JP2012222365A - ポリマー分散液晶を利用した太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】新規な太陽電池を提供する。
【解決手段】ポリマー及び液晶を含むポリマー分散液晶層を備え、前記ポリマー分散液晶層は、入射される太陽光を散乱、透過させることで、太陽光の進路を増大させることを特徴とする太陽電池。
【選択図】図2

Description

本発明は、太陽電池、特にポリマー分散液晶を利用した太陽電池に関する。
太陽電池は、太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変える素子であって、p型半導体物質とn型半導体物質とを利用して、電気エネルギーを発生させる。太陽電池に太陽光を照射すると、n型半導体物質及びp型半導体物質から電子と正孔とが発生し、このように発生した電子と正孔とは、n型電極又はp型電極にそれぞれ移動する。したがって、この太陽電池に連結された負荷には、電流が流れる。かかる太陽電池は、エネルギー問題の解決だけでなく、環境汚染の抑制にも重要な役割を果たすため、太陽電池の高効率化に関する研究が盛んに進められている。
薄膜型の太陽電池は、数マイクロメートル以下の厚さを有する半導体物質を利用して、電気エネルギーを発生させる。かかる薄膜型の太陽電池は、その厚さを薄くすると、暗電流及びキャリア再結合が減少するという点では、太陽電池の効率が向上するが、半導体物質の厚さが薄くなるにつれて、太陽電池が太陽光を十分に吸収できないという点では、太陽電池の効率が低下する。したがって、太陽電池の効率を向上させるために、太陽電池の厚さを薄くしつつも、太陽光の吸収を増加させる手法が研究されている。太陽光の吸収を増加させる手法として、フォトニック結晶やナノ粒子のような散乱体を利用して光散乱を誘導することで、太陽電池内で太陽光の進路を増大させる手法が挙げられる。しかしながら、かかるフォトニック結晶やナノ粒子を利用した太陽電池の製作工程は複雑であることから、太陽電池のコストが高くなるという問題を有していた。
本発明の目的は、新規な太陽電池を提供することである。
本発明の一形態によると、互いに隔てて設けられる第1電極及び第2電極と、前記第1電極と第2電極との間に設けられる半導体層と、前記第1電極及び第2電極のうちの少なくとも一つの電極上に設けられる、ポリマー及び液晶を含むポリマー分散液晶(polymer dispersed liquid crystal:PDLC)層と、を備える太陽電池が提供される。
太陽光が入射する前記ポリマー分散液晶層上には、反射防止膜がコーティングされてもよい。
前記ポリマー分散液晶層は、波長変換物質をさらに含んでもよい。ここで、前記波長変換物質としては、例えば、量子ドットまたは蛍光体染料などが使われる。
前記半導体層は、p型半導体層及びn型半導体層を備えてもよい。
本発明の他の一形態によると、互いに隔てて設けられる第1電極及び第2電極と、前記第1電極と第2電極との間に設けられる半導体層と、前記第1電極上に設けられる、ポリマー及び液晶を含む第1ポリマー分散液晶層と、を備える太陽電池が提供される。
前記第1電極は、光透過性物質から形成されてもよく、第2電極は、光反射性物質から形成されてもよい。
また、前記第1電極及び第2電極は、光透過性物質から形成されてもよい。この場合、前記第2電極上には、ポリマー及び液晶を含む第2ポリマー分散液晶層がさらに設けられてもよい。
本発明のさらに他の一形態によると、ポリマー及び液晶を含むポリマー分散液晶層を備え、入射する太陽光を散乱、透過させることで、太陽光の進路を増大させる太陽電池が提供される。ここで、前記太陽電池は、例えば、薄膜太陽電池、化合物半導体太陽電池、色素増感型太陽電池(dye−sensitized solar cell:DSSC)、または有機太陽電池(organic photovoltaic:OPV)であってもよい。
本発明によれば、ポリマー分散液晶層を光散乱層として用いることで、光源から入射する太陽光が前記ポリマー分散液晶層内で効果的に散乱、透過され、太陽電池内での太陽光の進路を増大させることができる。これによって、太陽電池の効率を向上させることができる。
ポリマー分散液晶層の構造及び光特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る太陽電池を概略的に示す断面図である。 従来の一般的な太陽電池内での太陽光の進路を示す図である。 本発明の一実施形態に係る太陽電池内での太陽光の進路を示す図である。 本発明の他の一実施形態による太陽電池を概略的に示す断面図である。 本発明のさらに他の一実施形態に係る太陽電池を概略的に示す断面図である。 本発明のさらに他の一実施形態に係る太陽電池を概略的に示す断面図である。 本発明のさらに他の一実施形態に係る太陽電池を概略的に示す断面図である。
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図面において、同じ構成要素には同じ符号を付し、各構成要素のサイズや厚さは、説明を明瞭にするために誇張されうる。
なお、特に断りのない限り、「〜上」とは、ある部材(層)に直接接触して設けられている場合、ある部材(層)から離れてまたは他の部材を介して設けられている場合の両方を含む。
また、図面の説明における「〜の下面」とは、図面中のある部材(層)の下表面に直接接触して設けられていることを意味する。
図1は、ポリマー分散液晶層50の構造及び光特性を示す図である。図1によると、ポリマー分散液晶層50は、ポリマー51及び液晶52を含む。ここで、前記ポリマー51は、ネットワーク構造を有しており、かかるポリマー51内に、液晶52が均一に分散されている。前記ポリマー分散液晶層50に電場が印加されていない状態では、液晶分子53がポリマー分散液晶層50内でランダムに配列されている。このように、液晶分子53がランダムに配列された状態で光源70からポリマー分散液晶層50に光が入射すると、光はポリマー51と液晶52との屈折率差により多様な方向に散乱される。そして、このように散乱された光は、ほとんど全てがポリマー分散液晶層50を透過するため、光源70側に反射する場合は非常に少ない。このように、電場が印加されていないポリマー分散液晶層50は、入射する光を散乱させて透過させる特性が強い。したがって、かかる特性を有するポリマー分散液晶層50を太陽電池の光散乱層として適用すれば、太陽電池内で太陽光が進む経路を増大させることができる。
図2は、本発明の一実施形態に係る太陽電池を概略的に示す断面図である。
図2に示される太陽電池100によると、第1電極120及び第2電極110が互いに一定の間隔で配置されている。そして、前記第1電極120と第2電極110との間には、光源70から入射した太陽光により、電子及び正孔を発生させる半導体層125及び115が設けられている。前記第1電極120は、光源70から太陽光が入射する側に配置される電極であって、光透過性物質から形成される。そして、前記第2電極110は、光を反射する金属のような光反射性物質から形成される。なお、前記第2電極110は、光透過性物質から形成されてもよい。前記半導体層は、前記第1電極120の下面に形成される第1半導体層125と、前記第1半導体層125の下面に形成される第2半導体層115とを備える。前記第1半導体層125及び第2半導体層115は、それぞれn型半導体層及びp型半導体層となる。この場合、前記第1電極120及び第2電極110は、それぞれn型電極及びp型電極となる。なお、前記第1半導体層125及び第2半導体層115は、それぞれp型半導体層及びn型半導体層となってもよく、この場合、前記第1電極120及び第2電極110は、それぞれp型電極及びn型電極となる。
前記光源70から太陽光が入射する第1電極120上には、ポリマー分散液晶層150が設けられている。前記ポリマー分散液晶層150は、ポリマー151と、該ポリマー151内に分散された液晶152とを含む。ここで、前記ポリマー151は、ネットワーク構造を有する。そして、前記ポリマー分散液晶層150内で、液晶分子153はランダムに配列されている。
前記ポリマー分散液晶層150は、次のような方法により形成される。まず、前記第1電極120の上部にガラスのような透明基板(図示せず)を設けた後、前記透明基板と第1電極120との間に、液晶152及び光重合性物質(図示せず)が混合された混合溶液を注入する。次いで、前記透明基板を介して、前記混合溶液に紫外線を照射すると、光重合反応により、前記光重合性物質が硬化され、前記ポリマー分散液晶層150が形成される。このように、ポリマー分散液晶層150が形成された後、前記透明基板は除去されてもよく、前記ポリマー分散液晶層150上にそのまま残っていてもよい。なお、前記ポリマー分散液晶層150は、ロール・ツー・ロール(roll to roll)工程により、ポリマー分散液晶フィルム(図示せず)を作製した後、このポリマー分散液晶フィルムを前記第1基板120上に付着することで形成されてもよい。
前記のような構造において、光源70からポリマー分散液晶層150に太陽光が入射されると、この太陽光は、ポリマー151と液晶152との屈折率差により、多様な方向に散乱された後、ほとんど全てがポリマー分散液晶層150を透過する。そして、このように、ポリマー分散液晶層150を透過した光は、第1電極120を経て第1半導体層125及び第2半導体層115に入射する。そして、前記第1半導体層125及び第2半導体層115に入射した光は、前記第1半導体層125及び第2半導体層115の内部を通過しつつ吸収されて、電子及び正孔を発生させる。このように、太陽光が入射する側にポリマー分散液晶層150を設けることにより、ポリマー分散液晶層150内に入射した光は、多様な方向に散乱された後、ほとんど全てが前記ポリマー分散液晶層150を透過し、これによって、前記第1半導体層125及び第2半導体層115へと入射する光路を増大させることができる。このように、第1半導体層125及び第2半導体層115の内部を進む光路が増大すれば、第1半導体層125及び第2半導体層115がより多量の光を吸収することができるため、太陽電池100の効率が向上する。なお、前記ポリマー分散液晶層150内には、散乱特性をさらに向上させるため、ナノ散乱粒子(図示せず)がさらに含まれてもよい。
図3Aは、従来の一般的な太陽電池10内での太陽光の進路を、図3Bは、本発明の一実施形態に係る太陽電池100内での太陽光の進路を示す図面である。具体的には、図3Aは、互いに隔てて配置された第1電極120と第2電極110との間に、第1半導体層125及び第2半導体層115が設けられた従来の一般的な太陽電池10の構造を示し、図3Bは、前述した本発明の一実施形態に係る太陽電池100の構造を示す。
図3Aによると、従来の一般的な太陽電池10では、光源70から太陽電池10内に垂直に入射する太陽光は、第1電極120を透過して、第1半導体層125及び第2半導体層115に入射した後、第2電極110により、光源70側に反射されて外に出る。この場合、太陽電池10内で、太陽光は、太陽電池10の厚さの約2倍に相当する距離を進む。図3Bに示される本発明の一実施形態に係る太陽電池100では、光源70からポリマー分散液晶層150内に入射する太陽光は、ポリマー151と液晶152との屈折率差により、多様な方向に散乱された後、ほとんど全てがポリマー分散液晶層150を透過し、このように透過された光は、第1電極120を経て第1半導体層125及び第2半導体層115に入射する。そして、第1半導体層125及び第2半導体層115に入射した光のうち、吸収されなかった光は、前記第2電極110により多様な角度に反射された後、第1電極120を経てポリマー分散液晶層150に再び入射される。このように、ポリマー分散液晶層150内に入射された光は、再び多様な方向に散乱されて、その一部は、ポリマー分散液晶層150を透過して外に出て、他の一部は、ポリマー分散液晶層150と外気との屈折率差による全反射により、再び第1半導体層125及び第2半導体層115の内部に入る。このように、本発明の一実施形態に係る太陽電池100では、ポリマー分散液晶層150を利用して、太陽光を多様な方向に散乱させた後、光を第1半導体層125及び第2半導体層115の内部に入射させることで、太陽電池100内で太陽光が進む経路を増大させることができる。これにより、第1半導体層125及び第2半導体層115は、より多量の太陽光を吸収できるため、太陽電池100の効率を向上させることができる。
図4は、本発明の他の一実施形態に係る太陽電池を概略的に示す断面図である。以下では、前述した実施形態と異なる点を中心に説明する。
図4に示される太陽電池200によると、第1電極220及び第2電極210が互いに一定の間隔で配置されており、前記第1電極220と第2電極210との間には、第1半導体層225及び第2半導体層215が形成されている。前記第1電極220は、光透過性物質から形成され、前記第2電極210は、光反射性物質から形成される。そして、光源70から太陽光が入射する第1電極220上には、ポリマー分散液晶層250が設けられている。前記ポリマー分散液晶層250は、ポリマー251と、このポリマー251内に均一に分散された液晶252とを含む。ここで、液晶分子253は、前記ポリマー分散液晶層250内でランダムに配列されている。なお、前記ポリマー分散液晶層250内には、散乱特性をさらに向上させるためのナノ散乱粒子(図示せず)がさらに含まれてもよい。
前記ポリマー分散液晶層250上には、反射防止膜260がコーティングされている。かかる反射防止膜260は、光源70から入射する太陽光が、外気とポリマー分散液晶層250との界面で反射されることを防止する役割を行う。このように、本実施形態の太陽電池200では、ポリマー分散液晶層250上に反射防止膜260をコーティングすることで、光源70からより多量の太陽光がポリマー分散液晶層250内に入射する。
図5は、本発明のさらに他の一実施形態に係る太陽電池を概略的に示す断面図である。以下では、前述した実施形態と異なる点を中心に説明する。
図5に示される太陽電池300によると、第1電極320及び第2電極310が互いに一定の間隔で配置されており、前記第1電極320と第2電極310との間には、第1半導体層325及び第2半導体層315が形成されている。前記第1電極320は、光透過性物質から形成され、前記第2電極310は、光反射性物質から形成される。そして、光源70から太陽光が入射する第1電極320上には、ポリマー分散液晶層350が設けられている。本実施形態において、前記ポリマー分散液晶層350は、ポリマー351、液晶352、及び波長変換物質355を含む。ここで、前記液晶352及び波長変換物質355は、ネットワーク構造のポリマー351内に分散されている。前記波長変換物質353とは、入射する光の波長を変換させる物質を意味する。液晶分子352は、前記ポリマー分散液晶層350内でランダムに配列されている。なお、前記ポリマー分散液晶層350内には、散乱特性をさらに向上させるためのナノ散乱粒子(図示せず)がさらに含まれてもよい。
一般的に、太陽電池では、使われる半導体物質の種類によって使用可能な太陽光の波長帯が変わるので、半導体物質が使用できる波長帯を外れる波長を有する太陽光は、太陽電池により電力に変換されない。しかしながら、本実施形態の太陽電池300のように、ポリマー分散液晶層350内に波長変換物質355を含むことにより、光源70から入射される太陽光のうち、半導体物質で使用されない波長を有する太陽光が、波長変換物質355により、使用可能な波長を有する太陽光に変換されることで、太陽電池の効率をさらに向上させることができる。なお、前記ポリマー分散液晶層350上には、図4に示すような反射防止膜260がさらに形成されてもよい。
図6は、本発明のさらに他の一実施形態に係る太陽電池を概略的に示す断面図である。以下では、前述した実施形態と異なる点を中心に説明する。
図6に示される太陽電池400によると、第1電極420及び第2電極410が互いに一定の間隔で配置されており、前記第1電極420と第2電極410との間には、第1半導体層425及び第2半導体層415が形成されている。前記第1電極420及び第2電極410は、光透過性物質から形成される。光源70から太陽光が入射する第1電極420上には、第1ポリマー分散液晶層450が設けられている。ここで、前記第1ポリマー分散液晶層450は、第1ポリマー451と、この第1ポリマー451内に分散された第1液晶452とを含む。そして、第1液晶分子453は、前記第1ポリマー分散液晶層450内でランダムに配列されている。なお、前記第1ポリマー分散液晶層450内には、散乱特性をさらに向上させるためのナノ散乱粒子(図示せず)がさらに含まれてもよい。そして、前記第2電極410の下面には、第2ポリマー分散液晶層440が設けられている。ここで、前記第2ポリマー分散液晶層440は、第2ポリマー441と、この第2ポリマー441内に分散された第2液晶442とを含む。そして、第2液晶分子443は、前記第2ポリマー分散液晶層440内でランダムに配列されている。なお、前記第2ポリマー分散液晶層440内には、散乱特性をさらに向上させるためのナノ散乱粒子(図示せず)がさらに含まれてもよい。
前記のような構造において、光源70から第1ポリマー分散液晶層450に入射した太陽光は、多様な角度に散乱された後、ほとんど全てが第1ポリマー分散液晶層450を透過し、このように透過された光は、第1半導体層425及び第2半導体層415に入射する。そして、前記第1半導体層425及び第2半導体層415に入射した光のうち、吸収されていない光は、透明な第2電極410を経て第2ポリマー分散液晶層440に入射する。このように、第2ポリマー分散液晶層440に入射した光は、多様な方向に散乱されて、その一部は、再び第1半導体層425及び第2半導体層415に入射する。したがって、本実施形態では、光源70から入射する太陽光をより多く吸収することで、太陽電池400の効率が向上する。なお、光源70から太陽光が入射する第1ポリマー分散液晶層450上には、図4に示すような反射防止膜260がさらに形成されてもよい。また、前記第1ポリマー分散液晶層450及び第2ポリマー分散液晶層440内には、図5に示すような波長変換物質355がさらに含まれてもよい。
図7は、本発明のさらに他の一実施形態に係る太陽電池を概略的に示す断面図である。以下では、前述した実施形態と異なる点を中心に説明する。
図7に示される太陽電池500によると、第1電極520及び第2電極510が互いに一定の間隔で配置されており、前記第1電極520と第2電極510との間には、第1半導体層525及び第2半導体層515が形成されている。前記第1電極520及び第2電極510は、光透過性物質から形成される。そして、前記第2電極510の下面には、ポリマー分散液晶層550が設けられている。前記ポリマー分散液晶層550は、ポリマー551と、このポリマー551内に分散された液晶552とを含む。液晶分子553は、前記ポリマー分散液晶層550内でランダムに配列されている。なお、前記ポリマー分散液晶層550内には、散乱特性をさらに向上させるためのナノ散乱粒子(図示せず)がさらに含まれてもよい。
前記のような構造において、光源70から第1電極520を経て太陽光が第1半導体層525及び第2半導体層515に入射する。そして、このように入射した光のうち、吸収されていない光は、第2電極510を経てポリマー分散液晶層550内に入射する。前記ポリマー分散液晶層550内に入射した光は、多様な方向に散乱され、その一部は、第1半導体層525及び第2半導体層515に再び入射し、吸収される。なお、光源70から太陽光が入射する第1電極520上には、図4に示すような反射防止膜260がさらに形成されてもよく、前記ポリマー分散液晶層550内には、図5に示すような波長変換物質355がさらに含まれてもよい。
本発明のポリマー分散液晶層に含まれる、ポリマー、液晶及び波長変換物質の材料や組成比、並びにポリマー分散液晶層の厚さは、特に制限はなく、通常の材料、組成比及び厚さが適宜採用されうる。
なお、本発明の太陽電池に含まれるポリマー分散液晶層以外の部材(電極、半導体層、反射防止膜)の材料、形状、サイズ等は、特に制限はなく、本技術分野で使用されうる材料、形状、サイズから当業者が適宜選択することができる。
以上の実施形態で説明したポリマー分散液晶層を光散乱層として利用した太陽電池は、あらゆる類型の太陽電池、例えば、薄膜太陽電池、化合物半導体太陽電池、色素増感型太陽電池、または有機太陽電池などに適用される。以上、本発明の実施形態を説明したが、これらは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態を実施することが可能であるという点を理解できるであろう。
産業上利用可能性
本発明は、太陽電池関連の技術分野に適用可能である。
10 従来の一般的な太陽電池、
50、150、250、350、440、450、550 ポリマー分散液晶層、
51、151、251、351、441、451、551 ポリマー、
52、152、252、352、442、452、552 液晶、
53、153、253、353、443、453、553 液晶分子、
70 光源、
100、200、300、400、500 太陽電池、
110、210、310、410、510 第2電極、
115、215、315、415、515 第2半導体層、
120、220、320、420、520 第1電極、
125、225、325、425、525 第1半導体層。

Claims (16)

  1. 互いに隔てて設けられる第1電極及び第2電極と、
    前記第1電極と第2電極との間に設けられる半導体層と、
    前記第1電極及び第2電極のうちの少なくとも一つの電極上に設けられる、ポリマー及び液晶を含むポリマー分散液晶層と、を備え、
    前記ポリマー分散液晶層は、入射光を散乱、透過させることで、前記半導体層内での光路を増大させることを特徴とする太陽電池。
  2. 太陽光が入射される前記ポリマー分散液晶層上には、反射防止膜がコーティングされることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  3. 前記ポリマー分散液晶層は、波長変換物質をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池。
  4. 前記半導体層は、p型半導体層及びn型半導体層を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽電池。
  5. 互いに隔てて設けられる第1及び第2電極と、
    前記第1電極と第2電極との間に設けられる半導体層と、
    前記第1電極上に設けられる、ポリマー及び液晶を含む第1ポリマー分散液晶層と、を備え、
    前記第1ポリマー分散液晶層は、入射光を散乱、透過させることで、前記半導体層内での光路を増大させることを特徴とする太陽電池。
  6. 前記第1ポリマー分散液晶層上には、反射防止膜がコーティングされることを特徴とする請求項5に記載の太陽電池。
  7. 前記第1ポリマー分散液晶層は、波長変換物質をさらに含むことを特徴とする請求項5または6に記載の太陽電池。
  8. 前記波長変換物質は、量子ドットまたは蛍光体染料を含むことを特徴とする請求項7に記載の太陽電池。
  9. 前記第1電極は、光透過性物質からなり、前記第2電極は、光反射性物質からなることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の太陽電池。
  10. 前記第1電極及び第2電極は、光透過性物質からなることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の太陽電池。
  11. 前記第2電極上には、ポリマー及び液晶を含む第2ポリマー分散液晶層が設けられることを特徴とする請求項5〜10のいずれか1項に記載の太陽電池。
  12. 前記半導体層は、p型半導体層及びn型半導体層を備えることを特徴とする請求項5〜11のいずれか1項に記載の太陽電池。
  13. ポリマー及び液晶を含むポリマー分散液晶層を備え、前記ポリマー分散液晶層は、入射される太陽光を散乱、透過させることで、太陽光の進路を増大させることを特徴とする太陽電池。
  14. 前記ポリマー分散液晶層上には、反射防止膜がコーティングされることを特徴とする請求項13に記載の太陽電池。
  15. 前記ポリマー分散液晶層は、波長変換物質をさらに含むことを特徴とする請求項13または14に記載の太陽電池。
  16. 薄膜太陽電池、化合物半導体太陽電池、色素増感型太陽電池、または有機太陽電池であることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の太陽電池。
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