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

Abstract

【課題】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を提供する。
【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

本発明は、太陽電池モジュールおよび透光性部材の製造方法に関する。

石油等の化石燃料は、将来における需給が懸念され、かつ地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素排出の問題があるので、当該化石燃料の代替エネルギー源として太陽電池が注目されている。

太陽電池は光エネルギーを電力に変換する光電変換部としてｐｎ接合を有する半導体を用いており、このｐｎ接合を構成する半導体として一般的にはシリコンが最もよく用いられている。一般に太陽電池に用いられる上述のシリコンには結晶系のものと非結晶のものに分けられる。
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。

この場合においては、平板のガラス基板の表面が太陽電池モジュールの表面となる。
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。

このような、ガラス基板を表面に用いた太陽電池モジュールの表面反射の問題については、従来、以下のような対応が提案されている。

例えば、結晶系の太陽電池（光電変換部）を有する太陽電池モジュールにおいては、強化ガラス製ガラス基板の表面に凹凸をつけることにより、光を乱反射させる防眩処理が一般に適用されている（特許文献１参照）。

また、近年、太陽電池モジュールの外部効率（ここでいう外部効率とは、太陽電池モジュールの表面に至る外光に対する実際に太陽電池までに取り込まれる外光の割合をいう）の向上が求められている。なお、上記従来技術のように単にガラス基板の表面に凹凸を付けただけでは外部効率はほとんど変化しない。
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。
特開２００３−１１０１２８号公報

一方、太陽電池の効率を上げるために、太陽電池内部の材料を調整または改良することは頻繁に行われてきた。
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。

上記の課題を解決するために、請求項１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。
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。

本発明によれば、太陽電池への光取り込み効率を向上させることができ、よって太陽電池の外部効率を向上することができる。また大量生産可能な太陽電池モジュールの透光性部材の製造方法を提供できる。

以下では、本発明の実施の形態に係る太陽電池モジュールおよび透光性部材の製造方法について添付図面を参照して説明する。
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。

次に本実施の形態について説明する。
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。

図２（ｂ）は、本実施の形態に係る太陽電池モジュールＭの構成の変形例を示す側面図である。
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の３Ｄ斜視図、図４は図３の側面図である。
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は従来の太陽電池モジュールの表面に外部光線が入射した際の光線追跡模式図である。
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は本実施の形態に係る太陽電池モジュールＭの表面に外部光線が入射した際の光線追跡模式図である。
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は透光性部材３の変形例を示す斜視図である。
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。

なお、本実施の形態では、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場合について説明したが、四角錘体に代えて、各種の錐体、例えば、円錐体、あるいは、三角錐体や五角錐体などの角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。

次に、本実施の形態に係る太陽電池モジュールの透光性部材の製造方法について説明する。
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。

（実施例１）
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）
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。

実際に作成した２つの太陽電池モジュールの発電効率を比較したところ、図１０に示すように、従来平板ガラスを用いた太陽電池モジュールの発電効率が15.1％であるのに対し、本発明に係る四角錐体３Ａが形成された透光性部材３を用いた太陽電池モジュールの発電効率は約16％の発電効率を示した。
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。

従来の太陽電池モジュールの構成を示す側面図である。 （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、（ｂ）は、本実施の形態に係る太陽電池モジュールＭの構成の変形例を示す側面図である。 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の３Ｄ斜視図である。 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の側面図である。 従来の太陽電池モジュールの表面に外部光線が入射した際の光線追跡模式図である。 本実施の形態に係る太陽電池モジュールＭの表面に外部光線が入射した際の光線追跡模式図である。 透光性部材３の変形例を示す斜視図である。 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。 実施例１のシミュレーション結果を示す説明図である。 実施例２における発電効率の比較結果を示す説明図である。 四角錐体３Ａの頂角θの説明図である。

符号の説明

１……太陽電池、２……封止透明基材、33……光制御部材、３……透光性部材、３Ａ……四角錐体、４……外部光線、５……反射ロス光、６……平行な平面、７……溶融炉、８……ガラス素地、９……リップタイル、１０……第一成形ロール、１１……第二成形ロール、１２……板ガラス、１３……デッドプレート、１４……搬送ローラ、１５……徐冷室。

Claims (14)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
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、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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