JPWO2008096711A1 - 太陽電池モジュール及び太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルム - Google Patents

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Abstract

光利用率を向上させることにより、発電効率を向上することのできる太陽電池モジュールを提供する。封止材２０２を第１の層、波長変換型集光フィルム３００を第２の層、反射防止膜１０４を第３の層、ｎ型層を第４の層とし、また各層の各屈折率を第１の屈折率ｎ１、第２の屈折率ｎ２、第３の屈折率ｎ３、第４の屈折率ｎ４とすると、ｎ１≦ｎ２≦ｎ３≦ｎ４が成り立つようにする。第２の層の波長変換型集光フィルム３００は、入射光の入射側の一方の面を凹凸形状とした波長変換型集光フィルムであって、その屈折率を１．６〜２．４とし、かつこの波長変換型集光フィルムが蛍光物質を含み、透明である。

Description

本発明は太陽電池モジュール及び太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルムに関するものであり、更に詳しくは、入射光を効率よく太陽電池セルに導入し、発電に寄与しない波長域の光を、発電に寄与しうる波長域の光に波長変換することにより発電効率を高くしうる太陽電池モジュール及び太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルムに関する。
下記非特許文献１には従来のシリコン結晶系の太陽電池モジュールが開示されている。図１の概略図（断面図）を参照して従来の太陽電池モジュールを説明する。従来の太陽電池モジュールは、太陽電池セル１００と、保護ガラス２０１と、封止材（充填材）２０２と、タブ線２０３と、バックフィルム２０４とからなる。
入射光２０５が入射する側には保護ガラス（カバーガラスともいう）２０１が設けられる。保護ガラス２０１としては、耐衝撃性を重んじて強化ガラスが用いられている。保護ガラス２０１では、次に積層される封止材２０２との密着性をよくするために、片面２０１ｂをエンボス加工による凹凸形状としている。またその凹凸形状は内側、すなわち、図１では保護ガラス２０１の下面に形成されており、太陽電池モジュールの表面２０１ａは平滑である。
封止材２０２は、通常、エチレンビニルアセテートコポリマーを主成分とする樹脂であり、充填材ともいう。封止材２０２は、太陽電池セル１００を封止している。太陽電池セル１００は、保護ガラス２０１及び封止材２０２を介して導入された入射光２０５を電力に変換する。太陽電池セル１００は、例えば多結晶シリコン基板もしくは単結晶シリコン基板を用いている。また、封止材２０２の前記入射側と反対側にはバックフィルム２０４が形成されている。
また、下記特許文献１には、昆虫の目（moth-eye）構造を用いて、斜めを含むあらゆる角度からの外部光を、反射損失を少なくして効率よく、太陽電池セルに取り入れる構成の太陽電池モジュールが開示されている。昆虫の目（moth-eye）構造は、下記非特許文献２に記載されているように、微細な円錐や三角錘、四角錘などの透明形状物を形成することで、反射損失を少なくし効率よく外部光を取り入れる技術である。
また、蛍光物質（発光材料ともいう）を用い、太陽光スペクトルのうち、発電に寄与しない紫外域又は赤外域の光を波長変換することにより、発電に寄与しうる波長域の光を発光する層を太陽電池受光面側に設ける手法は、特許文献２〜１４にあるように多数提案されている。
しかしながら、下記特許文献２〜１４にある提案では、波長変換（発光）層からの発光は、その光の進行方向が制御しえないので、期待するほどの効果は得られない。すなわち、波長変換された光は、あらゆる方向へ光を発するため、層構造の１部分での発光は、セルへ導入されるばかりではなく、入射方向や、それに垂直な層の面方向へも進み、これらは発電に寄与し得ない。
濱川圭弘編「太陽光発電」―最新の技術とシステム―、２０００年、株式会社シーエムシー 豊田宏；"無反射周期構造"、光学、３２巻８号４８９ページ（２００３年） N.Kamata, D.Terunuma, R.Ishii, H.Satoh, S.Aihara, Y.Yaoita, S.Tonsyo, J.Organometallic Chem., 685, 235, 2003. 特開２００５−１０１５１３号公報 特開２０００−３２８０５３号公報 特開平０９−２３０３９６号公報 特開２００３−２４３６８２号公報 特開２００３−２１８３７９号公報 特開平１１−３４５９９３号公報 特開２００６−０２４７１６号公報 特公平０８−００４１４７号公報 特開２００１−０９４１２８号公報 特開２００１−３５２０９１号公報 特開平１０−２６１８１１号公報 特許第２６６０７０５号公報 特開２００６−２６９３７３号公報 特開昭６３−００６８８１号公報 特開２００２−２２５１３３号公報
ところで、前述した従来の太陽電池モジュールでは、太陽電池セル１００と封止材２０２の屈折率差が大きいため、界面で光反射が起きて光（入射光２０５）を効率よく利用できないという課題があった。
また、例えば、シリコン結晶系太陽電池では、太陽光のうち、４００ｎｍよりも短波長、１２００ｎｍよりも長波長の光が有効に利用されず、太陽光エネルギーのうち約５６％が、このスペクトルミスマッチにより光電変換に寄与しないという課題もあった。
本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、光利用効率を向上させることにより、発電効率を上げることのできる太陽電池モジュール及び太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルムの提供を目的とする。
さらに、本発明は、スペクトルミスマッチによる太陽光損失を低減し、光利用効率を高めて発電効率を向上させることのできる太陽電池モジュール及び太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルムの提供を目的とする。
本発明に係る太陽電池モジュールは、前記課題を解決するために、複数の光透過性層を含む部材が積層されてなり入射光に応じて発電する太陽電池モジュールにおいて、前記入射光の入射側から前記複数の光透過性層を、第１の層、第２の層、・・・第ｍの層とし、また各層の各屈折率を第１の屈折率ｎ１、第２の屈折率ｎ２、・・・第ｍの屈折率ｎｍとすると、ｎ１≦ｎ２≦・・・≦ｎｍが成り立ち、さらにこれら光透過性層のうちの少なくとも１層は、前記入射光の入射側を凹凸形状とした波長変換型集光フィルムであって、その屈折率を１．６〜２．４とし、かつこの波長変換型集光フィルムが蛍光物質を含む。
この太陽電池モジュールでは、以下の式（１）で表す、前記集光フィルムの規格化吸光度ａの値を、前記入射光の波長が４００〜１２００ｎｍで、０．１以下とするのが好ましい。
Figure 2008096711
ただし、Ｔは透過率、Ｌはフィルム平均厚み（μｍ）である。
また、前記波長変換型集光フィルムは、前記入射光の入射側を微細な凸又は凹形状の多角錘又は円錐を隙間なく多数敷き詰めるように形成するのが好ましい。
また、前記波長変換型集光フィルムに含まれる蛍光物質が、３００〜４００ｎｍの光を吸収し、４００〜１２００ｎｍの光を発光し、波長変換しうるのが好ましい。
つまり、前記波長変換型集光フィルムは、前記蛍光物質を用いて例えば３００〜４００ｎｍの光を吸収し、４００〜１２００ｎｍの光を発光する。これにより前記波長変換型集光フィルムでは波長変換がなされ、波長４００〜１２００ｎｍの光を太陽電池セルに導き、太陽電池セルに光電変換させる。このためスペクトルミスマッチを克服することができる。
特に、微細な凹凸形状を持つ波長変換型集光フィルムは蛍光物質を含有するので、前記特許文献１他にて採用されている集光フィルム単独で屈折率を制御するという構成よりも、波長変換によりさらに効果を高めることができる構成となっている。さらには、微細な凹凸形状により、光の方向性を制御し、入射光、発光共に太陽電池セルへ効率良く導入することができる。
本発明の太陽電池モジュールは、スペクトルミスマッチによる太陽光損失を低減し、さらに光の進行方向を制御するので、光利用効率を高め、発電効率を向上させることができる。
本発明に係る太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルムは、前記課題を解決するために、複数の光透過性層を含む部材が積層されてなり入射光に応じて発電する太陽電池モジュール用の波長変換型集光フィルムにおいて、前記入射光の入射側から前記複数の光透過性層のうちの少なくとも１層として用いられる波長変換型集光フィルムであり、前記入射光の入射側を凹凸形状とし、かつ前記入射光の入射側から前記複数の光透過性層を、第１の層、第２の層、・・・第ｍの層とし、また各層の各屈折率を第１の屈折率ｎ１、第２の屈折率ｎ２、・・・第ｍの屈折率ｎｍとすると、ｎ１≦ｎ２≦・・・≦ｎｍを成り立たせ、その屈折率を１．６〜２．４とし、かつ蛍光物質を含むことを特徴とする。
また、以下の式（２）で表す、前記波長変換型集光フィルムの規格化吸光度ａの値を、前記入射光の波長が４００〜１２００ｎｍで、０．１以下とするのが好ましい。
Figure 2008096711
ただし、Ｔは透過率、Ｌはフィルム平均厚み（μｍ）である。
また、前記波長変換型集光フィルムは、前記入射光の入射側を微細な凸又は凹形状の多角錘又は円錐を隙間なく多数敷き詰めるように形成するのが好ましい。
また、前記波長変換型集光フィルムに含まれる蛍光物質が、３００〜４００ｎｍの光を吸収し、４００〜１２００ｎｍの光を発光し、波長変換しうるのが好ましい。
つまり、前記波長変換型集光フィルムは、前記蛍光物質を用いて例えば３００〜４００ｎｍの光を吸収し、４００〜１２００ｎｍの光を発光する。これにより前記波長変換型集光フィルムでは波長変換がなされ、波長４００〜１２００ｎｍの光を太陽電池セルに導き、太陽電池セルに光電変換させる。このためスペクトルミスマッチを克服することができる。
本発明の太陽電池モジュールは、入射光の入射側から、第１の層、第２の層、・・・第ｍの層と記すことのできる複数の光透過層の第１の屈折率ｎ１、第２の屈折率ｎ２、・・・第ｍの屈折率ｎｍに、ｎ１≦ｎ２≦・・・≦ｎｍという関係を成り立たせ、さらにこれら光透過性層のうちの少なくとも１層については入射光の入射側を凹凸形状とし、その屈折率を１．６〜２．４とし、かつ蛍光物質を含ませた波長変換型集光フィルムとするので、太陽電池モジュールにおける光利用率（発電効率）を向上させることができる。また、スペクトルミスマッチによる太陽光損失を低減し、光利用効率を高めて発電効率を向上する。
また、本発明に係る太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルムは、蛍光物質を用いて例えば３００〜４００ｎｍの光を吸収し、４００〜１２００ｎｍの光を発光するので効率的な波長変換がなされる。このためスペクトルミスマッチを克服することができる。つまり、蛍光物質を含有するので、従来の集光フィルム単独で屈折率を制御するという構成よりも、波長変換によりさらに効果を高めることができる構成となっている。さらには、微細な凹凸形状により、光の方向性を制御し、入射光、発光共に太陽電池セルへ効率良く導入する
従来の太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の最良の形態の太陽電池モジュールの断面図である。 波長変換型集光フィルム３００の構造を説明するための図である。 型フィルムを集光フィルム上に載せた状態を示す断面図である。 型フィルム付き集光フィルムを太陽電池セル上に貼り付けた太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。 太陽電池セルに集光フィルムを貼り付ける処理手順を示す図である。
符号の説明
１００ 太陽電池セル
１０１ ｐ型シリコン基板
１０２ テクスチャー構造
１０３ ｎ型層
１０４ 反射防止層
２０１ 保護ガラス
２０２ 封止材
３００ 波長変換型集光フィルム
３０１ 型フィルム
３０２ 波長変換型集光フィルムの台座部分
３０３ 波長変換型集光フィルムの凹凸部分
３０４ ＰＥＴフィルム
３０５ 半硬化状態でかつ蛍光物質を含有した高屈折率樹脂組成物層
３０６ ＰＰフィルム
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図２は、シリコン基板を材料とした太陽電池セルを用いた太陽電池モジュールの断面を示す。
この太陽電池モジュールは、入射光２０５の入射側から保護ガラス２０１、封止材２０２、波長変換型集光フィルム３００という複数の光透過性層を透過した入射光を太陽電池セル１００に導入して発電する太陽電池モジュールである。この場合の光透過性層とは、構成を示すものであって、具体的な一例である。他の例としては、光入射側の保護ガラス２０１より前にガラス上反射防止膜を設けることもできる。しかし、ガラス上反射防止膜は、従来の太陽電池モジュールでは、ないものがほとんどであり、本発明においても必須ではない。
波長変換型集光フィルム３００は、入射光が入射する側にある一方の面を凹凸形状とした波長変換型集光フィルムであって、その屈折率を１．６〜２．４とし、かつ蛍光物質を含み、透明である。波長変換型集光フィルム３００の前記一方の面は、微細な凹又は凸部を隙間なく多数敷き詰めるように形成しており、その微細凹又は凸部の各々の形状は、略同一形状の円錐状又は多角錘状である。
例えば、本発明で用いる波長変換型集光フィルムの形成方法としては、セル上に半硬化状態、光硬化性又は熱硬化性のフィルムを、真空ラミネータを用い、貼り付ける。このフィルムは、例えば、チタニウムテトラアルコキシドを用いた有機−無機ハイブリッド材料及び蛍光物質を含むことにより、高屈折率化および波長変換機能が図られる。さらに光硬化性又は熱硬化性であるので、ＰＥＴなどの基材フィルムにキャスト法などによりフィルム状に製膜され、ＰＰなどのセパレータフィルムによりカバーされている。
太陽電池セル１００の光入射側には、波長変換型集光フィルム３００が貼り付けられている。太陽電池セル１００は、例えばｐ型シリコン基板と、ｎ型層と、反射防止膜１０４と、表面電極と、裏面電極と、ｐ＋層とからなっている。太陽電池セルには、前記波長変換型集光フィルム３００が貼り付けられる。波長変換型集光フィルム３００は、太陽電池セル１００の反射防止膜１０４に接触している。
太陽電池セル１００は、多結晶シリコン基板もしくは単結晶シリコン基板を用いたシリコン結晶系の太陽電池セルであり、例えば厚さ数百μｍのｐ型シリコン基板を用いている。ｐ型シリコン基板の表面にはｎ型層を一様に形成する。
反射防止膜１０４は、波長変換型集光フィルム３００によって効率良く集光された入射光の不要な反射を防止するものであり、シリコンＳｉ、窒素Ｎ及び水素Ｈで構成された屈折率が１．８〜２．７の範囲である窒化シリコン膜を用いる。膜厚の範囲は７０〜９０ｎｍである。反射防止膜１０４としては酸化チタン膜を用いてもよい。
波長変換型集光フィルム３００は、前記一方の面である片面側３００ａに前述したように微細な凸又は凹形状の多角錘又は円錐を規則的に多数敷き詰めるように形成している。多角錘は略同一形状である。また、円錐も略同一形状である。この片面側３００ａは、光入射側（入射光２０５が入射する）に形成し、光入射側の反対側３００ｂは太陽電池セル１００の反射防止膜１０４に接触する。また、前述したように他方の面を太陽電池セル１００の表面の凹凸に隙間なく追従させてもいてもよい。
また、波長変換型集光フィルム３００は、その屈折率ｎ３を以下のようにする。あらゆる角度から入り込む外部光（入射光２０５）を反射損失少なく、効率よく太陽電池セル１００内に導入するためには、波長変換型集光フィルム３００における屈折率は封止材２０２の屈折率より高く、かつ太陽電池セル１００上の反射防止膜１０４よりも低くなければならず、１．６〜２．２、好ましくは１．６〜２．０とする。
ｐ型シリコン基板１０１の前記入射側（表面側）と反対の裏面側には裏面用アルミペーストを形成し、さらにその上に裏面電極１０８を形成する。また、裏面側ではアルミペースト中のアルミが裏面側のシリコンと反応してｐ＋層を形成し発電能力を改善するＢＳＦ（Back Surface Field）層１０９を形成する。
波長変換型集光フィルム３００にあっては、あらゆる角度からの入射光を効率よく太陽電池セル内に導入するためには、頂角は狭いほうが有利である。しかし、波長変換型集光フィルム３００と太陽電池セル１００との界面で反射損失がある場合、頂角が狭すぎると反射光は再度外部へ漏れてしまう。反射光を、波長変換型集光フィルム３００によって再度反射させ、うまく太陽電池セル１００に戻すために、理想的には頂角の９０度がよい。頂角が９０度であると、性能、加工精度の点で最も良好な角度といえる。
非特許文献２によれば、底辺の大きさは、使用する最短波長をその材料の屈折率で除した値となっており、例として屈折率を２．０とした場合、太陽電池モジュールでは１７５ｎｍ程度となる。しかし、このような微細構造を得るためには、加工方法も限定される。
しかし、本発明では、このような超微細構造は必要としない。図３は波長変換型集光フィルム３００の構造を説明するための図である。本発明で用いる波長変換型集光フィルム３００では、図３に示すように、該波長変換型集光フィルム３００を台座部分３０２と凹凸部分３０３に分けて考えている。台座部分３０２は、太陽電池セル１００の凹凸形状に追従して埋め込む必要があるため、厚みは凹凸以上なければならない。通常、太陽電池セル１００表面には、テクスチャー構造を施してあり、これの深さが、０〜２０μｍである。一方、波長変換型集光フィルム３００の本質的な部分である規則的に隙間なく多数敷き詰めるように形成した微細凹または凸部の高さは、主として加工上の要請から、１〜１００μｍである。
また、屈折率が１．６〜２．２の波長変換型集光フィルムは、上述のようにセルの凹凸に追従し、波長変換型集光フィルム本来の微細凹凸形状が転写されなければならないことから、半硬化状態の樹脂組成物とすることが重要である。波長変換型集光フィルム３００として高屈折率でかつ形状転写性をみたすものが本発明の、チタニウムテトラアルコキシドを含む、有機−無機ハイブリッド組成物があり、波長変換のために、さらに蛍光物質を含有させる必要がある。
すなわち、波長変換型集光フィルム３００は、半硬化状態のフィルムで、太陽電池セル１００へ真空ラミネートされるか又はポリマ、モノマ、開始剤、溶剤などを配合したワニス状で、セルへ塗布、溶剤乾燥される。この時点で太陽電池セル凹凸を完全に埋め込むことができる。
波長変換型集光フィルム３００が元々フィルム状のものであれば、セパレータフィルムを剥がし、波長変換型集光フィルム本来の微細凹凸形状をもつ型フィルムをさらに真空ラミネートし、形状転写する。
波長変換型集光フィルム３００の前記微細な凸又は凹形状の多角錘又は円錐は、型フィルムによって形成される。先ず、概略的に説明すると、微細凹又は凸部を規則的に隙間なく多数敷き詰めるように形成した型フィルムを集光フィルム３００の上に載せ、もう一度真空ラミネートを用い、形状転写を行う。その後、型フィルムを剥がし、ＵＶ照射により、集光フィルム３００を硬化させる。また、型フィルムを除去せずに集光フィルム３００上に積層させたままとしてもよい。
集光フィルム３００上に微細凹又は凸部を隙間なく多数敷き詰めるように形成するために用いる型フィルムについて詳細に説明する。図４は型フィルム３０１を波長変換型集光フィルム３００上に載せた状態を示す図である。型フィルム３０１は、波長変換型集光フィルム３００の微細凹または凸部側３００ａに、その微細凹または凸部に相補（隙間無く、完全に噛み合う）して接着する微細凸または凹部が隙間なく多数形成されたフィルムであり、波長変換型集光フィルム３００の凹または凸部形成の鋳型となる。
製造手順としては、型フィルム３０１を波長変換型集光フィルム３００の上に載せ、真空ラミネートを用い、形状転写を行う。その後、型フィルム３０１を剥がし、ＵＶ照射により、波長変換型集光フィルム３００を硬化させる。
前記図２は、型フィルム３０１を取り除き、封止材２０２を積層させた構成である。もちろん、空隙を生じさせず、隙間なく波長変換型集光フィルム３００の凹凸を埋めた状態にしている。
また、型フィルム３０１を除去せず、波長変換型集光フィルム３００上に積層させたままにした型フィルム付き波長変換型集光フィルムを用いてもよい。
図５は、型フィルム３０１付き波長変換型集光フィルム３００を太陽電池セル１００上に貼り付けた太陽電池モジュールの構成図である。波長変換型集光フィルム３００側を太陽電池セル１００側にして積層している。つまり、波長変換型集光フィルム３００の片面は、太陽電池セル表面の凹凸に隙間なく追従させ、太陽電池セル１００上に貼り合せる。波長変換型集光フィルム３００の他面３００ａの微細凹または凸部面では用いた型フィルム３０１を除去せずに積層させたままとしている。外観は平滑な型フィルム付き集光フィルムである。ここで用いている型フィルム３０１は、前述したように波長変換型集光フィルム３００の微細凹または凸部側３００ａに、その微細凹または凸部に相補（隙間無く、完全に噛み合う）して接着する微細凸または凹部が隙間なく多数形成され、かつその屈折率が波長変換型集光フィルム３００における屈折率ｎ２よりも小さいフィルムである。
また、波長変換型集光フィルム３００として、ワニス材を用いる場合は、それを太陽電池セル上へ塗布し、溶剤を乾燥させた後で、型フィルムにより形状転写を行う。この時点で型フィルムを剥離してから硬化しても、型フィルムをつけたまま硬化してもよい。
樹脂組成物の硬化方法は、あらかじめ該樹脂組成物に光硬化性を付与しても、熱硬化性を付与してでもよい。
太陽電池セル１００を用いた図２に示す太陽電池モジュールにあって、例えば封止材２０２を第１の層（保護ガラス２０１と封止材２０２とは、屈折率がほぼ同等であるため、光学的に同等と考える。）、波長変換型集光フィルム３００を第２の層、反射防止膜１０４を第３の層、ｎ型層１０３を第４の層とし、また各層の各屈折率を第１の屈折率ｎ１、第２の屈折率ｎ２、第３の屈折率ｎ３、第４の屈折率ｎ４とすると、ｎ１≦ｎ２≦ｎ３≦ｎ４が成り立つようにする。これら光透過性層のうちの１層である第２の層の波長変換型集光フィルム３００は、前述したように入射光２０５の入射側３００ａを凹凸形状としている。詳細には、微細な凸又は凹形状の多角錘又は円錐を多数敷き詰めるように形成した波長変換型集光フィルム３００である。また、波長変換型集光フィルム３００は、前述のようにその屈折率ｎ３を１．６〜２．４とする。
また、波長変換型集光フィルム３００は、式（３）で表す、規格化吸光度ａの値を、前記入射光の波長が４００〜１２００ｎｍで、０．１以下とする。
Figure 2008096711
ただし、Ｔは透過率、Ｌはフィルム平均厚み（μｍ）である。
図２に示した太陽電池モジュールの製造について説明する。理想的には、前記各層の屈折率分布は、連続的で、層の浅い（ここでいう浅いとは入射側から付した第１、第２・・・第ｍという番号の中で小さな番号という意味である。）方から次第に屈折率が高くなるのが望ましい。しかし、前記第３の層である反射防止膜１０４及び前記第４の層であるｎ型層は、太陽電池セル１００を形成するためのセル工程で形成される。それよりも浅い層の保護ガラス２０１、封止材２０２及び波長変換型集光フィルム３００（第１及び第２の層）は、モジュール工程で形成される。このため、各層部材に跨って連続的な屈折率分布を得ることは従来技術では困難であった。
本願発明では、セル工程で形成される反射防止膜１０４と、モジュール工程で形成される波長変換型集光フィルム３００の屈折率を、互いに最適バランスによって調整する。具体的には、波長変換型集光フィルム３００の屈折率ｎ２を反射防止膜１０４の屈折率ｎ３以下に低くする。モジュール工程内にて集光フィルム（第２の層）３００の屈折率ｎ２以下に封止材（第１の層）２０２の屈折率ｎ１を低くすれば、前述のｎ１≦ｎ２≦ｎ３≦ｎ４を達成できる。
ところで、物理的な形状により、連続的な等価屈折率を実現するのが、昆虫の目（ｍｏｔｈ−ｅｙｅ）構造であった。しかし、非特許文献２に見られるように、そこで必要とされる微細な錘形状は導入されるべき光の波長オーダーである。これに対し、本発明は、それほど微細な形状を必要とせず、現実的な金型加工が許される１０μｍ以上であってもかまわない。これは、連続的な等価屈折率分布を得るというよりは、幾何光学で説明される光路および多重反射を利用しているためである。
このように本発明は、特に工程に依存したモジュール層構造上の光学的界面、従来技術の封止材−セル界面での反射損失を低減させ、太陽電池セル１００内への光導入量を増そうというものである。したがって、本発明のもっとも重要な点は、波長変換型集光フィルム３００として封止材２０２よりも高屈折率で、太陽電池セル１００のｐｎ接合部へ最も高効率で光導入を実現できる構成を提供することにある。より具体的には、波長変換型集光フィルム３００による光導入効果を、波長変換型集光フィルム３００とセル１００上反射防止膜１０４の屈折率制御により、最大化を図るものである。
言い換えると、本発明の特徴は、最適な屈折率の構成を、波長変換型集光フィルム３００と太陽電池セル１００の反射防止膜１０４の両方から調整できることである。たとえば、最外層（入射側）になる強化ガラス２０１、その下層の封止材２０２、太陽電池セル内部のｎ層、ｐ層などは、屈折率を変更しにくい。しかし、それらの中間層となる波長変換型集光フィルム３００と反射防止膜１０４で屈折率を調整できることは、前述のｎ１≦ｎ２≦ｎ３≦ｎ４を実現しやすくするものである。
もっとも簡単に考えると、以下のようになる。ここでも、保護ガラス２０１と封止材２０２の屈折率がほぼ同等であるため、光学的に同等であると考える（屈折率ｎ１）。また、波長変換型集光フィルム３００の屈折率ｎ２、反射防止膜１０４の屈折率ｎ３、ｎ型層の屈折率ｎ４とすると、望ましくは次式のようになる。
ｎ２＝√ｎ１ｎ３
ｎ３＝√ｎ２ｎ４
およその具体的な数値を入れると、ｎ１≒１．５、ｎ４≒３．４からｎ２≒１．９７、ｎ３≒２．５９と計算される。
また、波長変換型集光フィルム３００は、波長変換のために、さらに蛍光物質を含有させる必要がある。蛍光物質については後述する。
次に、太陽電池セル１００に波長変換型集光フィルム３００を貼り付ける処理手順について詳細に説明する。図６は、太陽電池セルに波長変換型集光フィルムを貼り付ける処理手順を示す図である。波長変換型集光フィルム３００としては、半硬化状態の蛍光物質を含有した高屈折率樹脂組成物３０５を用いる。
半硬化状態で、かつ蛍光物質を含有した高屈折率樹脂組成物３０５は、チタニウムテトラアルコキシドを用いた有機−無機ハイブリッド材料により、高屈折率化が図られ、さらに光硬化性にしているものであり、かつ蛍光物質を含有している。図６ａに示すように半硬化状態でかつ蛍光物質を含有している高屈折率樹脂組成物３０５は、ＰＥＴフィルム３０４とＰＰフィルム（セパレータフィルム）３０６に挟まれている。具体的な製造処理手順は、ＰＥＴなどの基材フィルム３０４にキャスト法などによりフィルム上に製膜されたもので、さらにＰＰなどのセパレータフィルム３０６によりカバーされている。
次に、図６ｂに示すように、太陽電池セル１００へのラミネート時には、前記蛍光物質を含有した高屈折率樹脂組成物３０５はＰＰなどのセパレータフィルム３０６を剥がした後、太陽電池セル１００上へ載せ、真空ラミネータでラミネートする。
さらに、図６ｃ及び図６ｄに示すように、微細凹または凸部が規則的に隙間なく多数敷き詰めるように形成された型フィルム３０１を前記蛍光物質を含有した高屈折率樹脂組成物３０５に載せ、もう一度真空ラミネータを用い、形状転写を行う。
そして、型フィルム３０１を剥がし、ＵＶ照射により、前記蛍光物質を含有した高屈折率樹脂組成物３０５を硬化させる。このように、形状転写が完了すると、光又は熱で半硬化状態の高屈折率樹脂組成物３０５を硬化させる。このまま型フィルム３０１を波長変換型集光フィルム３００上に残し、保護ガラス２０１、封止材２０２、バックフィルム２０４に挟みモジュール化してもよい。
図６ｅは、図６ｄの状態から型フィルム３０１を剥がした状態を示す。型フィルム３０１を剥がした後、保護ガラス２０１、封止材２０２、バックフィルム２０４に挟みモジュール化してもよい。
このとき、セルのテクスチャー構造が深さ１０μｍで、型フィルム凹凸の深さが１０μｍとすれば、ラミネート前の集光フィルム（半硬化状態の高屈折率フィルム）は少なくとも２０μｍの厚みが必要ということになる。先述の言い方をすれば、波長変換型集光フィルム３００の台座部分３０２が１０μｍ、凹凸部３０３が１０μｍ必要となる。本発明では、テクスチャー構造を積極的に形成する必要はないが、シリコンインゴットからのスライス加工では、少なからず表面に凹凸を伴うため、台座部分３０２はその凹凸の程度に応じて必要となる。
次に、波長変換型集光フィルム３００として用いる、半硬化状態の高屈折率樹脂組成物３０５のような有機−無機ハイブリッド材料について説明する。
本発明では、高屈折率を得るために、ゾルゲル法を用いて有機−無機ハイブリッド材料とする。ゾルゲル法における必須成分は、
（Ｒ１）ｎＭ−（ＯＲ２）ｍ
で表される金属アルコキシドであるが、本発明は、このうちの
Ｔｉ−（ＯＲ）４
で示されるチタニウムテトラアルコキシドを少なくとも一部として用いることである。相補的に、ＭがＺｎ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ及びＣｅから選ばれる金属であってもかまわない。Ｒは、炭素数１〜１０のＲ１及びＲ２はＭに複数個結合しているが、それぞれはすべて同一でも、違っていてもよい。ｎは０以上の整数、ｍは１以上の整数で、ｎ＋ｍは、Ｍの価数に等しい。ゾルゲル法による有機−無機ハイブリッド材料を得るとき、用いる金属アルコキシドは一種類でも複数種類でもよい。
ゾルゲル法を用いて有機−無機ハイブリッド材料を得るには、溶液状にした樹脂組成物中に、金属アルコキシド、水、及び酸（又はアルカリ）触媒を加え、基材に塗布し、溶剤を飛ばし、加熱することにより得られる。ただし、選ばれる金属アルコキシドの反応性によっては、水及び／又は酸（又はアルカリ）触媒が必要でなくなる場合もある。また加熱温度も金属アルコキシドの反応性に依存している。Ｔｉのように反応性の高いものでは、触媒は不要で、加熱温度は１００℃程度の温度でもよい。本発明では、必ずしも（−Ｍ−Ｏ−）の三次元構造は必要ではなく、高屈折率化を実現できればよい。特に酸化チタニウムの三次元構造は、光触媒で用いられるように、半導体となる。しかし、この構造は、光劣化の点で不都合であるため、三次元構造をあえて壊すために、別な金属アルコキシドと併用する手法が有効である。
なお、型フィルム３０１（集光フィルムの凸部形成の鋳型となる型フィルム）は、特開２００２−２２５１３３号公報に記載の方法等により作製することができる。
また、本発明における蛍光物質としては、希土類元素又はそのイオン若しくはその有機金属錯体などが挙げられ、イオンの場合は、無機の母体結晶中へ賦活剤として導入されていてもよい。有機金属錯体の場合は、そのまま前記高屈折樹脂組成物中に分散させることもできる。
希土類元素は、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジウム）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｐｍ（プロメチウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）等がある。
また、本発明における蛍光物質としては、ｎｓ２形イオンと呼ばれる元素を発光中心として結晶母体に賦活されたものでもよい。又はこれらの金属酸化物、有機金属錯体でもよい。これらとしては、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｇａ（ガリウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ａｓ（ヒ素）、Ａｇ（銀）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｓｂ（アンチモン）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、Ｔｌ（タリウム）、Ｐｂ（鉛）、Ｂｉ（ビスマス）等がある。
また、本発明における蛍光物質としては、遷移金属イオンと呼ばれる元素を発光中心として結晶母体に賦活されたものでもよい。又はこれらの金属酸化物、有機金属錯体でもよい。これらとしては、Ｃｒ（クロム）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｎ（マンガン）等がある。
また、本発明における蛍光物質としては、有機蛍光物質を用いることもできる。これらの例としては、フルオランテン、ペリレン、アクリジンオレンジ、ローダミン６Ｇ、ローダミンＢ、ブリルアントサルフォフラビンＦＦ、ベーシックイエローＨＧ、エオシン等が挙げられる。
本発明は、これら蛍光物質を限定するものではなく、目的に応じて選択される。例えば、前記シリコン結晶系太陽電池では、太陽光のうち、４００ｎｍよりも短波長、１２００ｎｍよりも長波長の光が有効に利用されないため、４００ｎｍより短波長の光を吸収し、４００〜１２００ｎｍの光を発光すると好都合である。このような蛍光物質の一例としては、非特許文献３に挙げられているＥｕ（ＴＴＡ）３ｐｈｅｎなどが利用できる。
例えば、アモルファスシリコン太陽電池、ＧａＡｓ太陽電池、ＣＩＳ太陽電池、ＰｂＳ光電変換装置、ＣｄＳ光電変換装置等についても、それらの感度スペクトルに応じて蛍光物質を選択すればよい。
以下、添付図面を参照しながら実施例について説明する。
太陽電池セル上にこれまで述べてきた方法によって波長変換型集光フィルム３００を貼り付ける。
前述した図２は、波長変換型集光フィルム３００を太陽電池セル上に貼り付けてモジュールに組み込んだ場合の概略図であり、型フィルム３０１を太陽電池モジュール内に残さない場合を示した。ただし、図２にあっては接続用タブ線を省略している。
また、図５は型フィルム３０１付波長変換型集光フィルム３００を太陽電池セル１００上に貼り付けた太陽電池モジュールの構成図である。つまり、型フィルム３０１を太陽電池モジュールに残した構成である。ただし、この図５でも、接続用タブ線を省略している。

Claims (8)

  1. 複数の光透過性層を含む部材が積層されてなり入射光に応じて発電する太陽電池モジュールにおいて、
    前記入射光の入射側から前記複数の光透過性層を、第１の層、第２の層、・・・第ｍの層とし、また各層の各屈折率を第１の屈折率ｎ１、第２の屈折率ｎ２、・・・第ｍの屈折率ｎｍとすると、ｎ１≦ｎ２≦・・・≦ｎｍが成り立ち、さらにこれら光透過性層のうちの少なくとも１層は、前記入射光の入射側を凹凸形状とした波長変換型集光フィルムであって、その屈折率を１．６〜２．４とし、かつこの波長変換型集光フィルムが蛍光物質を含む
    ことを特徴とする太陽電池モジュール。
  2. 以下の式（４）で表す、前記波長変換型集光フィルムの規格化吸光度ａの値を、前記入射光の波長が４００〜１２００ｎｍで、０．１以下とすることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
    Figure 2008096711
     ただし、Ｔは透過率、Ｌはフィルム平均厚み（μｍ）である。
  3. 前記波長変換型集光フィルムは、前記入射光の入射側を微細な凸又は凹形状の多角錘又は円錐を隙間なく多数敷き詰めるように形成したことを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記波長変換型集光フィルムに含まれる蛍光物質が、３００〜４００ｎｍの光を吸収し、４００〜１２００ｎｍの光を発光し、波長変換しうる請求項１、２又は３記載の太陽電池モジュール。
  5. 複数の光透過性層を含む部材が積層されてなり入射光に応じて発電する太陽電池モジュール用の波長変換型集光フィルムにおいて、
    前記入射光の入射側から前記複数の光透過性層のうちの少なくとも１層として用いられる波長変換型集光フィルムであり、
    前記入射光の入射側を凹凸形状とし、かつ前記入射光の入射側から前記複数の光透過性層を、第１の層、第２の層、・・・第ｍの層とし、また各層の各屈折率を第１の屈折率ｎ１、第２の屈折率ｎ２、・・・第ｍの屈折率ｎｍとすると、ｎ１≦ｎ２≦・・・≦ｎｍを
    成り立たせ、その屈折率を１．６〜２．４とし、かつ蛍光物質を含む
    ことを特徴とする太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルム。
  6. 以下の式（５）で表す、前記波長変換型集光フィルムの規格化吸光度ａの値を、前記入射光の波長が４００〜１２００ｎｍで、０．１以下とすることを特徴とする請求項５記載の太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルム。
    Figure 2008096711
     ただし、Ｔは透過率、Ｌはフィルム平均厚み（μｍ）である。
  7. 前記波長変換型集光フィルムは、前記入射光の入射側を微細な凸又は凹形状の多角錘又は円錐を隙間なく多数敷き詰めるように形成したことを特徴とする請求項５記載の太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルム。
  8. 前記波長変換型集光フィルムに含まれる蛍光物質が、３００〜４００ｎｍの光を吸収し、４００〜１２００ｎｍの光を発光し、波長変換しうる請求項５、６又は７記載の太陽電池モジュール用波長変換型集光フィルム。
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