太陽電池モジュール
【課題】本発明は、光の利用効率が従来技術に比して顕著に改良された太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の太陽電池モジュールは、透明基板と；当該透明基板上に形成された第一透明電極層と；当該第一透明電極層上に形成された光電変換層と；当該光電変換層上に形成された第二透明電極層と；当該第二透明電極層上へ透明接合層を介して接合されたカバーシートを有し；当該カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層が形成されており；且つ、当該第一透明電極層の光電変換層側表面および金属薄膜層の透明接合層側表面に凸凹構造が形成されていることを特徴とする。
【解決手段】本発明の太陽電池モジュールは、透明基板と；当該透明基板上に形成された第一透明電極層と；当該第一透明電極層上に形成された光電変換層と；当該光電変換層上に形成された第二透明電極層と；当該第二透明電極層上へ透明接合層を介して接合されたカバーシートを有し；当該カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層が形成されており；且つ、当該第一透明電極層の光電変換層側表面および金属薄膜層の透明接合層側表面に凸凹構造が形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化等の環境問題に対する意識が高まるにつれ、二酸化炭素を排出しない太陽電池の市場が非常に大きな伸びを示している。この太陽電池としては、光起電効果を有する半導体であるシリコンを利用したものが主流である。
【０００３】
シリコンを用いた太陽電池には、単結晶シリコンや多結晶シリコンを用いるシリコン結晶系太陽電池と、アモルファスシリコンや微結晶シリコンなどを用いる薄膜シリコン系太陽電池とがある。シリコン結晶系太陽電池の光電変換層の厚さは数百μｍであり、太陽光の吸収係数は低いものの太陽光を十分に吸収できるので、その発電効率は比較的高い。それに対して薄膜シリコン系太陽電池の光電変換層の厚さは数百ｎｍから数μｍと薄く、シリコン層の質と太陽光の利用効率が十分でないことから、その発電効率は比較的劣る。
【０００４】
しかし、薄膜シリコン系太陽電池はフレキシブル化や軽量化が可能である他、シリコン材料の使用量を結晶系太陽電池に比べて１／１００程度に抑えることができることから、発電コストの低下に寄与し得るものとして大きな期待が寄せられている。以上のことから、薄膜シリコン系太陽電池の光利用効率を高める工夫が為されている。
【０００５】
例えば、太陽電池モジュール内部に凸凹構造を設け、入射光を屈折させたり或いは拡散反射させることにより、光を有効利用することが行われている。
【０００６】
一般的には、薄膜シリコン系太陽電池は主にスーパーストレート型（ｐｉｎ型）とサブストレート型（ｎｉｐ型）に分類される。スーパーストレート型太陽電池は、光入射側に透明基板を設け、その上に透明電極、光電変換層、拡散防止層、金属からなる裏面電極、接合層、バックシートを形成することにより製造される。上記透明電極は、一般的にＣＶＤ法やスパッタリング法などにより金属酸化物からなるエピタキシャル膜として形成される。このエピタキシャル膜は凸凹構造を有し入射光を屈折させることから、光の利用効率は高まる。一方、サブストレート型太陽電池は、光入射側と反対側に基板を設け、その上に金属からなる裏面電極、拡散防止層、光電変換層、透明電極、集電電極を形成し、場合によってはその上を透明な樹脂フィルムやガラス板などにより保護する。この樹脂フィルムなどの表面や裏面電極に凸凹構造を形成することにより、表面反射損失を低減したり、光電変換層を透過した光を拡散反射させることにより、光の利用効率を向上させている。
【０００７】
その他、例えば特許文献１〜２には、光の利用効率を高めるために基板や樹脂フィルム上に凸凹構造を設けた太陽電池モジュールが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３２３７３４号公報
【特許文献２】特開２００３−１８８３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来、太陽電池モジュールの電極や樹脂フィルムなどに凸凹構造を設けて太陽光を屈折または反射させることによって、光の利用効率を高める技術は存在した。
【０００９】
しかし、実用化されている太陽電池モジュールの光利用効率は決して十分ではなかった。より詳しくは、太陽光のうち短波長光はシリコンからなる光電変換層に吸収され易い一方で、長波長光は光電変換層に吸収され難い。このため従来技術では、この透過光を裏面電極などの凸凹構造により拡散反射させてその有効利用を図っていたが、光の利用効率はまだ十分なものではなかった。
【００１０】
そこで本発明は、光の利用効率が従来技術に比して顕著に改良された太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記課題を解決するために、まず太陽電池モジュールの２つの電極層に凸凹構造を設け、且つ裏面電極側の凸凹構造を大きくすることにより光電変換層を透過する長波長光を十分に拡散反射することを考えた。しかし特に薄膜シリコン系太陽電池の場合、光電変換層は非常に薄いため、かかる方法では光電変換層の構造に乱れが生じ、開放電圧やフィルファクタの低下、電流漏れ等の性能低下が起こった。そこで、両方の電極層に凸凹構造を設けつつも電池性能を維持するためには、通常、裏面電極は反射特性の高い金属薄膜で形成されるのに対して、当該電極を透明電極とし、且つ凸凹を有する金属薄膜層が表面に形成されたカバーシートを、接合層を介して当該透明電極に貼り付けることにした。かかる構造であれば、光電変換層を透過した光を効率良く拡散反射させつつ光電変換層で再利用させることができる上に、凸凹構造による光電変換層への悪影響を低減することができる。こうして本発明者は、本発明を完成した。
【００１２】
本発明の太陽電池モジュールは、透明基板と；当該透明基板上に形成された第一透明電極層と；当該第一透明電極層上に形成された光電変換層と；当該光電変換層上に形成された第二透明電極層と；当該第二透明電極層上へ透明接合層を介して接合されたカバーシートを有し；当該カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層が形成されており；且つ、当該第一透明電極層の光電変換層側表面および金属薄膜層の透明接合層側表面に凸凹構造が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
上記太陽電池モジュールにおいては、上記透明基板の外側表面に、さらに凸凹構造が形成されていることが好ましい。かかる凸凹構造により、透明基板の外側における入射光の表面反射損失を抑制でき、光の利用効率がより一層向上する。
【００１４】
また、上記太陽電池モジュールとしては、上記第二透明電極層の透明接合層側表面に、金属製であり且つ線状の集電電極が設けられているものが好適である。かかる集電電極であれば、上記金属薄膜層による透過光の拡散反射を阻害することなく、第二透明電極層の抵抗を低減することができる。かかる効果は、特に第二透明電極層の電気抵抗値が高い場合に有効である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の太陽電池モジュールは、光電変換層への悪影響を低減しつつ、特に従来の太陽電池モジュールでは利用し難かった長波長光を有効に利用できるため、光利用効率が改善されている。従って本発明は、近年需要が益々高まっている太陽電池の性能をより一層向上させ得るものとして、産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の太陽電池モジュールは、透明基板と；当該透明基板上に形成された第一透明電極層と；当該第一透明電極層上に形成された光電変換層と；当該光電変換層上に形成された第二透明電極層と；当該第二透明電極層上へ透明接合層を介して接合されたカバーシートを有し；当該カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層が形成されており；且つ、当該第一透明電極層の光電変換層側表面および金属薄膜層の透明接合層側表面に凸凹構造が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るカバーシートの材質は特に制限されないが、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリビニル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、生分解性プラスチック樹脂などの有機材料；金属などの無機材料を用いることができる。
【００１８】
カバーシートは１種の材質からなる単層フィルムであってもよいが、同種または異種のフィルムを積層した複合フィルムであってもよい。
【００１９】
カバーシートは、その材質や構成によりバックシートとしても機能する。特にガスバアリア性、耐紫外線性、強度に優れる材質を用いた場合、本発明に係る太陽電池モジュールの耐久性は向上する。
【００２０】
カバーシートの厚さは、太陽電池モジュールのサイズなどに応じて適宜調整すればよいが、通常は２５μｍ以上、１ｍｍ以下程度とする。軽量化やコスト低減のためにはカバーシートの厚さは薄い方がよいが、２５μｍ未満であると強度が不十分になるおそれがある。
【００２１】
後述するように、本発明の太陽電池モジュールでは、カバーシート上の金属薄膜層の表面に凸凹を形成する必要がある。そのための手段として、カバーシートの表面に凸凹構造を形成して、この構造を金属薄膜層に反映させることも可能である。
【００２２】
カバーシートに凸凹構造を形成するための方法は特に限定されないが、例えば、サンドブラスト、金型形状を用いた熱転写、化学的なエッチング、無機粒子または有機粒子を含む樹脂ワニスのコーティングなどが挙げられる。
【００２３】
凸凹構造の形状は、太陽電池モジュールの種類や設定などに応じて適宜調整すればよい。通常、凸凹構造の高低差は、Ｒaで１０ｎｍ以上、４μｍ以下程度、隣り合う凸凹構造同士の間隔は１０ｎｍ以上、４μｍ以下程度とする。当該凸凹構造が大きいほど、光拡散効果は高くなるが、大き過ぎると、接着層を介するとはいえ光電変換層に悪影響を及ぼす可能性が生じ得る。また、個々の凸凹構造の形状も特に制限されないが、例えばピラミッド形状、半球状、畝状などを挙げることができる。凸凹構造は、規則的な繰り返し構造であってもよいが、ランダムなものであってもよい。
【００２４】
本発明の太陽電池モジュールでは、カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層を形成する。金属薄膜層の材質は特に制限されないが、光電変換層を透過してきた光を拡散反射する必要があるため、例えば、銀、アルミニウム、ニッケル、金、銅、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、およびこれらの合金などを用いることができる。
【００２５】
当該金属薄膜層は、光電変換層を透過してきた光を拡散反射できれば十分であるため、その厚さは、通常、５０ｎｍ以上程度とする。一方、上限は特に制限されないが、コスト面から通常は２００ｎｍ以下程度とする。
【００２６】
当該金属薄膜層の透明接合層側表面には、凸凹構造を形成する。凸凹構造の形成方法は特に制限されないが、例えば、サンドブラスト、金型形状を用いた熱転写、化学的なエッチングを用いることができる。また、上述したようにカバーシートの表面に凸凹構造を形成した場合には、スパッタリング法や蒸着法などを用いて金属薄膜層を形成することによって、カバーシートの凸凹構造をほぼそのまま金属薄膜層の表面に反映させることも可能である。また、スパッタリング法やメッキ法などで金属薄膜層を形成する場合、自然に凸凹構造が形成されることがある。この凸凹構造が適切なものであれば、これを利用してもよい。
【００２７】
スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などでカバーシート上に金属薄膜層を形成する場合を除き、金属薄膜層は、カバーシートに熱圧着したり、接着剤により接着すればよい。
【００２８】
本発明に係る太陽電池モジュールが適用される太陽電池の種類は特に限定されない。例えば、薄膜シリコン系太陽電池では、アモルファスシリコン太陽電池、アモルファスシリコン／微結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン／アモルファスシリコンゲルマニウム太陽電池、アモルファスシリコン／微結晶シリコン／微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池などに用いることができる。その他にも、例えば、シリコン結晶系太陽電池、シリコン多結晶太陽電池、化合物半導体太陽電池、色素増感太陽電池、有機半導体太陽電池などに用いることができる。上記の中でも、本発明の太陽電池モジュールは、特にスーパーストレート型の薄膜シリコン太陽電池の構成部材として適している。
【００２９】
以下、スーパーストレート型のアモルファスシリコン／微結晶シリコン太陽電池を代表例として、本発明の太陽電池モジュールをさらに説明する。但し、勿論、本発明は以下に限定されるものではなく、以下の説明を基にして公知技術を考慮し、他の太陽電池にも適用することができる。
【００３０】
透明基板としては、ガラス基板、石英基板、透明樹脂フィルムなどを用いることができる。透明基板の厚さは特に制限されないが、２５μｍ以上、１０ｍｍ以下程度とすることができる。
【００３１】
透明基板の外側表面、即ち光入射側にも、凸凹構造を形成してもよい。かかる凸凹構造により、透明基板の外側における入射光の反射を抑制できるので、光の利用効率がより一層向上する。当該凸凹構造は、上記カバーシート表面での凸凹構造と同様に形成することができる。また、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＥＳなどのポリエステル樹脂、環状ポリオレフィン樹脂、透明ポリイミドなど透明性の高い樹脂からなるフィルム上に凸凹構造を形成し、これを透明接合剤により透明基板へ貼り付けてもよい。
【００３２】
また、透明基板の内側表面、即ち第一透明電極層側の表面にも、凸凹構造を形成してもよい。この凸凹構造を第一透明電極層の表面に反映することができるのに加え、当該凸凹構造自体により入射光を拡散させることもでき、光電変換層における光の利用効率が高まる。かかる凸凹構造の形成方法は特に限定されないが、サンドブラスト、金型による転写、化学的なエッチングなどを用いることができ、その他、上記カバーシート表面での凸凹構造の形成方法も適用することができる。また、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＥＳなどのポリエステル樹脂、環状ポリオレフィン樹脂、透明ポリイミドなど透明性の高い樹脂からなるフィルム上に凸凹構造を形成し、これを透明接合剤により透明基板へ貼り付けてもよい。
【００３３】
なお、透明基板における凸凹構造の形状は、カバーシートの表面における凸凹構造と同様のものとすることができる。
【００３４】
上記透明基板上には、第一透明電極層、即ち、２つの電極層のうち光入射側の電極層を形成する。かかる透明電極層の形成には、常法を用いればよい。例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムスズなどからなる１０ｎｍ以上、５μｍ以下程度の層を、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などにより形成すればよい。
【００３５】
当該第一透明電極層の光電変換層側表面には、凸凹構造を形成する。この凸凹構造は、例えば、ＣＶＤ法により透明基板上に透明電極層を構成する金属酸化物の結晶粒を成長させることにより形成することができる。また、透明基板上に凸凹構造を形成しておき、その上にＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などにより第一透明電極層を形成することによって、透明基板の凸凹構造を第一透明電極層に反映させることもできる。第一透明電極層上に凸凹構造の形状は、カバーシートの表面における凸凹構造と同様のものとすることができる。
【００３６】
上記第一透明電極層上には、光電変換層を形成する。かかる光電変換層の形成には、常法を用いればよい。例えば、アモルファスシリコン／微結晶シリコン太陽電池の場合には、まず、ＣＶＤ装置などによりアモルファス型のＰ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層を形成する。その後、微結晶シリコン型のＰ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層を形成する。この際、アモルファス半導体層と微結晶半導体層の中間に透明性導電層を導入してもよい。
【００３７】
上記光電変換層上には、第二透明電極層を形成する。従来の太陽電池モジュールでは、光入射側と反対側の電極層は、高い導電性と共に光を反射させる必要があったことから金属で形成されていた。しかし本発明者が、光電変換層を通過してきた光の利用効率を高めるために裏面の金属電極層に大きな凸凹構造を設けようとしたところ、光電変換層が当該凸凹構造の影響を直接受けることになり、電圧低下などの性能低下が起こってしまった。それに対して本発明では、光入射側と反対側の電極層を共に透明とし、透過光をカバーシート上の金属薄膜層で拡散反射させるので、光電変換層への悪影響を低減しつつ光の有効利用が可能になる。
【００３８】
当該第二透明電極層は、上記第一透明電極層と同様に、スパッタリング法やＣＶＤ法などにより、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタン等の単層または複合層からなる透明導電膜として形成することができる。
【００３９】
上記第二透明電極層上には、金属製であり且つ線状の集電電極を設けてもよい。第二透明電極層は光電変換層上に設けられるが、一般的には、透明導電膜の電気抵抗値を低減するために形成時の温度を高める必要がある。しかしながら、ある一定温度以上では半導体内部のドーピング原子が他の半導体層に拡散してしまい、太陽電池性能が低下するおそれがある。その場合、上記集電電極は非常に有用である。また、上記集電電極を光反射性の高い金属製とすることにより、光利用効率をより一層高めることもできる。
【００４０】
上記集電電極を金属製とするのは、金属製であれば抵抗が低く、また、光を反射することができるからである。
【００４１】
また、かかる集電電極を第二透明電極層の全部を覆うように設けると、透過光は集電電極で全て反射される。よって、この透過光を拡散反射させるためには集電電極の表面に凸凹構造を形成せざるを得ず、この凸凹構造が第二透明電極層に反映され、ひいては光電変換層に悪影響を及ぼす。そこで本発明では、集電電極を線状として、透過光の一部は当該集電電極で反射させ、その他の透過光は凸凹構造が形成された金属薄膜層で拡散反射させる。また、集電電極は線状であることから、拡散反射された光のうち再び集電電極で反射される光は少ない。たとえ集電電極で再び反射されても、かかる光は金属薄膜層で再度乱拡散反射されることになる。
【００４２】
かかる集電電極の具体的な素材としては、導電性と光反射特性の高い金属であれば特に制限されないが、例えば、銀、アルミ、鉄、ニッケル、金、銅、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、およびそれらの合金を用いることができる。
【００４３】
集電電極の形成方法としては、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などを用いることができる。また、コスト低減のために、金属ペーストなどを用いた印刷法を用いることも可能である。
【００４４】
当該集電電極は、例えば図２に示すように櫛形とすることができる。また、集電電極の面積は、第二透明電極層の電気抵抗値の低下を補う程度であればよく、第二透明電極層の抵抗値を考慮して、集電電極を構成する金属線の距離、間隔、太さなどを適宜決定すればよい。
【００４５】
上記金属薄膜層と、上記第二透明電極層は、透明接合層を介して接着する（図１を参照）。この透明接合層は、単に接着する作用効果のみならず、金属薄膜層上に形成された凸凹構造の影響を緩衝する作用効果も有する。
【００４６】
かかる透明接合層を構成する材質は、光電変換層に吸収される光の波長領域内で透明であり且つ金属と透明電極を接着させるものであれば特に制限されないが、第二透明電極層との屈折率差による反射が生じ難い屈折率を有する材質が好適である。例えば、エチレンビニルアセテート、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ乳酸樹脂などを用いることができる。また樹脂内部にフィラー等を分散させ、光学的特性を変更することも可能である。その他、オルガノシラン系材料などの無機材料を用いることもできる。
【００４７】
この透明接合層は、金属薄膜層または第二透明電極層に塗布されるか、或いはシート状の接着層として積層され、直ぐに両者を接着するために用いられものであってもよいが、半硬化状態で保たれて必要な時に完全硬化され、両者を接着するものであってもよい。
【００４８】
当該透明接合層の厚さは適宜調整すればよいが、金属薄膜層表面の凸凹の最大表面粗さ以上であればよい。一方、必要以上に透明接合層を厚くすることは好ましくない。通常は、０．５μｍ以上、５００μｍ以下程度とする。
【００４９】
以上に説明された本発明に係る太陽電池モジュールに太陽光が照射されると、太陽光はまず第一透明電極層上の凸凹構造により拡散される。それによって、直進する場合に比べて光電変換層における光路長が長くなり、光利用効率が高まる。この効果は、特に短波長光で高い。その一方で、長波長光はシリコンからなる光電変換層を通過しやすく、従来の太陽電池モジュールでは十分に利用できなかった。そこで本発明では、光電変換層を透過してしまった光を金属薄膜層の凸凹構造で効果的に拡散反射させて光電変換層に戻し、利用させる。これにより、光利用効率はより一層高まる。この金属薄膜層は、透明接合層を介して第二透明電極層に接着されているので、その凸凹構造による光電変換層への悪影響は低減されている。よって本発明の太陽電池モジュールでは、光利用効率が顕著に高められている一方で、凸凹構造による光電変換層への悪影響は抑制されているので、その性能は非常に優れたものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る太陽電池モジュールの代表例の断面を示す模式図である。
【図２】本発明に係る太陽電池モジュール中、第二透明電極層に設けられた集電電極の模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：カバーシート、 ２：金属薄膜層、 ３：透明接合層、 ４：集電電極、 ５：第二透明電極層、 ６：光電変換層、 ７：第一透明電極層、 ８：透明基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化等の環境問題に対する意識が高まるにつれ、二酸化炭素を排出しない太陽電池の市場が非常に大きな伸びを示している。この太陽電池としては、光起電効果を有する半導体であるシリコンを利用したものが主流である。
【０００３】
シリコンを用いた太陽電池には、単結晶シリコンや多結晶シリコンを用いるシリコン結晶系太陽電池と、アモルファスシリコンや微結晶シリコンなどを用いる薄膜シリコン系太陽電池とがある。シリコン結晶系太陽電池の光電変換層の厚さは数百μｍであり、太陽光の吸収係数は低いものの太陽光を十分に吸収できるので、その発電効率は比較的高い。それに対して薄膜シリコン系太陽電池の光電変換層の厚さは数百ｎｍから数μｍと薄く、シリコン層の質と太陽光の利用効率が十分でないことから、その発電効率は比較的劣る。
【０００４】
しかし、薄膜シリコン系太陽電池はフレキシブル化や軽量化が可能である他、シリコン材料の使用量を結晶系太陽電池に比べて１／１００程度に抑えることができることから、発電コストの低下に寄与し得るものとして大きな期待が寄せられている。以上のことから、薄膜シリコン系太陽電池の光利用効率を高める工夫が為されている。
【０００５】
例えば、太陽電池モジュール内部に凸凹構造を設け、入射光を屈折させたり或いは拡散反射させることにより、光を有効利用することが行われている。
【０００６】
一般的には、薄膜シリコン系太陽電池は主にスーパーストレート型（ｐｉｎ型）とサブストレート型（ｎｉｐ型）に分類される。スーパーストレート型太陽電池は、光入射側に透明基板を設け、その上に透明電極、光電変換層、拡散防止層、金属からなる裏面電極、接合層、バックシートを形成することにより製造される。上記透明電極は、一般的にＣＶＤ法やスパッタリング法などにより金属酸化物からなるエピタキシャル膜として形成される。このエピタキシャル膜は凸凹構造を有し入射光を屈折させることから、光の利用効率は高まる。一方、サブストレート型太陽電池は、光入射側と反対側に基板を設け、その上に金属からなる裏面電極、拡散防止層、光電変換層、透明電極、集電電極を形成し、場合によってはその上を透明な樹脂フィルムやガラス板などにより保護する。この樹脂フィルムなどの表面や裏面電極に凸凹構造を形成することにより、表面反射損失を低減したり、光電変換層を透過した光を拡散反射させることにより、光の利用効率を向上させている。
【０００７】
その他、例えば特許文献１〜２には、光の利用効率を高めるために基板や樹脂フィルム上に凸凹構造を設けた太陽電池モジュールが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３２３７３４号公報
【特許文献２】特開２００３−１８８３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来、太陽電池モジュールの電極や樹脂フィルムなどに凸凹構造を設けて太陽光を屈折または反射させることによって、光の利用効率を高める技術は存在した。
【０００９】
しかし、実用化されている太陽電池モジュールの光利用効率は決して十分ではなかった。より詳しくは、太陽光のうち短波長光はシリコンからなる光電変換層に吸収され易い一方で、長波長光は光電変換層に吸収され難い。このため従来技術では、この透過光を裏面電極などの凸凹構造により拡散反射させてその有効利用を図っていたが、光の利用効率はまだ十分なものではなかった。
【００１０】
そこで本発明は、光の利用効率が従来技術に比して顕著に改良された太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記課題を解決するために、まず太陽電池モジュールの２つの電極層に凸凹構造を設け、且つ裏面電極側の凸凹構造を大きくすることにより光電変換層を透過する長波長光を十分に拡散反射することを考えた。しかし特に薄膜シリコン系太陽電池の場合、光電変換層は非常に薄いため、かかる方法では光電変換層の構造に乱れが生じ、開放電圧やフィルファクタの低下、電流漏れ等の性能低下が起こった。そこで、両方の電極層に凸凹構造を設けつつも電池性能を維持するためには、通常、裏面電極は反射特性の高い金属薄膜で形成されるのに対して、当該電極を透明電極とし、且つ凸凹を有する金属薄膜層が表面に形成されたカバーシートを、接合層を介して当該透明電極に貼り付けることにした。かかる構造であれば、光電変換層を透過した光を効率良く拡散反射させつつ光電変換層で再利用させることができる上に、凸凹構造による光電変換層への悪影響を低減することができる。こうして本発明者は、本発明を完成した。
【００１２】
本発明の太陽電池モジュールは、透明基板と；当該透明基板上に形成された第一透明電極層と；当該第一透明電極層上に形成された光電変換層と；当該光電変換層上に形成された第二透明電極層と；当該第二透明電極層上へ透明接合層を介して接合されたカバーシートを有し；当該カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層が形成されており；且つ、当該第一透明電極層の光電変換層側表面および金属薄膜層の透明接合層側表面に凸凹構造が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
上記太陽電池モジュールにおいては、上記透明基板の外側表面に、さらに凸凹構造が形成されていることが好ましい。かかる凸凹構造により、透明基板の外側における入射光の表面反射損失を抑制でき、光の利用効率がより一層向上する。
【００１４】
また、上記太陽電池モジュールとしては、上記第二透明電極層の透明接合層側表面に、金属製であり且つ線状の集電電極が設けられているものが好適である。かかる集電電極であれば、上記金属薄膜層による透過光の拡散反射を阻害することなく、第二透明電極層の抵抗を低減することができる。かかる効果は、特に第二透明電極層の電気抵抗値が高い場合に有効である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の太陽電池モジュールは、光電変換層への悪影響を低減しつつ、特に従来の太陽電池モジュールでは利用し難かった長波長光を有効に利用できるため、光利用効率が改善されている。従って本発明は、近年需要が益々高まっている太陽電池の性能をより一層向上させ得るものとして、産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の太陽電池モジュールは、透明基板と；当該透明基板上に形成された第一透明電極層と；当該第一透明電極層上に形成された光電変換層と；当該光電変換層上に形成された第二透明電極層と；当該第二透明電極層上へ透明接合層を介して接合されたカバーシートを有し；当該カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層が形成されており；且つ、当該第一透明電極層の光電変換層側表面および金属薄膜層の透明接合層側表面に凸凹構造が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るカバーシートの材質は特に制限されないが、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリビニル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、生分解性プラスチック樹脂などの有機材料；金属などの無機材料を用いることができる。
【００１８】
カバーシートは１種の材質からなる単層フィルムであってもよいが、同種または異種のフィルムを積層した複合フィルムであってもよい。
【００１９】
カバーシートは、その材質や構成によりバックシートとしても機能する。特にガスバアリア性、耐紫外線性、強度に優れる材質を用いた場合、本発明に係る太陽電池モジュールの耐久性は向上する。
【００２０】
カバーシートの厚さは、太陽電池モジュールのサイズなどに応じて適宜調整すればよいが、通常は２５μｍ以上、１ｍｍ以下程度とする。軽量化やコスト低減のためにはカバーシートの厚さは薄い方がよいが、２５μｍ未満であると強度が不十分になるおそれがある。
【００２１】
後述するように、本発明の太陽電池モジュールでは、カバーシート上の金属薄膜層の表面に凸凹を形成する必要がある。そのための手段として、カバーシートの表面に凸凹構造を形成して、この構造を金属薄膜層に反映させることも可能である。
【００２２】
カバーシートに凸凹構造を形成するための方法は特に限定されないが、例えば、サンドブラスト、金型形状を用いた熱転写、化学的なエッチング、無機粒子または有機粒子を含む樹脂ワニスのコーティングなどが挙げられる。
【００２３】
凸凹構造の形状は、太陽電池モジュールの種類や設定などに応じて適宜調整すればよい。通常、凸凹構造の高低差は、Ｒaで１０ｎｍ以上、４μｍ以下程度、隣り合う凸凹構造同士の間隔は１０ｎｍ以上、４μｍ以下程度とする。当該凸凹構造が大きいほど、光拡散効果は高くなるが、大き過ぎると、接着層を介するとはいえ光電変換層に悪影響を及ぼす可能性が生じ得る。また、個々の凸凹構造の形状も特に制限されないが、例えばピラミッド形状、半球状、畝状などを挙げることができる。凸凹構造は、規則的な繰り返し構造であってもよいが、ランダムなものであってもよい。
【００２４】
本発明の太陽電池モジュールでは、カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層を形成する。金属薄膜層の材質は特に制限されないが、光電変換層を透過してきた光を拡散反射する必要があるため、例えば、銀、アルミニウム、ニッケル、金、銅、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、およびこれらの合金などを用いることができる。
【００２５】
当該金属薄膜層は、光電変換層を透過してきた光を拡散反射できれば十分であるため、その厚さは、通常、５０ｎｍ以上程度とする。一方、上限は特に制限されないが、コスト面から通常は２００ｎｍ以下程度とする。
【００２６】
当該金属薄膜層の透明接合層側表面には、凸凹構造を形成する。凸凹構造の形成方法は特に制限されないが、例えば、サンドブラスト、金型形状を用いた熱転写、化学的なエッチングを用いることができる。また、上述したようにカバーシートの表面に凸凹構造を形成した場合には、スパッタリング法や蒸着法などを用いて金属薄膜層を形成することによって、カバーシートの凸凹構造をほぼそのまま金属薄膜層の表面に反映させることも可能である。また、スパッタリング法やメッキ法などで金属薄膜層を形成する場合、自然に凸凹構造が形成されることがある。この凸凹構造が適切なものであれば、これを利用してもよい。
【００２７】
スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などでカバーシート上に金属薄膜層を形成する場合を除き、金属薄膜層は、カバーシートに熱圧着したり、接着剤により接着すればよい。
【００２８】
本発明に係る太陽電池モジュールが適用される太陽電池の種類は特に限定されない。例えば、薄膜シリコン系太陽電池では、アモルファスシリコン太陽電池、アモルファスシリコン／微結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン／アモルファスシリコンゲルマニウム太陽電池、アモルファスシリコン／微結晶シリコン／微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池などに用いることができる。その他にも、例えば、シリコン結晶系太陽電池、シリコン多結晶太陽電池、化合物半導体太陽電池、色素増感太陽電池、有機半導体太陽電池などに用いることができる。上記の中でも、本発明の太陽電池モジュールは、特にスーパーストレート型の薄膜シリコン太陽電池の構成部材として適している。
【００２９】
以下、スーパーストレート型のアモルファスシリコン／微結晶シリコン太陽電池を代表例として、本発明の太陽電池モジュールをさらに説明する。但し、勿論、本発明は以下に限定されるものではなく、以下の説明を基にして公知技術を考慮し、他の太陽電池にも適用することができる。
【００３０】
透明基板としては、ガラス基板、石英基板、透明樹脂フィルムなどを用いることができる。透明基板の厚さは特に制限されないが、２５μｍ以上、１０ｍｍ以下程度とすることができる。
【００３１】
透明基板の外側表面、即ち光入射側にも、凸凹構造を形成してもよい。かかる凸凹構造により、透明基板の外側における入射光の反射を抑制できるので、光の利用効率がより一層向上する。当該凸凹構造は、上記カバーシート表面での凸凹構造と同様に形成することができる。また、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＥＳなどのポリエステル樹脂、環状ポリオレフィン樹脂、透明ポリイミドなど透明性の高い樹脂からなるフィルム上に凸凹構造を形成し、これを透明接合剤により透明基板へ貼り付けてもよい。
【００３２】
また、透明基板の内側表面、即ち第一透明電極層側の表面にも、凸凹構造を形成してもよい。この凸凹構造を第一透明電極層の表面に反映することができるのに加え、当該凸凹構造自体により入射光を拡散させることもでき、光電変換層における光の利用効率が高まる。かかる凸凹構造の形成方法は特に限定されないが、サンドブラスト、金型による転写、化学的なエッチングなどを用いることができ、その他、上記カバーシート表面での凸凹構造の形成方法も適用することができる。また、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＥＳなどのポリエステル樹脂、環状ポリオレフィン樹脂、透明ポリイミドなど透明性の高い樹脂からなるフィルム上に凸凹構造を形成し、これを透明接合剤により透明基板へ貼り付けてもよい。
【００３３】
なお、透明基板における凸凹構造の形状は、カバーシートの表面における凸凹構造と同様のものとすることができる。
【００３４】
上記透明基板上には、第一透明電極層、即ち、２つの電極層のうち光入射側の電極層を形成する。かかる透明電極層の形成には、常法を用いればよい。例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムスズなどからなる１０ｎｍ以上、５μｍ以下程度の層を、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などにより形成すればよい。
【００３５】
当該第一透明電極層の光電変換層側表面には、凸凹構造を形成する。この凸凹構造は、例えば、ＣＶＤ法により透明基板上に透明電極層を構成する金属酸化物の結晶粒を成長させることにより形成することができる。また、透明基板上に凸凹構造を形成しておき、その上にＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などにより第一透明電極層を形成することによって、透明基板の凸凹構造を第一透明電極層に反映させることもできる。第一透明電極層上に凸凹構造の形状は、カバーシートの表面における凸凹構造と同様のものとすることができる。
【００３６】
上記第一透明電極層上には、光電変換層を形成する。かかる光電変換層の形成には、常法を用いればよい。例えば、アモルファスシリコン／微結晶シリコン太陽電池の場合には、まず、ＣＶＤ装置などによりアモルファス型のＰ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層を形成する。その後、微結晶シリコン型のＰ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層を形成する。この際、アモルファス半導体層と微結晶半導体層の中間に透明性導電層を導入してもよい。
【００３７】
上記光電変換層上には、第二透明電極層を形成する。従来の太陽電池モジュールでは、光入射側と反対側の電極層は、高い導電性と共に光を反射させる必要があったことから金属で形成されていた。しかし本発明者が、光電変換層を通過してきた光の利用効率を高めるために裏面の金属電極層に大きな凸凹構造を設けようとしたところ、光電変換層が当該凸凹構造の影響を直接受けることになり、電圧低下などの性能低下が起こってしまった。それに対して本発明では、光入射側と反対側の電極層を共に透明とし、透過光をカバーシート上の金属薄膜層で拡散反射させるので、光電変換層への悪影響を低減しつつ光の有効利用が可能になる。
【００３８】
当該第二透明電極層は、上記第一透明電極層と同様に、スパッタリング法やＣＶＤ法などにより、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタン等の単層または複合層からなる透明導電膜として形成することができる。
【００３９】
上記第二透明電極層上には、金属製であり且つ線状の集電電極を設けてもよい。第二透明電極層は光電変換層上に設けられるが、一般的には、透明導電膜の電気抵抗値を低減するために形成時の温度を高める必要がある。しかしながら、ある一定温度以上では半導体内部のドーピング原子が他の半導体層に拡散してしまい、太陽電池性能が低下するおそれがある。その場合、上記集電電極は非常に有用である。また、上記集電電極を光反射性の高い金属製とすることにより、光利用効率をより一層高めることもできる。
【００４０】
上記集電電極を金属製とするのは、金属製であれば抵抗が低く、また、光を反射することができるからである。
【００４１】
また、かかる集電電極を第二透明電極層の全部を覆うように設けると、透過光は集電電極で全て反射される。よって、この透過光を拡散反射させるためには集電電極の表面に凸凹構造を形成せざるを得ず、この凸凹構造が第二透明電極層に反映され、ひいては光電変換層に悪影響を及ぼす。そこで本発明では、集電電極を線状として、透過光の一部は当該集電電極で反射させ、その他の透過光は凸凹構造が形成された金属薄膜層で拡散反射させる。また、集電電極は線状であることから、拡散反射された光のうち再び集電電極で反射される光は少ない。たとえ集電電極で再び反射されても、かかる光は金属薄膜層で再度乱拡散反射されることになる。
【００４２】
かかる集電電極の具体的な素材としては、導電性と光反射特性の高い金属であれば特に制限されないが、例えば、銀、アルミ、鉄、ニッケル、金、銅、クロム、タンタル、チタン、モリブデン、およびそれらの合金を用いることができる。
【００４３】
集電電極の形成方法としては、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などを用いることができる。また、コスト低減のために、金属ペーストなどを用いた印刷法を用いることも可能である。
【００４４】
当該集電電極は、例えば図２に示すように櫛形とすることができる。また、集電電極の面積は、第二透明電極層の電気抵抗値の低下を補う程度であればよく、第二透明電極層の抵抗値を考慮して、集電電極を構成する金属線の距離、間隔、太さなどを適宜決定すればよい。
【００４５】
上記金属薄膜層と、上記第二透明電極層は、透明接合層を介して接着する（図１を参照）。この透明接合層は、単に接着する作用効果のみならず、金属薄膜層上に形成された凸凹構造の影響を緩衝する作用効果も有する。
【００４６】
かかる透明接合層を構成する材質は、光電変換層に吸収される光の波長領域内で透明であり且つ金属と透明電極を接着させるものであれば特に制限されないが、第二透明電極層との屈折率差による反射が生じ難い屈折率を有する材質が好適である。例えば、エチレンビニルアセテート、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ乳酸樹脂などを用いることができる。また樹脂内部にフィラー等を分散させ、光学的特性を変更することも可能である。その他、オルガノシラン系材料などの無機材料を用いることもできる。
【００４７】
この透明接合層は、金属薄膜層または第二透明電極層に塗布されるか、或いはシート状の接着層として積層され、直ぐに両者を接着するために用いられものであってもよいが、半硬化状態で保たれて必要な時に完全硬化され、両者を接着するものであってもよい。
【００４８】
当該透明接合層の厚さは適宜調整すればよいが、金属薄膜層表面の凸凹の最大表面粗さ以上であればよい。一方、必要以上に透明接合層を厚くすることは好ましくない。通常は、０．５μｍ以上、５００μｍ以下程度とする。
【００４９】
以上に説明された本発明に係る太陽電池モジュールに太陽光が照射されると、太陽光はまず第一透明電極層上の凸凹構造により拡散される。それによって、直進する場合に比べて光電変換層における光路長が長くなり、光利用効率が高まる。この効果は、特に短波長光で高い。その一方で、長波長光はシリコンからなる光電変換層を通過しやすく、従来の太陽電池モジュールでは十分に利用できなかった。そこで本発明では、光電変換層を透過してしまった光を金属薄膜層の凸凹構造で効果的に拡散反射させて光電変換層に戻し、利用させる。これにより、光利用効率はより一層高まる。この金属薄膜層は、透明接合層を介して第二透明電極層に接着されているので、その凸凹構造による光電変換層への悪影響は低減されている。よって本発明の太陽電池モジュールでは、光利用効率が顕著に高められている一方で、凸凹構造による光電変換層への悪影響は抑制されているので、その性能は非常に優れたものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る太陽電池モジュールの代表例の断面を示す模式図である。
【図２】本発明に係る太陽電池モジュール中、第二透明電極層に設けられた集電電極の模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：カバーシート、 ２：金属薄膜層、 ３：透明接合層、 ４：集電電極、 ５：第二透明電極層、 ６：光電変換層、 ７：第一透明電極層、 ８：透明基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と；
当該透明基板上に形成された第一透明電極層と；
当該第一透明電極層上に形成された光電変換層と；
当該光電変換層上に形成された第二透明電極層と；
当該第二透明電極層上へ透明接合層を介して接合されたカバーシートを有し；
当該カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層が形成されており；且つ
当該第一透明電極層の光電変換層側表面および金属薄膜層の透明接合層側表面に凸凹構造が形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
上記透明基板の外側表面に、さらに凸凹構造が形成されている請求項１に記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
上記第二透明電極層の透明接合層側表面に、金属製であり且つ線状の集電電極が設けられている請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１】
透明基板と；
当該透明基板上に形成された第一透明電極層と；
当該第一透明電極層上に形成された光電変換層と；
当該光電変換層上に形成された第二透明電極層と；
当該第二透明電極層上へ透明接合層を介して接合されたカバーシートを有し；
当該カバーシートの透明接合層側表面に金属薄膜層が形成されており；且つ
当該第一透明電極層の光電変換層側表面および金属薄膜層の透明接合層側表面に凸凹構造が形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
上記透明基板の外側表面に、さらに凸凹構造が形成されている請求項１に記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
上記第二透明電極層の透明接合層側表面に、金属製であり且つ線状の集電電極が設けられている請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
【図２】
【図１】
【図１】
【公開番号】特開２０１０−７３８６４（Ｐ２０１０−７３８６４Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３９１８１（Ｐ２００８−２３９１８１）
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（０００１０７３８７）ジャパンゴアテックス株式会社 (121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（０００１０７３８７）ジャパンゴアテックス株式会社 (121)
【Ｆターム（参考）】
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