JP2012079948A

JP2012079948A - 太陽電池モジュールおよび太陽電池モジュールの分解方法

Info

Publication number: JP2012079948A
Application number: JP2010224350A
Authority: JP
Inventors: Shigehiro Ochi; 誠弘越知
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-19

Abstract

【課題】太陽電池セルが表面カバー材と裏面保護フィルムの間に封止材にて接着封止されている場合においても、発電効率の低下を抑制しつつ、太陽電池セルを材料資源として効率よく回収すること。
【解決手段】太陽電池セルアレイの表面側には表面カバー材１が配置され、太陽電池セルアレイの裏面側には裏面保護フィルム６が配置されている。裏面保護フィルム６と表面カバー材１の間には、太陽電池セル４を封止する表側封止材２および裏側封止材５が設けられている。太陽電池セル４の裏面側と裏側封止材５の間には、臨界表面張力が２５ｍＮ／ｍ未満の非接着フィルム７が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池モジュールおよび太陽電池モジュールの分解方法に関し、特に、太陽電池セルが表面カバー材と裏面カバー材の間に封止材にて接着封止された太陽電池モジュールに関する。

エコロジーなどの観点から太陽光発電システムの普及が進んできている。それに伴って家の立替等により不要となった太陽電池モジュールの増加や生産拡大により製造時における不良品の増加などによる太陽電池モジュールの廃棄が増加している。

現在の結晶シリコン系太陽電池モジュールは、表面カバー材と防水性の高い裏面保護フィルムの間に封止材にて太陽電池セルを封止しているのが一般的であり、高い耐候性と長期信頼性を確保できる。

ただし、封止材にて各部材が強固に密着されているため、部材ごとに分離して再利用したり、あるいは資源材料として回収するのに多大な時間とコストが必要となる。このため、現在では太陽電池モジュールは産業廃棄物として処理されているケースが多い。

一方、太陽電池モジュールに含まれる部品のリサイクルを目的とした方法も模索されている。例えば、特許文献１、２には、太陽電池モジュールの部品の中でも最も高価な太陽電池セルを無傷で回収し、そのまま新たな太陽電池モジュールに再利用できるようにするために、新たな太陽電池モジュールの構造や分解方法が開示されている。

特許文献１には、太陽電池セルには接着しない非接着フィルムを太陽電池セルと封止材の間に導入し、太陽電池セルと封止材の接触を避け、封止材の残渣が付着することなく、太陽電池セルを容易に取り出すことが可能な太陽電池モジュールが開示されている。

特許文献２には、工業的に広く用いられている一般的な有機溶媒中に太陽電池モジュールを浸漬し、封止材を膨潤し劣化させることで、太陽電池セルと表面カバー材を分離する方法が開示されている。

特許第４０５１４３０号公報特開２００７−１３４３５８号公報

しかしながら、特許文献１の方法は、受光面側の非接着フィルムに起因する界面の影響で反射光が増加する。そのため、太陽電池セルへの入射光が減少し、発電効率の低下に繋がるという問題があった。

特許文献２の方法は、太陽電池セルに負荷を与えることなく封止材を十分に流動化するには数十時間といった時間が必要となる上に、大量の廃液処理などの煩わしい処理が必要になるという問題があった。

また、上記方法はいずれも、発電効率を保持した完全な状態のまま太陽電池セルを回収することを目的としているが、近年では太陽電池セルの薄肉化が進んでおり、実使用環境時やモジュール分解時にもクラック等が発生し易くなっている。このため、太陽電池セルの発電効率を保持した完全な状態のままを新しい太陽電池モジュールに部品として再利用することが困難になっている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、太陽電池セルが表面カバー材と裏面保護フィルムの間に封止材にて接着封止されている場合においても、発電効率の低下を抑制しつつ、太陽電池セルを材料資源として効率よく回収することが可能な太陽電池モジュールおよび太陽電池モジュールの分解方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の太陽電池モジュールは、太陽電池セルと、前記太陽電池セルの表面側に配置された透光性材料からなる表面カバー材と、前記太陽電池セルの裏面側に配置された裏面保護フィルムと、前記裏面保護フィルムと前記表面カバー材の間に前記太陽電池セルを封止する透光性のある封止材と、前記太陽電池セルの裏面側と前記封止材の間に配置され、臨界表面張力が２５ｍＮ／ｍ未満の非接着フィルムとを備えることを特徴とする。

この発明によれば、太陽電池セルが表面カバー材と裏面保護フィルムの間に封止材にて接着封止されている場合においても、発電効率の低下を抑制しつつ、太陽電池セルを材料資源として効率よく回収することが可能という効果を奏する。

図１は、本発明に係る太陽電池モジュールの実施の形態１の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の太陽電池モジュールの概略構成を各層ごとに分離して示す斜視図である。図３（ａ）は、図１の太陽電池モジュールの概略構成を示す平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡの部分を拡大して示す平面図である。図４は、固体と液体間の表面張力について説明する断面図である。図５は、図１の太陽電池モジュールのフィルム材質による物性値と試験結果を示す図である。図６は、本発明に係る太陽電池モジュールの実施の形態２の分解方法を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る太陽電池モジュールの実施の形態１の概略構成を示す断面図、図２は、図１の太陽電池モジュールの概略構成を各層ごとに分離して示す斜視図である。図１および図２において、太陽電池モジュールには、太陽電池セル４がアレイ化された太陽電池セルアレイ９が設けられている。ここで、縦方向に隣接する太陽電池セル４がタブ線３を介して接続されることで、太陽電池セルストリングス８が構成されている。

なお、タブ線３は、半田付けにより太陽電池セル４に接合され、縦方向に隣接する太陽電池セル４のうちの一方の太陽電池セル４の表面電極と他方の太陽電池セル４の裏面電極とを電気的に接続することができる。

太陽電池セルアレイ９の表面側には表面カバー材１が配置され、太陽電池セルアレイ９の裏面側には裏面保護フィルム６が配置されている。裏面保護フィルム６と表面カバー材１の間には、太陽電池セル４を封止する表側封止材２および裏側封止材５が設けられている。太陽電池セル４の裏面側と裏側封止材５の間には、臨界表面張力が２５ｍＮ／ｍ未満の非接着フィルム７が配置されている。

表面カバー材１は、ガラスやポリカーボネートなどの透光性材料が用いられる。特に、表面カバー材１として白板強化ガラスを用いることが好ましい。

表側封止材２および裏側封止材５は、柔軟性、耐熱性、透光性および絶縁性などの観点から、酢酸ビニル含有量２０〜３０％のエチレン酢酸ビニル（以下EVA）を用いることが好ましい。このEVAは、ホットメルト接着剤としての性質を持っており、加熱圧着の過程で溶融し冷却して固化して太陽電池セル４や表面カバー材１などに接着することで、表面カバー材１と裏面保護フィルム６の間に太陽電池セル４を接着封止することができる。

非接着フィルム７は、EVAを硬化させるための加熱圧着工程が１２０〜１８０℃であることを考慮すると、非接着フィルム７の融点は加熱圧着工程での温度以上であることが好ましい。また、非接着フィルム７は、実使用環境を考慮して紫外線により変色しないことが好ましい。

図３（ａ）は、図１の太陽電池モジュールの概略構成を示す平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡの部分を拡大して示す平面図である。図３において、太陽電池モジュールの積層時と分解時の作業性を考慮し、非接着フィルム７のサイズは太陽電池セルアレイ９全体を覆うように設定され、非接着フィルム７の周囲には切り代部分１２が設けられている。

ただし、非接着フィルム７が表面カバー材１より大きいと、図１の表側封止材２と裏側封止材５とが接触せず、非接着フィルム７を介して完全に分離する。このため、非接着フィルム７は、表面カバー材１より小さくすることができる。具体的には、太陽電池セルアレイ９の外周から２〜１０ｍｍだけ非接着フィルム７を大きくすることにより、非接着フィルム７に切り代部分１２を設けることができ、分解時に切り込み線１１を設けるスペースを十分確保できる。

また、表側封止材２と裏側封止材５の硬化後に非接着フィルム７が接着すると、非接着フィルム７を分離するためには、表側封止材２と裏側封止材５を加熱して表側封止材２と裏側封止材５を軟化する必要がある。

表側封止材２と裏側封止材５との接着力は非接着フィルム７の發液性に大きく左右される。表側封止材２と裏側封止材５の溶融時、表側封止材２と裏側封止材５の酢酸ビニルや、表側封止材２と裏側封止材５に含まれている接着促進剤であるシランカップリング剤中の加水分解性基が、非接着フィルム７の表面と加水分解反応および縮合反応を繰り返すことで、水素結合や共有結合を形成する。

非接着フィルム７の臨界表面張力が小さいほど、表側封止材２と裏側封止材５との接着力は弱くなる。そのため、表側封止材２と裏側封止材５との接着を避けるためには、非接着フィルム７の臨界表面張力は２５ｍＮ／ｍ未満に設定することが好ましい。

図４は、固体Ｂと液体Ｅ１、Ｅ２との間の表面張力について説明する断面図である。図４において、固体Ｂの臨界表面張力γ_Ｃとは、表面張力γ_Ｌ１、γ_Ｌ２が既知の液体Ｅ１、Ｅ２を測定対象の固体Ｂの表面に滴下し、固体Ｂの表面と液体Ｅ１、Ｅ２との角度θを測定し、ｃｏｓθとγ_Ｌ１、γ_Ｌ２でプロットし、ｃｏｓθ＝１、すなわちその固体Ｂの表面で完全に濡れる液体Ｅ２の表面張力γ_Ｌ２の外挿値を指す。

臨界表面張力γ_Ｃは、固体Ｂの表面の接着性に関わる物性値である。γ_Ｃ＞γ_Ｌとなる表面張力γ_Ｌの液体でしかその固体Ｂを濡らせないことから、臨界表面張力γ_Ｃが小さいほど非接着性に優れている。

図５は、図１の太陽電池モジュールのフィルム材質による物性値と試験結果を示す図である。なお、図５の例では、様々なフィルム（ポリエチレンテレフタレートＰＥＴ、ポリフッ化ビニルＰＶＦ、ポリフッ化ビニリデンＰＶＤＦ、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体ＥＴＦＥ）を用いて、EVAとの分離性やＪＩＳＣ８９１７に規定されている太陽電池モジュールの環境試験を行い検証した。

なお、図５において、硬化後EVAとの非接着の○は、切り代部分１２に切り込みを入れるだけで非接着フィルム７がEVAと容易に分離したことを示す。×は、硬化後に非接着フィルム７がEVAと接着している（加熱などによりEVAを軟化させる必要があり、切り代部分１２に切り込みを入れるだけでは分離不可）ことを示す。

高温高湿試験後の発電特性の○は、環境試験前後の発電特性の劣化率に関して、非接着フィルム７の未挿入構造との差異が１％未満であることを示す。×は、環境試験前後の発電特性の劣化率に関して、非接着フィルム７の未挿入構造との差異が１％以上であることを示す。

温度サイクル試験後の発電特性の○は、環境試験前後の発電特性の劣化率に関して、非接着フィルム７の未挿入構造との差異が１％未満であることを示す。×は、環境試験前後の発電特性の劣化率に関して、非接着フィルム７の未挿入構造との差異が１％以上であることを示す。

図５において、いずれのフィルムを用いても、高温湿度試験（８５℃、８５％、１０００時間）および温度サイクル試験（−４０℃〜９０℃、５．３時間／ｃｙｃｌｅ、２００ｃｙｃｌｅｓ）の両方で非接着フィルム７の未挿入構造と比較して発電特性の劣化率に差はなかった。非接着フィルム７を挿入することで、太陽電池セル４の封止性が低下し、発電特性の長期信頼性低下が懸念されたが、非接着フィルム７の未挿入構造と同等の耐候性が確保されていることが分かった。

ただし、加熱によりEVAを軟化する必要もなく分離でき、EVAとの接着が回避可能なのはＥＴＦＥ（γ_Ｃ＝２２）のみであった。非接着フィルム７の臨界表面張力は２２〜２５ｍＮ／ｍを境として、EVAとの接着を容易に回避できることが分かった。

ＥＴＦＥの他に、それと同程度の耐熱性、耐候性および非接着性を持つものとして、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ γ_Ｃ＝１８．５）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ γ_Ｃ＝１７）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニールエーテル共重合体（ＰＦＡ γ_Ｃ＝１８）などのフッ素系樹脂フィルムがある。

太陽電池セル４間での拡散反射光を増加して太陽電池セル４への再入射光を増やすことで、太陽電池モジュールの発電特性が向上する。非接着フィルム７は白色で受光面側に微細な凹凸形状を施すことで、拡散反射光を増加させることができる。

具体的には、非接着フィルム７は、波長が４００〜１１００ｎｍ以下の範囲の光に対して８５％以上の反射率であることが好ましい。非接着フィルム７の凹凸形状は、マット加工、研磨加工などにより形成可能である。形状はドット形状やピラミッド形状がよい。

非接着フィルム７を白に着色する方法としては、フッ素系樹脂フィルムの製造工程の中で酸化チタンを主とした白色顔料をフッ素系樹脂フィルム中に混入するようにしてもよい。

次に、図１の太陽電池モジュールの製造方法について説明する。

所望の電力が得られるように、太陽電池セル４同士を直列あるいは並列に接続する。具体的には、ランプあるいはエアヒータなどの熱源により太陽電池セル４の電極部でタブ線３にコーティングされているハンダを溶融して接合し、太陽電池セル４同士を電気的に接続して太陽電池セル４が１列に並んだ太陽電池セルストリングス８を構成する。

その一列の太陽電池セルストリングス８同士を直列あるいは並列に接続し、所望の電力が得られるように、太陽電池セルアレイ９を構成する。

次に、表面カバー材１、表側封止材２、太陽電池セルアレイ９、非接着性フィルム７、裏側封止材５および裏面保護フィルム６の順番に積層する。ここで、太陽電池セル４の裏面側のみに非接着フィルム７を導入するため、太陽電池セル４の受光面側への入射光が変化するのを防止することができる。

これらを積層した後、加熱圧着処理により表側封止材２および裏側封止材５を硬化し、太陽電池セル４を封止した状態とする。なお、加熱圧着処理は、例えば、加圧するダイヤフラム部と熱板を有するラミネート装置内で行うことができる。

具体的には、熱板上に被ラミネート部材を設置し、ラミネート装置を閉じた後、被ラミネート部材が設置された空間を真空加熱状態にし、表側封止材２および裏側封止材５を溶融させる。

次に、ダイヤフラム上部に空気圧を導入し、ダイヤフラム部を膨張させ、被ラミネート部材を熱板との間で加圧し、表側封止材２および裏側封止材５の硬化を行う。加圧は０．５〜１．０気圧、加熱温度は１２０〜１８０℃の範囲で行うことができる。

次に、裏面保護フィルム６の裏側に電力を取り出すためのターミナルとして端子ＢＯＸを取り付けた後、表面カバー材１の外周辺にフレームを取り付け、太陽電池モジュールを完成する。なお、フレームの材料は、例えば、アルミニウムを用いることができる。

実施の形態２．
次に、図１の太陽電池モジュールの分解方法について説明する。
図６は、本発明に係る太陽電池モジュールの実施の形態２の分解方法を示すフローチャートである。図６において、表面カバー材１の周りを支持しているフレームと端子ＢＯＸを取り外す（Ｓ１）。フレームおよび端子ＢＯＸがホットメルト接着剤などで固定されている場合は、ホットメルト接着剤を過熱することでホットメルト接着剤が軟化し、手作業で取り外すことができる。

次に、裏面保護フィルム６に切り込み線１１を入れ（Ｓ２）、裏側封止材５と裏面保護フィルム６と非接着フィルム７を同時に太陽電池セル４から分離する（Ｓ３）。

太陽電池セル４の裏面と裏側封止材５が接触していないため、太陽電池モジュール裏面側から図３の切り代部分１２に切り込み線１１を入れることで、裏面保護フィルム６と非接着フィルム７と裏側封止材５を太陽電池セル４から容易に剥離することができる。なお、切り込み線１１は、金属刃具により入れても良いし、レーザにより裏面保護フィルム６と裏側封止材５を溶融切断して入れても良い。

次に、太陽電池セル４と表面カバー材１とを機械的に分離する（Ｓ５）。ここで、太陽電池セル４の裏面に裏側封止材５が付着していないので、太陽電池セル４および表面カバー材１が分解しやすくなる。

太陽電池セル４と表面カバー材１を分離する前に、太陽電池セル４の裏面側を露わにした状態で、ローラにより太陽電池セル４を細かく破砕しておくことで小片化する（Ｓ４）。このため、表面カバー材１と太陽電池セル４とを刃具やワイヤーにより分離する際には抵抗を減らすことができ、剥離ツールの長寿命化が期待できる。また、サンドブラストやショットブラストで太陽電池セル４から表面カバー材１を削ぎ落とす場合でも、分離処理時間の短縮や投射材の使用量削減を実現することができる。太陽電池セル４の破砕を効率よく行えるようにするために、ローラの先端に突起を多数施すようにしてもよい。

太陽電池セル４の裏面と裏側封止材５の間に非接着フィルム７を導入することで、裏側保護フィルム６を剥した後、緩衝材となる裏側封止材５が太陽電池セル４に付着していない状態となるため、太陽電池セル４の裏面が露わになり、太陽電池セル４を効率よく細かく破砕できる。

上記工程により粉々の状態で表側封止材２が付着した状態の太陽電池セル４は表面カバー材１から効率よく分離でき、資源材料として回収できる。

上記工程を経ることにより、表側封止材２が付着した表面カバー材１、表側封止材２が付着した太陽電池セル４、非接着フィルム７、裏側封止材５が付着した裏面保護フィルム６に分離できる。この中で、表面カバー材１および太陽電池セル４は有価物として資源回収することができる。

表側封止材２が付着した太陽電池セル４は炉に投入し、表側封止材２を燃焼して除去した後に（Ｓ６）、太陽電池セル４をさらに粉砕し（Ｓ７）、電解精製を経て精製銀を取り出すことができる（Ｓ８）。残渣のシリコンはさらに精製を経てシリコン基板材料として利用するか（Ｓ９）、そのまま舗装材等として利用することができる。

表側封止材２が付着した表面カバー材１は、サンドブラストやショットブラストなどで表側封止材２を削り落とすか、あるいは炉に投入して表側封止材２を燃焼して除去した後に、細かく破砕し、精製してガラス原料として利用するか、細かく破砕して舗装材として利用することができる。

以上のように本発明に係る太陽電池モジュールは、太陽電池セルが表面カバー材と裏面保護フィルムの間に封止材にて接着封止されている場合においても、発電効率の低下を抑制しつつ、太陽電池セルを材料資源として効率よく回収することが可能となり、太陽電池セルを材料資源としてリサイクルする方法に適している。

１表面カバー材
２表側封止材
３タブ線
４太陽電池セル
５裏側封止材
６裏面保護フィルム
７非接着フィルム
８太陽電池セルストリングス
９太陽電池セルアレイ
１１切り込み線
１２切り代部分
Ｅ１、Ｅ２液体
Ｂ固体

Claims

太陽電池セルと、
前記太陽電池セルの表面側に配置された透光性材料からなる表面カバー材と、
前記太陽電池セルの裏面側に配置された裏面保護フィルムと、
前記裏面保護フィルムと前記表面カバー材の間に前記太陽電池セルを封止する透光性のある封止材と、
前記太陽電池セルの裏面側と前記封止材の間に配置され、臨界表面張力が２５ｍＮ／ｍ未満の非接着フィルムとを備えることを特徴とする太陽電池モジュール。
前記非接着フィルムは、白色であり、波長４００〜１１００ｎｍ以下の範囲の光に対して８５％以上の反射率であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
前記非接着フィルムは、受光面が凹凸形状を施されていることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池モジュール。
前記太陽電池セルはアレイ状に配置され、前記非接着フィルムは、前記太陽電池セルのアレイ全体を覆い、かつ表面カバー材よりも小さく、太陽電池セルの端から２〜１０ｍｍの切り代を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールの分解方法であって、
前記非接着フィルムに切り込みを入れ、前記裏面保護フィルムと前記太陽電池セルの裏面側の封止材を前記太陽電池セルから除去する工程と、
前記裏面保護フィルムと前記太陽電池セルの裏面側の封止材が除去された太陽電池セルを破砕する工程と、
前記破砕された太陽電池セルと表面カバー材を剥離する工程とを備えることを特徴とする太陽電池モジュールの分解方法。