特許 6616114 光電変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6616114

(24)【登録日】2019年11月15日

(45)【発行日】2019年12月4日

(54)【発明の名称】光電変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02S 50/10 20140101AFI20191125BHJP

   H01L 31/0352 20060101ALI20191125BHJP

【ＦＩ】

   H02S50/10

   H01L31/04 342A

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-146819(P2015-146819)

(22)【出願日】2015年7月24日

(65)【公開番号】特開2017-28906(P2017-28906A)

(43)【公開日】2017年2月2日

【審査請求日】2018年3月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】大隈 丈司

(72)【発明者】

【氏名】仲山 徹

【審査官】 竹村 真一郎

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２０６３６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／００４７３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−２０７１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２１２１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１２８８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５１９２３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｓ ５０／０−５０／１５

Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列に接続されたバンドギャップの異なる複数の光電変換層と、バイパス回路とを備えており、該バイパス回路が、前記複数の光電変換層のうち、バンドギャップが他の光電変換層よりも大きく、かつ太陽光を直接受ける光電変換層のみを迂回するように設けられているとともに、前記バイパス回路が、センサー部と、該センサー部の計測した測定値が規定値以上にあるときにオープン状態となり、前記規定値を下回ったときにショート状態となるスイッチ部とを備えていることを特徴とする光電変換装置。

【請求項2】

前記センサー部が、光量センサー、電流センサーおよび温度センサーのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項3】

前記センサー部が温度補償回路を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。

【請求項4】

前記スイッチ部がリレー回路により構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の光電変換装置。

【請求項5】

前記複数の光電変換層のうちの一つが量子ドット集積膜であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の光電変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽電池などの光電変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

太陽電池（以下、光電変換装置という。）は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電時の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の光電変換装置に関する研究が盛んに進められている。現在、実用化されている光電変換装置の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合タイプの光電変換装置が主流となっている。

【0003】

従来の単接合タイプの光電変換装置は、光電変換層を形成する材料としてシリコンを用いていることから、実用上の光電変換効率はせいぜい１５％程度に止まっている。

【0004】

近年、地球温暖化対策や原発事故の教訓から火力発電や原子力発電を見直す動きがあり、これに伴って、自然エネルギーを利用した発電が推進されているが、太陽電池に代表される光電変換装置については、光電変換効率のさらなる向上が待ち望まれている。

【0005】

このような課題に対し、本出願人は、以前、シリコンの半導体基板上に、シリコンよりもバンドギャップの大きい量子ドット集積膜１０５を積層した、図５に示すような光電変換装置１００を提案した（例えば、特許文献１、２を参照）。

【0006】

図５（ａ）は、従来の光電変換装置１００の一例を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の構成における回路図である。１０１は第１の導体層、１０３はシリコン基板、１０５はシリコン基板よりもバンドギャップの大きい光電変換層（この場合、量子ドット集積膜）、１０７は第２の導体層である。第２の導体層１０７が光の入射側に位置する場合には、第２の導体層１０７として透明導電膜が用いられる。

【0007】

図６は、図５に示した光電変換装置の電流−電圧線の概念図である。図６において、実線はシリコン基板の電流−電圧曲線、破線はシリコン基板よりもバンドギャップの大きい量子ドットの集積膜１０５の電流−電圧曲線に対応する。

【0008】

光電変換装置１００の光電変換効率は、開放電圧をＶｏｃ、短絡電流密度（短絡電流Ｉｓｃを太陽電池の受光面積で割った値）をＪｓｃとしたときに、おおかた、これらの積を入射光強度で割った値として示される。また、吸収できる光の波長領域は光吸収層（光電変換層という場合がある。）を構成する材料のバンドギャップ（シリコン基板の場合、約１．１ｅＶ）を上限とする領域に限られる。このため光電変換装置１００の光電変換効率を向上させるには、より高いバンドギャップを有し、自ずと開放電圧（Ｖｏｃ）を高めることのできる光吸収層の形成が必要になってくる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０１３−１０５９５２号公報

【特許文献2】特開２０１３−２２９３７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、量子ドット集積膜１０５は、シリコン基板１０３に比べて、バンドギャ
ップが大きい分、照射される光量に対する発電量（最大出力（Ｐｍａｘ））の変化が大きいことから、例えば、日照量の低い条件下では、短絡電流（Ｉｓｃ）が大きく低下してしまい、光電変換層１０５としての機能を果たすどころかほぼ絶縁体になってしまう場合がある。このため、シリコン基板１０３上に量子ドット集積膜１０５を積層した光電変換装置１００においては、シリコン基板１００側で出力される電流を外部に出力させることが困難になるおそれがあった。

【0011】

従って本発明は、バンドギャップの異なる複数の光電変換層を備えている場合でも光電変換層から出力される電流を外部へ出力させやすい光電変換装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の光電変換装置は、直列に接続されたバンドギャップの異なる複数の光電変換層と、バイパス回路とを備えており、該バイパス回路が、前記複数の光電変換層のうち、バンドギャップが他の光電変換層よりも大きく、かつ太陽光を直接受ける光電変換層のみを迂回するように設けられているとともに、前記バイパス回路が、センサー部と、該センサー部の計測した測定値が規定値以上にあるときにオープン状態となり、前記規定値を下回ったときにショート状態となるスイッチ部とを備えているものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、バンドギャップの異なる複数の光電変換層を備えている場合でも光電変換層から出力される電流を外部へ出力させやすくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の光電変換装置の一実施形態として、センサー部に光量センサーを適用したときの構成を示す回路図であり、（ａ）は、バイパス回路がオープン状態にある場合、（ｂ）は、同バイパス回路がショート状態にある場合である。

【図2】本発明の光電変換装置の一実施形態として、センサー部に電流センサーを適用したときの構成を示す回路図であり、（ａ）は、バイパス回路がオープン状態にある場合、（ｂ）は、同バイパス回路がショート状態にある場合である。

【図3】本発明の光電変換装置の一実施形態として、センサー部に温度センサーを適用したときの構成を示す回路図であり、（ａ）は、バイパス回路がオープン状態にある場合、（ｂ）は、同バイパス回路がショート状態にある場合である。

【図4】本実施形態の光電変換装置の電流−電圧線の概念図であり、（ａ）は、センサー部の出力が大きく、バイパス回路がオープン状態にある場合、（ｂ）は、センサー部の出力が小さく、同バイパス回路がショート状態にある場合である。

【図5】（ａ）は、従来の光電変換装置を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の構成における回路図である。

【図6】光電変換装置の一般的な電流−電圧線の概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図１〜図３に示した光電変換装置は、センサー部だけが異なるものである。そこで、センサー部以外の回路構成については、センサー部として光量センサーを適用した図１において説明することにする。

【0016】

図１は、本発明の光電変換装置の一実施形態として、センサー部に光量センサーを適用したときの構成を示す回路図であり、（ａ）は、バイパス回路がオープン状態にある場合、（ｂ）は、同バイパス回路がショート状態にある場合である。

【0017】

図１に示す光電変換装置は、バンドギャップの異なる複数の光電変換層１、３を有しており、光電変換層１、３は直列に接続されている。また、光電変換層１の下側および光電
変換層３の上側にはそれぞれ電極層５および透明導電膜７が設けられている。この場合、透明導電膜７側が太陽光の入射面側となる。図１（ａ）（ｂ）では、便宜上、光電変換層３のバンドギャップを光電変換層１のバンドギャップよりも大きいものとする。ここで、バンドギャップが異なるというのは、複数の光電変換層１、３を比較したときに、両層間においてバンドギャップの差が０．２ｅＶ以上ある場合をいう。

【0018】

この光電変換装置では、バンドギャップの大きい光電変換層３側にバイパス回路９が設けられている。バイパス回路９は、図１（ａ）（ｂ）に示しているように、光電変換層３を迂回する配線１１によって、その両主面間の電位差を計測できるように接続されている。つまり、バイパス回路９を構成する配線１１の一方端１３は光電変換層１と光電変換層３との間に接続され、他方端１５は光電変換層３と透明電極層７との間に接続される構成となっている。

【0019】

バイパス回路９は、センサー部１７とスイッチ部１９とから構成されている。ここで、センサー部１７には光量センサー１７ａが適用されている。光量センサー１７ａは、光電変換層３における太陽光の受光面側に置かれ、太陽光の輻射量を計測し、光のエネルギーを電気のエネルギーに変換して起電力を得る機能を有している。光量センサー１７ａとしては、例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓなどの化合物半導体が好適なものとして挙げられる。

【0020】

一方、スイッチ部１９は、バイパス回路９を構成する配線１１に設けられた切断箇所１１ａと、その切断箇所１１ａ間を結線させたり、断線させたりするための接触部材２１を有するとともに、この接触部材２１に隣接するように設けられたコイル２３とを備えた構成となっている。この場合、コイル２３は、光量センサー１７ａからの電流によって磁界を発生させ、この磁界によって接触部材２１を切断箇所１１ａに接触させたり、離したりすることで電気的なスイッチングを行うようになっている。つまり、このスイッチ部１９は、光電変換層３を迂回するように設けられたバイパス回路９の中で、配線１１の接続の状態を光電変換層３に照射される太陽光の照射量によってオンオフさせるリレー回路の機能を有するものとなっている。

【0021】

図１（ａ）（ｂ）に示すように、例えば、高、低、２つの太陽光の照射量を設定し、高い方の照射量を第１照射量Ｓ_１とし、第１照射量Ｓ_１よりも低い照射量を第２照射量Ｓ_２とする。スイッチ部１９を含む光電変換装置が、例えば、高い方の照射量である第１照射量Ｓ_１に達した場合、光量センサー１７ａからの起電力が増加し、センサー部１７の計測した測定値がセンサー部１７に設定した規定値以上となる。これに基づき、スイッチ部１９のコイル２３に大きな磁界を発生させ、接触部材２１を切断箇所１１ａから離れた状態とし、バイパス回路９をオープン状態とする。太陽光の照射量が多い場合には、バンドギャップの大きい光電変換層３は高い発電量を示すものとなるため、光電変換装置としては、光電変換層１および光電変換層３の両層からの発電を行うことができる。

【0022】

反対に、バイパス回路９を含む光電変換装置が受ける太陽から光の照射量が少なくなり、いわゆる第２照射量Ｓ_２の状態に変化した場合には、図１（ｂ）に示すように、光量センサー１７ａからの起電力が小さくなることから、センサー部１７の計測した測定値はそのセンサー部１７に設定した規定値を下回ることになる。これに基づき、コイル２３に発生する磁界の強度を低下させ、スイッチ部１９を構成する接触部材２１が配線１１の切断箇所１１ａを結線するように接触した状態とする。こうしてバイパス回路９をショート状態（短絡した状態）に変化させる。これにより、光電変換層１と透明導電膜７との間を流れる電流（または、キャリア（電子、ホール））は、主として、バイパス回路９の配線１１を流れるようになる。太陽からの光の照射量が少ない場合には、バンドギャップの大きい光電変換層３は発電量が小さく、いわゆる絶縁体に近い状態となるが、バイパス回路９
を機能させることにより光電変換層３を経ることなく光電変換層１からの発電を行うことができる。この場合、スイッチ部１９に上述のようなリレー回路を用いると、バイパス回路９を小型かつ安価に形成することができる。

【0023】

図２は、本発明の光電変換装置の一実施形態として、センサー部に電流センサーを適用したときの構成を示す回路図であり、（ａ）は、バイパス回路がオープン状態にある場合、（ｂ）は、同バイパス回路がショート状態にある場合である。

【0024】

図２に示す光電変換装置は、太陽光の照射量の変化によって発生する光電変換層１、３からの発電による電流量の変化を利用して、バイパス回路９のオンオフを行うものである。この場合、センサー部１７としては、コイル型の電流センサー１７ｂを一例として挙げることができる。

【0025】

光電変換装置に照射される太陽からの光の照射量が多くなると、光電変換層３と透明導電膜７との間を流れる電流量が増加する。このとき、光電変換装置では、電流センサー１７ｂからの起電力も増加する。これにより、図２（ａ）に示すように、スイッチ部１９内のコイル２３に発生する磁界によって、接触部材２１を切断箇所１１ａから離れた状態とし、バイパス回路９をオープン状態とする。

【0026】

反対に、太陽からの光の照射量が少ない場合には、光電変換層３と透明導電膜７との間を流れる電流量が減少することから、電流センサー１７ｂからの起電力も小さくなる。この場合には、図２（ｂ）に示すように、スイッチ部１９内のコイル２３に発生する磁界の強度が小さいことから、接触部材２１は配線１１の切断箇所１１ａを結線するように接触した状態となり、バイパス回路９はショート状態（短絡した状態）となる。

【0027】

図３は、本発明の光電変換装置の一実施形態として、センサー部に温度センサーを適用したときの構成を示す回路図であり、（ａ）は、バイパス回路がオープン状態にある場合、（ｂ）は、同バイパス回路がショート状態にある場合である。この光電変換装置では、センサー部１７に光電変換層３付近の温度を検知する温度センサー１７ｃを有している。

【0028】

光電変換層１、３が、例えば、ガラス板上に積み重ねられて、有機樹脂など熱伝導率の低い部材で覆われて固定されている場合には、光電変換装置の温度は外気温よりも光電変換層１、３の発電による自己発熱の方が支配的となる。このため、光電変換層１、３の温度もセンサー部１７を機能させる要素となり得る。つまり、図３に示す光電変換装置は、太陽光の照射量の変化によって発生する光電変換層３自体の温度変化を利用して、バイパス回路９のオンオフを行うものである。

【0029】

太陽からの光の照射量が多い場合には、高い発電量に依存して、光電変換層３の温度が高くなる。このとき、温度センサー１７ｃからの起電力に応じてスイッチ部１９のコイル２３に大きな磁界を発生させる。こうして、接触部材２１を切断箇所１１ａから離れた状態とし、バイパス回路９をオープン状態とする。

【0030】

反対に、太陽光の照射量が少なく、光電変換層３の発電量が低くなる場合には、温度センサー１７ｃからの起電力も小さいことから、スイッチ部１９内の接触部材２１は配線１１の切断箇所１１ａを結線するようになり、バイパス回路９はショート状態（短絡した状態）となる。

【0031】

なお、図１〜図３に示したスイッチ部１９については、オンオフの動作機能を高めるという点から、センサー部１７とコイル２３との間に、センサー部１７によって得られる起電力を増幅させるための増幅回路を設け、センサー部１７が、スイッチ部１９の制御を行
っても良い。さらに、センサー部１７の測定値を基に、スイッチ部１９を制御する制御部を別途設けても良い。

【0032】

図４は、本実施形態の光電変換装置の電流−電圧線の概念図であり、（ａ）は、センサー部の出力が大きく、バイパス回路がオープン状態にある場合、（ｂ）は、センサー部の出力が小さく、同バイパス回路がショート状態にある場合である。

【0033】

図４（ａ）（ｂ）を基に、図１（ａ）（ｂ）、図２（ａ）（ｂ）および図３（ａ）（ｂ）にそれぞれ示した２つの光電変換装置の電流−電圧特性を比較すると、光電変換層１とこれよりもバンドギャップの大きい光電変換層３とが組み合わせられた光電変換装置の場合、光電変換層１はバンドギャップが小さいことから、太陽からの光の照射量が少なくなっても短絡電流（Ｉｓｃ）の変化は小さい。一方、バンドギャップの大きい光電変換層３の方は、太陽からの光の照射量が低下すると短絡電流（Ｉｓｃ）が大きく低下してしまう。

【0034】

つまり、光電変換層３は、光電変換層１に比べて、バンドギャップが大きい分、太陽からの光の照射量に対する発電量の変化が大きいことから、太陽からの光の照射量の低い条件下では、光電変換層３としての機能を果たし難くなり絶縁性が高くなってしまう。このため、光電変換層１上に、これよりもバンドギャップの大きい光電変換層３を直列接続した光電変換装置では、光電変換層１から出力される電流を外部に出力させることが困難になる。

【0035】

これに対し、図１〜図３に示した光電変換装置では、バンドギャップの大きい光電変換層３が太陽からの光の照射量の低下によって絶縁体化するような条件下においても、光電変換層３に設けたバイパス回路９中を電流（または、キャリア（電子ｅ、ホールｈ））が流れるようになることから、光電変換層１において生成したキャリア（電子ｅ、ホールｈ）を外部へ容易に移動させることができる。

【0036】

本実施形態の光電変換装置では、バイパス回路９は、太陽光を直接受ける光電変換層側に設けられていることが望ましい。例えば、図１（ａ）（ｂ）に示しているように、バイパス回路９が、太陽光を直接受ける光電変換層３側に設けられていると、光電変換層３を含めた光電変換装置の発電量の変化に光量センサー１７ａによる起電力の変化を同調させやすく、これにより太陽光の照射量の変化に敏感に対応できる光電変換装置を得ることができる。

【0037】

また、この光電変換装置においては、センサー部１７が温度補償回路を備えていることが望ましい。例えば、光量センサー１７ａのセンシング性が温度依存性を持つような材料によって形成されている場合には、環境温度の変化よって光量センサー１７ａの感度が変化する。このため、バイパス回路９のオープン状態あるいはショート状態となるタイミングが太陽光の照射量だけでなく、環境温度によっても影響されることになる。このような場合に、光量センサー１７ａに温度補償回路を設けた構成にすると、環境温度が変化しても光量センサー１７ａの感度を一定の範囲内に保つことが可能になる。これにより外気の温度が大きく変化するような環境下においても高効率の光電変換装置を得ることができる。

【0038】

また、本実施形態の光電変換装置では、光電変換層３のうちの一方が量子ドット集積膜であることが望ましい。光電変換層３が量子ドット集積膜であると、量子ドットの粒径や成分を変化させることによって、光電変換層３のバンドギャップを容易に変化させることができるため、幅広い波長領域をカバーできる光電変換装置を得ることができる。

【0039】

この場合、光電変換層１、３の主成分としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＰｂＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｕＩｎＧｅＳｅ、ＣｕＩｎＧｅＳ、ＣｕＺｎＧｅＳｅ、ＣｕＺｎＧｅＳの群から選ばれる１種が好適なものとなる。

【0040】

光電変換層１、３の主成分として、Ｓｉを用いた場合、例えば、光電変換層１をシリコン基板（バンドギャップ（約１．１ｅＶ））とし、一方の光電変換層３にＳｉの量子ドット集積膜を配置させる構成となる。この場合、光電変換層３側のバンドギャップを１．５ｅＶ以上、粒径によっては１．７ｅＶ以上にできることから、より高い開放電圧（Ｖｏｃ）を得ることができ、発電の最大出力（Ｐｍａｘ）をさらに高めることができる。

【0041】

また、光電変換層１、３がともにシリコンにより形成されたものであると、材料の格子定数の差がほとんど無いことから光電変換層１、３間の格子の不整合を減少させることができるため、光電変換層１、３間の境界付近のキャリアの移動度を高めることができる。

【0042】

以上、光電変換層１、３が２層積層された光電変換装置を基に本発明を説明したが、本発明はこれに限らず、光電変換層１、３が３層以上積層されている構成にも適用することができる。

【0043】

次に、図１、図２および図３に示す光電変換装置を作製し評価した。ここでは、バンドギャップが１．１ｅＶのシリコン基板の他、電極層５にアルミニウム、透明導電膜７にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用い、さらに、光電変換層３として、シリコンの量子ドット（バンドギャップ：１．７ｅＶ）を、それぞれ適用させた。バイパス回路９を構成する光量センサー１７ａにはＩｎＧａＡｓ製の光量センサーを用いた。電流センサーとしては銅線を巻回して作製したコイルを用いた。温度センサー１７ｃには、白金抵抗温度計を用いた。また、図５に示すようなバイパス回路を有しない光電変換装置を比較例として作製し、同様の評価を行った。

【0044】

得られた光電変換装置および比較例となるバイパス回路９を有しない光電変換装置について発電性能を評価した。評価方法としては、正午頃の日中と、朝夕に近い時間帯とに発電させて、そのときの短絡電流を測定して比較した。

【0045】

センサー部１７として光量センサー１７ａを有し、かつバイパス回路９を備えた光電変換装置は、バイパス回路９を有しない光電変換装置に比べて、朝、夕時に測定した短絡電流（Ｉｓｃ）が５倍ほど高かった。また、センサー部１７として、光量センサー１７ａの代わりに電流センサー１７ｂまたは温度センサー１７ｃを設けた場合にも同様の効果が得られた。

【符号の説明】

【0046】

１、３・・・・・・・・・光電変換層
５・・・・・・・・・・・電極層
７・・・・・・・・・・・透明導電膜
９・・・・・・・・・・・バイパス回路
１１・・・・・・・・・・配線
１１ａ・・・・・・・・・（配線の）切断箇所
１３・・・・・・・・・・（配線１１の）一方端
１５・・・・・・・・・・（配線１１の）他方端
１７・・・・・・・・・・センサー部
１７ａ・・・・・・・・・光量センサー
１７ｂ・・・・・・・・・電流センサー
１７ｃ・・・・・・・・・温度センサー
１９・・・・・・・・・・スイッチ部
２１・・・・・・・・・・接触部材
２３・・・・・・・・・・コイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】