JP2005340583A - 光発電体の受光面構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 光発電素子に入射した光を長く、光発電素子内に止める閉じ込め効果が得られて光発電体の発電効率を改善することができるばかりか、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要が無く、光発電体の受光面構造の製作を容易にする。
【解決手段】 太陽電池セルとしての光発電素子１の受光面に、光透過性の複数の層構成の表層部を設けたものであって、表層部の各層及び光発電素子１の材質の順で、屈折率を段階的に大きくするようにしてあり、表層部は、受光面に、接着層６と、表層としてのプリズムシート４を、この順序に重ねて構成してある。
【選択図】 図１

Description

本発明は太陽電池等の光発電体の受光面構造に関するものである。

現在、太陽電池は、発電効率を上げるために、さまざまな取り組みがなされており、そのひとつとして、太陽電池内に取り込んだ光を出来るだけ長く、太陽電池セル（結晶）内にとどめる工夫がなされている。

その代表的な例としては、図２９に示すように、単結晶または多結晶シリコン太陽電池の受光面構造がある。この図２９において、テクスチャー構造は、ｎ型半導体４１とｐ型半導体４２とで構成される太陽電池セル４０の受光面にミクロな断面三角形状のマイクロプリズム４３を形成したものであり、太陽電池セル４０の受光面に入射した光が透過、反射を繰り返えすことで、平坦な受光面より多くの光が取り込めると同時に、取り込んだ光を太陽電池セル４０内に出来るだけ長い時間閉じ込めるようにするものである。

テクスチャー構造の形成は、面方位によるエッチング速度の違いを利用する。反射防止膜４４は、太陽電池セル４０と空気の中間の屈折率を有し、太陽電池セル４０の受光面の反射率を下げる作用があり、酸化チタンや窒化シリコンなどを化学気相成長法等で形成されるものである。

また、従来の太陽電池としては、薄膜太陽電池素子と集光反射素子とからなるものがある。この薄膜太陽電池素子は、支持体を兼ねた基板上に、反射層の一例としての光反射効果を有する電極金属層と、ｎ型不純物ドープ非晶質半導体層であるｎ層と、非晶質真性半導体層であるｉ層と、ｐ型不純物ドープ非晶質半導体層であるｐ層と、電流を取り出すための串型集電電極と、透明導電層とをこの順に積層して構成してあり、上記したｎ層とｉ層とｐ層は、光電変換層を構成している。

一方、集光反射素子は、蛍光特性を有する透明基板上に、透過孔群の一例としての円形状ピンホール群を有する反射層と、円形状ピンホール群に入射光を集光する半球状集光レンズ群とを順次形成して構成してある。

そして、上記の構成の薄膜太陽電池に太陽光等の光が照射されると、入射光は集光反射素子の半球状集光レンズ群により、反射層上に形成された円形状ピンホール群へと集光され、蛍光特性を有する透明基板を通過した後、薄膜太陽電池素子へと入射する。この薄膜太陽電池素子に入射した光は、透明導電層、非晶質半導体層を透過し、反射層としての電極金属層により反射されて、再度、非晶質半導体層を通過する。これにより、非晶質半導体層からなる光電変換層における光利用効率が高められている。また、透明誘電層、集電電極、及び非晶質半導体層の表面で反射された光も、集光反射素子の反射層により反射されて、再度、非晶質半導体層を通過する。このように、円形状ピンホール群から入射した光が、反射層と薄膜太陽電池素子との間で多重反射することにより、さらに高い光吸収効率が実現される（特許文献１参照）。
特開２００３−７８１５６号公報

しかし、上記した前者の従来例にあっては、太陽電池の生産量の５０％を占める多結晶シリコン型太陽電池においては、表面（受光面）に様々な面方位を有するために、均一なテクスチャー構造が作り難い。また、単結晶シリコン型太陽電池においても、複雑なエッチングによりテクスチャー構造を形成するために、その分工程が複雑になり、コストアップにつながる。また、反射防止膜４４とテクスチャー構造の形成は、別々の工程で行われるために、さらに工数が増加しコストアップを招くという問題点があった。

また、上記した後者の従来例にあっては、入射光は、集光反射素子の半球状集光レンズ群によって、反射層の円形状ピンホール群に集光され、円形状ピンホール群から入射した光は、蛍光特性を有する透明基板を通って、光電変換に利用できる波長域の光に変換される。この光は、薄膜太陽電池素子の反射層と集光反射素子の反射層との間で多重反射される。従って、光電変換層に照射される光量が増大して、発電効率が高くなるというものであり、光発電素子、表層部の各層の順で屈折率を段階的に小さくして、散乱、反射によって光発電素子内から、表層部の各層（例えば、プリズムシートと接着層）に入射する光のうちの多くの光を再び光発電素子内に戻すというものではないことから、その分発電効率が落ちることになる。

本発明は、かかる従来の問題を改善するためになされたものであって、その目的とするところは、太陽光の入射面積を広げると同時に、光発電素子に入射した光を長く、光発電素子内に止める閉じ込め効果が得られ、太陽電池の発電効率を改善することができるばかりか、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要が無く製作が容易な光発電体の受光面構造を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明の光発電体の受光面構造は、光発電素子の受光面に、光透過性の表層部を設けた光発電体の受光面構造であって、表層部は複数の層構成であり、これらの各層及び光発電素子の材質のそれぞれの屈折率を異ならせたことを特徴とするものである。

かかる構成により、例えば、表層部の各層及び光発電素子の材質の順で、屈折率を段階的に大きくし、すなわち、光発電素子の材質、表層部の各層の順で、屈折率を段階的に小くすることにより、散乱、反射によって光発電素子内から、表層部の各層に入射する光のうち、外部に逃げる光は、所定の角度で入射する光のみとなり、多くの光は再び光発電素子内に戻ることになる。このように、太陽光の入射面積を広げると同時に、光発電素子に入射した光を長く、光発電素子内に止める閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。

特に、光発電素子とは別構成の表層部に均一なテクスチャー構造を形成すればよいために、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

ここで、光発電素子とは、例えば太陽電池セル（単結晶シリコン光発電素子、多結晶シリコン光発電素子又はアモルファスシリコン光発電素子）が該当し、表層部の表層とは、例えば、プリズムシートと接着層とが該当する。

また、本発明の光発電体の受光面構造は、上記した本発明の光発電体の受光面構造において、各層、光発電素子の材質の順で、屈折率を段階的に大きくするようにしたことを特徴とするものである。

かかる構成により、表層部の各層及び光発電素子の材質の順で、屈折率が段階的に大きくしてあり、すなわち、光発電素子の材質、表層部の各層の順で、屈折率が段階的に小さくしてあるために、散乱、反射によって光発電素子内から、表層部の各層に入射する光のうち、外部に逃げる光は、所定の角度で入射する光のみとなり、多くの光は再び光発電素子内に戻ることになる。このように、太陽光の入射面積を広げると同時に、光発電素子に入射した光を長く、光発電素子内に止める閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。

特に、光発電素子とは別構成の表層部に均一なテクスチャー構造を形成すればよいために、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

また、本発明の光発電体の受光面構造は、上記した本発明の光発電体の受光面構造において、光発電素子は、単結晶シリコン光発電素子又は多結晶シリコン光発電素子のいずれかであることを特徴とするものである。

かかる構成により、単結晶シリコン光発電素子、多結晶シリコン光発電素子又はアモルファスシリコンのいずれにも、光発電素子に入射した光を長く、光発電素子内に止める閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができるし、特に、光発電素子とは別構成の表層部に均一なテクスチャー構造を形成すればよいために、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

また、本発明の光発電体の受光面構造は、上記した本発明の光発電体の受光面構造において、表層部は、受光面に、接着層と表層を、この順序に重ねて構成してあることを特徴とするものである。

かかる構成により、散乱、反射によって光発電素子内から接着層、表層部の表層に入射する光のうち、外部に逃げる光は、所定の角度で入射する光のみとなり、多くの光は再び光発電素子内に戻ることになる。このように、光発電素子に入射した光を長く、光発電素子内に止める閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。

特に、光発電素子とは別構成の表層部に均一なテクスチャー構造を形成すればよいために、テクスチャー構造を形成した表層を接着層で光発電素子の受光面に接着すればよく、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

ここで、表層部の表層とは、例えば、プリズムシートが該当する。

また、本発明の光発電体の受光面構造は、上記した本発明の光発電体の受光面構造において、表層が、空気と接着層の中間の屈折率を有する透明材料で、テクスチャー構造を形成した薄膜であることを特徴とするものである。

かかる構成により、テクスチャー構造を形成した薄膜を接着層で光発電素子の受光面に接着すればよく、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

また、本発明の光発電体の受光面構造は、上記した本発明の光発電体の受光面構造において、薄膜が、表面に反復的な切子面構造を有するプリズムシートで構成してあることを特徴とするものである。

かかる構成により、表面に反復的な切子面構造（テクスチャー構造）を有する薄膜を接着層で光発電素子の受光面に接着すればよく、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなる。

また、本発明の光発電体の受光面構造は、上記した本発明の光発電体の受光面構造において、切子面構造は多数のマイクロプリズムで構成してあり、それぞれのマイクロプリズムは頂角が等しく、且つ等辺の切子面を有しており、マイクロプリズムは、それぞれのプリズム軸を平行させて隣接していることを特徴とするものである。

かかる構成により、光発電素子からの反射、散乱して垂直に入射する光は、プリズムシートと空気の境界における臨界角を４５°以上にすることで境界面で反射され、光発電素子の内部に戻っていく。また、臨界角以上の角度で接着層に入射する光は、光発電素子と接着層の境界面で反射され光発電素子の内部に戻っていく。

また、臨界角以下で入射した光は、光発電素子と接着層の境界で屈折し、プリズムシートと接着層の境界に臨界角以上で入射することで反射し、光発電素子の内部に戻っていく。更に小さい角度で入射した光は、境界面で屈折し、プリズムシートと空気の境界面に到達し、更に屈折して再びプリズムシートに入射し、光発電素子の内部に戻っていく。

以上のことより、散乱、反射によって光発電素子内から、プリズムシートと接着層に入射する光のうち、外部に逃げる光は、所定の角度で入射する光のみとなり、多くの光は再び光発電素子内に戻ることになる。

このように、光発電素子に入射した光を長く、光発電素子内に止める閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。特に、多数のマイクロプリズム（テクスチャー構造）を表面に形成したプリズムシートを接着層で光発電素子の受光面に接着すればよく、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

また、本発明の光発電体の受光面構造は、上記した本発明の光発電体の受光面構造において、薄膜が、表面に多角形状のプリズムを多数有するプリズムシートで構成してあることを特徴とするものである。

かかる構成により、微小な多角形状のプリズム、例えば四角錐を並べた構成のプリズムシートを用いても光の閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。特に、微小な多角形状のプリズム（テクスチャー構造）を表面に形成したプリズムシートを接着層で光発電素子の受光面に接着すればよく、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

また、本発明の光発電体の受光面構造は、上記した本発明の光発電体の受光面構造において、プリズムは角錐形状であることを特徴とするものである。

かかる構成により、角錐形状のプリズムが、例えば四角錐である場合には、他のすべの四角錐と同じ頂角と等辺の切子面を有するし、更に、太陽光の入射面積がより大きくなり、より多くの光を光発電素子内に取り込めることになり、光発電体の発電効率を改善することができる。

本発明の光発電体の受光面構造によれば、表層部の各層及び光発電素子の材質の順で、屈折率が段階的に大きくしてあり、すなわち、光発電素子の材質、表層部の各層、空気の順で、屈折率が段階的に小さくしてあるために、散乱、反射によって光発電素子内から、表層部の各層に入射する光のうち、外部に逃げる光は、所定の角度で入射する光のみとなり、多くの光は再び光発電素子内に戻ることになる。このように、太陽光の入射面積を広げると同時に、光発電素子に入射した光を長く、光発電素子内に止める閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。

特に、光発電素子とは別構成の表層部に均一なテクスチャー構造を形成すればよいために、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなる。すなわち、テクスチャー構造を形成した表層部の表層を接着層で光発電素子の受光面に接着すればよく、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳述する。

本発明の実施例を図１乃至２８図に示す。図１は本発明の光発電体の受光面構造の一部省略した斜視図、図２は同光発電体の受光面構造においてマイクロプリズムにおける入射光の範囲の説明図、図３はプリズムシートにおける入射光の範囲（Ｌ１〜Ｌ２）の説明図、図４はプリズムシートにおける入射光の範囲（Ｌ２〜Ｌ３）の説明図、図５はプリズムシートによる光の閉じ込め効果の説明図である。

本発明の光発電体（太陽電池）の受光面構造は、太陽電池セルとしての光発電素子１の受光面に、光透過性の複数の層構成の表層部を設けたものであって、表層部の各層及び光発電素子１の材質の順で、屈折率を段階的に大きくするようにしてあり、表層部は、受光面に、接着層６と、表層としてのプリズムシート４を、この順序に重ねて構成してある。

光発電素子１は、例えば、単結晶シリコン光発電素子、多結晶シリコン光発電素子又はアモルファスシリコン光発電素子等があり、光発電素子１としての単結晶シリコン光発電素子はｎ型半導体２及びｐ型半導体３を接合した構成である。このｐｎ接合近傍に光が入ると、光が吸収されたｎ型半導体２及びｐ型半導体３のそれぞれの領域では電子−正孔対が発生する。ｐ型領域で発生した電子は四方に拡散し、一部はｐｎ接合の空乏層に入り、電界に引かれてｎ型領域に入る。ｎ型領域で発生した正孔も、同様にしてｐ型領域に入る。このように電子と正孔が逆向きに空乏層を通過することは、ｎ型領域からｐ型領域へ向う電流が内部で流れることであり、入射光量に比例する電流が発生する。大きな起電力を得るには、光がｐｎ接合近傍で吸収されるほど無駄がないので、光の吸収が大きいほど高い効率の光−電流変換が行われる。

プリズムシート４は、空気と後述する接着層６の中間の屈折率を有する透明の薄膜で構成してあり、そのシート表面に、均一なテクスチャー構造としての反復的な切子面構造を有し、裏面は平坦である光透過フイルムであって、このプリズムシート４は湾曲や曲折が可能である。

反復的な切子面構造は多数のマイクロプリズム７で構成してあり、それぞれのマイクロプリズム７は頂角を有していて、各マイクロプリズム７の頂角は等しくしてある。また、各マイクロプリズム７は等辺の切子面イ、ロを有し、各プリズム軸は他の全てのプリズム軸と平行になるように、それぞれ隣接している。

プリズムシート４は取付位置に自由度があるし、製作が容易である。なお、プリズムシート４の厚さは、５０ミクロン〜１００ミクロン程度であり、各マイクロプリズム７の高さは５０ミクロン程度であって、プリズムシート４は、全体で１００〜１５０ミクロン程度である。

そして、このプリズムシート４は、透明な接着材で光発電素子１のｎ型半導体３の表面に貼り付けてあり、接着材は接着層６を形成している。この接着層６の屈折率ｎ３は、プリズムシート４の屈折率ｎ２とｎ型半導体３の屈折率ｎ４の中間である。

上記したプリズムシート４へ太陽光が入射する場合、マイクロプリズム７は左右対称なので図２に示すように、プリズムシート４に垂直に入射する光Ｌ１から、切子面イに平行な光Ｌ２を経てプリズムシート４に水平な光Ｌ３の範囲を考えればよい。なお、空気８、プリズムシート４、接着層６、ｎ型半導体２の屈折率はそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４（ｎ１＜ｎ２＜ｎ３＜ｎ４）である。

光Ｌ１〜光Ｌ２の角度での入射状態を、図３を用いて説明する。図３において、垂直に入射する光ａ１は、ａ２の光経路で屈折して光発電素子１の内部に入射し、更に接着層６とｎ型半導体３の境界面でａ３、ａ４の光経路のように屈折し、光発電素子１内部へ垂直に近い角度で入射することになる。

入射光ｂ１は、切子面イではｂ２の光経路のように反射され、隣りのマイクロプリズム７の切子面ロからｂ３の光経路で光発電素子１の内部に入射する。また、切子面ロに入射した光ｃ１は、ｃ２の光経路のように屈折し光発電素子１の内部に入射する。

光Ｌ２〜光Ｌ３の角度での入射状態を図４を用いて説明する。この場合は、マイクロプリズム７の切子面ロのみに入射し、この切子面ロに入射した光ｄ１は、屈折し、ｄ２、ｄ３の光経路で光発電素子１の内部に入射する。

次に、プリズムシート４による光の閉じ込め効果を図５を用いて説明する。

光発電素子１からの反射、散乱した光のうちｅ１に示すように垂直に入射する光は、プリズムシート４と空気８の境界における臨界角を４５°以上にすることで境界面で反射され、ｅ２、ｅ３の光経路で光発電素子１の内部に戻っていく。

臨界角以上の角度で接着層６に入射する光ｆ１は、ｎ型半導体２と接着層６の境界面で反射されｆ２の光経路で光発電素子１の内部に戻っていく。

臨界角以下で入射した光ｇ１は、ｎ型半導体２と接着層６の境界で屈折し、ｇ２の光経路で、プリズムシート４と接着層６の境界に臨界角以上で入射することで反射し、ｇ３の光経路で光発電素子１の内部に戻っていく。

ｇ１より更に小さい角度で入射した光は、境界面で屈折し、ｈ１、ｈ２、ｈ３の光経路でプリズムシート４と空気８の境界面に到達し、更に屈折してｈ４の光経路で再びプリズムシート４に入射し、ｈ５の光経路で光発電素子１の内部に戻っていく。

以上のことより、散乱、反射によって光発電素子１内から、プリズムシート４と接着層６に入射する光のうち、外部に逃げる光は、図５の光経路ｅ１とｈ１の間の角度で入射する光のみとなり、多くの光は再び光発電素子１内に戻ることになる。

次に、より詳しく、太陽電池の発電効率向上の原理を説明する。

図６に示すように、アクリル系樹脂を用いた屈折率１．５のプリズムシート４で、頂角が９０°で頂角を挟む切子面イ、ロが等しいものを、紫外線硬化樹脂を用いた屈折率１．６の接着層６で、屈折率３．５のｎ型半導体２を有する光発電素子１の表面（受光面）に接着したモデルで説明する。

（１）光がプリズムシート４に対して垂直から４５°の間の角度で入射した場合
この場合の透過と反射を図７に示す。マイクロプリズム７の切子面イに入射した光ｉ１の大部分は透過屈折しｉ２となる。また反射光ｉ３は隣接する切子面ロで大部分が透過屈折し透過光ｉ４となる。この透過光ｉ４は、次に述べる切子面ロへの４５°から水平の間の角度からの入射光と同じ経路で光発電素子１へ到達する。

切子面ロへの入射光ｊ１は、ほとんどが透過屈折しｊ２となる。ｉ２とｊ２は接着層６、ｎ型半導体２と垂直方向へ屈折し光発電素子１の内部へ入射する。

スネルの法則を使って光発電素子１への入射角を計算すると、光発電素子１の面を０°と１８０°として図示すると図８のようになる。プリズムシート４へ垂直に入射した光のうち切子面イを透過したものは９７．２°、切子面ロを透過したものは８２．８°、プリズムシート４へ４５°で入射した光はそれぞれ９１．３°、７２．４°で入射する。

（２）光がプリズムシート４に対して４５°から水平の間の角度で入射する場合
図９に、プリズムシート４に対して４５°から水平の間の角度で入射した場合の透過と反射を示す。この角度からの入射はすべて切子面ロからの入射になり、光ｋ１のように、その透過光ｋ２が直接接着層６に達する場合と、光ｍ１のように、その透過光ｍ２が切子面イで反射される場合がある。

切子面イへの入射角が最も小さくなるのは、切子面ロへ水平に入射した光であり、このときの切子面イへの入射角は６１．９°で、臨界角は４１．８°なので、全て全反射される。

スネルの法則を使って光発電素子１への入射角を計算する。光発電素子１の面を０°と１８０°として図示すると図１０にようになる。４５°での入射は、７２．４°、水平での入射は６５．８°、また、水平入射で切子面イで反射したものは、８２．８°での入射となる。

（３）光がプリズムシート４に対して０°から１８０°のすべての角度で入射する場合
プリズムシート４は左右対称であるから、前述の（１）と（２）の結果を合わせて、更に９０°対象としたものを合わせればよいから図１１のようになる。

（４）プリズムシート４が無い場合
図１２のように光発電素子１上に屈折率の異なる複数の層２０、３０が在っても、空気８とｎ型半導体２の屈折率ｎ１、ｎ４で光発電素子１への入射角が決まり、スネルの法則を使って光発電素子１への入射角を計算すると図１３のようになる。

次に、プリズムシート４による光の閉じ込め効果を説明する。

図６のモデルで、プリズムシート４の内面で反射、屈折され、再び光発電素子１内部へ戻っていく光の角度を考える。

プリズムシートと空気との境界における反射、屈折
プリズムシート４と空気８との境界面での臨界角は４１．８°であるから、図１４に示した切子面イに引いた垂線ハに対して４１．８°以下の角度で入射した光ｏ１はｏ２の光経路で空気８中に逃げていく。

また、図１５に示すように、切子面イに４１．８°以上の角度で入射する光ｐ１は全反射して切子面ロに到達する。切子面ロの臨界角も４１．８°だからこれ以上の入射角の光ｐ２は再び切子面ロで全反射し光発電素子１の内部へ戻っていく。切子面ロでの入射角が４１．８°となる切子面イでの入射角は４８．２°であるから、Ｐ点の入射角４１．８〜４８．２°の光は閉じ込められる。

図１６に示すｑ１、ｑ２の光経路で切子面ロに到達し、屈折し平行に進む光ｑ３は空気８中へ出て隣のマイクロプリズム７で再び取り込まれる。このときの切子面ロへの入射角は２８．１°となり、これ以上で入射する光は再び取り込まれる。この光のＰ点での入射角度は、４８．２°〜６１．９°となる。これ以上の角度で入射した光はｒ１、ｒ２、ｒ３の光経路で空気８中へ逃げる。切子面イでの反射位置によっては取り込まれる光もあるが一部なので無視する。

図１７のｓ１の光経路でＰ点に入射し、平行に屈折する光ｓ２の入射角は２８．１°なので、２８．１〜４１．８°の角度で入射した光は再び取り込まれる。４１．８°〜４５°で入射した光ｔ１はｔ２の光経路のように全反射し再び取り込まれる。

以上のことより、プリズムシート４の切子面イで反射、屈折され光発電素子１内部に戻っていく入射光の入射角を図１８に示す。切子面ロに関しては切子面イと対称であるから図１９のようになる。図１８と図１９をまとめると図２０のようになる。

図２０において、７３．１°〜８６．８°の光は切子面イでのみ閉じ込められ、切子面ロに達した光は空気８中へ逃げることになる。９３．２°〜１０６．９°に関しても同様である。よって，これらの角度の光は半分が閉じ込められ、半分が空気８中へ逃げることとなる。しかし、０°〜１６．９°の光は全て切子面ロに入射するので、１００％閉じ込められることになる。１６３．１°〜１８０° も同様である。以上のことより、光発電素子１の内部から空気８中へ逃げる光と、閉じ込められる光の角度は図２１のようになる。

また、プリズムシート４が無い場合は、ｎ型半導体２と空気８の屈折率で臨界角が決まり、閉じ込め効果は図２２のようになる。

一例としてプリズムシート４に対して６０°で入射した場合の光の閉じ込め効果を説明する。以上を踏まえて、図２３のように光がプリズムシート４に対して６０°で入射した場合を考察する。

仰角６０°で光ｕ１がプリズムシート４の切子面イの中点に入射したとする。切子面イにおける入射角は７５°となり、透過光ｕ２は４０．１°となる。この透過光ｕ２の光発電素子１への入射角は、２．１°となり、この反射光ｕ３は、図２１で８７．９°と同じであるために、切子面イに戻ってくると閉じ込め効果が得られる。反射光ｕ３が頂点に戻ってくるときの反射位置の深さは、プリズムシート４の切子面の長さを１とすると２．４２となる。

切子面イの中点に入射した光のうち、２．４２より浅い位置で、全反射した光は閉じ込められることになる。また、中点より切子面ロ寄りで入射する光ほど、さらに深い位置で反射しても切子面イに戻るために、閉じ込められることになる。

よって、反射の起こりやすい屈折率の違いが大きな、接着層６とｎ型半導体２との境界面をできるだけ浅い位置に持ってくることで、反射光の閉じ込め効果が大きくなる。

以上のことより、入射光の仰角（ただし４５°以上）が小さくなるにつれ、閉じ込め効果が得られる切子面イからの入射光の割合が増加することになる。

プリズムシート４が無い場合は、図１３、図２２に示されるように、入射光と出て行く光は、同じ経路であるため、反射光は全て空気８中に逃げることになる。

次に、散乱光の閉じ込め効果について説明する。一般的に散乱光は、光の入射軸方向が最も大きく、それ以外の方向は入射軸との余弦の割合で減少する。実際的な太陽電池の使用状況を考えると、水平から３０°程度の傾きで設置されるために、垂直から４５°程度での太陽光の入射が多くなる。この場合、図８に示すように、光発電素子１への入射角は７２．４°〜８２．８°、９１．３°〜９７．２°となる。プリズムシート４が無い場合は、図２４に示すように、７８．３〜９０°となる。図２１のようにプリズムシート４が有ると、散乱光のうち８２．８°〜９７．２°の角度は閉じ込め効果があるために、上記して入射光に対する散乱光のうち、強度の大きい散乱光が閉じ込められやすい。プリズムシート４が無い場合は、７３．４°〜１０６．６°の間は空気中に逃げていく為、強度の大きい光が逃げやすくなる。

その他の効果としては、透明材料の反射率は一般的に入射角度が大きくなるほど大きくなる傾向があり、光ｖが斜めから入射する場合、図２５の（１）のようにプリズムシート４が無い場合に比べ、図２５の（２）のようにプリズムシート４が有ると入射角を小さくでき、反射を抑え入射光を増加できる。また、図２６に示すように、光ｘ１が垂直に近い角度で入射する場合は、反射光ｘ２は隣のマイクロプリズム７の切子面ロで透過吸収できる。

実験による効果の検証結果を図２７に示す。実験は、２つの光発電素子としての太陽電池セルを準備し、Ｎｏ１とＮｏ２とする。Ｎｏ１とＮｏ２の太陽電池セルを平板に固定し、同時に太陽光を入射し発電量の差を測定する。

次に、Ｎｏ２の太陽電池セルに上記したプリズムシート４を貼って同じ測定をし、Ｎｏ１の太陽電池セルとＮｏ２の太陽電池セルの発電量の差を測定する。プリズムシート４を貼る以前の差と貼ったときの差の変化量が、プリズムシート４の効果となる。「基準」はプリズムシート４を貼る前のＮｏ１の太陽電池セルとＮｏ２の太陽電池セルの発電量の関係を示し、その他はＮｏ２の太陽電池セルにプリズムシート４を貼った時のＮｏ１の太陽電池セルとＮｏ２の太陽電池セルとの関係を示す。Ａ〜Ｈは測定日、測定時刻を変えて測定したものである。

以上のように、本発明の実施例にあっては、散乱、反射によって光発電素子１内から、接着層６、プリズムシート４に入射する光のうち、外部に逃げる光は、所定の角度で入射する光のみとなり、多くの光は再び光発電素子１内に戻ることになる。このように、光発電素子１に入射した光を長く、光発電素子１内に止める閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。

特に、光発電素子１とは別構成の表層部に均一なテクスチャー構造を形成すればよいために、テクスチャー構造を形成したプリズムシート４を、接着層６を構成する接着剤で光発電素子１の受光面に接着すればよく、光発電素子１の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

また、本発明の実施例によれば、切子面構造は多数のマイクロプリズム７で構成してあり、それぞれのマイクロプリズム７は頂角が等しく、且つ等辺の切子面イ、ロを有しており、マイクロプリズム９は、それぞれのプリズム軸を平行させて隣接しているものであり、散乱、反射によって光発電素子１内から、プリズムシート７と接着層６に入射する光のうち、外部に逃げる光は、所定の角度で入射する光のみとなり、多くの光は再び光発電素子１内に戻ることになる。

このように、光発電素子１に入射した光を長く、光発電素子１内に止める閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。特に、多数のマイクロプリズム（テクスチャー構造）７を表面に形成したプリズムシート４を光発電素子１の受光面に接着すればよく、光発電素子１の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

なお、薄膜を、表面に微小な多角形状のプリズムを多数有するプリズムシートで構成してもよい。微小な多角形状のプリズム、例えば、微小な多数の四角錐を並べた構成のプリズムシートを用いても光の閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。この場合も、微小な多角形状のプリズム（テクスチャー構造）を表面に形成したプリズムシートを光発電素子の受光面に接着すればよく、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができる。

すなわち、図２８に示すように、微小な四角錐１０を並べた構成の湾曲、曲折可能な光透過シート９を用いてもプリズムシート４と同様の原理で光の閉じ込め効果が得られる。四角錐１０は他のすべの四角錐１０と同じ頂角と等辺の切子面イ、ロ、ニ、ホを有する。更に、図２８の構成においては、太陽光の入射面積がプリズムシート４より大きくなり、より多くの光を光発電素子１内に取り込めることになり、光発電体の発電効率を改善することができる。

なお、光発電素子１の受光面上にテクスチャー構造及び反射防止膜があっても、屈折率が受光面から光発電素子１の内部に向かって、増加するような材料を用いれば、上記した本発明の実施例と同じ効果が得られる。

本発明の光発電体の受光面構造は、表層部の各層及び光発電素子の材質の順で、屈折率が段階的に大きくしてあり、すなわち、光発電素子の材質、表層部の各層、空気の順で、屈折率が段階的に小さくしてあるために、散乱、反射によって光発電素子内から、表層部の各層に入射する光のうち、外部に逃げる光は、所定の角度で入射する光のみとなり、多くの光は再び光発電素子内に戻ることになる。このように、太陽光の入射面積を広げると同時に、光発電素子に入射した光を長く、光発電素子内に止める閉じ込め効果が得られ、光発電体の発電効率を改善することができる。特に、光発電素子とは別構成の表層部に均一なテクスチャー構造を形成すればよいために、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなる。すなわち、テクスチャー構造を形成した表層部の表層を接着層で光発電素子の受光面に接着すればよく、光発電素子の受光面に均一なテクスチャー構造を形成する必要がなくなり、コストを低減すると共に、光発電体の受光面構造を容易に製作することができるという効果を有しており、太陽電池等の光発電体の受光面構造として有用である。

本発明の光発電体の受光面構造の一部省略した斜視図である。 同光発電体の受光面構造においてマイクロプリズムにおける入射光の範囲の説明図である。 プリズムシートにおける入射光の範囲（Ｌ１〜Ｌ２）の説明図である。 プリズムシートにおける入射光の範囲（Ｌ２〜Ｌ３）の説明図である。 プリズムシートによる光の閉じ込め効果の説明図である。 プリズムシート形状と屈折率の説明図である。 プリズムシートにおける垂直から４５°で入射した光の透過と反射の説明図である。 プリズムシートへ垂直から４５°で入射した光の光発電素子への入射角の説明図である。 プリズムシートへ４５°から水平で入射した光の透過と反射の説明図である。 プリズムシートへ４５°から水平で入射した光の光発電素子への入射角の説明図である。 プリズムシートへ０°から１８０°で入射した光の光発電素子への入射角の説明図である。 プリズムシートが無い場合の光発電素子の受光面の説明図である。 プリズムシートが無い場合の光の光発電素子への入射角の説明図である。 プリズムシートと空気との境界面における光の反射と屈折の説明図である。 プリズムシートと空気との境界面における光の反射と屈折の説明図である。 プリズムシートと空気との境界面における光の反射と屈折の説明図である。 プリズムシートと空気との境界面における光の反射と屈折の説明図である。 プリズムシートの切子面イで戻される角度の説明図である。 プリズムシートの切子面ロで戻される角度の説明図である。 プリズムシートで閉じ込められる角度の説明図である。 光発電素子内部で反射した光が閉じ込められる角度の説明図である。 プリズムシートが無い場合の光発電素子内部で反射した光が閉じ込められる角度の説明図である。 仰角６０°の入射光の閉じ込め効果の説明図である。 プリズムシートが無い場合の光発電素子への入射角の説明図である。 （１）はプリズムシートが無い場合の光発電素子への入射角の説明図、（２）はプリズムシートが有る場合の光発電素子への入射角の説明図である。 プリズムシートに光が垂直に入射する場合の説明図である。 プリズムシートの有無における発電電力の比較を示すグラフである。 微小な四角錐を並べたテクスチャー構造を形成した表層部を有するプリズムシートの斜視図である。 従来の光発電体の受光面構造の一部省略した斜視図である。

符号の説明

１ 光発電素子（太陽電池セル）
２ ｎ型半導体
３ ｐ型半導体
４ プリズムシート（表層）（表層部）
６ 接着層（表層部）
７ マイクロプリズム
８ 空気
１０ 四角錐
イ、ロ 切子面

Claims (9)

1. 光発電素子の受光面に、光透過性の表層部を設けた光発電体の受光面構造であって、
   前記表層部は複数の層構成であり、これらの各層及び前記光発電素子の材質のそれぞれの屈折率を異ならせたことを特徴とする光発電体の受光面構造。
2. 前記表層部の各層、前記光発電素子の材質の順で、段階的に屈折率を大きくするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光発電体の受光面構造。
3. 前記光発電素子は、単結晶シリコン光発電素子、多結晶シリコン光発電素子又はアモルファスシリコンのいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光発電体の受光面構造。
4. 前記表層部は、前記受光面に、接着層と表層とを、この順序に重ねて構成してあることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光発電体の受光面構造。
5. 前記表層が、空気と前記接着層の中間の屈折率を有する透明材料であって、テクスチャー構造を有する薄膜であることを特徴とする請求項４に記載の光発電体の受光面構造。
6. 前記薄膜が、表面に反復的な切子面構造を有するプリズムシートで構成してあることを特徴とする請求項５に記載の光発電体の受光面構造。
7. 前記切子面構造は多数のマイクロプリズムで構成してあり、それぞれのマイクロプリズムは頂角が等しく、且つ等辺の切子面を有しており、前記マイクロプリズムは、それぞれのプリズム軸を平行させて隣接していることを特徴とする請求項６に記載の光発電体の受光面構造。
8. 前記薄膜が、表面に多角形状のマイクロプリズムを多数有するプリズムシートで構成してあることを特徴とする請求項５に記載の光発電体の受光面構造。
9. 前記マイクロプリズムが角錐形状であることを特徴とする請求項８に記載の光発電体の受光面構造。

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