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公開番号2024164966
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-28
出願番号2023080720
出願日2023-05-16
発明の名称太陽電池及びそれに用いる光学素子を備えるバリア構造体
出願人マクセル株式会社
代理人
主分類H10K 30/50 20230101AFI20241121BHJP()
要約【課題】光電変換効率が高く設置性が良く信頼性の高い太陽電池を製造すること。また太陽電池を構成するバリア部材に、水分や空気の侵入を遮断した信頼性の高い太陽電池を提供することにある。
【解決手段】本発明の太陽電池は高効率で、印刷工程で安価な太陽電池が実現できる有機無機ペロブスカイト型太陽電池の課題である水分・空気のバリア性が高いガラス同等のバリア層を有しその表面に超微細または微細光学素子を設け反射防止と集光作用を備え光電変換層(光吸収層)平面内に光の疎密を作ることで一層の高効率化を実現する。
【選択図】図21
特許請求の範囲【請求項１】
太陽光を受けて起電する太陽電池で基材上に、少なくとも光電変換層（光吸収層）と透明電極とを有する太陽電池であって、
前記光電変換層は、有機無機ペロブスカイト化合物を含み、
更に、前記透明電極全体を覆って封止する無機バリア層と、前記透明電極上の前記バリア層の少なくとも太陽光入射面に正の屈折力を有する微細光学素子を備えることを特徴とする太陽電池。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
前記微細光学素子の正の屈折力により集光された太陽光束の焦点が、前記光電変換層内としたことを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
前記微細光学素子の正の屈折力により集光された太陽光束の焦点が、前記光電変換層内となるように微細光学素子の太陽光入射面形状を設計したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
太陽光を受けて起電する太陽電池で基材上に、少なくとも光電変換層（光吸収層）と透明電極とを有する太陽電池であって、
前記光電変換層は、有機無機ペロブスカイト化合物を含み、
更に、前記透明電極全体を覆って封止するバリア層を有し、太陽光が前記光電変換層に入射する際に前記光電変換層の平面内において疎密な光エネルギー分布を有することを特徴とする太陽電池。
【請求項５】
太陽光を受けて起電する太陽電池で基材上に、少なくとも光電変換層（光吸収層）と透明電極とを有する太陽電池であって、
前記光電変換層は、有機無機ペロブスカイト化合物を含み、
更に、前記透明電極全体を覆って封止するバリア層を有し、前記透明電極上のバリア層の少なくとも太陽光入射面に正の屈折力を有する微細光学素子を備え、太陽光が前記光電変換層に入射する際に前記光電変換層の平面内において、疎密な光エネルギー分布を有することを特徴とする請求項４に記載の太陽電池。
【請求項６】
太陽光を受けて起電する太陽電池で基材上に、少なくとも２層以上の光電変換層（光吸収層）と透明電極とを有する太陽電池であって、
前記光電変換層は、有機無機ペロブスカイト化合物を含み、
太陽光の波長に応じて可視光領域の光に対して光電変換効率が高い第一の光電変換層と、近赤外光より波長が長い太陽光に対して光電変換効率が高い第二の光電変換層を備え、
前記透明電極全体を覆って封止するバリア層を有し、
前記バリア層の少なくとも太陽光入射面に正の屈折力を有する微細光学素子を備え、
前記第一の光電変換層は、太陽光の可視光領域の光に対する焦点Ｐ１が内在し、
前記第二の光電変換層は近赤外光より波長が長い波長の太陽光に対する焦点Ｐ３が内在することを特徴とする太陽電池。
【請求項７】
前記バリア層の少なくとも太陽光入射面に正の屈折力を有する微細光学素子を備え、
太陽光の波長に応じて可視光領域の光に対して光電変換効率が高い第一の光電変換層と、近赤外光より波長が長い太陽光に対して光電変換効率が高い第二の光電変換層を備え、
前記透明電極全体を覆って封止するバリア層を有し、
前記バリア層の少なくとも太陽光入射面に正の屈折力を有する微細光学素子を備え、
前記第一の光電変換層は太陽光の可視光領域の光に対する焦点Ｐ１が内在し、
前記第二の光電変換層は近赤外光より波長が長い波長の太陽光に対する焦点Ｐ３が内在し、
前記それぞれの光電変換層において入射する太陽光が前記光電変換層に入射する際に疎密な光エネルギー分布を有することを特徴とする請求項６に記載の太陽電池。
【請求項８】
太陽光を受けて起電する太陽電池で基材上に、少なくとも前記光電変換層（光吸収層）と前記透明電極とを有する太陽電池であって、
前記光電変換層は、有機無機ペロブスカイト化合物を含み、
更に、前記透明電極全体を覆って封止する前記バリア層として無機バリア層を備え、前記透明電極上の前記バリア層の少なくとも太陽光入射面にモスアイ構造を有する微細光学素子を備えることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記透明電極上には引出し配線を備え、前記引出し配線の全体を覆って封止する前記無機バリア層と、
前記透明電極上の前記無機バリア層の外側に配置された取出し電極とを有することを特徴とする請求項８に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記透明電極の上部に前記光電変換層の側面を取り囲むようにして前記透明電極の下に配置された、絶縁層からなる外枠を有することを特徴とする請求項８記載の太陽電池。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池特にペロブスカイト太陽電池を構成する部材に対して水分や気体に対するバリア性能が高く表面形状を賦形することで光学的な作用を有し光電変換効率が高い及び太陽電池に関する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池として、対向する電極間にＮ型半導体層とＰ型半導体層とを配置した積層体が盛んに開発されており、上記Ｎ型、Ｐ型半導体として主にシリコン等の無機半導体が用いられている。しかしながら、このような無機太陽電池は、真空プロセスが必要で大型化が困難であるばかりか大規模な設備が必要で材料コストがかかるため、利用範囲が限られてしまうという問題があった。そこで、近年、中心金属に鉛、スズ等を用いたペロブスカイト構造を有する有機無機ペロブスカイト化合物を光電変換層に用いた、ペロブスカイト太陽電池が注目されている。ペロブスカイト太陽電池は高い光電変換効率が期待できるうえに、印刷法によって製造できることから製造コストを大幅に削減することができる。一方、耐水性に課題があり対応技術手段の開発が急がれていた（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このペロブスカイト型結晶構造は図１に示すように体心に金属原子Ｍ、各頂点に有機分子Ｒ、面心にハロゲン原子又はカルコゲン原子Ｘが配置された立方晶系構造の模式図である。
【０００４】
上述したように、ペロブスカイト型化合物を用いた太陽電池（以下、「ペロブスカイト太陽電池」と呼ぶ）は、低コストかつ高効率な次世代太陽電池の候補の１つであり、その研究・開発が世界中で進められている。
【０００５】
上記した太陽電池の光電変換層には、図１で示した一般式Ｒ－Ｍ－Ｘ
３
（但し、Ｒは有機分子、Ｍは金属原子、Ｘはハロゲン原子又はカルコゲン原子である。）で表される有機無機ペロブスカイト化合物を含むことが好ましい。上記光電変換層に上記有機無機ペロブスカイト化合物を用いることにより、フレキシブル太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。
【０００６】
こうした中、光電変換効率を更に高めるためにタンデム型太陽電池が開発された。タンデム型（多接合）太陽電池は、異なる吸収波長の太陽電池を積層させることであり、光の波長を効率的に活用することが可能となるため、光電変換効率を更に上げることができる。
【０００７】
例えば、太陽光が入射する第一層にペロブスカイト太陽電池を設け、基板側の第二層にシリコン系太陽電池を用いたタンデムの場合は、ペロブスカイト太陽電池においてはバンドギャップの最適化、Ｖ
ＯＣ
（開放電圧）ロスを低減できるセルの高効率化、高信頼性化（シリコン系太陽電池と同等程度）が重要であり、他方シリコン系太陽電池では、ペロブスカイト材料を均質に成膜するための表面形状の制御、界面制御技術が重要でこれらについては多くの研究が重ねられてきた（例えば特許文献２）。
【０００８】
一方、近年、ポリイミド、ポリエステル系の耐熱高分子材料や金属箔を基材とするフレキシブルな太陽電池が注目されるようになってきている。フレキシブル太陽電池は、薄型化や軽量化による運搬、施工の容易さや、衝撃に強い等の利点があり、例えば、フレキシブル基材上に、光が照射されると電流を生じる機能を有する光電変換層等の複数の層を薄膜状に積層することにより製造される。更に、必要に応じてフレキシブル太陽電池の上下面を、太陽電池封止シートを積層して封止する。例えば、特許文献３には、シート状のアルミニウム基材を含む半導体装置用基板、及び、この半導体装置用基板を含む有機薄膜太陽電池が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特開２０１８－１６３９３８号公報
特開２０２２－１８３７００号公報
特開２０１３－２５３３１７号公報
「ＪＳＴ研究成果最適展開支援プログラム（Ａ－ＳＴＥＰ）（２）～機能材料～新技術説明会」２０２２年１１月１８日開催にて発表された資料）「印刷で作成できるガラス並みのウルトラ・ハイバリア」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ペロブスカイト太陽電池は近年構成物、素子構造の進化によって大幅な特性改善が実現され、初期の光電変換効率が２０％を超え単結晶シリコンの太陽電池に迫りつつある。
またバリアシートの採用などで水分や空気を充分に遮蔽して信頼性を高める開発もなされている。しかしながら、光電変換効率を向上するために光学的な知見を基に太陽光束を光吸収層に伝搬させる具体的な素子構成や配置に関しての検討はなされていなかった。
（【００１１】以降は省略されています）

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