JP2009064981A - 太陽電池モジュールおよび透光性部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽電池モジュールMは、太陽電池1と透光性部材3とを備えている。太陽電池1は受光面102を有し、受光面102に受光した光を電気に変換して出力するものである。透光性部材3は受光面102に配置され、透光性部材3が受光面102と反対に位置する前面302および受光面102に臨む後面304を有している。透光性部材3は太陽電池1を封止する封止透明基材を構成している。透光性部材3の前面302および後面304の少なくとも一方に、多数の四角錐体3Aが並べられた凹凸形状が形成されている。
【選択図】図2
Description
これらの光電変換部の上には、空気や不純物から光電変換部を保護する封止基材として一般に透明な強化ガラス等のガラス基板が設けられている。
なお、本明細書においては、このような光電変換部を含む少なくとも1つの太陽電池(セル)を封止基材を用いて封止してパッケージ化したものを太陽電池モジュールという。
そのため、太陽電池モジュールを住宅の屋根やビルの屋上あるいはビルや建築物の壁面に設置した場合、太陽電池モジュールの表面が鏡のようになり、太陽電池モジュールの表面で反射された太陽光の反射光が近隣の住居や通行人から非常に眩しく見える。
あるいは、周囲の風景や空の雲が太陽電池モジュール表面に映り込み、住宅や建築物の外観が損なわれるという問題がある。
ガラス基板は、それを太陽電池モジュールの封止基材として用いた場合、耐衝撃性、耐食性、耐摩耗性等を兼ね備えた最良の材料の一つであるが、太陽光があらゆる角度から入射した際、反射が大きいという問題がある。
したがって、ガラス基板を用いた太陽電池モジュールを考えた場合、ガラス基板の反射によって生じる、太陽電池に入射する前の太陽光の光線損失は計り知れない。
すなわち、太陽電池モジュール表面は封止の役割として太陽光入射前面にガラス基板を通常備えているが、太陽光が入射した際に面上で数%反射してしまう。何%反射するかは入射角にもよるが、現在の太陽電池の効率が結晶系で約20%程度である事を考えると、この損失はかなり大きい。
本願発明においては、外部効率の向上を目的として、外光があらゆる方向から入射した場合でも効率よく太陽電池の光電変換部に光を入射することができる太陽電池モジュールおよび透光性部材の製造方法の提供を目的とする。
この発明によれば、透光性部材に多数の錐体が並べられた凹凸形状が形成されることによって、透光性部材に入射した光線の光取り込み効率を向上する事ができる。
言い換えると、封止としての例えばガラス板表面に略四角錘状凹凸構造の加工を施すことによって、表面に入射した光線の光取り込み効率を向上する事ができる。
請求項2に記載の発明は、前記錐体は角錘体であることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、前記錐体は四角錐体であることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、前記錐体は四角錐体であり、前記四角錐体を構成する4つの側面のうち対向する2つの側面の法線が交差する角度が10度以上90度以下であることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、前記錐体は四角錐体であり、前記四角錐体を構成する4つの側面のうち対向する2つの側面の法線が交差する角度が15度以上80度以下であることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、前記錐体は該錐体の頂点部を切断した裁頭錐体であることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、前記錐体は該錐体の頂点部を切断した裁頭錐体であり、前記錐体の先端に前記受光面と平行な平面が設けられていることを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、前記錐体は該錐体の頂点部を切断した裁頭四角錐体であることを特徴とする。
請求項9に記載の発明は、前記錐体は該錐体の頂点部を切断した裁頭四角錐体であり、
前記裁頭四角錐体の先端に前記受光面と平行な平面が設けられていることを特徴とする。
請求項10に記載の発明は、前記錐体の頂点部が丸みを帯びていることを特徴とする。
請求項11に記載の発明は、前記透光性部材がガラスで形成されていることを特徴とする。
前記透光性部材にポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系アクリル樹脂、シリコーン系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、メチルスチレン樹脂及びフルオレン樹脂等を使用することができる。
しかしこれらの樹脂は封止性能が悪く、水分、汚物が内入した際、内封する太陽電池の性能を劣化させる原因となる。しかしこの発明によれば、ガラスを用いることによって、封止効果を高めることができる。
請求項12に記載の発明は、前記透光性部材は前記太陽電池を封止する封止基材を構成することを特徴とする。
請求項13に記載の発明は、前記透光性部材と前記受光面との間に、光の方向、光の強度、光の位相のうちの少なくとも1つを制御する光制御部材が設けられていることを特徴とする。
請求項14に記載の発明は、受光面を有し該受光面に受光した光を電気に変換して出力する太陽電池と、前記受光面に配置された透光性部材とを備え、前記透光性部材が前記受光面と反対に位置する前面および前記受光面に臨む後面の少なくとも一方に、多数の錐体が並べられた凹凸形状が形成されている太陽電池モジュールの前記透光性部材の製造方法であって、溶融されたガラス素地を、多数の錐体が並べられた凹凸形状が型面に形成された成形ロールを用いたロールアウト法によって成形するようにしたことを特徴とする。
ガラス加工のための方法は数多くあるが、フォトリソグラフィーによる、ドライエッチング、ウェットエッチングが一般的である。
しかし、これらの方法は量産性に乏しく、コスト高となり、太陽電池モジュールを構成する光透過部材を製造する方法として適切ではない。しかし本発明のロールアウト法を用いた製造方法は、主にガラス素板を引き出す際に、片面に型ロールを使うことにより、言い換えると、一対の成形ロールの少なくとも一方の成形ロールの型面に多数の錐体が並べられた凹凸形状を形成することにより、多数の錐体が並べられた凹凸形状が形成された透光性部材を製造することが可能であるため、生産性に向いており、コストは通常のガラス板成型とほとんど変わらない。
まず、従来の太陽電池モジュールについて説明する。
図1は、従来の太陽電池モジュールの構成を示す側面図であり、従来の太陽電池モジュールは、太陽電池1の上部に平滑な表面を有する平板状の封止透明基材2が配設されて構成されている。すなわち、太陽電池モジュールは、太陽電池1が封止透明基材2によって封止されることで構成されている。
従来はこのように太陽電池モジュールのうち、外部光源、主に太陽光が入射する面を平滑にすることが多かった。
図2(a)は本実施の形態に係る太陽電池モジュールMの構成を示す側面図であり、同図に示すように、本実施の形態の太陽電池モジュールMは、太陽電池1と透光性部材3とを備えている。
太陽電池1は受光面102を有し、受光面102に受光した光を電気に変換して出力するものである。
透光性部材3は受光面102に配置され、透光性部材3が受光面102と反対に位置する前面302および受光面102に臨む後面304を有している。
本実施の形態では、透光性部材3は太陽電池1を封止する封止透明基材を構成している。
透光性部材3の前面302および後面304の少なくとも一方に、多数の四角錐体3Aが並べられた凹凸形状が形成されている。
このような略四角錘状凹凸を含む透光性部材3を用いることによって外部光源、主に太陽光の入射した際の反射光を低減させることができる。
この変形例の太陽電池モジュールMは、太陽電池1と透光性部材3との間に光制御部材33が介在されている。
この光制御部材33は、光の方向、光の強度、光の位相のうちの少なくとも1つを制御するものである。
したがって、変形例の太陽電池モジュールMは、太陽電池1表面(受光面102)での反射光の光閉じ込め効率の向上を図る上でより有利となっている。
図3、図4に示すように、透光性部材3の前面302および後面304の少なくとも一方は、このように単位略四角錘状凹凸が複数並ぶような構成となっている。この形状は凸型でも凹型でもどちらかを限定するものではない。
図5に示すように、外部光線4が従来の封止透明基材2に入射すると、封止透明基材2の表面の平滑性から、反射ロス光5が発生し、外部光線4を太陽電池1内にうまく取り込めない。これは太陽電池モジュールの単位面積あたりのロスに繋がる。
図6に示すように、封止透明板として本発明の略四角錘状凹凸を含む透光性部材3を用いることによって、略四角錘状凹凸アレイ間の窪み面での反射、全反射により、太陽電池1内へ外部光線4が取り込まれる。
この結果として、太陽電池1内に取り込まれる光線の量が増加し、太陽電池モジュールMの効率が上がる。
また、透光性部材3に多数の四角錐体3Aが並べられた凹凸形状が形成されているため、周囲の風景や空の雲が太陽電池モジュール表面に映り込み、住宅や建築物の外観が損なわれるという問題も解消される。
図7に示す変形例では、透光性部材3の前面および後面の少なくとも一方に四角錐体の頂点部を切断した裁頭四角錐体3Bが多数並べられた凹凸形状が形成されている。
本実施の形態では、裁頭四角錐体3Bの先端に太陽電池1の受光面と平行な平面6が設けられている。
すなわち、透光性部材3に形成される略四角錘状凹凸が図7に示すような台形型のアレイでも略四角錘状凹凸アレイ間の窪み面での反射、全反射により、太陽電池1内へ外部光線4が取り込まれることにより、太陽電池モジュールMは高い発電効率を示す。
また、裁頭四角錐体3Bの先端に平面6が設けられることによって、その平面6での外部光線4の多少のロスはあるものの、高い耐衝撃性を生むことが可能となり、透光性部材3ひいては太陽電池モジュールMの耐久性の向上を図る上で有利となる。
ただし、本実施の形態のように四角錘体を設けると、太陽電池1表面(受光面102)での反射光の光取り込み効率向上の面で有利となり、後述する成形ロールの型面(金型)(図8)の切削速度の向上を図る上で有利となる。
また、本実施の形態では、透光性部材3に、四角錐体3Aの頂点部を切断した裁頭四角錐体が形成されている場合について説明したが、上述のように各種の錐体の頂点部を切断した裁頭錐体を多数設けることで凹凸形状を設けるようにしてもよい。
ただし、本実施の形態のように裁頭四角錘体を設けると、耐久性、耐擦性の面で有利となる。
また、四角錐体あるいは各種錐体の頂点部を丸みを帯びた形状としてもよい。
頂点部を丸みを帯びた形状とすると、後述する成形ロールの型面(金型)(図8)の金型加工適性の向上を図る上で、また、金型からの成形物離型適性の向上を図る上で有利となる。
また、本実施の形態では、透光性部材3は太陽電池1を封止する封止基材を構成するものである場合について説明したが、透光性部材3とは別に封止基材を設けてもよいことは無論である。
ただし、本実施の形態のように透光性部材3が太陽電池1を封止する封止基材を構成する場合には、部品点数を削減でき低コスト化を図る上で有利となる。
図8は本実施の形態に係る太陽電池モジュールMの透光性部材3を成形ロールを用いたロールアウト法で製造する製造方法を示す説明図である。
すなわち、図8に示すように、溶融炉7内に溶融状態のガラス素地8を保有する。
このガラス素地8をリップタイル9まで流し出す。
そしてリップタイル9の近傍に上下一対の第一成形ロール10と第二成形ロール11を配置する。
第1、第二成形ロール10、11のうち、例えば、下方の第二成形ロール11の型面に多数の四角錐体が並べられた凹凸形状を刻設しておく。
上記リップタイル9からのガラス素地9を第一成形ロール10と第二成形ロール11との間で挾み込んで板ガラス12を成形し、この板ガラス12をデッドプレート13及び搬送ローラ14によって徐冷室15に送り込み、板ガラス12を冷却、切断することで表面に多数の四角錐体3Aが並べられた凹凸形状が形成された透光性部材3が得られる。
言い換えると、透光性部材3は、溶融されたガラス素地9を、多数の錐体が並べられた凹凸形状が型面に形成された成形ロール11、12を用いたロールアウト法によって成形されることになる。
この際、多数の四角錐体が並べられた凹凸形状を型面に形成する成形ロールは、第1成型ロール10でも、第二成形ロール11でもよく、あるいはその両方でも良い。
なお、透光性部材3を強化するには、板ガラス12の成形、切断後、加熱状態から急冷すればよい。
次に本発明の実施例について説明する。
実施例1では、透光性部材3に形成する四角錐体3Aの凹凸、および、四角錐体3Aの頂角を変えた場合の反射ロス光を、従来の封止透明基材2の反射ロス光と比較するシミュレーションを行った。
なお、本明細書において、四角錐体3Aの頂角とは、図11に示すように、四角錐体3Aを構成する4つの側面のうち対向する2つの側面P1、P2の法線Lが交差する角度θをいう。
図9は実施例1のシミュレーション結果を示す説明図である。
なお、図9において、反射ロス光は、外部光線を100%とした場合に、従来の封止透明基材2あるいは本発明に係る透光性部材3によって反射されることで生じる反射ロス光の割合で示されている。
No.1は従来の封止透明基材2を用いたシミュレーション結果であり、封止透明基材2の表面は平滑である。反射ロス光は9.2%であった。
No.2〜No.8は四角錐体3Aが形成された透光性部材3を使用したシミュレーション結果であり、そのうちNo.2は四角錐体3Aが凸形状をなし、No.3〜No.8は四角錐体3Aが凹形状をなしている。
No.2〜No.8に示されているように、反射ロス光は1%〜3%と従来の封止透明基材2を用いた際の反射ロス光9.2%と比較して反射ロス光が低下している。
また、四角錐体3Aの頂角が90度で等しく、かつ、四角錐体3Aの形状が凸型のNo.2と、凹型のNo.3を比較した場合には、凹型の方が反射ロス光が少なく、望ましい。
またNo.3〜No.8をみると、四角錐体3Aの頂角が小さいほど反射ロス光が低下していることから、頂角はより小さいことが望ましい。
このように頂角はより小さいことが望ましいが、頂角が90度程度で、反射ロス光の変曲点をとるため、頂角は90度以下であることが望ましい。
より詳細に説明すると、四角錐体3Aの頂角が10度よりも小さいと成形ロールの金型切削加工の面で不利となり、90度よりも大きいと光閉じ込め効率の面で不利となり、10度以上90度以下であると、金型切削加工および光閉じ込め効率の双方の面で有利となる。また、四角錐体3Aの頂角が15度以上80度以下であると、前記の利点に加えて耐久性、金型離型の面でより一層有利となる。
実施例2では、本発明に係る透光性部材3を用いた太陽電池モジュールと、従来の平板ガラスで構成された封止透明基材2を用いた太陽電池モジュールとを作成し、それら太陽電池モジュールの発電効率を実測した。
本発明に係る太陽電池モジュールおよび従来の太陽電池モジュールの双方とも同一の太陽電池1としてシャープ株式会社製の型番NE-70A1Tを用いた。
本発明に係る太陽電池モジュールの透光性部材3は、青板ガラス製であり、四角錐体3Aの頂点のピッチ(アレイピッチ)50μm、頂角90度、ガラス板厚み5mmである。
なお、実施例2において四角錐体3Aの形状は凸型である。
また、上記ガラス厚みは太陽電池1の受光面102から四角錐体3Aの頂点までの距離である。
透光性部材3は太陽電池1上に樹脂で封止固定した。使用した樹脂はポリエチレン系樹脂である。
従来の太陽電池モジュールの封止透明基材2も前記と同一の青板ガラス製である。
封止透明基材2も太陽電池1上に樹脂で封止固定した。使用した樹脂は同じくポリエチレン系樹脂である。
したがって、従来の太陽電池モジュールに対して本発明に係る太陽電池モジュールの発電効率の上昇率は約6%である。
この上昇率約6%は、実施例1で示した従来構成のNo.1と本発明のNo.2、No.3の反射ロス光の差分と大体等しい。
Claims (14)
- 受光面を有し該受光面に受光した光を電気に変換して出力する太陽電池と、前記受光面に配置された透光性部材とを備える太陽電池モジュールであって、
前記透光性部材が前記受光面と反対に位置する前面および前記受光面に臨む後面の少なくとも一方に、多数の錐体が並べられた凹凸形状が形成されている、
ことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記錐体は角錘体である、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記錐体は四角錐体である、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記錐体は四角錐体であり、
前記四角錐体を構成する4つの側面のうち対向する2つの側面の法線が交差する角度が
10度以上90度以下である、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記錐体は四角錐体であり、
前記四角錐体を構成する4つの側面のうち対向する2つの側面の法線が交差する角度が
15度以上80度以下である、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記錐体は該錐体の頂点部を切断した裁頭錐体である、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記錐体は該錐体の頂点部を切断した裁頭錐体であり、
前記錐体の先端に前記受光面と平行な平面が設けられている、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記錐体は該錐体の頂点部を切断した裁頭四角錐体である、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記錐体は該錐体の頂点部を切断した裁頭四角錐体であり、
前記裁頭四角錐体の先端に前記受光面と平行な平面が設けられている、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記錐体の頂点部が丸みを帯びている、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記透光性部材がガラスで形成されている、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記透光性部材は前記太陽電池を封止する封止基材を構成する、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 前記透光性部材と前記受光面との間に、光の方向、光の強度、光の位相のうちの少なくとも1つを制御する光制御部材が設けられている、
ことを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。 - 受光面を有し該受光面に受光した光を電気に変換して出力する太陽電池と、前記受光面に配置された透光性部材とを備え、前記透光性部材が前記受光面と反対に位置する前面および前記受光面に臨む後面の少なくとも一方に、多数の錐体が並べられた凹凸形状が形成されている太陽電池モジュールの前記透光性部材の製造方法であって、
溶融されたガラス素地を、多数の錐体が並べられた凹凸形状が型面に形成された成形ロールを用いたロールアウト法によって成形するようにした、
ことを特徴とする太陽電池モジュールの透光性部材の製造方法。
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