JP6417320B2 - ポリマーシート - Google Patents

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Description

本発明は発光ダウンシフト化合物を含むポリマーシートに関する。かかる化合物は、ある波長の放射を少なくとも部分的に吸収し、その吸収された放射の波長よりも長い波長で放射を再放出することができるという特性を有する。本発明は、更に、ガラス素子及び光電池及び太陽電池パネルへの共押出ポリマーシートの様々な使用に関する。
かかるポリマーシートは特許文献1により知られている。特許文献1は光電池の保護に使用されるポリマー封止シートを記載しており、該ポリマー封止シートは発光ダウンシフト化合物を含む。特許文献1はいかなる実施例も開示していない。その明細書は考え得る発光ダウンシフト化合物の広範なリストを開示しており、その多くが有機化合物である。
多くの有機化合物は、ある波長で放射を吸収し、より長い波長で放射を再放出する効率に関して有利な特性を有する。かかる化合物の適用上の問題はその安定性である。かかる有機化合物を含むシートを太陽電池において光電池と組み合わせて使用する場合、シートと光電池は、太陽電池の耐用年数にわたって安定したままであるのが好ましい。
国際公開第2008/110567号
本発明の目的は、より長期間にわたってダウンシフト機能を保持する発光ダウンシフト化合物を含むポリマーシートを提供することである。
この目的は以下のポリマーシートによって達成されるポリマーシートは、複数の共押出ポリマー層を備え、これらの層の少なくとも1つが、ある波長の放射を少なくとも部分的に吸収し、その吸収された放射の波長よりも長い波長で放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含む。
出願人らは、別個のポリマー層を有することによって、少なくとも1つの層中に存在する発光ダウンシフト化合物の安定性を改善することができることを見出した。
ポリマーシートは、UV安定添加剤を含む第1のポリマー層と発光ダウンシフト化合物を含む別のポリマー層とを有していてもよい。このようにして、通常はポリマー層中に存在するダウンシフト化合物及びポリマーの安定性に影響を及ぼすUV及びUV誘導分解に対して発光ダウンシフト化合物を保護することができる。これによりUV安定剤を減少させることができ、使用するダウンシフト化合物の安定性が高まるだけでなく、コストが削減され、全体として集光される白熱太陽光の収率が高まる。さらに、異なる層における異なるダウンシフト化合物の使用により、特に励起状態にある他のダウンシフト化合物だけでなく、層中に存在する化学物質、例えば過酸化物とも反応し得るダウンシフト化合物の環境を微調整することが可能となる。さらに、共押出ポリマー層、例えばコポリマーの使用は各々の層の特性の微調整を可能にする一方で、付加的なポリマー層を介した高い接着性及び湿度に対する耐性のいずれかをもたらす。ポリマーシートの2つ以上の層が発光ダウンシフト化合物を含むのが好ましい。これにより、ある波長の放射に曝露された場合に
あまり安定でない発光ダウンシフト化合物を含む層を、ストークスシフト(Stoke shift)を用いて有害な放射を害が少ない放射へと変換することができる発光ダウンシフト化合物を含む層と組み合わせて使用することが可能となる。上記のレイアウトはより安定なポリマーシートをもたらす。
本発明は、更に、UV感受性ポリマー、例えばエチレン酢酸ビニル(EVA)をUV安定剤と組み合わせずに、又は相当少ないUV安定剤と組み合わせて使用することを可能にする。従来技術では、EVAを含むポリマー封止材シートを保護するためにUV安定剤が必要とされる。これらの安定剤の使用は、UVがこれらのUV安定剤によって熱へと変換されるため太陽電池パネルの効率を低下させた。UV波長域の放射を吸収し、より長い波長域で放出することができる発光ダウンシフト化合物を使用することによって、UV光をポリマーに対する害が少なく、光起電力効果を用いた電気の発生に効率的に使用することができる放射へと変換する。
他に指定のない限り、全ての百分率、部、比率等は重量基準である。量、濃度又は他の値若しくはパラメーターは、範囲、好ましい範囲又は好ましい上限値及び好ましい下限値のリストとして与えられる場合、範囲が別個に開示されるかに関わらず、任意の上限範囲又は好ましい値と任意の下限範囲又は好ましい値との任意の対からなる全ての範囲を具体的に開示するものと理解される。数値の範囲が本明細書で列挙される場合、他に指定のない限り、この範囲はその端点並びに範囲内の全ての整数及び端数を含むことを意図するものである。本発明の範囲が範囲の規定において列挙される具体的な値に限定されることは意図されない。
値又は範囲の端点の記載において「約」という用語を使用する場合、この開示は言及される具体的な値又は端点を含むものと理解される。
本明細書で使用される場合、「含む、備える、挙げる」("comprises," "comprising,"
"includes," "including,")、「含有する」("containing,")、「特徴とする」("characterized by,")、「有する」("has," "having")又はそれらの任意の他の変化形は、非排他的な包含を含むことを意図するものである。例えば、一連の要素を含むプロセス、方法、物品又は装置は、必ずしもこれらの要素のみに限定されるものではなく、明示的に挙げられていない又はかかるプロセス、方法、物品若しくは装置に伴う他の要素を含むことができる。さらに、そうではないと明示的に指定されない限り、「又は」は排他的な「又は」ではなく、包括的な「又は」を指す。移行句「から本質的になる」は、請求項の範囲を指定の材料又は工程と請求項に係る発明の基本的な及び新規の特徴に実質的に影響を及ぼさない材料又は工程とに限定する。
発明又はその一部が「含む」等のオープンエンドな用語で規定されている場合、他に指定のない限り、この記載はかかる発明を「から本質的になる」という用語を用いて記載するものとも解釈されることが容易に理解されよう。
数量を特定していない単数形("a" or "an")の使用が、本発明の要素及び構成成分を記載するために用いられる。これは便宜を図るためにすぎず、本発明の一般的な意味を与えるものである。この記載は1つ又は少なくとも1つのものを含むと解釈され、そうではないと明らかに意図されない限り単数形は複数形も含む。
特定のポリマーの記載において、ポリマーが、その作製に使用されるモノマーによって、又はポリマーの作製に使用されるモノマーの量によって言及される場合もあることが理解されよう。かかる記載が最終ポリマーの記載に使用される具体的な用語を含まず、又はプロダクトバイプロセスの専門用語を含まない場合もあるが、モノマー及び量への任意の
かかる言及は、ポリマーがこれらのモノマー、すなわちこれらのモノマーの共重合単位又はそのモノマーの量と対応するポリマー及びその組成物とを含むことを意図すると解釈される。
本発明の説明及び/又は特許請求の範囲において、「コポリマー」という用語は、2つ以上のモノマーの共重合によって形成されるポリマーを指すために使用される。かかるコポリマーは、ジポリマー、ターポリマー又はより高次のコポリマーを含む。
「メルトフローインデックス」(本明細書でMFIとも称される)は、熱可塑性ポリマーの溶融物の流動の容易さの尺度である。メルトフローインデックスは、所定の選択的な温度に対して所定の選択的な重量によって印加された圧力によって、特定の直径及び長さの毛細管の中を10分間に流れるポリマーの質量(g)として定義され、ASTM D1238によって決定される。
ポリマーが特定の温度を超えると開始される架橋機構、例えばEVAコポリマーと過酸化物、を用いて調製される場合、本明細書で用いられるレオロジー値は、架橋されていない又は部分的にのみ架橋されている材料を指すことに留意されたい。例えば、光電池モジュールの積層工程において架橋が完了すると、架橋しているポリマーはもはや熱可塑性材料とはみなされない。したがって、本明細書で積層後の光電池モジュールに言及する限りにおいて、記載の特性は積層工程前の架橋ポリマーを含むポリマーを指すものである。
本明細書で言及される「融点」という用語は、結晶相又は半結晶相からアモルファス固体相への移行を指し、結晶溶融温度としても知られる。ポリマーの融点は、DSCによって有利に決定することができる。ブロックコポリマーの場合、本明細書中の「融点」という用語は、より高融点のブロック成分がそのガラス転移温度を超え、それによりポリマーが溶融して流動することを可能にする温度を指す。「押出温度」は、押出時に加熱押出機及び/又は加熱ダイを用いてポリマー材料を加熱する温度を指す。
特定の層の溶融温度に言及する場合、層が本質的に添加剤又は任意の他のポリマーのみを含むポリマー材料から構成されるため、この温度は主に層中に存在するポリマー材料の溶融温度によって決定される。したがって、溶融温度は、層中に存在するポリマー材料の溶融温度が考慮されるべきである。添加剤及び/又は任意のポリマーは、かかる添加剤及び/又は任意のポリマーが含まれることでメルトフローインデックスに影響を与えない限りにおいて、層中の主ポリマーの総重量を基準にして25wt%まで存在していてもよい。
「第1のポリマー層」という用語は、白熱光の方向に存在するポリマーシートの任意の層を指す。この層はガラス又はフロントシートと直接接触する層であっても、又は中間層であってもよい。この点において、「次の層」は白熱光の方向で更に下の層を指す。これらの層は互いに直接隣接していても、又は更なる中間層によって隔てられていてもよい。
発光ダウンシフト化合物が第1のポリマー層中に存在し、この発光ダウンシフト化合物が、次の層中に存在する発光ダウンシフト化合物よりも短い波長でより多くの放射を吸収することができるという特性を有するのが好ましい。このため、この層は残りのポリマー層中の発光ダウンシフト化合物よりも短い波長で放射を吸収する発光ダウンシフト化合物を含む。このことは、多くの有機化合物が、特により短い波長の放射に対して感受性が高いため有利である。上記のより短い波長の放射を除去して、より長い波長の放射を再放出することにより、より安定したポリマーシートが得られる。より好ましくは、第1のポリマー層、すなわちバリア層は、好適には10〜400nmのUVを少なくとも部分的に吸収し、より長い波長で放射を再放出することができるという特性を有する。このUV波長
で吸収する発光ダウンシフト化合物は、従来のUV安定剤と組み合わせてもよい。このような標準的な安定剤は、より長い波長で放射を再放出するのではなく、吸収されたUVを熱エネルギーに変換するため、使用を制限することが好ましい。したがって、かかるUV安定剤を除外するか又は低濃度で使用される場合には、より効率的なポリマーシートが得られる。この場合、発光ダウンシフト化合物は、UV安定剤の保護機能を引き継ぐ。
発光ダウンシフト化合物は、特定の波長の放射を部分的に吸収し、吸収された放射の波長よりも長い波長で放射を再放出することが可能な有機又は無機発光化合物であってもよい。かかる化合物は公知であり、例えば、Efthymios Klampaftis, David Ross, Keith R.
McIntosh, Bryce S. Richards, Enhancing the performance of a solar cell via luminescent down-shifting of incident spectrum, a review, Solar Energy Materials & Solar Cells 93 (2009) 1182-1194に記載されている。発光ダウンシフト化合物の少なくともいくつかが有機化合物であるのが好ましいが、これは本発明の利点がとりわけこの群の化合物に適用されるためである。
好適な有機発光ダウンシフト化合物は、例えばレーザー染料である。一部はレーザー染料としても使われる以下の化合物は、有機発光ダウンシフト化合物として適用され得る:ローダミン、例えば、5−カルボキシテトラメチルローダミン、ローダミン6G、ローダミンB、ルブレン、アルミニウムトリス−(δ−ヒドロキシキノリン)(Alq3)、N,N’−ジフェニル−N,N’−ビス−(3−メチルフェニル)−1,1’−ビフェニル−4−4’−ジアミン(TPD)、ビス−(8−ヒドロキシキノリン)−クロロガリウム(Gaq2CI);ペリレンカルボン酸又はその誘導体;ナフタレンカルボン酸又はその誘導体;ビオラントロン若しくはイソビオラントロン又はそれらの誘導体が挙げられる。有機発光ダウンシフト化合物の例としては、キニーネ、フルオレセイン、スルホローダミン、5−ビス(5−tert−ブチル−2−エンゾキサゾリル)チオフェン、ナイルブルーが挙げられる。
他の好適な有機発光ダウンシフト化合物の例としては、クマリン染料、例えば、7−ジエチルアミノクマリン−3−カルボン酸ヒドラジド(DCCH)、7−ジエチルアミノクマリン−3−カルボン酸スクシンイミジルエステル、7−メトキシクマリン−3−カルボン酸スクシンイミジルエステル、7−ヒドロキシクマリン−3−カルボン酸スクシンイミジルエステル、7−ジエチルアミノ−3−((((2−ヨードアセトアミド)エチル)アミノ)カルボニル)クマリン(IDCC)、7−ジエチルアミノ−3−((((2−マレイミジル)エチル)アミノ)カルボニル)クマリン(MDCC)、7−ジメチルアミノ−4−メチルクマリン−3−イソチオシアネート(DACITC)、N−(7−ジメチルアミノ−4−メチルクマリン−3−イル)マレイミド(DACM)、N−(7−ジメチルアミノ−4−メチルクマリン−3−イル)ヨードアセトアミド(DACIA)、7−ジエチルアミノ−3−(4’−マレイミジルフェニル)−4−メチルクマリン(CPM)、7−ジエチルアミノ−3−((4’−(ヨードアセチル)アミノ)フェニル)−4−メチルクマリン(DCIA)、7−ジメチルアミノクマリン−4−酢酸(DMACA)及び7−ジメチルアミノクマリン−4−酢酸スクシンイミジルエステル(DMACASE)が挙げられる。
他の好適な有機発光ダウンシフト化合物の例は、ペリレン染料、例えば、N,N’−ビス(2,6−ジイソプロピルフェニル)ペリレン−3,4:9,10−テトラカルボン酸ジイミド、N,N’−ビス(2,6−ジメチルフェニル)ペリレン−3,4:9,10−テトラカルボン酸ジイミド、N,N’−ビス(7−トリデシル)ペリレン−3,4:9,10−テトラカルボン酸ジイミド、N,N’−ビス(2,6−ジイソプロピルフェニル)−1,6,7,12−テトラ(4−tert.−オクチルフェノキシ)ペリレン−3,4:9,10−テトラカルボン酸ジイミド、N,N’−ビス(2,6−ジイソプロピルフェ
ニル)−1,6,7,12−テトラフェノキシペリレン−3,4:9,10−テトラカルボン酸ジイミド、N,N’−ビス(2,6−ジイソプロピルフェニル)−1,6−及び−1,7−ビス(4−tert−オクチルフェノキシ)ペリレン−3,4:9,10−テトラカルボン酸ジイミド、N,N’−ビス(2,6−ジイソプロピルフェニル)−1,6−及び−1,7−ビス(2,6−ジイソプロピルフェノキシ)−ペリレン−3,4:9,10−テトラカルボン酸ジイミド、N−(2,6−ジイソプロピルフェニル)ペリレン−3,4−ジカルボン酸イミド、N−(2,6−ジイソプロピルフェニル)−9−フェノキシペリレン−3,4−ジカルボン酸イミド、N−(2,6−ジイソプロピルフェニル)−9−(2,6−ジイソプロピルフェノキシ)ペリレン−3,4−ジカルボン酸イミド、N−(2,6−ジイソプロピルフェニル)−9−シアノペリレン−3,4−ジカルボン酸イミド、N−(7−トリデシル)−9−フェノキシペリレン−3,4−ジカルボン酸イミド、ペリレン−3,9−及び−3,10−ジカルボン酸ジイソブチルエステル、4,10−ジシアノペリレン−3,9−及び4,9−ジシアノペリレン−3,10−ジカルボン酸ジイソブチルエステル並びにペリレン−3,9−及び−3,10−ジカルボン酸ジ(2,6−ジイソプロピルフェニル)アミドである。
ペリレン染料は、通常は360〜630nmの波長域で放射を吸収し、470〜750nmで再放出する。ペリレン染料に加えて、類似構造を有する他の蛍光染料、例えばビオラントロン及び/又はイソビオラントロンに基づく染料、例えば欧州特許出願公開第073007号に開示の構造を用いることができる。非常に適した化合物の好ましい例は、アルコキシル化ビオラントロン及び/又はイソビオラントロン、例えば6,15−ジドデシルオキシイソビオラントロンジオン−(9,18)である。
好適な有機発光ダウンシフト化合物の他の例は、ナフタレン型化合物である。これらの染料は、典型的には約300〜420nmの波長のUV領域内で吸収を示し、約380〜520nmに放出域を示す。ナフタレン型化合物の例は、ナフタレンカルボン酸誘導体、例えば、ナフタレン1,8:4,5−テトラカルボン酸ジイミド、特にナフタレン−1,8−ジカルボン酸イミド、最も好ましくは4,5−ジアルコキシナフタレン−1,8−ジカルボン酸モノイミド及び4−フェノキシナフタレン−1,8−ジカルボン酸モノイミドである。他のナフタレン型化合物の例は、例えばN−(2−エチルヘキシル)−4,5−ジメトキシナフタレン−1,8−ジカルボン酸イミド、N−(2,6−ジイソプロピル−フェニル)−4,5−ジメトキシナフタレン−1,8−ジカルボン酸イミド、N−(7−トリデシル)−4,5−ジメトキシ−ナフタレン−1,8ジカルボン酸イミド、N−(2,6−ジイソプロピルフェニル)−4,5−ジフェノキシナフタレン−1,8−ジカルボン酸イミド及びN,N’−ビス(2,6−ジイソプロピルフェニル)−1,8:4,5−ナフタレンテトラカルボン酸ジイミドである。
他の例は、BASFから入手可能な、Lumogen F Yellow 083、Lumogen F Orange 240、Lumogen F Red 305及びLumogen F Violet 570である。
例えば、以下の有機発光ダウンシフト化合物は、300〜360nmで吸収することが可能であり(励起波長)、約365〜400nmあたりに極大値を有する放出スペクトルを有する:ジフェニルオキサゾール(2,5−ジフェニルオキサゾール1,4−ジ[2−(5−フェニルオキサゾリル)ベンゼン、4,4’−ジフェニルスチルベン、3,5,3’’’’,5’’’’−テトラ−t−ブチル−p−キンキフェニルが挙げられる。これらの化合物は、例えば、Synthon Chemicals GmbH及びLuminescence Technology Corpから入手することができる。
例えば、以下の有機発光ダウンシフト化合物は、入射した放射を400〜460nmの方
へ再放出することが可能である:2,5−チオフェンジイルビス(5−tert−ブチル−1,3−ベンゾオキサゾール。
例えば、以下の有機発光ダウンシフト化合物は、入射した放射を560nmの方へ再放出することが可能である:hostasole 3Gナフタルイミド(Clariant)、Lumogen F Yellow 083(BASF)、Rhodamine 110(Lambdachrome 5700)。
例えば、以下の有機発光ダウンシフト化合物は、入射した放射放出を580〜640nmの方へ再放出することが可能である:hostazole GGチオキサンテンベンズアントロン(Clariant)、−Lumogen F Red 300(BASF)、安息香酸ローダミン6Gエチルアミノキサンテン(Lambdachrome 5900)。
例えば、以下の有機発光ダウンシフト化合物は、入射した放射放出を640〜680nmの方へ再放出することが可能である:クレシルパープルジアミノベンゾール、スルホローダミンB(Lambdachrome LC6200)。
例えば、以下の有機発光ダウンシフト化合物は、入射した放射放出を700〜1000nmの方へ再放出することが可能である:Rhodamine 800(Sigma)、Pyridine 2(Lambdachrome LC7600)、DOTC、HITC(Lambdachrome LC7880)、Styril 9(Lambdachrome LC8400)。
好適な無機発光化合物は、半導体量子ドット材料、並びにSm3+、Cr3+、ZnSe、Eu2+及びTb3+を含むナノ粒子、並びにZnO;Mg、Cu及び/又はFをドープしたZnS;CdSe;CdS;TiO;Zr3+、Zr4+;及び/又はEu3+、Sm3+若しくはTb3+をドープしたYPOを含むナノ粒子である。これらの材料の共通の特徴は、蛍光を示すことが可能であるということである。ナノスケール粒子は、任意の好適なプロセス、例えば米国特許第7384680号に開示のプロセスによって作製することができる。ナノスケール粒子は、75nm未満の平均直径、より具体的には透過電子顕微鏡法(TEM)を用いて決定されるように3〜50nmのサイズを有することができる。発光化合物として好適な考え得るユーロピウム錯体は、Royal Society of Chemistry 2009のOmar Moudam et al, Chem. Commun., 2009, 6649-6651に記載されるような[Eu(β−ジケトネート)−(DPEPO)]である。
好適な無機発光化合物の別の例は、オリゴ原子金属クラスターを含むモレキュラーシーブであり、1〜100個の範囲の以下の金属(ナノメートル以下のサイズ)、すなわち、Si、Cu、Ag、Au、Ni、Pd、Pt、Rh、Co及びIr、又はAg/Cu、Au/Ni等のそれらの合金の原子のクラスターを含む。モレキュラーシーブは、ゼオライト、多孔性酸化物、シリコアルミノリン酸塩、アルミノリン酸塩、ガロリン酸塩、ジンコリン酸塩(zincophophates)、チタノケイ酸塩及びアルミノケイ酸塩又はそれらの混合物からなる群から選択される。本発明の特定の実施の形態では、本発明のモレキュラーシーブは、MCM−22、フェリエライト、フージャサイトX及びYからなる群の大孔径ゼオライトから選択される。本発明の別の実施形態におけるモレキュラーシーブは、ゼオライト3A、ゼオライト13X、ゼオライト4A、ゼオライト5A及びZKFからなる群から選択される材料である。オリゴ原子金属クラスターは、1〜100個の原子を含有するオリゴ原子銀分子であるのが好ましい。かかるモレキュラーシーブに基づくダウンシフト化合物の実例が、国際公開第2009006708号に記載され、参照により本明細書に組み込まれる。
ポリマー層中の発光ダウンシフト化合物の濃度は、選択される発光ダウンシフト化合物によって決まる。いくつかの化合物はより効果的であり、ポリマー層中に低濃度で必要とされるが、いくつかの化合物は放射の吸収及び再放出があまり効率的でないため、高濃度で必要とされる。
ポリマー層は、少なくとも1つの発光ダウンシフト化合物を含むことができる。ポリマー層は、単一の発光ダウンシフト化合物を含んでいても、又は2つ以上の発光ダウンシフト化合物を含んでいてもよい。2つ以上の発光ダウンシフト化合物が存在する場合、異なる波長で放射を吸収し、異なるより長い波長で放射を再放出する化合物を組み合わせるのが好ましい。このように、ある化合物によって再放出される放射が次の化合物によって吸収される、いわゆる発光ダウンシフト「カスケード」を得ることができる。このようなカスケードは、光子吸収放出連鎖(Photon-Absorption-Emitting Chain;PAEC)とも称される。
より好ましくは、ポリマーシートは以下の共押出ポリマー副層を備える:第1のポリマー層(a)は、280〜400nmで放射を吸収し、400〜550nmで放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含み、別のポリマー層(b)は、360〜470nmで放射を吸収し、410〜670nmで放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含み、別のポリマー層(c)は、360〜570nmで放射を吸収し、410〜750nmで放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含む。
1つ又は複数の発光ダウンシフト化合物が上記の層の1つに存在し得る。付加的な層がポリマーシート中に存在していてもよく、この付加的な層が、発光ダウンシフト化合物又は他の添加剤を含んでいてもよい。各々の層が、波長のカスケードではなく、光の特定の波長域をより長い波長域に変換することができる発光ダウンシフト化合物、好ましくは単一の化合物又は化合物群しか含まないことが好ましい。
層(a)に好適な発光ダウンシフト化合物の例は、2,5−ジフェニルオキサゾール(PPOジフェニルオキサゾール)、4,4’−ジフェニルスチルベン(DPS)、1,4−ジ[2−(5−フェニルオキサゾリル)ベンゼン(POPOP)、3,5,3’’’’,5’’’’−テトラ−t−ブチル−p−キンキフェニル(QUIP−キンキフェニル(quinqaphenyl))、1,8−ANS(1−アニリノナフタレン−8−スルホン酸)、1−アニリノナフタレン−8−スルホン酸(1,8−ANS)、6,8−ジフルオロ−7−ヒドロキシ−4−メチルクマリン(pH9.0)、7−アミノ−4−メチルクマリン(pH7.0)、7−ヒドロキシ−4−メチルクマリン、7−ヒドロキシ−4−メチルクマリン(pH9.0)、Alexa350、BFP(青色蛍光タンパク質)、Cascade Yellow、Cascade Yellow抗体複合体(pH8.0)、クマリン、ダンシルカダベリン、ダンシルカダベリン、MeOH、DAPI、DAPI−DNA、ダポキシル(Dapoxyl)(2−アミノエチル)スルホンアミド、DyLight350、Fura−2 Ca2+、Fura−2、高Ca、Fura−2、Caなし、Hoechst33258、Hoechst33258−DNA、Hoechst33342、Indo−1、Caフリー、LysoSensor Yellow(pH3.0)、LysoSensor Yellow(pH9.0)、Marina Blue、Sapphire、及び/又はSBFI−Naである。
層(b)に好適な発光ダウンシフト化合物の例は、7−ジエチルアミノクマリン−3−カルボン酸ヒドラジド(DCCH)、7−ジエチルアミノクマリン−3−カルボン酸スクシンイミジルエステル、7−メトキシクマリン−3−カルボン酸スクシンイミジルエステル、7−ヒドロキシクマリン−3−カルボン酸スクシンイミジルエステル、7−ジエチル
アミノ−3−((((2−ヨードアセトアミド)エチル)アミノ)カルボニル)クマリン(IDCC)、7−ジエチルアミノ−3−((((2−マレイミジル)エチル)アミノ)カルボニル)クマリン(MDCC)、7−ジメチルアミノ−4−メチルクマリン−3−イソチオシアネート(DACITC)、N−(7−ジメチルアミノ−4−メチルクマリン−3−イル)マレイミド(DACM)、N−(7−ジメチルアミノ−4−メチルクマリン−3−イル)ヨードアセトアミド(DACIA)、7−ジエチルアミノ−3−(4’−マレイミジルフェニル)−4−メチルクマリン(CPM)、7−ジエチルアミノ−3−((4’−(ヨードアセチル)アミノ)フェニル)−4−メチルクマリン(DCIA)、7−ジメチルアミノクマリン−4−酢酸(DMACA)、7−ジメチルアミノクマリン−4−酢酸スクシンイミジルエステル(DMACASE)、アクリジンオレンジ、Alexa430、Alexa Fluor430抗体複合体(pH7.2)、オーラミンO、Di−8
ANEPPS、Di−8−ANEPPS−脂質、FM1−43、FM1−43脂質、Fura Red Ca2+、Fura Red、高Ca、Fura Red、低Ca、ルシファーイエロー及び/又はCH、SYPRO Ruby(CAS260546−55−2)である。
層(c)に好適な発光ダウンシフト化合物の例は、上記の層(b)について示された化合物並びにローダミン110、安息香酸ローダミン6Gエチルアミノキサンテン(Lambdachromeより入手可能)、Alexa Fluor647 R−フィコエリトリン ストレプトアビジン(pH7.2)、エチジウムブロミド、エチジウムホモダイマー、エチジウムホモダイマー−1−DNA、FM4−64、FM4−64、2%CHAPS、ナイルレッド−脂質及び/又はヨウ化プロピジウムである。
別の考えられるカスケードの一例は、約280nm〜365nmに吸収域を有し、約380nm〜430nmに放出域を有する第1の発光ダウンシフト化合物を含むことができる。好適な発光ダウンシフト化合物の一例は、約310nmに最大吸収、及び約390nmに最大放出を有することが知られる3,5,3’’’’,5’’’’−テトラ−t−ブチル−p−キンキフェニルである。この発光ダウンシフト化合物は、例えばポリマー層中の発光ダウンシフト化合物の総含有量の約33%の濃度で添加することができる。第2の発光ダウンシフト化合物は、約335nm〜450nmに吸収域を有し、約410〜550nmに放出域を有する。好適な発光ダウンシフト化合物の一例は2,3,5,6−1H,4H−テトラヒドロキノリジノ−[9,9a,1−gh]−クマリンであり、例えばポリマー層中の発光ダウンシフト化合物の総含有量の約33%の濃度であり、約396nmに最大励起波長、及び約490nmに最大発光波長を有する。カスケードの第3の発光ダウンシフト化合物は、約450nm〜550nmに吸収域を有し、560nm〜700nmに放出域であってもよい。好適な発光ダウンシフト化合物の一例は−アミノ−2−メチルアントラキノンであり、例えばポリマー層中の発光ダウンシフト化合物の総含有量の約33%の濃度であり、約450nmに最大吸収、及び約600nmに最大放出を有する。
ポリマーマトリクス中に存在する下方変換するための混合物の総濃度は、効率的な下方変換は、入射光が体積当たりに衝突する分子の量によって決まるため、フィルムの厚さに依存する。約400〜450ミクロンのポリマー層に、例えば200〜1000ppmの範囲である発光ダウンシフト化合物をドープすることができる。UV遮断及び透過の良好なバランスを有する450ミクロンの好適なポリマー層は、例えば最終ポリマー層中約500ppmである発光ダウンシフト化合物の濃度で得られた。
ポリマーシートの様々なポリマー層のポリマー材料は、エチレン酢酸ビニル(EVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレートコポリマー、例えば、ポリメタクリレートポリ−n−ブチルアクリレート(PMMA−PnBA)、エラストマー、例えば、SEBS、S
EPS、SIPS、ポリウレタン、官能性ポリオレフィン、アイオノマー、熱可塑性ポリジメチルシロキサンコポリマー、又はその混合物であってもよい。エチレン酢酸ビニル(EVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、シリコーン、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、アルキルアクリレートコポリマー、例えば、ポリメタクリレートポリ−n−ブチルアクリレート(PMMA−PnBA)を使用するのが好ましい。ポリマー層の少なくとも1つがエチレン酢酸ビニルポリマーから構成されるのが好ましい。これらのポリマーは、発光ダウンシフト化合物に好適なマトリクスをもたらすため有利である。さらに、得られるシートを熱ラミネートプロセスに容易に使用して、ポリマーシートを含む最終生成物を作製することができる。他の考え得るポリマーはポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリカーボネート(PC)、ポリウレタン、シリコーン又はそれらの混合物である。
更に好ましいポリマーは、強い酸素バリア性、透明性、耐油性、帯電防止特性、機械的強度等をもたらすことが知られており、そのためフィルム及びシート等の様々なタイプの包装材料等として広く使用されているエチレン−ビニルアルコールコポリマー(以下、「EVOH」と称される)である。EVOHはエチレン酢酸ビニルコポリマーの鹸化によって有利に作製することができる。
ポリマーがエチレン及び酢酸ビニルの共重合単位を含むエチレン/酢酸ビニルコポリマー(EVA)であるのが好ましい。EVAは、ASTM D1238に準拠して190℃及び2.16kgで決定される0.1〜1000g/10分、好ましくは0.3〜300g/10分、更により好ましくは0.5〜50g/10分の範囲のメルトフローレート(MFR)であってもよい。
好ましくは、エチレン酢酸ビニルの酢酸含量は12〜45wt%、より好ましくは20〜40wt%、更により好ましくは25%〜40wt%である。
EVAは単一のEVAであっても、又は2つ以上の異なるEVAポリマーの混合物であってもよい。異なるEVAポリマーとは、コポリマーが有するコモノマー比及び/又は重量平均分子量及び/又は分子量分布が異なることを意味する。したがって、EVAポリマーは同じコモノマー比を有するが、異なる分子量分布のために異なるMFRを有するポリマーを含んでいてもよい。
好ましい実施の形態では、EVAポリマーは有利にはアクリル酸アルキル等のエチレン及び酢酸ビニル以外の更なるモノマーを含み、アクリル酸アルキルのアルキル部分は1個〜6個又は1個〜4個の炭素原子を含有し、メチル基、エチル基並びに分岐又は非分岐プロピル基、ブチル基、ペンチル基及びヘキシル基から選択され得る。
本明細書で使用されるEVAコポリマーは、当該技術分野で既知の他の添加剤を含有していてもよい。添加剤としては、加工助剤、流動性向上添加剤、潤滑剤、染料、難燃剤、衝撃改質剤、造核剤、シリカ等のブロッキング防止剤、熱安定剤、分散剤、界面活性剤、キレート剤、カップリング剤、ガラス繊維等の強化添加剤、フィラー等を挙げることができる。
エチレン−酢酸ビニルコポリマーから構成されるポリマー層は、エチレン−酢酸ビニルコポリマーの架橋を可能にし、それにより接着強度、耐湿性及び耐浸透性を増大する一方で、所望される場合に高い透明性を維持する1つ又は複数の有機過酸化物を含むのが好ましい。少なくとも110℃の温度で分解され、ラジカルを生成する任意の有機過酸化物を上述の有機過酸化物として有利に用いることができる。有機過酸化物又は過酸化物の組合せは概して、成膜温度、組成物の調整条件、硬化(接着)温度、被接合体の耐熱性及び貯
蔵安定性を考慮して選択される。本発明の好ましい実施の形態によると、過酸化物は樹脂加工温度で、特に共押出工程及び/又は更なる押出及びペレット化工程中に本質的に分解せず、太陽電池形成温度又は積層温度でのみ活性化されるように選ばれる。本発明による「本質的に分解しない」とは、共押出温度で少なくとも0.1〜1時間の半減期を指す。有機過酸化物の例としては、2,5−ジメチルヘキサン−2,5−ジヒドロペルオキシド、2,5−ジメチル−2,5−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ヘキサン、3−ジ−tert−ブチルペルオキシド、ジクミルペルオキシド、2,5−ジメチル−2,5−ジ(2−エチルヘキサノイルペルオキシ)ヘキサン、2,5−ジメチル−2,5−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ヘキサン、tert−ブチルクミルペルオキシド、α,α’−ビス(tert−ブチルペルオキシイソプロピル)ベンゼン、α,α’−ビス(tert−ブチルペルオキシ)ジイソプロピルベンゼン、n−ブチル−4,4−ビス(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、2,2−ビス(tert−ブチルペルオキシ)ブタン、1,1−ビス(tert−ブチルペルオキシ)シクロヘキサン、1,1−ビス(tert−ブチルペルオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、tert−ブチルペルオキシベンゾエート、ベンゾイルペルオキシド、及び1,1−ジ(tert−ヘキシルペルオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサンが挙げられる。これらの中でも、2,5−ジメチル−2,5−ジ(2−エチルヘキサノイルペルオキシ)ヘキサン、及び1,1−ジ(tert−ヘキシルペルオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサンが特に好ましい。フィルム層中の有機過酸化物の含有量は、好ましくは100重量部のポリマーを基準として0.1〜5重量部の範囲、より好ましくは0.2〜1.8重量部の範囲である。
好ましくは、ポリマー層は2つ又は好適には2〜12の共押出ポリマー層を含み、2つ以上のポリマー層が発光ダウンシフト化合物を含む。かかる多層は、異なる層から構成されるフィルムを同時に共押出し、配向することによって作製される。
異なる層に使用されるポリマーは、共押出条件でのポリマーのメルトフローインデックスの差が4ポイント未満、好ましくは2ポイント未満である限りにおいて異なり得る。例えば、標準条件で異なるMFIを有する異なるポリマーを組み合わせる場合、共押出条件でのMFIが上記の範囲内となるように異なるポリマーの押出温度を調整するのが好ましい。少なくとも3つの層を有するポリマーシートは2つの外層と少なくとも1つの内層とから構成される。内側ポリマー層の押出温度での内側ポリマー層のメルトフローインデックスは、押出温度又は外層の温度での外層のMFIに等しいか、又はその−2MFIポイント〜+2MFIポイントの範囲内であるのが好ましい。好ましくは、内側ポリマー層のMFIは温度TLでの一方の外側ポリマー層又は両方の外側ポリマー層のMFIと0.5ポイント〜10ポイントの範囲で異なり、TLが本発明に係るポリマーシートを含む太陽電池パネルを作製する真空ラミネーションプロセスの積層温度である。典型的なラミネーションの温度は135〜165℃、好ましくは145〜155℃の範囲である。
一方又は両方の外側ポリマー層が、少なくとも1つの内側ポリマー層の融点T2よりも少なくとも10℃低い融点T1を有するのが好ましい。好ましくは、融点T1は融点T2よりも10〜50℃、より好ましくは10〜35℃低い。出願人らは、積層条件でのポリマーシートの収縮が、かかる高融点の内側ポリマー層がポリマーシートの一部である場合に顕著に減少し得ることを見出した。より好ましくは、両方の外層のMFIは、積層温度で測定される少なくとも1つの内側ポリマー層のMFIよりも高い。出願人らは、かかるポリマーシートを光電池がポリマーシートの外層に十分に封止される熱ラミネートプロセスにおける太陽電池パネルの作製に有利に使用することができ、同時に収縮が起こらないか又は非常に減少していることを見出した。このことは、ポリマーシートの作製においてポリマーシートのアニーリングが殆ど又は全く必要とされないことから有利である。ポリマーシートの収縮は、太陽電池パネルの積層の際に、シートが脆弱なシリコン光電池を損傷するのを回避するために回避又は低減すべきである。出願人らは、ポリマーシートの層
に好ましいポリマー材料の組合せについて、適用される積層温度が、ポリマーシートを例えば光電池と組み合わせる場合にポリマーシートの作製において内層を押出する温度よりも高く、ポリマーシートの作製において内層を押出する温度が、ポリマーシートの作製において外層の少なくとも一方を押出する温度よりも高いことを見出した。
好適には、上記内側ポリマー層が、ブタジエン、イソプレン及び/又はブチレン/エチレンコポリマーとの任意に水素化されたポリスチレンブロックコポリマー、例えばSIS、SBS及び/又はSEBS;メタクリル酸(アイオノマー)等の共重合性官能化モノマーとのポリメタクリレートポリアクリレートブロックコポリマー、ポリオレフィン、ポリオレフィンコポリマー若しくはターポリマー、又はオレフィンコポリマー若しくはターポリマーを含む。例は、国際公開第2012057079号に開示され、Kuraray Corpから「Kurarity」として市販されているようなポリメチルメタクリレートn−アクリル酸ブチルブロックコポリマーである。更なる例にはポリオレフィン、好ましくはLDPE型等のポリエチレン又はポリプロピレンが含まれる。内側副層に好適なポリエチレン及びポリプロピレン等のポリオレフィンとしては、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、メタロセン由来の低密度ポリエチレンホモポリプロピレン及びポリプロピレンコポリマーが挙げられる。
発光ダウンシフト化合物を含む少なくとも1つ又は複数の層のポリマー組成は、発光ダウンシフト化合物の光吸収活性及び光放出活性がISO 4892第2部、方法A、サイクル2に従う少なくとも100時間の促進耐候性条件で影響を受けないように選択されるのが好ましい。ポリマー層の少なくとも1つが、例えばポリオレフィンフィルム及び/又はエチレンビニルアルコールコポリマー(EVOH)によってもたらされるような高い水分バリア性及び/又はガスバリア性を有利に有してもよい。所望の特性に応じてそれらの組合せを適用してもよい。
共押出は当業者に既知のプロセスであり、異なる粘性のポリマーの一定体積スループットを溶融し、材料を所望のシート様形態へと押出する単一押出ヘッド(ダイ)に送達するために2つ以上の押出機を利用するものである。層厚はポリマー材料を送達する個々の押出機の相対速度及びサイズによって制御することができる。
ポリマーシートのガラスに対する接着強度を改善する添加剤をポリマーシートの外層の少なくとも一方に添加することが好ましい場合がある。用途によっては、ポリマーシートはガラス層に直接適用され、ポリマーシートの良好な接着特性が必要とされる。ポリマーシートが2つのガラス層間に適用される場合、ポリマーシートの両方の外層がガラスに対して良好な接着強度を有するのが好ましい。可能な添加剤は、そのガラス層との接着強度を改善するためにEVAコポリマーに添加されるシランカップリング剤である。有用なシランカップリング剤の例としては、γ−クロロプロピルメトキシシラン、ビニルメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス(β−メトキシエトキシ)シラン、γ−ビニルベンジルプロピルメトキシシラン、N−β−(N−ビニルベンジルアミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリクロロシラン、メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプト−プロピルメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−β−(アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、及び/又はそれらの2種類以上の混合物が挙げられる。
シランカップリング剤は関連ポリマー層に組み込まれるのが好ましい。エチレン酢酸ビ
ニルポリマーから構成されるポリマー層については、シランカップリング剤は好ましくはポリマーの総重量に基づいて0.01〜約5wt%、又はより好ましくは0.05〜約1wt%のレベルで組み込まれる。
本発明に係るポリマーシートは、とりわけ太陽光のより短い波長の放射を、光電池が放射を電気へとより効果的に変換する波長域を有するより長い波長の放射へと変換するのに適している。したがって、本発明は、太陽光の発光ダウンシフトにより光電池の性能を向上させる本発明に係るポリマーシートの使用にも関する。
本発明に係るポリマーシートは、光電池を含む太陽電池パネルの一部として使用するのが好ましい。光電池は以下の材料の少なくとも1つを含む:CdS、CdTe;Si、好ましくはpドープSi又は結晶性Si又は非晶質Si又は多結晶Si;InP;GaAs;Cu2S;二セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)。太陽電池パネルは異なるガラスの層、本発明に係るポリマーシート、光電池、付加的な封止材層及びバックシート層を積層し、形成されるスタックを積層プロセス工程に供することによって作製することができる。
PV電池の最適な光起電性能は各々のタイプのPV電池で異なり、そのため発光下方変換化合物によって必要とされる変換の程度は、種々のPV電池で異なり得る。光電池から最も離れたポリマーシートの発光ダウンシフト化合物を含むポリマー層は、UV(10nm〜400nm)を少なくとも部分的に吸収し、より長い波長で放射を再放出することができるという特性を有する発光ダウンシフト化合物を含むのが好ましい。
本発明は、本発明に係るポリマーシートと光電池とを備える太陽電池パネルにも関する。光電池から最も離れた発光ダウンシフト化合物を含むポリマー層は、UVを少なくとも部分的に吸収し、より長い波長で放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含むのが好ましい。かかる太陽電池パネルはガラス層、ポリマーシート、光電池、封止材層及びバックシートの層順序を有するのが好ましい。封止材層は現行の技術水準の封止材層、例えば上述のEVAコポリマー等の熱硬化性ポリマー層であってもよい。光電池は好適には結晶性シリコン電池、CdTe、αSi、micromorph Si又はタンデム接合αSiである。バックシートはハードポリマー、例えばPET層又はより好ましくはガラス層であってもよい。薄膜光電池、例えばCIGS及びCIS型の電池を使用する場合、太陽電池パネルはガラス最上層、本発明のポリマーシート、薄膜光電池及び剛性支持体、例えばガラスを含み得る。
入射した放射に対向するガラス層の厚さが1.5〜4mmであり、バックシートとして使用されるガラス層の厚さが1.5〜4mmであり、太陽電池パネルの総厚が9mm未満であるのが好ましい。ガラス層は、例えばフロートガラス又はロールガラスであってもよい。ガラスを必要に応じて熱処理してもよい。かかる厚さを有する好適な熱強化した薄いガラスシートのガラス層は、例えば、Saint Gobain Glass、Pilkington、AGC、PPG及びDucattから入手することができる。ガラス層はナトリウム無含有ガラス、例えばアルミナケイ酸ガラス又はホウケイ酸ガラスであってもよい。大量生産については、ソーダ石灰ガラス又はホウケイ酸ガラスを使用するのが好ましい。ソーダ石灰ガラスは、67〜75重量%のSiO、10〜20重量%のNaO、5〜15重量%のCaO、0〜7重量%のMgO、0〜5重量%のAl、0〜5重量%のKO、0〜1.5重量%のLiO及び0〜1重量%のBaOを含んでもよい。かかるガラスは好適には90%を超える透明性を有する。好適にはガラスは熱強化処理に供されている。
ガラス層の表面、とりわけポリマーシートと対向していない表面は、好適な反射防止層
でコーティングされる。反射防止層は、ガラス表面で反射する放射を制限する。この反射を制限することにより、ガラス層(a)を通過する放射が増加し、結果として太陽電池パネルの効率が向上する。コーティングがガラス層(a)に施されることが好ましい。好適な反射防止コーティングは、多孔質シリカの層を含む。多孔質シリカは、例えば米国特許第7767253号に記載されるようなゾル・ゲル法によって塗布することができる。多孔質シリカは、シリカ系バインダー中に存在する固体シリカ粒子を含むことができる。かかるコーティングは、DSM(The Netherlands)からKhepri Coat(商標)として入手可能である。反射防止コーティングを有するガラス層を作製するプロセスは、例えば国際公開第2004104113号及び国際公開第2010100285号に記載されている。
入射に対向する層(a)のガラス表面は、例えば国際公開第2005111670号に記載されるような入射をより効果的に捕捉するエンボス構造を有していてもよい。
上記の太陽電池パネルは、以下の層:
ガラス層(a)、
本発明に係るポリマーシート(b)、
光電池を含む層(c)、
ポリマー封止材層(d)、及び、
ガラス層(e)、
を含むスタックを高積層温度での熱ラミネートに供することによって得ることができる。
積層温度は115〜175℃であり、スタックの環境の圧力は好ましくは30mBar未満、より好ましくは1mBar未満であってもよい。このプロセスでは、スタックは好ましくは真空ラミネータ内に入れられ、115〜175℃、好ましくは140〜165℃、最も好ましくは145〜155℃の範囲の温度での熱変換下で圧着される。積層を好ましくは脱気にも供する。圧縮積層圧力は、0.1〜1.5kg/cmの範囲であるのが好ましい。積層時間は典型的には5〜25分の範囲である。この加熱により、例えば本発明に係るポリマーシート及び封止材層に含まれるエチレン−酢酸ビニルコポリマーの架橋が可能になり、それにより光電池、ポリマーシート及び封止材層が強く接着して光電池が密閉され、太陽電池パネルが得られる。
出願人らは、積層温度でのMFIが外側副層と内層とで異なる場合、生じる収縮が更に減少することを見出した。したがって、本発明は、第1及び/又は第2のポリマー封止材層が2つの外側副層と少なくとも1つの内側副層とを含む3つ以上の複数の共押出熱可塑性ポリマー副層から構成され、積層温度での内側副層のMFIが、同じ層の外側副層の一方又は両方のMFIとは0.5〜10ポイントの範囲内で異なる好ましい太陽電池パネルの製造方法にも関する。
更により好ましい製造方法では、本発明に係るポリマーシートが、2つの外側副層と少なくとも1つの内側副層とを含む3つ以上の複数の共押出熱可塑性ポリマー副層から構成され、複数の共押出熱可塑性ポリマー層が、異なるポリマー材料の共押出によって得られ、該ポリマー材料が、各々の副層に適用される押出温度での副層のポリマーのメルトフローインデックスの最大の差が5MFIポイント未満、好ましくは3MFIポイント未満であるように選ばれる各々の副層の押出温度で押出され、積層温度TLが内側副層の押出温度TCよりも高く、温度TCが外側副層の押出温度TA及び/又は他の外側副層の押出温度TBよりも高い。
本発明はガラス素子に関する。ガラス素子は例えば温室のカバーとして知られている。太陽光はかかる温室のガラス屋根を容易に通過し、少なくとも1つの植物種の光合成が起
こる。また、ガラス素子は太陽電池パネルの透明保護層としても使用される。
上記素子は、限定されるものではないが光起電力効果を用いた光合成又は発電等の光誘導プロセスの効率を改善するために有利に用いられ得る。この目的は、以下のガラス素子によって達成される:2つのガラス層を含み、透明ポリマー層が2つのガラス層間に存在し、ポリマー層がある波長の放射を少なくとも部分的に吸収し、その吸収された放射の波長よりも長い波長で放射を再放出するのに適した少なくとも1つの発光ダウンシフト化合物を含むガラス素子。
出願人らは、かかるガラス素子を温室の屋根として使用する場合、より短い波長の放射の一部がより光合成に適した波長へとダウンシフトされるため、少なくとも1つの植物種の光合成を向上させることができることを見出した。このため、所定の太陽光強度でより多くの光合成が起こる。出願人らは、かかるガラス素子を光起電システムのカバーシートとして使用する場合、所定の太陽光強度でより多くの電力を発生させることができることも見出した。
別の利点は、ガラス層によりポリマー層に対する水の侵入が回避されることである。少量の水がある発光ダウンシフト化合物、とりわけ有機発光ダウンシフト化合物の安定性に悪影響を及ぼす場合もある。2つのガラス層を使用することによって、ポリマー層中に存在する発光ダウンシフト化合物は、水が誘導する分解から効率的に保護される。更なる利点を下記に好ましい用途を記載して論じる。
ガラス素子は、短い波長の放射を取り除き、より長い波長の放射には透明であることが所望される様々な用途に使用することができる。好ましい用途は、太陽光の特性を変化させるためにガラス素子が使用される場合であり、そのようにして得られたガラス素子を通過して変化された太陽光は、植物の栽培に使用されるか、又はより一般的には、変化された太陽光は光合成プロセスに使用される。本発明は、本発明に係るガラス素子を備える屋根を有する温室等の建造物にも関する。
ガラス素子の別の好ましい用途は、電気を発生させるプロセスにおいて太陽光の特性を変化させるための用途である。より好ましくは、電気を発生させるプロセスには、変化された太陽光を用いて電流を発生させることが可能な光電池(photovoltaic cell (photovoltaic cell))が含まれる。光電池はガラス素子に隣接して適切に配置され、ガラス素子に適切に固定される。多くの光電池は短い波長、例えばUV範囲の放射に対するスペクトル応答に乏しい。任意に上記のカスケードを用いてより短い波長域の放射を吸収し、より長い波長で再放出することによって、これらのより短い波長の放射に含まれるエネルギーを、光電池が最適な光起電性能を有するより長い波長の放射の形態で効率的に使用することが可能である。光電池の最適な光起電性能は各々のタイプの光電池で異なる。実際に、cSiスクリーン印刷電池では、異なる内部量子効率(IQE)プロットがcSi電池のタイプ、表面性状及び電池表面処理に応じて300〜1100nmの波長域にわたって得られる。
発光ダウンシフト化合物を含むポリマー層及び光電池の前後のガラス層は、ポリマー層から光電池又は光電池からポリマー層へと輸送される化合物に対して障壁となる。太陽電池パネルは長年にわたって使用され、その寿命期間内にポリマー層中に存在する発光ダウンシフト化合物又は他の添加剤は光電池に有害となり得る断片へと分解する可能性がある。かかる素子又は化合物の例は、アミン、塩化物、ナトリウム及び硫黄を含有する化合物である。ガラス層はフロントシートとして使用される場合、かかる化合物が移動して光電池へと到達することを回避し、それにより光電池自体の寿命を長くする。このため、ガラス素子により、これらの有害な断片へと分解する可能性がある有機発光ダウンシフト化合
物と光電池とが組み合わせて使用される。さらに、化合物は、光電池からポリマー層へと移動する可能性があり、ポリマー及び/又は発光ダウンシフト化合物の分解を生じ得る。ガラス層はかかる移動を効率的に回避する。このようにして、様々な光電池への白熱光の使用の増加が、単にフロントシートを置き換えることにより既存の生産ラインでも可能である。
光電池は以下の材料の少なくとも1つを含み得る:CdS、CdTe;Si、好ましくはpドープSi又は結晶性Si又は非晶質Si又は多結晶Si又は多接合(multiple junction)Si;InP;GaAs;Cu2S;二セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)。太陽電池パネルは異なるガラス素子の層及び光電池、付加的な封止材層及びバックシート層を積層し、形成されるスタックを積層プロセス工程に供することによって作製することができる。このようにして、太陽電池自体の形成と同時にガラス素子が形成される。
好ましい光電池は、薄膜テルル化カドミウム(CdTe)光電池である。このタイプの光電池は500〜800nmの波長で最適な光起電力効果を示す。かかるPV電池と本発明に係るガラス素子とを組み合わせることによって、太陽光のより短い波長の放射をより効率的に使用可能であることが見出される。ガラス素子中に存在する1つ又は複数の発光ダウンシフト化合物はより短い波長の放射を吸収し、CdTe光電池が最大IQEを示す上記の波長域で再放出する。500nm未満の波長で放射を吸収し、500〜800nmの波長で放射を再放出する発光ダウンシフト化合物又は発光ダウンシフト化合物のカスケードがガラス素子のポリマー層中に存在するのが好ましい。上述の発光ダウンシフトカスケードがガラス素子中に存在するのが好ましい。
したがって、本発明は本発明に係るガラス素子と、(a)透明電極層と、(b)n型半導体層と、(c)テルル化カドミウム(CdTe)吸収体と、(d)バック接点とを備えるCdTe太陽光電池にも関する。層(a)〜(d)は、本発明に係るガラス素子上に順に堆積される。ガラス素子の片側に上記の反射防止コーティング、及びその反対側に上記の層を設けるのが好ましい。反射防止コーティングが設けられたガラス層は、層(a)〜(d)に対向するガラス層よりも厚いことが好ましい。
透明電極層(a)は、例えば酸化スズ(SnO)又はドープ酸化スズ、例えばフッ素、亜鉛又はカドミウムをドープした酸化スズ、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)及びスズ酸カドミウム(CdSnO)から構成され得る。例えば、緩衝剤層205は最大約1.5ミクロン又は約0.8〜1.5ミクロンの厚さに形成され、ZnO及びSnOを約1対2(1:2)の化学量論比で含み得る。酸化スズを使用するのが好ましい。
n型半導体層(b)は、CdS、SnO、CdO、ZnO、AnSe、GaN、In、CdSnO、ZnS、CdZnS又は他の好適なn型半導体材料、好ましくはCdSであってもよい。層(b)は、化学浴析出又はスパッタリングによって形成され、約0.01μm〜約0.1μmの厚さであってもよい。
テルル化カドミウム(CdTe)層(c)は、スクリーン印刷、吹付け、近接昇華(close-spaced sublimation)、電着、気相輸送堆積(vapour transport deposition)、スパッタリング及び蒸発によって形成されてもよい。
バック接点層は、任意の好適な導電性材料及びその組合せであってもよい。例えば、好適な材料としては、グラファイト、金属銀、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン、パラジウム、クロム;金属銀、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン、パラジウム、クロム及
びモリブデンとのモリブデン合金、及びこれらの任意の組合せを含むが、これらに限定されない材料が挙げられる。好適には、バック接点層(d)は、グラファイト、ニッケル及びアルミニウム合金の組合せである。
層(a)〜(d)は、更なるガラス層(e)によって封止されていてもよい。封止ガラス層(e)はCdTe光電池との使用に好適な剛性構造であってもよい。封止ガラス層(e)は、ガラス素子に使用されるガラスと同じ材料であっても、又は異なっていてもよい。加えて、封止ガラス層(e)は、CdTe光電池との配線及び/又は接続を可能にする開口部又は構造であってもよい。
上記の層を本発明に係るガラス素子に適用して好ましいCdTe太陽光電池を得るプロセスは、当該技術分野で公知の多数の方法によって行うことができる。種々の層におけるかかる方法及び変法の例は米国特許出願公開第2011/0308593号、欧州特許出願公開第2430648号、米国特許出願公開第2012073649号、米国特許出願公開第2011259424号等に記載されている。
ガラス素子は単結晶シリコン(c−Si)、多結晶(poly- or multi-crystalline)シリコン(poly−Si又はmc−Si)及びリボンシリコンをベースとするウエハーベースの光電池と組み合わせることもできる。かかるウエハーベースのPV電池を備える太陽電池は入射した放射に使用する前面としての本発明に係るガラス素子、ポリマー層、ウエハーベースのPV電池を含む層及びバックシート層を備えるのが好ましい。
バックシート層は、典型的には異なるポリマー材料から作製され得る少なくとも3つの層を含む多層フィルムであってもよい。
バックシート層はいわゆる白色反射体を含むのが好ましい。白色反射体の存在は、放射を光電池へと反射することにより電池の効率を改善するために有利である。
考え得るバックシート層はフルオロポリマー層を含む。フルオロポリマー層の代わりに第2のガラスシートを太陽電池の背面に設けてもよい。これにより、ガラス前面及び背面を有する太陽電池がもたらされる。背面として使用されるガラス層の厚さは3mm未満であるのが好ましい。ガラス層は上記のようなものであってもよい。ガラス前面及び背面の使用は、パネルにアルミニウムフレームを必要としないような構造強度を与えるために有利である。ガラス背面は水の浸入等に対して絶対的障壁となり、パネルの耐用年数の延長に有利である。ガラス層の使用により、フルオロポリマーを含むバックシートの使用を回避することが可能となる。
本発明に係るガラス素子は、第1のガラス層、ポリマー層及び第2のガラス層のスタックを熱ラミネートプロセスに供することによって作製することができる。かかるプロセスにおいて、ポリマー層はより流動性となり、ガラス層と結合され、真空を適用することによってガスを全てスタックから追い出す。
以下の実施例では本発明を説明する。
比較例1
単層EVA箔を以下のように作製した:33%の酢酸ビニル含量及びおよそ45g/10分のMFIを有する市販のエチレン酢酸ビニルコポリマーを用いた。578nmの波長で光を吸収し、613nmの波長で放出する市販の蛍光ペリレン染料を、例えば米国特許
第7727418号に開示されるように0.05重量%の濃度でEVA材料と混合した。
箔材料は、接着促進剤として約1重量%のメタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、過酸化物架橋剤として約1重量%のtert−ブチルペルオキシ2−エチルヘキシルカーボネートを更に含有していた。
材料を均一に混合し、各々の混合物の約500μm厚の薄いプレートを110℃の温度でプレスした。
次いで、得られるプレートを以下の積層プロトコルを用いて、Meier製の平台真空ラミネータで2つのガラス間にラミネートした:
温度:145℃;真空発生時間:300秒;圧力上昇:30秒及びプレス時間:400秒。
次いで、2つのサンプルをUV風化チャンバに入れ、「プラスチック−実験室光源による暴露試験方法−キセノンアークランプ(Plastics Methods of Exposure to Laboratory
Light Sources - Xenon Arc Lamps)」と題するISO 4892第2部、方法A、サイクル2として開示される試験サイクルを用いて促進老化試験に供した。
50時間の曝露の後、サンプルは変色を示した。UV/VIS分光分析を行うと、サンプルがペリレン染料に典型的な吸収を示さなくなったことが示された。
実施例1
3層共押出箔を以下の組成で作製した:
層1:EVA+1%メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、1重量%のtert−ブチルペルオキシ2−エチルヘキシルカーボネート、厚さ200μm、EVAポリマーマトリクスを分解から保護するHALS及び酸化防止剤の組合せを含有する市販の光安定化パッケージを更に含む。
層2:PMMA+0.05%ペリレン染料、厚さ50μm。
層3:EVA+1%メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、1重量%のtert−ブチルペルオキシ2−エチルヘキシルカーボネート、厚さ200μm、層1の光安定化パッケージを更に含む。
得られるサンプルは500時間のUV風化後にペリレン染料の高い安定性だけでなく、サンプルの外層のEVA封止材層によってもたらされる接着挙動、架橋挙動、流動挙動及び封止挙動等の典型的な封止特性も示した。
比較例2
銀(Ag)のナノクラスターを含有するゼオライトを、EVAマトリクスに6%の濃度レベルで混合した。2つのサンプルを作製した。一方のサンプルを乾燥剤によって制御される乾燥環境で保管し、第2のサンプルを周囲条件で保管した。
2日後に周囲で保管したサンプルは僅かな変色を示したが、水分が制御された環境で保管した第1のサンプルはこの結果を示さなかった。20日後に周囲で保管したサンプルは極度の褐変を示し、透明性を失った。残存する透明性は250〜800nmの波長域で10%未満であった。湿度が制御されたサンプルは僅かな変色を示しただけだった。
比較例3
比較例2のような更なる単層ポリマーシートを作製し、実施例1で論じた同じ積層サイクルを用いて2つのガラス間で積層した。ガラス/ガラスサンプルを85℃及び85%相
対湿度の蒸気熱風化チャンバに入れた。僅か50時間の蒸気熱試験の後にガラス板の縁に変色が見られた。
比較例4
ガラス/封止材/ポリマーバックシート構造を用いて比較例3を繰り返した。そのようにして得られた素子を同様に風化チャンバに入れた。このサンプルは急速に完全な暗褐色となり、比較例4のガラスバックプレートと比較してより低い水分バリアとしてのポリマーバックシートの性能が示された。
実施例3
典型的なEVA封止特性を維持するために、より良好な水分バリア性を有するポリマーからなる2つの200μm厚のEVA層を外層及び薄い中間層として含む多層フィルムを作製した。選ばれたポリマーは低密度ポリエチレンであった。ポリエチレンのメルトインデックスは、110℃の押出温度でのメルトフローが同じ温度でのEVAポリマーのメルトフローと同様になるように選ばれた。Ag/ゼオライト粉末をポリエチレン層に混合した。得られるフィルムは標準的なEVA単層の特徴的な封止特性を示し、より良好な水分特性を有するポリマーに組み込まれるために中間層中のAg/ゼオライトの保護ももたらした。
ガラス/封止材多層/PEFバックシート素子を作製したが、これは蒸気熱試験で500時間後に顕著な変色を示さなかった。
実施例4
端封を適用してガラス/多層/ガラス素子を作製した。この素子は湿熱試験で500時間後に変色を示さなかった。この構造では大部分の水分がモジュールの外側に維持され、多層ポリマーシートが副次的な保護手段として働き、接続箱を介した湿気侵入、とりわけ水分侵入から保護することが予想される。

Claims (24)

  1. 複数の共押出ポリマー層を備えるポリマーシートであって、該層の少なくとも1つが、ある波長の放射を少なくとも部分的に吸収し、その吸収された放射の波長よりも長い波長で放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含み、
    前記シートが2つの外側ポリマー層と少なくとも1つの内側ポリマー層とを備え、一方の外側ポリマー層又は両方の外側ポリマー層が、少なくとも1つの内側ポリマー層の融点T2よりも10〜50℃低い融点T1を有する、ポリマーシート。
  2. 前記ポリマーシートの2つ以上の層が発光ダウンシフト化合物を含む、請求項1に記載のポリマーシート。
  3. 前記発光ダウンシフト化合物が第1のポリマー層中に存在し、次の層中に存在する発光ダウンシフト化合物よりも短い波長でより多くの放射を吸収することができる、請求項に記載のポリマーシート。
  4. 前記第1のポリマー層が、UVを少なくとも部分的に吸収し、より長い波長で放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含む、請求項に記載のポリマーシート。
  5. 第1の層中に存在する1つ又は複数の異なる発光ダウンシフト化合物が、次の層中に存在する1つ又は複数の異なる発光ダウンシフト化合物よりも短い波長で放射を吸収し、前記第1の層および次の層における1つ以上の異なる発光ダウンシフト化合物がカスケードを形成するように選ばれ、該カスケードが、該カスケード中の化合物が次の化合物が放射を吸収する波長域で放射を再放出するように定義され、少なくとも1つの発光ダウンシフト化合物がある波長の放射を少なくとも部分的に吸収し、その吸収された放射の波長よりも長い波長で放射を再放出する、請求項3または4に記載のポリマーシート。
  6. 第1のポリマー層が280〜400nmで放射を吸収し、400〜550nmで放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含み、別のポリマー層が360〜470nmで放射を吸収し、410〜670nmで放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含み、別の
    ポリマー層が360〜570nmで放射を吸収し、410〜750nmで放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含む、請求項1〜のいずれか一項に記載のポリマーシート。
  7. 前記発光ダウンシフト化合物が、前記内側ポリマー層中にのみ存在する、請求項に記載のポリマーシート。
  8. 前記ポリマー層の少なくとも1つが、エチレン酢酸ビニル(EVA)、エチレンビニルアルコール(EVOH)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、メタクリル酸アルキル、アクリル酸アルキルコポリマー、ポリウレタン、官能性ポリオレフィン、アイオノマー、熱可塑性ポリジメチルシロキサンコポリマー又はそれらの混合物を含む、請求項1〜のいずれか一項に記載のポリマーシート。
  9. 前記ポリマー層の少なくとも1つがエチレン酢酸ビニルポリマーを含み、酢酸含量が12%重量%〜45重量%である、請求項に記載のポリマーシート。
  10. 外側ポリマー層の1つがシランカップリング剤を含む、請求項1〜のいずれか一項に記載のポリマーシート。
  11. 前記内側ポリマー層が、ブタジエン、イソプレン及び/又はブチレン/エチレンコポリマーとの、任意に水素化されたポリスチレンブロックコポリマー(SIS、SBS及び/又はSEBS);メタクリル酸(アイオノマー)等の共重合性官能化モノマーとの、エチレンビニルアルコール(EVOH)コポリマー、ポリメタクリレートポリアクリレートブロックコポリマー、ポリオレフィン、ポリオレフィンコポリマー若しくはターポリマー、又はオレフィンコポリマー若しくはターポリマーを含む、請求項1に記載のポリマーシート。
  12. 外側ポリマー層がエチレン酢酸ビニルコポリマーを含み、該エチレン酢酸ビニルの酢酸含量が18重量%を超える、請求項に記載のポリマーシート。
  13. 2つのガラス層を備える素子であって、前記ガラス層のガラスがホウケイ酸ガラス又はソーダ石灰ガラスであり、透明ポリマー層が該2つのガラス層間に存在し、該ポリマー層が請求項1〜12のいずれか一項に記載のポリマーシートを含む、素子。
  14. ガラス素子の総厚が5mm未満である、請求項13に記載の素子。
  15. 前記ガラス層の少なくとも一方の厚さが0.1〜2mmである、請求項13又は14に記載の素子。
  16. 少なくとも一方のガラス層が反射防止コーティングで覆われた前記ポリマー層と対向しない表面を有する、請求項13〜15のいずれか一項に記載の素子。
  17. 少なくとも一方のガラス層が前記ポリマー層に対向しないエンボス面を有する、請求項13〜16のいずれか一項に記載の素子。
  18. 光電池を含む層と、請求項13〜17のいずれか一項に記載の素子を含むカバー層とを備える、光電池モジュール。
  19. 請求項13〜17のいずれか一項に記載のガラス素子と、(a)透明電極層と、(b)n型半導体層と、(c)テルル化カドミウム吸収材層と、(d)バック接点とを備えるC
    dTe太陽光電池。
  20. 請求項1〜12のいずれか一項に記載のポリマーシートと光電池とを備え、ガラス層、ポリマーシート、光電池、封止材層及びバックシートという層順序を有する、太陽電池パネル。
  21. 入射した放射に対向する前記ガラス層に反射防止コーティングが設けられる、請求項20に記載の太陽電池パネル。
  22. 以下の層:
    ガラス層(a)、
    請求項1〜12のいずれか一項に記載のポリマーシート(b)、
    光電池を含む層(c)、
    ポリマー封止材層(d)、及び、
    ガラス層(e)、
    を含むスタックを積層温度が115〜175℃の熱ラミネートに供することによって太陽電池パネルを製造する方法であって、
    前記ポリマーシート(b)が、2つの外側副層と少なくとも1つの内部副層とを含む3つ以上の複数の共押出熱可塑性ポリマー副層から構成され、
    前記ポリマーシート(b)が、異なるポリマー材料の共押出によって得られ、該ポリマー材料が、各々の副層に適用される押出温度での副層のポリマーのメルトフローインデックスの最大の差が3(g/10min)未満であるように選ばれる各々の副層の押出温度で押出され、
    積層温度TLが内部副層の押出温度TCよりも高く、
    前記温度TCが外側副層の押出温度TA及び/又は他の外側副層の押出温度TBよりも高い、
    方法。
  23. 前記スタックの環境の圧力が30mBar未満である、請求項22に記載の方法。
  24. 複数の共押出ポリマー層を備えるポリマーシートであって、該層の少なくとも1つが、ある波長の放射を少なくとも部分的に吸収し、その吸収された放射の波長よりも長い波長で放射を再放出する発光ダウンシフト化合物を含み、
    前記シートが2つの外側ポリマー層と少なくとも1つの内側ポリマー層とを備え、一方の外側ポリマー層又は両方の外側ポリマー層が、少なくとも1つの内側ポリマー層の融点T2よりも1〜10℃低い融点T1を有するポリマーシートの製造方法であって、
    前記ポリマーシートが異なるポリマー材料の共押出によって得られ、該ポリマー材料が、各々の副層に適用される押出温度での副層のポリマーのメルトフローインデックスの最大の差が3(g/10min)未満であるように選ばれる各々の副層の押出温度で押出される、ポリマーシートの製造方法。
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