JP2008091531A - 太陽電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】凹凸構造を有する光起電力素子において、保護層の内部応力が低減され、耐候性を向上させる太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】太陽電池モジュールは、光入射面に凹凸面を有する光電変換部１０１と、凹凸面を覆って設けられた、樹脂からなる保護層１０とを備える。保護層１０の、光の入射方向に平行な断面において、凹凸面の凹部の厚さＷ１よりも、凹凸面の凸部の厚さＷ２の方が薄い。
【選択図】図２

Description

本発明は、光入射面に凹凸面を有する光電変換部を備える太陽電池モジュールに関する。
太陽電池モジュールは、一般に単結晶シリコンや多結晶シリコン等の結晶系半導体材料、非晶質シリコンに代表される非晶質半導体材料、或いはＧａＡｓやＣｕＩｎＳｅ等の化合物半導体材料を用いて構成されたｐｎ接合或いはｐｉｎ接合を含む多層構造からなる光電変換部を有しており、光の入射によりこの光電変換部中で生成された電子・正孔対を一対の電極を介して外部に取り出すように構成されている。
又、この光電変換部の表面を保護する目的などで、光電変換部上に保護層を形成することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。保護層を形成することで、光起電力素子の表面部における傷を抑制したり、水分、紫外線などから光起電力素子が劣化することを抑制したりすることができる。
一方、保護層の持つ応力によって光起電力素子が反るなどの問題が生じている。このため、保護層には応力の少ない材料を用いることが望まれるが、その手法として、保護層に微粒子を添加する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。又、微粒子の添加により生じる密着力低下を抑制するために、保護層の深さ方向の微粒子濃度を変更する技術が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００２−３３５００２号公報 特開２０００−２６１０１０号公報 特許第２７５６０５０号公報
現在、光電変換部の受光面にテクスチャと呼ばれる凹凸面を有した太陽電池モジュールが開発されており、この凹凸面で入射光を散乱させることで、光電変換部内に入射した光の光路長を増大させ、光電変換効率の向上を図っている。
このような凹凸構造を有する光起電力素子では、その形状によって応力や密着力の影響が異なってくるため、凹凸構造に適した保護層の形成が望まれている。
そこで、本発明は、上記の問題に鑑み、凹凸構造を有する光起電力素子において、保護層の内部応力が低減され、耐候性を向上させる太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明の特徴は、光入射面に凹凸面を有する光電変換部と、凹凸面を覆って設けられた、樹脂からなる保護層とを備え、保護層の、光の入射方向に平行な断面において、凹凸面の凹部の厚さよりも、凹凸面の凸部の厚さの方が薄い太陽電池モジュールであることを特徴とする。
本発明の特徴に係る太陽電池モジュールによると、凸部の膜厚が薄いので、凸部の応力を低減することができるため、光起電力素子の反り及び剥離が低減され、耐候性を向上させることができる。
又、本発明の特徴に係る太陽電池モジュールにおいて、保護層は、少なくとも凹部において微粒子を含み、当該凹部に配置された微粒子は、保護層の光入射側よりも光電変換部側に多く配置されていることが好ましい。
この太陽電池モジュールによると、保護層凹部の底面に微粒子が多く配置されることにより、凹部の底面層が応力緩和層として機能し、光起電力素子にかかる応力を緩和することができる。
又、本発明の特徴に係る太陽電池モジュールにおいて、保護層の凹部に含まれる硬化剤の量は、保護層の光入射側よりも光電変換部側の方が少ないことが好ましい。
この太陽電池モジュールによると、保護層凹部の底面において硬化剤をあまり含まないことにより、凹部の底面層が応力緩和層として機能し、光起電力素子にかかる応力を緩和することができる。
又、本発明の特徴に係る太陽電池モジュールにおいて、保護層は微粒子を含み、保護層の、光の入射方向に平行な断面において、凹凸面の凹部を中心とした単位長さ当たりの第１領域に含まれる微粒子の数を当該第１領域の面積で除算した値よりも、凹凸面の凸部を中心とした単位長さ当たりの第２領域に含まれる微粒子の数を当該第２領域で除算した値の方が小さいことが好ましい。
この太陽電池モジュールによると、凹部に微粒子が多く配置されることにより、光起電力素子の反りが抑制されるとともに、凸部における擦り耐性の低下を抑制することができる。
又、本発明の特徴に係る太陽電池モジュールにおいて、保護層の凹部において、当該保護層を形成する樹脂に空孔が含まれていることが好ましい。
この太陽電池モジュールによると、空孔がエアクッションとなり、応力を緩和することができる。
本発明によると、凹凸構造を有する光起電力素子において、保護層の内部応力が低減され、耐候性を向上させる太陽電池モジュールを提供することができる。
次に、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
（光起電力素子）
本発明の実施の形態に係る光起電力素子について、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る光起電力素子１００の構造を説明するための模式的断面図である。基板１は、ｎ型の単結晶シリコン基板であり、受光面１Ａにテクスチャ面を有している。基板１の受光面１Ａ上には、厚み１０ｎｍ程度のｉ型非晶質シリコン層２、厚み１０ｎｍ程度のｐ型非晶質シリコン層３、厚み１００ｎｍ程度のＩＴＯからなる受光面側透明電極層４が順次積層されており、入射光は、受光面側透明電極層４側から入射する。基板１が受光面１Ａにテクスチャ面を有しているため、受光面１Ａ上に積層されるｉ型非晶質シリコン層２、ｐ型非晶質シリコン層３及び受光面側透明電極層４の受光面にも、基板１の受光面１Ａに形成されたテクスチャ面の形状を反映した凹凸面が形成されている。又、受光面側透明電極層４の受光面には、部分的にＡｇペースト等の導電性ペーストからなる集電用の受光面側電極５が形成されている。
単結晶シリコン基板１の背面１Ｂは、テクスチャ面を有しており、背面１Ｂ上には厚み１０ｎｍ程度のｉ型非晶質シリコン層６、厚み１０ｎｍ程度のｎ型非晶質シリコン層７、厚み１００ｎｍ程度のＩＴＯからなる背面側透明電極層８が順次積層されている。又、背面側透明電極層８の表面には、部分的にＡｇペースト等の導電性ペーストからなる集電用の背面側電極９が形成されている。
又、光電変換部１０１は、受光面側透明電極層４、ｐ型非晶質シリコン層３、ｉ型非晶質シリコン層２、ｎ型単結晶シリコン基板１、ｉ型非晶質シリコン層６、ｎ型非晶質シリコン層７、背面側透明電極層８の積層体から構成されている。そして、この光電変換部１０１の受光面に相当する受光面側透明電極層４の受光面４Ａは凹凸面を有している。
光電変換部１０１の受光面４Ａには、受光面側電極５の表面を含んで受光面４Ａを覆うように受光面側保護層１０が設けられている。
次に、本実施形態に係る太陽電池における受光面側保護層１０の構成について、図２を参照して詳細に説明する。図２は、図１に示した光起電力素子１００における光電変換部１０１の受光面４Ａ付近の断面構造を拡大して示す模式的断面図である。
図２に示すように、光電変換部１０１の受光面４Ａは凹凸面を有しており、この凹凸面の表面の全面を覆うように受光面側保護層１０が形成されている。受光面側保護層１０は、光の入射方向に平行な断面において、凹凸面の凹部の厚さＷ１よりも、凹凸面の凸部の厚さＷ２の方が薄い。
又、受光面側保護層１０は、その内部に、少なくとも凹部において複数の微粒子を含有してもよい。当該凹部に配置された微粒子は、受光面側保護層１０の光入射側よりも光電変換部１０１側に多く配置されている。
又、受光面側保護層１０は、その内部全体に渡って複数の微粒子を含有してもよい。このとき、図３に示すように、受光面側保護層１０の、光の入射方向に平行な断面において、凹凸面の凹部を中心とした単位長さ当たり（Ｌ＋Ｌ＝２Ｌ）の第１領域に含まれる微粒子の数を第１領域の面積Ａ１で除算した値よりも、凹凸面の凸部を中心とした単位長さ当たり（Ｌ＋Ｌ＝２Ｌ）の第２領域に含まれる微粒子の数を第２領域の面積Ａ２で除算した値の方が小さい。尚、ここでは凸部〜凹部までの距離を１０Ｌとしている。又、以下において、凹部あるいは凸部を中心とした単位長さあたりの領域に含まれる微粒子の数を当該領域の面積で除算した値を「数密度」と定義する。
この受光面側保護層１０の内部に配置される微粒子としては、保護層１０の膨張係数よりも比較的小さい膨張係数を有する粒子が適している。材質としては、ＺｎＯ、ＳｉＯ2、ＩＴＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3等の透光性材料からなる粒子を用いることができるが、特に、金属酸化物からなる微粒子を用いることで、微粒子の可視光吸収を抑制することができるので好適である。更に、ＺｎＯ、ＴｉＯ2などを用いることにより、紫外線を吸収することができるので、受光面側保護層１０以下の光電変換部１０１おける紫外線に由来する変色などの劣化を抑制することができる。この結果、耐候性を更に向上させることができる。
又、微粒子の大きさは、受光面側保護層１０の膜厚の１０％以下の粒径が好ましく、特に２０〜８０ｎｍ程度の粒径が光散乱の効果も見られるため、更に望ましい。
又、受光面側保護層１０を形成する樹脂としては、アクリル樹脂等の透光性を有する有機系の材料が用いられる。又、その他、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などを用いてもよく、複数の樹脂を混合してもよい。ここで、樹脂には硬化剤が含まれるが、受光面側保護層１０の凹部に含まれる硬化剤の量は、保護層の光入射側よりも光電変換部１０１側の方が少ないことが好ましい。
又、受光面側保護層１０は、粘度の異なる樹脂を積層することにより、受光面側保護層１０内で粘度を変化させてもよい。そして、受光面側保護層１０の凹部において、当該保護層を形成する樹脂の粘度は、光入射側よりも光電変換部１０１側の方が小さいことが好ましい。
又、受光面側保護層１０の凹部において、当該保護層を形成する樹脂に空孔が含まれてもよい。
（太陽電池モジュール）
次に、上述した光起電力素子を用いた太陽電池モジュールについて図４に示す断面図を参照して説明する。
太陽電池モジュール２００は、図４に示すように、上述した光起電力素子１００と、光起電力素子１００の光入射側に配置された受光面側透光性部材２１と、光起電力素子１００の光入射側と反対側に配置された背面側部材２３と、受光面側透光性部材２１と背面側部材２３との間に配置され、光起電力素子１００を封止する樹脂２２とを備える。光起電力素子１００は、受光面に凹凸面を有する光電変換部１０１と、凹凸面を覆って設けられた受光面側保護層１０とを有している。
受光面側透光性部材２１は、例えば、ガラスやプラスチック等の透光性の材料からなる。背面側部材２３は、例えば、金属やプラスチック、樹脂フィルム、ガラス等の部材からなる。そして、複数の光起電力素子１００は、図示しない配線部材により電気的に直列或いは並列に接続され、受光面側透光性部材２１と背面側部材２３との間で、透光性を有する封止用の樹脂層２２により封止されている。
（作用及び効果）
本実施形態に係る太陽電池モジュールは、図２に示すように、受光面側保護層１０の、光の入射方向に平行な断面において、凹凸面の凹部の厚さＷ１よりも、凹凸面の凸部の厚さＷ２の方が薄い。従来の太陽電池モジュールのように、凹部と凸部の厚さが同じであると、図５に示すように、樹脂の膨張等による保護層内の応力は、光電変換部との界面に沿って上向きで発生し、凸部において光電変換部から保護層が剥離する場合がある。本実施形態においては、凸部の膜厚が薄いので、凸部の応力を低減することができるため、光起電力素子の反り及び剥離が低減され、その結果、耐候性を向上させることができる。
又、本実施形態に係る太陽電池モジュールにおいて、受光面側保護層１０は、少なくとも凹部において微粒子を含み、当該凹部に配置された微粒子は、保護層の光入射側よりも光電変換部１０１側に多く配置されていることが好ましい。このように、保護層凹部の底面に微粒子が多く配置されることにより、凹部の底面層が応力緩和層として機能し、光起電力素子にかかる応力を緩和することができる。ここで、微粒子は、バインダーの膨張係数よりも比較的小さな膨張係数を有する。このような微粒子は、特開平５−２５３２４号公報等に記載されている。
又、本実施形態に係る太陽電池モジュールにおいて、受光面側保護層１０の凹部に含まれる硬化剤の量は、保護層の光入射側よりも光電変換部側の方が少ないことが好ましい。このように、保護層凹部の底面において硬化剤をあまり含まないことにより、凹部の底面層が応力緩和層として機能し、光起電力素子にかかる応力を緩和することができる。
又、本実施形態に係る太陽電池モジュールにおいて、受光面側保護層１０の凹部において、当該保護層を形成する樹脂の粘度は、保護層の光入射側よりも光電変換部側の方が小さいことが好ましい。このように、保護層凹部の底面における樹脂の粘度が低いことにより、凹部の底面層が応力緩和層として機能し、光起電力素子にかかる応力を緩和することができる。
又、本実施形態に係る太陽電池モジュールにおいて、受光面側保護層１０は微粒子を含み、保護層の、光の入射方向に平行な断面において、凹凸面の凹部を中心とした単位長さ当たりの第１領域に含まれる微粒子の数を当該第１領域の面積で除算した値よりも、凹凸面の凸部を中心とした単位長さ当たりの第２領域に含まれる微粒子の数を当該第２領域で除算した値の方が小さいことが好ましい。このように、凹部に微粒子が多く配置されることにより、光起電力素子の反りが抑制されるとともに、凸部における擦り耐性の低下を抑制することができる。尚、擦り耐性とは、太陽電池モジュールの持ち運び等によって、凸部が擦れることに対する耐性をいう。
又、本実施形態に係る太陽電池モジュールにおいて、受光面側保護層１０の凹部において、当該保護層を形成する樹脂に空孔が含まれていることが好ましい。このように、空孔を配置することにより、空孔がエアクッションとなり、応力を緩和することができる。
（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、本実施形態に係る太陽電池モジュールの構成として、図１に光電変換部１０１の構成を示したが、光電変換部１０１の構成は図１に示すものに限らず、単結晶シリコン或いは多結晶シリコン太陽電池等の結晶系半導体からなる内部にｐｎ接合を有するもの、非晶質シリコンや微結晶シリコン等の薄膜半導体からなる内部にｐｉｎ接合を有するもの等、周知の構成を用いることができる。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
以下、本発明に係る薄膜系太陽電池モジュールについて、実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施することができるものである。
（太陽電池モジュールの作製方法）
本発明の実施例に係る太陽電池モジュールの作製方法について、以下に説明する。
比抵抗が約１Ω・ｃｍ、厚さが３００μｍのｎ型（１００）単結晶シリコンウェーハを通常洗浄して不純物を除去し、公知のＲＦプラズマＣＶＤ（１３．５６ＭＨｚ）を用いて、形成温度１００〜３００℃、反応圧力５〜１００Ｐａ、ＲＦパワー１〜５００Ｗ／ｃｍ2にて、ｉ型、ｐ型ａ−Ｓｉを１０ｎｍ程度ずつ堆積して接合を作製した。ｐ型ドーパントとしては、３族元素であるＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎが挙げられる。ＳｉＨ4などのソースガスに、これらの少なくとも１つを含む化合物ガスを混合することで、ｐ型に価電子制御できる。ｎ型半導体を得るための価電子制御としては、５族元素であるＰ、Ｎ、Ａｓ、Ｓｂの少なくとも１つを含む化合物ガスが用いられる。水素化非晶質Ｓｉは、この他に、蒸着法、スパッタ法、ＲＦプラズマＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲ法、熱ＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法等、公知の手法を使用することができる。半導体は、結晶質、または水素、フッ素の少なくとも一方を含む非晶質、又は微結晶Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＮ、ＳｉＧｅＮ、ＳｉＳｎ、ＳｉＳｎＮ、ＳｉＳｎＯ、ＳｉＯ、Ｇｅ、ＧｅＣ、ＧｅＮのいずれかであってもよい。
次に、ｐ型水素化非晶質シリコン上に、酸化インジウム薄膜を堆積する。本実施例では、透光性導電膜としてＳｎをドープした酸化インジウム（以下において、ＩＴＯという。）を用いた。まずＳｎＯ2粉末を５ｗｔ％として、Ｉｎ2Ｏ3粉末との焼結体をターゲットとして、カソードに設置した。Ｓｎ以外に、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚｎの少なくとも１つをドーパントとして用いてもよい。これらの化合物粉末を適量、酸化インジウム粉末に混ぜて焼結し、ターゲットを作製すればよい。ＳｎＯ2の量を変えることで、ＩＴＯ中のＳｎ量を変化させることが可能であるが、Ｉｎに対するＳｎの量は１〜１０ａｔ％が好ましく、更に２〜７ａｔ％が好ましい。ターゲットの焼結密度は、９０％以上が好ましい。
次に、エポキシ樹脂に銀（Ａｇ）微粉末を練りこんだＡｇペーストをスクリーン印刷法により高さ約１０〜３０μｍ、幅１００〜５００μｍに形成した後、２００℃８０分で焼成硬化することにより、複数の互いに平行な枝部を有する櫛形集電極と櫛形電極に流れる電流を集合させるバスバー電極を形成した。
このようにして形成された光電変換部上に無機材料やアクリル樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などの有機材料を保護層として塗布する。又、これら保護層にＳｉＯ2、ＺｎＯ、ＴｉＯ2などからなる微粒子を添加してもよい。保護層の形成には、スプレー法、ロールコーター法など既知の保護層形成法を用いることができる。又、保護層に樹脂硬化剤を添加してもよい。
（応力評価）
本発明では、保護層の応力に着目し、議論を行っている。一般的に応力緩和のために、微粒子添加や応力の低い材料との混合などが知られている。そこで、実際に応力緩和の効果があるかについて調べるために種々の保護層の応力を評価した。
ここで、内部応力を直接的に測定することは困難である。そこで、内部応力を間接的に測定するため、保護層の変化率を測定した。実験方法としては、１０ｃｍ×１ｃｍにカットした厚さ５０μｍのＰＶＦフィルムに各種保護層を塗布、乾燥した。ここで特に断りのない限り、保護層は、約２μｍの厚みとした。又、乾燥温度は１５０℃２０分であった。この際、保護層の応力に応じてＰＶＦが変形するため、その長さ方向の変化率を用いて応力の評価を行った。具体的には、１５０℃から常温に戻したときの変化率を測定した。変化率は、何も塗布していないＰＶＦ単体の縮んだ量を１００％として、規格化している。即ち、規格化変化率の値が小さいほど、内部応力が小さいことを示す。この結果を表１に示す。
Figure 2008091531
表１において、ＺｎＯ混合アクリルとは、ＺｎＯ微粒子を含むことを示しており、数値は保護層を形成する樹脂に対する含有率を示す。例えば、ＺｎＯ７５％とは、樹脂に対して７５重量％のＺｎＯ粒子を含む（乾燥前の状態）ことを意味する。又、硬化剤ありとは、保護層を形成する樹脂に硬化剤が含まれていることを意味し、硬化剤としては、イソシアネートプレポリマーを使用した。又、アクリル＆低応力樹脂材料とは、保護層としてアクリルとシリコーン樹脂を１：１で混合したものを使用したことを示す。
表１より、ＺｎＯ微粒子を混合することで応力が低下していること、及び、硬化剤を入れることで応力が増加していることが分かった。又、膜厚を厚くすると応力が高くなっていること、応力の低い樹脂を混合することで応力が低下するなど、従来から知られている傾向が確認できた。
（実験１）
光電変換層上に、粒径２０ｎｍ程度のＺｎＯ微粒子を含む保護層（ＺｎＯ含有量７５％）を２種類のスプレーを用いて形成した。尚、ここで、保護層は光入射側のみに形成している。用いた保護層材料は、１ｃｐ程度と低粘度な材料とした。スプレーＡは、保護材料をシャワー上に高圧で塗布するために、凹部で厚く、凸部で薄い保護層が形成できる。スプレーＢは、保護材料をらせん状に塗布するため、凹凸部に関係なく、ほぼ均一な膜厚の保護層を形成できる。尚、塗布する保護材料の量は、両スプレーでほぼ同程度になるように調整した。保護層の厚みは、塗布重量より換算して、０．５μｍ以下である。
以下に、スプレーＡ及びＢの塗布方法について、詳細に説明する。
図６（ａ）に示すように、スプレーＡでは、光電変換層の真上からコート材が塗布されてくるとともに、コート材を霧化するために、用いられた高圧力エアが真上から吹き付けられる。その結果、塗布されたコート材は、高圧力エア及び塗布方向の影響によって下方へと押し流され、凸部で薄く凹部で厚い形状の保護層が形成される。一方、図６（ｂ）に示すように、スプレーＢでは、コート材の塗布方向は、旋回する形で塗布される。又、霧化するために用いられた高圧力エアも旋回して噴きつけられるために、下方へとコート材を押し流す力が非常に小さい。その結果、ほぼ均一な膜厚となる。
これら２種のスプレーによる耐候性評価の結果を表２に示す。
Figure 2008091531
ここで、耐候性評価には、モジュール構造を形成した上で、８５℃８５％の高温高湿炉に２０００時間投入した後の出力を投入前の出力で除算した値を用いた。尚、表２では、スプレーＡを１として規格化している。又、２０００時間の耐候性評価中に、途中評価のために室温までの冷却工程が複数回含まれている。更に、本評価では、耐候性評価を加速的に確認するため、モジュールの裏面フィルムは、ＰＶＦフィルムとした。
表２により、保護層をほぼ均一に塗布するよりも凹凸部で膜厚に差を持たせた構造のほうが、耐候性が高いことが分かった。即ち、従来技術の構造である保護層を均一に塗布することが可能なスプレーＢよりも、スプレーＡで塗布する不均一な構造のほうが、高い耐候性を得られることが分かった。ここで、これらの耐候性評価後のサンプルを１２０℃の高温炉に１時間投入した後の外観について確認を行った。その結果、スプレーＢでは、特に凸部にあたる領域の保護層の剥離が多く確認された。
一般に、応力は、膜そのものの持つ内部応力と、膜厚とに比例すると考えられる。この場合、凸部においての内部応力は、その膨張係数から拡がる方向に力がかかることが予想される。凸部では拡がる方向に力がかかった場合は、光電変換部と保護層とが剥離する方向に力が生じると考えられ、これが前述した剥離の原因ではないかと考えられる（図５参照）。凹部では、保護層の膨張は、光電変換部に押し付けられる方向であるために、剥離はほとんど見られなかったと考えられる。
この凸部での剥離（上記実験では１２０℃の加熱時に確認されているが、耐候性評価の際にも目視で確認できない剥離が生じているものと考えられる）は、水分の侵入口となりえるために表２のような耐候性の差が生じたものと考えられる。即ち、凸部の膜厚を薄くした構造とすることで、耐候性の優れた保護層が形成できると考えられる。
ここで、保護層は、ある程度の膜厚が必要である。これは、薄膜構造では、保護層としての機能が低下するためである。そこで、極力厚い保護層の形成が必要になってくるが、この場合、応力の影響が大きくなり、反りなどの影響が強くなってくる。本実験では、ほぼ同量の塗布重量としたが、この場合、スプレーＡでは凸部に薄膜部が形成されている。一方で、凹部に厚膜部が形成されている。保護層の機能は、膜厚によることが大きく、スプレーＡでは薄膜部があることで耐候性の観点から不利なようにも思えるが、スプレーＢよりも保護層の厚い部分が存在するため、サンプル全体では、ほぼ同等の耐候性が得られたと考えられる。実際には、保護性能以外に上述した剥離などの影響がスプレーＢでは見られており、結果としてスプレーＡのほうが高い耐候性が得られることが分かった。
（実験２）
実験１で得られた結果から、凸部の膜厚は薄膜構造がよいことが分かった。一方、素子全体の耐候性を維持するために、凹部は厚膜構造とすることが望ましいことも分かった。そこで、凹部の応力が耐候性に与える影響を確認した。スプレーＡを用いて、応力が比較的大きなアクリル単層の塗布を行った。その結果、アクリル層を塗布後、乾燥することで光起電力素子の反りが観察されることが分かった。これは、スプレーＡでは、凹部が比較的厚膜構造となっており、反りの影響は凹部における応力の影響が大きく表れたものと考えられる。特に、凹部で保護層が膨張した場合には、その力は凹部の側面に大きくかかることになる。この力によって素子の反りが生じるものと考えられる。
即ち、凹部の応力をいかに低減するかが重要になってくると考えられる。そこで、凹部の応力を緩和させるために、凹部に応力緩和層を形成することを試みた。具体的には、保護層の形成に、スプレーＡを用いて２層構造を持つ膜を形成した。塗布膜厚は、２層合わせて塗布重量換算で約３μｍとした（１層目を１μｍ、２層目を２μｍ相当の塗布）。応力緩和層の形成方法として、表１で得られた結果を参考に、微粒子添加、硬化剤不添加、低応力樹脂混合の３種に着目し、それぞれに対応するサンプルを形成した。表３〜５に、実験２で作製した保護層形状と耐候性評価の結果を示す。
Figure 2008091531
Figure 2008091531
Figure 2008091531
尚、表３〜５において、耐候性評価の指標となる応力緩和層を形成しない保護層（以下において、レファレンスという。）は単層構造となっているが、条件を揃えるために、応力緩和層を形成する複数構造と同様に、２回に分けてコーティング材の塗布を行った。尚、耐候性は、それぞれのレファレンスとなる構造を１として、規格化している。又、本実験における保護層の構造は、実験１と同様に凸部に比べ、凹部の膜厚が厚くなった構造であり、特に１層目は霧化圧力を高めに設定したことで、凸部にほぼ２回目に塗布する材料が単層形成されている構造であった。
又、実施例２〜６におけるアクリルＺｎＯ層とは、樹脂中にＺｎＯ微粒子が７５重量％含まれている（乾燥前の状態）ことを指している。更に、実施例６におけるアクリル＆低粘度樹脂ＺｎＯ層とは、保護層としてアクリルとシリコーン樹脂を１：１で混合し、７５重量％のＺｎＯ微粒子を含むことを示している。又、実施例２、４、６において、２種類の保護層が記載されているたが、前に記載された層が下層であり、後に記載された層が上層である。例えば、実施例２は、アクリルＺｎＯ層上にアクリル層が形成された保護層であった。
表３〜５の結果から、応力が低い膜を凹部の下地層として設けられた構造では、耐候性が優れていることが分かる。即ち、保護層の凹部に、ＺｎＯ微粒子を添加した層（実施例２）や、応力を増加させる硬化剤を添加しない層（実施例４）、低応力樹脂混入層（実施例６）などのように、応力緩和層を設けることで、耐候性が向上したことが分かった。又、表３では、反りが確認されており、この反りが原因となり、光起電力素子内にクラックなどが生じ、耐候性が低下したと考えられる。表４及び表５に示す実験では、目視での反りは確認されていないものの、長時間の耐候性評価及び評価時の温度変化などによって微小な反りが繰り返され、結果として耐候性に差が生じてきたものと考えられる。このように、応力緩和層を凹部に設ける構造により高い耐候性が得られることが分かった。
即ち、実験１内で考察したように、凸部の膜厚は薄いことが望ましいが、光電変換層に対する保護性能を考慮した場合、凹部には均一成膜時よりも比較的厚膜の保護層形成が望まれる。しかし、この場合、応力による保護層剥離はあまり大きくないものの、素子の反りという形で表れ、この反りがクラックなどの発生要因となるために、結果として耐候性の低下が見られることになる。そこで、凹部には厚膜でも応力緩和が見られる層を形成することが望ましい。
（実験３）
実験２は応力緩和層を設ける構造としたが、実験３では、凹部の応力を緩和するために凹部全体に応力緩和材を入れた構造について評価を行った。ここでは、応力緩和材として、ＺｎＯ微粒子を塗布した構造を用いた。スプレーＡを用いて、霧化圧力を高めに設定し、ＺｎＯ微粒子添加の有無の２種類の保護層を形成した。又、ＺｎＯ微粒子を添加した保護層は、凹部における数密度よりも凸部における数密度の方が小さかった。又、塗布膜厚は、塗布量換算で約３μｍであった。表６に実験３で作製した保護層構造と、耐候性評価の結果を示す。
Figure 2008091531
尚、表６では、アクリル樹脂のみで保護層を形成したものを１として規格化している。本実験における保護層の構造は、実験１と同様に凸部に比べ、凹部の膜厚が厚くなった構造であり、又、凸部にＺｎＯ粒子がほとんど含まれていないことがＴＥＭ観察の結果で確認されている。即ち、実験３で形成された保護層の凸部と凹部では、ＺｎＯ微粒子濃度が異なる構造となっていることが確認されている。
表６に示す実施例７及び８より、アクリル単層のときよりもＺｎＯ微粒子を混合させた膜を含んだ保護層の方が、耐候性が高いことが分かった。即ち、凹部にＺｎＯ微粒子を混合させ、内部応力を低下させた構造によって、高い耐候性が得られたと考えられる。これは、実験１によって生じた剥離とは異なる原因によるものと考えられる。実施例７では、塗布直後にサンプルの反りが目視で確認されている。即ち、応力による反りが耐候性の結果に影響を与えている。これは、光起電力素子が反ることで光起電力素子内部でのクラックなどの発生、接合部の剥離などが生じるために長期信頼性が低下したものと考えられる。その結果、表６に示した耐候性の差が生じたものである。
ここで、凹部と凸部にＺｎＯの数密度が異なることは、前述したとおりである。ここでは、図３に示すような凹凸構造の凹部と凸部間の距離を１０等分した距離をＬとし、凹部及び凸部の頂部から両端にＬずつ広げた範囲を、凹部又は凸部に位置する領域と定義し、その部分に含まれる層内の微粒子数をカウントし、それをその部分の面積で除算したものを数密度とした。
この凹部で数密度が低く、凸部で数密度が高い構造で、擦れ耐性が向上することが分かった。一般に、バインダー内に微粒子を含んだ場合、素子との接触界面に多くの微粒子が存在する。素子と保護層との接着力は、バインダーと素子との接触面積に大きく影響を受けるために、微粒子が増加することで密着力は低下することになる。保護層内に微粒子を含むことで応力、熱膨張などが緩和されるために、微粒子添加による密着力低下の影響は比較的小さくなることが考えられる。しかし、擦りなど機械的な力に対する剥離は密着力の影響が大きい。この場合、擦り耐性は、凸部に大きく負荷がかかる。そのため、凸部の密着力が低下している素子では、擦り耐性が低下する。特に、凹部の応力を低下させるために微粒子添加をした場合に、凸部に微粒子が多く含まれる構造では擦り耐性が低下することを考慮しなければならない。そこで、実験３で得られたように、例えば、霧化圧力を高めに設定するなどにより、凸部の微粒子の数密度を低減しておくことがより望ましい。
（実験４）
実験４では、応力緩和を目的に保護層内に空孔を導入する手法を検討した。ここで、ＺｎＯ微粒子を含むアクリル層を、スプレー法とロールコート法による塗布を行った。ロールコート法では、保護材を上部から押し付ける形で成膜を行う。そのため、凹部では押し付け圧力が比較的弱く、複数回成膜をする手法をとることで、凹部に空孔を形成することが可能になる。これらのサンプルの耐候性評価結果を表７に示す。ここで、スプレー法の耐候性を１として規格化している。尚、ここで述べる空孔は少なくとも長径が１μｍ以上と比較的大きなものである。
Figure 2008091531
表７より、ロールコート法の耐候性が高くなっていることが分かった。これは、空孔の存在が大きく影響していると考えられる。即ち、空孔が応力を緩和するためのバッファーとして働いた結果である。そのため、応力緩和層として空孔を含む層を形成することでも耐候性が向上することが分かった。
本発明の実施の形態に係る光起電力素子の模式的断面図である。 本発明の実施の形態に係る光起電力素子における受光面側保護層の模式的断面図である（その１）。 本発明の実施の形態に係る光起電力素子における受光面側保護層の模式的断面図である（その２）。 発明の実施の形態に係る太陽電池モジュールの模式的断面図である。 従来の太陽電池モジュールにおける課題点を説明するための図である。 本発明の実施例におけるコート材の塗布方法を説明するための図である。
符号の説明
１…ｎ型単結晶シリコン基板
１Ａ…受光面
１Ｂ…背面
２…ｉ型非晶質シリコン層
３…ｐ型非晶質シリコン層
４…受光面側透明電極層
４Ａ…受光面
５…受光面側電極
６…ｉ型非晶質シリコン層
７…ｎ型非晶質シリコン層
８…背面側透明電極層
９…背面側電極
１０…受光面側保護層
２１…受光面側透光性部材
２２…樹脂層
２３…背面側部材
１００…光起電力素子
１０１…光電変換部
２００…太陽電池モジュール

Claims (5)

  1. 光入射面に凹凸面を有する光電変換部と、
    前記凹凸面を覆って設けられた、樹脂からなる保護層とを備え、
    前記保護層の、光の入射方向に平行な断面において、前記凹凸面の凹部の厚さよりも、前記凹凸面の凸部の厚さの方が薄いことを特徴とする太陽電池モジュール。
  2. 前記保護層は、少なくとも前記凹部において微粒子を含み、
    当該凹部に配置された前記微粒子は、前記保護層の光入射側よりも光電変換部側に多く配置されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記保護層の凹部に含まれる硬化剤の量は、前記保護層の光入射側よりも光電変換部側の方が少ないことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記保護層は微粒子を含み、
    前記保護層の、光の入射方向に平行な断面において、前記凹凸面の凹部を中心とした単位長さ当たりの第１領域に含まれる微粒子の数を当該第１領域の面積で除算した値よりも、前記凹凸面の凸部を中心とした単位長さ当たりの第２領域に含まれる微粒子の数を当該第２領域の面積で除算した値の方が小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記保護層の凹部において、当該保護層を形成する樹脂に空孔が含まれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
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