JP2018113790A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】コアシェル構造の半導体ナノ粒子の発光効率を高めることで、太陽電池の発電効率を高めることができ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１は、太陽電池２０の受光側に配置され、特定の波長域の光を吸収して太陽電池２０に受光される波長の光に変換する波長変換ナノ粒子６１を含んだ波長変換部６０を備えている。この波長変換ナノ粒子６１は、特定の波長域の光を励起光として吸収することによって励起状態を発生させるコア部６２を有する。また、波長変換ナノ粒子６１は、コア部６２を覆うと共に、励起状態のコア部６２からのエネルギー移動に伴ってバンドギャップエネルギーに対応した波長の光を太陽電池２０に受光される波長の光として発生させる発光源としてのイオンを含んでおり、さらに最表面６６に水溶性配位子が配置されたシェル部６３を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。

従来、太陽等の光によって発電を行う太陽電池は、光の全波長域に対して同一の発電効果を持つのではなく、材料自体の特性によって最大効率の波長域がある程度限定されている。このため、太陽電池の発電効率を追求する場合、発電に利用できる波長域が狭くなる傾向がある。

そこで、発電効率を改善するために、波長変換材料を含む波長変換膜を基材に設けることにより、発電効率の低い紫外光領域の波長から、発電効率の高い可視光領域の波長に変換する構成が、例えば特許文献１で提案されている。

特開２０１６−２７０６５号公報

ところで、バンドギャップエネルギーがより大きい化合物でコアが被覆されたコアシェル構造の半導体ナノ粒子では、半導体ナノ粒子表面のエネルギー状態が安定するため、半導体ナノ粒子の発光効率が向上することが知られている。そこで、発光効率の高い半導体ナノ粒子を波長変換材料として用いることで、発電効率の高い太陽電池モジュールを実現することができると考えられる。

しかしながら、コアとシェルとの間の格子不整合に起因して、多数の結晶欠陥が発生したり、コアやシェルの表面に凹凸が発生する。このため、コア及びその上のシェルの結晶性が著しく低下し、表面に結晶欠陥が出来易くなるので、バンド端発光以外にも結晶欠陥による弱い発光が起き、ひいては発光効率が低下するという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、コアシェル構造の半導体ナノ粒子の発光効率を高めることで、太陽電池の発電効率を高めることができる太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、太陽電池モジュールは、光を受光して発電する板状の太陽電池（２０）と、太陽電池の受光側に配置され、特定の波長域の光を吸収して太陽電池に受光される波長の光に変換する波長変換ナノ粒子（６１）を含んだ波長変換部（６０）と、を備えている。

波長変換ナノ粒子は、特定の波長域の光を励起光として吸収することによって励起状態を発生させるコア部（６２）と、コア部を覆うと共に、励起状態のコア部からのエネルギー移動に伴ってバンドギャップエネルギーに対応した波長の光を太陽電池に受光される波長の光として発生させる発光源としてのイオンを含んでおり、さらに最表面（６６）に水溶性配位子が配置されたシェル部（６３）と、を有して構成されている。

これによると、コア部の製造時に長時間の加熱を行っても白濁が起こらないので、コア部の結晶性が向上する。これに伴い、シェル部の結晶性も向上する。このため、波長変換ナノ粒子の全体で結晶欠陥が少ない構造を得ることができる。また、波長変換ナノ粒子における結晶欠陥による発光を抑制することができ、ひいては波長変換ナノ粒子の発光強度を向上させることができる。したがって、太陽電池の発電効率を高めることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 波長変換ナノ粒子の断面図である。 波長変換ナノ粒子の波長変換機能を説明するための図である。 波長変換ナノ粒子の製造工程を示した図である。 波長変換ナノ粒子と比較品の発光スペクトルを示した図である。 波長変換ナノ粒子にＭｎをドープしたものとドープしないものの発光スペクトルを示した図である。 コア部のシェル化の回数を変化させたときの波長変換ナノ粒子の発光スペクトルを示した図である。 図７に示された波長変換ナノ粒子の発光スペクトルに対する比較例として、コアにＭｎイオンがドープされたものについての発光スペクトルを示した図である。 Ｓ／Ｓｅ比と内部量子効率との関係を示した図である。 Ｓ／Ｓｅ比を変化させたときの波長変換ナノ粒子の発光スペクトルを示した図である。 保護板の側面に傾斜が設けられていない構成を示した断面図である。 図１１に示された構成に波長変換部が設けられていない従来のモジュール構成、図１１に示されたモジュール構成、図１に示されたモジュール構成の各構成の平均の発電量を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 図１３の変形例を示した太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 図１５の変形例を示した太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の第４実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 図１７の変形例を示した太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の第５実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 図１９の変形例を示した太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の第６実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 図２１の変形例を示した太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の第７実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 図２３の変形例を示した太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の第８実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 図２５の変形例を示した太陽電池モジュールの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１に示されるように、太陽電池モジュール１は、バックシート１０、太陽電池２０、充填材３０、保護板４０、反射膜５０、波長変換部６０、及びフレーム７０を備えている。

バックシート１０は、太陽電池モジュール１の底部を構成する板状の部品である。バックシート１０は、例えばポリエチレンテレフタレート樹脂によって形成されている。

太陽電池２０は、受光面２１で受光した光を吸収して起電力を発生させることにより発電する発電手段である。太陽電池２０は、例えばシリコン系の半導体材料によって構成されている。また、太陽電池２０は板状に構成されており、複数個が並べられている。

充填材３０は、透光性を有すると共に、太陽電池２０を封止する封止材である。充填材３０は、太陽電池２０を封止したことにより板状になっている。また、充填材３０は、太陽電池２０を封止した状態でバックシート１０の上に配置されている。充填材３０は、例えば、エチレン−酢酸ビニル重合体やシリコーン樹脂等によって形成されている。

保護板４０は、バックシート１０と共に太陽電池２０及び充填材３０を保護する板状の部品である。保護板４０は、透光性を有する板材であり、外部から光が入射する一面４１と、一面４１よりも太陽電池２０側に位置する他面４２と、一面４１及び他面４２に接する側面４３と、を有している。そして、保護板４０は、他面４２が充填材３０に接触するように、充填材３０に積層されている。保護板４０は、例えば板ガラスである。

また、保護板４０の側面４３は、他面４２側から一面４１側に向かって当該一面４１のサイズが小さくなるように、側面４３の全体がテーパ状に傾斜している。これにより、保護板４０の内部において当該傾斜面に至る光を太陽電池２０側に反射させることができる。なお、保護板４０の側面４３は、一面４１側の一部が傾斜するように構成されていても良い。保護板４０の側面４３は、当該側面４３あるいは側面４３の延長線と他面４２とのなす角度が９０度から１５０度であることが好ましい。

反射膜５０は、バックシート１０、太陽電池２０を含む充填材３０、及び保護板４０によって構成された積層体の側面部を覆う部品である。反射膜５０は、保護板４０の内部において当該反射膜５０に至る光を太陽電池２０側に反射させる役割を果たす。反射膜５０は、例えばアルミニウム等の光を反射するテープである。

波長変換部６０は、特定の波長域の光を吸収して太陽電池２０に受光される波長の光に変換する波長変換ナノ粒子６１を含んだ波長変換手段である。特定の波長域の光とは、紫外光である。したがって、波長変換部６０は、可視光領域の光を透過する一方、紫外光領域の光を可視光領域の光に変換する。波長変換ナノ粒子６１は水熱合成で製作されたＺｎＳｅＳ：Ｍｎ材料である。波長変換ナノ粒子６１については後述する。

波長変換部６０は、太陽電池２０の受光側に配置されている。つまり、波長変換部６０と太陽電池２０との間に保護板４０が配置されている。これにより、太陽電池２０には、波長変換部６０を透過した光、波長変換部６０によって波長変換された光、及び保護板４０を透過した光が入射する。本実施形態では、波長変換部６０は、保護板４０のうち太陽電池２０とは反対側に位置する一面４１に膜状に配置されている。

具体的には、波長変換部６０は、いわゆる有機アルコキシシランまたはアルコキシドガラス前駆体を使用するゾル−ゲル法によって波長変換ナノ粒子６１が分散した溶液がガラス状に固化されて構成されている。すなわち、波長変換部６０は、波長変換ナノ粒子６１が混合された溶液の状態で用意され、スクリーン印刷や塗布の方法によって保護板４０の一面４１に膜状に形成されている。

フレーム７０は、バックシート１０、太陽電池２０を含む充填材３０、保護板４０、及び反射膜５０によって構成された積層体を保持する中空筒状の枠部品である。フレーム７０は、例えばアルミニウムの金属体によって構成されている。

フレーム７０は、内側が凹状に形成されている。フレーム７０の内面は、保護板４０の側面４３の形状に合うように傾斜している。これにより、フレーム７０は、積層体及び反射膜５０を中空部分に嵌め込むと共に保持する。以上が、太陽電池モジュール１の概略である。

次に、波長変換部６０に含まれている波長変換ナノ粒子６１について詳しく説明する。図２に示されるように、波長変換ナノ粒子６１は、コア部６２及びシェル部６３を備えて構成されている。このうちのコア部６２は、特定の波長域の光を励起光として吸収することによって励起状態を発生させる結晶部分である。コア部６２は、半導体材料であるＺｎＳｅを主成分として構成されている。

図３に示されるように、波長変換ナノ粒子６１に紫外線（ＵＶ）を含んだ励起光が入射すると、コア部６２の電子がＺｎＳｅのエネルギー準位に従って励起されて励起状態となる。なお、励起された電子が元のエネルギー準位に戻る際にする発光がバンド端発光である。

図２に示されたシェル部６３は、コア部６２を覆う結晶部分である。シェル部６３は、半導体材料であるＺｎＳを主成分として構成されている。このように、コア部６２及びシェル部６３はコアシェル構造を構成し、それぞれＺｎ原子を含んで構成されている。

また、シェル部６３は、発光源としてのイオンを含んでいる。発光源としてのイオンは、Ｍｎイオン（Ｍｎ^２＋）である。図３に示されるように、Ｍｎイオンは、励起状態のコア部６２からのエネルギー移動に伴ってバンドギャップエネルギーに対応した波長の光を太陽電池２０に受光される波長の光として発生させる役割を果たす。このように、シェル部６３にはドーパントがドープされており、ドーパントがコア部６２からのエネルギー移動によって発光する。

ここで、シェル部６３は、第１シェル部６４及び第２シェル部６５を有している。第１シェル部６４はコア部６２を覆うと共に、Ｍｎイオンを含んだ部分である。第２シェル部６５は、第１シェル部６４を覆うと共に、Ｍｎイオンを含んでいない部分である。これら各シェル部６４、６５は、図２では図示していないが、それぞれ薄い層が複数積層されて構成されている。

さらに、シェル部６３は、最表面６６に水溶性配位子であるＮ−アセチル−Ｌ−システインが配置されている。これにより、波長変換ナノ粒子６１が水に分散すなわち溶けやすくなっている。つまり、波長変換ナノ粒子６１を水溶液中で保存することができる。以下では、Ｎ−アセチル−Ｌ−システインをＮＡＣという。

次に、波長変換ナノ粒子６１の製造方法について説明する。まず、コア部６２を形成する。具体的には、図４（ａ）に示す第１混合工程では、コア部６２の原料となるイオン源６７ａ、６７ｂを、水溶性配位子としてＮ−アセチル−Ｌ−システインを含んだ水溶液中で混合する。これにより、第１混合液６７ｃを作る。

イオン源６７ａはＺｎイオンを含んだＺｎ源であり、例えばＺｎ（ＣｌＯ_４）_２・６Ｈ_２Ｏ（過塩素酸亜鉛）である。また、イオン源６７ａは、ＺｎとＮＡＣとを１：４．８のモル比で含む水溶液である。イオン源６７ａをこの条件とすることで結晶性の良いコア部６２を形成することができる。一方、イオン源６７ｂはＳｅイオンを含んだＳｅイオン源であり、例えばＮａＨＳｅである。

続いて、図４（ｂ）に示す調整工程では、第１混合工程で得られた第１混合液６７ｃのｐＨが６．０となるように第１混合液６７ｃに水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を添加する。

そして、図４（ｃ）に示す第１加熱工程では、ｐＨ調整された第１混合液６７ｃを加熱することで第１混合液６７ｃ中にコア部６２の結晶（ＺｎＳｅ）を形成する。加熱は、ユラボ社のオートクレーブやオイルバスを用いることができる。加熱時間は６０分であり、加熱温度は１５０℃〜２００℃である。長時間で高温の加熱を行うことでコア部６２の結晶性を良くすることができる。

また、第１加熱工程では、ｐＨ調整された第１混合液６７ｃの加熱時のｐＨを６〜８としている。これは、ｐＨが６より低いと波長変換ナノ粒子６１が壊れてイオン化してしまい、ｐＨが８より高いと波長変換ナノ粒子６１の発光効率が悪くなってしまうからである。本工程では、ｐＨを６．０とした。

次に、シェル部６３を形成する。まず、図４（ｄ）に示す第２混合工程では、第１加熱工程で得られた第１混合液６７ｃにシェル部６３の原料となるイオン源６７ｄ及び発光源としてのイオンを含んだイオン源６７ｅを混合する。これにより、第２混合液６７ｆを作る。

イオン源６７ｄは、Ｚｎイオン及びＳイオンを含んだＺｎ源及びＳ源であり、例えばＺｎ（ＣｌＯ_４）_２・６Ｈ_２Ｏ及びＮａ_２Ｓである。イオン源６７ｄは水溶液である。一方、イオン源６７ｅは、Ｍｎイオンを含んだＭｎ源であり、例えばＭｎ（ＣｌＯ_４）_２・６Ｈ_２Ｏである。また、イオン源６７ｅは、ＭｎとＮＡＣとを１：１のモル比で含む水溶液である。イオン源６７ｅをこの条件とすることで結晶性の良いシェル部６３を形成することができる。

ここで、Ｍｎのモル比がＺｎに対して１０％となるように、イオン源６７ｅのモル比を調整する。これは、この後の工程でイオン源６７ｄ、６７ｅを第２混合液６７ｆに何度も追加していくためである。

続いて、図４（ｅ）に示す第２加熱工程では、第２混合液６７ｆをマイクロ波加熱する。マイクロ波加熱は、ＣＥＭ社のＤｉｓｃｏｖｅｒ ＳＰを用いることができる。加熱時間は５分であり、加熱温度は８０℃〜１４０℃である。この温度範囲とすることで良好な結晶が得られる。これにより、コア部６２の表面にＭｎイオンを含んだＺｎＳの層を一層形成する。第２加熱工程においても、加熱時の第２混合液６７ｆのｐＨは６〜８になっている。

Ｍｎイオンを含んでいない第１混合液６７ｃに対して、Ｍｎイオンを含んだ第２混合液６７ｆに対する加熱時間を短くしているのは、第２混合液６７ｆの白濁を抑制するためである。すなわち、シェル部６３のＮＡＣの配位が無くなって複数の粒子が凝集して結晶欠陥が発生してしまうことを抑制するためである。

そして、ＳとＳｅとのモル比がＳ／Ｓｅ＝２．０になるまで、図４（ｄ）の第２混合工程と図４（ｅ）の第２加熱工程とを繰り返す。例えば、第２混合液６７ｆに対して０．２５モルのＳを含んだイオン源６７ｄを混合して加熱することを６回繰り返す。これにより、シェル部６３の一部であるＭｎイオンを含んだ複数のＺｎＳの層、すなわち第１シェル部６４を形成する。

この後、図４（ｆ）に示す第３混合工程では、第２混合液６７ｆにシェル部６３の原料となるイオン源６７ｄを混合する。これにより、第３混合液６７ｇを作る。そして、図４（ｇ）に示す第３加熱工程では、第３混合液６７ｇをマイクロ波加熱する。加熱時間は２分であり、加熱温度は１００℃〜１４０℃である。この温度範囲とすることで良好な結晶が得られる。これにより、シェル部６３の一部であるＺｎＳの層を形成する。第３加熱工程においても、加熱時の第３混合液６７ｇのｐＨは６〜８になっている。

そして、上記と同様に、ＳとＳｅとのモル比がＳ／Ｓｅ＝１５になるまで、図４（ｆ）の第３混合工程と図４（ｇ）の第３加熱工程とを繰り返す。これにより、複数のＺｎＳの層、すなわち第２シェル部６５を形成する。こうして、コア部６２がシェル部６３で被覆された波長変換ナノ粒子６１（ＺｎＳｅ／Ｍｎ／ＺｎＳ）が完成する。ここで、シェル部６３の最表面６６にはＮＡＣが配位しており、波長変換ナノ粒子６１が水溶液中に分散した状態になっている。このようにして、波長変換ナノ粒子６１が完成する。

続いて、波長変換ナノ粒子６１を含んだ溶液を保護板４０の一面４１に塗布し、保護板４０の一面４１に波長変換部６０を膜状に形成する。波長変換部６０が剥がれたり、傷が付いたとしても、再度、保護板４０の一面４１に波長変換部６０を塗布することができる。

例えば、次のように波長変換部６０を形成することができる。まず、メタノールと（ガラス前駆体である）ＡＰＳとを混合し、その混合溶液を撹拌しながら、クエン酸水溶液を加え、ＡＰＳの加水分解を促進させる。さらに、遮光下で撹拌を続け、その溶液の粘度が所定値以上になった場合には、ＺｎイオンとＮＡＣとを溶解させた水溶液と波長変換ナノ粒子６１の分散水溶液とを加えて、良く分散するまで撹拌する。その後、撹拌を停止し、遮光して静置し、ガラス化を促進させて固化させることで波長変換部６０を形成することができる。

発明者らは、上記のように製造した波長変換ナノ粒子６１に対して３２５ｎｍの励起光を照射して発光スペクトルを測定した。比較例として、コアであるＺｎＳｅＳにＭｎイオンをドープしたナノ粒子（ＺｎＳｅＳ：Ｍｎ）の発光スペクトルも測定した。比較品はシェル部６３が無い構成である。測定には日本分光株式会社の分光蛍光光度計ＦＰ８６００を用いた。その結果を図５に示す。

図５に示されるように、本実施形態に係る波長変換ナノ粒子６１では４００ｎｍ付近と６００ｎｍ付近に発光強度のピークが現れた。一方、比較品では６００ｎｍ付近に発光強度のピークが現れた。４００ｎｍ付近のピークはＺｎＳｅのバンド端発光によるピークである。また、６００ｎｍ付近のピークはＭｎの発光によるピークであり、可視光の発光である。波長変換ナノ粒子６１は、可視光について、比較品に対して約４倍高い発光強度が得られた。なお、４８０ｎｍ付近のピークは結晶欠陥によるピークであると考えられる。

また、発明者らは、図５に示された蛍光波長の範囲で波長変換ナノ粒子６１が吸収した光に対してどれだけ発光したかを示す全内部量子効率を調べた。その結果、波長変換ナノ粒子６１の全内部量子効率は５８．７％であった。これは、吸収した光の６割程度を発光に変換したことを意味する。Ｍｎの発光ピーク付近である５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲では、波長変換ナノ粒子６１の全内部量子効率は５１．９％であった。

これに対し、比較品の全内部量子効率は３１．０％であった。また、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲では、比較品の全内部量子効率は２８．３％であった。すなわち、波長変換ナノ粒子６１は比較品に対して約２倍の発光効率を持った素子であると言える。

さらに、発明者らは、本実施形態に係る波長変換ナノ粒子６１と、当該波長変換ナノ粒子６１のシェル部６３にＭｎイオンをドープしないものと、の発光スペクトルをそれぞれ測定した。その結果を図６に示す。

図６に示されるように、Ｍｎイオンをドープした波長変換ナノ粒子６１は図５に示された発光スペクトルと同じになる。一方、Ｍｎイオンをドープしていない波長変換ナノ粒子６１の発光スペクトルは、４００ｎｍ付近のバンド端発光のピークが大きく現れるが、６００ｎｍ付近ではほとんど発光のピークが現れない。なお、Ｍｎイオンをドープしていない波長変換ナノ粒子６１の全内部量子効率は５２．８％であった。このように、シェル部６３にドーパントをドープすることによって、入射光から所望の波長の光を選択的に取り出すことができる。

また、発明者らは、波長変換ナノ粒子６１のシェル部６３の被覆層数を変化させたときの波長変換ナノ粒子６１（ＺｎＳｅ／ＺｎＳ：Ｍｎ）の発光スペクトルを測定した。その結果を図７に示す。なお、測定装置及び測定条件は上記と同じである。また、横軸は光子エネルギーを示し、縦軸は発光強度を示している。

図７に示されるように、ＺｎＳｅで構成されたコア部６２のみでは、３．０ｅＶ〜３．５ｅＶにピークが現れた。そして、コア部６２にシェル化を１回行ったものは、コア部６２のピークだけではなく、２．０９ｅＶにもピークが現れた。この２．０９ｅＶのピークはシェル部６３にドープされたＭｎイオンによるものである。

そして、コア部６２に対するシェル化を４回行ったものは１回行ったものよりも発光強度のピーク値が大きくなった。なお、シェル化とは、図４（ｆ）の第３混合工程と図４（ｇ）の第３加熱工程とを繰り返すことである。

さらに、コア部６２のシェル化を５回行ったものは４回のものよりも発光強度のピーク値が大きくなった。このように、コア部６２に対してシェル部６３の層を厚くすることでＭｎイオンによる発光のピークが大きくなることがわかった。これは、シェル部６３に含まれるＭｎイオンの量が増加したことに対応していると考えられる。

これに対する比較例として、発明者らは、コアであるＺｎＳｅにＭｎイオンをドープしたものをＺｎＳｅでシェル化したナノ粒子（ＺｎＳｅ：Ｍｎ／ＺｎＳ）の発光スペクトルも測定した。その結果を図８に示す。

図８に示されるように、Ｍｎイオンを含むＺｎＳｅのコアのみでは、２．１３ｅＶにピークが現れた。そして、コアがＺｎＳでシェル化された場合、１回のシェル化によって３．０ｅＶ付近にＺｎＳのピークが現れた。Ｍｎイオンはコアに含まれるだけであるので、シェル化の回数が４回や５回に増加しても２．１３ｅＶのピーク値の増加は僅かだった。また、ピーク値の最大値は、波長変換ナノ粒子６１よりも低い値であり、図７に示されたシェル化１回目と同程度であった。

上記の結果によると、シェル部６３に発光源であるＭｎイオンが含まれる波長変換ナノ粒子６１の場合、Ｍｎイオンの発光スペクトルのピークが２．１２ｅＶよりも低エネルギー側に現れている。さらに詳細には、ピークが２．１０ｅＶよりも低エネルギー側に現れている。また、Ｍｎイオンの発光スペクトルのピークは２．０６ｅＶよりも高エネルギー側に現れている。

したがって、２．０６ｅＶ〜２．１２ｅＶの範囲、より詳細には２．０６ｅＶ〜２．１０ｅＶの範囲に発光スペクトルのピークが現れた場合、そのピークはコア部６２にＭｎイオンがドープされた波長変換ナノ粒子６１のピークであると言える。

ここで、波長と発光エネルギーとの関係は一義的に決まる。したがって、２．１２ｅＶを波長変換（＝１２４０／２．１２）すると、５８５ｎｍとなる。したがって、波長の観点では、波長変換ナノ粒子６１のＭｎイオンの発光スペクトルのピークは５８５ｎｍよりも長波長側に現れる。

同様に、２．１０ｅＶを波長変換すると５９０ｎｍであるので、Ｍｎイオンの発光スペクトルのピークは５９０ｎｍよりも長波長側に現れる。波長の上限値についても同様に、２．０６ｅＶを波長変換すると６０１ｎｍであるので、Ｍｎイオンの発光スペクトルのピークは６０１ｎｍよりも低波長側に現れる。

したがって、５８５ｎｍ〜６０１ｎｍの範囲、より詳細には５９０ｎｍ〜６０１ｎｍの範囲に発光スペクトルのピークが現れた場合、そのピークはコア部６２にＭｎイオンがドープされた波長変換ナノ粒子６１のピークであると言える。

また、発明者らは、コア部６２を構成するＳｅに対してシェル部６３を構成するＳの比を変化させたときの内部量子効率及び発光スペクトルについて調べた。発光スペクトルの測定装置及び測定条件は上記と同じである。

ここでは、２個の試料を用意し、各試料に対してＳ／Ｓｅ比を大きくしていくと共に、Ｓ／Ｓｅ比が１６、４６、６９、９２の場合の４点で測定を行った。測定値の平均値±３σを算出した。その結果を図９に示す。図９の横軸はＳ／Ｓｅ比を示しており、Ｓ／Ｓｅ比が大きいほどシェル部６３の層が何層も重ねられて厚くなっていることを意味する。

図９に示されるように、Ｓ／Ｓｅ比と内部量子効率との関係は、比１６の場合は５９．５±１．３％になり、比４６の場合は６４．２±５．２％になり、比６９の場合は６６．９±７．０％になり、比９２の場合のは５７．９±９．９％になった。

そして、上記の４点から、Ｓ／Ｓｅ比が１６以上８６以下の場合、内部量子効率が確実に６０％以上になった。したがって、Ｓ／Ｓｅ比が１６以上８６以下の範囲となるように波長変換ナノ粒子６１を構成することで、高い波長変換効率が得られる。また、Ｓ／Ｓｅ比を４６以上７６以下の範囲に限定することで、さらに高波長変換効率を持つ波長変換ナノ粒子６１が得られる。

図１０に示されるように、Ｓ／Ｓｅ比が１６、４６、６９、９２の場合の発光スペクトルのピークは、２．０７ｅＶに現れた。もちろん、上述の２．０６ｅＶ〜２．１０ｅＶの範囲に含まれている。さらに、Ｓ／Ｓｅ比が小さくなるほど、発光強度が高くなる結果となった。なお、図１０では、横軸を蛍光波長で示している。２．０７ｅＶを波長変換すると５９９ｎｍに対応する。

以上のように、波長変換ナノ粒子６１では、コア部６２にドーパントがドープされているのではなく、コア部６２を覆うシェル部６３にドープされた構成が特徴となっている。これにより、コア部６２の製造時に長時間の加熱が可能になり、コア部６２の結晶性が向上するので、コア部６２の上に形成されるシェル部６３の結晶性も向上する。このため、波長変換ナノ粒子６１の全体で結晶欠陥が少なくなり、ひいては結晶欠陥による発光を抑制することができる。すなわち、入射光を効率的に所望の波長の光に変換することができる。したがって、波長変換ナノ粒子６１のエネルギー利用効率を向上させることができ、波長変換ナノ粒子６１の発光強度を向上させることができる。

太陽電池モジュール１では、Ｓｉ系の太陽電池２０が採用されているので、紫外から青色（３００ｎｍ〜５００ｎｍ）の光は分光感度が低い。このため、この領域の波長の光が波長変換部６０の波長変換ナノ粒子６１によって分光感度の高い５００ｎｍ以上の波長の光に変換される。また、波長変換部６０を介して保護板４０に入射した青色（５００ｎｍ）以上の波長の光は保護板４０にほとんど吸収されずに透過し、太陽電池２０に入射する。さらに、太陽電池２０の受光面２１で反射した光が保護板４０の内部で反射したり、側面４３の傾斜面で反射することで太陽電池２０に集光される。これらの効果が合成されると共に、発光強度が向上した波長変換ナノ粒子６１が採用されているので、太陽電池２０の発電効率を高めることができる。もちろん、太陽電池２０を遮るものはなく、波長変換効率の低下は起こらない。

上記構成に対し、変形例として、図１１に示されるように、保護板４０の側面４３が傾斜しない構成でも良い。この場合、反射膜５０も不要となる。フレーム７０の内面の凹部は保護板４０の側面４３の形状に合わせて形成されている。

発明者らは、図１１に示された構成に波長変換部６０が設けられていない従来のモジュール構成、図１１に示されたモジュール構成、図１に示されたモジュール構成の各構成の発電量を測定した。各構成については１ｃｍ角の４個の試料を用意し、各々の平均の発電量を測定した。その結果を図１２に示す。

図１２に示されるように、従来のモジュール構成の平均の発電量は２０．０±１．１ｍＷ／ｃｍ^２、図１１に示されたモジュール構成の平均の発電量は２０．７±１．２ｍＷ／ｃｍ^２、図１に示されたモジュール構成の平均の発電量は２１．５±１．３ｍＷ／ｃｍ^２となった。なお、平均値は３σで算出した。

すなわち、従来のモジュール構成に波長変換部６０を設けたことにより、従来のモジュール構成に対して平均の発電量が３．５％向上した。さらに、保護板４０の側面４３に傾斜を設けたことにより、従来のモジュール構成に対して平均の発電量が７．５％向上した。この結果からも、波長変換ナノ粒子６１を含んだ波長変換部６０を設けたことにより、太陽電池２０の発電効率を向上させることができることがわかる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図１３に示されるように、波長変換部６０は、充填材３０のうち太陽電池２０の受光側に膜状に配置されている。つまり、波長変換部６０と太陽電池２０とに充填材３０の一部が挟まれている。また、保護板４０は、膜状の波長変換部６０に積層されている。

以上のように、波長変換部６０は保護板４０と充填材３０との間に配置されていても良い。波長変換部６０が保護板４０によって覆われるので、波長変換部６０に傷が付くことはなく、剥がれることもない。上記構成に対し、変形例として、図１４に示されるように、保護板４０の側面４３が傾斜しない構成でも良い。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図１５に示されるように、波長変換部６０は、太陽電池２０のうち受光側に膜状に配置されている。充填材３０は、太陽電池２０及び波長変換部６０を封止している。そして、保護板４０は、充填材３０のうち波長変換部６０を覆う部分に積層されている。

以上のように、波長変換部６０は太陽電池２０の直上に配置されていても良い。上記構成に対し、変形例として、図１６に示されるように、保護板４０の側面４３が傾斜しない構成でも良い。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図１７に示されるように、波長変換部６０は、波長変換ナノ粒子６１が含まれた充填材３１として構成されている。太陽電池２０は、受光面が露出するように充填材３０に覆われている。そして、波長変換部６０は、太陽電池２０のうち受光側に層状に配置されている。これにより、太陽電池２０は、充填材３０、３１によって封止されている。また、保護板４０は、波長変換部６０のうち太陽電池２０側とは反対側に積層されている。

以上のように、波長変換部６０が主に充填材３１として構成されていると共に、充填材３１に波長変換ナノ粒子６１が混合された構成でも良い。上記構成に対し、変形例として、図１８に示されるように、保護板４０の側面４３が傾斜しない構成でも良い。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、太陽電池２０は、銅、インジウム、ガリウム、セレンを含んだ化合物半導体材料、または、銅、インジウム、ガリウム、セレン、硫黄を含んだ化合物半導体材料によって構成されている。つまり、太陽電池２０は、ＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池である。

このため、図１９に示されるように、太陽電池モジュール１は、ソーダガラス８０、太陽電池２０、充填材３０、保護板４０、反射膜５０、波長変換部６０、及びフレーム７０を備えて構成されている。太陽電池２０は、板状のソーダガラス８０に半導体プロセスによって形成されている。例えば、太陽電池２０はソーダガラス８０の表面全体に形成されている。

充填材３０は、太陽電池２０の受光面２１に配置されていると共に、太陽電池２０を封止している。保護板４０は、充填材３０の上に配置されている。充填材３０は太陽電池２０を保護するだけでなく、保護板４０を固定するための接着剤としても機能する。

以上のように、ＣＩＧＳ系の太陽電池２０を用いて太陽電池モジュール１を構成することもできる。上記構成に対し、変形例として、図２０に示されるように、保護板４０の側面４３が傾斜しない構成でも良い。

（第６実施形態）
本実施形態では、第５実施形態と異なる部分について説明する。図２１に示されるように、第２実施形態と同様に、波長変換部６０は、充填材３０のうち太陽電池２０の受光側に膜状に配置されていても良い。また、変形例として、図２２に示されるように、保護板４０の側面４３が傾斜しない構成でも良い。なお、太陽電池２０はソーダガラス８０の表面の一部に形成されていても良い。

（第７実施形態）
本実施形態では、第５、第６実施形態と異なる部分について説明する。図２３に示されるように、第３実施形態と同様に、波長変換部６０は、太陽電池２０のうち受光側に膜状に配置されていても良い。また、変形例として、図２４に示されるように、保護板４０の側面４３が傾斜しない構成でも良い。

（第８実施形態）
本実施形態では、第５〜第７実施形態と異なる部分について説明する。図２５に示されるように、第４実施形態と同様に、波長変換部６０は、波長変換ナノ粒子６１が含まれた充填材３１として構成されていても良い。太陽電池２０は、ソーダガラス８０、充填材３０、３１によって封止されている。また、変形例として、図２６に示されるように、保護板４０の側面４３が傾斜しない構成でも良い。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された太陽電池モジュール１の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記で示した波長変換ナノ粒子６１の製造条件は一例であり、他の条件で製造しても構わない。

上記各実施形態ではドーパントとしてＭｎイオンが用いられたが、これは一例である。例えば、ドーパントとしてＣｕ^２＋、Ｅｕ^３＋、Ｙｂ^３＋等の他のイオンを採用しても良い。これにより、ドーパントに対応した波長を取り出すことが可能となる。

また、コア部６２及びシェル部６３を他の半導体材料で構成しても良い。さらに、水溶性配位子としては、ＮＡＣの他、メルカプト酢酸、メルカプトプロピオン酸、メルカプトこはく酸等を採用しても良い。

また、太陽電池モジュール１は反射膜５０を備えていなくても良い。例えば、フレーム７０の内面が鏡面仕上げされることで反射膜５０と同等の効果を得ることも可能である。

２０ 太陽電池
６０ 波長変換部
６１ 波長変換ナノ粒子
６２ コア部
６３ シェル部
６６ 最表面

Claims (11)

1. 光を受光して発電する板状の太陽電池（２０）と、
   前記太陽電池の受光側に配置され、特定の波長域の光を吸収して前記太陽電池に受光される波長の光に変換する波長変換ナノ粒子（６１）を含んだ波長変換部（６０）と、
   を備え、
   前記波長変換ナノ粒子は、
   前記特定の波長域の光を励起光として吸収することによって励起状態を発生させるコア部（６２）と、
   前記コア部を覆うと共に、前記励起状態のコア部からのエネルギー移動に伴ってバンドギャップエネルギーに対応した波長の光を前記太陽電池に受光される波長の光として発生させる発光源としてのイオンを含んでおり、さらに最表面（６６）に水溶性配位子が配置されたシェル部（６３）と、
   を有して構成されている太陽電池モジュール。
2. 前記コア部及び前記シェル部は、Ｚｎ原子を含んで構成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. 前記コア部はＺｎＳｅを主成分として構成され、前記シェル部はＺｎＳを主成分として構成されている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。
4. 前記発光源としてのイオンは、Ｍｎイオンであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
5. 前記太陽電池と前記波長変換部との間に配置されていると共に、透光性を有する保護板（４０）を備え、
   前記太陽電池は、透光性を有する充填材（３０）で封止されており、前記充填材に前記保護板が積層されており、
   前記波長変換部は、前記保護板のうち前記太陽電池とは反対側に膜状に配置されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
6. 透光性を有する保護板（４０）を備え、
   前記太陽電池は、透光性を有する充填材（３０）で封止されており、
   前記波長変換部は、前記充填材のうち前記太陽電池の受光側に膜状に配置されており、
   前記保護板は、前記膜状の波長変換部に積層されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
7. 透光性を有する保護板（４０）を備え、
   前記波長変換部は、前記太陽電池のうち受光側に膜状に配置されており、
   前記太陽電池及び前記波長変換部は、透光性を有する充填材（３０）で封止されており、
   前記保護板は、前記充填材のうち前記波長変換部を覆う部分に積層されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
8. 透光性を有する保護板（４０）を備え、
   前記波長変換部は、前記波長変換ナノ粒子が含まれた充填材（３１）として構成されていると共に、前記太陽電池のうち受光側に層状に配置されており、
   前記保護板は、前記波長変換部のうち前記太陽電池側とは反対側に積層されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
9. 前記保護板は、前記光が入射する一面（４１）と、前記一面よりも前記太陽電池側に位置する他面（４２）と、前記一面及び前記他面に接する側面（４３）と、を有し、
   前記側面は、前記他面側から前記一面側に向かって当該一面のサイズが小さくなるように、前記一面側の一部あるいは当該側面の全体がテーパ状に傾斜しており、前記保護板の内部において当該傾斜面に至る光を前記太陽電池側に反射させる請求項５ないし８のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
10. 前記太陽電池は、シリコン系の半導体材料によって構成されている請求項１ないし９のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
11. 前記太陽電池は、銅、インジウム、ガリウム、セレンを含んだ化合物半導体材料、または、銅、インジウム、ガリウム、セレン、硫黄を含んだ化合物半導体材料によって構成されている請求項１ないし９のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。

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