薄膜光電変換装置
【課題】アップコンバージョン材料を利用することで、変換した光の利用効率を高め、さらに直列抵抗成分を増加させないようにした薄膜光電変換装置を得ること。
【解決手段】絶縁性透明基板１上に、透明導電層２、光電変換層３２、４２、６２、透明導電層７、および裏面反射電極層９が順に積層された薄膜光電変換装置であって、透明導電層７と裏面反射電極層９との間に、波長変換層８を有し、波長変換層８は、絶縁性透明基板１から入射して光電変換層３２、４２、６２を通過した光の波長をより短い波長に変換する材料を含有し、かつ、層内に透明導電層７と裏面反射電極層９とを電気的に接続する導電部１０を有する。
【解決手段】絶縁性透明基板１上に、透明導電層２、光電変換層３２、４２、６２、透明導電層７、および裏面反射電極層９が順に積層された薄膜光電変換装置であって、透明導電層７と裏面反射電極層９との間に、波長変換層８を有し、波長変換層８は、絶縁性透明基板１から入射して光電変換層３２、４２、６２を通過した光の波長をより短い波長に変換する材料を含有し、かつ、層内に透明導電層７と裏面反射電極層９とを電気的に接続する導電部１０を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜太陽電池等の薄膜光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池の低コスト化、高効率化を両立するために薄膜太陽電池の開発が精力的になされており、多接合型薄膜光電変換装置が注目されている。一般に、多接合型の光電変換装置の構成には透明導電層、光電変換層、導電型層、中間層、および裏面反射電極層が含まれ、光電変換層における入射光の一次吸収、中間層、裏面反射電極層等による反射光の高次吸収によって発電が行なわれている。
【０００３】
しかしながら、光電変換層に用いる材料または結晶性によっては、入射光スペクトルに対して十分に光を吸収しない場合がある。例えば、光電変換層に非晶質シリコンや微結晶シリコンを用いた場合、入射光の内、可視光付近の領域に対する吸収は顕著であるが、紫外光や、赤外光の一部を除く領域に対する吸収は、その材料や結晶性等に起因して入射光を十分に吸収しない。このため、光電変換層における非吸収の光が生じ、多接合型光電変換装置の光電変換効率の向上を図る上で考慮すべき項目であった。
【０００４】
一方、特許文献１では、赤外の一部を除く領域の光を可視付近の領域の光に変換する組成物に関する取り組みがなされており、低励起（照射）強度かつ常温で効率的なアップコンバージョン作用を示す材料及び組成物が開示されている。この材料及び組成物は、組成物の感光体として機能し、第１の波長域ｗ≦λ１≦ｘにてエネルギを吸収する第１成分と、組成物の発光体として機能し、第２の波長域ｙ≦λ２≦ｚにてエネルギを吸収する第２成分との少なくとも２つの成分を含み、λ２≦λ１であり、第１の成分による第１の波長域λ１におけるエネルギ吸収時に、第２の成分が第２の波長域λ２にてエネルギを放出し、第１の成分及び／又は第２の成分が有機化合物である。このような材料及び組成物の用途として、「光起電力素子、特に太陽電池、あるいはＬＥＤ等におけるラベルであることを特徴とするアップコンバージョン装置」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−４９８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
薄膜光電変換装置は、光電変換層、導電層の厚みが薄いため、光電変換効率向上には、光の利用効率を上げることと、導電層の電気抵抗を低下させることが特に重要である。しかしながら、特許文献１には、上記材料及び組成物の太陽電池への応用に関する記載はあるが、どのように応用するかについての具体的な構造は示されていない。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アップコンバージョン材料を利用することで、変換した光の利用効率を高め、さらに直列抵抗成分を増加させないようにした薄膜光電変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、透光性基板上に、第１透明導電層、光電変換層、第２透明導電層、および裏面反射電極層が順に積層された薄膜光電変換装置であって、前記第２透明導電層と前記裏面反射電極層との間に、波長変換層を有し、前記波長変換層は、前記透光性基板から入射して前記光電変換層を通過した光の波長をより短い波長に変換する材料を含有し、かつ、層内に前記第２透明導電層と前記裏面反射電極層とを電気的に接続する導電部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第２透明導電層と裏面反射電極層の間に、透光性基板から入射して光電変換層を通過した光の波長をより短い波長に変換する材料を含有する波長変換層を有するので、光電変換層で吸収されずに通過した波長の光を、吸収されやすい波長の光に変換し、光電変換層側に反射吸収させることができ、よって、変換した光の利用効率が向上し、この際、導電部によって裏面反射電極層と電気的に接続された第２透明導電層が光電変換層の背面側に設置されているので、光電変換層から電力を取り出す際の直列抵抗成分を低減させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。
【図２】図２は、実施の形態２にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。
【図３】図３は、実施の形態３にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。
【図４】図４は、実施の形態４にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明にかかる薄膜光電変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態に示す薄膜光電変換装置の断面図は、模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。本実施の形態１にかかる多接合型薄膜光電変換装置は、絶縁性透明基板１上に、透明導電層２、前方光電変換セル３、中間光電変換セル４、中間層５、後方光電変換セル６、透明導電層７、波長変換層８、および裏面反射電極層９を順次積層させた三接合型光電変換装置である。なお、図１は、絶縁性透明基板１側より光が入射するものとし、前述の積層構造からなるが、本発明は接合数に特に限定は無く、単一の光電変換装置、例えば多結晶シリコンや薄膜非晶質シリコンからなる光電変換装置や、二接合以上の光電変換装置、例えば非晶質シリコンと微結晶シリコンからなる二接合光電変換装置、さらにはこれに非晶質シリコンゲルマニウムを加えた三接合光電変換装置にも適用する場合などが挙げられるが、組合せはこの限りではない。また、波長変換層８が非晶質シリコンなどからなる単層の光電変換装置であってもよい。
【００１３】
透光性基板である絶縁性透明基板１には、ガラス、樹脂フィルム等が用いられる。この絶縁性透明基板１上にＳｎＯ２やＺｎＯ等からなる第１透明導電層である透明導電層２がＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが望ましい。なお、透明導電層２は、入射光の散乱を増大させる凹凸構造を有することが望ましい。
【００１４】
また、前方光電変換セル３、中間光電変換セル４、および後方光電変換セル６は、それぞれｐｉｎ接合を有するものである。すなわち、前方光電変換セル３は、導電型層３１と光電変換層３２と導電型層３３とからなり、中間光電変換セル３は導電型層４１と光電変換層４２と導電型層４３とからなり、後方光電変換セル６は、導電型層６１と光電変換層６２と導電型層６３とからなる。この場合、前方光電変換セル３に相対的にバンドギャップの広い材料、例えば非晶質シリコンを用い、後方光電変換セル６に相対的にバンドギャップの狭い材料、例えば微結晶シリコンや微結晶シリコンゲルマニウムを用いることが好ましい。
【００１５】
中間層５は、低屈折率を有し、所望の波長に対して高透過率、高反射率を持ち、かつ、導電性を併せ持つ薄膜である。例えば、屈折率が１．５〜２．５程度、膜厚が２０〜１００ｎｍ程度で、図１のような光電変換装置を形成した場合にも、中間層５による電気的損失が無く、中間層５よりも入射側にある光電変換セル３、４へ所望の波長の光を反射させ、それと反対側にある光電変換セル６へ所望の波長の光を透過させる薄膜である。
【００１６】
裏面反射電極層９は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属薄膜がスパッタ法、蒸着法によって形成されることが好ましい。なお、光電変換セル６と裏面反射電極層９との間にＳｎＯ２やＺｎＯ等からなる第２透明導電層であるの透明導電層７を形成することが好ましい。
【００１７】
本実施の形態１の波長変換層８は、図１の三接合型光電変換装置を背面側に通過した光の一部を、波長の短い光に変換するアップコンバージョン作用を持つ。これにより、前方光電変換セル３、中間光電変換セル４、および後方光電変換セル６で吸収可能な波長の光を発生させることができる。よって、これまでの多接合型光電変換装置では利用不可能であった波長域を有効利用することで光電変換効率を向上させることができる。
【００１８】
この波長変換層８は、例えば、特許文献１中に示されたような有機材料や、アップコンバージョン作用を有する無機材料等である。たとえば、２光子吸収の特性を有する色素としてポルフィリンやフタロシアニンなどの化合物、およびフルオレン系などの発光ポリマーを有するものであってもよい。また、Ｅｒなどの希土類元素をＹ２Ｏ３、ＹＡＯ３、ＹＦ３などに添加して得られる焼結粒子であってもよい。シリコンを主成分とする薄膜光電変換装置では裏面側に８００〜１２００ｎｍの波長の光が比較的透過するので、これらの波長域にある光をシリコンが吸収しやすい４００〜７００ｎｍに変換するものであることが望ましい。これらのアップコンバージョン材料は、アクリル樹脂やシリコーン樹脂などの透明なポリマーなどの材料中に分散してもよい。適当な溶媒で溶液として、スパッタ法、印刷法、スプレー塗布法等によって形成することができる。
【００１９】
薄膜光電変換装置は、光電変換層６２、透明導電層７の厚みが薄いため、光電変換効率向上には、光の利用効率を上げだけでなく、透明導電層７の電気抵抗を低下させることが特に重要である。本実施の形態１では、波長変換層８を透明導電層７の背面側に配置して、波長変換した光を含む反射光を光電変換に利用するので利用効率を向上させることができる。一方、透明導電層７の電気抵抗の増加を防止のために透明導電層７を厚くすると、近赤外領域など長波長側の光が透明導電層７によって吸収され、反射光の利用効率が減少してしまう。そこで、本実施の形態１では、透明導電層７をある程度薄くしても電気抵抗を低下できる構造として、波長変換層８は層内に透明導電層７と裏面反射電極層９とを電気的に接続する導電部１０を形成した。透明導電層７は、少し抵抗が高くなるが、導電部１０によって裏面反射電極層９に電気的に接続されるので、光電変換層６２からの電力の取り出しが高効率に行える。
【００２０】
本実施の形態１では、図１に示すように、波長変換層８中に貫通部８ａを形成し、貫通部８ａに裏面反射電極層９の一部を入り込ませることで導電部１０を形成し、透明導電層７と裏面反射電極層９とが電気的に接する構造とした。なお、図１では波長変換層８中の貫通部８ａに裏面反射電極層９の一部が入り込むことで、透明導電層７と裏面反射電極層９とを直接接触させる導電部１０構造としているので最も簡単であるが、貫通部８ａ中に別の導電材料を挿入させて導電部を形成するようにしてもよい。また、貫通部８ａに代えて、波長変換層８を複数の島状のパターンに分割して、その島状パターンの隙間で透明導電層７と裏面反射電極層９とを電気的に接続するようにしてもよい。
【００２１】
波長変換層８の貫通部８ａや島状パターンは、層状に塗布形成した膜を、マスクを利用してウェットあるいはドライエッチングにより形成できる。また、印刷法で直接パターンを加工した層を形成すると簡単に形成できる。
【００２２】
波長変換層８の厚みは、例えば、膜厚が１〜７５０ｎｍとなるようにしてもよい。下地となる層に対する波長変換層８の被覆率が概ね８０％以下であれば、透明導電層７と裏面反射電極層９との接続抵抗が低下するので望ましい。一方、波長変換の効率の観点からは、下地となる層に対する波長変換層８の被覆率が概ね５０％以上であることが好ましい。
【００２３】
また、波長変換層８の表面の凹凸が原子間力顕微鏡によって測定されるＲＭＳを指標として１〜５０ｎｍ、などの凹凸構造を有するようにすると、裏面反射電極層９での反射が散乱されるので反射光の利用効率が高まる。
【００２４】
実施の形態２．
図２は、本実施の形態２にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。本実施の形態２にかかる薄膜光電変換装置は、実施の形態１の場合と波長変換層８および裏面反射電極層９の形状が異なる。本実施の形態２では、波長変換層８は、表面が、球面や円筒面などの裏面側に凸曲面となる形状に形成されている。また、その上の裏面反射電極層９は、波長変換層８の表面形状に倣い、波長変換層８側に凹曲面９ａを有する形状に形成されている。このため、裏面反射電極層９の内側反射面は、反射した光を波長変換層８内に集光させる集光機能を有するものとなる。
【００２５】
波長変換層８は、例えば、有機材料や樹脂材料で形成される。このような波長変換層８の形状は、粒子が点在するように溶液を塗布噴霧して付着させると簡単に作成できる、また、離散した層状のパターンをマスク加工で形成した後に、熱処理で軟化することでエッジを滑らかにするなどの方法でも良い。
【００２６】
裏面反射電極層９は、このような波長変換層８上にスパッタ法などで製膜すると、波長変換層８の表面形状に沿って膜が付着するので、図２に示すような波長変換層８側に凹となる曲面形状となる。
【００２７】
このように裏面反射電極層９が波長変換層８側に凹曲面９ａを有し、表面側から入射して光電変換層６２を透過した光が、波長変換層８を経て、背後の凹曲面９ａで波長変換層８内に集光されるように反射される。すなわち、裏面反射電極層９で反射した光が再び波長変換層８を通過する際には、集光されているため、波長変換効率が向上する。凹曲面９ａが、例えば、球面や円筒面などの焦点を有する曲面の場合には、その焦点が波長変換層８内にあるようにすることがさらに望ましい。波長変換効率が向上することで、裏面反射電極層９によって反射される光の波長成分のうち、光電変換層６２で吸収されやすい波長成分を高めることが可能となるので、光電変換効率が向上する。
【００２８】
実施の形態３．
ついで、実施の形態３について説明する。赤外光を可視光に変換する材料として、二光子吸収によるものだけでなく、多段階の遷移型によって赤外可視変換する材料であってもよい。このような材料として、例えば特開２００５−８２７７０号公報によれば、数ミクロン程度の微小な粒径を有する赤外可視変換蛍光体が示されている。Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋などを含有する蛍光体では、励起状態にあるそれらのイオンが更に光を吸収してより高い励起準位に上がる多段階励起が生じ、これにより赤外を可視光に変換できる。このような材料からなる微細な粒子を絶縁性の透明な樹脂溶液中に分散させ、その液を印刷やスプレーで噴霧塗布により波長変換層を容易に形成することができる。多段階励起型だけでなく、アルカリ土類金属の硫化物あるいはセレン化物を主成分とした赤外輝尽蛍光体の細かい粉末を用いてもよい。
【００２９】
図３は、実施の形態３にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。実施の形態２の場合と波長変換層８および裏面反射電極層９の形状は同様であるが、本実施の形態３の波長変換層８は、透明な樹脂材料８ｃと硫化物などの蛍光体微粒子８ｂからなる。蛍光体微粒子８ｂは、樹脂材料８ｃ中に分散されており、実施の形態２の場合と同様に作成できる。蛍光体微粒子８ｂのサイズは、例えば、１〜５μｍである。
【００３０】
蛍光体微粒子８ｂは、一般に、角のある材料であるが、樹脂材料８ｃ中に分散したことにより、下地との接着力が良く、また、裏面反射電極層９の蛍光体微粒子８ｂ側に滑らかな凹曲面９ａを作成できる。このような凹曲面９ａによって集光性能が向上するので、実施の形態２の場合と同様に光電変換効率が向上する。
【００３１】
実施の形態４．
図４は、実施の形態４にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。本実施の形態４では、波長変換層８中に導電部となる導電性粒子１２を分散させた構成としたものである。導電性粒子１２は、金属粒子や透明導電材料からなる粒子である。例えば、１〜５μｍ程度の粒子としてもよい。このため、波長変換層８中に貫通穴や開口部を形成しなくても、導電性粒子１２により裏面反射電極層９と透明導電層７とを電気的に接続させることができる。
【００３２】
このように波長変換層８中に導電性粒子１２を分散させることで、製造が容易となる。また、導電性粒子１２が分散されることで、波長変換層８中での散乱作用が高まり、裏面反射電極層９で反射した光が、後方光電変換セル６（光電変換層６２）で吸収されやすくなり、光電変換効率が向上する。
【００３３】
なお、特に図示しないが、多光子吸収などの波長変換の現象は、光強度を高めると飛躍的に効率が高まるため、絶縁性透明基板１には、集光レンズ、集光ミラーなどで太陽光を集光させた光を入射するようにした太陽電池とするとさらによい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、光電変換層における入射光の一次吸収、裏面反射電極層等による反射光の高次吸収によって発電を行なう場合の光電変換効率の向上に有用である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 絶縁性透明基板
２ 透明導電層
７ 透明導電層
８ 波長変換層
９ 裏面反射電極層
９ａ 凹曲面
１０ 導電部
１２ 導電性粒子
３２，４２，６２ 光電変換層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜太陽電池等の薄膜光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池の低コスト化、高効率化を両立するために薄膜太陽電池の開発が精力的になされており、多接合型薄膜光電変換装置が注目されている。一般に、多接合型の光電変換装置の構成には透明導電層、光電変換層、導電型層、中間層、および裏面反射電極層が含まれ、光電変換層における入射光の一次吸収、中間層、裏面反射電極層等による反射光の高次吸収によって発電が行なわれている。
【０００３】
しかしながら、光電変換層に用いる材料または結晶性によっては、入射光スペクトルに対して十分に光を吸収しない場合がある。例えば、光電変換層に非晶質シリコンや微結晶シリコンを用いた場合、入射光の内、可視光付近の領域に対する吸収は顕著であるが、紫外光や、赤外光の一部を除く領域に対する吸収は、その材料や結晶性等に起因して入射光を十分に吸収しない。このため、光電変換層における非吸収の光が生じ、多接合型光電変換装置の光電変換効率の向上を図る上で考慮すべき項目であった。
【０００４】
一方、特許文献１では、赤外の一部を除く領域の光を可視付近の領域の光に変換する組成物に関する取り組みがなされており、低励起（照射）強度かつ常温で効率的なアップコンバージョン作用を示す材料及び組成物が開示されている。この材料及び組成物は、組成物の感光体として機能し、第１の波長域ｗ≦λ１≦ｘにてエネルギを吸収する第１成分と、組成物の発光体として機能し、第２の波長域ｙ≦λ２≦ｚにてエネルギを吸収する第２成分との少なくとも２つの成分を含み、λ２≦λ１であり、第１の成分による第１の波長域λ１におけるエネルギ吸収時に、第２の成分が第２の波長域λ２にてエネルギを放出し、第１の成分及び／又は第２の成分が有機化合物である。このような材料及び組成物の用途として、「光起電力素子、特に太陽電池、あるいはＬＥＤ等におけるラベルであることを特徴とするアップコンバージョン装置」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−４９８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
薄膜光電変換装置は、光電変換層、導電層の厚みが薄いため、光電変換効率向上には、光の利用効率を上げることと、導電層の電気抵抗を低下させることが特に重要である。しかしながら、特許文献１には、上記材料及び組成物の太陽電池への応用に関する記載はあるが、どのように応用するかについての具体的な構造は示されていない。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アップコンバージョン材料を利用することで、変換した光の利用効率を高め、さらに直列抵抗成分を増加させないようにした薄膜光電変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、透光性基板上に、第１透明導電層、光電変換層、第２透明導電層、および裏面反射電極層が順に積層された薄膜光電変換装置であって、前記第２透明導電層と前記裏面反射電極層との間に、波長変換層を有し、前記波長変換層は、前記透光性基板から入射して前記光電変換層を通過した光の波長をより短い波長に変換する材料を含有し、かつ、層内に前記第２透明導電層と前記裏面反射電極層とを電気的に接続する導電部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第２透明導電層と裏面反射電極層の間に、透光性基板から入射して光電変換層を通過した光の波長をより短い波長に変換する材料を含有する波長変換層を有するので、光電変換層で吸収されずに通過した波長の光を、吸収されやすい波長の光に変換し、光電変換層側に反射吸収させることができ、よって、変換した光の利用効率が向上し、この際、導電部によって裏面反射電極層と電気的に接続された第２透明導電層が光電変換層の背面側に設置されているので、光電変換層から電力を取り出す際の直列抵抗成分を低減させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。
【図２】図２は、実施の形態２にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。
【図３】図３は、実施の形態３にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。
【図４】図４は、実施の形態４にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明にかかる薄膜光電変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態に示す薄膜光電変換装置の断面図は、模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。本実施の形態１にかかる多接合型薄膜光電変換装置は、絶縁性透明基板１上に、透明導電層２、前方光電変換セル３、中間光電変換セル４、中間層５、後方光電変換セル６、透明導電層７、波長変換層８、および裏面反射電極層９を順次積層させた三接合型光電変換装置である。なお、図１は、絶縁性透明基板１側より光が入射するものとし、前述の積層構造からなるが、本発明は接合数に特に限定は無く、単一の光電変換装置、例えば多結晶シリコンや薄膜非晶質シリコンからなる光電変換装置や、二接合以上の光電変換装置、例えば非晶質シリコンと微結晶シリコンからなる二接合光電変換装置、さらにはこれに非晶質シリコンゲルマニウムを加えた三接合光電変換装置にも適用する場合などが挙げられるが、組合せはこの限りではない。また、波長変換層８が非晶質シリコンなどからなる単層の光電変換装置であってもよい。
【００１３】
透光性基板である絶縁性透明基板１には、ガラス、樹脂フィルム等が用いられる。この絶縁性透明基板１上にＳｎＯ２やＺｎＯ等からなる第１透明導電層である透明導電層２がＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが望ましい。なお、透明導電層２は、入射光の散乱を増大させる凹凸構造を有することが望ましい。
【００１４】
また、前方光電変換セル３、中間光電変換セル４、および後方光電変換セル６は、それぞれｐｉｎ接合を有するものである。すなわち、前方光電変換セル３は、導電型層３１と光電変換層３２と導電型層３３とからなり、中間光電変換セル３は導電型層４１と光電変換層４２と導電型層４３とからなり、後方光電変換セル６は、導電型層６１と光電変換層６２と導電型層６３とからなる。この場合、前方光電変換セル３に相対的にバンドギャップの広い材料、例えば非晶質シリコンを用い、後方光電変換セル６に相対的にバンドギャップの狭い材料、例えば微結晶シリコンや微結晶シリコンゲルマニウムを用いることが好ましい。
【００１５】
中間層５は、低屈折率を有し、所望の波長に対して高透過率、高反射率を持ち、かつ、導電性を併せ持つ薄膜である。例えば、屈折率が１．５〜２．５程度、膜厚が２０〜１００ｎｍ程度で、図１のような光電変換装置を形成した場合にも、中間層５による電気的損失が無く、中間層５よりも入射側にある光電変換セル３、４へ所望の波長の光を反射させ、それと反対側にある光電変換セル６へ所望の波長の光を透過させる薄膜である。
【００１６】
裏面反射電極層９は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属薄膜がスパッタ法、蒸着法によって形成されることが好ましい。なお、光電変換セル６と裏面反射電極層９との間にＳｎＯ２やＺｎＯ等からなる第２透明導電層であるの透明導電層７を形成することが好ましい。
【００１７】
本実施の形態１の波長変換層８は、図１の三接合型光電変換装置を背面側に通過した光の一部を、波長の短い光に変換するアップコンバージョン作用を持つ。これにより、前方光電変換セル３、中間光電変換セル４、および後方光電変換セル６で吸収可能な波長の光を発生させることができる。よって、これまでの多接合型光電変換装置では利用不可能であった波長域を有効利用することで光電変換効率を向上させることができる。
【００１８】
この波長変換層８は、例えば、特許文献１中に示されたような有機材料や、アップコンバージョン作用を有する無機材料等である。たとえば、２光子吸収の特性を有する色素としてポルフィリンやフタロシアニンなどの化合物、およびフルオレン系などの発光ポリマーを有するものであってもよい。また、Ｅｒなどの希土類元素をＹ２Ｏ３、ＹＡＯ３、ＹＦ３などに添加して得られる焼結粒子であってもよい。シリコンを主成分とする薄膜光電変換装置では裏面側に８００〜１２００ｎｍの波長の光が比較的透過するので、これらの波長域にある光をシリコンが吸収しやすい４００〜７００ｎｍに変換するものであることが望ましい。これらのアップコンバージョン材料は、アクリル樹脂やシリコーン樹脂などの透明なポリマーなどの材料中に分散してもよい。適当な溶媒で溶液として、スパッタ法、印刷法、スプレー塗布法等によって形成することができる。
【００１９】
薄膜光電変換装置は、光電変換層６２、透明導電層７の厚みが薄いため、光電変換効率向上には、光の利用効率を上げだけでなく、透明導電層７の電気抵抗を低下させることが特に重要である。本実施の形態１では、波長変換層８を透明導電層７の背面側に配置して、波長変換した光を含む反射光を光電変換に利用するので利用効率を向上させることができる。一方、透明導電層７の電気抵抗の増加を防止のために透明導電層７を厚くすると、近赤外領域など長波長側の光が透明導電層７によって吸収され、反射光の利用効率が減少してしまう。そこで、本実施の形態１では、透明導電層７をある程度薄くしても電気抵抗を低下できる構造として、波長変換層８は層内に透明導電層７と裏面反射電極層９とを電気的に接続する導電部１０を形成した。透明導電層７は、少し抵抗が高くなるが、導電部１０によって裏面反射電極層９に電気的に接続されるので、光電変換層６２からの電力の取り出しが高効率に行える。
【００２０】
本実施の形態１では、図１に示すように、波長変換層８中に貫通部８ａを形成し、貫通部８ａに裏面反射電極層９の一部を入り込ませることで導電部１０を形成し、透明導電層７と裏面反射電極層９とが電気的に接する構造とした。なお、図１では波長変換層８中の貫通部８ａに裏面反射電極層９の一部が入り込むことで、透明導電層７と裏面反射電極層９とを直接接触させる導電部１０構造としているので最も簡単であるが、貫通部８ａ中に別の導電材料を挿入させて導電部を形成するようにしてもよい。また、貫通部８ａに代えて、波長変換層８を複数の島状のパターンに分割して、その島状パターンの隙間で透明導電層７と裏面反射電極層９とを電気的に接続するようにしてもよい。
【００２１】
波長変換層８の貫通部８ａや島状パターンは、層状に塗布形成した膜を、マスクを利用してウェットあるいはドライエッチングにより形成できる。また、印刷法で直接パターンを加工した層を形成すると簡単に形成できる。
【００２２】
波長変換層８の厚みは、例えば、膜厚が１〜７５０ｎｍとなるようにしてもよい。下地となる層に対する波長変換層８の被覆率が概ね８０％以下であれば、透明導電層７と裏面反射電極層９との接続抵抗が低下するので望ましい。一方、波長変換の効率の観点からは、下地となる層に対する波長変換層８の被覆率が概ね５０％以上であることが好ましい。
【００２３】
また、波長変換層８の表面の凹凸が原子間力顕微鏡によって測定されるＲＭＳを指標として１〜５０ｎｍ、などの凹凸構造を有するようにすると、裏面反射電極層９での反射が散乱されるので反射光の利用効率が高まる。
【００２４】
実施の形態２．
図２は、本実施の形態２にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。本実施の形態２にかかる薄膜光電変換装置は、実施の形態１の場合と波長変換層８および裏面反射電極層９の形状が異なる。本実施の形態２では、波長変換層８は、表面が、球面や円筒面などの裏面側に凸曲面となる形状に形成されている。また、その上の裏面反射電極層９は、波長変換層８の表面形状に倣い、波長変換層８側に凹曲面９ａを有する形状に形成されている。このため、裏面反射電極層９の内側反射面は、反射した光を波長変換層８内に集光させる集光機能を有するものとなる。
【００２５】
波長変換層８は、例えば、有機材料や樹脂材料で形成される。このような波長変換層８の形状は、粒子が点在するように溶液を塗布噴霧して付着させると簡単に作成できる、また、離散した層状のパターンをマスク加工で形成した後に、熱処理で軟化することでエッジを滑らかにするなどの方法でも良い。
【００２６】
裏面反射電極層９は、このような波長変換層８上にスパッタ法などで製膜すると、波長変換層８の表面形状に沿って膜が付着するので、図２に示すような波長変換層８側に凹となる曲面形状となる。
【００２７】
このように裏面反射電極層９が波長変換層８側に凹曲面９ａを有し、表面側から入射して光電変換層６２を透過した光が、波長変換層８を経て、背後の凹曲面９ａで波長変換層８内に集光されるように反射される。すなわち、裏面反射電極層９で反射した光が再び波長変換層８を通過する際には、集光されているため、波長変換効率が向上する。凹曲面９ａが、例えば、球面や円筒面などの焦点を有する曲面の場合には、その焦点が波長変換層８内にあるようにすることがさらに望ましい。波長変換効率が向上することで、裏面反射電極層９によって反射される光の波長成分のうち、光電変換層６２で吸収されやすい波長成分を高めることが可能となるので、光電変換効率が向上する。
【００２８】
実施の形態３．
ついで、実施の形態３について説明する。赤外光を可視光に変換する材料として、二光子吸収によるものだけでなく、多段階の遷移型によって赤外可視変換する材料であってもよい。このような材料として、例えば特開２００５−８２７７０号公報によれば、数ミクロン程度の微小な粒径を有する赤外可視変換蛍光体が示されている。Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋などを含有する蛍光体では、励起状態にあるそれらのイオンが更に光を吸収してより高い励起準位に上がる多段階励起が生じ、これにより赤外を可視光に変換できる。このような材料からなる微細な粒子を絶縁性の透明な樹脂溶液中に分散させ、その液を印刷やスプレーで噴霧塗布により波長変換層を容易に形成することができる。多段階励起型だけでなく、アルカリ土類金属の硫化物あるいはセレン化物を主成分とした赤外輝尽蛍光体の細かい粉末を用いてもよい。
【００２９】
図３は、実施の形態３にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。実施の形態２の場合と波長変換層８および裏面反射電極層９の形状は同様であるが、本実施の形態３の波長変換層８は、透明な樹脂材料８ｃと硫化物などの蛍光体微粒子８ｂからなる。蛍光体微粒子８ｂは、樹脂材料８ｃ中に分散されており、実施の形態２の場合と同様に作成できる。蛍光体微粒子８ｂのサイズは、例えば、１〜５μｍである。
【００３０】
蛍光体微粒子８ｂは、一般に、角のある材料であるが、樹脂材料８ｃ中に分散したことにより、下地との接着力が良く、また、裏面反射電極層９の蛍光体微粒子８ｂ側に滑らかな凹曲面９ａを作成できる。このような凹曲面９ａによって集光性能が向上するので、実施の形態２の場合と同様に光電変換効率が向上する。
【００３１】
実施の形態４．
図４は、実施の形態４にかかる多接合型薄膜光電変換装置を示す概略断面図である。本実施の形態４では、波長変換層８中に導電部となる導電性粒子１２を分散させた構成としたものである。導電性粒子１２は、金属粒子や透明導電材料からなる粒子である。例えば、１〜５μｍ程度の粒子としてもよい。このため、波長変換層８中に貫通穴や開口部を形成しなくても、導電性粒子１２により裏面反射電極層９と透明導電層７とを電気的に接続させることができる。
【００３２】
このように波長変換層８中に導電性粒子１２を分散させることで、製造が容易となる。また、導電性粒子１２が分散されることで、波長変換層８中での散乱作用が高まり、裏面反射電極層９で反射した光が、後方光電変換セル６（光電変換層６２）で吸収されやすくなり、光電変換効率が向上する。
【００３３】
なお、特に図示しないが、多光子吸収などの波長変換の現象は、光強度を高めると飛躍的に効率が高まるため、絶縁性透明基板１には、集光レンズ、集光ミラーなどで太陽光を集光させた光を入射するようにした太陽電池とするとさらによい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、光電変換層における入射光の一次吸収、裏面反射電極層等による反射光の高次吸収によって発電を行なう場合の光電変換効率の向上に有用である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 絶縁性透明基板
２ 透明導電層
７ 透明導電層
８ 波長変換層
９ 裏面反射電極層
９ａ 凹曲面
１０ 導電部
１２ 導電性粒子
３２，４２，６２ 光電変換層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板上に、第１透明導電層、光電変換層、第２透明導電層、および裏面反射電極層が順に積層された薄膜光電変換装置であって、
前記第２透明導電層と前記裏面反射電極層との間に、波長変換層を有し、
前記波長変換層は、前記透光性基板から入射して前記光電変換層を通過した光の波長をより短い波長に変換する材料を含有し、かつ、層内に前記第２透明導電層と前記裏面反射電極層とを電気的に接続する導電部を有することを特徴とする薄膜光電変換装置。
【請求項２】
前記裏面反射電極層は、前記波長変換層側に凹曲面を有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
【請求項３】
前記導電部は、前記波長変換層中に分散させた導電性粒子からなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
【請求項４】
前記波長変換層の下地となる層に対する該波長変換層の被覆率は、概ね８０％以下、５０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の薄膜光電変換装置。
【請求項１】
透光性基板上に、第１透明導電層、光電変換層、第２透明導電層、および裏面反射電極層が順に積層された薄膜光電変換装置であって、
前記第２透明導電層と前記裏面反射電極層との間に、波長変換層を有し、
前記波長変換層は、前記透光性基板から入射して前記光電変換層を通過した光の波長をより短い波長に変換する材料を含有し、かつ、層内に前記第２透明導電層と前記裏面反射電極層とを電気的に接続する導電部を有することを特徴とする薄膜光電変換装置。
【請求項２】
前記裏面反射電極層は、前記波長変換層側に凹曲面を有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
【請求項３】
前記導電部は、前記波長変換層中に分散させた導電性粒子からなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
【請求項４】
前記波長変換層の下地となる層に対する該波長変換層の被覆率は、概ね８０％以下、５０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の薄膜光電変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−３６６３（Ｐ２０１１−３６６３Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４４４９１（Ｐ２００９−１４４４９１）
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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