JP2019050387A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の分極問題を解決できるＵＶ透過曲線と体積比抵抗とを有するモジュールを提供する。【解決手段】太陽電池モジュール１００は、相互接続された複数の太陽電池１０１と、複数の太陽電池１０１の正面を覆う透明カバー２０１と、複数の太陽電池１０１の背面に設けられた背面シート２０５とを含む。カプセル材２０３は、太陽電池を保護してパッケージ化する。透明カバー２０１とカプセル材２０３は、集合的に３５０ｎｍ以下のＵＶ透過曲線を有し、カプセル材は少なくとも５ｘ１０１３Ωｃｍの体積比抵抗を有する。【選択図】図２

Description

＜関連出願への参照＞
本願は、２００９年８月２７日に提出された、「広げたＵＶ透過曲線を有するカプセル材を利用する、太陽電池の分極のモジュールレベルの解決法：Module Level Solution To Solar Cell Polarization Using An Encapsulant With Opened UV transmission Curve」なる名称の、米国仮特許出願第６１／２３７，５８８号明細書の恩恵を請求する。

本発明は、概して太陽電池に係り、より詳しくは太陽電池モジュールに係るが、これに限定はされない。

太陽電池は、太陽光を電気エネルギーに変換する公知のデバイスであり、半導体プロセス技術を利用して半導体基板上に製造することができる。一般的には、太陽電池は、シリコン基板上にｐ型領域とｎ型領域とを形成することにより製造することができる。各隣接するｐ型領域とｎ型領域とによって、ｐ−ｎ接合が形成される。太陽電池に入射する太陽光は、ｐ型領域およびｎ型領域に移動する電子と正孔とを生成して、ｐ−ｎ接合に電圧差を生じさせる。背面接合型の太陽電池においては、ｐ型領域とｎ型領域とが、外部電気回路またはデバイスを太陽電池に接続して太陽電池から受電することができるようにする金属接触とともに背面側に位置していてよい。背面接合型の太陽電池は、米国特許第５，０５３，０８３号、４，９２７，７７０号明細書でも開示されており、これらの全体をここに参照として組み込む。

幾つかの太陽電池を接続して、１つの太陽電池アレイを形成する。太陽電池アレイは、太陽電池モジュールへとパッケージ化され、太陽電池アレイを、環境条件に耐えさせて、屋外（field）で利用可能とする保護層を含んでよい。

注意しなければ、太陽電池は、屋外で分極が進み、出力電力が低減してしまう場合がある。太陽電池の分極の解決法については、米国特許出願第７，５５４，０３１号明細書に開示されており、この全体をここに参照として組み込む。本開示は、カプセル材の向上による、太陽電池の分極に対するモジュールレベルの解決法に係る。

一実施形態では、太陽電池モジュールは、相互接続された複数の太陽電池と、複数の太陽電池の正面を覆う透明カバーと、複数の太陽電池の背面に設けられた背面シートとを含む。カプセル材は、太陽電池を保護してパッケージ化する。透明カバーとカプセル材とは、分極問題を解決できる総体的なＵＶ透過曲線と体積比抵抗とを有する。一実施形態では、カプセル材は、比較的幅の広いＵＶ透過曲線を有する。

本発明のこれらの特徴またはその他の特徴が、本開示の全体（添付図面および請求項を含む）を読んだ当業者には自明である。

本発明の一実施形態における太陽電池モジュールを示す。 本発明の一実施形態における、図１の太陽電池モジュールの断面図を示す。 カプセル材として利用されるガラスおよびＥＶＡの透過曲線を示す。 本発明の一実施形態における、太陽電池モジュールのカプセル材の透過曲線を示す。 ＥＶＡカプセル材を有する太陽電池モジュールと、比較的幅の広いＵＶ透過曲線を有するカプセル材を有する太陽電池モジュールに対して行われた加速ＵＶ照射テストの結果を示す。 幅の広いＵＶ透過曲線を有するカプセル材を有する太陽電池モジュールを、ＥＶＡカプセル材を有する太陽電池モジュールと比較する実験により得られたテストデータのプロットを示す。 ＥＶＡカプセル材を有するモジュールと、幅の広いＵＶ透過曲線および高体積電気抵抗を有するカプセル材からなるモジュールとの間で出力を比較する屋外テストの結果を示す。 本発明の実施形態で利用されうるカプセル材の透過曲線を示す。 本発明の一実施形態における正面保護パッケージを有する太陽電池モジュールと、ガラス製の透明カバーとＥＶＡカプセル材とを有する太陽電池モジュールとを比較するテストデータのプロットを示す。 本発明の一実施形態における正面保護パッケージを有する太陽電池モジュールと、ガラス製の透明カバーとＥＶＡカプセル材とを有する太陽電池モジュールとを比較するテストデータのプロットを示す。 本発明の一実施形態における正面保護パッケージを有する太陽電池モジュールと、ガラス製の透明カバーとＥＶＡカプセル材とを有する太陽電池モジュールとを比較するテストデータのプロットを示す。

異なる図面間で同じ参照符号が利用されている場合には、同じ、または類似した部材を示している。図面は実際の縮尺に即して描かれてはいない。

本開示においては、本発明の完全な理解を提供するために、装置、部材、および方法の例といった数多くの詳細を提供する。当業者であれば、本発明が特定の詳細の１以上を利用しなくても実行可能であることを理解する。また他の場合には、公知の詳細を示さないようにすることで、本発明の特徴的な側面を曖昧にしないようにしている場所もある。

図１は、本発明の一実施形態におけ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、いわゆる「地上太陽電池モジュール」というものであり、屋根の上に搭載されたり、発電所により利用されたりする、固定して利用される用途向けのものである。図１の例では、太陽電池モジュール１００は、相互に接続された太陽電池１０１のアレイを含む。図１では、太陽電池１０１の幾つかだけに参照番号を付すことで、明瞭化を期している。太陽電池１０１は、特に分極に弱い背面接合型の太陽電池を含んでよい。図１からは、太陽電池１０１の、通常動作において太陽に向かう正面側が示されている。太陽電池１０１の背面側は、正面側とは反対側である。フレーム１０２は、太陽電池アレイに機械的なサポートを提供する。

太陽電池モジュール１００の正面は、１０３という参照番号が付されており、太陽電池１０１の正面側と同じ側にあり、図１に現れているほうの側である。太陽電池モジュール１００の背面１０４は、正面１０３の下側である。以下の記載から明らかになるように、正面１０３には、透光性のカプセル材が含まれている。

図２は、本発明の一実施形態における太陽電池モジュール１００の断面図を示す。太陽電池モジュール１００は、透明カバー２０１と、カプセル材２０３と、太陽電池１０１と、背面シート２０５とを含む。透明カバー２０１は、正面１０３の上の最上部の層であり、外部環境から太陽電池１０１を保護する。太陽電池モジュール１００は、透明カバー２０１が、通常動作時に太陽に向かうように搭載される。太陽電池１０１の正面は、透明カバー２０１よりも（by way of）太陽の方向側を向いている。図２の例では、透明カバー２０１は、ガラスを含む（例えば３．２ｍｍの厚み）。

太陽電池１０１の背面は、背面シート２０５側を向いており、カプセル材２０３に取り付けられている。一実施形態では、背面シート２０５は、Ｍａｄｉｃｏ社から入手可能なテドラー／ポリエステル／ＥＶＡ（Tedlar/Polyester/EVA：ＴＰＥ）を含む。ＴＰＥでは、テドラーが、外部環境から保護をする最外部の層であり、ポリエステルが絶縁性をさらに高め、ＥＶＡが、カプセル材２０３に対する接着を促進する、非架橋型（non-crosslinked）の薄い層である。背面シート２０５への用途でＴＰＥの代替物として利用可能な一例としては、テドラー／ポリエステル／テドラー（Tedlar/Polyester/Tedlar：ＴＰＴ）がある。本発明の効果が果たせる範囲を逸脱しないようであれば他の背面シートも利用可能である。

カプセル材２０３は、太陽電池１０１、透明カバー２０１、および背面シート２０５を硬化させて（cure）結合して、保護パッケージを形成する。以下の記載から明らかとなるように、一実施形態では、カプセル材２０３は、最適なＵＶ（紫外線）透過曲線を有して、より多くの紫外線を透過させる。一実施形態では、カプセル材２０３は、従来のカプセル材よりも多くの紫外線を透過させる。

従来の太陽電池モジュールは、透明カバーにガラスを利用して、ポリエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ：poly-ethyl-vinyl acetate）をカプセル材として利用する。図３は、ガラスおよびＥＶＡの透過曲線を示す。ガラスは、約２７５ｎｍ以下の波長の光を遮り、ＥＶＡは、約３５０ｎｍ以下の波長の光を遮る。参考までに、紫外線の波長は１０ｎｍから４００ｎｍである。紫外線は、太陽電池を劣化させると考えられているので、太陽電池モジュールは通常、比較的狭いＵＶ透過曲線を有するように設計され、太陽電池をなるべく紫外線光に晒さないようにする配慮が行われている。しかし、発明者たちは、ＵＶ透過曲線を広げても（opened up）、実質的に太陽電池を劣化させないことができると考えた。当業者であれば理解するように、「遮る」という用語は必ずしも完全な遮蔽を意味しない。本開示では、「遮る」を、１％以下を透過させることを含む、実質的な低減として利用する。

図５は、ＥＶＡカプセル材を有する太陽電池モジュール（プロット５０１および５０２）と、幅の広いＵＶ透過曲線を有するカプセル材を有する太陽電池モジュール（プロット５０３および５０４）に対して行われた加速ＵＶ照射テストの結果を示す。モジュールの太陽電池は、Ｓｕｎｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製の背面接合型の太陽電池である。図５は、生成される効率（「Ｅｆｆ」）テストデータと、時間との関係を示している。テストにおける各日において、屋外利用の１年の１／３をシミュレーションしており、テストでは、屋外で１１年分の紫外線を浴びるというシミュレーションを行う。プロット５０１および５０２は、ＥＶＡカプセル材を有する太陽電池モジュールのテストデータであり、プロット５０３および５０４は、幅の広いＵＶ透過曲線を持つカプセル材を有する太陽電池モジュールのテストデータである。図５の効率データから分かるように、幅の広いＵＶ透過曲線を有するカプセル材を利用しても、太陽電池モジュールのＵＶ安定性にはあまり影響がないことが分かる。

比較的幅の広いＵＶ透過曲線においては、カプセル材２０３を太陽電池モジュール１００で利用することにより、太陽電池１０１が分極しなくなる。図６は、幅の広いＵＶ透過曲線を有するカプセル材を有する太陽電池モジュール（プロット６０１および６０２）を、ＥＶＡカプセル材を有する太陽電池モジュール（プロット６０３）と比較する実験により得られたテストデータのプロットを示す。実験は、１ｋＶのバイアスをかけて、摂氏８５度で行われ、結果は、公称相対効率変化（nominal relative efficiency change）を時間との関係で示している。公称相対効率変化は分極に起因している。プロット６０１および６０２から分かるように、比較的幅の広いＵＶ透過曲線を有するカプセル材を有する太陽電池モジュールは、４時間未満の太陽照射に晒された後で分極から復帰することができる。このプロットは、ＵＶ透過量の多いカプセル材を有する太陽電池モジュールが、ＵＶ透過量の少ないカプセル材を有する太陽電池モジュールよりも、太陽放射中の分極からの復帰速度が早いことを示している（６２１を参照のこと）。

カプセル材２０３の体積比抵抗を、摂氏−４０度から摂氏９０度の通常動作温度範囲において、少なくとも５ｘ１０^１３Ωｃｍ（抵抗測定のためのＡＳＴＭ規格Ｄ２５７に従って計測した値）以上に上げることによって、さらに太陽電池の分極防止効果が高まる。体積比抵抗の増加をＵＶ透過曲線と組み合わせることで、太陽電池の分極に対するモジュールレベルの効果的な解決法が得られる。

カプセル材２０３は、３５０ｎｍ未満の波長の光を透過させる透過曲線を有する。図４は、本発明の一実施形態における、カプセル材２０３の透過曲線を示す。図４はさらに、透明カバー２０１として利用されるガラスおよびＥＶＡの透過曲線も示している。図４の例においては、カプセル材２０３は、２８０ｎｍから始まるＵＶ透過曲線を有している。つまり、図４のカプセル材２０３は、波長が２８０ｎｍ以上の光を透過して、これより短い波長の光は遮る、ということである。従ってカプセル材２０３は、ＥＶＡよりもＵＶ光を透過させる。

一実施形態のカプセル材２０３は、３５０ｎｍ未満の波長のＵＶ光を透過して、摂氏−４０度から摂氏９０度の温度範囲において、５ｘ１０^１３Ω−ｃｍ（抵抗測定のためのＡＳＴＭ規格Ｄ２５７に従って計測した値）を超える体積比抵抗を有するカプセル材を含む。

図７は、ＥＶＡカプセル材を有する太陽電池モジュール（サンプル番号１、２、および３）と、幅の広いＵＶ透過曲線および高体積比抵抗を有するカプセル材を有する太陽電池モジュール（サンプル番号４、５、および６）を比較したテスト結果を示す。これらのテストされた太陽電池モジュールは全て、Ｓｕｎｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製の背面接合型太陽電池を有している。垂直軸は、これら太陽電池モジュールの正規化された出力を表している。各太陽電池モジュールのサンプルについて３つの計測を行った。グラフは、左から右へと、それぞれ異なる日に取られた計測値を示しており、左端のグラフはテストの初日のものであり、中間が４日目のものであり、右端のグラフが１３日目のものを示している。サンプル番号１、２および３の出力は、サンプル番号４、５および６のものと比べて、１３日目に劣化していることが分かり、これは、幅の広いＵＶ透過曲線を有するとともに体積比抵抗の高いカプセル材を有するほうが、効果が良好であることを証明している。

ＵＶが最適化されたカプセル材２０３は、太陽電池１０１に対して変更を行う必要なく、または、太陽電池モジュール１００の接地等の電気的な変更を行う必要なく、分極を防止することができる。従い、本明細書で述べるモジュールレベルの分極の解決法は、現行および将来の設計の太陽電池モジュールにも容易に実装することができる。

本開示においては、当業者であれば、太陽電池モジュールの正面部分の透明トップカバーおよびカプセル材が、総合体としてのＵＶ透過曲線及び体積比抵抗を持つ正面保護パッケージとして集合的に取り扱うことができることに気づくであろう。例えば、太陽電池モジュール１０１の正面側の透明トップカバー２０１およびカプセル材２０３は、総合体としての図８に示すＵＶ透過曲線と少なくとも５ｘ１０^１３Ω−ｃｍ（抵抗測定のためのＡＳＴＭ規格Ｄ２５７に従って計測した値）の体積比抵抗とを総合して備えていてもよい。図８の例では、太陽電池１０１の正面側のカプセル材２０３の厚みは約４５０μｍである（これに±５０μｍがあってもよい）。図８の例では、太陽電池モジュール１０１の正面側の透明トップカバー２０１およびカプセル材２０３は、３５０ｎｍ未満の波長（１％の透過）のストップバンドを有する。

図９から図１１は、本発明の一実施形態における正面保護パッケージを有する太陽電池モジュール（「向上例」と称する）と、ガラス製の透明カバーとＥＶＡカプセル材とを有する太陽電池モジュール（「制御例」と称する）とを比較するテストデータのプロットを示す。向上例および制御例両方の太陽電池モジュールにおいて、太陽電池は、Ｓｕｎｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製の背面接合型の太陽電池である。図９から図１１は、向上例の太陽電池モジュールのトップ保護パッケージが、３５０ｎｍ未満の波長の光を透過するＵＶ透過曲線を有し、５ｘ１０^１３Ω−ｃｍを超える体積比抵抗（抵抗測定のためのＡＳＴＭ規格Ｄ２５７に従って計測した値）を有し、太陽電池の正面側のカプセル材の厚みが正面側で約４５０μｍである（これに±５０μｍがあってもよい）ことを示している。

図９では、垂直軸が、重み付けされた透過（weighted transmission）の正規化された変化を表しており、水平軸が、ＵＶに晒された年数相応を示している。重み付けされた透過は、ソーラーＡＭ１．５Ｇスペクトル（solar AM 1.5G spectrum）および太陽電池量子効率（solar cell quantum efficiency）により各波長で重み付けされたカプセル材の透過の正味の量として定義される。「Ｘ」のプロットは、向上例の太陽電池モジュールを示し、ダイアモンド型のプロットは、制御例の太陽電池モジュールを示す。向上例の太陽電池モジュールのほうが、制御例の太陽電池モジュールよりも実質的に透過の降下が小さいことが分かる。

図１０は、向上例の太陽電池モジュールの効率が、制御例の太陽電池モジュールと比較して、劣化した、分極状態からかなり速く復帰する様子を示している。図１０においては垂直軸が相対効率変化を示し、垂直軸は時間(hour)を表す。実線が向上例の太陽電池モジュールを示し、点線が制御例の太陽電池モジュールを示す。向上例の太陽電池モジュールは、一時間以内に復帰しており、制御例の太陽電池モジュールは、７時間を経過してもまだ分極状態に留まっている。

図１１は、向上例の太陽電池モジュールと、制御例の太陽電池モジュールとにおける、１２週間屋外に置かれた場合のエネルギー出力を示している。図１１においては垂直軸が、週毎のエネルギー出力（ｋＷｈ）を表し、水平軸が、設置後の週の経過を示す。暗い色のバーは、制御例の太陽電池モジュールを表しており、明るい色のバーが、向上例の太陽電池モジュールを表している。図１１から分かるように、向上例の太陽電池モジュールは、制御例の太陽電池モジュールと同等、またはこれより優れたエネルギー出力性能を示している。従って、本明細書で提示するモジュールレベルの解決法によって、エネルギー出力に悪影響を与えることなく、分極の効果を防止するまたは最小限に抑えることができるようになることがわかる。本発明の特定の実施形態を記載してきたが、これら実施形態はあくまで例示を目的としたものであって、限定は意図していない。さらなる数多くの実施形態も、本開示を読んだ当業者にとっては明らかとなろう。
［項目１］
通常動作時に太陽側を向く正面、および前記正面の反対側の背面を各々が有する、相互接続された複数の太陽電池と、
前記複数の太陽電池の前記正面を覆う透明カバーと、
前記複数の太陽電池の前記背面に設けられた背面シートと、
前記複数の太陽電池、前記透明カバー、および、前記背面シートを結合して、保護パッケージを構成し、３５０ｎｍ以下の波長の光を透過させるＵＶ（紫外線）透過曲線を有するカプセル材と、
を備える、太陽電池モジュール。
［項目２］
前記複数の太陽電池は、背面接合型の太陽電池を備える項目１に記載の太陽電池モジュール。
［項目３］
前記透明カバーはガラスを含む項目１に記載の太陽電池モジュール。
［項目４］
前記カプセル材の体積比抵抗は、少なくとも５ｘ１０^１３Ωｃｍである項目１に記載の太陽電池モジュール。
［項目５］
前記カプセル材は、摂氏−４０度から摂氏９０度の温度範囲において、少なくとも５ｘ１０^１３Ωｃｍの体積比抵抗を有する項目１に記載の太陽電池モジュール。
［項目６］
通常動作時に太陽側を向く正面、および前記正面の反対側の背面を各々が有する、相互接続された背面接合型の複数の太陽電池と、
前記複数の太陽電池の前記正面を覆う透明カバーと、
前記複数の太陽電池の前記背面に設けられた背面シートと、
前記複数の太陽電池および前記背面シートを保護して結合するカプセル材と、
を備え、
前記カプセル材と前記透明カバーとは集合的に３５０ｎｍ未満の波長のストップバンドを有するＵＶ透過曲線と少なくとも５ｘ１０^１３Ω−ｃｍの体積比抵抗とを有する、太陽電池モジュール。
［項目７］
前記カプセル材と前記透明カバーとの集合的な前記ＵＶ透過曲線は、３５０ｎｍ以下の波長のＵＶ光を透過する項目６に記載の太陽電池モジュール。
［項目８］
前記透明カバーはガラスを含む項目６に記載の太陽電池モジュール。
［項目９］
前記背面シートは、テドラー／ポリエステル／ＥＶＡを含む項目６に記載の太陽電池モジュール。
［項目１０］
前記カプセル材は、摂氏−４０度から摂氏９０度の温度範囲において、少なくとも５ｘ１０^１３Ωｃｍの体積比抵抗を有する項目６に記載の太陽電池モジュール。
［項目１１］
通常動作時に太陽側を向く正面、および前記正面の反対側の背面を各々が有する、相互接続された複数の太陽電池と、
前記複数の太陽電池の前記正面の上に設けられる透明カバーおよびカプセル材と、
を備え、
前記透明カバーと前記カプセル材とは３５０ｎｍ未満のストップバンドを有する総合体としてのＵＶ透過曲線と少なくとも５ｘ１０^１３Ωｃｍの総合体としての体積比抵抗とを有する、太陽電池モジュール。
［項目１２］
前記複数の太陽電池は、背面接合型の太陽電池を含む項目１１に記載の太陽電池モジュール。
［項目１３］
前記透明カバーはガラスを含む項目１１に記載の太陽電池モジュール。
［項目１４］
前記複数の太陽電池の前記背面に設けられた背面シートをさらに備える項目１１に記載の太陽電池モジュール。
［項目１５］
前記カプセル材は、前記複数の太陽電池と前記背面シートとを保護して結合する項目１１に記載の太陽電池モジュール。
［項目１６］
前記カプセル材は、摂氏−４０度から摂氏９０度の温度範囲において、少なくとも５ｘ１０^１３Ωｃｍの体積比抵抗を有する項目１１に記載の太陽電池モジュール。

Claims (4)

1. 通常動作時に太陽側を向く正面、および前記正面の反対側の背面を各々が有する、複数の相互接続された背面接合型の太陽電池と、
   前記太陽電池の前記正面を覆う透明カバーと、
   前記太陽電池の前記背面に設けられた背面シートと、
   前記太陽電池および前記背面シートを保護して結合するカプセル材と
   を備え、
   前記太陽電池の分極を抑えるべく、前記カプセル材が２８０ｎｍから始まるＵＶ透過曲線を有し、前記カプセル材と前記透明カバーとが集合的に３５０ｎｍ以下の波長の光を透過させるＵＶ透過曲線を有し、前記カプセル材が摂氏−４０度から摂氏９０度の温度範囲において、少なくとも５ｘ１０^１３Ωｃｍの体積比抵抗を有し、かつ、前記太陽電池の前記正面側の前記カプセル材が４００μｍと５００μｍとの間の厚みを有し、
   前記背面シートは、テドラー／ポリエステル／ＥＶＡまたはテドラー／ポリエステル／テドラーを含む
   太陽電池モジュール。
2. 前記カプセル材と前記透明カバーとの集合的な前記ＵＶ透過曲線は、３５０ｎｍ以下の波長のＵＶ光を透過する請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記透明カバーはガラスを含む請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
4. 通常動作時に太陽側を向く正面、および前記正面の反対側の背面を各々が有する、複数の相互接続された太陽電池と、
   前記太陽電池の前記正面を覆う透明カバーおよびカプセル材と、
   前記太陽電池の前記背面に設けられた背面シートと
   を備え、
   前記太陽電池の分極を抑えるべく、前記カプセル材が２８０ｎｍから始まるＵＶ透過曲線を有し、前記透明カバーと前記カプセル材とが３５０ｎｍ以下の波長の光を透過させる総合体としてのＵＶ透過曲線を有し、前記カプセル材が摂氏−４０度から摂氏９０度の温度範囲において、少なくとも５ｘ１０^１３Ωｃｍの体積比抵抗を有し、かつ、前記カプセル材が４００μｍと５００μｍとの間の厚みを有し、
   前記カプセル材は、前記太陽電池と前記背面シートとを保護して結合し、前記背面シートは、テドラー／ポリエステル／ＥＶＡまたはテドラー／ポリエステル／テドラーを含む
   太陽電池モジュール。

Images