JP5760620B2 - 太陽電池モジュールおよび太陽電池 - Google Patents
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Description
しかしながら、シリコン系太陽電池モジュールでは、2枚のガラスの間に、複数個のセルが平面的に配列されているため、太陽電池モジュール全体に占めるセルの総面積の割合および透過部の総面積の割合が制限されるので、高い発電効率を得ようとすると、採光性が低下してしまうといった課題がある。
しかしながら、有機系太陽電池モジュールでは、有色の有機系太陽電池セルを透過して採光される光が、有機系太陽電池セルの吸収色に対する補色となるため、自然光の色調での採光が困難となる。
さらに、本発明における太陽電池セルは、第1透明基板に対して太陽電池セルの受光面が交差するように配置されるため、平面視したときに太陽電池モジュール全体において、太陽電池セル1個当たりが占める面積を縮小させることが可能となった。これにより、優れた採光性を有する太陽電池モジュールとすることができる。また、これまでに比べ、より広い領域から光を採り込めて、その光をビームスプリッターにより分割して太陽電池セルに入射させることで、高い発電効率を有する太陽電池モジュールとすることができる。
また、シースルー型の有色の有機系太陽電池セルを用いた場合には、上記有機系太陽電池セルを透過して着色された光の一部が、直接あるいはビームスプリッターで反射して第2透明基板から出射することがあり得るが、第1透明基板より入射し、ビームスプリッターを透過した自然光も採光されるので、自然光により近い色調で採光していると視認することができる。
また、本発明における太陽電池セルは、第1透明基板に対して太陽電池セルの受光面が垂直になるように配置されるため、平面視したときに太陽電池モジュール全体において、太陽電池セル1個当たりが占める面積をより一層縮小させることが可能となった。これにより、優れた採光性を有する太陽電池モジュールとすることができる。また、これまでに比べ、さらに広い領域から光を採り込めて、その光をビームスプリッターにより分割して太陽電池セルに入射させることで、高い発電効率を有する太陽電池モジュールとすることができる。
また、上記太陽電池セルが第1透明基板に対して受光面が交差するように配置されていることにより、本発明の太陽電池が複数個接続された場合であって、シースルー型の有色の有機系太陽電池セルを用いた場合には、上記有機系太陽電池セルを透過して着色された光の一部が、直接あるいはビームスプリッターで反射して第2透明基板から出射することがあり得るが、第1透明基板より入射し、ビームスプリッターを透過した自然光も採光されるので、自然光により近い色調で採光していると視認することができる。
また、本発明における太陽電池セルは、第1透明基板に対して太陽電池セルの受光面が垂直になるように配置されるため、平面視したときに太陽電池全体において、太陽電池セル1個当たりが占める面積をより一層縮小させることが可能となった。これにより、優れた採光性を有する太陽電池とすることができる。また、これまでに比べ、さらに広い領域から光を採り込めて、その光をビームスプリッターにより分割して太陽電池セルに入射させることで、高い発電効率を有する太陽電池とすることができる。
本発明の太陽電池モジュールについて説明する。
本発明の太陽電池モジュールは、平行に配置された第1透明基板および第2透明基板と、上記第1透明基板および上記第2透明基板の間に、上記第1透明基板に対して受光面が交差するように配置され、上記第1透明基板に対して平行な方向に所定の間隔をあけて配置された複数個の太陽電池セルと、隣接する上記太陽電池セルの間にそれぞれ配置され、上記第1透明基板側から入射した光の一部を透過して上記第2透明基板側から出射させ、一部を反射して上記太陽電池セルに入射させるビームスプリッターとを有するものである。
図1は本発明の太陽電池モジュールの一例を示す概略斜視図であり、図2は本発明の太陽電池モジュールの他の例を示す概略斜視図である。図1および図2に示すように、本発明の太陽電池モジュール100は、平行に配置された第1透明基板4aおよび第2透明基板4bと、上記第1透明基板4aおよび第2透明基板4bの間に、上記第1透明基板4aに対して受光面が交差する(図1、図2においては垂直)ように配置され、上記第1透明基板4aに対して平行な方向に所定の間隔をあけて配置された複数個の太陽電池セル10と、上記各太陽電池セル10の間にそれぞれ配置されたビームスプリッター5とを有するものである。
図1および図2に示すように上記太陽電池セル10は、平行に配置された上記第1透明基板4aおよび第2透明基板4bの間に、上記第1透明基板4aに対して受光面が交差するように配置され、透光性を有する第1電極層1と、上記第1電極層1上に形成された光電変換機能層2と、上記光電変換機能層2上に形成された第2電極層3とを有するものである。
太陽電池セル10は、透光性を有する第1電極層1が、ビームスプリッター5の反射光40の出射面と対向するように配置されている。
従来では、2枚の透明基板の間に複数個の太陽電池セルを平面的に配列し、各太陽電池セル間に設けた間隙から採光しているため、太陽電池モジュール全体に占めるセルの総面積の割合および透過部の総面積の割合が制限されるので、高い発電効率を得ようとすると、採光性が低下してしまうといった課題があった。
本発明における太陽電池セルは、第1透明基板に対して太陽電池セルの受光面が交差するように配置されるため、平面視したときに太陽電池モジュール全体において、太陽電池セル1個当たりが占める面積を縮小させることが可能となった。これにより、優れた採光性を有する太陽電池モジュールとすることができる。また、これまでに比べ、より広い領域から光を採り込めて、その光をビームスプリッターにより分割して太陽電池セルに入射させることで、高い発電効率を有する太陽電池モジュールとすることができる。
よって、優れた採光性を有し、発電効率が高く、かつ自然光の色調で採光していると視認できる太陽電池モジュールとすることができる。
以下、本発明の太陽電池モジュールの各構成について説明する。
まず、本発明に用いられるビームスプリッターについて説明する。
本発明に用いられるビームスプリッターは、隣接する太陽電池セルの間にそれぞれ配置され、上記第1透明基板側から入射した光の一部を透過して上記第2透明基板側から出射させ、一部を反射して上記太陽電池セルに入射させるものである。
上記ビームスプリッターと太陽電池セルとは密着していてもよいし、ある程度の空隙を有するように配置されていてもよい。上記ビームスプリッターと上記太陽電池セルの配置は、光電変換効率、採光性、ビームスプリッターの種類等に応じて適宜調整されるものである。
以下、プレート型ビームスプリッターとキューブ型ビームスプリッターに分けて説明する。
図1はプレート型ビームスプリッター5Aを有する本発明の太陽電池モジュール100の一例を示す概略斜視図であり、図5は、プレート型ビームスプリッター5Aの一例を示す概略斜視図である。本発明に用いられるプレート型ビームスプリッター5Aは、太陽電池セル10に含まれる透光性を有する第1電極層1の受光面と、上記プレート型ビームスプリッター5Aの反射光40が出射する面とが、対向するように配置されるものである。このようなプレート型ビームスプリッター5Aは、光学基板6と、上記光学基板6の片面に成膜された光学薄膜7とを有するものである。
本発明に用いられるプレート型ビームスプリッター5Aは、後述する光学薄膜7の光学特性等により光束分割比は適宜調整される。この光束分割比が1:1であるものがハーフミラーと呼ばれている。
なお、上記プレート型ビームスプリッターにおける入射光の透過率は、プレート型ビームスプリッターの種類や材料等によって異なるものである。
なお、上記プレート型ビームスプリッターにおける入射光の反射率は、プレート型ビームスプリッターの種類や材料、角度等によって異なるものである。
以下、プレート型ビームスプリッターに用いられる各部材について説明する。
本発明に用いられる光学基板の材料としては、光学部品用の各種硝材や、プラスチック(例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン)等が挙げられる。
本発明に用いられる光学薄膜7は、図5に示すように、上述した光学基板6の片面に成膜されたものである。
上記光学薄膜は、単層であってもよく、また複数層からなるものであってもよいが、本発明においては複数の薄膜が積層してなるものが好ましい。各薄膜の組成(屈折率)、膜厚、積層数、積層順等の組合せによって、所望の光学特性を得ることができるからである。
図5に示すように、プレート型ビームスプリッター5Aの光学基板6を透過光150が透過する際に、透過光150の一部が光学基板6の透過光150の出射面により反射されて反射光hとなる場合がある。このようなプレート型ビームスプリッター5Aの光学基板6の透過光150の出射面における反射を防止するために、必要に応じて光学基板6の透過光150の出射面を研磨し、その上に反射防止膜をコーティングしてもよい。
図2はキューブ型ビームスプリッター5Bを有する本発明の太陽電池モジュール100の一例を示す概略斜視図であり、図6は、キューブ型ビームスプリッター5Bの一例を示す概略斜視図である。本発明に用いられるキューブ型ビームスプリッター5Bは、太陽電池セル10に含まれる透光性を有する第1電極層1と、上記キューブ型ビームスプリッター5Bの反射光40が出射する面とが、対向するように配置されるものである。このようなキューブ型ビームスプリッター5Bは、2個のプリズム8を光学薄膜7を介して斜面で相互接着したものである。
なお、上記キューブ型ビームスプリッターにおける入射光の透過率は、キューブ型ビームスプリッターの種類や材料等によって異なるものである。
なお、上記キューブ型ビームスプリッターにおける入射光の反射率は、キューブ型ビームスプリッターの種類や材料等によって異なるものである。
以下、キューブ型ビームスプリッターに用いられる各部材について説明する。
本発明に用いられるプリズムの材料としては、光学部品用の各種硝材や、プラスチック(例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン)等が挙げられる。
本発明に用いられる光学薄膜は、上述したように2つのプリズムの接合面に形成されるものであり、単層であってもよく、また複数層からなるものであってもよいが、本発明においては複数の薄膜が積層してなるものが好ましい。各薄膜の組成(屈折率)、膜厚、積層数、積層順等の組合せによって、所望の光学特性を得ることができるからである。
図6に示すように、キューブ型ビームスプリッター5Bのプリズム8を透過光150が透過する際に、透過光150の一部がプリズム8における透過光150の出射面により反射されて反射光hとなる場合がある。このようなキューブ型ビームスプリッター5Bのプリズム8の透過光150の出射面における反射を防止するために、必要に応じてプリズム8における透過光150の出射面を研磨し、その上に反射防止膜をコーティングしてもよい。
本発明に用いられる拡散板は、第2透明基板上に配置されたものである。
以下、本発明に用いられる拡散板について説明する。
また、図示はしないが、例えば、図4に示す第2透明基板4bが拡散板9を兼ねたものであってもよい。
以下、光拡散粒子を含有する拡散板と、表面に凹凸形状を有する拡散板に分けてそれぞれ説明する。
本発明において、上記拡散板に用いられる材料としては拡散板の種類に応じて選択される。上記光拡散粒子を含有する拡散板は、透明樹脂に光拡散粒子が分散されて形成される。このような拡散板は、好適な拡散性能を容易に得ることができる。透明樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を用いることができ、具体的には、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系アクリル樹脂、シリコーン系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィンポリマー、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン、アクリルニトリルスチレン共重合体、アクリロニトリルポリスチレン共重合体等を挙げることができる。
なお、光拡散粒子と透明樹脂との屈折率比とは、光拡散粒子および透明樹脂のうち、屈折率の小さいものに対する屈折率の大きいものの比をいう。
上記拡散板の厚みが上記範囲内である場合には、最適な拡散性能と光透過率を得ることができる。これに対して、0.05mm未満の場合には拡散性能が足りず、5mmを超える場合には吸収による光透過率低下が生じる。
表面に凹凸形状を有する拡散板としては、凹凸形状を形成できるものであれば特に限定されるものではない。凹凸の形状としては、例えば、多角錐状、略円錐状、略半球状、略楕円状等が挙げられる。変形や傷の発生をより防ぐ観点からは、略円弧状をなすことが好ましい。
上記拡散板の厚みが上記範囲内である場合には、最適な拡散性能と光透過率を得ることができる。これに対して、0.05mm未満の場合には拡散性能が足りず、5mmを超える場合には吸収による光透過率低下が生じる。
本発明においては、後述する太陽電池セルの受光面側、または受光面の反対側の面に、光電変換機能層と吸収波長領域が異なる着色層が配置されていることが好ましい。
このような着色層は、有色の有機系太陽電池セルに好適に用いられる。
以下、本発明に用いられる着色層について説明する。
本発明に用いられる着色層が、太陽電池セルの受光面側の面に配置されている場合について説明する。
図4に示すように、本態様では、第1透明基板4aから入射した光(入射光)30がビームスプリッター5により反射光40と透過光50とに分かれ、反射光40は着色層11を介して太陽電池セル10へと入射される。本態様においては、自然光である反射光40の一部の光が着色層11に吸収されて、吸収されなかった光だけが太陽電池セル10へと入射し、光電変換機能層2によって吸収され、発電する。上記着色層11および上記光電変換機能層2は吸収波長領域が異なるので、着色層11と光電変換機能層2によって可視領域に発光波長を有する光のほとんどを吸収することができ、着色された光が第2透明基板4bより出射することを防止することができる。これにより、採光する光を自然光の色調に維持することが可能となる。
このような効果は、太陽電池セルの第2電極層が、透光性を有する場合であっても、また遮光性を有する場合であっても得ることができる。したがって、シースルー型の有色の有機系太陽電池セルを用いた場合においても、自然光の色調で採光することができる。
本態様においては、着色層は可視領域に極大吸収波長および吸収波長領域を有し、光電変換機能層の吸収波長領域にほとんど吸収をもたず、光電変換機能層の極大吸収波長よりも短波長および/または長波長に極大吸収波長および吸収波長領域を有することが好ましい。例えば、光電変換機能層が赤色波長領域に極大吸収波長および吸収波長領域を有する場合、着色層は赤色波長領域にほとんど吸収をもたず、青色波長領域および緑色波長領域にそれぞれ極大吸収波長および吸収波長領域を有することが好ましい。
本発明に用いられる着色層が、太陽電池セルの受光面の反対側の面に配置されている場合について説明する。本態様については、第2電極層が透光性を有する場合と遮光性を有する場合に分けて説明する。
本態様では、図示はしないが、太陽電池セルの第2電極層が透光性を有し、シースルー型の有色の有機系太陽電池セルを用いた場合、第1透明基板から入射した光がビームスプリッターにより反射光と透過光に分かれ、反射光は太陽電池セルへ入射し、その後太陽電池セルを透過した光が着色層へと入射される。本態様においては、自然光である反射光の一部の光が太陽電池セルの光電変換機能層により吸収されて、吸収されなかった光(光電変換機能層を透過して着色された光)だけが太陽電池セルを透過して着色層へと入射し、吸収される。上記着色層および上記光電変換機能層は吸収波長領域が異なるので、着色層と光電変換機能層によって可視領域に発光波長を有する光のほとんどを吸収することができ、着色された光が第2透明基板より出射することを防止することができる。これにより、採光する光を自然光の色調に維持することが可能となる。
本態様では、図示はしないが、太陽電池セルの第2電極層が遮光性および反射性を有し、有色の有機系太陽電池セルを用いた場合、第1透明基板から入射した光がビームスプリッターにより反射光と透過光に分かれ、反射光は太陽電池セルへ入射し、太陽電池セルの第2電極層で反射した光が再度ビームスプリッターへと入射し、その後ビームスプリッターを透過した光が、当該太陽電池セルの受光面側にビームスプリッターを介して配置された着色層に入射し、吸収される。本態様においては、自然光である反射光の一部の光が太陽電池セルの光電変換機能層により吸収されて、吸収されなかった光(光電変換機能層を透過して着色された光)だけが太陽電池セルの第2電極層で反射し、太陽電池セルの第1電極層(受光面)から出射した着色光は、再度ビームスプリッターへと入射する。その後、着色光はビームスプリッターにより反射光と透過光に分かれ、透過光は、当該太陽電池セルの受光面側に、ビームスプリッターを介して隣接して配置された太陽電池セルの受光面の反対側の面に配置されている着色層に入射して吸収される。上記着色層および上記光電変換機能層は吸収波長領域が異なるので、着色層と光電変換機能層によって可視領域に発光波長を有する光のほとんどを吸収することができ、着色された光が第2透明基板より出射することを防止することができる。これにより、採光する光を自然光の色調に維持することが可能となる。
本態様においては、着色層は可視領域に極大吸収波長および吸収波長領域を有し、光電変換機能層の極大吸収波長よりも短波長および/または長波長に極大吸収波長および吸収波長領域を有することが好ましい。例えば、光電変換機能層が赤色波長領域に極大吸収波長および吸収波長領域を有する場合、着色層は青色波長領域および緑色波長領域にそれぞれ極大吸収波長および吸収波長領域を有することが好ましい。
着色層は光電変換機能層の吸収波長領域に吸収をもっていてもよく、ほとんど吸収をもっていなくてもよい。
本発明に用いられる着色層の形成材料としては、所定の吸収波長領域を有する着色層を形成することができるものであれば特に限定されるものではなく、一般的にカラーフィルタに用いられる顔料、染料やバインダー樹脂を用いることができる。
本発明に用いられる第1透明基板および第2透明基板は、平行に配置されるものであり、第1透明基板および第2透明基板の間には太陽電池セルとビームスプリッターとが交互に配置される。太陽電池セルは、上記第1透明基板に対して受光面が交差するように配置され、上記第1透明基板に対して平行な方向に所定の間隔をあけて複数個配置される。ビームスプリッターは、複数個の太陽電池セルと、隣接する上記太陽電池セルの間にそれぞれ配置され、上記第1透明基板側から入射した光の一部を透過して上記第2透明基板側から出射されるように配置される。
本発明においては、便宜上、本発明の太陽電池モジュールを使用する際に光入射側に配置される透明基板を第1透明基板、光出射側に配置される透明基板を第2透明基板としている。
以下、本発明に用いられる第1透明基板および第2透明基板について説明する。
本発明の太陽電池モジュール100において、第1透明基板4aは上記太陽電池モジュール100の光入射側の面に配置されたものであり、第2透明基板4bは上記太陽電池モジュール100の光出射側の面に配置されたものである。
なお、上記光透過率は、可視光領域において、スガ試験機株式会社製 SMカラーコンピュータ(型番:SM−C)を用いて測定した値である。
本発明に用いられる太陽電池セルは、上記第1透明基板および上記第2透明基板の間に、上記第1透明基板に対して受光面が交差するように配置され、上記第1透明基板に対して平行な方向に所定の間隔をあけて複数個配置されるものである。
本発明に用いられる太陽電池セルが有機薄膜太陽電池セルである場合について説明する。
図1〜図4に示すように、本発明に用いられる太陽電池セル10は、上記太陽電池セル10の受光面が第1透明基板4aに対して交差するように配置されるものである。
上記第1透明基板4aおよび第2透明基板4bの間に所定の間隔をあけて配置された複数個の太陽電池セル10の間には、ビームスプリッター5が上記太陽電池セル10と隣接して配置されている。
本発明に用いられる太陽電池セル10は、上記ビームスプリッター5の反射光40の出射側の面より順に第1電極層1、光電変換機能層2、第2電極層3が積層されたものである。なお、上記太陽電池セル10に用いられる上記第1電極層1は透光性を有するものである。
第2電極層3が遮光性および反射性を有する場合には、第1透明基板4aから入射し、ビームスプリッター5で反射された光(反射光)40は太陽電池セル10に入射し、有色の光電変換機能層2を透過して着色された光(着色光)が、第2電極層3を透過せず、反射されて第1電極層1から出射される。その後着色光はビームスプリッター5に入射し、透過光と反射光に分けられる。このとき、反射光は第1透明基板4aから出射される。ビームスプリッター5を透過した着色光は、当該太陽電池セル10の受光面側にビームスプリッター5を介して配置された太陽電池セル10の第2電極層3に反射して、再度ビームスプリッター5へと入射し、透過光と反射光に分かれる。この時の反射光は、第2透明基板4bより出射されるが、上述したように光量が少なく、第2透明基板4bから出射される光のほとんどは第1透明基板4aからの透過光50となり、自然光となるので、自然光により近い色調で採光していると視認することができる。
一方、第2電極層3が透光性を有する場合においては、図3に示すように、第2電極層3を透過した着色光60の一部の光がビームスプリッター5によって反射され、第2透明基板4bより出射される。この場合も、着色光60はビームスプリッター5で分割されており、光量は減るので、上記第2透明基板4bより出射されるほとんどの光は、第1透明基板4aから入射して、ビームスプリッター5を透過した透過光50であり、自然光であるため、自然光により近い色調で採光していると視認することが可能である。また、着色光60の一部は、ビームスプリッター5を透過し、再び太陽電池セル10に入射するので、光の利用効率を高めることができる。
以下、本態様における各部材について説明する。
本態様に用いられる第1電極層は、平行に配置された上記第1透明基板および上記第2透明基板の間に、上記第1透明基板に対して交差するように配置され、上記ビームスプリッターの反射光の出射側の面を向くように配置されるものである。
本発明に用いられる第1電極層は、上記ビームスプリッターにより反射された光を受光するため、透光性を有するものである。以下、本態様における第1電極層について説明する。
第1電極層がパターン状の補助電極と透明電極とが積層されたものである場合には、透明電極のシート抵抗が比較的高い場合であっても、補助電極のシート抵抗を十分に低くすることで、第1電極層全体としての抵抗を低減することができる。したがって、発生した電力を効率良く集電することができる。
以下、透明電極および補助電極について説明する。
本態様に用いられる透明電極は、平行に配置された第1透明基板および第2透明基板の間に、上記第1透明基板に対して交差するように配置されたものである。
なお、上記全光線透過率は、可視光領域において、スガ試験機株式会社製 SMカラーコンピュータ(型番:SM−C)を用いて測定した値である。
上記透明電極の膜厚としては、単層である場合はその膜厚が、複数層からなる場合は総膜厚が、0.1nm〜500nmの範囲内であることが好ましく、中でも1nm〜300nmの範囲内であることが好ましい。膜厚が上記範囲より薄いと、透明電極のシート抵抗が大きくなりすぎ、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できない可能性があり、一方、膜厚が上記範囲より厚いと、全光線透過率が低下し、光電変換効率を低下させる可能性があるからである。
本態様に用いられる補助電極は、通常、透明電極よりも抵抗値が低い。
また、フレーム部の線幅は、補助電極全体の面積等に応じて適宜選択される。
本態様における光電変換機能層は、上記第1電極層上に形成され、かつ第1透明基板に対して交差するように配置されたものである。以下、本態様における光電変換機能層について説明する。
以下、各態様について説明する。
本発明における光電変換機能層の第1態様は、電子受容性および電子供与性の両機能を有する単一の層であり、電子供与性材料および電子受容性材料を含有するものである。この光電変換機能層では、光電変換機能層内で形成されるpn接合を利用して電荷分離が生じるため、単独で光電変換機能層として機能する。
また、電子受容性化合物がドープされる電子供与性の導電性高分子材料としては、上述した電子供与性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子受容性化合物としては、例えばFeCl3(III)、AlCl3、AlBr3、AsF6やハロゲン化合物のようなルイス酸を用いることができる。なお、ルイス酸は電子受容体として作用する。
本発明における光電変換機能層の第2態様は、電子受容性の機能を有する電子受容性層と電子供与性の機能を有する電子供与性層とが積層されたものである。以下、電子受容性層および電子供与性層について説明する。
本態様に用いられる電子受容性層は、電子受容性の機能を有するものであり、電子受容性材料を含有するものである。
本発明に用いられる電子供与性層は、電子供与性の機能を有するものであり、電子供与性材料を含有するものである。
本発明においては、有機薄膜太陽電池セルの場合、上述したように吸収波長領域が異なる光電変換機能層が2層以上積層されていてもよい。本態様の有機薄膜太陽電池セルに着色層が配置されていない場合には、吸収波長領域が異なる光電変換機能層が2層以上積層されていることが好ましい。吸収波長領域が異なる光電変換機能層が2層以上形成されている場合には、複数層の光電変換機能層によって可視領域の光のほとんどを吸収することができ、採光される光の色調を維持することができるからである。また、光電変換機能層に入射した光のほとんどが吸収され、広範囲の波長領域の光エネルギーを吸収し、電気エネルギーに変換することが可能なため、発電に寄与し、高い発電効率を達成することもできる。
以下、本態様における光電変換機能層について説明する。
例えば、赤色波長領域(600nm〜800nmの範囲内、好ましくは610nm〜720nmの範囲内)に吸収極大波長を有する光電変換機能層、緑色波長領域(500nm〜600nmの範囲内、好ましくは530nm〜560nmの範囲内)に吸収極大波長を有する光電変換機能層、および青色波長領域(400nm〜500nmの範囲内、好ましくは440nm〜480nmの範囲内)に吸収極大波長を有する光電変換機能層が積層されていることが好ましい。これにより、自然光の色調を維持して採光できる有機薄膜太陽電池セルとすることができ、また、より広範囲にわたる波長領域の光エネルギーを利用して発電することが可能である。
本態様に用いられる第2電極層は、上記光電変換機能層上に形成され、かつ第1透明基板に対して交差するように配置されるものである。上述したように、上記第2電極層は、透光性を有するものであってもよく、遮光性を有するものであってもよいが、有色の光電変換機能層を用いる本態様においては、遮光性を有するものが好ましい。
また、第2電極層は反射性を有することが好ましい。反射性を有する第2電極層を用いることにより、光電変換機能層を透過した光が第2電極層で反射され、再び光電変換機能層に入射するので、光の利用効率を高めることができる。
以下、本態様における第2電極層について説明する。
また、第2電極層が透光性を有する場合、第2電極層としては、上記第1電極層と同様とすることができる。
第2電極層の膜厚は、単層である場合にはその膜厚が、複数層からなる場合には各層を合わせた総膜厚が、0.1nm〜500nmの範囲内、中でも1nm〜300nmの範囲内であることが好ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、第2電極層のシート抵抗が大きくなりすぎ、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できない可能性がある。
本発明においては、第1電極層が透明基材上に形成されていてもよい。なお、透明基材については、上記第1透明基板および第2透明基板と同様とすることができる。
本発明に用いられる太陽電池セルが色素増感型太陽電池セルである場合について説明する。
図1〜図4に示すように、本発明に用いられる太陽電池セル10は、太陽電池セル10の受光面が第1透明基板4aに対して交差するように配置されるものである。
上記第1透明基板4aおよび第2透明基板4bの間に所定の間隔をあけて配置された複数個の太陽電池セル10の間には、ビームスプリッター5が上記太陽電池セル10と隣接して配置されている。
本発明に用いられる太陽電池セル10は、上記ビームスプリッター5の反射光40の出射側の面より順に第1電極層1、光電変換機能層2、第2電極層3が積層されたものである。なお、上記太陽電池セル10に用いられる上記第1電極層1は透光性を有するものである。
以下、本態様における各部材について説明する。
本態様に用いられる第1電極層は、上記第1透明基板に対して交差するように配置され、上記ビームスプリッターの反射光の出射側の面を向くように配置されるものである。
本発明に用いられる第1電極層は、上記ビームスプリッターにより反射された光を受光するため、透光性を有するものである。以下、本態様における第1電極層について説明する。
一方、上記導電性高分子化合物材料としては、例えば、ポリチオフェン、ポリスチレンスルフォン酸(PSS)、ポリアニリン(PA)、ポリピロール、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)等を挙げることができる。また、これらを2種以上混合して用いることもできる。
本態様における光電変換機能層は、第1電極層上に形成され、かつ第1透明基板に対して交差するように配置されたものである。以下、本態様における光電変換機能層について説明する。
本態様に用いられる金属酸化物半導体微粒子としては、半導体特性を備える金属酸化物からなるものであれば特に限定されるものではない。本態様に用いられる金属酸化物半導体微粒子を構成する金属酸化物としては、例えば、TiO2、ZnO、SnO2、ITO、ZrO2、MgO、Al2O3、CeO2、Bi2O3、Mn3O4、Y2O3、WO3、Ta2O5、Nb2O5、La2O3等を挙げることができる。なかでも本態様においては、TiO2からなる金属酸化物半導体微粒子を用いることが最も好ましい。TiO2は特に半導体特性に優れるからである。
本態様に用いられる増感色素としては、光を吸収して起電力を生じさせることが可能なものであれば特に限定はされない。このような増感色素としては、有機色素または金属錯体色素を挙げることができる。上記有機色素としては、アクリジン系、アゾ系、インジゴ系、キノン系、クマリン系、メロシアニン系、フェニルキサンテン、インドリン、カルバゾール系の色素が挙げられる。本態様においてはこれらの有機色素の中でも、クマリン系色素を用いることが好ましい。また、上記金属錯体色素としてはルテニウム系色素を用いることが好ましく、特にルテニウム錯体であるルテニウムビピリジン色素およびルテニウムターピリジン色素を用いることが好ましい。このようなルテニウム錯体は吸収する光の波長範囲が広いため、光電変換できる光の波長領域を大幅に広げることができるからである。
本態様に用いられる電解質層について説明する。本態様に用いられる電解質層は、酸化還元対を含むものである。
本態様に用いられる光電変換機能層には、上記の他に任意の成分が含まれていてもよい。本態様に用いられる任意の成分としては、例えば、樹脂を挙げることができる。上記光電変換機能層に樹脂が含有されることにより、本態様に用いられる光電変換機能層の脆性を改善することができるからである。
本発明においては、色素増感型太陽電池セルの場合、光電変換機能層では、吸収波長領域が異なる増感色素が担持された金属酸化物半導体微粒子を含む2層以上の半導体層が積層されていてもよい。本態様の色素増感型太陽電池セルに着色層が配置されていない場合には、吸収波長領域が異なる増感色素が担持された金属酸化物半導体微粒子を含む2層以上の半導体層が積層されていることが好ましい。吸収波長領域が異なる増感色素が担持された金属酸化物半導体微粒子を含む半導体層が2層以上形成されている場合には、複数層の吸収波長領域が異なる増感色素が担持された金属酸化物半導体微粒子を含む上記半導体層によって、可視領域の光のほとんどを吸収することができ、採光される光の色調を維持することができるからである。また、上述したような光電変換機能層に入射した光のほとんどが吸収され、広範囲の波長領域の光エネルギーを吸収し、電気エネルギーに変換することが可能なため、発電に寄与し、高い発電効率を達成することもできる。
以下、本態様における光電変換機能層について説明する。
例えば、赤色波長領域(600nm〜800nmの範囲内、好ましくは610nm〜720nmの範囲内)に吸収極大波長を有する増感色素が担持された金属酸化物半導体微粒子を含む半導体層、緑色波長領域(500nm〜600nmの範囲内、好ましくは530nm〜560nmの範囲内)に吸収極大波長を有する増感色素が担持された金属酸化物半導体微粒子を含む半導体層、および青色波長領域(400nm〜500nmの範囲内、好ましくは440nm〜480nmの範囲内)に吸収極大波長を有する増感色素が担持された金属酸化物半導体微粒子を含む半導体層が積層されていることが好ましい。これにより、自然光の色調を維持して採光できる色素増感型太陽電池セルとすることができ、また、より広範囲にわたる波長領域の光エネルギーを利用して発電することが可能である。
本態様に用いられる第2電極層は、上記光電変換機能層上に形成され、かつ第1透明基板に対して交差するように配置されるものである。上述したように、上記第2電極層は、透光性を有するものであってもよく、遮光性を有するものであってもよいが、有色の太陽電池セルを用いる本態様においては、遮光性を有するものが好ましい。
また、第2電極層は反射性を有することが好ましい。反射性を有する第2電極層を用いることにより、光電変換機能層を透過した光が第2電極層で反射され、再び光電変換機能層に入射するので、光の利用効率を高めることができる。
以下、本態様における第2電極層について説明する。
また、第2電極層が透光性を有する場合、第2電極層としては、第1電極層と同様とすることができる。
第2電極層の膜厚は、単層である場合にはその膜厚が、複数層からなる場合には各層を合わせた総膜厚が、0.1nm〜500nmの範囲内、中でも1nm〜300nmの範囲内であることが好ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、第2電極層のシート抵抗が大きくなりすぎ、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できない可能性がある。
本発明においては、第1電極層が透明基材上に形成されていてもよい。なお、透明基材については、上記第1透明基板および第2透明基板と同様とすることができる。
本発明の太陽電池について説明する。
本発明の太陽電池は、平行に配置された第1透明基板および第2透明基板と、上記第1透明基板および上記第2透明基板の間に、上記第1透明基板に対して受光面が交差するように配置された太陽電池セルと、上記太陽電池セルに隣接して配置され、上記第1透明基板側から入射した光の一部を透過して上記第2透明基板側から出射させ、一部を反射して上記太陽電池セルに入射させるビームスプリッターとを有するものである。
従来では、太陽電池セルの受光面が透明基板に対して平行になるように太陽電池セルを配置し、太陽電池セルが配置されていない領域から採光している。このため、高い発電効率を得ようと受光面の面積が大きい太陽電池セルを配置した場合、太陽電池セルの配置により遮光部となる領域が増え、採光性が低下してしまう。このように、高い発電効率を得ようとすると、採光性が低下してしまうといった課題があった。
本発明における太陽電池セルは、第1透明基板に対して太陽電池セルの受光面が交差するように配置されるため、高い発電効率および優れた採光性を有する太陽電池とすることができる。
以下、本発明の太陽電池の各部材について説明する。
本発明に用いられるビームスプリッターの詳しい説明については「I.太陽電池モジュール A.ビームスプリッター」の項で説明したものと同様とすることができるので、ここでの記載は省略する。
中でも、本発明の太陽電池は、ビームスプリッターとして上述したキューブ型ビームスプリッターを用いることが好ましい。キューブ型ビームスプリッターを、第1透明基板および第2透明基板の間にて、太陽電池セルと隣接して配置した際に、キューブ型ビームスプリッターに含まれる光学薄膜の角度等にズレが生じにくいからである。
本発明の太陽電池は、上記第2透明基板上に配置され、上記ビームスプリッターを透過した光を拡散する拡散板を有することが好ましい。
本発明においては、本発明の太陽電池が複数個接続される場合、後述する太陽電池セルの受光面側、または受光面の反対側の面に、光電変換機能層と吸収波長領域が異なる着色層が配置されていることが好ましい。
このような着色層は、有色の有機系太陽電池セルに好適に用いられる。
光電変換機能層と異なる吸収波長領域を有する着色層を用いることにより、光電変換機能層で吸収されない着色光を着色層が吸収し、第2透明基板より着色光が出射されるのを防止することができるからである。
本発明に用いられる第1透明基板および第2透明基板については、「I.太陽電池モジュール D.第1透明基板および第2透明基板」の項で説明したものと同様とすることができるので、ここでの記載は省略する。
本発明に用いられる太陽電池セルについて説明する。
本発明の太陽電池に用いられる太陽電池セルは、第1透明基板および第2透明基板の間に、第1透明基板に対して受光面が交差するように配置されるものであり、透光性を有する第1電極層と、上記第1電極層上に形成された光電変換機能層と、上記光電変換機能層上に形成された第2電極層とを有するものである。
なお、上記太陽電池セルについては、「I.太陽電池モジュール E.太陽電池セル」の項で説明したものと同様とすることができるので、ここでの記載は省略する。
横30mm、縦300mmのガラス製の透明基板上にスパッタ法により銅層を成膜した後に、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を経て集電用パターン電極を形成した。
実施例1と同様にして有機薄膜太陽電池セルを作製した。
図2に示すように、2枚の透明基板(4a、4b)を用いて、太陽電池10とビームスプリッター5(キューブ型)とを固定した。
2 … 光電変換機能層
3 … 第2電極層
4a … 第1透明基板
4b … 第2透明基板
5 … ビームスプリッター
6 … 光学基板
7 … 光学薄膜
8 … プリズム
9 … 拡散板
10 … 太陽電池セル
11 … 着色層
20 … シースルー型の有機系太陽電池セル
30 … 入射光
40 … 反射光
50 … 透過光
60 … 着色光
100 … 太陽電池モジュール
θ … 入射光と反射光とのなす角度
h … 反射光
Claims (6)
- 平行に配置された第1透明基板および第2透明基板と、
前記第1透明基板および前記第2透明基板の間に、前記第1透明基板に対して受光面が交差するように配置され、前記第1透明基板に対して平行な方向に所定の間隔をあけて配置された複数個の太陽電池セルと、
隣接する前記太陽電池セルの間にそれぞれ配置され、前記第1透明基板側から入射した光の一部を透過して前記第2透明基板側から出射させ、一部を反射して前記太陽電池セルに入射させるビームスプリッターと、を有し、
前記太陽電池セルが、有機系の太陽電池セルであり、
前記太陽電池セルの受光面側、または受光面と反対側の面に、前記太陽電池セルの光電変換機能層と吸収波長領域が異なる着色層が配置されており、
前記ビームスプリッターとして、光束分割性能の種類がNDフィルターであるビームスプリッターが用いられていることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記第1透明基板に対して受光面が垂直になるように前記太陽電池セルが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第2透明基板上に配置され、前記ビームスプリッターを透過した光を拡散する拡散板を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の太陽電池モジュール。
- 平行に配置された第1透明基板および第2透明基板と、
前記第1透明基板および前記第2透明基板の間に、前記第1透明基板に対して受光面が交差するように配置された太陽電池セルと、
前記太陽電池セルに隣接して配置され、前記第1透明基板側から入射した光の一部を透過して前記第2透明基板側から出射させ、一部を反射して前記太陽電池セルに入射させるビームスプリッターと、を有し、
前記太陽電池セルが、有機系の太陽電池セルであり、
前記太陽電池セルの受光面側、または受光面と反対側の面に、前記太陽電池セルの光電変換機能層と吸収波長領域が異なる着色層が配置されており、
前記ビームスプリッターとして、光束分割性能の種類がNDフィルターであるビームスプリッターが用いられていることを特徴とする太陽電池。 - 前記第1透明基板に対して受光面が垂直になるように前記太陽電池セルが配置されていることを特徴とする請求項4に記載の太陽電池。
- 前記第2透明基板上に配置され、前記ビームスプリッターを透過した光を拡散する拡散板を有することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の太陽電池。
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