JP2013201223A - 太陽電池用カバーガラス - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池モジュールを軽量化し得る太陽電池用カバーガラスを提供する。
【解決手段】厚さが０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ未満であって、直径が２μｍ以上５０μｍ以下の凹部を表面に有し、この凹部の表面は凹曲面であり、ヘイズ率が１０％以上であって、全光線透過率が８５％以上であり、化学強化された、太陽電池用カバーガラス、とする。このカバーガラスは、例えば、厚さおよび組成が同一であって表面および裏面がともに平坦であるガラス板の全光線透過率と比較して、０．３％以上高い全光線透過率を有するものとなる。
【選択図】図４

Description

本発明は太陽電池用カバーガラスに関する。

化石燃料の枯渇や二酸化炭素の増加などの地球環境問題からクリーンなエネルギーの供給源が求められている。特に、太陽電池を用いた太陽光発電は新しいエネルギー供給源として期待されている。

結晶系太陽電池モジュールのカバーガラスとしては型板ガラスが用いられている。型板ガラスの表面に付与された凹凸は太陽光の反射による眩しさを防ぐ役割を果たす。特許文献１に開示されているカバーガラスは、太陽電池へと入射する光を増加させるために、型板ガラスの表面の凹凸形状に改善が施されている。

特許文献２には、型板ガラスの表面にシリカ微粒子を配置した太陽電池用カバーガラスが開示されている。シリカ微粒子は型板ガラスの表面に微細な凹凸を付与し、この微細な凹凸が反射抑制膜として機能してカバーガラスの透過率を向上させる。

特開２００３−２４３６８９号公報 国際公開第２０１１／０７０７１４号

特許文献１および２に開示されているように、太陽電池用カバーガラスについては防眩特性および光線透過率が重視されている。さらに近年では、太陽電池モジュールの軽量化のために薄いカバーガラスが求められるようになってきている。しかし、これまでカバーガラスとして用いられてきた型板ガラスの製造方法であるロールアウト法は、薄いガラス板の量産には適していない。具体的には、ロールアウト法により厚さ２ｍｍ未満の型板ガラスを製造することは困難である。

そこで、本発明は、太陽電池モジュールの軽量化に適した太陽電池用カバーガラスを提供することを目的とする。

本発明は、
厚さが０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ未満であって、
直径が２μｍ以上５０μｍ以下の凹部を表面に有し、前記凹部の表面は凹曲面であり、
ヘイズ率が１０％以上であって、
全光線透過率が８５％以上であり、
化学強化された、
太陽電池用カバーガラス、を提供する。
ここで、前記直径は、光学顕微鏡を用いて倍率４００倍で表面を観察し、カバーガラス表面の０．１７ｍｍ×０．１４ｍｍの領域に相当する視野内に存在する凹部から任意に３０個を選択し、個々の凹部について直径を測定してその平均値を求めて定める。

本発明によれば、防眩特性および反射抑制特性を有し、さらに太陽電池モジュールの軽量化に適した太陽電池用カバーガラスを得ることができる。

本発明の一形態による太陽電池用カバーガラスの表面を光学顕微鏡で観察した状態を示す図であり、図１（ａ）〜（ｇ）は順に、エッチング処理時間を０分（エッチング処理前）、０．５分、１分、２分、３分、５分、１０分の状態を示している。 本発明の別の一形態による太陽電池用カバーガラスの表面を光学顕微鏡で観察した状態を示す図であり、図２（ａ）〜（ｇ）は順に、エッチング処理時間を０分（エッチング処理前）、０．５分、１分、２分、３分、５分、１０分の状態を示している。 本発明の一形態による太陽電池用カバーガラスの表面の凹部を走査型電子顕微鏡で観察した状態を示す図である。 本発明のまた別の一形態による太陽電池用カバーガラスの表面の凹部を走査型電子顕微鏡で観察した状態を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について説明する。

本実施形態のカバーガラスの厚さは、軽量化のために、０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ未満の範囲に設定される。カバーガラスの厚さは、０．５ｍｍ以上であってよく、また１．８ｍｍ以下、さらには１．５ｍｍ以下、特に１．３ｍｍ以下が望ましい。

上記の厚さを有するガラス板は、フロート法、ダウンドロー法などにより製造することができる。液晶ディスプレイ用基板などとしての需要に応えるべく、上記程度の厚さを有するガラス板の製造技術は既に確立されている。

ガラス板の組成に特に制限はなく、ソーダライムガラス、アルミノシリケートガラス、アルミノボロシリケートガラスなどと呼ばれる各種組成を適用すればよい。鉄分の含有量を低く抑えたソーダライムガラスは、光の吸収率が低く、太陽電池用カバーガラスとしての使用が好ましい組成の一つである。

なお、後述する化学強化処理を実施するために、使用するガラス板は、アルカリ金属酸化物を含有するガラス組成物により構成するとよい。化学強化処理は、ガラス板に含まれるイオン半径が相対的に小さいアルカリ金属イオンと、ガラス板に接する相（典型的には溶融塩）に含まれるイオン半径が相対的に大きいアルカリ金属イオンとのイオン交換により実施される。ガラス板が含むべきアルカリ金属イオンは、リチウムイオンおよびナトリウムイオンであり、リチウムイオンはナトリウムイオンまたはカリウムイオンと、ナトリウムイオンはカリウムイオンと交換される。

化学強化処理を実施するためには、ガラス板は、酸化リチウムおよび酸化ナトリウムを合計で１０質量％以上、さらには１５質量％以上含有することが望ましい。酸化リチウムおよび酸化ナトリウムの合計含有率の上限は、特に制限されないが、例えば２０質量％以下である。酸化リチウムと比較して酸化ナトリウムは安価であるため、その含有率は１０質量％以上、さらには１５質量％以上、例えば１０〜１８質量％とするとよい。

本実施形態のカバーガラスの表面には、直径が２μｍ以上５０μｍ以下の凹部が形成されている。直径は、カバーガラスの表面に現れた凹部の輪郭に基づいて定めることができる。直径は、具体的には上述の方法により定められるが、この際、個々の凹部の直径は凹部の最大直径と最小直径との平均値により定められる。凹部の直径は、例えば３μｍ以上であり、さらには４μｍ以上であり、３０μｍ以下であってもよい。適切な凹部の直径としては４．５μｍ以上２５μｍ以下を例示できる。なお、表面の凹部による透過率ゲインを確実に得たい場合には、凹部の直径を４μｍ以上２３μｍ以下とするとよい。

本実施形態のカバーガラスの表面の面積の２０％以上、さらには３０％以上、特に５０％以上、場合によっては全面に凹部が形成されている。ここで、表面の面積とは一方の主面の面積を指す。言い換えると、上記比率は凹部が形成されている表面のみに着目して算出する。また、表面の面積はカバーガラスの表面を平坦とみなしたときの面積を意味する。凹部が形成されていない領域は、後述するエッチング処理を受けて後退しているものの、実質的には平坦である。本実施形態のカバーガラスは、一方の表面に凹部が形成され、この表面に対向する他方の表面（裏面）は実質的に平坦である。この裏面は、エッチング処理を受けて後退し、かつ化学強化処理を受けた表面である。

凹部の表面、すなわちカバーガラスの後退面は凹曲面である。表面が凹曲面である凹部は、後述するサンドブラスト処理およびエッチング処理により形成することができる。本実施形態のカバーガラスの凹曲面は、その全体が凹状に滑らかに湾曲した、例えるならば椀（bowl）状の曲面である。凹曲面は平滑な面により構成されている。

本実施形態のカバーガラスは、１０％以上、さらには２０％以上、特に２５％以上、場合によっては５０％以上のヘイズ率を有しうる。１０％以上のヘイズ率を有するカバーガラスは十分な防眩特性を有するものとなる。ヘイズ率の上限は特に制限されないが、例えば９０％以下である。

本実施形態のカバーガラスは、厚さおよび組成が同一であって表面および裏面がともに平坦であるガラス板の全光線透過率と比較して、０．３％以上、さらには０．４％以上、場合によっては０．６％以上高い全光線透過率を有する。ここで、組成の同一については、化学強化処理に伴うイオン交換による影響を考慮に入れないものとする。すなわち、ここでいう組成の同一は、化学強化後のガラスに関してはイオン交換の影響を受けていない内部組成を対象として判断する。

本実施形態のカバーガラスは、８５％以上の全光線透過率を有し、８７％以上、さらには８８％以上、特に８９．５％以上、場合によっては８９．６％以上の全光線透過率を有しうる。本明細書に規定する全光線透過率は、積分球方式分光光度計を用い、試料を積分球の光入射用開口部に密着して固定した状態で波長範囲３８０ｎｍ〜１１００ｎｍにおける透過率測定を行い、得られた透過率値を平均することにより定まる数値を指す。

本実施形態のカバーガラスは、化学強化されており、イオン交換により導入された表面の圧縮応力によって向上した強度を有する。上述したとおり、化学強化は、典型的にはガラス表面へのカリウムイオンの導入により実施される。

本実施形態のカバーガラスは、例えば、表面および裏面がともに平坦であって上述した範囲の厚さを有するガラス板を、サンドブラスト処理し、エッチング処理し、さらに化学強化処理することにより、得ることができる。

厚さが上述した範囲の薄いガラス板は、上述したとおり、フロート法、ダウンドロー法などにより製造することができる。これらの製法により得られるガラス板の表面および裏面はともに平坦である。本実施形態では、平坦な表面への凹部の形成をサンドブラスト処理およびエッチング処理により実施する。

平坦な表面に凹凸を付与する方法としては種々の手法が知られている。しかし、これまでのところ、発明者が知る限り、平坦な表面に凹凸を付与することによって防眩特性および光線透過率の双方に優れた太陽電池用カバーガラスを製造したという報告はない。特許文献２に開示されているように、太陽電池用カバーガラスの分野において、平坦なガラス板の表面に凹凸を付与する代表的な方法はシリカ微粒子の供給による凸部の形成である。しかし、この方法では、形成できる凸部の大きさに制限があるため、カバーガラスに求められる程度の防眩性を実現することは難しい。このため、特許文献２に開示されているように、カバーガラスに適した表面状態を実現するために、型板ガラス自体の表面の大きな凹凸により防眩特性を付与しながらシリカ微粒子による小さな凹凸により反射防止特性を付与する手法が用いられてきた。

サンドブラスト処理およびエッチング処理を適用する手法は、薄いガラス板に対しては形成できる凹部の大きさに限りがある。この手法により形成する凹部が大きくなるにつれてガラス板がより深く削れていくためである。確かに、板厚を考慮することなく大き過ぎる凹部を形成するとガラス板は破損する。しかし、本発明者の検討により、太陽電池用カバーガラスに求められている防眩特性および高い光線透過率の両立を実現できる程度の凹部を薄いガラス板の表面に形成することが可能であることが見出された。ガラス板の強度の低下は化学強化処理により補うことができる。

サンドブラスト処理は、研磨材をガラス板に吹きつけることによって実施される。研磨材は、ガラス板の表面に微細な凹部を形成できるものであれば特段の制限はなく、例えばアルミナ系研磨材を使用することができる。アルミナ系研磨材は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とする研磨材であり、より具体的にはアランダム、ホワイトアランダムなどと呼ばれる研磨材である。ここで、主成分とは含有量が最も多い成分を指す。

研磨材の噴射圧力は、例えば０．２ＭＰａ〜０．７ＭＰａ、さらには０．３ＭＰａ〜０．５ＭＰａが適切である。研磨材を噴射するノズルとガラス板の表面との間の距離（ノズル−ガラス間距離）は、例えば７０ｍｍ〜３００ｍｍ、さらには１００ｍｍ〜２５０ｍｍが適切である。噴射圧力を高くするほど、またノズル−ガラス間距離を狭くするほど、形成される凹部は大きくなる傾向を示す。研磨材の単位時間当たり噴射量および噴射時間は、処理するべき面積、装置の仕様などを考慮して適宜設定するとよい。

サンドブラスト処理の後、ガラス板にはエッチング処理が適用される。エッチング処理は、ガラス板の表面をエッチング液（エッチャント）に接触させて実施される。エッチャング液としては、例えばフッ化水素酸（フッ酸）含有エッチャントを用いるとよい。エッチング液における好ましいフッ酸の濃度は１〜２０質量％である。エッチング液には、硫酸、硝酸に代表される強酸を添加してもよい。これらの強酸は、エッチングにより形成されたフッ化物塩がガラス板のエッチングを阻害することを抑制する役割を担う。

エッチング液の温度は、常温よりもやや高い温度、例えば２８℃以上、さらには３０〜４０℃の範囲とするとよい。エッチング処理を長く適用すると、それにつれて凹部は大きく深く成長していく。エッチング処理を適用する時間は、サンドブラスト処理の条件、あるいはエッチャントの温度などエッチング処理の条件にもよるが、例えば０．２５分〜３０分、特に０．５分〜１０分が適切である。

エッチング処理の後、ガラス板には化学強化処理が施される。化学強化処理は、例えばガラス板に含まれているアルカリ金属酸化物を構成するアルカリ金属イオンよりもイオン半径が大きいアルカリ金属イオンを含む溶融塩にガラス板を浸漬することにより、実施できる。好ましい溶融塩は、硝酸塩、例えば硝酸カリウム塩である。

化学強化処理の際、溶融塩の温度は、例えば３８０〜４８０℃に保持するとよい。溶融塩にガラス板を浸漬する時間は、溶融塩の温度にもよるが、例えば１５分〜２４時間である。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例により制限されるものではない。

ガラス板として、フロート法により製造した厚さ１．１ｍｍのソーダライムガラスを準備した。このガラス板は、酸化ナトリウムを約１５質量％含有するガラス組成物により構成され、その両面が平坦である。ガラス板の大きさは縦横それぞれ３７０および４７０ｍｍとした。このガラス板のヘイズ率は０．０％、全光線透過率は８９．０％であった。

ガラス板を表１に示す条件でサンドブラスト処理した。研磨材は理研コランダム社製ＷＡ♯１０００を用いた。

次いで、エッチング処理を実施した。エッチング液としては、１５質量％のフッ化水素および５質量％の硫酸を含む水溶液（エッチング液１）およびエッチング液１を純水で２倍に希釈した（エッチング液２）を準備し、これらのいずれかを用いた。エッチング処理は、３０℃に保持したエッチング液にガラス板を所定時間浸漬させることにより行った。所定時間は、０分（エッチング省略）、０．５分、１分、２分、３分、５分、１０分のいずれかとした。

エッチング液１、２について、適用した条件における上記ガラス板の板厚減少速度を測定したところ、それぞれ６．４μｍ／分、３．０μｍ／分であった。エッチング液の組成およびエッチングレートを表２に示しておく。

引き続き、化学強化処理を実施した。溶融塩としては、硝酸カリウム溶融塩を準備した。化学強化処理は、４５０℃に保持した溶融塩に３０分浸漬することにより行った。

化学強化後の各ガラス板についてヘイズ率および全光線透過率を測定した。また、光学顕微鏡を用いて倍率４００倍で表面を観察し、凹部の直径を測定した。直径は、視野（ガラス板表面の０．１７ｍｍ×０．１４ｍｍに相当する領域）内に存在する凹部から任意に３０個を選択し、個々の凹部について直径を測定してその平均値を求めて定めた。なお、個々の凹部の直径は、最大径と最小径の平均値により定めた。また、形成された凹部が小さい場合は、表面を撮影した写真を拡大して直径を測定した。ただし、１つの視野内に３０個の凹部が存在しない場合には複数の領域を観察した。上記領域の広さと凹部の測定個数から考えて、この測定による平均値を凹部の直径とみなすことは妥当である。測定の結果を表３〜表５に示す。

図１に条件Ａ−１を適用して得たカバーガラスの光学顕微鏡写真を示す。また、図２に条件Ｄ−２を適用して得たカバーガラスの光学顕微鏡写真を示す。また、図３に、条件Ｄ−２を適用し、エッチング時間を０．５分として得たカバーガラスの走査型電子顕微鏡写真を示す。また、図４に、条件Ａ−１を適用し、エッチング時間を１分として得たカバーガラスの走査型電子顕微鏡写真を示す。

ランベルト−ベールの法則を用いた計算によると、条件１により１０分間エッチングした後の厚さ（０．９７２ｍｍ）を有するガラス板の理論上の全光線透過率は８９．３％となる。条件２は条件１よりもエッチングレートが低く、最長のエッチング時間が１０分間であることを考慮すると、上記実施例に示したガラス板と同一の厚さおよび組成を有し、表面および裏面がともに平坦であるガラス板の全光線透過率が８９．３％を上回ることはない。上記実施例に示したガラス板の全光線透過率は、その表面に形成された凹部によって上昇している。

上述の計算によると、条件Ａ−１を適用し、エッチング時間を１０分間として得たカバーガラスにおける凹部による全光線透過率の上昇は０．４％となる。同様にして、凹部による全光線透過率の上昇幅を計算すると、実施例のすべてのサンプルにおいて、表面に形成された凹部による全光線透過率の上昇幅は０．４％以上となっていた。

Claims (6)

1. 厚さが０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ未満であって、
   直径が２μｍ以上５０μｍ以下の凹部を表面に有し、前記凹部の表面は凹曲面であり、
   ヘイズ率が１０％以上であって、
   全光線透過率が８５％以上であり、
   化学強化された、
   太陽電池用カバーガラス。
   ここで、前記直径は、光学顕微鏡を用いて倍率４００倍で表面を観察し、カバーガラス表面の０．１７ｍｍ×０．１４ｍｍの領域に相当する視野内に存在する凹部から任意に３０個を選択し、個々の凹部について直径を測定してその平均値を求めて定める。
2. 前記凹部の直径が３μｍ以上３０μｍ以下である請求項１に記載のカバーガラス。
3. 前記凹部の直径が４μｍ以上２３μｍ以下である請求項２に記載のカバーガラス。
4. 厚さおよび組成が同一であって表面および裏面がともに平坦であるガラス板の全光線透過率と比較して、０．３％以上高い全光線透過率を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のカバーガラス。
5. ヘイズ率が２０％以上である請求項１〜４のいずれかに記載のカバーガラス。
6. 一方の表面に前記凹部が形成され、他方の表面は実質的に平坦であり、
   前記一方の表面の面積の２０％以上に前記凹部が形成された、請求項１〜５のいずれかに記載のカバーガラス。