JP2010123719A - 太陽電池裏面シート及び太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率の向上に最適な凹凸形状を有した光再利用シート及びそれを用いた太陽電池モジュール用を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも透光性前面板と太陽電池セルと封止材と裏面シートとを有する太陽電池モジュールにおいて、前記裏面シートは、基材と前記基材の表面に形成された凹凸構造と反射層とトップコート層とからなり、前面側から、トップコート層、反射層、凹凸構造、基材の順に積層されて構成されることを特徴とする太陽電池裏面シート。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反射層を有する凹凸構造が形成され、前記構造によって光を反射し、本来は損失となってしまう光を有効に活用することができる裏面シート及びそれを用いた太陽電池モジュールに関する。

近年、太陽電池モジュールの普及は大きな広がりを見せ、電卓等の小型電子機器に搭載される比較的小さなものから、家庭用として住宅に取り付けられる太陽電池モジュールや大規模な発電施設に用いられる大面積の太陽電池発電システム、さらには人工衛星の電源まで、様々な分野で利用が促進されている（例えば、特許文献１参照）。

太陽電池は、主に光が照射される面積に比例して発電量が増加する。したがって、発電効率を向上させるには封止技術、製膜技術等の製造技術を改善することに加え、いかにして太陽電池モジュールの開口率、すなわち全面積に対する発電可能な面積の割合を大きくするかが重要な課題となっている。

また、特に単結晶シリコンや多結晶のシリコンのでは、そのシリコンのコストが高いという問題がある。また、それを貼り付けるためのコストも加算されてくる。
そこで、太陽電池セルの構成部材であるシリコンの量が少なく、ＣＶＤ等の技術により、成膜することができるような薄膜シリコンの太陽電池セルが用いられるようになってきている。

しかし、上述のものは特に赤外の光が薄膜シリコンの太陽電池セルを透過しやすいため光の吸収率が低い。そこで光の利用効率を上げるために、あえて入射光を散乱させて、薄膜シリコンの太陽電池セルを透過する距離を稼ぐことで光の利用効率を向上させる。

一般に、非晶質シリコン太陽電池には、２種類の構造のものがある。一つは、ガラス等の透光性基板上に、ＳｎＯ２やＩＴＯ等の透明電導膜が形成され、その上に非晶質半導体（Ｓｉ）のｐ層、ｉ層、ｎ層がこの順に積層されて成る構造のものである。もう一つは、金属基板電極の上に、非晶質半導体（Ｓｉ）のｎ層，ｉ層，ｐ層がこの順に積層されて光電変換活性層が形成され、更にその上に透明電導膜が積層され成る構造のものである。

特に、前者の構造のものでは、非晶質半導体をｐ−ｉ−ｎ層の順に形成するのに、透光性絶縁基板が太陽電池表面カバーガラスを兼ねることができること、また、ＳｎＯ２等の耐プラズマ性透明電導膜が開発されて、この上に非晶質半導体光電変換活性層をプラズマＣＶＤ法で形成することが可能になったことなどから、現在多く用いられている。

なお、非晶質半導光電変換活性層の形成に、原料ガスのグロー放電分解によるプラズマＣＶＤ法や、光ＣＶＤ法による気相成長法を用いることができ、これらの方法によれば大面積の薄膜形成が可能であるという利点もある。

非晶質Ｓｉ太陽電池は、１００℃〜２００℃程度の比較的低温で形成できるので、その非晶質Ｓｉ太陽電池を形成するための基板として、様々な材質の基板を用いることが可能であるが、通常よく用いられるものはガラス基板やステンレス基板である。

また、非晶質Ｓｉ太陽電池は、光を電機に代える変換効率が最大となるときのシリコンの光吸収層の膜厚が５００ｎｍ程度であるため、その変換効率を向上させるには光吸収層の膜厚内で光の吸収量を増大させることが重要なポイントとなる。そのため、ガラス基板上の表面に凹凸のある透明導電膜を形成したり、ステンレス基板上の表面に凹凸のある金属膜を形成したりすることにより、光吸収層中での光の光路長を増加させることが従来より行われてきた。

このような方法で、光吸収層中での光路長を増加させた太陽電池の場合、その表面に凹凸がない平坦な基板上に非晶質Ｓｉ太陽電池を形成した場合と比較して、光の利用効率が顕著に向上する。

ところで、ガラス基板の表面上に凹凸を形成する一般的な方法としては、常圧ＣＶＤ法により透明電極であるＳｎＯ２膜を形成する方法があげられる。また、ステンレス等の金属基板上に凹凸を形成する方法としては、Ａｇを蒸着法やスパッタリング法により形成する際に、その形成条件を調整したり、Ａｇの形成後に熱処理を行ったりする方法が用いられていた。

この薄膜太陽電池は、透光性絶縁基板の上に、透明導電膜、水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ―ＳｉＣＨ）ｐ層、水素化アモルファスシリコン（ａ―ＳｉＨ）ｉ層、水素化アモルファスシリコン（ａ―ＳｉＨ）ｎ層、透明導電膜、及び裏面電極が順次形成されて構成されるものである。そして、前述のようにして、透明導電膜の表面に凹凸形状が形成され、これによりその上部に形成された各層が凹凸構造を有するというものである。

また、薄膜太陽電池等の半導体素子を可撓性基板あるいは軽量基板上に形成する場合、耐熱性の高いポリイミド樹脂が用いられてきた。このような樹脂に凹凸を形成する方法は、特許文献２等に開示されている。

また、特許文献３には、Ｖ溝の周期構造により、光を再帰反射し、光の利用効率を上げるような特許が公開されており、Ｖ溝頂角は、５０度から９０度が望ましいとの記述がある。また、Ｖ溝の周期のピッチとしては、１０μｍから２０μｍが望ましいとの記述がある。

また、太陽電池セル３０の配置間隔を狭くするとリーク電流が生じてしまうため、隣り合う太陽電池セル３０の間の領域が必要となる。図１７に示すように、太陽電池モジュール２００に入射する光Ｈ０のうち、この領域に入射する光Ｈ１を、裏面材３００を太陽電池モジュール２００の背面に配置することにより裏面材３００反射し、光Ｈ２として再利用するもの（特許文献４）が知られている。しかし、まだ十分な発電効率は得られていない。
特開２００１−２９５４３７号公報 特開平４−６１２８５号公報 特開平１１−２７４５３３号公報 特開平１１−３０７７９１号公報

上述のように、従来の太陽電池モジュールは、単位面積当たりの発電効率を上げようという要望は多いが、損失となってしまう光があるため、まだ十分とはいえない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、本来は損失となってしまう光を再利用することによって、光の利用効率を向上させることができる裏面シート及びそれを用いた太陽電池モジュール用を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。

請求項１の発明は、
少なくとも透光性前面板と太陽電池セルと封止材と裏面シートとを有する太陽電池モジュールにおいて、
前記裏面シートは、基材と前記基材の表面に形成された凹凸構造と反射層とトップコート層とからなり、
前面側から、トップコート層、反射層、凹凸構造、基材の順に積層されて構成されることを特徴とする太陽電池裏面シートである。
請求項２の発明は、
前記反射層が、金属層もしくは一層または多層からなる誘電体層であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項３の発明は、
前記トップコート層が、電気絶縁性を有し、絶縁破壊電圧が３ＫＶ以上であることを特徴とする請求項１乃至２の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項４の発明は、
前記トップコート層が、酸化防止性を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項５の発明は、
前記トップコート層の厚さが、前記凹凸構造の高さ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項６の発明は、
前記凹凸構造が、プリズム、多角錐形状、シリンドリカルレンズ、マイクロレンズ、あるいはこれらの逆型の形状のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項７の発明は、
凹凸の繰り返しからなる周期構造からなる前記凹凸構造の単位構造の底辺と高さのアスペクト比が、０．１５以上０．４以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項８の発明は、
凹凸の繰り返しからなる周期構造からなる前記凹凸構造の単位構造の底辺と高さのアスペクト比が、０．２以上０．３５以下であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項９の発明は、
凹凸の繰り返しからなる周期構造からなる前記凹凸構造のピッチが、２５μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項１０の発明は、
凹凸の繰り返しからなる周期構造からなる前記凹凸構造のピッチが、５０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項１１の発明は、
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートを用いることを特徴とする太陽電池モジュールである。

本発明は、上述の手段により、本来は損失となる光を再利用することにより光の利用効率を向上させ、発電効率の良い太陽電池モジュールを提供することができる。

まず、本発明に係る太陽電池裏面シート及びそれを用いた太陽電池モジュールについて説明する。
図１は、本発明の太陽電池裏面シートを用いた太陽電池モジュール１に係る一様態を示す断面図である。本発明に係る太陽電池モジュール１は、前面板１１と、太陽電池セル１２と、封止材１３と、裏面シート１４を有する。

前面板１１は、太陽光や照明光などの光源Ｌの光を透過するものであり、太陽電池セル１２を衝撃、汚れ、水分の浸入等から保護するもので、透過率が高い透明な材料からなる。光源Ｌの光が太陽光・照明光の側より入射面１１０に垂直に入射する光Ｈ０は、前面板１１に入射後、前面板１１を透過し、封止材２１に入射する。
尚、入射面１１０の法線ＮＧは、平面Ｐ上に前面板１１を最も安定させた状態で置いた状態における平面Ｐの法線Ｎと平行な方向とする。入射面１１０に垂直に入射する光とは、法線ＮＧに平行に太陽電池モジュール１に入射する光のことである。

前面板１１の材質は、強化ガラス、サファイアガラス等のガラスあるいは、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等の樹脂シートである。前面板１１の厚さは強化ガラスであれば約３〜６ｍｍ、樹脂シートであれば１００μｍ〜３０００μｍのものが用いられる。

前面板１１を射出した光は、封止材１２に入射する。封止材１２は、太陽電池セル１３を固定するものである。前面板１１に入射した光Ｈ０は、封止材１２を透過し、太陽電池セル１３へ入射する光Ｈ１０となり、一部は裏面シート１４に入射する光Ｈ１となる。封止材１２には、入射した光Ｈ０を透過させるため光線透過率が高い材料が用いられ、耐熱性、耐高温、耐高湿、耐候性などの耐久性に優れるＥＶＡ（エチレン・ビニル・アセテート）が広く使用されている。

太陽電池セル１３は、光電効果により受光面Ｊに入射した光を電気へと変換する機能を持ち、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、アモルファスシリコン型、ＣＩＳＧ（Ｃｕ・Ｉｎ・Ｇａ・Ｓｅの化合物）系薄膜型など多くの種類が存在する。太陽電池セル１３は、複数個を電極で接続し、モジュールを形成して用いられる。封止材１２から太陽電池セル１３に入射した光Ｈ１０は、太陽電池セル１３で電気へと変換される。
通常、入射面１１０に対し斜めに入射した光は、垂直入射の光Ｈ０と比較して入射面１１０で、反射する割合が多く、太陽電池セル１３に入射する光が少ない、すなわち発電に利用できる光が少ない。
そのため、入射光Ｈ０が、入射面１１０に垂直に入射するとき、最も効率が高い。

裏面シート１４は、太陽電池セル１３自体を透過した光や、太陽電池セル１３に入射せず裏面シートに入射した光Ｈ１を反射する機能を有する。
裏面シート１４の前面側には反射層１４３を有する凹凸構造１４２が設けられている。裏面シート１４に入射した光Ｈ１は、反射層１４３で反射される。反射された光Ｈ２は前面板１１と大気の間等の界面で再度反射され、太陽電池セル１３の受光面Ｊに入射する光Ｈ３となり光電変換される。これにより裏面シート１４が反射層を有する凹凸構造を持たない構成と比較して光利用効率が向上する効果がある。

図２は、本発明の裏面シート１４の一様態を示す断面図である。本発明に係る裏面シート１４は、基材１４１、凹凸構造１４２、反射層１４３、トップコート層１４４からなる。

基材１４１に用いられる材料としては、ポリエチレンテレフタラート、ポリカーボネート、アクリル系樹脂以外にも、耐熱性と透明性を併せ持つポリエステル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリメチルペンテン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、透明ポリイミド、フッ素系樹脂、ポリ乳酸系樹脂、シリコーン、ポリスルフォン系樹脂、ポリエチレンナフタレート系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、エポキシ樹脂などがある。

基材１４１は単層であっても多層であってもよく、耐熱性、耐高温、耐高湿、難燃性などの長期耐候性や水蒸気バリア性などの各種性能を付与するために多層構造とすることが望ましい。

例えば、最外層には、長期耐候性に優れるＰＶＦ（ポリ・フッ化・ビニル）などのフッ素樹脂フィルムやフッ素樹脂塗膜、もしくは低オリゴマーＰＥＴフィルムなど耐熱タイプのＰＥＴフィルムや耐熱性に優れるＰＥＮフィルムなどを配するのが望ましい。

また、例えば、中間層として、水蒸気バリア性に優れるアルミニウム薄膜や、シリカ（ＳｉＯ_２）もしくはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）蒸着膜などを配するのが望ましい。

これらのどの組合せを採用するかは、要求性能によって異なるため、必要な性能に合わせて適宜設計するのが望ましい。
例えば、長期耐候性を重視する場合には、最外層としてＰＶＦなどのフッ素樹脂フィルムを用いるのが好ましい。しかし、コストを重視する場合には、耐熱タイプのＰＥＴフィルムを用いてもよい。近年では、ＰＥＴフィルムの耐熱性の改良が進み、十分な長期耐候性が得られる。
また、太陽電池セルとして単結晶シリコンや多結晶シリコンなどの結晶系を用いる場合には、シリカやアルミナ蒸着膜で対応可能であるが、アモルファスシリコンによる薄膜系を用いる場合には、耐湿熱性に劣るため、より水蒸気バリア性に優れるアルミニウム薄膜を用いるのが望ましい。

凹凸構造１４２は、基材１４１の前面側に形成されている。基材１４１の表面に直接形成してもよく（図２（ａ））、別の層を設けて形成してもよい（図２（ｂ））。

凹凸構造１４２を基材１４１に直接形成する方法としては、金型を用いたプレス法・キャスティング法・押し出し成形法・射出成形法などが挙げられる。これらの方法では、シート形成と同時に凹凸構造を形成することが可能である。

また、基材１４１上に別の層を設けて凹凸構造１４２を形成する方法として、平面スタンパやロールスタンパの凹凸形成面に熱硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂や電子線硬化型樹脂等を塗布または注入し、その上に基材１４１を配置して、硬化処理後にスタンパから離型するといった方法が挙げられる。これらの方法では、使用する樹脂の粘度を低くすることができるため成形性がよいという利点がある。

上述の製造方法で使用する樹脂は、特に限定されるものではなく、例えばポリ（メタ）アクリル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリメチルペンテン系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、アクリロニトリル―（ポリ）スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル―ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）等のポリスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアリールフタレート系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、リエチレンナフタレート系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、アセタール系樹脂、セルロース系樹脂等が挙げられ、これらの樹脂を１種又は２種以上混合して使用することができる。

また、上述の樹脂の他に例えば散乱反射体、硬化剤、可塑剤、分散剤、各種レベリング剤、紫外線吸収剤、抗酸化剤、粘性改質剤、潤滑剤、光安定化剤等の各種添加剤が適宜配合されてもよい。

これら成形法に使用する金型は、バイトによって金属板を切削する方法や、電子ビームによる描画やエッチングによって得られた母型の電鋳加工などにより得られる。

凹凸構造１４２は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すような、プリズム、多角錐形状、シリンドリカルレンズ、マイクロレンズ、あるいはこれらの逆型のいずれかの形状とするのが望ましい。

これらの構造は、図４に示すような単位構造の底辺Ｘと高さＹのアスペクト比が、０．４以下であることが望ましく、より望ましくは０．３５以下である。上述の構造のアスペクト比が０．４より大きい場合には、凹凸構造１４２を成形するときに金型の先端部分に樹脂が残りやすく成形性が悪い。上述の構造のアスペクト比が０．３５以下であれば、樹脂が金型に残る可能性が低くなり、設計通りの形状に成形できる。

また、上述の構造のアスペクト比は、０．１５以上であることが望ましく、より望ましくは０．２以上である。上述の構造のアスペクト比が０．２より小さいと、光利用効率を向上させる効果が弱くなる。上述の構造のアスペクト比が０．１５より小さいと、光利用効率を向上させる効果がさらに弱くなる。この理由については後に詳細に説明する。

凹凸構造１４２は、周期構造を有していてもよく、不定形でもよい。このとき、凹凸構造１４２の周期のピッチとしては、３００μｍ以下であることが望ましく、より望ましくは、２００μｍ以下である。上述の構造の周期のピッチが３００μｍより大きい場合には、凹凸構造１４２を成型するときの凹凸形状の先端部分の型に樹脂が十分に入らないため成型性が悪い。上述の構造の周期のピッチが、２００μｍ以下であれば比較的粘度の高い樹脂でも成型が可能となる。また、上述の構造の周期のピッチが小さすぎると型の作製が難しくなるため、２５μｍ以上であることが望ましく、より望ましくは、５０μｍ以上である。上述の構造の周期のピッチが２５μｍより小さいと、金型を切削する時間が長くタクトが落ち生産効率が悪い。上述の構造の周期のピッチが５０μｍより小さいと、凹凸構造１４２を成形する際に樹脂がうまく溝に入らず凹凸形状の先端部分の形状を金型どおり作製することが困難である。また、上述の構造の周期のピッチが２５μｍより小さいと、構造で光が反射する際に、光の回折が起こる可能性がある。回折光は、分光し広がった光となるため制御が難しく、好ましくない。

反射層１４３は、例えば、アルミニウムや銀などの金属を、凹凸構造１４２の凹凸に追従した層状になるように蒸着することで形成される。反射層４の蒸着手段としては、凹凸構造１４２に収縮、黄変等の劣化を招来することなく金属が蒸着できれば特に限定されるものではなく、（ａ）真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、イオンクラスタービーム法等の物理気相成長法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法；ＰＶＤ法）、（ｂ）プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法、光化学気相成長法等の化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法；ＣＶＤ法）が採用される。これらの蒸着法の中でも、生産性が高く良質な反射層１４３が形成できる真空蒸着法やイオンプレーティング法が好ましい。

反射層１４３に用いられる金属としては、金属光沢を有しかつ蒸着が可能であれば特に限定されるものではなく、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等が挙げられる。中でも、反射性が高く、緻密な反射層１４３が比較的容易に形成されるアルミニウムもしくは銀が好ましい（図５（ａ））。

なお、反射層１４３に用いられる材料としては、金属に限られるものではなく、例えば硫化亜鉛（ＺｎＳ）などの高屈折率材料ｈなどを用いてもよい（図５（ｂ））。この場合には、反射率は金属に比べて劣るものの比較的高い反射率が得られ、かつ反射層を透明もしくは半透明とすることができるので、外観で金属色が嫌われる場合などに使用するとよい。

なお、反射層１４３は、上述の金属もしくは高屈折材料による単層構造でもよく、２層以上の多層構造でもよい。例えば、図５（ｃ）に示すように、硫化亜鉛（ＺｎＳ）などの高屈折率材料ｈと、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）などの低屈折率材料ｌを多層蒸着することで得られる誘電体多層膜を採用してもよい。誘電体多層膜は、各層の膜厚や層の数を変えることで反射光の反射率や波長分布を制御することができるため、太陽電池セルの種類に応じて反射光の特性を最適化することが可能となる。

反射層１４３の厚さの下限としては、１０ｎｍが好ましく、２０ｎｍが特に好ましい。一方、反射層４の厚さの上限としては、２００ｎｍが好ましく、１００ｎｍが特に好ましい。反射層１４３の厚さが１０ｎｍ下限より小さいと、反射層１４３に入射する光を十分に反射することができない。また、２０ｎｍ以上の厚さであっても、上述の反射層１４３で反射される光は大幅には増えないため、２０ｎｍであれば十分な厚さといえる。一方、反射層１４３の厚さが２００ｎｍの上限を超えると、反射層１４３に目視でも確認できるクラックが発生し、１００ｎｍ以下であれば、目視で確認できないようなクラックも発生しない。

トップコート層１４４は、電気絶縁性を有する材料であることが望ましい。

太陽電池裏面シートに求められる重要な性能の一つとして、電気絶縁性がある。電気絶縁性は、太陽電池が内部に電極を含むモジュールであることから、長期使用での漏電などを防ぐために必ず必要な性能であり、特に、セル側の表面が電気絶縁性であることが求められている。

電気絶縁性を示す数値基準の一つとして、絶縁破壊電圧がある。絶縁破壊電圧は、絶縁破壊電圧以上の電圧が加わると絶縁状態が破壊される、という指標であり、絶縁破壊電圧が高い方が電気的に安定であると言える。

一般的に、裏面シートのセル側の表面（最内面）には、電気絶縁用プラスチックフィルム、もしくはＰＶＦ（ポリ・フッ化・ビニル）などのフッ素樹脂フィルムやフッ素樹脂塗膜が配されている。
例えば、参考文献１（「太陽光発電システム構成材料」（工業調査会））によると、各種電気絶縁用プラスチックフィルム（２５μｍ）の絶縁破壊電圧（ＫＶ）のおおよその数値は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート） ６．５、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート） ７．５、ＰＶＣ（延伸硬質塩ビ） ４．０、ＰＣ（ポリカーボネート） ５．０、ＯＰＰ（延伸ポリプロピレン） ６．０、ＰＥ（ポリエチレン） ４．０、ＴＡＣ（トリアセテート） ３．０、ＰＩ（ポリイミド） ７．０である。これらはいずれも絶縁材料としての絶縁破壊電圧を満たしている（参考 ＪＩＳＣ２３１８／電気用二軸配向ポリエチレンテレフタレートフィルム）。
また、ＰＶＦ（ポリ・フッ化・ビニル）の代表的な製品であるデュポン社のテドラーの絶縁破壊電圧は、約３．０ＫＶである。
これらの各種材料、特に電気絶縁用ＰＥＴ及びＰＶＦは、電気絶縁材料として太陽電池裏面シートへの使用実績があり、要求性能を満たすことが確認されている。
以上より、絶縁破壊電圧は３．０ＫＶ以上であるのが望ましい。絶縁破壊電圧が２．０ＫＶ以下の場合、長期使用による漏電の可能性が高くなる。

上述の電気絶縁性トップコート層１４４は、上述の各種材料を反射層１４３上に塗布することで得られる。このとき、使用する材料は透明あるいは半透明性の材料であることが好ましい。
また、用いる材料としては、上記に限ったものではなく、絶縁破壊電圧の基準値を満たす材料であれば、適宜採用することが可能である。

また、反射層１４３が金属層である場合には、トップコート層１４４は、さらに酸化防止性を有していることが望ましい。これは、アルミニウム、銀などの金属は表面が酸化しやすいためであり、トップコート層が酸化防止性を有していると、経年劣化を抑えることができる。

上述の酸化防止性トップコート層としては、例えばポリエステル系トップコート剤、ポリアミド系トップコート剤、ポリウレタン系トップコート剤、エポキシ系トップコート剤、フェノール系トップコート剤、（メタ）アクリル系トップコート剤、ポリ酢酸ビニル系トップコート剤、ポリエチレンアルイハポリプロピレン等のポリオレフィン系トップコート剤、セルロース系トップコート剤などが使用可能であり、これら各種材料を反射層１４３上に塗布することで得られる。このとき、使用する材料は透明あるいは半透明の材料であることが好ましい。中でも、反射層１４３との接着強度が高く、反射層１４３の表面保護、欠陥の封止等に寄与するポリエステル系トップコート剤が特に好ましい。
また、用いる材料としては、上記に限ったものではなく、絶縁破壊電圧の基準値を満たす材料であれば、適宜採用することが可能である。

上述の酸化防止性トップコート剤のコーティング量（固形分換算）は、３ｇ／ｍ２以上、７ｇ／ｍ２以下が好ましい。トップコート剤のコーティング量が３ｇ／ｍ２より小さいと、反射層１４３を封止及び保護する効果が小さくなるおそれがある。一方、当該トップコート剤のコーティング量が上７ｇ／ｍ２を超えても、上述の反射層１４３の封止及び保護効果があまり増大しない。

なお、上述のトップコート剤中には、密接着性向上のためのシランカップリング剤、耐候性等を向上させるための紫外線吸収剤、耐熱性等を向上させるための無機フィラー等の各種添加剤を適宜混合することができる。かかる添加剤の混合量としては、添加剤の効果発現とトップコート剤の機能阻害とのバランスから０．１重量％以上１０重量％以下が好ましい。上述の添加剤が、０．１重量％未満では、密接着性、耐候性、耐熱性が十分に得られず、１０重量％より多いと、トップコート剤の機能を阻害してしまう。

なお、トップコート層１４４は、単層でもよく多層でもよい。例えば、酸化防止性を必要としない場合には、電気絶縁性を有する材料のみの単層構成とすることができる（図６（ａ））。また、一つの材料で電気絶縁性と酸化防止性を兼ね備えている場合にも単層構成とすることができる（図６（ａ））。
例えば、電気絶縁性と酸化防止性を別の材料で付与する場合には多層構成としてもよい。この場合、反射層１４３の上に、酸化防止性の層ｏ、電気絶縁性の層ｅ、の順に積層するのがよい（図６（ｂ））。
また、例えば、上述の電気絶縁性プラスチックフィルムｆを接着層ａを介して貼合する多層構成としても良い（図６（ｃ））。中でも、同時に要求される耐熱性、耐湿性、機械強度などにも優れ、コスト面でも有利である電気絶縁性ＰＥＴフィルムが特に好ましい。
さらに、例えば、始めに酸化防止性ｏを持つ層を設けた後に、接着剤ａで電気絶縁性ＰＥＴフィルムｆを貼合するなどの多層構成を採用してもよい。
これら構成は、要求される特性によって、使用する材料が異なり、構成も異なるため、要求特性に応じて適宜設計するのが望ましい。

トップコート層１４４の厚みは、凹凸構造１４２及び反射層１４３を保護するために、全体として反射層１４３を含めた凹凸構造１４２の高さ以上とすることが望ましい（図７（ａ））。トップコート層の厚みが凹凸構造の高さよりも薄いと、裏面シートの作製工程や、モジュール化などの後工程などで凹凸構造に傷が発生する可能性が高く、傷が発生すると不必要な散乱光が生じるため好ましくない。また、モジュール化する際に、裏面シートと封止材の界面に気泡が発生する可能性が高くなり、耐性の面から望ましくない（図７（ｂ）、（ｃ））。

図８に、裏面シート１４の層構成の例を示す。
基材１４１は、耐熱性ＰＥＴフィルム４１１、水蒸気バリア性を得るためのシリカ蒸着層４１２、シリカ蒸着層を保護するＰＥＴフィルム４１３からなる。基材１４１上には、凹凸構造１４２を形成する樹脂層が配置されている。凹凸構造１４２上には、アルミニウム蒸着層からなる反射層１４３が形成されている。反射層１４３上には、酸化防止性を得るためのコート層４４１、電気絶縁性を得るための樹脂層４４３からなるトップコート層１４４が配置されている。

図９に、裏面シート１４の別の層構成の例を示す。
基材１４１は、長期耐候性を得るためのＰＶＦ層４１１、耐熱性ＰＥＴフィルム４１２、接着層４１３、高い水蒸気バリア性を得るためのアルミニウム箔層４１４、接着層４１５、表面に凹凸構造１４２が一体成形されたＰＥＴフィルム４１６からなる。基材１４１上の凹凸構造１４２上には、アルミニウムからなる反射層１４３が形成されている。反射層１４３上には、酸化防止性を得るためのコート層４４１、接着層４４２、電気絶縁性を得るための電気絶縁性ＰＥＴフィルム４４３からなるトップコート層１４４が配置されている。

図１０に、裏面シート１４のさらに別の層構成の例を示す。
基材１４１は、長期耐候性を得るためのＰＶＦ層４１１、耐熱性ＰＥＴフィルム４１２、水蒸気バリア性を得るためのシリカ蒸着層４１３、シリカ蒸着層を保護し、かつ表面に凹凸構造１４２が一体成形されたＰＥＴフィルム４１４からなる。基材１４１上の凹凸構造１４２上には、アルミニウムからなる反射層１４３が形成されている。反射層１４３上には、酸化防止性を得るためのコート層４４１、長期耐候性をより強化し、かつ電気絶縁性を得るためのＰＶＦ層４４２からなるトップコート層１４４が配置されている。

図１１に、裏面シート１４のさらに別の層構成の例を示す。
基材１４１は、長期耐候性を得るためのＰＶＦ層４１１、耐熱性ＰＥＴフィルム４１２、水蒸気バリア性を得るためのシリカ蒸着層４１３、シリカ蒸着層を保護するＰＥＴフィルム４１４、長期耐候性をより強化するためのＰＶＦ層４１５、接着層４１６、表面に凹凸構造１４２が一体成形されたＰＥＴフィルム４１７からなる。基材１４１上の凹凸構造１４２上には、アルミニウムからなる反射層１４３が形成されている。反射層１４３上には、酸化防止性を得るためのコート層４４１、接着層４４２、電気絶縁性を得るための電気絶縁性ＰＥＴフィルム４４３からなるトップコート層１４４が配置されている。

裏面シート１４の層構成は、例示した層構成に限るものではなく、例示した層構成以外にも、要求特性に応じて様々な変形が可能である。

次に、裏面シート１４による光利用効率の向上のしくみを説明する。

図１２は裏面シート１４に入射した光が、反射層１４３を有する凹凸構造１４２によって反射され、太陽電池セル１２の受光面Ｊに入射する機構を示した概略図である（層構成の詳細は図示せず）。なお、ここでは凹凸構造としてプリズムを採用している。
裏面シート１４の前面側には反射層１４３を有する凹凸構造１４２が設けられている。裏面シート１４に入射した光Ｈ１は、反射層１４３で反射される。反射された光Ｈ２は前面板１１と大気の間等の界面で再度反射され、太陽電池セル１３の受光面Ｊに入射する光Ｈ３となり光電変換される。太陽電池セル１３の受光面Ｊに入射する光Ｈ３が増えれば、光電変換量が増え、光利用効率の向上が見込める。

図１２（ｃ）にプリズムの頂角θと反射角α（入射角α）の関係を示す。ここで、入射面１１０に対して垂直に光が入射した場合には、頂角θと反射角αの間には以下の関係が成り立つ。

反射層１４３で反射した光Ｈ２は、前面板１１と大気の界面で反射する。このときの入射光Ｈ２の入射角は２αである。
このとき、２αが臨界角φ以上の場合には、前面板と大気の界面で全反射するため、入射光Ｈ２はロスが極めて少なく反射光Ｈ３となる（図１１（ａ））。一方、２αが臨界角φより小さい場合には、反射光Ｈ３の他に、透過光Ｈ４が発生する（図１１（ｂ））。透過光Ｈ４の発生によって反射光Ｈ３の光量が減少する、すなわち太陽電池セル１２の受光面Ｊに入射する光Ｈ３の光量が減少するため、入射光Ｈ２の入射角２αが臨界角φ以上となることが望ましい。

臨界角φは、この場合には前面板１１の屈折率ｎ_１と大気の屈折率ｎ_２によって決まり、以下の関係が成り立つ。

例えば、前面板１１に強化ガラスなどのガラスを用いた場合には、屈折率ｎ_１は約１．５、大気の屈折率ｎ_２は約１．０であるため、臨界角φは約４２°となる。
反射層１４３での反射光Ｈ２を有効に利用するためには、２αが臨界角φ以上となることが望ましい、すなわち、臨界角φが４２°のときには反射層１４３での反射角αが２１°以上であることが望ましい。

ここで、プリズムの底辺Ｘと高さＹのアスペクト比に対する、頂角θ及び反射層１４３での反射角αのおおよその値を下記の表１に示す。

以上のことを考慮すると、プリズムのアスペクト比は、０．２以上であることが望ましい。
ただし、こまでは、前面板１１の入射面１１０への入射角が０°である場合を考えてきたが、実際には、入射する光の入射角は様々である。
そのため、アスペクト比が０．１５以上、すなわち前面板１１と大気の界面に入射する光Ｈ２の入射角２αと臨界角φの差が約１０°以内であれば、光の入射角が異なる場合でも最終的に受光面Ｊに入射する光は発生する。しかし、アスペクト比が０．１５以下になると、前面板１１と大気の界面に入射する光Ｈ２の入射角２αが臨界角φよりも１０°近く小さくなり、全反射する光が少なくなる。

なお、既述の通り、プリズムのアスペクト比が０．４以上であると成形性が悪くなるためアスペクト比は、０．４以下であることが望ましく、０．３５以下であればさらに成形性がよくなるため、より望ましくは０．３５以下である。

図１３に示すような、ＰＥＴフィルムからなる基材１４１、紫外線硬化性樹脂からなる凹凸構造１４２、アルミニウム蒸着層である反射層１４３、及び接着層４４１、ＰＥＴフィルム４４２からなるトップコート層１４４からなる裏面シート１４を作製し、光利用効率の向上の効果を確認した。このとき、凹凸構造１４２としてアスペクト比０．２、ピッチ２００μｍのプリズムを採用した。
図１２に示すような位置関係において、太陽電池セル１２にあたる部分に光センサーを配置して光量を測定したところ、凹凸構造及び反射層がないときの光量を１とすると、図１３に示す裏面シートを用いた場合の光量は相対比で１．３となった。これにより、反射層１４３を有する凹凸構造１４２を裏面シートの前面側に設けると、太陽電池モジュールの光利用効率の向上が可能であることが確認できた。

また、図１３に示す裏面シート１４からトップコート層１４４を省いた構成の裏面シート１４（図示せず）を作製し、同様の測定を行ったところ、トップコート層１４４がある場合と同じ結果が得られた。これにより、トップコート層１４４は光利用効率の向上を阻害するものではないことが確認できた。

また、本発明の裏面シート１４は、太陽電池モジュールへの使用に限るものではなく、ＬＥＤ照明やＥＬ素子などの発光素子の光利用効率向上など、光利用効率向上が望まれる光学素子やディスプレイ部材への転用が可能である。

本発明の太陽電池裏面シート及び太陽電池モジュールを概略的に示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートを概略的に示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートの凹凸構造の例を示す斜視図 本発明の太陽電池裏面シートの凹凸構造の例を示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートの反射層の例を示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートのトップコート層の例を示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートのトップコート層の例を示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートの層構成の例を示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートの層構成の例を示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートの層構成の例を示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートの層構成の例を示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートを概略的に示す断面図 本発明の太陽電池裏面シートの層構成の例を示す断面図

符号の説明

１…太陽電池モジュール、１１…前面板、１２…太陽電池セル、１３…封止材、１４…裏面シート、１４１…基材、１４２…凹凸構造、１４３…反射層、１４４…トップコート層、１１０…入射面、Ｆ…光源方向、Ｊ…受光面、Ｎ…法線、ＮＧ…前面板１１の法線、Ｈ０…太陽電池モジュールに垂直に入射する光、Ｈ１…反射層に入射する光、Ｈ２…反射光、Ｈ３…再利用される光、Ｌ…光源、Ｘ…凹凸構造の底辺、Ｙ…凹凸構造の高さ、ｍ…金属反射層、ｈ…高屈折率材料、ｌ…低屈折率材料、ｅ…電気絶縁性の層、ｏ…酸化防止性の層、ｆ…電気絶縁性フィルム、ａ…接着層、４１１、４１２、４１３、４１４、４１５、４１６、４１７…基材１４１を構成する層、４４１、４４２、４４３…トップコート層１４４を構成する層、θ…プリズムの頂角、α…反射角、β…透過角、φ…臨界角

Claims (11)

1. 少なくとも透光性前面板と太陽電池セルと封止材と裏面シートとを有する太陽電池モジュールにおいて、
   前記裏面シートは、基材と前記基材の表面に形成された凹凸構造と反射層とトップコート層とからなり、
   前面側から、トップコート層、反射層、凹凸構造、基材の順に積層されて構成されることを特徴とする太陽電池裏面シート。
2. 前記反射層が、金属層もしくは一層または多層からなる誘電体層であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池裏面シート。
3. 前記トップコート層が、電気絶縁性を有し、絶縁破壊電圧が３ＫＶ以上であることを特徴とする請求項１乃至２の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
4. 前記トップコート層が、酸化防止性を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
5. 前記トップコート層の厚さが、前記凹凸構造の高さ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
6. 前記凹凸構造が、プリズム、多角錐形状、シリンドリカルレンズ、マイクロレンズ、あるいはこれらの逆型の形状のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
7. 凹凸の繰り返しからなる周期構造からなる前記凹凸構造の単位構造の底辺と高さのアスペクト比が、０．１５以上０．４以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
8. 凹凸の繰り返しからなる周期構造からなる前記凹凸構造の単位構造の底辺と高さのアスペクト比が、０．２以上０．３５以下であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
9. 凹凸の繰り返しからなる周期構造からなる前記凹凸構造のピッチが、２５μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
10. 凹凸の繰り返しからなる周期構造からなる前記凹凸構造のピッチが、５０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の太陽電池裏面シートを用いることを特徴とする太陽電池モジュール。

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