特許 7633622 光電変換素子、発電装置

(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】

(24)【登録日】2025-02-12

(45)【発行日】2025-02-20

(54)【発明の名称】光電変換素子、発電装置

(51)【国際特許分類】

   H10K 39/10 20230101AFI20250213BHJP

   H10K 30/82 20230101ALI20250213BHJP

【ＦＩ】

H10K39/10

H10K30/82

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021010279

(22)【出願日】2021-01-26

(65)【公開番号】P2022114123

(43)【公開日】2022-08-05

【審査請求日】2024-01-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000195971

【氏名又は名称】西松建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504237050

【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構

(74)【代理人】

【識別番号】100112689

【弁理士】

【氏名又は名称】佐原 雅史

(74)【代理人】

【識別番号】100128934

【弁理士】

【氏名又は名称】横田 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128141

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 圭一

(72)【発明者】

【氏名】福本 正

(72)【発明者】

【氏名】加藤 岳仁

【審査官】桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－０８２８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５０７１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０４４３６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２６４４７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０２０－５０４４５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１７９５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３１７３０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－０８７５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１９７１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１１４１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１７１８６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｋ ３０／００－９９／００

Ｈ１０Ｆ １０／００－９９／００

Ｈ０２Ｓ １０／００－１０／４０

Ｈ０２Ｓ ３０／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光透過性を有する第一電極材料で構成される第一電極と、
導電性を有するナノ構造体を含有し、光透過性を有する第二電極材料で構成される第二電極と、
前記第一電極と前記第二電極の間に位置する光電変換層と、
を有し、
前記第一電極、前記光電変換層、前記第二電極が積層される方向を積層方向と定義した際、
前記第一電極と前記第二電極は、前記積層方向に直交する直交方向にずれて配置され、
前記積層方向から見て前記光電変換層と前記第一電極と前記第二電極が重畳する第一領域と、
前記積層方向から見て前記光電変換層と前記第一電極は重畳するが、前記光電変換層と前記第二電極は重畳しない第二領域と、
前記積層方向から見て前記光電変換層と前記第二電極は重畳するが、前記光電変換層と前記第一電極は重畳しない第三領域と、
を有する複数の光電変換素子と、
複数の前記光電変換素子の配列方向において隣接する一方の前記光電変換素子の前記光電変換層と、隣接する他方の前記光電変換素子の前記第二領域及び前記第三領域の少なくとも一方が、前記配列方向において重畳するように複数の前記光電変換素子を保持する保持部と、
前記保持部により複数の前記光電変換素子それぞれが保持される位置を保持位置と定義した際、前記保持位置それぞれに配置され、前記保持位置に位置する前記光電変換素子の前記第一電極に接触して、外部回路と前記光電変換素子を電気的に接続する複数の第一接続部と、
前記保持位置それぞれに配置され、前記保持位置に位置する前記光電変換素子の前記第二電極に接触して、前記外部回路と前記光電変換素子を電気的に接続する複数の第二接続部と、
を備えることを特徴とする、
発電装置。

【請求項2】

複数の前記光電変換素子は、光の照射方向に対して、前記第二電極が前記第一電極よりも奥側に位置するように配置されることを特徴とする、
請求項１に記載の発電装置。

【請求項3】

複数の前記光電変換素子のそれぞれは、それぞれの前記積層方向が平行となるように配置されることを特徴とする、
請求項１に記載の発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光電変換素子、及び光電変換素子を用いた発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の光電変換素子では、電極の一方を、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）を用いた透明電極とし、電極の他方を、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｇ合金等の金属材料を用いた不透明電極としていた（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－２１８９２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、透明電極を通じて照射された光は、光電変換層を透過するが、不透明電極で吸収、又は反射されてしまう。結果、上記光電変換素子では、光の照射方向において自身の背後にあるものに対して光を遮断してしまい、光エネルギーを有効に活用することができなかった。

【0005】

本発明は、斯かる実情に鑑み、自身の背後にも光を透過させる光電変換素子、及び、その光電変換素子を用いた発電装置を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の光電変換素子は、光透過性を有する第一電極材料で構成される第一電極と、導電性を有するナノ構造体を含有し、光透過性を有する第二電極材料で構成される第二電極と、前記第一電極と前記第二電極の間に位置する光電変換層と、を備え、前記第一電極、前記光電変換層、及び前記第二電極が積層される方向を積層方向と定義した際、前記第一電極と前記第二電極は、前記積層方向に直交する直交方向にずれて配置され、前記積層方向から見て前記光電変換層と前記第一電極と前記第二電極が重畳する第一領域と、前記積層方向から見て前記光電変換層と前記第一電極は重畳するが、前記光電変換層と前記第二電極は重畳しない第二領域と、前記積層方向から見て前記光電変換層と前記第二電極は重畳するが、前記光電変換層と前記第一電極は重畳しない第三領域と、をすることを特徴とする。

【0007】

また、本発明の光電変換素子は、前記第二電極材料には、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）－ポリ（スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ）、又は、ポリアニリンが含まれることを特徴とする。

【0008】

また、本発明の光電変換素子は、前記ナノ構造体には、金属ナノワイヤが含まれることを特徴とする。

【0009】

また、本発明の発電装置は、光透過性を有する第一電極材料で構成される第一電極と、
導電性を有するナノ構造体を含有し、光透過性を有する第二電極材料で構成される第二電極と、前記第一電極と前記第二電極の間に位置する光電変換層と、を有する光電変換素子を複数備え、前記光電変換素子は、前記第一電極、前記光電変換層、前記第二電極が積層される方向を積層方向と定義した際、前記光電変換素子の前記第一電極と前記第二電極は、前記積層方向に直交する直交方向にずれて配置され、前記積層方向から見て前記光電変換層と前記第一電極と前記第二電極が重畳する第一領域と、前記積層方向から見て前記光電変換層と前記第一電極は重畳するが、前記光電変換層と前記第二電極は重畳しない第二領域と、前記積層方向から見て前記光電変換層と前記第二電極は重畳するが、前記光電変換層と前記第一電極は重畳しない第三領域と、を有することを特徴とする。また、本発明の発電装置において、複数の前記光電変換素子のそれぞれは、それぞれの前記積層方向が平行となるように配置され、複数の前記光電変換素子は、複数の前記光電変換素子の配列方向において隣接する一方の前記光電変換素子の前記光電変換層と、隣接する他方の前記光電変換素子の前記第二領域及び前記第三領域の少なくとも一方が、前記配列方向において重畳するように配置されることを特徴とする。

【0010】

また、本発明の発電装置において、複数の前記光電変換素子は、光の照射方向に対して、前記第二電極が前記第一電極よりも奥側に位置するように配置されることを特徴とする。

【0011】

また、本発明の発電装置は、更に、複数の前記光電変換素子の配列方向において隣接する一方の前記光電変換素子の前記光電変換層と、隣接する他方の前記光電変換素子の前記第二領域及び前記第三領域の少なくとも一方が、前記配列方向において重畳するように複数の前記光電変換素子を保持する保持部と、前記保持部により複数の前記光電変換素子それぞれが保持される位置を保持位置と定義した際、前記保持位置それぞれに配置され、前記保持位置に位置する前記光電変換素子の前記第一電極に接触して、外部回路と前記光電変換素子を電気的に接続する複数の第一接続部と、前記保持位置それぞれに配置され、前記保持位置に位置する前記光電変換素子の前記第二電極に接触して、前記外部回路と前記光電変換素子を電気的に接続する複数の第二接続部と、を備えることを特徴とする。

【0012】

また、本発明の発電装置において、前記第一電極及び前記第二電極は、前記積層方向において、前記光電変換層に重畳しない非重畳領域を有し、複数の前記第一接続部及び複数の前記第二接続部は、前記非重畳領域に電気的に接続されるように配置されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明の光電変換素子によれば、２つの電極が光透過性を有するため、照射光を透過させることができる。結果、背後にある光電変換素子は、その透過光により発電することができるため、単位面積当たりの発電量を増大させることができる。また、本発明の発電装置によれば、光透過性を有する２つの電極を有する光電変換素子を重畳させることにより、単位面積当たりの発電量を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態における光電変換素子を並列接続した発電装置の断面図である。

【図2】（Ａ）は、本発明の実施形態における光電変換素子の変形例の断面図である。（Ｂ）は、本発明の実施形態における光電変換素子の別の変形例を直列接続した発電装置の断面図である。

【図3】本発明の実施形態における光電変換素子を直列接続した発電装置の断面図である。

【図4】本発明の実施形態における発電装置の出力装置の斜視図である。

【図5】（Ａ）は、本発明の実施形態における発電装置の光電変換素子を並列に接続する出力回路である。（Ｂ）は、本発明の実施形態における発電装置の光電変換素子を直列に接続する出力回路である。（Ｃ）は、本発明の実施形態における発電装置の光電変換素子を直列及び並列に接続する出力回路である。

【図6】（Ａ）は、光電変換素子に関する実験で用いた光電変換素子の斜視図である。（Ｂ）は、光電変換素子に関する実験で用いた光電変換素子の平面図である。（Ｃ）は、光電変換素子に関する実験で用いる２つの光電変換素子を積み重ねた際の平面図である。

【図7】第二電極材料Ａ～Ｄの透過率に関するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１～図６は発明を実施する形態の一例であって、図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わす。

【0016】

＜全体構成＞
図１を参照して、本発明の実施形態における発電装置１について説明する。本実施形態における発電装置１は、複数の光電変換素子２と、出力装置３と、を備える。

【0017】

＜光電変換素子＞
図１を参照して、本発明の実施形態における光電変換素子２について説明する。本実施形態において光電変換素子２は、シート状に構成され、可撓性を有するように構成される。その光電変換素子２は、第一電極１０と、第二電極１１と、光電変換層１２と、機能層（金属アルコキシド含有層）１３と、基板１４と、封止部１５と、基板１６を備える。光電変換素子２は、図１に示すように、第一電極１０、機能層１３、光電変換層１２、第二電極１１の順に基板１４上に積層される。なお、光電変換素子２の各層の積層方向（以下、層積層方向と呼ぶ。）Ａは、シート状の光電変換素子２の厚み方向、又は、シート状の光電変換素子２の平面の面垂直方向に一致するものとして以下、説明する。

【0018】

なお、光電変換素子２は、シート状に構成されていなくてもよく、更には、可撓性を有しなくてもよい。

【0019】

＜第一電極及び第二電極＞
第一電極１０及び第二電極１１の一方は、陽極で、他方が陰極に相当する。第一電極１０は、導電性および光透過性を有する第一電極材料により構成される。第一電極材料は、例えば、導電性を有する透明な材料が挙げられる。より具体的に第一電極材料としては、例えば、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｏ（酸素）で構成）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）、アルミドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）等の導電性金属酸化物が一例として挙げられる。本実施形態において第一電極１０は、第一電極材料により透明な電極（第一透明電極）として構成される。

【0020】

そして、第一電極１０は、図１に示すように、例えば、絶縁体で構成される基板１４上に、単層、または、複数の材料が積層されて構成される。本実施形態では、第一電極１０は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法等の成膜方法により基板１４上に第一電極材料が成膜されることにより構成されてもよいし、所定の溶媒に第一電極材料を溶かした第一電極材料溶液をインク溶液として、基板１４上に塗布、又は、インクジェット式プリンタで基板１４上に印刷することにより構成されてもよい。

【0021】

基板１４は、ポリカーボネート等の光透過性を有する材料により構成され、特に、高い光透過性を有する透明な材料で構成されることが好ましい。また、本実施形態において光電変換素子２は、フレキシブルに構成される。このため、基板１４は、ポリカーボネート等の可撓性及び絶縁性を有する材料によりシート状に構成されることが好ましい。なお、基板１４は、可撓性を有しないガラス等の材料でシート状に構成されてもよい。

【0022】

第二電極１１は、導電性および光透過性を有する第二電極材料により構成される。そして、第二電極材料には、ナノ構造体が含まれる。具体的に第二電極材料は、導電性高分子化合物とナノ構造体で構成される。本実施形態において第二電極１１は、第二電極材料により透明な電極（第二透明電極）として構成される。

【0023】

導電性高分子化合物として、例えば、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）－ポリ（スチレンスルホン酸）（以下、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳと呼ぶ。）、又はポリアニリン(polyaniline)が挙げられる。ナノ構造体とは、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノ粒子、ナノ立体構造体（テトラポット型やマキビシ型）などのナノスケールの構造体を指す。具体的にナノ構造体として、例えば、銀ナノワイヤ（ＡｇＮＷ）等の金属ナノワイヤが挙げられる。

【0024】

ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ溶液に金属ナノワイヤ（銀ナノワイヤ）を所定の質量比（例えば、質量比１：１）で混合して、所定の処理を加えて、金属ナノワイヤ（銀ナノワイヤ）をＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ溶液中に適度に分散させてＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ溶液と金属ナノワイヤ（銀ナノワイヤ）の混合溶液を作成する。その混合溶液を光電変換層１２上に塗布して乾燥させると、高い光透過性を有する第二電極１１の層が形成される。また、ポリアニリンに溶液に金属ナノワイヤ（銀ナノワイヤ）を混合しても同様である。なお、第二電極１１は、高い光透過性を確保できるなら、光電変換層１２上に、複数の材料が積層されて構成されてもよい。

【0025】

なお、第二電極１１は、スパッタリング法、真空蒸着法等の成膜方法により光電変換層１２上に成膜されることにより構成されてもよいし、第二電極材料を含む第二電極材料溶液をインク溶液として、光電変換層１２上に塗布、又は、インクジェット式プリンタで光電変換層１２上に印刷することにより構成されてもよい。

【0026】

封止部１５は、基板１４上に積層された第一電極１０、機能層１３、光電変換層１２、第二電極１１を、例えば、樹脂等により封止して光電変換素子２を保護するものである。封止部１５は、光透過性を有する材料により構成され、特に、高い光透過性を有する透明な材料で構成されることが好ましい。また、封止部１５は、可撓性を有する材料により構成されることが好ましい。

【0027】

また、機能層１３とは反対側の光電変換層１２上に、例えば、別途、別の層（例えば、正孔輸送層等）が積層される場合、第二電極１１は、その別の層上に積層される。

【0028】

＜光電変換層＞
光電変換層１２は、外部から入射する光に起因して電子と正孔とを発生させるものである。そして、光電変換層１２は、第一電極１０および第二電極１１の間に形成される。光が入射すると、光電変換層１２において励起子が生成され、電子と正孔とが発生する。そして、例えば、第一電極１０が陰極として機能し、第二電極１１が陽極として機能する場合、電子は、電子輸送層として機能する機能層１３を介して第一電極１０側へ、正孔は第二電極１１側へ移動する。その結果、第二電極１１および第一電極１０に接続された（図示しない）外部回路に、電流（光励起電流）が流れる。

【0029】

光電変換層１２は、ｎ型半導体材料およびｐ型半導体材料を含有している。光電変換層１２においてｎ型半導体材料とｐ型半導体材料との接合は、平面的な接合界面を有する平面へテロ接合であってもよいし、三次元的に混合させたバルクへテロ接合であってもよい。

【0030】

本実施形態における光電変換層１２には、金属アルコキシドが含有される。金属アルコキシドは、ｎ型半導体として作用する。光電変換素子２の出力電圧は、ｎ型半導体のＬＵＭＯとｐ型半導体のＨＯＭＯの値の差で決定される。ＬＵＭＯとＨＯＭＯの値がバンドギャップエネルギーとなるため、ｎ型半導体としての金属アルコキシドのバンドギャップエネルギーが大きい場合、ｎ型半導体のＬＵＭＯが大きくなり、高い出力電圧を得ることが可能となる。高い出力電圧を得るため、光電変換層１２で用いられる金属アルコキシドは、バンドギャップエネルギーが３．５ｅＶ以上あることが好ましい。

【0031】

また、光電変換層１２で用いられる金属アルコキシドとして、例えば、チタンアルコキシド（一般式Ｔｉ（ＯＲ）_ｎ）、亜鉛系の亜鉛アルコキシド、ジエチルジンク、チタニアや酸化亜鉛の微粒子が好ましい。また、チタンアルコキシドとして、例えば、チタンイソプロポキシドが好ましい。

【0032】

また、光電変換層１２におけるｎ型半導体には、金属アルコキシドの他に、例えば、フラーレン、フラーレン誘導体、酸化物半導体、及び、その他の電子受容性化合物のうち少なくとも１つが含有されていてもよい。すなわち、光電変換層１２におけるｎ型半導体は、金属アルコキシドのみで構成されてもよいし、金属アルコキシドおよび上記上げた電子受容性化合物の混合体により構成されてもよい。なお、ｎ型半導体が金属アルコキシドのみで構成される場合には、製造の過程で意図せずに含まれてしまう他のｎ型半導体が含有される場合も含む。また、上記酸化物半導体として、例えば、酸化亜鉛や酸化チタンの無機化合物粒子が一例として挙げられる。また、光電変換層１２におけるｎ型半導体は、金属アルコキシドではなく、フラーレン、フラーレン誘導体、酸化物半導体、及び、その他の電子受容性化合物のうち少なくとも１つが含有されたものであってもよい。上記酸化物半導体は、例えば酸化亜鉛や酸化チタンの無機化合物粒子が一例として挙げられるが、これに限るものではない。

【0033】

ｐ型有機半導体として、ポリビニルカルバゾール及びその誘導体、ポリシラン及びその誘導体、側鎖又は主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体等が一例として挙げられる。

【0034】

＜機能層（金属アルコキシド含有層）＞
機能層１３は、第一電極１０および第二電極１１の間に形成される。特に、機能層１３は、光電変換層１２と第一電極１０の間において双方の層に隣接するように形成されることが好ましい。そして、機能層１３は、例えば、第一電極１０が陰極である場合、光電変換層１２で発生する電子を効率良く第一電極１０へと輸送する電子輸送層としての機能を担う。この場合、機能層１３は、電子の移動度が高い材料で形成されることが好ましい。電子の移動度が高い材料として、例えば、金属アルコキシド（例えば、チタンアルコキシド）、ポリチオフェン誘導体の一つであるポリ（３－ヘキシルチオフェン－２，５－ジイル）（Ｐ３ＨＴ）等が挙げられる。また、機能層１３は、光電変換層１２で発生する正孔を第一電極１０に流さない整流作用を奏する。なお、機能層１３は、例えば、第一電極１０が陽極である場合、光電変換層１２で発生する正孔を効率良く第一電極１０へと輸送する電子輸送層としての機能を担う。この場合、機能層１３は、正孔の移動度が高い材料で形成されることが好ましい。

【0035】

電子輸送機能を担う機能層１３には、金属アルコキシド（例えば、チタンアルコキシド）が含有されることが好ましい。機能層１３中の金属アルコキシドは、ｎ型半導体としての役割を果たし、電子を速やかに第一電極１０へ移動させる。また、機能層１３と光電変換層１２とは、共通成分として金属アルコキシドを有する。結果、機能層１３および光電変換層１２の層間において金属アルコキシド同士が接触する割合が高くなるため、上記層間における接触抵抗が低減される。機能層１３および光電変換層１２における金属アルコキシドの含有比率が高ければ高いほど接触抵抗が低減される。また、上記層間で、金属アルコキシドの相互浸透が起こるため、光電変換層１２および機能層１３の機械的強度が向上する。結果、光電変換層１２と機能層１３との間で剥離が起こりにくくなる。この観点からすると、機能層１３は、主成分が金属アルコキシドで構成されたり、または金属アルコキシドのみ（製造の過程で意図せずに含まれてしまう不可避成分も含む）で構成されたりするようにすることが好ましい。また、機能層１３では、金属アルコキシドの結晶体ではなく、非結晶の金属アルコキシドを用いることが好ましい。結晶体が有する靱性の低さの問題点を解消するためである。また、機能層１３の膜厚は、略１００ｎｍ以下であることが好ましい。機能層１３の膜厚が過度に厚い膜厚にされると、電子が第一電極１０に到達することができず、失活してしまう。また、機能層１３の膜厚が過度に薄い膜厚にされると、第一電極１０の面を覆う事ができない。このため、第一電極１０への速やかな電子の到達を可能にさせて、高い出力電流を得るために、機能層１３の膜厚は略１００ｎｍ以下が適当である。なお、光電変換層１２におけるｎ型半導体が金属アルコキシドではなく、フラーレン、フラーレン誘導体、酸化物半導体、及び、その他の電子受容性化合物のうち少なくとも１つが含有された材料で構成される場合、電子輸送機能を担う機能層１３は、金属アルコキシドではなく、その他の材料で構成されてもよい。

【0036】

＜光電変換素子の構成＞
光電変換素子２は、基板１４上に、第一電極１０、機能層１３、光電変換層１２、第二電極１１の順に積層される。そして、第二電極１１側から封止部１５で封止されつつ、基板１６で覆われる。基板１６は、基板１４と同様の材料で構成されることが好ましい。

【0037】

また、光電変換素子２は、図１に示すように、光電変換素子２の層積層方向Ａにおいて、第一電極１０が光電変換層１２と重畳する第一電極側重畳領域２１と、第二電極１１が光電変換層１２と重畳する第二電極側重畳領域２２と、を有する。本実施形態において第一電極側重畳領域２１では、更に、層積層方向Ａにおいて第一電極１０が機能層１３とも重畳する。また、本実施形態において第二電極側重畳領域２２では、更に、層積層方向Ａにおいて第二電極１１の一部領域が機能層１３とも重畳する。

【0038】

本実施形態において第一電極１０は、層積層方向Ａにおいて光電変換層１２と重畳しない第一電極側非重畳領域２３を有する。また、本実施形態において第二電極１１は、層積層方向Ａにおいて光電変換層１２と重畳しない第二電極側非重畳領域２４を有する。

【0039】

図１において層積層方向Ａに直交しつつ、第二電極１１と第一電極１０がずれている方向を光電変換素子２の幅方向（以下、素子幅方向と呼ぶ。）Ｗと定義した場合、第一電極側非重畳領域２３、第一電極側重畳領域２１、第二電極側重畳領域２２、及び第二電極側非重畳領域２４は、順に素子幅方向Ｗに並ぶ。そして、第一電極側非重畳領域２３及び第二電極側非重畳領域２４は、素子幅方向Ｗに沿って第一電極側重畳領域２１及び第二電極側重畳領域２２の端部を起点として、それぞれ第一電極側重畳領域２１及び第二電極側重畳領域２２から離れる方向に凸となっている。また、第一電極側重畳領域２１、及び第二電極側重畳領域２２は、層積層方向Ａにおいて一部領域が重畳している。

【0040】

なお、図２（Ａ）に示すように、光電変換素子２は、図１に示す光電変換素子が複数あって、それらが直列接続された態様であってもよい。また、本実施形態における第一電極側非重畳領域２３の第一電極１０、第二電極側非重畳領域２４の第二電極１１は、それぞれ第一接続部１８、第二接続部１９を第一電極１０、第二電極１１のみに接続させつつ、光電変換層１２、機能層１３を確実に第一電極１０、第二電極１１に接触させないようにするために設けられたものである。このため、第一接続部１８、第二接続部１９に第一電極１０、第二電極１１のみを接続させるように構成されていれば、光電変換素子２は、図２（Ｂ）に示すように、第二電極側非重畳領域２４及び第一電極側非重畳領域２３を設けず、第一電極１０、第二電極１１、光電変換層１２、機能層１３は、全体が重畳していてもよい。このようなものも本発明の範囲に含まれる。つまり、第一電極１０、第二電極１１と第一接続部１８、第二接続部１９それぞれの接続が可能なら、光電変換素子２は、どのような構造であってもよい。

【0041】

＜光電変換素子の配置＞
従来の光電変換素子では、陰極又は陽極の一方側の電極のみを光透過性が高い透明な材料で構成し、他方側の電極を光透過性が低い金属材料で構成していた。このため、基準となる光電変換素子の層積層方向に沿って、複数の光電変換素子が積み重なるように配置されると、光は、最前列の光電変換素子でほとんど吸収又は反射され、２番目以降に配置された光電変換素子には光はほとんど届かない。結果、２番目以降に配置された光電変換素子では、発電がほとんど行われなかった。

【0042】

本実施形態における光電変換素子２は、第一電極１０のみならず、第二電極１１をも光透過性が高い透明な材料で構成している。このため、図１に示すように、基準となる光電変換素子２の層積層方向Ａに沿って、複数の光電変換素子２が積み重なるように配置された結果、隣接する光電変換素子２同士の第一電極側重畳領域２１、第二電極側重畳領域２２が層積層方向Ａにおいて重畳しても、照射光は、手前側の光電変換素子２で一部だけ吸収されるが、残りは透過し、奥側に配置された光電変換素子２にも到達する。結果、層積層方向Ａから見て単位面積当たりの発電量が向上する。つまり、限られた設置面積しかない場所であっても、その場所で本実施形態における光電変換素子２を上下方向に積み重ねれれば、その場所で発電量を増大させることができる。従って、本実施形態における複数の光電変換素子２は、基準となる光電変換素子２の層積層方向Ａに沿って積み重なるように配置されることにより、その効果が向上する。

【0043】

また、一般的に、農作物を育成する畑等は、太陽光の照射が十分に行われる場所にある。このため、本実施形態における光電変換素子２を畑の上方側に位置させると、十分な太陽光を受けつつ、一定量の太陽光を透過させることができる。結果、農作物へ十分な量の太陽光の照射が確保されて、光電変換素子２は十分な発電量を確保しつつ、農作物の育成も促進することができる。

【0044】

＜出力装置の構成＞
本実施形態における出力装置３は、複数の光電変換素子２で発電された電力を外部に出力する際に用いられるものである。光電変換素子２は、着脱自在に出力装置３で保持される。出力装置３は、図１に示すように、保持部１７と、複数の第一接続部１８と、複数の第二接続部１９と、出力回路２０と、を有する。

【0045】

＜保持部＞
保持部１７は、図１に示すように、基準となる光電変換素子２の層積層方向Ａ（以下、基準層積層方向ＣＡと呼ぶ。）に、他の光電変換素子２の層積層方向Ａが平行となりつつ、複数の光電変換素子２が積み重なるように複数の光電変換素子２を保持する。そして、保持部１７は、光電変換素子２を着脱自在に構成される。このため、一部の光電変換素子２に不具合があっても、その部分だけを交換すれば足りる。

【0046】

本実施形態では、基準層積層方向ＣＡと各光電変換素子２の層積層方向Ａが略平行となるような姿勢で複数の光電変換素子２は配置される。この際、図１に示すように、各光電変換素子２が並列に接続される場合、各光電変換素子２の第一電極１０と第二電極１１が同じ側に位置するような姿勢で各光電変換素子２は配置される。一方、図３に示すように、各光電変換素子２が直列に接続される場合、層積層方向Ａにおいて隣接する光電変換素子２の第一電極１０と第二電極１１が相互に反対に位置するような姿勢で各光電変換素子２は配置される。また、光の照射方向に対して、第二電極１１は、第一電極１０よりも奥側に配置されるような姿勢で、光電変換素子２は配置される方が好ましい。光電変換層１２に照射光が到達する前に、ナノ構造体により照射光を反射させないようにするためである。

【0047】

本実施形態において保持部１７は、図４に示すように、内部に複数の支持部１７１を有する筐体１７０により構成される。筐体１７０は、例えば、開口１７０Ａを有する中空の直方体形状をしている。筐体１７０は、直方体形状の面のうち、所定の一つの面が無く、その部分が開口１７０Ａとなり、筐体１７０の内部を外部に開放している。

【0048】

支持部１７１は、光電変換素子２を筐体１７０内で支持するためのものである。そして、複数の支持部１７１は、筐体１７０の延在方向Ｄ（例えば、高さ方向）に沿って等間隔に設けられる。

【0049】

また、筐体１７０の延在方向Ｄにおいて隣接する２つの支持部１７１の間には、光電変換素子２を収容するための収容空間Ｓが形成される。収容空間Ｓは、筐体１７０の延在方向Ｄに延在する筐体１７０の中心軸Ｊ周りの周方向に沿って閉じず延在する筐体１７０の内壁面１７０Ｂと、筐体１７０の延在方向Ｄにおいて隣接する２つの支持部１７１それぞれの延在方向Ｄで対向する対向面１７１Ａに取り囲まれた状態になる。内壁面１７０Ｂの閉じていない部分が筐体１７０の上記開口１７０Ａとなる。

【0050】

光電変換素子２は、開口１７０Ａを通じて収容空間Ｓに挿入可能に構成される。この際、光電変換素子２は、自身の層積層方向Ａが、筐体１７０の延在方向Ｄと平行になりつつ、自身の素子幅方向Ｗが筐体１７０の幅方向（以下、筐体幅方向と呼ぶ。）Ｅに平行となるような姿勢で収容空間Ｓに挿入される。この際、出力回路２０が並列回路を構成する場合、第一電極側非重畳領域２３の第一電極１０、第二電極側非重畳領域２４の第二電極１１が他の光電変換素子２のものと同じ側になるような姿勢で光電変換素子２は配置される。また、出力回路２０が直列回路を構成する場合、隣接する光電変換素子２同士の第一電極側非重畳領域２３の第一電極１０、第二電極側非重畳領域２４の第二電極１１が反対になるような姿勢で光電変換素子２は配置される。

【0051】

支持部１７１は、図４に示すように、光電変換素子２の素子幅方向Ｗの両端で光電変換素子２を支持する一対の支持体１７２により構成される。支持体１７２は、例えば、筐体１７０の内壁面１７０Ｂの一部を構成すると共に、筐体幅方向Ｅで対向する一対の対向面１７０Ｃに接触しつつ、筐体１７０の開口１７０Ａを起点として筐体１７０の奥行方向Ｆに沿って延在する棒状の板材で構成される。支持体１７２は、光電変換素子２の第二電極側非重畳領域２４及び第一電極側非重畳領域２３（図１では、光電変換素子２の素子幅方向Ｗの両端部及びその近傍）において光電変換素子２に接触して光電変換素子２を支持する。

【0052】

以上のように構成される支持部１７１において、筐体幅方向Ｅにおいて一対の支持体１７２それぞれが対向する対向面１７２Ａの間の空間は、図１及ぶ図４に示すように、何も配置されない空き空間Ｔとなる。筐体１７０の延在方向Ｄの一方側から光が照射されると、図１に示すように、光は光電変換素子２の第二電極側重畳領域２２及び第一電極側重畳領域２１を透過して、次の光電変換素子２に進む。この際、空き空間Ｔに相当する位置に何か配置させると、そこで、光が吸収又は反射されてしまう。このことを防ぐために、空き空間Ｔは設けられている。

【0053】

＜第一接続部及び第二接続部＞
複数の第一接続部１８は、収容空間Ｓに挿入された光電変換素子２の第一電極１０に接触して、出力回路２０と光電変換素子２の第一電極１０を電気的に接続するものである。複数の第二接続部１９は、収容空間Ｓに挿入された光電変換素子２の第二電極１１に接触して、出力回路２０と光電変換素子２の第二電極１１を電気的に接続するものである。

【0054】

収容空間Ｓに光電変換素子２を挿入した際、筐体１７０及び支持部１７１（保持部１７）により光電変換素子２が保持される位置を保持位置と定義した際、第一接続部１８は、保持位置において光電変換素子２の第一電極１０が第一接続部１８に接触する位置に配置される。また、第二接続部１９は、保持位置において光電変換素子２の第二電極１１が第二接続部１９に接触する位置に配置される。また、第一接続部１８及び第二接続部１９は、出力回路２０に接続される。つまり、第一接続部１８及び第二接続部１９は、光電変換素子２と出力回路２０を電気的に接続する。

【0055】

本実施形態において第一接続部１８及び第二接続部１９は、図４に示すように、収容空間Ｓ毎に設けられ、両者が筐体幅方向Ｅにおいて対向するように設けられる。具体的に第一接続部１８及び第二接続部１９は、筐体幅方向Ｅにおいて対向する筐体１７０の内壁面１７０Ｂ又はその近傍に設けられる。なお、第一接続部１８及び第二接続部１９は、筐体幅方向Ｅにおいて対向せずに、筐体１７０の奥行方向Ｆに相互にずれた位置に位置してもよい。

【0056】

＜出力回路＞
出力回路２０は、各光電変換素子２に接続される外部回路の一例であり、各光電変換素子２で発電された電力を外部に出力するものである。出力回路２０は、図５（Ａ）に示すように、各光電変換素子２を並列に接続してもよいし、図５（Ｂ）に示すように、各光電変換素子２を直列に接続してもよいし、図５（Ｃ）に示すように、各光電変換素子２を直列、及び並列が混在するように接続してもよい。なお、図５（Ｃ）に示す出力回路２０では、直列接続された光電変換素子２の２つの列を、並列接続している。また、図１に示す出力回路２０では、各光電変換素子２を並列に接続している。また、図２（Ｂ）及び図３に示す出力回路２０では、各光電変換素子２を直列に接続している。また、図５（Ａ）～（Ｃ）において光電変換素子２の「－」は、第一電極１０を表し、光電変換素子２の「＋」は、第二電極１１を表している。

【0057】

各光電変換素子２を並列に接続した場合、図５（Ａ）に示すように、各光電変換素子２と直列に逆流防止ダイオード１９０を設けることが好ましい。電流が逆流することを防止するためである。なお、図１に示す出力回路２０では、逆流防止ダイオード１９０を省略している。

【0058】

各光電変換素子２を直列に接続した場合、図５（Ｂ）に示すように、各光電変換素子２それぞれに対してバイパスダイオード１９１を並列に接続させるようすることが好ましい。バイパスダイオード１９１は、例えば、障害物が光電変換素子２への光を遮った場合や、光電変換素子２に不具合が生じた場合等に、不具合箇所の電流をバイパスさせるからである。また、各光電変換素子２を直列に接続した場合、各光電変換素子２と直列に逆流防止ダイオード１９０を設けることが好ましい。電流が逆流することを防止するためである。なお、図２（Ｂ）及び図３に示す出力回路２０では、バイパスダイオード１９１を省略している。

【0059】

各光電変換素子２を直列、及び並列が混在するように接続した場合、図５（Ｃ）に示すように、直列接続の部分には、バイパスダイオード１９１を並列に接続し、並列接続の部分には逆流防止ダイオード１９０を直列に接続することが好ましい。

【0060】

以上の出力回路２０を通じて各光電変換素子２で発電された電力は、外部に出力される。そして、出力回路２０の下流側には、必要に応じて、例えば、電圧を昇圧する（図示しない）昇圧回路、又は直流―交流変換を行う（図示しない）インバータ回路等が設けられて、所定の電力が外部に供給される。なお、出力回路２０の下流側には、上記以外の回路が含まれていてもよい。

【0061】

＜光電変換素子Ａ，Ｂに関する実験＞
本願発明者は、図６（Ａ），（Ｂ）に示す構造の光電変換素子Ａ，Ｂを作成して、光電変換素子Ａ，Ｂの吸光特性及び発電特性に関する実験を行った。光電変換素子Ａは、本発明の実施形態に含まれるものであり、ＩＴＯ（インジウムドープ酸化錫透明導電膜）付ガラス基板（第一電極１０付きの基板１４）の上に機能層１３、光電変換層１２、第二電極１１が順に成膜されたものである。光電変換素子Ａにおける機能層１３は、イソプロピルアルコールに２ｗｔ％のチタンイソプロポキシドを溶解させた塗布液をＩＴＯ付ガラス基板に滴下してスピンコート法により成膜して作成した。そして、成膜後、１２０℃の大気中で１０分乾燥させた。

【0062】

光電変換素子Ａにおける光電変換層１２は、光電変換層形成材料をクロロベンゼンに溶解させた塗布液を機能層の上に滴下してスピンコート法により成膜して作成した。そして、成膜後、１２０℃の大気中で１０分乾燥させた。なお、光電変換層形成材料として、ポリチオフェン誘導体（ｐ型半導体高分子化合物）、フラーレン誘導体（ＰＣＢＭ）、チタンアルコキシドＴｉＯｘを混合したものが挙げられる。ポリチオフェン誘導体として、Ｐｏｌｙ（３－ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）－ｒｅｇｉｏ－ｒｅｇｕｌａｒ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社で購入）を用いた。また、チタンアルコキシドとして、チタンイソプロポキシドを用いた。

【0063】

光電変換素子Ａにおける第二電極１１は、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ（Ｈｅｒａｅｕｓ社で購入）に銀ナノワイヤ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社で購入）を、質量比１：１で混合して分散させた混合溶液を第二電極材料に用い、その第二電極材料を光電変換層１２滴下してスピンコート法により成膜して作成した。そして、成膜後、１２０℃の大気中で１０分乾燥させた。

【0064】

光電変換素子Ｂは、比較例として作成したものであり、光電変換素子Ａと同様に、ＩＴＯ（インジウムドープ酸化錫透明導電膜）付ガラス基板（第一電極１０付きの基板１４）の上に機能層１３、光電変換層１２、第二電極１１が順に成膜されたものである。なお、機能層１３、光電変換層１２は、同じ材料、製造方法で作成した。一方、第二電極１１は、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ（Ｈｅｒａｅｕｓ社で購入）のみを第二電極材料に用い、その第二電極材料を光電変換層１２滴下してスピンコート法により成膜して作成した。

【0065】

＜光電変換素子Ａ，Ｂの吸光度について＞
分光光度計（株式会社島津製作所製ＵＶ－１８００）により波長が５００ｎｍの光における光電変換素子Ａ，Ｂの吸光度を測定した。この際、光電変換素子Ａの吸光度をＣ（Ａｂｓ）とし、光電変換素子Ｂの吸光度をＤ（Ａｂｓ）とした場合、Ｃ／Ｄは５９（％）となった。つまり、本実施形態に準じて作成された光電変換素子Ａの方が、吸光度が低く、光電変換素子Ｂと比較して４１（％）もの光を透過させたことがわかる。

【0066】

＜光電変換素子Ａ，Ｂの発電特性について＞
また、図６（Ｃ）に示すように、光電変換素子Ａ及び光電変換素子Ｂを、それぞれの第二電極側重畳領域２２が重畳するように積み重ねて、基板１４側から（図６の紙面奥側から手前側に向かって）光を照射した際、直列接続をした場合における電流値と、並列接続をした場合における電圧値を測定した。直列接続をした場合における光電変換素子Ａの電流値をＥ（Ａ）とし、光電変換素子Ｂの電流値をＦ（Ａ）とした場合、Ｅ／Ｆは、１３６（％）となった。光電変換素子Ｂに比べて、本実施形態に準じて作成された光電変換素子Ａの方が多くの光を透過させるため、多く発電していることがこの結果から明らかになった。

【0067】

また、並列接続をした場合における光電変換素子Ａの電圧値をＧ（Ａ）とし、光電変換素子Ｂの電圧値をＨ（Ａ）とした場合、Ｇ／Ｈは、１０４（％）となった。光電変換素子Ｂに比べて、本実施形態に準じて作成された光電変換素子Ａの方が多くの光を透過させるため、光電変換素子Ａの方が多く発電していることがこの結果から明らかになった。なお、図６（Ｃ）に示すように、層積層方向Ａから平面視した際、光電変換素子Ａ及び光電変換素子Ｂそれぞれの光電変換層１２が重畳するように積み重ねることは、単位面積当たりの発電量を向上させる観点から好ましい。このように光電変換素子Ａ及び光電変換素子Ｂを配置させた場合、従来、第二電極１１と光電変換層１２が重畳する重畳領域では、第二電極１１により多くの光が吸収、又は、反射されていたため、重畳領域では、発電効率が低くなっていた。しかし、光電変換素子Ａ，Ｂにおいて第二電極１１は、高い光透過率を有するため、重畳領域においても、高い発電効率を維持することができる。

【0068】

＜第二電極材料Ａ～Ｄの透過率について＞
本願発明者は、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳと銀ナノワイヤの混合比（質量比）を変えた第二電極材料Ａ～Ｄを作成した。第二電極材料Ａは、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳと銀ナノワイヤの混合比を質量比１：１にしたものである。第二電極材料Ｂは、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳと銀ナノワイヤの混合比を質量比１．５：１にしたものである。第二電極材料Ｃは、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳと銀ナノワイヤの混合比を質量比２：１にしたものである。第二電極材料Ｄは、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳのみであり、銀ナノワイヤは含まれていない。なお、第二電極材料Ａは、光電変換素子Ａの第二電極材料に対応し、第二電極材料Ｄは、光電変換素子Ｂの第二電極材料に対応する。

【0069】

本願発明者は、分光光度計（株式会社島津製作所製ＵＶ－１８００）を用いて、第二電極材料Ａ～Ｄの透過率（％）を測定した。その結果を図７のグラフに示す。なお、図７のグラフでは、横軸に分光光度計からの照射光の波長を取り、縦軸に透過率（％）を取った。図７のグラフによると、第二電極材料Ａ、第二電極材料Ｂ、第二電極材料Ｃ、第二電極材料Ｄの順に、概ね透過率が高くなっている。そして、第二電極材料Ｄに比べて光電変換素子Ａ～Ｃは、透過率が大幅に上がっている。従って、ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳに銀ナノワイヤを混合した方が、透過率が明らかに良くなることがわかる。

【0070】

また、図７のグラフから明らかなように、銀ナノワイヤに対してＰＥＤＯＴ－ＰＳＳの質量比を小さく方が、透過率が明らかに良くなっている。そして、第二電極材料Ｂと第二電極材料Ｃを比較すると、照射光の波長が４００（ｎｍ）くらいまでは両者の透過率は略同じであるが、照射光の波長が４００（ｎｍ）を超えると、第二電極材料Ｃに比べて第二電極材料Ｂの方が、わずかに透過率が大きくなっている。また、第二電極材料Ａと第二電極材料Ｂを比較すると、照射光の波長が３００（ｎｍ）～１０００（ｎｍ）の範囲において、第二電極材料Ｂに比べて第二電極材料Ａの方が、透過率が大幅に大きくなっている。

【0071】

尚、本発明の光電変換素子及び発電装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

【符号の説明】

【0072】

１ 発電装置
２ 光電変換素子
３ 出力装置
１０ 第一電極
１１ 第二電極
１２ 光電変換層
１３ 機能層
１４，１６ 基板
１５ 封止部
１７ 保持部
１８ 第一接続部
１９ 第二接続部
２０ 出力回路
２１ 第一電極側重畳領域
２２ 第二電極側重畳領域
２３ 第一電極側非重畳領域
２４ 第二電極側非重畳領域
１７０ 筐体
１７１ 支持部
１７２ 支持体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】