JP5540431B2 - 光電変換部材 - Google Patents
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Description
このような状況の下に、シリコン系、化合物系、及び有機物系のもの等、種々の太陽電池或いは光電変換素子が提案されている。
さらに、この種の太陽電池のうちでも、シリコン系の太陽電池は、地球上の資源として大量に存在しているシリコンを原料としているため、他の化合物系及び有機物系太陽電池に比較して、資源の枯渇等の問題は生じないものと考えられる。
また、シリコン系太陽電池のうち、非晶質型シリコン太陽電池は、非晶質シリコン(a―Si)膜の膜厚を他の単結晶型及び多結晶型シリコン太陽電池に比較して1/100以下にすることができるため、大電力及び大面積の太陽電池を現実的に低コストで製造するのに適している。
しかしながら、非晶質型シリコン太陽電池のエネルギ変換効率は6%程度であり、20%程度のエネルギ変換効率を有する単結晶型及び多結晶型シリコン太陽電池に比較して著しく低く、さらに、非晶質型シリコン太陽電池のエネルギ変換効率は、大面積になるほど低下すると云う欠点が指摘されている。
変換効率を上げるために、シリコン消費量の比較的少ない微結晶シリコン(μC―Si)によるnip構造の発光積層体を用いることも提案されている(特許文献2)。
さらに、特許文献1記載の非晶質型太陽電池或いは光電変換素子は、n型非晶質半導体層であるn型非晶質シリコン層と接触する第1の電極層として、エネルギ障壁の低いn+型ZnOを使用した透明電極を採用している。
ここで、光電変換部材は、一般に温度が高くなるほど発電効率が低くなると云う特性を有している。1℃温度が上がると、例えばa―Si太陽電池では効率が0.22%減少し、単結晶Si太陽電池では0.45%効率が減少する。
そのため、光電変換部材は一方の電極層側に金属製のヒートシンク等の放熱機構を設ける場合がある(例えば特許文献1、3)。
しかしながら、さらなる発電効率の高効率化を図るためには、放熱機構の構造や材料にも一層の改良が求められる。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その技術的課題は、従来よりも放熱特性に優れた放熱機構を有する光電変換部材を提供することにある。
本発明の第2の態様によれば、第1の態様において、前記放熱構造体は、難燃性熱伝導無機化合物(B)を含有してなることを特徴とする光電変換部材が得られる。
本発明の第3の態様によれば、第2の態様において、前記放熱構造体は、前記難燃性熱伝導無機化合物(B)が水酸化アルミニウムであることを特徴とする光電変換部材が得られる。
本発明の第4の態様によれば、第2のまたは第3のいずれかの態様において、前記放熱構造体は、前記難燃性熱伝導無機化合物(B)を重合体(S)100質量部に対して、400質量部以下含有することを特徴とする光電変換部材が得られる。
本発明の第6の態様によれば、第5の態様において、前記(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)は、前記(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)の存在下に、(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)を重合してなるものを含有することを特徴とする、光電変換部材が得られる。
本発明の第7の態様によれば、第5のまたは第6のいずれかの態様において、前記重合体(S)は、前記(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)が有機酸基をもつことを特徴とする、光電変換部材が得られる。
本発明の第8の態様によれば、第6の態様において、前記放熱構造体は、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)100質量部、膨張化黒鉛粉(E)40〜750質量部、難燃性熱伝導無機化合物(B)400質量部以下および有機過酸化物熱重合開始剤(C2)0.1〜10質量部の存在下に、(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)5〜50質量部を重合してなるものを含有してなる光電変換部材が得られる。
本発明の第10の態様によれば、第9の態様において、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)の重量平均分子量(Mw)が、ゲルパーミエーションクロマトグラフ法(GPC法)で測定して、10万から40万の範囲にある光電変換部材が得られる。
本発明の第11の態様によれば、第10の態様において、前記重合体(S)は、(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)が、ガラス転移温度が−20℃以下となる単独重合体を形成する(メタ)アクリル酸エステル単量体(a5m)70〜99.9質量%、および有機酸基を有する単量体(a6m)30〜0.1質量%からなる(メタ)アクリル酸エステル単量体混合物(A2m’)である光電変換部材が得られる。
本発明の第13の態様によれば、第12の態様において、前記膨張化黒鉛粉(E)は、酸処理した黒鉛を500〜1200℃にて熱処理して100〜300ml/gに膨張させ、次いで、粉砕することを含む工程を経て得られたものである光電変換部材が得られる。
本発明の第14の態様によれば、第1〜13のいずれかの態様において、前記膨張化黒鉛粉(E)は、粒径分布に複数のピークを有することを特徴とする光電変換部材が得られる。
本発明の第15の態様によれば、第14の態様において、前記膨張化黒鉛粉(E)が、平均粒径が異なる、複数の膨張化黒鉛粉を混合したものであることを特徴とする、光電変換部材が得られる。
本発明の第16の態様によれば、第15の態様において、複数の前記膨張化黒鉛粉(E)のうち最も平均粒径が大きい膨張化黒鉛粉の含有率が、前記膨張化黒鉛粉(E)全体量に対して、5質量%以上30質量%以下であることを特徴とする、光電変換部材が得られる。
本発明の第17の態様によれば、第14〜16のいずれかの態様において、前記膨張化黒鉛粉(E)の粒径分布の複数のピークのうち、1つのピークと他のピークとの間が50μm以上であることを特徴とする、光電変換部材が得られる。
本発明の第18の態様によれば、第14〜17のいずれかの態様において、前記膨張化黒鉛粉(E)の粒径分布の複数のピークのうち、少なくとも1つは150μm以上にあり、かつ、少なくとも1つは150μm未満にあることを特徴とする光電変換部材が得られる。
本発明の第19の態様によれば、第14〜18のいずれかの態様において、前記放熱構造体は、前記(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)100質量部に対して、前記膨張化黒鉛粉(E)の含有量が40質量部以上750質量部以下であることを特徴とする、光電変換部材が得られる。
本発明の第21の態様によれば、第20の態様において、前記第1の電極層は透明電極であることを特徴とする光電変換部材が得られる。
本発明の第22の態様によれば、第20のまたは第21のいずれかの態様において、前記発電積層体の前記i型半導体層は、結晶シリコン、微結晶非晶質シリコン、及び、非晶質シリコンのいずれかによって形成されていることを特徴とする光電変換部材が得られる。
本発明の第23の態様によれば、第20〜22のいずれかの態様において、前記第1の電極層は前記n型半導体層が接触する部分がn型のZnOを含み、前記第1の電極層に接触する前記n型半導体層は非晶質シリコンによって形成されていることを特徴とする光電変換部材が得られる。
本発明の第24の態様によれば、第20〜23のいずれかの態様において、前記第2の電極層に接触する前記p型半導体層は非晶質シリコンによって形成されており、前記第2の電極層のうち少なくとも前記p型半導体層が接触する部分には、ニッケル(Ni)を含む層が形成されていることを特徴とする光電変換部材が得られる。
本発明の第25の態様によれば、第1〜24のいずれかの態様において、前記放熱部は、前記パッシベーション層に設けられ、Alを含む材料で構成されたヒートシンクを有し、
前記放熱構造体は、前記ヒートシンクを覆うように設けられていることを特徴とする光電変換部材が得られる。
この例では、ガラス基板14はNaを含む安価なソーダガラスによって形成されており、このソーダガラスからNaが拡散して素子を汚染するのを防止する目的で、ガラス基板14上には、ナトリウムバリア層16が形成されている。ナトリウムバリア層16は、例えば、表面平坦化塗布液を塗布し乾燥・焼結することで形成される。また、図からも明らかな通り、単位セルとなる光電変換素子10は、基体100上において、隣接する他の光電変換素子(セル)と電気的に直列に接続されている。
光電変換素子10を構成する第1の電極層20は、透明導電体電極(Transparent Conductive Oxide(TCO)層)であり、ここでは、1μmの膜厚を有するZnO層によって形成されている(少なくともn型半導体層が接触する部分はn型のZnOを含む)。この第1の電極層20(ZnO層)はGaがドープされたn+型ZnO層である。また、第1の電極層20を構成するn+型ZnO層には、所定の間隔毎に絶縁層201(ここでは、SiCNを含む材料)が設けられ、セル単位に区画、区分されている。
当該第1の電極層20上には、発電積層体22の一部を構成するn+型a−Si層221が設けられ、n+型a−Si層221は第1の電極層20を構成する透明電極と接触している。図示されたn+型a−Si層221は10nmの膜厚を有している。n+型a−Si層221上には、発電積層体22を形成するi型a−Si層222及びp+型a−Si層223が順次形成されている。図示されたi型a−Si層222及びp+型a−Si層223の膜厚はそれぞれ480nm及び10nmの膜厚を有している。
この例では、発電積層体22を構成するn+型a−Si層221、i型a−Si層222、及びp+型a−Si層223には、第1の電極層20の絶縁層201の位置とは異なる位置に、ビアホール224が設けられており、当該ビアホール224の内壁にはSiO2層224aが形成されている。
nip構造の発電積層体22は全体で500nmの厚さを有しており、単結晶または多結晶シリコンによって形成された光電変換素子に比較して、100分の1以下の厚さを有している。
第2の電極層26は発電積層体22のビアホール224(内壁はSiO2層224aで絶縁されている)内にも形成されている。ビアホール224内の第2の電極層26は、隣接する光電変換素子の第1の電極層20と電気的に接続されている。
さらに、第2の電極層26上にはパッシベーション層28が形成されている。パッシベーション層28を形成する絶縁材料は、第2の電極層26、ニッケル層24、p+型a−Si層223、を経てi型a−Si層222に達する穴225内にも埋設されている。パッシベーション層28上には、シート状の放熱構造体31が貼り付けられている。
すなわち、パッシベーション層28の構成材料であるSiCNは、例えばSiO2等の他のパッシベーション層と比べて熱伝導性に優れているという特徴がある。従来パッシベーション層に用いられているSiO2では熱伝導率が1.4W/m/ケルビンであるのに対して、SiCNは70W/m/ケルビンと圧倒的に大きく、熱を放熱構造体31に効率よく伝えることができ、太陽電池の熱が上がって発電効率が落ちるのを防ぐことができる。
また、SiCNは、例えばSiO2等の他のパッシベーション層と比べて、水素を通しにくいため、発電積層体22を構成するシリコン(通常、水素終端されている)から水素が脱落して太陽電池の特性が劣化するのを防止できる。特にa−Si膜を使った場合、a−Si層表面のダングリングボンドを終端する水素は300℃程度で脱落するため、水素の放出を抑制できるSiCNの効果は大きい。
さらに、SiCNは、膜組成を調整することにより、内部応力を実質的に0にすることができるため、パッシベーション層に起因するはがれや、素子への熱応力による電気的特性の劣化を防ぐことができる。すなわち、SiCN膜の内部応力は、膜中のC含有量を調節することにより、実質的に0にすることが可能である。その目的では、SiCNの組成としては、窒化珪素Si3N4にCを10%弱含有(添加)させたものが最もよいが、2%〜40%添加させてもよい。
ここで、放熱構造体31の構造、組成について詳細に説明する。
放熱構造体31は、光電変換素子10の熱が上昇して発電効率が落ちるのを防ぐための放熱部であり、少なくとも一種の重合体(S)100質量部に膨張化黒鉛粉(E)40〜750質量部を含有したものをシート状に成形したものであり、さらに難燃性熱伝導無機化合物(B)を含有していてもよい。
重合体(S)は、放熱構造体31に成形性と感圧接着性を付与し、光電変換素子10に接着可能とするための材料であり、必須である。
前記エステル化物を得るためのエステル化に用いられるアルコールとしては多価アルコールが好ましく、その例としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ネオペンチルグリコールなどの2価アルコール;グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパンなどの3価アルコール;ペンタエリスリトール、ジグリセリンなどの4価アルコール;ジペンタエリスリトールなどの6価アルコールなどが挙げられ、これらは1種を単独でまたは2種以上を組み合わせて使用できる。
前記重合体(S)を構成する主成分としては、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)が好ましい。より好ましくは、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)は、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)の存在下に(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)を重合してなるものを含有する。その際、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)100質量部、膨張化黒鉛粉(E)40〜750質量部、難燃性熱伝導無機化合物(B)400質量部以下、および有機過酸化物熱重合開始剤(C2)0.1〜10質量部の存在下に、(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)5〜50質量部を重合することが好ましい。これによって、放熱構造体31が好ましく製造される。
a1)80〜99.9質量%、および有機酸基を有する単量体単位(a2)20〜0.1質量%を含有することが好ましい。
なお、本発明において、(メタ)アクリル酸エステルというときは、アクリル酸エステルおよび/またはメタクリル酸エステルを意味する。
これらの(メタ)アクリル酸エステル単量体(a1m)は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。
これらの(メタ)アクリル酸エステル単量体(a1m)は、それから導かれる単量体単位(a1)が(メタ)アクリル酸エステル共重合体(A1)中、好ましくは80〜99.9質量%、より好ましくは85〜99.5質量%となるような量で重合に使用される。(メタ)アクリル酸エステル単量体(a1m)の使用量が、前記範囲内であると、これから得られる放熱構造体31の室温付近での感圧接着性に優れる。
スルホン酸基を有する単量体の具体例としては、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸などのα,β−不飽和スルホン酸およびこれらの塩を挙げることができる。
これらの有機酸基を有する単量体のうち、カルボキシル基を有する単量体がより好ましく、中でも、アクリル酸およびメタクリル酸が特に好ましい。これらは、工業的に安価で容易に入手することができ、他の単量体成分との共重合性も良く生産性の点でも好ましい。
これらの有機酸基を有する単量体(a2m)は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。
これらの有機酸基を有する単量体(a2m)は、それから導かれる単量体単位(a2)が(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)中、20〜0.1質量%、好ましくは15〜0.5質量%となるような量で重合に使用されるのが望ましい。前記範囲内での使用においては、重合時の重合系の粘度を適正な範囲に保つことができる。
なお、有機酸基を有する単量体単位(a2)は、前述のように、有機酸基を有する単量体(a2m)の重合によって、(メタ)アクリル酸エステル重合体中に導入するのが簡便であり好ましいが、(メタ)アクリル酸エステル重合体生成後に、公知の高分子反応により、有機酸基を導入してもよい。
有機酸基以外の官能基としては、水酸基、アミノ基、アミド基、エポキシ基、メルカプト基などを挙げることができる。
水酸基を有する単量体としては、(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシプロピルなどの、(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルエステルなどを挙げることができる。
アミノ基を含有する単量体としては、(メタ)アクリル酸N,N−ジメチルアミノメチル、(メタ)アクリル酸N,N−ジメチルアミノエチル、アミノスチレンなどを挙げることができる。
アミド基を有する単量体としては、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、N−メチロールメタクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミドなどのα,β−エチレン性不飽和カルボン酸アミド単量体などを挙げることができる。
エポキシ基を有する単量体としては、(メタ)アクリル酸グリシジル、アリルグリシジルエーテルなどを挙げることができる。
有機酸基以外の官能基を含有する単量体(a3m)は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。
これらの有機酸基以外の官能基を有する単量体(a3m)は、それから導かれる単量体単位(a3)が(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)中、10質量%以下となるような量で重合に使用されるのが好ましい。10質量%以下の単量体(a3m)を使用することにより、重合時の粘度を適正に保つことができる。
単量体(a4m)は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。
単量体(a4m)から導かれる単量体単位(a4)の量は、アクリル酸エステル重合体(A1)の10質量%以下が好ましく、より好ましくは、5質量%以下である。
イタコン酸メチル、マレイン酸ブチル、フマル酸プロピルなどのα,β−エチレン性不飽和多価カルボン酸完全エステルの具体例としては、フマル酸ジメチル、フマル酸ジエチル、マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジエチル、イタコン酸ジメチルなどを挙げることができる。
アルケニル芳香族単量体の具体例としては、スチレン、α−メチルスチレン、メチルα−メチルスチレン、ビニルトルエンおよびジビニルベンゼンなどを挙げることができる。
共役ジエン系単量体の具体例としては、1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−クロロ−1,3−ブタジエン、シクロペンタジエンなどを挙げることができる。
非共役ジエン系単量体の具体例としては、1,4−ヘキサジエン、ジシクロペンタジエン、エチリデンノルボルネンなどを挙げることができる。
シアン化ビニル単量体の具体例としては、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−クロロアクリロニトリル、α−エチルアクリロニトリルなどを挙げることができる。
カルボン酸不飽和アルコールエステル単量体の具体例としては、酢酸ビニルなどを挙げることができる。
オレフィン系単量体の具体例としては、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテンなどを挙げることができる。
重合に際して、単量体は、重合反応容器に分割添加してもよいが、全量を一括添加するのが好ましい。
過酸化物重合開始剤としては、t−ブチルヒドロペルオキシドのようなヒドロペルオキシド;ベンゾイルペルオキシド、シクロヘキサノンペルオキシドのようなペルオキシド;過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウムなどの過硫酸塩;などを挙げることができる。
これらの過酸化物は、還元剤と適宜組み合わせて、レドックス系触媒として使用することもできる。
アゾ化合物重合開始剤としては、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)などを挙げることができる。
重合開始剤(C1)の使用量は、特に限定されないが、単量体100重量部に対して、0.01〜50重量部の範囲であるのが好ましい。
前記重合体(S)の主成分であることが好ましい(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)は、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)の存在下に、(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)を重合してなるものを含有することが好ましい。本願発明の放熱構造体31を成形する際に、(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)は、重合して(メタ)アクリル酸エステル重合体に変換する。
ガラス転移温度が−20℃以下となる単独重合体を形成する(メタ)アクリル酸エステル単量体(a5m)の例としては、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)の合成に用いる(メタ)アクリル酸エステル単量体(a1m)と同様の(メタ)アクリル酸エステル単量体を挙げることができる。
(メタ)アクリル酸エステル単量体(a5m)は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上の混合物として用いてもよい。
特に好ましい(メタ)アクリル酸エステル単量体混合物(A2m’)は、ガラス転移温度が−20℃以下となる単独重合体を形成する(メタ)アクリル酸エステル単量体(a5m)70〜99.9質量%、および有機酸基を有する単量体(a6m)30〜0.1質量%からなる単量体混合物(A2m’)である。(メタ)アクリル酸エステル単量体混合物(A2m’)における、(メタ)アクリル酸エステル単量体(a5m)の比率は、好まし
くは70〜99.9質量%、より好ましくは75〜99質量%である。(メタ)アクリル酸エステル単量体(a5m)の比率が、上記範囲にあるときは、放熱構造体31の感圧接着性や柔軟性に優れる。
有機酸基を有する単量体(a6m)の例としては、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)の合成に用いる単量体(a2m)として例示したと同様の有機酸基を有する単量体を挙げることができる。有機酸基を有する単量体(a6m)は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。
(メタ)アクリル酸エステル単量体混合物(A2m’)における、有機酸基を有する単量体(a6m)の比率は、30〜0.1質量%が好ましく、より好ましくは25〜1質量%である。有機酸基を有する単量体(a6m)の比率が、上記範囲にあるときは、放熱構造体31の硬度が適正となり、高温(100℃)での感圧接着性が良好なものとなる。
ガラス転移温度が−20℃以下となる単独重合体を形成する(メタ)アクリル酸エステル単量体(a5m)および有機酸基を有する単量体(a6m)と共重合可能な単量体(a7m)の例としては、(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)の合成に用いる単量体(a3m)、単量体(a4m)、または下記に示す多官能性単量体として例示したと同様の単量体を挙げることができる。
多官能性単量体としては、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,2−エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,12−ドデカンジオールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレートなどの多官能性(メタ)アクリレート;2,4−ビス(トリクロロメチル)−6−p−メトキシスチレン−5−トリアジンなどの置換トリアジン;4−アクリルオキシベンゾフェノンのようなモノエチレン系不飽和芳香族ケトン;などを用いることができる。
膨脹化黒鉛分(E)は、放熱構造体31の熱伝導率を向上させ、放熱を促進するものであり、必須である。
膨張化黒鉛粉(E)の粒径分布に複数のピークを持たせるには、それぞれ粒径分布のピークが1つになる程度に粒径が揃っていて、それぞれ平均粒径が異なる、複数の膨張化黒鉛粉を用意し、それらを混合して膨張化黒鉛粉(E)とすることが好ましい。
このとき、平均粒径が異なる複数の膨張化黒鉛粉のうち最も平均粒径が大きい膨張化黒鉛粉の含有率が、膨張化黒鉛粉(E)全体量に対して、5質量%以上30質量%以下であることが好ましい。
(膨張化黒鉛粉の平均粒径及び粒径分布の測定方法)レーザー式粒度測定機(セイシン企業(株)社製)を用い、マイクロソーティング制御方式(測定領域内にのみ測定対象粒子を通過させ、測定の信頼性を向上させる方式)により測定する。セル中に測定対象の膨張化黒鉛粉0.01〜0.02gが流されることで、測定領域内に流れてくる膨張化黒鉛粉に波長670nmの半導体レーザー光が照射され、その際のレーザー光の散乱と回折が測定機にて測定されることにより、フランホーファの回折原理から、平均粒径及び粒径分布が計算され、その結果が表示される。
膨張化黒鉛粉(E)の含有量が上記範囲の下限未満であれば、放熱構造体31の熱伝導率向上の効果が低く、一方、上記範囲の上限を超えると、成形の際に放熱構造体31の粘度が上昇し、シート化できなくなったり、シート化しにくくなる傾向がある。
難燃性熱伝導無機化合物は、放熱構造体31に難燃性を付与し、高温に晒されることによる発火を防ぐ効果があり、添加するのが望ましい。
本発明に用いることができる難燃性熱伝導無機化合物(B)は、難燃性で、かつ熱伝導性に優れた材料であれば、特に限定されることはなく、その具体例としては、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、2水和石膏、ホウ酸亜鉛、カオリンクレー、アルミン酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸アルミニウム、ドーソナイトなどが挙げられる。難燃性熱伝導無機化合物(B)は、一種を単独で使用してもよく、二種以上を併用してもよい。
難燃性熱伝導無機化合物(B)の形状も特に限定されず、球状、針状、繊維状、鱗片状、樹枝状、平板状および不定形状のいずれでもよい。
水酸化アルミニウムとしては、通常、0.2μm〜150μm、好ましくは0.7μm〜100μmの粒径を有するものを使用する。また、1μm〜80μmの平均粒径を有するのが好ましい。平均粒径が1μm未満のものは放熱構造体31の粘度を増大させ、また、同時に硬度も増大し、放熱構造体31の形状追随性を低下させる虞がある。一方、平均粒径が80μmを超えるものは、放熱構造体31の表面が荒れてしまい、高温で接着力が低下したり、高温で熱変形したりする虞がある。
難燃性熱伝導無機化合物(B)の含有量が上記範囲の上限を超えると、放熱構造体31の硬度が増大し、形状追随性低下の問題が生じる。
本発明の放熱構造体31の前駆体には発泡剤を添加することもできる。発泡剤としては、熱分解性有機発泡剤(D)が好ましい。さらに、熱分解性有機発泡剤(D)としては、80℃以上かつ200℃以下の分解開始温度を有するものが好ましい。
そのような熱分解性有機発泡剤(D)の具体例としては、4,4’―オキシビス(ベンゼンスルホニルヒドラジド)などが挙げられる。アゾジカルボアミドなどの熱分解開始温度が200℃より高い有機発泡剤に後述する発泡助剤を一定量混合して熱分解開始温度を100℃以上かつ200℃以下とした発泡システムも同様に熱分解性有機発泡剤(D)とすることができる。
続いて、n+型ZnO層(第1の電極層20)上に、ホトレジストを塗布した後、ホトリソグラフィ技術を用いて、ホトレジストをパターニングする。ホトレジストをパターニングした後、下段ガスノズルまたは下段ガスシャワープレートを備えた第2のプラズマ処理装置に導く。第2のプラズマ処理装置では、パターニングされたホトレジストをマスクとしてn+型ZnO層を選択的にエッチングし、図2Cに示すように、第1の電極層20を構成するn+型ZnO層にナトリウムバリア層16に達する開口部を形成する。第2のプラズマ処理装置におけるエッチングは、チャンバーに上段ガスノズルからArガスを供給して、そのAr雰囲気で生成されたプラズマ中に、下段ガスノズルまたは下段ガスシャワープレートからAr,Cl2,HBrの混合ガスをチャンバーに供給することによって行った。
開口部を有するn+型ZnO層及び当該n+型ZnO層上にホトレジストを塗布した状態のガラス基板14は下段ガスノズルまたは下段ガスシャワープレートを備えない第3のプラズマ処理装置に輸送され、第3のプラズマ処理装置において、Kr/O2プラズマ雰囲気でホトレジストをアッシング除去した。
第7のプラズマ処理装置では、上段ガスノズルからArガスをチャンバーに供給してプラズマを発生させつつ、下段ガスノズルまたは下段ガスシャワープレートから、Ar雰囲気で生成されたプラズマ内に、Ar+Cl2ガスを噴出させることによって、Al層のエッチングが行われ、続いて、上段ガスノズルからArおよびH2の混合ガスをチャンバーに供給してプラズマを発生させつつ、下段ガスノズルまたは下段ガスシャワープレートから、Ar/H2雰囲気で生成されたプラズマ内に、Ar+CH4ガスを導入することによってニッケル層24のエッチングが行われ、次いで上段ガスノズルからArガスをチャンバーに供給してプラズマを発生させつつ、下段ガスノズルまたは下段ガスシャワープレートからのガスをAr+HBrガスに切り替えて、p+型a−Si層223と、i型a−Si層222の途中までとをエッチングする。この結果、図2Gに示すように、Al層(第2の電極層26)表面からi型a−Si層222の途中までに達する穴225が形成される。この工程も、同一のMSEP型プラズマ処理装置を用い、ガスを順次切り替えることによって4層連続エッチングが行われ、処理時間とコストの大幅低減がなされる。
ここで、SiCN膜の内部応力は、図3に示すように、例えばSiH(CH3)3ガスの濃度を調節することにより(すなわち、膜中のC含有量を調節することにより)、実質的に0にすることが可能である。ここで、SiCNの組成としては、窒化珪素Si3N4にCを10%弱含有(添加)させたものが最もよいが、2%〜40%添加させてもよい。
そのため、光電変換部材1は従来よりも放熱特性に優れている。
また、第1の実施形態によれば、パッシベーション層28がSiCNで構成されている。
そのため、先に述べたように、従来よりもさらに放熱特性を優れたものにでき、かつ終端水素の離脱を防止できる。
第2の実施形態に係る光電変換部材1aは、第1の実施形態において、パッシベーション層28上にヒートシンク30を設け、ヒートシンク30を覆うようにして放熱構造体31を設けたものである。
なお、第2の実施形態においては、第1の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第1の実施形態と異なる部分について説明する。
このように、放熱構造体31とパッシベーション層28の間にヒートシンク30をさらに設け、ヒートシンク30と放熱構造体31で放熱部を構成してもよい。
このような構造とすることにより、放熱構造体31のみを設ける場合と比べて、さらに放熱効率を高めることができる。
また、放熱構造体31は前述のように成形性に優れるため、ヒートシンク30の表面を図3に示すようにフィン形状に成形しても、容易にフィン形状に追従、密着する形でその表面を覆うことができる。
従って、第1の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第2の実施形態によれば、光電変換部材1aは、放熱構造体31とパッシベーション層28の間にヒートシンク30が設けられている。
そのため、第1の実施形態と比べてさらに放熱効率を高めることができる。
第3の実施形態は、第2の実施形態において、発電積層体22を、a−Siによって形成されたa−Si発電積層体22aと、μc−Si(微結晶非晶質シリコン)によって形成されたμc−Si発電積層体22bの2層構造としたものである。
なお、第3の実施形態においては、第1の実施形態と同一の機能を果たす部分については同一の番号を付し、主に第1の実施形態と異なる部分について説明する。
発電積層体22aは、n+型a−Si層221、i型a−Si層222、及びp+型a−Si層223を有し、この順番で第1の電極層20上に積層されている。
一方、発電積層体22bはn+型μc−Si層221a、i型μc−Si層222a、及びp+型μc−Si層223aを有し、発電積層体22a上にこの順番で積層され、かつp+型μc−Si層223aがニッケル層24と接している。
このように、光電変換部材1bは、μc−Siを用いて形成してもよいし、2層(以上の)構造としてもよい。
このような構造とすることにより、a−Siを用いた発電積層体22aでは吸収できなかった波長の太陽光をμc−Siを用いた発電積層体22bが吸収するため、全体の発電効率をさらに高めることができる。
従って、第1の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第3の実施形態によれば、光電変換部材1aは、発電積層体22が、a−Siによって形成されたa−Si発電積層体22aと、μc−Si(微結晶非晶質シリコン)によって形成されたμc−Si発電積層体22bの2層構造になっている。
そのため、a−Siを用いた発電積層体22aでは吸収できなかった波長の太陽光をμc−Siを用いた発電積層体22bが吸収し、第1の実施形態と比べて全体の発電効率をさらに高めることができる。
種々の材料を用いて本実施形態に係る放熱構造体31と同じ材料の放熱シートを作製し、放熱特性を評価した。
まず、以下の手順で9種類の試料を作製した。
まず、重合体(S)として広野化学工業株式会社製のプレポリマーであるユーロックT2004(分子量:Mw=25万)を120℃で電子天秤を用いて100重量部計量し、
、さらに、膨張化黒鉛粉(E)として伊藤黒鉛工業株式会社製EC−50(平均粒径250μm)を160重量部計量し、混合した。
次に、混合物をホバート容器に投入し、70℃にて回転数3で30分攪拌して粉体を得た。
次に、粉体をポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムで挟み込んで、フィルムの上からロールに通すことによって、粉体を縦100mm×横100mm×高さ1mmのシート状に成形した。
膨張化黒鉛粉(E)を50重量部とした他は実施例1と同じ条件で試料を作製した。
膨張化黒鉛粉(E)を400重量部とした他は実施例1と同じ条件で試料を作製した。
膨張化黒鉛粉(E)を700重量部とした他は実施例1と同じ条件で試料を作製した。
重合体(S)としてユーロックT2004を90重量部、和光純薬株式会社製2EHA(アクリル酸2-エチルヘキシル、CH2:CHCOOCH2CH(C2H5)CH2CH2CH2CH3=184.28)を10重量部、化薬アクゾ株式会社製カヤレン6−70(1.6−ビス-(1-ブチルパーオキシカルボニルオキシ)ヘキサン)を1重量部計量して混合したものを用い、膨張化黒鉛粉(E)を160重量部とし、2EHAを重合させるためにオーブンで150℃に加熱した他は実施例1と同じ条件で試料を作製した。
膨張化黒鉛粉(E)を800重量部とした他は実施例1と同じ条件で試料を作製した。
膨張化黒鉛粉(E)を30重量部とした他は実施例1と同じ条件で試料を作製した。
膨張化黒鉛粉(E)の代わりに伊藤黒鉛工業株式会社製のリンペン状黒鉛(平均粒径5μm)を160重量部加えた他は実施例1と同じ条件で試料を作製した。
実施例1と同じ寸法のグラファイトを用意した。
次に、以下の手順で作製した試料の放熱特性を評価した。
まず、作製した試料の上に発熱部として、坂口電熱株式会社マイクロセラミックヒータMS−5(100W、100V、寸法25mm×25mm)を張り付け、発熱部にスライダックを接続した。
次に、スライダックを40Vで固定し、60秒経過後のヒータ表面の最高温度を測定した。即ち、最高温度が低いほうが、より熱がシート上を移動し、放射により放熱した(放熱特性に優れている)ことを意味する。ここでは100℃以下のものを放熱特性が優れているとみなした。
一方、比較例1〜4の試料はいずれも最高温度が100℃を超えており、実施例よりも放熱特性に劣ることが分かった。
以上の結果より、本実施形態に係る放熱構造体は放熱特性に優れていることが分かった。
10 光電変換素子
12 ガードガラス
14 ガラス基板
16 ナトリウムバリア層
20 第1の電極層(n+型ZnO層)
22 発電積層体
100 基体
221 n+型a−Si層
222 i型a−Si層
223 p+型a−Si層
24 ニッケル層(Ni層)
26 第2の電極層(Al層)
28 パッシベーション層(SiCN層)
201 絶縁層(SiCN層)
224 ビアホール
224a SiO2層
31 放熱構造体
Claims (25)
- 入射光のエネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子に設けられた放熱部と、
を有し、
前記光電変換素子は、
前記放熱部と接触する部分に設けられ、SiCNを含む材料で構成されたパッシベーション層を有し、
前記放熱部は、
少なくとも一種の重合体(S)100質量部に膨張化黒鉛粉(E)40〜750質量部を含有してなる放熱構造体を有することを特徴とする光電変換部材。 - 前記放熱構造体は、
難燃性熱伝導無機化合物(B)を含有してなることを特徴とする請求項1記載の光電変換部材。 - 前記放熱構造体は、
前記難燃性熱伝導無機化合物(B)が水酸化アルミニウムであることを特徴とする、請求項2に記載の光電変換部材。 - 前記放熱構造体は、
前記難燃性熱伝導無機化合物(B)を重合体(S)100質量部に対して、400質量部以下含有することを特徴とする、請求項2または3の一項に記載の光電変換部材。 - 前記重合体(S)は、
(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)を主成分として含有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光電変換部材。 - 前記(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)は、前記(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)の存在下に、(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)を重合してなるものを含有することを特徴とする、請求項5に記載の光電変換部材。
- 前記重合体(S)は、
前記(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)が有機酸基をもつことを特徴とする、請求項5または6の一項に記載の光電変換部材。 - 前記放熱構造体は、
(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)100重量部、膨張化黒鉛粉(E)40〜750質量部、難燃性熱伝導無機化合物(B)400質量部以下および有機過酸化物熱重合開始剤(C2)0.1〜10質量部の存在下に、(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)5〜50質量部を重合してなるものを含有してなる請求項6に記載の光電変換部材。 - 前記重合体(S)は、
(メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)が、ガラス転移温度が−20℃以下となる単独重合体を形成する(メタ)アクリル酸エステル単量体の単位(a1)80〜99.9質量%、および有機酸基を有する単量体単位(a2)20〜0.1質量%を含有してなる請求項8記載の光電変換部材。 - (メタ)アクリル酸エステル重合体(A1)の重量平均分子量(Mw)が、ゲルパーミエーションクロマトグラフ法(GPC法)で測定して、10万から40万の範囲にある請求項9記載の光電変換部材。
- 前記重合体(S)は、
(メタ)アクリル酸エステル単量体(A2m)が、ガラス転移温度が−20℃以下となる単独重合体を形成する(メタ)アクリル酸エステル単量体(a5m)70〜99.9質量%、および有機酸基を有する単量体(a6m)30〜0.1質量%からなる(メタ)アクリル酸エステル単量体混合物(A2m’)である請求項10記載の光電変換部材。 - 前記膨張化黒鉛粉(E)は、一次平均粒子径が5〜500μmである請求項1〜11のいずれか一項に記載の光電変換部材。
- 前記膨張化黒鉛粉(E)は、酸処理した黒鉛を500〜1200℃にて熱処理して100〜300ml/gに膨張させ、次いで、粉砕することを含む工程を経て得られたものである請求項12記載の光電変換部材。
- 前記膨張化黒鉛粉(E)は、粒径分布に複数のピークを有することを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の光電変換部材。
- 前記膨張化黒鉛粉(E)が、平均粒径が異なる、複数の膨張化黒鉛粉を混合したものであることを特徴とする、請求項14に記載の光電変換部材。
- 複数の前記膨張化黒鉛粉(E)のうち最も平均粒径が大きい膨張化黒鉛粉の含有率が、前記膨張化黒鉛粉(E)全体量に対して、5質量%以上30質量%以下であることを特徴とする、請求項15に記載の光電変換部材。
- 前記膨張化黒鉛粉(E)の粒径分布の複数のピークのうち、1つのピークと他のピークとの間が50μm以上であることを特徴とする、請求項14〜16のいずれか一項に記載の光電変換部材)。
- 前記膨張化黒鉛粉(E)の粒径分布の複数のピークのうち、少なくとも1つは150μm以上にあり、かつ、少なくとも1つは150μm未満にあることを特徴とする、請求項14〜17のいずれか一項に記載の光電変換部材。
- 前記放熱構造体は、前記(メタ)アクリル酸エステル重合体(A)100質量部に対して、前記膨張化黒鉛粉(E)の含有量が40質量部以上750質量部以下であることを特徴とする、請求項14〜18のいずれか一項に記載の光電変換部材。
- 前記光電変換素子は、第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1および第2の電極層の間に設けられた1つまたは複数の発電積層体とを含み、
前記発電積層体は、p型半導体層と、当該p型半導体層に接触して形成されたi型半導体層と、前記i型半導体層に接触して形成されたn型半導体層とを含み、
前記パッシベーション層は前記第2の電極層に設けられていることを特徴とする請求項1〜19のいずれか一項に記載の光電変換部材。 - 前記第1の電極層は透明電極であることを特徴とする請求項20記載の光電変換部材。
- 前記発電積層体の前記i型半導体層は、結晶シリコン、微結晶非晶質シリコン、及び、非晶質シリコンのいずれかによって形成されていることを特徴とする請求項20または請求項21の一項に記載の光電変換部材。
- 前記第1の電極層は前記n型半導体層が接触する部分がn型のZnOを含み、前記第1の電極層に接触する前記n型半導体層は非晶質シリコンによって形成されていることを特徴とする請求項20〜22のいずれか一項に記載の光電変換部材。
- 前記第2の電極層に接触する前記p型半導体層は非晶質シリコンによって形成されており、前記第2の電極層のうち少なくとも前記p型半導体層が接触する部分には、ニッケル(Ni)を含む層が形成されていることを特徴とする請求項20〜23のいずれか一項に記載の光電変換部材。
- 前記放熱部は、前記パッシベーション層に設けられ、Alを含む材料で構成されたヒートシンクを有し、
前記放熱構造体は、前記ヒートシンクを覆うように設けられていることを特徴とする請求項1〜24のいずれか一項に記載の光電変換部材。
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