JP2009147262A

JP2009147262A - 光電池

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Publication number: JP2009147262A
Application number: JP2007325724A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Sakano; 文洋坂野
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2009-07-02
Also published as: WO2009078417A1

Abstract

【課題】高い発電効率を実現する太陽電池などの光電池を提供することである。
【解決手段】光電池は、透明電極層２と、透明電極層２に対向して配置され、透明電極層２から入射する光のうちの少なくとも一部を透明電極層２側に反射する反射電極層３と、透明電極層２および反射電極層３の間に配置される活性層４とを含んで構成される。反射電極層３の表面のうちの、透明電極層２側の表面を第１の反射面７とし、活性層４に対して反射電極層３側とは反対側に設けられる層の表面のうちで、活性層４側から透明電極層２側に向かう光に対する反射率が最も高い表面を第２の反射面８としたときに、第１の反射面７と第２の反射面８との間の各層が積層される積層方向の距離が、入射する光が共振する長さに設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池などの光電池に関する。

薄型で発電効率の高い太陽電池が求められており、太陽光の波長程度の厚さの太陽電池が報告されている。太陽電池の厚みが太陽光の波長に近づくと、発電効率などの太陽電池の特性に、光の干渉効果が顕在化してくる。例えば活性層の層厚が太陽光の波長程度の太陽電池において、活性層の層厚に応じて発電効率が変化することが報告されている（例えば非特許文献１または２参照）。また例えば太陽電池内の光強度分布を考慮して、光強度の高い位置に活性層を配置することによって、発電効率の向上を図っているものがある（例えば非特許文献３参照）。

「JOURNAL OF APPLIED PHYSICS」、アメリカ、２００１、９０巻、７号、ｐ．３６３２−３６４１市川結他４名、「第５４回応用物理学関係連合講演会講演予稿集」、有機薄膜太陽電池における光吸収のＦＤＴＤシミュレーション、２００７、ｐ．１３２３「ＡＤＶＡＮＣＥＤＭＡＴＥＲＩＡＬＳ」、ドイツ、２００６、１８巻、５号、ｐ．５７２−５７６

薄型の光電池において、さらに発電効率の高いものが求められていた。

したがって本発明の目的は、高い発電効率を実現する太陽電池などの光電池を提供することである。

本発明は、屈折率の異なる複数の部材が積層されて構成される光電池であって、
各層が積層される積層方向の長さが、入射する光が共振する長さに設定されることを特徴とする光電池である。

また本発明は、透明電極層と、
透明電極層に対向して配置され、透明電極層から入射する光のうちの少なくとも一部を透明電極層側に反射する反射電極層と、
透明電極層および反射電極層の間に配置される活性層とを含み、
反射電極層の表面のうちの、透明電極層側の表面を第１の反射面とし、活性層に対して反射電極層側とは反対側に設けられる層の表面のうちで、活性層側から透明電極層側に向かう光に対する反射率が最も高い表面を第２の反射面としたときに、第１の反射面と第２の反射面との間の各層が積層される積層方向の距離が、入射する光が共振する長さに設定されることを特徴とする光電池である。

また本発明は、前記第１の反射面と、前記第２の反射面との間の積層方向の光学的距離Ｌｏが、次式（１）

（数１）
Ｌ１−０．１×λｏ≦Ｌｏ≦Ｌ１＋０．１×λｏ …式（１）
（式（１）において、記号「λｏ」は、活性層の光吸収係数が極大となる波長を表し、記号「Ｌ１」は、次式（２）で表される。）

（数２）

（式（２）において、記号「Φ₁」は、第１の反射面で、第２の反射面側に反射される反射光の位相変化（単位ラジアン）を表し、記号「ｍ」は、｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい任意の整数を表し、記号「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする光電池である。

また本発明は、第１の反射面と第２の反射面との間の積層方向の光学的距離Ｌｏが、次式（３）

（数３）
Ｌ１−０．０７５×λｏ≦Ｌｏ≦Ｌ１＋０．０７５×λｏ …式（３）
（式（３）において、記号「Ｌ１」および「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする光電池である。

また本発明は、第１の反射面と第２の反射面との間の積層方向の光学的距離Ｌｏが、次式（４）

（数４）
Ｌ１−０．０５×λｏ≦Ｌｏ≦Ｌ１＋０．０５×λｏ …式（４）
（式（４）において、記号「Ｌ１」および「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする光電池である。

また本発明は、前記式（２）における記号「ｍ」は、｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい整数のうちの最小値に数値「１」を加算した値以上の整数であることを特徴とする光電池である。

また本発明は、前記透明電極層の両表面間の前記積層方向の光学的距離Ｌ２が、次式（５）

（数５）

（式（５）において、記号「ｒ」は、｛（Φ₂−Φ₃）／（２π）｝よりも大きい任意の整数を表し、記号「Φ₂」は、第２の反射面で、第１の反射面側に反射される反射光の位相変化（単位ラジアン）を表し、記号「Φ₃」は、透明電極層の表面のうちの第２の反射面とは反対側の表面で、第２の反射面側に反射される反射光の位相変化（単位ラジアン）を表し、記号「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする光電池である。

また本発明は、前記透明電極層に対して、前記反射電極層側とは反対側の端部に反射防止層がさらに設けられ、
反射防止層の屈折率は、反射防止層の接する層の屈折率よりも低いことを特徴とする光電池である。

また本発明は、前記反射防止層の両表面間の前記積層方向の光学的距離Ｌ３が、次式（６）

（数６）

（式（６）において、記号「ｓ」は、｛（Φ₄＋Φ₅）／（２π）｝よりも大きい任意の整数を表し、記号「Φ₄」、「Φ₅」は、反射防止層内において、この反射防止層の一方の表面と、他方の表面とでの反射光の位相変化（単位ラジアン）をそれぞれ表し、記号「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする光電池である。

また本発明は、有機薄膜太陽電池であることを特徴とする光電池である。

本発明によれば、活性層の性能が同等のものであったとしても、各層の厚さに関する光学的距離を所定のものにすることによって、活性層で効率的に吸収される波長の活性層での光強度が高くなり、高い発電効率の光電池を実現することができる。

図１は、本発明の実施の一形態の太陽電池１を模式的に示す正面図である。太陽電池１は、屈折率の異なる複数の部材が積層方向Ｚに積層されて構成される。太陽電池１は、透明電極層２と、透明電極層２に対向して配置され、透明電極層２から入射する光のうちの少なくとも一部を透明電極層２側に反射する反射電極層３と、透明電極層２および反射電極層３の間に配置される活性層４とを含む。

本実施の形態の太陽電池１では、活性層４と反射電極層３との間にＬｉＦ層５がさらに設けられ、各層は、透明のガラス基板６上に設けられる。すなわち、太陽電池１は、ガラス基板６の表面上に、透明電極層２、活性層４、ＬｉＦ層５および反射電極層３がこの順に積層方向Ｚに積層されて構成される。なお、活性層４と透明電極層２との間、及び／又は活性層４と反射電極層３との間には、活性層４とは異なる１または複数の層、及び／又は、１または複数の活性層がさらに設けられてもよい。また、本実施の形態では活性層４と反射電極層３との間にフッ化リチウム（ＬｉＦ）によって形成される層が設けられるけれども、活性層４と反射電極層３との間に設けられる層は、ＬｉＦに限らずに、たとえば酸化バリウム（ＢａＯ）、ポリ（３，４）エチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルホン酸および酸化チタンなどによって形成されてもよい。

太陽光は、ガラス基板６を通って活性層４に入射するので、ガラス基板５には、太陽光の透過率の高いものが好適に用いられる。またガラス基板５には、透明電極層２、活性層４、ＬｉＦ層５および反射電極層３を形成する工程で変化しないものが好適に用いられる。本実施の形態におけるガラス基板５には、リジッド基板が用いられるが、リジッド基板に限らずにフレキシブル基板を用いてもよい。なお、ガラス基板５に替えて、プラスチック基板、高分子フィルム、シリコン基板、およびこれらを積層したものなどを用いてもよい。

透明電極層２は、光を透過するとともに、導電性を有する部材によって実現され、たとえばインジウム・スズ・オキサイド（ＩＴＯ）およびインジウム・亜鉛・オキサイド（ＩＺＯ）および金属薄膜などの透明電極によって実現される。本実施の形態における透明電極層２は、ＩＴＯによって実現される。透明電極層２は、例えばガラス基板５の厚み方向Ｚに垂直な表面上に、スパッタ法および蒸着法などによって積層されて形成される。

活性層４は、入射する光の励起によって、電極から取り出し可能な電子を生成する層であって、チオフェンおよびフルオレンなどを含むｐ型の有機半導体と、フラーレン誘導体などを含むｎ型の有機半導体とが混合された有機層によって実現される。活性層４は、例えばスピンコート法によって形成することができる。具体的には活性層４は、所定の有機溶媒にフラーレン誘導体などの活性層４を構成する材料を溶かした溶液を、透明電極層２の積層方向Ｚに略垂直な平面に滴下して、薄膜化した後に、有機溶媒を除去することによって形成される。

ＬｉＦ層５は、例えば蒸着法などによって形成することができる。また反射電極層３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）によって形成され、蒸着法およびスパッタ法などによって形成することができる。

表１に、各層の各波長での複素屈折率の実測値を示す。以下の説明において、用語「波長」は、特に言及しない限り真空中での光の波長を表す。表１において、記号「ｉ」は、虚数単位を表す。

本実施の形態において、反射電極層３の表面のうちの、透明電極層２側の表面を第１の反射面７と言い、活性層４に対して反射電極層３側とは反対側に設けられる層の表面のうちで、活性層４側から透明電極層２側に向かう光に対する反射率が最も高い表面を第２の反射面８と言う。第２の反射面８は、活性層４に対して反射電極層３とは反対側に位置する各層の表面のうちで、互いに隣接する層の屈折率の差が最大となる層と層との界面に相当し、本実施の形態では透明電極層２と、活性層４との界面に相当する（表１参照）。なお、屈折率の差の算出には、活性層４の光吸収係数が極大となる後述の波長λｏでの屈折率（本実施の形態では５００ｎｍ）が用いられる。また第１の反射面７は、活性層４から反射電極層３に向かう光を最も反射する面であり、本実施の形態では、ＬｉＦ層５と反射電極層３との界面に相当する。

本実施の形態の太陽電池１は、第１の反射面７と第２の反射面８との間の積層方向Ｚの光学的距離Ｌｏが、次式（１）を満たすように、第１の反射面７と第２の反射面８との間の積層方向Ｚの厚さが設定される。

（数７）
Ｌ１−０．１×λｏ≦Ｌｏ≦Ｌ１＋０．１×λｏ …式（１）
式（１）において、記号「λｏ」は、活性層４の光吸収係数が極大となる波長を表し、記号「Ｌ１」は、次式（２）で表される。

（数８）

式（２）において、記号「Φ₁」は、第１の反射面７で、第２の反射面８側に反射される反射光の位相変化（単位ラジアン）を表し、記号「ｍ」は、｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい任意の整数を表す。なお、本実施の形態において、Φ₁〜Φ５は、それぞれ−π（ｒａｄ）以上、π（ｒａｄ）未満の範囲内であるとする。一般的に、屈折率ｎ１の物質を伝播する光が、屈折率ｎ１の物質と屈折率ｎ２の物質との界面に垂直入射して反射されると、該界面において、反射される光の位相が次式（７）で表される角度（ラジアン）だけ変化する。

（数９）

式（７）において、記号「ａｒｇ」は、偏角を表す。式（７）のｎ１，ｎ２にＬｉＦ層５の屈折率および反射電極層３の屈折率をそれぞれ代入すると、第１の反射面７での位相変化Φが求められる。なお、式(７)のｎ１，ｎ２にそれぞれ代入される屈折率は、活性層４の光吸収係数が極大となる波長λｏ（本実施の形態では５００ｎｍ）での屈折率である。本実施の形態の第１の反射面７での位相変化Φ₁は、−１５１．６°（−２．６５ｒａｄ）である。

太陽電池１の任意の層の積層方向Ｚの光学的距離は、当該層の層厚と、当該層の屈折率との積算値である。また第１の反射面７と、第２の反射面８との間の光学的距離Ｌｏは、第１の反射面７と、第２の反射面８との間に配置される各層の光学的距離の総和である。例えば第１の反射面７と、第２の反射面８との間に、第１層〜第ｋ層（記号「ｋ」は、自然数を表す。）が積層されている場合、第１の反射面７と第２の反射面８との間の積層方向Ｚの光学的距離Ｌｏは、次式（８）で表される。

（数１０）

式（８）において、記号「ｎｊ」は、第ｊ層の屈折率を表し、記号「ｄｊ」は、第ｊ層の積層方向Ｚの厚さを表す。

本実施の形態では、第１の反射面７と、第２の反射面８との間に、活性層４と、ＬｉＦ層５とが設けられるので、第１の反射面７と第２の反射面８との間の積層方向Ｚの光学的距離Ｌｏは、活性層４の層厚に、活性層４の屈折率を積算した値と、ＬｉＦ層５の層厚に、ＬｉＦ層５の屈折率を積算した値との和である。なお、光学的距離Ｌｏに用いられる屈折率は、活性層４の光吸収係数が極大となる波長λｏ（本実施の形態では５００ｎｍ）での屈折率である。

本実施の形態の太陽電池１の光学的距離Ｌｏは、式（１）で示すように、略Ｌ１（以下、共振器長Ｌ１という）の長さに設定される。この共振器長Ｌ１は、式（２）で示すように、光が第１の反射面７と第２の反射面８との間を１または複数回往復したときに、位相が２πの整数倍だけ変化する長さである。従って、第１の反射面７と第２の反射面８との間で、積層方向Ｚの一方に進む光と、積層方向Ｚの他方に進む光とが互いに強め合う。前述したように、反射率の高い界面を第１の反射面７と第２の反射面８とに設定するので、透明電極層２から入射する光は、主に第１反射面７と第２反射面８との間を反射されて往復する。このような第１反射面７と第２反射面８との間の光学的距離Ｌｏを略共振器長Ｌ１に設定するので、第１反射面７と第２反射面８との間で共振器が構成され、透明電極層２から入射する光が重ね合わされて第１反射面７と第２反射面８との間の光強度が高くなる。特に、式（２）に示すように、活性層４の光吸収係数が極大となる波長λｏを基準にして共振器長Ｌ１が求められるので、共振器内において活性層４が効率的に光を吸収する波長λｏの光強度が高くなる。

活性層４の光吸収係数が極大となる波長λｏは、好ましくは太陽電池１に入力される光の波長範囲において、光吸収係数が最大となる波長に選択され、例えば４００ｎｍ〜１８００ｎｍの波長範囲で最大となる波長に選択され、好ましくは４５０ｎｍ〜１８００ｎｍまたは可視領域の波長範囲で最大となる波長に選択される。なお、本実施の形態の活性層４は、７００ｎｍよりも長波長での光の吸収が、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の光の吸収よりも小さいので、屈折率の測定を行っておらず、以下の説明において、７００ｎｍよりも長く、１８００ｎｍ以下の波長範囲の説明を省略している。

光吸収係数αは、具体的には次式（９）で定義される。

（数１１）

式（９）において、記号「ｃ」は、真空中での光の速さを表し、記号「λ」は、波長を表し、記号「ｎ^*」は、複素屈折率を表す。したがって、Ｒｅ（ｎ^*）は、複素屈折率の実部を表し、Ｉｍ（ｎ^*）は、複素屈折率の虚部を表す。

表２に、各波長での活性層４の光吸収係数αを示す。

表２に示すように、４００ｎｍ，５００ｎｍ，６００ｎｍ，７００ｎｍの各波長では、５００ｎｍの光吸収係数αが最も大きい。活性層４が最も効率的に光電変換する光の波長は、光吸収係数αが最も大きい波長であると推測されるので、本実施の形態の活性層４は、５００ｎｍの波長の光を最も効率的に光電変換すると推測される。

以上説明した本実施の形態の太陽電池１に光を入射したときの活性層３の吸収エネルギーを、時間領域差分法（ＦＤＴＤ）を用いて解析した。太陽電池１に入射する光源からの光は、波長が５００ｎｍの正弦波とした。太陽光のコヒーレンス長は、数十μｍ程度あり、解析モデルの太陽電池１の層厚が太陽光のコヒーレンス長よりも薄い範囲で解析するので、光源からの光を正弦波としても、精度の良い解析結果を得ることができる。解析では、波長が５００ｎｍでの各層の屈折率と、各層の積層方向Ｚの厚みを設定して、１次元のＦＤＴＤを用いた解析を行った。具体的には各層の屈折率には、表１に示した波長が５００ｎｍでの値を用い、透明電極層２の厚みを１５０ｎｍとし、ＬｉＦ層５の厚みを４ｎｍとし、反射電極層３の厚みを１００ｎｍとして、活性層３の層厚を変化させて、活性層３の吸収エネルギーＥａｂｓを算出した。吸収エネルギーＥａｂｓは、光吸収係数をαとし、活性層３内の各点の電場をＥ（ｚ,ｔ）とすると、次式（１０）で与えられる。ここで記号「ｚ」は、活性層３の積層方向Ｚの位置を表し、記号「ｔ」は、時間を表す。

（数１２）

ここで、時間積分の範囲０〜Ｔは、光源からの光の数周期程度とるのが望ましい。本実施の形態では、光源からの光の５周期の時間平均をとった。なお、ガラス基板５の厚みは、光の波長よりも十分厚いので、光の干渉効果にガラス基板５の影響があらわれないものとして、ガラス基板５の厚みを無限大とし、光源をガラス基板５内に配置して、ガラス基板５から透明電極層２へ光が入射するものとして解析を行った。

図２に解析結果を示す。図２は、第１の反射面７と第２の反射面８との間の積層方向Ｚの光学的距離Ｌｏと、活性層３の吸収エネルギーとの関係を示すグラフである。図２では、横軸を光学的距離Ｌｏとし、縦軸を活性層３の吸収エネルギーとして、各光学的距離Ｌｏでの活性層３の吸収エネルギーを実線で示す。また図２において、「ｍ」が０，１，２のときの式（１）の上限値と下限値とをそれぞれ破線で示す。１次元のＦＤＴＤを用いた解析結果と、各「ｍ」での光学的距離Ｌｏと、各「ｍ」での各式（１）の上限値と下限値とを表３に示す。

図２に示すように、光学的距離Ｌｏの増加に伴って、活性層３の吸収エネルギーが振動しながら増加することが観測される。図２において、吸収エネルギーの極大値は、光学的距離Ｌｏが共振器長Ｌ１付近に存在し、式（１）の範囲（図２で矢印で示す範囲）に存在する（表２参照）。活性層４の厚みが増加することによって光学的距離Ｌｏが増加したとしても、吸収エネルギーが単純には増加しないので、光学的距離Ｌｏの長さによっては、吸収エネルギーが小さい場合があるが、本実施の形態の太陽電池１は、光学的距離Ｌｏが式（１）を満たすので、高い発電効率の太陽電池１を実現できることが確認された。

光学的距離Ｌｏに用いられる式（２）中の「ｍ」は、｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい任意の整数（本実施の形態では０以上の整数）であり、｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい整数のうちの最小値（本実施の形態では０）に数値「１」を加算した値以上の整数（本実施の形態では１以上の整数）が好適に用いられる。本実施の形態では、「ｍ」が１以上であれば、解析で求められた活性層３の吸収エネルギーの極大値となる光学的距離Ｌｏと、式（２）で表される共振器長Ｌ１との差異が小さくなるので（表３参照）、式（１）の範囲内での活性層３の吸収エネルギーが高くなり、高い発電効率の太陽電池１を実現できる。

光学的距離Ｌｏに用いられる式（２）中の「ｍ」の上限値は、特に設定されないが、大きいほど、コヒーレンス長の短い太陽光の干渉効果が小さくなるので、好ましくは｛｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい整数のうちの最小値（本実施の形態では０）に数値３を加算した値に設定され、さらに好ましくは、｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい整数のうちの最小値（本実施の形態では０）に数値２を加算した値に設定される。

以上説明した本実施の形態の太陽電池１によれば、第１の反射面７と第２の反射面８との間に活性層４が設けられる。第１の反射面７と第２の反射面８とは反射率が高いので、透明電極層２側から太陽電池１に入射する光は、主に第１の反射面７と第２の反射面８との間で往復する。第１の反射面７と第２の反射面８との間の積層方向Ｚの光学的距離Ｌｏは、式（１）を満たすので、特に活性層４の光吸収係数αが極大となる波長の光に対して、第１の反射面７と第２の反射面８との間で共振器が構成される。したがって、共振器内の光と、透明電極層２から入射される光とが重ね合わされて、共振器内の光強度が高くなる。特に、活性層４の光吸収係数αが極大となる波長を基準にして光学的距離Ｌｏが設定されるので、活性層４の光吸収係数αが極大となる波長の活性層４での光強度が高くなる。これによって、活性層４で効率的に吸収される波長の活性層４での光強度が高くなり、高い発電効率の光電池を実現することができる。

以上説明した本実施の形態の太陽電池１では、第１の反射面７と第２の反射面８との間の積層方向Ｚの光学的距離Ｌｏが、式（１）を満たすが、好ましくは、次式（３）

（数１３）
Ｌ１−０．０７５×λｏ≦Ｌｏ≦Ｌ１＋０．０７５×λｏ …式（３）
を満たし、さらに好ましくは、次式（４）

（数１４）
Ｌ１−０．０５×λｏ≦Ｌｏ≦Ｌ１＋０．０５×λｏ …式（４）
を満たす。

このように、光学的距離Ｌｏが式（３），（４）を満たすので、光学的距離Ｌｏが共振器長Ｌ１に近い範囲の太陽電池１が選択され、活性層４で効率的に吸収される波長の活性層４での光強度が高くなり、高い発電効率の光電池を実現することができる。特に、「ｍ」が、｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい整数のうちの最小値（本実施の形態では０）に数値「１」を加算した値以上の整数（本実施の形態では１以上の整数）の場合には、解析で求められた活性層３の吸収エネルギーの極大値となる光学的距離Ｌｏと、式（２）で表される共振器長Ｌ１との差異が小さくなるので、式（３），（４）の範囲内での活性層３の吸収エネルギーが高くなり、高い発電効率の太陽電池１を実現できる。

また透明電極層２の積層方向Ｚの両表面間の層厚は、好ましくは積層方向Ｚの光学的距離Ｌ２が、次式（５）を満たす厚さに設定される。

（数１５）

式（５）において、記号「ｒ」は、｛（Φ₂−Φ₃）／（２π）｝よりも大きい任意の整数を表し、記号「Φ₂」は、第２の反射面８で、第１の反射面７側に反射される反射光の位相変化（単位ラジアン）を表し、記号「Φ₃」は、透明電極層の表面のうちの第２の反射面とは反対側の表面で、第２の反射面側に反射される反射光の位相変化（単位ラジアン）を表す。Φ₂およびΦ₃は、それぞれ式（７）を用いて導かれる。このような層厚の透明電極層２を用いれば、光の干渉効果によって反射電極層２の反射率を高くすることができる。これによって、第１の反射面７と第２の反射面８との間に光をより閉じ込めることができ、高い発電効率の太陽電池１を実現することができる。

図３は、本発明の他の実施の形態の太陽電池１１を模式的に示す正面図である。本実施の形態の太陽電池１１は、前述の太陽電池１において、反射防止層１２がさらに設けられる。具体的には、反射防止層１２は、透明電極層２に対して、反射電極層３側とは反対側の端部に設けられ、さらに具体的には、ガラス基板５の厚み方向Ｚに垂直な表面のうち、透明電極層２に接する表面とは反対側の表面上に設けられる。

反射防止層１２の屈折率は、反射防止層１２の接する層（本実施の形態ではガラス基板５）の屈折率よりも低い。反射防止層１２は、ガラス基板５の屈折率（１．５程度）よりも低い部材によって構成され、例えば屈折率が１．２程度のＭｇＦ₂によって構成される。反射防止層１２は、例えばスパッタ法および蒸着法などによって形成される。太陽電池１１の光を取り込む端部に、このような屈折率の層を設けることによって、太陽電池１１の端面での反射を抑制することができ、太陽電池１に光を効率的に取り込むことができる。これによって、活性層４での光強度が高くなり、高い発電効率の太陽電池１を実現することができる。

反射防止層１２の両表面間の積層方向Ｚの光学的距離Ｌ３は、好ましくは次式（６）を満たす。

（数１６）

式（６）において、記号「ｓ」は、｛（Φ₄＋Φ₅）／（２π）｝よりも大きい任意の整数を表し、記号「Φ₄」、「Φ₅」は、反射防止層１２内において、この反射防止層１２の一方の表面と、他方の表面とでの反射光の位相変化（単位ラジアン）をそれぞれ表す。Φ₂およびΦ₃は、それぞれ式（７）を用いて導かれる。このような層厚の反射防止層１２を用いれば、光の干渉効果によって反射防止層１２の透過率を高くすることができ、太陽電池１１に光を効率的に取り込むことができる。これによって、高い発電効率の太陽電池１１を実現することができる。

前述の各実施の形態の太陽電池１，１１では、太陽光を光電変換するとしたけれども、太陽電池１，１１が光電変換する光の光源は、太陽光に限らずに、例えば蛍光灯、発光ダイオードおよびレーザ光などでもよい。この場合には、上記「ｍ」の上限は、入射する光のコヒーレンス長に応じて設定され、たとえば光学的距離Ｌｏが、入射光のコヒーレンス長の半分以下になるように設定される。

また、本発明は、有機薄膜太陽電池に好適に適用され、前述の各実施の形態の太陽電池１，１１では、ｎ型の有機半導体とｐ型の有機半導体とがブレンドされた活性層４を含む有機薄膜太陽電池について説明したが、本発明は、これに限らずに、ｐｎ接合型、ｐｉｎ接合型、ショットキー型、多重接合型および色素増感などの太陽電池にも好適に適用することができる。また太陽電池１，１１には、有機半導体が用いられるとしたけれども、有機に限らず、ＧａＡｓ系およびＣＩＳ系などの無機化合物半導体、並びにＳｉ系およびゲルマニウムなどの無機半導体が用いられてもよい。例えばｐｎ接合型の太陽電池であれば、活性層は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とで構成される。また例えばｐｉｎ接合型の太陽電池であれば、活性層は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間の層（ｉ層）によって構成される。該ｉ層は、無機半導体の太陽電池では、真性半導体層であり、有機半導体の太陽電池では、ｎ型の有機半導体とｐ型の有機半導体とがブレンドされた相互作用層である。ショットキー型の太陽電池であれば、電極に接する半導体層が活性層に相当する。また多重接合型の太陽電池では、活性層は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層されたｐｎ接合層が複数積層された積層体、またはｐ型半導体層とｉ層とｎ型半導体層とが積層されたｐｉｎ接合層が複数積層された積層体、またはｎ型の有機半導体とｐ型の有機半導体とがブレンドされた層が複数積層された積層体などによって構成される。また色素増感の太陽電池では、活性層は、色素によって形成される層によって構成される。

本発明の実施の一形態の太陽電池１を模式的に示す正面図である。第１の反射面７と第２の反射面８との間の積層方向Ｚの光学的距離Ｌｏと、活性層３の吸収エネルギーとの関係を示すグラフである。発明の他の実施の形態の太陽電池１１を模式的に示す正面図である。

符号の説明

１，１１太陽電池
２透明電極層
３反射電極層
４活性層
５ＬｉＦ層
６ガラス基板
７第１の反射面
８第２の反射面
１２反射防止層

Claims

屈折率の異なる複数の部材が積層されて構成される光電池であって、
各層が積層される積層方向の長さが、入射する光が共振する長さに設定されることを特徴とする光電池。
透明電極層と、
透明電極層に対向して配置され、透明電極層から入射する光のうちの少なくとも一部を透明電極層側に反射する反射電極層と、
透明電極層および反射電極層の間に配置される活性層とを含み、
反射電極層の表面のうちの、透明電極層側の表面を第１の反射面とし、活性層に対して反射電極層側とは反対側に設けられる層の表面のうちで、活性層側から透明電極層側に向かう光に対する反射率が最も高い表面を第２の反射面としたときに、第１の反射面と第２の反射面との間の各層が積層される積層方向の距離が、入射する光が共振する長さに設定されることを特徴とする請求項１記載の光電池。
前記第１の反射面と、前記第２の反射面との間の積層方向の光学的距離Ｌｏが、次式（１）
（数１）
Ｌ１−０．１×λｏ≦Ｌｏ≦Ｌ１＋０．１×λｏ …式（１）
（式（１）において、記号「λｏ」は、活性層の光吸収係数が極大となる波長を表し、記号「Ｌ１」は、次式（２）で表される。）
（数２）

（式（２）において、記号「Φ₁」は、第１の反射面で、第２の反射面側に反射される反射光の位相変化（単位ラジアン）を表し、記号「ｍ」は、｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい任意の整数を表し、記号「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする請求項２記載の光電池。
第１の反射面と第２の反射面との間の積層方向の光学的距離Ｌｏが、次式（３）
（数３）
Ｌ１−０．０７５×λｏ≦Ｌｏ≦Ｌ１＋０．０７５×λｏ …式（３）
（式（３）において、記号「Ｌ１」および「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする請求項３記載の光電池。
第１の反射面と第２の反射面との間の積層方向の光学的距離Ｌｏが、次式（４）
（数４）
Ｌ１−０．０５×λｏ≦Ｌｏ≦Ｌ１＋０．０５×λｏ …式（４）
（式（４）において、記号「Ｌ１」および「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする請求項３または４記載の光電池。
前記式（２）における記号「ｍ」は、｛Φ₁／（２π）｝よりも大きい整数のうちの最小値に数値「１」を加算した値以上の整数であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の光電池。
前記透明電極層の両表面間の前記積層方向の光学的距離Ｌ２が、次式（５）
（数５）

（式（５）において、記号「ｒ」は、｛（Φ₂−Φ₃）／（２π）｝よりも大きい任意の整数を表し、記号「Φ₂」は、第２の反射面で、第１の反射面側に反射される反射光の位相変化（単位ラジアン）を表し、記号「Φ₃」は、透明電極層の表面のうちの第２の反射面とは反対側の表面で、第２の反射面側に反射される反射光の位相変化（単位ラジアン）を表し、記号「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載の光電池。
前記透明電極層に対して、前記反射電極層側とは反対側の端部に反射防止層がさらに設けられ、
反射防止層の屈折率は、反射防止層の接する層の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項３〜７のいずれか１つに記載の光電池。
前記反射防止層の両表面間の前記積層方向の光学的距離Ｌ３が、次式（６）
（数６）

（式（６）において、記号「ｓ」は、｛（Φ₄＋Φ₅）／（２π）｝よりも大きい任意の整数を表し、記号「Φ₄」、「Φ₅」は、反射防止層内において、この反射防止層の一方の表面と、他方の表面とでの反射光の位相変化（単位ラジアン）をそれぞれ表し、記号「λｏ」は、前記と同じ意味を表す。）
を満たすことを特徴とする請求項８記載の光電池。
有機薄膜太陽電池であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の光電池。