JP5704987B2 - 波長変換素子および光電変換装置 - Google Patents
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Description
特許文献2には、量子ドットdは、縦横および上下に規則正しく配列させても、薄膜間に平面的にランダムに量子ドットdを配列させてもよいことが記載されている。
このようなことから、波長変換しない特定の波長領域においても波長変換できる波長変換膜が望まれており、これにより、変換効率を改善し太陽電池トータルの発電効率効果を改善することが望まれている。
また、前記粒子は、隣り合う粒子との間隔が10nm以下であり、前記粒子は、粒径のバラツキσdが、1<σd<10nmであり、前記粒子の粒径は前記バラツキの範囲で異なることが好ましい。
前記粒子は、例えば、Si、Ge、SiGe混晶、InNまたはInGaN混晶で構成される。
前記無機材は、例えば、SiOx(0<x<2)、SiNx(0<x<3/4)またはInGaN混晶である。
また、前記波長変換素子のマトリクス層内に設けられる粒子は、バンドギャップが前記光電変換層のバンドギャップより大きいことが好ましい。
なお、光電変換層に多結晶シリコンを用いた場合、様々な面方位が出現するため、反射率が均一ではない。このため、ある面方位に有効な反射防止膜を形成しても、光電変換層全体では有効ではない。しかしながら、波長変換素子は、特定の波長領域以外の他の波長領域の光の反射を防止し、反射ロスを低く抑えることができるため、光電変換層に多結晶シリコンを用いた場合でも、発電効率をより改善することができる。
また、波長変換素子を設ける場合に、単に配置すればよく、エッチング等が不要である。このため、光電変換装置にエッチング等によるダメージを与えることもない。これにより、製造不良の発生を抑制することができる。
図1は、本発明の実施形態の波長変換素子を示す模式的断面図である。
なお、波長変換素子10は、波長変換膜12が少なくとも1層あればよく、波長変換膜12が1層である場合でも波長変換素子10という。
波長変換素子10が、例えば、Eg(バンドギャップ)が1.2eVのシリコン太陽電池の光電変換層上に配置された場合、この1.2eVの2倍以上のエネルギー(2.4eV以上)の波長領域に対して、バンドギャップに相当するエネルギーの波長の光に波長変換する機能を有するものとする。
図3に示すように、太陽光スペクトルと結晶Siの分光感度曲線とを比べると、太陽スペクトルには結晶Siのバンドギャップの波長域の強度が低い。このため、太陽光のうち、結晶Siのバンドギャップの2倍以上のエネルギー(2.4eV以上)の波長領域に対して、低いエネルギーの光子、例えば、1.2eVの光(波長約1100nm)に波長変換することにより、光電変換に有効な光を、結晶Siからなる光電変換層に供給することができる。これにより、太陽電池の変換効率を高くすることができる。
波長変換素子10(波長変換膜12)が配置される光電変換層が、結晶Siの場合には屈折率nPVは3.6である。また、これらが配置される空間の空気の屈折率nairは1.0である。
ここで、波長変換素子10を反射防止膜として考えた場合、例えば、図4に示すように、屈折率が1.9の単層膜(符号A1)、屈折率が1.46/2.35の2層膜(符号A2)、屈折率が1.36/1.46/2.35の3層膜(符号A3)を比較すると、屈折率が2.35のものがあると、反射率を低減することができる。
このように、波長変換素子10(波長変換膜12)において、反射防止機能を発揮するためには、波長変換素子10(波長変換膜12)の実効屈折率nが、光電変換層の屈折率nPV(結晶シリコンで3.6)と、空気の屈折率とのほぼ中間の屈折率とすることができれば、反射防止機能を発揮することができる。
本実施形態では、波長変換素子10(波長変換素膜12)の用途等を考慮して、波長変換素子10(波長変換膜12)の実効屈折率nは、例えば、波長533nmにおいて、1.7<n<3.0とする。実効屈折率nは、好ましくは、波長533nmにおいて1.7<n<2.5である。
波長変換膜12において、マトリクス層14は、バンドギャップが3eV以上の透明ない硬化樹脂材または無機材により構成される。
マトリクス層14の硬化樹脂材には、例えば、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂が用いられ、光を透過するものであれば特に限定されるものではない。光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エチレンビニルアセテート(EVA)樹脂等を用いることができる。
シリコーン樹脂としては、市販のLED用シリコーン樹脂等が挙げられる。エチレンビニルアセテート(EVA)樹脂としては、例えば、三井化学ファブロ株式会社のソーラーエバ(商標)等を用いることができる。さらには、アイオノマー樹脂なども使用することができる。
アクリル樹脂としては2つ以上の官能基を有する(メタ)アクリレートを用いることができる。また、アクリル樹脂として水分散型アクリル樹脂を用いることができる。この水分散型アクリル樹脂とは、水を主成分とする分散媒に分散したアクリルモノマー、オリゴマー、またはポリマーで、水分散液のような希薄な状態では架橋反応がほとんど進行しないが、水を蒸発させると常温でも架橋反応が進行し固化するタイプ、または、自己架橋可能な官能基を有し、触媒や重合開始剤、反応促進剤などの添加剤を用いなくとも加熱のみで架橋し固化するタイプのアクリル樹脂である。
量子ドット16は、粒子状のものであり、粒径が3nm〜20nm、好ましくは2nm〜15nmであり、より好ましくは2nm〜5nmである。
量子ドット16は、例えば、波長変換素子10が設けられる光電変換層のEgの2倍以上のエネルギーの波長領域に対して、光電変換層のEgの光に波長変換する機能を有する。このため、量子ドット16を構成する材料としては、光電変換層のEgの2倍以上のエネルギーを吸収し、かつ光電変換バンドキャップの2倍以上に、光吸収のためのエネルギー準位が存在している材料が選択される。
量子ドット16の粒径バラツキσdが、1<σd<10nmの範囲で異なること、好ましくは、1<σd<5nmである。
さらに、量子ドット16の間隔と屈折率との関係をシミュレーション計算により調べた。その結果、図5(b)に示すように、屈折率を高くするには、量子ドット16の間隔を狭くする必要がある。
図5(a)、(b)に示すように、例えば、波長変換素子10の実効屈折率nを2.4にするには、量子ドット16の間隔を狭く、かつ高い密度でマトリクス層14内に配置する必要がある。
この場合、図6に示すように、反射率を約10%にすることができる。なお、反射率は、分光反射測定器(日立製U4000)を用いて測定した。
図7に示すように、反射率を図6に比して、更に低くすることができる。このように、量子ドット16の充填率を高くすることにより、屈折率が高くなり、その結果、反射率を低くすることができる。このため、波長変換素子10に入射した光Lの利用効率を高くすることができる。
各波長変換素子10について、励起波長533nmの光を照射したところ、図9(a)に示す発光スペクトルが得られた。図9(a)において、符号C1は、量子ドットが不均一なものであり、符号C2は量子ドットが均一なものである。なお、図9(b)は、量子ドットが不均一なもののTEM像を示す図面代用写真であり、図9(c)は、量子ドットが一なもののTEM像を示す図面代用写真である。
図9(a)に示すように、量子ドットの粒径が不均一なものの方が、均一なものよりも高い発光強度が得られている。以上のことから、図8および図9(a)に示すように、量子ドットの粒径が不均一なものの方が高い発光強度が得られる。
なお、基板(図示せず)にSi基板を用いてこのSi基板上に、マトリクス層14をSiO2で構成し、量子ドット16をSiで構成した波長変換素子10を形成することを例にして、波長変換素子10の形成方法を説明する。
次に、マトリクス層14となるSiO2膜、量子ドット16となるSi膜を交互に、設計値で5nm、5nm、5nm、3nm、5nm、5nm、5nm、3nmと、61層形成する。その後、常時、窒素ガスを流量1sccmでフローした雰囲気にて、1000℃の温度で2時間加熱処理をすることにより、結晶化を行う。これにより、SiO2からなるマトリクス層14中にSiからなる量子ドット16が形成された波長変換膜12が61層積層されてなる波長変換素子10が形成される。
この場合、マトリクス層14となるSiO2膜の成膜条件は、例えば、ターゲットにSiO2を用い、投入電力が100W、成膜圧力が0.3Paであり、ガス流量はArガスについては15sccm、02ガスについては1sccmである。
また、量子ドット16となるSi膜の成膜条件は、例えば、ターゲットにSiを用い、投入電力が50W、成膜圧力が0.3Paであり、ガス流量はArガスについては15sccm、02ガスについては0.35sccmである。
なお、SiO2膜、およびSi膜の成膜において、いずれも到達真空度は3×10−4Pa以下であり、基板温度は室温である。
また、量子ドット16のバンドギャップを適宜変えることにより、例えば、3.5eV(波長350nm)とすることにより、1.75eVのエネルギーの光(波長800nm)に波長変換することができ、紫外線防止膜としても利用可能である。
図10は、本発明の実施形態の波長変換素子を有する光電変換装置を示す模式的断面図である。
図10に示す光電変換装置30は、基板32の表面32aに光電変換素子40が設けられている。光電変換素子40は、基板32側から電極層42とP型半導体層(光電変換層)44とN型半導体層46と透明電極層48とが積層されてなるものである。
このP型半導体層44は、例えば、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンにより構成される。
この場合、波長変換素子10は、P型半導体層44を構成するSiのバンドギャップ1.2eVの2倍以上のエネルギーの波長域に対して、その半分のSiのバンドギャップに相当する1.2eVのエネルギーの光(波長533nm)に波長変換する波長変換機能を有し、更には波長変換素子10の実効屈折率がSiの屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率にされている。
これにより、反射光が少なくなり、更には光電変換に寄与しない特定の波長領域の光を波長変換し、光電変換に利用可能な波長の光量が多くなるため、光電変換素子40の変換効率を改善し、光電変換装置30全体の発電効率を改善することができる。
また、波長変換素子10を設ける場合、光電変換素子40の表面40aに単に配置すればよく、エッチング等が不要である。このため、光電変換装置にエッチング等によるダメージを与えることもない。これにより、製造不良の発生を抑制することができる。
12 波長変換膜
14 マトリクス層
16 量子ドット
30 太陽電池
32 基板
40 太陽電池素子
42 電極層
44 P型半導体層(光電変換層)
46 N型半導体層
48 透明電極層
Claims (9)
- バンドギャップが3eV以上の硬化樹脂材または無機材からなるマトリクス層と、前記マトリクス層内に設けられ、吸収した光の特定の波長領域に対して前記吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物からなり、かつ粒経が3nm〜20nmである粒子とを備える波長変換層を有し、
前記波長変換層は、複数積層され、前記吸収した光の特定の波長領域に対して前記吸収した光よりも前記低いエネルギーの光に波長変換するものであり、
前記粒子は、隣り合う粒子との間隔が前記粒子の粒径以下に配置され、積層方向の前記各マトリクス層の前記粒子について、前記積層方向において隣接する粒子との間隔が前記粒子の粒径以下に配置されており、さらに前記複数の前記各波長変換層は、それぞれ屈折率が異なり、前記光の入射側の前記波長変換層の方が前記入射側の反対側にある前記波長変換層よりも屈折率が小さく、前記特定の波長領域以外の他の波長領域の光の反射を防止することを特徴とする波長変換素子。 - 前記波長変換層では、前記粒子は前記各マトリクス層に1列設けられている請求項1に記載の波長変換素子。
- 前記粒子は、隣り合う粒子との間隔が10nm以下であり、前記粒子は、粒径のバラツキσdが、1<σd<10nmであり、前記粒子の粒径は前記バラツキの範囲で異なる請求項1または2に記載の波長変換素子。
- 前記粒子は、Si、Ge、SiGe混晶、InNまたはInGaN混晶で構成される請求項1〜3のいずれか1項に記載の波長変換素子。
- 前記無機材は、SiOx(0<x<2)、SiNx(0<x<3/4)またはInGaN混晶である請求項1〜4のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の波長変換素子が、光電変換層の入射光側に配置されており、
前記波長変換素子は、前記光電変換層のバンドギャップの2倍以上のエネルギーの特定の波長領域に対して前記光電変換層のバンドギャップのエネルギーの光に波長変換するとともに、前記特定の波長領域以外の他の波長領域の光の反射を防止することを特徴とする光電変換装置。 - 前記波長変換素子は、実効屈折率が、前記光電変換層の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率である請求項6に記載の光電変換装置。
- 前記波長変換素子は、波長533nmにおける実効屈折率nが、1.7<n<3.0である請求項7に記載の光電変換装置。
- 前記波長変換素子のマトリクス層内に設けられる粒子は、バンドギャップが前記光電変換層のバンドギャップより大きい請求項6〜8のいずれか1項に記載の光電変換装置。
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