JP5206899B1

JP5206899B1 - 太陽電池および太陽電池モジュール

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Publication number: JP5206899B1
Application number: JP2012192688A
Authority: JP
Inventors: 美帆佐々木
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: JP2014049356A

Abstract

【課題】その受光面側をきれいな白色としつつ、発電効率も高い太陽電池および太陽電池モジュールを提供すること。
【解決手段】太陽電池を、太陽電池素子と、前記太陽電池素子の受光面に空隙を介して設けられた拡散層とから構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池および太陽電池モジュールに関する。

現在、地球温暖化防止の対策として、世界規模でＣＯ₂排出抑制の取り組みが行われて
おり、火力発電などに代わるクリーンな発電装置として太陽電池、および当該太陽電池を複数、電気的に接続した太陽電池モジュールが注目されており、研究開発が盛んである。

また、近年においては、太陽電池および太陽電池モジュールを屋外のみならず屋内の種々の物品に搭載して利用することが行われており、その意匠性が問題となることがあり、太陽電池および太陽電池モジュールの受光面の全体をきれいな白色としたい、という要望もある。

太陽電池および太陽電池モジュールの受光面を白色とする技術として、例えば特許文献１に開示されている技術がある。

特許第３４７６２５１号公報

しかしながら、たとえば特許文献１においては、太陽電池の受光面に拡散層を設け、当該拡散層によって光を拡散することにより、太陽電池の受光面を白色とすることはできるものの、白色を濃くしようとすると、その分だけ光の拡散を多くしなければならず、光の拡散を多くすればするほど、太陽電池へ入射する光が少なくなってしまい発電効率が低下してしまう。つまり、拡散層のみを用いて白色を表現した場合、白色の濃度と発電効率とはトレードオフの関係となり、その両方を所望のレベルにするのは難しかった。

本発明は、このような現状認識の下でなされた発明であり、地球温暖化防止の対策として期待されている太陽電池および太陽電池モジュールであって、その受光面側をきれいな白色としつつ、発電効率も高い太陽電池および太陽電池モジュールを提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決するための発明は、太陽電池素子と、前記太陽電池素子の受光面に空隙を介して設けられた拡散層と、を有することを特徴とする。

また、上記課題を解決するための別の発明は、間隔をもって配置される二以上の太陽電池素子を有する太陽電池モジュールであって、前記太陽電池モジュールの受光面には空隙を介して拡散層が設けられていることを特徴とする。

また、上記の発明にあっては、前記太陽電池素子と太陽電池素子の間には、着色粒子を有し、前記太陽電池素子と同色の着色層が存在することが好ましい。

本発明の太陽電池および太陽電池モジュールによれば、これらの受光面に空隙を介して
拡散層が設けられているため、受光面に入射する光を拡散層のみで拡散するのみならず、当該拡散層の下側にある空隙によっても光を屈折せしめることができ、その結果、太陽電池へ入射する光の量を大幅に低減することなく、当該拡散層と空隙の相乗効果により受光面の白味を増すことができる。

本発明の実施形態にかかる太陽電池の概略断面図である。本発明の第１の実施形態にかかる太陽電池モジュールの断面図である。本発明の第２の実施形態にかかる太陽電池モジュールの断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する形態に限定されることはなく、技術思想を逸脱しない範囲において種々変形を行なって実施することが可能である。また、添付の図面においては、説明のために上下、左右の縮尺を誇張して図示することがあり、実際のものとは縮尺が異なる場合がある。

＜太陽電池＞
図１は、本発明の実施形態にかかる太陽電池の概略断面図である。

図１に示すように、本実施形態にかかる太陽電池１０は、太陽電池素子１１と、前記太陽電池素子１１の受光面に空隙１２を介して設けられた拡散層１３と、を有することを特徴とする。このように、太陽電池素子１１の受光面に直接拡散層１３を設けるのではなく、太陽電池素子１１と拡散層１３との間に空隙１２を設けることで、太陽電池１０に入射された光は拡散層１３で拡散されるのみならず、空隙１２と太陽電池素子１１との界面においても屈折および反射されることとなり、拡散層１３と空隙１２との相乗効果によって、太陽電池１０の受光面側の白味を向上することができる。なお、本実施形態にかかる太陽電池１０の白味を拡散層１３のみで再現する、つまり空隙層１２を設けることなく、太陽電池素子１１の受光面に直接拡散層１３を形成することで本実施形態にかかる太陽電池１０と同程度の白味を再現する場合、拡散層による光の拡散の程度をより多くしなければならず、その結果、本実施形態にかかる太陽電池１０に比べ発電効率が低下することとなる。

以下に、太陽電池１０の各構成について説明する。

（太陽電池素子）
本実施形態の太陽電池１０における太陽電池素子１１としては、特に限定されることはなく、従来従来公知のものを適宜選択して用いることができる。このような太陽電池素子１１としては、例えば、単結晶シリコーン型太陽電池素子、多結晶シリコーン型太陽電池素子、アモルファスシリコーン型太陽電池素子、化学物系太陽電池素子、色素増感型太陽電池素子、量子ドット型太陽電池素子、および有機薄膜型太陽電池素子等を挙げることができる。

これらの太陽電池素子の中でも、色素増感型太陽電池素子は、蛍光灯などの室内光や、窓際など、低照度での発電効率が高いといった利点や、製造工程に真空条件を必要とせず製造コストが低いといった利点から、特に好適に使用することができる。また、色素増感型太陽電池素子は、前記のごとく室内において用いられることから、意匠性が要求される場合も多く、本願発明の効果を発揮できる点でも好ましい。

（空隙）
本実施形態の太陽電池１０における空隙１２は、前述したように、拡散層１３を通過した光が直接太陽電池素子１１に入射することを防止し、拡散層１３を通過した光を太陽電池素子１１に入射する際に再度屈折ないし反射させるために存在する。したがって、当該作用効果を奏することができる空隙であればよく、その他は特に限定されない。

このような観点から、空隙１２内には特別な気体が充填されている必要はなく、空気が存在していればよい。

また、空隙１２は、太陽電池素子１１の受光面全体にわたって連続した層である必要はなく、したがって、図１に示すように、太陽電池素子１１の受光面と拡散層１３との間にスペーサーＳとして機能する物質を介在させることにより形成すればよい。

空隙１２の厚さｄについても特に限定されることはなく、上記作用効果を奏する範囲において自由に設計可能である。たとえば１ｎｍ〜１０００μｍ程度とすることが好ましく、１０ｎｍ〜１００μｍ程度とすることが特に好ましい。

（拡散層）
本実施形態の太陽電池１０における拡散層１３としては、入射される光を拡散し、白味を発現することができるものであれば特に限定されることはなく、たとえば従来公知の各種拡散層を適宜選択して用いることができる。

より具体的には、例えば、ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂やポリオレフィン系樹脂からなるフィルムを用い、当該フィルムの表面に凹凸を形成することにより拡散層１３とすることができる。このようにフィルムを用いる場合、当該フィルムの厚さはその使用目的に合わせて適宜選択されるが、３０〜３００μｍ程度とすることができる。また、表面の凹凸については、例えば、アクリル粒子、ポリスチレン粒子、シリカ粒子等の高分子又は無機の粒子を含有することにより形成することができ、球形状、真球形状、針状の粒子を好適に用いることができる。例えば、これらの粒子をバインダー樹脂と共に溶剤中で混合し、その溶液を前記フィルム表面に塗布してもよい。これらの粒子の平均粒子径は３０μｍ以下であることが好ましい。平均粒子径が３０μｍを超えると、粗大樹脂粒子が脱落しやすくなるため樹脂粒子の欠損を生ずる原因となり易く、塗膜外観上も異物感のある均一性を欠いたものとなりやすい傾向にある。これらの粒子が含まれている部分の厚さについては特に限定されないが、例えば１〜１５μｍ程度が好ましい。また、前記フィルムの背面は、主として球状又は真球状のアクリル粒子、スチレン粒子、シリコーン、架橋ポリアクリル酸エステル、ポリウレタンのうち少なくとも一種の粒子からなる背面とすることが好ましい。この場合に用いられる粒子の直径は、１〜６０μｍの範囲にあることが好ましく、５〜２０μｍの範囲であることが更に好ましい。フィルム背面において当該粒子が含まれている部分の厚さは、例えば１〜５０μｍの範囲であることが好ましい。また、フィルムの背面の粒子を固定するバインダーとしては、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、シリコーンアクリル樹脂、フッ素樹脂若しくはフッ素−アクリル樹脂又はこれらの樹脂に硬化機能を有する架橋性樹脂を添加したものやポリウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂等の硬化性樹脂等のなかから選択される少なくとも１種以上の樹脂を使用することができる。

上記のような拡散層１３を用いることにより、その裏面側に粒子が適度に配置されているため、当該粒子を太陽電池素子１１の受光面と拡散層１３との間にスペーサーＳとして機能させることができ、特別なスペーサーＳを設置する必要がないため好適である。

＜太陽電池モジュール＞
図２は、本発明の第１の実施形態にかかる太陽電池モジュールの断面図である。なお、
図２において、前記図１に示した太陽電池１０と同じ構成については同じ符号を付ける。

本実施形態にかかる太陽電池モジュール１００は、間隔をもって配置される二以上の太陽電池素子１１，１１・・・と、これら太陽電池１１，１１・・・を挟持する受光面側熱可塑性樹脂層３０および裏面側熱可塑性樹脂層３１と、受光面側熱可塑性樹脂層３０の上に配置されるＰＥＴ樹脂層３３と、太陽電池モジュール１００の裏面に配置されるバックシート３４と、太陽電池モジュール１００の受光面の端部に配置される封止材３５と、を有しており、前記バックシート３４と封止材３５とが熱融着されることにより、全体が一体化されている。

そして、当該構成を有する太陽電池モジュール１００において、拡散層１３はＰＥＴ樹脂層３３の上に空隙１２を介して配置されている。

このような太陽電池モジュール１００によれば、前述した太陽電池１０と同様、拡散層１３と空隙１２との相乗効果により、太陽電池モジュール１００の受光面の全体をきれいな白色とすることができる。

（太陽電池素子、空隙および拡散層）
本実施形態にかかる太陽電池モジュール１００における空隙１２および拡散層１３については、上記「太陽電池１０」における太陽電池素子、空隙および拡散層と同じであるため、ここでの説明は省略する。

（太陽電池モジュールのその他の構成）
図１に示す第１の実施形態にかかる太陽電池モジュール１００にあっては、太陽電池素子１１、空隙１２、および拡散層１３、受光面側熱可塑性樹脂層３０、裏面側熱可塑性樹脂層３１、ＰＥＴ樹脂層３３、バックシート３４、および封止材３５、により構成されているが、これらの構成はあくまでも例示であり、本願発明の太陽電池モジュールは、当該構成に限定されることはなく、種々の構成を採用することができる。また、これらの材質もこれに限定されることはなく、種々の材料から選択することができる。

したがって、例えばＰＥＴ樹脂層に代えてガラス基板を用いることも可能であるが、本実施形態におけるＰＥＴ樹脂層３３の位置に設けられる層、つまり、拡散層１３と空隙１２を介して対向する層には、ある程度の硬度を有する層を配置することが好ましい。太陽電池モジュール１００を形成するにあたり、前述の通り、バックシート３４と封止材３５とが熱融着されこれにより全体が一体となるが、この際、拡散層１３には図面の下向き方向に圧力がかかるため、ＰＥＴ樹脂層３３の位置に設けられる層が柔らかい材質の層だと、空隙１２を形成するためのスペーサーＳが当該柔らかい材質の層に埋まってしまい、結果として空隙１２がなくなってしまう虞があるからである。

このような観点から、ＰＥＴ樹脂層３３に代えて他の材質の層を形成する場合には、ＰＥＴ樹脂と同等またはそれ以上の硬度を有する材質の層を形成することが好ましい。

図３は、本発明の第２の実施形態にかかる太陽電池モジュールの断面図である。なお、図３において、前記図１に示した本発明の実施形態にかかる太陽電池１０および、図２に示した第１の実施形態にかかる太陽電池モジュール１００と同じ構成については同じ符号を付ける。

図３に示すように、第２の実施形態にかかる太陽電池モジュール２００は、図２に示す太陽電池モジュール１００と同様の構成を有しており、さらに、バックシート３４と裏面側熱可塑性樹脂層３１との間に着色粒子を有し、太陽電池素子１１と同色の着色層２０が
存在していることに特徴を有している。

当該位置に着色層２０が設けられていることにより、着色層２０の色は、太陽電池素子１１，１１・・・の間から、裏面側熱可塑性樹脂３１、受光面側熱可塑性樹脂３０、ＰＥＴ樹脂層３３、空隙１２、および拡散層１３を透過して視認されることとなる。この場合において、当該着色層２０と太陽電池素子１１の色が同色であることから、太陽電池モジュール２００の受光面の全体を均一な白色とすることができる。

（着色層）
本実施形態にかかる太陽電池モジュール２００における着色層２０は着色粒子を含むが、当該着色粒子については特に限定されることはなく、所望する色、つまり太陽電池素子１１の色に応じて、従来公知の種々の着色粒子から適宜選択して用いればよい。具体的には、各種染料や各種顔料、さらにはこれらを適宜組み合わせて用いることができる。また、着色粒子の形状についても特に限定されることはなく、球状、針状、鱗片状などの粒子を用いればよく、また大きさについても１ｎｍ〜１００μｍ程度の大きさの粒子を用いればよい。

また、着色層２０は、前記着色粒子の他、任意の成分が含まれていてもよい。例えば、バインダーとしての樹脂、溶媒、分散剤など、着色層２０を形成する上で必要な成分を任意に配合することができる。

着色層２０の厚さについても特に限定されることはなく、着色層２０が形成される部分や太陽電池モジュール２００全体の構成、さらには着色層２０に期待する色味などを考慮して適宜設計することができる。例えば、本実施形態のごとくバックシート３４上にベタ層として形成する場合には、１００ｎｍ〜１０μｍ程度とすることができる。

着色層２０の形成方法についても特に限定することはない。例えば着色粒子を含むインキを準備し、各種塗布方法によってバックシート３４上に塗布することで形成してもよく、各種印刷方法によってバックシート３４上に印刷することで形成してもよい。

着色層２０の色は、太陽電池素子１１と同色である。ここで、太陽電池素子１１の色とは、当該太陽電池素子１１を構成する光電変換層の色を意味する。また、同じ色とは、太陽電池モジュール２００を受光面側から観察した場合に、太陽電池素子１１と、当該太陽電池素子１１と太陽電池素子１１との間とを識別することが困難である程度を意味し、より具体的には、下記式により算出される色差ΔＥが３未満であることを意味する。なお、下記Ｌ^*、ａ^*、およびｂ^*は、色彩色差計ＣＲ−５（コニカミノルタ社製）により測定し
た値である。
ΔＥ＝｛（ΔＬ^*）²＋（Δａ^*）²＋（Δｂ^*）²｝^1/2
ΔＥ：色差
ΔＬ^*：太陽電池の光電変換層のＬ^*と着色層のＬ^*との差
Δａ^*：太陽電池の光電変換層のａ^*と着色層のａ^*との差
Δｂ^*：太陽電池の光電変換層のｂ^*と着色層のｂ^*との差
Ｌ^*、ａ^*、およびｂ^*：１９７６年に国際照明委員会（ＣＩＥ）により勧告され、ＪＩ
ＳＺ８７２９に規定されたＬ^*ａ^*ｂ^*表色系の値

上記対二の実施形態にかかる太陽電池モジュール２００においては、バックシート３４と裏面側熱可塑性樹脂層３１との間に着色層２０をベタ層で形成したが、これに限定されることはなく、例えば、（１）バックシート３４と裏面側熱可塑性樹脂層３１との間であって、太陽電池素子１１と太陽電池素子の間の部分のみに着色層２０を形成してもよく、また、（２）裏面側熱可塑性樹脂層３１に着色粒子を含ませることにより、当該裏面側熱
可塑性樹脂層３１を着色層として機能させてもよく、さらには、（３）受光面側熱可塑性樹脂層３０とＰＥＴ樹脂層３３との間であって、太陽電池素子１１と太陽電池素子の間の部分のみに着色層２０を形成してもよい。

（実施例１）
以下の要領で、本発明の実施例１の太陽電池モジュールを作成した。

（太陽電池素子および太陽電池モジュールの作成）
電極基材として厚み５０μｍのＴｉ箔（竹内金属箔工業株式会社）上に、エタノール中で酸化チタン粒子（Ｐ２５：日本エアロジル株式会社）に０．５％エチルセルロース（ＳＴＤ−１００：日新化成工業株式会社）を混合させたペーストを塗布、乾燥させた。次いで、ロール小型プレス機を用いて０．５ｔ／ｃｍの圧力で速度１ｍ／ｍｉｎでロールプレスし、その後、５００℃で３０分焼成し、膜厚が５μｍの多孔質層形成用層を得た。

次いで、アセトニトリル／ｔ−ブタノール＝１／１溶液中にＮ７１９色素（Ｄｙｅｓｏｌ）を０．３ｍＭ溶解させた色素増感剤溶液を調製し、この色素増感剤溶液中に前記多孔質層形成用層を２０時間浸漬させたのち、乾燥させることにより、１０ｃｍ×４ｃｍ（成膜箇所９．５ｃｍ×４ｃｍ）の酸化物半導体電極基板を作製した。

次いで、６ｍｏｌ／ｌのｈｅｘｙｌｍｅｔｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｕｍｉｏｄｉｄｅ（富山薬品）、０．６ｍｏｌ／ｌのＩ₂（メルク株式会社）、０．４５ｍｏｌ／ｌのｎ
−ｍｅｔｙｌｂｅｎｚｏｉｍｉｄａｚｏｌ（Ａｌｄｒｉｃｈ）をｈｅｘｙｌｍｅｔｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｕｍｔｅｔｒａｃｙａｎｏｂｏｒａｔ（メルク株式会社）に溶解した電解液を調製した。次いで、０．５％エチルセルロース（ＳＴＤ−１００：日新化成）をエタノールに１０ｗｔ％溶解させた樹脂溶液を調製し、上記電解液：樹脂溶液＝１：６（重量比）で混合した樹脂電解質溶液を作製した。これをミヤバーで前記酸化物半導体電極基板に塗布し、１２０℃で１０分間加熱した。

次いで、３０Ω／ｓｑのＩＴＯを成膜したＰＥＮ基板のＩＴＯ膜上にｐｔを透過率８０％になるように成膜することにより、１０ｃｍ×４ｃｍの対極を作製した。

その後、上記で作製した電解質つき酸化物半導体電極基板と対極を上下５ｍｍずつずらした状態で貼り合わせ、一方の素子の電極ともう一方の素子の対極を金属テープにて接続した。

次に、この受光面側に受光面側熱可塑性樹脂層（１１ｃｍ×１０ｃｍ（ハイミラン４００μｍ：三井デュポンケミカルズ製）、ＰＥＴ樹脂層（１０ｃｍ×９ｃｍ（ルミラーＴ６０：東レ製））および拡散層（１０ｃｍ×９ｃｍ（Ｄ１２３：ツジデン製））、素子の外周部（非発電部）を熱ラミネート可能なバリア性を有する封止材（アルミラミジップ：アズワン）で覆うように設置し、裏面側にはバックシート（１２ｃｍ×１１ｃｍ（アルミラミジップ：アズワン））を設置し、１２０度で熱ラミネートすることで実施例１の太陽電池モジュールを作成した。なお、拡散層のＰＥＴ樹脂層と接する面側には凸部があり、拡散層を素子の外周部のみで熱ラミネートしているため、拡散層とＰＥＴ樹脂層との間には空隙があった。

（実施例１の測定）
実施例１の太陽電池モジュールの電池性能、および受光面の白色度を測定したところ以下の通りであった。
・光電変換効率：２．０％
・出力特性：開放電圧１．５Ｖ
・白色度：５６．５％

（実施例２）
上記実施例１におけるバックシートの内側に黒色の着色層を設けた以外、上記実施例１とすべて同じ条件により実施例２の太陽電池モジュールを作成した。

（実施例２の測定）
実施例２の太陽電池モジュールの電池性能、および受光面の白色度を測定したところ以下の通りであった。
・光電変換効率：２．１％
・出力特性：開放電圧１．５Ｖ
・白色度：５６．０％

（比較例１）
上記実施例１におけるＰＥＴ樹脂層上に熱可塑性樹脂層を配置し、拡散層とＰＥＴ樹脂層との間を前記熱可塑性樹脂層で埋めるように全面にわたって熱ラミネートした以外、上記実施例１とすべて同じ条件により比較例１の太陽電池モジュールを作成した。なお、比較例１の太陽電池モジュールにあっては、拡散層の下に空隙は存在していなかった。

（比較例１の測定）
比較例１の太陽電池モジュールの電池性能、および受光面の白色度を測定したところ以下の通りであった。
・光電変換効率：２．５％
・出力特性：開放電圧１．６Ｖ
・白色度：１８．２６％

（評価）
上記実施例１〜２および比較例１の太陽電池モジュールの測定結果から、本発明の実施例１〜２の太陽電池モジュールは、いずれも比較例１の太陽電池モジュールと電池性能は同等であることが分かった。一方で、本願発明の実施例１〜２の太陽電池モジュールは、拡散層のみならず、その下に空隙が存在しているため、拡散層のみを有する比較例１の太陽電池モジュールと比べて、白色度が増した。さらに、実施例２の太陽電池モジュールは、着色層を有しているため、実施例１の太陽電池モジュールに比べて、表面の白色が均一であった。

１０…太陽電池
１１…太陽電池素子
１２…空隙
１３…拡散層
２０…着色層
３０…受光面側熱可塑性樹脂層
３１…裏面側熱可塑性樹脂層
３３…ＰＥＴ樹脂層
３４…バックシート
３５…封止材
１００，２００…太陽電池モジュール

Claims

間隔をもって配置される二以上の太陽電池素子を有する太陽電池モジュールであって、
前記太陽電池モジュールの受光面には空隙を介して拡散層が設けられており、
前記拡散層はその表面に凹凸を有しており、
前記拡散層の凹凸のうち凸部分が前記太陽電池モジュールの受光面と直接接触していることで、前記凸部分がスペーサーとして機能し、前記凹凸のうち凹部分が前記空隙となっていることを特徴とする太陽電池モジュール。
前記太陽電池と太陽電池の間には、着色粒子を有し、前記太陽電池と同色の着色層が存在す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。