(57)【要約】【課題】短絡電流を高めるとともに、変換効率の高い太陽電池素子および太陽電池モジュールを得ること。【解決手段】光電変換部を構成する半導体層と、半導体層を挟む第１および第２の集電電極とを備え、第１および第２の集電電極の少なくとも一方であるバス集電電極７ａと半導体層との間に波長変換層７Ｒを有する。この波長変換層７Ｒは、バス集電電極７ａで遮られ、光電変換に寄与しない波長の光を波長変換層で波長変換して光電変換部に導く。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を構成する半導体層と、
前記半導体層を挟む第１および第２の集電電極と、
前記第１および第２の集電電極の少なくとも一方と前記半導体層との間に設けられた波長変換層とを有し、
前記第１または第２の集電電極で遮られ、光電変換に寄与しない波長の光を前記波長変換層で波長変換して前記光電変換部に導くようにした太陽電池素子。
【請求項２】
前記第１および第２の集電電極は、前記半導体層の相対向する第１および第２の面に設けられており、前記波長変換層は、前記第１および第２の集電電極の両方の前記集電電極と前記半導体層との間に波長変換層を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子。
【請求項３】
前記第１および第２の集電電極のうち、受光面側に形成された前記第１の集電電極の表面を覆う前記波長変換層が、ダウンシフト型の波長変換層又はダウンコンバージョン型の波長変換層である請求項１又は２に記載の太陽電池素子。
【請求項４】
前記第１および第２の集電電極のうち、裏面側に形成された前記第２の集電電極の表面を覆う前記波長変換層がアップコンバージョン型の波長変換層である請求項１又は２に記載の太陽電池素子。
【請求項５】
前記第１および第２の集電電極のうち、受光面側に配された前記第１の集電電極は、複数のグリッド電極と、前記グリッド電極に直交するバス電極とで構成され、
前記波長変換層は、前記バス電極と前記半導体層との間に設けられており、
前記グリッド電極は、前記バス電極上で前記バス電極と当接するように交差している請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽電池素子。
【請求項６】
前記波長変換層および前記バス電極は、厚膜印刷層で構成される請求項５に記載の太陽電池素子。
【請求項７】
前記波長変換層および前記バス電極は、２層構造のシート層で構成される請求項５に記載の太陽電池素子。
【請求項８】
前記第１および第２の集電電極のうち受光面側に形成された前記第１の集電電極は、対向する位置に裏面側の第２の集電電極が存在するように配置されている請求項２から７のいずれか１項に記載の太陽電池素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の太陽電池素子と、
前記太陽電池素子の受光面を被う受光面側保護部材と、
前記太陽電池素子の受光面とは反対面を被う裏面側保護部材との間を封止樹脂により固定した太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池素子および太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池に代表される光電変換装置としては、例えば基板の一面側に裏面電極、他面の受光面側には光が入射する半導体層からなる光電変換層と光電変換層上の透光性電極と、透光性電極上の集電電極と表面保護層が順次形成されたものがある。この光電変換装置は、光入射により光電変換層内に拡散電位を生じさせ、生成された電子・正孔対を収集することで光起電力を発生するものである。
【０００３】
このような光電変換装置においては、その光電変換効率を向上させるために、光起電力装置に入射してきた光を散乱させて半導体層中の光路長を増大させ、半導体層中で吸収される光量を増大させて、短絡電流を増大させる方法がある。例えば、光電変換層の表面に施した、テクスチャと呼ばれる微小な凹凸構造により、入射光が光電変換層内部で散乱され光路長が伸び、光を閉じ込めることができることが知られている。
【０００４】
例えば特許文献１では、これらの課題を解決するために、表面保護層内に光散乱を引き起こす微粒子を設けることで、光電変換層内の光路長を延ばして光の吸収を高め、短絡電流を増大させて光電変換効率を高めている。
【０００５】
ところで近年、光電変換装置はそのままで、太陽光のスペクトルのなかの特定の波長のフォトンを、使用する光電変換装置に最適な波長のフォトンに変換し、光電変換装置に吸収させる方法（以下、波長変換という）が提案されている。波長変換は、現在有効利用されていない高エネルギーフォトンに関しては、１フォトンを複数の低エネルギーフォトンに変換するダウンコンバージョンや、１フォトンを１つの低エネルギーフォトンに変換するダウンシフトがあり、現在有効利用されていない低エネルギーフォトンに関しては、複数の低エネルギーフォトンのエネルギーを用いて光電変換に有効なエネルギーフォトンに変換するアップコンバージョンに、分類できる。
【０００６】
例えば、特許文献２には光電変換層よりも光入射側の位置に、光電変換効率の低い高エネルギーフォトンを光電変換においてより適した複数の低エネルギーフォトンに波長変換する波長変換層を配置し、かつ光電変換層よりも光入射の反対側の位置に、光電変換効率の低い、複数の低エネルギーフォトンを光電変換においてより適した高エネルギーフォトンに波長変換する波長変換層を配置する技術が開示されている。
【０００７】
さらに、太陽電池モジュールに関しても、波長変換層を配置する方法が示されている。例えば、特許文献３には、太陽電池素子の受光面とは反対側の面に、太陽電池素子側から順に波長変換層および光反射層を設けた太陽電池モジュールを構成し、太陽電池素子で発電に利用されずに裏面に漏れた短波長の光を、波長変換層で発電に利用される長波長の光に変換し、光反射層で太陽電池素子に向かって反射させることにより、太陽電池モジュールの発電量を増加させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３３５６１０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５１０６８号公報
【特許文献３】特開２０１２−１２９３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１では、光散乱を引き起こす微粒子を設けることで、光電変換層内の光路長を延ばすことにより光の吸収を高める効果があるとしている。しかしながら、分光感度の低い波長領域の光においては、光路長を延ばすことによる光電変換層での光吸収においては、大きな効果は期待できない。
【００１０】
また特許文献２では、光電変換層に対して光入射側と、光電変換層に対して光入射の反対側とに、それぞれ波長変換ユニットを配置するとあり、光電変換層を構成する層と垂直な面方向全体に、波長変換層を設けることを特徴としている。このような構造においては、光電変換層に対して光入射側又は光入射と反対側に配置した波長変換層は、光電変換層に吸収されることで発電に寄与する波長の光の一部を吸収してしまうために、波長変換による発電利得が小さくなるという問題がある。さらに光電変換層を構成する層と垂直な面方向全体に、波長変換層を設けることによる材料コストが大きくなるという問題もあった。同様の問題が特許文献３においても存在する。
【００１１】
一般に光電変換装置においては、発電したキャリアを外部に取り出すための集電電極が受光面と裏面とにそれぞれ存在する。かかる光電変換装置においては、受光側から光電変換装置に入射した光のうち、集電電極に照射した光は、この集電電極により遮られ、発電に寄与しない。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、集電電極に照射する光を、発電に有効に利用することで発電電流を増加させ、光電変換効率の高い太陽電池素子および太陽電池モジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光電変換部を構成する半導体層と、半導体層を挟む第１および第２の集電電極とを備え、第１および第２の集電電極の少なくとも一方の集電電極と半導体層との間に波長変換層を有する。そして、第１または第２の集電電極で遮られ、光電変換に寄与しない波長の光を波長変換層で波長変換して光電変換層に導くようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、受光面側から太陽電池素子に入射した光のうち、集電電極に照射されて、この集電電極により遮られ、発電に寄与しない光を、集電電極に設けられた波長変換材料により、太陽電池素子の分光感度の高い波長光に波長変換し、散乱させる。散乱される光の一部は光電変換層内に入射し、太陽電池素子の分光感度の高い波長光ゆえに効率よく光電変換されることで、発電電流を増加させることができ、発電効率を上昇させるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施の形態１の太陽電池モジュールの構造を示す上面図である。
【図２】図２は、実施の形態１の太陽電池素子の構造を示す斜視図である。
【図３】図３は、実施の形態１の太陽電池モジュールの構造を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）および（ｂ）は、実施の形態１の太陽電池素子の構造を示す断面図であり、（ａ）は図１のＣ１−Ｃ１断面図、（ｂ）は図１のＣ２−Ｃ２断面図である。
【図５】図５は、実施の形態１の太陽電池モジュールにおけるダウンシフト波長変換層の構造を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｆ）は、実施の形態１の太陽電池素子の製造方法を説明する工程断面図である。
【図７】図７は、実施の形態１の太陽電池モジュールの構成の一部を示した部分断面図である。
【図８】図８は、実施の形態１の太陽電池モジュールにおける入射光の軌跡を示した図である。
【図９】図９は、典型的なシリコンモジュールの量子効率を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２の太陽電池モジュールと入射光の軌跡を示した図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３の太陽電池モジュールと入射光の軌跡を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる光電変換装置として、太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述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において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１の太陽電池モジュールの構造の例を示す上面図であり、太陽光の受光面側から見た図である。図２は、本実施の形態１の太陽電池モジュール１００で用いられている太陽電池素子２０の構造を示す斜視図である。太陽電池素子２０の表面には、太い形状の波長変換層７Ｒおよびバス集電電極７ａと、このバス集電電極７ａに直交してこれに乗り上げるようにフィンガー電極とも呼ばれる細い形状のグリッド集電電極８が形成されている。図３は、本実施の形態１の太陽電池モジュール１００の構造を示す断面図であり、図１の点線Ａ−Ｂ間の断面である。この太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子２０が、インターコネクタ４０によって相互接続され、受光面側保護部材（透光性基板）としてのガラス板１０と裏面側保護部材としてのバックフィルム１１との間に、封止樹脂９により封止されている。太陽電池素子２０は受光面（第１の面）２０Ａ側の表面と裏面（第２の面）２０Ｂ側の表面とに第１および第２の集電電極を備え、配列されて隣り合う太陽電池素子２０の電極間はインターコネクタ４０で直列接続されている。受光面２０Ａ側の第１の集電電極は、バス集電電極７ａとグリッド集電電極８とで構成され、太陽電池素子２０の裏面２０Ｂ全体に第２の集電電極として裏面側の集電電極６が形成されている。そして、インターコネクタ４０はバス集電電極７ａと電気的に接続している。また、３０は外部取出し用のリードである。この波長変換層７Ｒは、バス集電電極で遮られ、光電変換に寄与しない波長の光を波長変換して光電変換部に導く。
【００１８】
図４（ａ）および（ｂ）は、本実施の形態１の太陽電池モジュール１００で用いられている太陽電池素子２０の概略構成を示す断面図であり、（ａ）は、図１のＣ１−Ｃ１断面図、（ｂ）は、図１のＣ２−Ｃ２断面図である。この太陽電池素子２０の受光面２０Ａ側に波長変換層７Ｒを設け、波長変換層７Ｒの表面にバス集電電極７ａを設けることで、太陽電池素子２０の分光感度の低い波長の光を、太陽電池素子２０の分光感度の高い波長の光に変換するようにしたことを特徴とするものである。なお、図４（ａ）に示すＣ１−Ｃ１断面図では、バス集電電極７ａ上にグリッド集電電極８が形成されていない断面を示しており、波長変換層７Ｒとバス集電電極７ａとが形成されている。図４（ｂ）に示すＣ２−Ｃ２断面図では、バス集電電極７ａ上にグリッド集電電極８が形成されており、グリッド集電電極８とバス集電電極７ａとの電気的接続がなされている。
【００１９】
次に、図５は、バス集電電極７ａおよび波長変換層７Ｒについて模式的に示したものである。図５に示すように、ダウンシフト型の波長変換層７Ｒは、バス集電電極７ａの下に形成され、熱可塑性樹脂からなるベース樹脂７Ｂと波長変換材料の粒子Ｒとの混合物で構成されている。波長変換材料の粒子Ｒは波長３００〜４００ｎｍ程度の光を、波長４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するダウンシフト材料である。
【００２０】
これらのダウンシフト材料は、アクリル樹脂やシリコーン樹脂などの透光性ポリマー材料中に分散してもよい。適当な溶媒を用いて溶液とし、印刷法、スプレー塗布法等によって形成することができる。波長変換層７Ｒは波長３００〜４００ｎｍ程度の光を、波長４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するもので、例えば、励起波長が紫外光に近い３００〜５００ｎｍ程度にあり、発光波長が可視光の５００〜７００ｎｍ程度にあるＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+  を用いる。また、これ以外の無機蛍光剤として酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）；Ｅｒ3+、Ｙｂ3+、Ｈｏ3+、Ｐｒ3+、Ｅｕ3+などの希土類元素を含む希土類含有ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などの無機蛍光剤を用いる。また、有機蛍光体などを用いても良い。
【００２１】
なお、図１は１２個の太陽電池素子２０を直列接続した太陽電池モジュール１００を示す図であるが、個数および配置は任意に変更可能であり、並列接続を組み合わせてもよい。また、図には示さないが、太陽電池モジュール１００の裏面側に電力を取り出すためのリード線が、太陽電池モジュール１００の両端に接続される。
【００２２】
ガラス板１０としては例えば、ソーダ石灰ガラスなどの材料を用いることができる。屋外で使用する太陽電池モジュールでは、受光面側保護材として熱強化又は化学強化したガラス板を用いるとよい。ガラス板１０のサイズは太陽電池素子２０の数により種々に変更可能であるが、典型的な厚みは０．５〜３ｍｍである。バックフィルム１１は水分の侵入などにより太陽電池素子が劣化しないように透湿性の低いフィルム、又は表側と同様のガラス板を用いる。太陽電池素子２０およびそれらの隙間を通過した光を太陽電池素子２０側に反射させるために、バックフィルム１１として白色や金属色の光反射性の材料を用いてもよい。封止樹脂９としては透光性のＥＶＡ、又はシリコーン樹脂などを用いることができる。インターコネクタ４０には、たとえば、はんだで被覆した銅線などを用いることができる。
【００２３】
図４（ａ）および（ｂ）において、ｎ型半導体基板は、単結晶シリコン、多結晶シリコンなどの結晶シリコン、化合物半導体等からなる薄い半導体基板である。本実施の形態では、ｎ型単結晶シリコン基板１を用いている。結晶シリコンの場合、典型的な基板サイズは１０〜１５ｃｍ角の略正方形、厚みは０．１〜０．３ｍｍなどである。
【００２４】
ｎ型単結晶シリコン基板１の両側の表面には、ｉ型非晶質シリコン層２ａ，２ｂが形成されている。ｉ型非晶質シリコン層２ａ上にはｎ型単結晶シリコン基板１と逆導電型の不純物を含むｐ型非晶質シリコン層３が形成されている。ｐ型非晶質シリコン層３が形成されている側と反対側の基板表面に形成されたｉ型非晶質シリコン層２ｂ上にはｎ型単結晶シリコン基板１と同じ導電型の不純物を含むｎ型非晶質シリコン層４が形成されている。ｐ型非晶質シリコン層３、ｎ型非晶質シリコン層４上に透光性電極５ａ，５ｂが形成されている。透光性電極５ａ上には波長変換層７Ｒとバス集電電極７ａとの積層パターンが形成され、その上層にこの積層パターンと直交するようにグリッド集電電極８が形成されている。また透光性電極５ｂ上には裏面側の集電電極６が形成されている。裏面側の集電電極６は太陽電池素子２０の裏面の表面全面に形成された電極であり、バス集電電極７ａは太陽電池素子２０の受光面の表面の波長変換層７Ｒ上に形成された太線状の電極である。グリッド集電電極８は、バス集電電極７ａと直交するように当接する細線状の電極である。裏面側の集電電極６，バス集電電極７ａはｎ型単結晶シリコン基板１の両面に銀又は銅などの金属微粒子と樹脂を混合した金属ペーストの印刷等で形成することができ、蒸着法、スパッタ法などの成膜技術、めっき法などで形成され、ｎ型単結晶シリコン基板１面内で発生した電流を収集する。バス集電電極７ａは、図２のように直線状に伸びた太線が間隔をあけて平行に並んだバス状のパターンとすると良いが、網の目状又は樹枝状としてもよい。
【００２５】
ｎ型単結晶シリコン基板１は図４（ａ）および（ｂ）に示すように両面に反射防止用の微細な凹凸（テクスチャ１Ｔ）が形成されている。図ではｎ型単結晶シリコン基板１の両面を凹凸としたが、裏側に平坦層を形成してもよく、また両側を平坦としてもよい。このテクスチャ１Ｔの存在により、透光性電極５ａ、５ｂまで凹凸が形成されている場合が多く、拡散面を構成している。
【００２６】
次に本実施の形態１の太陽電池素子２０の製造方法について説明する。図６（ａ）〜６（ｆ）は本実施の形態１の製造方法の手順を説明する断面図である。まず図６（ａ）に示すようにｎ型単結晶シリコン基板１を用意し、図６（ｂ）に示すようにこのｎ型単結晶シリコン基板１の表面にテクスチャ１Ｔと呼ばれる凹凸構造を形成する。凹凸の形成には、酸性或いはアルカリ性のエッチング溶液を用いる。凹凸形成は光入射側だけでも良い。また凹凸形成前に、基板表面のダメージ層を除去する工程を実施しても良い。加えてダメージ層除去工程後に、基板内不純物のゲッタリング処理を施すと性能向上に望ましい。ゲッタリング処理としては、リン拡散処理などを用いる。受光面側の表面のみ凹凸を形成して裏面側の表面を平坦に保つには、受光面側の表面のみにエッチング液を接触させる処理、又は裏面側に保護膜を形成した状態でｎ型単結晶シリコン基板１をエッチングする処理を行う。
【００２７】
凹凸を形成した後、図６（ｃ）に示すように基板の片面にｉ型非晶質シリコン層２ａ、ｐ型非晶質シリコン層３をこの順番で化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いて形成する。ｉ型非晶質シリコン層２ａの層厚は数ｎｍ程度、ｐ型非晶質シリコン層３の層厚は数〜２０ｎｍ程度とするとよい。なおｉ型非晶質シリコン層２ａの代わりに、ｉ型非晶質炭化シリコン層、ｉ型非晶質酸化シリコン層或いはそれらを積層した多層膜を用いても良い。またｐ型非晶質シリコン層３の代わりにｐ型非晶質炭化シリコン層、ｐ型非晶質酸化シリコン層、ｐ型微結晶シリコン層或いはそれらを積層した多層膜などを用いても良い。
【００２８】
次に、図６（ｄ）に示すように基板の反対側にｉ型非晶質シリコン層２ｂ、ｎ型非晶質シリコン層４をこの順番で化学気相成長法を用いて形成する。ｉ型非晶質シリコン層２ｂの層厚は数ｎｍ程度、ｎ型非晶質シリコン層４の層厚は数〜２０ｎｍ程度とするとよい。なおｉ型非晶質シリコン層２ｂの代わりに、ｉ型非晶質炭化シリコン層、ｉ型非晶質酸化シリコン層或いはそれらを積層した多層膜を用いても良い。またｎ型非晶質シリコン層４の代わりにｎ型非晶質炭化シリコン層、ｎ型非晶質酸化シリコン層、ｎ型微結晶シリコン層或いはそれらを積層した多層膜などを用いても良い。
【００２９】
次に、ｉ型非晶質シリコン層２ａ，２ｂとｎ型単結晶シリコン基板１の界面欠陥低減のため、不活性ガス或いは不活性ガスで希釈した水素ガス中で熱アニール処理を施しても良い。アニール温度は２００℃以下が望ましい。
【００３０】
熱アニール処理の後、図６（ｅ）に示すようにｐ型非晶質シリコン層３、ｎ型非晶質シリコン層４の上にそれぞれ、透光性電極５ａ，５ｂをスパッタ法或いは蒸着法などで形成する。透光性電極５ａ，５ｂの膜厚は干渉効果により太陽光スペクトルのピーク波長で反射率が低下する膜厚とすることが望ましい。透光性電極材料としてはＩＴＯあるいは酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｏｘｉｄｅ）、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどを用いるとよい。また透光性電極の抵抗率は低いことが望ましいが、導電性を担うキャリア密度が高いと光吸収率が増加してしまう。そのため透光性電極として用いた材料は高移動度である必要がある。
【００３１】
次に、図６（ｆ）に示すように透光性電極５ａ上に順次波長変換層７Ｒ、バス集電電極７ａをスクリーン印刷法で形成する。次いで、バス集電電極７ａ上に乗り上げるようにグリッド集電電極８を形成する。こののちｎ型単結晶シリコン基板１の裏面側に金属ペーストで構成される集電電極６をスクリーン印刷法で形成する。受光面側の波長変換層７Ｒの幅は遮光を抑えるためには狭いほどよいが、後に波長変換層７Ｒ上に形成するバス集電電極７ａの幅も狭くなるために抵抗が増加してしまう。したがって受光面側のバス集電電極７ａは層厚が大きいことが望ましく、同じパターンで繰り返して重ねるようにスクリーン印刷する方法を用いてもよい。
【００３２】
なお、前述したように受光面側の波長変換層７Ｒ、バス集電電極７ａとグリッド集電電極８の形成順序は、波長変換層７Ｒ、バス集電電極７ａ、グリッド集電電極８の順序で実施する。これにより、バス集電電極７ａとグリッド集電電極８との電気的接触を確保できる。また、裏面側の集電電極６は透光性電極５ｂ上に全面印刷で形成する。集電電極６、波長変換層７Ｒ、バス集電電極７ａとグリッド集電電極８の印刷後に焼成をおこなう。高温熱処理では、ｉ型非晶質シリコン層２ａ，２ｂが結晶化するため、スクリーン印刷後の焼成温度は２００℃以下とすることが望ましい。
【００３３】
また、波長変換層７Ｒ上にバス集電電極７ａを形成するには、スクリーン印刷法などを用いる。層形成には、それぞれ複数回のスクリーン印刷を重ねて厚みを確保してもよい。また、バス集電電極７ａと波長変換層７Ｒの二層シートを作製したうえで短冊状に切断して張り付けても良いし、あるいは、波長変換材を所望の厚さのシート状に整形し、所望の幅に切断し、これを貼着するようにしてもよい。本実施の形態では波長変換層７Ｒ上のバス集電電極７ａの幅は波長変換層７Ｒの幅と同じであれば良いが、プロセスマージンを考慮すると波長変換層７Ｒより細いことが望ましく、８００μｍ程度とし、層厚は２０μｍとした。波長変換層７Ｒはシリコンの分光感度の低い波長３００〜４００ｎｍ程度の光を、シリコンの分光感度の高い波長４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するもので、例えば、励起波長が紫外光に近い３００〜５００ｎｍ程度にあり、発光波長が可視光領域５００〜７００ｎｍ程度に存在するＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+を用い、ポリマーなどの材料中に分散し、適当な溶媒を用いて溶液とした後に、スクリーン印刷法などで形成する。また、これ以外の無機蛍光剤として酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）；Ｅｒ3+、Ｙｂ3+、Ｈｏ3+、Ｐｒ3+、Ｅｕ3+などの希土類元素を含む希土類含有ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などの無機蛍光剤を用いる。また、有機蛍光体などを用いても良い。これらのダウンシフト材料は、シリコーン樹脂などの透光性のポリマーなどの材料中に分散し、適当な溶媒を用いて溶液とした後に、スクリーン印刷法などにより形成してもよい。以上の工程を実施することにより、図４（ａ）および（ｂ）に示した太陽電池素子２０が得られる。
【００３４】
ダウンシフト材料を用いる際は、封止樹脂９はＥＶＡやアクリル樹脂のような短波長光を吸収する材料は適切でなく、シリコーンのように３００〜３５０ｎｍ付近の光の透過性の高い部材を使用することで、変換効率の向上を図ることが出来る。
【００３５】
なお、上記の太陽電池素子２０は、ヘテロ接合型太陽電池素子であるが、この他の例えば拡散型太陽電池素子などとしても良い。一般に、ヘテロ接合型太陽電池素子は拡散型太陽電池素子に比べて紫外光など短波長域の電流変換効率が低いために、波長変換層７Ｒによる効果は、ヘテロ接合型太陽電池素子の方が大きい。
【００３６】
次に本実施の形態１の太陽電池モジュール１００の製造方法について説明する。太陽電池素子としては、本実施の形態１の太陽電池素子を用いる。図７は、図３の太陽電池モジュールのうち、隣接する２つの太陽電池素子２０を含む部分を取り出して示した部分断面図である。次に、太陽電池素子２０間をインターコネクタ４０で接続する。インターコネクタ４０の接続には、低融点のはんだなどを用いる。隣接する２つの太陽電池素子を接続するインターコネクタ４０は、太陽電池素子２０上でグリッド集電電極８で覆われたバス集電電極７ａと接続することによって電気的導通を確保している。インターコネクタ４０の接続に際し、グリッド集電電極８で覆われたバス集電電極７ａを介して下層の波長変換層７Ｒも溶融し、透光性電極５ａとの接続も強固かつ良好となる。次に、ガラス板１０、封止樹脂９、インターコネクタ４０で相互に接続した太陽電池素子２０、封止樹脂９、バックフィルム１１を順に積み重ねて、真空中で加熱とともに押圧する封止処理を行う。封止樹脂９は溶融して受光面側のガラス板１０と裏面側のバックフィルム１１の間の隙間を埋めて、太陽電池素子２０を固定する。このようにして図７に示した太陽電池モジュール１００が完成する。
【００３７】
次に、太陽電池モジュール１００に入射した光の軌跡に関して説明する。図８は、図３の太陽電池モジュール１００のうち、インターコネクタ４０を省略して１つの太陽電池素子を含む部分を取り出して示した部分断面図であり、受光面側からの入射光とその軌跡を示したものである。太陽電池モジュールの受光面に入射する光Ｌ01の一部は、光Ｌ02のように太陽電池素子２０を形成する層で反射する。このような反射は、各層の界面での屈折率が異なることにより生じる。光Ｌ02は受光面側のバス集電電極７ａ直下に形成された波長変換層７Ｒにて、太陽電池素子の分光感度の高い４００〜９００ｎｍ程度の光に変換され、散乱される。かかる散乱光の一部の光Ｌ03は光電変換層内に入射し、太陽電池素子２０の光吸収が多い４００〜９００ｎｍ程度の波長光ゆえに、効率よく光電変換されることになる。これにより従来構造よりも発電電流を増加させることができ、発電効率を上昇させるという効果が得られる。
【００３８】
なお、上記のように、受光面側のバス集電電極７ａ下に印刷などで形成された波長変換層７Ｒには微粒子が多く含まれるため、受光面側のバス集電電極７ａ直下に入射する光Ｌ02は、波長変換層７Ｒにて散乱反射し、かつバス集電電極７ａは透過率がほぼゼロであるため、波長変換層７Ｒに入射する光Ｌ02の多くが光Ｌ03のように光電変換層に入射されると考えられる。ここで、太陽電池素子２０の受光面側に反射した光Ｌ03の太陽電池素子２０への入射量を増加させるためにも、太陽電池素子２０の受光面側に配置した封止樹脂９については耐衝撃性が失われない程度に、受光面側のバス集電電極７ａあるいはインターコネクタ４０よりも厚い範囲で可能な限り薄くすると良い。
【００３９】
なお、図９に典型的なシリコンモジュールの量子効率を示す。紫外光を中心とする波長３００〜４００ｎｍ程度と赤外域の波長１０００〜１２００ｎｍ程度の分光感度が低く、可視光を中心とする波長４００〜９００ｎｍ程度の分光感度が高いことがわかる。
【００４０】
以上のように、本実施の形態１では、波長変換層７Ｒを太陽電池素子２０の受光面側のバス集電電極７ａ直下に設置した。この場合の効果について説明する。受光面に入射する光の一部は、受光面側のバス集電電極７ａ直下に形成された波長変換層７Ｒにて、太陽電池素子２０の光吸収の多い４００〜９００ｎｍ程度の光に変換され、散乱される。この散乱される光の多くは光電変換層７Ｒ内に入射し、太陽電池素子２０の分光感度の高い波長光ゆえに、効率よく光電変換されることになる。これにより従来構造よりも発電電流を増加させることができ、発電効率を上昇させるという効果が得られる。
【００４１】
また、テクスチャ１Ｔの形成された、ｎ型単結晶シリコン基板１表面に形成した透光性電極５ａ上は、テクスチャ１Ｔの凹凸をわずかに反映しており、この凹凸ある面に波長変換層７Ｒを形成し、さらにその上層にバス集電電極７ａを形成している。従って基板と波長変換層７Ｒとの密着性が良好で、波長変換後の散乱性もきわめて良好となる。そして集電は、グリッド集電電極８がバス集電電極７ａ上に乗り上げることにより、極めて接触性がよく、集電抵抗も小さく抑えることができる。
【００４２】
以下にダウンシフト波長変換層により期待される変換効率の向上見積もりを示す。モジュールへ入射する太陽光のうち、紫外光を中心とする波長３５０〜４００ｎｍの光はおおむねガラス板１０で５％程度が反射される分を除いた９５％程度は太陽電池素子２０の受光面に入射する。なお、封止樹脂９としてシリコーンを用いた場合には、波長３５０〜４００ｎｍ程度の光の透過率はおおむね１００％であることを考慮した。太陽電池素子２０表面のパネル面に占める面積割合を９０％であると仮定すると、太陽電池素子２０の面積全体に占めるバス集電電極７ａの面積は１％程度であるから、ここまでの議論からダウンシフト波長変換層により波長変換される波長３５０〜４００ｎｍ程度の光の割合はモジュールに入射する波長３５０〜４００ｎｍ程度の光量の０．９％程度であるといえる。
【００４３】
次に、地上に降り注ぐ太陽光線エアマス１.５において、典型的なシリコン太陽電池モジュールにおける発電電流のうち、波長３５０〜４００ｎｍの光による電流はおおむね１．１％程度であり、また、波長４００〜９００ｎｍの単位波長当たりの光の発電電流は波長３５０〜４００ｎｍの単位波長当たりの光の発電電流と比較しておおよそ４倍程度と見積もられる。したがって、ダウンシフト波長変換層が存在することによりおおよそ０．０３％程度発電電流と変換効率が上昇すると見積もられる。ここで太陽光線エアマスとは、大気通過量を指し、ＡＭ１．０とは光の入射角が９０度（真上）から入射した光を意味し、ＡＭ１．５はその通過量が１．５倍（入射角４１．８度）での到達光を表す。太陽光は大気圏を通過することにより大気中のオゾンや水蒸気などにより、光の一部が吸収される。そこで入射角によって光量を規定する。
【００４４】
実施の形態２．
図１０は、本実施の形態２による太陽電池モジュール２００の構成の一部を示した断面図である。本実施の形態２の太陽電池モジュール２００は実施の形態１と類似するが、実施の形態１における裏面側の集電電極６を受光面側の集電電極と同様のバス裏面集電電極７ｂとグリッド集電電極８とで構成した点と、裏面側のバス裏面集電電極７ｂと透光性電極５ｂとの間にアップコンバージョン型の波長変換層７Ｒ２を設けている点が異なる。受光面側のバス集電電極７ａと透光性電極５ａとの間には前記実施の形態１の場合と同様、波長変換層７Ｒ１が設けられている。波長変換層７Ｒ２についても実施の形態１で説明した受光面側のバス集電電極７ａと同様、スクリーン印刷法などで形成する。ここで、太陽電池素子２０の基板に対して鉛直方向に形成した、受光面側に位置するバス集電電極７ａと、バス集電電極７ａと透光性電極５ａとの間に形成した波長変換層７Ｒ１と、裏面側に位置するバス裏面集電電極７ｂと透光性電極５ｂとの間に形成した波長変換層７Ｒ２とで、基板方向に対する座標を同じくしてある。なお、裏面側にもグリッド集電電極８が形成されて、バス裏面集電電極７ｂと太陽電池素子２０との電気的接続を担っている。波長変換層７Ｒ２は９００ｎｍ程度より長い波長の光を、４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するアップコンバージョン材料で、２光子吸収の特性を有する色素としてポルフィリンやフタロシアニンなどの化合物、およびフルオレン系などの発光ポリマーなどからなる。一例として、Ｔｍ3+とＹｂ3+を含有する蛍光体では、１０００ｎｍ程度の近赤外波長の光を吸収して４００〜５００ｎｍ程度の青色の波長の光を発することが知られている。また、Ｅｒなどの希土類元素をＹ2Ｏ3、ＹＡＯ3、ＹＦ3などに添加して得られる焼結粒子であってもよい。シリコン系の太陽電池素子２０では裏面側に１０００ｎｍ以上の波長光が比較的多く透過するので、これらの波長域にある光をシリコンが吸収しやすい４００〜７００ｎｍに変換するものであることが望ましい。これらのアップコンバージョン材料は、アクリル樹脂やシリコーン樹脂などの透光性のポリマーなどの材料中に分散し、適当な溶媒を用いて溶液とした後に、スクリーン印刷法などにより形成してもよい。他の部分については前記実施の形態１と同様であり、説明を省略するが、同一部位には同一符号を付した。
【００４５】
本実施の形態２の太陽電池モジュール２００においては、受光面側からの入射光のうちバス集電電極７ａに遮光されることなく太陽電池素子２０に入射する光Ｌ1は、太陽電池素子２０では完全には吸収されず、太陽電池素子２０の外部に放出される透過光Ｌ2aが存在する。この透過光Ｌ2aの一部はバックフィルム１１で反射される。このような反射光の一部である光Ｌ3aは、太陽電池素子２０の裏面より再入射する。このような光Ｌ3aはバス裏面集電電極７ｂと透光性電極５ｂとの間に形成された波長変換層７Ｒ２にてアップコンバージョン変換された後、一部は光Ｌ4aとなって太陽電池素子２０の裏面より再入射し、太陽電池素子２０の分光感度の高い波長光ゆえに、効率よく光電変換されることになる。これにより従来構造よりも発電電流を増加させることができ、発電効率を上昇させるという効果が得られる。
【００４６】
また一方で、太陽電池モジュール２００においては、受光面側からの入射光Ｌ1のうち太陽電池素子２０の外部に放出される透過光Ｌ2bが存在する。透過光Ｌ2bの一部の光はバックフィルム１１で反射された後に、光Ｌ3bのように、バス裏面集電電極７ｂに入射して光Ｌ3cのように反射され、さらに光Ｌ3cの一部は光Ｌ3dのように、バス裏面集電電極７ｂと透光性電極５ｂとの間に形成された波長変換層７Ｒ２にてアップコンバージョン変換された後、一部は光Ｌ4bとなって太陽電池素子２０の裏面より再入射し、太陽電池素子２０の分光感度の高い波長光ゆえに、効率よく光電変換されることになる。これにより従来構造よりも発電電流を増加させることができ、発電効率を上昇させるという効果が得られる。
【００４７】
以上のように、本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、波長変換層を太陽電池素子の裏面側に設置している。このように波長変換層を太陽電池素子の裏面側に設置した場合の効果について説明する。受光面に入射する光のうち、光電変換層内で吸収されない光は、太陽電池素子の裏面から太陽電池モジュールの裏面側の封止樹脂あるいはバックフィルムに出射して、一部が反射して太陽電池素子の裏面から入射する。この入射光のうち一部は、太陽電池素子の裏面側に形成された波長変換層にて、太陽電池素子の分光感度の高い４００〜９００ｎｍ程度の光に変換され、散乱される。この散乱される光の一部は光電変換層内に入射し、太陽電池素子の分光感度の高い波長光ゆえに効率よく光電変換されることで、従来構造よりも発電電流を増加させることができ、発電効率を上昇させるという効果を得ることができる。
【００４８】
なお、本実施の形態２における太陽電池素子２０は、ヘテロ接合型太陽電池素子の他、拡散型太陽電池素子などでも良い。一般に、ヘテロ接合型太陽電池素子と拡散型太陽電池素子とは赤外光域の電流変換効率がともに低いために、波長変換層７Ｒ２による効果は、ヘテロ接合型太陽電池素子と拡散型太陽電池素子のいずれでも同等に得られる。
【００４９】
また、ここではバックフィルムが反射性あるいは散乱性を有するように構成しているが裏面側保護部材であるバックフィルムと太陽電池素子（セル）との間に散乱面を形成していれば、太陽電池素子２０の裏面側まで透過した光を散乱により再び太陽電池素子２０に導くことができる。
【００５０】
実施の形態３．
図１１は本実施の形態３による太陽電池モジュール３００の構成の一部を示した断面図である。本実施の形態３の太陽電池モジュール３００は実施の形態２と類似するが、実施の形態２において、太陽電池素子２０の基板に対して鉛直方向に形成した、受光面側に位置するバス集電電極７ａと、バス集電電極７ａと透光性電極５ａとの間に形成した波長変換層７Ｒ１と、裏面側に位置するバス裏面集電電極７ｂと透光性電極５ｂとの間に形成した波長変換層７Ｒ２とで、基板方向に対する座標が異なる点に違いがある。他の部分については前記実施の形態２と同様であり、説明を省略するが、同一部位には同一符号を付した。
【００５１】
以下では実施の形態３の効果を説明する。実施の形態２で示したような図１０の構造と本実施の形態３における図１１においてはともに、太陽電池素子２０の受光側の集電電極７ａに遮られることなく太陽電池素子２０に入射した光Ｌ1のうち、太陽電池素子２０の透光性電極５ｂと封止樹脂９との界面、または太陽電池素子２０の透光性電極５ｂと波長変換層７Ｒ２との界面、に到達する光が存在し、光Ｌ1のうち太陽電池素子２０の透光性電極５ｂと封止樹脂９との界面に到達する光が、図１０と図１１ともに光Ｌ2aとＬ2bである。
【００５２】
また、太陽電池素子２０の透光性電極５ｂと波長変換層７Ｒ２との界面に到達する光としては、太陽電池モジュール３００において図１１に示すように、受光面側からの入射光Ｌ1のうち太陽電池素子２０の外部に放出されずに、バス裏面集電電極７ｂと透光性電極５ｂとの間に形成された波長変換層７Ｒ２に入射する光Ｌ5が存在する。光Ｌ5は、波長変換層７Ｒ２においてアップコンバージョン変換され、一部の光は光Ｌ6のように太陽電池素子２０の光電変換層に再入射し、太陽電池素子の分光感度の高い波長光ゆえに、効率よく光電変換されることになる。これにより従来構造よりも発電電流を増加させることができ、発電効率を上昇させるという効果が得られる。
【００５３】
上述した光Ｌ5は、太陽電池素子２０の内部での散乱光と、太陽電池モジュール３００に鉛直方向から入射する直進光によって構成される。なお、太陽電池モジュール３００に鉛直方向から入射する直進光は、太陽電池素子２０の基板に対して鉛直方向に形成した、受光面側に位置するバス集電電極７ａと、バス集電電極７ａと透光性電極５aとの間に形成した波長変換層７Ｒ１と、裏面側に位置するバス裏面集電電極７ｂと透光性電極５ｂとの間に形成した波長変換層７Ｒ２とで、基板方向に対する座標が異なるために生じる。
【００５４】
一方の、実施の形態２の太陽電池モジュール２００においても、受光面側からの入射光Ｌ1のうち太陽電池素子２０の外部に放出されずに、バス集電電極７ｂと透光性電極５ｂとの間に形成された波長変換層７Ｒ２に入射する光Ｌ5は存在するが、太陽電池素子２０の内部での散乱光によって構成されるものであり、太陽電池モジュール２００に鉛直方向から入射する光によって構成されるものはほとんど存在しない。これは、太陽電池モジュール２００においては、太陽電池素子２０の基板に対して鉛直方向に形成した、受光面側に位置するバス集電電極７ａとバス集電電極７ａと透光性電極５ａとの間に形成した波長変換層７Ｒ１と、裏面側に位置するバス裏面集電電極７ｂと透光性電極５ｂとの間に形成した波長変換層７Ｒ２とで、基板方向に対する座標を同じくしてあるためである。
【００５５】
したがって、本実施の形態３の太陽電池モジュール３００の構造は、実施の形態２の太陽電池モジュール２００の構造と比較して光Ｌ5の光量が多い。実施の形態２の太陽電池モジュール２００と本実施の形態３の太陽電池モジュール３００において、太陽電池素子２０の受光側のバス集電電極７ａに遮られることなく太陽電池素子２０に入射した光Ｌ1のうち、太陽電池素子２０の透光性電極５ｂと封止樹脂９との界面、または太陽電池素子２０の透光性電極５ｂと波長変換層７Ｒ２との界面、に到達する光の総量は同等であるが、太陽電池素子２０の透光性電極５ｂと封止樹脂９との界面に到達する光のうち、その一部の光が、光Ｌ4aや光Ｌ4bのように波長変換されて光電変換層に再入射する光Ｌ2aや光Ｌ2bのような光は、太陽電池素子２０の外部の封止樹脂９などにより一部が吸収される。それに対して、太陽電池素子２０の透光性電極５ｂと波長変換層７Ｒ２との界面に到達する光のうち、その一部の光が、光Ｌ6のように波長変換されて光電変換層に再入射する光Ｌ5のような光は、太陽電池素子２０の外部へ放出されないために、太陽電池素子２０の外部の封止樹脂９などにより吸収されることがない。よって、本実施の形態３の太陽電池モジュール３００の構造の方が、実施の形態２の太陽電池モジュール２００の構造に比べて波長変換される光量が多くなり、発電電流の増加が見込める。
【００５６】
したがって、受光面側からの照射光の多くが太陽電池モジュールに対して鉛直方向から入射するような構造であり、裏面の集電電極と基板との間に波長変換材料が存在するような構造においては、基板に対して、受光面側の集電電極の正反対側とは異なる位置に裏面側のバス電極の全部あるいは一部が存在するような構造であることが、発電において望ましく、本実施の形態３の構造はこれを満足させるような構造になっているので、実施の形態２に比べて発電電流の増加が見込まれる。
【００５７】
本実施の形態３においては、グリッド集電電極と交差しない部分を示しているが、グリッド集電電極をバス集電電極上で交差させ、バス集電電極と当接させなくてもよい。つまり、波長変換層のベース層を導電性樹脂で構成する、あるいは導電性粒子を混合するなどの方法により波長変換層に導電性を持たせることができれば、グリッド集電電極をバス集電電極上で交差させ、バス集電電極と当接しなくてもよい。
【００５８】
本実施の形態３においても、波長変換層７Ｒの導電性を追求せず、グリッド集電電極をバス集電電極上で交差させ、バス集電電極と当接させて、グリッド集電電極を介して透光性電極とバス集電電極との接続を行うようにしてもよい。
【００５９】
なお、前記実施の形態１〜３においては、ダウンシフトの波長変換層を形成する例について説明した。また、前記実施の形態２，３においては、裏面側にアップコンバージョンの波長変換層を形成する例について説明した。このような場合、ダウンシフトの波長変換層に代えて、ダウンコンバージョンの波長変換層を配してもよい。すなわち、１つの高エネルギーフォトンのエネルギーを用いて光電変換に有効な１つのエネルギーフォトンに変換する、ダウンシフトの波長変換層に代えて、１つの高エネルギーフォトンのエネルギーを用いて光電変換に有効な複数のエネルギーフォトンに変換する、ダウンコンバージョンの波長変換層を配するなどの変更も可能である。
【００６０】
また、前記実施の形態１〜３においては、波長変換層７Ｒで電気的接続を担うのではなく、グリッド集電電極８を介して透光性電極５ａ，５ｂとバス集電電極７ａとの接続を行うようにしたが、波長変換層７Ｒに導電性を持たせることができれば、グリッド集電電極８をバス集電電極７ａ（バス裏面集電電極７ｂ）上で交差させバス集電電極７ａ（バス裏面集電電極７ｂ）と当接しなくてもよい。波長変換層７Ｒに導電性を持たせる方法としては、波長変換層７Ｒのベース層を導電性樹脂で構成する、あるいは導電性粒子を混合するなどの方法がある。この場合は、グリッド集電電極８もバス集電電極７ａ（バス裏面集電電極７ｂ）と同一工程で形成することが可能となる。グリッド集電電極８とバス集電電極７ａ（バス裏面集電電極７ｂ）とを同一工程で形成する場合には、グリッド集電電極７ａ下にも波長変換層７Ｒを形成してもよい。
【００６１】
また、太陽電池の構成については前記実施の形態１〜３のいずれにおいてもヘテロ接合型太陽電池に限定されることなく、拡散型太陽電池など、適宜選択可能である。
【００６２】
本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上のように、本発明にかかる太陽電池素子および太陽電池モジュールは、変換効率の向上に有用であり、特に、薄型の太陽電池モジュールの高効率化に適している。
【符号の説明】
【００６４】
１  ｎ型単結晶シリコン基板、２a，２ｂ  ｉ型非晶質シリコン層、３  ｐ型非晶質シリコン層、４  ｎ型非晶質シリコン層、５ａ，５ｂ  透光性電極、６  集電電極、７ａ  バス集電電極、７ｂ  バス裏面集電電極、７Ｂ  ベース樹脂、Ｒ  波長変換材料の粒子、７Ｒ，７Ｒ１，７Ｒ２  波長変換層、８  グリッド集電電極、９  封止樹脂、１０  ガラス板、１１  バックフィルム、Ｌ01  受光面に入射する光、Ｌ02  受光面の波長変換層に入射する光、Ｌ03  受光面の波長変換層を経て光電変換層に入射する光、Ｌ2a，Ｌ2b  裏面への透過光、Ｌ3a，Ｌ3b，Ｌ3d  バックフィルムにて反射される光、Ｌ3C  バス裏面集電電極で反射される光、Ｌ4a，Ｌ4b  バックフィルムにて反射されて太陽電池素子の裏面より光電変換層に再入射する光、Ｌ5  裏面波長変換層と裏面透光性電極との界面に到達する光、Ｌ6  裏面波長変換層で波長変換されて裏面より光変換層側へ入射する光、２０  太陽電池素子、３０  リード、４０  インターコネクタ、１００，２００，３００  太陽電池モジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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