JP2010245533A - 太陽電池用多層薄膜構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽電池に紫外線遮断コーティング層を形成して太陽電池の寿命を延ばすことができる太陽電池用多層薄膜構造を提供する。
【解決手段】太陽電池素子を保護する透明基板上に複数の高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とが交互にコーティングされてなる構造を有し、複数の低屈折率薄膜層のうちいずれかの層の膜厚が他の高屈折率薄膜層の膜厚よりも厚く、他の低屈折率薄膜層の膜厚よりも１．５倍以上厚く形成されることを特徴とする。
【選択図】図２
【解決手段】太陽電池素子を保護する透明基板上に複数の高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とが交互にコーティングされてなる構造を有し、複数の低屈折率薄膜層のうちいずれかの層の膜厚が他の高屈折率薄膜層の膜厚よりも厚く、他の低屈折率薄膜層の膜厚よりも１．５倍以上厚く形成されることを特徴とする。
【選択図】図２
Description
本発明は、太陽電池に関し、より詳しくは、太陽電池において緩衝材料として使用されるＥＶＡ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｖｉｎｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）シートの紫外線による変色防止のための紫外線遮断機能をもつ太陽電池用多層薄膜構造に関する。
太陽電池（ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）は、太陽光エネルギーを受けて電圧と電流を発生させる発電素子である。太陽電池は、単結晶や多結晶のシリコン基板を使うバルク（ｂｕｌｋ）型と薄膜の蒸着などによって形成される薄膜型とに大別することができる。バルク型の場合、モジュール化のためのセル同士の接続は、一般にアルミニウムリボンを使用して各セルに溶接しアルミニウムリボンを交互に連結することで直列接続を完成する。この場合、直列接続による抵抗を軽減するためにアルミニウムリボンが十分な厚みを有する必要があり、一般に上記直列接続は、セルの製作後、パッキング工程に属するモジュール製作過程で行われる。これに比べ、薄膜型の太陽電池は、一般にセルの製作過程とモジュールの製作過程とが分離されておらず、一つの工程で行われる。薄膜型太陽電池の製作過程におけるセル同士の分離と電気的接続は、太陽電池の製作コストにおいて高い比率を占めている。
図１は、従来のシリコン薄膜を使用する太陽電池１００の構造を例示している。
従来の薄膜型太陽電池１００は、透明基板１１０と、この透明基板１１０に形成される反射防止膜１２０と、緩衝部材として使用されるＥＶＡシート１２５と、太陽電池素子とを備える。太陽電池素子は、透明導電性酸化物電極１３１、１３２と、第１の電極層１４１、１４２と、発電領域１５１、１５２と、第２の電極層１６１、１６２と、伝導体層１７１、１７２、及び絶縁膜１８１とを備えてなる。
透明基板１１０は、湿気、ほこり、破損などの外部環境から太陽電池素子を保護する役割を果たし、ガラス基板からなる。反射防止膜１２０は、透明基板１１０を透過する光の量を増大させ、反射率を下げる役割を果たす。反射防止膜１２０は、透明基板１１０の表面に１．８〜２．６の屈折率を有するＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＣｅＯ２などのような物質をコーティングして形成することができる。ＥＶＡシート１２５は、湿気の浸透などの外部環境から太陽電池素子を保護し、太陽電池素子と反射防止膜１２０とを接着して封止する役割を果たす。透明導電性酸化物電極１３１、１３２は、光閉じ込め（ｌｉｇｈｔ ｔｒａｐｐｉｎｇ）を最大限に増大させる役割を果たす。太陽電池素子中の透明導電性酸化物電極１３１、１３２は、可視光線での高い透過率と電気伝導度を有するＩＴＯ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）で構成すればよい。
太陽電池は、通常、２０年間にかけて初期出力対比８０％水準までの発電効率を示す必要がある。太陽電池の寿命を短縮させる主な原因としては、太陽電池の劣化現象、ＥＶＡシートの変色、電極の酸化による直列抵抗の増大による電力損失がある。特に、太陽電池において緩衝部材として使用されるＥＶＡシートは、紫外線に曝されると劣化現象として変色が始まる。初期には部分的に白化現象を示し、時間が経つにつれてそれが深化していき、全面積にわたって白化現象が現われるようになる。これは、太陽電池素子に到逹する太陽光の透過率を減少させ、太陽電池の発電効率を落とすという問題点を生じさせる。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、太陽電池に紫外線遮断コーティング層を形成して太陽電池の寿命を延ばすことができる太陽電池用多層薄膜構造を提供することである。
本発明の他の目的は、紫外線遮断の他、可視光線の反射防止及び近赤外線遮断が可能な太陽電池用多層薄膜構造を提供することである。
上記のような目的を達成するために、本発明の一態様による太陽電池用多層薄膜構造は、透明基板上に複数の高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とが交互にコーティングされてなる構造を有し、複数の低屈折率薄膜層のうちいずれかの層の膜厚が他の高屈折率薄膜層の膜厚よりも厚く、他の低屈折率薄膜層の膜厚よりも１．５倍以上厚く形成されることを特徴とする。
上記のように、本発明による太陽電池用多層薄膜構造は、透明基板上に複数の高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とが交互にコーティングされてなる構造を有し、複数の低屈折率薄膜層のうちいずれかの層の膜厚が他の高屈折率薄膜層の膜厚よりも厚く、他の低屈折率薄膜層の膜厚よりも１．５倍以上厚く形成されることにより、太陽電池に使用されるＥＶＡ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｖｉｎｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）シートの変色の原因になる紫外線を遮断することで太陽電池の寿命を伸ばすことができるという有用な効果を奏する。
また、本発明による太陽電池用多層薄膜構造は、可視光線の透過率を高める一方、紫外線と近赤外線を遮断するように構成されているため、太陽電池の発電効率を高めつつも太陽電池の寿命を伸ばすことができるという有用な効果を奏する。
以下、添付した図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳しく説明する。
先ず、本発明では、透明基板上に複数の高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とを交互にコーティングすることにより、可視光線の波長帯の透過率を高め且つ紫外線と近赤外線の透過率を下げることで太陽電池素子の寿命を伸ばすことができるようにする太陽電池用多層薄膜を実現した。本発明による太陽電池用多層薄膜は、５層ないし１５層で構成されていてよい。本明細書において説明される実施形態では、本発明の目的を達成するための最適の太陽電池用多層薄膜構造を提示する。また、本明細書における高屈折率薄膜層は屈折率が２．０以上、２．４以下の薄膜層であり、低屈折率薄膜層は屈折率が１．３８以上、１．４６以下の薄膜層である。
図２は、本発明による太陽電池用多層薄膜構造を有する太陽電池の構成を示す図である。
同図に示すように、太陽電池は、透明基板１１０と、太陽電池用多層薄膜２００と、緩衝部材３１０と、太陽電池素子３００とを備えてなる。図２には図示していないが、太陽電池素子３００の背面には、太陽電池素子３００を保護するガラス基板が取り付けられる。
透明基板１１０は、湿気、ほこり、破損などの外部環境から太陽電池素子３００を保護するものであり、ガラス基板で構成されていてよい。太陽電池用多層薄膜２００は、本発明の特徴部であって、紫外線及び近赤外線を遮断して可視光線の透過率を高める役割を果たす。透明基板１１０に太陽電池用多層薄膜をコーティングする方法としては、真空蒸着、スパッタリング、気相蒸着、スピンコーティング、ゾルゲルディッピング（Ｓｏｌ−ｇｅｌ Ｄｉｐｐｉｎｇ）、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＨＥＭＩＣＡＬ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などがある。
緩衝部材３１０は、湿気の浸透などの外部環境から太陽電池素子３００を保護し、太陽電池素子３００と透明基板１１０を接着して封止する役割を果たすものであって、ＥＶＡ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｖｉｎｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）シートで構成される。太陽電池素子３００は、太陽光エネルギーを受けて電圧と電流を発生させる発電素子で構成される。一例として、太陽電池素子３００は、透明導電性酸化物電極と、第１の電極層と、発電領域と、第２の電極層と、伝導体層、及び絶縁膜とを備えてなる。なお、本発明の太陽電池素子がかかるタイプのものに限定されるものではない。各種の太陽電池素子３００の構成が本願の前に既に広く公知されているので、これに関する詳しい説明は省略することにする。
図３は、本発明の一実施形態による太陽電池用多層薄膜構造２００を示す図である。
同図に示すように、本実施形態による太陽電池用多層薄膜構造２００は、透明基板１１０の上に第１の低屈折率薄膜層２１１と、第１の高屈折率薄膜層２２１と、第２の低屈折率薄膜層２１２と、第２の高屈折率薄膜層２２２と、第３の低屈折率薄膜層２１３と、第３の高屈折率薄膜層２２３と、第４の低屈折率薄膜層２１４と、第４の高屈折率薄膜層２２４と、第５の低屈折率薄膜層２１５と、第５の高屈折率薄膜層２２５とが順次コーティングされた構造からなる。
ここで、高屈折率薄膜層は、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｔｉ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔｉ３Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、またはＤＬＣ＋Ｓｉ、ＤＬＣ＋ＴｉのようなＤＬＣを主成分とする物質のうちのいずれかで形成されればよい。低屈折率薄膜層は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＤＬＣ、またはＤＬＣ＋Ｓｉ、ＤＬＣ＋ＴｉのようなＤＬＣを主成分とする物質のうちのいずれかで形成されればよい。
一般に知られたように、非晶質炭素層（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｌａｙｅｒ、ＡＣＬ）は、ｓｐ２とｓｐ３結合の割合によってＰＬＣ（ｐｏｌｙｍｅｒ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、ＤＬＣ、ＧＬＣ（Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）に分類される。ここで、ＤＬＣまたはＤＬＣを主成分とする物質で蒸着された薄膜の屈折率と吸光係数は、蒸着装備において使用した電力／圧力比が上がるに伴って増大する。したがって、ＤＬＣまたはＤＬＣを主成分とする物質は、蒸着条件によって本発明による高屈折率薄膜層または低屈折率薄膜層を形成することができる。
可視光線波長帯の透過率を高め且つ紫外線と近赤外線の透過率を下げるためには、高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層の精度よい屈折率の調節のみならず、膜厚の調節が必須である。図３に示す太陽電池用多層薄膜構造２００における、複数の低屈折率薄膜層２１１、２１２、２１３、２１４、２１５のうちいずれかの層の膜厚は、他の高屈折率薄膜層２２１、２２２、２２３、２２４、２２５の膜厚よりも厚く形成され、他の低屈折率薄膜層の膜厚よりも１．５倍以上厚く形成される。好適な実施形態において、本発明の太陽電池用多層薄膜構造２００において最も厚い低屈折率薄膜層は、１５０ｎｍ以上の膜厚を有し、全ての高屈折率薄膜層２２１、２２２、２２３、２２４、２２５は、１５０ｎｍ以下の膜厚を有するように形成される。
図４ａは、本発明による太陽電池用多層薄膜構造の実施形態の物理的な特性を示す図であり、図４ｂは、図４ａによる太陽電池用多層薄膜構造を有する透明基板における波長帯毎の光透過率を測定したグラフである。
先ず、図４ａを参照すれば、基準光源の波長（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）は５１０Åであり、光源伝達媒介体として空気を用い、高屈折率薄膜層（第１の層、第３の層、第５の層、第７の層、第９の層）は、屈折率（Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ）が２．３０７８で、吸光係数（Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が０．００００１２７であるＮｂ２Ｏ５（五酸化ニオブ）からなり、低屈折率薄膜層（第２の層、第４の層、第６の層、第８の層、第１０の層）は、屈折率が１．４６００で、吸光係数が０．０００００００であるＳｉＯ２（二酸化珪素）をからなるものを使用した。
また、高屈折率薄膜層（第１の層、第３の層、第５の層、第７の層、第９の層）の膜厚（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）は、層毎に１４．０ｎｍ、３３．３ｎｍ、４９．１ｎｍ、３２．２ｎｍ、１２．０ｎｍであり、低屈折率薄膜層（第２の層、第４の層、第６の層、第８の層、第１０の層）の膜厚は、層毎に７４．０ｎｍ、３１．０ｎｍ、２９．９ｎｍ、６０．２ｎｍ、２３０．０ｎｍである。図４ａにおける最厚膜の低屈折率薄膜層（第１０の層）の膜厚は２３０．０ｎｍである。
以下、図４ｂを参照して、図４ａに示すような太陽電池用多層薄膜構造を有する透明基板における波長帯（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）毎の光透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）を見てみると、３８０ｎｍ以下の光波長帯での透過率は３０％以下で、４００ｎｍ〜８００ｎｍの光波長帯での透過率は９０％以上であることが分かる。したがって、図４ａに示すような太陽電池用多層薄膜構造は、太陽電池に使用されるＥＶＡシートの変色原因になる紫外線を遮断することで太陽電池の寿命を延ばす他、可視光線波長帯の透過率を高めて太陽電池の発電効率を上げることができる。
一方、図４ｂにおいて、１１００ｎｍ以上の光波長帯での透過率は、１１００ｎｍで９８％の透過率を示したが、波長帯域が増大するにつれてその透過率が次第に低下していき、２０００ｎｍ以上の波長帯域で８０％程度の透過率を示している。このように、図４ａに示すような太陽電池用多層薄膜構造は、１１００ｎｍ以上の近赤外線を遮断する機能をもつように構成されているため、太陽電池素子の作動温度と当該素子の抵抗を下げて発電効率を向上させることができる。
以上、本明細書では本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に理解し再現できるように図面に示した実施形態を参照して説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者ならば本発明の実施形態から様々な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は、特許請求の範囲のみによって決められるべきである。
１００：太陽電池
１１０：透明基板
２００：太陽電池用多層薄膜
３００：太陽電池素子
３１０：緩衝部材
１１０：透明基板
２００：太陽電池用多層薄膜
３００：太陽電池素子
３１０：緩衝部材
Claims (6)
- 透明基板上に複数の高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とが交互にコーティングされてなる構造を有し、
前記複数の低屈折率薄膜層のうち最厚膜の低屈折率薄膜層の膜厚が前記全ての高屈折率薄膜層の膜厚よりも厚く、他の全ての低屈折率薄膜層の膜厚よりも１．５倍以上厚く形成されることを特徴とする太陽電池用多層薄膜構造。 - 前記最厚膜の低屈折率薄膜層の膜厚は１５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用多層薄膜構造。
- 前記高屈折率薄膜層は、屈折率が２．０以上、２．４以下の薄膜層であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用多層薄膜構造。
- 前記高屈折率薄膜層は、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｔｉ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔｉ３Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＤＬＣ、またはＤＬＣを含む物質のうちのいずれかで形成されることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池用多層薄膜構造。
- 前記低屈折率薄膜層は、屈折率が１．３８以上、１．４６以下の薄膜層であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用多層薄膜構造。
- 前記低屈折率薄膜層は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＤＬＣ、またはＤＬＣを含む物質のうちのいずれかで形成されることを特徴とする請求項５に記載の太陽電池用多層薄膜構造。
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