JPH11345993A - 太陽電池装置および太陽電池装置用光変換膜 - Google Patents

太陽電池装置および太陽電池装置用光変換膜

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JPH11345993A
JPH11345993A JP10169355A JP16935598A JPH11345993A JP H11345993 A JPH11345993 A JP H11345993A JP 10169355 A JP10169355 A JP 10169355A JP 16935598 A JP16935598 A JP 16935598A JP H11345993 A JPH11345993 A JP H11345993A
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light
solar cell
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rays
cell device
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JP10169355A
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Masaru Magai
勝 真貝
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Ricoh Co Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光エネルギーの利用効率の向上と太陽光照射
下における耐候性の向上が同時に図れる太陽電池装置を
提供する。 【解決手段】 支持基板または光電変換材料が有機材料
からなる太陽電池を備えた太陽電池装置において、該太
陽電池の受光側前面に紫外光を可視光に変換する光変換
膜を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光をエネルギー源
として利用する太陽電池装置に関するもので、詳しくは
太陽電池装置における光エネルギーの利用効率の向上と
太陽光照射下での耐久性の向上に関する。
【0002】
【従来の技術】太陽電池用光電変換材料として、結晶S
i、アモルファスSiおよび周期表のII族とVI族または
II族とVI族にさらにI族の物質を加えた無機材料系のも
のが主に実用化されている。一方、有機材料系の光電変
換素子も近年検討されるに至ったが、信頼性特に耐候性
が問題とされている。
【0003】太陽電池は屋外に設置されるケースが多い
が、一般に屋外に設置される有機材料は耐候性が問題と
なる。有機材料の耐候性に関係するのは主に紫外光であ
る。例えば耐候性機能フィルムが「耐候性に影響する紫
外線領域では、一般の高分子材料の劣化を著しく促進さ
せる360〜370nm以下の波長をカットするように
設計されている。」(コンバーテツク,6(1989)
p.4)ことが知られている。これらは、紫外線を選択
吸収する材料を高分子材料の中に添加または吸収させる
ことにより実現されている。
【0004】このような材料としては2ーヒドロキシベ
ンゾフェノン類、2−(2′−ヒドロキシフェニル)ベ
ンゾトリアゾール誘導体などの紫外線吸収剤やヒンダー
ドアミン光安定剤(Hindered−Amine L
ight Stabilizers)、ニッケル錯体な
どの酸化防止剤が知られている(カーク・オスマー化学
大辞典,S.63.9.20発行,P.559)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように、ただ単に太陽光のなかの紫外光領域をカットす
るのでなく、そのエネルギーを利用することができれ
ば、エネルギー利用効率を高めることができる筈であ
る。WO95/17015号公報および実開平7−42
147号公報には発電に寄与しない波長の光を利用する
という同様の考え方のもとに、太陽電池の正面側に、正
面側から入射した光を拡散する拡散透過層を設け、該拡
散透過層に正面側から入射した光の所定の波長領域を吸
収して発光する発光体を含有する太陽電池装置が提案さ
れている。しかし、蛍光体を拡散層に分散含有したのみ
では蛍光体粒子のみの発光であるので、光エネルギーの
利用効率を向上させるまでには至らない。
【0006】本発明はこのような背景に鑑みてなされた
もので、支持基体または光電変換材料に有機材料を用い
た太陽電池を備えた装置において、太陽光照射下におけ
る耐久性を向上させるのみでなく、光エネルギーの利用
効率も向上させ得る太陽電池装置を提供することを目的
とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、第一
に、支持基板または光電変換材料が有機材料からなる太
陽電池を備えた太陽電池装置において、該太陽電池の受
光側前面に紫外光を可視光に変換する光変換膜を配置す
ることを特徴とする太陽電池装置が提供される。
【0008】第二に、上記第一に記載した太陽電池装置
において、上記光変換膜が370nm以下の波長光を吸
収し、370nmを越える波長光に変換するものである
ことを特徴とする太陽電池装置が提供される。
【0009】第三に、上記第一または第二に記載した太
陽電池装置において、上記光変換膜が無機蛍光体材料か
らなることを特徴とする太陽電池装置が提供される。
【0010】第四に、上記第一、第二または第三に記載
した太陽電池装置において、上記光変換膜が複数の島状
であって、該個々の島の端部が傾斜を有し、かつ、該傾
斜面に光反射膜が形成されていることを特徴とする太陽
電池装置が提供される。
【0011】第五に、上記第一、第二、第三または第四
に記載した太陽電池装置において、上記光変換膜が真空
封止されていることを特徴とする太陽電池装置が提供さ
れる。
【0012】第六に、上記第一、第二、第三、第四また
は第五に記載した太陽電池装置に使用されている光変換
膜が提供される。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
上述のように本発明の太陽電池装置は、支持基板または
光電変換材料が有機材料からなる太陽電池を備えた太陽
電池装置において、該太陽電池の受光側前面に紫外光を
可視光に変換する光変換膜を配置することを特徴とす
る。有機材料の劣化を促進させる紫外光を太陽電池を構
成する有機材料に照射せずに、光電変換される範囲の光
に変換して太陽電池に入射するようにすれば劣化が起き
ないのみならず照射する光エネルギーの増加を図ること
ができる。
【0014】図1はこのような考えに基づいて構成され
た太陽電池装置の概念図を示すものである。すなわち、
図は太陽電池2の受光側前面に紫外光を可視光に変換す
る光変換膜3を設けた装置であり、かかる光変換膜3に
太陽光が照射されると可視光は光変換膜3をそのまま通
過して太陽電池2を照射し、太陽光に含まれる紫外光は
光変換膜3を通過する際可視光に変換されて太陽電池2
を照射する。
【0015】このような光変化膜3を構成する材料は、
上記有機材料の劣化を促進させる紫外光の波長は370
nm以下のものであるため、かかる波長域の光を吸収で
きる材料でなければならない。このような光変換はフォ
トルミネッセンスといわれるものであり、具体的な材料
としては蛍光体材料が知られている。物質が吸収する光
エネルギーは価電子帯から伝導帯へ電子の遷移(バンド
間遷移)とエネルギー的に等価である。簡略に表現する
と、光吸収波長λは物質のバンドギャップEgと以下の
関係になっている。
【0016】
【数1】 Eg(eV)=1240/λ(nm) (1)
【0017】式(1)より、370nm以下の波長を吸
収する物質は3.35eVより小さいバンドギャップの
ものでなければならないことが分かる。そのような材料
を以下に列挙する。また、これらの材料に発光中心とな
る付着剤を添加することで発光波長を調整することがで
きる。 酸化亜鉛(ZnO) 励起波長:388nm(Egは3.2eV) セレン化亜鉛(ZnSe) 励起波長:443nm(Egは2.8eV) 硫化カドミウム(CdS) 励起波長:517nm(E
gは2.4eV)この中でも酸化亜鉛に格子欠陥を導入
したもの(ZnO:Zn)は、発光効率、寿命、安定性
の点で特に優れていることが蛍光表示管用蛍光体として
知られている。また、さらに可視光を広くカバーできる
ブロードな発光であるため、本発明の場合にも最適な材
料として使用できる。
【0018】ただ、蛍光体の発光方向は入射点に対し球
状に近いかたちに発散するので、太陽電池受光面以外の
方向に発散した光の一部は境界面での全反射により成膜
した蛍光体層内に閉じこめられてしまうことになり光電
変換に寄与しない。そこで、これらの全反射により閉じ
こめられてしまう光を外に引き出すために、太陽電池受
光面方向に光を取り出す必要がある。本発明ではその構
造として、光変換膜3を島状に形成し、その個々の島の
端部に傾斜をつくり、その傾斜に光反射膜5を形成し
た。
【0019】図2(a)は島状で、かつ、端部に傾斜を
持つ光変化膜3を形成する方法を示すものである。図の
ように傾斜部の形成方法は、蛍光体膜3を形成する際に
基板10の前面にあるギャップをおいて金属マスク4を
設置し成膜すれば、ギャップの部分で回り込みが生じ傾
斜が形成される。次に、図2(b)に示すように、傾斜
部のみ開口した金属マスク40を設置し金属膜(例えば
アルミニウム)を成膜することで光反射膜5が得られ
る。図3はこのようにして形成した島状のパターンでの
蛍光の軌跡を示す。
【0020】光変換膜の保護としては、SiO、SiO
2、Al23、AlNなどを成膜して保護層とすること
ができる。あるいは図4のように真空封止して光変換膜
を保護することが可能である。真空封止の方法は蛍光表
示管の封止方法と全く同じである。フレーム6とフロン
トガラス7をフリットガラスセメント8で封着した後、
真空ポンプにて排気操作を施し、排気用ガラスチューブ
を熱で溶かして真空状態を保持したまま端部封止部9を
閉じる。なお、上記フロントガラス7は光学的な特性と
して光変換膜が吸収する紫外光を透過する性質を有する
ことが必要である。
【0021】
【実施例】以下実施例によりさらに具体的に説明する。 実施例1 洗浄されたガラス基板の表面に、酸化亜鉛(ZnO)薄
膜をスパッタ法により1〜10μmの厚さに成膜した。
成膜の際には、図2(a)に示した傾斜が形成されるよ
うに金属マスク4をセットした。次に、硫化亜鉛(Zn
S)との接触下で520〜580℃の温度条件にて30
〜60分焼成し、酸化亜鉛(ZnO)薄膜中に発光中心
となる格子欠陥を形成した。
【0022】このようにして作製した酸化亜鉛薄膜は3
80nm以下の紫外光を吸収し400〜700nmの可
視光を80〜90%透過する膜であった。また、水銀ラ
ンプの365nmの紫外光を照射すると500〜505
nm付近を中心としたブロードな蛍光を発光することが
確認でき、図5および図6のような分光透過率と発光分
布が得られた。
【0023】その後、反射膜5となるアルミニウムを蛍
光体膜の傾斜部分に、図2(b)に示した金属マスク4
0の設置下でスパッタ法により形成した。さらに、マス
クを取り外してSiO2膜を真空成膜法にて積層した。
【0024】以上のようにして作製した光変換膜は37
0nm以下の紫外線を吸収し、400〜700nmの可
視光に変換していることが認められた。この確認は光源
からの光を回折格子で分光し、その光を光変換膜に照射
して透過してくる光量で紫外線の吸収率を確認した。ま
た、光変換膜に水銀ランプの波長(365nmの光)を
照射して蛍光体を励起した後の蛍光(変換後の光)につ
いて、前記と同様に回折格子で分光し、分光した光を検
出することにより確認した。
【0025】
【発明の効果】以上のように請求項1の太陽電池装置
は、支持基板または光電変換材料が有機材料からなる太
陽電池を備えた太陽電池装置において、該太陽電池の受
光側前面に紫外光を可視光に変換する光変換膜を配置す
るものであり、これによれば該光変換膜により太陽電池
に照射される太陽光中の紫外光が可視光に変換されるた
め、支持基板または光電変換素子が有機材料からなる太
陽電池の耐候性の低下を抑制することができる。またそ
れのみでなく該光変換膜により照射光中の可視光分を増
加させることができ、太陽光エネルギーの利用効率の向
上が図れる。
【0026】請求項2の太陽電池装置は、上記太陽電池
装置において、光変換膜が370nm以下の波長光を吸
収し、370nmを越える波長光に変換するものである
ため、有機材料の耐候性に最も有害となる波長光を吸収
し有害とならない波長光に変換されるので、太陽電池の
耐候性改善を特に有効ならしめることができる。
【0027】請求頃3の太陽電池装置は、上記太陽電池
装置において、上記光変換膜が無機蛍光体材料からなる
ものであるため、従来の紫外線吸収剤と蛍光体粒子を分
散させた拡散透過層に比較し、膜面全体が発光するため
変換の効率が著しく改善される。
【0028】請求項4の太陽電池装置は、上記光変換膜
が複数の島状であって、該個々の島の端部が傾斜を有
し、かつ、該傾斜面に光反射膜が形成されているため、
全反射により蛍光体層内に閉じ込められてしまう光を外
に取り出すことができるため太陽電池装置に入射する光
エネルギーの量を著しく増大することができる。
【0029】請求項5の太陽電池装置は、上記光変換膜
を真空封止するものであり、該真空封止により光変換膜
自体の耐候性を向上させることができる。
【0030】請求項6の光変換膜は上記請求項1〜5の
いずれかに記載した太陽電池装置用光変換膜であり、上
記のごとくこのような光変換膜を太陽電池の受光側前面
に配置することにより太陽電池の耐候性を著しく向上さ
せ、それのみでなく太陽光エネルギー効率の増大を図る
ことができる。さらに該光変換膜は蛍光発光の利用でな
く紫外線カットフィルーターとしても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の太陽電池装置の概念図。
【図2】(a)は光変換膜成膜時の断面図。(b)は光
反射膜成膜時の断面図。
【図3】光取りだしの模式図。
【図4】封止した光変換膜の断面図。
【図5】酸化亜鉛膜の分光透過率。
【図6】酸化亜鉛膜の発光分布。
【符号の説明】
1 支持基板 2 太陽電池 3 光変換膜または蛍光体膜 4 光変換膜成膜時のマスク 5 光反射膜 6 フレーム 7 フロントガラス 8 ガラスセメント 9 端部封止部 10 光変換膜基板 40 光反射膜成膜時のマスク

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 支持基板または光電変換材料が有機材料
    からなる太陽電池を備えた太陽電池装置において、前記
    太陽電池の受光側前面に紫外光を可視光に変換する光変
    換膜を配置することを特徴とする太陽電池装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の太陽電池装置において、
    前記光変換膜が370nm以下の波長光を吸収し、37
    0nmを越える波長光に変換するものであることを特徴
    とする太陽電池装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の太陽電池装置に
    おいて、前記光変換膜が無機蛍光体材料からなることを
    特徴とする太陽電池装置。
  4. 【請求項4】 請求項1、2または3記載の太陽電池装
    置において、前記光変換膜が複数の島状であって、該個
    々の島の端部が傾斜を有し、かつ、該傾斜面に光反射膜
    が形成されていることを特徴とする太陽電池装置。
  5. 【請求項5】 請求項1、2、3または4記載の太陽電
    池装置において、前記光変換膜が真空封止されているこ
    とを特徴とする太陽電池装置。
  6. 【請求項6】 請求項1、2、3、4または5記載の太
    陽電池装置に使用されている光変換膜。
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