JP2011077154A - 易解体性太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の太陽電池モジュールは、太陽電池モジュール使用中は内部保護を確保し、使用後には光電変換セルを劣化させることなく、太陽電池モジュールを容易に解体することができる。
【解決手段】 最大粒子径が１０００μｍ以下の粒子５０〜９０質量部と熱可塑性樹脂１０〜５０質量部を含む複合材で、光電変換セルの非受光面側を封止した太陽電池モジュール。粒子が金属の酸化物、水酸化物、窒化物及び炭化物からなる群より選ばれた１種以上の無機物であることが好ましい。粒子が層状化合物であることが好ましい。粒子がアスペクト比３以上の短繊維状であることが好ましい。熱可塑性樹脂のガラス転移温度が１００℃以下であることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関し、特に過酷な環境下でも安定作動し、使用後は簡単な処理で解体できる太陽電池モジュールに関する。

太陽電池モジュールは太陽光を受光するために、風雨や氷雪、大きな温度変化、雹霰や砂嵐など過酷な環境下で使用される。また、電気はインフラストラクチャーの基本であることから、長期の安定した運転が要求される。これらの条件を満足するために、太陽電池モジュールはその心臓部である光電変換セルと配線を頑強に保護する構造となっている。このため、太陽電池モジュールは長期使用すると周辺の保護部材が劣化し、モジュールの性能を低下させる。この場合、心臓部の高価な光電変換セルは性能的に問題なく、周辺部材だけを更新するリサククル使用が可能だが、周辺部材が頑強に保護しているために光電変換セルを劣化させずに取り出すことが困難だった。

このようなことから、特許文献１では光電変換セルの周辺にセルと接着しないフィルムを介在させて封止する技術を開示している。また、特許文献２では基体と封止材、半導体素子からなる半導体装置において、半導体素子を含むラミネート体と基体が分離できる構造を提案している。これを実現する方法として、熱可塑性樹脂、崩壊型樹脂、発泡体もしくは発泡前駆体などからなる剥離層を設けることが開示されている。特許文献３では光電変換セルと封止材の間に熱可塑性のオレフィンなどの熱処理によって分離・分解が可能な充填材を用いることを提案している。特許文献４では光源変換セルと封止材の間に単位ユニット毎に穴が設けられた非接着シートで覆うことを開示している。

処理方法を工夫する解体方法も多数提案されている。例えば、特許文献５では過熱水蒸気雰囲気、特許文献６では超臨界または亜臨界雰囲気で過熱処理することを提案している。特許文献７では太陽電池モジュールに紫外線を照射してＥＶＡの接着力を弱める方法、特許文献８では酸やアルカリの溶液や有機溶剤に浸析させた後燃焼炉に導入してＥＶＡを分解させる方法、特許文献９ではシリコーン樹脂やフッ素樹脂からなる緩衝材を光電変換セルと封止材に介在させ、これを熱分解したのちに溶剤などで膨潤させる方法が提案されている。

特開２００３−１４２７２０号公報 特開平１１−２８９１０３号公報 特開２００５−２５２１１７号公報 特開２００５−２５２０４３号公報 特開２００３−１４２７１４号公報 特開２００６−９３３３６号公報 特開２００１−３０２４９号公報 特開２００５−３１１１７８号公報 特開２００７−１８００６３号公報

特許文献１、４の方法はモジュールの解体は容易だが、光電変換セルや配線を保護する封止材との間が接着していないため外部応力に対する保護が低下する。特許文献２、３の方法は加熱による樹脂軟化や発泡による体積膨張などの状態変化によって剥離させるものだが、光電変換セル・配線の保護機能と剥離解体性を両立するのが難しい。特に、発泡を用いる場合は温度変化や光照射による状態変化が大きく、制御するのが困難である。特許文献５〜９の方法はいずれも一般に用いられている太陽電池モジュールに適用するには条件が過酷であり、解体時の光源変換セルは劣化する。
本発明の目的は、太陽電池モジュール使用中は内部保護を確保し、使用後には光電変換セルを劣化させることなく、太陽電池モジュールを容易に解体することである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）最大粒子径が１０００μｍ以下の粒子５０〜９０質量部と熱可塑性樹脂１０〜５０質量部を含む複合材で、光電変換セルの非受光面側を封止した太陽電池モジュール。
（２）粒子が金属の酸化物、水酸化物、窒化物及び炭化物からなる群より選ばれた１種以上の無機物である前記（１）に記載の太陽電池モジュール。
（３）粒子が層状化合物である前記（１）または（２）に記載の太陽電池モジュール。
（４）粒子がアスペクト比３以上の短繊維状である前記（１）または（２）に記載の太陽電池モジュール。
（５）熱可塑性樹脂のガラス転移温度が１００℃以下である前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。

本発明の太陽電池モジュールは、光電変換セルの非受光面側を、多量の粒子を含む熱可塑性樹脂複合材で封止することにより、使用時の光電変換セルや配線を保護し、解体時には簡単な加熱処理などでこれを軟化させることができので、太陽電池モジュールを光電変換セルの劣化無しに容易に解体することができる。

本発明において光電変換セルとは、光のエネルギーを電気エネルギーに変換する素子を示し、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、化合物半導体型、有機半導体型、光増感型など多様な種類が知られている。本発明では特に限定しないが、最も普及が進んでいて実用データが豊富な単結晶や多結晶シリコン型太陽電池を主な対象とするが、薄膜型を中心とするその他の太陽電池モジュールにも応用することができる。

本発明において非受光面とは太陽光を受光する受光面の逆面を示す。受光面は太陽光を多く取り入れるために光透過性が必要だが、非受光面はこの必要性が少なく、むしろ入射した太陽光の変換効率を高めるために不透明にして光を散乱させることも行われている。

本発明において、光電変換セルの非受光面は、粒子５０〜９０質量部、好ましくは５１〜８５質量部、特に好ましくは５２〜８０質量部と熱可塑性樹脂１０〜５０質量部、好ましくは１５〜４９質量部、特に好ましくは２０〜４８質量部を含む複合材で封止される。ここで粒子が多く、熱可塑性樹脂が少なければ複合材のチキソトロピー性が顕著になり、モジュール内部を保護する機能が低下する。逆に粒子が少なく、熱可塑性樹脂が多ければ、複合材が軟らかくなって保護機能が低下する。

本発明において用いられる粒子は余りに大きすぎて封止材として外部応力がかかった時に力点として光源変換セルやガラス板などに悪影響しなければ良い。このため、最大粒子径が１０００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下、特に好ましくは１００μｍ以下の粒子を用いる。粒子の材料は有機系でも無機系でも用いることができるが、絶縁性と耐光性が必要なことから無機系の材料が好ましい。特に無機系の材料の中でも金属の酸化物、水酸化物または窒化物、炭化物から選ばれた無機物が好ましく、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａの酸化物であるＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ、ＣａＯ、水酸化物であるＡｌ(ＯＨ)_３やＭｇ(ＯＨ)_２、Ｃａ(ＯＨ)_２などが特に好ましい。これらの無機充填材は、単独で用いることもできるが２種類以上の複数で用いることができる。特に、水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムは２００℃以上の温度で水蒸気を発生させて、解体時に剥離を促進させることができるので配合することが好ましい。（実施例が必要です。）

本発明で用いる粒子は、非線形粘弾性挙動であるチキソトロピーを発現するため、特殊な形状が好ましい。一般にチキソトロピー性発現は粒子が偏った形をしていることが有利と言われている。このため、本発明ではモンモリロナイトやベントナイト、スメクタイトなどの粘土類やマイカやカオリン、白雲母、タルク、ハイドロタルサイト、グラファイトなどの層状化合物が好ましい。特に、黒鉛に硫酸や硝酸をインターカレーションした材料である熱膨張性黒鉛は２００℃以上の加熱で膨張するので、解体時の剥離を促進することができる。

本発明で用いる粒子は更に、アスペクト比が３以上、好ましきは５以上、特に好ましくは１０以上の短繊維状粒子が用いられる。この場合の最大粒子径は短軸方向が用いられる。このような短繊維状粒子としては、ガラス、カーボン、鉄、アルミナ、などの無機系材料、セルロースやケラチンなどの天然産材料、ＰＶＡ，ポリエステル、ナイロン、ＰＥなどの合成材料が知られている。アスペクト比が大きいとチキソトロピー性は発現しやすいが、これを熱可塑性樹脂と複合化するのが難しい。本発明においては、層状と短繊維状の粒子を併用することもできる。

本発明にかかる熱可塑性樹脂とは、ある基準を超えて温度が上昇すると温度上昇と共に軟らかくなって変形しやすくなり、逆に温度が低下すると硬くなって変形しにくくなる性質を示す樹脂である。基準にはガラス転移温度と融点の２種類あり、一般的には樹脂の分子が微弱な運動を始める変化点であるガラス転移温度が用いられる。本発明で用いる熱可塑性樹脂はガラス転移温度が１００℃以下、好ましくは９０℃以下、特に８０℃以下が好ましい。ガラス転移温度が高いと樹脂が硬くて脆く、粒子を複合化しにくいだけではなく、太陽電池モジュールに用いた際の保護性が悪い。ガラス転移温度が低い場合は特に問題ない。

本発明において用いられる熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）やエチレンやプロピレンなどのオレフィン系モノマーとアクリル酸、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸オクチルなどのアクリル系やメタクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸オクチルなどのメタクリル系のモノマーやスチレンなどとの共重合体、エチレンやプロピレンとマレイン酸や無水マレイン酸、マレイン酸メチル、マレイン酸エチルエなどのマレイン酸系モノマーとの共重合体、エチレンやプロピレンとブタジエンやアクリロニトリルなどの共重合体、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどの単独または共重合の高分子量樹脂、アクリル系やメタクリル系やスチレンなどのモノマーの単独または共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが用いられる。これらの樹脂は光電変換セルを保護の効果や粒子の安定保持などの効果から分子量は大きい方が好ましく、一般には重量平均分子量が１万以上の樹脂を用いる。

本発明で用いられる可塑剤は樹脂に応じて選択されるが、実質的に揮発性しないものが好ましい。実質的に揮発しないとは太陽電池モジュールが使用される環境では１００℃程度の高温になることがあるが、この温度でも蒸気圧が無いものを言う。一般的に用いられる可塑剤としては、樹脂と類似した組成の低分子量体やポリエチレングリコールやポリプロレングリーコール、長鎖脂肪族アルコール、グリセリン、糖類などや長鎖脂肪酸、ソルビタン酸、フタル酸、マレイン酸、リン酸、アジピン酸、トリメリット酸、クエン酸などのエステル類やエーテル類などが用いられる。可塑剤を用いた場合、ガラス転移温度は熱可塑性樹脂と可塑剤を含んだ組成物のガラス転移温度である。この場合は熱可塑性樹脂単独よりガラス転移温度は大幅に低下する。

本発明にかかる太陽電池モジュールは、封止した複合材の厚さは、最も薄い部分でも０．１ｍｍ以上、好ましくは０．３ｍｍ以上、特に０．５ｍｍ以上が好ましい。複合材層が薄ければ太陽電池モジュール内部の保護性が低下するばかりでなく、解体性が劣る。

本発明にかかる太陽電池モジュールは、本発明にかかる複合材を１００〜１５０℃に加温することで軟化させ、光電変換セルなどと剥離し、解体される。加温方法は特に加熱炉、加熱蒸気、超臨界液体などの直接的な加熱方法ばかりでなく、高周波や超音波を用いることも可能である。

本発明にかかる太陽電池モジュールの受光面側は特に限定されない。太陽光を受光するために透明であることは必須だが、最も多く用いられている構造は、最外層に強化ガラスを用い、エチレン／酢ビ共重合樹脂やエチレン／アクリル酸共重合樹脂、ポリビニルブチラール樹脂で封止している。本発明でもこのまま用いることが好ましいが、特に限定されない。

本発明にかかる太陽電池モジュールは、受光面ガラス層、受光面封止層、光電変換セル及び配線、非受光面封止層、背面保護層（バックシート）を基本構造とするスーパーストレート構造、受光面保護層（フロントシート）、受光面封止層、光電変換セル及び配線、非受光面封止層、背面基板を基本構造とするサブストレート構造、受光面ガラス層、受光面封止層、光電変換セル及び配線、非受光面封止層、背面基板（特にガラス）を基本構造とする両面封止構造、リジッド層を持たないフレキシブル構造いずれにも用いることができる。

以下、実施例によって本発明を詳細に説明する。
１）複合材の作製
表１に示した配合で、ＥＶＡ樹脂エバフレックスＥＶ２５０（三井デュポンポリケミカル社製、酢酸ビニル含有量２８重量％、ガラス転移温度−２８℃、軟化温度３９℃）と溶融シリカＦＢ７ＳＣＤ（電気化学工業製、粉砕型粗粒子カットタイプ、平均粒子径５．８μｍ、水酸化アルミニウムＢ１０３Ｓ（日本軽金属製、ステアリン酸処理型、平均粒子径８μｍ）、ハイドロタルサイト系充填材アルカマイザー（協和化学工業製、ＰＶＣ用熱安定剤）を加熱ロールを用いて、１５０℃で混練し、複合材を作製した。これを油圧プレス機で温度１２０℃／１０ｍＰａで成形し、厚さ１．０ｍｍのシートとした。
２）引張り破断伸び、硬度の測定
作製したシートをＪＩＳ Ｋ ６２５１に準拠した方法で、引張り速度を１０ｍｍ／分と１００ｍｍ／分で引張り強さと破断伸び率を測定した。
また、硬度はアスカー硬度Ｃを、日本ゴム協会標準規格で定めるＳＲＩＳ０ｌ０ｌに準じて、温度２３℃で測定した。
３）モジュールの作製
５００ｍｍ×５００ｍｍ×３ｍｍ（厚み）の太陽電池用カバーガラス上に、受光面側充填材として厚さが０．８ｍｍの太陽電池封止材用ＥＶＡシート（ＳＯＬＡＲ ＥＶＡ、三井化学ファブロ社製）を敷き、その上にモジュール外部に電気を取り出せるように直列に接続した３枚の光電変換セル（多結晶シリコン、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を中心に１ｃｍ間隔で直列に載せ、さらにその上に非受光面側充填材としてのシート１〜４及び比較例として受光面側充填材と同じＥＶＡシートを敷き、更に裏面材としてフッ素樹脂フィルムとＰＥＴ樹脂のラミネートシートをフッ素樹脂面が最上部になるように重ね、太陽電池製造用ラミネーターで封止処理した。処理条件は温度１２０℃で真空２分の後、大気圧加圧１０分、更に大気圧加圧下１５０℃で３０分圧着した。端面処理は特に行わなかった。
４）モジュールの評価
得られた太陽電池モジュールをＪＩＳ Ｃ ８９１７の付属書６ 耐風圧試験Ａ−７ 簡易試験方法に準拠して評価した。但し、目視による外観観察のみとした。次に、このモジュールを１００℃の空気循環式乾燥機に３０分入れて全体を加熱し、手で引き剥がして解体性を確認した。結果を表２にまとめた。

実施例と比較例から本発明の太陽電池モジュールは、耐風圧試験に対して良好であり、光電変換セルを非受光面から容易に取り出すことができた。

Claims (5)

1. 最大粒子径が１０００μｍ以下の粒子５０〜９０質量部と熱可塑性樹脂１０〜５０質量部を含む複合材で、光電変換セルの非受光面側を封止した太陽電池モジュール。
2. 粒子が金属の酸化物、水酸化物、窒化物及び炭化物からなる群より選ばれた１種以上の無機物である請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 粒子が層状化合物である請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 粒子がアスペクト比３以上の短繊維状である請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
5. 熱可塑性樹脂のガラス転移温度が１００℃以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。