JP2013098518A - 有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【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。
【選択図】図7
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (9)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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