JP4009024B2

JP4009024B2 - Thin film solar cell module

Info

Publication number: JP4009024B2
Application number: JP34140798A
Authority: JP
Inventors: 正隆近藤
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2018-12-01
Also published as: JP2000174311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池モジュールに関し、特に、ガラス板の基板上に形成された薄膜半導体層を含む太陽電池を支持した薄膜型太陽電池モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の太陽光発電技術の普及に伴い、結晶シリコンウエハや支持基板上の半導体薄膜を用いた太陽電池が大量に製造され、モジュールの形態で屋上に設置されたり、建物の屋根や壁の建築材料と一体化された構造物として販売されている。それらの中でも、基板上の半導体薄膜を用いた薄膜型太陽電池モジュールは量産が容易であり、単純な基板一体型の集積構造にすることができるので、コスト面で有利であって、近年では特に注目を集めている。
【０００３】
なお、本願明細書において、太陽電池とは太陽電池モジュールから支持部材を除いたものを意味するものとし、封止手段などを含むいわゆるフレームレスモジュールをも含むものとする。また、本願明細書でいう支持部材とは、一般に単体の太陽電池モジュールの形態であればアルミニウム等の金属フレームを意味し、建材一体型の太陽電池モジュールの場合においては木枠のように屋根構成部材などを兼ねるものであって太陽電池を支持する部分を意味するものとする。なお、このような支持部材の金属部分としては、フレーム自体、または建材一体型太陽電池モジュールにおいては押え部材などが存在する。
【０００４】
図５において、集積型薄膜太陽電池の一例が模式的な断面部分図で示されている。このような太陽電池の製造の概略としては、まず大きな元板から切り出された透明ガラス基板１上にＳｎＯ₂等からなる透明導電層が熱ＣＶＤ法などによって堆積され、それをレーザ加工等を用いてパターニングすることによって複数の前面透明電極２が形成される。すなわち、レーザ加工によって形成された複数の透明電極分離溝２ａが、図５の紙面に垂直な方向に延びている。
【０００５】
これらの透明電極２上には、光電変換のための非晶質、微結晶、または多結晶の半導体層がプラズマＣＶＤ法などによって堆積される。透明電極２の形成の場合と同様に、この半導体層をレーザ加工等によってパターニングすることによって、複数の光電変換用半導体領域３とそれらの間の分割溝３ａが形成される。さらに、半導体領域３上には、金属層または透明導電層と金属層との積層が蒸着法などによって堆積され、レーザ加工等によるパターニングによって、複数の裏面電極４とそれらの間の分離溝４ａが形成される。
【０００６】
すなわち図５において、その紙面に垂直な方向に延びた複数の細長い光電変換セルが形成されており、任意の１つのセルの前面透明電極２は、そのセルの左側に隣接するセルの裏面電極４へ、半導体領域分割溝３ａを介して接続されている。こうして、ガラス基板１上で複数の光電変換セルが直列接続された集積型薄膜太陽電池が得られ、これに電流取出しのための簡単な配線を施した後に、その裏面をＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）のような充填材５とテドラ（Tedler：登録商標）フィルムのような保護シート６で封止して保護することによって、基板一体型の薄膜型太陽電池１０が完成する。
【０００７】
図６において、上述のような基板一体型の薄膜太陽電池を含む従来の太陽電池モジュールの一例が模式的な断面図で示されている。この太陽電池モジュールは薄膜型太陽電池１０とそれを支持するアルミニウム製フレーム１１とを含み、それらの間にはブチルゴムからなるシーリング材１２が介在させられている。シーリング材１２は薄膜太陽電池の端面を封止して保護するとともに、フレーム１１内への太陽電池の嵌め込みを容易にして確実に固定するために用いられる。
【０００８】
このような太陽電池モジュールの信頼性のためには、発電特性の安定性はもとより、紫外線、酸性雨、熱などの環境要素に関する耐候性が求められることに加えて、太陽電池モジュールは通常は人がアクセスしにくい場所に設置されるので、ガラス基板が割れるというような機械的な破損が起こらないこともその信頼性のための重要な要件となっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の基板一体型の薄膜太陽電池モジュールにおいては、上述のように、太陽電池の光入射側の透明基板として、ほとんどの場合にガラス板が用いられている。その大きな理由は、たとえば透明樹脂板に比べて、ガラス板の耐候性が格段に優れていることである。しかし、一般に周知のごとく、「ガラス」と「割れやすい」という言葉がすぐに結びつくように、ガラスは脆いという欠点がある。このための対策の１つとして、たとえば強化ガラスを太陽電池の基板として用いることが行なわれている。
【００１０】
ところで、太陽電池モジュールが屋外で設置されて発電している状態では、太陽電池の温度が７０℃以上の高温になることがある。太陽電池は光電変換効率の向上のために光吸収率が極めて大きい構造になっており、アルミニウム製フレームや屋根などの構造体と比較して温度上昇が激しく、極端な場合には周囲と比較して５０℃に近い温度差が生じることもある。ここで、フレームなどの金属は熱伝導率が大きいので、太陽電池の動作状態において熱伝導率の小さいガラス基板に大きな温度勾配が生じていることが、本発明者の研究によって明らかになった。このような大きな温度勾配は、太陽電池モジュールの機械的信頼性を大きく損なう要素となる。すなわち、ガラスを部分的に急冷したり急加熱すればしばしば割れることはよく知られているが、このようなことが太陽電池モジュールの動作中においてもガラス基板に発生する可能性が大きいという問題が、従来の太陽電池モジュールに存在している。
【００１１】
たとえば、図６に示されているような従来の太陽電池モジュールにおいては、ブチルゴムのシーリング材１２はある程度の断熱性を有しているが、ブチルゴムは温度上昇に伴って容易に変形しやすくなる。そして、シーリング材１２が変形して支持部において太陽電池１０と金属フレーム１１とが相互に近接すれば、シーリング材１２の断熱作用が急激に低下する。その結果、太陽電池１０中の温度勾配が大きくなって、そのガラス基板１が割れやすくなる。
【００１２】
以上のような従来の太陽電池モジュールの課題に鑑み、本発明は、機械的信頼性に優れた薄膜型太陽電池モジュールを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による太陽電池モジュールは、ガラス板の基板上に形成された薄膜半導体層を含む薄膜型太陽電池と、それを支持する支持部材とを備え、太陽電池はガラス板の切断歪みが残存する切断端面から５ｍｍ幅のエッジ部では支持されることなくそれ以外の部分において支持部材で機械的に支持されており、支持部材は金属部分を含み、太陽電池と支持部材の金属部分との間の少なくとも一部に断熱材スペーサを含み、断熱材スペーサが介在しない領域では太陽電池と金属部分が直接接触することはなく、そのスペーサは１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃以下の熱伝導係数を有しかつ太陽電池の使用中に実質的に変形しないものであり、エッジ部と支持部材との間には断熱材スペーサが介在することなくシール材と空間層の少なくともいずれかが介在していることを特徴としている。
【００１５】
太陽電池が光電変換のための非晶質シリコン層を含む場合には、その太陽電池の裏面を覆う断熱手段をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
太陽電池のエッジ部より内側の全周と支持部材の金属部分との間に断熱材スペーサを挿入することによって、そのスペーサの断熱効果をより確実なものにすることができる。
【００１７】
断熱材スペーサは、ポリカーボネート、ポリスチレン、発泡樹脂、ポリウレタン、セルロースアセテート、シリコーン、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、グラスファイバ、石綿、グラスフォーム、アクリル系フォーム、ゴム発泡体、およびコルクから選択されたいずれかの材料を含み得る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明の１つの実施の形態による太陽電池モジュールが概略的な断面図で示されている。この太陽電池モジュールは、太陽電池１０と、それを支持するたとえばアルミニウム製のフレーム１１とを備えている。太陽電池１０はその周辺のエッジ部ではフレーム１１に支持されておらず、エッジ部より内側の部分で機械的に保持されている。このように太陽電池１０のエッジ部以外の部分で機械的に保持するという特徴が望まれるのは、次のような理由に基づくのである。
【００２０】
すなわち、薄膜型太陽電池の基板として用いられるガラス板は大きな元板からガラスカッターなどでカットされ、切断面がそのままではカットした際の歪みがガラス面内に進行する可能性があるので、それを防止するために切断面が研磨されて面取りされる。しかしながら、一般に、この面取りをした後においても切断面近傍には切断による微小なクラックが残留している。したがって、切断面近傍の機械的強度はそれ以外の部分より著しく低いことが知られており、この部分のことをエッジ部と呼んでいる。それにもかかわらず、従来のガラス板の支持構造のほとんどがこのエッジ部で支持しており、特に温度条件などが過酷な太陽電池モジュールの支持形態として従来のガラス支持構造をそのまま採用することは不適当であることが、本発明者の研究結果として判明したのである。
【００２１】
さらに、太陽電池１０とアルミニウム製フレーム１１との間には、熱伝導係数が１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃以下の断熱材スペーサ１３が介在させられている。なお、この実施の形態においては、太陽電池１０と断熱材スペーサ１３との間には、接着性の向上と太陽電池１０の端面保護のためにブチルゴムからなるシーリング材１２がさらに介在させられている。また、断熱材スペーサ１３は、断熱のためのみならず、抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以上であって絶縁材としても作用するものであればより好ましい。このように断熱材スペーサ１３を用いるという特徴が望まれるのは、次のような理由に基づくのである。
【００２２】
すなわち、冷たいガラスコップに熱湯を入れたり熱せられたガラスを急に冷やせば割れることがあるが、この理由は、部分的に発生した急激な温度勾配に起因する熱応力によってガラスが破壊するからである。しかし、ガラスを徐々に加熱したり徐冷したりして温度勾配が生じない状態にすれば、５００℃の高温でも、または逆に液体窒素温度のような低温でも、ガラスは破壊することはない。本発明はこのような事実を利用したものであり、具体的には太陽電池内で急激な温度勾配が生じないようにするために、金属支持材１１と太陽電池１０とが直接接触することを防止するように断熱材スペーサ１３を配置して、温度勾配を抑制しているのである。
【００２３】
なお、熱伝導係数が１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃以下の断熱材スペーサ１３としては、ポリカーボネート（０．８６×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、ポリスチレン（０．３５×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、発泡樹脂（１．０×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、ポリウレタン（０．１７×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、セルロースアセテート（０．４３×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、シリコーン（０．４３×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、フェノール樹脂（０．３５×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、エポキシ樹脂（０．３５×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、グラスファイバ（０．３６×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、石綿（０．４４×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、グラスフォーム（０．４９×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、アクリル系フォーム（０．２９×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、ゴム発泡体（１．０×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）、またはコルク（１．０×１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃）などが好ましく用いられ得る。
【００２４】
また、断熱材スペーサの形態としては、テープ状のものやコの字形にモールドした形状のものが簡便に入手し得る。スペーサの厚みは支持部材の嵌合部分と太陽電池のサイズとの関係から適宜に選択し得るものであるが、完成品の美観および組立作業の効率などを考慮して、０．２〜１ｍｍ程度であることが好ましい。テープ状断熱材の具体的な商品の一例としては、３Ｍ社（日本法人：住友スリーエム）からアクリルフォーム接合材として、アクリル系の発泡樹脂を基材として接着層を両面ないし片面に配設したテープが販売されている。
【００２５】
さらに、断熱材スペーサの材料としては、太陽電池の動作状態において形状を維持し得る材料であることが望まれる。具体的には、太陽電池の動作温度（たとえば約９０℃まで）の条件下で、太陽電池の荷重がかかった状態でも実質的に変形しないことが望まれる。上述した材料は、いずれの太陽電池の動作状態においても形状を維持することができるものであるので、断熱材スペーサとして好ましく用いられ得る。他方、ブチルゴム、ネオプレン、天然ゴム等のゴムは、熱伝導係数がいずれも１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃以下であるが、太陽電池用として販売されているものは室温で可塑性を有するパテに近い性質のものであり、太陽電池の動作状態において容易に変形してしまうので断熱材スペーサとして用いることができない。ただし、ゴム発泡体の中には、加硫や配合によって、太陽電池の動作状態においても形状を維持し得る材料が存在する。
【００２６】
なお、図１の太陽電池モジュールにおいてはたとえばブチルゴムなどからなるシール材１２が用いられているが、太陽電池の動作状態においてこのシール材１２が変形したとしても断熱材スペーサ１３がその形状を維持しているので、太陽電池１０と金属フレーム１１との間の断熱性が実質的に低下することはない。また、シール材１２は不可欠なものではなく、省略することも可能である。
【００２７】
断熱材スペーサ１３を太陽電池１０と支持部材１１との間に介在させる際には、太陽電池１０に断熱材スペーサ１３を取付けた後に支持部材１１に嵌合させることもできるし、あるいは支持部材１１に断熱材スペーサ１３を設置しておいて太陽電池１０を嵌め込みこともできる。このように、状況に応じて異なる方法で適宜に太陽電池モジュールを組立ることができる。本発明で重要なことは、局所的に温度勾配が生じないようにするために、太陽電池１０と支持部材１１との間の全領域において相互に直接接触しないようにすることである。特に、太陽電池モジュールでは一般に意匠性を重要視するので、フレームなどの支持部材１１と太陽電池１０との嵌合部の隙間は狭くなっている。したがって、このような狭い空間において、太陽電池１０と支持部材１１とが互いに接触しないことが重要である。
【００２８】
図２は、本発明のもう１つの実施の形態による太陽電池モジュールを概略的な断面図で示している。この太陽電池モジュールでは、太陽電池１０はその裏面においてエッジ部からはるかに内側の領域で断熱材スペーサ１３を介してフレーム１１によって支持されている。この場合、太陽電池１０の表面と裏面におけるフレーム１１の支持部が互いに対面して狭い隙間を形成していないので、太陽電池１０をフレーム１１と組合わせるときの作業が容易になる。なお、シール材１２は太陽電池１０と断熱材スペーサ１２との間には介在させられておらず、太陽電池１０の端面を封止して保護するだけのために用いられている。
【００２９】
ところで、光電変換層として非晶質シリコンを用いた薄膜太陽電池は、製造に要するエネルギーに相当するエネルギーを発電によって得るための時間であるエネルギーペイバックタイムが短いことや、材料費が安価であることなどから、有望なものとして注目されている。しかし、このような非晶質型の薄膜太陽電池は、未だ大規模な太陽光発電用としては実用化に至っていないのが実情である。
【００３０】
この原因の最も重大なものの１つとして、光照射に起因する劣化（以下、単に「光劣化」と称す）による光電変換効率の大幅な低下が挙げられる。この現象はステーブラ・ロンスキー効果と呼ばれ、光劣化が起こった後に１００〜２００℃前後の温度でアニールすることによって、その劣化の大部分が回復する可逆現象である。実際の太陽電池の使用においては、最初の１年間でこの光劣化は安定化するが、その劣化率はアニールを行なわなければ３０％にも及ぶ。
【００３１】
そこで、太陽電池の動作温度を比較的高温にすることによってアニール効果を生じさせて、光劣化を低減することが検討されている。具体的には、太陽電池の裏面に断熱手段、たとえば発泡体などの断熱材を設けることによってアニール効果をもたらす構造が提案されている。このような構造を含む太陽電池モジュールにおいては、太陽電池の温度が上昇するが、他方で断熱材の設けられていない支持部材部分は温度上昇が少ないので、通常の場合と比較して、太陽電池のガラス基板内でさらに大きな温度勾配が生じる傾向になる。
【００３２】
図３は本発明のさらに他の実施の形態による太陽電池モジュールの概略的な断面図であり、上述のように裏面に断熱手段が設けられた太陽電池を備えた太陽電池モジュールへの本発明の適用例を示している。この太陽電池モジュールは、光電変換のための非晶質シリコン薄膜を含む太陽電池１０と、それを支持する支持部材１１とを備えている。太陽電池１０と支持部材１１との間には、熱伝導係数が１０^-3Ｗ／ｃｍ・℃以下の断熱材スペーサ１３が介在させられている。断熱材スペーサ１３は、断熱作用のみならず、抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以上であって絶縁材としても作用するものがより好ましい。
【００３３】
太陽電池１０の裏面には、断熱手段として、発泡体などからなる断熱材１４が配置されている。図３の場合、太陽電池の裏面の支持はその断熱材１４を介して行なわれているが、断熱手段としては、そのような断熱材１４を用いる代わりに、図２の実施の形態を一部変更した図４の太陽電池モジュールに示されているように、一定空間の空気層１５が生じるように太陽電池１０の裏側に容器を形成するようにしてもよい。
【００３４】
図３や図４に示されている太陽電池モジュールにおいては、前述のように太陽電池１０と金属フレーム１１との間の温度差が特に大きくなる傾向にあるので、本発明による断熱材スペーサ１３の効果が特に有効に発揮され得る。
【００３５】
なお、ガラス基板のエッジ部の幅は元板からの切断歪みが残る範囲であるが、本発明者の検討では、最も歪みが少ない場合においても概略その基板の厚みと同等、すなわち５ｍｍ前後の幅であることが判明した。このエッジ部の幅は加工状態によって少し変化するので、機械的強度の観点からは余裕をもって端面から１０ｍｍ以上の内側の位置で太陽電池を支持することも可能であるが、それより内側で太陽電池を支持すれば太陽電池の受光面の減少に結びつくので、基板端面からエッジ部を除いたどれだけ内側の位置で支持するかについては、適宜に設計することができる。
【００３６】
【実施例】
（実施例１）
図１の実施の形態に対応した太陽電池モジュールが、実施例１として作製された。太陽電池１０としては、図５に示されたようにガラス基板側から光入射するタイプの太陽電池であって、裏面がＥＶＡとテドラで封止された集積型非晶質シリコン薄膜太陽電池が用いられた。支持部材１１としては、アルミニウム製フレームが用いられた。支持部材１１と太陽電池１０との間に介在させる断熱材スペーサ１３としては、３Ｍ社製のアクリル系発泡体である「ＶＨＢ構造用テープＹ−４９５０」（熱伝導係数：２．９×１０^-4Ｗ／ｃｍ・℃、抵抗率：１０¹⁵Ω・ｃｍ、厚さ：１．１４ｍｍ）が用いられた。また、接着性の向上と太陽電池１０の端面保護のために、太陽電池１０と断熱材スペーサ１３との間に、ブチルゴムからなるシーリング材１２が介在させられた。
【００３７】
このようにして得られた実施例１の太陽電池モジュールについて、気温３２℃における夏の快晴の南中時に、太陽電池１０の部分の温度とフレーム１１の部分の温度とがそれぞれ測定された。その結果、太陽電池１０の部分の温度は５５℃であり、フレーム１１の部分の温度は４０℃であって、ガラス基板内での温度勾配はほとんど発生していなかった。
【００３８】
さらに、フレーム１２を強制的に冷却しつつ、１０ＳＵＮ（標準太陽光の１０倍のパワー密度：１０００ｍＷ／ｃｍ²）の疑似太陽光を照射する実験が行なわれた。その結果、１０枚の太陽電池モジュール中で、１枚も割れは生じなかった。
【００３９】
（比較例１）
図６に示された従来の太陽電池モジュールが、比較例１として作製された。太陽電池１０およびフレーム１１としては、実施例１と同様のものが用いられた。また、太陽電池１０とフレーム１１との間には、ブチルゴムからなるシーリング材１２が介在させられた。
【００４０】
このようにして得られた比較例１の太陽電池モジュールについて、実施例１の場合と同様に気温３２℃における夏の快晴の南中時に、太陽電池１０の部分の温度とフレーム１２の部分の温度とがそれぞれ測定された。その結果、太陽電池１０の部分の温度は５０℃であり、フレーム１１の部分の温度は４０℃であって、約１０℃の温度勾配が太陽電池１０のガラス基板内で発生していた。
【００４１】
さらに、実施例１の場合と同様に、比較例１の太陽電池モジュールについても、フレーム１１を強制的に冷却しつつ、１０ＳＵＮの疑似太陽光を照射する実験が行なわれた。その結果、１０枚の比較例１の太陽電池モジュール中で、２枚が割れてしまった。
【００４２】
（実施例２）
図３の実施の形態に対応する太陽電池モジュールが、実施例２として作製された。この太陽電池１０の裏面に配置される断熱材１４として、鐘淵化学工業（株）製「カネライトフォーム・ヒートマックス」（熱伝導率：３．４×１０^-4Ｗ／ｃｍ・℃、抵抗率：１０¹⁷Ω・ｃｍ、厚さ：２５ｍｍ）が用いられ、それがゴム系接着剤で太陽電池１０の裏面に張り付けられた。その他の構成は、実施例１の場合と同様にされた。
【００４３】
こうして得られた実施例２の太陽電池モジュールについて、実施例１の場合と同様に気温３２℃における夏の快晴の南中時に、太陽電池１０の部分の温度とフレーム１１の部分の温度とがそれぞれ測定された。その結果、太陽電池１０の部分の温度は７０℃であり、フレーム１１の部分の温度は４０℃であって、断熱材１４の部分で大きな温度勾配が生じていたが、太陽電池１０のガラス基板内での温度勾配はほとんど発生していなかった。
【００４４】
さらに、実施例２の太陽電池モジュールにおいても、フレーム１１を強制的に冷却しつつ、１０ＳＵＮの疑似太陽光を照射する実験が行なわれた。その結果、１０枚の太陽電池モジュール中で、１枚も割れが生じなかった。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、太陽電池をそのガラス基板のエッジ部分以外の部分で支持することにより、また、より好ましくは太陽電池と支持部材の金属部分との間に断熱材スペーサを設けることにより、太陽電池の動作条件においてガラス基板エッジ部の切断歪みの影響を回避し得るとともに、基板内の温度勾配を抑制することができる。その結果、温度勾配から生じる熱応力が主原因となる太陽電池のガラス基板エッジ部からの割れなどの故障を防止することができ、太陽電池モジュールの機械的信頼性が大幅に改善され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態による太陽電池モジュールを示す概略的な断面図である。
【図２】本発明のもう１つの実施の形態による太陽電池モジュールを示す概略的な断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施の形態による太陽電池モジュールを示す概略的な断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態による太陽電池モジュールを示す概略的な断面図である。
【図５】集積型薄膜太陽電池の一部を示す模式的な断面図である。
【図６】従来の太陽電池モジュールの一例を示す概略的な断面図である。
【符号の説明】
１ガラス基板
２前面透明電極
２ａ透明電極分離溝
３光電変換半導体層
３ａ半導体層分割溝
４裏面電極
４ａ裏面電極分離溝
５封止用充填材
６保護膜
１０薄膜型太陽電池
１１支持部材
１２シール材
１３断熱材スペーサ
１４断熱材
１５空気層
なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solar cell module, and more particularly to a thin film solar cell module that supports a solar cell including a thin film semiconductor layer formed on a glass plate substrate.
[0002]
[Prior art]
With the spread of solar power generation technology in recent years, a large number of solar cells using crystalline silicon wafers and semiconductor thin films on support substrates are manufactured and installed on the roof in the form of modules, building materials for roofs and walls of buildings It is sold as an integrated structure. Among them, the thin-film solar cell module using the semiconductor thin film on the substrate is easy to mass-produce and can be made into a simple substrate-integrated integrated structure, which is advantageous in terms of cost. It attracts attention.
[0003]
In the present specification, the solar cell means a solar cell module obtained by removing the support member, and includes a so-called frameless module including a sealing means. Further, the support member in the specification of the present application generally means a metal frame such as aluminum in the case of a single solar cell module, and in the case of a building material integrated solar cell module, a roof structure like a wooden frame. It shall serve as a member etc., and shall mean the part which supports a solar cell. In addition, as a metal part of such a supporting member, in the frame itself or a building material integrated solar cell module, there is a pressing member.
[0004]
In FIG. 5, an example of the integrated thin film solar cell is shown in a schematic partial sectional view. As an outline of manufacturing such a solar cell, first, a transparent conductive layer made of SnO ₂ or the like is deposited on a transparent glass substrate 1 cut out from a large base plate by a thermal CVD method or the like, and this is used by laser processing or the like. A plurality of front transparent electrodes 2 are formed by patterning. That is, the plurality of transparent electrode separation grooves 2a formed by laser processing extend in a direction perpendicular to the paper surface of FIG.
[0005]
On these transparent electrodes 2, an amorphous, microcrystalline, or polycrystalline semiconductor layer for photoelectric conversion is deposited by a plasma CVD method or the like. As in the case of forming the transparent electrode 2, the semiconductor layer is patterned by laser processing or the like to form a plurality of photoelectric conversion semiconductor regions 3 and divided grooves 3a therebetween. Further, a metal layer or a laminate of a transparent conductive layer and a metal layer is deposited on the semiconductor region 3 by vapor deposition or the like, and a plurality of back electrodes 4 and separation grooves 4a between them are formed by patterning by laser processing or the like. It is formed.
[0006]
That is, in FIG. 5, a plurality of elongated photoelectric conversion cells extending in a direction perpendicular to the paper surface are formed, and the front transparent electrode 2 of any one cell is the back electrode 4 of the cell adjacent to the left side of the cell. To each other via a semiconductor region dividing groove 3a. In this way, an integrated thin film solar cell in which a plurality of photoelectric conversion cells are connected in series on the glass substrate 1 is obtained. After a simple wiring for current extraction is applied to the integrated thin film solar cell, the back surface is EVA (ethylene-vinyl acetate). The substrate-integrated thin-film solar cell 10 is completed by sealing and protecting with a filler 5 such as a polymer and a protective sheet 6 such as a Tedler (registered trademark) film.
[0007]
In FIG. 6, an example of a conventional solar cell module including the substrate-integrated thin film solar cell as described above is shown in a schematic cross-sectional view. This solar cell module includes a thin film solar cell 10 and an aluminum frame 11 that supports the thin film solar cell 10, and a sealing material 12 made of butyl rubber is interposed therebetween. The sealing material 12 is used to seal and protect the end face of the thin-film solar cell, and to easily and securely fix the solar cell into the frame 11.
[0008]
In order to ensure the reliability of such solar cell modules, in addition to the stability of power generation characteristics, weather resistance related to environmental elements such as ultraviolet rays, acid rain, and heat is required. However, since it is installed in a place where it is difficult to access, it is an important requirement for the reliability that the glass substrate does not break and mechanical damage does not occur.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional substrate-integrated thin film solar cell module, as described above, a glass plate is used in most cases as the transparent substrate on the light incident side of the solar cell. The main reason is that the weather resistance of the glass plate is remarkably superior to that of, for example, a transparent resin plate. However, as is generally known, there is a drawback that glass is brittle, as the words “glass” and “easy to break” are immediately connected. For example, tempered glass is used as a substrate for solar cells as one of measures for this purpose.
[0010]
By the way, in the state where the solar cell module is installed outdoors and is generating electric power, the temperature of the solar cell may become a high temperature of 70 ° C. or higher. Solar cells have a structure with extremely high light absorption to improve photoelectric conversion efficiency, and the temperature rises sharply compared with structures such as aluminum frames and roofs. A temperature difference close to 50 ° C. may occur. Here, since the metal such as the frame has a high thermal conductivity, it has been clarified by the inventor's research that a large temperature gradient is generated in the glass substrate having a low thermal conductivity in the operating state of the solar cell. Such a large temperature gradient is a factor that greatly impairs the mechanical reliability of the solar cell module. In other words, it is well known that glass is often broken if it is partially cooled or rapidly heated, but such a problem is likely to occur in the glass substrate even during the operation of the solar cell module. Present in conventional solar cell modules.
[0011]
For example, in a conventional solar cell module as shown in FIG. 6, the sealing material 12 of butyl rubber has a certain degree of heat insulation, but butyl rubber is easily deformed as the temperature rises. And if the sealing material 12 deform | transforms and the solar cell 10 and the metal frame 11 will adjoin each other in a support part, the heat insulation effect of the sealing material 12 will fall rapidly. As a result, the temperature gradient in the solar cell 10 is increased, and the glass substrate 1 is easily broken.
[0012]
In view of the problems of the conventional solar cell module as described above, an object of the present invention is to provide a thin film type solar cell module excellent in mechanical reliability.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Solar cell module according to the present invention includes a thin film solar cell comprising the thin film semiconductor layer formed on a substrate of a glass plate, and a support member for supporting the solar cell is left cutting distortion of the glass plate cutting is mechanically supported by the supporting member at the other parts without being supported at an edge portion of 5mm width from the end surface, the support member includes a metal portion, at least between the metal portion of the solar cell and the support member part comprises a heat insulating material spacer, in a region where the heat insulator spacer is not interposed never solar cell and the metal portion are in direct contact, the spacer vital have a coefficient of thermal conductivity of 10 ^-3 W / cm · ℃ or less It is not substantially deformed during use of the solar cell, and at least one of a sealing material and a space layer is interposed between the edge portion and the supporting member without interposing a heat insulating material spacer. It is characterized by being.
[0015]
When the solar cell includes an amorphous silicon layer for photoelectric conversion, it is preferable to further include a heat insulating means that covers the back surface of the solar cell.
[0016]
By inserting a heat insulating material spacer between the entire circumference inside the edge portion of the solar cell and the metal portion of the support member, the heat insulating effect of the spacer can be made more reliable.
[0017]
The insulation spacer is selected from polycarbonate, polystyrene, foamed resin, polyurethane, cellulose acetate, silicone, phenolic resin, epoxy resin, glass fiber, asbestos, glass foam, acrylic foam, rubber foam, and cork Material may be included.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In FIG. 1, a solar cell module according to one embodiment of the present invention is shown in a schematic cross-sectional view. This solar cell module includes a solar cell 10 and, for example, an aluminum frame 11 that supports the solar cell 10. The solar cell 10 is not supported by the frame 11 at the peripheral edge portion, but is mechanically held at the inner portion of the edge portion. The reason why such a feature that the solar cell 10 is mechanically held at a portion other than the edge portion is desired is as follows.
[0020]
That is, a glass plate used as a substrate for a thin film type solar cell is cut from a large base plate by a glass cutter or the like, and if the cut surface is left as it is, the distortion when cut may progress into the glass surface. In order to prevent this, the cut surface is polished and chamfered. However, generally, even after this chamfering, minute cracks due to cutting remain in the vicinity of the cut surface. Therefore, it is known that the mechanical strength in the vicinity of the cut surface is significantly lower than the other portions, and this portion is called an edge portion. Nevertheless, most of the conventional glass plate support structure is supported by this edge portion, and it is not possible to adopt the conventional glass support structure as it is as a support form of a solar cell module having particularly severe temperature conditions. Appropriateness has been found as a result of research by the present inventor.
[0021]
Further, a heat insulating material spacer 13 having a thermal conductivity coefficient of 10 ⁻³ W / cm · ° C. or less is interposed between the solar cell 10 and the aluminum frame 11. In this embodiment, a sealing material 12 made of butyl rubber is further interposed between the solar cell 10 and the heat insulating material spacer 13 in order to improve adhesion and protect the end face of the solar cell 10. . Further, it is more preferable that the heat insulating material spacer 13 is not only for heat insulation but also has a resistivity of 10 ¹² Ω · cm or more and acts as an insulating material. The feature that the heat insulating material spacer 13 is used in this way is desired based on the following reason.
[0022]
In other words, hot water can be put into a cold glass cup or the heated glass can be broken suddenly, but this is because the glass breaks due to the thermal stress caused by the suddenly generated temperature gradient. is there. However, if the glass is gradually heated or cooled so that there is no temperature gradient, the glass will not break even at a high temperature of 500 ° C. or conversely at a low temperature such as liquid nitrogen temperature. . The present invention utilizes such a fact. Specifically, in order to prevent a rapid temperature gradient from occurring in the solar cell, the metal support 11 and the solar cell 10 are in direct contact with each other. Insulating material spacers 13 are arranged to prevent the temperature gradient.
[0023]
As the heat insulating material spacer 13 having a thermal conductivity coefficient of 10 ⁻³ W / cm · ° C. or less, polycarbonate (0.86 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), polystyrene (0.35 × 10 ⁻³ W / ° C.) cm · ° C.), foamed resin (1.0 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), polyurethane (0.17 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), cellulose acetate (0.43 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), silicone (0.43 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), phenol resin (0.35 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), epoxy resin (0.35 × 10 ⁻³ W / cm) cm · ° C.), glass fiber (0.36 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), asbestos (0.44 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), glass foam (0.49 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), acrylic foam (0.29 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.), rubber foam (1.0 × 10 ⁻³ W / cm · ° C) or cork (1.0 × 10 ⁻³ W / cm · ° C.) or the like can be preferably used.
[0024]
Moreover, as a form of a heat insulating material spacer, a tape-shaped thing and the shape molded in a U-shape can be obtained easily. The thickness of the spacer can be appropriately selected from the relationship between the fitting portion of the support member and the size of the solar cell, but considering the aesthetics of the finished product and the efficiency of the assembly work, it is about 0.2 to 1 mm. It is preferable that As an example of a specific product of the tape-shaped heat insulating material, a tape having an adhesive layer disposed on both sides or one side using acrylic foam resin as a base material as an acrylic foam bonding material from 3M Company (Japanese corporation: Sumitomo 3M) Is sold.
[0025]
Furthermore, it is desirable that the material for the heat insulating spacer is a material capable of maintaining the shape in the operating state of the solar cell. Specifically, it is desirable that the solar cell is not substantially deformed even under a load of the solar cell under the operating temperature of the solar cell (for example, up to about 90 ° C.). Since the above-described material can maintain the shape in any operating state of the solar cell, it can be preferably used as a heat insulating material spacer. On the other hand, rubbers such as butyl rubber, neoprene and natural rubber all have a thermal conductivity coefficient of 10 ⁻³ W / cm · ° C. or less, but those sold for solar cells are close to putty having plasticity at room temperature. Since it is of a nature and easily deforms in the operating state of the solar cell, it cannot be used as a heat insulating material spacer. However, in rubber foams, there are materials that can maintain the shape even in the operating state of the solar cell by vulcanization or blending.
[0026]
In the solar cell module of FIG. 1, a sealing material 12 made of, for example, butyl rubber is used. Even if the sealing material 12 is deformed in the operating state of the solar cell, the heat insulating material spacer 13 maintains its shape. Therefore, the heat insulation between the solar cell 10 and the metal frame 11 is not substantially lowered. Further, the sealing material 12 is not indispensable and can be omitted.
[0027]
When the heat insulating material spacer 13 is interposed between the solar cell 10 and the support member 11, the heat insulating material spacer 13 can be fitted to the solar cell 10 after being attached to the solar cell 10, or the support member 11. It is also possible to insert the solar cell 10 with the heat insulating material spacer 13 installed. In this way, the solar cell module can be appropriately assembled by a different method depending on the situation. What is important in the present invention is to prevent direct contact with each other in the entire region between the solar cell 10 and the support member 11 in order to prevent local temperature gradients. In particular, in the solar cell module, since the design property is generally regarded as important, the gap of the fitting portion between the support member 11 such as a frame and the solar cell 10 is narrow. Therefore, it is important that the solar cell 10 and the support member 11 do not contact each other in such a narrow space.
[0028]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a solar cell module according to another embodiment of the present invention. In this solar cell module, the solar cell 10 is supported by the frame 11 via the heat insulating material spacer 13 in a region far inside from the edge portion on the back surface. In this case, since the support portions of the frame 11 on the front surface and the back surface of the solar cell 10 face each other and do not form a narrow gap, the work when the solar cell 10 is combined with the frame 11 is facilitated. The sealing material 12 is not interposed between the solar cell 10 and the heat insulating material spacer 12, and is used only for sealing and protecting the end surface of the solar cell 10.
[0029]
By the way, a thin film solar cell using amorphous silicon as a photoelectric conversion layer has a short energy payback time, which is a time for obtaining energy corresponding to the energy required for production by power generation, and has a low material cost. Therefore, it is attracting attention as a promising one. However, such an amorphous thin film solar cell has not yet been put into practical use for large-scale photovoltaic power generation.
[0030]
One of the most serious causes is a significant decrease in photoelectric conversion efficiency due to deterioration caused by light irradiation (hereinafter simply referred to as “light deterioration”). This phenomenon is called the Stabler-Lonsky effect, and is a reversible phenomenon in which most of the deterioration is recovered by annealing at a temperature of about 100 to 200 ° C. after light deterioration has occurred. In actual use of the solar cell, this light deterioration is stabilized in the first year, but the deterioration rate reaches 30% without annealing.
[0031]
Thus, it has been studied to reduce the photodegradation by causing an annealing effect by setting the operating temperature of the solar cell to a relatively high temperature. Specifically, a structure that provides an annealing effect by providing a heat insulating means such as a foam on the back surface of the solar cell has been proposed. In the solar cell module including such a structure, the temperature of the solar cell rises. On the other hand, since the temperature of the support member portion without the heat insulating material is small, the solar cell is compared with the normal case. A larger temperature gradient tends to occur in the glass substrate.
[0032]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a solar cell module according to still another embodiment of the present invention. As described above, the present invention is applied to a solar cell module including a solar cell having a heat insulating means provided on the back surface. An application example is shown. This solar cell module includes a solar cell 10 including an amorphous silicon thin film for photoelectric conversion, and a support member 11 that supports the solar cell 10. Between the solar cell 10 and the support member 11, a heat insulating material spacer 13 having a thermal conductivity coefficient of 10 ⁻³ W / cm · ° C. or less is interposed. It is more preferable that the heat insulating material spacer 13 not only has a heat insulating function but also has a resistivity of 10 ¹² Ω · cm or more and also functions as an insulating material.
[0033]
On the back surface of the solar cell 10, a heat insulating material 14 made of foam or the like is disposed as a heat insulating means. In the case of FIG. 3, the back surface of the solar cell is supported through the heat insulating material 14, but instead of using such a heat insulating material 14 as a heat insulating means, a part of the embodiment of FIG. 2 is used. As shown in the modified solar cell module of FIG. 4, a container may be formed on the back side of the solar cell 10 so that an air layer 15 of a constant space is generated.
[0034]
In the solar cell module shown in FIGS. 3 and 4, the temperature difference between the solar cell 10 and the metal frame 11 tends to be particularly large as described above. The effect can be exhibited particularly effectively.
[0035]
The width of the edge portion of the glass substrate is within a range in which cutting distortion from the base plate remains, but according to the inventor's study, even when the distortion is the smallest, the width is approximately equal to the thickness of the substrate, that is, a width of about 5 mm. It turned out to be. Since the width of the edge portion slightly changes depending on the processing state, it is possible to support the solar cell at an inner position of 10 mm or more from the end surface with a margin from the viewpoint of mechanical strength. Supporting this leads to a reduction in the light receiving surface of the solar cell, and therefore it is possible to appropriately design how much the substrate is supported at the inner position excluding the edge portion.
[0036]
【Example】
Example 1
A solar cell module corresponding to the embodiment of FIG. As the solar cell 10, as shown in FIG. 5, a solar cell of a type in which light is incident from the glass substrate side, and an integrated amorphous silicon thin film solar cell whose back surface is sealed with EVA and Tedla is used. It was. As the support member 11, an aluminum frame was used. As a heat insulating material spacer 13 interposed between the support member 11 and the solar cell 10, “VHB structural tape Y-4950” (thermal conductivity coefficient: 2.9 × 10 ⁻ ), which is an acrylic foam made by 3M Company. ⁴ W / cm · ° C., resistivity: 10 ¹⁵ Ω · cm, thickness: 1.14 mm). Further, a sealing material 12 made of butyl rubber was interposed between the solar cell 10 and the heat insulating material spacer 13 in order to improve adhesiveness and protect the end face of the solar cell 10.
[0037]
With respect to the solar cell module of Example 1 obtained in this way, the temperature of the solar cell 10 portion and the temperature of the frame 11 portion were each measured during summer clear weather at an air temperature of 32 ° C. As a result, the temperature of the solar cell 10 portion was 55 ° C., the temperature of the frame 11 portion was 40 ° C., and almost no temperature gradient was generated in the glass substrate.
[0038]
Furthermore, an experiment was performed in which 10 SUN (power density 10 times that of standard sunlight: 1000 mW / cm ² ) was irradiated while the frame 12 was forcibly cooled. As a result, no cracks occurred in 10 solar cell modules.
[0039]
(Comparative Example 1)
The conventional solar cell module shown in FIG. 6 was produced as Comparative Example 1. As the solar cell 10 and the frame 11, the same ones as in Example 1 were used. Further, a sealing material 12 made of butyl rubber was interposed between the solar cell 10 and the frame 11.
[0040]
With respect to the solar cell module of Comparative Example 1 obtained in this manner, the temperature of the solar cell 10 and the temperature of the frame 12 were recorded during summer clear weather in the summer at a temperature of 32 ° C. as in Example 1. And were measured respectively. As a result, the temperature of the solar cell 10 portion was 50 ° C., the temperature of the frame 11 portion was 40 ° C., and a temperature gradient of about 10 ° C. was generated in the glass substrate of the solar cell 10.
[0041]
Further, as in the case of Example 1, the solar cell module of Comparative Example 1 was also subjected to an experiment in which 10 SUN simulated sunlight was irradiated while forcibly cooling the frame 11. As a result, in the ten solar cell modules of Comparative Example 1, two pieces were broken.
[0042]
(Example 2)
A solar cell module corresponding to the embodiment of FIG. As the heat insulating material 14 disposed on the back surface of the solar cell 10, “Kanelite Foam Heat Max” manufactured by Kaneka Chemical Co., Ltd. (thermal conductivity: 3.4 × 10 ⁻⁴ W / cm · ° C., resistivity) : 10 ¹⁷ Ω · cm, thickness: 25 mm) was used, and it was attached to the back surface of the solar cell 10 with a rubber adhesive. Other configurations were the same as those in Example 1.
[0043]
About the solar cell module of Example 2 obtained in this way, the temperature of the part of the solar cell 10 and the temperature of the part of the frame 11 were respectively in the summer and sunny in the summer at an air temperature of 32 ° C. as in the case of Example 1. Measured. As a result, the temperature of the solar cell 10 portion was 70 ° C., the temperature of the frame 11 portion was 40 ° C., and a large temperature gradient occurred in the heat insulating material 14 portion. There was almost no temperature gradient inside.
[0044]
Furthermore, in the solar cell module of Example 2, an experiment was performed in which 10 SUN pseudo-sunlight was irradiated while forcibly cooling the frame 11. As a result, no cracks occurred in 10 solar cell modules.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the solar cell is supported by a portion other than the edge portion of the glass substrate, and more preferably, the insulating material spacer is provided between the solar cell and the metal portion of the support member. By providing, the influence of the cutting distortion of the glass substrate edge part can be avoided under the operating conditions of the solar cell, and the temperature gradient in the substrate can be suppressed. As a result, it is possible to prevent a failure such as a crack from the edge of the glass substrate of the solar cell, which is mainly caused by the thermal stress resulting from the temperature gradient, and the mechanical reliability of the solar cell module can be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a solar cell module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a solar cell module according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a solar cell module according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a solar cell module according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a part of an integrated thin film solar cell.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional solar cell module.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 Front transparent electrode 2a Transparent electrode separation groove 3 Photoelectric conversion semiconductor layer 3a Semiconductor layer division groove 4 Back surface electrode 4a Back surface electrode separation groove 5 Sealing filler 6 Protective film 10 Thin film solar cell 11 Support member 12 Sealing material 13 Insulating material spacer 14 Insulating material 15 Air layer In each figure, the same numerals indicate the same or corresponding parts.

Claims

A thin-film solar cell including a thin-film semiconductor layer formed on a glass plate substrate;
A support member for supporting the solar cell,
The solar cell is mechanically supported by the support member at other portions without being supported at the edge portion having a width of 5 mm from the cut end surface where the cutting strain of the glass plate remains,
The support member includes a metal portion;
Insulating material spacer is included in at least a part between the solar cell and the metal part of the support member, and the solar cell and the metal part are not in direct contact in the region where the insulating material spacer is not interposed,
The thermal insulation spacer has a thermal conductivity coefficient of 10 ⁻³ W / cm · ° C. or less and does not substantially deform during use of the solar cell,
Thin-film solar cell module, wherein at least one of the comb Lumpur material and space layer, such that said heat insulating material spacer is interposed is interposed between the support member and the edge portion.

The semiconductor layer of the solar cell includes an amorphous silicon layer for photoelectric conversion,
The thin film solar cell module according to claim 1, further comprising heat insulating means for covering a back surface of the solar cell.

3. The thin film solar cell module according to claim 1 , wherein the heat insulating material spacer is included between an entire circumference inside the edge portion of the solar cell and a metal portion of the support member.

The thermal insulation spacer is selected from polycarbonate, polystyrene, foamed resin, polyurethane, cellulose acetate, silicone, phenolic resin, epoxy resin, glass fiber, asbestos, glass foam, acrylic foam, rubber foam, and cork. The thin film solar cell module according to claim 1, wherein the thin film solar cell module includes: