WO2003100902A1 - Dispositif de conversion photoelectrique - Google Patents

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conversion device
light
charge separation
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Tsutomu Imoto
Masashi Enomoto
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Sony Corporation
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    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Definitions

  • the present invention relates to a photoelectric conversion device suitable for a wet solar cell as a dye-sensitized photoelectric conversion device, for example.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a basic structure of an example 66A.
  • the substrate 51 is made of a glass substrate or a plastic substrate having a sufficient mechanical strength.
  • TO Indium Tin
  • a conductive layer 52 formed of a thin film is formed, and an electrolyte layer 53 provided on the conductive layer 52 is formed of an electrolyte using an iodine-iodine compound as an electrolyte and a mixed solution of acetonitrile and ethylene carbonate as a solvent. ing.
  • the transparent substrate 56 provided on the transparent conductive layer 55 is made of a glass substrate for supporting the transparent conductive layer 55 and the charge separation layer 54.
  • the conductive layer 52 and the transparent conductive layer 55 are connected by an external circuit 67, and the electrons taken out using the latter as a negative electrode are conducted to the former positive electrode through an external circuit 67 having an external load 71. In this process, the intended electrical energy can be extracted by the external load 71.
  • the incident light 65 incident from the outside passes through the transparent substrate 56 and the transparent conductive layer 55 after being incident, and sensitizes in the charge separation layer 54. It is absorbed by the dye and generates pairs of holes and electrons by photoelectric conversion. '
  • the iodine in the electrolyte layer 53 is reduced to generate iodide ions.
  • the iodide ions donate electrons to holes on the sensitizing dye, and are themselves oxidized.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the basic structure of another conventional dye-sensitized photoelectric conversion device 66B.
  • This structure is the same as that of FIG. 10 except that the charge separation layer 54 is provided on the surface of the conductive layer 52, and the incident light 65 receives the transparent substrate 56 and the transparent conductive layer.
  • the sensitizing dye in the charge separation layer 54 penetrates through the layer 55 and the electrolyte layer 53, etc., and performs almost the same operation as the photoelectric conversion device 66 A in FIG. 10, but the generated electrons are charged. It moves in the external circuit 67 from the side of the conductive layer 52 as a negative electrode in contact with the separation layer 54 to the side of the transparent conductive layer 55 as a positive electrode.
  • each of the photoelectric conversion devices shown in FIGS. 10 and 11 has the following two problems. That is, since the transparent conductive layer 55 has a relatively large electric resistance, conductor loss (loss due to Joule heat caused by electric resistance of the conductor) occurs when electrons pass therethrough. The photoelectric conversion efficiency is reduced, and a part of the energy of the incident light 65 cannot contribute to the photoelectric conversion due to the light absorption of the incident light 65 by the transparent conductive layer 55.
  • FIGS. 12 and 13 In order to reduce the electric resistance among these problems, a photoelectric conversion device having a structure shown in FIGS. 12 and 13 has been proposed.
  • electrons generated in the charge separation layer 54 by the photoelectric conversion action flow relatively quickly into the low-resistance metal wiring 57 even if a part of the electrons pass through the transparent conductive layer 55.
  • they can move directly into the metal wiring 57 without passing through the transparent conductive layer 55, so that the ratio of electrons flowing through the high-resistance transparent conductive layer 55 decreases, It is taken out through the low-resistance metal wiring 57, and the electric resistance can be reduced.
  • the metal wiring 57 is provided in the electrolyte layer 53 in the form of a mesh, and the charge separation layers 54 and 6 are provided above and below the electrolyte layer 53. 0 is provided for each.
  • the conductive layer 52 and the transparent conductive layer 55 are used as the negative electrode side Electrons generated by the conversion are collected and transferred to the metal wiring 57 of the positive electrode, thereby further reducing the electric resistance.
  • the area occupied by the metal wiring 57 is about 1: 1 with respect to the area of the charge separation layer 54, so that the charge separation layer 54
  • the area (that is, the aperture ratio) of the opening 70, which is a light-transmitting region between the metal wirings 57 for allowing incident light to enter, is reduced.
  • a part of the incident light 65 is reflected by the metal wiring 57 and cannot reach the inside of the charge separation layer 54, so that light energy is lost.
  • This light energy loss can be improved by reducing the ratio of the area occupied by the metal wiring 57 to the area of the charge separation layer 54 that receives the incident light. As a result, the width or the width of the metal wiring 57 is reduced. Since the cross-sectional area decreases, the electric resistance increases and the deterioration of the conductor performance occurring in the transparent conductive layer 55 also increases. For this reason, these problems also have a trade-off relationship and cannot be eliminated at the same time.
  • the incident light 65 can be photoelectrically converted in any of the charge separation layers 54 and 60, and the opening 70 between the metal wirings 57 can be converted. Can also be converted photoelectrically by the charge separation layer 54, and the incident light 65 reflected by the metal wiring 57 passing through the charge separation layer 60 can re-enter the charge separation layer 60. It is. Therefore, although the loss of light energy can be suppressed to some extent, the electrons generated by the photoelectric conversion action in the charge separation layers 54 and 60 pass through the conductive layer 52 or the transparent conductive layer 55, so that Since the same conductor loss as described above occurs and the structure is complicated, the manufacturing cost increases.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and its purpose is to reduce conductor loss due to electrical resistance and optical energy loss due to absorption and reflection of incident light. It is another object of the present invention to provide a photoelectric conversion device which can be relatively simplified in structure. Disclosure of the invention
  • a first electrode for example, a conductive layer 2 described below: the same applies hereinafter
  • a charge separation means for example, a charge separation layer 4 and an electrolyte layer 3 described below: the same apply
  • a second electrode for example, a metal wiring 7 and a transparent conductive layer 5 described below: the same applies hereinafter
  • a low-resistance portion of the second electrode a metal wiring 7 described below: the same applies hereinafter
  • a light guiding means for example, a convex lens 8 which is an on-chip lens to be described later: the same applies hereinafter
  • a light transmitting area for example, an opening 20 described below: the same applies hereinafter
  • the present invention relates to a photoelectric conversion device (for example, a photoelectric conversion device 16A suitable for a wet solar cell described below: the same applies hereinafter) in which the incident light is guided to the charge separation device by the light guiding device.
  • the low resistance portion (that is, a conductive region having high conductivity) is provided on the second electrode in contact with the charge separation unit, so that the second electrode is generated by photoelectric conversion in the charge separation unit by photoelectric conversion.
  • the collected electrons are collected in the low-resistance portion and move to an external circuit through the low-resistance portion, so that the above-described conductor loss can be reduced and a low-loss transport path for electrons can be secured (improved mobility).
  • the incident light is guided by the light guiding means to the light transmitting region provided in the low resistance portion and further guided by the charge separating means, at least most of the incident light is charged by the charge separating means.
  • the path of incident light can be controlled so as to be incident on the means, and the incident light is reflected in a region other than the light transmitting region. Loss of incident light (loss of light energy) that can be caused by the irradiation can be prevented, and the incident light can be efficiently made to enter the charge separation means, and a light absorbing layer such as a transparent conductive layer is provided on the second electrode. Even if it exists, the amount of light incident thereon can be reduced by the light guide means, and the light absorption itself can be reduced.
  • the area of the low resistance portion of the second electrode can be enlarged to such an extent that the light guide of incident light is not hindered.
  • electrons can easily flow into the low resistance portion, the conductivity of the electrode can be further increased, and the conductor loss and the energy loss can be further reduced at the same time while suppressing the light energy loss.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a photoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the photoelectric conversion device.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a photoelectric conversion device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a photoelectric conversion device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of another photoelectric conversion device.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of a photoelectric conversion device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic sectional view of a photoelectric conversion device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic sectional view of a photoelectric conversion device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic sectional view of a photoelectric conversion device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of a conventional photoelectric conversion device.
  • FIG. 11 is a schematic sectional view of another photoelectric conversion device.
  • FIG. 12 is a schematic sectional view of the same photoelectric conversion device.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of the same and further another photoelectric conversion device.
  • the charge separation means is constituted by an electrolyte layer made of an iodine-iodine compound or the like and a charge separation layer in contact with the electrolyte layer, and is configured as a wet photoelectric conversion device.
  • the charge separation layer is held by containing or attaching a sensitizing dye.
  • the charge separation means may be formed of a junction of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor (p-n junction or p-i-n junction), and may be configured as a dry-type photoelectric conversion device.
  • the light guiding means is a convex or concave on-chip lens provided on the light transmitting region in terms of light guiding or condensing property of incident light and compact structure.
  • the on-chip lens may be made of a light-transmitting organic material (for example, a transparent resin processed on a transparent substrate by photolithography).
  • the light guiding means may be a lens array (for example, a glass lens array integrated with a transparent substrate) laminated on the light transmitting region. Further, in order to make the position of the on-chip lens correspond to the light transmission region of the second electrode, it is preferable that a boundary region between adjacent lens portions of the on-chip lens is located on the second electrode. .
  • the second electrode is formed of a metal wiring such as Pt or Cu formed in a predetermined pattern and a metal wiring such as ITO in contact with the metal wiring. It is preferable that the light-transmitting conductive layer is formed, and at least one of the metal wiring and the light-transmitting conductive layer is in contact with the charge separating unit.
  • the metal wiring or the light-transmitting conductive layer may be provided on the charge separation unit side.
  • the second electrode is formed of a metal wiring such as Pt or Cu formed in a predetermined pattern, and the metal wiring is in contact with the charge separating means.
  • the metal wiring may be in contact with the charge separation layer or the electrolyte layer.
  • a vacuum evaporation method, a sputtering method, a CVD method (a chemical vapor deposition method) is formed on a substrate 1 made of glass or plastic.
  • the conductive layer 2 made of IT ⁇ , Au or Pt is formed by a sol-gel method.
  • the electrolyte layer 3 provided on the conductive layer 2 has an electrolyte containing iodine-monoiodide compound as an electrolyte and a mixed solution of acetonitrile and ethylene carbonate as a solvent, for example, tetrapropylammonium iodide. consisting of a solution or the like containing a 6 mo 1/1 and iodine 5 X 1 0 2 mo 1/ 1.
  • the ultrafine particle layer is a sintered layer of T I_ ⁇ 2 ultrafine particles (diameter 1 0 ⁇ 3 0 nm), may be than be impregnated with sensitizing dye to the sintered layer, or T I_ ⁇ (2) A sensitizing dye may be attached to the semiconductor layer.
  • the charge separation layer 4 not only the thin film made of T I_ ⁇ 2 ultrafine particles, KT A_ ⁇ 3, Z n O, may consist other substances such as S N_ ⁇ 2, sputtering evening ring method Ya sol It can be formed by a method or the like.
  • the transparent conductive layer 5 provided on the charge separation layer 4 is formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, a coating method, a sol-gel method, or the like. It is made of tin oxide (doped with antimony or fluorine).
  • the metal wiring 7 is made of a low-resistance wiring formed by depositing Pt or the like to a thickness of, for example, 300 nm by a vacuum evaporation method or the like, and then patterning the film by a lift-off method or the like.
  • the transparent electrode layer 5, the metal wiring 7, and the charge separation layer 4 are formed in this order on a transparent substrate 6 such as glass.
  • This pattern Ichin as shown in FIG. 2, for converging the incident light 1 5 to t the opening 2 0 formed in a comb shape having an opening portion 2 0 for transmitting incident light 1 5
  • the convex lens 8 is formed of an on-chip lens formed of an organic material such as a light-transmitting transparent resin formed on the transparent substrate 6, or a lens array laminated and fixed on the transparent substrate 6.
  • Such a lens material and a manufacturing method thereof are known, and for example, an integrated lens array or a flat microphone lens array can be used.
  • the lens protective film 9 has a convex lens 8 with a refractive index of not only to protect the convex lens 8 but also to prevent the total reflection of the incident light 15 and to enhance the light collecting property of the incident light 15 by the convex lens 8.
  • a protective film made of a smaller material it may be provided if necessary.
  • the conductive layer 2 and the metal wiring 7 are connected to each other by an external circuit 17, and electrons generated by photoelectric conversion in the charge separation layer 4 pass through the external load 21 from the metal wiring 7 (negative electrode) to the conductive layer 2. (Positive electrode).
  • the externally incident light 15 passes through the lens protection film 9 and then enters the convex lens 8, and is condensed by the lens effect while being condensed by the lens effect.
  • the light After passing through the transparent conductive layer 5 and the transparent conductive layer 5, the light is focused on the opening 20 between the adjacent metal wirings 7, so that the light is not reflected by the metal wiring 7 and enters the charge separation layer 4. It can be incident efficiently.
  • the incident light 15 incident on the charge separation layer 4 is absorbed by the sensitizing dye in the charge separation layer 4, and generates a pair of a hole (hole) and an electron by photoelectric conversion.
  • Electrons thus generated is guided Te cowpea in T I_ ⁇ 2 ultrafine particles of the charge separation layer 4, or a portion flows after once flowing diffused into the transparent conductive layer 5 on the metal wiring 7, or directly It flows into the metal wiring 7. Since the metal wiring 7 has high conductivity (low electric resistance), the inflowing electrons are smoothly led out to the external circuit 17 and moved to the conductive layer 2 via the external load 21. It reduces iodine in the electrolyte layer 3 to generate iodide ions. The iodide ions donate electrons to holes on the sensitizing dye of the charge separation layer 4 and are themselves oxidized.
  • one end of the comb-shaped electrode 7b composed of the branch electrode 7a is commonly connected by the connection portion 7c, and It is configured to be led to the external circuit 17.
  • the branch electrode 7a exists in the charge separation layer 4, electrons generated in the charge separation layer 4 by the incident light focused on the opening 20 between the branch electrodes 7a are closest to the branch electrode 7a. It easily flows into a immediately, and is smoothly taken out from the branch electrode 7a to the outside through the connecting portion 7c.
  • the distance that electrons pass through the relatively high-resistance transparent conductive layer 5 to the branch electrode 7a is substantially equal to the distance between the branch electrodes 7a (that is, the width of the opening 20) of about 1Z2. Therefore, the conductor loss that occurs when electrons pass through the transparent conductive layer 5 is greatly reduced.
  • the lens 8 is provided along the comb-shaped electrode 7b so that the convex lens end 18 is located on the branch electrode 7a of the comb-shaped electrode 7b. As shown in FIG. 7, while being focused by the lens 8, the light efficiently passes through the opening 20 between the branch electrodes 7 a (metal wiring 7) and reaches the charge separation layer 4, so that the reflection of the branch electrodes 7 a is substantially Light energy loss is minimized.
  • the conditions such as the installation position, size, shape, number of installation, and material of the convex lens 8 and the metal wiring 7 are not limited to those described above, and may be arbitrarily changed.
  • the charge separation layer is formed by photoelectric conversion.
  • the electrons generated in 4 easily flow into the metal wiring 7 and can be led to the outside through the metal wiring 7, so that the electrons can be sent to the conductive layer 2 smoothly, that is, with a low-loss electron transport path secured.
  • conductor loss due to electrical resistance can be greatly reduced.
  • the incident light 15 is efficiently guided to the charge separation layer 4 and condensed by the convex lens 8 provided on the transparent substrate 6, the incident light 15 passes through the opening 20 between the metal wirings 7. Since at least the majority of 5 can be efficiently incident on the charge separation layer 4, the photoelectric conversion efficiency is increased while minimizing the decrease in the light energy of the incident light 15 caused by the reflection of the incident light 15 by the metal wiring 7. Can be improved.
  • the incident area (the amount of incident light) is reduced by the condensing action of the lens 8, so that the light absorption itself by the transparent conductive layer 5 is also reduced. be able to.
  • the incident light 15 can be condensed by the lens 8, the incident light 15 can be efficiently incident on the charge separation layer 4 even if the area of the opening 20 is made smaller.
  • the width can be increased to such an extent that the function of collecting the incident light 15 and the function of the charge separation layer 4 is not hindered, so that electrons can flow into the metal wiring 7 more easily and the resistance thereof can be further reduced. Therefore, the conductivity of the metal wiring 7 can be further increased, and the conductor loss and the energy loss can be further reduced at the same time.
  • the ratio of the width of the opening 20 to the width of the metal wiring 7 is, for example, 0.9: 1, which can make the width of the metal wiring 7 larger than that of the conventional one.
  • the electrical resistance can be further reduced by increasing the thickness.
  • the photoelectric conversion device 16A itself has a relatively simple structure simply by providing a condensing lens 8 in addition to the layers 2, 3, 4, 5, and 7, and has the above-described conductor loss and optical loss. Energy loss can be reduced.
  • the photoelectric conversion device 16B according to the present embodiment has the same structure as that of the first embodiment except that the metal wiring 7 is moved from inside the charge separation layer 4 onto the transparent conductive layer 5, as shown in FIG. The same is true.
  • the incident light 15 condensed on the opening 20 between the metal wirings 7 and passed therethrough passes through the transparent conductive layer 5 and is efficiently condensed on the charge separation layer 4. Therefore, electrons generated in the charge separation layer 4 can quickly pass through the transparent conductive layer 5 and flow into the metal wiring 7.
  • the transparent conductive layer 5 is omitted, and the metal wiring 7 is buried at an intermediate position in the thickness direction of the charge separation layer 4. Except for this, it is the same as the first embodiment.
  • the transparent conductive layer 5 since the transparent conductive layer 5 is not interposed, the absorption of light energy by the transparent conductive layer 5 can be eliminated, and almost all of the incident light 15 can be made to reach the inside of the charge separation layer 4. .
  • the metal wiring 7 is embedded in the charge separation layer 4, the electrons generated in the charge separation layer 4 flow directly into the metal wiring 7, and the electrons pass through the transparent conductive layer 5. The conductor loss that occurs at the time is eliminated. And even if there is a part of the incident light reflected by the metal wiring 7, this is extremely small, and furthermore, photocarriers are generated again in the charge separation layer 4, thereby contributing to an improvement in photoelectric conversion efficiency. .
  • the installation position of the metal wiring 7 in the charge separation layer 4 may be determined arbitrarily, and may be provided on the surface of the charge separation layer 4 as shown in FIG. 5, for example.
  • the same operation and effect as those of the above-described first embodiment can be obtained.
  • the photoelectric conversion device 16D according to the present embodiment is different from the first embodiment except that a concave lens 19 is provided near the surface of the transparent substrate 6 instead of the convex lens 8 described above. This is the same as the embodiment.
  • the arrangement of the concave lens 19 in the plane direction is almost the same as the arrangement of the convex lens 8, but its action has a diverging effect on the condensing action of the convex lens 8. Can be made incident on the side of the adjacent opening 20, so that the amount of light incident on the opening 20 can be sufficiently obtained as a whole even though there is reflection by the metal wiring 7. Will be.
  • the conditions such as the installation position, size, shape, number of installation, and material of the convex lens 8 are not limited to the above, and may be arbitrarily changed.
  • the photoelectric conversion device 16 E has a transparent conductive layer 5 provided in an uneven shape between a metal wiring 7 and a charge separation layer 4, and an opening 20.
  • the structure is the same as that of the first embodiment except that the charge separation layer 4 has a projecting shape immediately below the metal wiring 7 and the projecting portion 22 is close to the metal wiring 7.
  • the incident light 15 passes through the opening 20 between the metal wirings 7 and further passes through the transparent conductive layer 5 to enter the charge separation layer 4, and the electrons generated in the charge separation layer 4 Flows into the metal wiring 7 through the transparent conductive layer 5.
  • the protrusion 22 of the charge separation layer 4 is close to the metal wiring 7, the thickness of the transparent conductive layer 5 at this portion is reduced, and the transparent conductive layer 5 is formed by the protrusion 22. Since the contact interface between the charge separation layer 4 and the charge separation layer 4 is enlarged, a sufficient amount of electrons are generated in the charge separation layer 4 and a relatively short distance from the charge separation layer 4 to the inside of the transparent conductive layer 5. This makes it easier to move to the metal wiring 7 to improve the charge mobility and the separation efficiency thereof.
  • the wiring material layer formed on the transparent substrate 6 is patterned by a reactive ion etching method, an ion milling method, or the like, and then the transparent conductive layer 5 is deposited.
  • the transparent conductive layer 5 can be formed without damaging during patterning.
  • the above processing method of the metal wiring 7 is an etching method suitable for finer and more precise pattern formation than a wet etching method or the like.
  • the transparent conductive layer 5 is omitted, the metal wiring 7 is located on the surface of the electrolyte layer 3, and the charge separation layer 4 is It is the same as the first embodiment except that it is located between the conductive layer 2 and the electrolyte layer 3.
  • the transparent conductive layer 5 since the transparent conductive layer 5 is not present, the conductor loss in the transparent conductive layer 5 is eliminated, the energy loss due to the light absorption of the transparent conductive layer 5 is eliminated, and the light condensing action of the convex lens 8 is further improved. Accordingly, almost all of the incident light 15 can be guided into the charge separation layer 4, and high photoelectric conversion efficiency can be obtained. Then, the electrons generated in the charge separation layer 4 move to the metal wiring 7 of the positive electrode using the conductive layer 2 as a negative electrode, where iodine in the electrolyte layer 3 is reduced, and electrons are provided to holes of the charge separation layer 4. Will be.
  • the photoelectric conversion device 16G includes a metal wiring 7 provided on the transparent conductive layer 5 and a dry type between the conductive layer 2 and the transparent conductive layer 5 below.
  • a metal wiring 7 provided on the transparent conductive layer 5
  • a dry type between the conductive layer 2 and the transparent conductive layer 5 below Of an amorphous Si (a—Si) solar cell consisting of n-type a—Si layer 11 1, intrinsic a—Si layer 12 and p-type a—Si layer 13 It is the same as the first embodiment except that the photoelectric conversion layer is configured.
  • the amorphous Si since the transparent conductive layer 5 exists between the n-type a-Si layer 11 and the metal wiring 7, the amorphous Si has a p-i-n junction within the photoelectric conversion layer.
  • the generated electrons can quickly pass through the transparent conductive layer 5 and flow into the metal wiring 7, and furthermore, guide almost all the incident light 15 into the photoelectric conversion layer by the light condensing action of the convex lens 8. Can be. For this reason, high photoelectric conversion efficiency can be obtained, and conductor loss can be greatly reduced by the metal wiring 7.
  • the constituent material, thickness, and the like of the n-type a-Si layer 11, the intrinsic a-Si layer 12, and the p-type a-Si layer 13 may be arbitrarily set.
  • a liquid crystal lens or the like other than the on-chip lens may be used as the light guiding means.
  • the wet type or the dry type has been described.
  • the wet type and the dry type may be combined.
  • the dry type and the dry type may be alternately arranged, or a multiplex structure in which the dry type is installed under the wet type may be adopted.
  • the electrons generated by photoelectric conversion in the charge separation unit by photoelectric conversion are reduced to the low level. Since they are collected in the resistance part and move to the external circuit through this part, conductor loss can be reduced and a low-loss transport path for electrons can be secured.
  • the incident light is guided by the light guiding means to the light transmitting region provided in the low resistance portion, and further guided to the charge separating means, at least most of the incident light is charged by the charge separating means.
  • the path of the incident light can be controlled so as to be incident on the inside, the loss of the incident light which may be caused by the reflection of the incident light in a region other than the light transmitting region is prevented, and the incident light is efficiently separated into the charge separating unit. Even if a light absorbing layer such as a transparent conductive layer is present on the second electrode, the amount of light incident on the second electrode can be reduced by the light guiding means to reduce light absorption itself. it can.
  • the area of the low resistance portion of the second electrode can be enlarged to such an extent that the light guide of the incident light is not hindered.
  • electrons can easily flow into the low resistance portion, and the conductivity of the electrode can be further increased, so that the conductor loss and the energy loss can be further reduced at the same time while suppressing the light energy loss.
  • the above-described conductor loss and photoenergy loss can be reduced by a relatively simple structure only by providing the light guide means in addition to the first and second electrodes and the charge separation means.

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Description

明細 ; 光電変換装置 技術分野
本発明は、 例えば色素増感型光電変換装置としての湿式太陽電池に好 適な光電変換装置に関するものである。 背景技術
従来の湿式太陽電池を構成する色素増感型光電変換装置は種々知られ ているが、 第 1 0図はその一例 6 6 Aの基本構造を示す断面図である。
この光電変換装置 66 Aの各部分は例えば次のように構成されている , 基板 5 1は十分な機械強度を有するガラス基板又はプラスチック基板か らなり、 この基板 5 1上には蒸着法により I TO (Indium Tin
Oxide) 薄膜からなる導電層 52が形成され、 この導電層 52上に設け られる電解質層 5 3はヨウ素—ヨウ素化合物を電解質とし、 ァセトニト リルとエチレンカーボネートとの混合液を溶媒とした電解液からなって いる。
また、 この電解質層 5 3上に設けられる電荷分離層 54は、 増感色素 であるルテニウム錯体 [RuL2 (NC S) 2 ：但し、 L = 4， 4 ' ― ジカルポキシー 2， 2， ービピリジン] を吸着させた T i〇2超微粒子 (直径 1 0〜3 0 nm) の焼結層からなり、 この電荷分離層 54上に 設けられる透明導電層 55は蒸着法により形成された厚さ 0. 3 zmの I TO薄膜からなり、 更にこの透明導電層 5 5上に設けられる透明基板 5 6は、 透明導電層 5 5及び電荷分離層 54を支持するためのガラス基 板からなる。 また、 導電層 5 2と透明導電層 5 5とは外部回路 6 7によって接続さ れ、 後者を負極として取り出された電子は、 外部負荷 7 1を有する外部 回路 6 7を通して前者の正極へと導かれ、 この過程で外部負荷 7 1によ つて目的とする電気エネルギーを取り出すことができる。
上記した構造の光電変換装置 6 6 Aにおいて、 外部から入射する入射 光 6 5は、 入射した後に透明基板 5 6と透明導電層 5 5とを透過し、 電 荷分離層 5 4内の増感色素に吸収され、 光電変換によって正孔 （ホー ル） 及び電子の対を発生させる。 '
この後、 発生した電子は電荷分離層 5 4内の T i 0 2超微粒子内を移 動してから透明導電層 5 5内に流入拡散し、 更に外部負荷 7 1を有する 外部回路 6 7を経由して導電層 5 2に伝搬され、 ここで電解質層 5 3内 のヨウ素を還元し、 ヨウ化物イオンを発生させる。 そして、 このヨウ化 物イオンは、 増感色素上で正孔 (ホール) に電子を供与し、 自らは酸化 される。
第 1 1図は、 従来の他の色素増感型光電変換装置 6 6 Bの基本構造を 示す断面図である。
この構造は、 電荷分離層 5 4が導電層 5 2の表面上に設けられている 以外は第 1 0図の構造と同様であって、 入射光 6 5は透明基板 5 6、 透 明導電層 5 5及び電解質層 5 3等を透過して電荷分離層 5 4の増感色素 に吸収され、 第 1 0図の光電変換装置 6 6 Aとほぼ同様の動作を行うが， 発生した電子は電荷分離層 5 4に接する負極としての導電層 5 2側から 正極としての透明導電層 5 5側に向かって外部回路 6 7内を移動する。
しかしながら、 上述した第 1 0図及び第 1 1図の光電変換装置はいず れも、 主として次のような 2つの問題点がある。 即ち、 透明導電層 5 5 は比較的大きい電気抵抗を有するので、 電子がここを通過する際に導体 損失 （導体の電気抵抗によって生じるジュール熱による損失） が生じて 光電変換効率が低下すると共に、 透明導電層 5 5による入射光 6 5の光 吸収によって、 入射光 6 5のエネルギーの一部が光電変換に寄与できな い。
これらの 2つの問題点はトレ一ドオフの関係にあり、 同時に解消する ことができない。 即ち、 透明導電層 5 5を厚く形成することによってそ の電気抵抗を下げて、 導体損失を減少させることができるが、 厚さを増 やすと、 入射光 6 5に対する光吸収が増加して光エネルギーの損失が増 大してしまう。
そこで、 これらの問題点のうち電気抵抗を低減させるために、 第 1 2 図及び第 1 3図に示す構造の光電変換装置が提案されている。
第 1 2図の光電変換装置 6 6 Cにおいては、 透明導電層 5 5内の導体 性能の劣化を低減するために、 第 1 0図の構造に加えて、 透明導電層 5 5の内面にアルミニウムや銅等からなる低抵抗の金属配線 5 7を所定の 間隔で配置している。 これによつて、 光電変換により電荷分離層 5 4内 で発生した電子が透明導電層 5 5からすぐに金属配線 5 7に集められ、 或いは金属配線 5 7に直接集められる。
即ち、 光電変換作用によって電荷分離層 5 4内で生じた電子は、 一部 が透明導電層 5 5内を通過しても、 低抵抗の金属配線 5 7内に比較的速 やかに流入し、 或いは電子の発生箇所によっては透明導電層 5 5を通過 せずに金属配線 5 7内に直接移動することができるため、 高抵抗の透明 導電層 5 5内を電子が流れる割合が減少し、 低抵抗の金属配線 5 7を通 して取り出されることになり、 電気抵抗を減少させることができる。 また、 第 1 3図の光電変換装置 6 6 Dにおいては、 金属配線 5 7を網 状にして電解質層 5 3内に設けると共に、 その電解質層 5 3の上下に電 荷分離層 5 4及び 6 0をそれぞれ設けている。 これによつて、 導電層 5 2及び透明導電層 5 5を負極側並列配線として、 いずれにおいても光電 変換で発生した電子を集めて正極の金属配線 5 7に移動させ、 電気抵抗 を一層低減させている。
しかしながら、 第 1 2図に示した光電変換装置 6 6 Cでは、 電荷分離 層 5 4の面積に対して金属配線 5 7の占める面積が 1 ： 1程度になるの で、 電荷分離層 5 4に入射光が入射できるための金属配線 5 7間の光透 過性領域である開口部 7 0の面積 （即ち、 開口率） が減少してしまう。 換言すれば、 入射光 6 5の一部が金属配線 5 7で反射されて電荷分離層 5 4内に到達できなくなり、 光エネルギーの損失が生じる。
この光エネルギーの損失は、 入射光を受け入れる電荷分離層 5 4の面 積に対する金属配線 5 7の占める面積の割合を減少させることによって 改善はされるが、 その結果、 金属配線 5 7の幅又は断面積が減少するた めに、 電気抵抗が増大すると共に、 透明導電層 5 5内で生じる導体性能 の劣化も増加する。 このために、 これらの問題点もトレードオフの関係 にあり、 同時に解消することができない。
また、 第 1 3図に示した光電変換装置 6 6 Dでは、 入射光 6 5は電荷 分離層 5 4及び 6 0の何れの層でも光電変換でき、 金属配線 5 7間の開 口部 7 0を通過した光も電荷分離層 5 4で光電変換でき、 また電荷分離 層 6 0を通過して金属配線 5 7によって反射した入射光 6 5が電荷分離 層 6 0内に再入射することも可能である。 従って、 光エネルギーの損失 をある程度は抑えることができるが、 電荷分離層 5 4及び 6 0内の光電 変換作用で発生した電子は導電層 5 2又は透明導電層 5 5を通過するた めに、 上述したと同様の導体損失が生じ、 かつ構造が複雑であることか ら、 製造コストが上昇する。
更に、 透明導電層 5 5での光吸収による光エネルギーの損失は、 第 1 2図及び第 1 3図の構造のいずれにおいても克服することはできない。 本発明は、 上記のような状況に鑑みてなされたものであって、 その目 的は、 電気抵抗に起因する導体損失を低減すると共に入射光の吸収や反 射等による光エネルギーの損失も低減することができ、 また構造も比較 的簡略化できる光電変換装置を提供することにある。 発明の開示
即ち、 本発明は、 第 1電極 （例えば後述の導電層 2 ：以下、 同様） と この第 1電極に接する電荷分離手段 （例えば後述の電荷分離層 4及び電 解質層 3 ：以下、 同様） と、 この電荷分離手段に接する第 2電極 （例え ば後述の金属配線 7及び透明導電層 5 ：以下、 同様） と、 前記第 2電極 の低抵抗部 （例えば後述の金属配線 7 ：以下、 同様） に設けられた光透 過領域 （例えば後述の開口部 2 0 ：以下、 同様） に入射光を導く導光手 段 （例えば後述のオンチップレンズである凸レンズ 8 ：以下、 同様） と から構成され、 前記導光手段によって前記入射光が前記電荷分離手段に 導びかれる光電変換装置 （例えば後述の湿式太陽電池として好適な光電 変換装置 1 6 A :以下、 同様） に係わるものである。
本発明によれば、 前記電荷分離手段に接する前記第 2電極に前記低抵 抗部 （即ち、 導電性の高い導電領域） を設けることによって、 光電変換 により前記電荷分離手段内で光電変換により発生した電子が前記低抵抗 部に集められ、 これを通して外部回路へ移動するため、 上述した導体損 失を低減して電子の低損失輸送経路の確保 （易動性の向上） を図ること ができる。
また、 前記低抵抗部に設けられた前記光透過領域に前記導光手段によ つて前記入射光が導かれ、 更に前記電荷分離手段に導びかれるため、 入 射光の少なくとも大部分が前記電荷分離手段内に入射するように入射光 の経路を制御することができ、 前記光透過領域以外の領域で入射光が反 射して生じ得る入射光の損失 （光エネルギーの損失） を防ぎ、 効率良く 入射光を前記電荷分離手段内に入射させることができると共に、 前記第 2電極に透明導電層の如き光吸収層が存在していても、 これに入射する 光量を前記導光手段により低減して光吸収自体も減少させることができ る。 こうした入射光の経路は、 前記光透過領域をより狭くしても実現可 能であるため、 前記第 2電極の前記低抵抗部の面積を入射光の導光に支 障がない程度に拡大できることによって、 電子がこの低抵抗部に流入し 易くなると共に、 電極の導電性をより高めて、 光エネルギー損失を抑え ながら導体損失及びエネルギー損失も同時に一層低減することができる しかも、 前記した第 1及び第 2電極と電荷分離手段に加えて導光手段 を設けるだけで、 比較的簡略な構造により、 上記した導体損失及び光ェ ネルギー損失を低減することができる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の第 1の実施の形態による光電変換装置の概略断面 図である。
第 2図は、 同、 光電変換装置の平面図である。
第 3図は、 本発明の第 2の実施の形態による光電変換装置の概略断面 図である。
第 4図は、 本発明の第 3の実施の形態による光電変換装置の概略断面 図である。
第 5図は、 同、 他の光電変換装置の概略断面図である。
第 6図は、 本発明の第 4の実施の形態による光電変換装置の概略断面 図である。
第 7図は、 本発明の第 5の実施の形態による光電変換装置の概略断面 図である。 第 8図は、 本発明の第 6の実施の形態による光電変換装置の概略断面 図である。
第 9図は、 本発明の第 7の実施の形態による光電変換装置の概略断面 図である。
第 1 0図は、 従来例の光電変換装置の概略断面図である。
第 1 1図は、 同、 他の光電変換装置の概略断面図である。
第 1 2図は、 同、 他の光電変換装置の概略断面図である。
第 1 3図は、 同、 更に他の光電変換装置の概略断面図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明においては、 前記電荷分離手段が、 ヨウ素一ヨウ素化合物等か らなる電解質層と、 この電解質層に接する電荷分離層とからなり、 湿式 の光電変換装置として構成するのが望ましい。 この場合、 前記電荷分離 層が増感色素を含有又は付着により保有する T i 02等の半導体層から なるのが望ましい。
また、 前記電荷分離手段が、 p型半導体と n型半導体との接合体 （p 一 n接合体又は p — i — n接合体） からなり、 乾式の光電変換装置とし て構成してよい。
また、 前記導光手段が前記光透過領域上に設けられた凸又は凹のオン チップレンズであるのが、 入射光の導光性又は集光性や構造のコンパク ト化の点で望ましい。 このオンチップレンズは光透過性の有機材料 （例 えば透明基板上にフォトリソグラフィ技術で加工された透明樹脂） から なっていてよい。
また、 前記導光手段が前記光透過領域上に積層されたレンズアレイ (例えば透明基板と一体型のガラス製レンズアレイ） であってよい。 また、 前記オンチップレンズの位置を前記第 2電極の前記光透過領域 に対応させるために、 前記オンチップレンズの隣接し合うレンズ部間の 境界領域が前記第 2電極上に位置するのが望ましい。
また、 前記電荷分離手段内で発生した電子の効率的な移動のために、 前記第 2電極が、 所定パターンに形成された P t、 C u等の金属配線と この金属配線に接する I T O等の光透過性導電層とからなり、 前記金属 配線及び前記光透過性導電層の少なくとも一方が前記電荷分離手段に接 しているのが望ましい。
この場合、 前記金属配線又は前記光透過性導電層が前記電荷分離手段 の側に配されていてよい。
また、 前記第 2電極が、 所定パターンに形成された P t、 C u等の金 属配線からなり、 この金属配線が前記電荷分離手段に接しているのが望 ましい。
この場合、 前記金属配線が前記電荷分離層又は前記電解質層に接して よい。
以下、 本発明の好ましい実施の形態を図面の参照下に説明する。
1の実施の形態
第 1図に示すように、 本実施の形態による湿式太陽電池としての光電 変換装置 1 6 Aにおいては、 ガラス又はプラスチックからなる基板 1上 に、 例えば真空蒸着法、 スパッタリング、 C V D法 （化学的気相成長 法） 、 ゾルゲル法により I T〇、 A u又は P t等からなる導電層 2が形 成されている。
また、 この導電層 2上に設けられる電解質層 3は、 ヨウ素一ヨウ素化 合物を電解質とし、 ァセトニトリルとエチレンカーボネートの混合液を 溶媒とした電解液、 例えば、 ヨウ化テトラプロピルアンモニゥム 0 . 6 m o 1 / 1 とヨウ素 5 X 1 0 2m o 1 / 1 とを含む溶液等からなる。 また、 この電解質層 3上に設けられる電荷分離層 4は、 増感色素であ るルテニウム錯体 [Ru L2 (NC S) 2 ；但し、 L = 4， 4 ' ージカ ルポキシー 2， 2 ' ービピリジン] を吸着させた T i 02超微粒子層等 の半導体層からなる。 この超微粒子層は T i〇2超微粒子 （直径 1 0〜 3 0 nm) の焼結層からなり、 この焼結層内に増感色素を含浸させたも のであってよく、 或いは T i〇2半導体層上に増感色素を付着させたも のであってもよい。
この電荷分離層 4は、 T i〇2超微粒子からなる薄膜だけでなく、 K T a〇3、 Z n O、 S n〇2等の他の物質からなっていてよく、 スパッ夕 リング法ゃゾルゲル法等により形成することができる。
また、 この電荷分離層 4上に設けられる透明導電層 5は、 真空蒸着法、 スパッタリング法、 CVD法、 塗布法、 ゾルゲル法等により形成された 厚さ例えば 0. 3 01の 1丁〇薄膜、 酸化スズ （アンチモン又はフッ素 をドープしたもの） 等からなる。
また、 金属配線 7は、 P t等を真空蒸着法等によって厚さ例えば 3 0 0 nmに成膜してから、 リフトオフ法等によってパターニングした低抵 抗配線からなる。
なお、 上記の透明電極層 5、 金属配線 7及び電荷分離層 4はこの順に、 ガラス等の透明基板 6上に形成される。 このパタ一ンは、 第 2図に示す ように、 入射光 1 5を透過させる開口部 2 0を有する櫛状に形成される t この開口部 2 0に入射光 1 5を集光させるための凸レンズ 8は、 透明 基板 6上に形成された光透過性の透明樹脂等の有機材料からなるオンチ ップレンズ、 又は透明基板 6上に積層して固着されたレンズアレイ等か らなる。 このようなレンズの材料やその作製方法は公知のものであり、 例えば一体型レンズアレイ又は平板マイク口レンズアレイ等を用いるこ とができる。 また、 レンズ保護膜 9は、 凸レンズ 8の保護を目的とすると共に、 入 射光 1 5の全反射を防止しかつ凸レンズ 8による入射光 1 5の集光性を 高めるために、 屈折率が凸レンズ 8よりも小さい材質からなる保護膜で あるが、 必要に応じて設ければよい。
また、 導電層 2と金属配線 7とは外部回路 1 7によって互いに接続さ れ、 電荷分離層 4で光電変換により発生した電子が外部負荷 2 1を通し て金属配線 7 (負極） から導電層 2 (正極） へと移動するように構成し ている。
上記のように構成された光電変換装置 1 6 Aによれば、 外部からの入 射光 1 5がレンズ保護膜 9を透過した後に凸レンズ 8に入射し、 このレ ンズ効果によって集光されながら透明基板 6と透明導電層 5とを通過し た後に、 隣接する金属配線 7間の開口部 2 0に集光されるので、 金属配 線 7によつて反射されることなしに電荷分離層 4内に効率良く入射する ことができる。
そして、 電荷分離層 4内に入射した入射光 1 5は、 電荷分離層 4内の 増感色素に吸収され、 光電変換により正孔 （ホール） 及び電子の対を発 生させる。
こうして発生した電子は、 電荷分離層 4内の T i〇2超微粒子によつ て導かれ、 一部は透明導電層 5内に一旦流入拡散してから金属配線 7に 流入するか、 或いは直接金属配線 7内に流入する。 この金属配線 7は導 電性が高い （電気抵抗が低い） ために、 流入した電子をスムーズに外部 回路 1 7へ導出し、 外部負荷 2 1を経由して導電層 2へ移動させ、 ここ で電解質層 3内のヨウ素を還元し、 ヨウ化物イオンを発生させる。 この ヨウ化物イオンは、 電荷分離層 4の増感色素上で正孔 （ホール） に電子 を供与し、 自らは酸化される。 ここで、 第 2図に示す光電変換装置 1 6 Aの平面レイァゥトにおいて, 金属配線 7は、 分岐電極 7 aからなる櫛状電極 7 bの一端側が連結部 7 cによって共通に連結され、 ここから外部回路 1 7に導出されるように 構成されている。
電荷分離層 4内にこの分岐電極 7 aが存在するために、 分岐電極 7 a 間の開口部 2 0に集光された入射光により電荷分離層 4内で生じた電子 が最も近い分岐電極 7 aに直ちに流入し易くなり、 この分岐電極 7 aか ら連結部 7 cを通して外部へスムーズに取り出される。 そして、 電子が 比較的高抵抗の透明導電層 5内を分岐電極 7 aまで通過する距離は実質 的に分岐電極 7 a間の距離 （即ち、 開口部 2 0の幅） の約 1 Z 2となる ので、 電子が透明導電層 5内を通過する時に生じる導体損失は大きく低 減される。
また、 レンズ 8は、 櫛状電極 7 bの分岐電極 7 a上に凸レンズ端部 1 8が位置するように櫛状電極 7 bに沿って設けられており、 入射光 1 5 は、 第 1図に示すように、 レンズ 8によって集光されながら分岐電極 7 a (金属配線 7 ) 間の開口部 2 0を通過して電荷分離層 4内に効率良く 達するため、 分岐電極 7 aの反射が実質的になくなり、 光エネルギーの 損失は最小限になる。
なお、 凸レンズ 8及び金属配線 7の設置位置、 大きさ、 形状、 設置数、 材質等の諸条件は上記したものに限られず、 任意に変更してよい。
上記したように、 本実施の形態によれば、 透明導電層 5よりも導電性 の高い低抵抗の金属配線 7が電荷分離層 4に接して設けられているため に、 光電変換により電荷分離層 4内で発生した電子が金属配線 7に流入 し易くなり、 この金属配線 7を通して外部へ導出できるため、 電子をス ムーズに、 即ち、 電子の低損失輸送経路を確保して導電層 2へ送ること ができ、 電気抵抗による導体損失を大きく低減することができる。 また、 透明基板 6上に設けられた凸レンズ 8によって入射光 1 5が電 荷分離層 4に効率良く導かれて集光されるために、 金属配線 7間の開口 部 2 0を経て入射光 1 5の少なくとも大部分を電荷分離層 4に効率良く 入射できるために、 金属配線 7による入射光 1 5の反射によって生じる 入射光 1 5の光エネルギーの減少を最小限に抑えながら光電変換効率を 大きく向上させることができる。
しかも、 透明導電層 5に入射光 1 5が入射しても、 この入射面積 （入 射光量） がレンズ 8による集光作用で低減するため、 透明導電層 5によ る光吸収自体も減少させることができる。
更に、 入射光 1 5がレンズ 8によって集光できることにより、 開口部 2 0の面積をより小さくしても、 電荷分離層 4に入射光 1 5が効率良く 入射できるので、 金属配線 7の面積又は幅を入射光 1 5の集光及び電荷 分離層 4の機能に支障がない程度に拡大できることになり、 これによつ て電子が金属配線 7に一層容易に流入すると共にその抵抗を更に減少で きるので、 金属配線 7の導電性をより高めて、 導体損失及びエネルギー 損失も同時に一層低減することができる。
この場合、 開口部 2 0の幅と金属配線 7の幅との比率は例えば 0 . 9 ： 1と、 従来のものよりも金属配線 7の幅を大きくすることができる, 更に、 金属配線 7の厚さも大きくすれば、 その電気抵抗を一層減少させ ることが可能である。
なお、 光電変換装置 1 6 A自体は、 各層 2、 3、 4、 5及び 7に加え て集光用のレンズ 8を設けるだけで、 比較的簡略な構造にして、 上記し た導体損失及び光エネルギ一損失を低減することができる。
第 2の実施の形態 本実施の形態による光電変換装置 1 6 Bは、 第 3図に示すように、 金 属配線 7を電荷分離層 4内から透明導電層 5上に移した以外は、 第 1の 実施の形態と同様である。
本実施の形態によれば、 金属配線 7間の開口部 2 0に集光されてここ を通過した入射光 1 5が、 透明導電層 5を透過して電荷分離層 4に効率 良く集光されるために、 電荷分離層 4内で発生した電子が透明導電層 5 を素早く通過して金属配線 7に流入することができる。
その他、 本実施の形態においても、 上述した第 1の実施の形態と同様 の作用効果が得られることは言うまでもない。
第 3の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置 1 6 Cは、 第 4図に示すように、 透 明導電層 5が省略され、 かつ金属配線 7が電荷分離層 4の層厚方向の中 間位置に埋設される以外は、 第 1の実施の形態と同様である。
本実施の形態においては、 透明導電層 5が介在しないために、 この透 明導電層 5による光エネルギーの吸収をなくし、 入射光 1 5のほぼ全て を電荷分離層 4内に到達させることができる。
また、 電荷分離層 4内に金属配線 7が埋設されているので、 電荷分離 層 4内で発生した電子が直接金属配線 7に流入することになり、 透明導 電層 5内を電子が通過する際に生じる導体損失がなくなる。 そして、 入 射光のうち金属配線 7で反射される部分があっても、 これは極めて僅か であり、 しかも再び電荷分離層 4中で光キャリアを発生させるので、 光 電変換効率の向上に寄与する。
なお、 電荷分離層 4内における金属配線 7の設置位置等は任意に決め てよく、 例えば第 5図に示すように、 電荷分離層 4の表面に設けてもよ い。 その他、 本実施の形態においても、 上述した第 1の実施の形態と同様 の作用効果が得られる。
第 4の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置 1 6 Dは、 第 6図に示すように、 上 記した凸レンズ 8の代りに、 凹レンズ 1 9を透明基板 6の表面付近に設 ける以外は、 第 1の実施の形態と同様である。
この凹レンズ 1 9の平面方向への配置は凸レンズ 8の配置とほぼ同様 であるが、 その作用は凸レンズ 8の集光作用に対して発散作用を有して いるので、 その発散作用によって凹レンズ 1 9に入射する入射光 1 5を 隣接する開口部 2 0の側に入射させることができるために、 金属配線 7 による反射はあっても、 開口部 2 0への入射光量は全体として十分に得 られることになる。
なお、 凸レンズ 8の設置位置、 大きさ、 形状、 設置数、 材質等の諸条 件は上記に限定されることはなく、 任意に変更してよい。
その他、 本実施の形態においても、 上述した第 1の実施の形態と同様 の作用効果が得られる。
第 5の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置 1 6 Eは、 第 7図に示すように、 金 属配線 7と電荷分離層 4との間に透明導電層 5が凹凸状に設けられ、 開 口部 2 0の直下において電荷分離層 4が突起状をなしていてこの突起部 2 2が金属配線 7に近接している以外は、 第 1の実施の形態と同様であ る。
本実施の形態においては、 入射光 1 5が金属配線 7間の開口部 2 0、 更には透明導電層 5を通過して電荷分離層 4内に入射し、 電荷分離層 4 内で発生した電子が透明導電層 5を通過して金属配線 7に流入する。 この際、 電荷分離層 4の突起部 2 2が金属配線 7に近接していて、 こ の部分での透明導電層 5の層厚が薄くなつていると共に、 突起部 2 2に よって透明導電層 5と電荷分離層 4との接触界面が拡大されているため に、 電荷分離層 4内で発生した電子が十分な量で、 しかも電荷分離層 4 から透明導電層 5内を比較的短距離で通過して金属配線 7に移動し易く なり、 電荷移動性及びその分離効率が向上する。
なお、 金属配線 7の加工方法として、 透明基板 6上に形成した配線材 料層を反応性イオンエッチング法やイオンミリング法等でパターニング した後に透明導電層 5を被着するため、 金属配線 7のパターニング時の ダメージを与えることなしに透明導電層 5を形成することができる。 金 属配線 7の上記加工方法は、 ウエットエッチング法等に比べて、 より微 細かつ高精度なパターン形成に適したエッチング方法である。
その他、 本実施の形態においても、 上述した第 1の実施の形態と同様 の作用効果が得られる。
第 6の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置 1 6 Fは、 第 8図に示すように、 透 明導電層 5を省略すると共に、 金属配線 7が電解質層 3の表面に位置し. かつ電荷分離層 4が導電層 2と電解質層 3との間に位置する以外は、 第 1の実施の形態と同様である。
本実施の形態においては、 透明導電層 5が存在しないことにより、 透 明導電層 5における導体損失がなくなると共に、 透明導電層 5の光吸収 によるエネルギー損失がなくなり、 更には凸レンズ 8の集光作用によつ てほぼ全ての入射光 1 5を電荷分離層 4内に導くことができ、 高い光電 変換効率を得ることができる。 そして、 電荷分離層 4で発生した電子は導電層 2を負極として正極の 金属配線 7へと移動し、 ここで電解質層 3のヨウ素を還元し、 電荷分離 層 4の正孔に電子を供与することになる。
その他、 本実施の形態においても、 上述した第 1の実施の形態と同様 の作用効果が得られる。
第 7の実施の形態
本実施の形態による光電変換装置 1 6 Gは、 第 9図に示すように、 透 明導電層 5上に金属配線 7を設けると共に、 透明導電層 5下に導電層 2 との間に、 乾式のアモルファス S i ( a— S i ) 系太陽電池として n型 a— S i層 1 1、 真性 a— S i層 1 2及び p型 a— S i層 1 3からなる - i 一 n接合の光電変換層を構成した以外は、 第 1の実施の形態と同 であ 。
本実施の形態においては、 n型 a— S i層 1 1と金属配線 7との間に 透明導電層 5が存在するために、 アモルファス S iの p— i— n接合の 光電変換層内で発生した電子が、 透明導電層 5内を素早く通過して金属 配線 7に流入することができ、 更には、 凸レンズ 8の集光作用によって ほぼ全ての入射光 1 5を光電変換層内に導くことができる。 このため、 高い光電変換効率を得ることができると共に、 金属配線 7により導体損 失を大きく低減することができる。
なお、 n型 a— S i層 1 1、 真性 a— S i層 1 2及び p型 a— S i層 1 3のそれぞれの構成物質や厚さ等は任意に設定してよい。
その他、 本実施の形態においても、 上述した第 1の実施の形態と同様 の作用効果が得られる。
以上に説明した実施の形態は、 本発明の技術的思想に基づいて更に変 形が可能である。 例えば、 導光手段としてオンチップレンズ以外に液晶レンズ等を用い てもよい。 また、 上述の光電変換装置においては、 湿式型の単独構成又 は乾式型の単独構成について述べたが、 湿式型と乾式型とを複合した構 成にしてもよく、 例えば、 平面方向に湿式型と乾式型とを交互にならべ たり、 湿式型の下に乾式型を設置する多重構造にしてもよい。
上述したように、 本発明によれば、 前記電荷分離手段に接する前記第 2電極に前記低抵抗部を設けることによって、.光電変換により前記電荷 分離手段内で光電変換により発生した電子が前記低抵抗部に集められ、 これを通して外部回路へ移動するため、 導体損失を低減して電子の低損 失輸送経路の確保を図ることができる。
また、 前記低抵抗部に設けられた前記光透過領域に前記導光手段によ つて前記入射光が導かれ、 更に前記電荷分離手段に導かれるため、 入射 光の少なくとも大部分が前記電荷分離手段内に入射するように入射光の 経路を制御することができ、 前記光透過領域以外の領域で入射光が反射 して生じ得る入射光の損失を防ぎ、 効率良く入射光を前記電荷分離手段 内に入射させることができると共に、 前記第 2電極に透明導電層の如き 光吸収層が存在していても、 これに入射する光量を前記導光手段により 低減して光吸収自体も減少させることができる。 こうした入射光の経路 は、 前記光透過領域をより狭くしても実現可能であるため、 前記第 2電 極の前記低抵抗部の面積を入射光の導光に支障がない程度に拡大できる ことによって、 電子がこの低抵抗部に流入し易くなると共に、 電極の導 電性をより高めて、 光エネルギー損失を抑えながら導体損失及びエネル ギ一損失も同時に一層低減することができる。
しかも、 前記した第 1及び第 2電極と電荷分離手段に加えて導光手段 を設けるだけで、 比較的簡略な構造により、 上記した導体損失及び光ェ ネルギー損失を低減することができる。

Claims

請求の範囲
1 . 第 1電極と、 この第 1電極に接する電荷分離手段と、 この電荷分 離手段に接する第 2電極と、 前記第 2電極の低抵抗部に設けられた光透 過領域に入射光を導く導光手段とから構成され、 前記導光手段によって 前記入射光が前記電荷分離手段に導びかれる光電変換装置。
2 . 前記電荷分離手段が、 電解質層と、 この電解質層に接する電荷分 離層とからなる、 請求の範囲第 1項に記載の光電変換装置。
3 . 前記電荷分離層が増感色素を保有する半導体層からなる、 請求の 範囲第 2項に記載の光電変換装置。
4 . 前記電荷分離手段が、 p型半導体と n型半導体との接合体からな る、 請求の範囲第 1項に記載の光電変換装置。
5 . 前記導光手段が前記光透過領域上に設けられた凸又は凹のオンチ ップレンズである、 請求の範囲第 1項に記載の光電変換装置。
6 . 前記オンチップレンズが光透過性の有機材料からなる、 請求の範 囲第 5項に記載の光電変換装置。
7 . 前記導光手段が前記光透過領域上に積層されたレンズアレイであ る、 請求の範囲第 1項に記載の光電変換装置。
8 . 前記オンチップレンズの隣接し合うレンズ部間の境界領域が前記 第 2電極上に位置する、 請求の範囲第 5項に記載の光電変換装置。
9 . 前記第 2電極が、 所定パターンに形成された金属配線と、 この金 属配線に接する光透過性導電層とからなり、 前記金属配線及び前記光透 過性導電層の少なくとも一方が前記電荷分離手段に接している、 請求の 範囲第 1項に記載の光電変換装置。
1 0 . 前記金属配線又は前記光透過性導電層が前記電荷分離手段の側 に配されている、 請求の範囲第 9項に記載の光電変換装置。
1 1 . 前記第 2電極が、 所定パターンに形成された金属配線からなり この金属配線が前記電荷分離手段に接している、 請求の範囲第 1項に記 載の光電変換装置。
1 2 . 前記金属配線が前記電荷分離層又は前記電解質層に接している 請求の範囲第 1 1項に記載の光電変換装置。
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