JPWO2008105411A1 - 太陽電池モジュール及び太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

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（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。）、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。

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の製造方法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て発電効率を高くしうる太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。

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。
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） 特開２００５−１０１５１３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、通常、太陽電池セル１００の構造としては、光閉じ込め効果のため、シリコン基板にエッチング処理を施すことにより、テクスチャー構造を形成している。しかしながら、開放電圧Ｖ_ｏｃはテクスチャー構造を形成しない方が形成する場合よりも大きい。開放電圧Ｖ_ｏｃは太陽電池セル１００に形成されるｐｎ接合面積に依存し小さい方が高くなるからである。すなわちこれまでの高効率太陽電池セルにおいては、テクスチャー構造を形成することによる電流の増大分が開放電圧Ｖ_ｏｃの低下分を補い上回っていたのである。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、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及びその製造方法の提供を目的とする。

また、本発明は、開放電圧Ｖ_ｏｃの低下を回避することのできる太陽電池モジュール及びその製造方法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ｎ_１、第２の屈折率ｎ_２、・・・第ｍの屈折率ｎ_ｍとすると、ｎ_１≦ｎ_２≦・・・≦ｎ_ｍ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集光フィルムであって、その屈折率を１．６〜２．４とする。

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。

ただし、Ｔは透過率、Ｌはフィルム平均厚み（μｍ）である。

また、前記入射光を電力に変換する太陽電池セル上であって前記集光フィルムとの間に、前記光透過性層のうちの１層に相当する反射防止膜を形成してなり、前記集光フィルムの屈折率を前記太陽電池セル上の前記反射防止膜の屈折率よりも低くすることが好ましい。

また、前記集光フィルムの屈折率と前記反射防止膜の屈折率を調整することで前記集光フィルムによる太陽電池セルへの光導入効果を上げることが好ましい。

また、前記集光フィルム上に前記入射光の入射側を凹凸形状とする型フィルムを載せたままとし、型フィルムの屈折率を前記集光フィルムの屈折率よりも小さくすることが好ましい。

また、前記集光フィルムが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で構成されることが好ましい。

また、前記入射光を電力に変換する太陽電池セルとして、機械加工によりスライスされて形成された粗の表面を有するシリコン基板に対して主としてスライス時に損傷を受けた表面部を除去するためのエッチングを行った後、積極的には凹凸を形成する処理を行わないで形成する太陽電池セルを用いることが好ましい。

また、前記入射光を電力に変換する太陽電池セルとして、機械加工によりスライスされて形成された粗の表面を有するシリコン基板に対して、主としてスライス時に損傷を受けた表面部を除去するための０．２５ｍｏｌ／ｌの水酸化アルカリを含む水溶液を用いてエッチングを行い、積極的には凹凸を形成する処理を行わないで形成する太陽電池セルを用いることが好ましい。

また、前記太陽電池セルの前記反射防止膜としてＳｉ、Ｎおよび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ことが好ましい。

また、前記反射防止膜として用いる前記窒化シリコン膜は、ＳｉＨ_４とＮＨ_３の混合ガスを原料とするプラズマＣＶＤ法により、上記混合ガス流量比ＮＨ_３／ＳｉＨ_４が０．０５〜１．０、反応室の圧力が０．１〜２Ｔｏｒｒ、成膜時の温度が３００〜５５０℃、プラズマの放電のための周波数が１００ＫＨＺ以上の条件の下で形成することが好ましい。

本発明に係る太陽電池モジュールの製造方法は、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の製造方法において、シリコン基板上に少なくとも入射光の反射を防止する反射防止膜、表面及び裏面電極を形成して太陽電池セルを形成するセル形成工程と、前記セル形成工程で形成された太陽電池セルの前記反射防止膜上に前記入射光を集光する集光フィルムを形成し、また前記太陽電池セルを封止材により封止して太陽電池モジュールを形成するモジュール形成工程とを備え、前記モジュール形成工程では、前記集光フィルムの屈折率を前記反射防止膜の屈折率よりも小さくし、かつ前記封止材の屈折率よりも大きくして前記太陽電池モジュールを形成する。

特に本発明の重要な点は、各層の屈折率の関係であり、前記特許文献１で、集光フィルム単独で屈折率を制御して目的を達成しようというところを、窒化ケイ素膜、酸化チタン膜などのセル上無機膜においても屈折率を制御することにより、より効果を高めようというものである。

本発明では、集光フィルムが光閉じ込め効果を担うため、セルのテクスチャー構造が不要となり、開放電圧Ｖ_ｏｃの低下を回避できるという特徴がある。

本発明によれば、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、開放電圧Ｖ_ｏｃの低下を回避することができる。

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。 太陽電池セルの断面図である。 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。 実施例１のシリコン太陽電池の製造工程を示す図である。 多結晶シリコン太陽電池に集光フィルムを貼り付ける前後の反射率の波長依存性を評価した特性図である。 実施例２のｐ型シリコン基板にテクスチャー構造を形成しない場合の製造工程を示す図である。 実施例４として集光フィルムの形成方法を示すフローチャートである。

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 集光フィルム
３０１ 型フィルム
３０２ 集光フィルムの台座部分
３０３ 集光フィルムの凹凸部分
３０４ ＰＥＴフィルム
３０５ 半硬化状態の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、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。

図３は太陽電池セル１００の詳細な構成を示す断面図である。図３に示すように、太陽電池セル１００の光入射側には、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、ｐ型シリコン基板１０１と、ｎ型層１０３と、反射防止膜１０４と、表面電極１０７と、裏面電極１０８と、ｐ＋層１０９と、前記集光フィルム３００とからなる。集光フィルム３００は、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１０１を用いている。ｐ型シリコン基板１０１の表面にはｎ型層１０３を一様に形成する。

ｎ型層１０３表面には、反射防止膜１０４を一様な厚さに形成する。反射防止膜１０４は、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。

反射防止膜１０４上には表面電極用ペーストを形成し、さらにこの表面電極用ペーストに表面電極１０７を形成する。

反射防止膜１０４上には、集光フィルム３００を貼り付ける。集光フィルム３００は、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、太陽電池セル１００の表面の凹凸に隙間なく追従していてもよい。

また、集光フィルム３００は、その屈折率ｎ_３を１．６〜２．４とする。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、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、１．６〜２．４、好ましくは１．８〜２．２とする。

集光フィルム３００は、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を用いることで高屈折率が図られる。また、集光フィルム３００は、光硬化性にしている。また、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成膜されたものである。さらに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へのラミネート時には、ＰＰなどのセパレータフィルムを剥がした後、セル上へ載せ、真空ラミネートでラミネートする。

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、後述する型フィルムによって形成される。概略的に説明しておくと、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。

なお、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。

図３に示した太陽電池セル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。）、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ｎ_１、第２の屈折率ｎ_２、第３の屈折率ｎ_３、第４の屈折率ｎ_４とすると、ｎ_１≦ｎ_２≦ｎ_３≦ｎ_４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集光フィルム３００である。また、集光フィルム３００は、前述のようにその屈折率ｎ_３を１．６〜２．４とする。

また、集光フィルム３００は、式（２）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。

ただし、Ｔは透過率、Ｌはフィルム平均厚み（μｍ）である。

図２及び図３に示した太陽電池モジュールの製造を考える。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１０３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、集光フィルム３００の屈折率ｎ_２を反射防止膜の屈折率ｎ_３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ｎ_２以下に封止材（第１の層）２０２の屈折率ｎ_１を低くすれば、前述のｎ_１≦ｎ_２≦ｎ_３≦ｎ_４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、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、集光フィルム３００による光導入効果を、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、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１０３、ｐ層１０１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ｎ_１≦ｎ_２≦ｎ_３≦ｎ_４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ｎ_１）。また、集光フィルム３００の屈折率ｎ_２、反射防止膜１０４の屈折率ｎ_３、ｎ型層１０３の屈折率ｎ_４とすると、望ましくは次式のようになる。

ｎ_２＝√(ｎ_１ｎ_３)
ｎ_３＝√(ｎ_２ｎ_４)
およその具体的な数値を入れると、ｎ_１≒１．５、ｎ_４≒３．４からｎ_２≒１．９７、ｎ_３≒２．５９と計算される。

次に、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説明する。図４は型フィルム３０１を集光フィルム３００上に載せた状態を示す図である。型フィルム３０１は、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、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、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、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集光フィルムを用いてもよい。

図５は、型フィルム３０１付き集光フィルム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。集光フィルム３００側を太陽電池セル１００側にして積層されている。つまり、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しており、太陽電池セル１００上に貼り合せ、集光フィルム３００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、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、かつその屈折率が集光フィルム３００における屈折率ｎ_２よりも小さいフィルムである。

本発明では、集光フィルム３００の片面に敷き詰められるように隙間なく多数形成する微細凹または凸部の各々は、微細円錐状もしくは微細多角錐状である。前述した非特許文献２にある無反射構造では、頂角は狭いほど有利であるが、本発明では、集光フィルムを樹脂中に封止し、さらに太陽電池セルに近接させるため、事情が異なる。

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が、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、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。本発明で用いる集光フィルム３００では、図４に示すように、該集光フィルム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、集光フィルム３００に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１．６〜２．４の集光フィルムは、上述のようにセルの凹凸に追従し、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。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である。

すなわち、半硬化状態で、太陽電池セル１００へ真空ラミネートされ、この時点でセル凹凸を完全に埋め込むことができる。つぎにセパレータフィルムを剥がし、集光フィルム本来の微細凹凸形状をもつ型フィルム３０１をさらに真空ラミネートし、形状転写する。この時点で型フィルム３０１を剥離してから硬化しても、型フィルム３０１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。

次に、太陽電池セル１００に集光フィルム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、太陽電池セルに集光フィルムを貼り付ける処理手順を示す図である。集光フィルム３００としては、半硬化状態の高屈折率樹脂組成物３０５を用いる。

半硬化状態の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る。図６ａに示すように半硬化状態の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、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、集光フィルム３００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、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しないが、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。

ここで、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、
（Ｒ^１）_ｎＭ−（ＯＲ^２）_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Ｒ^１及びＲ^２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、水、触媒とも不要で、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。具体的な作製例は、後述する。

以下、実施例について説明する。

実施例１
本発明で用いる太陽電池セルは一般的に製造されている太陽電池であればどんな形態であっても効力を発揮するが、太陽電池モジュールとして更に高効率化を図るための太陽電池セル１００の構造に関し製造工程を含め説明する。

図７はシリコン太陽電池の断面の概略図で主な製造工程を工程順にａ〜ｆとして示している。図７ｆが太陽電池セル１００として完成した状態である。図７において、１０１はｐ型シリコン基板、１０２はテクスチャー構造、１０３はｎ型層、１０４は反射防止膜、１０５は表面電極用銀ペースト、１０６は裏面電極用アルミペースト、１０７は表面電極、１０８は裏面電極、１０９はｐ＋層である。このｐ＋層は電極焼結時に発電能力を改善するＢＳＦ（Back Surface Field）層である。

次いで、図７によって太陽電池セルを製造工程順に説明する。現在最も量産されている太陽電池セルは、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、厚さ数百μｍ厚のｐ型シリコン基板を用いている場合が多い。以下の説明ではｐ型のシリコン結晶系基板を例に説明する。

図７ａはｐ型シリコン基板１０１を示している。次の工程では図７ｂに示すように、鋳造インゴットからスライスした際に発生するシリコン表面のダメージ層を例えば、数〜２０ｗｔ％の苛性ソーダや炭酸苛性ソーダで１０〜２０μｍ厚除去した後、同様のアルカリ低濃度液にＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を添加した溶液で異方性エッチングを行い、シリコン面が出るようにテクスチャー構造１０２を形成する。

太陽電池セルは一般には例えば特許第３６０２３２３号に記載されている様に表面側にはテクスチャー構造を形成することにより高効率化が図られる。

続いて、図７ｃではオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）、窒素、酸素の混合ガス雰囲気において８００〜９００℃で数十分の処理を行って前面表面に一様にｎ型層１０３を形成する。シリコン表面に一様に形成されたｎ型層１０３のシート抵抗の範囲が３０〜８０Ω／ｍｍ^２で良好な太陽電池セルの電気特性が得られる。この際、ｎ型層１０３は基板表面全面に形成されるため裏面側のｎ型層１０３を除去する必要がある。そこで、例えば受光面側ｎ層を保護するために、高分子レジストペーストをスクリーン印刷法で付着乾燥させた後、シリコン裏面等の所望以外のシリコン表面に形成されたｎ型層を、２０ｗｔ％水酸化カリウム溶液中へ数分間浸漬して除去し、レジストを有機溶剤で除去する。

さらに、図７ｄではシリコン窒化膜の反射防止膜１０４をｎ型層１０３表面に一様な厚さ形成する。例えばシリコン窒化膜ではＳｉＨ４とＮＨ３の混合ガスを原料とするプラズマＣＶＤ法により、上記混合ガス流量比ＮＨ３／ＳｉＨ４が０．０５〜１．０、反応室の圧力が０．１〜２Ｔｏｒｒ、成膜時の温度が３００〜５５０℃、プラズマの放電のための周波数が１００ＫＨＺ以上の条件であり、最適な反射防止膜の屈折率の範囲は１．８〜２．７であり膜厚の範囲は７０〜９０ｎｍである。

次に、図７ｅでは表面電極用ペースト１０５をスクリーン印刷法で付着乾燥させる。この場合、表面電極用ペースト１０５が反射防止膜１０４に形成されている。次いで、裏面側においても表面側と同様に、裏面用アルミペースト１０６を印刷乾燥させる。

次いで、図７ｆは電極を焼成し太陽電池セルとして完成した状態である。６００〜９００℃の温度範囲で数分間焼成すると、表面側では表銀ペースト中に含まれているガラス材料によって絶縁膜である反射防止膜が溶融、さらにシリコン表面も一部溶融している間に銀材料がシリコンと接触部を形成し凝固することによって電気的な接触が可能となる。本現象により表銀電極とシリコンの導通が確保されるのである。一方、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層を形成する。

この状態の太陽電池セル上にこれまで述べてきた方法によって集光フィルムを貼り付ける。

図８は多結晶シリコン太陽電池に集光フィルムを貼り付ける前後の反射率の波長依存性を評価したものである。表１にテクスチャー構造を形成した場合に関し集光フィルム貼り付け前後の多結晶シリコン太陽電池セルのＩ−Ｖ特性を示した。集光フィルムを貼り付けることにより短絡電流（Ｊ_ｓｃ）は３２．２２ｍＡ／ｃｍ^２から３２．７８ｍＡ／ｃｍ^２へと増加した。

また、図８に示すように反射率が大幅に低減され、太陽電池セル内への光の吸収が増加しＩ−Ｖ特性としては電流が増大した。電流が増加した分若干開放電圧（Ｖ_ｏｃ）も増加した。変換効率（Ｅ_ｆｆ）では０．３％の改善となった。以上の様に集光フィルム３００を太陽電池セル１００に貼り付けることにより反射率の低減を図り太陽電池モジュールの変換効率を高められることを確認した。

実施例２
集光フィルムを貼り付けない状態の太陽電池セルの構造で最も高効率な構造は表面側にテクスチャー構造を形成し反射を低減させる構造である。実施例１の説明は、従来、高効率が図られた太陽電池セル構造への集光フィルムの効果を示した。

次に、以下の実施例２は集光フィルムを貼り付けることを前提とし、最も高効率な太陽電池セルが得られる場合について説明する。

図９はｐ型シリコン基板１０１にテクスチャー構造を形成しない場合の製造工程を工程順にａ〜ｆとして示す。図９ｆが太陽電池セル１００として完成した状態である。

図９ａはｐシリコン基板１０１を示している。次の工程では図９ｂに示すように、鋳造インゴットからスライスした際に発生するシリコン表面のダメージ層を例えば、数〜２０ｗｔ％の苛性ソーダや炭酸苛性ソーダで１０〜２０μｍ厚除去する。表面には若干の凹凸が存在するがテクスチャー構造を形成する場合よりも平坦である。

続いて、図９ｃでは前述の図７ｃと同様に、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）、窒素、酸素の混合ガス雰囲気において８００〜９００℃で数十分の処理を行って前面表面に一様にｎ型層１０３を形成する。この際、ｎ型層１０３は基板表面全面に形成されるため裏面側のｎ型層１０３を除去する。

さらに、図９ｄでは図７ｄと同様にシリコン窒化膜の反射防止膜１０４をｎ型層１０３表面に一様な厚さ形成する。次に、図９ｅでは図７ｅと同様に表面電極用ペースト１０５をスクリーン印刷法で付着乾燥させる。この場合、表面電極用ペースト１０５が反射防止膜１０４に形成されている。次いで、裏面側においても表面側と同様に、裏面用アルミペースト１０６を印刷乾燥させる。

次いで、図９ｆは図７ｆと同様に電極を焼成し太陽電池セルとして完成した状態である。６００〜９００℃の温度範囲で数分間焼成すると、表面側では表銀ペースト中に含まれているガラス材料によって絶縁膜である反射防止膜が溶融、さらにシリコン表面も一部溶融している間に銀材料がシリコンと接触部を形成し凝固することによって電気的な接触が可能となる。本現象により表銀電極とシリコンの導通が確保されるのである。一方、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層を形成する。この状態の太陽電池セル上にこれまで述べてきた方法によって集光フィルムを貼り付けると、テクスチャー構造が無いほぼ平坦な形で太陽電池セルが完成する。

多結晶シリコン基板を用いた場合、集光フィルムを貼らない状態で、テクスチャー構造形成有無によるＩ−Ｖ特性の比較結果を表２に示す。

この表２では、テクスチャー構造の形成有りの５つのセルと、テクスチャー構造の形成無しの５つのセルの開放電圧Ｖ_ｏｃ、電流Ｊ_ｓｃ、ＦＦ及びＥ_ｆｆの測定結果を示す。

表２に示すように、集光フィルムを貼らない状態ではテクスチャー構造を形成した場合の方がＪ_ｓｃは大きく、Ｖ_ｏｃは小さい。Ｊ_ｓｃはテクスチャー構造の有る方が大きい。これは先にも述べたように、テクスチャー構造が無い場合と比較すると反射率が低減され、光がより多く吸収されるためである。一方、Ｖ_ｏｃはテクスチャー構造を形成しない方が形成する場合よりも大きい。Ｖ_ｏｃは太陽電池セルに形成されるｐｎ接合面積に依存し、面積が小さい方が高くなる。テクスチャー構造を形成しない方が面積は小さいので、Ｖ_ｏｃは高くなる。すなわちこれまでの高効率太陽電池セルにおいては表１に示すように、テクスチャー構造を形成することによる電流の増大分がＶ_ｏｃの低下分を補い上回っていたのである。

ここで集光フィルムを用いる場合、反射防止効果は集光フィルムで賄うことができるので太陽電池セルの構造としては、光閉じ込め構造を適用しないで最適化することが可能となる。すなわち積極的なテクスチャー構造を形成しない場合、前記表１に示すように、Ｖ_ｏｃはテクスチャー構造を形成する場合よりも高くすることができる。原理は先に示したように凹凸が減少することによるｐｎ接合面積の減少である。

前記表１にはテクスチャー構造無しの場合の集光フィルム貼り付け前後のＩ−Ｖ特性を示した。短絡電流Ｊ_ｓｃが増加、開放電圧Ｖ_ｏｃも短絡電流Ｊ_ｓｃの増加分向上している。しかも短絡電流Ｊ_ｓｃは集光フィルムの効果によりテクスチャー構造を形成し集光フィルムを貼り付けた状態とほぼ同等になっている。その結果、集光フィルムを貼り付けた状態ではテクスチャー構造を形成しない方がテクスチャー構造を形成した場合と比較するとＶ_ｏｃ向上分変換効率を向上させることが可能となる。

実施例３
実施例２までは、多結晶シリコン基板を用いた場合であるが、更に鏡面研磨を行った単結晶シリコン基板を用いテクスチャー構造有無の効果を確認した。多結晶シリコンの場合、スライス時のダメージ層を除去する時のアルカリエッチング時に若干の凹凸が残るが、単結晶シリコン基板で鏡面仕様のものを用いれば基板表面は鏡面を用いることが可能になり、基板に鏡面の仕様を用いればテクスチャー構造を形成した場合、ほぼ理想的な凹凸構造が形成できる。従って、多結晶シリコン基板と比較して集光フィルムを用いる場合において、より顕著にテクスチャー構造有無の差を確認することが可能となる。太陽電池セルの製造工程は実施例１，２と同様であり、基板が単結晶シリコン基板を用いたことが異なる点である。

表３は単結晶シリコン基板を用いた場合のテクスチャー構造有無での太陽電池セルのＩ−Ｖ特性を比較したものである。

多結晶シリコン基板を用いた場合と同様にテクスチャー構造を形成した方が形成しない場合と比較するとＶ_ｏｃは低下するもののＪ_ｓｃが大幅に増加しＶ_ｏｃの低下を補い高効率化が図られている。

また、表４は集光フィルムを形成した場合である。

ここでも多結晶シリコン太陽電池セルの場合と同様にてテクスチャー構造有無にかかわらずＪ_ｓｃはほぼ同等であり、テクスチャー構造を形成しない方がＶ_ｏｃが高い分、高効率化が図られることが確認できた。

実施例４
図１０は集光フィルムの形成方法を示すフローチャートである。集光フィルムの形成方法は、いくつかのステップによって形成される。以下、集光フィルムの形成（貼り付け）方法に関して図１０を参照して説明する。

まず、ステップＳ１にて型フィルム用の感光性樹脂組成物の調製を行う。バインダ樹脂（Ａ成分）としてのヒタロイドＨＡ７８８５（日立化成工業社製）：５０重量部、架橋性モノマ（Ｂ成分）としてのファンクリルＦＡ−３２１Ｍ（日立化成工業社製）：５０重量部、及び光開始剤（Ｃ成分）としてのＩＲＧＡＣＵＲＥ１８４（チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製）：３．０重量部、を有機溶媒のメチルエチルケトンに溶かしワニス（感光性樹脂組成物）とした。このワニスをシリコンウエハ上に約５０００Åとなるように膜を形成し、エリプソメーターで屈折率を測定したところ１．４８であった。

次に、ステップＳ２にて型フィルムを作製する。有効面積が１５５ｍｍ角であり、底辺２０μｍ、高さ１０μｍの四角錘が隙間なく形成されている金型上に、上記感光性樹脂組成物を１〜２滴、滴下し、５０μｍ厚の両面易接着処理を施したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（東洋紡社製、Ａ−４３００）をこの上に載せた。樹脂液とＰＥＴフィルムの間に気泡が入らないようにローラーで気泡を取り除き、ＰＥＴ側からＵＶ光を照射した。金型からＰＥＴフィルムを剥がすことにより、凹形状の四角錘型フィルムを得た。

次に、ステップＳ３として集光フィルム用の高屈折樹脂組成物を調製する。撹拌機、温度計、冷却管及び空気ガス導入管を装備した反応容器に空気ガスを導入させた後、２−ヒドロキシエチルアクリレート：１１５部（ヒドロキシル基：１．０当量）、１，９−ノナンジオールと２−メチル−１，８−オクタンジオールとジフェニルカーボネートからなるポリカーボネートジオール（クラレ（株）製、商品名：ＰＮＯＣ−２０００、数平均分子量：約２０００）４０００部（ヒドロキシル基：４．０当量）、ハイドロキノンモノメチルエーテル（和光純薬工業（株）製）０．５部、ジブチル錫ジラウレート（東京ファインケミカル（株）製、商品名：Ｌ１０１）５．０部、トルエン：４０００部を仕込み、７０℃に昇温後、７０〜７５℃で３０分間保温し、これに、４，４’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネ−ト（住友バイエルウレタン（株）製、商品名：デスモジュール Ｗ）６５０部（イソシアネート基：５．０当量）及びトルエン：３００部の混合液体を７０〜７５℃で３時間かけ均一滴下し、反応させた。滴下完了後、７０〜７５℃で約５時間保温して反応させ、ＩＲ測定によりイソシアネートが消失したことを確認した後、反応を終了させた。さらに、イルガキュア−１８４（チバガイギー（株）製）３０部、チタニウムテトライソプロポキシドを８０００部、日立化成工業（株）製ＦＡ−７１２ＨＭを１６００部、第一工業製薬社製ＰＥＴ−３を３２００部、ジエタノールアミンを３０００部を加え攪拌・溶解し、ウレタン系ＵＶ硬化樹脂組成物を得た。

次に、ステップＳ４にて集光（半硬化）フィルムを作製する。ＰＥＴフィルム（基材）の上、に上記集光フィルム用高屈折のウレタン系ＵＶ硬化樹脂組成物をアプリケータにより塗布し、８０〜１００℃の熱風対流式乾燥機を通過させ、約１０分間かけて乾燥し、半硬化状態のフィルムを得た。塗膜上には、セパレータフィルムとして、ＰＰフィルムで半硬化状態のフィルムを保護した。

次に、ステップＳ５にて集光フィルムの凹凸形状を形成する。太陽電池セル上に、上記集光フィルムのセパレータフィルムを剥がしてから載せ、真空ラミネータを用いて、ラミネートした。さらに半硬化状態のフィルムの基材であるＰＥＴを剥がし、上記型フィルムの凹凸面を半硬化状態のフィルムに押し当てるようにして、さらに真空ラミネータに通し、微細な凹凸形状を半硬化状態のフィルムへ転写した。さらに、露光装置により光照射し、フィルムを硬化させ、集光フィルムとした。真空ラミネータは、名機製作所製のものを用い、ラミネート、形状転写条件は、いずれも７５℃、圧力は０．４ＭＰａ、時間は４５秒とした。露光機は、高圧水銀灯で、露光条件は１０００ｍＪ／ｃｍ^２とした。

Claims (11)

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ｎ_１、第２の屈折率ｎ_２、・・・第ｍの屈折率ｎ_ｍとすると、ｎ_１≦ｎ_２≦・・・≦ｎ_ｍ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集光フィルムであって、その屈折率を１．６〜２．４とする
   ことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 以下の式（３）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以下とすることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
   

   

   ただし、Ｔは透過率、Ｌはフィルム平均厚み（μｍ）である。
3. 前記入射光を電力に変換する太陽電池セル上であって前記集光フィルムとの間に、前記光透過性層のうちの１層に相当する反射防止膜を形成してなり、前記集光フィルムの屈折率を前記太陽電池セル上の前記反射防止膜の屈折率よりも低く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。
4. 前記集光フィルムの屈折率と前記反射防止膜の屈折率を調整することで前記集光フィルムによる太陽電池セルへの光導入効果を上げ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。
5. 前記集光フィルム上に前記入射光の入射側を凹凸形状とする型フィルムを載せたままとし、型フィルムの屈折率を前記集光フィルムの屈折率よりも小さく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。
6. 前記集光フィルムが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で構成され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。
7. 前記入射光を電力に変換する太陽電池セルとして、機械加工によりスライスされて形成された粗の表面を有するシリコン基板に対して主としてスライス時に損傷を受けた表面部を除去するためのエッチングを行った後、積極的には凹凸を形成する処理を行わないで形成する太陽電池セルを用い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。
8. 前記入射光を電力に変換する太陽電池セルとして、機械加工によりスライスされて形成された粗の表面を有するシリコン基板に対して、主としてスライス時に損傷を受けた表面部を除去するための０．２５ｍｏｌ／ｌの水酸化アルカリを含む水溶液を用いてエッチングを行い、積極的には凹凸を形成する処理を行わないで形成する太陽電池セルを用い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。
9. 前記太陽電池セルの前記反射防止膜としてＳｉ、Ｎおよび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ことを特徴とする請求項３記載の太陽電池モジュール。
10. 前記反射防止膜として用いる前記窒化シリコン膜は、ＳｉＨ_４とＮＨ_３の混合ガスを原料とするプラズマＣＶＤ法により、上記混合ガス流量比ＮＨ_３／ＳｉＨ_４が０．０５〜１．０、反応室の圧力が０．１〜２Ｔｏｒｒ、成膜時の温度が３００〜５５０℃、プラズマの放電のための周波数が１００ＫＨＺ以上の条件の下で形成することを特徴とする請求項９記載の太陽電池モジュール。
11. 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
    ールの製造方法において、
    シリコン基板上に少なくとも入射光の反射を防止する反射防止膜、表面及び裏面電極を形成して太陽電池セルを形成するセル形成工程と、
    前記セル形成工程で形成された太陽電池セルの前記反射防止膜上に前記入射光を集光する集光フィルムを形成し、また前記太陽電池セルを封止材により封止して太陽電池モジュールを形成するモジュール形成工程とを備え、
    前記モジュール形成工程では、前記集光フィルムの屈折率を前記反射防止膜の屈折率よりも小さくし、かつ前記封止材の屈折率よりも大きくして前記太陽電池モジュールを形成することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。

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