JP2000174311A - 薄膜型太陽電池モジュール - Google Patents
薄膜型太陽電池モジュールInfo
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
ールを提供する。 【解決手段】 薄膜型太陽電池モジュールは、ガラス板
の基板上に形成された薄膜半導体層を含む薄膜型太陽電
池10と、それを支持する支持部材11とを備え、その
太陽電池10はガラス基板の切断歪みが残存するエッジ
部以外の部分において支持部材11で機械的に支持され
ていることを特徴としている。
Description
に関し、特に、ガラス板の基板上に形成された薄膜半導
体層を含む太陽電池を支持した薄膜型太陽電池モジュー
ルに関するものである。
晶シリコンウエハや支持基板上の半導体薄膜を用いた太
陽電池が大量に製造され、モジュールの形態で屋上に設
置されたり、建物の屋根や壁の建築材料と一体化された
構造物として販売されている。それらの中でも、基板上
の半導体薄膜を用いた薄膜型太陽電池モジュールは量産
が容易であり、単純な基板一体型の集積構造にすること
ができるので、コスト面で有利であって、近年では特に
注目を集めている。
太陽電池モジュールから支持部材を除いたものを意味す
るものとし、封止手段などを含むいわゆるフレームレス
モジュールをも含むものとする。また、本願明細書でい
う支持部材とは、一般に単体の太陽電池モジュールの形
態であればアルミニウム等の金属フレームを意味し、建
材一体型の太陽電池モジュールの場合においては木枠の
ように屋根構成部材などを兼ねるものであって太陽電池
を支持する部分を意味するものとする。なお、このよう
な支持部材の金属部分としては、フレーム自体、または
建材一体型太陽電池モジュールにおいては押え部材など
が存在する。
が模式的な断面部分図で示されている。このような太陽
電池の製造の概略としては、まず大きな元板から切り出
された透明ガラス基板1上にSnO2 等からなる透明導
電層が熱CVD法などによって堆積され、それをレーザ
加工等を用いてパターニングすることによって複数の前
面透明電極2が形成される。すなわち、レーザ加工によ
って形成された複数の透明電極分離溝2aが、図5の紙
面に垂直な方向に延びている。
めの非晶質、微結晶、または多結晶の半導体層がプラズ
マCVD法などによって堆積される。透明電極2の形成
の場合と同様に、この半導体層をレーザ加工等によって
パターニングすることによって、複数の光電変換用半導
体領域3とそれらの間の分割溝3aが形成される。さら
に、半導体領域3上には、金属層または透明導電層と金
属層との積層が蒸着法などによって堆積され、レーザ加
工等によるパターニングによって、複数の裏面電極4と
それらの間の分離溝4aが形成される。
方向に延びた複数の細長い光電変換セルが形成されてお
り、任意の1つのセルの前面透明電極2は、そのセルの
左側に隣接するセルの裏面電極4へ、半導体領域分割溝
3aを介して接続されている。こうして、ガラス基板1
上で複数の光電変換セルが直列接続された集積型薄膜太
陽電池が得られ、これに電流取出しのための簡単な配線
を施した後に、その裏面をEVA(エチレン酢酸ビニル
共重合体)のような充填材5とテドラ(Tedler:登録商
標)フィルムのような保護シート6で封止して保護する
ことによって、基板一体型の薄膜型太陽電池10が完成
する。
薄膜太陽電池を含む従来の太陽電池モジュールの一例が
模式的な断面図で示されている。この太陽電池モジュー
ルは薄膜型太陽電池10とそれを支持するアルミニウム
製フレーム11とを含み、それらの間にはブチルゴムか
らなるシーリング材12が介在させられている。シーリ
ング材12は薄膜太陽電池の端面を封止して保護すると
ともに、フレーム11内への太陽電池の嵌め込みを容易
にして確実に固定するために用いられる。
ためには、発電特性の安定性はもとより、紫外線、酸性
雨、熱などの環境要素に関する耐候性が求められること
に加えて、太陽電池モジュールは通常は人がアクセスし
にくい場所に設置されるので、ガラス基板が割れるとい
うような機械的な破損が起こらないこともその信頼性の
ための重要な要件となっている。
膜太陽電池モジュールにおいては、上述のように、太陽
電池の光入射側の透明基板として、ほとんどの場合にガ
ラス板が用いられている。その大きな理由は、たとえば
透明樹脂板に比べて、ガラス板の耐候性が格段に優れて
いることである。しかし、一般に周知のごとく、「ガラ
ス」と「割れやすい」という言葉がすぐに結びつくよう
に、ガラスは脆いという欠点がある。このための対策の
1つとして、たとえば強化ガラスを太陽電池の基板とし
て用いることが行なわれている。
置されて発電している状態では、太陽電池の温度が70
℃以上の高温になることがある。太陽電池は光電変換効
率の向上のために光吸収率が極めて大きい構造になって
おり、アルミニウム製フレームや屋根などの構造体と比
較して温度上昇が激しく、極端な場合には周囲と比較し
て50℃に近い温度差が生じることもある。ここで、フ
レームなどの金属は熱伝導率が大きいので、太陽電池の
動作状態において熱伝導率の小さいガラス基板に大きな
温度勾配が生じていることが、本発明者の研究によって
明らかになった。このような大きな温度勾配は、太陽電
池モジュールの機械的信頼性を大きく損なう要素とな
る。すなわち、ガラスを部分的に急冷したり急加熱すれ
ばしばしば割れることはよく知られているが、このよう
なことが太陽電池モジュールの動作中においてもガラス
基板に発生する可能性が大きいという問題が、従来の太
陽電池モジュールに存在している。
の太陽電池モジュールにおいては、ブチルゴムのシーリ
ング材12はある程度の断熱性を有しているが、ブチル
ゴムは温度上昇に伴って容易に変形しやすくなる。そし
て、シーリング材12が変形して支持部において太陽電
池10と金属フレーム11とが相互に近接すれば、シー
リング材12の断熱作用が急激に低下する。その結果、
太陽電池10中の温度勾配が大きくなって、そのガラス
基板1が割れやすくなる。
課題に鑑み、本発明は、機械的信頼性に優れた薄膜型太
陽電池モジュールを提供することを目的としている。
ジュールは、ガラス板の基板上に形成された薄膜半導体
層を含む薄膜型太陽電池と、それを支持する支持部材と
を備え、太陽電池はガラス板の切断歪みが残存するエッ
ジ部以外の部分において支持部材で機械的に支持されて
いることを特徴としている。
池と支持部材の金属部分との間の少なくとも一部に断熱
材スペーサが挿入され、そのスペーサは10-3W/cm
・℃以下の熱伝導係数を有するとともに、太陽電池の動
作状態において実質的に変形しないものが用いられる。
ン層を含む場合には、その太陽電池の裏面を覆う断熱手
段をさらに備えることが好ましい。
領域に断熱材スペーサを挿入することによって、そのス
ペーサの断熱効果をより確実なものにすることができ
る。
リスチレン、発泡樹脂、ポリウレタン、セルロースアセ
テート、シリコーン、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、
グラスファイバ、石綿、グラスフォーム、アクリル系フ
ォーム、ゴム発泡体、およびコルクから選択されたいず
れかの材料を含み得る。
ス板の切断端面から約5mmの内側まで及ぶものであ
る。
施の形態による太陽電池モジュールが概略的な断面図で
示されている。この太陽電池モジュールは、太陽電池1
0と、それを支持するたとえばアルミニウム製のフレー
ム11とを備えている。太陽電池10はその周辺のエッ
ジ部ではフレーム11に支持されておらず、エッジ部よ
り内側の部分で機械的に保持されている。このように太
陽電池10のエッジ部以外の部分で機械的に保持すると
いう特徴が望まれるのは、次のような理由に基づくので
ある。
いられるガラス板は大きな元板からガラスカッターなど
でカットされ、切断面がそのままではカットした際の歪
みがガラス面内に進行する可能性があるので、それを防
止するために切断面が研磨されて面取りされる。しかし
ながら、一般に、この面取りをした後においても切断面
近傍には切断による微小なクラックが残留している。し
たがって、切断面近傍の機械的強度はそれ以外の部分よ
り著しく低いことが知られており、この部分のことをエ
ッジ部と呼んでいる。それにもかかわらず、従来のガラ
ス板の支持構造のほとんどがこのエッジ部で支持してお
り、特に温度条件などが過酷な太陽電池モジュールの支
持形態として従来のガラス支持構造をそのまま採用する
ことは不適当であることが、本発明者の研究結果として
判明したのである。
レーム11との間には、熱伝導係数が10-3W/cm・
℃以下の断熱材スペーサ13が介在させられている。な
お、この実施の形態においては、太陽電池10と断熱材
スペーサ13との間には、接着性の向上と太陽電池10
の端面保護のためにブチルゴムからなるシーリング材1
2がさらに介在させられている。また、断熱材スペーサ
13は、断熱のためのみならず、抵抗率が1012Ω・c
m以上であって絶縁材としても作用するものであればよ
り好ましい。このように断熱材スペーサ13を用いると
いう特徴が望まれるのは、次のような理由に基づくので
ある。
れたり熱せられたガラスを急に冷やせば割れることがあ
るが、この理由は、部分的に発生した急激な温度勾配に
起因する熱応力によってガラスが破壊するからである。
しかし、ガラスを徐々に加熱したり徐冷したりして温度
勾配が生じない状態にすれば、500℃の高温でも、ま
たは逆に液体窒素温度のような低温でも、ガラスは破壊
することはない。本発明はこのような事実を利用したも
のであり、具体的には太陽電池内で急激な温度勾配が生
じないようにするために、金属支持材11と太陽電池1
0とが直接接触することを防止するように断熱材スペー
サ13を配置して、温度勾配を抑制しているのである。
下の断熱材スペーサ13としては、ポリカーボネート
(0.86×10-3W/cm・℃)、ポリスチレン
(0.35×10-3W/cm・℃)、発泡樹脂(1.0
×10-3W/cm・℃)、ポリウレタン(0.17×1
0-3W/cm・℃)、セルロースアセテート(0.43
×10-3W/cm・℃)、シリコーン(0.43×10
-3W/cm・℃)、フェノール樹脂(0.35×10-3
W/cm・℃)、エポキシ樹脂(0.35×10-3W/
cm・℃)、グラスファイバ(0.36×10-3W/c
m・℃)、石綿(0.44×10-3W/cm・℃)、グ
ラスフォーム(0.49×10-3W/cm・℃)、アク
リル系フォーム(0.29×10-3W/cm・℃)、ゴ
ム発泡体(1.0×10-3W/cm・℃)、またはコル
ク(1.0×10-3W/cm・℃)などが好ましく用い
られ得る。
ープ状のものやコの字形にモールドした形状のものが簡
便に入手し得る。スペーサの厚みは支持部材の嵌合部分
と太陽電池のサイズとの関係から適宜に選択し得るもの
であるが、完成品の美観および組立作業の効率などを考
慮して、0.2〜1mm程度であることが好ましい。テ
ープ状断熱材の具体的な商品の一例としては、3M社
(日本法人:住友スリーエム)からアクリルフォーム接
合材として、アクリル系の発泡樹脂を基材として接着層
を両面ないし片面に配設したテープが販売されている。
太陽電池の動作状態において形状を維持し得る材料であ
ることが望まれる。具体的には、太陽電池の動作温度
(たとえば約90℃まで)の条件下で、太陽電池の荷重
がかかった状態でも実質的に変形しないことが望まれ
る。上述した材料は、いずれの太陽電池の動作状態にお
いても形状を維持することができるものであるので、断
熱材スペーサとして好ましく用いられ得る。他方、ブチ
ルゴム、ネオプレン、天然ゴム等のゴムは、熱伝導係数
がいずれも10-3W/cm・℃以下であるが、太陽電池
用として販売されているものは室温で可塑性を有するパ
テに近い性質のものであり、太陽電池の動作状態におい
て容易に変形してしまうので断熱材スペーサとして用い
ることができない。ただし、ゴム発泡体の中には、加硫
や配合によって、太陽電池の動作状態においても形状を
維持し得る材料が存在する。
はたとえばブチルゴムなどからなるシール材12が用い
られているが、太陽電池の動作状態においてこのシール
材12が変形したとしても断熱材スペーサ13がその形
状を維持しているので、太陽電池10と金属フレーム1
1との間の断熱性が実質的に低下することはない。ま
た、シール材12は不可欠なものではなく、省略するこ
とも可能である。
部材11との間に介在させる際には、太陽電池10に断
熱材スペーサ13を取付けた後に支持部材11に嵌合さ
せることもできるし、あるいは支持部材11に断熱材ス
ペーサ13を設置しておいて太陽電池10を嵌め込みこ
ともできる。このように、状況に応じて異なる方法で適
宜に太陽電池モジュールを組立ることができる。本発明
で重要なことは、局所的に温度勾配が生じないようにす
るために、太陽電池10と支持部材11との間の全領域
において相互に直接接触しないようにすることである。
特に、太陽電池モジュールでは一般に意匠性を重要視す
るので、フレームなどの支持部材11と太陽電池10と
の嵌合部の隙間は狭くなっている。したがって、このよ
うな狭い空間において、太陽電池10と支持部材11と
が互いに接触しないことが重要である。
よる太陽電池モジュールを概略的な断面図で示してい
る。この太陽電池モジュールでは、太陽電池10はその
裏面においてエッジ部からはるかに内側の領域で断熱材
スペーサ13を介してフレーム11によって支持されて
いる。この場合、太陽電池10の表面と裏面におけるフ
レーム11の支持部が互いに対面して狭い隙間を形成し
ていないので、太陽電池10をフレーム11と組合わせ
るときの作業が容易になる。なお、シール材12は太陽
電池10と断熱材スペーサ12との間には介在させられ
ておらず、太陽電池10の端面を封止して保護するだけ
のために用いられている。
ンを用いた薄膜太陽電池は、製造に要するエネルギーに
相当するエネルギーを発電によって得るための時間であ
るエネルギーペイバックタイムが短いことや、材料費が
安価であることなどから、有望なものとして注目されて
いる。しかし、このような非晶質型の薄膜太陽電池は、
未だ大規模な太陽光発電用としては実用化に至っていな
いのが実情である。
光照射に起因する劣化(以下、単に「光劣化」と称す)
による光電変換効率の大幅な低下が挙げられる。この現
象はステーブラ・ロンスキー効果と呼ばれ、光劣化が起
こった後に100〜200℃前後の温度でアニールする
ことによって、その劣化の大部分が回復する可逆現象で
ある。実際の太陽電池の使用においては、最初の1年間
でこの光劣化は安定化するが、その劣化率はアニールを
行なわなければ30%にも及ぶ。
にすることによってアニール効果を生じさせて、光劣化
を低減することが検討されている。具体的には、太陽電
池の裏面に断熱手段、たとえば発泡体などの断熱材を設
けることによってアニール効果をもたらす構造が提案さ
れている。このような構造を含む太陽電池モジュールに
おいては、太陽電池の温度が上昇するが、他方で断熱材
の設けられていない支持部材部分は温度上昇が少ないの
で、通常の場合と比較して、太陽電池のガラス基板内で
さらに大きな温度勾配が生じる傾向になる。
る太陽電池モジュールの概略的な断面図であり、上述の
ように裏面に断熱手段が設けられた太陽電池を備えた太
陽電池モジュールへの本発明の適用例を示している。こ
の太陽電池モジュールは、光電変換のための非晶質シリ
コン薄膜を含む太陽電池10と、それを支持する支持部
材11とを備えている。太陽電池10と支持部材11と
の間には、熱伝導係数が10-3W/cm・℃以下の断熱
材スペーサ13が介在させられている。断熱材スペーサ
13は、断熱作用のみならず、抵抗率が1012Ω・cm
以上であって絶縁材としても作用するものがより好まし
い。
て、発泡体などからなる断熱材14が配置されている。
図3の場合、太陽電池の裏面の支持はその断熱材14を
介して行なわれているが、断熱手段としては、そのよう
な断熱材14を用いる代わりに、図2の実施の形態を一
部変更した図4の太陽電池モジュールに示されているよ
うに、一定空間の空気層15が生じるように太陽電池1
0の裏側に容器を形成するようにしてもよい。
ールにおいては、前述のように太陽電池10と金属フレ
ーム11との間の温度差が特に大きくなる傾向にあるの
で、本発明による断熱材スペーサ13の効果が特に有効
に発揮され得る。
らの切断歪みが残る範囲であるが、本発明者の検討で
は、最も歪みが少ない場合においても概略その基板の厚
みと同等、すなわち5mm前後の幅であることが判明し
た。このエッジ部の幅は加工状態によって少し変化する
ので、機械的強度の観点からは余裕をもって端面から1
0mm以上の内側の位置で太陽電池を支持することも可
能であるが、それより内側で太陽電池を支持すれば太陽
電池の受光面の減少に結びつくので、基板端面からエッ
ジ部を除いたどれだけ内側の位置で支持するかについて
は、適宜に設計することができる。
陽電池モジュールが、実施例1として作製された。太陽
電池10としては、図5に示されたようにガラス基板側
から光入射するタイプの太陽電池であって、裏面がEV
Aとテドラで封止された集積型非晶質シリコン薄膜太陽
電池が用いられた。支持部材11としては、アルミニウ
ム製フレームが用いられた。支持部材11と太陽電池1
0との間に介在させる断熱材スペーサ13としては、3
M社製のアクリル系発泡体である「VHB構造用テープ
Y−4950」(熱伝導係数:2.9×10-4W/cm
・℃、抵抗率:1015Ω・cm、厚さ:1.14mm)
が用いられた。また、接着性の向上と太陽電池10の端
面保護のために、太陽電池10と断熱材スペーサ13と
の間に、ブチルゴムからなるシーリング材12が介在さ
せられた。
池モジュールについて、気温32℃における夏の快晴の
南中時に、太陽電池10の部分の温度とフレーム11の
部分の温度とがそれぞれ測定された。その結果、太陽電
池10の部分の温度は55℃であり、フレーム11の部
分の温度は40℃であって、ガラス基板内での温度勾配
はほとんど発生していなかった。
つ、10SUN(標準太陽光の10倍のパワー密度:1
000mW/cm2 )の疑似太陽光を照射する実験が行
なわれた。その結果、10枚の太陽電池モジュール中
で、1枚も割れは生じなかった。
池モジュールが、比較例1として作製された。太陽電池
10およびフレーム11としては、実施例1と同様のも
のが用いられた。また、太陽電池10とフレーム11と
の間には、ブチルゴムからなるシーリング材12が介在
させられた。
池モジュールについて、実施例1の場合と同様に気温3
2℃における夏の快晴の南中時に、太陽電池10の部分
の温度とフレーム12の部分の温度とがそれぞれ測定さ
れた。その結果、太陽電池10の部分の温度は50℃で
あり、フレーム11の部分の温度は40℃であって、約
10℃の温度勾配が太陽電池10のガラス基板内で発生
していた。
1の太陽電池モジュールについても、フレーム11を強
制的に冷却しつつ、10SUNの疑似太陽光を照射する
実験が行なわれた。その結果、10枚の比較例1の太陽
電池モジュール中で、2枚が割れてしまった。
太陽電池モジュールが、実施例2として作製された。こ
の太陽電池10の裏面に配置される断熱材14として、
鐘淵化学工業(株)製「カネライトフォーム・ヒートマ
ックス」(熱伝導率:3.4×10-4W/cm・℃、抵
抗率:1017Ω・cm、厚さ:25mm)が用いられ、
それがゴム系接着剤で太陽電池10の裏面に張り付けら
れた。その他の構成は、実施例1の場合と同様にされ
た。
ュールについて、実施例1の場合と同様に気温32℃に
おける夏の快晴の南中時に、太陽電池10の部分の温度
とフレーム11の部分の温度とがそれぞれ測定された。
その結果、太陽電池10の部分の温度は70℃であり、
フレーム11の部分の温度は40℃であって、断熱材1
4の部分で大きな温度勾配が生じていたが、太陽電池1
0のガラス基板内での温度勾配はほとんど発生していな
かった。
おいても、フレーム11を強制的に冷却しつつ、10S
UNの疑似太陽光を照射する実験が行なわれた。その結
果、10枚の太陽電池モジュール中で、1枚も割れが生
じなかった。
池をそのガラス基板のエッジ部分以外の部分で支持する
ことにより、また、より好ましくは太陽電池と支持部材
の金属部分との間に断熱材スペーサを設けることによ
り、太陽電池の動作条件においてガラス基板エッジ部の
切断歪みの影響を回避し得るとともに、基板内の温度勾
配を抑制することができる。その結果、温度勾配から生
じる熱応力が主原因となる太陽電池のガラス基板エッジ
部からの割れなどの故障を防止することができ、太陽電
池モジュールの機械的信頼性が大幅に改善され得る。
ュールを示す概略的な断面図である。
モジュールを示す概略的な断面図である。
モジュールを示す概略的な断面図である。
モジュールを示す概略的な断面図である。
図である。
な断面図である。
示す。
Claims (6)
- 【請求項1】 ガラス板の基板上に形成された薄膜半導
体層を含む薄膜型太陽電池と、 前記太陽電池を支持する支持部材とを備え、 前記太陽電池は前記ガラス板の切断歪みが残存するエッ
ジ部以外の部分において前記支持部材で機械的に支持さ
れていることを特徴とする薄膜型太陽電池モジュール。 - 【請求項2】 前記支持部材は金属部分を含み、 前記太陽電池と前記支持部材の金属部分との間の少なく
とも一部に断熱材スペーサを含み、 前記断熱材スペーサは10-3W/cm・℃以下の熱伝導
係数を有し、かつ前記太陽電池の使用中に実質的に変形
しないことを特徴とする請求項1に記載の薄膜型太陽電
池モジュール。 - 【請求項3】 前記太陽電池の前記半導体層は光電変換
のための非晶質シリコン層を含み、 前記太陽電池の裏面を覆う断熱手段をさらに備えている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜型太陽
電池モジュール。 - 【請求項4】 前記太陽電池と前記支持部材の金属部分
との間の全領域に前記断熱材スペーサを含むことを特徴
とする請求項2または3に記載の薄膜型太陽電池モジュ
ール。 - 【請求項5】 前記断熱材スペーサは、ポリカーボネー
ト、ポリスチレン、発泡樹脂、ポリウレタン、セルロー
スアセテート、シリコーン、フェノール樹脂、エポキシ
樹脂、グラスファイバ、石綿、グラスフォーム、アクリ
ル系フォーム、ゴム発泡体、およびコルクから選択され
たいずれかの材料を含むことを特徴とする請求項2から
4のいずれかの項に記載の薄膜型太陽電池モジュール。 - 【請求項6】 前記エッジ部は前記ガラス板の切断端面
から5mmの幅の部分であることを特徴とする請求項1
から5のいずれかの項に記載の薄膜型太陽電池モジュー
ル。
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---|---|---|---|
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---|---|---|---|
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JP2000174311A true JP2000174311A (ja) | 2000-06-23 |
JP4009024B2 JP4009024B2 (ja) | 2007-11-14 |
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