JP2021012976A - 光電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】外的荷重による光電変換素子の劣化を抑制可能な光電変換モジュールを提供する。【解決手段】本光電変換モジュール１は、基板１０と、基板１０の所定面に実装された光電変換素子２０と、所定面の光電変換素子２０よりも外側に配置された、光電変換素子２０の厚さよりも高いスペーサー３０と、を有し、スペーサー３０が光電変換素子２０を挟んで基板１０と対向する部材と接したときに、部材と光電変換素子２０との間に空隙を確保できるように配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換モジュールに関する。

近年、化石燃料の代替エネルギーとして、又、地球温暖化対策として、光電変換素子の重要性が高まっている。特に最近では、電池交換や電源配線等が不要な自立型電源として幅広い応用が期待できることから、低照度の光でも効率よく発電できる室内向けの光電変換素子が多くの注目を集めている。

光電変換素子としては、例えば、アモルファスシリコン型太陽電池、有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池、色素増感型太陽電池等が挙げられる。例えば、室内の家具や内装に色素増感型太陽電池を取り付けることで、室内照明で消費するエネルギーの一部を再利用する技術が開示されている。又、室内の壁に色素増感型太陽電池を取り付ける場合は、色素増感型太陽電池に保護シートを貼り付けることで電池に傷がつかないようにすることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、色素増感型太陽電池等の光電変換素子に保護シート等の保護部材を貼り付けた光電変換モジュールでは、保護部材を介して光電変換モジュール内の光電変換素子に外的荷重が伝わり、光電変換素子の劣化が生じるおそれがあった。

本発明は、外的荷重による光電変換素子の劣化を抑制可能な光電変換モジュールを提供することを目的とする。

本光電変換モジュールは、基板と、前記基板の所定面に実装された光電変換素子と、前記所定面の前記光電変換素子よりも外側に配置された、前記光電変換素子の厚さよりも高いスペーサーと、を有し、前記スペーサーは、前記スペーサーが前記光電変換素子を挟んで前記基板と対向する部材と接したときに、前記部材と前記光電変換素子との間に空隙を確保できるように配置されている。

開示の技術によれば、外的荷重による光電変換素子の劣化を抑制可能な光電変換モジュールを提供できる。

第１実施形態に係る光電変換モジュールを例示する平面図である。 第１実施形態に係る光電変換モジュールを例示する断面図である。 光電変換素子の発電部を例示する断面図である。 比較例に係る光電変換モジュールを例示する平面図である。 比較例に係る光電変換モジュールを例示する断面図である。 第１実施形態の変形例１に係る光電変換モジュールを例示する平面図である。 第１実施形態の変形例１に係る光電変換モジュールを例示する断面図である。 第２実施形態に係る光電変換モジュールを例示する平面図である。 第２実施形態に係る光電変換モジュールを例示する断面図である。 第２実施形態の変形例１に係る光電変換モジュールを例示する断面図である。 第２実施形態の変形例２に係る光電変換モジュールを例示する断面図である。 実施例及び比較例の結果を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１実施形態〉
図１は、第１実施形態に係る光電変換モジュールを例示する平面図である。図２は、第１実施形態に係る光電変換モジュールを例示する断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。

図１及び図２を参照すると、光電変換モジュール１は、基板１０と、光電変換素子２０と、スペーサー３０とを有している。

基板１０は、光電変換素子２０等を実装する基板であり、部品を実装するランドや、部品の必要な部分を電気的に接続する配線パターンを有している。基板１０としては、例えば、樹脂基板（ガラスエポキシ基板等）、ガラス基板、シリコン基板、セラミック基板等が適宜用いられる。

本実施形態では、一例として、基板１０の平面形状を矩形として以下の説明を行う。但し、基板１０の平面形状は、矩形には限定されない。なお、平面視とは、対象物を基板１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは、対象物を基板１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指す。

光電変換素子２０は、基板２１と、発電部２２と、基板２３とを有しており、発電部２２は基板２１と基板２３に上下方向から挟まれている。発電部２２の周囲が樹脂等に封止されてもよい。

光電変換素子２０は、受光面を上側（基板１０の上面１０ａと対向しない側）に向けて、基板１０の上面１０ａに実装されている。光電変換素子２０は、例えば、接着層６０を介して基板１０の上面１０ａに固定されている。接着層６０としては、例えば、樹脂系の接着剤や両面テープ等が挙げられる。

基板２３は透明であり、基板２３を介して太陽光等が発電部２２の受光面に入射する。基板２１及び２３は、例えば、ガラスである。なお、１枚の基板１０に複数の光電変換素子２０が実装されてもよい。この場合、複数の光電変換素子２０の電気的な接続は並列接続であってもよいし、直列接続であってもよい。

光電変換素子２０は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、例えば、太陽電池やフォトダイオード等が挙げられる。太陽電池としては、例えば、アモルファスシリコン型太陽電池、有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池、色素増感型太陽電池等が挙げられる。

これらの中でも、色素増感型太陽電池は、従来の印刷手段を用いて製造できるため、低コスト化に有利である点で好ましい。又、特に、色素増感型太陽電池を構成するホール輸送層として固体材料を使用した固体型色素増感型太陽電池は、荷重に対して高い耐久性を維持できる点で好ましい。

図３は、光電変換素子の発電部を例示する断面図である。光電変換素子２０が色素増感型太陽電池である場合、発電部２２は、例えば、図３に示す断面構造である。

図３に示す発電部２２は、基板２２１上に第１電極２２２が形成され、第１電極２２２上にホールブロッキング層２２３が形成され、ホールブロッキング層２２３上に電子輸送層２２４が形成され、電子輸送層２２４における電子輸送性材料に光増感化合物２２５が吸着し、第１電極２２２と対向する第２電極２２７との間にホール輸送層２２６が挟み込まれた構成の例である。第１電極２２２は、例えば、リード線等より正側端子に接続され、第２電極２２７は、例えば、リード線等より負側端子に接続される。以下、発電部２２について、詳細に説明する。

［基板］
基板２２１としては、特に制限はなく、公知のものを用いることができる。基板２２１は透明な材質のものが好ましく、例えば、ガラス、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体等が挙げられる。

［第１電極］
第１電極２２２としては、可視光に対して透明な導電性物質であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択でき、通常の光電変換素子、或いは液晶パネル等に用いられる公知のものを使用できる。

第１電極２２２の材料としては、例えば、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）、インジウム・亜鉛酸化物、ニオブ・チタン酸化物、グラフェン等が挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

第１電極２２２の厚さは、５ｎｍ〜１００μｍが好ましく、５０ｎｍ〜１０μｍがより好ましい。

又、第１電極２２２は一定の硬性を維持するため、可視光に透明な材質からなる基板２２１上に設けることが好ましい。なお、第１電極２２２と基板２２１とが一体となっている公知のものを用いることもでき、例えば、ＦＴＯコートガラス、ＩＴＯコートガラス、酸化亜鉛添加アルミニウムコートガラス、ＦＴＯコート透明プラスチック膜、ＩＴＯコート透明プラスチック膜等が挙げられる。

［ホールブロッキング層］
ホールブロッキング層２２３は、電解質が電極と接して、電解質中のホールと電極表面の電子が再結合（所謂、逆電子移動）することによる電力低下を抑制するために設けられる。ホールブロッキング層２２３の効果は、固体型色素増感型太陽電池において特に顕著である。これは、電解液を用いた湿式色素増感型太陽電池と比較して、有機ホール輸送材料等を用いた固体型色素増感型太陽電池はホール輸送材料中のホールと電極表面の電子の再結合（逆電子移動）速度が速いことに起因している。

ホールブロッキング層２２３は、チタン原子とニオブ原子を含む金属酸化物を含有することが好ましい。必要に応じて、その他の金属原子が含まれていてもよいが、チタン原子とニオブ原子からなる金属酸化物であることが好ましい。ホールブロッキング層２２３は、可視光に対して透明であることが好ましく、又、ホールブロッキング層としての機能を得るために、ホールブロッキング層２２３は緻密であることが好ましい。

ホールブロッキング層２２３の平均厚さは、１，０００ｎｍ以下が好ましく、０．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下がより好ましい。平均厚さが０．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲であれば透明導電膜（第１電極２２２）への電子の移動を妨げることなく、逆電子移動を防ぐことができ、光電変換効率を向上させることができる。又、平均厚さが、０．５ｎｍ未満であると、膜密度が低くなり、逆電子移動を十分防ぐことができない。一方、平均厚さが、５００ｎｍを超えると、内部応力が高まりクラックが発生しやすくなる。

［電子輸送層］
電子輸送層２２４は、例えば多孔質状の層として、ホールブロッキング層２２３上に形成される。電子輸送層２２４は、半導体微粒子や金属酸化物等の電子輸送性材料を含み、電子輸送性材料は後述する光増感化合物２２５が吸着されていることが好ましい。

電子輸送性材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、ロッド状やチューブ状等の半導体材料が好ましい。以下、半導体微粒子を例として挙げて説明する場合があるが、これに限られるわけではない。

又、電子輸送層２２４は単層であっても多層であってもよい。多層の場合、粒径の異なる半導体微粒子の分散液を多層塗布することも、種類の異なる半導体や、樹脂、添加剤の組成が異なる塗布層を多層塗布することもできる。一度の塗布で膜厚が不足する場合には、多層塗布は有効な手段である。

半導体としては、特に制限はなく、公知のものを使用できる。具体的には、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、もしくは金属のカルコゲニドに代表される化合物半導体又はペロブスカイト構造を有する化合物等を挙げることができる。

半導体微粒子の粒径は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、一次粒子の平均粒径は１ｎｍ〜１００ｎｍが好ましく、５ｎｍ〜５０ｎｍがより好ましい。又、より大きい平均粒径の半導体微粒子を混合或いは積層して入射光を散乱させる効果により、効率を向上させることも可能である。この場合の半導体の平均粒径は５０ｎｍ〜５００ｎｍが好ましい。

一般的に、電子輸送層２２４の厚さが増大するほど単位投影面積当たりの担持光増感化合物の量も増えるため光の捕獲率が高くなるが、注入された電子の拡散距離も増えるため電荷の再結合によるロスも大きくなってしまう。そのため、電子輸送層２２４の厚さは、１００ｎｍ〜１００μｍが好ましく、１００ｎｍ〜５０μｍがより好ましく、１００ｎｍ〜１０μｍが更に好ましい。

［光増感化合物］
変換効率の更なる向上のため、電子輸送層２２４は、光増感化合物２２５（色素）が吸着された電子輸送性材料を含むことが好ましい。光増感化合物２２５の具体例については、例えば、特許第６２４９０９３号に詳細に述べられている。

電子輸送層２２４（電子輸送性材料）に光増感化合物２２５を吸着させる方法としては、光増感化合物２２５の溶液中或いは分散液中に電子輸送層２２４を含有する電子集電電極（基板２２１、第１電極２２２、ホールブロッキング層２２３が形成された電極）を浸漬する方法が挙げられる。この他にも、溶液或いは分散液を電子輸送層２２４に塗布して吸着させる方法を用いることができる。

前者の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法等を用いることができる。後者の場合、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法等を用いることができる。

又、二酸化炭素等を用いた超臨界流体中で吸着させても構わない。

光増感化合物２２５を吸着させる際、縮合剤を併用してもよい。縮合剤は、無機物表面に物理的或いは化学的に光増感化合物２２５と電子輸送性材料とが結合すると思われる触媒的作用をするもの、又は化学量論的に作用し、化学平衡を有利に移動させるものの何れであってもよい。

［ホール輸送層］
ホール輸送層２２６には、酸化還元対を有機溶媒に溶解した電解液、酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体をポリマーマトリックスに含浸したゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩、固体電解質、無機ホール輸送材料、有機ホール輸送材料等が用いられる。これらの中でも、有機ホール輸送材料が好ましい。なお、以下、有機ホール輸送材料を例として説明する箇所があるが、これに限られるものではない。

ホール輸送層２２６は、単一材料からなる単層構造でも、複数の化合物からなる積層構造でも構わない。積層構造の場合、第２電極２２７に近いホール輸送層２２６に高分子材料を用いることが好ましい。製膜性に優れる高分子材料を用いることで多孔質状の電子輸送層２２４の表面をより平滑化でき、光電変換特性を向上できる。

又、高分子材料は多孔質状の電子輸送層２２４内部へ浸透しにくいことから、多孔質状の電子輸送層２２４表面の被覆に優れ、電極を設ける際の短絡防止にも効果を発揮するため、より高い性能を得ることが可能となる。

単一で用いられる単層構造において用いられる有機ホール輸送材料としては、特に制限はなく、公知の有機ホール輸送性化合物が用いられる。

ホール輸送層２２６の厚さについては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、多孔質状の電子輸送層２２４の細孔に入り込んだ構造を有することが好ましく、電子輸送層２２４上に０．０１μｍ以上がより好ましく、０．１μｍ〜１０μｍが更に好ましい。

［第２電極］
第２電極２２７は、ホール輸送層２２６上に、又はホール輸送層２２６における金属酸化物上に形成できる。又、第２電極２２７は、第１電極２２２と同様のものを用いることができ、強度や密封性が充分に保たれるような構成では支持体は必ずしも必要ではない。

第２電極２２７の材料としては、例えば、白金、金、銀、銅、アルミニウム等の金属、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素系化合物、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＡＴＯ等の導電性金属酸化物、ポリチオフェン、ポリアニリン等の導電性高分子等が挙げられる。

第２電極２２７の膜厚については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。第２電極２２７の塗設については、用いられる材料の種類やホール輸送層２２６の種類により、適宜ホール輸送層２２６上に塗布、ラミネート、蒸着、ＣＶＤ、貼り合わせ等の手法により形成可能である。

なお、発電部２２が光電変換するためには、第１電極２２２及び第２電極２２７の少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。図３の例では、第１電極２２２側が透明であるため、太陽光等を第１電極２２２側から入射させる。

すなわち、光電変換モジュール１では、第１電極２２２が基板２３側に位置するように、発電部２２を基板２１と基板２３との間に配置する。この場合、第２電極２２７側には光を反射させる材料を使用することが好ましく、例えば、金属、導電性酸化物を蒸着したガラス、プラスチック、金属薄膜等が用いられる。又、入射光側に反射防止層を設けることも有効な手段である。

発電部２２を有する光電変換素子２０は、室内光のような微弱な入射光の場合であっても、良好な変換効率を得ることができる。

図１及び図２の説明に戻り、基板１０の上面１０ａの光電変換素子２０よりも外側に、光電変換素子２０の厚さよりも高いスペーサー３０が配置されている。スペーサー３０は、光電変換素子２０の外側を囲うように連続的に配置された額縁状の部材であり、例えば、接着剤等により、基板１０の上面１０ａの外周近傍に固定されている。スペーサー３０の内側面と光電変換素子２０の外側面とは離間している。

スペーサー３０の上には、例えば、透明な部材が配置される。スペーサー３０は、スペーサー３０の上に透明な部材が配置され、スペーサー３０が光電変換素子２０を挟んで基板１０と対向する透明な部材と接したときに、その部材と光電変換素子２０との間に空隙を確保できるように配置されている。

例えば、光電変換素子２０の厚さよりも高い柱状のスペーサーが１つ存在しているだけでは不十分であり、スペーサー３０の上に透明な部材が配置されたときに、その部材と光電変換素子２０との間に空隙を確保できるような形態でスペーサー３０が配置されている必要がある。

スペーサー３０は光電変換素子２０の外側を囲うように連続的に配置されているため、スペーサー３０の上に透明な部材が配置されたときに、その部材と光電変換素子２０との間に空隙を確実に確保できる。

スペーサー３０の素材としては、特に制約はなく、例えば、金属、ガラス、プラスチック等の硬質な素材を用いることができる。又、スペーサー３０の素材として、ゴムのような弾性素材を用いてもよい。但し、スペーサー３０の素材として弾性素材を用いる場合は、透明な部材を介してスペーサー３０に荷重が加わった際に、透明な部材が光電変換素子２０に接触しないように、スペーサー３０を高く設けることが好ましい。

すなわち、スペーサー３０は、スペーサー３０の上に配置が予定されている部材の撓みと、その部材にかかることが想定される荷重とを考慮し、その部材に想定される荷重が実際にかかったときに、その部材が光電変換素子２０に接触しない高さとすることが好ましい。

具体的には、スペーサー３０の高さは、最大撓み量を考慮して、スペーサー３０上に配置予定の部材と光電変換素子２０との隙間が所定値よりも大きくなるように設定される。隙間の所定値は、矩形ガラスが４辺の支柱で支えられる等分布荷重を受けた場合を想定したときの最大撓み量から算出される。

詳しくは、（等分布）荷重の大きさＷ（ＭＰａ）、矩形ガラスの短辺の長さａ（ｍｍ）、長辺の長さｂ（ｍｍ）、辺比による撓み係数α、矩形ガラスの厚さｔ（ｍｍ）、矩形ガラスのヤング率Ｅ（ＭＰａ）から、δＣ＝αＷａ^４／Ｅｔ^２（式１）によって算出された最大撓み量（δＣ）を考慮して規定する。

例えば、短辺、長辺がそれぞれａ＝８８ｍｍ、ｂ＝２６４ｍｍ（α＝０．１３９）、厚さｔ＝５ｍｍ、ヤング率Ｅ＝７．１６×１０^４ＭＰａの矩形ガラスに対して、Ｗ＝１ＭＰａの荷重がかかった場合、式（１）より、最大撓み量δＣ≒４．７ｍｍとなる。

この場合、部材と光電変換素子２０とを４．７ｍｍ以上離間しておくなど、少なくとも両者を最大撓み量以上離間することが望ましい。更に、製造バラつきを考慮すると、厚みに対して、１％程度の誤差を考慮することが望ましい。

図４は、比較例に係る光電変換モジュールを例示する平面図である。図５は、比較例に係る光電変換モジュールを例示する断面図であり、図４のＢ−Ｂ線に沿う断面を示している。

図４及び図５を参照すると、光電変換モジュール１Ｘは、スペーサー３０を有していない点が、光電変換モジュール１（図１及び図２参照）と相違する。

図４及び図５に示す光電変換モジュール１Ｘのように、スペーサー３０を有していないと、例えば光電変換モジュール１Ｘ上に部材を置いた場合、光電変換素子２０に直接面荷重がかかる。そのため、光電変換素子２０の内部の発電部２２や表面の基板２３等が破損する等して、光電変換素子２０の出力が大きく低下する。

一方、図１及び図２に示す光電変換モジュール１のように、光電変換素子２０の厚さに対してスペーサー３０の高さが高いと、例えば光電変換モジュール１上に部材を置いたとしても、部材と光電変換素子２０との間に空隙を確保できる。そのため、光電変換素子２０には面荷重がかからず、光電変換素子２０が劣化しないため、光電変換素子２０は高い出力を維持できる。

このように、光電変換モジュール１は、光電変換素子２０の厚さよりも高いスペーサー３０を有する。そして、スペーサー３０は、スペーサー３０の上に透明な部材が配置されたときに、その部材と光電変換素子２０との間に空隙を確保できるような形態で配置されている。

そのため、透明な部材に外的荷重がかかって部材が撓んだとしても、外的荷重が光電変換素子２０に直接かかることがない。その結果、外的荷重による光電変換素子２０の劣化を抑制可能であり、光電変換素子２０は高い出力を維持できる。

又、特に、光電変換素子２０の電解質が液体である場合は、スペーサー３０により隙間を確保でき、外的荷重による光電変換素子２０へのダメージを防ぐことができるため、液体漏れ防止の観点で有用である。

なお、透明な部材と光電変換素子２０との間の空隙に、樹脂等を充填することは好ましくない。透明な部材に外的荷重がかかって部材が撓んだときに、樹脂等を介して外的荷重が光電変換素子２０にかかり、光電変換素子２０の劣化の要因となるからである。すなわち、透明な部材と光電変換素子２０との間に空隙を有していることが極めて重要である。

なお、スペーサー３０の色は、白であることが好ましい。スペーサー３０の色が白以外であっても、外的荷重に対する耐久性は十分に得られるが、スペーサー３０の色を白とすることで、光の反射を利用して光電変換素子２０に光を集約させることが可能となり、光電変換素子２０出力を更に向上できる。

又、基板１０とスペーサー３０とが一体的に形成されていてもよい。

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、第１実施形態とは形状の異なるスペーサーを有する光電変換モジュールの例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図６は、第１実施形態の変形例１に係る光電変換モジュールを例示する平面図である。図７は、第１実施形態の変形例１に係る光電変換モジュールを例示する断面図であり、図６のＣ−Ｃ線に沿う断面を示している。

図６及び図７を参照すると、光電変換モジュール１Ａは、スペーサー３０がスペーサー３０Ａに置換された点が、光電変換モジュール１（図１及び図２参照）と相違する。スペーサー３０が連続的な形状であったのに対し、スペーサー３０Ａは非連続である。

図６及び図７の例では、基板１０の上面１０ａの光電変換素子２０よりも外側に、光電変換素子２０の厚さよりも高いスペーサー３０Ａが、平面視で光電変換素子２０を介して対向するように、光電変換素子２０の両側に３個ずつ配置されている。スペーサー３０Ａは、光電変換素子２０の外側を囲うように非連続的に配置された部材であり、例えば、接着剤等により、基板１０の上面１０ａの外周近傍に固定されている。スペーサー３０Ａの内側面と光電変換素子２０の外側面とは離間している。

スペーサー３０Ａは、スペーサー３０の場合と同様に、スペーサー３０Ａの上に透明な部材が配置され、スペーサー３０Ａが光電変換素子２０を挟んで基板１０と対向する透明な部材と接したときに、その部材と光電変換素子２０との間に空隙を確保できるように配置されている。

但し、図６及び図７の配置は一例であり、例えば、光電変換素子２０の４辺の外側に、所定間隔で複数のスペーサー３０Ａを非連続的に配置してもよいし、光電変換素子２０の４隅近傍にＬ字形の４つのスペーサー３０Ａを非連続的に配置してもよいし、その他の配置であってもよい。

スペーサー３０Ａの素材としては、特に制約はなく、スペーサー３０の材料として例示したものを適宜用いることができる。又、スペーサー３０Ａは、スペーサー３０の場合と同様に、スペーサー３０Ａの上に配置が予定されている部材の撓みと、その部材にかかることが想定される荷重とを考慮し、その部材に想定される荷重が実際にかかったときに、その部材が光電変換素子２０に接触しない高さとすることが好ましい。

このように、スペーサーの形状は、連続的であっても非連続的であってもよい。但し、スペーサーの形状が連続的である方が、強度の点からは好ましい。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、スペーサー上に基板を配置した光電変換モジュールの例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図８は、第２実施形態に係る光電変換モジュールを例示する平面図である。図９は、第２実施形態に係る光電変換モジュールを例示する断面図であり、図８のＤ−Ｄ線に沿う断面を示している。

図８及び図９を参照すると、光電変換モジュール１Ｂは、スペーサー３０の上に透明基板７０が配置された点が、光電変換モジュール１（図１及び図２参照）と相違する。なお、透明基板７０は、強度を上げるために複数枚を積層させて使用してもよい。この場合、各々の透明基板の材料は同一であっても異なっていてもよい。

透明基板７０は、スペーサー３０と接するように、スペーサー３０の上に配置されている。透明基板７０と光電変換素子２０との間に、空隙が確保されている。

スペーサー３０は、スペーサー３０の上に配置された透明基板７０の撓みと、透明基板７０にかかることが想定される荷重とを考慮し、透明基板７０に想定される荷重が実際にかかったときに、透明基板７０が光電変換素子２０に接触しない高さとすることが好ましい。

透明基板７０は、ヘイズ率が０．１％以上１６．０％以下であることが好ましい。透明基板７０のヘイズ率が１６．０％よりも大きいと、透明基板７０に入射した光が透明基板７０内で激しく散乱し、十分な光が光電変換素子２０に照射されないため、光電変換素子２０の出力が低下する。

一方、透明基板７０のヘイズ率が０．１％よりも低いと、透明基板７０内で光が散乱せずにそのまま透過するため、光の散乱を利用して効率的に光電変換素子２０に光を集約できない。従って、透明基板７０のヘイズ率は、透明基板７０内で光が適度に散乱し、効率的に光電変換素子２０に光を集約できる０．１％以上１６．０％以下であることが好ましい。

なお、透明基板７０のヘイズ率は、透明基板７０に光を入射したときの全光線透過率に対する拡散透過率の割合であり、０〜１００％で表される。透明基板７０のヘイズ率は、例えば、ヘーズメーターＨＺ−１（ＳＵＧＡ製）を使用し、光源としては標準光源Ｃ光を用いて測定できる。

透明基板７０としては、上記のヘイズ率を満す材料であれば特に限定されないが、強度や透明度の観点から、ガラス、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、塩化ビニリデン樹脂の何れか一つ以上から構成されていることが好ましい。

このように、光電変換モジュール１Ｂは、光電変換素子２０の厚さよりも高いスペーサー３０を有する。そして、スペーサー３０は、スペーサー３０の上に配置された透明基板７０と光電変換素子２０との間に空隙を確保できるような形態で配置されている。

そのため、透明基板７０に外的荷重がかかって透明基板７０が撓んだとしても、外的荷重が光電変換素子２０に直接かかることがない。その結果、外的荷重による光電変換素子２０の劣化を抑制可能であり、光電変換素子２０は高い出力を維持できる。

又、スペーサー３０の上に透明基板７０を配置することで、局所的な荷重に対する耐久性を向上させることができる。

なお、例えば、透明基板７０に紫外線防止フィルムを貼る等し、透明基板７０に紫外線カット機能を持たせてもよく、これにより、光電変換素子２０の紫外線による劣化を抑制できる。

図１０に示す光電変換モジュール１Ｃのように、光電変換モジュール１Ｂの透明基板７０を、光電変換モジュールを設置する場所に存在する部材で代用してもよい。例えば、光電変換モジュール１Ｃを透明な天板７０Ａ（例えば、ガラスやアクリル樹脂）を備えた家具（例えば、机など）の裏面側に設置する場合であれば、図１０に示すように、天板７０Ａが図９に示す透明基板７０の代用となる。光電変換モジュール１Ｃでは、天板７０Ａ及び基板２３を介して太陽光等が発電部２２の受光面に入射する。

又、図１１に示す光電変換モジュール１Ｄのように、透明な天板７０Ａを備えた家具の裏面側に、光電変換素子２０を直接形成してもよい。この場合、天板７０Ａ、接着層６０、及び基板２１は透明であり、光電変換素子２０は、受光面を上側（天板７０Ａと対向する側）に向けて、天板７０Ａの裏面に実装されている。光電変換モジュール１Ｄでは、天板７０Ａ、接着層６０、及び基板２１を介して太陽光等が発電部２２の受光面に入射する。

図１０及び図１１の場合も、光電変換モジュール１Ｃ及び１Ｄは、光電変換素子２０の厚さよりも高いスペーサー３０を有する。そして、スペーサー３０は、スペーサー３０に接して配置された天板７０Ａと光電変換素子２０もしくは光電変換素子２０と基板１０との間に空隙を確保できるような形態で配置されている。

そのため、光電変換モジュール１Ｃでは、天板７０Ａに外的荷重がかかって天板７０Ａが撓んだとしても、外的荷重が光電変換素子２０に直接かかることがない。その結果、外的荷重による光電変換素子２０の劣化を抑制可能であり、光電変換素子２０は高い出力を維持できる。

又、スペーサー３０に接して天板７０Ａを配置することで、局所的な荷重に対する耐久性を向上させることができる。

又、光電変換モジュール１Ｄでは、天板７０Ａに外的荷重がかかって天板７０Ａが撓んだ場合、光電変換素子２０も天板７０Ａと同様に撓むが、光電変換素子２０が基板１０と接することがない。その結果、外的荷重による光電変換素子２０の劣化を抑制可能であり、光電変換素子２０は高い出力を維持できる。

又、基板１０の存在により、局所的な荷重に対する耐久性を向上させることができる。

以下、実施例及び比較例を挙げて光電変換モジュール等について更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
＜光電変換モジュールの作製＞
基板１０上に光電変換素子２０としてアモルファスシリコン型太陽電池を配置し、更にスペーサー３０を配置し、図１及び図２と同様の構造の光電変換モジュールＡを作製した。

＜光電変換モジュールの評価＞
（１）初期最大出力電力
得られた光電変換モジュールＡについて、２００ｌｕｘに調整した白色ＬＥＤ照射下で、太陽電池評価システム（Ａｓ−５１０−ＰＶ０３、株式会社エヌエフ回路設計ブロック製）を用いて、ＩＶ特性を評価し、モジュール化前後の最大出力電力維持率を算出した。ここで、モジュール化前後の最大出力電力維持率とは、モジュール化前の最大出力電力Ｐｍａｘ（μＷ／ｃｍ^２）に対するモジュール化後の最大出力電力Ｐｍａｘ（μＷ／ｃｍ^２）の比率である。

（評価基準）
◎（合格：優）：９８％以上
〇（合格：良）：９５％以上９８％未満
△（合格：可）：９０％以上９５％未満
×（不合格）：９０％未満
（２）面荷重試験
光電変換モジュールＡを基板を下側にして平坦な試験台上にセットし、光電変換モジュールＡの表面に一様な荷重を２４００Ｐａになるまで徐々に加え、この荷重を１時間保持した。

次に、光電変換モジュールＡを裏返し、同じ手順を実施し、表裏で計３サイクル繰り返した。

試験後、ＩＶ特性を評価し、試験前の最大出力電力に対する試験後の最大出力電力の比率を算出した。

（評価基準）
◎（合格：優）： ９５％以上
〇（合格：良）： ９０％以上９５％未満
△（合格：可）： ８０％以上９０％未満
×（不合格）： ８０％未満
［実施例２］
スペーサー３０に代えてスペーサー３０Ａを用いた以外は全て実施例１と同様にして、図６及び図７と同様の構造の光電変換モジュールＢを作製した。そして、光電変換モジュールＢについて、実施例１と同様に評価した。

［実施例３］
スペーサー３０上に透明基板７０としてヘイズ率０．５０％のアクリル樹脂板を載せた以外は全て実施例１と同様にして、図８及び図９と同様の構造の光電変換モジュールＣを作製した。そして、光電変換モジュールＣについて、実施例１と同様に評価した。なお、ヘイズ率は、ヘーズメーターＨＺ−１（ＳＵＧＡ製）を使用し、光源としては標準光源Ｃ光を用いて測定した（以降の実施例でも同様）。

［実施例４］
光電変換素子２０として色素増感型太陽電池を用い、スペーサー３０上に透明基板７０としてヘイズ率１３．０％のＦＴＯガラス板を載せた以外は全て実施例１と同様にして、図８及び図９と同様の構造の光電変換モジュールＤを作製した。そして、光電変換モジュールＤについて、実施例１と同様に評価した。

［実施例５］
光電変換素子２０として色素増感型太陽電池を用い、スペーサー３０上に透明基板７０としてヘイズ率０．１％のガラスを載せた以外は全て実施例１と同様にして、図８及び図９と同様の構造の光電変換モジュールＥを作製した。そして、光電変換モジュールＥについて、実施例１と同様に評価した。

［実施例６］
光電変換素子２０として色素増感型太陽電池を用い、スペーサー３０上に透明基板７０としてヘイズ率１６．０％の懸濁ガラス板を載せた以外は全て実施例１と同様にして、図８及び図９と同様の構造の光電変換モジュールＦを作製した。そして、光電変換モジュールＦについて、実施例１と同様に評価した。

［実施例７］
光電変換素子２０として色素増感型太陽電池を用い、スペーサー３０上に透明基板７０としてヘイズ率０．５％のアクリル板を載せた以外は全て実施例１と同様にして、図８及び図９と同様の構造の光電変換モジュールＧを作製した。そして、光電変換モジュールＧについて、実施例１と同様に評価した。

［比較例１］
基板１０上にスペーサーを配置しない以外は全て実施例１と同様にして、図４及び図５と同様の構造の光電変換モジュールＨを作製した。そして、光電変換モジュールＨについて、実施例１と同様に評価した。

＜光電変換モジュールの評価結果＞
光電変換モジュールＡ〜Ｈの評価結果を図１２に示す。図１２において、総合評価の◎、〇、△は合格であり、×は不合格である。

図１２より、光電変換モジュールＡ〜Ｈは、何れもモジュール化前後の最大出力電力維持率は合格であった。

面荷重試験の結果は、スペーサー３０又は３０Ａを有する実施例１〜７の光電変換モジュールＡ〜Ｇは合格であったが、スペーサーを有していない比較例１の光電変換モジュールＨは不合格であった。この結果から、スペーサーの存在により、面荷重に対して高い安定性を維持できることが確認された。

透明基板を有する実施例３〜７の光電変換モジュールＣ〜Ｇは面荷重試験の結果が特に良好であり、透明基板を有することで、面荷重に対して更に高い安定性を維持できることが確認された。

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、１Ａ、１Ｂ 光電変換モジュール
１０ 基板
２０ 光電変換素子
２１、２３ 基板
２２ 発電部
３０、３０Ａ スペーサー
６０ 接着層
７０ 透明基板
７０Ａ 天板
２２１ 基板
２２２ 第１電極
２２３ ホールブロッキング層
２２４ 電子輸送層
２２５ 光増感化合物
２２６ ホール輸送層
２２７ 第２電極

国際公開第２０１７／０９９１１４号

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板の所定面に実装された光電変換素子と、
   前記所定面の前記光電変換素子よりも外側に配置された、前記光電変換素子の厚さよりも高いスペーサーと、を有し、
   前記スペーサーは、前記スペーサーが前記光電変換素子を挟んで前記基板と対向する部材と接したときに、前記部材と前記光電変換素子との間に空隙を確保できるように配置されている光電変換モジュール。
2. 前記スペーサーは、前記光電変換素子の外側を囲うように連続的に配置された請求項１に記載の光電変換モジュール。
3. 前記スペーサーと接するように、前記部材として透明基板が配置され、
   前記透明基板と前記光電変換素子との間に空隙が確保された請求項１又は２に記載の光電変換モジュール。
4. 前記透明基板は、ヘイズ率が０．１％以上１６．０％以下である請求項３に記載の光電変換モジュール。
5. 前記透明基板は、ガラス、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、塩化ビニリデン樹脂の何れか一つ以上から構成された請求項３又は４に記載の光電変換モジュール。
6. 前記基板に複数の前記光電変換素子が実装された請求項１乃至５の何れか一項に記載の光電変換モジュール。
7. 前記複数の前記光電変換素子の電気的な接続は並列接続である請求項６に記載の光電変換モジュール。
8. 前記複数の前記光電変換素子の電気的な接続は直列接続である請求項６に記載の光電変換モジュール。
9. 前記スペーサーは白である請求項１乃至８の何れか一項に記載の光電変換モジュール。
10. 前記光電変換素子は、第１電極と、色素が吸着された電子輸送性材料を含む多孔質状の電子輸送層と、ホール輸送層と、第２電極とを有する発電部を備えている請求項１乃至９の何れか一項に記載の光電変換モジュール。
11. 前記ホール輸送層として固体材料を使用した請求項１０に記載の光電変換モジュール。

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