波長変換材料を有する封止材シートおよびこれを用いた太陽電池
【課題】太陽電池の光電変換効率を向上する。
【解決手段】前面ガラス２、封止材３、太陽電池セル４及びバックシート５を有する太陽電池モジュールにおいて、封止材３には、近紫外光〜青色光で励起されることにより緑色光〜近赤外光を発光する蛍光体７が混入されており、蛍光体７は３００ｎｍ以上に励起帯が存在し、長波長側の励起端波長が４１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下に存在する。蛍光体７は母体材料がＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から選ばれるいずれか１種または複数種の元素である。この構成は、波長変換の効率が高いため、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。
【解決手段】前面ガラス２、封止材３、太陽電池セル４及びバックシート５を有する太陽電池モジュールにおいて、封止材３には、近紫外光〜青色光で励起されることにより緑色光〜近赤外光を発光する蛍光体７が混入されており、蛍光体７は３００ｎｍ以上に励起帯が存在し、長波長側の励起端波長が４１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下に存在する。蛍光体７は母体材料がＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から選ばれるいずれか１種または複数種の元素である。この構成は、波長変換の効率が高いため、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換材料の技術に関し、特に、蛍光体に近紫外光〜青色光を照射して励起し、発光を起こして波長変換を行い、太陽電池の効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の量子効率は、一般に紫外光〜青色光の領域では緑色光〜近赤外光の領域に比べて低い。従って、太陽電池に到達する光の波長成分のうち、紫外光〜青色光の波長の光を緑色光〜近赤外光の光に波長変換することによって、太陽電池の量子効率の高い波長領域の光を増加させて、太陽電池の効率を向上することができる。従来から太陽電池に光が到達する経路中に波長変換膜を設置することにより、太陽電池の効率が向上することが知られている。
【０００３】
例えば、［特許文献１］では、蛍光着色剤を波長変換材料として用いている。また、［特許文献２］では、希土類錯体含有ＯＲＭＯＳＩＬ複合体を用いている。また、［非特許文献１］では、有機金属錯体を用いている。しかしながら、上記の蛍光着色剤及び有機金属錯体では耐久性が不充分であるため、長期間にわたる太陽電池用波長変換材料としての機能の保持が困難である。また、有機金属錯体の波長変換量子効率は０．６程度と低いことも課題である［非特許文献１］。また、［特許文献３］では蛍光体を用いた太陽電池用波長変換材料が記載されているが、［特許文献３］では具体的な効率向上量の数値が記載されておらず、［特許文献４］でも発電効率の向上の効果は十分ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７３７７号公報
【特許文献２】特開２０００−３２７７１５号公報
【特許文献３】特開２００３−２１８３７９号公報
【特許文献４】特開平７−２０２２４３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】第５８回錯体化学討論会予稿集１ＰＦ−０１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
太陽電池用の波長変換材料に有機金属錯体を用いる場合には、その耐久性を向上することが課題である。また、有機金属錯体の波長変換の量子効率が０．６程度と低いことも課題である。そのため、無機系化合物である蛍光体を太陽電池用波長変換材料として用いる取組みがなされている。しかしながら、従来の波長変換材料の波長変換効率では太陽電池の光電変換効率を十分向上するには至っておらず、光電変換効率をさらに向上することが求められている。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、波長変換材料の波長変換効率を向上し、太陽電池の光電変換効率を向上することができる構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【０００９】
すなわち、本発明の一つの実施の形態における太陽電池モジュールは、前面ガラス、透明樹脂、太陽電池セル及びバックシートを有している。また、前記前面ガラスは太陽電池用の半強化ガラスであり、反射防止膜を有している場合がある。前記透明樹脂には、近紫外光〜青色光で励起されることにより可視光〜近赤外光を発光する蛍光体が混入されており、前記蛍光体は母体材料がＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７で表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から選ばれるいずれか１種または複数種の元素であり、発光中心としてＥｕ、Ｍｎのいずれか一種または複数種の元素が添加されており、波長変換の効率が高い。すなわち、上述のような蛍光体を太陽電池用波長変換蛍光体として用いることによって、光電変換効率の高い太陽電池モジュールを作製することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では波長変換材料の効率が高いため、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。また、本発明では、波長変換材料として蛍光体を使用するが、蛍光体は、安定性に優れているので、信頼性の高い太陽電池モジュールを実現することができる。
【００１１】
また、封止材シートに波長変換材材料である蛍光体を混入させることによって、生産性の優れた、光電変換効率の高い太陽電池モジュールを実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】封止材に波長変換材料を混合した場合の太陽電池モジュールの模式図である。
【図２】封止材と太陽電池素子の間に波長変換層を形成した場合の太陽電池モジュールの模式図である。
【図３】反射防止膜に波長変換材料を混合した場合の太陽電池モジュールの模式図である。
【図４】反射防止膜と前面ガラスの間に波長変換層を形成した場合の太陽電池モジュールの模式図である。
【図５】太陽電池モジュールを集光型太陽電池に取り込んだ場合の集光型太陽光発電装置の模式図である。
【図６】太陽電池の発電電力増加分の波長変換材料励起端波長依存性を示すグラフである。
【図７】光散乱強度の粒径依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の波長変換材料の励起スペクトル及び発光スペクトルである。
【図９】本発明の波長変換材料の発光強度の添加濃度依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜太陽電池モジュールの構造＞
本発明の太陽電池モジュールの構造を図１に示す。太陽電池モジュール１は太陽光が入射する側に設置する前面ガラス２、封止材（透明樹脂）３、太陽電池セル（太陽電池素子）４、及びバックシート５からなり、前面ガラス２の太陽光が入射する側には反射防止膜６が形成されている。反射防止膜はあることが望ましいが、なくてもよい。
【００１４】
前面ガラス２はその成分がガラスのほか、ポリカーボネート、アクリル、ポリエステル、フッ化ポリエチレンなど太陽光の入射を妨げないよう透明であれば、これらの材料のものを用いることもできる。また、封止材３は保護材としての役割があり、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セル４を覆うように配置されている。また、封止材としては、ＥＶＡ（エチレン−ビニル酢酸共重合体）のほか、シリコンのポッテイング材、ポリビニルブチラールなどを用いることもできる。
【００１５】
太陽電池セル４としては、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、薄膜化合物半導体太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池等の様々な太陽電池素子を用いることができる。この太陽電池セル４は太陽電池モジュール１内に１つ乃至複数配置されており、複数配置される場合は電気的にインターコネクタで接続されている。また、バックシート５としては耐候性、高絶縁性、及び強度を持たせるため、金属層及びプラスチックフィルム層を含有することができる。
【００１６】
波長変換材料７は図１に示すように封止材３に混合して用いることができる。この場合には、封止材３が近紫外〜青色光を吸収して、緑色〜近赤外光を放出する波長変換層を構成している。また、波長変換膜を封止材３といっしょに太陽電池モジュールを作製するため、製造工程が簡素化できる。
【００１７】
また、前記波長変換層は、少なくとも太陽光が太陽電池セル４に入射する間に存在していればよく、少なくとも前面ガラス２の受光表面及び前面ガラス２と太陽電池セル４との間のいずれかにあればよい。また、波長変換層は太陽電池セルに入射する光のみ吸収できればよいので、少なくとも太陽電池セル４への太陽光の入射部に変換された光を供給することができる位置に存在していればよく、太陽電池モジュール１の表面積と同じ面積で均一に存在しなくともよい。
【００１８】
従って、太陽電池モジュールの構造としては、図１に示す構成のほか、図２に示すように封止材３の太陽電池セル側に波長変換層８を形成することができる。この場合には波長変換材料から放出された光の太陽電池素子までの距離が短く、光の拡散を抑えることができる。
【００１９】
また、図３に示すように反射防止膜６を設ける場合は、波長変換材料７を反射防止膜６に混練して用いることができる。この場合には、反射防止膜６といっしょに波長変換膜を作製するため製造工程を簡素化できる。また、前面ガラス２による紫外光の吸収がない前面ガラスの表面に波長変換膜を形成するため、紫外光を可視光〜近赤外光に波長変換することができる。
【００２０】
また、図４に示すように反射防止膜６と前面ガラス２の間に波長変換膜８を形成することができる。この場合には前面ガラス２による紫外光の吸収がない表面に波長変換膜８を形成するため、紫外光を可視光〜近赤外に波長変換することができる。
【００２１】
また、上記の構成に集光レンズ９、支持枠１０、基板１１などを用いて図５のように集光型太陽電池として使用することもできる。波長変換材料によってエネルギーの高い短波長の光をエネルギーの低い長波長の光に変換し、太陽電池素子のバンドギャップ以上の過剰なエネルギーが減少するため、集光型太陽電池として用いても太陽電池素子の温度上昇 抑えることができる。
【００２２】
以上のように光が太陽電池に到達するまでの経路中に、蛍光体を含む材料を設置した構造である太陽電池としては、前面ガラス２や封止材３の材料に混合する方法、適当な溶媒に波長変換材料７を配合して所望の箇所に塗布する方法などが考えられ、太陽電池セル４における太陽光の吸収を妨げず、波長変換材料７の機能を損なわない形態であれば、いずれの方法であってもよい。その中でも、図１に示す波長変換材料７を封止材３に混練して用いる方法は製造方法が簡素化でき、波長変換材料７を設置する方法として優れている。
【００２３】
＜波長変換材料としての励起端波長、粒径、添加濃度＞
太陽電池の量子効率は一般に青色光から近紫外光になり、入射する光の波長が短波長になるにつれて低下する。一方、波長変換材料としては蛍光体の量子効率は０．７〜０．９程度のものが用いられる。ここでいう量子効率は、蛍光体への入射光に対する蛍光体からの出射光の割合で、量子効率測定装置によって測定することが出来る。また、蛍光体の発光は等方的であり、太陽電池セルに向かわない後方発光の成分がある。
【００２４】
このため、太陽電池の量子効率の低下と蛍光体の量子効率及び後方発光の割合がトレードオフになる励起帯の波長が存在する。太陽光スペクトル強度のある３００ｎｍ以上に励起帯がある蛍光体の長波長側の励起端波長を変化させた場合の発電電力増加分を試算した結果を図６に示す。ここで、励起端波長とは励起スペクトルにおける長波長側の励起強度が立ち上がる波長のことであり、励起スペクトルのピーク強度の１０％となる波長を示すこととする。
【００２５】
波長変換による発電電力の増加は量子効率０．６〜０．９では励起端波長が３５０〜６７０nmで見られる。発電電力の増加は励起端波長が４３０〜５００nmの時に最も大きい。すなわち、波長変換材料の量子効率が０．６〜０．９であれば、励起端波長が４３０〜５００nmの範囲の波長変換材料を用いることで、太陽電池の発電電力を最大限向上することができ、量子効率が０．７〜０．９であれば、励起端波長が４５０〜５００nmの範囲の波長変換材料を用いることで、太陽電池の発電電力を最大限向上することができる。また、波長変換材料の量子効率が０．７以上の場合には、励起端波長がさらに４１０〜６００ｎｍのものを用いても、従来の有機錯体（量子効率０．６程度）を用いた波長変換の場合より太陽電池の発電電力を向上することができる。
【００２６】
一方、蛍光体では上記の後方発光による損失の他に、光学散乱による損失もあり、その程度は粒径と添加濃度に関係する。波長変換材料の粒径と光散乱強度の関係は、太陽光の波長を５００nmとすると、光散乱強度はミー散乱によりその半分の２５０nmの粒径で最大となる。光散乱強度と粒径の関係を図７に示す。２５０nmより小さい粒径では散乱強度はレイリー散乱に支配され粒径が小さいほど散乱強度は減少し、また２５０nmより大きい粒径では幾何光学散乱に支配され、粒径が大きいほど光散乱強度は低下する。粒径が小さいと光散乱強度は低下するが、蛍光体の発光強度が低下するため、また、粒径が大きすぎると添加濃度を多くする必要があり、封止材の機能を損ねる。粒径の設定にはこれらのことを考慮する必要があるが、10nm〜20μｍの粒径範囲が適当である。
【００２７】
次に、波長変換材料の封止材中への添加濃度としては、太陽光が入射する側において、入射してきた光子が太陽電池セルに達するまでに少なくとも１個の蛍光体粒子が存在し、封止材中に混合された蛍光体に太陽光がまんべんなく当たることが望ましい。
【００２８】
添加濃度が過剰だと光学散乱が増加し、また添加濃度が過少だと波長変換されず素通りする光が増加する。そのため、平均粒径２．３μｍの蛍光体の場合の添加濃度は２重量％となる。また、平均粒径が５．８μｍの蛍光体の場合の添加濃度は５重量％となる。また、平均粒径が１．２μｍの蛍光体の場合には添加濃度は１重量％となる。従って、蛍光体の平均粒径が１〜５μｍの場合には、添加濃度は１〜５重量％となる。つまり、粒径の大きな蛍光体を並べると、蛍光体の重量％は大きくなるということである。ただし、ここでは蛍光体の必要量を計算した結果であり、この量の前後で最適濃度が存在する。
【００２９】
従って、蛍光体の平均粒径をＡ（μｍ）とすれば、最適濃度範囲であるＢ（重量％）は最適濃度２Ａ／２．３の１／２００倍程度から効果が現れ始め、１０倍程度まで効果が見られる。従って、蛍光体の濃度は０．００４Ａ≦Ｂ≦８．７Ａの範囲で良好であり、光のストッピング及び光散乱を考慮すれば、より好ましくは最適濃度２Ａ／２．３の１／１００倍程度から５倍程度の範囲で波長変換の効果が高い。従って、蛍光体の濃度は０．００８Ａ≦Ｂ≦４．３Ａの範囲で最適になる。
【００３０】
＜波長変換材料の作製＞
波長変換材料としては、５００ｎｍ以下の近紫外光〜青色光を５００ｎｍ〜１１００ｎｍの緑色光〜近赤外光に光変換して太陽電池セルに入射させることのできる材料が好ましい。これを可能にする蛍光体はＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７で表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ，Ｃａの中から選ばれるいずれか1種または複数種の元素である。
【００３１】
太陽光スペクトル強度のある３００ｎｍ以上に励起帯があり、量子効率が０．７以上あり、励起端波長が４１０〜６００ｎｍにある材料が好ましい。特に励起端波長が４３０〜５００ｎｍにある材料が最も好ましい。さらに、輝度寿命及び耐湿性の点から、各種ディスプレイ、ランプ、及び白色ＬＥＤ等に用いられる無機蛍光体材料が好ましい。ただし、励起帯が近紫外光〜青色光に分布しているものに限る。本発明では、このような観点から励起帯が近紫外光〜青色光に存在し、さらに光変換効率の高い蛍光体材料組成を選定した。
【００３２】
波長変換材料としてユウロピウムとマンガンを添加した平均粒径５μｍの（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体を用いた。次に、本発明に使用する（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ緑色発光蛍光体の製造方法について述べる。蛍光体原料はBaCO3、CaCO3、MgCO3、Al2O3、Eu2O3、及びMnCO3を用いた。また、フラックスとしてAlF3を用いた。各原料の混合量は以下の通りである。
BaCO3・・・0.814g
CaCO3・・・0.013g
MgCO3・・・0.274g
Al2O3・・・2.549g
Eu2O3・・・0.132g
MnCO3・・・0.201g
AlF3・・・0.004g
【００３３】
BaCO3は、Ca及びEuがBaを置換するものとして、Ca及びEuの分量だけ少ない量とした。また、Eu濃度は15mol%、Mn濃度は35mol%とした。原料を乳鉢にて乾式混合した後にアルミナルツボに原料を充填して管状炉にて１４５０℃、Ｎ２−Ｈ２還元雰囲気（Ｈ２濃度２％）にて３時間、焼成を行った。得られた焼成物をほぐして、目的とする（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ緑色発光蛍光体([Ca]=2.6mol%)を得た。
【００３４】
この蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを図８に示す。励起スペクトルを見ると、３００ｎｍ〜４６０ｎｍにかけて、幅広い領域に励起帯が広がっている。このように励起帯が広いのはＥｕが添加されているためである。また、発光スペクトルを見ると、５１５ｎｍに発光のピークがあり、半値幅が狭くシャープな発光を示している。この発光はＭｎによるものであり、ＥｕからＭｎへのエネルギー移動が起きている。太陽電池における３００ｎｍ〜４６０ｎｍの領域の量子効率は一般に緑色５１５ｎｍにおける量子効率よりも低いため、（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体を用いて波長変換することによって、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。
【００３５】
（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体において、Ｃａ濃度を変化させた試料の３６５ｎｍ励起の発光ピーク強度（５１５ｎｍ）の相対値を図９に示す。（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体の発光ピーク強度はＣａを添加することによってＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体よりも増加した。Ｃａは０．０１mol％程度の極微量の添加によって効果を生ずる。
【００３６】
図９より、Ｃａ濃度は７mol％より小さい範囲において、相対輝度が１００を超えている。したがって、Ｃａ濃度は０．０１mol％より大きく９mol％より小さい範囲が適当であり、より好ましくは０．８mol％より大きく４mol％以下の範囲が適当である。Ｃａ濃度を１mol％とすることによって、相対発光ピーク強度はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体に比べて６％向上した。
【００３７】
また、（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体を作製し、３６５nm励起の発光ピーク強度を測定した。Ｓｒは０．０１mol％程度の極微量の添加によって効果を生ずる。図９より、Ｓｒ濃度は９mol％より小さい範囲において、相対輝度が１００を超えている。したがって、Ｓｒ濃度は０．０１mol％より大きく９mol％より小さい範囲が適当であり、より好ましくは０．８mol％より大きく４mol％以下の範囲が適当である。
【００３８】
図９、において、Ｓｒの量をさらに増加して、１６mol％〜１８mol％において、相対輝度は１００を超える。したがって、この範囲のＳｒの量を使用しても効果を上げることが出来る。Ｓｒ濃度を１mol％とすることによって、相対発光ピーク強度はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体に比べて４％向上した。
【００３９】
また、同様にして（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体を作製し、３６５nm励起の発光ピーク強度を測定した。図９に示すように、Ｃａ濃度は２．６mol％に固定し、Ｓｒの濃度を変化させて相対輝度を評価した。この場合、図９より、Ｓｒの量が８mol％よりも低い領域において、相対輝度が１００を超えており、効果が出ている。Ｓｒの濃度をさらに増加すると、Ｓｒの濃度が１４mol％〜２１mol％の範囲において、相対輝度が１００を超える。また、図９に示すように、Ｃａ濃度を２．６mol％とし、Ｓｒ濃度を１mol％とすることによって、相対発光ピーク強度はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体に比べて７％向上させることが出来る。
【００４０】
このように、（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ、（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ、及び（Ｂａ、Ｓｒ，Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎの蛍光体を波長変換材料として太陽電池パネルに設置することによって、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。
【００４１】
以上のように本発明で用いる蛍光体は、励起波長帯が３００ｎｍ以上に存在し、かつ励起端波長が４３０〜６００ｎｍの範囲に存在し、かつ量子効率は０．７以上と高い。したがって太陽電池の発電効率を向上させることが可能である。
【００４２】
また、本発明に用いられる蛍光体の平均粒径は１０ｎｍ〜２０μｍである。ここで、蛍光体の平均粒径は、以下のように規定することができる。粒子（蛍光体粒子）の平均粒径を調べる方法としては、粒度分布測定装置で測定する方法及び電子顕微鏡で直接観察する方法などがある。電子顕微鏡で調べる場合を例にとると、平均粒径は以下のように算出することができる。
【００４３】
粒子の粒径の変量（・・・、０．８〜１．２μｍ、１．３〜１．７μｍ、１．８〜２．２μｍ、・・・、６．８〜７．２μｍ、７．３〜７．７μｍ、７．８〜８．２μｍ、・・・など）の各区間を階級値（・・・、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、・・・、７．０μｍ、７．５μｍ、８．０μｍ、・・・）で表し、これをｘｉとする。そして、電子顕微鏡で観察された各変量の度数をｆｉで示すことにすれば、平均値Ａは次のように表される。
【００４４】
Ａ＝Σｘｉｆｉ／Σｆｉ＝Σｘｉｆｉ／Ｎ
ただし、Σｆｉ＝Ｎである。本発明の蛍光体では励起帯波長が波長変換材料として適合しているため、太陽電池用波長変換材料として優れた効果を得ることができる。
【００４５】
＜太陽電池モジュールの作製＞
次に、前記波長変換材料を用いて太陽電池モジュールを作製した。透明樹脂（ＥＶＡ）に有機過酸化物、架橋助剤及び接着向上材を少量添加し、０．１重量％の割合で平均粒径６μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を混合して、８０℃に加熱したロールミルを用いて混練した後、２枚のポリエチレンテレフタレート間にプレスを用いて挟んで、厚さ０．５ｍｍのＥＶＡを主成分とした封止材３を作製した。また、前記蛍光体組成は１種または複数種の組成を混合して用いてもよい。
【００４６】
次に、この封止材３を室温まで放冷し、ポリエチレンテレフタレートフィルムを剥がして、前面ガラス２、太陽電池セル４、バックシート５と共に図１のように積層して、１５０℃に設定した真空ラミネータで予備圧着した。予備圧着された積層物を１５５℃のオーブンで３０分間加熱し、架橋及び接着を行って太陽電池パネル１を作製した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池パネルの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。また、蛍光体の輝度寿命は有機金属錯体を用いた場合に比べて向上した。
【００４７】
次に、波長変換材料として平均粒径１０nm〜１００nmの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。蛍光体の平均粒径が１０nm〜１００nmと小さいために、蛍光体の輝度は低いが、散乱も低いので、電流量を５％増加させることが出来る。
【００４８】
次に、波長変換材料として平均粒径５０nm〜２５０nmの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が６％増加した。
【００４９】
次に、波長変換材料として平均粒径２００nm〜５００nmの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が４％増加した。蛍光体の平均粒径２００nm〜５００nmのようにさらに大きくなっているので、輝度は向上するが、図７に示すように、散乱も増加するので、増加する電流量は４％程度となっている。
【００５０】
次に、波長変換材料として平均粒径４００nm〜１μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が４％増加した。蛍光体の平均粒径４００nm〜１μｍのようにさらに大きくなっているので、輝度は向上するが、図７に示すように、散乱も増加するので、増加する電流量は４％程度となっている。
【００５１】
次に、波長変換材料として平均粒径０．８μｍ〜２μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。蛍光体の平均粒径０．８μｍ〜２μｍのようにさらに大きくなっているので、輝度が向上し、また、図７に示すように、散乱は減少に転ずるので、電流量を５％増加させることが出来る。
【００５２】
次に、波長変換材料として平均粒径１μｍ〜５μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。蛍光体の平均粒径１μｍ〜５μｍのようにさらに大きくなっているので、輝度が向上し、また、図７に示すように、散乱は減少に転ずるので、電流量を５％増加させることが出来る。
【００５３】
次に、波長変換材料として平均粒径３μｍ〜２０μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。蛍光体の平均粒径３μｍ〜２０μｍのようにさらに大きくなっているので、輝度が向上し、また、図７に示すように、散乱は減少に転ずるので、電流量を５％増加させることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、薄膜多結晶シリコン太陽電池、薄膜化合物半導体太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池などの太陽電池モジュールに利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 太陽電池モジュール
２ 前面ガラス
３ 封止材
４ 太陽電池素子
５ バックシート
６ 反射防止膜
７ 波長変換材料
８ 波長変換膜
９ 集光レンズ
１０ 支持枠
１１ 基板。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換材料の技術に関し、特に、蛍光体に近紫外光〜青色光を照射して励起し、発光を起こして波長変換を行い、太陽電池の効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の量子効率は、一般に紫外光〜青色光の領域では緑色光〜近赤外光の領域に比べて低い。従って、太陽電池に到達する光の波長成分のうち、紫外光〜青色光の波長の光を緑色光〜近赤外光の光に波長変換することによって、太陽電池の量子効率の高い波長領域の光を増加させて、太陽電池の効率を向上することができる。従来から太陽電池に光が到達する経路中に波長変換膜を設置することにより、太陽電池の効率が向上することが知られている。
【０００３】
例えば、［特許文献１］では、蛍光着色剤を波長変換材料として用いている。また、［特許文献２］では、希土類錯体含有ＯＲＭＯＳＩＬ複合体を用いている。また、［非特許文献１］では、有機金属錯体を用いている。しかしながら、上記の蛍光着色剤及び有機金属錯体では耐久性が不充分であるため、長期間にわたる太陽電池用波長変換材料としての機能の保持が困難である。また、有機金属錯体の波長変換量子効率は０．６程度と低いことも課題である［非特許文献１］。また、［特許文献３］では蛍光体を用いた太陽電池用波長変換材料が記載されているが、［特許文献３］では具体的な効率向上量の数値が記載されておらず、［特許文献４］でも発電効率の向上の効果は十分ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７３７７号公報
【特許文献２】特開２０００−３２７７１５号公報
【特許文献３】特開２００３−２１８３７９号公報
【特許文献４】特開平７−２０２２４３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】第５８回錯体化学討論会予稿集１ＰＦ−０１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
太陽電池用の波長変換材料に有機金属錯体を用いる場合には、その耐久性を向上することが課題である。また、有機金属錯体の波長変換の量子効率が０．６程度と低いことも課題である。そのため、無機系化合物である蛍光体を太陽電池用波長変換材料として用いる取組みがなされている。しかしながら、従来の波長変換材料の波長変換効率では太陽電池の光電変換効率を十分向上するには至っておらず、光電変換効率をさらに向上することが求められている。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、波長変換材料の波長変換効率を向上し、太陽電池の光電変換効率を向上することができる構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【０００９】
すなわち、本発明の一つの実施の形態における太陽電池モジュールは、前面ガラス、透明樹脂、太陽電池セル及びバックシートを有している。また、前記前面ガラスは太陽電池用の半強化ガラスであり、反射防止膜を有している場合がある。前記透明樹脂には、近紫外光〜青色光で励起されることにより可視光〜近赤外光を発光する蛍光体が混入されており、前記蛍光体は母体材料がＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７で表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から選ばれるいずれか１種または複数種の元素であり、発光中心としてＥｕ、Ｍｎのいずれか一種または複数種の元素が添加されており、波長変換の効率が高い。すなわち、上述のような蛍光体を太陽電池用波長変換蛍光体として用いることによって、光電変換効率の高い太陽電池モジュールを作製することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では波長変換材料の効率が高いため、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。また、本発明では、波長変換材料として蛍光体を使用するが、蛍光体は、安定性に優れているので、信頼性の高い太陽電池モジュールを実現することができる。
【００１１】
また、封止材シートに波長変換材材料である蛍光体を混入させることによって、生産性の優れた、光電変換効率の高い太陽電池モジュールを実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】封止材に波長変換材料を混合した場合の太陽電池モジュールの模式図である。
【図２】封止材と太陽電池素子の間に波長変換層を形成した場合の太陽電池モジュールの模式図である。
【図３】反射防止膜に波長変換材料を混合した場合の太陽電池モジュールの模式図である。
【図４】反射防止膜と前面ガラスの間に波長変換層を形成した場合の太陽電池モジュールの模式図である。
【図５】太陽電池モジュールを集光型太陽電池に取り込んだ場合の集光型太陽光発電装置の模式図である。
【図６】太陽電池の発電電力増加分の波長変換材料励起端波長依存性を示すグラフである。
【図７】光散乱強度の粒径依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の波長変換材料の励起スペクトル及び発光スペクトルである。
【図９】本発明の波長変換材料の発光強度の添加濃度依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜太陽電池モジュールの構造＞
本発明の太陽電池モジュールの構造を図１に示す。太陽電池モジュール１は太陽光が入射する側に設置する前面ガラス２、封止材（透明樹脂）３、太陽電池セル（太陽電池素子）４、及びバックシート５からなり、前面ガラス２の太陽光が入射する側には反射防止膜６が形成されている。反射防止膜はあることが望ましいが、なくてもよい。
【００１４】
前面ガラス２はその成分がガラスのほか、ポリカーボネート、アクリル、ポリエステル、フッ化ポリエチレンなど太陽光の入射を妨げないよう透明であれば、これらの材料のものを用いることもできる。また、封止材３は保護材としての役割があり、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セル４を覆うように配置されている。また、封止材としては、ＥＶＡ（エチレン−ビニル酢酸共重合体）のほか、シリコンのポッテイング材、ポリビニルブチラールなどを用いることもできる。
【００１５】
太陽電池セル４としては、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、薄膜化合物半導体太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池等の様々な太陽電池素子を用いることができる。この太陽電池セル４は太陽電池モジュール１内に１つ乃至複数配置されており、複数配置される場合は電気的にインターコネクタで接続されている。また、バックシート５としては耐候性、高絶縁性、及び強度を持たせるため、金属層及びプラスチックフィルム層を含有することができる。
【００１６】
波長変換材料７は図１に示すように封止材３に混合して用いることができる。この場合には、封止材３が近紫外〜青色光を吸収して、緑色〜近赤外光を放出する波長変換層を構成している。また、波長変換膜を封止材３といっしょに太陽電池モジュールを作製するため、製造工程が簡素化できる。
【００１７】
また、前記波長変換層は、少なくとも太陽光が太陽電池セル４に入射する間に存在していればよく、少なくとも前面ガラス２の受光表面及び前面ガラス２と太陽電池セル４との間のいずれかにあればよい。また、波長変換層は太陽電池セルに入射する光のみ吸収できればよいので、少なくとも太陽電池セル４への太陽光の入射部に変換された光を供給することができる位置に存在していればよく、太陽電池モジュール１の表面積と同じ面積で均一に存在しなくともよい。
【００１８】
従って、太陽電池モジュールの構造としては、図１に示す構成のほか、図２に示すように封止材３の太陽電池セル側に波長変換層８を形成することができる。この場合には波長変換材料から放出された光の太陽電池素子までの距離が短く、光の拡散を抑えることができる。
【００１９】
また、図３に示すように反射防止膜６を設ける場合は、波長変換材料７を反射防止膜６に混練して用いることができる。この場合には、反射防止膜６といっしょに波長変換膜を作製するため製造工程を簡素化できる。また、前面ガラス２による紫外光の吸収がない前面ガラスの表面に波長変換膜を形成するため、紫外光を可視光〜近赤外光に波長変換することができる。
【００２０】
また、図４に示すように反射防止膜６と前面ガラス２の間に波長変換膜８を形成することができる。この場合には前面ガラス２による紫外光の吸収がない表面に波長変換膜８を形成するため、紫外光を可視光〜近赤外に波長変換することができる。
【００２１】
また、上記の構成に集光レンズ９、支持枠１０、基板１１などを用いて図５のように集光型太陽電池として使用することもできる。波長変換材料によってエネルギーの高い短波長の光をエネルギーの低い長波長の光に変換し、太陽電池素子のバンドギャップ以上の過剰なエネルギーが減少するため、集光型太陽電池として用いても太陽電池素子の温度上昇 抑えることができる。
【００２２】
以上のように光が太陽電池に到達するまでの経路中に、蛍光体を含む材料を設置した構造である太陽電池としては、前面ガラス２や封止材３の材料に混合する方法、適当な溶媒に波長変換材料７を配合して所望の箇所に塗布する方法などが考えられ、太陽電池セル４における太陽光の吸収を妨げず、波長変換材料７の機能を損なわない形態であれば、いずれの方法であってもよい。その中でも、図１に示す波長変換材料７を封止材３に混練して用いる方法は製造方法が簡素化でき、波長変換材料７を設置する方法として優れている。
【００２３】
＜波長変換材料としての励起端波長、粒径、添加濃度＞
太陽電池の量子効率は一般に青色光から近紫外光になり、入射する光の波長が短波長になるにつれて低下する。一方、波長変換材料としては蛍光体の量子効率は０．７〜０．９程度のものが用いられる。ここでいう量子効率は、蛍光体への入射光に対する蛍光体からの出射光の割合で、量子効率測定装置によって測定することが出来る。また、蛍光体の発光は等方的であり、太陽電池セルに向かわない後方発光の成分がある。
【００２４】
このため、太陽電池の量子効率の低下と蛍光体の量子効率及び後方発光の割合がトレードオフになる励起帯の波長が存在する。太陽光スペクトル強度のある３００ｎｍ以上に励起帯がある蛍光体の長波長側の励起端波長を変化させた場合の発電電力増加分を試算した結果を図６に示す。ここで、励起端波長とは励起スペクトルにおける長波長側の励起強度が立ち上がる波長のことであり、励起スペクトルのピーク強度の１０％となる波長を示すこととする。
【００２５】
波長変換による発電電力の増加は量子効率０．６〜０．９では励起端波長が３５０〜６７０nmで見られる。発電電力の増加は励起端波長が４３０〜５００nmの時に最も大きい。すなわち、波長変換材料の量子効率が０．６〜０．９であれば、励起端波長が４３０〜５００nmの範囲の波長変換材料を用いることで、太陽電池の発電電力を最大限向上することができ、量子効率が０．７〜０．９であれば、励起端波長が４５０〜５００nmの範囲の波長変換材料を用いることで、太陽電池の発電電力を最大限向上することができる。また、波長変換材料の量子効率が０．７以上の場合には、励起端波長がさらに４１０〜６００ｎｍのものを用いても、従来の有機錯体（量子効率０．６程度）を用いた波長変換の場合より太陽電池の発電電力を向上することができる。
【００２６】
一方、蛍光体では上記の後方発光による損失の他に、光学散乱による損失もあり、その程度は粒径と添加濃度に関係する。波長変換材料の粒径と光散乱強度の関係は、太陽光の波長を５００nmとすると、光散乱強度はミー散乱によりその半分の２５０nmの粒径で最大となる。光散乱強度と粒径の関係を図７に示す。２５０nmより小さい粒径では散乱強度はレイリー散乱に支配され粒径が小さいほど散乱強度は減少し、また２５０nmより大きい粒径では幾何光学散乱に支配され、粒径が大きいほど光散乱強度は低下する。粒径が小さいと光散乱強度は低下するが、蛍光体の発光強度が低下するため、また、粒径が大きすぎると添加濃度を多くする必要があり、封止材の機能を損ねる。粒径の設定にはこれらのことを考慮する必要があるが、10nm〜20μｍの粒径範囲が適当である。
【００２７】
次に、波長変換材料の封止材中への添加濃度としては、太陽光が入射する側において、入射してきた光子が太陽電池セルに達するまでに少なくとも１個の蛍光体粒子が存在し、封止材中に混合された蛍光体に太陽光がまんべんなく当たることが望ましい。
【００２８】
添加濃度が過剰だと光学散乱が増加し、また添加濃度が過少だと波長変換されず素通りする光が増加する。そのため、平均粒径２．３μｍの蛍光体の場合の添加濃度は２重量％となる。また、平均粒径が５．８μｍの蛍光体の場合の添加濃度は５重量％となる。また、平均粒径が１．２μｍの蛍光体の場合には添加濃度は１重量％となる。従って、蛍光体の平均粒径が１〜５μｍの場合には、添加濃度は１〜５重量％となる。つまり、粒径の大きな蛍光体を並べると、蛍光体の重量％は大きくなるということである。ただし、ここでは蛍光体の必要量を計算した結果であり、この量の前後で最適濃度が存在する。
【００２９】
従って、蛍光体の平均粒径をＡ（μｍ）とすれば、最適濃度範囲であるＢ（重量％）は最適濃度２Ａ／２．３の１／２００倍程度から効果が現れ始め、１０倍程度まで効果が見られる。従って、蛍光体の濃度は０．００４Ａ≦Ｂ≦８．７Ａの範囲で良好であり、光のストッピング及び光散乱を考慮すれば、より好ましくは最適濃度２Ａ／２．３の１／１００倍程度から５倍程度の範囲で波長変換の効果が高い。従って、蛍光体の濃度は０．００８Ａ≦Ｂ≦４．３Ａの範囲で最適になる。
【００３０】
＜波長変換材料の作製＞
波長変換材料としては、５００ｎｍ以下の近紫外光〜青色光を５００ｎｍ〜１１００ｎｍの緑色光〜近赤外光に光変換して太陽電池セルに入射させることのできる材料が好ましい。これを可能にする蛍光体はＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７で表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ，Ｃａの中から選ばれるいずれか1種または複数種の元素である。
【００３１】
太陽光スペクトル強度のある３００ｎｍ以上に励起帯があり、量子効率が０．７以上あり、励起端波長が４１０〜６００ｎｍにある材料が好ましい。特に励起端波長が４３０〜５００ｎｍにある材料が最も好ましい。さらに、輝度寿命及び耐湿性の点から、各種ディスプレイ、ランプ、及び白色ＬＥＤ等に用いられる無機蛍光体材料が好ましい。ただし、励起帯が近紫外光〜青色光に分布しているものに限る。本発明では、このような観点から励起帯が近紫外光〜青色光に存在し、さらに光変換効率の高い蛍光体材料組成を選定した。
【００３２】
波長変換材料としてユウロピウムとマンガンを添加した平均粒径５μｍの（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体を用いた。次に、本発明に使用する（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ緑色発光蛍光体の製造方法について述べる。蛍光体原料はBaCO3、CaCO3、MgCO3、Al2O3、Eu2O3、及びMnCO3を用いた。また、フラックスとしてAlF3を用いた。各原料の混合量は以下の通りである。
BaCO3・・・0.814g
CaCO3・・・0.013g
MgCO3・・・0.274g
Al2O3・・・2.549g
Eu2O3・・・0.132g
MnCO3・・・0.201g
AlF3・・・0.004g
【００３３】
BaCO3は、Ca及びEuがBaを置換するものとして、Ca及びEuの分量だけ少ない量とした。また、Eu濃度は15mol%、Mn濃度は35mol%とした。原料を乳鉢にて乾式混合した後にアルミナルツボに原料を充填して管状炉にて１４５０℃、Ｎ２−Ｈ２還元雰囲気（Ｈ２濃度２％）にて３時間、焼成を行った。得られた焼成物をほぐして、目的とする（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ緑色発光蛍光体([Ca]=2.6mol%)を得た。
【００３４】
この蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを図８に示す。励起スペクトルを見ると、３００ｎｍ〜４６０ｎｍにかけて、幅広い領域に励起帯が広がっている。このように励起帯が広いのはＥｕが添加されているためである。また、発光スペクトルを見ると、５１５ｎｍに発光のピークがあり、半値幅が狭くシャープな発光を示している。この発光はＭｎによるものであり、ＥｕからＭｎへのエネルギー移動が起きている。太陽電池における３００ｎｍ〜４６０ｎｍの領域の量子効率は一般に緑色５１５ｎｍにおける量子効率よりも低いため、（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体を用いて波長変換することによって、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。
【００３５】
（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体において、Ｃａ濃度を変化させた試料の３６５ｎｍ励起の発光ピーク強度（５１５ｎｍ）の相対値を図９に示す。（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体の発光ピーク強度はＣａを添加することによってＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体よりも増加した。Ｃａは０．０１mol％程度の極微量の添加によって効果を生ずる。
【００３６】
図９より、Ｃａ濃度は７mol％より小さい範囲において、相対輝度が１００を超えている。したがって、Ｃａ濃度は０．０１mol％より大きく９mol％より小さい範囲が適当であり、より好ましくは０．８mol％より大きく４mol％以下の範囲が適当である。Ｃａ濃度を１mol％とすることによって、相対発光ピーク強度はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体に比べて６％向上した。
【００３７】
また、（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体を作製し、３６５nm励起の発光ピーク強度を測定した。Ｓｒは０．０１mol％程度の極微量の添加によって効果を生ずる。図９より、Ｓｒ濃度は９mol％より小さい範囲において、相対輝度が１００を超えている。したがって、Ｓｒ濃度は０．０１mol％より大きく９mol％より小さい範囲が適当であり、より好ましくは０．８mol％より大きく４mol％以下の範囲が適当である。
【００３８】
図９、において、Ｓｒの量をさらに増加して、１６mol％〜１８mol％において、相対輝度は１００を超える。したがって、この範囲のＳｒの量を使用しても効果を上げることが出来る。Ｓｒ濃度を１mol％とすることによって、相対発光ピーク強度はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体に比べて４％向上した。
【００３９】
また、同様にして（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体を作製し、３６５nm励起の発光ピーク強度を測定した。図９に示すように、Ｃａ濃度は２．６mol％に固定し、Ｓｒの濃度を変化させて相対輝度を評価した。この場合、図９より、Ｓｒの量が８mol％よりも低い領域において、相対輝度が１００を超えており、効果が出ている。Ｓｒの濃度をさらに増加すると、Ｓｒの濃度が１４mol％〜２１mol％の範囲において、相対輝度が１００を超える。また、図９に示すように、Ｃａ濃度を２．６mol％とし、Ｓｒ濃度を１mol％とすることによって、相対発光ピーク強度はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体に比べて７％向上させることが出来る。
【００４０】
このように、（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ、（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ、及び（Ｂａ、Ｓｒ，Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎの蛍光体を波長変換材料として太陽電池パネルに設置することによって、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。
【００４１】
以上のように本発明で用いる蛍光体は、励起波長帯が３００ｎｍ以上に存在し、かつ励起端波長が４３０〜６００ｎｍの範囲に存在し、かつ量子効率は０．７以上と高い。したがって太陽電池の発電効率を向上させることが可能である。
【００４２】
また、本発明に用いられる蛍光体の平均粒径は１０ｎｍ〜２０μｍである。ここで、蛍光体の平均粒径は、以下のように規定することができる。粒子（蛍光体粒子）の平均粒径を調べる方法としては、粒度分布測定装置で測定する方法及び電子顕微鏡で直接観察する方法などがある。電子顕微鏡で調べる場合を例にとると、平均粒径は以下のように算出することができる。
【００４３】
粒子の粒径の変量（・・・、０．８〜１．２μｍ、１．３〜１．７μｍ、１．８〜２．２μｍ、・・・、６．８〜７．２μｍ、７．３〜７．７μｍ、７．８〜８．２μｍ、・・・など）の各区間を階級値（・・・、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、・・・、７．０μｍ、７．５μｍ、８．０μｍ、・・・）で表し、これをｘｉとする。そして、電子顕微鏡で観察された各変量の度数をｆｉで示すことにすれば、平均値Ａは次のように表される。
【００４４】
Ａ＝Σｘｉｆｉ／Σｆｉ＝Σｘｉｆｉ／Ｎ
ただし、Σｆｉ＝Ｎである。本発明の蛍光体では励起帯波長が波長変換材料として適合しているため、太陽電池用波長変換材料として優れた効果を得ることができる。
【００４５】
＜太陽電池モジュールの作製＞
次に、前記波長変換材料を用いて太陽電池モジュールを作製した。透明樹脂（ＥＶＡ）に有機過酸化物、架橋助剤及び接着向上材を少量添加し、０．１重量％の割合で平均粒径６μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を混合して、８０℃に加熱したロールミルを用いて混練した後、２枚のポリエチレンテレフタレート間にプレスを用いて挟んで、厚さ０．５ｍｍのＥＶＡを主成分とした封止材３を作製した。また、前記蛍光体組成は１種または複数種の組成を混合して用いてもよい。
【００４６】
次に、この封止材３を室温まで放冷し、ポリエチレンテレフタレートフィルムを剥がして、前面ガラス２、太陽電池セル４、バックシート５と共に図１のように積層して、１５０℃に設定した真空ラミネータで予備圧着した。予備圧着された積層物を１５５℃のオーブンで３０分間加熱し、架橋及び接着を行って太陽電池パネル１を作製した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池パネルの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。また、蛍光体の輝度寿命は有機金属錯体を用いた場合に比べて向上した。
【００４７】
次に、波長変換材料として平均粒径１０nm〜１００nmの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。蛍光体の平均粒径が１０nm〜１００nmと小さいために、蛍光体の輝度は低いが、散乱も低いので、電流量を５％増加させることが出来る。
【００４８】
次に、波長変換材料として平均粒径５０nm〜２５０nmの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が６％増加した。
【００４９】
次に、波長変換材料として平均粒径２００nm〜５００nmの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が４％増加した。蛍光体の平均粒径２００nm〜５００nmのようにさらに大きくなっているので、輝度は向上するが、図７に示すように、散乱も増加するので、増加する電流量は４％程度となっている。
【００５０】
次に、波長変換材料として平均粒径４００nm〜１μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が４％増加した。蛍光体の平均粒径４００nm〜１μｍのようにさらに大きくなっているので、輝度は向上するが、図７に示すように、散乱も増加するので、増加する電流量は４％程度となっている。
【００５１】
次に、波長変換材料として平均粒径０．８μｍ〜２μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。蛍光体の平均粒径０．８μｍ〜２μｍのようにさらに大きくなっているので、輝度が向上し、また、図７に示すように、散乱は減少に転ずるので、電流量を５％増加させることが出来る。
【００５２】
次に、波長変換材料として平均粒径１μｍ〜５μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。蛍光体の平均粒径１μｍ〜５μｍのようにさらに大きくなっているので、輝度が向上し、また、図７に示すように、散乱は減少に転ずるので、電流量を５％増加させることが出来る。
【００５３】
次に、波長変換材料として平均粒径３μｍ〜２０μｍの（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ蛍光体を用いて、前記太陽電池モジュールと同様に作製し、その電流量を測定した。本発明では波長変換材料として励起帯の適合した蛍光体を用いており、さらに光変換効率の高い波長変換材料を用いているため、太陽電池モジュールの電流量が大きく、波長変換材料を用いない場合に比べて電流量が５％増加した。蛍光体の平均粒径３μｍ〜２０μｍのようにさらに大きくなっているので、輝度が向上し、また、図７に示すように、散乱は減少に転ずるので、電流量を５％増加させることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、薄膜多結晶シリコン太陽電池、薄膜化合物半導体太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池などの太陽電池モジュールに利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 太陽電池モジュール
２ 前面ガラス
３ 封止材
４ 太陽電池素子
５ バックシート
６ 反射防止膜
７ 波長変換材料
８ 波長変換膜
９ 集光レンズ
１０ 支持枠
１１ 基板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池を保護する封止材で構成される封止材シートであって、
前記封止材には蛍光体が混合されており、
前記蛍光体は母体材料がＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から選ばれるいずれか１種または複数種の元素であることを特徴とする封止材シート。
【請求項２】
請求項１に記載の封止材シートであって、
前記封止材がエチレンー酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を主成分とすることを特徴とする太陽電池に用いる封止材シート。
【請求項３】
請求項１または２に記載の封止材シートであって、
前記封止材が有機過酸化物、架橋助剤及び接着向上材のいずれか一種または複数種の添加剤を混合しものであることを特徴とする封止材シート。
【請求項４】
太陽電池を保護する封止材で構成される封止材シートであって、
前記封止材には蛍光体が混合されており、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が０．０１mol％より大きく、７mol％より小さいことを特徴とする封止材シート。
【請求項５】
請求項４に記載の封止材シートであって、
前記蛍光体の母体材料が（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が０．８mol％より大きく、４mol％以下であることを特徴とする封止材シート。
【請求項６】
太陽電池を保護する封止材で構成される封止材シートであって、
前記封止材には蛍光体が混合されており、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が２．６mol％とした場合、Ｓｒ濃度が０．０１mol％〜９mol％の範囲、あるいは、１４mol％〜２１mol％の範囲であることを特徴とする封止材シート。
【請求項７】
太陽電池を保護する封止材で構成される封止材シートであって、
前記封止材には蛍光体が混合されており、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｓｒ濃度が０．０１mol％〜９mol％の範囲、あるいは、１６mol％〜１８mol％の範囲であることを特徴とする封止材シート。
【請求項８】
請求項７に記載の封止材シートであって、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｓｒ濃度が０．８mol％〜４mol％の範囲であることを特徴とする封止材シート。
【請求項９】
請求項８に記載の封止材シートであって、
前記蛍光体のＭｎ濃度が３５mol%であることを特徴とする封止材シート。
【請求項１０】
請求項１〜９に記載の封止材シートであって、
前記蛍光体の平均粒径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下であることを特徴とする封止材シート。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載の封止材シートであって、
蛍光体の平均粒径をＡ（μｍ）とし、前記蛍光体の前記封止材シートへの添加量をＢ（重量％）としたとき、０．００４Ａ≦Ｂ≦８．７Ａであることを特徴とする封止材シート。
【請求項１２】
請求項１〜１０に記載の封止材シートであって、
蛍光体の平均粒径をＡ（μｍ）とし、前記蛍光体の前記封止材シートへの添加量をＢ（重量％）としたとき、０．００８Ａ≦Ｂ≦４．３Ａであることを特徴とする封止材シート。
【請求項１３】
透明基板と封止材と太陽電池セルとバックシートを有する太陽電池モジュールであって、
光が太陽電池セルに到達するまでの経路中に蛍光体を含み
前記蛍光体は母体材料がＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から選ばれるいずれか１種または複数種の元素であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１４】
透明基板と封止材と太陽電池セルとバックシートを有する太陽電池モジュールであって、
光が太陽電池セルに到達するまでの経路中に蛍光体を含み
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が０．０１mol％より大きく、７mol％より小さいことを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１５】
請求項１４に記載の太陽電池モジュールであって、
前記蛍光体の母体材料が（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が０．８mol％より大きく、４mol％以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１６】
透明基板と封止材と太陽電池セルとバックシートを有する太陽電池モジュールであって、
光が太陽電池セルに到達するまでの経路中に蛍光体を含み
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が２．６mol％とした場合、Ｓｒ濃度が０．０１mol％〜９mol％の範囲、あるいは、１４mol％〜２１mol％の範囲であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１７】
透明基板と封止材と太陽電池セルとバックシートを有する太陽電池モジュールであって、
光が太陽電池セルに到達するまでの経路中に蛍光体を含み
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｓｒ濃度が０．０１mol％〜９mol％の範囲、あるいは、１６mol％〜１８mol％の範囲であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１８】
請求項１７に記載の太陽電池モジュールであって、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７で表される化合物で、Ｓｒ濃度が０．８mol％〜４mol％の範囲であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１９】
請求項１８に記載の太陽電池モジュールであって、
前記蛍光体のＭｎ濃度が３５mol%であることを特徴とする封止材シート。
【請求項２０】
請求項１３〜１９に記載の太陽電池モジュールであって、
前記蛍光体の平均粒径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１】
太陽電池を保護する封止材で構成される封止材シートであって、
前記封止材には蛍光体が混合されており、
前記蛍光体は母体材料がＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から選ばれるいずれか１種または複数種の元素であることを特徴とする封止材シート。
【請求項２】
請求項１に記載の封止材シートであって、
前記封止材がエチレンー酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を主成分とすることを特徴とする太陽電池に用いる封止材シート。
【請求項３】
請求項１または２に記載の封止材シートであって、
前記封止材が有機過酸化物、架橋助剤及び接着向上材のいずれか一種または複数種の添加剤を混合しものであることを特徴とする封止材シート。
【請求項４】
太陽電池を保護する封止材で構成される封止材シートであって、
前記封止材には蛍光体が混合されており、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が０．０１mol％より大きく、７mol％より小さいことを特徴とする封止材シート。
【請求項５】
請求項４に記載の封止材シートであって、
前記蛍光体の母体材料が（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が０．８mol％より大きく、４mol％以下であることを特徴とする封止材シート。
【請求項６】
太陽電池を保護する封止材で構成される封止材シートであって、
前記封止材には蛍光体が混合されており、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が２．６mol％とした場合、Ｓｒ濃度が０．０１mol％〜９mol％の範囲、あるいは、１４mol％〜２１mol％の範囲であることを特徴とする封止材シート。
【請求項７】
太陽電池を保護する封止材で構成される封止材シートであって、
前記封止材には蛍光体が混合されており、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｓｒ濃度が０．０１mol％〜９mol％の範囲、あるいは、１６mol％〜１８mol％の範囲であることを特徴とする封止材シート。
【請求項８】
請求項７に記載の封止材シートであって、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｓｒ濃度が０．８mol％〜４mol％の範囲であることを特徴とする封止材シート。
【請求項９】
請求項８に記載の封止材シートであって、
前記蛍光体のＭｎ濃度が３５mol%であることを特徴とする封止材シート。
【請求項１０】
請求項１〜９に記載の封止材シートであって、
前記蛍光体の平均粒径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下であることを特徴とする封止材シート。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載の封止材シートであって、
蛍光体の平均粒径をＡ（μｍ）とし、前記蛍光体の前記封止材シートへの添加量をＢ（重量％）としたとき、０．００４Ａ≦Ｂ≦８．７Ａであることを特徴とする封止材シート。
【請求項１２】
請求項１〜１０に記載の封止材シートであって、
蛍光体の平均粒径をＡ（μｍ）とし、前記蛍光体の前記封止材シートへの添加量をＢ（重量％）としたとき、０．００８Ａ≦Ｂ≦４．３Ａであることを特徴とする封止材シート。
【請求項１３】
透明基板と封止材と太陽電池セルとバックシートを有する太陽電池モジュールであって、
光が太陽電池セルに到達するまでの経路中に蛍光体を含み
前記蛍光体は母体材料がＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物であり、ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から選ばれるいずれか１種または複数種の元素であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１４】
透明基板と封止材と太陽電池セルとバックシートを有する太陽電池モジュールであって、
光が太陽電池セルに到達するまでの経路中に蛍光体を含み
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が０．０１mol％より大きく、７mol％より小さいことを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１５】
請求項１４に記載の太陽電池モジュールであって、
前記蛍光体の母体材料が（Ｂａ、Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が０．８mol％より大きく、４mol％以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１６】
透明基板と封止材と太陽電池セルとバックシートを有する太陽電池モジュールであって、
光が太陽電池セルに到達するまでの経路中に蛍光体を含み
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｃａ濃度が２．６mol％とした場合、Ｓｒ濃度が０．０１mol％〜９mol％の範囲、あるいは、１４mol％〜２１mol％の範囲であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１７】
透明基板と封止材と太陽電池セルとバックシートを有する太陽電池モジュールであって、
光が太陽電池セルに到達するまでの経路中に蛍光体を含み
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎで表される化合物で、Ｓｒ濃度が０．０１mol％〜９mol％の範囲、あるいは、１６mol％〜１８mol％の範囲であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１８】
請求項１７に記載の太陽電池モジュールであって、
前記蛍光体は母体材料が（Ｂａ、Ｓｒ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７で表される化合物で、Ｓｒ濃度が０．８mol％〜４mol％の範囲であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項１９】
請求項１８に記載の太陽電池モジュールであって、
前記蛍光体のＭｎ濃度が３５mol%であることを特徴とする封止材シート。
【請求項２０】
請求項１３〜１９に記載の太陽電池モジュールであって、
前記蛍光体の平均粒径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１８１８１４（Ｐ２０１１−１８１８１４Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４６４８９（Ｐ２０１０−４６４８９）
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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