JP2014067925A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】基板上に間隙を介して配置された複数の太陽電池セルおよび前記太陽電池を覆うように配置された透明部材を有してなり、前記透明部材に入射した光が前記透明部材内を透過して、前記太陽電池セルに到達するように構成されてなる太陽電池モジュールであって、前記透明部材が、前記太陽電池セルの間隙に対応する位置にスリット状の凹部空間を有し、かつこの透明部材の光が入射する面側に光電変換率向上構造を有していることを特徴とする、太陽電池モジュール。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、太陽電池モジュールに関する。

有機薄膜太陽電池は、導電性ポリマーやフラーレン等を組み合わせた有機薄膜半導体を用いた太陽電池である。有機薄膜太陽電池は、シリコンやＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ（ＣＩＧＳ）、ＣｄＴｅなどの無機系材料をベースとした太陽電池（以下、本明細書において、「太陽電池」を「ＰＶ」と記すことがある）に比べて光電変換膜を塗布や印刷という簡便な方法で生産でき、低コスト化できる可能性がある。その反面、有機薄膜太陽電池の光電変換効率や寿命は、従来の無機系太陽電池と比較して低いという課題を有する。

有機薄膜太陽電池モジュールの効率が低くなる要因として、ＰＶセルの光電変換層中でキャリアの移動距離が短いため、光電変換層を薄く（１００ｎｍ程度）に形成する必要があるため、結果として受光した光を十分に吸収できずに一部反射光として外に逃げてしまうことが挙げられる。さらに重要な効率低下要因としては、材料の物性からセルのリーク電流の電圧依存性が高く、光電流でセルの電極に電流方向に生じる電位差を小さく制限する必要があることにある。すなわち、セルの感光体幅を長く構築できず、セル領域に対するセル間ギャップ領域の面積比率が相対的に高まることから、他の材料系のＰＶモジュールほど開口率を高くできず、結果としてモジュール発電効率が小面積セル効率と比較して極端に低くなる。

そこで、ＰＶモジュールの光電変換効率を向上させるために種々の工夫がなされている。例えば光ガイドによるによる無効光の利用（光マネジメント法）や、レーザやトリミングヘッドを用いたパターニングでモジュールの集積密度を向上する方法が挙げられる。光マネジメントは、間隙幅と開口率からセル幅が制約されるパターニング法と比較して、デバイスのセルサイズ効果による発電効率低下が生じにくい長所を有する。

図１に示すのは、従来の代表的な有機薄膜太陽電池モジュール１００であって、ＰＶセル１０１が透明基材１０２と封止板１０３との間に配置され、ＰＶセル１０１を覆うように配置された光学部材１０６が配置されている。この光学部材１０６は、ＰＶセル１０１と隣接する他のＰＶセル１０１との間隙１０４に対応した位置に断面が三角形形状の間隙空間（スリット）１０５が作成されている。ここで、光学部材１０６表面から間隙１０４にほぼ垂直に入射した光（Ａ）は、スリット面で全反射して、ＰＶセル１０１へと導かれる。その結果、光学部材１０６への光（Ａ）の入射角が９０°近傍である場合には、モジュールの実効的な開口率は１００％近くまで改善できる。

しかし、光学部材への入射角が浅い場合には、スリット面への入射角が全反射条件から外れて間隙１０４に光が入射する条件がある。あるいは特定の角度で入射した光（例えば、光（Ａ’））の場合には、その反射光は隣接するスリット面に導かれ、そこでは光の全反射角度条件から外れて間隙１０４に光入射してしまい、実質的は開口率の低下が避けられなかった。

このように、光の入射角度によって光マネジメントの開口率改善効果が低減するという問題があった。従って、太陽の軌道の季節因子により光マネジメントの効果が低減する現象を回避することは困難であった。

特開２００５−１６６９４９号公報 特開２０１０−１９２４６８号公報

本発明の実施形態の目的は、セルサイズから生じる平面構造モジュールの実質的な開口率とセル発電効率という二律背反の課題解決にある。そして、課題の解決により、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供することにある。

本発明の実施形態による太陽電池モジュールは、基板上に間隙を介して配置された複数の太陽電池セルおよび前記太陽電池セルを覆うように配置された透明部材を有してなり、前記透明部材に入射した光が前記透明部材内を透過して、前記太陽電池セルに到達するように構成されてなる太陽電池モジュールであって、前記透明部材が、前記太陽電池セルの間隙に対応する位置にスリット状の凹部空間を有し、かつこの透明部材の光が入射する面側に光電変換率向上構造を有していることを特徴とするもの、である。

従来の代表的な有機薄膜太陽電池モジュールを示す断面図。 有機薄膜太陽電池セルの構成を示す断面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す断面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの光電変換率向上構造を示す上面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す斜視図。 スリット状の凹部空間による光マネジメント効果を示す図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールにおける光マネジメント効果を示す図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す断面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す断面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す断面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す断面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールの構成を示す断面図。 本発明の実施形態による太陽電池モジュールにおいて低反射膜として適用可能なモスアイ型ナノ構造を示す斜視図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、下記は、本発明の実施の形態のうち好ましい諸例についての例示であり、従って、本発明の範囲は下記の具体的例示の範囲内のみに限定されることはない。

図２は、有機薄膜太陽電池セルの一具体例について示す構成断面図である。基板１０上に形成された、透明電極１１ａと金属補助電極１１ｂから構成される陽極１１上には、順次正孔輸送層１２、光電変換層１３、電子輸送層１４が積層されている。ここで、光電変換層１３は、好ましくは、ｐ型半導体１３ａとｎ型半導体１３ｂとがバルクへテロジャンクションした構造の薄膜である。電子輸送層１４には、陰極１５が形成され、さらに、太陽電池セルの表面には、封止材１６が設けられている。○はエレクトロンを、●はホールを、示す。

太陽電池セルは、陽極１１と光電変換層１３および対向電極（陰極）１５を基本構成とし、このような太陽電池セルは、例えば、封止材１６にアルミニウムを蒸着して陰極１５を形成し、その上に光電変換層１３を設け、さらに透明性を有する陽極１１をスパッタまたは塗布で成膜することによって得ることができる。図２に示されるように、電極（陽極１１、陰極１５）と光電変換層１３との間にはＰＥＤＯＴ／ＰＳＳや酸化Ｍｏなどの正孔輸送材料よりなる正孔輸送層１２や、ＴｉＯ_ｘや金属Ｃａなどの電子輸送材料よりなる電子輸送層１４を中間層として設けることが望ましい。

図３は、本発明の実施形態による太陽電池モジュールの好ましい実施例（基本構成図）の断面図である。

この図３には、基板１０上に間隙１７を介して配置された複数の太陽電池セル１８および太陽電池セル１８を覆うように配置された透明部材１９を有してなり、この透明部材１９に入射した光がこの透明部材１９内を透過して、太陽電池セル１８に到達するように構成されてなる太陽電池モジュール２０であって、透明部材１９が、太陽電池セル１８の間隙１７に対応する位置にスリット状の凹部空間２１を有し、かつこの透明部材１９の光が入射する面側に、光電変換率向上構造２２を有している太陽電池モジュール２０が示されている。

なお、図３には、透明部材１９の太陽電池セル１８の間隙１７に対応する位置に３つのスリット状の凹部空間２１が示されている。このスリット状の凹部空間２１の数は任意である。同様に、太陽電池セル１８の数ならびに間隙１７の数も任意である。

光電変換率向上構造２２としては、光電変換率向上構造２２の上面図である図４に示されるもの、例えば、好ましくはラインプリズム（図４Ａ）、ラインプリズムが一部分断されたもの（図４Ｂ）、底面形状が多角形である角錐の組み合わせ物（例えば、底面が三角形である角錐の組み合わせ物（図４Ｃ）、底面が四角形である角錐の組み合わせ物（図４Ｄ））、円推の組み合わせ物、半球体の組み合わせ物（図４Ｅ）、微小なラインプリズムの組み合わせ物（図４Ｆ）、その他の微小な光電変換率向上構造の組み合わせ物（図４Ｇ）等を挙げることができる。この中では、ラインプリズム（図４Ａ）が特に好ましい。

図５は、光電変換率向上構造２２として図４Ａに示す構造のラインプリズム２２ａを有する本発明の実施の形態による太陽電池モジュール２０の斜視図である。なお、この図５では、ラインプリズム２２ａと透明部材１９とが分割して描かれているが、ラインプリズム２２ａと透明部材１９とは、図３の断面図から明らかなように一体化ないし連続している。ここで、αは、スリット状の凹部空間２１の頂点を結ぶ連続線の方向を示す方向線であり、βは、ラインプリズム２２ａの頂点を結ぶ連続線の方向を示す方向線である。

この図５には、スリット状の凹部空間２１の方向（方向線αの方向）とラインプリズム２２ａの方向（方向線βの方向）との交叉角度が９０°である場合が、特に示されている。

本発明の実施形態による太陽電池モジュールでは、スリット状の凹部空間２１（方向線αの方向）と２２ａ（方向線βの方向）との交叉角度は、３０〜９０°であり、好ましくは４５〜９０°であり、特に好ましくは８０〜９０°ある。交叉角度が３０°未満の場合には、光がセル間の間隙に入射する割合が増えてしまうことから、好ましくない。

図６および図７は、本発明の実施形態による太陽電池モジュールによって達成される光マネジメントの効果を説明する図である。ここで、図６は、スリット状の凹部空間を有するが、表面に光電変換率向上構造を有しない従来の太陽電池モジュールにおける光の屈折状態を示し、図７は、スリット状の凹部空間および光電変換率向上構造２２を有する本発明の実施形態による太陽電池モジュールにおける光の屈折状態を示している。図６Ａおよび図７Ａは、太陽電池モジュールを上面方向から観察したとき、図６Ｂおよび図７Ｂは、太陽電池モジュールを断面方向から観察したときのものである。

図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、従来の太陽電池モジュールにおいては、透明部材に対してごく浅い角度で入射した光は、スリット面（例えば約７０度斜面）に対して全反射角より深い角度で入射する。この条件では、ほとんどの光はスリット面を通過してスリット空間に入射する。光の一部は太陽電池セルの間隙部に入射して発電には寄与しない。これに対して、図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、本発明の実施形態による有機薄膜太陽電池モジュールでは、透明部材の表面に形成された光電変換率向上構造２２によって、入射光はスリットの形成方向にある角度を以って屈折させられる。屈折した入射光は、スリット形成方向に対して垂直方向の入射角度に加えて、平行方向にも角度をなしてスリット面に入射することになる。その結果、光のスリット面に対する入射角は全反射角度より浅くなり、光はスリット面で全反射して太陽電池セルを形成した領域へと戻される。この効果によって、太陽電池モジュールの実効開口率は１００％に近付くことになる。

前記したように、光電変換率向上構造には、図４に示されるラインプリズムおよびその他のプリズムが包含される。このようなプリズム自体およびその光学的特性自体は公知であるものの、そのようなプリズムを、太陽電池モジュール（特に、複数の太陽電池セルが隣接し、間隙をもって配置され、かつこの間隙に対応する位置にスリット状の凹部空間が形成された透明部材を用いてなる有機薄膜太陽電池モジュール）に適用した場合には、そのようなプリズムが太陽電池モジュールの光電変換率向上させる構造物として機能しうることは当業者においても全く思いがけなかったことである。

＜太陽電池モジュール（具体的構成）＞
本発明の特に好ましい実施形態に係る太陽電池モジュールは、バルクへテロ接合型のものである。バルクへテロ接合型の光電変換層の特徴は、ｐ型半導体とｎ型半導体がブレンドされ、ナノオーダーのｐｎ接合が光電変換層全体に広がっていることである。そのため、従来の積層型有機薄膜太陽電池よりもｐｎ接合領域が広く、実際に発電に寄与する領域も光電変換層全体に広がっている。従って、バルクへテロ接合型有機薄膜太陽電池における発電に寄与する領域は、積層型有機薄膜太陽電池と比べ圧倒的に厚くなり、それに伴い光子の吸収効率も向上し、取り出せる電流も増加する。

以下、本発明の実施形態に係る有機薄膜太陽電池モジュールの各構成部材について説明する。

<<基板>>
本発明の実施形態による有機薄膜太陽電池モジュールにおいて、基板１０は、主として、他の構成部材を支持するためのものである。この基板１０は、太陽電池モジュールを製造する際ならびに太陽電池モジュールを使用する際の環境ないし条件下において、充分な耐久性を有しているものが好ましく、例えば電極を形成する際の熱や有機溶剤によって容易に変質しないものが好ましい。基板１０の材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英、ガラス等の無機材料、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック、高分子フィルム、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、シリコン等の金属基板等が挙げられる。この中では、特に無アルカリガラスおよびポリエチレンナフタレートが好ましい。

基板１０は、太陽電池セルの受光面側に設けることが出来るし、太陽電池セルの非受光面側に設けることも出来る。太陽電池セルの受光面側に設けて、基板１０を透過した光によって発電を行う場合には、基板は透明なものを使用する。太陽電池セルの非受光面側に設ける場合、基板は透明なものでも不透明なものであってもよい。基板１０の厚さは、その他の構成部材を支持するために十分な強度があれば特に限定されないが、好ましくは０．５〜２．０ｍｍである。

<<透明部材>>
本発明の実施形態による太陽電池モジュールにおいては、透明部材１９として、屈折率が１．３以上、１．７以下、特に好ましくは１．４以上、１．６以下、のものを使用することができる。透明部材としては、可視光領域での光透過率が高く、かつ耐候性のあるもので、高分子樹脂材料ではアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、シリコーン系樹脂等が透明部材として好適な材料である。無機材料では無アルカリの光学用ガラスが好適である。
加工性を考慮すれば注型成型が可能であり、かつ材料コストが安いアクリル系樹脂が主要部材として特に好ましい。

スリット状の凹部空間および光電変換率向上構造
透明部材１９は、太陽電池セル１８の間隙１７に対応する位置にスリット状の凹部空間２１を有し、かつこの透明部材１９の光が入射する面側に、光電変換率向上構造２２を有している。

このスリット状の凹部空間２１は、断面形状が三角形のもの、特に断面形状が二等辺三角形であるものが好ましい。断面形状が二等辺三角形である場合、その底角の大きさは、４０〜８０°好ましくは５０〜７５°、特に好ましくは６０〜７０°である。二等辺三角形の底辺の長さは、主として、太陽電池セル１８の間隙１７の長さに応じ、この間隙１７の長さと同じか、この間隙１７の長さのマイナス２０％〜プラス２０％の範囲内の長さに定めることができる。従って、底辺の長さは０．８〜４．０ｍｍ、好ましくは０．９〜３．０ｍｍ、特に好ましくは１．０〜２．０ｍｍであり、高さは、０．６〜１２ｍｍ、好ましくは０．８〜６．０ｍｍ、特に好ましくは０．９〜３．０ｍｍ、である。

また、スリット状の凹部空間２１は、図８Ａに示されるように、スリット内壁面が曲面であるものも好ましい。

凹部空間２１の内部は、空気によって満たされているのが通常でありかつ好ましいが、透明部材２１とは異なる屈折率の材料あるいは反射性材料によって満たされていてもよい。

透明部材１９にスリット状の凹部空間２１を設ける方法は任意である。例えば、（イ）板状の透明部材を用意し、その後に切削加工その他の方法によって、この透明部材にスリット状の凹部空間２１を形成する方法、（ロ）溶融ないし軟化状態にある透明部材を、スリット状の凹部空間２１が形成されるような型に供給し、その後に、これを硬化させる方法、（ハ）断面形状が台形である透明部材を複数用意し、この複数の台形の透明部材の側面がスリット状の凹部空間２１の内壁面となるように配置した物（図８Ｂ）等を挙げることができる。この中では、（ロ）の方法がスリット状の凹部空間の表面粗さおよび製作コストの観点から最も好ましい。

また、透明部材の表面に光電変換率向上構造を設ける方法も任意である。例えば、（ニ）板状の透明部材を用意し、その後に切削加工その他の方法により、この透明部材の表面に光電変換率向上構造を形成する方法、（ホ）溶融ないし軟化状態にある透明部材を、所定の光電変換率向上構造が形成されるような型に供給し、その後に、これを硬化させる方法、（ヘ）「板状の透明部材」と「表面に光電変換率向上構造を有する透明部材」とを別途用意し、その後、これらの両透明部材を接合する方法等を挙げることができる。ここで、（ヘ）における「板状の透明部材」には、前記のスリット状の凹部空間１９を有しているもの、およびスリット状の凹部空間１９を有していないものの両者が包含される。後者のスリット状の凹部空間１９を有していないものである場合、「表面に光電変換率向上構造を有する透明部材」を接合した後に、スリット状の凹部空間１９を形成することができる。（へ）における「板状の透明部材」と「表面に光電変換率向上構造を有する透明部材」とは、同一種類の材料からなるものであっても、異なる種類の材料からなるものであってもよい。相対的に存在比率が高い「板状の透明部材」としては、光学的特性を重視してアクリル系樹脂を用い、外部環境に曝される「表面に光電変換率向上構造を有する透明部材」としては、物理的ないし機械的特性を考慮してポリカーボネート系樹脂を用いることができる。このような構成のものは、砂塵などによる物理的磨耗が多い環境に備える場合に特に適している。

（へ）において、「板状の透明部材」と「表面に光電変換率向上構造を有する透明部材」とを接合する際、特に両部材が光学的特性、例えば屈折率に違いがある場合には、接着剤兼屈折率調整材、例えば各種の透明ポッティング剤、各種シリコーンゲル、各種シリコーンゾル、各種ガラス・アクリル接着剤（例えば、好ましくは、サンライズＭＳＩ社製フォトボンドなど）を適用できる。

<<太陽電池セル>>
以下、本発明の実施形態に係る太陽電池セルの他の各構成部材について説明する。

陽極
図２に示されるように、陽極１１は、基板１０の上に形成される。陽極１１の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されない。通常は、透明または半透明の導電性を有する材料を、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜することによって、陽極１１を形成することができる。

透明または半透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、およびそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、インジウム・亜鉛・オキサイド等からなる導電性ガラスを用いて作製された膜（ＮＥＳＡ等）や、金、白金、銀、銅等が用いられる。特に、ＩＴＯまたはＦＴＯが好ましい。また、電極材料として、有機系の導電性ポリマーであるポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体等を用いてもよい。

陽極１１の膜厚は、ＩＴＯの場合、３０〜３００ｎｍであることが好ましい。３０ｎｍより薄くすると、導電性が低下して抵抗が高くなり、光電変換効率低下の原因となる。３００ｎｍよりも厚くすると、ＩＴＯに可撓性がなくなり、応力が作用するとひび割れてしまうことがある。

陽極１１のシート抵抗は、可能な限り低いことが好ましく、１０Ω／□以下であることが好ましい。陽極１１は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものであってもよい。

正孔輸送層
正孔輸送層１２は、必要に応じて任意に、陽極１１と光電変換層１３との間に配置される。正孔輸送層１２の機能には、下層の電極の凹凸をレベリングして太陽電池素子の短絡を防ぐこと、正孔のみを効率的に輸送すること、光電変換層１３との界面近傍で発生した励起子の消滅を防ぐこと等がある。正孔輸送層１２の材料としては、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホネート））等のポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリン、ポリピロール等の有機導電性ポリマーが好ましい。ポリチオフェン系ポリマーの代表的な製品としては、例えば、スタルク社のＣｌｅｖｉｏｓ ＰＨ５００、ＣｌｅｖｉｏｓＰＨ、ＣｌｅｖｉｏｓＰＶ Ｐ Ａｌ ４０８３、ＣｌｅｖｉｏｓＨＩＬ１．１が挙げられる。無機物では、酸化モリブテンが好適な材料である。

正孔輸送層１２の材料としてＣｌｅｖｉｏｓ ＰＨ５００を使用する場合、膜厚は２０〜１００ｎｍであることが好ましい。薄すぎる場合は、下部電極の短絡を防止する作用がなくなり、ショートが発生してしまう。厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、発生した電流を制限してしまうため、光変換効率が低下する。

正孔輸送層１２の成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えばスピンコート法等で塗布することが可能である。正孔輸送層１２の材料を所望の膜厚に塗布した後、ホットプレート等で加熱乾燥することができる。１４０〜２００℃で数分〜１０分間程度加熱乾燥することが好ましい。塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用することが望ましい。

光電変換層
光電変換層１３は、陽極１１と陰極１５との間に配置される。本発明の好ましい実施形態による太陽電池は、バルクへテロ接合型の太陽電池である。

バルクヘテロ接合型の太陽電池は、ｐ型半導体とｎ型半導体が光電変換層中で混合してミクロ層分離構造をとることが特徴である。バルクへテロ接合型は、混合されたｐ型半導体とｎ型半導体が光電変換層内でナノオーダーのサイズのｐｎ接合を形成し、接合面において生じる光電荷分離を利用して電流を得る。ｐ型半導体は、電子供与性の性質を有する材料で構成される。一方、ｎ型半導体は、電子受容性の性質を有する材料で構成される。本発明の実施形態においては、ｐ型半導体およびｎ型半導体の少なくとも一方が有機半導体であってよい。

ｐ型有機半導体としては、例えば、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体等を使用することが好ましい。これらを併用してもよい。また、これらの共重合体を使用してもよく、例えば、チオフェン−フルオレン共重合体、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体等が挙げられる。

好ましいｐ型有機半導体は、π共役を有する導電性高分子であるポリチオフェンおよびその誘導体である。ポリチオフェンおよびその誘導体は、優れた立体規則性を確保することができ、溶媒への溶解性が比較的高いという特性を有する。ポリチオフェンおよびその誘導体は、チオフェン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。

そのようなポリチオフェンおよびその誘導体の具体例としては、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−ブチルチオフェン、ポリ３−ヘキシルチオフェン、ポリ３−オクチルチオフェン、ポリ３−デシルチオフェン、ポリ３−ドデシルチオフェン等のポリアルキルチオフェン；ポリ３−フェニルチオフェン、ポリ３−（ｐ−アルキルフェニルチオフェン）等のポリアリールチオフェン；ポリ３−ブチルイソチオナフテン、ポリ３−ヘキシルイソチオナフテン、ポリ３−オクチルイソチオナフテン、ポリ３−デシルイソチオナフテン等のポリアルキルイソチオナフテン；ポリエチレンジオキシチオフェン等が挙げられる。

また、近年では、カルバゾール、ベンゾチアジアゾールおよびチオフェンからなる共重合体であるＰＣＤＴＢＴ（ポリ［Ｎ−９”−ヘプタ−デカニル−２，７−カルバゾール−アルト−５，５−（４’，７’−ジ−２−チエニル−２’，１’，３’−ベンゾチアジアゾール）］）などの誘導体が、優れた光電変換効率を得られる化合物として知られている。上記の各化合物は、いずれも本発明の実施形態において適用可能である。

これらの導電性高分子は、溶媒に溶解させた溶液を塗布することにより成膜可能である。従って、大面積の有機薄膜太陽電池を、印刷法等により、安価な設備にて低コストで製造できるという利点がある。

ｎ型有機半導体としては、フラーレンおよびその誘導体が好適に使用される。ここで使用されるフラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されない。具体的には、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４等を基本骨格として構成される誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格における炭素原子が任意の官能基で修飾されていてもよく、この官能基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。フラーレン誘導体には、フラーレン結合ポリマーも含まれる。溶剤に親和性の高い官能基を有し、溶媒への可溶性が高いフラーレン誘導体が好ましい。

フラーレン誘導体における官能基としては、例えば、水素原子；水酸基；フッ素原子、塩素原子等のハロゲン原子；メチル基、エチル基等のアルキル基；ビニル基等のアルケニル基；シアノ基；メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基；フェニル基、ナフチル基等の芳香族炭化水素基、チエニル基、ピリジル基等の芳香族複素環基等が挙げられる。具体的には、Ｃ６０Ｈ３６、Ｃ７０Ｈ３６等の水素化フラーレン、Ｃ６０、Ｃ７０等のオキサイドフラーレン、フラーレン金属錯体等が挙げられる。

上述した中でも、フラーレン誘導体として、６０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）または７０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ７１酪酸メチルエステル）を使用することが特に好ましい。

未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ７０は、光キャリアの発生効率が高く、有機薄膜太陽電池に使用するのに適している。

光電変換層におけるｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の混合比率は、ｎ型有機半導体の含有率をｐ型半導体がＰ３ＡＴ系の場合 およそｎ：ｐ＝１：１とすることが好ましい。また、ｐ型半導体がＰＣＤＴＢＴ系の場合 およそｎ：ｐ＝４：１とすることが好ましい。

有機半導体を塗布するためには、溶媒に溶解するのが一般的であるが、それに用いる溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、メシチレン、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類が挙げられる。特に、ハロゲン系の芳香族溶剤が好ましい。これらの溶剤を単独、もしくは混合して使用することが可能である。

溶液を塗布し成膜する方法としては、スピンコート法、ディップコート法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、スプレー法、スクリーン印刷、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサー塗布、ノズルコート法、キャピラリーコート法、インクジェット法等が挙げられ、これらの塗布法を単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。

電子輸送層
電子輸送層１４は、必要に応じて任意に、陰極１５と光電変換層１３との間に配置される。電子輸送層１４は、正孔をブロックして電子のみを効率的に輸送する機能、および光電変換層１３と電子輸送層１４との界面で生じたエキシトンの消滅を防ぐ機能を有する。

電子輸送層１４の材料としては、金属酸化物、たとえばゾルゲル法にてチタンアルコキシドを加水分解して得たアモルファス性の酸化チタンなどが挙げられる。

成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えば、スピンコート法が挙げられる。電子輸送層の材料として酸化チタンを使用する場合、膜厚は５〜２０ｎｍの厚さに成膜する事が望ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、ホールブロック効果が減少してしまうため、発生したエキシトンが電子とホールに解離する前に失活してしまい、効率的に電流を取り出すことができない。膜厚が厚すぎる場合は、膜抵抗が大きくなり、発生した電流を制限してしまうため光変換効率が低下する。塗布溶液は、あらかじめフィルターで濾過したものを使用することが望ましい。規定の膜厚に塗布した後、ホットプレートなどを用いて加熱乾燥することができる。５０℃〜１００℃で数分〜１０分間程度、空気中にて加水分解を促進しながら加熱乾燥する。無機物では金属カルシウムなどが好適な材料である。

陰極
陰極１５は、光電変換層１３（または電子輸送層１４）の上に積層される。導電性を有する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜することが好ましい。電極材料としては、導電性の金属薄膜、金属酸化物膜等が挙げられる。陽極１１を仕事関数の高い材料を用いて形成した場合、陰極１５には仕事関数の低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。特に好ましい具体例としては、Ｌｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｚｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、およびこれらの合金を挙げることができる。

陰極１５は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものでもよい。また、前記仕事関数の低い材料のうちの１つ以上と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、錫などとの合金でもよい。特に好ましい合金の例としては、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。

陰極１５の膜厚は、１ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。膜厚が上記範囲より薄い場合は、抵抗が大きくなりすぎ、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できない。膜厚が上記範囲より厚い場合には、陰極１５の成膜に長時間を要するため材料温度が過度に上昇し、有機層にダメージを与えて性能が劣化してしまうことがある。さらに、材料を大量に使用するため、成膜装置の占有時間が長くなり、コストアップに繋がる。

＜本発明の好ましい他の実施形態等＞
先に説明したように、図３は、本発明の実施形態による太陽電池モジュールの好ましい実施例（基本構成図）の断面図である。図５は、光電変換率向上構造２２としてラインプリズムを採用する本発明の実施の形態による太陽電池モジュール２０ａが示されている。この光電変換率向上構造は、表面が平坦は透明部材に、光電変換率向上構造を有するシートを貼り付けてもいいし、例えば注型法で両者を一体化して成型作成することもできる。シートを貼り付ける構成の利点は、透明部材と光電変換率向上構造の材質を変えることができるため、例えば光電変換率向上構造を機械的に強靭なポリカーボネートに、透明部材を耐光性と光透過性に優れたアクリル樹脂にすることで、砂塵等の吹き付けによる劣化に強くすることができる。また、劣化時の修復を、シートの貼り替えのみで済み、低コストであることが挙げられる。一方で、一体成型の利点は、有機薄膜太陽電池モジュール製造時の低コスト化が挙げられる。

図９は、本発明の実施態様による太陽電池モジュールの改良実施例の構成を示す断面図である。図３の基本構成に加えて、光電変換率向上構造２２の表面に低反射膜２３を設けている点に特徴がある。この低反射膜としては、反射率が２％以下、特に０．１％以下のものが好ましい。低反射膜の形成材料としては任意のものを採用できる。特に好ましいものとしては、例えばＭｇＦ_２を挙げることができる。低反射膜２３は、ＭｇＦ_２単層に限定されることはなく、ＭｇＦ_２を含む多層膜も包含される。

この低反射膜２３としては、前述の透明部材１９や光電変換率向上構造２２と同質の材料によってモスアイ型ナノ構造（図１３）を形成させた低反射膜、ならびに上述のＭｇＦ_２層等の上に更にモスアイ型ナノ構造を形成させた低反射膜を用いることができる。

図１０は、本発明の実施態様による太陽電池モジュールの他の改良実施例の構成を示す断面図である。図３の基本構成に加えて、太陽電池セルの間隙の基板対向面に光反射性および（または）光拡散性の材料２４を設置したところに特徴がある。この光反射性および（または）光拡散性の材料２４によって、スリット状の凹部空間２１に漏れた光の一部を、多重反射ないし拡散させて太陽電池セルに入射させ、再利用することが可能になる。透明基板１０の太陽電池セルの非形成面の、間隙１７に対向する位置に、光反射性材と光拡散性材とを積層して、二層構造の光拡散反射面を形成することができる。

ここで、光反射性および（または）光拡散性の材料２４としては、例えば、反射率の高い表面を有する材質で、例えば、表面が良く研磨されたアルミニウムや、クロムなどの金属、ガラスや樹脂などの表面に銀メッキなどで反射膜を設けた鏡状の反射板、ガラスや樹脂などの表面に金属（特に好ましくはアルミニウム）を蒸着した反射板、各種金属箔、などを用いることができる。具体的には、例えば３Ｍ社製の反射フィルム「ビキュイティＥＳＲ」や麗光社の「ルイルミラー」などを選択することで、９７％以上の反射率を有する反射板を作製できる。また、高反射率の光散乱材として、古川電工社製の「ＭＣＰＥＴ」を代表とするマイクロ発泡フィルム（９８％以上の拡散反射）を適用することもできる。一枚のフィルムで反射層を形成する場合には、モスアイ構造を代表とする無反射膜とマイクロ発泡構造を代表とする光散乱完全反射層をフィルム上に交互に形成したストライプフィルムを、太陽電池セル１８と間隙１７の位置に合わせて（セル位置に無反射膜、間隙位置に完全反射膜を配置して）基板裏面に貼り付ける構成も有効である。さらに異なる反射層構成として、反射鏡面の上に光拡散シートを積層する構造もある。この積層構造には鏡面表面に直に積層する構成と、透明基板を挟んで鏡面と光拡散シートを対向して形成する構成がある。

図１１は、本発明の実施態様による太陽電池モジュールの改良実施例の構成を示す断面図である。図３の基本構成に加えて、光学部材１９の側面に反射材２５を設置したところに特徴がある。反射材２５は、光学部材１９の中に光を閉じ込める効果があり、発電効率の向上に寄与する。反射層２５は、好ましくは、例えば、銀やアルミニウムなど高反射率の金属を、透明部材１９の側面に、蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどの方法で薄膜鏡面として形成したものを挙げることができる。また、反射材の一部を絶縁体膜で被覆する構成も本発明のバリエーションとして存在する。

図１２は、本発明の実施態様による太陽電池モジュールに、図９、１０、１１の改良を加えた実施例の構成を示す断面図である。図３の基本構成に加えて、低反射膜２３、光反射性および（または）光拡散性の材料２４、および反射材２５を設置したところに特徴がある。

以上のように本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他様々な形態で実施されることが可能であるとともに、発明の要旨を逸脱しない限り、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形などは、発明の範囲に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…基板
１１…陽極
１２…正孔輸送層
１３…光電変換層
１４…電子輸送層
１５…陰極
１６…封止材
１７…間隙
１８…太陽電池セル
１９…透明部材
２０…有機薄膜太陽電池モジュール
２１…スリット状の凹部空間
２２…光電変換率向上構造
２３…低反射膜
２４…光反射性および（または）光拡散性の材料
２５…反射材

Claims (7)

1. 基板上に間隙を介して配置された複数の太陽電池セルおよび前記太陽電池を覆うように配置された透明部材を有してなり、前記透明部材に入射した光が前記透明部材内を透過して、前記太陽電池セルに到達するように構成されてなる太陽電池モジュールであって、
   前記透明部材が、前記太陽電池セルの間隙に対応する位置にスリット状の凹部空間を有し、かつこの透明部材の光が入射する面側に光電変換率向上構造を有していることを特徴とする、太陽電池モジュール。
2. 前記透明部材は、屈折率１．３以上１．７以下である、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記スリット状の凹部空間は、その断面形状が三角である、請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記光電変換率向上構造は、その断面形状が三角形であるラインプリズムであって、前記ラインプリズムの頂点を結ぶ連続線の方向と、前記スリット状の凹部空間の頂点を結ぶ連続線の方向とが交叉するように、前記ラインプリズムが配置されてなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
5. 複数の前記太陽電池セルは、光電変換層と、前記光電変換層の一方の面に配置された透明電極と、前記光電変換層の前記透明電極が配置された面とは反対側の面に配置された対向電極を有するものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記光電変換率向上構造は、その表面に低反射膜が形成された、請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
7. 前記基板の、前記太陽電池セルの間隙に対応する位置に光反射材が配置された、請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。