JP4720174B2

JP4720174B2 - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP4720174B2
Application number: JP2004362510A
Authority: JP
Inventors: 雄人和田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: JP2006173298A

Description

本発明は、光電変換素子を光透過性の充填材および耐候性の保護皮膜によって被覆するとともに、その光入射面とは反対側で充填材を介して補強板と接着した太陽電池モジュールに関し、特に光電変換素子が裏面の補強板に充填材を介して貼り付けられた太陽電池モジュールに関する。

太陽電池モジュールは、持続可能なエネルギー源として注目されている。なかでも、建材屋根一体型の太陽電池モジュールは設置のための架台（フレーム）が不要であるうえ、屋根工事の一環として設置することが可能であって、太陽電池モジュール自体が建材としての役割も果たすことなどから、実質的に大幅なコストダウンが可能なものとして有望視されている。

ところが、太陽電池モジュールを普及させるためには、そこに内蔵されている光電変換素子を対外環境の変動から確実に守って、その耐久性を向上させるような構造を備える必要がある。そのため、従来の建材屋根一体型の太陽電池モジュールでは、光電変換素子を耐候性フィルムやガラスによって保護するようにしており、それらを充填材で貼り付けて光電変換素子を封止する構造が採用されている。特に、フレームを使用しないで、光電変換素子の光入射面側に耐候性フィルムが使用され、その裏面に補強板を取り付けるとともに、裏面の補強板を非発電領域で折り曲げ成形して強度を持たせている太陽電池モジュールは、さらにコストが低く、軽量な構成となる。
特許第２７５６０８２号公報（段落番号［００１２］〜［００５５］、および図１）特開平０９−１３９５１９号公報（段落番号［０００９］〜［００１４］、および図１、図２）特開平１０−２３３５２１号公報（段落番号［００１０］〜［００１１］、および図１）特開平１１−３１２８１９号公報（段落番号［００３９］〜［００４３］、および図１）特開２００１−２６７５９６号公報（段落番号［００２６］〜［００４５］、および図１、図２）特開２００２−３３５００２号公報（段落番号［０００６］〜［００２０］）

ところが、光電変換素子を光の入射側に耐候性フィルムを設けて、その裏面の補強材に充填材で貼り付けた構造の太陽電池モジュールでも、充填材の端面が覆われていないと、耐候性フィルムと充填材、充填材と補強板の接着面が外気に晒されるため、剥離が生じやすいという問題があった。発明者等の検討の結果、そのなかでも充填材と補強板との接着強度は、紫外線と湿度、水分の影響によって低下し、特に外気に晒されている端面においては剥離が生じやすかった。しかも、補強板からの剥離が充填材の内部にまで進展する現象がみられるため、そのような現象の防止が太陽電池モジュールの耐久性を高めるうえで重要である。

特許文献１には、こうした問題を部分的に解決するための太陽電池モジュールの製造方法についての発明が記載されている。
この太陽電池モジュールの製造方法は、耐候性フィルムに紫外線吸収剤を添加し、さらに太陽電池モジュールを保護する充填材中に紫外線吸収剤を含有するものではその含有量を増加させ、あるいは充填材自体を厚く形成する等によって、充填材の太陽電池との接着面に到達する紫外線量を減少させるものであった。ところが、耐候性フィルムに紫外線吸収剤を添加したり充填材中の紫外線吸収剤の量を増やしたりすると、充填材の樹脂としての強度が低下するだけでなく、太陽電池の光電変換層に到達する光量の減少に伴う発電量が減少する。また、充填材の厚さが増加してしまうことから、発電量の減少に加えて製品コストが増加するという問題があった。

特許文献２には、従来のものに比較して信頼性に優れた太陽電池モジュールの発明が記載されている。
この太陽電池モジュールでは、裏面補強金属板の端面における充填材の剥離を解決する方法として、充填材を補強金属板の端部まで延長形成して、その部分で補強金属板の端部を含めて樹脂で覆うようにしている。ところが、このような構造であると、補強板の全面に充填材が必要となるため、充填材の使用量が多くなり、製品コストが増加するという問題があった。

特許文献３には、支持体と保護フィルムとの間に太陽電池素子が封止材によって封止されている太陽電池モジュール、およびそれを用いた太陽電池一体型建材、太陽光発電装置の発明が記載されている。

この太陽電池モジュールは、支持体上に絶縁体を介して太陽電池素子が封止材樹脂で封止されており、表面が保護フィルムで被覆されていて、保護フィルムおよび封止材樹脂が支持体の裏面にまで回り込み、支持体の断面部を覆っている。これにより、太陽電池モジュール端部からの剥離を防止でき、鋼板からなる支持体の断面部でのさびを防いで、接着性を保持するものである。そのため、端部剥離防止部材をつける工程をなくして、さびが防止されるだけでなく、支持体と封止材樹脂との接着部端面が光の入射面から隠されるため、有効な方法である。ところが、この方法は支持体の全面に封止材樹脂及び保護フィルムを設ける必要があり、必要とされる封止材樹脂及び保護フィルムが多くなるため、製品コストが増加するという問題があった。

特許文献４には、自動車等の高速移動体の表面に設置する太陽電池モジュールの設置構造、および設置方法の発明が記載されている。
この太陽電池モジュールは、流体抵抗低減手段としてのカバー部材によって太陽電池モジュールの端部を押さえて設置面に固定されるものである。これにより、太陽電池モジュールの端部での太陽電池モジュール構成材料の剥離を防止し、水分の浸入等を防いで太陽電池モジュールの性能低下を抑制することができる。ところが、この方法では太陽電池モジュールの端部の厚みと同じに切り欠きの段差を形成したカバー部材を別途に用意しなければならないので、製品コストが増加するという問題があった。

特許文献５には、自動車等の高速移動体の表面に設置する太陽電池モジュールの設置構造および設置方法の発明が記載されている。
この太陽電池モジュールの設置構造は、表面被覆材の周辺部を光起電力素子の周辺部と裏面被覆材の周辺部との間に位置させて積層することにより、光起電力素子の基板の端部が外気に晒される事を防止している。ところが、この設置構造では裏面被覆材の端部において、充填材が紫外線及び外気に直接晒されるようになるため、裏面被覆材の補強材との界面で接着強度が低下しやすいという問題があった。

特許文献６には、耐候性、耐久性に優れた光起電力素子、およびその製造方法の発明が記載されている。
この光起電力素子は、少なくとも電極層と光電変換層が積層された積層構造を有する光起電力素子の受光面側に、厚み分布を持った樹脂層が設けられており、該樹脂層の厚みは、光起電力素子中央部よりも光起電力素子端部の方が厚いことを特徴としている。これにより、樹脂層全体の内部応力を増やすことなく、構造的に弱い光起電力素子端部の紫外線劣化を抑制し、水分等の浸入を十分に防ぐことができる樹脂層膜厚を確保することができるというものである。ところが、このような構成であれば、光起電力素子端部における樹脂層の光透過率が減少してしまうために、光起電力素子の発電効率などの電気特性が低下してしまうという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、低コストで光電変換素子の剥離を抑制して、信頼性の高い太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明では、上記問題を解決するために、光電変換素子を光透過性の充填材および耐候性の保護皮膜によって被覆するとともに、その光入射面とは反対側で前記充填材を介して補強板と接着した太陽電池モジュールが提供される。この太陽電池モジュールは、前記光電変換素子を前記補強板上に接着するための充填材形状は、前記光電変換素子の存在しない周辺領域にまで延長された端部を有し、前記周辺領域の充填材材料が、前記光電変換素子とその光入射領域を覆うように前記補強板上に積層された充填材材料より厚く設けられて隆起部を形成している。

本発明によれば、光電変換素子の存在しない周辺領域において、確実に充填材の剥離を抑制することができ、低コストで充填材の内部での光電変換素子の剥離が確実に抑制され、太陽電池モジュールの耐候性もまた改善できる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係る太陽電池モジュールを示す図である。
図１（ａ）には、同図（ｂ）のＡ−Ａ断面における太陽電池モジュールの構造を示している。この太陽電池モジュールは、光電変換素子１０１が光入射面とは反対側（裏面）で充填材１０２を介して補強板１０３に接着され、その表裏面がそれぞれ充填材１０２，１０４によって被覆されている。これらの充填材１０２，１０４は、その端部が補強板１０３上で光電変換素子１０１の存在しない周辺領域にまで延長されている。また、補強板１０３上の周辺領域には、光電変換素子１０１の光入射領域における充填材１０２，１０４の厚みより厚い隆起部１０６が形成されている。なお、補強板１０３は鋼板などで形成されている。

図１（ｂ）には、この太陽電池モジュールの平面図を示す。ここでは、充填材１０２，１０４が補強板１０３の端部周辺の一部分を除いて、その中央部の光電変換素子１０１の配置部分を覆うように広がって形成されている。すなわち、充填材１０２，１０４の端部に隆起部１０６が形成され、さらにその外側に補強板１０３が延長して設けられている。また、光電変換素子１０１の表側（光入射面側）には、充填材１０４を介して耐候性フィルム１０５が接着されることで、その全面が外部環境から保護されている。

このように、充填材１０２，１０４の端部近くには光電変換素子１０１の発電素子部分が存在しないだけではなく、充填材１０２，１０４の一部が厚い隆起部１０６を形成している。この隆起部１０６は、光発電素子が存在する領域よりも充填材１０２，１０４の厚みを大きくして形成されている。さらに、この隆起部１０６は、光電変換素子１０１の全周を囲うように形成されている。

こうした構成の太陽電池モジュールでは、充填材１０２，１０４の合計した厚みが光電変換素子１０１とその光入射領域を覆う充填材１０２，１０４の合計した厚みより厚くなるように隆起部１０６が形成されているために、外気に晒されている端面および補強板１０３との界面近傍における充填材１０２，１０４の劣化が少なくなって、補強板１０３と充填材１０２間の端部からの剥離が防止できる。この例においては、充填材１０２，１０４の端部に隆起部１０６を設けるようにしたが、つぎに説明する変形例のように、厚みのある隆起部１０６は充填材１０２，１０４の端部のやや内側に設けるようにしてもよい。

図２は、実施の形態の変形例を示す平面図である。
この太陽電池モジュールは、光電変換素子１０１が光透過性の充填材によって被覆され、その光入射面とは反対側で充填材を介して補強板１０３と接着されている。そして、光電変換素子１０１を補強板１０３上に接着するための充填材１０４は光電変換素子１０１の存在しない周辺領域にまで延長された形状をなし、しかも隆起部１０６が充填材１０４の端部からやや内側に形成されている。このような隆起部１０６の位置は、充填材１０４の加工上の利便性から規定される。

図３、図４は、いずれも実施の形態の別の変形例を示す断面図である。
図３に示す太陽電池モジュールでは、光電変換素子１０１の存在しない周辺領域の一部分に鉄板などからなる遮光カバー１０７が設けられており、充填材１０２，１０４の端部に光が当たらない部分が形成されている。この太陽電池モジュールでは、光電変換素子１０１の４辺のうちのひとつだけに遮光カバー１０７が設けられ、他の３辺にはそれぞれ隆起部１０６が形成されている。

図４では、折り曲げ部１０９を設けることによって、充填材材料１０８と補強板１０３との接着面の端部に光があたらないようにしている。すなわち、補強板１０３は、その４辺のうちのひとつが、その端部で光電変換素子１０１の光入射面とは反対側に折り曲げられていて、光電変換素子１０１の存在しない周辺領域における充填材材料１０８もこの折り曲げ部１０９に沿って設けられている。

なお、隆起部１０６が光電変換素子１０１の光入射領域の外周部分全体にわたって形成されていない場合に、図３、４の両方の構造を備えたものとしても良い。
図５は、実施の形態のさらに別の変形例を示す断面図である。

図１では、光電変換素子１０１の光入射領域を覆う充填材１０４はその周囲の厚さと同じに形成されていたが、図５に示す太陽電池モジュールでは、隆起部１０６と光電変換素子１０１の光入射領域との間に部分的に薄くした窪み部１１０が形成されている。これにより、隆起部１０６を形成した場合でも、窪み部１１０によって全体の充填材使用量が多くならないために、製品コストを低減することができる。

また、上述したいずれの太陽電池モジュールでも、充填材１０２，１０４の端部が補強板１０３の端部から離れた形状に構成されているが、補強板１０３の端部と一致するような形状であっても同様な効果が得られる。

つぎに、実施の形態に係る太陽電池モジュールを構成する光電変換素子１０１、充填材１０２，１０４、補強板１０３、および耐候性フィルム１０５などの各部材について説明する。

光電変換素子１０１は、ポリイミド基板に金属電極を成膜し、アモルファスシリコン（以下、ａ‐Ｓｉという。）／アモルファスシリコン・ゲルマニウム（ａ‐ＳｉＧｅ）のタンデム構造を形成したものを用いた。

光入射面側で透明電極を構成する材料にはＩＴＯを用いた。基板には、ポリイミド基板の他に、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリアミド、ポリカーボネート、ＰＢＴ、ＰＰＳ、液晶ポリマー、ＰＥＩ、ＰＡＩ等の樹脂フィルムや、ステンレス基板を用いることができる。また、ａ‐Ｓｉ／ａ‐ＳｉＧｅのタンデム構造の光電変換素子以外であっても、たとえばａ‐Ｃ、ａ‐ＳｉＣ、微結晶シリコン（以下、μｃ‐Ｓｉという。）、μｃ‐ＳｉＧｅ、μｃ‐ＳｉＣ、μｃ‐Ｇｅ等を用いることができる。また、シングル構造や３層タンデム構造の光電変換素子を用いることもできる。

なお、透明電極の材料には、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ等の透明導電膜を用いることもできる。
充填材１０２，１０４は、耐候性フィルム１０５と光電変換素子１０１、もしくは光電変換素子１０１と補強板１０３とを強固に接着するだけでなく、光を十分に透過する必要がある。また、耐候性フィルム１０５と同様に、熱や光、水分に対して安定である必要がある。しかも、短い時間で加工する必要があること、補強板１０３や光電変換素子１０１の形状に追従する必要があること、外力を吸収して光電変換素子１０１をダメージから守る必要があること等のために、ここでは熱可塑性樹脂を用いた。

熱可塑性樹脂として、具体的にはエチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いたが、その他にポリビニルブチラール、シリコン樹脂、エチレン−アクリレート共重合樹脂（ＥＥＡ）、エチレン−メタクリル酸共重合体、アクリル樹脂等を用いることもできる。光電変換素子１０１を覆う表裏の充填材１０２，１０４には、それぞれが違う樹脂材料のものを用いてもよいが、補強板１０３や光電変換素子１０１との接着強度の観点からすれば、同じ材料を使用することが望ましい。

充填材１０２，１０４の厚さについては、表側を１ｍｍ、裏側を０．５ｍｍとしたが、それぞれ０．４〜２ｍｍ程度の範囲であればよい。また、充填材１０２，１０４にガラス繊維等の織布やプラスチック繊維の不織布を混入させてもよい。また、中間にフッ素樹脂のフィルムなどを挿入することもできる。

補強板１０３は太陽電池モジュールを支持し剛性を付与するものであって、ここでは塗装鋼板を用いた。鋼板の他には、瓦材、アルミニウム板、コンクリート、ポリカーボネート等を用いることができる。また、充填材１０２，１０４を用いて接着する工程では、真空ラミネートプロセスを採用した。

耐候性フィルム１０５については、熱や光、水分に対して安定な特性が必要である。そのため、ＥＴＦＥフィルム（エチレンテトラフルオロエチレン共重合体）を用いたが、その他に、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ、ＰＶＦ等のフィルムを用いることもできる。また、シリコン樹脂で構成することもできる。また、フッ素樹脂やシリコン樹脂等のコート材を用いてもよい。

ここでは、耐候性フィルム１０５の厚さを５０μｍとしたが、１０〜２００μｍ程度の範囲であれば、適宜に変更できる。
つぎに、２つの実施例と２つの比較例により、本発明の太陽電池モジュールについて、さらに詳細に説明する。

［実施例１］
実施例１の太陽電池モジュールは、その封止構造が図１に示すものを用いている。
ここでは、光電変換素子は厚さ５０μｍのポリイミド基板上に形成した太陽電池を用いた。また、補強板には厚さ０．８ｍｍの塗装鋼板を用いた。表面保護用の耐候性フィルムには厚さ２５μｍのＥＴＦＥを用い、光の入射面側及び光電変換素子と鋼板の間の充填材には厚さ０．３ｍｍのＥＶＡからなるフィルムを用いた。接着は真空ラミネートによって行った。ラミネートは、１２０℃、２分間の脱気をした後、１５５℃で２０分間加圧し、その後に８０℃に降温して大気開放して行った。

なお、充填材の厚い隆起部１０６の形状は、幅が３ｍｍ、厚さが１ｍｍである。
このように構成された太陽電池モジュールを、ウエザーメーターによる加速試験の後に評価した。加速試験の条件は次の通りである。

光源キセノンアークランプ
光量３００〜４００ｎｍの波長範囲で９０Ｗ／ｍ²
試験項目３時間光照射、および５分光照射＋水噴霧のサイクル試験
試験時間５０００時間
［実施例２］
図６は、実施例２の太陽電池モジュールを示す断面図および平面図である。

この実施例２の太陽電池モジュールも、実施例１と基本的に同じ製造プロセスで作成した。ただし、図６に示すように、補強板１０３の対向する２辺に折り曲げ部１０９を形成して、充填材材料１０８を折り曲げ部１０９に沿って設けてある。また、その他の２辺については、充填材１０２，１０４を厚くして隆起部１０６を形成している。実施例１と同じ条件で、加速試験を行った。

［比較例ｌ］
実施例１とほぼ同じ製造プロセスで、光電変換素子１０１を充填材で被覆して補強板１０３上に接着することにより太陽電池モジュールを作成した。この比較例１では、図７に示すように、充填材の厚い部分（隆起部１０６）は設けられていない。

［比較例２］
実施例１とほぼ同じプロセスでモジュールを作成した。この比較例２では、図８に示すように、２辺のみに充填材が厚い隆起部１０６を設けた。

図９は、加速試験の後における太陽電池モジュールの評価結果を示す図である。ここには、２つの実施例と２つの比較例についての評価を示している。それぞれの試験結果は、剥離部分が光電変換素子に達しているものを×印、達していないものを○印によって示されている。

以上に説明したように、この発明によれば、光電変換素子１０１を光透過性の充填材１０２，１０４によって被覆し、その光入射面とは反対側で充填材１０２を介して補強板１０３と接着した太陽電池モジュールにおいて、光電変換素子１０１を補強板１０３上に接着するための充填材形状は、光電変換素子１０１の存在しない周辺領域にまで延長された端部を有し、周辺領域の充填材材料が、光電変換素子１０１とその光入射領域を覆うように補強板１０３上に積層された充填材材料より厚く設けられて隆起部１０６を形成するようにしたので、この隆起部１０６で剥離を抑えることができ、光電変換素子１０１の剥離を抑制することができる。

また、遮光カバー１０７によって充填材１０４に光入射面とならない領域が設けられているものでは、その部分でも同様に剥離を抑制できる。すなわち、光電変換素子１０１の周囲が充填材の隆起部１０６や遮光カバー１０７により囲うような構成となっているとよい。

なお、本発明の太陽電池モジュールは、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更して実施することができる。

実施の形態に係る太陽電池モジュールを示す図である。実施の形態の変形例を示す平面図である。実施の形態の別の変形例を示す断面図である。実施の形態の別の変形例を示す断面図である。実施の形態のさらに別の変形例を示す断面図である。実施例２の太陽電池モジュールを示す断面図および平面図である。比較例１の太陽電池モジュールを示す平面図である。比較例２の太陽電池モジュールを示す平面図である。加速試験の後における太陽電池モジュールの評価結果を示す図である。

符号の説明

１０１光電変換素子
１０２充填材
１０３補強板
１０４充填材
１０５耐候性フィルム
１０６隆起部
１０７遮光カバー
１０８充填材材料
１０９折り曲げ部
１１０窪み部

Claims

光電変換素子を光透過性の充填材および耐候性の保護皮膜によって被覆するとともに、その光入射面とは反対側で前記充填材を介して補強板と接着した太陽電池モジュールにおいて、
前記光電変換素子を前記補強板上に接着するための充填材形状は、前記光電変換素子の存在しない周辺領域にまで延長された端部を有し、
前記周辺領域の充填材材料が、前記光電変換素子とその光入射領域を覆うように前記補強板上に積層された充填材材料より厚く設けられて隆起部を形成していることを特徴とした太陽電池モジュール。
前記充填材材料によって形成された前記隆起部は、前記光電変換素子の光入射領域の外周部分全体にわたって形成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
前記補強板上に接着された前記光電変換素子は、その周囲が前記隆起部によって囲まれていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
前記周辺領域には、前記充填材材料への入射光を遮るための遮光領域が形成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
前記遮光領域は、遮光用のカバー部材によって覆われていることを特徴とする請求項４記載の太陽電池モジュール。
前記補強板の端部は、前記光電変換素子の光入射面とは反対側に折り曲げられるとともに、前記周辺領域における充填材材料が折り曲げられた前記補強板に沿って形成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
前記充填材には、前記隆起部と前記光電変換素子の光入射領域との間に窪みが形成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
前記充填材は、前記補強板の端部まで延長形成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。