JP7493938B2 - 太陽電池用のフレキシブルな一体型集光器 - Google Patents

太陽電池用のフレキシブルな一体型集光器 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１７年４月３日に出願された米国仮特許出願第６２／４８０，５７２号の利益を主張し、本開示内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
本開示は太陽電池、薄膜太陽電池用集光器に関し、より詳細には、フレキシブルな高分子集光器を備える溶液処理されたフレキシブル太陽電池に関する。
銅亜鉛スズ硫化物（ＣＺＴＳ）太陽電池、誘導体ＣＺＴＳｅおよびＣＺＴＳＳｅ、セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）太陽電池、色素増感太陽電池（「グレッツェルセル」としても知られている）、有機太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池、ポリマー太陽電池、および量子ドット太陽電池などの新興の薄膜太陽電池技術に対する関心が高まっている。全ての新興技術の中で、コロイド量子ドット（ＣＱＤ）は近年広く研究されており、安価な材料、溶液加工性、短い製造サイクル、機械的柔軟性、スケーラブルな製造による低コスト性と、エピタキシャル成長した無機同等品と比較して多接合、透明性、および装置の着色を可能にする赤外線応答性とにより、将来有望な候補と見なされている。加えて、フレキシブル基板上での溶液処理や、特定の用途向けに、画素をより複雑な形状やより大きなサイズにパターニングかつスケーリングすることにより、ＣＱＤ太陽電池を作製することに関心が高まっている。ただし、溶液加工性においては、高品質で大きな画素サイズを設けるに際し、いくつかの課題が伴う。量子ドット自体の不均一性や、出発原料溶液中、および作製プロセス中に導入される不純物は全て、電荷キャリアの再結合中心、短絡経路、および明確な層状構造の破壊が発生し得る原因となり、これら全てによって性能が低下し、場合によっては装置故障が引き起こされることになる。このために、画素は通常、画素内で可能な限り最高の均一性を得るのに十分な程度に小さくされている。たとえば、報告されているほとんど全ての高電力変換効率（ＰＣＥ）のＰｂＳ ＣＱＤ装置は全て、０．１～０．０１ｃｍ２の画素で測定されており、これらは日射当たり１０％のＰＣＥを想定して１ｍＷ未満の出力となり、現実的な用途には低過ぎる数字であることは議論の余地がない。集光器は、こうした効率をさらに高めるために、従来の産業用高効率太陽電池に長い間実装されてきた。しかしながら、現行の太陽電池による集光手法では、製造および設定にコストがかかる大型の外部光学系、または頑強で定置式の大規模な統合システムが使用されている。
したがって、フレキシブル基板上における薄膜太陽電池の集光器設計を目的とした、新たなアプローチが必要である。
以下で、本教示の１または複数の実施形態のいくつかの態様に関する基礎知識を付与するために、簡略化された要約を示すものとする。この要約は、広範な概要ではなく、本教示の主要なまたは重要な要素を特定することも、本開示の要旨を線引きすることも意図していない。正しくは、その主な目的は、後に示す詳細な説明の前置きとして、簡略化形式で１または複数の概念を提示することに過ぎない。
別の目的および利点については、図の説明、本開示に関する詳細な説明、および特許請求の範囲においてより明らかとなるであろう。
一態様では、
ａ）透明基板と、
ｂ）透明基板上に作製される太陽電池と、
ｃ）平坦面を有する集光レンズを含む高分子集光器であって、太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、この集光レンズが太陽電池と光学的に位置合わせされている、高分子集光器とを備える、
太陽電池装置が存在する。
本太陽電池装置の一実施形態では、透明基板は第１の表面および第２の表面を含み、第２の表面は第１の表面と対向しており、また太陽電池は、透明基板の第１の表面上に配置される第１の電極、および第１の電極と第２の電極との間に接触させて配置されている活性層を含む。
別の実施形態では、集光レンズが透明基板を介して、太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、透明基板は太陽電池の第１の電極と高分子集光器の平坦面との間に接触させて配置されている。
さらに別の実施形態では、集光レンズが第２の電極を介して、太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、太陽電池は透明基板と高分子集光器の平坦面との間に接触させて配置されている。
一実施形態では、太陽電池は溶液処理された太陽電池である。
別の実施形態では、太陽電池は、ペロブスカイト太陽電池、有機太陽電池、コロイド量子ドット太陽電池、結晶、多結晶、または多結晶半導体系セル、アモルファスシリコン系セル、色素増感太陽電池、ＣＺＴＳ／Ｓｅ太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池、もしくはそれらのハイブリッドのうちの１または複数を含む。
一実施形態では、活性層は、コロイド量子ドット（ＣＱＤ）、有機電子材料、ペロブスカイト、色素増感多孔質材料、またはそれらの混合物のうちの１または複数を含む。
太陽電池の一実施形態では、活性層はコロイド量子ドット（ＣＱＤ）を含む。
別の実施形態では、太陽電池は、第１の透明電極と活性層との間に接触させて配置されるｎ型導電層をさらに含む。
さらに別の実施形態では、太陽電池は、活性層と第２の電極との間に接触させて配置される緩衝層をさらに含む。
本太陽電池装置の別の実施形態では、高分子集光器は、球面集光レンズ、円錐集光レンズ、非球面集光レンズ、またはフレネル集光レンズを含む。
一実施形態では、透明基板は、フレキシブルポリマー基板またはフレキシブルガラス基板である。
別の実施形態では、このフレキシブルポリマー基板は、ポリエステル、ポリイミド、ポリマー有機ケイ素化合物またはポリアミドを含む。
さらに別の実施形態では、高分子集光器は３Ｄプリンターで製造されたポリマーレンズ成形型を使用して作製されている。
一実施形態では、本太陽電池装置は、太陽電池ピクセルのアレイと高分子集光器のアレイとをさらに備え、各集光器が太陽電池ピクセルそれぞれの表面全体にわたって実質的に均一な照明をもたらすように、高分子集光器のアレイにおける各集光レンズは、太陽電池ピクセルのアレイにおける太陽電池ピクセルそれぞれと光学的に位置合わせされている。
別の実施形態では、太陽電池は、
ａ）透明基板の第１の表面と接触している第１の透明電極を含む可視接合部と、
ｂ）可視接合部と赤外線接合部との間に接触させて配置される再結合層であって、赤外線接合部は透明基板から最も遠い第２の電極を含む、再結合層とを含む、
多接合太陽電池である。
多接合太陽電池の一実施形態では、可視接合部は、ペロブスカイト太陽電池、有機太陽電池、コロイド量子ドット太陽電池、結晶、多結晶、または多結晶半導体系セル、アモルファスシリコン系セル、色素増感太陽電池、ＣＺＴＳ／Ｓｅ太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池、もしくはそれらのハイブリッドを含み、赤外線太陽電池は、コロイド量子ドット太陽電池またはシリコン太陽電池、もしくはそれらのハイブリッドを含む。
一態様では、
ａ）第１の表面および第２の表面を有する透明基板を設けるステップであって、第２の表面は第１の表面と対向している、ステップと、
ｂ）透明基板の第１の表面に太陽電池を作製するステップと、
ｃ）平坦面を有する集光レンズを含む高分子集光器を設けるステップと、
ｄ）太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、この高分子集光器の集光レンズを太陽電池と光学的に位置合わせするステップとを含む、
太陽電池装置を作製する方法が存在する。
太陽電池装置を作製する方法の一実施形態では、高分子集光器の集光レンズを太陽電池と光学的に位置合わせするステップは、集光レンズが透明基板を介して、太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、高分子集光器の平坦面を透明基板の第２の表面に接合するステップをさらに含む。
太陽電池装置を作製する方法の別の実施形態では、高分子集光器の集光レンズを太陽電池と光学的に位置合わせするステップは、集光レンズが第２の電極を介して、太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、高分子集光器の平坦面を太陽電池の第２の電極に接合するステップをさらに含む。
さらに別の実施形態では、透明基板の第１の表面上に太陽電池を作製するステップは、太陽電池を溶液処理により作製するステップを含む。
別の実施形態では、高分子集光器を設けるステップは、
ａ）当該基板の第２の表面を介して太陽電池を均一に照らすために、光学モデリングによりコンピュータ支援レンズ成形型（レンズ成形型ＣＡＤ）を設計するステップと、
ｂ）積層造形によるレンズ成形型ＣＡＤを使用して、三次元レンズ成形型をプリントするステップと、
ｃ）平滑表面を形成するために、レンズ成形型をスラリーで研磨するステップと、
ｄ）硬化性組成物をレンズ成形型へと注入するステップと、
ｅ）平坦面を有する集光レンズを含む高分子集光器を得るために、この硬化性組成物を硬化させるステップとを含む。
別の実施形態では、この硬化性組成物は、ポリジメチルシロキサンモノマーと硬化剤との混合物を含む。
さらに別の実施形態では、この硬化性組成物は、ポリジメチルシロキサン、シリコーン、エポキシ、スピンオングラス（ＳＯＧ）、アクリル、または他の成形可能な透明材料を含む。
本発明が適用可能なさらなる領域は、以下に示す詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明および具体的な実施例は、本発明のいくつかの好ましい態様を示しているが、例示のみを目的とするものであり、本発明の要旨の限定を意図するものではないことを理解すべきである。
本発明は、詳細な説明および添付の図面からより十分に理解されるであろう。
本開示の様々な実施形態による、透明基板を通る照明を備えた、例示的な太陽電池装置の断面図を概略的に示す。
本開示の様々な実施形態による、太陽電池の第２の電極を通る照明を備えた、例示的な太陽電池装置の断面図を概略的に示す。
本開示の様々な実施形態による、別の例示的な太陽電池装置の断面図を概略的に示す。
本開示の様々な実施形態による、例示的なコロイド量子ドット（ＣＱＤ）太陽電池の断面図を概略的に示す。
本開示の様々な実施形態による、例示的な多接合太陽電池装置の断面図の概略図を示す。
本開示の様々な実施形態による、レンズ成形型のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）を示す。
本開示の様々な実施形態による、例示的な非球面レンズの設計を示す。
本開示の様々な実施形態による、３Ｄプリンタを使用して作製された、例示的な現状どおりのレンズ成形型の画像を示す。
本開示の様々な実施形態による、図７Ａに示す例示的なレンズ成形型の研磨後の画像を示す。
本開示の様々な実施形態による、３Ｄプリンタを使用して作製された、研磨済みのレンズアレイ成形型の画像を示す。
本開示の様々な実施形態による、図８Ａのレンズアレイ成形型を使用して作製された、集光器のアレイの画像を示す。
本開示の様々な実施形態による、透明ガラス基板の第２の表面に接合されるフレキシブルＰＤＭＳ集光器を備えた、硫化鉛コロイド量子ドット（ＰｂＳ ＣＱＤ）太陽電池の例示的なアレイの画像を示す。
本開示の様々な実施形態による、透明ガラス基板の第２の表面に接合される、フレキシブルＰＤＭＳ集光器を備えた例示的な太陽電池装置の画像を示す。
本開示の様々な実施形態による、ＰＤＭＳ集光器の透過スペクトルを示す。
集光器を備えていない対照太陽電池、球形の半インチ直径のレンズを備えた例示的な太陽電池装置、および円錐形の半インチ直径のレンズを備えた例示的な太陽電池装置の、デバイス電圧の関数としてのデバイス電流を示す。
本開示の様々な実施形態による、集光器の短絡電流倍率および電力倍率を示す、様々な入射エネルギー密度として添付されたものを示す。
本開示の様々な実施形態による、集光器を備えていない場合と備える場合とにおける、太陽電池の画素面での実際の入射放射照度の関数としてプロットされた、太陽電池の性能指数を示す。
なお、図面の一部の詳細は簡略化されており、構造の厳密な正確性、詳細、および縮尺を維持するのではなく、本教示の理解を促進するために描かれている。
上記の図面は縮尺どおりである必要はなく、代わりに本開示の原理を例示することに概ね重点が置かれている。また、特定の構成要素の詳細を示すために、一部の特徴を誇張している場合がある。これらの図面または図は説明を目的とするものであり、制限を意図するものではない。
様々な好ましい１または複数の態様の以下の説明は、本質的に単なる例示に過ぎず、本発明、その適用、または使用を限定することを決して意図するものではない。ここで、本開示の様々な実施形態を詳細に参照するものとする。本明細書に開示している構成要素、プロセス、および装置へのより完全な理解をもたらすために、実施形態を以下に記載している。記載している実施例はいずれも、限定ではなく例示を意図している。本明細書および特許請求の範囲の全体を通して、以下の用語は、文脈で別途明確に指示しない限り、本明細書で明示的に関連付けられた意味を持つ。本明細書で使用している「いくつかの実施形態では」および「一実施形態では」という語句は、必ずしも１または複数の同じ実施形態を指すとは限らないが、これらを指していてもよい。また、本明細書で使用している「別の実施形態では」および「他のいくつかの実施形態では」という語句は、必ずしも異なる実施形態を指すとは限らないが、これを指していてもよい。以下に記載しているように、本開示の要旨または精神から逸脱することなく、様々な実施形態を容易に組み合わせることができる。
本明細書で使用する場合、「または（ｏｒ）」という用語は包含演算子であり、文脈で別途明確に指示しない限り、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語と同等である。「に基づく（ｂａｓｅｄ ｏｎ）」という用語は排他的なものではなく、文脈で別途明確に指示しない限り、記載されていない別の要因に基づく可能性もある。本明細書において、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」という記述は、Ａ、Ｂ、またはＣ、Ａ、Ｂ、またはＣの複数の例、あるいはＡまたはＢ、ＡまたはＣ、ＢまたはＣの組み合わせなどを含む実施形態を含む。さらに、本明細書の全体を通して「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、その意味において複数の言及を含む。「の中（ｉｎ）」はその意味において、「の中（ｉｎ）」と「の上（ｏｎ）」とを含む。
全体を通して使用する場合、範囲を、その範囲内にある全ての値を記載するための略記として使用している。その範囲内の任意の値を、当該範囲の終点として選択することができる。また、本明細書で引用した全ての参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。本開示の定義と引用文献の定義とが矛盾する場合、本開示が優先する。
別途規定しない限り、本明細書および本明細書の他の部分で示している全てのパーセンテージおよび量は、重量パーセントを指すと理解すべきである。ここで示している量は、材料の有効重量に基づく。
本明細書で使用する場合、「太陽電池装置」という用語は、集光器を含む少なくとも１つの太陽電池を備えた装置を指す。したがって、本明細書で使用する場合、「太陽電池装置」という用語は、単一の集光器を備えた単一の太陽電池、または集光器のアレイを備えた太陽電池のアレイを含んでもよい。
通常、「上部（ｔｏｐ）」は「照明側に最も近い」（すなわち、太陽に最も近い）ことを意味し、「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」は「照明側から最も遠い」ことを意味する。ただし、本明細書で使用する場合、「上部（ｔｏｐ）」は「最後に作製される層」を指し、「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」は「最初に作製される層」を指す。したがって、「第１の透明電極」と互換的に使用される「第１の電極」という用語は、透明基板上に作製される第１の電極を指し、「第２の透明電極」と互換的に使用される「第２の電極」という用語は、透明基板から最も遠い、太陽電池装置内に最後に作製される電極を指す。また、本開示の太陽電池は高分子集光器を介して照らされるため、照明側が太陽電池の底部側になる可能性があり、照明が透明基板を通る場合、あるいは照明側が太陽電池の上側になる可能性があり、照明が第２の電極を通る場合、高分子集光器の配置に依存している。
本明細書で使用する場合、「バルクバンドギャップ」という用語は、「バルク」材料固有のバンドギャップを指し、これはすなわち、半導体または絶縁体の基礎特性である。本明細書で使用する場合、「量子閉じ込めバンドギャップ」という用語は、たとえばある材料からナノ粒子を作製することにより、そのバルクエキシトンボーア半径よりも小さい長さスケールで材料を構造化した場合に生じ得る、ある有効な（変化した）バンドギャップを指す。材料をこのスケールで構造化すると、バンドギャップはより高いエネルギーに「調整」されることになる。コロイド量子ドットは、量子閉じ込めバンドギャップを有する材料の一例である。コロイド量子ドットのバンドギャップは、コロイド量子ドットのサイズに依存している（量子ドットが大きいほど、バンドギャップは小さくなる）。量子閉じ込め材料のバンドギャップは、これに対応するバルク材料のバンドギャップよりも小さくなることはあり得ない。本出願で言及している太陽電池材料は全て、コロイド量子ドットを除くバルク材料である。ナノ粒子のサイズを変更することでバンドギャップを調整する能力（たとえば、太陽光スペクトルに一致する）は、太陽電池材料としてコロイド量子ドットを使用する際の主な利点の１つである。したがって、本明細書で使用する場合、「ＣＱＤのバンドギャップ」という用語は「ＣＱＤのバンドギャップエネルギー」と互換的に使用され、かつ量子閉じ込めバンドギャップエネルギーを指す。
本明細書では、太陽電池装置、太陽電池用集光器、およびそれらの作製方法を開示する。本開示の太陽電池装置は、透明基板と、透明基板上に作製される太陽電池と、平坦面を有する集光レンズを含む高分子集光器とを備え、太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、この集光レンズが太陽電池と光学的に位置合わせされている。
図１Ａは、本開示の様々な実施形態による、例示的な太陽電池装置１００の一部の断面図を概略的に示す。図１Ａに示すように、太陽電池装置１００は、透明基板１１０と、透明基板１１０上に作製される太陽電池１２０と、高分子集光器１３０とを備え、ここでは層を縮尺どおりに示していない。一実施形態では、透明基板１１０は第１の表面１１２および第２の表面１１４を有し、第２の表面１１４は第１の表面１１２と対向している。太陽電池１２０は、透明基板１１０の第１の表面１１２上に配置される第１の電極（図示せず）、および第１の電極（図示せず）と第２の電極（図示せず）と間に接触させて配置される活性層（図示せず）を含み、第２の電極は透明基板１１０から最も離間している。本開示の高分子集光器１３０は、平坦面１３４を有する集光レンズ１３２を含むプラノレンズである。一実施形態では、図１Ａに示すように、集光レンズ１３２が透明基板１１０を介して、太陽電池１２０の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、透明基板１１０は太陽電池１２０の第１の電極（図示せず）と高分子集光器１３０の平坦面１３４との間に接触させて配置されている。
別の実施形態では、図１Ｂは、別の例示的な太陽電池装置１０１の一部の断面図を概略的に示し、集光レンズ１３２が第２の電極（図示せず）を介して、太陽電池１２０の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、太陽電池１２０は透明基板１１０と高分子集光器１３０の平坦面１３４との間に接触させて配置されている。
図２は、本開示の様々な実施形態による、別の例示的な太陽電池装置２００の断面図を概略的に示す。図２に示すように、太陽電池装置２００は、太陽電池ピクセルのアレイ２２５と、高分子集光器のアレイ２３５と、各集光器が太陽電池ピクセルそれぞれの表面全体にわたって実質的に均一な照明をもたらすように、太陽電池ピクセルのアレイ２２５における太陽電池ピクセルそれぞれと高分子集光器のアレイ２３５との間に接触させて配置されている透明基板２１０とを備える。別の実施形態（図示せず）では、太陽電池ピクセルのアレイ２２５における太陽電池ピクセルそれぞれが、透明基板２１０と高分子集光器のアレイ２３５における高分子集光器との間に接触させて配置されるように、高分子集光器のアレイ２３５は太陽電池ピクセルのアレイ２２５上に配置されてもよい。
一実施形態では、この太陽電池は非溶液処理系の太陽電池である。非溶液処理太陽電池には、結晶、多結晶、多結晶半導体系太陽電池、およびアモルファスシリコン系電池が含まれる。これらの非溶液処理太陽電池の例示的な材料には、シリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、およびテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）が含まれるが、これらに限定されない。別の実施形態では、この太陽電池は溶液処理された太陽電池である。溶液処理太陽電池の適切な例には、ＣＱＤ太陽電池、有機太陽電池、ペロブスカイト太陽電池、色素増感太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池、ＣＺＴＳ／Ｓｅ太陽電池、またはこれらの太陽電池タイプのハイブリッドが含まれるが、これらに限定されない。ＣＱＤ太陽電池のタイプには空乏型ヘテロ接合ＣＱＤ太陽電池、ショットキー接合ＣＱＤ太陽電池、量子接合ＣＱＤ太陽電池、傾斜ドーピングＣＱＤ太陽電池、量子ファンネルセル、および多接合ＣＱＤ太陽電池などが含まれるが、これらに限定されない。
図１に示す各太陽電池１２０と、図２に示す太陽電池ピクセルのアレイ２２５における太陽電池ピクセルそれぞれは、第１の透明電極と第２の電極との間に配置される活性層を含んでもよい。この活性層は、コロイド量子ドット（ＣＱＤ）、有機電子材料、ペロブスカイト、色素増感多孔質材料、またはそれらの混合物を含んでもよい。
一実施形態では、この活性層はＣＱＤを含み、また太陽電池は、第１の透明電極と活性層との間に接触させて配置されるｎ型導電層をさらに含んでもよい。太陽電池は、活性層と第２の電極との間に挟まれた緩衝層をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態では、この緩衝層は第２の電極の一部である。
図３は、活性層にＣＱＤを含む、例示的なＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池３２０の断面図を概略的に示す。図３に示すように、ＣＱＤ太陽電池３２０は、透明基板３１０の第１の表面上に配置される第１の透明電極３２１、および第１の透明電極３２１上に配置されるｎ型導電層３２４を含む。ＣＱＤ太陽電池３２０は、ｎ型導電層３２４と第２の電極３２３との間に挟まれたｐ型導電層３２６をさらに含む。ｐ型導電層３２６は、コロイド量子ドット（ＣＱＤ）の少なくとも１つの層を含んでもよい。ＣＱＤ太陽電池３２０は、ｐ型導電層３２６と第２の電極３２３との間に接触させて配置される緩衝層３２８をさらに含んでもよい。
図３に示している緩衝層３２８は、第２の電極３２３の一部と見なされる場合がある。当業者であれば、ＣＱＤ太陽電池含めることができる多くの異なるタイプの層が存在することを認識しており、ここで述べ、かつ図３に示している特定の層構造は一例に過ぎない。
任意の適切な材料を透明基板に使用することができる。一実施形態では、この透明基板は剛性ガラス基板である。別の実施形態では、この透明基板は、フレキシブルポリマー基板またはフレキシブルガラス基板などのフレキシブル透明基板である。このフレキシブルポリマー基板は、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、またはポリマー有機ケイ素化合物を含むがこれらに限定されない、任意の適切な透明ポリマーを含んでもよい。これらの適切な例には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が含まれるが、これらに限定されない。この透明基板は、約０．１～５ｍｍ、または０．５～４ｍｍ、もしくは０．７５～３．５ｍｍの範囲など、任意の適切な厚さを有していてもよい。このフレキシブル透明基板は、約０．１～１．５ｍｍ、もしくは０．１５～１．２ｍｍ、あるいは０．２～１ｍｍの範囲など、任意の適切な厚さを有していてもよい。
適切な第１の透明電極材料には、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、薄い金属銀、銀ナノワイヤ、グラフェン、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（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）またはこれらもしくは関連材料の組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。第１の透明電極の厚さ範囲を、約５～１０００ｎｍ、または２５０～５００ｎｍ、もしくは２０～５０ｎｍとすることができる。
酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、有機フラーレン、共役ポリマードナー、またはｎ型コロイド量子ドットを含むが、これらに限定されない任意の適切な材料を、ｎ型導電層に使用してもよい。ｎ型導電層の厚さ範囲を、約１０～１０，０００ｎｍ、または１００～３００ｎｍ、または２０～５０ｎｍ、もしくは１００～８０００ｎｍ、あるいは１０００～５０００ｎｍとすることができる。
硫化鉛（ＰｂＳ、０．４１ｅＶのバルクバンドギャップエネルギー）量子ドット、セレン化鉛量子ドット（ＰｂＳｅ、０．２７ｅＶのバルクバンドギャップエネルギー）、またはセレン化カドミウム量子ドット（ＣｄＳｅ、１．７４ｅＶのバルクバンドギャップエネルギー）などのコロイド量子ドット（ＣＱＤ）を含むが、これらに限定されない任意の適切な材料を、ｐ型導電層に使用してもよい。ＣＱＤのバンドギャップエネルギーは、粒径を変更することで、スペクトルの近赤外領域から可視領域まで調整することができる。一実施形態では、ｐ型導電層は、粒径の範囲が２～１０ｎｍとなるＰｂＳ ＣＱＤを含む。別の実施形態では、ＰｂＳ ＣＱＤなどのＣＱＤを、ヨウ化テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＩ、または他の有機ハロゲン化物塩）、１，２－エタンジチオール（ＥＤＴ）、ベンゼンジチオール、メルカプトプロピオン酸（ＭＰＡ）、有機－無機ハイブリッドペロブスカイト、ブチルアミン、ピリジン、金属カルコゲナイド錯体（ＭＣＣ）、分子ハロゲン化物（Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩ）、ハロメタレート（［ＰｂＩ３］－など）、擬ハロゲン化物（チオシアン酸塩やアジ化物など）、またはこれらもしくはその他の有機リガンドおよび無機リガンドの組み合わせのうちの少なくとも１つで処理している。ｐ型導電層の厚さ範囲を、約５０～１０００ｎｍ、または１００～８００ｎｍ、もしくは２００～５００ｎｍとすることができる。
緩衝層の例示的な材料には酸化モリブデン（ＭｏＯ３）が含まれる。緩衝層の厚さ範囲を、約０～５０ｎｍ、または５～４０ｎｍ、もしくは１０～３０ｎｍとすることができる。
第２の電極の適切な例には、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、および／またはアルミニウム（Ａｌ）が含まれるが、これらに限定されない。第２の電極の厚さ範囲を、約５～１０００ｎｍ、または１００～３００ｎｍとすることができ、あるいは必要に応じてより厚くすることができる。
ポリジメチルシロキサン、エポキシ、スピンオングラス（ＳＯＧ）、またはアクリルを含むがこれらに限定されない任意の適切な透明材料を使用して、高分子集光器を作製することができる。一実施形態では、３Ｄプリンタで製造されたプラスチック成形型を使用して、高分子集光器を作製している。
一実施形態では、ＣＱＤ太陽電池３２０は、透明基板３１０としてのガラス層の第１の表面３１２上に配置される第１の透明電極３２１としてのＩＴＯと、ＩＴＯ上に配置されるｎ型導電層３２４としてのＴｉＯ２層とを含むガラス／ＩＴＯ／ＴｉＯ２／ＰｂＳ－ＣＱＤ／ＭｏＯ３／Ａｇからなる構造体を備える。ＣＱＤ太陽電池３２０は、ＴｉＯ２層と第２の電極３２３としての銀層との間に挟まれた、ｐ型導電層３２６としてのＰｂＳ ＣＱＤ層をさらに備える。ＣＱＤ太陽電池３２０は、ＰｂＳ ＣＱＤ層と銀層との間に接触させて配置される緩衝層３２８としてＭｏＯ３層を、さらに含んでもよい。
一態様では、本太陽電池装置は多接合太陽電池を含む。図４は、例示的な多接合太陽電池装置４００の断面図の概略図を示す。多接合太陽電池装置４００は、透明基板４１０と、多接合太陽電池４２０と、高分子集光器４３０とを備える。多接合太陽電池４２０は、可視接合部４２７および赤外線接合部４２９、ならびに可視接合部４２７と赤外線接合部４２９との間に接触させて配置される再結合層４２８を含む。可視接合部４２７は、透明基板４１０と接触させている透明電極（図示せず）を含んでもよい。赤外線接合部４２９は、赤外線接合部４２９が再結合層４２８と第２の電極（図示せず）との間に、片側で再結合層４２８と接触させ、その反対側で第２の電極（図示せず）と接触させて配置されるように、赤外線接合部の上部に第２の電極（図示せず）を含んでもよい。透明基板４１０を、多接合太陽電池４２０の可視接合部４２７と高分子集光器４３０の平坦面４３４との間に接触させて配置してもよい。このような配置では、集光レンズ４３２は、溶液処理された多接合太陽電池４２０の表面全体にわたって均一な照明をもたらしている。
多接合太陽電池の１または複数の再結合層の例示的な材料には、傾斜仕事関数を有する金属酸化物（ＭｏＯ３、ＩＴＯ、ＡＺＯなど）、薄金属（Ａｇ、Ａｌなど）、導電性ポリマー（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、金ナノ粒子などが含まれるが、これらに限定されない。再結合層の厚さ範囲を、約２～５００ｎｍ、または１０～３００ｎｍ、もしくは５０～１５０ｎｍ、あるいは５～２０ｎｍとすることができる。
可視接合部４２７は、ペロブスカイト太陽電池、有機太陽電池、コロイド量子ドット太陽電池、結晶、多結晶、または多結晶半導体系セル、アモルファスシリコン系セル、色素増感太陽電池、ＣＺＴＳ／Ｓｅ太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池、もしくはそれらのハイブリッドを含むがこれらに限定されない、任意の適切な太陽電池を含んでもよい。赤外線接合部４２９は、コロイド量子ドット太陽電池またはシリコン太陽電池を含むがこれらに限定されない、任意の適切な太陽電池を含んでもよい。
多接合太陽電池の一実施形態では、可視接合部はペロブスカイト太陽電池を含んでもよく、また赤外線接合部はＣＱＤ太陽電池を含んでもよい。多接合太陽電池の別の実施形態では、可視接合部および赤外線接合部の両方がＣＱＤ太陽電池を含む。
多接合太陽電池の別の実施形態では、３つ以上の接合部を互いの上に積み重ねていてもよく、その際、各接合部は下方から上方に向かうほど直前の接合部よりも小さなバンドギャップを有するため、その接合部のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光子を吸収して変換し、かつその接合部のバンドギャップよりも小さなエネルギーを有する光子を次の層へと送っている。
例示的なペロブスカイト系可視接合部は、たとえば酸化インジウムスズ、すなわちＩＴＯ、またはフッ素ドープ酸化スズ、すなわちＦＴＯ、ＴｉＯ２などの電子輸送層、バンドギャップの範囲が１．５～１．８ｅＶであるペロブスカイト層、および（２，２’，７，７’－テトラキス（Ｎ，Ｎ－ジ－ｐ－メトキシフェニルアミン）－９，９’－スピロビフルオレン（ｓｐｉｒｏ－ＯＭｅＴＡＤ）などの正孔輸送層を例とする底部透明接点を第１の電極として含んでもよい。
バンドギャップの範囲が１．４～２．５ｅＶまたは１．５～１．８ｅＶであるペロブスカイトの適切な例には、ヨウ化鉛メチルアンモニウム（ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ）、臭化鉛メチルアンモニウム（ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＢｒ）、ヨウ化スズメチルアンモニウム、臭化スズメチルアンモニウム、塩化スズメチルアンモニウム、ヨウ化鉛メチルアンモニウム、臭化鉛メチルアンモニウム、塩化鉛メチルアンモニウム、ヨウ化セシウムスズ、臭化セシウムスズ、塩化セシウムスズ、ホルムアミジンヨウ化スズ、ホルムアミジン臭化スズ、ホルムアミジン塩化スズ、ホルムアミジンヨウ化鉛、ホルムアミジン臭化鉛、ホルムアミジン塩化鉛、関連材料およびそれらの合金が含まれるが、これらに限定されない。
例示的なＣＱＤ赤外線接合部は、たとえばＴｉＯ２またはＺｎＯなどの電子輸送層／ｎ型ワイドバンドギャップ半導体、バンドギャップが０．８～１．２ｅＶであるＣＱＤ、ならびに銀および／または金の第２の電極を含んでもよい。
バンドギャップの範囲が０．８～１．２ｅＶであるＣＱＤの適切な例には、ＰｂＳおよびＰｂＳｅが含まれるが、これらに限定されない。
一態様では、太陽電池の作製方法が存在する。本方法は、第１の表面および第２の表面を有する透明基板を設けるステップであって、第２の表面は第１の表面と対向している、ステップと、透明基板の第１の表面上に溶液処理により太陽電池を作製するステップとを含む。本方法は、平坦面を有する集光レンズを含む高分子集光器を設けるステップと、太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、この高分子集光器の集光レンズを太陽電池と光学的に位置合わせするステップとをさらに含む。一実施形態では、高分子集光器の集光レンズを太陽電池と光学的に位置合わせするステップは、集光レンズが透明基板を介して、太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、高分子集光器の平坦面を透明基板の第２の表面に接合するステップをさらに含む。別の実施形態では、高分子集光器の集光レンズを太陽電池と光学的に位置合わせするステップは、集光レンズが第２の電極を介して、太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、高分子集光器の平坦面を太陽電池の第２の電極に接合するステップをさらに含む。
一実施形態では、高分子集光器を作製する本方法は、図５に示すように、光学モデリングによりコンピュータ支援レンズ成形型（レンズ成形型ＣＡＤ）５００を最初に設計し、これによって図６に示すように、当該基板の第２の表面を介して、太陽電池を均一に照らすようにし、かつ太陽電池を含む面に集光されるように、レンズの焦点を調整するステップを含む。本方法は、図５に示す積層造形によるレンズ成形型ＣＡＤを使用して、図７Ａに示すように三次元レンズ成形型をプリントした後、平滑表面を形成するために、このレンズ成形型をスラリーで研磨するステップをさらに含む。図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれが研磨前後の状態にある、３Ｄプリンタを使用して作製されたレンズ成形型の画像を示す。本方法は、硬化性組成物をレンズ成形型へと注入するステップと、平坦面を有する集光レンズを含む高分子集光器を得るために、この硬化性組成物を硬化させるステップとをさらに含む。図８Ａは、３Ｄプリンタを使用して作製された、例示的なレンズアレイ成形型の画像を示す。図８Ｂは、図８Ａのレンズアレイ成形型を使用して作製された、集光器のアレイの画像を示す。
一実施形態では、透明基板の第１の表面上に溶液処理により太陽電池を作製するステップは、溶液処理および溶液蒸着により、透明基板の第１の表面上に太陽電池ピクセルのアレイを作製するステップを含む。そのような実施形態では、高分子集光器を設けるステップは、照明を画素サイズまで絞る一方で、太陽電池装置が占有する領域全体に太陽光を集光することができる集光器のフレキシブルアレイを設け、これにより、太陽電池ピクセルそれぞれに各マイクロ集光器からの強化された均一な照明をもたらすステップを含む。
ポリジメチルシロキサン、シリコーン、エポキシ、スピンオングラス（ＳＯＧ）、アクリル、または他の成形可能な透明材料を含むがこれらに限定されない任意の適切な材料を、硬化性組成物に使用することができる。
上記に開示した太陽電池装置およびその作製方法は、薄膜ＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池などの溶液処理太陽電池と一体化できる高分子集光器を作製する簡便かつ経済的な方法など、従来の太陽電池に勝る多くの利点をもたらしている。３Ｄプリントなどの積層造形を使用することにより、集光器の製造コストが大幅に削減される。また、本開示の太陽電池装置の集光器を使用することで、溶液処理太陽電池の大面積膜要件の必要性が排除されることになり、これはなぜなら、この集光器によって照明面積を縮小することができ、同時に照度を増大させることができるためである。その上、電力変換効率（ＰＣＥ）は照度にほぼ対数的に比例するため、本開示の太陽電池装置の集光器を使用すると、ＰＣＥが向上する可能性がある。加えて、高分子集光器を任意の表面に接合できるため、この集光器を太陽電池に組み込むことで、単一コンポーネントパッケージングが可能となる。さらに、本開示の集光器は、大面積から太陽光を採集し、かつ太陽電池の画素サイズまで照明を絞るだけでなく、環境劣化から太陽電池を保護するカプセル化層として作用することにより二重機能を提供し、これによって本太陽電池装置／システムから別の高価な設計要素を取り除くことになる。
本開示の態様は、以下の実施例を参照することによりさらに理解され得る。実施例は例示であり、その実施形態を限定することを意図するものではない。
材料
量子ドット粒径が３ｎｍであり、バンドギャップが１．３ｅＶのＰｂＳ量子ドット（ＰｂＳ ＣＱＤ）のコロイド溶液を、以下に開示しているように合成した。ビニル末端ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）（Ｓｙｌｇａｒｄ（登録商標）１８４）を硬化剤と共に、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ社から入手した。
ＰｂＳ量子ドット（ＰｂＳ ＣＱＤ）の調製
オクタデセン（ＯＤＥ）中で酸化鉛およびオレイン酸の溶液を９５℃で１６時間脱気することにより、オレイン酸鉛の溶液を調製した。オレイン酸鉛溶液をシュレンクラインに接続した状態で加熱し、約１２０℃の温度でＯＤＥ中にヘキサメチルジシラチアン（ＴＭＳ）の溶液を注入した。温度は、目的とするＣＱＤのサイズに応じて、１００～１５０℃の範囲で変更することができる。溶液を室温まで冷却した後にアセトンを注入し、続いて遠心分離し、上澄みを除去し、かつ沈殿物をトルエンに再溶解させることにより、ナノ粒子を単離した。トルエン溶液をメタノールで１～４回洗浄し、最終的に、これらのナノ粒子をオクタン中に５０ｍｇ／ｍＬの濃度で再溶解させた。なお、これらのナノ粒子に対して行うことができる多くの合成後処理があり、通常これらは、ＴＭＳ前駆体の注入後にリガンド材料の溶液を注入することを含む。
また、ＰｂＳ ＣＱＤは、例えば、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ社から入手可能な「トルエン中１０ｍｇ／ｍＬで蛍光（λｅｍ＝１０００ｎｍ）を示す、オレイン酸コーティングされたＰｂＳコア型量子ドット」など、太陽電池膜を形成する際に使用できるものを多くのソースから市販購入することができる。
集光レンズ（集光器）を備えていない溶液処理太陽電池の作製
図３は、対照として使用しているＰｂＳ ＣＱＤ系太陽電池（ＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池）の概略図を示しており、実施例１および実施例２では、光学的に厚いガラス基板と、それに続く酸化インジウムスズ（ＩＴＯ、第１の電極と）、ＴｉＯ２（ｎ型層）と、ＰｂＳ ＣＱＤ膜（ｐ型層）と、ＭｏＯ３（緩衝層）と、Ａｇ（第２の電極）とで構成されている。
バンドギャップが１．３ｅＶである１または複数のＰｂＳ ＣＱＤを使用したＣＱＤ太陽電池装置を、ＩＴＯ厚さが２８ｎｍである市販のＩＴＯコーティングされたガラス基板上に作製した。厳密な厚さ制御を行うために、電子ビーム蒸着法を用いてＴｉＯ２層をさらに堆積させ、その後ＴｉＣｌ４による溶液処理を施した。一層ごとに固体状態リガンド交換プロセスを用いて、ＰｂＳ ＣＱＤを積層した。１層当たり５０ｍｇ／ｍＬの濃度のオクタン中オレイン酸でキャップされたＰｂＳ ＣＱＤ溶液を２、３滴、０．２２μｍの細孔フィルタを介して堆積させ、ＴｉＯ２層上の基板にスピンキャストした。メタノール中の０．５％のメルカプトプロピオン酸（ＭＰＡ）を使用し、当該膜を３秒間浸漬してオレイン酸を置換し、次いで当該膜をスピンキャストにより乾燥させた。最後に、当該膜をメタノールで２回洗浄して未結合のリガンドを除去し、１つのＣＱＤ膜層を堆積させた。ＣＱＤ膜の総厚さを、加速度、スピン速度、スピン時間、および層数によって制御し、かつプロフィロメトリー測定を用いて検証した。ＣＱＤ層の厚さは約３００ｎｍであった。第２の電極は、薄いＭｏＯ３緩衝層とＡｇとで構成され、これらを両方とも電子ビーム蒸着によって堆積させた。
ガラス基板上に得られた太陽電池であるＩＴＯ／ＴｉＯ２／ＰｂＳ－ＣＱＤ／ＭｏＯ３／Ａｇの層厚さは、約２８／２００／３００／３０／２００ｎｍとなった。シャドウマスクを介して第２の電極（ＭｏＯ３およびＡｇ）を蒸着することにより、アレイを作製した。
実施例１：フレキシブルな集光球面レンズを備えた溶液処理太陽電池の作製
ステップ１Ａ：球面レンズ設計の光学モデリング
上記に開示したように作製されたＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池で使用する集光球面レンズを、Ｚｅｍａｘ社から入手可能なレイトレーシングソフトウェアであるＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏを使用して図６に示すように設計し、またこのレンズ設計を、標準のＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池のアクティブ領域および厚さに対して最適化した。初期入力パラメータは、レンズのアパーチャ径が１．２７ｃｍ、太陽電池ピクセルの直径が０．２１７ｃｍ、またガラス基板厚さが１．１ｍｍであった。太陽電池の背面（第１の電極）からの太陽光の入射を考慮して、レンズの表面プロファイルとその厚さとを調整して、出力光のスポット径が太陽電池のスポット径と確実に同じとなるようにした。また、こうしたレンズ設計により、集光されていない太陽光の空間分布と同様の、ほぼ均一な強度分布が得られるように、太陽電池における集光スポットの強度を、レンズ設計の最適化中に監視した。太陽電池において集光スポットのほぼ均一な強度分布が得られることにより、不均一な短絡電流を有するサブ領域を均等に並列接続することにより生じる、開回路電圧の損失が回避されることになる。本装置と接触させている集光器の概略図を、図１～図２に示す。さらに、レンズの総厚さを最小限に抑えて、レンズを作製する際に使用される材料であるＰＤＭＳによる光の吸収を低減した。これにより、基板にほぼ垂直なエッジを有する半球形または楕円形のレンズが得られた。図６に示すように、強度分布の不均一性を解消するには、非球面設計が必要となることが分かった。次いで、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓまたはＡｕｔｏＣＡＤを使用しながら、図５に示すようにレンズ設計を用いてレンズ成形型のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）を作製した。
ステップ１Ｂ：レンズ成形型の作製
ステップ１Ａで作製したレンズ成形型のＣＡＤを用いながら、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ社（エデンプレーリー、ミネソタ州）製３ＤプリンタのｕＰｒｉｎｔ ＳＥ Ｐｌｕｓを使用して、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン・コポリマー（ＡＢＳ）で三次元レンズ成形型をプリントした。
３Ｄプリンタの層厚さの精度が制限されているため、生のレンズ成形型には視認できる段や隙間が存在していたが、これらによりレンズ表面が不完全になり、望ましくない散乱や集光ビームの品質の低下を招く恐れがあるため、望ましいとは言えない。レンズ成形型表面の品質を、ＡＢＳ粉末（３Ｄプリントプロセスからの残留物）をアセトンに混ぜて最初にＡＢＳ／アセトンスラリーを作成するなど、スラリーによる研磨手順を用いて向上させた。このレンズ成形型を密閉容器内のＡＢＳ／アセトンスラリーに浸漬し、室温で３０分間放置した後、風乾した。ＡＢＳ／アセトンスラリーによって表面粗さの大部分が除去され、これにより、レンズ成形型の表面がより滑らかになる結果となった。レンズ成形型面のこの表面をウール製のＤｒｅｍｅｌ研削ヘッドで機械的に研磨して、これをさらに純化した。図７Ａおよび図７Ｂは、３Ｄプリントされた現状どおりのレンズ成形型と、平滑化プロセスを経た後のレンズ成形型との画像を示す。
ステップ１Ｃ：集光球面レンズの作製
ステップ１Ｂで得られたレンズ成形型に、ＰＤＭＳモノマーと硬化剤のＳｙｌｇａｒｄ（登録商標）１８４とをモノマー１０、硬化剤１の割合で混合した物を充填し、８０℃の温度で１～２０時間硬化させて、フレキシブルなＰＤＭＳ集光球面レンズを形成した。結果として得られたフレキシブルなＰＤＭＳレンズは、図１０に示すように、４００～１１００ｎｍに及ぶ太陽の関連波長範囲で入射光の８５％を超えて透過させた。
フレキシブルなＰＤＭＳ集光球面レンズ（集光器）に対し、光学測定で特徴付けを行った。集光器の全透過率を、太陽電池に使用しているのと同じ構成の積分球で、また集光器の平面部分に当たる光を除外するために０．２１７ｃｍの直径のアパーチャで測定した。比較を目的として、同じ厚さを有するＰＤＭＳスラブの透過率も測定した。図１０に示すように、ＰＤＭＳレンズの透過率は、４００～１１００ｎｍの波長範囲で８５％を超える。ただし、こうした透過測定は、レンズの欠陥を補正していないことで発生する画素領域からの散乱光を除外していないため、画素が受け取る実際のエネルギーを依然として過大に見積もる可能性がある。
ステップ１Ｄ：ＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池の表面へのＰＤＭＳ集光球面レンズの接合
フレキシブルなＰＤＭＳレンズの第２の表面を、ＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池のアレイに接合した。図９Ａおよび図９Ｂに示すように、レンズと太陽電池基板との間に未硬化ＰＤＭＳモノマーと硬化剤とを１０対１の割合で施した薄層を使用して、得られたフレキシブルなＰＤＭＳ集光球面レンズをＣＱＤ太陽電池に接合した。
実施例２：フレキシブルな円錐集光非球面レンズを備えた溶液処理太陽電池の作製
実施例１で使用した球面レンズの代わりに、フレキシブルな円錐集光非球面レンズを設計かつ使用したことを除いて、実施例１と同様の手順を用いて溶液処理太陽電池を作製した。
太陽光発電装置の特性評価
集光器を備えた実施例１および実施例２の一体型集光器太陽電池の性能を測定し、これを対照太陽電池（同等の非集光型ＣＱＤ太陽電池）と比較した。１００ｍＷｃｍ２の放射照度を有する、Ｓｃｉｅｎｃｅｔｅｃｈ社のソーラーシミュレータが供給する照明を備えるＫｅｉｔｈｌｅｙ ２４００ソースメータを使用して、電流－電圧測定を行った。太陽電池のアクティブ領域は、直径０．２１７ｃｍの円形アパーチャを介して各太陽電池の前面に照射し、その際の電源強度を、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社の広帯域電力計を使用し、円形アパーチャを介して測定した。ソーラーシミュレータの出力を調整し、かつレンズを備える場合と備えていない場合とで試験を行うことにより、様々な入力エネルギーレベルを実現することができた。電流－電圧（Ｉ－Ｖ）曲線を図１０に示す。測定した短絡電流（ＩＳＣ）、開回路電圧（ＶＯＣ）、曲線因子（ＦＦ）、および最大電力（ＰＭＡＸ）の結果を表１にまとめている。
Figure 0007493938000001
表１に示すように、球面レンズの集光器も円錐レンズの集光器も、短絡電流と開回路電圧との両方で向上が見られた。なお、球面レンズの集光器は、ＶＯＣを最大３～４ｋＴ増加させているだけでなく、より高い短絡電流を供給している点で、円錐レンズの集光器と比較して優れた性能を発揮した。
図１１は、電流と電圧とのほぼ線形の関係を示す。これらのＩ－Ｖ曲線により、大きな直列抵抗と並列コンダクタンスとして等しく出現する様々な望ましくない因子から大きな影響があることが明らかとなっており、またこれらはより高い集光レベルではるかに支配的となり、これによって曲線因子を大幅に制限している。
表１は、集光器の使用による曲線因子の減少を示す。特定の理論に縛られることなく、ここでの曲線因子の減少を想定可能な３つの効果によるものと考えている。１）太陽電池の直列抵抗、２）一定の順方向バイアスにおける、より高い集光レベルでのキャリア抽出効率の低下、および３）Ｉ－Ｖ曲線の第１象限における、高集光レベルでの再結合の増加が考えられるが、高集光での再結合の増加が、原因として最も可能性が高い。
実施例１の半球レンズを備えた一体型集光器太陽電池と対照太陽電池とのもう１つのセットを作製し、２つの太陽電池の性能を測定かつ比較し、これを表２にまとめている。表２は、本集光器が画素自体よりもはるかに広い面積からの太陽エネルギーの採集に成功していることを示しており、実際の短絡電流密度が最大で１４５ｍＡ／ｃｍ２となって１１倍を超える増加を見せただけでなく、電力密度が７倍を超えて増加し、２１．１ｍＷ／ｃｍ２に達した。
Figure 0007493938000002
したがって、実施例１Ａ、実施例１Ｂ、および実施例２は、薄膜ＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池と一体化したＰＤＭＳ集光器を作製する簡便かつ経済的な方法を実証している。本方法は、大面積かつ高品質の太陽電池ピクセルを得る際の困難さを克服するのに役立つ可能性があり、ＣＱＤ太陽電池の拡張性と、フレキシブル基板における応用性とをさらに活用できるようにしている。上記で開示している本アプローチにより、ＣＱＤ太陽電池の電流密度と電力密度とをそれぞれ最大で１２倍および８倍まで増加させることができ、より改良された集光器ではより高くなる可能性がある。ＣＱＤ太陽電池でフレキシブルな集光器を使用する着想を、剛性ガラス基板を備えた太陽電池の実施例１および実施例２で実証しているが、任意の適切なフレキシブル透明基板を使用しても、同様の結果が得られる可能性がある。
薄膜ＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池と一体化したＰＤＭＳ集光器の性能試験をさらに行うために、直径１．２５ｃｍのアパーチャを介して施される日射照明のシミュレーション下で、電流－電圧特性を測定した。ソーラーシミュレータの出力を調整することにより、様々な入力エネルギーレベルを実現することができた。半球形状または楕円形状の集光器を備えた太陽電池（上記の実施例１Ｂ）の試験を、集光器を備えていない太陽電池（上記の対照Ｂ）に対して行った。図１２に示すように、本太陽電池に楕円集光器を装着した後、短絡電流の有意な増加が観察された。電流倍率は、集光器を備える場合と備えていない場合とにおける一体型太陽電池の短絡電流の比率であり、入射エネルギー密度が１日射量（１００ｍＷ／ｃｍ２）を下回る場合に大きくなる。日射量が約０．３の入射エネルギーで、値が２２．８に達した。１日射照明での集光電流密度は３０２ ｍＡ／ｃｍ２であり、集光器を備えていない同じ太陽電池の２０倍となった。この電力倍率は、本集光器で２０倍の出力向上をさらに示し、この場合の最大値は０．３日射照明レベルであった。
図１３は、薄膜ＰｂＳ ＣＱＤ太陽電池と一体化したＰＤＭＳ楕円集光器を示し、Ｖｏｃが最大４ｋＴまで増加し、２４倍の集光比において０．６７Ｖの値まで近似するようにこれを作製した。ただし、曲線因子は、１日射量を超える集光下では単調に減少し、ほとんどの条件下でＰＣＥが向上するあらゆる可能性を抑制した。それでもなお、出力電力は入力エネルギー密度と共に単調に増加し、単一画素から３．２ｍＷを超え、これは、集光器での１日射照明、または２４日射における有効な集光電力において８５０Ｗ／ｍ２に相当する。この試験結果を図１３にまとめている。０．３日射の下での電力倍率が２４（日射倍率）よりも大きいことは注目に値し、これは、低光量レベルでの実際の電力変換効率（「ＰＣＥ」）が向上したことを示している。こうした倍率の傾向は、集光下で０．３日射量を下回る照度でもＰＣＥの向上が期待できることを示している。これは、ほとんどの設置先で太陽エネルギーの平均が１００ｍＷ／ｃｍ２をはるかに下回り、晴天日の日中の３０～４０％で太陽放射レベルが０．３日射量を下回り、気象条件が不良であれば、さらにその割合が高まることから、現実的な用途では有利となる。
例示的な実施形態を参照しながら、本開示について説明してきた。いくつかの実施形態を示して説明してきたが、前述の詳細な説明の原理および精神から逸脱することなくこれらの実施形態に変更をなすことができることを、当業者であれば理解するであろう。本開示は、添付の特許請求の範囲またはその均等物の範囲内にある限り、そのような修正および変更を全て含むと解釈されることを意図している。

Claims (18)

  1. ａ）透明基板と、
    ｂ）前記透明基板上に作製される太陽電池と、
    ｃ）平坦面を有し、集光レンズを含み、前記集光レンズの出力光のスポット径が前記太陽電池のスポット径と同じとなり、かつ前記太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、前記集光レンズが前記太陽電池と光学的に位置合わせされている、高分子集光器とを備え、
    前記透明基板は第１の表面および第２の表面を含み、前記第２の表面は前記第１の表面と対向しており、前記太陽電池は、前記透明基板の前記第１の表面上に配置される第１の電極、および前記第１の電極と第２の電極との間に接触させて配置されている活性層を含み、
    前記集光レンズが前記第２の電極を介して、前記太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、前記太陽電池は前記透明基板と前記高分子集光器の前記平坦面との間に接触させて配置され、
    前記高分子集光器の前記平坦面は前記太陽電池の前記第２の電極に接合されている太陽電池装置。
  2. 前記太陽電池は溶液処理された太陽電池である、請求項１に記載の太陽電池装置。
  3. 前記太陽電池は、ペロブスカイト太陽電池、有機太陽電池、コロイド量子ドット太陽電池、結晶、多結晶、または多結晶半導体系セル、アモルファスシリコン系セル、色素増感太陽電池、ＣＺＴＳ／Ｓｅ太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池、もしくはそれらのハイブリッドのうちの１または複数を含む、請求項１に記載の太陽電池装置。
  4. 前記活性層は、コロイド量子ドット（ＣＱＤ）、有機電子材料、ペロブスカイト、色素増感多孔質材料、またはそれらの混合物のうちの１または複数を含む、請求項１に記載の太陽電池装置。
  5. 前記活性層はコロイド量子ドット（ＣＱＤ）を含む、請求項１に記載の太陽電池装置。
  6. 前記第１の電極と前記活性層との間に接触させて配置されるｎ型導電層をさらに含む、請求項４に記載の太陽電池装置。
  7. 前記太陽電池はそれぞれ、前記活性層と前記第２の電極との間に接触させて配置される緩衝層をさらに含む、請求項１に記載の太陽電池装置。
  8. 前記高分子集光器は、球面集光レンズ、円錐集光レンズ、非球面集光レンズ、またはフレネル集光レンズを含む、請求項１に記載の太陽電池装置。
  9. 前記透明基板は、フレキシブルポリマー基板またはフレキシブルガラス基板である、請求項１に記載の太陽電池装置。
  10. 前記フレキシブルポリマー基板は、ポリエステル、ポリイミド、ポリマー有機ケイ素化合物またはポリアミドを含む、請求項９に記載の太陽電池装置。
  11. 前記太陽電池は太陽電池ピクセルであり、複数の前記太陽電池ピクセルがアレイ状に配置され、複数の前記高分子集光器がアレイ状に配置されている、請求項１に記載の太陽電池装置。
  12. 前記太陽電池は、
    ａ）前記透明基板の前記第１の表面と接触している前記第１の電極を含む可視接合部と、
    ｂ）前記可視接合部と赤外線接合部との間に接触させて配置される再結合層であって、前記赤外線接合部は前記透明基板から最も遠い第２の電極を含む、再結合層とを含む、
    多接合太陽電池である、
    請求項１に記載の太陽電池装置。
  13. 前記可視接合部は、ペロブスカイト太陽電池、有機太陽電池、コロイド量子ドット太陽電池、結晶、多結晶、または多結晶半導体系セル、アモルファスシリコン系セル、色素増感太陽電池、ＣＺＴＳ／Ｓｅ太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池、もしくはそれらのハイブリッドを含み、前記赤外線太陽電池は、コロイド量子ドット太陽電池またはシリコン太陽電池、もしくはそれらのハイブリッドを含む、請求項１２に記載の太陽電池装置。
  14. ａ）第１の表面および第２の表面を有する透明基板を設けるステップであって、前記第２の表面は前記第１の表面と対向している、ステップと、
    ｂ）前記透明基板の前記第１の表面に太陽電池を作製するステップと、
    ｃ）平坦面を有する集光レンズを含み、前記集光レンズの出力光のスポット径が前記太陽電池のスポット径と同じとなる高分子集光器を設けるステップと、
    ｄ）前記太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、前記高分子集光器の前記集光レンズを前記太陽電池と光学的に位置合わせするステップとを含み、
    前記高分子集光器の前記集光レンズを前記太陽電池と光学的に位置合わせする前記ステップは、前記集光レンズが第２の電極を介して、前記太陽電池の表面全体にわたって均一な照明をもたらすように、前記高分子集光器の前記平坦面を前記太陽電池の前記第２の電極に接合するステップをさらに含む、
    太陽電池装置を作製する方法。
  15. 前記透明基板の前記第１の表面上に太陽電池を作製する前記ステップは、前記太陽電池を溶液処理により作製するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 高分子集光器を設ける前記ステップは、
    ａ）前記太陽電池を均一に照らすために、光学モデリングによりコンピュータ支援レンズ成形型（レンズ成形型ＣＡＤ）を設計するステップと、
    ｂ）積層造形による前記レンズ成形型ＣＡＤを使用して、三次元レンズ成形型をプリントするステップと、
    ｃ）平滑表面を形成するために、前記レンズ成形型をスラリーで研磨するステップと、
    ｄ）硬化性組成物を前記レンズ成形型へと注入するステップと、
    ｅ）平坦面を有する集光レンズを含む高分子集光器を得るために、前記硬化性組成物を硬化させるステップとを含む、
    請求項１４に記載の方法。
  17. 前記硬化性組成物は、ポリジメチルシロキサンモノマーと硬化剤との混合物を含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記硬化性組成物は、ポリジメチルシロキサン、シリコーン、エポキシ、スピンオングラス（ＳＯＧ）、アクリル、または他の成形可能な透明材料を含む、請求項１６に記載の方法。
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