JP2012018924A - 回折格子を備えた太陽電池組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子を備えた太陽電池組立体を提供する。
【解決手段】色素増感又は有機吸収体のいずれかを用いた太陽電池構造体は、感光性材料を通る一次回折成分の移動を増大させるために、少なくとも一方の側に回折格子を備えている。二面電池は、上部と底部の両方に回折格子を使用し、一方の格子の周期的な回折素子はもう一方に対して格子の周期が４分の１だけシフトしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池、より詳しくは回折格子を用いて吸収体を横切る斜めの一次回折モード成分を作り、それによって電池の効率を高める色素増感又は有機吸収体タイプの太陽電池に関する。

種々のタイプの太陽電池が非偏光の太陽光を電気エネルギーに変換するために開発されている。太陽電池の研究における主要な目的は効率の向上と製造コストの低減である。色素増感光電極及び／又は有機吸収体を用いた太陽電池は、従来の結晶シリコン太陽電池よりも製造費用が非常に安い。

本発明の第１の態様は、太陽電池技術と回折格子技術の組み合わせによる効率の改善された太陽電池組立体である。本明細書においてさらに記載されるように、太陽光吸収体は、色素増感又は有機吸収体を用いたタイプのものであることができ、回折格子は、光電池の両側の一方又は両方の電極層に結合されたガラス又は他の光透過性材料の１つ又は複数の基材の形態を採用することができ、電極の境界部に透過性材料の表面に組み込まれたＴｉＯ₂などの回折格子材料のパターンを示す。格子は、普通（垂直）の入射光の一次回折成分のみを結びつけるよう構築される。

本発明の第２の態様によれば、その完全な開示が参照により本明細書に含められるヒデオ・イズミ及びＮａｄｅｒ Ｅｎｇｈｅｔａによって２０１０年１月２５日に出願された米国特許出願第１２／６９２，６８８号の同時係属出願において記載されている両側回折格子技術と太陽電池技術を有利に組み合わせることが可能であることが見出された。

この知見の態様に従って、周期的に配置された回折格子材料をその中に組み込んだ基材を使用する回折格子が二面太陽電池の両側に配置され、非偏光の光がこれらの両方の側に入射するようにしている。２つの格子の周期性は同じであるが、一方の格子は２つの格子のうちもう一方の格子材料に対して少し、好ましくは４分の１周期だけシフトされ、それによって吸収体を通過する斜めの回折成分が抜け出すのを防ぎ、これらの成分を第２のパスに戻す。これによって色素増感及び有機吸収体タイプの光電池の効率が高められることが見出された。

本明細書では添付図面について説明され、これらの図では、同様の符号は幾つかの図面を通して同様の部分を指している。

本発明を具体化した第１の太陽電池組立体の断面図である。 本発明を具体化した第２の太陽電池組立体の断面図である。 本発明の態様を具体化した第３の光電池組立体又はその一部の断面図である。 一次回折成分に対する増大効果を示す図である。 本明細書に記載される太陽電池における波長対経路長の増大効果のグラフである。

次に、図面、特に図１を参照すると、電解質１６中に色素増感吸収体又は光電極１４を含む光電解質電池１２を含む太陽電池組立体１０が示されている。この場合において、「光電極」及び「吸収体」という用語は一般的な用語としての「吸収体」と区別しないで用いられる。電池２４の上部境界は正極１８によって画定され、電池の底部は負極２０によって画定される。樹脂シール２２によって電解質の電池体積の側面が閉じられている。電極１８、２０はフッ素をドープした二酸化スズ（ＳｎＯ₂：Ｆ）であることができ、光電極は色素増感二酸化チタン（ＴｉＯ₂）であることができる。

下方の回折格子は、その表面に長方形の溝の周期的な配列が形成されたガラス基材２６によって画定され、その表面はフッ素をドープした二酸化スズの電極２０と結合し、それと光学的な境界を形成している。溝は二酸化チタン（ＴｉＯ₂）で満たされ、回折素子３０を形成している。光透過性のプラスチックを基材２６の製造においてガラスの代わりに使用してもよい。光が構造体１０の下から入射するところの表面は、浅く周期性の低い長方形の溝のパターン２８によって改質されており、反射防止特性を付与している。

周期的な二酸化チタンの素子３４を備えたガラス基材３２から構成される第２の回折格子は上方の電極１８に結合され、光が入射する上面３６は、反射防止の格子タイプの表面３６を示すよう改質されている。

図１に示されるように、下方の基材２６の周期的な素子３０は、上方の回折格子３２における素子３４の幾何学的な間隔周期を４分の１だけシフトしたものであり、したがって、上記の係属出願である米国特許出願第１２／６９２，６８８号でより十分に記載されているように、光学的なブロッキング機能を発揮する。

図１の組立体における各格子は、ガラスとフッ素をドープした二酸化スズ電極との界面においてガラス中の周期的な溝を満たすＴｉＯ₂の長方形の素子を含む周期的な構造体からなる。ガラスを通過する非偏光の太陽光は、主として斜めの一次回折モードに回折され、結果として、電解質１６中に浸漬された二酸化チタンの色素増強光電極１４の吸収層１４を通る回折成分の移動経路が増大する。図１の両側配置の利点は、格子３０と３４の間の４分の１の先のシフトとともに、両側からの非偏光の太陽光の経路が増大するという事実である。上記の米国特許出願第１２／６９２，６８８号において記載されるデバイスとは異なり、シフトされた格子２６、３２はここでは固定されていることに留意されたい。

図１の構造体のための製造プロセスは、ガラス基材２６、３２に周期的な溝を作成し、当該溝を二酸化チタンで満たし、そして得られた構造体をフッ素をドープした二酸化スズ電極１８、２０に結合させることを伴う。格子の周期は、斜めの回折を達成するために波長のオーダーであるのに対し、反射防止表面２８、３６の距離周期は非常に小さい。白金粒子３８が電極１８の内面、すなわち電池の内部にある表面に結合される。

図１の構造体におけるガラス部材及び電解質が１．５の屈折率を有するのに対し、吸収層及び二酸化スズ電極は約２の屈折率を有する。二酸化チタンの屈折率は２．３８である。全体的な設計は以下の仕様を有する。すなわち、格子素子の周期（Ｐ）は０．８４λ〜０．９λであり、曲線因子（Ｒ）は０．３４〜０．４４であり、格子素子の高さ（Ｈ）は０．５９λ〜０．６９λである。回折格子３０、３４の屈折率は、吸収層１４、電解質１６、及び電極１８、２０の屈折率よりも大きい。より詳細には、その内容が参照により本明細書に含められる２００９年１２月１５日に出願された同時係属出願の米国特許出願第１２／６３８，３３４号を参照されたい。ここで、λは７５０ｎｍであり、周期Ｐは６５５ｎｍ又は０．８７λであり、エッジ幅は２５５ｎｍであり、曲線因子は０．３９であり、格子高さは４８０ｎｍ又は０．６４λである。

図４は、格子がどのようにして普通の入射光の一次成分のみを電池に結びつけるのかを示している。ここで、構造体は、上部ガラス層３２’が回折素子を含まない以外は図１と同一である。図５は図１の構造体１０で実現される光学経路の増大の結果を示している。縦軸は吸収層１４の厚さに対する有効経路長を表している。光学経路は１往復すなわち下から上そして下への戻りにおいて計算される。図５に示すとおり、６５０ｎｍ〜８００ｎｍにおいて２の経路長の増大が達成され、４５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲における平均の増大値は１．８である。

次に、図２を参照すると、色素増感太陽電池組立体４０のための第２の構成が示されている。電解質４２で満たされた電池は、色素増感二酸化チタン光電極５２を含む電解質電池を画定するシールされた縁部４４を有する。フッ素をドープした二酸化スズから作成される負極４６が部分的な境界層を形成し、二酸化ケイ素セパレータ５０によって色素増感電極５２から隔てられたＬ形の正極４８が下方の境界の残りの部分を形成している。図２の構造体における同一平面内であるが横方向に反対の正極と負極がある物理的配置により、隣り合う物理的関係において太陽電池を電気的に直列化する能力が向上する。

図２の構造体は、二酸化チタンの周期的に配置された格子素子５６を備えかつ反射防止特性のための微細な溝を設けたパターン５８を示すガラス格子部材５４をさらに含む。

図２に示される構造体の上側は、格子素子６２の周期的な配置と反射を低減する上部パターン構造６４を備えた上方のガラス基材６０を含む。また、格子５４、５６の屈折率は、吸収層、電解質及び電極の屈折率よりも大きい。

電極４８は、構成材料としてＩｎ₂Ｏ₃：Ｓｎ＋Ｐｔ又は炭素を使用することができる。炭素が使用される場合、白金元素を省くことができる。

図２の太陽電池構造体は、本質的には図１に関して上で記載したように機能する。図４は、光電池を通る一次回折成分の移動経路の増大を示すものであり、この構造体の結果として可能性のある効率の向上が推定される。上でも説明したとおり、構造体の両側の性質によって、２つの方向のそれぞれから入射する非偏光の太陽光に関してこのような増大が得られる。

図３は、一方の側にインジウムスズ酸化物の負極７４が結合し、反対側にアルミニウムの正極７６が結合した有機吸収層７２を含む、格子によって増強した太陽電池構造体７０の形態の本発明のさらなる実施態様を示すものである。周期的な二酸化チタンの回折素子８０を備えたガラス回折層７８がインジウムスズ酸化物の電極７４に結合され、好ましくは光入射表面８２が短い距離周期の格子溝８２を示すよう改質されている。有機吸収体７２を通る一次成分の移動経路の増大もまた図３の構造体において実現される。

当業者であれば、本発明に対する種々の改良及び付加に想到するであろう。例えば、上方の回折格子素子３４を有しない片面の実施態様の上部ガラス３２をポリマーの膜又はプレートに置換することができる。底部ガラス層２６も同様に、透明のポリマープレートで置換することができる。ガラス部材２６、３２の典型的な厚さは０．５ｍｍ〜５ｍｍである。吸収体１４の二酸化チタンはＺｎＯ又はＳｎＯ₂で置換することができる。二酸化チタンの格子材料もまた、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂又はＮｂ₂Ｏ₅で置換することができ、これらのすべてが２よりも大きい屈折率を有する。加えて、屈折素子３０、３４、５６、６２及び８０の幾何学的形状は必ずしも長方形ではなく、三角形又は「ブレーズド（ｂｌａｚｅｄ）」であってもよい。

Claims (12)

1. 色素増感光電極及び有機吸収体からなる群より選択された光電吸収体を含む電池と、
   前記電池の一方の側に取り付けられた第１電極と、
   前記電池の反対側に取り付けられた第２電極と、
   前記電池及び電極からなる部材の屈折率よりも大きな屈折率を有する回折格子であって、入射する非偏光の普通光を一次モードに回折してそれによって斜めの一次回折成分の光学経路を増大するための、前記第１及び第２電極のうち一方を覆う回折格子と
   を含む、太陽電池組立体。
2. 前記格子が、前記電極に結合されたガラスのような光透過性材料の層と、前記の一方の電極と境界を接する表面において前記光透過性材料中に組み込まれた格子材料の周期的なパターンとを含む、請求項１に記載の太陽電池組立体。
3. 前記格子材料が二酸化チタン（ＴｉＯ₂）である、請求項２に記載の太陽電池組立体。
4. 前記第１及び第２電極がフッ素をドープした二酸化スズ（ＳｎＯ₂：Ｆ）から作成される、請求項１に記載の太陽電池組立体。
5. 前記電池が電解質を含む、請求項１に記載の太陽電池組立体。
6. 前記パターンの周期性が、斜めの一次入射光の回折を達成するために波長のオーダーである、請求項２に記載の太陽電池組立体。
7. 非偏光の光がまず入射するガラスの表面が反射防止特性を作り出すよう改質されている、請求項２に記載の太陽電池組立体。
8. 前記改質が前記回折格子の周期性に対して実質的に周期性が増大した格子を含む、請求項７に記載の太陽電池組立体。
9. 前記格子の回折特性が、６５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲において約２の光学経路の増大を達成するようなものである、請求項１に記載の太陽電池組立体。
10. 電解質電池と、
    前記電池における吸収体と、
    前記電池の一方の側に周期的に配置された表面素子を有する第１の回折格子と、
    前記電池のもう一方の側に周期的に配置された表面素子を有する第２の回折格子と
    を含み、前記格子のうち一方の周期的に配置された素子が、回折された非偏光の光の一次成分が光電池を２回以上横断するように、もう一方の格子の素子に対して素子の周期が約４分の１だけ横方向にシフトされた、二面太陽電池。
11. 前記吸収体が色素増感光電極である、請求項１０に記載の太陽電池。
12. 前記電池が電解質を含む、請求項１１に記載の太陽電池。

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