JP2012069865A

JP2012069865A - 太陽電池封止材及びそれを用いた太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP2012069865A
Application number: JP2010215280A
Authority: JP
Inventors: Jun Hasegawa; 準長谷川; Takeshi Furuya; 武史古屋; Satoshi Nishizawa; 智西澤
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】光電変換効率向上の効果を長期維持した太陽電池封止材を提供する。
【解決手段】光電変換セル３を封止する封止材４であって、主材となる樹脂６に、当該主材６となる樹脂と光屈折率が異なる性質を有し、且つ、発光色素を含有したフィラー７を分散混合して形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換セルを封止する太陽電池封止材及びそれを用いた太陽電池モジュールに関する。

太陽光を利用するクリーンな発電技術として、太陽電池が近年注目を集めている。太陽電池には、結晶シリコン、非晶シリコン、化合物半導体、有機色素等、多様な方式が存在する。中でも、結晶シリコン系太陽電池は耐候性、耐久性に優れ、比較的高い光電変換効率を有しているため、最も普及が進んでいる。
一般的な結晶シリコン太陽電池モジュールは、透明材料からなる表面保護部材、バックシート、光電変換セル、太陽電池封止材（以下、封止材と称する）からなり、表面保護部材とバックシートの間に配置される光電変換セルは、封止材で完全に封止された構造となっている。

このような太陽電池を構成する材料には、長期使用に耐え得る高い耐候性が求められている。中でも封止材は、表面保護部材、バックシート及び光電変換セルを接着保持する材料であるため、長期間の高い密着性が必要であり、また、光電変換セルの受光面側にも配置されるため、透明性が失われないことも求められている。
さらに近年では、封止材に耐候性以外の機能を付与する検討がなされており、機械的強度、リサイクル性、光電変換効率の向上などが報じられている。特に光電変換効率の向上は、近年注目を集めている。

特許文献１には、５５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の蛍光を発する有機系希土類錯体（発光体）をエチレン−酢酸ビニル共重合体に配合した樹脂組成物が提案されている。

特開２００６−２９８９７４号公報

しかしながら、特許文献１の樹脂組成物を太陽電池モジュールの封止材として使用すると、樹脂に配合されている発光体が、入射光の拡散効率、波長変換効率を低下させてしまうおそれがあるので、太陽電池モジュールの変換効率の向上を長期に渡って維持することはできない。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、封止材の主材となる樹脂に光の散乱を利用した変換効率向上機能を付加する物質を混入することで、光電変換効率向上の効果を長期維持した太陽電池封止材及びそれを用いた太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の太陽電池封止材は、光電変換セルを封止する封止材であって、主材となる樹脂に、当該主材となる樹脂と光屈折率が異なる性質を有し、且つ、発光色素を含有したフィラーを分散混合する。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の太陽電池封止材において、前記光電変換セルを封止した状態の前記封止材は、ヘイズ値が７０％を超え９０％を下回る値であり、全光線透過率が９０％を超え１００％以下である。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の太陽電池封止材において、前記フィラーは、前記封止材の主材となる樹脂１００質量部に対して、０．５質量部を超え２．０質量部を下回る量で添加されている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の太陽電池封止材において、前記発光色素は、前記フィラーの主材１００質量部に対して、１．０質量部を超え１００質量部を下回る量で添加されている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の太陽電池封止材において、前記フィラーは、前記封止材の主材となる樹脂との屈折率差が０．０２を超えるものである。
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項に記載の太陽電池封止材において、前記フィラーの平均粒径は、０．５μｍを超え５μｍを下回るものである。
また、請求項７記載の太陽電池モジュールは、請求項１乃至６の何れか１項に記載の太陽電池封止材を用いたものである。

本発明に係る請求項１記載の太陽電池封止材によると、封止材の主材となる樹脂内に、この樹脂と光屈折率が異なる発光色素を含有したフィラー分散混合されており、このフィラーが入射光を十分に拡散または波長変換させるので、封止材に封止されている光電変換セルの光電変換効率を高めることができる。また、フィラーに含有されている発光色素は、封止材の主材となる樹脂に含まれている各種添加剤との反応を抑制するので、光電変換セルの光電変換効率の向上を長期に渡って維持することができる。

また、請求項２記載の太陽電池封止材によると、入射する光量を増大させて十分な拡散光を得ることができる。
また、請求項３記載の太陽電池封止材によると、良好な光拡散性を得ることができる。
また、請求項４記載の太陽電池封止材によると、光電変換セルの光電変換効率をさらに高めることができる。
また、請求項５記載の太陽電池封止材によると、さらに十分な光拡散性を得ることができる。

また、請求項６記載の太陽電池封止材によると、フィラーの作製が容易となり、封止材の熱架橋プロセスを阻害せず、封止材の主材となる樹脂にフィラーを分散混合しても、光電変換セル等との密着性を十分に高めることができる。
また、請求項６記載の太陽電池モジュールによると、上述した太陽電池封止材を用いることで、光電変換効率の向上を長期に渡って維持することが可能な太陽電池モジュールを提供することができる。

本発明に係る太陽電池封止材の一例を断面で示した概略図である。本発明に係る太陽電池モジュールを製造する際の各部材の配列構成図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る太陽電池モジュールの１実施形態を断面で示した概略図である。
本実施形態の太陽電池モジュール１は、板状の表面保護部材２、光電変換セル３を封止している層状の封止材４及びバックシート５を順次積層し、真空ラミネート法で形成したものである。

表面保護部材２は、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ＥＴＦＥ等からなる板状部材であり、耐久性や耐候性、透明性の高い材料で構成されている。
光電変換セル３は、結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＣＩＳ、ＣＩＧＳ、有機薄膜、ＣｄＴｅ等であり、製造の簡便さとコストから、多結晶シリコンが好ましい。
バックシート５は、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルフロライド、ＥＶＡ及び、これらの積層体であり、耐久性や耐候性が高い材料が使用されている。このバックシート５に、水蒸気や酸素バリア性を付与するバリア層を積層してもよい。

光電変換セル３を封止している層状の封止材４は、主材となる透明樹脂６内に、少なくともフィラー７が分散混合されているものである。フィラー７は、発光色素が含有されている樹脂であり（以下、発光色素含有フィラー７と称する）、この発光色素含有フィラー７は、透明樹脂６と光屈折率が異なる性質を有している。
光電変換セル３を封止した状態の封止材４は、ヘイズ値が７０％を超え９０％を下回る値であることが好ましい。より好ましくはヘイズ値が７５％を超え８５％を下回る値である。ヘイズ値が７０％以下では、光電変換セル３の光電変換効率を高めるのに十分な拡散光が得られず、９０％以上では、後方散乱により光電変換セル３に入射する光量が減少してしまう。

また、封止材４は、全光線透過率が９０％を超え１００％以下であることが好ましい。より好ましくは全光線透過率が９２％を超え１００％以下である。全光線透過率が９０％以下では、光電変換セル３に入射する光量が少なく、光電変換効率を下げてしまう。
また、発光色素含有フィラー７は、主材となる透明樹脂６の１００質量部に対して、０．５質量部を超え２．０質量部を下回る量で添加することが好ましい。より好ましくは０．５質量部を超え１．０質量部を下回る添加量である。発光色素含有フィラー７の添加量が０．５質量部以下では、良好な光拡散性が得られず、２．０質量部以上では、後方散乱による光透過性の低下が生じてしまう。

また、発光色素含有フィラー７に含有されている発光色素は、発光色素含有フィラー７の主材（樹脂）１００質量部に対して、１．０質量部を超え１００質量部を下回る量で添加することが好ましい。添加量が１．０質量部以下、または１００質量部以上では、十分に変換効率向上の効果は得られない。
また、発光色素含有フィラー７は透明であり、透明樹脂６と屈折率が異なり、融点が前記透明樹脂より高い限りで、どのような材質を用いても構わないが、その屈折率差が０．０２を超えるものが好ましく用いられる。屈折率差が０．１を超えるものがより好ましく用いられる。屈折率差が０．０２以下であると十分な光拡散性が得られない。

また、発光色素含有フィラー７の平均粒径は、０．５μｍを超え５μｍを下回るものであることが好ましい。０．５μｍ以下になると、発光色素含有フィラー７の作製が困難であり、５μｍ以上であると、封止材４の熱架橋プロセスを阻害し、太陽電池モジュール１の製造の際に、光電変換セル３や表面保護部材２との密着が十分に発現しないおそれがある。
また、発光色素含有フィラー７の製造方法としては、主材（樹脂）と発光色素を混合した材料を二軸の押出成形装置で混練し、この混練した樹脂を断裁機でペレット化した後、減圧可能なミキサーで粉砕分級を行い、所定の粒度分布をもつ発光色素を含有したフィラー７を得る。なお、ミキサーでの粉砕分級の工程において、各種表面処理剤を添加して、フィラーに表面処理を施しても構わない。

次に、本発明に係る太陽電池モジュール１の製造方法について図２を参照して説明する。なお、図１と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。
符号４ａは、透明樹脂６、発光色素含有フィラー７及び各種添加剤を混合して加熱溶融させた樹脂を、直線状スリットを有するＴダイを用いて押し出し法にて成膜したシート状の第１封止材である。また、符号４ａは、発光色素含有フィラー７を添加せず、透明樹脂６及び各種添加剤を混合して加熱溶融させた樹脂を、直線状スリットを有するＴダイを用いて押し出し法にて成膜したシート状の第２封止材である。なお、ブロッキング防止のため、シート状の第１封止材４ａ、第２封止材４ｂの成膜工程の中で、過熱溶融した状態のシートの表面に、凹凸パターンが施されているロール（金属またはゴム製）にかけることにより、シート状の第１封止材４ａ、第２封止材４ｂの片面もしくは両面に、該ロールの凹凸パターンを転写させ、エンボス加工を施した第１封止材４ａ、第２封止材４ｂとしても良い。

そして、表面保護部材２として厚さ３ｍｍの白板ガラス、シート状の第１封止材４ａ、光電変換セル３として多結晶シリコンセル、シート状の第２封止材４ｂ、バックシート５としてフッ化ビニルポリマーを順次積層させた積層体を、上蓋側とラミネート室内でそれぞれ真空引き可能なラミネーター内に配置し、ラミネート室内の温度を１２０℃に維持しながら上蓋とラミネート室内の両方で９０秒間真空引きを行い、前期積層体内部を脱気しながら仮圧着する（真空脱気・仮圧着）。そして、仮圧着完了後、ラミネート室内の温度を１５０℃にし、ラミネーター上蓋側の真空状態を解除して、前記積層体を大気圧により１０分間熱圧着する（本圧着）。これにより、表面保護部材２、光電変換セル３を封止した第１封止材４ａ及び第２封止材４ｂ、バックシート５を積層した太陽電池モジュール１が製造される。
ここで、太陽電池封止材が本実施形態の封止材４及び第１封止材４ａに対応し、フィラーが本実施形態の発光色素含有フィラー７に対応し、封止材の主材となる樹脂が本実施形態の透明樹脂６に対応している。

次に、本実施形態の光電変換セル３を封止している封止材４及びこの封止材を用いた太陽電池モジュール１の作用効果について説明する。
本実施形態の封止材４は、主材となる透明樹脂６内に、透明樹脂６と光屈折率が異なる発光色素含有フィラー７が分散混合されており、この発光色素含有フィラー７が入射光を十分に拡散または波長変換させるので、封止材４に封止されている光電変換セル３の光電変換効率を高めることができる。
また、発光色素含有フィラー７に含有されている発光色素は、透明樹脂６に含まれている各種添加剤との反応を抑制するので、光電変換セル３の光電変換効率の向上を長期に渡って維持することができる。

また、光電変換セル３を封止した封止材４は、ヘイズ値が７０％を超え９０％を下回る値とし、全光線透過率が９０％を超え１００％以下としているので、入射する光量を増大させて十分な拡散光を得ることができる。
また、封止材４の透明樹脂６に分散混合されている発光色素含有フィラー７は、透明樹脂６の１００質量部に対して、０．５質量部を超え２．０質量部を下回る量で添加されているので、良好な光拡散性を得ることができる。

また、発光色素含有フィラー７に含有されている発光色素は、発光色素含有フィラー７の主材（樹脂）１００質量部に対して、１．０質量部を超え１００質量部を下回る量で添加されているので、光電変換セル３の光電変換効率をさらに高めることができる。
また、発光色素含有フィラー７は、透明樹脂６との屈折率差が０．０２を超えるようにしているので、さらに十分な光拡散性を得ることができる。

さらに、発光色素含有フィラー７の平均粒径は、０．５μｍを超え５μｍを下回るものとしているので、発光色素含有フィラー７の作製が容易であり、封止材４の熱架橋プロセスを阻害せず、封止材４の透明樹脂６に分散混合しても、光電変換セル３や表面保護部材２との密着性を十分に高めることができる。
そして、この封止材４を用いた太陽電池モジュール１は、光電変換効率の向上を長期に渡って維持することが可能な太陽電池モジュールを提供することができる。

ここで、封止材４の主材となる透明樹脂６として、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラート、アイオノマー、ポリエチレン、エチレン−アクリル酸共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィンなどの透明性の高い樹脂を用いることができる。特にエチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラート、アイオノマー、ポリオレフィンが好ましく用いられる。

透明樹脂６には、密着性、耐光性、熱安定性の観点から、架橋反応開始剤、シランカップリング剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤を添加してもよい。
架橋反応開始剤としては、１，１−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）シクロヘキサン、ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキシルモノカーボネート、１，１−ジ（ｔ−ヘキシルパーオキシ）シクロヘキサン、ｎ−ブチル４，４−ジ−（ｔ−ブチルパーオキシ）バレレート、ｔ−ブチルパーオキシ−３，５，５−トリメチルヘキサノエート、２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン、ｔ−ブチルクミルパーオキシド、２，２−ジ−（ｔ−ブチルパーオキシ）ブタン等が挙げられる。

また、架橋反応開始剤の他に、架橋反応を促進するための添加剤を添加してもよい。この架橋反応促進用添加剤としては、トリアリルイソシアヌレート、ジアリルフタレート、トリアリルシアヌレート等が挙げられる。
透明樹脂６の密着性向上のために用いられるシランカップリング剤としては、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、トリメトキシプロピルシラン、トリメトキシメチルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、トリクロロプロピルシラン、トリエトキシフェニルシラン等が挙げられる。

透明樹脂６の耐光性向上のために用いられる紫外線吸収剤としては、２−（５−メチル−２−ヒドロキシフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（３−ｔ−ブチル−５−メチル−２−ヒドロキシフェニル）−５−クロロベンゾトリアゾール、２−（４，６−ジフェニル−１，３，５−トリアジン−２−イル）−５−［（ヘキシル）オキシ］−フェノール、２，４−ジヒドロキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクチルオキシベンゾフェノン等が挙げられる。
上記紫外線吸収剤に加え、透明樹脂６の耐候性向上のために光安定剤を添加してもよい。光安定剤としては、ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）セバケート、ビス（１−オクチロキシ−２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）セバケート、ビス（１，２，２，６，６−ペンタメチル−４−ピペリジニル）セバケート等が挙げられる。

透明樹脂６の熱安定性を向上させるために用いられる酸化防止剤としては、１，６−ヘキサンジオール−ビス［３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］、ペンタエリスリチル−テトラキス［３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］、トリス（２，４−ジ−ｔ−ブチルフェニル）フォスファイト、２，４−ビス−（ｎ−オクチルチオ）−６−（４−ヒドロキシ−３，５−ジ−ｔ−ブチルアニリノ）−１，３，５−トリアジン等が挙げられる。

一方、封止材４の発光色素含有フィラー７を構成する主材の樹脂としては、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系アクリル樹脂、シリコン系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィンポリマー、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、メラミン樹脂、またこれらの混合樹脂、ガラスビーズ等が挙げられる。

発光色素含有フィラー７に含有されている発光色素としては、例えば、ローダミンB、ローダミン６G、ビオラントロン誘導体、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、キサンチン誘導体、チオキサンチン誘導体、ピラントロン誘導体、フラバトロン誘導体、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、ナフタルイミド誘導体、ナフトラクタム誘導体、ポルフィリン誘導体、フタロシアニン誘導体等の有機蛍光体； [Tb(acac)₃]dpphen、[Tb(acac)₃]phen、[Tb(TFA)₃]dmbpy、[Tb(TFA)₃]tmphen、[Tb(TFA)₃]dpbpy、[Eu(TFA)₃]tmphen、[Eu(TFA)₃]phen、[Eu(FOD)₃]bpy、Ir(ppy)₃、Ir(dqn)₃](PF₆)₃、[Ir(dpphen)₃](PF₆)₃、[Ru(dpphen)₃](PF₆)₂、[Ru(dpbpy)₃](PF₆)₂、[Ru(dmbpy)₃](PF₆)₂等の金属錯体；ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdTe、CdSe等の半導体ナノ粒子；ZnS：Al、ZnO：Zn、Y₂O₂S：Eu、Ca₃Sc₂Si₃O₁₂：Ce、SrGa₂S₄：Eu、Y3(Al,Ga)₅O₁₂：Ce等の無機蛍光体等が用いられる。

以下に本発明の具体的実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１の封止材は、主材となる透明樹脂６として酢酸ビニル含有量が３０重量％のものを用いた。この透明樹脂６が１００質量部に対し、発光色素含有フィラー７を０．５質量部、架橋剤としてｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキシルモノカーボネートを０．６質量部、シランカップリング剤としてγ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランを０．４質量部、架橋助剤としてトリアリルイソシアヌレートを０．６質量部、酸化防止剤としてトリス（２,４−ジ−ｔ−ブチルフェニル）フォスファイト０．１質量部配合した樹脂材料を用いて、Ｔダイ法によりシート状の封止材として作製した。発光色素含有フィラー７は、メラミン樹脂１００質量部に対し、発光色素としてＬｕｍｏｇｅｎＦＶｉｏｌｅｔ５７０（ＢＡＳＦ社製）２．０質量部添加されたものを用いた。
（実施例２，実施例３，比較例１〜比較例３）
実施例２，実施例３，比較例１〜比較例３の封止材は、実施例１に対して発光色素含有フィラー７の添加量が異なる以外は、実施例１と同様の組成としてシート状の封止材として作製した。

（比較例４）
比較例４の封止材は、発光色素含有フィラーを添加せず、発光色素としてＬｕｍｏｇｅｎＦＶｉｏｌｅｔ５７０（ＢＡＳＦ社製）０．０１質量部添加する以外は、実施例１と同様の組成としてシート状の封止材として作製した。
以上の実施例１，２、比較例１〜比較例４について、ヘイズ、全光線透過率、光電変換効率向上、ＵＶ照射後の効果維持率について評価を行った。

（ヘイズ・全光線透過率）
実施例及び比較例のシート状の封止材のヘイズ及び全光線透過率は、封止材をラミネートして表面の凹凸による散乱を除いた後、ＪＩＳＫ７１０５に準拠して測定を行った。測定には、日本電色工業製ＮＤＨ２０００を用いた。
（光電変換効率向上）
実施例及び比較例のシート状の封止材を用いた太陽電池モジュールに、山下電装製ソーラーシミュレータの擬似太陽光を照射し、光起電力をデジタルマルチメーターでモニターし、変換効率を求めた。効率向上は、フィラーの含まれない通常のシート状の封止材である比較例１を使用した結果を１００％とした時の各サンプルの相対効率向上の割合を示した。

（ＵＶ照射後の効果維持率）
実施例及び比較例のシート状の封止材をガラス板で封止したサンプルに４８時間ＵＶ照射を行い、試験前後の発光強度を測定した。ＵＶ照射には、スガ試験機製紫外線フェードメーターＵ４８を用い、発行強度の測定には島津製作所製分光蛍光光度計ＲＦ５３００ＰＣを用いた。効果維持率は、下記式より算出することにより求めた。
効果維持率（％）＝４８時間ＵＶ照射後の発光強度積分値／照射前の発光強度積分値
×１００
各評価結果を、表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜３の構成の本発明に係るシート状の封止材を用いることで、光電変換効率を向上させつつ、その効果維持に優れる太陽電池モジュールを作製することができる。

１…太陽電池モジュール、２…表面保護部材、３…光電変換セル、４…封止材、５…バックシート、６…透明樹脂、７…フィラー

Claims

光電変換セルを封止する封止材であって、主材となる樹脂に、当該主材となる樹脂と光屈折率が異なる性質を有し、且つ、発光色素を含有したフィラーを分散混合してなることを特徴とする太陽電池封止材。
前記光電変換セルを封止した状態の前記封止材は、ヘイズ値が７０％を超え９０％を下回る値であり、全光線透過率が９０％を超え１００％以下であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池封止材。
前記フィラーは、前記封止材の主材となる樹脂１００質量部に対して、０．５質量部を超え２．０質量部を下回る量で添加されていることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽電池封止材。
前記発光色素は、前記フィラーの主材１００質量部に対して、１．０質量部を超え１００質量部を下回る量で添加されてい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封止材。
前記フィラーは、前記封止材の主材となる樹脂との屈折率差が０．０２を超えるものであ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封止材。
前記フィラーの平均粒径は、０．５μｍを超え５μｍを下回るもの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封止材。
請求項１乃至６の何れか１項に記載の太陽電池封止材を用いることを特徴とする太陽電池モジュール。