JP2009170460A

JP2009170460A - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP2009170460A
Application number: JP2008003522A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Inoue; 慎太郎井上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】生産性を低下させることなくインターコネクタの断線を防止でき、しかも耐衝撃性および剛性を確保しつつ軽量化を達成することができる太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】太陽電池モジュール１０は、表面保護材１４がガラス材より格段に軽量なポリカーボネート（ＰＣ）で構成されているため、大幅に軽量化される。また、表面保護材１４の凹部１４Ａを除く他の部分がその厚さＴに応じた十分な剛性を有するため、耐衝撃性および剛性が十分に確保される。太陽電池モジュール１０が熱伸縮する際に封止材１３に発生する熱応力がインターコネクタ１２を封止した部分において低減されるため、インターコネクタ１２の接続部に作用する熱応力が低減し、その接続部の断線が防止される。この場合、インターコネクタ１２の形状変更が不要であるため生産性を低下させることがない。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池モジュールに関するものである。

太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池モジュールが従来より一般に知られている。この種の太陽電池モジュールは、例えば、インターコネクタを介して相互に接続された複数の発電素子（光電変換素子）と、これらの発電素子を平面状に配置して封止した封止材と、この封止材の受光面側に接合された透明な表面保護材と、封止材の裏面に接合された裏面保護材とを備えて構成されている。

ここで、太陽電池モジュールは、昼間の日照や発電時の発熱により温度上昇し、夜間の外気温の低下により温度低下することで、大きな熱伸縮を繰り返す。このため、太陽電池モジュールを構成する各部分の熱膨脹係数が大きく異なると、太陽電池モジュールが熱伸縮する際に、インターコネクタの接続部に大きな熱応力が作用してその接続部が断線する虞がある。

そこで、このようなインターコネクタの断線を未然に防止するため、太陽電池モジュールの表面保護材は、発電素子（光電変換素子）やインターコネクタとの熱膨張差の小さいガラス材で構成されるのが一般的であるが、軽量化のため、透光性を有するフィルム材で構成されることもある（例えば特許文献１参照）。

一方、特許文献２には、太陽電池モジュールを構成するインターコネクタに、例えば波形の凹凸部を形成することが開示されている。このような凹凸部が形成されたインターコネクタは、太陽電池モジュールの熱伸縮に応じて伸縮可能であり、接続部の断線が回避されるものと思われる。
特開２００５−２３５８４２号公報特許２００５−３０２９０２号公報

このような背景技術のもとに、従来の太陽電池モジュールにおいては大幅な軽量化が要望されている。この要望に応えるためには、太陽電池モジュールの表面保護材を前述した特許文献１に記載のようにフィルム材で構成することも考えられるが、この場合には、太陽電池モジュールの耐衝撃性および剛性を十分に確保できない虞がある。

もっとも、表面保護材をフィルム材より剛性の高い板状の合成樹脂材で構成すれば、太陽電池モジュールの耐衝撃性および剛性を十分に確保することが可能である。しかし、この場合には、太陽電池モジュールの熱伸縮によってインターコネクタの接続部が断線しないようにする対策が必要となる。

ここで、前述した特許文献２に記載のように、インターコネクタに凹凸部を形成することも一つの対策ではあるが、この対策は太陽電池モジュールの生産性を低下させるので得策ではない。

そこで、本発明は、生産性を低下させることなくインターコネクタの断線を防止でき、しかも耐衝撃性および剛性を確保しつつ軽量化を達成することができる太陽電池モジュールを提供することを課題とする。

本発明に係る太陽電池モジュールは、インターコネクタを介して相互に接続された複数の発電素子と、これらの発電素子を平面状に配置して封止した封止材と、この封止材の受光面側に接合された表面保護材とを備える太陽電池モジュールであって、表面保護材は板状の合成樹脂材からなり、この表面保護材の封止材との接合面には、表面保護材の厚みを部分的に薄くする凹部が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る太陽電池モジュールでは、表面保護材がガラス材より格段に軽量な板状の合成樹脂材で構成されているため、太陽電池モジュールの重量が大幅に軽量化される。また、表面保護材は、凹部の形成された部分のみが厚みの薄い部分とされており、凹部の形成されていない部分はその厚みに応じた十分な剛性を有するため、太陽電池モジュールの耐衝撃性および剛性が十分に確保される。さらに、表面保護材に形成された凹部の存在によって表面保護材と封止材との接合面積が増大するため、両者の接合強度が増大し、この点からも太陽電池モジュールの耐衝撃性および剛性が十分に確保される。

ここで、表面保護材の封止材との接合面には、表面保護材の厚みを部分的に薄くする凹部が形成されているため、太陽電池モジュールが熱伸縮する際に封止材に発生する熱応力が低減される。その結果、封止材に封止されたインターコネクタの接続部に作用する熱応力が低減し、インターコネクタの接続部の断線が防止される。そして、この接続部の断線を防止するためにインターコネクタの形状を変更する必要がないため、太陽電池モジュールの生産性を低下させることがない。

本発明の太陽電池モジュールにおいて、表面保護材の厚みを部分的に薄くする凹部は、インターコネクタに対面して形成されているのが好ましい。この場合、太陽電池モジュールが熱伸縮する際に封止材に発生する熱応力は、インターコネクタを封止した部分において特に低減されるため、インターコネクタの接続部に作用する熱応力が確実に低減され、インターコネクタの接続部の断線が確実に防止される。

本発明に係る太陽電池モジュールによれば、表面保護材がガラス材より格段に軽量な板状の合成樹脂材で構成されているため、太陽電池モジュールの重量を大幅に軽量化することができる。また、表面保護材は、凹部の形成された部分のみが厚みの薄い部分とされており、凹部の形成されていない部分はその厚みに応じた十分な剛性を有するため、太陽電池モジュールの耐衝撃性および剛性を十分に確保することができる。さらに、表面保護材に形成された凹部の存在によって表面保護材と封止材との接合面積が増大するため、両者の接合強度が増大し、この点からも太陽電池モジュールの耐衝撃性および剛性を十分に確保することができる。

特に、表面保護材の封止材との接合面には表面保護材の厚みを部分的に薄くする凹部が形成されているため、太陽電池モジュールが熱伸縮する際に封止材に発生する熱応力を低減させることができる。その結果、封止材に封止されたインターコネクタの接続部に作用する熱応力を低減でき、インターコネクタの接続部の断線を防止できる。そして、この接続部の断線を防止するためにインターコネクタの形状を変更する必要がないため、太陽電池モジュールの生産性を低下させることがない。

以下、図面を参照して本発明に係る太陽電池モジュールの実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は第１実施形態に係る太陽電池モジュールを模式的に示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。

図１に示す第１実施形態の太陽電池モジュール１０は、上下方向および左右方向にマトリックス状に配列された複数枚の発電素子１１，１１…を備えている。この発電素子１１は、光電変換素子あるいは太陽電池セルとも呼称されるものであり、例えば一辺が１００〜１５０ｍｍ（例えば１２５ｍｍ）程度の正方形に形成された汎用の単結晶シリコンで構成されている。

左右方向に一列に配列された一群の発電素子１１，１１…は、相互に一対のインターコネクタ１２，１２を介して直列に接続されることで、１段のセルストリングスを構成している。そして、太陽電池モジュール１０には、複数段のセルストリングスが相互に並列接続されて上下方向に配列されている。

各段のセルストリングスを構成する一群の発電素子１１，１１…の枚数は、各発電素子１１の発電能力と太陽電池モジュール１０の発電能力とに応じて定まり、各発電素子１１の発電能力が３Ｗであって太陽電池モジュール１０の発電能力が９０Ｗの場合には、各段のセルストリングスを構成する発電素子１１の枚数はそれぞれ３０枚となる。なお、説明の便宜上、図１には、マトリックス状に配列された合計９枚の発電素子１１を模式的に示している。

これらの発電素子１１，１１…およびインターコネクタ１２，１２からなる複数段のセルストリングスは、図２に示すように、板状に成形された封止材１３中に封止されている。この封止材１３の受光面側、すなわち各発電素子１１の受光面に対面する側には、板状の表面保護材１４が接合され、反対側の封止材１３の裏面側には、裏面保護シート１５が接合されている。

封止材１３は、セルストリングスを挟んでその両面側に配置された薄板状の適宜の合成樹脂板に所定の温度（例えば１３５度）で所定時間（例えば２０分）加圧することで、セルストリングスを封止した板状に成形されており、その厚みは例えば１．２ｍｍ前後となっている。

封止材１３用の合成樹脂材としては、透光性があって接着強度が高く、しかも耐熱性に優れた合成樹脂材、例えばエチレン−酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）が使用されているが、透明度の高いポリビニルブチロール（ＰＶＢ）を使用してもよい。

一方、表面保護材１４は、従来のガラス板に代わって太陽電池モジュール１０の表面を長期にわたり保護するものであり、透光性を有する適宜の合成樹脂材の射出成形により板状に成形されている。

表面保護材１４用の合成樹脂材としては、透光性、耐熱性、耐衝撃性に優れ、しかも成形性のよい合成樹脂材、例えばポリカーボネート（ＰＣ）またはアクリル樹脂が使用されているが、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、エチレン・４フッ化共重合樹脂（ＥＴＦＥ）、ＡＢＳ樹脂などを使用してもよい。

なお、表面保護材１４用の合成樹脂材としては、ポリブチレンテレフタレート、ポリ酢酸ビニル、ポリフッ化ビニル、ポリエチレンナフタレート、ポリアクリロニトリル、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリウレタン、ブチラール樹脂、ポリエーテルスルフォンなども使用可能である。

裏面保護シート１５は、外気や風雨に曝される太陽電池モジュール１０の裏面を長期間にわたって保護するものであり、耐候性、耐湿性、耐熱性に優れた合成樹脂材、例えば、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）により構成されている。

ここで、表面保護材１４における封止材１３との接合面には、表面保護材１４の厚みを部分的に薄くする凹部１４Ａ，１４Ａが形成されている。この凹部１４Ａ，１４Ａは、太陽電池モジュール１０と共に表面保護材１４が熱伸縮する際に発生する熱応力を低下させるためのものであり、図１に示すように、左右方向に延びる各段のセルストリングスに跨ってインターコネクタ１２，１２に対面する平面視縦長の長方形に形成されている。

図３に示すように、各凹部１４Ａ，１４Ａの左右幅Ｗは、各インターコネクタ１２，１２の平面投影長Ｌより大きい４０ｍｍ程度に設定されている。そして、各凹部１４Ａ，１４Ａの上端縁と太陽電池モジュール１０の上端縁との間の寸法Ｍ１は、雨水などの浸入を確実に防止できるように、例えば１５ｍｍ以上の適宜の寸法に設定されている。同様に、各凹部１４Ａ，１４Ａの下端縁と太陽電池モジュール１０の下端縁との間の寸法Ｍ１も１５ｍｍ以上の適宜の寸法に設定されている。

また、各凹部１４Ａ，１４Ａの上端縁と、最上段のセルストリングスを構成する発電素子１１，１１の上端縁との間の平面投影寸法Ｍ２は、例えば２．５ｍｍ程度に設定されている。同様に、各凹部１４Ａ，１４Ａの下端縁と、最下段のセルストリングスを構成する発電素子１１，１１の下端縁との間の平面投影寸法Ｍ２も２．５ｍｍ程度に設定されている。

一方、図４に拡大して示すように、凹部１４Ａの左端縁とインターコネクタ１２の左端との間の平面投影寸法Ｍ３は、３〜１０ｍｍ程度の適宜の寸法に設定されている。同様に、凹部１４Ａの右端縁とインターコネクタ１２の右端との間の平面投影寸法Ｍ３も３〜１０ｍｍ程度の適宜の寸法に設定されている。

ここで、表面保護材１４は、厚さＴが例えば５ｍｍ程度に設定されており、これに対応して凹部１４Ａの深さＤは例えば２ｍｍ程度に設定され、凹部１４Ａにおける厚さＴ１は、例えば３ｍｍ程度に設定されている。

このような表面保護材１４の各凹部１４Ａ，１４Ａは、例えば、表面保護材１４の射出成形時に一体に成形されるのであるが、表面保護材１４が単なる板状に成形される場合には、フライス加工などの機械加工により形成されてもよい。

以上のように構成された第１実施形態の太陽電池モジュール１０では、重量の嵩みがちな表面保護材１４が従来のガラス材より格段に軽量なポリカーボネート（ＰＣ）またはアクリル樹脂で構成されているため、太陽電池モジュール１０の重量が大幅に軽量化される。

また、表面保護材１４は、凹部１４Ａ，１４Ａの形成された部分では厚さＴ１が例えば３ｍｍ程度の設定されているが、凹部１４Ａ，１４Ａの形成されていない部分は厚さＴが例えば５ｍｍ程度に設定されているため、この厚さＴに応じた十分な剛性を有する。その結果、太陽電池モジュール１０の耐衝撃性および剛性が十分に確保される。

さらに、表面保護材１４に形成された凹部１４Ａ，１４Ａの存在によって表面保護材１４と封止材１３との接合面積が増大するため、表面保護材１４と封止材１３との接合強度が増大し、この点からも太陽電池モジュール１０の耐衝撃性および剛性が十分に確保される。

すなわち、第１実施形態の太陽電池モジュール１０によれば、太陽電池モジュール１０の重量を大幅に軽量化することができると共に、太陽電池モジュール１０の耐衝撃性および剛性を十分に確保することができる。

ここで、表面保護材１４を構成するポリカーボネート（ＰＣ）の線膨脹係数は〔６７ｐｐｍ／Ｋ〕、アクリル樹脂の線膨脹係数は〔７７ｐｐｍ／Ｋ〕であり、従来のガラス材の線膨脹係数〔８ｐｐｍ／Ｋ〕と較べて格段に大きい。このため、太陽電池モジュール１０がその使用環境下で熱伸縮を繰り返す際には、表面保護材１４および封止材１３に熱応力が発生することとなる。

ところで、表面保護材１４には、インターコネクタ１２，１２に対面する凹部１４Ａ，１４Ａが形成されており、この凹部１４Ａ，１４Ａの厚さＴ１が他の部分の厚さＴより２ｍｍ程度薄くなっている。このため、封止材１３においては、凹部１４Ａ，１４Ａに対面した部分に発生する熱応力が低減される。その結果、封止材１３に封止されたインターコネクタ１２，１２の端部の発電素子１１，１１との接続部に作用する熱応力が低減し、インターコネクタ１２，１２の接続部の断線が防止される。

図５は、表面保護材１４の厚さを薄くすることで封止材１３に発生する熱応力が低減する原理を示すものであり、表面保護材１４と封止材１３とが強固に接合されたモデルを示している。このモデルにおいて、表面保護材１４のヤング率をＥ_１、線膨張係数をα_１、厚さをａとし、封止材１３のヤング率をＥ_２、線膨張係数をα_２、厚さをｂとすると共に、表面保護材１４および封止材１３に付与する温度変化をΔｔとすると、表面保護材１４に発生する熱応力σ_１は、以下の数１の式で表され、封止材１３に発生する熱応力σ_２は、以下の数２の式で表される。

数２の式に示されるように、封止材１３に発生する熱応力σ_２は、表面保護材１４の厚さａに比例して増減し、厚さａが薄くなるほど低減する。従って、前述したように、封止材１３に発生する熱応力は、表面保護材１４の凹部１４Ａ，１４Ａに対面した部分において低減される。その結果、封止材１３に封止されたインターコネクタ１２，１２の端部の発電素子１１，１１との接続部に作用する熱応力が低減し、インターコネクタ１２，１２の接続部の断線が防止される。

すなわち、第１実施形態の太陽電池モジュール１０によれば、インターコネクタ１２，１２の端部の発電素子１１，１１との接続部に作用する熱応力を低減させることができ、インターコネクタ１２，１２の接続部の断線を確実に防止することができる。そして、このインターコネクタ１２，１２の接続部の断線をを防止するためにインターコネクタ１２，１２の形状を変更する必要がないため、太陽電池モジュール１０の生産性を低下させることがない。

次に、図６を参照して本発明の第２実施形態に係る太陽電池モジュールを説明する。この第２実施形態の太陽電池モジュール２０は、図１に示した第１実施形態の太陽電池モジュール１０と同様に、左右方向に一列に配列された一群の発電素子１１，１１…からなる複数段のセルストリングスを備えている。

ここで、第２実施形態の太陽電池モジュール２０おいては、各段のセルストリングスの相互の間隔が図１に示した太陽電池モジュール１０と較べて広く設定されている。すなわち、左右方向に一列に配列された一群の発電素子１１，１１…の上下方向の間隔が例えば１５ｍｍ程度に広く設定されている。

そして、表面保護材１４に形成される複数の凹部１４Ａ，１４Ａ…は、左右方向に延びる各段のセルストリングス毎に、そのインターコネクタ１２，１２に対面する長方形（例えば幅４０ｍｍ、上下長１３０ｍｍ）に形成されており、上下方向に例えば１０ｍｍの相互間隔を開けて分離されている。すなわち、表面保護材１４には、各段のセルストリングスの相互間に対面して少なくとも幅１０ｍｍで左右方向に延びる厚さＴ（図４参照）の厚肉部分１４Ｂが形成されている。

この第２実施形態の太陽電池モジュール２０では、各段のセルストリングスの相互間に対面して少なくとも幅１０ｍｍで左右方向に延びる厚さＴ（例えば５ｍｍ）の厚肉部分１４Ｂが表面保護材１４に形成されているため、図１に示した第１実施形態の太陽電池モジュール１０と較べて、より大きな耐衝撃性および剛性が確保される。

従って、第２実施形態の太陽電池モジュール２０によれば、第１実施形態の太陽電池モジュール１０と同様に、重量を大幅に軽量化することができ、インターコネクタ１２，１２の接続部の断線を確実に防止することができると共に、第１実施形態の太陽電池モジュール１０と較べて、より大きな耐衝撃性および剛性を確保することができる。

本発明に係る太陽電池モジュールは、前述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、図３に示した凹部１４Ａ，１４Ａのそれぞれの４隅は、図７に示すように、応力集中を回避できる適宜のラウンドコーナＲに形成することができる。この場合、ラウンドコーナＲの値は、凹部１４Ａの深さＤと同程度とするのが好ましい。図６に示した各凹部１４Ａ，１４Ａ…のそれぞれの４隅も同様である（図８参照）。

また、図４に示した凹部１４Ａの断面における開口側および奥側の角部も、図９に示すように、応力集中を回避できる適宜のラウンドコーナＲ１〜Ｒ４に形成することができる。この場合、応力分布の均一化の観点から、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４とするのが好ましく、また、その値は、凹部１４Ａの深さＤの１／２とするのが好ましい。

さらに、図４に示した凹部１４Ａ，１４Ａの深さＤは、表面保護材１４の厚さＴが５ｍｍであることを前提として２ｍｍとしたが、表面保護材１４の厚さＴが１０ｍｍであることを前提として５ｍｍに設定してもよい。

本発明の第１実施形態に係る太陽電池モジュールを模式的に示す平面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図１に示した凹部の位置および寸法関係を示す図１に対応した平面図である。図２に示した凹部の寸法関係を示す部分拡大断面図である。図４に示した封止材に発生する熱応力が表面保護材の凹部に対面した部分において低減される原理を示すモデルの側面図である。第２実施形態に係る太陽電池モジュールを模式的に示す平面図である。第１実施形態に係る太陽電池モジュールの変形例を示す図１に対応した平面図である。第２実施形態に係る太陽電池モジュールの変形例を示す図６に対応した平面図である。図４に示した表面保護材の凹部の変形例を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１０，２０…太陽電池モジュール、１１…発電素子、１２…インターコネクタ、１３…封止材、１４…表面保護材、１４Ａ…凹部、１４Ｂ…厚肉部分、１５…裏面保護シート、Ｔ…表面保護材の厚さ、Ｗ…凹部の左右幅、Ｄ…凹部の深さ、Ｔ１…凹部の肉厚。

Claims

インターコネクタを介して相互に接続された複数の発電素子と、これらの発電素子を平面状に配置して封止した封止材と、この封止材の受光面側に接合された表面保護材とを備える太陽電池モジュールであって、
前記表面保護材は板状の合成樹脂材からなり、この表面保護材の前記封止材との接合面には、表面保護材の厚みを部分的に薄くする凹部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。
前記凹部が前記インターコネクタに対面して形成されている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。