JP2010283165A - 太陽電池モジュール及びその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱膨張係数の差異による影響を小さくした樹脂構造体を用いた太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】表面に太陽電池ユニット３２が形成された基板３０と、基板３０に接触し、基板３０の側面及び裏面の一部を覆う樹脂構造体３４と、を備える。樹脂構造体３４は、樹脂４０と、樹脂４０よりも熱膨張係数が小さい緩衝材料４２とを含んで構成され、樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が基板３０から離れるにしたがって小さくなるようにする。
【選択図】図１
【解決手段】表面に太陽電池ユニット３２が形成された基板３０と、基板３０に接触し、基板３０の側面及び裏面の一部を覆う樹脂構造体３４と、を備える。樹脂構造体３４は、樹脂４０と、樹脂４０よりも熱膨張係数が小さい緩衝材料４２とを含んで構成され、樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が基板３０から離れるにしたがって小さくなるようにする。
【選択図】図１
Description
本発明は、太陽電池モジュール及びその形成方法に関する。
近年、自然エネルギーを利用した発電システムが着目されており、例えば、太陽光による発電を可能とする太陽電池が着目されている。
一般的に、太陽電池システムは、図６に示すような太陽電池モジュール１００として構成される。太陽電池モジュール１００は、表面に太陽電池ユニット１２が形成されたガラス基板１０、太陽電池ユニットを保護するための樹脂からなる充填材１４、バックシート１６、モジュールを構造的に支持する金属枠１８、金属枠１８でガラス基板１０等を支持する際に端部を保護するためのゴム枠２０等を含んで構成される。また、太陽電池ユニット１２からは配線ケーブル２２が引き出される（特許文献１，２等）。
上記のように、透明電極膜が形成されたガラス基板等にアモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜からなる太陽電池ユニットを成膜した薄膜太陽電池では、ガラスの熱強化ができないために太陽電池モジュールが大型化するに伴って耐荷重強度を上げるために金属枠により構造的に支持していた。これは、製造コストを大きくしてしまう要因となっていた。
本発明の１つの態様は、表面に光電変換膜が形成されたガラス基板と、前記ガラス基板に接触し、前記ガラス基板の側面及び裏面の一部を覆う樹脂構造体と、を備え、前記樹脂構造体は、樹脂と、前記樹脂よりも熱膨張係数が小さい緩衝材料と、を含んで構成され、前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が前記ガラス基板から離れるにしたがって小さくなることを特徴とする太陽電池モジュールである。
本発明の別の態様は、樹脂と、前記樹脂よりも熱膨張係数が小さい緩衝材料と、の混合材料によって表面に光電変換膜が形成されたガラス基板を覆って硬化させて第１樹脂体を形成する第１の工程と、前記樹脂と、前記緩衝材料と、の混合材料であって、前記第１の工程よりも前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が小さい混合材料によって前記第１樹脂体の少なくとも一部を覆って硬化させて第２樹脂体を形成する第２の工程と、を含み、前記ガラス基板の側面及び裏面の一部を覆うように前記第１樹脂体及び前記第２樹脂体を含む樹脂構造体を形成することを特徴とする太陽電池モジュールの形成方法である。
本発明の別の態様は、樹脂と、前記樹脂よりも熱膨張係数が小さい緩衝材料と、の混合材料によって表面に光電変換膜が形成されたガラス基板を覆い、前記ガラス基板から離れるに従って高温となるように加熱することによって前記樹脂を硬化させ、前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が前記ガラス基板から離れるにしたがって小さくなるように樹脂構造体を形成することを特徴とする太陽電池モジュールの形成方法である。
ここで、前記樹脂構造体は、前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が前記ガラス基板から離れるにしたがって段階的に小さくなることが好適である。
また、前記樹脂構造体は、前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が前記ガラス基板から離れるにしたがって連続的に小さくなることが好適である。
また、２４００Ｐａの加圧によって前記ガラス基板が割れない強度を有することが好適である。
例えば、前記樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂、熱硬化性ポリイミド、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、ユリア樹脂、オレフィン樹脂の少なくとも１つを含むことが好適である。
また、例えば、前記緩衝材料は、酸化シリコンを含むことが好適である。
また、前記樹脂構造体は、前記ガラス基板に接触する領域において前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が６４％以上であることが好適である。
本発明によれば、内部応力の影響を小さくした樹脂構造体を有する太陽電池モジュール及びその製造方法を提供することができる。
＜太陽電池モジュールの構成＞
本発明の実施の形態における太陽電池モジュール２００は、図１に示すように、基板３０、太陽電池ユニット３２、樹脂構造体３４及び出力ケーブル３６を含んで構成される。図１は、太陽電池モジュール２００の断面構造を示す模式図であり、説明を明確にするために各部のサイズの比等は実際とは異なる。
本発明の実施の形態における太陽電池モジュール２００は、図１に示すように、基板３０、太陽電池ユニット３２、樹脂構造体３４及び出力ケーブル３６を含んで構成される。図１は、太陽電池モジュール２００の断面構造を示す模式図であり、説明を明確にするために各部のサイズの比等は実際とは異なる。
基板３０は、太陽電池モジュール２００の受光面として機能し、太陽電池ユニット３２において発電に利用される波長帯域の光を透過する透光性材料が用いられる。本実施の形態では、基板３０には、ガラスを用いる。基板３０の背面には、透光性導電膜（ＴＣＯ：Transparent Conductive Oxide）が形成される。
太陽電池ユニット３２は、基板３０に形成された透光性導電膜上に形成される。太陽電池ユニット３２は、透光性導電膜、半導体層及び裏面電極を、レーザパターニング法を適用しつつ順次積層することにより形成される。太陽電池ユニット３２は、電気的に直列又は並列接続された複数の太陽電池セルから構成される集積型太陽電池とすることができる。
太陽電池ユニット３２は、例えば、非晶質シリコン半導体層、微結晶シリコン半導体層の積層体或いはそれらの組み合わせとすることができる。また、ガリウム砒素等の化合物半導体としてもよい。基板３０側が太陽電池ユニット３２の受光面側となり、基板３０の反対側が太陽電池ユニット３２の裏面となる。
樹脂構造体３４は、基板３０及び太陽電池ユニット３２を太陽電池モジュール２００として支持する筐体として機能する。樹脂構造体３４は、図２に示すように、樹脂４０及び樹脂４０に混合された緩衝材料４２を含んで構成される。
本実施の形態における樹脂構造体３４は、太陽電池ユニット３２の裏面側の少なくとも一部並びに基板３０の側面及び表面の少なくとも一部を被うように形成される。太陽電池ユニット３２の裏面から基板３０の側面に跨って形成される。
また、樹脂構造体３４は、脚部３４ａを有してもよい。脚部３４ａは、太陽電池モジュール２００を設置場所に固定するためのボルトが取付けられる孔３４ｂを有する。また、樹脂構造体３４の背面には、太陽電池モジュール２００の強度の向上を目的として、複数のリブ構造３４ｃを設けてもよい。リブ構造３４ｃは、太陽電池モジュール２００の全長に渡って複数並べて設けることが好ましい。脚部３４ａ及びリブ構造３４ｃも、脚部３４ａ及びリブ構造３４ｃに対応する型枠を用いることによって樹脂構造体３４として一体的に形成することができる。
樹脂４０は、樹脂構造体３４を構造体として形作るための材料である。樹脂４０に求められる特性は、（１）高い耐候性能（屋外で太陽電池モジュール２００を使用した場合には３０年以上の耐久性があること）、（２）構造的強度（太陽電池モジュール２００において２４００Ｐａの加圧により基板３０（ガラス）が割れないこと）、（３）加工性が良い（基板３０及び太陽電池ユニット３２と一体成型が可能であること）、（４）加工温度が低いこと（太陽電池ユニット３２の特性低下を招かない２００℃以下の温度領域で加工が可能なこと）、（５）比重が小さい（太陽電池モジュール２００の重量を低減できること）、（６）材料価格が安い（太陽電池モジュール２００の量産に適した材料価格であること）が挙げられる。このような条件を満たす樹脂４０としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂、熱硬化性ポリイミド、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、ユリア樹脂、オレフィン樹脂の少なくとも１つを含む材料を用いることが好適である。
緩衝材料４２は、樹脂構造体３４と基板３０との熱膨張率の差を小さくし、樹脂構造体３４によって基板３０を支持することによって基板３０及び太陽電池ユニット３２に撓みや破損が発生することを防ぐために樹脂４０に混合される。緩衝材料４２は、樹脂４０よりも熱膨張係数が小さい材料とする。緩衝材料４２としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等のセラミックスの粉末を用いることが好適である。緩衝材料４２の粒経は１０μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。また、緩衝材料４２は、基板３０と樹脂４０の接触面積を減少させ、樹脂構造体３４と基板３０の密着性を低下させることを抑制するために略球形の形状とすることが好ましい。
樹脂構造体３４は、所定の形状の型枠内に太陽電池ユニット３２が形成された基板３０を配置し、緩衝材料を混合させた樹脂を流し込んだ後に樹脂を硬化させることによって一体的に形成することができる。そのため、基板３０及び太陽電池ユニット３２は、他の構造部材（金属枠等）を用いることなく樹脂構造体３４により封止される。樹脂構造体３４の形成方法については後述する。
ここで、太陽電池モジュール２００として大きな不具合とならないようにするには、基板３０と樹脂構造体３４との界面付近における樹脂構造体３４の熱膨張係数を基板３０の熱膨張係数の８０％以上２００％以下とすることが好ましい。なお、緩衝材料４２は、同一のサイズのものだけでなく、異なるサイズのものを用いても良い。これにより、緩衝材料４２の形状を略球形とした場合、樹脂構造体３４の緩衝材料４２の混合率を多くすることができ、所望の混合率とすることが可能となる。一方、基板３０から離れるにしたがって樹脂構造体３４による応力は徐々に緩和される。また、樹脂構造体３４の全体に緩衝材料４２を均一に混合すると、緩衝材料４２の使用量が増加し、太陽電池モジュール２００の構造的強度を低下させ、製造コストも増大する。そこで、図２に示すように、樹脂構造体３４における樹脂４０内における緩衝材料４２の分布は、基板３０から離れるにしたがって樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が小さくなるようにすることが好ましい。
例えば、基板３０として主に用いられるガラスの熱膨張率は９×１０−６／Ｋ程度であり、樹脂４０の熱膨張係数は５０〜１００×１０−６／Ｋ程度であり、緩衝材料４２として主に用いられる酸化シリコン（ＳｉＯ２）の熱膨張係数は０．５×１０−６／Ｋ程度であり、この場合には基板３０と樹脂構造体３４との界面付近における樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比は６４％以上、より好適には８８％程度とし、基板３０から離れるにしたがって緩衝材料４２の混合比が小さくなるようにする。これによって、基板３０と樹脂構造体３４との界面付近では基板３０と樹脂構造体３４との熱膨張係数が略等しくなり、基板３０及び太陽電池ユニット３２が樹脂構造体３４によって撓む等の影響を受け難くなる。また、基板３０から離れた位置では無駄な緩衝材料４２を使用することがなくなる。
なお、樹脂構造体３４は、図２に示すように、樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が異なる複数の層Ａ〜Ｃを積層して基板３０から離れるにしたがって段階的に小さくなるような構造としてもよいし、図３に示すように、樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が連続的に小さくなるような構造としてもよい。
出力ケーブル３６は、太陽電池ユニット３２によって発生された電力を外部機器に送るためのケーブルである。出力ケーブル３６は、導電性の芯線と芯線を覆う絶縁皮膜とから構成される。出力ケーブル３６は、樹脂構造体３４中に埋設され、一端が太陽電池ユニット３２に設けられた端子に半田付けされ、他端が樹脂構造体３４の外側に引き出されて外部機器と接続するための接続端子が取付けられる。
＜太陽電池モジュールの製造方法＞
以下、本発明の実施の形態における太陽電池モジュール２００の製造方法について図４及び図５を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施の形態における太陽電池モジュール２００の製造方法について図４及び図５を参照しながら説明する。
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が異なる複数の層を積層して樹脂構造体３４を形成する工程を示している。
ステップＳ１０では、図４（ａ）に示すように、太陽電池ユニット３２が形成された基板３０を型枠５０内に配置し、緩衝材料４２が混合された樹脂４０を流し込んで硬化させる。型枠５０は、樹脂４０及び緩衝材料４２が太陽電池ユニット３２の裏面側の少なくとも一部並びに基板３０の側面及び表面の少なくとも一部を被うような形状とすることが好適である。樹脂４０が熱硬化性であれば、例えば、１５０℃程度の加熱により樹脂４０を硬化させることができる。これにより層Ａが形成される。
ステップＳ１２では、図４（ｂ）に示すように、ステップＳ１０において層Ａが形成された基板３０を型枠５０よりも大きい型枠５２内に配置し、緩衝材料４２が混合された樹脂４０を流し込んで硬化させる。ここで流し込む樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比はステップＳ１０よりも小さくする。これにより、層Ａの周囲に、層Ａよりも樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が小さい層Ｂが形成される。
ステップＳ１４では、図４（ｃ）に示すように、ステップＳ１２において層Ｂが形成された基板３０を型枠５２よりも大きい型枠５４内に配置し、緩衝材料４２が混合された樹脂４０を流し込んで硬化させる。ここで流し込む樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比はステップＳ１２よりも小さくする。これにより、層Ｂの周囲に、層Ｂよりも樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が小さい層Ｃが形成される。
このようにして、図２に示すように、樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が基板３０から離れるにしたがって段階的に小さくなるように層Ａ〜Ｃを積層した樹脂構造体３４を形成することができる。
例えば、基板３０がガラスであり、樹脂４０の熱膨張係数が７０×１０−６／Ｋであり、緩衝材料４２の熱膨張係数が０．５×１０−６／Ｋ程度である場合、層Ａにおける樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比は６４％以上、より好適には８８％程度とし、基板３０から離れるにしたがって緩衝材料４２の混合比が小さくなるようにする。例えば、層Ｃにおける樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が０とし、層Ｂに樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比を６４％から０、より好適には８８％から０の間の値とする。
なお、本実施の形態では、樹脂構造体３４を３層としたが、これに限定されるものではなく、２層又は４層以上としてもよい。また、樹脂構造体３４に脚部３４ａやリブ構造３４ｃを設けるときには、脚部３４ａやリブ構造３４ｃに対応する形状を有する型枠を用いればよい。なお、緩衝材料４２を樹脂４０内で分散させるために、樹脂構造体３４を形成する際に型枠５２乃至５４の少なくとも一つに超音波、もしくは振動を加えても良い。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、基板３０から離れるにつれて樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が連続的に小さくなるような樹脂構造体３４を形成する工程を示している。
ステップＳ２０では、図５（ａ）に示すように、太陽電池ユニット３２が形成された基板３０を型枠５６内に配置し、緩衝材料４２が混合された樹脂４０を流し込む。型枠５６は、樹脂４０及び緩衝材料４２が太陽電池ユニット３２の裏面側の少なくとも一部並びに基板３０の側面及び表面の少なくとも一部を被うような形状とすることが好適である。また、樹脂構造体３４に脚部３４ａやリブ構造３４ｃを設けるときには、型枠５６に脚部３４ａやリブ構造３４ｃに対応する形状をもたせればよい。
ステップＳ２２では、図５（ｂ）に示すように、基板３０から離れるに従って高温となるように加熱することによって樹脂４０を硬化させて樹脂構造体３４を形成する。例えば、図５（ｂ）に示すように、基板３０近傍を加熱ヒータ６０にて２０℃〜５０℃程度に加熱し、基板３０からより離れた位置を加熱ヒータ６２にて９０℃程度に加熱する。これにより、樹脂４０内を緩衝材料４２が熱拡散し、基板３０から離れるにつれて樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が連続的に小さくなるように緩衝材料４２が再分布する。
このようにして、基板３０から離れるにつれて樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が連続的に小さくなるような樹脂構造体３４を形成することができる。樹脂４０と緩衝材料４２との混合割合及び加熱条件等を調整することによって、例えば、基板３０近傍における樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が６４％以上、より好適には８８％となり、基板３０からより離れた位置における樹脂４０に対する緩衝材料４２の混合比が６４％以下、より好適には８８％より小さくなるように構成することができる。
１０ ガラス基板、１２ 太陽電池ユニット、１４ 充填材、１６ バックシート、１８ 金属枠、２０ ゴム枠、２２ 配線ケーブル、３０ 基板、３２ 太陽電池ユニット、３４ａ 脚部、３４ｂ 孔、３４ｃ リブ構造、３４ 樹脂構造体、３６ 出力ケーブル、４０ 樹脂、４２ 緩衝材料、５０，５２，５４，５６ 型枠、６０，６２ 加熱ヒータ、１００，２００ 太陽電池モジュール。
Claims (9)
- 表面に光電変換膜が形成されたガラス基板と、
前記ガラス基板に接触し、前記ガラス基板の側面及び裏面の一部を覆う樹脂構造体と、
を備え、
前記樹脂構造体は、樹脂と、前記樹脂よりも熱膨張係数が小さい緩衝材料と、を含んで構成され、前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が前記ガラス基板から離れるにしたがって小さくなることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項１に記載の太陽電池モジュールであって、
前記樹脂構造体は、前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が前記ガラス基板から離れるにしたがって段階的に小さくなることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項１に記載の太陽電池モジュールであって、
前記樹脂構造体は、前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が前記ガラス基板から離れるにしたがって連続的に小さくなることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項１〜３のいずれか１つに記載の太陽電池モジュールであって、
２４００Ｐａの加圧によって前記ガラス基板が割れない強度を有することを特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項４に記載の太陽電池モジュールであって、
前記樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂、熱硬化性ポリイミド、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、ユリア樹脂、オレフィン樹脂の少なくとも１つを含むことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項１〜５のいずれか１つに記載の太陽電池モジュールであって、
前記緩衝材料は、酸化シリコンを含むことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項６に記載の太陽電池モジュールであって、
前記樹脂構造体は、前記ガラス基板に接触する領域において前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が６４％以上であることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 樹脂と、前記樹脂よりも熱膨張係数が小さい緩衝材料と、の混合材料によって表面に光電変換膜が形成されたガラス基板を覆って硬化させて第１樹脂体を形成する第１の工程と、
前記樹脂と、前記緩衝材料と、の混合材料であって、前記第１の工程よりも前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が小さい混合材料によって前記第１樹脂体の少なくとも一部を覆って硬化させて第２樹脂体を形成する第２の工程と、
を含み、前記ガラス基板の側面及び裏面の一部を覆うように前記第１樹脂体及び前記第２樹脂体を含む樹脂構造体を形成することを特徴とする太陽電池モジュールの形成方法。 - 樹脂と、前記樹脂よりも熱膨張係数が小さい緩衝材料と、の混合材料によって表面に光電変換膜が形成されたガラス基板を覆い、前記ガラス基板から離れるに従って高温となるように加熱することによって前記樹脂を硬化させ、
前記樹脂に対する前記緩衝材料の混合比が前記ガラス基板から離れるにしたがって小さくなるように樹脂構造体を形成することを特徴とする太陽電池モジュールの形成方法。
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