CN116997633A - 荧光体和使用了它的太阳能电池模块 - Google Patents

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Abstract

一种荧光体，基材为二氧化硅粒子，相对于二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算，含有0.01～15摩尔的Eu、0.5～25摩尔的Al、0.1～2.0摩尔的碱土金属，碱土金属是Ca或Mg。

Description

荧光体和使用了它的太阳能电池模块
技术领域
本发明涉及荧光体和使用了它的太阳能电池模块。
背景技术
太阳能电池模块，一般在短波长区域的灵敏度特性低，不能有效利用阳光中包含的紫外线等短波长区域的光。将吸收此短波长区域的光，例如，发出可见光等长波长区域荧光的荧光体作为波长转换材料加以利用，使光电转换元件灵敏度特性高的长波长区域的光量增加，以提高太阳能电池模块效率的努力长期都在进行。
另一方面，太阳能电池模块的光电转换元件，由于长时间受到波长350nm以下高能量的紫外区域的光(以下，称为“紫外线”。)照射而劣化。因此，希望从到达光电转换元件的光中尽可能去除紫外线，一般在光电转换元件前面的充填材料中会调合有紫外线吸收剂。如果仅靠荧光体就能够充分吸收紫外线，则不需要使用紫外线吸收剂，但大多情况下，仅用荧光体并不能充分昅收紫外线，这种情况下，就需要荧光体和紫外线吸收剂并用。
因此，例如，在专利文献1中，通过形成在含有紫外线吸收剂的填充材料层的上部，配置含有荧光体的透明树脂所构成的荧光体片材这一结构，首先以上部的含荧光体的荧光体片材层吸收紫外线，发射荧光，再以下部的填充材料层吸收未能吸收完的紫外线。由此，试图使荧光体带来的高效率化和紫外线吸收剂进行的紫外线吸收并立。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018－182074号公报
发明内容
本发明的一个方式的荧光体，基材是二氧化硅粒子，相对于二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算，含有0.01～15摩尔的Eu、0.5～25摩尔的Al、0.1～2.0摩尔的碱土金属，碱土金属是Ca或Mg。
附图说明
图1是表示对实施方式1的荧光体照射365nm的激发光源时的发射光谱的图。
图2是表示实施方式1的太阳能电池模块10的剖面结构的剖面示意图。
图3A是表示在实施方式1的太阳能电池模块10的制造方法中，使荧光体均匀附着于含紫外线吸收剂树脂的状态的剖面结构的剖面示意图。
图3B是表示在实施方式1的太阳能电池模块10的制造方法中，将荧光体埋入含紫外线吸收剂树脂的状态的剖面结构的剖面示意图。
图4是表示实施例1至12的荧光体和使用了该荧光体的太阳能电池模块的相对输出及评价的表1。
图5是表示比较例1至9的荧光体和使用了该荧光体的太阳能电池模块的相对输出及评价的表2。
具体实施方式
荧光体和包埋荧光体的树脂，为了确保透明度而使用折射率近似的材料，但因为折射率并不完全一致，所以在荧光体埋入树脂的影响下，树脂的透明度降低，到达光电转换元件的阳光光量减少，由此导致太阳能电池模块的转换效率降低。因此，为了提高太阳能电池模块的转换效率，需要一种荧光体，其具有的发光高于由于将荧光体埋入树脂的影响造成树脂的透明度降低而发生的、到达光电转换元件的阳光的光量减少，但专利文献1所用的荧光体的发光并不充分。
因此，本发明其目的在于，解决所述现有课题，提供一种荧光体，其能够在用于太阳能电池模块时，使到达光电转换元件的可见光量增加。
第一个方式的荧光体，基材是二氧化硅粒子，相对于二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算，含有0.01～15摩尔的Eu、0.5～25摩尔的Al、0.1～2.0摩尔的碱土金属，碱土金属是Ca或Mg。
第二个方式的荧光体，根据上述第一方式，其中，相对于二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算，也可以含有1.5～4.0摩尔的Eu、10～20摩尔的Al。
第三个方式的荧光体，根据上述第一或第二方式，其中，二氧化硅粒子的平均粒径可以为5μm以上且50μm以下。
第四个方式的太阳能电池模块，具备：背板；防护玻璃；配置在背板与防护玻璃之间的第一填充材料层；配置在防护玻璃与第一填充材料层之间的第二填充材料层；配置在第一填充材料层与第二填充材料层之间的电极；配置在第一填充材料层与第二填充材料层之间，与电极连接的光电转换元件，第二填充材料层，包括含紫外线吸收剂树脂和上述第一至第三任意一个方式中的荧光体。
以下，参照附图，对于实施方式的荧光体和太阳能电池模块进行详述。
(实施方式1)
图1是表示实施方式1的荧光体照射365nm的激发光源时的发射光谱的图。荧光体为，基材是二氧化硅粒子，相对于二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算，含有0.01～15摩尔的Eu、0.5～25摩尔的Al、0.1～2.0摩尔的碱土金属。碱土金属是Ca或Mg。荧光体若照射356nm的紫外线区域的光，则显示在450nm附近具有峰值的青色发光。
根据实施方式1的荧光体，因为基体是二氧化硅粒子，所以与用于太阳能电池模块的树脂的折射率差异小，因此能够确保树脂的透明度。因此，即使用于太阳能电池模块时，透射至光电转换元件的可见光量也会增加，能够提供高效率的太阳能电池模块。
图2是表示实施方式1的太阳能电池模块10的剖面结构的剖面示意图。关于图2是太阳能电池模块结构的一例。
太阳能电池模块10，具有按顺序层叠背板2、第一填充材料层3、光电转换元件5、第二填充材料层6、防护玻璃7而成的结构。由第一填充材料层3保护光电转换元件5的背面。光电转换元件5与电极4电连接。第二填充材料层6，由荧光体1和含紫外线吸收剂树脂8构成，荧光体1具有配置在第二填充材料层6的上端的结构。换言之，第一填充材料层3配置在背板2与防护玻璃7之间。第二填充材料层6，配置在防护玻璃7与第一填充材料层3之间。电极4配置在第一填充材料层3与第二填充材料层6之间。光电转换元件5，配置在第一填充材料层3与第二填充材料层6之间。
以图2的太阳能电池模块10为例，说明阳光入射太阳能电池模块10直至到达光电转换元件5的过程。
a)阳光首先透过防护玻璃7，到达第二填充材料层6。
b)配置在第二填充材料层6上端的荧光体1碰到阳光，将紫外线置换成可见光，未转换完的紫外线被构成第二填充材料层6的含紫外线吸收剂树脂8所含的紫外线吸收剂吸收，可见光透过第二填充材料层6到达光电转换元件5。
在实施方式1的荧光体1中，由于阳光射到荧光体1上，能够将紫外线转换成可见光的量多，所以能够更多地发送光电转换元件5的灵敏度特性高的可见光。
＜荧光体＞
荧光体1是吸收短波长区域的光，发射长波长区域的荧光的波长转换材料。荧光体1以二氧化硅粒子作为基材，含有作为发光中心的Eu、Al、碱土金属，碱土金属是Ca或Mg。
Eu的含量，相对于二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算为0.01～15摩尔。还有，Eu过多，发光强度也是饱和，另一方面，Eu的浓度变高会引起浓度猝灭，从而可能发生发光强度降低等。更优选为1.5～4.0摩尔。由此，能够更充分地发挥发光强度。
Al的含量，相对于二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算为0.5～25摩尔。Al过多，发光强度也是饱和，另一方面，有由于荧光体基材的晶体结构变化导致的发光强度的降低等发生的情况。另外Al过少，也无法对发光中心周围的晶体结构造成影响，不能发挥充分的发光强度。更优选为10～20摩尔。由此，能够更充分地发挥发光强度。
碱土金属的含量，相对于二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算为0.1～2.0摩尔。还有，若碱土金属过多，则由于荧光体基体的晶体结构变化而引起发光强度降低等发生。
二氧化硅粒子，主要成分是硅石即二氧化硅，因此其折射率大于1.49并小于1.51。因此，作为含紫外线吸收剂树脂8的基体的充填材树脂是乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯时，具有与之近似的折射率，可以使透明度提高。
荧光体1的二氧化硅粒子的平均粒径优选为5μm以上且50μm以下。小于5μm时，粒子容易凝聚，如果凝聚，则使空气进入此粒子间，在其界面发生光散射。另外大于50μm时，粒子形成的光散射变大。光的散射越大，第二填充材料层6的透明度越受损，妨碍效率提高。在本实施方式中，荧光体1的二氧化硅粒子的平均粒径，是根据个数基准的粒度分布计算的，为中值粒径D50的值。另外，从荧光体1均匀分散这一观点出发，优选为球形粒子。
作为此荧光体1，从吸收光电转换元件5的灵敏度特性低的短波长区域的光，并作为荧光而发射灵敏度特性高的长波长区域的光，以使效率提高这一观点出发，优选吸收400nm以下的紫外光，发射波长比400nm长的荧光。
＜背板＞
背板2是保护构件，用于防止水或异物从太阳能电池模块10的背面渗透到内部，例如能够使用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜等。
＜含紫外线吸收剂树脂＞
含紫外线吸收剂树脂8，由调合有紫外线吸收剂的透明树脂构成。
＜透明树脂＞
作为透明树脂，能够使用聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚物、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸苯乙烯聚合物、醋酸纤维素、聚碳酸酯、聚酯、PET、偏三氟乙烯、环氧树脂、硅树脂、聚醚砜、环烯烃、三乙酸酯等，其能够单独使用，也可以混合两种以上使用。
作为透明树脂的厚度，优选为100μm以上且1000μm以下。若比100μm薄，则无法充分吸收未被荧光体1吸收的紫外线，不能抑制紫外线对光电转换元件5造成损伤。比1000μm厚时，透明树脂自身对可见区域光的吸收增大，成为使光电转换元件5的转换效率降低的原因，不为优选。
＜紫外线吸收剂＞
作为透明树脂中含有的紫外线吸收剂，并非受组成、体系的限定，但能够使用吸收波长的峰值为波长300nm以上且400nm以下的。若吸收波长的峰值处于比波长300nm短的波长侧，则不能充分吸收未被荧光体1吸收的紫外线的波长，紫外线对光电转换元件5造成的损伤变大。若吸收波长的峰值处于比波长400nm长的波长侧，则脱离了通过荧光体1的紫外线的波长区域，由此难以保护光电转换元件5避免紫外线的伤害。此外，也会吸收荧光体1发出的长波长区域的光，阻碍荧光体1转换的输出提高。作为紫外线吸收剂，从透明度高这一观点出发，优选使用三嗪系化合物、苯并三唑系化合物、二苯甲酮系化合物等所代表的有机系紫外线吸收剂。紫外线吸收剂可以单独使用一种，也可以两种以上并用。
作为紫外线吸收剂的添加量，以300nm至400nm吸收波长的透射率低于5％的方式决定调合量即可。
＜电极＞
光电转换元件5由电极4电接合。作为电极4，能够使用公知的金属材料或合金金属。电极4可以包括一对电极4。可以由这一对电极4得到来自光电转换元件5的输出。另外，将多个光电转换元件5相互连接时，在串联或并联的各情况下，都是以能够获得输出的方式与一对电极4连接。
＜光电转换元件＞
光电转换元件5，能够使用单晶硅系、多晶硅系、非晶硅系等硅半导体，或砷化镓、碲化镉等化合物半导体。光电转换元件5，也可以包括电连接的多个光电转换元件5。使用多个光电转换元件5时，串联连接或并联连接均可。
＜防护玻璃＞
防护玻璃7，能够使用具有透光性和阻水性的公知板状玻璃。
＜第一填充材料层＞
作为保护光电转换元件5背面的第一填充材料层3，可以单独使用乙烯-醋酸乙烯共聚物、双酚环氧树脂固化物、聚乙烯、丙烯酸树脂、硅树脂、聚碳酸酯树脂等。另外，也可以将其两种以上混合使用。
＜第二填充材料层＞
第二填充材料层6，是在含紫外线吸收剂树脂8中多个荧光体1偏在的片。优选为，使荧光体1在含紫外线吸收剂树脂8的防护玻璃7侧、换言之就是光的入射面侧偏在的结构。
(荧光体的制作方法)
说明实施方式1的荧光体1的制造过程。
(1)首先，准备含有希望浓度的Eu、Al和碱土金属的水溶液，在二氧化硅粒中，相对于二氧化硅粒子100摩尔而添加希望摩尔量的各水溶液，在烧杯内搅拌，混合约1分钟，放置2小时。因为二氧化硅粒子是多孔结构，所以在渗透压下，水溶液渗透到内部，各元素从二氧化硅粒子的周围渗入到内部。
(2)其次，用真空过滤装置，过滤渗入了各元素的二氧化硅粒子，将取出的粒子放入干燥炉，进行120℃干燥而去除水分。其后，用还原气氛的烧成炉以1000℃进行4小时焙烧。烧成温度在1100℃以下进行。优选为900℃以上，更优选为900℃以上。
由此，能够制造具有吸收短波长区域的光，发射长波长区域的荧光的波长转换功能的荧光体1。
(太阳能电池模块的制造方法)
说明实施方式1的太阳能电池模块10的制造过程。
(1)首先，制作含紫外线吸收剂树脂8。在热熔解的透明树脂中调合紫外线吸收剂，通过混炼这样公知的方法，先使紫外线吸收剂溶解或分解，再通过辊拉伸或热挤压制作形成为片状的含紫外线吸收剂树脂8。例如，将1g二苯甲酮系的紫外线吸收剂添加到200g乙烯-醋酸乙烯共聚物中，在加热到120℃的行星搅拌机内，以100rpm混合约30分钟。再将混合物用加热到120℃的热压机，在一定厚度的不锈钢垫片上进行间隙调整，挤压冷却，由此制作含紫外线吸收剂树脂8。
(2)其次，准备粒子状的荧光体1和含紫外线吸收剂树脂8，制作荧光体1偏在的第二填充材料层6。使适当量的荧光体1附着于含紫外线吸收剂树脂8，例如用刮铲状的板端或橡皮滚子、或者刷毛等均匀地进行分布(图3A)。这时，荧光体1因静电力或物理吸附等而稳定附着于含紫外线吸收剂树脂8。此外，对于其表面均匀附着并保持有荧光体1的含紫外线吸收剂树脂8，一边以垫片等维持一定的间隙一边进行热挤压。由此，能够使附着于表面的粒子状的荧光体1埋入含紫外线吸收剂树脂8中，可作为第二填充材料层6(图3B)。另外，从一边加热，一边将荧光体1埋入含紫外线吸收剂树脂8内这一观点出发，无需限定于热挤压，也可以使用热辊轧法等。
(3)接着，说明将第二填充材料层6与其他构件一起层压，得到太阳能电池模块的工序。在此工序中，将背板2、第一填充材料层3、由电极4电连接的光电转换元件5、以上述方式制作的第二填充材料层6、防护玻璃7，按上述顺序重叠而进行层压处理，制作太阳能电池模块10。
以下，对于实施例和比较例具体说明。
(实施例1)
实施例1中，制作荧光体1，使其基材为二氧化硅粒子，并含有Eu、Al和作为碱土金属的Ca。
(1)首先，使含Eu的硝酸铕、含Al的硝酸铝、含Ca的硝酸钙溶解于离子交换水，分别制备1mol/L的硝酸盐水溶液。在平均粒径为10μm的二氧化硅粒子中，分别添加1mol/L的硝酸铕水溶液、1mol/L的硝酸铝水溶液和1mol/L的硝酸钙水溶液，分别相对于二氧化硅100摩尔为2.0摩尔、15摩尔和1.5摩尔，在烧杯内搅拌，混合约1分钟，放置2小时，使Eu、Al和Ca渗入到二氧化硅粒子的内部。
(2)其后，使用真空过滤装置，过滤渗入有Eu、Al和Ca的二氧化硅粒子，用干燥炉以120℃干燥取出的粒子，去除水分。
(3)之后，用还原气氛的烧成炉以1000℃进行4小时焙烧，制造荧光体1，其含有Eu、Al和Ca分别相对于二氧化硅100摩尔为2.0摩尔、15摩尔和1.5摩尔。
接着，使用上述制作的荧光体，制作评价用的太阳能电池模块。
(a)作为紫外线吸收剂，将1g二苯甲酮系的紫外线吸收剂的2,4－二羟基苯甲酮添加到200g低密度聚乙烯中，在加热至150℃的行星搅拌机内，以100rpm混合约30分钟，用加热到150℃的热压机，对于混合物在550μm的不锈钢垫片上进行间隙调整，经挤压，冷却，成为含紫外线吸收剂树脂8。
(b)使荧光体1以每1cm2上500μg的量附着于含紫外线吸收剂树脂8，使用加热至150℃的热压机，在不锈钢垫片上进行间隙调整，将多个粒状的荧光体1埋入含紫外线吸收剂树脂8的表面附近。由此作为第二填充材料层6。
(c)另外，按照防护玻璃7、将荧光体1的集中分散区域配置在防护玻璃7侧的第二填充材料层6、由电极4相互连接的光电转换元件5、第一填充材料层3、背板2的顺序重叠层压，由此制成评价用模块。
(实施例2～4)
实施例2除了荧光体1的Ca含量为0.1摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
实施例3除了荧光体1的Ca含量为2.0摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
实施例4除了碱土金属为Mg这一点以外，均与实施例1同样。
实施例5除了荧光体1的Mg含量为0.1摩尔这一点以外，均与实施例4同样。
实施例6除了荧光体1的Mg含量为2.0摩尔这一点以外，均与实施例4同样。
实施例7除了荧光体1的Eu含量为0.01摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
实施例8除了荧光体1的Eu含量为15摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
实施例9除了荧光体1的Al含量为0.5摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
实施例10除了荧光体1的Al含量为25摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
实施例11除了荧光体1的二氧化硅粒子的平均粒径为5μm这一点以外，均与实施例1同样。
实施例12除了荧光体1的二氧化硅粒子的平均粒径为50μm这一点以外，均与实施例1同样。
(比较例2～4)
比较例1除了不含碱土金属这一点以外，均与实施例1同样。
比较例2除了荧光体1的Ca含量为0.05摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
比较例3除了荧光体1的Ca含量为2.2摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
比较例4除了荧光体1的Mg含量为0.05摩尔这一点以外，均与实施例4同样。
比较例5除了荧光体1的Mg含量为2.2摩尔这一点以外，均与实施例4同样。
比较例6除了荧光体1的Eu含量为0.008摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
比较例7除了荧光体1的Eu含量为16摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
比较例8除了荧光体1的Al含量为0.45摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
比较例9除了荧光体1的Al含量为26摩尔这一点以外，均与实施例1同样。
图4是表示实施例1至12的荧光体和使用了该荧光体的太阳能电池模块的相对输出和评价的表1。图5是表示比较例1至9的荧光体和使用了该荧光体的太阳能电池模块的相对输出和评价的表2。
(输出值)
对于所制作的各个太阳能电池模块评价用模块，测量模拟太阳光的氙(Xe)灯光照射时的输出，求得相对于比较例1的输出值的相对输出值。相对输出值的计算，根据相对输出值＝测量输出值/比较例1的输出值这一算式计算。
相对输出值为1.5以上时，太阳能电池模块可以作为商品实用化，因此输出值为非常优异的范围，如果在1.2以上且低于1.5，则荧光体显示出的发光，高于因其埋入树脂的影响导致的树脂透明度降低，从而发生的到达光电转换元件的阳光的光量减少，因此输出值为优异的范围，低于1.2为输出值提高差的范围。
根据表1的实施例和表2的比较例的结果可知如下。
通过实施例1、2、3、4、5、6与比较例1的对比，可知含有碱土金属时，太阳能电池模块10的输出值提高。
通过实施例1、2、3与比较例2、3的对比可知，作为碱土金属而含有0.1～2.0摩尔的Ca时，太阳能电池模块10的输出值提高。
通过实施例4、5、6与比较例4、5的对比可知，作为碱土金属而含有0.1～2.0摩尔的Mg时，太阳能电池模块10的输出值提高。
通过实施例1、7、8与比较例6、7的对比可知，含有0.01～15摩尔的Eu时，太阳能电池模块10的输出值提高，此外通过实施例1与实施例7、8的对比可知，含有1.5～4.0摩尔的Eu时，太阳能电池模块10的输出值进一步提高。
通过实施例1、9、10与比较例8、9的对比可知，含有0.5～25摩尔的Al时，太阳能电池模块10的输出值提高，此外通过实施例1与实施例9、10的对比可知，含有10～20摩尔的Eu时，太阳能电池模块10的输出值进一步提高。
由实施例1、11、12可知，二氧化硅粒子的平均粒径为5μm以上且50μm以下时，太阳能电池模块10的输出值变高。二氧化硅粒子的平均粒径小于5μm时，粒子彼此凝聚，与树脂混合时，透明度下降，成为输出值降低的要因。此外，大于50μm时，与树脂混合时发生漫反射，透明度下降，成为输出值降低的要因。因此，优选二氧化硅粒子的平均粒径为5μm以上且50μm以下。
如上，根据本发明的一个方式的荧光体，因其具有非常高的发光，所以能够更多地发送光电转换元件的灵敏度特性高的可见光，另外，因为荧光体的基体是二氧化硅粒子，所以与树脂的折射率差小，因而能够确保树脂的透明度。因此，透射到光电转换元件的可见光量增加，能够提供高效率的太阳能电池模块。
还有，在本发明中，包括前述各实施方式和/或实施例之中的任意实施方式和/或实施例的适宜组合，能够起到各个实施方式和/或实施例具有的效果。
产业上的可利用性
以上，如所说明的，本发明的一个方式的荧光体，具有非常高的发光，且与树脂的折射率差异小，作为太阳能电池模块的波长转换材料优异，因此工业上的可利用性高。
符号说明
1荧光体
2背板
3第一填充材料层
4电极
5光电转换元件
6第二填充材料层
7防护玻璃
8含紫外线吸收剂树脂
10太阳能电池模块

Claims (4)

1.一种荧光体，其中，基材是二氧化硅粒子，
相对于所述二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算计，含有
0.01～15摩尔的Eu、
0.5～25摩尔的Al、
0.1～2.0摩尔的碱土金属，
所述碱土金属是Ca或Mg。
2.根据权利要求1所述的荧光体，其中，
相对于所述二氧化硅粒子100摩尔，以金属元素换算计，含有
1.5～4.0摩尔的所述Eu、
10～20摩尔的所述Al。
3.根据权利要求1所述的荧光体，其中，所述二氧化硅粒子的平均粒径为5μm以上且50μm以下。
4.一种太阳能电池模块，其具备：
背板；
防护玻璃；
配置在所述背板与所述防护玻璃之间的第一填充材料层；
配置在所述防护玻璃与所述第一填充材料层之间的第二填充材料层；
配置在所述第一填充材料层与所述第二填充材料层之间的电极；
配置在所述第一填充材料层与所述第二填充材料层之间的、与所述电极连接的光电转换元件，
所述第二填充材料层，包括含紫外线吸收剂树脂和权利要求1至3中任一项记载的所述荧光体。
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