JP4438293B2 - 太陽電池及びその設置方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池及びその設置方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、太陽電池は、図１６に示すｐｎ接合による光電変換を行う多結晶Ｓｉ太陽電池や、図１７に示すｐｉｎ接合による光電変換を行う非晶質Ｓｉ太陽電池がある。
【０００３】
図１６に示す多結晶Ｓｉ太陽電池は、支持体を兼ねた基板１８１上に、光反射効果を有する電極金属層１８２、一つの伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１８３、この多結晶Ｓｉ半導体層１８３と同じ型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１８４、上記多結晶Ｓｉ半導体層１８３，１８４と反対の伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１８５、電流を取り出すための集電電極１８６、及び、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層１８７を積層して構成されている。上記不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１８３は、電極金属層１８２と多結晶Ｓｉ半導体層１８４との電気的接続を良好にする役目をする。
【０００４】
また、図１７に示す非晶質Ｓｉ太陽電池は、支持体を兼ねた基板１９１上に、光反射効果を有する電極金属層１９２、非晶質半導体からなりｎ型不純物がドーピングされたｎ層１９３、非晶質半導体からなり真性半導体であるｉ層１９４、非晶質半導体からなりｐ型不純物がドーピングされたｐ層１９５、電流を取り出すための集電電極１９６、及び、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層１９７を積層して構成されている。
【０００５】
また、発電効率を上げるため、図１６に示す多結晶半導体で構成したｐｎ接合と、図１７に示す非晶質半導体で構成したｐｉｎ接合とを積層したタンデム構造の太陽電池が提案されている。
【０００６】
これらの太陽電池以外に、図１８に示すように、基板側から光を入射させる太陽電池が提案されている。この太陽電池は、透明基板２０１上に、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層２０２、電流を取り出すための集電電極２０３、非晶質半導体からなりｐ型不純物がドーピングされたｐ層２０４、非晶質半導体からなり真性半導体であるｉ層２０５、非晶質半導体からなりｎ型不純物がドーピングされたｎ層２０６、及び、光反射効果を有する電極金属層２０７を積層して構成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２７７７７４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１６、図１７及び図１８に示す太陽電池においては、表面反射を極力抑えることを目的として、光入射面側に導電性透明膜からなる反射防止層１８７，１９７，２０２を設けているが、表面反射を完全に零とすることは困難である。また、上記反射防止層１８７，１９７，２０２は、一般に、波長依存性を有しており、設計波長中心から光波長がずれることにより、表面反射が増大してしまうという問題がある。比較的広い波長の光を光電変換に利用するタンデム構造の太陽電池においては、その悪影響は、さらに大きなものとなる。また、電流を取り出すため、光入射側に設けられた集電電極１８６，１９６，２０３は、入射光を完全に反射してしまうため、確実に発電効率の低下をもたらすこととなる。
【０００９】
さらに、光を吸収して電荷を発生させ、発電を行う多結晶Ｓｉ半導体層１８４、非晶質半導体ｉ層１９４，２０５は、入射した光を吸収するために十分な膜厚が必要であるが、あまり厚くなると、電荷の走行距離が増大して、外部に取り出すことのできる電流が減少する。また、これらの半導体層１８４，１９４，２０５の膜厚増加は、製造時間の増加、及び、材料使用量の増加につながり、コスト低減が困難となる。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、表面反射光があっても、光電変換層に入射される光量を減少させないようして発電効率を高くすることができる太陽電池及びその設置方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の太陽電池は、
光電変換層を有する太陽電池素子と、
シリンドリカル状集光曲面群からなる集光曲面群を有する集光素子と、
この集光素子によって集光された光が透過する直線状スリット群からなる光透過孔群を有すると共に、上記集光素子と太陽電池素子との間に位置する反射層と
を備え、
上記反射層の光透過孔群は、上記集光曲面群の各集光曲面が形成するレンズの焦点と、上記集光曲面群との間に位置しており、
上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面が形成するレンズの焦点距離をＦとし、上記シリンドリカル状集光曲面群の頂点を通る平面と上記反射層との間の距離をｄとすると、
（Ｆ／２）≦ ｄ ≦（６Ｆ/７）
であり、
上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面の幅をＷとし、上記直線状スリット群の各直線状スリットの幅をＷＳとすると、
（Ｗ／８）≦ ＷＳ ≦（２Ｗ／３）
であることを特徴としている。
【００１２】
上記構成によれば、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射する。このように、上記集光素子により集光された光が、上記光透過孔群から太陽電池素子に入射して、上記太陽電池素子と反射層との間で多重反射される点と、上記光透過孔群を一度通過した光は逃がさないで有効に利用される点との相乗効果によって、光電変換層に照射される光量が著しく増大して、発電効率を高くすることができる。
【００１３】
さらに、上記光透過孔を有する上記反射層の光透過孔群は、上記集光曲面群の各集光曲面が形成するレンズの焦点と、上記集光曲面群との間に位置しているので、上記光透過孔の形状、面積を適切に定めて、光の入射角が広い範囲に亘って変化しても、この光透過孔を通過する光量を減少しないようにすることが可能である。したがって、上記光電変換層に照射される光量が極めて増大して、発電効率を極めて高くすることが可能となる。
【００１４】
また、本発明では、上記集光曲面群が、シリンドリカル状集光曲面群であり、上記光透過孔群が直線状スリット群である。
【００１５】
上記構成によれば、上記シリンドリカル状集光曲面群によって、入射光が、効率良く、上記直線状スリット群に集光される。したがって、発電効率を高くすることができる。
【００１６】
また、本発明では、上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面が形成するレンズの焦点距離をＦとし、上記シリンドリカル状集光曲面群の頂点を通る平面と上記反射層との間の距離をｄとすると、
（Ｆ／２）≦ ｄ ≦（６Ｆ/７）
である。
【００１７】
上記構成によれば、上記集光素子への光の入射角が広い範囲に亘って変化しても、上記直線状スリットを通過する光量を減少しないようにして、発電効率を高くすることができる。
【００１８】
さらに、本発明では、上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面の幅をＷとし、上記直線状スリット群の各直線状スリットの幅をＷＳとすると、
（Ｗ／８）≦ ＷＳ ≦（２Ｗ／３）
である。
【００１９】
上記構成によれば、上記集光素子への光の入射角が広い範囲に亘って変化しても、上記直線状スリットを通過する光量を極めて多くすることができて、発電効率を高くすることができる。
【００２０】
１実施の形態では、上記集光素子において上記集光曲面群と対向する面に、上記反射層が設けられて、上記集光素子と上記反射層とによって集光反射素子が構成されている。
【００２１】
上記実施の形態によれば、上記集光素子と上記反射層とが一体化した上記集光反射素子を用いているので、太陽電池を簡単安価に製造できる。
【００２２】
１実施の形態では、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射するように、上記集光反射素子と上記太陽電池素子とが固定されている。
【００２３】
１実施の形態では、上記集光反射素子と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されている。
【００２４】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤を用いているので、上記集光反射素子と太陽電池素子とを簡単かつ強固に固定できて、耐環境性に優れた信頼性の高い安価な太陽電池を得ることができる。また、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００２５】
１実施の形態では、上記集光反射素子と上記太陽電池素子との間に、透明板が設けられている。
【００２６】
上記実施の形態によれば、上記透明板の厚さを調整することによって、上記集光反射素子と上記太陽電池素子との間の間隔を容易に制御することができる。また、上記集光反射素子と上記太陽電池素子との固定に透明接着剤を用いる場合、その透明接着剤の厚さを薄くすることができる。
【００２７】
１実施の形態では、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記透明板を透過した後、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射するように、上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とが固定されている。
【００２８】
１実施の形態では、上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されている。
【００２９】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤を用いているので、上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とを簡単かつ強固に固定できて、耐環境性に優れた信頼性の高い安価な太陽電池を得ることができる。また、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００３０】
１実施の形態では、上記透明板が、蛍光特性を有する透明板である。
【００３１】
上記実施の形態によれば、上記光透過孔群から入射した光のうち光電変換に寄与できない波長の光が、上記蛍光特性を有する透明基板によって、光電変換に寄与できる波長の光に変換されて、ランダムに放射、散乱されるので、上記光電変換層に照射される光電変換に寄与できる波長域の光の光量が著しく増大して、発電効率が極めて高くなる。
【００３２】
１実施の形態では、上記集光素子と上記太陽電池素子との間に、上記光透過孔群を有する上記反射層と透明基板とからなる反射素子が設けられている。
【００３３】
上記実施の形態によれば、上記集光素子と上記太陽電池素子と上記反射素子とを別々に作製して、上記集光素子の集光曲面群を損傷するのを防止することができる。
【００３４】
１実施の形態では、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射素子の上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射するように、上記集光素子と上記反射素子と上記太陽電池素子とが固定されている。
【００３５】
１実施の形態では、上記集光素子と上記反射素子と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されている。
【００３６】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤を用いているので、上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とを簡単かつ強固に固定できて、耐環境性に優れた信頼性の高い安価な太陽電池を得ることができる。また、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００３７】
１実施の形態では、上記反射素子の上記反射層が上記集光素子に面する一方、上記反射素子の上記透明基板が上記太陽電池素子に面している。
【００３８】
１実施の形態では、上記反射素子の上記透明基板が、蛍光特性を有する透明基板である。
【００３９】
上記実施の形態によれば、上記蛍光特性を有する透明基板を用いているので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００４０】
１実施の形態では、上記反射素子と上記太陽電池素子とを、蛍光特性を有する透明接着剤によって接着固定している。
【００４１】
上記実施の形態では、上記蛍光特性を有する透明接着剤を用いているので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００４２】
１実施の形態では、上記反射素子の上記透明基板が上記集光素子に面する一方、上記反射素子の上記反射層が上記太陽電池素子に面している。
【００４３】
１実施の形態では、上記太陽電池素子は、上記光電変換層と太陽電池素子用の基板とからなり、
上記光電変換層は、上記太陽電池素子用の上記基板の上記集光素子側の面に設けられている。
【００４４】
１実施の形態では、上記太陽電池素子は、上記光電変換層と太陽電池素子用の透明基板とからなり、
上記光電変換層は、上記太陽電池素子用の上記透明基板の上記集光素子側の面と反対側の面に設けられている。
【００４５】
１実施の形態では、上記太陽電池素子用の上記透明基板が、蛍光特性を有する透明基板である。
【００４６】
上記実施の形態によれば、上記太陽電池素子用の上記透明基板が蛍光特性を有するので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００４７】
１実施の形態では、上記太陽電池素子は、上記光電変換層と太陽電池素子用の透明基板とからなり、
上記光電変換層は、上記太陽電池素子用の上記透明基板の上記集光素子側の面と反対側の面に設けられており、
上記太陽電池素子用の上記透明基板の上記集光素子側の面に、上記光透過孔群を有する上記反射層が設けられている。
【００４８】
１実施の形態では、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて、上記太陽電池素子に設けられた上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、上記太陽電池素子用の上記透明基板を透過した後、上記光電変換層に入射し、上記光電変換層からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記光電変換層に再入射するように、上記集光素子と上記反射層と上記太陽電池素子とが固定されている。
【００４９】
１実施の形態では、上記集光素子と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されている。
【００５０】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤を用いているので、上記集光素子と上記太陽電池素子とを簡単かつ強固に固定できて、耐環境性に優れた信頼性の高い安価な太陽電池を得ることができる。また、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００５１】
１実施の形態では、上記太陽電池素子用の上記透明基板が、蛍光特性を有する透明基板である。
【００５２】
上記実施の形態によれば、上記太陽電池素子用の上記透明基板が、蛍光特性を有するので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００５３】
１実施の形態では、上記透明接着剤が蛍光特性を有する。
【００５４】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤が蛍光特性を有するので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００５５】
本発明の太陽電池の設置方法は、上記太陽電池を、上記シリンドリカル状集光曲面群の長軸方向が、東西方向と一致するように、設置することを特徴としている。
【００５６】
上記構成によれば、太陽光が傾いて入射する時間帯においても、上記シリンドリカル状集光曲面群から、効率良く、反射層の直線状スリット群へと光が集光される。したがって、太陽電池素子の光電変換層に照射される光量が増大して、発電効率を高くすることができる。
【００５７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の太陽電池を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５８】
図１は、本発明の実施の形態の太陽電池の断面斜視図を示している。
【００５９】
上記太陽電池は、太陽電池素子１００と集光反射素子２００とからなる。
【００６０】
上記太陽電池素子１００は、支持体を兼ねた基板１上に、光電変換層２を設けてなる。上記太陽電池素子１００は、例えば、図２に示すように、上記基板１上に、光反射効果を有する反射層としての電極金属層８と、一つの伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層９と、この多結晶Ｓｉ半導体層９と同じ型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１０と、上記多結晶Ｓｉ半導体層９，１０と反対の伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１１と、電流を取り出すための集電電極１２と、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層１３とを順次積層してなる。上記層８〜１３は、上記光電変換層２の一例を構成する。上記多結晶Ｓｉ半導体層９，１０，１１は、狭い意味での光電変換に寄与する層である。なお、上記不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層９は、電極金属層８と多結晶Ｓｉ半導体層１０との電気的接続を良好にする役目をする。
【００６１】
一方、上記集光反射素子２００は、一方の面を集光曲面群の一例としてのシリンドリカル状集光曲面群４に形成してなる透明板からなる集光素子３と、この集光素子３の他方の平坦な面に設けられた反射層５とからなる。この反射層５には、光透過孔群の一例としての直線状スリット群６を設けている。上記シリンドリカル状集光曲面群４は、光７を直線状スリット群６に集光するようになっている。
【００６２】
上記太陽電池素子１００の光入射面、すなわち、反射防止層１３の表面と、上記集光反射素子２００の反射層５を所定の間隔をあけて対向させて、上記太陽電池素子１００に集光反射素子２００を取り付けている。
【００６３】
上記構成の太陽電池に太陽光等の光が照射されると、図１に示すように、入射光７は集光反射素子２００の集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４により、反射層５上に形成された直線状スリット群６へと集光されて、太陽電池素子１００へと入射する。この太陽電池素子１００に入射した光は、反射防止層１３、多結晶Ｓｉ半導体層１１，１０，９を透過し、反射層としての電極金属層８により反射されて、再度、多結晶Ｓｉ半導体層９，１０，１１を通過する。これにより、多結晶Ｓｉ半導体層１１，１０における光吸収効率が高められている。
【００６４】
上記太陽電池は、反射防止層１３、集電電極１２、及び、多結晶Ｓｉ半導体層１１の表面で反射された光が、反射層５により反射され、再度、太陽電池素子１００に入射し、多結晶Ｓｉ半導体層１１，１０，９を通過する。このように、上記直線状スリット群１１から入射した光が、集光反射素子２００の反射層５と太陽電池素子１００との間で多重反射することにより、さらに高い光吸収効率が実現されて、太陽電池素子１００の発電効率が高められている。なお、上記反射防止層１３は、一般に波長依存性を有しており、全ての波長の光の反射を完全に防止することは不可能で、この反射防止層１３からの反射光が存在するが、この反射光は反射層６で反射されて、発電に利用される。
【００６５】
また、上記太陽電池においては、集光反射素子２００の反射層１２と太陽電池素子１００の反射層としての電極金属層２との間で多重反射が行われる点と、上記光透過孔群５を一度通過した光は反射層１２で逃がさないで有効に利用される点との相乗効果によって、多結晶Ｓｉ半導体層１０，１１に照射される光量が著しく増大して、多結晶Ｓｉ半導体層１０，１１を薄くした場合においても、入射した光が十分に吸収されて、かつ、電荷の走行距離が短くて、外部に取り出すことが可能な電流を大きくすることができる。したがって、発電効率を極めて高くすることができる。
【００６６】
次に、図３及び図４は、上記太陽電池の設置方法について説明する図である。
【００６７】
本明細書においては、図３に示すように、シリンドリカル状集光曲面群４の長軸方向を縦方向１４と呼び、縦方向１４と直交する方向を横方向１５と呼ぶこととする。
【００６８】
太陽光を光源とする太陽電池においては、太陽光の入射角度によらず、効率の良い発電を行う必要がある。例えば、図４に示すように、朝８時には、太陽光は東斜め上から太陽電池へと入射し、正午１２時には、太陽光は垂直上方から太陽電池へと入射し、夕方１６時には、太陽光は西斜め上から太陽電池へと入射する。効率の良い発電を行うためには、このように異なる入射角度の太陽光を、シリンドリカル状集光曲面群４で集光して、効率良く、直線状スリット群６へと入射させることが必要となる。
【００６９】
図３に示すように、横方向１５の斜め上から太陽光が入射する場合、光軸が直線状スリット群６からずれるため、シリンドリカル状集光曲面群４により集光される入射光７は、直線状スリット群６に入射せず、反射層５により反射されて、発電効率が著しく低下することになる。これに対して、縦方向１４の斜め上から太陽光が入射する場合、光軸が直線状スリット群６と一致したままであり、シリンドリカル状集光曲面群４により集光される入射光７は、直線状スリット群６に入射して、太陽光が斜め上から入射する場合においても、高い発電効率を維持することが可能となる。
【００７０】
したがって、本実施の形態の太陽電池は、集光反射素子２００の集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４を、そのシリンドリカル状集光曲面群４の縦方向１４が、太陽の進行方向、すなわち、東西方向と一致するように設置することにより、太陽光が斜め上から入射する朝方及び夕方においても、高い発電効率を実現することが可能となる。
【００７１】
次に、図５は、本実施の形態の太陽電池のシリンドリカル状集光曲面群４に対して、図３及び４に示すように、縦方向１４の斜め上から入射角度Ｑで平行光が入射した際の集光状態を計算（シミュレーション）した結果を示している。計算において、空気の屈折率ｎ１を１．０とし、集光反射素子２００の透明基板３の屈折率ｎ２を１．５とし、曲率半径１０ｍｍのシリンドリカル状集光曲面群４が、幅１２ｍｍの間隔で並んでいる場合について行った。集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間の媒体の屈折率が集光反射素子２００の透明基板３の屈折率ｎ２と異なる場合、直線状スリット群６を透過した光は、屈折することになるが、ここでは、集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間の屈折率が集光反射素子２００の屈折率ｎ２と等しいとして計算を行った。
【００７２】
図５において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、入射角度Ｑ＝０°、Ｑ＝２０°、Ｑ＝４０°、Ｑ＝６０°の場合について計算した結果である。縦方向１４の斜め上からの入射光７は、集光反射素子２００の透明板からなる集光素子３の中を縦方向１４に進みながら集光されることになるが、図５においては、光の集光状態を横断面に投影して、入射角度Ｑによる集光状態の変化を調べている。
【００７３】
図５から分かるように、入射角度Ｑが大きくなることで、入射光の集光位置は、シリンドリカル状集光曲面群４の方向に移動することになる。したがって、図５（ａ）に示すＱ＝０°における集光位置、すなわち、シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光曲面が形成するレンズの焦点ＦＰの位置に、図示していないが、仮に、直線状スリット群６を設けると、図５（ｄ）に示すＱ＝６０°の場合には、入射光のほとんどが、反射層５によって反射されることになり、入射角度Ｑの増大に伴ない、発電効率が著しく低減することになる。
【００７４】
これに対して、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、シリンドリカル状集光曲面群４を構成するシリンドリカル状集光曲面の焦点ＦＰよりもシリンドリカル状集光曲面群４に近い位置に、つまり、上記シリンドリカル状集光曲面と上記焦点ＦＰとの間に、上記直線状スリット群６を設けると共に、直線状スリット群６のスリット幅を最適化することにより、図５（ａ）に示すＱ＝０°の場合においても、図５（ｄ）に示すＱ＝６０°の場合においても、すべての入射光を直線状スリット群６へと集光することが可能となり、入射角度Ｑが増大した場合においても、効率良く入射光を直線状スリット群６へと集光して、高い発電効率を実現することが可能となる。
【００７５】
【実施例１】
本発明の実施例１として、図１に示す構成の太陽電池を作製した。
【００７６】
太陽電池素子１００の作製方法を以下に説明する。図２に示すように、支持体を兼ねたステンレス基板１上に、光反射効果を有する膜厚１００ｎｍのＡｌ０ . ９５Ｔｉ０ . ０５電極金属層８をスパッタリングにより形成した後、一つの伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層９、この多結晶Ｓｉ半導体層９と同じ型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１０、多結晶Ｓｉ半導体層９，１０と反対の伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１１をプラズマＣＶＤ（化学的気相成長）装置により順次形成した。
【００７７】
より詳しくは、上記電極金属層８上に、Ｐが高濃度にドープされた膜厚３０ｎｍの多結晶Ｓｉ半導体層９を堆積した。この多結晶Ｓｉ半導体層９は、基板温度２５０℃の条件で、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＰＨ３ガスの混合比を最適化した混合ガスをＣＶＤ装置に導入して、ガス圧２０Ｐａとして、１００Ｗの高周波電力を投入することにより形成した。
【００７８】
次に、上記多結晶Ｓｉ半導体層９上に、Ｐがわずかにドーピングされた膜厚１５０ｎｍの多結晶Ｓｉ半導体層１０を堆積した。この多結晶Ｓｉ半導体層１０は、基板温度５５０℃の条件で、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＰＨ３ガスの混合比を最適化した混合ガスをＣＶＤ装置に導入して、ガス圧５０Ｐａとして、３５０Ｗの高周波電力を投入することにより形成した。
【００７９】
上記多結晶Ｓｉ半導体層１０は、光を吸収し、電荷を発生させ、発電を行う層であり、十分に光を吸収させるため、通常その厚さが１０００ｎｍ以上、５００００ｎｍ以下に設定されるが、本実施例１においては、直線状スリット群６からの入射光が、太陽電池素子１００と集光反射素子２００の反射層５との間で多重反射するため、多結晶Ｓｉ半導体層１０を薄くすることが可能であり、その多結晶Ｓｉ半導体層１０の膜厚を１００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下にすることが望ましい。
【００８０】
次に、上記多結晶Ｓｉ半導体層１０上に、Ｂがドーピングされた膜厚１５ｎｍのｐ型の多結晶Ｓｉ半導体層１１を堆積した。この多結晶Ｓｉ半導体層１１は、基板温度３５０℃の条件で、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＢＦ３ガスの混合比を最適化した混合ガスをＣＶＤ装置に導入して、ガス圧５０Ｐａとして、１００Ｗの高周波電力を投入することにより形成した。
【００８１】
次に、上記多結晶Ｓｉ半導体層１０，１１で構成されるｐｎ接合を形成した基板１を、図示しないスパッタリング装置に取り付け、遮蔽マスクを基板１の多結晶Ｓｉ半導体層１１の表面に装着した状態で、ＡｌＴｉ合金ターゲットを用いて膜厚１００ｎｍのＡｌ０ . ９５Ｔｉ０ . ０５からなる幅０.１ｍｍ、間隔５ｍｍのくし型集電電極１２を形成した。
【００８２】
次に、上記多結晶Ｓｉ半導体層１１及びくし型集電電極１２上に、膜厚６５ｎｍの導電性透明膜からなる反射防止層１３を堆積した。この反射防止層１３は、Ｉｎ２Ｏ３ターゲットを用いて、酸素雰囲気中で反応性スパッタリングを行うことにより形成した。
【００８３】
一方、図１及び３に示す集光反射素子２００の透明板からなる集光素子３は、屈折率１．５のポリカーボネート樹脂を用いて、射出成形法により作製した。上記集光素子３の一面に形成した集光曲面群の１例としてのシリンドリカル状集光曲面群４は、曲率半径１０ｍｍの各シリンドリカル状集光曲面が、幅Ｗ＝１２ｍｍの間隔で並んだ構成とし、シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光レンズの焦点ＦＰ（図５（ａ）を参照）の焦点距離Ｆはおよそ２８ｍｍにした。上記透明板からなる集光素子３の他面に設けた反射層５の直線状スリット群６の形成位置は、集光素子３の厚さｄ、つまり、シリンドリカル状集光レンズ群の最も厚くなる箇所での透明基板３の厚さｄに応じて定めた。また、上記直線状スリット群４のスリット幅ＷＳは、シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光曲面の幅Ｗ（Ｗ＝１２ｍｍ）の１／３の幅（ＷＳ＝４ｍｍ）とした。
【００８４】
上記太陽電池素子１００と集光反射素子２００との間に、図示しないスペーサを設けて、両者の間隔が１０ｍｍとなるようにして、固定配置して、太陽電池を完成した。そして、この太陽電池の発電効率を調査した。また、比較例１として、上記太陽電池素子１００のみの構成の太陽電池の発電効率についても調査した。
【００８５】
図６は、直線状スリット群６の形成位置、すなわち、集光反射素子２００の透明板からなる集光素子３の厚さｄ、つまり、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを変えた場合において、光の入射角Ｑとともに発電効率がどのように変化するかを調べた結果である。光源としては、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）からの光を斜め上から照射した。また、図６は、並べて配置した上記比較例１の太陽電池の開放電圧Ｖ及び短絡電流Ｉを１００％として、本太陽電池の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉの大きさを比較例１と比較した結果をパーセントで示している。
【００８６】
上記焦点距離Ｆが２８ｍｍであるのに対して、集光素子３の厚さｄが１４ｍｍ（Ｆ／２）以上、２４ｍｍ（６Ｆ/７）以下の範囲において、入射角Ｑ＝６０°までのすべての場合において、比較例１よりも本実施例１の太陽電池の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉの両方が大きくなっていることが分かった。すなわち、上記シリンドリカル状集光曲面群４の頂点を通る平面と上記反射層５との間の距離ｄと上記焦点距離Ｆが、（Ｆ／２）≦ ｄ ≦（６Ｆ/７）を満足すると、入射光の入射角Ｑが広い範囲に変化しても、発電効率が高くなることが分かった。ここで、入射角Ｑ＝８０°を想定すると、すべての入射角度範囲において、常に比較例１より高い発電効率を維持することは困難となるが、１日のトータルの発電量は、太陽光の照射強度が強くなる朝９時から夕方１６時の間の発電量によって決定されるため、入射角Ｑ＝６０°までの発電効率を比較することにより、１日のトータル発電量を比較することが可能であり、直線状スリット群６の形成位置を上記範囲とすることにより、比較例１よりも高い発電効率を有する太陽電池を実現することができる。
【００８７】
また、さらに高い発電効率を維持するためには、焦点距離Ｆが２８ｍｍであるのに対して、集光素子３の厚さｄ、つまり、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを１８ｍｍ（９Ｆ／１４）以上、２２ｍｍ（１１Ｆ/１４）以下の範囲とすることが望ましい。集光素子３の厚さｄをこの範囲とすることにより、６０°までのすべての入射角Ｑに対して、開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを共に、比較例１の１２０％以上とすることが可能となる。
【００８８】
次に、集光素子３の厚さｄ、つまり、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを最適に、すなわち、２０ｍｍ（５Ｆ／７）に固定して、直線状スリット群６のスリット幅ＷＳを変えて、開放電圧Ｖと短絡電流Ｉとを調査した結果を図７に示す。上記シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光曲面の幅Ｗが１２ｍｍであるのに対して、直線状スリット群６のスリット幅ＷＳを１．５ｍｍ（Ｗ／８）以上とし、８ｍｍ（２Ｗ／３）以下とすることにより、６０°までのすべての入射角Ｑに対して、比較例１よりも大きな開放電圧Ｖと短絡電流Ｉが得られた。すなわち、上記各シリンドリカル状集光曲面の幅Ｗと、上記直線状スリット群６のスリット幅ＷＳとが、（Ｗ／８）≦ ＷＳ ≦（２Ｗ／３）を満足すると、発電効率が高くなることが分かった。これは、スリット幅ＷＳが狭くなりすぎると、集光された光の一部が反射層５により反射されて、太陽電池素子１００に到達しなくなるため、発電効率の低下につながる一方、直線状スリット群６のスリット幅ＷＳが広くなりすぎると、直線状スリット群４から太陽電池素子１００へ入射した光が、再度、直線状スリット群４から外部へ放射されて、多重反射の効率が低下するため、発電効率の低下につながるからであると考えられる。
【００８９】
以上のように、本発明の太陽電池においては、シリンドリカル状集光曲面群４の焦点距離をＦとして、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを、少なくとも、（Ｆ／２）以上、（６Ｆ/７）以下とすることが必要であり、より高い発電効率を得るためには、上記距離ｄを（９Ｆ／１４）以上、（１１Ｆ/１４）以下とすることが望ましい。また、上記シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光曲面の幅をＷとして、直線状スリット群６のスリット幅ＷＳを（Ｗ／８）以上、（２Ｗ／３）以下とすることが望ましい。
【００９０】
本実施例１においては、集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間にスペーサを設け、両者を間隔をあけて固定配置した構成について説明しているが、紫外線硬化樹脂等の透明接着剤を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１００とを接着して固定することにより、より強固に集光反射素子２００と太陽電池素子１００とを固定することができて、太陽電池の信頼性が向上する。なお、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００９１】
ここで、太陽電池素子１００と集光反射素子２００の反射層５との間で安定した多重反射を実現するためには、上記透明接着剤の層の層厚を５ｍｍ以上とすることが望ましい。また、上記紫外線硬化樹脂が厚くなり過ぎると、樹脂硬化のための時間が長くなり、太陽電池の製造のスループットが低下することになる。したがって、紫外線硬化樹脂層の層厚としては、１５ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００９２】
また、図示しない蛍光性微粒子が分散した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１００とを接着して固定することにより、さらに発電効率を高くすることが可能となる。粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、紫外線硬化樹脂に、１０体積％含有させ、集光反射素子２００の透明基板３と太陽電池素子とを、５ｍｍ厚の該紫外線硬化樹脂を用いて接着固定した太陽電池を作製した。この蛍光粒子は、光電変換に利用されない波長４００ｎｍ近傍の光を、光電変換に利用される波長６００ｎｍ近傍の光に変換し、さらに、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、集光反射素子２００の透明基板３と太陽電池素子１００との間で多重反射することにより、太陽電池の発電効率をさらに高くすることができる。
【００９３】
蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００の透明基板３と太陽電池素子１００とを接着固定した太陽電池と、蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００の透明基板３と太陽電池素子１００とを接着固定した本発明の太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが１５％大きくなり、短絡電流Ｉが１２％大きくなることが確認された。
【００９４】
【実施例２】
本発明の実施例２として、図８に示す構成の太陽電池を作製した。以下、本明細書において、図１、３に示す実施例１と同一構成部は、実施例１と同一参照番号を使用する。
【００９５】
実施例２の太陽電池は、実施例１と同様に、太陽電池素子１００と集光反射素子２００を備える。この太陽電池素子１００は、基板１と光電変換層２とからなり、集光反射素子２００は、集光曲面群の一例としてのシリンドリカル状集光曲面群４を片側に有する透明板からなる集光素子３と、光透過孔群の一例としての直線状スリット群６を有する反射層５とからなる。上記集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間には、スペーサとしての透明板１６を設けている。
【００９６】
上記構成において、上記集光反射素子２００の集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４から入射した光７は、直線状スリット群６に集光されて、透明板１６を透過し、太陽電池素子１００へと入射する。一方、上記太陽電池素子１００からの反射光は、集光反射素子２００の反射層５により反射されて、再度太陽電池素子１００へと再入射することにより、上記反射層５と太陽電池素子１００との間で、入射光７の多重反射が実現して、発電効率が高くなる。
【００９７】
実施例１のうち、集光反射素子２００と太陽電池素子１００とを直接紫外線硬化樹脂で固定した場合、紫外線硬化樹脂の厚さを少なくとも５ｍｍ以上まで厚くする必要があるため、紫外線硬化樹脂を硬化するために長い時間を必要としたが、実施例２においては、スペーサとしての透明板１６の板厚を調整することにより、集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間隔を容易に制御することが可能となり、紫外線硬化樹脂の層厚を薄くすることができる。
【００９８】
上記透明板１６として板厚９ｍｍのポリカーボネート板を採用し、集光反射素子２００と透明板１６との間と、太陽電池素子１００と透明板１６との間とに、それぞれ、５０μｍ厚の紫外線硬化樹脂層を形成して、集光反射素子２００と透明板１６と太陽電池素子１００とを接着固定して、太陽電池を作製した。この実施例２の太陽電池について、実施例１と同様な発電効率の調査を行った結果、実施例１とほぼ同様な開放電圧と短絡電流が得られて、実施例２の構成においても、太陽電池の発電効率を高くすることができることが分かった。
【００９９】
次に、上記透明板１６として、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１５体積％含有させた透明板を用いた太陽電池を作製した。この蛍光粒子は、光電変換に利用されない波長４００ｎｍ近傍の光を、光電変換に利用される波長６００ｎｍ近傍の光に変換し、さらに、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間で多重反射することにより、さらに、太陽電池の発電効率を高くすることができた。
【０１００】
蛍光粒子を含有しない透明板１６を用いた太陽電池と、蛍光粒子を含有した透明板１６を用いた太陽電池に対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有した透明基板１６を用いることにより、開放電圧Ｖが２０％大きくなり、短絡電流Ｉが１６％大きくなることが確認された。
【０１０１】
次に、上記集光反射素子２００と透明基板１６と太陽電池素子１００とを接着して固定するための紫外線硬化樹脂に、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１０体積％含有させた実施例２の構成の太陽電池を作製した。
【０１０２】
蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と透明板１６と太陽電池素子１００とを接着して固定した太陽電池と、上記蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と透明板１６と太陽電池素子１００とを接着して固定した太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが８％大きくなり、短絡電流Ｉが６％大きくなることが確認された。
【０１０３】
ここでは、上記透明板１６と紫外線硬化樹脂とのうちの一方に対して、蛍光粒子を含有させた構成について調査したが、上記透明板１６と紫外線硬化樹脂との両方に蛍光粒子を含有させた場合においても、同様に開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを大きくすることができる。
【０１０４】
【実施例３】
本発明の実施例３の太陽電池は、図９に示すように、集光素子３と、太陽電池素子１００と、この集光素子３と太陽電池素子１００との間に配置された反射素子２５０とからなる。この太陽電池素子１００は、実施例１及び２の太陽電池素子１００と全く同じ構成を有する。
【０１０５】
上記集光素子３は、透明板の一面に、例えばシリンドリカル状集光曲面群等からなる集光曲面群４を形成してなる。上記反射素子２５０は、透明基板１７と反射層８とからなる。この反射層８は、透明基板１７の集光素子３側の面に設けられると共に、例えば直線状スリット群等からなる光透過孔群６を有する。
【０１０６】
上記反射素子２５０の透明基板１７としては、板厚１０ｍｍのポリカーボネート板を採用した。この場合、集光素子３の集光曲面群４から入射した光は、反射素子２５０の透明基板１７上に形成された光透過孔群６に集光されて、透明基板１７を透過し、太陽電池素子１００へと入射し、太陽電池素子１００からの反射光は、反射素子２５０の反射層５により反射されて、再度、太陽電池素子１００へと再入射する。この場合も、実施例１と同様に、集光曲面群４と光透過孔群６を有する反射層５との距離を最適化することにより、実施例１と同様な、開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを得ることができた。
【０１０７】
また、実施例１及び実施例２においては、集光反射素子２００は、一面に集光曲面群４を形成してなる透明板からなる集光素子３と、この集光素子３の他面に設けられると共に光透過孔群６を有する反射層５とからなっている。この場合、上記反射層５の形成時や、光透過孔群６のパターニング時に、集光素子３を固定することにより、集光曲面群４に傷等の欠損が発生して、集光効率が低下する原因となっていた。しかし、実施例３に示すように、一面に集光曲面群４を有する透明板からなる集光素子３と、透明基板１７の一面に光透過孔群６を有する反射層５を設けてなる反射素子２５０とを別々に作製することにより、集光曲面群４に傷等の欠損が発生する確立が低下し、再現性良く発電効率の高い太陽電池を作製することができる。
【０１０８】
次に、上記反射素子２５０の透明基板１７として、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１５体積％含有させた透明基板１７を有する反射素子２５０を用いて太陽電池を作製した。この蛍光粒子は、光電変換に利用されない波長４００ｎｍ近傍の光を、光電変換に利用される波長６００ｎｍ近傍の光に変換し、さらに、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、反射素子２５０と太陽電池素子１００との間で多重反射することにより、太陽電池の発電効率を高くすることができる。
【０１０９】
蛍光粒子を含有しない透明基板１７を用いた太陽電池と、蛍光粒子を含有した透明基板１７を用いた太陽電池に対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有した透明基板１７を用いることにより、開放電圧Ｖが１９％大きくなり、短絡電流Ｉが１５％大きくなることが確認された。
【０１１０】
次に、上記反射素子２５０の透明基板１７と、太陽電池素子１００とを、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を１０体積％含有した紫外線硬化樹脂で接着固定して太陽電池を作製した。ここで、上記集光素子３と、反射素子２５０の透明基板１７とを接着固定する紫外線硬化樹脂は、光透過孔６よりも光入射側に存在するため、蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いる必要がある。もし、上記集光素子３と反射素子２５０の透明基板１７とを接着固定する紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させたとすると、入射光が蛍光粒子に散乱されて、光透過孔６への集光効率が低下することになるからである。
【０１１１】
蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、反射素子２５０の透明基板１７と太陽電池素子１００とを接着固定した太陽電池と、蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、反射素子２５０の透明基板１７と太陽電池素子１００とを接着固定した太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが８％大きくなり、短絡電流Ｉが６％大きくなることが確認された。
【０１１２】
ここでは、反射素子２５０の透明基板１７と、接着固定用の紫外線硬化樹脂とに対して、独立に蛍光粒子を含有させた構成について調査したが、上記透明基板１７と紫外線硬化樹脂の両方に蛍光粒子を含有させた場合においても、同様に開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを大きくすることが可能である。
【０１１３】
実施例１から実施例３に記載の太陽電池においては、ステンレス基板１上に、電極金属層８、多結晶Ｓｉ半導体層９、多結晶Ｓｉ半導体層１０、多結晶Ｓｉ半導体層１１、くし型集電電極１２、導電性透明膜１３を形成した多結晶Ｓｉ太陽電池を用いたが、これに限られるものではない。太陽電池素子として、図１７に示す非晶質Ｓｉ太陽電池素子を用いることも可能であり、また、さらに発電効率を上げるため、図１６に示す多結晶半導体で構成したｐｎ接合と、図１７に示す非晶質半導体で構成したｐｉｎ接合とを積層したタンデム構造太陽電池素子を用いることも可能である。
【０１１４】
また、実施例１から実施例３に記載の太陽電池においては、集光素子３として、射出成形法により作製したポリカーボネート製の透明板３を用いたが、これに限られるものではない。その他の樹脂材料として、スチレン系透明樹脂、オレフィン系透明樹脂、エチレン系透明樹脂、アクリル系透明樹脂等を用いることが可能であり、また、作製方法も射出成形法に限られるものでなく、キャスティング法や熱間成形法等を用いることが可能である。さらに、集光素子３として、モールド法により作製したガラス製の透明板３を用いることが可能である。透明板３をガラス製とすることにより、耐環境性が著しく改善され、長期使用に対しても安定して高い発電効率を維持することが可能である。
【０１１５】
また、実施例１から実施例３に記載の太陽電池においては、蛍光粒子として、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を用いたが、これに限られるものではない。例えば、蛍光粒子として、粒径２〜２０μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの性蛍光粒子を使用することにより、２００〜４５０ｎｍの波長の光を吸収し、６２５ｎｍの波長の光を放射させることが可能である。また、Ｅｒ３＋イオンを含有した酸化フッ化物系結晶化ガラスを用いることにより、８００ｎｍ近傍の波長の光を吸収し、５５０〜６６０ｎｍの波長の光を放射させることが可能である。これら以外の蛍光材料として、酸化ストロンチウムと酸化アルミニウムからなる化合物に希土類元素のユウロピウム（Ｅｕ）とジスプロシウム（Ｄｙ）を添加したＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｄｙや、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ，Ｄｙや、ＣａＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｄｙや、ＺｎＳ：Ｃｕ等の蛍光材料を用いることも可能である。
【０１１６】
また、シアニン系色素、ピリジン系色素、ローダミン系色素等の有機色素を含有させることによっても、同様に、短波長の光を長波長の光に変換することが可能であり、発電効率を高くすることが可能である。
【０１１７】
また、実施例２及び実施例３に記載の太陽電池においては、スペーサとしての透明板１６及び反射素子２５０の透明基板１７として、ポリカーボネート板を用いたが、これに限られるものではない。透明板１６及び透明基板１７として、スチレン系透明樹脂、オレフィン系透明樹脂、エチレン系透明樹脂、アクリル系透明樹脂からなるプラスチック板を用いることが可能である。また、上記透明板１６及び透明基板１７として、ガラス板を用いることにより、耐環境性が著しく改善され、長期使用に対しても安定して高い発電効率を維持することが可能である。
【０１１８】
【実施例４】
本発明の実施例４として、図１０に示す構成の太陽電池を作製した。
【０１１９】
この太陽電池は、実施例１及び２と全く同様に、集光曲面群の一例としてのシリンドリカル状集光曲面群４を有する集光素子３と、光透過孔群の一例としての直線状スリット群６を有する反射層５とからなる集光反射素子２００を備える。この太陽電池は、太陽電池素子１１０の構成が、実施例１及び２の太陽電池素子１００と異なる。上記太陽電池素子１１０は、太陽電池素子用の透明基板１８と、上記集光反射素子２００と反対側の上記透明基板１８の面上に設けられた光電変換層１９とからなる。
上記集光反射素子２００の集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４から入射した光７は、反射層５の直線状スリット群６に集光されて、太陽電池素子１１０の透明基板１８を透過して、光電変換層１９へと入射する。一方、上記光電変換層１９からの反射光は、反射層５により反射され、再度、光電変換層１９へと再入射する。このように、反射層５と太陽電池素子１１０との間で多重反射が行われるので、光電変換層１９での発電効率を高くすることができる。
【０１２０】
実施例４の太陽電池素子１１０は、図１１に示すような構成であり、次のようにして作製した。
【０１２１】
太陽電池素子用の透明ガラス基板１８上に、膜厚３０ｎｍのＳｎＯ２透明導電層２０を反応性スパッタリングにより形成した後、図示しない遮蔽マスクを透明ガラス基板１８上の透明導電層２０表面に装着した状態で、ＡｌＴｉ合金ターゲットを用いたスパッタリングにより、膜厚１００ｎｍのＡｌ０.９５Ｔｉ０.０５からなる、幅０.１ｍｍ、間隔５ｍｍのくし型集電電極２１を形成した。
【０１２２】
次に、このくし型集電電極２１及び透明導電層２０上に、ｐ型不純物ドープ半導体層であるｐ層２２、真性半導体であるｉ層２３、ｎ型不純物ドープ層であるｎ層２４をこの順でプラズマＣＶＤ装置による気相成長法で積層した。上記半導体層２２，２３，２４は、それぞれ、ＳｉＨ４ガス・Ｈ２ガス・ＣＨ４ガス・Ｂ２Ｈ６ガスの混合ガスを用いて気相成長した膜厚１５ｎｍのａ−ＳｉＣ：Ｈのｐ層２２、ＳｉＨ４ガス・Ｈ２ガスの混合ガスを用いて気相成長した膜厚１００ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈのｉ層２３、ＳｉＨ４ガス・Ｈ２ガス・ＰＨ３ガスの混合ガスを用いて気相成長した膜厚１５ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈのｎ層２４とした。
【０１２３】
このようにして、上記ｐ層２２、ｉ層２３、ｎ層２３（光電変換に寄与する）を形成した後、膜厚１００ｎｍのＡｌからなる光反射効果を有する電極金属層２５をスパッタリングにより形成し、この電極金属層２５上に紫外線硬化樹脂を塗布して、電極金属層２５の保護膜２６とした。
【０１２４】
上記集光素子３と太陽電池素子１１０とを、実施例１と同様に、紫外線硬化樹脂を用いて接着固定して実施例４の太陽電池とした。
【０１２５】
実施例４の集光素子３及び太陽電池素子１１０を有する太陽電池と、上記集光素子３を取り外した上記太陽電池素子１１０のみの太陽電池（比較例４）との発電効率を実施例１と同様にして比較した。すなわち、実施例４の集光素子３の厚さｄを変えた場合において、光の入射角Ｑとともに発電効率がどのように変化するかを調べた。図１２は、比較例４の太陽電池の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉとを、それぞれ、１００％として、実施例４の太陽電池の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉとをパーセントで示している。
【０１２６】
実施例４の集光素子３は、実施例１の集光素子３と同じものであり、実施例４の太陽電池においても実施例１の太陽電池と同様な結果が得られた。
【０１２７】
すなわち、上記集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４の焦点距離をＦとして、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを、少なくとも、（Ｆ／２）以上、（６Ｆ／７）以下とすることにより、集光素子３による発電効率の向上が実現し、上記距離ｄを（９Ｆ／１４）以上、（１１Ｆ／１４）以下とすることにより、さらに高い発電効率が得られた。また、上記シリンドリカル状集光曲面群４の幅をＷとして、直線状スリット群４のスリット幅ＷＳを（Ｗ／８）以上、（２Ｗ／３）以下とすることにより、集光曲面群４からの光を効率良く直線状スリット群４に集光することが可能となる。
【０１２８】
また、実施例１と同様に、蛍光性微粒子が分散した紫外線硬化樹脂を用いて、集光素子３と太陽電池素子１１０とを接着して固定することにより、さらに発電効率を高くすることが可能となる。粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を１０体積％含有した５ｍｍ厚の紫外線硬化樹脂を用いて、集光素子３と太陽電池素子とを接着固定して太陽電池を作製した。蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、集光素子３と太陽電池素子１１０とを接着固定した太陽電池と、蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光素子３と太陽電池素子１１０とを接着固定した太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが１４％大きくなり、短絡電流Ｉが１１％大きくなることが確認された。
【０１２９】
また、実施例４においては、太陽電池素子用の透明基板１８として、蛍光材料を含有した蛍光ガラスを用いることによっても、同様に発電効率を改善することが可能である。
【０１３０】
図１０に示す実施例４の太陽電池において、太陽電池素子１１０用の透明基板１８として、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１５体積％含有したガラス基板を用いて太陽電池を作製した。この蛍光粒子は、光電変換に利用されない波長４００ｎｍ近傍の光を、光電変換に利用される波長６００ｎｍ近傍の光に変換し、さらに、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、集光素子３と太陽電池素子１１０との間で多重反射することにより、太陽電池の発電効率をさらに高くすることが可能となる。
【０１３１】
蛍光粒子を含有しない太陽電池素子１１０用の透明基板１８を用いた太陽電池と、蛍光粒子を含有した太陽電池素子１１０用の透明基板１８を用いた太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有した太陽電池素子１１０用の透明基板１８を用いることにより、開放電圧Ｖが１９％大きくなり、短絡電流Ｉが１４％大きくなることが確認された。
【０１３２】
次に、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１０体積％含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１１０とを接着固定して、実施例４の構成の太陽電池を作製した。
【０１３３】
蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１１０とを接着固定した太陽電池と、蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１１０とを接着固定した太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが９％大きくなり、短絡電流Ｉが８％大きくなることが確認された。
【０１３４】
ここでは、太陽電池素子１１０用の透明基板１８と紫外線硬化樹脂との一方に対して、蛍光粒子を含有させた構成について調査したが、透明基板１８と紫外線硬化樹脂との両方に蛍光粒子を含有させた場合においても、同様に開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを大きくすることが可能である。
【０１３５】
【実施例５】
本発明の実施例５として、図１３に示す構成の太陽電池を作製した。
【０１３６】
実施例５の太陽電池は、太陽電池素子１１０と、集光素子３と、光透過孔６を有する反射層５とからなる。上記太陽電池素子１１０は、透明基板１８と、この透明基板１８の集光素子３側と反対側の面上に設けられた光電変換層１９とからなる。上記反射層５は、太陽電池素子１１０の透明基板１８の集光素子３に面する側に設けている。
【０１３７】
上記構成において、上記集光素子３の集光曲面群４から入射した光７は、集光されて、反射層５の光透過孔群６を通過して、太陽電池素子１２０の透明基板１８を透過して、光電変換層１９へと入射する。一方、上記光電変換層１９からの反射光は、反射層５により反射されて、再度、光電変換層１９へと再入射する。入射光７が、反射層５と光電変換層１９との間で多重反射することにより、太陽電池の発電効率を高くすることができる。
【０１３８】
図１０に示す実施例４の太陽電池は、光透過孔群６を有する反射層５を集光素子３の一面に設けていたが、図１０に示す実施例５の太陽電池は、光透過孔群６を有する反射層５を太陽電池素子１１０の透明基板１８に設けている。実施例５と実施例４とでは、この相違点が存在しているが、基本的な構成は、実施例５は実施例４と同様である。実施例５の集光素子３と太陽電池素子１１０とを紫外線硬化樹脂により接着固定して、実施例４と同様にして、開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを調べた結果、実施例４とほぼ同じ結果が得られて、実施例５においても発電効率を高くすることができることを確認した。
【０１３９】
実施例５の太陽電池においても、太陽電池素子１１０用の透明基板１８として、蛍光材料を含有した蛍光ガラスを用いることにより、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。
【０１４０】
【実施例６】
本発明の実施例６として、図１４に示す構成の太陽電池を作製した。
【０１４１】
実施例６の太陽電池は、実施例３と同じ構成の集光素子３及び反射素子２５０と、実施例４と同じ構成の太陽電池素子１１０とを備える。
【０１４２】
上記構成において、上記集光素子３の集光曲面群４に入射した光７は集光されて、反射素子２５０の反射層５の光透過孔群６を透過し、さらに、透明基板２７と太陽電池素子１１０の透明基板１８を透過して、光電変換層１９へと入射し、光電変換層１９からの反射光は、反射層５により反射されて、再度、光電変換層１９へと再入射する。
【０１４３】
このように、入射光７が、反射素子２５０の反射層５と太陽電池素子１１０の光電変換層１９との間で多重反射することにより、実施例３や実施例４と同様に、太陽電池の発電効率を高くすることができる。
【０１４４】
実施例６においては、集光曲面群４が形成された透明板からなる集光素子３と、光透過孔群６を有する反射層５及び透明基板１７からなる反射素子２５０と、透明基板１８及び光電変換層１９からなる太陽電池素子１１０とを、それぞれ、別々に形成した後、それらを透明接着剤等で接着固定して、太陽電池を製作できるため、太陽電池の形成プロセスの歩留まりを上げることができる。すなわち、実施例４のように、集光曲面群４が形成された集光素子３の平坦な一方の面に、光透過孔群６を有する反射層５を一体的に設けた集光反射素子２００を形成する必要がなくなるため、集光曲面群４の損傷による集光効率の低下といった問題を抑制することができる。
【０１４５】
実施例６の太陽電池においては、上記反射素子２５０の透明基板１７または太陽電池素子１１０の透明基板１８として、蛍光材料を含有した蛍光ガラスを用いることにより、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。また、上記反射素子２５０の透明基板１７と太陽電池素子１１０の透明基板１８とを接着固定する紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることによっても、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。
【０１４６】
【実施例７】
実施例７の太陽電池を図１５に示す。この実施例７の太陽電池では、反射素子２６０において、透過孔６を有する反射層５を透明基板１７の下面に設けていて、図１４に示す実施例６の反射素子２５０とは、反射層５と透明基板１７との上下関係が逆になっている。実施例７の他の構成は、実施例６と基本的には同じである。もっとも、実施例７の集光素子３の厚さは、実施例６の集光素子３の厚さよりも薄くて、実施例６及び７の集光素子３の頂点と反射層５の光透過孔群６との間の距離は、略同じにしている。
【０１４７】
上記構成において、集光素子３の集光曲面群４から入射した光７は、集光素子３と反射素子２６０の透明基板１７とを通過して反射層５の光透過孔群６に集光されて、太陽電池素子１１０の透明基板１８を透過して、光電変換層１９へと入射し、光電変換層１９からの反射光は、反射層５により反射されて、再度、光電変換層１９へと再入射する。
【０１４８】
このように、入射光７は、反射層５と光電変換層１９との間で多重反射するので、実施例６と同様に、太陽電池の発電効率を高くすることが可能となる。
【０１４９】
この場合、太陽電池素子１１０の透明基板１８として、蛍光材料を含有した蛍光ガラスを用いることにより、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。また、上記反射素子２６０の透明基板１７と太陽電池素子１１０の透明基板１８とを接着固定する紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることによっても、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。
【０１５０】
上記実施例１〜７において、集光素子３の集光曲面群４の頂点と光透過孔群４との間の距離と、上記集光素子３の焦点距離との関係は、略同じである。
【０１５１】
上記実施例１〜７においては、集光曲面群としてシリンドリカル状集光曲面群４を使用し、光透過孔群として直線状スリット群６を使用したが、集光曲面群は、球面状集光曲面群や楕円回転体面状集光曲面群等であってもよく、光透過孔群は、円孔群や楕円孔群等であってもよい。
【０１５２】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の太陽電池によれば、集光素子により集光された光が、反射層の直線状スリット群からなる光透過孔群から太陽電池素子に入射して、この太陽電池素子と反射層との間で多重反射する点と、上記光透過孔群を一度通過した光を反射層で逃がさないで有効に利用できる点と、上記反射層の光透過孔群が、シリンドリカル状集光曲面群からなる集光曲面群の各集光曲面が形成するレンズの焦点と上記集光曲面群との間に位置しているおり、上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面が形成するレンズの焦点距離をＦとし、上記シリンドリカル状集光曲面群の頂点を通る平面と上記反射層との間の距離をｄとすると、（Ｆ／２）≦ ｄ ≦（６Ｆ/７）であり、上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面の幅をＷとし、上記直線状スリット群の各直線状スリットの幅をＷＳとすると、（Ｗ／８）≦ ＷＳ ≦（２Ｗ／３）であることにより、光の入射角が広い範囲に亘って変化しても、この光透過孔を通過する光量を減少しないようにすることが可能である点との相乗効果によって、光電変換層に照射される光量を著しく増大して、発電効率を極めて高くすることができる。
【０１５３】
また、本発明の太陽電池の設置方法によれば、シリンドリカル状集光曲面の長軸方向が、東西方向と一致するように、設置するので、太陽光が傾いて入射する時間帯においても、上記シリンドリカル状集光曲面群から、効率良く、反射層の直線状スリット群へと光が集光して、太陽電池素子の光電変換層に照射される光量を増大して、発電効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態及び実施例１の太陽電池の断面斜視図である。
【図２】 上記実施の形態及び実施例１の太陽電池の太陽電池素子の断面図である。
【図３】 上記実施の形態の太陽電池の設置方法を説明する図面である。
【図４】 上記実施の形態の太陽電池の設置方法を説明する図面である。
【図５】 上記実施の形態の太陽電池の集光状態を計算した結果を表す図である。
【図６】 本発明の実施例１においてシリンドリカル状集光曲面群の頂点と直線状スリット群との間の距離及び光の入射角に対する開放電圧及び短絡電流を示す図である。
【図７】 本発明の実施例１において直線状スリット群の幅及び光の入射角に対する開放電圧及び短絡電流を示す図である。
【図８】 本発明の実施例２の太陽電池の断面斜視図である。
【図９】 本発明の実施例３の太陽電池の断面斜視図である。
【図１０】 本発明の実施例４の太陽電池の断面斜視図である。
【図１１】 本発明の実施例４の太陽電池に用いる太陽電池素子の断面図である。
【図１２】 本発明の実施例４においてシリンドリカル状集光曲面群の頂点と直線状スリット群との間の距離及び光の入射角に対する開放電圧及び短絡電流を示す図である。
【図１３】 本発明の実施例５の太陽電池の断面斜視図である。
【図１４】 本発明の実施例６の太陽電池の断面斜視図である。
【図１５】 本発明の実施例７の太陽電池の断面斜視図である。
【図１６】 従来の太陽電池素子の断面図である。
【図１７】 従来の太陽電池素子の断面図である。
【図１８】 従来の太陽電池素子の断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，１９ 光電変換層
３ 集光素子
４ シリンドリカル状集光曲面群
５ 反射層
６ 直線状スリット群
７ 入射光
１４ 縦方向
１５ 横方向
１６ 透明板
１７，２７ 透明基板
１８ 太陽電池素子用の透明基板
１９ 光電変換層
１００，１１０ 太陽電池素子
２００ 集光反射素子
２５０，２６０ 反射素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池及びその設置方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、太陽電池は、図１６に示すｐｎ接合による光電変換を行う多結晶Ｓｉ太陽電池や、図１７に示すｐｉｎ接合による光電変換を行う非晶質Ｓｉ太陽電池がある。
【０００３】
図１６に示す多結晶Ｓｉ太陽電池は、支持体を兼ねた基板１８１上に、光反射効果を有する電極金属層１８２、一つの伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１８３、この多結晶Ｓｉ半導体層１８３と同じ型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１８４、上記多結晶Ｓｉ半導体層１８３，１８４と反対の伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１８５、電流を取り出すための集電電極１８６、及び、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層１８７を積層して構成されている。上記不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１８３は、電極金属層１８２と多結晶Ｓｉ半導体層１８４との電気的接続を良好にする役目をする。
【０００４】
また、図１７に示す非晶質Ｓｉ太陽電池は、支持体を兼ねた基板１９１上に、光反射効果を有する電極金属層１９２、非晶質半導体からなりｎ型不純物がドーピングされたｎ層１９３、非晶質半導体からなり真性半導体であるｉ層１９４、非晶質半導体からなりｐ型不純物がドーピングされたｐ層１９５、電流を取り出すための集電電極１９６、及び、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層１９７を積層して構成されている。
【０００５】
また、発電効率を上げるため、図１６に示す多結晶半導体で構成したｐｎ接合と、図１７に示す非晶質半導体で構成したｐｉｎ接合とを積層したタンデム構造の太陽電池が提案されている。
【０００６】
これらの太陽電池以外に、図１８に示すように、基板側から光を入射させる太陽電池が提案されている。この太陽電池は、透明基板２０１上に、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層２０２、電流を取り出すための集電電極２０３、非晶質半導体からなりｐ型不純物がドーピングされたｐ層２０４、非晶質半導体からなり真性半導体であるｉ層２０５、非晶質半導体からなりｎ型不純物がドーピングされたｎ層２０６、及び、光反射効果を有する電極金属層２０７を積層して構成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２７７７７４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１６、図１７及び図１８に示す太陽電池においては、表面反射を極力抑えることを目的として、光入射面側に導電性透明膜からなる反射防止層１８７，１９７，２０２を設けているが、表面反射を完全に零とすることは困難である。また、上記反射防止層１８７，１９７，２０２は、一般に、波長依存性を有しており、設計波長中心から光波長がずれることにより、表面反射が増大してしまうという問題がある。比較的広い波長の光を光電変換に利用するタンデム構造の太陽電池においては、その悪影響は、さらに大きなものとなる。また、電流を取り出すため、光入射側に設けられた集電電極１８６，１９６，２０３は、入射光を完全に反射してしまうため、確実に発電効率の低下をもたらすこととなる。
【０００９】
さらに、光を吸収して電荷を発生させ、発電を行う多結晶Ｓｉ半導体層１８４、非晶質半導体ｉ層１９４，２０５は、入射した光を吸収するために十分な膜厚が必要であるが、あまり厚くなると、電荷の走行距離が増大して、外部に取り出すことのできる電流が減少する。また、これらの半導体層１８４，１９４，２０５の膜厚増加は、製造時間の増加、及び、材料使用量の増加につながり、コスト低減が困難となる。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、表面反射光があっても、光電変換層に入射される光量を減少させないようして発電効率を高くすることができる太陽電池及びその設置方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の太陽電池は、
光電変換層を有する太陽電池素子と、
シリンドリカル状集光曲面群からなる集光曲面群を有する集光素子と、
この集光素子によって集光された光が透過する直線状スリット群からなる光透過孔群を有すると共に、上記集光素子と太陽電池素子との間に位置する反射層と
を備え、
上記反射層の光透過孔群は、上記集光曲面群の各集光曲面が形成するレンズの焦点と、上記集光曲面群との間に位置しており、
上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面が形成するレンズの焦点距離をＦとし、上記シリンドリカル状集光曲面群の頂点を通る平面と上記反射層との間の距離をｄとすると、
（Ｆ／２）≦ ｄ ≦（６Ｆ/７）
であり、
上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面の幅をＷとし、上記直線状スリット群の各直線状スリットの幅をＷＳとすると、
（Ｗ／８）≦ ＷＳ ≦（２Ｗ／３）
であることを特徴としている。
【００１２】
上記構成によれば、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射する。このように、上記集光素子により集光された光が、上記光透過孔群から太陽電池素子に入射して、上記太陽電池素子と反射層との間で多重反射される点と、上記光透過孔群を一度通過した光は逃がさないで有効に利用される点との相乗効果によって、光電変換層に照射される光量が著しく増大して、発電効率を高くすることができる。
【００１３】
さらに、上記光透過孔を有する上記反射層の光透過孔群は、上記集光曲面群の各集光曲面が形成するレンズの焦点と、上記集光曲面群との間に位置しているので、上記光透過孔の形状、面積を適切に定めて、光の入射角が広い範囲に亘って変化しても、この光透過孔を通過する光量を減少しないようにすることが可能である。したがって、上記光電変換層に照射される光量が極めて増大して、発電効率を極めて高くすることが可能となる。
【００１４】
また、本発明では、上記集光曲面群が、シリンドリカル状集光曲面群であり、上記光透過孔群が直線状スリット群である。
【００１５】
上記構成によれば、上記シリンドリカル状集光曲面群によって、入射光が、効率良く、上記直線状スリット群に集光される。したがって、発電効率を高くすることができる。
【００１６】
また、本発明では、上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面が形成するレンズの焦点距離をＦとし、上記シリンドリカル状集光曲面群の頂点を通る平面と上記反射層との間の距離をｄとすると、
（Ｆ／２）≦ ｄ ≦（６Ｆ/７）
である。
【００１７】
上記構成によれば、上記集光素子への光の入射角が広い範囲に亘って変化しても、上記直線状スリットを通過する光量を減少しないようにして、発電効率を高くすることができる。
【００１８】
さらに、本発明では、上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面の幅をＷとし、上記直線状スリット群の各直線状スリットの幅をＷＳとすると、
（Ｗ／８）≦ ＷＳ ≦（２Ｗ／３）
である。
【００１９】
上記構成によれば、上記集光素子への光の入射角が広い範囲に亘って変化しても、上記直線状スリットを通過する光量を極めて多くすることができて、発電効率を高くすることができる。
【００２０】
１実施の形態では、上記集光素子において上記集光曲面群と対向する面に、上記反射層が設けられて、上記集光素子と上記反射層とによって集光反射素子が構成されている。
【００２１】
上記実施の形態によれば、上記集光素子と上記反射層とが一体化した上記集光反射素子を用いているので、太陽電池を簡単安価に製造できる。
【００２２】
１実施の形態では、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射するように、上記集光反射素子と上記太陽電池素子とが固定されている。
【００２３】
１実施の形態では、上記集光反射素子と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されている。
【００２４】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤を用いているので、上記集光反射素子と太陽電池素子とを簡単かつ強固に固定できて、耐環境性に優れた信頼性の高い安価な太陽電池を得ることができる。また、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００２５】
１実施の形態では、上記集光反射素子と上記太陽電池素子との間に、透明板が設けられている。
【００２６】
上記実施の形態によれば、上記透明板の厚さを調整することによって、上記集光反射素子と上記太陽電池素子との間の間隔を容易に制御することができる。また、上記集光反射素子と上記太陽電池素子との固定に透明接着剤を用いる場合、その透明接着剤の厚さを薄くすることができる。
【００２７】
１実施の形態では、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記透明板を透過した後、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射するように、上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とが固定されている。
【００２８】
１実施の形態では、上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されている。
【００２９】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤を用いているので、上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とを簡単かつ強固に固定できて、耐環境性に優れた信頼性の高い安価な太陽電池を得ることができる。また、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００３０】
１実施の形態では、上記透明板が、蛍光特性を有する透明板である。
【００３１】
上記実施の形態によれば、上記光透過孔群から入射した光のうち光電変換に寄与できない波長の光が、上記蛍光特性を有する透明基板によって、光電変換に寄与できる波長の光に変換されて、ランダムに放射、散乱されるので、上記光電変換層に照射される光電変換に寄与できる波長域の光の光量が著しく増大して、発電効率が極めて高くなる。
【００３２】
１実施の形態では、上記集光素子と上記太陽電池素子との間に、上記光透過孔群を有する上記反射層と透明基板とからなる反射素子が設けられている。
【００３３】
上記実施の形態によれば、上記集光素子と上記太陽電池素子と上記反射素子とを別々に作製して、上記集光素子の集光曲面群を損傷するのを防止することができる。
【００３４】
１実施の形態では、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射素子の上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射するように、上記集光素子と上記反射素子と上記太陽電池素子とが固定されている。
【００３５】
１実施の形態では、上記集光素子と上記反射素子と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されている。
【００３６】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤を用いているので、上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とを簡単かつ強固に固定できて、耐環境性に優れた信頼性の高い安価な太陽電池を得ることができる。また、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００３７】
１実施の形態では、上記反射素子の上記反射層が上記集光素子に面する一方、上記反射素子の上記透明基板が上記太陽電池素子に面している。
【００３８】
１実施の形態では、上記反射素子の上記透明基板が、蛍光特性を有する透明基板である。
【００３９】
上記実施の形態によれば、上記蛍光特性を有する透明基板を用いているので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００４０】
１実施の形態では、上記反射素子と上記太陽電池素子とを、蛍光特性を有する透明接着剤によって接着固定している。
【００４１】
上記実施の形態では、上記蛍光特性を有する透明接着剤を用いているので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００４２】
１実施の形態では、上記反射素子の上記透明基板が上記集光素子に面する一方、上記反射素子の上記反射層が上記太陽電池素子に面している。
【００４３】
１実施の形態では、上記太陽電池素子は、上記光電変換層と太陽電池素子用の基板とからなり、
上記光電変換層は、上記太陽電池素子用の上記基板の上記集光素子側の面に設けられている。
【００４４】
１実施の形態では、上記太陽電池素子は、上記光電変換層と太陽電池素子用の透明基板とからなり、
上記光電変換層は、上記太陽電池素子用の上記透明基板の上記集光素子側の面と反対側の面に設けられている。
【００４５】
１実施の形態では、上記太陽電池素子用の上記透明基板が、蛍光特性を有する透明基板である。
【００４６】
上記実施の形態によれば、上記太陽電池素子用の上記透明基板が蛍光特性を有するので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００４７】
１実施の形態では、上記太陽電池素子は、上記光電変換層と太陽電池素子用の透明基板とからなり、
上記光電変換層は、上記太陽電池素子用の上記透明基板の上記集光素子側の面と反対側の面に設けられており、
上記太陽電池素子用の上記透明基板の上記集光素子側の面に、上記光透過孔群を有する上記反射層が設けられている。
【００４８】
１実施の形態では、上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて、上記太陽電池素子に設けられた上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、上記太陽電池素子用の上記透明基板を透過した後、上記光電変換層に入射し、上記光電変換層からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記光電変換層に再入射するように、上記集光素子と上記反射層と上記太陽電池素子とが固定されている。
【００４９】
１実施の形態では、上記集光素子と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されている。
【００５０】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤を用いているので、上記集光素子と上記太陽電池素子とを簡単かつ強固に固定できて、耐環境性に優れた信頼性の高い安価な太陽電池を得ることができる。また、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００５１】
１実施の形態では、上記太陽電池素子用の上記透明基板が、蛍光特性を有する透明基板である。
【００５２】
上記実施の形態によれば、上記太陽電池素子用の上記透明基板が、蛍光特性を有するので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００５３】
１実施の形態では、上記透明接着剤が蛍光特性を有する。
【００５４】
上記実施の形態によれば、上記透明接着剤が蛍光特性を有するので、光電変換に利用できない波長域の光を光電変換に利用できる波長域の光に変換して光電変換層に照射できて、発電効率を高くすることができる。
【００５５】
本発明の太陽電池の設置方法は、上記太陽電池を、上記シリンドリカル状集光曲面群の長軸方向が、東西方向と一致するように、設置することを特徴としている。
【００５６】
上記構成によれば、太陽光が傾いて入射する時間帯においても、上記シリンドリカル状集光曲面群から、効率良く、反射層の直線状スリット群へと光が集光される。したがって、太陽電池素子の光電変換層に照射される光量が増大して、発電効率を高くすることができる。
【００５７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の太陽電池を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５８】
図１は、本発明の実施の形態の太陽電池の断面斜視図を示している。
【００５９】
上記太陽電池は、太陽電池素子１００と集光反射素子２００とからなる。
【００６０】
上記太陽電池素子１００は、支持体を兼ねた基板１上に、光電変換層２を設けてなる。上記太陽電池素子１００は、例えば、図２に示すように、上記基板１上に、光反射効果を有する反射層としての電極金属層８と、一つの伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層９と、この多結晶Ｓｉ半導体層９と同じ型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１０と、上記多結晶Ｓｉ半導体層９，１０と反対の伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１１と、電流を取り出すための集電電極１２と、効率的に光を取り込むための導電性透明膜からなる反射防止層１３とを順次積層してなる。上記層８〜１３は、上記光電変換層２の一例を構成する。上記多結晶Ｓｉ半導体層９，１０，１１は、狭い意味での光電変換に寄与する層である。なお、上記不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層９は、電極金属層８と多結晶Ｓｉ半導体層１０との電気的接続を良好にする役目をする。
【００６１】
一方、上記集光反射素子２００は、一方の面を集光曲面群の一例としてのシリンドリカル状集光曲面群４に形成してなる透明板からなる集光素子３と、この集光素子３の他方の平坦な面に設けられた反射層５とからなる。この反射層５には、光透過孔群の一例としての直線状スリット群６を設けている。上記シリンドリカル状集光曲面群４は、光７を直線状スリット群６に集光するようになっている。
【００６２】
上記太陽電池素子１００の光入射面、すなわち、反射防止層１３の表面と、上記集光反射素子２００の反射層５を所定の間隔をあけて対向させて、上記太陽電池素子１００に集光反射素子２００を取り付けている。
【００６３】
上記構成の太陽電池に太陽光等の光が照射されると、図１に示すように、入射光７は集光反射素子２００の集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４により、反射層５上に形成された直線状スリット群６へと集光されて、太陽電池素子１００へと入射する。この太陽電池素子１００に入射した光は、反射防止層１３、多結晶Ｓｉ半導体層１１，１０，９を透過し、反射層としての電極金属層８により反射されて、再度、多結晶Ｓｉ半導体層９，１０，１１を通過する。これにより、多結晶Ｓｉ半導体層１１，１０における光吸収効率が高められている。
【００６４】
上記太陽電池は、反射防止層１３、集電電極１２、及び、多結晶Ｓｉ半導体層１１の表面で反射された光が、反射層５により反射され、再度、太陽電池素子１００に入射し、多結晶Ｓｉ半導体層１１，１０，９を通過する。このように、上記直線状スリット群１１から入射した光が、集光反射素子２００の反射層５と太陽電池素子１００との間で多重反射することにより、さらに高い光吸収効率が実現されて、太陽電池素子１００の発電効率が高められている。なお、上記反射防止層１３は、一般に波長依存性を有しており、全ての波長の光の反射を完全に防止することは不可能で、この反射防止層１３からの反射光が存在するが、この反射光は反射層６で反射されて、発電に利用される。
【００６５】
また、上記太陽電池においては、集光反射素子２００の反射層１２と太陽電池素子１００の反射層としての電極金属層２との間で多重反射が行われる点と、上記光透過孔群５を一度通過した光は反射層１２で逃がさないで有効に利用される点との相乗効果によって、多結晶Ｓｉ半導体層１０，１１に照射される光量が著しく増大して、多結晶Ｓｉ半導体層１０，１１を薄くした場合においても、入射した光が十分に吸収されて、かつ、電荷の走行距離が短くて、外部に取り出すことが可能な電流を大きくすることができる。したがって、発電効率を極めて高くすることができる。
【００６６】
次に、図３及び図４は、上記太陽電池の設置方法について説明する図である。
【００６７】
本明細書においては、図３に示すように、シリンドリカル状集光曲面群４の長軸方向を縦方向１４と呼び、縦方向１４と直交する方向を横方向１５と呼ぶこととする。
【００６８】
太陽光を光源とする太陽電池においては、太陽光の入射角度によらず、効率の良い発電を行う必要がある。例えば、図４に示すように、朝８時には、太陽光は東斜め上から太陽電池へと入射し、正午１２時には、太陽光は垂直上方から太陽電池へと入射し、夕方１６時には、太陽光は西斜め上から太陽電池へと入射する。効率の良い発電を行うためには、このように異なる入射角度の太陽光を、シリンドリカル状集光曲面群４で集光して、効率良く、直線状スリット群６へと入射させることが必要となる。
【００６９】
図３に示すように、横方向１５の斜め上から太陽光が入射する場合、光軸が直線状スリット群６からずれるため、シリンドリカル状集光曲面群４により集光される入射光７は、直線状スリット群６に入射せず、反射層５により反射されて、発電効率が著しく低下することになる。これに対して、縦方向１４の斜め上から太陽光が入射する場合、光軸が直線状スリット群６と一致したままであり、シリンドリカル状集光曲面群４により集光される入射光７は、直線状スリット群６に入射して、太陽光が斜め上から入射する場合においても、高い発電効率を維持することが可能となる。
【００７０】
したがって、本実施の形態の太陽電池は、集光反射素子２００の集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４を、そのシリンドリカル状集光曲面群４の縦方向１４が、太陽の進行方向、すなわち、東西方向と一致するように設置することにより、太陽光が斜め上から入射する朝方及び夕方においても、高い発電効率を実現することが可能となる。
【００７１】
次に、図５は、本実施の形態の太陽電池のシリンドリカル状集光曲面群４に対して、図３及び４に示すように、縦方向１４の斜め上から入射角度Ｑで平行光が入射した際の集光状態を計算（シミュレーション）した結果を示している。計算において、空気の屈折率ｎ１を１．０とし、集光反射素子２００の透明基板３の屈折率ｎ２を１．５とし、曲率半径１０ｍｍのシリンドリカル状集光曲面群４が、幅１２ｍｍの間隔で並んでいる場合について行った。集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間の媒体の屈折率が集光反射素子２００の透明基板３の屈折率ｎ２と異なる場合、直線状スリット群６を透過した光は、屈折することになるが、ここでは、集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間の屈折率が集光反射素子２００の屈折率ｎ２と等しいとして計算を行った。
【００７２】
図５において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、入射角度Ｑ＝０°、Ｑ＝２０°、Ｑ＝４０°、Ｑ＝６０°の場合について計算した結果である。縦方向１４の斜め上からの入射光７は、集光反射素子２００の透明板からなる集光素子３の中を縦方向１４に進みながら集光されることになるが、図５においては、光の集光状態を横断面に投影して、入射角度Ｑによる集光状態の変化を調べている。
【００７３】
図５から分かるように、入射角度Ｑが大きくなることで、入射光の集光位置は、シリンドリカル状集光曲面群４の方向に移動することになる。したがって、図５（ａ）に示すＱ＝０°における集光位置、すなわち、シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光曲面が形成するレンズの焦点ＦＰの位置に、図示していないが、仮に、直線状スリット群６を設けると、図５（ｄ）に示すＱ＝６０°の場合には、入射光のほとんどが、反射層５によって反射されることになり、入射角度Ｑの増大に伴ない、発電効率が著しく低減することになる。
【００７４】
これに対して、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、シリンドリカル状集光曲面群４を構成するシリンドリカル状集光曲面の焦点ＦＰよりもシリンドリカル状集光曲面群４に近い位置に、つまり、上記シリンドリカル状集光曲面と上記焦点ＦＰとの間に、上記直線状スリット群６を設けると共に、直線状スリット群６のスリット幅を最適化することにより、図５（ａ）に示すＱ＝０°の場合においても、図５（ｄ）に示すＱ＝６０°の場合においても、すべての入射光を直線状スリット群６へと集光することが可能となり、入射角度Ｑが増大した場合においても、効率良く入射光を直線状スリット群６へと集光して、高い発電効率を実現することが可能となる。
【００７５】
【実施例１】
本発明の実施例１として、図１に示す構成の太陽電池を作製した。
【００７６】
太陽電池素子１００の作製方法を以下に説明する。図２に示すように、支持体を兼ねたステンレス基板１上に、光反射効果を有する膜厚１００ｎｍのＡｌ０ . ９５Ｔｉ０ . ０５電極金属層８をスパッタリングにより形成した後、一つの伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層９、この多結晶Ｓｉ半導体層９と同じ型の不純物をわずかにドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１０、多結晶Ｓｉ半導体層９，１０と反対の伝導型の不純物を高濃度にドーピングした多結晶Ｓｉ半導体層１１をプラズマＣＶＤ（化学的気相成長）装置により順次形成した。
【００７７】
より詳しくは、上記電極金属層８上に、Ｐが高濃度にドープされた膜厚３０ｎｍの多結晶Ｓｉ半導体層９を堆積した。この多結晶Ｓｉ半導体層９は、基板温度２５０℃の条件で、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＰＨ３ガスの混合比を最適化した混合ガスをＣＶＤ装置に導入して、ガス圧２０Ｐａとして、１００Ｗの高周波電力を投入することにより形成した。
【００７８】
次に、上記多結晶Ｓｉ半導体層９上に、Ｐがわずかにドーピングされた膜厚１５０ｎｍの多結晶Ｓｉ半導体層１０を堆積した。この多結晶Ｓｉ半導体層１０は、基板温度５５０℃の条件で、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＰＨ３ガスの混合比を最適化した混合ガスをＣＶＤ装置に導入して、ガス圧５０Ｐａとして、３５０Ｗの高周波電力を投入することにより形成した。
【００７９】
上記多結晶Ｓｉ半導体層１０は、光を吸収し、電荷を発生させ、発電を行う層であり、十分に光を吸収させるため、通常その厚さが１０００ｎｍ以上、５００００ｎｍ以下に設定されるが、本実施例１においては、直線状スリット群６からの入射光が、太陽電池素子１００と集光反射素子２００の反射層５との間で多重反射するため、多結晶Ｓｉ半導体層１０を薄くすることが可能であり、その多結晶Ｓｉ半導体層１０の膜厚を１００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下にすることが望ましい。
【００８０】
次に、上記多結晶Ｓｉ半導体層１０上に、Ｂがドーピングされた膜厚１５ｎｍのｐ型の多結晶Ｓｉ半導体層１１を堆積した。この多結晶Ｓｉ半導体層１１は、基板温度３５０℃の条件で、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガス、ＢＦ３ガスの混合比を最適化した混合ガスをＣＶＤ装置に導入して、ガス圧５０Ｐａとして、１００Ｗの高周波電力を投入することにより形成した。
【００８１】
次に、上記多結晶Ｓｉ半導体層１０，１１で構成されるｐｎ接合を形成した基板１を、図示しないスパッタリング装置に取り付け、遮蔽マスクを基板１の多結晶Ｓｉ半導体層１１の表面に装着した状態で、ＡｌＴｉ合金ターゲットを用いて膜厚１００ｎｍのＡｌ０ . ９５Ｔｉ０ . ０５からなる幅０.１ｍｍ、間隔５ｍｍのくし型集電電極１２を形成した。
【００８２】
次に、上記多結晶Ｓｉ半導体層１１及びくし型集電電極１２上に、膜厚６５ｎｍの導電性透明膜からなる反射防止層１３を堆積した。この反射防止層１３は、Ｉｎ２Ｏ３ターゲットを用いて、酸素雰囲気中で反応性スパッタリングを行うことにより形成した。
【００８３】
一方、図１及び３に示す集光反射素子２００の透明板からなる集光素子３は、屈折率１．５のポリカーボネート樹脂を用いて、射出成形法により作製した。上記集光素子３の一面に形成した集光曲面群の１例としてのシリンドリカル状集光曲面群４は、曲率半径１０ｍｍの各シリンドリカル状集光曲面が、幅Ｗ＝１２ｍｍの間隔で並んだ構成とし、シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光レンズの焦点ＦＰ（図５（ａ）を参照）の焦点距離Ｆはおよそ２８ｍｍにした。上記透明板からなる集光素子３の他面に設けた反射層５の直線状スリット群６の形成位置は、集光素子３の厚さｄ、つまり、シリンドリカル状集光レンズ群の最も厚くなる箇所での透明基板３の厚さｄに応じて定めた。また、上記直線状スリット群４のスリット幅ＷＳは、シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光曲面の幅Ｗ（Ｗ＝１２ｍｍ）の１／３の幅（ＷＳ＝４ｍｍ）とした。
【００８４】
上記太陽電池素子１００と集光反射素子２００との間に、図示しないスペーサを設けて、両者の間隔が１０ｍｍとなるようにして、固定配置して、太陽電池を完成した。そして、この太陽電池の発電効率を調査した。また、比較例１として、上記太陽電池素子１００のみの構成の太陽電池の発電効率についても調査した。
【００８５】
図６は、直線状スリット群６の形成位置、すなわち、集光反射素子２００の透明板からなる集光素子３の厚さｄ、つまり、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを変えた場合において、光の入射角Ｑとともに発電効率がどのように変化するかを調べた結果である。光源としては、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）からの光を斜め上から照射した。また、図６は、並べて配置した上記比較例１の太陽電池の開放電圧Ｖ及び短絡電流Ｉを１００％として、本太陽電池の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉの大きさを比較例１と比較した結果をパーセントで示している。
【００８６】
上記焦点距離Ｆが２８ｍｍであるのに対して、集光素子３の厚さｄが１４ｍｍ（Ｆ／２）以上、２４ｍｍ（６Ｆ/７）以下の範囲において、入射角Ｑ＝６０°までのすべての場合において、比較例１よりも本実施例１の太陽電池の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉの両方が大きくなっていることが分かった。すなわち、上記シリンドリカル状集光曲面群４の頂点を通る平面と上記反射層５との間の距離ｄと上記焦点距離Ｆが、（Ｆ／２）≦ ｄ ≦（６Ｆ/７）を満足すると、入射光の入射角Ｑが広い範囲に変化しても、発電効率が高くなることが分かった。ここで、入射角Ｑ＝８０°を想定すると、すべての入射角度範囲において、常に比較例１より高い発電効率を維持することは困難となるが、１日のトータルの発電量は、太陽光の照射強度が強くなる朝９時から夕方１６時の間の発電量によって決定されるため、入射角Ｑ＝６０°までの発電効率を比較することにより、１日のトータル発電量を比較することが可能であり、直線状スリット群６の形成位置を上記範囲とすることにより、比較例１よりも高い発電効率を有する太陽電池を実現することができる。
【００８７】
また、さらに高い発電効率を維持するためには、焦点距離Ｆが２８ｍｍであるのに対して、集光素子３の厚さｄ、つまり、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを１８ｍｍ（９Ｆ／１４）以上、２２ｍｍ（１１Ｆ/１４）以下の範囲とすることが望ましい。集光素子３の厚さｄをこの範囲とすることにより、６０°までのすべての入射角Ｑに対して、開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを共に、比較例１の１２０％以上とすることが可能となる。
【００８８】
次に、集光素子３の厚さｄ、つまり、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを最適に、すなわち、２０ｍｍ（５Ｆ／７）に固定して、直線状スリット群６のスリット幅ＷＳを変えて、開放電圧Ｖと短絡電流Ｉとを調査した結果を図７に示す。上記シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光曲面の幅Ｗが１２ｍｍであるのに対して、直線状スリット群６のスリット幅ＷＳを１．５ｍｍ（Ｗ／８）以上とし、８ｍｍ（２Ｗ／３）以下とすることにより、６０°までのすべての入射角Ｑに対して、比較例１よりも大きな開放電圧Ｖと短絡電流Ｉが得られた。すなわち、上記各シリンドリカル状集光曲面の幅Ｗと、上記直線状スリット群６のスリット幅ＷＳとが、（Ｗ／８）≦ ＷＳ ≦（２Ｗ／３）を満足すると、発電効率が高くなることが分かった。これは、スリット幅ＷＳが狭くなりすぎると、集光された光の一部が反射層５により反射されて、太陽電池素子１００に到達しなくなるため、発電効率の低下につながる一方、直線状スリット群６のスリット幅ＷＳが広くなりすぎると、直線状スリット群４から太陽電池素子１００へ入射した光が、再度、直線状スリット群４から外部へ放射されて、多重反射の効率が低下するため、発電効率の低下につながるからであると考えられる。
【００８９】
以上のように、本発明の太陽電池においては、シリンドリカル状集光曲面群４の焦点距離をＦとして、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを、少なくとも、（Ｆ／２）以上、（６Ｆ/７）以下とすることが必要であり、より高い発電効率を得るためには、上記距離ｄを（９Ｆ／１４）以上、（１１Ｆ/１４）以下とすることが望ましい。また、上記シリンドリカル状集光曲面群４の各シリンドリカル状集光曲面の幅をＷとして、直線状スリット群６のスリット幅ＷＳを（Ｗ／８）以上、（２Ｗ／３）以下とすることが望ましい。
【００９０】
本実施例１においては、集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間にスペーサを設け、両者を間隔をあけて固定配置した構成について説明しているが、紫外線硬化樹脂等の透明接着剤を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１００とを接着して固定することにより、より強固に集光反射素子２００と太陽電池素子１００とを固定することができて、太陽電池の信頼性が向上する。なお、上記透明接着剤は、透明であるから、はみ出しても、見映えが悪くなることがない。
【００９１】
ここで、太陽電池素子１００と集光反射素子２００の反射層５との間で安定した多重反射を実現するためには、上記透明接着剤の層の層厚を５ｍｍ以上とすることが望ましい。また、上記紫外線硬化樹脂が厚くなり過ぎると、樹脂硬化のための時間が長くなり、太陽電池の製造のスループットが低下することになる。したがって、紫外線硬化樹脂層の層厚としては、１５ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００９２】
また、図示しない蛍光性微粒子が分散した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１００とを接着して固定することにより、さらに発電効率を高くすることが可能となる。粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、紫外線硬化樹脂に、１０体積％含有させ、集光反射素子２００の透明基板３と太陽電池素子とを、５ｍｍ厚の該紫外線硬化樹脂を用いて接着固定した太陽電池を作製した。この蛍光粒子は、光電変換に利用されない波長４００ｎｍ近傍の光を、光電変換に利用される波長６００ｎｍ近傍の光に変換し、さらに、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、集光反射素子２００の透明基板３と太陽電池素子１００との間で多重反射することにより、太陽電池の発電効率をさらに高くすることができる。
【００９３】
蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００の透明基板３と太陽電池素子１００とを接着固定した太陽電池と、蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００の透明基板３と太陽電池素子１００とを接着固定した本発明の太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが１５％大きくなり、短絡電流Ｉが１２％大きくなることが確認された。
【００９４】
【実施例２】
本発明の実施例２として、図８に示す構成の太陽電池を作製した。以下、本明細書において、図１、３に示す実施例１と同一構成部は、実施例１と同一参照番号を使用する。
【００９５】
実施例２の太陽電池は、実施例１と同様に、太陽電池素子１００と集光反射素子２００を備える。この太陽電池素子１００は、基板１と光電変換層２とからなり、集光反射素子２００は、集光曲面群の一例としてのシリンドリカル状集光曲面群４を片側に有する透明板からなる集光素子３と、光透過孔群の一例としての直線状スリット群６を有する反射層５とからなる。上記集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間には、スペーサとしての透明板１６を設けている。
【００９６】
上記構成において、上記集光反射素子２００の集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４から入射した光７は、直線状スリット群６に集光されて、透明板１６を透過し、太陽電池素子１００へと入射する。一方、上記太陽電池素子１００からの反射光は、集光反射素子２００の反射層５により反射されて、再度太陽電池素子１００へと再入射することにより、上記反射層５と太陽電池素子１００との間で、入射光７の多重反射が実現して、発電効率が高くなる。
【００９７】
実施例１のうち、集光反射素子２００と太陽電池素子１００とを直接紫外線硬化樹脂で固定した場合、紫外線硬化樹脂の厚さを少なくとも５ｍｍ以上まで厚くする必要があるため、紫外線硬化樹脂を硬化するために長い時間を必要としたが、実施例２においては、スペーサとしての透明板１６の板厚を調整することにより、集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間隔を容易に制御することが可能となり、紫外線硬化樹脂の層厚を薄くすることができる。
【００９８】
上記透明板１６として板厚９ｍｍのポリカーボネート板を採用し、集光反射素子２００と透明板１６との間と、太陽電池素子１００と透明板１６との間とに、それぞれ、５０μｍ厚の紫外線硬化樹脂層を形成して、集光反射素子２００と透明板１６と太陽電池素子１００とを接着固定して、太陽電池を作製した。この実施例２の太陽電池について、実施例１と同様な発電効率の調査を行った結果、実施例１とほぼ同様な開放電圧と短絡電流が得られて、実施例２の構成においても、太陽電池の発電効率を高くすることができることが分かった。
【００９９】
次に、上記透明板１６として、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１５体積％含有させた透明板を用いた太陽電池を作製した。この蛍光粒子は、光電変換に利用されない波長４００ｎｍ近傍の光を、光電変換に利用される波長６００ｎｍ近傍の光に変換し、さらに、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、集光反射素子２００と太陽電池素子１００との間で多重反射することにより、さらに、太陽電池の発電効率を高くすることができた。
【０１００】
蛍光粒子を含有しない透明板１６を用いた太陽電池と、蛍光粒子を含有した透明板１６を用いた太陽電池に対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有した透明基板１６を用いることにより、開放電圧Ｖが２０％大きくなり、短絡電流Ｉが１６％大きくなることが確認された。
【０１０１】
次に、上記集光反射素子２００と透明基板１６と太陽電池素子１００とを接着して固定するための紫外線硬化樹脂に、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１０体積％含有させた実施例２の構成の太陽電池を作製した。
【０１０２】
蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と透明板１６と太陽電池素子１００とを接着して固定した太陽電池と、上記蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と透明板１６と太陽電池素子１００とを接着して固定した太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが８％大きくなり、短絡電流Ｉが６％大きくなることが確認された。
【０１０３】
ここでは、上記透明板１６と紫外線硬化樹脂とのうちの一方に対して、蛍光粒子を含有させた構成について調査したが、上記透明板１６と紫外線硬化樹脂との両方に蛍光粒子を含有させた場合においても、同様に開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを大きくすることができる。
【０１０４】
【実施例３】
本発明の実施例３の太陽電池は、図９に示すように、集光素子３と、太陽電池素子１００と、この集光素子３と太陽電池素子１００との間に配置された反射素子２５０とからなる。この太陽電池素子１００は、実施例１及び２の太陽電池素子１００と全く同じ構成を有する。
【０１０５】
上記集光素子３は、透明板の一面に、例えばシリンドリカル状集光曲面群等からなる集光曲面群４を形成してなる。上記反射素子２５０は、透明基板１７と反射層８とからなる。この反射層８は、透明基板１７の集光素子３側の面に設けられると共に、例えば直線状スリット群等からなる光透過孔群６を有する。
【０１０６】
上記反射素子２５０の透明基板１７としては、板厚１０ｍｍのポリカーボネート板を採用した。この場合、集光素子３の集光曲面群４から入射した光は、反射素子２５０の透明基板１７上に形成された光透過孔群６に集光されて、透明基板１７を透過し、太陽電池素子１００へと入射し、太陽電池素子１００からの反射光は、反射素子２５０の反射層５により反射されて、再度、太陽電池素子１００へと再入射する。この場合も、実施例１と同様に、集光曲面群４と光透過孔群６を有する反射層５との距離を最適化することにより、実施例１と同様な、開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを得ることができた。
【０１０７】
また、実施例１及び実施例２においては、集光反射素子２００は、一面に集光曲面群４を形成してなる透明板からなる集光素子３と、この集光素子３の他面に設けられると共に光透過孔群６を有する反射層５とからなっている。この場合、上記反射層５の形成時や、光透過孔群６のパターニング時に、集光素子３を固定することにより、集光曲面群４に傷等の欠損が発生して、集光効率が低下する原因となっていた。しかし、実施例３に示すように、一面に集光曲面群４を有する透明板からなる集光素子３と、透明基板１７の一面に光透過孔群６を有する反射層５を設けてなる反射素子２５０とを別々に作製することにより、集光曲面群４に傷等の欠損が発生する確立が低下し、再現性良く発電効率の高い太陽電池を作製することができる。
【０１０８】
次に、上記反射素子２５０の透明基板１７として、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１５体積％含有させた透明基板１７を有する反射素子２５０を用いて太陽電池を作製した。この蛍光粒子は、光電変換に利用されない波長４００ｎｍ近傍の光を、光電変換に利用される波長６００ｎｍ近傍の光に変換し、さらに、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、反射素子２５０と太陽電池素子１００との間で多重反射することにより、太陽電池の発電効率を高くすることができる。
【０１０９】
蛍光粒子を含有しない透明基板１７を用いた太陽電池と、蛍光粒子を含有した透明基板１７を用いた太陽電池に対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有した透明基板１７を用いることにより、開放電圧Ｖが１９％大きくなり、短絡電流Ｉが１５％大きくなることが確認された。
【０１１０】
次に、上記反射素子２５０の透明基板１７と、太陽電池素子１００とを、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を１０体積％含有した紫外線硬化樹脂で接着固定して太陽電池を作製した。ここで、上記集光素子３と、反射素子２５０の透明基板１７とを接着固定する紫外線硬化樹脂は、光透過孔６よりも光入射側に存在するため、蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いる必要がある。もし、上記集光素子３と反射素子２５０の透明基板１７とを接着固定する紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させたとすると、入射光が蛍光粒子に散乱されて、光透過孔６への集光効率が低下することになるからである。
【０１１１】
蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、反射素子２５０の透明基板１７と太陽電池素子１００とを接着固定した太陽電池と、蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、反射素子２５０の透明基板１７と太陽電池素子１００とを接着固定した太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが８％大きくなり、短絡電流Ｉが６％大きくなることが確認された。
【０１１２】
ここでは、反射素子２５０の透明基板１７と、接着固定用の紫外線硬化樹脂とに対して、独立に蛍光粒子を含有させた構成について調査したが、上記透明基板１７と紫外線硬化樹脂の両方に蛍光粒子を含有させた場合においても、同様に開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを大きくすることが可能である。
【０１１３】
実施例１から実施例３に記載の太陽電池においては、ステンレス基板１上に、電極金属層８、多結晶Ｓｉ半導体層９、多結晶Ｓｉ半導体層１０、多結晶Ｓｉ半導体層１１、くし型集電電極１２、導電性透明膜１３を形成した多結晶Ｓｉ太陽電池を用いたが、これに限られるものではない。太陽電池素子として、図１７に示す非晶質Ｓｉ太陽電池素子を用いることも可能であり、また、さらに発電効率を上げるため、図１６に示す多結晶半導体で構成したｐｎ接合と、図１７に示す非晶質半導体で構成したｐｉｎ接合とを積層したタンデム構造太陽電池素子を用いることも可能である。
【０１１４】
また、実施例１から実施例３に記載の太陽電池においては、集光素子３として、射出成形法により作製したポリカーボネート製の透明板３を用いたが、これに限られるものではない。その他の樹脂材料として、スチレン系透明樹脂、オレフィン系透明樹脂、エチレン系透明樹脂、アクリル系透明樹脂等を用いることが可能であり、また、作製方法も射出成形法に限られるものでなく、キャスティング法や熱間成形法等を用いることが可能である。さらに、集光素子３として、モールド法により作製したガラス製の透明板３を用いることが可能である。透明板３をガラス製とすることにより、耐環境性が著しく改善され、長期使用に対しても安定して高い発電効率を維持することが可能である。
【０１１５】
また、実施例１から実施例３に記載の太陽電池においては、蛍光粒子として、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を用いたが、これに限られるものではない。例えば、蛍光粒子として、粒径２〜２０μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの性蛍光粒子を使用することにより、２００〜４５０ｎｍの波長の光を吸収し、６２５ｎｍの波長の光を放射させることが可能である。また、Ｅｒ３＋イオンを含有した酸化フッ化物系結晶化ガラスを用いることにより、８００ｎｍ近傍の波長の光を吸収し、５５０〜６６０ｎｍの波長の光を放射させることが可能である。これら以外の蛍光材料として、酸化ストロンチウムと酸化アルミニウムからなる化合物に希土類元素のユウロピウム（Ｅｕ）とジスプロシウム（Ｄｙ）を添加したＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｄｙや、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ，Ｄｙや、ＣａＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｄｙや、ＺｎＳ：Ｃｕ等の蛍光材料を用いることも可能である。
【０１１６】
また、シアニン系色素、ピリジン系色素、ローダミン系色素等の有機色素を含有させることによっても、同様に、短波長の光を長波長の光に変換することが可能であり、発電効率を高くすることが可能である。
【０１１７】
また、実施例２及び実施例３に記載の太陽電池においては、スペーサとしての透明板１６及び反射素子２５０の透明基板１７として、ポリカーボネート板を用いたが、これに限られるものではない。透明板１６及び透明基板１７として、スチレン系透明樹脂、オレフィン系透明樹脂、エチレン系透明樹脂、アクリル系透明樹脂からなるプラスチック板を用いることが可能である。また、上記透明板１６及び透明基板１７として、ガラス板を用いることにより、耐環境性が著しく改善され、長期使用に対しても安定して高い発電効率を維持することが可能である。
【０１１８】
【実施例４】
本発明の実施例４として、図１０に示す構成の太陽電池を作製した。
【０１１９】
この太陽電池は、実施例１及び２と全く同様に、集光曲面群の一例としてのシリンドリカル状集光曲面群４を有する集光素子３と、光透過孔群の一例としての直線状スリット群６を有する反射層５とからなる集光反射素子２００を備える。この太陽電池は、太陽電池素子１１０の構成が、実施例１及び２の太陽電池素子１００と異なる。上記太陽電池素子１１０は、太陽電池素子用の透明基板１８と、上記集光反射素子２００と反対側の上記透明基板１８の面上に設けられた光電変換層１９とからなる。
上記集光反射素子２００の集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４から入射した光７は、反射層５の直線状スリット群６に集光されて、太陽電池素子１１０の透明基板１８を透過して、光電変換層１９へと入射する。一方、上記光電変換層１９からの反射光は、反射層５により反射され、再度、光電変換層１９へと再入射する。このように、反射層５と太陽電池素子１１０との間で多重反射が行われるので、光電変換層１９での発電効率を高くすることができる。
【０１２０】
実施例４の太陽電池素子１１０は、図１１に示すような構成であり、次のようにして作製した。
【０１２１】
太陽電池素子用の透明ガラス基板１８上に、膜厚３０ｎｍのＳｎＯ２透明導電層２０を反応性スパッタリングにより形成した後、図示しない遮蔽マスクを透明ガラス基板１８上の透明導電層２０表面に装着した状態で、ＡｌＴｉ合金ターゲットを用いたスパッタリングにより、膜厚１００ｎｍのＡｌ０.９５Ｔｉ０.０５からなる、幅０.１ｍｍ、間隔５ｍｍのくし型集電電極２１を形成した。
【０１２２】
次に、このくし型集電電極２１及び透明導電層２０上に、ｐ型不純物ドープ半導体層であるｐ層２２、真性半導体であるｉ層２３、ｎ型不純物ドープ層であるｎ層２４をこの順でプラズマＣＶＤ装置による気相成長法で積層した。上記半導体層２２，２３，２４は、それぞれ、ＳｉＨ４ガス・Ｈ２ガス・ＣＨ４ガス・Ｂ２Ｈ６ガスの混合ガスを用いて気相成長した膜厚１５ｎｍのａ−ＳｉＣ：Ｈのｐ層２２、ＳｉＨ４ガス・Ｈ２ガスの混合ガスを用いて気相成長した膜厚１００ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈのｉ層２３、ＳｉＨ４ガス・Ｈ２ガス・ＰＨ３ガスの混合ガスを用いて気相成長した膜厚１５ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈのｎ層２４とした。
【０１２３】
このようにして、上記ｐ層２２、ｉ層２３、ｎ層２３（光電変換に寄与する）を形成した後、膜厚１００ｎｍのＡｌからなる光反射効果を有する電極金属層２５をスパッタリングにより形成し、この電極金属層２５上に紫外線硬化樹脂を塗布して、電極金属層２５の保護膜２６とした。
【０１２４】
上記集光素子３と太陽電池素子１１０とを、実施例１と同様に、紫外線硬化樹脂を用いて接着固定して実施例４の太陽電池とした。
【０１２５】
実施例４の集光素子３及び太陽電池素子１１０を有する太陽電池と、上記集光素子３を取り外した上記太陽電池素子１１０のみの太陽電池（比較例４）との発電効率を実施例１と同様にして比較した。すなわち、実施例４の集光素子３の厚さｄを変えた場合において、光の入射角Ｑとともに発電効率がどのように変化するかを調べた。図１２は、比較例４の太陽電池の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉとを、それぞれ、１００％として、実施例４の太陽電池の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉとをパーセントで示している。
【０１２６】
実施例４の集光素子３は、実施例１の集光素子３と同じものであり、実施例４の太陽電池においても実施例１の太陽電池と同様な結果が得られた。
【０１２７】
すなわち、上記集光素子３のシリンドリカル状集光曲面群４の焦点距離をＦとして、シリンドリカル状集光曲面群４の頂点から直線状スリット群６までの距離ｄを、少なくとも、（Ｆ／２）以上、（６Ｆ／７）以下とすることにより、集光素子３による発電効率の向上が実現し、上記距離ｄを（９Ｆ／１４）以上、（１１Ｆ／１４）以下とすることにより、さらに高い発電効率が得られた。また、上記シリンドリカル状集光曲面群４の幅をＷとして、直線状スリット群４のスリット幅ＷＳを（Ｗ／８）以上、（２Ｗ／３）以下とすることにより、集光曲面群４からの光を効率良く直線状スリット群４に集光することが可能となる。
【０１２８】
また、実施例１と同様に、蛍光性微粒子が分散した紫外線硬化樹脂を用いて、集光素子３と太陽電池素子１１０とを接着して固定することにより、さらに発電効率を高くすることが可能となる。粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を１０体積％含有した５ｍｍ厚の紫外線硬化樹脂を用いて、集光素子３と太陽電池素子とを接着固定して太陽電池を作製した。蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、集光素子３と太陽電池素子１１０とを接着固定した太陽電池と、蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光素子３と太陽電池素子１１０とを接着固定した太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが１４％大きくなり、短絡電流Ｉが１１％大きくなることが確認された。
【０１２９】
また、実施例４においては、太陽電池素子用の透明基板１８として、蛍光材料を含有した蛍光ガラスを用いることによっても、同様に発電効率を改善することが可能である。
【０１３０】
図１０に示す実施例４の太陽電池において、太陽電池素子１１０用の透明基板１８として、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１５体積％含有したガラス基板を用いて太陽電池を作製した。この蛍光粒子は、光電変換に利用されない波長４００ｎｍ近傍の光を、光電変換に利用される波長６００ｎｍ近傍の光に変換し、さらに、蛍光粒子から発生する波長６００ｎｍ近傍の光が、集光素子３と太陽電池素子１１０との間で多重反射することにより、太陽電池の発電効率をさらに高くすることが可能となる。
【０１３１】
蛍光粒子を含有しない太陽電池素子１１０用の透明基板１８を用いた太陽電池と、蛍光粒子を含有した太陽電池素子１１０用の透明基板１８を用いた太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、蛍光粒子を含有した太陽電池素子１１０用の透明基板１８を用いることにより、開放電圧Ｖが１９％大きくなり、短絡電流Ｉが１４％大きくなることが確認された。
【０１３２】
次に、粒径５μｍのＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｍｇ，Ｔｉの蛍光粒子を、１０体積％含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１１０とを接着固定して、実施例４の構成の太陽電池を作製した。
【０１３３】
蛍光粒子を含有しない紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１１０とを接着固定した太陽電池と、蛍光粒子を含有した紫外線硬化樹脂を用いて、集光反射素子２００と太陽電池素子１１０とを接着固定した太陽電池とに対して、太陽光シミュレーター（１００ｍＷ／ｃｍ２）により、入射角Ｑ＝０°の光を入射させ、両者の開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを比較した結果、紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることにより、開放電圧Ｖが９％大きくなり、短絡電流Ｉが８％大きくなることが確認された。
【０１３４】
ここでは、太陽電池素子１１０用の透明基板１８と紫外線硬化樹脂との一方に対して、蛍光粒子を含有させた構成について調査したが、透明基板１８と紫外線硬化樹脂との両方に蛍光粒子を含有させた場合においても、同様に開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを大きくすることが可能である。
【０１３５】
【実施例５】
本発明の実施例５として、図１３に示す構成の太陽電池を作製した。
【０１３６】
実施例５の太陽電池は、太陽電池素子１１０と、集光素子３と、光透過孔６を有する反射層５とからなる。上記太陽電池素子１１０は、透明基板１８と、この透明基板１８の集光素子３側と反対側の面上に設けられた光電変換層１９とからなる。上記反射層５は、太陽電池素子１１０の透明基板１８の集光素子３に面する側に設けている。
【０１３７】
上記構成において、上記集光素子３の集光曲面群４から入射した光７は、集光されて、反射層５の光透過孔群６を通過して、太陽電池素子１２０の透明基板１８を透過して、光電変換層１９へと入射する。一方、上記光電変換層１９からの反射光は、反射層５により反射されて、再度、光電変換層１９へと再入射する。入射光７が、反射層５と光電変換層１９との間で多重反射することにより、太陽電池の発電効率を高くすることができる。
【０１３８】
図１０に示す実施例４の太陽電池は、光透過孔群６を有する反射層５を集光素子３の一面に設けていたが、図１０に示す実施例５の太陽電池は、光透過孔群６を有する反射層５を太陽電池素子１１０の透明基板１８に設けている。実施例５と実施例４とでは、この相違点が存在しているが、基本的な構成は、実施例５は実施例４と同様である。実施例５の集光素子３と太陽電池素子１１０とを紫外線硬化樹脂により接着固定して、実施例４と同様にして、開放電圧Ｖと短絡電流Ｉを調べた結果、実施例４とほぼ同じ結果が得られて、実施例５においても発電効率を高くすることができることを確認した。
【０１３９】
実施例５の太陽電池においても、太陽電池素子１１０用の透明基板１８として、蛍光材料を含有した蛍光ガラスを用いることにより、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。
【０１４０】
【実施例６】
本発明の実施例６として、図１４に示す構成の太陽電池を作製した。
【０１４１】
実施例６の太陽電池は、実施例３と同じ構成の集光素子３及び反射素子２５０と、実施例４と同じ構成の太陽電池素子１１０とを備える。
【０１４２】
上記構成において、上記集光素子３の集光曲面群４に入射した光７は集光されて、反射素子２５０の反射層５の光透過孔群６を透過し、さらに、透明基板２７と太陽電池素子１１０の透明基板１８を透過して、光電変換層１９へと入射し、光電変換層１９からの反射光は、反射層５により反射されて、再度、光電変換層１９へと再入射する。
【０１４３】
このように、入射光７が、反射素子２５０の反射層５と太陽電池素子１１０の光電変換層１９との間で多重反射することにより、実施例３や実施例４と同様に、太陽電池の発電効率を高くすることができる。
【０１４４】
実施例６においては、集光曲面群４が形成された透明板からなる集光素子３と、光透過孔群６を有する反射層５及び透明基板１７からなる反射素子２５０と、透明基板１８及び光電変換層１９からなる太陽電池素子１１０とを、それぞれ、別々に形成した後、それらを透明接着剤等で接着固定して、太陽電池を製作できるため、太陽電池の形成プロセスの歩留まりを上げることができる。すなわち、実施例４のように、集光曲面群４が形成された集光素子３の平坦な一方の面に、光透過孔群６を有する反射層５を一体的に設けた集光反射素子２００を形成する必要がなくなるため、集光曲面群４の損傷による集光効率の低下といった問題を抑制することができる。
【０１４５】
実施例６の太陽電池においては、上記反射素子２５０の透明基板１７または太陽電池素子１１０の透明基板１８として、蛍光材料を含有した蛍光ガラスを用いることにより、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。また、上記反射素子２５０の透明基板１７と太陽電池素子１１０の透明基板１８とを接着固定する紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることによっても、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。
【０１４６】
【実施例７】
実施例７の太陽電池を図１５に示す。この実施例７の太陽電池では、反射素子２６０において、透過孔６を有する反射層５を透明基板１７の下面に設けていて、図１４に示す実施例６の反射素子２５０とは、反射層５と透明基板１７との上下関係が逆になっている。実施例７の他の構成は、実施例６と基本的には同じである。もっとも、実施例７の集光素子３の厚さは、実施例６の集光素子３の厚さよりも薄くて、実施例６及び７の集光素子３の頂点と反射層５の光透過孔群６との間の距離は、略同じにしている。
【０１４７】
上記構成において、集光素子３の集光曲面群４から入射した光７は、集光素子３と反射素子２６０の透明基板１７とを通過して反射層５の光透過孔群６に集光されて、太陽電池素子１１０の透明基板１８を透過して、光電変換層１９へと入射し、光電変換層１９からの反射光は、反射層５により反射されて、再度、光電変換層１９へと再入射する。
【０１４８】
このように、入射光７は、反射層５と光電変換層１９との間で多重反射するので、実施例６と同様に、太陽電池の発電効率を高くすることが可能となる。
【０１４９】
この場合、太陽電池素子１１０の透明基板１８として、蛍光材料を含有した蛍光ガラスを用いることにより、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。また、上記反射素子２６０の透明基板１７と太陽電池素子１１０の透明基板１８とを接着固定する紫外線硬化樹脂に蛍光粒子を含有させることによっても、実施例４と同様に発電効率を改善することが可能である。
【０１５０】
上記実施例１〜７において、集光素子３の集光曲面群４の頂点と光透過孔群４との間の距離と、上記集光素子３の焦点距離との関係は、略同じである。
【０１５１】
上記実施例１〜７においては、集光曲面群としてシリンドリカル状集光曲面群４を使用し、光透過孔群として直線状スリット群６を使用したが、集光曲面群は、球面状集光曲面群や楕円回転体面状集光曲面群等であってもよく、光透過孔群は、円孔群や楕円孔群等であってもよい。
【０１５２】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の太陽電池によれば、集光素子により集光された光が、反射層の直線状スリット群からなる光透過孔群から太陽電池素子に入射して、この太陽電池素子と反射層との間で多重反射する点と、上記光透過孔群を一度通過した光を反射層で逃がさないで有効に利用できる点と、上記反射層の光透過孔群が、シリンドリカル状集光曲面群からなる集光曲面群の各集光曲面が形成するレンズの焦点と上記集光曲面群との間に位置しているおり、上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面が形成するレンズの焦点距離をＦとし、上記シリンドリカル状集光曲面群の頂点を通る平面と上記反射層との間の距離をｄとすると、（Ｆ／２）≦ ｄ ≦（６Ｆ/７）であり、上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面の幅をＷとし、上記直線状スリット群の各直線状スリットの幅をＷＳとすると、（Ｗ／８）≦ ＷＳ ≦（２Ｗ／３）であることにより、光の入射角が広い範囲に亘って変化しても、この光透過孔を通過する光量を減少しないようにすることが可能である点との相乗効果によって、光電変換層に照射される光量を著しく増大して、発電効率を極めて高くすることができる。
【０１５３】
また、本発明の太陽電池の設置方法によれば、シリンドリカル状集光曲面の長軸方向が、東西方向と一致するように、設置するので、太陽光が傾いて入射する時間帯においても、上記シリンドリカル状集光曲面群から、効率良く、反射層の直線状スリット群へと光が集光して、太陽電池素子の光電変換層に照射される光量を増大して、発電効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態及び実施例１の太陽電池の断面斜視図である。
【図２】 上記実施の形態及び実施例１の太陽電池の太陽電池素子の断面図である。
【図３】 上記実施の形態の太陽電池の設置方法を説明する図面である。
【図４】 上記実施の形態の太陽電池の設置方法を説明する図面である。
【図５】 上記実施の形態の太陽電池の集光状態を計算した結果を表す図である。
【図６】 本発明の実施例１においてシリンドリカル状集光曲面群の頂点と直線状スリット群との間の距離及び光の入射角に対する開放電圧及び短絡電流を示す図である。
【図７】 本発明の実施例１において直線状スリット群の幅及び光の入射角に対する開放電圧及び短絡電流を示す図である。
【図８】 本発明の実施例２の太陽電池の断面斜視図である。
【図９】 本発明の実施例３の太陽電池の断面斜視図である。
【図１０】 本発明の実施例４の太陽電池の断面斜視図である。
【図１１】 本発明の実施例４の太陽電池に用いる太陽電池素子の断面図である。
【図１２】 本発明の実施例４においてシリンドリカル状集光曲面群の頂点と直線状スリット群との間の距離及び光の入射角に対する開放電圧及び短絡電流を示す図である。
【図１３】 本発明の実施例５の太陽電池の断面斜視図である。
【図１４】 本発明の実施例６の太陽電池の断面斜視図である。
【図１５】 本発明の実施例７の太陽電池の断面斜視図である。
【図１６】 従来の太陽電池素子の断面図である。
【図１７】 従来の太陽電池素子の断面図である。
【図１８】 従来の太陽電池素子の断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，１９ 光電変換層
３ 集光素子
４ シリンドリカル状集光曲面群
５ 反射層
６ 直線状スリット群
７ 入射光
１４ 縦方向
１５ 横方向
１６ 透明板
１７，２７ 透明基板
１８ 太陽電池素子用の透明基板
１９ 光電変換層
１００，１１０ 太陽電池素子
２００ 集光反射素子
２５０，２６０ 反射素子
Claims (24)
- 光電変換層を有する太陽電池素子と、
シリンドリカル状集光曲面群からなる集光曲面群を有する集光素子と、
この集光素子によって集光された光が透過する直線状スリット群からなる光透過孔群を有すると共に、上記集光素子と太陽電池素子との間に位置する反射層と
を備え、
上記反射層の光透過孔群は、上記集光曲面群の各集光曲面が形成するレンズの焦点と、上記集光曲面群との間に位置しており、
上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面が形成するレンズの焦点距離をＦとし、上記シリンドリカル状集光曲面群の頂点を通る平面と上記反射層との間の距離をｄとすると、
（Ｆ／２）≦ ｄ ≦（６Ｆ/７）
であり、
上記シリンドリカル状集光曲面群の各シリンドリカル状集光曲面の幅をＷとし、上記直線状スリット群の各直線状スリットの幅をＷＳとすると、
（Ｗ／８）≦ ＷＳ ≦（２Ｗ／３）
であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１に記載の太陽電池において、
上記集光素子において上記集光曲面群と対向する面に、上記反射層が設けられて、上記集光素子と上記反射層とによって集光反射素子が構成されていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項２に記載の太陽電池において、
上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射するように、上記集光反射素子と上記太陽電池素子とが固定されていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項３に記載の太陽電池において、
上記集光反射素子と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項２に記載の太陽電池において、
上記集光反射素子と上記太陽電池素子との間に、透明板が設けられていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項５に記載の太陽電池において、
上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記透明板を透過した後、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射するように、上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とが固定されていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項６に記載の太陽電池において、
上記集光反射素子と上記透明板と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項５乃至７のいずれか１つに記載の太陽電池において、
上記透明板が、蛍光特性を有する透明板であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１に記載の太陽電池において、
上記集光素子と上記太陽電池素子との間に、上記光透過孔群を有する上記反射層と透明基板とからなる反射素子が設けられていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項９に記載の太陽電池において、
上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて上記反射素子の上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、この太陽電池素子からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記太陽電池素子に再入射するように、上記集光素子と上記反射素子と上記太陽電池素子とが固定されていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１０に記載の太陽電池において、
上記集光素子と上記反射素子と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１０に記載の太陽電池において、
上記反射素子の上記反射層が上記集光素子に面する一方、上記反射素子の上記透明基板が上記太陽電池素子に面していることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１２に記載の太陽電池において、
上記反射素子の上記透明基板が、蛍光特性を有する透明基板であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１２に記載の太陽電池において、
上記反射素子と上記太陽電池素子とを、蛍光特性を有する透明接着剤によって接着固定していることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１０に記載の太陽電池において、
上記反射素子の上記透明基板が上記集光素子に面する一方、上記反射素子の上記反射層が上記太陽電池素子に面していることを特徴とする太陽電池。 - 請求項２または９に記載の太陽電池において、
上記太陽電池素子は、上記光電変換層と太陽電池素子用の基板とからなり、上記光電変換層は、上記太陽電池素子用の上記基板の上記集光素子側の面に設けられていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項２または９に記載の太陽電池において、
上記太陽電池素子は、上記光電変換層と太陽電池素子用の透明基板とからなり、
上記光電変換層は、上記太陽電池素子用の上記透明基板の上記集光素子側の面と反対側の面に設けられていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１７に記載の太陽電池において、
上記透明基板が、蛍光特性を有する透明基板であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１に記載の太陽電池において、
上記太陽電池素子は、上記光電変換層と太陽電池素子用の透明基板とからなり、
上記光電変換層は、上記太陽電池素子用の上記透明基板の上記集光素子側の面と反対側の面に設けられており、
上記太陽電池素子用の上記透明基板の上記集光素子側の面に、上記光透過孔群を有する上記反射層が設けられていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１９に記載の太陽電池において、
上記集光曲面群に入射した光が、上記集光素子によって集光されて、上記太陽電池素子に設けられた上記反射層の上記光透過孔群を通過して、上記太陽電池素子に入射し、上記太陽電池素子用の上記透明基板を透過した後、上記光電変換層に入射し、上記光電変換層からの反射光が、上記反射層により反射されて、上記光電変換層に再入射するように、上記集光素子と上記反射層と上記太陽電池素子とが固定されていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項２０に記載の太陽電池において、
上記集光素子と上記太陽電池素子とが、透明接着剤により固定されていることを特徴とする太陽電池。 - 請求項２１に記載の太陽電池において、
上記太陽電池素子用の上記透明基板が、蛍光特性を有する透明基板であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項４または７に記載の太陽電池において、
上記透明接着剤が蛍光特性を有することを特徴とする太陽電池。 - 請求項１に記載の太陽電池を、上記シリンドリカル状集光曲面の長軸方向が、東西方向と一致するように、設置することを特徴とする太陽電池の設置方法。
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