(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽光集光効率を高める発光性波長変換物質を含む、少なくとも１つの太陽電池または光起電性デバイスのための封入構造物を提供する。【解決手段】発光性波長変換物質は、少なくとも１つの発光性色素と、光学的に透明なポリマーマトリックスとを含む。、前記封入構造物の、太陽電池、ソーラーパネル、光起電性デバイスを含む太陽光集光デバイスへの適応は、デバイスによって有効に電気に変換することができる入射太陽光のスペクトルを拡大することによって、デバイスの太陽光集光効率を改善する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光性波長変換物質および環境保護カバーを含む、少なくとも１つの太陽電池または光起電性デバイスのための封入構造物であって、
前記封入構造物は、前記封入構造物により、前記太陽電池または光起電性デバイスが封入され、その結果、光が前記太陽電池または光起電性デバイスに達する前に前記封入構造物を通過しなければならないように構成され、
前記発光性波長変換物質は、少なくとも１つの発光性色素と、光学的に透明なポリマーマトリックスとを含み、ただし、前記少なくとも１つの発光性色素により、特定波長の入射光子が、異なるより望ましい波長に変換され、かつ、
前記環境保護カバーは、前記発光性波長変換物質および前記太陽電池または光起電性デバイスの中への水分および酸素の浸透を阻止するように構成される、封入構造物。
【請求項２】
発光性波長変換物質を含む、少なくとも１つの太陽電池または光起電性デバイスのための封入構造物であって、
前記封入構造物は、前記封入構造物により、前記太陽電池または光起電性デバイスが封入され、その結果、光が前記太陽電池または光起電性デバイスに達する前に前記封入構造物を通過しなければならないように構成され、
前記発光性波長変換物質は、少なくとも１つの発光性色素と、光学的に透明なポリマーマトリックスとを含み、ただし、前記少なくとも１つの発光性色素により、特定波長の入射光子が、異なるより望ましい波長に変換され、かつ、
前記発光性波長変換物質は、前記発光性波長変換物質および前記太陽電池または光起電性デバイスの中への水分および酸素の浸透を阻止するように構成される、封入構造物。
【請求項３】
前記環境保護カバーがガラスシートまたはプラスチックシートを含む、請求項１に記載の封入構造物。
【請求項４】
端部からの酸素および水分の浸入を阻止するように構成される、前記ソーラーパネルまたは光起電性デバイスの周囲を取り巻く封止テープをさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項５】
２つ以上の発光性色素を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項６】
前記２つ以上の発光性色素が、同じ発光性波長変換物質層または別個の発光性波長変換物質層に配置され得る、請求項５に記載の封入構造物。
【請求項７】
前記発光性色素のうちの少なくとも１つがアップコンバージョン色素である、請求項１〜６のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項８】
前記発光性色素のうちの少なくとも１つがダウンシフト色素である、請求項１〜７のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項９】
前記光学的に透明なポリマーマトリックスが、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリル酸メチル、ポリビニルブチラール、エチレン酢酸ビニル、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリイミド、非晶質ポリカーボネート、ポリスチレン、シロキサンゾル・ゲル、ポリウレタン、ポリアクリレートおよびそれらの組合せからなる群から選択される物質から形成される、請求項１〜８のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１０】
前記光学的に透明なポリマーマトリックスが、１つのホストポリマー、ホストポリマーおよびコポリマー、または、多数のポリマーを含む、請求項１〜９のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１１】
前記ポリマーマトリックス材の屈折率が約１．４００〜約１．７００の範囲である、請求項１〜１０のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１２】
前記ポリマーマトリックス材の屈折率が約１．４５０〜約１．５５０の範囲である、請求項１〜１０のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１３】
前記発光性色素が約０．０１ｗｔ％〜約３．０ｗｔ％の範囲における量で前記ポリマーマトリックスに存在する、請求項１〜１２のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１４】
前記発光性色素が約０．０５ｗｔ％〜約１．０ｗｔ％の範囲における量で前記ポリマーマトリックスに存在する、請求項１〜１２のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの発光性色素が有機色素である、請求項１〜１４のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの発光性色素が、ペリレン系色素、ベンゾトリアゾール系色素またはベンゾチアジアゾール系色素から選択される、請求項１〜１５のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの発光性色素が、下記の一般式（Ｉ）または一般式（ＩＩ）：
【化１】
2013120926.tif 000008
（上記式において、式（Ｉ）におけるＲ１およびＲ１’はそれぞれが独立して、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ１０アルコキシ、Ｃ６〜Ｃ１８アリールおよびＣ６〜Ｃ２０アラルキルからなる群から選択される；式（Ｉ）におけるｍおよびｎはそれぞれが独立して、１〜５の範囲である；かつ、式（ＩＩ）におけるＲ２およびＲ２’はそれぞれが独立して、Ｃ６〜Ｃ１８アリールおよびＣ６〜Ｃ２０アラルキルからなる群から選択される）
によって表されるペリレンジエステル誘導体である、請求項１〜１６のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの発光性色素が、下記の一般式（ＩＩＩ）：
【化２】
2013120926.tif 000009
（上記式において、
ｎは０〜１００の範囲における整数である；
ｎがゼロに等しいならば、
Ｎ−２位における電子アクセプター基は、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度を低下させる成分である；かつ
Ｃ−４位における電子ドナー１基およびＣ−７位における電子ドナー２基は同じかまたは異なり、また、これらの電子ドナー基のうちの少なくとも１つは、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度を増大させる成分であり、かつ、他方の電子ドナー基は、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度を増大させるか、または、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度に対する中性の影響を有するかのどちらかの成分であり、あるいは、水素である；
ｎが１〜１００の範囲であるならば、
Ｎ−２位における電子アクセプター基は独立して、同じかまたは異なるように選択され、ただし、この場合、これらの電子アクセプター基は、それが結合する２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールサブユニットの電子密度を低下させる成分を含む；
電子ドナーリンカー基は２つの２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールユニットをそれらのそれぞれのＣ−４位およびＣ−７位において連結する；かつ
電子ドナー１基、電子ドナー２基または電子ドナーリンカー基のうちの少なくとも１つは、それが結合する２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールユニットの電子密度を増大させる成分またはリンカーであり、かつ、残る電子ドナー基および／または電子ドナーリンカー基はそれぞれ、それらが結合する２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールの電子密度を増大させるか、または、それらが結合する２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールの電子密度に対する中性の影響を有する成分またはリンカーを含み、ただし、この場合、残る電子ドナー基１または電子ドナー基２は水素を含むことができる；
電子ドナー１基および電子ドナー２基は同じかまたは異なる；かつ
ｎが２〜１００の範囲における整数であるならば、電子ドナーリンカー基は同じかまたは異なる）
によって表される２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール複素環式系を含む誘導体である、請求項１〜１７のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの発光性色素が、下記の一般式（ＩＶ）：
【化３】
2013120926.tif 000010
（上記式において、
式（Ｉ）におけるＸは、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｔｅ−、−ＮＲ−、−ＣＲ＝ＣＲ−および−ＣＲ＝Ｎ−（式中、Ｒは、水素、置換または非置換のＣ１〜Ｃ６アルキル、あるいは、置換または非置換のＣ１〜Ｃ１０アリールである）からなる群から選択される；
式（Ｉ）における電子ドナー１および電子ドナー２は同じかまたは異なる；
式（Ｉ）におけるｍは１または２であり、かつ、式（Ｉ）におけるｎは、０、１または２である；
式（Ｉ）におけるＹ１およびＹ２は独立して、Ｒ、ＯＲ、ＮＨＲおよびＮＲ２（式中、Ｒは、水素、置換または非置換のＣ１〜Ｃ６アルキル、あるいは、置換または非置換のＣ１〜Ｃ１０のアリールまたはヘテロアリールである）からなる群から選択される；かつ
式（Ｉ）におけるベンゼノイド環に対する電子ドナー基の電子的影響がカルボニル基によって調節される）
によって表されるような複素環式系を含む発色団誘導体である、請求項１〜１８のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの発光性色素が、下記の一般式（Ｖ）：
【化４】
2013120926.tif 000011
（上記式において、
式（ＩＩ）におけるｉは１〜１００の範囲における整数である；
式（ＩＩ）におけるＸおよびそれぞれのＸｉは独立して、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｔｅ−、−ＮＲ−、−ＣＲ＝ＣＲ−および−ＣＲ＝Ｎ−（式中、Ｒは、水素、置換または非置換のＣ１〜Ｃ６アルキル、あるいは、置換または非置換のＣ１〜Ｃ１０アリールである）からなる群から選択される；
式（ＩＩ）における電子ドナー１および電子ドナー２は同じかまたは異なる；
それぞれの電子ドナーリンカーは同じかまたは異なる；
式（ＩＩ）におけるｍは１または２であり、かつ、式（ＩＩ）におけるｎは、０、１または２である；
式（ＩＩ）におけるＹ１およびＹ２は独立して、Ｒ、ＯＲ、ＮＨＲおよびＮＲ２（式中、Ｒは、水素、置換または非置換のＣ１〜Ｃ６アルキル、あるいは、置換または非置換のＣ１〜Ｃ１０のアリールまたはヘテロアリールである）からなる群から選択される；かつ
ベンゼノイド環に対する電子ドナー基の電子的影響がカルボニル基によって調節される）
によって表されるような複素環式系を含む発色団誘導体である、請求項１〜１９のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項２１】
前記発光性波長変換物質がさらに、１つまたは複数の増感剤を含む、請求項１〜２０のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項２２】
前記増感剤が、ナノ粒子、ナノ金属、ナノワイヤまたはカーボンナノチューブを含む、請求項２１に記載の封入構造物。
【請求項２３】
前記増感剤がフラーレンを含む、請求項２２に記載の封入構造物。
【請求項２４】
前記フラーレンが、場合により置換されたＣ６０、場合により置換されたＣ７０、場合により置換されたＣ８４、場合により置換された単層カーボンナノチューブ、および、場合により置換された多層カーボンナノチューブからなる群から選択される、請求項２３に記載の封入構造物。
【請求項２５】
前記フラーレンが、［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル、［６，６］−フェニル−Ｃ７１−酪酸メチルエステルおよび［６，６］−フェニル−Ｃ８５−酪酸メチルエステルからなる群から選択される、請求項２３に記載の封入構造物。
【請求項２６】
前記増感剤が、場合により置換されたフタロシアニン、場合により置換されたペリレン、場合により置換されたポルフィリン、および、場合により置換されたテリレンからなる群から選択される、請求項２１に記載の封入構造物。
【請求項２７】
増感剤の組合せをさらに含み、ただし、増感剤の前記組合せが、場合により置換されたフラーレン、場合により置換されたフタロシアニン、場合により置換されたペリレン、場合により置換されたポルフィリン、および、場合により置換されたテリレンからなる群から選択される、請求項２１に記載の封入構造物。
【請求項２８】
組成物が前記増感剤を組成物の総重量に基づいて約０．０１重量％〜約５重量％の範囲における量で含む、請求項２１〜２７のいずれか一項に記載の封入構造物。
【請求項２９】
前記発光性波長変換物質の前記組成物がさらに、１つまたは多数の可塑剤を含む、請求項１〜２８のいずれか一項に記載の封入構造物。
【請求項３０】
前記可塑剤がＮ−アルキルカルバゾール誘導体およびトリフェニルアミン誘導体から選択される、請求項２９に記載の封入構造物。
【請求項３１】
前記発光性波長変換物質の前記組成物がさらに、ＵＶ安定剤、ＵＶ酸化防止剤またはＵＶ吸収剤を含む、請求項１〜３０のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項３２】
ガラスシート、反射バックシート、端部封止テープ、フレーム材、ポリマー封入材、または、さらなる層をシステムに接着するための接着剤層のうちの１つまたは複数をさらに含む、請求項１〜３１のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項３３】
ＵＶ吸収剤を含有するさらなるポリマー層をさらに含む、請求項１〜３２のいずれかに記載の封入構造物。
【請求項３４】
太陽電池、太陽電池ストリング、ソーラーパネルまたは光起電性デバイスの性能を改善する方法であって、前記デバイスを請求項１〜３３のいずれかに記載される封入構造物により封入することを含む方法。
【請求項３５】
前記ソーラーパネルまたは太陽電池が、ＩＩＩ−Ｖ族系またはＩＩ−ＶＩ族系のＰＮ接合デバイス、銅・インジウム・ガリウム・セレン（ＣＩＧＳ）薄膜デバイス、有機増感剤デバイス、有機薄膜デバイス、あるいは、硫化カドミウム／テルル化カドミウム（ＣｄＳ／ＣｄＴｅ）薄膜デバイス、非晶質シリコン太陽電池、微結晶シリコン太陽電池、あるいは、結晶性シリコン太陽電池からなる群から選択される少なくとも１つのデバイスを含有する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
さらなる材料または層が前記封入構造物において使用され、例えば、ガラスシート、反射バックシート、端部封止テープ、フレーム材、ポリマー材、または、さらなる層をシステムに接着するための接着剤層などが使用される、請求項３４〜３５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般には、太陽電池、ソーラーパネルまたは光起電性デバイスのための発光性波長変換物質を含み、この発光性波長変換物質により、これらのデバイスの太陽光集光効率が高められる封入構造物に関連する。
【背景技術】
【０００２】
太陽エネルギーの利用により、従来の化石燃料に対する有望な代替エネルギー源が提供され、したがって、太陽エネルギーを電気に変換することができるデバイスの開発、例えば、光起電性デバイス（これはまた、太陽電池として知られている）などの開発が近年では大きな注目を集めている。いくつかの異なるタイプの十分に発達した光起電性デバイスが開発されており、これらには、例をいくつか挙げると、シリコンに基づくデバイス、ＩＩＩ−Ｖ族系およびＩＩ−ＶＩ族系のＰＮ接合デバイス、銅・インジウム・ガリウム・セレン（ＣＩＧＳ）薄膜デバイス、有機増感剤デバイス、有機薄膜デバイスおよび硫化カドミウム／テルル化カドミウム（ＣｄＳ／ＣｄＴｅ）薄膜デバイスが含まれる。これらのデバイスに関するより詳細が文献において、例えば、Ｌｉｎ他、「Ｈｉｇｈ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ  Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ／Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ  Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ」（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、２０１１）などにおいて見出され得る。しかしながら、これらのデバイスの多くの光電変換効率は依然として改善の余地があり、この効率を改善するための技術を開発することが、多くの研究者にとっては現在行われている課題となっている。
【０００３】
近年において、光起電性デバイスの効率を改善するために開発された１つの技術が、波長ダウンシフトフィルムを利用することである。光起電性デバイスの多くは光のスペクトル全体を効果的に利用することができない。これは、デバイス上の物質が、光の特定の波長（典型的には、より短いＵＶ波長）を、この光が通過して、この光が電気に変換される光伝導性物質層に達することを可能にする代わりに吸収するからである。波長ダウンシフトフィルムを適用することにより、そのようなより短い波長の光子が吸収され、より好都合なより長い波長で再放出され、この場合、今度は、このより長い波長がデバイスにおける光伝導層によって吸収され、したがって、電気に変換され得る。
【０００４】
この現象が多くの場合、ともにＣｄＳを窓層として使用するＣｄＳ／ＣｄＴｅ型およびＣＩＧＳ型の薄膜太陽電池において観測される。これらの薄膜太陽電池の低いコストおよび高い効率が近年では大きな注目を集めており、だが、典型的な商用電池セルは光電変換効率が１０〜１６％である。しかしながら、これらのデバイスに関する１つの問題が、５１４ｎｍ未満の波長における光がエネルギーに変換され得る光伝導性層にまで通過することに代わって、５１４ｎｍ未満の波長における光がＣｄＳによって吸収されることを引き起こすＣｄＳのエネルギーギャップ（およそ２．４１ｅＶ）である。光のスペクトル全体をこのように利用できないことは事実上、デバイスの全体的な光電変換効率を低下させる。
【０００５】
光起電性デバイスの性能を改善するために波長ダウンシフト物質を利用することを開示する報告がこれまでに数多く存在する。例えば、米国特許出願公開第２００９／０１５１７８５号は、波長をダウンシフトする無機蛍光体物質を含有する、シリコンに基づく太陽電池を開示する。米国特許出願公開第２０１１／００１１４５５号は、プラズモン層、波長変換層および光起電性層を含む一体化された太陽電池を開示する。米国特許第７，７９１，１５７号は、量子ドット化合物を含有する波長変換層を備える太陽電池を開示する。米国特許出願公開第２０１０／０２９４３３９号は、発光性のダウンシフト物質を含有する一体化された光起電性デバイスを開示しており、しかしながら、実施例となる実施形態が何ら組み立てられなかった。米国特許出願公開第２０１０／００１２１８３号は、波長をダウンシフトするホトルミネセンス性媒体を有する薄膜太陽電池を開示する；しかしながら、実施例が何ら提供されていない。米国特許出願公開第２００８／０２３６６６７号は、無機の蛍光性粉末を含む薄膜ポリマーの形態で作製される強化されたスペクトル変換フィルムを開示する。しかしながら、これらの特許および特許出願公開（それらはそれらの全体において参照によって本明細書中に組み込まれる）のそれぞれが、このようなさらなる波長変換層を直接に太陽電池デバイスの上部または内部に適用しており、このことは、デバイスを製造することにさらなるコストを加え、また、側面から環境への光子の喪失における増大につながり得るデバイス厚さもまた増大させる。
【０００６】
さらには、様々なソーラーモジュールが従来より、日光へのその暴露を最大限にし得る屋上または広く開けた空間において屋外で据え付けられる。米国特許出願公開第２００７／０２９５３８８号を参照のこと（これは本明細書によりその全体において参照によって組み込まれる）。このタイプの屋外設置はこれらのデバイスを天候および水分に絶えずさらし、したがって、これらのデバイスは、長年にわたる安定した運転を提供するための十分な保護を有しなければならない。従来より、太陽電池モジュールは、ガラスシートを使用することによって耐候性にされており、しかし、そのようなガラスシートは高価であり、重量があり、かつ、柔軟性がなく、また、何らかのタイプの端部テープを、水分が側面に浸透することを防止するために必要とする。米国特許第７，９７６，７５０号は、ソーラーモジュールを２つのポリマー層の間に埋め込み、その後、隙間を発泡剤で埋めることによってソーラーモジュールを封入する方法を開示する。米国特許出願公開第２０１１／００１７２６８号は、ソーラーモジュールデバイスを封入するためのナノ構造化ポリマー物質を開示する。米国特許第７，９４３，８４５号は、ポリ（ビニルブチラール）組成物を使用してソーラーモジュールを封入する方法を開示する。しかしながら、これらの特許および特許出願公開（それらはそれらの全体において参照によって本明細書中に組み込まれる）のどれもが、これらのソーラーデバイスのための、環境からの保護、同様にまた、強化された太陽光集光効率を同時に提供することを試みていない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明の１つの局面が、ソーラーモジュールデバイス、例えば、太陽電池、太陽電池ストリング、ソーラーパネルまたは光起電性デバイスなどを封入するために使用されるとき、太陽光集光効率を高める発光性波長変換物質を含む封入構造物を提供することである。
【０００８】
１つの実施形態により、発光性波長変換物質および環境保護カバーを含む、少なくとも１つの太陽電池または光起電性デバイスのための封入構造物が提供される。１つの実施形態において、封入構造物は、封入構造物により、太陽電池または光起電性デバイスが封入され、その結果、光が太陽電池または光起電性デバイスに達する前に封入構造物を通過しなければならないように構成される。１つの実施形態において、発光性波長変換物質は、少なくとも１つの発光性色素と、光学的に透明なポリマーマトリックスとを含み、ただし、少なくとも１つの発光性色素により、特定波長の入射光子が、異なるより望ましい波長に変換される。１つの実施形態において、環境保護カバーは、発光性波長変換物質および太陽電池または光起電性デバイスの中への水分および酸素の浸透を阻止するように構成される。
【０００９】
別の実施形態により、発光性波長変換物質を含む、少なくとも１つの太陽電池または光起電性デバイスのための封入構造物が提供される。１つの実施形態において、封入構造物は、封入構造物により、太陽電池または光起電性デバイスが封入され、その結果、光が太陽電池または光起電性デバイスに達する前に封入構造物を通過しなければならないように構成される。１つの実施形態において、発光性波長変換物質は、少なくとも１つの発光性色素と、光学的に透明なポリマーマトリックスとを含み、ただし、少なくとも１つの発光性色素により、特定波長の入射光子が、異なるより望ましい波長に変換される。発光性波長変換物質はまた、環境保護カバーと同様に作用するように構成することができ、その結果、発光性波長変換物質は、太陽電池または光起電性デバイスの中への水分および酸素の浸透を阻止するように構成される。
【００１０】
別の実施形態が、光起電性デバイス、太陽電池、ソーラーモジュールまたはソーラーパネルの性能を改善するための方法であって、これらのデバイスを本明細書中に開示される封入構造物により封入することを含む方法に関連する。
【００１１】
本発明の様々な局面、および、関連技術を超えて達成される利点を要約するという目的のために、本発明の特定の目的および利点が本開示において記載される。当然のことではあるが、必ずしもすべてのそのような目的または利点が本発明のいずれかの特定の実施形態に従って達成されないことがあることを理解しなければならない。したがって、例えば、当業者は、本発明が、本明細書中に教示されるような１つの利点または一群の利点を、本明細書中に教示または示唆されるかもしれないような他の目的または利点を必ずしも達成することなく達成または最適化する様式で具体化または実施されるかもしれないことを認識する。
【００１２】
本発明のさらなる局面、特徴および利点が、下記の詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ただ１個だけの太陽電池デバイスが発光性波長変換物質に封入され、かつ、ガラスシートまたはプラスチックシートが環境保護カバーとして使用される封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図２】複数の太陽電池デバイスが発光性波長変換物質に封入され、かつ、ガラスシートまたはプラスチックシートが環境保護カバーとして使用される封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図３】複数の太陽電池デバイスが純ポリマー封入材に封入され、発光性波長変換物質がポリマー封入材の上部に積層され、かつ、ガラスシートまたはプラスチックシートが環境保護カバーとして使用される封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図４】複数の太陽電池デバイスが発光性波長変換物質に封入され、かつ、ガラスシートまたはプラスチックシートが環境保護カバーとして使用される封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図５】複数の太陽電池デバイスが純ポリマー封入材に封入され、発光性波長変換物質がポリマー封入材の上部に積層され、かつ、ガラスシートまたはプラスチックシートが環境保護カバーとして使用される封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図６】複数の太陽電池デバイスが純ポリマー封入物質に封入され、発光性波長変換物質が純ポリマー封入材の上部に積層され、さらなる純ポリマーフィルムが発光性波長変換層の上部に積層され、かつ、ガラスシートまたはプラスチックシートが環境プロテクターとして使用される封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図７】ただ１個だけの太陽電池デバイスが発光性波長変換物質に封入され、かつ、発光性波長変換物質がまた、環境プロテクターとして作用する封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図８】複数の太陽電池デバイスが発光性波長変換物質に封入され、かつ、発光性波長変換物質がまた、環境プロテクターとして作用する封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図９】複数の太陽電池デバイスが純ポリマー封入物質に封入され、発光性波長変換物質が純ポリマー封入材の上部に積層され、かつ、発光性波長変換物質がまた、環境プロテクターとして作用する封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図１０】数個の太陽電池デバイスを有するソーラーパネルが、これらの太陽電池デバイスを封入するために発光性波長変換物質を利用し、ガラス製の底部シートおよびガラス製の上部シートが環境からの保護を提供し、バックシートが太陽電池デバイスの光入射面の下部に存在し、かつ、フレームがパネルを一体的に保持する封入構造物の実施形態を例示する図である。
【図１１】数個の太陽電池デバイスを有するソーラーパネルが、これらの太陽電池デバイスを封入するために発光性波長変換物質を利用し、バックシートが太陽電池デバイスの光入射面の下部に存在し、ガラス製の上部シートが環境からの保護を提供し、かつ、フレームがパネルを一体的に保持する封入構造物の実施形態を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示は、太陽電池、ソーラーパネルまたは光起電性デバイスを封入するために使用されるとき、環境からの保護および高まった太陽光集光効率を同時に提供するための発光性波長変換物質を含む封入構造物に関連する。光起電性デバイスおよび太陽電池の効率を改善するための波長変換フィルムの使用が、米国特許第７，７９１，１５７号、ならびに、米国特許出願公開第２００９／０１５１７８５号、同第２０１０／０２９４３３９号、同第２０１０／００１２１８３号、同第２００７／０２９５３８３号、同第２００９／０１５１７８６号、同第２００８／０２３６６６７号、同第２００９／０２１１６３１号、同第２００９／０２９０２１１号、同第２０１１／００１１４５５号、同第２０１０／００４３８８０号を含めて、いくつかの刊行物において開示されている。しかしながら、これらの刊行物のすべてが波長変換物質を太陽電池デバイスの上部におけるフィルムとして、または、太陽電池デバイスの中に加えられるフィルムとして取り込む。このさらなる加工工程により、コストが、これらのデバイスを製造することに加わる。このさらなる加工工程によりまた、デバイスの厚さが増大し、デバイス端部からの環境への光子漏れのさらなる機構が持ち込まれる。
【００１５】
加えて、この数年において、デバイスの改善された、環境からの保護を長期間にわたって提供する、ソーラーモジュールデバイスを封入するためのいくつかの新規な方法もまた導入されている（例えば、米国特許第７，９７６，７５０号および同第７，９４３，８４３号ならびに米国特許出願公開第２０１１／００１７２６８号）。しかしながら、本発明者らは、環境からの安定した保護および高まった太陽光集光効率の両方が達成されるように太陽電池デバイスを封入するどのような試みも知らない。ソーラーモジュールデバイスを、本明細書中に開示される発光性波長変換物質を含む封入構造物により封入することにより、太陽電池デバイスの太陽光集光効率が高まり、かつ、当該デバイスの、環境からの安定した長期間の保護が提供される。発光性波長変換物質を含む封入構造物は、シリコンに基づくデバイス、ＩＩＩ−Ｖ族系およびＩＩ−ＶＩ族系のＰＮ接合デバイス、ＣＩＧＳ薄膜デバイス、有機増感剤デバイス、有機薄膜デバイス、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ薄膜デバイスならびに色素増感型デバイスなどを含めて、すべての異なるタイプの太陽電池およびソーラーパネルと適合し得るように形成することができる。
【００１６】
したがって、本発明の主たる目的が、発光性波長変換物質を含む封入構造物を提供することである。ソーラーモジュールデバイスを封入するために本発明の構造物を用いることによって、太陽電池、光起電性デバイス、ソーラーパネルおよび任意のソーラーモジュールシステムの光電変換効率を改善することができる。
【００１７】
１つの実施形態により、発光性波長変換物質および環境保護カバーを含む、少なくとも１つの太陽電池または光起電性デバイスのための封入構造物が提供される。１つの実施形態において、環境保護カバーは、発光性波長変換物質および太陽電池または光起電性デバイスの中への水分および酸素の浸透を阻止するように構成され、プラスチックシートまたはガラスシートを含む。１つの実施形態において、封止テープが、端部からの酸素および水分の浸入を阻止するためにソーラーパネルの周囲に適用される。太陽電池または光起電性モジュールデバイスに適用されるこの封入材構造物の実施例としての実施形態が図１〜図６において例示される。
【００１８】
本発明の別の実施形態により、発光性波長変換物質を含む、少なくとも１つの太陽電池または光起電性デバイスのための封入構造物が提供される。１つの実施形態において、発光性波長変換物質はまた、太陽電池内への水分および酸素の浸透を防止するための環境プロテクターとして作用する。この実施形態において、発光性波長変換物質は、太陽電池内への水分および酸素の浸透を防止するように設計され、その結果、さらなる環境保護カバーが必要でないようにされ、かつ、発光性波長変換物質はまた、電池セルの太陽光集光効率を高める。ソーラーモジュールデバイスに適用されるこの封入材構造物の実施例としての実施形態が図７〜図９において例示される。
【００１９】
本発明の別の局面が、光起電性デバイス、太陽電池、ソーラーモジュールまたはソーラーパネルの性能を改善する方法であって、デバイスを本明細書中に開示される封入構造物により封入することを含む方法である。１つの実施形態において、封入構造物の発光性波長変換物質は太陽電池デバイスの表面に流し込まれ、その場において硬化させることができる。１つの実施形態において、封入構造物の発光性波長変換物質はフィルムまたは層の形態であり得る。１つの実施形態において、発光性波長変換物質は、薄いフィルムの形態である場合、ソーラーモジュールデバイスにロール積層することができ、この場合、前面層のみがソーラーモジュールに積層されてもよく、または、前面層および後面層の両方がソーラーモジュールデバイスに積層されてもよい。
【００２０】
発光性波長変換物質のさらなる形態もまた可能であり、同様にまた、発光性波長変換物質をソーラーモジュールデバイスに適用するさらなる方法もまた可能である。封入構造物は剛直性のデバイスに適用することができ、または、封入構造物は柔軟性のデバイスに適用することができる。さらに、封入構造物は、多数の太陽電池または光起電性デバイスの性能を改善するために使用することができる。例えば、１つの実施形態において、封入構造物は複数の太陽電池または光起電性デバイスを含む。
【００２１】
さらなる材料もまた、環境からの増大した保護を提供するために利用することができる。ガラスシートまたはプラスチックシートが多くの場合、環境保護カバーとして使用され、また、ガラスシートまたはプラスチックシートは、発光性波長変換物質により封入されたソーラーモジュールデバイスの上部および／または下部の両方において適用することができる。封止テープを、側面を介した酸素または水分の浸入を防止するためにデバイスの周囲に適用することができる。バックシートもまた、太陽電池によって吸収されなかった入射光を反射および屈折させるためにソーラーモジュールデバイスの下部に使用することができる。封入されたソーラーデバイスはまた、フレーム（例えば、ソーラーパネルまたは太陽電池ストリングを形成するために利用されるフレームなど）に入れることができる。図１０および図１１は、ソーラーモジュールデバイスにおいて使用される封入構造物の実施例としての実施形態を例示する。
【００２２】
発光性色素は、時には発色団または蛍光色素と呼ばれるが、特定の波長または波長範囲の光子を吸収し、かつ、その光子を異なる波長で再放出する化合物である。太陽電池および光起電性デバイスは多くの場合、極端な環境条件に長期間（すなわち、２０年以上）さらされるので、発光性色素の安定性もまた重要である。１つの実施形態において、長期間にわたる良好な光安定性（すなわち、１０％未満の分解を伴う、１ｓｕｎ（ＡＭ１．５Ｇ）の照射のもとでの照明の２０，０００時間以上）を有する発光性色素または発色団化合物のみが発光性波長変換物質において使用される。
【００２３】
封入構造物の１つの実施形態において、２つ以上の発光性色素が発光性波長変換物質に含有される。１つの実施形態において、２つ以上の発光性色素を同じ発光性波長変換物質層に配置することができ、または、２つ以上の発光性色素を別個の物質層に配置することができる。波長変換物質が封入されることになるソーラーモジュールに依存して、多数の発光性色素または発色団を波長変換物質に有することが望ましい場合がある。例えば、第１の発色団は、４００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長の光子を５００ｎｍの波長に変換するように作用することができ、第２の発色団は、４５０ｎｍ〜４７５ｎｍの波長の光子を５００ｎｍの波長に変換するように作用することができ、ただし、この場合、波長変換物質によって封入されることになるソーラーモジュールシステムは最適な光電変換効率を５００ｎｍの波長において示し、その結果、発光性波長変換物質によるデバイスの封入により、ソーラーモジュールシステムの太陽光集光効率が著しく高まる。
【００２４】
加えて、封入構造物の１つの実施形態において、発光性色素の少なくとも１つは、光子をより低いエネルギー（長い波長）からより大きいエネルギー（短い波長）に変換する発光性色素を意味するアップコンバージョン色素である。アップコンバージョン色素は、ＩＲ領域における波長（〜９７５ｎｍ）の光子を吸収し、可視領域（４００〜７００ｎｍ）において再放出することが見出されている希土類物質（例えば、Ｙｂ３＋、Ｔｍ３＋、Ｅｒ３＋、Ｈｏ３＋およびＮａＹＦ４）を含むことができる。さらなるアップコンバージョン物質が、米国特許第６，６５４，１６１号および同第６，１３９，２１０号、ならびに、Ｉｎｄｉａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｕｒｅ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、第３３巻、１６９頁〜１７８頁（１９９５）に記載される（これらは本明細書によりそれらの全体において参照によって組み込まれる）。
【００２５】
封入構造物の１つの実施形態において、発光性色素の少なくとも１つが、大きいエネルギー（短い波長）の光子をより低いエネルギー（長い波長）に変換する発色団を意味するダウンシフト色素である。
【００２６】
封入構造物の１つの実施形態において、光学的に透明なポリマーマトリックスが、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリル酸メチル、ポリビニルブチラール、エチレン酢酸ビニル、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリイミド、非晶質ポリカーボネート、ポリスチレン、シロキサンゾル・ゲル、ポリウレタン、ポリアクリレートおよびそれらの組合せからなる群から選択される物質から形成される。
【００２７】
封入構造物の１つの実施形態において、光学的に透明なポリマーマトリックスは、１つのホストポリマー、ホストポリマーおよびコポリマー、または、多数のポリマーを含む。１つの実施形態において、ポリマーマトリックス材の屈折率が約１．４００〜約１．７００の範囲である。１つの実施形態において、ポリマーマトリックス材の屈折率が約１．４５０〜約１．５５０の範囲である。
【００２８】
１つの実施形態において、発光性色素が約０．０１ｗｔ％〜約３．０ｗｔ％の範囲における量でポリマーマトリックスに存在する。１つの実施形態において、発光性色素が約０．０５ｗｔ％〜約１．０ｗｔ％の範囲における量でポリマーマトリックスに存在する。
【００２９】
１つの実施形態において、上記少なくとも１つの発光性色素は有機色素である。１つの実施形態において、上記少なくとも１つの発光性色素は、ペリレン系色素、ベンゾトリアゾール系色素またはベンゾチアジアゾール系色素から選択される。
【００３０】
１つの実施形態において、発光性色素は、下記の一般式（Ｉ）または一般式（ＩＩ）によって表されるペリレンジエステル誘導体である：
【化１】
2013120926.tif 000002
上記式において、式（Ｉ）におけるＲ１およびＲ１’はそれぞれが独立して、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ１〜Ｃ１０アルコキシ、Ｃ６〜Ｃ１８アリールおよびＣ６〜Ｃ２０アラルキルからなる群から選択される；式（Ｉ）におけるｍおよびｎはそれぞれが独立して、１〜５の範囲である；かつ、式（ＩＩ）におけるＲ２およびＲ２’はそれぞれが独立して、Ｃ６〜Ｃ１８アリールおよびＣ６〜Ｃ２０アラルキルからなる群から選択される。
【００３１】
２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系における原子の番号付けが下記において定義される：
【化２】
2013120926.tif 000003
【００３２】
「電子ドナー」は、どのような基であれ、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度を増大させる基として定義される。「電子アクセプター」は、どのような基であれ、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度を低下させる基として定義される。「電子リンカー」は、どのような基であれ、２つの２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系を連結し、これにより、それらのπ軌道の共役化をもたらす基として定義される。
【００３３】
封入構造物の１つの実施形態において、発光性色素は、下記の一般式（ＩＩＩ）によって表される２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール複素環式系を含む誘導体である：
【化３】
2013120926.tif 000004
【００３４】
１つの実施形態において、式（ＩＩＩ）におけるｎは０〜１００の範囲における整数である。１つの実施形態において、ｎがゼロに等しいならば、下記の条件が適用され得る：（１）Ｎ−２位における電子アクセプター基は、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度を低下させる成分であり、かつ、（２）Ｃ−４位における電子ドナー１基およびＣ−７位における電子ドナー２基は同じかまたは異なり、これらの電子ドナー基のうちの少なくとも１つは、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度を増大させる成分であり、かつ、他方の電子ドナー基は、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度を増大させるか、または、２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾール系の電子密度に対する中性の影響を有するかのどちらかの成分であり、あるいは、水素である。
【００３５】
１つの実施形態において、式（ＩＩＩ）におけるｎが１〜１００の範囲であるならば、下記の条件が適用され得る：（１）Ｎ−２位における電子アクセプター基は独立して、同じかまたは異なるように選択され、ただし、この場合、これらの電子アクセプター基は、それが結合する２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールサブユニットの電子密度を低下させる成分を含み、（２）電子ドナーリンカー基は２つの２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールユニットをそれらのそれぞれのＣ−４位およびＣ−７位において連結し、かつ、（３）電子ドナー１基、電子ドナー２基または電子ドナーリンカー基のうちの少なくとも１つは、それが結合する２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールユニットの電子密度を増大させる成分またはリンカーであり、かつ、残る電子ドナー基および／または電子ドナーリンカー基はそれぞれ、それらが結合する２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールの電子密度を増大させるか、または、それらが結合する２Ｈ−ベンゾ［ｄ］［１，２，３］トリアゾールの電子密度に対する中性の影響を有する成分またはリンカーを含み、ただし、この場合、残る電子ドナー基１または電子ドナー基２は水素を含むことができる。１つの実施形態において、電子ドナー１基および電子ドナー２基は同じかまたは異なる。
【００３６】
１つの実施形態において、式（ＩＩＩ）におけるｎが２〜１００の範囲における整数であるならば、電子ドナーリンカー基は同じかまたは異なる。
【００３７】
封入構造物の１つの実施形態において、発光性色素は、下記の一般式（ＩＶ）によって表されるように、２つの電子ドナーが結合し、それらのうちの少なくとも１つがカルボニル基に結合する電子アクセプターとしての中心の複素環式系を含む発色団誘導体である：
【化４】
2013120926.tif 000005
【００３８】
１つの実施形態において、式（ＩＶ）におけるＸは、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｔｅ−、−ＮＲ−、−ＣＲ＝ＣＲ−および−ＣＲ＝Ｎ−（式中、Ｒは、水素、置換または非置換のＣ１〜Ｃ６アルキル、あるいは、置換または非置換のＣ１〜Ｃ１０アリールである）からなる群から選択される。１つの実施形態において、式（ＩＶ）における電子ドナー１および電子ドナー２は同じかまたは異なる。１つの実施形態において、式（ＩＶ）におけるｍは１または２であり、かつ、式（ＩＶ）におけるｎは、０、１または２である。１つの実施形態において、式（ＩＶ）におけるＹ１およびＹ２は独立して、Ｒ、ＯＲ、ＮＨＲおよびＮＲ２（式中、Ｒは、水素、置換または非置換のＣ１〜Ｃ６アルキル、あるいは、置換または非置換のＣ１〜Ｃ１０のアリールまたはヘテロアリールである）からなる群から選択される。１つの実施形態において、式（ＩＶ）におけるベンゼノイド環に対する電子ドナー基の電子的影響がカルボニル基によって調節される。
【００３９】
封入構造物の１つの実施形態において、発光性色素は、下記の一般式（Ｖ）によって表される複素環式系を含む発色団誘導体である：
【化５】
2013120926.tif 000006
【００４０】
１つの実施形態において、式（Ｖ）におけるｉは１〜１００の範囲における整数である。１つの実施形態において、式（Ｖ）におけるＸおよびそれぞれのＸｉは独立して、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｔｅ−、−ＮＲ−、−ＣＲ＝ＣＲ−および−ＣＲ＝Ｎ−（式中、Ｒは、水素、置換または非置換のＣ１〜Ｃ６アルキル、あるいは、置換または非置換のＣ１〜Ｃ１０アリールである）からなる群から選択される。１つの実施形態において、式（Ｖ）における電子ドナー１および電子ドナー２は同じかまたは異なる。１つの実施形態において、それぞれの電子ドナーリンカーは同じかまたは異なる。１つの実施形態において、式（Ｖ）におけるｍは１または２であり、かつ、式（Ｖ）におけるｎは、０、１または２である。１つの実施形態において、式（Ｖ）におけるＹ１およびＹ２は独立して、Ｒ、ＯＲ、ＮＨＲおよびＮＲ２（式中、Ｒは、水素、置換または非置換のＣ１〜Ｃ６アルキル、あるいは、置換または非置換のＣ１〜Ｃ１０のアリールまたはヘテロアリールである）からなる群から選択される。１つの実施形態において、ベンゼノイド環に対する電子ドナー基の電子的影響がカルボニル基によって調節される。
【００４１】
１つの実施形態において、封入構造物の発光性波長変換物質はさらに、１つまたは複数の増感剤を含む。１つの実施形態において、増感剤は、ナノ粒子、ナノ金属、ナノワイヤまたはカーボンナノチューブを含む。１つの実施形態において、増感剤はフラーレンを含む。１つの実施形態において、フラーレンが、場合により置換されたＣ６０、場合により置換されたＣ７０、場合により置換されたＣ８４、場合により置換された単層カーボンナノチューブ、および、場合により置換された多層カーボンナノチューブからなる群から選択される。１つの実施形態において、フラーレンが、［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル、［６，６］−フェニル−Ｃ７１−酪酸メチルエステルおよび［６，６］−フェニル−Ｃ８５−酪酸メチルエステルからなる群から選択される。１つの実施形態において、増感剤が、場合により置換されたフタロシアニン、場合により置換されたペリレン、場合により置換されたポルフィリン、および、場合により置換されたテリレンからなる群から選択される。１つの実施形態において、封入構造物の発光性波長変換物質はさらに、増感剤の組合せを含み、ただし、この場合、増感剤の組合せが、場合により置換されたフラーレン、場合により置換されたフタロシアニン、場合により置換されたペリレン、場合により置換されたポルフィリン、および、場合により置換されたテリレンからなる群から選択される。
【００４２】
１つの実施形態において、封入構造物の発光性波長変換物質は増感剤を組成物の総重量に基づいて約０．０１重量％〜約５重量％の範囲における量で含む。
【００４３】
１つの実施形態において、封入構造物の発光性波長変換物質はさらに、１つまたは多数の可塑剤を含む。１つの実施形態において、可塑剤がＮ−アルキルカルバゾール誘導体およびトリフェニルアミン誘導体から選択される。
【００４４】
１つの実施形態において、発光性波長変換物質の組成物はさらに、ＵＶ安定剤、ＵＶ酸化防止剤またはＵＶ吸収剤を含む。１つの実施形態において、純ポリマー封入材の組成物はさらに、ＵＶ安定剤、ＵＶ酸化防止剤またはＵＶ吸収剤を含む。
【００４５】
１つの実施形態において、環境カバーとして使用されるガラスシートまたはプラスチックシートはまたさらに、有害な高エネルギー放射線を遮断するための強力なＵＶ吸収剤を含む。１つの実施形態において、さらなる材料または層を構造物において使用することができる：例えば、ガラスシート、反射バックシート、端部封止テープ、フレーム材、ポリマー材、または、さらなる層をシステムに接着するための接着剤層など。
【００４６】
本発明の別の局面は、デバイスを本明細書中に開示される封入構造物により封入することを含む、太陽電池、太陽電池ストリング、ソーラーパネルまたは光起電性デバイスの性能を改善する方法である。
【００４７】
本方法の１つの実施形態において、ソーラーパネルは、硫化カドミウム／テルル化カドミウム太陽電池を含む少なくとも１つの光起電性デバイスまたは太陽電池を含む。１つの実施形態において、光起電性デバイスまたは太陽電池は銅インジウムガリウム二セレン化物太陽電池を含む。１つの実施形態において、光起電性または太陽電池はＩＩＩ−Ｖ族系またはＩＩ−ＶＩ族系のＰＮ接合デバイスを含む。１つの実施形態において、光起電性または太陽電池は有機増感剤デバイスを含む。１つの実施形態において、光起電性または太陽電池は有機薄膜デバイスを含む。１つの実施形態において、光起電性デバイスまたは太陽電池は非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）太陽電池を含む。１つの実施形態において、光起電性デバイスまたは太陽電池は微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）太陽電池を含む。１つの実施形態において、光起電性デバイスまたは太陽電池は結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）太陽電池を含む。
【００４８】
本方法の１つの実施形態において、さらなる物質層もまた、封入構造物において使用することができる。例えば、ガラスシートまたはプラスチックシートを、環境からのさらなる保護を提供するために使用することができる。バックシートを、太陽電池によって吸収されない光子の反射および／または屈折を提供するために使用することができる。接着剤層もまた必要となる場合がある。例えば、発光性波長変換物質と、ガラスシートとの間における、これら２つの層を一体的に接着するために使用される接着剤層。他の層もまた、ソーラーモジュールの光電変換効率をさらに高めるために含むことができる。例えば、微細構造層はまた、封入構造物の上部に、または、発光性波長変換物質と、ガラスシートとの間に備えることができ、この場合、この微細構造層は、ソーラーモジュールデバイスの光電変換層から離れる方向で吸収および波長変換の後で発色団から多くの場合には再放出される環境への光子の損失を低下させることによってソーラーモジュールの太陽光集光効率をさらに高めるように設計される。表面における様々な微細構造（すなわち、角錐または円錐）を有する層は、太陽電池デバイスの光電変換層の中への光子の内部反射および内部屈折を増大させることができ、これにより、デバイスの太陽光集光効率をさらに高めることができる。
【００４９】
太陽光集光デバイスはまた、剛直性または柔軟性であってもよい。剛直性のデバイスには、シリコンに基づく太陽電池が含まれる。柔軟性のソーラーデバイスは有機薄膜から作製されることが多く、覆い、テントまたは他の柔軟な基体の表面において使用されることがある。したがって、１つの実施形態において、封入構造物を剛直性のデバイスまたは柔軟性のデバイスに適用することができる。
【００５０】
封入構造物の１つの実施形態が図１において例示され、これは、光学的に透明なポリマーマトリックスおよび少なくとも１つの発光性色素１０２を含む発光性波長変換物質１０１のフィルムを両側において電池セルに積層することによって封入されるただ１個だけの太陽電池デバイス１００を含む。ガラス皮膜またはプラスチック被膜を環境保護カバー１０３として使用することができ、また、側面には、封止テープ１０４が、酸素および水分の浸入を防止するためにかぶせられる。
【００５１】
封入構造物の別の実施形態が図２において例示される。図２は、光学的に透明なポリマーマトリックスおよび少なくとも１つの発光性色素１０２を含む発光性波長変換物質１０１のフィルムを両側において電池セルに積層することによって封入される複数の太陽電池デバイス１００を示す。この場合、ガラス皮膜またはプラスチック被膜が環境保護カバー１０３として使用され、また、側面には、封止テープ１０４が、酸素および水分の浸入を防止するためにかぶせられる。
【００５２】
封入構造物の別の実施形態が図３において例示される。図３は、純ポリマー封入材１０５を両側において電池セルに積層し、その後、発光性波長変換物質１０１を純ポリマー封入材の上部に積層することによって封入される複数の太陽電池デバイス１００を示す。発光性波長変換物質１０１は光学的に透明なポリマーマトリックスおよび少なくとも１つの発光性色素１０２を含み、かつ、この場合には、ガラス皮膜またはプラスチック被膜が環境保護カバー１０３として使用され、また、側面には、封止テープ１０４が、酸素および水分の浸入を防止するためにかぶせられる。
【００５３】
封入構造物の別の実施形態が図４において例示される。図４は、光学的に透明なポリマーマトリックスおよび少なくとも１つの発光性色素１０２を含む発光性波長変換物質１０１のフィルムを光入射面において電池セルに積層することによって封入される複数の太陽電池デバイス１００を示す。バックシート１０６が太陽電池の下部に使用され、ガラス皮膜またはプラスチック被膜が環境保護カバー１０３として使用され、また、側面には、封止テープ１０４が、酸素および水分の浸入を防止するためにかぶせられる。
【００５４】
封入構造物の別の実施形態が図５において例示される。図５は、純ポリマー封入材１０５を両側において電池セルに積層し、その後、発光性波長変換物質１０１を純ポリマー封入材の上部に積層することによって封入される複数の太陽電池デバイス１００を示す。発光性波長変換物質は光学的に透明なポリマーマトリックスおよび少なくとも１つの発光性色素１０２を含む。バックシート１０６が太陽電池の下部に使用され、ガラス皮膜またはプラスチック被膜が環境保護カバー１０３として使用され、また、側面には、封止テープ１０４が、酸素および水分の浸入を防止するためにかぶせられる。
【００５５】
封入構造物の別の実施形態が図６において例示される。図６は、純ポリマー封入材１０５を片側において電池セルに積層し、その後、発光性波長変換物質１０１を純ポリマー封入材の上部に積層することによって封入される複数の太陽電池デバイス１００を示す。発光性波長変換物質１０１は光学的に透明なポリマーマトリックスおよび少なくとも１つの発光性色素１０２を含む。さらなる純ポリマー封入材層１０５（これは、有害な高エネルギー放射線を遮断するためにＵＶ吸収剤を含有することができる）が発光性波長変換物質の上部に積層され、ガラス皮膜またはプラスチック被膜が環境保護カバー１０３として使用され、また、側面には、封止テープ１０４が、酸素および水分の浸入を防止するためにかぶせられる。
【００５６】
封入構造物の別の実施形態が図７において例示される。図７は、光学的に透明なポリマーマトリックスおよび少なくとも１つの発光性色素１０２を含む発光性波長変換物質１０１に封入されるただ１個だけの太陽電池デバイス１００を示す。この場合、発光性波長変換物質はまた、電池セルへの酸素および水分の浸透を妨げる、環境からの保護体として作用する。
【００５７】
封入構造物の別の実施形態が図８において例示される。図８は、光学的に透明なポリマーマトリックスおよび少なくとも１つの発光性色素１０２を含む発光性波長変換物質１０１に封入される複数の太陽電池デバイス１００を示す。この場合、発光性波長変換物質はまた、電池セルへの酸素および水分の浸透を妨げる、環境からの保護体として作用する。
【００５８】
封入構造物の別の実施形態が図９において例示される。図９は、純ポリマー封入材１０５を光入射側において電池セルに積層し、その後、発光性波長変換物質１０１を純ポリマー封入材の上部に積層することによって封入される複数の太陽電池デバイス１００を示す。発光性波長変換物質１０１は光学的に透明なポリマーマトリックスおよび少なくとも１つの発光性色素１０２を含み、かつ、この場合には、発光性波長変換物質はまた、電池セルへの酸素および水分の浸透を妨げる、環境からの保護体として作用する。ガラス皮膜またはプラスチック被膜が環境保護カバー１０３として使用され、また、側面には、封止テープ１０４が、酸素および水分の浸入を防止するためにかぶせられる。
【００５９】
封入構造物の別の実施形態が図１０において例示される。図１０は、数個の太陽電池デバイス１００、これらの太陽電池デバイスを封入する発光性波長変換物質１０１、環境保護カバー１０３として使用されるガラス製の底部シート１０３およびガラス製の上部シート１０３、底部のガラス製シートの下部に存在するバックシート１０６、ならびに、当該モジュールを一体的に保持するフレーム１０７により組み立てられるソーラーパネルを示す。
【００６０】
封入構造物の別の実施形態が図１１において例示される。図１１は、数個の太陽電池デバイス１００、これらの太陽電池デバイスを封入する発光性波長変換物質１０１、太陽電池デバイスの光入射面の下部に存在するバックシート１０６、当該モジュールの上部に接着されるガラス製の上部シート１０３、および、当該モジュールを一体的に保持するフレーム１０７により組み立てられるソーラーパネルを示す。
【００６１】
１つの実施形態において、少なくとも１つの発光性色素と、光学的に透明なポリマーマトリックスとを含む発光性波長変換物質は、最初に色素／ポリマー溶液を液体またはゲルの形態で合成すること、色素／ポリマー溶液を、標準的な塗布方法（例えば、スピンコーティングまたはドロップキャスティングなど）を使用して、取り外し可能な基体に配置される太陽電池マトリックスに塗布すること、その後、配合設計によって決定されるように、色素／ポリマー溶液を固体形態に硬化すること（すなわち、熱処理、ＵＶ暴露など）によって太陽電池デバイスに適用される。
【００６２】
別の実施形態において、少なくとも１つの発光性色素と、光学的に透明なポリマーマトリックスとを含む発光性波長変換物質は、最初に色素／ポリマーの薄いフィルムを合成すること、その後、色素／ポリマーの薄いフィルムを、光学的に透明かつ光安定な接着剤および／またはラミネーターを使用して太陽電池デバイスに接着することによって太陽電池デバイスに適用される。色素／ポリマーの薄いフィルムは、電池セルを完全に封入するために最初は太陽電池の上部に適用し、その後、太陽電池の底部に適用することができる。色素／ポリマーの薄いフィルムはまた、単に上部表面にだけ適用することができ、この場合、太陽電池の底部表面が基体（例えば、バックシートなど）に固定され、色素／ポリマーの薄いフィルムが、太陽電池の上部表面、および、太陽電池が取り付けられていない基体部分に対して適用される。
【００６３】
封入構造物を形成するための合成方法は限定されない。発光性波長変換物質のための合成方法は限定されず、しかし、下記において詳述されるスキーム１およびスキーム２として記載される実施例としての合成手順に従うことができる。
【００６４】
スキーム１：ＷＬＣ物質を形成するための湿式加工する一般的手順
１つの実施形態において、少なくとも１つの発光性色素１０２と、光学的に透明なポリマーマトリックスとを含む発光性波長変換物質１０１が、フィルム構造物に加工される。波長変換層が、（ｉ）ポリマー粉末が所定の比率で溶媒（例えば、テトラクロロエチレン（ＴＣＥ）、シクロペンタノン、ジオキサンなど）に溶解されているポリマー溶液を調製すること、（ｉｉ）ポリマー混合物を含有する発光性色素溶液を、このポリマー溶液を発光性色素と所定の重量比率で混合して、色素含有ポリマー溶液を得ることによって調製すること、（ｉｉｉ）色素／ポリマーフィルムを、色素含有ポリマー溶液をガラス基体の上に直接に流し込み、その後、基体を２時間で室温から１００℃まで熱処理し、残留溶媒を１３０℃での一晩のさらなる真空加熱によって完全に除くことによって形成すること、および、（ｉｖ）色素／ポリマーフィルムを水面下で剥がし、その後、使用前に、支えなしで立つポリマーフィルムを完全に乾燥することによって製造される；（ｖ）フィルムの厚さが、色素／ポリマー溶液の濃度および蒸発速度を変えることによって０．１μｍから１ｍｍまで制御され得る。
【００６５】
スキーム２：ＷＬＣ物質を形成するための乾式加工する一般的手順
１つの実施形態において、少なくとも１つの発光性色素１０２と、光学的に透明なポリマーマトリックスとを含む発光性波長変換物質１０１が、フィルム構造物に製造される。波長変換層が、（ｉ）ポリマー粉末またはポリマーペレットと、発光性色素粉末とを一緒に特定の温度においてミキサーによって所定の比率で混合すること、（ｉｉ）混合物を特定の温度において１時間〜８時間の間で脱気すること、（ｉｉｉ）その後、層を、押出し機を使用して形成することによって製造される；（ｖ）押出し機により、層の厚さが１μｍから〜１ｍｍまで制御される。
【００６６】
発光性波長変換封入フィルムが形成されると、発光性波長変換封入フィルムは、光学的に透明かつ光安定な接着剤を使用してソーラーモジュールデバイスに接着することができる。
【００６７】
本発明の様々な局面、および、関連技術を超えて達成される利点を要約するという目的のために、本発明の特定の目的および利点が本開示において記載される。当然のことではあるが、必ずしもすべてのそのような目的または利点が本発明のいずれかの特定の実施形態に従って達成されないことがあることを理解しなければならない。したがって、例えば、当業者は、本発明が、本明細書中に教示されるような１つの利点または一群の利点を、本明細書中に教示または示唆されるかもしれないような他の目的または利点を必ずしも達成することなく達成または最適化する様式で具体化または実施されるかもしれないことを認識する。
【００６８】
本発明のさらなる局面、特徴および利点が、下記の詳細な実施例から明らかになる。
【実施例】
【００６９】
本発明の実施形態が、本発明を限定することが意図されない好ましい実施形態に関して説明される。本開示においては、列挙されている置換基は、別途明記される場合を除き、さらなる置換された基および非置換の基の両方を含む。さらに、条件および／または構造が明記されない本開示においては、当業者は、そのような条件および／または構造を、日常的な実験のこととして、本明細書中の教示に照らして容易に提供することができる。
【００７０】
発光性色素の合成
化合物１および化合物２
発光性色素の合成を下記のスキームに従って行った：
【化６】
2013120926.tif 000007
【００７１】
４，７−ジブロモベンゾ［２，１，３］チアジアゾール（１３．２ｇ、４５ｍｍｏｌ）、４−（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）フェニルボロン酸（３０．０ｇ、１０４ｍｍｏｌ）、炭酸ナトリウム（２１．２ｇ、２００ｍｍｏｌ）の水（８０ｍＬ）における溶液、テトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウム（０）（５．０ｇ、４．３ｍｍｏｌ）、ｎ−ブタノール（８００ｍＬ）およびトルエン（４００ｍＬ）の混合物をアルゴン下で撹拌し、１００℃で２０時間加熱した。室温に冷却した後、混合物を水（６００ｍＬ）により希釈し、２時間撹拌した。最後に、反応混合物をトルエン（２Ｌ）により抽出し、揮発物を減圧下で除いた。残渣を、シリカゲルおよび溶離液としてのヘキサン／ジクロロメタン（１：１）を使用してクロマトグラフィー処理して、２６．９６ｇ（４３．３ｍｍｏｌ、９６％）の４，７−ビス［（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）フェニル）］ベンゾ［２，１，３］チアジアゾール（中間体Ａ）を得た。
【００７２】
アルゴン下で撹拌され、かつ、氷／水浴で冷却される中間体Ａ（２２．０ｇ、３５．３ｍｍｏｌ）のジクロロメタン（８００ｍＬ）における溶液に、４−ｔ−ブチルベンゾイルクロリド（９７．４ｍＬ、５００ｍｍｏｌ）と、塩化亜鉛のエチルエーテルにおける１Ｍ溶液（７００ｍＬ、７００ｍｍｏｌ）とを少量ずつ加えた。得られた混合物を４４℃で６８時間にわたって撹拌および加熱した。反応混合物を破砕氷（２ｋｇ）に注ぎ、撹拌し、飽和炭酸ナトリウムによりｐＨ８に処理し、ジクロロメタン（２Ｌ）により希釈し、大気圧下でフリットガラス漏斗でろ過した。ジクロロメタン層を分離し、硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒をエバポレーションした。残渣のカラムクロマトグラフィー（シリカゲル；ヘキサン／ジクロロメタン／酢酸エチル、４８：５０：２）、その後、エタノールからの再結晶により、純粋な発色性色素化合物１を第１の画分として得た：７．７２ｇ（２８％）。１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ３）：δ７．９４（ｄ、２Ｈ、Ｊ＝７．３Ｈｚ）、７．８７（ｄ、２Ｈ、Ｊ＝７．７Ｈｚ）、７．７４（ｍ、６Ｈ）、７．４７（ｄ、２Ｈ、Ｊ＝７．３Ｈｚ）、７．３６（ｔ、２Ｈ、Ｊ＝７．３Ｈｚ）、７．３１（ｄ、２Ｈ、Ｊ＝７．３Ｈｚ）、７．２７（ｍ、６Ｈ）、７．１９（ｍ、７Ｈ）、７．１３（ｄ、２Ｈ、Ｊ＝７．７Ｈｚ）、７．０６（ｔ、２Ｈ、Ｊ＝７．３Ｈｚ）、１．３５（ｓ、９Ｈ）。ＵＶ−ｖｉｓスペクトル：λｍａｘ＝４４８ｎｍ（ジクロロメタン）、４５６ｎｍ（ＰＶＢフィルム）。蛍光測定法：λｍａｘ＝６１８ｎｍ（ジクロロメタン）、５６２ｎｍ（ＰＶＢフィルム）。
【００７３】
第２の画分により、発色性色素化合物２を得た：１２．３５ｇ（３７％の収率）。１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ３）：δ７．９５（ｄ、４Ｈ、Ｊ＝８．４Ｈｚ）、７．７９〜７．７３（ｍ、１０Ｈ）、７．４８（ｄ、４Ｈ、Ｊ＝７．７Ｈｚ）、７．３６（ｔ、４Ｈ、Ｊ＝７．７Ｈｚ）、７．３１（ｄ、４Ｈ、Ｊ＝８．４Ｈｚ）、７．２５（ｄ、４Ｈ、Ｊ＝７．７Ｈｚ）、７．１８（ｔ、Ｊ＝７．３、２Ｈ、Ｐｈ）、７．１４（ｄ、４Ｈ、Ｊ＝８．８Ｈｚ）、１．３５（ｓ、１８Ｈ）。ＵＶ−ｖｉｓスペクトル：λｍａｘ＝４３７ｎｍ（ジクロロメタン）、４５５ｎｍ（ＰＶＢフィルム）。蛍光測定法：λｍａｘ＝６０７ｎｍ（ジクロロメタン）、５４７ｎｍ（ＰＶＢフィルム）。
【００７４】
実施例１
波長変換層が、（ｉ）ポリマー粉末がシクロペンタノンに溶解されている２０ｗｔ％のポリビニルブチラール（ＰＶＢ）（Ａｌｄｒｉｃｈ、受領時のまま使用）ポリマー溶液を調製すること、（ｉｉ）ＰＶＢマトリックスを含有する発光性色素を、ＰＶＢポリマー溶液を合成された化合物１と０．３ｗｔ％の重量比率（化合物１／ＰＶＢ）で混合して、発光性色素含有ポリマー溶液を得ることによって調製すること、（ｉｉｉ）色素／ポリマーフィルムを、色素含有ポリマー溶液をガラス基体の上に直接に流し込み、その後、基体を２時間で室温から１００℃まで熱処理し、残留溶媒を１３０℃での一晩のさらなる真空加熱によって完全に除くことによって形成すること、および、（ｉｖ）色素／ポリマーフィルムを水面下で剥がし、その後、使用前に、支えなしで立つポリマーフィルムを完全に乾燥することによって製造される。フィルムを完全に乾燥した後、フィルムは、厚さが約５００μｍである発光性波長変換シートに熱間プレスされる。
【００７５】
その後、１つの実施形態において、上記の発光性波長変換シート、市販の５インチの単結晶シリコン太陽電池、および、純ＰＶＢポリマー封入材が、図８に示される構造物と同様に、発光性波長変換シートを前表面として、真空中、１３０℃で、厚さが約３ｍｍのガラスシートの上に積層される。太陽電池の出力が積層化の前後で測定され、約１２．５％の相対的改善が達成される。
【００７６】
実施例２
実施例２が、実施例１で示されるのと同じ方法を使用して合成され、ただし、化合物２が化合物１の代わりに使用され、かつ、純エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）ポリマー封入材が純ＰＶＢポリマー封入材の代わりに使用される。太陽電池の出力が積層化の前後で測定され、約８．９％の相対的改善が認められる。
【００７７】
実施例３
実施例３が実施例２と同様に合成され、ただし、構造物が、図３に示される構造物と同様に、厚さが約３ｍｍの２枚のガラスシートの間に積層され、ただし、この場合、層の配列は下記の通りである：上部のガラスシート、発光性波長変換シート、純ＥＶＡポリマーに封入される太陽電池、および、底部のガラスシート。太陽電池の出力が積層化の前後で測定され、約７．５％の相対的改善が認められる。
【００７８】
実施例４
実施例４が実施例２と同様に合成され、ただし、構造物が、図５に示される構造物と同様に、厚さが約３ｍｍのガラスシートと、バックシート（Ｍａｄｉｃｏ，Ｉｎｃ．によって製造される２５４μｍの厚さのＭａｄｉｃｏ  Ｐｒｏｔｅｋｔ（登録商標）ＴＦＢ  ＰＶバックシート）との間に積層され、ただし、この場合、層の配列は下記の通りである：上部のガラスシート、発光性波長変換シート、純ＥＶＡポリマーに封入される太陽電池、および、バックシート。太陽電池の出力が積層化の前後で測定され、約７．８％の相対的改善が認められる。
【００７９】
本発明の目的は、太陽電池、光起電性デバイス、ソーラーモジュールおよびソーラーパネルを封入するために好適であり得る、発光性波長変換物質を含む封入構造物を提供することである。上記の実施例によって例示されるように、この物質の使用により、太陽電池の光変換効率が改善される。
【００８０】
本発明の様々な局面、および、関連技術を超えて達成される利点を要約するという目的のために、本発明のいくつかの目的および利点が本開示において記載される。当然のことではあるが、必ずしもすべてのそのような目的または利点が本発明のいずれかの特定の実施形態に従って達成されないことがあることを理解しなければならない。したがって、例えば、当業者は、本発明が、本明細書中に教示されるような１つの利点または一群の利点を、本明細書中に教示または示唆されるかもしれないような他の目的または利点を必ずしも達成することなく達成または最適化する様式で具体化または実施されるかもしれないことを認識する。数多くの様々な改変が、本発明の精神から逸脱することなく行われ得ることが、当業者によって理解される。したがって、本発明の上記形態は例示にすぎず、本発明の範囲を限定することが意図されないことを明瞭に理解しなければならない。
【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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【外国語明細書】
2013120926000001.pdf