JP2011517096A - 高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)封止材を含む太陽電池モジュール - Google Patents

高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)封止材を含む太陽電池モジュール Download PDF

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Abstract

1つまたは複数の電気的に相互接続された太陽電池から構成される太陽電池層と、ASTM1238(150℃、5kg荷重、2mmオリフィス)に従って決定されるメルトフローレート(MFR)として0.8〜2g/10分間のMFRを有するポリ(ビニルブチラール)シートを含む、あるいはこれから作製される封止層とを含む太陽電池モジュール、および、その製造方法。

Description

本発明は、高いメルトフローレートを有するポリ(ビニルブチラール)封止材を含む太陽電池モジュールと、その製造方法とに関する。
太陽電池は持続可能なエネルギー資源を提供するので、その使用が急速に拡大している。太陽電池は、通常、使用する光吸収材料に基づいて2つのタイプ、すなわち、バルクまたはウエハベースの太陽電池と、薄膜太陽電池とに分類できる。
単結晶シリコン(c−Si)、ポリ結晶または多結晶シリコン(poly−Siまたはmc−Si)、およびリボンシリコンは、伝統的なウエハベースの太陽電池の形成に最も広く用いられる材料である。ウエハベースの太陽電池から作成される太陽電池モジュールは、一緒にハンダ付けされる一連の180μmおよび240μm厚さの自己支持型ウエハ(またはセル)を含む場合が多い。このような太陽電池のパネルは太陽電池層と呼称され、それは、さらに、個別のセルユニットを接続するクロスリボンと、1端がセルに接続され、もう一方の端部がモジュールから出ているバスバーとのような電気配線を含むことができる。この電気配線は200μm厚さおよび10mm幅までのものとすることができる。太陽電池層は、さらに続いて封止層および保護層に積層され、25〜30年の長期の使用に耐える耐候性のモジュールが形成される。一般的に、ウエハベースの太陽電池から作成される太陽電池モジュールは、最上面の受光面から裏面の非受光面への位置的な順序で、(1)入射層、(2)前面封止層、(3)太陽電池層、(4)裏面封止層、および(5)裏面層を含む。
別の選択肢として重要性が増大している薄膜太陽電池に関しては、通常用いられる材料として、アモルファスシリコン(a−Si)、微結晶シリコン(μc−Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、セレン化銅インジウム(CuInSe2またはCIS)、二セレン化銅インジウム/ガリウム(CuInxGa(1-x)Se2またはCIGS)、光吸収色素、および有機半導体が包含される。例として、薄膜太陽電池は、例えば、米国特許第5,507,881号明細書、同第5,512,107号明細書、同第5,948,176号明細書、同第5,994,163号明細書、同第6,040,521号明細書、同第6,137,048号明細書および同第6,258,620号明細書、並びに、米国特許出願公開第20070298590号明細書、同第20070281090号明細書、同第20070240759号明細書、同第20070232057号明細書、同第20070238285号明細書、同第20070227578号明細書、同第20070209699号明細書および同第20070079866号明細書に開示されている。通常2μmより薄い厚さの薄膜太陽電池は、半導体材料の層を、ガラスまたは可撓性のフィルムから形成される表板または基板上に蒸着することによって製造される。ウエハセルの場合と同様に、太陽電池層は、さらに、クロスリボンおよびバスバーのような電気配線を含むことができる。いくつかの実施形態においては、薄膜太陽電池の製造において、一連のレーザスクライビングが包含されるが、これによって、隣接するセルを、セル間を別にハンダ付け接続する必要なく、直接直列に相互接続することが可能になる。このような実施形態においては、太陽電池層は、さらに、バスバーと、モジュールから電気出力を導く接続ラインとを含んでもよい。また、ウエハセルの場合と同様に、薄膜太陽電池を、さらに他の封止材および保護層に積層して、環境において頑丈な耐候性のモジュールを製造する。しかし、多層蒸着を実行する順序に応じて、セルを、最終モジュールにおいて最終的に入射層として用いられる表板上に蒸着するか、あるいは、セルを、最終モジュールにおいて裏面層として用いられる基板上に蒸着することができる。従って、薄膜太陽電池から作成される太陽電池モジュールは、2つのタイプの構造のいずれかを有することになる。第1のタイプは、最上面の受光面から裏面の非受光面への位置的な順序で、(1)表板と、その非受光面側に蒸着された薄膜太陽電池の層とを含む太陽電池層、(2)(裏面の)封止層、および(3)裏面層を包含する。もう1つのタイプは、最上面の受光面から裏面の非受光面への位置的な順序で、(1)入射層、(2)(前面の)封止層、および(3)基板の受光面側に蒸着された薄膜太陽電池の層を含む太陽電池層を包含することができる。
太陽電池モジュールに用いられる封止層は、脆弱な太陽電池を封止しかつ保護するように設計される。太陽電池の封止層に用いられる適切なポリマー材料は、通常、高い透明度、低いヘーズ、高い耐衝撃性、高い浸透抵抗、良好な耐紫外線(UV)性、良好な長期の熱安定性、ガラスおよび他の強固なポリマーシートへの十分な付着強度、高い耐湿性、および良好な長期の耐候性のような特性の組合せを備えたものである。さらに、前面封止層の光学的特性は、光を効率的に太陽電池層に伝達し得るようなものとするのがよい。
可塑化ポリ(ビニルブチラール)組成物は、太陽電池の封止層用の材料として開示されてきた。例えば、米国特許第3,957,537号明細書、同第4,249,958号明細書、同第4,321,418号明細書、同第5,508,205号明細書、同第5,582,653号明細書、同第5,728,230号明細書、同第6,075,202号明細書、同第6,288,323号明細書、同第6,288,326号明細書、同第6,538,192号明細書、同第6,777,610号明細書、同第6,822,157号明細書および同第6,940,008号明細書、および、米国特許出願公開第20040191422号明細書および同第20050284516号明細書、並びに、欧州特許第0343628号明細書、同第0631328号明細書、同第1005096号明細書および同第1054456号明細書を参照されたい。これらの出願においては、可塑化ポリ(ビニルブチラール)組成物が、大部分、太陽電池を封止しかつ保護するためのホットメルト接着剤として用いられる。
太陽電池モジュールの有用な寿命を延長し、かつ層間開裂を避けるために、積層プロセスにおいて、構成要素の層の間の脱気、特に、封止材および太陽電池層の間を十分に脱気することが重要である。十分な脱気を達成するために、例えば、封止材の材料がセルの回りに容易に流動して、個々のウエハベースの太陽電池の間の空隙を充填することができれば有利であろう。薄膜太陽電池に関しては、セル(厚さ2μm未満)に比べて遥かに厚いクロスリボンおよびバスバー(150〜250μm厚さ)のような電気配線が存在するので、封止材および太陽電池層の間の十分な脱気を得るために、封止材の材料が配線の回りに容易に流れ込むことが一層重要になる。さらに、封止材は、太陽電池に対する有効な保護層として機能するために、典型的な運転条件の下でクリープまたは流動化してはならない。現在用いられる可塑化ポリ(ビニルブチラール)封止材は、この要件に適合するように最適化されていない。
本発明は、太陽電池層とポリ(ビニルブチラール)のシートとを含む太陽電池モジュールを提供する。このモジュールにおいては、(a)太陽電池層は1つまたは複数の電気的に相互接続された太陽電池を含み、(b)太陽電池層は受光面および非受光面を有し、(c)ポリ(ビニルブチラール)シートは、ASTM 1238(150℃、5kg荷重、2mmオリフィス)に従って決定されるメルトフローレート(MFR)として0.8〜2g/10分間のMFRを有すると共に、ポリ(ビニルブチラール)樹脂および可塑剤を含み、(d)ポリ(ビニルブチラール)シートは太陽電池層の2つの面のいずれかに積層される。
1つの実施形態においては、ポリ(ビニルブチラール)シートが1〜1.7g/10分間のMFRを有する。
別の実施形態においては、ポリ(ビニルブチラール)シートが1.1〜1.3g/10分間のMFRを有する。
さらに別の実施形態においては、ポリ(ビニルブチラール)シートが0.25〜1.52mmの厚さを有する。
さらに別の実施形態においては、ポリ(ビニルブチラール)シートが0.38〜1.14mmの厚さを有する。
さらに別の実施形態においては、ポリ(ビニルブチラール)樹脂が30,000〜600,000の重量平均分子量を有し、かつ、ポリビニルアルコール(PVOH)として計算されるヒドロキシル基を12〜23重量%含有する。
さらに別の実施形態においては、ポリ(ビニルブチラール)樹脂が200,000〜300,000の重量平均分子量を有し、かつ、ポリビニルアルコール(PVOH)として計算されるヒドロキシル基を15〜19重量%含有する。
さらに別の実施形態においては、ポリ(ビニルブチラール)シートが、ポリ(ビニルブチラール)樹脂の乾燥重量を基準として100部当たり5〜80重量部(pph)の可塑剤を含む。
さらに別の実施形態においては、ポリ(ビニルブチラール)シートが、ポリ(ビニルブチラール)樹脂の乾燥重量を基準として100部当たり30〜40重量部(pph)の可塑剤を含み、その場合、この可塑剤は、トリエチレングリコールジ−2−エチルヘキサノエート、テトラエチレングリコールジ−n−ヘプタノエート、セバシン酸ジブチル、およびこれらの2つ以上の混合物からなる群から選択される。
さらに別の実施形態においては、ポリ(ビニルブチラール)シートが太陽電池層に直接積層される。
さらに別の実施形態においては、モジュールが、太陽電池層の受光面に積層された前面封止層と、太陽電池層の非受光面に積層された裏面封止層とを含み、この場合、前面および裏面の封止層のいずれかは前記のポリ(ビニルブチラール)シートであり、前面および裏面の封止層のもう一方は、酸のコポリマー、アイオノマー、ポリ(エチレンビニルアセテート)、ポリ(ビニルアセタール)、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリオレフィンブロックコポリマーエラストマー、ポリ(α−オレフィン−コ−α,β−エチレン性不飽和カルボン酸エステル)コポリマー、シリコーンエラストマー、エポキシ樹脂およびこれらの組合せからなる群から選択されるポリマー材料を含む。
さらに別の実施形態においては、モジュールが、2つの前記のポリ(ビニルブチラール)シートを含み、その場合、前面および裏面の封止層のそれぞれが、この2つのポリ(ビニルブチラール)シートのいずれかである。
さらに別の実施形態においては、モジュールが、入射層および/または裏面層をさらに含み、その場合、この入射層はモジュールの最外表面層であって太陽電池層の受光面に位置しており、また、裏面層もモジュールの最外表面層であって太陽電池層の非受光面に位置している。
さらに別の実施形態においては、入射層が、(i)ガラスシート、(ii)ポリカーボネート、アクリル、ポリアクリレート、環状ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、フルオロポリマーまたはこれらの2つ以上の組合せを含む、あるいはこれらから作製されるポリマーシート、および、(iii)ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ノルボルネンポリマー、ポリスチレン、スチレン−アクリレートコポリマー、アクリロニトリル−スチレンコポリマー、ポリスルホン、ナイロン、ポリウレタン、アクリル、セルロースアセテート、セロハン、ポリ(塩化ビニル)、フルオロポリマーまたはこれらの2つ以上の組合せを含む、あるいはこれらから作製されるポリマーフィルムからなる群から選択され、さらに、裏面層は、(iv)ガラスシート、(v)ポリマーシート、(vi)ポリマーフィルム、(vii)金属シート、および(viii)セラミックプレートからなる群から選択され、この場合、ポリマーシートは、ポリカーボネート、アクリル、ポリアクリレート、環状ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、フルオロポリマーまたはこれらの2つ以上の組合せを含み、あるいはこれらから作製され、ポリマーフィルムは、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ノルボルネンポリマー、ポリスチレン、スチレン−アクリレートコポリマー、アクリロニトリル−スチレンコポリマー、ポリスルホン、ナイロン、ポリウレタン、アクリル、セルロースアセテート、セロハン、ポリ(塩化ビニル)、フルオロポリマーまたはこれらの2つ以上の組合せを含む、あるいはこれらから作製される。
さらに別の実施形態においては、太陽電池が、結晶シリコン(c−Si)および多結晶シリコン(mc−Si)に基づく太陽電池からなる群から選択されるウエハベースの太陽電池である。このようなモジュールは、位置的な順序で、(i)入射層、(ii)太陽電池層の受光面に積層された前面封止層、(iii)太陽電池層、(iv)太陽電池層の非受光面に積層された裏面封止層、および(v)裏面層から実質的に構成することができ、その場合、前面および裏面の封止層のいずれかは、前記のポリ(ビニルブチラール)シートである。代わりの方式として、このモジュールは、2つの前記のポリ(ビニルブチラール)シートを含んでもよく、その場合、前面および裏面の封止層のそれぞれが、この2つのポリ(ビニルブチラール)シートのいずれかを含む。
さらに別の実施形態においては、太陽電池が、アモルファスシリコン(a−Si)、微結晶シリコン(μc−Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、セレン化銅インジウム(CIS)、二セレン化銅インジウム/ガリウム(CIGS)、光吸収色素、および有機半導体に基づく太陽電池からなる群から選択される薄膜太陽電池である。このようなモジュールは、位置的な順序で、(i)入射層、(ii)前記のポリ(ビニルブチラール)シートを含む前面封止層、および(iii)太陽電池層から実質的に構成することができる。その場合、この太陽電池層は、薄膜太陽電池が蒸着される基板をさらに含み、この基板は、それがモジュールの最外表面であって、太陽電池層の非受光面に位置するように配置される。代替方式として、このモジュールは、位置的な順序で、(i)太陽電池層、(ii)前記のポリ(ビニルブチラール)シートを含む裏面封止層、および(iii)裏面層から実質的に構成され、その場合、この太陽電池層は、薄膜太陽電池が蒸着される表板をさらに含み、この表板は、それが太陽電池層の受光面上のモジュールの最外表面になるように配置される。
本発明は、さらに、太陽電池モジュールの製造方法を提供する。この方法は、(i)上記の太陽電池モジュールにおいて記載されるすべての構成要素の層を含むアセンブリを用意するステップと、(ii)太陽電池モジュールを形成するためにそのアセンブリを積層するステップとを含む。1つの実施形態においては、この積層するステップを、アセンブリに熱を加えながら実施し、この場合、真空または圧力をかけてもよい。
本明細書に開示されるウエハベースの太陽電池モジュールのノンスケールの断面図である。 本明細書に開示される1つの特定の薄膜太陽電池モジュールのノンスケールの断面図である。 本明細書に開示される別の薄膜太陽電池モジュールのノンスケールの断面図である。
本明細書で使用する技術的および科学的な用語は、特に定義しない限り、本発明が属する分野の当業者たる者が共通して理解するものと同じ意味を有する。競合する場合は、定義を包含して本明細書の規定が優先する。
本明細書に記載するものに類似のまたは等価の方法および材料が本発明の実践または試験において使用可能であるが、本明細書においては、適切な方法および材料について記述する。
特に規定しない限り、すべての百分率、部、比(率)などは重量基準である。
量、濃度、あるいは、他の値もしくはパラメータが、範囲すなわち好ましい範囲、または、好ましい上限値および好ましい下限値のリストのいずれかとして与えられる場合は、これは、任意の上方の範囲限界もしくは好ましい値と任意の下方の範囲限界もしくは好ましい値との任意の対から形成されるすべての範囲を、範囲が別々に開示されるか否かには関係なく、特定して開示するものと理解されるべきである。本明細書において、数値の範囲に言及する場合は、特に規定しない限り、その範囲は、その端点と、その範囲内のすべての整数および分数とを包含するように意図されている。本発明の範囲は、範囲を規定する場合、引用される特定の値に限定されるようには意図されていない。
用語としての「約(about)」が値または範囲の端点の記述に用いられる場合は、この開示は、言及されるその特定値または端点を包含するように理解されるべきである。
本明細書において用いる用語としての「含む(comprises/comprising)」、「包含する(includes/including)」、「含有する(containing)」、「を特徴とする(characterized by)」、「有する(has/having)」、あるいはこれらの任意の変形句は、非限定的な包摂を意味するように意図されている。例えば、要素のリストを含むプロセス、方法、製品または装置は、それらの要素のみに必ずしも限定されるのではなく、明示的には列挙されていない他の要素、あるいは、そのようなプロセス、方法、製品または装置には本来固有の他の要素を包含することができる。さらに、明示的に逆に規定しない限り、「または、あるいは(or)」は、「排他的なまたは、あるいは」ではなく「包含的なまたは、あるいは」を意味する。
移行句としての「から実質的に構成される(consisting essentially of)」は、特許請求の範囲を、規定される材料またはステップと、特許請求される本発明の基本的かつ新規の特性に実質的な影響を及ぼさない材料またはステップとに限定する。
出願人らが、1つの発明またはその部分を、「含む(comprising)」のような非制約語句で規定した個所は、次の点が躊躇なく理解されるべきである。すなわち、その記述は、(特に規定しない限り、)その発明を「から実質的に構成される(consisting essentially of)」の語句を用いて記述しているとも解釈されるべきであるという点である。
本発明の要素および構成要素を記述するのに、不定冠詞「a」または「an」を用いている。これは単に便宜上のためであり、本発明の一般的な意味を与えるためである。この記述は、「1つの」または「少なくとも1つの」を包含するように読まれるべきである。また、単数は、それが複数を含意しないことが明らかでない限り、複数をも包含する。
特定のいくつかのポリマーを記述する場合、出願人らは、時に、そのポリマーの作製に使用するモノマー、あるいは、そのポリマーの作製に使用するモノマーの量によってそのポリマーに言及する場合があることが理解されるべきである。このような記述は、その最終ポリマーの記述に用いられる特定の命名法を包含しておらず、あるいは、プロダクト・バイ・プロセスの用語法を含有していないかもしれないが、モノマーおよび量に対するいかなるかかる言及も、そのポリマーがそれらのモノマーまたはそのモノマーのその量から作製されることを意味するように、そして、相当するポリマーおよびその組成物を意味するように解釈されるべきである。
本発明の明細書および/または特許請求の範囲においては、「コポリマー(copolymer)」という用語は、2種以上のモノマーの共重合化ユニットを含有するポリマーのことを言うのに用いられる。
「有限量(finite amount)」および「有限値(finite value)」という用語は、ゼロより大きい量を言う場合に用いられる。
本出願の目的のため、用語の「ポリ(ビニルブチラール)組成物」、「ポリ(ビニルブチラール)樹脂組成物」および「可塑化ポリ(ビニルブチラール)組成物」は、有限量のポリ(ビニルブチラール)および有限量の可塑剤を含む組成物を指す用語として交換可能に用いられる。さらに、上記のポリ(ビニルブチラール)組成物は、単一の可塑剤または複数の可塑剤の混合物を含有してもよい。しかし、便宜上、ポリ(ビニルブチラール)組成物を記述する際には、複数の可塑剤の混合物をも単に「可塑剤」として言及できるものとする。すなわち、本明細書において使用する単数形の単語「可塑剤(plasticizer)」は、1つの可塑剤または2種以上の可塑剤の混合物のいずれかの使用を表現することができる。
用語の「可塑化ポリ(ビニルブチラール)シート」および「ポリ(ビニルブチラール)シート」は、上記のポリ(ビニルブチラール)組成物を含むポリマーシートを指す用語として交換可能に用いられる。
本発明は、ASTM 1238(150℃、5kg荷重、2mmオリフィス)に従って決定されるメルトフローレート(MFR)として0.8〜2g/10分間のMFRを有する特定の高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートを含む、あるいはこれから作製される太陽電池の封止シートを提供する。高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは、ASTM 1238(150℃、5kg荷重、2mmオリフィス)に従って決定されるMFRとして、0.9〜1.8g/10分間のMFRを有することが望ましく、1〜1.7g/10分間のMFRを有することがさらに望ましく、1.1〜1.3g/10分間のMFRを有することがさらに一層望ましい。当分野の当業者は、本発明の場合、ポリマーシートと、このポリマーシートの材料に含まれる全ポリマー組成物とは同じMFRを有することを理解するであろう。従って、本明細書に開示するMFRの値は、ポリ(ビニルブチラール)シートと、このシート材料に含まれる全ポリ(ビニルブチラール)組成物との両者の特徴を定める。
ポリ(ビニルブチラール)は、ポリ(ビニルアルコール)とブチルアルデヒドとの縮合から得られるビニル樹脂である。ポリ(ビニルブチラール)は、水性または溶媒アセタール化によって製造することができる。溶媒法においては、アセタール化は、アセタール化の終点においてポリ(ビニルブチラール)を溶解しかつ均質な溶液を生成するのに十分な溶媒が存在する中で行われる。ポリ(ビニルブチラール)は、水による固体粒子の沈降によって溶液から分離され、続いて、洗浄されかつ乾燥される。使用する溶媒は、エタノールのような低級脂肪族アルコールである。水性法においては、アセタール化を次のように実施する。すなわち、ポリ(ビニルアルコール)の水溶液に、ブチルアルデヒドを酸触媒の存在の下で約20℃〜約100℃の温度において添加し、混合物を攪拌して中間体のポリ(ビニルブチラール)を微細に分割された形態で沈降させ、反応混合物が所望の終点に進行するまで加熱しながら攪拌を継続することによって行うのである。引き続いて、触媒を中和し、ポリ(ビニルブチラール)の分離、安定化および乾燥を行う。ポリ(ビニルブチラール)は、例えば、米国特許第3,153,009号明細書および同第4,696,971号明細書に開示されているように製造できる。
高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートに含まれるポリ(ビニルブチラール)樹脂は、低角度レーザ光散乱法を用いたサイズ排除クロマトグラフィーによって決定される重量平均分子量として、30,000〜600,000、好ましくは45,000〜300,000、さらに好ましくは200,000〜300,000の重量平均分子量を有するものがよい。ポリ(ビニルブチラール)は、ポリビニルアルコール(PVOH)として計算されるヒドロキシル基を、12〜23重量%、好ましくは14〜21重量%、さらに好ましくは15〜19.5重量%、最も好ましくは15〜19重量%含むことができる。ヒドロキシル価は、ASTM D1396−92(1998)のような標準法に従って決定できる。さらに、好ましいポリ(ビニルブチラール)は、ポリビニルエステルとして計算される残留エステル基、通常アセテート基を、10%まで、さらに好ましくは3%まで含んでもよい。この場合、残部はブチルアルデヒドアセタールである。ポリ(ビニルブチラール)は、さらに、米国特許第5,137,954号明細書に開示されているように、ブチラール以外の微少量のアセタール基、例えば2−エチルヘキサナールを含むことができる。
本発明の高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは、ポリ(ビニルブチラール)に加えて、ポリ(ビニルブチラール)樹脂の重量を基準として100部当たり15〜80重量部(pph)の可塑剤をも含有する。このシート組成物には、ポリ(ビニルブチラール)樹脂の重量を基準として、好ましくは25〜45pph、さらに好ましくは30〜40pph、最も好ましくは33〜38pphの可塑剤が包含される。可塑剤は、ポリ(ビニルブチラール)シートの可撓性および加工処理性を改善する。ポリ(ビニルブチラール)組成物に適した可塑剤は当分野において知られている(例えば、米国特許第3,841,890号明細書、同第4,144,217号明細書、同第4,276,351号明細書、同第4,335,036号明細書、同第4,902,464号明細書、同第5,013,779号明細書および同第5,886,075号明細書参照)。これらの中で、普通によく用いられる可塑剤は多塩基酸または多価アルコールのエステルである。好ましい可塑剤には次のようなものが包含されるが、これに限定されるわけではない。すなわち、トリエチレングリコールまたはテトラエチレングリコールと6〜10個の炭素原子を有する脂肪族カルボン酸との反応から得られるジエステル、セバシン酸と1〜18個の炭素原子を有する脂肪族アルコールとの反応から得られるジエステル、オリゴエチレングリコールジ−2−エチルヘキサノエート、テトラエチレングリコールジ−n−ヘプタノエート、ジヘキシルアジペート、ジオクチルアジペート、ヘプチルおよびノニルアジペートの混合物、セバシン酸ジブチル、トリブトキシエチルホスフェート、イソデシルフェニルホスフェート、トリイソプロピルホスファイト、油変性セバシン酸アルキドのようなポリマー可塑剤、ホスフェートおよびアジペートの混合物、アジペートおよびアルキルベンジルフタレートの混合物、並びに、これらの混合物である。さらに好ましい可塑剤には、トリエチレングリコールジ−2−エチルヘキサノエート、テトラエチレングリコールジ−n−ヘプタノエート、セバシン酸ジブチル、およびこれらの混合物が包含される。さらに一層好ましい可塑剤には、トリエチレングリコールジ−2−エチルヘキサノエート、テトラエチレングリコールジ−n−ヘプタノエート、およびこれらの混合物が包含される。最も好ましい可塑剤はトリエチレングリコールジ−2−エチルヘキサノエートである。
一般的に、ある特定のMFRを有するポリ(ビニルブチラール)シートを得るための手順には、多くの場合、(a)未可塑化ポリ(ビニルブチラール)樹脂の作製に用いるポリ(ビニルアルコール)の分子量またはMFRを調整するステップ、および/または、(b)ポリ(ビニルブチラール)シート組成物に含まれる可塑剤の濃度を調整するステップが含まれる。具体的には、低分子量または高いMFRを有するポリ(ビニルアルコール)から作成される未可塑化ポリ(ビニルブチラール)樹脂は、同様に、低分子量または高いMFRを有する傾向があり、可塑剤と組み合わせた場合に、高いMFRを有する可塑化ポリ(ビニルブチラール)シートを生じさせる。他方、ポリ(ビニルブチラール)シートに含有される可塑剤の濃度が高くなる程、シートのMFRも高くなる。可塑化ポリ(ビニルブチラール)シートに含まれる未可塑化ポリ(ビニルブチラール)樹脂の分子量またはMFR、および/または、可塑化ポリ(ビニルブチラール)シートに含まれる可塑剤の濃度を調整することによって、上記の高メルトフローの可塑化ポリ(ビニルブチラール)シートを製造することは、あらゆる熟練技能者の能力の範囲内のことである。上記の高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートのMFRは、未可塑化ポリ(ビニルブチラール)樹脂の分子量またはMFRを調整することによって実現するのが望ましい。さらに望ましいのは、上記の高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートのMFRを、前記に規定した最も好ましい可塑剤濃度を維持しながら、未可塑化ポリ(ビニルブチラール)樹脂の分子量またはMFRを調整することによって実現する方式である。
高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートのMFRの下限値は、積層プロセスにおいて、シート材料が太陽電池および電気配線(例えばクロスリボンおよびバスバー)の回りに十分に流動し、かつそれらを完全に封止し得るように決定された。当分野で現在用いられている比較的低MFRのポリ(ビニルブチラール)封止シートは、積層条件の下で十分な流動性を有していない。このような欠点を克服する試みの代表的なものとして、(i)積層プロセスにおいて圧力を加える方式、および/または、(ii)ポリ(ビニルブチラール)封止シートを厚くする方式があるが、前者の加圧方式は、入射層、裏面層および/または太陽電池の破損もしくは亀裂を生じる場合が多く、後者の厚さを増大する方式は、太陽電池モジュールを不要に厚くし、重くする結果をもたらす。
高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートのMFRの上限値は、脆弱な太陽電池に対する十分な保護部材になると共に、シート材料が、積層プロセスの間あるいは太陽電池モジュールの20〜30年間の想定寿命の経過において太陽電池の縁部の外側にクリープしないように決定された。
また、シート組成物には、例えば、高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートと太陽電池モジュールにおける他の構成要素の層との間の付着接合を制御するための付着制御添加剤を包含させてもよい。このような添加剤は、一般的に、有機酸または無機酸のアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩である。好ましいのは、2〜16個の炭素原子を有する有機カルボン酸のアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩である。さらに好ましいのは、2〜16個の炭素原子を有する有機カルボン酸のマグネシウム塩またはカリウム塩である。付着制御添加剤の具体的な例として、例えば、酢酸カリウム、ギ酸カリウム、カリウムプロパノエート、カリウムブタノエート、カリウムペンタノエート、カリウムヘキサノエート、カリウム2−エチルブチレート、カリウムヘプタノエート、カリウムオクタノエート、カリウム2−エチルヘキサノエート、酢酸マグネシウム、ギ酸マグネシウム、マグネシウムプロパノエート、マグネシウムブタノエート、マグネシウムペンタノエート、マグネシウムヘキサノエート、マグネシウム2−エチルブチレート、マグネシウムヘプタノエート、マグネシウムオクタノエート、マグネシウム2−エチルヘキサノエートなど、およびこれらの混合物がある。付着制御添加剤は、通常、組成物の全重量を基準として、0.001〜0.5重量%の範囲で用いられる。
また、ポリ(ビニルブチラール)シート組成物には、例えば次のような表面張力制御剤を含有させることが可能である。すなわち、Trans(登録商標)290またはTrans(登録商標)296(Trans−Chemco Company、Bristol、WI)、あるいは、Q−23183(登録商標)(The Dow Chemical Company、Midland、MI)のような添加剤である。
高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは、さらに、当分野において知られる他の添加剤も含有することができる。これらの添加剤には次のようなものが包含されるが、これに限定されるわけではない、すなわち、加工処理助剤、流動性強化剤、潤滑剤、顔料、染料、難燃剤、衝撃改質剤、成核剤、シリカのようなブロッキング防止剤、熱安定剤、UV吸収剤、UV安定剤、分散剤、界面活性剤、キレート剤、カップリング剤、ガラス繊維のような補強添加剤、充填剤、その他である。一般的に、組成物の光学的清澄性を減じる可能性がある添加剤、例えば補強添加剤および充填剤は、裏面封止材として用いられるシート用に限られる。
熱安定剤を使用することができる。これは当分野において広く開示されてきた。既知のいかなる熱安定剤も、本発明においてその効用を見出すことができる。熱安定剤の一般的な好ましい分類には次のようなものが包含されるが、これに限定されるわけではない。すなわち、フェノール系酸化防止剤、アルキル化モノフェノール、アルキルチオメチルフェノール、ヒドロキノン、アルキル化ヒドロキノン、トコフェロール、ヒドロキシル化チオジフェニルエーテル、アルキリデンビスフェノール、O−、N−およびS−ベンジル化合物、ヒドロキシベンジル化マロネート、芳香族ヒドロキシベンジル化合物、トリアジン化合物、アミン系酸化防止剤、アリールアミン、ジアリールアミン、ポリアリールアミン、アシルアミノフェノール、オキサミド、金属失活剤、ホスファイト、ホスホナイト、ベンジルホスホネート、アスコルビン酸(ビタミンC)、過酸化物を破壊する化合物、ヒドロキシルアミン、ニトロン、チオ相乗剤、ベンゾフラノン、インドリノンなど、およびこれらの混合物である。さらに好ましい熱安定剤はビスフェノール系酸化防止剤である。これらの組成物は、特にトリエチレングリコールジ−2−エチルヘキサノエート可塑剤と組み合わせて使用する場合、可塑化ポリ(ビニルブチラール)の製造に驚くほどよく適していることが判明している。具体的に適切なビスフェノール系酸化防止剤として、2,2’−エチリデンビス(4,6−ジ−t−ブチルフェノール)、4,4’−ブチリデンビス(2−t−ブチル−5−メチルフェノール)、2,2’−イソブチリデンビス(6−t−ブチル−4−メチルフェノール)、および2,2’−メチレンビス(6−t−ブチル−4−メチルフェノール)が包含される。ビスフェノール系酸化防止剤は、商業的に入手可能であり、Anox(登録商標)29、およびLowinox(登録商標)22M46、44B25および22IB46(Great Lakes Chemical Corporation、Indianapolis、IN)の商品名で販売されている。高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは任意の有効量の熱安定剤を含有することができる。熱安定剤は使用してもよいが、いくつかの例では好ましくない場合もある。使用する場合は、ポリ(ビニルブチラール)シートは、シート組成物の全重量を基準として、少なくとも0.05重量%から10重量%まで、さらに好ましくは5重量%まで、最も好ましくは1重量%までの熱安定剤を含有する。
UV吸収剤を使用することができる。これは当分野において広く開示されてきた。既知のいかなるUV吸収剤も、本発明においてその効用を見出すことができる。UV吸収剤の一般的な好ましい分類には次のようなものが包含されるが、これに限定されるわけではない。すなわち、ベンゾトリアゾール誘導体、ヒドロキシベンゾフェノン、ヒドロキシフェニルトリアジン、置換および非置換安息香酸のエステルなど、およびこれらの混合物である。高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは任意の有効量のUV吸収剤を含有することができる。UV吸収剤は使用してもよいが、いくつかの例では好ましくない場合もある。使用する場合は、ポリ(ビニルブチラール)シートは、シート組成物の全重量を基準として、少なくとも0.05重量%から10重量%まで、さらに好ましくは5重量%まで、最も好ましくは1重量%までのUV吸収剤を含有する。
ヒンダードアミン系光安定剤(HALS)を使用することができる。この光安定剤は当分野において広く開示されてきた。一般的に、ヒンダードアミン系光安定剤は、第2級、第3級の、アセチル化され、N−ヒドロカルビロキシ置換、またはヒドロキシ置換されたN−ヒドロカルビロキシ置換、または他の置換基で置換された環状アミンであり、さらに立体障害性が組み込まれた環状アミンであって、一般的にアミン官能基に隣接する炭素原子への脂肪族置換から誘導される環状アミンであると開示されている。高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは任意の有効量のヒンダードアミン系光安定剤を含有することができる。ヒンダードアミン系光安定剤は使用してもよいが、いくつかの例では好ましくない場合もある。使用する場合は、ポリ(ビニルブチラール)シートは、シート組成物の全重量を基準として、少なくとも0.05重量%から10重量%まで、さらに好ましくは5重量%まで、最も好ましくは1重量%までのヒンダードアミン系光安定剤を含有する。
高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは任意の既知のプロセスによって製造することができる。一般的には、ポリ(ビニルブチラール)シートは押し出し鋳造法によって製造される。シートは平滑表面または粗表面を有する。積層プロセスの間の脱気を容易にするため、ポリ(ビニルブチラール)シートは粗表面を有することが望ましい。
高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは、例えば次のように製造することができる。すなわち、最初にポリ(ビニルブチラール)を適切な量の可塑剤と混合し、続いて、その組成物を、シート形成ダイを通して押し出す、すなわち、溶融可塑化ポリ(ビニルブチラール)組成物を、水平方向に長く垂直方向に狭いダイの開口であって長さ及び幅が被形成シートのそれにほぼ合致するダイの開口を通して強制的に押し出すことによって作製するのである。可塑化ポリ(ビニルブチラール)組成物は、一般的に225℃〜245℃の温度で押し出し可能である。押し出しシートの片面または両面における粗表面は、ダイの開口の設計と、被押し出し材が通過するダイの出口表面の温度とによって生成することが望ましい。これは、例えば米国特許第4,281,980号明細書に開示されているとおりである。押し出しポリ(ビニルブチラール)シートの好ましい粗表面を生成する代替的技法として、ポリマーの分子量分布と、水含有量と、溶融温度との1つ以上を規定しかつ制御する方式が含まれる。可塑化ポリ(ビニルブチラール)からのシート形成は、例えば、米国特許第2,904,844号明細書、同第2,909,810号明細書、同第3,679,788号明細書、同第3,994,654号明細書、同第4,161,565号明細書、同第4,230,771号明細書、同第4,292,372号明細書、同第4,297,262号明細書、同第4,575,540号明細書、同第5,151,234号明細書および同第5,886,675号明細書、並びに、欧州特許第0185863号明細書に開示されている。代わりの方式として、押し出されたままのポリ(ビニルブチラール)シートを、ダイの出口にごく近接して配置されるダイロールの特殊処理された表面上に通すことができる。このダイロールが、所要の好ましい表面特性を溶融ポリマーの片面に付与する。従って、このようなロールの表面が微小な山谷を有していると、そのロールの上にキャストされるポリマーから形成されるシートは、そのロールに接触する側の表面に、一般的にロール表面の谷および山にそれぞれ合致する粗表面を有することになるであろう。このようなダイロールが、例えば米国特許第4,035,549号明細書に開示されている。シートの粗表面は、積層プロセスを容易化し、優れた太陽電池モジュールを提供するのに好適である。このような粗表面は、単に一時的なものであって、積層の間の脱気を容易にするための特殊な機能を有するものに過ぎないことが理解される。積層後には、それは、オートクレーブ操作に関連する高められた温度と圧力と、他の積層プロセスとのために溶融されて平滑になる。
高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートの厚さは、10〜60ミル(0.25〜1.52mm)とすることができる。高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートの厚さは、使用する封止材の量を最低限に抑えながら太陽電池に十分な保護を提供するために、好ましくは15〜45ミル(0.38〜1.14mm)、さらに好ましくは15〜40ミル(0.38〜1.02mm)、さらに一層好ましくは15〜35ミル(0.38〜0.89mm)、なおさらに一層好ましくは20〜35ミル(0.51〜0.89mm)である。厚さを最小化すると、シートの清澄性および光伝達性が改善され、その結果、それを含む太陽電池モジュールの効率が強化されるであろう。厚さを最小化することは、さらに、最終的な太陽電池モジュールの厚さおよび重量を、望ましい形に低減することにもなる。他方、高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは、太陽電池と、クロスリボンおよびバスバーのような配線の回りに流動し、かつそれらを封止するに十分な厚さを有することも必要である。
本発明は、さらに、少なくとも1層の上記の高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートと、1つまたは複数の太陽電池から構成される太陽電池層とを含む太陽電池モジュールを提供する。太陽電池は、電気的に相互接続され、および/または、平板状に配置されることが望ましい。
「太陽電池(solar cell)」という用語は、光を電気エネルギーに変換するいかなる製品をも含むものとされている。本発明において有効な太陽電池は、ウエハベースの太陽電池(例えば、背景技術の項に説明したc−Siまたはmc−Siに基づく太陽電池)および薄膜太陽電池(例えば、背景技術の項に説明したa−Si、μc−Si、CdTeまたはCI(G)Sに基づく太陽電池)を含むが、これに限定されるわけではない。太陽電池層の内部においては、太陽電池を電気的に相互接続することが望ましい。また、太陽電池層は、クロスリボンおよびバスバーのような電気配線をさらに含むことができる。
太陽電池モジュールは、通常、太陽電池層に積層されて封止層として機能する少なくとも1層の高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートを含む。「積層された(laminated)」という用語は、積層された構造の内部において、2つの層が、直接的に(すなわち2つの層間にいかなる材料も添加することなく)または間接的に(すなわち2つの層間に中間層または接着剤のような付加材料を含めて)接合されることを意味している。高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートは、太陽電池層に直接的に積層するかまたは接合することが望ましい。
太陽電池モジュールは、さらに、他のポリマー材料を含む、あるいはこれから作製される付加的な封止層を含むことができる。このポリマー材料は、例えば、酸のコポリマー(すなわち、α−オレフィンとα,β−エチレン性不飽和カルボン酸とのコポリマー)、アイオノマー(すなわち、α−オレフィンとα,β−エチレン性不飽和カルボン酸との酸のコポリマーを部分的にまたは完全に中和することによって生成されるコポリマー)、ポリ(エチレンビニルアセテート)、ポリ(ビニルアセタール)(音響グレードのポリ(ビニルアセタール)を含む)、ポリウレタン、ポリ(塩化ビニル)、ポリエチレン(例えば、直鎖の低密度ポリエチレン)、ポリオレフィンブロックコポリマーエラストマー、ポリ(α−オレフィン−コ−α,β−エチレン性不飽和カルボン酸エステル)(例えば、ポリ(エチレン−コ−メチルアクリレート)およびポリ(エチレン−コ−ブチルアクリレート))、シリコーンエラストマー、エポキシ樹脂、およびこれらの2つ以上の組合せのようなものである。
高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シート以外の個々の封止層の厚さは、それぞれ独立に、1〜120ミル(0.026mm〜3mm)、好ましくは1〜40ミル(0.026mm〜1.02mm)、さらに好ましくは1〜20ミル(0.026mm〜0.51mm)である。太陽電池モジュールに含まれるすべての封止層は平滑表面または粗表面を有することができるが、積層プロセスを通してラミネートの脱気を容易にするために、封止層は粗表面を有することが望ましい。
太陽電池モジュールは、さらに、それぞれ受光面および非受光面におけるモジュールの最外層としての役割を担う入射層および/または裏面層を含むことができる。
太陽電池モジュールの外層、すなわち入射層および裏面層は、任意の適切なシートまたはフィルムから作製することができる。適切なシートは、ガラス、あるいはプラスチックシート、例えば、ポリカーボネート、アクリル、ポリアクリレート、環状ポリオレフィン(例えばエチレンノルボルネンポリマー)、ポリスチレン(好ましくはメタロセン触媒によるポリスチレン)、ポリアミド、ポリエステル、フルオロポリマー、あるいはこれらの2つ以上の組合せのようなものである。さらに、アルミニウム、鋼、電気めっき鋼のような金属シート、またはセラミックプレートも裏面層の形成に用いることができる。
「ガラス」という用語は、窓ガラス、板ガラス、ケイ酸塩ガラス、シートガラス、低鉄ガラス、強化ガラス、CeOフリー強化ガラスおよびフロートガラスを包含するだけでなく、着色ガラス、特殊ガラス(例えば、太陽加熱を制御する材料を含有するガラス)、被覆ガラス(例えば、太陽光制御目的用の金属(例えば、銀または酸化インジウムスズ)でスパッタリング処理したガラス)、Eガラス、Toroglass、Solex(登録商標)ガラス(PPG Industries、Pittsburg、PA)およびStarphire(登録商標)ガラス(PPG Industries)をも含む。このような特殊ガラスは、例えば、米国特許第4,615,989号明細書、同第5,173,212号明細書、同第5,264,286号明細書、同第6,150,028号明細書、同第6,340,646号明細書、同第6,461,736号明細書および同第6,468,934号明細書に開示されている。しかし、特定のモジュールに対して選択されるべきガラスのタイプは想定される用途に拠ることが理解される。
適切なフィルム層は、次のようなものを含むがこれに限定されるわけではないポリマーとすることができる。すなわち、ポリエステル(例えば、ポリ(エチレンテレフタレート)およびポリ(エチレンナフタレート))、ポリカーボネート、ポリオレフィン(例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンおよび環状ポリオレフィン)、ノルボルネンポリマー、ポリスチレン(例えば、シンジオタクチックポリスチレン)、スチレン−アクリレートコポリマー、アクリロニトリル−スチレンコポリマー、ポリスルホン(例えば、ポリエーテルスルホン、ポリスルホンなど)、ナイロン、ポリ(ウレタン)、アクリル、セルロースアセテート(例えば、セルロースアセテート、セルローストリアセテートなど)、セロハン、ポリ(塩化ビニル)(例えば、ポリ(塩化ビニリデン))、フルオロポリマー(例えば、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマーなど)、およびこれらの2つ以上の組合せである。ポリマーフィルムは、二軸延伸ポリエステルフィルム(好ましくはポリ(エチレンテレフタレート)フィルム)、または、フルオロポリマーフィルム(例えば、E.I.du Pont de Nemours and Company、Wilmington、DE(DuPont)から入手できるTedlar(登録商標)、Tefzel(登録商標)およびTeflon(登録商標)フィルム)とすることができる。フルオロポリマー−ポリエステル−フルオロポリマー(例えば、「TPT」)フィルムもいくつかの用途に好適である。アルミニウム箔のような金属フィルムも裏面層として用いることができる。
太陽電池モジュールは、さらに、モジュール内部に埋入される他の機能的なフィルムまたはシート層(例えば、誘電体層または遮蔽層)を含むことができる。このような機能層は、上記のポリマーフィルムのいずれか、または、追加的な機能被膜を被覆された上記のポリマーフィルムのいずれかから作成することができる。例えば、金属酸化物被膜を被覆されたポリ(エチレンテレフタレート)フィルム、例えば、米国特許第6,521,825号明細書および同第6,818,819号明細書並びに欧州特許第1182710号明細書に開示されているようなフィルムは、ラミネート内において酸素および湿分の遮蔽層として機能することができる。
望ましい場合には、積層プロセスにおける脱気を容易にするために、あるいは封止材用の補強材として役立たせるために、太陽電池層と封止材との間に不織のガラス繊維(スクリム)の層を包含させることができる。このようなスクリム層の使用は、米国特許第5,583,057号明細書、同第6,075,202号明細書、同第6,204,443号明細書、同第6,320,115号明細書および同第6,323,416号明細書、並びに、欧州特許第0769818号明細書に開示されている。
太陽電池層の受光面側に配置されるフィルムまたはシート層は、太陽電池の中への太陽光の効率的な伝達を可能にするために透明な材料から作製するのが望ましい。太陽電池層の受光面は、時に、最上面または前面と呼称される場合があり、実際の使用条件において、一般的に光源に面している。太陽電池層の非受光面は、時に、下面または裏面と呼称される場合があり、実際の使用条件においては、一般的に光源に面していない。1つの特殊なフィルムまたはシートを、封止層および外層の両者の機能を果たすように包含させることができる。また、モジュールに包含されるフィルムまたはシート層のいずれも、予備成形された単一層のフィルムまたはシートあるいは多層のフィルムまたはシートの形態とすることができることが考えられる。
望ましい場合には、太陽電池モジュールの中に組み込まれる入射層のフィルムおよびシート、裏面層のフィルムおよびシート、封止層、および他の層の片面または両面を、他のラミネート層への付着性を強化するために、積層プロセスに先立って処理してもよい。この付着性強化処理は当分野において知られるいかなる方式でも行うことができる。この処理方式としては、フレーム処理(例えば、米国特許第2,632,921号明細書、同第2,648,097号明細書、同第2,683,894号明細書および同第2,704,382号明細書参照)、プラズマ処理(例えば、米国特許第4,732,814号明細書参照)、電子ビーム処理、酸化処理、コロナ放電処理、化学処理、クロム酸処理、高温空気処理、オゾン処理、紫外線処理、サンドブラスト処理、溶剤処理、およびこれらの2つ以上の組合せが包含される。また、付着強度は、ラミネート層の表面に接着剤またはプライマーのコーティングを別に塗布することによってさらに改善することができる。例えば、米国特許第4,865,711号明細書は、炭素の薄膜を片面または両面に蒸着することによって接合性を改善したフィルムまたはシートを開示している。他の典型的な接着剤またはプライマーとして、シラン、ポリ(アリルアミン)ベースのプライマー(例えば、米国特許第5,411,845号明細書、同第5,770,312号明細書、同第5,690,994号明細書および同第5,698,329号明細書参照)、およびアクリルベースのプライマー(例えば、米国特許第5,415,942号明細書参照)を挙げることができる。この接着剤またはプライマーのコーティングは接着剤またはプライマーの単層の形態にすることができ、その厚さは、0.0004〜1ミル(0.00001〜0.03mm)、あるいは好ましくは0.004〜0.5ミル(0.0001〜0.013mm)、あるいはさらに好ましくは0.004〜0.1ミル(0.0001〜0.003mm)である。
太陽電池がウエハベースの自己支持型太陽電池ユニットから作成される1つの特定の実施形態(この場合、図1を参照している)においては、太陽電池モジュール(20)が、最上面の受光面から裏面の非受光面への位置的な順序で、(a)入射層(10)、(b)前面封止層(12)、(c)電気的に相互接続された1つ以上の太陽電池から構成される太陽電池層(14)、(d)裏面封止層(16)、および(e)裏面層(18)を含むことができる。この場合、前面および裏面の封止層(12および16)の少なくともいずれかまたは両者が、高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートを含む、あるいはこれから作製される。
しかし、太陽電池モジュールを薄膜太陽電池から作成することも好ましい。この太陽電池モジュールは、(i)1つの実施形態(図2の30)においては、最上面の受光面から裏面の非受光面への位置的な順序で、(a)透明な入射層(10)、(b)高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートを含む、あるいはこれから作製される(前面の)封止層(12)、および、(c)基板(24)の受光面側に蒸着された薄膜太陽電池(22)の層を含む太陽電池層(14a)を含むことができ、あるいは、(ii)さらに好ましい実施形態(図3の40)においては、最上面の受光面から裏面の非受光面への位置的な順序で、(a)表板(26)と、その表板(26)の非受光面側に蒸着された薄膜太陽電池(22)の層とを含む太陽電池層(14b)、(b)高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートを含む、あるいはこれから作製される(裏面の)封止層(16)、および(c)裏面層(18)を含むことができる。
さらに、上記の太陽電池モジュールを直列に並べて連結し、所要の電圧および電流を生成し得る太陽電池アレーを形成することができる。
典型的な太陽電池モジュールは、最上面の受光面から裏面の非受光面への位置的な順序で、次のような積層構造を有することができる。この場合、HMF−PVBは、高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートの略語である。すなわち、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/ガラス、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/フルオロポリマーフィルム(例えば、Tedlar(登録商標)フィルム)、
●フルオロポリマーフィルム/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/ガラス、
●フルオロポリマーフィルム/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/フルオロポリマーフィルム、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/ポリエステルフィルム(例えば、ポリ(エチレンテレフタレート)フィルム)、
●フルオロポリマーフィルム/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/ポリエステルフィルム、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/遮蔽被膜フィルム/HMF−PVB/ガラス、
●ガラス/アイオノマーシート/太陽電池/HMF−PVB/遮蔽被膜フィルム/HMF−PVB/フルオロポリマーフィルム、
●フルオロポリマーフィルム/HMF−PVB/遮蔽被膜フィルム/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/遮蔽被膜フィルム/HMF−PVB/フルオロポリマーフィルム、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/アルミニウム基材、
●フルオロポリマーフィルム/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/アルミニウム基材、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/電気めっき鋼シート、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/ポリエステルフィルム/HMF−PVB/アルミニウム基材、
●フルオロポリマーフィルム/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/ポリエステルフィルム/HMF−PVB/アルミニウム基材、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/ポリエステルフィルム/HMF−PVB/電気めっき鋼シート、
●フルオロポリマーフィルム/HMF−PVB/太陽電池/HMF−PVB/ポリエステルフィルム/HMF−PVB/電気めっき鋼シート、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/音響ポリ(ビニルブチラール)シート/ガラス、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/ポリ(ビニルブチラール)シート/フルオロポリマーフィルム、
●フルオロポリマーフィルム/アイオノマーシート/太陽電池/HMF−PVB/ガラス、
●フルオロポリマーフィルム/HMF−PVB/太陽電池/酸のコポリマーシート/フルオロポリマーフィルム、
●ガラス/HMF−PVB/太陽電池/ポリ(エチレンビニルアセテート)シート/ポリエステルフィルム、
●フルオロポリマーフィルム/HMF−PVB/太陽電池/ポリ(エチレン−コ−メチルアクリレート)シート/ポリエステルフィルム、
●ガラス/ポリ(エチレン−コ−ブチルアクリレート)シート/太陽電池/HMF−PVB/遮蔽被膜フィルム/ポリ(エチレン−コ−ブチルアクリレート)シート/ガラス、
●剛性シートの表板上に支持される薄膜太陽電池/HMF−PVB/剛性シート、
●ガラスシートの表板上に支持される薄膜太陽電池/HMF−PVB/ガラスシート、
などである。但し、用語の「HMF−PVB」は、上記の高メルトフローのポリ(ビニルブチラール)シートを意味している。さらに、適切なフルオロポリマーフィルムとしては、DuPontから入手できるTedlar(登録商標)フィルムの他に、フルオロポリマー/ポリエステル/フルオロポリマーの多層フィルム(例えば、Isovolta AG、オーストリア、またはMadico、Woburn、MAから入手可能なTedlar(登録商標)/PET/Tedlar(登録商標)またはTPTラミネートフィルム)も包含される。
当分野で知られるいかなる積層プロセス(例えば、オートクレーブ法または非オートクレーブ法)も太陽電池モジュール製造用として用いることができる。
典型的なプロセスにおいては、太陽電池モジュールの構成要素の層を所要の順序で積み重ねて予備積層アセンブリを形成する。次に、このアセンブリを、真空を維持し得るバッグ(「真空バッグ」)の中に入れ、そのバッグから真空ラインまたは他の手段によって空気を引き抜き、真空を維持しながら(例えば、少なくとも27〜28インチHg(689〜711mmHg))バッグをシールする。続いて、このシールされたバッグを、圧力150〜250psi(11.3〜18.8バール)、温度130℃〜180℃、または120℃〜160℃、または135℃〜160℃、または145℃〜155℃のオートクレーブの中に、10〜50分間、または20〜45分間、または20〜40分間、または25〜35分間入れる。真空バッグの代わりに真空リングを用いることもできる。適切な真空バッグの1つのタイプが米国特許第3,311,517号明細書に開示されている。加熱および加圧のサイクルに続いて、オートクレーブ内の空気を、オートクレーブ内の圧力を維持するための付加的なガスを加えることなく冷却する。約20分間の冷却後、余分な空気圧力を排気し、ラミネートをオートクレーブから取り出す。
代わりの方式として、予備積層アセンブリを、炉内で、80℃〜120℃、または90℃〜100℃に20〜40分間加熱し、その後、加熱されたアセンブリを1組のニップロールに通して個々の層間の空隙スペース内の空気を搾り出し、アセンブリの端部をシールしてもよい。この段階のアセンブリはプリプレスと呼称される。
続いて、このプリプレスを、温度が120℃〜160℃、または135℃〜160℃に高められ、圧力が100〜300psi(6.9〜20.7バール)、または好ましくは200psi(13.8バール)の空気オートクレーブ内に入れることができる。これらの条件は、15〜60分間、または20〜50分間維持され、その後、オートクレーブにさらに空気を加えることなく、空気を冷却する。20〜40分間の冷却後、余分な空気圧力を排気し、積層生成物をオートクレーブから取り出す。
太陽電池モジュールは非オートクレーブ法によって製造してもよい。このような非オートクレーブ法は、例えば、米国特許第3,234,062号明細書、同第3,852,136号明細書、同第4,341,576号明細書、同第4,385,951号明細書、同第4,398,979号明細書、同第5,536,347号明細書、同第5,853,516号明細書、同第6,342,116号明細書および同第5,415,909号明細書、米国特許出願公開第20040182493号明細書、欧州特許第1235683B1号明細書、並びに、PCT公報の国際公開第9101880号パンフレットおよび国際公開第03057478号パンフレットに開示されている。一般的に、非オートクレーブ法は、予備積層アセンブリの加熱と、真空または圧力、あるいはその両者の印加とを包含する。例えば、アセンブリを、連続的に、加熱炉およびニップロールに通すことができる。
積層プロセスのこれらの例は、それに限定することを意図するものではない。本質的に、いかなる積層プロセスを使用してもよい。
望ましい場合には、太陽電池モジュールの端部を、当分野において開示されている任意の手段によってシールすることができる。これによって、湿分および空気の侵入が低減され、太陽電池の効率および寿命に対する潜在的な悪影響を減じることができる。適切な端部シール材料として、ブチルゴム、ポリスルフィド、シリコーン、ポリウレタン、ポリプロピレンエラストマー、ポリスチレンエラストマー、ブロックコポリマーエラストマー、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン(SEBS)などが挙げられるが、これに限定されるわけではない。
次に、本発明を、特定の実施形態に関する以下の実施例において説明する。
以下の実施例は、本発明を例示的に説明するように意図されたものであり、いかなる意味においても本発明の範囲を制限する意図のものではない。
比較例CE1〜2および実施例E1〜2
比較例CE1〜2および実施例E1〜2のそれぞれにおいて、最上層から底面側への位置的な順序で、最上面のガラスシート、二軸延伸ポリ(エチレンテレフタレート)フィルムシム、種々のレベルのMFRを有するポリ(ビニルブチラール)シート、および底面ガラスシートから構成される12×12インチ(305×305mm)のラミネート構造を製作し、ベーク試験にかけた。このラミネート構造においては、フィルムシムは、太陽電池および/または太陽電池の配線を模擬するために包含させたものであり、ベーク試験の結果は、ポリ(ビニルブチラール)シートが、フィルムシムをその間に挟み込んで上面のガラスシートにどの程度良好に積層されているかを示した。
具体的には、ラミネートを製作するために、305×305×2.6mmのフロートガラスシートを、リン酸三ナトリウムの脱イオン水溶液(5g/l)で50℃において5分間洗浄し、脱イオン水で5分間完全にリンスして乾燥した。続いて、底面のガラスシートの中心の上部に、5mm幅、12インチ(305mm)長さおよび2ミル(0.05mm)厚さの二軸延伸ポリ(エチレンテレフタレート)フィルムシムを置き、30ミル(0.76mm)厚さのポリ(ビニルブチラール)シートを載せ、さらに上面のガラスシートを置いた。各ポリ(ビニルブチラール)シートのMFRレベルは、ASTM試験方法1238(150℃において、5kg荷重および2mmオリフィスを使用して)に従って決定した。結果を表1に報告する。さらに、E1に使用したポリ(ビニルブチラール)中間層シートは、150℃において2.26kg荷重を用いてASTM試験方法1238に従って別に試験した。このような条件の下で測定したそのMFRは0.3g/10分間であった。続いて、ラミネートを、ニップロール法によって次のように製作した。すなわち、具体的には、上記で得られた予備積層アセンブリを、最初に、105℃の強制空気炉内に20分間入れ、続いて、ニップロールの間隙を4.3mmに設定した1組のニップロールに通した。ニップロールを通した後、アセンブリを、さらに空気オートクレーブ内に入れ、温度および圧力を、大気条件から135℃、13.8バールに15分間にわたって増大させた。この温度および圧力を30分間維持し、続いて、オートクレーブを、オートクレーブにさらに空気を加えることなく、空気を冷却することによって冷却した。20分間の冷却後(または、空気温度が50℃より低くなった時に)、余分な圧力を排気し、最終的なラミネートをオートクレーブから取り出した。
ベーク試験においては、各ラミネートを温度105℃の強制空気炉内に2時間入れて、その間にラミネート内に形成された気泡の全個数をカウントした。結果を表1に示す。ラミネートを、続けて炉に戻し、120℃の温度に2時間保持した。この時間の後、気泡の全個数を再度カウントした。結果を表1に示す。ラミネートをさらに続けて炉に戻し、135℃の温度に2時間保持し、続いて気泡の全個数をカウントした。結果を表1に示す。ラミネートをさらにまた炉に戻し、150℃の温度にさらに2時間保持して、続いて気泡の全個数をカウントした。結果を表1に示す。
Figure 2011517096
この結果は、高MFR(0.8g/10分間を超える)のポリ(ビニルブチラール)シートを含むラミネート(E1およびE2)にはごく僅かの気泡しか形成されず、低MFR(0.8g/10分間未満)のポリ(ビニルブチラール)シートを含むラミネート(CE1およびCE2)には多数の気泡が形成されたことを示している。また、CE1およびCE2においては、気泡は、フィルムシムと、積層プロセスのニップロール段階における後縁部との両者に沿って形成されているが、E1およびE2においては、気泡はフィルムシムに沿ってのみ出現していることが分かった。
実施例E3〜22
積層プロセス1
モジュール構造の構成要素の層を積み重ねて予備積層アセンブリを形成する。外表面層としてのポリマーフィルム層を含有するアセンブリに対して、カバーのガラスシートをフィルム層の全面に載せる。続いて、この予備積層アセンブリを、Meier ICOLAM(登録商標)10/08積層機(Meier積層機;Meier Vakuumtechnik GmbH、Bocholt、ドイツ)の内部にセットする。積層サイクルは、5.5分間の排気ステップ(3インチHg(76mmHg)の真空)と、温度145℃における5.5分間の加圧ステップ(圧力1000ミリバール)とを包含する。続いて、生成されたラミネートを積層機から取り出す。
積層プロセス2
モジュール構造の構成要素の層を積み重ねて予備積層アセンブリを形成する。外表面層としてのポリマーフィルム層を含有するアセンブリに対して、カバーのガラスシートをフィルム層の全面に載せる。続いて、この予備積層アセンブリを真空バッグの中に入れ、それをシールし、真空を印加して真空バッグから空気を排除する。このバッグを炉内に入れ、約90℃〜約100℃に30分間加熱して、アセンブリの層間に含有されるあらゆる空気を除去する。続いて、このアセンブリを、200psig(14.3バール)の圧力の空気オートクレーブ内において140℃で30分間オートクレーブ処理する。空気を冷却し、その際、オートクレーブには別の空気を加えない。20分間の冷却後、かつ空気温度が約50℃より低くなった時に、余分な圧力を排気し、積層されたアセンブリを含有する真空バッグをオートクレーブから取り出す。次に、生成したラミネートを真空バッグから取り出す。
以下の表2に記載した12×12インチ(305×305mm)の太陽電池モジュールは、積層プロセス1(E3〜12)または積層プロセス2(E13〜22)のいずれかによって組み立てかつ積層したものである。該当する場合は、層1および2は、それぞれ入射層および前面のシート封止層を構成し、層4および5は、それぞれ裏面のシート封止層および裏面層を構成する。
Figure 2011517096
●ACR1は、ポリ(エチレン−コ−メタクリル酸)から作製される20ミル(0.51mm)厚さのエンボス加工シートであって、18重量%のメタクリル酸のポリマー化残留物を含有し、2.5g/10分間のMI(190℃、ISO1133、ASTM D1238)を有するシートである。
●FPFは、コロナ表面処理したDuPontの1.5ミル(0.038mm)厚さのTedlar(登録商標)フィルムである。
●ガラス1は、PPG IndustriesのStarphire(登録商標)ガラスである。
●ガラス2は、2.5mm厚さのアニーリング処理された清澄なフロートガラスプレートである。
●ガラス3は、PPG Industriesの3.0mm厚さのSolex(登録商標)太陽光制御ガラスである。
●PVB1は、可塑化ポリ(ビニルブチラール)から作製される15ミル(0.38mm)厚さのエンボス加工シートであって、1.1g/10分間のMFR(ASTM1238;150℃、5kg、2mmオリフィス)を有するシートである。
●PVB2は、可塑化ポリ(ビニルブチラール)から作製される20ミル(0.51mm)厚さのエンボス加工シートであって、1.2g/10分間のMFR(ASTM1238;150℃、5kg、2mmオリフィス)を有するシートである。
●PVB3は、可塑化ポリ(ビニルブチラール)から作製される30ミル(0.76mm)厚さのエンボス加工シートであって、1.25g/10分間のMFR(ASTM1238;150℃、5kg、2mmオリフィス)を有するシートである。
●PVB4は、可塑化ポリ(ビニルブチラール)から作製される45ミル(1.14mm)厚さのエンボス加工シートであって、1.15g/10分間のMFR(ASTM1238;150℃、5kg、2mmオリフィス)を有するシートである。
●太陽電池1は、厚さ125μmのステンレス鋼基板を有する10×10インチ(254×254mm)のa−Siベースの薄膜太陽電池である(米国特許第6,093,581号明細書、実施例1)。
●太陽電池2は、10×10インチ(254×254mm)のCISベースの薄膜太陽電池である(米国特許第6,353,042号明細書、第6欄、19行目)。
●太陽電池3は、10×10インチ(254×254mm)のCdTeベースの薄膜太陽電池である(米国特許第6,353,042号明細書、第6欄、49行目)。
●太陽電池4は、10×10インチ(254×254mm)の多結晶EFG−成長ウエハから作製されたシリコン太陽電池である(米国特許第6,660,930号明細書、第7欄、61行目)。
●太陽電池5は、12×12インチ(305×305mm)のガラスシートの上に支持された薄膜太陽電池である(米国特許第5,512,107号明細書、同第5,948,176号明細書、同第5,994,163号明細書、同第6,040,521号明細書、同第6,137,048号明細書および同第6,258,620号明細書)。

Claims (14)

  1. 太陽電池層とポリ(ビニルブチラール)シートとを含む太陽電池モジュールであって、(a)前記太陽電池層は1つまたは複数の電気的に相互接続された太陽電池を含み、(b)前記太陽電池層は受光面および非受光面を有し、(c)前記ポリ(ビニルブチラール)シートは、ASTM1238(150℃、5kg荷重、2mmオリフィス)に従って決定されるメルトフローレート(MFR)として0.8〜2g/10分間のMFRを有すると共に、ポリ(ビニルブチラール)樹脂および可塑剤を含み、(d)前記ポリ(ビニルブチラール)シートは前記太陽電池層の2つの面の1つに積層される、太陽電池モジュール。
  2. 前記ポリ(ビニルブチラール)シートが1〜1.7g/10分間のMFRを有する、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記ポリ(ビニルブチラール)シートが1.1〜1.3g/10分間のMFRを有する、請求項1または2に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記ポリ(ビニルブチラール)シートが0.25〜1.52mmの厚さを有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記ポリ(ビニルブチラール)シートが0.38〜1.14mmの厚さを有する、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。
  6. 前記ポリ(ビニルブチラール)樹脂が30,000〜600,000の重量平均分子量を有し、かつ、ポリビニルアルコール(PVOH)として計算されるヒドロキシル基を12〜23重量%含有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  7. 前記ポリ(ビニルブチラール)樹脂が200,000〜300,000の重量平均分子量を有し、かつ、ポリビニルアルコール(PVOH)として計算されるヒドロキシル基を15〜19重量%含有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  8. 前記ポリ(ビニルブチラール)シートが、前記ポリ(ビニルブチラール)樹脂の乾燥重量を基準として100部当たり5〜80重量部(pph)の可塑剤を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  9. 前記ポリ(ビニルブチラール)シートが前記太陽電池層に直接積層される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  10. 入射層および/または裏面層をさらに含む請求項1〜9のいずれか一項に記載の太陽電池モジュールであって、この入射層はモジュールの最外表面層であると共に太陽電池層の受光面に位置しており、かつ、裏面層もモジュールの最外表面層であると共に太陽電池層の非受光面に位置している、太陽電池モジュール。
  11. 前記太陽電池が、結晶シリコン(c−Si)および多結晶シリコン(mc−Si)に基づく太陽電池からなる群から選択されるウエハベースの太陽電池である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  12. 前記太陽電池が、アモルファスシリコン(a−Si)、微結晶シリコン(μc−Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、セレン化銅インジウム(CIS)、二セレン化銅インジウム/ガリウム(CIGS)、光吸収色素、および有機半導体に基づく太陽電池からなる群から選択される薄膜太陽電池である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  13. 太陽電池モジュールの製造方法であって、(i)請求項1〜12のいずれか一項に記載されるすべての構成要素の層を含むアセンブリを用意するステップと、(ii)太陽電池モジュールを形成するためにそのアセンブリを積層するステップとを含む、方法。
  14. 前記積層するステップを、前記アセンブリに熱を加えながら実施し、この場合、真空または圧力をかけてもよい、請求項13に記載の方法。
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