WO2022085248A1 - 太陽電池装置 - Google Patents

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WO2022085248A1
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solar cell
protective film
optical element
optical waveguide
cell device
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PCT/JP2021/025456
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真一郎 岡
安 冨岡
淳二 小橋
浩之 吉田
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株式会社ジャパンディスプレイ
国立大学法人大阪大学
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/14—Protective coatings, e.g. hard coatings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • G02B5/208—Filters for use with infrared or ultraviolet radiation, e.g. for separating visible light from infrared and/or ultraviolet radiation
    • G—PHYSICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G—PHYSICS
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    • G02B6/4214—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical element having redirecting reflective means, e.g. mirrors, prisms for deflecting the radiation from horizontal to down- or upward direction toward a device
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0547—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the embodiment of the present invention relates to a solar cell device.
  • An object of the present embodiment is to provide a solar cell device capable of improving reliability.
  • the solar cell device of this embodiment is An optical waveguide having a first main surface, a second main surface facing the first main surface, and a side surface, and an optical waveguide facing the second main surface and having a cholesteric liquid crystal display.
  • An optical element that reflects at least a part of the light incident through the optical waveguide toward the optical waveguide, a solar cell facing the side surface, and a protective film are provided, and the protective film is provided on the first main surface. It is provided so that it touches.
  • the solar cell device of this embodiment is An optical waveguide having a first main surface, a second main surface facing the first main surface, and a side surface, and a cholesteric liquid crystal facing the second main surface and having the optical waveguide.
  • An optical element that reflects at least a part of the light incident through the optical wave toward the optical waveguide, a solar cell facing the side surface, and a protective film are provided, and the protective film faces the optical element. It is provided at the position.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the optical element 3.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the solar cell device 100.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the sixth embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the seventh embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the optical element 3 according to the modified example
  • the X-axis, Y-axis, and Z-axis that are orthogonal to each other are described as necessary for facilitating understanding.
  • the direction along the Z axis is referred to as the Z direction or the first direction A1
  • the direction along the Y axis is referred to as the Y direction or the second direction A2
  • the direction along the X axis is referred to as the X direction or the third direction A3. ..
  • the plane defined by the X-axis and the Y-axis is referred to as the XY plane, the plane defined by the X-axis and the Z-axis is referred to as the XZ plane, and the plane defined by the Y-axis and the Z-axis is referred to as the YZ. Called a plane.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the first embodiment.
  • the solar cell device 100 includes an optical waveguide section 1, an optical element 3, a solar cell 5, and a protective film 10.
  • the optical waveguide 1 is composed of a transparent member that transmits light, for example, a transparent glass plate or a transparent synthetic resin plate.
  • the optical waveguide 1 may be made of, for example, a flexible transparent synthetic resin plate.
  • the optical waveguide 1 can take any shape.
  • the optical waveguide 1 may be curved.
  • the refractive index of the optical waveguide 1 is, for example, larger than the refractive index of air.
  • the optical waveguide 1 functions as, for example, a window glass.
  • light includes visible and invisible light.
  • the lower limit wavelength of the visible light region is 360 nm or more and 400 nm or less
  • the upper limit wavelength of the visible light region is 760 nm or more and 830 nm or less.
  • Visible light has a first component (blue component) in the first wavelength band (for example, 400 nm to 500 nm), a second component (green component) in the second wavelength band (for example, 500 nm to 600 nm), and a third wavelength band (for example). It contains a third component (red component) of 600 nm to 700 nm).
  • the invisible light includes ultraviolet rays in a wavelength band shorter than the first wavelength band and infrared rays in a wavelength band longer than the third wavelength band.
  • transparent is preferably colorless and transparent. However, “transparent” may be translucent or colored transparent.
  • the optical waveguide 1 is formed in a flat plate shape along an XY plane, and has a first main surface F1, a second main surface F2, and a side surface F3.
  • the first main surface F1 and the second main surface F2 are planes substantially parallel to the XY plane and face each other in the first direction A1.
  • the side surface F3 is a surface extending along the first direction A1. In the example shown in FIG. 1, the side surface F3 is a plane substantially parallel to the XX plane, but the side surface F3 includes a plane substantially parallel to the YY plane.
  • the optical element 3 faces the second main surface F2 of the optical waveguide unit 1 in the first direction A1.
  • the optical element 3 reflects at least a part of the optical LTi incident from the side of the first main surface F1 toward the optical waveguide section 1.
  • the optical element 3 has a liquid crystal layer 31 that reflects at least one of the optical LTi incident through the optical waveguide 1 and the second circularly polarized light opposite to the first circularly polarized light and the first circularly polarized light.
  • the first circular polarization and the second circular polarization reflected by the optical element 3 are, for example, infrared rays, but may be visible light.
  • "reflection" in an optical element 3 is accompanied by diffraction inside the optical element 3.
  • the optical element 3 may have flexibility, for example. Further, the optical element 3 may be in contact with the second main surface F2 of the optical waveguide section 1, or a transparent layer such as an adhesive layer is interposed between the optical element 3 and the optical waveguide section 1. It is also good. It is preferable that the refractive index of the layer interposed between the optical element 3 and the optical waveguide section 1 is substantially the same as the refractive index of the optical waveguide section 1.
  • the optical element 3 is configured as a thin film.
  • the optical element 3 separately formed in a film shape may be adhered to the optical waveguide portion 1, or the material may be directly applied to the optical waveguide portion 1 to form the film-shaped optical element 3. possible.
  • the solar cell 5 faces the side surface F3 of the optical waveguide unit 1 in the second direction A2.
  • the solar cell 5 receives light and converts the energy of the received light into electric power. That is, the solar cell 5 generates electricity by the received light.
  • the type of the solar cell is not particularly limited, and the solar cell 5 is, for example, a silicon-based solar cell, a compound-based solar cell, an organic-based solar cell, a perovskite-type solar cell, or a quantum dot-type solar cell.
  • Silicon-based solar cells include solar cells equipped with amorphous silicon, solar cells provided with polysilicon, and the like.
  • the solar cell 5 shown here is an example of a light receiving element.
  • Another example of a light receiving element is an optical sensor. That is, the solar cell 5 may be replaced with an optical sensor.
  • the solar cell 5 When the solar cell 5 is a silicon-based solar cell, in one example, the solar cell 5 includes polycrystalline silicon.
  • the peak absorption wavelength of polycrystalline silicon is around 700 nm. That is, polycrystalline silicon has a high infrared absorption rate. Therefore, the solar cell 5 is suitable for power generation by infrared rays.
  • the protective film 10 faces the first main surface F1 of the optical waveguide unit 1 in the first direction A1. In particular, in the first embodiment, the protective film 10 is in contact with the first main surface F1.
  • Such a protective film 10 is transparent, and in particular, has light transmission to visible light and infrared rays used for power generation.
  • the refractive index of the protective film 10 is substantially the same as the refractive index of the optical waveguide section 1.
  • the light LTi incident on the solar cell device 100 is, for example, sunlight. That is, the optical LTi includes ultraviolet rays U and infrared rays I in addition to visible light V. In the example shown in FIG. 1, for ease of understanding, the optical LTi is assumed to be incident substantially perpendicular to the optical waveguide 1 via the protective film 10.
  • the angle of incidence of the optical LTi with respect to the optical waveguide 1 is not particularly limited.
  • optical LTi may be incident on the optical waveguide 1 with a plurality of incident angles different from each other.
  • the optical LTi enters the inside of the optical waveguide 1 from the first main surface F1 via the protective film 10, exits from the second main surface F2, and is incident on the optical element 3. Then, the optical element 3 reflects a part of the optical LTr of the optical LTi toward the optical waveguide 1 and the solar cell 5, and transmits the other optical LTt. Here, optical loss such as absorption in the optical waveguide 1 and the optical element 3 is ignored.
  • the light LTr reflected by the optical element 3 corresponds to, for example, first circular polarization having a predetermined wavelength. Further, the light LTt transmitted through the optical element 3 includes a second circularly polarized light having a predetermined wavelength and light having a wavelength different from the predetermined wavelength.
  • the predetermined wavelength here is, for example, infrared ray I
  • the light LTr reflected by the optical element 3 is the first circularly polarized light I1 of the infrared ray I.
  • the optical LTt includes a second circularly polarized light I2 of visible light V, infrared rays U, and infrared rays I.
  • circular polarization may be strict circular polarization, or may be circular polarization which is close to elliptically polarization.
  • the optical element 3 reflects the first circularly polarized light I1 toward the optical waveguide section 1 at an approach angle ⁇ that satisfies the optical waveguide conditions in the optical waveguide section 1.
  • the approach angle ⁇ here corresponds to an angle equal to or higher than the critical angle ⁇ c that causes total reflection inside the optical waveguide section 1.
  • the approach angle ⁇ indicates an angle with respect to a perpendicular line orthogonal to the optical waveguide section 1.
  • the optical LTr enters the inside of the optical waveguide 1 from the second main surface F2, and propagates inside the optical waveguide 1 while repeating reflection in the optical waveguide 1.
  • the optical waveguide 1 and the protective film 10 can be a single optical waveguide.
  • the optical LTr that has entered the inside of the optical waveguide 1 propagates while repeating reflection at the interface between the protective film 10 and air.
  • the solar cell 5 receives the light LTr emitted from the side surface F3 and generates electricity.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the optical element 3.
  • the optical waveguide 1 is indicated by a two-dot chain line.
  • the optical element 3 has a plurality of spiral structures 311.
  • Each of the plurality of spiral structures 311 extends along the first direction A1. That is, each spiral axis AX of the plurality of spiral structures 311 is substantially perpendicular to the second main surface F2 of the optical waveguide section 1.
  • the spiral axis AX is substantially parallel to the first direction A1.
  • Each of the plurality of helical structures 311 has a helical pitch P.
  • the spiral pitch P indicates one cycle (360 degrees) of the spiral.
  • Each of the plurality of helical structures 311 contains a plurality of elements 315.
  • the plurality of elements 315 are spirally stacked along the first direction A1 while turning.
  • the optical element 3 is located between the first boundary surface 317 facing the second main surface F2, the second boundary surface 319 on the opposite side of the first boundary surface 317, and the first boundary surface 317 and the second boundary surface 319. It has a plurality of reflecting surfaces 321 and.
  • the first boundary surface 317 is a surface on which the optical LTi transmitted through the optical waveguide 1 is incident on the optical element 3.
  • Each of the first boundary surface 317 and the second boundary surface 319 is substantially perpendicular to the spiral axis AX of the spiral structure 311.
  • Each of the first boundary surface 317 and the second boundary surface 319 is substantially parallel to the optical waveguide 1 (or the second main surface F2).
  • the first boundary surface 317 includes an element 315 located at one end e1 of both ends of the spiral structure 311.
  • the first boundary surface 317 is located at the boundary between the optical waveguide 1 and the optical element 3.
  • the second boundary surface 319 includes an element 315 located at the other end e2 of both ends of the spiral structure 311.
  • the second boundary surface 319 is located at the boundary between the optical element 3 and air.
  • the plurality of reflecting surfaces 321 are substantially parallel to each other.
  • the reflective surface 321 is inclined with respect to the first boundary surface 317 and the optical waveguide 1 (or the second main surface F2), and has a substantially planar shape extending in a fixed direction.
  • the reflecting surface 321 selectively reflects a part of the light LTr of the light LTi incident from the first boundary surface 317 according to Bragg's law.
  • the reflection surface 321 reflects the light LTr so that the wavefront WF of the light LTr is substantially parallel to the reflection surface 321. More specifically, the reflecting surface 321 reflects the light LTr according to the inclination angle ⁇ of the reflecting surface 321 with respect to the first boundary surface 317.
  • the reflective surface 321 can be defined as follows. That is, the refractive index felt by light of a predetermined wavelength (for example, circular polarization) selectively reflected by the optical element 3 gradually changes as the light travels inside the optical element 3. Therefore, Fresnel reflection gradually occurs in the optical element 3. Then, Fresnel reflection occurs most strongly at the position where the refractive index felt by light changes most in the plurality of spiral structures 311. That is, the reflecting surface 321 corresponds to the surface where Fresnel reflection occurs most strongly in the optical element 3.
  • a predetermined wavelength for example, circular polarization
  • the orientation directions of the respective elements 315 of the spiral structure 311 adjacent to the second direction A2 are different from each other.
  • the spatial topologies of the spiral structures 311 adjacent to the second direction A2 are different from each other.
  • the reflective surface 321 corresponds to a surface in which the orientation directions of the elements 315 are aligned, or a surface in which the spatial phases are aligned (equal phase surface). That is, each of the plurality of reflecting surfaces 321 is inclined with respect to the first boundary surface 317 or the optical waveguide 1.
  • the shape of the reflective surface 321 is not limited to the planar shape as shown in FIG. 2, but may be a concave or convex curved surface shape, and is not particularly limited. Further, the reflective surface 321 may have irregularities, the inclination angle ⁇ of the reflective surface 321 may not be uniform, or the plurality of reflective surfaces 321 may not be regularly aligned.
  • the reflection surface 321 having an arbitrary shape can be configured according to the spatial phase distribution of the plurality of spiral structures 311.
  • the spiral structure 311 is a cholesteric liquid crystal display.
  • Each of the elements 315 corresponds to a liquid crystal molecule.
  • one element 315 represents a liquid crystal molecule oriented in the average orientation direction among a plurality of liquid crystal molecules located in the XY plane.
  • the cholesteric liquid crystal which is the spiral structure 311, reflects circularly polarized light in the same swirling direction as the swirling direction of the cholesteric liquid crystal among the light having a predetermined wavelength ⁇ included in the selective reflection band ⁇ .
  • the turning direction of the cholesteric liquid crystal is clockwise, the clockwise circular polarization of the light having a predetermined wavelength ⁇ is reflected and the counterclockwise circular polarization is transmitted.
  • the swirling direction of the cholesteric liquid crystal is counterclockwise, the counterclockwise circular polarization of the light having a predetermined wavelength ⁇ is reflected and the clockwise circular polarization is transmitted.
  • the selective reflection band ⁇ of the cholesteric liquid crystal for vertically incident light is It is indicated by "no * P to ne * P”.
  • the selective reflection band ⁇ of the cholesteric liquid crystal is set to the inclination angle ⁇ of the reflection surface 321 and the incident angle to the first boundary surface 317 with respect to the range of “no * P to ne * P”. It changes accordingly.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the solar cell device 100.
  • FIG. 3 shows an example of the spatial phase of the spiral structure 311.
  • the spatial phase shown here is shown as the orientation direction of the element 315 located at the first boundary surface 317 among the elements 315 included in the spiral structure 311.
  • the orientation directions of the elements 315 located at the first boundary surface 317 are different from each other. That is, the spatial topologies of the spiral structure 311 at the first boundary surface 317 differ along the second direction A2.
  • the orientation directions of the elements 315 located at the first boundary surface 317 are substantially the same. That is, the spatial topologies of the spiral structure 311 at the first boundary surface 317 substantially coincide with each other in the third direction A3.
  • the orientation direction of each element 315 is different by a certain angle. That is, on the first boundary surface 317, the orientation directions of the plurality of elements 315 arranged along the second direction A2 change linearly. Therefore, the spatial topologies of the plurality of spiral structures 311 arranged along the second direction A2 change linearly along the second direction A2. As a result, as in the optical element 3 shown in FIG. 2, a reflecting surface 321 inclined with respect to the first boundary surface 317 and the optical waveguide 1 is formed.
  • linear change indicates that, for example, the amount of change in the orientation direction of the element 315 is expressed by a linear function.
  • the orientation direction of the element 315 here corresponds to the long axis direction of the liquid crystal molecule in the XY plane when the spiral structure 311 is a cholesteric liquid crystal.
  • the distance between the two spiral structures 311 when the orientation direction of the element 315 changes by 180 degrees along the second direction A2 is a spiral structure. It is defined as the period T of the body 311.
  • DP indicates the turning direction of the element 315.
  • the inclination angle ⁇ of the reflection surface 321 shown in FIG. 2 is appropriately set by the period T and the spiral pitch P.
  • the optical element 3 is formed as follows.
  • the optical element 3 is formed by irradiating a plurality of liquid crystal molecules which are a plurality of elements 315 with light and polymerizing the plurality of liquid crystal molecules.
  • the polymer liquid crystal material exhibiting a liquid crystal state at a predetermined temperature or a predetermined concentration is oriented and controlled so as to form a plurality of spiral structures 311 and then transferred to a solid while maintaining the orientation.
  • the optical element 3 is formed.
  • the adjacent spiral structures 311 are polymerized or transferred to a solid, and the orientation of the spiral structure 311 is maintained, that is, the spatial phase of the spiral structure 311 is maintained. It is combined.
  • the orientation direction of each liquid crystal molecule is fixed.
  • the spiral pitch P of the cholesteric liquid crystal is adjusted so that the selective reflection band ⁇ becomes infrared rays.
  • the thickness of the optical element 3 along the first direction A1 is about several to 10 times the spiral pitch P. That is, the thickness of the optical element 3 is about 3 to 10 ⁇ m.
  • the optical waveguide shrinks as the applied material cures.
  • a first tensile stress is generated on the F1 side of the first main surface of 1.
  • a relatively thick optical element 3 having a thickness of 3 ⁇ m or more is directly formed on the optical waveguide portion 1, a larger first tensile stress is generated in the optical waveguide portion 1.
  • Such a first tensile stress can contribute to the warp of the optical waveguide 1.
  • the material is directly applied to the first main surface F1 of the optical waveguide section 1 to form the protective film 10 in contact with the first main surface F1.
  • a protective film 10 is a transparent organic film.
  • a second tensile stress is generated on the second main surface F2 side of the optical waveguide portion 1 as the applied material shrinks when it is cured.
  • the magnitude of the second tensile stress generated on the second main surface F2 side is substantially the same as the magnitude of the first tensile stress generated on the first main surface F1 side.
  • the warp of the optical waveguide 1 is suppressed. Therefore, reliability can be improved.
  • the protective film 10 is formed of, for example, the same material as the optical element 3 and has the same thickness as the optical element 3. Further, the amount of shrinkage in the process of forming the protective film 10 is adjusted to be equivalent to the amount of shrinkage in the process of forming the optical element 3.
  • the protective film 10 can be formed by using an acrylic resin, a polyimide resin, or the like.
  • the first tensile stress and the second tensile stress do not have to completely match.
  • the allowable value of the difference between the first tensile stress and the second tensile stress is the elastic modulus and thickness of each of the optical waveguide 1, the optical element 3, and the protective film 10. It is calculated appropriately according to the installation area, volume, and the like.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the second embodiment.
  • the second embodiment shown in FIG. 4 is different from the first embodiment in that the protective film 10 is an ultraviolet ray blocking layer facing the first main surface F1.
  • Such a protective film 10 may be separately formed into a film and adhered to the first main surface F1 of the optical waveguide section 1, or the material may be directly applied to the first main surface F1 of the optical waveguide section 1. It may be formed in the same way.
  • the protective film 10 of the second embodiment may have a function of generating the second tensile stress described in the first embodiment.
  • the optical element 3 has a cholesteric liquid crystal that is swiveled in one direction as a spiral structure 311.
  • the cholesteric liquid crystal 311 in the optical element 3 is schematically shown.
  • the cholesteric liquid crystal 311 has a spiral pitch P1 along the Z direction in order to reflect the first circularly polarized light I1 of the infrared ray I as a selective reflection band.
  • the spiral pitch P1 of the cholesteric liquid crystal 311 is constant with almost no change along the Z direction.
  • the ultraviolet rays U of the sunlight do not pass through the protective film 10.
  • the protective film 10 as the ultraviolet ray blocking layer may absorb the incident ultraviolet rays U or may reflect the ultraviolet rays U. Therefore, the arrival of the ultraviolet rays U to the optical waveguide 1 and the optical element 3 is suppressed. This makes it possible to suppress deterioration or coloring of the optical element 3 due to ultraviolet rays U.
  • the visible light V in the sunlight passes through the protective film 10, the optical waveguide 1, and the optical element 3. That is, the solar cell device 100 transmits each of the first component (blue component), the second component (green component), and the third component (red component), which are the main components of visible light V. Therefore, it is possible to suppress the coloring of the light transmitted through the solar cell device 100. In addition, it is possible to suppress a decrease in the transmittance of visible light V in the solar cell device 100.
  • the infrared ray I of the sunlight passes through the protective film 10 and the optical waveguide portion 1 and is incident on the optical element 3. Then, the optical element 3 reflects the first circularly polarized light I1 of the infrared rays I toward the optical waveguide 1 and the solar cell 5 on the reflecting surface 321.
  • the optical element 3 transmits the second circularly polarized light I2 of the infrared rays I.
  • the reflected first circularly polarized light I1 enters the inside of the optical waveguide 1 from the second main surface F2, and propagates inside the optical waveguide 1 while repeating reflection in the optical waveguide 1.
  • the solar cell 5 receives infrared rays I emitted from the side surface F3 and generates electricity. Also in the second embodiment, it is desirable that the solar cell 5 having a high absorption rate of infrared rays I as described in the first embodiment is applied. As a result, infrared rays I can be used to efficiently generate electricity.
  • deterioration / coloring of the optical element 3 due to the ultraviolet U is suppressed, and reliability can be improved.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the third embodiment.
  • the first layer 3A having the cholesteric liquid crystal 311A in which the optical element 3 is swiveled in the first swirling direction and the first swirling direction Is different from the second layer 3B having the cholesteric liquid crystal 311B swiveled in the second swivel direction in the reverse direction.
  • the first layer 3A and the second layer 3B overlap in the Z direction.
  • the first layer 3A is located between the optical waveguide 1 and the second layer 3B.
  • the cholesteric liquid crystal 311A included in the first layer 3A is configured to reflect the first circular polarization in the first turning direction in the selective reflection band.
  • the cholesteric liquid crystal 311B included in the second layer 3B is configured to reflect the second circular polarization in the second turning direction in the selective reflection band.
  • the cholesteric liquid crystals 311A and 311B both have a spiral pitch P1 along the Z direction in order to reflect infrared rays I as a selective reflection band, as shown schematically in an enlarged manner. That is, the spiral pitches P1 of the cholesteric liquid crystal 311A and the cholesteric liquid crystal 311B are equivalent.
  • the cholesteric liquid crystal 311A of the first layer 3A reflects the first circularly polarized light I1 of the infrared rays I
  • the cholesteric liquid crystal 311B of the second layer 3B reflects the second circularly polarized light I2 of the infrared rays I. It is configured.
  • the ultraviolet light U is cut by the protective film 10 and the visible light V is the protective film 10, the optical waveguide 1, and the optics, as in the solar cell device 100 of the second embodiment. It transmits the element 3. Further, the first circularly polarized light I1 of the infrared rays I is reflected toward the optical waveguide 1 and the solar cell 5 on the reflecting surface 321A formed on the first layer 3A of the optical element 3. Further, the second circularly polarized light I2 of the infrared rays is transmitted to the second layer 3B after passing through the first layer 3A in the optical element 3, and is incident on the second layer 3B. And reflected toward the solar cell 5. The reflected first circularly polarized light I1 and second circularly polarized light I2 propagate inside the optical waveguide 1. The solar cell 5 receives infrared rays I emitted from the side surface F3 and generates electricity.
  • the same effect as that of the second embodiment can be obtained.
  • the first circularly polarized light I1 of the infrared ray I but also the second circularly polarized light I2 can be used to generate electricity.
  • the transmission of infrared rays I can be suppressed.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the fourth embodiment.
  • the fourth embodiment shown in FIG. 6 is different from the first embodiment in that the protective film 10 is an antifouling layer facing the first main surface F1.
  • the antifouling layer of the fourth embodiment is, for example, a photocatalytic layer that suppresses the adhesion of the pollutant PT or decomposes the pollutant PT by being irradiated with sunlight (mainly ultraviolet rays).
  • a photocatalyst layer is formed of, for example, titanium oxide, silver phosphate, or the like.
  • the antifouling layer of the fourth embodiment may be a catalyst layer that exerts a catalytic action without requiring sunlight.
  • a catalyst layer is formed of, for example, titania phosphate.
  • the antifouling layer of the fourth embodiment may be a water-repellent layer that suppresses the adhesion of water droplets.
  • a water-repellent layer is formed of, for example, a fluorine-based compound.
  • Such a protective film 10 is formed by directly applying a material to the first main surface F1 of the optical waveguide section 1, but is separately formed into a film and adhered to the first main surface F1 of the optical waveguide section 1. You may.
  • the protective film 10 may be in contact with the first main surface F1, or a transparent layer such as an adhesive layer may be interposed between the protective film 10 and the optical waveguide portion 1.
  • the protective film 10 of the fourth embodiment may have a function of generating the second tensile stress described in the first embodiment.
  • contamination of the first main surface F1 of the optical waveguide section 1 is suppressed, and a decrease in power generation efficiency in the solar cell device 100 is suppressed. Therefore, reliability can be improved.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the fifth embodiment.
  • the fifth embodiment shown in FIG. 7 is different from the first embodiment in that the protective film 10 faces the second main surface F2 and is in contact with the optical element 3.
  • the optical element 3 is in contact with the second main surface F2 and is located between the optical waveguide portion 1 and the protective film 10.
  • the protective film 10 is optical. It is formed directly on the back surface 3F of the element 3.
  • a protective film 10 is, for example, a transparent inorganic film formed by a chemical vapor deposition method (CVD).
  • the protective film 10 is formed by using a silicon oxide (SiOx), a silicon nitride (SiNx), or the like.
  • the inorganic protective film 10 made of a material as exemplified has excellent water resistance and functions as a protective layer of the optical element 3. Therefore, reliability can be improved.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the sixth embodiment.
  • the sixth embodiment shown in FIG. 8 is different from the fifth embodiment in that the protective film 10 is located between the optical waveguide 1 and the optical element 3.
  • the sixth embodiment is the same as the fifth embodiment from the viewpoint that the protective film 10 is in contact with the optical element 3.
  • the protective film 10 is, for example, a transparent inorganic film, like the protective film 10 of the fifth embodiment.
  • the protective film 10 is in contact with the second main surface F2 of the optical waveguide section 1.
  • the optical element 3 is in contact with the back surface 10F of the protective film 10.
  • a compressive stress is generated in the optical waveguide 1 in the process of directly forming the protective film 10 on the second main surface F2 of the optical waveguide 1, and then the optical element 3 is the protective film.
  • a first tensile stress is generated on the protective film 10 side in the process of being directly formed on the back surface 10F of the 10.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell device 100 according to the seventh embodiment.
  • the seventh embodiment shown in FIG. 9 is different from the sixth embodiment in that the protective film 10 is an ultraviolet ray blocking layer.
  • the protective film 10 is located between the optical waveguide 1 and the optical element 3 and is in contact with the second main surface F2.
  • the optical element 3 is in contact with the back surface 10F of the protective film 10.
  • the protective film 10 may be in contact with the back surface 3F of the optical element 3 in the same manner as the protective film 10 of the fifth embodiment shown in FIG.
  • Such a protective film 10 may be separately formed into a film and adhered to the second main surface F2 of the optical waveguide section 1, or may be directly formed on the second main surface F2 of the optical waveguide section 1. In some cases.
  • the protective film 10 of the seventh embodiment may have a function of generating the compressive stress described in the sixth embodiment.
  • the ultraviolet rays U of the sunlight pass through the optical waveguide 1 and then the protective film 10. It is cut with.
  • the protective film 10 as the ultraviolet ray blocking layer may absorb the incident ultraviolet rays U or may reflect the ultraviolet rays U. Therefore, the arrival of the ultraviolet rays U to the optical element 3 is suppressed. This makes it possible to suppress deterioration or coloring of the optical element 3 due to ultraviolet rays U.
  • the visible light V of sunlight passes through the optical waveguide 1, the protective film 10, and the optical element 3. That is, the solar cell device 100 transmits each of the first component (blue component), the second component (green component), and the third component (red component), which are the main components of visible light V. Therefore, it is possible to suppress the coloring of the light transmitted through the solar cell device 100. In addition, it is possible to suppress a decrease in the transmittance of visible light V in the solar cell device 100.
  • the infrared ray I of the sunlight passes through the optical waveguide 1 and the protective film 10 and is incident on the optical element 3. Then, the optical element 3 reflects the first circularly polarized light I1 of the infrared rays I toward the optical waveguide 1 and the solar cell 5 on the reflecting surface 321. In the seventh embodiment described here, the optical element 3 transmits the second circularly polarized light I2 of the infrared rays I.
  • the reflected first circularly polarized light I1 enters the inside of the optical waveguide 1 from the second main surface F2, and propagates inside the optical waveguide 1 while repeating reflection in the optical waveguide 1.
  • the solar cell 5 receives infrared rays I emitted from the side surface F3 and generates electricity.
  • the optical element 3 may reflect the first circularly polarized light I1 of the infrared ray I and transmit the second circularly polarized light I2. , As described in the third embodiment, it may reflect both the first circularly polarized light I1 and the second circularly polarized light I2 of the infrared ray I.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the optical element 3 according to the modified example.
  • the spiral axis AX of the spiral structure 311 is tilted with respect to the optical waveguide 1 or the second main surface F2 as compared with the optical element 3 described with reference to FIG. It differs in that it is.
  • the spatial topologies of the spiral structure 311 in the first boundary surface 317 or the XY plane are substantially the same.
  • the spiral structure 311 according to the modified example has the same characteristics as the spiral structure 311 according to the first embodiment described above.
  • the optical element 3 reflects a part of the optical LTr of the optical LTi incident through the optical waveguide 1 at a reflection angle corresponding to the inclination of the spiral axis AX, and the other optical LTt. Is transparent.
  • optical element 3 according to such a modification can be applied as the optical element 3 of the above-described first to seventh embodiments.

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Abstract

本実施形態の目的は、信頼性を向上することが可能な太陽電池装置（１００）を提供することにある。　本実施形態の太陽電池装置（１００）は、第１主面（Ｆ１）と、前記第１主面（Ｆ１）と対向する第２主面（Ｆ２）と、側面（Ｆ３）と、を有する光導波部（１）と、前記第２主面（Ｆ２）と対向し、コレステリック液晶を有し、前記光導波部（１）を介して入射した光（ＬＴｉ）の少なくとも一部を前記光導波部（１）に向けて反射する光学素子（３）と、前記側面（Ｆ３）と対向する太陽電池（５）と、保護膜（１０）と、を備え、前記保護膜（１０）は、前記第１主面（Ｆ１）に接するように設けられている。

Description

太陽電池装置
　本発明の実施形態は、太陽電池装置に関する。
　近年、透明な太陽電池が種々提案されている。例えば、透明な色素増感型太陽電池を表示装置の表面に配置した太陽電池付き表示装置が提案されている。
　太陽電池装置において、信頼性を向上することが要望されている。
特開２００２－２２９４７２号公報
　本実施形態の目的は、信頼性を向上することが可能な太陽電池装置を提供することにある。
　本実施形態の太陽電池装置は、
　第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、側面と、を有する光導波部と、前記第２主面と対向し、コレステリック液晶を有し、前記光導波部を介して入射した光の少なくとも一部を前記光導波部に向けて反射する光学素子と、前記側面と対向する太陽電池と、保護膜と、を備え、前記保護膜は、前記第１主面に接するように設けられている。
　本実施形態の太陽電池装置は、
　第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、側面と、を有する光導波部と、前記第２主面と対向し、コレステリック液晶を有し、前記光導波部を介して入射した光の少なくとも一部を前記光導波部に向けて反射する光学素子と、前記側面と対向する太陽電池と、保護膜と、を備え、前記保護膜は、前記光学素子と対向する位置に設けられている。
　本実施形態によれば、信頼性を向上することが可能な太陽電池装置を提供することができる。
図１は、実施形態１に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。 図２は、光学素子３の構造を模式的に示す断面図である。 図３は、太陽電池装置１００を模式的に示す平面図である。 図４は、実施形態２に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。 図５は、実施形態３に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。 図６は、実施形態４に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。 図７は、実施形態５に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。 図８は、実施形態６に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。 図９は、実施形態７に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。 図１０は、変形例に係る光学素子３を模式的に示す断面図である。
　以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。
　なお、図面には、必要に応じて理解を容易にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸を記載する。Ｚ軸に沿った方向をＺ方向または第１方向Ａ１と称し、Ｙ軸に沿った方向をＹ方向または第２方向Ａ２と称し、Ｘ軸に沿った方向をＸ方向または第３方向Ａ３と称する。Ｘ軸及びＹ軸によって規定される面をＸ－Ｙ平面と称し、Ｘ軸及びＺ軸によって規定される面をＸ－Ｚ平面と称し、Ｙ軸及びＺ軸によって規定される面をＹ－Ｚ平面と称する。
　　（実施形態１)　
　図１は、実施形態１に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。太陽電池装置１００は、光導波部１と、光学素子３と、太陽電池５と、保護膜１０と、を備えている。
　光導波部１は、光を透過する透明部材、例えば、透明なガラス板または透明な合成樹脂板によって構成されている。光導波部１は、例えば、可撓性を有する透明な合成樹脂板によって構成されていてもよい。光導波部１は、任意の形状を取り得る。例えば、光導波部１は、湾曲していてもよい。光導波部１の屈折率は、例えば、空気の屈折率よりも大きい。光導波部１は、例えば、窓ガラスとして機能する。
　本明細書において、『光』は、可視光及び不可視光を含むものである。例えば、可視光域の下限の波長は３６０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、可視光域の上限の波長は７６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下である。可視光は、第１波長帯（例えば４００ｎｍ～５００ｎｍ）の第１成分（青成分）、第２波長帯（例えば５００ｎｍ～６００ｎｍ）の第２成分（緑成分）、及び、第３波長帯（例えば６００ｎｍ～７００ｎｍ）の第３成分（赤成分）を含んでいる。不可視光は、第１波長帯より短波長帯の紫外線、及び、第３波長帯より長波長帯の赤外線を含んでいる。
　本明細書において、『透明』は、無色透明であることが好ましい。ただし、『透明』は、半透明又は有色透明であってもよい。
　光導波部１は、Ｘ－Ｙ平面に沿った平板状に形成され、第１主面Ｆ１と、第２主面Ｆ２と、側面Ｆ３と、を有している。第１主面Ｆ１及び第２主面Ｆ２は、Ｘ－Ｙ平面に略平行な面であり、第１方向Ａ１において、互いに対向している。側面Ｆ３は、第１方向Ａ１に沿って延びた面である。図１に示す例では、側面Ｆ３は、Ｘ－Ｚ平面と略平行な面であるが、側面Ｆ３は、Ｙ－Ｚ平面と略平行な面を含んでいる。
　光学素子３は、第１方向Ａ１において、光導波部１の第２主面Ｆ２と対向している。光学素子３は、第１主面Ｆ１の側から入射した光ＬＴｉの少なくとも一部を光導波部１に向けて反射するものである。一例では、光学素子３は、光導波部１を介して入射した光ＬＴｉのうち、第１円偏光及び第１円偏光とは逆回りの第２円偏光の少なくとも一方を反射する液晶層３１を備えている。光学素子３によって反射される第１円偏光及び第２円偏光は、例えば赤外線であるが、可視光であってもよい。なお、本明細書において、光学素子３における「反射」とは、光学素子３の内部における回折を伴うものである。
　光学素子３は、例えば、可撓性を有していてもよい。また、光学素子３は、光導波部１の第２主面Ｆ２と接触していてもよいし、光学素子３と光導波部１との間に接着層等の透明な層が介在していてもよい。光学素子３と光導波部１との間に介在する層の屈折率は、光導波部１の屈折率とほぼ同等であることが好ましい。
　光学素子３は、薄膜として構成される。例えば、別途フィルム状に形成された光学素子３が光導波部１に接着される場合もあり得るし、光導波部１に直接材料を塗布してフィルム状の光学素子３が形成される場合もあり得る。
　太陽電池５は、第２方向Ａ２において、光導波部１の側面Ｆ３と対向している。太陽電池５は、光を受光して、受光した光のエネルギーを電力に変換するものである。つまり、太陽電池５は、受光した光によって発電する。太陽電池の種類は、特に限定されず、太陽電池５は、例えば、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、有機物系太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池、又は、量子ドット型太陽電池である。シリコン系太陽電池としては、アモルファスシリコンを備えた太陽電池や、多結晶シリコンを備えた太陽電池などが含まれる。ここに示した太陽電池５は、受光素子の一例である。受光素子の他の例として、光センサが挙げられる。つまり、太陽電池５は、光センサに置換されてもよい。
　太陽電池５がシリコン系太陽電池である場合、一例では、太陽電池５は多結晶シリコンを備えている。多結晶シリコンの吸収波長のピークは、約７００ｎｍ付近である。つまり、多結晶シリコンは、赤外線の吸収率が高い。このため、太陽電池５は、赤外線による発電に好適である。
　保護膜１０は、第１方向Ａ１において、光導波部１の第１主面Ｆ１と対向している。特に、実施形態１においては、保護膜１０は、第１主面Ｆ１に接している。このような保護膜１０は、透明であり、特に、可視光、及び、発電に利用する赤外線に対して光透過性を有するものである。保護膜１０の屈折率は、光導波部１の屈折率とほぼ同等である。
　次に、図１に示す実施形態１において、太陽電池装置１００の動作について説明する。
　太陽電池装置１００に入射する光ＬＴｉは、例えば、太陽光である。つまり、光ＬＴｉは、可視光Ｖの他に、紫外線Ｕ及び赤外線Ｉを含んでいる。
　図１に示す例では、理解を容易にするために、光ＬＴｉは、保護膜１０を介して光導波部１に対して略垂直に入射するものとする。なお、光導波部１に対する光ＬＴｉの入射角度は、特に限定されない。例えば、互いに異なる複数の入射角度をもって光導波部１に光ＬＴｉが入射してもよい。
　光ＬＴｉは、保護膜１０を介して第１主面Ｆ１から光導波部１の内部に進入し、第２主面Ｆ２から出射して、光学素子３に入射する。そして、光学素子３は、光ＬＴｉのうち、一部の光ＬＴｒを光導波部１及び太陽電池５に向けて反射し、他の光ＬＴｔを透過する。ここでは、光導波部１及び光学素子３における吸収等の光損失は無視している。光学素子３で反射される光ＬＴｒは、例えば、所定波長の第１円偏光に相当する。また、光学素子３を透過する光ＬＴｔは、所定波長の第２円偏光と、所定波長とは異なる波長の光を含んでいる。ここでの所定波長とは、例えば赤外線Ｉであり、光学素子３で反射される光ＬＴｒは赤外線Ｉの第１円偏光Ｉ１である。光ＬＴｔは、可視光Ｖ、赤外線Ｕ、赤外線Ｉの第２円偏光Ｉ２を含んでいる。なお、本明細書において、円偏光は、厳密な円偏光であってもよいし、楕円偏光に近似した円偏光であってもよい。
　光学素子３は、第１円偏光Ｉ１を、光導波部１における光導波条件を満足する進入角θで、光導波部１に向けて反射する。ここでの進入角θとは、光導波部１の内部で全反射を起こす臨界角θｃ以上の角度に相当する。進入角θは、光導波部１に直交する垂線に対する角度を示す。
　光ＬＴｒは、第２主面Ｆ２から光導波部１の内部に進入し、光導波部１において反射を繰り返しながら光導波部１の内部を伝搬する。
　なお、光導波部１及び保護膜１０が上記の通り同等の屈折率を有している場合、光導波部１及び保護膜１０が単体の光導波体となり得る。この場合、点線の矢印で示すように、光導波部１の内部に進入した光ＬＴｒは、保護膜１０と空気との界面で反射を繰り返しながら伝播する。
　太陽電池５は、側面Ｆ３から出射した光ＬＴｒを受光し、発電する。
　図２は、光学素子３の構造を模式的に示す断面図である。なお、光導波部１は二点鎖線で示している。
　光学素子３は、複数の螺旋状構造体３１１を有している。複数の螺旋状構造体３１１の各々は、第１方向Ａ１に沿って延びている。つまり、複数の螺旋状構造体３１１の各々の螺旋軸ＡＸは、光導波部１の第２主面Ｆ２に対して略垂直である。螺旋軸ＡＸは、第１方向Ａ１に略平行である。複数の螺旋状構造体３１１の各々は、螺旋ピッチＰを有している。螺旋ピッチＰは、螺旋の１周期(３６０度）を示す。複数の螺旋状構造体３１１の各々は、複数の要素３１５を含んでいる。複数の要素３１５は、旋回しながら第１方向Ａ１に沿って螺旋状に積み重ねられている。
　光学素子３は、第２主面Ｆ２に対向する第１境界面３１７と、第１境界面３１７の反対側の第２境界面３１９と、第１境界面３１７と第２境界面３１９との間の複数の反射面３２１と、を有している。第１境界面３１７は、光導波部１を透過した光ＬＴｉが光学素子３に入射する面である。第１境界面３１７及び第２境界面３１９の各々は、螺旋状構造体３１１の螺旋軸ＡＸに対して略垂直である。第１境界面３１７及び第２境界面３１９の各々は、光導波部１（あるいは第２主面Ｆ２）に略平行である。
　第１境界面３１７は、螺旋状構造体３１１の両端部のうちの一端部ｅ１に位置する要素３１５を含んでいる。第１境界面３１７は、光導波部１と光学素子３との境界に位置している。第２境界面３１９は、螺旋状構造体３１１の両端部のうちの他端部ｅ２に位置する要素３１５を含んでいる。第２境界面３１９は、光学素子３と空気との境界に位置している。
　図２に示す例では、複数の反射面３２１は、互いに略平行である。反射面３２１は、第１境界面３１７及び光導波部１（あるいは第２主面Ｆ２）に対して傾斜しており、一定方向に延びる略平面形状を有している。反射面３２１は、ブラッグの法則に従って、第１境界面３１７から入射した光ＬＴｉのうち一部の光ＬＴｒを選択反射する。具体的には、反射面３２１は、光ＬＴｒの波面ＷＦが反射面３２１と略平行になるように、光ＬＴｒを反射する。更に具体的には、反射面３２１は、第１境界面３１７に対する反射面３２１の傾斜角度φに応じて光ＬＴｒを反射する。
　反射面３２１は、次のように定義できる。すなわち、光学素子３において選択的に反射される所定波長の光（例えば円偏光）が感じる屈折率は、光が光学素子３の内部を進行するのに伴って徐々に変化する。このため、光学素子３においてフレネル反射が徐々に起こる。そして、複数の螺旋状構造体３１１において光が感じる屈折率が最も大きく変化する位置で、フレネル反射が最も強く起こる。つまり、反射面３２１は、光学素子３においてフレネル反射が最も強く起こる面に相当する。
　複数の螺旋状構造体３１１のうち、第２方向Ａ２に隣接する螺旋状構造体３１１の各々の要素３１５の配向方向は互いに異なっている。また、複数の螺旋状構造体３１１のうち、第２方向Ａ２に隣接する螺旋状構造体３１１の各々の空間位相は互いに異なっている。反射面３２１は、要素３１５の配向方向が揃った面、あるいは、空間位相が揃った面（等位相面）に相当する。つまり、複数の反射面３２１の各々は、第１境界面３１７あるいは光導波部１に対して傾斜している。
　なお、反射面３２１の形状は、図２に示したような平面形状に限らず、凹状や凸状の曲面形状であってもよく、特に限定されるものではない。また、反射面３２１の一部に凸凹を有していたり、反射面３２１の傾斜角度φが均一でなかったり、複数の反射面３２１が、規則的に整列していなかったりしてもよい。複数の螺旋状構造体３１１の空間位相分布に応じて、任意の形状の反射面３２１を構成することができる。
　本実施形態では、螺旋状構造体３１１は、コレステリック液晶である。要素３１５の各々は、液晶分子に相当する。図２では、図面の簡略化のため、１つの要素３１５は、Ｘ－Ｙ平面内に位置する複数の液晶分子のうち、平均的配向方向を向いている液晶分子を代表して示している。
　螺旋状構造体３１１であるコレステリック液晶は、選択反射帯域Δλに含まれる所定波長λの光のうち、コレステリック液晶の旋回方向と同じ旋回方向の円偏光を反射する。例えば、コレステリック液晶の旋回方向が右回りの場合、所定波長λの光のうち、右回りの円偏光を反射し、左回りの円偏光を透過する。同様に、コレステリック液晶の旋回方向が左回りの場合、所定波長λの光のうち、左回りの円偏光を反射し、右回りの円偏光を透過する。
　コレステリック液晶の螺旋ピッチをＰ、液晶分子の異常光に対する屈折率をｎｅ、液晶分子の常光に対する屈折率をｎｏと記載すると、一般的に、垂直入射した光に対するコレステリック液晶の選択反射帯域Δλは、「ｎｏ＊Ｐ～ｎｅ＊Ｐ」で示される。なお、詳細には、コレステリック液晶の選択反射帯域Δλは、「ｎｏ＊Ｐ～ｎｅ＊Ｐ」の範囲に対して、反射面３２１の傾斜角度φや、第１境界面３１７への入射角度などに応じて変化する。
　図３は、太陽電池装置１００を模式的に示す平面図である。
　図３には、螺旋状構造体３１１の空間位相の一例が示されている。ここに示す空間位相は、螺旋状構造体３１１に含まれる要素３１５のうち、第１境界面３１７に位置する要素３１５の配向方向として示している。
　第２方向Ａ２に沿って並んだ螺旋状構造体３１１の各々について、第１境界面３１７に位置する要素３１５の配向方向は互いに異なる。つまり、第１境界面３１７における螺旋状構造体３１１の空間位相は、第２方向Ａ２に沿って異なる。
　一方、第３方向Ａ３に沿って並んだ螺旋状構造体３１１の各々について、第１境界面３１７に位置する要素３１５の配向方向は略一致する。つまり、第１境界面３１７における螺旋状構造体３１１の空間位相は、第３方向Ａ３において略一致する。
　特に、第２方向Ａ２に並んだ螺旋状構造体３１１に着目すると、各要素３１５の配向方向は、一定角度ずつ異なっている。つまり、第１境界面３１７において、第２方向Ａ２に沿って並んだ複数の要素３１５の配向方向は、線形に変化している。したがって、第２方向Ａ２に沿って並んだ複数の螺旋状構造体３１１の空間位相は、第２方向Ａ２に沿って線形に変化している。その結果、図２に示した光学素子３のように、第１境界面３１７及び光導波部１に対して傾斜する反射面３２１が形成される。ここでの「線形に変化」は、例えば、要素３１５の配向方向の変化量が１次関数で表されることを示す。
　なお、ここでの要素３１５の配向方向とは、螺旋状構造体３１１がコレステリック液晶の場合、Ｘ－Ｙ平面における液晶分子の長軸方向に相当する。
　ここで、図３に示すように、第１境界面３１７において、第２方向Ａ２に沿って要素３１５の配向方向が１８０度だけ変化するときの２つの螺旋状構造体３１１の間隔を螺旋状構造体３１１の周期Ｔと定義する。なお、図３においてＤＰは要素３１５の旋回方向を示している。図２に示した反射面３２１の傾斜角度φは、周期Ｔ及び螺旋ピッチＰによって適宜設定される。
　螺旋状構造体３１１がコレステリック液晶である場合、光学素子３は、以下のようにして形成される。例えば、複数の要素３１５である複数の液晶分子に光を照射し、複数の液晶分子を重合させることで、光学素子３が形成される。又は、所定の温度又は所定の濃度において液晶状態を示す高分子液晶材料を、複数の螺旋状構造体３１１を形成するように配向制御し、その後、配向を維持したまま固体に転移させることで、光学素子３が形成される。
　光学素子３において、隣り合う螺旋状構造体３１１は、重合又は固体への転移によって、螺旋状構造体３１１の配向を維持したまま、つまり、螺旋状構造体３１１の空間位相を維持したまま、互いに結合している。その結果、光学素子３において、各液晶分子の配向方向が固定されている。
　ここでは、選択反射帯域Δλが赤外線となるように、コレステリック液晶の螺旋ピッチＰが調整された場合について説明する。光学素子３の反射面３２１での反射率を高くする観点では、光学素子３の第１方向Ａ１に沿った厚さは、螺旋ピッチＰの数倍から１０倍程度とすることが望ましい。つまり、光学素子３の厚さは、３～１０μｍ程度となる。
　光導波部１の第２主面Ｆ２に直接材料を塗布して、第２主面Ｆ２に接する光学素子３が形成される場合、塗布した材料が硬化する際の収縮に伴って、光導波部１の第１主面Ｆ１側に第１引張応力が発生する。特に、３μｍ以上といった比較的厚い光学素子３が光導波部１に直接形成される場合、光導波部１にはより大きな第１引張応力が発生する。このような第１引張応力は、光導波部１の反りの一因となりうる。
　そこで、実施形態１では、光導波部１の第１主面Ｆ１に直接材料を塗布して、第１主面Ｆ１に接する保護膜１０が形成される。このような保護膜１０は、透明な有機膜である。保護膜１０が形成される過程において、塗布した材料が硬化する際の収縮に伴って、光導波部１の第２主面Ｆ２側に第２引張応力が発生する。
　ここで、第２主面Ｆ２側に発生する第２引張応力の大きさは、第１主面Ｆ１側に発生する第１引張応力の大きさとほぼ同等である。これにより、光導波部１の反りが抑制される。したがって、信頼性を向上することができる。
　第１引張応力と第２引張応力とを一致させるため、保護膜１０は、例えば、光学素子３と同一材料で形成され、光学素子３と同等の厚さを有するように形成される。また、保護膜１０が形成される過程での収縮量は、光学素子３が形成される過程での収縮量と同等となるように調整される。一例では、保護膜１０は、アクリル樹脂やポリイミド樹脂などを用いて形成することができる。
　第１引張応力と第２引張応力とは、完全に一致していなくてもよい。光導波部１の反りを抑制する観点で、第１引張応力と第２引張応力との差分の許容値は、光導波部１、光学素子３、及び、保護膜１０の各々の弾性率、厚さ、設置面積、体積などに応じて適宜算出されるものである。
　　（実施形態２）　
　図４は、実施形態２に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。図４に示す実施形態２は、上記の実施形態１と比較して、保護膜１０が第１主面Ｆ１と対向する紫外線カット層である点で相違している。
　このような保護膜１０は、別途フィルム状に形成され、光導波部１の第１主面Ｆ１に接着される場合もあり得るし、光導波部１の第１主面Ｆ１に直接材料を塗布して形成される場合もあり得る。実施形態２の保護膜１０は、実施形態１で説明した第２引張応力を発生する機能を兼ね備えていてもよい。
　光学素子３は、螺旋状構造体３１１として、一方向に旋回したコレステリック液晶を有している。ここでは、光学素子３におけるコレステリック液晶３１１を模式的に示している。例えば、コレステリック液晶３１１は、選択反射帯域として赤外線Ｉの第１円偏光Ｉ１を反射するべく、Ｚ方向に沿って螺旋ピッチＰ１を有している。コレステリック液晶３１１の螺旋ピッチＰ１は、Ｚ方向に沿ってほとんど変化することなく一定である。
　実施形態２の太陽電池装置１００において、可視光Ｖ、紫外線Ｕ、及び、赤外線Ｉを含む太陽光が入射した場合、太陽光のうちの紫外線Ｕは、保護膜１０を透過しない。紫外線カット層としての保護膜１０は、入射した紫外線Ｕを吸収するものであってもよいし、紫外線Ｕを反射するものであってもよい。したがって、光導波部１及び光学素子３への紫外線Ｕの到達が抑制される。これにより、光学素子３の紫外線Ｕによる劣化あるいは着色を抑制することができる。
　一方、太陽光のうちの可視光Ｖは、保護膜１０、光導波部１、及び、光学素子３を透過する。つまり、太陽電池装置１００は、可視光Ｖの主要な成分である第１成分（青成分）、第２成分（緑成分）、及び、第３成分（赤成分）の各々を透過する。このため、太陽電池装置１００を透過した光の着色を抑制することができる。また、太陽電池装置１００における可視光Ｖの透過率の低下を抑制することができる。
　また、太陽光のうちの赤外線Ｉは、保護膜１０及び光導波部１を透過し、光学素子３に入射する。そして、光学素子３は、反射面３２１において、赤外線Ｉのうち、第１円偏光Ｉ１を光導波部１及び太陽電池５に向けて反射する。なお、ここで説明する実施形態２では、光学素子３は、赤外線Ｉのうち、第２円偏光Ｉ２を透過する。反射された第１円偏光Ｉ１は、第２主面Ｆ２から光導波部１の内部に進入し、光導波部１において反射を繰り返しながら光導波部１の内部を伝搬する。太陽電池５は、側面Ｆ３から出射した赤外線Ｉを受光して発電する。実施形態２においても、実施形態１で説明したような赤外線Ｉの吸収率が高い太陽電池５が適用されることが望ましい。これにより、赤外線Ｉを利用して効率よく発電することができる。
　このような実施形態２によれば、紫外線Ｕによる光学素子３の劣化・着色が抑制され、信頼性を向上することができる。
　　（実施形態３）　
　図５は、実施形態３に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。図５に示す実施形態３は、図４に示した実施形態２と比較して、光学素子３が、第１旋回方向に旋回したコレステリック液晶３１１Ａを有する第１層３Ａと、第１旋回方向とは逆回りの第２旋回方向に旋回したコレステリック液晶３１１Ｂを有する第２層３Ｂと、を有している点で相違している。第１層３Ａ及び第２層３Ｂは、Ｚ方向に沿って重なっている。第１層３Ａは、光導波部１と第２層３Ｂとの間に位置している。
　第１層３Ａに含まれるコレステリック液晶３１１Ａは、選択反射帯域のうち、第１旋回方向の第１円偏光を反射するように構成されている。第２層３Ｂに含まれるコレステリック液晶３１１Ｂは、選択反射帯域のうち、第２旋回方向の第２円偏光を反射するように構成されている。
　コレステリック液晶３１１Ａ及び３１１Ｂは、拡大して模式的に示すように、ともに選択反射帯域として赤外線Ｉを反射するべく、Ｚ方向に沿って螺旋ピッチＰ１を有している。つまり、コレステリック液晶３１１Ａ及びコレステリック液晶３１１Ｂのそれぞれの螺旋ピッチＰ１は、同等である。これにより、第１層３Ａのコレステリック液晶３１１Ａは赤外線Ｉのうちの第１円偏光Ｉ１を反射し、第２層３Ｂのコレステリック液晶３１１Ｂは赤外線Ｉのうちの第２円偏光Ｉ２を反射するように構成されている。
　実施形態３の太陽電池装置１００においては、実施形態２の太陽電池装置１００と同様に、紫外線Ｕは保護膜１０によってカットされ、可視光Ｖは、保護膜１０、光導波部１、及び、光学素子３を透過する。
　また、赤外線Ｉのうちの第１円偏光Ｉ１は、光学素子３の第１層３Ａに形成された反射面３２１Ａにおいて、光導波部１及び太陽電池５に向けて反射される。また、赤外線のうちの第２円偏光Ｉ２は、光学素子３において第１層３Ａを透過した後に第２層３Ｂに入射し、第２層３Ｂに形成された反射面３２１Ｂにおいて、光導波部１及び太陽電池５に向けて反射される。反射された第１円偏光Ｉ１及び第２円偏光Ｉ２は、光導波部１の内部を伝搬する。太陽電池５は、側面Ｆ３から出射した赤外線Ｉを受光して発電する。
　このような実施形態３によれば、実施形態２と同様の効果が得られる。加えて、赤外線Ｉの第１円偏光Ｉ１のみならず第２円偏光Ｉ２を利用して発電することができる。また、太陽電池装置１００において、赤外線Ｉの透過を抑制することができる。
　　（実施形態４）　
　図６は、実施形態４に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。図６に示す実施形態４は、上記の実施形態１と比較して、保護膜１０が第１主面Ｆ１と対向する防汚層である点で相違している。
　実施形態４の防汚層とは、例えば、太陽光（主に紫外線）が照射されることで汚染物質ＰＴの付着を抑止したり、汚染物質ＰＴを分解したりする光触媒層である。このような光触媒層は、例えば酸化チタン、リン酸銀などで形成される。
　また、実施形態４の防汚層は、太陽光を必要とすることなく触媒作用を発揮する触媒層であってもよい。このような触媒層は、例えばリン酸チタニアなどで形成される。
　さらに、実施形態４の防汚層は、水滴の付着を抑制する撥水層であってもよい。このような撥水層は、例えばフッ素系化合物などで形成される。
　このような保護膜１０は、光導波部１の第１主面Ｆ１に直接材料を塗布して形成されるが、別途フィルム状に形成され、光導波部１の第１主面Ｆ１に接着されてもよい。保護膜１０は、第１主面Ｆ１に接していてもよいし、保護膜１０と光導波部１との間に接着層等の透明な層が介在していてもよい。
　実施形態４の保護膜１０は、実施形態１で説明した第２引張応力を発生する機能を兼ね備えていてもよい。
　このような実施形態４によれば、光導波部１の第１主面Ｆ１の汚染が抑制され、太陽電池装置１００における発電効率の低下が抑制される。したがって、信頼性を向上することができる。
　　（実施形態５）　
　図７は、実施形態５に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。図７に示す実施形態５は、上記の実施形態１と比較して、保護膜１０が第２主面Ｆ２と対向し光学素子３に接している点で相違している。光学素子３は、第２主面Ｆ２に接しており、光導波部１と保護膜１０との間に位置している。
　実施形態１で説明したように、光学素子３が第２主面Ｆ２に直接形成される過程で光導波部１に第１引張応力が発生する場合において、実施形態５では、保護膜１０が光学素子３の裏面３Ｆに直接形成される。このような保護膜１０は、例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ）によって形成された透明な無機膜である。一例では、保護膜１０は、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）やシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）などを用いて形成される。
　保護膜１０が形成される過程においては、光学素子３側に圧縮応力が発生する。つまり、保護膜１０が形成される過程で発生した圧縮応力は、光学素子３が形成される過程で発生した第１引張応力を打ち消すように作用する。これにより、光導波部１の反りが抑制される。また、例示したような材料からなる無機系の保護膜１０は、耐水性に優れており、光学素子３の保護層として機能する。したがって、信頼性を向上することができる。
　　（実施形態６）　
　図８は、実施形態６に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。図８に示す実施形態６は、上記の実施形態５と比較して、保護膜１０が光導波部１と光学素子３との間に位置している点で相違している。但し、保護膜１０が光学素子３に接するという観点では、実施形態６は実施形態５と同一である。保護膜１０は、実施形態５の保護膜１０と同様に、例えば透明な無機膜である。
　保護膜１０は、光導波部１の第２主面Ｆ２に接している。光学素子３は、保護膜１０の裏面１０Ｆに接している。
　このような実施形態６では、まず、保護膜１０が光導波部１の第２主面Ｆ２に直接形成される過程で光導波部１に圧縮応力が発生し、その後、光学素子３が保護膜１０の裏面１０Ｆに直接形成される過程で保護膜１０側に第１引張応力が発生する。これらの圧縮応力及び第１引張応力は、互いに打ち消すように作用する。
　このような実施形態６においても、実施形態５と同様の効果が得られる。
　　（実施形態７）　
　図９は、実施形態７に係る太陽電池装置１００を模式的に示す断面図である。図９に示す実施形態７は、上記の実施形態６と比較して、保護膜１０が紫外線カット層である点で相違している。保護膜１０は、光導波部１と光学素子３との間に位置し、第２主面Ｆ２に接している。光学素子３は、保護膜１０の裏面１０Ｆに接している。
　なお、保護膜１０が紫外線カット層である場合、図７に示した実施形態５の保護膜１０と同様に、保護膜１０は、光学素子３の裏面３Ｆに接していてもよい。
　このような保護膜１０は、別途フィルム状に形成され、光導波部１の第２主面Ｆ２に接着される場合もあり得るし、光導波部１の第２主面Ｆ２に直接形成される場合もあり得る。実施形態７の保護膜１０は、実施形態６で説明した圧縮応力を発生する機能を兼ね備えていてもよい。
　実施形態７の太陽電池装置１００において、可視光Ｖ、紫外線Ｕ、及び、赤外線Ｉを含む太陽光が入射した場合、太陽光のうちの紫外線Ｕは、光導波部１を透過した後に保護膜１０でカットされる。紫外線カット層としての保護膜１０は、入射した紫外線Ｕを吸収するものであってもよいし、紫外線Ｕを反射するものであってもよい。したがって、光学素子３への紫外線Ｕの到達が抑制される。これにより、光学素子３の紫外線Ｕによる劣化あるいは着色を抑制することができる。
　一方、太陽光のうちの可視光Ｖは、光導波部１、保護膜１０、及び、光学素子３を透過する。つまり、太陽電池装置１００は、可視光Ｖの主要な成分である第１成分（青成分）、第２成分（緑成分）、及び、第３成分（赤成分）の各々を透過する。このため、太陽電池装置１００を透過した光の着色を抑制することができる。また、太陽電池装置１００における可視光Ｖの透過率の低下を抑制することができる。
　また、太陽光のうちの赤外線Ｉは、光導波部１及び保護膜１０を透過し、光学素子３に入射する。そして、光学素子３は、反射面３２１において、赤外線Ｉのうち、第１円偏光Ｉ１を光導波部１及び太陽電池５に向けて反射する。なお、ここで説明する実施形態７では、光学素子３は、赤外線Ｉのうち、第２円偏光Ｉ２を透過する。反射された第１円偏光Ｉ１は、第２主面Ｆ２から光導波部１の内部に進入し、光導波部１において反射を繰り返しながら光導波部１の内部を伝搬する。太陽電池５は、側面Ｆ３から出射した赤外線Ｉを受光して発電する。
　このような実施形態７によれば、紫外線Ｕによる光学素子３の劣化・着色が抑制され、信頼性を向上することができる。
　上記の実施形態４乃至７における光学素子３に関しては、実施形態２で説明したように、赤外線Ｉの第１円偏光Ｉ１を反射し、第２円偏光Ｉ２を透過するものであってもよいし、実施形態３で説明したように、赤外線Ｉの第１円偏光Ｉ１及び第２円偏光Ｉ２の双方を反射するものであってもよい。
　　（変形例）　
　図１０は、変形例に係る光学素子３を模式的に示す断面図である。
　図１０に示す変形例は、図２を参照して説明した光学素子３と比較して、螺旋状構造体３１１の螺旋軸ＡＸが光導波部１あるいは第２主面Ｆ２に対して傾斜している点で相違している。また、ここでの変形例では、第１境界面３１７あるいはＸ－Ｙ平面内での螺旋状構造体３１１の空間位相は略一致している。その他、変形例に係る螺旋状構造体３１１は、上記した実施形態１に係る螺旋状構造体３１１と同様の特性を有している。
　このような変形例では、光学素子３は、光導波部１を介して入射した光ＬＴｉのうち、一部の光ＬＴｒを螺旋軸ＡＸの傾斜に応じた反射角で反射し、その他の光ＬＴｔを透過する。
　このような変形例に係る光学素子３は、上記の実施形態１乃至７の光学素子３として適用することができる。
　以上説明したように、本実施形態によれば、信頼性を向上することが可能な太陽電池装置を提供することができる。
　なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１００…太陽電池装置
　１…光導波部　Ｆ１…第１主面　Ｆ２…第２主面　Ｆ３…側面
　３…光学素子　３１１…螺旋状構造体（コレステリック液晶）　３２１…反射面
　５…太陽電池
１０…保護膜

Claims (16)

  1. 　第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、側面と、を有する光導波部と、
    　前記第２主面と対向し、コレステリック液晶を有し、前記光導波部を介して入射した光の少なくとも一部を前記光導波部に向けて反射する光学素子と、
    　前記側面と対向する太陽電池と、
    　保護膜と、を備え、
    　前記保護膜は、前記第１主面に接するように設けられている、太陽電池装置。
  2. 　前記光学素子は、前記第２主面に接し、
    　前記保護膜は、透明な有機膜である、請求項１に記載の太陽電池装置。
  3. 　前記保護膜の屈折率は、前記光導波部の屈折率と同等である、請求項２に記載の太陽電池装置。
  4. 　前記保護膜は、紫外線カット層、または、防汚層である、請求項１に記載の太陽電池装置。
  5. 　前記保護膜は、前記光学素子と同一材料で形成されている、請求項１に記載の太陽電池装置。
  6. 　前記保護膜は、前記光学素子と同等の厚みを有している、請求項１に記載の太陽電池装置。
  7. 　第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、側面と、を有する光導波部と、
    　前記第２主面と対向し、コレステリック液晶を有し、前記光導波部を介して入射した光の少なくとも一部を前記光導波部に向けて反射する光学素子と、
    　前記側面と対向する太陽電池と、
    　保護膜と、を備え、
    　前記保護膜は、前記光学素子と対向する位置に設けられている、太陽電池装置。
  8. 　前記保護膜は、前記光導波部と前記光学素子との間に位置している、請求項７に記載の太陽電池装置。
  9. 　前記光学素子は、前記光導波部と前記保護膜との間に位置している、請求項７に記載の太陽電池装置。
  10. 　前記保護膜は、前記光学素子に接する透明な無機膜である、請求項８に記載の太陽電池装置。
  11. 　前記保護膜は、前記光学素子に接する透明な無機膜である、請求項９に記載の太陽電池装置。
  12. 　前記保護膜は、紫外線カット層である、請求項８に記載の太陽電池装置。
  13. 　前記保護膜は、紫外線カット層である、請求項９に記載の太陽電池装置。
  14. 　前記光学素子は、赤外線の少なくとも一部を反射し、
    　前記太陽電池は、前記赤外線を受光して発電する、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の太陽電池装置。
  15. 　前記太陽電池は、多結晶シリコンを備えている、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の太陽電池装置。
  16. 　前記光学素子は、
    　前記コレステリック液晶からなる第１層と、
    　前記コレステリック液晶からなる第２層と、を備え、
    　前記第１層及び前記第２層において、前記コレステリック液晶は、同等の螺旋ピッチを有し、逆回りに旋回している、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の太陽電池装置。
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