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太陽電池および光電変換素子 NEW 外国出願あり

国内特許コード P180015467
整理番号 80-P2008-128-JP02
掲載日 2018年11月19日
出願番号 特願2011-511480
登録番号 特許第5392795号
出願日 平成22年4月27日(2010.4.27)
登録日 平成25年10月25日(2013.10.25)
国際出願番号 JP2010057846
国際公開番号 WO2010126162
国際出願日 平成22年4月27日(2010.4.27)
国際公開日 平成22年11月4日(2010.11.4)
優先権データ
  • 特願2009-108593 (2009.4.28) JP
発明者
  • 石橋 晃
出願人
  • 国立大学法人北海道大学
発明の名称 太陽電池および光電変換素子 NEW 外国出願あり
発明の概要 光電変換用の半導体層を挟むようにアノード電極およびカソード電極を設け、カソード電極に絶縁膜を介して電場印加用電極を設けることにより太陽電池を構成する。アノード電極とカソード電極との間を最短で結ぶ方向に垂直方向から半導体層に光を入射させる。半導体層のバンドギャップあるいはHOMO-LUMOギャップを光の進行方向に沿って順に段階的および/または連続的に減少させる。
従来技術、競合技術の概要


未来の循環型社会のキーテクノロジーとして、また単に地球温暖化を防止するのみならず、自然環境の調和した緑の地球を次代の人類に手渡すためには、太陽光のより一層の有効利用が望まれる。この観点から世界的に太陽電池が注目され、光電変換効率の向上や製造コストの低減を図るべく盛んに研究開発が行われている。
従来の太陽電池としては、アモルファスまたは結晶シリコンを用いた太陽電池、GaAs結晶を用いた太陽電池、有機半導体を用いた太陽電池などが知られている。これらの太陽電池は、p型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合をアノード電極とカソード電極との間に挟んだ構造を有し、pn接合の接合面に太陽光が垂直入射するタイプのものが一般的である(例えば、D.J.Friedman,J.F.Geisz,S.R.Kurtz,and J.M.Olson,July 1998・NREL/CP-520-23874参照)。他方、光電変換効率の大幅な向上を図ることを目的として、最近、pn接合の接合面に平行に太陽光が入射するタイプの太陽電池が提案されている(例えば、日本国特許第4022631号明細書参照)。
これまで、無機半導体を用いた太陽電池の光電変換効率としては、結晶シリコンを用いたもので24.7%、GaAs薄膜を用いたもので24.5%、アモルファスシリコン(a-Si)/Cu(In,Ga)Se(CIGS)接合を用いたもので14.6%、マルチ接合を用いたものとしてはGaInP/GaAs/Geを用いたもので32%、GaInP/GaAs/GaInAsを用いたもので37.9%が報告されている(例えば、Green,Prog.PV Res.Appl.,13(2005)387参照)。また、有機半導体を用いた太陽電池の光電変換効率としては、ペンタセン/C60を用いたもので2.7%(例えば、Yoo,APL 85(2004)5237参照)、共役系高分子P3HTとフラーレン誘導体PCBMとを用いたもので約5%が報告されているが、無機半導体を用いた太陽電池の光電変換効率と比べると極めて低い。
一方、近年、太陽電池の製造コストの低減を図るために、太陽電池の半導体層を塗布技術を用いて作製する方法が注目されている。この方法で用いられる塗布可能な半導体としては、シリコンなどからなる半導体微粒子や有機半導体などがある。
しかしながら、塗布可能な半導体を用いて塗布技術により半導体層を作製した従来の太陽電池では、半導体層が無機半導体からなる場合であると有機半導体からなる場合であるとを問わず、低い光電変換効率しか得られていない。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、塗布可能な半導体を用いて塗布技術により半導体層を作製した場合であっても、極めて高い光電変換効率を得ることができ、しかも大面積化も極めて容易な太陽電池および光電変換素子を提供することである。
上記課題および他の課題は、添付図面を参照した本明細書の記述によって明らかとなるであろう。

産業上の利用分野


この発明は、太陽電池および光電変換素子に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
半導体層と、
上記半導体層を挟むように設けられたアノード電極およびカソード電極と、
上記カソード電極の外側に絶縁層を介して設けられた、上記半導体層の面に垂直な方向に電場を印加するための電場印加用電極とを有し、
上記アノード電極および上記カソード電極間を最短で結ぶ直線に交差する方向から上記半導体層に光を入射させ、
上記半導体層のバンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップが上記光の進行方向に沿ってN段階(N≧2)に段階的に減少しており、
上記アノード電極および上記カソード電極間を最短で結ぶ直線の方向にx軸を取り、このx軸の原点を上記半導体層と上記アノード電極との界面とし、このx軸に垂直にy軸を取り、このy軸の原点を上記半導体層に対する光の入射面としたとき、動作時に、上記電場印加用電極と上記アノード電極との間に、上記電場印加用電極側が高電位となるように電圧Vを印加し、それによって、上記半導体層のうちのバンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップがEgi(1≦i≦N)の各領域において、伝導帯でx軸方向に印加される電場を∂ECB/∂x(ECBは伝導帯の下端の電位)、価電子帯でx軸方向に印加される電場を∂EVB/∂x(EVBは価電子帯の上端の電位)とし、伝導帯でy軸方向に印加される電場を∂ECB/∂y、価電子帯でy軸方向に印加される電場を∂EVB/∂yとし、上記バンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップがEgiの領域の吸収係数をα、上記バンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップがEgiの領域の上記アノード電極と上記カソード電極との間のキャリアの移動時間をτ、y軸方向のキャリアの拡散係数をD、y軸方向の上記バンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップがEgiの領域の長さをWとしたとき、〈∂ECB/∂x〉>〈∂ECB/∂y〉かつ〈∂EVB/∂x〉>〈∂EVB/∂y〉(〈〉は平均電場を意味する。)が満たされ、かつ、W>max(1/α,(Dτ1/2)が満たされるように、上記半導体層の厚さd、電圧Vおよび長さWが選ばれていることを特徴とする太陽電池。

【請求項2】
上記半導体層と上記第1の電極および上記第2の電極とがオーミック接触していることを特徴とする請求の範囲1記載の太陽電池。

【請求項3】
上記半導体層のうちの上記第1の電極および上記第2の電極が接触する部分以外の部分は真性半導体、ノンドープ半導体または低不純物濃度の半導体からなることを特徴とする請求の範囲2記載の太陽電池。

【請求項7】
上記第1の電極、上記半導体層、上記第2の電極および上記第3の電極が所定の中心の周りに渦巻き状または同心形状に形成されていることを特徴とする請求の範囲1記載の太陽電池。

【請求項8】
上記第1の電極、上記半導体層、上記第2の電極および上記第3の電極が繊維状に形成されていることを特徴とする請求の範囲1記載の太陽電池。

【請求項9】
上記太陽電池は全体として板状または布状であることを特徴とする請求の範囲1記載の太陽電池。

【請求項10】
光電変換層と、
上記光電変換層を挟むように設けられたアノード電極およびカソード電極と、
上記カソード電極の外側に絶縁層を介して設けられた、上記光電変換層の面に垂直な方向に電場を印加するための電場印加用電極とを有し、
上記アノード電極および上記カソード電極間を最短で結ぶ直線に交差する方向から上記光電変換層に光を入射させ、
上記光電変換層のバンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップが上記光の進行方向に沿ってN段階(N≧2)に段階的に減少しており、
上記アノード電極および上記カソード電極間を最短で結ぶ直線の方向にx軸を取り、このx軸の原点を上記光電変換層と上記アノード電極との界面とし、このx軸に垂直にy軸を取り、このy軸の原点を上記光電変換層に対する光の入射面としたとき、動作時に、上記電場印加用電極と上記アノード電極との間に、上記電場印加用電極側が高電位となるように電圧Vを印加し、それによって、上記光電変換層のうちのバンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップがEgi(1≦i≦N)の各領域において、伝導帯でx軸方向に印加される電場を∂ECB/∂x(ECBは伝導帯の下端の電位)、価電子帯でx軸方向に印加される電場を∂EVB/∂x(EVBは価電子帯の上端の電位)とし、伝導帯でy軸方向に印加される電場を∂ECB/∂y、価電子帯でy軸方向に印加される電場を∂EVB/∂yとし、上記バンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップがEgiの領域の吸収係数をα、上記バンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップがEgiの領域の上記アノード電極と上記カソード電極との間のキャリアの移動時間をτ、y軸方向のキャリアの拡散係数をD、y軸方向の上記バンドギャップまたはHOMO-LUMOギャップがEgiの領域の長さをWとしたとき、〈∂ECB/∂x〉>〈∂ECB/∂y〉かつ〈∂EVB/∂x〉>〈∂EVB/∂y〉(〈〉は平均電場を意味する。)が満たされ、かつ、W>max(1/α,(Dτ1/2)が満たされるように、上記光電変換層の厚さd、電圧Vおよび長さWが選ばれていることを特徴とする光電変換素子。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2011511480thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) 高効率半導体太陽電池
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