DE112014002196B4 - Photovoltaic device - Google Patents
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Abstract
Photovoltaikvorrichtung mit den folgenden Ausgestaltungen:(1) die Photovoltaikvorrichtung weist eine lichtabsorbierende Komponente mit einem lichtabsorbierenden Material auf, das im Stande ist, einen Ladungsträger durch Absorbieren monochromatischen Lichts einer Wellenlänge λ0zu erzeugen;(2) die Photovoltaikvorrichtung ist mit einem Bandpassfilter an einer Fläche davon ausgebildet, auf die das einfallende Licht unter einem Einfallswinkel θ einfällt, und der Bandpassfilter weist eine Funktion wellenlängenselektiver Transmission von Licht mit der Wellenlänge λ0auf; und(3) die lichtabsorbierende Komponente weist eine diffuse Reflexionsfläche an einer Rückseite davon, die zu der Fläche, an der der Bandpassfilter ausgebildet ist, entgegengesetzt ist, auf.The photovoltaic device has the following configurations: (1) the photovoltaic device has a light-absorbing component including a light-absorbing material capable of generating a charge carrier by absorbing monochromatic light of a wavelength λ0; (2) the photovoltaic device is provided with a band pass filter on a surface thereof on which the incident light is incident at an incident angle θ, and the bandpass filter has a function of wavelength-selective transmission of light having the wavelength λ0; and (3) the light absorbing component has a diffuse reflection surface on a back side thereof opposite to the surface on which the band pass filter is formed.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Photovoltaikvorrichtung, genauer gesagt, bezieht sich auf eine höchst effiziente Photovoltaikvorrichtung, die für Einstrahlung monochromatischen Lichts geeignet ist.The present invention relates to a photovoltaic device, more precisely, relates to a highly efficient photovoltaic device suitable for irradiation of monochromatic light.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Ein System von Monochromatisierung Sonnenlichts zum Bestrahlen eines photovoltaischen Materials ist studiert worden. Ferner ist eine Kombination eines Laserstrahls (monochromatischen Lichts) und einer Photovoltaikvorrichtung als eine Leistungsversorgungstechnologie für einen sich bewegenden Körper und dergleichen oder in einer hohen elektromagnetischer Rauschumgebung verwendet worden (Nichtpatentliteratur 1, 2).A system of monochromatizing sunlight to irradiate a photovoltaic material has been studied. Further, a combination of a laser beam (monochromatic light) and a photovoltaic device has been used as a power supply technology for a moving body and the like or in a high electromagnetic noise environment (Non-Patent
Eine gewöhnliche Solarzelle (für weißes Licht) wird auch für derartige Verwendung von Einstrahlen monochromatischen Lichts verwendet. In diesem Fall wird lediglich eine Solarzelle, die ein Material mit einer geringfügig kleineren Bandlücke als die Photonenenergie monochromatischen Lichts verwendet, ausgewählt, und keine bestimmte Verbesserung ist durchgeführt worden.An ordinary solar cell (for white light) is also used for such use of monochromatic light irradiation. In this case, only a solar cell using a material having a band gap slightly smaller than the photon energy of monochromatic light is selected, and no particular improvement has been made.
In einem Fall von Bestrahlen einer Solarzelle für weißes Licht mit monochromatischem Licht ist eine Effizienz (ein Wirkungsgrad) von Umwandlung monochromatischen Lichts in elektrische Leistung gering. Währenddessen ist es möglich, falls eine Verbesserung, die für monochromatische Lichtbestrahlung spezialisiert ist, durchgeführt wird, die Effizienz zu verbessern. Jedoch hat es kein Beispiel eines Vorschlagens einer Photovoltaikvorrichtung, die für monochromatische Lichtbestrahlung geeignet ist, mit Ausnahme der Bandlückenauswahl im technischen Hintergrund gegeben.In a case of irradiating a white light solar cell with monochromatic light, an efficiency of converting monochromatic light into electric power is low. Meanwhile, if improvement specializing in monochromatic light irradiation is made, it is possible to improve efficiency. However, there has been no example of proposing a photovoltaic device suitable for monochromatic light irradiation except for band gap selection in the technical background.
[Zitatliste][List of quotations]
[Nichtpatentliteratur][Non-patent literature]
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Nichtpatentliteratur 1:
N. Kawashima, The Journal of the Institute of Electrical Engeneers of Japan, 129, 422 (2009) N. Kawashima, The Journal of the Institute of Electrical Engeneers of Japan, 129, 422 (2009) -
Nichtpatentliteratur 2:
Y. Tanaka et al., Opt. Rev. 16, 257 (2009) Y. Tanaka et al., Opt. Rev. 16, 257 (2009)
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Ein von der vorliegenden Erfindung zu lösendes Problem ist, eine höchst effiziente Photovoltaikvorrichtung vorzusehen, die für Einstrahlung monochromatischen Lichts geeignet ist.A problem to be solved by the present invention is to provide a highly efficient photovoltaic device capable of irradiating monochromatic light.
Zum Lösen des oben beschriebenen Problems ist eine Photovoltaikvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 vorgesehen.To solve the problem described above, a photovoltaic device according to
Ein Bandpassfilter ist zum Extrahieren von Licht einer bestimmten Wellenlänge aus weißem Licht in einem Stand der Technik verwendet worden. Wenn der Bandpassfilter über einer lichtaufnehmenden Fläche einer Photovoltaikvorrichtung vorgesehen wird und monochromatisches Licht auf die lichtaufnehmende Fläche einfallen gelassen wird, reflektiert der Bandpassfilter Licht, das von einer Rückfläche reflektiert wird, wieder auf einen inneren Abschnitt einer lichtabsorbierenden Komponente, ohne einfallendes Licht abzufangen. Dadurch wird, selbst wenn die lichtabsorbierende Komponente dünner gemacht wird, ein hoher Lichtabsorptionsgrad (ein hohes Lichtabsorptionsverhältnis) sichergestellt. Ferner kann ein Material verringert werden, kann Taktzeit verkürzt werden, und können Kosten verringert werden.A band pass filter has been used for extracting light of a certain wavelength from white light in a prior art. When the band pass filter is provided over a light receiving surface of a photovoltaic device and monochromatic light is made incident on the light receiving surface, the band pass filter reflects light reflected from a rear surface back onto an inner portion of a light absorbing component without intercepting incident light. Thereby, even if the light absorbing component is made thinner, a high degree of light absorption (a high light absorption ratio) is ensured. Further, a material can be reduced, a tact time can be shortened, and a cost can be reduced.
Ferner können ein hoher Lichtabsorptionsgrad und ein niedriger Innenwiderstand durch Verkleinern und Dünnermachen der lichtabsorbierenden Komponente miteinander kompatibel gemacht werden. Infolgedessen wird selbst in einem Fall einer großen einfallenden Lichtintensität ein Widerstandsverlust beschränkt und wird hohe Umwandlungseffizienz (ein hoher Wirkungsgrad) erreicht.Further, a high light absorption coefficient and a low internal resistance can be made compatible with each other by downsizing and thinning the light absorbing component. As a result, even in a case of a large incident light intensity, resistance loss is restrained and high conversion efficiency (high efficiency) is achieved.
FigurenlisteFigure list
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1 ist ein Schaubild, das eine Ersatzschaltung einer Solarzelle zeigt;1 Fig. 13 is a diagram showing an equivalent circuit of a solar cell; -
2A und2B sind Schaubilder, die eine Konzentrationsverhältnisabhängigkeit von Umwandlungseffizienz (eines Wirkungsgrads) zeigen, wenn eine Si-Solarzelle (2A , Referenzliteratur 1) und eine III-V-Gruppenverbindungssolarzelle (2B , Referenzliteratur 2) mit künstlichem Sonnenlicht bestrahlt werden;2A and2 B are graphs showing a concentration ratio dependency of conversion efficiency (an efficiency) when a Si solar cell (2A , Reference literature 1) and a III-V group compound solar cell (2 B , Reference literature 2) irradiated with artificial sunlight; -
3 ist ein Schaubild, das ein Ergebnis einer Berechnung von Umwandlungseffizienz (Referenzliteratur 3) zeigt, wenn weißes Licht auf eine CIGS-Mikrosolarzelle (Durchmesser 18 µm) einfällt;3 Fig. 13 is a graph showing a result of calculation of conversion efficiency (Reference Literature 3) when white light is incident on a CIGS microsolar cell (18 µm in diameter); -
4A ,4B und4C sind Schaubilder, die eine Beziehung zwischen einer einfallenden Lichtintensität und Umwandlungseffizienz (4A) , eine Beziehung zwischen einer Dicke eines Si-Wafers, Umwandlungseffizienz und einem Lichtabsorptionsgrad (4B) und eine Beziehung zwischen einer Spannung V und einer Stromdichte J (4C ) zeigen, wenn monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm auf eine gewöhnliche Si-Solarzelle mit einer Oberflächentextur und einer Rückflächendiffusreflexionsstruktur einfällt;4A ,4B and4C are graphs showing a relationship between an incident light intensity and conversion efficiency (4A) , a relationship among a thickness of a Si wafer, conversion efficiency, and a light absorption degree (4B) and a relationship between a voltage V and a current density J (4C ) show when monochromatic light having a wavelength of 1064 nm is incident on an ordinary Si solar cell having a surface texture and a back surface diffuse reflection structure; -
5A ,5C und5D stellen ein SEM-Bild einer Ag-Elektrode mit einer periodischen konkav-konvexen Struktur (5C ), ein SEM-Bild eines Bereichs einer amorphen Si-Solarzelle, welche dieselbe verwendet (5D ), und externe Quanteneffizienzspektren der Solarzelle (5A , Referenzliteratur 5) dar;5A ,5C and5D provide an SEM image of an Ag electrode with a periodic concavo-convex structure (5C ), an SEM image of a portion of an amorphous Si solar cell using the same (5D ), and external quantum efficiency spectra of the solar cell (5A , Reference literature 5); -
6 ist eine schematische Ansicht eines Bereichs einer Solarzelle eines anspruchsgemäßen Ausführungsbeispiels und einer Ausbreitungsrichtung von Licht;6th FIG. 3 is a schematic view of a region of a solar cell of an exemplary embodiment according to the claim and a direction of propagation of light; FIG. -
7A und7B stellen schematische Ansichten einer be-/geschichteten Struktur eines Bandpassfilters dar. Eine Gesamtschichtenanzahl ist 2 (m1 + m2) + 1 in einem Fall von7A und2 (m1 + m2) + 2 in einem Fall von7B ;7A and7B FIG. 13 shows schematic views of a coated structure of a band pass filter. A total layer number is 2 (m 1 + m 2 ) + 1 in a case of FIG7A and2 (m 1 + m 2 ) + 2 in a case of7B ; -
8A bis8E zeigen ein Ergebnis einer Berechnung von Transmissionsspektren für normal einfallendes Licht;8A until8E show a result of calculation of transmission spectra for normally incident light; -
9A und9B stellen ein Schaubild dar, das eine Beziehung zwischen einer Dicke von Si und einem Lichtabsorptionsgrad (9A) und ein Beziehung zwischen einem Ausbreitungswinkel 0 und einem Oberflächenreflexionsgrad RB (θ) (9B) zeigt;9A and9B represent a graph showing a relationship between a thickness of Si and a light absorbance (9A) and a relationship between an advancingangle 0 and a surface reflectance R B (θ) (9B) indicates; -
10A ,10B und10C stellen Schaubilder dar, die eine Beziehung zwischen einer einfallenden Lichtintensität und Umwandlungseffizienz (10A) , eine Beziehung zwischen einer Dicke von Si, Umwandlungseffizienz und einem Lichtabsorptionsgrad (10B) und eine Beziehung zwischen einer Spannung V und einer Stromdichte J (10C ) zeigen, wenn monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm auf eine Si-Solarzelle einfällt, die mit einem Bandpassfilter mit einer Gesamtschichtenanzahl von 14 Schichten (m1 = m2 = 3) an einer Oberfläche davon und einer diffusen Reflexionsstruktur an einer Rückfläche davon ausgebildet ist;10A ,10B and10C represent graphs showing a relationship between an incident light intensity and conversion efficiency (10A) , a relationship among a thickness of Si, conversion efficiency, and a light absorbance (10B) and a relationship between a voltage V and a current density J (10C ) show when monochromatic light with a wavelength of 1064 nm is incident on a Si solar cell coated with a band pass filter having a total of 14 layers (m 1 = m 2 = 3) on a surface thereof and a diffuse reflection structure on a rear surface thereof is trained; -
11A bis11G sind Schaubilder, die Beziehungen zwischen Δλ/λ0, Δθ, ΔnAR/nAR0, ΔdAR/dAR0, ΔdL4/dL40, ΔdH4/dH40 oder ΔdL2/dL20 und Umwandlungseffizienz zeigen; und11A until11G are graphs showing relationships among Δλ / λ 0 , Δθ, Δn AR / n AR0 , Δd AR / d AR0 , Δd L4 / d L40 , Δd H4 / d H40 or Δd L2 / d L20 and conversion efficiency; and -
12A und12B stellen ein Schaubild dar, das eine Beziehung zwischen einem Gesamtreflexionsgrad und Umwandlungseffizienz (12A) und eine Beziehung zwischen einem diffusen Reflexionsgrad/Gesamtreflexionsgrad und Umwandlungseffizienz (12B) zeigt.12A and12B represent a graph showing a relationship between a total reflectance and conversion efficiency (12A) and a relationship between a diffuse reflectance / total reflectance and conversion efficiency (12B) indicates.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Eine genaue Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wie folgt, angegeben.A detailed explanation of an embodiment of the present invention is given as follows.
[1. Photovoltaikvorrichtung][1. Photovoltaic device]
Eine Photovoltaikvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Ausgestaltungen auf:
- (1) die Photovoltaikvorrichtung weist eine lichtabsorbierende Komponente mit einem lichtabsorbierenden Material auf, das im Stande ist, einen Ladungsträger durch Absorbieren monochromatischen Lichts einer Wellenlänge λ0 zu erzeugen, und ein im Wesentlichen paralleler Strahl mit dem monochromatischen Licht wird als einfallendes Licht verwendet;
- (2) die Photovoltaikvorrichtung ist mit einem Bandpassfilter an einer Fläche davon ausgebildet, auf die das einfallende Licht unter einem
Einfallswinkel 0 einfällt, und der Bandpassfilter weist eine Funktion wellenlängenselektiver Transmission von Licht mit der Wellenlänge λ0 auf; und - (3) die lichtabsorbierende Komponente weist eine diffuse Reflexionsfläche an einer Rückfläche davon auf.
- (1) the photovoltaic device comprises a light absorbing component including a light absorbing material capable of generating a charge carrier by absorbing monochromatic light of a wavelength λ 0 , and a substantially parallel beam with the monochromatic light is used as incident light;
- (2) the photovoltaic device is formed with a band pass filter on a surface thereof on which the incident light is incident at an
incident angle 0, and the band pass filter has a function of wavelength selective transmission of light having the wavelength λ 0 ; and - (3) the light absorbing component has a diffuse reflection surface on a rear surface thereof.
[1.1. Einfallendes Licht][1.1. Incident light]
Bei der vorliegenden Erfindung ist einfallendes Licht durch monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge λ0 ausgebildet. Das heißt, eine Photovoltaikvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Photovoltaikvorrichtung für monochromatische Lichtbestrahlung.In the present invention, incident light is formed by monochromatic light having a wavelength λ 0 . That is, a photovoltaic device according to the present invention is a photovoltaic device for monochromatic light irradiation.
„Monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge λ0“ bezeichnet Licht, bei dem eine zentrale Wellenlänge davon λ0 ist und ein Verhältnis einer halben Halbwertsbreite (Δλ/2) eines Spektrums zu der zentralen Wellenlänge λ0 (=Δλ/2λ0) gleich oder kleiner als 0,04 ist."Monochromatic light with a wavelength λ 0 " refers to light in which a central wavelength thereof is λ 0 and a ratio of half a half width at half maximum (Δλ / 2) of a spectrum to the central wavelength λ 0 (= Δλ / 2λ 0 ) is equal to or less than 0.04.
Bei der vorliegenden Erfindung ist einfallendes Licht durch im Wesentlichen parallele Strahlen ausgebildet, die im Wesentlichen parallel auf eine lichtaufnehmenden Fläche (eine Fläche, auf die einfallendes Licht einfällt) einfallen.In the present invention, incident light is formed by substantially parallel rays which are substantially parallel incident on a light receiving surface (a surface on which incident light is incident).
Die „im Wesentlichen parallelen Strahlen“ bezeichnen Licht, bei dem eine Verteilung β eines Winkels, der eine Fortpflanzungsrichtung von Licht angibt, gleich oder kleiner als 23° ist. Je kleiner das β ist, umso mehr ist es vorzuziehen. Parallele Strahlen von β ≈ 0 sind zum Erreichen hoher Umwandlungseffizienz als einfallendes Licht vorzuziehen.The “substantially parallel rays” denote light in which a distribution β of an angle indicating a direction of propagation of light is equal to or smaller than 23 °. The smaller the β, the more preferable it is. Parallel rays of β ≈ 0 are preferable as incident light to achieve high conversion efficiency.
Bei der vorliegenden Erfindung fällt einfallendes Licht auf eine lichtaufnehmende Fläche unter einem Einfallswinkel von 0 ein.In the present invention, incident light is incident on a light receiving surface at an angle of incidence of zero.
Der „Einfallswinkel θ“ bezeichnet einen Winkel, der durch eine Normalgeradenrichtung der lichtaufnehmenden Fläche und eine Einfallsrichtung einfallenden Lichts ausgebildet wird.The “incident angle θ” denotes an angle formed by a normal straight line direction of the light receiving surface and an incident direction of incident light.
Die „Einfallsrichtung einfallenden Lichts“ bezeichnet eine durchschnittliche Fortpflanzungsrichtung einfallenden Lichts. Zum Beispiel bezeichnet in einem Fall, in dem einfallendes Licht durch einen parallelen Strahl ausgebildet ist (β = 0), die Einfallsrichtung eine Richtung parallel zu dem einfallenden Licht. Ferner bezeichnet z.B. in einem Fall, in dem eine Fortpflanzungsrichtung einfallenden Lichts innerhalb einer Gestalt eines kreisförmigen Kegels mit einem Scheitelwinkel: 2β (β ≠ 0) vorliegt, eine Einfallsrichtung eine Richtung parallel zu einer Rotationsachse des kreisförmigen Kegels.The "direction of incidence of incident light" describes an average direction of propagation of incident light. For example, in a case where incident light is formed by a parallel beam (β = 0), the incident direction denotes a direction parallel to the incident light. Further, for example, in a case where a traveling direction of incident light is within a shape of a circular cone having an apex angle: 2β (β ≠ 0), an incident direction denotes a direction parallel to a rotation axis of the circular cone.
[1.2. Lichtabsorbierendes Material, lichtabsorbierende Komponente][1.2. Light-absorbing material, light-absorbing component]
Eine Photovoltaikvorrichtung weist eine lichtabsorbierende Komponente auf, die durch ein lichtabsorbierendes Material ausgebildet ist, das im Stande ist, einen Ladungsträger durch Absorbieren monochromatischen Lichts einer Wellenlänge λ0 zu erzeugen.A photovoltaic device has a light absorbing component formed by a light absorbing material capable of generating a charge carrier by absorbing monochromatic light of a wavelength λ 0.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ein lichtabsorbierendes Material nicht genauer beschränkt, und verschiedene Materialien können dafür verwendet werden. Als lichtabsorbierende Materialien gibt es z.B.:
- (1) kristallines Si, mikrokristallines Si, amorphes Si;
- (2) sulfitbasierenden oder selenidbasierenden Verbindungshalbleiter von CuIn1-xGaxSe2 (CIGS), Cu2ZnSnS4 (CZTS), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) und dergleichen; und
- (3) III-V-Gruppenverbindungshalbleiter von Ga1-xInxAs1-yPy-basiertem Verbindungshalbleiter (0≤x≤1, 0≤y≤1), In1-x-yAlxGayAs-basiertem Verbindungshalbleiter (0≤x≤1, 0≤y≤1) und dergleichen.
- (1) crystalline Si, microcrystalline Si, amorphous Si;
- (2) sulfite-based or selenide-based compound semiconductors of CuIn 1-x Ga x Se 2 (CIGS), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), Cu 2 ZnSnSe 4 (CZTSe) and the like; and
- (3) III-V group compound semiconductor of Ga 1-x In x As 1-y P y -based compound semiconductor (0≤x≤1, 0≤y≤1), In 1-xy Al x Ga y As-based compound semiconductor (0 x 1, 0 y 1) and the like.
Eine Form oder eine Größe einer lichtabsorbierenden Komponente ist nicht genauer beschränkt und kann in Übereinstimmung mit einer Zielsetzung beliebig gewählt werden.A shape or a size of a light absorbing component is not particularly limited and can be arbitrarily selected in accordance with an objective.
Zum Beispiel kann eine lichtabsorbierende Komponente durch eine Scheibe oder einen selbststehenden dicken Film oder einen auf einem Substrat ausgebildeten dünnen Film ausgebildet sein.For example, a light absorbing component may be formed by a disk or a self-standing thick film or a thin film formed on a substrate.
Ferner ist eine Photovoltaikvorrichtung, bei der eine Komponente für photovoltaische Umwandlung lediglich durch eine lichtabsorbierende Komponente ausgebildet ist, (z.B. Si-Solarzelle) akzeptabel, oder eine Photovoltaikvorrichtung, bei der eine Komponente für photovoltaische Umwandlung durch eine Beschichtungsvorrichtung einer lichtabsorbierenden Komponente (lichtabsorbierenden Schicht) in einer Dünnfilmform und einer anderen Schicht ausgebildet ist, (z.B. eine Dünnfilmsolarzelle, bei der eine lichtabsorbierende Schicht durch CIGS oder CZTS ausgebildet ist) akzeptabel.Further, a photovoltaic device in which a component for photovoltaic conversion is formed only by a light absorbing component (e.g., Si solar cell) is acceptable, or a photovoltaic device in which a component for photovoltaic conversion is formed by a coating device of a light absorbing component (light absorbing layer) in of a thin film shape and another layer (for example, a thin film solar cell in which a light absorbing layer is formed by CIGS or CZTS) is acceptable.
Eine lichtabsorbierende Komponente, insbesondere ein Si-Wafer, bei dem eine Dicke gleich oder kleiner als 100 µm ist und eine Größe in einer Inebenenrichtung (Richtung in einer Ebene) gleich oder kleiner als 100 µm ist, ist vorzuziehen. A light absorbing component, particularly a Si wafer, in which a thickness is equal to or smaller than 100 µm and a size in an in-plane direction (direction in a plane) is equal to or smaller than 100 µm is preferable.
Die Dicke eines Si-Wafers ist bevorzugter gleich oder kleiner als 50 µm, weiter bevorzugt gleich oder kleiner als 20 µm.The thickness of a Si wafer is more preferably equal to or smaller than 50 μm, further preferably equal to or smaller than 20 μm.
Die Größe in der Inebenenrichtung des Si-Wafers ist bevorzugter gleich oder kleiner als 50 µm und weiter bevorzugt gleich oder kleiner als 20 µm.The size in the in-plane direction of the Si wafer is more preferably equal to or smaller than 50 μm, and further preferably equal to or smaller than 20 μm.
Hier bezeichnet die „Größe in einer Inebenenrichtung“ einen Durchmesser eines minimalen Umkreises, der einer lichtaufnehmenden Fläche einer lichtabsorbierenden Komponente umschrieben ist.Here, the “size in an in-plane direction” denotes a diameter of a minimal circumference that is circumscribed around a light-absorbing surface of a light-absorbing component.
[1.3. Bandpassfilter][1.3. Bandpass filter]
[1.3.1. Definition][1.3.1. Definition]
Eine Photovoltaikvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Bandpassfilter an einer Fläche ausgebildet, auf der das monochromatische Licht unter einem Einfallswinkel θ einfällt (lichtaufnehmende Fläche).A photovoltaic device according to the present invention is formed with a band pass filter on a surface on which the monochromatic light is incident at an incident angle θ (light receiving surface).
Der „Bandpassfilter“ bezeichnet einen Filter mit einer Funktion wellenlängenselektiver Transmission von Licht mit einer Wellenlänge λ0. Der Bandpassfilter wird gewöhnlich zum Extrahieren von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge aus weißem Licht verwendet. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Bandpassfilter zum Transmittieren einfallenden Lichts (monochromatischen Lichts) so, wie es ist, und zum erneuten Reflektieren von Licht, das von einer Rückfläche reflektiert wird, auf einen inneren Abschnitt einer lichtabsorbierenden Komponente verwendet. Der Punkt unterscheidet sich von dem Stand der Technik.The “bandpass filter” describes a filter with a function of wavelength-selective transmission of light with a wavelength λ 0 . The band pass filter is commonly used to extract light of a certain wavelength from white light. In the present invention, the band pass filter is used for transmitting incident light (monochromatic light) as it is and re-reflecting light reflected from a rear surface onto an inner portion of a light absorbing component. The point differs from the prior art.
Der Bandpassfilter ist auf einer Seite einer lichtaufnehmenden Fläche einer Photovoltaikvorrichtung vorgesehen.The band pass filter is provided on one side of a light receiving surface of a photovoltaic device.
In einem Fall einer Photovoltaikvorrichtung, bei der eine Komponente für photovoltaische Umwandlung lediglich durch eine lichtabsorbierende Komponente ausgebildet ist, (z.B. einem Fall einer Si-Solarzelle) ist der Bandpassfilter auf einer Oberfläche der lichtabsorbierenden Komponente ausgebildet.In a case of a photovoltaic device in which a component for photovoltaic conversion is formed only by a light absorbing component (e.g., a case of a Si solar cell), the band pass filter is formed on a surface of the light absorbing component.
Währenddessen ist in einem Fall einer Photovoltaikvorrichtung, bei der eine Komponente für photovoltaische Umwandlung durch eine Beschichtungsvorrichtung einer lichtabsorbierenden Schicht und einer anderen Schicht ausgebildet ist, (z.B. einem Fall einer Dünnfilmsolarzelle) der Bandpassfilter an der obersten Fläche der Beschichtungsvorrichtung ausgebildet.Meanwhile, in a case of a photovoltaic device in which a component for photovoltaic conversion is formed by a coating device of a light absorbing layer and another layer (e.g., a case of a thin film solar cell), the band pass filter is formed on the uppermost surface of the coating device.
[1.3.2. Zentrale Wellenlänge λ][1.3.2. Central wavelength λ]
Eine Wellenlänge von Licht, das einen Bandpassfilter passieren kann, weist eine vorgeschriebene Breite (Transmissionsband) auf.A wavelength of light that can pass through a band pass filter has a prescribed width (transmission band).
Die „zentrale Wellenlänge λ“ bezeichnet einen Median einer Wellenlänge von Licht, das den Bandpassfilter passieren kann.The “central wavelength λ” denotes a median of a wavelength of light that can pass the bandpass filter.
„Wellenlängenselektive Transmission von Licht mit einer Wellenlänge λ0“ bedeutet, dass es nicht notwendig ist, dass die zentrale Wellenlänge λ des Bandpassfilters vollständig mit der zentralen Wellenlänge λ0 einfallenden Lichts übereinstimmt. Jedoch wird, wenn ein Unterschied zwischen der Wellenlänge λ und der Wellenlänge λ0 groß ist, eine Anzahl von Photonen, die den Bandpassfilter passieren, verringert und Umwandlungseffizienz wird verringert.“Wavelength-selective transmission of light with a wavelength λ 0 ” means that it is not necessary that the central wavelength λ of the bandpass filter completely coincides with the central wavelength λ 0 incident light coincides. However, when a difference between the wavelength λ and the wavelength λ 0 is large, a number of photons passing through the band pass filter is decreased and conversion efficiency is decreased.
Zum Erzielen der hohen Umwandlungseffizienz ist die zentrale Wellenlänge λ des Bandpassfilters vorzugsweise gleich oder größer als 0,97 × λ0 und gleich oder kleiner als 1,039 × λ0. Die zentrale Wellenlänge λ ist bevorzugter gleich oder größer als 0,98 × λ0 und gleich oder kleiner als 1,025 × λ0, weiter bevorzugt gleich oder größer als 0,99 × λ0 und gleich oder kleiner als 1,01 × λ0.In order to achieve the high conversion efficiency, the central wavelength λ of the band pass filter is preferably equal to or greater than 0.97 × λ 0 and equal to or less than 1.039 × λ 0 . The central wavelength λ is more preferably equal to or greater than 0.98 × λ 0 and equal to or less than 1.025 × λ 0 , more preferably equal to or greater than 0.99 × λ 0 and equal to or less than 1.01 × λ 0 .
[1.3.3. Struktur][1.3.3. Structure]
Eine Struktur eines Bandpassfilters ist nicht genauer beschränkt, solange die oben beschriebene Funktion erzielt wird. Als einen Bandpassfilter gibt es z.B.:
- (a) einen Bandpassfilter mit einer be-/geschichteten Struktur von (L4/H4/)m1L2(H4/L4/)m2;
- (b) einen Bandpassfilter mit einer be-/geschichteten Struktur von AR/(L4/H4/)m1 L2(H4/L4/)m2;
- (c) einen Bandpassfilter mit einer be-/geschichteten Struktur von (H4/L4/)m1H2(L4/H4/)m2;
- (d) einen Bandpassfilter mit einer be-/geschichteten Struktur von AR/(H4/L4/)m1H2(L4/H4/)m2 und dergleichen.
- (a) a band pass filter having a coated structure of (L4 / H4 /) m1 L2 (H4 / L4 /) m2 ;
- (b) a band pass filter having a coated structure of AR / (L4 / H4 /) m1 L2 (H4 / L4 /) m2 ;
- (c) a band pass filter having a coated structure of (H4 / L4 /) m1 H2 (L4 / H4 /) m2 ;
- (d) a band pass filter having a coated structure of AR / (H4 / L4 /) m1 H2 (L4 / H4 /) m2 and the like.
Wobei
„AR“ eine Antireflexionsschicht ist, die durch ein Material mit einem Brechungsindex von nAR ausgebildet ist,
„L4“ eine Niedrigbrechungsindexschicht (A) ist, die durch ein Niedrigbrechungsindexmaterial (A) mit einem Brechungsindex von nL4 ausgebildet ist,
„L2“ eine Niedrigbrechungsindexschicht (B) ist, die durch ein Niedrigbrechungsindexmaterial (B) mit einem Brechungsindex von nL2 ausgebildet ist,
„H4“ eine Hochbrechungsindexschicht (A) ist, die durch ein Hochbrechungsindexmaterial (A) mit einem Brechungsindex von nH4 (>nL4, >nL2) ausgebildet ist,
„H2“ eine Hochbrechungsindexschicht (B) ist, die durch ein Hochbrechungsindexmaterial (B) mit einem Brechungsindex von nH2 (>nL4, >nL2) ausgebildet ist, und
m1, m2 jeweils Ganzzahlen gleich oder größer als 1 sind.Whereby
"AR" is an anti-reflective layer formed by a material with a refractive index of n AR ,
"L4" is a low refractive index layer (A) formed by a low refractive index material (A) having a refractive index of n L4 ,
"L2" is a low refractive index layer (B) formed by a low refractive index material (B) having a refractive index of n L2 ,
"H4" is a high refractive index layer (A) which is formed by a high refractive index material (A) with a refractive index of n H4 (> n L4 ,> n L2 ),
“H2” is a high refractive index layer (B) formed by a high refractive index material (B) having a refractive index of n H2 (> n L4 ,> n L2 ), and
m 1 , m 2 are integers equal to or greater than 1, respectively.
„L4“ und „L2“ stellen jeweils Schichten dar, bei denen optische Dicken davon (= Brechungsindex n × tatsächliche Dicke d) im Verhältnis/proportional zu λ0/4 und λ0/2 sind. In einem Fall eines Einfallswinkels θ ist eine Bedingung optischer Dicken nd jeweiliger Schichten, die einen Bandpassfilter bilden, nd = (1 - sin2θ/n2)1/2 × (λ0/4 or λ0/2). Dasselbe gilt für „H4“ und „H2“.
„(L4/H4/)m1“ bedeutet, dass eine Beschichtungseinheit von „L4/H4/“ mi-mal wiederholt wird. Eine Wiederholungsanzahl m1 der ersteren Hälfte und eine Wiederholungsanzahl m2 der letzteren Hälfte können untereinander dieselben sein oder sich voneinander unterscheiden.
„(L4/H4/)m1L2(H4/L4/)m2“ bedeutet, dass eine L2-Schicht zwischen einer be-/geschichteten Struktur von (L4/H4/)m1 und einer be-/geschichteten Struktur von (H4/L4/)m2 eingefügt ist.
„AR/“ bedeutet, dass eine Antireflexionsschicht an der obersten Oberfläche eines Bandpassfilters (Einfallsseite von Licht) ausgebildet ist."L4" and "L2" each represent layers represents in which optical thicknesses thereof (= refractive index n × actual thickness d) in the ratio / is proportional to λ 0/4 and λ 0/2. Θ in a case of an incident angle is a condition of optical thickness nd of respective layers that form a band-pass filter, nd = (1 - sin 2 θ / n 2) 1/2 × (λ 0/4 or λ 0/2). The same applies to "H4" and "H2".
"(L4 / H4 /) m1 " means that a coating unit of "L4 / H4 /" is repeated mi times. A repetition number m 1 of the former half and a repetition number m 2 of the latter half may be the same or different from each other.
"(L4 / H4 /) m1 L2 (H4 / L4 /) m2 " means that an L2 layer is between a coated / coated structure of (L4 / H4 /) m1 and a coated / coated structure of (H4 / L4 /) m2 is inserted.
“AR /” means that an anti-reflective layer is formed on the uppermost surface of a band pass filter (incident side of light).
Das Niedrigbrechungsindexmaterial (A), das L4 ausbildet, und das Niedrigbrechungsindexmaterial (B), das L2 ausbildet, können dasselbe Material oder verschiedene Materialien sein, solange eine später beschriebene Bedingung erfüllt ist. Ferner können einzelne L4s, die in einer beschichteten Struktur enthalten sind, dasselbe Material oder verschiedene Materialien sein, solange die später beschriebene Bedingung erfüllt ist.
Ähnlich können das Hochbrechungsindexmaterial (A), das H4 ausbildet, und das Hochbrechungsindexmaterial (B), das H2 ausbildet, dasselbe Material oder verschiedene Materialien sein, solange die später beschriebene Bedingung erfüllt ist. Außerdem können einzelne H4s, die in einer beschichteten Struktur enthalten sind, dasselbe Material oder verschiedene Materialien sein, solange die später beschriebene Bedingung erfüllt ist.The low refractive index material (A) forming L4 and the low refractive index material (B) forming L2 may be the same material or different materials as long as a condition described later is satisfied. Further, individual L4s included in a coated structure can be the same material or different materials as long as the condition described later is met.
Similarly, the high refractive index material (A) forming H4 and the high refractive index material (B) forming H2 may be the same material or different materials as long as the condition described later is satisfied. In addition, individual H4s included in a coated structure can be the same material or different materials as long as the condition described later is met.
Ein mit der beschichteten Struktur (a) oder der beschichteten Struktur (b) vorgesehener Bandpassfilter ist besonders vorzuziehen. Die Bandpassfilter mit den beschichteten Strukturen erzielen höhere Umwandlungseffizienz als die eines Bandpassfilters, der mit einer anderen beschichteten Struktur vorgesehen ist.A band pass filter provided with the coated structure (a) or the coated structure (b) is particularly preferable. The band-pass filters with the coated structures achieve higher conversion efficiency than that of a band-pass filter provided with another coated structure.
Eine ideale Dicke (tatsächliche Dicke) do liegt in einer Dicke (tatsächlichen Dicke) d jeder Schicht vor, die einen Bandpassfilter ausbildet. Es ist nicht erforderlich, dass die Dicke d jeder Schicht vollständig dieselbe wie die ideale Dicke d0 ist. Jedoch wird, wenn ein Unterschied zwischen der Dicke d und der idealen Dicke do vergrößert wird, Umwandlungseffizienz verringert. Daher ist es vorzuziehen, dass die Dicke d nahe an der idealen Dicke do ist.An ideal thickness (actual thickness) do is a thickness (actual thickness) d of each layer that forms a band-pass filter. It is not necessary that the thickness d of each layer be completely the same as the ideal thickness d 0 . However, if a difference between the thickness d and the ideal thickness do is increased, conversion efficiency is decreased. Therefore, it is preferable that the thickness d be close to the ideal thickness do.
Zum Beispiel ist es einem Fall eines Bandpassfilters, der mit der beschichteten Struktur (a) oder der beschichteten Struktur (b), die oben beschrieben worden sind, vorgesehen ist, vorzuziehen, dass eine Dicke dL4 der Niedrigbrechungsindexschicht (A), eine Dicke dL2 der Niedrigbrechungsindexschicht (B) und eine Dicke dH4 der Hochbrechungsindexschicht (A) jeweils den folgenden Beziehungen genügen.For example, in a case of a band pass filter provided with the coated structure (a) or the coated structure (b) described above, it is preferable that a thickness d L4 of the low refractive index layer (A), a thickness d L2 of the low refractive index layer (B) and a thickness d H4 of the high refractive index layer (A) satisfy the following relationships, respectively.
Das heißt, eine Dicke dL4 der Niedrigbrechungsindexschicht (A) ist vorzugsweise gleich oder größer als 0,75 × dL40 und gleich oder kleiner als 1,20 × dL40. Die Dicke dL4 ist bevorzugter gleich oder größer als 0,85 × dL40 und gleich oder kleiner als 1,10 × dL40, und weiter bevorzugt gleich oder größer als 0,92 × dL40 und gleich oder kleiner als 1,06 × dL40. dL40 ist eine ideale Dicke (tatsächliche Dicke) der Niedrigbrechungsindexschicht (A) und wird durch dL40 = (1 - sin2θ/nL4 2)1/2 × (λ0/4) × (1/nL4) dargestellt.That is, a thickness d L4 of the low refractive index layer (A) is preferably equal to or greater than 0.75 × d L40 and equal to or less than 1.20 × d L40 . The thickness d L4 is more preferably equal to or greater than 0.85 × d L40 and equal to or less than 1.10 × d L40 , and more preferably equal to or greater than 0.92 × d L40 and equal to or less than 1.06 × d L40 . d L40 is an ideal thickness (actual thickness) of the low refractive index layer (A) and is represented by d L40 = (1 - sin 2 θ / n L4 2) 1/2 × (λ 0/4) × (1 / n L4) shown .
Ferner ist eine Dicke dL2 der Niedrigbrechungsindexschicht (B) vorzugsweise gleich oder größer als 0,926 × dL20 und gleich oder kleiner als 1,058 × dL20. Die Dicke dL2 ist bevorzugter gleich oder größer als 0,95 × dL20 und gleich oder kleiner als 1,03 × dL20, und weiter bevorzugt gleich oder größer als 0,97 × dL20 und gleich oder kleiner als 1,02 × dL20.
dL20 ist eine ideale Dicke (tatsächliche Dicke) der Niedrigbrechungsindexschicht (B), und wird durch dL20 = (1 - sin2θ/nL2 2)1/2 × (λ0/2) × (1/nL2) dargestellt.Further, a thickness d L2 of the low refractive index layer (B) is preferably equal to or greater than 0.926 × d L20 and equal to or less than 1.058 × d L20 . The thickness d L2 is more preferably equal to or greater than 0.95 × d L20 and equal to or less than 1.03 × d L20 , and more preferably equal to or greater than 0.97 × d L20 and equal to or less than 1.02 × d L20 .
d L20 is an ideal thickness (actual thickness) of the low refractive index layer (B), and is represented by d L20 = (1 - sin 2 θ / n L2 2) 1/2 × (λ 0/2) × (1 / n L2) shown.
Ferner ist eine Dicke dH4 der Hochbrechungsindexschicht (A) vorzugsweise gleich oder größer als 0,87 × dH40 und gleich oder kleiner als 1,10 × dH40. Die Dicke dH4 ist bevorzugter gleich oder größer als 0,92 × dH40 und gleich oder kleiner als 1,05 × dH40, und weiter bevorzugt gleich oder größer als 0,96 × dH40 und gleich oder kleiner als 1,02 × dH40.
dH40 ist eine ideale Dicke (tatsächliche Dicke) der Hochbrechungsindexschicht (A) und wird durch dH40 = (1 - sin2θ/nH4 2)1/2 × (λ0/4) × (1/nH4) dargestellt.Furthermore, a thickness d H4 of the high refractive index layer (A) is preferably equal to or greater than 0.87 × d H40 and equal to or less than 1.10 × d H40 . The thickness d H4 is more preferably equal to or greater than 0.92 × d H40 and equal to or less than 1.05 × d H40 , and more preferably equal to or greater than 0.96 × d H40 and equal to or less than 1.02 × d H40 .
d H40 is an ideal thickness (actual thickness) of the high refractive index layer (A) and is represented by d H40 = (1 - sin 2 θ / n H4 2) 1/2 × (λ 0/4) × (1 / n H4) shown .
Bei dem mit der beschichteten Struktur (b) oder der beschichteten Struktur (d) vorgesehenen Bandpassfilter sind ein Brechungsindex nAR und eine Dicke (tatsächliche Dicke) dAR der Antireflexionsschicht nicht genauer beschränkt. Das heißt, die Antireflexionsschicht kann eine Schicht sein, die durch ein Material ausgebildet ist, das zumindest Licht transmittiert.In the bandpass filter provided with the coated structure (b) or the coated structure (d), a refractive index n AR and a thickness (actual thickness) d AR of the anti-reflective layer are not specifically limited. That is, the antireflection layer can be a layer formed by a material that transmits at least light.
Ferner ist es bei dem Bandpassfilter, der mit der beschichteten Struktur (b) vorgesehen ist, zum Erzielen höherer Umwandlungseffizienz bevorzugt, dass der Brechungsindex nAR und die Dicke dAR der Antireflexionsschicht jeweils den folgenden Beziehungen genügen.Further, in the band pass filter provided with the coated structure (b), in order to achieve higher conversion efficiency, it is preferable that the refractive index n AR and the thickness d AR of the anti-reflective layer satisfy the following relationships, respectively.
Das heißt, der Brechungsindex nAR der Antireflexionsschicht ist vorzugsweise gleich oder größer als 0,60 × npv 1/2. Der Brechungsindex nAR ist bevorzugter gleich oder größer als 0,7 × npv 1/2 und gleich oder kleiner als 1,8 × npv 1/2, und weiter bevorzugt gleich oder größer als 0,8 × npv 1/2 und gleich oder kleiner als 1,5 × npv 1/2.
npv ist ein Brechungsindex des lichtabsorbierenden Materials.That is, the refractive index n AR of the anti-reflective layer is preferably equal to or greater than 0.60 × n pv 1/2 . The refractive index n AR is more preferably equal to or greater than 0.7 × n pv 1/2 and equal to or less than 1.8 × n pv 1/2 , and more preferably equal to or greater than 0.8 × n pv 1/2 and equal to or less than 1.5 × n pv 1/2 .
n pv is a refractive index of the light absorbing material.
Ferner ist die Dicke dAR der Antireflexionsschicht vorzugsweise gleich oder kleiner 1,70 × dAR0. Die Dicke dAR ist bevorzugter gleich oder größer als 0,4 × dAR0 und gleich oder kleiner als 1,4 × dAR0, und weiter bevorzugt gleich oder größer als 0,7 × dAR0 und gleich oder kleiner als 1,2 × dAR0.
dAR0 ist die ideale Dicke (tatsächliche Dicke) der Antireflexionsschicht und wird durch dAR0 = (1 - sin2θ/nAR 2)1/2 × (λ0/4) × (1/nAR) dargestellt.Furthermore, the thickness d AR of the anti-reflective layer is preferably equal to or less than 1.70 × d AR0 . The thickness d AR is more preferably equal to or greater than 0.4 × d AR0 and equal to or less than 1.4 × d AR0 , and more preferably equal to or greater than 0.7 × d AR0 and equal to or less than 1.2 × d AR0 .
d AR0 is the ideal thickness (actual thickness) of the anti-reflection layer and d is AR0 = (1 - sin 2 θ / n AR 2) 1/2 × (λ 0/4) × (1 / n AR) shown.
[1.3.4. Material][1.3.4. Material]
Materialien jeweiliger Schichten, die einen Bandpassfilter ausbilden, sind nicht genauer beschränkt, und verschiedene Materialien können in Übereinstimmung mit einem Zweck verwendet werden.Materials of respective layers that form a band pass filter are not specifically limited, and various materials can be used in accordance with a purpose.
Als die Niedrigbrechungsindexmaterialien gibt es z.B. MgF2 (Brechungsindex bei Wellenlänge von 1064 nm: in etwa 1,36), SiO2 (Brechungsindex bei Wellenlänge von 1064 nm: in etwa 1,43) und dergleichen.As the low refractive index materials, there are, for example, MgF 2 (refractive index at wavelength of 1064 nm: about 1.36), SiO 2 (refractive index at wavelength of 1064 nm: about 1.43) and the like.
Als die Hochbrechungsindexmaterialien gibt es z.B. ZnS (Brechungsindex bei Wellenlänge von 1064 nm: in etwa 2,29), TiO2 (Brechungsindex bei Wellenlänge von 1064 nm: in etwa 2,25) und dergleichen.As the high refractive index materials, there are, for example, ZnS (refractive index at wavelength of 1064 nm: about 2.29), TiO 2 (refractive index at wavelength of 1064 nm: about 2.25) and the like.
Als Materialien von Antireflexionsschichten gibt es z.B. Y2O3 (Brechungsindex bei Wellenlänge von 1064 nm: in etwa 1,73), ein zusammengesetztes Oxid von TiO2-SiO2 und dergleichen.As materials of anti-reflective layers, there are, for example, Y 2 O 3 (refractive index at a wavelength of 1064 nm: approximately 1.73), a composite oxide of TiO 2 -SiO 2, and the like.
[1.4. Diffuse Reflexionsfläche][1.4. Diffuse reflection surface]
Eine lichtabsorbierende Komponente ist mit einer diffusen Reflexionsfläche an ihrer Rückfläche vorgesehen. Die diffuse Reflexionsfläche ist zum Reflektieren einfallenden Lichts, das nicht durch eine lichtabsorbierende Komponente absorbiert werden kann. Obwohl eine Struktur der diffusen Reflexionsfläche nicht genauer beschränkt ist, ist eine feine konkav-konvexe Struktur, die an der Rückfläche der lichtabsorbierenden Komponente ausgebildet ist, bevorzugt. Wenn eine Form oder eine Periode der konkav-konvexen Struktur optimiert wird, wird ein Reflexionsgrad verbessert.A light absorbing component is provided with a diffuse reflective surface on its rear surface. The diffuse reflective surface is for reflecting incident light that cannot be absorbed by a light-absorbing component. Although a structure of the diffuse reflection surface is not specifically limited, a fine concavo-convex structure formed on the rear surface of the light absorbing component is preferable. When a shape or a period of the concavo-convex structure is optimized, a reflectance is improved.
Zum Erzielen hoher Umwandlungseffizienz ist ein Gesamtreflexionsgrad der diffusen Reflexionsfläche vorzugsweise gleich oder größer als 93 %. Ein Gesamtreflexionsgrad ist bevorzugter gleich oder größer als 95 %, weiter bevorzugt gleich oder größer als 96 % und noch weiter bevorzugt gleich oder größer als 97 %.In order to achieve high conversion efficiency, a total reflectance of the diffuse reflecting surface is preferably equal to or greater than 93%. A total reflectance is more preferably equal to or greater than 95%, more preferably equal to or greater than 96% and even more preferably equal to or greater than 97%.
Hier bezeichnet der „Gesamtreflexionsgrad (%)“ die Summe eines spiegelnden Reflexionsgrads und eines diffusen Reflexionsgrads.Here the "total reflectance (%)" denotes the sum of a specular reflectance and a diffuse reflectance.
Der „spiegelnde Reflexionsgrad (%)“ bezeichnet ein Verhältnis (einen Anteil) von Licht, das als spiegelnde Reflexion reflektiert wird, wenn einfallendes Licht auf 100 gebracht wird.The “specular reflectance (%)” refers to a ratio (a proportion) of light that is reflected as specular reflection when incident light is brought to 100.
Der „diffuse Reflexionsgrad (%)“ bezeichnet ein Verhältnis (einen Anteil) von reflektiertem Licht ausgenommen spiegelnder Reflexion, wenn das einfallende Licht auf 100 gebracht wird.The “diffuse reflectance (%)” refers to a ratio (a proportion) of reflected light excluding specular reflection when the incident light is made 100.
Ferner ist die diffuse Reflexionsfläche mit einem Index, der durch „diffusen Reflexionsgrad × 100/Gesamtreflexionsgrad“ dargestellt wird, gleich oder größer als 49 % bevorzugt.Furthermore, the diffuse reflecting surface with an index, which is represented by “diffuse reflectance × 100 / total reflectance”, equal to or greater than 49% is preferred.
Der Index stellt ein relatives Verhältnis (einen relativen Anteil) des diffusen Reflexionsgrads dar. Zum Beispiel passiert in einem Fall, in dem ein Einfallswinkel θ 0° ist, (normaler Einfall) Licht, das von der diffusen Reflexionsfläche spiegelnd reflektiert wird und von der lichtabsorbierenden Komponente nicht absorbiert werden kann, einen Bandpassfilter so, wie es ist. Daher wird in einem Fall, in dem der diffuse Reflexionsgrad relativ gering ist, hohe Umwandlungseffizienz nicht erzielt.The index represents a relative ratio (a relative proportion) of the diffuse reflectance. For example, in a case where an incident angle θ is 0 °, (normal incidence) passes light specularly reflected from the diffuse reflecting surface and from the light absorbing surface Component cannot be absorbed, put a band pass filter the way it is. Therefore, in a case where the diffuse reflectance is relatively low, high conversion efficiency is not obtained.
Im Gegensatz dazu ist, wenn eine Form der diffusen Reflexionsfläche optimiert ist, so dass der Index gleich oder größer als 49 % ist, eine Wahrscheinlichkeit, dass Licht, das durch die diffuse Reflexionsfläche reflektiert wird, durch den Bandpassfilter wieder reflektiert wird, hoch. Infolgedessen wird eine hohe Umwandlungseffizienz erzielt. Der Index ist noch bevorzugter gleich oder größer als 60 % und weiter bevorzugt gleich oder größer als 70 %.In contrast, when a shape of the diffuse reflection surface is optimized so that the index is equal to or greater than 49%, a possibility that light reflected by the diffuse reflection surface is reflected again by the band pass filter is high. As a result, a high conversion efficiency is achieved. The index is more preferably equal to or greater than 60% and further preferably equal to or greater than 70%.
[2. Wirkung][2. Effect]
Der Bandpassfilter ist zum Extrahieren von Licht einer bestimmten Wellenlänge aus weißem Licht in einem Stand der Technik verwendet worden. Wenn der Bandpassfilter über einer lichtaufnehmenden Fläche einer Photovoltaikvorrichtung vorgesehen ist und monochromatisches Licht auf die lichtaufnehmende Fläche einstrahlt, reflektiert der Bandpassfilter Licht, das von einer Rückfläche reflektiert wird, wieder auf einen inneren Abschnitt der lichtabsorbierenden Komponente, ohne das einfallende Licht abzufangen. Dadurch wird, selbst wenn die lichtabsorbierende Komponente dünner gemacht wird, ein hoher Lichtabsorptionsgrad sichergestellt. Auch kann das Material verringert werden, kann Taktzeit verkürzt werden und können Kosten verringert werden.The band pass filter has been used for extracting light of a certain wavelength from white light in a prior art. When the band pass filter is provided over a light receiving surface of a photovoltaic device and monochromatic light is irradiated on the light receiving surface, the band pass filter reflects light reflected from a rear surface back onto an inner portion of the light absorbing component without intercepting the incident light. Thereby, even if the light absorbing component is made thinner, a high degree of light absorption is ensured. The material can also be reduced, the cycle time can be shortened and costs can be reduced.
Ferner können ein hoher Lichtabsorptionsgrad und ein niedriger Innenwiderstand durch Verkleinern und Dünnermachen der lichtabsorbierenden Komponente miteinander kompatibel gemacht werden. Infolgedessen wird selbst in einem Fall, in dem eine einfallende Lichtintensität groß ist, ein Widerstandsverlust beschränkt und hohe Umwandungseffizienz erzielt.Further, a high light absorption coefficient and a low internal resistance can be made compatible with each other by downsizing and thinning the light absorbing component. As a result, even in a case where an incident light intensity is large, resistance loss is restrained and high conversion efficiency is achieved.
Eine bestimmte Struktur einer Si-Solarzelle, die mit einem solargepumpten Laser kombiniert wird, wird wie folgt ausgestaltet. Es wird gezeigt:
- (1) während für gewöhnlich ein Wafer einer Dicke von in
etwa 200 µm verwendet wird, wird die Dicke auf in etwa 20 µm dünner gemacht und eine Größe in einer Inebenenrichtung wird ebenfalls auf mehrere 10 µm oder weniger miniaturisiert, wodurch Reihenwiderstand an dem inneren Abschnitt der Solarzelle verringert wird; - (2) durch Verwenden normalen Einfalls monochromatischen Lichts und durch Ausbilden eines Bandpassfilters an einer Oberfläche davon, kann einfallendes Licht selbst durch einen dünnen Wafer von in
etwa 20 µm ausreichend absorbiert werden; und - (3) infolgedessen wird hohe Umwandlungseffizienz erzielt.
- Ferner wird eine Kombination eines Laserstrahls und einer Solarzelle als eine Leistungsversorgungstechnologie für einen sich bewegenden Körper oder in einer hohen elektromagnetischen Rauschumgebung verwendet. Das folgende Ergebnis wird auch für die Solarzelle, die dafür verwendet wird, angewendet.
- (1) While a wafer having a thickness of about 200 µm is usually used, the thickness is made thinner to about 20 µm, and a size in an in-plane direction is also miniaturized to several tens of µm or less, thereby increasing series resistance at the inner portion the solar cell is decreased;
- (2) by using normal incidence monochromatic light and forming a band pass filter on a surface thereof, incident light can be sufficiently absorbed even by a thin wafer of about 20 µm; and
- (3) As a result, high conversion efficiency is achieved.
- Further, a combination of a laser beam and a solar cell is used as a power supply technology for a moving body or in a high electromagnetic noise environment. The following result is also applied to the solar cell used for it.
[2.1. Einfluss einfallender Lichtintensität][2.1. Influence of incident light intensity]
[Numerische Formel 1]
[Numerical formula 1]
Bezeichnungen Jph, Jo und n bezeichnen jeweils eine lichtinduzierte Stromdichte, eine Sperrsättigungsstromdichte und einen Idealitätsfaktor. Bezeichnungen kB und TRT bezeichnen jeweils die Boltzmann-Konstante und eine Raumtemperatur. Jo kann in etwa als ein konstanter Wert angesehen werden, der nicht von der einfallenden Lichtintensität oder V abhängig ist. Daher wird, wenn die einfallende Lichtdichte erhöht wird, Einfluss eines Sperrstroms auf Jph relativ verringert, und dadurch wird Umwandlungseffizienz verbessert. Jedoch wird auch gleichzeitig ein Verlust durch den Reihenwiderstand Rs erhöht. Daher wird, nachdem die Umwandlungseffizienz maximiert wird, die Umwandlungseffizienz im Gegenzug verringert.Notations Jph, Jo and n denote a light-induced current density, a reverse saturation current density and an ideality factor, respectively. Designations k B and T RT each denote the Boltzmann constant and a room temperature. Jo can be seen roughly as a constant value that does not depend on the incident light intensity or V. Therefore, as the incident light density is increased, influence of reverse current on Jph is relatively decreased, and thereby conversion efficiency is improved. However, a loss due to the series resistance R s is also increased at the same time. Therefore, after the conversion efficiency is maximized, the conversion efficiency is in turn lowered.
[Referenzliteratur 1] M. Castro et al., Solar Energy Mater. Solar Cells 92, 1697 (2008)[Reference Literature 1] M. Castro et al., Solar Energy Mater. Solar Cells 92, 1697 (2008)
[Referenzliteratur 2] R. R. King et al., Prog. Photovolt.: Res. Appl. 20, 801 (2012)[Reference Literature 2] R. R. King et al., Prog. Photovolt .: Res. Appl. 20, 801 (2012)
Eine Si-Solarzelle wird gewöhnlich durch Ausbilden einer n-leitenden Schicht mit einer Dotierungskonzentration von in etwa 1020 cm-3 und einer Dicke von in etwa 0,3 µm auf einer Oberfläche eines p-leitenden Wafers mit einer Dotierungskonzentration von in etwa 1016 bis 1017 cm-3 hergestellt. Da eine Dicke des p-leitenden Wafers 200 µm ist und ein spezifischer Widerstand in etwa 1 bis 0,1 Ωcm ist, stellt Widerstand in einer Dickenrichtung des Wafers ein Problem dar. Eine Dicke der n-leitenden Schicht ist so dünn wie in etwa 0,3 µm, und daher stellt Widerstand in einer Dickenrichtung kein Problem dar. Da jedoch ein Flächenwiderstand 10 bis 100 Ω ist, gibt es Bedenken, dass Widerstand in einer Inebenenrichtung die Effizienz in Abhängigkeit von einer Größe beeinflusst.A Si solar cell is usually formed by forming an n-type layer with a doping concentration of about 10 20 cm -3 and a thickness of about 0.3 μm on a surface of a p-type wafer with a doping concentration of about 10 16 manufactured up to 10 17 cm -3 . Since a thickness of the p-type wafer is 200 µm and a specific resistance is about 1 to 0.1 Ωcm, resistance in a thickness direction of the wafer poses a problem. A thickness of the n-type layer is as thin as about zero .3 µm, and therefore resistance in a thickness direction poses no problem. However, since a sheet resistance is 10 to 100 Ω, there is a concern that resistance in an in-plane direction affects efficiency depending on a quantity.
Hinsichtlich des Widerstands in der Inebenenrichtung der n-leitenden Schicht ist eine Mikrosolarzelle vorgeschlagen worden, bei der ein Durchmesser der Solarzelle auf mehrere 10 µm beschränkt ist. Es ist gefunden worden, dass die Umwandlungseffizienz mit einer Zunahme in der einfallenden Lichtintensität bis zu der einfallenden Lichtintensität von 1 bis 10 kW/cm2 verbessert wird, ohne dadurch beeinflusst zu werden (
In einem Fall, in dem Sonnenlicht direkt einstrahlt, ist es nicht realistisch, Sonnenlicht auf eine Solarzelle von in etwa mehreren 10 µm durch Verwenden einer Linse und dergleichen zu fokussieren. Jedoch wird in einem Fall eines solargepumpten Lasers, der einen Lichtleiter verwendet, eine Verbindung dazwischen erleichtert.In a case where sunlight is directly irradiated, it is not realistic to focus sunlight on a solar cell of about several tens of µm by using a lens and the like. However, in a case of a solar pumped laser using a light guide, connection therebetween is facilitated.
[Referenzliteratur 3] M. Paire et al., J. Appl. Phys. 108, 034907(2010)[Reference Literature 3] M. Paire et al., J. Appl. Phys. 108, 034907 (2010)
[Referenzliteratur 4] M. Paire et al., Appl. Pys. Lett. 98, 264102(2011)[Reference Literature 4] M. Paire et al., Appl. Pys. Lett. 98, 264102 (2011)
Währenddessen wird hinsichtlich Widerstands in einer Dickenrichtung eines p-leitenden Wafers ein Widerstandswert durch Dünnermachen des Wafers verringert. Da jedoch eine einfallende Lichtwellenlänge (1064 nm) nahe an einer Absorptionskante von Si ist, gibt es Bedenken, dass Licht nicht ausreichend absorbiert werden kann. Daher ist eine Beziehung zwischen einer Wafer-Dicke, einem Lichtabsorptionsgrad und Umwandlungseffizienz und Einfluss von Widerstand in einer Dickenrichtung unter Verwendung eines Solarzellensimulators PC1D studiert worden.Meanwhile, in terms of resistance in a thickness direction of a p-type wafer, a resistance value is decreased by making the wafer thinner. However, since an incident light wavelength (1064 nm) is close to an absorption edge of Si, there is a concern that light cannot be sufficiently absorbed. Therefore, a relationship among a wafer thickness, a light absorption degree, and conversion efficiency and influence of resistance in a thickness direction have been studied using a solar cell simulator PC1D.
Eine Textur (Transmissionsgrad: 1) mit einer Tiefe von 3 µm wird an einer Oberfläche festgelegt, und eine diffuse Reflexionsstruktur (Reflexionsgrad: 1) wird an einer Rückfläche ähnlich einer gewöhnlichen Solarzelle festgelegt. Obwohl ein p-leitender Wafer mit einem spezifischen Widerstand von in etwa 1 Ωcm in einem Fall verwendet wird, in dem er durch nicht konzentrierte Bestrahlung verwendet wird, kann hohe Umwandlungseffizienz durch einen kleineren spezifischen Widerstand von 0,1 bis 0,2 Ωcm in einem Fall großer einfallender Lichtintensität erzielt werden. Daher wird ein Wert von 0,1 Ωcm bei der Berechnung verwendet. Ein Flächenwiderstand einer n-leitenden Schicht wird auf 50 Ω festgelegt, was ein gewöhnlicher Wert ist. Eine Volumenrekombinationslebensdauer wird auf 1000 µs festgelegt, was ein typischer Wert ist.A texture (transmittance: 1) with a depth of 3 µm is set on a surface, and a diffuse reflection structure (reflectance: 1) is set on a rear surface similar to an ordinary solar cell. Although a p-type wafer having a specific resistance of about 1 Ωcm is used in a case where it is used by non-concentrated irradiation, high conversion efficiency can be achieved by having a smaller specific resistance of 0.1 to 0.2 Ωcm in one In the case of large incident light intensity can be achieved. Therefore a value of 0.1 Ωcm is used in the calculation. A sheet resistance of an n-type layer is set to 50 Ω, which is a common value. A volume recombination lifetime is set to 1000 microseconds, which is a typical value.
In einem Fall eines dünnen Wafers beeinflusst eine Oberflächenrekombinationsrate signifikant die Umwandlungseffizienz. Eine Oberflächenrekombinationsrate ist in einem Fall von Passivierung/Neutralisierung durch einen thermisch oxidierten Film eines Stands der Technik 105 bis 106 cm/s. Im Gegensatz ist in vergangenen Jahren ein Wert unter 10 cm/s durch Passivierung/Neutralisierung unter Verwendung von Al2O3 oder i-artigem/intrinsischem amorphem Si realisiert wurden. Daher wird ein Wert von 10 cm/s dieses Mal bei der Berechnung verwendet.In a case of a thin wafer, a surface recombination rate significantly affects the conversion efficiency. A surface recombination rate in a case of passivation / neutralization by a prior art thermally oxidized film is 10 5 to 10 6 cm / s. In contrast, in recent years a value below 10 cm / s has been achieved by passivation / neutralization using Al 2 O 3 or i-type / intrinsic amorphous Si. Therefore a value of 10 cm / s is used in the calculation this time.
Kontaktwiderstand mit einer Elektrode wird auf einen Wert festgelegt, der im Wesentlichen 0 wird. Parallelwiderstand wird auch auf 0 festgelegt. Die anderen Parameter verwenden einen Standardwert von PC1D. Umwandlungseffizienz ist 22,5 %, wenn AM 1,5 G 1 Sonnenlicht eine Solarzelle mit einer Dicke von 200 µm unter der Bedingung bestrahlt.Contact resistance with an electrode is set to a value that becomes substantially zero. Parallel resistance is also set to 0. The other parameters use a default value of PC1D. Conversion efficiency is 22.5% when AM 1.5
Währenddessen wird in einem Fall einer einfallenden Lichtintensität von 1 kW/cm2 die Umwandlungseffizienz durch Einfluss von Reihenwiderstand ab in etwa einer Dicke von 30 µm in eine gesättigte Tendenz gebracht, bei 75 µm maximiert (30,3 %) und danach verringert.Meanwhile, in a case of an incident light intensity of 1 kW / cm 2, the conversion efficiency by the influence of series resistance is brought into a saturated tendency from about a thickness of 30 µm, maximized at 75 µm (30.3%) and thereafter decreased.
Daher ist es zum Erzielen hoher Umwandlungseffizienz auch in einem Fall großer einfallender Lichtintensität zunächst unabdingbar, Rs durch Dünnermachen eines Wafers zu verringern. Jedoch kann in einem Fall einer Oberflächentextur und einer diffusen Reflexionsstruktur auf einer Rückfläche eines Stands der Technik Licht nicht ausreichend absorbiert werden, und daher wird eine effektivere Lichteinfangstruktur benötigt.Therefore, in order to obtain high conversion efficiency even in a case of a large incident light intensity, it is first indispensable to decrease R s by making a wafer thinner. However, in a case of a surface texture and a diffuse reflection structure on a back surface of a related art, light cannot be sufficiently absorbed, and therefore a more effective light trapping structure is needed.
[2.2. Lichteinfangwirkung des Bandpassfilters][2.2. Light trapping effect of the band pass filter]
Kürzlich sind eine Anzahl lichteinfangender Strukturen unter Verwendung von Plasmonresonanz oder eines photonischen Bands zusätzlich zu einer Oberflächen- oder Rückflächentextur, die in einer gewöhnlichen Solarzelle verwendet werden, vorgeschlagen worden.
[Referenzliteratur 5] V. E. Ferry et al., Opt. Express 18, A237 (2010)[Reference literature 5] V. E. Ferry et al., Opt. Express 18, A237 (2010)
Bei einer amorphen Substrattyp-Si-Solarzelle wird eine Ag-Elektrode mit periodischen konkav-konvexen Unebenheiten verwendet. Obwohl externe Quanteneffizienz davon höher ist als die einer flachen Plattenstruktur, ist die Effizienz nicht sehr verschieden von der eines Falls einer transparenten Elektrode mit Textur, die von Asahi Glass Co., Ltd. hergestellt worden ist, die als Standard in einer Dünnflim-Si-Solarzelle verwendet wird. Auf diese Weise ist Lichteinfangen für Sonnenlicht, das weißes Licht ist und dessen Einfallsrichtung gelegentlich verändert wird, nicht leicht. Betrachten Sie daher ein Verfahren von Lichteinfangen unter Verwendung normalen (senkrechten) monochromatischen Lichteinfalls, was ein Kennzeichen einer gegenwärtigen Verwendung ist.In the case of an amorphous substrate type Si solar cell, an Ag electrode with periodic concavo-convex asperities is used. Although external quantum efficiency thereof is higher than that of a flat plate structure, the efficiency is not very different from that of a case of a textured transparent electrode manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. which is used as a standard in a thin film Si solar cell. In this way, light trapping is not easy for sunlight, which is white light and whose direction of incidence is changed occasionally. Therefore, consider a method of light trapping using normal (perpendicular) monochromatic incidence of light, which is a hallmark of current use.
In einem Fall, in dem sowohl eine Oberfläche als auch eine Rückfläche einer Solarzelle glatt und entsprechend mit idealen Antireflexions-(Oberfläche) und Reflexions-(Rückfläche)Strukturen ausgebildet sind, wird Licht, das senkrecht auf eine Solarzelle einfällt, durch eine Rückfläche reflektiert, passiert wiederum eine Oberfläche und breitet sich nach außen aus. Daher ist ein Lichtabsorptionsgrad A A = TF (1 - exp (-2αd)). Hier ist ein Transmissionsgrad TF der Oberfläche 1, da eine ideale Antireflexionsstruktur der Oberfläche angenommen wird. In einem Fall, in dem eine Dicke d der Solarzelle nahe an dem oder kleiner als der Kehrwert eines Lichtabsorptionskoeffizienten α (in einem Fall von Si 9,6528 cm-1 bei einer Wellenlänge von 1064 nm) ist, wird einfallendes Licht nicht ausreichend absorbiert und ein Teil davon entweicht nach außen.In a case where both a surface and a rear surface of a solar cell are smooth and correspondingly formed with ideal anti-reflection (surface) and reflection (rear surface) structures, light that is perpendicularly incident on a solar cell is reflected by a rear surface, in turn passes a surface and spreads outwards. Therefore, a light absorbance AA = T F (1 - exp (-2αd)). Here, a transmittance T F of the surface is 1 because an ideal anti-reflection structure of the surface is assumed. In a case where a thickness d of the solar cell is close to or smaller than the reciprocal of a light absorption coefficient α (in a case of Si 9.6528 cm -1 at a wavelength of 1064 nm), incident light is not sufficiently absorbed and part of it escapes to the outside.
Als Nächstes betrachten Sie einen Fall, in dem eine Rückfläche eine diffuse Reflexionsfläche ist. In diesem Fall ist ein Brechungsindex npv eines Solarzellenmaterials (in einem Fall von Si 3,55 bei einer Wellenlänge von 1064 nm) größer als der von Luft. Daher passiert Licht, das unter einem Winkel kleiner als ein Grenzwinkel von Totalreflexion θc = arcsin (1/npv) reflektiert wird und sich zu einer Oberfläche ausbreitet (Ausbreitungswinkel 0), wieder die Oberfläche und breitet sich nach außen aus. Jedoch wird in einem Fall eines Winkels größer als der Grenzwinkel Licht an der Oberfläche totalreflektiert und wird wieder auf die Rückfläche gerichtet (siehe
[Numerische Formel 2]
ao eine relative Intensität bezeichnet, wenn das normal einfallende Licht die Oberfläche passiert und danach die Rückfläche erreicht,
aex eine relative Intensität einer Komponente von Licht bezeichnet, das durch die Rückfläche reflektiert wird und die Oberfläche passiert, und
ain eine relative Intensität einer Komponente von Licht bezeichnet, das von der Rückfläche reflektiert wird, von der Oberfläche reflektiert wird, und die Rückfläche wieder erreicht. Diese Parameter werden durch Formeln (3) bis (5) ausgedrückt.
[Numerische Formel 3]
[Numerical formula 2]
ao denotes a relative intensity when the normally incident light passes the surface and then reaches the rear surface,
a ex denotes a relative intensity of a component of light reflected by the rear surface and passing through the surface, and
ain denotes a relative intensity of a component of light that is reflected from the rear surface, is reflected from the surface, and reaches the rear surface again. These parameters are expressed by formulas (3) to (5).
[Numerical formula 3]
Bei Extremwerten αd << 1, npv >> 1, wird A Formel (6), und die Yablonovitch-Grenze, bei der eine effektive optische Weglänge um 4npv 2 vergrößert wird, wird abgeleitet.
[Numerische Formel 4]
[Numerical formula 4]
Nun wird die Richtung von Einfall von Licht auf normal (senkrecht) begrenzt. Daher kann, wenn die Oberfläche Verbesserungen unterworfen wird, so dass unter dem Licht, das durch die Rückfläche reflektiert wird und wieder auf die Oberfläche gerichtet wird, eine Komponente davon, die sich normal fortpflanzt, transmittiert wird und eine Komponente davon, die sich in einer schrägen Richtung fortpflanzt, reflektiert wird, Ausbreitung von Licht von innerhalb der Solarzelle nach außen beschränkt werden, und dadurch wird A vergrößert. Wenn ein Reflexionsgrad von Licht, das von innerhalb der Solarzelle auf die Oberfläche gerichtet ist, als RB (θ) (RB(θ > θc) = 1) definiert ist, werden aex, ain wie in Formel (7) und Formel (8) ausgedrückt.
[Numerische Formel 5]
[Numerical formula 5]
Da ein Wert nahe an 1 für den Transmissionsgrad TF des normal einfallenden Lichts benötigt wird, ist RB (θ = 0) ≈ 1 unabdingbar. Das heißt, es ist unvermeidbar, eine Komponente von Licht, das von der Rückfläche der Solarzelle reflektiert wird und das sich in einer Richtung nahe der Senkrechten fortpflanzt, nach außen auszubreiten. Währenddessen ist eine Phasenverschiebung einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche von Licht, das sich in einer schrägen Richtung fortpflanzt, äquivalent zu der von Licht mit einer längeren Wellenlänge. Daher kann ein Filter, der normal einfallendes Licht mit einer Wellenlänge λ0 durchlässt und normal einfallendes Licht mit einer längeren Wellenlänge reflektiert, das heißt ein Bandpassfilter oder ein Langwellenlängensperrfilter, an der Oberfläche der Solarzelle ausgebildet sein.Since a value close to 1 is required for the transmittance T F of the normally incident light, R B (θ = 0) ≈ 1 is indispensable. That is, it is inevitable that a component of light which is reflected from the back surface of the solar cell and which is propagated in a direction close to the perpendicular is propagated outward. Meanwhile, a phase shift of a direction perpendicular to the surface of light traveling in an oblique direction is equivalent to that of light having a longer wavelength. Therefore, a filter which transmits normal incident light having a wavelength λ 0 and reflects normal incident light having a longer wavelength, that is, a band pass filter or a long wavelength cut filter, can be formed on the surface of the solar cell.
In einem Fall von Verwendung der Technologie für Einfall von Sonnenlicht (weißem Licht) wird TF ≈ 1 verlangt, wie oben beschrieben worden ist. Daher ist eine Wellenlänge, die abgeschnitten werden kann, lediglich einen Teil davon länger als die Absorptionskante eines Solarzellenmaterials. Daher ist, da die Lichteinfangwirkung durch den Langwellenlängensperrfilter auf Licht in einer Umgebung der Absorptionskante begrenzt ist, seine Wirkung unbedeutend.In a case of using the technology for incidence of sunlight (white light), T F ≈ 1 is required as described above. Hence, a wavelength that can be cut off is only part of it longer than the absorption edge of a solar cell material. Therefore, since the light trapping effect by the long wavelength cut filter is limited to light in a vicinity of the absorption edge, its effect is insignificant.
[2.3. Ausgestaltung des Bandpassfilters][2.3. Design of the bandpass filter]
Ein optischer Filter mit verschiedenen Funktionen kann durch alternierendes Beschichten dünner Filme zweier Arten von Materialien mit verschiedenen Brechungsindices ausgebildet werden. Nehmen Sie an, dass ZnS (Brechungsindex: 2,29) und MgF2 (Brechungsindex: 1,36) entsprechend für ein Hochbrechungsindexmaterial und ein Niedrigbrechungsindexmaterial verwendet werden. Ein Brechungsindex von Si, das ein Solarzellenmaterial ist, ist npv = 3,55, wie oben beschrieben worden ist. Bedenken Sie optimale Strukturen eines Bandpassfilters und eines Langwellenlängensperrfilters unter diesen Bedingungen.An optical filter having various functions can be formed by alternately coating thin films of two kinds of materials having different refractive indexes. Assume that ZnS (refractive index: 2.29) and MgF 2 (refractive index: 1.36) are used for a high refractive index material and a low refractive index material, respectively. A refractive index of Si, which is a solar cell material, is n pv = 3.55 as described above. Consider optimal structures of a band pass filter and a long wavelength cut filter under these conditions.
Eine grundlegende Struktur eines Bandpassfilters ist durch Einfügen eines Films mit einer optischen Dicke (einem Wert, der eine Dicke mit einem Brechungsindex des Materials multipliziert) von λ0/2 zwischen alternierend beschichteten Filmen von Hoch-/Niedrigbrechungsindexmaterialien einer Dicke von λ0/4 ausgebildet. In einem Fall, in dem die Anordnung über einem Glassubstrat mit einem Brechungsindex von 1,5 ausgebildet ist, ist es bekannt, dass ein Transmissionsfenster in einer Schichtungsreihenfolge (Beschichtungsreihenfolge) von (H4/L4/)m1H2/(L4/H4/)m2/Glassubstrat, wie in
In einem Fall von Ausbilden dieser auf einer Oberfläche einer Solarzelle wird, da der Brechungsindex des Solarzellenmaterials groß ist, obwohl eine Funktion eines Bandpassfilters erzielt wird, ein Scheitelwert eines Transmissionsgrads niedrig (
In dem gegenwärtigen Fall ist die Antireflexionsschicht über der Bandpassschicht ausgebildet, auch in diesem Fall wird bestätigt, dass ein Reflexionsgrad null gemacht werden kann, wenn eine Schicht mit einem Brechungsindex nAR = npv 1/2 = 1,884 und einer Dicke von λ0/nAR/4 verwendet wird. Der Wert des Brechungsindex kann durch Verwenden eines Mischoxids von TiO2-SiO2, ZrO2-SiO2, Nb2O3-SiO2 und dergleichen realisiert werden. In diesem Fall ist, wie in
Auch ist eine grundlegende Struktur eines Langwellenlängensperrfilters wiederholt geschichtete Schichten von (H4/L4/). Jedoch ist, wenn lediglich (H4/L4/) verwendet wird, eine Welligkeit, die an einem Transmissionsband aufgetreten ist, signifikant. Daher sind Schichten optischer Dicke λ0/8 gewöhnlich auf der Oberfläche und einer Schnittstelle zwischen den geschichteten Schichten und dem Substrat ausgebildet. Es wird durch Durchführen ähnlicher Berechnung auch in diesem Fall bestätigt, dass eine Struktur von L8/(H4/L4/)mH8/Solarzelle, die in
[Beispiele][Examples]
[Beispiel 1][Example 1]
Ein Kennwert, wenn ein Bandpassfilter mit einer Struktur von
Selbst in einem Fall, in dem eine Gesamtschichtenanzahl
Wie in [2.1.] beschrieben, ist es zum Erzielen hoher Umwandlungseffizienz selbst in einem Fall einer großen Lichtintensität unabdingbar, einen Si-Wafer dünner zu machen. Es wird gefunden, dass, wenn ein Bandpassfilter mit einer Gesamtschichtenanzahl von
Die Umwandlungseffizienz wird mit einer Zunahme der einfallenden Lichtintensität bis zu der einfallenden Lichtintensität von 100 W/cm2 ähnlich dem Fall der gewöhnlichen Si-Solarzelle, die oben beschrieben worden ist, erhöht. In einem Fall der Dicke von 20 µm wird, da ein Reihenwiderstand Rs der Solarzelle klein ist, die Umwandlungseffizienz bei einer größeren einfallenden Lichtintensität (1 kW/cm2) maximiert. Ferner wird, wenn die einfallende Lichtintensität gleich oder größer als 1 kW/cm2 ist, ein Wert höher als der von 50 µm erzielt.The conversion efficiency is increased with an increase in the incident light intensity up to the incident light intensity of 100 W / cm 2 similarly to the case of the ordinary Si solar cell described above. In a case of the thickness of 20 µm, since a series resistance R s of the solar cell is small, the conversion efficiency is maximized with a larger incident light intensity (1 kW / cm 2). Further, when the incident light intensity is equal to or greater than 1 kW / cm 2 , a value higher than that of 50 µm is obtained.
Wie aus
Eine derart dünne Solarzelle kann durch Smart-Cut-Technologie, bei der die dünne Solarzelle abgeblättert wird, nachdem Wasserstoffionen zum Verspröden eines Si-Wafers implantiert worden sind, oder Sliver-Technologie, bei der ein dünnes Stück in einer Streifenform nach Ausbilden von p+/n+-Schichten und einer Elektrode jeweils auf beiden Flächen einer dünnen Si-Platte ausgeschnitten wird, hergestellt werden.Such a thin solar cell can be made by smart cut technology in which the thin solar cell is peeled off after hydrogen ions are implanted to embrittle a Si wafer or sliver technology in which a thin piece in a strip shape after forming p + / n + layers and an electrode each cut out on both surfaces of a thin Si plate.
[Beispiel 2][Example 2]
Einflüsse von Schwankungen verschiedener Parameter, die sich auf die Umwandlungseffizienz auswirken, sind studiert worden. Die einfallende Lichtintensität wird zu 1 kW/cm2 gemacht, und die Si-Dicke wird zu 20 µm gemacht, bei der die Umwandlungseffizienz maximiert wird. Eine Gesamtschichtenanzahl wird zu 6 gemacht (m1 = m2 = 1).Influences of fluctuations in various parameters that affect the conversion efficiency have been studied. The incident light intensity is made 1 kW / cm 2 and the Si thickness is made 20 µm, at which the conversion efficiency is maximized. A total number of layers is made 6 (m 1 = m 2 = 1).
-
(1) wenn Δλ/λ0 -3,0 % bis +3,9 % ist, ist die Umwandlungseffizienz gleich oder größer als 30 % (
11A) . Es wird aus11A gefunden, dass, selbst wenn eine Wellenlänge λ0 einfallenden Lichts (oder eine zentrale Wellenlänge λ von Licht, das einen Bandpassfilter passieren kann) geringfügig von einem idealen Wert abweicht, solange die Abweichung innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs ist, hohe Umwandlungseffizienz erzielt wird;(1) when Δλ / λ 0 -3.0% to + 3.9%, the conversion efficiency is equal to or greater than 30% (11A) . It will be out11A found that even if a wavelength λ 0 of incident light (or a central wavelength λ of light which can pass a band pass filter) deviates slightly from an ideal value, as long as the deviation is within a prescribed range, high conversion efficiency is obtained; -
(2) wenn Δθ gleich oder kleiner als 23° ist, ist die Umwandlungseffizienz gleich oder größer als 30 % (
11B) . Es wird aus11B gefunden, dass selbst in einem Fall, in dem einfallendes Licht kein normal einfallender paralleler Strahl ist, solange eine Abweichung eines Einfallswinkels 0 oder eine Abweichung von dem parallelen Strahl innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs ist, hohe Umwandlungseffizienz erzielt wird;(2) when Δθ is equal to or less than 23 °, the conversion efficiency is equal to or greater than 30% (11B) . It will be out11B found that even in a case where incident light is not a normal incident parallel beam, as long as a deviation of an incident angle is 0 or a deviation from the parallel beam is within a prescribed range, high conversion efficiency is obtained; -
(3) wenn ΔnAR/nAR0 = 0, wird die Umwandlungseffizienz maximiert (
11C ). Es wird aus11C gefunden, dass, selbst wenn nAR von einem idealen Wert (= npv 1/2) abweicht, Einfluss der Abweichung, die sich auf die Umwandlungseffizienz auswirkt, unbedeutend ist. Ferner wird gefunden, dass zum Erzielen hoher Umwandlungseffizienz ΔnAR/nAR0 vorzugsweise in einen Bereich von -30 % bis +80 % fällt;(3) when Δn AR / n AR0 = 0, the conversion efficiency is maximized (11C ). It will be out11C found that even if n AR deviates from an ideal value (= n pv 1/2 ), influence of the deviation, which affects the conversion efficiency, is insignificant. Further, it is found that, in order to achieve high conversion efficiency, Δn AR / n AR0 preferably falls within a range of -30% to +80%; -
(4) wenn ΔdAR/dAP0 = 0, wird die Umwandlungseffizienz maximiert (
11D ). Es wird aus11D gefunden, dass, selbst wenn dAR von einem idealen Wert abweicht, Einfluss der Abweichung, die sich auf die Umwandlungseffizienz auswirkt, unbedeutend ist. Ferner wird gefunden, dass zum Erzielen hoher Umwandlungseffizienz AdAR/dAR0 vorzugsweise in einen Bereich von -60 % bis +40 % fällt; und(4) when Δd AR / d AP0 = 0, the conversion efficiency is maximized (11D ). It will be out11D found that even if d AR deviates from an ideal value, influence of the deviation, which affects the conversion efficiency, is insignificant. Further, it is found that, in order to achieve high conversion efficiency, Ad AR / d AR0 preferably falls within a range of -60% to +40%; and -
(5) wenn ΔdL4/dL40 in einen Bereich von -25 % bis +20 % fällt, ist die Umwandlungseffizienz gleich oder größer als 30 % (
11E) . Wenn ΔdH4/dH40 in einen Bereich von -13 % bis +10 % fällt, ist die Umwandlungseffizienz gleich oder größer als 30 % (11F) . Ferner ist, wenn ΔdL2/dLZ0 in einen Bereich von -7,4 bis +5,8 % fällt, die Umwandlungseffizienz gleich oder größer als 30 % (11G) . Es wird aus11E bis11G gefunden, dass, selbst wenn Dicken jeweiliger Schichten, die einen Bandpassfilter bilden, geringfügig von idealen Werten abweichen, die hohe Umwandlungseffizienz erzielt wird, solange Abweichungen innerhalb vorgeschriebener Bereiche fallen.(5) when Δd L4 / d L40 falls within a range of -25% to +20%, the conversion efficiency is equal to or greater than 30% (11E) . When Δd H4 / d H40 falls within a range of -13% to +10%, the conversion efficiency is equal to or greater than 30% (11F) . Further, when Δd L2 / d LZ0 falls within a range of -7.4 to +5.8%, the conversion efficiency is equal to or greater than 30% (11G) . It will be out11E until11G found that even if thicknesses of respective layers constituting a band-pass filter deviate slightly from ideal values, the high conversion efficiency is achieved as long as deviations fall within prescribed ranges.
[Beispiel 3][Example 3]
Einfluss einer Funktion einer diffusen Reflexionsschicht, die sich auf Umwandlungseffizienz auswirkt, ist studiert worden. Einfallende Lichtintensität wird zu 1 kW/cm2 gemacht, und eine Si-Dicke wird zu 20 µm gemacht, bei der die Umwandlungseffizienz maximiert wird. Eine Gesamtschichtenanzahl wird zu 14 gemacht (m1 = m2 = 3).Influence of a function of a diffuse reflection layer affecting conversion efficiency has been studied. Incident light intensity is made 1 kW / cm 2 , and a Si thickness is made 20 µm at which the conversion efficiency is maximized. A total number of layers is made 14 (m 1 = m 2 = 3).
- (1) wenn der gesamte Reflexionsgrad gleich oder größer als 0,93 ist, ist die Umwandlungseffizienz gleich oder größer als 30 %; und(1) when the total reflectance is equal to or greater than 0.93, the conversion efficiency is equal to or greater than 30%; and
- (2) wenn ein Index, der durch den diffusen Reflexionsgrad/Gesamtreflexionsgrad dargestellt wird, gleich oder größer als 0,49 ist, ist die Umwandlungseffizienz gleich oder größer als 30%.(2) when an index represented by diffuse reflectance / total reflectance is equal to or greater than 0.49, the conversion efficiency is equal to or greater than 30%.
Obwohl die genaue Erläuterung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, angegeben worden ist, ist die vorliegende Erfindung durch die oben beschriebenen Ausführungsformen keineswegs beschränkt.Although the detailed explanation has been given of the embodiments of the present invention as described above, the present invention is in no way limited by the above-described embodiments.
Die Photovoltaikvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann für eine Solarzelle, einen Photowiderstand, eine Photodiode, einen Phototransistor und dergleichen verwendet werden.The photovoltaic device according to the present invention can be used for a solar cell, a photoresistor, a photodiode, a phototransistor, and the like.
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