JP5818029B2 - 太陽電池セル - Google Patents

太陽電池セル Download PDF

Info

Publication number
JP5818029B2
JP5818029B2 JP2012558017A JP2012558017A JP5818029B2 JP 5818029 B2 JP5818029 B2 JP 5818029B2 JP 2012558017 A JP2012558017 A JP 2012558017A JP 2012558017 A JP2012558017 A JP 2012558017A JP 5818029 B2 JP5818029 B2 JP 5818029B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
direction change
region
light absorption
change layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2012558017A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2012111768A1 (ja
Inventor
幾夫 末宗
幾夫 末宗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hokkaido University NUC
Original Assignee
Hokkaido University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hokkaido University NUC filed Critical Hokkaido University NUC
Priority to JP2012558017A priority Critical patent/JP5818029B2/ja
Publication of JPWO2012111768A1 publication Critical patent/JPWO2012111768A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5818029B2 publication Critical patent/JP5818029B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02167—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H01L31/02168—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells the coatings being antireflective or having enhancing optical properties for the solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/056—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means the light-reflecting means being of the back surface reflector [BSR] type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

本発明は、太陽電池セルに関する。
太陽電池は、エネルギー消費量とＣＯ２排出量とを削減する切り札として期待されている。薄膜シリコン太陽電池は、現在主流である結晶シリコン太陽電池に比べて１／１００程度の原料により製造することができる。薄膜シリコン太陽電池を構成する薄膜シリコン層は、結晶シリコンよりも低い温度で形成できるので、太陽電池の製造に必要なエネルギー量を低減できる。薄膜シリコン太陽電池の光吸収効率は、６〜１０％程度である。
太陽電池セルの光吸収効率を高める方法の一つに、バンドギャップの異なる光吸収部を複数積層させる方法がある。このような方法により構成された構造を有する太陽電池セルを、タンデム型構造の太陽電池セルと呼ぶ（非特許文献１〜３）。図２９は、従来のタンデム型構造の太陽電池の構成を説明するための斜視図である。図２９に示されるように、タンデム型構造の太陽電池セル１００は、入射光Ｌが入射されるガラス板１１１と、透明導電層１１２と、光吸収部１１３と、電極１１４とが積層された構成を有する。光吸収部１１３は、アモルファスシリコンからなるトップセル層１１３ａと微結晶シリコンからなるボトムセル層１１３ｂとを含んでいる。トップセル層１１３ａとボトムセル層１１３ｂとは、吸収する光の波長帯域が異なっている。トップセル層１１３ａは、短波長帯域（例えば５００ｎｍ帯）の光を吸収し、３００ｎｍ程度の厚さを有している。ボトムセル層１１３ｂは、長波長帯域（例えば８００ｎｍ帯）の光を吸収し、２０００ｎｍ程度の厚さを有している。
また、近年、グレーティングカプラが広く利用されている。グレーティングカプラは、光導波路を光部材に光学的に結合させるために用いられる。グレーティングカプラは、光導波路の表面に形成されたグレーティングを有する。グレーティングカプラは、光導波路内の光を光導波路外へ出射させ、或いは光導波路外の光を光導波路内に入射させる。グレーティングカプラは、光部材と光導波路との光結合に使用される（特許文献１〜３）。
上記光導波路は、一般に屈折率の異なる誘電体からなる。この光導波路は、導波モード及び漏れモードを有することが知られている。導波モードは、光導波路に沿って進むモードである。漏れモードは、光導波路の外部に光が漏れ出すモードである。グレーティングカプラは、グレーティングによって、導波モードと漏れモードとを結合させることにより、導波モードを漏れモードへ変換して光導波路内の光を光導波路外へ出射する。また、グレーティングカプラは、漏れモードを導波モードへ変換して光導波路外から入射される光を光導波路に沿って進む光に変換する。このように導波モード及び漏れモード間において、光の進む状態を変換する機能はモード変換機能と呼ばれる。
モード変換機能を有する構造を太陽電池セルに適用して、太陽電池セルの光吸収効率を増大させる方法が検討されている。例えば、非特許文献６には、ＳｉＯ２の表面に形成したシリコン層を光導波路とし、シリコン層の表面に金属微粒子を周期的に配列させて、グレーティングカプラと同様の動作をさせる構造が記載されている。この構造を有する太陽電池セルのシミュレーション及び実験結果には、光吸収効率の増大を示すピークがスペクトルに現れている。通常の光導波路において入射光のモードが導波モードへ変換される場合には、入射光の導波モードとグレーティング周期とが位相整合条件を満たす必要があるために、このピークがスペクトルに現れる。入射光の導波モードの位相が、グレーティング周期の位相と揃ったとき、位相条件が満たされている。
特許文献４及び５には、位相整合条件の具体例が記載されている。導波モードでは、波数及び周波数が特定の関係を有する。一般に、この特定の関係は、分散関係と呼ばれる。この分散関係において互いに異なる複数の導波モードが存在する光導波路は、多モード導波路と呼ばれる。導波モード毎にこの位相整合条件が異なるので、スペクトルにおいて、光吸収効率の増大を示す複数の光吸収のピークが観測される。
また、回折格子を太陽電池セルに適用して、太陽電池セルの光吸収効率を増大させる方法が検討されている。非特許文献７，８に記載された太陽電池セルは、位相回折格子（Phase Grating）を光吸収部の上に設置している。入射光は、進行方向を変化させるために複数の回折光に変換される。半導体と空気との界面における全反射によって光吸収部における回折光の光路長が長くなるため、光吸収効率が向上する。
特開平６−３４７６６６号公報 特開平１０−２３９７１７号公報 特開平１１−２８１８３３号公報 特開平７−１６９０８８号公報 特開２００９−２８８７１８号公報
M.Hishida etal.,Abstract of PVSEC-19,Jeju,Korea,2009 pp.122. 寺川朗 プラズマＣＶＤ法による薄膜シリコン太陽電池の工業化に向けて J.Plasma Fusion Res. Vol. 86, No.1,2010,pp.17-20. 外山利彦 プラズマＣＶＤによる高速製膜技術を用いた微結晶Ｓｉ太陽電池の高効率化 J.Plasma Fusion Res. Vol.86,No.1,2010,pp21-27. 産総研ホームページ, [平成２３年２月１２日検索], インターネット, ＜http://unit.aist.Ｇo.jp/rcpv/ci/about_pv/types/TF-Si.html＞ ウィキペディア, [平成２３年２月１２日検索], インターネット, ＜http://ja.wikipedia.orＧ/wiki/太陽電池＞ S.H.Lim, et.al.,Journal of Applied Physics 105, 073101(2009) K. R. Catchpole,Journal of Applied Physics 102, 013102 (2007) D. Madzharov,et.al., Optics Express 19, A95 (2011) X. Jing et. al.,Applied Optics 50, C11 (2011)
太陽電池に使われている媒質、例えば半導体では、一般にエネルギーギャップに対応する波長帯域より長波長側では光吸収効率が低くなる。本来、エネルギーギャップ以下では光吸収は発生しないが、アモルファスシリコンや微結晶シリコンのように結晶の周期性を乱すことによってエネルギーギャップ以下でも光吸収が発生するように工夫されている。
光を吸収する媒質の光吸収係数をαｃｍ−１とすると、所定の長さＬを有する光吸収部において光が吸収される割合は１−ｅｘｐ（−αＬ）である。例えば、微結晶シリコンの光吸収係数αは、波長８００ｎｍにおいてα~１００００ｃｍ−１程度である。これから、厚さが１０００ｎｍの微結晶シリコンからなる光吸収部では６３％の光が吸収される。また、厚さが２０００ｎｍの微結晶シリコンからなる光吸収部では８６％の光が吸収される。
従来の高効率タンデム構造型の薄膜シリコン太陽電池は、最大厚さ３００ｎｍ程度のアモルファスシリコン層からなるトップセル層と、２０００ｎｍ程度の微結晶シリコン層からなるボトムセル層とを備えている。トップセル層が吸収する光の波長域は、通常５００ｎｍを中心とする短波長域である。ボトムセル層が吸収する光の波長域は、通常８００ｎｍを中心とする長波長域である。光を充分に吸収させるためには光吸収部の厚さを厚くする必要がある。８００ｎｍより長波長側では光吸収係数は小さくなるので、２０００ｎｍの厚さを有する光吸収部であっても光を吸収する割合は低下する。従って、光吸収部の厚さが薄い場合には光吸収効率を高めることができなかった。
薄膜太陽電池セルの製造に必要な原料の量は、現在主流である結晶シリコン太陽電池の製造に必要な原料の量の約１／１００である。また、低温プロセスによってデバイス製造時のエネルギー消費を低減できることから、低コスト化が期待されている（非特許文献４，５）。しかし、微結晶シリコンからなる２０００ｎｍの厚さを有する光吸収部は、デバイス製造に長い時間が必要であるので、スループットが低下し、製造コストが上昇する。スループットとは、単位時間あたりの製造能力を示す。そこで、微結晶シリコン層を高速に成膜する技術の開発が行われている。微結晶シリコン層は、タンデム構造型の太陽電池セルに用いられる。しかし、成膜速度を上げると膜の品質が低下し、光から電気への変換効率が低下する（非特許文献２，３）。
太陽電池セルの光吸収効率を増大させる方法には、最適設計されたグレーティングカプラによるモード変換を用いる方法がある。この方法では、グレーティングが導波モードに与える影響を小さくすることにより、導波モードの状態がグレーティングの存在しない状態からほとんど変化しない場合を扱う。グレーティングカプラを用いた方法は、１周期のグレーティングだけではモード変換の効率を増大させる効果が小さい。従って、一般的には、数十を超える周期数を有するグレーティングを形成して、特定の光波長帯域におけるモード変換の効率を増大させる。グレーティングカプラを備える太陽電池セルでは、光吸収効率を増大させる効果が特定波長のピークとして観測される。従って、グレーティングカプラを用いる手段では、広い波長帯域において光吸収効率を増大させることが困難である。
そこで、本発明では、光吸収部の厚さが薄い場合でも光吸収効率を高めることが可能であり、量産性の高い太陽電池セルを提供する。
本発明の一側面に係る太陽電池セルは、光を吸収して光生成キャリアを発生する少なくとも一つの光吸収部と、光吸収部の表面に沿った方向に光の進行方向を転換する少なくとも一つの方向転換層と、を備え、方向転換層は、方向転換層に対して入射された光を、光吸収部の表面に沿った方向に波面の位相変化を有する光に変換することにより、光の進行方向を転換する。
光吸収部において光を好適に吸収するためには所定の光路長を確保する必要がある。この太陽電池セルは、方向転換層を備えている。方向転換層に入射された光は、光吸収部の表面に沿った方向に波面の位相変化を有する光に変換される。光吸収部では、光吸収部の表面に沿った方向に光を吸収するために必要な光路長が確保されている。即ち、光路長を確保するために、光吸収部の厚さを増加させる必要がない。従って、太陽電池セルは、光を吸収するために必要な光路長が確保されるため、光吸収効率を高めることができる。また、太陽電池セルは光吸収部の厚さを薄くすることができる。そして、太陽電池セルは、光吸収部の厚さを薄くすることができるので、光吸収部を形成する時間を短縮することが可能となる。従って、太陽電池セルの量産性を高めることができる。
上記太陽電池セルでは、方向転換層は、第１の領域及び第２の領域を含み、第１の領域及び第２の領域は、方向転換層に対して光が入射される側の面である入射面に沿って並設され、第１の領域及び第２の領域は、互いに屈折率が異なっていてもよい。方向転換層の入射面から方向転換層の内部に光が進行すると、第１の領域を透過した光と、第２の領域を透過した光とでは、光波の波面の位相が互いに相違する。それ故に、方向転換層に入射された光が、光吸収部の表面に沿った方向に波面の位相変化を有する光に変換される。従って、入射された光の進行方向が、光吸収部の表面に沿った方向に転換される。
上記太陽電池セルでは、方向転換層は、入射面に直交する方向の厚さが、第１の領域における屈折率、第２の領域における屈折率、及び光の波長に基づいて設定されていてもよい。方向転換層の厚さを好適に設定することができる。
上記太陽電池セルでは、第１の領域及び第２の領域は、所定の周期に基づいて入射面に沿って配置されており、所定の周期は、光吸収部における導波モードと方向転換層に対して入射された光との位相整合条件に基づいて設定されていてもよい。位相整合条件を満足するように位相変化の周期が設定される。それ故に、太陽電池セルに入射された光の位相と、方向転換層により進行方向が転換された光吸収部を伝搬する光の位相とが整合される。それ故に、光吸収部の表面に沿った方向に発生する定在波を効果的に生じる。従って、薄い光吸収部を備える太陽電池セルであっても、光吸収効率をさらに高めることができる。
上記太陽電池セルでは、所定の周期は、光吸収部の実効屈折率及び方向転換層に対して入射された光の波長に基づいて設定されてもよい。第１の領域が配置される周期を好適に設定することができる。
上記太陽電池セルでは、第１の領域は、導電性を有する電極であってもよい。電極層を追加して設ける必要がないので、太陽電池セル全体の厚さを薄くすることができる。
上記太陽電池セルでは、光吸収部を複数備え、複数の光吸収部のそれぞれは光吸収が行われる光の波長帯域が互いに異なり、複数の光吸収部は方向転換層の入射面と反対側の面に接して形成されていてもよい。このタンデム型構造の太陽電池セルは、単一の波長帯域に対応する光吸収部を備える太陽電池セルよりも、さらに光吸収効率を高めることができる。
上記太陽電池セルでは、光吸収部を複数備え、複数の光吸収部のそれぞれは光吸収が行われる光の波長帯域が互いに異なり、複数の光吸収部は前方向転換層の入射面に接して形成されていてもよい。この太陽電池セルは、光吸収効率を好適に高めることができる。
上記太陽電池セルでは、方向転換層を複数備え、方向転換層のそれぞれは進行方向の転換が行われる光の波長帯域が互いに異なっていてもよい。この太陽電池セルでは、単一の波長に対応する方向転換層を備える太陽電池セルよりも、広い波長帯域において光の進行方向が転換される。すなわち、この太陽電池セルでは、光吸収部において吸収される光の波長帯域が拡大される。従って、この太陽電池セルは、光吸収効率をさらに高めることができる。
上記太陽電池セルでは、第１の領域は、入射面に沿った配列周期を変化させて配置されていてもよい。この太陽電池セルでは、それぞれの配列周期に対応する波長を有する光の進行方向が転換される。すなわち、方向転換層により進行方向が転換される光の波長帯域が拡大される。従って、光吸収効率をさらに高めることができる。
本発明の太陽電池セルによれば、光の進行方向を転換することにより従来より薄い光吸収部でも光吸収効率を高め、量産性を高めることができる。
第１実施形態に係る太陽電池セルの構成を説明するための断面図である。 第１実施形態に係る太陽電池セルにおける方向転換層の構成を説明するための断面図である。 （ａ）部および（ｂ）部は第１実施形態に係る太陽電池セルの効果を説明するための図である。 第２実施形態に係る太陽電池セルの構成を説明するための断面図である。 第２実施形態に係る太陽電池セルの効果を説明するための図である。 第３実施形態に係る太陽電池セルの構成を説明するための断面図である。 （ａ）部および（ｂ）部は第３実施形態に係る太陽電池セルの効果を説明するための図である。 （ａ）部および（ｂ）部は第３実施形態に係る太陽電池セルの効果を説明するための図である。 第３実施形態に係る太陽電池セルの効果を説明するための図である。 第４実施形態に係る太陽電池セルの方向転換層の構成を説明するための断面図である。 第５実施形態に係る太陽電池セルの構成を説明するための断面図である。 第５実施形態に係る太陽電池セルの効果を説明するための図である。 第５実施形態に係る太陽電池セルの効果を説明するための図である。 第６実施形態に係る太陽電池セルの構成を説明するための断面図である。 第６実施形態に係る太陽電池セルの効果を説明するための図である。 第７実施形態に係る太陽電池セルの構成を説明するための図である。 第７実施形態に係る太陽電池セルの解析結果を説明するための図である。 第７実施形態に係る太陽電池セルの他の解析結果を説明するための図である。 第７実施形態に係る太陽電池セルの他の解析結果を説明するための図である。 第７実施形態に係る太陽電池セルの他の解析結果を説明するための図である。 第７実施形態に係る太陽電池セルの他の解析結果を説明するための図である。 比較例に係る構造体の光学特性を説明するための図である。 第８実施形態に係る太陽電池セルの特性の解析結果を説明するための図である。 第８実施形態に係る太陽電池セルを説明するための図である。 第８実施形態に係る太陽電池セルの特性を説明するための図である。 第８実施形態に係る別の太陽電池セルを説明するための図である。 第８実施形態に係る別の太陽電池セルの特性を説明するための図である。 第１実施形態に係る太陽電池セルの変形例を説明するための断面図である。 従来のタンデム型構造の太陽電池の構成を説明するための斜視図である。 （ａ）部は比較例である太陽電池セルの構成を説明するための断面図であり、（ｂ）部は従来の太陽電池セルの特性を説明するための図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明による太陽電池セルの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る太陽電池セルの構成を説明するための断面図である。図１に示されるように、太陽電池セル１Ａは電極１４を備えている。電極１４の主面１４ｐの上には、光吸収部１３、方向転換層１２、及びガラス板１１がこの順に配置されている。太陽電池セル１Ａには、ガラス板１１側から入射光Ｌが入射される。太陽電池セル１Ａは、ガラス板１１を成長基板として、ガラス板１１の上に方向転換層１２、光吸収部１３及び電極１４をこの順に形成されている。
電極１４は、金属電極であり例えば銀（Ａｇ）からなる。光吸収部１３は、光吸収部であるトップセル層１３ａと光吸収部であるボトムセル層１３ｂとを備えている。トップセル層１３ａが吸収する光の波長帯域は、ボトムセル層１３ｂが吸収する光の波長帯域と異なっている。光吸収部１３では、光が吸収されて、光生成キャリアである電子と正孔とが発生される。ボトムセル層１３ｂは、電極１４と接するように形成されている。ボトムセル層１３ｂは、光を吸収して電子と正孔とを生成して外部に電流を取り出すために、ｐ型半導体及びｎ型半導体からなるｐｎ接合を有している。ボトムセル層１３ｂは、例えば微結晶シリコンからなる。またボトムセル層１３ｂの厚さは、例えば２００〜２０００ｎｍである。トップセル層１３ａは、方向転換層１２と接するように形成されている。トップセル層１３ａは、光を吸収して電子と正孔とを生成して外部に電流を取り出すために、ｐ型半導体及びｎ型半導体からなるｐｎ接合を有している。トップセル層１３ａは、例えばアモルファスシリコンからなる。またトップセル層１３ａの厚さは、例えば１００〜３００ｎｍである。ガラス板１１は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。
次に、方向転換層１２について詳細に説明する。図２は、第１実施形態に係る太陽電池セル１Ａにおける方向転換層１２の構成を説明するための断面図である。図２に示されるように、方向転換層１２は、有限の周期構造を含んでいる。周期構造は、透明導電領域１２ａ（第１の領域）と半導体領域１２ｂ（第２の領域）とにより構成される。透光性の表面電極である透明導電領域１２ａは、例えば導電性を備える酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、より一般的呼称としてＴＣＯ：Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ）からなる。透明導電領域１２ａは、例えば導電性を備えない酸化シリコン（ＳｉＯ２）であってもよい。半導体領域１２ｂは、例えばアモルファスシリコンからなる。半導体領域１２ｂは、トップセル層１３ａと一体的に形成されていてもよいし、トップセル層１３ａと別材料であってもよい。透明導電領域１２ａは、方向転換層１２の入射面１２ｐに沿って周期的に配置されている。透明導電領域１２ａは配列周期Ｄに従って周期的に配置される。
方向転換層１２における透明導電領域１２ａの周期的な配置は、一軸方向だけでなく、方向転換層１２の入射面１２ｐに沿った二次元方向に配置してもよい。入射面１２ｐ内において周期的な配置の基準となる座標軸は、任意の方向に設定してもよい。
複数の周期構造を備える方向転換層１２は、入射光Ｌの入射方向に沿って重ね合わせて配置してもよい。これにより、入射光Ｌが任意の方向から入射する場合であっても、光吸収効率を高めることができる。例えば、入射角が１７°から３５°の光が太陽電池セル１Ａに入射されたときの実験により確認された光吸収効率等の波長依存性と、入射角が０°の光が太陽電池セル１Ａに入射されたときのシミュレーションにより確認された波長依存性とは、同等の傾向を示すことが確認されている。
方向転換層１２の厚さｈについて説明する。方向転換層１２において進行方向が転換される光の波長がλであるとき、方向転換層１２の厚さｈは、式（２）によって計算される値に近づくように設定される。式（１）において透明導電領域１２ａの屈折率はｎ１２ａであり、半導体領域１２ｂの屈折率はｎ１２ｂである。
２π｜ｎ１２ｂ−ｎ１２ａ｜ｈ／λ＝π（ないしはπの奇数倍）…（１）
すなわち、
ｈ＝λ／（２｜ｎ１２ｂ−ｎ１２ａ｜）（ないしはその奇数倍）…（２）
である。例えば、光の波長λが８００ｎｍであり、半導体領域１２ｂの屈折率ｎ１２ｂが４．２３（実部のみで近似）であり、透明導電領域１２ａの屈折率ｎ１２ａが１．８５（実部のみで近似）であるとすると、方向転換層１２の厚さはｈ＝１６８ｎｍ程度である。方向転換層１２の厚さｈは、式（２）によって計算された値を中心値として、±２０％程度の寸法公差が許容される。例えば、方向転換層１２が１６８ｎｍ程度の厚さｈを有すると仮定したとき、方向転換層１２の厚さｈの許容範囲は１３４ｎｍ〜２０２ｎｍである。
一方、方向転換層１２の厚さｈが、式（２）を満足する場合であっても、厚さｈの値が大きくなるに従って、方向転換層１２を透過した後の光の位相変化が不鮮明になることがある。この現象は、透明導電領域１２ａ及び半導体領域１２ｂを透過するときに生じる光の回折現象に起因する。シミュレーション結果によれば、厚さｈは式（３）、（４）によって計算される範囲にあることが好ましい。
４π＞２π／λ×ｎ１２ｂ×ｈ＞２π／λ×ｎ１２ａ×ｈ…（３）
すなわち、
ｈ＜２λ／ｎ１２ｂ…（４）
式（３）、（４）により示した条件は、周期数が少ない場合に留意すべき点である。従って、方向転換層１２に設けられた周期数が多い場合には、厚さｈの値に特に制限はない。周期数とは、１つの透明導電領域１２ａ及び１つの半導体領域１２ｂからなる要素を一つの単位とする構造の数である。
方向転換層１２の周期構造について説明する。周期構造における配列周期Ｄについて述べる。配列周期Ｄは、透明導電領域１２ａの入射面１２ｐに沿った長さＥに、半導体領域１２ｂの入射面１２ｐに沿った長さＦを加えた長さである。太陽電池セル１Ａのトップセル層１３ａとボトムセル層１３ｂとは、光吸収部１３を構成する。そのため、方向転換層１２において進行方向が光吸収部１３に平行な方向に転換された入射光Ｌに対しては、損失の大きい光導波路として機能する。光の波長がλであるとき、導波モードの伝搬係数βを波数（２π/λ）により除した値は、実効屈折率Ｎｅｆｆである。入射光Ｌが方向転換層１２に垂直に入射したときの配列周期Ｄの最適値は、入射光Ｌの波長λと実効屈折率Ｎｅｆｆとに基づいて算出される。より詳細には、配列周期Ｄの最適値は、導波モードとの位相整合条件を示す式（５）によって計算される値に近づくように設定される。すなわち、方向転換層１２に入射された入射光Ｌと、光吸収部１３を伝搬する光との位相整合条件に基づいて設定される。位相整合条件に基づいて設定された配列周期Ｄにより、方向転換層１２を透過した入射光Ｌに光吸収部１３に沿ったπ位相シフトが発生するため、定在波が有効に形成される。
Ｄ＝λ／Ｎｅｆｆの整数倍・・・（５）
例えば、光の波長λが８００ｎｍであると仮定する。トップセル層１３ａの屈折率ｎ１３ａが４．２３（実部のみで近似）であり、トップセル層１３ａの厚さが２００ｎｍであると仮定する。ボトムセル層１３ｂの屈折率ｎ１３ｂが３．７１（実部のみで近似）であり、ボトムセル層１３ｂの厚さが２００ｎｍであると仮定する。電極１４が完全導体と近似できると仮定する。これらの条件によれば、配列周期Ｄは２２０ｎｍ〜２６０ｎｍ又は４００ｎｍ〜４５０ｎｍの整数倍の長さ程度である。配列周期Ｄの上述した数値範囲は、導波モードの実効屈折率の計算において、導波路幅の見積もりに方向転換層１２を加えた場合と加えない場合との両方を含んでいることに起因している。さらに、配列周期Ｄの上述した数値範囲は、位相整合させる導波モードによって配列周期Ｄが変化することに起因している。最適な配列周期Ｄは、光吸収効率が最大になるように決定される。方向転換層１２の配列周期Ｄは、式（５）によって計算された値を中心値として、±２０％程度の寸法公差が許容される。例えば、方向転換層１２が４５０ｎｍ程度の配列周期Ｄを有すると仮定したとき、方向転換層１２の配列周期Ｄの許容範囲は３６０ｎｍ〜５４０ｎｍである。
方向転換層１２の周期構造における周期数について説明する。周期数とは、１つの透明導電領域１２ａ及び１つの半導体領域１２ｂからなる要素を一つの単位とする構造の数である。方向転換層１２では、透明導電領域１２ａ及び半導体領域１２ｂを透過するときに波面の速度差が生じる。従って、透明導電領域１２ａを透過した光と、半導体領域１２ｂを透過した光とでは、位相差が生じる。すなわち、１つの透明導電領域１２ａと１つの半導体領域１２ｂとを方向転換層１２が備えていれば、原理的には光の進行方向が転換され得る。シミュレーションによると、例えば周期数が５である方向転換層１２の領域に光が入射された場合、入射された光の約６６％が光吸収部１３により吸収される。光吸収部１３の光吸収効率に方向転換層１２の光吸収効率を加えると、方向転換層１２及び光吸収部１３を合わせた領域で９５％の入射光が吸収されることがわかった。光吸収効率の目標値が９５％よりも低い場合は、周期数が５以下であってもよい。このように、少ない周期数において高い光吸収効率を実現することは、グレーティングカプラを用いた構成では困難である。方向転換層１２の周期数は５以上でもよく、好ましい上限値は特にない。
方向転換層１２が有する入射光の波長帯域について説明する。方向転換層１２では、１つの透明導電領域１２ａと、１つの半導体領域１２ｂを備えていれば、原理的には光の進行方向が転換される。シミュレーションによれば、５〜６程度の周期数があれば入射光Ｌの進行方向を転換して、光吸収効率を向上させる効果を得ることができる。この効果より、光吸収効率を向上させることが可能な入射光Ｌの波長帯域を拡大することができる。例えば、方向転換層１２が有する周期数が８００ｎｍの波長を有する入射光Ｌに対して最適化されていると仮定する。この方向転換層１２を備える太陽電池セル１Ａでは、入射光Ｌの波長λが６００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲において光吸収効率が向上する。
本実施形態に係る太陽電池セル１Ａの効果について説明する。光吸収部１３において光を好適に吸収するためには所定の光路長を確保する必要がある。太陽電池セル１Ａは、方向転換層１２を備えている。方向転換層１２に入射された光は、光吸収部１３の主面１３ｐに沿った方向に波面の位相変化を有する光に変換される。光吸収部１３において、主面１３ｐに沿った方向には、光を吸収するために必要な光路長が確保されている。すなわち、光路長を確保するために、光吸収部１３の厚さを増加させる必要がない。従って、太陽電池セル１Ａは、入射光Ｌを吸収するために必要な光路長が確保されるため、光吸収効率を高めることができる。また、太陽電池セル１Ａは光吸収部１３の厚さｈを薄くすることができる。そして、太陽電池セル１Ａは、光吸収部１３の厚さｈを薄くすることができるので、光吸収部１３を形成する時間を短縮することが可能となる。従って、太陽電池セル１Ａの量産性を高めることができる。
本実施形態に係る太陽電池セル１Ａは、光吸収部１３の主面１３ｐに沿った方向に光の進行方向を転換する方向転換層１２を備えている。方向転換層１２は、透明導電領域１２ａである第１の領域と、半導体領域１２ｂである第２の領域とを含んでいる。透明導電領域１２ａと半導体領域１２ｂとは、方向転換層１２に対して光が入射される側の面である入射面１２ｐに沿った方向に並設されている。透明導電領域１２ａは半導体領域１２ｂとは異なる屈折率を有している。
太陽電池セル１Ａに対して、入射光Ｌが入射される。入射光Ｌは、光吸収部１３の主面１３ｐに対する入射角がゼロであってもよいし、所定の入射角を有していてもよい。第１の領域と第２の領域とにより屈折率が変調された方向転換層１２を光が通過すると、第１の領域と第２の領域とを透過する光の速度の違いにより波面の位相差が生じる。方向転換層１２を透過した後の位相差がπ、すなわち式（２）を満たすように方向転換層１２の厚さｈを設定すると、方向転換層１２を透過した光は、光吸収部１３に平行な方向に配列周期Ｄで位相がπ変調される。それ故、光吸収部１３の主面１３ｐの方向に沿って光の位相が周期的に変化した定在波が光吸収部１３内に発生し、光の進行方向は光吸収部１３の主面１３ｐに沿った方向に転換される。光吸収部１３は、主面１３ｐに沿った方向に方向が転換された光を吸収するための十分な長さ、例えば２０００ｎｍ以上の長さを有している。従って、従来の太陽電池セル１００が備える光吸収部１１３（図２９参照）よりも薄い光吸収部１３を備える太陽電池セル１Ａであっても、１０％以上の高い光吸収効率を得ることができる。
従来の太陽電池セルでは、光吸収部に対して垂直に外部から光が入射される。一方、太陽電池セル１Ａは、ほぼ垂直に入射する光を光吸収部１３に沿って平行に進む光に変換する方向転換層１２を提供する。従って、薄い光吸収部１３であっても光の進む光路長を実効的に長く確保し、光吸収効率を高めることができる。
具体的には、入射した光の波面に沿って屈折率が変化する有限の周期構造を有する方向転換層１２を形成し，光が方向転換層１２を透過する際に，屈折率の大・小に応じて光速度に変調を与える。方向転換層１２を透過した光の波面には、方向転換層１２の屈折率の変調に対応する位相変調が与えられる。それ故、位相変調がπになるように方向転換層１２の厚さｈを調整することにより，光は光吸収部１３に沿った定在波を形成する。従って、入射光Ｌの進行方向が、光吸収部１３の表面に沿った方向に転換される。
従来の太陽電池セルでは、光を吸収して生成された電子を正電圧を印加した側の電極に導くと共に、正孔を負電圧を印加した側の電極に導くことにより電流として外部に取り出す。光吸収部の厚さが厚い場合には、電子と正孔とが外部に取り出す前に再結合する確率が増加するので、実効的な光吸収効率が低下する。太陽電池セル１Ａは、方向転換層１２を備えることにより光吸収部１３の厚さを薄くできるので、再結合する確率が低減する。従って、実効的な光吸収効率をさらに高めることができる。
光吸収部１３を構成するボトムセル層１３ｂの厚さを、従来のタンデム型構造の太陽電池セル１００（図２９参照）が備えるボトムセル層１１３ｂと比較して１／１０程度に薄くすることができる。それ故、ボトムセル層１３ｂを形成する成膜時間を短縮することが可能となる。従って、太陽電池セル１Ａの量産性を高めることができる。さらに、太陽電池セル１Ａの製造に必要なエネルギー量及び製造コストを低減させることができる。
太陽電池セル１Ａの透明導電領域１２ａ及び半導体領域１２ｂは、所定の周期Ｄに基づいて配置されている。所定の周期Ｄは、導波モードと、方向転換層１２に対して入射された入射光との位相整合条件に基づいて設定されている。このように構成することにより、光吸収部１３の主面１３ｐに沿った方向に発生する定在波を効果的に生じさせることができる。従って、薄い光吸収部１３を備える太陽電池セル１Ａであっても光吸収効率をさらに高めることができる。
所定の周期Ｄは、光吸収部１３の実効屈折率と、方向転換層１２に対して入射された光Ｌの波長λとに基づいて設定される。このように構成することにより、透明導電領域１２ａが配置される周期Ｄを好適に設定することができる。
太陽電池セル１Ａの透明導電領域１２ａは、導電性を有する電極である。このように構成することにより、電極層を追加して設ける必要がないので、太陽電池セル１Ａの全体の厚さを薄くすることができる。
太陽電池セル１Ａの光吸収部１３は複数の光吸収部を備えている。複数の光吸収部であるトップセル層１３ａ及びボトムセル層１３ｂのそれぞれは、吸収する光の波長帯域が互いに異なる。複数の光吸収部からなる光吸収部１３は方向転換層１２の入射面１２ｐと反対側の面に接して形成されている。このように構成されるタンデム型構造の太陽電池セル１Ａは、単一の波長に対応する光吸収部を備える太陽電池セルよりも、さらに光吸収効率を高めることができる。
太陽電池セル１Ａは方向転換層１２とは別の一または複数の方向転換層（不図示）をさらに備えていてもよい。方向転換層１２とは別の方向転換層のそれぞれは、進行方向の転換が行われる光の波長帯域が互いに異なるように形成される。別の方向転換層は、方向転換層１２の入射面１２ｐ側の面に接して形成されていてもよいし、入射面１２ｐの反対側の面に接して形成されていてもよい。トップセル層１３ａとボトムセル層１３ｂとの間に形成されていてもよい。光吸収部１３における主面１３ｐの反対側の面に接して形成されていてもよい。このように構成される太陽電池セルは、単一の波長に対応する方向転換層１２を備える太陽電池セル１Ａよりも、方向が転換される光の波長帯域を拡大することができる。方向が転換された光は、それぞれの波長に応じて複数の光吸収部により吸収される。従って、方向が転換されると共に、光吸収部１３により吸収される光の波長帯域が拡大されるので、光吸収効率をさらに高めることができる。
従来技術として知られている、フォトニック結晶、回折格子、及びグレーティングカプラと、太陽電池セル１Ａとの相違点等について説明する。
太陽電池セル１Ａの方向転換層１２が有する作用は、フォトニック結晶が有する作用と異なる。太陽電池セル１Ａの方向転換層１２が有する作用は、光の波面に沿って周期的な位相差を形成して、光の進行方向を光吸収部１３の主面１３ｐに沿った方向に転換することである。フォトニック結晶が有する作用は、光の反射に起因する共振により定在波を発生させることである。従って、周期構造を配置したフォトニック結晶が有する作用は、周期構造による反射に基づいて発生する共振作用である。それ故、フォトニックバンドギャップが生じる。
これに対して、太陽電池セル１Ａの場合には、周期的な媒質を光が透過する際の位相差だけに基づいて光の進行方向が転換される。従って、光の進行方向を転換するために必要な周期数も少なくて良い。太陽電池セル１Ａにおいて、共振現象は本質的な原理ではないため、フォトニック結晶とは原理が異なる。
太陽電池セル１Ａの方向転換層１２が有する作用は、回折格子が有する作用と異なる。回折格子は、周期構造を透過して回折された光同士の干渉を発生させる。それ故、回折格子の特性は、回折格子（グレーティング）の周期と、入射光の波長とに基づいている。回折格子を備える太陽電池セルでは、通常、入射光を複数の方向に回折させる。そして、光吸収部において光を吸収させるために、光吸収部の内部において入射光を多重反射させる必要がある。それ故、回折格子を備える太陽電池セルは、光吸収部に接する金属等からなる反射部が必要である。一方、太陽電池セル１Ａは、光吸収部１３の内部において入射光Ｌを多重反射させる必要はない。従って、太陽電池セル１Ａは、反射部を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。
回折格子を太陽電池セルへ適用した場合、以下のような課題が指摘されている。回折格子を適用した太陽電池セルへ垂直に光が入射する場合、回折光の進む角度θは式（６）で示される。式（６）において、回折格子の周期はＤＧであり、光の波長はλであり、光吸収部の屈折率はｎＤであり、回折次数はｍである。
θ＝ｓｉｎ−１［ｍλ／（ｎＤＤＧ）］…（６）
上記非特許文献８では、式（６）により、回折格子の周期ＤＧが小さいとき、大きな回折次数ｍへの光の回折が起きなくなり、光吸収効率の低下が起きることが示されている。それ故、回折格子の周期の最適値として６００ｎｍ程度が示されている。非特許文献８に引用された他の報告には、回折格子の周期の最適値として６５０ｎｍ〜８５０ｎｍが示されている。回折格子を適用した太陽電池セルでは、回折格子によって回折した光が、太陽電池セル内で多重反射するように光吸収部に閉じ込める必要がある。それ故、光吸収部の裏面に反射鏡を必要とする。反射鏡により反射された光が表面の同じ回折格子によって再度回折されて、光が外部に出ないようにすることが課題として指摘されている。従って、回折格子を備える太陽電池セルは、光が外部に漏れ出ないようにする反射部を備える必要がある。
これに対して、太陽電池セル１Ａでは反射部を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。
式（６）は、回折格子を透過した光の進行角度を示す一般的な式である。式（６）において、ＤＧを式（５）と同じ形式であるＤＧ＝λ／ｎＤとし、ｍ＝１とすると、θ＝９０°となる。これは、入射した光が回折格子に対して平行に進む光となることを示す。一方、回折格子から基板（光吸収部）へ入射される光パワーは光電界Ｅと磁界Ｈの外積（Ｅ×Ｈ）により与えられる。その全体量は、式（７）に示すように、境界の法線ベクトルｎとの内積を境界面全体について積分することにより得られる。
ここで、Ｓは境界面を表し、積分記号は境界面全体における積分を表す。式（６）においてθ＝９０°であるとは、光電界Ｅと磁界Ｈとの外積（Ｅ×Ｈ）が境界に水平な方向に向くことを意味する。一方、境界の法線ベクトルｎは境界に垂直な方向に向いてるため、両者の内積は零になる。すなわち、θ＝９０°である状態では、基板側に流れ込む光パワーは零になる。そのため、非特許文献７ではｍ＝１の回折光が法線方向から２５．５°の方向へ進む場合を扱っている。
これに対して、太陽電池セル１Ａでは、光吸収部（光導波路）１３の内部において光吸収部１３に沿って進む光に対して、式（２）で与えられる周期的なπ位相シフトを与えると共に、π位相シフトの周期Ｄを式（５）の位相整合条件に合わせる、という点において相違する。
太陽電池セル１Ａにおいて方向転換層１２が有する作用は、グレーティングカプラが有する作用と異なっている。一般に太陽電池セルには垂直に光が入射される。屈折率が周期的に変化するグレーティングカプラでは、導波モードと外部から入射する光とが、光導波路に沿って進むに従ってモード変換によって光結合する。それ故、垂直に光が入射された場合、光導波路に結合することなくそのまま透過する光を効率よく抑制することは困難である。
これに対して、方向転換層１２では、厚さｈを式（２）で与えられる値に設定することにより、透明導電領域（第１の領域）１２ａと半導体領域（第２の領域）１２ｂとを透過する光の波面の位相差をπだけ位相変化させる。このようなπ位相変化により、方向転換層１２に対して垂直に入射した光の透過を零にできる。それ故、方向転換層１２では少ない周期Ｄで、方向転換層１２に対して垂直に入射する光の進行方向を、光吸収部１３に沿って進む方向に効率よく変換できる。π位相変化により、方向転換層１２に対して垂直に入射した光の透過を零にできる点は、非特許文献９に理論的に示されている。
グレーティングカプラの設計では、光導波路の進行方向に沿って、導波モードと入射する光との位相を互いに整合させるように、グレーティングの周期を設定する。位相整合条件を満足させることが、グレーティングカプラの設計における主要な部分である。一方、グレーティングの厚さに対する式（２）のような最適条件は知られていなかった。位相整合条件は、入射光の波長、及び入射光の入射角等により変化する。それ故、グレーティングカプラを効率よく用いるためには、入射光の波長帯域及び入射角が所定の範囲に制限される。グレーティングカプラでは、入射光の偏波の状態により特性が大きく左右される。従って、グレーティングカプラが対応可能な入射光の波長帯域は制限される。グレーティングカプラを適用する光学素子では、入射光がコヒーレントな光であるレーザ光を想定していることが一般的である。一方、太陽電池セルに入射される光は、インコヒーレントである。それ故、グレーティングカプラに多数の周期構造が形成されていても、入射光の位相を導波路を進む光の位相に整合させる作用をもたらす実効的な周期構造の範囲は限定される。
グレーティングカプラを太陽電池セルへ適用した場合、以下のような課題が指摘されている。グレーティングカプラでは、入射光の入射角と、入射光の波長と、グレーティングの周期との関係が、位相整合条件で定まっている。それ故、光結合の効率が入射光の入射角によって変動するという課題がある。さらに、光結合の効率が入射光の電界方向によって変動するという課題がある。
一方、太陽電池セル１Ａでは、１つの透明導電領域１２ａと、１つの半導体領域１２ｂを備えていれば、原理的には光の進行方向が転換される。従って、入射光の入射角度の変化が光変換効率に及ぼす影響を抑制することができる。また、入射光の電界方向が光変換効率に及ぼす影響を抑制することができる。すなわち、太陽電池セル１Ａは偏波依存性が緩やかである。
グレーティングカプラの効率を最大にする条件として位相整合条件がある。この位相整合条件は、入射光と導波モードとグレーティングの周期とが、光導波路の進行方向に互いに位相をそろえる条件である。モード変換する効率を最適にするグレーティング高さの条件は、グレーティングカプラを適用する対象によって変わるため、一般的な最適条件は知られていない。
グレーティングカプラでは、多数の周期構造を用いて外部光を光導波路に結合させる。グレーティングカプラの太陽電池への応用では、入射光がインコヒーレントであるために、多数の周期が位相をそろえて有効に働かず、光吸収効率を高くできない課題がある。
一方、太陽電池セル１Ａでは、１つの透明導電領域１２ａと、１つの半導体領域１２ｂを備えていれば、原理的には光の進行方向が転換される。従って、方向転換層１２に互いに異なる波長にそれぞれ対応する周期構造を設けることにより、広い変換波長帯域を確保することができる。それ故、入射光がインコヒーレントな光であっても、光吸収効率を高めることができる。
太陽電池セル１Ａの作用効果に関する計算結果を示す。はじめに、比較例として従来の形態に係る太陽電池セルを用いて確認を行った。図３０（ａ）は、比較例である太陽電池セル２００の構成を説明するための断面図である。図３０（ｂ）は、従来の太陽電池セルの特性を説明するための図である。図３０（ｂ）は、図３０（ａ）に示す太陽電池セル２００に入射光Ｌを入射したときのシミュレーションの結果である。シミュレーション結果は、電磁界分布の時間変化を示している。
電磁界分布の時間変化は、数値計算により解析した。数値計算には、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。ＦＤＴＤ法は電磁界の特性を正確に表現できるマクスウェル一次微分方程式を差分化し、時間領域において解く方法である。ＦＤＴＤ法の計算結果は正確であると共に、実験結果ともよく一致することが知られている。
図３０（ａ）に示されるように、太陽電池セル２００は、電極２１４の上に光吸収部２１３、透明導電層２１２、及びガラス板２１１がこの順に配置されている。太陽電池セル２００を製造する場合は、ガラス板２１１を成長基板として、ガラス板２１１の上に透明導電層２１２、光吸収部２１３及び電極２１４をこの順に形成する。光吸収部２１３は、トップセル層２１３ａとボトムセル層２１３ｂとを備えている。電極２１４の屈折率は０．１７３＋５．０２１ｉに設定した。ｉは虚数単位である。トップセル層２１３ａの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は４．２３＋０．１０ｉに設定した。ボトムセル層２１３ｂの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は３．７１＋０．００８５ｉに設定した。透明導電層２１２の厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は１．８５＋０．０１ｉに設定した。入射光Ｌの波長は８００ｎｍに設定した。数値計算にあたって、ガラス板２１１の表面は無反射コーティング等により反射が無視できるものと設定した。
図３０（ｂ）に示されるように、矢印Ｌ２０１の方向へ進む光は、電極２１４により反射された反射光と重なり合う。反射光は、矢印Ｌ２０１の方向へ進む光が電極２１４により反射されて、矢印Ｌ２０１の指し示す方向と逆の方向へ進む光である。矢印Ｌ２０１の方向へ進む光と反射光とが重なりあうと、入射光Ｌの入射する方向に沿って定在波が生じる。このとき、入射光Ｌのうちおよそ２８％は光吸収部２１３において吸収された。入射光Ｌのうちおよそ２％は電極２１４において吸収された。入射光Ｌのうちおよそ７０％は光吸収部２１３に吸収されることなく反射された。この結果は、ボトムセル層２１３ｂの厚さが２００ｎｍであり、一般的なボトムセル層１１３ｂの厚さである２０００ｎｍに対して１／１０であるため、電極２１４で反射された光がボトムセル層２１３ｂで十分に吸収されずに反射されていることを示している。
太陽電池セル１Ａに入射光Ｌが入射した場合の電磁界分布をＦＤＴＤ法により解析した。電極１４の屈折率は０．１７３＋５．０２１ｉに設定した。トップセル層１３ａの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は４．２３＋０．１０ｉに設定した。ボトムセル層１３ｂの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は３．７１＋０．００８５ｉに設定した。方向転換層１２の厚さは２００ｎｍに設定した。透明導電領域１２ａの屈折率は１．８５＋０．０１ｉに設定した。入射光Ｌの波長は８００ｎｍに設定した。比較例である太陽電池セル２００とは、透明導電層２１２に替えて方向転換層１２を備えている点で相違する。
配列周期Ｄと光吸収部１３の光吸収効率との関係、配列周期Ｄと光反射率との関係、及び、配列周期Ｄと金属電極における光吸収効率との関係を確認した。図３は第１実施形態に係る太陽電池セル１Ａの効果を説明するための図である。図３（ａ）は配列周期Ｄと光吸収部１３の光吸収効率との関係、配列周期Ｄと光反射率との関係、及び、配列周期Ｄと金属電極における光吸収効率との関係を示す。この検討では、方向転換層１２の厚さを１６８ｎｍに設定した。入射光を、入射光Ｌの磁界成分が入射面１２ｐに対して横方向、即ち、磁界成分が図２に示された入射面１２ｐの面内にあり、かつ図３（ａ）の紙面に垂直な方向である光波（ＴＭ波：Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ）として設定した。
図３（ａ）において、グラフＧａ１は光吸収部１３及び方向転換層１２における光吸収効率を示し、グラフＧａ２は光吸収部１３における光吸収効率を示す。グラフＧａ３は反射率を示し、グラフＧａ４は電極１４における光吸収効率を示す。グラフＧａ２によれば、光吸収部１３における光吸収効率は配列周期Ｄ~１９０ｎｍ、及びＤ~４４０ｎｍにおいてピークを示すことが確認された。グラフＧ１ａによれば、光吸収部１３及び方向転換層１２における光吸収効率は、配列周期Ｄ~２３０ｎｍとＤ~４５０ｎｍとで~９５％の光吸収効率を示すことが確認された。グラフＧａ３によれば、反射率は配列周期Ｄ~２３０ｎｍ及びＤ~４４０ｎｍで極小を示すことが確認された。グラフＧａ４によれば、電極１４における光吸収効率はほぼ５％で一定となることが確認された。
図３（ｂ）は方向転換層１２の厚さｈと光吸収部１３の光吸収効率との関係、方向転換層１２の厚さｈと光反射率との関係、及び、方向転換層１２の厚さｈと金属電極における光吸収効率との関係を示す。この検討では、配列周期Ｄは４５０ｎｍに設定した。その他の構成は、図３（ａ）と同様である。図３（ｂ）において、グラフＧａ５は光吸収部１３及び方向転換層１２における光吸収効率を示し、グラフＧａ６は光吸収部１３における光吸収効率を示す。グラフＧａ７は反射率を示し、グラフＧａ８は電極１４における光吸収効率を示す。グラフＧａ６によれば、光吸収部１３の光吸収効率は方向転換層１２の厚さｈが~１７０ｎｍのときピークを示すことが確認された。グラフＧａ５によれば、光吸収部１３及び方向転換層１２における光吸収効率は~９５％の光吸収効率を示すことが確認された。グラフＧａ７によれば反射率は方向転換層１２の厚さｈが~１７０ｎｍでほぼ零となる極小を示すことが確認された。以上の結果より、図３から確認された結果と、式（２）、式（５）の見積もりとは合理的な一致を示すことが確認された。
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る太陽電池セルについて説明する。本実施形態に係る太陽電池セルは光吸収部２３が方向転換層２２の入射面２２ｐの上に形成されている点で第１実施形態に係る太陽電池セル１Ａと相違する。
図４は第２実施形態に係る太陽電池セル１Ｂの構成を説明するための断面図である。図４に示されるように、太陽電池セル１Ｂは基材２５を備えている。基材２５の主面２５ｐの上には、電極２４、方向転換層２２、光吸収部２３、及び電極２１がこの順に形成されている。
基材２５は、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ：Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）からなる透明なプラスチックシートである。電極２４は、金属電極であり例えば銀（Ａｇ）からなる。光透過防止用反射膜である電極２４は、電極２１側から入射された入射光Ｌが太陽電池セル１Ｂを透過することを防止すると共に、光を光吸収部２３の方向へ反射する機能を備える。方向転換層２２は、透明導電領域２２ａと半導体領域２２ｂとを備えている。透明導電領域２２ａは、例えば導電性を備える酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなる。半導体領域２２ｂは、例えばアモルファスシリコンからなる。光吸収部２３は、アモルファスシリコン等からなるトップセル層２３ａと微結晶シリコン等からなるボトムセル層２３ｂとを含んでいる。半導体領域２２ｂとボトムセル層２３ｂとは、一体的に形成されていてもよいし、別の材料で形成されていてもよい。電極２１は、透明導電酸化膜（ＴＣＯ）によって好適に形成される。透明導電酸化膜には、例えば導電性を備える酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることができる。
本実施形態に係る太陽電池セル１Ｂのように、方向転換層２２の入射面２２ｐに接するように光吸収部２３が形成されていても、光吸収効率を高めることができる。また、基材２５として、例えばポリエチレンナフタレートからなる透明なプラスチックシートを用いている。さらに、方向転換層２２を備えていることにより、光吸収部２３の厚さを薄くすることが可能となる。従って、柔軟性を有するフレキシブル太陽電池である太陽電池セル１Ｂを形成することができる。
太陽電池セル１Ｂに入射光Ｌを入射したときの特性を確認した。太陽電池セル１Ｂでは、入射光は光吸収部２３と方向転換層２２とを透過し、銀からなる電極２４において反射する。その反射の後、再度方向転換層２２を透過した後に光吸収部２３にあらためて入射する。光吸収部２３における透明導電領域２２ａと半導体領域２２ｂとの位相差は式（８）により示される。
４π｜ｎ２２ｂ−ｎ２２ａ｜ｈ／λ＋（φAg[uc-Si]−φAg[ITO]）＝π（又はその奇数倍）…（８）
φAg[uc-Si]は半導体領域２２ｂから電極２４に光が入射して反射する際の位相変化であり、φAg[ITO]は透明導電領域２２ａから電極２４に光が入射して反射する際の位相変化である。式（１）に対応する左辺の第一項が２倍になっているのは、入射及び反射により方向転換層２２を光が二回通過するためである。基材２５の屈折率は１．７に設定した。電極２４の厚さは１００ｎｍに設定し、屈折率は０．１７３＋５．０２１ｉに設定した。方向転換層２２の透明導電領域２２ａの屈折率は１．８５＋０．０１ｉに設定し、領域２２ｂの屈折率は３．７１＋０．００８５ｉに設定し、領域比は１／２に設定した。領域比とは配列周期Ｄに占める半導体領域２２ｂの幅の割合である。ボトムセル層２３ｂの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は３．７１＋０．００８５ｉに設定した。トップセル層２３ａの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は４．２３＋０．１０ｉに設定した。電極２１の厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は１．８５＋０．０１ｉに設定した。入射光Ｌの波長は８００ｎｍに設定した。このとき、位相差がπ又はその３倍、５倍に相当する方向転換層２２の厚さｈは式（８）より６４ｎｍ、２８０ｎｍ、４９６ｎｍと見積もられる。しかし、式（４）の条件から４９６ｎｍは除外される。
方向転換層２２の配列周期Ｄについて述べる。太陽電池セル１Ｂにおけるトップセル層２３ａとボトムセル層２３ｂとは、光吸収部２３である。一方、方向転換層２２において進行方向が光吸収部２３に平行な方向に転換された入射光Ｌに対しては、損失の大きい光導波路として機能する。入射光が方向転換層２２に垂直に入射した場合の、配列周期Ｄの最適値は、式（５）によって示される。例えば、トップセル層２３ａ、ボトムセル層２３ｂ、方向転換層２２を、これらの平均屈折率を持つ光導波路と近似し、また電極２４が完全導体と近似するとき、配列周期Ｄは２３０ｎｍ〜２６０ｎｍ、又は３７０ｎｍ〜４１０ｎｍの整数倍の長さが目安である。値に幅があるのは、導波モードの実効屈折率の計算で、領域に複数の光導波モードが存在するため、どの光導波モードにあわせて設定するかに任意性があるためである。
図５は第２実施形態に係る太陽電池セル１Ｂの効果を説明するための図である。図５では、光吸収部２３での光吸収効率と方向転換層２２の厚さとの関係、光吸収部２３での光吸収効率に方向転換層２２の光吸収効率を加えたシリコン層全体の光吸収効率と方向転換層２２の厚さとの関係、表面のＩＴＯからなる電極２１での光吸収効率と方向転換層２２の厚さとの関係、銀からなる電極２４の光吸収効率と方向転換層２２の厚さとの関係、及び、太陽電池セル１Ｂにおける光反射率と方向転換層２２の厚さとの関係を示す。この検討では、方向転換層２２の厚さｈを０ｎｍから３５０ｎｍまで変化させた。配列周期Ｄは３７０ｎｍに設定し、領域比は１／２に設定した。領域比とは配列周期Ｄに占める半導体領域２２ｂの幅の割合である。入射光Ｌは、波長λを８００ｎｍに設定し、磁界成分が入射面２２ｐに対して横向きである光波（ＴＭ波）に設定した。
図５において、グラフＧｂ１は光吸収部２３及び方向転換層２２における光吸収効率を示し、グラフＧｂ２は光吸収部２３における光吸収効率を示す。グラフＧｂ３は電極２４における光吸収効率を示し、グラフＧｂ４はＩＴＯからなる電極２１における光吸収効率を示し、グラフＧｂ５は光反射率を示す。グラフＧｂ１及びＧｂ２によれば、光吸収効率は方向転換層２２の厚さが〜５０ｎｍ及び〜３００ｎｍでピークを示すことが確認された。この結果は式（８）による見積もりとほぼ一致する。即ち、方向転換層２２の厚さが５０ｎｍの場合には、光吸収部２３における光吸収効率が８９％であり（グラフＧｂ２参照）、方向転換層２２も含めた光吸収効率が９２％である（グラフＧｂ１参照）ことが確認された。グラフＧｂ３によれば銀からなる電極２４での光吸収効率が２．９％であることが確認された。グラフＧｂ４によればＩＴＯからなる電極２１の光吸収効率が４．８％であることが確認された。グラフＧｂ５によれば反射効率は０．３％であることが確認された。この結果から、方向転換層２２の有効性が確認された。従って、光吸収部２３が方向転換層２２の入射面２２ｐと接するように形成されている、すなわち方向転換層２２が電極２４と接するように形成されていても、方向転換層２２を備える太陽電池セル１Ｂは光吸収効率を高めることができることがわかった。
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る太陽電池セルについて説明する。本実施形態に係る太陽電池セルは、金属からなる電極を備えていない点で第１実施形態に係る太陽電池セル１Ａと相違する。
図６は、第３実施形態に係る太陽電池セル１Ｃの構成を説明するための断面図である。図６に示されるように、太陽電池セル１Ｃは基材２５を備えている。基材２５の上には、透明導電層２６、光吸収部２３、及び方向転換層２２がこの順に形成されている。これらの構成要素のそれぞれは、第２実施形態に係る太陽電池セル１Ｂの構成要素と同様の材料からなる。すなわち、基材２５は、ポリエチレンナフタレート等からなるプラスチックシートである。透明導電層２６は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなる電極層である。光吸収部２３は、アモルファスシリコン等からなるトップセル層２３ａと微結晶シリコン等からなるボトムセル層２３ｂとを備えている。方向転換層２２は、透明導電領域２２ａと半導体領域２２ｂとを備えている。透明導電領域２２ａは酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等からなり、半導体領域２２ｂはアモルファスシリコン等からなる。太陽電池セル１Ｃでは、透明導電領域２２ａが電極の機能を有する。
太陽電池セル１Ｃに入射光Ｌが入射した場合の電磁界分布をＦＤＴＤ法により解析した。基材２５の屈折率は１．７に設定した。透明導電層２６の厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は１．８５＋０．０１ｉに設定した。ボトムセル層２３ｂの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は３．７１＋０．００８５ｉに設定した。トップセル層２３ａの厚さは０．２μｍに設定し、屈折率は４．２３＋０．１０ｉに設定した。方向転換層２２の厚さは１７０ｎｍに設定した。透明導電領域２２ａの配列周期Ｄは変数とし、領域比は１／２に設定し、屈折率は１．８５＋０．０１ｉに設定した。入射光Ｌの波長は８００ｎｍに設定した。領域比とは配列周期Ｄに占める半導体領域２２ｂの幅の割合である。
図７及び図８は太陽電池セル１Ｃの効果を説明するための図であり、太陽電池セル１Ｃに入射光Ｌを入射したときの電磁界分布の時間変化を示している。図７（ａ）は入射光Ｌが照射されてから２．０フェムト秒経過後であって、光波が０．６μｍだけ進行した様子を示している。図７（ｂ）は入射光Ｌが照射されてから３．３フェムト秒経過後であって、光波が１．０μｍだけ進行した様子を示している。図８（ａ）は入射光Ｌが照射されてから７．３フェムト秒経過後であって、光波が２．２μｍだけ進行した様子を示している。図８（ｂ）は入射光Ｌが照射されてから５２．１フェムト秒経過後であって、光波が１５．８μｍだけ進行した様子を示している。
図８（ｂ）を確認すると、光吸収部２３の内部において光吸収部２３の表面に沿った方向に明瞭な定在波が発生していることがわかった。従って、光の進行方向は光吸収部２３の表面に沿った方向に転換されており、効率よく光を吸収することが可能な状態にあることがわかった。金属からなる電極を備えておらず、該電極からの光学反射がない太陽電池セル１Ｃであっても光吸収効率を高めることができることが示された。
配列周期Ｄの最適値は、式（５）によって示されている。方向転換層２２及び光吸収部２３を光導波路として計算すると、配列周期Ｄは２３０ｎｍ〜２４０ｎｍ、２７０ｎｍ〜２９０ｎｍ、〜３３０ｎｍ、４１０ｎｍ〜４２０ｎｍの整数倍の長さが目安である。値に幅があるのは、導波モードの実効屈折率の計算で、領域に複数の光導波モードが存在するため、どの光導波モードにあわせて設定するかに任意性があるためである。
太陽電池セル１Ｃに入射光Ｌを入射したときの特性を確認した。図９は、太陽電池セル１Ｃの効果を説明するための図である。グラフＧｃ１は透明導電領域２２ａの配列周期Ｄと光吸収部２３における光吸収効率との関係を示している。グラフＧｃ２は透明導電領域２２ａの配列周期Ｄと光反射率との関係を示している。グラフＧｃ３は透明導電領域２２ａの配列周期Ｄと光透過率の関係を示している。光吸収効率の主なピークは~３３０ｎｍ付近に観察され、式（５）で計算される最適値とほぼ一致した。グラフＧｃ１、グラフＧｃ２、グラフＧｃ３と破線で結ばれた周期０の点に描いた３つの点は、図６の実施形態で方向転換層２２がない場合の光吸収効率を示している。方向転換層２２がない場合とは、方向転換層２２を均一な透明導電層に置き換えた場合である。これらの３つの点は、太陽電池セル１Ｃは、金属電極を備えていないため、入射光の５０％が吸収されずにそのまま透過してしまうことを示している。光吸収部２３における光吸収効率は３１％である。
グラフＧｃ１によれば、配列周期Ｄを変化させると、光吸収部２３における光吸収効率が変化することがわかった。金属からなる電極を備えていない太陽電池セル１Ｃであっても、方向転換層２２を備えることにより光吸収効率を高めることができることがわかった。
＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る太陽電池セルについて説明する。本実施形態に係る太陽電池セルは、透明導電領域を配置する周期が一定でない点で第１実施形態に係る太陽電池セル１Ａと相違する。
図１０は第４実施形態に係る太陽電池セルの方向転換層３２の構成を説明するための断面図である。図１０は、第４実施形態に係る太陽電池セルの一部を拡大した断面を示す。
本実施形態に係る太陽電池セルは、透明導電領域３２ａを備えている。透明導電領域３２ａは、互いに異なる配列周期Ｄ１〜Ｄ３に従って配置されている。図１０に示されるように、配列周期Ｄ２は配列周期Ｄ１よりも大きく、配列周期Ｄ３は配列周期Ｄ２よりも大きく設定されている。
配列周期Ｄと入射する光の波長λとは、式（５）及び図９に示す例のように好適な関係がある。それ故、透明導電領域３２ａを配置する配列周期Ｄを配列周期Ｄ１〜Ｄ３のように変化させることにより、それぞれの配列周期Ｄ１〜Ｄ３に対応する波長λの光の進行方向を転換することが可能となる。従って、方向転換層３２により進行方向が転換される光の波長帯域が拡大されるので、光吸収効率をより高めることができる。
本実施形態に係る太陽電池セルの方向転換層３２が備える透明導電領域３２ａは、３つの配列周期Ｄ１〜Ｄ３に従って配置されている。方向転換層３２では、３つ以上の互いに異なる配列周期に従って透明導電領域３２ａが配置されてもよい。透明導電領域３２ａは不規則に変化する配列周期Ｄに従って配列されてもよい。すなわち、透明導電領域３２ａ及び半導体領域３２ｂは、それぞれの幅や形状が２次元面内において不規則に変化してもよい。このような構造を有する方向転換層により発生する定在波では、光の強い部分と弱い部分とが不規則に存在するが、方向転換層としての機能を損なうものではない。このような構造を有する方向転換層は容易に製造することができる。
＜第５実施形態＞
第５実施形態に係る太陽電池セルについて説明する。本実施形態に係る太陽電池セルは、第１の領域が球状の形状である点で第１実施形態に係る太陽電池セル１Ａと相違する。
図１１は太陽電池セル１Ｄの構成を説明するための断面図である。図１１に示されるように、太陽電池セル１Ｄは電極４４を備えている。電極４４の主面４４ｐの上には、光吸収部４３、方向転換層４２、透明導電層４５、及びガラス板４１がこの順に形成されている。方向転換層４２は、有限の周期構造を含んでいる。この周期構造は、半導体領域４２ｄと球状の形状である微粒子４２ｃとにより構成されている。透光性の電極である透明導電層４５は、例えば導電性を備える酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等からなる。微粒子４２ｃは例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）或いはポリスチレン微粒子のいずれか一つからなる。半導体領域４２ｄは例えばアモルファスシリコンからなる。光吸収部４３は、例えばアモルファスシリコンからなるトップセル層４３ａと例えば微結晶シリコン等からなるボトムセル層４３ｂとを含んでいる。ガラス板４１は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。半導体領域４２ｄは、トップセル層４３ａと一体的に形成されていてもよいし、トップセル層４３ａと別材料であってもよい。
図１１に示される太陽電池セル１Ｄでは、所定の直径を有する第１の領域（微粒子４２ｃ）を敷き詰めるように配置する。太陽電池セル１Ｄの広い領域にサブミクロンレベルのパターニングを行うことが困難である場合がある。この場合に微粒子４２ｃを配置する方法として、クーロン力を用いて配置する方法がある。この方法によれば、イオン化された微粒子４２ｃが透明導電層４５を備える基板の主面４５ｐ上にクーロン力により配置される。互いに接する微粒子４２ｃは、クーロン反発力により二層にならないように調整される。
微粒子４２ｃをディップコーティングにより配置する方法がある。微粒子４２ｃを含む溶液にガラス板４１と透明導電層４５とを備える基板を浸漬する。そして、所定の速度で該基板を溶液の液面に対して垂直に引き上げる。そうすると、溶液の表面張力が微粒子４２ｃに作用し、溶液中の微粒子４２ｃが透明導電層４５の主面４５ｐに均一に配置される。ディップコーティングによる方法では、例えば直径１５０〜５０００ｎｍの酸化シリコン球を配置することができる。
太陽電池セル１Ｄに入射光Ｌが入射した場合の電磁界分布をＦＤＴＤ法により解析した。電極４４の屈折率は０．１７３＋５．０２１ｉに設定した。トップセル層４３ａの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は４．２３＋０．１０ｉ（ｉは純虚数）に設定した。ボトムセル層４３ｂの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は３．７１＋０．００８５ｉに設定した。微粒子４２ｃの直径は３２０ｎｍに設定し、屈折率は１．４５に設定した。透明導電層４５の厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は１．８５＋０．０１ｉに設定した。ガラス板４１の屈折率は１．４５に設定した。入射光Ｌの波長は８００ｎｍに設定した。
図１２は太陽電池セル１Ｄの効果を説明するための図であり、入射光Ｌが照射されてから５２．７フェムト秒経過後であって、光波が１５．９７μｍだけ進行した様子を示す。領域Ｌ１はガラス板４１を示す領域であり、領域Ｌ２は透明導電層４５を示す領域であり、領域Ｌ３は方向転換層４２とトップセル層４３ａとを含む領域を示す領域である。領域Ｌ４はボトムセル層４３ｂを示す領域であり、領域Ｌ５は電極４４を示す領域である。
図１２を確認すると、光吸収部４３の内部において光吸収部４３の主面４３ｐに沿った方向に明瞭な定在波が発生していることがわかった。これにより、光の進行方向は主面４３ｐに沿った方向に転換されており、効率よく光を吸収することが可能な状態にあることがわかった。従って、球状の第１の領域であっても光変換効率を高めることができることが示された。
微粒子４２ｃの直径と光吸収効率との関係、及び微粒子４２ｃの直径と光反射率との関係を確認した。図１３は太陽電池セル１Ｄの効果を説明するための図である。グラフＧｄ１は微粒子４２ｃの直径と光吸収部４３の光吸収効率との関係を示す。グラフＧｄ２は微粒子４２ｃの直径と太陽電池セル１Ｄの主面４１ｐからの光反射率との関係を示す。図１３のグラフＧｄ１を確認すると、微粒子の直径が３２０ｎｍのときに最も光吸収効率が高まることがわかった。このときの光吸収効率は８１．７％であり、光反射率は６．４％であった。図１３の微粒子４２ｃの直径が０の点は微粒子４２ｃによる方向転換層４２がない場合を意味する。光吸収部４３での光吸収効率は２６％にとどまり、６７％は吸収されずに反射されてしまうことを示している。
第５実施形態では入射光Ｌの波長は８００ｎｍに設定した。太陽電池セル１Ｄにおいて光吸収効率が向上される範囲は８００ｎｍに限定されることはない。シミュレーションによれば、入射光Ｌの中心波長が８００ｎｍとして設計されたとき、７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯域において光吸収効率が向上されることがわかった。
＜第６実施形態＞
図１４は第６実施形態に係る太陽電池セルの構成を説明するための断面図である。本実施形態の太陽電池セルは、銀からなる電極を備えていない点及び第１の領域が球状の形状である点で上述した第１実施形態に係る太陽電池セル１Ａと相違する。
図１４に示されるように、太陽電池セル１Ｅは基材４８を備えている。基材４８の表面の上には、透明導電層４７、光吸収部４３、方向転換層４２、及び透明導電層４６がこの順に形成されている。方向転換層４２は有限の周期構造を含んでいる。この周期構造は、半導体領域４２ｄと球状の形状である微粒子４２ｃとにより構成されている。透光性の電極である透明導電層４６，４７は、例えば導電性を備える酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等からなる。微粒子４２ｃは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）或いはポリスチレン微粒子等のいずれか一つからなる。半導体領域４２ｄは例えばアモルファスシリコンからなる。光吸収部４３は、例えばアモルファスシリコンからなるトップセル層４３ａと例えば微結晶シリコン等からなるボトムセル層４３ｂとを含んでいる。基材４８は、ポリエチレンナフタレート等からなるプラスチックシートである。半導体領域４２ｄは、トップセル層４３ａと一体的に形成されていてもよいし、トップセル層４３ａと別材料であってもよい。
太陽電池セル１Ｅに入射した入射光Ｌの波長と光吸収効率との関係を解析した。基材４８の屈折率は１．７に設定した。透明導電層４６，４７の厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は１．８５＋０．０１ｉに設定した。トップセル層４３ａの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は４．２３＋０．１０ｉ（ｉは純虚数）に設定した。ボトムセル層４３ｂの厚さは２００ｎｍに設定し、屈折率は３．７１＋０．００８５ｉに設定した。入射光Ｌの波長を変化させる際には、それに応じてそれぞれの屈折率も変化させる必要があるが、波長８００ｎｍにおける方向転換層４２の光吸収効率を増大させる効果を検討する観点から、波長８００ｎｍにおける屈折率の値で近似した。微粒子４２ｃの直径は４００ｎｍに設定し、屈折率は１．４５に設定した。
図１５は太陽電池セル１Ｅの効果を説明するための図である。グラフＧｅ１は方向転換層４２が直径４００ｎｍの微粒子４２ｃを含むときの特性である。グラフＧｅ２は方向転換層４２が微粒子４２ｃを含まないときの特性である。グラフＧｅ１を確認すると、方向転換層４２が微粒子４２ｃを含むことにより光吸収効率を高めることができることがわかった。
例えば、波長が７５０ｎｍの場合、微粒子４２ｃを含まないときの光吸収効率は２３％であり、微粒子４２ｃを含むときの光吸収効率は４８％である。波長が８００ｎｍの場合、微粒子４２ｃを含まないときの光吸収効率は３０％であり、微粒子４２ｃを含むときの光吸収効率は５８％である。波長が８５０ｎｍの場合、微粒子４２ｃを含まないときの光吸収効率は１３％であり、微粒子４２ｃを含むときの光吸収効率は４５％である。波長が９００ｎｍの場合、微粒子４２ｃを含まないときの光吸収効率は１２％であり、微粒子４２ｃを含むときの光吸収効率は４２％である。このように、太陽電池セル１Ｅが微粒子４２ｃを含む方向転換層４２を備えることにより、７５０ｎｍ〜９００ｎｍの波長帯域において光吸収効率を１２％〜３０％から４２％〜５８％へ２５％〜３０％程度高めることができることがわかった。
光吸収部４３の波長帯域に応じて微粒子４２ｃの直径を最適化すれば、それぞれの波長帯域において同様に光吸収効率の改善が可能である。例えば、上述した解析では微粒子４２ｃの直径は入射光Ｌの波長８００ｎｍに最適化されている。そのため、太陽電池セル１Ｅが、トップセル層４３ａが吸収する光の波長帯域に含まれる波長５００ｎｍに最適化された直径を有する微粒子４２ｃを含む方向転換層をさらに備えることにより、光吸収効率を好適に高めることができる。
太陽電池セル１Ｅのように、反射の大きい銀からなる電極を備えない太陽電セルであっても、方向転換層４２を備えることにより光吸収効率を高めることができる。また、銀からなる電極を必要としないので、太陽電池セル１Ｅを製造するときの材料コストを低減することができる。
上述したように、グレーティングカプラによるモード変換では、グレーティングが導波モードに与える影響が小さく、且つ、導波モードが明確に定義できる状態を扱うことが一般的である。これに対し、方向転換層１２を有する太陽電池セル１Ａ〜１Ｅでは、方向転換層１２に接触する光吸収部１３が方向転換層１２と強く結合した状態であり、且つ光吸収効率が大きく、導波モードが明確には定義できない状態を扱う。この強く結合した状態の具体的な意味は、方向転換層１２の第１の領域と第２の領域を通過した入射光Ｌの位相が相互に位相差を持つように方向転換層１２によりシフトされることである。即ち、入射光Ｌが方向転換層１２を透過して光吸収部１３に到達した段階において、入射光Ｌの位相が光吸収部に沿った方向に大きな変化を受けることを意味する。
＜第７実施形態＞
次に、本発明の第７実施形態について説明する。第７実施形態に係る太陽電池セルは、方向転換層の第１の領域が空気領域である点で太陽電池セル１Ａと相違する。図１６は、第７実施形態に係る太陽電池セル５０の構成を説明するための図である。太陽電池セル５０は、ガラス基板５１、光吸収部５２及び方向転換層５３を備える。光吸収部５２は、微結晶シリコン層５２ａ及びアモルファスシリコン層５２ｂを含む。方向転換層５３は、空気領域（第１の領域）５３ａ及び半導体領域（第２の領域）５３ｂを含む。ガラス基板５１上に微結晶シリコン層５２ａが設けられ、微結晶シリコン層５２ａ上にアモルファスシリコン層５２ｂが設けられている。さらに、アモルファスシリコン層５２ｂ上に、方向転換層５３が設けられている。
図１７は、太陽電池セル５０の解析結果を説明するための図である。図１７は、配列周期Ｄと光吸収部の光吸収効率との関係、配列周期Ｄと光吸収部の光吸収効率に方向転換層の光吸収効率も含めた光吸収効率との関係、配列周期Ｄと光反射率との関係、及び、配列周期Ｄと光透過率との関係を示している。グラフＧｆ１は光吸収部５２及び方向転換層５３における合計光吸収効率であり、グラフＧｆ２は光吸収部５２における光吸収効率である。そしてグラフＧｆ３は光反射率であり、グラフＧｆ４は光透過率である。この解析では、太陽電池セル５０の各パラメータは、以下のように設定された。すなわち、ガラス基板５１は酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、屈折率ｎが１．４５である。微結晶シリコン層５２ａは、厚さが２００ｎｍに設定され、屈折率がｎ＋ｉｋ＝３．７１＋０．０１ｉに設定された。アモルファスシリコン層５２ｂは、厚さが２００ｎｍに設定され、屈折率がｎ＋ｉｋ＝４．２３＋０．１０ｉに設定された。方向転換層５３では、屈折率がｎ５３ａ、ｎ５３ｂと変調されている。この方向転換層５３を通過した光の位相ずれは式（９）により示されるので、方向転換層５３の厚さｈは式（９）を満たす値に近づくように設定される。ここで、ｎ５３ａは空気領域５３ａの屈折率である。ｎ５３ｂは半導体領域５３ｂの屈折率である。空気領域５３ａの屈折率ｎ５３ａと半導体領域５３ｂの屈折率ｎ５３ｂとは、共に実部で近似されている。
２π｜ｎ５３ａ−ｎ５３ｂ｜ｈ／λ＝π（ないしはπの奇数倍）…（９）
従って、光の波長が８００ｎｍであるとすると、方向転換層５３の厚さｈは１２５ｎｍに設定される。なお、方向転換層５３の半導体領域５３ｂはアモルファスシリコンからなる。また、方向転換層５３の厚さｈは、式（９）で計算された値を中心値として、±２０％程度の寸法公差が許容される。
また、配列周期Ｄの最適値は、式（５）によって計算される値に近づくように設定される。例えば、ＴＭ偏波光が入射する場合、配列周期Ｄは２９０ｎｍ〜３００ｎｍ又は４７０ｎｍ〜４９０ｎｍの整数倍の長さ程度である。値に幅があるのは、導波モードの実効屈折率の計算で、領域に複数の光導波モードが存在するため、どの光導波モードにあわせて設定するかに任意性があるためである。なお、方向転換層５３の配列周期Ｄは、式（５）によって計算された値を中心値として、±２０％程度の寸法公差が許容される。グラフＧｆ１及びグラフＧｆ２を確認すると光吸収部５２の光吸収効率は、配列周期Ｄ〜２９０ｎｍ、〜５００ｎｍでピークを示す。光吸収部５２の光吸収効率は、方向転換層５３の光吸収効率も含めると配列周期Ｄ〜２９０ｎｍにおいて〜９０％である。
図１８は太陽電池セル５０の解析結果を説明するための図である。図１８は、太陽電池セル５０に光ビームＬＢを照射したときの電磁界分布の時間変化を示している。図１８の実施例では、空気領域５３ａの幅Ｅ４（図１６参照）は１５０ｎｍである。半導体領域５３ｂの幅Ｅ５（図１６参照）は１５０ｎｍである。方向転換層５３の配列周期Ｄ４は３００ｎｍである。この太陽電池セル５０に対して、方向転換層５３側から光ビームＬＢが照射される。図１８（ａ）は、光ビームＬＢが照射されてから５４．７フェムト秒後の電磁界分布を示している。なお、図１８（ａ）において、領域Ｌ６は方向転換層５３を示す領域である。領域Ｌ７はアモルファスシリコン層５２ｂを示す領域である。領域Ｌ８は微結晶シリコン層５２ａを示す領域である。即ち、領域Ｌ９は光吸収部５２を示す領域である。この解析では、図１６に示された方向転換層５３の周期数が８に設定されている。即ち、方向転換層５３は８つの半導体領域５３ｂを有している。光ビームＬＢは、周期数が５の領域の幅Ｅ６と同じ幅の範囲に照射される。光ビームＬＢの波長は８００ｎｍである。図１８（ａ）を参照すると、方向転換層５３（領域Ｌ６）を透過した直後のアモルファスシリコン層５２ｂ内（領域Ｌ７）において、アモルファスシリコン層５２ｂに対して水平な方向に光ビームＬＢの位相が周期的にπだけ変化している。即ち、光ビームＬＢの伝搬方向が、アモルファスシリコン層５２ｂに対して垂直な方向（縦方向）から水平な方向（横方向）に変化している。また、アモルファスシリコン層５２ｂ内において光ビームＬＢが横方向へ２μｍ程度進行すると、電磁界分布の減衰が顕著となっている。これはアモルファスシリコン層５２ｂの光吸収効率が大きく、光導波モードが明確に定義できない状態であることを示している。なお、アモルファスシリコン層５２ｂの平均光吸収係数は４３００ｃｍ−１である。
図１８の（ａ）に示された解析結果では、照射された光ビームＬＢの４．５％がガラス基板５１へ透過された。そして、６．６%が空気側に反射され、８８．９％が光吸収部５２において吸収された。光ビームＬＢを９０％程度の比較的高い効率で光吸収させるためには、式（９）に基づいて、光吸収部５２に対する光透過率及び光反射率を最小にすることと、光吸収効率を最大にすることが必要である。さらに、すべてのエネルギー和が入射ポインティングパワーと一致することを確認して、ＦＤＴＤによる厳密計算に基づいて方向転換層５３が設計されることが必要である。これらの条件をグレーティングカプラのモード変換の概念だけに基づく設計手法を用いて満足させることは困難である。これに対して、方向転換層を備える太陽電池セルの設計は、光吸収効率を向上させるための設計が容易であることが理解される。
ここで、図１８（ａ）において、仮に方向転換層５３がグレーティングカプラと同様の機能を果たしていると仮定した場合について検討する。光ビームＬＢが照射されていない領域Ｅ７に空気領域５３ａ及び半導体領域５３ｂを含む周期構造が形成されていると、漏れモードへの結合によって、光吸収部５２から光ビームＬＢの照射側及びガラス基板５１側への光の漏れが生じると考えられる。この予想を確認するための検討を行った。すなわち、光ビームＬＢが照射されていない領域Ｅ７にも周期構造を形成した太陽電池セルについて、光ビームＬＢの照射側及びガラス基板５１側へ光が漏れる現象の有無について確認した。
図１８（ｂ）では、光ビームＬＢが入射されてから５４．７フェムト秒後の電磁界分布を示している。この解析では、図１６に示された方向転換層５３の光ビームＬＢが入射される面の全領域に、周期構造が設けられている。光ビームＬＢは、周期数が５の領域の幅Ｅ６と同じ幅の範囲に照射された。光ビームＬＢの波長は８００ｎｍである。図１８（ｂ）を参照すると、光吸収部５２を示す領域Ｌ９から電磁界が外に漏れる現象は確認されなかった。これは、光進行方向を変える方向転換層５３には、グレーティングカプラのような漏れモードが関与していないことを示している。即ち、方向転換層５３では式（９）のπ位相シフトによって、通常のグレーティングカプラとは異なる作用が働いていることを示している。なお、方向転換層５３は光吸収部５２と強く結合しているので、光吸収部５２に沿って進む光は方向転換層５３の周期構造によって反射される。
図１８（ｂ）に示された解析結果では、ガラス基板５１への光透過率は４．２％であった。図１８（ａ）の場合と比較してガラス基板５１への光透過率は微減した。光ビームＬＢの照射側への光反射率は７．０％であった。図１８（ａ）の場合と比較して光ビームＬＢの照射側への光反射率は増加した。光吸収部５２における光吸収効率は８７．１％であった。図１８（ａ）の場合と比較して光吸収部５２における光吸収効率は減少した。この光ビームＬＢの照射側への光反射率の増加は、光ビームＬＢが照射されている領域で生じている。光入射領域以外の領域Ｅ７における漏れモードの影響は少ない。むしろ、光ビームＬＢが光吸収部５２に沿って進む光に変換された後、非励起領域における表面の周期構造により反射を受け、光が入射する領域に戻り、入射光に対して反対に進む反射光が増加していることを示している。これは、方向転換層５３が備える周期構造と光吸収部５２とが強く結合した状態では、グレーティングを摂動として扱うグレーティングカプラとは著しく異なる状況が生じていることを示す。従って、方向転換層を備える太陽電池セルの設計は、グレーティングカプラの概念を適用した構造の設計と比較して、光吸収効率を向上させるための設計が容易であることがさらに理解される。
図１９は、太陽電池セル５０の他の解析結果を説明するための図である。図１９は、光吸収部５２における光吸収効率、光反射率及び光透過率の波長依存性を示す。グラフＧｇ１は光吸収部５２と方向転換層５３との合計光吸収効率を示す。グラフＧｇ２は光吸収部５２における光吸収効率を示す。グラフＧｇ３は光反射率を示す。グラフＧｇ４は光透過率を示す。なお、グラフＧｇ２は光吸収部５２における光吸収効率を示す。グラフＧｇ１は光吸収部５２の光吸収効率に方向転換層５３における光吸収効率を加えた合計光吸収効率である。図１９において６００ｎｍよりも長い波長帯域で確認される周期的な特性の変化は、光吸収部５２内における多重反射によるものである。また、６００ｎｍより短い波長帯域で周期的な変化が生じていないのは、光吸収部５２の光吸収係数が１０５ｃｍ−１以上と非常に大きく且つ方向転換層５３を有するので、光吸収部５２内の光吸収が増大して多重反射が生じないためである。
また、照射される光の波長が８００ｎｍとして設計した方向転換層５３では、およそ６５０ｎｍから９５０ｎｍ程度の波長帯域において、光吸収部５２における光吸収効率が増大する。この波長帯域では式（９）に基づいて計算した位相差は１．２４π〜０．８５πである。これは、光吸収部５２に沿った周期的な位相変化が、πから１５％〜２５％程度変化しても、方向転換層５３が有効に機能することを示している。
図２０は第７実施形態に係る太陽電池セル５０の他の解析結果を説明するための図である。図２は、方向転換層５３の厚さｈと光吸収効率との関係、方向転換層５３の厚さｈと光反射率との関係、及び方向転換層５３の厚さｈと光透過率との関係を示している。ここでは、方向転換層５３は、空気領域５３ａと半導体領域５３ｂとを備えている。半導体領域５３ｂの屈折率は４．２３＋０．１０ｉに設定した。このような方向転換層５３は、光吸収部５２を介してガラス基板５１の上に設けられている。また、方向転換層５３における空気領域５３ａ及び半導体領域５３ｂの配列周期Ｄは３００ｎｍに設定した。また、入射光は、ＴＭ波であり、周期数が５の領域の幅と同じ範囲に照射した。グラフＧｈ１，Ｇｈ２は光吸収効率を示し、グラフＧｈ３は光反射率を示し、グラフＧｈ４は光透過率を示す。なお、グラフＧｈ１は光吸収部５２における光吸収効率を示す。グラフＧｈ２は光吸収部５２の光吸収効率に方向転換層５３における光吸収効率を加えた合計光吸収効率である。
グラフＧｈ１、Ｇｈ２を確認すると、厚さｈが１２５ｎｍであるとき、光吸収効率が最大になった。このとき、空気領域５３ａを透過した入射光と、半導体領域５３ｂを透過した入射光との位相差はπであった。この結果により、方向転換層５３の厚さｈを式（２）又は式（９）から得られる値に設定することにより、入射光を光吸収部５２の主面に沿った方向に波面の位相差πを有する光に変換することができることがわかった。なお、厚さｈが１２５ｎｍよりも大きい領域では、方向転換層５３において吸収される光が増加した。そのために、厚さｈが１２５ｎｍよりも大きい領域において、光吸収効率が減少する程度が緩やかになった。
図２１は第７実施形態に係る太陽電池セル５０の他の解析結果を説明するための図である。図２１は、方向転換層５３の周期数と光吸収効率との関係、方向転換層５３の周期数と光反射率との関係、及び、方向転換層５３の周期数と光透過率との関係を示している。入射光はＴＭ波に設定した。入射光は、方向転換層５３の上方２００ｎｍの位置から方向転換層５３に照射された。さらに、入射光が照射される幅は、周期数が１〜１２の領域の幅と同じになるように設定された。グラフＧｉ１、Ｇｉ２は光吸収効率を示す。グラフＧｉ３は光反射率を示す。グラフＧｉ４は光透過率を示す。なお、グラフＧｉ１は光吸収部５２における光吸収効率を示す。グラフＧｉ２は光吸収部５２の光吸収効率に方向転換層５３における光吸収効率を加えた合計光吸収効率を示す。
グラフＧｉ１、Ｇｉ２を確認すると、入射光の幅が、周期数が６の領域の幅を超えると光吸収効率は飽和する傾向を示した。これは、光吸収部５２における光のコヒーレント長さが、周期数が６の領域の幅と同じ略長さであり、この程度の周期数であっても定在波の形成に寄与していることを示している。即ち、方向転換層５３では、周期数が５〜６程度の幅が１つの単位となって定在波の形成に寄与している。この効果によれば、例えば方向転換層５３の全領域の一部に不完全な部分が形成されているときであっても、入射光の進行方向を転換し、太陽電池セル５０の光吸収効率を向上させることができる。また、太陽電池セル５０に入射する入射光はインコヒーレントであり、位相の揃った平面波として入射する入射光の幅は限定される。このような入射光であっても、方向転換層５３を形成することにより、太陽電池セル５０の光吸収効率をさらに向上させることができる。なお、アモルファスシリコン及び微結晶シリコンを含む光吸収部５２における平均の光吸収係数はα＝４３００ｃｍ−１である。これによれば、光吸収部５２の内部において光強度がｅ−αＬ＝ｅ−１＝０．３７に減少する長さＬは２．３μｍである。これは導波モードのコヒーレンス長さが２μｍ程度に短くなった状態である。光吸収部５２では光が吸収されるために、導波モードが短い距離で減衰し、導波モードの伝搬係数βに広がりが生じる。なお、伝搬係数βを波数（２π／λ）により除した値は実効屈折率Ｎｅｆｆである。
＜第８実施形態＞
次に、第８実施形態について説明する。第８実施形態に係る太陽電池セルは、ガラス基板５１、ガラス基板５１上に形成された１層の光吸収部５２であるシリコン薄膜、及び方向転換層５３からなる。従って、第８実施形態に係る太陽電池セルは、光吸収部５２が１層のシリコン薄膜層からなる点で、第７実施形態に係る太陽電池セル５０と相違する。すなわち、本実施形態の太陽電池セルは、光吸収部５２を構成するシリコン薄膜の光入射面上に、方向転換層５３を構成する周期構造を有する。
そして、方向転換層５３を有する第８実施形態に係る太陽電池セルの特性の解析を、方向転換層５３を持たない比較例と比較しつつ行った。
まず、ガラス基板上にシリコン薄膜のみを形成した比較例における光学特性をＦＤＴＤを用いて解析した。図２２（ａ）は、比較例の解析結果を説明するための図であり、光吸収効率、光反射率及び光透過率を計算により解析した結果を示す。グラフＧｊ１は光吸収効率を示す。グラフＧｊ２は光反射率を示す。グラフＧｊ３は光透過率を示す。なお、この比較例におけるシリコン薄膜の厚さは４２５ｎｍである。図２２（ａ）を確認すると、５００ｎｍから６００ｎｍまでの波長帯域では入射光のおよそ４０％が反射され、入射光のおよそ６０％程度がシリコン薄膜において吸収された。さらに、６００ｎｍ以上の波長帯域における光多重反射による周期的な特性変化が確認された。
次に、方向転換層を有しない同様な比較例に係る構造体を製作し、光吸収効率、光反射率、及び光透過率を評価した。構造体は、シリコン薄膜をガラス基板上にスパッタ法により形成することにより製造した。このシリコン薄膜の厚さは５００ｎｍである。成膜条件は、圧力が１．４ｍＴｏｒｒであり、アルゴンガスの流量が１分間あたり１３ｃｃ（１３ｓｃｃｍ）であり、ＲＦパワーが４５０Ｗである。なお、シリコン薄膜の成膜には、スパッタ法の他に、プラズマＣＶＤ法を用いることもできる。
図２２（ｂ）は、このようにして製造した比較例の光学的特性を説明するための図であり、光吸収効率、光反射率及び光透過率を測定した結果を示す。グラフＧｊ４は光吸収効率を示す。グラフＧｊ５は光反射率を示す。グラフＧｊ６は光透過率を示す。図２２（ｂ）を参照すると、５００ｎｍから６００ｎｍまでの波長帯域では入射光のおよそ４０％が反射され、入射光のおよそ６０％がシリコン薄膜において吸収された。一方、６００ｎｍ以上の波長帯域では、光吸収効率が減少した。これは、シリコン薄膜内での光多重反射による周期的な特性変化を示しており、図２２（ａ）の特性とよく一致している。
これに対して、図２３は、第８実施形態に係る太陽電池セルの特性を説明するための図である。図２３（ａ）は、太陽電池セルに対してＴＭ波が入射されたときの特性の計算結果を示す。図２３（ｂ）は、太陽電池セルに対してＴＥ波が入射されたときの特性の計算結果を示す。グラフＧｋ１、Ｇｋ４は光吸収効率を示す。グラフＧｋ２、Ｇｋ５は光反射率を示す。グラフＧｋ３、Ｇｋ６は光透過率を示す。この計算においては、方向転換層５３の厚さを式（９）に基づいて１４５ｎｍに設定した。この厚さは、スパッタ法により作製された実物のシリコン薄膜の屈折率を実測した値により設定した。詳細には、実測したシリコン薄膜の屈折率は、波長８００ｎｍにおいて３．７６７＋０．０５２ｉであった。また、方向転換層５３の配列周期を４５０ｎｍに設定し、領域比を０．５に設定し、空気領域５３ａの下におけるシリコン薄膜の厚さを３５５ｎｍに設定した。ここで、領域比は配列周期に占める半導体領域５３ｂの幅の割合である。
図２３（ａ）及び図２３（ｂ）を参照すると、比較例の場合（図２２（ａ））と比べて、方向転換層を有する第８実施形態に係る太陽電池セルは、光吸収効率が増大していることがわかった。特に、図２３（ａ）に示すＴＭ波では６００ｎｍ以下の短い波長帯域で吸収が増大していた。一方、図２３（ｂ）に示すＴＥ波では６００ｎｍより長い波長帯域における光吸収効率が増大していた。なお、図２３（ａ）及び図２３（ｂ）に示された偏波依存性は、方向転換層そのものの特有の性質ではない。方向転換層の設計の仕方によって偏波特性が逆転する場合もある。
さらに、本実施形態に係る太陽電池セルを実際に製作して特性を評価した。図２４は評価に使用した太陽電池セルを説明するための図である。図２４は、方向転換層の周期構造を観察した写真である。この写真は、表面走査型電子顕微鏡を用いて光ビームＬＢの照射方向から周期構造を観察して得た。この場合、シリコン薄膜を深さ方向に１４１ｎｍだけエッチングして、方向転換層の周期構造を形成した。この周期構造の形成には、ＣＦ４／Ａｒ混合ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥエッチング法を用いた。方向転換層５３の配列周期Ｄ５は４４０ｎｍに設定し、領域比は０．３４に設定した。領域比は配列周期に占める半導体領域５３ｂの幅の割合である。なお、半導体領域５３ｂの幅Ｅ８は１５０ｎｍであり、エッチングされた溝である空気領域５３ａの幅Ｅ９は２９０ｎｍである。
図２５は、図２４に示された太陽電池セルの光学的特性の測定結果を示す図である。図２５（ａ）はＴＭ波による評価結果を示す。図２５（ｂ）はＴＥ波による評価結果を示す。グラフＧｍ１，Ｇｍ４は光吸収効率を示す。グラフＧｍ２，Ｇｍ５は光反射率を示す。グラフＧｍ３，Ｇｍ６は光透過率を示す。なお、図２５（ａ）及び図２５（ｂ）において、９００ｎｍ付近の波長帯域に確認される不規則な変動は、測定系の雑音である。
図２５（ａ）を参照すると、ＴＭ波の評価結果は図２３（ａ）に示された解析結果と全体的な傾向が一致した。特に、光吸収効率が６００ｎｍの波長帯域から長い波長帯域側へと比較的ゆるやかに減衰する傾向が良く対応していた。また、比較例に係る測定結果である図２２（ｂ）と比較すると、方向転換層を有する第８実施形態に係る太陽電池セルの光吸収効率が、方向転換層を有しない比較例の光吸収効率を上回ることが確認された。さらに、図２５（ｂ）を参照すると、ＴＥ波の評価結果は図２３（ｂ）の解析結果と光吸収効率、光反射率及び光透過率の全体的な傾向が一致した。特に光吸収効率が７００ｎｍ〜８００ｎｍの波長帯域において増大する傾向が良く対応していた。また、図２５（ｂ）と、比較例に係る測定結果である図２２（ｂ）とを比較すると、方向転換層を有する第８実施形態に係る太陽電池セルの光吸収効率が、方向転換層を有しない比較例の光吸収効率を上回ることが確認された。このように、方向転換層を備えることにより太陽電池セルの光吸収効率を高めることができることがわかった。
図２５（ａ）と図２５（ｂ）とを比較すると、方向転換層を備えることにより光吸収効率が増大される割合は、偏波によらず同程度の割合であった。これにより、偏波によらず、方向転換層の効果を好適に奏することができることがわかった。
さらに、別のサイズの方向転換層を有する太陽電池セルを製作して特性を評価した。この太陽電池セルは方向転換層の領域比が０．６５であり、配列周期Ｄが４８０ｎｍである点で、図２４に示す太陽電池セルと相違する。図２６は評価に使用した太陽電池セルを説明するための図である。図２６は、方向転換層の周期構造を観察した写真である。この写真は、表面走査型電子顕微鏡を用いて光ビームＬＢの照射方向から周期構造を観察して得た。この場合、シリコン薄膜を深さ方向に１４１ｎｍだけエッチングして、方向転換層５３の周期構造を形成した。この周期構造の形成には、Ｃｌ２／Ａｒ混合ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥエッチング法を用いた。配列周期Ｄ６は４８０ｎｍに設定され、領域比は０．６５に設定した。なお、半導体領域５３ｂの幅Ｅ１０は３１０ｎｍであり、エッチングされた溝である空気領域５３ａの幅Ｅ１１は１７０ｎｍである。
図２７は、図２６に示された太陽電池セルの光学的特性の測定結果を示す図である。図２７（ａ）はＴＭ波による評価結果を示す。図２７（ｂ）はＴＥ波による評価結果を示す。グラフＧｎ１，Ｇｎ４は光吸収効率を示す。グラフＧｎ２，Ｇｎ５は光反射率を示す。グラフＧｎ３，Ｇｎ６は光透過率を示す。図２７の（ａ）及び図２７（ｂ）を参照すると、ＴＭ波及びＴＥ波の評価結果は、図２３（ａ）及び図２３（ｂ）に示された解析結果と全体的な傾向が一致した。また、図２７（ａ）及び（ｂ）と、比較例に係る測定結果である図２２（ｂ）とを比較すると、方向転換層を有する第８実施形態に係る太陽電池セルの光吸収効率が、方向転換層を有しない比較例の光吸収効率を上回ることが確認された。さらに、領域比が０．３４から０．６５へ大きくなることにより、長い波長帯域側の光吸収効率が図２５に比較して増大することがわかった。
＜第１変形例＞
本発明による太陽電池セルは、上述した実施形態及び実施例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。上述した第１実施形態には、光吸収部１３を構成するトップセル層１３ａとボトムセル層１３ｂとは互いに接するように形成されている構成が例示されている。図２８は第１実施形態に係る太陽電池セルの変形例を説明するための断面図である。図２８に示されるように、本発明の太陽電池セル１Ｆはトップセル層１３ａとボトムセル層１３ｂとの間に透明導電層１５を備えていてもよい。
＜第２変形例＞
本発明に係る太陽電池セルが備える方向転換層は、太陽電池セル以外の光デバイスにも適用することができる。例えば、光検出器、フォトダイオードのような光吸収を基本とする光デバイスに適用することにより、光デバイスの効率を高めることができる。
＜第３変形例＞
本発明に係る太陽電池セルが備える方向転換層は、薄膜シリコン太陽電池セル以外の各種太陽電池セルに適用することができる。例えば、有機系薄膜太陽電池セル、色素増感太陽電池セル、及び各種の化合物半導体太陽電池セル等に適用することにより、光吸収効率を高めることができる。
＜第４変形例＞
本発明に係る太陽電池セルが備える方向転換層は、屈折率が互いに異なる第１の領域と第２の領域とを備えている構成が例示されている。方向転換層の屈折率は、上述したように方向転換層の入射面に沿って不連続に変化する場合だけでなく、連続的かつ周期的に変化していてもよい。例えば、このような構成を有する方向転換層は、半導体に不純物を拡散させる方法により製造することができる。
本発明の太陽電池セルによれば、光の進行方向を転換することにより従来より薄い光吸収部でも光吸収効率を高め、量産性を高めることができる。
１Ａ〜１Ｆ，５０，１００，２００…太陽電池セル、１１，４１，１１１，２１１…ガラス板、１２，２２，３２，４２，５３…方向転換層、１２ａ，２２ａ，３２ａ…透明導電領域、５３ａ…空気領域、１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ，５３ｂ…半導体領域、１２ｐ，２２ｐ 入射面、１３，２３，３３，４３，１１３，２１３，５２…光吸収部、１３ａ，２３ａ，４３ａ，１１３ａ，２１３ａ…トップセル層、１３ｂ，２３ｂ，４３ｂ，１１３ｂ，２１３ｂ…ボトムセル層、１３ｐ，１４ｐ，２５ｐ，４１ｐ，４３ｐ，４４ｐ，４５ｐ…主面、１４，２１，２４，４４，１１４，２１４…電極、１５，２６，４５，４６，４７，１１２，２１２…透明導電層、２５，４８…基材、４２ｃ…微粒子、Ｄ，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６…周期、Ｇ１〜Ｇｎ６…グラフ、Ｌ…入射光、Ｌ１〜Ｌ６…領域、ｎ１２ａ，ｎ１２ｂ，ｎ１３ａ，ｎ１３ｂ…屈折率、λ…波長。

Claims (9)

  1. 光を吸収して光生成キャリアを発生する少なくとも一つの光吸収部と、
    互いに屈折率が異なる第１の領域及び第２の領域を含み、前記光吸収部の表面に沿った方向に前記光の進行方向を転換する少なくとも一つの方向転換層と、を備え、
    前記第１の領域及び前記第２の領域は、前記方向転換層の前記光が入射される側の面である入射面に沿って所定の配列周期に基づいて並設され、
    前記配列周期は、前記第１の領域の前記入射面に沿った長さに前記第２の領域の前記入射面に沿った長さを加えた長さであり、
    前記方向転換層は、
    前記入射面に直交する方向の厚さが、前記第１の領域を通過した後の前記光の位相と前記第２の領域を通過した後の前記光の位相との差が略１８０度となるように設定されていることにより、前記方向転換層に対して入射された前記光を、前記光吸収部の表面に沿った方向に波面の位相変化を有する光に変換して前記光の進行方向を前記光吸収部の表面に沿った方向に転換し、
    前記配列周期が、前記光の波長及び前記光吸収部の実効屈折率により規定され、前記光吸収部の導波モードに前記光を位相整合させる条件を満たすように設定されていることにより、前記光吸収部の表面に沿った方向に進行方向が転換された前記光の定在波を発生させる太陽電池セル。
  2. 前記方向転換層は、前記入射面に直交する方向の厚さが、前記第１の領域における屈折率、前記第２の領域における屈折率、及び前記光の波長に基づいて設定される請求項１に記載の太陽電池セル。
  3. 前記第１の領域は導電性を有する電極である請求項１又は３に記載の太陽電池セル。
  4. 前記光吸収部を複数備え、
    前記複数の光吸収部のそれぞれは光吸収が行われる前記光の波長域が互いに異なり、
    前記複数の光吸収部は前記方向転換層の前記入射面と反対側の面に接して形成された請求項１，３及び６のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
  5. 前記光吸収部を複数備え、
    前記複数の光吸収部のそれぞれは光吸収が行われる前記光の波長域が互いに異なり、
    前記複数の光吸収部は前記方向転換層の前記入射面に接して形成された請求項１，３，６及び７のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
  6. 前記方向転換層を複数備え、
    前記方向転換層のそれぞれは進行方向の転換が行われる光の波長域が互いに異なる請求項７または請求項８に記載の太陽電池セル。
  7. 前記第１の領域は、前記入射面に沿った前記配列周期を変化させて配置された請求項１，３，６〜９のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
  8. 前記方向転換層の厚さは、下記式（１）；
    ｈ＝λ／（２｜ｎｂ−ｎａ｜）・・・（１）
    ｈは前記方向転換層の厚さ、
    λは前記光の波長、
    ｎａは第１の領域の屈折率、
    ｎｂは第２の領域の屈折率、
    に示される値の奇数倍である、請求項１，３，６〜１０のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
  9. 前記所定の周期は、下記式（２）；
    Ｄ＝λ／Ｎｅｆｆ・・・（２）
    Ｄは前記配列周期、
    λは前記光の波長、
    Ｎｅｆｆは前記光吸収部の伝搬係数を波数で除した実効屈折率、
    に示される値の整数倍である、請求項１，３，６〜１１のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
JP2012558017A 2011-02-18 2012-02-16 太陽電池セル Expired - Fee Related JP5818029B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012558017A JP5818029B2 (ja) 2011-02-18 2012-02-16 太陽電池セル

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011033577 2011-02-18
JP2011033577 2011-02-18
JP2011207895 2011-09-22
JP2011207895 2011-09-22
PCT/JP2012/053701 WO2012111768A1 (ja) 2011-02-18 2012-02-16 太陽電池セル
JP2012558017A JP5818029B2 (ja) 2011-02-18 2012-02-16 太陽電池セル

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2012111768A1 JPWO2012111768A1 (ja) 2014-07-07
JP5818029B2 true JP5818029B2 (ja) 2015-11-18

Family

ID=46672680

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012558017A Expired - Fee Related JP5818029B2 (ja) 2011-02-18 2012-02-16 太陽電池セル

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5818029B2 (ja)
WO (1) WO2012111768A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014061719A1 (ja) * 2012-10-19 2014-04-24 国立大学法人北海道大学 光電変換装置、建築物および電子機器
JP6352632B2 (ja) * 2013-12-26 2018-07-04 京セラ株式会社 光電変換装置
US20190126227A1 (en) 2017-10-30 2019-05-02 Saudi Arabian Oil Company Catalyst loading method to disperse heat in hydroconversion reactor

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4634129B2 (ja) * 2004-12-10 2011-02-16 三菱重工業株式会社 光散乱膜，及びそれを用いる光デバイス
US20070235072A1 (en) * 2006-04-10 2007-10-11 Peter Bermel Solar cell efficiencies through periodicity
JP5582488B2 (ja) * 2009-02-26 2014-09-03 独立行政法人産業技術総合研究所 薄膜太陽電池用基板およびそれを用いた薄膜太陽電池

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012111768A1 (ja) 2012-08-23
JPWO2012111768A1 (ja) 2014-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. Omnidirectional near-unity absorption in an ultrathin planar semiconductor layer on a metal substrate
Mallick et al. Optimal light trapping in ultra-thin photonic crystal crystalline silicon solar cells
Bozzola et al. Photonic light-trapping versus Lambertian limits in thin film silicon solar cells with 1D and 2D periodic patterns
Pratesi et al. Disordered photonic structures for light harvesting in solar cells
Meng et al. Combined front and back diffraction gratings for broad band light trapping in thin film solar cell
Madzharov et al. Influence of front and back grating on light trapping in microcrystalline thin-film silicon solar cells
Bozzola et al. Broadband light trapping with disordered photonic structures in thin‐film silicon solar cells
Bermel et al. Improving thin-film crystalline silicon solar cell efficiencies with photonic crystals
Sturmberg et al. Modal analysis of enhanced absorption in silicon nanowire arrays
Isabella et al. 3‐D optical modeling of thin‐film silicon solar cells on diffraction gratings
Meng et al. Design, fabrication and optical characterization of photonic crystal assisted thin film monocrystalline-silicon solar cells
Voroshilov et al. Light-trapping and antireflective coatings for amorphous Si-based thin film solar cells
US20100126577A1 (en) Guided mode resonance solar cell
Gomard et al. Photonic crystals and optical mode engineering for thin film photovoltaics
Donnelly et al. Mode-based analysis of silicon nanohole arrays for photovoltaic applications
O’Brien et al. Photonic crystal intermediate reflectors for micromorph solar cells: a comparative study
Cheng et al. Double-layer graphene on photonic crystal waveguide electro-absorption modulator with 12 GHz bandwidth
Tseng et al. Antireflection and light trapping of subwavelength surface structures formed by colloidal lithography on thin film solar cells
Zhang et al. Absorption enhancement analysis of crystalline Si thin film solar cells based on broadband antireflection nanocone grating
Lin et al. Surface plasmon effects in the absorption enhancements of amorphous silicon solar cells with periodical metal nanowall and nanopillar structures
Zhu et al. Guided mode resonance enabled ultra-compact germanium photodetector for 1.55 μm detection
Dhindsa et al. Adjustable optical response of amorphous silicon nanowires integrated with thin films
JP5818029B2 (ja) 太陽電池セル
Moulin et al. Investigation of the impact of the rear‐dielectric/silver back reflector design on the optical performance of thin‐film silicon solar cells by means of detached reflectors
Abdellatif et al. Enhancing the absorption capabilities of thin-film solar cells using sandwiched light trapping structures

Legal Events

Date Code Title Description
A529 Written submission of copy of amendment under article 34 pct

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A5211

Effective date: 20130719

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130731

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20141201

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20141201

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150908

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150915

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5818029

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees