JP2005123452A - 太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池モジュールを屋外に設置した場合では、その発電時には太陽電池モジュールの温度は太陽電池素子の動作に伴って生じる熱などによって大きく上昇する。太陽電池モジュールの温度が上昇すると太陽電池素子の温度特性から発電効率が低下してしまう。
【解決手段】 太陽電池モジュールの裏面シートの太陽電池モジュールの外部に接する面に金属層または酸化金属層を形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、放熱性を向上させた太陽電池モジュールならびにその製造方法に関するものである。

太陽電池素子は単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いて作製することが多く、そのために太陽電池素子は物理的衝撃に弱く、また、野外に太陽電池を取り付けた場合に、雨などからこれを保護する必要がある。

また、太陽電池素子１枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池素子を直並列に接続して、実用的な電気出力が取り出せるようにする必要がある。

そこで、複数の太陽電池素子を接続し、透光性基板ならびにエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などの合成樹脂を主成分とする充填材にて封入し、これによって太陽電池モジュールとして製造している。

このような構成の太陽電池モジュールを屋外に設置した場合、その発電時には外気温２０℃でも太陽電池モジュールの温度は太陽電池素子の動作に伴って生じる熱などによって４０〜５０℃程度にまで上昇していた。

よって、このように太陽電池モジュールの温度が上昇した場合、太陽電池素子の温度特性に起因して発電効率が低下するという課題があった。

さらに、発電中の太陽電池モジュールにおいて、複数の太陽電池素子のうち一つの太陽電池素子が何らかの構造に起因して、そこに影が生じた場合、この太陽電池素子の発電が不十分となり、これにより、この太陽電池素子自体が抵抗となり、その結果、この太陽電池素子の両電極にはその抵抗値と流れる電流の積の電位差が発生していた。

すなわち、太陽電池素子に逆方向のバイアス電圧が印加されことで、この素子が発熱し、いわゆるホットスポットと呼ばれる状況が生まれていた。

このようなホットスポットの現象が発生したことで、太陽電池素子の温度が上昇し続けると、最悪の場合にはこの太陽電池素子が破壊し、以後、この太陽電池モジュールから所定の電気出力を得られなくなるという課題もあった。

かかる課題を解消するために、太陽電池モジュールの温度上昇やホットスポットが発生したときに太陽電池モジュールを冷却する技術が提案され、たとえば、太陽電池モジュールの裏面側に凹凸状表面を備えたフィルムを設けることや、太陽電池モジュールの周囲に配設するモジュール枠に通風口を設けることが提案されている（特許文献１参照）。

また、太陽電池裏面の放熱面積を大きくする技術も提案され、たとえば、この部分に放熱フィンを備えた太陽電池モジュールも考案されている（特許文献２参照）。
特開平６−１８１３３３号公報 特開２００２−１７０９７４号公報

しかしながら、特許文献１によって提案された技術によれば、太陽電池モジュールの裏面側に表面が凹凸状の熱放射率の高いフィルムを設けることで、ある程度に放熱性が得られたが、その反面、このフィルムに大きな凹凸形状を設けるという製造技術上の難点があり、放熱効果が所望どおりに達成されず、不十分となり、その結果、高い品質が得られず、信頼性が低下していた。

また、太陽電池モジュールの周囲に配設するモジュール枠に通風口を設ける技術においては、太陽電池モジュールの強度に影響を及ぼし、その点で信頼性が得られず、さらに無風状態では放熱効果が所望どおりに達成されず、不十分となり、その結果、同様に高い品質が得られず、信頼性が低下していた。

一方、太陽電池モジュールの裏面に放熱フィンを設置する特許文献２の技術においては、太陽電池モジュールの寸法や重量が増大し、太陽電池モジュールの設置場所が限られるという課題があった。

また、太陽電池モジュールに対し、金属等で作製した放熱フィンを設ける点で、その取り付ける工程を要し、製造コストや販売コストが大きくなるという問題点もあった。

本発明は叙上に鑑みて完成されたものであり、その目的は放熱効果を高め、高い品質や信頼性を達成した太陽電池モジュールを提供することにある。

本発明の他の目的は、取付けるに当って、設置条件が緩和された太陽電池モジュールを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、かかる本発明の太陽電池モジュールを低コストに取付けられるように成した太陽電池モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明の太陽電池モジュールは、透光性基板と合成樹脂シートから成る裏面シートとの間に充填材で挟持した複数の太陽電池素子を配設し、上記合成樹脂シートの外面に金属層または酸化金属層を被着して成ることを特徴とする。

本発明の他の太陽電池モジュールは、前記合成樹脂シートの内部に無機酸化物層を配したことを特徴とする。

本発明のさらに他の太陽電池モジュールは、前記金属層または酸化金属層がアルミニウムもしくは銅を主成分とすることを特徴とする。

本発明の太陽電池モジュールの製造方法は、順次下記（１）〜（５）の各工程を経た後、減圧下にて加熱加圧して一体化したことを特徴とする。

（１） 透光性基板の上に受光面側充填材を配する。

（２） 上記受光面側充填材の上に、複数の太陽電池素子を配列してなる太陽電池素子群を複数配する。

（３） 上記太陽電池素子群を配線により電気的に接続する。

（４） 上記太陽電池素子群の上に裏面側充填材を配する。

（５） 上記裏面側充填材の上に、合成樹脂シートの外面に金属層または酸化金属層を被着して成る裏面シートを、当該金属層または酸化金属層が裏面シートの外面になるように配する。

本発明の他の太陽電池モジュールの製造方法は、前記合成樹脂シートの内部に無機酸化物層を配したことを特徴とする。

本発明のさらに他の太陽電池モジュールの製造方法は、前記金属層または酸化金属層がアルミニウムもしくは銅を主成分とすることを特徴とする。

本発明の太陽電池モジュールおよびその製造方法によれば、上記構成のように裏面シートを成す合成樹脂シートの外面に、金属層または酸化金属層を放熱層として被着したことで、太陽電池素子で発生した熱を裏面側から放熱させ、これにより、温度上昇による太陽電池モジュールの電気出力の低下を防ぎ、もしくは無くすことができる。

また、本発明の太陽電池モジュールおよびその製造方法によれば、ホットスポットなどで局部的な発熱があった場合でも、裏面からの熱の拡散が速くなって太陽電池素子の破壊を防ぐことができる。

さらにまた、本発明の太陽電池モジュールおよびその製造方法によれば、従来のごとく、冷却フィンなどの新たな部材を必要とせず、さらにこのような部材を取り付ける工程も不要となり、これによって製造コストが低減でき、低コストな太陽電池モジュールが提供できる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

（例１）
図１は本発明に係る太陽電池モジュールの太陽電池パネル部構造を示す概略断面図である。

同図において、１は透光性基板、２は受光面側充填材、３は太陽電池素子、４は裏面側充填材、５は合成樹脂シートから成る裏面シートを示す。

透光性基板１は、ガラス材やポリカーボネート樹脂などの合成樹脂材が用いられる。

このガラス材から成る基板としては、白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどが用いられる。一般的には厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが使用される。

一方、ポリカーボネート樹脂などの合成樹脂材から成る基板については、厚みが５ｍｍ程度のものが使用される。

受光面側充填材２は、透光性、耐熱性、電気絶縁性を有する素材が好適に用いられ、たとえば酢酸ビニル含有量が２０〜３０％であるエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）やポリビニルブチラール（ＰＶＢ）などを主成分とする熱可塑性の合成樹脂材が好適に用いられる。また、厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状形態のものが用いられる。

上記のＥＶＡなどの合成樹脂材に対し着色させると、太陽電池素子３に入射する光量が減少し、発電効率が低下するという点で、透明化するとよい。

ただし、ＥＶＡなどの合成樹脂材に対し、所望に応じて酸化チタンや顔料等を含有させ、白色等に着色させた透明材にしてもよい。

太陽電池素子３については、厚み０．３ｍｍ程度の単結晶シリコンや多結晶シリコン基板などにより構成する。

太陽電池素子３の内部にはＰＮ接合が形成され、その受光面と裏面には電極が設けられ、さらに受光面には反射防止膜を設ける。その寸法は、たとえば多結晶シリコン太陽電池において、およそ１５０ｍｍ角程度である。

裏面側充填材４は、耐熱性、電気絶縁性を有する素材が好適に用いられ、たとえば酢酸ビニル含有量が２０〜３０％であるエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）やポリビニルブチラール（ＰＶＢ）などを主成分とする合成樹脂材により構成され、厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状形態のものが用いられる。

さらに裏面側充填材４に用いるＥＶＡは透明でもよいが、太陽電池モジュールの周囲の設置環境に合わせて酸化チタンや顔料等の従来周知の着色材料を含有させ、白色等に着色させてもよい。

受光面側充填材２と裏面側充填材４については、減圧下でのラミネート工程において、熱架橋融着して他の部材と一体化する。

裏面シート５は、前記合成樹脂シートであるポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）シートなどが用いられる。この合成樹脂シートでもって、裏面シート５に対し、水分が透過しないように、たとえばアルミナ層を挟持している。

図２は本発明に係る裏面シート５の概略断面構造の一例を示す。

同図において、６は厚さ１０〜２０μｍ程度のＰＥＴシートであり、太陽電池モジュールの内側、すなわち裏面側充填材４に接する面側であり、このＰＥＴシート６の上に無機酸化物層７、ＰＥＴシート８、ならびに前記金属層または酸化金属層である放熱層９を順次積層する。

無機酸化物層７は、たとえばアルミナやシリカ等の無機酸化物を厚さ０．１〜０．２μｍ程度に真空蒸着法などで蒸着したものである。

この無機酸化物層７は水分が太陽電池モジュール内部に浸透して、太陽電池モジュールの出力特性を低下させるのを防止するために設けられる。

ＰＥＴシート８は厚さ３０〜１００μｍ程度の耐加水分解処理を行ったＰＥＴシートである。これを上記の無機酸化物層７を形成したＰＥＴシート６にウレタン系接着材などで貼り合わせる。

放熱層９は太陽電池モジュールの外部に接する面であり、金属層または酸化金属層である。

この金属層または酸化金属層には、たとえばアルミニウム、銀、銅、錫、チタン、鉄、亜鉛などの金属からなるか、もしくはその酸化物からなり、それを層状に成す。

かかる金属層または酸化金属層は、たとえばＣＶＤ法や真空蒸着法（抵抗加熱蒸着法、誘電加熱蒸着法、ＥＢ蒸着法）、スパッタリング法などの成膜技術でもって、たとえば０．１〜３μｍ程度の厚みにて形成される。

特に金属層として、アルミニウム金属を０．１〜３μｍ程度の厚みにて蒸着し、これにアルマイト処理、さらに望ましくは黒色アルマイト処理を施した構成にすることで、熱放射率が０．８以上となり、好適である。

あるいは、酸化金属層として、銅酸化物を０．１〜３μｍ程度蒸着した層構成であれば、熱放射率が０．７以上となり、好適である。

（例２）
つぎに他の裏面シートを述べる。

本例においては、（例１）に用いる裏面シート５に代えて、図３に示す裏面シート１０を用いる。その他の各部材は（例１）に示すとおりのものを用いる。

図３は本発明に係る裏面シート１０の概略断面図を示す。

同図において、１１は前記合成樹脂シートである太陽電池モジュールの内側の層であり、ポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）樹脂の合成樹脂であって、その厚みを５０〜１５０μｍ程度である。

１２は裏面シート１０の外部に接する面であり、前記金属層または酸化金属層である放熱層である。

この放熱層１２によれば、金属層または酸化金属層であり、たとえばアルミニウム、銀、銅、錫、チタン、鉄、亜鉛ならびにその酸化物から成る。そして、これらをＣＶＤ法や真空蒸着法（抵抗加熱蒸着法、誘電加熱蒸着法、ＥＢ蒸着法）、スパッタリング法などで０．５〜５μｍ程度形成される。

このように放熱層１２を０．５〜５μｍという大きな厚みでもって被着することで、太陽電池モジュールの放熱の促進機能だけでなく、太陽電池モジュール内部への水分の浸透の防止の機能も合わせて持たせる。

裏面シート１０によれば、前述した裏面シート５と比べて、ＰＥＴシート１１と放熱層１２との２層構造になり、図２に示したような４層構造に対し、無機酸化物層７やＰＥＴシートの張り合わせや加水分解処理が不要となり、これにより、簡単な工程で作製でき、その結果、裏面シートの製造コストが下げられる。

かくして（例１）と（例２）の本発明の太陽電池モジュールによれば、熱放射率の高い放熱層９、１２を裏面シートの外側に形成したことで、熱放射率が向上し、これにより、太陽電池モジュールで発生した熱を裏面シート５、１０から効率よく放熱することができた。

ちなみに、従来のような裏面シートの太陽電池モジュールの外側面が白色のテフロン（Ｒ）樹脂やポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）などにより構成した場合には、その太陽エネルギーに対する熱放射率は０．２〜０．４というように低い値であり、太陽電池モジュールの発電や光の吸収によって発生した熱を裏面シートから効率よく放熱することができなかったが、これに対し、本発明のごとく、裏面シートに金属層や酸化金属層を被着させたことで、熱放射率を改善することができ、その結果、太陽電池モジュールで発生した熱を裏面シートから効率よく放熱することができた。

本発明者が繰り返し行なった実験によれば、たとえば、アルマイト処理を行ったアルミニウム層を放熱層として用いた場合には、熱放射率が０．８以上に至り、上記の裏面シートに設ける金属層として、アルマイト処理を行ったアルミニウムが最適であることを確認した。

さらに本発明者は、酸化銅については、熱放射率が０．７以上と高くなったことで、上記の裏面シートに設ける酸化金属層として酸化銅が最適であることも実験により確認した。

また、本発明によれば、ホットスポットなどで局部的な発熱があった場合でも、裏面からの熱の拡散が速くなったことで、太陽電池素子の破壊を防ぐことができた。

また、裏面側から放熱させることによって太陽電池素子の発電に何ら影響を及ぼすことなく、効率よく均一に太陽電池モジュールの温度上昇を抑えることができた。

その上、本発明によれば、冷却フィンなどの新たな部材を必要とせず、さらにこのような新たな部材を取り付ける必要もなく、製造コストや工数が増大しなくなり、低コストな太陽電池モジュールが提供できた。

（太陽電池モジュールの作製方法）
つぎに本発明に係る太陽電池モジュールの作製方法について説明する。

太陽電池モジュールのパネル部は、上述のような透光性基板１、受光面側充填材２、太陽電池素子３、裏面側充填材４、裏面シート５、１０の積層体を接着一体化することによって作製する。

すなわち、次の手順で各部材を積層していく。

工程（１） 透光性基板１の上に受光面側充填材２を配する。

工程（２） この受光面側充填材２の上に、複数の太陽電池素子３を配列してなる太陽電池素子群を複数配する。

工程（３） この太陽電池素子群を配線により電気的に接続する。

工程（４） 太陽電池素子群の上に裏面側充填材４を配する。

工程（５） この裏面側充填材４の上に、合成樹脂シートの外面に金属層または酸化金属層を被着して成る裏面シート５、１０を、当該金属層または酸化金属層が裏面シート５、１０の外面になるように配する。

そして、上述の各部材の積層体をラミネーターと呼ばれる減圧状態で加熱しながら加圧する装置にセットし、その後、太陽電池モジュールの内部の空気を除去するために５０〜１５０Ｐａ程度に減圧し、１００〜２００℃の温度で１５分〜１時間加熱しながら加圧する。これによって、受光面側充填材２、裏面側充填材４が軟化し架橋融着し、これにより、各部材を接着し一体化し、太陽電池モジュールのパネル部を作製することができる。

最後に太陽電池モジュールに機械的強度や耐候性能を付与し、さらに太陽電池モジュールを設置する場合などに取り扱いやすくために太陽電池パネルの外周各辺にモジュール枠を嵌め込み、各コーナー部をビスなどにより固定し、かくして太陽電池モジュールが完成する。

このようなモジュール枠は、それに必要な強度や耐久性などを考慮して、アルミニウムやＳＵＳなどの金属材、合成樹脂材、木材などで作製され、アルミニウムで作製した場合、そのモジュール枠の側面部やモジュール枠の受光面部には耐候性の向上のためにアルマイト処理がなされ、さらにクリヤ塗装などを施してもよい。

また、本発明に係る太陽電池モジュール製造方法によれば、ラミネートで減圧下にて加熱加圧する前に、裏面側充填材の上に、片面に金属層または酸化金属層を被着して成る裏面シートを、金属層または酸化金属層を被着した面が外側になるように配するという簡便な方法で、温度上昇による太陽電池モジュールの電気出力の低下の小さな太陽電池モジュールの製造ができ、これにより、製造コストが低減できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更や改良等はなんら差し支えない。たとえば、裏面シートの材料はＰＥＴシートではなく、耐候性を持たせたテフロン（Ｒ）シートを用いてもよい。

また、太陽電池素子は単結晶や多結晶シリコンなどの結晶系太陽電池に限定されるものではなく、薄膜系太陽電池などでもよい。

本発明に係る太陽電池モジュールのパネル部の構造を示す断面図である。 本発明に係る裏面シートの一例の構造を示す断面図である。 本発明に係る裏面シートの他の例の構造を示す断面図である。

符号の説明

１・・・透光性基板
２・・・受光面側充填材
３・・・太陽電池素子
４・・・裏面側充填材
５、１０・・・裏面シート
６、１１・・・ＰＥＴシート
７・・・無機酸化物層
８・・・耐加水分解処理を行ったＰＥＴシート
９、１２・・・放熱層

Claims (6)

1. 透光性基板と合成樹脂シートから成る裏面シートとの間に充填材で挟持した複数の太陽電池素子を配設し、上記合成樹脂シートの外面に金属層または酸化金属層を被着して成ることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記合成樹脂シートの内部に無機酸化物層を配したことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記金属層または酸化金属層がアルミニウムもしくは銅を主成分とすることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 順次下記（１）〜（５）の各工程を経た後、減圧下にて加熱加圧して一体化したことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
   （１） 透光性基板の上に受光面側充填材を配する。
   （２） 上記受光面側充填材の上に、複数の太陽電池素子を配列してなる太陽電池素子群を複数配する。
   （３） 上記太陽電池素子群を配線により電気的に接続する。
   （４） 上記太陽電池素子群の上に裏面側充填材を配する。
   （５） 上記裏面側充填材の上に、合成樹脂シートの外面に金属層または酸化金属層を被着して成る裏面シートを、当該金属層または酸化金属層が裏面シートの外面になるように配する。
5. 前記合成樹脂シートの内部に無機酸化物層を配したことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
6. 前記金属層または酸化金属層がアルミニウムもしくは銅を主成分とすることを特徴とする請求項４または５に記載の太陽電池モジュールの製造方法。

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