(57)【要約】【課題】太陽電池セルに入射する光の波長を分光感度の高い長波長側に効率よく変換することができ、耐候性にも優れる太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】太陽電池セルの受光面上に、最外層となる表面保護層７、波長変換層８、封止樹脂層６が設けられ、表面保護層７は、３５０ｎｍ以下の短波長域の光を透過し、波長変換層８は、表面保護層７の直下に設けられ、３５０ｎｍ以下の短波長域の光を吸収するとともに、より長波長域の発光波長を有する波長変換材料を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池セルの受光面上に、最外層となる表面保護層、波長変換層、封止樹脂層が設けられ、
上記表面保護層は、３５０ｎｍ以下の短波長域の光を透過し、
上記波長変換層は、上記表面保護層の直下に設けられ、３５０ｎｍ以下の短波長域の光を吸収するとともに、より長波長域の発光波長を有する波長変換材料を有する太陽電池モジュール。
【請求項２】
上記表面保護層は、石英ガラスである請求項１記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
上記太陽電池セルの受光面から順に、表面保護層、波長変換層、封止樹脂層、太陽電池セルが設けられている請求項２記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
上記波長変換層は、上記波長変換材料である蛍光体を含有したフィルムである請求項３記載の太陽電池モジュール。
【請求項５】
上記蛍光体は、発光元素を添加した無機化合物からなる請求項４記載の太陽電池モジュール。
【請求項６】
上記蛍光体の濃度は、０．５ｗｔ％である請求項４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、太陽電池モジュールに関し、特に、入射光を分光感度の高い波長域に変換し、発光する波長変換層を有する太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の低減が地球的な課題となる中、クリーンでかつ再生可能なエネルギーとして、太陽光発電に大きな期待が寄せられている。太陽電池の主流は、現在までのところ、単結晶シリコンや多結晶シリコンの結晶を製造し、これをスライス加工して板状の半導体として使用する結晶シリコン系太陽電池である。
【０００３】
結晶シリコン系の太陽電池モジュールは、光電変換可能な波長域が限られており、太陽光に含まれる紫外線域の光を光電変換できないため、変換効率が上がらないという問題があった。そこで、この紫外線域の光を太陽電池モジュールによって光電変換可能な波長に変換する蛍光体等の波長変換物質を太陽電池モジュール中に含有する構成が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、光電変換層の光入射側に、光電変換層での光電変換効率の低い波長範囲の光を吸収して光電変換効率の高い波長範囲の光を発光する波長変換体の層を光電変換層と平行に設けた太陽電池が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載される太陽電池では、波長変換体の層は、例えば、光電変換層と透明保護カバーとの間に透明接着剤層を設け、この透明接着剤層中に波長変換体の微粉末を分散混入することで形成している。
【０００６】
同じく、特許文献２には、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セルを備えた太陽電池モジュールにおいて、照射された光を吸収し、吸収した光の波長より長い波長の光に変換する波長変換層を有する太陽電池モジュールが開示されている。特許文献２では、波長変換層はセル受光面に塗布されて形成されるか、太陽電池セルを保護する封止剤として形成される。
【０００７】
特許文献３には、光が太陽電池素子に到達するまでの経路中に、酸化物蛍光体を含む材料を配設した太陽電池が開示されている。ここで、酸化物蛍光体は２００〜４００ｎｍの波長範囲にある紫外線を４００〜１０００ｎｍの波長範囲に変換することができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−２００５７６号公報
【特許文献２】特開平７−２０２２４３号公報
【特許文献３】特開２００３−２１８３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、通常の太陽電池モジュールは、表面保護層としてガラスを使用するため、３５０ｎｍ以下の短波長域の光は、波長変換物質に到達する前にガラスでカットされてしまう。
【００１０】
また、封止樹脂層の下部に波長変換層を設けた場合には、封止樹脂そのものによる短波長域の光の吸収、及び劣化防止の必要性から封止樹脂に含有されている紫外線吸収材による短波長域の光の吸収によって、波長変換層による変換効果を妨げていた。
【００１１】
表面保護層の前面に波長変換材を含有するフィルムを設けることでこの問題は回避できるが、この場合、波長変換層が直接外界に晒されるため、波長変換材やフィルムを形成する樹脂成分が長期に亘る耐候性を満足しないという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、太陽電池セルに入射する光の波長を分光感度の高い長波長側に効率よく変換することができ、耐候性にも優れる太陽電池モジュールを提供す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するために、本発明に係る太陽電池モジュールは、太陽電池セルの受光面上に、最外層となる表面保護層、波長変換層、封止樹脂層が設けられ、上記表面保護層は、３５０ｎｍ以下の短波長域の光を透過し、上記波長変換層は、上記表面保護層の直下に設けられ、３５０ｎｍ以下の短波長域の光を吸収するとともに、より長波長域の発光波長を有する波長変換材料を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、最外層となる表面保護層は、短波長域の光を透過するため、波長変換層の励起帯を全範囲でカバーすることができ、より高い波長変換効果が得られ、太陽電池セルによる光電変換効率を向上させることができる。また、表面保護層が最外層となるため、波長変換層が外部に晒されることなく、耐候性にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明が適用された太陽電池モジュールを示す分解斜視図である。
【図２】太陽電池セルのストリングスを示す断面図である。
【図３】太陽電池セルの裏面電極及び接続部を示す平面図である。
【図４】実施例に係るモジュール構造αを示す分解斜視図である。
【図５】実施例に係るモジュール構造βを示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明が適用された太陽電池モジュール及び、太陽電池の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。以下では、結晶シリコン系太陽電池を例に説明するが、本発明は、薄膜シリコン系太陽電池、いわゆる化合物薄膜系太陽電池、有機系、量子ドット型など、各種太陽電池に用いることができる。
【００１７】
［太陽電池モジュール］
本発明が適用された太陽電池モジュール１は、図１〜図３に示すように、複数の太陽電池セル２がインターコネクタとなるタブ線３によって直列に接続されたストリングス４を有し、このストリングス４を複数配列したマトリクス５を備える。そして、太陽電池モジュール１は、このマトリクス５が封止接着剤の樹脂シート６で挟まれ、受光面側に設けられた表面保護層７及び波長変換層８、裏面側に設けられたバックシート９とともに一括してラミネートされることにより形成される。
【００１８】
すなわち、太陽電池モジュール１は、受光面側から順に、表面保護層７、波長変換層８、封止樹脂シート６、太陽電池セル２、封止樹脂シート６、バックシート９の順に積層される。なお太陽電池モジュール１は、適宜、周囲にアルミニウムなどの金属フレームが取り付けられる。
【００１９】
封止樹脂シート６を構成する封止接着剤としては、例えばポリエチレン−ポリ酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等の透光性封止樹脂が用いられる。封止樹脂は、波長２００ｎｍ〜８００ｎｍにおける光透過率が８０％以上であることが好ましい。また、バックシート８としては、ガラスや、アルミニウム箔を樹脂フィルムで挟持した積層体等が用いられる。
【００２０】
太陽電池モジュールの各太陽電池セル２は、光電変換層１１を有する。光電変換層１１は、単結晶型シリコン光電変換素子、多結晶型光電変換素子を用いる結晶シリコン系太陽電池である。
【００２１】
また、光電変換層１１は、受光面側に内部で発生した電気を集電するフィンガー電極１２とフィンガー電極１２の電気を集電するバスバー電極１３とが設けられている。バスバー電極１３及びフィンガー電極１２は、太陽電池セル２の受光面となる表面に、例えばＡｇペーストがスクリーン印刷等により塗布された後、焼成されることにより形成される。また、フィンガー電極１２は、受光面の全面に亘って、例えば約５０〜２００μｍ程度の幅を有するラインが、所定間隔、例えば２ｍｍおきに、ほぼ平行に複数形成されている。バスバー電極１３は、フィンガー電極１２と略直交するように形成され、また、太陽電池セル２の面積に応じて複数形成されている。
【００２２】
また、光電変換層１１は、受光面と反対の裏面側に、アルミニウムや銀からなる裏面電極１４が設けられている。裏面電極１３は、図２及び図３に示すように、例えばアルミニウムや銀からなる電極が、スクリーン印刷やスパッタ等により太陽電池セル２の裏面に形成される。裏面電極１４は、後述する導電性接着フィルム１７を介してタブ線３が接続されるタブ線接続部１５を有する。
【００２３】
そして、太陽電池セル２は、タブ線３によって、表面に形成された各バスバー電極１３と、隣接する太陽電池セル２の裏面電極１４とが電気的に接続され、これにより直列に接続されたストリングス４を構成する。タブ線３とバスバー電極１３及び裏面電極１４とは、導電性接着フィルム１７によって接続される。
【００２４】
［タブ線］
タブ線３は、図２に示すように、隣接する太陽電池セル２Ｘ、２Ｙ、２Ｚの各間を電気的に接続する長尺状の導電性基材である。タブ線３は、例えば厚さ５０〜３００μｍに圧延された銅箔やアルミ箔をスリットし、あるいは銅やアルミなどの細い金属ワイヤーを平板状に圧延することにより、導電性接着フィルム１７とほぼ同じ幅の１〜３ｍｍ幅の平角線を得る。そして、タブ線３は、この平角線に、必要に応じて金メッキ、銀メッキ、スズメッキ、ハンダメッキ等を施すことにより形成される。
【００２５】
太陽電池モジュール１は、タブ線３によって各太陽電池セル２が互いに電気的に接続されストリングス４を構成する。また、太陽電池モジュール１は、太陽電池セル２の裏面側に、外部出力線が電気的に接続されることによりタブ線３が集電した電力を外部に供給する図示しないターミナルボックスが設けられている。
【００２６】
［波長変換層］
波長変換層８は、表面保護層７を介して入射する太陽光の短波長域の光を吸収するとともに、分光感度の高い長波長域の光に変換、発光することにより、太陽電池モジュール１の発電効率を向上させるものである。
【００２７】
波長変換層８は、透明樹脂に蛍光体物質が溶解あるいは分散されてフィルム状に成型されることにより、波長変換フィルムとして構成される。蛍光体物質は、入射光に対して波長変換を行うものであり、光電変換層での光電変換効率の低い短波長域の光を吸収して光電変換効率の高い長波長域に光を発光する。
【００２８】
単結晶シリコンや多結晶シリコンからなる光電変換層１１を有する太陽電池では、多少の相違はあるものの、波長５００ｎｍ以下の光に対して吸収が小さくなり、波長４００ｎｍ以下の光に対しては、その吸収が非常に小さい。
【００２９】
したがって、光電変換層１１を用いる場合、波長変換層８の蛍光体物質としては、４００ｎｍ以下、より好ましくは３５０ｎｍ以下の短波長域の光を吸収するとともに、より長波長域の発光波長を有する波長変換材料を用いる。
【００３０】
このような蛍光体物質としては、発光中心としてユーロピウムもしくはマンガンをドープした無機化合物を用いることができる。例えば、青色発光を示すＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ（ＢＡＭ）は、励起帯が２００ｎｍ〜４３０ｎｍ、蛍光ピークが４００ｎｍ〜５５０ｎｍであることを特徴とし、内部量子効率は９０％程度を有する。また、緑色発光を示すＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ（ＢＡＭ，Ｍｎ）は、吸収ピークが２００ｎｍ〜４００ｎｍ、蛍光ピークが４８０ｎｍ〜５７０ｎｍであることを特徴とし、内部量子効率は８５％程度を有する。
【００３１】
蛍光体物質を分散する透明樹脂は、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリビニルブチラール、ポリスチレン・ポリエチレン・ポリブチレン・ポリスチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）、ポリエチレン-ポリ酢酸ビニルランダム共重合体（ＥＶＡ）を使用することができる。
【００３２】
なお、太陽電池セル２は、光電変換層として、上述した単結晶シリコンを用いたもの、多結晶シリコンを用いたものの他、公知の光電変換層のいずれも適用することができる。太陽電池セル２は、光電変換層によって固有のバンドギャップを有するために分光感度が異なっている。したがって、蛍光体物質として、発光スペクトルの波長域が、使用する太陽電池セル２の分光感度の波長域を包含しているものを選択する。
【００３３】
［表面保護層］
また、表面保護層７としては、例えば、透明ガラスや透光性プラスチック等の透光性の材料が用いられる。表面保護層７は、波長変換層８へ短波長域の光を入射させる必要から、短波長域の光、好ましくは３５０ｎｍ以下の光を吸収することなく透過させるものを用いる。
【００３４】
このような表面保護層７としては、石英ガラス板を用いるのが好ましい。石英ガラスは、通常のガラスで起こる２００ｎｍ〜３３０ｎｍの吸収が殆ど無いことから、無機蛍光体の励起帯の波長を幅広く利用出来るという利点がある。
【００３５】
［効果］
太陽電池モジュール１は、最外層として石英ガラス板等からなる表面保護層７が積層され、表面保護層７の直下に波長変換層８が設けられる。また、波長変換層８は、表面保護層７の直下に設けられるとともに、封止樹脂シート６に封止された太陽電池セル２の受光面上に設けられる。
【００３６】
最外層となる表面保護層７は、短波長域の光、好ましくは３５０ｎｍ以下の光を透過するため、波長変換層８の励起帯を全範囲でカバーすることができ、より高い波長変換効果が得られ、太陽電池セルによる光電変換効率を向上させることができる。また、表面保護層７が最外層となるため、波長変換層８が外部に晒されることなく、耐候性にも優れる。
【００３７】
波長変換層８は、表面保護層８の直下に設けられることにより、短波長域の光が封止樹脂シート６を構成するＥＶＡ等の樹脂や樹脂内の添加剤によって吸収される前に入射され、効率よく長波長域の光を発光することができる。また、波長変換層８は、封止樹脂シート６に封止された太陽電池セル２の受光面上に設けられることにより、分光感度の高い長波長域の光を太陽電池セル２の受光面に入射させることができる。
【実施例１】
【００３８】
次いで、本発明の実施例について説明する。先ず、波長変換フィルム２０を作成した。波長変換フィルム２０は、ポリスチレン・ポリエチレン・ポリブチレン・ポリスチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）をトルエンに溶解し、２５ｗｔ％溶液を調製した。この溶液に蛍光物質であるＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ（ＢＡＭ）を添加した分散液を用意した。次に３８μｍの剥離ＰＥＴ（Poly Ethylene Terephthalate）上にバーコーターを用いて製膜し、１１５℃で乾燥後６０μｍの波長変換フィルムを得た。以下、この蛍光体としてＢＡＭを用いた波長変換フィルムを波長変換フィルムＡという。
【００３９】
また、同様の作製法で、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ（ＢＡＭ，Ｍｎ）を用いた波長変換フィルムＢを、有機蛍光色素 （ＬＵＭＯＧＥＮ  Ｆ  ＶＩＯＬＥＴ  ５７０：ＢＡＳＦ社製）を用いた波長変換フィルムＣを得た。なお、蛍光物質や有機蛍光色素を含有しないＳＥＢＳフィルムをフィルムＤとする。
【００４０】
実施例１では、透光性の表面保護部材２１として石英ガラスを用い、波長変換フィルム２０として上述した波長変換フィルムＡを用いた。なお、石英ガラスは厚みが１．０ｍｍ（信越石英株式会社製：SUPRASIL-P248）のものを用いた。また、図４に示すように、受光面側から順に、表面保護部材２１（石英ガラス板）、波長変換フィルム２０（波長変換フィルムＡ）、封止樹脂（ＥＶＡ樹脂）２２、太陽電池セル２３、封止樹脂（ＥＶＡ樹脂）２２、裏面保護部材２４を重ね、真空ラミネータを用いて１６０℃でラミネートした太陽電池モジュールを作成した。以下、このようなモジュール構造を構造αという。実施例１にかかる波長変換フィルムＡは、蛍光体（ＢＡＭ）の濃度を樹脂に対し０．５ｗｔ％とした。また、この波長変換フィルムＡのフィルム厚は６０μｍである。
【００４１】
実施例２では、波長変換フィルムＢを用いた以外は実施例１と同様である。なお、波長変換フィルムＢは、蛍光体（ＢＡＭ，Ｍｎ）の濃度を樹脂に対し０．５ｗｔ％とした。また、この波長変換フィルムＢのフィルム厚は６０μｍである。
【００４２】
実施例３では、波長変換フィルムＡ内の蛍光体（ＢＡＭ）の濃度を樹脂に対し０．１ｗｔ％とした以外は、実施例１と同様である。
【００４３】
実施例４では、波長変換フィルムＡ内の蛍光体（ＢＡＭ）の濃度を樹脂に対し１．０ｗｔ％とした以外は、実施例１と同様である。
【００４４】
実施例５では、透光性の表面保護部材２１として石英ガラスを用い、波長変換フィルム２０として上述した波長変換フィルムＡを用いた。また、図５に示すように、受光面側から順に、表面保護部材２１（石英ガラス板）、封止樹脂（ＥＶＡ樹脂）２２、波長変換フィルム２０（波長変換フィルムＡ）、太陽電池セル２３、封止樹脂（ＥＶＡ樹脂）２２、裏面保護部材２４を重ね、真空ラミネータを用いて１６０℃でラミネートした太陽電池モジュールを作成した。以下、このようなモジュール構造を構造βという。すなわち、実施例５は、モジュール構造以外は、実施例１と同様である。
【００４５】
実施例６では、波長変換フィルムＣを用いた。有機蛍光色素の濃度は樹脂に対し０．５ｗｔ％である。また、この波長変換フィルムのフィルム厚は６０μｍである。モジュール構造は実施例１と同様に構造αである。
【００４６】
比較例１では、透光性の表面保護部材２１としてソーダガラス板を用い、波長変換フィルム２０として、蛍光体物質を含有しない波長変換フィルムＤ（ＳＥＢＳフィルム）を用いた。なお、ソーダガラスは厚みが１．０ｍｍ（セントラル硝子株式会社製：ソーダライムガラス）のものを用いた。さらに、図５に示すように、構造β、すなわち表面保護部材２１（ソーダガラス）、封止樹脂（ＥＶＡ樹脂）２２、波長変換フィルム２０、太陽電池セル２３、封止樹脂（ＥＶＡ樹脂）２２、裏面保護部材２４を重ね、真空ラミネータを用いて１６０℃でラミネートした太陽電池モジュールを作成した。また、このＳＥＢＳフィルムのフィルム厚は６０μｍである。
【００４７】
比較例２では、波長変換フィルム２０として波長変換フィルムＡを用いた他は、比較例１と同様の構成を有する。比較例２にかかる波長変換フィルムＡは、蛍光体（ＢＡＭ）の濃度を樹脂に対し０．５ｗｔ％とした。また、この波長変換フィルムＡのフィルム厚は６０μｍである。
【００４８】
比較例３では、波長変換フィルムとして実施例６と同様のものを用いた他は、比較例１と同様の構成を有する。
【００４９】
これら実施例及び比較例にかかる太陽電池モジュールについて、ソーラーシミュレーター（株式会社ワコム電創製）にて形成される照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２の擬似太陽光を各太陽電池モジュール及び太陽電池セルに照射し、電流−電圧特性を市販のＩ−Ｖテスタを用いて測定して、短絡電流値Ｉｓｃを算出した。擬似太陽光は、前記ソーラーシミュレーターによりキセノンランプ光をＡＭフィルタ（ＡＭ１．５）に通過させて形成されたものである。
【００５０】
実験結果を表１に示す。表中、ΔＩｓｃ（Ａ）は、モジュールＩｓｃ（Ａ）から太陽電池セルＩｓｃ（Ａ）を引いた電流値、つまり、波長変換フィルムや透光性の表面保護部材といった太陽電池セル以外の構成要素に起因して増加した電流値である。また、表中、増加分とは、波長変換材を用いないＳＥＢＳフィルムを挿入した比較例１を基準に、各実施例及び比較例において、電流値がどの程度増加したかを示す。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
表１に示すように、透光性の表面保護層２１として石英ガラス板を用いている実施例１〜６では、ソーダガラスを用いている比較例１〜３に比べてΔＩｓｃ（Ａ）が、より増加している。これは、一般のソーダガラスは、３５０ｎｍ以下にて急激に透過率が低下するためであり、これに対して石英ガラスは、約１７０ｎｍまで高い透過率を有する。従って、紫外域で高い透過率を有する石英ガラス板を用いた実施例１〜６では、蛍光体の励起帯を全範囲でカバーすることができ、より高い波長変換効果が得られることが分かる。
【００５３】
比較例１に係る波長変換剤を用いないＳＥＢＳフィルムを挿入した太陽電池モジュールと、実施例１〜実施例６に係る波長変換フィルムを挿入したモジュールを比較すると、波長変換フィルムを挿入した全てのモジュールでΔＩｓｃが高くなる。これは、蛍光体による波長変換により、太陽電池の分光感度の低い短波長域の光を分光感度の高い長波長の光へ変換した効果であると考えられる。
【００５４】
モジュール構造αの実施例１と、モジュール構造βの実施例５を比較する。モジュール構造αの太陽電池モジュールではΔＩｓｃ（Ａ）＝０．６９５を示し、モジュール構造βの太陽電池モジュールではΔＩｓｃ（Ａ）＝０．６７７を示した。モジュール構造αでより高い効果を示したのは、封止樹脂やそれに含まれる紫外線吸収剤による影響を受けないため、波長変換の効果がより大きくなったためと考えられる。
【００５５】
同じモジュール構造αを有する実施例１、実施例３及び実施例４において、ＢＡＭ蛍光体の濃度を比較すると、０．５ｗｔ％が最も効果が高いことが示された（ΔＩｓｃ（Ａ）＝０．６９５）。０．１ｗｔ％（ΔＩｓｃ（Ａ）＝０．６８２）では、濃度が薄いので波長変換の効果が弱いと考えられ、１ｗｔ％（ΔＩｓｃ（Ａ）＝０．６８５）では、濃度が濃すぎるために蛍光体粒子による光散乱の影響で透過率が低下したために特性がさほど上がらないと考えられる。従って、波長変換によるΔＩｓｃ向上への影響は濃度に大きく影響され、今回実験した濃度範囲では０．５ｗｔ％で最も高い効果が発現した。
【００５６】
実施例１と比較例１とを比較すると、本実施例１では、石英ガラス板を用いたモジュール構造αにおいて、最適に濃度制御された波長変換フィルムを挿入することで、太陽電池特性を向上させることが出来ることが分かった。
【符号の説明】
【００５７】
１  太陽電池モジュール、２  太陽電池セル、３  タブ線、４  ストリングス、５  マトリクス、６  シート、７  表面保護層、８  波長変換層、９  バックシート、１１  光電変換層、１２  フィンガー電極、１３  バスバー電極、１４  裏面電極、１５  タブ線接続部、１７  導電性接着フィルム
【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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