(57)【要約】  本発明に係る太陽電池モジュール１０は、太陽電池素子５と、太陽電池素子５の表面５ａの上に配置されている透光性基板２と、太陽電池素子５の表面５ａから透光性基板２の最上面２ａまでの間に配置されている波長変換剤４とを備えている。波長変換剤４は、波長λ１で光の吸収が最大強度になる吸収スペクトルと、波長λ１よりも長い波長λ２で発光が最大強度になる発光スペクトルとを有する。太陽電池素子５は、波長λ１での内部量子効率よりも波長λ２での内部量子効率の方が高く、波長変換剤４の吸収スペクトルの波長λ１の長波長側であって波長λ１での強度の１０％の強度になる波長λ３において、太陽電池素子５の内部量子効率が０．７１〜０．９２になる。【選択図】図１
2015129586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池素子と、該太陽電池素子の表面の上に配置されている透光性基板と、前記太陽電池素子の表面から前記透光性基板の最上面までの間に存在している波長変換剤とを備え、
前記波長変換剤は、波長λ１で光の吸収が最大強度になる吸収スペクトルと、前記波長λ１よりも長い波長λ２で発光が最大強度になる発光スペクトルとを有し、
前記太陽電池素子は、前記波長λ１での内部量子効率よりも前記波長λ２での内部量子効率の方が高く、前記吸収スペクトルにおいて前記波長λ１よりも長波長側で前記最大強度の１０％の強度になる波長λ３での内部量子効率が０．７１〜０．９２である、太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記波長λ３が３００〜５００ｎｍの範囲内である、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記太陽電池素子が結晶質シリコンを含む、請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
前記透光性基板と前記太陽電池素子との間に封止材が介在しており、前記透光性基板および前記封止材の少なくとも一方の内部に前記波長変換剤が存在している、請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記波長変換剤は前記封止材よりも前記透光性基板に多く存在している、請求項４に記載の太陽電池モジュール。
【請求項６】
前記波長変換剤は前記封止材にのみ存在している、請求項４に記載の太陽電池モジュール。
【請求項７】
前記波長変換剤は前記封止材の中で前記透光性基板側に偏在している、請求項６に記載の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、波長変換剤を用いた太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３に示すように、一般的な太陽電池モジュール２１は、太陽光１を主に受光する受光面側からその裏面側へ透光性基板２２、受光面側封止材２３、太陽電池素子２５、裏面側封止材２６および裏面保護材２７がこの順で配置されている。太陽光１の波長は、紫外光から赤外光の広い範囲で分布している。太陽電池モジュール２１および太陽電池素子２５の性能は、照射された太陽光１のエネルギーに対する、電気に変換されて出力されたエネルギーの割合（光電変換効率）で表すことができる。また、太陽電池素子２５に入射した光子（フォトン）数と出力された電子数との比（電子数／光子数）を外部量子効率（ＥＱＥ）という。また、太陽電池素子２５内に入った光子数と出力された電子数との比（電子数／光子数）を内部量子効率（ＩＱＥ）という。そして、外部量子効率および内部量子効率を総称して量子効率（ＱＥ）という。【０００３】
太陽電池素子２５の材料としては種々の材料が使用可能であるが、結晶系シリコンが最も一般的に用いられている。通常、結晶系シリコンを用いた太陽電池素子５の内部量子効率は、図１４に示すように、光の波長が５００〜１０００ｎｍの範囲では大きく、それ以外の波長領域では比較的小さい。【０００４】
そこで、受光面側封止材２３に波長変換剤として、波長が５００ｎｍ以下の光（紫外光）を吸収して、吸収した光よりも長波長の光に変換して放出する蛍光剤を含有させることが考えられる。そして、量子効率の小さい波長の光を量子効率の大きい波長に変換することによって、光電変換効率の向上を図った太陽電池モジュールの作製が試みられている（例えば、下記の特許文献１〜４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２０２２４３号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２２７４８号公報
【特許文献３】特開２０１３−１２８１５３号公報
【特許文献４】特開２０１３−００４８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、波長変換剤および太陽電池素子を単純に組み合わせても、太陽電池モジュールの光電変換効率等の特性は必ずしも向上しない。【０００７】
本発明は、波長変換剤の波長変換特性と太陽電池素子の光電変換特性とを適合させて光電変換性能に優れた太陽電池モジュールを提供することを１つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る太陽電池モジュールは、太陽電池素子と、該太陽電池素子の表面の上に配置されている透光性基板と、前記太陽電池素子の表面から前記透光性基板の最上面までの間に存在している波長変換剤とを備えている。また、前記波長変換剤は、波長λ１で光の吸収が最大強度になる吸収スペクトルと、前記波長λ１よりも長い波長λ２で発光が最大強度になる発光スペクトルとを有している。また、前記太陽電池素子は、前記波長λ１での内部量子効率よりも前記波長λ２での内部量子効率の方が高く、前記吸収スペクトルにおいて前記波長λ１よりも長波長側で前記最大強度の１０％の強度になる波長λ３での内部量子効率が０．７１〜０．９２である。
【発明の効果】
【０００９】
上記の太陽電池モジュールによれば、優れた光電変換性能を発揮し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本願発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールを模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、波長変換剤の吸収スペクトルおよび発光スペクトルの一例を示すスペクトル図である。
【図３】図３は、受光面側封止材の中の粒状波長変換剤の充填状態を模式的に示す図であり、図３（ａ）は波長変換剤の平面透視図、図３（ｂ）は格子の一辺と波長変換剤の粒径との関係を示す図、図３（ｃ）は透光性基板および受光面側封止材を示す断面図である。
【図４】図４は、波長変換剤の発光の際に、受光面側に放出された光が透光性基板の表面で反射する条件を説明する模式図であり、図４（ａ）は２次元の全反射臨界角を示す図であり、図４（ｂ）は３次元の全反射臨界角を示す図である。
【図５】図５は、結晶シリコン系の各種太陽電池素子の内部量子効率の波長依存性を示す図である。
【図６】図６は、波長変換剤を含有した受光面側封止材の吸収端波長と、太陽電池モジュールの短絡電流密度との関係を示す図である。
【図７】図７は、波長変換剤を含有した受光面側封止材の吸収端波長と、太陽電池モジュールの短絡電流密度との関係を示す図である。
【図８】図８は、波長変換剤を含有した受光面側封止材の吸収端波長と、太陽電池モジュールの短絡電流密度との関係を示す図である。
【図９】図９は、太陽電池素子の内部量子効率が波長変換光の利用効率と等しくなる波長と、波長変換剤を含有した受光面側封止材の吸収端波長との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、各種太陽電池素子の内部量子効率の波長依存性を示す図である。
【図１１】図１１は、太陽電池素子Ａを用いた太陽電池モジールの外部量子効率の波長依存性を示す図である。
【図１２】図１２は、太陽電池素子Ｂを用いた太陽電池モジュールの外部量子効率の波長依存性を示す図である。
【図１３】図１３は従来の太陽電池モジュールを模式的に示す断面図である。
【図１４】図１４は、結晶系シリコン太陽電池素子の内部量子効率スペクトルの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る太陽電池モジュールの実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
＜太陽電池モジュールの基本的な構成＞
本実施形態の太陽電池モジュールの基本構成について説明する。図１に示すように、太陽電池モジュール１０は、光が主に入射する表面５ａと、この表面５ａとは反対側に位置する裏面５ｂとを有する太陽電池素子５を１以上含む。また、太陽電池モジュール１０は、太陽電池素子５の表面５ａの上に配置されている透光性基板２と、太陽電池素子５の表面５ａから透光性基板２の最上面２ａまでの間に存在している波長変換剤４とを備えている。
【００１３】
図２に、本実施形態に用いる波長変換剤４の吸収スペクトルＳ１および発光スペクトルＳ２の一例を示す。λ１は、吸収スペクトルＳ１において光の吸収が最大強度となる波長（吸収ピーク波長）である。また、λ２は、発光スペクトルＳ２の発光が最大強度となる波長（発光ピーク波長）である。また、λ３は、吸収スペクトルＳ１の長波長側の吸収端（吸収端波長）である。ただし、吸収端波長λ３は、吸収ピーク波長λ１よりも長波長側において、吸収ピーク波長λ１のピーク強度の１０％となる波長として定義する。なお、吸収スペクトルＳ１において、吸収端波長に該当する波長が複数ある場合は、それら波長のうちの最も短い波長を吸収端波長λ３として定義する。波長変換剤４が存在している、透光性基板２または受光面側封止材３の光学的特性を測定しても、波長変換剤４の場合と同様にして、吸収ピーク波長λ１、発光ピーク波長λ２および吸収端波長λ３を求めることができる。
【００１４】
上述のように、波長変換剤４は、吸収ピーク波長λ１で光の吸収が最大強度になる吸収スペクトルＳ１と、吸収ピーク波長λ１よりも長い発光ピーク波長λ２で発光が最大強度になる発光スペクトルＳ２とを有する。このような特性の波長変換剤４を用いる理由は、一般的に、吸収した光を長波長光に変換する波長変換剤の方が、吸収した光を短波長光に変換する波長変換剤よりも変換効率が高いからである。
【００１５】
また、太陽電池素子５は、吸収ピーク波長λ１での内部量子効率よりも発光ピーク波長λ２での内部量子効率の方が高い。さらに、波長変換剤４の吸収スペクトルの吸収ピーク波長λ１の長波長側であって、吸収ピーク波長λ１の１０％の強度になる吸収端波長λ３での内部量子効率が０．７１〜０．９２になる太陽電池素子５を用いる。
【００１６】
＜波長変換剤および太陽電池モジュールの具体的な構成＞
波長変換剤４は、太陽電池素子５の量子効率の小さい波長領域の光を量子効率の大きい波長の光に変換する特性を有するものが使用される。波長変換剤４の材料に特に制限はないが、例えば、蛍光現象を利用した蛍光剤などを使用できる。波長変換剤４として、例えば、波長が５００ｎｍ以下の光によって励起され、この励起光よりも長波長の光を放出する蛍光剤を使用することができる。
【００１７】
波長変換剤４または波長変換剤４を含んだ受光面側封止材３の光学的特性としては、屈折率、吸収スペクトル、発光スペクトルなどがある。屈折率は白色光源を用いたエリプソメータを用いて測定できる。また、吸収スペクトルおよび発光スペクトルは、波長変換剤４を励起可能な光源（励起光光源）と分光光度計とを有する測定装置（例えば、浜松ホトニクス社の絶対ＰＬ量子収率測定装置（Absolute PL quantum yields measurement system）（C9920-02G））を用いて測定できる。
【００１８】
波長変換剤４の分光光度測定では、照射された励起光のスペクトル（照射励起光スペクトル：Ｌ１）に対し、試料の測定スペクトルとして、試料で散乱された照射励起光のスペクトル（散乱光スペクトル：Ｌ２）と、試料から放出された蛍光のスペクトル（発光スペクトル：Ｅ）とが含まれる。このとき、試料に吸収されて励起に寄与する光（吸収スペクトル）は、照射励起光スペクトルＬ１から散乱光スペクトルＬ２を引いたもの（Ｌ１−Ｌ２）である。試料の外部量子効率（ＥＱＥｗ）は、照射励起光の光子数に対する蛍光の光子数の割合であり、Ｅ／Ｌ１で表される。一方、試料の内部量子効率（ＩＱＥｗ）は、吸収光の光子数に対する蛍光の光子数の割合であり、Ｅ/（Ｌ１−Ｌ２）で表される。なお、励起光が照射された試料を透過した光のスペクトルを測定することによって、透過光スペクトルが得られる。
【００１９】
波長変換剤４の材料としては、例えば、無機蛍光剤、有機蛍光剤、有機配位子を含む希土類金属錯体、半導体ナノ粒子蛍光剤等から選択される１種以上を使用することができる。波長変換剤４の材料を適宜選択することによって、所望の吸収ピーク波長λ１、発光ピーク波長λ２および吸収端波長λ３が得られる。
【００２０】
例えば、無機結晶またはガラスの一部を、発光中心として機能する金属、希土類元素などで置換した波長変換剤４では、材料の組成、および添加する元素の種類、添加量によって、吸収スペクトルおよび発光スペクトルを制御することができる。
【００２１】
例えば、波長変換剤４としてＥｕ２＋を（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４に対して含有させた（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋を用いた場合、ＢａおよびＳｒの総量に対するＢａ量の比（Ｂａ／（Ｂａ＋Ｓｒ））を０から１まで変化させる。これにより、吸収ピーク波長λ１は３９０ｎｍから３７０ｎｍまで、発光ピーク波長λ２は５０５ｎｍから５７０ｎｍまで、吸収端波長λ３は５１５ｎｍから４８０ｎｍまで変化させることができる。
【００２２】
また、波長変換剤４としてＬｕ２．９１Ｃｅ０．０９Ａｌ５Ｏ１２：ＭｇＦ２を用いた場合には、ＭｇＦ２の含有量を１質量％から３質量％まで変化させると、発光ピーク波長λ２は５２７ｎｍから５１４ｎｍまで変化させることができる。また、波長変換剤４としてＬｕ２．９１Ｃｅ０．０９Ａｌ５Ｏ１２：ＳｒＦ２を用いた場合には、ＳｒＦ２の含有量を１質量％から５質量％まで変化させると、発光ピーク波長λ２は５３５ｎｍから５２３ｎｍまで変化させることができる。
【００２３】
また、半導体ナノ粒子の量子サイズ効果を利用した波長変換剤４では、粒径、および半導体の組成（混晶比）によって、吸収スペクトルおよび発光スペクトルを制御することができる。波長変換剤４としてＣｄＳナノ粒子を用いた場合には、粒径が小さいほどバンドギャップが大きくなる。このため、この平均粒径を１．７ｎｍから６．４ｎｍまで変化させることで、発光ピーク波長λ２を３８５ｎｍから４８０ｎｍまで、吸収端波長λ３を３８０ｎｍから４７５ｎｍまで、それぞれ変化させることができる。
【００２４】
また、波長変換剤４として有機蛍光剤を用いた場合には、官能基の種類、共役二重結合の大きさなどによって、所望の吸収ピーク波長λ１、発光ピーク波長λ２および吸収端波長λ３が得られる。有機蛍光剤は、例えば、以下に示す波長変換剤が知られている。ナフタルイミドからなる波長変換剤４では、吸収ピーク波長λ１が３７８ｎｍ、発光ピーク波長λ２が４１３ｎｍである。ペリレンからなる波長変換剤４では、吸収ピーク波長λ１が４７６ｎｍ、発光ピーク波長λ２が４９０ｎｍである。Ｅｕ（ＴＴＡ）３ｐｈｅｎ(１，１０−フェナントロリン）トリス［４，４，４−トリフルオロ−１−（２−チエニル）−１，３−ブタンジオナト）］ユウロピウム（ＩＩＩ）（ＣＡＳ登録番号：１７９０４−８６−８）)からなる波長変換剤４では、吸収ピーク波長λ１が３４０ｎｍ、発光ピーク波長λ２が６１４ｎｍ、吸収端波長λ３が３８４ｎｍである。ＢＢＴ（２，５−ビス（５−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾオキサゾリル）チオフェン（ＣＡＳ登録番号：７１２８−６４−５））からなる波長変換剤では、吸収ピーク波長λ１が３７２ｎｍ発光ピーク波長λ２が４３２ｎｍ、吸収端波長λ３が４１２ｎｍである。
【００２５】
図１に示すように、太陽電池モジュール１０は、太陽光１を主に受光する受光面１０ａ側から裏面１０ｂ側へ透光性基板２、受光面側封止材３、太陽電池素子５、裏面側封止材６および裏面保護材７がこの順で配置されている。そして、透光性基板２および受光面側封止材３の少なくとも一方の内部に波長変換剤４が含有されている。
【００２６】
１つの太陽電池モジュール１０には、例えば複数の太陽電池素子５が配置されている。そして、これら太陽電池素子５同士がインターコネクタ（不図示）によって電気的に接続されている。
【００２７】
波長変換剤４は、透光性基板２および受光面側封止材３の少なくとも一方の内部に存在していればよい。波長変換剤４が受光面側封止材３よりも透光性基板２に多く存在していると、樹脂で構成された受光面側封止材３に悪影響のある紫外光を波長変換剤４によって吸収させることができる。このため、受光面側封止材３を劣化しにくくすることができるのでよい。
【００２８】
また、透光性基板２がガラスなどから構成される場合には、波長変換剤４は受光面側封止材３にのみ存在させるようにしてもよい。特に波長変換剤４として有機材料を用いる場合には、樹脂からなる受光面側封止材３に容易に均質に含有させることができて、量子効率の高い受光面側封止材３にすることができるのでよい。この場合に、例えば、波長変換剤４を含有させた封止材と波長変換剤４がない封止材とを積層させて受光面側封止材３を構成してもよい。このようにして、波長変換剤４を受光面側封止材３の中で透光性基板２側に偏在させることが容易であり、上述のように受光面側封止材３を劣化しにくくすることができるのでよい。
【００２９】
なお、波長変換剤４は透光性基板２または受光面側封止材３の中に粒状に存在していてもよいし、粒状ではない状態（溶けたような状態）で均一に存在していてもよい。
【００３０】
透光性基板２としては、例えば、白板ガラス、樹脂などからなる基板を用いることができる。透光性基板２の厚さは２ｍｍから１０ｍｍ程度であればよい。
【００３１】
受光面側封止材３としては、例えば、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を主成分とする樹脂が用いることができる。受光面側封止材３の厚さは０．２ｍｍから１ｍｍ程度であればよい。
【００３２】
太陽電池素子５としては、例えば、結晶シリコン系の太陽電池素子５を用いることができる。また、複数の太陽電池素子５同士は、半田で被覆した銅箔等からなるインターコネクタで接続される。太陽電池素子５の厚さは０．２ｍｍから０．５ｍｍ程度であればよい。
【００３３】
裏面側封止材６としては、受光面封止材３と同様な材料、厚さのものを用いることができる。ただし、裏面側封止材６には光電変換効率を向上させるために、酸化チタンなどの白色の着色剤を含有させてもよい。
【００３４】
裏面保護材７としては、フッ素系樹脂またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのシートを用いることができる。裏面保護材７の厚さは０．２ｍｍから１ｍｍ程度であればよい。また、裏面保護材７には、耐湿性を向上させるため、上記シートをアルミ箔で挟持したり、上記シートにアルミナまたはシリカを蒸着したものを用いてもよい。
【００３５】
太陽電池モジュール１０に太陽光１が入射すると、太陽光１の一部がモジュールの表面で反射され、残りの光がモジュール内に入射して受光面側封止材３に到達する。
【００３６】
図３（ａ）〜（ｃ）に、受光面封止材３へ分散させた粒子状波長変換剤４の様子を示す。図３（ａ）に示すように、受光面側封止材３に入射した光が太陽電池素子５に向かう間に波長変換剤４に到達するには、受光面側封止材３を受光面から見たときに、波長変換剤４が隙間なく存在していることが好ましい。
【００３７】
ここで、半径ｒ（直径２ｒ）の波長変換剤４を受光面側封止材３に含有させる場合を考える。図３（ｂ）に示すように、受光面側封止材３を受光面側から見たときに、１個の粒子の波長変換剤４が１辺ｄの格子を占めるとする。この場合、波長変換剤４の最大断面が格子に外接するとき、ｄ＝２１／２・ｒになり、格子の面積ｓはｓ＝ｄ２＝２・ｒ２となる。受光面側から平面透視した場合に波長変換剤４の隙間をなくす。そして、受光面側封止材３に照射された光が必ず波長変換剤４に達するには、ｄ≦２１／２・ｒであればよい。ｄ＝２１／２・ｒのとき、単位面積当たりの粒子の波長変換剤４の個数は１／ｓ＝１／（２・ｒ２）である。また、１個の粒子の波長変換剤４の体積ＶはＶ＝（４／３）・π・ｒ３である。粒子の密度（単位体積あたりの質量）をρとすると、粒子の波長変換剤４の１個当たりの質量はＶ・ρである。このため、受光面側封止材３に添加する波長変換剤４の単位面積当たりの質量は（Ｖ・ρ）／（２・ｒ２）＝（２／３）・π・ｒ・ρとなり、これが含有量の下限となる。含有量の上限は、波長変換後の光の波長変換剤４による吸収と散乱、あるいは波長変換剤４の含有による受光面側封止材３の性能低下によって決まる。このため、単位面積当たり（２／３）・π・ｒ・ρの１〜２０倍程度、好ましくは２〜１０倍程度の質量の波長変換剤４を受光面側封止材３に含有させるとよい。
【００３８】
透光性基板２および受光面側封止材３は、いずれも太陽光１に含まれる波長の光に対し、ほぼ透明（透過率はほぼ１）である材料を選択するとよい。また、従来の太陽電池モジュール１０では、紫外領域の光によって劣化する構成部材が使用されていることが多いので、構成部材を保護するための紫外線吸収剤を添加していた。一方、本実施形態では、受光面側封止材３などに紫外領域の光を波長変換する波長変換剤４を添加すれば、紫外線吸収剤の添加が不要になる。さらに、本実施形態では、これまで紫外線吸収剤に吸収されて発電に寄与していなかった波長の光を発電に寄与させることができる。
【００３９】
波長変換剤４に入射した光は、波長変換剤４の吸収スペクトルに従って、太陽電池素子５の量子効率が小さい短波長の光が吸収されて、量子効率が大きい長波長の光に変換されて蛍光として放出される。この蛍光は全方位に均等に放出され、その５０％が太陽電池素子５の方向に向かい、残りの５０％が透光性基板２の方向に向かう。
【００４０】
光が屈折率の大きい物質から小さい物質へ進むとき、その界面では、両物質の屈折率と光の入射角とに応じて全反射が起こる。全反射が起こる条件は、入射角が下記式で表される臨界角θｃよりも大きいときである。
【００４１】
θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）
（ただし、ｎ１：入射先の物質の屈折率、ｎ２：入射元の物質の屈折率）
例えば、透光性基板２および受光面側封止材３の屈折率がともに１．５の場合には、透光性基板２と受光面側封止材３との界面では臨界角θｃ＝９０°（つまり全反射率は０）、透光性基板２と空気（屈折率は１）の界面では臨界角θｃ＝４１．８°となる。
【００４２】
したがって、受光面側封止材３中の波長変換剤４から透光性基板２の方向へ放射された蛍光は、透光性基板２と受光面側封止材３との界面では反射されずに、その１００％が界面を通過する。そして、蛍光は透光性基板２と空気との界面に達し、透光性基板２と空気との界面で、入射角と臨界角に応じて反射率Ｒｆで反射されて、再度太陽電池素子５方向へと向かい、１−Ｒｆの透過率で空気中へと出射される。
【００４３】
まず、２次元で考えると、図４（ａ）に示すように、波長変換剤４から透光性基板２へ向かう光は、全放出光の半分であり、図中の半円に含まれる。そのうち半頂角θｃの扇形に含まれる光（比率は４１．８／９０＝４６．４％）が透光性基板２から空気に透過し、残り５３．６％が全反射する。
【００４４】
実際の太陽電池モジュール１０を３次元で考えると、図４（ｂ）に示すように、波長変換剤４から透光性基板２へ向かう光は全放出光の半分であるので半球で表される。そのうち半頂角θｃの円錐に含まれる光が透光性基板２から空気に透過する。ステラジアンの定義から、全球（面積：４πｒ２）の立体角は４πステラジアン、半球の立体角は２πステラジアン、半頂角θの円錐の立体角は２π（１−ｃｏｓθ）ステラジアンである。よって、透光性基板２の方向へ向かう光のうち、空気に透過する光の割合は、２π（１−ｃｏｓθｃ）ステラジアン／２πステラジアン＝１−ｃｏｓθｃとなる。したがって、臨界角θｃ＝４１．８°のとき、透過率（１−Ｒｆ）および反射率（Ｒｆ）は、１−Ｒｆ＝２１．４％、Ｒｆ＝７８．６％となる。
【００４５】
つまり、波長変換剤４からの全蛍光を１とすると、太陽電池素子５に向かう光は０．５＋０．５Ｒｆとなり、空気中へ放出される光は０．５（１−Ｒｆ）となる。透光性基板２および受光面側封止材３として、屈折率がともに１．５の、ガラスおよび白板ガラスを使用した場合はＲｆ＝７８．６％であるので、波長変換剤４からの全蛍光のうち８９．３％が太陽電池素子５に照射され、１０．７％が空気中に放出される。なお、透光性基板２の最表層に反射率を調整するための構成（例えば表面コートなど）を付与することで、Ｒｆを向上させて太陽電池素子５に向かう光の比率を改善することも可能である。また、蛍光の一部は他の波長変換剤４によって吸収、散乱されるが無視できる程度である。
【００４６】
上述のように、結晶シリコンを半導体基板として用いた太陽電池素子の量子効率には波長依存性がある。図１４に示すように、光の波長λが４００〜１０００ｎｍの範囲のときに大きく、それ以外の波長領域では比較的小さい。太陽電池モジュール１０の量子効率は、モジュール反射率（スペクトル）Ｒｍ、波長変換剤４（波長変換剤を含有した受光面側封止材３）の吸収スペクトルＡｗ、波長変換剤４（波長変換剤４を含有した受光面側封止材３）の内部量子効率ＩＱＥｗ、波長変換剤４（波長変換剤４を含有した受光面側封止材３）の発光スペクトルＦｗ、蛍光のモジュール界面反射率Ｒｆ、太陽電池素子５の内部量子効率ＩＱＥｃなどで決定される。
【００４７】
なお、太陽電池素子５の種類は、特に制限されない。例えば、太陽電池素子は両面に入射する光を光電変換することができる両面受光型の太陽電池素子が採用されてもよい。また、光電変換部分がアモルファスシリコン系、ＣＩＧＳ等のカルコパイライト系またはＣｄＴｅ系などの材料から成る薄膜型の太陽電池素子が採用されてもよい。さらに、太陽電池素子５は、単結晶または多結晶シリコン基板上にアモルファスシリコンの薄膜を形成したタイプであってもよい。
【実施例】
【００４８】
まず、吸収スペクトルと発光スペクトルとが異なる複数種類の（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋系の波長変換剤４と、短絡電流密度Ｊｓｃおよび内部量子効率の異なる４種類の結晶シリコン系太陽電池素子５（素子Ａ〜Ｄ）とをそれぞれ準備した。また、白板ガラスからなる透光性基板２、ＥＶＡからなる受光面側封止材３、白色の添加剤（酸化チタン）を添加したＥＶＡからなる裏面側封止材６、およびＰＥＴからなる裏面保護材７を用いた。そして、図１に示す構成の太陽電子モジュール１０を作製した。【００４９】
ここで、素子Ａ〜Ｃは半導体基板として多結晶シリコン基板を用いた太陽電池素子である。また、素子Ｂは素子Ａに対して受光面側のドーパントの濃度を低くしたものである。また、素子Ｃは素子Ｂからさらに反射防止膜のパッシベーション性能を向上させたものであり、素子Ｄは素子Ｃからさらに半導体基板を単結晶シリコン基板に変更したものである。【００５０】
太陽電池モジュール１０の短絡電流密度ＪｓｃをＪＩＳＣ ８９１３に基づいて、ＡＭ（Air Mass）１．５および１００ｍＷ／ｃｍ２の光照射の条件下にて測定した。分光感度測定装置によって測定した太陽電池素子５（素子Ａ〜Ｄ）の内部量子効率（ＩＱＥｃ）を図５に示す。【００５１】
また、短絡電流密度Ｊｓｃと吸収端波長λ３との関係について、太陽電池素子５の量子効率と太陽電池モジュール１０の構成材料の光学的特性をパラメータとするシミュレーションで解析した結果を図６〜８にそれぞれ示す。【００５２】
図６〜８はそれぞれ、波長変換剤４の内部量子効率ＩＱＥｗが０．９５、０．９０、０．８５に設定したときの解析結果である。なお、吸収端波長λ３は、波長変換剤４単体と、波長変換剤４を含有した受光面側封止材３とのそれぞれで測定を行ったが、両者に変化は見られなかった。【００５３】
図５において、素子Ａ〜ＤのＩＱＥｃをそれぞれ、破線、直線、一点鎖線、点線で示す。また、図６〜８において、素子Ａ〜Ｄの吸収端波長λ３と短絡電流密度Ｊｓｃとの関係をそれぞれ、破線、直線、一点鎖線、点線で示す。【００５４】
図５〜８に示すように、短波長（５００ｎｍ以下）における内部量子効率ＩＱＥｃの波長依存性（分光感度曲線の傾き）が大きい素子（素子Ａが最も大きく、次いで素子Ｂおよび素子Ｃが中程度であり、素子Ｄが最も小さい）ほど、波長変換剤４による特性の向上が期待できる。太陽電池モジュール１０の短絡電流密度Ｊｓｃが最大となるような吸収端波長λ３の最適吸収端波長λｅは、太陽電池素子の内部量子効率ＩＱＥｃ(λ)、波長変換剤の内部量子効率ＩＱＥｗとの組合せによって変化する。素子Ａ〜Ｄに対し、ＩＱＥｗが０．９５〜０．８５のときの最適吸収端波長λｅを表１に示す。また、最適吸収端波長λｅにおける素子Ａ〜Ｄの内部量子効率ＩＱＥｃを表２に示す。また、図６〜８に示すように、吸収端波長λ３＝最適吸収端波長λｅ±２０ｎｍであれば、太陽電池モジュール１０の短絡電流密度Ｊｓｃはλ３＝λｅの場合とほぼ同等であることがわかる。【００５５】
【表１】
2015129586.tif 000003
【００５６】
【表２】
2015129586.tif 000004
【００５７】
図５において、λ３＝λｅの場合の各太陽電池素子５のＩＱＥｃ、すなわちＩＱＥｃ（λｅ）を求めた結果を表２に示す。ＩＱＥｃ（λｅ）は０．７４〜０．９１となった。同様にＩＱＥｃ（λｅ＋２０ｎｍ）およびＩＱＥｃ（λｅ−２０ｎｍ）を求めると、０．８０〜０．９２、０．７１〜０．８８となった。【００５８】
上記結果から、太陽電池素子５の内部量子効率が０．７１〜０．９２になる波長範囲に吸収端波長λ３を有する波長変換剤４を使用すると、光電変換性能を向上し得る太陽電池モジュール１０を提供できることがわかった。【００５９】
図５において、素子Ａ〜素子Ｄの内部量子効率ＩＱＥｃが０．７１〜０．９２となる波長範囲を図１０に太い実線で示す。素子Ａ〜素子Ｄに波長変換剤４を組み合わせて太陽電池モジュールを作製する際は、波長変換剤４の吸収端波長λ３が図１０に示す太い実線の範囲内であるとよい。【００６０】
図９は、波長変換光の利用効率ＩＱＥｗ×（０．５＋０．５×Ｒｆ）を、Ｒｆ＝０．７８６として計算し、ＩＱＥｃが波長変換光の利用効率と等しくなる波長（λｄ）と最適吸収端波長λｅとを比較したものである。図９に示すように、λｅ≒λｄであることがわかった。上述の通り、λ３＝λｅ±２０ｎｍであれば、モジュールの短絡電流（Ｊｓｃ）はλ３＝λｅのときとほぼ同等であるので、光電変換性能に優れた太陽電池モジュール１０とすることができる。【００６１】
図１１に、素子Ａ（λｅ＝４３５ｎｍ）に対し、波長変換剤４を用いなかった場合の太陽電池モジュールの外部量子効率を実線で示す。また、吸収端波長λ３が４００ｎｍの波長変換剤４を含有させた受光面側封止材３を用いた場合の太陽電池モジュールの外部量子効率を点線で示す。なお、この場合は、点線で現れていない部分は実線と点線が重なっている。また、吸収端波長λ３が５５０ｎｍの波長変換剤４を含有させた受光面側封止材３を用いた場合の太陽電池モジュールの外部量子効率は破線で示す。なお、この場合も、破線で現れていない部分は実線と破線が重なっている。【００６２】
このように、吸収端波長λ３が５５０ｎｍの波長変換剤４を用いた場合には、波長変換光の利用効率が吸収波長領域における太陽電池素子５のＥＱＥよりも低いので、波長変換剤４を用いない太陽電池モジュール１０と比べて特性は低下することがわかる。【００６３】
一方、吸収端波長λ３が４００ｎｍの波長変換剤４を用いた場合、波長変換光の利用効率が吸収波長領域における太陽電池素子５のＥＱＥよりも高いので、波長変換剤４を用いない太陽電池モジュール１０と比べて特性は向上する。ただし、この場合でも、波長が４００ｎｍよりも長い入射光が波長変換できない。このため、理想的には、吸収端波長λ３における波長変換光の利用効率が素子の内部量子効率と等しくなるとき（吸収端波長λ３がλｄのとき）に太陽電池モジュールの光電変換効率が最大となる。【００６４】
図１２に、図１１と同様に、上記太陽電池素子Ｂ（λｅ＝４０５ｎｍ）に対し、波長変換剤４を用いずに太陽電池モジュール１０を作製した場合の外部量子効率を実線で示す。また、吸収端波長λ３が４００ｎｍの波長変換剤４を含有させた受光面側封止材３を用いた場合の太陽電池モジュールの外部量子効率を点線で示す。また、吸収端波長λ３が５５０ｎｍの波長変換剤４を含有させた受光面側封止材３を用いた場合の太陽電池モジュールの外部量子効率を破線で示す。【００６５】
吸収端波長λ３が５５０ｎｍの波長変換剤４を用いる場合、素子Ａと同様に、波長変換光の利用効率が吸収波長領域における太陽電池素子のＥＱＥよりも低いので、波長変換剤を用いない太陽電池モジュールと比べて特性は低下する。【００６６】
一方、吸収端波長λ３が４００ｎｍの波長変換剤４を用いる場合、波長変換光の利用効率が吸収波長領域における太陽電池素子のＥＱＥよりも高いので、波長変換剤４を用いない太陽電池モジュールと比べて特性は向上する。さらに、波長変換剤４の吸収端波長λ３が最適吸収端波長λｅとの差が小さいので、波長変換剤４による効果の大きい太陽電池モジュール１０が作製できる。【００６７】
次に、波長変換剤４としてナフタルイミドを用いた例について説明する。この波長変換剤４の吸収ピーク波長λ１、発光ピーク波長λ２および吸収端波長λ３と、それぞれの波長における上記素子Ａ〜Ｂの内部量子効率ＩＱＷｃについてシミュレーションした結果とを表３に示す。【００６８】
【表３】
2015129586.tif 000005
【００６９】
表３において、関係式ＩＱＥｃ(λ１)＜ＩＱＥｃ(λ２)（以下、関係式Ｉという）は、素子Ａ〜素子Ｄのいずれにおいても満足する。一方、関係式０．７１＜ＩＱＥｃ(λ３)＜０．９２（以下、関係式ＩＩという）を満足するのは、素子Ａと素子Ｂのみであった。【００７０】
したがって、上記４つの素子のうち、ナフタルイミドと組み合わせて太陽電池モジュールを作製した場合に、光電変換特性の向上が期待できるのは素子Ａと素子Ｂであることがわかった。【００７１】
同様に、波長変換剤４としてＥｕ（ＴＴＡ）３ｐｈｅｎを用いる場合のシミュレーション結果を表４に示す。また、波長変換剤４としてＢＢＴを用いた場合のシミュレーション結果を表５に示す。また、波長変換剤４として、Ｂａ／（Ｂａ＋Ｓｒ）＝０である（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋を用いる場合のシミュレーション結果を表６に示す。Ｂａ／（Ｂａ＋Ｓｒ）＝１である（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋を用いる場合のシミュレーション結果を表７に示す。【００７２】
【表４】
2015129586.tif 000006
【００７３】
【表５】
2015129586.tif 000007
【００７４】
【表６】
2015129586.tif 000008
【００７５】
【表７】
2015129586.tif 000009
【００７６】
表４において、関係式Ｉは、素子Ａ〜素子Ｄのいずれにおいても満足しているが、関係式ＩＩが満足するのは、素子Ｂと素子Ｃのみであった。【００７７】
したがって、上記４つの素子のうち、ナフタルイミドと組合せて太陽電池モジュールを作製したときに、光電変換特性の向上が期待できるのは素子Ｂと素子Ｃであることがわかった。【００７８】
表５の結果から、関係式Ｉは素子Ａ〜素子Ｄのいずれにおいても満足しているが、関係式ＩＩを満足するのは素子Ｂおよび素子Ｃであることがわかった。【００７９】
表６、表７において、関係式Ｉは素子Ａ〜素子Ｄのいずれにおいても満足しているが、関係式ＩＩを満足するのは素子ＡとＢａ／（Ｂａ＋Ｓｒ）＝１である（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋の組合せのみであった。【００８０】
したがって、上記４つの素子のうち、（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋と組み合わせて太陽電池モジュールを作製したときに、光電変換特性の向上が期待できるのは素子Ａであることがわかった。
【符号の説明】
【００８１】
１  ：太陽光
２  ：透光性基板
３  ：受光面側封止材
４  ：波長変換剤
５  ：太陽電池素子
６  ：裏面側封止材
７  ：裏面保護材
１０：太陽電池モジュール
【図１】
2015129586.tif 000010
【図２】
2015129586.tif 000011
【図３】
2015129586.tif 000012
【図４】
2015129586.tif 000013
【図５】
2015129586.tif 000014
【図６】
2015129586.tif 000015
【図７】
2015129586.tif 000016
【図８】
2015129586.tif 000017
【図９】
2015129586.tif 000018
【図１０】
2015129586.tif 000019
【図１１】
2015129586.tif 000020
【図１２】
2015129586.tif 000021
【図１３】
2015129586.tif 000022
【図１４】
2015129586.tif 000023
【国際調査報告】
2015129586.tif 000024
2015129586.tif 000025
2015129586.tif 000026
2015129586.tif 000027