JP2014110330A

JP2014110330A - 太陽電池モジュール

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Publication number: JP2014110330A
Application number: JP2012264284A
Authority: JP
Inventors: Atsufumi Inoue; 敦文井上; Hidetada Tokioka; 秀忠時岡; Hirofumi Konishi; 博文小西
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-12-03
Also published as: JP5871786B2

Abstract

【課題】短絡電流を高め、発電特性の高い太陽電池モジュールを得ること。
【解決手段】本発明にかかる太陽電池モジュールは、隣接する太陽電池素子１０間領域、すなわち太陽電池素子領域以外の直下では、紫外光を多く含む短波長光を太陽電池素子の分光感度の高い可視光の長波長光に変換するダウンシフトまたはダウンコンバージョンの波長変換層（封止層９ｂ）を有する一方で、太陽電池素子領域の直下領域では、赤外光を多く含む長波長光を太陽電池素子の分光感度の高い可視光の短波長光に変換するアップコンバージョンの波長変換層（封止層９ａ）を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。

太陽電池に代表される光電変換装置は、光電変換作用により電子及び正孔を対生成させる光電変換層と、光電変換層内に拡散電位を生じさせ、対生成した電子及び正孔を収集する導電型層を具備している。光電変換層は二つの異なる導電型を示す導電型層を含む構造が一般的である。この光電変換層が二つの異なる導電型層の間に挟まれた構造を光電変換ユニットと呼ぶ。

光電変換効率向上のための手段の一つに、入射光を制御することで有効利用する方法がある。例えば、光電変換層の表面に施した微小な凹凸構造により、入射光が光電変換層内部で散乱され、光路長が伸び、光を閉じ込めることができることが知られている。

ところで近年、光電変換ユニットはそのままで、太陽光のスペクトル自体を、使用する光電変換ユニットに最適な波長域に変換し、光電変換装置に吸収させる方法（以下、波長変換という）が提案されている。波長変換は、現在有効利用されていない高エネルギーフォトンに関しては、１フォトンを複数の低エネルギーフォトンに変換する量子カッティング現象や、１フォトンを１つの低エネルギーフォトンに変換するダウンシフト、複数のフォトンを光電変換に有効な低エネルギーフォトンに変換するダウンコンバージョン、複数の低エネルギーフォトンのエネルギーを用いて光電変換に有効なエネルギーフォトンに変換するアップコンバージョン等に、分類できる。

例えば、特許文献１には光電変換層上に希土類元素を含む波長変換層を配置し、光入射を波長変換層の側からおこなうことで、高エネルギーフォトンを光電変換においてより適した複数の低エネルギーフォトンに波長変換する方法が示されている。

さらに、太陽電池モジュールに関しても、波長変換層を配置する方法が示されている。例えば、特許文献２には、太陽電池素子の受光面とは反対側の面に、太陽電池素子側から順に波長変換層及び光反射層を設けた太陽電池モジュールを構成し、太陽電池素子で発電に利用されずに裏面に漏れた短波長の光を、波長変換層で発電に利用される長波長の光に変換し、光反射層で太陽電池素子に向かって反射させることにより、太陽電池モジュールの発電量を増加させる技術が開示されている。

特開２０１１−１５１０６８号公報特開２０１２−１２９３９１号公報

しかしながら、上記特許文献２では単に、太陽電池素子の受光面とは反対側のモジュール裏面全体に、短波長光を可視光に近い長波長光に変換するダウンシフト波長変換層を設けるものである。一般に太陽電池モジュールにおいては、隣接する太陽電池素子の間では太陽電池モジュールに入射したあらゆる波長の光がモジュールの裏面まで到達するが、太陽電池素子の直下ではモジュールの裏面まで到達する光のほとんどは１０００ｎｍ以上の波長の光である。そのため、太陽電池素子領域直下と太陽電池素子領域以外の直下とで同一の波長変換材料を使用すると波長変換による効果的な電流増加が見込めないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、短絡電流が大きく、発電特性に優れた太陽電池モジュールを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、隣接する太陽電池素子間の裏面封止材の表面或いは内部に、３００〜４００ｎｍ程度の波長の光を太陽電池素子の分光感度の高い４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するダウンシフト又はダウンコンバージョンの波長変換層を設ける一方で、太陽電池素子の直下の裏面封止材の表面或いは内部に、９００ｎｍ程度より長い波長の光を太陽電池素子の分光感度の高い４００〜９００ｎｍ程度の可視光に変換するアップコンバージョンの波長変換層を設けることを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池素子間領域における入射光では、紫外光を多く含む短波長光を可視の長波長光に変換し、太陽電池素子の直下では、赤外光を多く含む長波長光を可視の短波長光に変換する。可視光は太陽電池素子の分光感度が高く、吸収により発電する電流が多い。このようにして、太陽電池素子領域と太陽電池素子領域以外とで選択的な波長変換材料を設けることにより、発電電流を増加させることが可能となるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１の太陽電池モジュールの構造を示す上面図である。図２は、本発明の実施の形態１の太陽電池モジュールの構造を示す断面図である。図３−１は、本発明の実施の形態１の太陽電池モジュールにおけるアップコンバージョン波長変換層の構造を示す断面図である。図３−２は、本発明の実施の形態１の太陽電池モジュールにおけるダウンシフト波長変換層の構造を示す断面図である。図４は、本発明の実施の形態１の太陽電池素子の構造を示す断面図である。図５−１は、本発明の実施の形態１の太陽電池素子の製造方法を説明する部分断面図である。図５−２は、本発明の実施の形態１の太陽電池素子の製造方法を説明する部分断面図である。図５−３は、本発明の実施の形態１の太陽電池素子の製造方法を説明する部分断面図である。図５−４は、本発明の実施の形態１の太陽電池素子の製造方法を説明する部分断面図である。図５−５は、本発明の実施の形態１の太陽電池素子の製造方法を説明する部分断面図である。図５−６は、本発明の実施の形態１の太陽電池素子の製造方法を説明する部分断面図である。図６は、本発明の実施の形態１の太陽電池モジュールの構成の一部を示した断面図である。図７は、本発明の実施の形態１の太陽電池モジュールにおける波長変換層の構成例と光電変換の動作を示す図である。図８は、典型的なシリコンモジュールの量子効率を示す図である。図９は、本発明の実施の形態２の太陽電池モジュールにおける波長変換層の構成例と光電変換の動作を示す図である。図１０は、本発明の実施の形態３による太陽電池モジュールの構成の一部を示した断面図である。図１１は、本発明の実施の形態４による太陽電池モジュールの構成の一部を示した断面図である。

以下に、本発明にかかる太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態１．
図１は本実施の形態１の太陽電池モジュールの構造を示す上面図である。図１は太陽光の受光面側から見た図である。図２は本実施の形態１の太陽電池モジュールの断面図であり、図１の点線Ａ−Ｂ間の断面である。本実施の形態の太陽電池モジュール１００は、太陽電池素子の受光面を覆う受光面封止材と、受光面に対向する面である裏面側を被う裏面封止材とで一体的に封止されている。そしてこの裏面封止材が、隣接する太陽電池素子の素子間領域で、ダウンシフトの波長変換層を有し、太陽電池素子の直下領域で、アップコンバージョンの波長変換層を有する。本実施の形態では、アップコンバージョンの波長変換層として、ガラス板８とバックフィルム１１との間に太陽電池素子１０が封止樹脂７と波長変換材料１８で構成された封止層９ａを配し、ダウンシフトの波長変換層として、前記封止樹脂７の内部に波長変換材料１８を粒子状にして混合した封止層９ｂからなる。

なお、図３−１及び図３−２はそれぞれアップコンバージョン波長変換層である封止層９ａとダウンシフト波長変換層である封止層９ｂについて模式的に示したものである。図３−１では、封止層９ａがバックフィルム１１上に波長変換材料１８ａを薄く塗布して一成分で構成されている。これに対して、図３−２では、封止層９ｂはバックフィルム１１上に封止樹脂７の材料と同様の熱可塑性樹脂と波長変換材料１８ｂの粒子の混合物で構成されている。波長変換材料１８ａは９００ｎｍ程度より長い波長の光を、４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するもので、２光子吸収の特性を有する色素としてポルフィリンやフタロシアニンなどの化合物、およびフルオレン系などの発光ポリマーなどからなる。一例として、Ｔｍ³⁺とＹｂ³⁺とを含有する蛍光体では、１０００ｎｍ程度の近赤外波長の光を吸収して４００〜５００ｎｍ程度の青色の波長の光を発することが知られている。また、Ｅｒなどの希土類元素をＹ₂Ｏ₃、ＹＡＯ₃、ＹＦ₃などに添加して得られる焼結粒子であってもよい。シリコンを主成分とする光電変換層からなる太陽電池素子では裏面側に１０００ｎｍ以上の波長の光が比較的多く透過するので、これらの波長域にある光をシリコンが吸収しやすい４００〜７００ｎｍに変換するものであることが望ましい。

これらのアップコンバージョン材料は、アクリル樹脂やシリコーン樹脂などの透光性なポリマーなどの材料中に分散してもよい。適当な溶媒を用いて溶液とし、スパッタ法、印刷法、スプレー塗布法等によって形成することができる。波長変換材料１８ｂは波長３００〜４００ｎｍ程度の光を、波長４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するもので、例えば、励起波長が紫外光に近い３００〜５００ｎｍ程度にあり、発光波長が可視光の５００〜７００ｎｍ程度にあるＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺ を用いる。また、これ以外の無機蛍光剤として酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）；Ｅｒ³⁺ 、Ｙｂ³⁺ 、Ｈｏ³⁺、Ｐｒ³⁺ 、Ｅｕ³⁺ などの希土類元素を含む希土類含有ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などの無機蛍光剤を用いる。また、有機蛍光体などを用いても良い。太陽電池素子１０は受光面側の表面と裏側の表面とに集電電極を備え、配列されて隣り合う太陽電池素子１０の電極間はインターコネクタ１９で直列接続されている。なお、図１は１２個の太陽電池素子１０を直列接続した太陽電池モジュール１００を示す図であるが、個数および配置は任意に変更可能であり、並列接続を組み合わせてもよい。また、太陽電池モジュール１００の裏面側に電力を取り出すためのリード線２０が、直列接続された太陽電池素子１０の両端のものに接続される。

ガラス板８としては例えば、ソーダ石灰ガラスなどの材料を用いることができる。屋外で使用する太陽電池モジュールでは、ガラス板８として熱強化または化学強化したものを用いるとよい。ガラス板８のサイズは太陽電池素子１０の数により種々に変更可能であるが、典型的な厚みは０．５〜３ｍｍである。バックフィルム１１は水分の侵入などにより太陽電池素子が劣化しないように透湿性の低いフィルム、または受光面側と同様なガラス板を用いる。太陽電池素子１０およびそれらの隙間を通過した光を太陽電池素子１０側に反射させるために、バックフィルム１１として白色や金属色の光反射性の材料を用いてもよい。封止樹脂７は透光性なエチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）または紫外光の透過性が高いシリコーン樹脂などを用いるとよい。インターコネクタ１９は例えば、はんだで被覆した銅線などを用いることができる。

図４は本発明の実施の形態１による太陽電池素子１０の概略構成を示す断面図である。ｎ型半導体基板は、単結晶シリコン、多結晶シリコンなどの結晶シリコン、化合物半導体等からなる薄い半導体基板である。本実施の形態では、ｎ型単結晶シリコン基板１を用いている。結晶シリコンの場合、典型的な基板サイズは１０〜１５ｃｍ角の略正方形、厚みは０．１〜０．３ｍｍなどである。

ｎ型単結晶シリコン基板１の両側の表面にｉ型非晶質シリコン層２ａ，２ｂが形成されている。前記ｉ型非晶質シリコン層２ａ上にはｎ型単結晶シリコン基板１と逆導電型の不純物を含むｐ型非晶質シリコン層３が形成されている。前記ｐ型非晶質シリコン層３が形成されている側と反対側の基板表面に形成された前記ｉ型非晶質シリコン層２ｂ上にはｎ型単結晶シリコン基板１と同じ導電型の不純物を含むｎ型非晶質シリコン層４が形成されている。ｐ型非晶質シリコン層３、ｎ型非晶質シリコン層４上に透光性電極５ａ，５ｂが形成されている。前記透光性電極５ａ上には集電電極６ａが、また前記透光性電極５ｂ上には集電電極６ｂが形成されている。前記集電電極６ａ,６ｂは太陽電池素子１０のそれぞれ受光面と裏面の表面に形成された細線状の電極である。前記集電電極６ａ,６ｂはｎ型単結晶シリコン基板１の両面に銀または銅などの金属微粒子と樹脂を混合した金属ペーストの印刷等で形成することができ、蒸着法、スパッタ法などの成膜技術、めっき法などで形成され、ｎ型単結晶シリコン基板１面内で発生した電流を収集する。前記集電電極６ａ,６ｂは、図のように直線状に伸びた細線が間隔をあけて平行に並んだグリッド状のパターンとすると良いが、網の目状または樹枝状としてもよい。前記集電電極６ａ,６ｂは、その形状からグリッド電極、ファイガー電極とも呼ばれることがある。

ｎ型単結晶シリコン基板１は図４のように両面に反射防止用の微細な凹凸が形成されている。図ではｎ型単結晶シリコン基板１の両面を凹凸としたが、裏側に平坦層を形成してもよく、また両側を平坦としてもよい。

次に本実施の形態１の太陽電池素子の製造方法について説明する。図５−１〜５−６は本発明の実施の形態１の製造方法の手順を説明する断面図である。まず図５-１に示すようにｎ型単結晶シリコン基板１を用意し、図５-２に示すようにこのｎ型単結晶シリコン基板１の表面にテクスチャ１Ｔと呼ばれる凹凸構造を形成する。凹凸の形成には、酸性或いはアルカリ性のエッチング溶液を用いる。凹凸形成は光入射側だけでも良い。また凹凸形成前に、基板表面のダメージ層を除去する工程を実施しても良い。加えてダメージ層除去工程後に、基板内不純物のゲッタリング処理を施すと性能向上に望ましい。ゲッタリング処理としては、リン拡散処理などを用いる。受光面側の表面のみ凹凸を形成して裏面側の表面を平坦に保つには、受光面側の表面のみにエッチング液を接触させる処理、または裏面側に保護膜を形成した状態でｎ型単結晶シリコン基板１をエッチングする処理を行う。

凹凸を形成した後、図５−３に示すように基板の片面にｉ型非晶質シリコン層２ａ、ｐ型非晶質シリコン層３をこの順番で化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いて形成する。ｉ型非晶質シリコン層２ａの層厚は数ｎｍ程度、ｐ型非晶質シリコン層３の層厚は数〜２０ｎｍ程度とするとよい。ＣＶＤとしてはプラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ法などを用いることが望ましい。光電変換層であるｎ型単結晶シリコン基板１に対して十分な内蔵電界を発生する太陽電池素子のためには、ｐ型非晶質シリコン層３のバンドギャップ、活性化エネルギーはそれぞれ１．７ｅＶ以上、０．４ｅＶ以下であることが必要である。なおｉ型非晶質シリコン層２ａの代わりに、ｉ型非晶質炭化シリコン層、ｉ型非晶質酸化シリコン層或いはそれらを積層した多層膜を用いても良い。またｐ型非晶質シリコン層３の代わりにｐ型非晶質炭化シリコン層、ｐ型非晶質酸化シリコン層、ｐ型微結晶シリコン層或いはそれらを積層した多層膜などを用いても良い。

ｎ型結晶シリコン基板１の片面にｉ型非晶質シリコン層２ａ、ｐ型非晶質シリコン層３を形成した後、図５-４に示すように基板の反対側にｉ型非晶質シリコン層２ｂ、ｎ型非晶質シリコン層４をこの順番で化学気相成長法を用いて形成する。ｉ型非晶質シリコン層２ｂの層厚は数ｎｍ程度、ｎ型非晶質シリコン層４の層厚は数〜２０ｎｍ程度とするとよい。ＣＶＤとしてはプラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ法などを用いることが望ましい。光電変換層であるｎ型単結晶シリコン基板１に対して十分な内蔵電界を発生させるためには、ｎ型非晶質シリコン層４のバンドギャップ、活性化エネルギーはそれぞれ１．７ｅＶ以上、０．３ｅＶ以下であることが必要である。なおｉ型非晶質シリコン層２ｂの代わりに、ｉ型非晶質炭化シリコン層、ｉ型非晶質酸化シリコン層或いはそれらを積層した多層膜を用いても良い。またｎ型非晶質シリコン層４の代わりにｎ型非晶質炭化シリコン層、ｎ型非晶質酸化シリコン層、ｎ型微結晶シリコン層或いはそれらを積層した多層膜などを用いても良い。

ｎ型単結晶シリコン基板１の片面にｉ型非晶質シリコン層２ｂ、ｎ型非晶質シリコン層４を形成した後、ｉ型非晶質シリコン層２ａ，２ｂとｎ型単結晶シリコン基板１の界面欠陥低減のため、不活性ガス或いは不活性ガスで希釈した水素ガス中で熱アニール処理を施しても良い。アニール温度は２００℃以下が望ましい。

熱アニール処理の後、図５-５に示すようにｐ型非晶質シリコン層３、ｎ型非晶質シリコン層４の上にそれぞれ、透光性電極５ａ，５ｂをスパッタ法或いは蒸着法などで形成する。透光性電極５ａ，５ｂの膜厚は干渉効果により太陽光スペクトルのピーク波長で反射率が低下する膜厚とすることが望ましい。透光性電極材料としてはＩＴＯあるいは酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃：ＩｎｄｉｕｍＯｘｉｄｅ）、ＳｎＯ₂、ＺｎＯなどを用いるとよい。また透光性電極の抵抗率は低いことが望ましいが、導電性を担うキャリア密度が高いと光吸収率が増加してしまう。そのため透光性電極として用いた材料は高移動度である必要がある。

ｐ型非晶質シリコン層３、ｎ型非晶質シリコン層４の上に透光性電極５ａ，５ｂを形成した後、図５-６に示すように透光性電極５ａ，５ｂ上に金属ペーストで構成される集電電極６ａ，６ｂをスクリーン印刷法で形成する。集電電極の幅は遮光を押さえるため狭いほどよいが、抵抗が増加してしまう。従って集電電極６ａ，６ｂは層厚が大きいことが望ましく、同じパターンで繰り返して重ねるようにスクリーン印刷する方法を用いてもよい。本実施の形態では幅を７０μｍ、層厚を４０μｍとした。なおスクリーン印刷の他に、メッキ法などで集電電極を形成してもよい。集電電極の印刷後、焼成をおこなう。高温熱処理では、ｉ型非晶質シリコン層２ａ，２ｂが結晶化するため、スクリーン印刷後の焼成温度は２００℃以下とすることが望ましい。以上の工程を実施することにより、図４に示した太陽電池素子１０が得られる。

次に本実施の形態１の太陽電池モジュールの製造方法について説明する。太陽電池素子としては、本実施の形態１の太陽電池素子を用いる。図６は図２の太陽電池モジュールのうち、隣接する２つの太陽電池素子を含む部分を取り出して示した部分断面図である。次に、太陽電池素子１０どうしをインターコネクタ１９で接続する。インターコネクタ１９の接続には、低融点の半田などを用いる。次に、ガラス板８、封止樹脂７、インターコネクタ１９で相互に接続した太陽電池素子１０、封止樹脂７、波長変換材料１０ａ,１０ｂをそれぞれ含む封止層９ａ,９ｂ、バックフィルム１１を順に積み重ねて、真空中で加熱とともに押圧する封止処理を行う。封止樹脂７は溶融して受光面側のガラス板８と裏面側のバックフィルム１１の間の隙間を埋めて、太陽電池素子１０を固定する。このようにして図２のような太陽電池モジュール１００が完成する。

次に、太陽電池モジュール１００に入射した光の軌跡に関して説明する。図７は図６のうち、前記封止層９ａと封止層９ｂとを含む部分を取り出し、受光面側からの入射光とその入射光のうち前記封止層９ａと封止層９ｂでの光の軌跡を示したものである。本実施の形態１の太陽電池モジュールにおいて、隣接する太陽電池素子の間に入射した入射光１２に含まれる波長３００〜４００ｎｍ程度の光は、封止層９ｂ内部の波長変換材料１８にて波長４００〜９００ｎｍ程度の光に変換されたうえで散乱反射して反射光１３ａ,１３ｂのように太陽電池素子に入射する。反射光１３ａ,１３ｂは分光感度が高いため光電変換において適している。一方、太陽電池素子受光面の直上から入射し、太陽電池素子裏面に透過した透過光１４に含まれる波長９００ｎｍ程度以上の光は、封止層９ａを構成する波長変換材料にて波長４００〜９００ｎｍ程度の光に変換されたうえで、入射方向に正反射して反射光１５のように太陽電池素子に再入射する。反射光１５は分光感度が高いため光電変換において適している。また、裏面封止材は裏面側に装着されるバックフィルム１１よりも薄く形成されるのが望ましい。少なくとも裏面封止材のうち波長変換層である封止層９ａ，９ｂはるバックフィルム１１よりも薄く形成されるのが望ましい。太陽電池素子１０の裏面に透過した光の正反射光の太陽電池素子への再入射確率を高めるために、太陽電池素子１０の裏面の下側に配置した封止樹脂７を耐衝撃性が失われない程度に可能な限り薄くするのが望ましい。そして、同時にバックフィルム１１を厚くし、耐衝撃性を高めるようにするとなお良い。以上のようにして、封止材をできる限り薄く、バックフィルムをできる限り厚くするのが望ましい。太陽電池素子１０の直下に透過した光は、波長変換の後にできるだけ真上すなわち、元の透過経路に近い経路で、正反射させるのが望ましい。そのようにしないと裏面のグリッド電極に入射し、太陽電池素子での吸収がなされない場合がある。以上のように、封止材を薄くすることで、太陽電池素子までの反射経路を短くして太陽電池素子での吸収確率を高める一方で、バックフィルムを厚くして耐衝撃性を維持する。

典型的なシリコンモジュールの量子効率を図８に示す。最大値を１として規格化してある。紫外光を中心とする波長３００〜４００ｎｍ程度と赤外光域の波長９００〜１２００ｎｍ程度の分光感度が低く、可視光を中心とする波長４００〜９００ｎｍ程度の分光感度が高いことがわかる。上述したように、実施の形態１にかかる太陽電池モジュール１００は、隣接する太陽電池素子の間に位置する裏面封止材の表面或いは内部では、波長３００〜４００ｎｍ程度の光を波長４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するダウンシフトの波長変換層（封止層９ｂ）を有する一方で、太陽電池素子の直下に位置する裏面封止材の表面或いは内部では、９００ｎｍ程度より長い波長の光を波長４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するアップコンバージョン波長変換層（封止層９ａ）を有することを特徴とし、太陽電池素子の直下と隣接する太陽電池素子の間とで選択的な波長変換材料を用いることにより、発電電流を増加させることが可能となる。その結果、光電変換装置の短絡電流が増加し、変換効率が向上する。

以下に期待される変換効率の向上見積もりを示す。先にアップコンバージョン波長変換層による利得を見積もる。モジュールへ入射する太陽光のうち、波長１０００〜１２００ｎｍの光はおおむね１５％程度が太陽電池素子の直下に到達し、前記波長１０００〜１２００ｎｍの光は、バックフィルム上のアップコンバージョン波長変換層（封止層９ａ）により波長４００〜９００ｎｍの光に変換される。バックフィルムでの波長４００〜９００ｎｍの光の反射率をおおむね７０％とすれば、結局モジュールへ入射する太陽光の波長１０００〜１２００ｎｍの光量のうちの１０％程度が太陽電池素子の裏面から再入射される。

なお、封止樹脂７としてＥＶＡを用いた場合には、波長４００〜１２００ｎｍ程度の光の透過率はおおむね１００％であることを考慮した。さらに、バックフィルムによる反射は１００％正反射とした。地上に降り注ぐ太陽光線エアマス１.５において、典型的なシリコンモジュールにおける発電電流のうち、波長１０００〜１２００ｎｍの光による電流はおおむね１２%程度であり、また、波長４００〜９００ｎｍの単位波長当たりの光の発電電流は波長１０００〜１２００ｎｍの単位波長当たりの光の発電電流と比較しておおよそ２．５倍程度と見積もられる。したがって、アップコンバージョン波長変換層である封止層９ａが存在することによりおおよそ１．８％程度発電電流と変換効率が上昇すると見積もられる。

次にダウンシフト波長変換層による利得を見積もる。モジュールへ入射する太陽光のうち、紫外光を中心とする波長３５０〜４００ｎｍの光はおおむね２５%程度が裏面のバックフィルム１１上のダウンシフトの波長変換層である封止層９ｂに入射し、波長４００〜９００ｎｍの光に変換される。バックフィルム１１での波長４００〜９００ｎｍの光の反射率をおおむね７０％とすれば、結局モジュールへ入射する太陽光の波長３５０〜４００ｎｍの光のうちの１８％程度が太陽電池素子に裏面から入射される。なお、封止樹脂７としてＥＶＡを用いた場合には、波長４００〜１２００ｎｍ程度の光の透過率はおおむね１００％であることを考慮した。さらに、バックフィルム１１による反射は１００％散乱反射とした。また裏面には集電電極が施されているため、太陽電池素子に裏面から入射される光のうちの７５％程度が発電に寄与することとする。地上に降り注ぐ太陽光線エアマス１.５において、典型的なシリコン太陽電池モジュールにおける発電電流のうち、波長３５０〜４００ｎｍの光による電流はおおむね１．１%程度であり、また、波長４００〜９００ｎｍの単位波長当たりの光の発電電流は波長３５０〜４００ｎｍの単位波長当たりの光の発電電流と比較しておおよそ４倍程度と見積もられる。したがって、ダウンシフト波長変換層が存在することによりおおよそ０．５％程度発電電流と変換効率が上昇すると見積もられる。ここで太陽光線エアマスとは、大気通過量を指し、ＡＭ１．０とは光の入射角が９０度（真上）から入射した光を意味し、ＡＭ１．５はその通過量が１．５倍（入射角４１．８度）での到達光を表す。太陽光は大気圏を通過することにより大気中のオゾンや水蒸気などにより、光の一部が吸収される。そこで入射角によって光量を規定する。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２による太陽電池モジュールの構成の一部を示した断面図である。本実施の形態２の太陽電池モジュールは実施の形態１と類似するが、バックフィルム１１の受光面側に設けられた波長変換材料の含まれる封止層９ａ,９ｂの位置に対応して、前記バックフィルム１１の種類に違いがある点が異なる。封止層９ａの直下に位置するバックフィルム部分１１ａはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの表面に、正反射率が高くなるように例えば金属を蒸着して反射層Ｍを形成する一方、封止層９ｂの直下に位置するバックフィルム部分１１ｂは散乱反射率の高くなるように例えばＰＥＴなど熱可塑性樹脂Ｒ中に酸化チタンなどの粒子からなる散乱物質Ｄを埋め込むことで形成する。バックフィルム部分１１ａ,１１ｂはそれぞれ太陽電池素子１０の封止の前にあらかじめＰＥＴなどの表面に位置合わせをして構成すればよい。つまりバックフィルム１１は、太陽電池素子の直下領域で、表面に金属層からなる反射層Ｍを有し、太陽電池素子１０の素子間領域では、熱可塑性樹脂Ｒ中に散乱物質Ｄが分散された構成をとる。なおこの散乱物質Ｄは熱可塑性樹脂Ｒの表面のみに分散された構成でもよい。

実施の形態１で述べたように、封止層９ａは直上から入射した光を波長変換の後に正反射させることで太陽電池素子に入射させて発電に寄与させ、一方、封止層９ｂは直上から入射した光を波長変換の後に散乱反射させることで太陽電池素子に再入射させて発電に寄与させるが、バックフィルム部分１１ａ,１１ｂはそれぞれこれらの２つの効果を高める効果がある。すなわち、封止層９ａの直下に位置するバックフィルム部分１１ａは正反射率が高いことで裏面に設けたグリッド電極を避けて太陽電池素子１０に入射させて発電に寄与させる確率を高め、封止層９ｂの直下に位置するバックフィルム部分１１ｂは散乱反射率が高いことでモジュール受光面の太陽電池素子１０間から入射した光を、再度太陽電池素子１０間を通過させることなく太陽電池素子１０に入射させて発電に寄与させる確率を高める。なお、図９では太陽電池素子１０どうしのグリッド電極を接続するインターコネクタは省略して表記していない。

実施の形態３．
図１０は本発明の実施の形態３による太陽電池モジュールの構成の一部を示した断面図である。本実施の形態３の太陽電池モジュールは実施の形態１と類似するが、封止層９ｂの直下のバックフィルム部分１１ｄの形成方法が異なる。なお、図１０では太陽電池素子１０どうしのグリッド電極を接続するインターコネクタは省略して表記していない。太陽電池モジュールを実施の形態１と同様に加熱とともに押圧する封止処理を施した後に、封止層９ｂの直下のバックフィルム部分１１ｄに対して受光側からレーザー光１６を照射し、バックフィルム表面に凹凸形状ＳＴを作製する。レーザーの波長は、赤に近い波長または赤より長い波長の光を使用することで、バックフィルム１１直上で波長３００〜４００ｎｍ程度の光を吸収しやすい波長変換材料に吸収されることなく、バックフィルム１１表面の加工が可能になる。なお、太陽電池素子１０の真下に位置する封止層９ａの直下のバックフィルム部分１１ｃは通常のＰＥＴなどの熱可塑性樹脂で構成される。

このようにバックフィルム１１のうち太陽電池素子間領域に相当するバックフィルム部分１１ｄ表面に凹凸形状ＳＴを形成させることで、バックフィルム部分１１ｄ表面に入射した光を散乱させ、封止層９ｂによる散乱反射の効果をより高めることが可能になる。また、本実施の形態では、封止処理を施した後に隣接する太陽電池素子の間にレーザーを照射することが可能なためあらかじめ高精度な位置合わせをする必要がなく、またあらかじめ位置合わせを行った場合に生じうる封止処理後の位置ずれが起こらず、散乱反射効果を高めたい領域を正確に位置づけることが可能になる。

実施の形態４．
図１１は本発明の実施の形態４による太陽電池モジュールのうち、隣接する２つの太陽電池素子を含む部分を取り出して示した部分断面図である。なお、図１１では太陽電池素子１０どうしのグリッド電極を接続するインターコネクタは省略して表記していない。本実施の形態４の太陽電池モジュールは実施の形態１と類似するが、封止層９ｂの真上でかつ、ガラス板８の受光側とは反対側に波長変換材料１７を設けてある点が異なる。波長変換材料１７はガラス板８にあらかじめスクリーン印刷法などにより塗布したものを作製した後に封止処理すると良い。波長変換材料１７は波長３００〜４００ｎｍ程度の光を、波長４００〜９００ｎｍ程度の光に変換するもので、例えば実施の形態１の波長変換材料１８ｂと同様のものを用いるとよい。

封止層９ｂの真上にはＥＶＡなどで構成された封止樹脂７が存在し、このような封止樹脂は一般に、波長３５０ｎｍ程度以下の光をほぼ１００％吸収することが多い。このため、波長変換材料１７が存在しない場合には、封止層９ｂに入射する光には３５０ｎｍ程度以下の波長の光は含まれず、波長３５０ｎｍ程度以下の光は層封止９ｂにおいて波長４００〜９００ｎｍ程度の光に波長変換されない。波長変換材料１７を設けた場合には、波長３５０ｎｍ程度以下の光も波長４００〜９００ｎｍ程度の光に波長変換されて、そのうち多くの光は散乱して太陽電池素子１０の受光面に入射し、またそれ以外の光の多くは封止樹脂７を透過し、封止層９ｂやバックフィルム１１に入射して散乱されて太陽電池素子１０に吸収されて発電に寄与するという効果が得られる。

なお、前記実施の形態１〜４においては、隣接する前記太陽電池素子の素子間領域に、ダウンシフトの波長変換層を形成する例について説明したが、ダウンシフトの波長変換層に代えて、ダウンコンバージョンの波長変換層を配してもよい。すなわち、１つの高エネルギーフォトンのエネルギーを用いて光電変換に有効なエネルギーフォトンに変換する、ダウンシフトの波長変換層に代えて、複数の高エネルギーフォトンのエネルギーを用いて光電変換に有効なエネルギーフォトンに変換する、ダウンコンバージョンの波長変換層を配してもよい。

また、太陽電池の構成については前記実施の形態で用いたヘテロ接合型太陽電池に限定されることなく、拡散型太陽電池など、適宜選択可能である。

以上のように、本発明にかかる太陽電池モジュールは、集光効率に優れており、特に、反射板などの集光補助財を用いるのが難しい場所に設置される太陽電池モジュールに適している。

１ｎ型単結晶シリコン基板、２ａ,２ｂｉ型非晶質シリコン層、３ｐ型非晶質シリコン層、４ｎ型非晶質シリコン層、５ａ,５ｂ透光性電極、６ａ,６ｂ集電電極、７封止樹脂、８ガラス板、９ａ封止層（太陽電池素子直下で波長変換材料を含む層）、９ｂ封止層（隣接する太陽電池素子の間の直下で波長変換材料を含む層）、１０太陽電池素子、１１バックフィルム、１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄバックフィルム部分、１２入射光、１３ａ,１３ｂ反射光、１４透過光、１５反射光、１６レーザー光、１７波長変換材料、１８,１８ａ,１８ｂ波長変換材料、１９インターコネクタ、２０リード線、Ｒ熱可塑性樹脂、Ｍ反射層、Ｄ散乱物質。

Claims

少なくとも二つの太陽電池素子が、
前記太陽電池素子の受光面を被う受光面封止材と、
前記太陽電池素子の受光面に対向する面である裏面側を被う裏面封止材とで一体的に封止された太陽電池モジュールであって、
前記裏面封止材は、
隣接する前記太陽電池素子の素子間領域で、ダウンシフト又はダウンコンバージョンの波長変換層を有し、
前記太陽電池素子の直下領域で、アップコンバージョンの波長変換層を有することを特徴とする太陽電池モジュール。
前記ダウンシフトの波長変換層は、前記素子間領域において、前記裏面封止材の最外層に形成されており、
熱可塑性樹脂とダウンシフト材料との混合物で構成され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。
前記裏面封止材の裏面側にバックフィルムが装着されており、
前記裏面封止材のうち前記波長変換層は前記バックフィルムよりも薄く形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
前記バックフィルムは、
前記太陽電池素子の直下領域で、正反射率がより高く、
前記太陽電池素子の素子間領域では、散乱反射率がより高いことを特徴とする請求項３に記載の太陽電池モジュール。
前記バックフィルムは、
前記太陽電池素子の直下領域で、表面に金属層からなる反射層を有し、
前記太陽電池素子の素子間領域では、熱可塑性樹脂中に散乱物質が分散されたことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュール。
前記バックフィルムは、
前記太陽電池素子の素子間領域では、表面が凹凸形状を有することを特徴とする請求項４または５に記載の太陽電池モジュール。
前記受光面封止材は
前記太陽電池素子の素子間領域に、波長変換材料を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
前記受光面封止材は、
透光性基板に装着され、
前記波長変換材料は、前記透光性基板に当接するように配置されたことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池モジュール。