JP2008251799A - Solar battery and solar battery module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光導波路を基板に用いた太陽電池及び太陽電池モジュールに関するものである。 The present invention relates to a solar cell and a solar cell module using an optical waveguide as a substrate.
近年、環境負荷が小さく、再生可能なエネルギー源として太陽電池の普及が促進されている。太陽電池の更なる普及拡大のためには、太陽電池の低価格化を進める必要があり、そのためには製造コストの低減が必要不可欠である。特に、シリコン系太陽電池に関しては、そのコストの約40%を占めるシリコン基板の材料コストを下げることが必須の条件となっている。シリコン基板の材料コストを下げる一手段として、シリコン以外の安価な材料を基板に用い、その上にシリコン薄膜を成膜してデバイス化することで、シリコン自体の使用量を削減した太陽電池の開発が鋭意検討されている。 In recent years, the spread of solar cells has been promoted as a renewable energy source with a low environmental load. In order to further increase the spread of solar cells, it is necessary to reduce the cost of solar cells, and to that end, it is indispensable to reduce manufacturing costs. In particular, with respect to silicon-based solar cells, it is an indispensable condition to reduce the material cost of a silicon substrate that occupies about 40% of the cost. As a means of reducing the material cost of silicon substrates, development of solar cells that reduce the amount of silicon used by using inexpensive materials other than silicon for the substrate and forming a silicon thin film on the substrate as a device Has been intensively studied.
また、シリコン系以外の太陽電池としては、太陽電池層に有機膜を用いたものや増感色素を用いたものが研究されている。このような太陽電池においても、シリコン系太陽電池と同様に、高価な有機膜や増感色素の使用量を低減することが検討されており、安価な基板上に太陽電池層を作製する方法が鋭意検討されている。 Further, as solar cells other than silicon-based solar cells, those using an organic film for the solar cell layer and those using a sensitizing dye have been studied. In such solar cells as well as silicon-based solar cells, it has been studied to reduce the amount of expensive organic films and sensitizing dyes used, and there is a method for producing a solar cell layer on an inexpensive substrate. It has been studied earnestly.
従来の太陽電池の一例を図5に示す。太陽電池900は、ガラス基板904の上に、反射防止膜を兼ねた上側電極(透明導電膜)902と半導体膜901と反射膜を兼ねた下側電極903とから構成された太陽電池層が形成されている。太陽電池900は、太陽光を半導体膜901が吸収することによりキャリアが発生し、それを電極902、903で外部に取り出すことで光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる仕組みとなっている。また、上側電極902には補助電極905も設けられている。
An example of a conventional solar cell is shown in FIG. In the
上記のように構成された従来の太陽電池900では、半導体膜901が薄いと照射された太陽光が半導体膜901に吸収されずに透過してしまう割合が増える結果、太陽電池900として低い光電変換効率しか得られなくなってしまう。
In the conventional
光電変換効率を改善するための一手段として、図6に示す特許文献1に記載の太陽電池910では、集光手段を設けることで任意の方向から照射される太陽光を太陽電池の受光面に照射させるようにしている。太陽電池910は、半円筒状の光入射部913に入射された太陽光を集光して光誘導路912に送り、光誘導路912から平板状太陽電池911の受光面に入射させるようにしている。
As a means for improving the photoelectric conversion efficiency, in the
上記構成の太陽電池910では、任意の方向から入射される光を光入射部913で集光するように構成していることから、受光面が照射方向と垂直になるようにその向きを調整する必要がなくなる。また、光入射部913に入射された太陽光が、光誘導路912に送られて平板状太陽電池911の受光面に繰返し入射されることで太陽電池910の受光効率が高められる。
In the
光電変換効率の改善を図った従来の太陽電池の別の例として、図7に示す特許文献2に記載の太陽電池も知られている。特許文献2に記載の太陽電池920は、透明基板921の一方の面に透明導電膜922、光電変換層923、透明導電膜924、及び第1の反射層925からなる薄膜太陽電池を設け、透明基板921の他方の面には第2の反射層926と集光レンズ群929を設けた構成としている。
As another example of a conventional solar cell that improves the photoelectric conversion efficiency, a solar cell described in Patent Document 2 shown in FIG. 7 is also known. A
特許文献2に記載の太陽電池920では、集光レンズ群929で集光した光を第2の反射層926に設けたピンホール927から透明基板921に入射させ、この入射光を第1の反射層925と第2の反射層926との間に閉じ込める構成としている。このように、入射光を第1の反射層925と第2の反射層926との間に閉じ込めることで、薄膜太陽電池に照射させる光量を増大させ、これにより光電変換効率を高めるようにしている。
しかしながら、図5に示すような従来の太陽電池900では、略膜厚方向に入射した光が反射膜903で1回反射されて外部に放出されるまでの間に吸収される割合で変換効率が決まるため、光電変換効率を高めるためには半導体膜901の膜厚を大きくする必要がある。一方、半導体膜901の膜厚を大きくすると、その間でのキャリアのトラップ確率が高くなり、これは光電変換効率を低下させる要因となってしまう。このことから、図5に示すような従来の太陽電池900では、半導体膜901の膜厚を大きくしても光電変換効率を大きく改善することはできない。また、太陽光の入射方向に対して受光面を垂直に設置する必要があるため、太陽電池が大型化してしまうといった問題もある。
However, in the conventional
特許文献1に記載の太陽電池910では、平板状太陽電池911、光誘導路912、光入射部913等について屈折率等の具体的な特性が示されていないため、入射光を平板状太陽電池911の受光面に必ずしも効率よく照射させることができるものではない。一例として、光誘導路912に閉じ込められた光が平板状太陽電池911の受光面で反射されて光誘導路912に戻されたり、平板状太陽電池911に入射されても吸収されずにすぐに光誘導路912に戻る割合が高くなってしまう恐れもある。
In the
さらに、特許文献2に記載の太陽電池920では、集光レンズを多数用いており、これを薄膜太陽電池と組み合わせた構成としているが、集光レンズの焦点がピンホール927の位置に一致するように精度よく位置合せを行う必要がある。このような位置合せを多数のレンズそれぞれについて行う必要があることから、生産効率が低下して高コストとなってしまうといった問題がある。また、特許文献1に記載の太陽電池910と同様に、光電変換層923に効率よく入射されずに透明基板921の内部に入射光が閉じ込められてしまうといった恐れもある。
Furthermore, the
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、太陽光を光電変換層に入射しやすくするとともに、光電変換層に入射された光をその内部に閉じ込めて光電変換効率の高い太陽電池及び太陽電池モジュールを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve these problems, and makes it easy for the sunlight to enter the photoelectric conversion layer, and confine the light incident on the photoelectric conversion layer inside the photoelectric conversion layer to improve the photoelectric conversion efficiency. It aims at providing a high solar cell and a solar cell module.
本発明の太陽電池の第1の態様は、光導波路の一端を除く表面上に透明導電膜、光電変換層、及び反射膜が順次積層されており、前記光導波路の一端から入射した光を前記光電変換層で吸収して光電変換を行う太陽電池であって、前記光電変換層の屈折率が前記透明導電膜の屈折率よりも大きいことを特徴とする。 In the first aspect of the solar cell of the present invention, a transparent conductive film, a photoelectric conversion layer, and a reflective film are sequentially laminated on the surface excluding one end of the optical waveguide, and light incident from one end of the optical waveguide is A solar cell that performs photoelectric conversion by being absorbed by a photoelectric conversion layer, wherein a refractive index of the photoelectric conversion layer is larger than a refractive index of the transparent conductive film.
本発明の太陽電池の他の態様は、前記透明導電膜の屈折率は、前記光導波路の屈折率よりも大きいことを特徴とする。 Another aspect of the solar cell of the present invention is characterized in that the refractive index of the transparent conductive film is larger than the refractive index of the optical waveguide.
本発明の太陽電池の他の態様は、前記光電変換層の屈折率は、前記前記透明導電膜の屈折率より少なくとも1以上大きいことを特徴とする。 Another aspect of the solar cell of the present invention is characterized in that a refractive index of the photoelectric conversion layer is at least one greater than a refractive index of the transparent conductive film.
本発明の太陽電池の他の態様は、前記光電変換層の屈折率は、3以上であることを特徴とする。 Another aspect of the solar cell of the present invention is characterized in that the photoelectric conversion layer has a refractive index of 3 or more.
本発明の太陽電池の他の態様は、前記光導波路の一端に照射される光を集光して前記光導波路に入射させる集光レンズが、前記光導波路の一端に備えられていることを特徴とする。 Another aspect of the solar cell of the present invention is characterized in that a condensing lens that condenses the light irradiated to one end of the optical waveguide and enters the optical waveguide is provided at one end of the optical waveguide. And
本発明の太陽電池の他の態様は、前記光電変換層の膜厚は、内部に生成されるキャリアの拡散長の100倍以下であることを特徴とする。 Another aspect of the solar cell of the present invention is characterized in that the thickness of the photoelectric conversion layer is 100 times or less the diffusion length of carriers generated inside.
本発明の太陽電池モジュールの第1の態様は、上記のいずれかの太陽電池が、前記光導波路の長手方向の向きをそろえて複数配列されていることを特徴とする。 A first aspect of the solar cell module of the present invention is characterized in that a plurality of the solar cells described above are arranged with the longitudinal direction of the optical waveguide aligned.
以上説明の通り本発明によれば、光電変換層の屈折率を前記透明導電膜の屈折率よりも大きくすることにより、太陽光を光電変換層に入射しやすくするとともに、光電変換層に入射された光をその内部に閉じ込めて光電変換効率の高い太陽電池及び太陽電池モジュールを提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, by making the refractive index of the photoelectric conversion layer larger than the refractive index of the transparent conductive film, it becomes easier for sunlight to enter the photoelectric conversion layer and also to enter the photoelectric conversion layer. It becomes possible to provide a solar cell and a solar cell module with high photoelectric conversion efficiency by confining the light inside.
本発明の好ましい実施の形態における太陽電池及び太陽電池モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。 A solar cell and a solar cell module according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, about each structural part which has the same function, the same code | symbol is attached | subjected and shown for simplification of illustration and description.
本発明の実施の形態に係る太陽電池を、図1を用いて以下に説明する。図1(a)は太陽電池100の外観を示す斜視図であり、図1(b)は太陽電池100の内部構造を示す長手方向の断面図である。本実施形態の太陽電池100は、表面に透明導電膜120が形成されたファイバ110を基板として用いており、透明導電膜120の外周に半導体膜である光電変換層130を形成し、さらに光電変換層130の外周に反射膜140を形成している。
A solar cell according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1A is a perspective view showing the appearance of the
基板であるファイバ110は、長手方向の一端が太陽光を入力可能に露出されており、他端には外周部と同様の各膜が形成されている。また、透明導電膜120は、内側電極として用いられており、反射膜140が外側電極を兼ねている。さらに、内側電極として透明導電膜120を補助して抵抗値を下げるために、透明導電膜120上に補助電極160をグリッド状に設けている。
The
光電変換層130は半導体層で形成されており、p型の半導体とn型の半導体を積層した構造とすることができ、あるいはPIN型半導体を用いることも可能である。また、光電変換層130として、シリコン系の半導体を用いることができ、あるいは有機系の半導体を用いてもよい。
The
上記のように構成された本実施形態の太陽電池100では、太陽光150がファイバ110の一端からその内部に入力されると、ファイバ110の内部を通過する間に透明導電膜120を通過して光電変換層130に達する。そして、光電変換層130を通過する間に半導体に吸収されて光電変換が行われるが、吸収されること無く光電変換層130を通過して反射膜140に達した光は、ここで反射されて再び光電変換層130に戻る。
In the
上記の構造は従来から知られている太陽電池の構造と同様であるが、本実施形態の太陽電池100では、さらに透明導電膜120と光電変換層130のそれぞれに対して屈折率を規定することで、ファイバ110に入射された太陽光150が効率的に光電変換に利用されるようにしている。より好ましくは、ファイバ110に対しても屈折率を規定するのがよい。
The above structure is the same as the structure of a conventionally known solar cell, but in the
本実施形態の太陽電池100では、ファイバ110に入射された太陽光150が透明導電膜120との境界に達したとき、透明導電膜120側に入射しやすいように透明導電膜120の屈折率をファイバ110の屈折率より大きくしている。すなわち、屈折率が小さい方から大きい方には光は通過しやすいことから、本実施形態の太陽電池100ではファイバ110と透明導電膜120のそれぞれの屈折率に対し下記の関係を規定している。
透明導電膜120に入射した光が、次に光電変換層130との境界に達したとき、ここでも光電変換層130側に入射しやすいように、本実施形態では透明導電膜120と光電変換層130とのそれぞれの屈折率に対して下記の関係を規定している。
光電変換層130に入射した光は、一部が半導体に吸収されて光電変換される一方、吸収されること無く反射膜140に達した光は、ここで反射されて再び光電変換層130に戻る。そして、再び一部が半導体に吸収されて光電変換されるが、吸収されなかった光は透明導電膜120との境界に達する。ここで、光電変換層130の屈折率が透明導電膜120の屈折率より大きいことから、透明導電膜120側に入射せずに反射されて再度光電変換層130側に戻る光の割合が高くなる。特に、透明導電膜120との境界への入射角が大きいと、透明導電膜120側には全く入射せずに全反射されることになる。
The light incident on the
上記の通り屈折率を(式1)及び(式2)に基づいて規定することにより、光電変換層130側に入射した光は、透明導電膜120と反射膜140との間で閉じ込められる割合が増加し、これにより光電変換層130内で半導体に吸収されて光電変換が行われる割合、すなわち光電変換効率が高くなる。光が透明導電膜120と反射膜140との間で閉じ込められている状態を、模式的に図2に示す。ここでは、光151が透明導電膜120と反射膜140との間で閉じ込められている状態を示している。
By defining the refractive index based on (Equation 1) and (Equation 2) as described above, the light incident on the
反射膜140で反射されて透明導電膜120との境界に達した光は、その一部の光152が透明導電膜120側に入射するが、図2に示すように、ここでもファイバ110と透明導電膜120のそれぞれの屈折率の関係(式1)より、ファイバ110との境界で反射されて透明導電膜120側に戻る。透明導電膜120側に戻った光は、さらに光電変換層130側に入射し、光電変換層130内で吸収されて光電変換が行われる割合を高めるのに寄与する。
A part of the light 152 reflected by the
このように、本実施形態の太陽電池100では、光電変換層130に入射した光が透明導電膜120と反射膜140との間に閉じ込められる割合を高くするとともに、透明導電膜120側に漏出した光もファイバ110との境界で反射されて再び光電変換層130側に戻りやすくすることが可能となっており、これにより光電変換層130内で光が吸収されて光電変換効率を高めることが可能となる。
As described above, in the
本実施形態の太陽電池100は、ファイバ110を基板としてその周囲に太陽電池を構成する各層を形成していることから、透明導電膜120側からの光がファイバ110との境界で反射されずにファイバ110側に漏出すると、ファイバ110内を通過して対向する側から透明導電膜120に入射し、さらに光電変換層130に入射することで光電変換に利用される。
Since the
上記のように、本実施形態の太陽電池100ではファイバ110の一端から入射した太陽光150を太陽電池100の内部で多重反射させて光電変換層130で光電変換させることができるが、さらに太陽電池100を構成する各層の屈折率を(式1)及び(式2)に基づいて規定することで、入射光をできるだけ光電変換層130内に閉じ込めて吸収されやすくすることができ、これにより従来に比べて光電変換効率を大幅に高めることが可能となる。
As described above, in the
本実施形態の太陽電池100として、例えばファイバ110にガラスファイバを用いてガラス基板とし、透明導電膜120として例えばITO(インジウム鈴酸化物)を用い、さらに光電変換層130をシリコン系の半導体層としたとき、それぞれの屈折率をガラス基板1.5程度、ITO2.0程度、シリコン系半導体層3.5程度とすることができ、上記の(式1)及び(式2)を満たすように太陽電池100を構成することができる。なお、外側電極の反射膜140としては、反射率の高い銀又はアルミニウム等の金属膜を用いることができる。
As the
一般に、光の吸収は光の通るパスの長さに比例することから、従来の太陽電池では光電変換層の入射方向の幅を大きくするのが好ましかった。但し、光電変換層の幅を大きくすると、キャリアが電極に達するまでにトラップされてしまう確率も高くなり、却って光電変換効率を低下させてしまう恐れもあった。本実施形態の太陽電池100では、入射した光をその内部で多重反射させる構造としていることから、光電変換層130を1回通過する間のパスの長さが短くても、光電変換層130を繰り返し通過させることで高い光電変換効率を実現することが可能となっている。
In general, since light absorption is proportional to the length of a path through which light passes, it is preferable to increase the width of the photoelectric conversion layer in the incident direction in a conventional solar cell. However, if the width of the photoelectric conversion layer is increased, the probability that carriers are trapped before reaching the electrode is increased, and the photoelectric conversion efficiency may be lowered. In the
従って、本実施形態の太陽電池100では、光電変換効率を低下させることなく光電変換層130を薄くすることが可能となる。光電変換層130を薄くすることで、内側電極の透明導電膜120と外側電極の反射膜140との距離が短くなり、これによって光電変換層130内でのキャリアパスを小さくしてトラップ確率を低減させることが可能となる。すなわち、電極間の抵抗(内部抵抗)を低減して太陽電池100の光電変換効率を高めることが可能となる。光電変換層130の膜厚は、内部に生成されるキャリアの拡散長の100倍以下とするのが好ましい。
Therefore, in the
本実施形態の太陽電池100の製造方法として、ファイバ110にガラスファイバを用いて透明ガラス基板とし、その上に透明導電膜120としてスパッタにてZnO電極を200nm程度形成させることができる。あるいは、ガラスファイバの線引き時にITO膜を形成させるようにすることも可能である。
As a manufacturing method of the
光電変換層130の製造方法として、プラズマCVDを用いてp型シリコン膜、i型シリコン膜、n型シリコン膜を順に成膜する方法を用いることができる。原料ガスとしてSiH4とH2の混合ガスを用い、p型の膜を形成する場合には原料ガスにB2H6を少量混ぜ、またn型の膜を形成する場合にはPH3を少量混ぜて用いることができる。この場合、それぞれの半導体膜の膜厚を、例えばp型膜を20nm、i型膜を100nm、n型膜を20nmとすることができる。光電変換層130の上に反射膜140を形成する方法として、例えばAg又はアルミニウムをスパッタにより成膜させることができる。
As a method for manufacturing the
上記説明の通り、本実施形態の太陽電池100では、各層の屈折率を(式1)及び(式2)に基づいて規定することで、ファイバ110から入射した太陽光150をできるだけ光電変換層130内に閉じ込めて吸収されやすくすることで、高い光電変換効率を実現することが可能となる。これに加えて、光電変換効率を低下させることなく光電変換層130の厚さを小さくすることが可能なことから、電極間の内部抵抗を低減して光電変換効率をさらに高めることが可能となる。
As described above, in the
また、光電変換層130を薄くすることで、半導体膜の使用量を低減してコスト低減を図ることも可能である。本実施形態の太陽電池100は、光電変換層130としてシリコン系の半導体あるいは有機系の半導体のいずれを用いることも可能である。特に、有機系の太陽電池とする場合には、上記の(式1)及び(式2)を満たす材質を選択することで、高い光電変換効率を実現することができる。太陽電池100を構成する各層の屈折率を(式1)及び(式2)を満たすように構成する効果は、有機系太陽電池や内部抵抗の大きい太陽電池に対してより顕著に得られる。
In addition, by reducing the thickness of the
本発明の別の実施形態に係る太陽電池を、図3を用いて以下に説明する。本実施形態の太陽電池200は、太陽光150を入射するファイバ110の一端に集光レンズ210を設けているのを特徴としている。このような集光レンズ210をファイバ110の一端に設けることにより、ファイバ110の軸方向に対し斜め方向から照射される太陽光に対しても、これを集光してファイバ110に効率よく入射させることが可能となる。
The solar cell which concerns on another embodiment of this invention is demonstrated below using FIG. The
次に、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールを、図4を用いて以下に説明する。本実施形態の太陽電池モジュール300は、複数の太陽電池100を縦横に配列して構成されている。各太陽電池100の太陽光を入射させるためのファイバ110の一端は、全て同一方向に揃えられており、各太陽電池100ともほぼ等しい光電変換効率を実現することが可能となる。
Next, the solar cell module which concerns on embodiment of this invention is demonstrated below using FIG. The
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る太陽電池及び太陽電池モジュールの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における太陽電池及び太陽電池モジュールの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 In addition, the description in this Embodiment shows an example of the solar cell and solar cell module which concern on this invention, and is not limited to this. The detailed configuration and detailed operation of the solar cell and the solar cell module in the present embodiment can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
100、200、900、910、920 太陽電池
110 ファイバ
120、922、924 透明導電膜
130、923 光電変換層
140 反射膜
150、151,152 光
160 補助電極
901 半導体膜
902、903 電極
904 ガラス基板
911 平板状太陽電池
912 光誘導路
913 光入射部
921 透明基板
925、926 反射層
927 ピンホール
929 集光レンズ群
100, 200, 900, 910, 920
Claims (7)
前記光電変換層の屈折率が前記透明導電膜の屈折率よりも大きい
ことを特徴とする太陽電池。 A transparent conductive film, a photoelectric conversion layer, and a reflective film are sequentially laminated on the surface excluding one end of the optical waveguide, and the solar that performs photoelectric conversion by absorbing light incident from one end of the optical waveguide by the photoelectric conversion layer A battery,
The solar cell, wherein a refractive index of the photoelectric conversion layer is larger than a refractive index of the transparent conductive film.
ことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。 The solar cell according to claim 1, wherein a refractive index of the transparent conductive film is larger than a refractive index of the optical waveguide.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の太陽電池。 The solar cell according to claim 1 or 2, wherein a refractive index of the photoelectric conversion layer is at least one greater than a refractive index of the transparent conductive film.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の太陽電池。 The solar cell according to claim 1 or 2, wherein a refractive index of the photoelectric conversion layer is 3 or more.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の太陽電池。 The condensing lens which condenses the light irradiated to the one end of the said optical waveguide, and injects into the said optical waveguide is provided in the one end of the said optical waveguide. The Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned. Solar cell.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の太陽電池。 The film thickness of the said photoelectric converting layer is 100 times or less of the diffusion length of the carrier produced | generated inside. The solar cell of Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする太陽電池モジュール。
A solar cell module, wherein a plurality of the solar cells according to any one of claims 1 to 6 are aligned with the longitudinal direction of the optical waveguide aligned.
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