JP2016528737A - 高電気感受率層を有する太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

太陽電池（１００Ａ）モジュールは、保護パッケージに入っている太陽電池（１０１）と、太陽電池（１０１）上に配置されている高電気感受率層（２２０）とを含む。高電気感受率層（２２０）は、高電気感受率層（２２０）と太陽電池（１０１）との接合界面でシート電荷が発生するように分極される。保護パッケージは、太陽電池（１０１）を封入する封入材（２２３）を含む。封入材（２２３）は、封入材（２２３）の１つの層である高電気感受率層（２２０）を有する多層封入材であってもよい。また、高電気感受率層（２２０）は、封入材（２２３）とは別個の材料であってもよい。

Description

本明細書に記載する主題の実施形態は、一般に、太陽電池、より具体的には、太陽電池モジュールに関する。

太陽電池は、太陽放射を電気エネルギーに変換するための周知のデバイスである。太陽電池は、通常の動作中に太陽に面して太陽放射を集光する前面と、その前面の反対側の裏面とを有する。太陽電池に衝突する太陽放射は、負荷などの外部電気回路に電力供給するために利用することが可能な電荷を作り出す。

数個の太陽電池を互いに接続して、太陽電池アレイを形成することができる。太陽電池アレイは、太陽電池モジュール内にパッケージ化されることができ、この太陽電池モジュールは、太陽電池アレイが野外で環境条件に耐え得る保護層を含む。本開示の複数の実施形態は、太陽電池モジュール内の太陽電池の効率の増大及び表面劣化のメカニズムへの取り組みの解決法に関する。

一実施形態では、太陽電池モジュールは、保護パッケージに入っている太陽電池及び太陽電池の上に配置された高電気感受率層を含む。高電気感受率層は、高電気感受率層と太陽電池との接合界面にシート電荷が発生するように分極される。保護パッケージは、太陽電池を封入する封入材を含む。封入材は、高電気感受率層が封入材の層である、多層封入材であってもよい。また、高電気感受率層は、封入材とは別個の材料であってもよい。

本開示のこれらの特徴及びその他の特徴は、添付の図面及び特許請求の範囲を含む本開示全体を読むことで、当業者には容易に明らかとなるであろう。

発明を実施するための形態及び特許請求の範囲を、以下の図面と併せて考察し、参照することによって、本主題のより完全な理解を得ることができる。図面において、同様の参照番号は図面全体を通じて同様の要素を指し示す。図は、一定の縮尺で描かれてはいない。

本開示の一実施形態による太陽電池モジュールを示す。

本開示の実施形態による、太陽電池の前側表面上の高電気感受率層の概略図を示す。 本開示の実施形態による、太陽電池の前側表面上の高電気感受率層の概略図を示す。

本開示の実施形態による、導電性材料を用いて分極されている高電気感受率層を示す。

本開示の一実施形態による、高電気感受率層を有する多層封入材を示す。

本開示の一実施形態による太陽電池モジュールの製造を概略的に図示する断面図である。 本開示の一実施形態による太陽電池モジュールの製造を概略的に図示する断面図である。 本開示の一実施形態による太陽電池モジュールの製造を概略的に図示する断面図である。

本開示の別の実施形態による太陽電池モジュールの製造を概略的に図示する断面図である。 本開示の別の実施形態による太陽電池モジュールの製造を概略的に図示する断面図である。 本開示の別の実施形態による太陽電池モジュールの製造を概略的に図示する断面図である。

本開示では、実施形態を十分に理解するために、装置、構成部品及び方法の例など、多数の具体的な詳細を提供している。しかしながら、当業者は、実施形態が、それらの具体的な詳細のうちの１または複数を欠いても実践することができる点を理解するであろう。他の場合には、本開示の態様を不明瞭にすることを避けるために、周知の詳細は図示又は説明されない。

図１は、本開示の一実施形態による太陽電池モジュール１００を示す。太陽電池モジュール１００は、屋根上などの静止用途に使用され、又は発電所によって使用されるように設計されている点で、所謂「地表太陽電池モジュール」である。図１の例において、太陽電池モジュール１００は、相互接続された太陽電池１０１のアレイを含む。図を分かりやすくするために、図１においては一部の太陽電池１０１のみに記号を付している。図１では、通常の動作中に太陽に向かって配向されて太陽放射を集光する、太陽電池１０１の前面を見ることができる。太陽電池１０１の裏面は、前面の反対側である。フレーム１０２は、太陽電池アレイの機械的支持を提供する。

図１の実施例では、太陽電池１０１は、全バックコンタクト型太陽電池を含み、これは、電位誘導劣化（例えば、高電圧劣化、電池の分極）及び紫外線への曝露による劣化など、前面劣化メカニズムの影響を受けやすい。全バックコンタクト型太陽電池では、太陽電池のＰ型拡散領域及びＮ型拡散領域、並びにＰ型拡散領域及びＮ型拡散領域に対する金属コンタクトは、すべて太陽電池の裏面にある。別の実施形態では、この太陽電池１０１は、前面コンタクト型太陽電池を備える。前面コンタクト型太陽電池では、１つの極性の拡散領域（例えば、Ｎ型拡散領域）は、太陽電池の前面にあり、反対の極性の拡散領域（例えば、Ｐ型拡散領域）は、太陽電池の裏面にある。

太陽電池モジュール１００の前部１０３は、太陽電池１０１の前面と同一の面上にあり、図１に見ることができる。太陽電池モジュール１００の後部１０４は、前部１０３の下に存在する。下記にてより明らかとなるように、前部１０３は、太陽電池１０１の前面に形成されている保護材料の層を含む。

図２は、本開示の一実施形態による、太陽電池１０１の前側表面上の高電気感受率層２０１の概略図を示す。一般に、電気感受率は、印加電界に応じた誘電物質の分極の程度を示す無次元比例定数である。より具体的には、電気感受率χ_ｅは、電界Ｅと誘電分極密度Ρとを関連付ける比例定数である。 Ρ＝ε_０χ_ｅΕ （式１） 式中、Ρは、分極密度であり、ε_０は自由空間の誘電率であり、χ_ｅは、電気感受率であり、Ｅは電界である。

層２０１は、電界内に置かれたときに、コンデンサ内でのように、高電気感受率層２０１が分極され、その表面でシート電荷の誘電が可能になるのに十分高い電気感受率（例えば少なくとも１００）の材料を含むという点で、「高電気感受率」を有する。高電気感受率層２０１が太陽電池の表面付近に配置されると、電界によって誘電されたシート電荷は、電荷キャリアを反発し又は引き付けるように使用され、劣化の減少、太陽電池の効率の上昇などをもたらし得る。

一実施形態では、太陽電池１０１は、Ｎ型シリコン基板を含む。太陽電池１０１のバルクシリコンはＮ型であり、太陽電池１０１内の大多数の電荷キャリアは、電子である。高電気感受率層２０１は、図２に示すとおり、分極ベクトル２０２が太陽電池１０１の前面を指しているように、分極され得る。これにより、太陽電池１０１に面している高電気感受率層２０１の表面上、特に接合界面２０３は、正のシート電荷になる。正のシート電荷は、接合界面２０３におけるホール小数電荷キャリアを反発する電位を増加させ、これによって、表面再結合を低減させ、表面劣化を遅滞させ、太陽電池の効率を上昇させる。

また、高電気感受率層２０１は、図３に示すように、太陽電池１０１の前側表面から離れるように指している分極ベクトル２０２のように分極され得る。これにより、特に接合界面２０３で太陽電池１０１に面している高電気感受率層２０１の表面上は、負のシート電荷となる。太陽電池１０１がＰ型シリコン基板を有する実施形態のように、ほとんどの電荷キャリアがホールである場合、負のシート電荷は、太陽電池１０１における表面再結合を低減するのに有益であり得る。これらの実施形態では、接合界面２０３における電子小数電荷キャリアは、有利にも負のシート電荷によって反発される。

太陽電池１０１の構成によって、高電気感受率層２０１と太陽電池１０１との接合界面２０３での特定のシート電荷極性は、特定の前側表面劣化を悪化させる可能性がある。例えば、接合界面２０３にて誘電されたシート電荷が負の電荷であり、太陽電池１０１内のほとんどの電荷キャリアが電子である場合、負のシート電荷は、高電気感受率層２０１に向かってホール小数電荷キャリアを引き付けることができ、これによって、電池の分極による劣化が加速する。電池の分極を最小限に抑えるために、高電気感受率層２０１は、少なくとも１×１０^１４Ω・ｃｍの電気抵抗率などの「高抵抗率」を有して、高電気感受率層２０１を通るリーク電流を防止する又は最小限にし得る。より具体的には、一実施形態では、高電気感受率層２０１は、少なくとも１×１０^１４Ω・ｃｍの電気抵抗率及び少なくとも１００の電気感受率を有してもよい。

高電気感受率層２０１は、ポリエチレン又はポリオレフィンなどのポリマーを含み得る。一実施形態では、ポリマーを分極させるために、ポリマーの双極子を配向させるのに十分高い温度が適用された電界にポリマーを曝露させる。次に、緩和時間よりも短いある時間量で温度を下げて、双極子を凍結させる。ポリマーの分極は、積層中又は封入材膜の押出プロセス中のいずれかに行われ得る。また、ポリマーの配合に添加剤を使用して、太陽電池モジュール１００の標準動作温度における、電気感受率の増加及び緩和時間の延長を行ってもよい。樟脳酸イミド（champoric imide）又は樟脳酸無水物（camphoric anhydride）などの有機添加剤は、電気抵抗率及び光透過性などの決定的特性に実質的に影響は及ぼさずに、非晶質ポリマーマトリックスの誘電特性を倍増させ得る。

また、高電気感受率層２０１は、感受率層２０１の電界への曝露を促進させる材料に隣接して高電気感受率層２０１を配置することによって、分極され得る。例えば、図４に示すように、導電性材料シート２０７（例えば、高導電率封入材であるインジウムスズ酸化物）は、高電気感受率層２０１と透明トップカバー２２１との間に配置され得る。導線は、高感受率層２０１を迅速に分極させるために、導電性材料２０７に取り付けられていてもよい。

高電気感受率層２０１は、封入材又は材料の別個の層として、太陽電池モジュール１００内に組み込まれていてもよい。図５の例では、封入材２１０は、高電気感受率層２１２及び高抵抗率層２１１を有する多層封入材である。ある実施形態では、封入材２１０の製造プロセスに依存して、封入材２１０は、太陽電池１０１の前側表面に配置されている底部高電気感受率層２１２のみを有してもよく、封入材２１０は、頂部高電気感受率層２１２を有さなくてもよい。

封入材２１０は、ポリエチレン又はポリオレフィンなどの、高電気抵抗率を有するポリマーを含んでもよい。封入材２１０の頂部及び底部は、電気感受率を増加させるために添加剤をドープする一方で、封入材２１０のバルク部は、添加剤を含まないままとしてもよい。封入材２１０のドープ型頂部及び底部は、高電気感受率層２１２を形成し、封入材２１０の非ドープ型バルク部は、高抵抗率層２１１を形成する。底部高電気感受率層２１２、すなわち、太陽電池１０１と接合する層が分極され、封入材２１０と太陽電池１０１との接合界面２０４でシート電荷が誘電される。例えば、封入材２１０の押出成形中、高電気感受率層２１２は分極されてシート電荷を誘電し得る（例えば、正のシート電荷など）。

図６〜図８は、本開示の一実施形態による太陽電池モジュール１００Ａの製造を概略的に図示する断面図である。太陽電池モジュール１００Ａは、図１の太陽電池モジュール１００の特定の実施形態である。

図６は、本開示の一実施形態による太陽電池モジュール１００Ａの構成要素を示す分解図である。太陽電池モジュール１００Ａは、透明トップカバー２２１、封入材２２３−１、高電気感受率層２２０、直列接続された太陽電池１０１、封入材２２３−２、及びバックシート２２４を含んでもよい。一実施形態では、封入材２２３−１及び封入材２２３−２は、同じタイプの封入材の別個のシートである。

前部１０３上の最頂部層である透明トップカバー２２１は、太陽電池１０１を環境から保護する。太陽電池モジュール１００Ａは、通常の動作中、透明トップカバー２２１が太陽に面するように野外に設置される。太陽電池１０１の前面は、透明トップカバー２２１を経由して太陽の方に向いている。透明トップカバー２０１は、ガラスを含んでもよい。

封入体２２３（すなわち、２２３−１、２２３−２）は、ポリ−エチル−ビニルアセテート（「ＥＶＡ」）、ポリオレフィン、ポリエチレン、又は太陽電池モジュールに好適な他の封入材料を含み得る。バックシート２２４は、いくつか例を挙げれば、Ｔｅｄｌａｒ／ポリエステル／ＥＶＡ（「ＴＰＥ」）、Ｔｅｄｌａｒ／ポリエステル／Ｔｅｄｌａｒ（「ＴＰＴ」）、又は、フルオロポリマーを含む多層バックシートも含み得る。

図６の実施例では、別個の高電気感受率層２２０が封入材２２３−１と太陽電池１０１の前面との間に配置される。高電気感受率層２２０は、少なくとも１００の電気感受率、いくつかの実施形態では、少なくとも１×１０^１４Ω・ｃｍの電気抵抗率を有し得る。高電気感受率層２２０は、特に、封入材２２３−１が高電気抵抗率を有する実施形態では、又は太陽電池１０１の前側表面から透明カバー２２１までのリーク電流が重大な前側表面劣化をもたらさない実施形態では、必ずしも高電気抵抗率を有するものではない。

図７では、透明トップカバー２２１、封入材２２３−１、高電気感受率層２２０、封入材２２３−２、及びバックシート２２４は一緒に形成され、太陽電池１０１を入れる保護パッケージを作製する。いくつかの実施形態では、前述の構成部品は、図６の積層順で一緒に形成され得る。より具体的には、太陽電池１０１は、封入材２２３−１と２２３−２との間に配置され、封入材２２３−１と太陽電池の前側表面１０１との間に高電気感受率層２２０を有する。バックシート２２４は封入材２２３−２の下に配置され、透明トップカバー２２１は封入材２２３−１の上に直接配置されている。次に、太陽電池モジュール１００Ａのこれらの構成要素は、例えば真空積層によって一緒に押圧及び加熱される。積層プロセスにより、封入材２２３−１及び２２３−２が一緒に溶融し、太陽電池１０１及び高電気感受率層２２０を封入する。図７では、封入材２２３−１及び封入材２２３−２は、２２３'と付され、それらが一緒に溶融されたことを示している。例えば、高電気感受率層２２０は、積層プロセス中、高電気感受率層２２０と太陽電池１０１との接合界面でシート電荷（例えば、正のシート電荷又は負のシート電荷）を誘電するように分極され得る。図８は、フレーム１０２に取り付けられた図７の保護パッケージを示す。

図９〜図１１は、本開示の別の実施形態による太陽電池モジュール１００Ｂの製造を概略的に図示する断面図である。太陽電池モジュール１００Ｂは、図１の太陽電池モジュール１００の特定の実施形態である。

図９は、本開示の一実施形態による太陽電池モジュール１００Ｂの構成要素を示す分解図である。太陽電池モジュール１００Ｂは、透明トップカバー２２１、封入材２１０、直列接続された太陽電池１０１、封入材２２３−２、及びバックシート２２４を含んでもよい。太陽電池モジュール１００Ｂは、別個の高電気感受率層２２０を用いないという点において、太陽電池モジュール１００Ａとは異なる。その代わりに、封入材２１０は、図５を参照して前述された高電気感受率層を提供する（図５の封入材２１０の高電気感受率層２１２を参照）封入材２２３−１の代わりである。

図１０では、透明トップカバー２２１、封入材２１０、封入材２２３−２、及びバックシート２２４が一緒に形成され、太陽電池１０１が入っている保護パッケージを作る。例えば、前述の構成要素は、図９に示す積層順で、真空積層プロセスにおいて一緒に押圧及び加熱されることによって、一緒に形成され得る。積層プロセスでは、封入材２１０と封入材２２３−２とを一緒に溶融して太陽電池１０１を封入させる。図１０では、封入材２１０及び封入材２２３−２は、２１０／２２３として一緒に付され、これは一緒に溶融されたことを示している。図１１は、フレーム１０２に取り付けられた図１０の保護パッケージを示す。

高電気感受率層を有する太陽電池モジュールが開示される。具体的な実施形態を提示したが、これらの実施形態は例示を目的としたものであり、限定ではないことは理解されよう。多くの更なる実施形態が、本開示を読む当業者には明らかであろう。

高電気感受率層を有する太陽電池モジュールが開示される。具体的な実施形態を提示したが、これらの実施形態は例示を目的としたものであり、限定ではないことは理解されよう。多くの更なる実施形態が、本開示を読む当業者には明らかであろう。
［項目１］
通常の動作中に太陽に面する前面、及び上記前面の反対側にある裏面を有する複数の太陽電池と、
少なくとも１００の電気感受率を有する、上記複数の太陽電池上の高電気感受率層と、
上記複数の太陽電池を封入する封入材と、
上記高電気感受率層上の透明トップカバーとを含む、太陽電池モジュール。
［項目２］
上記封入材は、多層封入材であり、上記高電気感受率層は、上記封入材の層である、項目１に記載の太陽電池モジュール。
［項目３］
上記高電気感受率層は、上記複数の太陽電池と接合する、上記封入材の上記層である、項目２に記載の太陽電池モジュール。
［項目４］
上記複数の太陽電池と上記高電気感受率層との接合界面で、上記高電気感受率層によって、正のシート電荷が誘電される、項目１に記載の太陽電池モジュール。
［項目５］
上記複数の太陽電池と上記高電気感受率層との接合界面で、上記高電気感受率層によって、負のシート電荷が誘電される、項目１に記載の太陽電池モジュール。
［項目６］
上記高電気感受率層は、上記封入材とは別個である、項目１に記載の太陽電池モジュール。
［項目７］
上記高電気感受率層は、上記高電気感受率層を導電性材料に隣接して配置することにより分極させる、項目１に記載の太陽電池モジュール。
［項目８］
通常の動作中に太陽に面する前面、及び上記前面の反対側にある裏面を有する複数の太陽電池と、
上記複数の太陽電池が入っている保護パッケージと、
少なくとも１００の電気感受率を有する、上記複数の太陽電池の上記前面上の第１高電気感受率層と、を含む、太陽電池モジュール。
［項目９］
上記保護パッケージは、多層封入体を含む、項目８に記載の太陽電池モジュール。
［項目１０］
上記封入体は、上記第１高電気感受率層、第２高電気感受率層、及び上記第１高電気感受率層と上記第２高電気感受率層との間の高電気抵抗層を含む、項目９に記載の太陽電池モジュール。
［項目１１］
上記第１高電気感受率層を導電性材料に隣接して配置することにより、上記第１高電気感受率層が分極される、項目８に記載の太陽電池モジュール。
［項目１２］
上記保護パッケージは、上記第１高電気感受率層及び上記複数の太陽電池を封入する封入材を含む、項目８に記載の太陽電池モジュール。
［項目１３］
上記複数の太陽電池と上記高電気感受率層との接合界面で、上記高電気感受率層によって、正のシート電荷が誘電される、項目８に記載の太陽電池モジュール。
［項目１４］
上記複数の太陽電池と上記高電気感受率層との接合界面で、上記高電気感受率層によって、負のシート電荷が誘電される、項目８に記載の太陽電池モジュール。
［項目１５］
太陽電池と、
上記太陽電池が入っている保護パッケージと、
上記太陽電池上の第１高電気感受率層であって、少なくとも１００の電気感受率を有し、シート電荷が上記太陽電池に向かっている上記第１高電気感受率層の表面上にあるように分極されている、第１高電気感受率層と、を含む太陽電池モジュール。
［項目１６］
上記第１高電気感受率層の上記表面上の上記シート電荷が正の電荷であるように、上記第１高電気感受率層が分極される、項目１５に記載の太陽電池モジュール。
［項目１７］
上記第１高電気感受率層の上記表面上の上記シート電荷が負の電荷であるように、上記第１高電気感受率層が分極される、項目１５に記載の太陽電池モジュール。
［項目１８］
上記保護パッケージは、多層封入体を含む、項目１５に記載の太陽電池モジュール。
［項目１９］
上記多層封入体は、上記第１高電気感受率層、第２高電気感受率層、及び上記第１高電気感受率層と上記第２高電気感受率層との間の高電気抵抗層を含む、項目１８に記載の太陽電池モジュール。
［項目２０］
上記太陽電池は、全バックコンタクト型太陽電池を含む、項目１５に記載の太陽電池モジュール。

Claims (20)

1. 通常の動作中に太陽に面する前面、及び前記前面の反対側にある裏面を有する複数の太陽電池と、
   少なくとも１００の電気感受率を有する、前記複数の太陽電池上の高電気感受率層と、
   前記複数の太陽電池を封入する封入材と、
   前記高電気感受率層上の透明トップカバーとを含む、太陽電池モジュール。
2. 前記封入材は、多層封入材であり、前記高電気感受率層は、前記封入材の層である、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記高電気感受率層は、前記複数の太陽電池と接合する、前記封入材の前記層である、請求項２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記複数の太陽電池と前記高電気感受率層との接合界面で、前記高電気感受率層によって、正のシート電荷が誘電される、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記複数の太陽電池と前記高電気感受率層との接合界面で、前記高電気感受率層によって、負のシート電荷が誘電される、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記高電気感受率層は、前記封入材とは別個である、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
7. 前記高電気感受率層は、前記高電気感受率層を導電性材料に隣接して配置することにより分極させる、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
8. 通常の動作中に太陽に面する前面、及び前記前面の反対側にある裏面を有する複数の太陽電池と、
   前記複数の太陽電池が入っている保護パッケージと、
   少なくとも１００の電気感受率を有する、前記複数の太陽電池の前記前面上の第１高電気感受率層と、を含む、太陽電池モジュール。
9. 前記保護パッケージは、多層封入体を含む、請求項８に記載の太陽電池モジュール。
10. 前記封入体は、前記第１高電気感受率層、第２高電気感受率層、及び前記第１高電気感受率層と前記第２高電気感受率層との間の高電気抵抗層を含む、請求項９に記載の太陽電池モジュール。
11. 前記第１高電気感受率層を導電性材料に隣接して配置することにより、前記第１高電気感受率層が分極される、請求項８に記載の太陽電池モジュール。
12. 前記保護パッケージは、前記第１高電気感受率層及び前記複数の太陽電池を封入する封入材を含む、請求項８に記載の太陽電池モジュール。
13. 前記複数の太陽電池と前記高電気感受率層との接合界面で、前記高電気感受率層によって、正のシート電荷が誘電される、請求項８に記載の太陽電池モジュール。
14. 前記複数の太陽電池と前記高電気感受率層との接合界面で、前記高電気感受率層によって、負のシート電荷が誘電される、請求項８に記載の太陽電池モジュール。
15. 太陽電池と、
    前記太陽電池が入っている保護パッケージと、
    前記太陽電池上の第１高電気感受率層であって、少なくとも１００の電気感受率を有し、シート電荷が前記太陽電池に向かっている前記第１高電気感受率層の表面上にあるように分極されている、第１高電気感受率層と、を含む太陽電池モジュール。
16. 前記第１高電気感受率層の前記表面上の前記シート電荷が正の電荷であるように、前記第１高電気感受率層が分極される、請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
17. 前記第１高電気感受率層の前記表面上の前記シート電荷が負の電荷であるように、前記第１高電気感受率層が分極される、請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
18. 前記保護パッケージは、多層封入体を含む、請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
19. 前記多層封入体は、前記第１高電気感受率層、第２高電気感受率層、及び前記第１高電気感受率層と前記第２高電気感受率層との間の高電気抵抗層を含む、請求項１８に記載の太陽電池モジュール。
20. 前記太陽電池は、全バックコンタクト型太陽電池を含む、請求項１５に記載の太陽電池モジュール。

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