JP2013042101A - 太陽電池モジュール用の封止材シートの製造方法 - Google Patents

太陽電池モジュール用の封止材シートの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低密度ポリエチレン樹脂を主体としていながら、熱収縮率に優れ、更に透明性にも優れる太陽電池モジュール用の封止材シートの製造方法を提供する。
【解決手段】密度0.900g/cm以下の低密度ポリエチレンと、組成物中に0.02質量%以上0.5質量%未満含有する架橋剤と、を含有する封止材組成物を溶融成形した後に、電離放射線を照射して架橋処理して得られ、架橋処理後の封止材シートのゲル分率が2%以上80%以下であり、かつ、厚さ400μmにおけるヘーズ値が4%以下である封止材シートの製造方法である。
【選択図】図1

Description

本発明はポリエチレン系の太陽電池モジュール用の封止材シートの製造方法に関し、更に詳しくは、電子線等の電離放射線によって架橋処理された封止材シートに関する。
太陽電池モジュール用の封止材としては、従来から、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂(EVA)と、有機過酸化物に代表される架橋剤と、の組み合わせが多く使用されてきた。また、近年、水蒸気遮断性に優れる利点を生かしてEVAに代わりポリエチレン系樹脂も検討されている。
これに関して、下記の特許文献1では、EVAやポリエチレン系樹脂に電離放射線を照射して架橋させて所定のゲル分率を得ることにより、有機過酸化物を用いないで耐クリープ性等を向上させる技術が開示されている。また、下記の特許文献2には、所定の密度以下の線状低密度ポリエチレンに電離放射線を照射して架橋させ、やはり有機過酸化物を用いないで長時間の熱キュア工程を省き、耐熱性を付与する技術が開示されている。
特開2009−249556号公報 特開2011−77357号公報
しかしながら、特許文献1や2のように、ポリエチレン系樹脂に単に電離放射線を照射して得られる封止材シートは、架橋によって耐熱性は向上するものの、透明性を向上することができない。透明性は発電効率に大きく影響し、特にポリエチレン系樹脂の場合にはEVAにくらべてヘーズ値が高く透明性に劣る。このため、電離放射線を照射して耐熱性を向上させるとともに、同時に透明性にも優れるポリエチレン系の封止材シートが求められていた。
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電離放射線を照射して耐熱性を向上させるとともに、同時に透明性にも優れるポリエチレン系の封止材シートを提供することにある。
本発明者らは、電離放射線を照射する場合には不要と考えられていた有機過酸化物である架橋剤をあえて少量含有させることにより、電離放射線による耐熱性の向上とともに、透明性の維持も可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のものを提供する。
(1) 密度0.900g/cm以下の低密度ポリエチレンと、組成物中に0.02質量%以上0.5質量%未満含有する架橋剤と、を含有する封止材組成物を溶融成形した後に、電離放射線を照射して架橋処理して得られ、前記架橋処理後の封止材シートのゲル分率が2%以上80%以下であり、かつ、厚さ400μmにおけるヘーズ値が4%以下である太陽電池モジュール用の封止材シートの製造方法。
(2) 前記溶融成形した後で前記架橋処理前のゲル分率が2%未満である(1)に記載の封止材シートの製造方法。
(3) 前記封止材組成物が、更に、シラン変性ポリエチレン樹脂を含有する(1)又は(2)に記載の封止材シートの製造方法。
(4) 前記封止材組成物が、更に、酸変性ポリエチレン樹脂を含有する(1)から(3)のいずれかに記載の封止材シートの製造方法。
(5) 前記封止剤組成物が、更に、炭素−炭素二重結合及び/又はエポキシ基を有する多官能モノマーである架橋助剤を含有する(1)から(4)のいずれかに記載の封止材シートの製造方法。
(6) 前記封止材組成物が、更にエポキシ系及び/又はメルカプト系のシランカップリング剤を含有する(1)から(5)のいずれかに記載の封止材シートの製造方法。
(7) 前記封止材組成物に含有されるシランカップリング剤が、エポキシ系のシランカップリング剤である(1)から(6)のいずれかに記載の封止材シートの製造方法。
(8) 密度0.900g/cm以下の低密度ポリエチレンを含有し、電離放射線の照射により架橋処理されており、ゲル分率が2%以上80%以下であり、かつ、厚さ400μmにおけるヘーズ値が4%以下である太陽電池モジュール用の封止材シート。
(9) (8)に記載の封止材シートであって、更に、エポキシ系のシランカップリング剤を含有する、太陽電池モジュール用の封止材シート。
(10) (9)に記載の封止材シートを用いた太陽電池モジュールであって、
前記封止材シートが、銅配線及び/又は銅電極と直接接した状態で積層されている太陽電池モジュール。
(11) (10)に記載の太陽電池モジュールであって、前記封止材シートの下記の銅密着性試験によって測定した銅密着強度が、10N/15mm以上である太陽電池モジュール。
銅密着性試験:15mm幅にカットした封止材シート試料を、銅板(75mm×50mm×0.05mm)上に密着させて150℃、18分で、真空加熱ラミネータで処理を行い、銅板上に密着している封止材シート試料を、剥離試験機(テンシロン万能試験機 RTF−1150−H)にて垂直剥離(50mm/min)試験を行い密着強度を測定する。
本発明によれば、電離放射線を照射して耐熱性を向上させるとともに、同時に透明性にも優れるポリエチレン系の封止材シートを提供できる。
本発明の一実施形態である太陽電池モジュールの層構成の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態である太陽電池モジュールを構成する集電シート上の銅配線の態様を模式的に示す平面図である。
以下、本発明に係る封止材組成物(以下、単に封止材組成物ともいう)、本発明の太陽電池モジュール用の封止材シート(以下、単に封止材シートともいう)、及び該封止材シートを用いた太陽電池モジュールについて説明する。
<封止材組成物>
本発明に用いられる封止材組成物は、密度が0.900以下の低密度ポリエチレンと、架橋剤と、を必須成分として含有する。以下、上記必須成分について説明した後、その他の樹脂、その他の成分について説明する。
[低密度ポリエチレン]
本発明においては密度が0.900以下の低密度ポリエチレン(LDPE)、好ましくは直鎖低密度ポリエチレン(LLDPE)を用いる。直鎖低密度ポリエチレンはエチレンとα−オレフィンとの共重合体であり、本発明においては、その密度が0.900g/cm以下の範囲内、好ましくは0.890g/cm以下の範囲内、より好ましくは0.870〜0.885g/cmの範囲である。この範囲であれば、シート加工性を維持しつつ良好な柔軟性と透明性を付与することができる。
本発明においてはメタロセン系直鎖低密度ポリエチレンを用いることが好ましい。メタロセン系直鎖低密度ポリエチレンは、シングルサイト触媒であるメタロセン触媒を用いて合成されるものである。このようなポリエチレンは、側鎖の分岐が少なく、コモノマーの分布が均一である。このため、分子量分布が狭く、上記のような超低密度にすることが可能であり封止材に対して柔軟性を付与できる。柔軟性が付与される結果、封止材と透明前面基板との密着性、封止材と裏面保護シートとの密着性等の封止材と基材との密着性が高まる。
また、結晶性分布が狭く、結晶サイズが揃っているので、結晶サイズの大きいものが存在しないばかりでなく、低密度であるために結晶性自体が低い。このため、シート状に加工した際の透明性に優れる。したがって、本発明の封止材組成物からなる封止材が透明前面基板と太陽電池素子との間に配置されても発電効率はほとんど低下しない。
直鎖低密度ポリエチレンのα−オレフィンとしては、好ましくは分枝を有しないα−オレフィンが好ましく使用され、これらの中でも、炭素数が6〜8のα−オレフィンである1−ヘキセン、1−ヘプテン又は1−オクテンが特に好ましく使用される。α−オレフィンの炭素数が6以上8以下であることにより、封止材に良好な柔軟性を付与することができるとともに良好な強度を付与することができる。その結果、封止材と基材との密着性が更に高まる。
低密度ポリエチレンのメルトマスフローレート(MFR)は、JIS−K6922−2により測定した190℃、荷重2.16kgにおけるMFR(本明細書においては、以下、この測定条件による測定値をMFRという。)が0.5g/10分以上40g/10分以下であることが好ましく、2g/10分以上40g/10分以下であることがより好ましい。
本発明の封止材は後に電離放射線で架橋される。このため、ベースとなる低密度ポリエチレンのMFRが高くても、後の架橋工程で流動性を抑制できる。このため、上記範囲のような高いMFRであっても好適に使用することができる。
本発明の封止材組成物には、更に、シラン変性ポリエチレン系樹脂を含有させてもよい。シラン変性ポリエチレン系樹脂は、主鎖となる直鎖低密度ポリエチレン(LLDPE)等に、エチレン性不飽和シラン化合物を側鎖としてグラフト重合してなるものである。このようなグラフト共重合体は、接着力に寄与するシラノール基の自由度が高くなるため、太陽電池モジュールにおける他の部材への封止材の接着性を向上することができる。
シラン変性ポリエチレン系樹脂は、例えば、特開2003−46105号公報に記載されている方法で製造でき、当該樹脂を太陽電池モジュールの封止材組成物の成分として使用することにより、強度、耐久性等に優れ、かつ、耐候性、耐熱性、耐水性、耐光性、耐風圧性、耐降雹性、その他の諸特性に優れ、更に、太陽電池モジュールを製造する加熱圧着等の製造条件に影響を受けることなく極めて優れた熱融着性を有し、安定的に、低コストで、種々の用途に適する太陽電池モジュールを製造し得る。
直鎖低密度ポリエチレンとグラフト重合させるエチレン性不飽和シラン化合物として、例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリプロポキシシラン、ビニルトリイソプロポキシシラン、ビニルトリブトキシシラン、ビニルトリペンチロキシシラン、ビニルトリフェノキシシラン、ビニルトリベンジルオキシシラン、ビニルトリメチレンジオキシシラン、ビニルトリエチレンジオキシシラン、ビニルプロピオニルオキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、ビニルトリカルボキシシランより選択される1種以上を使用することができる。
エチレン性不飽和シラン化合物の含量であるグラフト量は、後述するその他のポリエチレン系樹脂を含む封止材組成物中の全樹脂成分の合計100質量部に対して、例えば、0.001〜15質量%位、好ましくは、0.01〜5質量%位、特に好ましくは、0.05〜2質量%位となるように適宜調整すればよい。本発明において、エチレン性不飽和シラン化合物の含量が多い場合には、機械的強度及び耐熱性等に優れるが、含量が過度になると、引っ張り伸び及び熱融着性等に劣る傾向にある。
本発明の封止材組成物には、更に、無水マレイン酸変性に代表されるような酸変性ポリエチレン系樹脂を含有させてもよい。酸変性ポリエチレン系樹脂は、例えば、主鎖となる直鎖低密度ポリエチレン(LLDPE)等に、無水マレイン酸等を側鎖としてグラフト重合してなるものである。このようなグラフト重合体は、接着力に寄与する酸の部分の極性が高く、太陽電池モジュールにおける金属部材への封止材シートの接着性を向上することができる。
酸変性ポリエチレン系樹脂の密度は好ましくは密度が0.900g/cm以下であり、より好ましくは密度が0.890g/cm以下であり、特に好ましくは、密度が0.870g/cm以上である。これにより、ブロッキングを抑えつつ、耐熱性及び金属への接着性を良好とすることができる。
酸変性ポリエチレン系樹脂の含有量は、全樹脂成分中の15質量%以上40質量%以下であることが好ましい。かかる範囲とすることにより、ブロッキングや酸性ガスの発生が抑えられ、耐熱性及び金属への接着性を良好とすることができる。
上記の酸変性ポリエチレン系樹脂の具体例としては、例えば、無水マレイン酸変性樹脂等を挙げることができる。具体的には、アドマーSF731(三井化学(株)製,密度0.880g/cm)、アドマーSF730(三井化学(株)製,密度0.880g/cm)等を挙げることができる。
封止材組成物に含まれる上記の密度が0.900g/cm以下のポリエチレン系樹脂の含有量は、組成物中で好ましくは10質量%以上99質量%以下、より好ましくは50質量%以上99%質量以下であり、更に好ましくは90質量%以上99%質量以下である。即ち、本発明の効果を損なわない範囲内であれば他の樹脂を含んでいてもよい。これらは、例えば添加用樹脂として用いてもよく、後述のその他の成分をマスターバッチ化するために使用してもよい。
[架橋剤]
本発明における架橋剤の作用は定かでないが、まず、熱架橋でポリスチレン換算の重量平均分子量で12万以上30万以下程度まで高分子量化させることにより、オレフィンの結晶の核となる部分を減らす。オレフィンは、主鎖が折り重なっているところが結晶部分になりヘーズが上昇するため、適度に高分子量化すれば移動度が下がり結晶化しにくくなるものと推定されるからである。そして、その後のEB照射架橋によって結晶部分が若干架橋に取り込まれることで、更にヘーズが低下するものと推定される。このように、本発明においては、架橋剤による熱的な予備架橋と、後述する電離放射線による架橋処理とを併用することによって、耐熱性と透明性を両立することを初めて可能としたものであり、この点に本発明の新規な点がある。
架橋剤は公知のものが使用でき特に限定されず、例えば公知のラジカル重合開始剤を用いることができる。ラジカル重合開始剤としては、例えば、ジイソプロピルベンゼンヒドロパーオキサイド、2,5‐ジメチル‐2,5‐ジ(ヒドロパーオキシ)ヘキサン等のヒドロパーオキサイド類;ジ‐t‐ブチルパーオキサイド、t‐ブチルクミルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、2,5‐ジメチル‐2,5‐ジ(t‐ブチルパーオキシ)ヘキサン、2,5‐ジメチル‐2,5‐ジ(t‐パーオキシ)ヘキシン‐3等のジアルキルパーオキサイド類;ビス‐3,5,5‐トリメチルヘキサノイルパーオキサイド、オクタノイルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、o‐メチルベンゾイルパーオキサイド、2,4‐ジクロロベンゾイルパーオキサイド等のジアシルパーオキサイド類;t‐ブチルパーオキシアセテート、t‐ブチルパーオキシ‐2‐エチルヘキサノエート、t‐ブチルパーオキシピバレート、t‐ブチルパーオキシオクトエート、t‐ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、t‐ブチルパーオキシベンゾエート、ジ‐t‐ブチルパーオキシフタレート、2,5‐ジメチル‐2,5‐ジ(ベンゾイルパーオキシ)ヘキサン、2,5‐ジメチル‐2,5‐ジ(ベンゾイルパーオキシ)ヘキシン‐3、t‐ブチルパーオキシ−2−エチルヘキシルカーボネート等のパーオキシエステル類;メチルエチルケトンパーオキサイド、シクロヘキサノンパーオキサイド等のケトンパーオキサイド類等の有機過酸化物、又は、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビス(2,4‐ジメチルバレロニトリル)等のアゾ化合物、ジブチル錫ジアセテート、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジオクテート、ジオクチル錫ジラウレート、ジクミルパーオキサイド、といったシラノール縮合触媒等を挙げることができる。
架橋剤の含有量としては、封止材組成物中に0.02質量%以上0.5質量%未満であり、上限は好ましくは0.2質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。この範囲未満であると電子線の架橋では熱量が足りず結晶を溶解するに至らずヘーズが下がりにくい。また、この範囲を超えると、押し出し時の負荷が高くなり、成形中にゲルが発生する等して製膜性が低下し、透明性も低下する。
[架橋助剤]
本発明においては炭素−炭素二重結合及び/又はエポキシ基を有する多官能モノマーを架橋助剤として用いてもよい。より好ましくは、多官能モノマーの官能基がアリル基、(メタ)アクリレート基、ビニル基であるものが用いられる。これによって適度な架橋反応を促進させるとともに、本発明においてはこの架橋助剤が低密度ポリエチレンの結晶性を低下させ透明性を維持する。
具体的には、トリアリルイソシアヌレート(TAIC)、トリアリルシアヌレート、ジアリルフタレート、ジアリルフマレート、ジアリルマレエート等のポリアリル化合物、トリメチロールプロパントリメタクリレート(TMPT)、トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA)、エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、1,9−ノナンジオールジアクリレート等のポリ(メタ)アクリロキシ化合物、二重結合とエポキシ基を含むグリシジルメタクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレートグリシジルエーテル及びエポキシ基を2つ以上含有する1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル等のエポキシ系化合物を挙げることができる。これらは単独でもよく、2種以上を組み合わせてもよい。
上記のなかでも、低密度ポリエチレンに対する相溶性が良好で、架橋によって結晶性を低下させ透明性を維持し、低温での柔軟性を付与する観点からTAICが好ましく使用できる。また、1,6−ヘキサンジオールジアクリレートも好ましく使用することができる。
架橋助剤の含有量としては、組成物中に0.01質量%〜3質量%含まれることが好ましく、より好ましくは0.01質量部〜0.1質量部の範囲である。この範囲内であれば適度な架橋反応を電離放射線の照射前にあらかじめ促進させることができる。
[ラジカル吸収剤]
本発明においては、ラジカル重合開始剤となる上記の架橋助剤と、それをクエンチするラジカル吸収剤とを併用することにより、架橋の程度を調整してゲル分率を更に細かく調整することができる。このようなラジカル吸収剤としては、ヒンダードフェノール系等の酸化防止剤や、ヒンダードアミン系の耐候安定化等が例示できる。架橋温度付近でのラジカル吸収能力が高い、ヒンダードフェノール系のラジカル吸収剤が好ましい。ラジカル吸収剤の使用量は、組成物中に0.01質量%〜3質量%含まれることが好ましく、より好ましくは0.05質量部〜2.0質量部の範囲である。この範囲内であれば適度に架橋反応を抑制してゲル分率を調整できる。
[密着性向上剤]
封止材組成物に、密着性向上剤を添加してもよい。密着性向上剤としては、エポキシ系シランカップリング剤又はメルカプト系シランカップリング剤を好ましく用いることができる。
これらのシランカップリング剤の含有量は、封止材組成物中に0.1質量%以上10.0質量%以下であり、上限は好ましくは5.0質量%以下、以下である。この範囲未満であると太陽電池モジュールを構成する部材への密着性が好ましい範囲にまで向上しない。また、この範囲を超えると、製膜性が低下したり、また、シランカップリング剤が経時により凝集固化し封止材表面で粉化する、いわゆるブリードアウトが発生する場合があり好ましくない。
エポキシ系シランカップリング剤とは、一般式[R3−Si−R4(3−m)R5](mは1〜3の整数を表し、R3はエポキシ基を表し、R4はアルキル基を表し、R5はアルコキシ基を表す)で表されるものであり、例としては、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン等が挙げられる。これらは単独又は2種以上使用してもよい。なお、エポキシ系のシランカップリング剤は特に限定されず、公知のシランカップリング剤を好適に用いることができる。例えば、「KBM303」、「KBM−403」(いずれも「信越シリコーン株式会社」製)があり、市場から容易に入手できる。
メルカプト系シランカップリング剤とは、一般式[R1−Si(OR2)](R1はメルカプトアルキル基を、R2はアルキル基をそれぞれ表わす)で表されるものであり、例としては、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトメチルトリメトキシシラン及びγ−メルカプトエチルトリメトキシシラン等があげられる。なお、メルカプト系のシランカップリング剤は特に限定されず、公知のシランカップリング剤を好適に用いることができる。例えば、「KBM802」(信越シリコーン株式会社製)があり、市場から容易に入手できる。
上記のシランカップリング剤のうちでも、本発明の太陽電池モジュール用封止材組成物には、エポキシ系のシランカップリング剤を特に好ましく用いることができる。密着性向上材として、上記の通りの適量を添加するシランカップリング剤を、エポキシ系のシランカップリング剤に限定することによって、電離放射線の照射による銅密着性の低下を抑えて、太陽電池モジュールとしての使用時における銅密着性を好ましい範囲に維持することができる。
[その他の成分]
封止材組成物には、更にその他の成分を含有させることができる。例えば、本発明の封止材組成物から作製された封止材に耐候性を付与するための耐候性マスターバッチ、各種フィラー、光安定化剤、紫外線吸収剤、熱安定剤等の成分が例示される。これらの含有量は、その粒子形状、密度等により異なるものではあるが、それぞれ封止材組成物中に0.001〜5質量%の範囲内であることが好ましい。これらの添加剤を含むことにより、封止材組成物に対して、長期に亘って安定した機械強度や、黄変やひび割れ等の防止効果等を付与することができる。
耐候性マスターバッチとは、光安定化剤、紫外線吸収剤、熱安定剤及び上記の酸化防止剤等をポリエチレン等の樹脂に分散させたものであり、これを封止材組成物に添加することにより、封止材に良好な耐候性を付与することができる。耐候性マスターバッチは、適宜作製して使用してもよいし、市販品を使用してもよい。耐候性マスターバッチに使用される樹脂としては、本発明に用いる低密度ポリエチレンでもよく、上記のその他の樹脂であってもよい。
なお、これらの光安定化剤、紫外線吸収剤、熱安定剤及び酸化防止剤は、それぞれ1種単独でも2種以上を組み合わせて用いることもできる。
更に、本発明の封止材組成物に用いられる他の成分としては上記以外に、接着性向上剤、核剤、分散剤、レベリング剤、可塑剤、消泡剤、難燃剤等を挙げることができる。
<封止材シート>
本発明の封止材シートは、上記の封止材組成物を、その融点を超える温度で溶融成形するシート化工程によって予備封止材シートを得て、その後、電離放射線による架橋処理工程を経て、シート状又はフィルム状の本発明の太陽電池モジュール用の封止材シートとなる。なお、本発明におけるシート状とはフィルム状も含む意味であり両者に差はない。
[シート化工程]
上記封止材組成物の溶融成形は、通常の熱可塑性樹脂において通常用いられる成形法、即ち、射出成形、押出成形、中空成形、圧縮成形、回転成形等の各種成形法により行われる。
尚、この予備封止材シートにおけるゲル分率は2%未満であることが好ましい。この段階は熱と架橋剤による予備架橋段階であり、ここでの分子量増大により、後の架橋処理を経ても透明性を維持することができる。分子量は、ポリスチレン換算の重量平均分子量で12万以上30万以下である。
[架橋処理工程]
上記のシート化工程後の予備架橋封止材シートに対して、電離放射線による架橋処理を施す架橋処理工程を、シート化工程の終了後、かつ、封止材を他の部材と一体化する太陽電池モジュール一体化工程の開始前に行う。この架橋工程によってゲル分率が2%以上80%以下となる封止材とする。架橋処理はシート化工程に続いて連続的にインラインで行われてもよく、オフラインで行われてもよい。
架橋工程は、電子線(EB)、α線、β線、γ線、中性子線等の電離放射線によって行うがなかでも電子線を用いることが好ましい。電子線照射における加速電圧は、被照射体であるシート厚みによって決まり、厚いシートほど大きな加速電圧を必要とする。例えば、0.5mm厚みのシートでは100kV以上、好ましくは200kV以上で照射する。加速電圧がこれより低いと架橋が充分に行われない。照射線量は1〜100Mrad、好ましくは1〜30Mradの範囲である。照射線量が1Mradより小さいと充分な架橋が行われず、また50Mradを超えると発生する熱によるシートの変形や着色等が懸念されるようになる。なお、両面側から照射してもよい。また、照射は大気雰囲気下でもよく窒素雰囲気下であってもよい。
上記の架橋工程を経ることによって、封止材のゲル分率が2%以上80%以下となり、架橋済封止材となる。ゲル分率は2%以上80%以下であることが好ましく、30%以上80%以下であることが更に好ましい。ゲル分率が2%未満ではモジュール化工程前の架橋工程による流動抑制の効果が発現せず、真空加熱ラミネートにおいて封止材組成物が流動してしまい膜厚を一定に保つのが困難になる。ゲル分率が80%を超えると封止材組成物の流動性が低くなりすぎてモジュールの凹凸にうまく埋まらず封止材としての使用が困難になる。即ち、ゲル分率が上記範囲であれば、過度の流動を抑制しつつ、凹凸への封止性を良好に維持できる。尚、ゲル分率を30%以上とすることで、成形時の寸法安定性を極めて高いものとすることができる。なお、ゲル分率(%)とは、後述する実施例の方法で得られた値である。熱収縮率は45%以下が好ましく、30%以下がより好ましく、20%以下が最も好ましい。
又、本発明の封止材シートのヘーズ値は、厚さ400μmにおけるヘーズ値が4%以下、好ましくは3%以下である。上記のように、本発明においては、組成物として架橋剤を含有しており、これによって溶融成形の段階で熱架橋が予備的に行われており分子量が増大している。そして、この状態で更に電離放射線による架橋処理を行うことで、ポリエチレン系樹脂において耐熱性と透明性を両立させた点に本発明の優れた点がある。
なお、このようにして得られた本発明の封止材シートは架橋処理が施されているために、再度のアニール処理等は不要であり、このままモジュール化工程で使用できる。
ここで、ポリエチレン系の封止材シートの銅密着性については、上記の架橋工程を経ることによって、封止材シートとして好ましくない値にまで低下する場合がある。しかしながら、本発明の封止材シートは、エポキシ系のシランカップリング剤を封止材組成物に添加することによって、封止材シートの銅密着性が、太陽電池モジュールとしての一体化され最終製品として使用される段階において、実用上、好ましい範囲、即ち、少なくとも銅密着強度の値で10N/15mm以上にまで回復することを特長とするものである。尚、本明細書において、銅密着強度とは、下記の実施例に記載の方法で測定した太陽電池モジュール用封止材の銅に対する密着強度のことを言う。
<太陽電池モジュール>
図1は、本発明の封止材を用いた太陽電池モジュールについて、その層構成の一例を示す断面図である。本発明の太陽電池モジュール1は、入射光の受光面側から、透明前面基板2、前面封止材層31、太陽電池素子4、集電シート5、背面封止材層32、及び裏面保護シート6が順に積層されている。又、必要に応じて適宜この他の部材を積層してもよい。本発明の太陽電池モジュールは、前面封止材層31及び背面封止材層32の少なくとも一方に上記の封止材を使用する。
図2は太陽電池モジュール1を構成する集電シート5の態様を模式的に示した平面図である。集電シートとは、回路になる銅等の金属箔を基材であるPET等からなる樹脂シートの表面に積層させたものである。図2においては、集電シート5と、集電シート5の表面上に形成される銅配線51、及び銅配線51上に沿って適宜配置される太陽電池素子4の配置構成を示している。太陽電池モジュール1においては、前面封止材層31は集電シート5側の一面において、銅配線51と接している。よって前面封止材層31を構成する封止材シートには、銅に対する高い密着性を備えることが要求される。本発明の太陽電池モジュール用封止材組成物を用いた太陽電池モジュール用封止材シートは、エポキシ系のシランカップリング剤を含有することにより、好ましい耐熱性や透明性を備えつつ、更に充分な銅密着性をも備ええるものである。
[太陽電池モジュールの製造方法]
太陽電池モジュール1は、例えば、上記の透明前面基板2、前面封止材層31、太陽電池素子4、集電シート5、背面封止材層32、及び裏面保護シート6からなる部材を順次積層してから真空吸引等により一体化し、その後、ラミネーション法等の成形法により、上記の部材を一体成形体として加熱圧着成形して製造することができる。
尚、本発明の太陽電池モジュール1において、前面封止材層31及び背面封止材層32以外の部材である透明前面基板2、太陽電池素子4及び集電シート5及び裏面保護シート6は、従来公知の材料を特に制限なく使用することができる。また、本発明の太陽電池モジュール1は、上記部材以外の部材を含んでもよい。なお、本発明の封止材は単結晶型に限らず、薄膜型その他の全ての太陽電池モジュールに適用できる。
そして、本発明の封止材によれば、モジュール化前に既に架橋している架橋済封止材を用いることで、モジュール化における封止材の流動を抑制できる。また、モジュール化工程又はその後の加熱工程による架橋工程がないので、架橋条件を考慮する必要がなくなる分、モジュール化工程における真空加熱ラミネートの条件の自由度が高くなり、また、モジュール化工程の時間も短縮でき生産性も大幅に向上する。特にEVA系に比べて架橋速度が遅いというポリエチレン系封止材の問題点も解消でき、モジュール化の時間を大幅に短縮することができる。
又、本発明の太陽電池モジュール用封止材組成物に、銅密着性向上効果の高いエポキシ系のシランカップリング剤を添加した場合に、上記架橋工程において封止材シートの銅密着性が低下する場合であっても、太陽電池モジュールとして一体化された状態においては、太陽電池モジュール用封止材シートに求められる好ましい範囲にまで、銅密着強度が回復することを特長とする。これは、加熱圧着によるモジュール化の際に、加熱と加圧によって、封止材組成物に含有されるエポキシ系のシランカップリング剤が封止材と銅の界面へ移動し、銅との密着性を発現することによるものと推定される。
封止材シートの銅密着性を充分に回復させるための加熱加圧条件については、温度と時間と圧着圧力の条件の様々な組み合わせにより、実現できるが、例えば、加熱温度150〜160℃、加熱時間13分以上、圧力100kPaの範囲の組み合わせであればよく、最も好ましい加熱加圧条件の一例として、加熱温度155℃、加熱時間13分、圧力100kPAの組み合わせが挙げられる。
上記の加熱加圧条件は、太陽電池モジュールの製造工程において実施容易である一般的条件の範囲内にあるが、本発明の封止材シートは、密着性向上剤として添加するシランカップリング剤をエポキシ系に限定し、上記の加熱加圧条件による一体化の工程を経ることによって、太陽電池モジュールとしての一体化時における銅密着強度を10N/15mm以上という極めて好ましい密着強度とすることができる。
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
[試験例1]
本発明の封止材シートの、ガラス密着強度、ヘーズ値(JIS K7136)、150℃垂直ズリ試験、熱収縮率、全光線透過率、YI(黄色度)、ゲル分率、について測定するために、以下の通り、実施例、比較例の封止材シートを製造して各封止材シートの物性を測定した。
[実施例1及び比較例1]
まず、下記のマスターバッチ及びコンパウンドペレットを作成した。
シラン変性透明樹脂:密度0.881g/cmであり、190℃でのMFRが2g/10分であるメタロセン系直鎖状低密度ポリエチレン(M−LLDPE)98質量部に対して、ビニルトリメトキシシラン2質量部と、ラジカル発生剤(反応触媒)としてのジクミルパーオキサイド0.1質量部とを混合し、200℃で溶融、混練し、密度0.884g/cm、190℃でのMFRが1.8g/10分であるシラン変性透明樹脂を得た。
耐候性マスターバッチ:密度0.880g/cmのチーグラー直鎖状低密度ポリエチレンを粉砕したパウダー100質量部に対して、ベンゾフェノール系紫外線吸収剤3.8質量部とヒンダードアミン系光安定化剤5質量部と、リン系熱安定化剤0.5質量部とを混合して溶融、加工し、ペレット化したマスターバッチを得た。
架橋剤コンパウンド樹脂:密度0.880g/cm、190℃でのMFRが3.1g/10分のM−LLDPEペレット100質量部に対して、2,5‐ジメチル‐2,5‐ジ(t‐ブチルパーオキシ)ヘキサン0.1質量部を含浸させコンパウンドペレットを得た。
次に、上記のシラン変性透明樹脂20質量部、耐候性マスターバッチ5質量部、架橋剤コンパウンド樹脂1の80質量部を混合、溶融して封止材組成物とし、φ30mm押出し機、200mm幅のTダイスを有するフィルム成形機を用いて、押出し温度210℃、引き取り速度1.1m/minで厚さ400μmの予備封止材シートを作製した(比較例1)。
次に、上記予備封止材シートに対して電子線照射装置(岩崎電気株式会社製、製品名EC250/15/180L)を用い、加速電圧200kV、照射強度4.5Mradで両面照射して計10Mradを照射した(実施例1)。
[比較例2及び比較例3]
架橋剤コンパウンド樹脂を密度0.880g/cm、190℃でのMFRが3.1g/10分のメタロセン系直鎖状低密度ポリエチレンに代えた以外は実施例1と同様にして架橋剤を含有しない予備封止材シートを作製した(比較例3)。
次いで、比較例3の予備封止材シートに対して実施例1と同様の条件で電子線照射を行ない封止材シートを作製した(比較例2)。
[実施例2及び比較例4]
下記の組成の組成物を混合、溶融して封止材組成物とし、常法Tダイ法により厚さ400μmとなるように210℃で成膜して予備封止材シ−トを作製した(比較例4)。
エチレンと1−ヘキセンとの共重合体であり、密度0.88g/cm、190℃でのメルトマスフローレート(MFR)30g/10分であるメタロセン系直鎖状低密度ポリエチレンの100質量部。
架橋剤として、2,5‐ジメチル‐2,5‐ジ(t‐ブチルパーオキシ)ヘキサン0.1質量部。
架橋助剤として、1,6ヘキサンジオールジアクリレート(ダイセル・サイテック社製、商品名HDDA)の0.5質量部。
UV吸収剤として、チバ・ジャパン株式会社製、商品名CHIMASSORB81の0.25質量部。
耐候安定剤として、チバ・ジャパン株式会社製、商品名Tinuvin770の0.1質量部。
酸化防止剤として、チバ・ジャパン株式会社製、商品名Irganox1076の0.05質量部。
次いで、比較例4の予備封止材シートに対して実施例1と同様の条件で電子線照射を行ない封止材シートを作製した(実施例2)。
[比較例5及び比較例6]
シラン変性透明樹脂:密度0.898g/cmであり、190℃でのメルトマスフローレートが2g/10分であるメタロセン系直鎖状低密度ポリエチレン(以下、M−LLDPEと称する。)98質量部に対して、ビニルトリメトキシシラン2質量部と、ラジカル発生剤(反応触媒)としてのジクミルパーオキサイド0.1質量部とを混合し、200℃で溶融、混練し、シラン変性透明樹脂を得た。
耐候性マスターバッチ:密度0.920g/cmのチーグラー直鎖状低密度ポリエチレンを粉砕したパウダー100質量部に対して、ベンゾフェノール系紫外線吸収剤3.8質量部とヒンダードアミン系光安定化剤5質量部と、リン系熱安定化剤0.5質量部とを混合して溶融、加工し、ペレット化したマスターバッチを得た。
上記のシラン変性透明樹脂20質量部、耐候性マスターバッチ5質量部、添加用ポリエチレンとしての密度0.905g/cm3のメタロセン直鎖状低密度ポリエチレン80質量部とを混合して封止材組成物とし、φ150mm押出し機、1000mm幅のTダイスを有するフィルム成形機を用いて、押出し温度230℃、引き取り速度2.3m/minで厚さ400μmの予備封止材シートを作製した(比較例6)。
次いで、比較例6の予備封止材シートに対して実施例1と同様の条件で電子線照射を行ない封止材シートを作製した(比較例5)。
[実施例3及び比較例7]
まず、下記のマスターバッチ及びコンパウンドペレットを作成した。
耐候性マスターバッチ:密度0.880g/cmのチーグラー直鎖状低密度ポリエチレンを粉砕したパウダー100質量部に対して、ベンゾフェノール系紫外線吸収剤3.8質量部とヒンダードアミン系光安定化剤5質量部と、リン系熱安定化剤0.5質量部とを混合して溶融、加工し、ペレット化したマスターバッチを得た。
架橋剤コンパウンド樹脂:密度0.880g/cm、190℃でのMFRが3.1g/10分のM−LLDPEペレット100質量部に対して、2,5‐ジメチル‐2,5‐ジ(t‐ブチルパーオキシ)ヘキサン0.1質量部を含浸させコンパウンドペレットを得た。
次に、酸変性ポリエチレン樹脂(アドマーSF731(三井化学(株)製,密度0.880g/cm)25質量部、耐候性マスターバッチ5質量部、架橋剤コンパウンド樹脂1の75質量部を混合して封止材組成物とし、φ30mm押出し機、200mm幅のTダイスを有するフィルム成形機を用いて、押出し温度210℃、引き取り速度1.1m/minで厚さ400μmの予備封止材シートを作製した(比較例7)
次いで、比較例7の予備封止材シートに対して実施例1と同様の条件で電子線照射を行ない封止材シートを作製した(実施例3)。
<評価例1>
実施例及び比較例について、ガラス密着強度、ヘーズ値(JIS K7136)、150℃垂直ズリ試験、熱収縮率、全光線透過率、YI(黄色度)、ゲル分率、について測定した。その結果を表1に示す。なお、それぞれの試験条件は以下の通りである。
ガラス密着強度:15mm幅にカットした実施例及び比較例の封止材シートを、それぞれガラス基板(白板フロート半強化ガラス JPT3.2 75mm×50mm×3.2mm)上に密着させて150℃、18分で、真空加熱ラミネータで処理を行い、それぞれの実施例及び比較例について太陽電池モジュール評価用サンプルを得て、ガラス基板上に密着している封止材シートを、剥離試験機(テンシロン万能試験機 RTF−1150−H)にて垂直剥離(50mm/min)試験を行いガラス密着強度を測定した。
ゲル分率(%):封止材シート0.1gを樹脂メッシュに入れ、60℃トルエンにて4時間抽出したのち、樹脂メッシュごと取出し乾燥処理後秤量し、抽出前後の重量比較を行い残留不溶分の質量%を測定しこれをゲル分率とした。なお、ゲル分率の測定サンプルは、離型処理を施された厚さ50μmのPETフィルム(100mm×100mm)に封止材(50mm×50mm×厚さ約0.4から0.5mm)を挟み、熱ラミネーターにより、所定の温度と時間ラミネートしたものを用いた。
ズリ試験(mm):シボ加工を施した大判のガラス板に5×7.5cmに切り出した封止材を2枚重ね置き、その上から5×7.5のシボガラスを重ね置き、架橋処理を行なった。この後、大判ガラスを垂直に置き、150℃で12時間放置をする。放置後の5×7.5のシボガラスの移動距離を計測評価した。
ヘーズ(%):JISK7136に沿って、株式会社村上色彩研究所 ヘーズ・透過率系HM150にて測定した。
全光線透過率(%):JISK7361に沿って、株式会社村上色彩研究所 ヘーズ・透過率系HM150にて測定した。
黄色度(Yi):JISK7105に沿って、スガ試験機株式会社SMカラーコンピューターで計測した。
熱収縮率(%):150℃に加熱したタルクプレート上に、封止材シートにおける100mm×100mmの封止材フィルムの試験片を置き10分間静置した後の、加熱前後のMD方向の試験片側辺長さの収縮割合である熱収縮率が30%以下である。なお、MD方向とはシート化工程における吐出方向となる長手方向である。
Figure 2013042101
表1より、架橋剤を含有する実施例1から3においては、共に、電子線照射によって熱収縮率が45%以下になっており、ズリ試験の数値も大幅に低下しており、比較例に比べて耐熱性に優れる。更にヘーズ値は実施例1で3%以下、実施例2、実施例3でも4%以下であり、透明性にも優れ、耐熱性と透明性を両立したポリエチレン系封止材が得られていることが理解できる。
[試験例2]
本発明の封止材シートの一実施形態である、エポキシ系のシランカップリング剤を更に添加した場合における、150℃垂直ズリ試験、銅密着強度、ヘーズ値(JIS K7136)、ゲル分率、について測定するために、以下の通り、実施例、比較例及び参考例の封止材シートを製造して各封止材シートの物性を測定した。
[実施例4〜5、比較例8及び参考例1]
まず、下記のマスターバッチ及びコンパウンドペレットを作成した。
シラン変性透明樹脂:実施例1に用いたシラン変性透明樹脂を用いた。
耐候性マスターバッチ:実施例1に用いたマスターバッチを用いた。
架橋剤コンパウンド樹脂:実施例1に用いたマスターバッチを用いた。
シランカップリング剤マスターバッチ1:密度0.880g/cm、190℃でのMFRが3.1g/10分のM−LLDPEペレット98.5質量部に対して、エポキシ系のシランカップリング剤として、市販の「KBM−403」(「信越シリコーン株式会社」製)を1.5質量部含浸させたコンパウンドペレットをシランカップリング剤マスターバッチ(MB)1として用いた。
次に、上記のシラン変性透明樹脂20質量部、耐候性マスターバッチ5質量部、架橋剤コンパウンド樹脂1の80質量部、シランカップリング剤マスターバッチ1の 33質量部を混合して封止材組成物とし、φ30mm押出し機、200mm幅のTダイスを有するフィルム成形機を用いて、押出し温度210℃、引き取り速度1.1m/minで厚さ400μmの予備封止材シートを作製した(比較例8)。尚、このときのシランカップリング剤の封止材組成物中の含有量は、0.5質量%である。
次に、上記予備封止材シート(比較例8)に対して、実施例1と同様の条件で電子線照射を行ない封止材シートを作製した(実施例4〜5、参考例1)。
[参考例2]
シランカップリング剤マスターバッチ1を下記のシランカップリング剤マスターバッチ2に代えた以外は比較例1と同様にしてメルカプト系のシランカップリング剤を含有する予備封止材シートを作製し、この予備封止材シートに対して、実施例1と同様の条件で電子線照射を行ない封止材シートを作製した(参考例2)。
シランカップリング剤マスターバッチ2:エポキシ系のシランカップリング剤をメルカプト系のシランカップリング剤として、市販の「KBM−802」(「信越シリコーン株式会社」製)を用いた他は、シランカップリング剤マスターバッチ1と同じ組成のものをシランカップリング剤マスターバッチ(MB)2として用いた。
[参考例3]
シランカップリング剤マスターバッチ1を下記のシランカップリング剤マスターバッチ3に代えた以外は比較例1と同様にしてアミノ系のシランカップリング剤を含有する予備封止材シートを作製し、この予備封止材シートに対して、実施例1と同様の条件で電子線照射を行ない封止材シートを作製した(参考例3)。
シランカップリング剤マスターバッチ3:エポキシ系のシランカップリング剤をアミノ系のシランカップリング剤として、市販の「KBM−903」(「信越シリコーン株式会社」製)を用いた他は、シランカップリング剤マスターバッチ1と同じ組成のものをシランカップリング剤マスターバッチ(MB)3として用いた。
[比較例9及び参考例4〜6]
比較例1の予備封止材シートを予備封止材シートとした(比較例9)。
次に、上記予備封止材シート(比較例9)に対して、実施例1と同様の条件で電子線照射を行ない封止材シートを作製した(参考例4〜6)。
<評価例2>
上記の方法で製造した実施例、比較例及び参考例の各封止材シートについて、銅密着性、耐熱性、透明性(曇度)の値を以下の試験方法によって評価した。その結果を表2に示す。
銅密着強度:15mm幅にカットした実施例、比較例及び参考例の封止材シートを、それぞれ銅板(75mm×50mm×0.05mm)上に密着させて、それぞれ表2に示す下記の加熱加圧条件1〜3の条件で、真空加熱ラミネータ処理を行い、それぞれの実施例、比較例及び参考例について太陽電池モジュール評価用サンプルを得て、ガラス基板上に密着している封止材シートを、剥離試験機(テンシロン万能試験機 RTF−1150−H)にて垂直剥離(50mm/min)試験を行い銅密着強度を測定した。
加熱加圧条件1:真空加熱ラミネータ処理(低):150℃、10分
加熱加圧条件2:真空加熱ラミネータ処理(中):150℃、13.5分
加熱加圧条件3:真空加熱ラミネータ処理(高):155℃、13.5分
それぞれの、条件を表2中において、単に低、中、高と示す。
ズリ試験(mm):シボ加工を施した大判のガラス板に5×7.5cmに切り出した試験例、比較例、及び参考例の封止材シートを2枚重ね置き、その上から5×7.5のシボガラスを重ね置き、架橋処理を行なった。この後、大判ガラスを垂直に置き、それぞれ表2に示す上記の加熱加圧条件1〜3の条件で、真空加熱ラミネータ処理を行い、それぞれの実施例及び比較例について太陽電池モジュール評価用サンプルを得て、それぞれの太陽電池モジュール評価用サンプルを垂直に立てた状態で130℃のオーブン中で12時間放置し、放置後の5×7.5のシボガラスの移動距離を各封止材シートのズリ応力として測定した。
ヘーズ(%):試験例1と同様に、JISK7136に沿って、株式会社村上色彩研究所 ヘーズ・透過率系HM150にて測定した。
Figure 2013042101
表2より、実施例の封止材シートは、いずれも、耐熱性、透明性に優れるものであるが、太陽電池モジュールの一体化工程における条件設定として、一例として、上記表2の条件(中)或いは(高)と言った条件下での加熱加圧処理を経ることにより、銅に対しての密着性においても、十分に好ましい物性を備えるものとなることが理解できる。尚、参考例1に示されている通り、例えば、加圧加熱条件が、(低)の場合には、銅密着性の充分な回復は見られないが、この場合であっても、封止材シートの、銅密着性以外のその他の物性については良好であり、加圧加熱条件を表2の(中)或いは(高)の条件に調整することは、一般的な太陽電池モジュールの製造工程において容易に調整可能な範囲である。
又、参考例2或いは3に示されている通り、例えば、シランカップリング剤がエポキシ系以外のものである場合でも、封止材シートの銅密着性以外のその他の物性については良好であるが、シランカップリング剤をエポキシ系に限定することによって銅密着性を改善し、さらに好ましい封止材シートとすることができることが理解できる。
1 太陽電池モジュール
2 ガラス基板
31 前面封止材層
32 背面封止剤層
4 太陽電池素子
5 集電シート
51 銅配線
6 裏面保護シート

Claims (11)

  1. 密度0.900g/cm以下の低密度ポリエチレンと、組成物中に0.02質量%以上0.5質量%未満含有する架橋剤と、を含有する封止材組成物を溶融成形した後に、電離放射線を照射して架橋処理して得られ、
    前記架橋処理後の封止材シートのゲル分率が2%以上80%以下であり、かつ、厚さ400μmにおけるヘーズ値が4%以下である太陽電池モジュール用の封止材シートの製造方法。
  2. 前記溶融成形した後で前記架橋処理前のゲル分率が2%未満である請求項1に記載の封止材シートの製造方法。
  3. 前記封止材組成物が、更に、シラン変性ポリエチレン樹脂を含有する請求項1又は2に記載の封止材シートの製造方法。
  4. 前記封止材組成物が、更に、酸変性ポリエチレン樹脂を含有する請求項1から3のいずれかに記載の封止材シートの製造方法。
  5. 前記封止剤組成物が、更に、炭素−炭素二重結合及び/又はエポキシ基を有する多官能モノマーである架橋助剤を含有する請求項1から4のいずれかに記載の封止材シートの製造方法。
  6. 前記封止材組成物が、更にエポキシ系及び/又はメルカプト系のシランカップリング剤を含有する請求項1から5のいずれかに記載の封止材シートの製造方法。
  7. 前記封止材組成物に含有されるシランカップリング剤が、エポキシ系のシランカップリング剤である請求項1から6のいずれかに記載の封止材シートの製造方法。
  8. 密度0.900g/cm以下の低密度ポリエチレンを含有し、
    電離放射線の照射により架橋処理されており、
    ゲル分率が2%以上80%以下であり、かつ、厚さ400μmにおけるヘーズ値が4%以下である太陽電池モジュール用の封止材シート。
  9. 請求項8に記載の封止材シートであって、
    更に、エポキシ系のシランカップリング剤を含有する、太陽電池モジュール用の封止材シート。
  10. 請求項9に記載の封止材シートを用いた太陽電池モジュールであって、
    前記封止材シートが、銅配線及び/又は銅電極と直接接した状態で積層されている太陽電池モジュール。
  11. 請求項10に記載の太陽電池モジュールであって、
    前記封止材シートの下記の銅密性試験によって測定した銅密着強度が、10N/15mm以上である太陽電池モジュール。
    銅密着性試験:15mm幅にカットした封止材シート試料を、銅板銅板(75mm×50mm×0.05mm)上に密着させて150℃、18分で、真空加熱ラミネータで処理を行い、銅板上に密着している封止材シート試料を、剥離試験機(テンシロン万能試験機 RTF−1150−H)にて垂直剥離(50mm/min)試験を行い密着強度を測定する。
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