JP2015065211A - 太陽電池及び太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、基板と、積層体と、光学層と、を備えた太陽電池が提供される。前記基板は、光透過性である。前記積層体は、前記基板に設けられる。前記積層体は、第1電極と、有機半導体を含む光電変換膜と、光透過性の第2電極と、を含む。前記光学層は、前記基板に設けられる。前記光学層は、複数のレンズを有する。前記レンズの焦点距離は、前記レンズと前記積層体との間の距離の0.5倍よりも短い。
【選択図】図1
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る太陽電池を表す模式図である。
図1(a)は、太陽電池の模式的断面図であり、図1(b)は、太陽電池の一部を表す模式的平面図である。
図1(a)に表したように、太陽電池110は、基板5と、積層体SBと、光学層40と、を備える。
支持体40bの厚さ(Z軸方向の長さ)をd1、基板5の厚さをd2とするとき、距離dは、例えば、d1+d2である。
f=r1/(n−1) ・・・ (2)
(2)式において、nは、基板5の屈折率である。屈折率には、波長依存性がある。本願明細書において、屈折率には、太陽光における強度の大きい500nm付近の屈折率を代表値として用いることとする。屈折率nは、例えば、1.2以上2.2以下である。
r1<d(n−1)/2 ・・・ (3)
すなわち、(3)式を満たす半径r1のレンズ40aを設ける。これにより、レンズ40aにおいて、(1)式を満たすことができる。
これにより、光強度の面内分布の均一性を向上させることができる。さらには、以下の(5)式を満たすようにする。
r1<d(n−1)/10 ・・・ (5)
これにより、光強度の面内分布の均一性をより向上させることができる。
ηEQE=η1・η2・η3・η4
第1半導体層30nには、例えば、n形有機半導体が用いられる。第2半導体層30pには、例えば、p形有機半導体が用いられる。
図3に表したように、太陽電池112は、封止膜50をさらに備えている。封止膜50は、積層体SBの基板5と反対側に設けられる。太陽電池112では、封止膜50の上に積層体SBが設けられ、積層体SBの上に基板5が設けられ、基板5の上に光学層40が設けられる。すなわち、太陽電池112では、基板5と封止膜50との間に積層体SBが配置される。封止膜50は、例えば、熱硬化型や紫外線硬化型のエポキシ樹脂などによって、積層体SBに貼り付けられる。また、封止膜50には、例えば、SiOxやTiOxなどの酸化膜が用いられる。封止膜50は、例えば、酸素や水分などから光電変換膜30などを保護する。封止膜50を設けることにより、例えば、太陽電池112の耐久性を向上させることができる。
図4(a)及び図4(b)は、第2の実施形態に係る太陽電池モジュールを表す模式図である。
図4(a)は、太陽電池モジュールを模式的に表す平面図であり、図4(b)は、太陽電池モジュールの一部を模式的に表す部分断面図である。図4(b)は、図4(a)のA1−A2線断面を模式的に表す。
図5に表したように、反射部材42は、例えば、基材42aと、反射膜42bと、を含む。基材42aの断面形状は、反射部材42の断面形状と実質的に同じである。反射部材42は、例えば、三角形状の断面のアクリルの基材42aに、150nm程度のAlを反射膜42bとして被覆したものである。基材42aには、アクリル系樹脂の他に、例えば、ポリカーボネート系樹脂やシリコーン系樹脂などを用いることができる。また、ガラスやSUSなどの金属および合金を用いてもよい。基材42aは、例えば、基板5と一体化していてもよい。
図6(a)及び図6(b)に表したように、太陽電池モジュール212、214では、反射部材42が省略されている。このように、反射部材42を省略し、光学層40のみを設けてもよい。この場合にも、上記の(1)式を満たす各レンズ40aを設ける。これにより、太陽電池モジュール212、214においても、光電変換効率を向上させることができる。
図7(a)に表したように、太陽電池モジュール216は、基板5と、複数の太陽電池120と、光学層40と、反射部材44と、を含む。反射部材44は、基板5と光学層40との間に設けられる。光学層40は、反射部材44の上に積層される。この例においても、各レンズ40aは、上記の(1)式を満たす。すなわち、レンズ40aの焦点距離は、レンズ40aと積層体SBとの間の距離dの0.5倍より小さい。そして、反射部材44が、複数の反射部46を含む。複数の反射部46は、セル間ギャップ、すなわち、基板5の複数の第2部分P2の位置に設けられている。
太陽電池110において、無アルカリガラス(厚さd2=0.7mm、屈折率約1.5)を基板5として用いる。スパッタ法により150nmのITO透明電極を第2電極12として形成する。そしてPEDOT:PSS(型版AI4083)をスピンコート(回転数5000rpm、30秒間)し、空気中で140℃、10分間のアニールを行い、膜厚約50nmの正孔輸送層を第2中間層22として形成する。次に、N2ガスでパージされたグローブボックス中に試料を移動し、p形半導体としてPCDTBT、n形半導体としてPC[70]BMをジクロロベンゼンで溶解した溶液をPEDOT:PSS上にスピンコート(回転数2000rpm、60秒間)し、70℃、10分間のアニールを行い、膜厚約75nmの光電変換膜30を形成する。なおPCDTBTとPC[70]BMの比は1:4とする。次に試料をグローブボックスから取り出し、空気中でTi酸化物の前駆体をスピンコート(回転数5000rpm、30秒間)し、空気中にて70℃、10分間のアニールを行い膜厚約5nmのTiOxの電子輸送層を第1中間層21として形成する。次に、真空蒸着法によりAlを約100nm蒸着し、第1電極11を形成する。そして、N2雰囲気中で封止ガラスにより前述の積層構造の部分を封止し、太陽電池110とする。なお図1では封止ガラスの図示は省略している。
図8は、AM1.5相当の擬似太陽光を照射した場合の太陽電池特性の測定結果の一例を表す。図8において、特性CT1は、光学層40を設けた場合の特性の測定結果の一例である。特性CT2は、光学層40を設けていない場合の特性の測定結果の一例である。
第1の実施例と同様の太陽電池セルに半径350μmの半球レンズを複数持つ光学層を屈折率マッチング材を介して密着させる。ここで光学層の支持体の厚さは約0.3mmである。表1に光学層がある場合と、ない場合の変換効率を示すように、光学層がない場合の5%に比べて、光学層があると4.4%とむしろ変換効率が低下する。光学層や基板の厚さと半球レンズの焦点距離の関係が、2f<dを満たさず、光電変換膜内で集光されてしまうため、変換効率が低下すると考えられる。
次に、太陽電池モジュール210の実施例について説明する。
本実施例で用いた光学層40および太陽電池120の積層体SBは第1の実施例と同様であるが、成膜方法が異なる。すなわち、第2の実施例では、基板5とアプリケータの間隙にインクを供給し、基板5もしくはアプリケータを移動させることにより短冊形状のコーティングを行うメニスカス塗布法により各種中間層21、22、光電変換膜30を形成する。
次に、太陽電池モジュール216の実施例について説明する。
第1の実施例と同様の太陽電池の積層体SBをメニスカス塗布法により作製する。太陽電池モジュール216では、セル間ギャップ部の上方に三角形状の反射部46が設けられている。反射部46はアクリルやポリカーボネートといった基板5に三角形状の溝部46aを設け、その溝部46aの側面46sをAl薄膜で被覆したものである。ここで、反射膜46bの厚みは5mm、溝部46aの底辺の長さは1mm、高さは0.6mmである。また、基板5の第2面5bの上に、光学層40が設けられる。第2面5b側から反射部46に入射した光は、反射膜46bで反射され、セル部に導かれる。これにより、実質的な開口率が向上する。ここで、第2の実施例と同様にセル部の幅は14mm、セル間ギャップ領域の幅は1mmである。
図9は、第4の実施形態に係る太陽光発電パネルを模式的に表す平面図である。
図9に表したように、太陽光発電パネル310は、複数の太陽電池モジュール210を有する。この例において、太陽光発電パネル310は、X軸方向に3個ずつ、Y軸方向に4個ずつ並べられた計12個の太陽電池モジュール210を有する。太陽電池モジュール210の一辺の長さは、30cm程度である。太陽光発電パネル310の大きさは、例えば、1m×1.2m程度である。複数の太陽電池モジュール210は、直列または並列に接続される。これにより、太陽光発電パネル310が、所定の電圧及び電流を出力する。このように、太陽電池モジュール210は、複数の太陽電池モジュール210を電気的に接続した太陽光発電パネル310として用いてもよい。太陽光発電パネル310に含まれる太陽電池モジュール210の数及び配列は、任意に設定すればよい。
しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、太陽電池及び太陽電池モジュールに含まれる、基板、積層体、第1電極、第2電極、光電変換膜、光学層、レンズ、反射部材及び反射部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (5)
- 光透過性の基板と、
前記基板に設けられる積層体であって、第1電極と、有機半導体を含む光電変換膜と、光透過性の第2電極と、を含む積層体と、
前記基板に設けられる光学層と、
を備え、
前記光学層は、複数のレンズを有し、
前記レンズの焦点距離は、前記レンズと前記積層体との間の距離の0.5倍よりも短い太陽電池。 - 前記レンズは、半球状であり、
前記レンズの半径をr1とし、
前記レンズと前記積層体との間の距離をdとし、
前記基板の屈折率をnとするとき、
前記半径r1は、r1<d(n−1)/2の関係を満たす請求項1記載の太陽電池。 - 光透過性の基板と、
前記基板に設けられる複数の積層体であって、第1電極と、有機半導体を含む光電変換膜と、光透過性の第2電極と、を含む複数の積層体と、
前記基板に設けられる光学層と、
を備え、
前記複数の積層体は、互いに電気的に接続され、
前記光学層は、複数のレンズを有し、
前記レンズの焦点距離は、前記レンズと前記積層体との間の距離の0.5倍よりも短い太陽電池モジュール。 - 複数の反射部材をさらに備え、
前記光学層は、複数設けられ、
前記レンズは、半球状であり、
前記基板と前記積層体の積層方向を第1方向とし、前記第1方向に対して垂直な方向を第2方向とするとき、
前記複数の積層体は、前記第2方向に並び、
前記反射部材と前記レンズを前記第1方向に対して垂直な平面に投影したときの、前記レンズの前記第2方向の端部と、前記反射部材の第2方向の端部と、の間の距離をL1とし、
前記レンズの半径をr1とし、
前記レンズと前記積層体との間の前記第1方向の距離をdとし、
前記基板の屈折率をnとするとき、
前記複数の光学層は、L1>d(n−1)−2r1の関係式を満たす請求項3記載の太陽電池モジュール。 - 前記基板と前記光学層との間に設けられた反射部材をさらに備え、
前記反射部材は、溝部を有する複数の反射部を有し、
前記反射部は、光反射性材料で被覆されている請求項3記載の太陽電池モジュール。
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