JP2015231016A

JP2015231016A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2015231016A
Application number: JP2014117645A
Authority: JP
Inventors: 吉成　次郎; Jiro Yoshinari; 次郎吉成; 秀樹土肥; Hideki Doi; 師岡　久雄; Hisao Morooka; 久雄師岡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-12-21

Abstract

【課題】より小型化が可能な太陽電池を提供する。【解決手段】太陽電池１では、ホログラム部３Ａに入射した光が、ホログラム部３Ａの回折格子による回折によって進路を変更され、光電変換膜２に入射する。このような構成とするためには、ホログラム部３Ａの主面（表面又は裏面）の法線方向と、ホログラム部３Ａに形成された回折格子とのなす角θとの関係をホログラム部３Ａの平均屈折率をｎとし、光電変換膜２におけるホログラム部３Ａの周縁の高さ位置からホログラム部３Ａに入射する光の出射元へ向かう方向の端部までの高さをｄとし、ホログラム部の最大寸法をａとしたときに所定の数式を満たすものとする。これにより、ホログラム部３Ａにて反射した光が光電変換膜２に対して到達する構成となり、従来の太陽電池のように別途光導波路を準備する必要がなく、太陽電池全体を小型化することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池に関する。

従来から、ホログラム等の回折物によって入射光の進行方向を変更することで光導波路内を伝搬させた後、導波光を光電変換膜等の光電池に入射させる光学素子が知られている。

特開２０１３−８０９６６号公報

しかしながら、特許文献１記載のように光導波路を備える光学素子の場合、光導波路が設けられるために光学素子としての厚みが増大するため、光学素子全体が大型化してしまう可能性がある。また、光導波路内を伝搬させることで導波路を構成する材料による光吸収による損失が生じる場合があり、光電変換膜による光収集効率が低下する可能性がある。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、より小型化が可能な太陽電池を提供することを目的とする。

発明者は鋭意研究の結果、回折物の配置角度を変更して入射光の進行方向を制御することによって、光導波路により光を伝搬させることなく光電変換膜に光を入射させることができることを見出した。より具体的には、ホログラム部における回折格子の回折格子面の延在方向をホログラム部の主面の延在方向とは異なる方向とすることにより、光電変換膜へ向かうように入射光の進行方向を変更できることを見出した。

すなわち、本発明の一形態に係る太陽電池は、主面の延在する面とは異なる方向に沿った回折格子面を有する回折格子が形成され、前記主面の一方側から入射する光の進行方向を変更する板状のホログラム部と、前記ホログラム部の周縁の少なくとも一部に沿って設けられ、その主面が前記ホログラム部の前記主面に対する法線方向であって、且つ、前記法線方向に沿って見たときに前記ホログラム部の前記周縁の高さ位置から前記一方側に延びる光電変換膜と、を備え、前記回折格子の前記回折格子面と前記ホログラム部の前記主面に対する前記法線方向とのなす角θは、前記ホログラム部の平均屈折率をｎとし、前記光電変換膜における前記ホログラム部の前記周縁の高さ位置から前記回折格子に入射する光の出射元へ向かう方向の端部までの高さをｄとし、前記ホログラム部の最大寸法をａとしたときに、以下の数式（１）及び数式（２）を満たすことを特徴とする。

上記の太陽電池では、ホログラム部の回折格子の回折格子面とホログラム部の主面の法線方向とのなす角θが上記の数式を満たすように制御することで、ホログラム部に入射した光を光電変換膜方向へ出射することができることができる。したがって、上記の太陽電池では、光導波路等を用いることなく周縁の光電変換膜で光を収集することができることから、太陽電池の小型化が可能となる。

また、本発明の他の形態に係る太陽電池は、主面の延在する面とは異なる方向に沿った回折格子面を有する回折格子が形成され、前記主面の一方側から入射する光の進行方向を変更する板状のホログラム部と、前記ホログラム部の周縁の少なくとも一部に沿って設けられ、その主面が前記ホログラム部の前記主面に対する法線方向であって、且つ、前記法線方向に沿って見たときに前記ホログラム部の前記周縁の高さ位置から前記一方側とは反対側に延びる光電変換膜と、を備え、前記回折格子の前記回折格子面と前記ホログラム部の前記主面に対する前記法線方向とのなす角θは、前記ホログラム部の平均屈折率をｎとし、前記光電変換膜における前記ホログラム部の前記周縁の高さ位置から前記回折格子に入射する光の出射元へ向かう方向とは逆方向の端部までの高さをｄとし、前記ホログラム部の最大寸法をａとしたときに、以下の数式（３）及び数式（４）を満たすことを特徴とする。

上記の太陽電池では、ホログラム部の回折格子の回折格子面とホログラム部の主面の法線方向とのなす角θが上記の数式を満たすように制御することで、ホログラム部に入射した光を透過させた上で光電変換膜方向へ出射することができる。したがって、上記の太陽電池では、光導波路等を用いることなく周縁の光電変換膜で光を収集することができることから、太陽電池の小型化が可能となる。

本発明によれば、より小型化が可能な太陽電池が提供される。

第１実施形態に係る太陽電池の概略構成を説明する図である。第１実施形態に係る太陽電池の断面図である。第２実施形態に係る太陽電池の断面図である。ホログラム記録のための光学系を説明する図である。光電変換膜の構造を説明する断面図である。太陽電池構造を説明する図である。ホログラム記録のための光学系を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽電池の概略構成を説明する図である。図１に示すように、太陽電池１は、円環状に配置された光電変換膜２と、光電変換膜２の一方側の端部を塞ぐように配置された板状のホログラム部３Ａと、を含んで構成される。光電変換膜２は、光Ｌの入射方向に沿って円環の軸線が延びるように配置される。またホログラム部３Ａは、光Ｌの入射する側とは逆側の光電変換膜２の端部に設けられ、光Ｌの入射方向に対して直交する面を形成する。図１に示すように、光Ｌが上方（一方の主面側）から入射する場合には、ホログラム部３Ａが水平面に延在するように配置される。また、光電変換膜２は、その主面に対する法線が水平方向に延びるように、ホログラム部３Ａに対して垂直方向に直立するように配置される。この光電変換膜２の主面は、換言すれば、水平方向に延びるホログラム部３Ａの主面に対する法線方向に延び、且つ、この法線方向（垂直方向）に沿って見たときに、ホログラム部３Ａの周縁の高さ位置から光Ｌの出射元へ向かう方向に延びている。なお、ホログラム部３Ａは、一対の主面（表面、裏面）を有している板状の部材であり、一方の主面（表面）は図示上方側に配置され、他方の主面（裏面）は図示下方側に配置される。また、本実施形態にホログラム部３Ａは、その厚さが均一であり、上方及び下方の主面の双方が水平方向に延びている。したがって、ホログラム部３Ａの主面の法線方向とは、垂直方向を指す。

なお、ホログラム部３Ａに代えて、光電変換膜２よりも上方にホログラム部３Ｂを配置する構成を有する太陽電池が第２実施形態である。この点は後述する。

図１に示す太陽電池１は、例えば、太陽電池内蔵の時計等に適用される。この場合、ホログラム部３Ａの上方に透光性の文字盤が積層されると共に文字盤の周囲を囲うように光電変換膜２を配置することで、文字盤に入射した光を光電変換膜２において回収することが可能な時計を製造することができる。ただし、太陽電池１の使用方法は上記用途に限定されない。また、円形のホログラム部３Ａ及びホログラム部３Ａの周囲に設けられる円環状の光電変換膜２の形状は適宜変形することができる。

光電変換膜２は、公知の光電変換層を有するシート状の積層体を適用することができる。このような光電変換膜２としては、例えば、アモルファスシリコンにより構成される光電変換層を有する半導体素子として実現することができるが、これには限定されず、他の材料を用いることもできる。

光電変換膜２は、その厚さが３００μｍ〜１０００μｍ程度であり、可撓性を有する態様とすることができる。光電変換膜２が可撓性を有する場合、製造後の光電変換膜２を円筒状等に加工することができる。また、光電変換膜２の幅（上下方向の長さ）は適宜変更することができるが、例えば、１ｍｍ〜５ｍｍ程度とすることができる。

ホログラム部３Ａは、円盤状をなし、公知のホログラム記録材料によって形成されその主面に沿って延びる体積ホログラム部として実現される。ホログラム部３Ａには、基準波と信号波との干渉によって生成された干渉縞が回折格子として書き込まれている。すなわち、ホログラム部３Ａは回折格子として機能する。そして、ホログラム部３Ａにて反射された光が上下方向から横方向へ進路を変更されて、光電変換膜２に入射する。

ホログラム部３Ａは膜厚が５μｍ〜１００μｍ程度であるため、基材３１によって支持される。基材３１は、ホログラム部３Ａから出射した光の光電変換膜２への進路上には設けられていない態様とすることができる。すなわち、図１に示すホログラム部３Ａを支持する基材３１は、ホログラム部３Ａよりも下方に設けられている態様とすることができる。この場合、基材３１がホログラム部３Ａから出射する光に対して干渉することによる損失を防ぐことができる。図１では、ホログラム部３Ａを下方から支持し、その径がホログラム部３Ａと同一の基材３１を例示するが、基材３１の形状は特に限定されない。したがって、例えば、基材３１が光電変換膜２及びホログラム部３Ａを下方から支持する構成とすることもできる。また、ホログラム部３Ｂを備える太陽電池の場合には、ホログラム部３Ｂからの光はホログラム部３Ｂの下方に出射されることから、ホログラム部３Ｂよりも上方に基材が設けられる態様とすることができる（なお、ホログラム部３Ｂを支持する基材については、図１中に示していない）。ホログラム部３Ｂよりも上方に基材が設けられる場合、光Ｌの損失を防ぐため、基材は透光性を有する材料を選択することができ、特にガラス、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等を用いることができる。

太陽電池１において、ホログラム部３Ａの周縁と光電変換膜２とは、できるだけ近く配置されることができる。ホログラム部３Ａが光電変換膜２から離間して配置されている場合、ホログラム部３Ａにて進路を変更された光が光電変換膜２に到達しない可能性が増し、損失が大きくなることが考えられる。

ここで、ホログラム部３Ａについて、図２を参照しながらさらに説明する。図２は、太陽電池の一部断面図であり、一方側の光電変換膜２とホログラム部３Ａとを示したものである。図２では、ホログラム部３Ａに入射した光Ｌがホログラム部３Ａの下面側で反射し光電変換膜２に入射する場合の光の進路を示している。なお、ホログラム部３Ａは、上下方向で見たときに、光電変換膜２の下端と同一の高さ位置に配置されているとする。図２において、ホログラム部３Ａの厚さは光電変換膜２の高さｄの１／３程度であるが、実際には光電変換膜２の高さは例えば数ｍｍ程度とされる一方、ホログラム部３Ａの厚さは例えば数十μｍ程度とされる。すなわち、ホログラム部３Ａの厚さは光電変換膜２の高さに比べて十分小さい。したがって、図２では、ホログラム部３Ａの下面側で光Ｌが回折した例を示しているが、光Ｌは、ホログラム部３Ａの全体で回折する。

本実施形態に係る太陽電池１では、ホログラム部３Ａに入射した光が、ホログラム部３Ａの回折格子による回折によって進路を変更され、光電変換膜２に入射する。このような構成とするためには、ホログラム部３Ａの主面（表面又は裏面）の法線方向と、ホログラム部３Ａに形成された回折格子の回折格子面とのなす角θ（図２参照）が以下の数式（５）及び（６）を満たす。

ここで、ａは、ホログラム部３Ａの最大寸法である。最大寸法とは、例えばホログラム部３Ａの形状が円形状である場合にはその最大径を指し、四角形状である場合には、最長の対角線の長さを指し、三角形状である場合には最長辺の長さを指す。また、ｄは、光電変換膜の最大高さである。ここでの最大高さとは、ホログラム部３Ｂの周縁の高さ位置に対する光電変換膜２の上端部の高さ位置の最大値である。また、ｎはホログラム部３Ａの平均屈折率を示す。

上記の関係式は、ブラッグの回折条件及びスネルの屈折条件を用いて導かれる。具体的には、ホログラム部３Ａに対して法線に沿って入射した光Ｌがホログラム部３Ａの上面側で全反射することなくホログラム部３Ａから外方に出射して光電変換膜２に到達可能な条件を満たす式である。

具体的には、ホログラム部３Ａの主面（表面又は裏面）の法線方向と、ホログラム部３Ａに形成された回折格子の回折格子面とのなす角θ分だけ回折格子を傾けた場合、ホログラム部３Ａの上面側で光Ｌが全反射する条件に基づいて、（５）及び数式（６）の下限値が定められる。また、ホログラム部３Ａの中心下面側で全反射した光Ｌがホログラム部３Ａから外方に出射して光電変換膜２の最上端に到達可能な条件に基づいて、数式（６）の上限値が定められる。

このように、ホログラム部３Ａの回折格子の回折格子面の傾きを制御して、ホログラム部３Ａにて反射した光が光電変換膜２に対して到達する構成とすることで、従来の太陽電池のように別途光導波路を準備する必要がなく、太陽電池全体としての小型化を達成することができる。また、光導波路を別途設ける場合と比較して、光導波路の構成材料が伝搬する光を吸収することも防がれるため、太陽電池１全体としての性能も向上する。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る太陽電池について説明する。第２実施形態に係る太陽電池は、第１実施形態に係る太陽電池と比較して以下の点が相違する。すなわち、第１実施形態に係る太陽電池では、ホログラム部３Ａにおいて入射した光が反射する構成としていたのに対して、第２実施形態に係る太陽電池では、ホログラム部に入射した光がホログラム部を透過した後に光電変換膜に入射する構成としたものである。第２実施形態に係る太陽電池全体の概略構成としては、図１に示す太陽電池１のホログラム部３Ａに代えて、光電変換膜２よりも上方側にホログラム部３Ｂを配置する構成を有するものである。

ホログラム部３Ｂを有する太陽電池１Ａについて、図３を参照しながらさらに説明する。図３は、太陽電池１Ａの一部断面図であり、一方側の光電変換膜２とホログラム部３Ｂとを示したものである。

光電変換膜２の主面は、水平方向に延びるホログラム部３Ｂの主面に対する法線方向に延び、且つ、この法線方向（垂直方向）に沿って見たときに、ホログラム部３Ｂの周縁の高さ位置から光Ｌの出射元へ向かう方向（上方向）とは逆方向（下方向）に延びている。

図３では、ホログラム部３Ｂに入射した光Ｌがホログラム部３Ｂの下面側で回折格子により回折され光電変換膜２に入射する場合の光の進路を示している。なお、ホログラム部３Ｂは、上下方向で見たときに、光電変換膜２の上端と同一の高さ位置に配置されているとする。図３において、ホログラム部３Ｂの厚さは光電変換膜２の高さｄの１／３程度であるが、実際には光電変換膜２の高さは数ｍｍ程度とされる一方、ホログラム部３Ｂの厚さは数十μｍ程度である。すなわち、ホログラム部３Ａの厚さは光電変換膜２の高さに比べて十分小さい。したがって、図２では、ホログラム部３Ｂの下面側で光Ｌが回折した例を示しているが、光Ｌはホログラム部３Ｂ全体で回折し、その差は無視できるほどに小さい。

本実施形態に係る太陽電池１Ａでは、ホログラム部３Ｂに入射した光が、ホログラム部３Ｂの回折格子による回折によって進路を変更し、屈折されてホログラム部３Ｂを透過して出射し光電変換膜２に入射する。このような構成とするためには、ホログラム部３Ｂの主面（表面又は裏面）の法線方向と、ホログラム部３Ｂに形成された回折格子の回折格子面とのなす角θ（図３参照）が以下の数式（７）及び（８）を満たす。

上記の数式（７）及び（８）に含まれる係数ａ，ｄ，ｎは、第１実施形態と同様である。すなわち、ａは、ホログラム部３Ｂの最大寸法である。ｄは、光電変換膜の最大高さである。ここでの最大高さとは、ホログラム部３Ｂの周縁の高さ位置に対する光電変換膜２の下端部の高さ位置の最大値である。また、ｎはホログラム部３Ｂの平均屈折率を示す。

上記の関係式は、ブラッグの回折条件及びスネルの屈折条件を用いて導かれる。具体的には、ホログラム部３Ｂに対して法線に沿って入射した光Ｌがホログラム部３Ｂの下面側から透過する条件を満たし、且つ、ホログラム部３Ｂの中心に向けて法線に沿って入射し、ホログラム部３Ｂの中心下面側で屈折して出射した光Ｌが、ホログラム部３Ａから外方に出射して光電変換膜２に到達可能な条件を満たす式である。

具体的には、ホログラム部３Ｂの主面（表面又は裏面）の法線方向と、ホログラム部３Ｂに形成された回折格子の回折格子面とのなす角θ分だけ回折格子を傾けた場合、ホログラム部３Ｂの下面側で光Ｌが透過する条件に基づいて、（７）及び数式（８）の上限値が定められる。また、ホログラム部３Ｂの中心下面側で屈折して出射した光Ｌがホログラム部３Ｂ下方から外方に出射して光電変換膜２の最下端に到達可能な条件に基づいて、数式（８）の下限値が定められる。

このように、第２実施形態に係る太陽電池１Ａにおいても、ホログラム部３Ｂの回折格子の回折格子面の傾きを制御して、ホログラム部３Ｂを透過した光が光電変換膜２に対して到達する構成とすることで、従来の太陽電池のように別途光導波路を準備する必要がなく、太陽電池全体として小型化することができる。また、光導波路を別途設ける場合と比較して、光導波路の構成材料が伝搬する光を吸収することも防がれるため、太陽電池１Ａ全体としての性能も向上する。

以上、本発明の実施形態に係る太陽電池について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。例えば、上記実施形態では、ホログラム部の全周を覆うように光電変換膜が設けられている構成について説明したが、光電変換膜はホログラム部の全周を囲っていなくてもよく、ホログラム部の回折格子が光を回折する方向のみに光電変換膜が設けられている構成であってもよい。なお、ホログラム部の周囲を全て囲うように光電変換膜を配置した場合には、一部のみに配置する場合と比較して、ホログラム部に入射する光に対する光電変換効率が向上する。また、ホログラム部における回折格子の格子間隔を調整すること等によって特定波長の光を選択的に回折する構成として、ホログラム部の外観色調を制御する構成をさらに備えていてもよい。

以下、実施例及び比較例に基づき本発明に係る太陽電池をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
（ホログラム記録媒体の作製）
以下の手順に従って、記録材料組成物溶液を調製した。まず、マトリクスとして酢酸ビニルポリマー（和光純薬工業（株）製、酢酸ビニルポリマー、数平均分子量Ｍｎ＝１４００〜１６００、５０重量％メタノール溶液）１０ｇに、光重合性モノマーとして９，９−ビス［４−（２−アクリロイルオキシエトキシ）フェニル］フルオレン（新中村工業（株）製、ＮＫエステルＡ−ＢＰＥＦ）３ｇ、分散媒としてマロン酸ジヘキシル１．２ｇ、及び可塑剤としてセバシン酸ジエチル０．４ｇを加え、次いで過酸化物系光重合開始剤（チッソ（株）製、ＢＴ−２、３，３’−ジ（ｔｅｒｔ−ブチルパーオキシカルボニル）−４，４’−ジ（メトキシカルボニル）ベンゾフェノンを含む位置異性体混合物の４０％アニソール溶液）２．４ｇを加えた。この混合物に、さらに、５３２ｎｍに感度を有する１０ｍｇの増感色素（３−ブチル−２−［３−（３−ブチル−５−フェニル−１，３−ベンゾオキサゾール−２（３Ｈ）−イリデン）プロパ−１−エン−１−イル］−５−フェニル−１，３−ベンゾオキサゾール−１−イウム＝ヘキサフルオロ−λ５−ホスファヌイド）を溶解させた６ｇのアセトン溶液（アセトン５．９９ｇ）を添加し、撹拌して溶解させた。このようにして記録材料組成物溶液を得た。

得られた記録材料組成物溶液を、バーコーターを用いて５０μｍ厚のＰＥＴフィルム上に塗布し、室温で一晩減圧乾燥させた。乾燥後の記録材料層の膜厚は２０μｍであった。これを５ｃｍ角、１．０ｍｍ厚のスライドガラスに記録材料層がガラス面に接するように貼り付け、ホログラム記録媒体３０とした。

（ホログラム記録）
作製したホログラム記録媒体３０を用いて、以下のようにホログラム記録をおこなった。記録に用いられた光学系を図４に示す。

まず、緑色レーザのレーザ光源１１としてＮｄ−ＹＡＧ固体レーザ（コヒーレント社波長５３２ｎｍ）を用いた。レーザ光源１１から出力されるレーザ光は、電磁シャッタ１２を経て、レンズ１３、ピンホール１４及びレンズ１５がこの順に通過することで、所定の径とされた。その後、ミラー１６を経た後に、Ｓ偏光になるように、１／２波長板１７によって調整した。

Ｓ偏光とされた光をビームスプリッタ１８によって参照光２６と信号光２７とにその強度が１：１となるように分光した後に、さらに、それぞれの光路の後段にあるＮＤフィルタ１９，２０によって信号光２７と参照光２６の強度が等しくなるように調整した。

ＮＤフィルタ１９を通過した参照光２６は、ミラー２１を調整して、後段のアパーチャ２３及びプリズム２５を通過した光が、ホログラム記録媒体３０の主面の法線に対して１４３度傾いた角度で入射するようにした。このとき、アパーチャ２３は、ホログラム記録媒体３０に入射する光によりホログラム領域が直径２０ｍｍの円筒状となるように調整した。

一方、ＮＤフィルタ２０を通過した信号光２７は、ホログラム記録媒体３０の主面の法線に沿ってホログラム記録媒体３０に対して入射し且つ参照光２６の照射領域と重なるようにミラー２２の角度を調整した。また、参照光２６と同様にホログラム記録媒体３０内のホログラム領域が、直径２０ｍｍの円筒状になるように、アパーチャ２４を調整した。

次に、積算露光量が２０ｍＪ／ｃｍ^２になるように、電磁シャッタ１２のシャッタースピードを調整し、記録露光をおこなった。その後、ホログラム記録媒体３０を蛍光灯（２７Ｗ）下のホログラム記録媒体３０までの距離が３０ｃｍとなる位置に６時間放置し、未反応成分を反応させるとともに、増感色素由来の着色を完全に消失させた。これをポストキュアという。その結果、ホログラム記録媒体３０の中心部分に、直径２０ｍｍの円筒状ホログラムが形成されているのを目視で確認した。これにより、回折格子が形成された実施例１に係るホログラム記録媒体（ホログラム部）を得た。

（回折格子の評価）
実施例１に係るホログラム記録媒体３０について、以下のように、記録した回折格子の評価を行った。

まず、ホログラムの記録に用いたレーザ光源１１を用いて、ホログラム記録媒体３０の表面に向けてその法線方向に沿って緑色レーザ光を照射した。照射した緑色レーザの媒体透過光の光強度Ｐｔは１ｍＷであり、回折光の光強度Ｐｄは０．９ｍＷであった。また、回折後にホログラム記録媒体３０の表面（レーザ光を照射した側の面）から出射される光の角度（回折角度）θ_０は、７７度であった。なお、θ_０は、出射される光の方向とホログラム記録媒体３０の主面の法線方向とのなす角度である。

ブラッグの回折条件及びスネルの屈折条件より、ホログラム部の平均屈折率ｎ、回折格子への光入射角度θ_ｉ、回折格子からの光出射角度θ_ｏ、回折格子の回折格子面の角度θ_ｄとの間には、反射型ホログラムでは下記数式（９）に示す関係が成り立ち、透過型ホログラムでは下記数式（１０）に示す関係が成り立つ。

評価に用いたホログラム記録媒体３０ではｎ＝１．６２であって、光入射角度θ_ｉ＝０度、θ_ｏ＝７７度と測定されたことから、ホログラム記録媒体３０に形成された回折格子の回折格子面と、ホログラム部主面に対する法線方向とのなす角度θ＝θ_ｄは、７１．５度であることが分った。

（光電変換膜の作製）
図５に示す光電変換膜２８を以下の方法で作製した。まず、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）基板４１上にアルミニウムとステンレスの積層体からなる下部電極４２をスパッタリングで形成した。次にＰＩＮ接合からなるアモルファスシリコン層（光電変換層）４３をプラズマＣＶＤで下部電極４２上に形成した。次に、アモルファスシリコン層４３上に透明電極４４としてＩＴＯ（酸化インジウム−スズ化合物）をスパッタリングにより成膜した。

次にＹＡＧレーザを用いて、下部電極４２、アモルファスシリコン層４３、及び、透明電極４４をレーザ加工してこれらを貫通する開口ｈ１を形成し、複数のユニットセルｕへの分断を行った。さらに、下部電極４２との導通を取るための開口ｈ２も形成した。

次に、絶縁インクを用いて、スクリーン印刷により絶縁樹脂層用インクを印刷し、印刷後１６０℃オーブンで加熱乾燥し、ユニットセルに分断する絶縁樹脂層４５を形成した。
次にカーボンブラックを分散した導電インキを用いて、スクリーン印刷により絶縁樹脂層４５上に配線層４６を形成した。印刷後、１６０℃オーブンで加熱乾燥した。これにより、光電変換膜２８を得た。

なお、光電変換膜２８は、ユニットセルｕとして、長さ１１．３４ｍｍ、幅２．４７ｍｍの大きさに分断した状態で、直径２５ｍｍの円筒形状にした。

（光電変換特性の評価）
図６に示すように、ホログラム記録媒体３０のＰＥＴフィルム面側に、回折格子が形成された領域が光電変換膜２８の円筒中心部となるように光電変換膜２８を設置した。これにより実施例１に係る太陽電池構造を得た。この太陽電池構造は、ホログラム記録媒体３０であるホログラム部と光電変換膜とを有する第１実施形態に係る太陽電池に相当する構造を有する。

この太陽電池構造では、ホログラム部の平均屈折率ｎ＝１．６２であって、ホログラム部の径ａ＝２０ｍｍであって、光電変換膜２８の高さｄ＝２．４７ｍｍとなることから、これらの値を数式（６）に代入する。この結果、上記の数式（６）におけるθの下限値は６４度となる。一方、数式（６）におけるθの上限値は７２度となる。実施例１に係る構造体におけるホログラム記録媒体３０に形成された回折格子の回折格子面と、ホログラム部主面に対する法線方向とのなす角度は７１．５度であるので、数式（６）を満足する。また、当然ながら数式（５）を満足する。すなわち、実施例１に係る太陽電池構造は、数式（５）及び数式（６）を満たすことが確認された。

このようにして製造した実施例１に係る太陽電池構造を、２００ｌｘ（ルクス）照度の蛍光灯の下に配置して電流電圧特性を測定した。光電変換膜２８をホログラム記録媒体３０上に配置した場合と、ホログラム記録媒体３０上とは異なる位置に配置した場合とで動作電圧２．６Ｖでの短絡電流（Ｉｓｃ）を比較したところ、ホログラム記録媒体３０上に配置した場合には、光電変換膜単体（ホログラム記録媒体３０上とは異なる位置に配置した場合）に対して、３０％の短絡電流増加が認められた。すなわち、ホログラム記録媒体３０に形成された回折格子によって、入射光の進行方向が曲げられ、光電変換膜２８に入射する光が増加したことが確認された。

［実施例２、比較例１、及び比較例２］
参照光２６の照射角度を実施例１から変更した以外は実施例１と同様の方法により、実施例２、比較例１及び比較例２に係るホログラム記録媒体及び太陽電池構造を作成した。ただし、実施例２及び比較例２は、照射角度を変更することで、第２実施形態の太陽電池と同様に、入射光がホログラム記録媒体を透過する構造を有する。そこで、実施例２及び比較例２に係る太陽電池構造では、ホログラム記録媒体のＰＥＴフィルム面とは逆の面側に、ホログラムが形成された領域が光電変換膜２８の円筒中心部となるように光電変換膜２８を設置することで、太陽電池構造を作成した。また、実施例２及び比較例２に係るホログラム記録の光学系としては、図７の光学系を用いた。図７に示す光学系は、図５に示す光学系と比較して、ホログラム記録媒体３０の前段にプリズム２５を配置して、参照光２６及び信号光２７の双方がプリズム２５を通過して一方側の主面から入射するようにしたものである。

その後、実施例１と同様に各ホログラム記録媒体の評価及び太陽電池構造の光電変換特性の評価を行った。

ホログラム記録媒体のホログラム領域に関して、ホログラム部の形状、平均屈折率、参照光の照射角度、ホログラム部の回折格子への光入射角度θ_ｉ、回折格子からの光出射角度θ_ｏ、数式（９）を用いて算出した回折格子の回折格子面とホログラム部主面に対する法線方向とのなす角度θ＝θ_ｄを表１に示す。

次に、ホログラム部径、回折格子面とホログラム部の主面に対する法線方向とのなす角度θが数式（５）、（６）及び数式（７）、（８）を満たすかの確認結果、及び、太陽電池構造における電流増加率を表２に示す。なお、実施例１，２及び比較例１，２の全てにおいて、太陽電池構造では、ｎ＝１．６２であって、ホログラム部の径a＝２０ｍｍであって、光電変換膜の高さｄ＝２．４７ｍｍであるので、これらの値を数式（８）に代入する。この結果、上記の数式（６）におけるθの下限値は１８．４度となる。一方、数式（８）におけるθの上限値は１９．１度となる。

上記評価結果に示すように、回折格子の回折格子面がホログラム部主面に対する法線とのなす角度θが、数式（５）、（６）又は数式（７）、（８）を満たす場合には、太陽電池構造における電流増加率が上昇することが確認された。

１，１Ａ…太陽電池、２…光電変換膜、３Ａ，３Ｂ…ホログラム部。

Claims

主面の延在する面とは異なる方向に沿った回折格子面を有する回折格子が形成され、前記主面の一方側から入射する光の進行方向を変更する板状のホログラム部と、
前記ホログラム部の周縁の少なくとも一部に沿って設けられ、その主面が前記ホログラム部の前記主面に対する法線方向であって、且つ、前記法線方向に沿って見たときに前記ホログラム部の前記周縁の高さ位置から前記一方側に延びる光電変換膜と、を備え、
前記回折格子の前記回折格子面と前記ホログラム部の前記主面に対する前記法線方向とのなす角θは、前記ホログラム部の平均屈折率をｎとし、前記光電変換膜における前記ホログラム部の前記周縁の高さ位置から前記回折格子に入射する光の出射元へ向かう方向の端部までの高さをｄとし、前記ホログラム部の最大寸法をａとしたときに、以下の数式（１）及び数式（２）を満たす太陽電池。
主面の延在する面とは異なる方向に沿った回折格子面を有する回折格子が形成され、前記主面の一方側から入射する光の進行方向を変更する板状のホログラム部と、
前記ホログラム部の周縁の少なくとも一部に沿って設けられ、その主面が前記ホログラム部の前記主面に対する法線方向であって、且つ、前記法線方向に沿って見たときに前記ホログラム部の前記周縁の高さ位置から前記一方側とは反対側に延びる光電変換膜と、を備え、
前記回折格子の前記回折格子面と前記ホログラム部の前記主面に対する前記法線方向とのなす角θは、前記ホログラム部の平均屈折率をｎとし、前記光電変換膜における前記ホログラム部の前記周縁の高さ位置から前記回折格子に入射する光の出射元へ向かう方向とは逆方向の端部までの高さをｄとし、前記ホログラム部の最大寸法をａとしたときに、以下の数式（３）及び数式（４）を満たす太陽電池。