JP2014036130A - 有機太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】地面に対し垂直方向で使用した場合でも、１日にわたって高い変換効率が得られる有機太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】有機光電変換素子の受光面側に、縦方向断面が略三角形のプリズム構造体３２を有する集光部材があり、プリズム構造体３２の頂点から底辺への垂線３３と入光面３４（上部面）間の角度ｘが、垂線３３と反射面３５（下部面）間の角度ｙよりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、有機光電変換素子を使用した有機太陽電池モジュールに関する。さらに詳しくは、地面に対し垂直方向で使用しても、太陽光を効率よく電気に変換できる有機太陽電池モジュールに関する。

有機光電変換素子を使用した有機太陽電池モジュールは、光電変換層に有機物を用いるため、太陽電池に色を付けたり、パターニングによって絵を描く等により、意匠性の高い製品とすることができる。例えば、窓材・建材・ブラインド等の用途に適用すれば、デザイン性に富み、見た目も美しく、かつ発電もできる部材とすることができる。
また、標識・壁面広告に有機太陽電池を利用することにより、標識や広告の照明用の電源として使用することができる。このように有機太陽電池は、屋根置き型の太陽電池のように上向きに設置するだけでなく、地面に対し垂直に設置する用途も想定される。

有機太陽電池は一般に、透光基板の裏面に、透明電極、有機光電変換層及び金属電極からなる光電変換素子を設け、基板の表面より光が入射する構成になっている。有機太陽電池を垂直に設置すると、空気と基板の界面に対して大きな入射角で太陽光が入射するため、基板の表面で反射する光が多くなり、光電変換素子に到達する光が減少する。
例えば、東京の緯度を３４°として計算すると、太陽高度の日内変動は、夏至では０〜８０°、冬至では０〜３２°である。地面に垂直に基板（屈折率ｎ＝１．５、消衰係数ｋ＝０として計算）を立てた場合、空気中から波長５００ｎｍの光が入射した場合の反射率は入射角６０°を超えたあたりで急上昇する。即ち、夏の日中の光は基板表面で反射するため、光の大部分は光電変換素子まで到達することができない。

この課題に対し、例えば、特許文献１には太陽電池モジュールの最外層に、断面が二等辺三角形であり、頂角が５０〜７０°のプリズムシートを備えた太陽電池モジュールが記載されている。

特開２０００−３１５１５号公報

本発明の目的は、地面に対し垂直方向で使用した場合でも、１日にわたって高い変換効率が得られる有機太陽電池モジュールを提供することである。

本発明によれば、以下の有機太陽電池モジュールが提供される。
１．有機光電変換素子の受光面側に、縦方向断面が略三角形のプリズム構造体を有する集光部材があり、前記プリズム構造体の頂点から底辺への垂線と入光面（上部面）間の角度ｘが、前記垂線と反射面（下部面）間の角度ｙよりも大きい、有機太陽電池モジュール。
２．前記角度ｘが４０〜６０°である１に記載の有機太陽電池モジュール。
３．前記角度ｙが５°以上である１又は２に記載の有機太陽電池モジュール。
４．前記プリズム構造体の屈折率が、波長４００〜８００ｎｍにおいて１．４以上１．７以下である、１〜３のいずれかに記載の有機太陽電池モジュール。
５．有機光電変換素子の受光面側に、縦方向断面が略三角形のプリズム構造体を有する集光部材があり、前記有機光電変換素子と前記集光部材の間に、光の屈折が不規則な乱反射層を有する、有機太陽電池モジュール。
６．前記乱反射層が、マトリックス基材と、前記マトリックス基材とは異なる材料からなる構造体からなり、前記構造体を形成している構造物の大きさが、１μｍ以上であり、前記プリズム構造体の周期よりも小さい、５に記載の有機太陽電池モジュール。

本発明によれば、地面に対し垂直方向で使用した場合でも、１日にわたって高い変換効率が得られる有機太陽電池モジュールが提供できる。

本発明の第一実施形態の有機太陽電池モジュールの概略斜視図である。 本発明の第一実施形態の有機太陽電池モジュールの概略断面図である。 角度ｘと光の入射角度が０°及び８０°であるときの入光面３４における反射率の関係を示す図である。 プリズムに入射した太陽光の反射と屈折の一般的な関係を示す図である。 プリズム構造体の反射面における反射率とプリズム構造体の反射面の占める面積の割合との積と、太陽高度の関係を示す図である。 (ａ)〜（ｅ）は、集光部材と乱反射層からなる部材の例の概略断面図である。

１．第一の態様
本発明の第一の有機太陽電池モジュールは、光を電気に変換する有機光電変換素子と、該素子の受光面側に、縦方向断面が略三角形のプリズム構造体を有する集光部材とを有する。尚、略三角形とは、三角形の他に、若干、辺が弧状であるものや、角が丸みを帯びているものなどの三角形類似形状も含むことを意味する。即ち、プリズム構造体断面は、プリズムとしての機能を発揮する範囲であれば、三角形類似形状であってもよい。
図１は、本発明の一実施形態の有機太陽電池モジュールの概略斜視図であり、図２は、同モジュールの概略断面図である。
有機太陽電池モジュール１は、透明基板１１の第一の面１１ａ側に、光を電気に変換する有機光電変換素子２０を有する。また、第一の面１１ａの反対面である第二の面１１ｂ側に集光部材３０がある。
有機光電変換素子２０は、基板１１の第一の面１１ａに有機光電変換層２１と、背面電極２２を積層した構成を有する。
集光部材３０は、フィルム３１上に縦方向断面が略三角形のプリズム構造体３２を複数形成してある。複数のプリズム構造体３２は、それぞれ水平方向に一定間隔で形成されている。

本実施形態では、プリズム構造体３２の頂点から底辺への垂線３３とプリズム構造体３２の入光面３４（上部面）間の角度ｘが、垂線３３と反射面３５（下部面）間の角度ｙよりも大きい。これにより入光面３４での光反射を抑制し、かつ、反射面３５で入射光を反射させて、有機光電変換素子２０へ到達する光量を増加することができる。

本実施形態では、上記の角度ｘは４０〜６０°であることが好ましい。
図３は角度ｘと光の入射角度が０°及び８０°であるときの入光面３４における反射率の関係を示す図である。
図３から、ｘが４０〜６０°であるときに、太陽高度が０°及び８０°の両方で反射率が１０％以下と低くなる。従って、入射光の入光面３４における反射を低減できるため、有機光電変換素子２０に到達する光量を増加できる。

上記の角度ｙは５°以上であることが好ましい。
図４はプリズムに入射した太陽光の反射と屈折の一般的な関係を示す図である。
一般に、屈折率ｎ_ａの媒質（例えば、空気）から屈折率ｎ_ｂの媒質（例えば、プリズム）に光が入射するとき、ｎ_ａ＞ｎ_ｂ、かつ、入射角θｃが以下の式を満たす時に、その界面で全反射が起こる。
θｃ＞ｓｉｎ^−１（ｎ_ｂ／ｎ_ａ）
例えば、角度ｘが４０°〜６０°である場合、屈折率１．４〜１．７の媒質でプリズムを作製すると、ｙが５°以上であれば入光面３４から入射した光が反射面３５で全反射して有機光電変換素子２０へと導かれる。

一方、角度ｙは６０°以下であることが好ましく、２０°以下であることがさらに好ましく、特に、１０°以下であることが好ましい。朝夕の太陽の高度が低い場合、具体的に太陽の高度が０〜ｙ°の場合は、太陽光が反射面３５に入射することになるが、反射面３５に入射した光は、ほぼ全反射し、有機光電変換素子２０まで到達しない。従って、入光面３４に入射する光の量を多くし、集光効率を向上するためには、角度ｙは５°以上でなるべく小さい角度であることが好ましい。

例えば、角度ｘ及び角度ｙがともに５０°であるプリズム構造体の場合と、角度ｘが５０°で角度ｙが５°であるプリズム構造体の場合について検討する。
プリズム構造体の反射面３５に光が入射するのは、太陽高度が０〜ｙ°までである。反射面３５における反射がある太陽高度範囲は、角度ｙが５０°では０〜５０°と広範囲であるが、角度ｙが５°では０〜５°と狭くなる。従って、角度ｙを小さくすることにより反射面３５での光の反射を抑制し、また、反射率が高くなる時間を短くすることができる。

ｙが小さければ、プリズムの下半分（反射面３５）には太陽高度が低い時間帯にしか光が入射しない。一方、ｙが大きければプリズムの下半分には太陽高度が高い時間帯にも光が入射し、反射によるロスが大きくなる。
また、ｙが小さければ、プリズムの下半分の占める面積を小さくすることができる。具体的に、プリズム下半分の占める面積の割合を角度ｘと角度ｙで表すとtan y/(tan x + tan y)となる。ｙが小さいほどこの値も小さくなる。

プリズム下半分における反射率とプリズム下半分の占める面積の割合との積は、プリズム下半分での反射による光の取り込みロスを示す。
図５は、プリズム構造体の反射面における反射率とプリズム構造体の反射面の占める面積の割合との積と、太陽高度の関係を示す図である。この曲線を太陽高度に対して積分すると、一日を通してのプリズム下半分における反射によるロス分を比較することができる。積分値はｙ＝５０°のときは５７３、ｙ＝５°のときは１３５となり、明らかにｙ＝５°の方が反射の寄与が小さくなる。

プリズム構造体の周期（間隔）は、１０μｍ以上であることが好ましい。周期が短いと光の回折の影響により、見る角度によって色がついて見えるので、太陽電池モジュールの美感を損ねる場合がある。
一方、プリズム構造体の周期は、太陽電池のサイズ等によって適宜調整できる。例えば、ブラインド等の小型機器に使用する場合には５００μｍ以下であれば美観を損ねることはない。建材等の大型の太陽電池の場合、周期は２００ｍｍ程度であってもよい。尚、プリズム構造体の周期とは、隣接するプリズム構造体の頂点間距離（底辺の長さ）を意味する。

プリズム構造体の高さは、太陽電池のサイズによって適宜調整できる。例えば、小型機器に使用する場合には１０μｍ〜６００μｍが好ましく、大型の太陽電池に使用する場合は２５０ｍｍ程度であってもよい。

本態様において、プリズム構造体を有する集光部材は、例えば、フィルム上に複数のプリズム構造体を形成した構造を有するものが挙げられる。この場合、透明基板と接合されるフィルムの下面が平滑になっており、フィルム上面に複数の単位プリズムが互いに平行に配列されている。
集光部材の材料は、特に限定されず、光起電力素子に用いる有機材料の吸収がある波長において透明な材料が好ましい。例えば、アクリル系樹脂（ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ウレタン樹脂、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等の有機樹脂材料や、ガラス、石英ガラス等の無機材料を用いることができる。尚、これら材料中には、紫外線吸収剤、黄変防止剤等を加えることができる。
入光面３４および反射面３５における反射を計算すると、本様態のプリズム構造体の屈折率は、波長４００〜８００ｎｍにおいて１．４以上１．７以下の場合に最も高い集光率を示す。

プリズム構造体が形成されたフィルム部分の厚さは限定されないが、プリズム構造体の耐久性、寸法安定性を保持できる程度の強度が必要であることから、５〜５００μｍ程度が好ましい。
プリズム構造体の表面には、反射防止剤や防汚剤を被覆することができる。

有機光電変換素子と集光部材を支持する透明基板としては、ガラス、石英のような無機材料や、集光部材の材料と同様な有機樹脂材料を用いることができる。
尚、集光部材と同じ材料を使用し、透明な基板と集光部材を一体に形成してもよい。

有機光電変換素子は、有機化合物を光電変換層に用いた有機太陽電池素子であればよく、素子の構成や材料については限定されず、公知のものを採用できる。光電変換素子は、封止されていることが好ましい。

２．第二の態様
本発明の第二の有機太陽電池モジュールは、有機光電変換素子の受光面側に、縦方向断面が略三角形のプリズム構造体を有する集光部材があり、この有機光電変換素子と集光部材の間に、光の屈折が不規則な乱反射層を有することを特徴とする。

一般に太陽電池は、受光面である透明基板側から、透明電極、光電変換層及び背面電極を積層した構成を有する。有機光電変換素子では、光電変換層である有機層の膜厚がおよそ５μｍ以下と、無機の太陽電池の光電変換層（数十μｍ程度）に比べて薄い。そのため、有機光電変換素子に入射した光の一部は電気に変換されず、背面電極で反射して、透明基板から放出されることがある。
本発明では、有機光電変換素子の受光面側に、プリズム構造体を有する集光部材を形成すると同時に、有機光電変換素子と集光部材の間に、光の屈折が不規則な乱反射層を形成する。集光部材により、太陽光を効率よく有機光電変換素子に到達させると同時に、光電変換層で電気に変換されなかった光を、乱反射層により有機光電変換素子の内部に閉じ込める。

本態様において、乱反射層は光の反射角度及び屈折角度に規則性のない構造体である。例えば、有機光電変換素子とプリズム構造体の間に設けられる透明基板の屈折率よりも０．２以上大きい材料（以下、材料Ａという。）と、透明基板の屈折率との差が０．１以下の材料と（以下、材料Ｂという。）を組み合わせることで形成できる。

乱反射層が、マトリックス基材と、マトリックス基材とは異なる材料からなる構造体からなる場合、構造体を形成している構造物の大きさが、１μｍ以上であり、プリズム構造体の周期以下であることが好ましい。構造物が小さすぎる場合、光の閉じ込め効果に波長依存性が生じるおそれがある。一方、構造物が大きすぎると、プリズム入射面より入射する光の、構造物表面における反射の寄与が大きくなり、集光効率が低下するおそれがある。構造物の形は乱反射層となれば特に限定されない。

図６(ａ)〜（ｅ）は、集光部材と乱反射層からなる部材の例の概略断面図である。
図６（ａ）の乱反射層４０ａは、大きさの異なる三角錐状の突起を形成したフィルム状体である材料Ａの表面に、材料Ｂを被覆して平滑面とした形態を有する。
乱反射層４０ａの材料Ｂ面側に集光部材３０を貼り付けている。
図６（ｂ）の乱反射層４０ｂは、大きさの異なる半球状の突起を形成したフィルム状体である材料Ａの表面に、材料Ｂを被覆して平滑面とした形態を有する。
乱反射層４０ｂの材料Ｂ面側に集光部材３０を貼り付けている。
図６（ｃ）の乱反射層４０ｃは、大きさの異なる球状の材料Ａを、マトリックスである材料Ｂに分散させた形態を有する。
乱反射層４０ｃの一面に集光部材３０を貼り付けている。材料Ａが材料Ｂ中に分散された乱反射フィルムは、直接透明基板上に成膜されてもよいし、透明な接着剤層（屈折率は透明基板とほぼ同じ）を介して貼りつけてもよい。
図６（ｄ）の乱反射層４０ｄは、パターニングされた材料Ａの上に材料Ｂ層が被覆されたような形態を有する。材料Ａのパターンは特に限定されないが、ハニカム状、格子状、ストライプ状などの規則構造であってもよいし、ランダムな構造であってもよい。
乱反射層４０ｄの一面に集光部材３０を貼り付けている。
図６（ｅ）の乱反射層４０ｅは、材料Ａのフィルム表面を粗面にした上に材料Ｂが被覆されたような形態を有する。材料Ａのフィルムは、直接透明基板上に成膜してから粗面加工し、乱反射層を形成してもよいし、乱反射層を形成してから透明な接着剤層を介して貼りつけてもよい。
乱反射層４０ｄの一面に集光部材３０を貼り付けている。

乱反射層を構成する材料は特に限定されない。
屈折率が透明基板より０．２以上大きい材料である材料Ａとしては、例えば、酸化チタン、高屈折率ガラス等を用いることができる。
基板の屈折率との差が０．１以下である材料Ｂとしては、ガラス、石英のような無機材料、アクリル系樹脂（ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）など）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ウレタン樹脂、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）といった有機樹脂材料を用いることができる。
乱反射層は、集光部材の形成材料と同じものを使用し、一体に形成してもよい。また、透明基板の素材と同じものを使用して一体に形成してもよい。
例えば、透明基板の表面を研磨することによって材料Ｂからなる構造体を形成し、その上に材料Ｂをコーティングすることによって乱反射層としてもよい。

本態様において、集光部材は、縦方向断面が略三角形のプリズム構造体を有する。三角形の形状は特に制限はなく、例えば、二等辺三角形でもよい。本態様では、上述した第一の態様のように、角度ｘが角度ｙよりも大きいことが好ましい。
乱反射層及び集光部材を除く構成部材は、上述した第一の態様と同様であるため、説明を省略する。

本発明の有機薄膜太陽電池モジュールは、地面に対し垂直方向で使用した場合でも、１日にわたって高い変換効率が得られる。従って、例えば、壁材、窓材、ブラインド等の建材用途や、標識、壁面広告の照明用の電源として使用することができる。

１ 有機太陽電池モジュール
１１ 透明基板
１１ａ 第一の面
１１ｂ 第二の面
２０ 有機光電変換素子
２１ 有機光電変換層
２２ 背面電極
３０ 集光部材
３１ フィルム
３２ プリズム構造体
３３ 垂線
３４ 入光面（上部面）
３５ 反射面（下部面）
４０ａ〜４０ｅ 乱反射層

Claims (6)

1. 有機光電変換素子の受光面側に、縦方向断面が略三角形のプリズム構造体を有する集光部材があり、
   前記プリズム構造体の頂点から底辺への垂線と入光面（上部面）間の角度ｘが、前記垂線と反射面（下部面）間の角度ｙよりも大きい、有機太陽電池モジュール。
2. 前記角度ｘが４０〜６０°である請求項１に記載の有機太陽電池モジュール。
3. 前記角度ｙが５°以上である請求項１又は２に記載の有機太陽電池モジュール。
4. 前記プリズム構造体の屈折率が、波長４００〜８００ｎｍにおいて１．４以上１．７以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の有機太陽電池モジュール。
5. 有機光電変換素子の受光面側に、縦方向断面が略三角形のプリズム構造体を有する集光部材があり、
   前記有機光電変換素子と前記集光部材の間に、光の屈折が不規則な乱反射層を有する、有機太陽電池モジュール。
6. 前記乱反射層が、マトリックス基材と、前記マトリックス基材とは異なる材料からなる構造体からなり、前記構造体を形成している構造物の大きさが、１μｍ以上であり、前記プリズム構造体の周期よりも小さい、請求項５に記載の有機太陽電池モジュール。

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