JP2011187495A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
発電に寄与する波長範囲の太陽光の透過率が高く、発電に寄与しない波長範囲の太陽光の透過率が低い太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】前面基体と、前記前面基体に対向配置された背面基体と、前記前面基体と前記背面基体の間に配置された半導体によって構成された光電変換層とを有する太陽電池モジュールであって、前記前面基体上で前記背面基体とは逆の面に、幾何学膜厚が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である透明導電膜層が形成され、前記透明導電膜層上に可視光領域において前記透明導電膜層よりも屈折率が低く、且つ可視光領域において屈折率が１以上であり、幾何学膜厚が４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。透明導電膜層のキャリア密度を１×１０^１９／ｃｍ^３以上３×１０^２１／ｃｍ^３以下、キャリア移動度を１ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上１００ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以下とすることによって、発電に寄与する波長範囲の太陽光の透過率を高く、発電に寄与しない波長範囲の太陽光の透過率を低くすることが出来る。
【選択図】図４

Description

本発明は太陽電池モジュールに適用して有効な技術に関するものである。

近年、世界を取り巻くエネルギー資源の枯渇及び環境汚染といった問題に対する解決策の1つとして太陽光発電が注目されている。米国におけるグリーンニューディール政策の推進や欧州における、太陽電池で発電した電気を国が購入するシステムであるフィードインタリフ政策の浸透といった流れを受け、日本でも太陽電池開発のロードマップであるＰＶ２０３０＋が再策定されるなど、太陽光発電技術開発の重要性は世界的に高まっている。太陽光発電はエネルギー源である太陽光線が無尽蔵かつ無料である。

さらに発電時の有害ガスの発生がないなど火力、原子力といった現在の主要発電方法にはないメリットを持っている。しかしながら、発電コスト（円／ｋＷｈ）が火力・水力・原子力といった他の発電手法に比べて高いために、２００９年１２月現在において主要な発電手法とはなっていない（２００９年現在、太陽光発電は約４６円／ｋＷｈ、火力・原子力発電は約７円／ｋＷｈ）。発電コストは太陽電池モジュール価格及び光電変換効率（発電効率）、耐用年数で決まる。従って、グリッドパリティ（送電線で提供される電力（火力等）と同等のコストで発電されること）達成に向けて高効率化及び低コスト化、長寿命化が重要である。

ところで、太陽電池モジュールにおいて光電変換層の温度が上昇すると光電変換効率が低下する事が知られている。例えば光電変換層が結晶型シリコンの場合、光電変換層の温度が２５度から６０度に上昇すると、光電変換効率は１０〜２０％低下する。これは短絡電流値Ｉscが温度とともに僅かずつ増加するのに対し、開放電圧値Ｖocがそれ以上に減少し、結果として出力電力Ｗ（Ｗ＝Ｉsc×Ｖoc）が低下するためである。

光電変換層の温度上昇は太陽光中の光電変換に寄与する光即ち光子のエネルギーが光電変換層のバンドギャップエネルギーよりも大きい短波長光（以下、有効光と称す）の余剰エネルギー（バンドギャップエネルギーからの差分）や、光電変換に寄与しない光即ち光子のエネルギーが光電変換層のバンドギャップエネルギーよりも小さい長波長光（以下、無効光と称す）のモジュール内における吸収等に由来する。

そこで、特に後者の無効光による温度上昇を抑制するために、太陽電池モジュールの前面基体上に各種光学薄膜を配置する技術がこれまで提案されてきた。

例えば特許文献１では、無効光である長波長光線を遮断するフィルタを太陽電池モジュールに搭載することが提案されている。

しかし特許文献１では長波長光線を遮断するフィルタについて単に「光学フィルタ」とのみ記されており具体的な構成・材料は述べられていない。また一般的な長波長を遮断する光学フィルタは、可視光領域等の短波長側の透過率低下分よりも長波長側の透過率低下分を大きくすることが多い。しかしこのようなフィルタを用いると無効光を遮断し温度上昇を抑制することは可能であるが、有効光も一部遮断してしまう。

また特許文献２では長波長光を遮断する具体的な構成例として、酸化錫粒子等の赤外線遮蔽材を分散した太陽電池用フィルタが特許文献２に記載されている。このフィルタは表面にテクスチャ構造の反射防止面を形成することも可能であるとされており、有効光の取り込みを増やし、赤外線遮蔽材での有効光の遮断をある程度抑制する事が出来ると考えられる。しかしながら、この構成では赤外反射層とその下地基板との間の屈折率差から生じる不要反射は無くならない。

また赤外反射層及び反射防止層における光吸収についても述べられていない。赤外反射材料として透明導電性物質や金属などの材料を用いる際にはこれらの材料による有効光の吸収を考慮する必要がある。吸収を減らすために赤外反射層の膜厚を薄くすると、赤外反射性能も低下してしまう。このため最終的に有効光の高透過率と赤外反射性能を両立することは容易ではない。

また、特許文献３には、太陽電池モジュールの表面カバーガラスを熱線反射ガラスとしてもよい、との記載がある。熱線反射ガラスは表面に熱線（赤外線）反射膜を有し、建築物や自動車の窓に使われるものであり、太陽電池にとって無効光である赤外光又は室温程度の熱輻射光を選択的に反射し、有効光である可視光を透過させる。熱線反射膜の材料としては光学多層膜によるもの、金属薄膜または透明導電膜のプラズマ反射を利用する物が知られている。

光学多層膜による干渉法を利用する場合、層数を例えば１０層以上に増大すれば急峻な透過率の変化を実現させる事が出来ることがよく知られている。しかしこれは主に精密光学機器などに使用される技術であり、大面積のものに低コストで適用するのは難しい。

金属薄膜を用いる例としては特許文献４に挙げるような１０ｎｍ程度の厚みのＡｇ膜あるはＡｕ膜やＣｕ膜を屈折率２程度の透明酸化物から成る高屈折率膜で挟んだ３層構造が挙げられる。Ａｇを用いた場合には可視域の吸収は３〜５％程度に抑えることができる。

しかしながら、Ａｇの最大の欠点は耐擦傷強度や化学耐久性が極端に劣ることである。大気中に数日間放置するだけで劣化が始まることが知られており、現在Ａｇを用いた熱線反射ガラスは合わせガラス又は複層ガラスとしてのみ用いられている。そのためＡｇ膜を太陽電池モジュール表面に適用する際には、新たな界面の発生により不要反射が起きること、２枚のガラスを用いることから低コスト化困難であること、また太陽電池の重量が大きく増大してしまうことが想定される。従って太陽電池への適用は困難であると考えられる。またＡｕやＣｕを用いた膜では太陽光の吸収が１０％程度になってしまうため、こちらも太陽電池への適用は困難であると考えられる。

またＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の透明導電膜単体のプラズマ反射を利用することも考えられている。この場合透明導電膜の平均的な屈折率が２程度であり、ガラス基板より大きいことから、空気との界面における反射が増大し、無効光である熱線（赤外線）反射性能を有したとしても、発電に寄与する有効光の量が減少してしまう。また透明導電膜材料は可視光領域或いは有効光領域の消衰係数が０ではないため、有効光の大きな光吸収を伴う場合がある。

特許文献５では太陽電池の透明電極に反射防止膜を兼ねさせたるという発明が開示されている。しかし、しかし、特許文献５の構成は、透明電極に反射防止膜を兼ねさせるので、無効光の遮蔽膜が太陽電池モジュールの前面ガラス基板の内側に存在せざるを得ない。したがって、温度上昇抑制の効果が十分とは言えない。さらには前面ガラス基板と空気界面における反射を防止することも出来ない。

太陽電池モジュールにおいて無効光による温度上昇を抑制するためには、設置条件を踏まえた上で有効光の高透過率と無効光の低透過率を両立することが重要である。例えば、設置環境が高緯度地域の場合（或いは冬の時期）には低温環境であるため、太陽光による温度上昇の影響が年間を通じてそれほど気にならない場合には、まず有効光の高透過率を優先した無効光遮断膜を配置する必要がある。すなわち、平均的な屈折率が１．５程度のガラス基板と屈折率が１である空気との界面で生じる約４％の反射よりも消失する有効光量が少ない膜をモジュール表面に搭載することが必要である。そのようにしないと、温度上昇が顕著でない時期は無効光の赤外線遮蔽の効果がほとんど出ず、有効光の透過率低下分だけが影響してしまい、結果的に太陽電池の発電性能は低下してしまう。

他方で、設置環境が低緯度地域の場合には高温環境である場合（或いは夏の時期）には太陽光による温度上昇の影響が年間を通じて問題となるため、まず無効光の赤外線遮蔽性能を重視した上で、有効光の高透過率も可能な限り保持する必要がある。さらに有効光及び無効光の波長範囲は太陽光スペクトルのみならず太陽電池セルの光電変換部に使われる結晶シリコンをはじめとする光電変換素子の性能、特にバンドギャップエネルギーを考慮に入れなければならない。

さらにはまた熱線反射材料では対象としている波長範囲が可視光のみならず近赤外光の領域まで拡大しており、屈折率の分散（波長ごとの違い）も大きくなる。従って、狭い屈折率範囲のみで広範な波長域に対する光学特性を議論することには無理がある。すなわち、屈折率及び消衰係数により熱線反射膜の特性を議論、指定する場合には対象とする波長範囲における屈折率及び消衰係数、ないしは屈折率及び消衰係数を決定する主要因であるキャリア密度及びキャリア移動度を用いて透明導電膜の特性を議論する必要がある。

特開昭６２−８１７７７ 特開平９−１６２４３５ 特開２００５−１３６２３６ 特公昭４７−６３１５ 特開平１０−１９００２８

本発明の目的は、発電に寄与する波長範囲の太陽光の透過率が高く、発電に寄与しない波長範囲の太陽光の透過率を低くすることによって太陽電池モジュールの発熱を抑え、発電効率の高い太陽電池モジュールを実現することである。

以上のような課題を解決するため、本発明では太陽電池モジュールの主な構成として、次のような手段をとる。すなわち、前面基体と、前記前面基体に対向配置された背面基体と、前記前面基体と前記背面基体の間に配置された半導体によって構成された光電変換層とを有する太陽電池モジュールであって、前記前面基体上で前記背面基体とは逆の面に、幾何学膜厚が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である透明導電膜層が形成され、前記透明導電膜層上に可視光領域において前記透明導電膜層よりも屈折率が低く、且つ可視光領域において屈折率が１以上であり、幾何学膜厚が４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である最外層が形成され、前記透明導電膜と前記最外層によって選択透過膜が形成されている。

そして、前記光電変換層のエネルギーギャップが１．０eV以上１．８eV以下であり、このときの前記透明導電膜層のキャリア密度が１×１０^１９／ｃｍ^３以上３×１０^２１／ｃｍ^３以下であり、また、前記透明導電膜層の移動度が１ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上１００ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以下であるような構成とすることによって、前記選択透過膜は所定の波長よりも長波長における透過率は、前記所定の波長よりも短波長における透過率よりも低いことを特徴とする太陽電池モジュールである。

発電に寄与する波長範囲の太陽光の透過率が高く、発電に寄与しない波長範囲の太陽光の透過率が低い太陽電池モジュールを実現することが出来るので、太陽電池モジュールの発電効率を向上させることができる。

一般的な太陽電池モジュールの構成の一部を示す要部断面図。 本発明者らによって検討された太陽電池モジュールの構成の一部を示す要部断面図。 本発明者らによって検討された選択透過膜の光学特性及びその有効光透過率、無効光透過率。 無効光光子数透過率の低下分の１例。 無効光光子数透過率の低下分の１例。 実施例１〜４および比較例の条件と結果を纏めた表である。

本明細書内で透明導電膜とは可視光の透過率が高い（可視光の波長領域３８０ｎｍ〜７８０ｎｍで透過率が約８０％以上）、および電気伝導度が高い（抵抗率が約１×１０^−３Ωｃｍ以下）という２つの性質を併せ持つ膜のことである。また、本明細書に記載している透明導電膜という呼称中の「透明」とは、可視光に対する透過率が高いという意味であり、一般的に用いられている意味である。従って本発明における選択透過膜では無効光の透過率は低く、無効光に対しては必ずしも透明とは限らない。

図１は一般的な太陽電池モジュールの構造を示す断面図である。一般的な太陽電池モジュールはガラス板、合成樹脂板又は金属板（図示せず）を支持基体として、支持基体１１上に封止樹脂１２で封止された光電変換層１３を有し、太陽光の入射側にはガラス板、合成樹脂板等から成る前面基体１４を有する。光電変換層は＋電荷の正孔をもつｐ型半導体層と、余分の価電子（−電荷）をもつｎ型半導体層からなるｐｎ接合（図示せず）を備える。この光電変換層の光線入射側には表面電極１５、それと対向する側には裏面電極１６（金属電極）とを有する。表面電極１５は透明電極で構成される場合もあるし、櫛歯等の金属電極で構成される場合もある。

太陽電池による発電は、上記光電変換層に太陽光１７（又は蛍光灯や白熱電球などの人工的な照明光）が入射した時に起こる光電効果（光起電効果）を利用したものである。この光電変換層のｐｎ接合部に、適当な波長の光が入射すると、ｎ型半導体層の価電子が自由電子となって、正孔をもつｐ型半導体層の方向に移動して、ｐ型半導体層側の電極（表面電極１５）を陰極、ｎ型半導体層側の電極（裏面電極１６）を陽極とする光起電力が発生して発電し、電流が負荷を流れる。

一般的な太陽電池モジュールにおいては前面基体１４は平均屈折率が１．５であるガラス基板となるため、空気層との界面の間で約４％の反射光１８が発生する。この反射された光は光電変換層に届かないため、光電変換に寄与しない。反射光や部材吸収された光を除き光電変換層に到達する透過光１９の短波長側の有効光成分のみが光電変換に寄与することができる。ここで前面基体１４上に無効光の透過率を低下させるための熱線（赤外線）反射膜等を配置すると、有効光においても、ある程度の反射及び吸収光が生ずる。

本発明は、図２に示すように、前面基体１４上に透明導電膜層２０及び最外層２１からなる選択透過膜２２を配置することにより、有効光の高透過率と無効光の低透過率を両立する事を狙ったものである。

すなわち２つの層から成る選択透過膜２２の前面基体１４側の層として、無効光遮断機能を有する透明導電膜層２０を配置し、空気側の層である最外層２１は前面基体１４、透明導電膜層２０及び空気層との間の反射及び吸収による有効光の透過光損失を最小限とするべく設計、配置される。本発明は透明導電膜層２０の好適な透明導電膜特性、すなわち屈折率及び消衰係数或いはこれらを決定する物理的主要因であるキャリア密度及びキャリア移動度を規定するものである。

透明導電膜層２０の可視から近赤外領域における屈折率ｎ及び消衰係数ｋ（並びにn,kにより指定される複素屈折率N＝ｎ−ｉｋ）は透明導電膜層２０のキャリア濃度ｎｅ及びキャリア移動度μｅ等に基づき非常に良い精度で計算できる。詳細な理論は例えば、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ、ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ（１９８５）に掲載されている。また透明導電膜層２０の屈折率ｎ及び消衰係数ｋが明らかになれば、透明導電膜層２０の膜厚ｄＨ及び最外層の膜厚ｄＬ等から選択透過膜２２の光学特性（反射率、吸収率、透過率）を導出することができる。従って、電気特性測定の結果得られるキャリア濃度ｎｅ及びキャリア移動度μｅ等に基づき任意の膜厚組み合わせの選択透過膜の光学特性を計算することができる。

本発明により、上述のような選択透過膜を用いることにより有効光の高透過性と無効光の低透過性を両立することができる。選択透過膜２２の有効光透過特性及び無効光透過特性の程度は上記計算（又は直接測定）により得られる選択透過膜の透過率スペクトルを用いて、次のような有効光透過率Ｔｅｇ及び無効光透過率Ｔｎｅｇを用いて評価することが好ましい。すなわち、

である。ただし、λｓは有効光積分開始波長(ｎｍ)、λＥｇは光電変換層のバンドギャップエネルギーに対応する光の波長（ｎｍ）、λｅは無効光積分終了波長(ｎｍ)、Ｐ（λ）はAM(Air Mass)1.5の太陽光の光子数スペクトル（単位波長当たりの光子数）、Ｔ（λ）は選択透過膜の透過率スペクトルである。

λｓは３５０ｎｍとした。３５０ｎｍより長波長の光が太陽光全体の９５％以上を占めること、３５０ｎｍ以下ではガラス基板の透過率が低下すること、典型的な透明導電膜材料（例えばＩＴＯ,ＳｎＯ_２，ＺｎＯ）ではバンドギャップエネルギーが３５０ｎｍ程度にあるため、それより短波長の光を強く吸収することから、Ｔｅｇ及びＴｎｅgを適切に評価するために、３５０ｎｍよりも短波長の光は計算から除いた。

またλＥｇは典型的な結晶シリコンであれば約１１３０ｎｍ、ＣＩＧＳ半導体であれば、約８８０ｎｍから１０４０ｎｍ（幅があるのはＧａ組成によりバンドギャップエネルギーが１．２ｅＶから１．４ｅＶ程度まで変化するため）、アモルファスシリコンで約７３０ｎｍである。CIGS半導体はCu、In、Ga、Seの化合物半導体のことであり、太陽電池に使用される。いずれにせよ、λＥｅは３０００ｎｍとすれば、それより長波長の太陽光エネルギーは全太陽光エネルギー中の１％未満となるため、十分である。

なお太陽光スペクトルＰ（λ）として光子数スペクトルを採用し、エネルギースペクトルとしていないのは、光電変換層において、バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光子１個はすべて光電変換した場合、１対の電子正孔対を生成し、これが発生する電流に対応するためであり、光子１個のエネルギーには依らないためである。

Ｔｅｇは有効光の光子数換算した平均透過率であり、光電変換に寄与する光子の平均透過率であり、発生する電流量に直接関係する量である。すなわちＴｅｇは最大値１に近ければ近いほど光電変換効率が高いため望ましい。選択透過膜がなく、屈折率１．５のガラスと屈折率１の空気の間の反射が発生すると仮定した場合、Ｔｅｇ＝９６％である。

Ｔｎｅｇは無効光の光子数換算した平均透過率であり、光電変換に寄与しない光子の平均透過率であり、光電変換層以外で主に吸収され、モジュール及び光電変換層の温度上昇に結び付く量である。従ってＴｎｅｇは小さければ小さいほど温度上昇抑制効果が高いため、望ましい。

またＴｅｇ及びＴｎｅgは上記したように前面基体上に形成した選択透過膜の透過率であるため、前面基体における選択透過膜を形成した側の面のみについての透過率である。従って、選択透過膜を形成していない面における反射や透過は考慮していない。本明細書内では、前面基体の選択透過膜を形成していない面には前面基体と略同じ屈折率を有する封止樹脂が配置されている場合を想定しているため、そこの界面での反射率や透過率は考慮していない。

薄膜型の太陽電池モジュールでは前面基体の空気側では無い面において、透明電極層があることが一般的であるため、この界面、透明電極層における反射や吸収も発生する。しかし、その場合も、前面基体の空気側における反射率、透過率及び吸収率といった光学特性は変わらないため、本発明における議論が適用できることは言うまでもない。これらＴｅｇ及びＴｎｅgにより選択透過膜２２の有効光透過特性及び無効光透過特性の程度を評価することができる。

また、Ｔ（λ）を決定する要素の一つである、最外層の膜厚ｄＬは透明導電膜層との間の反射光を低減するため、最適化波長λｏｐｔに対して、λｏｐｔ／４程度の光学膜厚とすることが望ましい。なお、光学膜厚は幾何学的膜厚に屈折率をかけたものである。具体的には幾何学膜厚に換算して４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることが望ましい。この幾何学的膜厚は、最外層の屈折率ｎＬが１．２から１．６の場合である。

最適化波長λｏｐｔとしては太陽光光子数スペクトルのピークがある６８０ｎｍ程度を考えればよい。ただし、光学膜厚の好適値は下地の材料特性、とくに吸収特性により変化するため上記のようなλｏｐｔ／４程度を中心に幅を持った範囲をとる。つまり、膜が１層であれば、光学膜厚の最適値はλｏｐｔ／４であるが、多層膜となっている場合は、下層膜からの反射等が存在するために、λｏｐｔ／４程度を中心に幅を持った範囲をとなる。

図３に本発明者らが作成した選択透過膜の光学特性の一例を示す。本例の透明導電膜のキャリア密度はｎｅ＝１×１０^２１／ｃｍ^３、キャリア移動度μｅ＝５０ｃｍ^２／Ｖ／ｓであった。この値を元に、エネルギーギャップを１．２ｅＶ、透明導電膜層の膜厚ｄHを６０ｎｍ、最外層の膜厚ｄＬを１００ｎｍ、最外層の屈折率ｎＬを１．２として光学特性、有効光透過率Ｔｅｇ、無効光透過率Ｔｎｅｇを計算したものが図３である。反射率は実験で測定したものと非常によく一致したため、本計算が妥当であると考えられる。

図３より、有効光透過率Ｔｅｇは、膜無しの場合に相当する、前面基体（屈折率１．５と仮定）と空気の間の透過率９６％を略保持する９６．２％が得られている。その上で、無効光透過率Ｔｎｅg＝６５％となっており、無効光の透過率を選択的に低減できている。すなわち、キャリア密度はｎｅ＝１×１０^２１／ｃｍ^３、キャリア移動度μｅ＝５０ｃｍ^２／Ｖ／ｓの透明導電膜層を有する選択透過膜により有効光の高透過性と無効光の低透過性を両立できている事が分かる。なお、このようにＴｅｇとＴｎｅｇが大きく異なる膜構成は本発明に示される詳細な検討を行わない限り、発見することは容易ではない。

本発明者らはＴｅｇとＴｎｅｇの差を十分大きくすることが可能であるキャリア密度ｎｅ及びキャリア移動度μｅの値の範囲について鋭意研究を行った。そのような範囲はかなり広範囲に亘るが、特に（ｎｅ,μｅ）の望ましい範囲として図４が得られることを明らかにした。これは、透明導電膜層の（ｎｅ,μｅ）がこの範囲にあれば適当な透明導電膜層の膜厚ｄＨ及び最外層の膜厚ｄＬを選ぶことによって、Ｔｅｇ＞９６％かつＴｎｅｇを充分小さく（Ｔｎｅｇ＜８６％）なる領域を得られることを示したものである。

図４の横軸はキャリア密度ｎｅ、縦軸はキャリア移動度μｅである。また、等高線で描いた領域は各々（ｎｅ,μｅ）を指定した時に、適切な膜厚ｄＨ及びｄＬの範囲で最低限得られる「無効光光子数透過率の低下分（０．９６からＴｎｅｇを差し引いた値）」、即ち選択透過膜無しの場合に比べてどれだけ無効光の透過率を下げられるかを示す値である。従ってこの値が大きい程無効光の透過を抑制できる。尚、図4に含まれるｎｅ及びμｅの値は実用的な物性値を考慮して定めたものである。

図４の結果を得るために、ｄＬおよびｄＨに対して様々な膜厚を適用した。その結果、ｄＬの膜厚範囲として４０ｎｍ≦ｄＬ≦１５０ｎｍの範囲であれば、図４における結果を得ることが出来る。また、ｄＨの膜厚範囲として２０ｎｍ≦ｄＨ≦１３０ｎｍ及び１３０ｎｍ≦ｄＨ≦２００ｎｍの範囲であれば、図４における結果を得ることが出来る。なお、好適なｄＨの膜厚の範囲を２つに分けたのは次の理由による。つまり、２０ｎｍ≦ｄＨ≦１３０ｎｍの場合には、透明導電膜層の膜厚ｄＨが薄いために無効光の吸収効果が１３０ｎｍ≦ｄＨ≦２２０ｎｍの場合よりもやや劣るが生産性の観点からは望ましい。逆に１３０ｎｍ≦ｄＨ≦２２０ｎｍの場合は生産性ではやや劣るが、より高い無効光透過率の低減効果が期待できる。

図４より透明導電膜層のキャリア密度ｎｅが１×１０^１９／ｃｍ^３以上３×１０^２１／ｃｍ^３以下であり、透明導電膜層のキャリア移動度μｅが１ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上１００ｃｍ^２／Ｖ／ｓであれば、Ｔｅｇ＞９６％かつ８６％≦Ｔｎｅｇ＜９６％とすることが出来る。適切な膜厚の範囲は上述したとおりである。

透明導電膜層のキャリア密度ｎｅが１×１０^１９／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、透明導電膜層のキャリア移動度μｅが１ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上３０ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以下であれば、Ｔｅｇ＞９６％かつ７６％≦Ｔｎｅｇ＜８６％とすることができる。適切な膜厚の範囲は上記と同様である。このキャリア移動度及びキャリア密度の範囲に対応する波長３５０ｎｍから３０００ｎｍにおける透明導電膜層の屈折率は１．１以上２．２以下であり、消衰係数は１０^−５以上０．５以下である。これらの値を用いた場合には、より簡便に膜の光学特性を評価できる。なお、キャリア密度ｎｅおよびキャリア移動度μｅが決まると、屈折率および消衰係数も決まる。

同様に透明導電膜層のキャリア密度ｎｅが２×１０^２０／ｃｍ^３以上３×１０^２１／ｃｍ^３以下であり、透明導電膜層の移動度μｅが３５ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上１００ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以下であれば、Ｔｅｇ＞９６％かつ７６％≦Ｔｎｅｇ＜８６％とすることができる。適切な膜厚の範囲は上記と同様である。このキャリア移動度及びキャリア密度の範囲に対応する波長３５０ｎｍから３０００ｎｍにおける透明導電膜層の屈折率は０．０３以上２．２以下であり、消衰係数は１０^−５以上１０以下である。これらの値を用いた場合には、より簡便に膜の光学特性を評価できる。適切な膜厚の範囲は上述したとおりである。

透明導電膜層のキャリア密度ｎｅが７×１０^２０／ｃｍ^３以上３×１０^２１／ｃｍ^３以下であり、透明導電膜層の移動度μｅが４０ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上１００ｃｍ^２／Ｖ／ｓであれば、Ｔｅｇ＞９６％かつ６６％≦Ｔｎｅｇ＜７６％とすることができる。適切な膜厚の範囲は上記と同様である。このキャリア移動度及びキャリア密度の範囲に対応する波長３５０ｎｍから３０００ｎｍにおける透明導電膜層の屈折率は０．０３以上２．２以下であり、消衰係数は１０^−４以上１０以下である。これらの値を用いた場合には、より簡便に膜の光学特性を評価できる。

さらに透明導電膜層のキャリア密度ｎｅが１×１０^２１／ｃｍ^３以上３×１０^２１／ｃｍ^３以下であり、透明導電膜層の移動度μｅが７５ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上１００ｃｍ^２／Ｖ／ｓであれば、Ｔｅｇ＞９６％かつ５６％≦Ｔｎｅｇ＜６６％とすることができる。適切な膜厚の範囲は上記と同様である。

図５は光電変換層のバンドギャップエネルギーが１．８ｅＶ（波長に換算すると約６９０ｎｍ）であるとした場合の無効光光子数透過率の低下分をプロットしたものである。バンドギャップエネルギー以外の条件は図４と同様である。図5より無効光光子数透過率の低下分は図４とほぼ同様であることが分かる。即ちＴｎｅｇの好適領域はバンドギャップエネルギーによりあまり変化しない事が分かる。したがって、光電変換層のバンドギャップエネルギーが少なくとも、１．２ｅＶ〜１．８ｅＶの範囲であれば、図４において説明したような範囲において、図４で説明したような効果を得ることが出来る。

図４および図５においては、最外層の屈折率nLが１．２であるとして計算したものである。一方、図示しないが、最外層の屈折率nLが１．６であるとして計算した場合も、有効光透過率の低減を抑え、無効光透過率の低減をさせる膜厚の範囲、キャリア移動度及びキャリア密度の範囲は、図４および図５で説明したのと同様の範囲である。これは、図４および図５においては、無効光光子数透過率の低下を主眼として評価し、プロットしているからである。

すなわち、光電変換層のバンドギャップエネルギー及び最外層の屈折率ｎＬを変化させると膜特性やＴｅｇ及びＴｎｅｇの積分範囲が変化し、特定の（ｎｅ,μｅ）に対する最良のＴｎｅｇの値及びその最適な膜厚ｄＬ及びｄＨの条件は変化する。しかし、（ｎｅ,μｅ）を変化させた場合における無効光光子数透過率の低下分は好適な膜厚ｄＬ及びｄＨの範囲内で膜厚を変化させることにより同等の値が得られるため、条件の変動に対する変化が少ないと考えられる。

本発明で用いられる透明導電膜層の材料としては、酸化物半導体薄膜（Ｉｎ_２Ｏ_３，ＩＴＯ（Ｓｎ添加Ｉｎ_２Ｏ_３）、ＩＺＯ（Ｚｎ添加Ｉｎ_２Ｏ_３）、ＳｎＯ_２、ＡＴＯ（Ｓｂ添加ＳｎＯ_２）, ＦＴＯ（Ｆ添加ＳｎＯ_２）,ＺｎＯ、ＡＺＯ（Ａｌ添加ＺｎＯ）, ＧＺＯ（Ｇａ添加ＺｎＯ）, ＢＺＯ（Ｂ添加ＺｎＯ）, Ｚｎ、ＣｄＯ，ＴｉＯ_２，ＣｄＩｎ_２Ｏ_４,ＩｎＳｂＯ_４,Ｃｄ_２ＳｎＯ_２,Ｚｎ_２ＳｎＯ_４）、金属薄膜（Ａｕ,Ａｇ,Ｐｔ,Ｃｕ,Ｒｈ,ＰＤ,Ａｌ,Ｃ）、スピネル型化合物（ＭｇＩｎＯ_４,ＣａＧａＯ_４）,導電性窒化物薄膜（ＴｉＮ,ＺrＮ,ＨｆＮ）導電性ホウ化物薄膜（ＬａＢ_６）、導電性高分子等並びにこれらの混合物、適切な元素ドープを行ったものが挙げられる。中でもＩｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＺｎＯを主成分とした材料はキャリア密度が上記した範囲に制御し易い事及び生産プロセスの研究開発が活発であることから実用上好ましい。

又本発明で用いられる最外層は可視光領域（波長が３８０ｎｍから７８０ｎｍの波長領域と定義する）を中心とする有効光の波長領域において、有効光透過率を改善するために下地である透明導電膜層に比べ、この波長領域において、屈折率が小さい事が望ましい。さらにそのような材料としてＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３，ＣｅＦ_３，ＬａＦ_３、ＭｇＯ等の可視領域で透明な酸化物の誘電体を主成分とすることが好ましい。

ガラス基板（屈折率１．５０）を真空槽内に配置し、１×１０^-5Torrまで排気した。その後にＩｎ_２Ｏ_３とＳｎＯ_２の焼結体で出来た酸化物ターゲットをＤＣスパッタしてＩＴＯ膜をガラス基板上に２００ｎｍ形成した。次にまずこの膜のキャリア密度ｎｅをホール測定により求めた。この膜の電気導電率σを４探針法により求めた。その後、σ＝ｎe×ｑ×μｅの関係（ｑは電荷素量）を用いて、キャリア移動度μｅを求めた。このときのｎｅの値は５×１０^１９／ｃｍ^３、μｅの値は１２ｃｍ^２／Ｖ／ｓであった。

これらの値を用いて３５０ｎｍから３０００ｎｍまでの光学定数ｎとｋの値を導出した。このｎとｋの値に基づき、選択透過膜作成に用いるＩＴＯ膜の膜厚を１６０ｎｍと決定した。なお同様の手法によりＳｉＯ_２膜のスパッタ成膜も別のガラス基板に行った。分光エリプソにより評価した結果、ＳｉＯ_２膜の屈折率は１．４９〜１．４０の値を取り、ｋの値は膜厚が１μｍ未満の範囲では無視できる程度（１０^−５以下）であった。従ってＳｉＯ_２の膜厚は１００ｎｍと決定した。

次に太陽電池モジュールの前面基体となる別のガラス基板を真空槽内に配置し、１×１０^-5Torrまで排気した。その後に先ほどと同様の手法により、ＩＴＯを１６０ｎｍ、ＳｉＯ_２を１００ｎｍ成膜し、選択透過膜を作成した。この選択透過膜の有効光透過率Ｔｅｇは９６．２％、無効光透過率Ｔｎｅｇは８４．６％と計算された。

次にこの選択透過膜を作成したガラス基板を太陽光入射側の前面基体として、図２に示すように、複数の結晶シリコン太陽電池セルからなる光電変換層を電極で接合したものを、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）からなる封止樹脂で挟んだ。さらにそれを前面基体と支持基板により挟んだものを真空ラミネートし試験用太陽電池モジュールを作成した。

この太陽電池モジュールにソーラーシミュレータ（英弘精機製）を用いて、放射強度１０００Ｗ／ｍ^２の疑似太陽光の元に１時間放置した後モジュールの発電効率及びモジュール表面温度を測定した。結果を図６における実施例１に示す。

太陽電池モジュールの構造は実施例１と同様である。透明導電層としてSnO2をスパッタリングによって１６０nmの厚さに形成した。この場合の透明導電層のキャリア移動度μｅは２０ｃｍ^２／Ｖ／ｓであり、キャリア密度ｎｅは１×１０^１９／ｃｍ^３である。また、最外層としてMgF2を１００nmの厚さに形成した。この場合のTeg、Tneg、９６−Tneg、モジュールの表面温度、モジュールの発電効率は図６に示すとおりである。

太陽電池モジュールの構造は実施例１と同様である。透明導電層としてITOをスパッタリングによって１４０nmの厚さに形成した。この場合の透明導電層のキャリア移動度μｅは５０ｃｍ^２／Ｖ／ｓであり、キャリア密度ｎｅは５×１０^２０／ｃｍ^３である。また、最外層としてMgF2を１００nmの厚さに形成した。この場合のTeg、Tneg、９６−Tneg、モジュールの表面温度、モジュールの発電効率は図６に示すとおりである。

太陽電池モジュールの構造は実施例１と同様である。透明導電層としてITOをスパッタリングによって８０nmの厚さに形成した。この場合の透明導電層のキャリア移動度μｅは７５ｃｍ^２／Ｖ／ｓであり、キャリア密度ｎｅは１×１０^２１／ｃｍ^３である。また、最外層としてSiO2を１００nmの厚さに形成した。この場合のTeg、Tneg、９６−Tneg、モジュールの表面温度、モジュールの発電効率は図６に示すとおりである。

（比較例）
実施例１〜４の比較例として、選択透過膜を成膜していないガラス基板を前面基体として、実施例１〜４と同様に太陽電池モジュールを作成し、同様の評価を行った。

（実施例１〜４と比較例との比較）
図６に示すように、実施例１及び２では、Ｔｅｇ＞９６％とした上で、ＴｎｅｇをＴｅｇよりも１０％以上低下させる事が出来た。又その結果として、モジュール温度を約５〜６℃低下させることが出来、モジュール発電効率は比較例に比べ、０．３〜０．４％向上した。従って本構成により、有効光透過率Ｔｅｇを膜無しの状態よりも向上した上で、無効光透過率Ｔｎｅｇを選択的に低減し、温度上昇時のモジュール光電変換効率を向上することが出来た。

また実施例３については、より好適なキャリア移動度及びキャリア密度を有する選択透過膜を形成したため、Ｔｅｇ＞９６％とした上で、ＴｎｅｇをＴｅｇよりも１８％以上低下させる事が出来た。又その結果として、モジュール温度を１１℃低下させることが出来、モジュール発電効率は比較例に比べ、０．７％向上した。

また実施例４については、より好適なキャリア移動度及びキャリア密度を有する選択透過膜を形成したため、Ｔｅｇ＞９６％とした上で、ＴｎｅｇをＴｅｇよりも３２％以上低下させる事が出来た。又その結果として、モジュール温度を１７℃低下させることが出来、モジュール発電効率は比較例に比べ、１．４％向上した。

以上を踏まえ、本実施の形態１〜４による太陽電池モジュールの構成によれば、無効光の吸収による温度上昇に由来する光電変換効率の低下を抑制しながら、有効光の透過率低下を抑制することができる。その結果、高光電変換効率を有する太陽電池モジュールを提供することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１１ 支持基体
１２ 封止樹脂
１３ 光電変換層
１４ 前面基体
１５ 表面電極
１６ 裏面電極
１７ 太陽光
１８ 反射光
１９ 透過光
２０ 透明導電膜層
２１ 最外層
２２ 選択透過膜。

Claims (9)

1. 前面基体と、前記前面基体に対向配置された背面基体と、前記前面基体と前記背面基体の間に配置された半導体によって構成された光電変換層とを有する太陽電池モジュールであって、
   前記前面基体上で前記背面基体とは逆の面に、幾何学膜厚が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である透明導電膜層が形成され、
   前記透明導電膜層上に可視光領域において前記透明導電膜層よりも屈折率が低く、且つ可視光領域において屈折率が１以上であり、幾何学膜厚が４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である最外層が形成され、
   前記透明導電膜と前記最外層によって選択透過膜が形成され、
   前記光電変換層のエネルギーギャップが１．０eV以上１．８eV以下であり、
   前記透明導電膜層のキャリア密度が１×１０^１９／ｃｍ^３以上３×１０^２１／ｃｍ^３以下であり、
   前記透明導電膜層の移動度が１ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上１００ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以下であり、
   前記選択透過膜は、波長が３５０ｎｍ以上の領域において、所定の波長よりも長波長における透過率が、前記所定の波長よりも短波長における透過率よりも低いことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 請求項１記載の太陽電池モジュールにおいて
   前記透明導電膜層のキャリア密度が１×１０^１９／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、
   前記透明導電膜層の移動度が１ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上３０ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以下である
   ことを特徴とする太陽電池モジュール。
3. 請求項２記載の太陽電池モジュールにおいて
   前記透明導電膜層の波長３５０ｎｍから３０００ｎｍにおける屈折率が１．１以上２．２以下であり、
   前記透明導電膜層の波長３５０ｎｍから３０００ｎｍにおける消衰係数が１０^−５以上０．５以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
4. 請求項１記載の太陽電池モジュールにおいて
   前記透明導電膜層のキャリア密度が２×１０^２０／ｃｍ^３以上３×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、
   前記透明導電膜層の移動度が３５ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上１００ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
5. 請求項４記載の太陽電池モジュールにおいて
   前記透明導電膜層の波長３５０ｎｍから３０００ｎｍにおける屈折率が０．０３以上２．２以下であり、
   前記透明導電膜層の波長３５０ｎｍから３０００ｎｍにおける消衰係数が１０^−５以上１０以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
6. 請求項１記載の太陽電池モジュールにおいて
   前記透明導電膜層のキャリア密度が７×１０^２０／ｃｍ^３以上３×１０^２１／ｃｍ^３以下であり、
   前記透明導電膜層の移動度が４０ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以上１００ｃｍ^２／Ｖ／ｓ以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
7. 請求項６記載の太陽電池モジュールにおいて
   前記透明導電膜層の波長３５０ｎｍから３０００ｎｍにおける屈折率が０．０３以上２．２以下であり、
   前記透明導電膜層の波長３５０ｎｍから３０００ｎｍにおける消衰係数が１０^−４以上１０以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
8. 請求項１から７記載の太陽電池モジュールにおいて
   前記透明導電膜がＩn₂O₃，SnO₂, ZnOを主成分とした材料であることを特徴とする太陽電池モジュール。
9. 請求項１から８記載の太陽電池モジュールにおいて
   前記最外層がＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３，ＣｅＦ_３，ＬａＦ_３、ＭｇＯを主成分とした材料であることを特徴とする太陽電池モジュール。

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