JP4663664B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、信頼性を向上させた太陽電池モジュールに関する。
太陽電池システムは、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光を直接電気に変換する。従って、太陽電池システムは、新しいエネルギー源として期待されている。
ここで、太陽電池システムを構成する太陽電池では、１枚当りの出力が数Ｗ程度である。従って、家屋やビル等の電源として太陽電池システムを用いる場合には、太陽電池システムには、複数の太陽電池が電気的に直列又は並列に接続された太陽電池モジュールが用いられる。これによって、太陽電池システムの出力は、数１００Ｗ程度まで高められる。
具体的には、図１に示すように、太陽電池モジュール１００は、太陽電池１０１と、太陽電池１０１の光入射面側に設けられた光入射側支持部材１０２と、太陽電池１０１の裏面側に設けられた裏面側支持部材１０３と、光入射側支持部材１０２と裏面側支持部材１０３との間で太陽電池１０１を封止する封止材１０４とを有する。
このような太陽電池モジュール１００では、一般的に、耐候性及び耐久性を向上させるために、封止材１０４と太陽電池１０１の光入射面及び裏面との強固な接着が維持されることが望まれる。ここで、封止材１０４の太陽電池１０１に対する接着力の経時的な低下を改善するために、封止材１０４にシランカップリング剤を添加する技術が提案さている（例えば、特許文献１）。
特開２０００−１８３３８２号公報
太陽電池モジュール１００が太陽光を受光していない状態では、図１に示すように、太陽電池１０１の光入射面側における応力ａは、太陽電池１０１の裏面側における応力ｂと略等しい。
一方で、太陽電池モジュール１００が太陽光を受光している状態では、太陽電池１０１の光入射面側の温度が太陽電池１０１の裏面側の温度よりも高くなる。これに伴って、太陽電池１０１の光入射面側では、太陽電池１０１の裏面側よりも封止材が熱膨張する。封止剤１０４の方が太陽電池１０１よりも大きい熱膨張係数を有するため、図２に示すように、太陽電池１０１の光入射面側における応力ａは、太陽電池１０１の裏面側における応力ｂよりも小さくなる。
このように、太陽電池１０１が太陽光を受光している状態では、応力ａ及び応力ｂのバランスが崩れてしまうため、図２に示すように、太陽電池１０１の反りが生じる。
ここで、図３に示すように、太陽電池１０１では、光電変換部１０５において生成される光生成キャリアを集電するために、光電変換部１０５の光入射面側に集電電極１０６が設けられ、光電変換部１０５の裏面側に集電電極１０７が設けられている。集電電極１０６は、太陽電池１０１の光入射面側に設けられているため、太陽光の受光を妨げないように、可能な範囲で細く形成されることが好ましい。
しかしながら、太陽光の受光によって太陽電池１０１の反りが生じると、応力が集電電極１０６に加わる。そして、太陽電池モジュール１００は屋外で使用され、受光と非受光が繰り返されるので、集電電極１０６にダメージが蓄積される。このため集電電極１０６の集電能力が低下するおそれがある。そして、太陽電池１０１の反りは、光電変換部１０５を構成する基板の厚みが薄くなるほど大きくなるので、従来は基板の厚みをそれ程薄くすることができなかった。
そこで、本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、光入射面側に設けられた集電電極に蓄積されるダメージの影響を低減した太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明の第１の特徴に係る太陽電池モジュールは、光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、前記第１領域の前記太陽電池に対する接着力は、前記第２領域の前記太陽電池に対する接着力よりも小さいことを要旨とする。
このような太陽電池モジュールによれば、封止材の第１領域の太陽電池に対する接着力が、封止材の第２領域の太陽電池に対する接着力よりも小さい。即ち、第1領域は太陽電池の光入射面に小さい接着力で接着されているため、第1領域の体積変化が太陽電池の光入射面に与える影響力は小さい。従って、太陽光を受光している状態において、第1領域が熱膨張したとしても、第1領域が太陽電池の光入射面に与える影響力が小さいため、光入射面にかかる応力と裏面にかかる応力とのバランスが保たれる。換言すれば、第1領域は、内部応力を保持したまま太陽電池の光入射面においてずれるため、光入射面にかかる応力と裏面にかかる応力とのバランスが製造時のままに保たれる。この結果、太陽電池を光入射面側に対して凸になるように反らせようとする力が緩和され、太陽電池の光入射面に接着された集電電極に加わるストレスが弱まることとなるため、集電電極に蓄積されるダメージを抑制することができる。
本発明の第２の特徴は、光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、
前記第１領域及び前記第２領域は、同じ封止用樹脂材料を含むと共に前記太陽電池との接着力を向上させる添加剤を含んでおり、前記第１領域に含まれる前記添加剤の量は、前記第２領域に含まれる前記添加剤の量よりも少ないことを要旨とする。
前記第１領域及び前記第２領域は、同じ封止用樹脂材料を含むと共に前記太陽電池との接着力を向上させる添加剤を含んでおり、前記第１領域に含まれる前記添加剤の量は、前記第２領域に含まれる前記添加剤の量よりも少ないことを要旨とする。
本発明の第３の特徴は、本発明の第２の特徴に係り、前記添加剤は、シランカップリング剤であることことを要旨とする。
本発明の第４の特徴に係る太陽電池モジュールは、光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、前記太陽電池は、光入射面及び裏面に水酸基を有しており、前記水酸基と共有結合又は水素結合を形成する官能基の前記第１領域における密度は、前記官能基の前記第２領域における密度よりも小さいことを要旨とする。
本発明の第５の特徴に係る太陽電池モジュールは、光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、前記太陽電池の裏面は、前記第２領域との接着力を向上させる下塗り剤が塗布されていることを要旨とする。
本発明の第６の特徴に係る太陽電池モジュールは、光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、前記太陽電池は、光入射面及び裏面において水酸基を有しており、前記太陽電池の光入射面における水酸基の密度は、前記太陽電池の裏面における水酸基の密度より小さいことを要旨とする。
本発明の第７の特徴に係る太陽電池モジュールは、光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、前記太陽電池の光入射面における表面積は、前記太陽電池の裏面における表面積よりも小さいことを要旨とする。
本発明によれば、光入射面側に設けられた集電電極に蓄積されるダメージの影響を低減した太陽電池モジュールを提供することができる。
《実施形態》
次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
〈太陽電池モジュール１０の構成〉
本実施形態に係る太陽電池モジュール１０の断面図を図４に示す。同図（Ａ）は、モジュール化工程を経て一体化された後の状態を説明するための断面構造図である。また、同図（Ｂ）は、モジュール化工程前の状態を説明するための分解図である。
本実施形態に係る太陽電池モジュール１０の断面図を図４に示す。同図（Ａ）は、モジュール化工程を経て一体化された後の状態を説明するための断面構造図である。また、同図（Ｂ）は、モジュール化工程前の状態を説明するための分解図である。
太陽電池モジュール１０は、太陽電池ストリングス１、封止材２、光入射側支持部材３及び裏面側支持部材４を備えている。
太陽電池ストリングス１は、複数の太陽電池１ａ，１ａ・・・を、銅箔等の配線材５によって互いに電気的に接続することにより形成されている。
太陽電池１ａは、光電変換部６及び集電電極７を備えている。
光電変換部６は、内部にＰＮ接合やＰＩＮ接合等の半導体接合を有する、単結晶Ｓｉ（シリコン）や多結晶Ｓｉ等の結晶系の半導体材料、ＧａＡｓやＣｕＩｎＳｅ等の化合物系の半導体材料をはじめ、薄膜シリコン系、色素増感系等の有機系など一般的な太陽電池材料を用いて作成することが出来る。
集電電極７は、光電変換部６の光入射面及び裏面に接着され、光電変換部６において生成される光生成キャリアを収集する。従って、集電電極７は、光入射面側集電電極７ａと裏面電極７ｂとを含む。
光入射面側集電電極７ａ及び裏面電極７ｂは、銀やアルミ、銅、ニッケル、錫、金等、もしくはこれらの合金等の導電性材料を含んだもので形成される。なお、電極は導電性材料を含んだ単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。また、これらの導電性材料を含む層に加えて、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＩＷＯ、ＺｎＯ等の透光性導電酸化物を含む層を有していてもよい。
光入射面側集電電極７ａは、光電変換部６の光入射側面積を大きくするため、即ち、光電変換部６の露出部分の面積を大きくとるため、できるだけ小さい面積になるように設けられている。例えば、光入射面側集電電極７ａは、太陽電池１ａの断面図及び上面図（図５（Ａ）及び（Ｂ）参照）に示されるように、電極幅を小さくして、櫛型状又は所謂フィンガー状に形成される。一方、裏面電極７ｂは、櫛型状でもよいし、光電変換部６の裏面側の全面に設けられていてもよい。このように、本実施形態では、光電変換部６の光入射面に接着された光入射面側集電電極７ａの接着面積は、裏面に接着された裏面電極７ｂの接着面積よりも小さい。
封止材２は、太陽電池ストリングス１を封止している。具体的には、図４（Ａ）に示すように、太陽電池１ａの光入射面は封止材２の第１領域２ａと接しており、太陽電池１ａの裏面は封止材２の第２領域２ｂと接している。封止材２は、ＥＶＡ（エチレン・ビニル・アセチレート）やＰＶＢ（ポリ・ビニル・ブチラール）、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、フッ素系樹脂、アイオノマー樹脂、シラン変性樹脂、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、酸変性ポリオレフィン系樹脂、エポキシ系樹脂などの樹脂材料を用いて構成することができ、これらの樹脂の２種類以上を混合して用いても良い。なお、封止材がＥＶＡのような熱可塑性樹脂の場合には、接着性を向上させるために、例えばシランカップリング剤が配合される。
ここで、本実施形態では、封止材２の第１領域２ａの太陽電池１ａに対する接着力は、封止材２の第２領域２ｂの太陽電池１ａに対する接着力よりも小さい。このような封止材２の構成は本発明の特徴に係るため後に詳説する。
光入射側支持部材３は、太陽電池１ａの光入射側に封止材２の第１領域２ａを介して接着されている。光入射側支持部材３は、ガラス板やプラスチック板等の保護部材として硬くて変形しにくく、且つ、太陽電池１ａが吸収できる波長の光の大半を透過させる部材を含んで構成される。光入射側支持部材３は、例えば１〜１０ｍｍの厚さを有するガラス板を含んでいる。
裏面側支持部材４は、封止材２の第２領域２ｂを介して太陽電池１ａの裏面側に接着されている。裏面側支持部材４は、モジュール全体の重量を軽くするため、比較的軟らかいフィルム状のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）フィルムやフッ素樹脂フィルム等の樹脂フィルム、シリカやアルミナ等の金属酸化物の蒸着膜が形成された樹脂フィルム、アルミ箔等の金属フィルム、もしくはこれらの積層フィルムなどの材料を用いて構成することができる。
〈太陽電池モジュール１０の製造方法〉
本実施形態に係る太陽電池モジュール１０の製造方法について、図６乃至図８を用いて説明する。
本実施形態に係る太陽電池モジュール１０の製造方法について、図６乃至図８を用いて説明する。
図６は、本実施形態に係る太陽電池モジュール１０の製造工程の概略を示すフロー図である。
ステップ１０１において、太陽電池１ａを作成する。まず、ｎ型単結晶シリコン基板の表面を洗浄して不純物を除去する。次に、ＲＦプラズマＣＶＤ法或いはＣａｔ−ＣＶＤ法等の気相成長法を用いて、ｎ型単結晶シリコン基板の光入射面上に、ｉ型非晶質シリコン層とｐ型非晶質シリコン層とを順次積層する。同様に、ｎ型単結晶シリコン基板の裏面上に、ｉ型非晶質シリコン層とｎ型非晶質シリコン層とを順次積層する。これにより光電変換部６が作成される。次に、マグネトロンスパッタ法を用いて、ｐ型非晶質シリコン層の光入射面及びｎ型非晶質シリコン層の裏面に、ＩＴＯ膜を形成する。次に、スクリーン印刷法、オフセット印刷法等の印刷法を用いて、エポキシ系熱硬化型の銀ペーストを、ＩＴＯ膜の光入射面上に所定のパターンで配置する。同様に、エポキシ系熱硬化型の銀ペースト等の導電性材料を、ＩＴＯ膜の裏面上に所定のパターンで配置する。これにより光入射面側集電電極７ａ及び裏面電極７ｂが、光電変換部６上に一体的に形成される。なお、本実施形態では、光入射面側集電電極７ａは櫛型状に形成され、裏面電極７ｂは光電変換部６の裏面側の全面に設けられている。以上により、太陽電池１ａが作成される。
次に、ステップ１０２において、太陽電池ストリングス１を作成する。具体的には、一の太陽電池１ａの光入射面側集電電極７ａと他の太陽電池１ａの裏面電極７ｂとに、配線材５を押しつけながら加熱して接続する。これにより、一の太陽電池１ａと、当該一の太陽電池１ａに隣接する他の太陽電池１ａとが電気的に接続され、太陽電池ストリングス１が作成される。
ここで、ステップ１０１及び１０２と並行した又は事前のステップ１０３において、封止材２を作成及び準備しておく。
次に、ステップ１０４において、太陽電池モジュール１０を作成する。当該モジュール化は、以下の２つの工程を含む。
ラミネート工程：この工程は、図７に示す真空ラミネート装置２０を用いて、各部材間の気泡の発生を抑制しつつ内部部材同士を仮接着するための工程である。真空ラミネート装置２０の内部は、ダイアフラム３０により上下２室に分離されており、各室独立に減圧することができる。まず、真空ラミネート装置２０内に加熱可能に構成された載置台４０上に、光入射側支持部材３、光入射側封止材シート（第１領域）２ａ、太陽電池ストリングス１、裏面側封止材シート（第２領域）２ｂ、及び裏面側支持部材４をこの順に載置する。次に、載置台４０を所定の温度に加熱しながら上下各室から排気して脱泡する。続いて、上室に吸気することにより、ダイアフラム３０で太陽電池モジュール１０を所定時間だけ押さえて仮接着する。
キュア工程：この工程は、図８に示す加熱装置５０を用いて、封止材２を硬化させるための工程である。加熱装置５０は、温風を送ることにより、太陽電池モジュール１０を均一に加熱することができる。まず、仮接着された太陽電池モジュール１０を、加熱装置５０内に投入する。次に、太陽電池モジュール１０を、所定の温度で所定の時間だけ加熱する。これにより封止材２は完全に硬化する。
以上のようにして、本実施形態にかかる太陽電池モジュール１０は製造される。
〈封止材２の太陽電池１ａに対する接着力について〉
本実施形態では、封止材２の第１領域２ａの太陽電池１ａに対する接着力は、封止材２の第２領域２ｂの太陽電池１ａに対する接着力よりも小さいことを特徴としている。このように、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくするには、上述した太陽電池モジュール１０の製造工程において、以下のような方法を用いることができる。
本実施形態では、封止材２の第１領域２ａの太陽電池１ａに対する接着力は、封止材２の第２領域２ｂの太陽電池１ａに対する接着力よりも小さいことを特徴としている。このように、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくするには、上述した太陽電池モジュール１０の製造工程において、以下のような方法を用いることができる。
（１）アンカー効果の利用
太陽電池１ａの光入射面における表面積が裏面における表面積よりも小さくなるように、裏面に凹凸形状を形成する。これにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの界面で生じるアンカー効果は、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの界面で生じるアンカー効果より小さくなる。従って、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
太陽電池１ａの光入射面における表面積が裏面における表面積よりも小さくなるように、裏面に凹凸形状を形成する。これにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの界面で生じるアンカー効果は、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの界面で生じるアンカー効果より小さくなる。従って、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
具体的には、上記ステップ１０１において、ｎ型単結晶シリコン基板に、反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)等を用いてＣｌＦ３等のエッチングガスにより表面処理を施す。当該ｎ型単結晶シリコン基板を用いて太陽電池１ａを作成することにより、太陽電池１ａの光入射面における表面積を、前記太陽電池の裏面における表面積よりも小さくすることができる。
（２）接着力を向上させる表面処理
太陽電池１ａの裏面には、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力を向上させるための表面処理を実施する。一方、光入射面には当該表面処理を実施しない。これにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
太陽電池１ａの裏面には、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力を向上させるための表面処理を実施する。一方、光入射面には当該表面処理を実施しない。これにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
具体的には、上記ステップ１０１により作成された太陽電池１ａの裏面に以下に示すいずれかの表面処理を実施する。
プラズマ処理：主にアルゴンガスや酸素ガス等を大気中でプラズマ化し、太陽電池１ａの裏面に吹き付けることにより、裏面に水酸基を形成する。
コロナ放電処理：コロナ放電を太陽電池１ａの裏面近傍で発生させ、裏面を活性化されたラジカルな状態にすることにより、表面に水酸基が形成されるように促す。
ＵＶ照射処理：高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ等の紫外線（波長２００〜３００ｎｍ）を太陽電池１ａの裏面に照射することにより、有機物質等の汚染物質を除去すると共に表面を活性化し、表面に水酸基が形成されるように促す。
（３）接着力を向上させる下塗り剤の塗布
第２領域２ｂとの接着力を向上させる下塗り剤を、太陽電池１ａの裏面に塗布する一方、光入射面には当該下塗り材を塗布しない。これにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
第２領域２ｂとの接着力を向上させる下塗り剤を、太陽電池１ａの裏面に塗布する一方、光入射面には当該下塗り材を塗布しない。これにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
具体的には、上記ステップ１０２により作成された太陽電池ストリングス１を構成する各太陽電池１ａの裏面に、第２領域２ｂとの接着力を向上させる下塗り剤を用いて、スプレー法等によるプライマー処理を施す。このような下塗り剤として、エポキシ樹脂、フェノール化合物、シラン化合物等を用いることができる。なお、このようなプライマー処理は、上記ステップ１０１により作成された太陽電池１ａに対して行ってもよい。この場合、下塗り剤が絶縁性であるときは、光入射面側集電電極７ａのうち配線材５が接続される部分にマスキングを施す。
（４）接着力を向上させる添加剤入り封止材の使用
上記ステップ１０３において、第２領域２ｂに使用する封止剤として、太陽電池１ａとの接着力を向上させる添加剤入り封止材を準備する。一方、第１領域２ａに使用する封止剤として、当該添加剤が相対的に少ない又は入っていない封止材を準備する。このような封止材を用いることにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
上記ステップ１０３において、第２領域２ｂに使用する封止剤として、太陽電池１ａとの接着力を向上させる添加剤入り封止材を準備する。一方、第１領域２ａに使用する封止剤として、当該添加剤が相対的に少ない又は入っていない封止材を準備する。このような封止材を用いることにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
具体的には、上記添加剤入りの封止材は、封止材の材料と上記添加剤とをシリンダーバレル加熱炉に入れて溶融状態にし、口金から押し出すことによりシート化される。
（５）水酸基と共有結合を形成する官能基の密度を調整した封止材の使用
上記ステップ１０３において、第２領域２ｂに使用する封止剤として、太陽電池１ａの表面に存在する水酸基と共有結合を形成する官能基の密度が大きい封止材を準備する。一方、第１領域２ａに使用する封止剤として、当該密度の小さい封止材を準備する。このような封止材では、無機材料と共有結合や水素結合を形成する側鎖や主鎖の密度が、第２領域２ｂにおいて大きい。従って、このような封止材を用いることにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
上記ステップ１０３において、第２領域２ｂに使用する封止剤として、太陽電池１ａの表面に存在する水酸基と共有結合を形成する官能基の密度が大きい封止材を準備する。一方、第１領域２ａに使用する封止剤として、当該密度の小さい封止材を準備する。このような封止材では、無機材料と共有結合や水素結合を形成する側鎖や主鎖の密度が、第２領域２ｂにおいて大きい。従って、このような封止材を用いることにより、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力を、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さくすることができる。
具体的には、このような封止材は、シランカップリング剤をシラノール縮合触媒やグラフト化反応触媒等を用いてシラノール基を導入する方法、シランカップリング剤の有機官能基と反応可能な有機官能基を有する有機樹脂とシランカップリング剤とを化学反応によって結合させる方法、シランカップリング剤と共重合可能な樹脂の側鎖に反応させる方法等により作成することができる。
〈作用及び効果〉
本実施形態によれば、このような構成を有することにより、光の当たり方の相違に起因する長時間使用後の特性低下を抑制し、信頼性が向上した太陽電池モジュールを提供することが出来る。この理由を以下に詳説する。
本実施形態によれば、このような構成を有することにより、光の当たり方の相違に起因する長時間使用後の特性低下を抑制し、信頼性が向上した太陽電池モジュールを提供することが出来る。この理由を以下に詳説する。
表１は、太陽電池モジュールを構成する主な部材の線膨張係数を示す特性表である。封止材としては主な材料であるＥＶＡ樹脂の値を示している。また太陽電池として、一般的に用いられる材料であるシリコンの値を示している。また裏面フィルムとしてＰＥＴフィルムの値を記入している。
同表に示す通り、線膨張係数は、封止材＞ＰＥＴフィルム＞銅＞ガラス≒シリコンの関係である。また、太陽電池モジュールを構成する部材の中で、封止材の線膨張係数とシリコンの線膨張係数の差が最も大きいことが分かる。
従って、モジュール化工程において熱膨張した各構成部材の収縮度合いは、線膨張係数の大きい封止材が最も大きく、線膨張係数の小さいシリコン材料からなる太陽電池が最も小さい。
従来の太陽電池モジュール１００の製造時点においては、図１に示すように、太陽電池１０１の光入射面にかかる応力ａと裏面にかかる応力ｂとが略等しい。しかし、太陽光を受光している状態では、図２及び図３に示したように、太陽電池１０１の光入射面側の封止剤が軟化・膨張することに起因して応力ａと応力ｂとのバランスが崩れ、太陽電池１０１の反りが生じる。その結果、集電電極１０６にダメージが蓄積され、太陽電池モジュール１００の信頼性が低下する。なお、以上の太陽電池モジュールの出力低下は、シリコンウェハが薄くなるに連れて、より起こりやすくなる。
一方、本実施形態にかかる太陽電池モジュール１０によれば、封止材２の第１領域２ａの太陽電池１ａに対する接着力が、封止材２の第２領域２ｂの太陽電池１ａに対する接着力よりも小さい。即ち、第1領域２ａは太陽電池１ａの光入射面に小さい接着力で接着されているため、第1領域２ａの体積変化が太陽電池１ａの光入射面に与える影響力は小さい。従って、太陽光を受光している状態において、第1領域２ａが軟化・膨張したとしても、第1領域２ａが太陽電池１ａの光入射面に与える影響力は小さいため、光入射面にかかる応力ａと裏面にかかる応力ｂとのバランスが保たれる。換言すれば、第1領域２ａは、内部応力ａを保持したまま太陽電池１ａの光入射面においてずれるため、光入射面にかかる応力ａと裏面にかかる応力ｂとのバランスが製造時のままに保たれる。この結果、太陽電池１ａを光入射面側に対して凸になるように反らせようとする力が緩和され、光入射面側集電電極７ａに加わるストレスが弱まることとなるため、集電電極の接触抵抗の増加或いは剥離を抑制することができる。
具体的には、図１０に示すように、本実施形態にかかる太陽電池モジュール１０によれば、太陽光が入射している場合であっても、太陽電池１ａの光入射面にかかる応力ａと裏面にかかる応力ｂとの大きさのバランスが等しく保持されている（同図（Ａ）参照）。また、太陽光が入射したことにより第２領域２ｂが膨張した場合には、太陽電池１ａが裏面側に凸になりうる（同図（Ｂ）参照）。この場合、裏面電極７ｂは、光入射面側集電電極７ａと比較して、光電変換部６との接着面積を大きくすることにより接着力を強くすることができるため、図９（Ｂ）に示すように太陽電池１ａが裏面側に凸になるように反ったとしても、裏面電極７ｂに対するダメージは小さい。
このように、本実施形態にかかる太陽電池モジュール１０によれば、光入射面側に設けられた集電電極に蓄積されるダメージを抑制して、信頼性の向上を可能とする太陽電池モジュール１０及び太陽電池モジュール１０の製造方法を提供することができる。
〈その他の実施形態〉
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、上記の実施形態では、裏面電極７ｂを光電変換部６の裏面全面に接着することとしたが、光電変換部の一部を露出するように接着されていてもよく、光入射面側集電電極７ａと同様の櫛形状に形成されていてもよい。
また、上記実施形態では、太陽電池の光入射側、及び裏面側の封止材をいずれも単層構造のものとしたが、これに限らず、光入射側或いは裏面側のいずれか一方の封止材を２層以上の構造としても良い。或いは、光入射側及び裏面側の封止材をいずれも２層以上の構造としても良い。図９は、第１領域２ａの光入射面に第３領域２ｃを備え、さらに、第２領域２ｂの裏面に第４領域２ｄを備える太陽電池モジュール１０の分解断面図である。図９に示す太陽電池モジュール１０においても、第１領域２ａと太陽電池１ａとの接着力が、第２領域２ｂと太陽電池１ａとの接着力よりも小さい。一方、第３領域及び第４領域を形成するための封止材料は、前述のＥＶＡやＰＶＢ等の樹脂材料を単独或いは組合わせたものから選択することができる。この場合であっても、上記の実施形態と同様の効果を奏する。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
以下、本発明に係る太陽電池モジュールについて、実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施することができるものである。
〈接着力を向上させる添加剤と接着力との関係〉
まず、接着力を向上させる添加剤と接着力との関係について調べた。充填材としてＥＶＡ樹脂を使用し、接着力向上のための添加剤としてビニルトリクロロシラン（シランカップリング剤）を使用する。
まず、接着力を向上させる添加剤と接着力との関係について調べた。充填材としてＥＶＡ樹脂を使用し、接着力向上のための添加剤としてビニルトリクロロシラン（シランカップリング剤）を使用する。
使用したＥＶＡ樹脂はエチレンビニル：酢酸ビニル＝７：３(wt%比)であり、架橋剤としてのジメチルヘキサン(２ｗｔ％；ＥＶＡ樹脂に対する比)、架橋補助剤としてのトリアリルイソシアヌレート（３ｗｔ％；ＥＶＡ樹脂に対する比）、安定剤としてのハイドロキノン（１ｗｔ％；ＥＶＡ樹脂に対する比）が含まれており、０.６ｍｍ厚のシート状に成形されている。
これらの樹脂とともに配合するシランカップリング剤のＥＶＡ樹脂に対する配合量を、０.５ｗｔ％、２ｗｔ％、５ｗｔ％と変化させ、試料ＥＶＡ−１、試料ＥＶＡ−２、試料ＥＶＡ−３を作成した。そして、試料ＥＶＡ−１〜３の接着力を、以下の方法で評価した。
まず、大きさが１０ｃｍ角、厚みが約４ｍｍのガラス上に、スパッタ法により厚み約１０００ÅのＩＴＯ膜を形成した。次いで、ラミネート装置の載置台上に、このガラス板をＩＴＯ膜を上側にして載置し、この上に上述のＥＶＡ−１〜３のうちいずれか１つのシート、厚み約１８８μｍのＰＥＴフィルムを順に載置し、そしてラミネート工程を経て一体化した。
次に、この積層体に、ＰＥＴフィルム側からＥＶＡフィルムに対し、ＩＴＯ膜との界面に達するまで、５ｍｍ幅×５ｃｍ長の矩形状の切れ目を入れた。次いで、切れ目の端部からＰＥＴフィルム及びＥＶＡ層を同時に持ち上げ、ＥＶＡ層がＩＴＯ膜から剥離するときの引っ張り強度を測定した。
ＥＶＡがＩＴＯ膜から剥離する際の引っ張り強度は、図１１に示す装置を用い、ＥＶＡとＰＥＴの端部を垂直に引き離す方向に引っ張る事で測定をした。具体的には、上記の積層体をガラス板を下側にして引き剥がし強度測定器６０の試料台（図示せず）上に固定すると共に、クリップ６１により、積層体のＰＥＴフィルム及びＥＶＡ層を挟む（図示せず）。その後、引き剥がし強度測定器６０のハンドル６２を回すことにより、クリップ６１が引っ張られるので、引き剥がし強度測定器６０のゲージ６３に表示される引き剥がし強度の最大値を測定することにより、接着力を測定した。
試料ＥＶＡ−１、試料ＥＶＡ−２、試料ＥＶＡ−３の各々を用いた場合の実験結果を表２に示す。
同表に示されている様に、シランカップリング剤の量を増加するとともに接着力が向上することを確認した。
〈実施例及び比較例の製造〉
次に、これらの試料のうち、試料ＥＶＡ−１と試料ＥＶＡ−３を用いて太陽電池モジュールを作成した。具体的には、太陽電池の光入射側封止材には接着力が１５０ｇのＥＡＶ−１を用い、太陽電池の裏面側封止材には接着力が３５０ｇのＥＶＡ−３を用いて実施例に係る太陽電池モジュールを作成した。
次に、これらの試料のうち、試料ＥＶＡ−１と試料ＥＶＡ−３を用いて太陽電池モジュールを作成した。具体的には、太陽電池の光入射側封止材には接着力が１５０ｇのＥＡＶ−１を用い、太陽電池の裏面側封止材には接着力が３５０ｇのＥＶＡ−３を用いて実施例に係る太陽電池モジュールを作成した。
また、比較例１として、太陽電池の光入射側及び裏面側の封止材をいずれもＥＶＡ−３を用いて作成したモジュールを作成した。さらに、比較例２として、太陽電池の光入射側封止材にはＥＶＡ−３を用い、裏面側封止材にはＥＶＡ−１を用いて作成したモジュールを作成した。なお、太陽電池としては、ｎ型の単結晶シリコンとｐ型の非晶質シリコンとから構成されるｐｎ接合を有し、間に薄いｉ型の非晶質シリコン層を介挿させた、ＨＩＴ（登録商標）構造の太陽電池を用いた。
〈温度サイクル試験〉
上述した実施例、比較例１及び比較例２に係る太陽電池モジュールについて、恒温槽を用いて次で述べるサイクル試験を行い、試験前後の太陽電池モジュールの出力を比較した。
上述した実施例、比較例１及び比較例２に係る太陽電池モジュールについて、恒温槽を用いて次で述べるサイクル試験を行い、試験前後の太陽電池モジュールの出力を比較した。
出力比（試験後のモジュール特性／試験前のモジュール特性）の結果を表３に示す。同表中の出力比は、温度サイクル試験前後のモジュール出力比（モジュール出力電力の最大値比）である。
なお、温度サイクル試験は、ＪＩＳ Ｃ ８９１７の規定に準拠して行った。恒温槽のコントローラにプログラムした温度条件変化のグラフを図１２に示す。具体的には、各サンプルを恒温槽内に保持し、同図のように、４５分かけて２５℃から９０℃まで上昇させ、この温度で９０分間保持し、次いで９０分かけて−４０℃まで降下させ、この温度で９０分間保持し、さらに４５分かけて２５℃まで上昇させる。これを１サイクル（６時間）とする。本温度サイクル試験を２００サイクル実施した。温度サイクル試験を行い、裏面側保護部材の接着力の測定等を行った。なお、本実施形態では、温度変化の影響をより詳細に検討するために、２００サイクルと規定されている試験を、６００サイクルまで延長して実験を行った。
同表に示す通り、本発明の実施例に係るモジュールの出力比が最も高く、温度サイクル試験後も最も高いモジュール出力を有することがわかった。
一方、太陽電池の光入射側及び裏面側の封止材を同じ接着力の封止材で作成した比較例１、及び光入射側封止材の方を裏面側封止材よりも大きい接着力の封止材を用いて作成した比較例２では、いずれも実施例よりも小さい出力比しか得られなかった。
以上の結果から、光入射側封止材の太陽電池に対する接着力を裏面側封止材の太陽電池に対する接着力よりも小さくすることで、集電電極に蓄積されるダメージの影響を低減した太陽電池モジュールを提供できることがわかった。
ａ…応力
ｂ…応力
１…太陽電池ストリングス
１ａ…太陽電池
２ａ…第１領域
２ｂ…第２領域
２ｃ…第３領域
２ｄ…第４領域
３…光入射側支持部材
４…裏面側支持部材
５…配線材
６…光電変換部
７…集電電極
７ａ…光入射面側集電電極
７ｂ…裏面電極
１０…太陽電池モジュール
２０…真空ラミネート装置
３０…ダイアフラム
４０…載置台
５０…加熱装置
６０…強度測定器
６１…クリップ
６２…ハンドル
６３…ゲージ
１００…太陽電池モジュール
１０１…太陽電池
１０２…光入射側支持部材
１０３…裏面側支持部材
１０４…封止材
１０５…光電変換部
１０６…集電電極
１０７…集電電極
ｂ…応力
１…太陽電池ストリングス
１ａ…太陽電池
２ａ…第１領域
２ｂ…第２領域
２ｃ…第３領域
２ｄ…第４領域
３…光入射側支持部材
４…裏面側支持部材
５…配線材
６…光電変換部
７…集電電極
７ａ…光入射面側集電電極
７ｂ…裏面電極
１０…太陽電池モジュール
２０…真空ラミネート装置
３０…ダイアフラム
４０…載置台
５０…加熱装置
６０…強度測定器
６１…クリップ
６２…ハンドル
６３…ゲージ
１００…太陽電池モジュール
１０１…太陽電池
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１０３…裏面側支持部材
１０４…封止材
１０５…光電変換部
１０６…集電電極
１０７…集電電極
Claims (7)
- 光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、
前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、
前記第１領域の前記太陽電池に対する接着力は、前記第２領域の前記太陽電池に対する接着力よりも小さい
ことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、
前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、
前記第１領域及び前記第２領域は、同じ封止用樹脂材料を含むと共に前記太陽電池との接着力を向上させる添加剤を含んでおり、
前記第１領域に含まれる前記添加剤の量は、前記第２領域に含まれる前記添加剤の量よりも少ない
ことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記添加剤は、シランカップリング剤であることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
- 光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、
前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、
前記太陽電池は、光入射面及び裏面に水酸基を有しており、
前記水酸基と共有結合又は水素結合を形成する官能基の前記第１領域における密度は、前記官能基の前記第２領域における密度よりも小さい
ことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、
前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、
前記太陽電池の裏面は、前記第２領域との接着力を向上させる下塗り剤が塗布されている
ことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、
前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、
前記太陽電池は、光入射面及び裏面において水酸基を有しており、
前記太陽電池の光入射面における水酸基の密度は、前記太陽電池の裏面における水酸基の密度より小さい
ことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 光入射側支持部材、封止材、前記封止材中に封止された太陽電池、及び裏面側支持部材を備え、
前記封止材は、前記太陽電池の光入射面に接する第１領域と、前記太陽電池の裏面に接する第２領域とを含み、
前記太陽電池の光入射面における表面積は、前記太陽電池の裏面における表面積よりも小さい
ことを特徴とする太陽電池モジュール。
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