JP7498368B2 - タンデム型太陽光発電デバイス - Google Patents

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Description

本開示は太陽光発電の技術分野に関し、特にタンデム型太陽光発電デバイスに関する。
＜関連出願の相互参照＞
本開示は２０２０年１２月１７日に中国特許庁に提出された、出願番号が２０２０１１４９７９６５．８、名称が「タンデム型太陽光発電デバイス」である中国特許出願の優先権を主張しており、そのすべての内容は引用により本開示に組み込まれている。
タンデム型太陽光発電デバイスは、太陽光を複数の波長帯に分割し、前面から背面に向けて、バンドギャップが徐々に減少する電池セルを用いて、異なるエネルギーの太陽光を順次吸収することにより、可視光波長帯のエネルギー損失を低減し、光電変換効率を向上させることができるため、タンデム型太陽光発電デバイスの応用の将来性が期待できる。
タンデム型太陽光発電デバイスの中で、光吸収が不完全であるか、又は光損失が深刻であるため、デバイスの光電変換効率が低下する。
本開示は、タンデム型太陽光発電デバイスの光損失が深刻で、光電変換効率が低いという問題を解決するためにタンデム型太陽光発電デバイスを提供する。
本開示の第１態様によれば、タンデム型太陽光発電デバイスを提供する。前記タンデム型太陽光発電デバイスは、
積層配置されたトップセルと、ボトムセルと、前記トップセルと前記ボトムセルとの間に介在している第１光閉じ込め構造と、を含み、前記トップセルのバンドギャップ幅が前記ボトムセルのバンドギャップ幅よりも大きく、
前記ボトムセルの背光面側に位置する第２光閉じ込め構造及び前記トップセルの受光面側に位置する第３光閉じ込め構造のうちの少なくとも１つをさらに含み、
前記第１光閉じ込め構造、前記第２光閉じ込め構造、前記第３光閉じ込め構造はすべて金属及び半導体材料から選択され、これらの３者による局在表面プラズモンは、それぞれ異なる光波応答ピークに対応し、
前記タンデム型太陽光発電デバイスは、前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な第１断面を有し、前記第１光閉じ込め構造、前記第２光閉じ込め構造、前記第３光閉じ込め構造は前記第１断面に個別の微細構造が形成されており、前記個別の微細構造の前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３、前記微細構造間の平均間隔はそれぞれｗ１、ｗ２、ｗ３であり、
２層の光閉じ込め構造しか存在しない場合、すなわち、第１光閉じ込め構造と第２光閉じ込め構造が存在し、又は第１光閉じ込め構造と第３光閉じ込め構造が存在する場合、前記微細構造の前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズと、隣接する前記微細構造間の平均間隔とは
の関係を満たし、
３層の光閉じ込め構造が存在する場合、少なくとも１つの前記第１断面において、前記微細構造の前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズと、隣接する前記微細構造間の平均間隔とは
の関係を有する。
光は、タンデム型太陽光発電デバイスに入射されると、散乱作用により第１光閉じ込め構造の下方に入って、複数回反射され、これにより、光路がある程度増加する。また、第１光閉じ込め構造内の自由電子は入射された光と結合し、マルチモード共振光閉じ込め効果を形成し、一方では、第１光閉じ込め構造は入射光と結合し、第１光閉じ込め構造の表面に位置する局在プラズマモードの増強現象が発生し、入射光が局在プラズマモードの増強により制限されて第１光閉じ込め構造の表面の周辺領域に存在することになり、このように、光閉じ込め効果が得られる。他方では、第１光閉じ込め構造は入射光と結合し、表面プラズモンを発生させ、入射光が横方向に伝導される導波路モードに変換され、入射光の伝導方向が変わり、入射光の光路が大幅に増加し、これにより、光閉じ込め効果を効果的に高め、さらに、小さな厚さの吸収層だけで優れた光吸収効果を得ることを可能とし、各電池セルの吸収層の厚さを小さくし、各電池セルの厚さを小さくし、さらにタンデム型太陽光発電デバイス全体の厚さを小さくすることができる。光が第２光閉じ込め構造及び／又は第３光閉じ込め構造に照射されると、第２光閉じ込め構造及び／又は第３光閉じ込め構造内の自由電子と入射光とが結合し、マルチモード共振光閉じ込め効果が得られ、入射光に対する吸収量が増える。また、第２光閉じ込め構造はボトムセル内において長波長帯の入射光に対するマルチモード共振光閉じ込め効果を形成し、第３光閉じ込め構造はトップセル内において短波長帯の入射光に対するマルチモード共振光閉じ込め効果を形成し、入射光に対する吸収量が増える。第１光閉じ込め構造、第２光閉じ込め構造、第３光閉じ込め構造の３者による局在表面プラズモンは、それぞれ異なる光波応答ピークに対応し、さらに、これらの３者を組み合わせることにより、ほぼ全波長範囲の入射光が十分に利用され、入射光に対する吸収量が増える。第１光閉じ込め構造、第２光閉じ込め構造、第３光閉じ込め構造の平均サイズと平均間隔ｗ１、ｗ２、ｗ３は、
の関係を有し、これにより、隣接する２層ずつの光閉じ込め構造の散乱断面がすべて波長に合わせるようにし、入射光の入射量を確保し、タンデム型太陽光発電デバイスから出射される光をより小さくし、入射光に対する吸収量をさらに増やす。
上記の説明は本開示の技術的解決手段の概要に過ぎず、本開示の技術手段をより明確に把握するために、明細書の内容に基づいて本開示の技術手段を実施することができ、本開示の上記や他の目的、特徴及び利点をより理解しやすくするために、以下、本開示の具体的な実施形態を挙げる。
本開示の実施例の技術的解決手段をより明確にするために、以下、本開示の実施例の説明に必要な図面を簡単に説明するが、明らかに、以下の説明における図面は本開示のいくつかの実施例に過ぎず、当業者であれば、創造的な努力を必要とせずに、これらの図面に基づいて他の図面を得ることもできる。
本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な第１断面の一例の概略図を示す。 本開示の実施例における第１光閉じ込め構造の構造概略図を示す。 本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの一例の部分構造概略図を示す。 本開示の実施例における別のタンデム型太陽光発電デバイスの部分構造概略図を示す。 本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な別の第１断面の概略図を示す。 本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直なさらに別の第１断面の概略図を示す。 本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な更なる第１断面の概略図を示す。
以下、本開示の実施例の図面を参照して、本開示の実施例の技術的解決手段を明確かつ完全に説明するが、明らかに、説明する実施例は本開示の実施例の一部に過ぎず、すべての実施例ではない。当業者が本開示の実施例に基づいて創造的な努力を必要とせずに得る他のすべての実施例は本開示の保護範囲に属する。
図１は本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な第１断面の一例の概略図を示す。図１に示すように、該タンデム型太陽光発電デバイスは、積層配置されたトップセル２及びボトムセル１と、トップセル２とボトムセル１との間に介在している第１光閉じ込め構造３と、を含む。トップセル２のバンドギャップ幅が、ボトムセル１のバンドギャップ幅よりも大きい。例えば、トップセル２のバンドギャップ幅は１．５～３ｅＶであり、さらに、トップセル２のバンドギャップ幅は１．７～２．３ｅＶである。
なお、タンデム型太陽光発電デバイスに含まれるトップセル２及びボトムセル１の数について特に限定しない。トップセル２及びボトムセル１の具体的なタイプについて限定しない。選択的に、トップセル２はペロブスカイト電池、ＧａＡｓ薄膜太陽電池、ワイドバンドギャップＣＩＧＳ太陽電池などとしてもよい。選択的に、ボトムセル１は結晶シリコン電池又は薄膜電池であってもよく、ボトムセル１は様々なものとしてもよい。
選択的に、第１光閉じ込め構造３及びトップセル２を配置しやくするために、ボトムセル１の受光面は平面構造とされる。
タンデム型太陽光発電デバイスはボトムセル１の背光面側に位置する第２光閉じ込め構造５及びトップセル１の受光面側に位置する第３光閉じ込め構造４のうちの少なくとも１つをさらに含み、具体的には、該タンデム型太陽光発電デバイスが第２光閉じ込め構造５と第３光閉じ込め構造４の両方を有するか、両方のうちの１つのみを有するかについて特に限定しない。図１に示すタンデム型太陽光発電デバイスは第２光閉じ込め構造５と第３光閉じ込め構造４の両方を有する。
第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４はすべて金属及び半導体材料から選択され、さらに、これらの３者のいずれも自由電子の濃度が高く、例えば、これらの３者のいずれの自由電子の濃度も１×１０２０ｃｍ－３以上であり得る。これらの３者のいずれの自由電子も入射光と結合し、マルチモード共振光閉じ込め効果を形成し、局在表面プラズモン、すなわちＬＳＰ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ）を発生させ、入射光に対する吸収量を増やすことができる。なお、第１光閉じ込め構造３はまたトップセル２とボトムセル１を導電可能に接続する役割もある。
第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４の３者による局在表面プラズモンは、それぞれ異なる光波応答ピークに対応し、さらに、これらの３者を組み合わせることにより、ほぼ全波長範囲の入射光が十分に利用され、入射光に対する吸収量が増える。
タンデム型太陽光発電デバイスの受光面はタンデム型太陽光発電デバイスのうち光を受ける面であり、タンデム型太陽光発電デバイスの背光面は受光面に対向する。図１においては、矢印付きの線は入射光を表す。タンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な第１断面は無数に存在する。例えば、図１は第１断面の一例の概略図を示す。タンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な第１断面の、タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影はタンデム型太陽光発電デバイスの受光面のいずれかの辺に平行であるか、又はタンデム型太陽光発電デバイスの受光面のいずれかの辺に交差する。本開示の実施例では、具体的にはどの第１断面であるかについて特に限定しない。図１に示す第１断面はタンデム型太陽光発電デバイスの受光面のいずれかの辺に平行してもよい。
第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４は上記の第１断面に個別の微細構造が形成されており、個別の微細構造のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影は線分であってもよい。例えば、第１光閉じ込め構造３による個別の微細構造のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影はｗ１の標示線に平行な線分である。第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４にそれぞれ対応する個別の微細構造の、タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３であり、微細構造間の平均間隔はそれぞれｗ１、ｗ２、ｗ３であり、図１に示すように、第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４にそれぞれ対応する個別の微細構造の、タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズは、ｄ３＜ｄ１＜ｄ２を満たす。図２は本開示の実施例における第１光閉じ込め構造の構造概略図を示す。図２においては、図２は交差する２本の破線により、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の４つの部分にそれぞれ分けられる。部分ごとに、上方にあるのは上面概略図、下方にあるのは正面概略図である。上面概略図はタンデム型太陽光発電デバイスの受光面から背光面に向かって見た、第１光閉じ込め構造の構造概略である。正面図は第１断面に平行な方向から見た、第１光閉じ込め構造の構造概略である。上記の正面図は第１光閉じ込め構造の上記の第１断面に形成された個別の微細構造の構造概略として理解してもよい。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ複数の第１光閉じ込め構造の構造概略図を示す。
図２（ａ）に示すように、第１光閉じ込め構造３の上記の第１断面に形成された個別の微細構造は図２（ａ）の下段図における円形３２であり、微細構造のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影のサイズはｄ２１、各ｄ２１の平均サイズはｄ１とする。微細構造間の平均間隔はｗ１とする。
図２（ｂ）の下段図に示すように、第１光閉じ込め構造３の上記の第１断面に形成された個別の微細構造は、平坦板材３３において穴６を掘った後、複数の穴６の間に残った部分であり、微細構造、すなわち平坦板材３３において穴６を掘った後、複数の穴６の間に残った部分の、タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影のサイズはｄ２２、各ｄ２２の平均サイズはｄ１とする。微細構造、すなわち平坦板材３３において穴６を掘った後に複数の穴６の間に残った部分間の平均間隔はｗ１とする。
図２（ｃ）に示すように、第１光閉じ込め構造３の上記の第１断面に形成された個別の微細構造は図２（ｃ）の下段図における構造３１であり、微細構造のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影のサイズはｄ２３、各ｄ２３の平均サイズはｄ１とする。微細構造間の平均間隔はｗ１とする。
図２（ｄ）に示すように、第１光閉じ込め構造３の上記の第１断面に形成された個別の微細構造は図２（ｄ）の下段図における構造３１であり、微細構造３１のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影のサイズはｄ２４、各ｄ２４の平均サイズはｄ１とする。微細構造、すなわち平行線３１間の平均間隔はｗ１とする。
第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４の上記の第１断面に形成された個別の微細構造は第１光閉じ込め構造３の上記の第１断面に形成された個別の微細構造と類似しているので、重複しないように、ここでは詳しく説明しない。第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４による個別の微細構造の、タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはそれぞれｄ２、ｄ３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４による微細構造間の平均間隔はそれぞれｗ２、ｗ３とする。上記のｄ２、ｄ３も前述ｄ１に類似しており、上記のｗ２、ｗ３も上記のｗ１に類似しているので、重複しないように、ここでは詳しく説明しない。
第１態様として、図１に示すように、第１光閉じ込め構造３は上記の第１断面に個別の微細構造が形成されており、個別の微細構造のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはｄ１とし、ｄ１の値の範囲は５００ｎｍ≧ｄ１≧１０ｎｍであり、具体的には、ｄ１の値は、例えば１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、３００ｎｍ、３５０ｎｍ、４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍなどであってもよい。第１光閉じ込め構造１の上記の第１断面に形成された個別の微細構造間の間隔ｗ１は８００ｎｍ≧ｗ１≧１０ｎｍであり、第１光閉じ込め構造３のサイズが全て小さく、入射光がタンデム型太陽光発電デバイスに入射されると、光は散乱作用により第１光閉じ込め構造３の下方に入って、複数回反射され、これにより、第１光閉じ込め構造３の遮断効果が低下し、光の入射量が増えて光路が長くなり、タンデム型太陽光発電デバイスの光電変換効率が向上する。上記の平均サイズ及び平均間隔については、離散程度が制限されず、好ましくは、プロセスの実際の状況を考慮して、５００ｎｍ≧ｄ１≧１００ｎｍであり、サイズ分布は正規分布を満たし、σはｄ１±２０％に対応し、すなわち、ｄ１サイズはｄ１±２０％範囲内である確率が６８．２％であり、ｄ１±４０％範囲内である確率が９５．４％である。
第２態様では、図１に示すように、サイズが小さくかつ自由電子濃度が高い第１光閉じ込め構造３は入射光と結合し、マルチモード共振光閉じ込め効果を形成し、第１光閉じ込め構造３は入射光と結合し、第１光閉じ込め構造３の表面にある局在プラズマモードが増強し、入射光が局在プラズマモードの増強により制限されて第１光閉じ込め構造３の表面の周辺領域に存在することになり、このように、光閉じ込め効果が得られる。トップセル２及び／又はボトムセル１の吸収層が第１光閉じ込め構造３の表面の周辺領域に位置する場合、キャリアが短い移動距離内で分離、収集され、タンデム型太陽光発電デバイスの光電変換効率の向上に有利である。
第３態様では、図１に示すように、第１光閉じ込め構造３は入射光と結合し、表面プラズモンを発生させ、入射光を横方向に伝導される導波路モードに変換し、入射光の伝導方向を変え、入射光の光路を大幅に大きくする。横方向に伝導される入射光はほぼ第１光閉じ込め構造３の受光面の界面付近に位置し、光閉じ込め効果を効果的に高めることができ、さらに、厚さの小さな吸収層だけで、優れた光吸収効果が得られるため、各電池セルの吸収層の厚さを小さくし、各電池セルの厚さを小さくし、タンデム型太陽光発電デバイス全体の厚さを小さくすることができる。
上記の第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４は前述第１光閉じ込め構造３と類似の光閉じ込め効果がある。
第３光閉じ込め構造に関しては、個別の微細構造のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはｄ３とし、ｄ３の値の範囲は３００ｎｍ≧ｄ３≧１ｎｍであり、具体的には、ｄ３の値は、例えば１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍ、７ｎｍ、８ｎｍ、９ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、３００ｎｍなどであってもよく、第３光閉じ込め構造の上記の第１断面に形成された個別の微細構造間の間隔はｗ３とし、５００ｎｍ≧ｗ３≧１ｎｍである。
上記の平均サイズ及び平均間隔については、離散程度が制限されず、より好ましくは、プロセスの実際の状況を考慮して、３００ｎｍ≧ｄ３≧５０ｎｍであり、サイズ分布は正規分布を満たし、σはｄ３±２０％に対応し、すなわちｄ１サイズはｄ３±２０％範囲内である確率が６８．２％であり、ｄ３±４０％範囲内である確率が９５．４％である。
第２光閉じ込め構造に関しては、個別の微細構造のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはｄ２とし、ｄ２の値の範囲は１２００ｎｍ≧ｄ２≧２０ｎｍであり、第２光閉じ込め構造の上記の第１断面に形成された個別の微細構造間の間隔はｗ２とし、５０μｍ≧ｗ２≧２０ｎｍである。
上記の平均サイズ及び平均間隔については、離散程度が制限されず、より好ましくは、プロセスの実際の状況を考慮して、１２００ｎｍ≧ｄ２≧３００ｎｍであり、サイズ分布は正規分布を満たし、σはｄ２±２０％に対応し、すなわちｄ１サイズはｄ２±２０％範囲内である確率が６８．２％であり、ｄ２±４０％範囲内である確率が９５．４％である。
すなわち、３００ｎｍ≧ｄ３≧５０ｎｍ、５００ｎｍ≧ｄ１≧１００ｎｍ、１２００ｎｍ≧ｄ２≧３００ｎｍであり、３層の光閉じ込め構造は紫外・青色光波長帯、可視光波長帯、赤色光・赤外線波長帯のそれぞれに対してプラズモン効果を形成することができる。
上記の第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４及び前述第１光閉じ込め構造３に対応する光波応答ピークが異なり、上記の第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４及び前述第１光閉じ込め構造３の３つを組み合わせることにより、ほぼ全波長範囲の入射光が十分に利用され、入射光に対する吸収量が増える（基本形態では、３層の光閉じ込め構造を備える）。
全体の光閉じ込め効果をさらに高めるために、各層のプラズモン光閉じ込め構造にマルチモード共振光閉じ込め効果がある上に、各層の光閉じ込め構造のマッチング性を調整することにより、入射光は散乱作用により上層光閉じ込め構造の下方に入って、複数回反射され、このようにして、光路をある程度増加し、全体の光閉じ込め効果を高めることができる。２層の光閉じ込め構造の間の散乱界面のマッチング性は以下のように導出され、
金属粒子の散乱を例にして、正規化散乱係数
が存在し、吸収層に吸収される部分はＡ＝１－δ・Ｑｓｃａｔであり、ここで、δは粒子被覆面積の割合であり、粒子が正方形であり、粒子の辺長がσｇｅｏｍ＝ｄ、粒子の中心の間隔がσｇａｐ＝２であるとすれば、
であり、粒子が２つの吸収層の間にある場合、この散乱係数が大きく、また、粒子被覆面積の割合が小さいほど、対応する光閉じ込め効果が高く、
本願に係る構造において中間散乱構造及びバック散乱構造が存在する場合、中間散乱構造及びバック散乱構造が対象とする波長は異なり、中間散乱構造は４００～６００ｎｍの波長帯、表面射構造は２００～３００ｎｍの波長帯を対象とし、両方の吸収率が同じであるとすれば、両方のサイズの割合関係として
が得られ、
上記の関係に基づいて、各層構造間の割合関係式（１）、すなわち
が提案されており、
一例として、中間構造のサイズの値ｄ１＝１００ｎｍ、ｗ１＝５００ｎｍであり、
上層構造の値ｄ３＝５０ｎｍの場合、
が得られ、この場合、５００ｎｍ≦ｗ３≦１４１４ｎｍであり、
エキシマの物理サイズが必ずこれが対象とする波長帯の波長よりも遥かに小さなければならず、このため、最上層の第２光閉じ込め構造のサイズ葉最も小さく、３００ｎｍよりも小さいものでなければならず、中間の第１光閉じ込め構造のサイズは５００ｎｍよりも小さい。これに加えて、両方のサイズの関係についてさらに限定せず、上記の関係式（１）だけにより限定し、デバイスの底部の第３光閉じ込め構造については限定せず、
上記の式の導出過程は同様に第１光閉じ込め構造及び第２光閉じ込め構造にも適用でき、
頂部と底部の第２光閉じ込め構造と第３光閉じ込め構造の導電については特に制限がなく、より好ましくは、これらは導電するものとし、表面電極として機能する。タンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な無数の第１断面のうち少なくとも１つの第１断面では、第１光閉じ込め構造、第２光閉じ込め構造、第３光閉じ込め構造の平均サイズと平均間隔ｗ１、ｗ２、ｗ３は、
の関係を満たし、つまり、両方のいずれかを満たし、より好ましくは、３層の光閉じ込め構造は２つの式の条件を同時に満たし、これにより、隣接する２層ずつの光閉じ込め構造の散乱断面はすべて波長に合わせており、このように、入射光の入射量が十分に確保され、タンデム型太陽光発電デバイスから出射される光がより減少し、入射光に対する吸収量がさらに増える。タンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な無数の第１断面のうち少なくとも１つの第１断面は、無数の第１断面のうち、タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影がタンデム型太陽光発電デバイスの受光面のいずれかの辺に平行な第１断面であってもよい。もちろん、第１光閉じ込め構造、第２光閉じ込め構造、第３光閉じ込め構造の平均サイズ及び平均間隔は、例えば
の関係を有してもよく、上記の関係式の端点値は当業者によって適宜設計されてもよく、本願の実施例はこれについて限定しない。
また、第１光閉じ込め構造３の高さは１０ｎｍよりも大きく５００ｎｍよりも小さく、ｕｍレベルのテクスチャ面構造に対しては、第１光閉じ込め構造３の表面は平坦であり、トップセル２に優れた成長又は成膜界面を提供する。さらに、上記の第１光閉じ込め構造３は導電率が高く、複合速度が速いので、タンデム型太陽光発電デバイスの直列抵抗を低下させる。
前記のように、本開示の実施例では、第１光閉じ込め構造３は、要するに、以下の３つの作用を有する。第一には、トップセル２とボトムセル１とを直列接続する作用であって、第１光閉じ込め構造３は導電率が高く、複合速度が速いので、タンデム型太陽光発電デバイスの直列抵抗を低下させる。第二には、上記の３つの光閉じ込め効果により、界面反射を低減させ、長波長帯の光を透過させることで、優れた光吸収効果を果たし、各電池セルの吸収層の厚さを小さくし、各電池セルの厚さを小さくし、さらにタンデム型太陽光発電デバイス全体の厚さを小さくする。第三には、第１光閉じ込め構造３の底層の電池の受光面が平坦であり、トップセル２に優れた成長又は成膜界面を提供する。
なお、タンデム型太陽光発電デバイスの各部分のサイズや材料などと第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４の材料やサイズなどとを組み合わせることによって、第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４の光閉じ込め構造をより優れたものとすることができる。本開示の実施例では、これについて特に限定しない。例えば、タンデム型太陽光発電デバイスの各構造による光閉じ込め波長範囲の要件に応じて、第１光閉じ込め構造３の材料やサイズなどを調整して、第１光閉じ込め構造３の光閉じ込め構造をより優れたものとし、光損失をさらに減少させることができる。
選択的に、第２光閉じ込め構造５は第１断面に個別の微細構造が形成されており、該個別の微細構造のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはｄ２とし、いずれかの第１断面においては、ｄ２≦１２００ｎｍであり、これによって、第２光閉じ込め構造５の局在表面プラズモンの光波応答ピークは第２光閉じ込め構造５に入射された光の波長により合わせており、光に対する吸収量はさらに増える。
選択的に、第３光閉じ込め構造４は第１断面に個別の微細構造が形成されており、該個別の微細構造のタンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはｄ３とし、いずれかの第１断面においては、ｄ３≦３００ｎｍであり、これによって、第３光閉じ込め構造４の局在表面プラズモンの光波応答ピークは第３光閉じ込め構造４に入射された光の波長により合わせており、光に対する吸収量はさらに増える。
選択的に、第１光閉じ込め構造３の局在表面プラズモンの光波応答ピークはボトムセル１の吸収光波長範囲内にあり、光が第１光閉じ込め構造３に入射されると、第１光閉じ込め構造３は光に対して散乱作用を果たし、光は散乱作用により第１光閉じ込め構造３の下方に入り、ボトムセル１に入り、第１光閉じ込め構造３に入射された光にはエネルギーがほぼ損失されておらず、これにより、光路はある程度増加する。すなわち、
が満たされる。
選択的に、第３光閉じ込め構造４の局在表面プラズモンの光波応答ピークはトップセル２の吸収光波長範囲内にあり、光が第３光閉じ込め構造４に入射されると、第３光閉じ込め構造４は光に対して散乱作用を果たし、光は散乱作用により第３光閉じ込め構造４の下方に入り、トップセル２に入り、第３光閉じ込め構造４に入射された光にはエネルギーがほぼ損失されておらず、これにより、光路はある程度増加する。すなわち、
が満たされる。
選択的に、図２に示すように、第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４は粒子状（図２の（ａ）３２参照）、線状（図２の（ｄ）３１参照）、穴掘り構造（図２の（ｂ）参照）から選択され、第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４の形態はさまざまである。
選択的に、上記の粒子の形状は球状、半球状、線状交差構造、円柱体状、円錐体状のうちの１つである。上記の穴の形状は円形、略円形、多角形のうちの１つであり、第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４の形態はさまざまである。例えば、図２に示すように、（ｂ）において穴６の形状は円形である。
選択的に、トップセルは第１吸収層を含み、ボトムセルは第２吸収層を含み、第１光閉じ込め構造は少なくとも第１吸収層又は第２吸収層との距離が２ｎｍ以下であり、すなわち、第１吸収層と第１光閉じ込め構造との間の距離はｄ５とし、ｄ５≦２ｎｍであり、及び／又は、第２吸収層と第１光閉じ込め構造との間の距離はｄ６とし、ｄ６≦２ｎｍである。通常、第１光閉じ込め構造の局在プラズマモードが増強された領域は第１光閉じ込め構造の表面における２ｎｍ範囲程度である。すなわち、第１吸収層及び／又は第２吸収層が第１光閉じ込め構造の表面の周辺領域に設けられると、第１吸収層及び／又は第２吸収層はちょうど第１光閉じ込め構造の局在プラズマモードが増強された領域内にあり、これはタンデム型太陽光発電デバイスの光電変換効率の向上に有利である。この部分は主に第１光閉じ込め構造の上記の第２態様における光閉じ込め効果を利用している。
選択的に、第１光閉じ込め構造、第２光閉じ込め構造、第３光閉じ込め構造中の金属は金、銀、アルミニウム、銅、ガリウム、インジウムから選択される少なくとも１種であり、上記の材料で形成される第１光閉じ込め構造、第２光閉じ込め構造、第３光閉じ込め構造では、自由電子濃度がより高く、光閉じ込め効果を高めるのに有利である。
選択的に、第１光閉じ込め構造、第２光閉じ込め構造、第３光閉じ込め構造中の半導体材料はアルミニウムドープ酸化亜鉛、インジウムドープ酸化スズから選択される少なくとも１種であり、上記の材料で形成される第１光閉じ込め構造、第２光閉じ込め構造、第３光閉じ込め構造では、自由電子濃度がより高く、光閉じ込め効果を高めるのに有利である。
図３は本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの一例の部分構造概略図を示す。図４は本開示の実施例における別のタンデム型太陽光発電デバイスの部分構造概略図を示す。図２、図３、図４に示すように、タンデム型太陽光発電デバイスは、第１光閉じ込め構造３の隙間に充填された誘電体材料で形成される誘電体層７をさらに含む。例えば、誘電体層７は粒子３２間の隙間に充填されるか、平坦板材３３において彫った穴６に充填される。第１光閉じ込め構造の高さは誘電体層７の高さ以上である。例えば、図２（ａ）においては、粒子３２の高さｄ２３は誘電体層７の高さｄ３１よりも大きい。図２（ｂ）においては、平坦板材３３の高さｄ３は誘電体層７の高さに等しい。図２（ｃ）においては、交差線３１の高さｄ２３は誘電体層７の高さｄ３１よりも大きい。図２（ｄ）においては、平行線３１の高さｄ１１は誘電体層７の高さｄ３１よりも大きい。一方では、誘電体層７が充填されることにより、トップセルはより平坦な面に製造することができ、トップセルの製造が容易になり、トップセルの応力が減少し、大サイズのトップセルの形成に有利である。他方では、誘電体層の充填は誘電体層により被覆されたプラズモンのマルチモード共振光閉じ込め効果に有利である。
図４には、交差線３１はグリッド状構造であり、銀又は銀の合金材料を用い、断面が略矩形又は台形であり、底部（ボトムセル１の受光面に接触する領域）の幅が５０ｎｍ、高さが３０ｎｍであり、ハニカム状のグリッド構造が構成されており、六角形の辺の長さが３００ｎｍ～８００ｎｍであり、交差線３１はマスク蒸着の方法により得られる。交差線３１間の空隙には誘電体層７が充填されており、誘電体層７は材料として酸化ケイ素を用い、厚さが５ｎｍ～２０ｎｍである。
選択的に、誘電体層材料の誘電率は１．２～２００であり、誘電体層材料は酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化タンタル、窒化アルミニウムから選択される少なくとも１種である。
選択的に、第１光閉じ込め構造の隙間に誘電体層が充填されなくてもよく、これにより、トップセルの吸収層、ボトムセルの吸収層と第１光閉じ込め構造との距離がより小さくなり、第１光閉じ込め構造の第２態様における光閉じ込め効果が十分に利用される。
図５は本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な別の第１断面の概略図を示す。選択的に、図５に示すように、トップセル２の基材２１は第１吸収層を含み、第１吸収層がペロブスカイト材料である場合、第１吸収層の厚さは５０ｎｍ～２００ｎｍである。従来技術による厚さが５００ｎｍ～２００ｎｍであるペロブスカイト材料の吸収層に比べ、本願では、第１構造３が優れた光閉じ込め効果を有するため、第１吸収層はさらに従来技術の約十分の一ほど薄くされ、これはトップセル２の厚さを小さくすることに有利であり、タンデム型太陽光発電デバイスの軽量化や薄型化に有利である。
選択的に、ボトムセル１の第２吸収層が結晶シリコンである場合、第２吸収層の厚さは１００ｕｍよりも小さい。従来技術による厚さ１５０ｕｍ程度の結晶シリコン吸収層に比べ、本願では、第１構造が優れた光閉じ込め効果を有するため、ボトムセルは薄くすることができ、これはボトムセル１の厚さを小さくすることに有利であり、タンデム型太陽光発電デバイスの軽量化や薄型化に有利である。
選択的に、該タンデム型太陽光発電デバイスはトップセル２の受光面に位置する上部機能層９をさらに含む。上部機能層９は１層又は複数層であり、表面不動態化、選択的接触、キャリア輸送や反射防止などの機能を備える。本開示の実施例はこれについて特に限定しない。
選択的に、該タンデム型太陽光発電デバイスはボトムセル１の背光面に位置する下部機能層１０をさらに含む。下部機能層１０は１層又は複数であり、表面不動態化、選択的接触、輸送キャリアや反射防止などの機能を備える。下部機能層１０は拡散や成膜などの方法により製造され得る。本開示の実施例はこれについて特に限定しない。
該タンデム型太陽光発電デバイスはトップセル２の受光面に位置する上部電極と、ボトムセル１の背光面に位置する下部電極と、をさらに含む。
本開示の実施例はまた、タンデム型太陽光発電デバイスの製造方法を提供する。該方法は、大まかに以下のステップを含む。
ステップ１０１：ボトムセルを提供する。
ステップ１０２：マスク蒸着によって前記ボトムセルの受光面に第１光閉じ込め構造を作製する。
ステップ１０３：前記第１光閉じ込め構造の受光面にトップセルを製造し、前記トップセルのバンドギャップ幅が前記ボトムセルのバンドギャップ幅よりも大きい。
ステップ１０４：前記ボトムセルの背光面側に第２光閉じ込め構造、及び／又は、前記トップセルの受光面側に第３光閉じ込め構造を製造する。前記第１光閉じ込め構造、前記第２光閉じ込め構造、前記第３光閉じ込め構造はすべて金属及び半導体材料から選択され、これらの３者による局在表面プラズモンは、それぞれ異なる光波応答ピークに対応し、前記タンデム型太陽光発電デバイスは前記タンデム型太陽光発電デバイスは、前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な第１断面を有し、前記第１光閉じ込め構造、前記第２光閉じ込め構造、前記第３光閉じ込め構造は前記第１断面に個別の微細構造が形成されており、前記個別の微細構造の前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３、前記微細構造間の平均間隔はそれぞれｗ１、ｗ２、ｗ３であり、少なくとも１つの前記第１断面において、前記微細構造の前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズと、隣接する前記微細構造間の平均間隔とは
の関係を満たす。
本開示の実施例では、該方法のトップセル、ボトムセル、第１光閉じ込め構造、第２光閉じ込め構造、第３光閉じ込め構造は前述タンデム型太陽光発電デバイスの実施例における関連記載を参照することができ、また、同一又は類似の有益な効果が得られ、重複しないように、ここでは詳しく説明しない。
なお、方法実施例においては、説明の便宜上、一連の動作の組み合わせとして記載されるが、当業者に自明なように、本開示の実施例は記載の動作順序に制限されるものではなく、このため、本開示の実施例によれば、一部のステップは他の順序又は同時に行われてもよい。また、当業者に公知のように、明細書に記載の実施例はすべて好ましい実施例であり、係る動作は必ずしも本開示の実施例にとって必須なものではない。
以下、いくつかの特定の実施例を挙げて、本願をさらに説明する。
＜実施例１＞
図５に示すように、ボトムセル１の第２吸収層は結晶シリコンであり、ｎ型シリコン基板を採用しており、基板の厚さが５０ｕｍであり、基板の受光面は平面構造（研磨を問わず）、背光面はテクスチャ面光閉じ込め構造である。結晶シリコン基板の背光面にｐ型層が拡散により形成され、ボトムセル１が作製される。ボトムセル１の背光面に下部機能層１０が存在し、下部機能層１０は１層又は多層構造であり、表面不動態化及び反射防止の機能を備える。下部電極に対応する位置には部分的に高濃度ドープされた選択的接触構造が存在してもよい。下部機能層１０はｐ型多結晶輸送層又はｐ型非晶質シリコンであってもよく、このような場合、ボトムセル１と下部機能層１０との間に酸化ケイ素又は真性非晶質シリコン界面層が存在する。下部機能層１０は例えばインジウムドープ酸化スズ又はアルミニウムドープ酸化亜鉛などのような導電薄膜輸送層を同時に含む。
ボトムセル１の受光面には、拡散又は成膜による電界効果層若しくは不動態化層が存在するか、又は第１光閉じ込め構造３の接触位置には、部分的な不動態化層、例えば酸化ケイ素が存在してもよい。
ボトムセル１の受光面には第１光閉じ込め構造３が存在し、第１光閉じ込め構造３の第１断面に形成された個別の微細構造は、略円柱体状で、平均直径が３０ｎｍ～２００ｎｍであり、円柱の高さと直径がほぼ等しく、球の間隔が２０ｎｍ～５００ｎｍである銀ナノ粒子（例えば、具体的には、この銀ナノ粒子は直径が５０ｎｍ、高さが５０ｎｍ、粒子間の間隔が８０ｎｍであり、厳格な円柱体ではなく、略円錐状を呈する）であり、均等に分布している格子構造を構成し、マスク蒸着方法によって得られる。さらに、金、アルミニウム、銅、ガリウム、インジウムなどの１種又は複数の材料からなるナノ粒子も利用可能である。
第１光閉じ込め構造３のナノ粒子間の空隙に誘電体層７が充填されており、誘電体層７は材料として酸化アルミニウムを用い、厚さが５～２０ｎｍ（厚さはナノ粒子又は第１光閉じ込め構造３の高さ以下であり、例えば、第１光閉じ込め構造３の高さが１００ｎｍである場合、酸化アルミニウムの厚さは１００ｎｍ以下）である。
第１光閉じ込め構造３上にトップセル２が成膜されており、本実施形態では、トップセル２の第１吸収層２１はワイドバンドギャップペロブスカイトであり、トップセル２の基板２１は、ペロブスカイト吸収層２１と、Ｃ６０電子輸送層と、酸化ニッケル正孔輸送層と、を含み、酸化ニッケル正孔輸送層と第１光閉じ込め構造３との間にトップセル２の下部輸送層２２が存在し、受光面は上部輸送層２３を備え、上部輸送層２３は電子輸送層であり、トップセル２の厚さは５０ｎｍ～３００ｎｍである。
上層太陽電池の受光面には、１層又は多層構造であって表面反射防止機能を果たす上部機能層９が存在する。
ボトムセル１の背光面側は第２光閉じ込め構造５を有し、トップセル２の受光面側は第３光閉じ込め構造４を有する。第２光閉じ込め構造５と第３光閉じ込め構造４の第１断面に形成された個別の微細構造もすべてナノ粒子であり、ナノ粒子は銀材料、又は金、アルミニウム、銅、ガリウム、インジウムなどの１種又は複数種の材料を用い、３層の光閉じ込め構造中のナノ粒子の材料は同一であっても異なっていてもよい。実施例１では、第３光閉じ込め構造は、平均直径が３０ｎｍ、高さが３０ｎｍ、平均間隔が５０ｎｍである略円柱体であり、第２光閉じ込め構造は、平均直径が１００ｎｍ、高さが１００ｎｍ、平均間隔が１μｍである略円柱体である。
さらに、より優れた全体の光閉じ込め効果を得るために、第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４にそれぞれ対応する平均サイズｄ１、ｄ２、ｄ３とこれらにそれぞれ対応する平均間隔ｗ１、ｗ２、ｗ３とは、
の関係を有する。
実施例１のより好ましい形態として、第３光閉じ込め構造と第１光閉じ込め構造は
の関係を満たし、第１光閉じ込め構造は直径が５０ｎｍ、粒子之間の間隔が８０ｎｍである銀ナノ粒子である場合、第３光閉じ込め構造は直径が２０ｎｍ、平均間隔が１０２ｎｍである銀ナノ粒子であってもよく、第２光閉じ込め構造のサイズは限定されない。
実施例１のより好ましい形態として、第２光閉じ込め構造と第１光閉じ込め構造は
の関係を満たし、第１光閉じ込め構造は直径が５０ｎｍ、粒子間の間隔が１００ｎｍである銀ナノ粒子である場合、第２光閉じ込め構造は直径が１０００ｎｍ、平均間隔が１６７ｎｍである銀ナノ粒子であってもよく、第３光閉じ込め構造のサイズは限定されない。
実施例１のより好ましい形態として、
の両方が満たされ、第１光閉じ込め構造は直径が５０ｎｍ、粒子間の間隔が１００ｎｍである銀ナノ粒子である場合、第２光閉じ込め構造は直径が１０００ｎｍ、平均間隔が１６７ｎｍである銀ナノ粒子であってもよく、第３光閉じ込め構造は直径が２０ｎｍ、平均間隔が８９ｎｍである銀ナノ粒子であってもよい。
＜実施例２＞
図６に示すように、図６は本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直なさらに別の第１断面の概略図を示す。ボトムセル１の第２吸収層は結晶シリコン太陽電池であり、ｎ型シリコン基板を採用しており、基板の厚さが１０μｍであり、基板の受光面は平面構造（研磨を問わず）、背光面は平面構造（研磨を問わず）であり、結晶シリコン基板の背光面にｐ型層が拡散により形成され、ボトムセル１が作製される。ボトムセル１の背光面に下部機能層１０が存在し、下部機能層１０は１層又は多層構造であり、表面不動態化及び反射防止の機能を備える。下部機能層１０はｐ型多結晶輸送層又はｐ型非晶質シリコンであってもよく、このような場合、ボトムセル１と下部機能層１０との間に酸化ケイ素又は真性非晶質シリコン界面層が存在する。下部機能層１０は、例えばインジウムドープ酸化スズ又はアルミニウムドープ酸化亜鉛などのような導電薄膜輸送層を同時に含む。
ボトムセル１の背光面側に第２光閉じ込め構造５が設けられており、例えば、第２光閉じ込め構造５は下部機能層１０において穴を空けたものとする。金属アルミニウムを穴に充填するものを、背面電極として引き出すことができる。
ボトムセル１の受光面には、拡散又は成膜による電界効果層若しくは不動態化層が存在するか、又は第１光閉じ込め構造３の接触位置には、部分的な不動態化層、例えば酸化ケイ素が存在してもよい。
ボトムセル１の受光面には第１光閉じ込め構造３が存在し、第１光閉じ込め構造３の第１断面に形成された個別の微細構造は、略半球体で、平均球径が５０ｎｍ～２００ｎｍ、半球の高さが球径の半分にほぼ等しく、球間隔が２０ｎｍ～５００ｎｍである銀ナノ粒子（例えば、具体的な一実施形態では、直径が５０ｎｍ、高さが２５ｎｍ、間隔が８０ｎｍである）であり、厳格な半球体ではなく、均等に分布している格子構造を構成し、この銀ナノ粒子はマスク蒸着してからアニーリングする方法によって得られる。
ナノ粒子間の空隙又は間隔に誘電体層７が存在し、誘電体層７は材料として酸化ケイ素を用い、厚さが５ｎｍ～２０ｎｍ（厚さは第１光閉じ込め構造３の高さ以下であり、例えば、第１光閉じ込め構造３の高さが５０ｎｍである場合、酸化ケイ素の厚さは５０ｎｍ以下）である。
第１光閉じ込め構造３上にトップセル２が成膜されており、本実施形態では、トップセル２の第１吸収層はワイドバンドギャップペロブスカイトであり、２１はトップセル２の基材であり、基材２１はペロブスカイト吸収層と、Ｃ６０電子輸送層と、酸化ニッケル正孔輸送層と、を含み、酸化ニッケル正孔輸送層と第１光閉じ込め構造３との間に上層太陽電池下部輸送層２２が存在し、受光面は上部輸送層２３を備え、上部輸送層２３は電子輸送層であり、トップセル２の厚さは５０ｎｍ～３００ｎｍである。
トップセル２の受光面には、１層又は多層構造であって表面反射防止機能を果たす上部機能層９が存在する。
トップセル２の受光面側は第３光閉じ込め構造４を有する。第３光閉じ込め構造４の第１断面に形成された個別の微細構造もナノ粒子である。
実施例２のより好ましい形態として、第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４にそれぞれ対応する平均サイズｄ１、ｄ２、ｄ３とこれらにそれぞれ対応する平均間隔ｗ１、ｗ２、ｗ３とは、
の関係を有する。すなわち、第１光閉じ込め構造はサイズが５０ｎｍ、間隔が８０ｎｍである場合を例にして、第２光閉じ込め構造はサイズが２００ｎｍ、間隔が１１２ｎｍであり、第３光閉じ込め構造はサイズが５０ｎｍ、間隔が３２０ｎｍである。
＜実施例３＞
図７に示すように、図７は本開示の実施例におけるタンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な更なる第１断面の概略図を示す。ボトムセル１の第２吸収層は結晶シリコンであり、ｎ型シリコン基板を用い、基板の厚さが１０ｕｍであり、基板の受光面は平面構造（研磨を問わず）、背光面は平面構造（研磨を問わず）である。結晶シリコン基板の背光面にｐ型層が拡散により形成され、ボトムセル１が作製される。ボトムセル１の背光面に下部機能層１０が存在し、下部機能層１０は１層又は多層構造であり、表面不動態化及び反射防止の機能を備える。下部機能層１０はｐ型多結晶輸送層又はｐ型非晶質シリコンであってもよく、このような場合、ボトムセル１と下部機能層１０との間に酸化ケイ素又は真性非晶質シリコン界面層が存在する。下部機能層１０は例えばインジウムドープ酸化スズ又はアルミニウムドープ酸化亜鉛などのような導電薄膜輸送層を同時に含む。
ボトムセル１の背光面側に第２光閉じ込め構造５が設けられ、例えば、第２光閉じ込め構造５は下部機能層１０において穴を空けたものとする。金属アルミニウムを穴に充填するものを背面電極として引き出すことができる。
ボトムセル１の受光面には、拡散又は成膜による電界効果層若しくは不動態化層が存在するか、又は第１光閉じ込め構造３の接触位置には、部分的な不動態化層、例えば酸化ケイ素が存在してもよい。ボトムセル１の受光面には第１光閉じ込め構造３が存在し、第１光閉じ込め構造３の第１断面に形成された個別の微細構造は平行線であり、銀又は銀の合金材料を用い、断面が略矩形又は台形であり、底部（すなわち、ボトムセル１の受光面に接触する領域）の幅が８０ｎｍ、高さが５０ｎｍであり、平行線間の間隔が２００ｎｍ～５００ｎｍであり、平行線はマスク蒸着方法により得られる。若しくは、底部の幅が２００ｎｍ、間隔が５００ｎｍである。
平行線間の空隙に誘電体層７が存在し、誘電体層７は材料として酸化ケイ素を用い、厚さが５～２０ｎｍであり、該酸化ケイ素層は上記のボトムセル１の受光面の不動態化層と同層であってもよい。
第１光閉じ込め構造３上にトップセル２が成膜されており、本実施形態では、トップセル２の第１吸収層はワイドバンドギャップヒ化ガリウムであり、２１はトップセル２の基板であり、基板２１はｐ型ヒ化ガリウム吸収層とｎ型ヒ化ガリウムエミッタを含み、ｐ型ヒ化ガリウム吸収層と第１光閉じ込め構造３との間にトップセル２の下部輸送層２２が存在し、また、下部輸送層２２２２は格子ミスマッチを緩衝する役割を果たし、アルミニウムガリウムヒ化合物である。基板２１の受光面には上部輸送層２３を備え、また、２３はヒ化ガリウム電池のウィンドウ層であり、リン化アルミニウムインジウムであり、トップセル２の厚さは２００ｎｍ～５００ｎｍである。
トップセル２の受光面には、１層又は多層構造であって表面反射防止の機能を果たす上部機能層９が存在する。
トップセル２の受光面側に第３光閉じ込め構造４を有する。第３光閉じ込め構造４の第１断面に形成された個別の微細構造もナノ粒子である。
実施例３のより好ましい形態として、第１光閉じ込め構造３、第２光閉じ込め構造５、第３光閉じ込め構造４にそれぞれ対応する平均サイズｄ１、ｄ２、ｄ３とこれらにそれぞれ対応する平均間隔ｗ１、ｗ２、ｗ３は、
の関係を有する。すなわち、第１光閉じ込め構造はサイズが２００ｎｍ、間隔が５００ｎｍである場合を例にして、第２光閉じ込め構造はサイズが８００ｎｍ、間隔が２５０ｎｍであり、第３光閉じ込め構造はサイズが１００ｎｍ、間隔が５００ｎｍである。
以上では、本開示の実施例は図面を参照して説明されたが、本開示は上記の具体的な実施形態に限定されるものではなく、上記の具体的な実施形態は例示的なものに過ぎず、限定するためのものではなく、当業者は本開示に基づいて本開示の趣旨及び請求項により保護される範囲を逸脱することなく、多くの形態を実施することもでき、このような形態はすべて本開示により保護される。
１ ボトムセル
２ トップセル
２１ トップセルの基材
２２ トップセルの下部輸送層
２３ トップセルの上部輸送層
３ 第１光閉じ込め構造
３１ 交差線又は平行線
３２ 粒子
３３ 平坦板材
４ 第３光閉じ込め構造
５ 第２光閉じ込め構造
６ 穴
７ 誘電体層
９ 上部機能層
１０ 下部機能層

Claims (11)

  1. タンデム型太陽光発電デバイスであって、
    積層配置されたトップセルと、ボトムセルと、前記トップセルと前記ボトムセルとの間に介在している第１光閉じ込め構造と、を含み、前記トップセルのバンドギャップ幅が、前記ボトムセルのバンドギャップ幅よりも大きく、
    前記ボトムセルの背光面側に位置する第２光閉じ込め構造及び前記トップセルの受光面側に位置する第３光閉じ込め構造のうちの少なくとも１つをさらに含み、
    前記第１光閉じ込め構造、前記第２光閉じ込め構造、前記第３光閉じ込め構造はそれぞれ金属及び半導体材料から選択されるいずれかであり、これらの３者による局在表面プラズモンは、それぞれ異なる光波応答ピークに対応し、
    前記タンデム型太陽光発電デバイスは、前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面に垂直な第１断面を有し、前記第１光閉じ込め構造、前記第２光閉じ込め構造、前記第３光閉じ込め構造は前記第１断面に個別の微細構造が形成されており、前記個別の微細構造の前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズはそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３、前記微細構造間の平均間隔はそれぞれｗ１、ｗ２、ｗ３であり、
    ｄ１の値の範囲は５００ｎｍ≧ｄ１≧１０ｎｍであり、ｄ２の値の範囲は１２００ｎｍ≧ｄ２≧２０ｎｍであり、ｄ３の値の範囲は３００ｎｍ≧ｄ３≧１ｎｍであり、
    少なくとも１つの前記第１断面において、前記微細構造の前記タンデム型太陽光発電デバイスの受光面での投影の平均サイズと、隣接する前記微細構造間の平均間隔とは
    の関係を有することを特徴とするタンデム型太陽光発電デバイス。
  2. 前記第１光閉じ込め構造、前記第２光閉じ込め構造、前記第３光閉じ込め構造は粒子状、線状、穴掘り構造から選択されることを特徴とする請求項１に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
  3. 前記粒子の形状は球状、半球状、線状交差構造、円柱体状、円錐体状のうちの１つであり、前記穴の形状は円形、略円形、多角形のうちの１つであることを特徴とする請求項２に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
  4. 前記トップセルは第１吸収層を含み、前記ボトムセルは第２吸収層を含み、前記第１光閉じ込め構造は少なくとも前記第１吸収層又は前記第２吸収層との距離が２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
  5. 前記第１吸収層はペロブスカイト材料であって、厚さが５０ｎｍ～２００ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
  6. 前記第２吸収層は単結晶シリコンであって、厚さが１００μｍよりも小さいことを特徴とする請求項４に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
  7. 前記第１光閉じ込め構造の隙間に充填された誘電体材料で形成される誘電体層をさらに含み、
    前記第１光閉じ込め構造の高さが前記誘電体層の高さ以上であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
  8. 前記誘電体材料の誘電率は１．２～２００であり、
    前記誘電体材料は酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化タンタル、窒化アルミニウムから選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項７に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
  9. 前記第１光閉じ込め構造の局在表面プラズモンの光波応答ピークは前記ボトムセルの吸収光波長範囲内にあり、前記第３光閉じ込め構造の局在表面プラズモンの光波応答ピークは前記トップセルの吸収光波長範囲内にあることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
  10. いずれかの第１断面においては、前記ｄ２≦１２００ｎｍ、ｄ３≦３００ｎｍであることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
  11. 前記金属は金、銀、アルミニウム、銅、ガリウム、インジウムから選択される少なくとも１種であり、
    前記半導体材料はアルミニウムドープ酸化亜鉛、インジウムドープ酸化スズから選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のタンデム型太陽光発電デバイス。
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