JP2008288547A - 太陽電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】 耐荷重性能を向上し、破損による動作不良を低減する。
【解決手段】 太陽電池モジュール1は、太陽電池層12が形成される表面保護材11に対して、例えば、表面保護材11よりも1辺の長さが大きい青板強化ガラスを裏面保護材14として、EVA等の充填材13、太陽電池層12が形成された表面保護材11の順に積層し、ラミネータにより一体化する。最後にアルミニウムフレーム15を、シリコーン等の接着材16を介して、裏面保護材14に取り付ける。表面保護材11とアルミニウムフレーム15との間は、流動性シリコーン等の樹脂材料によって封止される。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関し、特に、製造時、運搬中における取り扱い、使用中における耐性を高めた太陽電池モジュールに関する。
太陽電池は、クリーンで無尽蔵のエネルギー源である太陽からの光を直接電気に変換できることから、新しいエネルギー源として期待されている。このような太陽電池として、非晶質シリコン系半導体や、微結晶シリコン系半導体、或いはCuInSe等の薄膜半導体材料を主体とする薄膜太陽電池の開発が進められている。
薄膜太陽電池の一例である、非晶質シリコン系薄膜太陽電池を用いた従来の太陽電池モジュール100の構造を図8を参照して説明する。
太陽電池モジュール100は、ガラス板表面にSnO(酸化スズ)薄膜が熱CVD法によって形成された表面保護材101と、表面保護材101の透光性導電膜であるSnO層上に非晶質シリコン系半導体膜を主体としてpin構造を有する半導体薄膜及び裏面電極が形成された太陽電池層102とを有する。太陽電池層102は、周知のレーザパターニング法を用いて、複数の太陽電池セルに分割され、更に個々の太陽電池セルが電気的に直列接続されることによって、いわゆる集積型の太陽電池構造とされている。太陽電池層102は、表面保護材101と、裏面保護材104との間に、EVA、PVB等の樹脂材料103によって封止されている。裏面保護材104は、ガラス板、金属板、樹脂フィルム等により構成されている(特許文献1参照)。
表面保護材101を構成するガラス基板は、脆く割れやすい性質を有するので、強度を高める必要がある。そのため、ガラス基板に強度を付与するための種々の検討がされている。強度を高めるには、基板面積を縮小すること、或いはガラス基板の厚みを厚くする等があるが、基板面積を制限することは、高出力化の妨げになる。また、ガラス基板の厚みを厚くすることで強度を高めるようにすると、太陽電池モジュールの総重量が増加するなど、取扱上の別の問題が生じる。
また、光の入射側(表面側)の表面ガラス基板に透明導電層を形成した後、強化加工を施すことによって、表面ガラス基板の厚みを増すことなく強度を高める技術が開示されている(特許文献2参照)。
特開平11−135811号公報 特許第2615147号公報
従来の太陽電池モジュールでは、アルミニウムフレーム105の強度を向上させることで表面保護材101に加わる変位を低減し、太陽電池モジュールの破損を防ぐという対策も考えられているが、フレームによる太陽電池モジュールの把持固定部分における特徴的な破損が報告されている。図9には、アルミニウムフレーム105に把持された太陽電池モジュール100に対して、外力Fが加わった場合の把持部分の様子が模式的に示されている。図9に示すように、表面保護材101及び裏面保護材104は、所定の変位に耐えられる設計となっているので、変位xに対して破壊されないものの、何らかの要因が相まって接着材106の緩衝効果が及ぶ許容範囲を上回ったとき、アルミニウムフレーム105の端部105a,105bとの接触による応力で表面保護材101又は裏面保護材104が破損することがある。また、同様のプロセスにより、表面保護材101、裏面保護材104の端部101a、104aがアルミニウムフレーム105内部と接触して破損することもあった。
更にまた、例えば、利用者のニーズに応じて、製造段階でフレームを取り付けない状態で出荷する場合もある(図10)。このようなフレームレスモジュールの場合には、厳重に梱包しても太陽電池モジュールの角部分、特に、表面側となる表面保護材101における角部分(図10、W1,W2)において、運搬時に破損する可能性が大いに高まる。
そこで、本発明は、耐荷重性能を向上し、破損による動作不良を低減することが可能な太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明の一の特徴は、受光面側に配設された透光性を有する絶縁部材でなる表面部材と、反受光面側に配設された裏面部材と、表面部材と裏面部材との間に形成され互いに電気的に接続された複数の太陽電池セルとを備え、裏面部材は、平面形状が表面部材よりも大きく、外部からの荷重に対する変位量が表面部材の変位量よりも小であること、或いは表面部材よりも大きい耐衝撃強度を有することを要旨とする。
かかる特徴によれば、裏側表面を形成する裏面部材は、表面部材よりも大きく、且つ外部からの荷重に対する変位量が表面部材の変位量よりも小であるので、通常、透明電極が形成される表面部材の厚さを薄くしても耐荷重性能を向上することができる。
また、かかる特徴によれば、裏面表面を形成する裏面部材は、表面部材よりも大きく、且つ表面部材より大きい耐衝撃強度を有するので、例えば、運搬時等に太陽電池モジュールの角が障害物に当たったとしても、強度が強い裏面部材が障害物に先に当たるので、モジュールの破損を抑制することができる。
また、本発明の一の特徴は、上述した特徴において、裏面部材が表面部材よりも変位量が小さいガラスであることを要旨とする。これにより、裏面側での発電を可能とする両面発電型の太陽電池モジュールに対しても、透明電極が形成される表面部材の厚さを薄くしても耐荷重性能を向上することができる。
また、本発明の一の特徴は、上述した特徴において、裏面部材の、投影面において表面部材と重ならない部分において、枠体によって把持固定されることを要旨とする。かかる特徴によれば、平面形状が表面部材よりも大きく、外部からの荷重に対する変位量が表面部材の変位量よりも小、すなわち強度が高い裏面部材により把持されるので、枠体と表面部材とが接触することによって生じる表面部材の破損を防ぐことができる。また、表面部材の破損を防止するために枠体の強度を増す必要がない。
更にまた、本発明の一の特徴は、上述した特徴において、表面部材が枠体の内寸よりも小であることを要旨とする。かかる特徴によれば、把持固定した際に、枠体に隠れて光電変換に寄与しない領域がなくなるので、発電領域を有効に利用できる。
また、本発明の一の特徴は、上述した特徴において、少なくとも、前記表面部材の前記受光面側の主面と前記主面に連なる端面との間の角部が、樹脂材料によって覆われていることを要旨とする。かかる特徴によれば、ダメージを受けやすい表面部材の角部が樹脂材料によって覆われて保護されるので、表面部材の角部に加わる衝撃による表面部材の破損を防ぐことができる。
本発明によれば、表面部材よりも変位量の小さい材料により裏面部材を形成し、表面部材よりも平面形状を大きくしたことにより、耐荷重性能を向上することができ、太陽電池モジュールの破損による動作不良を低減することが可能である。
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
(第1実施形態)
本発明の実施形態として示す太陽電池モジュールについて、図1乃至図4を用いて説明する。
図1に示すように、太陽電池モジュール1は、ガラス板表面にSnO(酸化スズ)薄膜が熱CVD法によって形成された表面保護材11上に太陽電池層12が形成されている。太陽電池層12は、表面保護材11の表面に被着された透光性導電膜としてのSnO層と、この層上に形成され、非晶質シリコン系半導体膜、微結晶シリコン系半導体膜等を主体とする半導体層と、半導体層上に形成された裏面電極とから構成されている。
太陽電池層12における半導体層は、例えば、非晶質シリコン系半導体膜、微結晶シリコン系半導体膜等を主体とし、1以上のpin結合を有している。これらの半導体層を形成する膜は、スパッタ法或いはCVD法などにより形成される。半導体膜として、非晶質シリコン系半導体を主体としpin構造を有する第1半導体膜と、微結晶シリコン半導体を主体としpin構造を有する第2半導体膜との積層膜を用いる場合のプラズマCVD法による成膜条件を表1に示す。
Figure 2008288547
また、太陽電池層12における裏面電極は、半導体膜上(本実施形態では第2半導体膜)に成膜されたITO膜、ZnO膜等の透光性導電膜と、Al、Ag等の反射性金属膜とが積層されて形成されている。
太陽電池層12は、周知のレーザパターニング法を用いて複数の太陽電池セルに分割され、更に個々の太陽電池セルが電気的に直列接続されることによって、いわゆる集積型の太陽電池構造が形成されている。
本実施形態として示す太陽電池モジュール1では、このようにして形成された太陽電池層12に対して、例えば、表面保護材11よりも1辺の長さが20mm程度ずつ大きい青板(ソーダライム)強化ガラスを裏面保護材14として、EVA等の充填材13、太陽電池層12が形成された表面保護材11の順に積層し、ラミネータにより一体化した。この処理の後、端子ボックス(図示しない)を取り付けて、電気出力を取り出せるようにした。
そして、最後にアルミニウムフレーム15を、シリコーン等の接着材16を介して、裏面保護材14に対して把持固定されるように取り付けた。表面保護材11とアルミニウムフレーム15との間に封止材17を充填した。封止材17は、流動性シリコーン等の樹脂材料である。
ここで、充填材13として、EVA、PVB、ブチルゴム、エチレンエチルアクリレート共重合樹脂などのエチレン系樹脂、シリコーン、ウレタン樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂材料を単体で又は組み合わせて用いることができる。
また、接着材16として、シリコーン、ポリカーボネイト、ポリスチレン、ウレタン樹脂、セルロースアセテート、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂、ブチルゴム等の樹脂材料を単体で又は組み合わせて用いることができる。また、接着剤16は、一般的なゴム、オレフィン系の熱可塑性エラストマーでもよく、アルミニウムフレーム15からの太陽電池パネルの脱落や、荷重印加時の破壊が起きないものであればよい。
また、表面保護材11とアルミニウムフレーム15との間に充填する封止材17としては、シリコーン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタン樹脂、セルロースアセテート、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂、ブチルゴム等の樹脂材料を単体で又は組み合わせて用いることができる。
図1に示す構造を有する太陽電池モジュール1と、図8に示した構造の太陽電池モジュール100との強度をIEC 61215 10.16に規定されている太陽電池の機械的荷重試験にならって、約1m角の太陽電池モジュール(試験対象は5つ)に対して、2400Paの荷重を加えたところ、従来構造の太陽電池モジュール100では、全て破損が確認された。これに対して、図1に示した構造を有する太陽電池モジュール1では、破損が認められなかった。
これは、本発明では、裏面保護材14として、表面保護材11として用いた青板ガラスよりも一回り大きく、且つ荷重に対する変位量が小さい強化ガラスを用いて、裏面保護材14のみをアルミニウムフレーム15で把持するようにしたことにより、荷重に対するモジュール全体の変位量が小さくなったことによるものと考えられる。
(作用・効果)
本発明によれば、太陽電池モジュール全体の変位量を小さくすることができるので、アルミニウムフレーム15の強度を下げることが可能になり、アルミニウムフレームにかかるコストを低減することができる。
また、製造段階でフレームを取り付けない状態で出荷するフレームレスモジュールの場合の構成は、図2に示すようになる。この場合、裏面保護材14の投影面において表面保護材11と重ならない部分が外縁に突出していることになる。すなわち、表面保護材11を構成する青板ガラスよりも強度の高い青板強化ガラスである裏面保護材14がモジュールの外縁になるため、モジュール全体の強度を高めることができる。また、表面保護材11を構成する青板ガラスよりも荷重に対する変位量の小さい青板強化ガラスよりなる裏面保護材14がモジュールの外縁になるため、荷重に対する耐性も向上する。
また、図3に、本実施形態として示す太陽電池モジュール1の受光面側からみた平面図を示す。上述したように作製される太陽電池モジュール1では、アルミニウムフレーム15は、裏面保護材14を把持固定しており、表面保護材11は、アルミニウムフレーム15に接触しない構造になっているので、表面保護材11が部分的にアルミニウムフレーム15に覆われることがない。すなわち、発電層が形成されているが、フレームによる把持領域として使用されるために太陽電池の発電に寄与しないという無駄な発電層を形成する分の材料等を削減することができる。これにより、太陽電池モジュール1の利用効率を向上することができる。
以下では、太陽電池モジュールの別の実施形態について説明する。
(第2実施形態)
図4に示す太陽電池モジュール2は、1辺の長さが表面保護材11よりも大きい青板(ソーダライム)強化ガラスを裏面保護材14として、EVA等の充填材13、太陽電池層12が形成された表面保護材11の順に積層されており、ラミネータにより一体化されている。更に、アルミニウムフレーム15が、接着材16を介して、裏面保護材14を把持固定している。太陽電池モジュール2は、表面保護材11とアルミニウムフレーム15との間に封止材17が充填される。封止材17は、表面保護材14の端部を覆っている。
ここでの端部とは、少なくとも、表面保護材11の受光面側の主面11aと、この主面に連なる端面11bとの間の角部11cと、表面保護材11の受光面の端部とを含む。
図5は、太陽電池モジュール2を受光面側からみた平面図を示す。表面保護材11は、表面保護材11の受光面側からみた投影面において、角部11cから表面保護材11の中央部分に向かって所定幅だけ内側の領域Sが樹脂材料で覆われている。但し、この場合、封止材17は、受光面側からみて太陽電池層12に重ならないことが好ましい。
充填材13,接着材16,封止材17としては、上述した樹脂材料を用いることができる。接着材16と封止材17とに同一材料を用いてもよい。
ここで、例えば、充填材13にEVA等の気体透過性の高い材料を用いた場合には、封止材17として、上述した樹脂材料のなかでも相対的に気体透過性が低いブチルゴムを選択することが好ましい。EVAを外部環境に露出しないようにすることにより、水分等の侵入を防止する効果を高めることができる。
(作用・効果)
上述したように、太陽電池モジュール2は、アルミニウムフレーム15と表面保護材11との間に充填された封止材17が、ダメージを受けやすい表面保護材11の角部11cを保護するので、表面保護材11の角部11cに加わる衝撃による角部11cの破損を防ぐことができる。
(第2実施形態の変形例)
次に、図6に示す太陽電池モジュール3は、表面保護材11の端面11bと充填材13の端面13bとが封止材17で保護されており、アルミニウムフレーム15を裏面保護材14に対して把持固定するための接着材16が、表面保護材14の端部を覆っている。すなわち、太陽電池モジュール3では、表面保護材11の角部11cを覆う樹脂材料が接着材16である。図4,図5に示す太陽電池モジュール2と同様、領域S(図5参照)を覆う接着材16は、太陽電池層12に重ならないことが好ましい。
充填材13,接着材16,封止材17としては、上述した樹脂材料を用いることができる。接着材16と封止材17とに同一材料を用いてもよい。
(作用・効果)
上述したように、太陽電池モジュール3は、アルミニウムフレーム15と表面保護材11との間に配置された接着材16が、ダメージを受けやすい表面保護材11の角部11cを保護しているので、表面保護材11の角部11cに加わる衝撃による角部11cの破損を防ぐことができる。
(第3実施形態)
図7に示す太陽電池モジュール4は、アルミニウムフレーム15が表面保護材11の端部を保護する保護部15aを有している点が特徴である。但し、アルミニウムフレーム15は、裏面保護材14を把持する構造となっており、保護部15aは、表面保護材11を実質的には把持していない。表面保護材11とアルミニウムフレーム15との間は、封止材17が充填される。封止材17は、表面保護材11の角部11cを覆っている。
ここで、アルミニウムフレーム15の保護部15aは、受光面側からみて、太陽電池層12に重ならないことが好ましい。
充填材13,接着材16,封止材17としては、上述した樹脂材料を用いることができる。接着材16と封止材17とに同一材料を用いてもよい。
(作用・効果)
上述したように、太陽電池モジュール4は、アルミニウムフレーム15に設けられた保護部15aが、ダメージを受けやすい表面保護材11の角部11cを保護しており、表面保護材11と保護部15aとの間には、封止材17が充填されているので、表面保護材11の角部11cに加わる衝撃による角部11cの破損を防ぐことができる。
(第3実施形態の変形例)
図7に示す太陽電池モジュール4は、図4に示した太陽電池モジュールの構造に基づいて説明したが、図6に示す太陽電池モジュール3に準ずる構造とすることもできる。具体的には、表面保護材11の端面11bと充填材13の端面13bとが封止材17で保護される。また、裏面保護材14を把持するアルミニウムフレーム15を固定するための接着材16が、アルミニウムフレーム15の保護部15aと表面保護材14の外縁部との間を埋めている。
(その他の実施形態)
以上説明した実施形態では、表面保護材11として青板強化ガラスを用い、裏面保護材14として青板ガラスを用いたが、本発明は、この構成に限定されるものではない。また、本発明では、表面保護材よりも強度の高い材料であれば、裏面保護材として適用可能である。強度の評価は、例えば、IEC 61215 10.17に規定されている降雹試験により求められる衝撃強度によって行うことができる。例えば、表面保護材としてガラスを用いる場合には、裏面保護材には、SUS板等の金属板、繊維強化プラスチック等を用いることができる。
また、本発明においては、裏面保護材として表面保護材よりも荷重に対する変位量が小さい材料であれば、本実施形態に限定されることなく使用することができる。例えば、SUS板等の金属板、繊維強化プラスチック等を裏面保護材として用いることができる。また、リブを加えることなどにより、変位量を抑制し得る構造を有するプラスチック等も裏面保護材として適用可能である。
また、本発明は、薄膜太陽電池を用いたものに限らず、単結晶シリコンウエハを用いた太陽電池、多結晶シリコンウエハを用いた太陽電池など、種々の太陽電池を用いて構成される太陽電池モジュールに適用することができる。
本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の実施形態に係るフレームレス構造の太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの入射側からみた外観平面図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの入射側からみた外観平面図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの断面図である。 従来の太陽電池モジュールの断面図である。 従来の太陽電池モジュールのアルミニウムフレームによる把持部を説明する拡大図である。 従来のフレームレス構造の太陽電池モジュールの断面図である。
る。
符号の説明
1…太陽電池セル、11…表面保護材、11a…主面、11b…端面、11c…角部、12…太陽電池層、13…充填材、14…裏面保護材、15…アルミニウムフレーム、16…接着材、17…封止材

Claims (6)

  1. 受光面側に配設された透光性を有する表面部材と、
    反受光面側の裏表面を形成する裏面部材と、
    前記表面部材と前記裏面部材との間に封止された複数の太陽電池セルと
    を備え、
    前記裏面部材は、平面形状が前記表面部材よりも大きく、外部からの荷重に対する変位量が前記表面部材の変位量よりも小であることを特徴とする太陽電池モジュール。
  2. 受光面側に配設された透光性を有する表面部材と、
    反受光面側の裏表面を形成する裏面部材と、
    前記表面部材と前記裏面部材との間に封止された複数の太陽電池セルと
    を備え、
    前記裏面部材は、平面形状が前記表面部材よりも大きく、且つ前記表面部材より大きい耐衝撃強度を有することを特徴とする太陽電池モジュール。
  3. 前記裏面部材は、ガラスであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記裏面部材の、投影面において前記表面部材と重ならない部分で枠体によって把持固定されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記表面部材は、前記枠体の内寸よりも小である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。
  6. 少なくとも、前記表面部材の前記受光面側の主面と前記主面に連なる端面との間の角部が樹脂材料によって覆われていることを特徴とする請求項5に記載の太陽電池モジュール。
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