有機薄膜太陽電池
【課題】凹凸シート３にて入射光を偏向する効果を高めて、発電層での吸収量を増大させる効果を高める。発電層で反射して凹凸シート３に入射する光の凹凸面３ａでの反射率を増大させ、トータルでの光の利用効率を確実に増大させる。
【解決手段】太陽電池は、有機薄膜からなる発電層を含む複数の層を積層した発電素子と、凹凸シート３とを備えている。凹凸シート３は、発電素子の光入射側の面に設置され、発電素子とは反対側の表面が凹凸面３ａである。凹凸シート３の屈折率は、上記発電素子の最も凹凸シート３側に位置する層（例えば基板１４）の屈折率よりも高い。
【解決手段】太陽電池は、有機薄膜からなる発電層を含む複数の層を積層した発電素子と、凹凸シート３とを備えている。凹凸シート３は、発電素子の光入射側の面に設置され、発電素子とは反対側の表面が凹凸面３ａである。凹凸シート３の屈折率は、上記発電素子の最も凹凸シート３側に位置する層（例えば基板１４）の屈折率よりも高い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機薄膜からなる発電層を含む発電素子の光入射側の面に凹凸シートを配置した有機薄膜太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、太陽電池として、図２４に示す構成の発電素子１００が知られている。この発電素子１００は、裏面電極１０１、有機薄膜からなる発電層１０２、透明電極１０３および光透過性の基板１０４をこの順で積層したものである。この構成では、発電素子１００に対して基板１０４側から光が入射すると、入射光は発電層１０２で吸収されて電力に変換され、裏面電極１０１および透明電極１０３から取り出される。
【０００３】
このとき、同図に示すように、発電素子１００に対して外部から垂直に入射する光Ｌ１１を考えると、光Ｌ１１は基板１０４の表面でほとんど偏向されず基板１０４に入射し、光Ｌ１２として伝搬する。そして、光Ｌ１２の一部は発電層１０２にて吸収されるが、残りは吸収しきれずに光Ｌ１３として反射される。光Ｌ１３は、基板１０４の表面で、フレネル反射によって発電層１０２側に反射される光Ｌ１４と、基板１０４を透過する光Ｌ１５とに分離される。光Ｌ１４は発電層１０２に入射して発電（発電層１０２での光電変換）に用いられるが、光Ｌ１５は発電には用いられない。
【０００４】
基板１０４の屈折率がガラスのように１．５程度であれば、上記のように略垂直入射の場合、光Ｌ１４と光Ｌ１５との比率は、４：９６となり、光Ｌ１３のうちのほとんどが発電に用いられなくなる。
【０００５】
そこで、このような光利用効率（発電効率）の低下を回避するために、従来から、図２５に示す構成の太陽電池２００も知られている。この太陽電池２００は、図２４の発電素子１００の基板１０４側の表面に、基板１０４と屈折率の同じ凹凸シート１０５を設置したものである。なお、この構成は、凹凸シート１０５を設けずに、基板１０４の表面に凹凸形状を形成した構成と等価である。
【０００６】
この構成において、太陽電池２００に対して外部から垂直に入射する光Ｌ２１は、凹凸シート１０５により偏向され、光Ｌ２２として基板１０４に入射する。偏向された光Ｌ２２の一部は発電層１０２にて吸収され、電気に変換されるが、残りは発電層１０２で吸収しきれずに光Ｌ２３として基板１０４側に向かって反射される。光Ｌ２３は、凹凸シート１０５がない場合は、そのほとんどが基板１０４を透過し、発電に用いられないが、凹凸シート１０５があることで、その多くが凹凸シート１０５の凹凸面１０５ａで反射され、発電層１０２側に向かう光Ｌ２４となる。光Ｌ２４は、発電層１０２に２回目の入射によって吸収され、発電に用いられる。なお、光Ｌ２３の残りは、凹凸シート１０５の凹凸面１０５ａで屈折し、光Ｌ２５として外部に出射される。以降、発電層１０２に入射して吸収しきれなかった光については、発電層１０２と凹凸シート１０５との間で反射を繰り返すことにより、その多くが発電層１０２にて吸収される。
【０００７】
また、例えば特許文献１には、凹凸シートを複数の層で構成するとともに、各層の屈折率を、発電層側から光入射側（発電層から離れる側）に向かって段階的に小さくすることにより、発電素子に入射した光を長く、発電素子内に止める閉じ込め効果を得て、発電効率を改善するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３４０５８３号公報（請求項２、段落〔００１２〕、〔００３７〕、図６等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、一般的に、発電層は入射光を１回では吸収しきれないこと、また、発電層に対して光が垂直に入射するときよりも斜めに入射するときのほうが、光が発電層の内部を斜め方向に伝搬するため、発電層での光の吸収量が増えること、が知られている。このような傾向は、発電層の厚さが薄くなるほど顕著である。
【００１０】
この点、図２５の構成や、特許文献１のように凹凸シートの屈折率を設定する構成では、入射光を偏向する効果が小さいため、発電層での吸収量を増大させる効果を高めることができない。また、凹凸シートの最も光入射側の層の屈折率が発電素子の基板と同じか、それよりも小さいと、入射光が１回目に発電層で吸収されずにそこで反射されて、凹凸シートの凹凸面に到達しても、到達した光の上記凹凸面での反射率が小さいため、上記光を発電層側に戻す閉じ込め効果が小さい。このため、トータルでの光の利用効率（発電効率）を確実に増大させることができない。
【００１１】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、凹凸シートにて入射光を偏向する効果を高めて、発電層での吸収量を増大させる効果を高めるとともに、発電層で反射して凹凸シートに入射する光の凹凸面での反射率を増大させて、光の閉じ込め効果を大きくし、トータルでの光の利用効率を確実に増大させることができる有機薄膜太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の有機薄膜太陽電池は、有機薄膜からなる発電層を含む複数の層を積層した発電素子と、前記発電素子の光入射側の面に設置され、前記発電素子とは反対側の表面が凹凸面である凹凸シートとを備えた有機薄膜太陽電池であって、前記凹凸シートの屈折率は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置する層の屈折率よりも高いことを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、凹凸シートの屈折率が、発電素子の最も凹凸シート側（光入射側）に位置する層の屈折率と同じかそれよりも低い構成に比べて、凹凸シートから発電素子に入射する光の入射角を増大させることができ、１回目に発電層に入射する光を、発電層が吸収しやすい入射角に偏向することができる。これにより、１回目に入射する光の発電層での吸収量を増大させる効果を高めることができ、特に発電層が薄い場合には、その効果を顕著に得ることができる。
【００１４】
また、入射光が１回目に発電層で吸収されずにそこで反射されたとしても、その反射された光が凹凸シートの凹凸面で全反射する割合が増大し、上記光を発電層側に戻す閉じ込め効果を高めることができる。その結果、２回目以降に発電層に入射する光の吸収量を増大させて、トータルでの光の利用効率（発電効率）を確実に増大させることができる。
【００１５】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記発電素子は、前記発電層を支持するための光透過性の基板を、前記複数の層のうちの１つの層として含んでおり、前記基板は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、前記凹凸シートの屈折率は、前記基板の屈折率よりも高い構成であってもよい。
【００１６】
この場合、発電素子の最も凹凸シート側に光透過性の基板を位置させて、この基板上に凹凸シートを設置する構成の有機薄膜太陽電池において、上述した本発明の効果を得ることができる。
【００１７】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記発電素子は、前記発電層を支持するための基板と、前記発電層に対して前記基板とは反対側に位置して、前記発電層を保護する光透過性の保護層とを、それぞれ前記複数の層のうちの１つの層として含んでおり、前記保護層は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、前記凹凸シートの屈折率は、前記保護層の屈折率よりも高い構成であってもよい。
【００１８】
この場合、発電素子の最も凹凸シート側に光透過性の保護層を位置させて、この保護層上に凹凸シートを設置する構成の有機薄膜太陽電池において、上述した本発明の効果を得ることができる。
【００１９】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記発電層は、入射光の１回の吸収量が垂直入射のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さを有していてもよい。
【００２０】
垂直入射よりも斜め入射のほうが発電層での光の吸収量が増える場合に、凹凸シートを設けて、発電素子に対して入射光を斜めに入射させ、発電層での吸収量を増大させる本発明の構成が有効となる。特に、発電層が薄い場合には、垂直入射よりも斜め入射のほうが発電層での吸収量の増大が顕著であるため、上述した本発明の構成が非常に有効となる。
【００２１】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記凹凸シートの前記凹凸面には、入射光の表面反射を防止するための反射防止機構が設けられていることが望ましい。
【００２２】
凹凸シートの屈折率を高くすると、外部から凹凸シートに光が入射する際の表面反射による光利用効率（発電効率）の低下が懸念される。凹凸シートの凹凸面に反射防止機構が設けられていることにより、表面反射による光の損失（フレネル損失）を低減して、光利用効率を高めることができる。
【００２３】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面にコーティングされる誘電体多層膜からなる反射防止膜であってもよい。また、本発明の有機薄膜太陽電池において、前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面を粗面化した反射防止構造で構成されていてもよい。
【００２４】
このような反射防止膜または反射防止構造により、凹凸面でのフレネル損失を確実に低減して、光利用効率を確実に高めることができる。
【００２５】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を２次元的に配置することによって形成されており、前記単位構造は、楕円半球を含む半球、円錐、四角錐、円錐台、四角錐台のいずれかの形状であってもよい。また、本発明の有機薄膜太陽電池において、前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を並列に配置することによって形成されており、前記単位構造は、プリズムまたはシリンドリカルレンズの形状であってもよい。
【００２６】
凹凸シートの凹凸面が上記いずれの形状であっても、凹凸面の高さの設定次第で、外部から入射する光を凹凸面で大きく偏向させて、発電層に対して斜めに入射させ、吸収量を増大させる効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のように凹凸シートの屈折率を設定することにより、凹凸シートから発電素子に入射する光の入射角を増大させて、１回目に入射する光の発電層での吸収量を増大させる効果を高めることができる。また、１回目に発電層で吸収されずにそこで反射された光を、凹凸シートの凹凸面での全反射によって発電層側に戻す閉じ込め効果を高めて、２回目以降に発電層に入射する光の吸収量を増大させることができる。その結果、トータルでの光の利用効率を確実に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る太陽電池の概略の構成を示す説明図である。
【図２】上記太陽電池が備える凹凸シートに外部から略垂直に光が入射した場合の光路の詳細を示す説明図である。
【図３】上記凹凸シートの構成例を示す断面図である。
【図４】上記凹凸シートの平面図である。
【図５】参考例の凹凸シートに光が略垂直に入射した場合の、上記凹凸シート内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。
【図６】上記実施の形態の凹凸シートに光が略垂直に入射した場合の、上記凹凸シート内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。
【図７】図６の凹凸シートを基板上に設置して、上記凹凸シートに光が略垂直に入射した場合の、上記凹凸シートおよび上記基板の内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。
【図８】上記太陽電池の発電層での光の吸収量の入射角依存性を示すグラフである。
【図９】参考例の凹凸シートの内部における、発電層にて吸収されずに反射された光の光路を示す説明図である。
【図１０】上記実施の形態の凹凸シートの内部における、発電層にて吸収されずに反射された光の光路を示す説明図である。
【図１１】上記凹凸シートの屈折率と、基板側から入射した光の凹凸面での反射率との関係を示すグラフである。
【図１２】反射防止機構として反射防止膜を凹凸面に設けた凹凸シートの断面図である。
【図１３】反射防止機構として反射防止構造を凹凸面に設けた凹凸シートの断面図である。
【図１４】（ａ）は、上記実施の形態の凹凸シートの他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１５】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１６】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１７】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１８】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１９】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図２０】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図２１】凹凸シートの凹凸面が半球形状である場合に、上記凹凸シートに垂直に入射して発電層に入射する光の入射角ごとの相対的な比率を示す説明図である。
【図２２】凹凸シートの凹凸面が円錐形状である場合に、上記凹凸シートに垂直に入射して発電層に入射する光の入射角ごとの相対的な比率を示す説明図である。
【図２３】上記太陽電池の他の構成を示す説明図である。
【図２４】従来の太陽電池としての発電素子の概略の構成を示す説明図である。
【図２５】従来の太陽電池の他の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３０】
（有機薄膜太陽電池について）
図１は、本実施形態の有機薄膜太陽電池（以下、単に太陽電池と称する）１の概略の構成を示す説明図である。本実施形態の太陽電池１は、発電素子２と、凹凸シート３とを備えている。凹凸シート３は、発電素子２の光入射側の面に設置され、発電素子２とは反対側の表面が凹凸状の凹凸面３ａとなっている。なお、凹凸シート３の詳細については、後述する。
【００３１】
発電素子２は、複数の層を積層して構成されている。具体的には、発電素子２は、裏面電極１１、発電層１２、透明電極１３および基板１４をこの順で積層して構成されている。裏面電極１１、発電層１２、透明電極１３および基板１４は、それぞれ独立した層を構成しており、これらの複数の層で発電素子２が構成されている。
【００３２】
発電層１２は、光を受光して電力（電気）に変換する光電変換層であり、本実施形態では、有機薄膜で構成されている。より具体的には、発電層１２は、Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層をこの順で積層して構成される。Ｐ層は、ｐ型有機半導体材料で構成され、Ｉ層は、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料との混合層で構成され、Ｎ層は、ｎ型有機半導体材料で構成されている。ｐ型有機半導体材料では、電気伝導に寄与するのは正孔であり、ｎ型有機半導体材料では、電気伝導に寄与するのが電子である。ｐ型有機半導体材料としては、例えば、Ｐ３ＨＴ（ポリ−３−ヘキシルチオフェン）を用いることができ、ｎ型有機半導体材料としては、例えばＰＣＢＭ（６，６−フェニル−Ｃ６１−ブチリックアシッドメチルエステル）を用いることができる。
【００３３】
発電層１２に光が入射すると、励起子（電子、正孔）が生じ、電子はＮ層側に、正孔はＰ層側に集まるため、裏面電極１１および透明電極１３間に電位差が生ずる。したがって、裏面電極１１および透明電極１３を介して、上記の電位差に相当する電流を取り出すことができる。
【００３４】
裏面電極１１および透明電極１３は、発電層１２にて発生した電力を取り出すための電極であり、一方は正極に対応し、他方は負極に対応している。裏面電極１１は、例えばアルミニウムで構成されており、透明電極１３は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）で構成されている。基板１４は、発電層１２を支持するための光透過性の透明基板であり、例えばガラスで構成されている。本実施形態では、基板１４は、発電素子２において最も光入射側、つまり、最も凹凸シート３側に位置している。
【００３５】
上記の構成において、外部から太陽電池１に対して略垂直に入射した光（太陽光）Ｌ１は、凹凸シート３により偏向され、光Ｌ２として基板１４に入射する。光Ｌ２は、透明電極１３を透過し、発電層１２に入射して、その一部が発電層１２にて吸収され、電気に変換されるが、残りは発電層１２で吸収しきれずに光Ｌ３として基板１４側に向かって反射される。なお、光Ｌ２のうち、発電層１２を透過した光は、裏面電極１１で反射されて発電層１２側に戻され、再利用が図られる。
【００３６】
光Ｌ３は、凹凸シート３がない場合は、そのほとんどが基板１４を透過し、発電に用いられないが、凹凸シート３があることで、その多くが凹凸シート３の凹凸面３ａで反射され、発電層１２側に向かう光Ｌ４となる。光Ｌ４は、発電層１２に２回目の入射によって吸収され、発電に用いられる。以降、発電層１２に入射して吸収しきれなかった光については、発電層１２と凹凸シート３（凹凸面３ａ）との間で反射を繰り返すことにより、その多くが発電層１２にて吸収される。
【００３７】
（凹凸シートについて）
次に、凹凸シート３の詳細について説明する。本実施形態では、凹凸シート３の屈折率は、発電素子２の最も凹凸シート３側に位置する層の屈折率よりも高くなるように設定されている。つまり、本実施形態のように、発電素子２の最も凹凸シート３側に位置する層が基板１４の場合、基板１４を構成するガラスの屈折率は、例えば１．５２であるので、凹凸シート３は、屈折率が１．５２よりも大きい材料で構成されている。このような凹凸シート３を構成する材料としては、例えばポリカーボネート（ＰＣ；屈折率１．５９）、エポキシ樹脂（屈折率；１．５５〜１．６１）を用いることができる。また、凹凸シート３として、高屈折率（屈折率；１．８）の樹脂（例えば高屈折率を有する無機（ＴｉＯ２など）微粒子を含有する有機無機混合材）を用いることもできる。
【００３８】
図２は、凹凸シート３に外部から略垂直に光Ｌ１が入射した場合の光路の詳細を示している。凹凸シート３の屈折率は基板１４の屈折率よりも大きいので、光Ｌ２および光Ｌ４において、凹凸シート３側から基板１４との界面に入射する光は、それぞれ、上記界面にて、スネルの法則にしたがって屈折している。なお、光Ｌ５は、光Ｌ３のうちで凹凸シート３の凹凸面３ａを透過して、発電に用いられない光を表している。
【００３９】
本実施形態の構成によれば、従来の図２５の構成や特許文献１の構成と比べて、（１）略垂直入射光が凹凸シート３に入射したときの偏向角度（光Ｌ２の偏向角度）が大きい、（２）発電層１２にて吸収しきれない光Ｌ３が再び凹凸面３ａで反射して光Ｌ４として再利用される割合が大きい（光が２回目に発電層１２に入射して吸収される量が増大する）、という２点の効果を得ることができ、従来よりも高い光利用効率を実現することができる。以下、上記（１）（２）の点について、さらに詳細に説明する。
【００４０】
（偏向角度の増大について）
図３は、凹凸シート３の構成例を示す断面図であって、凹凸面３ａが楕円半球を２次元的に配置することによって形成されている場合の断面図である。なお、楕円半球とは、楕円を長軸または短軸を回転軸として回転させた立体を長軸または短軸に垂直な面でカットした形状を指す。楕円半球の底面からの高さをｈ（ｃｍ）、配置方向の周期（ピッチ）をｄ（ｃｍ）としたとき、アスペクト比ａを、ａ＝ｈ／ｄと定義する。なお、楕円半球の高さｈおよび周期ｄの一方は、楕円の長軸（または短軸）の長さの半分に相当し、他方は楕円の短軸（または長軸）の長さに相当する。なお、ａ＝０．５の場合、楕円半球は完全な半球形状（断面が真円の半球形状）となる。
【００４１】
なお、上記の高さｈを、凹凸面３ａの凸部と凹部との高低差に相当する高さと考え、上記の周期ｄを、凹凸面３ａの凸部または凹部の繰り返し周期と考えれば、凹凸面３ａが後述するどのような形状であっても、上記したアスペクト比の定義を用いることができる。
【００４２】
図４は、凹凸シート３の平面図である。図４において、凹凸面３ａのうち、凹凸部を３ａ１とし、凹凸部３ａ１以外の平面部を３ａ２とすると、凹凸面３ａにおいて平面部３ａ２が占める割合Ｓは、凹凸部３ａ１の面積をＳ１（ｃｍ２）とし、平面部３ａ２の面積をＳ２（ｃｍ２）として、Ｓ＝（Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２））で表される。例えば、図４のように、楕円半球の外周（平面視で円形）が互いに接するように各楕円半球を２次元的に配置した場合、Ｓは約０．０９（９％）となる。
【００４３】
図５は、参考例であって、屈折率が基板１４と同じ凹凸シート３’に光が略垂直に入射した場合の、凹凸シート３’内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。図５において、凹凸シート３’の屈折率をｎ１とし、楕円半球での屈折によって入射光が偏向される偏向角度をθ１とする。偏向角度θ１は、図５に示すように、楕円形状の凹凸面３ｂに対する入射角がほぼ９０°となる部分に光が入射したときに最大となる。つまり、偏向角度θ１の最大値は、スネルの法則より、
１・ｓｉｎ（９０°）＝ｎ１・ｓｉｎ（９０°−θ１）
を満足する値となる。したがって、例えば、ｎ１＝１．５とすると、偏向角度θ１の最大値は、約４８°となる。
【００４４】
つまり、図５のように凹凸面３ｂが楕円半球を２次元的に配置して形成される場合は、凹凸シート３’に略垂直に入射した光は、凹凸シート３’によって０〜４８°の角度に偏向される（偏向角度は凹凸面に対する入射位置によって変化する）。
【００４５】
図６は、本実施形態のように、屈折率が基板１４よりも大きい凹凸シート３に光が略垂直に入射した場合の、凹凸シート３内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。図６において、凹凸シート３の屈折率をｎ２とし、楕円半球での屈折によって入射光が偏向される偏向角度をθ２とする。偏向角度θ２は、図６に示すように、楕円形状の凹凸面３ａに対する入射角がほぼ９０°となる部分に光が入射したときに最大となる。つまり、偏向角度θ２の最大値は、スネルの法則より、
１・ｓｉｎ（９０°）＝ｎ２・ｓｉｎ（９０°−θ２）
を満足する値となる。したがって、例えば、ｎ２＝１．８とすると、偏向角度θ２の最大値は、約５６°となる。
【００４６】
つまり、ｎ１＜ｎ２の場合、θ１＜θ２となり、凹凸シート３の屈折率が高いと、入射光を大きく偏向できることになる。なお、凹凸面３ａが、円錐、四角錐、プリズム形状の場合は、略垂直入射光は、０〜５６°の範囲の中の１つの角度に偏向される（偏向角度は１つの角度に集中する）が、この点については後述する。
【００４７】
図７は、図６の凹凸シート３を基板１４上に設置して、凹凸シート３に光が略垂直に入射した場合の、凹凸シート３および基板１４の内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。図７において、凹凸シート３の屈折率をｎ２（＝１．８）とし、楕円半球での屈折によって入射光が偏向される偏向角度をθ２とし、基板１４の屈折率をｎ１（＝１．５）とし、基板１４内での光の偏向角度をθ３とする。偏向角度θ２の最大値は、図６の場合と同じ（約５６°）であり、また、スネルの法則より、
ｎ２・ｓｉｎθ２＝ｎ１・ｓｉｎθ３
が成り立つ。この式より、基板１４内での偏向角度θ３の最大値は、約８４°となる。つまり、基板１４の屈折率ｎ１が凹凸シート３の屈折率よりも低いため、基板１４内での偏向角度θ３の最大値は、偏向角度θ２の最大値よりも大きくなる。
【００４８】
なお、図示はしないが、基板１４の屈折率が凹凸シート３の屈折率よりも高い場合は、上記とは逆に、基板１４内での偏向角度θ３の最大値は、偏向角度θ２の最大値よりも小さくなることは、スネルの法則より明らかである。
【００４９】
以上のことから、基板１４よりも屈折率の高い凹凸シート３を基板１４上に設置することにより、入射光を基板１４内で大きく偏向できると言える。これにより、発電層１２での光の吸収量を増大させることができ、しかも、その効果を従来よりも高めることができる。ここで、発電層１２の光の吸収量を増大させる効果は、発電層１２が薄いほど高くなる。以下、発電層１２の厚さと吸収量との関係について説明する。
【００５０】
図８は、発電層１２が薄い場合（例えば層厚１００ｎｍ）と厚い場合（例えば層厚３００ｎｍ）とにおける、発電層１２での光の吸収量の入射角依存性を示すグラフである。なお、図８において、縦軸の短絡電流密度Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ２）とは、太陽電池の単位面積あたりで発生する短絡電流（太陽電池の正極と負極とを導線で接続して短絡した状態での電流）を指す。発電層１２での光の吸収量と短絡電流密度Ｊｓｃとは対応関係にあり、発電層１２での吸収量が増大すると、短絡電流密度Ｊｓｃも増大することになる。
【００５１】
図８より、発電層１２を十分に厚くすると、内部角度にあまり依存せずに、発電層１２にて吸収が最大限行われるが、発電層１２が薄く、１回で光を吸収しきれない厚さの場合は、発電層１２に対して斜めに入射すると、発電層１２の内部を光が斜め方向に伝搬するため、吸収量が増える。発電層１２が薄い場合は、入射角が約６０°付近で短絡電流密度Ｊｓｃ（吸収量）が最大となり、垂直入射（入射角０°）に比べて約１．３倍多いことがわかる。
【００５２】
ここで、図５で示したように、基板１４と同じ屈折率（例えば１．５）の凹凸シート３’を用いた構成では、上述したように、最大で約４８°しか光を偏向することができず、１回の偏向で６０°（発電層１２が薄い場合に吸収量が最大となる角度）に偏向することはできない。このため、発電層１２が薄い場合は、発電層１２での１回の吸収量を増大させることはできない。
【００５３】
しかし、図７で示したように、凹凸シート３の屈折率を１．８にして、基板の屈折率（１．５）よりも高くすることにより、基板１４内での偏向角度を０°〜８４°にすることができ、これには吸収量が最大となる偏向角度６０°が含まれる。したがって、凹凸シート３の形状設計（例えばアスペクト比）を工夫して、発電層１２に対する入射角が約６０°付近となるように、多くの光を偏向することにより、発電層１２に１回目に入射する光の吸収量を増大させる可能となる。
【００５４】
なお、発電層１２が厚い場合、図８より、発電層１２への斜め入射による吸収量の増加の度合いが、発電層１２が薄い場合に比べると小さいが、斜め入射によって垂直入射よりも吸収量が増大することに変わりはない。したがって、発電層１２の厚さが、入射光の１回の吸収量が垂直入射（入射角０°）のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さであれば、屈折率の高い凹凸シート３によって、垂直入射のときよりも発電層１２での吸収量が多くなるような角度に入射光を偏向させて、発電層１２での吸収量を増大させることができると言える。
【００５５】
（２回目以降に発電層１２に入射する光の吸収量の増大について）
図９は、屈折率が１．５の凹凸シート３’の内部における、発電層１２にて吸収されずに反射された光Ｌ３の光路を示す説明図である。光Ｌ３は、凹凸シート３’の凹凸面３ｂに入射し、その凹凸面３ｂの構造によって、スネルの法則により屈折して透過する光Ｌ５と、反射する光Ｌ４に分けられる。
【００５６】
これに対して、図１０は、屈折率が１．８の凹凸シート３の内部における、発電層１２にて吸収されずに反射された光Ｌ３の光路を示す説明図である。光Ｌ３は、凹凸シート３の凹凸面３ａに入射し、その凹凸面３ａの構造によって、スネルの法則により屈折して透過する光Ｌ５と、反射する光Ｌ４に分けられる。このとき、凹凸シート３の屈折率が１．８と高いため、凹凸面３ａに入射した光Ｌ３のうち、凹凸面３ａでの全反射条件を満たす光が増大する。凹凸面３ａの凸形状の内部で全反射を繰り返した光は、最終的に、基板１４および発電層１２側へ戻る光Ｌ４となる。
【００５７】
ここで、凹凸面３ａを有する凹凸シート３では、凹凸面３ａに基板１４側から入射した光が反射する割合（反射率Ｒ）が、凹凸シート３の屈折率ｎの関数（Ｒ＝１−１／ｎ２）で大まかに表されることが数値計算等で判明した。つまり、図１１は、凹凸シート３の屈折率ｎと、基板１４側から入射した光の凹凸面３ａでの反射率Ｒとの関係を示している。凹凸シート３の凹凸形状（楕円半球、円錐、四角錐）によって多少の数値の違いはあるものの、それぞれの構造にて、屈折率ｎが高くなると反射率Ｒが高くなる傾向が見られた。しかも、屈折率ｎと反射率Ｒとの関係は、Ｒ＝１−１／ｎ２の関数に漸近しており、凹凸シート３の屈折率ｎが高いほうが、反射率Ｒが高くなって、発電層１２に２回目に入射する光が増大することがわかった。
【００５８】
（まとめ）
以上、太陽電池１において、凹凸シート３の屈折率が発電素子２の最も凹凸シート３側に位置する層（上記の例では基板１４）の屈折率よりも高いことにより、凹凸シート３から発電素子２に入射する光の入射角を増大させることができ、１回目に発電層１２に入射する光を、発電層１２での吸収量が多い入射角（発電層１２が吸収しやすい入射角）に偏向することができる。これにより、１回目に入射する光の発電層１２での吸収量を増大させる効果を高めることができる。特に、発電層１２が薄い場合には、垂直入射よりも斜め入射のほうが発電層１２での吸収量が顕著に増大するため、上述した効果がさらに高まる。
【００５９】
また、凹凸シート３の屈折率が高いことにより、入射光が１回目に発電層１２で吸収されずにそこで反射されたとしても、その反射された光が凹凸シート３の凹凸面３ａで全反射する割合（反射率Ｒ）が増大するため、上記光を発電層１２側に戻す閉じ込め効果を高めることができる。その結果、２回目以降に発電層１２に入射する光の吸収量を増大させて、トータルでの光の利用効率（発電効率）を確実に増大させることができる。
【００６０】
なお、図１１で示した凹凸シート３の屈折率ｎと反射率Ｒとの関係により、屈折率ｎが高いほど反射率Ｒが多くなるため、上記の閉じ込め効果は、凹凸シート３の屈折率ｎが高いほど大きいと言える。
【００６１】
また、発電素子２において、基板１４が最も凹凸シート３側に位置している構成において、凹凸シート３の屈折率が基板１４の屈折率よりも高いので、そのような構成の太陽電池１において、上述した効果を得ることができる。
【００６２】
また、発電層１２は、図８で示したように、入射光の１回の吸収量が垂直入射のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さを有しているので、発電層１２での吸収量を増大させるべく、屈折率の高い凹凸シート３を設けて、発電素子２に対して入射光を斜めに入射させる本実施形態の構成が非常に有効となる。
【００６３】
（補足）
凹凸シート３の凹凸面３ａの高さｈを増大させると、凹凸面３ａを介して発電層１２に入射する光の入射角を増大させることができる。したがって、凹凸シート３の屈折率の調節と併せて、凹凸面３ａの高さの調節を行うことにより、偏向角度を効率よく、発電層１２での１回の吸収量が多い入射角に合わせることができる。
【００６４】
また、例えば、凹凸シート３の屈折率によっては、凹凸シート３にて１回で偏向できる角度が、発電層１２での１回の吸収量が多い入射角（例えば６０°）に届かない場合もある。このような場合でも、凹凸面３ａの高さを調節することで、屈折率のさらに大きな凹凸シート３で代替することなく、偏向角度を発電層１２での１回の吸収量が多い入射角に合わせることができる。
【００６５】
（反射防止機構について）
凹凸シート３の屈折率を基板１４よりも高くする利点は上述の通りであるが、凹凸シート３の屈折率を高くすると、外部から凹凸シート３に光が入射する場合の表面反射（フレネル反射）による損失（光利用効率の低下）が考えられる。そこで、図１２および図１３に示すように、凹凸シート３の凹凸面３ａに、入射光の表面反射を防止するための反射防止機構２０を設けることが望ましい。
【００６６】
図１２は、反射防止機構２０を反射防止膜２１で構成した場合の凹凸シート３の断面図であり、図１３は、反射防止膜２０を反射防止構造２２で構成した場合の凹凸シート３の断面図である。反射防止膜２１は、凹凸面３ａの表面にコーティングされる誘電体多層膜である。反射防止構造２２は、凹凸面３ａの表面をさらに凹凸状に粗面化した構造である。このような反射防止構造２２は、凹凸面３ａの表面に形成される凹凸が一方向（例えば凹凸シート３と基板１４との界面に垂直な方向）を向くものであれば、凹凸シート３の成形時に用いる金型の形状を工夫することにより、実現することができる。
【００６７】
このように、凹凸シート３の凹凸面３ａに反射防止機構２０が設けられていることにより、凹凸面３ａでの表面反射による光の損失（フレネル損失）を低減して、発電層１２での入射光量および吸収量を増大させ、光利用効率（発電効率）を高めることができる。
【００６８】
また、反射防止機構２０を反射防止膜２１または反射防止構造２２で構成することにより、凹凸面３ａでのフレネル損失を確実に低減して、光利用効率を確実に高めることができる。
【００６９】
また、特に太陽光発電では、非常に広い波長領域、入射角度において反射防止効果を高める必要があるが、反射防止膜２１では、広い波長域で反射防止効果を高めるためには、膜構成（材料、層数など）が複雑になる。この点、反射防止構造２２では、反射防止構造２２を構成する凹部または凸部の形成ピッチおよび高低差を、利用波長、すなわち、発電層１２にて光電変換される光の波長域（例えば４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の最短波長よりも短くすることで（例えばピッチ２００ｎｍ以下、高低差２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満）、入射光の波長域が広く、入射角度範囲が広い場合でも、フレネル損失を低減する効果を得ることができる。したがって、反射防止機構２０としては、反射防止構造２２を用いることが望ましい。
【００７０】
（実施例）
次に、太陽電池１の発電層１２の厚さ、凹凸シート３の有無、凹凸シート３の屈折率、反射防止構造２２の有無と、発電層１２で発生する短絡電流密度との関係について、実施例１〜４として説明する。また、実施例１〜４との比較のため、比較例１〜３も併せて示す。なお、凹凸シート３の凹凸面３ａは、いずれも、楕円半球の２次元配置によって形成されているものとした。また、凹凸シート３が設置される基板１４の屈折率は、いずれも１．５２とした。
【００７１】
【表１】
【００７２】
比較例１および２、実施例１および２は、発電層１２の厚さが１００ｎｍと薄い場合の結果を示している。一方、比較例３、実施例３および４は、発電層１２の厚さが３００ｎｍと比較的厚い場合の結果を示している。これらの比較例および実施例から、発電層１２が厚い場合でも、薄い場合でも、基板（屈折率；１．５２）よりも高い屈折率の凹凸シート３を設けることで、短絡電流密度が増大し、反射防止構造２２を設けることにより、短絡電流密度がさらに増大することがわかった。
【００７３】
（凹凸面の形状のバリエーションについて）
図１４〜図２０は、凹凸シート３の凹凸面３ａの形状のバリエーションを示すものであって、いずれも、（ａ）は凹凸シート３の断面図を示し、（ｂ）は凹凸シート３の平面図を示している。凹凸シート３の凹凸面３ａの形状は、楕円半球の２次元配置によって形成されるものに限定されるわけではない。
【００７４】
つまり、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、断面が真円の半球を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、円錐を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１６（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、四角錐を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１７（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、円錐台を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１８（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、四角錐台を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１９（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、一方向に伸びたプリズム（例えば断面三角形の三角プリズム）を並列に設けることによって形成されていてもよい。また、図２０（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、一方向に伸びたシリンドリカルレンズを並列に設けることによって形成されていてもよい。
【００７５】
上記したいずれの構成であっても、凹凸面３ａの高さ（凹部と凸部との高低差）を適切に設定することにより、外部から入射する光を凹凸面３ａで大きく偏向させて、発電層１２に対して斜めに入射させ、発電層１２での吸収量を高める効果を増大させることができる。また、
【００７６】
また、図２１は、凹凸面３ａが半球形状である場合に、凹凸シート３に垂直に入射して発電層１２に入射する光の入射角ごとの相対的な比率（配光分布）を示している。ここでは、上記の半球形状として、断面が真円の半球と断面が楕円の半球との両者について示す。
【００７７】
凹凸面３ａが半球形状である場合、入射光の凹凸面３ａに対する入射位置によって屈折方向が異なるため、図２１に示すように、発電層１２に入射する光の入射角に分布を持たせることができる。これにより、広い入射角範囲で発電層１２に光を入射させて、発電層１２での吸収量を上げることが可能となる。
【００７８】
また、図２２は、凹凸面３ａが円錐形状である場合に、凹凸シート３に垂直に入射して発電層１２に入射する光の入射角ごとの相対的な比率（配光分布）を示している。図２２に示すように、凹凸面３ａを円錐で形成した場合には、発電層１２に対する光の入射角がほぼ１つの角度に集中する。つまり、凹凸面３ａでの屈折により、入射光を１つの方向に集中して偏向することができる。しかも、凹凸面３ａのアスペクト比ａ（＝ｈ／ｄ）を変えることで、集中する入射角を変えることができる。これにより、上述した凹凸シート３の屈折率の調節と併せて、発電層１２にて吸収量が多い入射角に合うように、凹凸面３ａのアスペクト比ａを設定することで、発電層１２での光の吸収効率を上げることが可能となる。
【００７９】
なお、このような効果は、凹凸面３ａが円錐以外の錐系（例えば四角錐）で形成されている場合や、プリズムの並列配置によって形成されている場合でも、同様に得ることができる。
【００８０】
なお、図２１および図２２において、入射角０°における比率が高いのは、凹凸面３ａが平面部（図４の平面部３ａ２に相当）を有していることに起因する。つまり、半球や円錐を２次元的に並べて凹凸面３ａを形成すると、いくらこれらを密に並べても、隣接する半球や円錐間には凹凸が生じない平面部ができる。この平面部に光が垂直に入射すると、その光は平面部にて偏向されずに、発電層１２に垂直に（入射角０°で）入射する。このため、図２１および図２２では、入射角０°における比率が高くなっている。
【００８１】
なお、以上では、凹凸面３ａの形状が、半球凸形状（楕円半球凸形状、真円半球凸形状）、円錐凸形状、四角錐凸形状、円錐台凸形状、四角錐台凸形状、プリズム凸形状、シリンドリカル凸形状である場合について説明したが、上記とは逆の凹凸形状、つまり、半球凹形状（楕円半球凹形状、真円半球凹形状）、円錐凹形状、四角錐凹形状、円錐台凹形状、四角錐台凹形状、プリズム凹形状、シリンドリカル凹形状であっても、凸形状の場合と同様の傾向を示す。
【００８２】
したがって、以上のことを総合すると、凹凸シート３の凹凸面３ａは、発電素子２とは反対側に凸または発電素子２側に凹となる単位構造を２次元的に配置することによって形成されており、上記の単位構造は、楕円半球を含む半球、円錐、四角錐、円錐台、四角錐台のいずれかの形状であってもよいと言える。また、凹凸シート３の凹凸面３ａは、発電素子２とは反対側に凸または発電素子２側に凹となる単位構造を並列に配置することによって形成されており、上記の単位構造は、プリズムまたはシリンドリカルレンズの形状であってもよいと言える。
【００８３】
なお、凹凸面３ａの平面部の面積、つまり、凹凸面３ａにおける基板１４と平行な面の面積は小さいほうが望ましい。これは、平面部の面積が小さいほうが、光発電層１２に対する垂直入射光の割合が減って、凹凸面３ａ全体としての偏向効果が高くなり、発電効率もよりよくなるためである。
【００８４】
（太陽電池の他の構成について）
図２３は、太陽電池１の他の構成を示す説明図である。太陽電池１の発電素子２は、以下の構成であってもよい。すなわち、発電素子２は、上記の基板１４上に、裏面電極１１、発電層１２、透明電極１３、保護層１５の各層をこの順で積層して構成されてもよい。そして、凹凸シート３は、保護層１５上に設置されてもよい。
【００８５】
つまり、この太陽電池１では、発電層１２に対して基板１４とは反対側で、発電素子２の最も凹凸シート３側に、保護層１５が位置している。保護層１５は、発電層１２を保護するための光透過性のラミネート層であり、例えばＥＶＡ樹脂（Ethylene-Vinyl Acetate ）やＥＴＦＥ樹脂（Ethylene tetrafluoroethylene）で構成されている。
【００８６】
なお、基板１４は、ガラス基板のほかに可撓性を有するフレキシブル基板で構成されていてもよい。また、裏面電極１１は、ＩＴＯなどを材料とする透明電極で構成されていてもよい。
【００８７】
発電素子２が上記のように構成される場合、凹凸シート３の屈折率は、発電素子２の最も凹凸シート３側に位置する保護層１５の屈折率よりも高く設定されていればよい。例えば、保護層１５が、上記したＥＴＦＥ（屈折率；１．４２）やＥＶＡ（屈折率；１．４８２）で構成されている場合、凹凸シート３としては、例えばＰＣ（屈折率１．５９）やエポキシ樹脂（屈折率；１．５５〜１．６１）用いることができ、その他、高屈折率（屈折率；１．８）の樹脂（例えば高屈折率を有する無機（ＴｉＯ２など）微粒子を含有する有機無機混合材）を用いることもできる。
【００８８】
このように、発電素子２の最も凹凸シート３側に保護層１５を位置させて、この保護層１５上に凹凸シート３を設置する構成の太陽電池１においても、凹凸シート３の屈折率を保護層１５の屈折率よりも高く設定することにより、上述した本実施形態の効果を得ることができる。すなわち、凹凸シート３によって入射光の偏向角度を増大させて、１回目に発電層１２に入射する光の吸収量を増大させる効果を高めることができる。また、発電層１２に入射してそこで反射された光の凹凸面３ａでの反射率を増大させて、上記光の閉じ込め効果を高めることができ、２回目以降に発電層１２に入射する光の吸収量を増大させて、トータルでの光の利用効率を確実に増大させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、有機薄膜太陽電池に利用可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１ 太陽電池（有機薄膜太陽電池）
２ 発電素子
３ 凹凸シート
３ａ 凹凸面
１２ 発電層
１４ 基板
１５ 保護層
２０ 反射防止機構
２１ 反射防止膜
２２ 反射防止構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機薄膜からなる発電層を含む発電素子の光入射側の面に凹凸シートを配置した有機薄膜太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、太陽電池として、図２４に示す構成の発電素子１００が知られている。この発電素子１００は、裏面電極１０１、有機薄膜からなる発電層１０２、透明電極１０３および光透過性の基板１０４をこの順で積層したものである。この構成では、発電素子１００に対して基板１０４側から光が入射すると、入射光は発電層１０２で吸収されて電力に変換され、裏面電極１０１および透明電極１０３から取り出される。
【０００３】
このとき、同図に示すように、発電素子１００に対して外部から垂直に入射する光Ｌ１１を考えると、光Ｌ１１は基板１０４の表面でほとんど偏向されず基板１０４に入射し、光Ｌ１２として伝搬する。そして、光Ｌ１２の一部は発電層１０２にて吸収されるが、残りは吸収しきれずに光Ｌ１３として反射される。光Ｌ１３は、基板１０４の表面で、フレネル反射によって発電層１０２側に反射される光Ｌ１４と、基板１０４を透過する光Ｌ１５とに分離される。光Ｌ１４は発電層１０２に入射して発電（発電層１０２での光電変換）に用いられるが、光Ｌ１５は発電には用いられない。
【０００４】
基板１０４の屈折率がガラスのように１．５程度であれば、上記のように略垂直入射の場合、光Ｌ１４と光Ｌ１５との比率は、４：９６となり、光Ｌ１３のうちのほとんどが発電に用いられなくなる。
【０００５】
そこで、このような光利用効率（発電効率）の低下を回避するために、従来から、図２５に示す構成の太陽電池２００も知られている。この太陽電池２００は、図２４の発電素子１００の基板１０４側の表面に、基板１０４と屈折率の同じ凹凸シート１０５を設置したものである。なお、この構成は、凹凸シート１０５を設けずに、基板１０４の表面に凹凸形状を形成した構成と等価である。
【０００６】
この構成において、太陽電池２００に対して外部から垂直に入射する光Ｌ２１は、凹凸シート１０５により偏向され、光Ｌ２２として基板１０４に入射する。偏向された光Ｌ２２の一部は発電層１０２にて吸収され、電気に変換されるが、残りは発電層１０２で吸収しきれずに光Ｌ２３として基板１０４側に向かって反射される。光Ｌ２３は、凹凸シート１０５がない場合は、そのほとんどが基板１０４を透過し、発電に用いられないが、凹凸シート１０５があることで、その多くが凹凸シート１０５の凹凸面１０５ａで反射され、発電層１０２側に向かう光Ｌ２４となる。光Ｌ２４は、発電層１０２に２回目の入射によって吸収され、発電に用いられる。なお、光Ｌ２３の残りは、凹凸シート１０５の凹凸面１０５ａで屈折し、光Ｌ２５として外部に出射される。以降、発電層１０２に入射して吸収しきれなかった光については、発電層１０２と凹凸シート１０５との間で反射を繰り返すことにより、その多くが発電層１０２にて吸収される。
【０００７】
また、例えば特許文献１には、凹凸シートを複数の層で構成するとともに、各層の屈折率を、発電層側から光入射側（発電層から離れる側）に向かって段階的に小さくすることにより、発電素子に入射した光を長く、発電素子内に止める閉じ込め効果を得て、発電効率を改善するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３４０５８３号公報（請求項２、段落〔００１２〕、〔００３７〕、図６等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、一般的に、発電層は入射光を１回では吸収しきれないこと、また、発電層に対して光が垂直に入射するときよりも斜めに入射するときのほうが、光が発電層の内部を斜め方向に伝搬するため、発電層での光の吸収量が増えること、が知られている。このような傾向は、発電層の厚さが薄くなるほど顕著である。
【００１０】
この点、図２５の構成や、特許文献１のように凹凸シートの屈折率を設定する構成では、入射光を偏向する効果が小さいため、発電層での吸収量を増大させる効果を高めることができない。また、凹凸シートの最も光入射側の層の屈折率が発電素子の基板と同じか、それよりも小さいと、入射光が１回目に発電層で吸収されずにそこで反射されて、凹凸シートの凹凸面に到達しても、到達した光の上記凹凸面での反射率が小さいため、上記光を発電層側に戻す閉じ込め効果が小さい。このため、トータルでの光の利用効率（発電効率）を確実に増大させることができない。
【００１１】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、凹凸シートにて入射光を偏向する効果を高めて、発電層での吸収量を増大させる効果を高めるとともに、発電層で反射して凹凸シートに入射する光の凹凸面での反射率を増大させて、光の閉じ込め効果を大きくし、トータルでの光の利用効率を確実に増大させることができる有機薄膜太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の有機薄膜太陽電池は、有機薄膜からなる発電層を含む複数の層を積層した発電素子と、前記発電素子の光入射側の面に設置され、前記発電素子とは反対側の表面が凹凸面である凹凸シートとを備えた有機薄膜太陽電池であって、前記凹凸シートの屈折率は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置する層の屈折率よりも高いことを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、凹凸シートの屈折率が、発電素子の最も凹凸シート側（光入射側）に位置する層の屈折率と同じかそれよりも低い構成に比べて、凹凸シートから発電素子に入射する光の入射角を増大させることができ、１回目に発電層に入射する光を、発電層が吸収しやすい入射角に偏向することができる。これにより、１回目に入射する光の発電層での吸収量を増大させる効果を高めることができ、特に発電層が薄い場合には、その効果を顕著に得ることができる。
【００１４】
また、入射光が１回目に発電層で吸収されずにそこで反射されたとしても、その反射された光が凹凸シートの凹凸面で全反射する割合が増大し、上記光を発電層側に戻す閉じ込め効果を高めることができる。その結果、２回目以降に発電層に入射する光の吸収量を増大させて、トータルでの光の利用効率（発電効率）を確実に増大させることができる。
【００１５】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記発電素子は、前記発電層を支持するための光透過性の基板を、前記複数の層のうちの１つの層として含んでおり、前記基板は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、前記凹凸シートの屈折率は、前記基板の屈折率よりも高い構成であってもよい。
【００１６】
この場合、発電素子の最も凹凸シート側に光透過性の基板を位置させて、この基板上に凹凸シートを設置する構成の有機薄膜太陽電池において、上述した本発明の効果を得ることができる。
【００１７】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記発電素子は、前記発電層を支持するための基板と、前記発電層に対して前記基板とは反対側に位置して、前記発電層を保護する光透過性の保護層とを、それぞれ前記複数の層のうちの１つの層として含んでおり、前記保護層は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、前記凹凸シートの屈折率は、前記保護層の屈折率よりも高い構成であってもよい。
【００１８】
この場合、発電素子の最も凹凸シート側に光透過性の保護層を位置させて、この保護層上に凹凸シートを設置する構成の有機薄膜太陽電池において、上述した本発明の効果を得ることができる。
【００１９】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記発電層は、入射光の１回の吸収量が垂直入射のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さを有していてもよい。
【００２０】
垂直入射よりも斜め入射のほうが発電層での光の吸収量が増える場合に、凹凸シートを設けて、発電素子に対して入射光を斜めに入射させ、発電層での吸収量を増大させる本発明の構成が有効となる。特に、発電層が薄い場合には、垂直入射よりも斜め入射のほうが発電層での吸収量の増大が顕著であるため、上述した本発明の構成が非常に有効となる。
【００２１】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記凹凸シートの前記凹凸面には、入射光の表面反射を防止するための反射防止機構が設けられていることが望ましい。
【００２２】
凹凸シートの屈折率を高くすると、外部から凹凸シートに光が入射する際の表面反射による光利用効率（発電効率）の低下が懸念される。凹凸シートの凹凸面に反射防止機構が設けられていることにより、表面反射による光の損失（フレネル損失）を低減して、光利用効率を高めることができる。
【００２３】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面にコーティングされる誘電体多層膜からなる反射防止膜であってもよい。また、本発明の有機薄膜太陽電池において、前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面を粗面化した反射防止構造で構成されていてもよい。
【００２４】
このような反射防止膜または反射防止構造により、凹凸面でのフレネル損失を確実に低減して、光利用効率を確実に高めることができる。
【００２５】
本発明の有機薄膜太陽電池において、前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を２次元的に配置することによって形成されており、前記単位構造は、楕円半球を含む半球、円錐、四角錐、円錐台、四角錐台のいずれかの形状であってもよい。また、本発明の有機薄膜太陽電池において、前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を並列に配置することによって形成されており、前記単位構造は、プリズムまたはシリンドリカルレンズの形状であってもよい。
【００２６】
凹凸シートの凹凸面が上記いずれの形状であっても、凹凸面の高さの設定次第で、外部から入射する光を凹凸面で大きく偏向させて、発電層に対して斜めに入射させ、吸収量を増大させる効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のように凹凸シートの屈折率を設定することにより、凹凸シートから発電素子に入射する光の入射角を増大させて、１回目に入射する光の発電層での吸収量を増大させる効果を高めることができる。また、１回目に発電層で吸収されずにそこで反射された光を、凹凸シートの凹凸面での全反射によって発電層側に戻す閉じ込め効果を高めて、２回目以降に発電層に入射する光の吸収量を増大させることができる。その結果、トータルでの光の利用効率を確実に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る太陽電池の概略の構成を示す説明図である。
【図２】上記太陽電池が備える凹凸シートに外部から略垂直に光が入射した場合の光路の詳細を示す説明図である。
【図３】上記凹凸シートの構成例を示す断面図である。
【図４】上記凹凸シートの平面図である。
【図５】参考例の凹凸シートに光が略垂直に入射した場合の、上記凹凸シート内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。
【図６】上記実施の形態の凹凸シートに光が略垂直に入射した場合の、上記凹凸シート内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。
【図７】図６の凹凸シートを基板上に設置して、上記凹凸シートに光が略垂直に入射した場合の、上記凹凸シートおよび上記基板の内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。
【図８】上記太陽電池の発電層での光の吸収量の入射角依存性を示すグラフである。
【図９】参考例の凹凸シートの内部における、発電層にて吸収されずに反射された光の光路を示す説明図である。
【図１０】上記実施の形態の凹凸シートの内部における、発電層にて吸収されずに反射された光の光路を示す説明図である。
【図１１】上記凹凸シートの屈折率と、基板側から入射した光の凹凸面での反射率との関係を示すグラフである。
【図１２】反射防止機構として反射防止膜を凹凸面に設けた凹凸シートの断面図である。
【図１３】反射防止機構として反射防止構造を凹凸面に設けた凹凸シートの断面図である。
【図１４】（ａ）は、上記実施の形態の凹凸シートの他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１５】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１６】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１７】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１８】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図１９】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図２０】（ａ）は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の凹凸シートの平面図である。
【図２１】凹凸シートの凹凸面が半球形状である場合に、上記凹凸シートに垂直に入射して発電層に入射する光の入射角ごとの相対的な比率を示す説明図である。
【図２２】凹凸シートの凹凸面が円錐形状である場合に、上記凹凸シートに垂直に入射して発電層に入射する光の入射角ごとの相対的な比率を示す説明図である。
【図２３】上記太陽電池の他の構成を示す説明図である。
【図２４】従来の太陽電池としての発電素子の概略の構成を示す説明図である。
【図２５】従来の太陽電池の他の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３０】
（有機薄膜太陽電池について）
図１は、本実施形態の有機薄膜太陽電池（以下、単に太陽電池と称する）１の概略の構成を示す説明図である。本実施形態の太陽電池１は、発電素子２と、凹凸シート３とを備えている。凹凸シート３は、発電素子２の光入射側の面に設置され、発電素子２とは反対側の表面が凹凸状の凹凸面３ａとなっている。なお、凹凸シート３の詳細については、後述する。
【００３１】
発電素子２は、複数の層を積層して構成されている。具体的には、発電素子２は、裏面電極１１、発電層１２、透明電極１３および基板１４をこの順で積層して構成されている。裏面電極１１、発電層１２、透明電極１３および基板１４は、それぞれ独立した層を構成しており、これらの複数の層で発電素子２が構成されている。
【００３２】
発電層１２は、光を受光して電力（電気）に変換する光電変換層であり、本実施形態では、有機薄膜で構成されている。より具体的には、発電層１２は、Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層をこの順で積層して構成される。Ｐ層は、ｐ型有機半導体材料で構成され、Ｉ層は、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料との混合層で構成され、Ｎ層は、ｎ型有機半導体材料で構成されている。ｐ型有機半導体材料では、電気伝導に寄与するのは正孔であり、ｎ型有機半導体材料では、電気伝導に寄与するのが電子である。ｐ型有機半導体材料としては、例えば、Ｐ３ＨＴ（ポリ−３−ヘキシルチオフェン）を用いることができ、ｎ型有機半導体材料としては、例えばＰＣＢＭ（６，６−フェニル−Ｃ６１−ブチリックアシッドメチルエステル）を用いることができる。
【００３３】
発電層１２に光が入射すると、励起子（電子、正孔）が生じ、電子はＮ層側に、正孔はＰ層側に集まるため、裏面電極１１および透明電極１３間に電位差が生ずる。したがって、裏面電極１１および透明電極１３を介して、上記の電位差に相当する電流を取り出すことができる。
【００３４】
裏面電極１１および透明電極１３は、発電層１２にて発生した電力を取り出すための電極であり、一方は正極に対応し、他方は負極に対応している。裏面電極１１は、例えばアルミニウムで構成されており、透明電極１３は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）で構成されている。基板１４は、発電層１２を支持するための光透過性の透明基板であり、例えばガラスで構成されている。本実施形態では、基板１４は、発電素子２において最も光入射側、つまり、最も凹凸シート３側に位置している。
【００３５】
上記の構成において、外部から太陽電池１に対して略垂直に入射した光（太陽光）Ｌ１は、凹凸シート３により偏向され、光Ｌ２として基板１４に入射する。光Ｌ２は、透明電極１３を透過し、発電層１２に入射して、その一部が発電層１２にて吸収され、電気に変換されるが、残りは発電層１２で吸収しきれずに光Ｌ３として基板１４側に向かって反射される。なお、光Ｌ２のうち、発電層１２を透過した光は、裏面電極１１で反射されて発電層１２側に戻され、再利用が図られる。
【００３６】
光Ｌ３は、凹凸シート３がない場合は、そのほとんどが基板１４を透過し、発電に用いられないが、凹凸シート３があることで、その多くが凹凸シート３の凹凸面３ａで反射され、発電層１２側に向かう光Ｌ４となる。光Ｌ４は、発電層１２に２回目の入射によって吸収され、発電に用いられる。以降、発電層１２に入射して吸収しきれなかった光については、発電層１２と凹凸シート３（凹凸面３ａ）との間で反射を繰り返すことにより、その多くが発電層１２にて吸収される。
【００３７】
（凹凸シートについて）
次に、凹凸シート３の詳細について説明する。本実施形態では、凹凸シート３の屈折率は、発電素子２の最も凹凸シート３側に位置する層の屈折率よりも高くなるように設定されている。つまり、本実施形態のように、発電素子２の最も凹凸シート３側に位置する層が基板１４の場合、基板１４を構成するガラスの屈折率は、例えば１．５２であるので、凹凸シート３は、屈折率が１．５２よりも大きい材料で構成されている。このような凹凸シート３を構成する材料としては、例えばポリカーボネート（ＰＣ；屈折率１．５９）、エポキシ樹脂（屈折率；１．５５〜１．６１）を用いることができる。また、凹凸シート３として、高屈折率（屈折率；１．８）の樹脂（例えば高屈折率を有する無機（ＴｉＯ２など）微粒子を含有する有機無機混合材）を用いることもできる。
【００３８】
図２は、凹凸シート３に外部から略垂直に光Ｌ１が入射した場合の光路の詳細を示している。凹凸シート３の屈折率は基板１４の屈折率よりも大きいので、光Ｌ２および光Ｌ４において、凹凸シート３側から基板１４との界面に入射する光は、それぞれ、上記界面にて、スネルの法則にしたがって屈折している。なお、光Ｌ５は、光Ｌ３のうちで凹凸シート３の凹凸面３ａを透過して、発電に用いられない光を表している。
【００３９】
本実施形態の構成によれば、従来の図２５の構成や特許文献１の構成と比べて、（１）略垂直入射光が凹凸シート３に入射したときの偏向角度（光Ｌ２の偏向角度）が大きい、（２）発電層１２にて吸収しきれない光Ｌ３が再び凹凸面３ａで反射して光Ｌ４として再利用される割合が大きい（光が２回目に発電層１２に入射して吸収される量が増大する）、という２点の効果を得ることができ、従来よりも高い光利用効率を実現することができる。以下、上記（１）（２）の点について、さらに詳細に説明する。
【００４０】
（偏向角度の増大について）
図３は、凹凸シート３の構成例を示す断面図であって、凹凸面３ａが楕円半球を２次元的に配置することによって形成されている場合の断面図である。なお、楕円半球とは、楕円を長軸または短軸を回転軸として回転させた立体を長軸または短軸に垂直な面でカットした形状を指す。楕円半球の底面からの高さをｈ（ｃｍ）、配置方向の周期（ピッチ）をｄ（ｃｍ）としたとき、アスペクト比ａを、ａ＝ｈ／ｄと定義する。なお、楕円半球の高さｈおよび周期ｄの一方は、楕円の長軸（または短軸）の長さの半分に相当し、他方は楕円の短軸（または長軸）の長さに相当する。なお、ａ＝０．５の場合、楕円半球は完全な半球形状（断面が真円の半球形状）となる。
【００４１】
なお、上記の高さｈを、凹凸面３ａの凸部と凹部との高低差に相当する高さと考え、上記の周期ｄを、凹凸面３ａの凸部または凹部の繰り返し周期と考えれば、凹凸面３ａが後述するどのような形状であっても、上記したアスペクト比の定義を用いることができる。
【００４２】
図４は、凹凸シート３の平面図である。図４において、凹凸面３ａのうち、凹凸部を３ａ１とし、凹凸部３ａ１以外の平面部を３ａ２とすると、凹凸面３ａにおいて平面部３ａ２が占める割合Ｓは、凹凸部３ａ１の面積をＳ１（ｃｍ２）とし、平面部３ａ２の面積をＳ２（ｃｍ２）として、Ｓ＝（Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２））で表される。例えば、図４のように、楕円半球の外周（平面視で円形）が互いに接するように各楕円半球を２次元的に配置した場合、Ｓは約０．０９（９％）となる。
【００４３】
図５は、参考例であって、屈折率が基板１４と同じ凹凸シート３’に光が略垂直に入射した場合の、凹凸シート３’内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。図５において、凹凸シート３’の屈折率をｎ１とし、楕円半球での屈折によって入射光が偏向される偏向角度をθ１とする。偏向角度θ１は、図５に示すように、楕円形状の凹凸面３ｂに対する入射角がほぼ９０°となる部分に光が入射したときに最大となる。つまり、偏向角度θ１の最大値は、スネルの法則より、
１・ｓｉｎ（９０°）＝ｎ１・ｓｉｎ（９０°−θ１）
を満足する値となる。したがって、例えば、ｎ１＝１．５とすると、偏向角度θ１の最大値は、約４８°となる。
【００４４】
つまり、図５のように凹凸面３ｂが楕円半球を２次元的に配置して形成される場合は、凹凸シート３’に略垂直に入射した光は、凹凸シート３’によって０〜４８°の角度に偏向される（偏向角度は凹凸面に対する入射位置によって変化する）。
【００４５】
図６は、本実施形態のように、屈折率が基板１４よりも大きい凹凸シート３に光が略垂直に入射した場合の、凹凸シート３内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。図６において、凹凸シート３の屈折率をｎ２とし、楕円半球での屈折によって入射光が偏向される偏向角度をθ２とする。偏向角度θ２は、図６に示すように、楕円形状の凹凸面３ａに対する入射角がほぼ９０°となる部分に光が入射したときに最大となる。つまり、偏向角度θ２の最大値は、スネルの法則より、
１・ｓｉｎ（９０°）＝ｎ２・ｓｉｎ（９０°−θ２）
を満足する値となる。したがって、例えば、ｎ２＝１．８とすると、偏向角度θ２の最大値は、約５６°となる。
【００４６】
つまり、ｎ１＜ｎ２の場合、θ１＜θ２となり、凹凸シート３の屈折率が高いと、入射光を大きく偏向できることになる。なお、凹凸面３ａが、円錐、四角錐、プリズム形状の場合は、略垂直入射光は、０〜５６°の範囲の中の１つの角度に偏向される（偏向角度は１つの角度に集中する）が、この点については後述する。
【００４７】
図７は、図６の凹凸シート３を基板１４上に設置して、凹凸シート３に光が略垂直に入射した場合の、凹凸シート３および基板１４の内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。図７において、凹凸シート３の屈折率をｎ２（＝１．８）とし、楕円半球での屈折によって入射光が偏向される偏向角度をθ２とし、基板１４の屈折率をｎ１（＝１．５）とし、基板１４内での光の偏向角度をθ３とする。偏向角度θ２の最大値は、図６の場合と同じ（約５６°）であり、また、スネルの法則より、
ｎ２・ｓｉｎθ２＝ｎ１・ｓｉｎθ３
が成り立つ。この式より、基板１４内での偏向角度θ３の最大値は、約８４°となる。つまり、基板１４の屈折率ｎ１が凹凸シート３の屈折率よりも低いため、基板１４内での偏向角度θ３の最大値は、偏向角度θ２の最大値よりも大きくなる。
【００４８】
なお、図示はしないが、基板１４の屈折率が凹凸シート３の屈折率よりも高い場合は、上記とは逆に、基板１４内での偏向角度θ３の最大値は、偏向角度θ２の最大値よりも小さくなることは、スネルの法則より明らかである。
【００４９】
以上のことから、基板１４よりも屈折率の高い凹凸シート３を基板１４上に設置することにより、入射光を基板１４内で大きく偏向できると言える。これにより、発電層１２での光の吸収量を増大させることができ、しかも、その効果を従来よりも高めることができる。ここで、発電層１２の光の吸収量を増大させる効果は、発電層１２が薄いほど高くなる。以下、発電層１２の厚さと吸収量との関係について説明する。
【００５０】
図８は、発電層１２が薄い場合（例えば層厚１００ｎｍ）と厚い場合（例えば層厚３００ｎｍ）とにおける、発電層１２での光の吸収量の入射角依存性を示すグラフである。なお、図８において、縦軸の短絡電流密度Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ２）とは、太陽電池の単位面積あたりで発生する短絡電流（太陽電池の正極と負極とを導線で接続して短絡した状態での電流）を指す。発電層１２での光の吸収量と短絡電流密度Ｊｓｃとは対応関係にあり、発電層１２での吸収量が増大すると、短絡電流密度Ｊｓｃも増大することになる。
【００５１】
図８より、発電層１２を十分に厚くすると、内部角度にあまり依存せずに、発電層１２にて吸収が最大限行われるが、発電層１２が薄く、１回で光を吸収しきれない厚さの場合は、発電層１２に対して斜めに入射すると、発電層１２の内部を光が斜め方向に伝搬するため、吸収量が増える。発電層１２が薄い場合は、入射角が約６０°付近で短絡電流密度Ｊｓｃ（吸収量）が最大となり、垂直入射（入射角０°）に比べて約１．３倍多いことがわかる。
【００５２】
ここで、図５で示したように、基板１４と同じ屈折率（例えば１．５）の凹凸シート３’を用いた構成では、上述したように、最大で約４８°しか光を偏向することができず、１回の偏向で６０°（発電層１２が薄い場合に吸収量が最大となる角度）に偏向することはできない。このため、発電層１２が薄い場合は、発電層１２での１回の吸収量を増大させることはできない。
【００５３】
しかし、図７で示したように、凹凸シート３の屈折率を１．８にして、基板の屈折率（１．５）よりも高くすることにより、基板１４内での偏向角度を０°〜８４°にすることができ、これには吸収量が最大となる偏向角度６０°が含まれる。したがって、凹凸シート３の形状設計（例えばアスペクト比）を工夫して、発電層１２に対する入射角が約６０°付近となるように、多くの光を偏向することにより、発電層１２に１回目に入射する光の吸収量を増大させる可能となる。
【００５４】
なお、発電層１２が厚い場合、図８より、発電層１２への斜め入射による吸収量の増加の度合いが、発電層１２が薄い場合に比べると小さいが、斜め入射によって垂直入射よりも吸収量が増大することに変わりはない。したがって、発電層１２の厚さが、入射光の１回の吸収量が垂直入射（入射角０°）のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さであれば、屈折率の高い凹凸シート３によって、垂直入射のときよりも発電層１２での吸収量が多くなるような角度に入射光を偏向させて、発電層１２での吸収量を増大させることができると言える。
【００５５】
（２回目以降に発電層１２に入射する光の吸収量の増大について）
図９は、屈折率が１．５の凹凸シート３’の内部における、発電層１２にて吸収されずに反射された光Ｌ３の光路を示す説明図である。光Ｌ３は、凹凸シート３’の凹凸面３ｂに入射し、その凹凸面３ｂの構造によって、スネルの法則により屈折して透過する光Ｌ５と、反射する光Ｌ４に分けられる。
【００５６】
これに対して、図１０は、屈折率が１．８の凹凸シート３の内部における、発電層１２にて吸収されずに反射された光Ｌ３の光路を示す説明図である。光Ｌ３は、凹凸シート３の凹凸面３ａに入射し、その凹凸面３ａの構造によって、スネルの法則により屈折して透過する光Ｌ５と、反射する光Ｌ４に分けられる。このとき、凹凸シート３の屈折率が１．８と高いため、凹凸面３ａに入射した光Ｌ３のうち、凹凸面３ａでの全反射条件を満たす光が増大する。凹凸面３ａの凸形状の内部で全反射を繰り返した光は、最終的に、基板１４および発電層１２側へ戻る光Ｌ４となる。
【００５７】
ここで、凹凸面３ａを有する凹凸シート３では、凹凸面３ａに基板１４側から入射した光が反射する割合（反射率Ｒ）が、凹凸シート３の屈折率ｎの関数（Ｒ＝１−１／ｎ２）で大まかに表されることが数値計算等で判明した。つまり、図１１は、凹凸シート３の屈折率ｎと、基板１４側から入射した光の凹凸面３ａでの反射率Ｒとの関係を示している。凹凸シート３の凹凸形状（楕円半球、円錐、四角錐）によって多少の数値の違いはあるものの、それぞれの構造にて、屈折率ｎが高くなると反射率Ｒが高くなる傾向が見られた。しかも、屈折率ｎと反射率Ｒとの関係は、Ｒ＝１−１／ｎ２の関数に漸近しており、凹凸シート３の屈折率ｎが高いほうが、反射率Ｒが高くなって、発電層１２に２回目に入射する光が増大することがわかった。
【００５８】
（まとめ）
以上、太陽電池１において、凹凸シート３の屈折率が発電素子２の最も凹凸シート３側に位置する層（上記の例では基板１４）の屈折率よりも高いことにより、凹凸シート３から発電素子２に入射する光の入射角を増大させることができ、１回目に発電層１２に入射する光を、発電層１２での吸収量が多い入射角（発電層１２が吸収しやすい入射角）に偏向することができる。これにより、１回目に入射する光の発電層１２での吸収量を増大させる効果を高めることができる。特に、発電層１２が薄い場合には、垂直入射よりも斜め入射のほうが発電層１２での吸収量が顕著に増大するため、上述した効果がさらに高まる。
【００５９】
また、凹凸シート３の屈折率が高いことにより、入射光が１回目に発電層１２で吸収されずにそこで反射されたとしても、その反射された光が凹凸シート３の凹凸面３ａで全反射する割合（反射率Ｒ）が増大するため、上記光を発電層１２側に戻す閉じ込め効果を高めることができる。その結果、２回目以降に発電層１２に入射する光の吸収量を増大させて、トータルでの光の利用効率（発電効率）を確実に増大させることができる。
【００６０】
なお、図１１で示した凹凸シート３の屈折率ｎと反射率Ｒとの関係により、屈折率ｎが高いほど反射率Ｒが多くなるため、上記の閉じ込め効果は、凹凸シート３の屈折率ｎが高いほど大きいと言える。
【００６１】
また、発電素子２において、基板１４が最も凹凸シート３側に位置している構成において、凹凸シート３の屈折率が基板１４の屈折率よりも高いので、そのような構成の太陽電池１において、上述した効果を得ることができる。
【００６２】
また、発電層１２は、図８で示したように、入射光の１回の吸収量が垂直入射のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さを有しているので、発電層１２での吸収量を増大させるべく、屈折率の高い凹凸シート３を設けて、発電素子２に対して入射光を斜めに入射させる本実施形態の構成が非常に有効となる。
【００６３】
（補足）
凹凸シート３の凹凸面３ａの高さｈを増大させると、凹凸面３ａを介して発電層１２に入射する光の入射角を増大させることができる。したがって、凹凸シート３の屈折率の調節と併せて、凹凸面３ａの高さの調節を行うことにより、偏向角度を効率よく、発電層１２での１回の吸収量が多い入射角に合わせることができる。
【００６４】
また、例えば、凹凸シート３の屈折率によっては、凹凸シート３にて１回で偏向できる角度が、発電層１２での１回の吸収量が多い入射角（例えば６０°）に届かない場合もある。このような場合でも、凹凸面３ａの高さを調節することで、屈折率のさらに大きな凹凸シート３で代替することなく、偏向角度を発電層１２での１回の吸収量が多い入射角に合わせることができる。
【００６５】
（反射防止機構について）
凹凸シート３の屈折率を基板１４よりも高くする利点は上述の通りであるが、凹凸シート３の屈折率を高くすると、外部から凹凸シート３に光が入射する場合の表面反射（フレネル反射）による損失（光利用効率の低下）が考えられる。そこで、図１２および図１３に示すように、凹凸シート３の凹凸面３ａに、入射光の表面反射を防止するための反射防止機構２０を設けることが望ましい。
【００６６】
図１２は、反射防止機構２０を反射防止膜２１で構成した場合の凹凸シート３の断面図であり、図１３は、反射防止膜２０を反射防止構造２２で構成した場合の凹凸シート３の断面図である。反射防止膜２１は、凹凸面３ａの表面にコーティングされる誘電体多層膜である。反射防止構造２２は、凹凸面３ａの表面をさらに凹凸状に粗面化した構造である。このような反射防止構造２２は、凹凸面３ａの表面に形成される凹凸が一方向（例えば凹凸シート３と基板１４との界面に垂直な方向）を向くものであれば、凹凸シート３の成形時に用いる金型の形状を工夫することにより、実現することができる。
【００６７】
このように、凹凸シート３の凹凸面３ａに反射防止機構２０が設けられていることにより、凹凸面３ａでの表面反射による光の損失（フレネル損失）を低減して、発電層１２での入射光量および吸収量を増大させ、光利用効率（発電効率）を高めることができる。
【００６８】
また、反射防止機構２０を反射防止膜２１または反射防止構造２２で構成することにより、凹凸面３ａでのフレネル損失を確実に低減して、光利用効率を確実に高めることができる。
【００６９】
また、特に太陽光発電では、非常に広い波長領域、入射角度において反射防止効果を高める必要があるが、反射防止膜２１では、広い波長域で反射防止効果を高めるためには、膜構成（材料、層数など）が複雑になる。この点、反射防止構造２２では、反射防止構造２２を構成する凹部または凸部の形成ピッチおよび高低差を、利用波長、すなわち、発電層１２にて光電変換される光の波長域（例えば４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の最短波長よりも短くすることで（例えばピッチ２００ｎｍ以下、高低差２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満）、入射光の波長域が広く、入射角度範囲が広い場合でも、フレネル損失を低減する効果を得ることができる。したがって、反射防止機構２０としては、反射防止構造２２を用いることが望ましい。
【００７０】
（実施例）
次に、太陽電池１の発電層１２の厚さ、凹凸シート３の有無、凹凸シート３の屈折率、反射防止構造２２の有無と、発電層１２で発生する短絡電流密度との関係について、実施例１〜４として説明する。また、実施例１〜４との比較のため、比較例１〜３も併せて示す。なお、凹凸シート３の凹凸面３ａは、いずれも、楕円半球の２次元配置によって形成されているものとした。また、凹凸シート３が設置される基板１４の屈折率は、いずれも１．５２とした。
【００７１】
【表１】
【００７２】
比較例１および２、実施例１および２は、発電層１２の厚さが１００ｎｍと薄い場合の結果を示している。一方、比較例３、実施例３および４は、発電層１２の厚さが３００ｎｍと比較的厚い場合の結果を示している。これらの比較例および実施例から、発電層１２が厚い場合でも、薄い場合でも、基板（屈折率；１．５２）よりも高い屈折率の凹凸シート３を設けることで、短絡電流密度が増大し、反射防止構造２２を設けることにより、短絡電流密度がさらに増大することがわかった。
【００７３】
（凹凸面の形状のバリエーションについて）
図１４〜図２０は、凹凸シート３の凹凸面３ａの形状のバリエーションを示すものであって、いずれも、（ａ）は凹凸シート３の断面図を示し、（ｂ）は凹凸シート３の平面図を示している。凹凸シート３の凹凸面３ａの形状は、楕円半球の２次元配置によって形成されるものに限定されるわけではない。
【００７４】
つまり、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、断面が真円の半球を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、円錐を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１６（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、四角錐を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１７（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、円錐台を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１８（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、四角錐台を２次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図１９（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、一方向に伸びたプリズム（例えば断面三角形の三角プリズム）を並列に設けることによって形成されていてもよい。また、図２０（ａ）（ｂ）に示すように、凹凸面３ａは、一方向に伸びたシリンドリカルレンズを並列に設けることによって形成されていてもよい。
【００７５】
上記したいずれの構成であっても、凹凸面３ａの高さ（凹部と凸部との高低差）を適切に設定することにより、外部から入射する光を凹凸面３ａで大きく偏向させて、発電層１２に対して斜めに入射させ、発電層１２での吸収量を高める効果を増大させることができる。また、
【００７６】
また、図２１は、凹凸面３ａが半球形状である場合に、凹凸シート３に垂直に入射して発電層１２に入射する光の入射角ごとの相対的な比率（配光分布）を示している。ここでは、上記の半球形状として、断面が真円の半球と断面が楕円の半球との両者について示す。
【００７７】
凹凸面３ａが半球形状である場合、入射光の凹凸面３ａに対する入射位置によって屈折方向が異なるため、図２１に示すように、発電層１２に入射する光の入射角に分布を持たせることができる。これにより、広い入射角範囲で発電層１２に光を入射させて、発電層１２での吸収量を上げることが可能となる。
【００７８】
また、図２２は、凹凸面３ａが円錐形状である場合に、凹凸シート３に垂直に入射して発電層１２に入射する光の入射角ごとの相対的な比率（配光分布）を示している。図２２に示すように、凹凸面３ａを円錐で形成した場合には、発電層１２に対する光の入射角がほぼ１つの角度に集中する。つまり、凹凸面３ａでの屈折により、入射光を１つの方向に集中して偏向することができる。しかも、凹凸面３ａのアスペクト比ａ（＝ｈ／ｄ）を変えることで、集中する入射角を変えることができる。これにより、上述した凹凸シート３の屈折率の調節と併せて、発電層１２にて吸収量が多い入射角に合うように、凹凸面３ａのアスペクト比ａを設定することで、発電層１２での光の吸収効率を上げることが可能となる。
【００７９】
なお、このような効果は、凹凸面３ａが円錐以外の錐系（例えば四角錐）で形成されている場合や、プリズムの並列配置によって形成されている場合でも、同様に得ることができる。
【００８０】
なお、図２１および図２２において、入射角０°における比率が高いのは、凹凸面３ａが平面部（図４の平面部３ａ２に相当）を有していることに起因する。つまり、半球や円錐を２次元的に並べて凹凸面３ａを形成すると、いくらこれらを密に並べても、隣接する半球や円錐間には凹凸が生じない平面部ができる。この平面部に光が垂直に入射すると、その光は平面部にて偏向されずに、発電層１２に垂直に（入射角０°で）入射する。このため、図２１および図２２では、入射角０°における比率が高くなっている。
【００８１】
なお、以上では、凹凸面３ａの形状が、半球凸形状（楕円半球凸形状、真円半球凸形状）、円錐凸形状、四角錐凸形状、円錐台凸形状、四角錐台凸形状、プリズム凸形状、シリンドリカル凸形状である場合について説明したが、上記とは逆の凹凸形状、つまり、半球凹形状（楕円半球凹形状、真円半球凹形状）、円錐凹形状、四角錐凹形状、円錐台凹形状、四角錐台凹形状、プリズム凹形状、シリンドリカル凹形状であっても、凸形状の場合と同様の傾向を示す。
【００８２】
したがって、以上のことを総合すると、凹凸シート３の凹凸面３ａは、発電素子２とは反対側に凸または発電素子２側に凹となる単位構造を２次元的に配置することによって形成されており、上記の単位構造は、楕円半球を含む半球、円錐、四角錐、円錐台、四角錐台のいずれかの形状であってもよいと言える。また、凹凸シート３の凹凸面３ａは、発電素子２とは反対側に凸または発電素子２側に凹となる単位構造を並列に配置することによって形成されており、上記の単位構造は、プリズムまたはシリンドリカルレンズの形状であってもよいと言える。
【００８３】
なお、凹凸面３ａの平面部の面積、つまり、凹凸面３ａにおける基板１４と平行な面の面積は小さいほうが望ましい。これは、平面部の面積が小さいほうが、光発電層１２に対する垂直入射光の割合が減って、凹凸面３ａ全体としての偏向効果が高くなり、発電効率もよりよくなるためである。
【００８４】
（太陽電池の他の構成について）
図２３は、太陽電池１の他の構成を示す説明図である。太陽電池１の発電素子２は、以下の構成であってもよい。すなわち、発電素子２は、上記の基板１４上に、裏面電極１１、発電層１２、透明電極１３、保護層１５の各層をこの順で積層して構成されてもよい。そして、凹凸シート３は、保護層１５上に設置されてもよい。
【００８５】
つまり、この太陽電池１では、発電層１２に対して基板１４とは反対側で、発電素子２の最も凹凸シート３側に、保護層１５が位置している。保護層１５は、発電層１２を保護するための光透過性のラミネート層であり、例えばＥＶＡ樹脂（Ethylene-Vinyl Acetate ）やＥＴＦＥ樹脂（Ethylene tetrafluoroethylene）で構成されている。
【００８６】
なお、基板１４は、ガラス基板のほかに可撓性を有するフレキシブル基板で構成されていてもよい。また、裏面電極１１は、ＩＴＯなどを材料とする透明電極で構成されていてもよい。
【００８７】
発電素子２が上記のように構成される場合、凹凸シート３の屈折率は、発電素子２の最も凹凸シート３側に位置する保護層１５の屈折率よりも高く設定されていればよい。例えば、保護層１５が、上記したＥＴＦＥ（屈折率；１．４２）やＥＶＡ（屈折率；１．４８２）で構成されている場合、凹凸シート３としては、例えばＰＣ（屈折率１．５９）やエポキシ樹脂（屈折率；１．５５〜１．６１）用いることができ、その他、高屈折率（屈折率；１．８）の樹脂（例えば高屈折率を有する無機（ＴｉＯ２など）微粒子を含有する有機無機混合材）を用いることもできる。
【００８８】
このように、発電素子２の最も凹凸シート３側に保護層１５を位置させて、この保護層１５上に凹凸シート３を設置する構成の太陽電池１においても、凹凸シート３の屈折率を保護層１５の屈折率よりも高く設定することにより、上述した本実施形態の効果を得ることができる。すなわち、凹凸シート３によって入射光の偏向角度を増大させて、１回目に発電層１２に入射する光の吸収量を増大させる効果を高めることができる。また、発電層１２に入射してそこで反射された光の凹凸面３ａでの反射率を増大させて、上記光の閉じ込め効果を高めることができ、２回目以降に発電層１２に入射する光の吸収量を増大させて、トータルでの光の利用効率を確実に増大させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、有機薄膜太陽電池に利用可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１ 太陽電池（有機薄膜太陽電池）
２ 発電素子
３ 凹凸シート
３ａ 凹凸面
１２ 発電層
１４ 基板
１５ 保護層
２０ 反射防止機構
２１ 反射防止膜
２２ 反射防止構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機薄膜からなる発電層を含む複数の層を積層した発電素子と、
前記発電素子の光入射側の面に設置され、前記発電素子とは反対側の表面が凹凸面である凹凸シートとを備えた有機薄膜太陽電池であって、
前記凹凸シートの屈折率は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置する層の屈折率よりも高いことを特徴とする有機薄膜太陽電池。
【請求項２】
前記発電素子は、前記発電層を支持するための光透過性の基板を、前記複数の層のうちの１つの層として含んでおり、
前記基板は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、
前記凹凸シートの屈折率は、前記基板の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項３】
前記発電素子は、前記発電層を支持するための基板と、前記発電層に対して前記基板とは反対側に位置して、前記発電層を保護する光透過性の保護層とを、それぞれ前記複数の層のうちの１つの層として含んでおり、
前記保護層は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、
前記凹凸シートの屈折率は、前記保護層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項４】
前記発電層は、入射光の１回の吸収量が垂直入射のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項５】
前記凹凸シートの前記凹凸面には、入射光の表面反射を防止するための反射防止機構が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項６】
前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面にコーティングされる誘電体多層膜からなる反射防止膜であることを特徴とする請求項５に記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項７】
前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面を粗面化した反射防止構造で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項８】
前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を２次元的に配置することによって形成されており、
前記単位構造は、楕円半球を含む半球、円錐、四角錐、円錐台、四角錐台のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項９】
前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を並列に配置することによって形成されており、
前記単位構造は、プリズムまたはシリンドリカルレンズの形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項１】
有機薄膜からなる発電層を含む複数の層を積層した発電素子と、
前記発電素子の光入射側の面に設置され、前記発電素子とは反対側の表面が凹凸面である凹凸シートとを備えた有機薄膜太陽電池であって、
前記凹凸シートの屈折率は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置する層の屈折率よりも高いことを特徴とする有機薄膜太陽電池。
【請求項２】
前記発電素子は、前記発電層を支持するための光透過性の基板を、前記複数の層のうちの１つの層として含んでおり、
前記基板は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、
前記凹凸シートの屈折率は、前記基板の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項３】
前記発電素子は、前記発電層を支持するための基板と、前記発電層に対して前記基板とは反対側に位置して、前記発電層を保護する光透過性の保護層とを、それぞれ前記複数の層のうちの１つの層として含んでおり、
前記保護層は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、
前記凹凸シートの屈折率は、前記保護層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項４】
前記発電層は、入射光の１回の吸収量が垂直入射のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項５】
前記凹凸シートの前記凹凸面には、入射光の表面反射を防止するための反射防止機構が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項６】
前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面にコーティングされる誘電体多層膜からなる反射防止膜であることを特徴とする請求項５に記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項７】
前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面を粗面化した反射防止構造で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項８】
前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を２次元的に配置することによって形成されており、
前記単位構造は、楕円半球を含む半球、円錐、四角錐、円錐台、四角錐台のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
【請求項９】
前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を並列に配置することによって形成されており、
前記単位構造は、プリズムまたはシリンドリカルレンズの形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１３−９８５１８（Ｐ２０１３−９８５１８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４３２５６（Ｐ２０１１−２４３２５６）
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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