JP6239669B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
る。
ものと、複数の半導体接合を用いた多接合タイプのものとに分類できる。バンドギャップ
の異なる複数の半導体接合を、光の進行方向において重なるよう配置した多接合タイプの
光電変換装置は、紫外線から赤外線まで幅広い波長の光を含んでいる太陽光を、より高い
変換効率で無駄なく電気エネルギーに変換することができる。
た二端子構造だと、全ての光電変換素子に流れる電流が、最も短絡電流の小さい光電変換
素子によって決まってしまう。そのため、光電変換素子どうしの電圧電流特性が異なる場
合、全ての光電変換素子を、最大の出力電力が得られる最大出力点で動作させることが難
しい。しかし、同じ多接合タイプの光電変換装置でも、複数の光電変換素子を直列に接続
せずに、複数の光電変換素子のそれぞれから電力を取り出す多端子構造だと、各光電変換
素子を最大出力点で動作させることができる。そのため、多端子構造の方が二端子構造よ
りも、光電変換装置全体の光電変換効率を高めることができる。
記複数の光電変換素子はそれぞれの電圧調整回路を介して並列に接続されている電源装置
について記載されている。
子の数に合わせて、DCDCコンバータを複数設けることが多い。この場合、各光電変換
素子から出力された電力は、個々のDCDCコンバータに送られる。各DCDCコンバー
タは、電力が送られてくると、その電圧の調整を行った後、負荷に出力する。
電変換素子と呼ぶ)は、太陽光のような高光量の光が得られる環境下では、非晶質の光電
変換層を有する光電変換素子(以下、非晶質光電変換素子と呼ぶ)に比べ、その光電変換
効率が飛躍的に高い。しかし、光の波長にもよるが、室内光のような低光量の光しか得ら
れない環境下では、単結晶光電変換素子は、その光電変換効率が著しく低下するため、非
晶質光電変換素子よりも低い電力しか生成できない。
ータに入力される電力で賄われている。すなわち、多端子構造の光電変換装置に単結晶光
電変換素子を用いている場合、当該単結晶光電変換素子において生成された電力を用いて
、単結晶光電変換素子の後段に接続されたDCDCコンバータが駆動を行う。よって、低
光量の光しか得られない環境下において、上記多端子構造の光電変換装置を用いる場合、
単結晶光電変換素子において生成される電力が低すぎて、その後段のDCDCコンバータ
が正常に動作しないという事態が起こりうる。DCDCコンバータの一つが正常に動作し
ないと、光電変換装置全体の動作が不安定になり、光電変換装置の信頼性が確保できない
。
かつ、広い照度範囲において動作の信頼性を確保できる、多端子構造の光電変換装置の提
供を、目的の一とする。
れる高照度の環境下だと、単結晶光電変換素子に比べて劣ってしまうが、室内光のような
低光量の光しか得られない低照度の環境下だと、単結晶光電変換素子より高くなることに
着目した。
るが、蛍光灯や白熱電球などの一般的な人工光源から得られる波長400nm以上800
nm以下の室内光の場合、概ね上述したような傾向が得られる。よって、本発明者らは、
非晶質光電変換素子は、低照度の環境下でも、非晶質光電変換素子用のDCDCコンバー
タの駆動電力のみならず、単結晶光電変換素子用のDCDCコンバータの駆動電力をも賄
うだけの電力を、生成することが可能であると考えた。
も2つの光電変換素子を用いる。そして、一方の光電変換素子は、非晶質光電変換素子の
ように、室内光が得られる環境下において、他方の光電変換素子よりも光電変換効率が高
いものとする。また、他方の光電変換素子は、単結晶光電変換素子のように、太陽光が得
られる環境下において、一方の光電変換素子よりも光電変換効率が高いものとする。さら
に、上記少なくとも2つの光電変換素子において生成された電力は、上記少なくとも2つ
の光電変換素子に対応する少なくとも2つのDCDCコンバータにおいて、それぞれその
電圧が調整される。そして、上記一方の光電変換素子において生成された電力の一部を、
上記少なくとも2つのDCDCコンバータの駆動電力として用いる。
数のDCDCコンバータの駆動電力を確保することができる。なおかつ、太陽光が得られ
る高照度の環境下では、高い光電変換効率を確保することができる。
層された第1の光電変換素子及び第2の光電変換素子を少なくとも有する。さらに、上記
光電変換装置は、第1の光電変換素子において生成された第1の電力が送られてくると、
その電圧を調整して出力する第1のDCDCコンバータと、第2の光電変換素子において
生成された第2の電力が送られてくると、その電圧を調整して出力する第2のDCDCコ
ンバータとを少なくとも有する。また、第1の光電変換素子の光電変換効率は、第1照度
を有する環境下で、第2の光電変換素子の光電変換効率よりも高く、第2の光電変換素子
の光電変換効率は、第1照度よりも高い第2照度を有する環境下で、第1の光電変換素子
の光電変換効率よりも高い。そして、第1の電力の一部は、第1のDCDCコンバータの
駆動電力、及び第2のDCDCコンバータの駆動電力として用いられる。
とができ、なおかつ、広い照度範囲において動作の信頼性を確保できる、多端子構造の光
電変換装置を提供することができる。
以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び
詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明
は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
光電変換素子と、前記光電変換素子からの電力を入力電力とするDCDCコンバータとを
少なくとも有する。さらに、本発明の一態様に係る光電変換装置は、上記構成に加えて、
DCDCコンバータからの出力電力により充電を行う二次電池、キャパシタなどの蓄電部
を有していても良い。
ための端子に接続したものが光電変換モジュールまたは光電変換パネルに相当する。光電
変換モジュールまたは光電変換パネルは、さらに、湿気、汚れ、紫外線、物理的な応力な
どからセルを保護するために、樹脂、強化ガラス、金属枠等の保護材で補強したものであ
ってもよい。また、所望の電力が得られるように、複数の光電変換モジュールまたは光電
変換パネルを直列または並列に接続したものが、光電変換アレイに相当する。本発明の光
電変換装置は、光電変換モジュール、光電変換アレイも、その範疇に含める。
図1に、本発明の一態様に係る光電変換装置の構成を、一例として示す。図1に示す光電
変換装置は、第1の光電変換素子101aと、第2の光電変換素子101bと、第1のD
CDCコンバータ102aと、第2のDCDCコンバータ102bとを有する。
DCコンバータ102aに与える。第1のDCDCコンバータ102aは、第1の光電変
換素子101aから入力電力が与えられると、その電圧を調整した後、出力電力として出
力する。同様に、第2の光電変換素子101bは、照射された光エネルギーから電力を生
成し、第2のDCDCコンバータ102bに与える。第2のDCDCコンバータ102b
は、第2の光電変換素子101bから入力電力が与えられると、その電圧を調整した後、
出力電力として出力する。
おいて重なるように積層されている。また、第1の光電変換素子101aと第2の光電変
換素子101bは、第1の光電変換素子101aを透過した光が第2の光電変換素子10
1bに入射するように、積層されている。
光電変換層と、上記光電変換層から上記光起電力を取り出すための一対の電極(導電膜)
とを有している。また、光電変換層は、pn接合、pin接合などを代表例とする半導体
接合を単数有する半導体層であっても良いし、光を吸収する有機色素を用いて光起電力を
得る色素増感タイプであっても良い。
数の光電変換層を直列に接続する場合、全ての光電変換層の順方向バイアスが揃うように
する。複数の各光電変換層は、異なる電圧電流特性を有していても良いし、ほぼ同じ電圧
電流特性を有していても良い。直列に接続された複数の光電変換層を用いることで、光電
変換素子は高い起電力を得ることができる。ただし、直列に接続された複数の光電変換層
を用いて一の光電変換素子を形成する場合、短絡電流の最も小さい光電変換層により全て
の光電変換層に流れる電流が決まる。よって、複数の光電変換層がほぼ同じ電圧電流特性
を有している方が、最大の出力電力が得られる最大出力点で複数の各光電変換層を動作さ
せ、より高い起電力を得ることができるので、望ましい。
に異なる波長領域の光を吸収することが望ましい。異なる波長の光を吸収する複数の光電
変換素子を重ねることで、紫外線から赤外線まで幅広い波長の光を含んでいる太陽光を、
より高い変換効率で無駄なく電気エネルギーに変換することができる。
光電変換素子に比べて、室内光が得られる環境下において光電変換効率が高く、高い照度
の環境下において光電変換効率が低い。具体的に、図1に示す光電変換装置では、低い照
度の環境下において、第1の光電変換素子101aの方が、第2の光電変換素子101b
よりも、その光電変換効率が高い。逆に、高い照度の環境下において、第2の光電変換素
子101bの方が、第1の光電変換素子101aよりも、その光電変換効率が高い。
、化学エネルギー、電気エネルギーなどを利用して、人工的に光を得る光源を意味する。
具体的には、ガス灯などの燃焼光源と、白熱電球と、蛍光灯などの放電ランプと、LED
、有機EL、無機ELなどのエレクトロルミネッセンス素子とが、人工光源の一例として
挙げられる。また、室内光が得られる環境下では、照度が100ルクス以上1000ルク
ス以下であり、太陽光が得られる環境下では、照度が10000ルクス以上150000
ルクス以下程度となる。
例えば、非晶質シリコンを光電変換層に用いた非晶質光電変換素子を、第1の光電変換素
子101aとし、単結晶シリコンを光電変換層に用いた単結晶光電変換素子を、第2の光
電変換素子101bとすると良い。或いは、非晶質光電変換素子を、第1の光電変換素子
101aとし、微結晶シリコンを光電変換層に用いた微結晶光電変換素子を、第2の光電
変換素子101bとすると良い。
構成に限定されない。本発明の一態様に係る光電変換装置では、上述したように、一の光
電変換素子が他の一の光電変換素子に比べて、低い照度の環境下において光電変換効率が
高く、高い照度の環境下において光電変換効率が低いという条件を満たしていれば良い。
そして、照度による光電変換効率の違いは、例えば、光電変換層を構成する半導体の材料
、結晶性などによってもたらされるので、上記条件を満たすように各光電変換素子の構成
を決めればよい。
圧電流特性に影響を与える。例えば、光吸収層が非晶質シリコンで構成されている光電変
換素子と、光吸収層が単結晶シリコンで構成されている光電変換素子とでは、光の波長に
もよるが、室内光が得られる低照度の環境下において、前者の方が後者に比べて光電変換
効率が高い。また、太陽光が得られる高照度の環境下において、後者の方が前者に比べて
光電変換効率が高い。
光電変換層に用いた第2の光電変換素子の、電圧電流特性の測定結果について述べる。
膜厚150nmの酸化珪素膜、及び、表面に凹凸を有する膜厚約600nmの酸化スズを
用いた導電膜が順に積層された旭硝子社製の基板(商品名:Asahi−U)を用いた。
さらに、第1の光電変換素子は、上記基板上に、p層、i層、n層、及び膜厚50nmと
なるように形成したインジウム錫酸化物(ITO)を含む導電膜が、順に積層された構造
とした。そして、第1の光電変換素子への光の照射は、ITOを用いた導電膜側から行っ
た。
。p層は、モノシランと、メチルシランと、水素と、ジボランの濃度が0.1mol%と
なるまで水素で希釈したガスとを、それぞれ4sccm、0.7sccm、590scc
m、18sccmの流量とし、反応圧力200Pa、基板温度200℃、高周波(60M
Hz)として、膜厚10nmの微結晶シリコンとなるようにプラズマCVD法で形成した
。また、i層は、モノシランと、水素とを、それぞれ25sccm、25sccmの流量
とし、反応圧力40Pa、基板温度280℃、高周波(60MHz)として、膜厚400
nmの非晶質シリコンとなるようにプラズマCVD法で形成した。n層は、モノシランと
、水素と、ホスフィンの濃度が0.5mol%となるまで水素で希釈したガスとを、それ
ぞれ5sccm、950sccm、40sccmの流量とし、反応圧力133Pa、基板
温度280℃、高周波(13.56MHz)として、膜厚10nmの微結晶シリコンとな
るようにプラズマCVD法で形成した。
て膜厚300nmとなるように形成した導電膜、p層、(110)の面方位を有する厚さ
700μmのp型の単結晶シリコン基板、i層、n層、及びインジウム錫酸化物(ITO
)を用いて膜厚70nmとなるように形成した導電膜が、順に積層された構造とした。そ
して、第2の光電変換素子への光の照射は、ITOを用いた導電膜側から行った。
。p層は、モノシランと、水素と、ジボランとを、それぞれ8sccm、1000scc
m、30sccmの流量とし、反応圧力200Pa、基板温度200℃、高周波(60M
Hz)として、膜厚20nmの微結晶シリコンとなるようにプラズマCVD法で形成した
。また、i層は、モノシランと、水素とを、それぞれ25sccm、25sccmの流量
とし、反応圧力40Pa、基板温度280℃、高周波(60MHz)として、膜厚20n
mの非晶質シリコンとなるようにプラズマCVD法で形成した。n層は、モノシランと、
水素と、ホスフィンの濃度が0.5mol%となるまで水素で希釈したガスとを、それぞ
れ5sccm、950sccm、40sccmの流量とし、反応圧力133Pa、基板温
度280℃、高周波(13.56MHz)として、膜厚20nmの微結晶シリコンとなる
ようにプラズマCVD法で形成した。
成される。第2の光電変換素子における光吸収層は、p型の単結晶シリコン基板内に主に
形成される。
面の面積は95cm2であった。
下における環境を再現した条件であり、ソーラーシミュレータにより発生させた基準太陽
光を用い、太陽光スペクトルはAM1.5、照射強度は100mW/cm2(1sun)
とした。また、第2の条件は、室内光下における環境を再現した条件であり、照度500
ルクスの電球色の蛍光灯を用い、照射強度は0.085mW/cm2とした。
電変換素子の電圧電流密度特性の測定結果を示す。図2において、実線201は、第1の
光電変換素子の電圧電流密度特性の測定結果に相当し、実線202は、第2の光電変換素
子の電圧電流密度特性の測定結果に相当する。
/cm2、開放電圧が0.868V、フィルファクターが0.591となった。よって、
その光電変換効率は7.79%であることがわかった。また、図2の実線202に示すよ
うに、第2の光電変換素子は、短絡電流密度が38.45mA/cm2、開放電圧が0.
5734V、フィルファクターが0.7919となった。よって、その光電変換効率は1
7.46%であることがわかった。
構成される第2の光電変換素子の方が、光吸収層が主に非晶質シリコンで構成される第1
の光電変換素子よりも、高い光電変換効率が得られた。
電変換素子の電圧電流密度特性の測定結果を示す。図3において、実線203は、第1の
光電変換素子の電圧電流密度特性の測定結果に相当し、実線204は、第2の光電変換素
子の電圧電流密度特性の測定結果に相当する。
/cm2、開放電圧が0.639V、フィルファクターが0.748となった。よって、
その光電変換効率は25.69%であることがわかった。また、図3の実線204に示す
ように、第2の光電変換素子は、短絡電流密度が0.059mA/cm2、開放電圧が0
.243V、フィルファクターが0.448となった。よって、その光電変換効率は7.
56%であることがわかった。
構成される第1の光電変換素子の方が、光吸収層が主に単結晶シリコンで構成される第2
の光電変換素子よりも、高い光電変換効率が得られた。
は、シリコンやゲルマニウム等の半導体を用いることができるが、本発明の一態様はこの
構成に限定されない。例えば、第1の光電変換素子101a、第2の光電変換素子101
bとして、Cu、In、Ga、Al、Se、Sなどを光電変換層に用いた、CIS系、C
IGS系またはカルコパイライト系と呼ばれる光電変換素子を用いていても良い。或いは
、光電変換層にCd化合物を用いたCdTe−CdS系の光電変換素子を、第1の光電変
換素子101a、第2の光電変換素子101bとして用いていても良い。色素増感光電変
換素子、有機半導体光電変換素子のように、光電変換層に有機系材料を用いた有機系光電
変換素子を、第1の光電変換素子101aと第2の光電変換素子101bとして用いてい
ても良い。
て、複数の光電変換素子のうち、短い波長領域の光を利用して光電変換を行う光電変換素
子を、光が入射する側により近くなるように配置することで、光電変換装置内において生
じる短い波長領域の光の損失を抑えることができ、光電変換効率をより高めることができ
る。例えば、非晶質光電変換素子は、短い波長領域(0.4μm〜0.6μm)における
光電変換効率が高く、単結晶光電変換素子は、長い波長領域(0.4μm〜0.9μm)
において光電変換効率が高い。よって、非晶質光電変換素子を光が入射する側に近い第1
の光電変換素子101aとし、単結晶光電変換素子を光が入射する側から遠い第2の光電
変換素子101bとすることで、光電変換装置全体の光電変換効率を高めることができる
ので、望ましい。
チング素子と、電圧変換部と、制御回路とを有する。具体的に、図1に示す光電変換装置
の場合、第1のDCDCコンバータ102aが、第1のスイッチング素子103aと、第
1の電圧変換部104aと、第1の制御回路105aとを有する。また、第2のDCDC
コンバータ102bが、第2のスイッチング素子103bと、第2の電圧変換部104b
と、第2の制御回路105bとを有する。
る。
Cコンバータ102aの入力端子INa1と入力端子INa2に入力電力が与えられると
、第1のスイッチング素子103aが、入力端子INa1に与えられる電圧(入力電圧)
の、第1の電圧変換部104aへの供給を制御する。具体的には、第1のスイッチング素
子103aがオンのときに第1の電圧変換部104aに入力端子INa1からハイレベル
の入力電圧が供給され、オフのときにその供給が停止する。また、入力端子INa2には
ローレベルの入力電圧、具体的にはグラウンドなどの固定電圧が与えられる。よって、第
1のスイッチング素子103aのスイッチングに従って、ハイレベルの入力電圧と固定電
圧が交互に出現するパルス状の電圧波形を有する信号が、第1の電圧変換部104aに供
給される。
数を有している。第1の電圧変換部104aは、パルス状の信号が供給されると、上記信
号の電圧を平滑化或いは保持することで、所定の出力電圧を有する出力電力を生成する。
ッチング素子103aのゲート電極に与える。第1のスイッチング素子103aは、ゲー
ト電極とソース端子間の電圧Vgsによって、その動作が制御される。よって、制御信号
の電圧がそのゲート電極に与えられた場合、ゲート電極とソース端子間の電圧Vgsが、
制御信号の有するパルス状の電圧波形に従って変化するため、第1のスイッチング素子1
03aはオンとオフを繰り返してスイッチングを行う。上記スイッチングにおける、オン
とオフの時間の比率であるデューティ比は、制御信号の電圧に従って定まる。
部104aへの供給を制御している。よって、上記スイッチングのデューティ比が変化す
ると、第1の電圧変換部104aに供給されるパルス状の電圧波形を有する信号のデュー
ティ比も連動して変化し、結果、第1の電圧変換部104aから出力される出力電圧の値
が変化する。具体的に、第1の電圧変換部104aに供給される信号は入力電圧と固定電
圧が交互に出現するパルス状の電圧波形を有している。そして、上記信号において、入力
電圧を有するパルスの出現する期間の割合が大きいほど、出力電圧と固定電圧の差は大き
くなる。逆に、上記信号において、入力電圧を有するパルスの出現する期間の割合が小さ
いほど、出力電圧と固定電圧の差は小さくなる。すなわち、第1の電圧変換部104aの
出力電圧は、第1のスイッチング素子103aにおけるスイッチングのデューティ比に見
合った大きさとなる。
第2の光電変換素子101bから第2のDCDCコンバータ102bの入力端子INb1
と入力端子INb2に入力電力が与えられると、第2のスイッチング素子103bが、入
力端子INb1に与えられる電圧(入力電圧)の、第2の電圧変換部104bへの供給を
制御する。そして、第2のスイッチング素子103bがオンのときに第2の電圧変換部1
04bに入力端子INb1からハイレベルの入力電圧が供給され、オフのときにその供給
が停止する。また、入力端子INb2にはローレベルの入力電圧、具体的にはグラウンド
などの固定電圧が与えられる。よって、第2のスイッチング素子103bのスイッチング
に従って、ハイレベルの入力電圧と固定電圧が交互に出現するパルス状の電圧波形を有す
る信号が、第2の電圧変換部104bに供給される。
ルス状の信号が供給されると、上記信号の電圧を平滑化或いは保持することで、所定の出
力電圧を有する出力電力を生成する。
波形を有する制御信号を生成し、第2のスイッチング素子103bのゲート電極に与える
。第2のスイッチング素子103bは、第1のスイッチング素子103aと同様に、上記
制御信号に従ってオンとオフを繰り返してスイッチングを行う。
現するパルス状の電圧波形を有している。そして、上記信号において、入力電圧を有する
パルスの出現する期間の割合が大きいほど、第2の電圧変換部104bの出力電圧と固定
電圧の差は大きくなる。逆に、上記信号において、入力電圧を有するパルスの出現する期
間の割合が小さいほど、第2の電圧変換部104bの出力電圧と固定電圧の差は小さくな
る。すなわち、第2の電圧変換部104bの出力電圧は、第2のスイッチング素子103
bにおけるスイッチングのデューティ比に見合った大きさとなる。
換部104aの間に設けており、第2のスイッチング素子103bを、入力端子INb1
と第2の電圧変換部104bの間に設けているが、本発明の一態様に係る光電変換装置は
、この構成に限定されない。第1のDCDCコンバータ102aにおいて第1のスイッチ
ング素子103aを設ける位置については、第1のDCDCコンバータ102aの回路構
成により異なる。また、第2のDCDCコンバータ102bにおいて第2のスイッチング
素子103bを設ける位置については、第2のDCDCコンバータ102bの回路構成に
より異なる。
の一部が、第1の制御回路105a及び第2の制御回路105bに与えられる。第1の制
御回路105a及び第2の制御回路105bは、上記入力電力の一部を駆動電力として用
い、動作を行う。
CDCコンバータ102aと第2のDCDCコンバータ102bの駆動電力を賄う程度の
電力を生成することができる。よって、上記構成により、室内光が得られる低照度の環境
下であっても、第1のDCDCコンバータ102aと第2のDCDCコンバータ102b
の駆動が可能となるため、広い照度範囲において光電変換装置の動作の信頼性を確保でき
る。また、第2の光電変換素子101bは、太陽光が得られる高照度の環境下において、
第1の光電変換素子101aよりも高い電力を生成することができる。よって、光電変換
装置の光電変換効率を高めることができる。
bは、第1の制御回路105aと同様の構成を有している。よって、第2の制御回路10
5bの構成については、以下の第1の制御回路105aの構成についての説明を参照する
ことができる。
相補償回路123、コンパレータ124、三角波発振器125、バッファ126を有して
いる。第1の光電変換素子101aから出力される電力の一部は、第1の制御回路105
a及び第2の制御回路105bが有する、動作に電力を要する回路、具体的には、誤差増
幅器122、位相補償回路123、コンパレータ124、三角波発振器125、バッファ
126などに供給される。
抗120の一方の端子には、第1のDCDCコンバータ102aの出力端子OUTa1か
らの出力電圧が与えられている。また、抵抗121の一方の端子には、グラウンドなどの
固定の電圧が与えられている。そして、抵抗120の他方の端子と、抵抗121の他方の
端子とが接続されているノードが、誤差増幅器122の反転入力端子(−)に接続されて
いる。よって、出力電圧は、抵抗120と抵抗121によって抵抗分割され、誤差増幅器
122の反転入力端子(−)に与えられる。
増幅器122は、反転入力端子(−)に与えられた電圧と、参照電圧Vrefとを比較し
、その誤差を増幅させた電圧を有する信号を、誤差増幅器122の出力端子から出力する
。
補償回路123は、誤差増幅器122から出力された信号の電圧の位相を調整してから出
力する。なお、第1の制御回路105aは必ずしも位相補償回路123を有していなくと
も良い。ただし、位相補償回路123による電圧の位相の調整により、誤差増幅器122
またはコンパレータ124などのアンプの出力電圧が発振するのを防ぎ、第1のDCDC
コンバータ102aの動作を安定化させることができる。
(+)に与えられる。また、コンパレータ124の反転入力端子(−)には、三角波発振
器125から出力される三角波、或いはノコギリ波の電圧波形を有する信号が与えられる
。よって、コンパレータ124からは、周期が一定であり、なおかつパルス幅が非反転入
力端子(+)に与えられる電圧の大きさに従って変化する、矩形波の電圧波形を有する制
御信号が出力される。コンパレータ124から出力された制御信号は、バッファ126を
介して第1の制御回路105aから出力される。そして、第1の制御回路105aから出
力された制御信号は、第1のスイッチング素子103aに入力される。
n control)の制御信号を生成する場合の、第1の制御回路105aの構成を例
示している。しかし、本発明の一態様に係る光電変換装置では、第1のDCDCコンバー
タ102aと第2のDCDCコンバータ102bが、パルス周波数制御(PFM:Pul
se Frequency Modulation control)の制御信号を用い
て動作していても良い。
101a用の第1のDCDCコンバータ102aと、第2の光電変換素子101b及び第
2の光電変換素子101b用の第2のDCDCコンバータ102bとを有する場合を例示
している。しかし、本発明の一態様では、光電変換素子とDCDCコンバータの組み合わ
せが2つの場合に限定されない。例えば、光電変換素子とDCDCコンバータの組み合わ
せが、3つ以上光電変換装置に用いられていても良い。
のDCDCコンバータ102bの出力端子とが並列に接続されている。すなわち、出力端
子OUTa1と、出力端子OUTb1とが接続されており、出力端子OUTa1及び出力
端子OUTb1の電圧が、出力電圧として、光電変換装置の出力端子OUT1に与えられ
る。また、出力端子OUTa2と、出力端子OUTb2とが接続されており、出力端子O
UTa2及び出力端子OUTb2の電圧が、出力電圧として、光電変換装置の出力端子O
UT2に与えられる。
れている場合、出力端子OUTa1と出力端子OUTb1が必ず同電位となるので、光電
変換装置の出力電圧の値が変動しにくく、安定した出力電圧を得ることができる。
列に接続されていても良い。図8に、第1のDCDCコンバータ102aの出力端子と第
2のDCDCコンバータ102bの出力端子とが並列に接続されている場合の、光電変換
装置の構成を示す。図8に示す光電変換装置は、第1のDCDCコンバータ102aの出
力端子OUTa1及び出力端子OUTa2と第2のDCDCコンバータ102bの出力端
子OUTb1及び出力端子OUTb2の接続構成のみが、図1に示す光電変換装置と異な
っている。
が接続されており、出力端子OUTa1の電圧が、出力電圧として光電変換装置の出力端
子OUT1に与えられる。また、出力端子OUTb2の電圧が、出力電圧として、光電変
換装置の出力端子OUT2に与えられる。
れている場合、複数の各DCDCコンバータの出力電圧を加算した電圧が、光電変換装置
の出力電圧として得られる。すなわち、出力端子OUT1と出力端子OUT2の間の電圧
が、出力端子OUTa1と出力端子OUTa2の間の電圧に、出力端子OUTb1と出力
端子OUTb2の間の電圧を加算した値に相当する。
成に限定されず、実施者が自由に設計することが可能である。
て説明する。
お、第2のDCDCコンバータ102bは、第1のDCDCコンバータ102aと同様の
構成を有している。よって、第2のDCDCコンバータ102bの構成については、以下
の第1のDCDCコンバータ102aの構成についての説明を参照することができる。
、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接
続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或い
は伝送可能であるように、配線、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの回路素子を介し
て間接的に接続している状態も、その範疇に含む。
は、例えば配線の一部が電極としても機能する場合など、一の導電膜が、複数の構成要素
の機能を併せ持っている場合もある。本明細書において接続とは、このような、一の導電
膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
極に与えられる電位の高低によって、その呼び方が入れ替わる。一般的に、nチャネル型
トランジスタでは、低い電位が与えられる端子がソース端子と呼ばれ、高い電位が与えら
れる端子がドレイン端子と呼ばれる。また、pチャネル型トランジスタでは、低い電位が
与えられる端子がドレイン端子と呼ばれ、高い電位が与えられる端子がソース端子と呼ば
れる。以下、ソース端子とドレイン端子のいずれか一方を第1端子、他方を第2端子とし
、第1のDCDCコンバータ102aの構成について説明する。
接続されたソース電極を意味する。同様に、トランジスタのドレイン端子とは、活性層の
一部であるドレイン領域、或いは活性層に接続されたドレイン電極を意味する。
圧が得られる降圧型である。図5(A)に示す第1のDCDCコンバータ102aは、ス
イッチング素子として機能するトランジスタ106aと、第1の電圧変換部104aと、
第1の制御回路105aとを有している。
力端子INa1と、固定電圧の与えられる入力端子INa2と、出力端子OUTa1と、
出力端子OUTa2とを有している。
1、コンデンサ112を有している。トランジスタ106aは、入力端子INa1とダイ
オード110が有する陰極の間の接続を制御している。具体的に、トランジスタ106a
は、その第1端子が入力端子INa1に接続されており、その第2端子がダイオード11
0の陰極に接続されている。コイル111が有する一対の端子は、一方がダイオード11
0の陰極に接続され、他方が第1のDCDCコンバータ102aの出力端子OUTa1に
接続されている。入力端子INa2は、ダイオード110の陽極と出力端子OUTa2に
接続されている。そして、コンデンサ112が有する一対の電極は、一方が出力端子OU
Ta1に接続され、他方が出力端子OUTa2に接続されている。
になると、入力端子INa1と出力端子OUTa1との間に電位差が生じるので、コイル
111に電流が流れる。コイル111は、上記電流が流れることで磁化すると共に、自己
誘導により電流の流れとは逆向きの起電力が生じる。そのため、出力端子OUTa1には
、入力端子INa1に与えられる入力電圧を降圧することで得られる電圧が与えられる。
すなわち、コンデンサ112が有する一対の電極間には、入力端子INa2から与えられ
る固定電圧と、入力電圧を降圧することで得られる電圧との差分に相当する電圧が、与え
られる。
の間に形成されていた電流の経路が遮断される。コイル111では、上記電流の変化を妨
げる方向、すなわち、トランジスタ106aがオンのときに生じた起電力とは逆の方向の
起電力が生じる。そのため、コイル111を流れる電流は、上記起電力によって生じた電
圧により、維持される。すなわち、トランジスタ106aがオフのときには、入力端子I
Na2または出力端子OUTa2と、出力端子OUTa1の間に、コイル111とダイオ
ード110を介した電流の経路が形成される。よって、コンデンサ112が有する一対の
電極間に与えられている電圧は、ある程度保持される。
力電圧に相当する。上記動作において、トランジスタ106aがオンである期間の比率が
高いほど、コンデンサ112に保持される電圧は固定電圧と入力電圧の差分に近くなる。
よって、入力電圧により近い大きさの出力電圧が得られるように、降圧することができる
。逆に、トランジスタ106aがオフである期間の比率が高いほど、コンデンサ112に
保持される電圧は固定電圧との差分が小さくなる。よって、固定電圧により近い大きさの
出力電圧が得られるように、降圧することができる。
いて説明する。
5(B)に示す第1のDCDCコンバータ102aは、入力電圧に対して大きい出力電圧
が得られる昇圧型である。図5(B)に示す第1のDCDCコンバータ102aは、スイ
ッチング素子として機能するトランジスタ106aと、第1の電圧変換部104aと、第
1の制御回路105aとを有している。
力端子INa1と、固定電圧の与えられる入力端子INa2と、出力端子OUTa1と、
出力端子OUTa2とを有している。
1、コンデンサ112を有している。コイル111が有する一対の端子は、一方が入力端
子INa1に接続され、他方がダイオード110の陽極に接続されている。トランジスタ
106aは、上記コイル111とダイオード110の間のノードと、入力端子INa2ま
たは出力端子OUTa2との間の接続を制御している。具体的に、トランジスタ106a
は、その第1端子がコイル111とダイオード110間のノードに接続されており、その
第2端子が入力端子INa2または出力端子OUTa2に接続されている。また、ダイオ
ード110の陰極は出力端子OUTa1に接続されている。コンデンサ112が有する一
対の電極は、一方が出力端子OUTa1に接続され、他方が出力端子OUTa2に接続さ
れている。
になると、入力端子INa1と入力端子INa2の間に生じる電位差により、コイル11
1に電流が流れる。コイル111は、上記電流が流れることで磁化する。なお、コイル1
11は、自己誘導により電流の流れとは逆向きの起電力が生じるため、上記電流は徐々に
上昇する。
間に形成されていた電流の経路が遮断される。コイル111では、上記電流の変化を妨げ
る方向、すなわち、トランジスタ106aがオンのときに生じた起電力とは逆の方向の起
電力が生じる。そのため、コイル111が有する一対の端子間には、トランジスタ106
aがオンのときにコイル111に流れていた電流の高さに準じた大きさの電圧が生じる。
そして、コイル111を流れる電流は、端子間に生じた電圧によって維持される。すなわ
ち、トランジスタ106aがオフのときには、入力端子INa1と出力端子OUTa1の
間に、コイル111とダイオード110を介した電流の経路が形成される。このとき、出
力端子OUTa1には、入力端子INa1に与えられている入力電圧に、コイル111の
端子間に生じた電圧が加算された電圧が与えられ、この電圧が出力電圧として第1のDC
DCコンバータ102aから出力される。上記出力端子OUTa1の電圧と、固定電圧と
の差分に相当する電圧は、コンデンサ112の電極間において保持される。
タ106aがオフになる直前においてコイル111に流れる電流が高くなる。そのため、
トランジスタ106aがオフになったときにコイル111の端子間に生じる電圧が大きく
なるので、出力電圧と入力電圧の差が大きくなるように昇圧することができる。逆に、ト
ランジスタ106aがオフである期間の比率が高いほど、トランジスタ106aがオフに
なる直前においてコイル111に流れる電流は低くなる。そのため、トランジスタ106
aがオフになったときにコイル111の端子間に生じる電圧が小さくなるので、出力電圧
と入力電圧の差が小さくなるように昇圧することができる。
または第2のスイッチング素子103bとして機能するトランジスタの、ゲート電圧Vg
sの時間変化を一例として示す。図6(A)では、ゲート電圧Vgsはパルス状の電圧波
形を有しており、なおかつ、そのパルス幅Tonを時間の経過に伴い大きくしている場合
を示している。パルス幅制御の場合、パルスの出現するタイミングの時間間隔Tpが一定
に保たれており、パルス幅Tonが可変となる。
グさせたときに、得られる出力電圧Voutの時間変化を示す。図6(B)に示すように
、パルス幅Tonを大きくするに伴い、大きい出力電圧Voutが得られる。
sの時間変化を一例として示す。図7(A)では、ゲート電圧Vgsにパルス状の電圧が
印加されており、なおかつ、そのパルスの出現するタイミングの時間間隔Tpを時間の経
過に伴い小さくしている場合を示している。パルス周波数制御の場合、パルス幅Tonが
一定に保たれており、パルスの出現するタイミングの時間間隔Tpが可変となる。
グさせたときに、得られる出力電圧Voutの時間変化を示す。図7(B)に示すように
、パルスの出現するタイミングの時間間隔Tpを時間の経過に従って小さくするに伴い、
大きい出力電圧Voutが得られる。
ジスタのスイッチングによる出力電圧の調整を行っても良い。例えば、出力電圧が小さい
場合は、パルス周波数制御を用いた方がトランジスタのスイッチングの周波数を低く抑え
ることができ、トランジスタのスイッチングによる電力損失を小さく抑えることができる
。逆に、出力電圧が大きい場合は、パルス幅制御を用いた方がトランジスタのスイッチン
グの周波数を低く抑えることができ、トランジスタのスイッチングによる電力損失を小さ
く抑えることができる。よって、出力電圧の大きさに合わせて、パルス幅制御とパルス周
波数制御を切り替えることで、電力変換効率の向上を図ることができる。
場合を例示しているが、本発明はこの構成に限定されない。本発明の一態様では、複数の
トランジスタで一のスイッチング素子を構成していても良い。一のスイッチング素子を複
数のトランジスタで構成している場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていて
も良いし、直列に接続されていても良いし、直列と並列が組み合わされて接続されていて
も良い。
のトランジスタの第1端子と第2端子のいずれか一方のみが、第2のトランジスタの第1
端子と第2端子のいずれか一方のみに接続されている状態を意味する。また、トランジス
タが並列に接続されている状態とは、第1のトランジスタの第1端子が第2のトランジス
タの第1端子に接続され、第1のトランジスタの第2端子が第2のトランジスタの第2端
子に接続されている状態を意味する。
本発明の一態様にかかる光電変換装置は、少なくとも二つの光電変換素子を有する。図1
0に、光の進行方向において重なる第1の光電変換素子及び第2の光電変換素子の断面構
造を一例として示す。本実施の形態では、図10を用いて、本発明の一態様に係る光電変
換装置の構成について説明する。
て形成された光電変換層を有している場合を例示している。具体的に、図10(A)に示
す光電変換装置は、基板501と、基板501に支持されている第1の光電変換素子50
2と、基板503と、基板503に支持されている第2の光電変換素子504と、第1の
光電変換素子502及び第2の光電変換素子504を固着させる接着層505とを有する
。
層506を間に挟む導電膜507及び導電膜508とを有する。導電膜507と導電膜5
08とでは、導電膜507の方が基板501に近いものとする。また、第2の光電変換素
子504は、光電変換層509と、光電変換層509を間に挟む導電膜510及び導電膜
511とを有する。導電膜510と導電膜511とでは、導電膜510の方が基板503
に近いものとする。なお、図10(A)では、第1の光電変換素子502と第2の光電変
換素子504が、それぞれ単数の光電変換層を有している場合を例示しているが、第1の
光電変換素子502と第2の光電変換素子504は、積層された複数の光電変換層を有し
ていても良い。
4とを有する。p層512、i層513、n層514が、導電膜507側から順に積層さ
れることで、pin接合が形成されている。また、図10(A)では、光電変換層509
がn層515と、i層516と、p層517とを有する。n層515、i層516、p層
517が導電膜510側から順に積層されることで、pin接合が形成されている。
る半導体層のことであり、n層は、n型の導電性を有する半導体層のことを意味する。
場合を例示しているが、光電変換層506及び光電変換層509はpn接合を有していて
も良い。
04が有する光電変換層509とは、矢印で示す光の進行方向において重なるように、順
に配置されている。すなわち、図10(A)に示す光電変換装置は、光電変換層506と
、光電変換層509のみに着目すると、光が入射する基板501側から順に、p層512
、i層513、n層514、p層517、i層516、n層515が積層された構造を有
している。
ら光を入射させても良い。ただし、この場合、p層512をn層514よりも、光の入射
する側に近くなるよう配置することが望ましい。また、p層517をn層515よりも、
光の入射する側に近くなるよう配置することが望ましい。なぜならば、ホールのキャリア
としての寿命は、電子のキャリアとしての寿命の約半分と短い。pin接合を有する光電
変換層に光が照射されると、i層内において多量の電子とホールが形成され、電子はn層
側へ、ホールはp層側へ移動し、起電力を得ることができる。光の照射をp層側から行う
と、電子とホールの形成が、i層内のn層よりもp層に近い側において多く行われる。そ
のため、寿命が短いホールがp層へ移動する距離を、短くすることができ、その結果、高
い起電力を得ることができる。
09が有するp層517、i層516、n層515は、単結晶半導体、多結晶半導体、微
結晶半導体などの結晶性を有する半導体を用いていても良いし、非晶質半導体を用いてい
ても良い。また、光電変換層506が有するp層512、i層513、n層514と、光
電変換層509が有するp層517、i層516、n層515は、シリコン、シリコンゲ
ルマニウム、ゲルマニウム、炭化シリコンなどを用いることができる。ただし、本発明の
一態様では、第1の光電変換素子502の方が、第2の光電変換素子504に比べて、低
い照度の環境下において光電変換効率が高く、第2の光電変換素子504の方が、第1の
光電変換素子502に比べて、高い照度の環境下において光電変換効率が高いという条件
を満たすようにする。照度による光電変換効率の違いは、例えば、光電変換層を構成する
半導体の材料、結晶性などによってもたらされるので、上記条件を満たすように光電変換
層506と光電変換層509の構成を決めればよい。
ば、炭化シリコンはシリコン単体に比べて光の吸収係数が小さい。よって、p層またはn
層のうち、光の入射側により近い層に炭化シリコンを用いることで、i層に届く光の入射
光量を高くすることができ、結果、光電変換素子の起電力を高めることができる。
晶質シリコンで形成し、光電変換層509が有するp層517、i層516、n層515
を微結晶シリコンで形成する。
導体である。微結晶半導体は、自由エネルギー的に安定な第3の状態を有する半導体であ
る。例示的には、結晶粒径が2nm以上200nm以下、好ましくは10nm以上80n
m以下、より好ましくは20nm以上50nm以下である半導体を含む層である。微結晶
半導体の代表例である微結晶シリコンのラマンスペクトルは、単結晶シリコンを示す52
0cm−1よりも低波数側にシフトしている。即ち、単結晶シリコンを示す520cm−
1と非晶質シリコンを示す480cm−1の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピ
ークがある。また、未結合手(ダングリングボンド)を終端するため水素またはハロゲン
を少なくとも1原子%またはそれ以上含ませている。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリ
プトン、またはネオンなどの希ガス元素を含ませて格子歪みをさらに助長させることで、
安定性が増し良好な微結晶半導体が得られる。このような微結晶半導体は格子歪みを有し
、該格子歪みにより光学特性が、単結晶シリコンの間接遷移型から直接遷移型に変化する
。少なくとも10%の格子歪みがあれば、光学特性が直接遷移型に変化する。なお、歪み
が局部的に存在することにより、直接遷移と間接遷移の混在した光学特性を呈することも
できる。
A)に示した光電変換装置において、第1の光電変換素子502の光電変換層506を非
晶質シリコンで形成し、第2の光電変換素子504の光電変換層509を微結晶シリコン
で形成した場合、第1の光電変換素子502の方が第2の光電変換素子504よりも、短
い波長領域の光を利用して光電変換を行うことになる。よって、第1の光電変換素子50
2を、光が入射する側により近くなるように配置することで、光電変換装置内において生
じる短い波長領域の光の損失を抑えることができ、光電変換効率をより高めることができ
る。
020atoms/cm3以下の濃度であり、酸素及び窒素が9×1019atoms/
cm3以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度が100倍以上とする。i層には、
硼素が1ppm〜1000ppm添加されていてもよい。i層は、価電子制御を目的とし
た不純物元素を意図的に添加しないと、弱いn型の電気伝導性を示すことがある。この現
象は、i層を非晶質半導体で形成する場合において、顕著に現れる。よって、pin接合
を有する光電変換層を形成する場合には、p型を付与する不純物元素を成膜と同時に、或
いは成膜後に、i層に添加すると良い。p型を付与する不純物元素としては、代表的には
硼素であり、B2H6、BF3などの不純物気体を1ppm〜1000ppmの割合で半
導体材料ガスに混入させると良い。そして硼素の濃度を、例えば1×1014atoms
/cm3〜6×1016atoms/cm3とすると良い。
る不純物元素を、i層中に拡散させることができる。上記構成により、意図的にp型を付
与する不純物元素をi層に添加しなくても、i層の価電子制御を行うことができる。
(A)では、基板501側から光が入射する場合を例示しているので、少なくとも基板5
01が透光性を有するものとする。具体的に、基板501、基板503は、例えば、青板
ガラス、白板ガラス、鉛ガラス、強化ガラス、セラミックガラスなどのガラス基板を用い
ることができる。また、アルミノシリケート酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、アル
ミノホウケイ酸ガラスなどの無アルカリガラス基板、石英基板などを用いることができる
。また、絶縁膜がその表面に形成されたステンレスなどの金属基板は、透光性が低いので
、基板503として用いることができる。セラミック基板は、透光性が高い基板と低い基
板とがあり、透光性が高いセラミック基板は基板501と基板503の両方に用いること
ができ、透光性が低いセラミック基板は基板503に用いることができる。
が一般的に低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いるこ
とが可能である。
えば、酸化チタン又は、銅、マンガン、ニッケル、コバルト、鉄、亜鉛から選択される少
なくとも一種の金属元素が添加された酸化チタン膜を、反射防止膜として用いることがで
きる。
素子502が有する導電膜507及び導電膜508と、第2の光電変換素子504が有す
る導電膜511には、透光性を有する導電材料、具体的には酸化珪素を含む酸化インジウ
ムスズ(ITSO)、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジ
ウム亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛(GZO)などを用いることができる。そして、
第2の光電変換素子504が有する導電膜510には、光を反射しやすい導電材料、具体
的にはアルミニウム、銀、チタン、タンタルなどを用いる。或いは、導電膜510に上述
したような透光性を有する導電材料を用いていても良いが、この場合、第2の光電変換素
子504を透過した光が反射する反射膜を、基板503の第2の光電変換素子504とは
反対側の面上に形成することが望ましい。反射膜には、アルミニウム、銀、チタン、タン
タルなどの光を反射しやすい材料を用いることが望ましい。
する側の表面に凹凸を形成すると、導電膜510の表面において光が乱反射するため、光
電変換層509において光の吸収率を高め、光電変換効率を高めることができる。同様に
、反射膜を形成する場合、導電膜510のうち、反射膜の光が入射する側の面に凹凸を形
成することで、光電変換効率を高めることができる。
電性高分子材料(導電性ポリマーともいう)を用いることができる。導電性高分子材料と
しては、π電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリン及び又
はその誘導体、ポリピロール及び又はその誘導体、ポリチオフェン及び又はその誘導体、
アリニン、ピロール及びチオフェンの2種以上からなる共重合体若しくはその誘導体など
があげられる。
素子504の間において光を透過させることができる材料を用いる。例えば、接着層50
5として、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミドト
リアジン樹脂、またはシアネート樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。或いは、
接着層505として、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、またはフ
ッ素樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、接着層505として、上記熱可
塑性樹脂及び上記熱硬化性樹脂の複数を用いてもよい。上記有機樹脂を用いることで、熱
処理により第1の光電変換素子502と第2の光電変換素子504を固着することが可能
である。
の光電変換素子でそれぞれ構成されていても良い。図10(B)に、第1の光電変換素子
が、直列に接続された複数の光電変換素子で構成されている場合を例示する。なおかつ、
図10(B)では、第1の光電変換素子が薄膜の半導体層を用いて形成された光電変換層
を有しており、第2の光電変換素子が、単結晶の半導体基板を用いて形成されている場合
を例示している。
いる第1の光電変換素子522と、p型の単結晶半導体基板523と、p型の単結晶半導
体基板523を用いて形成されている第2の光電変換素子524と、第1の光電変換素子
522及び第2の光電変換素子524を固着させる接着層525とを有する。
光電変換層526を間に挟む複数の導電膜527及び導電膜528とを有する。導電膜5
27と導電膜528とでは、導電膜527の方が基板521に近いものとする。導電膜5
27と導電膜528により、基板521に並置された複数の光電変換層526が、直列に
接続される。すなわち、第1の光電変換素子522は、光電変換層526と、導電膜52
7及び導電膜528とで構成される光電変換素子が、複数直列に接続された構成を有する
。
導電膜530及び導電膜531とを有する。なお、図10(B)では、第2の光電変換素
子524が単数の光電変換層を有している場合を例示しているが、第2の光電変換素子5
24は積層された複数の光電変換層を有していても良い。
層534とをそれぞれ有する。p層532、i層533、n層534が、導電膜527側
から順に積層されることで、pin接合が形成されている。また、図10(B)では、光
電変換層529がp層535と、p型の単結晶半導体基板523と、n層537とを有す
る。p層535、p型の単結晶半導体基板523、n層537が導電膜530側から順に
積層されることで、pn接合が形成されている。
n接合を有する場合を例示しているが、光電変換層526がpn接合を有する、或いは光
電変換層529がpin接合を有していても良い。
、第2の光電変換素子524が有する光電変換層529とは、矢印で示す光の進行方向に
おいて重なるように、順に配置されている。
、多結晶半導体、微結晶半導体などの結晶性を有する半導体を用いていても良いし、非晶
質半導体を用いていても良い。また、光電変換層526が有するp層532、i層533
、n層534と、光電変換層529が有するn層537、p型の単結晶半導体基板523
、p層535は、シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、炭化シリコンなどを
用いることができる。ただし、本発明の一態様では、第1の光電変換素子522の方が、
第2の光電変換素子524に比べて、低い照度の環境下において光電変換効率が高く、第
2の光電変換素子524の方が、第1の光電変換素子522に比べて、高い照度の環境下
において光電変換効率が高いという条件を満たすようにする。照度による光電変換効率の
違いは、例えば、光電変換層を構成する半導体の材料、結晶性などによってもたらされる
ので、上記条件を満たすように光電変換層526と光電変換層529の構成を決めればよ
い。
晶質シリコンで形成する。光電変換層529が有するn層537、p層535を、単結晶
シリコンで形成する。
B)に示した光電変換装置において、第1の光電変換素子522の光電変換層526を非
晶質シリコンで形成し、第2の光電変換素子524の光電変換層529を単結晶シリコン
で形成した場合、第1の光電変換素子522の方が第2の光電変換素子524よりも、短
い波長領域の光を利用して光電変換を行うことになる。よって、第1の光電変換素子52
2を、光が入射する側により近くなるように配置することで、光電変換装置内において生
じる短い波長領域の光の損失を抑えることができ、光電変換効率をより高めることができ
る。
板を用いることができる。
素子522が有する導電膜527及び導電膜528と、第2の光電変換素子524が有す
る導電膜531には、上述したような透光性を有する導電材料を用いることができる。そ
して、第2の光電変換素子524が有する導電膜530には、上述したような、光を反射
しやすい導電材料を用いることができる。或いは、導電膜530に上述したような透光性
を有する導電材料を用いていても良いが、この場合、第2の光電変換素子524を透過し
た光が反射する反射膜を、導電膜530のp層535とは反対側の面上に形成することが
望ましい。反射膜には、アルミニウム、銀、チタン、タンタルなどの光を反射しやすい材
料を用いることが望ましい。
する側の導電膜530の面に凹凸を形成すると、当該面において光が乱反射するため、光
電変換層529において光の吸収率を高め、光電変換効率を高めることができる。同様に
、反射膜を形成する場合、導電膜530のうち、反射膜の光が入射する側の面に凹凸を形
成することで、光電変換効率を高めることができる。
素子524の間において光を透過させることができる材料を用いる。接着層525として
、接着層505と同様の材料を用いることができる。
本実施の形態では、図5に示したDCDCコンバータとは、電圧変換部の構成が異なる、
DCDCコンバータの一形態について説明する。なお、本実施の形態では、第1のDCD
Cコンバータ102aが有する第1の電圧変換部104aの構成について説明する。第2
のDCDCコンバータ102bは、第1のDCDCコンバータ102aと同様の構成を有
しているので、第2のDCDCコンバータ102bの構成については、以下の第1のDC
DCコンバータ102aの構成についての説明を参照することができる。
例として示す。図9(A)に示す第1のDCDCコンバータ102aは、スイッチング素
子として機能するトランジスタ106aと、第1の電圧変換部104aと、第1の制御回
路105aとを有している。
4aがダイオード110、コンデンサ112、トランス113を有する。また、図9(A
)に示す第1のDCDCコンバータ102aは、入力電圧の与えられる入力端子INa1
と、固定電圧の与えられる入力端子INa2と、出力端子OUTa1と、出力端子OUT
a2とを有している。
ている。トランジスタ106aは、入力端子INa2と、トランス113の一次コイルが
有する一方の端子との、間の接続を制御している。具体的に、トランジスタ106aは、
その第1端子が入力端子INa2に接続されており、その第2端子が、トランス113の
一次コイルが有する一方の端子に接続されている。また、トランス113の一次コイルが
有する他方の端子は、入力端子INa1に接続されている。
10の陽極に接続されており、他方の端子が出力端子OUTa2に接続されている。ダイ
オード110の陰極は、出力端子OUTa1に接続されている。コンデンサ112が有す
る一対の電極は、一方が出力端子OUTa1に接続されており、他方が出力端子OUTa
2に接続されている。
して示す。図9(B)に示す第1のDCDCコンバータ102aは、スイッチング素子と
して機能するトランジスタ106aと、第1の電圧変換部104aと、第1の制御回路1
05aとを有している。
4aがダイオード110、ダイオード114、コイル111、コンデンサ112、トラン
ス115を有する。また、図9(B)に示す第1のDCDCコンバータ102aは、入力
電圧の与えられる入力端子INa1と、固定電圧の与えられる入力端子INa2と、出力
端子OUTa1と、出力端子OUTa2とを有している。
が設けられた、一次コイルと二次コイルを有している。ただし、トランス113は、一次
コイルと二次コイルの巻き始めの位置が逆側に配置されているのに対し、トランス115
は、一次コイルと二次コイルの巻き始めの位置が同じ側に配置されている。
方の端子との、間の接続を制御している。具体的に、トランジスタ106aは、その第1
端子が入力端子INa2に接続されており、その第2端子が、トランス115の一次コイ
ルが有する一方の端子に接続されている。また、トランス115の一次コイルが有する他
方の端子は、入力端子INa1に接続されている。
10の陽極に接続されており、他方の端子が出力端子OUTa2に接続されている。ダイ
オード110の陰極は、ダイオード114の陰極及びコイル111の一方の端子に接続さ
れている。ダイオード114の陽極は、出力端子OUTa2に接続されている。コイル1
11の他方の端子は、出力端子OUTa1に接続されている。コンデンサ112が有する
一対の電極は、一方が出力端子OUTa1に接続されており、他方が出力端子OUTa2
に接続されている。
ワード式の第1のDCDCコンバータ102aの構成について示したが、本発明の一態様
に係る第1のDCDCコンバータ102aと第2のDCDCコンバータ102bは、これ
らに限定されない。本発明の一態様に係る光電変換装置は、スイッチング素子のスイッチ
ングのデューティ比により出力電圧の大きさを調整することができる、スイッチング方式
のDCDCコンバータを用いていれば良い。
本実施の形態では、交流電圧の出力を行う、本発明の一態様に係る光電変換装置の一例に
ついて説明する。
101aと、第2の光電変換素子101bと、第1のDCDCコンバータ102aと、第
2のDCDCコンバータ102bとを有する。さらに、図11に示す光電変換装置は、図
1に示した光電変換装置とは異なり、第1のスイッチ151aと、第1のコンデンサ15
2aと、第2のスイッチ151bと、第2のコンデンサ152bと、パルス幅変調回路1
53と、インバータ154と、バンドパスフィルタ155とを有している。
Cコンバータ102aが、第1のスイッチング素子103aと、第1の電圧変換部104
aと、第1の制御回路105aとを有する。また、第2のDCDCコンバータ102bが
、第2のスイッチング素子103bと、第2の電圧変換部104bと、第2の制御回路1
05bとを有する。
DCコンバータ102aの出力端子と第2のDCDCコンバータ102bの出力端子とが
並列に接続されている。すなわち、出力端子OUTa1と、出力端子OUTb1とが接続
されており、出力端子OUTa1及び出力端子OUTb1の電圧が後段の回路に与えられ
る。また、出力端子OUTa2と、出力端子OUTb2とが接続されており、出力端子O
UTa2及び出力端子OUTb2の電圧が後段の回路に与えられる。
Cコンバータ102aに与えられる入力電力の一部が、第1の制御回路105a及び第2
の制御回路105bに与えられる。第1の制御回路105a及び第2の制御回路105b
は、上記入力電力の一部を駆動電力として用い、動作を行う。
ると電力が生じる。上記電力は、第1のコンデンサ152aにおいてその電圧が平滑化さ
れた後、第1のスイッチ151aを介して、第1のDCDCコンバータ102aに入力さ
れる。なお、第1のコンデンサ152aを設けることで、第1のスイッチ151aのオン
オフによって生じるパルス状の電流が、第1の光電変換素子101aに流れ込むのを防ぐ
ことができる。そして、第1のDCDCコンバータ102aに入力された電力は、第1の
DCDCコンバータ102aにおいてその電圧の大きさが調整されてから、出力される。
と電力が生じる。上記電力は、第2のコンデンサ152bにおいてその電圧が平滑化され
た後、第2のスイッチ151bを介して、第2のDCDCコンバータ102bに入力され
る。なお、第2のコンデンサ152bを設けることで、第2のスイッチ151bのオンオ
フによって生じるパルス状の電流が、第2の光電変換素子101bに流れ込むのを防ぐこ
とができる。そして、第2のDCDCコンバータ102bに入力された電力は、第2のD
CDCコンバータ102bにおいてその電圧の大きさが調整されてから、出力される。
電圧は、直流電圧である。インバータ154は、第1のDCDCコンバータ102aと第
2のDCDCコンバータ102bから出力された直流電圧を交流電圧に変換し、出力する
。図11では、インバータ154が4つのトランジスタ156〜トランジスタ159と、
4つのダイオード160〜ダイオード163とで構成されている例を示している。
Tb1に接続されており、その第2端子がトランジスタ157の第1端子に接続されてい
る。トランジスタ157の第2端子は、出力端子OUTa2及び出力端子OUTb2に接
続されている。トランジスタ158は、その第1端子が出力端子OUTa1及び出力端子
OUTb1に接続されており、その第2端子がトランジスタ159の第1端子に接続され
ている。トランジスタ159の第2端子は、出力端子OUTa2及び出力端子OUTb2
に接続されている。ダイオード160〜ダイオード163は、トランジスタ156〜トラ
ンジスタ159と、それぞれ並列に接続されている。具体的には、トランジスタ156〜
トランジスタ159の第1端子にダイオード160〜ダイオード163の陰極がそれぞれ
接続され、トランジスタ156〜トランジスタ159の第2端子にダイオード160〜ダ
イオード163の陽極がそれぞれ接続されている。
Cコンバータ102bから出力された直流電圧が与えられている。パルス幅変調回路15
3は、上記電圧が与えられることで動作し、トランジスタ156〜トランジスタ159の
スイッチングを制御する信号を生成する。
9がスイッチングを行うことで、インバータ154が有する、トランジスタ156の第2
端子とトランジスタ157の第1端子が接続されているノードと、トランジスタ158の
第2端子とトランジスタ159の第1端子が接続されているノードとから、PWM波形を
有する交流電圧が出力される。
圧の高周波成分を除去することで、正弦波を有する交流電圧を得ることができる。
て、本発明の一態様に係る光電変換装置を用いることで、電子機器が使用可能である場所
の制限が緩和されるため、利便性が高まる。特に携帯用の電子機器の場合、本発明の一態
様に係る光電変換装置を用いることで、使用可能である場所の制限が緩和されると、利便
性が飛躍的に高まる。
って、本発明の一態様に係る光電変換装置を用いることで、電子機器の動作に要する電力
を確保しやすくなるため、動作の信頼性を高めることができる。特に電力の供給を常時受
けることが困難な携帯用の電子機器の場合、本発明の一態様に係る光電変換装置を用いる
ことで、連続使用時間が長くなるといったメリットが得られる。
録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile
Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に
用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る光電変換装置を用いることができ
る電子機器として、携帯電話、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ
、デジタルスチルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナ
ビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー
等)、複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機
(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図12に示す。
表示部7034、マイクロホン7035、スピーカー7036、操作キー7037、スタ
イラス7038等を有する。本発明の一態様に係る光電変換装置は、携帯型ゲーム機の駆
動を制御するための集積回路に用いることができる。携帯型ゲーム機の駆動を制御するた
めの集積回路に本発明の一態様に係る光電変換装置を用いることで、利便性が高く、動作
の信頼性が高い携帯型ゲーム機を提供することができる。また、本発明の一態様に係る光
電変換装置を携帯型ゲーム機に用いることで、携帯型ゲーム機の連続使用時間を長くする
ことができる。なお、図12(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部7033と
表示部7034とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定さ
れない。
音声出力部7044、操作キー7045、受光部7046等を有する。受光部7046に
おいて受信した光を電気信号に変換することで、外部の画像を取り込むことができる。本
発明の一態様に係る光電変換装置は、携帯電話の駆動を制御するための集積回路に用いる
ことができる。携帯電話の駆動を制御するための集積回路に本発明の一態様に係る光電変
換装置を用いることで、利便性が高く、動作の信頼性が高い携帯電話を提供することがで
きる。また、本発明の一態様に係る光電変換装置を携帯電話に用いることで、携帯電話の
連続使用時間を長くすることができる。
等を有する。図12(C)に示す携帯情報端末は、モデムが筐体7051に内蔵されてい
ても良い。本発明の一態様に係る光電変換装置は、携帯情報端末の駆動を制御するための
集積回路に用いることができる。携帯情報端末の駆動を制御するための集積回路に本発明
の一態様に係る光電変換装置を用いることで、利便性が高く、動作の信頼性が高い携帯情
報端末を提供することができる。また、本発明の一態様に係る光電変換装置を携帯情報端
末に用いることで、携帯情報端末の連続使用時間を長くすることができる。
には、発光素子が設けられている。本発明の一態様に係る光電変換装置は、照明装置の駆
動を制御するための集積回路に用いることができる。照明装置の駆動を制御するための集
積回路に本発明の一態様に係る光電変換装置を用いることで、利便性が高く、動作の信頼
性が高い照明装置を提供することができる。また、本発明の一態様に係る光電変換装置を
照明装置に用いることで、照明装置の連続使用時間を長くすることができる。
101b 第2の光電変換素子
102a 第1のDCDCコンバータ
102b 第2のDCDCコンバータ
103a 第1のスイッチング素子
103b 第2のスイッチング素子
104a 第1の電圧変換部
104b 第2の電圧変換部
105a 第1の制御回路
105b 第2の制御回路
106a トランジスタ
110 ダイオード
111 コイル
112 コンデンサ
113 トランス
114 ダイオード
115 トランス
120 抵抗
121 抵抗
122 誤差増幅器
123 位相補償回路
124 コンパレータ
125 三角波発振器
126 バッファ
151a 第1のスイッチ
151b 第2のスイッチ
152a 第1のコンデンサ
152b 第2のコンデンサ
153 パルス幅変調回路
154 インバータ
155 バンドパスフィルタ
156 トランジスタ
157 トランジスタ
158 トランジスタ
159 トランジスタ
160 ダイオード
161 ダイオード
162 ダイオード
163 ダイオード
201 実線
202 実線
203 実線
204 実線
501 基板
502 第1の光電変換素子
503 基板
504 第2の光電変換素子
505 接着層
506 光電変換層
507 導電膜
508 導電膜
509 光電変換層
510 導電膜
511 導電膜
512 p層
513 i層
514 n層
515 n層
516 i層
517 p層
521 基板
522 第1の光電変換素子
523 p型の単結晶半導体基板
524 第2の光電変換素子
525 接着層
526 光電変換層
527 導電膜
528 導電膜
529 光電変換層
530 導電膜
531 導電膜
532 p層
533 i層
534 n層
535 p層
537 n層
7031 筐体
7032 筐体
7033 表示部
7034 表示部
7035 マイクロホン
7036 スピーカー
7037 操作キー
7038 スタイラス
7041 筐体
7042 表示部
7043 音声入力部
7044 音声出力部
7045 操作キー
7046 受光部
7051 筐体
7052 表示部
7053 操作キー
7081 筐体
7082 光源
Claims (5)
- 第1の光電変換素子と、第2の光電変換素子と、第1の回路と、第2の回路と、を有し、
前記第1の光電変換素子は、第1の電力を生成する機能を有し、
前記第2の光電変換素子は、第2の電力を生成する機能を有し、
前記第1の電力は、前記第1の回路に供給され、
前記第2の電力は、前記第2の回路に供給され、
前記第1の回路は、第1の制御信号を生成する機能を有する第1の制御回路を有し、
前記第2の回路は、第2の制御信号を生成する機能を有する第2の制御回路を有し、
前記第1の制御信号のデューティ比に従って前記第1の回路から出力される第1の出力電圧の値が定まり、
前記第2の制御信号のデューティ比に従って前記第2の回路から出力される第2の出力電圧の値が定まり、
前記第1の電力及び前記第2の電力のうち、前記第1の電力の一部のみが、前記第1の制御回路の駆動電力及び前記第2の制御回路の駆動電力として用いられることを特徴とする光電変換装置。 - 第1の光電変換素子と、第2の光電変換素子と、第1の回路と、第2の回路と、を有し、
前記第1の光電変換素子は、第1の電力を生成する機能を有し、
前記第2の光電変換素子は、第2の電力を生成する機能を有し、
前記第1の電力は、前記第1の回路に供給され、
前記第2の電力は、前記第2の回路に供給され、
前記第1の回路は、第1の制御信号を生成する機能を有する第1の制御回路を有し、
前記第2の回路は、第2の制御信号を生成する機能を有する第2の制御回路を有し、
前記第1の制御信号のデューティ比に従って前記第1の回路から出力される第1の出力電圧の値が定まり、
前記第2の制御信号のデューティ比に従って前記第2の回路から出力される第2の出力電圧の値が定まり、
前記第1の光電変換素子は、非晶質シリコンを有する第1の光吸収層を有し、
前記第2の光電変換素子は、単結晶シリコンを有する第2の光吸収層を有し、
前記第1の電力及び前記第2の電力のうち、前記第1の電力の一部のみが、前記第1の制御回路の駆動電力及び前記第2の制御回路の駆動電力として用いられることを特徴とする光電変換装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記第1の光電変換素子を透過した光が、前記第2の光電変換素子に入射することを特徴とする光電変換装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記第1の光電変換素子は、前記第2の光電変換素子と、樹脂を含む層を間に挟んで重なる領域を有することを特徴とする光電変換装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記第1の光電変換素子の光電変換効率は、第1の照度を有する環境下において、前記第2の光電変換素子の光電変換効率よりも高く、
前記第2の光電変換素子の光電変換効率は、第2の照度を有する環境下において、前記第1の光電変換素子の光電変換効率よりも高く、
前記第2の照度は、前記第1の照度よりも高いことを特徴とする光電変換装置。
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