JP5173921B2 - 太陽電池モジュールのラミネータ - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池モジュールのラミネータに関する。

太陽電池モジュールは、一般に、透光性基板、充填材、導線により電気的に相互に接続された複数個の太陽電池素子、充填材、および裏面保護材の順に積層構造を形成する。この太陽電池モジュールの製造において、構成部材の積層体（モジュール積層体）を加熱接着する目的で、ラミネータが用いられる。

従来、ラミネータは、真空室を形成する上下に開閉可能なハウジングと、平坦な加熱面をもつヒーター盤と、該ヒーター盤に戴置されたモジュール積層体を押圧するために、上部ハウジングに設けられるダイアフラムシートとを備えている。ラミネート工程では、モジュール積層体をヒーター盤上に載置し、ハウジングを閉じて減圧した後、ヒーター盤を加熱することによって、モジュール積層体の接着が行われる。ヒーター盤への加熱手段としては、一般には、埋め込み式の電熱ヒーターが用いられている。しかし、この電熱ヒーターは、入力電流に対する応答が遅く、さらに、電熱ヒーターとヒーター盤との間の熱移動も遅い。また、電熱ヒーターを用いる場合、ヒーター盤表面の温度を均一化するために、電熱ヒーターとヒーター盤表面との間に距離をとる必要があった。このためヒーター盤の熱容量が大きくなり、温度上昇の応答時間を大きくしていた。このように、従来のラミネータのような電熱ヒーターを埋め込んだ形態の加熱手段においては、ヒーター表面を所定温度に加熱するのに時間を要する。昇温速度を高めるために、設定温度を上げると所定温度に達した後に冷却することが難しく、その結果、接着に用いられる積層体中の充填材が高温下に曝され、発泡するおそれがある。

モジュール積層体を短時間で加熱することを目的として、電界による誘電加熱手段を用いるラミネータが開示されている（例えば、特許文献１）。

国際公開第２００５／０８６５５７号パンフレット

しかし、誘電加熱は、モジュール積層体に含まれる導線などの金属部分を過熱してしまうため、モジュール積層体内の温度分布が不均一となり、接着剤として機能する充填材の軟化も不均一となる。その結果、積層体中の気泡を除去しきれずに太陽電池モジュールが製造され、品質低下を招くおそれがある。さらに誘電加熱は、例えば、導線と太陽電池素子との半田付け部分などの金属を含む部分を局部的に過熱・帯電して破損させるおそれもある。

本発明の目的は、太陽電池モジュールの構成材料であるモジュール積層体を均一に加熱することができ、加熱効率に優れた太陽電池モジュールのラミネータを提供することにある。

本発明は、ダイアフラムシートで上部真空領域と下部真空領域とに仕切られる真空室と、該下部真空領域内に設けられるモジュール積層体を載置する載置面および該載置面の裏面に相当する底面を有するプレートと、該プレートの下部に設けられる加熱手段とを備える太陽電池モジュールのラミネータを提供し、該加熱手段による加熱が、誘導加熱であり、
前記プレートの前記底面に接する領域に、空間が形成されることを特徴とする。

ある実施態様においては、前記空間が、真空となるように構成される。

ある実施態様においては、前記空間が、前記プレート底面の周縁部に配設される支持部材により形成される。

ある実施態様においては、前記プレートが、熱伝導率の異なる少なくとも２種の金属の層構造からなる。

ある実施態様においては、前記プレートが、前記底面側に位置する第１の金属層と、前記載置面側に位置する第２の金属層を有し、前記第１の金属層は、鉄を含有してなり、前記第２の金属層は、アルミニウムまたは銅を含有してなる。

ある実施態様においては、前記プレートが、取り外し可能に設けられる。

ある実施態様においては、前記プレートの底面が凹状である。

ある実施態様においては、前記プレートが底面に前記加熱手段に向かって突出する凸部を有する。

本発明はまた、太陽電池モジュールの製造方法を提供し、該方法は、ダイアフラムシートで上部真空領域と下部真空領域とに仕切られる真空室内に設けられるプレートに、モジュール積層体を載置し、真空室内を減圧する工程、および該モジュール積層体を、プレート下部から誘導加熱により加熱する工程を包含する。

本発明の太陽電池モジュールのラミネータによれば、誘導加熱手段を用いることにより、熱のばらつきを低減することができ、太陽電池モジュールを均一に加熱することができる。そのため、品質の高い太陽電池モジュールが製造される。さらに、加熱時にプレートの底面側に空間、特に真空空間が形成されることにより、プレート下部への熱伝導による熱損失（放熱）が抑制される。そのため、誘導加熱により発熱されたプレートから太陽電池モジュールへの熱流束が大きくなり、昇温時間（タクト時間）が短縮化される。したがって、効率的な加熱が可能であり、太陽電池モジュールの生産性の向上が可能となる。

図１は、本発明の太陽電池モジュールのラミネータの実施態様を示す断面図である。 図２は、モジュール積層体の構成部材を示す斜視図である。 図３は、本発明の太陽電池モジュールのラミネータの別の実施態様を示す断面図である。 図４は、本発明の太陽電池モジュールのラミネータおよび従来のラミネータの温度プロファイルの一例を示すグラフである。 図５は、本発明の太陽電池モジュールのラミネータの第２の実施態様を示す断面図である。 図６は、本発明の太陽電池モジュールのラミネータの第３の実施態様を示す断面図である。

本発明の太陽電池モジュールのラミネータは、ダイアフラムシートで上部真空領域と下部真空領域とに仕切られる真空室と、該下部真空領域内に設けられるモジュール積層体を載置するためのプレートと、該プレートの下部に設けられる加熱手段とを備え、上記加熱手段による加熱が、誘導加熱であることを特徴とする。本明細書において、真空とは、大気圧よりも減圧された状態をいう。本発明の第１の実施形態について図面を参照にして詳細に説明する。

（ラミネータ）
本発明の太陽電池モジュールのラミネータの一例（第１の実施形態）を図１に示す。１はラミネータ、２は上部ハウジング、３は下部ハウジング、４はダイアフラムシート、５は上部真空領域、６は下部真空領域、７はプレート、８は加熱コイル、９は支持部材、および１０は真空領域である。図１のラミネータ１内には、太陽電池の構成材料であるモジュール積層体２０が載置されている。なお、このモジュール積層体２０は、図３に示すように、透光性基板２１、充填材２２、太陽電池素子を導体により電気的に一体化したマトリックス２３、充填材２２、および裏面保護材２４の順で構成されている。

図１に示すラミネータを構成する真空室は、上部ハウジング２および下部ハウジング３とからなり、開閉可能に構成されている。上部ハウジング２および下部ハウジング３としては、例えば、ＳＵＳなどの金属部材が用いられる。上部ハウジング２および下部ハウジング３には、それぞれ真空ポンプが接続されており、両者が当接する周辺部には、ハウジング内部が真空を維持できるように、例えばゴム製などのパッキンが設けられる。

上記真空室内には、ダイアフラムシート４が設けられる。具体的には、真空室を上部真
空領域５と下部真空領域６とに仕切るように、上部ハウジング２の内側に設けられる。このダイアフラムシート４は、ラミネート時において、上部真空領域５と下部真空領域６との間に圧力差を生じさせることによって膨張し、下部真空領域６内に設けられるプレートに載置されたモジュール積層体２０の上面を押圧する。ダイアフラムシート４としては、上記圧力差に耐え得る強度、および伸縮性を有する素材が用いられる、例えば、シリコンラバーなどの樹脂が好適である。

上記真空室内（具体的には下部真空領域６内）には、さらに太陽電池モジュールの材料であるモジュール積層体を載置するためのプレート７が備えられ、このプレート７の下部に加熱手段として加熱コイル８が備えられている。本発明においては誘導加熱を用いることを特徴とし、上記の構成によりモジュール積層体をプレート下部から加熱する。具体的には、加熱コイル８に高周波電流を流すことにより磁力線を生じさせ、この磁力線により、プレート７下部に渦電流を生じさせ、プレート７自体を非接触で発熱させる。誘導加熱は、上記のように、磁力線によりプレート自体を発熱させるものであるため、電熱ヒーターをヒーター盤に埋め込んで熱伝導により加熱を行う従来の加熱手段に比べて、プレートが所望の設定温度に達する速度（応答）が早い。そのため、細かな温度設定の変化に迅速に対応することができる。さらに、少ないエネルギーで所望の温度まで昇温できる。

プレート７は、上述のように、モジュール積層体を戴置するための台座であるともに、充填材を誘導加熱により溶融させるための発熱体（加熱プレート）として用いられる。プレート７の材料としては、加熱コイル８から発生される磁力線により渦電流を生じるような鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などの金属が用いられる。このような金属のプレートは、加熱コイルにより発生した磁力線を電磁シールドするため、例えば、モジュール積層体２０中の導体などの金属部分が局部的に発熱されるなど、モジュール積層体２０に悪影響を与えることが少ない。加熱効率が高い点でＦｅなどの強磁性金属を用いることが好ましい。

プレート７として、さらに熱伝導率が異なる少なくとも２種の金属を積層した多層プレートを用いることが好適である。Ａｌ、Ｃｕなどの非磁性金属は、熱伝導率が高いが、抵抗が低いため渦電流が生じ難く、加熱効率の点で劣る。他方、Ｆｅなどの強磁性金属は、熱伝導率が低いものの加熱効率に優れている。そこで、例えば、Ａｌ、Ｃｕなどの非磁性金属層と、Ｆｅなどの強磁性金属層との２層構造を有するプレートを作成し、このプレートの強磁性金属層面を加熱コイル８側（下面）となるように用いれば、熱伝導率および加熱効率に優れたプレートとして用いることができる。すなわち、プレート７は、底面側に位置する第１の金属層がＦｅを含有してなり、載置面側に位置する第２の金属層がＡｌまたはＣｕを含有してなる。なお、プレート７は、上述した２層構造だけでなく、例えば、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｆｅ、およびＣｕの４層からなるクラッド材などでもよい。Ｆｅ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＡｌの４層からなるクラッド材は、熱伝導率および比強度が高いＡｌを用いているため、強度を保持しつつ、薄型・軽量化することができる。また複数の金属板を機械的に接合したクラッド材以外にも、ＣｕやＡｌの金属板の加熱コイルと相対する側の表面に強磁性金属を溶射し、強磁性金属の薄膜を設けたものであってもよい。

プレート７の形状および大きさは特に制限されない。プレート７の形状は、製造される太陽電池モジュールの形状に応じて適宜設計される。例えば、湾曲形状の太陽電池モジュールを製造する場合、太陽電池モジュールに合わせて載置面を凹面あるいは凸面とすること（湾曲した板状体とすること）が可能である。また、大きさについても、モジュール積層体の大きさに応じて適宜設計される。厚みは、プレートの熱容量を小さくする、プレートの加熱時間を短縮化する、さらには、プレートを軽量化する観点から、モジュール積層体の重さに耐え得る範囲で薄く設計することが好ましい。例えば、５ｍｍ〜８ｃｍ、好ましくは２ｃｍ〜５ｃｍに設計される。

プレート７は、さらにプレート７の底面（特に、モジュール積層体が載置される部分の
反対側に相当する底面）に接する領域に空間を設けることが好ましい。すなわちプレートの底面に接する領域が空間であることが好ましい。プレート７の底面に接する領域に空間を設けることによって、プレート底面からの熱損失を抑制することができ、太陽電池モジュールへの加熱効率を向上させることができる。特に、空気の対流による放熱（熱損失）を抑制することができる点で、上記空間領域を真空領域とすることが好ましい。上記空間は、例えば、プレート７の底面の周縁部に支持部材を配設することによって形成される。具体的には、図１に示すように、プレート７と下部ハウジング３との間に空隙ができるように、支持部材９をプレート７の周縁部に配設される。支持部材９としては、断熱性と強度を有する材料（例えば、アルミナやジルコニアなどの酸化物セラミックス）が好適に用いられる。支持部材９の形状はプレートの周縁部を支持する形状であればよい。例えば、プレート７が矩形状である場合、２つの板状体でプレート７の側部を挟持するように支持される。

プレート７は、取り外し可能に配置されることが好ましい。本発明は、プレートを非接触で発熱させる誘導加熱を採用しているため、プレート７は、埋め込みヒーターを内蔵する従来のプレートのような配線などを必要とせず、軽量化も容易である。したがって、載置面の形状が異なる複数のプレートを用意しておくことで、種々の形状の太陽電池モジュールの製造に対応することが可能となる。プレート７は、プレートのみが取り外し可能で
もよく、支持部材と一体で取り外し可能でもよい。

加熱手段の一例である加熱コイル８は、プレート７の下部に設けられていればよく、真空室内および真空室外のいずれに設けられていてもよい。加熱コイル８の熱による破損を考慮すると、プレートからの放熱を受け難い点で真空室外に設けることが好ましい。加熱コイル８を真空室外に設ける場合、例えば、図１に示すように、下部ハウジング３の一部（加熱コイル８とプレート７との間に相当する部分）を、加熱コイル８から生じる磁力線が通過できる耐熱材料（結晶化ガラスなどのセラミックス）としておくことが好ましい。

加熱コイル８の過熱による破損を抑制する観点から、加熱コイル８を冷却する冷却手段を設けてもよい。例えば、図１に示すように、加熱コイル８の周辺を通気するような構造、さらには通気経路に空冷装置を設けることなどが挙げられる。

（太陽電池モジュールの製造方法）
次に、本発明のラミネータ１を用いる太陽電池モジュールの製造方法について説明する。まず、図２に示すように、透光性基板２１、充填材２２、太陽電池素子を導体により電気的に一体化したマトリックス２３、充填材２２、および裏面保護材２４を順に載置して、モジュール積層体２０を形成する。このモジュール積層体２０を、透光性基板２１が下になるように、ラミネータ１の下部ハウジング３内のプレート８上に載置する。そして、上部ハウジング２を下部ハウジング３側へ下降させてハウジングを閉じる。

次いで、例えば、真空室内、具体的には、上部真空領域５と下部真空領域６をそれぞれ０．２〜１０ｔｏｒｒまで減圧した後、加熱コイル７に高周波電流を流し、プレート８を発熱させて、モジュール積層体２０を加熱する。モジュール積層体２０を十分に加熱した後、上部真空領域５の減圧を停止して大気圧近くまで戻し、所定時間保持する。これにより、上側真空室５と真空室６との間に圧力差が生じダイアフラムシート４が膨張してモジュール積層体２０が押圧され、充填材を始めとするモジュール積層体２０の中の気泡が除去されるとともに、充填材が太陽電池素子の周りに充填される。その後、真空室も大気圧に戻して、上部ハウジング２を開き、ラミネートされたモジュール積層体２０を取り出す。

このラミネートされたモジュール積層体２０を架橋炉で充填材２２の架橋度が９０％以
上となるまで加熱する。加熱温度は１２０℃から１５０℃で保持することが好ましい。その後、モジュール周囲にアルミニウム製のフレームを取り付けるとともに、非受光面側にポリフェニレンエーテル樹脂等からなる端子ボックスを接着剤で固定する。このようにして、太陽電池モジュールが製造される。

図３は、第１の実施形態に係るラミネータの別の実施態様を示すものである。具体的には、図１に示す実施態様において、プレート７として、モジュール積層体の載置面が凹んだ構造のプレートを用いた態様である。本発明は、プレートを非接触で加熱できる誘導加熱を採用しているため、プレート交換が容易であり、例えば、曲面の透光性基板１６を有する太陽電池モジュールを製造する場合にも、このような実施態様のプレートに交換すれば容易に対応することができる。このように、本願発明のラミネータは、一台で基板形状が異なる太陽電池モジュールのラミネートすることができ、多品種生産に対応することができる。

（温度プロファイル）
図４は、図１の太陽電池モジュールのラミネータの温度プロファイルを示す。なお、モジュール積層体の充填材としてＥＶＡを用いており、温度は充填材の位置で計測した。

まず、設定温度を１４３℃とし、０．２〜１０ｔｏｒｒ程度になるまで減圧しながら、常温から充填材が溶融する７０℃まで昇温した。７０℃に達した後、設定温度を１５５℃に設定し、１４０℃〜１５０℃まで昇温した。この際、上部真空領域は常圧に戻し、モジュール積層体をダイアフラムシートにより押圧した。モジュール積層体内の充填材は、約１２０℃〜１５０℃にて架橋反応が行われるが、１５０℃を超えると発泡を生じることが知られている。

図１に示すラミネータを用いた場合、設定温度に対する実温度の追従に優れており、７０℃までの昇温および１２０℃〜１５０℃までの昇温のいずれも短時間で行うことができた。そのため、１２０℃〜１５０℃に達した後の設定温度を下げるタイミングを逃すことなく、１５０℃を超えない範囲で、モジュール積層体内の充填材の架橋反応をすすめることができた。得られた太陽電池モジュール中の充填材には気泡がほとんどなく、品質の高いものであった。

他方、埋め込み式の電熱ヒーター内蔵の従来のラミネータを用いた場合、７０℃までの昇温および１２０℃〜１５０℃までの昇温に長時間を要した。

このように、本発明の太陽電池モジュールのラミネータによれば、温度プロファイルに対する追従速度が良好であるため、タクト時間を短縮し生産効率を向上できることがわかる。

以下に、本発明の太陽電池モジュールのラミネータの別の実施形態について説明する。なお、これらの実施形態の構成は、本発明の範囲内で種々組み合わせることができることはいうまでもない。

本発明の第２の実施形態においては、平坦なプレート７に代えて、図５に示すように、
プレートの底面の中央部が窪み、端部に向かうに従ってプレートの厚みが大きくなるプレート１１を用いる点で第１の実施形態と相違する。本実施形態では、プレート１１の端部１１ａがプレート１１の中央部１１ｂに比べて、外部に近いため放熱しやすい。一方で、プレート１１は、中央部１１ｂよりも端部１１ａにおける厚みが大きいため、端部１１ａの熱抵抗が小さく、誘導加熱により生じた熱が端部１１ａに伝わりやすい。その結果、本実施形態では、上述した放熱によって温度の低下が生じやすい端部１１ａにおける温度を高めることができるため、中央部１１ｂよりも昇温しやすく、プレート１１の温度を均一に近づけることができる。これにより太陽電池モジュール２０を、より均一に加熱することができ、品質の高い太陽電池モジュールを製造することができる。

次に、本発明の太陽電池モジュールのラミネータの第３の実施形態について説明する。本実施形態では、平坦なプレート７に代えて、図６に示すように、加熱コイル８に向かって突出する凸部１２ａを有する、プレート１２を用いる点で第１の実施形態と相違する。本実施形態では、モジュール積層体２０（太陽電池モジュール）を局所的に加熱する必要がある場合に有効である。例えば、図６に示すように、太陽電池モジュール２０を充填材２２で確実に封止するために、出力を外部に引き出すための出力取り出し部２５を覆う部位の近傍の充填材２２を厚くする場合がある。このとき、太陽電池モジュール２０の出力取り出し部２５を周囲と略均一に加熱するためには、周囲よりも高い熱が必要である。

そこで、本実施形態では、図６に示すように、出力取り出し部２５と相対する部位のプレート１２の底面に、加熱コイル８に向かって突出する凸部１２ａを設けることにより、凸部１２ａの熱抵抗が周囲よりも小さくなり、誘導加熱により生じた熱が凸部１２ａに伝わりやすくなる。そのため、太陽電池モジュール２０の出力取り出し部２５を局所的に高熱で加熱することができ、太陽電池モジュール２０を均一に加熱することができる。これにより品質の高い太陽電池モジュールを製造することができる。なお、本実施形態では、太陽電池モジュールの出力取り出し部２５と相対する部位のプレート１２の底面に凸部１２ａを設ける態様を示しているが、本発明では、このような形態に限定されることなく、モジュール積層体２０の一部を他の部位よりも局所的に加熱する必要がある場合に本実施形態の態様が適用可能である。

１：ラミネータ
２：上部ハウジング
３：下部ハウジング
４：ダイアフラムシート
５：上部真空領域
６：下部真空領域
７、１１、１２：プレート
８：加熱コイル
９：支持部材
１０：真空領域
１１ａ：端部
１１ｂ：中央部
１２ａ：凸部
２０：太陽電池モジュール（モジュール積層体）
２１：透光性基板
２２：充填材
２３：太陽電池素子
２４：裏面側保護材
２５：出力取り出し部

Claims (9)

1. ダイアフラムシートで上部真空領域と下部真空領域とに仕切られる真空室と、該下部真空領域内に設けられるモジュール積層体を載置する載置面および該載置面の裏面に相当する底面を有するプレートと、該プレートの下部に設けられる加熱手段とを備える太陽電池モジュールのラミネータであって、
   該加熱手段による加熱が、誘導加熱であり、
   前記プレートの前記底面に接する領域に、空間が形成されることを特徴とする、太陽電池モジュールのラミネータ。
2. 前記空間が、真空となるように構成される、請求項１に記載の太陽電池モジュールのラミネータ。
3. 前記空間が、前記プレートの前記底面の周縁部に配設される支持部材により形成される、請求項１または２に記載の太陽電池モジュールのラミネータ。
4. 前記プレートが、熱伝導率の異なる少なくとも２種の金属の層構造からなる、請求項１から３のいずれかの項に記載の太陽電池モジュールのラミネータ。
5. 前記プレートが、前記底面側に位置する第１の金属層と、前記載置面側に位置する第２の金属層を有し、
   前記第１の金属層は、鉄を含有してなり、前記第２の金属層は、アルミニウムまたは銅を含有してなることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュールのラミネータ。
6. 前記プレートが、取り外し可能に設けられる、請求項１から５のいずれかの項に記載の太陽電池モジュールのラミネータ。
7. 前記プレートは、前記底面が凹状である、請求項１から請求項６のいずれかに記載の太陽電池モジュールのラミネータ。
8. 前記プレートは、前記底面に前記加熱手段に向かって突出する凸部を有する、請求項１から請求項６のいずれかに記載の太陽電池モジュールのラミネータ。
9. ダイアフラムシートで上部真空領域と下部真空領域とに仕切られる真空室内に設けられるプレートに、モジュール積層体を載置し、真空室内を減圧する工程、および
   該モジュール積層体を、プレート下部から誘導加熱により加熱する工程
   を包含する、太陽電池モジュールの製造方法。

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