JP2013077749A

JP2013077749A - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP2013077749A
Application number: JP2011217554A
Authority: JP
Inventors: Akio Azuma; 昭男東
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25

Abstract

【課題】光利用効率の高い集積型薄膜太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】化合物半導体系集積型薄膜太陽電池モジュール１ａは、複数の太陽電池セルＣの間に形成された分離・電極接続領域５０の直上に入射された入射光Ｌを太陽電池セルＣの分離・電極接続領域５０外の光電変換層１４に向けて偏向させる導光部４１を備え、導光部４１は、分離・電極接続領域５０の少なくとも直上に形成されてなる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、化合物半導体系光電変換層を備えた集積型薄膜太陽電池モジュールに関する。

太陽電池は、クリーンなエネルギーとして注目されている。そのため、太陽電池の研究が盛んに行われるようになり、最優先課題として光電変換効率の向上が結晶Ｓｉ系太陽電池、ａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）系、ＣＩＳ／ＣＩＧＳ系、ＣｄＴｅ系等の無機化合物半導体系薄膜太陽電池あるいは有機薄膜太陽電池等の全ての太陽電池において図られている。

これらの太陽電池は、光吸収により電荷を発生する半導体の光電変換層を下部電極（裏面電極）と上部電極（透明電極）とで挟んだ積層構造の太陽電池を１つのセルとし、複数の太陽電池セルを多数直列に接続させ、それを保護層等で封止した太陽電池モジュールとして利用される。

太陽電池モジュールは、上記のとおり、複数の太陽電池セル間に、各セルの接続領域を有している。太陽電池モジュールにおいて、この接続領域に入射された光は、通常、有効に光電変換層に入射されないものが多い。従って、この接続領域に入射された光を有効利用して、太陽電池モジュールの変換効率向上させるために、種々の構造が検討されている。

特許文献１には、結晶Ｓｉ太陽電池セルを複数並べた太陽電池モジュールにおいて、セル間あるいはセル端部に集光のためリニアフレネルレンズあるいは平凹レンズを設けて光電変換効率向上を図っている。また、特許文献２では、同様の結晶Ｓｉ系太陽電池モジュールにおいて、セルを覆う上表面透明板をレンチキュラーレンズ形状とし、また、裏面に凹凸状の反射フィルムを設けて光の集光及び再吸収を可能としている。

特許文献３ではａ−Ｓｉ系薄膜太陽電池において、光透過スリットを有する第２の反射層上に形成された集光シリンドリカルレンズ群を光入射面に備え、更に、光電変換層を介して対向配置された第1の反射層を備えた太陽電池モジュールが開示されている。かかる構造では、第1の反射層と第２の反射層間での光の多重反射を利用して光の利用効率を向上させている。シリンドリカルレンズ群は光スリット内に入射光を集光するためのものである。

特許文献４には、表面保護部材と太陽電池セルの間に太陽電池セルに入射光を集光させる集光レンズを設置した集光型太陽電池モジュールが開示されている。特許文献４には、光電変換層として、ＣＩＳ型の化合物半導体が挙げられている。

特開２０１１−８２２５６号公報再公表特許２００９/０７５１９５号公報特開２００３−４６１０８号公報特開２０１０−１０９０４５号公報

一方、太陽電池の普及には、高変換効率化と同時に低コスト化が重要である。低コスト化という観点では、光電変換層の材料としては、結晶Ｓｉやａ−Ｓｉに対して無機化合物半導体系薄膜太陽電池が、また、構造的には、１枚の基板上に複数の太陽電池セルが直列に接続されて集積された集積型薄膜太陽電池モジュールが注目されている。

集積型薄膜太陽電池モジュールは、集積回路などのように、1枚の基板上に裏面電極層と光電変換層のパターンを作りこむことによって個々の太陽電池間の接続を行うため、太陽電池表面のグリッド電極や導線が不要となるうえ、1枚の基板で高い電圧が実現できる。従って、無機化合物半導体系集積型薄膜太陽電池モジュールにおいて、高効率化を実現させることにより、太陽電池モジュールにおいて、小型軽量化、低コスト化、高効率化が期待できる。

集積型薄膜太陽電池モジュールでは、裏面電極層の分離溝と光電変換層の分離溝との間の領域（分離・電極接続領域）が、上記した接続領域に該当するため、この分離・電極接続領域に入射された光を有効利用可能な構造が必要となる。

特許文献１及び２の太陽電池モジュールは結晶Ｓｉ系であるためコストが高く、また、集積型ではないため、集積型太陽電池にそのまま適用することも難しい。

特許文献３の太陽電池モジュールでは、集積型でない上、多重反射により光利用効率を高めた構成としており、太陽電池モジュール表面の全面にシリンドリカルレンズを配し、更に光スリットを備えた反射層及びその対向反射層を設ける必要があるため構造が複雑であり、コストもかかる。

また、特許文献４の太陽電池モジュールは、集光型太陽電池モジュールを対象とした構成であり、セル間の接続領域の入射光を有効利用するというものではない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、集積型薄膜太陽電池モジュールにおいて、低コストに製造可能であり、且つ、太陽電池セル同士の接続領域に入射された光を有効利用可能な集積型薄膜太陽電池モジュールを提供することを目的とするものである。

本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールは、
基板上に複数の太陽電池セルが電気的に直列接続されて形成されてなる太陽電池サブモジュールと、
該太陽電池サブモジュールの表面に、該太陽電池サブモジュールを封止する接着充填層と表面保護層とが順次積層されてなる集積型薄膜太陽電池モジュールにおいて、
前記複数の太陽電池セル間に形成された分離・電極接続領域の直上に入射された入射光を前記太陽電池セルの前記分離・電極接続領域外の光電変換層に向けて偏向させる導光部を備え、
該導光部は、前記分離・電極接続領域の少なくとも直上に形成されてなり、
前記光電変換層が化合物半導体系光電変換層であることを特徴とするものである。

本明細書において、「分離・電極接続領域」とは、集積型薄膜太陽電池サブモジュールにおいて、厚み方向断面視において、裏面電極（下部電極）の分離溝から透明電極（上部電極）の分離溝までの領域を意味する。
また、「分離・電極接続領域の直上」とは、製造工程における位置ずれを含む、分離・電極接続領域の直上の領域を意味する。具体的には、分離・電極接続領域の幅の±１０％までの領域を直上と定義する。

本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールの好ましい態様としては、前記導光部が、前記分離・電極接続領域の直上のみに形成されてなる態様が挙げられる。

また、本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールのその他の好ましい態様としては、前記導光部が、前記分離・電極接続領域の直上の領域の幅に対して+５〜１０％広い領域に形成されてなる態様が挙げられる。

前記導光部は、前記表面保護層又は前記表面保護層上に形成されてなるものが好ましい。かかる態様では、前記導光部が、リニア凹レンズ又はリニアフレネルレンズであることが好ましい。

また、前記導光部は、前記接着充填層内に形成されてなるものであってもよい。かかる構成では、前記導光部が、前記接着充填層の屈折率よりも屈折率の高い樹脂を主成分とするリニアプリズムである態様、前記導光部が、リニアシリンドリカルレンズ又はリニア三角柱状レンズであり、リニアシリンドリカルレンズ又はリニア三角柱状レンズは、太陽電池サブモジュールの表面の一部に、隣接する前記太陽電池セルと短絡させないように形成され、前記入射光を反射させて、表面保護層裏面で全反射させて前記光電変換層へ前記入射光を導光させる反射部材を備えてなる態様が挙げられる。

本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールにおいて、前記光電変換層が、ＣｕおよびＡｇからなる群より選択された少なくとも１種のIｂ族元素と、Ａｌ、ＧａおよびＩｎからなる群より選択された少なくとも１種のIIIｂ族元素と、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅからなる群から選択された少なくとも１種のVIｂ族元素とからなる少なくとも１種の化合物半導体により構成されていることが好ましい。

特許３６１３９５１号公報にはフレキシブルａ−Ｓｉ系薄膜太陽電池において、セル間に長手方向が軸であるシリンドリカルな凹レンズまたは凸レンズを備えた構成が開示されている。この特許文献において記載されているシリンドリカルレンズは、シースルータイプの太陽電池において、太陽電池セルの形成部分により生じる影を、非形成部分に入射した光を拡散させることにより打ち消して、裏面側から出射される光を一様にするための採光窓の構成である。従って、太陽電池セルの接続領域である太陽電池セルの非形成部分に入射した光を、太陽電池セル内の光電変換層へ入射させる導光部を備えたものではない。

本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールは、無機化合物半導体系太陽電池セル間の分離・電極接続領域の直上に入射された入射光を太陽電池セルの分離・電極接続領域外の光電変換層に向けて偏向させる導光部を、少なくとも分離・電極接続領域の直上に備えている。かかる構成によれば、いわゆるデッドスペースと言われる各セルの分離・電極接続領域に入射した光を、該領域以外の光電変換層に向けて偏向することができるので、入射光をより有効利用することができる。従って、本発明によれば、低コストに製造可能な無機化合物半導体系集積型薄膜太陽電池モジュールにおいて、デッドスペースへの入射光を有効利用して光電変換効率を向上させることができる。

更に、導光部を分離・電極接続領域の直上のみに設けた構成では、より低コスト化が実現できる。

本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールの第1実施形態を示す厚み方向断面図 ―その１― 本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールの第１実施形態を示す厚み方向断面図 ―その２― 本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールの第２実施形態を示す厚み方向断面図 ―その１― 本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールの第２実施形態を示す厚み方向断面図 ―その２― 本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールの第２実施形態を示す厚み方向断面図 ―その３― 第１実施形態の集積型薄膜太陽電池モジュールにおいて、別の態様の集積型薄膜太陽電池サブモジュールに適用した場合の態様を示す厚み方向断面図集積型薄膜太陽電池サブモジュールの構成を示す平面視概略図

図面を参照して本発明の集積型薄膜太陽電池モジュールの実施形態について説明する。なお、各図においては、視認しやすくするために各部の縮尺は適宜変更して示してある。特に、本明細書においては、集積型薄膜太陽電池サブモジュールにおける、各セルの分離・電極接続領域上の構造に特徴を有することから、該領域を拡大して示してある。
＜集積型薄膜太陽電池モジュールの第1実施形態＞

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明にかかる第1実施形態の集積型薄膜太陽電池モジュール（以下、太陽電池モジュールとする）１ａ，１ｂの構成を模式的に示す厚み方向断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、太陽電池モジュール１ａ，１ｂは、絶縁層１２を表面に備えた金属基板１１上に、分離溝Ｐ１〜Ｐ３によって分離及び電極接続がなされた複数の太陽電池セルＣを備えた化合物半導体系集積型太陽電池サブモジュール（以下、太陽電池サブモジュールとする）１０と、この太陽電池サブモジュール１０の表面に配置された接着充填層２０及び表面保護層３０とを備えている。表面保護層３０は、太陽電池サブモジュール１０の分離・電極接続領域５０の直上に、該領域直上の表面保護層３０に入射された入射光Ｌを、分離・電極接続領域５０外の領域５１に形成されている光電変換層１４に向けて偏向させる導光部４１を備えている。

接着充填層及び裏面保護層（バックシート）は、太陽電池サブモジュール１０の裏面側に形成されているが、太陽電池モジュール１ａ,１ｂにおいて、その構成上の特徴は、太陽電池サブモジュール１０の表面側（受光面側）に有しているため、わかりやすくするために、裏面側の接着充填層とバックシートについては、本明細書において図面上省略してある。

太陽電池モジュール１ａ，１ｂにおいて、太陽電池サブモジュール１０と、太陽電池サブモジュール１０の表面側に配置された接着充填層２０、表面保護層３０と、この太陽電池サブモジュール１０の裏面側に配置された接着充填層および裏面保護層とは、例えば、真空ラミネート法により、ラミネート加工されて一体化されている。

また、太陽電池モジュール１ａ、１ｂで得られた電力は配線を通じて外に取り出され、太陽電池モジュール１ａ，１ｂの外部に取り出す端子ボックスが、裏面保護層表面の角部周辺に、例えば、シリコーン樹脂によって接着封止されて固定される（図示略）。

太陽電池サブモジュール１０は、基板短辺方向に延びる短冊状に分離された複数の太陽電池セルＣが、隣り合う太陽電池セルＣ間で裏面電極１２と透明電極１５が接続されることにより、直列接続されてなる。

各裏面電極１２は、隣り合う裏面電極１２と第１の分離溝Ｐ１により離間されて絶縁層１１の表面に配置形成されている。光電変換層１４は第１の分離溝Ｐ１を埋めつつ裏面電極１２の上に形成されている。各太陽電池セルＣの光電変換層１４は、裏面電極１２にまで達する第２の分離溝Ｐ２により、隣り合う太陽電池セルＣの光電変換層１４と離間されている。この第２の分離溝Ｐ２は、裏面電極１２の第１の分離溝Ｐ１とは異なる位置に形成されている。

また、この溝Ｐ２を埋めつつ光電変換層１４上に透明電極１５が形成されている。さらに、透明電極１５および光電変換層１４を貫き裏面電極１２に達する第３の分離溝Ｐ３が形成されている。それぞれの太陽電池セルＣはその裏面電極１２と隣接する太陽電池セルＣの透明電極１５とが第３の分離溝Ｐ３により接続されることにより直列に接続された構成となっている。

表面側の接着充填層２０は、太陽電池サブモジュール１０と表面保護層３０との間に挿入されており、太陽電池サブモジュール１０を封止して保護するとともに、太陽電池サブモジュール１０、表面保護層３０を互いに接着させるためのものである。同様に、裏面側の接着充填層は、太陽電池サブモジュール１０を封止して保護するとともに、バックシートと接着させるためのものである。

この接着充填層２０には、例えば、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、アイオノマー樹脂、オレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂等が用いられる。

本実施形態において、表面保護層３０は、汚れ等による太陽電池サブモジュール１０への入射光量の低下を抑制するものであるとともに、太陽電池サブモジュール１０の分離・電極接続領域５０の直上の領域に、該領域に入射した入射光Ｌを太陽電池セルＣの分離・電極接続領域外の領域５１の光電変換層１４に向けて偏向させる導光部４１を備えている。

図１Ａにおいて、導光部４１は紙面垂直方向に延びて配されるリニア凹レンズ形状を有している。また、図１Ｂでは、導光部４１は紙面垂直方向に延びて配されるリニアフレネルレンズ形状を有している。

リニア凹レンズ及びリニアフレネルレンズのレンズ形状については、入射光Ｌを領域５１上の光電変換層１４に向けて偏向させる機能を有していれば特に制限されないが、より多くの入射光Ｌが領域５１上の光電変換層１４に入射されるように設計されたものであることが好ましい。

なお、領域５１上の光電変換層１４よりも少し領域５０よりにはずれた光電変換層１４においても、入射光Ｌが光電変換されて発電効率に寄与することができる。

表面保護層３０は、薄いガラスや、アクリル樹脂やスチレン樹脂、ポリカーボネート等の透明樹脂フィルムを、ガラス転移温度（Ｔｇ）付近又はＴｇよりも数十度高温側に加熱して、金型を用いて塑性変形させた後冷却して形成することができる。樹脂の場合は、フィルム厚は０．５〜２．０ｍｍ程度が好ましく、ガラスの場合は０．７〜３．２ｍｍ厚程度が好ましい。ガラスを用いる場合、青板ガラス、白板ガラス、化学処理強化ガラス、風冷強化ガラス等を用いることができ、軽量化の観点からは、０．７〜１．５ｍｍ厚程度が好ましい。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、視認しやすくするために、分離・電極接続領域５０を拡大して示してあるが、図２に示される集積型薄膜太陽電池モジュールの上面図のように、実際は、領域５１と分離・電極接続領域５０とを足し合わせた受光領域に対して、分離・電極接続領域５０は１割程度である。なお、図２において左右にプラスとマイナスの表示は、集積型薄膜太陽電池サブモジュールの出力を外部に取り出す正極と負極であり、実際は、裏面電極１３の両端に設置されている。正極と負極をリード線にて上記した端子ボックスにそれぞれ接続することにより、発生した電流を取り出す構成となっている。

具体的には、セルピッチ（領域５１と分離・電極接続領域５０とを足し合わせた受光領域の断面視幅）は３〜７ｍｍ程度、分離・電極接続領域５０の幅は０．１〜０．５ｍｍ程度である。

例えば、セルピッチが３．３ｍｍ、分離・電極接続領域幅０．３ｍｍとして試算すると、分離・電極接続領域の面積率は９．１％程度となる。従って、この部分への入射光を１００％有効に光電変換に利用することができれば、光電変換効率は太陽電池サブモジュールの開口部の光電変換効率が１５％の場合、約１．５％向上することが期待でき、５０％有効利用と考えても０．７５％の向上が期待できる。現在の化合物半導体系薄膜太陽電池の変換効率を１５．０％程度であることを考慮すると、かかる変換効率への寄与は非常に大きい。

更に、太陽電池において変換効率が１％上昇することにより、コストについても１０〜２０％程度削減できることが試算されている。従って、低コスト化についても大きな効果を得ることができる。

できるだけ精度良く導光部４１を形成するためには、太陽電池サブモジュール１０上に、接着充填層２０及び表面保護層３０を形成する工程をレイアップ工程において、各層を精度良く配置することが肝要である。導光部５０の形成領域と、分離・電極接続領域５０との位置ずれは、分離・電極接続領域５０の幅に対して、０〜１０％、好ましくは０〜５％とする必要がある。

位置合わせには、あらかじめ太陽電池サブモジュール１０上に、位置合わせマークを形成しておき、モジュールの両端又は対角方向にて位置あわせを行う方法が挙げられる。また位置合わせマークには、モジュールの両端に形成されている分離溝Ｐ１〜Ｐ３のいずれかを利用してもよい。

集積型薄膜太陽電池モジュール１は、無機化合物半導体系太陽電池セル間の分離・電極接続領域５０の直上に入射された入射光Ｌを太陽電池セルＣの分離・電極接続領域外５１の光電変換層１４に向けて偏向させる導光部４１を、分離・電極接続領域５０の直上に備えている。かかる構成によれば、いわゆるデッドスペースと言われる各セルの分離・電極接続領域５０に入射した光Ｌを、該領域以外５１の光電変換層１４に向けて偏向することができるので、入射光Ｌをより有効利用することができる。従って、本発明によれば、低コストに製造可能な無機化合物半導体系集積型薄膜太陽電池モジュールにおいて、デッドスペースへの入射光を有効利用して光電変換効率を向上させることができる。

以下に、集積型薄膜太陽電池モジュールの上記した以外の層構成について説明する。
（基板）

金属基板１１としては、陽極酸化により金属基板１１の表面および裏面に生成される金属酸化膜が絶縁体となる材料等を利用することができる。

金属基板１１としては、具体的には、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、
チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）および鉄（Ｆｅ）並びにこれらの金属の合金からなる基板を用いることができる。コスト、および太陽電池に要求される特性の観点から、金属基板１１としては、アルミニウムが最も好ましい。

金属基板１１としては、耐熱性向上のために軟鋼、ステンレス鋼等の鉄鋼板表面に、金属基板１１に利用可能な上述の金属を、圧延または溶融メッキした、いわゆる、クラッド材を用いることもできる。

なお、本実施形態の金属基板３０は、フレキシブル性（可撓性）を備えることが好ましい。これにより、得られる太陽電池モジュールをフレキシブルなものとすることができる。

金属基板１１に、アルミニウム板を用いた場合、陽極酸化し、更に特定の封孔処理をすることで絶縁層１２を形成することができる。この絶縁層１２の製造工程には、必須の工程以外の各種の工程が含まれていてもよい。

本実施形態においては、金属基板１１にアルミニウム板を用いる場合、例えば、付着している圧延油を除く脱脂工程、アルミニウム板の表面のスマットを溶解するデスマット処理工程、アルミニウム板の表面を粗面化する粗面化処理工程、アルミニウム板の表面に陽極酸化皮膜を形成させる陽極酸化処理工程および陽極酸化皮膜のマイクロポアを封孔する封孔処理を経て、絶縁層１２を形成し、太陽電池用の基板とするのが好ましい。

陽極酸化によるアルミニウム酸化膜で構成された絶縁層１２の厚さは特に制限されず、絶縁性とハンドリング時の機械衝撃による損傷を防止する表面硬度を有していればよいが、厚すぎると可撓性の観点で問題を生じる場合がある。このことから、陽極酸化によるアルミニウム酸化膜で構成された絶縁層１２の好ましい厚さは０．５〜５０μｍであり、絶縁層の厚さは、陽極酸化処理の電解時間により制御することができる。

また、絶縁層１２は、陽極酸化によるアルミニウム酸化膜に限定されるものではない。絶縁層１２としては、例えば、アルミニウム酸化膜、シリコン酸化膜、チタン酸化膜、鉄酸化膜が挙げられる。また、絶縁層１２としては、例えば、アルミニウム窒化膜、シリコン窒化膜、チタン窒化膜、鉄窒化膜が挙げられる。さらには、アルミニウム窒素酸化膜、シリコン窒素酸化膜、チタン窒素酸化膜、鉄窒素酸化膜が挙げられる。

これらの絶縁層１２は、例えば、陽極酸化法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、またはゾルゲル法により形成することができる。絶縁層１２の厚さは１〜１００μｍが好ましく、さらには１０〜５０μｍがより好ましい。

本実施形態では、基板１１が、表面に絶縁層１２を備えた金属基板である場合について説明したが、基板１１はかかる構成に限定されず、例えばガラス基板や、樹脂基板等の可撓性基板等を用いることができる。
（裏面電極）

裏面電極１３は、例えば、Ｍｏ、Ｃｒ、またはＷ、およびこれらを組合せたものにより構成される。この裏面電極１３は、単層構造でもよいし、２層構造等の積層構造でもよい。

裏面電極１３は、厚さが１００ｎｍ以上であることが好ましく、０．２〜０．８μｍであることがより好ましい。

また、裏面電極１３の形成方法は、特に制限されるものではなく、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等の気相成膜法により形成することができる。
（光電変換層）

光電変換層１４は、入射光Ｌを吸収して電荷（起電力）を生じる層である。本実施形態において、光電変換層１４は、化合物半導体系光電変換層であり、その組成は、特に制限されるものではなく、例えば、少なくとも１種のカルコパイライト構造の化合物半導体である。具体的には、所謂ＣＩＳ系などのＩｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とからなる化合物半導体、あるいは、ＣＩＧＳ系などの少なくとも１種の化合物半導体ＣｕおよびＡｇからなる群より選択された少なくとも１種のＩｂ族元素と、Ａｌ、ＧａおよびＩｎからなる群より選択された少なくとも１種のＩＩＩｂ族元素と、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅからなる群から選択された少なくとも１種のＶＩｂ族元素とからなる少なくとも１種の化合物半導体が好適である。

さらに光吸収率が高く、高い光電変換効率が得られることから、光電変換層１４は、ＣｕおよびＡｇからなる群より選択された少なくとも１種のＩｂ族元素と、Ａｌ、ＧａおよびＩｎからなる群より選択された少なくとも１種のＩＩＩｂ族元素と、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅからなる群から選択された少なくとも１種のＶＩｂ族元素とからなる少なくとも１種の化合物半導体であることが好ましい。この化合物半導体としては、ＣｕＡｌＳ₂、ＣｕＧａＳ₂、ＣｕＩｎＳ₂、ＣｕＡｌＳｅ₂、ＣｕＧａＳｅ₂、ＣｕＩｎＳｅ₂（ＣＩＳ）、ＡｇＡｌＳ₂、ＡｇＧａＳ₂、ＡｇＩｎＳ₂、ＡｇＡｌＳｅ₂、ＡｇＧａＳｅ₂、ＡｇＩｎＳｅ₂、ＡｇＡｌＴｅ₂、ＡｇＧａＴｅ₂、ＡｇＩｎＴｅ₂、Ｃｕ（Ｉｎ_1-xＧａ_x）Ｓｅ₂（ＣＩＧＳ）、Ｃｕ（Ｉｎ_1-xＡｌ_x）Ｓｅ₂、Ｃｕ（Ｉｎ_1-xＧａ_x）（Ｓ、Ｓｅ）₂、Ａｇ（Ｉｎ_1-xＧａ_x）Ｓｅ₂、およびＡｇ（Ｉｎ_1-xＧａ_x）（Ｓ、Ｓｅ）₂等が挙げられる。

光電変換層１４は、ＣｕＩｎＳｅ₂（ＣＩＳ）、および／またはこれにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ₂（ＣＩＧＳ）を含むことが特に好ましい。ＣＩＳおよびＣＩＧＳはカルコパイライト結晶構造を有する半導体であり、光吸収率が高く、高い光電変換効率が報告されている。また、光照射等による効率の劣化が少なく、耐久性に優れている。

光電変換層１４には、所望の半導体導電型を得るための不純物が含まれる。不純物は隣接する層からの拡散、および／または積極的なドープによって、光電変換層１４中に含有させることができる。光電変換層４０中において、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体の構成元素および／または不純物には濃度分布があってもよく、ｎ型、ｐ型、およびｉ型等の半導体性の異なる複数の層領域が含まれていてもよい。

例えば、ＣＩＧＳ系においては、光電変換層１４中のＧａ量に厚み方向の分布を持たせると、バンドギャップの幅／キャリアの移動度等を制御でき、光電変換効率を高く設計することができる。

光電変換層１４は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体以外の１種又は２種以上の半導体を含んでいてもよい。Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体以外の半導体としては、Ｓｉ等のＩＶｂ族元素からなる半導体（ＩＶ族半導体）、ＧａＡｓ等のＩＩＩｂ族元素およびＶｂ族元素からなる半導体（ＩＩＩ−Ｖ族半導体）、およびＣｄＴｅ等のＩＩｂ族元素およびＶＩｂ族元素からなる半導体（ＩＩ−ＶＩ族半導体）等が挙げられる。光電変換層１４には、特性に支障のない限りにおいて、半導体、所望の導電型とするための不純物以外の任意成分が含まれていても構わない。

また、光電変換層１４中のＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体の含有量は、特に制限されるものではない。光電変換層１４中のＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体の含有量は、７５質量％以上が好ましく、９５質量％以上がより好ましく、９９質量％以上が特に好ましい。

ＣＩＧＳ層の成膜方法としては、如何なる方法を適用してもよい。ＣＩＧＳ層の成膜方法としては、多源同時蒸着法、セレン化法、スパッタ法、ハイブリッドスパッタ法、およびメカノケミカルプロセス法等が知られている。その他、スクリーン印刷法、近接昇華法、ＭＯＣＶＤ法、およびスプレー法などを用いてもよい。
（バッファ層）

本実施形態において、図示していないが、透明電極１５の形成時の光電変換層１４０を保護すること、バンド不連続の整合などの機能を有するバッファ層を備えた構成としてもよい。バッファ層は、透明電極１５から入射した光を光電変換層１４まで透過させるために透光性を有する必要がある。

バッファ層としては、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、またはＺｎＳ（Ｏ，ＯＨ）およびこれらの組合せたものにより構成される。

バッファ層は、厚さが０．０１〜０．１μｍであることが好ましい。また、バッファ層は、例えば、ＣＢＤ（ケミカルバスデポジション）法により形成することができる。
（透明電極）

透明電極１５は、光入射側に配置される電極であり、光電変換層に光を入射させるために透光性を有する必要がある。

透明電極１５は、例えば、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ等が添加されたＺｎＯ、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、またはＳｎＯ_２およびこれらを組合せたものにより構成される。この透明電極１５は、単層構造でもよいし、２層構造等の積層構造でもよい。また、透明電極１５の厚さは、特に制限されるものではなく、０．３〜１μｍが好ましい。
（水蒸気バリア層）

表面保護層３０やバックシートが樹脂層である場合は、接着充填層２０と表面保護層３０、又は、接着充填層２０とバックシートとの間には、太陽電池サブモジュール１０を水分から保護するために水蒸気バリア層を備えた構成とすることが好ましい。水蒸気バリア層としては、例えば、ＰＥＴまたはＰＥＮ等の透明フィルム上にＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等からなる無機層が形成されたもの、またはＰＥＴまたはＰＥＮ等の透明フィルム上にＳｉＯ_２、ＳｉＮ等からなる無機層を形成し、さらにアクリル樹脂等を形成した、無機層が樹脂層に挟まれたサンドイッチ構造のものが挙げられる。
（バックシート（裏面保護層））

バックシートは、太陽電池モジュール１ａを裏側から保護するとともに、太陽電池モジュール１ａの絶縁性を確保するためのものであり、ＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＰＥＴまたはＰＥＮ等の樹脂フィルムで、アルミニウム箔を挟んだ構造のものが用いられる。なお、バックシートにおいても、その構成については特に限定されるものではない。

なお、本実施形態の集積型太陽電池サブモジュール１０は、例えば、公知のＣＩＧＳ系の太陽電池の製造方法により製造することができる。このとき、第１〜第３の分離溝Ｐ１〜Ｐ３は、レーザースクライブまたはメカニカルスクライブにより形成することができる。

また、レイアップにより太陽電池モジュール１ａ，１ｂの構成要素を積層後、必要な配線も施した後、例えば、真空ラミネーターにより１５０℃、２０分の条件でラミネート加工して一体化して太陽電池モジュール１ａ，１ｂを形成することができる。

上記実施形態では、表面保護層３０を成形加工して表面保護層３０の一部を導光部４１とした構成について説明したが、表面保護層３０上に、リニア凹レンズやリニアフレネルレンズ等の導光部４１を形成した態様であってもよい。
＜集積型薄膜太陽電池モジュールの第２実施形態＞

図１Ｃ〜図１Ｅは、本発明にかかる第２実施形態の集積型薄膜太陽電池モジュール（以下、太陽電池モジュールとする）１ｃ，１ｄ，１ｅの構成を模式的に示す厚み方向断面図である。

上記した第１実施形態とは、導光部４１の構成以外は同様である。従って、以下には、上記第１実施形態とは異なる導光部４１の態様についてのみ記載する。

図１Ｃ〜図１Ｅに示すように、太陽電池モジュール１ｃ，１ｄ，１ｅにおいて、導光部４１は、接続充填層２０内に、太陽電池サブモジュール１０上にオンチップで形成されている。

図１Ｃにおいて、導光部４１は、太陽電池サブモジュール１０の分離・電極接続領域５０上に形成されたリニアプリズムであり、分離・電極接続領域５０に入射した入射光Ｌをリニアプリズムにより屈折させて、分離・電極接続領域５０の両側の領域５１の光電変換層１４に向けて偏向させる。

かかる構成において、領域５１方向に偏向させるには、リニアプリズムの平均屈折率は、接着充填層２０の屈折率よりも高いことが好ましい。例えば、接着充填層２０として、上記したＥＶＡ等の屈折率が１．５５以下のものを使用する場合、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂（メタクリル樹脂を含む）、環状オレフィン樹脂、スチレン樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素系樹脂、ポリオレフィン樹脂、セルロース系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂等のうち、屈折率が１．５５よりも高い樹脂により形成されたリニアプリズムとすることが好ましい。

また、リニアプリズムの傾きは、分離・電極接続領域５０に入射した入射光Ｌができるだけ多く領域５１の光電変換層１４に入射するように、上記屈折率に応じて設計されることが好ましい。

リニアプリズム形状の導光部４１の形成方法としては特に制限されないが、太陽電池サブモジュール１０の上面から、上記樹脂層を成膜し、樹脂層上に感光性レジストのパターンを形成した後、エッチング加工により形成する方法、又は、感光性レジストを樹脂層として用いてフォトリソグラフィー技術によりパターン形成する方法、又は、あらかじめ樹脂性シートを加熱成形してリニアプリズムシートとし、レイアップ工程にて積層する方法等が挙げられる。

また、図１Ｄに示される態様では、導光部４１は、太陽電池サブモジュール１０の分離・電極接続領域５０上に形成された半円筒型（いわゆるかまぼこ型）の反射鏡である。図示されるように、導光部４１は、絶縁性の無機又は有機材料からなる半円筒型のリニアシリンドリカルレンズ４０１の表面に、セル間の電気的短絡を生じさせないように、透明電極１５とスペースを保持して形成された反射部材４０２を備えている。

図１Ｅに示される態様では、図１Ｄのリニアシリンドリカルレンズがリニア三角柱レンズに変わっている以外は同様の構成としている。

図１Ｄ及び図１Ｅの構成では、分離・電極接続領域５０に入射した入射光Ｌを、反射部材４０２にて反射させ、更にその反射光を表面保護層３０の裏面で全反射させて、分離・電極接続領域５０以外の領域５１の光電変換層１４方向に偏向させる。
反射部材４０２によって反射され、表面保護層３０の裏面に到達した光は、該裏面に対する入射角θが次の条件の時、全反射して再度、隣接する両側の領域５１の光電変換層１４方向偏向する。

入射角θ＞sin^-1(Ｎair/Ｎfr)
（Ｎair:空気の屈折率、Ｎfr：表面保護層３０の屈折率）
つまり、Ｎair=１．０、Ｎfr=１．５とするとθ＞４１°で表面保護層３０の裏面にて全反射する。

従って、リニアシリンドリカルレンズの曲率又はリニア三角柱レンズの頂角の角度は、表面保護層３０裏面にて反射光が全反射する条件において、分離・電極接続領域５０に入射した入射光Ｌができるだけ多く領域５１の光電変換層１４に入射するように設計されることが好ましい。例えば、リニアシリンドリカルレンズでは、凸部幅０．３ｍｍの場合、曲率半径Ｒを０．１５ｍｍとし、凸部が平行直線状となっているもの等が挙げられる。

反射部材４０２としては特に制限されないが、アルミニウム薄膜、銀薄膜、Ｎｉ薄膜等が挙げられ、中でもアルミニウム薄膜、銀薄膜が好ましい。反射部材４０２の製造方法は特に制限されないが、金属を蒸着、スパッタ等で０．１〜０．３μm厚で形成した後、フォトリソグラフィー及びエッチングにより、セル間の電気的な短絡が起こらないようにシリンドリカルレンズ及び三角柱レンズの裾野の金属層を除去する方法等が挙げられる。

リニアシリンドリカルレンズ４０１及びリニア三角柱レンズ４０１'の材質及び形成方法については、上記リニアプリズムの製造方法と同様とすることができる。

リニアシリンドリカルレンズの場合、簡便な作成法としては、フォトリソグラフィのポジレジストにてマスクによる光照射、現像、プリベークにより平行直線状で台形の凸部を形成した後、ポストベークで１２０℃〜１５０℃で端部をリフローさせて半円筒形状を作製する。

リニア三角柱レンズの場合、簡便な作成法としては、フォトリソグラフィ用レジストを使い、凸部（台形状）が平行直線状となったレジストパターンを形成した後、全面Ａｒイオンエッチングによりレジスト角が選択的にエッチングされることを利用して三角柱形状を作製する方法が挙げられる。

また、リニアシリンドリカルレンズは、樹脂以外にも、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ,ＳｉＯＮのような絶縁性の無機物をスパッタリング、プラズマＣＶＤ、ＥＢ蒸着法等により作製してもよい。

第２実施形態では、各レンズ幅は分離・電極接続領域５０の幅に対して、製造する上で、合わせズレが発生してパターンの目明き（分離・電極接続領域上にレンズがズレにより一部無い部分ができる）となることを防止するため、レンズ幅を分離・電極接続領域の幅に対して＋５〜＋１０％広くなるように形成することが重要である。
本実施形態においても、導光部４１の構成以外は同様の構成としていることから、第１実施形態と同様の効果を奏する。
＜設計変更例＞

上記第1実施形態では、導光部４１が分離・電極接続領域の直上のみに形成された態様について説明したが、導光部４１は、直上以外の領域に形成されていてもよい。

特に、導光部４１が、分離・電極接続領域５０の直上の領域の幅に対して+５〜１０％広い領域に形成されてなる態様では、レイアップ工程における位置合わせに要求される精度を低くすることができ、好ましい。

例えば、太陽電池サブモジュール１０の分離・電極接続領域５０の直上に近い領域に入射された光を、確実に、分離・電極接続領域５０以外の領域５１上に形成されている光電変換層１４に入射させるための導光部を直上以外の領域に設けても効果的である。

また、図１Ｆは、図１Ａに示されるリニア凹レンズ形状を表面保護層表面に設けた実施形態において、分離・電極接続領域５０の態様が異なる集積型太陽電池サブモジュールに適用した例を示したものである。図１Ｆでは、裏面電極、光電変換層、透明電極層の製膜後に、分離溝Ｐ２及びＰ１をレーザースクライブあるいはメカニカルスクライブにより順次形成した後、スクリーン印刷あるいはインクジェット法によりポリイミド樹脂のような絶縁樹脂１７をＰ１及びＰ２内に埋め込み、レーザーによりコンタクトホール（Ｐ３）の開孔した後、スクリーン印刷あるいはインクジェット法により銀ペースト等の導電材で埋め込み、透明電極層１５と裏面電極層１３を接続する。このようにして分離・電極接続領域５０が形成されている。

このように、異なった構造の分離・電極接続領域５０の直上に本発明の導光部を形成しても良く、上記実施形態で説明した場合と同様の効果を奏する。図１Ｆの構成の場合、この分離・電極接続領域５０の幅は短くできるため、高効率化ができ好ましい。

図１Ｆの態様に限らず、太陽電池サブモジュールの態様が異なるものであっても、分離・電極接続領域５０の直上に、導光部４１を設けることによって同様の効果を奏する。

（実施例１）

サブストレート構造を有するＣＩＧＳ集積型薄膜太陽電池サブモジュールを用いて、図１Ａに示すＣＩＧＳ集積型薄膜太陽電池モジュールを作製した。サブモジュールにおいて、セルピッチは３．３ｍｍ、分離・電極接続領域幅は０．３ｍｍであった。

表面保護層として、１．０ｍｍ厚ポリカーボネート樹脂シートに、金型を使ったプラスチック成形法により、成型温度１５０℃でリニア凹レンズ形状を形成したものを用いた。表面保護層において、サブモジュールの分離・電極接続領域幅０．３ｍｍに対して＋１０％広げた凹部幅０．３３ｍｍ、曲率半径Ｒを０．１７ｍｍ、凹部溝が平行直線状のリニア凹レンズを形成した。

ラミネート前のレイアップ工程において、表面保護層凹部が太陽電池サブモジュールの分離・電極接続領域の直上に来るように位置合わせし、裏面に接着充填層としてＥＶＡ、水蒸気バリアフィルム、バックシートを積層して１４０℃-３０分でラミネートを行い、太陽電池モジュールを作製した。
（実施例２）

表面保護層に形成した導光部の形状をリニアフレネルレンズとした以外は実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製した。
（実施例３）

実施例１と同様のＣＩＧＳ太陽電池サブモジュールを用いて、図１Ｃに示すＣＩＧＳ集積型薄膜太陽電池モジュールを作製した。

リニアプリズムを、１．０ｍｍ厚ポリカーボネート樹脂シートを、１５０℃にてプラスチック熱成型法により加工して作製した。その際、分離・電極接続領域幅０．３ｍｍに対して＋１０％広げたレンズ幅０．３３ｍｍで平行直線状となったリニアプリズムを備えたリニアプリズムシートを作製した。

レイアップ工程にて、リニアプリズムの凹部が太陽電池サブモジュールの分離・電極接続領域の直上に来るように位置合わせし、表面保護層として１．０ｍｍ厚のポリカーボネートシート、接着充填層としてＥＶＡ、水蒸気バリアフィルム、バックシートを積層し、１４０℃-３０分でラミネートを行い、太陽電池モジュールを作製した。

（実施例４）

実施例３において、リニアプリズムの代わりに半円柱状シリンドリカルレンズを用いてＣＩＧＳ集積型薄膜太陽電池モジュールを作製した。半円柱状のシリンドリカルレンズは、フォトリソグラフィ用ポジレジストを用い、凸部幅はマスクによる露光、現像、プリベーク後で０．３０ｍｍとして、平行直線状の凸部を形成し、更に、この凸部端部を１２０℃〜１５０℃でリフローさせて断面を半円状にし、幅０．３３ｍｍ、曲率半径Ｒを０．１５ｍｍとしたシリンドリカルレンズ形状を形成した。

次に、更にこのリニアシリンドリカルレンズ上に反射金属層としてＡｌを蒸着で０．１μm厚で形成し、フォトリソグラフィー及びエッチングにより、セル間の電気的な短絡が起こらないようにシリンドリカルレンズの裾野の金属層を除去して反射金属層を形成した。この時の金属層幅は平面視では０．２５〜０．２７ｍｍであった。
レイアップ工程でシリンドリカルレンズが太陽電池サブモジュールの分離・電極接続領域の直上に来るように位置合わせし、表面保護層として１．０ｍｍ厚のポリカーボネートシート、接着充填層としてＥＶＡ、水蒸気バリアフィルム、バックシートを積層し、１４０℃-３０分でラミネートを行い、太陽電池モジュールを作製した。
［実施例５］

半円柱シリンドリカルレンズをリニア三角柱レンズとした以外は実施例４と同様にしてＣＩＧＳ集積型薄膜太陽電池モジュールを作製した。リニア三角柱レンズは、フォトリソグラフィ用レジストを用い、凸部幅は０．３３ｍｍ、高さ０．２〜０．４ｍｍの平行直線状凸部（台形状）を形成し、更に、この凸部を全面Ａｒイオンエッチングによりせてシリンドリカルレンズ形状を形成した。
（比較例１）

分離・電極接続領域の直上に導光部を形成しない以外、実施例１と同様のＣＩＧＳ集積型薄膜太陽電池モジュールを作製した。

（評価）

上記実施例１〜５及び比較例１の太陽電池モジュールについて、光電変換効率を測定して性能評価を行った。その結果を表１に示す。ここで光電変換効率はソーラーシュミレーターでＡＭ１．５、即ち１００ｍＷ/ｃｍ²の光を照射してＩ−Ｖ測定を行い、算出した。

表１に示されるように、分離・電極接続領域の直上に導光部を保有しない比較例１に対して実施例１〜５では、０．２〜０．８％の変換効率が向上が確認された。特に太陽電池サブモジュール上に反射構造を配し、表面保護層で全反射させて集光した実施例４及び５では効果が著しい。以上により、本発明の有効性が確認された。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ集積型薄膜太陽電池モジュール
１０集積型薄膜太陽電池サブモジュール
１１基板
１３裏面電極
１４光電変換層
１５透明電極層
２０接着充填層
３０表面保護層
４１導光部（リニア凹レンズ，リニアフレネルレンズ，リニアプリズム）
５０分離・電極接続領域
４０１リニアシリンドリカルレンズ
４０１' リニア三角柱レンズ
４０２反射部材

Claims

基板上に複数の太陽電池セルが電気的に直列接続されて形成されてなる太陽電池サブモジュールと、
該太陽電池サブモジュールの表面に、該太陽電池サブモジュールを封止する接着充填層と表面保護層とが順次積層されてなる集積型薄膜太陽電池モジュールにおいて、
前記複数の太陽電池セル間に形成された分離・電極接続領域の直上に入射された入射光を前記太陽電池セルの前記分離・電極接続領域外の光電変換層に向けて偏向させる導光部を備え、
該導光部は、前記分離・電極接続領域の少なくとも直上に形成されてなり、
前記光電変換層が化合物半導体系光電変換層であることを特徴とする集積型薄膜太陽電池モジュール。
前記導光部は、前記分離・電極接続領域の直上のみに形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の集積型薄膜太陽電池モジュール。
前記導光部は、前記分離・電極接続領域の直上の領域の幅に対して+５〜１０％広い領域に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の集積型薄膜太陽電池モジュール。
前記導光部が、前記表面保護層又は前記表面保護層上に形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池モジュール。
前記導光部が、リニア凹レンズ又はリニアフレネルレンズであることを特徴とする請求項４に記載の集積型薄膜太陽電池モジュール。
前記導光部が、前記接着充填層内に形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の集積型太陽電池モジュール。
前記導光部が、前記接着充填層の屈折率よりも屈折率の高い樹脂を主成分とするリニアプリズムであることを特徴とする請求項６に記載の集積型薄膜太陽電池モジュール。
前記導光部が、リニアシリンドリカルレンズ又はリニア三角柱状レンズであり、リニアシリンドリカルレンズ又はリニア三角柱状レンズは、表面の一部に、隣接する前記太陽電池セルと短絡させないように形成され、前記入射光を反射させて、表面保護層裏面で全反射させて前記光電変換層へ前記入射光を導光させる反射部材を備えてなることを特徴とする請求項７に記載の集積型薄膜太陽電池モジュール。
前記反射部材が、アルミニウム薄膜又は銀薄膜であることを特徴とする請求項８に記載の集積型薄膜太陽電池モジュール。
前記光電変換層が、ＣｕおよびＡｇからなる群より選択された少なくとも１種のIｂ族元素と、Ａｌ、ＧａおよびＩｎからなる群より選択された少なくとも１種のIIIｂ族元素と、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅからなる群から選択された少なくとも１種のVIｂ族元素とからなる少なくとも１種の化合物半導体により構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池モジュール。