JP2014107504A - Photovoltaic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光起電力装置に関する。 The present invention relates to a photovoltaic device.
無尽蔵の太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池とも称される光起電力素子の開発が各方面で精力的に行われている。例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の結晶質系シリコンを用いた光起電力素子または光起電力装置の研究および実用化が盛んに行われている。 Photovoltaic elements, also called solar cells, that convert inexhaustible solar energy into electrical energy have been vigorously developed in various fields. For example, research and practical application of photovoltaic elements or photovoltaic devices using crystalline silicon such as single crystal silicon and polycrystalline silicon have been actively conducted.
近年、太陽電池をビルや住宅用の電源として用いるため、屋根や壁面に光起電力装置を設置するようになっているが、この場合、単に発電設備としての機能が求められるだけでなく、建物の美的外観の見地からデザイン面での機能を求められることがある。例えば、その色彩については、シリコンを用いる光起電力素子のほとんどが濃紺色や黒色であることから、光起電力素子に色調整層を設けることで色彩のバリエーションを増やす試みがなされている(特許文献1参照)。 In recent years, since photovoltaic cells are used as power sources for buildings and houses, photovoltaic devices have been installed on roofs and walls. In this case, not only functions as power generation facilities are required, but buildings From the standpoint of aesthetic appearance, design functions may be required. For example, since most of photovoltaic elements using silicon are dark blue or black, attempts have been made to increase color variations by providing a color adjustment layer on the photovoltaic elements (patents) Reference 1).
屋根や壁面に設置される光起電力装置は、一般に光起電力素子を保護するための透明な保護基板を備えるが、色調整層を設けた光起電力素子の上を透明な保護基板で覆ってしまうと、光起電力素子の表面が暗く見えてしまう。そうすると、保護基板なしの状態では色調整層により鮮やかな色彩が実現されていたとしても、保護基板を設けた状態では色がくすんで見えてしまうこととなり、せっかくの色彩が活かされなくなってしまう。 Photovoltaic devices installed on roofs and walls generally include a transparent protective substrate for protecting the photovoltaic element, but the photovoltaic element provided with a color adjustment layer is covered with a transparent protective substrate. If this happens, the surface of the photovoltaic element will appear dark. Then, even if a vivid color is realized by the color adjustment layer in the state without the protective substrate, the color becomes dull when the protective substrate is provided, and the precious color is not utilized.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、より明るい色彩を呈する光起電力装置を提供することにある。 This invention is made | formed in view of such a condition, The objective is to provide the photovoltaic apparatus which exhibits a brighter color.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光起電力装置は、受光面を有する光起電力素子と、受光面の上に設けられ、受光面に対向する主面を有する保護基板と、受光面と主面の間であって当該主面上に設けられ、保護基板を透過する光に含まれる一部の波長の光を、他の波長の光と比較して相対的に強く反射する基板側カラー制御層と、受光面と主面の間であって当該受光面上に設けられ、基板側カラー制御層を透過する光に含まれる一部の波長の光を、他の波長の光と比較して相対的に強く反射する素子側カラー制御層と、基板側カラー制御層と前記素子側カラー制御層の間を充填する保護層と、を備える。 In order to solve the above problems, a photovoltaic device according to an aspect of the present invention includes a photovoltaic element having a light receiving surface, a protective substrate provided on the light receiving surface and having a main surface facing the light receiving surface. The light of a part of the wavelength included in the light that is provided between the light receiving surface and the main surface and is transmitted through the protective substrate is reflected relatively strongly compared to the light of other wavelengths. The substrate-side color control layer is provided between the light-receiving surface and the main surface, and is provided on the light-receiving surface. An element-side color control layer that reflects relatively strongly compared to light, and a protective layer that fills a space between the substrate-side color control layer and the element-side color control layer.
本発明によれば、光起電力装置が呈する色彩の明るさを向上することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the brightness of the color which a photovoltaic apparatus exhibits can be improved.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate.
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態に係る光起電力装置100の構造を示す断面図である。本実施形態に係る光起電力装置100は、光起電力素子70の受光面70a上に形成される素子側カラー制御層22と、保護基板40の主面(光起電力素子70の受光面70aに対向する面)40a上に形成される基板側カラー制御層42を備え、これら二つのカラー制御層が所定の間隔をあけるよう保護層44が設けられる。二つのカラー制御層は、屈折率の異なる複数の制御膜が積層された多層膜により構成され、カラー制御層に入射する光のうち一部の波長の光を相対的に強く反射する。光起電力装置100は、所定の間隔をあけて設けられる二つのカラー制御層により、保護基板40の側から見える光起電力装置100の色彩がより明るくなるようにする。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the
光起電力装置100は、特に図示していないが、複数の光起電力素子70を備える。光起電力素子70は、発電層10と、第1透明電極層18と、第1金属電極20と、第2透明電極層28と、第2金属電極30を備える。発電層10は、ベース基板12と、第1のi型層14と、第1導電型層16と、第2のi型層24と、第2導電型層26を備える。
Although not particularly shown, the
ベース基板12は、結晶質の半導体層であり、例えば、単結晶の半導体層や、多数の結晶粒が集合した多結晶の半導体層である。ここでは、ベース基板12として、n型のドーパントが添加されたn型結晶質シリコン基板を用い、ドーピング濃度は1016/cm3程度とする。また、ベース基板12は、光起電力素子70に入射する光吸収効率を向上させるためのテクスチャ構造62が設けられる。テクスチャ構造62を設けることで、光起電力素子70に入射する光の進行方向を変化させ、ベース基板12に入射した光の光路長を長くすることができる。なお、テクスチャ構造62は、後述する素子側カラー制御層22に反映される第1の凹凸構造64を形成するためにも用いる。
The
第1のi型層14及び第1導電型層16は、非晶質系の半導体層であり、アモルファス相又はアモルファス相内に微少な結晶粒が析出している微結晶相を含む半導体層である。ここでは、水素を含有するアモルファスシリコンとする。第1のi型層14は、実質的に真性のアモルファスシリコンであり、第1導電型層16は、p型のドーパントが添加されたアモルファスシリコンである。第1導電型層16は、第1のi型層14よりもドーパント濃度が高いシリコンとされる。例えば、第1のi型層14には意図的にドーピングを行わず、第1導電型層16のドーパント濃度は1018/cm3程度とすればよい。
The first i-
第1のi型層14の厚さは、光の吸収をできるだけ抑えるためにはできるだけ薄くすることが望ましく、ベース基板12の表面が十分にパッシベーションされる程度にすることが好ましい。具体的には、第1のi型層14の厚さは、1nm以上50nm以下とすればよく、例えば10nmとする。
The thickness of the first i-
また、第1導電型層16は、光の吸収をできるだけ抑えられるためにはできるだけ薄くすることが望ましく、光起電力素子70の開放電圧が十分に高くなるような程度に厚くすることが好ましい。具体的には、第1導電型層16の厚さは、例えば、1nm以上50nm以下とすればよく、例えば10nmとする。
The first
第2のi型層24及び第2導電型層26は、非晶質系の半導体層であり、アモルファス相又はアモルファス相内に微少な結晶粒が析出している微結晶相を含む半導体層であり、ここでは、水素を含有するアモルファスシリコンとする。第2のi型層24は、実質的に真性のアモルファスシリコンであり、第2導電型層26は、n型のドーパントが添加されたアモルファスシリコンである。第2導電型層26は、第2のi型層24よりもドーパント濃度が高いシリコン層とされる。例えば、第1導電型層16には意図的にドーピングを行わず、第2導電型層26のドーパント濃度は1018/cm3程度とすればよい。
The second i-
第2のi型層24の厚さは、ベース基板12の表面が十分にパッシベーションされる程度に厚くするとよい。具体的には、第2のi型層24の厚さは1nm以上とすればよく、例えば10nmとする。また、第2導電型層26の厚さは、光起電力素子70の開放電圧が十分に高くなるような程度にするとよい。第2導電型層26の厚さは1nm以上とすればよく、例えば200nmとする。
The thickness of the second i-
第1透明電極層18及び第2透明電極層28は、酸化錫(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、インジウム錫酸化物(ITO)等に錫(Sn)、アンチモン(Sb)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)等をドープした透明導電性酸化物(TCO)のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛(ZnO)は、透光性が高く、抵抗率が低い等の利点を有している。第1透明電極層18及び第2透明電極層28の膜厚は、10nm以上500nm以下とすればよく、例えば100nmとする。
The first
第1金属電極20及び第2金属電極30は、光起電力素子70の受光面70aと、受光面70aに対向する裏面にそれぞれ設けられ、発電層10が発電した電力を外部に取り出すための電極である。第1金属電極20及び第2金属電極30は、例えば、銅(Cu)やアルミニウム(Al)を含む導電性の材料である。なお、銅(Cu)や錫(Sn)等の電解メッキ層を含んでもよい。ただし、これに限定されるものでなく、金、銀等の他の金属、他の導電性材料、又はそれらの組み合わせとしてもよい。
The
本実施形態では、光起電力素子70の第1透明電極層18側が受光面70aとなる。ここで、受光面とは、光起電力素子70において主に光(太陽光)Aが入射される主面を意味し、具体的には、光起電力素子70に入射される光Aの大部分が入射される面である。
In the present embodiment, the first
また、光起電力装置100は、素子側カラー制御層22と、基板側カラー制御層42と、保護基板40と、バックシート50と、保護層44を備える。
In addition, the
素子側カラー制御層22は、光起電力素子70の受光面70a上に形成され、保護基板40側から受光面70aに入射される光のうち一部の波長の光を相対的に強く反射することにより、所定の色彩を呈示するカラー制御層である。素子側カラー制御層22は、屈折率の異なる複数の制御膜が積層された多層膜により構成され、例えば、複数種類の誘電体が幾重にも積層される誘電体多層膜である。具体的には、屈折率が4.0程度である酸化シリコン(SiO)層や、屈折率が2.0程度である窒化シリコン(SiN)層などを用いる。多層膜を構成するそれぞれの制御膜の屈折率や膜厚は、必要とする色に応じて適宜選択することが望ましい。なお、素子側カラー制御層22は、ベース基板12のテクスチャ構造62を反映した第1の凹凸構造64を有する。
The element-side
保護基板40は、光起電力素子70を光起電力素子70を外部環境から保護するとともに、光起電力素子70が発電のために吸収する波長帯域の光を透過する。保護基板40は、例えば、ガラス基板である。
The
保護基板40は、光起電力素子70の受光面70aと対向し、基板側カラー制御層42が接合される主面40aを有し、主面40aに第2の凹凸構造66が設けられる。
The
基板側カラー制御層42は、保護基板40の主面40a上に形成され、保護基板40側から主面40aに入射される光のうち一部の波長の光を相対的に強く反射することにより、所定の色彩を呈示するカラー制御層である。基板側カラー制御層42は、素子側カラー制御層22と同様、屈折率の異なる複数の制御膜が積層された多層膜により構成され、多層膜を構成するそれぞれの制御膜の屈折率や膜厚は、必要とする色に応じて適宜選択することが望ましい。なお、基板側カラー制御層42は、保護基板40に形成される第2の凹凸構造66の形状を反映した凹凸構造を有する。
The substrate-side
保護層44及びバックシート50は、EVA、ポリイミド等の樹脂材料である。これにより、光起電力装置100の発電層への水分の浸入等を防ぐとともに、光起電力装置100全体の強度を向上させる。また、保護層44は、素子側カラー制御層22と基板側カラー制御層42の間が所定の間隔となるようにその間を充填する役割を果たす。なお、バックシート50は、保護基板40と同じガラスや、プラスチック等の透明基板としてもよい。また、保護基板40側から入射した光が発電層10により多く吸収されるよう、保護層44とバックシート50との間に反射層を設けることで、光起電力素子70を透過してバックシート50に達した光を光起電力素子70へ反射させてもよい。
The
次に、光起電力装置100の製造方法について説明する。
図2は、テクスチャ構造62が形成されたベース基板12を示す図である。ベース基板12は、結晶質の半導体材料であり、例えば、シリコン、多結晶シリコン、砒化ガリウム(GaAs)、インジウム燐(InP)等の半導体基板である。なお、本実施の形態では、ベース基板12として単結晶シリコン基板を用いた例を示す。したがって、後述する第1のi型層14、第1導電型層16、第2のi型層24、第2導電型層26もシリコン層とする。ただし、ベース基板12をシリコン以外の材料としてもよく、これらの層もシリコン層以外の材料としてもよい。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 2 is a diagram illustrating the
図2において、ベース基板12の第1面12aおよび第2面12bには、テクスチャ構造62が形成されている。ベース基板12を、水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液中で化学的にエッチングすることにより、ベース基板12の表面に微細な凹凸形状を有するテクスチャ構造62が形成される。テクスチャ構造62の凹凸形状は、エッチングに用いるNaOH水溶液の濃度や反応時間などを変えることにより制御することが望ましい。
In FIG. 2, a
図3は、i型層および導電型層が形成された発電層10を示す図である。ベース基板12の第1面12a上に第1のi型層14と第1導電型層16が順に形成され、第2面12b上に第2のi型層24と第2導電型層26が順に形成されることにより発電層10ができる。
FIG. 3 is a diagram showing the
第1のi型層14及び第1導電型層16は、シラン(SiH4)等のケイ素含有ガスを用いたプラズマ化学気相法(PECVD)により形成することができる。シラン(SiH4)等のケイ素含有ガスを供給しつつ、高周波電源から高周波電極へ高周波電力を供給することによって原料ガスのプラズマが生成され、プラズマからベース基板12上に原料が供給されてシリコン薄膜が形成される。原料ガスには、必要に応じてジボラン(B2H6)等のドーパント含有ガスを混合する。
The first i-
第2のi型層24及び第2導電型層26も同様に、シラン(SiH4)等のケイ素含有ガスを用いたプラズマ化学気相法(PECVD)により形成することができる。原料ガスには、必要に応じてホスフィン(PH3)等のドーパント含有ガスを混合する。
Similarly, the second i-
図4は、電極が形成された光起電力素子70を示す図である。第1導電型層16の上に第1透明電極層18及び第1金属電極20が形成され、第2導電型層26の上に第2透明電極層28及び第2金属電極30が形成される。
FIG. 4 is a diagram showing a
第1透明電極層18及び第2透明電極層28は、スパッタリング法又はプラズマ化学気相成長法(PECVD)等の薄膜形成方法で形成することができる。第1金属電極20及び第2金属電極30は、スクリーン印刷法により銀(Ag)ペースト等の導電性材料を印刷することにより形成することができる。
The first
図5は、素子側カラー制御層22を形成した光起電力素子70を示す図である。素子側カラー制御層22は、受光面70aである第1透明電極層18及び第1金属電極20の上に形成される。素子側カラー制御層22は、シラン(SiH4)に酸素(O2)又は窒素(N2)を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法(PECVD)により形成することができる。これにより、素子側カラー制御層22は、ベース基板12に形成されるテクスチャ構造62を反映した第1の凹凸構造64を有する。
FIG. 5 is a diagram showing the
図6は、第2の凹凸構造66が形成された保護基板40を示す図である。保護基板40は、基板側カラー制御層42が形成される主面40aに微細な凹凸形状である第2の凹凸構造66が形成されている。第2の凹凸構造66は、微細な粒体を主面40aに衝突させるブラスト処理などにより形成することができる。
FIG. 6 is a diagram showing the
図7は、基板側カラー制御層42を形成した保護基板40を示す図である。基板側カラー制御層42は、第2の凹凸構造66が形成された主面40a上に形成される。基板側カラー制御層42は、素子側カラー制御層22と同様、シラン(SiH4)に酸素(O2)又は窒素(N2)を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法(PECVD)により形成することができる。これにより、基板側カラー制御層42は、主面40aに形成される第2の凹凸構造66を反映した凹凸構造を有する。
FIG. 7 is a view showing the
図8は、光起電力素子70と保護基板40およびバックシート50を接着する様子を示す図である。図5に示す光起電力素子70の素子側カラー制御層22と図7に示す基板側カラー制御層42の間に保護層44となる第1保護膜44aを挟み込むとともに、第2透明電極層28及び第2金属電極30とバックシート50の間に保護層44となる第2保護膜44bを挟み込む。第1保護膜44a及び第2保護膜44bは、EVAやポリイミド等の樹脂を材料とするシートである。光起電力素子70を保護基板40とバックシート50で挟み込んだ状態で加熱圧着することにより、第1保護膜44a及び第2保護膜44bが融着して保護層44となり、図1に示す光起電力装置100が形成される。
FIG. 8 is a diagram illustrating a state in which the
以上の製造方法により、光起電力装置100は、光起電力素子70の受光面70a上に素子側カラー制御層22が設けられ、受光面70aに対向する保護基板40の主面40a上に基板側カラー制御層42が設けられるとともに、保護層44によりその間に所定の間隔が設けられることとなる。
With the manufacturing method described above, the
図9、10は、二つのカラー制御層による明るさ向上の効果を模式的に示す図である。図9は、比較例1として基板側カラー制御層42を設けない場合を示し、図10は、本実施の形態として二つのカラー制御層を設けた場合を示す。なお、図10は、光起電力素子70が備える第1透明電極層18及び第1金属電極20を省略し、発電層10の上に第1の凹凸構造64を有する素子側カラー制御層22が形成されている状態を示している。
9 and 10 are diagrams schematically showing the effect of improving the brightness by the two color control layers. 9 shows a case where the substrate-side
図9に示すように、保護基板40の上面40bに入射する入射光Aは、保護基板40及び保護層44を透過して素子側カラー制御層22に達し、素子側カラー制御層22により、その一部の波長の光が反射光Bとして反射されて保護基板40側へ向かい、その他の波長の光は発電層10に吸収されて発電に寄与する。このとき、素子側カラー制御層22により反射された反射光Bは、保護基板40の上面40bへの入射角θ1が臨界角未満であれば、斜めから観察するときにでも、ユーザの目Eに届くこととなるが、上面40bへの入射角θ1が臨界角以上であると、上面40bにおいて全反射してしまう。そうすると全反射光Cは、光起電力装置100の内部に閉じ込められてユーザの目Eに届かなくなってしまう。その結果、素子側カラー制御層22により呈示される色彩は暗く見えてしまい、明るく鮮やかな色彩が呈示されないこととなってしまう。
As shown in FIG. 9, the incident light A incident on the
一方、図10に示す光起電力装置100の場合、保護基板40の上面40bに入射する入射光A1は、第2の凹凸構造66を有する基板側カラー制御層42により、一部の波長の光が反射光B1として反射されるとともに、その他の波長の光は透過光A2として基板側カラー制御層42を透過して素子側カラー制御層22に達する。透過光A2は、第1の凹凸構造64を有する素子側カラー制御層22により、その一部の波長の光が反射光B2として反射されて保護基板40側へ向かい、その他の光は発電層10に吸収されて発電に寄与する。
On the other hand, in the case of the
このとき、素子側カラー制御層22により反射された反射光B2は、基板側カラー制御層42を透過する際に第2の凹凸構造66により散乱されることにより、保護基板40の上面40bへの入射角θ2が基板側カラー制御層42がない場合と比べて変化する。例えば、基板側カラー制御層42がない場合には臨界角以上の角度で上面40bに入射することとなる光の一部が基板側カラー制御層42により散乱され、入射角θ2が臨界角未満となり散乱光B3としてユーザの目Eに届くこととなる。その結果、基板側カラー制御層42が設けられない場合と比較して、素子側カラー制御層22により呈示される色彩が明るく見えるようにすることができる。
At this time, the reflected light B2 reflected by the element-side
また、光起電力装置100は基板側カラー制御層42を備えることにより、基板側カラー制御層42により反射される反射光B1がユーザの目に届くこととなる。したがって、基板側カラー制御層42により呈示される色彩がユーザの目に見えることとなり、図9に示す基板側カラー制御層42が設けられない場合と比べて、より明るい色彩を呈示することができる。
Further, the
以上の二つのカラー制御層による明るさ向上の効果を、波動光学シミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、光起電力装置に入射させた入射光Aに対して、反射光Bに含まれる可視光の強度を求めた。また、光起電力装置から反射される反射光の明るさを上げると、光起電力素子に吸収される光の割合が減少して発電効率が低下することが予想されるため、発電層10に吸収される光の強度から発電量の値を求め、反射光Bの明るさに対してどの程度発電量が減少するかを計算した。 The effect of brightness improvement by the above two color control layers was obtained by wave optics simulation. In the simulation, the intensity of visible light contained in the reflected light B was obtained with respect to the incident light A incident on the photovoltaic device. Further, when the brightness of the reflected light reflected from the photovoltaic device is increased, the ratio of the light absorbed by the photovoltaic element is expected to decrease and the power generation efficiency is expected to decrease. The value of the power generation amount was obtained from the intensity of the absorbed light, and the extent to which the power generation amount decreased with respect to the brightness of the reflected light B was calculated.
図11〜13は、波動光学シミュレーションに用いたモデルを示す。図11は、波動光学シミュレーションに用いた比較例1に係るモデルを示す。比較例1では、発電層10として周期1μmのテクスチャ構造を設けた厚さ50μmのシリコン基板層を設定し、その上に素子側カラー制御層22を構成する厚さ280nm、屈折率2.0の第1制御膜22aと、厚さ5nm、屈折率4.0の第2制御膜22bを設定した。また、保護基板40として厚さ50μm、屈折率1.5の媒質を設定した。
11 to 13 show models used for wave optical simulation. FIG. 11 shows a model according to Comparative Example 1 used in the wave optical simulation. In Comparative Example 1, a silicon substrate layer having a thickness of 50 μm provided with a texture structure with a period of 1 μm is set as the
図12は、波動光学シミュレーションに用いた比較例2に係るモデルを示す。比較例2では、図11に示す比較例1と同様に、発電層10として周期1μmのテクスチャ構造を設けた厚さ50μmシリコン基板層を設定し、その上に素子側カラー制御層22を構成する厚さ280nm、屈折率2.0の第1制御膜22aと、厚さ5nm、屈折率4.0の第2制御膜22bを設定した。なお比較例2では、保護層44を設けず、素子側カラー制御層22のすぐ上に、基板側カラー制御層42として、厚さ5nm、屈折率4.0の第3制御膜42bと、厚さ280nm、屈折率2.0の第4制御膜42a設定した。
FIG. 12 shows a model according to Comparative Example 2 used in the wave optical simulation. In Comparative Example 2, as in Comparative Example 1 shown in FIG. 11, a 50 μm thick silicon substrate layer having a texture structure with a period of 1 μm is set as the
図13は、波動光学シミュレーションに用いた実施例1に係るモデルを示す。なお、実施例1は、第1の実施形態に相当する。実施例1では、図12に示す素子側カラー制御層22と基板側カラー制御層42の間に、さらに保護層44として厚さ2μm、屈折率1.5の媒質を設定した。また、基板側カラー制御層42の凹凸構造の周期を、素子側カラー制御層22とは異なる0.25μmとした。
FIG. 13 shows a model according to Example 1 used for the wave optical simulation. Note that Example 1 corresponds to the first embodiment. In Example 1, a medium having a thickness of 2 μm and a refractive index of 1.5 was set as the
上記モデルによるシミュレーションの結果、比較例1に対して実施例1では、反射光Bに含まれる可視光の明るさを約70%向上させることができた。また、反射光Bの明るさに対する発電量の減少割合については、比較例1では13.2%であるのに対し、実施例1では9.5%という結果が得られた。一方、比較例1に対して保護層44が設けられない比較例2では、反射光Bに含まれる可視光の明るさは約5%しか向上せず、反射光Bの明るさに対する発電量の減少割合については、11.7%であった。したがって、所定の間隔をあけて二つのカラー制御層を設けることにより、反射光の明るさを向上させるとともに、反射光の明るさに対する発電効率の減少を抑えることができることがわかった。
As a result of the simulation using the above model, the brightness of the visible light included in the reflected light B was improved by about 70% in Example 1 compared to Comparative Example 1. Further, the reduction rate of the power generation amount with respect to the brightness of the reflected light B was 13.2% in the comparative example 1, while the result of 9.5% was obtained in the example 1. On the other hand, in the comparative example 2 in which the
<第2の実施形態>
図14は、第2の実施形態に係る光起電力装置200の構造を示す断面図である。以下、第1の実施形態における光起電力装置100との相違点を中心に説明する。光起電力装置200は、光起電力素子70の受光面70a上に形成される素子側カラー制御層22と、保護基板40の主面40a上に形成される基板側カラー制御層42とが設けられ、これら二つのカラー制御層が所定の間隔となるよう保護層44が設けられる。光起電力装置200は、保護基板40の主面40aに凹凸構造が設けられず、主面40a上に形成される基板側カラー制御層42にも凹凸構造が設けられていない点が第1の実施形態における光起電力装置100と異なる。
<Second Embodiment>
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of the
次に、光起電力装置200の製造方法を示す。
図15は、第2の実施形態に係る保護基板40を示す図である。保護基板40は、第1の実施形態とは異なり、基板側カラー制御層42が形成される主面40aに凹凸形状が形成されておらず、主面40aが平坦である。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 15 is a diagram illustrating a
図16は、基板側カラー制御層42を形成した保護基板40を示す図である。基板側カラー制御層42は、第2の凹凸構造66が形成された主面40a上に形成される。基板側カラー制御層42は、シラン(SiH4)に酸素(O2)又は窒素(N2)を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法(PECVD)により形成することができる。
FIG. 16 is a view showing the
図17は、光起電力素子70と保護基板40およびバックシート50を接着する様子を示す図である。図5に示す光起電力素子70の素子側カラー制御層22と図16に示す基板側カラー制御層42の間に保護層44となる第1保護膜44aを挟み込むとともに、第2透明電極層28及び第2金属電極30とバックシート50の間に保護層44となる第2保護膜44bを挟み込む。第1保護膜44a及び第2保護膜44bは、EVAやポリイミド等の樹脂を材料とするシートである。光起電力素子70を保護基板40とバックシート50で挟み込んだ状態で加熱圧着することにより、第1保護膜44a及び第2保護膜44bが融着して保護層44となり、図14に示す光起電力装置200が形成される。
FIG. 17 is a diagram illustrating a state in which the
図18は、波動光学シミュレーションに用いた実施例2に係るモデルを示す。なお、実施例2は、第2の実施形態に相当する。実施例2では、図13に示す実施例1と同様に、発電層10として周期1μmのテクスチャ構造を設けた厚さ50μmシリコン基板層を設定し、その上に素子側カラー制御層22を構成する厚さ280nm、屈折率2.0の第1制御膜22aと、厚さ5nm、屈折率4.0の第2制御膜22bを設定した。また、保護層44として厚さ2μm、屈折率1.5の媒質を設定し、その上に凹凸構造を有さない平坦な基板側カラー制御層42として、厚さ280nm、屈折率2.0の第3制御膜42aと、厚さ5nm、屈折率4.0の第4制御膜42bを設定した。
FIG. 18 shows a model according to Example 2 used in the wave optics simulation. Example 2 corresponds to the second embodiment. In Example 2, similarly to Example 1 shown in FIG. 13, a 50 μm-thick silicon substrate layer having a texture structure with a period of 1 μm is set as the
上記モデルによるシミュレーションの結果、図11に示す比較例1に対して実施例2では、反射光Bに含まれる可視光の明るさを3倍以上に向上させることができた。また、反射光Bの明るさに対する発電量の減少割合については、7.8%という結果が得られた。したがって、所定の間隔をあけて二つのカラー制御層を設け、基板側カラー制御層42を平坦な構造としても、反射光の明るさを向上させるとともに、反射光の明るさに対する発電効率の減少を抑えることができることがわかった。
As a result of the simulation by the above model, the brightness of the visible light included in the reflected light B can be improved three times or more in the second embodiment compared to the first comparative example shown in FIG. Moreover, about the reduction | decrease rate of the electric power generation amount with respect to the brightness of the reflected light B, the result of 7.8% was obtained. Therefore, even if two color control layers are provided at a predetermined interval and the substrate-side
<第3の実施形態>
図19は、第3の実施形態に係る光起電力装置300の構造を示す断面図である。以下、第1の実施形態における光起電力装置100との相違点を中心に説明する。光起電力装置300は、光起電力素子70の受光面70a上に形成される素子側カラー制御層22と、保護基板40の主面40a上に形成される基板側カラー制御層42とが設けられ、これら二つのカラー制御層が所定の間隔となるよう保護層44が設けられる。光起電力装置300は、光起電力素子70の受光面70aに凹凸構造が設けられず、受光面70a上に形成される素子側カラー制御層22にも凹凸構造が設けられていない点が第1の実施形態における光起電力装置100と異なる。
<Third Embodiment>
FIG. 19 is a cross-sectional view showing the structure of the
次に、光起電力装置300の製造方法を示す。
図20は、第3の実施形態に係るベース基板12を示す図である。ベース基板12は、第1の実施形態と同様に単結晶シリコン基板であるが、第1の実施形態とは異なり、表面にテクスチャ構造が設けられない。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 20 is a diagram illustrating the
図21は、i型層、導電型層及び電極が形成された光起電力素子70を示す図である。 第1のi型層14及び第1導電型層16は、シラン(SiH4)等のケイ素含有ガスを用いたプラズマ化学気相法(PECVD)により形成することができる。原料ガスには、必要に応じてジボラン(B2H6)等のドーパント含有ガスを混合する。第2のi型層24及び第2導電型層26も同様に、シラン(SiH4)等のケイ素含有ガスを用いたプラズマ化学気相法(PECVD)により形成することができる。原料ガスには、必要に応じてホスフィン(PH3)等のドーパント含有ガスを混合する。
FIG. 21 is a diagram showing a
第1導電型層16の上に第1透明電極層18及び第1金属電極20が形成され、第2導電型層26の上に第2透明電極層28及び第2金属電極30が形成される。第1透明電極層18及び第2透明電極層28は、スパッタリング法又はプラズマ化学気相成長法(PECVD)等の薄膜形成方法で形成することができる。第1金属電極20及び第2金属電極30は、スクリーン印刷法により銀(Ag)ペースト等の導電性材料を印刷することにより形成することができる。
The first
図22は、素子側カラー制御層22を形成した光起電力素子70を示す。素子側カラー制御層22は、受光面70aである第1透明電極層18及び第1金属電極20の上に形成される。素子側カラー制御層22は、シラン(SiH4)に酸素(O2)又は窒素(N2)を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法(PECVD)により形成することができる。
FIG. 22 shows a
図23は、光起電力素子70と保護基板40およびバックシート50を接着する様子を示す図である。図22に示す光起電力素子70の素子側カラー制御層22と図7に示す基板側カラー制御層42の間に保護層44となる第1保護膜44aを挟み込むとともに、第2透明電極層28及び第2金属電極30とバックシート50の間に保護層44となる第2保護膜44bを挟み込む。第1保護膜44a及び第2保護膜44bは、EVAやポリイミド等の樹脂を材料とするシートである。光起電力素子70を保護基板40とバックシート50で挟み込んだ状態で加熱圧着することにより、第1保護膜44a及び第2保護膜44bが融着して保護層44となり、図19に示す光起電力装置300が形成される。
FIG. 23 is a diagram illustrating a state in which the
図24、25は、波動光学シミュレーションに用いた比較例3及び実施例3に係るモデルを示す。図24は、波動光学シミュレーションに用いた比較例3に係るモデルを示す。比較例3では、比較例1とは異なり発電層10の表面にテクスチャ構造が設けられておらず、その上に形成される素子側カラー制御層22にも凹凸構造が設けられない。なお、凹凸構造が設けられない点以外については比較例1と同様であり、各層の厚さおよび屈折率は比較例1と同じである。
24 and 25 show models according to Comparative Example 3 and Example 3 used in the wave optical simulation. FIG. 24 shows a model according to Comparative Example 3 used in the wave optical simulation. In Comparative Example 3, unlike Comparative Example 1, no texture structure is provided on the surface of the
図25は、波動光学シミュレーションに用いた実施例3に係るモデルを示す。なお、実施例3は、第3の実施形態に相当する。実施例3では、図24に示す平坦な素子側カラー制御層22の上に、保護層44として厚さ2μm、屈折率1.5の媒質を設定し、その上に凹凸構造を有する基板側カラー制御層42として、厚さ280nm、屈折率2.0の第3制御膜42aと、厚さ5nm、屈折率4.0の第4制御膜42bを設定した。なお、基板側カラー制御層42の凹凸の周期は0.25μmとした。
FIG. 25 shows a model according to Example 3 used for the wave optical simulation. Example 3 corresponds to the third embodiment. In Example 3, a medium having a thickness of 2 μm and a refractive index of 1.5 is set as a
上記モデルによるシミュレーションの結果、比較例3に対して実施例3では、反射光Bに含まれる可視光の明るさを約15%向上させることができた。また、反射光Bの明るさに対する発電量の減少割合については、比較例3では4.7%であるのに対し、実施例3では4.6%となった。したがって、所定の間隔をあけて二つのカラー制御層を設け、素子側カラー制御層22を平坦な構造としても、反射光の明るさを向上させるとともに、反射光の明るさに対する発電効率の減少を抑えることができることがわかった。
As a result of the simulation using the above model, the brightness of the visible light included in the reflected light B was improved by about 15% in Example 3 as compared to Comparative Example 3. The reduction rate of the amount of power generation with respect to the brightness of the reflected light B was 4.7% in Comparative Example 3, whereas it was 4.6% in Example 3. Therefore, even if two color control layers are provided at a predetermined interval and the element-side
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 As described above, the present invention has been described with reference to the above-described embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the configurations of the embodiments are appropriately combined or replaced. Those are also included in the present invention. Further, it is possible to appropriately change the combination and processing order in each embodiment based on the knowledge of those skilled in the art and to add various modifications such as various design changes to each embodiment. Embodiments to which is added can also be included in the scope of the present invention.
各実施の形態において、第1金属電極20は、素子側カラー制御層22に埋没する構造について示したが、第1金属電極20を素子側カラー制御層22の厚さよりも高くすることにより、素子側カラー制御層22から突出するようにしてもよい。第1金属電極20を突出させることで、素子側カラー制御層22が導電性を有さない場合に、第1金属電極20から電力を取り出しやすくすることができる。また、素子側カラー制御層22は、導電性の制御膜により構成されることで、第1透明電極層18の機能を兼ね備えてもよい。
In each embodiment, the structure in which the
なお、以下の組合せによる光起電力装置についても本発明の範囲に含まれうる。 In addition, the photovoltaic device by the following combinations can also be included in the scope of the present invention.
(1)光起電力装置は、受光面を有する光起電力素子と、受光面の上に設けられ、受光面に対向する主面を有する保護基板と、受光面と主面の間であって当該主面上に設けられ、保護基板を透過する光に含まれる一部の波長の光を、他の波長の光と比較して相対的に強く反射する基板側カラー制御層と、受光面と主面の間であって当該受光面上に設けられ、基板側カラー制御層を透過する光に含まれる一部の波長の光を、他の波長の光と比較して相対的に強く反射する素子側カラー制御層と、基板側カラー制御層と素子側カラー制御層の間を充填する保護層と、を備える。 (1) A photovoltaic device includes a photovoltaic element having a light receiving surface, a protective substrate provided on the light receiving surface and having a main surface facing the light receiving surface, and between the light receiving surface and the main surface. A substrate-side color control layer that is provided on the main surface and reflects light of a part of wavelengths included in the light transmitted through the protective substrate relatively strongly as compared with light of other wavelengths; and a light receiving surface; Provided on the light receiving surface between the main surfaces, and reflects light of some wavelengths included in the light transmitted through the substrate-side color control layer relatively strongly as compared with light of other wavelengths. An element-side color control layer; and a protective layer filling a space between the substrate-side color control layer and the element-side color control layer.
この態様によれば、保護層によって所定の間隔があけられた素子側カラー制御層と基板側カラー制御層が相対的に強く反射する光によって、光起電力装置に所定の色彩を呈示させることができる。また、二つのカラー制御層を設けることにより、各カラー制御層により反射され保護基板から出射される光の強度を増やし、より明るい色彩を呈示させることができる。 According to this aspect, it is possible to cause the photovoltaic device to exhibit a predetermined color by the light that is relatively strongly reflected by the element side color control layer and the substrate side color control layer that are spaced apart by the protective layer. it can. Further, by providing two color control layers, the intensity of light reflected by each color control layer and emitted from the protective substrate can be increased, and a brighter color can be presented.
(2)受光面と主面の少なくとも一方に凹凸構造が設けられる(1)に記載の光起電力装置であってもよい。凹凸構造を設けることにより、保護基板40に対してユーザが見る角度が変わっても、より均一な色彩を呈示させることができる。
(2) The photovoltaic device according to (1), wherein a concavo-convex structure is provided on at least one of the light receiving surface and the main surface. By providing the concavo-convex structure, a more uniform color can be presented even when the angle of viewing by the user with respect to the
(3)受光面には第1の凹凸構造が設けられており、主面には第1の凹凸構造とは周期の異なる第2の凹凸構造が設けられる(2)に記載の光起電力装置であってもよい。 (3) The photovoltaic device according to (2), wherein the light-receiving surface is provided with a first uneven structure, and the main surface is provided with a second uneven structure having a period different from that of the first uneven structure. It may be.
(4)基板側カラー制御層と素子側カラー制御層の少なくとも一方は、屈折率の異なる複数の制御膜により構成される(1)乃至(3)のいずれか1項に記載の光起電力装置であってもよい。 (4) The photovoltaic device according to any one of (1) to (3), wherein at least one of the substrate-side color control layer and the element-side color control layer includes a plurality of control films having different refractive indexes. It may be.
10…発電層、18…第1透明電極層、20…第1金属電極、22…素子側カラー制御層、28…第2透明電極層、30…第2金属電極、40…保護基板、40a…主面、42…基板側カラー制御層、44…保護層、50…バックシート、62…テクスチャ構造、64…第1の凹凸構造、66…第2の凹凸構造、70…光起電力素子、70a…受光面、100、200、300…光起電力装置。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記受光面の上に設けられ、前記受光面に対向する主面を有する保護基板と、
前記受光面と前記主面の間であって当該主面上に設けられ、前記保護基板を透過する光に含まれる一部の波長の光を、他の波長の光と比較して相対的に強く反射する基板側カラー制御層と、
前記受光面と前記主面の間であって当該受光面上に設けられ、前記基板側カラー制御層を透過する光に含まれる一部の波長の光を、他の波長の光と比較して相対的に強く反射する素子側カラー制御層と、
前記基板側カラー制御層と前記素子側カラー制御層の間を充填する保護層と、
を備えることを特徴とする光起電力装置。 A photovoltaic element having a light receiving surface;
A protective substrate provided on the light receiving surface and having a main surface facing the light receiving surface;
A part of the wavelength of light included in the light that is provided between the light receiving surface and the main surface and is transmitted on the main surface and transmitted through the protective substrate is relatively compared with light of other wavelengths. A substrate-side color control layer that strongly reflects;
Compared with light of other wavelengths, the light of some wavelengths included in the light that is provided between the light receiving surface and the main surface and is transmitted on the light receiving surface and transmitted through the substrate-side color control layer An element-side color control layer that reflects relatively strongly;
A protective layer filling the space between the substrate side color control layer and the element side color control layer;
A photovoltaic device comprising:
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