JP7766929B2 - Anti-reflection coating for solar cells, and design method, manufacturing method, and design program for solar cells equipped with anti-reflection coating - Google Patents
Anti-reflection coating for solar cells, and design method, manufacturing method, and design program for solar cells equipped with anti-reflection coatingInfo
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Description
本発明は、太陽電池用反射防止膜及び反射防止膜を備えた太陽電池の設計方法、製造方法、及び設計プログラムに関する。 The present invention relates to an anti-reflective coating for solar cells, and a design method, manufacturing method, and design program for solar cells equipped with an anti-reflective coating.
太陽電池の発電効率を向上させるため、電池表面での光の反射を抑制する機能を持つ反射防止多層膜が広く利用されている。図1に、太陽電池の反射防止膜の構成及び機能を表す断面模式図を示す。図1(A)に示すように太陽電池が反射防止膜を有しない場合、入射光が入ると反射光が生じて光エネルギーが逃げてしまうが、図1(B)に示すように太陽電池が表面に反射防止膜を有する場合、反射光を抑制して光を太陽電池に効率良く吸収して発電することができる。 To improve the power generation efficiency of solar cells, anti-reflective multilayer coatings that suppress light reflection on the cell surface are widely used. Figure 1 shows a cross-sectional schematic diagram illustrating the structure and function of an anti-reflective coating on a solar cell. If a solar cell does not have an anti-reflective coating, as shown in Figure 1(A), incident light is reflected and light energy is lost. However, if the solar cell has an anti-reflective coating on its surface, as shown in Figure 1(B), reflected light is suppressed, allowing the solar cell to efficiently absorb light and generate electricity.
一般に反射防止膜の設計では、太陽電池表面に光が垂直に入射する際に得られる発電量が最大となるように、反射防止膜の各層の膜厚等の特性が決定される。この設計方法は、光の強度が最も強い真昼の太陽光が垂直に当たるように太陽電池パネルを設置して、この条件における光エネルギーを最大限有効に利用することを目的としている(非特許文献1、非特許文献2)。 In general, when designing an anti-reflective coating, the characteristics of each layer, such as the film thickness, are determined so that the amount of power generated is maximized when light is perpendicularly incident on the solar cell surface. This design method aims to maximize the effective use of light energy under conditions when the solar cell panel is installed so that sunlight at midday, when the light intensity is strongest, strikes it perpendicularly (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2).
これに対して本発明者は、近年急速に普及しているIoTデバイス(インターネットで接続された各種センサー機器)に使用する場合のように、工場や家といった屋内での発電を目的として太陽電池を使用する場合は、照明の位置と太陽電池の向きによって太陽電池に対する光の方向が様々に変化するため、特定の光の向きを前提とした反射防止膜の設計は適当ではなく、しかも、室内環境では壁や天井で多数回反射することで生じる拡散光が中心となるため、あらゆる方向から同時に光が入射する光学的条件を考慮する必要があることを見いだした。 In contrast, the inventors have discovered that when solar cells are used to generate electricity indoors, such as in factories or homes, as in IoT devices (various types of sensor equipment connected to the internet), which have become increasingly common in recent years, the direction of light relative to the solar cell varies depending on the position of the lighting and the orientation of the solar cell, making it inappropriate to design an anti-reflective coating that assumes a specific direction of light. Furthermore, indoor environments primarily consist of diffused light caused by multiple reflections on walls and ceilings, so it is necessary to consider the optical conditions in which light is incident from all directions simultaneously.
したがって、従来よりも屋内使用時の反射防止性能を向上できる太陽電池用反射防止膜の設計方法が求められる。 Therefore, there is a need for a method for designing anti-reflection coatings for solar cells that can improve anti-reflection performance when used indoors compared to conventional methods.
本発明の要旨は以下のとおりである。
(1)(A)反射防止膜を有する太陽電池の、前記反射防止膜の表面に対する等方的拡散光の入射角θに対するエネルギー密度分布g(θ)を式(1):
に基づいて計算すること、及び
前記算出したエネルギー密度分布g(θ)に基づいて前記太陽電池の発電効率を最大化する前記反射防止膜の構成を決定すること
を含む、太陽電池用反射防止膜の設計方法。
(2)前記算出したエネルギー密度分布g(θ)に基づいて前記太陽電池の発電効率を最大化する前記反射防止膜の構成を決定することが、
(B)前記反射防止膜の第nの構成を決定すること、
(C)前記反射防止膜の第nの構成に基づいて、前記入射角θに対する前記太陽電池の発電量JSC(θ)、または前記入射角θ及び波長λに対する前記反射防止膜を有する太陽電池全体の反射率R(λ,θ)を算出すること、
(D)前記算出したエネルギー密度分布g(θ)と、前記算出したJSC(θ)または前記算出したR(λ,θ)との関係とを用いて、前記太陽電池の発電量の平均値JSC、aveまたは前記太陽電池の反射率の平均値Raveを算出すること、及び
(E)最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveが最大化または前記Raveが最小化する前記反射防止膜の第n+1の構成を決定すること
を含み、
前記nは1から始まる自然数であり、
前記最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveまたは前記Raveの変化が所定の範囲内に収束するまで前記(C)~(E)を繰り返して、前記反射防止膜の最終構成を決定することを含む、
上記(1)に記載の設計方法。
(3)前記nが1の場合の前記反射防止膜の第1の構成を決定することが、ランダムな初期値を用いて行われる、上記(2)に記載の設計方法。
(4)前記太陽電池の発電効率を最大化することが、式(2):
で表される前記評価関数Iを最大化することである、上記(1)または(2)に記載の設計方法。
(5)前記H(θ)が式(3):
で表され、
前記評価関数Iは式(4):
前記評価関数Iを最大化することは、前記JSC、aveを最大化することである、上記(4)に記載の設計方法。
(6)前記H(θ)が式(5):
で表され、
前記評価関数Iが式(6):
前記評価関数Iを最大化することは、前記-Raveを最小化することである、上記(4)に記載の設計方法。
(7)前記反射防止膜の第nの構成が、前記反射防止膜の層数、各層の膜厚、屈折率、またはそれらの組合せである、上記(2)に記載の設計方法。
(8)上記(1)~(7)のいずれかに記載の設計方法を含む太陽電池用反射防止膜の製造方法。
(9)上記(1)~(7)のいずれかに記載の設計方法を含む反射防止膜を備えた太陽電池の製造方法。
(10)コンピューターに、
(A)反射防止膜を有する太陽電池の、前記反射防止膜の表面に対する等方的拡散光の入射角θに対するエネルギー密度分布g(θ)を式(1):
に基づいて計算する計算処理、及び
前記算出したエネルギー密度分布g(θ)に基づいて前記太陽電池の発電効率を最大化する前記反射防止膜の構成を決定する構成決定処理
を実行させる、太陽電池用反射防止膜の設計プログラム。
(11)前記算出したエネルギー密度分布g(θ)に基づいて前記太陽電池の発電効率を最大化する前記反射防止膜の構成を決定する構成決定処理が、
(B)前記反射防止膜の第nの構成を決定する第n構成決定処理、
(C)前記反射防止膜の第nの構成に基づいて、前記入射角θに対する前記太陽電池の発電量JSC(θ)、または前記入射角θ及び波長λに対する前記反射防止膜を有する太陽電池全体の反射率R(λ,θ)を算出するJSC(θ)または反射率R(λ,θ)の算出処理、
(D)前記算出したエネルギー密度分布g(θ)と、前記算出したJSC(θ)または前記算出したR(λ,θ)との関係とを用いて、前記太陽電池の発電量の平均値JSC、aveまたは前記太陽電池の反射率の平均値Raveを算出するRave算出処理、及び
(E)最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveが最大化または前記Raveが最小化する前記反射防止膜の第n+1の構成を決定する第n+1構成決定処理
を含み、
前記nは1から始まる自然数であり、
前記最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveまたは前記Raveの変化が所定の範囲内に収束するまで前記(C)~(E)を繰り返して、前記反射防止膜の最終構成を決定することを含む、
上記(10)に記載の設計プログラム。
(12)前記nが1の場合の前記反射防止膜の第1の構成を決定することが、ランダムな初期値を用いて行われる、上記(11)に記載の設計プログラム。
(13)前記太陽電池の発電効率を最大化することが、式(2):
で表される前記評価関数Iを最大化することである、上記(10)または(11)に記載の設計プログラム。
(14)前記H(θ)が式(3):
で表され、
前記評価関数Iは式(4):
前記評価関数Iを最大化することは、前記JSC、aveを最大化することである、上記(13)に記載の設計プログラム。
(15)前記H(θ)が式(5):
で表され、
前記評価関数Iが式(6):
前記評価関数Iを最大化することは、前記-Raveを最小化することである、上記(13)に記載の設計プログラム。
(16)前記反射防止膜の第nの構成が、前記反射防止膜の層数、各層の膜厚、各層の屈折率、またはそれらの組合せである、上記(11)に記載の設計プログラム。
The gist of the present invention is as follows.
(1) (A) The energy density distribution g(θ) of a solar cell having an anti-reflection film with respect to the incident angle θ of isotropically diffused light on the surface of the anti-reflection film is calculated using the formula (1):
and determining a configuration of the anti-reflection coating that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ).
(2) determining a configuration of the anti-reflection film that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ);
(B) determining an nth configuration of the anti-reflection film;
(C) calculating the power generation amount J SC (θ) of the solar cell with respect to the incident angle θ, or the reflectance R(λ, θ) of the entire solar cell having the anti-reflection film with respect to the incident angle θ and wavelength λ based on the n-th configuration of the anti-reflection film;
(D) calculating an average value J SC ,ave of the amount of power generated by the solar cell or an average value R ave of the reflectance of the solar cell using the relationship between the calculated energy density distribution g(θ) and the calculated J SC (θ) or the calculated R(λ, θ); and (E) determining an (n+1)th configuration of the anti-reflection film that maximizes the calculated J SC,ave or minimizes the calculated R ave using an optimization engine,
The n is a natural number starting from 1,
and determining a final configuration of the anti-reflection coating by repeating (C) to (E) until a change in the J SC, ave or the R ave calculated using the optimization engine converges within a predetermined range.
The design method described in (1) above.
(3) The design method according to (2) above, wherein determining the first configuration of the antireflection film when n is 1 is performed using a random initial value.
(4) Maximizing the power generation efficiency of the solar cell is achieved by satisfying the formula (2):
The design method according to (1) or (2) above, wherein the evaluation function I is maximized.
(5) The H(θ) is expressed by the formula (3):
is expressed as
The evaluation function I is expressed by the formula (4):
The design method according to (4) above, wherein maximizing the evaluation function I means maximizing the J SC,ave .
(6) The H(θ) is expressed by the formula (5):
is expressed as
The evaluation function I is expressed by the formula (6):
The design method according to (4) above, wherein maximizing the evaluation function I is minimizing the −R ave .
(7) The design method according to (2) above, wherein the nth configuration of the antireflection film is the number of layers of the antireflection film, the thickness of each layer, the refractive index, or a combination thereof.
(8) A method for producing an anti-reflection film for a solar cell, comprising the design method according to any one of (1) to (7) above.
(9) A method for manufacturing a solar cell provided with an anti-reflection film, including the design method according to any one of (1) to (7) above.
(10) To the computer:
(A) The energy density distribution g(θ) of a solar cell having an anti-reflection film with respect to the incident angle θ of isotropically diffused light on the surface of the anti-reflection film is calculated using the formula (1):
and a configuration determination process for determining a configuration of the anti-reflection coating that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ).
(11) A configuration determination process for determining a configuration of the anti-reflection film that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ),
(B) an nth configuration determination process for determining an nth configuration of the antireflection film;
(C) a calculation process of J SC (θ) or reflectance R(λ, θ) for calculating the power generation amount J SC ( θ) of the solar cell with respect to the incident angle θ, or the reflectance R(λ, θ) of the entire solar cell having the anti-reflection film with respect to the incident angle θ and wavelength λ, based on the n-th configuration of the anti-reflection film;
(D) an R ave calculation process that calculates an average value J SC ,ave of the power generation amount of the solar cell or an average value R ave of the reflectance of the solar cell using the relationship between the calculated energy density distribution g(θ) and the calculated J SC (θ ) or the calculated R(λ, θ); and (E) an (n+1)th configuration determination process that determines an (n+1)th configuration of the anti-reflection film that maximizes the J SC,ave or minimizes the R ave calculated using an optimization engine,
The n is a natural number starting from 1,
and determining a final configuration of the anti-reflection coating by repeating (C) to (E) until a change in the J SC, ave or the R ave calculated using the optimization engine converges within a predetermined range.
The design program according to (10) above.
(12) The design program according to (11) above, wherein determining the first configuration of the antireflection film when n is 1 is performed using a random initial value.
(13) Maximizing the power generation efficiency of the solar cell is achieved by satisfying the formula (2):
The design program according to (10) or (11) above, wherein the evaluation function I is maximized.
(14) The H(θ) is expressed by the formula (3):
is expressed as
The evaluation function I is expressed by the formula (4):
The design program according to (13) above, wherein maximizing the evaluation function I is maximizing the J SC,ave .
(15) The H(θ) is expressed by the formula (5):
is expressed as
The evaluation function I is expressed by the formula (6):
The design program according to (13) above, wherein maximizing the evaluation function I is minimizing the −R ave .
(16) The design program according to (11) above, wherein the nth configuration of the antireflection film is the number of layers of the antireflection film, the thickness of each layer, the refractive index of each layer, or a combination thereof.
本発明によれば、屋内使用時の反射防止性能を向上できる太陽電池用反射防止膜の設計方法を提供することができる。 The present invention provides a method for designing an anti-reflection coating for solar cells that can improve anti-reflection performance when used indoors.
本開示は、(A)反射防止膜を有する太陽電池の、前記反射防止膜の表面に対する等方的拡散光の入射角θに対するエネルギー密度分布g(θ)を式(1):
を含む、太陽電池用反射防止膜の設計方法を対象とする。
The present disclosure provides (A) an energy density distribution g(θ) of a solar cell having an anti-reflection film with respect to an incident angle θ of isotropically diffused light on a surface of the anti-reflection film, expressed by the formula (1):
本開示の設計方法(以下、本設計方法ともいう)によれば、屋外とは全く異なる屋内の光学環境を本質的に考慮して、屋内使用時に太陽電池の発電効率を実質的に最大化することができる太陽電池用反射防止膜の構成、すなわち、従来よりも反射防止性能が向上された太陽電池用反射防止膜を提供することができる。本設計方法により提供される反射防止膜が適用される太陽電池は特に限定されず、例えば、有機薄膜太陽電池、シリコン太陽電池、ペロブスカイト太陽電池等であることができる。 The design method disclosed herein (hereinafter also referred to as the present design method) essentially takes into account the indoor optical environment, which is completely different from that outdoors, and provides an anti-reflection coating configuration for solar cells that can substantially maximize the power generation efficiency of solar cells when used indoors, i.e., an anti-reflection coating for solar cells with improved anti-reflection performance compared to conventional coatings. The solar cells to which the anti-reflection coating provided by the present design method can be applied are not particularly limited, and can be, for example, organic thin-film solar cells, silicon solar cells, perovskite solar cells, etc.
また、本設計方法によれば、屋外使用時の効率をほぼ維持したままで屋内使用時の効率を顕著に改善することが可能である。さらには、本設計方法は、様々な方向から光を受ける光学条件における平均発電量(発電量の期待値)を増加させるという設計原理に基づいているため、屋内環境の他にも、あらゆる方向から光を受けるために光の方向が予想できない様々な移動システム(電気自動車・ソーラープレーン等)に搭載する太陽電池の反射防止膜の設計への適用が可能である。 In addition, this design method makes it possible to significantly improve efficiency during indoor use while roughly maintaining efficiency during outdoor use. Furthermore, because this design method is based on the design principle of increasing the average power generation (expected power generation) under optical conditions where light is received from various directions, it can be applied not only to indoor environments, but also to the design of anti-reflection coatings for solar cells installed in various mobile systems (electric vehicles, solar planes, etc.) where light is received from all directions and the direction of the light is unpredictable.
さらには、本設計方法で得られる多層膜構造の反射防止膜を製造する際には、各層の膜厚及び屈折率を一定程度調整すれば従来と比べて十分な発電効率の向上が得られ、各層の膜厚及び屈折率の調整は、各層の成膜に使用するスパッタ装置等の設備の変更を基本的に要しないため、太陽電池のコストアップがほとんど生じない。本設計方法によれば、太陽電池のコストを従来とほぼ同等に維持したままで、各種の屋内用デバイス(IoTデバイス等)や移動システムに適用する際の発電効率を大幅に、好ましくは約1.1~1.6%向上させることが可能である。 Furthermore, when manufacturing an anti-reflection coating with a multilayer structure obtained using this design method, adjusting the film thickness and refractive index of each layer to a certain extent can achieve a sufficient improvement in power generation efficiency compared to conventional methods. Adjusting the film thickness and refractive index of each layer essentially does not require changes to the sputtering equipment or other facilities used to deposit each layer, resulting in almost no increase in the cost of the solar cell. This design method makes it possible to significantly improve power generation efficiency, preferably by approximately 1.1 to 1.6%, when applied to various indoor devices (such as IoT devices) and mobile systems, while maintaining solar cell costs roughly the same as conventional methods.
従来、屋内環境で太陽電池を使用する場合、光の入射する方向が光源(照明及び窓)の相対的な位置や太陽電池表面の向きによって様々に変化するため、反射防止膜の設計を行う時点で光の方向を予測することは非常に困難な場合が多い。 Traditionally, when using solar cells in an indoor environment, the direction of incident light varies depending on the relative position of the light source (lighting and windows) and the orientation of the solar cell surface, making it very difficult to predict the direction of light when designing an anti-reflection coating.
このことは、アクティブRFIDタグのような移動式のIoTデバイスに使用する太陽電池用の反射防止膜を設計する場合や、同じ太陽電池を多種類のデバイス(異なるタイプのセンサー等)に共通して使用する場合には特にあてはまる。さらに屋内環境では、光が様々な物や床、壁などに繰り返し当たって反射することにより散乱光が発生するため、あらゆる方向から照射する散乱光が、入射光のエネルギーの相当な割合を占めることが一般的である。 This is especially true when designing anti-reflective coatings for solar cells used in mobile IoT devices such as active RFID tags, or when the same solar cell is used across multiple devices (e.g., different types of sensors). Furthermore, in indoor environments, scattered light occurs as light repeatedly bounces off various objects, floors, walls, etc., and scattered light coming from all directions typically accounts for a significant fraction of the incident light energy.
このため、屋内の光学環境で反射防止膜を設計する際には、多くのケースで太陽電池が様々な方向からの光をランダムかつ等確率に受けとるという、等方的拡散光の仮定が近似的に妥当である。図2に、屋内環境における太陽電池に対する等方的拡散光の模式図を示す。図2においては、太陽電池表面に垂直方向からくる光が入射角θ=0°である。 For this reason, when designing anti-reflection coatings for indoor optical environments, the assumption of isotropically diffused light, in which a solar cell receives light from various directions randomly and with equal probability, is generally appropriate. Figure 2 shows a schematic diagram of isotropically diffused light on a solar cell in an indoor environment. In Figure 2, light coming from a direction perpendicular to the solar cell surface has an incident angle θ = 0°.
以下に、反射防止膜の表面に対する等方的拡散光の入射角θに対するエネルギー密度分布g(θ)を表す式(1)の導出過程を説明する。 The following explains the process of deriving equation (1), which represents the energy density distribution g(θ) relative to the incident angle θ of isotropically diffused light on the surface of an anti-reflection coating.
太陽電池が等方的拡散光を受けとる光学環境において、入射角θの位置にある立体角dΩに含まれる光線によって太陽電池表面に照射される光エネルギー(放射照度)dEは、電磁波の基礎理論に基づいて、式(A.1):
により表される。L(λ)は、等方的拡散光の条件により波長λのみの関数で表される。
In an optical environment in which a solar cell receives isotropically diffused light, the light energy (irradiance) dE irradiated onto the surface of the solar cell by a ray of light contained in a solid angle dΩ at an incident angle θ is expressed by the following formula (A.1) based on the basic theory of electromagnetic waves:
L(λ) is expressed as a function of only the wavelength λ under the condition of isotropic diffused light.
ここで、太陽電池が受け取る光エネルギーの入射角に対する分布を算出するため、図3に示す球座標(θ、φ)を導入する。立体角dΩ、入射角θ、及び方位角φには、式(A.2):
で表すことができる。
Here, in order to calculate the distribution of light energy received by a solar cell with respect to the angle of incidence, the spherical coordinates (θ, φ) shown in Figure 3 are introduced. The solid angle dΩ, the angle of incidence θ, and the azimuthal angle φ are expressed by the following equation (A.2):
It can be expressed as:
g(θ)は、式(A.4):
この制約条件を用いることで、式(A.3)よりFS(λ)=πL(λ)が成立するので、この関係を再び式(A.3)に代入することで、式(1):
すなわち、等方的拡散光の仮定において、太陽電池が実際に受け取る入射角θに対する光エネルギー密度分布(光エネルギーの入射角θに対する確率分布)g(θ)は式(1)で表される。 In other words, assuming isotropic diffuse light, the light energy density distribution g(θ) (probability distribution of light energy with respect to the incident angle θ) actually received by a solar cell with respect to the incident angle θ is expressed by equation (1).
図4に、入射角θに対するg(θ)のグラフを示す。図4は、等方的拡散光により太陽電池が実際に受け取る光エネルギー密度g(θ)を示す。図4のg(θ)の関数形状から分かるように、等方的拡散光の条件において太陽電池はθ=45°の入射角の光エネルギーを最も強く受け取り、θ=0°付近及び90°付近の光エネルギーはほとんど受け取らない。このことは、従来の垂直入射(θ=0°)における発電効率を増加させるように反射防止膜を設計する手法は、屋内用には適切ではないことを意味している。 Figure 4 shows a graph of g(θ) versus the incident angle θ. Figure 4 shows the light energy density g(θ) actually received by a solar cell with isotropically diffused light. As can be seen from the function shape of g(θ) in Figure 4, under isotropically diffused light conditions, a solar cell receives the strongest light energy at an incident angle of θ = 45°, and receives almost no light energy near θ = 0° or 90°. This means that the conventional method of designing anti-reflection coatings to increase power generation efficiency at normal incidence (θ = 0°) is not appropriate for indoor use.
本設計方法によれば、屋内環境またはそれに相当する等方的拡散光を太陽電池が受ける際の発電効率を最大化するように太陽電池用の反射防止膜を設計することができる。 This design method makes it possible to design anti-reflection coatings for solar cells that maximize power generation efficiency when the solar cells are exposed to isotropically diffused light in an indoor environment or an equivalent environment.
好ましくは、前記算出したエネルギー密度分布g(θ)に基づいて前記太陽電池の発電効率を最大化する前記反射防止膜の構成を決定することは、
(B)前記反射防止膜の第nの構成を決定すること、
(C)前記反射防止膜の第nの構成に基づいて、前記入射角θに対する前記太陽電池の発電量JSC(θ)、または前記入射角θ及び波長λに対する前記反射防止膜を有する太陽電池全体の反射率R(λ,θ)を算出すること、
(D)前記算出したエネルギー密度分布g(θ)と、前記算出したJSC(θ)または前記算出したR(λ,θ)との関係とを用いて、前記太陽電池の発電量の平均値JSC、aveまたは前記太陽電池の反射率の平均値Raveを算出すること、及び
(E)最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveが最大化または前記Raveが最小化する前記反射防止膜の第n+1の構成を決定すること
を含み、
前記nは1から始まる自然数であり、
前記最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveまたは前記Raveの変化が所定の範囲内に収束するまで前記(C)~(E)を繰り返して、前記反射防止膜の最終構成を決定することを含む。
Preferably, determining a configuration of the anti-reflection film that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ) includes:
(B) determining an nth configuration of the anti-reflection film;
(C) calculating the power generation amount J SC (θ) of the solar cell with respect to the incident angle θ, or the reflectance R(λ, θ) of the entire solar cell having the anti-reflection film with respect to the incident angle θ and wavelength λ based on the n-th configuration of the anti-reflection film;
(D) calculating an average value J SC ,ave of the amount of power generated by the solar cell or an average value R ave of the reflectance of the solar cell using the relationship between the calculated energy density distribution g(θ) and the calculated J SC (θ) or the calculated R(λ, θ); and (E) determining an (n+1)th configuration of the anti-reflection film that maximizes the calculated J SC,ave or minimizes the calculated R ave using an optimization engine,
The n is a natural number starting from 1,
and determining a final configuration of the anti-reflection coating by repeating (C) to (E) until a change in the J SC, ave or the R ave calculated using the optimization engine converges within a predetermined range.
図5に、上記(B)~(E)を含む反射防止膜の構成を決定するアルゴリズムを示す。図5に示すアルゴリズムは、反射防止膜の構成を最適化する最適化アルゴリズムであり、以下に説明するステップα-1~α-5またはステップβ-2~β-5に相当する。 Figure 5 shows an algorithm for determining the anti-reflection coating configuration, including the above (B) to (E). The algorithm shown in Figure 5 is an optimization algorithm for optimizing the anti-reflection coating configuration, and corresponds to steps α-1 to α-5 or steps β-2 to β-5 described below.
ステップα-1
反射防止膜の初期値(初期構成)を決定する。ステップα-1は、n=1の場合の上記(B)に対応する。反射防止膜の構成には、反射防止膜を構成する層数、各層の膜厚、各層の屈折率の波長依存性等が含まれ得る。反射防止膜の第nの構成は、好ましくは、反射防止膜の層数、各層の膜厚、各層の屈折率、またはそれらの組合せである。反射防止膜の初期値(初期構成)は、一般的に用いられる既知の構成と同じにする、既知の構成に基づいて決める等の任意の方法で決めればよい。反射防止膜の一般的に用いられる既知の構成は、例えば、屈折率が低いSiO2と屈折率が高いTiO2を含む多層膜である。SiO2、TiO2等の反射防止膜を構成する各層の屈折率は光学計測により得られた入射光の波長の関数で表される。
Step α-1
The initial value (initial configuration) of the antireflection film is determined. Step α-1 corresponds to (B) above when n = 1. The configuration of the antireflection film may include the number of layers constituting the antireflection film, the thickness of each layer, the wavelength dependence of the refractive index of each layer, etc. The nth configuration of the antireflection film is preferably the number of layers of the antireflection film, the thickness of each layer, the refractive index of each layer, or a combination thereof. The initial value (initial configuration) of the antireflection film may be determined by any method, such as by making it the same as a commonly used known configuration or by determining it based on a known configuration. A commonly used known configuration of an antireflection film is, for example, a multilayer film containing SiO 2 with a low refractive index and TiO 2 with a high refractive index. The refractive index of each layer constituting the antireflection film, such as SiO 2 or TiO 2 , is expressed as a function of the wavelength of incident light obtained by optical measurement.
屈折率が低いSiO2と屈折率が高いTiO2を含む多層膜は、設計範囲が広い点で好ましい。多層膜の層数は特に限定されないが、例えば2~10層または4~8層でもよい。反射防止膜の初期値(初期構成)は、好ましくは、後述するステップβ-1で説明するようにランダムに決定される。 A multilayer film containing SiO2, which has a low refractive index, and TiO2, which has a high refractive index, is preferable because it has a wide design range. The number of layers in the multilayer film is not particularly limited, but may be, for example, 2 to 10 layers or 4 to 8 layers. The initial value (initial configuration) of the anti-reflection film is preferably determined randomly as described in step β-1 below.
ステップα-2
入射角θに対する太陽電池の発電電流JSC(θ)(ケース1の場合)、または波長λ及び入射角θに対する反射率の関係R(λ,θ)(ケース2の場合)を、数値計算を用いて光伝搬を調べる光学解析により算出する。ステップα-2は上記(C)に対応する。
Step α-2
The solar cell's power generation current J SC (θ) with respect to the incident angle θ (in case 1), or the relationship between the wavelength λ and the incident angle θ and the reflectance R(λ, θ) with respect to the wavelength λ and the incident angle θ (in case 2) is calculated by optical analysis that investigates light propagation using numerical calculations. Step α-2 corresponds to (C) above.
ステップα-3
評価関数Iの値を、式(1)~(4)(ケース1の場合)、または式(1)、(2)、(5)及び(6)(ケース2の場合)を用いて算出する。ステップα-3は、上記(D)に対応する。
Step α-3
The value of the evaluation function I is calculated using formulas (1) to (4) (for case 1), or formulas (1), (2), (5) and (6) (for case 2). Step α-3 corresponds to (D) above.
ステップα-4
最適化エンジンを使用して、評価関数Iを増加させるために、次に計算を行う反射防止膜の構成(各層の膜厚、屈折率等)を決定する。最適化エンジンは任意のエンジンであることができ、例えば、勾配法、準ニュートン法、シミュレーテッドアニーリング法等が挙げられる。ステップα-4は、上記(E)に対応する。
Step α-4
The optimization engine is used to determine the configuration of the anti-reflection coating (such as the film thickness and refractive index of each layer) to be calculated next in order to increase the evaluation function I. The optimization engine can be any engine, such as a gradient method, a quasi-Newton method, or a simulated annealing method. Step α-4 corresponds to (E) above.
ステップα-5
解の収束条件が満たされれば最適解の探索は終了する。収束条件は任意に決定することができる。満たされなければステップα-2に戻り、収束条件を満たすまでステップα-2~α-4を繰り返す。
Step α-5
If the convergence condition for the solution is met, the search for the optimal solution ends. The convergence condition can be determined arbitrarily. If it is not met, return to step α-2 and repeat steps α-2 to α-4 until the convergence condition is met.
好ましくは、ランダムに選択された多数の初期値から探索を繰り返す最適化法(マルチスタート法)を適用可能である。マルチスタート法により、最適化計算で用いる探索の初期値に依存せずに性能をさらに向上させることができる。マルチスタート法を使用した最適設計のアルゴリズムは、以下のステップβ-1~β-6により記述される。 Preferably, an optimization method (multi-start method) can be applied, which repeats searches from a number of randomly selected initial values. The multi-start method can further improve performance without relying on the initial search values used in the optimization calculation. The algorithm for optimal design using the multi-start method is described in the following steps β-1 to β-6.
ステップβ-1
反射防止膜の構成(各層の膜厚、屈折率等)の初期値(初期構成)を設計範囲内で、ランダムに決定する。ステップβ-1は、n=1の場合の上記(B)に対応する。
Step β-1
The initial values (initial configuration) of the anti-reflection film configuration (such as the film thickness and refractive index of each layer) are determined randomly within the design range. Step β-1 corresponds to (B) above when n=1.
ステップβ-2
入射角θに対する発電電流の関係JSC(θ)(ケース1の場合)、または入射角θ及び波長λに対する反射率の関係R(λ,θ)(ケース2の場合)を光学解析により算出する。ステップβ-2は、上記(C)に対応する。
Step β-2
The relationship J SC (θ) of the generated current versus the incident angle θ (in case 1), or the relationship R(λ, θ) of the reflectance versus the incident angle θ and wavelength λ (in case 2) is calculated by optical analysis. Step β-2 corresponds to (C) above.
ステップβ-3
評価関数Iを、式(1)~(4)(ケース1の場合)、または式(1)、(2)、(5)及び(6)(ケース2の場合)を用いて算出する。ステップβ-3は、上記(D)に対応する。
Step β-3
The evaluation function I is calculated using formulas (1) to (4) (for case 1), or formulas (1), (2), (5), and (6) (for case 2). Step β-3 corresponds to (D) above.
ステップβ-4
最適化エンジンを使用して、評価関数Iを増加させるために、次に計算を行う反射防止膜の構成(各層の膜厚、屈折率等)を決定する。最適化エンジンは任意のエンジンであることができ、例えば、勾配法、準ニュートン法、シミュレーテッドアニーリング法等が挙げられる。ステップβ-4は、上記(E)に対応する。
Step β-4
The optimization engine is used to determine the configuration of the anti-reflection coating (such as the film thickness and refractive index of each layer) to be calculated next in order to increase the evaluation function I. The optimization engine can be any engine, such as a gradient method, a quasi-Newton method, or a simulated annealing method. Step β-4 corresponds to (E) above.
ステップβ-5
解の収束条件が満たされた場合は、得られた解を保存してステップβ-6に進む。収束条件は任意に決定することができる。解の収束条件が満たされなければステップβ-2に戻る。
Step β-5
If the convergence condition of the solution is satisfied, the obtained solution is saved and the process proceeds to step β-6. The convergence condition can be determined arbitrarily. If the convergence condition of the solution is not satisfied, the process returns to step β-2.
ステップβ-6
ステップβ-5で保存された解の個数が既定の数以上となった場合、保存された全ての解の中で評価関数Iが最も大きい解を最適解として決定して終了する。一方、ステップβ-5で保存された解の個数がまだ規定の数に達していない場合、ステップβ-1に戻る。ステップβ-5で保存された解の個数の既定の数は特に限定されないが、例えば100~1000でもよい。すなわち、ステップβ-1でランダムに決定する反射防止膜の初期値(初期構成)の数が、例えば100~1000でもよい。
Step β-6
If the number of solutions saved in step β-5 is equal to or greater than a predetermined number, the solution with the largest evaluation function I among all the saved solutions is determined as the optimal solution, and the process ends. On the other hand, if the number of solutions saved in step β-5 has not yet reached the predetermined number, the process returns to step β-1. The predetermined number of solutions saved in step β-5 is not particularly limited, but may be, for example, 100 to 1000. In other words, the number of initial values (initial configurations) of the anti-reflection film randomly determined in step β-1 may be, for example, 100 to 1000.
等方的拡散光を太陽電池が受ける際の発電効率を最大化することは、好ましくは、下記式(2)で表される評価関数Iを最大化することである。評価関数Iを最大化するように反射防止膜の多層膜の構造を決定することができる。式(2)における評価関数Iは、太陽電池の発電量の平均値(期待値)に関連付けられている。本明細書において、平均値とは、確率変数のすべての値に確率の重みをつけた加重平均である期待値を意味し、以下、単に平均値ともいう。 Maximizing the power generation efficiency when a solar cell receives isotropically diffused light preferably means maximizing the evaluation function I expressed in the following formula (2). The structure of the multilayer anti-reflection coating can be determined so as to maximize the evaluation function I. The evaluation function I in formula (2) is related to the average value (expected value) of the amount of power generated by the solar cell. In this specification, the average value refers to the expected value, which is the weighted average of all values of random variables weighted by probability, and will hereinafter be referred to simply as the average value.
(ケース1)等方的拡散光の条件における短絡電流密度(発電電流)JSCの最大化
太陽電池の光学特性(各層の膜厚、屈折率及び吸収特性の波長依存性等)を把握できる場合は、太陽電池の平均発電電流(発電電流の期待値)JSC、aveを最大化することができるように、屋内用に適した反射防止膜を設計することができ、この場合をケース1とする。太陽電池の光学特性は、例えば、実験による測定、特性が把握された太陽電池の使用等により把握することができる。ケース1では、H(θ)は下記式(3)で表される。
(Case 1) Maximizing the short-circuit current density (generated current) J SC under isotropic diffuse light conditions If the optical characteristics of a solar cell (such as the thickness of each layer, the refractive index, and the wavelength dependence of absorption characteristics) can be understood, an anti-reflection coating suitable for indoor use can be designed to maximize the average generated current (expected value of generated current) J SC,ave of the solar cell; this case is called Case 1. The optical characteristics of a solar cell can be understood, for example, by experimental measurements or by using a solar cell whose characteristics are understood. In Case 1, H(θ) is expressed by the following equation (3).
ケース1では、式(2)における評価関数Iは、等方的拡散光によるJSCの平均値であるJSC、aveに一致し、JSC、aveは式(4):
このように、ケース1の設計方法は、等方的拡散光による短絡電流密度JSCの平均値であるJSC、aveを最大化することを目的としており、これは様々な方向から光を受けとる屋内用太陽電池の平均発電量(発電量の期待値)を最大化することを意味する。 As described above, the design method for Case 1 aims to maximize J SC,ave , which is the average value of the short-circuit current density J SC due to isotropically diffused light. This means maximizing the average power generation (expected power generation) of indoor solar cells that receive light from various directions.
(ケース2)等方的拡散光の条件における反射率の最小化
太陽電池デバイスを構成する各層の光学特性を精度良く計測することが難しい場合、反射防止膜を備えた太陽電池のデバイス全体の反射率特性を用いて屋内用に適した反射防止膜を設計することができ、この場合をケース2とする。デバイス全体の反射率特性とは、光がデバイス表面に入射した時の反射率を意味する。ケース2では、H(θ)は下記式(5)で表される。
(Case 2) Minimizing reflectance under isotropic diffuse light conditions When it is difficult to accurately measure the optical properties of each layer constituting a solar cell device, it is possible to design an anti-reflection coating suitable for indoor use using the reflectance properties of the entire solar cell device equipped with an anti-reflection coating; this case is referred to as Case 2. The reflectance properties of the entire device refer to the reflectance when light is incident on the device surface. In Case 2, H(θ) is expressed by the following equation (5):
ケース2では、式(2)における評価関数Iは、等方的拡散光の条件での反射率の平均値であるRaveをマイナスにした値(-Rave)に一致し、Raveは下記式(6)で表される。式(6)は、式(5)を式(2)に代入することにより得られる。
このように、ケース2の設計方法は、-Raveの値を最大化することによりRaveを最小化することを目的としており、これは屋内用太陽電池の平均反射率を最小化することを意味する。 Thus, the design method of Case 2 aims to minimize R ave by maximizing the value of −R ave , which means minimizing the average reflectance of indoor solar cells.
このように、ケース1及びケース2の設計における目的は、それぞれ平均発電量(発電量の期待値)の最大化及び平均反射率(反射率の期待値)の最小化であり、どちらの場合も等方的拡散光の条件で期待される発電効率の平均値を最大限に向上させることを目的としている。反射防止膜の設計を行う上でケース1及びケース2の選択は任意に行ってもよく、反射防止膜の設計に際して利用可能な太陽電池の光学特性に関する情報に応じて選択してもよい。 As such, the design objectives for Case 1 and Case 2 are to maximize the average power generation (expected power generation) and minimize the average reflectance (expected reflectance), respectively. In both cases, the objective is to maximize the average power generation efficiency expected under isotropic diffuse light conditions. When designing an anti-reflection coating, the choice between Case 1 and Case 2 may be made arbitrarily, or may be made based on information about the optical properties of the solar cell that is available when designing the anti-reflection coating.
すなわち、太陽電池デバイスを構成する各層の光学特性(各層の膜厚、屈折率及び吸収特性の波長依存性等)を精度良く把握または計測することが難しい場合は、比較的入手しやすい情報としてデバイス全体の反射率特性を用いてケース2の方法により屋内用に適した反射防止膜の設計を行うことができる。一方で、太陽電池の詳細な光学特性を実験等により把握または測定できる場合には、ケース1の方法により平均発電電流(発電電流の期待値)を算出することで、より高性能の反射防止膜を設計することが可能である。 In other words, if it is difficult to accurately grasp or measure the optical properties of each layer that makes up a solar cell device (such as the thickness of each layer, the refractive index, and the wavelength dependence of the absorption properties), it is possible to design an anti-reflection coating suitable for indoor use using the method in Case 2, using the reflectance properties of the entire device, which is relatively easy to obtain. On the other hand, if the detailed optical properties of the solar cell can be grasped or measured through experiments, etc., it is possible to design an anti-reflection coating with higher performance by calculating the average power generation current (expected value of power generation current) using the method in Case 1.
本開示はまた、上記の太陽電池用反射防止膜の設計方法を含む太陽電池用反射防止膜の製造方法を対象とする。上述のように、本設計方法によれば、従来の製造工程をそのまま使用して太陽電池用反射防止膜を製造することができる。したがって、本製造方法によれば、従来よりも優れた発電効率を有する太陽電池を得ることを可能とする反射防止膜を、従来と同等のコストで製造することができる。 The present disclosure also relates to a method for manufacturing an anti-reflection film for a solar cell, including the above-mentioned method for designing an anti-reflection film for a solar cell. As described above, this design method makes it possible to manufacture an anti-reflection film for a solar cell using conventional manufacturing processes as is. Therefore, this manufacturing method makes it possible to manufacture an anti-reflection film that enables solar cells to be obtained with superior power generation efficiency compared to conventional methods, at a cost equivalent to conventional methods.
本開示はまた、上記の太陽電池用反射防止膜の設計方法を含む反射防止膜を備えた太陽電池の製造方法を対象とする。上述のように、本設計方法によれば、従来の製造工程をそのまま使用して太陽電池用反射防止膜を製造することができ、太陽電池の本体は従来と同様の方法で製造することができる。したがって、本製造方法によれば、従来よりも優れた発電効率を有する反射防止膜を備えた太陽電池を、従来と同等のコストで製造することができる。 The present disclosure also relates to a method for manufacturing a solar cell equipped with an anti-reflective coating, including the above-described method for designing an anti-reflective coating for a solar cell. As described above, this design method allows the anti-reflective coating for a solar cell to be manufactured using conventional manufacturing processes, and the main body of the solar cell can be manufactured using the same method as conventional methods. Therefore, this manufacturing method allows solar cells equipped with an anti-reflective coating that has superior power generation efficiency to conventional methods to be manufactured at a cost equivalent to conventional methods.
本開示はまた、コンピューターに、(A)反射防止膜を有する太陽電池の、前記反射防止膜の表面に対する等方的拡散光の入射角θに対するエネルギー密度分布g(θ)を式(1):
好ましくは、前記算出したエネルギー密度分布g(θ)に基づいて前記太陽電池の発電効率を最大化する前記反射防止膜の構成を決定する構成決定処理は、(B)前記反射防止膜の第nの構成を決定する第n構成決定処理、(C)前記反射防止膜の第nの構成に基づいて、前記入射角θに対する前記太陽電池の発電量JSC(θ)、または前記入射角θ及び波長λに対する前記反射防止膜を有する太陽電池全体の反射率R(λ,θ)を算出するJSC(θ)または反射率R(λ,θ)の算出処理、(D)前記算出したエネルギー密度分布g(θ)と、前記算出したJSC(θ)または前記算出したR(λ,θ)との関係とを用いて、前記太陽電池の発電量の平均値JSC、aveまたは前記太陽電池の反射率の平均値Raveを算出するRave算出処理、及び(E)最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveが最大化または前記Raveが最小化する前記反射防止膜の第n+1の構成を決定する第n+1構成決定処理を含み、前記nは1から始まる自然数であり、前記最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveまたは前記Raveの変化が所定の範囲内に収束するまで前記(C)~(E)を繰り返して、前記反射防止膜の最終構成を決定することを含む。 Preferably, the configuration determination process for determining the configuration of the anti-reflection coating that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ) includes: (B) an n-th configuration determination process for determining the n-th configuration of the anti-reflection coating; (C) a J SC (θ) or reflectance R(λ, θ) calculation process for calculating the power generation amount J SC (θ) of the solar cell with respect to the incident angle θ, or the reflectance R(λ, θ) of the entire solar cell having the anti-reflection coating with respect to the incident angle θ and the wavelength λ, based on the n-th configuration of the anti-reflection coating; (D) an R ave calculation process for calculating the average power generation amount J SC ,ave of the solar cell or the average reflectance R ave of the solar cell, using the relationship between the calculated energy density distribution g(θ) and the calculated J SC (θ) or the calculated R(λ, θ); and (E) a process for maximizing the J SC,ave calculated using an optimization engine or for optimizing the R the (n+1)th configuration determination process for determining the (n+1)th configuration of the anti-reflection coating that minimizes J SC, ave , where n is a natural number starting from 1, and determining a final configuration of the anti-reflection coating by repeating (C) to (E) until changes in J SC, ave, or R ave calculated using the optimization engine converge within a predetermined range.
前記nが1の場合の前記反射防止膜の第1の構成を決定すること、前記太陽電池の発電効率を最大化すること、JSC(θ)、JSC、ave、R(λ,θ)、Rave、H(θ)、評価関数I、反射防止膜の第nの構成等については、上記の設計方法に関する構成を適用することができる。 The configurations related to the above design method can be applied to determining the first configuration of the anti-reflection film when n is 1, maximizing the power generation efficiency of the solar cell, J SC (θ), J SC,ave , R(λ,θ), R ave , H(θ), evaluation function I, the nth configuration of the anti-reflection film, etc.
本プログラムを実行するコンピューターは、通信部、記憶部、及び処理部を備えることができ、スマートフォン、タブレット、パソコン等の携帯端末若しくは情報端末、またはサーバでもよい。 The computer that executes this program may be equipped with a communications unit, a memory unit, and a processing unit, and may be a mobile device or information terminal such as a smartphone, tablet, or PC, or a server.
通信部は、ハードウェア、ファームウェア、TCP/IPドライバやPPPドライバ等の通信用ソフトウェア、またはこれらの組み合わせとして実装され得る。通信部は無線通信部または有線通信部であることができる。通信部は、USBケーブルによるシリアル通信によってデータを受信してもよい。通信部は、Bluetooth(登録商標)等の通信方式に従った近距離無線通信を行うためのインターフェース回路を有してもよい。通信部は、各種信号を赤外線通信等によって受信するための受信回路を有してもよい。また、通信部は、有線LANの通信インターフェース回路を備えてもよい。 The communication unit may be implemented as hardware, firmware, communication software such as a TCP/IP driver or a PPP driver, or a combination of these. The communication unit may be a wireless communication unit or a wired communication unit. The communication unit may receive data via serial communication using a USB cable. The communication unit may have an interface circuit for performing short-range wireless communication according to a communication method such as Bluetooth (registered trademark). The communication unit may have a receiving circuit for receiving various signals via infrared communication, etc. The communication unit may also have a wired LAN communication interface circuit.
記憶部は、例えば、ROM、RAM等の半導体メモリ装置である。記憶部は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、またはデータを記憶可能な前記以外の各種記憶装置でもよい。記憶部は、処理部における処理に用いられるオペレーティングシステムプログラム、ドライバプログラム、アプリケーションプログラム、データ、本プログラム等を記憶する。記憶部に記憶される本プログラムを含むコンピュータプログラムは、例えばCD-ROM、DVD-ROM等のコンピュータ読み取り可能な可搬型記録媒体から、公知のセットアッププログラム等を用いて記憶部にインストールされてもよく、ネットワークを介して記憶部にインストールされてもよい。 The storage unit is, for example, a semiconductor memory device such as ROM or RAM. The storage unit may also be, for example, a magnetic disk, an optical disk, or any other storage device capable of storing data. The storage unit stores operating system programs, driver programs, application programs, data, this program, and other programs used for processing in the processing unit. Computer programs, including this program, stored in the storage unit may be installed into the storage unit using a known setup program from a computer-readable portable recording medium such as a CD-ROM or DVD-ROM, or may be installed into the storage unit via a network.
処理部は、一個または複数個のプロセッサ及びその周辺回路を有する。処理部は、サーバの全体的な動作を統括的に制御するものであり、例えば、CPU(Central Processing Unit)である。処理部は、通信部及び記憶部の動作を制御することができる。 The processing unit has one or more processors and their peripheral circuits. The processing unit controls the overall operation of the server, and is, for example, a CPU (Central Processing Unit). The processing unit can control the operation of the communication unit and memory unit.
処理部は、記憶部に記憶されているプログラム(ドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム、本プログラム等)に基づいて各種処理を実行する。また、処理部は、複数のプログラム(アプリケーションプログラム等)を並列に実行できる。 The processing unit executes various processes based on programs stored in the memory unit (driver programs, operating system programs, application programs, this program, etc.). The processing unit can also execute multiple programs (application programs, etc.) in parallel.
(実施例1、比較例1)
本発明の効果を検証するため、屋内用発電デバイスとして近年注目されている有機薄膜太陽電池を例に用いて反射防止膜の光学設計を行った。設計に際しては、代表的な電磁界解析法である特性マトリクス法を使用し、C言語プログラムによりアルゴリズムを記述した。その際、本設計方法(a:実施例1)、及び従来方法(b:比較例1)の双方により、同じ太陽電池デバイス用の反射防止膜を設計及び解析することで(a)及び(b)による性能の違いを比較した。具体的には、(a)では等方的拡散光で得られる平均発電量(発電量の期待値)を最大化するように設計を行った(ケース1の場合に相当)。一方、(b)では従来と同様に、光が垂直に入射する際の発電量を最大化するように設計を行った。
(Example 1, Comparative Example 1)
To verify the effects of the present invention, an optical design of an anti-reflection coating was performed using an organic thin-film solar cell, which has recently attracted attention as an indoor power generation device. The design involved using the characteristic matrix method, a typical electromagnetic field analysis method, and writing the algorithm in a C language program. The performance differences between (a) and (b) were compared by designing and analyzing an anti-reflection coating for the same solar cell device using both this design method (a: Example 1) and a conventional method (b: Comparative Example 1). Specifically, in (a), the design was performed to maximize the average power generation (expected power generation) obtained with isotropically diffused light (corresponding to Case 1). Meanwhile, in (b), the design was performed, as in the conventional method, to maximize the power generation when light is incident perpendicularly.
図6に、有機薄膜太陽電池用に、前記のランダムな初期値を用いたアルゴリズムにより、SiO2層及びTiO2層を用いて8層の反射防止膜を設計した例の模式図を示す。図6(a)は本発明の方法を適用した場合であり、図6(b)は従来の設計方法(垂直入射での発電量を最大化する方法)を適用した場合の結果である。 Figure 6 shows a schematic diagram of an example of an eight-layer anti-reflection coating designed for an organic thin-film solar cell using SiO2 layers and TiO2 layers, based on the algorithm using the random initial values described above. Figure 6(a) shows the result when the method of the present invention was applied, and Figure 6(b) shows the result when the conventional design method (a method for maximizing power generation at normal incidence) was applied.
図6に示すように、反射防止膜の材料として広く利用されるSiO2とTiO2で構成される8層膜の設計を行った場合、本設計方法により各層の膜厚が最適化されて屋内環境での発電効率が、反射防止膜がない場合に比べて3.97%(相対値)向上した。これは従来方法に比べて1.09%高い値であり、本設計方法が従来方法に比べて十分大きな優位性を持つことが示された。また、反射防止膜の各層の膜厚を変更するだけなので、新しい材料を用いる必要が無く、使用する設備の変更を要せず同じ設備を用いて製造することができるので、コストアップも実質的に生じない。 As shown in Figure 6, when an eight-layer film composed of SiO2 and TiO2 , which are widely used materials for anti-reflection coatings, was designed, the thickness of each layer was optimized using this design method, and power generation efficiency in an indoor environment was improved by 3.97% (relative value) compared to a system without an anti-reflection coating. This is 1.09% higher than the conventional method, demonstrating that this design method has a significant advantage over the conventional method. Furthermore, since only the thickness of each layer of the anti-reflection coating is changed, there is no need to use new materials, and the same equipment can be used for manufacturing without changing the equipment used, so there is essentially no increase in cost.
(実施例2、比較例2)
前記のランダムな初期値を用いたアルゴリズムにより、屈折率調整材料(材料の多孔質化により屈折率を任意に調整した材料)を使用した4層膜の場合の反射防止膜の光学設計を行った。
(Example 2, Comparative Example 2)
Using the algorithm using the random initial values described above, optical design of an antireflection coating was carried out for a four-layer film using a refractive index-adjusted material (a material whose refractive index is adjusted arbitrarily by making the material porous).
図7に、有機薄膜太陽電池用に、屈折率が異なる4層の反射防止膜を設計した例の模式図を示す。図7(a)(実施例2)は本設計方法を適用した場合であり、図7(b)(比較例2)は従来の設計方法(垂直入射での発電量を最大化する方法)を適用した場合の結果である。 Figure 7 shows a schematic diagram of an example of a four-layer anti-reflection coating with different refractive indices designed for an organic thin-film solar cell. Figure 7(a) (Example 2) shows the result when this design method was applied, while Figure 7(b) (Comparative Example 2) shows the result when the conventional design method (a method that maximizes power generation at normal incidence) was applied.
図7(b)では、設計の結果として最上層の膜厚が0に収束したため(実質的に3層で十分であるということ)、最上層の特性(屈折率、膜厚)は記載していない。屈折率調整材料の屈折率nは、一般的に調整可能な範囲(1.05以上2.66以下)に制限している。本設計方法により、反射防止膜を備えない太陽電池の場合と比較して、屋内環境での発電効率が8.57%(相対値)向上した。これは、従来方法に比べて1.64%高い値であり、屈折率調整材料を使用した場合には、本設計方法はさらに大きな優位性があることが分かる。
In Figure 7(b), the properties of the top layer (refractive index, thickness) are not shown because the thickness of the top layer converged to 0 as a result of the design (meaning that three layers are essentially sufficient). The refractive index n of the refractive index-matching material is limited to a generally adjustable range (1.05 to 2.66). This design method improved the power generation efficiency in an indoor environment by 8.57% (relative value) compared to solar cells without an anti-reflection coating. This is 1.64% higher than the conventional method, and it is clear that this design method has even greater advantages when a refractive index-matching material is used.
Claims (16)
に基づいて計算すること、及び
算出した前記エネルギー密度分布g(θ)に基づいて前記太陽電池の発電効率を最大化する前記反射防止膜の構成を決定すること
を含む、太陽電池用反射防止膜の設計方法。 (A) The energy density distribution g(θ) of a solar cell having an anti-reflection film with respect to the incident angle θ of isotropically diffused light on the surface of the anti-reflection film is calculated using the formula (1):
Calculating based on, and
determining a configuration of the anti-reflection coating that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ).
(B)前記反射防止膜の第nの構成を決定すること、
(C)前記反射防止膜の第nの構成に基づいて、前記入射角θに対する前記太陽電池の短絡電流密度JSC(θ)、または前記入射角θ及び波長λに対する前記反射防止膜を有する太陽電池全体の反射率R(λ,θ)を算出すること、
(D)算出した前記エネルギー密度分布g(θ)と、算出した前記JSC(θ)または算出した前記R(λ,θ)との関係とを用いて、前記太陽電池の短絡電流密度の平均値JSC、aveまたは前記太陽電池の反射率の平均値Raveを算出すること、及び
(E)最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveが最大化または前記Raveが最小化する前記反射防止膜の第n+1の構成を決定すること
を含み、
前記nは1から始まる自然数であり、
前記最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveまたは前記Raveの変化が所定の範囲内に収束するまで前記(C)~(E)を繰り返して、前記反射防止膜の最終構成を決定することを含む、
請求項1に記載の設計方法。 determining a configuration of the anti-reflection film that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ);
(B) determining an nth configuration of the anti-reflection film;
(C) calculating the short-circuit current density J SC (θ) of the solar cell with respect to the incident angle θ, or the reflectance R(λ, θ) of the entire solar cell having the anti-reflection film with respect to the incident angle θ and wavelength λ based on the n-th configuration of the anti-reflection film;
(D ) calculating an average value J SC ,ave of the short-circuit current density of the solar cell or an average value R ave of the reflectance of the solar cell using the calculated relationship between the energy density distribution g(θ) and the calculated J SC (θ ) or the calculated R(λ, θ); and (E) determining an (n+1)th configuration of the anti-reflection film that maximizes the calculated J SC,ave or minimizes the calculated R ave using an optimization engine,
The n is a natural number starting from 1,
and determining a final configuration of the anti-reflection coating by repeating (C) to (E) until a change in the J SC, ave or the R ave calculated using the optimization engine converges within a predetermined range.
The design method according to claim 1 .
で表される評価関数Iを最大化することである、請求項2に記載の設計方法。 Maximizing the power generation efficiency of the solar cell is achieved by satisfying the formula (2):
3. The design method according to claim 2, wherein the evaluation function I is maximized.
前記評価関数Iは式(4):
前記評価関数Iを最大化することは、前記JSC、aveを最大化することである、請求項4に記載の設計方法。 The H(θ) is expressed by the formula (3):
The evaluation function I is expressed by the formula (4):
5. The design method according to claim 4, wherein maximizing the evaluation function I is maximizing the J SC,ave .
で表され、
前記評価関数Iが式(6):
前記評価関数Iを最大化することは、前記-Raveを最小化することである、請求項4に記載の設計方法。 The H(θ) is expressed by the formula (5):
is expressed as
The evaluation function I is expressed by the formula (6):
5. The design method according to claim 4, wherein maximizing the evaluation function I is minimizing −R ave .
(A)反射防止膜を有する太陽電池の、前記反射防止膜の表面に対する等方的拡散光の入射角θに対するエネルギー密度分布g(θ)を式(1):
に基づいて計算する計算処理、及び
算出した前記エネルギー密度分布g(θ)に基づいて前記太陽電池の発電効率を最大化する前記反射防止膜の構成を決定する構成決定処理
を実行させる、太陽電池用反射防止膜の設計プログラム。 On the computer,
(A) The energy density distribution g(θ) of a solar cell having an anti-reflection film with respect to the incident angle θ of isotropically diffused light on the surface of the anti-reflection film is calculated using the formula (1):
A calculation process that calculates based on
a configuration determination process for determining a configuration of the anti-reflection coating that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ).
(B)前記反射防止膜の第nの構成を決定する第n構成決定処理、
(C)前記反射防止膜の第nの構成に基づいて、前記入射角θに対する前記太陽電池の短絡電流密度JSC(θ)、または前記入射角θ及び波長λに対する前記反射防止膜を有する太陽電池全体の反射率R(λ,θ)を算出するJSC(θ)または反射率R(λ,θ)の算出処理、
(D)算出した前記エネルギー密度分布g(θ)と、算出した前記JSC(θ)または算出した前記R(λ,θ)との関係とを用いて、前記太陽電池の短絡電流密度の平均値JSC、aveまたは前記太陽電池の反射率の平均値Raveを算出するRave算出処理、及び
(E)最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveが最大化または前記Raveが最小化する前記反射防止膜の第n+1の構成を決定する第n+1構成決定処理
を含み、
前記nは1から始まる自然数であり、
前記最適化エンジンを用いて算出される前記JSC、aveまたは前記Raveの変化が所定の範囲内に収束するまで前記(C)~(E)を繰り返して、前記反射防止膜の最終構成を決定することを含む、
請求項10に記載の設計プログラム。 a configuration determination process for determining a configuration of the anti-reflection film that maximizes the power generation efficiency of the solar cell based on the calculated energy density distribution g(θ),
(B) an nth configuration determination process for determining an nth configuration of the antireflection film;
(C) a calculation process of J SC (θ) or reflectance R(λ, θ) for calculating the short-circuit current density J SC (θ) of the solar cell with respect to the incident angle θ, or the reflectance R(λ, θ) of the entire solar cell having the anti-reflection film with respect to the incident angle θ and wavelength λ, based on the n-th configuration of the anti-reflection film;
(D ) an R ave calculation process that calculates an average value J SC ,ave of the short-circuit current density of the solar cell or an average value R ave of the reflectance of the solar cell using the relationship between the calculated energy density distribution g(θ) and the calculated J SC (θ) or the calculated R(λ, θ); and (E) an (n+1)th configuration determination process that determines an (n+1)th configuration of the anti-reflection film that maximizes the J SC,ave or minimizes the R ave calculated using an optimization engine,
The n is a natural number starting from 1,
and determining a final configuration of the anti-reflection coating by repeating (C) to (E) until a change in the J SC, ave or the R ave calculated using the optimization engine converges within a predetermined range.
The design program according to claim 10.
で表される評価関数Iを最大化することである、請求項11に記載の設計プログラム。 Maximizing the power generation efficiency of the solar cell is achieved by satisfying the formula (2):
The design program according to claim 11 , wherein the objective is to maximize an evaluation function I expressed as follows:
前記評価関数Iは式(4):
前記評価関数Iを最大化することは、前記JSC、aveを最大化することである、請求項13に記載の設計プログラム。 The H(θ) is expressed by the formula (3):
The evaluation function I is expressed by the formula (4):
The design program according to claim 13, wherein maximizing the evaluation function I is maximizing the J SC,ave .
で表され、
前記評価関数Iが式(6):
前記評価関数Iを最大化することは、前記-Raveを最小化することである、請求項13に記載の設計プログラム。 The H(θ) is expressed by the formula (5):
is expressed as
The evaluation function I is expressed by the formula (6):
14. The design program according to claim 13, wherein maximizing the evaluation function I is minimizing −R ave .
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|---|---|---|---|---|
| JP2003240905A (en) | 2002-02-20 | 2003-08-27 | Toyota Industries Corp | Design method of antireflection film for display device, design device and program |
| JP2005173029A (en) | 2003-12-09 | 2005-06-30 | Pentax Corp | Optical element having antireflection film and method for designing antireflection film |
| JP2009054902A (en) | 2007-08-29 | 2009-03-12 | Canon Inc | Display device |
| US20100301437A1 (en) | 2009-06-01 | 2010-12-02 | Kla-Tencor Corporation | Anti-Reflective Coating For Sensors Suitable For High Throughput Inspection Systems |
| JP2014167621A (en) | 2013-01-29 | 2014-09-11 | Nitto Denko Corp | Antireflection film and production method of the same |
| JP6094917B1 (en) | 2016-06-07 | 2017-03-15 | 紘一 勝又 | Method for optimal design of antireflection film and photovoltaic power generation apparatus |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003240905A (en) | 2002-02-20 | 2003-08-27 | Toyota Industries Corp | Design method of antireflection film for display device, design device and program |
| JP2005173029A (en) | 2003-12-09 | 2005-06-30 | Pentax Corp | Optical element having antireflection film and method for designing antireflection film |
| JP2009054902A (en) | 2007-08-29 | 2009-03-12 | Canon Inc | Display device |
| US20100301437A1 (en) | 2009-06-01 | 2010-12-02 | Kla-Tencor Corporation | Anti-Reflective Coating For Sensors Suitable For High Throughput Inspection Systems |
| JP2014167621A (en) | 2013-01-29 | 2014-09-11 | Nitto Denko Corp | Antireflection film and production method of the same |
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