JP4667098B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は太陽電池モジュールに関し、特に電気絶縁性を高めた太陽電池モジュールに関する。

太陽電池素子は、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いて作製することが多い。このため太陽電池素子は物理的衝撃に弱く、また野外に太陽電池を取り付けた場合、雨などからこれを保護する必要がある。また太陽電池素子１枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池素子を直並列に接続して、実用的な電気出力が取り出せるようにする必要がある。このためインナーリード線としての接続タブを用いて複数の太陽電池素子を接続し、透光性部材とエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材で封入して、太陽電池モジュールを作成することが通常行われている。

図４は、従来の太陽電池モジュールのパネル部の構造の一例を示す図である。

図４において、１は透光性基板、２は受光面側充填材、３は太陽電池素子、４は裏面側充填材、５は裏面材、６は接続タブ、７は出力配線を示す。

透光性基板１としては、ガラスやポリカーボネート樹脂などからなる基板が用いられる。一般的にはその耐候性や光透過性から、厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが使用されることが多い。

受光面側充填材２及び裏面側充填材４は、エチレン−酢酸ビニル共重合体（以下ＥＶＡと略す）やポリビニルブチラール（以下ＰＶＢと略す）の厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状に成形されたものが用いられる。これらはラミネート装置により減圧下にて加熱加圧を行うことで、軟化、融着して他の部材と一体化する。

このように太陽電池モジュール製造工程において、減圧下で部材を加熱加圧し、充填材を軟化、融着させて他の部材と一体化することをラミネートと呼んでいる。

さらに太陽電池素子３は、上述のように厚み０．３〜０．４ｍｍ程度の単結晶シリコンや多結晶シリコン基板などからなる。

接続タブ６は、太陽電池素子３を電気的に接続するもので、太陽電池素子３の受光面側電極と裏面側電極にハンダ付けで付けられる。

出力配線７は、太陽電池素子３で発生した電気出力を外部に導出するためのもので、端部の配置された太陽電池素子３の接続タブにハンダ付けなどで接続される。

裏面材５は水分を透過しないシートなどが用いられる。またこの裏面材５の所定の位置にはスリットが設けられ、このスリットから出力配線７が予めピンセットなどを用いて裏面材５の表面に引き出されている。

次に従来の太陽電池パネル部の作製方法について述べる。

太陽電池モジュールのパネル部を作製するにあたっては、透光性基板１上に受光面側充填材２、接続タブ６や出力配線７を接続した太陽電池素子３、さらにその上に裏面側充填材４、裏面材５を順次積層する。このような状態にして、ラミネーターにセットし、減圧下にて加圧しながら加熱することにより、受光面側充填材２と裏面側充填材４が溶融架橋し、これらが一体化する。（特許文献１の従来技術参照）
特開２０００−３３２２８４号公報

上述の様に接続タブ６や出力配線７を接続した太陽電池素子３は、受光面側充填材２と裏面側充填材４により電気的に絶縁されている。しかし直線状に接続した太陽電池素子３に歪みなどが生じた時などでは、太陽電池素子３と太陽電池素子３の間の接続タブに凸部が生じることがある。また太陽電池素子３に接続タブ６や出力配線７をハンダ付けで接続した場合に、ハンダによる凸部ができることがある。

図５はこの接続タブやハンダ付け部分に凸部が生じた状態を模式的に示すラミネート後の断面図である。

図５において、１は透光性基板、２は受光面側充填材、３ａ、３ｂは太陽電池素子、４は裏面側充填材、５は裏面材、６は接続タブ、１０はハンダによる凸部、１１は接続タブの凸部と透光性基板との間隙、１２はハンダによる凸部と裏面材との間隙を示す。

これにおいて接続タブやハンダ付け部分に凸部が生じた場合、接続タブの凸部と透光性基板の間隙１１やハンダによる凸部１０と透光性基板の間隙の受光面側充填材２はその厚みが薄くなり、その太陽電池モジュールの電気絶縁性能が低下してしまう。

本発明はこの様な問題に鑑みなされたものであり、その目的は接続タブやハンダ付け部分に凸部が生じた場合でも電気絶縁性能が低下することが無い太陽電池モジュールを提供することである。

上記目的を達成するために本発明においては、透光性基板と裏面材の間に充填材で封止した太陽電池素子を配置した太陽電池モジュールにおいて、前記太陽電池素子の受光面側に配置する充填材及び前記太陽電池素子の裏面側に配置する充填材は、軟化点の異なる少なくとも２種類の充填材から構成され、前記軟化点の低い充填材及び前記軟化点の高い充填材が、全てエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）であり、かつ前記軟化点の高い充填材の厚みが０．０３ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、前記充填材は、軟化点が４５〜５５℃の充填材と、軟化点が８０〜９０℃の充填材を含んでいることを特徴とする。

また、前記充填材は、軟化点が４５〜５５℃の充填材シートと、軟化点が８０〜９０℃の充填材シートを加熱して形成されるとともに、太陽電池素子に接する側の充填材は、軟化点が低い充填材で形成されている。

以上のように、透光性基板と裏面材の間に充填材で封止した太陽電池素子を配置した太陽電池モジュールにおいて、前記太陽電池素子の受光面側に配置する充填材及び／または前記太陽電池素子の裏面側に配置する充填材が軟化点の低い充填材の間に軟化点の高い充填材を含む軟化点が異なる充填材が配置されている。これにより、たとえば、接続タブやハンダ付け部分などに凸部が生じた場合でもこの軟化点の高い充填材部分は、その厚みが確保されることとなり、該太陽電池モジュールの絶縁性能が低下することが無い。

また前記軟化点の低い充填材の軟化点が４５〜５５℃であり、前記軟化点の高い充填材の軟化点を８０〜９０℃としたことにより、上記の軟化点の高い充填材部分の厚みの確保が確実にできるようになり、該太陽電池モジュールの絶縁性能が低下することが無い効果を確実なものとすることができる。また、軟化点が低い充填材が、太陽電池素子側に位置するため、ラミネート加工で、加熱温度が低い状態から軟化するため、接続タブやハンダ付け部分などの凸部に加わる応力を、加熱の早い段階で吸収することかできる。

また前記軟化点の低い充填材及び前記軟化点の高い充填材が、全てエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）であり、かつ前記軟化点の高い充填材の厚みが０．０３ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下としたことにより、該太陽電池モジュールの電気絶縁性能の他に耐候性能などの確保も確実なものとすることができる。

以下、本発明の太陽電池モジュールを添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の太陽電池モジュールに用いる受光面側充填材または裏面側充填材を示す。

図１において２０は軟化点の低い充填材、２１は軟化点の高い充填材、２２は軟化点の低い充填材を示す。すなわち本発明に係る受光面側充填材及び／または裏面側充填材は３層から成っている。

第一層目の軟化点の低い充填材２０は太陽電池素子と接する層であり、ＥＶＡやＰＶＢなどで作製され、その厚みは太陽電池モジュールの信頼性を考慮して、０．２〜０．８ｍｍ程度にするのが望ましい。さらにその軟化点は４５℃以上、５５℃以下にする。

第２層目の軟化点の高い温度２１は、３層の内の中間層であり、ＦＶＡやＰＶＡなどで作製され、その厚みは０．０３〜０．３ｍｍ程度である。軟化点は８０℃以上、９０℃以上にする。

すなわち発明者らが繰り返し行ったテストによると、この第二層目の軟化点の高い充填材２１の厚みが０．０３ｍｍ未満になると、電気絶縁性能が３０００Ｖ以下に低下する場合があり、太陽電池モジュール製造工程における電気絶縁テストでの歩留りが低下してしまう。またこの第二層目の軟化点の高い充填材２１の厚みが、０．３ｍｍを越すと充填材による太陽電池素子の封止が不十分になり、太陽電池素子の電極の酸化などが発生して、その太陽電池モジュールの出力が低下してしまう場合がある。

第三層目の軟化点の低い充填材２２は、透光性基板や裏面材に接する層であり、ＥＶＡやＰＶＢなどで作製され、その厚みは透光性基板や裏面材との接着を確実して太陽電池モジュールの信頼性を確保するために、０．１〜０．２ｍｍ程度にするのが望ましい。さらにその軟化点は４５℃以上、５５℃以下にする。

またこの第三層目の軟化点の低い充填材２２は、第一層目の軟化点の低い充填材２０と同じ組成の材料であることが、そのラミネート時の温度などの条件を簡単なものにできるため望ましい。

またこの軟化点の低い充填材と軟化点の高い充填材の軟化点の差は、ラミネーターの温度分布や温度のふらつきを考慮すると２０℃以上あることが望ましい。さらに前記軟化点の低い充填材の軟化点が４５℃以上、５５℃以下とし、軟化点の高い充填材の軟化点が８０℃以上、９０℃以下としたことにより、太陽電池モジュール製造工程の生産性を現状のものと比べて低下させること無く、該太陽電池モジュールの電気絶縁性能の向上を図ることが可能となる。

この様な軟化点を変更した充填材は、その組成を変更することにより作製可能である。例えばＥＶＡでは、エチレンと酢酸ビニルの共重合体に架橋剤などを添加したものであるが、この酢酸ビニルの含有量の比率を多くすることにより軟化点を任意の温度に下げることが可能となり、また酢酸ビニルの含有量の比率を下げることにより、その軟化点を任意の温度に上げることが可能となる。

また本発明に係る充填材では、その耐候性や電気的絶縁性能を考慮して特にＥＶＡであることが望ましい。

さらに軟化点の低い充填材２０、軟化点の高い充填材２１、軟化点の低い充填材２２の大きさは、ラミネート時の各部材の接着や太陽電池素子の封止と本発明に係る電気絶縁性向上の効果を確実にするため、作製される太陽電池パネルに使用される透光性基板の大きさと同じか１〜３ｍｍ程度大きめに作製されることが望ましい。

図２は本発明に係る太陽電池パネルの構造の一例を示す断面図である。

図２において２０ａ、２０ｂは軟化点の低い充填材、２１ａ、２１ｂは軟化点の高い充填材、２２ａ、２２ｂは軟化点の低い充填材、２３は透光性基板、２４は太陽電池素子、２５は裏面材、２６は接続タブ、２７は出力配線を示す。

以下、各部材を述べる。

透光性基板２３としては、ガラスやポリカーボネート樹脂などからなる光透過率の良い基板が用いられる。

ガラス板については、白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどが用いられるが、一般的には厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが使用される。

他方、ポリカーボネート樹脂などの合成樹脂からなる基板を用いた場合には、厚みが５ｍｍ程度のものが多く使用される。

透光性基板２３上に受光面側の軟化点の低い充填材２２ａを配置し、さらにその上に受光面側の軟化点の高い充填材２１ａを配置し、さらにその上に受光面側の軟化点の低い充填材２０ａを配置する。この軟化点の低い充填材２２ａ、軟化点の高い充填材２１ａ、軟化点の低い充填材２０ａは上述のような物性、寸法を持ったものである。

さらにこの軟化点の低い充填材２２ａ、軟化点の高い充填材２１ａ、軟化点の低い充填材２０ａは、上記のようにそれぞれ別個に用意し、一枚ずつ重ねても良いが、そのおのおのを超音波溶着などで予め一体化しておいた方が、太陽電池モジュールの製造工程において、その工数を削減できるため望ましい。

またＥＶＡなどの充填材は酸化チタンや顔料等を含有させ白色等に着色させることが可能であるが、本発明に係る受光面側の充填材２０ａ、２１ａ、２２ａは、着色させると太陽電池素子２４に入射する光量が減少し、発電効率が低下してしまうため、透明材にすると良い。

太陽電池素子２４は、例えば厚み０．３〜０．４ｍｍ程度、大きさ１５０mm角程度の単結晶や多結晶のシリコン基板で作られている。また太陽電池素子２４は、そのシリコン基板内部にボロンなどのＰ型不純物を多く含んだP層とリンなどのＮ型不純物を多く含んだＮ層が接しているＰN接合（不図示）が形成されている。さらに太陽電池素子２４の受光面側及び裏面側の一部分には、銀ペーストをスクリーンプリント法などで塗布することにより電極が形成され、又これらの電極表面は、その保護と接続タブ２６を取り付けやすくするために、そのほぼ全面にわたりハンダコートされる場合がある。

また通常の太陽電池モジュールにおいては、複数の太陽電池素子２４を良導電性金属などで作られた接続タブ２６を用いて電気的に接続している。このような接続タブ２６は、通常厚さ０．１〜１．０ｍｍ程度、幅２〜８ｍｍ程度の銅箔等の全面をハンダコートしたものを所定の長さに切断して用いている。

例えば太陽電池素子２４を直列に接続する場合は、一方の太陽電池素子の受光面側電極に接続タブ２６の一端をハンダ付けなどで接続し、その接続タブ２６の他端を隣接する太陽電池素子の裏面側電極にハンダ付けなどで接続することにより行う。

出力配線２７は、太陽電池素子２４の電気出力を太陽電池モジュールの外部の導出するためのものであり、通常厚さ０．１〜１．０ｍｍ程度、幅２〜８ｍｍ程度の銅箔の全面をハンダコートしたものを所定の長さに切断して用いている。この出力配線２７の一端部は、太陽電池素子２４にハンダ付けなどで接続され、他端部は外部回路と接続するための端子箱（不図示）などに接続される。

このように接続タブ２６や出力配線２７を接続した太陽電池素子２４を上述の受光面側の軟化点の低い充填材２０ａのほぼ中央部上に置く。

太陽電池素子２４を載置した受光面側の軟化点の低い充填材２０ａ上に裏面側の軟化点の低い充填材２０ｂを配置し、さらにその上に裏面側の軟化点の高い充填材２１ｂを配置し、さらにその上に裏面側の軟化点の低い充填材２２ｂを配置する。この軟化点の低い充填材２０ｂ、軟化点の高い充填材２１ｂ、軟化点の低い充填材２２ｂは上述のような物性、寸法を持ったものである。

さらにこの軟化点の低い充填材２０ｂ、軟化点の高い充填材２１ｂ、軟化点の低い充填材２２ｂは、上記のようにそれぞれ別個に用意し、１枚ずつ重ねても良いが、そのおのおのを超音波溶着などで予め一体化しておいた方が、太陽電池モジュールの製造工程においてその工数を削減できるため望ましい。

また本発明に係る裏面側の充填材２０ｂ、２１ｂ、２２ｂは、透明材でも構わないが、太陽電池モジュールの周囲の設置環境に合わせて酸化チタンや顔料等を含有させ、白色等に着色させてもよい。

裏面材２５は、水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シートやアルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）シートなどが用いられる。またこの裏面材２５の所定の位置にはスリットや開口が設けられ、そのスリットや開口から出力配線２７がピンセットなどを用いて裏面材２５の表面（太陽電池モジュールの外部側）に引き出されている。

次にこれらのラミネート方法について説明する。

上記のように各部材を重畳したものをラミネーターと呼ばれる装置にセットし、減圧下で加熱しながら加圧する。

このときまず軟化点の低い充填材の軟化点の近傍に加熱する。例えば軟化点の低い充填材の軟化点が５０℃であるなら、ラミネーター内の温度分布や温度変化などを考慮して４７〜５３℃の温度範囲に被ラミネート体の全体が入るように温度を制御しながら、５０〜１５０Ｐａ程度の減圧下で加熱しながら被ラミネート体の全体をできるだけ均一に１０〜１００ＫＰａ程度の圧力で１〜１５分程度加圧する。

その後この加圧を止め、被ラミネート体の温度が軟化点の高い充填材の軟化点の近傍になるようにラミネーターの設定温度を変更する。例えば軟化点の高い充填材の軟化点が８５℃であるなら、ラミネーター内の温度分布や温度変化などを考慮して８２〜８８℃の温度範囲に被ラミネート体の全体が入るように温度を制御しながら、１〜１５分間放置する。その後減圧と加熱を止め、出来上がった太陽電池パネルをラミネーターより取り出す。

図３は本発明に係る太陽電池パネルの内部の状態を模式的に示す断面図である。

図３において符号は図２と同様に、２０ａ、２０ｂは軟化点の低い充填材、２１ａ、２１ｂは軟化点の高い充填材、２２ａ、２２ｂは軟化点の低い充填材、２３は透光性基板、２４は太陽電池素子、２５は裏面材、２６は接続タブを示し、さらに３１はハンダによる凸部、３０は接続タブの凸部と透光性基板の間隙、３３はハンダによる凸部と裏面材の間隙を示す。

このように最初にまず軟化点の低い充填材の軟化点の近傍に加熱しながら、加圧することにより軟化点の低い充填材が軟化、溶融して太陽電池素子を完全に封止する。このとき上述のような接続タブの凸部やハンダによる凸部３１があった場合でも、図５に示すように軟化点の高い充填材が軟化していないため、これを突き抜けることが無く、透光性基板２３や裏面材２５との間隙３０、３３には電気絶縁性を確保するために必要な間隔が維持される。

さらにその後加圧を止め、被ラミネート体の温度が軟化点の高い充填材の軟化点の近傍で保持したことで、各充填材が一体化し、内部に気泡などが残ることが無く、信頼性の高い太陽電池モジュールとすることができる。

このようにして作製された太陽電池パネルの裏面に、外部回路接続用のケーブルを具備した端子ボックス（不図示）を接着剤などで取り付ける。さらに太陽電池モジュールとしての必要な強度や太陽電池モジュールを建物等に設置に必要なモジュール枠（不図示）を太陽電池パネル部の外周に嵌め込み、そのコーナー部をネジ止めして太陽電池モジュールが完成する。

また本発明に係る軟化点の低い充填材の間に軟化点の高い充填材が配置されている構造の充填材は、使用する太陽電池素子や太陽電池モジュールの製造方法により、太陽電池素子の受光面側や裏面側にのみ使用しても良く、また受光面側と裏面側の両方に使用しても良い。

例えば、電極が受光面側や裏面側にのみ配置されたようなアモルファスシリコン太陽電池では、太陽電池素子の受光面側や裏面側にのみ使用しても良い。また上述の結晶系シリコン基板を使用した太陽電池素子では、電極が受光面側と裏面側の両方にあるため、本発明にかかる充填材を両面に使用することが望ましい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができる。例えば太陽電池素子は単結晶や多結晶シリコンなどの結晶系太陽電池に限定されるものではなく、薄膜系太陽電池などでも適用可能である。また結晶系の太陽電池素子でも接続タブや太陽電池素子の電極をコートしているハンダは鉛を含有した共晶ハンダなどの他に鉛フリーのハンダでも応用可能であり、さらに太陽電池素子の電極にハンダコート行わないものでも応用可能である。

本発明に係る充填材を示す図である。 本発明に係る太陽電池パネルの構造の一例を示す断面図である。 本発明に係る太陽電池パネルの内部の状態を模式的に示す断面図である。 従来の太陽電池モジュールのパネルの構造の一例を示す図である。 接続タブやハンダ付け部分に凸部が生じた状態を模式的に示すラミネート後の断面図である。

符号の説明

１、２３：透光性基板
２：受光面側充填材
３、３ａ、３ｂ、２４：太陽電池素子
４：裏面側充填材
５、２５：裏面材
６、２６：接続タブ
７、２７：出力配線
１０、３１：ハンダによる凸部
１１、３０：接続タブの凸部と透光性基板との間隙
１２、３３：ハンダによる凸部と裏面材との間隙
２０、２２、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ：軟化点の低い充填材
２１、２１ａ、２１ｂ：軟化点の高い充填材

Claims (3)

1. 透光性基板と裏面材の間に充填材で封止した太陽電池素子を配置した太陽電池モジュールにおいて、
   前記太陽電池素子の受光面側に配置する充填材及び前記太陽電池素子の裏面側に配置する充填材の少なくとも一方は、軟化点の異なる少なくとも２種類の充填材から構成され、
   前記軟化点の低い充填材及び前記軟化点の高い充填材が、全てエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）であり、かつ前記軟化点の高い充填材の厚みが０．０３ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記充填材は、軟化点が４５〜５５℃の充填材と、軟化点が８０〜９０℃の充填材を含んでい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。
3. 前記充填材は、軟化点が４５〜５５℃の充填材シートと、軟化点が８０〜９０℃の充填材シートを加熱して形成されるとともに、太陽電池素子に接する側の充填材は、軟化点が低い充填材で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。

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