JP3776082B2

JP3776082B2 - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP3776082B2
Application number: JP2002368435A
Authority: JP
Inventors: 信吾橘; 秀起吉岡; 貞哉竹岡; 孝司富田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2017-04-11
Also published as: JP2003234484A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、住宅用太陽光発電システムに採用して好適な太陽電池モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来例として、例えばＪＩＳＣ８９１８で規定されている太陽電池モジュールの構造別分類体系によると、太陽電池モジュールはスーパーストレートタイプ，サブストレートタイプ及び充填タイプの３種類に分類されるが、ここでは、現在最もよく用いられているスーパーストレートタイプの太陽電池モジュールについて、図８、図９及び図１０を参照して説明する。
【０００３】
図８は代表的なスーパーストレートタイプ太陽電池モジュールの構造図であり、図９は図８のＡ面での切断面構造を示す図である。また、図１０は図９に示す裏面カバー部材１４の部分拡大断面図である。該図から明らかなように、インターコネクタ１５によって互いに電気的に直列または並列に配線接続された複数の太陽電池セル１１を有し、該太陽電池セル１１の受光面側に透光性材料から成る前面カバー部材１３を置いてモジュールの支持材とし、その下に透明な充填材料１２と裏面カバー部材１４を用いて前記複数の太陽電池セル１１を封入している。
【０００４】
前記透光性の前面カバー部材１３としてはガラスが適しており、特に光透過率や耐衝撃強度に優れている白板強化ガラスがよく用いられている。前記透明な充填材料１２としては紫外線による光透過率低下の少ないＰＶＢ（Poly Vinyl Bu-tylol）や、耐湿性に優れたＥＶＡ（Ethylene Vinyl Acetate）などが主に使用されている。また、裏面カバー部材１４には、図１０にその部分拡大断面を示すように、アルミニウム（Ａl）などの金属フィルム４１をＰＥＴ（Polyethylenetelephthalate）などの耐候性樹脂フィルム４２，４３でサンドウィッチした層構造を用い、耐候耐湿性と電気絶縁性を持たせている。
【０００５】
さらに、モジュール全体の強度を持たせるため、軽量金属であるアルミニウム（Ａl）押し出し型材などから成る外枠１６，１７，１８，１９を取り付けている。なお、２０は該外枠１６，１７，１８，１９を組み立てているネジである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の太陽電池モジュールは、１枚の大きな前記透光性前面カバー部材１３に、小さい多数の太陽電池セル１１を図８のように配列して出力電力を大きくしているが、モジュール１台当たりの発電量を大きくするため、配列される複数の太陽電池セル１１の間隙を可能な限り狭くして多数搭載実装するのが通例である。しかるに、図９に示すように、インターコネクタ１５によって互いに電気的に特に直列に配線接続された複数の太陽電池セル１１は、その隣接する太陽電池セル１１を電気絶縁するために、または、直列接続するセルの裏面から次のセルの表面へインターコネクタ１５を配置するために、間隙を無視できる程度までに狭くすることが難しく、従来の太陽電池モジュールでは通常約２ｍｍ乃至５ｍｍの間隙を必要としていた。このセル間隙に入射する光は発電に寄与せず、これに起因するモジュール搭載セル枚数当たりの太陽電池セル発電効率の低下を避けることができなかった。
【０００７】
このモジュール搭載における太陽電池セル発電効率低下を少しでも緩和させるため、本出願人は、既に実開昭６２-１０１２４７号公報に開示しているように、裏面カバー部材１４の光入射側、すなわち、その表面側に散乱反射性を持たせるようにして、間隙に入射する太陽光を散乱反射させて再度前面カバー部材１３で反射して太陽電池セル１１に到達させることを目的とした太陽電池モジュールも、考案してきた。しかしながら、隣接する太陽電池セル１１相互の間隙が、前記したように僅か約２ｍｍ乃至５ｍｍ程度の間隙では、その効果がほとんど確認されていなかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の太陽電池モジュールは、相互にセル間隙を設けて平面状に配置される複数の太陽電池セルと、該複数の太陽電池セルの各受光面側に共通に配置される透光性材料から成る前面カバー部材と、前記複数の太陽電池セルの後方に共通に配置される裏面カバー部材とを有する太陽電池モジュールであって、前記裏面カバー部材は、顔料を混入させた樹脂性材料層と誘電体材料から成る耐候性材料層との少なくとも２層を有し、さらにこれらの層間に無機酸化物が付加挿入されることを特徴とするものである。
【０００９】
また、前記顔料を混入させた樹脂性材料層は、セル間隙を介して前方から入射される光を散乱反射させる反射性材からなるようにしてもよい。
前記顔料は、シリカを含む白色顔料であってもよい。
前記無機酸化物はＳｉＯｘであってもよい。
前記ＳｉＯｘは、蒸着により付加挿入されるようにしてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、特にスーパーストレートタイプ太陽電池モジュールとして構成した本発明の基本的原理を説明する図で、ガラスなどの透光性材料から成る前面カバー部材３及びＥＶＡなどから成る透明充填材料２を介して入射した太陽光５が、所定の間隙Ｓｍを設けて平面状に配置してある複数の太陽電池セル１の受光面に到達して発電に寄与するとともに、該間隙Ｓｍに入射した太陽光５も、モジュール裏面カバー部材４に含ませてある特に散乱反射性を良くする反射性材によって反射され、さらに前記前面カバー部材３によって再反射し、前記複数の太陽電池セル１の各受光面に到達して、該複数の太陽電池セルの各々が各受光面に入射される光エネルギーをより高効率で電気エネルギーに変換できるようにしている。
【００１１】
図２は、本発明の実用性確認実験のために用意した模擬のスーパーストレートタイプ太陽電池モジュール６で、該モジュールのほぼ中央部に出力測定セルＱを配置し、さらにその周囲に８枚のダミーセルＤを配置し、各セル相互間の間隙Ｓｍをパラメーターとして出力測定セルＱの光発電出力を測定した。例えば、出力測定セルＱの大きさは約１００ｍｍ□の擬似角セルである。
【００１２】
図３は、上記実験結果によるセル間隙Ｓｍに対する出力測定セルＱの増加した電気出力変化率Ｑｍの関係データをグラフ化したものである。例えば、セル間隙Ｓｍと電気出力変化率Ｑｍとのデータは、２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ、１６ｍｍ、３２ｍｍのセル間隙Ｓｍに対して、電気出力変化率Ｑｍはそれぞれ、１％、３．５％、５．２％、７．２％、８．８％、となり、これによると、セル間隙Ｓｍに対する電気出力変化率Ｑｍの特性曲線は指数関数的である。セル間隙Ｓｍが５ｍｍ以下であると電気出力変化率Ｑｍ［％］の値そのものがまだ小さく、セル間隙が３０ｍｍを越えると、電気出力変化率Ｑｍ値の増加割合がに小さくなり、飽和傾向となる。従って、セル間隙Ｓｍは、５ｍｍより大きく、３０ｍｍ程度の範囲が実用的である。なお、実験は１００ｍｍ□の太陽電池セル使用で行ったので、セル間隙を１００ｍｍより大きく設定することは無意味である。
【００１３】
図４は、図３の特性曲線を対数グラフ化したものであり、これによると、セル間隙Ｓｍ［ｍｍ］と電気出力変化率Ｑｍ［％］とに次の関係式が成立することがわかる。
Ｌｎ（Ｓｍ［ｍｍ］）＝Ａ×（Ｑｍ［％］）＋Ｂ
ここに、Ｌｎは自然対数関数、Ｓｍはセル間隙、Ｑｍは電気出力変化率、Ａ及びＢは定数、である。定数Ａは、各太陽電池セル裏面側に置かれた反射性部材の反射率及び前面カバー部材との距離等で定まる定数、定数Ｂは、太陽電池セル１枚の面積とその太陽光発電変換効率等で定まる定数で、上記実験結果においては、Ａ＝０.３６４、Ｂ＝０.２１５であった。なお、この場合、各太陽電池セル裏面側に置かれた反射性部材の反射率は約７０％であり、太陽電池セル１枚の大きさは１００ｍｍ□で、その太陽光発電変換効率１７％の単結晶セルを使用した。
【００１４】
本発明の実施形態における太陽電池モジュールの上記実験例では、反射性部材を含むモジュール裏面カバー部材として、図１０に示す前記従来例構造のものと同様の、特に３層構造としたその中心材のアルミニウム材４１の上面側すなわち太陽光入射側の樹脂フィルム４２に、シリカ（ＳiＯ₂）などの白色顔料を混入させて散乱反射性を持たせるか、または、図９に示すＥＶＡなどの充填材料１２を上下２層にしてその下側すなわち太陽電池セル１１（図２においては出力測定セルＱ及びダミーセルＤ）の裏面側を充填する層に前記白色顔料を混入させて散乱反射性を持たせ（図示せず）、その散乱反射性部材の反射率を約７０％としていたが、この反射率を８０％、９０％と高めれば、さらに電気出力向上に寄与することが別の実験でわかった。
【００１５】
図５は、前記裏面カバー部材に含まれる散乱反射性部材の反射率をさらに高められる構造として、少なくとも光が入射するその表面または全体を凹凸形状にした裏面カバー部材７である。そして、その凹凸形状が三角波状またはピラミッド形または逆ピラミッド形状としている。このような形状であると、前面から入射してきた光５のほぼ全量が進行方向矢印５ａのように多重反射して前面に戻り、再度前面カバー部材３で反射して太陽電池セル１に到達し、その電気出力向上に寄与することができる。なお、図５には図示していないが、アルミニウム材４１の上部には透明な樹脂フィルム４２または透明なＥＶＡなどの充填材料２があるのは言うまでもない。また、このような凹凸形状にすると、アルミニウム材４１の表面は、特に散乱反射性を良くするつや消し表面加工を施さなくて鏡面（つや有り）のままでもよい。
【００１６】
ところで、スーパーストレートタイプ太陽電池モジュールの場合、その重量を軽くする必要性から前記裏面カバー部材４は薄く膜状に形成されるのが通例であるため、この裏面カバー部材４を図５のような凹凸形状の裏面カバー部材７にすると、内部のアルミニウム材４１がさらに露出しやすくなり、モジュールとしての電気絶縁破壊事故が多発するようになることが考えられる。
【００１７】
そこで、電気絶縁性を特に考慮して、前記裏面カバー部材７にアルミニウム材などの導電性金属材料を使用せず、代わりにシリカ（ＳiＯ₂）などの白色顔料を混入させた樹脂フィルムと耐候性樹脂フィルムとの少なくとも２層以上で前記裏面カバー部材７を構成し、その層間に、さらに防湿機能の良い無機酸化物（例えばＳiＯ_X）や窒化物（例えばＳiＮ_X）などの誘電体膜を蒸着などの方法で付加挿入してある膜を、前記裏面カバー部材７として置き換えることも本発明実施形態の特徴としている。これを図５で示せば、４１がシリカ（ＳiＯ₂）などの白色顔料を混入させた樹脂フィルムに置き換わり、その裏面の耐候性樹脂フィルム４３との間に、前記防湿機能の良い誘電体膜を蒸着などの方法で付加挿入した構造（図示せず）の裏面カバー部材７となる。
【００１８】
以上、本発明実施の形態を図１乃至図５を参照して説明してきたが、これは実験で確認した理想的な実施形態であり、本発明をそのまま実施しようとすると、図２からもわかるように、各太陽電池セル相互間の間隙Ｓｍを５ｍｍより大きく３０ｍｍ程度迄広くすればするほどモジュールとしての面積が大きくならざるを得ない。しかし、実際問題として、太陽電池モジュールを住宅用太陽光発電システムなどとして数台乃至数十台をまとめてユニット化して設置しようとすると、多くの場合、その設置面積に制限を受けてしまう。
【００１９】
そこで、従来と同一寸法のモジュールに本発明の実施形態を適用したのが、図６に示すモジュールであり、太陽電池セルの大きさは約１００ｍｍ□の擬似角セル、太陽光発電変換効率は１７％程度、を用いている。この図のモジュールと図８に示す従来のモジュールとを比較してみると、図８のモジュールでは、太陽電池セル１１が６列×９行＝５４枚配置せられ、各セル相互間の間隙は列間行間共約２ｍｍであり、太陽電池モジュールの受光側の大きさは、約６１４ｍｍ×約９２０ｍｍ＝約５６４８．８ｃｍ²である。また、図６の本発明実施形態適用モジュールでは、図８のものと同じ太陽電池セルが６列×８行＝４８枚配置しており、その相互間の間隙は列間が従来と同様の約２ｍｍ、行間が約２０ｍｍ、周辺のセルと枠との間隔を約２ｍｍとしており、太陽電池モジュールの受光側の大きさは、約６１４ｍｍ×約９４４ｍｍ＝約５７９６．２ｃｍ²である。なお、図６のＡ-Ａ’部で切断した部分拡大断面図を図７に示すが、図６のＢ-Ｂ’部で切断した部分拡大断面図は図９の従来例図と同様である。
【００２０】
ここにおいて、本発明適用モジュールの図６は、セル枚数が６枚少なくなっている分、モジュールとしての太陽光発電電気出力絶対値は少ないけれども、その電気出力変化率Ｑｍは約４％向上していることが確かめられた。すなわち、本発明適用モジュール図６は、従来モジュール図８より太陽電池セル枚数の低減を図りつつ、相対的出力の向上を実現していることになる。なお、この電気出力変化率Ｑｍの約４％向上は、図２の本発明基本形に換算すると、図３の特性グラフからもわかるように、太陽電池セル相互間の間隙Ｓｍを列間行間共５〜６ｍｍにしたものに相当する。
【００２１】
ところで、本発明適用モジュール図６のモジュール出力は１２６Ｗであったが、モジュール寸法を少し大きくすることが許されるとして、従来モジュールと同様に５４枚の太陽電池セル搭載が可能であるとすると、そのモジュール出力は１４１.４Ｗにもなる。しかし、図８の従来モジュールでは、太陽電池セル５４枚搭載であるにもかかわらず、そのモジュール出力は１３６Ｗであった。言い換えると、本発明適用モジュール図６の太陽電池セル１枚当たりの出力は、従来モジュール図８の２.５２Ｗから、２.６２Ｗに向上していることになる。
【００２２】
以上のような特性のある本発明適用モジュール図６を利用して住宅用太陽光発電システムを構築すると、例えば本モジュール２４枚使用では、その合計出力となるシステム出力は１２６Ｗ×２４≒３.０２ｋＷとなり、公称出力３ｋＷシステムに十分対応できる。しかるに、図８の従来モジュールの考え方のままで、その太陽電池セル搭載枚数を４８枚にすると、モジュール出力は１２１Ｗしか取り出せず、そのシステム出力は１２１Ｗ×２４≒２.９０ｋＷで、公称出力３ｋＷシステムには対応できなかった。（従来では、太陽電池セル５４枚搭載モジュールとして、システム出力１３６Ｗ×２４≒３.２６ｋＷにして、公称出力３ｋＷシステムに対応していた。）
言い換えると、本発明適用モジュールの図６は、図８の従来モジュールよりその太陽電池セル搭載枚数を５４枚から４８枚に、６枚も節約しているが、この節約効果は極めて大きい。すなわち、現在、モジュールの製造原価に対する太陽電池セルの原価（コスト）は７割以上も占めており、該太陽電池セル６枚の節約によるそのコストダウン効果は、（（５４／４８）-１）×０.７＝８.７５％にも達する。このコストダウン効果は、住宅用太陽光発電システムの普及を図る上において、極めて重要なことである。なお、太陽電池セルや半導体集積回路などの製造に必要な高純度シリコンの精製には、今なお特殊な技術や設備がないと精製できず、本発明適用の太陽電池モジュールは、高純度シリコン原材料の逼迫問題の解決にも十分に貢献することになる。なお、本発明のを、代表的なスーパーストレートタイプ太陽電池モジュールで説明したが、ＪＩＳＣ８９１８で規定されている他のサブストレートタイプ及び充填タイプの太陽電池モジュール、または、その他のタイプのモジュールにも適用できるのは言うまでもない。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の太陽電池モジュールによれば、相互にセル間隙を設けて平面状に配置される複数の太陽電池セルと、該複数の太陽電池セルの各受光面側に共通に配置される透光性材料から成る前面カバー部材と、前記複数の太陽電池セルの後方に共通に配置される裏面カバー部材とを有する太陽電池モジュールであって、前記裏面カバー部材は、顔料を混入させた樹脂性材料層と誘電体材料から成る耐候性材料層との少なくとも２層を有し、さらにこれらの層間に無機酸化物が付加挿入されることを特徴とするものであり、太陽電池モジュールに入射した光の散乱・反射効果を高めることができ、太陽光発電変換効率を向上することができるとともに、防湿性に優れたモジュール構造とすることができる。
【００２４】
また、顔料を混入させた樹脂性材料層は、セル間隙を介して前方から入射される光を散乱反射させる反射性材からなるようにすることにより、反射効果を高めることができる。特に、顔料にシリカを含む白色顔料を用いることにより、反射効果を高めることができる。
【００２５】
また、無機酸化物にＳｉＯｘを使用することにより、特に蒸着により付加挿入することにより、防湿性を高めることができる。
【００２６】
また、前記反射性材を少なくとも光が入射するその表面が凹凸形状であることを特徴とするものであり、太陽電池モジュールに入射した光の散乱・反射効果を高めることができ、太陽光発電変換効率を向上することができる。
【００２７】
また、前記反射性材の凹凸形状が三角波状またはピラミッド形もしくは逆ピラミッド形であることを特徴とするものであり、光の全反射効果も利用して、太陽電池モジュールに入射した光の散乱・反射効果を高めることができ、太陽光発電変換効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態よりなる太陽電池モジュールの基本原理を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施の形態よりなる太陽電池モジュールの原理確認用模擬太陽電池モジュールの平面図である。
【図３】本発明の一実施の形態よりなる太陽電池モジュールの電気出力変化率Ｑｍとセル間隙Ｓｍとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施の形態よりなる太陽電池モジュールの電気出力変化率Ｑｍとセル間隙Ｓｍとの関係を示す対数グラフである。
【図５】本発明の反射性部材を含む裏面カバー部材の構成を示す拡大断面図である。
【図６】本発明の一実施例形態における太陽電池モジュールの平面図である。
【図７】図６のＡ-Ａ’部で切断した部分拡大断面図である。
【図８】従来例のスーパーストレートタイプ太陽電池モジュールの一例を示す斜視図である。
【図９】従来例の図８のＡ面での切断面構造を示す拡大断面図である。
【図１０】従来例のスーパーストレートタイプ太陽電池モジュールの裏面カバー部材の詳細を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１太陽電池セル
２透明充填材料
３前面カバー部材（透光性）
４裏面カバー部材
５入射光
７凹凸形状のある裏面カバー部材
４１金属性フィルム、または裏面に誘電体膜付の散乱反射機能を持った耐候性樹脂フィルム
４２透明、または散乱反射機能を持った耐候性樹脂フィルム
４３耐候性樹脂フィルム

Claims

相互にセル間隙を設けて平面状に配置される複数の太陽電池セルと、該複数の太陽電池セルの各受光面側に共通に配置される透光性材料から成る前面カバー部材と、前記複数の太陽電池セルの後方に共通に配置される裏面カバー部材とを有する太陽電池モジュールであって、
前記裏面カバー部材は、顔料を混入させた樹脂性材料層と誘電体材料から成る耐候性材料層との少なくとも２層を有し、さらにこれらの層間に無機酸化物が付加挿入されることを特徴とする太陽電池モジュール。
前記顔料を混入させた樹脂性材料層は、セル間隙を介して前方から入射される光を散乱反射させる反射性材からなることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記顔料は、シリカを含む白色顔料であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記無機酸化物はＳｉＯｘであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記ＳｉＯｘは、蒸着により付加挿入されたことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュール。