JP2005032485A - 太陽電池用基板及びそれを用いた太陽電池 - Google Patents

太陽電池用基板及びそれを用いた太陽電池 Download PDF

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Abstract

【課題】光の利用効率が高く、かつ光電変換効率の高い太陽電池を提供する。
【解決手段】太陽電池用基板２の表面（光入射面）に、複数のシリンドリカルレンズ８が隣接して平行をなすように形成し、裏面にシリンドリカルレンズ８に沿ってＶ字溝１０を形成し、裏面に透明電極２３と半導体電極５を順次積層し、この太陽電池用基板２と対向電極基板３とを対向配置させて電解液７を両基板の隙間に封止して太陽電池１を構成した。シリンドリカルレンズ８は、入射した光が半導体電極５におけるＶ字溝１０で屈曲した部分の端面５Ａ、５Ｂに、半導体電極５の面方向に沿って入射するように光学的に対応するように設定されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、太陽電池用基板及びそれを用いた太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題の観点から、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池が注目を集めている。太陽電池としては、シリコン系太陽電池、化合物半導体系太陽電池、有機太陽電池など様々な種類がある。現状では、光電変換効率や製造コストの点など、すべてにおいて最善の太陽電池は存在せず、用途に応じてこれらが使い分けられている。
【０００３】
一般的な太陽電池としては、基板上に、順次、第１電極膜、光電変換層、第２電極膜が積層された構造のものがある。例えば、結晶シリコン太陽電池においては、電極膜が基板を兼ねるが、光電変換層を挟んで正極と負極の電極膜が配置されている構造は同じである。また、アモルファスシリコン太陽電池では、基板の構成によっては、入射光を透明基板を通して入れる場合と、透明電極面から入れる場合がある。
【０００４】
入射光を透明基板を通して入れる場合、透明基板を通過した入射光は第１電極膜を通り、光電変換層に入射する。そして、光電変換層において光電変換が行われ、キャリアである電子と正孔とが生成される。そして、電子と正孔は、内蔵電界によりそれぞれ別々の電極膜に導かれ、電気エネルギーとして外部に取り出せるようになっている。
【０００５】
また、有機太陽電池である色素増感型太陽電池としては、光の取り込み効率と利用効率を増加させるために、図１０に示すような構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。図１０に示した色素増感型太陽電池１００は、光入射側の基板が透明基板１０１であり、この透明基板１０１の受光面（表面）には、複数の凸レンズ状の凸部１０２が形成されている。また、この太陽電池１００では、透明基板１０１の裏側が凹凸面１０３となっており、この凹凸面１０３側には順次、集電電極としての櫛形電極１０４、半導体電極１０５、電解質１０６、対極１０７が重なるように配置されている。上記凸部１０２は、遮光性を持つ櫛形電極１０４の形成されていない領域へ入射光が選択的に照射されるように設定されている。また、この色素増感型太陽電池１００では、半導体電極１０５の受光面に入射する光の入射角が３０〜８０°となるように設定されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２６０７４６号公報（第１１頁、第９図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した図１０に示した色素増感型太陽電池１００では、半導体電極１０５に入射した入射光すべてが光電変換されるわけではなく、その一部は半導体電極１０５を透過してしまい、光の利用効率が低いものであった。また、半導体電極１０５の膜厚を十分に厚くすれば、ほとんどの光を光電変換に寄与させることは可能であるが、一旦生成されたキャリアが半導体電極１０５内で再結合して消えてしまう確率が大きくなるという問題点がある。このように半導体電極１０５が所定の膜厚を越えて厚くなると、逆に光電変換効率が低下してしまうという問題があった。このような問題の発生は、アモルファスシリコン太陽電池や、色素増感型太陽電池のような湿式太陽電池において顕著である。
【０００８】
また、図１０に示した色素増感型太陽電池１００では、半導体電極１０５の受光面に入射する光の入射角が３０〜８０°となるように設定されているが、透明基板１０１の表面に形成された凸部１０２は、櫛形電極１０４が形成されていない領域へ入射光を導くことが目的であり、凸部１０２と、裏面に形成された凹凸面１０３の構造との間には、単に入射光を斜めに入射させるにすぎず、光の利用効率はやはり低いものであった。
【０００９】
そこで、本発明の主たる目的は、光の利用効率が高く、かつ光電変換効率の高い太陽電池を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、太陽電池における光の利用効率を向上できると同時に、光電変換効率も向上できる太陽電池用基板を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、光電変換層が仮想平面に対して斜めに配置されるように形成された複数の傾斜面を一方の面に備える太陽電池用基板に関するものである。この発明に係る太陽電池用基板は、他方の面に、前記傾斜面における基板厚み方向内側に位置する端部に臨む光路変更面が各傾斜面に対応して形成されており、前記光路変更面は、到来光の少なくとも一部が、前記傾斜面に沿って配置される光電変換層の内部を伝播するように、前記光電変換層における基板厚み方向内側に位置する層端面に集光するように設定されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の太陽電池用基板に関するものである。この発明に係る太陽電池用基板は、前記光路変更面が、前記光電変換層上で焦点を結ぶ複数のレンズ単位を有することを特徴としている。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載された太陽電池用基板に関するものである。この発明に係る太陽電池用基板は、前記傾斜面の一部又は全部が、複数の傾斜単位を段差状に連結してなることを特徴としている。
【００１４】
請求項４記載の発明は、太陽電池に関するものである。この発明に係る太陽電池は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された太陽電池用基板が用いられ、前記太陽電池用基板の前記傾斜面に沿って光電変換層が配置されたことを特徴としている。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の太陽電池に関するものである。この発明に係る太陽電池は、隣接する前記傾斜面により基板厚み方向外側に突出して形成される頂部に集電電極としての金属パターン電極を形成してなることを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る太陽電池用基板及びそれを用いた太陽電池の詳細を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。ただし、図面は模式的なものであり、基板及び各膜の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１７】
［第１の実施の形態］
図１〜図３は本発明に係る太陽電池及び太陽電池用基板の第１の実施の形態を示している。図１は第１の実施の形態に係る太陽電池の要部断面図、図２は太陽電池の分解斜視図、図３は太陽電池用基板を図２のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【００１８】
（太陽電池の概略構成）
図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る太陽電池１は、太陽電池用基板２と、対向電極基板３とを備えている。
【００１９】
太陽電池用基板２の一方の面（対向電極基板３と対向する裏面）側には、順次、透明電極４と、半導体電極５とが積層されている。一方、対向電極基板３の表面（太陽電池用基板２と対向する面）側には、対向電極６が形成されている。本実施の形態に係る太陽電池１は、太陽電池用基板２と、対向電極基板３とが半導体電極５と対向電極６との間に狭い間隙を形成するように対向して配置され、この間隙に電解質層としての電解液７が封止されて大略構成されている。特に、本実施の形態における太陽電池用基板２は、一方の面に仮想平面に対して傾斜する複数の傾斜面が形成され、これら傾斜面に沿って透明電極４及び光電変換層としての半導体電極５が配置され、傾斜面に形成された光電変換層における基板厚み方向の内側の端面に光導入を行う光路変更面が他方の面（表面）側に形成されている。そして、太陽電池用基板２の表面の構造と裏面の構造とが光学的対応を持つことを特徴としている。
【００２０】
すなわち、太陽電池用基板２には、傾斜面に形成された光電変換層における基板厚み方向内側の端面に臨ませて、それぞれに対応する光路変更面（レンズ単位）が他方の面形成されている。ここで、仮想平面とは、上記太陽電池用基板２を巨視的に平板とみたてたときのその板面の延在方向に広がる面をいうものとし、例えば図２中二点鎖線で示す面Ｈをいうものとする。
【００２１】
（太陽電池用基板の構成）
太陽電池用基板２は、透明性を有する樹脂でなり、平面形状が例えば矩形に形成されている。この太陽電池用基板２の一方の面（以下、表面という。）には、両側に光路変更面を備えてなる複数のレンズ部（以下、シリンドリカルレンズという。）８が隣接して平行をなすように形成されている。なお、このシリンドリカルレンズ８は、図２に示すように長さ方向Ｌに沿って延伸するように形成され、幅方向Ｗに隣接するように形成されている。
【００２２】
この太陽電池用基板２の裏面（一方の面）には、図３に示すように、それぞれのシリンドリカルレンズ８に対応した位置にシリンドリカルレンズ８に沿って一対の傾斜面９Ａ、９Ｂで形成されたＶ字溝１０が互いに隣接して平行をなすように形成されている。
【００２３】
なお、シリンドリカルレンズ８は、図３に示すように、傾斜面９Ａの延長方向に位置する光路変更面としてのレンズ面８Ａと、傾斜面９Ｂの延長方向に位置する光路変更面としてのレンズ面８Ｂと、で構成されている。本実施の形態においては、傾斜面９Ａとレンズ面８Ａとが、傾斜面９Ｂとレンズ面８Ｂとが、光学的対応を持っている。
【００２４】
上述したシリンドリカルレンズ８を構成する一対のレンズ面８Ａ、８Ｂは、太陽電池用基板２に略直角をなすように入射する光（到来光）が、対応するＶ字溝１０の谷部に配置された（谷線近傍の）半導体電極５の端部（屈曲部）に集光するようにレンズ面の曲率が調整されている（図１参照。）。すなわち、レンズ面８Ａに入射した光は、傾斜面９Ａに沿って配置された半導体電極５の、太陽電池用基板２の表面側（基板厚み方向内側）に位置する端面５Ａに集光するように設定され、レンズ面８Ｂに入射した光は、傾斜面９Ｂに沿って配置された半導体電極５の、太陽電池用基板２の表面側に位置する端面５Ｂに集光するように設定されている。
【００２５】
本実施の形態では、太陽電池用基板２の材料として、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリオレフィン、ポリカーボネート（ＰＣ）等の樹脂や、ガラスを用いることができる。なお、本実施の形態に係る太陽電池用基板２は、金型を用いた成型法により成形することができる。
【００２６】
このような構造の太陽電池用基板２の裏面には、略全面に亘って透明電極４と半導体電極５が順次積層されている。ここで、透明電極４は、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）などで形成されており、ＩＴＯの成膜には、例えばスパッタリング装置を用い、真空室内でターゲット材としてＩＴＯ材料を用い、アルゴン（Ａｒ）ガスと、酸素ガスとを混合したガスを装置内に流し、高周波放電により生成したプラズマを用いて行う。また、ＳｎＯ２を用いて透明電極４を形成する場合は、太陽電池用基板２の材料としてはガラスを用いることが好ましく、ＳｎＯ２の成膜方法としては、例えばＳｎＣｌ４、水、アルコールの混合液に、ＮＨ４Ｆを微量添加した溶液を用い、４００〜５００℃に加熱した太陽電池用基板２の裏面に噴霧するスプレー法によって成膜を行う。
【００２７】
また、半導体電極５は、例えば多孔質な二酸化チタン（ＴｉＯ２）で形成され、かつ増感色素を吸着、担持している。なお、この半導体電極５を形成するには、電析法を用いることができる。
【００２８】
透明電極４及び半導体電極５は、太陽電池用基板２のＶ字溝１０の谷線に沿って、屈曲して形成されており、図１に示すように、半導体電極５における屈曲した部分の端面５Ａ、５Ｂにシリンドリカルレンズ８のそれぞれのレンズ面８Ａ、８Ｂで光路変更された入射光が集光するように設定されている。なお、図１において矢印ａで示すように、太陽電池用基板２の法線から外れた方向からの入射光は、シリンドリカルレンズ８（レンズ面８Ｂ）により半導体電極５の屈曲した部分の端面５Ｂから外れても、少なくとも、傾斜面９Ｂに沿って形成されている半導体電極５を通過するように設定されている。すなわち、レンズ面８Ａは、傾斜面９Ａに沿って形成されている半導体電極５上に焦点を結ぶように設定され、レンズ面８Ｂは、傾斜面９Ｂに沿って形成されている半導体電極５上に焦点を結ぶように設定されている。
【００２９】
このため、例えば蛍光灯などの室内照明下において、図１の矢印ａのような斜め光が入射しても、各レンズ面８Ａ、８Ｂを通過した到来光は半導体電極５に入射するように光路変更されるように設定されている。
【００３０】
これら透明電極４と半導体電極５とでなる積層膜は、Ｖ字溝１０を形成する傾斜面９Ａ、９Ｂに沿ってそれぞれ均一な膜厚に形成されている。なお、この半導体電極５は、上述した電解液７とともに光電変換層を構成する。
【００３１】
（対向電極基板の構成）
図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る対向電極基板３は、太陽電池用基板２と同様の材料で成形されている。この対向電極基板３の表面（太陽電池用基板２と対向する面）には、太陽電池用基板２の裏面に形成されたＶ字溝１０に収容されるように対応した凸形状の突条部３Ａが隣接して互いに平行をなすように形成されている。
【００３２】
この対向電極基板３の表面には、突条部３Ａの表面に沿って、光反射性を持つ対向電極６が略全面に形成されている。
【００３３】
（太陽電池の構成）
上述した太陽電池用基板２と対向電極基板３とは、図１に示すように、太陽電池用基板２に形成された半導体電極５と、対向電極基板３に形成された対向電極６との隙間の寸法が一定になるように対向して配置されている。この隙間には、電解液７が封入されている。なお、この太陽電池１では、太陽電池用基板２と対向電極基板３とのギャップを均一に保持するためのスペーサ（図示省略する。）を備えている。また、太陽電池用基板２と対向電極基板３との周囲には、シール部材（図示省略する。）が隙間を囲繞するように設けられている。
【００３４】
《第１の実施の形態の作用・効果》
この実施の形態に係る太陽電池１では、太陽電池用基板２の裏面に形成された半導体電極５の屈曲した部分の端面５Ａ、５Ｂに光が入射するように、Ｖ字溝１０のそれぞれに対応して、太陽電池用基板２の表面に光路変更面としてのレンズ面８Ａ、８Ｂを有するシリンドリカルレンズ８が設けられているため、入射光が半導体電極５の延在方向（厚さ方向と直交する方向）に沿って導かれる。すなわち、シリンドリカルレンズ８を通過した入射光は、半導体電極５内に入射して半導体電極５内を伝播する距離を長く確保することができる。したがって、半導体電極５内での光電変換量が大きくなる。このように、入射光が半導体電極内を伝播する距離が長くできるため、半導体電極５の厚みをキャリアの再結合が起こらない程度の厚みまで薄くすることができる。このことによって、光の吸収とキャリアの分離機能が良好な太陽電池１を得ることができる。
【００３５】
このような太陽電池１では、外側から太陽光の入射があると、半導体電極５に吸着、坦持されている増感色素が励起され、電子的な基底状態から励起状態へと遷移する。励起された増感色素の電子は、半導体電極５を構成するＴｉＯ２の伝導帯へ注入され、図示しない外部回路を通り対向電極６へ移動する。対向電極６へ移動した電子は、電解液７中のイオンによって運ばれて増感色素に戻る。このよう作用を繰り返して電気エネルギーが取り出される。なお、本実施の形態においては、外部回路の説明を省略する。
【００３６】
なお、本実施の形態に係る太陽電池１では、入射光がシリンドリカルレンズ８により、半導体電極５の屈曲した部分の端面５Ａ、５Ｂに入射するように光路変更を図るとともに、太陽電池用基板２の法線から大きく外れた方向から入射した光も半導体電極５に斜めに入射するように光路変更を図ることができるため、光の利用効率が大きくなり、光電変換効率を大幅に向上することができる。
【００３７】
即ち、レンズ面８Ａ、８Ｂを透過した入射光の進行方向はその到来方向によっても異なるが、入射光の少なくとも一部が半導体電極５の端面５Ａ、５Ｂに入射して半導体電極５内を伝播するようにすれば、少なくともその分において光電変換効率の向上を図ることができる。
【００３８】
また、本実施の形態に係る太陽電池１では、対向電極６が光反射性を持ち、半導体電極５内を通った光が対向電極６で反射して再度、半導体電極５に反射光が入射するため、更に光電変換効率を向上することができる。
【００３９】
［第１の実施の形態の第１変形例］
図４は、第１の実施の形態に係る太陽電池１の第１変形例を示している。なお、図４は、太陽電池１Ａを幅方向Ｗで切断した状態を示す要部断面図である。
【００４０】
この第１変形例に係る太陽電池１Ａは、上記した第１の実施の形態に係る太陽電池１における金属でなる対向電極６を、例えばＩＴＯやＳｎＯ２などでなる透明な材料に代えた対向電極６Ａであり、光透過性を持つ対向電極基板３の裏面に光反射性を有する金属層１１が形成されている。なお、この第１変形例に係る太陽電池１Ａにおける他の構成は、上記した第１の実施の形態に係る太陽電池１と同様であるため、説明を省略する。
【００４１】
この太陽電池１Ａでは、対向電極６Ａが例えばＩＴＯのような化学的に安定な材料でなるため、電解液７との接触により腐食しにくいという利点がある。なお、第１変形例における他の作用・効果は、上述した第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４２】
［第１の実施の形態の第２変形例］
図５は、第１の実施の形態に係る太陽電池の第２変形例を示している。図５に示すように、第２変形例に係る太陽電池１Ｂは、対向電極基板３の裏面に、表面側のそれぞれの突条部３Ａに対応する位置に溝部３Ｂが平行に隣接して形成されている。そして、対向電極基板３の表面には、透明な対向電極６Ａが形成され、裏面には光反射性を有する金属層１１Ａが形成されている。この第２変形例における他の構成は、上述した第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４３】
この第２変形例では、対向電極６ＡにＩＴＯを用いることができるため、対向電極６Ａの安定性を高めることができる。また、金属電極１１Ａにより半導体電極５内を通った光を再度、半導体電極５内に入射させることができるため、光電変換効率を向上することができる。なお、第２変形例における他の作用・効果は、上述した第１の実施の形態と同様である。
【００４４】
［第１の実施の形態の第３変形例］
図６は、第１の実施の形態に係る太陽電池の第３変形例における１つのレンズ部が設けられている箇所だけを示す要部断面図である。この変形例は、上述した第１の実施の形態に係る太陽電池１に対して、シリンドリカルレンズを、図６に示したように、複数の曲面を連続して配置した多曲面でなるシリンドリカルレンズ８とした点が異なる。すなわち、このシリンドリカルレンズ８は、両側にそれぞれ光電変換層（半導体電極５）上で焦点を結ぶ複数のレンズ単位８Ｃ、８Ｄ、８Ｅを有している。なお、第３変形例における他の構成は、上述した第１の実施の形態に係る太陽電池１と同様であるため、説明を省略する。
【００４５】
この第３変形例では、図６に示すように、シリンドリカルレンズ８を複数のレンズ単位８Ｃ、８Ｄ、８Ｅで形成したことにより、太陽電池用基板２に対して半導体電極５の傾斜方向からの入射光を、半導体電極５の屈曲した部分の端面５Ａ、５Ｂに集光させると共に、半導体電極５上で焦点を結ばせることが可能となる。
【００４６】
また、例えば、レンズ単位８Ｅは主として傾斜方向からの入射光について、レンズ単位８Ｃは主として法線方向からの入射光について、それぞれ目的とする方向に光路を変更するというように、太陽電池の使用環境等を考慮して各レンズ単位に役割を分担させたりすることも可能である。
【００４７】
したがって、第３変形例では、多方向からの入射光を半導体電極５上に集光させる作用があり、光の利用効率及び光電変換効率を高めることができる。
【００４８】
［第１の実施の形態の第４変形例］
図７は、第１の実施の形態に係る太陽電池の第４変形例を示している。なお、図７は、太陽電池を幅方向Ｗに切断した状態を示す断面図である。
【００４９】
この第４変形例に係る太陽電池１Ｃでは、上述した第１の実施の形態において透明電極４が太陽電池用基板２の裏面のほぼ全域に形成されているのに対し、太陽電池用基板２に形成されたＶ字溝１０同士の境界部には透明電極４が形成されておらず、この境界部には電気抵抗の低い金属電極１２が形成されている。なお、太陽電池用基板２の裏面に形成されたＶ字溝１０同士の境界部は、図７に示すように、平坦面１３が形成されている。この平坦面１３は、太陽電池用基板２の基板厚み方向の外側（裏面側）に突出して形成される頂部に位置する。この平坦面１３に集電電極としての金属パターン電極１２が形成されている。このため、Ｖ字溝１０の内壁に沿って形成された透明電極４は、平坦面１３に沿って形成されてストライプ状に配置された金属パターン電極１２で連続するように接続されている。なお、第４変形例における他の構成は、上述した第１の実施の形態と同様である。
【００５０】
この第４変形例では、電気抵抗値の大きい透明電極４の間に金属パターン電極１２を介在させたことにより、総体的に電気抵抗を下げることができる。また、このように透明電極４同士の間に金属パターン電極１２を介在させても、入射光は半導体電極５の屈曲した部分の端面や傾斜面からほとんど吸収されきっているため、入射光の利用効率を大幅に低下させることはない。
【００５１】
［第２の実施の形態］
図８は、本発明に係る太陽電池の第２の実施の形態を示す要部断面図である。
【００５２】
本実施の形態に係る太陽電池２０は、太陽電池用基板２１と、対向電極基板２２とを備えている。本実施の形態では、太陽電池用基板２１の裏面に、複数の傾斜単位を段差状に連結して傾斜面を構成したことを特徴としている。
【００５３】
太陽電池用基板２１の裏面側には、順次、透明電極２３と、半導体電極２４とが積層されている。一方、対向電極基板２２の表面側には、対向電極２５が形成されている。本実施の形態の太陽電池２０は、太陽電池用基板２１と対向電極基板２２とが、半導体電極２４と対向電極２５との間に狭い間隙を形成するように対向して配置され、この間隙に電解質層としての電解液２６が封止されて構成されている。特に、本実施の形態における太陽電池用基板２１は、表面の構造と裏面の構造とが光学的対応を持つが、表面側に比べて裏面側の構造をより細かくしていることを特徴としている。
【００５４】
（太陽電池用基板の構成）
太陽電池用基板２１は、透明性を有する樹脂で、平面形状が例えば矩形に形成されている。この太陽電池用基板２１の表面には、一対の光路変更面としてのレンズ面２７Ａ、２７Ｂを備えた複数のシリンドリカルレンズ２７が隣接して平行をなすように形成されている。なお、このシリンドリカルレンズ２７は、長さ方向に沿って延伸するように形成され、しかも、図８に示すように、幅方向Ｗに隣接するように配置、形成されている。
【００５５】
この太陽電池用基板２１の裏面には、図８に示すように、それぞれのシリンドリカルレンズ２７に対応した位置にシリンドリカルレンズ２７に沿って一対の多段的に傾斜する多段面２８Ａ、２８Ｂが全体として略Ｖ字状をなすように形成されている。
【００５６】
上述したシリンドリカルレンズ２７のレンズ面２７Ａ、２７Ｂは、入射光が、半導体電極２４の複数の端部（屈曲部）に向けて光路変更するように、レンズ面の曲率が調整されている。
【００５７】
本実施の形態においても、太陽電池用基板２１の材料は、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリオレフィン、ポリカーボネート（ＰＣ）等の樹脂や、ガラスを用いることができる。なお、本実施の形態に係る太陽電池用基板２１は、金型を用いた成型法により成形することができる。
【００５８】
このような構造の太陽電池用基板２１の裏面上には、略全面に亘って透明電極２３と半導体電極２４が順次積層されている。なお、透明電極２３は、例えばＩＴＯで形成されている。また、半導体電極２４は、例えば多孔質の二酸化チタン（ＴｉＯ２）で形成され、かつ増感色素を吸着、担持している。なお、半導体電極５は、上述した電解液２６とともに光電変換層を構成する。
【００５９】
ここで、透明電極２３と半導体電極２４とは、太陽電池用基板２１の裏面の屈曲に追従するように形成されている。図８に示すように、１つのシリンドリカルレンズ２７と対応する半導体電極２４の屈曲した部分の端面２４Ａには、当該シリンドリカルレンズ２７で光路変更された入射光のいずれかが入射するように設定されている。すなわち、半導体電極２４が多段的に形成されているため、屈曲した部分の端面２４Ａに対して、シリンドリカルレンズ２７で方向付けされた光が入射し易くなっている。このように、半導体電極２４の屈曲した部分の端面２４Ａに光入射されることにより、入射光が半導体電極２４内を長い距離を経て通過するため、光電変換効率を向上することができる。
【００６０】
（対向電極基板の構成）
図８に示すように、本実施の形態に係る対向電極基板２２は、太陽電池用基板２１と同様の材料で成形することができる。この対向電極基板２２の表面（太陽電池用基板２１と対向する面）は、太陽電池用基板２１の裏面に形成された凹凸構造と対応して多段状に形成されている。この対向電極基板２２の表面には、このような多段状の表面に沿って、光反射性を持つ対向電極２５が略全面に形成されている。
【００６１】
（太陽電池の構成）
上述した太陽電池用基板２１と対向電極基板２２とは、図８に示すように、太陽電池用基板２１に形成された半導体電極２４と、対向電極基板２２に形成された対向電極２５との隙間の寸法が一定になるように対向して配置されている。この隙間には、電解液２６が封止されている。なお、この太陽電池２０では、太陽電池用基板２１と対向電極基板２２との隙間を均一に保持するための図示しないスペーサを備えている。また、太陽電池用基板２１と対向電極基板２２との周囲には、図示しないシール部材が隙間を囲繞するように設けられている。
【００６２】
《第２の実施の形態の作用・効果》
この実施の形態に係る太陽電池２０では、太陽電池用基板２１の裏面に形成された半導体電極２４の多数箇所に存在する、屈曲した部分の端面２４Ａに光が入射するように、太陽電池用基板２１の表面にシリンドリカルレンズ２７が設けられているため、入射光が半導体電極２４の延在方向（厚さ方向と直交する方向）に沿って導かれる。すなわち、シリンドリカルレンズ２７を通過した入射光は、半導体電極２４内に入射して半導体電極２４内を長い距離進むことができる。したがって、半導体電極２４内での光電変換量が大きくなる。
【００６３】
また、本実施の形態に係る太陽電池２０では、対向電極２５が光反射性を持ち、半導体電極２４内を通った光が対向電極２５で反射して再度、半導体電極２４に反射光が入射するため、更に光電変換効率を向上することができる。
【００６４】
［第３の実施の形態］
図９は、本発明に係る太陽電池の第３の実施の形態を示す要部断面図である。この実施の形態に係る太陽電池３０は、光電変換層をアモルファスシリコンで形成した、所謂シリコン系太陽電池の例である。
【００６５】
図９に示すように、本実施の形態に係る太陽電池３０は、上述した第１の実施の形態の太陽電池１における太陽電池用基板２と同様の構成の太陽電池用基板３１を用いている。すなわち、太陽電池用基板３１は、透明性を有する樹脂で、平面形状が例えば矩形に形成されている。この太陽電池用基板３１の表面には、レンズ部としての複数のシリンドリカルレンズ３２が隣接して平行をなすように形成されている。なお、このシリンドリカルレンズ３２は、長さ方向に沿って延伸するように形成され、図９に示すように、幅方向Ｗに隣接するように形成されている。
【００６６】
この太陽電池用基板３１の裏面には、それぞれのシリンドリカルレンズ３２に対応した位置にシリンドリカルレンズ３２に沿って一対の傾斜面９Ａ、９ＢでＶ字溝３３が互いに隣接して平行をなすように形成されている。
【００６７】
このような構造の太陽電池用基板３１の裏面上には、略全面に亘って、順次、透明電極３４、第１導電型半導体層としてのｎ型アモルファスシリコン層３５、真性半導体層としてのｉ型アモルファスシリコン層３６、第２導電型半導体層としてのｐ型アモルファスシリコン層３７、金属電極３８が積層されている。
【００６８】
なお、透明電極４は、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）で形成されている。
【００６９】
光電変換層となる、ｎ型アモルファスシリコン層３５、ｉ型アモルファスシリコン層３６、ｐ型アモルファスシリコン層３７の３層は、アモルファスシリコン膜の成膜方法である、プラズマＣＶＤ法を用いる。なお、このプラズマＣＶＤ法においては、真空室内にシランガスを導入し、これに高周波電力を印加し、シランガスを分解ことによって、太陽電池用基板３１の裏面側に堆積させる。さらに詳しくは、ｎ型アモルファスシリコン層３５を形成するには、シランガスに微量のホスフィンガスを添加して上記プラズマＣＶＤ法を行えばよい。また、ｐ型アモルファスシリコン層３７を成膜するには、シランガスに微量のジボランガスを添加してプラズマＣＶＤ法を行えばよい。
【００７０】
この第３の実施の形態に係る太陽電池３０では、光電変換層としてのｎ型アモルファスシリコン層３５、ｉ型アモルファスシリコン層３６、ｐ型アモルファスシリコン層３７の３層が、太陽電池用基板３１のＶ字溝３３の谷線に沿って、屈曲して形成されており、この屈曲した部分の端面にシリンドリカルレンズ３２で光路変更された入射光が集光するように設定されている。なお、太陽電池用基板３１に対する法線から外れた方向からの入射光は、シリンドリカルレンズ３２によりこれらの３層でなる光電変換層の屈曲した部分の端面から外れても、少なくと、屈曲した部分の両側に位置する半導体電極５のいずれかの領域に斜めに入射するように設定されている。
【００７１】
《第３の実施の形態の作用・効果》
本実施の形態に係る太陽電池３０では、シリンドリカルレンズ３２のそれぞれに入射した光が光路変更されて光電変換層、特にｉ型アモルファスシリコン層３６の屈曲部の端面から層に沿って厚さ方向と直角をなす方向に入射する。このため、ｉ型アモルファスシリコン層３６で電子と正孔が生成されて、これらキャリアが、透明電極３４側と金属電極３８側とに内蔵電界の作用で分かれることにより光電変換が行われる。本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、このｉ型アモルファスシリコン層３６内を光が通過する距離が長くなるため、光電変換効率を向上することができる。
【００７２】
また、本実施の形態においても、金属電極３８が光反射性があるため、ｉ型アモルファスシリコン層３６内を通過した光を再度、ｉ型アモルファスシリコン層３６内に反射することができ、より光電変換効率を高めることができる。
【００７３】
［第３の実施の形態の変形例］
第３の実施の形態に係る太陽電池３０では、対向電極基板を備えていないが、別途対向電極基板を設けても勿論よい。
【００７４】
また、第３の実施の形態においては、上記した第１及び第２の実施の形態、ならびにこれらの変形例で用いた各種の太陽電池用基板の構造を採用することが可能である。
【００７５】
［その他の実施の形態］
以上、第１〜第３の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、構成の要旨に付随する各種の設計変更が可能である。
【００７６】
上述した第１〜第３の実施の形態においては、太陽電池用基板の表面に形成したレンズ部は、シリンドリカルレンズ状のものを適用したが、本発明では、球面状の凸レンズ形状、複数の曲面が連続する多曲面レンズを適用してもよい。また、レンズ部又は光路変更部として、プリズム形状、角錐形状など様々なレンズ構造を持つ太陽電池用基板を用いることができる。
【００７７】
また、上述した第１〜第３の実施の形態では、色素増感型の太陽電池や、アモルファスシリコン層でなる光電変換層を有するシリコン系の太陽電池について本発明を適用して説明したが、他の各種の太陽電池に本発明を適用できることは云うまでもない。
【００７８】
さらに、上述した第１及び第２の実施の形態では、半導体電極５を太陽電池用基板側に設けたが、対向電極基板側に設ける構成としてもよい。
【００７９】
また、上述した第１〜第３の実施の形態において、シリンドリカルレンズは、断面形状が、半円形（球面レンズ）だけではなく、半楕円形（楕円面レンズ）、放物線形（放物面レンズ）などの公知の非半円形（所謂、２次の非球面形状）のもの、さらには２次以降の項を有する高次非球面形状のものなどを用いることができる。
【００８０】
さらに、本発明に係る太陽電池においては、入射する光の波長によってレンズ部の焦点位置はずれることになるが、上述した第１及び第２の実施の形態のような色素増感型太陽電池であれば、半導体電極に吸着、担持させる増感色素の色が異なるものを波長に合わせて配置させる構成としてもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光の利用効率が高く、かつ光電変換効率の高い太陽電池を実現することができる。また、本発明によれば、光の利用効率を向上できると同時に、光電変換効率も向上できる太陽電池用基板を得ることができる。
【００８２】
また、本発明によれば、入射光が光電変換層内を伝播する距離が長くできため、光電変換層の厚みをキャリアの再結合が起こらない程度の厚みまで薄くすることができる。このことによって、光の吸収とキャリアの分離機能が良好な太陽電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池の第１の実施の形態を示す要部断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る太陽電池の分解斜視図である。
【図３】第１の実施の形態に係る太陽電池に用いる太陽電池用基板の要部断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る太陽電池の第１変形例を示す要部断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係る太陽電池の第２変形例を示す要部断面図である。
【図６】第１の実施の形態に係る太陽電池の第３変形例を示す要部断面図である。
【図７】第１の実施の形態に係る太陽電池の第４変形例を示す要部断面図である。
【図８】本発明に係る太陽電池の第２の実施の形態を示す要部断面図である。
【図９】本発明に係る太陽電池の第３の実施の形態を示す要部断面図である。
【図１０】従来の太陽電池を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，２０，３０……太陽電池、２，２１，３１，４１……太陽電池用基板、３，２２……対向電極基板、４，２３，３４……透明電極、５，２４……半導体電極、５ａ，５ｂ，２４ａ……端面、６，６Ａ，２５……対向電極、８，８Ａ，２７……シリンドリカルレンズ（レンズ部）、７，２６……電解液、９Ａ，９Ｂ……傾斜面、１０……Ｖ字溝、１２……金属パターン電極、３５……ｎ型アモルファスシリコン層、３６……ｉ型アモルファスシリコン層、３７……ｐ型アモルファスシリコン層

Claims (5)

  1. 光電変換層が仮想平面に対して斜めに配置されるように形成された複数の傾斜面を一方の面に備える太陽電池用基板であって、
    他方の面には、前記傾斜面における基板厚み方向内側に位置する端部に臨む光路変更面が各傾斜面に対応して形成されており、
    前記光路変更面は、到来光の少なくとも一部が、前記傾斜面に沿って配置される光電変換層の内部を伝播するように、前記光電変換層における基板厚み方向内側に位置する層端面に集光するように設定されていることを特徴とする太陽電池用基板。
  2. 前記光路変更面が、前記光電変換層上で焦点を結ぶ複数のレンズ単位を有することを特徴とする請求項１記載の太陽電池用基板。
  3. 前記傾斜面の一部又は全部が、複数の傾斜単位を段差状に連結してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された太陽電池用基板。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された太陽電池用基板が用いられ、前記太陽電池用基板の前記傾斜面に沿って光電変換層が配置されたことを特徴とする太陽電池。
  5. 隣接する前記傾斜面により基板厚み方向外側に突出して形成される頂部に集電電極としての金属パターン電極を形成してなることを特徴とする請求項４記載の太陽電池。
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