JP4221643B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば色素増感型光電変換装置としての湿式太陽電池に好適な光電変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の湿式太陽電池を構成する色素増感型光電変換装置は種々知られているが、図１０はその一例６６Ａの基本構造を示す断面図である。
【０００３】
この光電変換装置６６Ａの各部分は例えば次のように構成されている。基板５１は十分な機械強度を有するガラス基板又はプラスチック基板からなり、この基板５１上には蒸着法によりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）薄膜からなる導電層５２が形成され、この導電層５２上に設けられる電解質層５３はヨウ素−ヨウ素化合物を電解質とし、アセトニトリルとエチレンカーボネートとの混合液を溶媒とした電解液からなっている。
【０００４】
また、この電解質層５３上に設けられる電荷分離層５４は、増感色素であるルテニウム錯体［ＲｕＬ２（ＮＣＳ）２：但し、Ｌ＝４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン］を吸着させたＴｉＯ２超微粒子（直径１０〜３０ｎｍ） の焼結層からなり、この電荷分離層５４上に設けられる透明導電層５５は蒸着法により形成された厚さ０．３μｍのＩＴＯ薄膜からなり、更にこの透明導電層５５上に設けられる透明基板５６は、透明導電層５５及び電荷分離層５４を支持するためのガラス基板からなる。
【０００５】
また、導電層５２と透明導電層５５とは外部回路６７によって接続され、後者を負極として取り出された電子は、外部負荷７１を有する外部回路６７を通して前者の正極へと導かれ、この過程で外部負荷７１によって目的とする電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００６】
上記した構造の光電変換装置６６Ａにおいて、外部から入射する入射光６５は、入射した後に透明基板５６と透明導電層５５とを透過し、電荷分離層５４内の増感色素に吸収され、光電変換によって正孔（ホール）及び電子の対を発生させる。
【０００７】
この後、発生した電子は電荷分離層５４内のＴｉＯ２超微粒子内を移動してから透明導電層５５内に流入拡散し、更に外部負荷７１を有する外部回路６７を経由して導電層５２に伝搬され、ここで電解質層５３内のヨウ素を還元し、ヨウ化物イオンを発生させる。そして、このヨウ化物イオンは、増感色素上で正孔（ホール）に電子を供与し、自らは酸化される。
【０００８】
図１１は、従来の他の色素増感型光電変換装置６６Ｂの基本構造を示す断面図である。
【０００９】
この構造は、電荷分離層５４が導電層５２の表面上に設けられている以外は図１０の構造と同様であって、入射光６５は透明基板５６、透明導電層５５及び電解質層５３等を透過して電荷分離層５４の増感色素に吸収され、図１０の光電変換装置６６とほぼ同様の動作を行うが、発生した電子は電荷分離層５４に接する負極としての導電層５２側から正極としての透明導電層５５側に向かって外部回路６７内を移動する。
【００１０】
しかしながら、上述した図１０及び図１１の光電変換装置はいずれも、主として次のような２つの問題点がある。即ち、透明導電層５５は比較的大きい電気抵抗を有するので、電子がここを通過する際に導体損失（導体の電気抵抗によって生じるジュール熱による損失）が生じて光電変換効率が低下すると共に、透明導電層５５による入射光６５の光吸収によって、入射光６５のエネルギーの一部が光電変換に寄与できない。
【００１１】
これらの２つの問題点はトレードオフの関係にあり、同時に解消することができない。即ち、透明導電層５５を厚く形成することによってその電気抵抗を下げて、導体損失を減少させることができるが、厚さを増やすと、入射光６５に対する光吸収が増加して光エネルギーの損失が増大してしまう。
【００１２】
そこで、これらの問題点のうち電気抵抗を低減させるために、図１２及び図１３に示す構造の光電変換装置が提案されている。
【００１３】
図１２の光電変換装置６６Ｃにおいては、透明導電層５５内の導体性能の劣化を低減するために、図１０の構造に加えて、透明導電層５５の内面にアルミニウムや銅等からなる低抵抗の金属配線５７を所定の間隔で配置している。これによって、光電変換により電荷分離層５４内で発生した電子が透明導電層５５からすぐに金属配線５７に集められ、或いは金属配線５７に直接集められる。
【００１４】
即ち、光電変換作用によって電荷分離層５４内で生じた電子は、一部が透明導電層５５内を通過しても、低抵抗の金属配線５７内に比較的速やかに流入し、或いは電子の発生箇所によっては透明導電層５５を通過せずに金属配線５７内に直接移動することができるため、高抵抗の透明導電層５５内を電子が流れる割合が減少し、低抵抗の金属配線５７を通して取り出されることになり、電気抵抗を減少させることができる。
【００１５】
また、図１３の光電変換装置６６Ｄにおいては、金属配線５７を網状にして電解質層５３内に設けると共に、その電解質層５３の上下に電荷分離層５４及び６０をそれぞれ設けている。これによって、導電層５２及び透明導電層５５を負極側並列配線として、いずれにおいても光電変換で発生した電子を集めて正極の金属配線５７に移動させ、電気抵抗を一層低減させている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１２に示した光電変換装置６６Ｃでは、電荷分離層５４の面積に対して金属配線５７の占める面積が１：１程度になるので、電荷分離層５４に入射光が入射できるための金属配線５７間の光透過性領域である開口部７０の面積（即ち、開口率）が減少してしまう。換言すれば、入射光６５の一部が金属配線５７で反射されて電荷分離層５４内に到達できなくなり、光エネルギーの損失が生じる。
【００１７】
この光エネルギーの損失は、入射光を受け入れる電荷分離層５４の面積に対する金属配線５７の占める面積の割合を減少させることによって改善はされるが、その結果、金属配線５７の幅又は断面積が減少するために、電気抵抗が増大すると共に、透明導電層５５内で生じる導体性能の劣化も増加する。このために、これらの問題点もトレードオフの関係にあり、同時に解消することができない。
【００１８】
また、図１３に示した光電変換装置６６Ｄでは、入射光６５は電荷分離層５４及び６０の何れの層でも光電変換でき、金属配線５７間の開口部７０を通過した光も電荷分離層５４で光電変換でき、また電荷分離層６０を通過して金属配線５７によって反射した入射光６５が電荷分離層６０内に再入射することも可能である。従って、光エネルギーの損失をある程度は抑えることができるが、電荷分離層５４及び６０内の光電変換作用で発生した電子は導電層５２又は透明導電層５５を通過するために、上述したと同様の導体損失が生じ、かつ構造が複雑であることから、製造コストが上昇する。
【００１９】
更に、透明導電層５５での光吸収による光エネルギーの損失は、図１２及び図１３の構造のいずれにおいても克服することはできない。
【００２０】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、電気抵抗に起因する導体損失を低減すると共に入射光の吸収や反射等による光エネルギーの損失も低減することができ、また構造も比較的簡略化できる光電変換装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、第１電極（例えば後述の導電層２）と、この第１電極に対向した第２電極（例えば後述の金属配線７及び透明導電層５）と、前記第１電極及び前記第２電極間に順次積層して配された電解質層（例えば後述の電解質層３）及び電荷分離層（例えば後述の電荷分離層４）とを有し、前記第２電極が、開口部（例えば後述の開口部２０）を有しかつ前記電荷分離層に接する所定パターンの金属配線（例えば後述の金属配線７）を少なくとも有し、この金属配線の少なくとも側面及び前記電解質層側の面に接して少なくともこれらの面を覆うように前記電荷分離層が設けられ、この電荷分離層が全面で前記電解質層に接した単一層として設けられ、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層に導く導光手段（例えば後述のオンチップレンズ８、１９）が設けられ、更に、前記金属配線と前記第１電極とが外部負荷（例えば後述の外部負荷２１）を介して互いに接続されている光電変換装置（例えば湿式太陽電池として好適な後述の光電変換装置１６Ａ、１６Ｃ、１６Ｄ）（以下、本発明の第１の光電変換装置と称する。）に係わるものである。
また、本発明は、第１電極（例えば後述の導電層２）と、この第１電極に対向した第２電極（例えば後述の金属配線７及び透明導電層５）と、前記第１電極及び前記第２電極間に順次積層して配された電解質層（例えば後述の電解質層３）及び電荷分離層（例えば後述の電荷分離層４）とを有し、前記第２電極が、開口部（例えば後述の開口部２０）を有する所定パターンの金属配線（例えば後述の金属配線７）と、前記電荷分離層に全面で接した状態で前記金属配線を覆う光透過性導電層（例えば後述の透明導電層５）とからなり、この光透過性導電層が前記金属配線上から前記開口部にかけてこれらの形状に追随した凹状に形成されていてこの凹状部において前記金属配線との間の層厚が他の部分に比べて薄くなっており、前記電荷分離層が全面で前記電解質層に接した単一層として設けられ、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層に導く導光手段（例えば後述のオンチップレンズ８）が設けられ、更に、前記金属配線と前記第１電極とが外部負荷（例えば後述の外部負荷２１）を介して互いに接続されている光電変換装置（例えば湿式太陽電池として好適な後述の光電変換装置１６Ｅ）（以下、本発明の第２の光電変換装置と称する。）を提供するものである。
更に、本発明は、第１電極（例えば後述の導電層２）と、この第１電極に対向した第２電極（例えば後述の金属配線７からなる分岐電極）と、前記第１電極及び前記第２電極間に順次積層して配された電荷分離層（例えば後述の電荷分離層４）及び電解質層（例えば後述の電解質層３）とを有し、前記第１電極が全面で前記電荷分離層に接する金属層（例えば後述の導電層２）からなり、前記第２電極が、開口部（例えば後述の開口部２０）を有しかつ側面及び前記電荷分離層側の面が前記電解質層に接して覆われた所定パターンの金属配線（例えば後述の金属配線７）からなり、前記電荷分離層が全面で前記電解質層に接した単一層として設けられ、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層に導く導光手段（例えば後述のオンチップレンズ８）が設けられ、更に、前記金属配線と前記第１電極とが外部負荷（例えば後述の外部負荷２１）を介して互いに接続されている光電変換装置（例えば湿式太陽電池として好適な後述の光電変換装置１６Ｆ）（以下、本発明の第３の光電変換装置と称する。）も提供するものである。
【００２２】
本発明の第１の光電変換装置によれば、全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に、少なくとも側面及び前記電解質層側の面が接して覆われるように前記第２電極に前記金属配線（即ち、導電性の高い導電領域）を所定パターンに設けることによって、光電変換により前記電荷分離層内で発生した電子が前記金属配線に集められ、これを通して外部回路へ移動するため、上述した導体損失を低減して電子の低損失輸送経路の確保（易動性の向上）を図ることができる。
本発明の第２の光電変換装置によれば、前記第２電極のうち、全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に全面で接して前記金属配線を覆う光透過性導電層が、所定パターンの前記金属配線上から前記開口部にかけて凹状に形成されていてこの凹状部において前記金属配線との間の層厚が他の部分に比べて薄くなっているので、前記光透過性導電層と前記電荷分離層との接触界面が拡大され、しかも前記凹状部における薄い前記層厚によって前記電荷分離層から前記光透過性導電層内を電子が比較的短距離で前記金属配線へ通過するため、十分な量の電子が前記電荷分離層から前記金属配線に移動し易くなり、電荷移動性及びその分離効率が向上して上述した導体損失の低減が可能となる。
本発明の第３の光電変換装置によれば、前記第１電極が全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に接する金属層からなると共に、前記第２電極が、開口部を有しかつ側面及び前記電荷分離層側の面が前記電解質層に接して覆われた所定パターンの金属配線からなっているので、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層で発生した電子は前記第１電極へ集められて外部回路から前記第２電極へと容易に移動でき、しかも、光透過性導電層が存在しないためにこれによる光のエネルギー損失及び導体損失がなくなる。
【００２３】
また、本発明の第１、第２、第３の光電変換装置はいずれも、前記第２電極の前記開口部に前記導光手段によって前記入射光が集光され、更に前記電荷分離層に導びかれるため、入射光の少なくとも大部分が前記電荷分離層内に入射するように入射光の経路を制御することができ、前記開口部以外の領域で入射光が反射して生じ得る入射光の損失（光エネルギーの損失）を防ぎ、効率良く入射光を前記電荷分離層内に入射させることができると共に、前記第２電極に光透過性導電層の如き光吸収層が存在していても、これに入射する光量を前記導光手段により低減して光吸収自体も減少させることができる。こうした入射光の経路は、前記開口部をより狭くしても実現可能であるため、前記第２電極の前記金属配線の面積を入射光の導光に支障がない程度に拡大できることによって、電子がこの金属配線に流入し易くなる（本発明の第１及び第２の光電変換装置）か或いは電子が前記第１電極の前記金属層へ流入し易くなる（本発明の第３の光電変換装置）と共に、電極の導電性をより高めて電極内で電子が移動し易くなる。
こうして、光エネルギー損失を抑えながら導体損失及びエネルギー損失も同時に一層低減することができ、光エネルギーの損失の低減と導体損失の低減とを同時に実現することができる。
【００２４】
しかも、前記した第１及び第２電極と電荷分離層等に加えて前記導光手段を設けるだけで、比較的簡略な構造により、上記した導体損失及び光エネルギー損失を低減することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、前記電荷分離層が、ヨウ素−ヨウ素化合物等からなる電解質層と、この電解質層に接する電荷分離層とからなり、湿式の光電変換装置として構成するのが望ましい。この場合、前記電荷分離層が増感色素を含有又は付着により保有するＴｉＯ2等の半導体層からなるのが望ましい。
【００２７】
また、前記導光手段が前記開口部上に設けられた凸又は凹のオンチップレンズであるのが、入射光の導光性又は集光性や構造のコンパクト化の点で望ましい。このオンチップレンズは光透過性の有機材料（例えば透明基板上にフォトリソグラフィ技術で加工された透明樹脂）からなっていてよい。
【００２８】
また、前記導光手段が前記開口部上に積層されたレンズアレイ（例えば透明基板と一体型のガラス製レンズアレイ）であってよい。
【００２９】
また、前記オンチップレンズの位置を前記第２電極の前記開口部に対応させるために、前記オンチップレンズの隣接し合うレンズ部間の境界領域が前記金属配線上に位置するのが望ましい。
【００３０】
また、前記電荷分離層内で発生した電子の効率的な移動のために、前記第２電極が、所定パターンに形成されたＰｔ、Ｃｕ等の金属配線と、この金属配線に接するＩＴＯ等の光透過性導電層とからなり、前記金属配線及び前記光透過性導電層の少なくとも一方が前記電荷分離層に接しているのが望ましい。
【００３１】
この場合、前記金属配線又は前記光透過性導電層が前記電荷分離層の側に配されていてよい。
【００３２】
また、前記第２電極が、所定パターンに形成されたＰｔ、Ｃｕ等の金属配線からなり、この金属配線が前記電荷分離層に接しているのが望ましい。
【００３３】
この場合、前記金属配線が前記電荷分離層又は前記電解質層に接してよい。
【００３４】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面の参照下に説明する。
【００３５】
第１の実施の形態
図１に示すように、本実施の形態による湿式太陽電池としての光電変換装置１６Ａにおいては、ガラス又はプラスチックからなる基板１上に、例えば真空蒸着法、スパッタリング、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）、ゾルゲル法によりＩＴＯ、Ａｕ又はＰｔ等からなる導電層２が形成されている。
【００３６】
また、この導電層２上に設けられる電解質層３は、ヨウ素−ヨウ素化合物を電解質とし、アセトニトリルとエチレンカーボネートの混合液を溶媒とした電解液、例えば、ヨウ化テトラプロピルアンモニウム０．６ｍｏｌ／ｌとヨウ素５×１０2ｍｏｌ／ｌとを含む溶液等からなる。
【００３７】
また、この電解質層３上に設けられる電荷分離層４は、増感色素であるルテニウム錯体［ＲｕＬ２（ＮＣＳ）２；但し、Ｌ＝４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン］を吸着させたＴｉＯ2超微粒子層等の半導体層からなる。この超微粒子層はＴｉＯ２超微粒子（直径１０〜３０ｎｍ）の焼結層からなり、この焼結層内に増感色素を含浸させたものであってよく、或いはＴｉＯ2半導体層上に増感色素を付着させたものであってもよい。
【００３８】
この電荷分離層４は、ＴｉＯ２超微粒子からなる薄膜だけでなく、ＫＴａＯ3、ＺｎＯ、ＳｎＯ2等の他の物質からなっていてよく、スパッタリング法やゾルゲル法等により形成することができる。
【００３９】
また、この電荷分離層４上に設けられる透明導電層５は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、塗布法、ゾルゲル法等により形成された厚さ例えば０．３μｍのＩＴＯ薄膜、酸化スズ（アンチモン又はフッ素をドープしたもの）等からなる。
【００４０】
また、金属配線７は、Ｐｔ等を真空蒸着法等によって厚さ例えば３００ｎｍに成膜してから、リフトオフ法等によってパターニングした低抵抗配線からなる。
【００４１】
なお、上記の透明電極層５、金属配線７及び電荷分離層４はこの順に、ガラス等の透明基板６上に形成される。このパターンは、図２に示すように、入射光１５を透過させる開口部２０を有する櫛状に形成される。
【００４２】
この開口部２０に入射光１５を集光させるための凸レンズ８は、透明基板６上に形成された光透過性の透明樹脂等の有機材料からなるオンチップレンズ、又は透明基板６上に積層して固着されたレンズアレイ等からなる。このようなレンズの材料やその作製方法は公知のものであり、例えば一体型レンズアレイ又は平板マイクロレンズアレイ等を用いることができる。
【００４３】
また、レンズ保護膜９は、凸レンズ８の保護を目的とすると共に、入射光１５の全反射を防止しかつ凸レンズ８による入射光１５の集光性を高めるために、屈折率が凸レンズ８よりも小さい材質からなる保護膜であるが、必要に応じて設ければよい。
【００４４】
また、導電層２と金属配線７とは外部回路１７によって互いに接続され、電荷分離層４で光電変換により発生した電子が外部負荷２１を通して金属配線７（負極）から導電層２（正極）へと移動するように構成している。
【００４５】
上記のように構成された光電変換装置１６Ａによれば、外部からの入射光１５がレンズ保護膜９を透過した後に凸レンズ８に入射し、このレンズ効果によって集光されながら透明基板６と透明導電層５とを通過した後に、隣接する金属配線７間の開口部２０に集光されるので、金属配線７によって反射されることなしに電荷分離層４内に効率良く入射することができる。
【００４６】
そして、電荷分離層４内に入射した入射光１５は、電荷分離層４内の増感色素に吸収され、光電変換により正孔（ホール）及び電子の対を発生させる。
【００４７】
こうして発生した電子は、電荷分離層４内のＴｉＯ２超微粒子によって導かれ、一部は透明導電層５内に一旦流入拡散してから金属配線７に流入するか、或いは直接金属配線７内に流入する。この金属配線７は導電性が高い（電気抵抗が低い）ために、流入した電子をスムーズに外部回路１７へ導出し、外部負荷２１を経由して導電層２へ移動させ、ここで電解質層３内のヨウ素を還元し、ヨウ化物イオンを発生させる。このヨウ化物イオンは、電荷分離層４の増感色素上で正孔（ホール）に電子を供与し、自らは酸化される。
【００４８】
ここで、図２に示す光電変換装置１６Ａの平面レイアウトにおいて、金属配線７は、分岐電極７ａからなる櫛状電極部７ｂの一端側が連結部７ｃによって共通に連結され、ここから外部回路１７に導出されるように構成されている。
【００４９】
電荷分離層４内にこの分岐電極７ａが存在するために、分岐電極７ａ間の開口部２０に集光された入射光により電荷分離層４内で生じた電子が最も近い分岐電極７ａに直ちに流入し易くなり、この分岐電極７ａから連結部７ｃを通して外部へスムーズに取り出される。そして、電子が比較的高抵抗の透明導電層５内を分岐電極７ａまで通過する距離は実質的に分岐電極７ａ間の距離（即ち、開口部２０の幅）の約１／２となるので、電子が透明導電層５内を通過する時に生じる導体損失は大きく低減される。
【００５０】
また、レンズ８は、櫛状電極７ｂの分岐電極７ａ上に凸レンズ端部１８が位置するように櫛状電極７ｂに沿って設けられており、入射光１５は、図１に示すように、レンズ８によって集光されながら分岐電極７a（金属配線７）間の開口部２０を通過して電荷分離層４内に効率良く達するため、分岐電極７ａの反射が実質的になくなり、光エネルギーの損失は最小限になる。
【００５１】
なお、凸レンズ８及び金属配線７の設置位置、大きさ、形状、設置数、材質等の諸条件は上記したものに限られず、任意に変更してよい。
【００５２】
上記したように、本実施の形態によれば、透明導電層５よりも導電性の高い低抵抗の金属配線７が電荷分離層４に接して設けられているために、光電変換により電荷分離層４内で発生した電子が金属配線７に流入し易くなり、この金属配線７を通して外部へ導出できるため、電子をスムーズに、即ち、電子の低損失輸送経路を確保して導電層２へ送ることができ、電気抵抗による導体損失を大きく低減することができる。
【００５３】
また、透明基板６上に設けられた凸レンズ８によって入射光１５が電荷分離層４に効率良く導かれて集光されるために、金属配線７間の開口部２０を経て入射光１５の少なくとも大部分を電荷分離層４に効率良く入射できるために、金属配線７による入射光１５の反射によって生じる入射光１５の光エネルギーの減少を最小限に抑えながら光電変換効率を大きく向上させることができる。
【００５４】
しかも、透明導電層５に入射光１５が入射しても、この入射面積（入射光量）がレンズ８による集光作用で低減するため、透明導電層５による光吸収自体も減少させることができる。
【００５５】
更に、入射光１５がレンズ８によって集光できることにより、開口部２０の面積をより小さくしても、電荷分離層４に入射光１５が効率良く入射できるので、金属配線７の面積又は幅を入射光１５の集光及び電荷分離層４の機能に支障がない程度に拡大できることになり、これによって電子が金属配線７に一層容易に流入すると共にその抵抗を更に減少できるので、金属配線７の導電性をより高めて、導体損失及びエネルギー損失も同時に一層低減することができる。
【００５６】
この場合、開口部２０の幅と金属配線７の幅との比率は例えば０．９：１と、従来のものよりも金属配線７の幅を大きくすることができる。更に、金属配線７の厚さも大きくすれば、その電気抵抗を一層減少させることが可能である。
【００５７】
なお、光電変換装置１６Ａ自体は、各層２、３、４、５及び７に加えて集光用のレンズ８を設けるだけで、比較的簡略な構造にして、上記した導体損失及び光エネルギー損失を低減することができる。
【００５８】
第１の参考例
この例による光電変換装置１６Ｂは、図３に示すように、金属配線７を電荷分離層４内から透明導電層５上に移した以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００５９】
この例によれば、金属配線７間の開口部２０に集光されてここを通過した入射光１５が、透明導電層５を透過して電荷分離層４に効率良く集光されるために、電荷分離層４内で発生した電子が透明導電層５を素早く通過して金属配線７に流入することができる。
【００６０】
その他、この例においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００６１】
第２の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置１６Ｃは、図４に示すように、透明導電層５が省略され、かつ金属配線７が電荷分離層４の層厚方向の中間位置に埋設される以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００６２】
本実施の形態においては、透明導電層５が介在しないために、この透明導電層５による光エネルギーの吸収をなくし、入射光１５のほぼ全てを電荷分離層４内に到達させることができる。
【００６３】
また、電荷分離層４内に金属配線７が埋設されているので、電荷分離層４内で発生した電子が直接金属配線７に流入することになり、透明導電層５内を電子が通過する際に生じる導体損失がなくなる。そして、入射光のうち金属配線７で反射される部分があっても、これは極めて僅かであり、しかも再び電荷分離層４中で光キャリアを発生させるので、光電変換効率の向上に寄与する。
【００６４】
なお、電荷分離層４内における金属配線７の設置位置等は任意に決めてよく、例えば図５に示すように、電荷分離層４の表面に設けてもよい。
【００６５】
その他、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００６６】
第３の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置１６Ｄは、図６に示すように、上記した凸レンズ８の代りに、凹レンズ１９を透明基板６の表面付近に設ける以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００６７】
この凹レンズ１９の平面方向への配置は凸レンズ８の配置とほぼ同様であるが、その作用は凸レンズ８の集光作用に対して発散作用を有しているので、その発散作用によって凹レンズ１９に入射する入射光１５を隣接する開口部２０の側に入射させることができるために、金属配線７による反射はあっても、開口部２０への入射光量は全体として十分に得られることになる。
【００６８】
なお、凹レンズ８の設置位置、大きさ、形状、設置数、材質等の諸条件は上記に限定されることはなく、任意に変更してよい。
【００６９】
その他、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００７０】
第４の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置１６Ｅは、図７に示すように、金属配線７と電荷分離層４との間に透明導電層５が凹凸状に設けられ、開口部２０の直下において電荷分離層４が突起状をなしていてこの突起部２２が金属配線７に近接している以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００７１】
本実施の形態においては、入射光１５が金属配線７間の開口部２０、更には透明導電層５を通過して電荷分離層４内に入射し、電荷分離層４内で発生した電子が透明導電層５を通過して金属配線７に流入する。
【００７２】
この際、電荷分離層４の突起部２２が金属配線７に近接していて、この部分での透明導電層５の層厚が薄くなっていると共に、突起部２２によって透明導電層５と電荷分離層４との接触界面が拡大されているために、電荷分離層４内で発生した電子が十分な量で、しかも電荷分離層４から透明導電層５内を比較的短距離で通過して金属配線７に移動し易くなり、電荷移動性及びその分離効率が向上する。
【００７３】
なお、金属配線７の加工方法として、透明基板６上に形成した配線材料層を反応性イオンエッチング法やイオンミリング法等でパターニングした後に透明導電層５を被着するため、金属配線７のパターニング時のダメージを与えることなしに透明導電層５を形成することができる。金属配線７の上記加工方法は、ウェットエッチング法等に比べて、より微細かつ高精度なパターン形成に適したエッチング方法である。
【００７４】
その他、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００７５】
第５の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置１６Ｆは、図８に示すように、透明導電層５を省略すると共に、金属配線７が電解質層３の表面に位置し、かつ電荷分離層４が導電層２と電解質層３との間に位置する以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００７６】
本実施の形態においては、透明導電層５が存在しないことにより、透明導電層５における導体損失がなくなると共に、透明導電層５の光吸収によるエネルギー損失がなくなり、更には凸レンズ８の集光作用によってほぼ全ての入射光１５を電荷分離層４内に導くことができ、高い光電変換効率を得ることができる。
【００７７】
そして、電荷分離層４で発生した電子は導電層２を負極として正極の金属配線７へと移動し、ここで電解質層３のヨウ素を還元し、電荷分離層４の正孔に電子を供与することになる。
【００７８】
その他、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００７９】
第２の参考例
この例による光電変換装置１６Ｇは、図９に示すように、透明導電層５上に金属配線７を設けると共に、透明導電層５下に導電層２との間に、乾式のアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）系太陽電池としてｎ型ａ−Ｓｉ層１１、真性ａ−Ｓｉ層１２及びｐ型ａ−Ｓｉ層１３からなるｐ−ｉ−ｎ接合の光電変換層を構成した以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００８０】
この例においては、ｎ型ａ−Ｓｉ層１１と金属配線７との間に透明導電層５が存在するために、アモルファスＳｉのｐ−ｉ−ｎ接合の光電変換層内で発生した電子が、透明導電層５内を素早く通過して金属配線７に流入することができ、更には、凸レンズ８の集光作用によってほぼ全ての入射光１５を光電変換層内に導くことができる。このため、高い光電変換効率を得ることができると共に、金属配線７により導体損失を大きく低減することができる。
【００８１】
なお、ｎ型ａ−Ｓｉ層１１、真性ａ−Ｓｉ層１２及びｐ型ａ−Ｓｉ層１３のそれぞれの構成物質や厚さ等は任意に設定してよい。
【００８２】
その他、この例においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００８３】
以上に説明した実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて更に変形が可能である。
【００８４】
例えば、導光手段としてオンチップレンズ以外に液晶レンズ等を用いてもよい。また、上述の光電変換装置においては、湿式型の単独構成について述べたが、湿式型と乾式型とを複合した構成にしてもよく、例えば、平面方向に湿式型と乾式型とを交互にならべたり、湿式型の下に乾式型を設置する多重構造にしてもよい。
【００８５】
【発明の作用効果】
上述したように、本発明の第１の光電変換装置によれば、全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に、少なくとも側面及び前記電解質層側の面が接して覆われるように前記第２電極に前記金属配線を所定パターンに設けることによって、光電変換により前記電荷分離層内で発生した電子が前記金属配線に集められ、これを通して外部回路へ移動するため、導体損失を低減して電子の低損失輸送経路の確保を図ることができる。
本発明の第２の光電変換装置によれば、前記第２電極のうち、全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に全面で接して前記金属配線を覆う光透過性導電層が、所定パターンの前記金属配線上から前記開口部にかけて凹状に形成されていてこの凹状部において前記金属配線との間の層厚が他の部分に比べて薄くなっているので、前記光透過性導電層と前記電荷分離層との接触界面が拡大され、しかも前記凹状部における薄い前記層厚によって前記電荷分離層から前記光透過性導電層内を電子が比較的短距離で前記金属配線へ通過するため、十分な量の電子が前記電荷分離層から前記金属配線に移動し易くなり、電荷移動性及びその分離効率が向上して上述した導体損失の低減が可能となる。
本発明の第３の光電変換装置によれば、前記第１電極が全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に接する金属層からなると共に、前記第２電極が、開口部を有しかつ側面及び前記電荷分離層側の面が前記電解質層に接して覆われた所定パターンの金属配線からなっているので、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層で発生した電子は前記第１電極へ集められて外部回路から前記第２電極へと容易に移動でき、しかも光透過性導電層が存在しないためにこれによる光のエネルギー損失及び導体損失がなくなる。
【００８６】
また、本発明の第１、第２、第３の光電変換装置はいずれも、前記第２電極の前記開口部に前記導光手段によって前記入射光が集光され、更に前記電荷分離層に導かれるため、入射光の少なくとも大部分が前記電荷分離層内に入射するように入射光の経路を制御することができ、前記開口部以外の領域で入射光が反射して生じ得る入射光の損失を防ぎ、効率良く入射光を前記電荷分離層内に入射させることができると共に、前記第２電極に光透過性導電層の如き光吸収層が存在していても、これに入射する光量を前記導光手段により低減して光吸収自体も減少させることができる。こうした入射光の経路は、前記開口部をより狭くしても実現可能であるため、前記第２電極の前記金属配線の面積を入射光の導光に支障がない程度に拡大できることによって、電子がこの金属配線に流入し易くなる（本発明の第１及び第２の光電変換装置）か或いは電子が前記第１電極の前記金属層へ流入し易くなる（本発明の第３の光電変換装置）と共に、電極の導電性をより高めて電極内で電荷が移動し易くなる。
こうして、光エネルギー損失を抑えながら導体損失及びエネルギー損失も同時に一層低減することができ、光エネルギーの損失の低減と導体損失の低減とを同時に実現することができる。
【００８７】
しかも、前記した第１及び第２電極と電荷分離層等に加えて前記集光手段を設けるだけで、比較的簡略な構造により、上記した導体損失及び光エネルギー損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図２】同、光電変換装置の平面図である。
【図３】 本発明の第１の参考例による光電変換装置の概略断面図である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図５】同、他の光電変換装置の概略断面図である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図７】 本発明の第４の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図８】 本発明の第５の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図９】 本発明の第２の参考例による光電変換装置の概略断面図である。
【図１０】従来例の光電変換装置の概略断面図である。
【図１１】同、他の光電変換装置の概略断面図である。
【図１２】同、他の光電変換装置の概略断面図である。
【図１３】同、更に他の光電変換装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…導電層、３…電解質層、４…電荷分離層、５…透明導電層、
６…透明基板、７…金属配線（分岐又は櫛状電極）、７ａ…分岐電極、
７ｂ…櫛状電極、７ｃ…連結部、８…凸レンズ、９…レンズ保護膜、
１１…ｎ型ａ−Ｓｉ層、１２…真性ａ−Ｓｉ層、１３…ｐ型ａ−Ｓｉ層、
１５…入射光、
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１６Ｅ、１６Ｆ、１６Ｇ…光電変換装置、
１７…外部回路、１８…凸レンズ端部、１９…凹レンズ、２０…開口部、
２１…外部負荷、２２…突起部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば色素増感型光電変換装置としての湿式太陽電池に好適な光電変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の湿式太陽電池を構成する色素増感型光電変換装置は種々知られているが、図１０はその一例６６Ａの基本構造を示す断面図である。
【０００３】
この光電変換装置６６Ａの各部分は例えば次のように構成されている。基板５１は十分な機械強度を有するガラス基板又はプラスチック基板からなり、この基板５１上には蒸着法によりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）薄膜からなる導電層５２が形成され、この導電層５２上に設けられる電解質層５３はヨウ素−ヨウ素化合物を電解質とし、アセトニトリルとエチレンカーボネートとの混合液を溶媒とした電解液からなっている。
【０００４】
また、この電解質層５３上に設けられる電荷分離層５４は、増感色素であるルテニウム錯体［ＲｕＬ２（ＮＣＳ）２：但し、Ｌ＝４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン］を吸着させたＴｉＯ２超微粒子（直径１０〜３０ｎｍ） の焼結層からなり、この電荷分離層５４上に設けられる透明導電層５５は蒸着法により形成された厚さ０．３μｍのＩＴＯ薄膜からなり、更にこの透明導電層５５上に設けられる透明基板５６は、透明導電層５５及び電荷分離層５４を支持するためのガラス基板からなる。
【０００５】
また、導電層５２と透明導電層５５とは外部回路６７によって接続され、後者を負極として取り出された電子は、外部負荷７１を有する外部回路６７を通して前者の正極へと導かれ、この過程で外部負荷７１によって目的とする電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００６】
上記した構造の光電変換装置６６Ａにおいて、外部から入射する入射光６５は、入射した後に透明基板５６と透明導電層５５とを透過し、電荷分離層５４内の増感色素に吸収され、光電変換によって正孔（ホール）及び電子の対を発生させる。
【０００７】
この後、発生した電子は電荷分離層５４内のＴｉＯ２超微粒子内を移動してから透明導電層５５内に流入拡散し、更に外部負荷７１を有する外部回路６７を経由して導電層５２に伝搬され、ここで電解質層５３内のヨウ素を還元し、ヨウ化物イオンを発生させる。そして、このヨウ化物イオンは、増感色素上で正孔（ホール）に電子を供与し、自らは酸化される。
【０００８】
図１１は、従来の他の色素増感型光電変換装置６６Ｂの基本構造を示す断面図である。
【０００９】
この構造は、電荷分離層５４が導電層５２の表面上に設けられている以外は図１０の構造と同様であって、入射光６５は透明基板５６、透明導電層５５及び電解質層５３等を透過して電荷分離層５４の増感色素に吸収され、図１０の光電変換装置６６とほぼ同様の動作を行うが、発生した電子は電荷分離層５４に接する負極としての導電層５２側から正極としての透明導電層５５側に向かって外部回路６７内を移動する。
【００１０】
しかしながら、上述した図１０及び図１１の光電変換装置はいずれも、主として次のような２つの問題点がある。即ち、透明導電層５５は比較的大きい電気抵抗を有するので、電子がここを通過する際に導体損失（導体の電気抵抗によって生じるジュール熱による損失）が生じて光電変換効率が低下すると共に、透明導電層５５による入射光６５の光吸収によって、入射光６５のエネルギーの一部が光電変換に寄与できない。
【００１１】
これらの２つの問題点はトレードオフの関係にあり、同時に解消することができない。即ち、透明導電層５５を厚く形成することによってその電気抵抗を下げて、導体損失を減少させることができるが、厚さを増やすと、入射光６５に対する光吸収が増加して光エネルギーの損失が増大してしまう。
【００１２】
そこで、これらの問題点のうち電気抵抗を低減させるために、図１２及び図１３に示す構造の光電変換装置が提案されている。
【００１３】
図１２の光電変換装置６６Ｃにおいては、透明導電層５５内の導体性能の劣化を低減するために、図１０の構造に加えて、透明導電層５５の内面にアルミニウムや銅等からなる低抵抗の金属配線５７を所定の間隔で配置している。これによって、光電変換により電荷分離層５４内で発生した電子が透明導電層５５からすぐに金属配線５７に集められ、或いは金属配線５７に直接集められる。
【００１４】
即ち、光電変換作用によって電荷分離層５４内で生じた電子は、一部が透明導電層５５内を通過しても、低抵抗の金属配線５７内に比較的速やかに流入し、或いは電子の発生箇所によっては透明導電層５５を通過せずに金属配線５７内に直接移動することができるため、高抵抗の透明導電層５５内を電子が流れる割合が減少し、低抵抗の金属配線５７を通して取り出されることになり、電気抵抗を減少させることができる。
【００１５】
また、図１３の光電変換装置６６Ｄにおいては、金属配線５７を網状にして電解質層５３内に設けると共に、その電解質層５３の上下に電荷分離層５４及び６０をそれぞれ設けている。これによって、導電層５２及び透明導電層５５を負極側並列配線として、いずれにおいても光電変換で発生した電子を集めて正極の金属配線５７に移動させ、電気抵抗を一層低減させている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１２に示した光電変換装置６６Ｃでは、電荷分離層５４の面積に対して金属配線５７の占める面積が１：１程度になるので、電荷分離層５４に入射光が入射できるための金属配線５７間の光透過性領域である開口部７０の面積（即ち、開口率）が減少してしまう。換言すれば、入射光６５の一部が金属配線５７で反射されて電荷分離層５４内に到達できなくなり、光エネルギーの損失が生じる。
【００１７】
この光エネルギーの損失は、入射光を受け入れる電荷分離層５４の面積に対する金属配線５７の占める面積の割合を減少させることによって改善はされるが、その結果、金属配線５７の幅又は断面積が減少するために、電気抵抗が増大すると共に、透明導電層５５内で生じる導体性能の劣化も増加する。このために、これらの問題点もトレードオフの関係にあり、同時に解消することができない。
【００１８】
また、図１３に示した光電変換装置６６Ｄでは、入射光６５は電荷分離層５４及び６０の何れの層でも光電変換でき、金属配線５７間の開口部７０を通過した光も電荷分離層５４で光電変換でき、また電荷分離層６０を通過して金属配線５７によって反射した入射光６５が電荷分離層６０内に再入射することも可能である。従って、光エネルギーの損失をある程度は抑えることができるが、電荷分離層５４及び６０内の光電変換作用で発生した電子は導電層５２又は透明導電層５５を通過するために、上述したと同様の導体損失が生じ、かつ構造が複雑であることから、製造コストが上昇する。
【００１９】
更に、透明導電層５５での光吸収による光エネルギーの損失は、図１２及び図１３の構造のいずれにおいても克服することはできない。
【００２０】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、電気抵抗に起因する導体損失を低減すると共に入射光の吸収や反射等による光エネルギーの損失も低減することができ、また構造も比較的簡略化できる光電変換装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、第１電極（例えば後述の導電層２）と、この第１電極に対向した第２電極（例えば後述の金属配線７及び透明導電層５）と、前記第１電極及び前記第２電極間に順次積層して配された電解質層（例えば後述の電解質層３）及び電荷分離層（例えば後述の電荷分離層４）とを有し、前記第２電極が、開口部（例えば後述の開口部２０）を有しかつ前記電荷分離層に接する所定パターンの金属配線（例えば後述の金属配線７）を少なくとも有し、この金属配線の少なくとも側面及び前記電解質層側の面に接して少なくともこれらの面を覆うように前記電荷分離層が設けられ、この電荷分離層が全面で前記電解質層に接した単一層として設けられ、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層に導く導光手段（例えば後述のオンチップレンズ８、１９）が設けられ、更に、前記金属配線と前記第１電極とが外部負荷（例えば後述の外部負荷２１）を介して互いに接続されている光電変換装置（例えば湿式太陽電池として好適な後述の光電変換装置１６Ａ、１６Ｃ、１６Ｄ）（以下、本発明の第１の光電変換装置と称する。）に係わるものである。
また、本発明は、第１電極（例えば後述の導電層２）と、この第１電極に対向した第２電極（例えば後述の金属配線７及び透明導電層５）と、前記第１電極及び前記第２電極間に順次積層して配された電解質層（例えば後述の電解質層３）及び電荷分離層（例えば後述の電荷分離層４）とを有し、前記第２電極が、開口部（例えば後述の開口部２０）を有する所定パターンの金属配線（例えば後述の金属配線７）と、前記電荷分離層に全面で接した状態で前記金属配線を覆う光透過性導電層（例えば後述の透明導電層５）とからなり、この光透過性導電層が前記金属配線上から前記開口部にかけてこれらの形状に追随した凹状に形成されていてこの凹状部において前記金属配線との間の層厚が他の部分に比べて薄くなっており、前記電荷分離層が全面で前記電解質層に接した単一層として設けられ、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層に導く導光手段（例えば後述のオンチップレンズ８）が設けられ、更に、前記金属配線と前記第１電極とが外部負荷（例えば後述の外部負荷２１）を介して互いに接続されている光電変換装置（例えば湿式太陽電池として好適な後述の光電変換装置１６Ｅ）（以下、本発明の第２の光電変換装置と称する。）を提供するものである。
更に、本発明は、第１電極（例えば後述の導電層２）と、この第１電極に対向した第２電極（例えば後述の金属配線７からなる分岐電極）と、前記第１電極及び前記第２電極間に順次積層して配された電荷分離層（例えば後述の電荷分離層４）及び電解質層（例えば後述の電解質層３）とを有し、前記第１電極が全面で前記電荷分離層に接する金属層（例えば後述の導電層２）からなり、前記第２電極が、開口部（例えば後述の開口部２０）を有しかつ側面及び前記電荷分離層側の面が前記電解質層に接して覆われた所定パターンの金属配線（例えば後述の金属配線７）からなり、前記電荷分離層が全面で前記電解質層に接した単一層として設けられ、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層に導く導光手段（例えば後述のオンチップレンズ８）が設けられ、更に、前記金属配線と前記第１電極とが外部負荷（例えば後述の外部負荷２１）を介して互いに接続されている光電変換装置（例えば湿式太陽電池として好適な後述の光電変換装置１６Ｆ）（以下、本発明の第３の光電変換装置と称する。）も提供するものである。
【００２２】
本発明の第１の光電変換装置によれば、全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に、少なくとも側面及び前記電解質層側の面が接して覆われるように前記第２電極に前記金属配線（即ち、導電性の高い導電領域）を所定パターンに設けることによって、光電変換により前記電荷分離層内で発生した電子が前記金属配線に集められ、これを通して外部回路へ移動するため、上述した導体損失を低減して電子の低損失輸送経路の確保（易動性の向上）を図ることができる。
本発明の第２の光電変換装置によれば、前記第２電極のうち、全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に全面で接して前記金属配線を覆う光透過性導電層が、所定パターンの前記金属配線上から前記開口部にかけて凹状に形成されていてこの凹状部において前記金属配線との間の層厚が他の部分に比べて薄くなっているので、前記光透過性導電層と前記電荷分離層との接触界面が拡大され、しかも前記凹状部における薄い前記層厚によって前記電荷分離層から前記光透過性導電層内を電子が比較的短距離で前記金属配線へ通過するため、十分な量の電子が前記電荷分離層から前記金属配線に移動し易くなり、電荷移動性及びその分離効率が向上して上述した導体損失の低減が可能となる。
本発明の第３の光電変換装置によれば、前記第１電極が全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に接する金属層からなると共に、前記第２電極が、開口部を有しかつ側面及び前記電荷分離層側の面が前記電解質層に接して覆われた所定パターンの金属配線からなっているので、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層で発生した電子は前記第１電極へ集められて外部回路から前記第２電極へと容易に移動でき、しかも、光透過性導電層が存在しないためにこれによる光のエネルギー損失及び導体損失がなくなる。
【００２３】
また、本発明の第１、第２、第３の光電変換装置はいずれも、前記第２電極の前記開口部に前記導光手段によって前記入射光が集光され、更に前記電荷分離層に導びかれるため、入射光の少なくとも大部分が前記電荷分離層内に入射するように入射光の経路を制御することができ、前記開口部以外の領域で入射光が反射して生じ得る入射光の損失（光エネルギーの損失）を防ぎ、効率良く入射光を前記電荷分離層内に入射させることができると共に、前記第２電極に光透過性導電層の如き光吸収層が存在していても、これに入射する光量を前記導光手段により低減して光吸収自体も減少させることができる。こうした入射光の経路は、前記開口部をより狭くしても実現可能であるため、前記第２電極の前記金属配線の面積を入射光の導光に支障がない程度に拡大できることによって、電子がこの金属配線に流入し易くなる（本発明の第１及び第２の光電変換装置）か或いは電子が前記第１電極の前記金属層へ流入し易くなる（本発明の第３の光電変換装置）と共に、電極の導電性をより高めて電極内で電子が移動し易くなる。
こうして、光エネルギー損失を抑えながら導体損失及びエネルギー損失も同時に一層低減することができ、光エネルギーの損失の低減と導体損失の低減とを同時に実現することができる。
【００２４】
しかも、前記した第１及び第２電極と電荷分離層等に加えて前記導光手段を設けるだけで、比較的簡略な構造により、上記した導体損失及び光エネルギー損失を低減することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、前記電荷分離層が、ヨウ素−ヨウ素化合物等からなる電解質層と、この電解質層に接する電荷分離層とからなり、湿式の光電変換装置として構成するのが望ましい。この場合、前記電荷分離層が増感色素を含有又は付着により保有するＴｉＯ2等の半導体層からなるのが望ましい。
【００２７】
また、前記導光手段が前記開口部上に設けられた凸又は凹のオンチップレンズであるのが、入射光の導光性又は集光性や構造のコンパクト化の点で望ましい。このオンチップレンズは光透過性の有機材料（例えば透明基板上にフォトリソグラフィ技術で加工された透明樹脂）からなっていてよい。
【００２８】
また、前記導光手段が前記開口部上に積層されたレンズアレイ（例えば透明基板と一体型のガラス製レンズアレイ）であってよい。
【００２９】
また、前記オンチップレンズの位置を前記第２電極の前記開口部に対応させるために、前記オンチップレンズの隣接し合うレンズ部間の境界領域が前記金属配線上に位置するのが望ましい。
【００３０】
また、前記電荷分離層内で発生した電子の効率的な移動のために、前記第２電極が、所定パターンに形成されたＰｔ、Ｃｕ等の金属配線と、この金属配線に接するＩＴＯ等の光透過性導電層とからなり、前記金属配線及び前記光透過性導電層の少なくとも一方が前記電荷分離層に接しているのが望ましい。
【００３１】
この場合、前記金属配線又は前記光透過性導電層が前記電荷分離層の側に配されていてよい。
【００３２】
また、前記第２電極が、所定パターンに形成されたＰｔ、Ｃｕ等の金属配線からなり、この金属配線が前記電荷分離層に接しているのが望ましい。
【００３３】
この場合、前記金属配線が前記電荷分離層又は前記電解質層に接してよい。
【００３４】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面の参照下に説明する。
【００３５】
第１の実施の形態
図１に示すように、本実施の形態による湿式太陽電池としての光電変換装置１６Ａにおいては、ガラス又はプラスチックからなる基板１上に、例えば真空蒸着法、スパッタリング、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）、ゾルゲル法によりＩＴＯ、Ａｕ又はＰｔ等からなる導電層２が形成されている。
【００３６】
また、この導電層２上に設けられる電解質層３は、ヨウ素−ヨウ素化合物を電解質とし、アセトニトリルとエチレンカーボネートの混合液を溶媒とした電解液、例えば、ヨウ化テトラプロピルアンモニウム０．６ｍｏｌ／ｌとヨウ素５×１０2ｍｏｌ／ｌとを含む溶液等からなる。
【００３７】
また、この電解質層３上に設けられる電荷分離層４は、増感色素であるルテニウム錯体［ＲｕＬ２（ＮＣＳ）２；但し、Ｌ＝４，４’−ジカルボキシ−２，２’−ビピリジン］を吸着させたＴｉＯ2超微粒子層等の半導体層からなる。この超微粒子層はＴｉＯ２超微粒子（直径１０〜３０ｎｍ）の焼結層からなり、この焼結層内に増感色素を含浸させたものであってよく、或いはＴｉＯ2半導体層上に増感色素を付着させたものであってもよい。
【００３８】
この電荷分離層４は、ＴｉＯ２超微粒子からなる薄膜だけでなく、ＫＴａＯ3、ＺｎＯ、ＳｎＯ2等の他の物質からなっていてよく、スパッタリング法やゾルゲル法等により形成することができる。
【００３９】
また、この電荷分離層４上に設けられる透明導電層５は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、塗布法、ゾルゲル法等により形成された厚さ例えば０．３μｍのＩＴＯ薄膜、酸化スズ（アンチモン又はフッ素をドープしたもの）等からなる。
【００４０】
また、金属配線７は、Ｐｔ等を真空蒸着法等によって厚さ例えば３００ｎｍに成膜してから、リフトオフ法等によってパターニングした低抵抗配線からなる。
【００４１】
なお、上記の透明電極層５、金属配線７及び電荷分離層４はこの順に、ガラス等の透明基板６上に形成される。このパターンは、図２に示すように、入射光１５を透過させる開口部２０を有する櫛状に形成される。
【００４２】
この開口部２０に入射光１５を集光させるための凸レンズ８は、透明基板６上に形成された光透過性の透明樹脂等の有機材料からなるオンチップレンズ、又は透明基板６上に積層して固着されたレンズアレイ等からなる。このようなレンズの材料やその作製方法は公知のものであり、例えば一体型レンズアレイ又は平板マイクロレンズアレイ等を用いることができる。
【００４３】
また、レンズ保護膜９は、凸レンズ８の保護を目的とすると共に、入射光１５の全反射を防止しかつ凸レンズ８による入射光１５の集光性を高めるために、屈折率が凸レンズ８よりも小さい材質からなる保護膜であるが、必要に応じて設ければよい。
【００４４】
また、導電層２と金属配線７とは外部回路１７によって互いに接続され、電荷分離層４で光電変換により発生した電子が外部負荷２１を通して金属配線７（負極）から導電層２（正極）へと移動するように構成している。
【００４５】
上記のように構成された光電変換装置１６Ａによれば、外部からの入射光１５がレンズ保護膜９を透過した後に凸レンズ８に入射し、このレンズ効果によって集光されながら透明基板６と透明導電層５とを通過した後に、隣接する金属配線７間の開口部２０に集光されるので、金属配線７によって反射されることなしに電荷分離層４内に効率良く入射することができる。
【００４６】
そして、電荷分離層４内に入射した入射光１５は、電荷分離層４内の増感色素に吸収され、光電変換により正孔（ホール）及び電子の対を発生させる。
【００４７】
こうして発生した電子は、電荷分離層４内のＴｉＯ２超微粒子によって導かれ、一部は透明導電層５内に一旦流入拡散してから金属配線７に流入するか、或いは直接金属配線７内に流入する。この金属配線７は導電性が高い（電気抵抗が低い）ために、流入した電子をスムーズに外部回路１７へ導出し、外部負荷２１を経由して導電層２へ移動させ、ここで電解質層３内のヨウ素を還元し、ヨウ化物イオンを発生させる。このヨウ化物イオンは、電荷分離層４の増感色素上で正孔（ホール）に電子を供与し、自らは酸化される。
【００４８】
ここで、図２に示す光電変換装置１６Ａの平面レイアウトにおいて、金属配線７は、分岐電極７ａからなる櫛状電極部７ｂの一端側が連結部７ｃによって共通に連結され、ここから外部回路１７に導出されるように構成されている。
【００４９】
電荷分離層４内にこの分岐電極７ａが存在するために、分岐電極７ａ間の開口部２０に集光された入射光により電荷分離層４内で生じた電子が最も近い分岐電極７ａに直ちに流入し易くなり、この分岐電極７ａから連結部７ｃを通して外部へスムーズに取り出される。そして、電子が比較的高抵抗の透明導電層５内を分岐電極７ａまで通過する距離は実質的に分岐電極７ａ間の距離（即ち、開口部２０の幅）の約１／２となるので、電子が透明導電層５内を通過する時に生じる導体損失は大きく低減される。
【００５０】
また、レンズ８は、櫛状電極７ｂの分岐電極７ａ上に凸レンズ端部１８が位置するように櫛状電極７ｂに沿って設けられており、入射光１５は、図１に示すように、レンズ８によって集光されながら分岐電極７a（金属配線７）間の開口部２０を通過して電荷分離層４内に効率良く達するため、分岐電極７ａの反射が実質的になくなり、光エネルギーの損失は最小限になる。
【００５１】
なお、凸レンズ８及び金属配線７の設置位置、大きさ、形状、設置数、材質等の諸条件は上記したものに限られず、任意に変更してよい。
【００５２】
上記したように、本実施の形態によれば、透明導電層５よりも導電性の高い低抵抗の金属配線７が電荷分離層４に接して設けられているために、光電変換により電荷分離層４内で発生した電子が金属配線７に流入し易くなり、この金属配線７を通して外部へ導出できるため、電子をスムーズに、即ち、電子の低損失輸送経路を確保して導電層２へ送ることができ、電気抵抗による導体損失を大きく低減することができる。
【００５３】
また、透明基板６上に設けられた凸レンズ８によって入射光１５が電荷分離層４に効率良く導かれて集光されるために、金属配線７間の開口部２０を経て入射光１５の少なくとも大部分を電荷分離層４に効率良く入射できるために、金属配線７による入射光１５の反射によって生じる入射光１５の光エネルギーの減少を最小限に抑えながら光電変換効率を大きく向上させることができる。
【００５４】
しかも、透明導電層５に入射光１５が入射しても、この入射面積（入射光量）がレンズ８による集光作用で低減するため、透明導電層５による光吸収自体も減少させることができる。
【００５５】
更に、入射光１５がレンズ８によって集光できることにより、開口部２０の面積をより小さくしても、電荷分離層４に入射光１５が効率良く入射できるので、金属配線７の面積又は幅を入射光１５の集光及び電荷分離層４の機能に支障がない程度に拡大できることになり、これによって電子が金属配線７に一層容易に流入すると共にその抵抗を更に減少できるので、金属配線７の導電性をより高めて、導体損失及びエネルギー損失も同時に一層低減することができる。
【００５６】
この場合、開口部２０の幅と金属配線７の幅との比率は例えば０．９：１と、従来のものよりも金属配線７の幅を大きくすることができる。更に、金属配線７の厚さも大きくすれば、その電気抵抗を一層減少させることが可能である。
【００５７】
なお、光電変換装置１６Ａ自体は、各層２、３、４、５及び７に加えて集光用のレンズ８を設けるだけで、比較的簡略な構造にして、上記した導体損失及び光エネルギー損失を低減することができる。
【００５８】
第１の参考例
この例による光電変換装置１６Ｂは、図３に示すように、金属配線７を電荷分離層４内から透明導電層５上に移した以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００５９】
この例によれば、金属配線７間の開口部２０に集光されてここを通過した入射光１５が、透明導電層５を透過して電荷分離層４に効率良く集光されるために、電荷分離層４内で発生した電子が透明導電層５を素早く通過して金属配線７に流入することができる。
【００６０】
その他、この例においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００６１】
第２の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置１６Ｃは、図４に示すように、透明導電層５が省略され、かつ金属配線７が電荷分離層４の層厚方向の中間位置に埋設される以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００６２】
本実施の形態においては、透明導電層５が介在しないために、この透明導電層５による光エネルギーの吸収をなくし、入射光１５のほぼ全てを電荷分離層４内に到達させることができる。
【００６３】
また、電荷分離層４内に金属配線７が埋設されているので、電荷分離層４内で発生した電子が直接金属配線７に流入することになり、透明導電層５内を電子が通過する際に生じる導体損失がなくなる。そして、入射光のうち金属配線７で反射される部分があっても、これは極めて僅かであり、しかも再び電荷分離層４中で光キャリアを発生させるので、光電変換効率の向上に寄与する。
【００６４】
なお、電荷分離層４内における金属配線７の設置位置等は任意に決めてよく、例えば図５に示すように、電荷分離層４の表面に設けてもよい。
【００６５】
その他、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００６６】
第３の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置１６Ｄは、図６に示すように、上記した凸レンズ８の代りに、凹レンズ１９を透明基板６の表面付近に設ける以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００６７】
この凹レンズ１９の平面方向への配置は凸レンズ８の配置とほぼ同様であるが、その作用は凸レンズ８の集光作用に対して発散作用を有しているので、その発散作用によって凹レンズ１９に入射する入射光１５を隣接する開口部２０の側に入射させることができるために、金属配線７による反射はあっても、開口部２０への入射光量は全体として十分に得られることになる。
【００６８】
なお、凹レンズ８の設置位置、大きさ、形状、設置数、材質等の諸条件は上記に限定されることはなく、任意に変更してよい。
【００６９】
その他、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００７０】
第４の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置１６Ｅは、図７に示すように、金属配線７と電荷分離層４との間に透明導電層５が凹凸状に設けられ、開口部２０の直下において電荷分離層４が突起状をなしていてこの突起部２２が金属配線７に近接している以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００７１】
本実施の形態においては、入射光１５が金属配線７間の開口部２０、更には透明導電層５を通過して電荷分離層４内に入射し、電荷分離層４内で発生した電子が透明導電層５を通過して金属配線７に流入する。
【００７２】
この際、電荷分離層４の突起部２２が金属配線７に近接していて、この部分での透明導電層５の層厚が薄くなっていると共に、突起部２２によって透明導電層５と電荷分離層４との接触界面が拡大されているために、電荷分離層４内で発生した電子が十分な量で、しかも電荷分離層４から透明導電層５内を比較的短距離で通過して金属配線７に移動し易くなり、電荷移動性及びその分離効率が向上する。
【００７３】
なお、金属配線７の加工方法として、透明基板６上に形成した配線材料層を反応性イオンエッチング法やイオンミリング法等でパターニングした後に透明導電層５を被着するため、金属配線７のパターニング時のダメージを与えることなしに透明導電層５を形成することができる。金属配線７の上記加工方法は、ウェットエッチング法等に比べて、より微細かつ高精度なパターン形成に適したエッチング方法である。
【００７４】
その他、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００７５】
第５の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置１６Ｆは、図８に示すように、透明導電層５を省略すると共に、金属配線７が電解質層３の表面に位置し、かつ電荷分離層４が導電層２と電解質層３との間に位置する以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００７６】
本実施の形態においては、透明導電層５が存在しないことにより、透明導電層５における導体損失がなくなると共に、透明導電層５の光吸収によるエネルギー損失がなくなり、更には凸レンズ８の集光作用によってほぼ全ての入射光１５を電荷分離層４内に導くことができ、高い光電変換効率を得ることができる。
【００７７】
そして、電荷分離層４で発生した電子は導電層２を負極として正極の金属配線７へと移動し、ここで電解質層３のヨウ素を還元し、電荷分離層４の正孔に電子を供与することになる。
【００７８】
その他、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００７９】
第２の参考例
この例による光電変換装置１６Ｇは、図９に示すように、透明導電層５上に金属配線７を設けると共に、透明導電層５下に導電層２との間に、乾式のアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）系太陽電池としてｎ型ａ−Ｓｉ層１１、真性ａ−Ｓｉ層１２及びｐ型ａ−Ｓｉ層１３からなるｐ−ｉ−ｎ接合の光電変換層を構成した以外は、第１の実施の形態と同様である。
【００８０】
この例においては、ｎ型ａ−Ｓｉ層１１と金属配線７との間に透明導電層５が存在するために、アモルファスＳｉのｐ−ｉ−ｎ接合の光電変換層内で発生した電子が、透明導電層５内を素早く通過して金属配線７に流入することができ、更には、凸レンズ８の集光作用によってほぼ全ての入射光１５を光電変換層内に導くことができる。このため、高い光電変換効率を得ることができると共に、金属配線７により導体損失を大きく低減することができる。
【００８１】
なお、ｎ型ａ−Ｓｉ層１１、真性ａ−Ｓｉ層１２及びｐ型ａ−Ｓｉ層１３のそれぞれの構成物質や厚さ等は任意に設定してよい。
【００８２】
その他、この例においても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００８３】
以上に説明した実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて更に変形が可能である。
【００８４】
例えば、導光手段としてオンチップレンズ以外に液晶レンズ等を用いてもよい。また、上述の光電変換装置においては、湿式型の単独構成について述べたが、湿式型と乾式型とを複合した構成にしてもよく、例えば、平面方向に湿式型と乾式型とを交互にならべたり、湿式型の下に乾式型を設置する多重構造にしてもよい。
【００８５】
【発明の作用効果】
上述したように、本発明の第１の光電変換装置によれば、全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に、少なくとも側面及び前記電解質層側の面が接して覆われるように前記第２電極に前記金属配線を所定パターンに設けることによって、光電変換により前記電荷分離層内で発生した電子が前記金属配線に集められ、これを通して外部回路へ移動するため、導体損失を低減して電子の低損失輸送経路の確保を図ることができる。
本発明の第２の光電変換装置によれば、前記第２電極のうち、全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に全面で接して前記金属配線を覆う光透過性導電層が、所定パターンの前記金属配線上から前記開口部にかけて凹状に形成されていてこの凹状部において前記金属配線との間の層厚が他の部分に比べて薄くなっているので、前記光透過性導電層と前記電荷分離層との接触界面が拡大され、しかも前記凹状部における薄い前記層厚によって前記電荷分離層から前記光透過性導電層内を電子が比較的短距離で前記金属配線へ通過するため、十分な量の電子が前記電荷分離層から前記金属配線に移動し易くなり、電荷移動性及びその分離効率が向上して上述した導体損失の低減が可能となる。
本発明の第３の光電変換装置によれば、前記第１電極が全面で前記電解質層に接した単一層としての前記電荷分離層に接する金属層からなると共に、前記第２電極が、開口部を有しかつ側面及び前記電荷分離層側の面が前記電解質層に接して覆われた所定パターンの金属配線からなっているので、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層で発生した電子は前記第１電極へ集められて外部回路から前記第２電極へと容易に移動でき、しかも光透過性導電層が存在しないためにこれによる光のエネルギー損失及び導体損失がなくなる。
【００８６】
また、本発明の第１、第２、第３の光電変換装置はいずれも、前記第２電極の前記開口部に前記導光手段によって前記入射光が集光され、更に前記電荷分離層に導かれるため、入射光の少なくとも大部分が前記電荷分離層内に入射するように入射光の経路を制御することができ、前記開口部以外の領域で入射光が反射して生じ得る入射光の損失を防ぎ、効率良く入射光を前記電荷分離層内に入射させることができると共に、前記第２電極に光透過性導電層の如き光吸収層が存在していても、これに入射する光量を前記導光手段により低減して光吸収自体も減少させることができる。こうした入射光の経路は、前記開口部をより狭くしても実現可能であるため、前記第２電極の前記金属配線の面積を入射光の導光に支障がない程度に拡大できることによって、電子がこの金属配線に流入し易くなる（本発明の第１及び第２の光電変換装置）か或いは電子が前記第１電極の前記金属層へ流入し易くなる（本発明の第３の光電変換装置）と共に、電極の導電性をより高めて電極内で電荷が移動し易くなる。
こうして、光エネルギー損失を抑えながら導体損失及びエネルギー損失も同時に一層低減することができ、光エネルギーの損失の低減と導体損失の低減とを同時に実現することができる。
【００８７】
しかも、前記した第１及び第２電極と電荷分離層等に加えて前記集光手段を設けるだけで、比較的簡略な構造により、上記した導体損失及び光エネルギー損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図２】同、光電変換装置の平面図である。
【図３】 本発明の第１の参考例による光電変換装置の概略断面図である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図５】同、他の光電変換装置の概略断面図である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図７】 本発明の第４の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図８】 本発明の第５の実施の形態による光電変換装置の概略断面図である。
【図９】 本発明の第２の参考例による光電変換装置の概略断面図である。
【図１０】従来例の光電変換装置の概略断面図である。
【図１１】同、他の光電変換装置の概略断面図である。
【図１２】同、他の光電変換装置の概略断面図である。
【図１３】同、更に他の光電変換装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…導電層、３…電解質層、４…電荷分離層、５…透明導電層、
６…透明基板、７…金属配線（分岐又は櫛状電極）、７ａ…分岐電極、
７ｂ…櫛状電極、７ｃ…連結部、８…凸レンズ、９…レンズ保護膜、
１１…ｎ型ａ−Ｓｉ層、１２…真性ａ−Ｓｉ層、１３…ｐ型ａ−Ｓｉ層、
１５…入射光、
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１６Ｅ、１６Ｆ、１６Ｇ…光電変換装置、
１７…外部回路、１８…凸レンズ端部、１９…凹レンズ、２０…開口部、
２１…外部負荷、２２…突起部
Claims (10)
- 第１電極と、この第１電極に対向した第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極間に順次積層して配された電解質層及び電荷分離層とを有し、前記第２電極が、開口部を有しかつ前記電荷分離層に接する所定パターンの金属配線を少なくとも有し、この金属配線の少なくとも側面及び前記電解質層側の面に接して少なくともこれらの面を覆うように前記電荷分離層が設けられ、この電荷分離層が全面で前記電解質層に接した単一層として設けられ、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層に導く導光手段が設けられ、更に、前記金属配線と前記第１電極とが外部負荷を介して互いに接続されている光電変換装置。
- 第１電極と、この第１電極に対向した第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極間に順次積層して配された電解質層及び電荷分離層とを有し、前記第２電極が、開口部を有する所定パターンの金属配線と、前記電荷分離層に全面で接した状態で前記金属配線を覆う光透過性導電層とからなり、この光透過性導電層が前記金属配線上から前記開口部にかけてこれらの形状に追随した凹状に形成されていてこの凹状部において前記金属配線との間の層厚が他の部分に比べて薄くなっており、前記電荷分離層が全面で前記電解質層に接した単一層として設けられ、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層に導く導光手段が設けられ、更に、前記金属配線と前記第１電極とが外部負荷を介して互いに接続されている光電変換装置。
- 第１電極と、この第１電極に対向した第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極間に順次積層して配された電荷分離層及び電解質層とを有し、前記第１電極が全面で前記電荷分離層に接する金属層からなり、前記第２電極が、開口部を有しかつ側面及び前記電荷分離層側の面が前記電解質層に接して覆われた所定パターンの金属配線からなり、前記電荷分離層が全面で前記電解質層に接した単一層として設けられ、入射光を前記開口部に集光して前記電荷分離層に導く導光手段が設けられ、更に、前記金属配線と前記第１電極とが外部負荷を介して互いに接続されている光電変換装置。
- 前記第２電極が、前記金属配線と、この金属配線に接する光透過性導電層とからなり、前記金属配線が前記電荷分離層の側に配されている、請求項１に記載の光電変換装置。
- 前記第２電極が前記金属配線からなり、この金属配線が前記電荷分離層に接している、請求項１に記載の光電変換装置。
- 前記導光手段が前記開口部上に設けられた凸又は凹のオンチップレンズである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記オンチップレンズが光透過性の有機材料からなる、請求項６に記載の光電変換装置。
- 前記導光手段が前記開口部上に積層されたレンズアレイである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記オンチップレンズの隣接し合うレンズ部間の境界領域が前記金属配線上に位置する、請求項６に記載の光電変換装置。
- 前記電荷分離層が、増感色素を保有する半導体層からなり、前記電解質層が電解液からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
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