JP2021015939A - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】ランニングコストが掛からず、容易かつ効果的に温度上昇を防ぐことができる太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】受光面側に位置するガラス板と、太陽電池セルと、背面側に位置するガラス板と、をこの順に含む太陽電池モジュールであって、前記受光面側と前記背面側の少なくともいずれか一方の側の表面に低放射膜が形成された太陽電池モジュール。【選択図】図１
Description
本発明は太陽電池モジュール関する。
太陽電池は一般的にシリコン系と化合物半導体系に大別される。シリコン系はさらに結晶シリコン系、薄膜シリコン系、それらのハイブリッド系がある。また、化合物半導体系には、ＩＩＩ−Ｖ族系、ＣｄＴｅ系、ＣＩＧＳ系等の薄膜系がある。
これら太陽電池を実使用環境下に設置する際には、複数の太陽電池を直並列に接続して集積化された太陽電池セルの両側をガラス板で保護し、封止した太陽電池モジュールとしてとして設置、使用する。
この太陽電池モジュールに関して様々な研究が行われている。例えば特許文献１では、太陽電池セルの両面を化学強化ガラスからなるガラス基板とすることを特徴とする太陽電池モジュールが開示されている。これにより、ガラス基板の厚さを薄くしても強度が高く、また穴を開けるなどの加工性が高い。そのため、太陽電池モジュールの設計自由度が向上し、従来と同等の構造で耐侯性の高い太陽電池モジュールを得ることができる。
また、特許文献２には、背面板に特定の組成を有する物理強化ガラスを用いることにより、耐候性および意匠性に優れ、かつ、製造時、輸送時、施工時のコストを低減できる太陽電池モジュールが開示されている。
太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルは、シリコン系、化合物半導体系に関わらず、温度上昇に伴い発電効率が低下することが知られている。そこで、太陽電池セルの温度上昇を緩和するため、風冷や水冷により表面を冷却する方法が検討されている。
しかしながら、風冷や水冷を行うためには、設備や水源等が必要となり、高コストとなる。特に、砂漠等の乾燥した地域で、広大な範囲にわたって太陽電池モジュールを設置する場合を想定すると、風冷や水冷を行うのは現実的でない。
そこで本発明は、ランニングコストが掛からず、容易かつ効果的に温度上昇を防ぐことができる太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明は、以下の［１］〜［４］に係るものである。
［１］受光面側に位置するガラス板と、太陽電池セルと、背面側に位置するガラス板と、をこの順に含む太陽電池モジュールであって、前記受光面側と前記背面側の少なくともいずれか一方の側の表面に低放射膜が形成された太陽電池モジュール。
［２］前記低放射膜が、前記背面側の表面に形成された前記［１］に記載の太陽電池モジュール。
［３］前記低放射膜が、前記受光面側の表面に形成された前記［１］又は［２］に記載の太陽電池モジュール。
［４］前記太陽電池セルを構成する半導体の光吸収スペクトルのうち、最も強いピーク強度を１としたときに、波長９００ｎｍ以上の波長領域におけるピーク強度がいずれも０．３以下である前記［３］に記載の太陽電池モジュール。
［１］受光面側に位置するガラス板と、太陽電池セルと、背面側に位置するガラス板と、をこの順に含む太陽電池モジュールであって、前記受光面側と前記背面側の少なくともいずれか一方の側の表面に低放射膜が形成された太陽電池モジュール。
［２］前記低放射膜が、前記背面側の表面に形成された前記［１］に記載の太陽電池モジュール。
［３］前記低放射膜が、前記受光面側の表面に形成された前記［１］又は［２］に記載の太陽電池モジュール。
［４］前記太陽電池セルを構成する半導体の光吸収スペクトルのうち、最も強いピーク強度を１としたときに、波長９００ｎｍ以上の波長領域におけるピーク強度がいずれも０．３以下である前記［３］に記載の太陽電池モジュール。
本発明に係る太陽電池モジュールによれば、低放射膜によって、太陽熱や反射熱による太陽電池モジュール内の温度上昇を防ぐことができる。
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施することができる。また、数値範囲を示す「〜」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
本実施形態に係る太陽電池モジュール１は、図１又は図２に示すように、受光面側に位置するガラス板１０と、太陽電池セル２０と、背面側に位置するガラス板３０と、をこの順に含み、前記受光面側と前記背面側の少なくともいずれか一方の側の表面に低放射膜４０が形成されていることを特徴とする。
低放射膜は、太陽電池モジュールの背面側の表面に形成されることが好ましい。これは、地面等による太陽光の反射光に伴う反射熱が、当該背面側から熱伝導し、太陽電池モジュール内の温度が上昇することを防ぐことができるためである。
また、低放射膜は、太陽電池モジュールの受光面側の表面に形成されることも好ましい。これは、太陽熱や反射熱が、当該受光面側から熱伝導し、太陽電池モジュール内の温度が上昇することを防ぐことができるためである。
低放射膜を受光面側の表面に形成する場合、太陽電池セルを構成する半導体の光吸収スペクトルのうち、最も強いピーク強度を１としたときに、波長９００ｎｍ以上の波長領域におけるピーク強度がいずれも０．３以下であることがより好ましい。この理由を以下に述べる。
太陽電池セルは、先述したように、シリコン系と化合物半導体系に大別され、さらに結晶シリコン系、薄膜シリコン系、それらのハイブリッド系や、ＩＩＩ−Ｖ族系、ＣｄＴｅ系、ＣＩＧＳ系等に分けられる。これらの太陽電池を構成する半導体によって、光吸収スペクトルが異なる。
例えばＣｕＩｎＳｅ２（ＣＩＳ）系太陽電池の場合、波長４００〜１２００ｎｍ程度の非常に広い波長領域において光を吸収する。また、結晶性シリコン系太陽電池の場合は、波長４００〜１０５０ｎｍ程度の波長領域の光を吸収する。
一方、ＣｄＴｅ系太陽電池の場合には、波長５００〜８５０ｎｍ程度の範囲の波長の光を吸収し、また、ＧａＡｓ系太陽電池の吸収する波長領域は５００〜８５０ｎｍ程度である。
一方、ＣｄＴｅ系太陽電池の場合には、波長５００〜８５０ｎｍ程度の範囲の波長の光を吸収し、また、ＧａＡｓ系太陽電池の吸収する波長領域は５００〜８５０ｎｍ程度である。
これに対し、低放射膜は一般的に、波長約７００ｎｍ以上の波長の光を透過しにくい性質を有する。そのため、波長７００ｎｍ以上の波長領域の光を吸収する太陽電池セルを含む太陽電池モジュールの受光面側の表面に低放射膜を形成すると、太陽電池モジュール内の温度上昇を抑制できる一方で、その発電効率は低下することとなる。
しかしながら、波長７００ｎｍ以上の波長領域の光を吸収しないか、またはその吸収が全体の吸収に対して僅かである太陽電池セルであれば、太陽電池モジュールの受光面側の表面に低放射膜を形成しても、その発電効率を妨げることなく、太陽電池モジュール内の温度上昇をも防ぐことができるようになる。
しかしながら、波長７００ｎｍ以上の波長領域の光を吸収しないか、またはその吸収が全体の吸収に対して僅かである太陽電池セルであれば、太陽電池モジュールの受光面側の表面に低放射膜を形成しても、その発電効率を妨げることなく、太陽電池モジュール内の温度上昇をも防ぐことができるようになる。
しかしながら、実際に現在検討されている太陽電池セルの中から、上記のような吸収特性を有するセルを見出すのは難しい。
そこで、低放射膜が、概ね波長９００ｎｍ以上の光に対してより効果を発揮することを鑑みて、波長９００ｎｍ以上の波長領域の光を吸収しないか、またはその吸収が全体の吸収に対して僅かである太陽電池セルを選択することで、発電効率の維持と太陽電池モジュール内の温度上昇抑制とのバランスを取ることができるものと考える。
そこで、低放射膜が、概ね波長９００ｎｍ以上の光に対してより効果を発揮することを鑑みて、波長９００ｎｍ以上の波長領域の光を吸収しないか、またはその吸収が全体の吸収に対して僅かである太陽電池セルを選択することで、発電効率の維持と太陽電池モジュール内の温度上昇抑制とのバランスを取ることができるものと考える。
以上から、半導体の光吸収スペクトルのうち、最も強いピーク強度を１としたときに、波長９００ｎｍ以上の波長領域におけるピーク強度がいずれも０．３以下となる半導体により構成される太陽電池セルを含む太陽電池モジュールに対して、その受光面側の表面に低放射膜を形成することが好ましい。そのような太陽電池セルは、具体的には、ＣｄＴｅ系、ＧａＡｓ系、アモルファスシリコン系等が挙げられる。
以上のように、本実施形態に係る太陽電池モジュールは、受光面側及び背面側の少なくともいずれか一方の側の表面に低放射膜が形成されたことを特徴とするものである。このような太陽電池モジュールとして、受光面側に位置するガラス板及び背面側に位置するガラス板の少なくともいずれか一方のガラス板に、Ｌｏｗ−Ｅガラスと呼ばれる低放射ガラスを、低放射膜が形成された面を外側に向けて配置するようにして用いることができる。
太陽電池モジュールには、透光性に加えて耐候性や耐久性が要求されるが、さらに、砂漠等の過酷な環境下においても長期間壊れることなく、メンテナンスフリーであることが好ましい。そのため、本実施形態に係る太陽電池モジュールでは、樹脂フィルムではなくガラス板が用いられる。
ガラス板には、従来公知のガラスを用いることができる。また、低放射ガラスを前記ガラス板として用いる場合も同様に、従来公知のガラスを基板として、その主面上に低放射膜が形成されたものを用いることができる。
ガラス板としては例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを母組成として含むガラス板が挙げられる。より具体的には、酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を１〜７．５％、Ｂ２Ｏ３を０〜１％、ＭｇＯを８．５〜１２．５％、ＣａＯを１〜６．５％、ＳｒＯを０〜３％、ＢａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｎａ２Ｏを１〜８％、Ｋ２Ｏを２〜１２％含有するガラス板が挙げられる。ただし、これら組成に限定されるものではない。
ガラス板としては例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを母組成として含むガラス板が挙げられる。より具体的には、酸化物基準のモル百分率表示で、ＳｉＯ２を６０〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を１〜７．５％、Ｂ２Ｏ３を０〜１％、ＭｇＯを８．５〜１２．５％、ＣａＯを１〜６．５％、ＳｒＯを０〜３％、ＢａＯを０〜３％、ＺｒＯ２を０〜３％、Ｎａ２Ｏを１〜８％、Ｋ２Ｏを２〜１２％含有するガラス板が挙げられる。ただし、これら組成に限定されるものではない。
中でも、受光面側のガラス板には、透過性の高いガラスを用いることが好ましく、具体的には、Ｆｅ２Ｏ３の含有量が１００ｐｐｍ以下と少ない高透過ガラスを用いることがより好ましい。
また、背面側のガラス板には、耐久性に優れたガラスを用いることが好ましく、耐久性に加えて低コストである点からソーダライムガラスを用いることがより好ましい。
また、背面側のガラス板には、耐久性に優れたガラスを用いることが好ましく、耐久性に加えて低コストである点からソーダライムガラスを用いることがより好ましい。
ガラス板は、太陽電池の発電効率や低放射ガラスの透光性を考慮すると、波長５００〜８００ｎｍの光に対する平均透過率が、２ｍｍ厚み換算で９０．３％以上が好ましく、９０．４％以上がより好ましく、９０．５％以上がさらに好ましい。
また、ガラス板の５０〜３５０℃における平均熱膨張係数は、モジュール化する際にモジュールが反るのを抑制する点から７０×１０−７／℃以上が好ましく、８０×１０−７／℃以上がより好ましい。一方、剥がれ等を抑制する点から、９０×１０−７／℃以下が好ましく、８５×１０−７／℃以下がより好ましい。
ガラス板の厚さは、特に限定されないが、強度と透過率および太陽電池モジュール重量の観点から、０．７ｍｍ以上が好ましく、１．１ｍｍ以上がより好ましく、また、６．０ｍｍ以下が好ましく、４．０ｍｍ以下がより好ましい。
低放射膜は、低放射性と透光性を有していればよく、放射率の値は、０．２５以下が好ましく、０．２０以下がより好ましい。また、放射率は低いほど好ましいが、０．０５以上が実際的である。
低放射膜の膜厚は、膜剥がれを防止し、耐久性を確保する観点から８００ｎｍ以下が好ましく、６００ｎｍ以下がより好ましい。また、断熱性能を確保する観点から３００ｎｍ以上が好ましく、４００ｎｍ以上がより好ましい。なお低放射膜の膜厚は、触針式段差計や蛍光Ｘ線分析装置を用いて測定することができる。
また、低放射膜は低放射性と透光性を示す層の一層のみから構成されていてもよいし、さらに、他の機能を有する別の層を有していてもよく、特に限定されない。他の機能を有する層として、ガラス板と低放射膜との間に、ガラスからのアルカリバリアや、光の反射を防止するためにアンダーコート層を設けてもよく、例えばＳｉＯ２、ＳｉＯｘＣｙ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２等が挙げられる。
アンダーコート層の厚みは、上記効果が好適に得られる点から１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ以上が好ましい。また、材料自体の光吸収を抑制する観点から１００ｎｍ以下が好ましく、８０ｎｍ以下がより好ましい。
アンダーコート層の厚みは、上記効果が好適に得られる点から１０ｎｍ以上が好ましく、２０ｎｍ以上が好ましい。また、材料自体の光吸収を抑制する観点から１００ｎｍ以下が好ましく、８０ｎｍ以下がより好ましい。
低放射膜は、金属膜及びそれを保護する保護膜からなる場合と、金属酸化物膜からなる場合とがある。その組成は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）や二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により同定することができる。
金属膜としては、例えば、Ａｇ等の膜であることが好ましい。また、その場合の保護膜はＺｎＯやＳｎＯ２等が好ましい。
金属膜としては、例えば、Ａｇ等の膜であることが好ましい。また、その場合の保護膜はＺｎＯやＳｎＯ２等が好ましい。
金属酸化物膜からなる場合には、例えば主成分が、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３であることが好ましく、ＳｎＯ２又はＺｎＯがより好ましく、ＳｎＯ２がさらに好ましく、これらにドーパントがドープされていてもよい。なお、当該金属酸化物膜の主成分とは、その含有量が、膜を構成する全成分に対して５０重量％以上であることを意味し、７０重量％以上であることが好ましく、８５重量％以上であることがより好ましい。また、上限は特に限定されないが、主成分にドーパントがドープされる場合には、９９．９重量％以下が好ましい。
ドーパントとしては、フッ素やホウ素、錫等が挙げられる。ドープされた膜としては、例えば、高濃度にフッ素ドープされたＳｎＯ２やアンチモンドープされたＳｎＯ２等が挙げられる。
低放射膜は、ガラス板や、その他の層が形成されたガラス板に対して、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相蒸着）法やＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理気相蒸着）法、スパッタリング法、化学メッキ法、湿式塗布法等、従来公知の方法により形成することができる。
複数の太陽電池を直並列に接続して集積化された太陽電池セルに対し、その両側を上述したガラス板又は低放射膜が形成されたガラス板で保護し、封止することにより太陽電池モジュールが得られる。
得られた太陽電池モジュールを屋外に設置することで、太陽電池セルの発電効率を低下させることなく、太陽電池モジュール内の温度上昇を抑制することができる。
本発明に係る太陽電池モジュールは、モジュール内の温度上昇の抑制に風冷や水冷といった装置を必要としないことからランニングコストが低く、また、設置する場所や環境に制約されることなくありとあらゆる場所への設置が可能である。また、ガラス板を用いることにより、樹脂フィルムを用いた場合と比べて耐候性や耐久性にも優れることから、非常に有用である。
１ 太陽電池モジュール
１０ ガラス板
２０ 太陽電池セル
３０ ガラス板
４０ 低放射膜
１０ ガラス板
２０ 太陽電池セル
３０ ガラス板
４０ 低放射膜
Claims (4)
- 受光面側に位置するガラス板と、太陽電池セルと、背面側に位置するガラス板と、をこの順に含む太陽電池モジュールであって、
前記受光面側と前記背面側の少なくともいずれか一方の側の表面に低放射膜が形成された太陽電池モジュール。 - 前記低放射膜が、前記背面側の表面に形成された請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記低放射膜が、前記受光面側の表面に形成された請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
- 前記太陽電池セルを構成する半導体の光吸収スペクトルのうち、最も強いピーク強度を１としたときに、波長９００ｎｍ以上の波長領域におけるピーク強度がいずれも０．３以下である請求項３に記載の太陽電池モジュール。
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