JP2021145035A - 太陽電池パネルおよび太陽電池パネルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池パネルの発電効率の低下を抑制した上で発色させる。【解決手段】太陽電池パネルは、平板状の基板２と、基板の一方の面側に配置された太陽電池の単セル１と、基板の一方の面側に配置された光透過性を有する１以上の樹脂層１０と、を備え、１以上の樹脂層は、単セルを覆って単セルを基板に固定しており、有色の複数の粒子が層状に配置された色素層１３であって、単セルが基板に対向している面とは反対の面側に形成された有色の色素層を含み、色素層の積層方向における厚さは、色素層を構成する粒子の平均粒子径の１．８倍以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池パネルおよび太陽電池パネルの製造方法に関する。

従来、金属板に着色する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、金属板の表面に形成されるクリア塗膜が、所定量の発色顔料と、所定量かつ粒径の範囲が定められた艶消し剤とを含んでいる。これにより、特許文献１の着色クリア金属板は、金属素地外観を維持しながら色調が安定した着色を得ることができる。

特開２００４−２５５７６３号公報

美観および機能性の観点から、太陽電池パネルを着色したいという要望がある。しかしながら、特許文献１に記載された技術を太陽電池パネルに適用してしまうと、発色顔料および艶消し剤が入射光を多重散乱させてしまい、太陽電池パネルの単セルへの入射光量が激減してしまう。そのため、単セルへの入射光量の低下を抑制した上で、太陽電池パネルを着色したいという課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、発電効率の低下を抑制した上で、発色する太陽電池パネルを提供する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、太陽電池パネルが提供される。この太陽電池パネルは、平板状の基板と、前記基板の一方の面側に配置された太陽電池の単セルと、前記基板の一方の面側に配置された光透過性を有する１以上の樹脂層と、を備え、前記１以上の樹脂層は、前記単セルを覆って前記単セルを前記基板に固定しており、有色の複数の粒子が層状に配置された色素層であって、前記単セルが前記基板に対向している面とは反対の面側に形成された有色の色素層を含み、前記色素層の積層方向における厚さは、前記色素層を構成する粒子の平均粒子径の１．８倍以下である。

この構成によれば、基板に単セルを固定する樹脂層は、単セルが基板に対向している面とは反対側に配置された色素層を含んでいる。色素層の積層方向における厚さは、色素層を構成する粒子の平均粒子径の１．８倍以下である。そのため、色素層内において、積層方向に沿って２つ以上の粒子が並ぶことを抑制できる。その結果、光透過性を有する樹脂層に入射した入射光が、色素層内の粒子で反射されづらくなるため、十分な太陽光が単セルに入射する。一方で、有色の色素層によって、本態様の太陽電池パネルが着色される。これにより、単セルによる発電効率の低下を抑制した上で、太陽電池パネルを発色させることができ、美観を向上できる。

（２）上記形態の太陽電池パネルにおいて、前記１以上の樹脂層は、前記基板の一方の面に積層され、前記単セルを覆って前記単セルを前記基板に固定する封止層と、前記封止層の一方の面に積層された前記色素層と、前記色素層の一方の面に積層され、耐候性を有する樹脂により形成された保護層と、を有してもよい。
この構成によれば、樹脂層は、単セルを基板に固定する封止層と、有色の色素層と、耐候性を有する保護層とを有している。単セルと色素層との間に封止層が存在することにより、単セルの表面から色素層内の有色の粒子までの間に光を透過できる間隔が形成される。この間隔により、色素層内の粒子による太陽光の反射が低減して単セルにより多くの太陽光が入射するため、単セルの発電効率の低下を抑制できる。また、保護層によって、単セルの自然環境の変化への耐性が向上する。

（３）上記形態の太陽電池パネルにおいて、前記単セルにおいて前記基板に対向している面とは反対側の面から、前記色素層までの積層方向における距離は、前記平均粒子径の１１０倍以上であってもよい。
この構成によれば、単セルの表面から色素層までの積層方向における距離が、色素層内の平均粒子の１１０倍である。この場合に、地球から太陽までの距離と、太陽の直径とを考慮した場合に、平均粒子径以下の１つの粒子では、単セルの表面に影が形成されない。その結果、この構成では、同じ量の粒子を含む色素層であっても、単セルの発電効率の低下をより抑制できる。

（４）上記形態の太陽電池パネルにおいて、前記単セルが前記色素層に対向する面に対して、前記色素層を構成する全粒子が投影された場合の面積比は、前記単セルの面積の１０％以上であってもよい。
面積比が１０％以上になると、有色の色素層による色が観測者に観測可能になるため、この構成によれば、色素層による発色性を確保できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、太陽電池パネル、太陽電池パネルの単セル、太陽電池システム、発電システム、太陽電池パネルの製造方法、単セルの製造方法、および、これら装置や製造方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての太陽電池パネルの概略断面図である。 図１におけるＸ１部の拡大図である。 太陽電池パネルに入射する入射光のイメージ図である。 色素層内の粒子の粒子径と単セルへの入射光との関係の説明図である。 色素層内における粒子間の間隔と単セルへの入射光との関係の説明図である。 粒子間の粒子間隔が単セルの発電効率に及ぼす影響の説明図である。 粒子間の粒子間隔が単セルの発電効率に及ぼす影響の説明図である。 粒子間の粒子間隔が単セルの発電効率に及ぼす影響の説明図である。 変形例における太陽電池パネルの概略断面図である。 変形例における太陽電池パネルの概略断面図である。 変形例における太陽電池パネルの概略断面図である。 変形例における太陽電池パネルの製造方法のフローチャートである。

＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としての太陽電池パネル１００の概略断面図である。図１に示される太陽電池パネル１００は、単セル１に入射する太陽光によって発電するパネルである。図１に示されるように、太陽電池パネル１００は、平板状の基板２と、基板２の一方の面側（図１の上側）に配置された単セル１と、単セル１と同じように基板２の一方の面側に配置された光透過性を有する樹脂層１０とを備えている。

基板２は、例えば、ガラス、アルミと樹脂との複合板などの材料によって構成されている。単セル１としては、例えば、結晶シリコンを使った太陽電池、および、テルル化カドニウムまたはシリコンを使った薄膜型の太陽電池などを採用できる。樹脂層１０は、基板２と単セル１とが積層されている積層方向に沿って、基板２側から順に、光透過性の封止層１１と、有色の色素層１３と、光透過性の保護層１２とを備えている。封止層１１は、基板２の一方の面に積層され、単セル１を覆って単セル１を基板２に固定している。本実施形態の封止層１１は、ＥＶＡ（Ethylene Vinyl Acetate Copolymer）樹脂によって構成されている。保護層１２は、色素層１３の一方の面に積層され、耐候性を有する樹脂により形成されている。本実施形態の保護層１２は、テトラフルオロエチレン（Ｃ₂Ｆ₄）とエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）との共重合体であるＥＴＦＥによって構成されている。

図２は、図１におけるＸ１部の拡大図である。図２に示されるように、色素層１３は、封止層１１の一方の面に積層され、有色の複数の粒子１４が層状に配置されている。粒子１４としては、例えば、平均粒子径が数ｎｍ〜数十μｍの、アゾ系顔料、フタロシアニン系顔料、複合酸化物系顔料、無縁コンポジット顔料、およびコロイド結晶顔料を採用できる。図２に示されるように、色素層１３内に存在する複数の粒子１４の粒子径にはバラツキがある。本実施形態の色素層の積層方向における厚さは、色素層１３内の複数の粒子１４の平均粒子径の１．８倍以下である。

図３は、太陽電池パネル１００に入射する入射光ＩＬのイメージ図である。図３には、太陽電池パネル１００に入射する入射光ＩＬと、色素層１３内の粒子１４によって入射光ＩＬが反射された反射光ＲＬとが示されている。色素層１３は、光透過性ではない有色の複数の粒子１４を含むため、入射光ＩＬの一部は、粒子１４によって反射され、単セル１に入射しない。すなわち、反射光ＲＬの分だけ、単セル１の発電効率は低下する。

図４は、色素層１３内の粒子１４の粒子径と単セル１への入射光ＩＬとの関係の説明図である。図４には、単セル１の表面から入射光ＩＬの元となる太陽ＳＮまでの距離Ｈと、単セル１の表面から平均粒子径ｄ_avを有する粒子１４_avまでの距離ｈ１とが示されている。図４に示されるように、粒子１４_avの平均粒子径ｄ_avが決定すると、粒子１４_avに遮られて単セル１の表面に入射光ＩＬが入射せずに影が生じる影エリアＲＧ１は、粒子１４_avから単セル１の表面までの距離ｈ１によって変化する。距離ｈ１が大きくなるほど、影エリアＲＧ１が小さくなり、影エリアＲＧ１が発生しない距離ｈ１と平均粒子径ｄ_avとの関係は、下記式（１）のように表される。

ｈ１／ｄ_av＝Ｈ／Ｄ・・・（１）

地球から太陽までの距離（＝１．４７１×１０⁸（ｋｍ））を距離Ｈとし、太陽の直径Ｄ（＝１．３９２×１０⁶）を式（１）に代入すると、式（１）の値は、１０５．７〜１０９．３となる。すなわち、単セル１の表面から色素層１３までの距離ｈ１が、平均粒子径ｄ_avのおよそ１１０倍以上離れていれば、１つの粒子１４_avによって影エリアＲＧ１が発生しない。本実施形態では、単セル１の表面から色素層１３までの積層方向に沿う距離ｈ１は、平均粒子径ｄ_avを有する粒子１４_avの１１０倍以上に設定されている。換言すると、単セル１において基板２に対向している面とは反対側の面から色素層１３までの積層方向における距離ｈ１は、平均粒子径ｄ_avの１１０倍以上である。なお、影エリアＲＧ１には、他の粒子１４による反射光および散乱光などにより太陽光が入射する場合もある。

図５は、色素層１３内における粒子１４間の間隔ｔ_avと単セル１への入射光ＩＬとの関係の説明図である。図５には、平均粒子径ｄ_avを有する２つの粒子１４_av1，１４_av2間の粒子間隔ｔ_avと、各粒子１４_av1，１４_av2により一部の入射光ＩＬが届かない影エリアＲＧ２とが示されている。影エリアＲＧ２は、各粒子１４_av1，１４_av2によって一部の入射光ＩＬが遮られた半影部分が重なっている。すなわち、影エリアＲＧ２への入射光ＩＬの入射が低減している。図５に示されるように、粒子１４_av1，１４_av2間の粒子間隔ｔ_avが大きくなることにより、影エリアＲＧ２の面積は、小さくなる。なお、図５では、封止層１１、色素層１３、および保護層１２の図示が省略されている。

図６ないし図８は、粒子１４_av1，１４_av2間の粒子間隔ｔ_avが単セル１の発電効率に及ぼす影響の説明図である。なお、図６ないし図８で用いられる粒子間隔ｔ_avは、色素層１３内における複数の粒子１４の平均粒子間隔である。図６ないし図８には、一例として、粒子１４_av1，１４_av2間の平均粒子径ｄ_avを１０μｍ、単セル１の表面から色素層１３までの距離ｈ２を２２０μｍとした場合に、粒子間隔ｔ_avを平均粒子径ｄ_avで除した間隔比Ｒ_av（＝ｔ_av／ｄ_av）に応じて変化する単セル１の発電効率（％）の曲線Ｃ１が示されている。図６に示される場合には、発電効率の曲線Ｃ１は、間隔比Ｒ_avが約２以上から上昇し、間隔比Ｒ_avが約３でほぼ１（１００％）に達している。

図７には、間隔比Ｒ_avに応じて変化する単セル１の表面積に対する全粒子１４_av1，１４_av2が占める面積比Ｒ_AR（％）の曲線Ｃ２が示されている。面積比Ｒ_ARは、単セル１の表面に、全粒子１４_av1，１４_av2を投影した場合の面積比である。図７に示されるように、間隔比Ｒ_avが１の場合に面積比Ｒ_ARは約８０％であり、間隔比Ｒ_avが大きくなるにつれて面積比Ｒ_ARは減少する。

評価試験によって、面積比Ｒ_ARが１０％以上であると、色素層１３の色を視認できることが確認されている。そのため、本実施形態では、面積比Ｒ_ARに１０を乗じた発色率Ｒ_CH（＝Ｒ_AR×１０）を定義し、発色率Ｒ_CHが１００％以上であると、色素層１３の色が視認されることを表す。本実施形態では、単セル１が色素層１３に対向する表面に対して、本実施形態の色素層１３を構成する全粒子が投影された場合の面積比Ｒ_ARは、単セル１の面積の１０％以上になるように設定されている。換言すると、本実施形態の発色率Ｒ_CHは、１００％以上である。

図８には、図６に示される発電効率と、図７に示される全粒子１４_av1，１４_av2の面積比Ｒ_ARから算出された発色率Ｒ_CHとの積ＰＲを表す曲線Ｃ３が示されている。図８に示されるように、積ＰＲは、間隔比Ｒ_avが２ぐらいから上昇し始め、間隔比Ｒ_avが３付近で最大値となり、最大値以降では単調に減少する。なお、粒子１４_av1，１４_av2間の平均粒子径ｄ_avを１０μｍ、単セル１の表面から色素層１３までの距離ｈ２を２２０μｍとした場合に、間隔比Ｒ_avがおよそ３であると好ましい。一方で、粒子１４_av1，１４_av2間の平均粒子径ｄ_avと、単セル１の表面から色素層１３までの距離ｈ２との組み合わせに応じて、最適な間隔比Ｒ_avは変化する。

以上説明したように、本実施形態の太陽電池パネル１００は、図１および図２に示されるように、単セルに対向するように配置された有色の色素層１３を含む樹脂層１０を備えている。色素層１３の積層方向における厚さは、色素層１３内の有色の複数の粒子１４の平均粒子径ｄ_avの１．８倍以下である。そのため、本実施形態の太陽電池パネル１００では、色素層１３内において、積層方向に沿って２つ以上の粒子が並ぶことを抑制できる。その結果、光透過性を有する樹脂層１０に入射した入射光ＩＬが、色素層１３内の粒子１４に反射されづらくなるため、十分な太陽光が単セル１に入射する。一方で、有色の色素層１３によって、太陽電池パネル１００が着色される。これにより、単セル１による発電効率の低下を抑制した上で、太陽電池パネル１００を発色させることができ、美観を向上できる。

また、本実施形態の樹脂層１０は、有色の色素層１３に加え、単セル１を基板に固定する封止層１１と、耐候性を有する保護層１２とを備えている。単セル１と色素層１３との間に封止層１１が存在することにより、図４に示されるように、単セル１の表面から色素層１３内の有色の粒子１４までの間に光を透過できる間隔が形成される。この間隔により、単セル１により多くの太陽光が入射するため、単セル１の発電効率の低下を抑制できる。また、保護層１２によって、単セル１の環境の変化への耐性が向上する。

また、本実施形態の太陽電池パネル１００において、単セル１の表面から色素層１３までの積層方向における距離ｈ１は、色素層１３内の粒子１４の平均粒子径ｄ_avの１１０倍以上である。この場合に、図４に示されるように、地球から太陽ＳＮまでの距離Ｈと、太陽ＳＮの直径Ｄとを考慮すると、平均粒子径ｄ_av以下の１つの粒子によって、単セル１の表面に影エリアＲＧ１が形成されない。その結果、本実施形態の太陽電池パネル１００は、同じ量の粒子１４を含む色素層１３であっても、単セル１の発電効率の低下を抑制できる。

また、本実施形態の太陽電池パネル１００では、単セル１の表面に投影した色素層１３内の全粒子１４が占める面積比Ｒ_ARは、単セル１の面積の１０％以上である。面積比Ｒ_ARが１０％（発色率Ｒ_CHが１００％）以上になると、有色の色素層１３による色が観測者に観測可能になる。そのため、本実施形態の太陽電池パネル１００では、色素層１３の発色性を確保できる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態では、太陽電池パネル１００の一例について説明したが、太陽電池パネル１００の各構成については、種々変形可能である。例えば、上記実施形態の樹脂層１０は、封止層１１と、色素層１３と、保護層１２とを備えていたが、有色の複数の粒子１４を含む層状の色素層を含む１つの樹脂層として形成されていてもよい。また、保護層１２は、耐候性を有していたが、耐候性を有していなくてもよく、例えば、保護層１２の代わりに、封止層１１と同じ材質で構成された層が形成されていてもよい。逆に、樹脂層１０は、封止層１１と、色素層１３と、保護層１２とのいずれとも異なる層をさらに含んでいてもよいし、太陽電池パネル１００は、樹脂層１０とは異なる光透過性の別の部材（層）を、樹脂層１０の表面に備えていてもよい。

図９ないし図１１は、変形例における太陽電池パネル１００ａ，１００ｂ，１００ｃの概略断面図である。図９に示される変形例の太陽電池パネル１００ａは、第１実施形態の太陽電池パネルに対して、色素層１３と保護層１２との間に追加でガラス層３を備えている。この変形例では、封止層１１と色素層１３とによって樹脂層１０ａが構成されている。このように、太陽電池パネル１００ａは、樹脂層１０ａ以外の層としてのガラス層３が形成されていてもよい。

図１０に示される変形例の太陽電池パネル１００ｂでは、第１実施形態と比較して、第１封止層１１ｂと第２封止層１５との間に色素層１３が形成されている点が異なる。換言すると、第１封止層１１ｂと第２封止層１５とで構成される封止層内に色素層１３が形成されている。図１１に示される変形例の太陽電池パネル１００ｃでは、第１実施形態と比較して、第１保護層１２ｃと第２保護層１６との間に色素層１３が形成されている点が異なる。換言すると、第１保護層１２ｃと第２保護層１６とで構成される保護層内に色素層１３が形成されている。このように、色素層１３は、樹脂層１０ｂ，１０ｃに含まれる他の層内に形成されていてもよい。

基板２、単セル１、封止層１１、色素層１３、および保護層１２は、上記実施形態とは異なる周知の材料を適用可能である。上記実施形態における「光透過性」の層とは、太陽光を１００％近く透過する、いわゆる透明の層に限られず、太陽光の一部を透過する、いわゆる半透明の層も含んでいる。

また、上記実施形態における単セル１から色素層１３までの距離ｈ２、および、単セル１の表面に投影された全粒子１４の面積比Ｒ_ARについても、上記実施形態と異なる数値であってもよい。具体的には、距離ｈ２は、平均粒子径ｄ_avの１１０倍以上である必要はなく、１１０倍未満であってもよく、例えば、色素層１３が単セル１の表面に隣接していてもよい。また、色素層１３は、単セル１からの距離ｈ２が異なる複数の層に分けられていてもよい。この場合に、一の層に含まれる有色の粒子と、他の層に含まれる有色の粒子とが異なる粒子であってもよい。異なる粒子とは、色が異なっていてもよいし、粒子径が異なっていてもよい。この場合に、各色素層における全ての有色の全粒子を単セル１の表面に投影した面積比Ｒ_ARが１０％以上、換言すると、発色率Ｒ_CHが１００％以上であることが好ましい。なお、色素層１３の色についての認識は、観測者の個人差、および、観測者と太陽電池パネル１００との位置関係に応じて変化する。そのため、面積比Ｒ_ARが１０％（発色率Ｒ_CHが１００％）未満であってもよい。例えば、面積比Ｒ_ARが１０％（発色率Ｒ_CHが１００％）未満であっても、観測者の視線に対して色素層１３が垂直に位置していない場合に、観測者から見た色素層１３の見かけの面積比は大きくなる。この場合に、面積比Ｒ_ARが１０％（発色率Ｒ_CHが１００％）未満であっても、色素層１３の色は観測者に認識される。

図１２は、変形例における太陽電池パネル１００ｄの製造方法のフローチャートである。変形例の太陽電池パネル１００ｄは、樹脂層１０ｄが色素層１３を含んだ一体の層として形成され、封止層１１および保護層１２が特に分けられていない樹脂層１０ｄを備えている。図１２に示されるように、太陽電池パネル１００ｄの製造方法では、初めに、平板状の基板２上に単セル１が配置される配置工程が行われる（ステップＳ１）。その後、基板２上に光透過性を有する樹脂層１０ｄが形成される形成工程が行われる（ステップＳ２）。形成工程では、色素層１３として有色の複数の粒子が層状に配置される。また、形成工程では、色素層１３の積層方向における厚さは、色素層１３を構成する粒子１４の平均粒子径の粒子１４_avの１．８倍以下となるように形成されている。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１…単セル
２…基板
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…樹脂層
１１…封止層
１１ｂ…第１封止層
１２…保護層
１２ｃ…第１保護層
１３…色素層
１４，１４_av，１４_av1，１４_av2…粒子
１５…第２封止層
１６…第２保護層
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ…太陽電池パネル
Ｃ１〜Ｃ３…曲線
Ｄ…太陽の直径
Ｈ…距離
ＩＬ…入射光
ＲＬ…反射光
ＰＲ…積
Ｒ_AR…面積比
Ｒ_CH…発色率
ＲＧ１，ＲＧ２…影エリア
Ｒ_av…間隔比
ＳＮ…太陽
ｄ_av…平均粒子径
ｈ１，ｈ２…距離
ｔ_av…粒子間隔

Claims (5)

1. 太陽電池パネルであって、
   平板状の基板と、
   前記基板の一方の面側に配置された太陽電池の単セルと、
   前記基板の一方の面側に配置された光透過性を有する１以上の樹脂層と、
   を備え、
   前記１以上の樹脂層は、
   前記単セルを覆って前記単セルを前記基板に固定しており、
   有色の複数の粒子が層状に配置された色素層であって、前記単セルが前記基板に対向している面とは反対の面側に形成された有色の色素層を含み、
   前記色素層の積層方向における厚さは、前記色素層を構成する粒子の平均粒子径の１．８倍以下である、太陽電池パネル。
2. 請求項１に記載の太陽電池パネルであって、
   前記１以上の樹脂層は、
   前記基板の一方の面に積層され、前記単セルを覆って前記単セルを前記基板に固定する封止層と、
   前記封止層の一方の面に積層された前記色素層と、
   前記色素層の一方の面に積層され、耐候性を有する樹脂により形成された保護層と、を有する、太陽電池パネル。
3. 請求項１または請求項２に記載の太陽電池パネルであって、
   前記単セルにおいて前記基板に対向している面とは反対側の面から、前記色素層までの積層方向における距離は、前記平均粒子径の１１０倍以上である、太陽電池パネル。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の太陽電池パネルであって、
   前記単セルが前記色素層に対向する面に対して、前記色素層を構成する全粒子が投影された場合の面積比は、前記単セルの面積の１０％以上である、太陽電池パネル。
5. 太陽電池パネルの製造方法であって、
   平板状の基板の一方の面側に太陽電池の単セルを配置する配置工程と、
   前記基板の一方の面側に光透過性を有する１以上の樹脂層を形成する形成工程と、
   を備え、
   前記形成工程では、有色の複数の粒子が層状に配置された有色の色素層であって、前記１以上の樹脂層の積層方向における厚さが、前記色素層を構成する粒子の平均粒子径の１．８倍以下である色素層を形成する工程を含む、製造方法。

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