JP2014039002A - 樹脂基板太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】軽量太陽電池モジュールにおいて、割れなどの破損を防止する。
【解決手段】複数の太陽電池１０２と、隣り合う太陽電池１０２の間に配置された支柱１０４と、２枚の透明樹脂基板１０１とを含み、２枚の透明樹脂基板１０１の間には、複数の太陽電池１０２及び支柱１０４が配置され、２枚の透明樹脂基板１０１の間の空隙部には、透明充填樹脂１０６が充填され、２枚の透明樹脂基板１０１の外周部は、透明樹脂基板１０１と同一の繰り返し単位を有する樹脂で溶着されている樹脂基板太陽電池モジュール１００を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂基板を用いた太陽電池モジュールに関する。

自然エネルギーの導入が急速に加速する中、太陽電池モジュールの軽量化をはじめとする機能付与は重要性を増している。

太陽電池モジュールの重量の約５０％は、カバーガラスが占めており、太陽電池モジュールの軽量化はカバーガラスの軽量化が重要である。このような要求に対して、従来のガラス材料に代えてポリカーボネートをはじめとする透明樹脂基板を用いることが望ましく、透明充填樹脂としてＥＶＡ（エチレン・酢酸ビニル共重合体）にカップリング剤を添加したものやオレフィン共重合体などが用いられていた。

特許文献１には、耐候層と、発電部材と、ポリカーボネート基材とがこの順に積層され、発電部材とポリカーボネート基材との間に熱可塑性樹脂が積層されている太陽電池モジュールが開示されている。

特許文献２には、封止樹脂層、太陽電池素子、封止樹脂層、バックシートをこの順に積層した太陽電池モジュールが開示されている。

特開２０１２−９９６１３号公報 特開２０１２−４９４６７号公報

ポリカーボネートをはじめとする軽量樹脂基板を用いた太陽電池モジュールにおいては、透明樹脂基板とシリコンウェハとの線熱膨張係数差の影響で、モジュールの反りや、充填樹脂と透明樹脂基板又はシリコンウェハとが剥離する現象が発生する。これらの不具合を緩和するため、透明充填樹脂としてヤング率の小さいシリコーン樹脂が用いられている。これにより、透明樹脂基板とシリコンウェハとの線熱膨張係数差から生じる応力集中を低減することができる。

しかしながら、シリコーン樹脂をはじめとするヤング率の小さい透明充填樹脂は、体積熱膨張率が１％以上であり、晴天時に太陽電池モジュールが高温度になると、シリコーン樹脂の膨張に伴い、モジュールの反りや封止箇所の応力集中が発生する。

本発明は、樹脂基板を用いた太陽電池モジュールにおいて、シリコーン樹脂等の透明充填樹脂の膨張に伴うモジュールの反りや封止箇所の応力集中を防止することを目的とする。

本発明の樹脂基板太陽電池モジュールは、複数の太陽電池と、隣り合う太陽電池の間に配置された支柱と、２枚の透明樹脂基板とを含み、２枚の透明樹脂基板の間には、複数の太陽電池及び支柱が配置され、２枚の透明樹脂基板の間の空隙部には、透明充填樹脂が充填され、２枚の透明樹脂基板の外周部は、透明樹脂基板と同一の繰り返し単位を有する樹脂で溶着されていることを特徴とする。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、太陽電池は、結晶シリコンで形成されていることが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、透明樹脂基板は、ポリカーボネートで形成されていることが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、透明充填樹脂は、シリコーン樹脂で形成されていることが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、支柱は、ポリカーボネートで形成されていることが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、２枚の透明樹脂基板の外周部の溶着は、レーザー溶着もしくは赤外線熱溶着によって行うことが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、２枚の透明樹脂基板の外周部は、封止樹脂を充填したフレームで固定されていることが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、太陽電池は、両面受光型であることが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、空隙部の一部には、樹脂流入部が設けられていることが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、樹脂流入部の内壁には、被覆膜が設けられていることが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、樹脂流入部は、透明樹脂基板と同一の繰り返し単位を有する樹脂で仕切られた空間であり、該樹脂の一部には、透明充填樹脂が流通可能な開口部が設けられていることが望ましい。

前記樹脂基板太陽電池モジュールにおいて、被覆膜の水蒸気透過率は、１００ｇ／（ｍ^２・ｄａｙ）以下であることが望ましい。

本発明によれば、透明樹脂基板と結晶シリコンウェハとの熱膨張差による応力を透明充填樹脂で吸収することが可能であり、２枚の透明樹脂基板の間に支柱を設けることによって風圧や降雹から結晶シリコンウェハを守ることができる。

また、本発明によれば、軽量樹脂基板を用いた太陽電池モジュールにヤング率の小さい透明充填樹脂を用いているにもかかわらず、透明充填樹脂の熱膨張によるモジュールの膨張や接着部分の応力集中を克服することができる。

実施例の樹脂基板太陽電池モジュールを示す概略正面図である。 実施例の樹脂基板太陽電池モジュールを示す部分断面図である。 実施例の結晶シリコン太陽電池の配線構造を示す概略側面図である。 実施例の樹脂基板太陽電池モジュールの製造工程を示すフローチャートである。 他の実施例の樹脂基板太陽電池モジュールを示す概略正面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る樹脂基板太陽電池モジュールについて図面を用いて説明する。

図１は、軽量樹脂基板を用いた太陽電池モジュール（樹脂基板太陽電池モジュール）の模式図である。図１は、本発明の一例であって、図１の模式図によって構造が何ら制限されるものではない。

本図において、樹脂基板太陽電池モジュール１００は、２枚の透明樹脂基板１０１の間に複数の結晶シリコン太陽電池１０２と、支柱１０４とを挟み込んだ構成を有する。隣り合う結晶シリコン太陽電池１０２の間に支柱１０４を配置し、透明樹脂基板１０１が変形しないようにしてある。２枚の透明樹脂基板１０１の間であって結晶シリコン太陽電池１０２及び支柱１０４が占有していない部分である空隙部には、透明充填樹脂１０６（シリコーン樹脂等）が充填されている。隣り合う結晶シリコン太陽電池１０２は、ワイヤリボン１５１で電気的に接続されている。すなわち、ワイヤリボン１５１は、配線を構成している。一列に配置された結晶シリコン太陽電池１０２は、ストリング１０３を構成している。

２枚の透明樹脂基板１０１の外周部は、透明樹脂基板１０１と同一の繰り返し単位を有する樹脂で溶着されている。溶着された部分は、溶接帯１０５を構成している。溶接帯１０５の外周部には、フレーム１０９が設けてある。２枚の透明樹脂基板１０１の間には、このほか、端子箱１０７及びバイパスダイオード１０８が配置されている。ここで、「同一の繰り返し単位を有する樹脂」とは、同一のモノマ（単量体）を重合した分子構造を有するポリマ（重合体）をいう。後述のポリカーボネート、シリコーン樹脂等は、その例である。

透明樹脂基板１０１は、太陽電池モジュールとして防音壁の機能を付与するため、ポリカーボネートなどのエンプラ系透明基板を用いることが望ましい。ポリカーボネートは、太陽電池モジュールの必要条件である耐候性、強度及び耐炎性に優れている点で、透明樹脂基板１０１として最適である。また、ポリカーボネートは、耐衝撃性及び耐熱性も満たす。

ポリカーボネートの厚さは、強度や破損特性等を考慮して決定される。例えば、組み合わせる２枚のポリカーボネートの厚さを６ｍｍ及び４ｍｍとすることが考えられる。太陽電池モジュールのサイズは、１０００×２０００ｍｍなど標準的な寸法を実施することができる。

ポリカーボネートは、紫外線などの光劣化や赤外線による熱劣化が知られている。特に、屋外に設置する場合は、樹脂基板の耐候性付与が必要であり、任意のハードコート処理品を用いることが望ましい。

１枚の透明樹脂基板１０１の上に結晶シリコン太陽電池１０２を有するストリング１０３を設置する。結晶シリコン太陽電池１０２と透明樹脂基板１０１との間には、最終的に透明充填樹脂１０６が充填されるため、ストリング１０３を設置する際には、任意のギャップ構造（スペーサ等）によって透明樹脂基板１０１と隙間を空けることが望ましい。隙間は、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの間で任意に決めることができるが、透明充填樹脂１０６の使用量をできるだけ少なくする観点から、小さい隙間を形成することがより望ましい。各ストリング１０３の接続には、ワイヤリボン１５１が断線した場合の影響を考慮して、バイパスダイオード１０８を設けることが望ましい。

結晶シリコン太陽電池１０２は、多結晶及び単結晶のいずれでも問題ない。

ストリング１０３は、透明樹脂基板１０１の線熱膨張による伸びに伴い、ワイヤリボン１５１が引っ張られるため、ワイヤリボン１５１の長さに余裕を持たせることが望ましい。ワイヤリボン１５１の長さの余裕は、透明樹脂基板１０１と結晶シリコン太陽電池１０２との実寸から見積もられる線熱膨張から推算して、透明樹脂基板１０１の伸びを十分吸収できる構造を取ることが望ましい。ストリング１０３を任意の本数透明樹脂基板１０１に固定することにより、採光機能を付与することが可能である。

なお、本図においては、隣り合う結晶シリコン太陽電池１０２の間に配置した支柱１０４は、４本としたが、これに限定されるものではなく、例えば、１本としてもよい。

図２は、図１に示す樹脂基板太陽電池モジュールの部分断面を示したものである。

本図において、結晶シリコン太陽電池１０２は、支柱１０４及びスペーサ１５２で支えられた２枚の透明樹脂基板１０１の間に設置されている。結晶シリコン太陽電池１０２、支柱１０４及びスペーサ１５２以外の空隙部（空間部）には、透明充填樹脂１０６が充填されている。言い換えると、結晶シリコン太陽電池１０２は、透明樹脂基板１０１に直接接触しているわけではなく、結晶シリコン太陽電池１０２と透明樹脂基板１０１との間には、透明充填樹脂１０６が充填されている。この構成により、透明樹脂基板１０１の線熱膨張による伸びを透明充填樹脂１０６が吸収するため、結晶シリコン太陽電池１０２が破損しにくくなっている。

図３は、実施例の結晶シリコン太陽電池の配線構造を示す概略側面図である。

本図においては、隣り合う２枚の結晶シリコン太陽電池１０２と、これらを電気的に接続するワイヤリボン１５１とを示している。ワイヤリボン１５１は、一方の結晶シリコン太陽電池１０２の表面と他方の結晶シリコン太陽電池１０２の裏面とを接続している。２枚の結晶シリコン太陽電池１０２の距離が変化する場合に備えて、ワイヤリボン１５１の長さに余裕を持たせている。これにより、透明樹脂基板１０１が伸びたとしても、ワイヤリボン１５１が断線しないようになっている。

図４は、実施例の樹脂基板太陽電池モジュールの製造工程の一例を示したものである。図４に示す製造工程は、本発明を実施するための手段を何ら制限するものではない。なお、以下に示す各部材の符号は、図１に準拠したものである。

まず、透明樹脂基板１０１の上にストリング１０３を設置する（Ｓ４０１）。さらに、透明樹脂基板１０１上に支柱１０４を設置する（Ｓ４０２）。図１においては、結晶シリコン太陽電池１０２の四隅に円柱状の支柱１０４を配置する構造を取っている。支柱１０４は、透明樹脂基板１０１と同一材質であることが望ましく、ポリカーボネートが最適である。支柱１０４の固定方法は、各種接着剤を用いた固定など任意の方法を取ることができる。

続いて、透明充填樹脂１０６を充填するために、結晶シリコン太陽電池１０２を含むストリング１０３と支柱１０５とを固定した透明樹脂基板１０１の上に、他方の透明樹脂基板１０１を設置し、２枚の透明樹脂基板１０１の周囲（外周部）をレーザーもしくは赤外線によって溶着する（Ｓ４０３）。この場合、２枚の透明樹脂基板１０１は、同一の材質であることが望ましく、特にポリカーボネートであることが望ましい。

以下、２枚の透明樹脂基板１０１をレーザー溶着によって接着する方法について説明する。

ポリカーボネートからなる２枚の透明樹脂基板１０１の周囲に、レーザー光を吸収するために着色した溶接帯１０５（ポリカーボネート溶接帯）を挟み込む。ポリカーボネート溶接帯は、レーザー吸収のために主として黒色に着色されている。ポリカーボネート溶接帯の厚さは、透明充填樹脂１０６の充填量によって決定される。レーザー溶着は、市販の装置を用いればよく、汎用的な手法で溶着することができる。

一方、赤外線溶着を用いることもできる。赤外線溶着の場合は、ポリカーボネート自体の光吸収体に合わせて光源を設定しているため、ポリカーボネート溶接帯を着色する必要は特にない。赤外線溶着は、汎用的な装置で行うことができる。

２枚のポリカーボネートからなる透明樹脂基板１０１を溶着する際は、透明充填樹脂１０６を注入する注入孔を設けておく。

このようにレーザーもしくは赤外線によって溶着すると、以下の効果が得られる。

第１に、透明樹脂基板１０１と同一の材質を溶着するため、熱膨張率差による接着不良及び応力集中が起こらない。第２に、溶着の場合、瞬時に接着するため、接着剤のダレなどが起こらない。

その後、２枚のポリカーボネートからなる透明樹脂基板１０１をレーザーまたは赤外線によって溶着した樹脂基板太陽電池モジュール１００に透明充填樹脂１０６を注入し、硬化させる（Ｓ４０４）。透明充填樹脂１０６は、ポリカーボネートと結晶シリコン太陽電池１０２との線熱膨張率の差及びワイヤリボン１５１のヤング率などから、ヤング率が１ＭＰａ以下で、かつ、光透過性の高い樹脂材料が求められる。このため、シリコーン樹脂を用いることが望ましい。硬化条件は、シリコーン樹脂の特性により、室温で長時間静置するものや一定温度で加熱するものがあるが、本発明では特に制約は無い。

透明充填樹脂１０６の硬化工程の後、注入孔を任意の方法で封止する（Ｓ４０５）。封止は、溶接帯１０５を用いて、レーザーまたは赤外線熱溶着によって行うことができるが、特に制約は無い。

樹脂基板太陽電池モジュール１００の電気接続や配線部の絶縁安全性を確保するためにワイヤリボン１５１を端子箱１０７に接続する。また、風圧等への安全性のために樹脂基板太陽電池モジュールの周囲にアルミニウム製のフレーム１０９を設ける（Ｓ４０６）。このフレーム１０９の内側には２枚のポリカーボネートからなる透明樹脂基板の溶着箇所の信頼性向上のために充填樹脂によるコーキング処理を行う。充填樹脂としてはブチルゴムやシリコーンゴム等のゴム状物質が望ましい。

以上の製造工程を経て、樹脂基板太陽電池モジュールを得ることができる。

図５は、他の実施例の樹脂基板太陽電池モジュールを示す概略正面図である。

本図の説明においては、図１を用いて説明した構成については説明を省略する。

図５においては、溶接帯１０５の内側に溶接帯５０１が設けてある。溶接帯５０１は、開口部５０２を有する。溶接帯１０５と溶接帯５０１との間の領域には、透明充填樹脂１０６が熱膨張した際、透明充填樹脂１０６が開口部５０２を介して流入することができるように空気層を残してある。言い換えると、当該領域は、膨張した透明充填樹脂１０６が横溢する余地（空間）を供給する。当該領域は、「樹脂流入部」と呼ぶこともできる。樹脂流入部は、透明樹脂基板１０１と同一の樹脂で仕切られた空間である。

この構成により、透明充填樹脂１０６の膨張に伴うモジュールの反りや封止箇所の応力集中を防止することができる。当該領域の容積は、透明充填樹脂１０６の理論的な熱膨張の最大量よりも大きい値に設定する。

また、当該領域の内壁には、湿気の浸入を抑制するための被覆膜を設けることが望ましい。当該領域は、密閉され、大気と隔離されているが、透明樹脂基板１０１を構成するポリカーボネート樹脂が水蒸気を透過するため、当該領域には、大気中の湿気その他の水分が微量ながら入り込む可能性があるためである。被覆膜は、透明充填樹脂１０１より水蒸気透過率の低い合成油、植物油等を用いることができ、特に、耐酸化性が高い合成油が好ましい。

なお、図５においては、溶接帯１０５の外周部には、図１に示すようなフレーム１０９を設けていない。ただし、アルミニウム等で形成したフレームを用いて溶接帯１０５を覆う構成とすることは好ましい。

以上のように、本発明の効果は、第一が破損防止、第二が防音機能、第三が採光である。具体的な効果の詳細は、以下のとおりである。

本発明によれば、ポリカーボネートからなる透明樹脂基板を用いているにも関わらず、結晶シリコン太陽電池との線熱膨張率差による応力をシリコーン樹脂からなる透明充填樹脂によって吸収するため、信頼性の高い太陽電池モジュールを得ることができる。

また、本発明によれば、レーザーないしは赤外線による溶着処理によってモジュールを作製するため、耐候性、応力特性に優れた太陽電池モジュールが得られる。

さらに、本発明によれば、ポリカーボネートからなる透明樹脂基板の風圧や降雹に伴うたわみの影響を支柱によって支えることで回避できる太陽電池モジュールを提供できる。

また、本発明によれば、透明樹脂基板がポリカーボネートで構成された樹脂基板太陽電池モジュールであるため、耐炎性や耐候性を得ることができる。

さらに、本発明においては、２枚の透明樹脂基板の周囲をその樹脂基板と同一の繰り返し単位を有する樹脂成分で溶着する方式がレーザー溶着もしくは赤外線熱溶着であって、２枚の透明樹脂基板がその樹脂基板と同一の繰り返し単位を有する樹脂成分で溶着された周囲を、封止樹脂を充填したフレームで更に固定したものであるため、風雨に対する十分な耐久性を得ることができる。

また、本発明によれば、結晶シリコン太陽電池が両面受光型で構成されるため、設置場所が必ずしも南向きで日照条件の良い場所ではなくとも、良好な発電特性を得ることができる。

さらにまた、本発明においては、樹脂流入部を形成する隔壁（溶接帯）がポリカーボネートで構成されているため、隔壁部分にも耐久性を持たせることが可能であり、軽量樹脂基板を使用しているにもかかわらず耐久性を付与することができる。

１００：樹脂基板太陽電池モジュール、１０１：透明樹脂基板、１０２：結晶シリコン太陽電池、１０３：ストリング、１０４：支柱、１０５、５０１：溶接帯、１０６：透明充填樹脂、１０７：端子箱、１０８：バイパスダイオード、１０９：フレーム、１５１：ワイヤリボン、１５２：スペーサ、５０２：開口部。

Claims (12)

1. 複数の太陽電池と、隣り合う前記太陽電池の間に配置された支柱と、２枚の透明樹脂基板とを含み、前記２枚の透明樹脂基板の間には、前記複数の太陽電池及び前記支柱が配置され、前記２枚の透明樹脂基板の間の空隙部には、透明充填樹脂が充填され、前記２枚の透明樹脂基板の外周部は、前記透明樹脂基板と同一の繰り返し単位を有する樹脂で溶着されていることを特徴とする樹脂基板太陽電池モジュール。
2. 前記太陽電池は、結晶シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
3. 前記透明樹脂基板は、ポリカーボネートで形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
4. 前記透明充填樹脂は、シリコーン樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
5. 前記支柱は、ポリカーボネートで形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
6. 前記２枚の透明樹脂基板の外周部の溶着は、レーザー溶着もしくは赤外線熱溶着によって行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
7. 前記２枚の透明樹脂基板の外周部は、封止樹脂を充填したフレームで固定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
8. 前記太陽電池は、両面受光型であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
9. 前記空隙部の一部には、樹脂流入部が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
10. 前記樹脂流入部の内壁には、被覆膜が設けられていることを特徴とする請求項９記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
11. 前記樹脂流入部は、前記透明樹脂基板と同一の繰り返し単位を有する樹脂で仕切られた空間であり、該樹脂の一部には、前記透明充填樹脂が流通可能な開口部が設けられていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の樹脂基板太陽電池モジュール。
12. 前記被覆膜の水蒸気透過率は、１００ｇ／（ｍ^２・ｄａｙ）以下であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の樹脂基板太陽電池モジュール。

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