JP6046014B2 - 太陽電池及び太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、太陽電池及び太陽電池モジュールに関する。

導電性ポリマーやフラーレンなどを組み合わせた有機半導体を含む太陽電池がある。複数の太陽電池を含む太陽電池モジュールがある。有機半導体を含む太陽電池では、塗布法や印刷法などの簡便な方法で光電変換膜を形成できる。有機半導体を含む太陽電池及び太陽電池モジュールにおいて、光電変換効率の向上が望まれる。

特開２０１０−２３２３５１号公報

本発明の実施形態は、高光電変換効率の太陽電池及び太陽電池モジュールを提供する。

本発明の実施形態によれば、基板と、積層体と、光学層と、を備えた太陽電池が提供される。前記基板は、光透過性である。前記積層体は、前記基板に設けられる。前記積層体は、第１電極と、有機半導体を含む光電変換膜と、光透過性の第２電極と、を含む。前記光学層は、前記基板に設けられる。前記光学層は、半球状の複数のレンズを有する。前記レンズの焦点距離は、前記レンズと前記積層体との間の距離の０．５倍よりも短い。前記光電変換膜は、前記積層体の積層方向である第１方向において前記複数のレンズの前記１つと重なる第１の部分と、前記複数のレンズの別の１つと前記複数のレンズの前記１つとの間の間隙部分と前記第１方向において重なる第２の部分と、を含む。前記複数のレンズの前記１つに入射した光は、前記第１の部分と前記第２の部分とに前記複数のレンズの前記１つのレンズ効果により入射する。
本発明の別の実施形態によれば、光透過性の基板と、前記基板に設けられる複数の積層体であって、第１電極と、光電変換膜と、光透過性の第２電極と、を含む複数の積層体と、前記基板に設けられる光学層と、を含む太陽電池モジュールが提供される。前記複数の積層体は、互いに電気的に接続される。前記光学層は、半球状の複数のレンズを有する。前記レンズの焦点距離は、前記レンズと前記積層体との間の距離の０．５倍よりも短い。 前記光電変換膜は、前記積層体の積層方向である第１方向において前記複数のレンズの前記１つと重なる第１の部分と、前記複数のレンズの別の１つと前記複数のレンズの前記１つとの間の間隙部分と前記第１方向において重なる第２の部分と、を含む。前記複数のレンズの前記１つに入射した光は、前記第１の部分と前記第２の部分とに前記複数のレンズの前記１つのレンズ効果により入射する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る太陽電池を模式的に表す断面図である。 第１の実施形態に係る太陽電池を模式的に表す断面図である。 第１の実施形態に係る別の太陽電池を模式的に表す断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第２の実施形態に係る太陽電池モジュールを表す模式図である。 第２の実施形態に係る太陽電池モジュールの一部を拡大して模式的に表す部分断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２の実施形態に係る別の太陽電池モジュールの一部を模式的に表す部分断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第３の実施形態に係る太陽電池モジュールの一部を模式的に表す部分断面図である。 太陽電池の特性の測定結果の一例を表すグラフ図である。 第４の実施形態に係る太陽光発電パネルを模式的に表す平面図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る太陽電池を表す模式図である。
図１（ａ）は、太陽電池の模式的断面図であり、図１（ｂ）は、太陽電池の一部を表す模式的平面図である。
図１（ａ）に表したように、太陽電池１１０は、基板５と、積層体ＳＢと、光学層４０と、を備える。

基板５は、光透過性を有する。基板５は、例えば、透明である。基板５は、第１面５ａと、第２面５ｂと、を有する。第２面５ｂは、第１面５ａに対して反対側の面である。この例では、第２面５ｂが、第１面５ａに対して実質的に平行である。第２面５ｂは、第１面５ａに対して非平行でもよい。

ここで、第１面５ａに対して垂直な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

積層体ＳＢは、Ｚ軸方向（第１方向）において基板５と並ぶ。積層体ＳＢは、例えば、第１面５ａと対向して設けられる。積層体ＳＢは、例えば、基板５の第１面５ａの上に設けられる。

積層体ＳＢは、第１電極１１と、第２電極１２と、光電変換膜３０と、を含む。光電変換膜３０は、基板５と第１電極１１との間に設けられる。第２電極１２は、基板５と光電変換膜３０との間に設けられる。第２電極１２は、光透過性を有する。第２電極１２は、例えば、透明である。第２電極１２は、例えば、透明電極である。

この例では、積層体ＳＢが、第１中間層２１と、第２中間層２２と、をさらに含む。第１中間層２１は、第１電極１１と光電変換膜３０との間に設けられる。第２中間層２２は、光電変換膜３０と第２電極１２との間に設けられる。すなわち、この例では、第１電極１１の上に第１中間層２１が設けられ、第１中間層２１の上に光電変換膜３０が設けられ、光電変換膜３０の上に第２中間層２２が設けられ、第２中間層２２の上に第２電極１２が設けられる。換言すれば、第１電極１１と第１中間層２１と光電変換膜３０と第２中間層２２と第２電極１２とが、この順に積層されている。

光学層４０は、第２面５ｂと対向して設けられる。光学層４０は、基板５の積層体ＳＢと反対側に設けられる。すなわち、基板５は、光学層４０と積層体ＳＢとの間に配置される。換言すれば、積層体ＳＢの上に基板５が設けられ、基板５の上に光学層４０が設けられる。

光学層４０は、入射した光の進行方向を変化させる。光学層４０は、例えば、光拡散性を有し、入射した光を拡散させる。光学層４０は、例えば、光拡散部材である。

光学層４０は、複数のレンズ４０ａと、支持体４０ｂと、を有する。複数のレンズ４０ａは、Ｚ軸方向に対して垂直な方向に並ぶ。複数のレンズ４０ａは、例えば、第２面５ｂと平行な面内に沿って並ぶ。光学層４０は、複数のレンズ４０ａによって、入射した光の進行方向を変化させる。光学層４０は、例えば、マイクロレンズアレイである。

支持体４０ｂは、複数のレンズ４０ａのそれぞれと基板５との間に設けられる。支持体４０ｂは、光透過性を有する。支持体４０ｂは、例えば、透明である。支持体４０ｂは、例えば、複数のレンズ４０ａのそれぞれと同じ材料を含む。支持体４０ｂは、例えば、複数のレンズ４０ａと一体に形成される。支持体４０ｂの材料は、複数のレンズ４０ａの材料と異なってもよい。光学層４０において、支持体４０ｂは、必要に応じて適宜設けられ、省略可能である。すなわち、第２面５ｂの上に複数のレンズ４０ａを直接設けて光学層４０としてもよい。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、複数のレンズ４０ａは、例えば、半球状である。この例では、半球状の複数のレンズ４０ａが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に並べられている。複数のレンズ４０ａの形状は、例えば、円筒状などでもよい。例えば、Ｙ軸方向に延びる複数の円筒状のレンズ４０ａをＸ軸方向に並べて設けてもよい。すなわち、光学層４０は、レンチキュラレンズシートでもよい。複数のレンズ４０ａの形状は、半球状や円筒状に限ることなく、入射する光の進行方向を変化させることができる任意の形状でよい。また、図１（ａ）及び図１（ｂ）において、レンズを最密に配置した場合を示したが、レンズとレンズの間に間隙を設けても良い。

複数のレンズ４０ａの焦点距離ｆは、複数のレンズ４０ａと積層体ＳＢとの間のＺ軸方向の距離ｄの０．５倍よりも短い。すなわち、焦点距離ｆは、以下の（１）式を満たす。 ｆ＜ｄ／２ ・・・ （１）
支持体４０ｂの厚さ（Ｚ軸方向の長さ）をｄ１、基板５の厚さをｄ２とするとき、距離ｄは、例えば、ｄ１＋ｄ２である。

基板５の厚さｄ２は、例えば、１ｍｍ程度である。これに対して、第２電極１２の厚さと第２中間層２２の厚さとの合計の厚さは、例えば、２００ｎｍ程度であり、３桁〜４桁程度薄い。このため、光電変換膜３０に入射する光の面積は、第２電極１２に入射する光の面積と実質的に同じである。このため、本願明細書においては、光電変換膜３０に入射する光の面積を、第２電極１２に入射する光の面積と同様として取り扱う。

例えば、複数のレンズ４０ａが、半径ｒ１の半球状である場合、複数のレンズ４０ａの焦点距離ｆは、例えば、以下の（２）式で表すことができる。
ｆ＝ｒ１／（ｎ−１） ・・・ （２）
（２）式において、ｎは、基板５の屈折率である。屈折率には、波長依存性がある。本願明細書において、屈折率には、太陽光における強度の大きい５００ｎｍ付近の屈折率を代表値として用いることとする。屈折率ｎは、例えば、１．２以上２．２以下である。

上記の（１）式及び（２）式から、半球状のレンズ４０ａにおいて、（１）式を満たす半径ｒ１は、以下の（３）式で表すことができる。
ｒ１＜ｄ（ｎ−１）／２ ・・・ （３）
すなわち、（３）式を満たす半径ｒ１のレンズ４０ａを設ける。これにより、レンズ４０ａにおいて、（１）式を満たすことができる。

太陽電池１１０は、入射した光の光量に応じた電圧及び電流を第１電極１１と第２電極１２との間に生じさせる光電変換装置である。光電変換膜３０は、有機半導体を含む。太陽電池１１０は、例えば、有機薄膜太陽電池である。なお、太陽電池１１０の発電に寄与する光は、太陽光に限らない。太陽電池１１０は、例えば、電球などの光源から発せられる光でも発電する。

この例では、基板５及び第２電極１２が、光透過性を有する。この例では、第２面５ｂ側から入射した光が、基板５及び第２電極１２を透過して光電変換膜３０に入射する。ここで、光透過性とは、例えば、光電変換膜３０が吸収することによってエキシトンを生じ得る、例えば波長５００ｎｍの光を５０％以上の透過率で透過させる性質である。

基板５、積層体ＳＢ及び光学層４０は、例えば、Ｙ軸方向に延在する。太陽電池１１０は、例えば、第１面５ａに対して平行な平面（Ｘ−Ｙ平面）に投影したとき（Ｚ軸方向に見たとき）に、矩形状である。太陽電池１１０のＸ−Ｙ平面に投影した形状は、矩形状に限ることなく、任意の形状でよい。

光学層４０は、例えば、複数のレンズ４０ａによって入射光の入射角度を変化させる。光学層４０は、例えば、入射光の少なくとも一部を光電変換膜３０の膜面に対して斜めに入射させる。これにより、例えば、光電変換膜３０における実効的な光路長を長くすることができる。例えば、光電変換膜３０における光吸収量を向上させることができる。なお、入射角とは、例えば、光電変換膜３０の膜面に対する法線（例えばＺ軸方向）と、入射光と、のなす角度θである。

なお、光学層４０、基板５、第２電極１２、第２中間層２２及び光電変換膜３０などの各層の屈折率は異なる。このため、太陽電池１１０に入射した光は、例えば、各層の界面において屈折する。図１では、こうした屈折現象の図示を便宜的に省略している。

ところで、レンズ４０ａの焦点距離ｆと距離ｄとの関係が、ｄ＜２ｆとなると、例えば、光電変換膜３０の一部に光が集光されるという現象が生じる。

シリコンやアモルファスシリコンといった無機半導体を用いた太陽電池において、光拡散と光閉じ込めとを意図して、半導体層自体に数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの凹凸を設けることが成されている。そのため、例えば、レンズ機能を持つ光学層を無機半導体太陽電池と組み合わせた場合、光学層により半導体層の一部に集光される条件においても、半導体層の凹凸によりさらに光拡散が生じ、また半導体層の厚みも約５００ｎｍ以上と厚いため、結果として集光が緩和される。

一方、有機薄膜太陽電池の光電変換膜では、光電変換膜におけるキャリアの移動度が、無機半導体太陽電池の光電変換膜に比べて小さい。このため、有機薄膜太陽電池では、光電変換膜の厚さを、例えば、５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度と、無機半導体太陽電池に比べて薄くする必要がある。そして、これにともない、有機薄膜太陽電池では、光電変換膜自体に光拡散を目的とした凹凸構造を設けることが困難である。

このため、光学層により集光される条件においては、光電変換膜内の一部に光が集光されてしまう。有機半導体はキャリア移動度が小さいため、集光により単位面積当たりのキャリア生成量が増えてしまうと、キャリアが蓄積され取り出せる光電流が制限されてしまう。すなわち、光電変換効率が低下してしまう。

これに対して、本実施形態に係る太陽電池１１０では、複数のレンズ４０ａのそれぞれの焦点距離ｆを、距離ｄの０．５倍よりも短くしている。これにより、太陽電池１１０では、各レンズ４０ａにより、光電変換膜３０の一部分に、光が集光されることを抑制することができる。例えば、Ｘ−Ｙ平面に投影したときの１つのレンズ４０ａの面積をＳ１、１つのレンズ４０ａを透過し積層体ＳＢ（光電変換膜３０）に入射する入射光の積層体ＳＢの膜面における面積をＳ２とするとき、Ｓ１＜Ｓ２とすることができる。これにより、集光することなく実効的な光路長を長くすることができ、光電変換効率を向上させることができる。レンズ４０ａの面積Ｓ１は、換言すれば、１つのレンズ４０ａに入射する光の面積である。例えば、半球状のレンズ４０ａである場合、面積Ｓ１及び面積Ｓ２は、Ｓ１＝πｒ１^２、Ｓ２＝πｒ２^２で求めることができる。

このように、本願発明者等は、有機薄膜太陽電池では、単純に複数のレンズ含む光学層を設けただけでは、光電変換効率が向上しないことを見出した。そして、本願発明者等は、複数のレンズ４０ａのそれぞれの焦点距離ｆを、距離ｄの０．５倍よりも短くすることにより、光電変換効率が向上することを見出した。

例えば、レンズ４０ａの形状のバラツキなどにより、光電変換膜３０に入射する光強度の面内分布が不均一になる場合がある。光強度の面内分布の不均一を防ぐために、光電変換膜３０に入射する光は、なるべく広く拡散させた状態で光電変換膜３０に照射する。これにより、光電変換膜３０に入射する光が平均化され、光強度の面内分布の均一性を向上させることができる。

例えば、焦点距離ｆに対する距離ｄを、なるべく大きくする。例えば、ｆ＜ｄ／５にする。これにより、光強度の面内分布の均一性を向上させることができる。さらに、ｆ＜ｄ／１０にする。これにより、光強度の面内分布の均一性をより向上させることができる。

例えば、半球状のレンズ４０ａである場合には、以下の（４）式を満たすようにする。 ｒ１＜ｄ（ｎ−１）／５ ・・・ （４）
これにより、光強度の面内分布の均一性を向上させることができる。さらには、以下の（５）式を満たすようにする。
ｒ１＜ｄ（ｎ−１）／１０ ・・・ （５）
これにより、光強度の面内分布の均一性をより向上させることができる。

光学層４０の屈折率と基板５の屈折率とは、例えば、実質的に同じであることが好ましい。例えば、光学層４０の屈折率と基板５の屈折率との差の絶対値は、０．５以下であることが好ましい。これにより、光学層４０と基板５との界面における光の反射を抑制することができる。

また、距離ｄは、例えば、５０μｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、例えば、太陽電池１１０の機械的強度を保ちつつ、太陽電池１１０の重量を抑えることができる。例えば、距離ｄを、５００μｍ以上５ｍｍ以下にする。これにより、太陽電池１１０の機械的強度と重量とのバランスをより適切に設定することができる。

例えば、距離ｄが１ｍｍで、基板５の屈折率ｎを１．５とした場合、（３）式を満たすｒ１は、２５０μｍ以下である。（４）式を満たすｒ１は、１００μｍ以下である。（５）式を満たすｒ１は、５０μｍ以下である。これにより、太陽電池１１０の光電変換効率を向上させることができる。

基板５は、他の構成部材を支持する。基板５には、例えば、第２電極１２などの形成にともなう熱や有機溶剤などにより、実質的に変質しない材料が用いられる。基板５の材料には、例えば、無アルカリガラスや石英ガラスなどの無機材料が用いられる。基板５の材料は、例えば、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー、または、シクロオレフィンポリマーなどの樹脂材料や高分子フィルムでもよい。基板５には、光透過性を有する材料が用いられる。基板５の厚さ（Ｚ軸方向に沿う長さ）は、特に限定されない。基板５の厚さは、その他の構成部材の支持に必要な強度を基板５に持たせることが可能な任意の厚さでよい。

基板５と積層体ＳＢとの間や、基板５と光学層４０との間などに、入射光の反射を抑える反射防止層を設けてもよい。反射防止層には、例えば、反射防止コーティング、反射防止フィルムまたは反射防止シートなどを用いることができる。反射防止層の材料には、例えば、酸化チタンなどの無機材料が用いられる。反射防止層の材料は、例えば、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などの有機材料でもよい。

この例において、第１電極１１は、例えば、陰極である。第１電極１１の形成では、例えば、導電性を有する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、または、塗布法などで成膜する。第１電極１１の材料としては、例えば、導電性の金属薄膜、または、金属酸化物膜などが挙げられる。

第２電極１２に仕事関数の高い材料を用いた場合、第１電極１１には仕事関数の低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属などが挙げられる。具体的には、Ｌｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｚｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、及び、Ｂａの少なくともいずれか、及び、これらの合金を挙げることができる。

第１電極１１は、単層でもよいし、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層させた積層体でもよい。また、第１電極１１の材料は、例えば、前記仕事関数の低い材料のうちの１つ以上と、他の金属材料との合金でもよい。添加する他の金属材料としては、例えば、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、または、錫などが挙げられる。合金の例としては、例えば、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、または、カルシウム−アルミニウム合金などが挙げられる。

第１電極１１の厚さは、例えば、１０ｎｍ〜３００ｎｍである。膜厚が上記範囲より薄い場合は、抵抗が大きくなりすぎ、発生した電荷を外部回路へ伝達することが難しくなる。膜厚が厚い場合には、第１電極１１の成膜に長時間を要するため材料温度が上昇し、光電変換膜３０（有機層）にダメージを与えて性能が劣化してしまう場合がある。さらに、材料を大量に使用するため、成膜装置の占有時間が長くなり、コストアップに繋がる。

この例において、第２電極１２は、例えば、陽極である。なお、第１電極１１を陽極とし、第２電極１２を陰極としてもよい。第２電極１２には、光透過性と導電性とを有する材料が用いられる。第２電極１２には、例えば、導電性の金属酸化物膜や半透明の金属薄膜などが用いられる。金属酸化物膜には、例えば、インジウム・スズ・オキサイド（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、または、インジウム・亜鉛・オキサイドなどからなる導電性ガラスを用いて作製された膜（ＮＥＳＡなど）などが挙げられる。ＩＴＯは、酸化インジウム、酸化亜鉛及び酸化スズを含む化合物である。金属薄膜の材料には、例えば、金、白金、銀、または、銅などが挙げられる。第２電極１２の材料は、ＩＴＯまたはＦＴＯが特に好ましい。第２電極１２の材料には、有機系の導電性ポリマーであるポリアニリン及びその誘導体や、ポリチオフェン及びその誘導体などを用いてもよい。

第２電極１２にＩＴＯを用いた場合、第２電極１２の厚さは、３０ｎｍ〜４００ｎｍであることが好ましい。３０ｎｍよりも薄くすると、導電性が低下して抵抗が高くなり、光電変換効率の低下の原因となる。４００ｎｍよりも厚くすると、ＩＴＯの可撓性が低下し、応力が作用した際にひび割れ易くなってしまう。第２電極１２のシート抵抗は、可能な限り低いことが好ましい。第２電極１２のシート抵抗は、例えば、２０Ω／ｓｑｕａｒｅ以下であることが好ましい。

第２電極１２は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法または塗布法などで上記の材料を成膜することにより、形成することができる。第２電極１２は、単層でもよいし、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層させた積層体でもよい。

第１中間層２１は、例えば、第１の電荷輸送層である。この例において、第１中間層２１は、電子輸送層である。第１中間層２１は、例えば、正孔をブロッキングし、電子を効率的に輸送する。また、第１中間層２１は、例えば、光電変換膜３０と第１中間層２１との界面近傍で生じたエキシトンの消滅を抑制する。

第１中間層２１の材料には、例えば、金属酸化物が用いられる。金属酸化物としては、例えば、ゾルゲル法にてチタンアルコキシドを加水分解して得たアモルファス性の酸化チタンなどが挙げられる。第１中間層２１の成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えば、スピンコート法が挙げられる。第１中間層２１の材料として酸化チタンを使用する場合、第１中間層２１の厚さは、例えば、１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さに成膜することが望ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、ホールブロック効果が減少してしまうため、発生したエキシトンが電子とホールに解離する前に失活してしまい、効率的に電流を取り出すことが難しくなってしまう。膜厚が厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、発生した電流を制限してしまうため光変換効率が低下する。塗布溶液は、あらかじめフィルターで濾過したものを使用することが望ましい。規定の膜厚に塗布した後、ホットプレートなどを用いて加熱乾燥する。５０℃〜１００℃で数分〜１０分間程度、空気中にて加水分解を促進させながら加熱乾燥する。また、無機物では金属カルシウムなどが好適な材料であり、真空蒸着法などで形成してもよい。

第２中間層２２は、例えば、第２の電荷輸送層である。この例において、第２中間層２２は、正孔輸送層である。第２中間層２２は、例えば、正孔を効率的に輸送し、電子をブロッキングする。第２中間層２２は、例えば、光電変換膜３０の界面近傍で発生した励起子の消滅を抑制する。また、第２中間層２２は、例えば、第２電極１２の凹凸をレベリング（平滑化）して太陽電池１１０の短絡を防ぐ。なお、第１中間層２１を正孔輸送層とし、第２中間層２２を電子輸送層としてもよい。

第２中間層２２には、例えば、ポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリンまたはポリピロールなどの有機導電性ポリマーが用いられる。ポリチオフェン系ポリマーには、例えば、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリ(３，４−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホネート)）などが用いられる。ポリチオフェン系ポリマーの代表的な製品としては、例えば、スタルク社のＣｌｅｖｉｏｓ ＰＨ５００（登録商標）、ＣｌｅｖｉｏｓＰＨ、ＣｌｅｖｉｏｓＰＶ Ｐ Ａｌ ４０８３、及び、ＣｌｅｖｉｏｓＨＩＬ１．１などが挙げられる。無機物では、酸化モリブテン、酸化ニッケル、酸化タングステンなどの金属酸化物が好適な材料である。

第２中間層２２の材料としてＣｌｅｖｉｏｓ ＰＨ５００を用いる場合、第２中間層２２の厚さは、例えば、２０ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。薄すぎる場合は、第２電極１２の短絡を防止する作用が低下し、ショートが発生し易くなってしまう。厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、光電変換膜３０で発生した電流を制限してしまうため、光電変換効率が低下する。

第２中間層２２の形成方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されない。第２中間層２２は、例えば、スピンコート法などで塗布することができる。第２中間層２２の材料を所望の厚さに塗布した後、ホットプレートなどで加熱乾燥する。例えば、１４０℃〜２００℃で、数分〜１０分間程度加熱乾燥することが好ましい。塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用することが望ましい。

光学層４０の屈折率は、例えば、１．２以上２．２以下である。また、光学層４０には、可視光領域において耐光性を有する材料が用いられる。高分子材料では、例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、または、シリコーン系樹脂などが用いられる。無機材料では、例えば、無アルカリの光学用ガラスなどが用いられる。加工性を考慮すれば、注型成型が可能であり、かつ材料コストが安いアクリル系樹脂が好適である。光学層４０は、例えば、接着によって基板５の第２面５ｂに貼り付けられる。基板５と光学層４０との接着面には、例えば、接着剤兼屈折率調整剤が用いられる。具体的には、各種の透明ポッティング剤、各種のシリコーンゲル、各種のシリコーンゾル、各種のガラス・アクリル接着剤（例えばサンライズＭＳＩ社製フォトボンド（登録商標）など）などが用いられる。

図２は、第１の実施形態に係る太陽電池を模式的に表す断面図である。図２に表したように、光電変換膜３０は、第１導電形の第１半導体層３０ｎと、第２導電形の第２半導体層３０ｐと、を含む。第２半導体層３０ｐは、例えば、第２中間層２２と第１半導体層３０ｎとの間に設けられる。すなわち、例えば、第２中間層２２の上に第２半導体層３０ｐが設けられ、第２半導体層３０ｐの上に第１半導体層３０ｎが設けられ、第１半導体層３０ｎの上に第１中間層２１が設けられる。例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でもよい。以下では、第１導電形がｎ形、第２導電形がｐ形である場合として説明を行う。

光電変換膜３０は、例えば、第１半導体層３０ｎと第２半導体層３０ｐとがバルクヘテロ接合した構造の薄膜である。バルクへテロ接合型の光電変換膜３０の特徴は、第１半導体層３０ｎ（ｎ形半導体）と第２半導体層３０ｐ（ｐ形半導体）とがブレンドされ、ナノオーダーのｐｎ接合が光電変換膜３０の全体に広がっていることである。この構造は、例えば、ミクロ層分離構造と呼ばれる。

バルクへテロ接合型の光電変換膜３０では、混合されたｐ形半導体とｎ形半導体との接合面において生じる光電荷分離を利用して電流を得る。そして、バルクへテロ接合型の光電変換膜３０では、従来の積層型有機薄膜太陽電池よりもｐｎ接合領域が広く、実際に発電に寄与する領域も光電変換膜３０の全体に広がっている。従って、バルクへテロ接合型有機薄膜太陽電池における発電に寄与する領域は、積層型有機薄膜太陽電池と比べて厚くなる。これにより、光子の吸収効率も向上し、取り出せる電流も増加する。

第１半導体層３０ｎには、例えば、電子受容性の性質を有する材料が用いられる。第２半導体層３０ｐには、例えば、電子供与性の性質を有する材料が用いられる。本実施形態に係る光電変換膜３０においては、第１半導体層３０ｎ及び第２半導体層３０ｐの少なくとも一方に有機半導体が用いられる。なお、光電変換膜３０は、例えば、平面ヘテロ接合型などでもよい。

光電変換膜３０では、例えば、第１半導体層３０ｎまたは第２半導体層３０ｐが光Ｌｉｎを吸収することにより、エキシトンＥＸが発生する。この発生効率をη１とする。発生したエキシトンＥＸは、ｐｎ接合面３０ｆ（第１半導体層３０ｎと第２半導体層３０ｐとの接合面）へ拡散により移動する。この拡散効率をη２とする。エキシトンＥＸには寿命があるため、拡散長程度しか移動できない。ｐｎ接合面３０ｆに到達したエキシトンＥＸは、電子Ｃｅと正孔Ｃｈとに分離される。このエキシトンＥＸの分離の効率をη３とする。正孔Ｃｈは、第２電極１２に輸送される。電子Ｃｅは、第１電極１１に輸送される。これにより、電子Ｃｅ及び正孔Ｃｈ（光キャリア）が、外部に取り出される。この光キャリアの輸送効率をη４とする。

照射された光子に対する発生した光キャリアの外部取り出し効率ηＥＱＥは、次の式で表すことができる。この値が太陽電池１１０の外部量子効率に相当する。
ηＥＱＥ＝η１・η２・η３・η４
第１半導体層３０ｎには、例えば、ｎ形有機半導体が用いられる。第２半導体層３０ｐには、例えば、ｐ形有機半導体が用いられる。

ｐ形有機半導体としては、例えば、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、または、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体などを使用することができる。これらを併用してもよい。また、これらの共重合体を使用してもよい。共重合体としては、例えば、チオフェン−フルオレン共重合体や、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体などが挙げられる。

好ましいｐ形有機半導体は、π共役を有する導電性高分子であるポリチオフェンおよびその誘導体である。ポリチオフェンおよびその誘導体は、優れた立体規則性を確保することができ、溶媒への溶解性が比較的高い。ポリチオフェンおよびその誘導体は、チオフェン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。ポリチオフェンおよびその誘導体の具体例としては、例えば、ポリアルキルチオフェン、ポリアリールチオフェン、ポリアルキルイソチオナフテン、及び、ポリエチレンジオキシチオフェンなどが挙げられる。ポリアルキルチオフェンとしては、例えば、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−ブチルチオフェン、ポリ３−ヘキシルチオフェン、ポリ３−オクチルチオフェン、ポリ３−デシルチオフェン、及び、ポリ３−ドデシルチオフェンなどが挙げられる。ポリアリールチオフェンとしては、例えば、ポリ３−フェニルチオフェンや、ポリ３−（ｐ−アルキルフェニルチオフェン）などが挙げられる。ポリアルキルイソチオナフテンとしては、例えば、ポリ３−ブチルイソチオナフテン、ポリ３−ヘキシルイソチオナフテン、ポリ３−オクチルイソチオナフテン、及び、ポリ３−デシルイソチオナフテンなどが挙げられる。

また近年では、カルバゾール、ベンゾチアジアゾールおよびチオフェンからなる共重合体であるＰＣＤＴＢＴ(ポリ[Ｎ−９"−ヘプタ−デカニル−２，７−カルバゾール−アルト−５，５−(４'，７'−ジ−２−チエニル−２'，１'，３'−ベンゾチアジアゾール)])などの誘導体が、優れた光電変換効率を得られる化合物として知られている。

これらの導電性高分子は、溶媒に溶解させた溶液を塗布することにより成膜可能である。従って、大面積の有機薄膜太陽電池を、印刷法などにより、安価な設備にて低コストで製造できるという利点がある。

ｎ形有機半導体としては、フラーレンおよびその誘導体が好適に使用される。ここで、使用されるフラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されない。具体的には、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、及び、Ｃ８４などを基本骨格として構成される誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格における炭素原子が任意の官能基で修飾されていてもよく、この官能基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。フラーレン誘導体には、フラーレン結合ポリマーも含まれる。また、フラーレン誘導体は、例えば、溶剤に親和性の高い官能基を有し、溶媒への可溶性が高いことが好ましい。

フラーレン誘導体における官能基としては、例えば、水素原子、水酸基、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、シアノ基、アルコキシ基、及び、芳香族複素環基などが挙げられる。ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子や塩素原子などが挙げられる。アルキル基としては、例えば、メチル基やエチル基などが挙げられる。アルケニル基としては、例えば、ビニル基などが挙げられる。アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基やエトキシ基などが挙げられる。芳香族複素環基としては、例えば、芳香族炭化水素基、チエニル基、及び、ピリジル基などが挙げられる。また、芳香族炭化水素基としては、例えば、フェニル基やナフチル基などが挙げられる。

より具体的には、水素化フラーレン、オキサイドフラーレン、及び、フラーレン金属錯体などが挙げられる。水素化フラーレンとしては、例えば、Ｃ６０Ｈ３６やＣ７０Ｈ３６などが挙げられる。オキサイドフラーレンとしては、例えば、Ｃ６０やＣ７０などが挙げられる。

上述した中でも、フラーレン誘導体として、６０ＰＣＢＭ（[６，６]-フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）または７０ＰＣＢＭ（[６，６]-フェニルＣ７１酪酸メチルエステル）を使用することが特に好ましい。

未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ７０は、光キャリアの発生効率が高く、有機薄膜太陽電池に使用するのに適している。

ｐ形半導体がＰ３ＨＴ系である場合、光電変換膜３０におけるｎ形有機半導体とｐ形有機半導体との混合比率は、およそｎ：ｐ＝１：１とすることが好ましい。また、ｐ形半導体がＰＣＤＴＢＴ系である場合、混合比率は、およそｎ：ｐ＝４：１とすることが好ましい。

有機半導体を塗布するためには、溶媒に溶解する必要がある。塗布に用いる溶媒としては、例えば、不飽和炭化水素系溶媒、ハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、及び、エーテル類などが挙げられる。不飽和炭化水素系溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、メシチレン、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、及び、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼンなどが挙げられる。ハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒としては、例えば、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、及び、トリクロロベンゼンなどが挙げられる。ハロゲン化飽和炭化水素系溶媒としては、例えば、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、及び、クロロシクロヘキサンなどが挙げられる。エーテル類としては、例えば、テトラヒドロフランやテトラヒドロピランなどが挙げられる。特に、ハロゲン系の芳香族溶剤が好ましい。これらの溶剤を単独、もしくは混合して使用してもよい。

溶液を塗布し成膜する方法としては、例えば、スピンコート法、ディップコート法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、スプレー法、スクリーン印刷、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサー塗布、ノズルコート法、キャピラリーコート法、インクジェット法、及び、メニスカス塗布法などが挙げられる。これらの塗布法を単独、もしくは組み合わせて用いてもよい。

図３は、第１の実施形態に係る別の太陽電池を模式的に表す断面図である。
図３に表したように、太陽電池１１２は、封止膜５０をさらに備えている。封止膜５０は、積層体ＳＢの基板５と反対側に設けられる。太陽電池１１２では、封止膜５０の上に積層体ＳＢが設けられ、積層体ＳＢの上に基板５が設けられ、基板５の上に光学層４０が設けられる。すなわち、太陽電池１１２では、基板５と封止膜５０との間に積層体ＳＢが配置される。封止膜５０は、例えば、熱硬化型や紫外線硬化型のエポキシ樹脂などによって、積層体ＳＢに貼り付けられる。また、封止膜５０には、例えば、ＳｉＯｘやＴｉＯｘなどの酸化膜が用いられる。封止膜５０は、例えば、酸素や水分などから光電変換膜３０などを保護する。封止膜５０を設けることにより、例えば、太陽電池１１２の耐久性を向上させることができる。

封止膜５０には、例えば、金属板または樹脂フィルムの表面に無機物または金属からなる層を設けてなるフィルムを使用することができる。樹脂フィルムとしては、例えば、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＩ、ＥＶＯＨ、ＣＯ、ＥＶＡ、ＰＣ若しくはＰＥＳからなるフィルム、または、それらの２つ以上を含んだ多層フィルムを使用することができる。無機物または金属としては、例えば、シリカ、チタニア、ジルコニア、窒化珪素、窒化ホウ素及びＡｌの少なくともいずれかを使用することができる。例えば、乾燥剤や酸素吸収剤などを封止膜５０にさらに含めてもよい。これにより、例えば、太陽電池１１２の耐久性をさらに向上させることができる。また、図示しないが、封止フィルムとの間に空隙があっても良い。

（第２の実施形態）
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第２の実施形態に係る太陽電池モジュールを表す模式図である。
図４（ａ）は、太陽電池モジュールを模式的に表す平面図であり、図４（ｂ）は、太陽電池モジュールの一部を模式的に表す部分断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ１−Ａ２線断面を模式的に表す。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、太陽電池モジュール２１０は、基板５と、複数の太陽電池１２０（いわゆるセル）と、光学層４０と、反射部材４２と、を備える。基板５は、第１面５ａと第２面５ｂとを有する。基板５のＸ−Ｙ平面に投影した形状は、例えば、矩形状である。

複数の太陽電池１２０は、第１面５ａの上に並べて設けられる。この例において、太陽電池１２０のＸ−Ｙ平面に投影した形状は、Ｙ軸方向に延びる長方形状である。そして、この例では、複数の太陽電池１２０が、所定の間隔を空けてＸ軸方向に並べられている。太陽電池１２０のＸ軸方向の幅（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば、１０ｍｍ〜１５ｍｍ程度である。基板５の一辺の長さは、例えば、３０ｃｍである。この場合、例えば、２０個程度の太陽電池１２０が、Ｘ軸方向に並べて設けられる。

複数の太陽電池１２０は、例えば、直列に接続される。上記第１の実施形態で説明しているように、太陽電池には、透明電極が用いられる。透明電極に用いられる材料の抵抗値は、金属などと比較すると高い。太陽電池モジュール２１０では、複数の太陽電池１２０を設け、それらを直列に接続する。これにより、例えば、透明電極の面積の増大にともなう透明電極の抵抗値の増加を抑えることができる。太陽電池モジュール２１０では、太陽電池１２０に透明電極を用いる場合、一般的に、１０ｃｍ〜２０ｃｍの大きさの基板５に対して、１０個〜１５個ほどの太陽電池１２０を直列に接続している。

基板５の形状は、矩形状に限らず、任意の形状でよい。太陽電池１２０の形状及び配列は、上記に限らない。太陽電池１２０の形状及び配列は、例えば、基板５の形状などに合わせて適宜設定すればよい。太陽電池１２０の数は、例えば、基板５のサイズなどに応じた任意の数でよい。複数の太陽電池１２０の一部は、並列に接続してもよい。例えば、２０個の太陽電池１２０を含む場合、１０個ずつ直列に接続し、それらを並列に接続してもよい。太陽電池モジュール２１０は、直列に接続された少なくとも２つの太陽電池１２０を有していればよい。

複数の太陽電池１２０のそれぞれは、積層体ＳＢを含む。すなわち、太陽電池モジュール２１０は、複数の積層体ＳＢを含む。積層体ＳＢは、例えば、第１電極１１と、第２電極１２と、光電変換膜３０と、第１中間層２１と、第２中間層２２と、を含む。積層体ＳＢは、上記第１の実施形態で示している太陽電池１１０の積層体ＳＢと実質的に同じである。積層体ＳＢの各部の機能や材料などは、第１の実施形態に関して説明している積層体ＳＢと実質的に同じとすることができる。従って、これらについての詳細な説明は省略する。複数の積層体ＳＢは、基板５と積層体ＳＢとの積層方向に対して垂直な第２方向に並ぶ。この例では、複数の積層体ＳＢが、Ｘ軸方向に並ぶ。

ここで、複数の太陽電池１２０のうちの１つを第１太陽電池１２１とする。複数の太陽電池１２０のうちの別の１つを第２太陽電池１２２とする。第２太陽電池１２２は、第１太陽電池１２１と隣り合っている。第２太陽電池１２２の第１電極１１は、第１太陽電池１２１の第２電極１２の上に延在している。例えば、第２太陽電池１２２の第１電極１１が、第１太陽電池１２１の第２電極１２に接している。これにより、第２太陽電池１２２の第１電極１１が、第１太陽電池１２１の第２電極１２と電気的に接続される。すなわち、第２太陽電池１２２が、第１太陽電池１２１と直列に接続される。第１太陽電池１２１と第２太陽電池１２２との電気的な接続は、他の導電部材（接続電極）を介して行ってもよい。

基板５は、複数の第１部分Ｐ１と、複数の第２部分Ｐ２と、を含む。複数の第１部分Ｐ１のそれぞれは、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、複数の太陽電池１２０のそれぞれの光電変換膜３０と重なる。複数の第２部分Ｐ２のそれぞれは、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、複数の太陽電池１２０のそれぞれの光電変換膜３０と重ならない。換言すれば、複数の第２部分Ｐ２のそれぞれは、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、複数の太陽電池１２０の間と重なる部分である。例えば、各第１部分Ｐ１は、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、発電に寄与する領域と重なる部分であり、各第２部分Ｐ２は、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、発電に寄与しない領域と重なる部分であると言うこともできる。各第２部分Ｐ２は、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、いわゆるセル間ギャップと重なる部分である。

光学層４０及び反射部材４２は、基板５の第２面５ｂの上に設けられる。この例において、太陽電池モジュール２１０は、複数の光学層４０及び複数の反射部材４２を含む。複数の光学層４０のそれぞれは、基板５の第２面５ｂにおいて複数の第１部分Ｐ１のそれぞれの上に設けられる。複数の光学層４０のそれぞれは、上記第１の実施形態で示している太陽電池１１０の光学層４０と実質的に同じである。この例においても、光学層４０は、複数のレンズ４０ａを含む。そして、複数のレンズ４０ａのそれぞれが、上記の（１）式を満たす。

複数の反射部材４２のそれぞれは、基板５の第２面５ｂにおいて複数の第２部分Ｐ２のそれぞれの上に設けられる。各反射部材４２のＸ軸方向の幅は、第１面５ａから第２面５ｂに向かう方向において連続的に減少する。各反射部材４２のそれぞれのＸ−Ｚ平面における断面形状は、三角形状または台形状である。この例において、各反射部材４２のそれぞれの断面形状は、二等辺三角形状である。各反射部材４２は、例えば、Ｙ軸方向に延びる三角柱状または台形柱状である。

各反射部材４２のそれぞれは、第２面５ｂ（Ｘ−Ｙ平面）に対して交差する一対の側面４２ｓを有する。側面４２ｓと第２面５ｂとの成す角度α１は、例えば、５０°以上８５°以下である。

図５は、第２の実施形態に係る太陽電池モジュールの一部を拡大して模式的に表す部分断面図である。
図５に表したように、反射部材４２は、例えば、基材４２ａと、反射膜４２ｂと、を含む。基材４２ａの断面形状は、反射部材４２の断面形状と実質的に同じである。反射部材４２は、例えば、三角形状の断面のアクリルの基材４２ａに、１５０ｎｍ程度のＡｌを反射膜４２ｂとして被覆したものである。基材４２ａには、アクリル系樹脂の他に、例えば、ポリカーボネート系樹脂やシリコーン系樹脂などを用いることができる。また、ガラスやＳＵＳなどの金属および合金を用いてもよい。基材４２ａは、例えば、基板５と一体化していてもよい。

反射膜４２ｂの反射率は、高い方が好ましい。反射膜４２ｂには、例えば、Ａｌの他に、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒなどの各種金属、酸化物薄膜の積層構造を用いてもよい。その他、例えば、３Ｍ社製の反射フィルムであるビキュイティＥＳＲ（登録商標）や麗光社のルイルミラー（登録商標）などを用いてもよい。これにより、例えば、反射膜４２ｂの反射率を８０％以上にすることができる。

反射部材４２は、第２面５ｂの側から第２部分Ｐ２に向かう光を側面４２ｓで反射させ、第１部分Ｐ１に入射させる。反射部材４２は、例えば、セル間ギャップ部に向かう光をセル部に導く。反射部材４２は、例えば、光ガイドである。これにより、例えば、太陽電池モジュール２１０の開口率を向上させることができる。例えば、反射部材４２を設けない場合に比べて、８０％〜１００％程度まで改善することができる。

反射部材４２は、例えば、各種の接着剤によって基板５に接着される。反射部材４２は、基材４２ａと反射膜４２ｂとを含むものに限ることなく、例えば、反射率の高い金属を三角柱状や台形柱状に形成したものでもよい。

第２部分Ｐ２と、第２部分Ｐ２に最も近いレンズ４０ａと、の間のＸ軸方向の距離をＬ１とする。距離Ｌ１は、換言すれば、反射部材４２とレンズ４０ａとをＸ−Ｙ平面に投影したときの、レンズ４０ａのＸ軸方向（第２方向）の端部と、反射部材４２のＸ軸方向の端部と、の間の距離である。太陽電池モジュール２１０の光学層４０では、Ｌ１＞ｄ（ｎ−１）−２ｒ１の関係式を満たすように、各レンズ４０ａを配置する。ここで、ｄは、前述のように、複数のレンズ４０ａのそれぞれと積層体ＳＢとの間のＺ軸方向の距離である。ｎは、基板５の屈折率である。屈折率ｎは、例えば、１．２以上２．２以下である。ｒ１は、半球状のレンズ４０ａの半径である。

光学層４０に入射した光は、各レンズ４０ａにより拡散される。半球状のレンズ４０ａの焦点距離ｆは、ｆ＝ｒ／（ｎ−１）の近似式で表すことができる。また、半球状のレンズ４０ａのＸ−Ｙ平面と平行な方向の端部を端部ｅｄ１とし、そのレンズ４０ａにより基板５の第１面５ａ（積層体ＳＢ）に拡散された光の第１面５ａ上におけるＸ−Ｙ平面と平行な方向の端部を端部ｅｄ２とするとき、端部ｅｄ１と端部ｅｄ２との間のＸ軸方向の距離Ｌ２は、Ｌ２＝ｄ（ｎ-１）-２ｒ１で表すことができる。

例えば、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短い場合には、各レンズ４０ａによって拡散された光が、第２部分Ｐ２に入射してしまう。すなわち、入射光の一部が、各太陽電池１２０のセル間ギャップ部に入射してしまう。セル間ギャップ部に入射した光は、発電に寄与しない。このため、Ｌ１＜Ｌ２とした場合には、光の利用効率が低下してしまう。例えば、光学層４０による光電変換効率の向上の効果が低下してしまう。

これに対して、本実施形態に係る太陽電池モジュール２１０では、距離Ｌ１が、距離Ｌ２以上離れるようにしている。これにより、光学層４０を設けた場合にも、セル間ギャップ部に入射する光を抑制し、光を有効利用することができる。従って、太陽電池モジュール２１０の光電変換効率を向上させることができる。

この例では、距離Ｌ１が、距離Ｌ２と実質的に同じである。距離Ｌ１は、距離Ｌ２と実質的に同じであることが好ましい。距離Ｌ１は、例えば、Ｌ１＜１０Ｌ２であることが好ましい。これにより、例えば、光電変換膜３０の端部まで適切に光を入射させることができる。例えば、光電変換膜３０に入射する光の光強度の面内分布の均一性を向上させることができる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２の実施形態に係る別の太陽電池モジュールの一部を模式的に表す部分断面図である。
図６（ａ）及び図６（ｂ）に表したように、太陽電池モジュール２１２、２１４では、反射部材４２が省略されている。このように、反射部材４２を省略し、光学層４０のみを設けてもよい。この場合にも、上記の（１）式を満たす各レンズ４０ａを設ける。これにより、太陽電池モジュール２１２、２１４においても、光電変換効率を向上させることができる。

反射部材４２を省略する場合、例えば、太陽電池モジュール２１２のように、複数の光学層４０のそれぞれを、基板５の第２面５ｂにおいて複数の第１部分Ｐ１のそれぞれの上に設けてもよいし、太陽電池モジュール２１４のように、複数の第１部分Ｐ１のそれぞれに対向する１つの光学層４０を第２面５ｂの上に設けてもよい。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第３の実施形態に係る太陽電池モジュールの一部を模式的に表す部分断面図である。
図７（ａ）に表したように、太陽電池モジュール２１６は、基板５と、複数の太陽電池１２０と、光学層４０と、反射部材４４と、を含む。反射部材４４は、基板５と光学層４０との間に設けられる。光学層４０は、反射部材４４の上に積層される。この例においても、各レンズ４０ａは、上記の（１）式を満たす。すなわち、レンズ４０ａの焦点距離は、レンズ４０ａと積層体ＳＢとの間の距離ｄの０．５倍より小さい。そして、反射部材４４が、複数の反射部４６を含む。複数の反射部４６は、セル間ギャップ、すなわち、基板５の複数の第２部分Ｐ２の位置に設けられている。

図７（ｂ）に表したように、各反射部４６は、例えば、溝部４６ａを有する凹状である。各反射部４６のＸ軸方向の幅は、第１面５ａから第２面５ｂに向かう方向において連続的に減少する。各反射部４６のＸ−Ｚ平面における断面形状は、例えば、三角形状または台形状である。この例において、各反射部４６の断面形状は、二等辺三角形状である。溝部４６ａは、第１面５ａと交差する一対の側面４６ｓを有する。側面４６ｓとＸ−Ｙ平面との成す角度α２は、例えば、５０°以上８５°以下である。各反射部４６は、例えば、Ｙ軸方向に延びる。

各反射部４６は、反射膜４６ｂを有する。反射膜４６ｂは、一対の側面４６ｓの上に設けられる。換言すれば、反射膜４６ｂは、一対の側面４６ｓを被覆する。反射膜４６ｂは、光反射性材料を含む。反射膜４６ｂには、例えば、Ａｌなどの高反射率の材料が用いられる。反射膜４６ｂには、Ａｌの他に、ＡｇやＡｕなどの各種金属、酸化物の積層膜、３Ｍ社製の反射フィルムであるビキュイティＥＳＲや麗光社のルイルミラーなどを用いてもよい。このように、反射部４６は、光反射性材料で被覆される。

光学層４０と反射膜４６ｂを有しない反射部４６とを設けた場合、各レンズ４０ａで拡散した光の一部が、側面４６ｓとの界面において全反射条件を満たさなくなってしまう。このため、反射部４６において反射膜４６ｂが設けられていない場合には、光の一部が反射部４６を透過し、セル間ギャップ部に入射してしまう。このため、光の利用効率が低下し、光電変換効率が低下してしまう。

これに対して、太陽電池モジュール２１６では、反射部４６に反射膜４６ｂを設けている。これにより、全反射条件を満たさない光も、反射膜４６ｂで反射し、太陽電池１２０のセル部に導かれる。従って、太陽電池モジュール２１６では、光の利用効率を向上させ、光電変換効率を向上させることができる。また、太陽電池モジュール２１６では、開口率を向上させることもできる。例えば、開口率を８０％〜１００％程度にすることができる。

この例では、反射膜４６ｂを反射部４６に設けているが、これに限ることなく、例えば、溝部４６ａ内に光反射性材料を充填して反射部４６としてもよい。すなわち、反射部４６は、空隙の部分を含まなくてもよい。

（第１の実施例）
太陽電池１１０において、無アルカリガラス（厚さｄ２＝０．７ｍｍ、屈折率約１．５）を基板５として用いる。スパッタ法により１５０ｎｍのＩＴＯ透明電極を第２電極１２として形成する。そしてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（型番ＡＩ４０８３）をスピンコート（回転数５０００ｒｐｍ、３０秒間）し、空気中で１４０℃、１０分間のアニールを行い、膜厚約５０ｎｍの正孔輸送層を第２中間層２２として形成する。次に、Ｎ_２ガスでパージされたグローブボックス中に試料を移動し、ｐ形半導体としてＰＣＤＴＢＴ、ｎ形半導体としてＰＣ［７０］ＢＭをジクロロベンゼンで溶解した溶液をＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ上にスピンコート（回転数２０００ｒｐｍ、６０秒間）し、７０℃、１０分間のアニールを行い、膜厚約７５ｎｍの光電変換膜３０を形成する。なおＰＣＤＴＢＴとＰＣ［７０］ＢＭの比は１：４とする。次に試料をグローブボックスから取り出し、空気中でＴｉ酸化物の前駆体をスピンコート（回転数５０００ｒｐｍ、３０秒間）し、空気中にて７０℃、１０分間のアニールを行い膜厚約５ｎｍのＴｉＯｘの電子輸送層を第１中間層２１として形成する。次に、真空蒸着法によりＡｌを約１００ｎｍ蒸着し、第１電極１１を形成する。そして、Ｎ_２雰囲気中で封止ガラスにより前述の積層構造の部分を封止し、太陽電池１１０とする。なお図１では封止ガラスの図示は省略している。

この太陽電池１１０の基板５であるガラス基板に屈折率マッチング材を介して半球形状のマイクロレンズアレイシート（ｄ１＝１００μｍ程度）を密着させ、光学層４０とする。半球レンズの半径は約１５μｍであり、（５）式のｄ（ｎ-１）／１０＝４０μｍより小さい条件を満たしている。

図８は、太陽電池の特性の測定結果の一例を表すグラフ図である。
図８は、ＡＭ１．５相当の擬似太陽光を照射した場合の太陽電池特性の測定結果の一例を表す。図８において、特性ＣＴ１は、光学層４０を設けた場合の特性の測定結果の一例である。特性ＣＴ２は、光学層４０を設けていない場合の特性の測定結果の一例である。

図８に表したように、光学層４０を設けることにより、光電流が増加する。光学層４０がない場合、短絡電流密度は、９．６ｍＡ／ｃｍ^２であり、変換効率は、４．９％である。これに対して、光学層４０を設けている場合、短絡電流密度は、１０．４ｍＡ／ｃｍ^２であり、変換効率は、５．３％であり、約１．０８倍に向上できる。

光学層４０の各レンズ４０ａは、半球状の凸構造のみならず、半球状の凹構造、シリンドリカル形状の凸構造や凹構造などを適用してもよい。各形状において、光電変換膜３０内で集光しないように形状を決定する。これにより、光電変換効率を向上できる。

（比較例）
第１の実施例と同様の太陽電池セルに半径３５０μｍの半球レンズを複数持つ光学層を屈折率マッチング材を介して密着させる。ここで光学層の支持体の厚さは約０．３ｍｍである。表１に光学層がある場合と、ない場合の変換効率を示すように、光学層がない場合の５％に比べて、光学層があると４．４％とむしろ変換効率が低下する。光学層や基板の厚さと半球レンズの焦点距離の関係が、２ｆ＜ｄを満たさず、光電変換膜内で集光されてしまうため、変換効率が低下すると考えられる。

（第２の実施例）
次に、太陽電池モジュール２１０の実施例について説明する。
本実施例で用いた光学層４０および太陽電池１２０の積層体ＳＢは第１の実施例と同様であるが、成膜方法が異なる。すなわち、第２の実施例では、基板５とアプリケータの間隙にインクを供給し、基板５もしくはアプリケータを移動させることにより短冊形状のコーティングを行うメニスカス塗布法により各種中間層２１、２２、光電変換膜３０を形成する。

基板５の第２面５ｂにおいて複数の第２部分Ｐ２のそれぞれの上に、三角形状の断面の反射部材４２を設ける。反射部材４２は、アクリルやポリカーボネートといった基材にＡｌなどの金属膜を設けたものである。これにより第２面５ｂ側から入射された光はセル部に導かれ、実質的な開口率が向上する。ここで、セル部の幅（第１部分Ｐ１の幅）は１４ｍｍ、セル間ギャップ領域の幅（第２領域Ｐ２の幅）は１ｍｍである。

また、基板５の第２面５ｂにおいて複数の第１部分Ｐ１のそれぞれの上に、光学層４０が設けられる。光学層４０には、半球形状の複数のレンズ４０ａが設けられる。前述のように、第２部分Ｐ２と、第２部分Ｐ２に最も近いレンズ４０ａと、の間のＸ軸方向の距離をＬ１が、Ｌ１＞ｄ（ｎ−１）−２ｒ１の関係式を満たすように、各レンズ４０ａが配置される。これにより、セル間ギャップ部に拡散光が入射してしまうことを抑制できる。ここで、ｄ（ｎ-１）−２ｒ１＝０．３７ｍｍとなり、Ｌ１の長さが０．３７ｍｍ以上となるような位置にレンズ４０ａの端部が配置されるように光学層４０を設ける。

表２にＬ１の長さが０の場合と、Ｌ１の長さが０．４ｍｍの場合の短絡電流密度と変換効率を示す。表２より分かるようにＬ１の長さを０．４ｍｍとすることにより、短絡電流密度および変換効率を向上させることができる。

（第３の実施例）
次に、太陽電池モジュール２１６の実施例について説明する。
第１の実施例と同様の太陽電池の積層体ＳＢをメニスカス塗布法により作製する。太陽電池モジュール２１６では、セル間ギャップ部の上方に三角形状の反射部４６が設けられている。反射部４６はアクリルやポリカーボネートといった基板５に三角形状の溝部４６ａを設け、その溝部４６ａの側面４６ｓをＡｌ薄膜で被覆したものである。ここで、反射膜４６ｂの厚みは５ｍｍ、溝部４６ａの底辺の長さは１ｍｍ、高さは０．６ｍｍである。また、基板５の第２面５ｂの上に、光学層４０が設けられる。第２面５ｂ側から反射部４６に入射した光は、反射膜４６ｂで反射され、セル部に導かれる。これにより、実質的な開口率が向上する。ここで、第２の実施例と同様にセル部の幅は１４ｍｍ、セル間ギャップ領域の幅は１ｍｍである。

表３に反射部４６にＡｌの反射膜４６ｂがない場合とある場合の短絡電流密度と変換効率を示すように、反射膜４６ｂを設けることにより、短絡電流密度と変換効率を向上させることができる。

（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態に係る太陽光発電パネルを模式的に表す平面図である。
図９に表したように、太陽光発電パネル３１０は、複数の太陽電池モジュール２１０を有する。この例において、太陽光発電パネル３１０は、Ｘ軸方向に３個ずつ、Ｙ軸方向に４個ずつ並べられた計１２個の太陽電池モジュール２１０を有する。太陽電池モジュール２１０の一辺の長さは、３０ｃｍ程度である。太陽光発電パネル３１０の大きさは、例えば、１ｍ×１．２ｍ程度である。複数の太陽電池モジュール２１０は、直列または並列に接続される。これにより、太陽光発電パネル３１０が、所定の電圧及び電流を出力する。このように、太陽電池モジュール２１０は、複数の太陽電池モジュール２１０を電気的に接続した太陽光発電パネル３１０として用いてもよい。太陽光発電パネル３１０に含まれる太陽電池モジュール２１０の数及び配列は、任意に設定すればよい。

実施形態によれば、高光電変換効率の太陽電池及び太陽電池モジュールが提供される。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。本願明細書において、「上に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて設けられる状態も含む。「積層される」状態は、互いに接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる状態も含む。「対向する」状態は、直接的に面する状態の他に、間に別の要素が挿入されて面する状態も含む。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。
しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、太陽電池及び太陽電池モジュールに含まれる、基板、積層体、第１電極、第２電極、光電変換膜、光学層、レンズ、反射部材及び反射部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した太陽電池及び太陽電池モジュールを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての太陽電池及び太陽電池モジュールも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５…基板、 ５ａ…第１面、 ５ｂ…第２面、 １１…第１電極、 １２…第２電極、 ２１…第１中間層、 ２２…第２中間層、 ３０…光電変換膜、 ３０ｆ…ｐｎ接合面、 ３０ｎ…第１半導体層、 ３０ｐ…第２半導体層、 ４０…光学層、 ４０ａ…レンズ、 ４０ｂ…支持体、 ４２…反射部材、 ４２ａ…基材、 ４２ｂ…反射膜、 ４４…反射部材、 ４６…反射部、 ４６ａ…溝、 ４６ｂ…反射膜、 ５０…封止膜、 １１０、１１２、１２０…太陽電池、 ２１０、２１２、２１４、２１６…太陽電池モジュール、 ３１０…太陽光発電パネル、 Ｃｅ…電子、 Ｃｈ…正孔、 ＥＸ…エキシトン、 Ｌｉｎ…光、 ＳＢ…積層体

Claims (5)

1. 光透過性の基板と、
   前記基板に設けられる積層体であって、第１電極と、光電変換膜と、光透過性の第２電極と、を含む積層体と、
   前記基板に設けられる光学層と、
   を備え、
   前記光学層は、半球状の複数のレンズを有し、
   前記レンズの焦点距離は、前記レンズと前記積層体との間の距離の０．５倍よりも短く、
   前記光電変換膜は、前記積層体の積層方向である第１方向において前記複数のレンズの前記１つと重なる第１の部分と、前記複数のレンズの別の１つと前記複数のレンズの前記１つとの間の間隙部分と前記第１方向において重なる第２の部分と、を含み、
   前記複数のレンズの前記１つに入射した光は、前記第１の部分と前記第２の部分とに前記複数のレンズの前記１つのレンズ効果により入射する、太陽電池。
2. 前記レンズの半径をｒ１とし、
   前記レンズと前記積層体との間の距離をｄとし、
   前記基板の屈折率をｎとするとき、
   前記半径ｒ１は、ｒ１＜ｄ（ｎ−１）／２の関係を満たす請求項１記載の太陽電池。
3. 光透過性の基板と、
   前記基板に設けられる複数の積層体であって、第１電極と、光電変換膜と、光透過性の第２電極と、を含む複数の積層体と、
   前記基板に設けられる光学層と、
   を備え、
   前記複数の積層体は、互いに電気的に接続され、
   前記光学層は、半球状の複数のレンズを有し、
   前記レンズの焦点距離は、前記レンズと前記積層体との間の距離の０．５倍よりも短く、
   前記光電変換膜は、前記積層体の積層方向である第１方向において前記複数のレンズの前記１つと重なる第１の部分と、前記複数のレンズの別の１つと前記複数のレンズの前記１つとの間の間隙部分と前記第１方向において重なる第２の部分と、を含み、
   前記複数のレンズの前記１つに入射した光は、前記第１の部分と前記第２の部分とに前記複数のレンズの前記１つのレンズ効果により入射する、太陽電池モジュール。
4. 複数の反射部材をさらに備え、
   前記光学層は、複数設けられ、
   前記第１方向に対して垂直な方向を第２方向とするとき、
   前記複数の積層体は、前記第２方向に並び、
   前記反射部材と前記レンズを前記第１方向に対して垂直な平面に投影したときの、前記レンズの前記第２方向の端部と、前記反射部材の第２方向の端部と、の間の距離をＬ１とし、
   前記レンズの半径をｒ１とし、
   前記レンズと前記積層体との間の前記第１方向の距離をｄとし、
   前記基板の屈折率をｎとするとき、
   前記複数の光学層は、Ｌ１＞ｄ（ｎ−１）−２ｒ１の関係式を満たす請求項３記載の太陽電池モジュール。
5. 前記基板と前記光学層との間に設けられた反射部材をさらに備え、
   前記反射部材は、溝部を有する複数の反射部を有し、
   前記反射部は、光反射性材料で被覆されている請求項３記載の太陽電池モジュール。

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