JP5252147B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
この発明は、太陽電池および光電変換素子に関する。
従来の機能素子は、半導体集積回路に代表されるように、微細加工に基づくトップダウンのアプローチで製造されたものが主流である。そして、特に半導体素子に関しては、バーディーン（Bardeen)らによるトランジスタの発明や、ノイス（Noyce)らによる半導体集積回路の発明を経て現在、このトップダウンのアプローチに基づく巨大な半導体エレクトロニクス産業が興っている。
また、ドリフト速度の一定性に基づき、時間とともに連続的に移動する２次電子（素粒子の飛跡に沿って生成する電子）を利用した素粒子検出器としてタイムプロジェクションチェンバー（Time Projection Chamber,ＴＰＣ）の改良が本発明者らにより報告されている（P.Nemethy, P.Oddone, N.Toge, and A.Ishibashi, Nuclear Instruments and Methods 212 (1983)273-280)。
また、ｐｎ接合面に太陽光が垂直入射するタイプの太陽電池は多く報告されている（例えば、D.J.Friedman, J.F.Geisz, S.R.Kurtz, and J.M.Olson, July 1998・NREL/CP-520-23874)。
P.Nemethy, P.Oddone, N.Toge, and A.Ishibashi, Nuclear Instruments and Methods 212 (1983)273-280 D.J.Friedman, J.F.Geisz, S.R.Kurtz, and J.M.Olson, July 1998・NREL/CP-520-23874
また、ｐｎ接合面に太陽光が垂直入射するタイプの太陽電池は多く報告されている（例えば、D.J.Friedman, J.F.Geisz, S.R.Kurtz, and J.M.Olson, July 1998・NREL/CP-520-23874)。
P.Nemethy, P.Oddone, N.Toge, and A.Ishibashi, Nuclear Instruments and Methods 212 (1983)273-280 D.J.Friedman, J.F.Geisz, S.R.Kurtz, and J.M.Olson, July 1998・NREL/CP-520-23874
そこで、この発明が解決しようとする課題は、新規な太陽電池および光電変換素子を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、より一般的には、太陽電池および光電変換素子を含む新規な機能素子を提供することである。
上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
この発明が解決しようとする他の課題は、より一般的には、太陽電池および光電変換素子を含む新規な機能素子を提供することである。
上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
トップダウン系は、いわば非連続的に時間が投影された非等方的な（方向性のある) 構造である。
他方、生体そのもののシステム以外にも、人工のシステムにおいて、リジッドな固体系ではないが、ドラム缶様の容器中に充填されたガスという最小限のセットアップにおいて、経過時間の空間座標への連続的投影を利用し、フルに３次元的に空間アドレスを認知するシステムとして図１に示すようなＴＰＣがあり、本発明者らによりその開発および優れた性能が報告されている（P.Nemethy, P.Oddone, N.Toge, and A.Ishibashi, Nuclear Instruments and Methods 212 (1983)273-280)。
他方、生体そのもののシステム以外にも、人工のシステムにおいて、リジッドな固体系ではないが、ドラム缶様の容器中に充填されたガスという最小限のセットアップにおいて、経過時間の空間座標への連続的投影を利用し、フルに３次元的に空間アドレスを認知するシステムとして図１に示すようなＴＰＣがあり、本発明者らによりその開発および優れた性能が報告されている（P.Nemethy, P.Oddone, N.Toge, and A.Ishibashi, Nuclear Instruments and Methods 212 (1983)273-280)。
このＴＰＣについて少し詳しく説明すると、図１に示すように、ガスの入った円筒形状のＴＰＣ２１の両端から入射した電子ビーム２２と陽電子ビーム２３とが衝突して新たな素粒子２４がジェット状に生成する。この素粒子２４の飛跡に沿って生成した電子２５は、軸方向に一定のドリフト速度で、ＴＰＣ２１の両端にあるセクター２６と呼ばれる２次元検出器へ到達するので、上記の衝突時刻を起点としたときのセクター２６への到達までの経過時間で軸方向、すなわちｚ方向の位置が分かる。図２はセクター２６の部分の拡大図であり、符号２６ａはセンスワイヤー、２６ｂはグリッド、２６ｃはパッド、２６ｄは電気力線を示す。図２に示すように、セクター２６のセンスワイヤー２６ａの部分で電子がアバランシェを引き起こし、それによって電気信号をセンスワイヤー２６ａとその下部に存在するパッド２６ｃとに与えることでｘ、ｙ方向の位置が求まる。こうして３次元位置が求まるが、ｚ方向の位置は、電子のドリフト速度が一定であることに起因して上述のように時間情報が空間に投影されている。この特徴からそのシステムはタイムプロジェクション（時間投影）チェンバーと呼ばれ、この空間への時間投影のコンセプトの有用性を実証するひとつの例となっている。
この発明は上記の考察に基づいて案出されたものであり、上記の考察、後に記述する発明の実施の形態などにより裏付けられるものである。
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
アノード電極とカソード電極とが、間に半導体層をはさんで渦巻き状に形成され、全体として板状の形状を有することを特徴とする太陽電池である。
ここで、半導体層は、光電変換が可能であり、渦巻き状に形成することに支障がない限り、基本的にはどのようなものであってもよいが、典型的には、アモルファスシリコン層などの無機半導体層または有機半導体層である。この太陽電池の形状は問わないが、典型的には円形、三角形または六角形の形状を有する。アノード電極およびカソード電極は、典型的にはストリップ状またはリボン状である。
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
アノード電極とカソード電極とが、間に半導体層をはさんで渦巻き状に形成され、全体として板状の形状を有することを特徴とする太陽電池である。
ここで、半導体層は、光電変換が可能であり、渦巻き状に形成することに支障がない限り、基本的にはどのようなものであってもよいが、典型的には、アモルファスシリコン層などの無機半導体層または有機半導体層である。この太陽電池の形状は問わないが、典型的には円形、三角形または六角形の形状を有する。アノード電極およびカソード電極は、典型的にはストリップ状またはリボン状である。
第２の発明は、
光電変換層が渦巻き状または同心形状に形成され、全体として板状の形状を有し、この板に交差する方向から光を入射させる光電変換素子であって、
上記板の厚さ方向に上記光電変換層の光電変換可能な光の波長が段階的および／または連続的に変化していることを特徴とするものである。
典型的には、第１の電極と第２の電極とが、間に光電変換層をはさんで渦巻き状または同心形状に形成される。また、典型的には、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方、通常は少なくともアノード電極が、板の厚さ方向に互いに分離して設けられた複数の電極からなる。また、典型的には、板の光入射面から厚さ方向に光電変換層の光電変換可能な光の波長が段階的に増加しており、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方が、板の厚さ方向に上記の各段階に対応した位置に互いに分離して設けられた複数の電極からなる。光電変換層は、典型的には、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合である。これらのｐ型半導体層およびｎ型半導体層は、無機半導体、有機半導体のいずれであってもよく、典型的には、板の厚さ方向に組成傾斜した無機半導体または有機半導体からなる。典型的には、板の光入射面から厚さ方向にｐ型半導体層およびｎ型半導体層のバンドギャップが段階的および／または連続的に減少している。第１の電極および第２の電極の厚さは必要に応じて決められるが、典型的にはそれぞれ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。また、光電変換層の厚さも必要に応じて決められるが、典型的には１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。光電変換層は、公知の色素増感湿式太陽電池と同様に、色素を担持した半導体光電極とこの半導体光電極と接した電解質層とこの電解質層と接した対極とにより構成してもよい。電解質層としては、好適には固体電解質層が用いられる。この固体電解質層は印刷や塗布などにより形成することができる。半導体光電極としては、典型的には、酸化チタン（例えば、アナターゼ型構造のもの）などの金属酸化物からなるものが用いられる。典型的には、板の光入射面から厚さ方向に半導体光電極に担持させる色素の種類を変え、この色素が吸収する光の波長を段階的に増加させる。より具体的には、板の光入射面から厚さ方向に、半導体光電極に担持させる色素を、短波長の光を吸収するものから長波長の光を吸収するものへと段階的に変化させる。この光電変換素子の形状は問わないが、典型的には円形、三角形または六角形の形状を有する。
光電変換層が渦巻き状または同心形状に形成され、全体として板状の形状を有し、この板に交差する方向から光を入射させる光電変換素子であって、
上記板の厚さ方向に上記光電変換層の光電変換可能な光の波長が段階的および／または連続的に変化していることを特徴とするものである。
典型的には、第１の電極と第２の電極とが、間に光電変換層をはさんで渦巻き状または同心形状に形成される。また、典型的には、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方、通常は少なくともアノード電極が、板の厚さ方向に互いに分離して設けられた複数の電極からなる。また、典型的には、板の光入射面から厚さ方向に光電変換層の光電変換可能な光の波長が段階的に増加しており、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方が、板の厚さ方向に上記の各段階に対応した位置に互いに分離して設けられた複数の電極からなる。光電変換層は、典型的には、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合である。これらのｐ型半導体層およびｎ型半導体層は、無機半導体、有機半導体のいずれであってもよく、典型的には、板の厚さ方向に組成傾斜した無機半導体または有機半導体からなる。典型的には、板の光入射面から厚さ方向にｐ型半導体層およびｎ型半導体層のバンドギャップが段階的および／または連続的に減少している。第１の電極および第２の電極の厚さは必要に応じて決められるが、典型的にはそれぞれ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。また、光電変換層の厚さも必要に応じて決められるが、典型的には１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。光電変換層は、公知の色素増感湿式太陽電池と同様に、色素を担持した半導体光電極とこの半導体光電極と接した電解質層とこの電解質層と接した対極とにより構成してもよい。電解質層としては、好適には固体電解質層が用いられる。この固体電解質層は印刷や塗布などにより形成することができる。半導体光電極としては、典型的には、酸化チタン（例えば、アナターゼ型構造のもの）などの金属酸化物からなるものが用いられる。典型的には、板の光入射面から厚さ方向に半導体光電極に担持させる色素の種類を変え、この色素が吸収する光の波長を段階的に増加させる。より具体的には、板の光入射面から厚さ方向に、半導体光電極に担持させる色素を、短波長の光を吸収するものから長波長の光を吸収するものへと段階的に変化させる。この光電変換素子の形状は問わないが、典型的には円形、三角形または六角形の形状を有する。
この発明によれば、時間が連続的に織り込まれた構造において、織り込まれた方向に直交する方向から、当該構造にアクセスすることによって、あたかも絵巻物を見るように、時間軸が織り込まれるのを、直面する２次元面の中に（例えば、左右方向に）見ることができ、例えば原子層オーダーの究極の空間分解能・制御性を、当該機能素子に持ち込むことが可能となる。
また、新規な高効率の太陽電池および光電変換素子を実現することができる。
また、新規な高効率の太陽電池および光電変換素子を実現することができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、この発明の第１の実施形態について説明する。
この第１の実施形態は、時間が連続的に折織り込まれた構造において、織り込まれた方向に直交する方向から、この構造にアクセスすることを特徴とする機能素子である。この機能素子は、ストリップ状またはリボン状の金属層などの導電体層と、この導電体層の厚さ以上の厚さを有する非金属層との周期構造体からなる薄片を有し、この薄片に交差する方向、好ましくは直交する方向から、光（太陽光など）をアクセスさせる。
具体的には、図３Ａ、ＢおよびＣはこの第１の実施形態による有機太陽電池を示す。ここで、図３Ａは表面図、図３Ｂは裏面図、図３Ｃは側面図である。図３Ａ、ＢおよびＣに示すように、この有機太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが間に有機半導体層１５３をはさんで渦巻き（スパイラル）状に形成されたもので、全体として薄い円板の形状を有する。図示は省略するが、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが背中合わせになる部位にはこれらを互いに電気的に絶縁するための絶縁膜が設けられている。この有機太陽電池の裏面には、中心から半径方向に沿って線状の取り出し電極１５４、１５５が形成されている。ここで、取り出し電極１５４はアノード電極１５１とコンタクトしており、取り出し電極１５５はカソード電極１５２とコンタクトしている。
まず、この発明の第１の実施形態について説明する。
この第１の実施形態は、時間が連続的に折織り込まれた構造において、織り込まれた方向に直交する方向から、この構造にアクセスすることを特徴とする機能素子である。この機能素子は、ストリップ状またはリボン状の金属層などの導電体層と、この導電体層の厚さ以上の厚さを有する非金属層との周期構造体からなる薄片を有し、この薄片に交差する方向、好ましくは直交する方向から、光（太陽光など）をアクセスさせる。
具体的には、図３Ａ、ＢおよびＣはこの第１の実施形態による有機太陽電池を示す。ここで、図３Ａは表面図、図３Ｂは裏面図、図３Ｃは側面図である。図３Ａ、ＢおよびＣに示すように、この有機太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが間に有機半導体層１５３をはさんで渦巻き（スパイラル）状に形成されたもので、全体として薄い円板の形状を有する。図示は省略するが、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが背中合わせになる部位にはこれらを互いに電気的に絶縁するための絶縁膜が設けられている。この有機太陽電池の裏面には、中心から半径方向に沿って線状の取り出し電極１５４、１５５が形成されている。ここで、取り出し電極１５４はアノード電極１５１とコンタクトしており、取り出し電極１５５はカソード電極１５２とコンタクトしている。
有機半導体層１５３はヘテロジャンクション型あるいはバルクヘテロジャンクション型の構造を有する。ヘテロジャンクション型構造の有機半導体層１５３においては、ｐ型有機半導体膜およびｎ型有機半導体膜とを、それぞれアノード電極１５１およびカソード電極１５２と接触するように接合する。バルクヘテロジャンクション型構造の有機半導体層１５３は、ｐ型有機半導体分子とｎ型有機半導体分子との混合物からなり、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とが互いに入り組んで互いに接触した微細構造を有する。有機半導体層１５３の材料としては、有機太陽電池の材料として一般的に報告されているものは全て用いることができるが、具体的には、ポリアセチレン（好ましくは二置換型ポリアセチレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（２，５−チエニレンビニレン）、ポリピロール、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリアニリン、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン）（ＰＤＡＦ）、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−co−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）、ポリ（１−ヘキシル−２−フェニルアセチレン）（ＰＨX ＰＡ）（発光材料としては青色の発光を示す）、ポリ（ジフェニルアセチレン）誘導体（ＰＤＰＡ−n Ｂｕ）（発光材料としては緑色の発光を示す）、ポリ（ピリジン）（ＰＰｙ）、ポリ（ピリジルビニレン）（ＰＰｙＶ）、シアノ置換型ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＣＮＰＰＶ）、ポリ（３，９−ジ−tert−ブチルインデノ［１，２−ｂ］フルオレン（ＰＩＦ）などを用いることができる。これらの有機半導体のドーパントについては、ドナーとしてはアルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ）を用いることができ、アクセプタとしてはハロゲン類（Ｂｒ2 、Ｉ2 、ＣＩ2 ）、ルイス酸（ＢＦ3 、ＰＦ5 、ＡｓＦ5 、ＳｂＦ5 、ＳＯ3 ）、遷移金属ハロゲン化物（ＦｅＣｌ3 、ＭｏＣｌ5 、ＷＣｌ5 、ＳｎＣｌ4 ）、有機アクセプタ分子としてはＴＣＮＥ、ＴＣＮＱを用いることができる。また、電気化学ドーピングに用いられるドーパントイオンは、陽イオンとしてはテトラエチルアンモニウムイオン（ＴＥＡ+ ）、テトラブチルアンモニウムイオン（ＴＢＡ+ ）、Ｌｉ+ 、Ｎａ+ 、Ｋ+ 、陰イオンとしてはＣｌＯ4 - 、ＢＦ4 - 、ＰＦ6 - 、ＡｓＦ6 - 、ＳｂＦ6 - などを用いることができる。
有機半導体層１５３としてはさらに、高分子電解質を用いることもできる。この高分子電解質の具体例を挙げると、ポリアニオンとしては、サルフォネートポリアニリン、ポリ（チオフェン−３−酢酸）、サルフォネートポリスチレン、ポリ（３−チオフェンアルカンサルフォネート）など、ポリカチオンとしては、ポリアリルアミン、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）前躯体高分子、ポリ（ｐ−メチルピリジニウムビニレン）、プロトン化ポリ（ｐ−ピリジルビニレン）、ポロトン（２−Ｎ−メチルピリジニウムアセチレン）などを用いることができる。
アノード電極１５１およびカソード電極１５２は好適には互いに仕事関数が異なる金属からなり、具体的には、例えば、アノード電極１５１はＡｕやＮｉからなり、電極１５２はＡｌからなる。
この有機太陽電池の各部の寸法の例を挙げると、有機半導体層１５３の厚さは７０〜１００ｎｍ、アノード電極１５１およびカソード電極１５２の厚さはそれぞれ１００ｎｍ程度である。この有機太陽電池の高さ（厚さ）、従って有機半導体層１５３の高さは、この有機太陽電池の面に垂直な方向から入射する光のほぼ全部または完全に吸収されて光電変換されるのに十分な高さに選ばれ、具体的には数μｍ〜１ｍｍ程度に選ばれる。
この有機太陽電池の各部の寸法の例を挙げると、有機半導体層１５３の厚さは７０〜１００ｎｍ、アノード電極１５１およびカソード電極１５２の厚さはそれぞれ１００ｎｍ程度である。この有機太陽電池の高さ（厚さ）、従って有機半導体層１５３の高さは、この有機太陽電池の面に垂直な方向から入射する光のほぼ全部または完全に吸収されて光電変換されるのに十分な高さに選ばれ、具体的には数μｍ〜１ｍｍ程度に選ばれる。
次に、この有機太陽電池の製造方法の一例について説明する。ここでは、有機半導体層１５３が、ｐ型有機半導体膜とｎ型有機半導体膜とを接合したヘテロジャンクション型構造を有する場合について説明する。図４Ａ、ＢおよびＣにこの有機太陽電池の製造に用いる真空蒸着装置を示す。ここで、図４Ａは正面図、図４Ｂは側面図、図４Ｃは平面図である。
図４Ａ、ＢおよびＣに示すように、ローラ１６１に、例えば所定幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム１６２を巻き付けておき、この樹脂製ベースフィルム１６２の一方の面に、まず蒸着源１６３からカソード電極用の金属を蒸発させてカソード電極１５２を形成し、次に蒸着源１６４からｎ型有機半導体を蒸発させてｎ型有機半導体膜を形成し、次に蒸着源１６５からｐ型有機半導体を蒸発させてｐ型有機半導体膜を形成し、次に蒸着源１６３からアノード電極用の金属を蒸発させてアノード電極１５１を形成した後、この蒸着膜付き樹脂製ベースフィルム１６２を巻き取りローラ１６６で巻き取っていく。この場合、樹脂製ベースフィルム１６２としては、熱または光により剥離可能なものを用いる。そして、カソード電極１５２、ｎ型有機半導体膜、ｐ型有機半導体膜およびアノード電極１５１が渦巻き状に形成される際に樹脂製ベースフィルム１６２が巻き込まれないようにするため、巻き込まれる直前にこの樹脂製ベースフィルム１６２の裏面に高温に加熱されたローラを押し付けたり、この裏面に光を照射したりすることにより、樹脂製ベースフィルム１６２を剥離する。符号１６６〜１７１は蒸着源１６３〜１６５に通電を行うための電極を示す。また、樹脂製ベースフィルム１６２のローラ１６１および巻き取りローラ１６６の全体は下部が解放した容器１７２内に収容されている。蒸着源１６３〜１６５からの蒸着ビームは、この容器１７２の解放された下部から樹脂製ベースフィルム１６２に照射されるようになっている。
図４Ａ、ＢおよびＣに示すように、ローラ１６１に、例えば所定幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム１６２を巻き付けておき、この樹脂製ベースフィルム１６２の一方の面に、まず蒸着源１６３からカソード電極用の金属を蒸発させてカソード電極１５２を形成し、次に蒸着源１６４からｎ型有機半導体を蒸発させてｎ型有機半導体膜を形成し、次に蒸着源１６５からｐ型有機半導体を蒸発させてｐ型有機半導体膜を形成し、次に蒸着源１６３からアノード電極用の金属を蒸発させてアノード電極１５１を形成した後、この蒸着膜付き樹脂製ベースフィルム１６２を巻き取りローラ１６６で巻き取っていく。この場合、樹脂製ベースフィルム１６２としては、熱または光により剥離可能なものを用いる。そして、カソード電極１５２、ｎ型有機半導体膜、ｐ型有機半導体膜およびアノード電極１５１が渦巻き状に形成される際に樹脂製ベースフィルム１６２が巻き込まれないようにするため、巻き込まれる直前にこの樹脂製ベースフィルム１６２の裏面に高温に加熱されたローラを押し付けたり、この裏面に光を照射したりすることにより、樹脂製ベースフィルム１６２を剥離する。符号１６６〜１７１は蒸着源１６３〜１６５に通電を行うための電極を示す。また、樹脂製ベースフィルム１６２のローラ１６１および巻き取りローラ１６６の全体は下部が解放した容器１７２内に収容されている。蒸着源１６３〜１６５からの蒸着ビームは、この容器１７２の解放された下部から樹脂製ベースフィルム１６２に照射されるようになっている。
図４Ｂに示すように、容器１７２およびその中のローラ１６１および巻き取りローラ１６６の全体は点線で示すように鉛直面から傾斜させることができるようになっており、必要に応じて斜め蒸着を行うことができるようになっている。
また、実際には蒸着源１６３〜１６５の前方に例えば直径が１〜３ｍｍの開口を有する金属製の遮蔽板（図示せず）が設けられており、蒸着源１６３〜１６５から樹脂製ベースフィルム１６２への熱放射を極力抑えることができるようになっている。
また、実際には蒸着源１６３〜１６５の前方に例えば直径が１〜３ｍｍの開口を有する金属製の遮蔽板（図示せず）が設けられており、蒸着源１６３〜１６５から樹脂製ベースフィルム１６２への熱放射を極力抑えることができるようになっている。
この第１の実施形態によれば、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが間に有機半導体層１５３をはさんで渦巻き状に形成されて薄い円板状に有機太陽電池が構成されているので、有機太陽電池の単位面積当たりのｐｎ接合の面積は極めて大きくなり、この有機太陽電池の面に垂直方向に光を入射させたとき、有機半導体層１５３の光吸収領域を増大させることができる。また、有機半導体層１５３は一般に電気抵抗が高いが、この有機半導体層１５３の厚さを十分に小さくすることができるため、その電気抵抗を十分に低く抑えることができる。このため、光電変換効率が高く、しかもフレキシブルな有機太陽電池を実現することができる。
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
図５Ａ、ＢおよびＣはこの第２の実施形態による有機太陽電池を示す。ここで、図５Ａは表面図、図５Ｂは裏面図、図５Ｃは側面図である。図５Ａ、ＢおよびＣに示すように、この有機太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが間に有機半導体層１５３をはさんで六角形の渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
図５Ａ、ＢおよびＣはこの第２の実施形態による有機太陽電池を示す。ここで、図５Ａは表面図、図５Ｂは裏面図、図５Ｃは側面図である。図５Ａ、ＢおよびＣに示すように、この有機太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが間に有機半導体層１５３をはさんで六角形の渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
次に、この有機太陽電池の製造方法の一例について説明する。ここでは、有機半導体層１５３が、ｐ型有機半導体膜とｎ型有機半導体膜とを接合したヘテロジャンクション型構造を有する場合について説明する。図６にこの有機太陽電池の製造に用いる真空蒸着装置を示す。また、図７は蒸着膜付き樹脂製ベースフィルム１６２が巻き取りローラ１６６で巻き取られる状態を示す。
図６に示すように、ローラ１６１に、例えば所定幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム１６２を巻き付けておき、この樹脂製ベースフィルム１６２の一方の面に、まず蒸着源１６３からカソード電極用の金属を蒸発させてカソード電極１５２を形成し、次に蒸着源１６４からｎ型有機半導体を蒸発させてｎ型有機半導体膜１５３ａを形成し、次に蒸着源１６５からｐ型有機半導体を蒸発させてｐ型有機半導体膜１５３ｂを形成し、次に蒸着源１６３からアノード電極用の金属を蒸発させてアノード電極１５１を形成した後、この蒸着膜付き樹脂製ベースフィルム１６２を断面形状が六角形の巻き取りローラ１６６で巻き取っていく。その他のことは第１の実施形態と同様である。
図６に示すように、ローラ１６１に、例えば所定幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム１６２を巻き付けておき、この樹脂製ベースフィルム１６２の一方の面に、まず蒸着源１６３からカソード電極用の金属を蒸発させてカソード電極１５２を形成し、次に蒸着源１６４からｎ型有機半導体を蒸発させてｎ型有機半導体膜１５３ａを形成し、次に蒸着源１６５からｐ型有機半導体を蒸発させてｐ型有機半導体膜１５３ｂを形成し、次に蒸着源１６３からアノード電極用の金属を蒸発させてアノード電極１５１を形成した後、この蒸着膜付き樹脂製ベースフィルム１６２を断面形状が六角形の巻き取りローラ１６６で巻き取っていく。その他のことは第１の実施形態と同様である。
図７において、符号１７３はｐ側とｎ側との電気的分離用の絶縁膜を示す。この絶縁膜１７３は、蒸着源１６３からアノード電極用の金属を蒸発させる直前に形成する。
カソード電極１５２、ｎ型有機半導体膜１５３ａ、ｐ型有機半導体膜１５３ｂおよびアノード電極１５１が渦巻き状に形成される際に樹脂製ベースフィルム１６２が巻き込まれないようにするため、巻き込まれる直前にこの樹脂製ベースフィルム１６２の裏面に高温に加熱されたローラ１７４を押し付けたり、この裏面に光を照射したりすることにより、樹脂製ベースフィルム１６２を剥離する。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることもできる。すなわち、この第２の実施形態による有機太陽電池は六角形の形状を有するため、図８に示すように、この有機太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めることができる。このため、単位面積当たりの発電量を大幅に増すことができる。
カソード電極１５２、ｎ型有機半導体膜１５３ａ、ｐ型有機半導体膜１５３ｂおよびアノード電極１５１が渦巻き状に形成される際に樹脂製ベースフィルム１６２が巻き込まれないようにするため、巻き込まれる直前にこの樹脂製ベースフィルム１６２の裏面に高温に加熱されたローラ１７４を押し付けたり、この裏面に光を照射したりすることにより、樹脂製ベースフィルム１６２を剥離する。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることもできる。すなわち、この第２の実施形態による有機太陽電池は六角形の形状を有するため、図８に示すように、この有機太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めることができる。このため、単位面積当たりの発電量を大幅に増すことができる。
次に、この発明の第３の実施形態による太陽電池について説明する。
図９Ａ、ＢおよびＣはこの太陽電池を示す。ここで、図９Ａは表面図、図９Ｂは裏面図、図９Ｃは側面図である。図９Ａ、ＢおよびＣに示すように、この太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが、間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合をはさんで渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い円板の形状を有する。これらのｐ型半導体層およびｎ型半導体層は無機半導体でも有機半導体でもよい。
図９Ａ、ＢおよびＣはこの太陽電池を示す。ここで、図９Ａは表面図、図９Ｂは裏面図、図９Ｃは側面図である。図９Ａ、ＢおよびＣに示すように、この太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが、間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合をはさんで渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い円板の形状を有する。これらのｐ型半導体層およびｎ型半導体層は無機半導体でも有機半導体でもよい。
図１０にこの太陽電池の詳細構造を模式的に示す。図１０において、符号１９１がｐ型半導体層、１９２がｎ型半導体層を示す。図１０に示すように、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが背中合わせになる部位には樹脂などの各種の絶縁体からなる絶縁膜１９３が設けられており、この絶縁膜１９３によりアノード電極１５１とカソード電極１５２とが互いに電気的に絶縁されている。この場合、カソード電極１５２は全面電極であり、ｎ型半導体層１９２とオーミック接触しているのに対し、アノード電極１５１は円板の厚さ（Ｗ）方向に互いに分離された細長いｎ個の微小アノード電極１５１−１〜１５１−ｎからなる。これらの微小アノード電極１５１−１〜１５１−ｎの幅はそれぞれＷ1 、Ｗ2 、…、Ｗn であり、これらは互いに同一であっても異なっていてもよい。
ｐ型半導体層１９１およびｎ型半導体層１９２のバンドギャップＥg は、光入射面から円板の厚さ方向にｎ段階（ｎ≧２）に段階的に減少しており、光入射面側から順にＥg1、Ｅg2、…、Ｅgn（Ｅg1＞Ｅg2＞…＞Ｅgn）となっている。ｐ型半導体層１９１およびｎ型半導体層１９２のうちのバンドギャップＥg がＥgk（１≦ｋ≦ｎ）の領域をＥgk領域と呼ぶ。このＥgk領域のｐ型半導体層１９１と微小アノード電極１５１−ｋとがオーミック接触している。これらのＥgk領域は一体になっていても互いに分離されていてもよい。微小アノード電極１５１−ｋとカソード電極１５２との間にＥgk領域が挟まれた構造が微小太陽電池を構成し、カソード電極１５２を共通電極としたこれらのｎ個の微小太陽電池によりこの太陽電池が構成されている。
Ｅgkは次のように設定することができる。例えば、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの全波長範囲またはその主要な波長範囲（入射エネルギーが高い部分を含む範囲）において、波長をｎ個の区間に分ける。そして、これらの区間に短波長側（高エネルギー側）から順に１、２、…、ｎというように番号を付け、ｋ番目の区間の最小光子エネルギーに等しくＥgkを選ぶ。こうすることで、ｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子がＥgk領域に入射すると電子−正孔対が発生し、光電変換が行われる。また、この場合、このｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子が各Ｅgk領域に到達して十分に吸収されるように、光入射面からこのＥgk領域までの深さを選ぶ。これによって、この太陽電池の光入射面に入射する太陽光は、まずＥg1領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg1以上のものが吸収されて光電変換され、続いてＥg2領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg2以上でＥg1より小さいものが吸収されて光電変換され、最終的にＥgn領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥgn以上でＥgn-1より小さいものが吸収されて光電変換される。この結果、太陽光スペクトルのほぼ全範囲あるいは主要な波長範囲の光を光電変換に使用することができる。
Ｅgkの理想的な設定例について説明する。図１１にＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子密度ｎphと光子エネルギーｈνとの関係を示す。ここでは、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーをエネルギー幅Δの１０個の区間に等分するものとする。この場合の理論最高光電変換効率は約６５％にもなり、これは例えばＥg ＝１．３５ｅＶの従来の太陽電池の理論最高光電変換効率３１％の倍以上である。
各Ｅgkの設定は、各Ｅgk領域を構成する半導体の組成を変えることにより行うことができる。具体的には、各Ｅgk領域を別種の半導体により構成する。無機半導体を用いる場合について具体例をいくつか挙げると次のとおりである。ｎ＝２の最も簡単な場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg2領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）により構成する。また、ｎ＝３の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＰ（Ｅg ＝２．２５ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）により構成する。また、ｎ＝４の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＰ（Ｅg ＝２．２５ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）、Ｅg4領域をＧｅ（Ｅg ＝０．７６ｅＶ）により構成する。さらには、ＧａＩｎＮx Ａｓ1-x やＧａＩｎＮx Ｐ1-x を用いてｘの制御だけでｎ〜１０の場合のＥgk領域を構成することも可能である。加えて、Ｔｅを含ませると大きなボウイング（bowing）を示すことが知られているＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いてＥgk領域を構成してもよい。
この太陽電池の製造方法は第１の実施形態と同様である。
この太陽電池を複数用いて太陽電池システムを構成する場合には、例えば、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋ同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋから出力電圧を取り出す。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、例えば従来のアモルファスＳｉ太陽電池では太陽光スペクトルのうち光子エネルギーが１．１２ｅＶより小さい波長の光は利用することができないのに対し、この第３の実施形態によれば、Ｅgk領域の設計により、太陽光スペクトルの全部または主要部の光を光電変換に利用することができ、光電変換効率の飛躍的な向上を図ることができる。
この太陽電池を複数用いて太陽電池システムを構成する場合には、例えば、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋ同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋから出力電圧を取り出す。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、例えば従来のアモルファスＳｉ太陽電池では太陽光スペクトルのうち光子エネルギーが１．１２ｅＶより小さい波長の光は利用することができないのに対し、この第３の実施形態によれば、Ｅgk領域の設計により、太陽光スペクトルの全部または主要部の光を光電変換に利用することができ、光電変換効率の飛躍的な向上を図ることができる。
次に、この発明の第４の実施形態による太陽電池について説明する。
図１２Ａ、ＢおよびＣはこの太陽電池を示す。ここで、図１２Ａは表面図、図１２Ｂは裏面図、図１２Ｃは側面図である。図１２Ａ、ＢおよびＣに示すように、この太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが、間にｐ型半導体層１９１とｎ型半導体層１９２とからなるｐｎ接合をはさんで渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第１３の実施形態と同様である。
この六角形の形状を有する太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めて太陽電池システムを構成する場合には、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋ同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋから出力電圧を取り出す。このとき、一つの列の各太陽電池のＥgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。この太陽電池システムを図１３に示す。
この第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることもできる。すなわち、この第１４の実施形態による太陽電池は六角形の形状を有するため、図８に示すように、この太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めることができる。このため、各太陽電池の光電変換効率の飛躍的な増加と相まって単位面積当たりの発電量を飛躍的に増加させることができる。
図１２Ａ、ＢおよびＣはこの太陽電池を示す。ここで、図１２Ａは表面図、図１２Ｂは裏面図、図１２Ｃは側面図である。図１２Ａ、ＢおよびＣに示すように、この太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが、間にｐ型半導体層１９１とｎ型半導体層１９２とからなるｐｎ接合をはさんで渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第１３の実施形態と同様である。
この六角形の形状を有する太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めて太陽電池システムを構成する場合には、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋ同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋから出力電圧を取り出す。このとき、一つの列の各太陽電池のＥgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。この太陽電池システムを図１３に示す。
この第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることもできる。すなわち、この第１４の実施形態による太陽電池は六角形の形状を有するため、図８に示すように、この太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めることができる。このため、各太陽電池の光電変換効率の飛躍的な増加と相まって単位面積当たりの発電量を飛躍的に増加させることができる。
次に、この発明の第５の実施形態による太陽電池について説明する。
図１４に示すように、この太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが、間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合をはさんで渦巻き状に形成されていることは第３の実施形態による太陽電池と同様であるが、この場合、巻き取り軸である中心軸１９４がアノード側となっており、したがってｎ型半導体層１９２よりもｐ型半導体層１９１が先に巻きついていること、アノード電極１５１が円板の厚さ（Ｗ）方向に互いに分離された細長いｎ個の微小アノード電極１５１−１〜１５１−ｎからなるだけでなく、カソード電極１５２も、六角形板の厚さ（Ｗ）方向に互いに分離された細長いｎ個の微小カソード電極１５２−１〜１５２−ｎからなることが異なる。これらの微小カソード電極１５２−１〜１５２−ｎの幅はそれぞれＷ1 、Ｗ2 、…、Ｗn である。その他の構成は第３の実施形態と同様である。
図１４に示すように、この太陽電池は、アノード電極１５１とカソード電極１５２とが、間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合をはさんで渦巻き状に形成されていることは第３の実施形態による太陽電池と同様であるが、この場合、巻き取り軸である中心軸１９４がアノード側となっており、したがってｎ型半導体層１９２よりもｐ型半導体層１９１が先に巻きついていること、アノード電極１５１が円板の厚さ（Ｗ）方向に互いに分離された細長いｎ個の微小アノード電極１５１−１〜１５１−ｎからなるだけでなく、カソード電極１５２も、六角形板の厚さ（Ｗ）方向に互いに分離された細長いｎ個の微小カソード電極１５２−１〜１５２−ｎからなることが異なる。これらの微小カソード電極１５２−１〜１５２−ｎの幅はそれぞれＷ1 、Ｗ2 、…、Ｗn である。その他の構成は第３の実施形態と同様である。
図１５に中心軸１９４の詳細構造を示す。図１５に示すように、中心軸１９４の表面は絶縁体からなり、その表面にｐコンタクト層１９５−１〜１９５−ｎが軸方向に互いに分離されて形成されており、その周りにそれぞれ微小アノード電極１５１−１〜１５１−ｎが巻き付いてコンタクトした構造になっている。中心軸１９４の一端にはコネクター１９６が設けられている。このコネクター１９６の表面は絶縁体からなり、この表面に電極１９７−１〜１９７−ｎが軸方向に互いに分離されて形成されている。電極１９７−１〜１９７−ｎは、図示省略した内部配線により、それぞれｐコンタクト層１９５−１〜１９５−ｎと電気的に接続されている。
この太陽電池を複数用いて太陽電池システムを構成する場合には、例えば、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋ同士および微小カソード電極１５２−ｋ同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋから出力電圧を取り出す。このとき、一つの列の各太陽電池のＥgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。
この第５の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。
この太陽電池を複数用いて太陽電池システムを構成する場合には、例えば、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋ同士および微小カソード電極１５２−ｋ同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋから出力電圧を取り出す。このとき、一つの列の各太陽電池のＥgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。
この第５の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。
次に、この発明の第６の実施形態による太陽電池について説明する。
この太陽電池は、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第５の実施形態と同様である。
この六角形の形状を有する太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めて太陽電池システムを構成する場合には、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋ同士および微小カソード電極１５２−ｋ同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋから出力電圧を取り出す。このとき、一つの列の各太陽電池のＥgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。この場合、太陽電池の側面に微小アノード電極１５１−ｋが露出しているため、この太陽電池の側面同士を突き合わせるだけで微小アノード電極１５１−ｋ同士を電気的に接続することができる。この太陽電池システムを図１６に示す。
この太陽電池は、全体として薄い六角形板の形状を有する。その他の構成は第５の実施形態と同様である。
この六角形の形状を有する太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めて太陽電池システムを構成する場合には、一列に並べた太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋ同士および微小カソード電極１５２−ｋ同士を接続し、各列毎の最終段の太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋから出力電圧を取り出す。このとき、一つの列の各太陽電池のＥgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。この場合、太陽電池の側面に微小アノード電極１５１−ｋが露出しているため、この太陽電池の側面同士を突き合わせるだけで微小アノード電極１５１−ｋ同士を電気的に接続することができる。この太陽電池システムを図１６に示す。
次に、この太陽電池システムからの出力電圧の好ましい取り出し方について説明する。この太陽電池の各微小太陽電池の微小アノード電極１５１−ｋと微小カソード電極１５２−ｋとの間に発生する光起電力はＥgk／ｅで表されるため、各微小太陽電池の光起電力は互いに異なる。各微小太陽電池の光起電力をそのまま使ってもよいが、太陽電池を最も有効に利用するためには、各微小太陽電池の接続の仕方を工夫して単一の電圧の出力電圧が得られるようにするのが好ましい。そこで、Ｅgn＝Δとし、Ｅgi＝Ｅg1−（ｉ−１）Δ（ｉ＝１〜ｎ）とする。このとき、一つの列の各太陽電池のＥgk領域の微小太陽電池毎に並列接続する。そして、ｉ番目の列のｊ番目の太陽電池をＣijで表すとき、図１７に示すように、２ｉ−１番目の列の１番目の太陽電池Ｃ2i-1,1のＥgk領域（ｋ≧２）の微小太陽電池と２ｉ番目の列の１番目の太陽電池Ｃ2i,1のＥg(n+2-k)領域の微小太陽電池とを直列接続すると合計の光起電力の値は（Ｅgk＋Ｅg(n+2-k)）／ｅ＝Ｅg1／ｅとなる。一方、Ｅg1領域の微小太陽電池の光起電力はＥg1／ｅである。したがって、これらの光起電力を同一の端子から取り出すことにより、この太陽電池から単一の電圧の出力電圧を得ることができる。
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。必要に応じて、上述の実施形態の二以上を組み合わせてもよい。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。必要に応じて、上述の実施形態の二以上を組み合わせてもよい。
また、同心円構造自体は、第１〜第６の実施形態で述べた方法以外の方法で形成することもできる。例えば、回転軸を回転させながらその側面上に交互に異なる物質を真空蒸着により形成したり、ＭＯＣＶＤ法などにより円柱状の基板に交互に異なる物質を成長させたりすることができる。
また、同心円構造を形成する物質としては、上述の第１〜第６の実施形態で用いたものと異なる物質を用いてもよい。誘電体としては酸化物などの無機物質のほか、ポリスチレンやポリカーボネートなどの有機物質を用いてもよい。
また、同心円構造を形成する物質としては、上述の第１〜第６の実施形態で用いたものと異なる物質を用いてもよい。誘電体としては酸化物などの無機物質のほか、ポリスチレンやポリカーボネートなどの有機物質を用いてもよい。
１５１…アノード電極、１５１−１〜１５１−ｎ…微小アノード電極、１５２…カソード電極、１５２−１〜１５２−ｎ…微小カソード電極、１５３…有機半導体膜、１５４、１５５…取り出し電極、１６２…樹脂製ベースフィルム、１８１…酸化膜、１８２…金属膜、１９４…中心軸、１９５−１〜１９５−ｎ…ｐコンタクト層、１９６…コネクター、１９７−１〜１９７−ｎ…電極
Claims (6)
- アノード電極およびカソード電極がストリップ状またはリボン状であり、
上記アノード電極と上記カソード電極との間に上記アノード電極および上記カソード電極と接触した状態で半導体層をはさんで構造体が構成され、
上記構造体が渦巻き状に形成されて、全体として板状の形状を有し、この板の光入射面にほぼ垂直な方向から太陽光を入射させることを特徴とする太陽電池。 - 上記板の厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
- 上記板の光入射面にほぼ垂直な方向から太陽光を入射させることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池。
- 上記半導体層がアモルファスシリコン層または有機半導体層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の太陽電池。
- 上記板の光入射面から上記板の厚さ方向に上記半導体層のバンドギャップが段階的および／または連続的に減少していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の太陽電池。
- 上記板の厚さはこの板の光入射面に垂直な方向から入射する太陽光を完全に吸収するのに十分な厚さに選ばれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の太陽電池。
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