JP2019071406A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化が生じた場合に、太陽電池セルの破損やタブ配線の破断が生じにくい太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】透明樹脂から構成される表面保護基板（２０）と、裏面保護基板（２８）との間に、タブ配線（１２）で接続された一以上の太陽電池セル１０を含む光電変換部を有し、光電変換部と表面保護基板（２０）との間に、少なくとも１層の補強層（２４）と、少なくとも１層の封止材層（２６）と、ゲル状高分子層（２２）とを有する太陽電池モジュールである。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関し、表面保護基板が透明樹脂からなる太陽電池モジュールに関する。

太陽電池モジュールは、基本的な構成として、第１の基板（表面保護基板）と、第１の樹脂層（封止材層）と、光電変換部と、第２の樹脂層（封止材層）と、第２の基板（裏面保護基板）と、をこの順に備えた構成になっている。つまり、光電変換部の表裏面を、第１の基板及び第１の樹脂層と、第２の樹脂層及び第２の基板とで覆うことで、光電変換部の保護を図っている。このような構成において、光電変換部においては、複数の太陽電池セルがマトリックス状に配列され、隣接する太陽電池セル同士はタブ配線によって電気的に接続される（例えば、特許文献１参照）。そして、このように、光電変換部は複数の太陽電池セル同士を複数のタブ配線によって電気的に接続し、例えば出力電圧を高めるようにしている。

太陽電池モジュールの保護基板としては、従来、ガラス基板を用いるのが一般的であったが、近年、軽量化のためにガラス基板に代わり樹脂基板が用いられるようになってきている。そして、表裏の保護基板において、それぞれの役割に応じた最適な材料が選択されることから、表裏の保護基板の材料が異なるようになってきた。

特開２０１３−１４５８０７号公報

しかしながら、一般的に、樹脂の線膨張率はガラスの線膨張率より大きく、温度変化による熱伸縮の影響が大きい。そして、樹脂からなる表面保護基板が熱伸縮した場合、表面保護基板と接着する樹脂層に応力が加わる。そのため、太陽電池モジュールに生じる温度変化の度合に比例して表面保護基板や樹脂層の熱応力が大きくなる傾向にある。

そして、太陽電池モジュールに生じる温度変化により、樹脂層に大きな熱応力が加わった場合、樹脂層と接する太陽電池セルが破損したり、太陽電池セル間を電気的に接続するタブ配線が切断したりするおそれがある。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、温度変化が生じた場合に、太陽電池セルの破損やタブ配線の破断が生じにくい太陽電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る太陽電池モジュールは、透明樹脂から構成される表面保護基板と、裏面保護基板との間に、タブ配線で接続された一以上の太陽電池セルを含む光電変換部を有する。そして、光電変換部と表面保護基板との間に、少なくとも１層の補強層と、少なくとも１層の封止材層と、ゲル状高分子層とを有する。

本発明の第２の態様に係る住宅用構造材は、第１の態様に係る太陽電池モジュールを具備する。

本発明の第３の態様に係る屋外設備は、第１の態様に係る太陽電池モジュールを具備する。

本発明の第４の態様に係る移動体は、第１の態様に係る太陽電池モジュールを具備する。

図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールを示す上面図である。 図２は、図１に示す太陽電池モジュールの部分断面図である。 図３は、図２とは異なる形態の太陽電池モジュールの部分断面図である。 図４は、図２とは異なる形態の太陽電池モジュールの部分断面図である。 図５は、図２とは異なる形態の太陽電池モジュールの部分断面図である。 図６は、図２とは異なる形態の太陽電池モジュールの部分断面図である。 図７は、図６における、補強層及びゲル状高分子層の状態を示す断面図である。 図８は、図２の形態に、さらに裏面保護基板側に補強層を配した形態を示す部分断面図である。

＜太陽電池モジュール＞
以下、図面を参照して本実施形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。図１は、本実施形態に係る太陽電池モジュール１００を示す上面図である。図１に示すように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる直角座標系が規定される。ｘ軸、ｙ軸は、太陽電池モジュール１００の平面内において互いに直交する。ｚ軸は、ｘ軸およびｙ軸に垂直であり、太陽電池モジュール１００の厚み方向に延びる。また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれの正の方向は、図１における矢印の方向に規定され、負の方向は、矢印と逆向きの方向に規定される。太陽電池モジュール１００を形成する２つの主表面であって、かつｘ−ｙ平面に平行な２つの主表面のうち、ｚ軸の正方向側に配置される主平面が「受光面」であり、ｚ軸の負方向側に配置される主平面が「裏面」である。なお、「受光面」とは光が主に入射する面を意味し、「裏面」とは受光面と反対側の面を意味することもある。また、ｚ軸の正方向側を「受光面側」とよび、ｚ軸の負方向側を「裏面側」とよぶこともある。

太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池セル１０、複数のタブ配線１２、複数の接続配線１４を含む。複数の太陽電池セル１０のそれぞれは、入射する光を吸収して光起電力を発生する。太陽電池セル１０は、例えば、結晶系シリコン、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）またはインジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体材料によって形成される。太陽電池セル１０の構造は、特に限定されないが、ここでは、一例として、結晶シリコンとアモルファスシリコンとが積層されているとする。図１では省略しているが、各太陽電池セル１０の受光面および裏面には、互いに平行にｘ軸方向に延びる複数のフィンガー電極と、複数のフィンガー電極に直交するようにｙ軸方向に延びる複数、例えば２本のバスバー電極とが備えられる。バスバー電極は、複数のフィンガー電極のそれぞれを接続する。

複数の太陽電池セル１０は、ｘ−ｙ平面上にマトリクス状に配列される。ここでは、ｘ軸方向に４つの太陽電池セル１０が並べられ、ｙ軸方向に５つの太陽電池セル１０が並べられる。なお、ｘ軸方向に並べられる太陽電池セル１０の数と、ｙ軸方向に並べられる太陽電池セル１０の数は、これらに限定されない。ｙ軸方向に並んで配置される５つの太陽電池セル１０は、タブ配線１２によって直列に接続され、１つの太陽電池ストリング１６が形成される。さらに、前述のごとく、ｘ軸方向に４つの太陽電池セル１０が並べられるので、ｙ軸方向に延びた太陽電池ストリング１６がｘ軸方向に４つ平行に並べられる。なお、太陽電池ストリング１６は、複数の太陽電池セル１０と複数のタブ配線１２との組合せを示す。

太陽電池ストリング１６を形成するために、タブ配線１２は、隣接した太陽電池セル１０のうちの一方の受光面側のバスバー電極と、他方の裏面側のバスバー電極とを電気的に接続する。すなわち、隣接した太陽電池セル１０は互いにタブ配線１２で電気的に接続されている。タブ配線１２は、細長い金属箔であり、例えば、銅箔にハンダや銀等をコーティングしたものが用いられる。タブ配線１２とバスバー電極との接続には樹脂が使用される。この樹脂は導電性、非導電性いずれでもよい。後者の場合はタブ配線１２とバスバー電極とを直接接触させることで電気的に接続される。また、タブ配線１２とバスバー電極との接続は、樹脂ではなくハンダを用いてもよい。

さらに、太陽電池ストリング１６のｙ軸の正方向側と負方向側において、複数の接続配線１４がｘ軸方向に延びており、接続配線１４は、隣接した２つの太陽電池ストリング１６を電気的に接続する。以上の構成において、太陽電池セル１０、太陽電池ストリング１６のそれぞれが「光電変換部」であってもよく、複数の太陽電池ストリング１６と接続配線１４との組合せが「光電変換部」であってもよい。なお、太陽電池モジュール１００の端縁部には、図示しないフレームが取り付けられてもよい。フレームは、太陽電池モジュール１００の端縁部を保護するとともに、太陽電池モジュール１００を屋根等に設置する際に利用される。

本実施形態の太陽電池モジュールは、透明樹脂から構成される表面保護基板と、裏面保護基板との間に、タブ配線で接続された一以上の太陽電池セルを含む光電変換部を有する。そして、光電変換部と表面保護基板との間に、少なくとも１層の補強層と、少なくとも１層の封止材層と、ゲル状高分子層とを有する。

図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った太陽電池モジュール１００の一部を示す断面図である。太陽電池モジュール１００は、太陽電池セル１０、タブ配線１２、接続配線１４、太陽電池ストリング１６、表面保護基板２０、ゲル状高分子層２２、補強層２４、封止材層２６、及び裏面保護基板２８を含む。図２の上側が受光面（表面）側に相当し、下側が裏面側に相当する。

図２に示す構成において、表面保護基板２０の構成材料と裏面保護基板２８の構成材料とが異なる。そのため、表面保護基板２０と裏面保護基板２８とで熱膨張係数が異なる。例えば、後述するように、表面保護基板２０にはポリカーボネートなどが使用され、裏面保護基板２８にはガラスなどが使用される。この場合、裏面保護基板２８よりも表面保護基板２０の方が熱膨張係数が大きい。従って、既述の通り、周囲の温度変化に起因する両保護基板の膨張・収縮の挙動が異なる。この挙動の相違を解消するため、本実施形態の太陽電池モジュール１００においては、表面保護基板２０と光電変換部との間にゲル状高分子層２２と補強層２４を配している。そして、本実施形態の太陽電池モジュール１００においては、表面保護基板２０が膨張・収縮により変形した場合でも、表面保護基板２０に隣接する下層のゲル状高分子層２２は引張弾性率が小さいため、表面保護基板２０の変形に追従することができる。つまり、ゲル状高分子層２２により表面保護基板２０の変形が緩和される。さらに、ゲル状高分子層２２の下層には高い機械強度を有する補強層２４が隣接している。そのため、表面保護基板２０の変形をゲル状高分子層２２のみでは抑えられなかった場合でも、補強層２４により抑えられる。ひいては、表面保護基板２０の変形は、封止材層２６及び光電変換部には伝わり難くなり、結果的に、太陽電池セルの破損やタブ配線の破断を防止することができる。
以下に、各層について順次説明する。

［表面保護基板］
表面保護基板２０は、太陽電池モジュール１００の太陽光の受光側に位置し、透明樹脂から構成される基板である。表面保護基板２０を構成する透明樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、環状ポリオレフィン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）からなる群より選択される少なくとも１つを用いることができる。これらの中でも、表面保護基板２０としては、ポリカーボネート（ＰＣ）を用いることが好ましい。ポリカーボネート（ＰＣ）は、耐衝撃性および透光性に優れる、太陽電池モジュール１００の表面を保護するのに適しているからである。また、表面保護基板２０は、その表面にアクリルウレタンなどで構成されるハードコート層を含んでもよい。さらに、表面保護基板２０又はハードコート層などに紫外線吸収剤や艶調整剤、反射防止成分を含んでもよい。

表面保護基板２０は、厚みが０．１〜１５ｍｍであり、引張弾性率が１．０〜１０．０ＧＰａ以下であり、全光線透過率８０％以上であることが好ましい。これらのパラメータについて以下に説明する。

表面保護基板２０の厚みは、０．１〜１５ｍｍとすることが好ましく、０．５〜１０ｍｍとすることがより好ましい。表面保護基板２０の厚みをこのような範囲とすることによって、太陽電池モジュール１００を適切に保護し、光を光電変換部（太陽電池セル１０）に効率よく到達させることができる。

表面保護基板２０の引張弾性率は、１．０〜１０．０ＧＰａであることが好ましく、２．３ＧＰａ〜２．５ＧＰａであることがより好ましい。表面保護基板２０の引張弾性率をこのような範囲とすることによって、太陽電池モジュール１００の表面を適切に保護することができる。引張弾性率は、例えば、次のように、ＪＩＳ Ｋ７１６１−１（プラスチック−引張特性の求め方−第１部：通則）により測定することができる。
Ｅｔ＝（σ２−σ１）／（ε２−ε１） （１）
上記式（１）において、Ｅｔは引張弾性率（Ｐａ）、σ１はひずみε１＝０．０００５における応力（Ｐａ）、σ２はひずみε２＝０．００２５における応力（Ｐａ）を示す。

表面保護基板２０の全光線透過率は８０％以上であることが好ましく、９０〜１００％であることが好ましい。表面保護基板２０の全光線透過率をこの範囲とすることにより、光を効率よく光電変換部（太陽電池セル１０）へ到達させることができる。全光線透過率は、例えば、ＪＩＳ Ｋ７３６１−１（プラスチック−透明材料の全光線透過率の試験方法−第１部：シングルビーム法）などの方法により測定することができる。

表面保護基板２０の熱膨張係数は、特に限定はなく、４０〜１１０（×１０^−６Ｋ^−１）とすることができる。本実施形態においては、表面保護基板２０の熱膨張係数が大きく、温度変化に伴い変形しやすい場合であっても、ゲル状高分子層２２及び補強層２４の存在より問題は生じ難い。熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｋ ７１９７ ：２０１２により測定することができる。

［ゲル状高分子層］
ゲル状高分子層２２は、柔軟性に富むゲル状高分子により形成される層であり、表面保護基板２０と光電変換部との間に位置する。ゲル状高分子層２２は柔軟性を有し、表面保護基板２０が膨張・収縮したとき、その膨張・収縮に追従するため、光電変換部に膨張・収縮による応力が別の層に伝わるのを防止することができる。すなわち、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力は、ゲル状高分子層２２により緩和することができる。

ゲル状高分子層２２を構成する材料としては、各種ゲルを用いることができる。ゲルは、特に限定されないが、溶媒を含有したゲルと溶媒を含有しないゲルに分類される。溶媒を含有したゲルには、分散媒が水のゲルであるヒドロゲル、分散媒が有機溶媒のゲルであるオルガノゲル、を用いることができる。また、溶媒を含有したゲルは、数平均分子量が１００００以上の高分子ゲル、数平均分子量が１０００以上１００００未満のオリゴマーゲル、数平均分子量が１０００未満の低分子ゲルのいずれを用いることができる。ゲル状高分子は、シリコーンゲル、ウレタンゲル、アクリルゲル、及びスチレンゲルからなる群より選択される少なくとも１種から構成されることが好ましい。

ゲル状高分子層２２は、表面保護基板２０の厚みに対して５〜９９％の厚みを有し、引張弾性率が０．１ｋＰａ以上０．５ＭＰａ未満であり、全光線透過率が８０％以上であることが好ましい。これらのパラメータについて以下に説明する。

ゲル状高分子層２２は、表面保護基板２０の厚みに対して５〜９９％の厚みを有することが好ましく、１０〜５０％の厚みを有することがより好ましい。ゲル状高分子層２２がこのような厚みを有することで、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力を十分に緩和することができる。

ゲル状高分子層２２の引張弾性率は、０．１ｋＰａ以上５ＭＰａ未満が好ましく、1ｋＰa以上１ＭＰa以下がより好ましい。ゲル状高分子層２２の引張弾性率がこのような範囲であることで、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力を十分に緩和することができる。特に、後述するように、引張弾性率が０．５ＭＰａ未満であると、０．５ＭＰａ以上の場合と比較して、温度変化に起因する太陽電池セルの移動量が極端に小さくなる（表１参照）。つまり、引張弾性率：０．５ＭＰａが、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力を顕著に緩和できる臨界的数値である。表面保護基板２０の膨張・収縮による応力をより大きく緩和するため、引張弾性率は、０．３ＭＰａ以下がより好ましく、０．２ＭＰａ以下がさらに好ましい。

ゲル状高分子層２２の全光線透過率は８０％以上であることが好ましく、９０〜１００％であることが好ましい。ゲル状高分子層２２の全光線透過率をこの範囲とすることにより、光を効率よく光電変換部（太陽電池セル１０）へ到達させることができる。全光線透過率の測定方法は既述の通りである。

［補強層］
補強層２４は、高い機械強度を有する材料から形成される層であり、ゲル状高分子層２２と同様に、表面保護基板２０と光電変換部との間に位置する。補強層２４は高い機械強度を有するため、表面保護基板２０が膨張・収縮したとき場合でも、その膨張・収縮に追従せず、光電変換部への応力が伝わるのを防止することができる。従って、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力は、補強層２４により阻止することができる。

補強層２４は、ゲル状高分子層２２と相まって、両者の相補的な作用により表面保護基板２０の膨張・収縮による応力を効果的に緩和することができる。例えば、ゲル状高分子層２２のみでは、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力を十分に緩和できない場合でも、補強層２４の高い機械強度により当該応力を十分に緩和することができる。

一方、補強層２４を設けることにより、上記効果とは別の種々の効果を奏する。その効果について以下に説明する。

（うねりの抑制）
補強層２４を設けない場合においては、ゲル状高分子層２２は、封止材層２６と隣接する。この場合、ゲル状高分子層２２は、封止材層２６と比較して柔軟性があるため、加熱しながら太陽電池モジュール１００をラミネート成形した場合に、ゲル状高分子層２２が変形してゲル状高分子層２２に凹凸が生じやすい。特に、真空状態で太陽電池モジュール１００をラミネート成型した場合にこのようなゲル状高分子層２２の凹凸が生じやすくなる。このような凹凸が生じた場合、ゲル状高分子層２２と封止材層２６との屈折率差に加えて、変形によって界面が強調されることでうねりなどの外観不良が発生する。そこで、ゲル状高分子層２２と封止材層２６との間に機械強度が高い補強層２４を設けると、ゲル状高分子層２２と封止材層２６の界面の変形が抑制されるため、外観不良の発生が抑制される。上記のような変形を効果的に抑制するためには、機械強度が向上する点で補強層２４には厚く、硬い材料を用いることが好ましい。また、外観不良をより抑えるため、補強層２４に隣接するゲル状高分子層２２と封止材層２６との屈折率差は小さいことが好ましい。

（衝撃によるゲル状高分子層の変形抑制）
補強層２４を設けない場合においては、例えば鋼球落下試験などにより上部から（表面保護基板２０側から）応力が掛かった際、ゲル状高分子層２２が変形し、衝撃エネルギーを吸収する。しかし、ゲル状高分子層２２の下層側（裏面保護基板２８側）への局所的な変形が起こり、局所的に荷重が発生するため太陽電池セル１０の割れの発生の原因となる。そこで、ゲル状高分子層２２と封止材層２６との間に機械強度が高い補強層２４を設けると、上部からの応力が発生しても、補強層２４の存在によりゲル状高分子層２２の変形が抑制され、ひいては太陽電池セル１０の割れ発生が抑制される。ゲル状高分子層２２の変形を効果的に抑制するため、補強層２４には厚く、硬い材料を用いることが好ましい。

（貼合せプロセスの簡便化）
ゲル状高分子層２２は、粘着性・タック性があるため、ラミネートなど貼合せ時にハンドリング性について問題となることがある。そこで、ゲル状高分子層２２と封止材層２６との間に補強層２４を設ける、つまり、ゲル状高分子層２２の一方の面に補強層２４が貼付された状態で貼合せを行うと粘着性の問題が低減されハンドリング性が向上する。ハンドリング性向上のために補強層２４は厚く、硬く、粘着性が低い材料とすることが好ましい。

（振動によるゲル状高分子の剥離防止）
ゲル状高分子層２２は、振動など繰返しの荷重がかかることに起因する剥離や気泡の混入などが起こることがあり、接着性に対して問題となることがある。そこで、ゲル状高分子層２２と封止材層２６との間に補強層２４を設けることで、それらの問題を防止することができる。剥離防止向上のために補強層２４には厚く、硬い材料を用いることが好ましい。このような構成とすることで、補強層２４と封止材層２６との接着性を向上させることができるが、表面保護基板２０とゲル状高分子層２２との界面の接着性には変化がなく、その界面の剥離が懸念される。その場合において、その界面での剥離を防止するには、表面保護基板２０及び補強層２４の面積よりも、ゲル状高分子層２２の面積を小さく設定し、表面保護基板２０の縁部と、補強層２４の縁部とを接着する構成とすることが好ましい。この構成では、ゲル状高分子層２２が、表面保護基板２０と補強層２４とで囲繞された状態となる。

補強層２４を構成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアセタール、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＣＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ＡＳＡ樹脂、これらの共重合体、ＰＶＦなどのフッ素樹脂、シリコーン樹脂、セルロース、ニトリル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン、アイオノマー、ポリブタジエン、ポリブチレン、ポリメチルペンテン、ポリビニルアルコール、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリイミドなどからなるが挙げられ、中でも、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、アクリル樹脂が好ましい。

補強層２４は、厚みが１０〜２００μｍであり、熱膨張係数が０〜３０（×１０^−６Ｋ^−１）であり、全光線透過率が８０％以上であることが好ましい。これらのパラメータについて以下に説明する。

補強層２４の厚みは、１０〜２００μｍであることが好ましく、１０〜１００μｍであることがより好ましい。補強層２４がこのような厚みを有することで、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力の光電変換部への伝達を十分に抑えることができる。

補強層２４の熱膨張係数は、０〜３０（×１０^−６Ｋ^−１）であることが好ましく、５〜３０（×１０^−６Ｋ^−１）であることがより好ましい。補強層２４の熱膨張係数がこの範囲であることで、表面保護基板２０が熱によって膨張・収縮した場合でも、補強層２４の膨張・収縮は表面保護基板２０よりも小さく、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力の光電変換部への伝達を抑えることができる。

補強層２４の全光線透過率は８０％以上であることが好ましく、９０〜１００％であることが好ましい。補強層２４の全光線透過率をこの範囲とすることにより、光を効率よく光電変換部（太陽電池セル１０）へ到達させることができる。全光線透過率の測定方法は既述の通りである。

また、補強層２４の引張弾性率は、１．０〜１０．０ＧＰａが好ましく、２〜５ＧＰａがより好ましい。補強層２４の引張弾性率がこのような範囲であることで、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力を十分に緩和することができる。

補強層２４の表裏の少なくとも一方に、水蒸気透過率が１．０ｇ／ｍ^２・ｄａｙ以下の皮膜が形成されていることが好ましい。このような皮膜を補強層２４に形成することで、封止材層２６への水蒸気の浸入がブロックされ、封止材層２６の封止材の加水分解を防止することができる。なお、水蒸気透過率は、例えば、ＪＩＳ Ｋ７１２９：２００８（プラスチック−フィルム及びシート−水蒸気透過度の求め方（機器測定法））の付属書Ｂに規定された赤外線センサ法により求めることができる。

また、補強層２４の表裏の少なくとも一方に、酸素透過率が８．０ｍｌ／ｍ^２・ｄａｙ以下の皮膜が形成されていることが好ましい。このような皮膜を補強層２４に形成することで、封止材層２６への酸化の浸入がブロックされ、封止材層２６の封止材の酸化による分解を防止することができる。なお、酸素透過率は、ＪＩＳ Ｋ７１２６−１（ＧＣ法）に則って求めることができる。

補強層２４に形成する皮膜としては、コーティング、蒸着法で構成してもよく、Ｓｉ及びＯを含む無機複合材料から構成されることが好ましい。そのような材料としては、シロキサン化合物などが挙げられ、その中でも、ポリオルガノシロキサンが好ましい。

［封止材層］
封止材層２６は、光電変換部を保護するために設けられる。封止材層２６を構成する材料としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリオレフィン（ＰＯ）、ポリイミド（ＰＩ）などの熱可塑性樹脂、エポキシ、ウレタン及びポリイミドなどの熱硬化性樹脂が挙げられ、中でも、ＥＶＡ、ＰＯが好ましい。

封止材層２６は、厚みが０．１〜１０ｍｍであり、引張弾性率が０．００５〜０．０５ＧＰａであることが好ましい。これらのパラメータについて以下に説明する。

封止材層２６の厚みは、０．１〜１０ｍｍであることが好ましく、０．２〜１．０ｍｍであることがより好ましい。封止材層２６がこのような厚みを有することで、光電変換部を十分に封止して保護することができる。

封止材層２６の引張弾性率は、０．００５〜０．０５ＧＰａであることが好ましく、０．０１〜０．０５ＧＰａであることがより好ましい。封止材層２６の引張弾性率がこのような範囲であることで、表面保護基板２０の膨張・収縮による応力を十分に緩和することができる。

［裏面保護基板］
裏面保護基板２８は、バックシートとして太陽電池モジュール１００の裏面側を保護する。裏面保護基板２８を構成する材料としては、ガラス、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、環状ポリオレフィン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）からなる群より選択される少なくとも１つを用いることができる。繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）としては、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ）などが挙げられる。なお、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）としては、ガラスエポキシなどが挙げられる。裏面保護基板２８を形成する材料は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）及びポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなる群より選択される少なくとも１つを含有することが好ましい。裏面保護基板２８は、その強度を十分に確保するため、繊維強化プラスチックなど繊維強化樹脂からなることが好ましい。また、繊維強化プラスチックは、繊維が一方向に並んだＵＤ（ＵｎｉＤｉｒｅｃｔｉｏｎ）材であってもよく、それぞれ交差する繊維によって織られた織物材であってもよい。裏面保護基板２８にＵＤ材を用いる場合、繊維方向に膨張収縮しにくいため、ＵＤ材を配置する方向によっては太陽電池セル１０の破損やタブ配線１２の切断を抑制することができる。なお、たわみが生じにくく、軽量であるため、裏面保護基板２８は炭素繊維強化プラスチックにより形成されていることが好ましい。また、裏面での発電の効率を上げるために、本層に酸化チタンなどを含有し反射率を向上させてもよい。また、表面にメッキ処理をしてもよい

裏面保護基板２８の厚みは、特に限定されないが、０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましく、０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．０７ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。特に、繊維強化プラスチックの場合は、繊維１本の直径が厚みの下限値であることが好ましい。裏面保護基板２８の厚みをこのような範囲とすることによって、裏面保護基板２８のたわみを抑制し、太陽電池モジュール１００をより軽量化することができる。

なお、裏面保護基板２８の厚みが薄い場合（例えば、０．２ｍｍ以下）、軽量化や薄肉化に加え、裏面保護基板２８に温度差が生じた場合の熱収縮の影響が小さくなったり、裏面保護基板２８の剛性が低下したりする。そのため、太陽電池モジュール１００全体の反りを低減させることができる。

また、裏面保護基板２８の厚みが薄い場合、太陽電池モジュール内部のガス抜け性を向上させることができる。例えば、封止材層２６の材料としてＥＶＡを用いた場合、ＥＶＡの分解により酢酸が生じることがあるが、裏面保護基板２８が薄いと酢酸が外部に発散しやすくなる。

また、裏面保護基板２８にＵＤ材の繊維強化プラスチックを用い、裏面保護基板２８の厚みを薄くした場合、ＵＤ材を必要に応じて部分的に重ね合わせることで、所望の箇所を補強するなど、裏面保護基板２８の中でその特性に強弱をつけることができる。なお、ＵＤ材を重ね合わせる場合、所望する特性によって、ＵＤ材の繊維をそれぞれ同じ方向に重ね合わせてもよく、ＵＤ材の繊維をそれぞれ垂直などの異なる方向に重ね合わせてもよい。

また、裏面保護基板２８の厚みが薄くなると、封止材層２６（被貼り合わせ面）の形状に追従させながら裏面保護基板２８を貼り合わせることができ、封止材層２６と裏面保護基板２８の間に気泡を混入しにくくすることができる。また、例えば表面保護基板２０が曲面を有する形状であっても、封止材層２６を介して表面保護基板２０の形状に適合するように裏面保護基板２８を貼り合わせることができる。そのため、気泡の混入を抑制しつつ、曲面形状を有する太陽電池モジュール１００を容易に製造することができる。なお、この際、裏面保護基板２８と封止材層２６と補強層２４とを貼り合わせた状態でフィルムモジュールが作製されていると、このフィルムモジュール自体が柔軟性を有するため、表面保護基板２０への貼り合わせを容易にすることができる。また、裏面保護基板２８の追従性が高いため、例えば各層を積層して曲面形状の太陽電池モジュール１００を製造する場合などに、局所的な荷重が太陽電池セル１０などに加わりにくいため、太陽電池セル１０の破損を抑制することができる。この太陽電池セル１０の破損の抑制は、太陽電池モジュール１００がさらに既述のゲル状高分子層２２を備える場合に特に効果的である。さらに、裏面保護基板２８の厚みが薄くなると、封止材層２６を素早く加熱して架橋などすることができるため、太陽電池モジュール１００の製造時間を短縮するだけでなく、表面保護基板２０が熱変形するのを抑制することができる。

裏面保護基板２８は、厚みが０．０１〜１０ｍｍであり、引張弾性率が１．０〜１００．０ＧＰａであり、熱膨張係数が０〜３０（×１０^−６Ｋ^−１）であることが好ましい。これらのパラメータについて以下に説明する。

裏面保護基板２８の厚みは、０．０１〜１０ｍｍであることが好ましく、０．０５〜５．０ｍｍであることがより好ましい。裏面保護基板２８がこのような厚みを有することで、太陽電池モジュール１００の裏面を十分に保護することができる。

裏面保護基板２８の引張弾性率が１．０〜１００．０ＧＰａであることが好ましく、２．３ＧＰａ〜２．５ＧＰａであることがより好ましい。裏面保護基板２８の引張弾性率をこのような範囲とすることによって、太陽電池モジュール１００の裏面を適切に保護することができる。

裏面保護基板２８の熱膨張係数は、０〜３０（×１０^−６Ｋ^−１）であることが好ましく、２〜２５（×１０^−６Ｋ^−１）であることがより好ましい。裏面保護基板２８の熱膨張係数がこの範囲であることで、耐熱衝撃性を向上させることができる。

以上の各層において、ゲル状高分子層を構成する材料の引っ張り弾性率（Ａ）、封止材層を構成する材料の引っ張り弾性率（Ｂ）、及び補強層を構成する材料の引っ張り弾性率（Ｃ）がＡ＜Ｂ＜Ｃの関係にあることが好ましい。かつ、表面保護基板を構成する材料の熱膨張係数が、裏面保護基板を構成する材料及び補強層を構成する材料のそれぞれの熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。ゲル状高分子層、封止材層、及び補強層を構成する材料それぞれの引張弾性率（Ａ、Ｂ、Ｃ）がＡ＜Ｂ＜Ｃの関係にあると、表面保護基板が温度変化により変形した場合でも、ゲル状高分子により緩和することができる。また、表面保護基板を構成する材料の熱膨張係数が、裏面保護基板を構成する材料及び補強層を構成する材料のそれぞれの熱膨張係数よりも大きいことにより、表面保護基板が温度変化により変形した場合であっても、補強層により緩和することができる。

次いで、本実施形態の太陽電池モジュールの変形例（図３、図４）を以下に示す。

図３の形態は、ゲル状高分子層２２と補強層２４とを図２とは逆にした形態である。すなわち、表面保護基板２０から順に、補強層２４、ゲル状高分子層２２、光電変換部（封止材層２６、太陽電池セル１０、タブ配線１２）、裏面保護基板２８が配置されている。この形態においても、表面保護基板２０が周囲の温度変化により変形した場合でも、隣接する補強層２４が表面保護基板２０の変形に追従し難く、また補強層２４が変形しても隣接するゲル状高分子層２２により変形が緩和される。従って、光電変換部には表面保護基板２０の変形は伝わり難く、ひいては太陽電池セル１０の破損やタブ配線１２の破断を防止することができる。

図４の形態は、封止材層を２箇所（封止材層２６Ａ、２６Ｂ）に配置した点において図２とは異なる。２箇所の封止材層のうち、封止材層２６Ａは光電変換部を封止して保護する層であり、封止材層２６Ｂはゲル状高分子層２２と補強層２４との間に配置している。ここで、封止材層２６Ｂは何らかの部材を封止するものではないが、封止材層２６Ａと同じ材料を用いているため封止材層の語を使用している。この形態においては、表面保護基板２０が周囲の温度変化により変形した場合、隣接するゲル状高分子層２２がその変形に追従して変形する。そして、ゲル状高分子層２２のみでは変形を緩和できない場合でも、封止材層２６Ｂの存在により表面保護基板２０から伝わった変形を緩和することができる。結果的に、光電変換部には表面保護基板２０の変形は伝わり難く、ひいては太陽電池セル１０の破損やタブ配線１２の破断を防止することができる。

一方、本実施形態の太陽電池モジュールは、補強層が２層からなり、ゲル状高分子層が２層の補強層の間に位置することが好ましい。図５はそのような形態を示し、補強層を２層構成（補強層２４Ａ、補強層２４Ｂ）とし、補強層２４Ａと補強層２４Ｂとの間にゲル状高分子層２２を配置している。太陽電池モジュール１００内にゲル状高分子層２２を配置すると、ゲル状高分子に含まれる不純物が封止材層２６や表面保護基板２０に拡散して変色や脆化の原因となる可能性がある。当該不純物としては、ゲル状高分子に含まれる添加剤（紫外線吸収剤、可塑剤など）、形状安定化のために混合されている低分子成分（水やシリコーンオイルなどゲル化剤）、未反応モノマーなどである。図５の形態では、ゲル状高分子層２２は補強層２４Ａ及び２４Ｂにブロックされるため上記のような添加剤などの拡散を抑えることができる。すなわち、本形態においては、図２〜４で説明した、太陽電池セルの破損やタブ配線の破断防止効果とともに、ゲル状高分子に含まれる添加剤などの拡散防止効果を奏する。
なお、本形態においても、補強層２４Ａ、２４Ｂに、上述した水蒸気透過率が１.０ｇ／ｍ^２・ｄａｙ以下及び／又は酸素透過率が８．０ｍｌ／ｍ^２・ｄａｙ以下の皮膜が形成されることが好ましい。そのようにすることで、ゲル状高分子に含まれる添加剤などの拡散防止の効果を十分に発揮することができる。

図５の形態において、ゲル状高分子層２２の全体が２層の補強層（２４Ａ、２４Ｂ）により封止されていることが好ましい。そのような形態を図６に示す。図６は、図１におけるＡ−Ａ線を太陽電池モジュール全体（ｙ軸方向）に拡張して示す断面図であり、途中の部分は省略して示している。図６においては、ゲル状高分子層２２の全体が２層の補強層２４Ａと補強層２４Ｂとにより封止されている。図５の形態においては、ゲル状高分子層２２の側面が外部に開放されているため、長期的には、その開放部分から添加剤などが拡散する可能性も否めない。そこで、図６においては、ゲル状高分子層２２の全体を２層の補強層２４Ａ、２４Ｂにより封止している。すなわち、ゲル状高分子層２２の側面も含めて全体が補強層２４Ａ、２４Ｂにより封止されている。そのため、ゲル状高分子に含まれる添加剤などの拡散防止を、図５の形態よりも確実に実効あらしめることができる。なお、図６では補強層２４Ａ、２４Ｂがゲル状高分子層２２を封止する様子を模式的に示しているが、実際には、補強層２４Ａ、２４Ｂはフィルム状であり、図７に示すような状態となる。

本実施形態の太陽電池モジュールは、さらに、裏面保護基板の光電変換部側に絶縁性を有する補強層を有することが好ましい。特に、裏面保護基板２８の基材として、ＣＦＲＰなど導電性の基材を用いた場合にはリーク電流の発生が問題となる。そこで、図８に示すように、裏面保護基板２８と光電変換部との間に絶縁性を有する補強層３０を配置することでリーク電流を絶縁することができる。ここで使用する補強層３０の材料は、既述の補強層の中でも絶縁性が高いものを用いることが好ましい。
また、本形態においては、発電効率を上げるために、補強層に酸化チタンなどの白色顔料を添加し反射率を向上させることが好ましい。あるいは、補強層の表面に反射率が向上するメッキ処理を施してもよい。

＜住宅用構造材＞
本実施形態の住宅用構造材は、上述の本実施形態の太陽電池モジュールを具備する住宅用構造材である。当該住宅用構造材としては、例えば、屋根、壁などが挙げられる。いずれの住宅用構造材も、本実施形態の太陽電池モジュールにより発電して得た電流が電気機器に供給され、当該電気機器の駆動に使用される。

＜屋外設備＞
本実施形態の屋外施設は、上述の本実施形態の太陽電池モジュールを具備する屋外施設である。当該屋外設備としては、例えば、テント、カーポート、耐荷重性が低い折板屋根を使用した工場屋根などが挙げられる。いずれの屋外設備も、本実施形態の太陽電池モジュールにより発電して得た電流が電気機器に供給され、当該電気機器の駆動に使用される。

＜移動体＞
本実施形態の移動体は、上述の本実施形態の太陽電池モジュールを具備する移動体である。当該移動体としては、例えば、自動車等の車両、電車、又は船舶等などが挙げられる。本実施形態の太陽電池モジュールは、自動車に搭載される場合、ボンネットや屋根などの自動車本体の上面部分に設置されることが好ましい。いずれの移動体も、本実施形態の太陽電池モジュールにより発電して得た電流がファン、モーターなどの電気機器に供給され、当該電気機器の駆動・制御に使用される。

以下、実施例により本実施形態を更に詳しく説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
ムラタソフトウェア（株）製、Ｆｅｍｔｅｔ（登録商標）を用い、図２に示す層構成の太陽電池モジュールに対して解析を行った。各層の詳細を以下に示す。
・裏面保護基板；厚み：１ｍｍの炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）
・封止材層；エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）（２５℃での引張弾性率：０．０３ＧＰａ）
・補強層；厚み：０．１ｍｍのＰＥＴ（熱膨張係数：２０（×１０^−６Ｋ^−１））
・ゲル状高分子層；厚み：１．０ｍｍのシリコーンゲル（２５℃での引張弾性率：２．２ｋＰａ、全光線透過率：９０％）
・表面保護基板；厚み：１ｍｍのポリカーボネート（２５℃での引張弾性率：７ＧＰａ、全光線透過率：９０％）

（評価）
上記太陽電池モジュールに対して、ＪＩＳ Ｃ８９１７に準拠した、１４５℃から２５℃に温度変化させた場合の温度サイクル試験のシミュレーションを行い、試験前後の太陽電池セルの移動量、及びタブ配線が破断するまでのサイクル数について解析した。その結果を表１に示す。なお、タブ配線が破断するまでの回数は以下の評価基準に従い評価した。
〜評価基準〜
◎：２００サイクルで切断しなかった。
○：２００〜５０サイクルで切断した。
×：５０サイクル未満で切断した。

［実施例２〜５］
ゲル状高分子層を、表１に記載のものに代えたこと以外は実施例１と同様にして太陽電池モジュールの評価を行った。その結果を表１に示す。

［参考例１〜５］
補強層を積層しなかったこと以外は実施例１〜５と同様にして太陽電池モジュールの評価を行った。その結果を表１に示す。

［実施例２Ａ］
実施例２と同じ構成の太陽電池モジュールを実際に作製し、実施例２と同様に評価した。ただし、温度サイクル試験における温度変化については９０℃から−４０℃とした。その結果を表２に示す。

［参考例２Ａ］
参考例２と同じ構成の太陽電池モジュールを実際に作製し、実施例２と同様に評価した。ただし、温度サイクル試験における温度変化については９０℃から−４０℃とした。その結果を表２に示す。

［比較例１］
補強層もゲル状高分子層も積層しなかったこと以外は実施例２Ａと同様にして太陽電池モジュールを作製し、実施例２Ａと同様の評価を行った。その結果を表２に示す。

表１、２より、太陽電池セルの移動量において、実施例１〜４と実施例５とで顕著な差が認められたことが分かる。すなわち、ゲル状高分子層の引張弾性率が０．５ＭＰａ未満の場合、太陽電池セルの移動量が極端に小さい。太陽電池セルの移動量が小さいと、タブ配線が受ける負荷が小さく、破断し難いと考えられる。すなわち、ゲル状高分子層の引張弾性率を０．５ＭＰａ未満とすると、タブ配線の破断を著しく抑制することができる。
また、補強層を有する実施例１の太陽電池モジュールは、補強層を有しない参考例１の太陽電池モジュールよりもセル移動量が小さく、またタブ配線が破断するまでの温度変化の繰り返しサイクル数が多い。実施例２〜５のそれぞれに対応する参考例２〜５も同様である。これらのことから、補強層の存在がタブ配線の破断防止に寄与していることが分かる。

特願２０１７−０２６９９８（出願日：２０１７年２月１６日）及び特願２０１７−２１０９７７号（出願日：２０１７年１０月３１日）の全内容は、ここに援用される。

本発明によれば、温度変化が生じた場合に、太陽電池セルの破損やタブ配線の破断が生じにくい太陽電池モジュールを提供することができる。

１０ 太陽電池セル（光電変換部）
１２ タブ配線
１４ 接続配線
１６ 太陽電池ストリング（光電変換部）
２０ 表面保護基板
２２ ゲル状高分子層
２４ 補強層
２６ 封止材層
２８ 裏面保護基板
３０ 補強層
１００ 太陽電池モジュール

Claims (17)

1. 透明樹脂から構成される表面保護基板と、裏面保護基板との間に、タブ配線で接続された一以上の太陽電池セルを含む光電変換部を有し、
   前記光電変換部と前記表面保護基板との間に、少なくとも１層の補強層と、少なくとも１層の封止材層と、ゲル状高分子層とを有する太陽電池モジュール。
2. 前記補強層が２層からなり、前記ゲル状高分子層が２層の補強層の間に位置する請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記ゲル状高分子層を構成する材料の引っ張り弾性率（Ａ）、前記封止材層を構成する材料の引っ張り弾性率（Ｂ）、及び前記補強層を構成する材料の引っ張り弾性率（Ｃ）、がＡ＜Ｂ＜Ｃの関係にあり、かつ、前記表面保護基板を構成する材料の熱膨張係数が、前記裏面保護基板を構成する材料及び前記補強層を構成する材料のそれぞれの熱膨張係数よりも大きい請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記表面保護基板が、厚みが０．１〜１５ｍｍであり、引張弾性率が１．０〜１０．０ＧＰａ以下であり、全光線透過率８０％以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記補強層が、厚みが１０〜２００μｍであり、熱膨張係数が０〜３０（×１０^−６Ｋ^−１）であり、全光線透過率が８０％以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記ゲル状高分子層が、表面保護基板の厚みに対して５〜９９％の厚みを有し、引張弾性率が０．１ｋＰａ以上０．５ＭＰａ未満であり、全光線透過率が８０％以上である請求項１〜５のいずかれ１項に記載の太陽電池モジュール。
7. 前記封止材層が、厚みが０．１〜１０ｍｍであり、引張弾性率が０．００５〜０．０５ＧＰａである請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
8. 前記裏面保護基板が、厚みが０．０１〜１０ｍｍであり、引張弾性率が１．０〜１００．０ＧＰａであり、熱膨張係数が０〜３０（×１０^−６Ｋ^−１）である請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
9. 前記裏面保護基板が繊維強化樹脂からなる請求項１〜８のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
10. 前記補強層の表裏の少なくとも一方に、水蒸気透過率が１ｇ／ｍ^２・ｄａｙ以下の皮膜が形成されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
11. 前記補強層の表裏の少なくとも一方に、酸素透過率が８．０ｍｌ／ｍ^２・ｄａｙ以下の皮膜が形成されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
12. 前記皮膜がＳｉ及びＯを含む材料から構成される請求項１０又は１１に記載の太陽電池モジュール。
13. 前記ゲル状高分子層を構成するゲル状高分子は、シリコーンゲル、ウレタンゲル、アクリルゲル、及びスチレンゲルからなる群より選択される少なくとも１種から構成される請求項１〜１２のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
14. さらに、前記裏面保護基板の前記光電変換部側に絶縁性を有する補強層を有する請求項１〜１３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールを具備する住宅用構造材。
16. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールを具備する屋外設備。
17. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールを具備する移動体。

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