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JP5640952B2 - Organic thin film solar cell - Google Patents

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JP5640952B2 JP2011243256A JP2011243256A JP5640952B2 JP 5640952 B2 JP5640952 B2 JP 5640952B2 JP 2011243256 A JP2011243256 A JP 2011243256A JP 2011243256 A JP2011243256 A JP 2011243256A JP 5640952 B2 JP5640952 B2 JP 5640952B2
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Description

本発明は、有機薄膜からなる発電層を含む発電素子の光入射側の面に凹凸シートを配置した有機薄膜太陽電池に関するものである。   The present invention relates to an organic thin film solar cell in which a concavo-convex sheet is disposed on a light incident side surface of a power generation element including a power generation layer made of an organic thin film.

従来から、太陽電池として、図24に示す構成の発電素子100が知られている。この発電素子100は、裏面電極101、有機薄膜からなる発電層102、透明電極103および光透過性の基板104をこの順で積層したものである。この構成では、発電素子100に対して基板104側から光が入射すると、入射光は発電層102で吸収されて電力に変換され、裏面電極101および透明電極103から取り出される。   Conventionally, a power generation element 100 having a configuration shown in FIG. 24 is known as a solar cell. This power generation element 100 is formed by laminating a back electrode 101, a power generation layer 102 made of an organic thin film, a transparent electrode 103, and a light-transmitting substrate 104 in this order. In this configuration, when light is incident on the power generation element 100 from the substrate 104 side, the incident light is absorbed by the power generation layer 102 and converted into electric power, and is extracted from the back electrode 101 and the transparent electrode 103.

このとき、同図に示すように、発電素子100に対して外部から垂直に入射する光L11を考えると、光L11は基板104の表面でほとんど偏向されず基板104に入射し、光L12として伝搬する。そして、光L12の一部は発電層102にて吸収されるが、残りは吸収しきれずに光L13として反射される。光L13は、基板104の表面で、フレネル反射によって発電層102側に反射される光L14と、基板104を透過する光L15とに分離される。光L14は発電層102に入射して発電(発電層102での光電変換)に用いられるが、光L15は発電には用いられない。 At this time, as shown in the figure, when considering the light L 11 incident perpendicularly to the power generation element 100 from the outside, the light L 11 is incident on the substrate 104 with almost no deflection on the surface of the substrate 104. Propagate as 12 . A part of the light L 12 is absorbed by the power generation layer 102, but the rest is not absorbed and is reflected as the light L 13 . The light L 13 is separated on the surface of the substrate 104 into light L 14 reflected to the power generation layer 102 side by Fresnel reflection and light L 15 transmitted through the substrate 104. Although the light L 14 is used for power generation and enters the power generation layer 102 (photoelectric conversion in the power generation layer 102), light L 15 is not used for power generation.

基板104の屈折率がガラスのように1.5程度であれば、上記のように略垂直入射の場合、光L14と光L15との比率は、4:96となり、光L13のうちのほとんどが発電に用いられなくなる。 If the refractive index of the substrate 104 is about 1.5 like glass, the ratio of the light L 14 to the light L 15 is 4:96 in the case of substantially normal incidence as described above, and the light L 13 Most of them will not be used for power generation.

そこで、このような光利用効率(発電効率)の低下を回避するために、従来から、図25に示す構成の太陽電池200も知られている。この太陽電池200は、図24の発電素子100の基板104側の表面に、基板104と屈折率の同じ凹凸シート105を設置したものである。なお、この構成は、凹凸シート105を設けずに、基板104の表面に凹凸形状を形成した構成と等価である。   Therefore, in order to avoid such a decrease in light utilization efficiency (power generation efficiency), a solar cell 200 having a configuration shown in FIG. 25 is also conventionally known. In this solar cell 200, an uneven sheet 105 having the same refractive index as that of the substrate 104 is installed on the surface of the power generation element 100 in FIG. This configuration is equivalent to a configuration in which an uneven shape is formed on the surface of the substrate 104 without providing the uneven sheet 105.

この構成において、太陽電池200に対して外部から垂直に入射する光L21は、凹凸シート105により偏向され、光L22として基板104に入射する。偏向された光L22の一部は発電層102にて吸収され、電気に変換されるが、残りは発電層102で吸収しきれずに光L23として基板104側に向かって反射される。光L23は、凹凸シート105がない場合は、そのほとんどが基板104を透過し、発電に用いられないが、凹凸シート105があることで、その多くが凹凸シート105の凹凸面105aで反射され、発電層102側に向かう光L24となる。光L24は、発電層102に2回目の入射によって吸収され、発電に用いられる。なお、光L23の残りは、凹凸シート105の凹凸面105aで屈折し、光L25として外部に出射される。以降、発電層102に入射して吸収しきれなかった光については、発電層102と凹凸シート105との間で反射を繰り返すことにより、その多くが発電層102にて吸収される。 In this configuration, the light L 21 that is vertically incident on the solar cell 200 from the outside is deflected by the uneven sheet 105 and is incident on the substrate 104 as the light L 22 . A part of the deflected light L 22 is absorbed by the power generation layer 102 and converted into electricity, but the rest is not absorbed by the power generation layer 102 and is reflected toward the substrate 104 as light L 23 . In the absence of the concavo-convex sheet 105, most of the light L 23 is transmitted through the substrate 104 and is not used for power generation. However, with the concavo-convex sheet 105, most of the light L 23 is reflected by the concavo-convex surface 105 a of the concavo-convex sheet 105. The light L 24 travels toward the power generation layer 102 side. The light L 24 is absorbed by the second incidence on the power generation layer 102 and used for power generation. The remainder of the light L 23 is refracted by the concave / convex surface 105a of the concave / convex sheet 105 and is emitted to the outside as the light L 25 . Thereafter, most of the light that has entered the power generation layer 102 and has not been absorbed is repeatedly reflected between the power generation layer 102 and the concavo-convex sheet 105, so that most of the light is absorbed by the power generation layer 102.

また、例えば特許文献1には、凹凸シートを複数の層で構成するとともに、各層の屈折率を、発電層側から光入射側(発電層から離れる側)に向かって段階的に小さくすることにより、発電素子に入射した光を長く、発電素子内に止める閉じ込め効果を得て、発電効率を改善するようにしている。   Further, for example, in Patent Document 1, the concavo-convex sheet is composed of a plurality of layers, and the refractive index of each layer is gradually reduced from the power generation layer side toward the light incident side (side away from the power generation layer). The light incident on the power generation element is lengthened and the confinement effect of stopping in the power generation element is obtained, so that the power generation efficiency is improved.

特開2005−340583号公報(請求項2、段落〔0012〕、〔0037〕、図6等参照)Japanese Patent Laying-Open No. 2005-340583 (refer to claim 2, paragraphs [0012] and [0037], FIG. 6 and the like)

ところで、一般的に、発電層は入射光を1回では吸収しきれないこと、また、発電層に対して光が垂直に入射するときよりも斜めに入射するときのほうが、光が発電層の内部を斜め方向に伝搬するため、発電層での光の吸収量が増えること、が知られている。このような傾向は、発電層の厚さが薄くなるほど顕著である。   By the way, in general, the power generation layer cannot absorb incident light at one time, and light is incident on the power generation layer more obliquely than when light is incident on the power generation layer vertically. It is known that the amount of light absorption in the power generation layer increases because it propagates in an oblique direction inside. Such a tendency is more remarkable as the thickness of the power generation layer is reduced.

この点、図25の構成や、特許文献1のように凹凸シートの屈折率を設定する構成では、入射光を偏向する効果が小さいため、発電層での吸収量を増大させる効果を高めることができない。また、凹凸シートの最も光入射側の層の屈折率が発電素子の基板と同じか、それよりも小さいと、入射光が1回目に発電層で吸収されずにそこで反射されて、凹凸シートの凹凸面に到達しても、到達した光の上記凹凸面での反射率が小さいため、上記光を発電層側に戻す閉じ込め効果が小さい。このため、トータルでの光の利用効率(発電効率)を確実に増大させることができない。   In this regard, in the configuration of FIG. 25 and the configuration in which the refractive index of the concavo-convex sheet is set as in Patent Document 1, since the effect of deflecting incident light is small, the effect of increasing the amount of absorption in the power generation layer can be enhanced. Can not. In addition, if the refractive index of the light incident side layer of the concavo-convex sheet is the same as or smaller than that of the substrate of the power generation element, incident light is reflected by the power generation layer without being absorbed by the power generation layer for the first time. Even if it reaches the uneven surface, the confinement effect of returning the light to the power generation layer side is small because the reflectance of the reached light on the uneven surface is small. For this reason, the total light utilization efficiency (power generation efficiency) cannot be reliably increased.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、凹凸シートにて入射光を偏向する効果を高めて、発電層での吸収量を増大させる効果を高めるとともに、発電層で反射して凹凸シートに入射する光の凹凸面での反射率を増大させて、光の閉じ込め効果を大きくし、トータルでの光の利用効率を確実に増大させることができる有機薄膜太陽電池を提供することにある。   The present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to enhance the effect of deflecting incident light with the concavo-convex sheet and enhance the effect of increasing the amount of absorption in the power generation layer, Organic thin-film solar that can increase the light confinement effect by increasing the reflectivity at the uneven surface of the light reflected by the power generation layer and incident on the uneven sheet, and increase the total light utilization efficiency To provide a battery.

本発明の有機薄膜太陽電池は、有機薄膜からなる発電層を含む複数の層を積層した発電素子と、前記発電素子の光入射側の面に設置され、前記発電素子とは反対側の表面が凹凸面である凹凸シートとを備えた有機薄膜太陽電池であって、前記凹凸シートの屈折率は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置する層の屈折率よりも高いことを特徴としている。   The organic thin-film solar cell of the present invention is a power generation element in which a plurality of layers including a power generation layer made of an organic thin film are stacked, and is installed on a light incident side surface of the power generation element, and a surface opposite to the power generation element It is an organic thin film solar cell provided with the uneven sheet which is an uneven surface, The refractive index of the uneven sheet is higher than the refractive index of the layer located in the most uneven sheet side of the power generating element. .

上記の構成によれば、凹凸シートの屈折率が、発電素子の最も凹凸シート側(光入射側)に位置する層の屈折率と同じかそれよりも低い構成に比べて、凹凸シートから発電素子に入射する光の入射角を増大させることができ、1回目に発電層に入射する光を、発電層が吸収しやすい入射角に偏向することができる。これにより、1回目に入射する光の発電層での吸収量を増大させる効果を高めることができ、特に発電層が薄い場合には、その効果を顕著に得ることができる。   According to said structure, compared with the structure whose refractive index of an uneven | corrugated sheet is the same or lower than the refractive index of the layer located in the most uneven | corrugated sheet side (light incident side) of an electricity generating element, an electricity generating element from an uneven | corrugated sheet The incident angle of light incident on the power generation layer can be increased, and the light incident on the power generation layer for the first time can be deflected to an incident angle that is easily absorbed by the power generation layer. As a result, the effect of increasing the amount of absorption of the first incident light in the power generation layer can be enhanced. In particular, when the power generation layer is thin, the effect can be significantly obtained.

また、入射光が1回目に発電層で吸収されずにそこで反射されたとしても、その反射された光が凹凸シートの凹凸面で全反射する割合が増大し、上記光を発電層側に戻す閉じ込め効果を高めることができる。その結果、2回目以降に発電層に入射する光の吸収量を増大させて、トータルでの光の利用効率(発電効率)を確実に増大させることができる。   Moreover, even if incident light is not absorbed by the power generation layer for the first time and is reflected there, the ratio of the reflected light to be totally reflected by the concavo-convex surface of the concavo-convex sheet increases, and the light is returned to the power generation layer side. The confinement effect can be enhanced. As a result, the amount of light incident on the power generation layer after the second time can be increased, and the total light use efficiency (power generation efficiency) can be reliably increased.

本発明の有機薄膜太陽電池において、前記発電素子は、前記発電層を支持するための光透過性の基板を、前記複数の層のうちの1つの層として含んでおり、前記基板は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、前記凹凸シートの屈折率は、前記基板の屈折率よりも高い構成であってもよい。   In the organic thin-film solar cell of the present invention, the power generation element includes a light-transmitting substrate for supporting the power generation layer as one of the plurality of layers, and the substrate includes the power generation layer. The element may be located closest to the concave-convex sheet, and the refractive index of the concave-convex sheet may be higher than the refractive index of the substrate.

この場合、発電素子の最も凹凸シート側に光透過性の基板を位置させて、この基板上に凹凸シートを設置する構成の有機薄膜太陽電池において、上述した本発明の効果を得ることができる。   In this case, the effect of the present invention described above can be obtained in an organic thin-film solar cell having a configuration in which a light-transmitting substrate is positioned on the most uneven sheet side of the power generating element and the uneven sheet is installed on the substrate.

本発明の有機薄膜太陽電池において、前記発電素子は、前記発電層を支持するための基板と、前記発電層に対して前記基板とは反対側に位置して、前記発電層を保護する光透過性の保護層とを、それぞれ前記複数の層のうちの1つの層として含んでおり、前記保護層は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、前記凹凸シートの屈折率は、前記保護層の屈折率よりも高い構成であってもよい。   In the organic thin-film solar cell of the present invention, the power generation element includes a substrate for supporting the power generation layer, and a light transmission that is positioned on the opposite side of the power generation layer from the substrate and protects the power generation layer. Each of the plurality of layers, and the protective layer is located closest to the concavo-convex sheet of the power generating element, and the refractive index of the concavo-convex sheet is The structure may be higher than the refractive index of the protective layer.

この場合、発電素子の最も凹凸シート側に光透過性の保護層を位置させて、この保護層上に凹凸シートを設置する構成の有機薄膜太陽電池において、上述した本発明の効果を得ることができる。   In this case, the effect of the present invention described above can be obtained in the organic thin-film solar cell in which the light-transmitting protective layer is positioned on the most uneven surface side of the power generating element and the uneven sheet is installed on the protective layer. it can.

本発明の有機薄膜太陽電池において、前記発電層は、入射光の1回の吸収量が垂直入射のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さを有していてもよい。   In the organic thin-film solar cell of the present invention, the power generation layer has a thickness in which there is an incident angle range in which the amount of absorption of incident light is larger than the amount of absorption at the time of normal incidence. Also good.

垂直入射よりも斜め入射のほうが発電層での光の吸収量が増える場合に、凹凸シートを設けて、発電素子に対して入射光を斜めに入射させ、発電層での吸収量を増大させる本発明の構成が有効となる。特に、発電層が薄い場合には、垂直入射よりも斜め入射のほうが発電層での吸収量の増大が顕著であるため、上述した本発明の構成が非常に有効となる。   When the light absorption in the power generation layer increases in the oblique incidence than in the normal incidence, a concavo-convex sheet is provided to make the incident light obliquely incident on the power generation element and increase the absorption in the power generation layer. The configuration of the invention is effective. In particular, when the power generation layer is thin, the increase in the amount of absorption in the power generation layer is more significant in the oblique incidence than in the normal incidence, and thus the configuration of the present invention described above is very effective.

本発明の有機薄膜太陽電池において、前記凹凸シートの前記凹凸面には、入射光の表面反射を防止するための反射防止機構が設けられていることが望ましい。   In the organic thin film solar cell of the present invention, it is desirable that an antireflection mechanism for preventing surface reflection of incident light is provided on the uneven surface of the uneven sheet.

凹凸シートの屈折率を高くすると、外部から凹凸シートに光が入射する際の表面反射による光利用効率(発電効率)の低下が懸念される。凹凸シートの凹凸面に反射防止機構が設けられていることにより、表面反射による光の損失(フレネル損失)を低減して、光利用効率を高めることができる。   When the refractive index of the concavo-convex sheet is increased, there is a concern that the light use efficiency (power generation efficiency) is reduced due to surface reflection when light enters the concavo-convex sheet from the outside. By providing an antireflection mechanism on the concavo-convex surface of the concavo-convex sheet, light loss due to surface reflection (Fresnel loss) can be reduced and light utilization efficiency can be increased.

本発明の有機薄膜太陽電池において、前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面にコーティングされる誘電体多層膜からなる反射防止膜であってもよい。また、本発明の有機薄膜太陽電池において、前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面を粗面化した反射防止構造で構成されていてもよい。   In the organic thin-film solar cell of the present invention, the antireflection mechanism may be an antireflection film composed of a dielectric multilayer film coated on the surface of the uneven surface. Moreover, the organic thin-film solar cell of this invention WHEREIN: The said reflection preventing mechanism may be comprised with the reflection preventing structure which roughened the surface of the said uneven surface.

このような反射防止膜または反射防止構造により、凹凸面でのフレネル損失を確実に低減して、光利用効率を確実に高めることができる。   With such an antireflection film or antireflection structure, it is possible to reliably reduce the Fresnel loss on the concavo-convex surface and to improve the light utilization efficiency.

本発明の有機薄膜太陽電池において、前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を2次元的に配置することによって形成されており、前記単位構造は、楕円半球を含む半球、円錐、四角錐、円錐台、四角錐台のいずれかの形状であってもよい。また、本発明の有機薄膜太陽電池において、前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を並列に配置することによって形成されており、前記単位構造は、プリズムまたはシリンドリカルレンズの形状であってもよい。   In the organic thin-film solar cell of the present invention, the concavo-convex surface of the concavo-convex sheet is formed by two-dimensionally arranging unit structures that are convex on the side opposite to the power generation element or concave on the power generation element side. The unit structure may have any shape of a hemisphere including an elliptical hemisphere, a cone, a quadrangular pyramid, a truncated cone, and a truncated pyramid. Further, in the organic thin film solar cell of the present invention, the uneven surface of the uneven sheet is formed by arranging in parallel a unit structure that is convex on the side opposite to the power generating element or concave on the power generating element side. The unit structure may be in the form of a prism or a cylindrical lens.

凹凸シートの凹凸面が上記いずれの形状であっても、凹凸面の高さの設定次第で、外部から入射する光を凹凸面で大きく偏向させて、発電層に対して斜めに入射させ、吸収量を増大させる効果を高めることができる。   Regardless of the shape of the concavo-convex surface of the concavo-convex sheet, depending on the setting of the height of the concavo-convex surface, the light incident from the outside is largely deflected by the concavo-convex surface and incident obliquely on the power generation layer and absorbed. The effect of increasing the amount can be enhanced.

本発明のように凹凸シートの屈折率を設定することにより、凹凸シートから発電素子に入射する光の入射角を増大させて、1回目に入射する光の発電層での吸収量を増大させる効果を高めることができる。また、1回目に発電層で吸収されずにそこで反射された光を、凹凸シートの凹凸面での全反射によって発電層側に戻す閉じ込め効果を高めて、2回目以降に発電層に入射する光の吸収量を増大させることができる。その結果、トータルでの光の利用効率を確実に増大させることができる。   By setting the refractive index of the concavo-convex sheet as in the present invention, the incident angle of light incident on the power generation element from the concavo-convex sheet is increased, and the amount of absorption of light incident on the power generation layer in the first time is increased. Can be increased. In addition, the light that is reflected by the power generation layer without being absorbed by the power generation layer for the first time is returned to the power generation layer side by total reflection on the concave and convex surface of the concave and convex sheet, and the light that is incident on the power generation layer after the second time. The amount of absorption can be increased. As a result, the total light use efficiency can be reliably increased.

本発明の実施の形態に係る太陽電池の概略の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the schematic structure of the solar cell which concerns on embodiment of this invention. 上記太陽電池が備える凹凸シートに外部から略垂直に光が入射した場合の光路の詳細を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the detail of the optical path when light injects into the uneven | corrugated sheet | seat with which the said solar cell is provided substantially perpendicularly from the outside. 上記凹凸シートの構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the said uneven | corrugated sheet. 上記凹凸シートの平面図である。It is a top view of the said uneven | corrugated sheet. 参考例の凹凸シートに光が略垂直に入射した場合の、上記凹凸シート内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the degree of the deflection | deviation of the light inside the said uneven | corrugated sheet | seat when light injects into the uneven | corrugated sheet of a reference example substantially perpendicularly. 上記実施の形態の凹凸シートに光が略垂直に入射した場合の、上記凹凸シート内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the degree of the deflection | deviation of the light inside the said uneven | corrugated sheet | seat when light injects into the uneven | corrugated sheet | seat of the said embodiment substantially perpendicularly. 図6の凹凸シートを基板上に設置して、上記凹凸シートに光が略垂直に入射した場合の、上記凹凸シートおよび上記基板の内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the degree of deflection | deviation of the light in the said uneven | corrugated sheet and the said board | substrate when the uneven | corrugated sheet | seat of FIG. 6 is installed on a board | substrate, and light injects into the said uneven | corrugated sheet substantially perpendicularly. 上記太陽電池の発電層での光の吸収量の入射角依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the incident angle dependence of the light absorption amount in the electric power generation layer of the said solar cell. 参考例の凹凸シートの内部における、発電層にて吸収されずに反射された光の光路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the optical path of the light reflected without being absorbed in the electric power generation layer in the uneven | corrugated sheet | seat of a reference example. 上記実施の形態の凹凸シートの内部における、発電層にて吸収されずに反射された光の光路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the optical path of the light reflected without being absorbed in the electric power generation layer in the uneven | corrugated sheet | seat of the said embodiment. 上記凹凸シートの屈折率と、基板側から入射した光の凹凸面での反射率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the refractive index of the said uneven | corrugated sheet | seat, and the reflectance in the uneven | corrugated surface of the light which injected from the board | substrate side. 反射防止機構として反射防止膜を凹凸面に設けた凹凸シートの断面図である。It is sectional drawing of the uneven | corrugated sheet | seat which provided the antireflection film in the uneven | corrugated surface as an antireflection mechanism. 反射防止機構として反射防止構造を凹凸面に設けた凹凸シートの断面図である。It is sectional drawing of the uneven | corrugated sheet | seat which provided the antireflection structure in the uneven surface as an antireflection mechanism. (a)は、上記実施の形態の凹凸シートの他の構成を示す断面図であり、(b)は、同図(a)の凹凸シートの平面図である。(A) is sectional drawing which shows the other structure of the uneven | corrugated sheet of the said embodiment, (b) is a top view of the uneven | corrugated sheet | seat of the same figure (a). (a)は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、(b)は、同図(a)の凹凸シートの平面図である。(A) is sectional drawing which shows other structure of the said uneven | corrugated sheet, (b) is a top view of the uneven | corrugated sheet | seat of the same figure (a). (a)は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、(b)は、同図(a)の凹凸シートの平面図である。(A) is sectional drawing which shows other structure of the said uneven | corrugated sheet, (b) is a top view of the uneven | corrugated sheet | seat of the same figure (a). (a)は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、(b)は、同図(a)の凹凸シートの平面図である。(A) is sectional drawing which shows other structure of the said uneven | corrugated sheet, (b) is a top view of the uneven | corrugated sheet | seat of the same figure (a). (a)は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、(b)は、同図(a)の凹凸シートの平面図である。(A) is sectional drawing which shows other structure of the said uneven | corrugated sheet, (b) is a top view of the uneven | corrugated sheet | seat of the same figure (a). (a)は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、(b)は、同図(a)の凹凸シートの平面図である。(A) is sectional drawing which shows other structure of the said uneven | corrugated sheet, (b) is a top view of the uneven | corrugated sheet | seat of the same figure (a). (a)は、上記凹凸シートのさらに他の構成を示す断面図であり、(b)は、同図(a)の凹凸シートの平面図である。(A) is sectional drawing which shows other structure of the said uneven | corrugated sheet, (b) is a top view of the uneven | corrugated sheet | seat of the same figure (a). 凹凸シートの凹凸面が半球形状である場合に、上記凹凸シートに垂直に入射して発電層に入射する光の入射角ごとの相対的な比率を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relative ratio for every incident angle of the light which injects into the said uneven | corrugated sheet | seat perpendicularly | vertically, and injects into the electric power generation layer, when the uneven | corrugated surface of an uneven | corrugated sheet is hemispherical shape. 凹凸シートの凹凸面が円錐形状である場合に、上記凹凸シートに垂直に入射して発電層に入射する光の入射角ごとの相対的な比率を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relative ratio for every incident angle of the light which injects into the said uneven | corrugated sheet | seat perpendicularly | vertically, and injects into an electric power generation layer, when the uneven | corrugated surface of an uneven | corrugated sheet is cone shape. 上記太陽電池の他の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other structure of the said solar cell. 従来の太陽電池としての発電素子の概略の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the schematic structure of the electric power generation element as a conventional solar cell. 従来の太陽電池の他の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other structure of the conventional solar cell.

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(有機薄膜太陽電池について)
図1は、本実施形態の有機薄膜太陽電池(以下、単に太陽電池と称する)1の概略の構成を示す説明図である。本実施形態の太陽電池1は、発電素子2と、凹凸シート3とを備えている。凹凸シート3は、発電素子2の光入射側の面に設置され、発電素子2とは反対側の表面が凹凸状の凹凸面3aとなっている。なお、凹凸シート3の詳細については、後述する。
(About organic thin film solar cells)
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an organic thin film solar cell (hereinafter simply referred to as a solar cell) 1 of the present embodiment. The solar cell 1 of the present embodiment includes a power generation element 2 and an uneven sheet 3. The concavo-convex sheet 3 is installed on the light incident side surface of the power generation element 2, and the surface opposite to the power generation element 2 is a concavo-convex concavo-convex surface 3 a. In addition, the detail of the uneven | corrugated sheet | seat 3 is mentioned later.

発電素子2は、複数の層を積層して構成されている。具体的には、発電素子2は、裏面電極11、発電層12、透明電極13および基板14をこの順で積層して構成されている。裏面電極11、発電層12、透明電極13および基板14は、それぞれ独立した層を構成しており、これらの複数の層で発電素子2が構成されている。   The power generating element 2 is configured by laminating a plurality of layers. Specifically, the power generation element 2 is configured by laminating a back electrode 11, a power generation layer 12, a transparent electrode 13, and a substrate 14 in this order. The back electrode 11, the power generation layer 12, the transparent electrode 13, and the substrate 14 constitute independent layers, and the power generation element 2 is constituted by these plural layers.

発電層12は、光を受光して電力(電気)に変換する光電変換層であり、本実施形態では、有機薄膜で構成されている。より具体的には、発電層12は、P層、I層、N層をこの順で積層して構成される。P層は、p型有機半導体材料で構成され、I層は、p型有機半導体材料とn型有機半導体材料との混合層で構成され、N層は、n型有機半導体材料で構成されている。p型有機半導体材料では、電気伝導に寄与するのは正孔であり、n型有機半導体材料では、電気伝導に寄与するのが電子である。p型有機半導体材料としては、例えば、P3HT(ポリ−3−ヘキシルチオフェン)を用いることができ、n型有機半導体材料としては、例えばPCBM(6,6−フェニル−C61−ブチリックアシッドメチルエステル)を用いることができる。   The power generation layer 12 is a photoelectric conversion layer that receives light and converts it into electric power (electricity). In the present embodiment, the power generation layer 12 is composed of an organic thin film. More specifically, the power generation layer 12 is configured by stacking a P layer, an I layer, and an N layer in this order. The P layer is composed of a p-type organic semiconductor material, the I layer is composed of a mixed layer of a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material, and the N layer is composed of an n-type organic semiconductor material. . In the p-type organic semiconductor material, holes contribute to electric conduction, and in the n-type organic semiconductor material, electrons contribute to electric conduction. For example, P3HT (poly-3-hexylthiophene) can be used as the p-type organic semiconductor material, and PCBM (6,6-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) can be used as the n-type organic semiconductor material, for example. Can be used.

発電層12に光が入射すると、励起子(電子、正孔)が生じ、電子はN層側に、正孔はP層側に集まるため、裏面電極11および透明電極13間に電位差が生ずる。したがって、裏面電極11および透明電極13を介して、上記の電位差に相当する電流を取り出すことができる。   When light is incident on the power generation layer 12, excitons (electrons and holes) are generated, and electrons are collected on the N layer side and holes are collected on the P layer side, so that a potential difference is generated between the back electrode 11 and the transparent electrode 13. Therefore, a current corresponding to the potential difference can be taken out through the back electrode 11 and the transparent electrode 13.

裏面電極11および透明電極13は、発電層12にて発生した電力を取り出すための電極であり、一方は正極に対応し、他方は負極に対応している。裏面電極11は、例えばアルミニウムで構成されており、透明電極13は、例えばITO(Indium Tin Oxide)で構成されている。基板14は、発電層12を支持するための光透過性の透明基板であり、例えばガラスで構成されている。本実施形態では、基板14は、発電素子2において最も光入射側、つまり、最も凹凸シート3側に位置している。   The back electrode 11 and the transparent electrode 13 are electrodes for taking out the electric power generated in the power generation layer 12, and one corresponds to the positive electrode and the other corresponds to the negative electrode. The back electrode 11 is made of, for example, aluminum, and the transparent electrode 13 is made of, for example, ITO (Indium Tin Oxide). The substrate 14 is a light transmissive transparent substrate for supporting the power generation layer 12 and is made of, for example, glass. In the present embodiment, the substrate 14 is located closest to the light incident side in the power generation element 2, that is, closest to the uneven sheet 3.

上記の構成において、外部から太陽電池1に対して略垂直に入射した光(太陽光)Lは、凹凸シート3により偏向され、光Lとして基板14に入射する。光Lは、透明電極13を透過し、発電層12に入射して、その一部が発電層12にて吸収され、電気に変換されるが、残りは発電層12で吸収しきれずに光Lとして基板14側に向かって反射される。なお、光Lのうち、発電層12を透過した光は、裏面電極11で反射されて発電層12側に戻され、再利用が図られる。 In the above configuration, light (sunlight) L 1 incident from the outside substantially perpendicular to the solar cell 1 is deflected by the uneven sheet 3 and enters the substrate 14 as light L 2 . The light L 2 passes through the transparent electrode 13 and enters the power generation layer 12. A part of the light L 2 is absorbed by the power generation layer 12 and converted into electricity, but the remaining light is not completely absorbed by the power generation layer 12. It is reflected toward the substrate 14 side as L 3. Of the light L 2, light transmitted through the power generation layer 12 is returned to the power generation layer 12 side is reflected by the back surface electrode 11, reuse is achieved.

光Lは、凹凸シート3がない場合は、そのほとんどが基板14を透過し、発電に用いられないが、凹凸シート3があることで、その多くが凹凸シート3の凹凸面3aで反射され、発電層12側に向かう光Lとなる。光Lは、発電層12に2回目の入射によって吸収され、発電に用いられる。以降、発電層12に入射して吸収しきれなかった光については、発電層12と凹凸シート3(凹凸面3a)との間で反射を繰り返すことにより、その多くが発電層12にて吸収される。 In the absence of the uneven sheet 3, most of the light L 3 passes through the substrate 14 and is not used for power generation. However, since the uneven sheet 3 is present, most of the light L 3 is reflected by the uneven surface 3 a of the uneven sheet 3. The light L 4 travels toward the power generation layer 12 side. The light L 4 is absorbed by the second incidence on the power generation layer 12 and used for power generation. Thereafter, the light that has entered the power generation layer 12 and has not been completely absorbed can be mostly absorbed by the power generation layer 12 by being repeatedly reflected between the power generation layer 12 and the uneven sheet 3 (uneven surface 3a). The

(凹凸シートについて)
次に、凹凸シート3の詳細について説明する。本実施形態では、凹凸シート3の屈折率は、発電素子2の最も凹凸シート3側に位置する層の屈折率よりも高くなるように設定されている。つまり、本実施形態のように、発電素子2の最も凹凸シート3側に位置する層が基板14の場合、基板14を構成するガラスの屈折率は、例えば1.52であるので、凹凸シート3は、屈折率が1.52よりも大きい材料で構成されている。このような凹凸シート3を構成する材料としては、例えばポリカーボネート(PC;屈折率1.59)、エポキシ樹脂(屈折率;1.55〜1.61)を用いることができる。また、凹凸シート3として、高屈折率(屈折率;1.8)の樹脂(例えば高屈折率を有する無機(TiOなど)微粒子を含有する有機無機混合材)を用いることもできる。
(About uneven sheet)
Next, details of the uneven sheet 3 will be described. In the present embodiment, the refractive index of the concavo-convex sheet 3 is set to be higher than the refractive index of the layer located closest to the concavo-convex sheet 3 of the power generation element 2. That is, as in the present embodiment, when the layer located closest to the concave-convex sheet 3 of the power generating element 2 is the substrate 14, the refractive index of the glass constituting the substrate 14 is 1.52, for example. Is made of a material having a refractive index larger than 1.52. As a material constituting such an uneven sheet 3, for example, polycarbonate (PC; refractive index 1.59) and epoxy resin (refractive index; 1.55 to 1.61) can be used. Further, as the concavo-convex sheet 3, a resin having a high refractive index (refractive index: 1.8) (for example, an organic-inorganic mixed material containing inorganic (TiO 2 or the like) fine particles having a high refractive index) can be used.

図2は、凹凸シート3に外部から略垂直に光Lが入射した場合の光路の詳細を示している。凹凸シート3の屈折率は基板14の屈折率よりも大きいので、光Lおよび光Lにおいて、凹凸シート3側から基板14との界面に入射する光は、それぞれ、上記界面にて、スネルの法則にしたがって屈折している。なお、光Lは、光Lのうちで凹凸シート3の凹凸面3aを透過して、発電に用いられない光を表している。 FIG. 2 shows the details of the optical path when the light L 1 is incident on the concavo-convex sheet 3 from the outside substantially perpendicularly. Since the refractive index of the concavo-convex sheet 3 is larger than the refractive index of the substrate 14, the light incident on the interface with the substrate 14 from the concavo-convex sheet 3 side in the light L 2 and the light L 4 , Refracts according to the law of The light L 5 represents passes through the uneven surface 3a of the uneven sheet 3 among the light L 3, which represents the light that is not used for power generation.

本実施形態の構成によれば、従来の図25の構成や特許文献1の構成と比べて、(1)略垂直入射光が凹凸シート3に入射したときの偏向角度(光Lの偏向角度)が大きい、(2)発電層12にて吸収しきれない光Lが再び凹凸面3aで反射して光Lとして再利用される割合が大きい(光が2回目に発電層12に入射して吸収される量が増大する)、という2点の効果を得ることができ、従来よりも高い光利用効率を実現することができる。以下、上記(1)(2)の点について、さらに詳細に説明する。 According to the configuration of the present embodiment, compared with the conventional configuration of FIG. 25 and the configuration of Patent Document 1, (1) the deflection angle when substantially perpendicular incident light is incident on the concavo-convex sheet 3 (the deflection angle of the light L 2 ). ) Is large, and (2) the ratio of light L 3 that cannot be absorbed by the power generation layer 12 is reflected again by the uneven surface 3 a and reused as light L 4 (light is incident on the power generation layer 12 a second time). The amount of light absorbed can be increased), and higher light utilization efficiency than before can be realized. Hereinafter, the above points (1) and (2) will be described in more detail.

(偏向角度の増大について)
図3は、凹凸シート3の構成例を示す断面図であって、凹凸面3aが楕円半球を2次元的に配置することによって形成されている場合の断面図である。なお、楕円半球とは、楕円を長軸または短軸を回転軸として回転させた立体を長軸または短軸に垂直な面でカットした形状を指す。楕円半球の底面からの高さをh(cm)、配置方向の周期(ピッチ)をd(cm)としたとき、アスペクト比aを、a=h/dと定義する。なお、楕円半球の高さhおよび周期dの一方は、楕円の長軸(または短軸)の長さの半分に相当し、他方は楕円の短軸(または長軸)の長さに相当する。なお、a=0.5の場合、楕円半球は完全な半球形状(断面が真円の半球形状)となる。
(About increasing the deflection angle)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of the concavo-convex sheet 3, and is a cross-sectional view when the concavo-convex surface 3a is formed by two-dimensionally arranging an elliptical hemisphere. The elliptical hemisphere refers to a shape obtained by cutting a solid obtained by rotating an ellipse with a major axis or a minor axis as a rotation axis along a plane perpendicular to the major axis or the minor axis. When the height from the bottom of the elliptical hemisphere is h (cm) and the period (pitch) in the arrangement direction is d (cm), the aspect ratio a is defined as a = h / d. One of the height h and the period d of the elliptical hemisphere corresponds to half the length of the major axis (or minor axis) of the ellipse, and the other corresponds to the length of the minor axis (or major axis) of the ellipse. . When a = 0.5, the elliptical hemisphere has a perfect hemispherical shape (a hemispherical shape with a perfect cross section).

なお、上記の高さhを、凹凸面3aの凸部と凹部との高低差に相当する高さと考え、上記の周期dを、凹凸面3aの凸部または凹部の繰り返し周期と考えれば、凹凸面3aが後述するどのような形状であっても、上記したアスペクト比の定義を用いることができる。   If the height h is considered as a height corresponding to the height difference between the convex portion and the concave portion of the uneven surface 3a, and the period d is considered as a repetition period of the convex portion or the concave portion of the uneven surface 3a, The aspect ratio definition described above can be used regardless of the shape of the surface 3a described later.

図4は、凹凸シート3の平面図である。図4において、凹凸面3aのうち、凹凸部を3aとし、凹凸部3a以外の平面部を3aとすると、凹凸面3aにおいて平面部3aが占める割合Sは、凹凸部3aの面積をS1(cm)とし、平面部3aの面積をS2(cm)として、S=(S2/(S1+S2))で表される。例えば、図4のように、楕円半球の外周(平面視で円形)が互いに接するように各楕円半球を2次元的に配置した場合、Sは約0.09(9%)となる。 FIG. 4 is a plan view of the uneven sheet 3. In FIG. 4, when the uneven portion 3a 1 is the uneven portion 3a 1 and the flat portion other than the uneven portion 3a 1 is 3a 2 , the ratio S occupied by the flat portion 3a 2 in the uneven surface 3a is the ratio S of the uneven portion 3a 1 . The area is represented by S = (S2 / (S1 + S2)), where S1 (cm 2 ) and the area of the planar portion 3a 2 is S2 (cm 2 ). For example, as shown in FIG. 4, when the respective elliptical hemispheres are two-dimensionally arranged so that the outer circumferences (circular in plan view) of the elliptical hemispheres are in contact with each other, S is about 0.09 (9%).

図5は、参考例であって、屈折率が基板14と同じ凹凸シート3’に光が略垂直に入射した場合の、凹凸シート3’内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。図5において、凹凸シート3’の屈折率をn1とし、楕円半球での屈折によって入射光が偏向される偏向角度をθとする。偏向角度θは、図5に示すように、楕円形状の凹凸面3bに対する入射角がほぼ90°となる部分に光が入射したときに最大となる。つまり、偏向角度θの最大値は、スネルの法則より、
1・sin(90°)=n1・sin(90°−θ
を満足する値となる。したがって、例えば、n1=1.5とすると、偏向角度θの最大値は、約48°となる。
FIG. 5 is a reference example and is an explanatory diagram showing the degree of light deflection inside the concavo-convex sheet 3 ′ when light is incident substantially perpendicularly on the concavo-convex sheet 3 ′ having the same refractive index as the substrate 14. . 5, the refractive index of the concave-convex sheet 3 'and n1, a deflection angle at which the incident light is deflected by refraction at the ellipse hemisphere and theta 1. As shown in FIG. 5, the deflection angle θ 1 is maximized when light is incident on a portion where the incident angle with respect to the elliptical uneven surface 3 b is approximately 90 °. In other words, the maximum value of the deflection angle θ 1 is from Snell's law:
1 · sin (90 °) = n1 · sin (90 ° −θ 1 )
It is a value that satisfies Thus, for example, when n1 = 1.5, the maximum value of the deflection angle theta 1 is about 48 °.

つまり、図5のように凹凸面3bが楕円半球を2次元的に配置して形成される場合は、凹凸シート3’に略垂直に入射した光は、凹凸シート3’によって0〜48°の角度に偏向される(偏向角度は凹凸面に対する入射位置によって変化する)。   That is, when the uneven surface 3b is formed by two-dimensionally arranging an elliptical hemisphere as shown in FIG. 5, light incident on the uneven sheet 3 ′ substantially perpendicularly is 0 to 48 ° by the uneven sheet 3 ′. The angle is deflected (the deflection angle varies depending on the incident position with respect to the uneven surface).

図6は、本実施形態のように、屈折率が基板14よりも大きい凹凸シート3に光が略垂直に入射した場合の、凹凸シート3内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。図6において、凹凸シート3の屈折率をn2とし、楕円半球での屈折によって入射光が偏向される偏向角度をθとする。偏向角度θは、図6に示すように、楕円形状の凹凸面3aに対する入射角がほぼ90°となる部分に光が入射したときに最大となる。つまり、偏向角度θの最大値は、スネルの法則より、
1・sin(90°)=n2・sin(90°−θ
を満足する値となる。したがって、例えば、n2=1.8とすると、偏向角度θの最大値は、約56°となる。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the degree of light deflection inside the concavo-convex sheet 3 when light is incident substantially perpendicularly on the concavo-convex sheet 3 having a refractive index larger than that of the substrate 14 as in the present embodiment. . 6, the refractive index of the concave-convex sheet 3 and n2, the deflection angle at which the incident light is deflected by refraction at the ellipse hemisphere and theta 2. As shown in FIG. 6, the deflection angle θ 2 is maximized when light is incident on a portion where the incident angle with respect to the elliptical uneven surface 3a is approximately 90 °. In other words, the maximum value of the deflection angle θ 2 is from Snell's law:
1 · sin (90 °) = n2 · sin (90 ° −θ 2 )
It is a value that satisfies Thus, for example, when n2 = 1.8, the maximum value of the deflection angle theta 2 is about 56 °.

つまり、n1<n2の場合、θ1<θ2となり、凹凸シート3の屈折率が高いと、入射光を大きく偏向できることになる。なお、凹凸面3aが、円錐、四角錐、プリズム形状の場合は、略垂直入射光は、0〜56°の範囲の中の1つの角度に偏向される(偏向角度は1つの角度に集中する)が、この点については後述する。   That is, in the case of n1 <n2, θ1 <θ2, and if the refractive index of the uneven sheet 3 is high, incident light can be largely deflected. When the uneven surface 3a is a cone, a quadrangular pyramid, or a prism shape, the substantially perpendicular incident light is deflected at one angle within a range of 0 to 56 ° (the deflection angle is concentrated at one angle). However, this point will be described later.

図7は、図6の凹凸シート3を基板14上に設置して、凹凸シート3に光が略垂直に入射した場合の、凹凸シート3および基板14の内部での光の偏向の度合いを示す説明図である。図7において、凹凸シート3の屈折率をn2(=1.8)とし、楕円半球での屈折によって入射光が偏向される偏向角度をθとし、基板14の屈折率をn1(=1.5)とし、基板14内での光の偏向角度をθとする。偏向角度θの最大値は、図6の場合と同じ(約56°)であり、また、スネルの法則より、
n2・sinθ=n1・sinθ
が成り立つ。この式より、基板14内での偏向角度θの最大値は、約84°となる。つまり、基板14の屈折率n1が凹凸シート3の屈折率よりも低いため、基板14内での偏向角度θの最大値は、偏向角度θの最大値よりも大きくなる。
FIG. 7 shows the degree of light deflection inside the concavo-convex sheet 3 and the substrate 14 when the concavo-convex sheet 3 of FIG. 6 is installed on the substrate 14 and light is incident on the concavo-convex sheet 3 substantially perpendicularly. It is explanatory drawing. 7, the refractive index of the concave-convex sheet 3 and n2 (= 1.8), the deflection angle at which the incident light is deflected by refraction at the ellipse hemisphere and theta 2, the refractive index of the substrate 14 n1 (= 1. 5), and the deflection angle of light in the substrate 14 is θ 3 . The maximum value of the deflection angle θ 2 is the same as in the case of FIG. 6 (about 56 °), and from Snell's law,
n2 · sin θ 2 = n1 · sin θ 3
Holds. From this equation, the maximum value of the deflection angle θ 3 within the substrate 14 is about 84 °. That is, since the refractive index n1 of the substrate 14 is lower than the refractive index of the concave-convex sheet 3, the maximum value of the deflection angle theta 3 of in the substrate 14 is larger than the maximum value of the deflection angle theta 2.

なお、図示はしないが、基板14の屈折率が凹凸シート3の屈折率よりも高い場合は、上記とは逆に、基板14内での偏向角度θの最大値は、偏向角度θの最大値よりも小さくなることは、スネルの法則より明らかである。 Although not shown, when the refractive index of the substrate 14 is higher than the refractive index of the concave-convex sheet 3, contrary to the above, the maximum value of the deflection angle theta 3 of in the substrate 14, the deflection angle theta 2 It is clear from Snell's law that it is smaller than the maximum value.

以上のことから、基板14よりも屈折率の高い凹凸シート3を基板14上に設置することにより、入射光を基板14内で大きく偏向できると言える。これにより、発電層12での光の吸収量を増大させることができ、しかも、その効果を従来よりも高めることができる。ここで、発電層12の光の吸収量を増大させる効果は、発電層12が薄いほど高くなる。以下、発電層12の厚さと吸収量との関係について説明する。   From the above, it can be said that the incident light can be largely deflected in the substrate 14 by disposing the uneven sheet 3 having a refractive index higher than that of the substrate 14 on the substrate 14. Thereby, the amount of light absorption in the power generation layer 12 can be increased, and the effect can be enhanced as compared with the conventional case. Here, the effect of increasing the light absorption amount of the power generation layer 12 becomes higher as the power generation layer 12 is thinner. Hereinafter, the relationship between the thickness of the power generation layer 12 and the amount of absorption will be described.

図8は、発電層12が薄い場合(例えば層厚100nm)と厚い場合(例えば層厚300nm)とにおける、発電層12での光の吸収量の入射角依存性を示すグラフである。なお、図8において、縦軸の短絡電流密度Jsc(mA/cm)とは、太陽電池の単位面積あたりで発生する短絡電流(太陽電池の正極と負極とを導線で接続して短絡した状態での電流)を指す。発電層12での光の吸収量と短絡電流密度Jscとは対応関係にあり、発電層12での吸収量が増大すると、短絡電流密度Jscも増大することになる。 FIG. 8 is a graph showing the incident angle dependence of the amount of light absorption in the power generation layer 12 when the power generation layer 12 is thin (for example, layer thickness 100 nm) and thick (for example, layer thickness 300 nm). In FIG. 8, the short-circuit current density Jsc (mA / cm 2 ) on the vertical axis is a short-circuit current generated per unit area of the solar cell (a state in which the positive and negative electrodes of the solar cell are connected by a conductive wire and are short-circuited) Current). The amount of light absorption in the power generation layer 12 and the short-circuit current density Jsc are in a correspondence relationship. When the amount of absorption in the power generation layer 12 increases, the short-circuit current density Jsc also increases.

図8より、発電層12を十分に厚くすると、内部角度にあまり依存せずに、発電層12にて吸収が最大限行われるが、発電層12が薄く、1回で光を吸収しきれない厚さの場合は、発電層12に対して斜めに入射すると、発電層12の内部を光が斜め方向に伝搬するため、吸収量が増える。発電層12が薄い場合は、入射角が約60°付近で短絡電流密度Jsc(吸収量)が最大となり、垂直入射(入射角0°)に比べて約1.3倍多いことがわかる。   From FIG. 8, when the power generation layer 12 is made sufficiently thick, the power generation layer 12 absorbs the maximum amount without depending on the internal angle, but the power generation layer 12 is thin and cannot absorb light at one time. In this case, if the light is incident on the power generation layer 12 at an angle, the amount of absorption increases because light propagates in the power generation layer 12 in an oblique direction. When the power generation layer 12 is thin, the short-circuit current density Jsc (absorption amount) becomes maximum when the incident angle is about 60 °, which is about 1.3 times as large as that of the normal incidence (incident angle 0 °).

ここで、図5で示したように、基板14と同じ屈折率(例えば1.5)の凹凸シート3’を用いた構成では、上述したように、最大で約48°しか光を偏向することができず、1回の偏向で60°(発電層12が薄い場合に吸収量が最大となる角度)に偏向することはできない。このため、発電層12が薄い場合は、発電層12での1回の吸収量を増大させることはできない。   Here, as shown in FIG. 5, in the configuration using the concavo-convex sheet 3 ′ having the same refractive index (for example, 1.5) as that of the substrate 14, the light is deflected by about 48 ° at the maximum as described above. Cannot be deflected to 60 ° (the angle at which the absorption amount becomes maximum when the power generation layer 12 is thin) by one deflection. For this reason, when the power generation layer 12 is thin, the amount of absorption in the power generation layer 12 cannot be increased.

しかし、図7で示したように、凹凸シート3の屈折率を1.8にして、基板の屈折率(1.5)よりも高くすることにより、基板14内での偏向角度を0°〜84°にすることができ、これには吸収量が最大となる偏向角度60°が含まれる。したがって、凹凸シート3の形状設計(例えばアスペクト比)を工夫して、発電層12に対する入射角が約60°付近となるように、多くの光を偏向することにより、発電層12に1回目に入射する光の吸収量を増大させる可能となる。   However, as shown in FIG. 7, by setting the refractive index of the concavo-convex sheet 3 to 1.8 and higher than the refractive index (1.5) of the substrate, the deflection angle in the substrate 14 is set to 0 ° to 84 °, which includes a deflection angle of 60 ° at which the absorption is maximized. Therefore, by devising the shape design (for example, aspect ratio) of the concavo-convex sheet 3 and deflecting a large amount of light so that the incident angle with respect to the power generation layer 12 is about 60 °, It becomes possible to increase the amount of absorption of incident light.

なお、発電層12が厚い場合、図8より、発電層12への斜め入射による吸収量の増加の度合いが、発電層12が薄い場合に比べると小さいが、斜め入射によって垂直入射よりも吸収量が増大することに変わりはない。したがって、発電層12の厚さが、入射光の1回の吸収量が垂直入射(入射角0°)のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さであれば、屈折率の高い凹凸シート3によって、垂直入射のときよりも発電層12での吸収量が多くなるような角度に入射光を偏向させて、発電層12での吸収量を増大させることができると言える。   When the power generation layer 12 is thick, the degree of increase in the amount of absorption due to the oblique incidence on the power generation layer 12 is smaller than that in the case where the power generation layer 12 is thin as shown in FIG. Will continue to increase. Therefore, if the thickness of the power generation layer 12 is such that there is an incident angle range in which the amount of absorption of incident light once is greater than the amount of absorption when it is perpendicularly incident (incidence angle 0 °). The concavo-convex sheet 3 having a high refractive index can increase the amount of absorption in the power generation layer 12 by deflecting the incident light at an angle such that the amount of absorption in the power generation layer 12 is larger than that in normal incidence. It can be said.

(2回目以降に発電層12に入射する光の吸収量の増大について)
図9は、屈折率が1.5の凹凸シート3’の内部における、発電層12にて吸収されずに反射された光Lの光路を示す説明図である。光Lは、凹凸シート3’の凹凸面3bに入射し、その凹凸面3bの構造によって、スネルの法則により屈折して透過する光Lと、反射する光Lに分けられる。
(About an increase in the amount of absorption of light incident on the power generation layer 12 after the second time)
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the optical path of the light L 3 reflected without being absorbed by the power generation layer 12 inside the concavo-convex sheet 3 ′ having a refractive index of 1.5. The light L 3 is incident on the concavo-convex surface 3 b of the concavo-convex sheet 3 ′, and is divided into light L 5 that is refracted and transmitted by Snell's law and light L 4 that is reflected by the structure of the concavo-convex surface 3 b.

これに対して、図10は、屈折率が1.8の凹凸シート3の内部における、発電層12にて吸収されずに反射された光Lの光路を示す説明図である。光Lは、凹凸シート3の凹凸面3aに入射し、その凹凸面3aの構造によって、スネルの法則により屈折して透過する光Lと、反射する光Lに分けられる。このとき、凹凸シート3の屈折率が1.8と高いため、凹凸面3aに入射した光Lのうち、凹凸面3aでの全反射条件を満たす光が増大する。凹凸面3aの凸形状の内部で全反射を繰り返した光は、最終的に、基板14および発電層12側へ戻る光Lとなる。 On the other hand, FIG. 10 is an explanatory view showing the optical path of the light L 3 reflected without being absorbed by the power generation layer 12 inside the concavo-convex sheet 3 having a refractive index of 1.8. The light L 3 is incident on the concavo-convex surface 3 a of the concavo-convex sheet 3, and is divided into light L 5 that is refracted and transmitted according to Snell's law and light L 4 that is reflected by the structure of the concavo-convex surface 3 a. At this time, since the refractive index of the concave-convex sheet 3 is high and 1.8, of the light L 3 incident on the uneven surfaces 3a, satisfies the total reflection condition light in uneven surface 3a is increased. Light repeatedly totally reflected in the convex shape of the uneven surface 3a ultimately becomes light L 4 back to the substrate 14 and the power generation layer 12 side.

ここで、凹凸面3aを有する凹凸シート3では、凹凸面3aに基板14側から入射した光が反射する割合(反射率R)が、凹凸シート3の屈折率nの関数(R=1−1/n)で大まかに表されることが数値計算等で判明した。つまり、図11は、凹凸シート3の屈折率nと、基板14側から入射した光の凹凸面3aでの反射率Rとの関係を示している。凹凸シート3の凹凸形状(楕円半球、円錐、四角錐)によって多少の数値の違いはあるものの、それぞれの構造にて、屈折率nが高くなると反射率Rが高くなる傾向が見られた。しかも、屈折率nと反射率Rとの関係は、R=1−1/nの関数に漸近しており、凹凸シート3の屈折率nが高いほうが、反射率Rが高くなって、発電層12に2回目に入射する光が増大することがわかった。 Here, in the concavo-convex sheet 3 having the concavo-convex surface 3a, the ratio of the light incident on the concavo-convex surface 3a from the substrate 14 side (reflectance R) is a function of the refractive index n of the concavo-convex sheet 3 (R = 1-1). / N 2 ) was found by numerical calculation or the like. That is, FIG. 11 shows the relationship between the refractive index n of the concavo-convex sheet 3 and the reflectance R at the concavo-convex surface 3a of light incident from the substrate 14 side. Although there are some numerical differences depending on the concavo-convex shape of the concavo-convex sheet 3 (elliptical hemisphere, cone, quadrangular pyramid), the reflectance R tends to increase as the refractive index n increases in each structure. In addition, the relationship between the refractive index n and the reflectance R is asymptotic to a function of R = 1−1 / n 2 , and the higher the refractive index n of the concavo-convex sheet 3, the higher the reflectance R becomes. It was found that the light incident on layer 12 for the second time increased.

(まとめ)
以上、太陽電池1において、凹凸シート3の屈折率が発電素子2の最も凹凸シート3側に位置する層(上記の例では基板14)の屈折率よりも高いことにより、凹凸シート3から発電素子2に入射する光の入射角を増大させることができ、1回目に発電層12に入射する光を、発電層12での吸収量が多い入射角(発電層12が吸収しやすい入射角)に偏向することができる。これにより、1回目に入射する光の発電層12での吸収量を増大させる効果を高めることができる。特に、発電層12が薄い場合には、垂直入射よりも斜め入射のほうが発電層12での吸収量が顕著に増大するため、上述した効果がさらに高まる。
(Summary)
As described above, in the solar cell 1, the refractive index of the concavo-convex sheet 3 is higher than the refractive index of the layer (substrate 14 in the above example) located closest to the concavo-convex sheet 3 of the power generation element 2. The incident angle of the light incident on the power generation layer 12 can be increased, and the light incident on the power generation layer 12 at the first time has an incident angle with a large amount of absorption in the power generation layer 12 (incidence angle at which the power generation layer 12 is easily absorbed). Can be deflected. Thereby, the effect of increasing the absorption amount of the light incident on the power generation layer 12 at the first time can be enhanced. In particular, when the power generation layer 12 is thin, the amount of absorption in the power generation layer 12 is significantly increased in the oblique incidence than in the normal incidence, and thus the above-described effect is further enhanced.

また、凹凸シート3の屈折率が高いことにより、入射光が1回目に発電層12で吸収されずにそこで反射されたとしても、その反射された光が凹凸シート3の凹凸面3aで全反射する割合(反射率R)が増大するため、上記光を発電層12側に戻す閉じ込め効果を高めることができる。その結果、2回目以降に発電層12に入射する光の吸収量を増大させて、トータルでの光の利用効率(発電効率)を確実に増大させることができる。   Further, since the refractive index of the concavo-convex sheet 3 is high, even if incident light is reflected by the power generation layer 12 without being absorbed by the power generation layer 12 for the first time, the reflected light is totally reflected by the concavo-convex surface 3 a of the concavo-convex sheet 3. Since the ratio (reflectance R) to increase increases, the confinement effect which returns the said light to the electric power generation layer 12 side can be heightened. As a result, the amount of light incident on the power generation layer 12 after the second time can be increased, and the total light use efficiency (power generation efficiency) can be reliably increased.

なお、図11で示した凹凸シート3の屈折率nと反射率Rとの関係により、屈折率nが高いほど反射率Rが多くなるため、上記の閉じ込め効果は、凹凸シート3の屈折率nが高いほど大きいと言える。   Note that the higher the refractive index n, the higher the reflectance R due to the relationship between the refractive index n and the reflectance R of the concavo-convex sheet 3 shown in FIG. The higher the value, the larger

また、発電素子2において、基板14が最も凹凸シート3側に位置している構成において、凹凸シート3の屈折率が基板14の屈折率よりも高いので、そのような構成の太陽電池1において、上述した効果を得ることができる。   Further, in the power generation element 2, in the configuration in which the substrate 14 is located closest to the concave and convex sheet 3, the refractive index of the concave and convex sheet 3 is higher than the refractive index of the substrate 14, so in the solar cell 1 having such a configuration, The effect mentioned above can be acquired.

また、発電層12は、図8で示したように、入射光の1回の吸収量が垂直入射のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さを有しているので、発電層12での吸収量を増大させるべく、屈折率の高い凹凸シート3を設けて、発電素子2に対して入射光を斜めに入射させる本実施形態の構成が非常に有効となる。   Further, as shown in FIG. 8, the power generation layer 12 has such a thickness that there is an incident angle range in which the amount of absorption of incident light once is larger than the amount of absorption at the time of vertical incidence. Therefore, in order to increase the amount of absorption in the power generation layer 12, the configuration of the present embodiment in which the uneven sheet 3 having a high refractive index is provided and the incident light is obliquely incident on the power generation element 2 is very effective. .

(補足)
凹凸シート3の凹凸面3aの高さhを増大させると、凹凸面3aを介して発電層12に入射する光の入射角を増大させることができる。したがって、凹凸シート3の屈折率の調節と併せて、凹凸面3aの高さの調節を行うことにより、偏向角度を効率よく、発電層12での1回の吸収量が多い入射角に合わせることができる。
(Supplement)
Increasing the height h of the uneven surface 3a of the uneven sheet 3 can increase the incident angle of light incident on the power generation layer 12 through the uneven surface 3a. Therefore, by adjusting the height of the concavo-convex surface 3 a together with the adjustment of the refractive index of the concavo-convex sheet 3, the deflection angle can be efficiently adjusted to the incident angle with a large amount of absorption in the power generation layer 12. Can do.

また、例えば、凹凸シート3の屈折率によっては、凹凸シート3にて1回で偏向できる角度が、発電層12での1回の吸収量が多い入射角(例えば60°)に届かない場合もある。このような場合でも、凹凸面3aの高さを調節することで、屈折率のさらに大きな凹凸シート3で代替することなく、偏向角度を発電層12での1回の吸収量が多い入射角に合わせることができる。   Further, for example, depending on the refractive index of the concavo-convex sheet 3, the angle that can be deflected once by the concavo-convex sheet 3 may not reach the incident angle (for example, 60 °) at which the amount of absorption at the power generation layer 12 is large. is there. Even in such a case, by adjusting the height of the concavo-convex surface 3a, the deflection angle can be changed to an incident angle with a large amount of absorption in the power generation layer 12 without replacing with the concavo-convex sheet 3 having a higher refractive index. Can be matched.

(反射防止機構について)
凹凸シート3の屈折率を基板14よりも高くする利点は上述の通りであるが、凹凸シート3の屈折率を高くすると、外部から凹凸シート3に光が入射する場合の表面反射(フレネル反射)による損失(光利用効率の低下)が考えられる。そこで、図12および図13に示すように、凹凸シート3の凹凸面3aに、入射光の表面反射を防止するための反射防止機構20を設けることが望ましい。
(Antireflection mechanism)
The advantages of making the refractive index of the concavo-convex sheet 3 higher than that of the substrate 14 are as described above. However, if the refractive index of the concavo-convex sheet 3 is increased, surface reflection when light enters the concavo-convex sheet 3 from the outside (Fresnel reflection). Loss (decrease in light utilization efficiency). Therefore, as shown in FIGS. 12 and 13, it is desirable to provide an antireflection mechanism 20 for preventing the surface reflection of incident light on the uneven surface 3 a of the uneven sheet 3.

図12は、反射防止機構20を反射防止膜21で構成した場合の凹凸シート3の断面図であり、図13は、反射防止膜20を反射防止構造22で構成した場合の凹凸シート3の断面図である。反射防止膜21は、凹凸面3aの表面にコーティングされる誘電体多層膜である。反射防止構造22は、凹凸面3aの表面をさらに凹凸状に粗面化した構造である。このような反射防止構造22は、凹凸面3aの表面に形成される凹凸が一方向(例えば凹凸シート3と基板14との界面に垂直な方向)を向くものであれば、凹凸シート3の成形時に用いる金型の形状を工夫することにより、実現することができる。   FIG. 12 is a cross-sectional view of the concavo-convex sheet 3 when the antireflection mechanism 20 is configured by the antireflection film 21, and FIG. 13 is a cross section of the concavo-convex sheet 3 when the antireflection film 20 is configured by the antireflection structure 22. FIG. The antireflection film 21 is a dielectric multilayer film coated on the surface of the uneven surface 3a. The antireflection structure 22 is a structure in which the surface of the uneven surface 3a is further roughened into an uneven shape. Such an antireflection structure 22 is formed on the uneven surface 3a if the unevenness formed on the surface of the uneven surface 3a faces in one direction (for example, a direction perpendicular to the interface between the uneven sheet 3 and the substrate 14). It can be realized by devising the shape of the mold used sometimes.

このように、凹凸シート3の凹凸面3aに反射防止機構20が設けられていることにより、凹凸面3aでの表面反射による光の損失(フレネル損失)を低減して、発電層12での入射光量および吸収量を増大させ、光利用効率(発電効率)を高めることができる。   Thus, by providing the anti-reflection mechanism 20 on the uneven surface 3 a of the uneven sheet 3, light loss (Fresnel loss) due to surface reflection at the uneven surface 3 a is reduced, and incident on the power generation layer 12. The amount of light and the amount of absorption can be increased, and the light utilization efficiency (power generation efficiency) can be increased.

また、反射防止機構20を反射防止膜21または反射防止構造22で構成することにより、凹凸面3aでのフレネル損失を確実に低減して、光利用効率を確実に高めることができる。   In addition, by configuring the antireflection mechanism 20 with the antireflection film 21 or the antireflection structure 22, it is possible to reliably reduce the Fresnel loss on the uneven surface 3a and to reliably increase the light utilization efficiency.

また、特に太陽光発電では、非常に広い波長領域、入射角度において反射防止効果を高める必要があるが、反射防止膜21では、広い波長域で反射防止効果を高めるためには、膜構成(材料、層数など)が複雑になる。この点、反射防止構造22では、反射防止構造22を構成する凹部または凸部の形成ピッチおよび高低差を、利用波長、すなわち、発電層12にて光電変換される光の波長域(例えば400nm〜700nm)の最短波長よりも短くすることで(例えばピッチ200nm以下、高低差200nm以上400nm未満)、入射光の波長域が広く、入射角度範囲が広い場合でも、フレネル損失を低減する効果を得ることができる。したがって、反射防止機構20としては、反射防止構造22を用いることが望ましい。   In particular, in the case of photovoltaic power generation, it is necessary to enhance the antireflection effect in a very wide wavelength region and incident angle. In the antireflection film 21, in order to enhance the antireflection effect in a wide wavelength region, a film configuration (material) , The number of layers, etc.) becomes complicated. In this regard, in the antireflection structure 22, the formation pitch and the height difference of the concave portions or the convex portions constituting the antireflection structure 22 are determined according to the use wavelength, that is, the wavelength range of light that is photoelectrically converted by the power generation layer 12 (for example, 400 nm to 400 nm). 700 nm) (for example, a pitch of 200 nm or less, a height difference of 200 nm or more and less than 400 nm), an effect of reducing the Fresnel loss can be obtained even when the wavelength range of incident light is wide and the incident angle range is wide. Can do. Therefore, it is desirable to use the antireflection structure 22 as the antireflection mechanism 20.

(実施例)
次に、太陽電池1の発電層12の厚さ、凹凸シート3の有無、凹凸シート3の屈折率、反射防止構造22の有無と、発電層12で発生する短絡電流密度との関係について、実施例1〜4として説明する。また、実施例1〜4との比較のため、比較例1〜3も併せて示す。なお、凹凸シート3の凹凸面3aは、いずれも、楕円半球の2次元配置によって形成されているものとした。また、凹凸シート3が設置される基板14の屈折率は、いずれも1.52とした。
(Example)
Next, regarding the relationship between the thickness of the power generation layer 12 of the solar cell 1, the presence or absence of the uneven sheet 3, the refractive index of the uneven sheet 3, the presence or absence of the antireflection structure 22, and the short-circuit current density generated in the power generation layer 12 This will be described as Examples 1 to 4. Moreover, Comparative Examples 1-3 are also shown for the comparison with Examples 1-4. In addition, all the uneven | corrugated surface 3a of the uneven | corrugated sheet | seat 3 shall be formed by the two-dimensional arrangement | positioning of the elliptical hemisphere. Moreover, the refractive index of the board | substrate 14 with which the uneven | corrugated sheet | seat 3 is installed was 1.52.

Figure 0005640952
Figure 0005640952

比較例1および2、実施例1および2は、発電層12の厚さが100nmと薄い場合の結果を示している。一方、比較例3、実施例3および4は、発電層12の厚さが300nmと比較的厚い場合の結果を示している。これらの比較例および実施例から、発電層12が厚い場合でも、薄い場合でも、基板(屈折率;1.52)よりも高い屈折率の凹凸シート3を設けることで、短絡電流密度が増大し、反射防止構造22を設けることにより、短絡電流密度がさらに増大することがわかった。   Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2 show the results when the thickness of the power generation layer 12 is as thin as 100 nm. On the other hand, Comparative Example 3 and Examples 3 and 4 show the results when the thickness of the power generation layer 12 is relatively thick at 300 nm. From these comparative examples and examples, whether the power generation layer 12 is thick or thin, the short-circuit current density is increased by providing the concavo-convex sheet 3 having a refractive index higher than that of the substrate (refractive index; 1.52). It was found that the short-circuit current density is further increased by providing the antireflection structure 22.

(凹凸面の形状のバリエーションについて)
図14〜図20は、凹凸シート3の凹凸面3aの形状のバリエーションを示すものであって、いずれも、(a)は凹凸シート3の断面図を示し、(b)は凹凸シート3の平面図を示している。凹凸シート3の凹凸面3aの形状は、楕円半球の2次元配置によって形成されるものに限定されるわけではない。
(Regarding variations in uneven surface shape)
14-20 shows the variation of the shape of the uneven surface 3a of the uneven sheet 3, (a) shows sectional drawing of the uneven sheet 3, (b) is the plane of the uneven sheet 3 The figure is shown. The shape of the concavo-convex surface 3a of the concavo-convex sheet 3 is not limited to that formed by a two-dimensional arrangement of elliptical hemispheres.

つまり、図14(a)(b)に示すように、凹凸面3aは、断面が真円の半球を2次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図15(a)(b)に示すように、凹凸面3aは、円錐を2次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図16(a)(b)に示すように、凹凸面3aは、四角錐を2次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図17(a)(b)に示すように、凹凸面3aは、円錐台を2次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図18(a)(b)に示すように、凹凸面3aは、四角錐台を2次元的に配置することによって形成されていてもよい。また、図19(a)(b)に示すように、凹凸面3aは、一方向に伸びたプリズム(例えば断面三角形の三角プリズム)を並列に設けることによって形成されていてもよい。また、図20(a)(b)に示すように、凹凸面3aは、一方向に伸びたシリンドリカルレンズを並列に設けることによって形成されていてもよい。   That is, as shown in FIGS. 14A and 14B, the uneven surface 3a may be formed by two-dimensionally arranging a hemisphere having a perfect cross section. Moreover, as shown to Fig.15 (a) (b), the uneven surface 3a may be formed by arrange | positioning a cone two-dimensionally. Moreover, as shown to Fig.16 (a) (b), the uneven surface 3a may be formed by arrange | positioning a quadrangular pyramid two-dimensionally. Moreover, as shown to Fig.17 (a) (b), the uneven surface 3a may be formed by arrange | positioning a truncated cone two-dimensionally. Moreover, as shown to Fig.18 (a) (b), the uneven surface 3a may be formed by arrange | positioning a square pyramid two-dimensionally. Further, as shown in FIGS. 19A and 19B, the uneven surface 3a may be formed by providing in parallel prisms extending in one direction (for example, triangular prisms having a triangular cross section). Further, as shown in FIGS. 20A and 20B, the uneven surface 3a may be formed by providing in parallel a cylindrical lens extending in one direction.

上記したいずれの構成であっても、凹凸面3aの高さ(凹部と凸部との高低差)を適切に設定することにより、外部から入射する光を凹凸面3aで大きく偏向させて、発電層12に対して斜めに入射させ、発電層12での吸収量を高める効果を増大させることができる。また、   In any of the above-described configurations, by appropriately setting the height of the uneven surface 3a (the difference in height between the concave portion and the convex portion), the light incident from the outside is largely deflected by the uneven surface 3a to generate power. It is possible to increase the effect of increasing the amount of absorption in the power generation layer 12 by entering the layer 12 obliquely. Also,

また、図21は、凹凸面3aが半球形状である場合に、凹凸シート3に垂直に入射して発電層12に入射する光の入射角ごとの相対的な比率(配光分布)を示している。ここでは、上記の半球形状として、断面が真円の半球と断面が楕円の半球との両者について示す。   FIG. 21 shows a relative ratio (light distribution) for each incident angle of light that is perpendicularly incident on the uneven sheet 3 and incident on the power generation layer 12 when the uneven surface 3a is hemispherical. Yes. Here, as the above-described hemispherical shape, both a hemisphere having a perfect cross section and a hemisphere having an elliptic cross section are shown.

凹凸面3aが半球形状である場合、入射光の凹凸面3aに対する入射位置によって屈折方向が異なるため、図21に示すように、発電層12に入射する光の入射角に分布を持たせることができる。これにより、広い入射角範囲で発電層12に光を入射させて、発電層12での吸収量を上げることが可能となる。   When the uneven surface 3a has a hemispherical shape, the direction of refraction differs depending on the incident position of the incident light with respect to the uneven surface 3a. Therefore, as shown in FIG. 21, the incident angle of the light incident on the power generation layer 12 can be distributed. it can. Thereby, light can be incident on the power generation layer 12 in a wide incident angle range, and the amount of absorption in the power generation layer 12 can be increased.

また、図22は、凹凸面3aが円錐形状である場合に、凹凸シート3に垂直に入射して発電層12に入射する光の入射角ごとの相対的な比率(配光分布)を示している。図22に示すように、凹凸面3aを円錐で形成した場合には、発電層12に対する光の入射角がほぼ1つの角度に集中する。つまり、凹凸面3aでの屈折により、入射光を1つの方向に集中して偏向することができる。しかも、凹凸面3aのアスペクト比a(=h/d)を変えることで、集中する入射角を変えることができる。これにより、上述した凹凸シート3の屈折率の調節と併せて、発電層12にて吸収量が多い入射角に合うように、凹凸面3aのアスペクト比aを設定することで、発電層12での光の吸収効率を上げることが可能となる。   FIG. 22 shows a relative ratio (light distribution distribution) for each incident angle of light that is perpendicularly incident on the uneven sheet 3 and incident on the power generation layer 12 when the uneven surface 3a has a conical shape. Yes. As shown in FIG. 22, when the uneven surface 3a is formed as a cone, the incident angle of the light with respect to the power generation layer 12 is concentrated at almost one angle. That is, incident light can be concentrated and deflected in one direction by refraction at the concavo-convex surface 3a. Moreover, by changing the aspect ratio a (= h / d) of the concavo-convex surface 3a, the concentrated incident angle can be changed. Thereby, in addition to the adjustment of the refractive index of the concavo-convex sheet 3 described above, by setting the aspect ratio a of the concavo-convex surface 3a so as to match the incident angle at which the power generation layer 12 absorbs a large amount, It is possible to increase the light absorption efficiency.

なお、このような効果は、凹凸面3aが円錐以外の錐系(例えば四角錐)で形成されている場合や、プリズムの並列配置によって形成されている場合でも、同様に得ることができる。   Such an effect can be obtained in the same manner even when the uneven surface 3a is formed by a conical system other than a cone (for example, a quadrangular pyramid) or by a parallel arrangement of prisms.

なお、図21および図22において、入射角0°における比率が高いのは、凹凸面3aが平面部(図4の平面部3aに相当)を有していることに起因する。つまり、半球や円錐を2次元的に並べて凹凸面3aを形成すると、いくらこれらを密に並べても、隣接する半球や円錐間には凹凸が生じない平面部ができる。この平面部に光が垂直に入射すると、その光は平面部にて偏向されずに、発電層12に垂直に(入射角0°で)入射する。このため、図21および図22では、入射角0°における比率が高くなっている。 Note that in FIG. 21 and FIG. 22, the high proportion of the incident angle of 0 ° is due to the uneven surface 3a has a flat portion (corresponding to the flat portion 3a 2 of FIG. 4). In other words, when the uneven surface 3a is formed by two-dimensionally arranging hemispheres and cones, a flat portion can be formed between the adjacent hemispheres and cones, no matter how densely they are arranged. When light enters the plane portion perpendicularly, the light is not deflected by the plane portion and enters the power generation layer 12 perpendicularly (with an incident angle of 0 °). For this reason, in FIGS. 21 and 22, the ratio at an incident angle of 0 ° is high.

なお、以上では、凹凸面3aの形状が、半球凸形状(楕円半球凸形状、真円半球凸形状)、円錐凸形状、四角錐凸形状、円錐台凸形状、四角錐台凸形状、プリズム凸形状、シリンドリカル凸形状である場合について説明したが、上記とは逆の凹凸形状、つまり、半球凹形状(楕円半球凹形状、真円半球凹形状)、円錐凹形状、四角錐凹形状、円錐台凹形状、四角錐台凹形状、プリズム凹形状、シリンドリカル凹形状であっても、凸形状の場合と同様の傾向を示す。   In addition, in the above, the shape of the uneven surface 3a is a hemispherical convex shape (an elliptical hemispherical convex shape, a perfect circular hemispherical convex shape), a conical convex shape, a quadrangular pyramid convex shape, a truncated cone convex shape, a quadrangular pyramid convex shape, a prism convex shape. The case where the shape is a cylindrical convex shape has been described, but the concave and convex shape opposite to the above, that is, a hemispherical concave shape (an elliptical hemispherical concave shape, a perfect circular hemispherical concave shape), a conical concave shape, a quadrangular pyramidal concave shape, a truncated cone Even in the concave shape, the truncated pyramid shape, the prism concave shape, and the cylindrical concave shape, the same tendency as in the convex shape is exhibited.

したがって、以上のことを総合すると、凹凸シート3の凹凸面3aは、発電素子2とは反対側に凸または発電素子2側に凹となる単位構造を2次元的に配置することによって形成されており、上記の単位構造は、楕円半球を含む半球、円錐、四角錐、円錐台、四角錐台のいずれかの形状であってもよいと言える。また、凹凸シート3の凹凸面3aは、発電素子2とは反対側に凸または発電素子2側に凹となる単位構造を並列に配置することによって形成されており、上記の単位構造は、プリズムまたはシリンドリカルレンズの形状であってもよいと言える。   Therefore, in summary of the above, the concavo-convex surface 3a of the concavo-convex sheet 3 is formed by two-dimensionally arranging unit structures that are convex on the opposite side of the power generation element 2 or concave on the power generation element 2 side. Thus, it can be said that the unit structure may have any shape of a hemisphere including an elliptical hemisphere, a cone, a quadrangular pyramid, a truncated cone, and a truncated pyramid. Further, the uneven surface 3a of the uneven sheet 3 is formed by arranging in parallel a unit structure that is convex on the opposite side of the power generation element 2 or concave on the power generation element 2 side. Or it can be said that the shape of a cylindrical lens may be sufficient.

なお、凹凸面3aの平面部の面積、つまり、凹凸面3aにおける基板14と平行な面の面積は小さいほうが望ましい。これは、平面部の面積が小さいほうが、光発電層12に対する垂直入射光の割合が減って、凹凸面3a全体としての偏向効果が高くなり、発電効率もよりよくなるためである。   In addition, it is desirable that the area of the flat portion of the uneven surface 3a, that is, the area of the surface parallel to the substrate 14 in the uneven surface 3a is small. This is because the smaller the area of the flat portion, the lower the ratio of perpendicular incident light to the photovoltaic layer 12, the higher the deflection effect of the uneven surface 3a as a whole, and the better the power generation efficiency.

(太陽電池の他の構成について)
図23は、太陽電池1の他の構成を示す説明図である。太陽電池1の発電素子2は、以下の構成であってもよい。すなわち、発電素子2は、上記の基板14上に、裏面電極11、発電層12、透明電極13、保護層15の各層をこの順で積層して構成されてもよい。そして、凹凸シート3は、保護層15上に設置されてもよい。
(About other configurations of solar cells)
FIG. 23 is an explanatory diagram showing another configuration of the solar cell 1. The power generation element 2 of the solar cell 1 may have the following configuration. That is, the power generation element 2 may be configured by laminating the back electrode 11, the power generation layer 12, the transparent electrode 13, and the protective layer 15 in this order on the substrate 14. And the uneven | corrugated sheet | seat 3 may be installed on the protective layer 15. FIG.

つまり、この太陽電池1では、発電層12に対して基板14とは反対側で、発電素子2の最も凹凸シート3側に、保護層15が位置している。保護層15は、発電層12を保護するための光透過性のラミネート層であり、例えばEVA樹脂(Ethylene-Vinyl Acetate )やETFE樹脂(Ethylene tetrafluoroethylene)で構成されている。   That is, in this solar cell 1, the protective layer 15 is located on the side opposite to the substrate 14 with respect to the power generation layer 12 and on the most uneven sheet 3 side of the power generation element 2. The protective layer 15 is a light-transmitting laminate layer for protecting the power generation layer 12, and is made of, for example, EVA resin (Ethylene-Vinyl Acetate) or ETFE resin (Ethylene tetrafluoroethylene).

なお、基板14は、ガラス基板のほかに可撓性を有するフレキシブル基板で構成されていてもよい。また、裏面電極11は、ITOなどを材料とする透明電極で構成されていてもよい。   In addition, the board | substrate 14 may be comprised with the flexible board | substrate which has flexibility other than a glass substrate. Moreover, the back surface electrode 11 may be comprised with the transparent electrode which uses ITO etc. as a material.

発電素子2が上記のように構成される場合、凹凸シート3の屈折率は、発電素子2の最も凹凸シート3側に位置する保護層15の屈折率よりも高く設定されていればよい。例えば、保護層15が、上記したETFE(屈折率;1.42)やEVA(屈折率;1.482)で構成されている場合、凹凸シート3としては、例えばPC(屈折率1.59)やエポキシ樹脂(屈折率;1.55〜1.61)用いることができ、その他、高屈折率(屈折率;1.8)の樹脂(例えば高屈折率を有する無機(TiOなど)微粒子を含有する有機無機混合材)を用いることもできる。 When the power generation element 2 is configured as described above, the refractive index of the uneven sheet 3 only needs to be set higher than the refractive index of the protective layer 15 positioned closest to the uneven sheet 3 of the power generation element 2. For example, when the protective layer 15 is composed of the above-mentioned ETFE (refractive index; 1.42) or EVA (refractive index; 1.482), the concavo-convex sheet 3 is, for example, PC (refractive index 1.59). And epoxy resin (refractive index; 1.55 to 1.61) can be used, as well as resin having a high refractive index (refractive index; 1.8) (for example, inorganic (TiO 2 or the like) fine particles having a high refractive index). It is also possible to use an organic-inorganic mixed material).

このように、発電素子2の最も凹凸シート3側に保護層15を位置させて、この保護層15上に凹凸シート3を設置する構成の太陽電池1においても、凹凸シート3の屈折率を保護層15の屈折率よりも高く設定することにより、上述した本実施形態の効果を得ることができる。すなわち、凹凸シート3によって入射光の偏向角度を増大させて、1回目に発電層12に入射する光の吸収量を増大させる効果を高めることができる。また、発電層12に入射してそこで反射された光の凹凸面3aでの反射率を増大させて、上記光の閉じ込め効果を高めることができ、2回目以降に発電層12に入射する光の吸収量を増大させて、トータルでの光の利用効率を確実に増大させることができる。   As described above, the refractive index of the concavo-convex sheet 3 is also protected in the solar cell 1 in which the protective layer 15 is positioned closest to the concavo-convex sheet 3 of the power generating element 2 and the concavo-convex sheet 3 is installed on the protective layer 15. By setting the refractive index higher than that of the layer 15, the effect of the present embodiment described above can be obtained. That is, the effect of increasing the amount of light incident on the power generation layer 12 for the first time by increasing the deflection angle of the incident light by the uneven sheet 3 can be enhanced. Moreover, the reflectance of the uneven surface 3a of the light incident on the power generation layer 12 and reflected there can be increased, so that the light confinement effect can be enhanced, and the light incident on the power generation layer 12 after the second time can be increased. By increasing the amount of absorption, the total light utilization efficiency can be reliably increased.

本発明は、有機薄膜太陽電池に利用可能である。   The present invention is applicable to organic thin film solar cells.

1 太陽電池(有機薄膜太陽電池)
2 発電素子
3 凹凸シート
3a 凹凸面
12 発電層
14 基板
15 保護層
20 反射防止機構
21 反射防止膜
22 反射防止構造
1 Solar cell (organic thin-film solar cell)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Power generation element 3 Uneven surface 3a Uneven surface 12 Power generation layer 14 Substrate 15 Protective layer 20 Antireflection mechanism 21 Antireflection film 22 Antireflection structure

Claims (10)

有機薄膜からなる発電層を含む複数の層を積層した発電素子と、
前記発電素子の光入射側の面に設置され、前記発電素子とは反対側の表面が凹凸面である凹凸シートとを備えた有機薄膜太陽電池であって、
前記凹凸シートの屈折率は、前記凹凸シートに略垂直に入射して、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置する層の内部で偏向される光の偏向角度の範囲に、前記発電層での1回の吸収量が最大となる偏向角度が含まれるように、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置する層の屈折率よりも高く設定されていることを特徴とする有機薄膜太陽電池。
A power generation element in which a plurality of layers including a power generation layer made of an organic thin film are stacked;
An organic thin-film solar cell that is provided on a light incident side surface of the power generation element, and an uneven sheet whose surface opposite to the power generation element is an uneven surface,
The refractive index of the concavo-convex sheet is approximately perpendicular to the concavo-convex sheet and is within the range of the deflection angle of light deflected inside the layer closest to the concavo-convex sheet of the power generation element. The organic thin-film solar cell is set to be higher than the refractive index of the layer located closest to the concave-convex sheet of the power generation element so that the deflection angle at which the one-time absorption amount is maximum is included .
有機薄膜からなる発電層を含む複数の層を積層した発電素子と、A power generation element in which a plurality of layers including a power generation layer made of an organic thin film are stacked;
前記発電素子の光入射側の面に設置され、前記発電素子とは反対側の表面が凹凸面である凹凸シートとを備えた有機薄膜太陽電池であって、An organic thin-film solar cell that is provided on a light incident side surface of the power generation element, and an uneven sheet whose surface opposite to the power generation element is an uneven surface,
前記凹凸シートの屈折率は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置する層の屈折率よりも高く設定されており、The refractive index of the uneven sheet is set higher than the refractive index of the layer located closest to the uneven sheet side of the power generation element,
前記凹凸シートに略垂直に入射して、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置する層の内部で偏向される光の偏向角度の範囲に、前記発電層での1回の吸収量が最大となる偏向角度が含まれるように、前記凹凸シートの屈折率の設定に加えて前記凹凸面の高さが設定されていることを特徴とする有機薄膜太陽電池。The amount of absorption at one time in the power generation layer is the maximum within the range of the deflection angle of light that is incident substantially perpendicularly to the concave-convex sheet and is deflected inside the layer located closest to the concave-convex sheet of the power generation element. In addition to setting the refractive index of the concavo-convex sheet, the height of the concavo-convex surface is set so as to include a deflection angle.
前記発電素子は、前記発電層を支持するための光透過性の基板を、前記複数の層のうちの1つの層として含んでおり、The power generation element includes a light-transmitting substrate for supporting the power generation layer as one of the plurality of layers,
前記基板は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、The substrate is located on the most uneven sheet side of the power generating element,
前記凹凸シートの屈折率は、前記基板の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項1または2に記載の有機薄膜太陽電池。The organic thin-film solar cell according to claim 1 or 2, wherein a refractive index of the uneven sheet is higher than a refractive index of the substrate.
前記発電素子は、前記発電層を支持するための基板と、前記発電層に対して前記基板とは反対側に位置して、前記発電層を保護する光透過性の保護層とを、それぞれ前記複数の層のうちの1つの層として含んでおり、The power generation element includes a substrate for supporting the power generation layer, and a light-transmitting protective layer that is located on the opposite side of the power generation layer from the substrate and protects the power generation layer. Including as one of a plurality of layers,
前記保護層は、前記発電素子の最も前記凹凸シート側に位置しており、The protective layer is located on the most uneven sheet side of the power generation element,
前記凹凸シートの屈折率は、前記保護層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項1または2に記載の有機薄膜太陽電池。  The organic thin film solar cell according to claim 1 or 2, wherein the refractive index of the uneven sheet is higher than the refractive index of the protective layer.
前記発電層は、入射光の1回の吸収量が垂直入射のときの吸収量よりも多くなるような入射角の範囲が存在する厚さを有していることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。The power generation layer has a thickness in which there is an incident angle range in which an absorption amount of incident light is larger than an absorption amount at the time of normal incidence. 4. The organic thin film solar cell according to any one of 4 above. 前記凹凸シートの前記凹凸面には、入射光の表面反射を防止するための反射防止機構が設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。The organic thin film solar cell according to any one of claims 1 to 5, wherein an antireflection mechanism for preventing surface reflection of incident light is provided on the uneven surface of the uneven sheet. 前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面にコーティングされる誘電体多層膜からなる反射防止膜であることを特徴とする請求項6に記載の有機薄膜太陽電池。The organic thin film solar cell according to claim 6, wherein the antireflection mechanism is an antireflection film made of a dielectric multilayer film coated on a surface of the uneven surface. 前記反射防止機構は、前記凹凸面の表面を粗面化した反射防止構造で構成されていることを特徴とする請求項6に記載の有機薄膜太陽電池。The organic thin film solar cell according to claim 6, wherein the antireflection mechanism includes an antireflection structure in which a surface of the uneven surface is roughened. 前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を2次元的に配置することによって形成されており、The concavo-convex surface of the concavo-convex sheet is formed by two-dimensionally arranging unit structures that are convex on the side opposite to the power generation element or concave on the power generation element side,
前記単位構造は、楕円半球を含む半球、円錐、四角錐、円錐台、四角錐台のいずれかの形状であることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。  The organic thin-film solar cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the unit structure has any one of a hemisphere including an elliptical hemisphere, a cone, a quadrangular pyramid, a truncated cone, and a quadrangular pyramid.
前記凹凸シートの前記凹凸面は、前記発電素子とは反対側に凸または前記発電素子側に凹となる単位構造を並列に配置することによって形成されており、The concavo-convex surface of the concavo-convex sheet is formed by arranging in parallel unit structures that are convex on the side opposite to the power generation element or concave on the power generation element side,
前記単位構造は、プリズムまたはシリンドリカルレンズの形状であることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の有機薄膜太陽電池。The organic thin-film solar cell according to claim 1, wherein the unit structure is in the shape of a prism or a cylindrical lens.
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