JP2010123720A - 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】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。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。
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、前記裏面シートの前面側に光散乱反射機能を有する凹凸構造が形成されていることを特徴とする太陽電池裏面シートである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反射面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、本来は損失となる光を有効に活用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、
前記裏面シートの前面側に光散乱反射機能を有する凹凸構造が形成されてい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、
前記凹凸構造の表面にのみ、散乱要素を含む樹脂層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池裏面シートである。
請求項３の発明は、
前記凹凸構造が、散乱要素を含む樹脂層から構成されることを特徴とする請求項１記載の太陽電池裏面シートである。
請求項４の発明は、
前記散乱要素が、白色顔料、金属粒子、高屈折率粒子、中空粒子、のいずれかからな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、
前記裏面シートが、前記凹凸構造の前面側に前記凹凸構造を保護するトップコート層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、
繰り返しからなる周期構造を有する前記凹凸構造が、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いずれか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、
繰り返しからなる周期構造を有す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、
繰り返しからなる周期構造を有す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、
繰り返しからなる周期構造を有す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、
繰り返しからなる周期構造を有す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１０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１２の発明は、
請求項１乃至１１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、従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し、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をもっと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、もっとも効率が高い。

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の前面側には散乱要素を含む樹脂層１４３を有する凹凸構造１４２、もしくは散乱要素を含む樹脂から構成される凹凸構造１４２が設けられている。裏面シート１４に入射した光Ｈ１は、散乱要素で反射される。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、散乱要素を含む樹脂層１４３（以下、散乱性反射層１４３と表記する）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１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（ａ）、多角錐形状（ｂ）、シリンドリカルレンズ（ｃ）、マイクロレンズ（ｄ）、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。

散乱性反射層１４３は、白色顔料、金属粒子、高屈折率粒子、中空粒子のいずれかの散乱要素を樹脂中に分散させ、凹凸構造１４２の表面に塗布することにより得られる。

散乱要素としては、特に限定されるものではないが、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの白色顔料（金属酸化物）、アルミニウム（Ａｌ）ペースト、銀（Ａｇ）ペーストなどの金属粒子、シリカ（Ｓｉ）などの高屈折率粒子、シリカ（Ｓｉ）などの中空粒子などを採用することが可能である。このうち、酸化チタン（ＴｉＯ２）は、屈折率が高く、分散性も得られやすいため好ましい。また、散乱反射体の形状は、球状、針状、板状、鱗片状、破砕状等の任意の粒子形状でよく、特に限定されない。

散乱要素を分散させる樹脂としては、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、ポリフッ化ビニル系樹脂、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。

散乱性反射層１４３は、特定の方向へ光を散乱反射させるために、凹凸構造１４２に追従する形状に設けることが望ましい、すなわち、樹脂層１４３を形成したのちも凹凸構造１４２の形状が保たれていることが望ましい（図５（ａ））。凹凸構造１４２の形状が保たれていない場合（図５（ｂ））、特定の方向へ光が反射する機能がなくなり、等方散乱となってしまう。

図６は、本発明の裏面シート１４の別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、散乱要素を含む樹脂から構成される凹凸構造１４２（以下、散乱性凹凸構造１４２と表記する）からなる。

図６に示す裏面シート１４は、散乱要素を含む樹脂層（散乱性反射層）１４３を設けない、散乱要素を含む樹脂から構成される凹凸構造（散乱性凹凸構造）１４２を設ける、の２点でのみ図２に示す裏面シート１４と異なっている。

図６に示す裏面シート１４に用いる基材１４１としては、図２に示す裏面シート１４と同様の材料、構成を採用可能であり、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。図２に示す裏面シート１４について説明したのと同様の各種構成を採用可能であり、要求性能に合わせて適宜設計するのが望ましい。

散乱性凹凸構造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６（ａ））、別の層を設けて形成してもよい（図６（ｂ））。

散乱性凹凸構造１４２を基材１４１に直接形成する方法、及び基材１４１上に別の層を設けて散乱性凹凸構造１４２を形成する方法としては、図２に示す裏面シート１４について説明したのと同様の各種製法を採用可能である。

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、図２に示す裏面シート１４２について説明したのと同様の各種樹脂材料を採用可能である。

また、上述の樹脂の他に、図２に示す裏面シート１４２について説明したのと同様の各種添加剤を適宜配合してもよい。

散乱性凹凸構造１４２は、凹凸構造を構成する樹脂に、白色顔料、金属粒子、高屈折率粒子、中空粒子のいずれかの散乱要素を分散させることにより得られる。

散乱要素としては、特に限定されるものではないが、図２に示す裏面シート１４２について説明したのと同様の各種材料、形状を採用可能である。

散乱性凹凸構造１４２は、図２に示す裏面シート１４について説明したのと同様に、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２に示す裏面シート１４について説明したのと同様の理由で、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。

また、上述の構造のアスペクト比は、図２に示す裏面シート１４について説明したのと同様の理由で、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。

散乱性凹凸構造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、図２に示す裏面シート１４について説明したのと同様の理由で、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。また、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。

図２及び図６に示す裏面シート１４は、トップコート層１４４をさらに備えていてもよい。このとき、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、上述の各種材料を図２及び図６に示す裏面シート１４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。

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、電気絶縁性を有する材料を直接塗布する単層構成とすることができる（図７（ａ））。
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７（ｂ））。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。
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。

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、散乱要素を含む樹脂層１４３が形成されている。

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、散乱要素を含む樹脂層１４３が形成されている。散乱要素を含む樹脂層１４３上には、接着層４４１、電気絶縁性を得るための電気絶縁性ＰＥＴフィルム４４２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上には散乱要素を含む樹脂により凹凸構造１４２が形成されている。凹凸構造１４２上には、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、かつ散乱要素を含む樹脂から成るフィルム４１７からなる。凹凸構造１４２上には、接着層４４１、電気絶縁性を得るための電気絶縁性ＰＥＴフィルム４４２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手法について説明する。

図１２は図２に示す裏面シート１４に入射した光が、散乱性反射層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の前面側には散乱性反射層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、散乱性反射層１４３で反射される。反射された光はＨ２を中心に広がりを持つ。Ｈ２を中心とする反射光は前面板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。

散乱性反射層１４３で反射した光は、反射角αで反射するＨ２を中心に広がりを持った光となる。

散乱性反射層１４３で反射した光の中心成分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。
散乱性反射層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°のときには散乱性反射層１４３での反射角αが２１°以上であることが望ましい。

散乱性反射層１４３で反射した光は広がりを持つため、中心成分Ｈ２の反射角αが２１°以上であっても、前面板１１と大気の界面への入射角２αが臨界角φ以下となる成分が存在する。この成分は、透過光Ｈ４となりロスとなる。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、正面からの光に対してはロスとなる成分が発生するとしても、入射角が変わったときには逆に有効に利用できる成分が多くなる場合がある。

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。しかし、実際には、反射層１４３に入射する光の入射角は様々であるので、アスペクト比が０．１５以上であれば、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、反射層１４３で反射され、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、散乱性反射層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１．２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散乱性反射層の例を示す断面図 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…反射光の中心成分、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、ｅ…電気絶縁性の層、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…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
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 (12)

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、
   前記裏面シートの前面側に光散乱反射機能を有する凹凸構造が形成されていることを特徴とする太陽電池裏面シート。
2. 前記凹凸構造の表面にのみ、散乱要素を含む樹脂層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池裏面シート。
3. 前記凹凸構造が、散乱要素を含む樹脂層から構成されることを特徴とする請求項１記載の太陽電池裏面シート。
4. 前記散乱要素が、白色顔料、金属粒子、高屈折率粒子、中空粒子、のいずれかからな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. 前記裏面シートが、前記凹凸構造の前面側に前記凹凸構造を保護するトップコート層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５の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
7. 繰り返しからなる周期構造を有する前記凹凸構造が、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いずれか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. 繰り返しからなる周期構造を有す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７の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
9. 繰り返しからなる周期構造を有す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８の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
10. 繰り返しからなる周期構造を有す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９の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
11. 繰り返しからなる周期構造を有す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１０の何れか１項に記載の太陽電池裏面シート。
12. 請求項１乃至１１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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