の上部には回折を起こす構造が形成された部位が位置している。
【００１４】
回折部材の格子ピッチをＸ、集電グリッドと回折部材間の隙間をＹ、入射光の中心波長をλとした場合、回折部材による光の分離幅Ｚは式１及び式２により表される。
【００１５】
Ｚ＝Ｙtanθ （式１）
θ＝sin-1（λ/Ｘ） （式２）
【００１６】
本発明の太陽電池では、集電グリッド５のピッチをＧ、集電グリッド５の幅をＷとした場合、回折部材２による光の分離幅Ｚは式３により規定される。
【００１７】
（Ｇ−Ｗ/２）＞Ｚ＞Ｗ/２ （式３）
【００１８】
この構造により、集電グリッド５の中心の上部に入射した光Ａは、入射した集電グリッドと隣接する集電グリッドとの中間地点に入射するように回折される（図４参照）。
回折部材２は、透明性の高い材料から構成されていることが好ましく、ガラス、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、塩化ビニル系樹脂が例示できる。
【００１９】
回折部材の回折を起こす部位３は、上記の透明性の高い材料の表面に微細な溝を形成して位相差をつけるものを用いることができる。溝の形状としては、鋸歯状溝、正弦波状溝、矩形状溝、台形状溝などを用いることができる。また、上記の透明性の高い材料の内部に屈折率差を形成して位相差をつけるものを用いても構わない。
【００２０】
上記のような回折部材２は、例えば、光重合性組成物を塗布したガラス基板の上方に、回折パターンが描写されたエリアと光透過域とが交互に形成されたフォトマスクを配置し、紫外平行光を照射して光重合性組成物を重合硬化する方法により製造することができる。
【００２１】
上記の太陽電池では、集電グリッドの上部に入射した光は、回折部材により回折され光電変換層に入射し、集電グリッドの間に入射した光は、回折されずにそのまま光電変換層に入射することが可能となるので、シャドー損失の抑制された、設置面積あたりの変換効率の高い太陽電池を提供することができる。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
〈回折部材の作製〉
新中村化学工業社製ＮＫエステル１４Ｇ：５０質量部、新中村化学工業社製ＮＫオリゴＵ−２ＰＰＡ：２５質量部、トリメチロールプロパントリアクリレート：１０質量部、フェノキシエチルアクリレート：１５質量部からなる混合物に、光重合開始剤として１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン：１質量部を溶解させ光重合性組成物を得た。
【００２３】
光重合性組成物を１００ｍｍ角のガラス基板に滴下し、スピンコータを用いて被覆した。次いで、光重合性組成物を被覆したガラス基板上方に、幅２００μｍの描写エリアと幅２００μｍの光透過域とが交互に形成されており、描写エリアの中には幅２μｍの光透過域が４μｍピッチで互いに平行に配列しているフォトマスクを配置し、１２００ｍＪ／ｃｍ２で波長半値全幅が１００ｎｍ以下であり光強度分布が略一定の紫外平行光を照射した。その後、フォトマスクを取り外し、更に１２００ｍＪ／ｃｍ２で波長半値全幅が１００ｎｍ以下であり光強度分布が略一定の紫外平行光を照射して光重合性組成物を重合硬化することによって厚さ１００μｍの回折部材を得た。この回折部材は、図５に示すように、透光性のシート状のマトリックス中に、回折パターンが描写された幅２００μｍの回折エリアが４００μｍピッチで一次元配列しており、回折エリア中には、マトリックスと異なる屈折率を有する幅２μｍの帯状構造体がマトリックスの厚さ方向に直交する面内に４μｍピッチで、回折エリアと平行に一次元配列している。
【００２４】
〈回折部材設置効果の評価〉
太陽電池の代わりに光電センサを、集電グリッドの代わりに光不透過域を使用し、本発明の太陽電池で使用される回折部材の効果を評価した。光電センサの上に、幅２００μｍの光不透過域を、ピッチ４００μｍで互いに平行に配列し、光不透過域の上方に、３．１ｍｍの隙間を介して、上述の方法で作製した回折部材を、光不透過域の上部に回折を起こす構造が形成された部位が位置するように設置した。この回折部材を設置した光電センサに、波長５２０μｍの光を照射したところ、光電センサの出力電流は２６μＡであった。
【００２５】
（比較例１）
回折部材を設置しない以外は、実施例と同じ光電センサを用い、実施例と同じ条件で評価を行ったところ、光電センサの出力センサの出力電流は２０μＡであった。
【符号の説明】
【００２６】
１：太陽電池
２：回折部材
３：回折エリア
４：光電変換層
５：集電グリッド
６：裏面電極
７：透明導電膜
８：帯状構造体
９：マトリックス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換層の受光面側に複数の集電グリッドを備える太陽電池において、前記集電グリッドより受光面側に回折部材が配置され、前記回折部材には、回折を起こさない構造の部位と、回折を起こさない構造の部位が形成されており、前記回折部材の回折を起こす構造が形成された部位が、集電グリッドの上部に位置していることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池であって、
回折部材の光による分離幅をＺ、集電グリッドのピッチをＧ、集電グリッドの幅をＷとした場合、集電グリッドの受光面平面において、下記式１を満たす太陽電池。
＜式１＞ （Ｇ−Ｗ/２）＞Ｚ＞Ｗ/２
（ここで、回折部材による光の分離幅Ｚは、下記式により表される回折部材の格子ピッチをＸ、集電グリッドと回折部材間の間隔をＹ、入射光の中心波長をλとした場合、下記式２により算出する。）
＜式２＞ Ｚ＝Ｙtanθ〔θ＝sin-1（λ/Ｘ）〕
【請求項１】
光電変換層の受光面側に複数の集電グリッドを備える太陽電池において、前記集電グリッドより受光面側に回折部材が配置され、前記回折部材には、回折を起こさない構造の部位と、回折を起こさない構造の部位が形成されており、前記回折部材の回折を起こす構造が形成された部位が、集電グリッドの上部に位置していることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池であって、
回折部材の光による分離幅をＺ、集電グリッドのピッチをＧ、集電グリッドの幅をＷとした場合、集電グリッドの受光面平面において、下記式１を満たす太陽電池。
＜式１＞ （Ｇ−Ｗ/２）＞Ｚ＞Ｗ/２
（ここで、回折部材による光の分離幅Ｚは、下記式により表される回折部材の格子ピッチをＸ、集電グリッドと回折部材間の間隔をＹ、入射光の中心波長をλとした場合、下記式２により算出する。）
＜式２＞ Ｚ＝Ｙtanθ〔θ＝sin-1（λ/Ｘ）〕
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１６５７３１（Ｐ２０１１−１６５７３１Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３８３３（Ｐ２０１０−２３８３３）
【出願日】平成２２年２月５日（２０１０．２．５）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月５日（２０１０．２．５）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
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