JP6091883B2 - 集光体及び太陽電池 - Google Patents
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Description
実施形態は、集光体及び太陽電池に関する。
再生可能エネルギーの１つに太陽光発電があるが、現在はまだ普及率は低い。太陽光発電を更に普及させるには高効率化と低コスト化が有効である。現在実用化されている太陽電池は、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、ＣＩＧＳ、ＣｄＴｅが知られている。ただし、いずれも単接合タイプの太陽電池であるため、効率の理論上限値は３０％に止まる。
高効率化と低コスト化を両立可能な、将来の太陽電池候補として、集光型太陽電池が提案されている。長所は、高効率で、集光するためパネル面積を小さくできる点である。しかしながら、短所は、集光用にレンズや反射鏡を用いるため、集光体の構造が複雑で重く大きく、さらに太陽光の追尾装置も必要であるため、現状では、期待とは逆に、発電コストは極めて高いという問題があった。
実施形態の集光体及び太陽電池は、低コストな集光体及び太陽電池を提供することを目的とする。
実施形態の集光体は、第１の高屈折率層と、第１の低屈折率層と、第２の高屈折率層が順に積層することを特徴とする。また。第１の高屈折率層の第１の低屈折率層側の面は、周期的凹凸領域を有する。第１の高屈折率層の第１の低屈折率層側とは反対側の面は、光入射面である。第１の低屈折率層の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、第１の低屈折率層の屈折率は、１．３以下であり、第２の高屈折率層の屈折率は、１．８以上であることが好ましい。そして、第１の高屈折率層から入射した光は、第１の低屈折率層を通過し、第２の高屈折率層の第１の低屈折率層側とは反対側の面で全反射し、全反射した光は、第２の高屈折率層の第１の低屈折率層側の面で全反射モードとスロット導波路モードの光に分光し、全反射した全反射モードの光は、再び第２の高屈折率層の第１の低屈折率層側とは反対側の面で全反射と全反射モードとスロット導波路モードの光に分光することを繰り返し、スロット導波路モードの光は、第１の低屈折率層を伝搬する。さらに、後述するように、集光体を積層する場合は、第２の高屈折率層と接し、第１の低屈折率層と接する側とは反対側に、第２の低屈折率層を有する。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。図中の構成部材の大きさは、実際の部材の大きさの関係を正確に表していないものが含まれる。凹凸領域以外の特記しない場合、高屈折率層及び低屈折率層は、光透過性が高く、凹凸が無い平らな層である。また、屈折率は、波長が４００ｎｍの光に対しての値である。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る集光体１００の断面概念図である。集光体１００は、第１の高屈折率層１と、第１の低屈折率層２と、第２の高屈折率層３が順に積層し、第１の高屈折率層の第１の低屈折率層側の面は、周期的凹凸領域４を有する。第２の高屈折率層３の第１の低屈折率層２が積層した面とは反対側の面に、空気層又は第２の低屈折率層６を有する。なお、第１の高屈折率層１、第１の低屈折率層２、第２の高屈折率層３と第２の低屈折率層６（又は空気層）の屈折率は、それぞれ、ｎＨ１、ｎＳ１、ｎＨ２とｎＳ２で表す。凹凸高さをＨＡ、板状領域厚さをＨＢ、第１の低屈折率層の厚さをＨＣで表す。
図１は、第１の実施形態に係る集光体１００の断面概念図である。集光体１００は、第１の高屈折率層１と、第１の低屈折率層２と、第２の高屈折率層３が順に積層し、第１の高屈折率層の第１の低屈折率層側の面は、周期的凹凸領域４を有する。第２の高屈折率層３の第１の低屈折率層２が積層した面とは反対側の面に、空気層又は第２の低屈折率層６を有する。なお、第１の高屈折率層１、第１の低屈折率層２、第２の高屈折率層３と第２の低屈折率層６（又は空気層）の屈折率は、それぞれ、ｎＨ１、ｎＳ１、ｎＨ２とｎＳ２で表す。凹凸高さをＨＡ、板状領域厚さをＨＢ、第１の低屈折率層の厚さをＨＣで表す。
第１の高屈折率層１は、外部からの光が入射する層である。第１の高屈折率層１は、第１と第２の主面側の領域で構成され、第１の主面側に板状領域５を、第２の主面側に周期的凹凸領域４を有する。第２の主面側には、第１の低屈折率層２が接している。第１の高屈折率層１の屈折率であるｎＨ１は、第１の低屈折率層２の屈折率であるｎＳ１よりも高い（ｎＨ１＞ｎＳ１）。ｎＨ１は、例えば、１．５以上が好ましく、また、ｎＳ１の１．５倍以上が好ましい。第１の高屈折率層１は、例えば、ガラスや樹脂等を用いることができる。
周期的凹凸領域４は、第１の高屈折率層１の第１の主面から入射した光を周期的凹凸領域４で回折する。周期的な凹凸は、例えば、回折格子形状が挙げられる。回折格子の形状としては、種々のパターンを使用することができるが、その中でも、ドットが並んだ２次元パターンが好ましい。周期的凹凸領域４の凹凸形状は、回折格子として利用される形状であればよく、例えば、三角格子、四角格子、立方格子、１次元パターン等の形状が挙げられる。なお、凹部は、真空、空気又は低屈折率物質の領域である。なお、凹部が低屈折率物質の場合、その屈折率は、第１の高屈折率よりも低い屈折率であればよい。
周期的凹凸領域４の周期であるピッチ、凹凸高さ、第１の低屈折率層２の厚さ等によって、集光体１００が回折し集光する波長帯域が変化するが、回折し集光する波長帯域から周期的凹凸領域４の周期のピッチを略設計することができる。具体例としては、回折し集光する波長をλ（設計波長）とすると、周期的凹凸領域４のピッチΓは、０．７λ≦Γ≦１．５λの範囲とすることができる。
周期的凹凸領域４の凹凸高さＨＡは、高すぎると製造コストの観点から好ましくなく、回折効率の観点からも好ましくない。周期的凹凸領域４の凹凸高さＨＡは、例えば、ピッチが４６０ｎｍのとき、３００ｎｍ、ピッチが８８０ｎｍのとき５７０ｎｍとすることができる。
凹凸高さは、例えば、ハーフピッチの１．３倍程度が望ましい。これはＲＣＷＡ（ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｕｐｌｅｄ ｗａｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ）等の光学シミュレーション、および実験的に得られた数値である
凹凸高さは、例えば、ハーフピッチの１．３倍程度が望ましい。これはＲＣＷＡ（ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｕｐｌｅｄ ｗａｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ）等の光学シミュレーション、および実験的に得られた数値である
第１の低屈折率層２は、第１の高屈折率層１と第２の高屈折率層３の間に設けられる。ｎＳ１は、ｎＨ１及び第２の高屈折率層３の屈折率であるｎＨ２よりも低い（ｎＳ１＜ｎＨ１、ｎＳ１＜ｎＨ２）。ｎＳ１は、例えば、１．３以下である。第１の低屈折率層２は、例えば、ガラスや樹脂等を用いることができる。第１の低屈折率層２の厚さＨＣは、例えば、１０ｎｍ≦ＨＣ≦２００ｎｍを満たすことが好ましい。
第２の高屈折率層３は、第１の低屈折率層２の第１の高屈折率層１が設けられる面とは反対側の面に設けられる。ｎＨ２は、ｎＳ１より高い。第２の高屈折率層３の第１の低屈折率層２が設けられる反対側の面は、開放面として空気がある又は第２の低屈折率層６を設けることができる。第２の低屈折率層６の屈折率であるｎＳ２は、ｎＨ２より低い。第２の高屈折率層３は、空気及び第２の低屈折率層６よりも屈折率が高い。第２の高屈折率層３の屈折率は、例えば、１．５以上である。第２の高屈折率層３と第１の低屈折率層２の屈折率の差が大きいと集光率の観点から好ましい。従って、第２の高屈折率層３の屈折率は、例えば、１．８以上が好ましい。第２の高屈折率層３は、全反射の作用を利用して、光を伝搬する。
第２の低屈折率層６は、上述の通り、省略することができる。省略した場合は、空気層が第２の低屈折率層６と同様の機能を有する層となる。
実施形態の集光体１００は、図２の概念図に示すように、第１の高屈折率層１に入射した光は、２つの光伝搬モードを有する。図２と３のｘ軸とｚ軸は共通する。１つ目の光伝搬モードは、実線で示す第２の高屈折率層３中を伝搬する全反射モードである。２つ目の光伝搬モードは、破線で示す第１の低屈折率層２中を伝搬するスロット導波路モードである。
図３のベクトル図は、図２のパネル集光体をモデルに、図２の破線及び実線で示す集光体内部の光の伝搬モードを計算した結果である。計算より、伝搬モードは明確に２つ存在し、１つは光の波長よりも狭い低屈折率層を伝搬するスロット導波路モード、もう１つは低屈折率層に挟まれた内側の高屈折率層を伝搬する全反射モードが存在することが判った。計算条件は、ｎH1＝１．８６、ｎS1＝１．１、ｎH2＝１．８６、HA＝３００ｎｍ、ＨＣ＝３０ｎｍ、Γ＝４６０ｎｍであり、ＲＣＷＡで計算した。
図２に示す周期的凹凸領域４にて回折した光は、第１の低屈折率層２を通過し、第２の高屈折率層３の第２の低屈折率層６側の面で全反射する。全反射した光は、第２の高屈折率層３の第１の低屈折率層２側の面で全反射モードの光とスロット導波路モードの光に分波する。その後もモード間の合波・分波を繰り返しながら集光体内を伝搬し、最終的に集光体１００の端部に達すると考えられる。
なお、計算からは、一度パネル集光体内に閉じ込められた光は、ロス少なく伝搬することが示された。また、第２の低屈折率層ではスロット導波路モードは生じないことが示された。
なお、計算からは、一度パネル集光体内に閉じ込められた光は、ロス少なく伝搬することが示された。また、第２の低屈折率層ではスロット導波路モードは生じないことが示された。
回折した光が全反射モードで光伝搬するために、例えば、以下の条件を満たすことが好ましい。回折角度をθｍ（＝ｓｉｎ−１（ｍ・λ／Γ）（ｍ＝±１、±２…））とすると、第１の低屈折率層２と第２の高屈折率層３との界面で全反射するために、θｍ≧ｓｉｎ−１（ｎＨ２／ｎＳ１）を満たすことが好ましい。また、第２の低屈折率層６と第２の高屈折率層３との界面で全反射するために、θｍ≧ｓｉｎ−１（ｎＨ２／ｎＳ２）を満たすことが好ましい。
上記条件を満足することで，入射光のうち、０．７λ＜Γ＜１．５λの範囲にある波長の入射光については、ほぼ１００％回折させ、集光することが可能となる。
上記条件を満足することで，入射光のうち、０．７λ＜Γ＜１．５λの範囲にある波長の入射光については、ほぼ１００％回折させ、集光することが可能となる。
スロット導波路とは、高屈折率領域中又は間に設けられた低屈折率領域（または真空、または大気を含むガス雰囲気）からなり、光の波長サイズより遥かに狭いナノメータースケールの導波路のことを指す（文献１； Ｖ． Ｒ． Ａｌｍｅｉｄａ， Ｑ． Ｘｕ， Ｃ． Ａ． Ｂａｒｒｉｏｓ， ａｎｄ Ｍ． Ｌｉｐｓｏｎ， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ， ２９， １２０９（２００４）、文献２； Ｖ． Ｒ． Ａｌｍｅｉｄａ， Ｑ． Ｘｕ， Ｃ． Ａ． Ｂａｒｒｉｏｓ， ａｎｄ Ｍ． Ｌｉｐｓｏｎ， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ， ２９， １２０９（２００４））。本構成は第１の高屈折率層１と第１の低屈折率層２と第２の高屈折率層３が積層した構成に相当する。スロット導波路現象は、ＴＥモードの光（図１の構造では、光電場が低屈折率領域／高屈折率領域界面に対して垂直な光）が、選択的に、低屈折率のスロット導波路に強く閉じ込められながら伝播する現象である。
本現象の本質は、マックスウェル方程式を満たすために、図４の低屈折率領域／高屈折率領域界面の法線方向に関して、光電場ではなく、電束が保存する点にある。ｎＳ、ｎＨをそれぞれ低屈折率領域と高屈折領域の屈折率とし、εＳ（≒ｎＳ ２）、εＨ（≒ｎＨ ２）をそれぞれ低屈折率領域と高屈折領域の誘電率とし、ＥＳ、ＥＨを界面における低屈折率側光電場と高屈折率側光電場とすると、電束Ｄ＝εＳ・ＥＳ＝εＨ・ＥＨとなる。従って、ＥＳ＝ＥＨ（εＨ／εＳ）≒ＥＨ（ｎＨ／ｎＳ）２となり、界面の低屈折率側の光電場は、高屈折率側に対して（ｎＨ／ｎＳ）２倍に増大する。
この光電場増大は屈折率界面だけに生ずる現象であり、界面から離れると低屈折率側の光電場は急速に減衰する。要するに、低屈折率側の光電場は屈折率界面のエバネッセント場の一種である。ところが、スロット導波路では低屈折領域が非常に狭いために、２つの屈折率界面の光電場増強効果が足し合わされ、低屈折率領域に強く閉じ込められた伝搬モードが形成されるという点で急速に減衰するエバネッセント光とは異なる。以上のことから、第１の低屈折率層２の厚さは、２００ｎｍ以下が好ましい。なお、集光されなかった波長の光は、集光体１００を透過する。
実施形態の集光体１００を分析し、その第１の高屈折率層１の凹凸が確認できる断面をＳＥＭで観察することで、その構造を知ることができる。また、２つの光伝搬モードの有無は、集光体端部からの放射パターン（配光分布とも呼ばれる）によって確認することができる。２つの光伝搬モードが存在することは、集光体端部からの放射パターンで確認することが可能であり、０次光がスロット導波路モードであり、１次光以上が全反射モードである。
［製造方法］
次に、実施形態の集光体１００の製造方法について説明する。図５（Ａ）から（Ｇ）は、インプリント技術による１組のパネル集光体の作製フローの模式図である。実施形態の集光体１００は、光を回折する上層部分である第１の高屈折率層１と、回折光を全反射してスロット導波路に誘導する下層部分（第１の低屈折率層２〜第２の低屈折率層６）を分割して作り、後で一体化する製法を用いている。
次に、実施形態の集光体１００の製造方法について説明する。図５（Ａ）から（Ｇ）は、インプリント技術による１組のパネル集光体の作製フローの模式図である。実施形態の集光体１００は、光を回折する上層部分である第１の高屈折率層１と、回折光を全反射してスロット導波路に誘導する下層部分（第１の低屈折率層２〜第２の低屈折率層６）を分割して作り、後で一体化する製法を用いている。
上層部分の回折格子形成にはインプリント技術を用いる。具体的には、高屈折率ガラス基板を融点近くまで熱して柔らかい状態にし（Ａ）、回折格子の金型を押し当てて直接パターン成形するか、または高屈折率ガラス上にレジスト層を設けて、一旦、この層にパターン転写し、レジストパターン（ハードマスクにパターン転写する場合も含む）をマスクに、ガラスをエッチングでパターン形成する（図５（Ｂ）は直接パターン形成のみ示す）。パターンが成形された部材を金型と分離して、反転させる（Ｃ）。一方、下層部分は、高屈折率ガラス基板（Ｄ）に低屈折率層を高屈折率ガラスの表裏に塗布やその他の方法で形成する（Ｅ）、（Ｆ）。こうして作製した上層と下層と接合する（Ｇ）ことで、一組のパネル集光体を作製することができる。
［第２の実施形態］
図６に、第２の実施形態の積層型集光体２００の断面概念図を示す。積層型集光体２００は、第１の実施形態と同様の集光体１００Ａ、１００Ｂと１００Ｃが積層した形態である。積層した集光体１００Ａ−Ｃの構成は、第１の実施形態と共通することに関してはその説明を省略する。積層した集光体１００Ａ−Ｃはそれぞれが、別の波長帯の光を集光する構成となっている。集光する波長帯を変えるためには、第１の高屈折率層１Ａ−Ｃの周期的凹凸領域４Ａ−Ｃのピッチ等を変えればよい。周期的凹凸領域４Ａ−Ｃのピッチを変えることで、第１の実施形態の集光体１００よりも広い波長帯の光を集光することができる。
図６に、第２の実施形態の積層型集光体２００の断面概念図を示す。積層型集光体２００は、第１の実施形態と同様の集光体１００Ａ、１００Ｂと１００Ｃが積層した形態である。積層した集光体１００Ａ−Ｃの構成は、第１の実施形態と共通することに関してはその説明を省略する。積層した集光体１００Ａ−Ｃはそれぞれが、別の波長帯の光を集光する構成となっている。集光する波長帯を変えるためには、第１の高屈折率層１Ａ−Ｃの周期的凹凸領域４Ａ−Ｃのピッチ等を変えればよい。周期的凹凸領域４Ａ−Ｃのピッチを変えることで、第１の実施形態の集光体１００よりも広い波長帯の光を集光することができる。
第２の実施形態の積層型集光体２００は、３部の集光体を積層した構成であるが、積層する数は２部以上であればよい。また、一般に短い波長帯の光ほど物質による吸収や散乱の影響を受けやすい点から、入射光側の集光体１００Ａがもっとも短い波長帯の光を集光し、集光体１００Ｂ、集光体１００Ｃの順に長い波長帯の光を集光することが好ましい。
［第３の実施形態］
実施形態は、集光された光の光路上に光電変換素子を設け、集光された光を光電変換素子に導く形態の太陽電池３００である。図７に、第３の実施形態の太陽電池３００の断面概念図を示す。太陽電池３００は、第１の実施形態の集光体１００の端部に光電変換素子３０１を設けた形態である。光電変換素子３０１は、光を電気エネルギーに変えるものを用いることができる。図７の概念図では、集光体１００の導波路の両端に光電変換素子３０１を設けているが、一方の端部に、光電変換素子３０１を、もう一方の端部には、反射板を設けることができる。集光体１００の端部のうち、第１の低屈折率層２と第２の高屈折率層３の端部に少なくとも光電変換素子３０１を設ければ良い。
実施形態は、集光された光の光路上に光電変換素子を設け、集光された光を光電変換素子に導く形態の太陽電池３００である。図７に、第３の実施形態の太陽電池３００の断面概念図を示す。太陽電池３００は、第１の実施形態の集光体１００の端部に光電変換素子３０１を設けた形態である。光電変換素子３０１は、光を電気エネルギーに変えるものを用いることができる。図７の概念図では、集光体１００の導波路の両端に光電変換素子３０１を設けているが、一方の端部に、光電変換素子３０１を、もう一方の端部には、反射板を設けることができる。集光体１００の端部のうち、第１の低屈折率層２と第２の高屈折率層３の端部に少なくとも光電変換素子３０１を設ければ良い。
光電変換素子３０１としては、例えば、シリコン系、化合物系、有機系、量子ドット系や多接合型のものを用いることが好ましい。集光体１００の周期的凹凸領域４等の設計により、集光する波長帯が定められる。光電変換素子３０１としては、集光体１００が集光する波長帯の光を効率良く電気に変換するために、好適なバンドギャップの光吸収層を有するものが好ましい。
集光体１００の厚さは薄く、例えば数ミリメートルの厚さとすることができるため、集光体１００の受光面積に対し、変換効率を下げずに光電変換素子３０１の受光面積を大きく減らすことができる。
光電変換素子３０１は、高温になることによって、その発電量が低下する場合がある。実施形態の太陽電池３００は、集光波長帯の光のみが光電変換素子３０１に到達するため、光電変換素子を発熱させる近赤外線波長域１３００ｎｍよりも長波長領域の光は、光電変換素子３０１に入射しないようにすることができる。光電変換素子３０１を温める波長帯の光が光電変換素子３０１に到達しない構成とすることで、温度上昇に伴う発電量の低下を防ぐことができる。
［第４の実施形態］
図８に、第４の実施形態の太陽電池４００の断面概念図を示す。太陽電池４００は、第２の実施形態の積層型集光体２００の端部に光電変換素子４０１を設けたものである。上記実施形態と共通する構成については、その説明を省略する。
図８に、第４の実施形態の太陽電池４００の断面概念図を示す。太陽電池４００は、第２の実施形態の積層型集光体２００の端部に光電変換素子４０１を設けたものである。上記実施形態と共通する構成については、その説明を省略する。
積層型の集光体２００を用いるため、集光可能な波長帯が広がることで、光電変換素子４０１に伝搬可能な波長帯が広がる。従って、太陽電池４００は、発電効率を向上させることができる。
［第５の実施形態］
図９に、第５の実施形態の太陽電池５００の断面概念図を示す。太陽電池５００は、第２の実施形態の積層型集光体２００の端部にバンドギャップの異なる光電変換素子５０１Ａ−Ｃを設けたものである。光電変換素子５０１Ａのバンドギャップを、集光体１００Ａの集光波長帯と適合させることができる。適合させるには、光電変換素子５０１Ａ−Ｃの各周期的凹凸形状４のピッチをΓＡ、ΓＢ、ΓＣ、各光電変換素子の吸収端波長をλＡ、λＢ、λＣとするとき、各ピッチの大小関係と各吸収端波長の大小関係は対応する。例えば、ΓＡ＜ΓＢ＜ΓＣの場合、λＡ≦λＢ≦λＣが成り立つ。
図９に、第５の実施形態の太陽電池５００の断面概念図を示す。太陽電池５００は、第２の実施形態の積層型集光体２００の端部にバンドギャップの異なる光電変換素子５０１Ａ−Ｃを設けたものである。光電変換素子５０１Ａのバンドギャップを、集光体１００Ａの集光波長帯と適合させることができる。適合させるには、光電変換素子５０１Ａ−Ｃの各周期的凹凸形状４のピッチをΓＡ、ΓＢ、ΓＣ、各光電変換素子の吸収端波長をλＡ、λＢ、λＣとするとき、各ピッチの大小関係と各吸収端波長の大小関係は対応する。例えば、ΓＡ＜ΓＢ＜ΓＣの場合、λＡ≦λＢ≦λＣが成り立つ。
集光体１００Ａ−Ｃと光電変換素子５０１Ａ−Ｃをそれぞれ、集光波長帯とバンドギャップを適合させることで、太陽電池５００は、発電効率を更に向上させることができる。
［第６の実施形態］
図１０に第６の実施形態の太陽電池６００の断面概念図を示す。太陽電池６００は、集光体の端部ではなく、光導波路中に光電変換素子６０１を設けた形態である。光電変換素子６０１の両側から入射した光が光電変換される構成になっている。集光体１００の端部以外に、光電変換素子６０１を設けても、高効率に発電することができる。また、目的とする位置に集光するために、図１０に示すように、集光体の導波路上に反射板７を設けることができる。
図１０に第６の実施形態の太陽電池６００の断面概念図を示す。太陽電池６００は、集光体の端部ではなく、光導波路中に光電変換素子６０１を設けた形態である。光電変換素子６０１の両側から入射した光が光電変換される構成になっている。集光体１００の端部以外に、光電変換素子６０１を設けても、高効率に発電することができる。また、目的とする位置に集光するために、図１０に示すように、集光体の導波路上に反射板７を設けることができる。
［第７の実施形態］
図１１に第７の実施形態の太陽電池７００の断面概念図を示す。太陽電池７００は、集光体１００Ａと、集光体１００Ａの光路上に集光された光を反射する反射板７と、反射された光が入射する光電変換素子７０１と、集光体１００Ａを配置する支持材８とを備える。太陽電池７００は、反射板７で集光された光を反射することにより光電変換素子７０１に光を導く形態である。反射板７や光電変換素子７０１の角度や位置は、光路に応じて設計し配置することができる。なお、光電変換素子７０１に光を入射させやすくするために、集光体１００Ａの端部は傾斜面であってもよい。本実施の形態は、上述の利点に加え、反射板７や光電変換素子７０１の配置に余裕を持たせると、集光体１００の位置が設計より所要の範囲内であれば、設計した効果を得ることができ、量産時に歩留まり良く生産できるという利点を有する。本形態であれば、集光体１００の端部に光電変換素子７０１を形成することが困難な場合や光電変換素子７０１の位置決め精度が得られにくい又はコストがかかる場合などにも有用である。
図１１に第７の実施形態の太陽電池７００の断面概念図を示す。太陽電池７００は、集光体１００Ａと、集光体１００Ａの光路上に集光された光を反射する反射板７と、反射された光が入射する光電変換素子７０１と、集光体１００Ａを配置する支持材８とを備える。太陽電池７００は、反射板７で集光された光を反射することにより光電変換素子７０１に光を導く形態である。反射板７や光電変換素子７０１の角度や位置は、光路に応じて設計し配置することができる。なお、光電変換素子７０１に光を入射させやすくするために、集光体１００Ａの端部は傾斜面であってもよい。本実施の形態は、上述の利点に加え、反射板７や光電変換素子７０１の配置に余裕を持たせると、集光体１００の位置が設計より所要の範囲内であれば、設計した効果を得ることができ、量産時に歩留まり良く生産できるという利点を有する。本形態であれば、集光体１００の端部に光電変換素子７０１を形成することが困難な場合や光電変換素子７０１の位置決め精度が得られにくい又はコストがかかる場合などにも有用である。
［第８の実施形態］
図１２に第８の実施形態の太陽電池８００の断面概念図を示す。太陽電池８００は、３つの集光体１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃが積層し、集光体１００Ａと１００Ｂに対応するワイドギャップ光吸収層を有する光電変換素子８０１Ａを、集光体１００Ｃに対応するナローギャップ光吸収層を有する光電変換素子８０１Ｂを有すること以外は第７の実施形態と同様である。集光体１００Ａと１００Ｂは、短波長帯域の光を集光し、集光体１００Ｃは、長波長帯域の光を集光することができる。それぞれの集光体で集光された光は、好適な光電変換素子８０１にて電気エネルギーに変換される。集光体を積層した形態においても、上述の実施形態と同様の利点を有する。
以下、実施例により、実施形態の週交代ならびに太陽電池に監視、より具体的に説明する。
図１２に第８の実施形態の太陽電池８００の断面概念図を示す。太陽電池８００は、３つの集光体１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃが積層し、集光体１００Ａと１００Ｂに対応するワイドギャップ光吸収層を有する光電変換素子８０１Ａを、集光体１００Ｃに対応するナローギャップ光吸収層を有する光電変換素子８０１Ｂを有すること以外は第７の実施形態と同様である。集光体１００Ａと１００Ｂは、短波長帯域の光を集光し、集光体１００Ｃは、長波長帯域の光を集光することができる。それぞれの集光体で集光された光は、好適な光電変換素子８０１にて電気エネルギーに変換される。集光体を積層した形態においても、上述の実施形態と同様の利点を有する。
以下、実施例により、実施形態の週交代ならびに太陽電池に監視、より具体的に説明する。
（実施例１）
本実施形態は、図７に示した集光パネルを具体化した例である。すなわち、本実施形態は、パネルサイズは１２５ｍｍ角×厚さ１．４ｍｍである。第１の高屈折率層の屈折率が１．８（＠１０００ｎｍ）−１．９（＠４００ｎｍ）で、回折格子のピッチは４６０ｎｍ、高さ３００ｎｍからなる三角格子のピラー構造である。、回折格子直下のスロット導波路となる第１の低屈折率層の屈折率が１．１（＠１０００ｎｍ）−１．２（＠４００ｎｍ）で、厚みは３０ｎｍ、第１の低屈折率層下の第２の高屈折率層の屈折率が１．８（＠１０００ｎｍ）−１．９（＠４００ｎｍ）で、厚みは０．７ｍｍ、第２の高屈折率層下は、空気層（第２の低屈折率層）とした。
本実施形態は、図７に示した集光パネルを具体化した例である。すなわち、本実施形態は、パネルサイズは１２５ｍｍ角×厚さ１．４ｍｍである。第１の高屈折率層の屈折率が１．８（＠１０００ｎｍ）−１．９（＠４００ｎｍ）で、回折格子のピッチは４６０ｎｍ、高さ３００ｎｍからなる三角格子のピラー構造である。、回折格子直下のスロット導波路となる第１の低屈折率層の屈折率が１．１（＠１０００ｎｍ）−１．２（＠４００ｎｍ）で、厚みは３０ｎｍ、第１の低屈折率層下の第２の高屈折率層の屈折率が１．８（＠１０００ｎｍ）−１．９（＠４００ｎｍ）で、厚みは０．７ｍｍ、第２の高屈折率層下は、空気層（第２の低屈折率層）とした。
図１３は、集光率と波長の入射角依存性を示す。図より、１００％近い効率で面内光に変換して集光できる波長帯が存在することが判り、斜入射光も集光可能なことが判る。集光できる波長帯は回折格子で回折される波長帯とほぼ一致するため、集光波長範囲は回折格子のピッチを変えることで制御可能である。なお、集光されない波長帯の光はパネル集光体を透過する。
（実施例２）
本実施形態は、集光パネルを用い、図１１の集光型太陽電池を具体化した例である。太陽電池には、ウエハ状の結晶Ｓｉ太陽電池を切断して用い、パネル集光体の端部に配置した。パネル集光体は、１２５ｍｍ角×高さ１０ｍｍであり、さらに端部にミラーが配置され、伝搬光をミラーの直下にある太陽電池に反射する構成とした。このような構成にすることで、太陽電池とパネル集光体を別々に作製することが可能になり、しかも位置合わせが容易であるため、集光型太陽電池の作製が容易になる。
結晶Ｓｉ太陽電池の分光感度領域は４００−１１００ｎｍであるため、回折格子のピッチの異なる３組のパネル集光体を積層して集光した。各パネル集光体の回折格子サイズは、１組目がピッチ４６０ｎｍ、高さ３００ｎｍ、２組目がピッチ６４０ｎｍ、高さ４１０ｎｍ、３組目がピッチ８８０ｎｍ、高さ５７０ｎｍで、いずれも三角格子のピラー構造である。回折格子以外の条件は実施例１と同様である。
本実施形態は、集光パネルを用い、図１１の集光型太陽電池を具体化した例である。太陽電池には、ウエハ状の結晶Ｓｉ太陽電池を切断して用い、パネル集光体の端部に配置した。パネル集光体は、１２５ｍｍ角×高さ１０ｍｍであり、さらに端部にミラーが配置され、伝搬光をミラーの直下にある太陽電池に反射する構成とした。このような構成にすることで、太陽電池とパネル集光体を別々に作製することが可能になり、しかも位置合わせが容易であるため、集光型太陽電池の作製が容易になる。
結晶Ｓｉ太陽電池の分光感度領域は４００−１１００ｎｍであるため、回折格子のピッチの異なる３組のパネル集光体を積層して集光した。各パネル集光体の回折格子サイズは、１組目がピッチ４６０ｎｍ、高さ３００ｎｍ、２組目がピッチ６４０ｎｍ、高さ４１０ｎｍ、３組目がピッチ８８０ｎｍ、高さ５７０ｎｍで、いずれも三角格子のピラー構造である。回折格子以外の条件は実施例１と同様である。
図１４は、パネル集光体の入射光→集光率の波長依存性を示す。図より、結晶Ｓｉ太陽電池の分光感度領域４００−１１００ｎｍを集光できていることが判る。
本実施形態に１ｓｕｎの疑似太陽光を照射したところ、変換効率２２％が得られた。比較のために、１２５ｍｍ角ウエハの結晶Ｓｉ太陽電池に１ｓｕｎの疑似太陽光を照射して変換効率を測定したところ、２０％であった。
本発明に示されるように、パネル集光体と組み合わせることで、従来と比較して、太陽電池の面積を削減でき、変換効率も向上する、低コストで高効率な集光型太陽電池が得られる。
本実施形態に１ｓｕｎの疑似太陽光を照射したところ、変換効率２２％が得られた。比較のために、１２５ｍｍ角ウエハの結晶Ｓｉ太陽電池に１ｓｕｎの疑似太陽光を照射して変換効率を測定したところ、２０％であった。
本発明に示されるように、パネル集光体と組み合わせることで、従来と比較して、太陽電池の面積を削減でき、変換効率も向上する、低コストで高効率な集光型太陽電池が得られる。
（実施例３）
本実施形態は、集光パネルを用い、図１２の集光型太陽電池を具体化した例である。太陽電池には、バンドギャップの異なる２種類のＣＩＧＳ太陽電池を用いた。各ＣＩＧＳ太陽電池のバンド端波長はワイドギャップが７３０ｎｍ、ナローギャップが１１００ｎｍである。パネル集光体（サイズ１２５ｍｍ角）と端部のミラーには実施例２と同様のものを用いた。１−２組目にはワイドギャップＣＩＧＳ太陽電池を配置し、３組目にはナローギャップＣＩＧＳ太陽電池を配置した。
本実施形態は、集光パネルを用い、図１２の集光型太陽電池を具体化した例である。太陽電池には、バンドギャップの異なる２種類のＣＩＧＳ太陽電池を用いた。各ＣＩＧＳ太陽電池のバンド端波長はワイドギャップが７３０ｎｍ、ナローギャップが１１００ｎｍである。パネル集光体（サイズ１２５ｍｍ角）と端部のミラーには実施例２と同様のものを用いた。１−２組目にはワイドギャップＣＩＧＳ太陽電池を配置し、３組目にはナローギャップＣＩＧＳ太陽電池を配置した。
本実施形態に１ｓｕｎの疑似太陽光を照射したところ、変換効率３２％が得られた。比較のために、１２５ｍｍ角のワイドギャップＣＩＧＳ太陽電池、およびナローギャップＣＩＧＳ太陽電池に１ｓｕｎの疑似太陽光を照射して変換効率を測定したところ、各々２０％、２５％であった。
実施形態に示されるように、パネル集光体と組み合わせることで、従来と比較して、太陽電池の面積を削減でき、変換効率も大幅に向上する、低コストで高効率な集光型太陽電池が得られる。以上説明したように、実施形態によれば、回折格子にスロット導波路を組み合わせた構成の集光体を用いることで、従来知られていなかった集光現象を発現させることが可能になる。このパネル集光体を用いて集光型太陽電池を構成することで、高効率、低コスト、軽量で、実用に適した集光型太陽電池を提供することが可能になる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定解釈されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、集光光を端部に伝搬して太陽電池で受ける構造の他に、中央など端部以外の特定個所に伝搬して太陽電池を発電することも可能であり、多接合型の光電変換素子を用いて、集光された多波長帯域の光を１つの光電変換素子に入射させた太陽電池を発電してもよいまた、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成することができる。例えば、変形例の様に異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
１…第１の高屈折率層、２…第１の低屈折率層、３…第２の高屈折率層、４…周期的凹凸領域、５…板状領域、６…第２の低屈折率層、７…反射板、８…支持材、１００、２００…集光体、３００、４００、５００、６００、７００、８００…太陽電池、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１…光電変換素子
Claims (8)
- 第１の高屈折率層と、第１の低屈折率層と、第２の高屈折率層が順に積層し、
前記第１の高屈折率層の第１の低屈折率層側の面は、周期的凹凸領域を有し、
前記第１の高屈折率層の第１の低屈折率層側とは反対側の面は、光入射面であり、
前記第１の低屈折率層の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
前記第１の低屈折率層の屈折率は、１．３以下であり、
前記第２の高屈折率層の屈折率は、１．８以上であり、
前記第１の高屈折率層から入射した光は、前記第１の低屈折率層を通過し、前記第２の高屈折率層の第１の低屈折率層側とは反対側の面で全反射し、
前記全反射した光は、前記第２の高屈折率層の第１の低屈折率層側の面で全反射モードとスロット導波路モードの光に分光し、
前記全反射した全反射モードの光は、再び前記第２の高屈折率層の第１の低屈折率層側とは反対側の面で全反射と全反射モードとスロット導波路モードの光に分光することを繰り返し、
前記スロット導波路モードの光は、第１の低屈折率層を伝搬する集光体。 - 前記第１の低屈折率層の屈折率は、１，１以上１．２以下であり、
前記第２の高屈折率層の屈折率は、１．８以上１．９以下である請求項１に記載の集光体。 - 前記第１の高屈折率層の屈折率は、１．５以上である請求項１又は２に記載の集光体。
- 前記第１の高屈折率層の屈折率は、前記第１の低屈折率層の屈折率の１．５倍以上である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の集光体。
- 請求項１乃至４のいずれかの集光体を積層し、
前記第２の高屈折率層と接し、前記第１の低屈折率層と接する側とは反対側に、第２の低屈折率層を有する積層型集光体。 - 前記積層した集光体の各周期的凹凸領域のピッチが異なる請求項５に記載の積層型集光体。
- 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の集光体によって集光された光の光路上に光電変換素子を設けた太陽電池。
- 請求項５又は６に記載の集光体によって集光された光の光路上に光電変換素子を設け、
前記積層した集光体の各ピッチの大小関係と、前記光電変換素子の吸収端波長の大小関係が対応する太陽電池。
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