JP4157459B2 - 軽量太陽電池モジュールとその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、飛行船の電源として好適に用いられる軽量太陽電池モジュールに関する。
現在、成層圏に飛行船を長期間停留させる成層圏プラットフォームが、人工衛星に代わる新しい無線中継手段や地上観測手段として注目されている。成層圏プラットフォームを用いた無線中継システムは、地上設置の中継局に比べて１中継局当たりのサービスエリアが広い、中継局設置のための土地を必要としない、自然災害の影響を受けにくいなどの特長を有する。また、衛星通信システムと比べても、打ち上げコストが安価であり、中継局との距離が短く、通信時間を短縮できるなどの特長も有する。
成層圏プラットフォームには、長期間、安定した電力を供給することができる太陽電池モジュールとバッテリー、再生型の燃料電池およびこれらを組み合わせた電源システムが用いられる。このような環境で用いられる太陽電池モジュールは、軽量であることに加え、紫外線や昼夜の温度差に対する耐侯性が要求される。また、太陽光により太陽電池モジュールの温度が上昇し、この熱が成層圏プラットフォーム（飛行船）に伝わると、飛行船に装備されたヘリウムガスの温度が上昇し、飛行船の浮力制御が困難となるため、太陽電池モジュールと飛行船の外壁を断熱する必要がある。
現在、太陽電池モジュールは、住宅や人工衛星の電源として広く使用されている。しかし、成層圏の環境は過酷であり、これらの太陽電池モジュールを転用することは困難である。
すなわち、成層圏の空気密度は地上の１／１５〜１／２０程度であり、飛行船の浮力が小さくなるため、飛行船の構成材料を軽量にする必要がある。例えば、太陽電池モジュールでは、単位電気出力当たりの重量を３ｇ／Ｗ以下にする必要がある。しかし、一般に市販されている地上用の太陽電池モジュールにおける単位電気出力当たりの重量は、住宅用で８０〜１００ｇ／Ｗ程度、ソーラーカーレース用で１０〜２０ｇ／Ｗ程度であり、成層圏用のスペックを満足しない。また、地上用の太陽電池モジュールは地上環境を想定し作製されているので、成層圏の環境に耐えることができない。
すなわち、成層圏の空気密度は地上の１／１５〜１／２０程度であり、飛行船の浮力が小さくなるため、飛行船の構成材料を軽量にする必要がある。例えば、太陽電池モジュールでは、単位電気出力当たりの重量を３ｇ／Ｗ以下にする必要がある。しかし、一般に市販されている地上用の太陽電池モジュールにおける単位電気出力当たりの重量は、住宅用で８０〜１００ｇ／Ｗ程度、ソーラーカーレース用で１０〜２０ｇ／Ｗ程度であり、成層圏用のスペックを満足しない。また、地上用の太陽電池モジュールは地上環境を想定し作製されているので、成層圏の環境に耐えることができない。
一方、人工衛星用の太陽電池モジュールとしては、基板にカプトンフィルムなどを用いた、単位電気出力当たりの重量が３ｇ／Ｗ程度のフレキシブル太陽電池モジュールが作製されている。しかし、このモジュールは非常に薄く、取扱いが困難である。また、人工衛星用の太陽電池モジュールは、成層圏よりも過酷な温度や紫外線の環境で使用されるが、宇宙環境では水分の付着や大気に長時間曝されることがないため、これらの対策が不十分であり、やはり成層圏の環境に耐えることができない。
実開平７−４２５１８号公報（特許文献１）には、基板上に配置した太陽電池素子の受光面側を透光性の粘着層および透光性の保護フィルムで被覆した、粘着層と保護フィルムの厚み合計を１００μｍ以下とした軽量化された太陽電池モジュールが開示されている。
しかし、このモジュールは、ローラーを使用した圧着により製造されるので、厚さに制限がある。また、このモジュールは、断熱材となる基板上に小さな凹凸があるために、粘着フィルム状の層の中に小さな気泡が残り、成層圏の気圧状態では気泡が大きくなりフィルムが剥離するという問題がある。
しかし、このモジュールは、ローラーを使用した圧着により製造されるので、厚さに制限がある。また、このモジュールは、断熱材となる基板上に小さな凹凸があるために、粘着フィルム状の層の中に小さな気泡が残り、成層圏の気圧状態では気泡が大きくなりフィルムが剥離するという問題がある。
本発明は、成層圏で使用可能な軽量太陽電池モジュールを提供することを課題とする。
かくして、本発明によれば、成層圏で使用される飛行船の外壁に電源として設置され、太陽電池セルが透明接着剤層で封止され、さらに前記太陽電池セルの受光面側に透明保護フィルムを、一方非受光面側に基板となる発泡体の断熱材板を配置してなり、前記太陽電池セルがシリコン単結晶セルであり、かつその厚さが３０〜１００μｍであり、前記透明接着剤層がシリコン樹脂からなり、かつその厚さが１０〜５０μｍであり、前記透明保護フィルムが、ポリ塩化ビニリデン、フッ素樹脂、アクリル樹脂およびそれらの共重合体から選択されるフィルムまたはそれらの積層体であり、前記断熱材板が、独立気泡構造のフェノール樹脂発泡体からなることを特徴とする軽量太陽電池モジュールが提供される。
また、本発明によれば、上記の軽量太陽電池モジュールの製造方法であり、透明保護フィルムおよび基板となる発泡体の断熱材板のそれぞれ１つの表面に透明接着剤層を設け、太陽電池セルをその受光面側が透明保護フィルム側に、非受光面側が断熱材板側に位置するように配置し、太陽電池セルを透明接着剤層で封止することを特徴とする軽量太陽電池モジュールの製造方法が提供される。
本発明によれば、軽量でかつ取扱いが容易な軽量太陽電池モジュール、特に成層圏プラットフォーム用の軽量太陽電池モジュールを提供することができる。
本発明の軽量太陽電池モジュールは、太陽電池セルが透明接着剤層で封止され、さらに前記セルの受光面側に透明保護フィルムを、一方非受光面側に断熱材板を配置してなることを特徴とする。
図１は、本発明の軽量太陽電池モジュールの一例を示す概略断面図である。このモジュールは、太陽電池セルの受光面側の表面保護フィルムとなる透明保護フィルム１、基板となる断熱材板２、透明接着剤層３および太陽電池セル４からなる。
図１は、本発明の軽量太陽電池モジュールの一例を示す概略断面図である。このモジュールは、太陽電池セルの受光面側の表面保護フィルムとなる透明保護フィルム１、基板となる断熱材板２、透明接着剤層３および太陽電池セル４からなる。
透明保護フィルム１は、次のような特性が求められる。
（１−１）低密度であること
成層圏の空気密度は地上の１／１５〜１／２０程度であり、飛行船の浮力が小さくなるため、飛行船の構成材料を軽量にする必要がある。したがって、透明保護フィルム１の構成材料の密度は、３ｇ／ｃｍ3以下が好ましく、２．５ｇ／ｃｍ3以下が特に好ましい。
（１−１）低密度であること
成層圏の空気密度は地上の１／１５〜１／２０程度であり、飛行船の浮力が小さくなるため、飛行船の構成材料を軽量にする必要がある。したがって、透明保護フィルム１の構成材料の密度は、３ｇ／ｃｍ3以下が好ましく、２．５ｇ／ｃｍ3以下が特に好ましい。
（１−２）薄膜化が可能であること
上記（１−１）と同様の理由により、太陽電池モジュールを軽量化するためには、透明保護フィルム１の膜厚を薄くする必要がある。したがって、透明保護フィルム１の構成材料は、使用環境に耐え得る機械的強度を維持しつつ薄膜加工が可能であることが要求される。その膜厚は、５〜３０μｍ程度が好ましく、１０〜２０μｍが特に好ましい。
上記（１−１）と同様の理由により、太陽電池モジュールを軽量化するためには、透明保護フィルム１の膜厚を薄くする必要がある。したがって、透明保護フィルム１の構成材料は、使用環境に耐え得る機械的強度を維持しつつ薄膜加工が可能であることが要求される。その膜厚は、５〜３０μｍ程度が好ましく、１０〜２０μｍが特に好ましい。
（１−３）光透過率が高く、屈折率が小さいこと
高出力の太陽電池モジュールを得るためには、透明保護フィルム１の光透過率は高く、屈折率は小さい方が好ましい。具体的には、太陽電池の感度領域（例えば、シリコン太陽電池の場合、３００〜１２００ｎｍ）での平均光透過率は８０％以上、好ましくは９０％以上であり、屈折率は１〜１．６程度、好ましくは１．２〜１．４である。
高出力の太陽電池モジュールを得るためには、透明保護フィルム１の光透過率は高く、屈折率は小さい方が好ましい。具体的には、太陽電池の感度領域（例えば、シリコン太陽電池の場合、３００〜１２００ｎｍ）での平均光透過率は８０％以上、好ましくは９０％以上であり、屈折率は１〜１．６程度、好ましくは１．２〜１．４である。
（１−４）長時間の屋外暴露による特性の変化が少なく、紫外線による劣化が小さいこと
成層圏では、太陽電池モジュールは、過酷な温度や紫外線の環境に加えて、水分が付着し、大気に長時間曝される。したがって、このような環境に耐え得る材料が求められる。
成層圏では、太陽電池モジュールは、過酷な温度や紫外線の環境に加えて、水分が付着し、大気に長時間曝される。したがって、このような環境に耐え得る材料が求められる。
（１−５）−５０〜１００℃程度の温度変化に耐え得ること
上記（１−４）と同様の理由により、太陽電池モジュールは、幅広い温度範囲における安定性が求められる。したがって、透明保護フィルム１の耐熱温度は、−５０〜１００℃、好ましくは−６０〜１１０℃である。
上記（１−４）と同様の理由により、太陽電池モジュールは、幅広い温度範囲における安定性が求められる。したがって、透明保護フィルム１の耐熱温度は、−５０〜１００℃、好ましくは−６０〜１１０℃である。
上記の条件を満たす材料としては、ポリ塩化ビニリデン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフロオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂、アクリル樹脂が挙げられ、これらを好適に用いることができる。表１にこれらの材料の代表的な物性値を示す。
また、これらのフィルムは単体で使用する他に、共重合体や積層フィルムとして使用してもよい。
また、これらのフィルムは単体で使用する他に、共重合体や積層フィルムとして使用してもよい。
断熱材板２は、次のような特性が求められる。
（２−１）高断熱性を有すること
太陽電池モジュールを飛行船の電源として使用する場合、太陽電池モジュールの熱が飛行船に装備されたヘリウムガスに伝わると、飛行船の浮力制御が困難となるため、太陽電池モジュールと飛行船の外壁を断熱する必要がある。したがって、断熱材板２の構成材料の熱伝導率は０．１（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下が好ましく、０．０５（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下が特に好ましい。
（２−１）高断熱性を有すること
太陽電池モジュールを飛行船の電源として使用する場合、太陽電池モジュールの熱が飛行船に装備されたヘリウムガスに伝わると、飛行船の浮力制御が困難となるため、太陽電池モジュールと飛行船の外壁を断熱する必要がある。したがって、断熱材板２の構成材料の熱伝導率は０．１（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下が好ましく、０．０５（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下が特に好ましい。
（２−２）低密度であること
上記（１−１）と同様の理由による。太陽電池モジュールを軽量化するためには、断熱材板２も軽量にする必要がある。したがって、断熱材板２の構成材料は発泡体が好ましく、断熱材板２に透明接着剤層３が浸透すると、太陽電池モジュールの重量増加になるため、断熱材板２の発泡体は、連続気泡構造ではなく、独立気泡構造の発泡体が特に好ましい。密度は、４０ｋｇ／ｍ3以下が好ましく、３０ｋｇ／ｍ3以下が特に好ましい。
上記（１−１）と同様の理由による。太陽電池モジュールを軽量化するためには、断熱材板２も軽量にする必要がある。したがって、断熱材板２の構成材料は発泡体が好ましく、断熱材板２に透明接着剤層３が浸透すると、太陽電池モジュールの重量増加になるため、断熱材板２の発泡体は、連続気泡構造ではなく、独立気泡構造の発泡体が特に好ましい。密度は、４０ｋｇ／ｍ3以下が好ましく、３０ｋｇ／ｍ3以下が特に好ましい。
（２−３）長時間の屋外暴露による特性の変化が少ない、紫外線による劣化が小さいこと
上記（１−４）と同様の理由による。
上記（１−４）と同様の理由による。
（２−４）−５０〜１００℃程度の温度変化に耐え得ること
上記（１−４）と同様の理由により、太陽電池モジュールは、幅広い温度範囲における安定性が求められる。したがって、断熱材板２の耐熱温度は、−５０〜１００℃、好ましくは−６０〜１１０℃である。
上記（１−４）と同様の理由により、太陽電池モジュールは、幅広い温度範囲における安定性が求められる。したがって、断熱材板２の耐熱温度は、−５０〜１００℃、好ましくは−６０〜１１０℃である。
上記の条件を満たす材料としては、独立気泡構造のフェノール樹脂発泡体が特に好ましい。表２にこの代表的な物性値を示す。
ポリスチレンやポリウレタンなどの低密度発泡体は、紫外線に対して劣化し易く、フェノール樹脂発泡体に比べて耐熱性が低く、飛行船の電源として使用する太陽電池モジュールには適さない。また、ポリイミドなどのスポンジ状の低密度発泡体は、連続気泡構造であり、非常に柔らかく、剛性が殆どなく、大型パネルの作製や取扱いが非常に困難であるため、飛行船の電源として使用する太陽電池モジュールには適さない。
断熱材板２の厚さは、例えば、５０００〜２００００μｍ程度である。
ポリスチレンやポリウレタンなどの低密度発泡体は、紫外線に対して劣化し易く、フェノール樹脂発泡体に比べて耐熱性が低く、飛行船の電源として使用する太陽電池モジュールには適さない。また、ポリイミドなどのスポンジ状の低密度発泡体は、連続気泡構造であり、非常に柔らかく、剛性が殆どなく、大型パネルの作製や取扱いが非常に困難であるため、飛行船の電源として使用する太陽電池モジュールには適さない。
断熱材板２の厚さは、例えば、５０００〜２００００μｍ程度である。
透明接着剤層３は、透明保護フィルム１と同様の特性（１−１）〜（１−５）が求められる。
このような条件を満たす材料としては、シリコン樹脂が特に好ましい。
地上用（住宅用）やソーラーカーレース用の太陽電池パネルでは、接着剤として、通常エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）が使用されているが、これは薄膜化が困難であり、吸湿による変色などが起こり易いため、飛行船の電源として使用する太陽電池モジュールには適さない。
透明接着剤層３の厚さは、太陽電池セル４の上下面、すなわち透明保護フィルム１側と断熱材板２側がそれぞれ１０〜５０μｍ程度である。
このような条件を満たす材料としては、シリコン樹脂が特に好ましい。
地上用（住宅用）やソーラーカーレース用の太陽電池パネルでは、接着剤として、通常エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）が使用されているが、これは薄膜化が困難であり、吸湿による変色などが起こり易いため、飛行船の電源として使用する太陽電池モジュールには適さない。
透明接着剤層３の厚さは、太陽電池セル４の上下面、すなわち透明保護フィルム１側と断熱材板２側がそれぞれ１０〜５０μｍ程度である。
太陽電池セル４は、特に限定されず、例えばｐｎ接合を有する半導体基板とそれを挟持する電極からなる公知の太陽電池セルが挙げられ、複数枚の太陽電池セルを接続した太陽電池ストリングであってもよい。例えばシリコン単結晶セルの場合、その厚さは、３０〜１００μｍ程度である。
本発明の軽量太陽電池モジュールは、透明保護フィルムと断熱材板のそれぞれの１つの表面に透明接着剤層を設け、太陽電池セルをその受光面側が透明保護フィルム側に、非受光面側が断熱材板側に位置するように配置し、太陽電池セルを透明接着剤層で封止することにより製造することができる。封止の作業は、気泡の混入を防止するために真空中で行うのが好ましい。
例えば、複数枚の太陽電池セルを接続して太陽電池ストリングを作製する。次いで、断熱材板と透明保護フィルムの上に透明接着剤を塗布し、これらで太陽電池ストリングを挟み、貼り合わせることで図１の太陽電池モジュールを得る
表３に示す構成材料、すなわち、寸法１３ｃｍ×１３ｃｍの透明保護フィルム、寸法４ｃｍ×６ｃｍの太陽電池セル（ＡＭ０での光電変換効率１３．５％）６枚、寸法１３ｃｍ×１３ｃｍの断熱材板を用いて、太陽電池モジュールを作成した。得られたモジュールは、電気出力が２．６３Ｗで、その重量７．７３ｇから算出した単位電気出力当たりの重量は、２．９４ｇ／Ｗであった。
１ 透明保護フィルム
２ 断熱材板
３ 透明接着剤層
４ 太陽電池セル
２ 断熱材板
３ 透明接着剤層
４ 太陽電池セル
Claims (5)
- 成層圏で使用される飛行船の外壁に電源として設置され、太陽電池セルが透明接着剤層で封止され、さらに前記太陽電池セルの受光面側に透明保護フィルムを、一方非受光面側に基板となる発泡体の断熱材板を配置してなり、
前記太陽電池セルがシリコン単結晶セルであり、かつその厚さが３０〜１００μｍであり、
前記透明接着剤層がシリコン樹脂からなり、かつその厚さが１０〜５０μｍであり、
前記透明保護フィルムが、ポリ塩化ビニリデン、フッ素樹脂、アクリル樹脂およびそれらの共重合体から選択されるフィルムまたはそれらの積層体であり、
前記断熱材板が、独立気泡構造のフェノール樹脂発泡体からなる
ことを特徴とする軽量太陽電池モジュール。 - 単位電気出力当たりの重量が３ｇ／Ｗ以下である請求項１に記載の軽量太陽電池モジュール。
- 前記透明保護フィルムの膜厚が、５〜３０μｍである請求項１または２に記載の軽量太陽電池モジュール。
- 前記断熱材板の厚さが、５０００〜２００００μｍである請求項１〜３のいずれか１つに記載の軽量太陽電池モジュール。
- 請求項１〜４のいずれか１つに記載の軽量太陽電池モジュールの製造方法であり、透明保護フィルムおよび基板となる発泡体の断熱材板のそれぞれ１つの表面に透明接着剤層を設け、太陽電池セルをその受光面側が透明保護フィルム側に、非受光面側が断熱材板側に位置するように配置し、太陽電池セルを透明接着剤層で封止することを特徴とする軽量太陽電池モジュールの製造方法。
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