JP2007073933A - 太陽電池および光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アノード電極151とカソード電極152とを、間に半導体層153をはさんで渦巻き状に形成し、全体として板状の形状とすることで太陽電池を構成する。太陽電池は円形、三角形または六角形の形状を有する。アノード電極151およびカソード電極152は、典型的にはストリップ状またはリボン状である。また、光電変換層を渦巻き状または同心形状に形成し、全体として板状の形状とし、この板に交差する方向から光を入射させる光電変換素子であって、その板の厚さ方向に光電変換層の光電変換可能な光の波長が段階的および/または連続的を変化させる。
【選択図】図3
Description
また、pn接合面に太陽光が垂直入射するタイプの太陽電池は多く報告されている(例えば、D.J.Friedman, J.F.Geisz, S.R.Kurtz, and J.M.Olson, July 1998・NREL/CP-520-23874)。
P.Nemethy, P.Oddone, N.Toge, and A.Ishibashi, Nuclear Instruments and Methods 212 (1983)273-280 D.J.Friedman, J.F.Geisz, S.R.Kurtz, and J.M.Olson, July 1998・NREL/CP-520-23874
この発明が解決しようとする他の課題は、より一般的には、太陽電池および光電変換素子を含む新規な機能素子を提供することである。
上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
他方、生体そのもののシステム以外にも、人工のシステムにおいて、リジッドな固体系ではないが、ドラム缶様の容器中に充填されたガスという最小限のセットアップにおいて、経過時間の空間座標への連続的投影を利用し、フルに3次元的に空間アドレスを認知するシステムとして図1に示すようなTPCがあり、本発明者らによりその開発および優れた性能が報告されている(P.Nemethy, P.Oddone, N.Toge, and A.Ishibashi, Nuclear Instruments and Methods 212 (1983)273-280)。
すなわち、上記課題を解決するために、第1の発明は、
アノード電極とカソード電極とが、間に半導体層をはさんで渦巻き状に形成され、全体として板状の形状を有することを特徴とする太陽電池である。
ここで、半導体層は、光電変換が可能であり、渦巻き状に形成することに支障がない限り、基本的にはどのようなものであってもよいが、典型的には、アモルファスシリコン層などの無機半導体層または有機半導体層である。この太陽電池の形状は問わないが、典型的には円形、三角形または六角形の形状を有する。アノード電極およびカソード電極は、典型的にはストリップ状またはリボン状である。
光電変換層が渦巻き状または同心形状に形成され、全体として板状の形状を有し、この板に交差する方向から光を入射させる光電変換素子であって、
上記板の厚さ方向に上記光電変換層の光電変換可能な光の波長が段階的および/または連続的に変化していることを特徴とするものである。
典型的には、第1の電極と第2の電極とが、間に光電変換層をはさんで渦巻き状または同心形状に形成される。また、典型的には、第1の電極および第2の電極のうちの少なくとも一方、通常は少なくともアノード電極が、板の厚さ方向に互いに分離して設けられた複数の電極からなる。また、典型的には、板の光入射面から厚さ方向に光電変換層の光電変換可能な光の波長が段階的に増加しており、第1の電極および第2の電極のうちの少なくとも一方が、板の厚さ方向に上記の各段階に対応した位置に互いに分離して設けられた複数の電極からなる。光電変換層は、典型的には、p型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合である。これらのp型半導体層およびn型半導体層は、無機半導体、有機半導体のいずれであってもよく、典型的には、板の厚さ方向に組成傾斜した無機半導体または有機半導体からなる。典型的には、板の光入射面から厚さ方向にp型半導体層およびn型半導体層のバンドギャップが段階的および/または連続的に減少している。第1の電極および第2の電極の厚さは必要に応じて決められるが、典型的にはそれぞれ0.2nm以上100nm以下である。また、光電変換層の厚さも必要に応じて決められるが、典型的には10nm以上100nm以下である。光電変換層は、公知の色素増感湿式太陽電池と同様に、色素を担持した半導体光電極とこの半導体光電極と接した電解質層とこの電解質層と接した対極とにより構成してもよい。電解質層としては、好適には固体電解質層が用いられる。この固体電解質層は印刷や塗布などにより形成することができる。半導体光電極としては、典型的には、酸化チタン(例えば、アナターゼ型構造のもの)などの金属酸化物からなるものが用いられる。典型的には、板の光入射面から厚さ方向に半導体光電極に担持させる色素の種類を変え、この色素が吸収する光の波長を段階的に増加させる。より具体的には、板の光入射面から厚さ方向に、半導体光電極に担持させる色素を、短波長の光を吸収するものから長波長の光を吸収するものへと段階的に変化させる。この光電変換素子の形状は問わないが、典型的には円形、三角形または六角形の形状を有する。
また、新規な高効率の太陽電池および光電変換素子を実現することができる。
まず、この発明の第1の実施形態について説明する。
この第1の実施形態は、時間が連続的に折織り込まれた構造において、織り込まれた方向に直交する方向から、この構造にアクセスすることを特徴とする機能素子である。この機能素子は、ストリップ状またはリボン状の金属層などの導電体層と、この導電体層の厚さ以上の厚さを有する非金属層との周期構造体からなる薄片を有し、この薄片に交差する方向、好ましくは直交する方向から、光(太陽光など)をアクセスさせる。
具体的には、図3A、BおよびCはこの第1の実施形態による有機太陽電池を示す。ここで、図3Aは表面図、図3Bは裏面図、図3Cは側面図である。図3A、BおよびCに示すように、この有機太陽電池は、アノード電極151とカソード電極152とが間に有機半導体層153をはさんで渦巻き(スパイラル)状に形成されたもので、全体として薄い円板の形状を有する。図示は省略するが、アノード電極151とカソード電極152とが背中合わせになる部位にはこれらを互いに電気的に絶縁するための絶縁膜が設けられている。この有機太陽電池の裏面には、中心から半径方向に沿って線状の取り出し電極154、155が形成されている。ここで、取り出し電極154はアノード電極151とコンタクトしており、取り出し電極155はカソード電極152とコンタクトしている。
この有機太陽電池の各部の寸法の例を挙げると、有機半導体層153の厚さは70〜100nm、アノード電極151およびカソード電極152の厚さはそれぞれ100nm程度である。この有機太陽電池の高さ(厚さ)、従って有機半導体層153の高さは、この有機太陽電池の面に垂直な方向から入射する光のほぼ全部または完全に吸収されて光電変換されるのに十分な高さに選ばれ、具体的には数μm〜1mm程度に選ばれる。
図4A、BおよびCに示すように、ローラ161に、例えば所定幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム162を巻き付けておき、この樹脂製ベースフィルム162の一方の面に、まず蒸着源163からカソード電極用の金属を蒸発させてカソード電極152を形成し、次に蒸着源164からn型有機半導体を蒸発させてn型有機半導体膜を形成し、次に蒸着源165からp型有機半導体を蒸発させてp型有機半導体膜を形成し、次に蒸着源163からアノード電極用の金属を蒸発させてアノード電極151を形成した後、この蒸着膜付き樹脂製ベースフィルム162を巻き取りローラ166で巻き取っていく。この場合、樹脂製ベースフィルム162としては、熱または光により剥離可能なものを用いる。そして、カソード電極152、n型有機半導体膜、p型有機半導体膜およびアノード電極151が渦巻き状に形成される際に樹脂製ベースフィルム162が巻き込まれないようにするため、巻き込まれる直前にこの樹脂製ベースフィルム162の裏面に高温に加熱されたローラを押し付けたり、この裏面に光を照射したりすることにより、樹脂製ベースフィルム162を剥離する。符号166〜171は蒸着源163〜165に通電を行うための電極を示す。また、樹脂製ベースフィルム162のローラ161および巻き取りローラ166の全体は下部が解放した容器172内に収容されている。蒸着源163〜165からの蒸着ビームは、この容器172の解放された下部から樹脂製ベースフィルム162に照射されるようになっている。
また、実際には蒸着源163〜165の前方に例えば直径が1〜3mmの開口を有する金属製の遮蔽板(図示せず)が設けられており、蒸着源163〜165から樹脂製ベースフィルム162への熱放射を極力抑えることができるようになっている。
図5A、BおよびCはこの第2の実施形態による有機太陽電池を示す。ここで、図5Aは表面図、図5Bは裏面図、図5Cは側面図である。図5A、BおよびCに示すように、この有機太陽電池は、アノード電極151とカソード電極152とが間に有機半導体層153をはさんで六角形の渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第1の実施形態と同様である。
図6に示すように、ローラ161に、例えば所定幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム162を巻き付けておき、この樹脂製ベースフィルム162の一方の面に、まず蒸着源163からカソード電極用の金属を蒸発させてカソード電極152を形成し、次に蒸着源164からn型有機半導体を蒸発させてn型有機半導体膜153aを形成し、次に蒸着源165からp型有機半導体を蒸発させてp型有機半導体膜153bを形成し、次に蒸着源163からアノード電極用の金属を蒸発させてアノード電極151を形成した後、この蒸着膜付き樹脂製ベースフィルム162を断面形状が六角形の巻き取りローラ166で巻き取っていく。その他のことは第1の実施形態と同様である。
カソード電極152、n型有機半導体膜153a、p型有機半導体膜153bおよびアノード電極151が渦巻き状に形成される際に樹脂製ベースフィルム162が巻き込まれないようにするため、巻き込まれる直前にこの樹脂製ベースフィルム162の裏面に高温に加熱されたローラ174を押し付けたり、この裏面に光を照射したりすることにより、樹脂製ベースフィルム162を剥離する。
この第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることもできる。すなわち、この第2の実施形態による有機太陽電池は六角形の形状を有するため、図8に示すように、この有機太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めることができる。このため、単位面積当たりの発電量を大幅に増すことができる。
図9A、BおよびCはこの太陽電池を示す。ここで、図9Aは表面図、図9Bは裏面図、図9Cは側面図である。図9A、BおよびCに示すように、この太陽電池は、アノード電極151とカソード電極152とが、間にp型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合をはさんで渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い円板の形状を有する。これらのp型半導体層およびn型半導体層は無機半導体でも有機半導体でもよい。
この太陽電池を複数用いて太陽電池システムを構成する場合には、例えば、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極151−k同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極151−kから出力電圧を取り出す。
この第3の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、例えば従来のアモルファスSi太陽電池では太陽光スペクトルのうち光子エネルギーが1.12eVより小さい波長の光は利用することができないのに対し、この第3の実施形態によれば、Egk領域の設計により、太陽光スペクトルの全部または主要部の光を光電変換に利用することができ、光電変換効率の飛躍的な向上を図ることができる。
図12A、BおよびCはこの太陽電池を示す。ここで、図12Aは表面図、図12Bは裏面図、図12Cは側面図である。図12A、BおよびCに示すように、この太陽電池は、アノード電極151とカソード電極152とが、間にp型半導体層191とn型半導体層192とからなるpn接合をはさんで渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第13の実施形態と同様である。
この六角形の形状を有する太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めて太陽電池システムを構成する場合には、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極151−k同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極151−kから出力電圧を取り出す。このとき、一つの列の各太陽電池のEgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。この太陽電池システムを図13に示す。
この第4の実施形態によれば、第3の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることもできる。すなわち、この第14の実施形態による太陽電池は六角形の形状を有するため、図8に示すように、この太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めることができる。このため、各太陽電池の光電変換効率の飛躍的な増加と相まって単位面積当たりの発電量を飛躍的に増加させることができる。
図14に示すように、この太陽電池は、アノード電極151とカソード電極152とが、間にp型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合をはさんで渦巻き状に形成されていることは第3の実施形態による太陽電池と同様であるが、この場合、巻き取り軸である中心軸194がアノード側となっており、したがってn型半導体層192よりもp型半導体層191が先に巻きついていること、アノード電極151が円板の厚さ(W)方向に互いに分離された細長いn個の微小アノード電極151−1〜151−nからなるだけでなく、カソード電極152も、六角形板の厚さ(W)方向に互いに分離された細長いn個の微小カソード電極152−1〜152−nからなることが異なる。これらの微小カソード電極152−1〜152−nの幅はそれぞれW1 、W2 、…、Wn である。その他の構成は第3の実施形態と同様である。
この太陽電池を複数用いて太陽電池システムを構成する場合には、例えば、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極151−k同士および微小カソード電極152−k同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極151−kから出力電圧を取り出す。このとき、一つの列の各太陽電池のEgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。
この第5の実施形態によれば、第3の実施形態と同様な利点を得ることができる。
この太陽電池は、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第5の実施形態と同様である。
この六角形の形状を有する太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めて太陽電池システムを構成する場合には、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極151−k同士および微小カソード電極152−k同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極151−kから出力電圧を取り出す。このとき、一つの列の各太陽電池のEgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。この場合、太陽電池の側面に微小アノード電極151−kが露出しているため、この太陽電池の側面同士を突き合わせるだけで微小アノード電極151−k同士を電気的に接続することができる。この太陽電池システムを図16に示す。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。必要に応じて、上述の実施形態の二以上を組み合わせてもよい。
また、同心円構造を形成する物質としては、上述の第1〜第6の実施形態で用いたものと異なる物質を用いてもよい。誘電体としては酸化物などの無機物質のほか、ポリスチレンやポリカーボネートなどの有機物質を用いてもよい。
Claims (16)
- アノード電極とカソード電極とが、間に半導体層をはさんで渦巻き状に形成され、全体として板状の形状を有することを特徴とする太陽電池。
- 上記半導体層がアモルファスシリコン層または有機半導体層であることを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
- 上記太陽電池は円形、三角形または六角形の形状を有することを特徴とする請求項1または2記載の太陽電池。
- 光電変換層が渦巻き状または同心形状に形成され、全体として板状の形状を有し、この板に交差する方向から光を入射させる光電変換素子であって、
上記板の厚さ方向に上記光電変換層の光電変換可能な光の波長が段階的および/または連続的に変化していることを特徴とする光電変換素子。 - 第1の電極と第2の電極とが、間に上記光電変換層をはさんで渦巻き状または同心形状に形成されていることを特徴とする請求項4記載の光電変換素子。
- 上記第1の電極および上記第2の電極のうちの少なくとも一方が、上記板の厚さ方向に互いに分離して設けられた複数の電極からなることを特徴とする請求項5記載の光電変換素子。
- 上記板の光入射面から厚さ方向に上記光電変換層の光電変換可能な光の波長が段階的に増加しており、上記第1の電極および上記第2の電極のうちの少なくとも一方が、上記板の厚さ方向に上記各段階に対応した位置に互いに分離して設けられた複数の電極からなることを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項記載の光電変換素子。
- 上記光電変換層がp型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合であることを特徴とする請求項4〜7のいずれか一項記載の光電変換素子。
- 上記p型半導体層および上記n型半導体層が無機半導体または有機半導体からなることを特徴とする請求項8記載の光電変換素子。
- 上記p型半導体層および上記n型半導体層が上記板の厚さ方向に組成傾斜した無機半導体または有機半導体からなることを特徴とする請求項8記載の光電変換素子。
- 上記板の光入射面から厚さ方向に上記p型半導体層および上記n型半導体層のバンドギャップが段階的および/または連続的に減少していることを特徴とする請求項8記載の光電変換素子。
- 上記第1の電極および上記第2の電極の厚さがそれぞれ0.2nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項5記載の光電変換素子。
- 上記光電変換層の厚さが10nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項4〜12のいずれか一項記載の光電変換素子。
- 上記光電変換層が、色素を担持した半導体光電極とこの半導体光電極と接した電解質層とこの電解質層と接した対極とからなることを特徴とする請求項4記載の光電変換素子。
- 上記板の光入射面から厚さ方向に上記色素が吸収する光の波長が段階的に増加していることを特徴とする請求項14記載の光電変換素子。
- 上記光電変換素子は円形、三角形または六角形の形状を有することを特徴とする請求項4〜15のいずれか一項記載の光電変換素子。
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