(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と第２の面とを備える透光性基板と、前記第１の面上に設けられた光電変換セルと、前記光電変換セルを封止する封止部と、を備える光電変換モジュールと、
前記第２の面上に設けられ、前記第２の面側に凹部を有する第３の面を備える透光性樹脂部材と、
前記第２の面と前記第３の面との間を固定するとともに、前記透光性基板と前記透光性樹脂材との間の光の屈折を調整する光学調整層と、
前記光学調整層および前記凹部に囲まれた空間部を有する導光部と、を具備し、
前記空間部に入射される光の少なくとも一部は、屈折または反射して前記光電変換セルに入射し、
前記透光性基板の線膨張係数は、前記透光性樹脂部材の線膨張係数よりも低く、
前記光学調整層の針入度は、５０以上２００以下である、光電変換装置。
【請求項２】
前記光電変換モジュールは、互いに直列接続で電気的に接続された複数の前記光電変換セルを備え、
前記空間部は、前記光電変換モジュールにおける２以上の前記光電変換セルの間の領域に重畳する請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記光電変換モジュールにおける２以上の前記光電変換セルの間の領域に重畳するように設けられ且つ前記第２の面に接する光反射部材を有する第２の導光部をさらに具備し、
前記光反射部材に入射される光の少なくとも一部は、反射して前記光電変換セルに入射する、請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
第１の面と第２の面とを備える透光性基板と、前記第１の面上に設けられた複数の光電変換セルと、前記複数の光電変換セルを封止する封止部と、を備える光電変換モジュールと、
前記第２の面上に設けられ、前記第２の面側に第３の面を備える透光性樹脂部材と、
前記第２の面と前記第３の面との間を固定するとともに、前記透光性基板と前記透光性樹脂材との間の光の屈折を調整する光学調整層と、
前記光電変換モジュールにおける２以上の前記光電変換セルの間の領域に重畳するように設けられ且つ前記第２の面に接する光反射部材を有する導光部と、を具備し、
前記光反射部材に入射される光の少なくとも一部は、反射して前記光電変換セルに入射し、
前記透光性基板の線膨張係数は、前記透光性樹脂部材の線膨張係数よりも低く、
前記光学調整層の針入度は、５０以上２００以下である、光電変換装置。
【請求項５】
前記光学調整層を貫通するように前記第２の面と前記第３の面との間を接着する接着層をさらに具備する、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記光学調整層は、シリコーン材料、アクリル材料、およびウレタン材料の少なくとも一つを含む、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記光学調整層の厚さＤに対する前記透光性基板の対角線長さＬの比Ｌ／Ｄが３００以下であり、且つ前記厚さＤが５ｍｍ以下である、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
複数の前記光電変換モジュールを具備し、
前記第３の面は、２以上の前記光電変換モジュールの間の領域に重畳する第２の凹部を有し、
前記光学調整層は、前記光電変換モジュール毎に分離されている、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記光電変換セルは、前記第１の面に順に積層された透光性電極と、光電変換層と、対向電極と、を備え、
前記対向電極は、前記光電変換層を挟んで前記透光性電極に重畳し、
前記光電変換層は、前記透光性電極と前記対向電極との間に設けられた光活性層と、前記透光性電極と前記光活性層との間に設けられた第１の中間層と、前記光活性層と前記対向電極との間に設けられた第２の中間層と、を有する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記透光性基板は、酸化ケイ素化合物を主成分とするガラス、またはサファイアガラスを含む、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換装置の一つである結晶シリコン太陽電池は、例えば重いため耐荷重が低い屋根に搭載できない難点や、可撓性が低く平面以外の場所に搭載できないため設置自由度が低いという難点を有する。重く可撓性が低い要因としては、製造時に高温処理を要するため、軽量でフレキシブルであるが耐熱性が低いポリマー材料等の基板を用いることができないことや、結晶シリコン材料が脆いため、耐衝撃性を高めるために厚い封止材や厚い保護ガラス板を使用していることが挙げられる。
【０００３】
これに対し、有機半導体や有機／無機ハイブリッド半導体を太陽電池、発光素子、光センサ等の光電変換装置に適用することが期待されている。例えば、太陽電池の活性層の形成材料等として有機半導体を用いることにより活性層の製造時に高温処理が不要であるため、軽量でフレキシブルなポリマー材料の基板を用いることができ、設置自由度を高めることができる。
【０００４】
しかしながら、ポリマー材料の基板では水分や酸素などのガスバリア性が低いため有機材料や有機／無機ハイブリッド材料が劣化しやすいという問題や、耐熱性が低く、ＩＴＯなどの電極の成膜時や成膜後に高温処理を施すことができないため、電極の導電性や光透過率を高めることができないという問題がある。よって、太陽電池の光電変換効率が低いという問題がある。
【０００５】
光電変換装置の光電変換効率を高めるためには、例えば光電変換領域の面積率を高くすることが考えられる。その一方で従来の光電変換装置では、製造工程上の問題から基板の端部に光電変換に寄与しない領域が生じていた。光電変換効率を高めるためには、光電変換装置のサイズを大きくするだけでなく、上記のような光電変換に寄与しない領域による光電変換効率の低下を抑制することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−６７９２５号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７９３３９号公報
【特許文献３】特開２０１５−１１５３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実施形態の発明が解決しようとする課題は、光電変換装置の光電変換効率を高めるとともに信頼性を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の光電変換装置は、第１の面と第２の面とを備える透光性基板と、第１の面上に設けられた光電変換セルと、光電変換セルを封止する封止部と、を備える光電変換モジュールと、第２の面上に設けられ、第２の面側に凹部を有する第３の面を備える透光性樹脂部材と、第２の面と第３の面との間を固定するとともに、透光性基板と透光性樹脂材との間の光の屈折を調整する光学調整層と、光学調整層および凹部に囲まれた空間部を有する導光部と、を具備する。空間部に入射される光の少なくとも一部は、屈折または反射して光電変換セルに入射する。光学調整層の針入度は５０以上２００以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】光電変換装置の構造例を示す断面模式図である。
【図２】素子部の構造例を説明するための断面模式図である。
【図３】光電変換層の構造例を説明するための断面模式図である。
【図４】温度変化による光電変換装置の変化を説明するための模式図である。
【図５】温度変化による光電変換装置の変化を説明するための模式図である。
【図６】光電変換装置の他の構造例を示す模式図である。
【図７】光電変換装置の他の構造例を示す模式図である。
【図８】光電変換装置の他の構造例を示す模式図である。
【図９】光電変換装置の他の構造例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的なものであり、例えば厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。
【００１１】
図１は、光電変換装置の構造例を示す断面模式図である。図１に示す光電変換装置は、面１ａと面１ａに対向する面１ｂとを備える透光性基板１と、透光性基板１上に設けられた素子部２と、素子部２を封止する封止部３と、凹部４０を有する面４ａと面４ａに対向する面４ｂとを備える透光性樹脂部材４と、面１ｂと面４ａとの間に設けられた光学調整層５と、凹部４０および光学調整層５に囲まれた空間部を有する導光部６ａと、透光性樹脂部材４と光電変換モジュールとの間の固定を補助する支持基板８と、光電変換モジュールの端部を支持する固定具９と、を具備する。なお、少なくとも透光性基板１と、素子部２と、封止部３と、を備える構造体を光電変換モジュールともいう。なお、必ずしも支持基板８と固定具９が設けられなくてもよい。
【００１２】
透光性基板１の線膨張係数は、透光性樹脂部材４の線膨張係数よりも低い。透光性基板１としては、例えば酸化ケイ素化合物を主成分とする一般的なガラス、またはサファイアガラス等の材料を用いることができる。透光性基板１は、リジッド基板、またはフレキシブル基板であってもよい。透光性基板１としては、単一な材料による単一構造の他、例えば樹脂フィルムの片面あるいは両面に薄いガラスを貼り合わせた複合フィルムを用いることができる。
【００１３】
図２は、素子部２の構造例を説明するための断面模式図である。素子部２は、図２に示すように複数の光電変換セル２０を有する。複数の光電変換セル２０のそれぞれは、離間しつつ、例えば透光性基板１上に短冊状に並置されていてもよい。光電変換モジュールにおける複数の光電変換セル２０を有する領域を発電部ともいう。また、２以上の光電変換セル２０間の領域を非発電部ともいう。
【００１４】
複数の光電変換セル２０は、互いに直列接続で電気的に接続されている。仮に、一つの光電変換セル２０の面積を大きくすると発生電荷の取り出し効率が低下しやすい。これに対し、複数の光電変換セル２０を直列に電気的に接続することにより取り出し効率の低下を抑制することができ、また、出力電圧を大きくすることもできる。なお、光電変換セル２０の数は、図２に示す数に限定されない。
【００１５】
光電変換セル２０は、面１ａに順に積層された透光性電極２１と、光電変換層２２と、対向電極２３と、を有する。対向電極２３は、光電変換層２２を挟んで透光性電極２１に重畳する。図２では、面１ａを下側に図示している。このとき、光電変換層２２が透光性電極２２の下面に接し、対向電極２３が光電変換層２２の下面に接しているとみなすことができる。これに対し、面１ａを上側に図示する場合には光電変換層２２が透光性電極２２の上面に接し、対向電極２３が光電変換層２２の上面に接しているとみなすことができる。
【００１６】
隣り合う２以上の光電変換セル２０の間隔Ｄ１（非発電部の幅）は、例えば数ｍｍ以下、さらには１ｍｍ以下であることが好ましい。また、パターニング精度によっては、１００μｍ程度まで狭めることができる。
【００１７】
光電変換セル２０に光が入射すると、光電変換層２２により電荷分離が生じ、電子とそれと対になる正孔とが生成される。光電変換層２２で生成された電子と正孔のうち、例えば電子は透光性電極２１で捕集され、正孔は対向電極２３で捕集される（逆構成型）。透光性電極２１と対向電極２３の機能は、反対（順構成型）であってもよい。
【００１８】
透光性電極２１としては、例えば酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、フッ素を含む酸化錫（ＦＴＯ）、ガリウムを含む酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アルミニウムを含む酸化亜鉛（ＡＺＯ）、インジウム−亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、インジウム、ガリウム、亜鉛酸化物（ＩＧＺＯ）等の導電性金属酸化物や、導電性金属酸化物層と金、白金、銀、銅、チタン、ジルコニウム、コバルト、ニッケル、インジウム、アルミニウム等の金属やそれら金属を含む合金からなる金属層との積層膜、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）のような導電性高分子等が挙げられる。透光性電極２１は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等により上記材料の膜を成膜することにより形成される。
【００１９】
例えばＩＴＯの場合、その後熱処理を行うことで導電性や透光性を向上させることができる。これにより、光電変換効率が向上する。このときの熱処理温度は例えば１５０℃以上であるため、透光性基板１としては、上記酸化ケイ素化合物を主成分とする一般的なガラス、またはサファイアガラス等のガラス基板を用いる。
【００２０】
透光性電極２１の厚さは、例えば導電性金属酸化物の場合、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。透光性電極２１が１０ｎｍ未満であると、シート抵抗が高くなる。透光性電極２１のシート抵抗は、特に限定されないが、通常１０００Ω／□以下であり、５００Ω／□以下が好ましく、より好ましくは２００Ω／□以下である。透光性電極２１が１０００ｎｍ超であると、光透過率が低下すると共に、可撓性が低くなることで応力により割れ等が生じやすくなる。透光性電極２１の厚さは、高い光透過率と低いシート抵抗との両方を得るように調整されることが好ましい。
【００２１】
透光性電極２１の幅は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。透光性電極２１の幅が２０ｍｍ超であると、透光性電極２１の電気抵抗が高くなって発電損失の影響が無視できなくなる。透光性電極２１の幅が５ｍｍ未満であると、光電変換セル２０の領域（発電部）に対する光電変換セル２０間の領域（非発電部）の比率が高くなり、開口率が低下し、発電効率が低下する。
【００２２】
光電変換層２２としては、公知の光電変換層のいずれを用いても良い。例えば、シリコン系材料、ＣＩＧＳ系、ＣｄＴｅ系、ＧａＡｓ系のような化合物系材料、色素増感系材料、有機薄膜系材料、有機／無機ハイブリッド系材料などを用いることができる。光電変換層２２の具体的な構造例については後述する。
【００２３】
対向電極２３は、隣接する次段の光電変換セルの透光性電極２１に電気的に接続される。対向電極２３としては、例えば金属、金属酸化物、導電性高分子等を用いることができる。対向電極２３を介して光を入射する場合、対向電極２３は透光性を有する。
【００２４】
対向電極２３は、例えば白金、金、銀、銅、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、タングステン、チタン、ジルコニウム、錫、亜鉛、アルミニウム、インジウム、クロム、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウム、マグネシウム、バリウム、サマリウム、テルビウム等の金属、それらを含む合金、ＩＺＯのような導電性金属酸化物、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ等の導電性高分子、グラフェン等の炭素材料が用いられる。銀ナノワイヤ、金ナノワイヤ、カーボンナノチューブ等のナノ導電材料を前述の材料に混入させて用いることもできる。対向電極２３は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で上記材料の膜を成膜することにより形成される。
【００２５】
対向電極２３の厚さは、例えば１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。対向電極２３の厚さが１ｎｍ未満であると、シート抵抗が大きく、発生した電荷を外部に十分に伝達できないおそれがある。対向電極２３のシート抵抗は特に制限されないが、例えば５００Ω／□以下が好ましく、より好ましくは２００Ω／□以下である。対向電極２３が１０００ｎｍ超であると、成膜に時間がかかり、材料温度が上昇して光電変換層２２にダメージを与えるおそれがある。
【００２６】
光電変換セル２０は、例えば以下に示す方法により形成される。透光性基板１上に各セルの透光性電極２１を形成する。複数の透光性電極２１上に光電変換層２２を全面に塗布して形成する。光電変換層２２の一部をスクライブして透光性電極２１を露出させる溝を形成する。スクライブ溝を有する光電変換層２２上に各セルに対応させて対向電極２３を形成する。この際、隣接するセルの対向電極２３をスクライブ溝内に充填することによって、隣接するセルの対向電極２３とスクライブ溝内に露出させた透光性電極２１とを電気的に接続する。
【００２７】
透光性電極２１の一部を露出させる他の方法として、スクライブ法のかわりにパターン成膜法を用いることができる。パターン成膜法では、例えば透光性電極２１の一部に膜が形成されないように選択的に成膜することにより透光性電極２１の一部を露出させる。パターン成膜法にもいくつかの方法があり、例えば遮蔽マスクを用いて真空蒸着を行う方法や、詳細は後述するが、メニスカス塗布法を用いたパターン塗布法等が挙げられる。
【００２８】
図３は、光電変換層２２の構造例を説明するための断面模式図である。図３に示す光電変換層２２は、光活性層２２１と、透光性電極２１と光活性層２２１との間に設けられた中間層２２２と、光活性層２２１と対向電極２３との間に設けられた中間層２２３と、を有する。なお、光電変換層２２は、中間層２２２および中間層２２３の少なくとも一つを具備していなくてもよい。
【００２９】
光活性層２２１は、中間層２２２を挟んで透光性電極２１上に設けられている。光活性層２２１は、照射された太陽光等の光のエネルギーにより電荷分離を行う機能を有する。光活性層２２１としては、例えばバルクへテロ接合型の光活性層を用いることができる。バルクヘテロ接合型の光活性層は、光活性層中で混合されたｐ型半導体とｎ型半導体とのミクロ層分離構造を有する。光電変換モジュールでは、混合されたｐ型半導体とｎ型半導体が光活性層内でナノオーダーのサイズのｐｎ接合を形成し、光が入射することにより接合面で生じる光電荷分離を利用して電流を得ることができる。ｐ型半導体およびｎ型半導体の少なくとも一方は、有機半導体であってよい。光活性層２２１の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
ｐ型半導体は、電子供与性の性質を有する材料で構成される。ｐ型半導体としては、例えばポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体等を用いることができる。また、これらの共重合体を使用してもよく、例えば、チオフェン−フルオレン共重合体、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体等が用いてもよい。
【００３１】
ｐ型半導体としては、例えばπ共役を有する導電性高分子であるポリチオフェンおよびその誘導体を用いることができる。ポリチオフェンおよびその誘導体は、優れた立体規則性を確保することができ、溶媒への溶解性が比較的高い。ポリチオフェンおよびその誘導体は、チオフェン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。
【００３２】
ポリチオフェンおよびその誘導体の具体例としては、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−ブチルチオフェン、ポリ３−ヘキシルチオフェン、ポリ３−オクチルチオフェン、ポリ３−デシルチオフェン、ポリ３−ドデシルチオフェン等のポリアルキルチオフェン、ポリ３−フェニルチオフェン、ポリ３−（ｐ−アルキルフェニルチオフェン）等のポリアリールチオフェン、ポリ３−ブチルイソチオナフテン、ポリ３−ヘキシルイソチオナフテン、ポリ３−オクチルイソチオナフテン、ポリ３−デシルイソチオナフテン等のポリアルキルイソチオナフテン、ポリエチレンジオキシチオフェン等が挙げられる。
【００３３】
また、カルバゾール、ベンゾチアジアゾールおよびチオフェンからなる共重合体であるＰＣＤＴＢＴ（ポリ［Ｎ−９’−ヘプタ−デカニル−２，７−カルバゾール−アルト−５，５−（４’，７’−ジ−２−チエニル−２’，１’，３’−ベンゾチアジアゾール）］）などの誘導体を用いてもよい。上記誘導体を用いることにより、光電変換効率を高めることができる。また、ＰＴＢ７（［ポリ｛４，８−ビス［（２−エチルヘキシル）オキシ］ベンゾ［１，２−ｂ：４，５−ｂ’］ジチオフェン−２，６−ジイル−ｌｔ−ａｌｔ−３−フルオロ−２−［（２−エチルへキシル）カルボニル］チエノ［３，４−ｂ］チオフェン−４，６−ジイル｝］）を用いてもよい。
【００３４】
これらの導電性高分子は、溶媒に分散させた分散液を塗布することにより成膜される。従って、塗布法等により、安価な設備を用いて低コストでかつ大面積の光電変換モジュールを製造することができる。
【００３５】
ｎ型半導体は、電子受容性の性質を有する材料で構成される。ｎ型半導体としては、例えばフラーレンおよびその誘導体が好適に使用される。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されない。フラーレン誘導体としては、例えばＣ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４等を基本骨格として構成される誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格における炭素原子が任意の官能基で修飾されていてもよく、この官能基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。フラーレン誘導体には、フラーレン結合ポリマーも含まれる。溶剤に親和性の高い官能基を有し、溶媒への可溶性が高いフラーレン誘導体が好ましい。
【００３６】
フラーレン誘導体における官能基としては、例えば、水素原子、水酸基、フッ素原子、塩素原子等のハロゲン原子、メチル基、エチル基等のアルキル基、ビニル基等のアルケニル基、シアノ基、メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基、フェニル基、ナフチル基等の芳香族炭化水素基、チエニル基、ピリジル基等の芳香族複素環基等が挙げられる。具体的には、Ｃ６０Ｈ３６、Ｃ７０Ｈ３６等の水素化フラーレン、Ｃ６０、Ｃ７０等のオキサイドフラーレン、フラーレン金属錯体等が挙げられる。上述した中でも、フラーレン誘導体として、ＰＣＢ６０Ｍ（［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）またはＰＣ７０ＢＭ（［６，６］−フェニルＣ７１酪酸メチルエステル）、６０ＩＣＢＡ（ビスインデンＣ６０）を使用することが特に好ましい。
【００３７】
未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ７０は、光キャリアの発生効率が高く、有機薄膜太陽電池に適している。
【００３８】
光活性層２２１におけるｎ型半導体とｐ型半導体の混合比率（ｎ：ｐ）は、ｐ型半導体がＰ３ＨＴ系の場合、およそ１：１であることが好ましい。またｐ型半導体がＰＣＤＴＢＴ系の場合、およそ４：１であることが好ましい。
【００３９】
有機半導体を塗布するためには、例えば溶媒に分散させて分散液を作製する。溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、メシチレン、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類が挙げられる。特に、ハロゲン系の芳香族溶剤が好ましい。これらの溶剤を単独、もしくは混合して使用することが可能である。
【００４０】
有機半導体を塗布し成膜する方法としては、例えばスピンコート法、ディップコート法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、スプレー法、スクリーン印刷、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサ塗布、ノズルコート法、キャピラリーコート法、インクジェット法等が挙げられ、これらの塗布法を単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。
【００４１】
光活性層２２１の他の成膜法としては、メニスカス塗布法を用いることができる。メニスカス塗布法では、複数の塗布領域を有する塗布ヘッドと塗布対象物の塗布面との間に塗布材料を供給することによりメニスカス柱を形成する。その後塗布ヘッドと塗布対象物とを相対的に移動させることにより、塗布面に塗布材料を塗布する。メニスカス塗布法により、複数の光電変換セル２０における光活性層２２１を一度に形成することができる。
【００４２】
光電変換モジュールを例えば有機／無機ハイブリッド太陽電池等の光電変換装置に適用する場合、光活性層２２１は例えば有機／無機混成ペロブスカイト化合物を含む。有機／無機混成ペロブスカイト化合物としては、例えばＣＨ３ＮＨ４ＭＸ３（Ｍは鉛および錫から選ばれる少なくとも１つの元素、Ｘはヨウ素、臭素、および塩素から選ばれる少なくとも１つの元素である）で表される組成を有する化合物が挙げられる。
【００４３】
ペロブスカイト化合物を含む光活性層２２１の形成方法としては、上記したペロブスカイト化合物またはその前駆体を真空蒸着する方法、ペロブスカイト化合物またはその前駆体を溶媒に溶かした溶液を塗布して加熱・乾燥させる方法が挙げられる。ペロブスカイト化合物の前駆体としては、例えばハロゲン化メチルアンモニウムとハロゲン化鉛またはハロゲン化錫との混合物が挙げられる。
【００４４】
中間層２２２は、透光性電極２１上に設けられている。中間層２２２は、電子輸送層または正孔輸送層の一方としての機能等を有する。塗布法や蒸着法等を用いて透光性電極２１上に中間層２２２を形成することができる。中間層２２２の厚さは、例えば０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
正孔輸送層は、正孔を効率的に輸送する機能や、光活性層２２１の界面近傍で発生した励起子の消滅を防ぐ機能等を有する。正孔輸送層としては、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホネート））等のポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン、トリフェニレンジアミンポリピロール、ポリアニリン、またはそれらの誘導体等の有機導電性ポリマーを使用することができる。また、正孔輸送層として、酸化バナジウム、酸化タンタル、酸化モリブデン等の無機材料を用いてもよい。正孔輸送層は、例えば真空蒸着法、スパッタリング、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、メッキ法や塗布法等を用いて形成される。また、前駆体の塗布液を塗布した後、加熱等によって反応させることにより無機材料の膜を形成することができる。
【００４６】
有機導電性ポリマーは、例えば塗布法等を用いて形成される。例えば、メニスカス塗布法により正孔輸送層に適用可能な材料からなる所望の厚さの塗布層を形成した後、ホットプレート等で加熱乾燥することにより正孔輸送層を形成することができる。
【００４７】
電子輸送層は、正孔をブロックして電子のみを効率的に輸送する機能、および光活性層２２１との界面で生じた励起子（エキシトン）の消滅を防ぐ機能等を有する。電子輸送層としては、例えば金属酸化物や有機材料等を用いることができる。金属酸化物としては、例えばゾルゲル法を用いてチタンアルコキシドを加水分解して得られるアモルファスの酸化チタンや、酸化タンタル、酸化モリブデン等が挙げられる。有機材料としてはポリエチレンイミンやその誘導体等が用いられる。電子輸送層は、例えば真空蒸着法、スパッタリング、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、メッキ法や塗布法等を用いて形成される。
【００４８】
中間層２２３は、光活性層２２１上に設けられる。中間層２２３は、光活性層２２１を挟んで中間層２２２に重畳する。中間層２２３は、電子輸送層または正孔輸送層の他方としての機能等を有する。中間層２２３は、例えば塗布法や蒸着法等を用いて形成される。中間層２２３の厚さは、例えば０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４９】
封止部３は、複数の光電変換セル２０を封止する。封止部３は、例えば対向基板３１を有する。また、例えばガラスフリットや熱硬化性、熱可塑性、または光硬化性の樹脂等を用いて封止部３を形成してもよい。
【００５０】
対向基板３１としては、水や酸素などのバリア性が高い材料が用いられる。対向基板３１としては、例えばガラス基板、金属基板の他、高いガスバリア性を有する樹脂基板等を用いることができる。
【００５１】
対向基板３１は、素子部２の輪郭部に設けられるシール材３０を介して透光性基板１と貼り合わされている。これにより、外部から光電変換セル２０への水や酸素等の侵入を抑制することができる。よって、光電変換セル２０の劣化を低減することができる。
【００５２】
シール材３０は、光電変換モジュールの輪郭部を囲むように設けられていてもよい。このとき、透光性基板１、対向基板３１、およびシール材３０に囲まれた領域に窒素などの不活性ガスを充填する、または当該領域を略真空状態にしてもよい（中空封止）。さらに、上記領域に水分や酸素などのガスを吸着する吸着材を封入してもよい。なお、シール材３０は、例えば光電変換モジュール全面を覆うように設けられていてもよい。
【００５３】
支持基板８は、光電変換モジュールを支持する機能を有する。支持基板８としては、例えば透光性樹脂部材４に適用可能な樹脂材料が用いられる。支持基板８は透光性を有していてもよい。なお、必ずしも支持基板８が設けられなくてもよい。また、支持基板８と対向基板３１との間に空気などの気体層を設けてもよい、または樹脂材料等を充填してもよい。
【００５４】
透光性樹脂部材４は、面１ｂ上に設けられている。面４ｂから入射された光１０は、透光性樹脂部材４内を透過して光電変換セル２０に入射する。透光性樹脂部材４の面４ａは、面１ｂ側に凹部４０を有する。透光性樹脂部材４の屈折率は、例えば１．３以上１．７以下、さらには１．４以上１．６以下であることが好ましい。
【００５５】
凹部４０の形状は、例えば面４ａの一方向に沿って延在するスリット状であってもよい。このとき、凹部４０の延在方向に垂直な方向の断面（図１、２に示す面）は、例えばＶ字形状、Ｖ字形状の直線部を湾曲させた形状、またはＵ字形状を有していてもよい。Ｖ字形状やＶ字形状の直線部を湾曲させた形状は、入射光を全反射させやすい形状であるため好適である。Ｖ字形状の頂角が小さいと全反射条件が緩和されるが、Ｖ字状の凹部を形成するときに頂角にラウンド形状ができやすい。ラウンド形状部は全反射条件が崩れるというデメリットが生じやすい。よって、凹部４０の頂角は、３０度以上７０度以下、さらには４０度以上６０度以下であることが好ましい。凹部４０を形成することにより、透光性樹脂部材４の可撓性を高めることができる。凹部４０の間隔は、発電部の幅と同様に約５ｍｍ以上２０ｍｍであることが好ましい。詳細は後述するが、上記間隔は、気泡を自然に逃がすためにおいても好適である。
【００５６】
透光性樹脂部材４は、高い透光性と高い耐衝撃性とを有する材料により構成される。透光性樹脂部材４としては、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、塩化ビニル樹脂等の樹脂材料が用いられる。耐候性の観点では例えばポリカーボネート樹脂が好ましい。透光性樹脂部材４は単一の材料による単層構造の他、複数の材料を用いた複合材料により構成されていてもよい。例えば透光性がより高いアクリル樹脂板の光入射側の面上に、耐衝撃性がより高いポリカーボネート樹脂を積層させてもよい。これらの材料で形成された透光性樹脂部材４は、透光性基板１よりも比重が軽い。
【００５７】
凹部４０を有する透光性樹脂部材４の製造方法としては、例えば押出成形や射出成型の他、平面の板に切削加工を施す方法等が挙げられる。例えば、透光性樹脂部材４の代わりにガラスを用いる場合、樹脂に比べて押出成形や射出成型の他、平面の板に切削加工を施す方法で凹部４０を形成することは難しい。よって、コストが高くなりやすい。
【００５８】
光学調整層５は、面１ｂと面４ａとを固定するとともに、透光性基板１と透光性樹脂部材４との間の光の屈折を調整する機能を有する。仮に透光性基板１と透光性樹脂部材４との間に空気層がある場合、フレネルの法則により、透光性樹脂部材４と空気との界面で入射光の一部が反射し、さらに空気と透光性基板１との界面でも反射する。よって、光電変換セル２０に入射する光量が減少し、光電変換効率が低下してしまう。これに対し、透光性基板１の屈折率や透光性樹脂部材４の屈折率に近い屈折率を有する光学調整層５を設けることにより、フレネル反射が低減され、光電変換セル２０に入射する光量が増加し、光電変換効率が向上する。光学調整層５の屈折率は、例えば透光性基板１の屈折率と透光性樹脂部材４の屈折率との中間の値であると、一般的に最もフレネル反射を低減できるため好ましい。
【００５９】
光学調整層５としては、硬度が低い材料が用いられる。光学調整層５は、例えばシリコーン材料、アクリル材料、ウレタン材料等を主成分として含む。またこれらの複合材料を用いてもよい。主成分としてシロキサン化合物を含む材料は、高温環境、低温環境、高湿環境、光照射によって光透過率、機械的特性、耐衝撃性が低下しにくい特性を有するため好適である。シロキサン化合物を主成分とした材料の屈折率は一般に１．４前半であり、透光性樹脂部材４に用いるポリカーボネートやアクリル等の１．５程度や透光性基板１に用いるガラス等の１．５程度に比べてやや差がある。この場合、屈折率を１．５程度に近づけるために、公知の屈折率調整材を加えるとより好ましい。
【００６０】
光学調整層５の硬度を示すパラメータとして例えば針入度（単位：１／１０ｍｍ）が挙げられる。針入度は、ＪＩＳ  Ｋ  ６２４９により規定されたパラメータであり、値が大きいほど硬度が低いことを表す。光電変換装置の耐久性試験の規格の一つとしてＪＩＳ  Ｃ  ８９３８がある。この中の耐熱サイクル試験の試験温度範囲は−４０〜９０℃であり、この温度範囲で反りや剥がれが生じないようにするために、光学調整層５の針入度は、例えば５０以上であることが好ましい。一方、針入度が２００超であると、例えば流動しやすくなり、透光性基板１と透光性樹脂部材４とを機械的に貼り合わせて固定することが困難になる。この針入度の好適範囲は、例えば透光性樹脂部材４としてポリカーボネート樹脂を用い、透光性基板１にガラスを用い、貼り合わせ時の温度が２５℃の場合の好適範囲である。これらの条件が異なる場合は、その条件によるが、針入度の範囲が６５以上であればより広い条件で反りや剥がれの問題を改善させることができる。
【００６１】
針入度の調整方法としては、例えば材料の架橋密度を調整する方法や、フィラー材を添加する方法などが挙げられる。これらを任意に組み合わせることにより、光学調整層５の針入度が上記数値範囲内に制御される。
【００６２】
架橋密度を調整する方法では、例えば２液を混合させて硬化することによって固形材料を得る方法の場合、２液の混合比率を変えることによって架橋密度を調整することができる。その他、架橋前の主成分の架橋部位の密度を調整する方法や、架橋剤の架橋部位の密度を調整する方法、あるいは架橋剤の添加量を調整する方法などが挙げられる。架橋密度を高くすることによって硬度は高くなり針入度の値は小さくなる。
【００６３】
フィラー材を添加する方法の場合、主成分よりも硬度の硬い材料を添加することによって硬度を高めることができ、主成分よりも硬度の低い材料を添加することによって硬度を低下させることができる。フィラー材は固体粉末や液体やゲル材料等やこれらを組み合わせて用いることができる。フィラー材の形状は球状、針状、板状、無定形状など任意であり、大きさは１０ｎｍ以上から１ｍｍ以下である。固体粉末としてはアルミナや炭酸カルシウム等の金属酸化物、鉄やアルミニウムなどの金属の他、樹脂、ガラス、黒鉛など任意の材料が用いられる。光学調整層５の透光性が失われないよう、フィラー材の材質や大きさ、添加量を適宜調整する。
【００６４】
光学調整層５の厚さＤに対する透光性基板１の対角線長さＬの比が３００以下（Ｌ／Ｄ≦３００）であり、且つＤが５ｍｍ以下であってもよい。詳細は後述するが、光電変換装置が高温環境や低温環境に晒されたときに生じる光学調整層５のひずみ量を小さくするためには、光学調整層５を厚くする方法と、透光性樹脂部材４の長さや光電変換モジュールの長さを短くする方法がある。光学調整層５が厚すぎると光吸収の影響が無視できなくなって光電変換効率が低下しやすい。このため光学調整層５の厚さは、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６５】
導光部６ａは、入射される光を所定の方向に屈折または反射させる機能を有する。導光部６ａは、例えば光電変換セル２０の間の領域に重畳するように設けられていてもよい。導光部６ａの空間部に入射される光１０は、屈折または反射して例えば光電変換セル２０に入射する。透光性樹脂部材４の材料と空間部との界面の方向と光の入射方向に差があれば任意の形状にて導光効果が得られる。特に空間部がいわゆる全反射条件を満たす界面を形成する形状であると導光効果が高い。
【００６６】
空間部は、透光性樹脂部材４の屈折率よりも低い屈折率を有する材料で満たされていることが好ましい。これにより、全反射条件が緩和され、より多くの光を導光させることができる。屈折率が低い材料としては気体が好適で、例えば空気が好ましい。
【００６７】
全反射現象は、屈折率の差がある界面の付近において、その屈折率の差がある領域が数百ナノメートル程度あればよい。したがって、空間部の全部を屈折率が低い材料で満たす必要はない。例えば、固体の粉体やビーズで空間部を満たしてもよい。固体の粉体を満たしても、透光性樹脂部材４と粉体の間にはほとんどの領域で数百ナノメートルの空気層が介在するため、全反射する光の量はほとんど変化しない。粉体で満たすことにより、透光性樹脂部材４の機械的強度を高めることができる。
【００６８】
空間部の幅は、光電変換セル２０間の幅と同等にすることが好ましい。光電変換セル２０間の幅より狭いと導光効果が得られずに光電変換セル２０の間の領域（非発電部）に光が入射しやすい。光電変換セル２０間の幅より広くすると、空間部が光電変換セル２０の一部に重畳するため、光電変換セル２０（発電部）に光が入射せず、発電効率が低下する。複数の空間部の間隔Ｄ２は、例えば５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。空間部の断面（図１、図２に示す面）は、例えばＶ字形状、Ｖ字形状の直線部を湾曲させた形状、またはＵ字形状を有していてもよい。
【００６９】
本実施形態の光電変換装置は、上記構成を備えることにより、複数の特性を同時に向上させることができる。向上する特性について以下に説明する。
【００７０】
本実施形態の光電変換装置は、光学調整層５と、導光部６ａとして機能する空間部を有する導光部と、具備する。空間部に入射される光は、屈折または反射して光電変換セル２０に入射する。透光性樹脂部材４の屈折率と空間部の屈折率との間で差が生じ、且つ透光性樹脂部材４と空間部との界面の方向と光の入射方向に差が生じると、フレネルの法則によって光が屈折する。特に、いわゆる全反射条件を満たすことにより大部分の光を光電変換セル２０に入射することができる。よって、例えば光電変換モジュールにおける複数の光電変換セル２０の間の領域に光が入射する場合であっても光電変換セル２０に光を集めることができる。よって、光電変換装置の開口率を１００％に近づけることができ、光電変換効率を高めることができる。
【００７１】
本実施形態の光電変換装置では、透光性基板１には線膨張係数が相対的に低い材料が用いられる。一方、透光性樹脂部材４は線膨張係数が相対的に高い材料が用いられる。線膨張係数が異なる部材を従来のように接着剤や粘着剤を用いて貼り合わせて固定した場合、高温や低温に晒されたときに反りや剥がれ等の問題が発生する。
【００７２】
これに対し、光学調整層５としては、硬度が低い材料が用いられる。よって、透光性基板１と透光性樹脂部材４の熱膨張率が異なる場合であって、温度変化により膨張しても反りや剥がれが抑制される。従って光電変換装置の信頼性を高めることができる。
【００７３】
図４および図５は、温度変化による光学変換装置の変化を説明するための断面模式図である。図４および図５では、透光性基板１と、透光性樹脂部材４と、光学調整層５と、導光部６ａが図示されている。透光性基板１は、ガラス（線膨張係数３．１７×１０−６［１／℃］）である。透光性樹脂部材４は、ポリカーボネート樹脂（線膨張係数６．５×１０−５［１／℃］）である。透光性樹脂部材４の線膨張係数は、透光性基板１の線膨張係数よりも高いとする。
【００７４】
温度変化前（例えば２５℃）では、図４に示すように透光性基板１および透光性樹脂部材４の幅は３００ｍｍである。これに対し、温度変化後（例えば９０℃）では、例えば透光性基板１の中心部を基準とする熱膨張により透光性基板１の幅が３００．０６ｍｍであるのに対し、透光性樹脂部材４の幅が透光性基板１の幅よりも広くなり３０１．２７ｍｍである。よって、光学調整層５の断面は、透光性樹脂部材４に近づくにつれて広がる放射状になる。すなわちひずみが生じている。光学調整層５のはみ出し幅は０．６０ｍｍである。透光性樹脂部材４や透光性基板１が正方形の場合、角部での光学調整層５のはみ出し幅はさらに広く、０．８５ｍｍである。上記変化を考慮すると光学調整層５の厚さＤは、例えば１．４ｍｍ程度以上であることが好ましく、すなわちはみ出し幅の１．６倍程度以上が好ましい。光学調整層５として従来の接着剤や粘着剤のような硬度が高い材料を用いた場合、ひずみが生じると比較的大きな力が発生するため、光電変換モジュールが反ったり、光学調整層５が剥がれてしまう。これに対し、本実施形態の光電変換装置では、光学調整層５に硬度が低い材料を用いることにより、ひずみに伴って発生する力が小さいため、温度変化による反りや剥がれの発生を抑制することができる。
【００７５】
光学調整層５に硬度が低い材料を用いることで別の効果も発現する。透光性樹脂部材４に用いられる材料では、屋外の環境に暴露され、光照射を受けたり、温度の変化を受けることでガスが発生する。このため、光学調整層５の材料として、従来のように接着剤や粘着剤を用いた場合、透光性樹脂部材４から発生するガスによって、界面に気泡が発生する。気泡が発生した部分は、前述したように入射光のフレネル反射量が増えて光電変換セル２０に入射する光量が減って光電変換効率が低下する。
【００７６】
また、光学調整層５と透光性樹脂部材４とを大気中で貼り合せると、光学調整層５と透光性樹脂部材４との間に気泡が生じやすい。よって、真空下で光学調整層５と透光性樹脂部材４とを貼り合わせなければならず、別途真空下にするための装置が必要である。
【００７７】
これに対し、本実施形態の光電変換装置では、光学調整層５と透光性樹脂部材４との間の空間部に気泡を逃がすことができる。この理由は、透光性樹脂部材４と光学調整層５との粘着力が適度に弱いために、発生した気泡が界面に沿って移動しやすくなるため、または発生した気泡の圧力と光学調整層５と透光性樹脂部材４との間の空間部の圧力との差によって、気泡中のガスが少しずつ界面に沿って抜けていくためであると考えられる。また、大気中で貼り合わせて一旦気泡が残ったとしても同様に自然に抜けていく。よって、真空中での光学調整層５と透光性樹脂部材４との貼り合わせが不要である。従って、製造工程を簡略にすることができる。また、光電変換セル２０の封止に中空封止を用いた場合、光電変換モジュールを真空中に置くことで、基板の剥がれが生じる場合がある。これに対し、本実施形態では大気中で貼りあわせることができるため、この問題が発生しない。
【００７８】
本実施形態の光電変換装置では、光学調整層５に硬度が低い材料を用いることにより、透光性樹脂部材４との粘着力や光電変換モジュールとの粘着力が適度に弱まり光学調整層５が剥がしやすくなるため、廃棄時やリサイクル時のコストを低減し、ライフサイクルアセスメント性を高めることができる。結晶シリコン太陽電池に用いる封止材、特に熱硬化性封止材や、ガラス基板の太陽電池と保護材の貼り合わせに用いる接着剤や粘着剤は剥がしにくい。このため、廃棄やリサイクルの際に分解・分別に高いコストを要し、ライフサイクルアセスメント性が低い。
【００７９】
透光性樹脂部材４に凹部４０を形成することにより、透光性樹脂部材４と光学調整層５が粘着されていない部分が複数生じるため、さらに光学調整層５が剥がしやすくなる。剥離の際に剥離液を用いる場合、透光性樹脂部材４に凹部４０が形成されていることによって、剥離液を狭い間隔で形成された凹部４０に注入することができるため、剥離液を早く効率よく浸透させることができるため、廃棄時やリサイクル時のコストを低減することができる。
【００８０】
透光性基板１としてガラス基板を用いることにより、ガスバリア性を高めることができる。また、透光性基板１にガラス基板を用いること透光性電極２１に対して十分な熱処理を行い導電性や透光性等を高めることができる。よって、光電変換効率が向上する。透光性基板１の厚さは、その他の構成部材を支持するために十分な強度を有するのであれば特に限定されない。
【００８１】
光電変換層２２として、有機薄膜系材料や有機／無機ハイブリッド材料を用いることにより、製造時に高温処理を必要とするプロセスを少なくすることができるため、製造コストを低減することができる。このとき、透光性基板１や対向基板３１に上記ガスバリア性が高い材料を用いることによって、水分や酸素などの暴露による光電変換層２２の劣化を抑制することができる。
【００８２】
透光性樹脂部材４を設けることにより、光電変換モジュールにかかる機械的な負荷の耐性を高めつつ、光電変換効率を向上させることができる。機械的な負荷とは例えば降雹である。透光性樹脂部材４により衝撃を低減することにより光電変換モジュールの破損を防止することができる。結晶シリコン太陽電池では光電変換モジュールを保護する部材として３ｍｍ以上の厚いガラス板が用いられているが、本実施形態の光電変換装置では、樹脂を用いることにより軽量化され、また設置自由度を向上させることができる。また、樹脂を用いることにより、例えば２ｍｍ以下の薄いガラス板などを用いた場合に比べて降雹などによる耐衝撃性が高くなる。
【００８３】
本実施形態の光電変換装置は、図１に示す構造に限定されない。図６は、光電変換装置の他の構造例を示す断面模式図である。図６に示す光電変換装置は、図１に示す光電変換装置の構成に加え、接着層７をさらに具備する。
【００８４】
接着層７は、光学調整層５を貫通するように面１ｂと面４ａとを接着する機能を有する。接着層７は、例えば透光性基板１の中心および透光性樹脂部材４の中心に重畳するように設けられていることが好ましい。接着層７としては、任意の材料を用いることができ、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などの有機系接着剤や、水ガラスやセメント等の無機系接着剤が用いられる。
【００８５】
接着層７は、例えば以下の方法により形成される。面１ｂ上に光学調整層５を形成する。次に、光学調整層５における光電変換モジュールの中心となる位置に面１ｂの一部が露出するように開口部を形成する。開口部は例えばパンチング等により形成されてもよい。光学調整層５の開口部に接着剤を充填した後に透光性樹脂部材４を貼り付ける。その後接着層７を硬化させることにより接着層７を形成する。
【００８６】
仮に、接着層７を具備しない場合において、光学調整層５の製造時の粘着強度のむらや光学調整層５の貼り付け工程のむらなどの影響により、透光性樹脂部材４と透光性基板１が例えば右端部分で固定された場合、例えば９０℃の環境下における熱膨張により生じる透光性基板１と透光性樹脂部材４との寸法差は全て左端部分に集中する。このため、光学調整層５に生じるひずみが大きく、反りや剥がれが生じやすい。また、導光部６ａの位置と光電変換セル２０間の領域との位置ずれが大きくなるため、温度が変化した場合に導光効果が小さくなる場合がある。
【００８７】
これに対し、接着層７を設けることにより、熱膨張により生じる透光性基板１と透光性樹脂部材４との寸法差が光電変換装置の左右に均等に割り振られる。よって、光学調整層５に生じるひずみが比較的小さく、反りや剥がれが生じにくい。また、導光部６ａの位置と光電変換セル２０間の領域との位置も左右均等にずれるため、温度変化による導光効果の低下が抑制され、発電量が向上する。
【００８８】
図７は、光電変換装置の他の構造例を示す断面模式図である。図７に示す光電変換装置は、図２に示す光電変換装置の導光部６ａの代わりに導光部６ｂを具備する。
【００８９】
導光部６ｂは、入射される光を所定の方向に屈折または反射させる機能を有する。導光部６ｂは、透光性基板１の面１ｂに接触した光反射部材を有する。光反射部材は、透光性基板１の面１ｂに接着層を介して接着されているとさらに好ましい。光反射部材の断面は、例えば凹部４０と同じ形状を有していてもよい。光反射部材としては、表面が光反射性を有していれば良く、光反射性を有する材料の単一構造の他、任意の材料の表面に光反射性を有する材料を含む複合構造でもよい。光反射性は金属反射の他、誘電多層膜による光反射性などを用いることができる。例えばアルミニウム等の単一構造や、任意の樹脂の芯材の表面に銀の薄膜を蒸着した複合構造等が用いられる。
【００９０】
光反射部材は、例えば光電変換モジュールの複数の光電変換セル２０の間の領域に重畳するように設けられていてもよい。複数の導光部６ｂの間隔は、導光部６ａと同じく例えば５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。導光部６ｂの光反射部材に入射される光１０の少なくとも一部は、反射して例えば光電変換セル２０に入射する。
【００９１】
光学調整層５の厚さは、光反射部材の厚さ以上であることが好ましい。光学調整層５が光反射部材よりも薄い場合、光反射部材が透光性樹脂部材４に接触して温度変化により剥がれが生じやすくなる。さらに、光学調整層５の厚さは、光反射部材の高さの２倍以上であることが好ましい。２倍未満であると光反射部材の出っ張りに対して光学調整層５の変形が不足し、透光性樹脂部材４と光学調整層５との界面や光学調整層５と光反射部材との界面に空隙が生じる場合がある。
【００９２】
導光部６ｂは、透光性基板１に接触しており、すなわち導光部６ａよりも透光性基板１に近い位置に設けられている。このため、熱膨張による位置ずれが生じにくい。よって、温度変化による導光効果の低下を抑制でき、光電変換効率の低下の抑制につながる。光反射部材を透光性基板１の面１ｂに接着層を介して接着させた場合は熱膨張による位置ずれが全く生じなくなる。よって、温度変化による導光効果の低下をほほ解決できる。
【００９３】
図８に示す光電変換装置は、図２に示す光電変換装置の導光部６ａと図７に示す光電変換装置の導光部６ｂとを具備する。導光部６ａおよび導光部６ｂの説明については、上記説明を適宜援用することができる。導光部６ａおよび導光部６ｂの両方を設けることは、光電変換効率の低下を抑制することに好適である。
【００９４】
図９に示す光電変換装置は、単数の透光性樹脂部材４に複数の光学調整層５と複数の光電変換モジュール１００を具備する。複数の光電変換モジュール１００を具備する光電変換装置を光電変換アレイともいう。光電変換モジュール１００の構造は、図２、図６ないし図８のいずれかの構造であってもよい。光電変換モジュール１００の構造の説明については、上記光電変換モジュールの説明を適宜援用することができる。
【００９５】
複数の光電変換モジュールは、例えば配線等で直列接続で電気的に接続されていてもよい。これにより、市販の一般的なパワーコンディショナの適正入力電圧に合致する高電圧を得ることができる。また、並列接続で電気的に接続することにより大電流を得ることができる。メートルサイズの大きな光電変換装置を単数の透光性樹脂部材４と単数の光電変換モジュールで構成した場合、前述の通り、温度変化によって光電変換モジュールが反る、光学調整層５が剥がれやすくなるといった問題が発生する。一方、図９に示すように、光電変換モジュール毎に透光性基板１を比較的小さなサイズに分離することにより、反りや剥がれといった問題が改善され、かつ実用性の高い大きさと出力電圧を備える光電変換アレイを提供することができる。
【００９６】
図９において、光学調整層５は、光電変換モジュール１００毎に分離されていなくても構わないが、分離されているとより好ましい。光学調整層５が光電変換モジュール１００毎に分離されていない場合、光学調整層５における２つの光電変換モジュール１００の間の領域において大きなひずみが生じやすい。よって、透光性樹脂部材４が剥がれやすくなる虞れがある。これに対し、光学調整層５が光電変換モジュール１００毎に分離されている場合、光学調整層５の端部が自由端４１であるため、ひずみが生じにくい。よって、透光性樹脂部材４の剥がれを抑制することができる。よって、光電変換アレイの信頼性を高めることができる。
【００９７】
光電変換モジュール毎に透光性基板１を分離することにより、２つの光電変換モジュール１００の間の領域において光電変換装置を折り曲げることができ、例えばカーポートの屋根のような曲面上に光電変換装置を設置することができる。さらに、光電変換モジュール１００間に凹部４０を形成することにより折り曲げやすくすることができる。
【００９８】
光電変換モジュール１００は１枚ずつ製造しても良いし、大きな１枚の透光性基板１に複数の光電変換モジュールを面付けし、後で透光性基板１を複数に切り分けることで複数の光電変換モジュールを製造しても良い。後者の場合、例えば刃物等を用いて切断を行うメカニカル法や、レーザ等を用いて切断を行う加熱法等により複数の光電変換モジュール１００に切断する際に光学調整層５も切断することが好ましい。なお、封止部３を形成する前に切断し、その後に封止部３を形成してもよい。
【００９９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。
【実施例】
【０１００】
本実施例では、光電変換装置の一例として有機薄膜太陽電池を作製した。それぞれの構成および評価結果について表１に示す。
（実施例１）
厚み０．５ｍｍ、外寸１００ｍｍ角のガラス基板上に、透光性電極として厚さが１５０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。ＩＴＯ膜の形状は短冊状であり、短冊の寸法は長辺が５０ｍｍで短辺が１２．６ｍｍである。短冊はガラス基板上に４つ形成し、長辺が隣り合うように４つ並べて形成した。短冊のピッチは１３ｍｍである。ＩＴＯ膜を成膜後、２５０℃で１０分間加熱処理を行った。
【０１０１】
ＩＴＯ電極側の第１中間層としてエトキシ化ポリエチレンイミン（８０％エトキシレイテッド（ＰＥＩＥ））を約１ｎｍの厚さで成膜した。次いで、モノクロロベンゼン１ｍＬに８ｍｇのＰＴＢ７（［ポリ｛４，８−ビス［（２−エチルヘキシル）オキシ］ベンゾ［１，２−ｂ：４，５−ｂ'］ジチオフェン−２，６−ジイル−ｌｔ−ａｌｔ−３−フルオロ−２−［（２−エチルへキシル）カルボニル］チエノ［３，４−ｂ］チオフェン−４，６−ジイル｝］）と１２ｍｇのＰＣ７０ＢＭ（［６，６］フェニルＣ７１ブチル酸メチルエスター）とを溶解させた塗布液（有機活性層の塗布液）を塗布した。有機活性層は短冊状のＩＴＯ膜の形状に合わせて複数の短冊状にパターン塗布した。このとき、直列接続するための領域として、短冊状のＩＴＯ膜の片側の端部の一部が露出するようにパターン塗布した。塗布条件は以下の通りである。第１中間層を成膜したガラス基板上に０．８８ｍｍのギャップで断面が円形の塗布ヘッドを配置した。ガラス基板と塗布ヘッドとの間に、シリンジポンプを用いて塗布液を供給した。ガラス基板を１０ｍｍ／ｓの速度で移動させて塗布液を塗布した。塗布膜を６０℃で３０分間乾燥させて有機活性層を形成した。膜厚は約１００ｎｍである。
【０１０２】
次に、有機活性層上に対向電極側の第２中間層として三酸化モリブデン膜を約５ｎｍの厚さで成膜し、さらに対向電極として銀膜を約１５０ｎｍの厚さで成膜した。引き続き封止を行った。厚みが０．５ｍｍの封止ガラスの輪郭部にシール剤を塗布し、光電変換層が形成されたガラス基板を貼り合わせ、ＵＶ照射することでシール剤を硬化させた。
【０１０３】
このようにして形成した有機薄膜太陽電池は、光電変換セルの面積が約５０ｍｍ角で、直列数が４で、光電変換セル間の領域（光電変換セルの間の領域）の本数が３本で、１つの光電変換セルの幅が１２ｍｍで、光電変換セル間の領域１本の幅が１ｍｍである。よって、いわゆる開口率は約９４％である。
【０１０４】
ＡＭ１．５Ｇ、１０００Ｗ／ｍ２のソーラーシミュレータを用いて作製した有機薄膜太陽電池の光電変換効率を測定したところ、７．２％であった。この値は後述する比較例に比べて高い値であった。後述する比較例は透光性基板として耐熱性が低いＰＥＮ樹脂を用いているため、ＩＴＯ膜の加熱処理が不十分でＩＴＯ膜のシート抵抗が高いが、本実施例では透光性基板として耐熱性が高いガラスを用いているため、ＩＴＯ膜のシート抵抗を低くでき、高い光電変換効率が得られた。
【０１０５】
次に、透光性樹脂部材を貼り付けた。材料には厚み２ｍｍのポリカーボネートを用いた。凹部は断面形状をＶ字状とした。切削によりＶ字状の凹部を形成し、Ｖ字状の凹部の幅は光電変換セル間の領域の幅と同じ１ｍｍとし、３本のＶ字状の凹部のピッチも光電変換セル間の領域と同じ１３ｍｍとした。Ｖ字状の凹部の頂角は５０度とした。
【０１０６】
光学調整層には針入度が５５で厚みが約０．４ｍｍのシリコーンシートを用いた。シリコーンシートは以下のようにして作製した。２成分シリコーンポッティングゲル（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社のＴＳＥ３０７０）のＡ液とＢ液を所定の割合で混合、脱法処理を行い、離型剤を塗布した金型に注入した。その後５０℃で１時間加熱して硬化させ、金型から外した。最後に離形剤を除去するためにエタノールで拭取ってシート状の光学調整層を得た。Ａ液とＢ液の混合比を変えることで硬度を調整した。Ａ液とＢ液の比率を１００：１００にすると針入度は約６５となり、Ａ液の比率を高くするほど柔らかくなり、例えばＡ液とＢ液の比率を１００：８０にすると針入度は約１８０になる。なお、針入度が２２０のサンプルは金型から外すときに千切れてしまったり、外した小片に圧力をかけて変形させると、数日経っても元の形状に戻らない状態となり、光学調整層として使えないほど柔らかくなってしまった。なお、針入度測定の際はシート状サンプルではなく、針入度測定用のサンプルを別途作製した。
【０１０７】
大気圧中で光学調整層を有機薄膜太陽電池に貼り付けた。光学調整層をローラーに巻き付け、ローラーを押しあてながら貼り付けることで、大気中であっても気泡が発生することなく貼り付けることができた。次いで、透光性樹脂部材を貼り付けた。貼り合わせた直後は透光性樹脂部材と光学調整層の間に気泡が残ったが、透光性樹脂部材の上にローラーを押し当てて転がすことでほとんどの気泡が抜けた。さらに半日程度放置することで全ての気泡が自然に抜けた。
【０１０８】
このようにして作製した有機薄膜太陽電池の光電変換効率を測定したところ、７．５％であった。前述したように、導光効果によって７．２％から７．５％に向上した。耐湿性試験（ＪＩＳ  Ｃ  ８９３８）を行った後、光電変換効率を測定したところ、５．１％であった。試験前の効率７．６％に対する低下率は３３％であり、後述する比較例に比べて耐久性に優れるものであった。後述する比較例は透光性基板としてＰＥＮ樹脂を用いたものであり、本実施例ではガスバリア性が高いガラス基板を用いたため、水分や酸素による光電変換層の劣化を抑制することができた。また、新たな気泡の発生は観察されなかった。
【０１０９】
温度サイクル試験（ＪＩＳ  Ｃ  ８９３８）を行った。温度サイクル試験では−４０〜９０℃の範囲で温度を変化させた。試験後にサンプルの反りや剥がれは発生しなかった。また、新たな気泡の発生は観察されなかった。
【０１１０】
光照射試験（ＪＩＳ  Ｃ  ８９３８）を行った。新たな気泡の発生は観察されなかった。降雹などによる耐衝撃性を評価するために、降雹試験（ＪＩＳ  Ｃ  ８９３８）の簡易試験（ＪＩＳ  Ｒ  ３２１２）を行ったところ、サンプルに割れは発生しなかった。
【０１１１】
本実施例では透光性樹脂部材としてポリカーボネート樹脂を用いたため、後述する厚ガラスを用いた比較例に比べて軽量であった。透光性樹脂部材は、透光性樹脂部材の凹部の長辺方向と直角の方向に剥がすことで手作業で容易に剥がすことができた。剥離の前に透光性樹脂部材の凹部にドデカンを注入したところ、さらに剥がしやすくすることができた。
【０１１２】
（比較例１）
光学調整層の硬度を高くし、針入度を４５とした点以外は、実施例１と同様にして有機薄膜太陽電池を作製・評価した。温度サイクル試験後、反りと、透光性樹脂部材と光学調整層の貼り合わせ面の端部の一部に剥がれが見られた。さらに光照射試験後、新しく気泡が発生していた。透光性樹脂部材を剥がそうとしたところ、光学調整層が引き裂かれ、一部透光性樹脂部材に残ってしまった。
【０１１３】
（実施例２）
透光性樹脂部材の略中心部の一部と透光性基板の略中心部の一部を接着層を介して固定したこと以外は、実施例１と同様にして有機薄膜太陽電池を作製・評価した。具体的には以下のようにして作製した。作製した光学調整層の略中心部にパンチング法を用いて直径５ｍｍの貫通穴を空け、これを有機薄膜太陽電池に貼り付けた。貫通穴部分に２液混合常温硬化タイプのエポキシ接着剤を注入したのち、透光性樹脂部材を貼り付け、２４時間放置してエポキシ接着剤を硬化させた。温度サイクル試験を行ったところ、３００サイクルまで試験したのちでも反りや剥がれが発生しなかった。実施例１ではＪＩＳ  Ｃ  ８９３８の規格である２００サイクルはクリアしたが、３００サイクル後の観察では反りが観察された。
【０１１４】
（実施例３）
光学調整層の厚みを約０．５ｍｍに厚くしたこと以外は実施例１と同様にして有機薄膜太陽電池を作製・評価した。温度サイクル試験を行ったところ、３００サイクルまで試験したのちでも反りや剥がれが発生しなかった。実施例１ではＪＩＳ  Ｃ  ８９３８の規格である２００サイクルはクリアしたが、３００サイクル後の観察では反りが観察された。前述したように、光学調整層を厚くしたことにより、温度変化時に生じる光学調整層のひずみが小さくなり、ひずみによって発生する力が弱くなったものと解釈される。なお、透光性基板の対角線長さをＬ、光学調整層の厚みをＤとすると、ひずみの大きさを表す指標となるＬ／Ｄの値は実施例１では３５４であるのに対し、実施例３では２８３であり、およそ３００を下回ると特に反りや剥がれに対する耐性が向上するといえる。
【０１１５】
（比較例２）
光電変換モジュールの保護材として透光性樹脂部材の代わりに同じ厚さのガラス板を用いたことと、光学調整層として針入度が４５の材料を用いたこと以外は、実施例１と同様にして有機薄膜太陽電池モジュールを作製・評価した。温度サイクル試験を行ったところ、少なくとも２００サイクルはクリアすることを確認した。光学調整層に硬度が高い材料を用いているが、透光性樹脂部材の代わりにガラス板を用い、透光性基板にガラスを用いており、線膨張係数が同じであるため、反りや剥がれが発生しなかった。一方、降雹試験の簡易試験を行ったところ、ガラス板と有機薄膜太陽電池モジュールの両方が割れた。また、樹脂板を用いた実施例１に比べて重かった。
【０１１６】
（比較例３）
透光性樹脂部材にＶ字状の凹部加工を施さないこと以外は、実施例１と同様にして有機薄膜太陽電池を作製・評価した。透光性樹脂部材を貼り合わせる前の光電変換効率は実施例１と同じ７．２％であったが、透光性樹脂部材を貼り合わせた後の光電変換効率は７．１％であり、実施例１の７．５％より低い値であった。Ｖ字状の凹部加工を施していないため導光効果は得られなかった。また、透光性樹脂部材の光吸収や光学調整層の光吸収やフレネル反射によって低下したと考えられる。
【０１１７】
（比較例４）
透光性基板と対向基板にガラスの替わりにＰＥＮ樹脂を用いたことと、光学調整層として針入度が４５の材料を用い、透光性電極ＩＴＯの加熱処理温度を２５０℃から１５０℃に変えたこと以外は、実施例１と同様にして有機薄膜太陽電池を作製・評価した。透光性樹脂部材を貼り合わせる前の光電変換効率は６．３％であり、実施例１の７．２％より低かった。直列抵抗の値の増加が主要因であったことから、ＩＴＯのシート抵抗が高いことが原因であると推測される。透光性樹脂部材を貼り合わせた後の光電変換効率は６．５％に向上した。導光効果によって実施例１と同等の向上率を示した。耐湿性試験を行った後の光電変換効率は１．５％であった。低下率は７７％であった。このことから実施例１に比べて大きく耐久性が劣ることがわかる。透光性基板と対向基板にガスバリア性が低いＰＥＮ樹脂を用いたことが原因であると考えられる。温度サイクル試験を行ったところ、少なくとも２００サイクルはクリアすることを確認した。光学調整層に硬度が高い材料を用いているが、透光性樹脂部材と透光性基板に樹脂を用いており、線膨張係数に大きな差がないため、反りや剥がれが発生しなかった。
【０１１８】
（実施例４）
これまでの実施例と比較例は、１枚の透光性樹脂部材と光学調整層に１枚の有機薄膜太陽電池を貼り合わせたモジュール形態での結果であった。本実施例は１枚の大きな透光性樹脂部材と光学調整層に２枚の有機薄膜太陽電池モジュールを並べて配置して貼り合わせたアレイ形態での結果である。約２２０ｍｍ×１００ｍｍの透光性樹脂部材と光学調整層に、１００ｍｍ角の有機薄膜太陽電池モジュールを２枚並べて配置して貼り合わせた。
【０１１９】
２枚の有機薄膜太陽電池モジュールの間に約２０ｍｍの間隙が空いており、この領域は透光性樹脂部材と光学調整層により積層構造を構成している。２枚の有機薄膜太陽電池モジュールのうち、１枚の正極と残りの１枚の負極とを導電テープで接続することにより、８直列の大面積の太陽電池アレイとした。これ以外は実施例１と同様にして有機薄膜太陽電池を作製・評価した。このように作製した有機薄膜太陽電池アレイは２枚の有機薄膜太陽電池が分断されている約２０ｍｍの間隙の部分で曲げることができた。またこれ以外の評価結果は全て実施例１と同様に良好な結果であった。
【０１２０】
（実施例５）
透光性樹脂部材のＶ字状の凹部を形成せず、代わりに光反射部材を設けたことと光学調整層を厚くしたこと以外は、実施例１と同様にして有機薄膜太陽電池を作製・評価した。光反射部材の断面形状は実施例１のＶ字状の凹部と同等に、幅が光電変換セル間の領域の幅と同じ１ｍｍで、頂角は５０度である。このような断面が三角形のポリエチレンの棒に銀を蒸着することで光反射部材を作製した。これを有機薄膜太陽電池の光電変換セル間の領域の位置に一致するように２液混合常温硬化タイプのエポキシ接着剤で固定した。その後、光反射部材による凸部がある有機薄膜太陽電池と平面の透光性樹脂部材を光学調整層で貼り合わせるが、高さが約１．０７ｍｍの凸部を吸収するために、これより約２倍の厚さの約２ｍｍの光学調整層を用いた。
【０１２１】
有機薄膜太陽電池と光学調整層の間には気泡は残らなかったが、光学調整層と透光性樹脂部材の間には気泡が残った。透光性樹脂部材にＶ字状の凹部を形成していないためである。光反射部材、光学調整層および透光性樹脂部材を取り付ける前の光電変換効率と、取り付けた後の光電変換効率はともに実施例１とほぼ同等であり、実施例１と同等の導光効果が得られた。貼り合わせ直後の気泡が自然に消えないことと、光照射試験によって新しく気泡が発生したこと以外は全て実施例１と同等の良好な評価結果が得られた。この有機薄膜太陽電池の光反射部材と光電変換セル間の領域のずれを顕微鏡で確認したところ、９０℃に加熱した状態でも全くずれがないことが確認された。一方、実施例１の有機薄膜太陽電池ではＶ字状の凹部と光電変換セル間の領域にややずれが発生する。このことから屋外で使用することで高温や低温に晒された状態でも本実施例では導光効果の程度に変化がなく、発電量が高くなることが推測される。
【０１２２】
（実施例６）
実施例４と同様に、１枚の大きな透光性樹脂部材と光学調整層に２枚の有機薄膜太陽電池モジュールを並べて配置して貼り合わせたアレイ形態としたこと以外は実施例５と同様にして、有機薄膜太陽電池を作製・評価した。このように作製した有機薄膜太陽電池アレイは２枚の有機薄膜太陽電池モジュールが分断されている間隙の部分で曲げることができた。またこれ以外の評価結果は全て実施例５と同様に良好な結果であった。
【０１２３】
（実施例７）
光反射部材を設けたことと光学調整層を厚くしたこと以外は、実施例１と同様にして有機薄膜太陽電池を作製・評価した。光反射部材や光学調整層の仕様や有機薄膜太陽電池の作製方法は実施例５と同じである。評価結果は全て実施例１と同じであり、さらに、実施例５と同様に光反射部材と光電変換セル間の領域のずれを顕微鏡で確認したところ、９０℃に加熱した状態でも全くずれがないことから、実施例１よりもさらに発電量が高くなることが推測される。
【０１２４】
（実施例８）
実施例４と同様に、１枚の大きな透光性樹脂部材と光学調整層に２枚の有機薄膜太陽電池モジュールを並べて配置して貼り合わせたアレイ形態としたこと以外は実施例７と同様にして、有機薄膜太陽電池を作製・評価した。このように作製した有機薄膜太陽電池アレイは２枚の有機薄膜太陽電池モジュールが分断されている間隙の部分で曲げることができた。またこれ以外の評価結果は全て実施例７と同様に良好な結果であった。
【０１２５】
【表１】
0006639267.tif 000002
【符号の説明】
【０１２６】
１…透光性基板、１ａ…面、１ｂ…面、２…素子部、３…封止部、４…透光性樹脂部材、４ａ…面、４ｂ…面、５…光学調整層、６ａ…導光部、６ｂ…導光部、７…接着層、８…支持基板、９…固定具、１０…光、２０…光電変換セル、２１…透光性電極、２２…光電変換層、２２１…光活性層、２２２…中間層、２２３…中間層、２３…対向電極、３１…対向基板、４０…凹部、１００…光電変換モジュール。
【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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