JP6037288B2 - 太陽電池、フォトニック結晶基板、太陽電池パネルおよび太陽電池を備えた装置 - Google Patents
太陽電池、フォトニック結晶基板、太陽電池パネルおよび太陽電池を備えた装置 Download PDFInfo
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Description
図28に示すように、特開昭63−313874号公報には、光の吸収量の増大を図った太陽電池用基板1000が開示されている。具体的には、ガラス基板1010上に多数の凸部を有する透明電導膜1020を形成する。この透明電導膜1020の表面の凹凸により、入射光が半導体層と上記透明電導膜1020との界面で散乱されるので、半導体層内での多重反射および屈折が起こる。その結果、光路長が延伸して、光の吸収量が増大することが、同公報では述べられている。
図29に示すように、特開2002−368244号公報には、太陽電池本体2000に含まれる透明電極2010の表面上に、誘電体で形成された複数の誘電体アンテナ2020を突出して設ける技術が開示されている。太陽から照射される電磁波を上記誘電体アンテナ2020によって受信して、太陽電池本体2000の半導体光電層2030に供給することで、太陽光を効率よく発電電力として出力することが述べられている。
2層以上の光電変換層を有する構造の太陽電池は、タンデム構造太陽電池あるいはタンデム型太陽電池と呼称されている。
媒質および誘電率の異なる周期構造が、光の波長と同程度の周期で媒質内に形成されたものを、フォトニック結晶という。
(1)光の入射側に設けられた透明基板と、
(2)上記透明基板上に形成された第1の透明導電膜と、
(3)上記第1透明導電膜の表面上に設けられ、複数の凹凸で形成されたフォトニック結晶構造と、
(4)上記フォトニック結晶構造の凹凸に沿って形成された、少なくとも1層の光電変換層と、
(5)上記第1透明導電膜および上記フォトニック結晶構造は、上記光電変換層よりも屈折率の小さい材料で形成されていることを特徴とする。
第1に、本発明の太陽電池の構成によれば、フォトニック結晶構造が、光の入射側に位置する第1の透明導電膜と光電変換層との境界に設けられている。これにより、透明基板に入射した光は、第1の透明導電膜を通過するだけで、フォトニック結晶構造に到達することができる。そして、第1の透明導電膜およびフォトニック結晶構造を形成する材料の屈折率は、光電変換層の屈折率よりも小さい。
第2に、上記の構成によれば、第1の透明導電膜の表面に、複数の凹凸で形成されたフォトニック結晶構造が設けられている。
(太陽電池の構成)
図1は、本実施形態の太陽電池1の全体構成を概略的に示す断面図である。
第1に、太陽電池1の構成によれば、フォトニック結晶構造30が、光の入射側に位置する第1の透明導電膜11と光電変換層20との境界に設けられている。これにより、透明基板10に入射した光は、第1の透明導電膜11を通過するだけで、フォトニック結晶構造30に到達することができる。
第2に、フォトニック結晶構造30によって、光を光電変換層20内に閉じ込めることができる結果、光電変換層20による光吸収率を高める効果が得られる。
(2)半導体層22にも、フォトニック結晶構造が転写されているため、半導体層22における光の共振による光閉じ込め効果、
(3)高屈折率の光電変換層20が、低屈折率の2つの透明導電膜11,12で挟まれていることによる光ファイバーの原理に基づく光閉じ込め効果、
(4)金属電極層14が、光電変換層20で光電変換されずに通り抜けた光を、再び光電変換層20内へと戻すように反射する反射効果。
以下では、太陽電池1を構成するそれぞれの要素について、その性質および材料などを詳細に説明する。
それぞれの半導体層21、22は、真性半導体層(i層)をp型半導体層とn型半導体層とで挟んだpin縦型構造となっている。pin縦型構造は、光の入射側(透明基板10側)から、正孔をドープしたp型半導体層、i型半導体(真性半導体)層、電子をドープしたn型半導体層の順で積層することによって形成される。
図1に示すフォトニック結晶構造30は、第1の透明導電膜11の表面上に所定のピッチで、複数の構造体31を、例えば正方格子状に配列した構成である。したがって、図1に示すフォトニック結晶構造30は、単一の周期構造を有している。
図3に示す構造体32,33は、円柱の形状を有しているが、円柱を四角柱に置き換えてもよい。図4は、四角柱の構造体32b,33bが、第1および第2の副構造を構成したフォトニック結晶構造30bを示す平面図である。
次に、太陽電池1aにおいて、上記フォトニック結晶構造30aによる共振強度の大きさQ、および光の吸収率Sがどのように決定されるかについて述べる。
(1)第1、第2の副構造の格子定数aとA(A=2a)
(2)第1、第2の副構造の構造体断面の径rとR
(3)第1、第2の副構造の構造体の中心軸方向長さ(柱の高さ)d
(4)透明基板10の光入射側表面から金属電極層14の光電変換層20側表面までの距離L
(5)光電変換層20を構成するすべての半導体層のある波長λの光に対する屈折率ni(λ)(iは自然数)。
Q(λ)=f(a,r,R,d,L,n1(λ),n2(λ))
また、ある波長λの光に対するフォトニック結晶構造による吸収率Sは、以下のパラメータによって決定される。
(A)上記パラメータ(1)〜(5)により決定されたQ値
(B)フォトニック結晶構造30aから金属電極層14の光電変換層20側表面までの距離h
(C)ある波長λの光に対する光電変換層20の吸収係数として、結晶シリコンの吸収係数α(λ)
(D)光電変換層20の厚さt。
S(λ)=g(Q(λ),α(λ),h,t)
従って、上記(1)〜(5)および上記(A)〜(D)を変えることによって、ある波長λの光に対するQ値およびS値を調整することができる。
次に、上記フォトニック結晶構造30aの周期(格子定数)はどのように決定されるのか、その決定方法について説明する。
図8の(a)は、太陽電池1に進入した光の様子を示す簡略図であり、図8の(b)は、従来技術の太陽電池100に進入した光の様子を対比的に示す簡略図である。太陽電池100は、前記特許文献1に開示されたようなテクスチャー構造を有している。図中の矢印の向きと太さとにより、光の進行方向と光量とを示している。
太陽電池1または1aは、フォトニック結晶構造30,30aまたは30bが形成される位置にも特徴がある。
太陽電池1または1aの変形例として、光電変換層が単層の半導体層で構成された太陽電池1bについて、以下に説明する。図10は、太陽電池1bの構成を示す模式的な断面図である。なお、説明の便宜上、前述した構成要素と同じ構成要素には、同じ番号を付与し、その説明を省略する。
太陽電池1の製造工程を、図12の(a)〜(c)に基づいて説明する。なお、以下で示される膜厚に関する数値は一例であって、適宜変更可能である。
フォトニック結晶基板としての前記加工済み基板99は、透明基板10上に成膜した第1の透明導電膜11の表面上に、透明誘電体の凹凸構造を設けた構成を備えていた。
本発明の太陽電池に関する第2の実施形態について、図13から図15に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態1にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。このことは、実施形態3以降についても同様とする。
図13は、実施形態2の太陽電池200の全体構成を概略的に示す断面図である。図13に示すように、太陽電池200は、前記第1の透明導電膜11の上に、無機または有機の透明誘電体を材料として形成された層に、周期的に配列する柱状の孔231が形成されたフォトニック結晶構造230を含むものである。この孔231の周期的な配列によって、第1の透明導電膜11上に凹凸による周期構造が形成されている。以下、孔231のことを孔状の構造体231と呼ぶ。
(1)フォトニック結晶としては、孔231内に空間が在る場合と比べて、屈折率の差が大きくなることから、光吸収向上の効果がより大きくなる。
(2)太陽電池としては、その上にある第1の透明導電膜11と光電変換層20とのコンタクトをとる面積が大きくなるため、電子の移動を妨げず、高い変換効率を得やすくなる。
フォトニック結晶構造230または230aを形成するためには、実施形態1において、フォトニック結晶構造30,30aまたは30bを製造するために使用したポジ型のフォトレジストを、ネガ型のフォトレジストに変えればよい。
図16は、実施形態2の太陽電池において、単層の半導体層で構成された光電変換層を備えた変形例を示す模式的な断面図である。
本発明の太陽電池に関する第3の実施形態について、図17〜22に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
図17に示すように、本実施形態の太陽電池300は、フォトニック結晶構造330を構成する構造体331を、透明誘電体ではなく、導電性を有する透明材料によって形成したことを特徴としている。図17に、本実施形態の一例として、透明導電層に、円柱状の凸部を周期的かつ二次元的に設けたフォトニック結晶構造330を含む太陽電池300の断面図を示す。
フォトニック結晶構造330は、単一の周期構造を備えていてもよいし、複数の周期構造を備えていてもよい。
太陽電池300のQ値およびS値は、実施形態1で説明したように、下記の非線形関数によって表される。
S(λ)=g(Q(λ),α(λ),h,t)
Q値およびS値の算出に必要な各パラメータを図20に示すが、各パラメータの定義についても、実施形態1で説明したとおりである。なお、構造体332,333の各中心軸方向長さ(柱の高さ)dは、図20に示すように、隣合う構造体の間に形成される凹部内に充填された半導体層21の凹部内における厚みに等しい。
図21の(a)〜(c)に従って、本実施形態の太陽電池300の製造工程を説明する。
本実施形態と実施形態2とを組み合わせることにより、図19の(c)(d)に示すように、透明導電層に設けた複数の孔(凹部)状の構造体332c,333cによってフォトニック結晶構造を構成することもできる。すなわち、導電性を有するフォトニック結晶構造330、330aまたは330bは、本実施形態のように凸部で形成することもできるし、また実施形態2のように凹部で形成することもできる。
本発明の太陽電池に関する実施形態4について、図24〜図27に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
図25は、上記フォトニック結晶構造530の変形例としてのフォトニック結晶構造630を示す平面図である。
フォトニック結晶構造530およびフォトニック結晶構造630は、透明基板10または第1の透明導電膜11の表面状に凸状の構造体531または構造体631を設けていた。
(1)上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造の基本要素をなしているとともに、
(2)上記フォトニック結晶構造は、第1の径を持つ上記基本要素が、第1の格子定数で配列された第1の副構造と、上記第1の径と異なった第2の径を持つ上記基本要素が、第1の格子定数と異なった第2の格子定数で、上記第1の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列された第副構造とを含む、少なくとも2種類の副構造を含み、
(3)上記第1の径および第2の径は、上記第1の透明導電膜の面内方向における上記基本要素の断面の径であることを特徴とする。
(1)上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造を形成するためのの基本要素をなしているとともに、
(2)上記フォトニック結晶構造は、4つの凹部または4つの凸部を正方格子状に配置した単位格子を備え、該単位格子を二次元的、かつ周期的に配置することによって構成され、
(3)上記4つの凹部または4つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、4つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件を満たしていることを特徴とする。
(1)上記複数の凹凸を構成する凹部または凸部の一方が上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
(2)上記複数の凹凸は、第1の径および第1の格子定数を持つ第1の副構造と、当該第1の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列され、上記第1の径および第1の格子定数とはそれぞれ異なった第2の径および第2の格子定数を持つ第2の副構造とを含む、少なくとも2種類の副構造を含み、
(3)上記第1の径および第2の径は、上記透明導電膜の面内方向における上記基本要素の断面の径であることを特徴とする。
(1)上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
(2)上記フォトニック結晶構造は、4つの凹部または4つの凸部を正方格子状に配置した単位格子を備え、該単位格子を二次元的、かつ周期的に配置することによって構成され、
(3)上記4つの凹部または4つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、4つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件を満たしていることを特徴とする。
10 透明基板
11 第1の透明導電膜
12 第2の透明導電膜
14 金属電極層
20 光電変換層
21,22 半導体層
30,30a,30b,30c フォトニック結晶構造
31,32,33 構造体(基本要素)
32 構造体
32b、33b 構造体(基本要素)
99,299、399、499、599 加工済み基板(フォトニック結晶基板)
200,200a 太陽電池
230,230a フォトニック結晶構造
231,232,233 孔状の構造体(基本要素)
300,300a 太陽電池
330,330a,330b,330c フォトニック結晶構造
331,332,333 構造体(基本要素)
332c,333c 孔状の構造体(基本要素)
400 太陽電池
501 太陽電池
530 フォトニック結晶構造
531 構造体(基本要素)
531a 孔状の構造体(基本要素)
540 単位格子
630 フォトニック結晶構造
631 構造体(基本要素)
631a 孔状の構造体(基本要素)
640 単位格子
r,w 第1の径
R,W 第2の径
a,A 格子定数
Claims (20)
- 光の入射側に設けられた透明基板と、
上記透明基板上に形成された第1の透明導電膜と、
上記第1の透明導電膜の表面上に設けられ、複数の凹凸で形成されたフォトニック結晶構造と、
上記フォトニック結晶構造の凹凸に沿って形成された、少なくとも1層の光電変換層とを備え、
上記第1の透明導電膜および上記フォトニック結晶構造は、上記光電変換層よりも屈折率の小さい材料で形成されていること
を特徴とする太陽電池。 - 上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造の基本要素をなしているとともに、
上記フォトニック結晶構造は、第1の径を持つ上記基本要素が、第1の格子定数で配列された第1の副構造と、上記第1の径と異なった第2の径を持つ上記基本要素が、第1の格子定数と異なった第2の格子定数で、上記第1の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列された第2の副構造とを含む、少なくとも2種類の副構造を含み、
上記第1の径および第2の径は、上記第1の透明導電膜の面内方向における上記基本要素の断面の径であること
を特徴とする請求項1に記載の太陽電池。 - 上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が上記フォトニック結晶構造の基本要素をなしているとともに、上記基本要素は、中心軸の方向が上記透明導電膜の表面と実質的に垂直な柱形状をしており、中心軸に垂直な断面の形状が円形、楕円形または多角形であり、上記多角形は、直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記多角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいること
を特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池。 - 上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
上記フォトニック結晶構造は、4つの凹部または4つの凸部を正方格子状に配置した単位格子を備え、該単位格子を二次元的、かつ周期的に配置することによって構成され、
上記4つの凹部または4つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、4つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件を満たしていること
を特徴とする請求項1に記載の太陽電池。 - 上記4つの凹部または4つの凸部の断面の形状は、大きさが互いに異なる相似形であること
を特徴とする請求項4に記載の太陽電池。 - 上記4つの凹部または4つの凸部の断面の形状は三角形であり、
4つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという上記条件を満たすように、各三角形の向きまたは形状が設定され、
上記三角形は、上記三角形の直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記三角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいること
を特徴とする請求項4に記載の太陽電池。 - 上記光電変換層の上記第1の透明導電膜と反対側の表面に形成された第2の透明導電膜を備え、当該第2の透明導電膜は、上記光電変換層よりも屈折率の小さい材料で形成されていること
を特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 上記光電変換層は、吸収する光の主な波長域が異なる少なくとも2層の光電変換層を有していること
を特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 上記フォトニック結晶構造は、透明な誘電体で形成されていること
を特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 上記フォトニック結晶構造は、透明な導電体で形成されていること
を特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 上記太陽電池は、光の入射側と反対側の表面に、上記光電変換層側から入射した光を上記入射側へと反射し、かつ上記光電変換層の電極として機能する金属電極層が形成されていること
を特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 光電変換層が積層されるフォトニック結晶基板であって、
透明基板と、
上記透明基板の一方の表面上に設けられた透明導電膜とを備え、
上記透明導電膜の表面には、フォトニック結晶構造を形成するための複数の凹凸が、周期的に形成され、
上記透明導電膜および上記複数の凹凸は、上記複数の凹凸に沿って形成された上記光電変換層の形成材料よりも屈折率の小さい材料で形成されており、
上記凹凸の形成材料は、上記透明導電膜上に積層された透明な導電体であること
を特徴とするフォトニック結晶基板。 - 光電変換層が積層されるフォトニック結晶基板であって、
透明基板と、
上記透明基板の一方の表面上に設けられた透明導電膜とを備え、
上記透明導電膜の表面には、フォトニック結晶構造を形成するための複数の凹凸が、周期的に形成され、
上記透明導電膜および上記複数の凹凸は、上記複数の凹凸に沿って形成された上記光電変換層の形成材料よりも屈折率の小さい材料で形成されており、
上記一方の表面の形状が、上記複数の凹凸の形状に対応した凹凸の形状をなし、
上記透明導電膜の表面に形成された上記複数の凹凸は、上記一方の表面における凹凸の形状が反映されたものであること
を特徴とするフォトニック結晶基板。 - 光電変換層が積層されるフォトニック結晶基板であって、
透明基板と、
上記透明基板の一方の表面上に設けられた透明導電膜とを備え、
上記透明導電膜の表面には、フォトニック結晶構造を形成するための複数の凹凸が、周期的に形成され、
上記透明導電膜および上記複数の凹凸は、上記複数の凹凸に沿って形成された上記光電変換層の形成材料よりも屈折率の小さい材料で形成されており、
上記複数の凹凸を構成する凹部または凸部の一方が上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
上記複数の凹凸は、第1の径および第1の格子定数を持つ第1の副構造と、当該第1の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列され、上記第1の径および第1の格子定数とはそれぞれ異なった第2の径および第2の格子定数を持つ第2の副構造とを含む、少なくとも2種類の副構造を含み、
上記第1の径および第2の径は、上記透明導電膜の面内方向における上記基本要素の断面の径であること
を特徴とするフォトニック結晶基板。 - 光電変換層が積層されるフォトニック結晶基板であって、
透明基板と、
上記透明基板の一方の表面上に設けられた透明導電膜とを備え、
上記透明導電膜の表面には、フォトニック結晶構造を形成するための複数の凹凸が、周期的に形成され、
上記透明導電膜および上記複数の凹凸は、上記複数の凹凸に沿って形成された上記光電変換層の形成材料よりも屈折率の小さい材料で形成されており、
上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
上記フォトニック結晶構造は、4つの凹部または4つの凸部を正方格子状に配置した単位格子を備え、該単位格子を二次元的、かつ周期的に配置することによって構成され、
上記4つの凹部または4つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、4つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件を満たしていること
を特徴とするフォトニック結晶基板。 - 上記凹凸の形成材料は、上記透明導電膜上に積層された透明な誘電体であること
を特徴とする請求項12から15のいずれか1項に記載のフォトニック結晶基板。 - 上記4つの凹部または4つの凸部の断面の形状は、大きさが互いに異なる相似形であること
を特徴とする請求項15に記載のフォトニック結晶基板。 - 上記4つの凹部または4つの凸部の断面の形状は三角形であり、
4つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという上記条件を満たすように、各三角形の向きまたは形状が設定され、
上記三角形は、上記三角形の直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記三角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいること
を特徴とする請求項15に記載のフォトニック結晶基板。 - 請求項1から11のいずれか1項に記載の太陽電池を1ユニットとして、複数の上記ユニットが一次元的または二次元的に配列されたことを特徴とする太陽電池パネル。
- 請求項1から11のいずれか1項に記載の太陽電池、または請求項19に記載の太陽電池パネルを電源として備えたことを特徴とする装置。
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