JPWO2006025260A1 - 積層型有機無機複合高効率太陽電池 - Google Patents
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Abstract
太陽光発電装置（太陽電池）の発電効率およびコスト効率を向上させるとともに、より広い範囲の用途に適用することができる太陽電池を提供するために、ｐ型有機半導体およびｎ型有機半導体を接合してなる有機系電池層と、ｐ型無機半導体およびｎ型無機半導体を接合してなる無機系電池層とを積層して太陽電池を形成する。また、個々の太陽電池層を薄層化することによってフレキシブルにする。
Description
本発明は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池に関し、特に、有機半導体薄膜からなる有機系電池層と無機半導体薄膜からなる無機系電池層との積層構造を有する高効率太陽電池および／または有機薄膜太陽電池に関するものである。さらに本発明は、当該太陽電池を構成する方法、およびさらに機能性薄膜を積層することによって特性を改善する複合電池に関するものである。
近年、太陽光発電に関する技術が著しく発達し、種々の太陽電池が商品として流通している。「太陽からの光エネルギーを電気エネルギーに変換」する太陽光発電は、（１）エネルギー源が膨大で枯渇しない、（２）クリーンなエネルギー源であり、発電時には二酸化炭素を排出しない、（３）電力を自給できる、などの利点を有し、屋外での利用だけでなく宇宙での利用も可能な技術である。
太陽電池の種類としては、シリコン半導体を材料に使用するもの（結晶系およびアモルファス（非結晶系））と化合物半導体を材料に使用するものとに大別され、開発中のものも含めるとさらに多岐にわたる。太陽電池の技術開発については、変換効率の向上やコストダウンなどが図られている。
現在の主流である太陽電池としては、有機半導体または無機半導体を用いる固体太陽電池が挙げられる。有機半導体を用いる固体太陽電池は、一般に、有機半導体の単独層と、金属または異なる有機半導体からなる単独層とのｐｎ接合部を介する単純な接合からなる（例えば、特許文献１および非特許文献１および２を参照のこと）。無機半導体の積層構造を有する固体太陽電池は、例えば、特許文献２〜４に開示されている。また、上記以外に、有機半導体と無機半導体の単純な接合からなる固体太陽電池（例えば、非特許文献３を参照のこと）、および有機半導体と無機半導体との接合部を共蒸着によって複合化することによって変換効率を改善した固体太陽電池が知られている（例えば、特許文献５を参照のこと）。
〔特許文献１〕
特開平６−３１０７４６号公報（平成６年１１月４日公開）
〔特許文献２〕
特開２００３−２７３３７３号公報（平成１５年９月２６日公開）
〔特許文献３〕
特開平１１−５４７７４号公報（平成１１年２月２６日公開）
〔特許文献４〕
特開平７−５８３６０号公報（平成７年３月３日公開）
〔特許文献５〕
特開２００２−１００７９３公報（平成１４年４月５日公開）
〔非特許文献１〕
Ｄ．Ｌ．Ｍｏｒｅｌ，Ａ．Ｋ．Ｇｈｏｓｈ，Ｔ．Ｆｅｎｇ，Ｅ．Ｌ．Ｓｔｏｇｒｙｎ，Ｐ．Ｅ．Ｐｕｒｗｉｎ，Ｒ．Ｆ．Ｓｈａｗ，Ｃ．Ｆｉｓｈｍａｎ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，３２，４９５（１９７８）
〔非特許文献２〕
Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，４８，１８３（１９８６）
〔非特許文献３〕
Ａ．Ｍ．Ｈｏｒ，Ｒ．Ｏ．Ｌｏｕｔｆｙ，Ｃａｎａｄｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，６１，９０１（１９８３））
太陽光発電に関する技術分野において、光電変換効率が優れた太陽電池が好ましい。変換効率は、（出力電気エネルギー／入射する太陽光エネルギー）×１００（％）で表され、太陽電池の最も重要な性能指数である。この改善は、主にシリコン単結晶またはアモルファスシリコンを用いて不純物を低減することによってなされている。また、コスト効率が優れた太陽電池が好ましい。このコスト効率は、太陽電池装置から得られる発電量を金額に換算したもの、ならびに製品の製造コストおよびランニングコストを、原子力発電のコストおよび長距離送電に伴う損失（いわゆる、伝送ロス）と比較して評価されている。
〔特許文献１〕
特開平６−３１０７４６号公報（平成６年１１月４日公開）
〔特許文献２〕
特開２００３−２７３３７３号公報（平成１５年９月２６日公開）
〔特許文献３〕
特開平１１−５４７７４号公報（平成１１年２月２６日公開）
〔特許文献４〕
特開平７−５８３６０号公報（平成７年３月３日公開）
〔特許文献５〕
特開２００２−１００７９３公報（平成１４年４月５日公開）
〔非特許文献１〕
Ｄ．Ｌ．Ｍｏｒｅｌ，Ａ．Ｋ．Ｇｈｏｓｈ，Ｔ．Ｆｅｎｇ，Ｅ．Ｌ．Ｓｔｏｇｒｙｎ，Ｐ．Ｅ．Ｐｕｒｗｉｎ，Ｒ．Ｆ．Ｓｈａｗ，Ｃ．Ｆｉｓｈｍａｎ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，３２，４９５（１９７８）
〔非特許文献２〕
Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，４８，１８３（１９８６）
〔非特許文献３〕
Ａ．Ｍ．Ｈｏｒ，Ｒ．Ｏ．Ｌｏｕｔｆｙ，Ｃａｎａｄｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，６１，９０１（１９８３））
太陽光発電に関する技術分野において、光電変換効率が優れた太陽電池が好ましい。変換効率は、（出力電気エネルギー／入射する太陽光エネルギー）×１００（％）で表され、太陽電池の最も重要な性能指数である。この改善は、主にシリコン単結晶またはアモルファスシリコンを用いて不純物を低減することによってなされている。また、コスト効率が優れた太陽電池が好ましい。このコスト効率は、太陽電池装置から得られる発電量を金額に換算したもの、ならびに製品の製造コストおよびランニングコストを、原子力発電のコストおよび長距離送電に伴う損失（いわゆる、伝送ロス）と比較して評価されている。
特許文献１および非特許文献１および２に記載されているような有機太陽電池は、製造コストが安く、軽量かつフレキシブルであるが、光電変換効率がよくない。特許文献２〜４に記載されているような無機太陽電池は、光電変換効率がよいが、製造コストがかかる上に機械的特性に劣る（すなわち、破損しやすい）。また、非特許文献３および特許文献５に記載されているような有機・無機複合薄膜太陽電池は、光電流を損ない易く、効率よく電力を取り出すことができない上に、工業製品としての歩留まりの問題を有する。
太陽電池のコスト効率に関して、太陽電池システムを商用ラインに接続することによって、「小口の売電事業」として太陽電池システムの付帯部分を軽減しコストを削減している。また、国の奨励政策による補助によってコストの削減が目論まれているが、普及には時間を要している。従って、太陽電池単体のコスト効率を更に改善することが必要とされている。
しかしながら、発電の原理は既に確立しており、既知の方法ではコスト効率は限界に近づきつつある。従って、光電変換効率だけでなくコスト効率にも優れた太陽電池の開発が熱望されている。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、有機半導体からなる太陽電池と無機半導体からなる太陽電池の不利益を互いに補い合う、光電変換効率およびコスト効率に優れかつフレキシブルな太陽電池を提供することである。換言すれば、本発明の目的は、改善された発電効率およびコスト効率を有し、改善された機械的特性に基づく広範な応用が可能な太陽電池を供給することである。
本発明者らは、低コストな有機半導体からなる有機系電池層を無機半導体からなる無機系電池層に積層することによって太陽電池の高出力化が可能となることを見出した。本発明者らはまた、有機系電池層および無機系電池層によって電力変換されるそれぞれの波長を考慮することによって光電変換効率が可能となることを見出した。さらに本発明者らは、破損に強い有機系電池層が被覆膜として作用するので、無機系電池層に無機半導体薄膜（例えば、Ｓｉウエハ（膜厚１０ミクロン程度））を用いることによって、フレキシブルな太陽電池を作製することができることを見出した。
本発明に係る太陽電池は、ｐ型有機半導体およびｎ型有機半導体を接合してなる有機系電池層と、ｐ型無機半導体およびｎ型無機半導体を接合してなる無機系電池層との積層構造を有することを特徴としている。
本発明に係る太陽電池は、２層以上の上記有機系電池層または無機系電池層を有することが好ましい。
本発明に係る太陽電池は、シャント回路をさらに有することが好ましい。
本発明に係る太陽電池は、有窓であることが好ましい。
本発明に係る太陽電池において、上記ｐ型有機半導体およびｎ型有機半導体が１ｎｍ〜１μｍの範囲の厚さを有することが好ましい。
本発明に係る太陽電池において、上記ｐ型無機半導体およびｎ型無機半導体が１０ｎｍ〜５００μｍの範囲の厚さを有することが好ましい。
本発明に係る太陽電池において、上記ｐ型有機半導体が、銅フタロシアニン、ペンタセン、およびヘキサチオフェンからなる群より選択されることが好ましい。
本発明に係る太陽電池において、上記ｎ型有機半導体が、フラーレン、アルミニウムキノリノール錯体、およびチタニルフタロシアニンからなる群より選択されることが好ましい。
本発明に係る太陽電池において、上記ｐ型無機半導体は、第ＩＶ族金属（例えば、Ｓｉ、Ｇｅなど）またはＧａＡｓ、ＧａＩｎＰなどのような化合物半導体がｐ型ドーパント（例えば、ボロンまたはアルミニウムなど）によってドープされた材料であることが好ましい。
本発明に係る太陽電池において、上記ｎ型無機半導体は、第ＩＶ族金属（例えば、Ｓｉ、Ｇｅなど）またはＧａＡｓ、ＧａＩｎＰなどのような化合物半導体がｎ型ドーパント（例えば、ヒ素またはリンなど）によってドープされた材料であることが好ましい。
本発明に係る太陽電池は、上記積層の最外層上にフォトクロミズム物質からなる薄膜をさらに積層することが好ましい。
本発明に係る太陽電池は、上記積層の最外層上に燐光特性を有する有機物からなる薄膜をさらに積層することが好ましい。
本発明に係る太陽電池は、透明電極を用いることが好ましい。
本発明に係る太陽電池において、電極がくし型形状であることが好ましい。
本発明に係る太陽電池において、電極が１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の厚さを有することが好ましい。
本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利益は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
１：ｐ型有機半導体
２：ｎ型有機半導体
３：ｐ型無機半導体
４：ｎ型無機半導体
５：電極
６：電極
７：電極
８：出力端子
９：出力端子
１０：整流素子
１１：シャント抵抗
１２：出力端子
１３：出力端子
１４：抵抗
１５：放射窓
１６：機能性薄膜
１００：有機系電池層
１０１：無機系電池層
１１０：基盤電池層
１１１：第２電池層
１１２：第３電池層
１１３：第４電池層
１２０：基盤電池層
１２１：第２電池層
１３０：有機系電池層
１３１：無機系電池層
１４０：基盤電池層
１４１：第２電池層
１４２：第３電池層
１４３：第４電池層
１５０：基盤電池層
１５１：第２電池層
１５２：第３電池層
１５３：第４電池層
１０００：太陽電池
１００１：太陽電池
１００２：太陽電池
１００３：太陽電池
１００４：太陽電池セル
１００５：太陽電池セル
１００６：太陽電池
１００７：太陽電池
２０００：太陽電池モジュール
２００１：太陽電池モジュール
２：ｎ型有機半導体
３：ｐ型無機半導体
４：ｎ型無機半導体
５：電極
６：電極
７：電極
８：出力端子
９：出力端子
１０：整流素子
１１：シャント抵抗
１２：出力端子
１３：出力端子
１４：抵抗
１５：放射窓
１６：機能性薄膜
１００：有機系電池層
１０１：無機系電池層
１１０：基盤電池層
１１１：第２電池層
１１２：第３電池層
１１３：第４電池層
１２０：基盤電池層
１２１：第２電池層
１３０：有機系電池層
１３１：無機系電池層
１４０：基盤電池層
１４１：第２電池層
１４２：第３電池層
１４３：第４電池層
１５０：基盤電池層
１５１：第２電池層
１５２：第３電池層
１５３：第４電池層
１０００：太陽電池
１００１：太陽電池
１００２：太陽電池
１００３：太陽電池
１００４：太陽電池セル
１００５：太陽電池セル
１００６：太陽電池
１００７：太陽電池
２０００：太陽電池モジュール
２００１：太陽電池モジュール
太陽電池は、ｐ型半導体とｎ型半導体の２種類の半導体を使用して発電する。まず、半導体において、入射した太陽光に起因して電子（−）と正孔（＋）の対が生じる。次いで、ｐ型半導体とｎ型半導体との接合面において、電子はｎ型へ、正孔はｐ型へ引き寄せられる。その結果、ｎ型半導体とｐ型半導体との間に起電力（電圧）が生じる。これらの半導体に電極を取付けて導線を接続することによって、電子はｎ型からｐ型へ、正孔はｐ型からｎ型へ流れ、電気（直流）が取り出せる（すなわち、発電する）。
本発明の一実施形態について図１に基づいて説明すると以下の通りである。
図１は、ｐ型有機半導体１とｎ型有機半導体２とを接合してなる有機系電池層１００、およびｐ型無機半導体３とｎ型無機半導体４とを接合してなる無機系電池層１０１が、電極５を挟んで積層された太陽電池１０００の断面図を示す。本実施形態において、太陽電池１０００は、積層構造の両側に電極６および７を備える。本実施形態に係る太陽電池１０００は、有機系電池層１００と無機系電池層１０１とが直列に接続されている。
本明細書中で使用される場合、用語「有機半導体」は、光電導性有機半導体（光照射によってキャリアを発生出来る有機半導体）が意図される。好ましいｐ型有機半導体としては、銅フタロシアニン、ペンタセン、またはヘキサチオフェンのような正孔を効率的に伝導する材料が挙げられるがこれらに限定されない。好ましいｎ型有機半導体としては、フラーレン、アルミニウムキノリノール錯体、またはチタニルフタロシアニンのような電子を効率的に伝導する材料が挙げられるがこれらに限定されない。
本明細書中で使用される場合、用語「無機半導体」は、不純物ドープによってｐ型特性またはｎ型特性を制御することができる無機材料が意図される。好ましいｐ型無機半導体としては、Ｓｉ、Ｇｅなどのような第ＩＶ族金属またはＧａＡｓ、ＧａＩｎＰなどのような化合物半導体がｐ型ドーパント（例えば、ボロンまたはアルミニウムなど）によってドープされた材料が挙げられ、好ましいｎ型無機半導体としては、Ｓｉ、Ｇｅなどのような第ＩＶ族金属またはＧａＡｓ、ＧａＩｎＰなどのような化合物半導体がｎ型ドーパント（例えば、ヒ素またはリンなど）によってドープされた材料が挙げられる。
ｐ型有機半導体１とｎ型有機半導体２との接合、およびｐ型無機半導体３とｎ型無機半導体４との接合は、任意の公知の方法（例えば、有機気相成長法、蒸着法、またはスピンコート法）を用いて行なえばよい。また、有機系電池層１００と無機系電池層１０１との積層は、有機気相成長法、蒸着法、スピンコート法、キャスト法、ラングミュア−ブロジェット法（ＬＢ法）、スプレー法、または自己組織化による成膜法などによって行うことが好ましいが、これらに限定されない。
本実施形態に係る太陽電池１０００は、有機系電池層１００および無機系電池層１０１を積層することによって、これらの有する互いに異なる光波長特性を利用して感度の波長広がり幅を広く取り光電変換効率を高めることができる。また、本実施形態に係る太陽電池１０００は、積層直列回路を形成するので、電池のインピーダンスを高めることができる。このため、太陽電池１０００は、軽量かつフレキシブルで、低コストを実現し、さらなる高出力化を図ることができる。本発明に係る太陽電池は、積層した無機系電池層および有機系電池層が、それぞれ異なる波長を分離することによって光電変換効率を高めることができる。
本発明に係る太陽電池において、光電変換効率を改善するためには、各波長における太陽光放射電力およびシリコン太陽電池スペクトル応答（図２）を参照して、無機半導体（ｐ型およびｎ型）が所望の光スペクトル帯域を有するように遷移準位間のエネルギーギャップを決定すればよい。本発明に係る太陽電池において、５８０ｎｍ以上の波長を有機系電池層が利用し、５８０ｎｍ以下の波長を無機系電池層が利用することが好ましい。
本発明の他の実施形態について図３に基づいて説明すると以下の通りである。
図３は、複数の電池層を積層して形成した本発明の一実施形態を示す。図３に示す太陽電池１００１において、基盤電池層１１０、第２電池層１１１、第３電池層１１２および第４電池層１１３が積層して直列に接続している。基盤電池層１１０、第２電池層１１１、第３電池層１１２および第４電池層１１３のうち、少なくとも１層が有機系電池層であり、少なくとも１層が無機系電池層である。
本実施形態に係る太陽電池は、図３に示すように、複数の電池層が積層させることによって、より広い光スペクトル帯域を利用して光電変換効率をより向上させることができる。
本発明の別の実施形態について図４に基づいて説明すると以下の通りである。
本発明に係る太陽電池は、シャント回路をさらに有することが好ましい。本明細書中で使用される場合、用語「シャント回路」は、むらのある入力電圧を一定電圧に整えるための、抵抗および整流素子を含む回路が意図される。
図４は、直列回路を形成した本発明に係る太陽電池の一実施形態の回路図を示す。図４に示す本実施形態に係る太陽電池１００２の回路図において、基盤電池層１２０と第２電池層１２１は、出力端子８および９に直列に接続する。基盤電池層１２０および第２電池層１２１は、いずれか一方が有機系電池層であり、他方が無機系電池層である。
本実施形態において、太陽電池１００２は、異なる電圧特性および電流特性を有する基盤電池層１２０および第２電池層１２１が生じるボトルネックを消滅させるために、整流素子１０およびシャント抵抗１１を備える。
本発明のさらに別の実施形態について図５に基づいて説明すると以下の通りである。
図５は、有機系電池層１３０と無機系電池層１３１との積層構造からなる太陽電池１００３を示す。
本発明に係る太陽電池において、機械的に改善する（すなわち、フレキシブルにする）ために、太陽電池自体を薄くすることが好ましい。そのため、本発明に係る太陽電池を構成する有機半導体および無機半導体は、薄膜であることが好ましい。一般に、有機半導体は共有結合に基づく柔軟かつ強固な化学結合力を有するが、無機半導体は結晶構造のため薄膜にすると破断しやすい。しかし、本発明に係る太陽電池において、薄膜の積層構造によって無機半導体薄膜の破壊を防ぐことができる。
また、無機半導体は薄層化することによってフレキシブルになるが、破損した場合に飛散してしまう。図５において、無機系半導体層１３１は破断している。しかし、本実施形態に係る太陽電池１００３は、無機系電池層１３１の上部に有機系電池層１３０を積層する構造をとることによって、有機系電池層１３０が被膜として働き、無機系電池層１３１が破損したときの飛散を防ぐことができる。
本明細書中で使用される場合、用語「薄膜」は、発電に寄与するに十分な厚さが意図され、電流損失などを抑えるために可能な限り薄い膜が好ましく、有機半導体に用いるに好ましい薄膜は、１ｎｍ〜１μｍ、好ましくは、５〜５００ｎｍ、より好ましくは、１０〜５００ｎｍの範囲の膜厚を有し、無機半導体に用いるに好ましい薄膜は、１０ｎｍ〜５００μｍ、好ましくは、５０ｎｍ〜５００μｍの膜厚を有する。また、フレキシブルであるためには、無機半導体に用いるに好ましい薄膜は、５〜５０μｍの範囲の膜厚を有することが好ましい。
本発明のさらなる実施形態について図６（Ａ）および図６（Ｂ）に基づいて説明すると以下の通りである。
図６（Ａ）は、本発明に係る太陽電池１００４を１つの小領域（セル）とする、複数のセルからなる太陽電池モジュール２０００を示す図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す太陽電池モジュール２０００の回路図を示す。複数の太陽電池１００４が、図６（Ｂ）に示すように、出力端子１２および１３に並列に接続されて一体の太陽電池モジュール２０００として機能する。図６（Ｂ）において、基盤電池層１３０と第２電池層１３１は、出力端子１２および１３に直列に接続する。基盤電池層１３０および第２電池層１３１は、いずれか一方が有機系電池層であり、他方が無機系電池層である。
薄膜の太陽電池を製造する場合、その薄膜製造工程に起因して、電圧特性および電流特性のばらつきが生じやすい。このようなばらつきを改善するために、本発明に係る太陽電池を、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、セルの集合からなるモジュールの形状（図６（Ａ））にして、モジュール全体を構成する回路（図６（Ｂ））においてそれぞれのセルを構成する回路中に直列抵抗１４を挿入することによって、セルの負荷バランスを取ることができ、その結果、電気特性の改善をはかることができる。
また、フレキシブルな薄膜の太陽電池を用いると、光電変換効率をさらに向上させる構造的を採ることができる。本発明のさらなる実施形態について図７に基づいて説明すると以下の通りである。
図７は、本発明に係るシート状の太陽電池１００５を感光面を内側にして筒状に巻いたものを１つのセルとする、複数のセルからなる太陽電池モジュール２００１を示す図である。
図７において、太陽電池モジュール２００１に太陽光を導くと、複数の太陽電池１００５の各々に入射し外部へ反射した太陽光は再び太陽電池１００５に入射する。従って、一定量の太陽光が何度も太陽電池１００５へ入射を繰り返し、その結果、光電変換効率をさらに向上させることができる。また、筒状の太陽電池１００５を多数並べることによって面積当りの光電変換効率を高めることができる。
本発明のなおさらなる実施形態について図８に基づいて説明すると以下の通りである。
本発明に係る太陽電池は、有窓であることが好ましい。図８は、基盤電池層１４０上に第２電池層１４１および第３電池層１４２が積層された太陽電池１００６を示す。基盤電池層１４０、第２電池層１４１および第３電池層１４２のうち、少なくとも１層が有機系電池層であり、少なくとも１層が無機系電池層である。太陽電池１００６には、第２電池層１４１および第３電池層１４２を貫く放射窓１５が設けられている。図８中、放射窓１５は１つであるが、複数設けられてもよい。
太陽電池において、遷移準位によって定まる固有値を外れた光は電気に変換されずに熱となる。特に、有機半導体と無機半導体との間での熱伝導度の差異によって、太陽電池内の部分的な熱の歩留りが起こり、温度上昇を引き起こす。太陽電池は温度上昇によって発電電圧が下がるので、このような温度上昇は好ましくない。しかし、本実施形態に係る太陽電池１００６は、積層構造の要所に放射窓１５を有するので、熱的機械強度と電気特性を維持して太陽電池全体の温度バランスを改善することができる。
本発明のなおさらなる実施形態について図９に基づいて説明すると以下の通りである。
本発明に係る太陽電池は、積層構造の最外層上に機能性薄膜をさらに積層することが好ましい。図９は、基盤電池層１５０、第２電池層１５１、第３電池層１５２および第４電池層１５３が積層して直列に接続する太陽電池１００７を示す。図９に示す太陽電池１００７において、第４電池層１５３上にさらに機能性薄膜１６が積層している。基盤電池層１５０、第２電池層１５１、第３電池層１５２および第４電池層１５３のうち、少なくとも１層が有機系電池層であり、少なくとも１層が無機系電池層である。
一般に、太陽電池に接続される電気回路は、インバーターを用いて電圧を昇圧し商用電圧として送電するが、この電気回路は電気的限界があるので、過剰な光エネルギーを避ける必要がある。上記の機能性薄膜１６がフォトクロミズム物質からなる薄膜である場合、過剰量の太陽光から太陽電池回路を保護することができる。また、上記の機能性薄膜１６が燐光特性を有する有機物からなるからなる場合、太陽電池１００７を構成する有機半導体および無機半導体にとってのスペクトル不感帯（例えば、紫外線領域）においても、光源変換を行なうことができる。
本明細書中で使用される場合、用語「フォトクロミズム物質」は、光の照射によって変色し、暗所において元の色に戻る物質が意図される。好ましいフォトクロミズム物質としては、ポリジアセチレン、または有機色素によって増感された材料が挙げられる。本明細書中で使用される場合、用語「燐光特性を有する有機物」は、励起状態において電子スピンの向きが同一方向（三重項励起状態）で、電子が元の起動に戻ることができずにある程度長い時間（数ミリ秒オーダー）留まる材料が意図される。このような有機物としては、例えば、イリジウム錯体（Ｉｒ（ｐｐｙ）３）が挙げられる。
本発明に係る太陽電池において、光電変換効率をさらに改善するためには、半導体にドープされている不純物を改変して、電子と正孔とのポピュレーションを増加させればよい。
本発明に係る太陽電池において、光電変換効率をさらに改善するために、太陽光の受光面の特性を改善すればよい。積層構造によって構成されるので、本発明に係る太陽電池は複数の受光面を有する。そのため、屈折率の異なる複数の薄膜の界面において、太陽光は屈折、反射、および／または干渉して、変換効率を低減させる可能性が生じる。しかし、電池層を構成する材料およびその厚さを適宜設計すればよい。
本発明に係る太陽電池において、無機系電池層には既存技術をそのまま利用すればよいが、Ｓｉウエハを薄膜化することによって従来よりも材料コストを削減することができ、かつフレキシビリティを付与することができる。また、本発明に係る太陽電池において、さらに薄いシリコン基板（１２μｍ）を利用することによってフレキシブルな高効率太陽電池を実現することができる。また、本発明に係る太陽電池において、有機系電池層には有機ＥＬなどのデバイス作製技術を応用すればよい。
本発明に係る太陽電池において、光を十分透過し太陽電池の光電変換効率を低減させないためには、透明電極を用いることが好ましく、薄いことがまた好ましく、そして、「くし型」形状を採ることもまた好ましい。
また、本発明に係る太陽電池において、キャリア（正孔および電子）を生成させるのは、有機系電池層内のｐｎ接合部および無機系電池層内のｐｎ接合部だけに限定される必要はなく、有機系電池層と電極との界面、無機系電池層と電極との界面、および／または有機系電池層と無機系電池層との界面をショットキー接合することによってもまた、当該界面においてキャリア（正孔および電子）を生成させることができることを、当業者は容易に理解する。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明に係る太陽電池は、有機半導体薄膜の物性を首尾よく利用するので、太陽電池の機械的構造を薄型にするとともに軽量化することができる。また、本発明に係る太陽電池は、無機半導体からなる太陽電池製造に関する従来技術をそのまま応用することができる。さらに、本発明に係る太陽電池は、二次電池への充電機能を付与させることによって、ほとんどの電化製品に応用することができ、屋外での利用だけでなく宇宙での利用も可能になる。
本発明に従えば、高効率な太陽電池をフレキシブルな構造体として容易に製品化できるので、従来から市販されている太陽電池の代替品として従来の市場に速やかに移行することができる。また、本発明を用いれば、太陽電池の設置の自由度が高まり、種々の民生品に応用することができ、屋外使用の電化製品（例えば、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ、ウェラブル衣料、医療）へ応用することができ、そして種々の移動手段（例えば、電車、バス、乗用車、飛行機、船など）の外壁へ応用して当該移動手段にエネルギーを供給することができる。
Claims (15)
- ｐ型有機半導体およびｎ型有機半導体を接合してなる有機系電池層と、ｐ型無機半導体およびｎ型無機半導体を接合してなる無機系電池層との積層構造を有することを特徴とする太陽電池。
- ２層以上の上記有機系電池層または無機系電池層を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- シャント回路をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 有窓であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 上記ｐ型有機半導体およびｎ型有機半導体が１ｎｍ〜１μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 上記ｐ型無機半導体およびｎ型無機半導体が１０ｎｍ〜５００μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 上記ｐ型有機半導体が、銅フタロシアニン、ペンタセン、およびヘキサチオフェンからなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 上記ｎ型有機半導体が、フラーレン、アルミニウムキノリノール錯体、およびチタニルフタロシアニンからなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 上記ｐ型無機半導体が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓまたはＧａＩｎＰがｐ型ドーパントによってドープされた材料であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 上記ｎ型無機半導体が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓまたはＧａＩｎＰがｎ型ドーパントによってドープされた材料であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 上記積層の最外層上にフォトクロミズム物質からなる薄膜をさらに積層することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 上記積層の最外層上に燐光特性を有する有機物からなる薄膜をさらに積層することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 透明電極を用いることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 電極がくし型形状であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 電極が１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091208 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100406 |