JP2006310680A - 薄膜太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 裏面保護シートの層間剥離による防湿性能低下の無い、信頼性の高い太陽電池モジュールを提供することである。
【解決手段】 透明絶縁基板上に順に、薄膜太陽電池素子、前記薄膜太陽電池素子全面を覆う封止樹脂、及び裏面保護シートを含む薄膜太陽電池モジュールであって、前記裏面保護シートは、少なくとも防湿層を含む複数の層からなり、かつ、５０℃の温水に３５０時間浸漬（温水浸漬試験）した後の前記防湿層と前記防湿層に隣接する層との間の接着強度が、４Ｎ／ｃｍより大きいことを特徴とする薄膜太陽電池モジュールとする。
【選択図】 図５

Description

本発明は屋外に設置される薄膜太陽電池モジュールに関する。

近年、太陽電池の低コスト化、高効率化を両立するために原材料が少なくてすむ薄膜太陽電池が注目され、開発が精力的に行われている。特に、ガラス等の安価な透光性基体上に低温プロセスを用いて良質の半導体層を形成する方法が低コストの実現可能な方法として期待されている。

通常このような薄膜太陽電池素子を含む薄膜太陽電池モジュールは、一般に、電気的に直列又は並列に接続されてなる複数の薄膜太陽電池セルからなる集積型薄膜太陽電池素子を含み、その電極層や半導体層を保護することや外部と電気的に絶縁することなどを目的として、この集積型薄膜太陽電池全体を、エチレン−酢酸ビニル共重合体（以下、ＥＶＡと称す）などを主成分とする充填材料である封止樹脂と裏面保護シートにより封止した構造になっている。

この裏面保護シートとしては、太陽電池モジュールの防湿性を確保するために、言い換えれば、太陽電池モジュール内部への水分の進入を防止するために、例えば蒸着により形成されるシリカ層やアルミ箔などの防湿層を含み、これらの防湿層を基材層であるポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）やＰＥＴフィルム等に積層したものなどが使用される。

ところで、このような太陽電池モジュールの防湿性確保の前提として、薄膜太陽電池モジュールではまず、耐水性が確保されている必要があり、これを改善するための種々の技術が知られている。

例えば、特開平９−００４５９７号公報には、裏面材の周端部を折り曲げて受光面である透光板表面の周端部に当接させ、当接した接合部をシール材で水密にシールした太陽電池モジュール構造に関する技術が開示されている。しかしこの技術は裏面封止工程の後に、通常の工程に追加して裏面封止部材の端部の折り曲げ工程や接着、養生の工程が必要であり、特に角部での折り曲げ、又はシールの処理の工程が煩雑であり、大量生産には不向きであると考えられる。

また、特開２００４−０７９８２３号公報には、絶縁性基板周囲に導電体を設け、金属製の封止部材で裏面を覆うとともに低融点金属で封止部材端部を基板周囲の導電体と接合する技術が開示されている。この技術も、新たな処理工程が必要となるだけでなく、セル部と封止部材を封止接着した有機樹脂の近傍で、低融点とはいえ高温の溶融金属で封止部材端を接合するので、内部の有機樹脂が熱によりダメージを受けることが予想され、この為封止機能が低下することが懸念される。
特開平９−００４５９７号公報 特開２００４−０７９８２３号公報

本発明はこのような従来技術の問題に鑑みなされたものであり、裏面保護シートとして防湿性が十分に高いもの、例えばアルミ箔を防湿層として積層したシートを用いた薄膜太陽電池モジュールにおいて、実使用環境における様に太陽電池モジュールの端部が水分にさらされても、この裏面保護シートの有する防湿性を十分に発揮させることで、太陽電池モジュールの信頼性を確保することを目的とする。

本発明の薄膜太陽電池モジュールは、透明絶縁基板上に順に、薄膜太陽電池素子、前記薄膜太陽電池素子全面を覆う封止樹脂、及び裏面保護シートを含む薄膜太陽電池モジュールであって、前記裏面保護シートは、少なくとも防湿層を含む複数の層からなり、かつ、５０℃の温水に３５０時間浸漬（温水浸漬試験）した後の前記防湿層と前記防湿層に隣接する層との間の接着強度が、４Ｎ／ｃｍより大きいことを特徴とする薄膜太陽電池モジュールであり、前記防湿層とそれに隣接する層との間の層間剥離が抑制されるので、裏面保護シートの防湿機能を十分に発揮させることができ、信頼性の高い薄膜太陽電池モジュールとなる。

前記裏面保護シートの面内周縁端部に耐水性樹脂を接着塗布した薄膜太陽電池モジュールとすると、温水浸漬試験後の前記接着強度を高く維持することが可能となり、好ましい。

前記耐水性樹脂としてはブチルゴムが、その耐水性の高さ、入手し易さ、及びハンドリング性の高さの点から好ましい。

また、前記裏面保護シートが、前記防湿層に隣接してかつ前記封止樹脂側に位置する封止樹脂側基材層、及び前記防湿層に隣接してかつ前記封止樹脂側とは反対側に位置する裏面側基材層を含み、前記防湿層が面内において前記封止樹脂側基材層、及び前記裏面側基材層に包含されてなる薄膜太陽電池モジュールとすると、温水浸漬試験後の前記接着強度を高く維持することが可能となり、好ましい。

前記防湿層としてはアルミ箔が、その防湿性の高さ、柔軟性の高さ、及び入手し易さの点から好ましい。

前記裏面保護シートとしては、ＰＥＴフィルムからなる前記封止樹脂側基材層が、ウレタン樹脂系接着剤により前記防湿層に接着されているものが、前記接着強度を高くできる点、及び温水浸漬試験後の強度維持の点から好ましい。

さらに、前記薄膜太陽電池素子が、シリコン系薄膜を半導体層として含み、かつ、複数の太陽電池セルが電気的に直列、又は並列に接続された集積型薄膜太陽電池素子である場合に、特に薄膜で酸化に弱い点から、また、発生電圧が高い点から、腐食を防止できるので本発明の薄膜太陽電池モジュールとすることが有効である。

言い換えれば、本発明の薄膜太陽電池モジュールはその一形態として、透明絶縁基板上に透明電極層、光半導体層および裏面電極層を積層し、複数の光電変換セルを形成するように分離溝によって分離され、かつそれらのセルが電気的に直列接続されており、さらに裏面電極層側が封止樹脂と、防湿層を含む裏面保護シートとによって封止された集積型薄膜太陽電池モジュールであって、裏面保護シートの層間接着強度が温水浸漬試験（５０℃／３５０時間）後で４〜１０００Ｎ／ｃｍであることを特徴とする。

本発明によれば、薄膜太陽電池モジュールの実使用環境において、水分にさらされることが多いモジュール端部においても封止樹脂側の基材層とアルミ箔などの防湿層の間の層間剥離が抑制され、長期にわたり裏面保護シートの防湿機能が損なわれることがなく、腐食など不具合のない信頼性の高いモジュールを得ることができる。

本発明者らは、裏面保護シートとして防湿性が十分に高いものを用いた薄膜太陽電池モジュールにおいても、実使用時に太陽電池素子部が腐食する場合があることに着目し、まず、太陽電池モジュールの端部が水分にさらされない構造の可能性について検討した。しかし、前述したように、このような構造は大量生産には不向きで、また、信頼性を十分に確保することが困難であることが判った。

そこで視点を変えて、裏面保護シートの防湿性が太陽電池モジュールの形態において十分に発揮できていない理由について検討することにした。その結果、裏面保護シート内において、封止樹脂側の封止樹脂側基材層とアルミ箔などの防湿層の間で層間剥離が発生し、防湿層の太陽電池素子側に水分が面内に拡散することにより裏面保護シートの防湿機能が損なわれている場合があることを見いだしたのである。

また、裏面保護シート内において、防湿層に対して封止樹脂側とは反対側の裏面側基材層と防湿層との間で、層間剥離が発生した場合でも、防湿層の例えばアルミ箔が露出し、使用環境によっては露出したアルミ箔が腐食消失し、裏面保護シートの防湿機能が損なわれている場合があることを見いだしたのである。

本発明の目的は、このような保護シートの層間剥離による防湿性能低下の無い、信頼性の高い太陽電池モジュールを提供することにある。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、本実施形態に記載された構成部品の種類、形状、その相対配置等は、本発明の範囲をそれのみに限定するものではなく、適宜に変更可能である。

図１は本発明の第１の実施の形態による薄膜太陽電池モジュールの模式図である。透明絶縁基板１上に直接薄膜太陽電池素子２が形成され、さらにこの薄膜太陽電池素子２の全面が封止樹脂３と、裏面保護シート４とによって封止されている。

ここで、薄膜太陽電池素子２としては、基板上に透明電極層、光半導体層および裏面電極層を積層し、複数の光電変換セルを形成するように分離溝によって分離され、かつそれらの光電変換セルが電気的に直列接続されてなる集積型薄膜太陽電池素子とすることが一般的であり、また、光半導体層中の光電変換層としては、薄膜シリコンや薄膜多結晶シリコンなどを用いることができる。さらに、図示しないが薄膜太陽電池素子２からはモジュール外部に電気出力が取り出せるようになっている。

上記封止樹脂３として用いられる樹脂としては、主としてＥＶＡ（エチレン・ビニルアセテート共重合体）を用いるが、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、ＰＩＢ（ポリイソブチレン）、及びシリコーン樹脂等を用いることもできる。

裏面保護シート４は、ポリフッ化ビニルフィルム（例えば、テドラーフィルム（登録商標名））のようなフッ素樹脂系フィルム或いはＰＥＴフィルムのような耐湿性や耐水性に優れた絶縁フィルムが用いられ、さらに裏面保護シート４は、アルミニウム等からなる金属箔や無機防湿膜をコートしたフィルムからなる防湿層４ｂが、これらのフッ素樹脂系フィルムやＰＥＴフィルム等４ａ、４ｃで挟持、積層された構造が好ましい。アルミニウム箔のような金属箔は耐湿性や耐水性を向上させる機能を有するので、裏面保護シート４をこのような構造とすることにより、薄膜太陽電池素子２を効果的に水分から保護することができる。

これら封止樹脂３、及び裏面保護シート４は、ガラス基板１上の薄膜太陽電池素子２の全面を覆うように真空ラミネート法により同時に貼着することができる。

本発明で使用する裏面保護シート４は防湿層４ｂを含む積層構造で、防湿層とそれに隣接する層との層間接着強度が封止形態で温水浸漬後も４Ｎ／ｃｍよりも大きい。４Ｎ／ｃｍ以下では太陽電池モジュール実使用時に層間剥離が発生する可能性があり、その場合、裏面保護シートの防湿性能が損なわれてモジュール内部に水が浸入して腐食などの不具合を引き起こすことがある。また、１０００Ｎ／ｃｍを超えると、一般のアルミ箔やＰＥＴフィルムなど基材自体の強度を超えるため、非現実的で不経済である。

ここで、温水浸漬後の層間接着強度の測定は次のように行う。

試料の形態としては、ガラス基板上１に順に封止樹脂３と裏面保護シート４とを貼り合せた薄膜太陽電池モジュールと同様の封止形態のものを用いる。実際の太陽電池モジュールから切り出したものでも、太陽電池素子が存在しない以外は太陽電池モジュールと同様にガラス基板１上に封止して作成した物でもよい。

まず、温水浸漬の前に、この試料の裏面保護シート４に内部の封止樹脂３に至る切れ目を幅１０ｍｍで２本以上入れる。次に、切れ目入りの試料を５０℃の温水に浸漬し、３５０時間放置した後引き上げる。最後に、防湿層４ｂとこれに隣接する各層との層間接着強度を９０度剥離にて測定する。防湿層との接着状態が一定でなく局所的に低い部分が存在する場合は、その低い部分の値を温水浸漬後の層間接着強度として採用する。

上記の層間接着力を確保するには、裏面保護シート４とこれに隣接する層との間の層間接着材としてウレタン樹脂系やアクリル樹脂系の耐水性接着剤を使用することや、太陽電池モジュールの封止工程で層間接着材が熱劣化しないような条件を選定することなどが有効である。

図２は本発明の第２の実施の形態による薄膜太陽電池モジュールの模式図である。裏面保護シート４の端部に耐水性樹脂５を接着塗布することで、実際に屋外に設置した場合、及び、その促進試験である前記温水浸漬試験の場合において、裏面保護シートの層間接着強度の低下を防止することができるので、水分の太陽電池素子への進入を阻止でき信頼性の高いモジュールを得ることができる。

耐水性樹脂５としてはシリコーン樹脂やブチルゴム、アクリル粘着剤などが使用できる。樹脂を接着塗布する形態としては、硬化性の接着剤やホットメルト粘着接着剤の塗布、粘着剤付きテープの貼付けなど、使用する樹脂に応じて選定すればよい。耐水性樹脂の塗布形態は、図２の形態の以外にも、図３や図４に例示する形態などモジュールの取り付けや組み付けの形態に応じて選定すればよい。

図５は本発明の第３の実施の形態による薄膜太陽電池モジュールの模式図である。裏面保護シート４の防湿層４ｂとしてアルミ箔を用いた場合、アルミが腐食しやすい環境ではシート端でアルミが露出しない構造にすることでアルミ腐食による防湿層の欠陥発生を抑制し、モジュールの信頼性を確保することができる。このような構造は、図２〜４のようにシート端部を樹脂等で保護した構造とするほかに、裏面保護シート４のアルミ箔４ｂを端部からセットバックしてシート内に封入した構造とすることでも実現できる。但しこの場合、薄膜太陽電池素子２を防水保護するため、封止した状態でアルミ箔４ｂが薄膜太陽電池素子２の全部の領域を十分に覆う大きさであることが必要である。

以下、実施例により具体的に説明する。

（実施例１）
裏面保護シート４として、層構成がＰＥＴ／アルミ箔／テドラーフィルム、つまり、封止樹脂側基材層４ａがＰＥＴ、防湿層４ｂがアルミ箔、裏面側基材層４ｃがテドラーフィルムの３層のもので、各層がウレタン系接着剤で接着された積層シートを用いた。

まず、集積型の非晶質シリコン系薄膜太陽電池素子２が形成されたガラス基板１上に、封止樹脂であるＥＶＡシート３、裏面保護シート４を重ね、真空ラミネーターにより封止した。

次に、封止後の薄膜太陽電池モジュール全体を１５０℃で３０分間加熱保持することでキュアすることで薄膜太陽電池モジュールを作成した。

また、太陽電池素子が存在しない以外は太陽電池モジュールと同様にしてガラス基板１を同じ条件で封止、加熱キュアした後、裏面保護シート４からＥＶＡ３にいたる切れ目をカッターにて裏面保護シート４側から１０ｍｍ間隔で７本いれ、層間接着強度試験試料を作成した。

このようにして作製した層間接着強度試験試料を５０℃の温水に、３５０時間浸漬し、その前後でＰＥＴ/アルミ箔界面の接着強度を９０度剥離により測定した。

さらに、作製した薄膜太陽電池モジュールについては５０℃温水に浸漬し外観変化を調べた。

（実施例２）
加熱キュアの条件を、１５０℃／１２０分間としたこと以外は実施例１と同様にして封止し、さらに、裏面保護シート４端部に耐水性樹脂５としてホットメルトブチルを塗布して図２のような太陽電池モジュールを作成した。このモジュールを５０℃温水に浸漬し外観変化を調べた。

（実施例３）
防湿層４ｂであるアルミ箔を薄膜太陽電池素子２の全領域を覆い、且つガラス基板１よりも小さい寸法に裁断し、この表裏面にガラス基板１と同形状の、封止樹脂側基材層４ａとしてＰＥＴ、及び裏面側基材層４ｃとしてテドラーフィルムを積層し、各層をウレタン系接着剤で接着し積層シートを作成した。

この積層シートを裏面保護シート４として用いて、加熱キュアの条件を、１５０℃／１２０分間としたこと以外は実施例１と同様にして封止し太陽電池モジュールを作成した。このモジュールを５０℃温水に浸漬し外観変化を調べた。

（比較例１）
加熱キュアの条件を、１５０℃／０分間としたこと以外は実施例１と同様にして封止し、層間接着強度試験試料を作成し、実施例１と同様に接着強度を測定した。

（比較例２）
加熱キュアの条件を、１５０℃／１２０分間としたこと以外は実施例１と同様にして封止し、層間接着強度試験試料を作成し、実施例１と同様に接着強度を測定した。。

結果を表１にまとめた。

加熱キュア条件により温水浸漬後層間接着強度に差があり、実施例１の条件で高い強度を示した。比較例１、２の条件で作成した物は層間接着強度が低く、この条件で作成したモジュールは５０℃温水に浸漬しておくとモジュール端部で裏面保護シートのアルミ箔／ＰＥＴ層間剥離が発生し、防湿性能を確保できない状態になった。

このように、工程条件の選定などにより、裏面保護シートの層間接着強度が温水浸漬後も４Ｎ／ｃｍより大きくなる太陽電池モジュールとすることで、モジュールの耐水性が損なわれず、信頼性の高いモジュールを得ることができた。

また、実施例２の端部を耐水樹脂で保護したもの、実施例３の端部にアルミが露出しない構造にしたものも、温水浸漬後も良好な外観で保護シートの層間剥離が抑制できた。これらの構造にすることでも、モジュールの耐水性が損なわれず、信頼性の高いモジュールを得ることができた。

本発明の第１の実施形態に係る太陽電池モジュールの封止構造を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る太陽電池モジュールの封止構造を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る太陽電池モジュールの封止構造を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る太陽電池モジュールの封止構造を示す断面図。 本発明の第３の実施形態に係る太陽電池モジュールの封止構造を示す断面図。

符号の説明

１ 透明絶縁基板
２ 薄膜太陽電池素子
３ 封止樹脂
４ 裏面保護シート
４ａ 封止樹脂側基材層
４ｂ 防湿層
４ｃ 裏面側基材層
５ 耐水性樹脂

Claims (7)

1. 透明絶縁基板上に順に積層された、薄膜太陽電池素子、該薄膜太陽電池素子全面を覆う封止樹脂、及び裏面保護シートを含む薄膜太陽電池モジュールであって、該裏面保護シートは、少なくとも防湿層を含む複数の層からなり、かつ、５０℃の温水に３５０時間浸漬した後の該防湿層と該防湿層に隣接する層との間の接着強度が、４Ｎ／ｃｍより大きいことを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
2. 請求項１に記載の薄膜太陽電池モジュールであって、さらに、少なくとも前記裏面保護シートの面内周縁端部に耐水性樹脂を接着塗布したことを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
3. 前記耐水性樹脂がブチルゴムであることを特徴とする請求項２記載の薄膜太陽電池モジュール。
4. 請求項１に記載の薄膜太陽電池モジュールであって、前記裏面保護シートが、前記防湿層に隣接してかつ前記封止樹脂側に位置する封止樹脂側基材層、及び前記防湿層に隣接してかつ前記封止樹脂側とは反対側に位置する裏面側基材層を含み、前記防湿層が面内において該封止樹脂側基材層、及び該裏面側基材層に包含されてなることを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
5. 前記防湿層がアルミ箔であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
6. ＰＥＴフィルムからなる前記封止樹脂側基材層が、ウレタン樹脂系接着剤により前記防湿層に接着されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
7. 前記薄膜太陽電池素子が、シリコン系薄膜を半導体層として含み、かつ、複数の太陽電池セルが電気的に直列、又は並列に接続された集積型薄膜太陽電池素子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。

Images