JP5582936B2 - 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するものである。

近年の環境保護の気運の高まりに伴い、環境負荷の少ない太陽電池モジュールが注目され、その普及拡大にあたり低コスト化が検討されている。

例えば、太陽電池モジュールにフレームがある場合でも、外周のフレームのみでは大型化した太陽電池モジュールの発電部の撓みを十分に支持できないという問題がある。

また、フレームレス（サッシレス）構造の太陽電池モジュールが提案されているが、フレームがない分だけ剛性が低いため架台に設置すると撓みやすく、太陽電池素子のクラックや透光性基板の割れなどが生じるおそれがあった。

このため、太陽電池モジュールの強度向上が必要であり、太陽電池モジュールの中央を支持する支持部材を接着することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開２００６／１２１０１３号

しかしながら、上記従来技術によれば太陽電池モジュールに積雪荷重等の外力が加わり撓みが生じた際に生じる接着された部材間のせん断応力や、太陽電池パネルと支持部材との熱膨張率の違いより生じる熱応力について十分に考慮できておらず、太陽電池素子と充填材との間に加わるせん断応力や、裏面側充填材と裏面保護材との接着界面に加わる応力による剥離が発生する場合がある。

また、フレームレスの太陽電池モジュールの場合に支持部材を接着する樹脂層の厚さを管理することについて十分に考慮されていなかったため、例えば、樹脂層の硬化中に支持部材の自重により接着剤が周囲にはみ出して薄くなるため、十分な強度が発揮できないおそれがあった。

また例えば、支持部材が傾いたまま樹脂層が硬化した場合は、風荷重や積雪荷重が加わったときに、支持部材から太陽電池モジュールの裏面に集中荷重が加わり、透光性基板や太陽電池素子を破損するおそれがあった。

また例えば、樹脂層の乾燥までスペーサーなどの治具を用いた場合は、樹脂層の養生後にスペーサーを取り外す必要があるため、タクトタイムが大きくなるという問題があった。

そこで本発明は、簡易な構造で接着強度とその信頼性に優れ、製造効率の高い太陽電池モジュールを提供することを目的としている。

本発明の太陽電池モジュールによれば、太陽電池素子、ならびに該太陽電池素子の受光面側に位置する第１の充填材および非受光面側に位置する第２の充填材を有して前記太陽電池素子を挟持する充填材を有する本体部と、該本体部を前記非受光面側から支持する棒状の支持部材と、前記本体部と前記支持部材との間に配置される樹脂層と、を備え、該樹脂層の弾性係数をＧ_１、厚みをＬ_１、前記第２の充填材の弾性係数をＧ_２、厚みをＬ_２としたとき、（Ｇ_１／Ｌ_１）＜（Ｇ_２／Ｌ_２）である。

本発明の太陽電池モジュールによれば、支持部材を設けた場合であっても、支持部材を接着したことにより生じるせん断応力を低減して、太陽電池素子と裏側充填材との界面や、裏面側充填材と裏面保護材との界面について、剥離を低減することができる。

また治具を用いることなく樹脂層を所望の厚さに管理することができ、接着強度およびその信頼性が高い太陽電池モジュールを高い製造効率で得ることができる。

太陽電池モジュールを示す図であり、（ａ）は太陽電池モジュールを裏面側から見た斜視図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図、（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。 太陽電池モジュールの製造工程を示す図面であり、（ａ）は支持部材の取り付け前の斜視図、（ｂ）は支持部材の取り付け後の斜視図である。 太陽電池モジュールを架台に設置した状態を示す斜視図であり、（ａ）は受光面側からの斜視図、（ｂ）は非受光面側からの斜視図である。 太陽電池モジュールの他の実施形態を示す斜視図である。 太陽電池モジュールに撓みが生じた状態を拡大して示す断面図である。 せん断応力の説明図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る太陽電池モジュールについて、添付図面を参照しながら説明する。

太陽電池モジュールは、太陽電池素子、ならびに該太陽電池素子の受光面側に位置する第１の充填材および非受光面側に位置する第２の充填材を有して前記太陽電池素子を挟持する充填材を有する本体部と、該本体部を前記非受光面側から支持する棒状の支持部材と、前記本体部と前記支持部材との間に配置される樹脂層と、を備え、該樹脂層の弾性係数をＧ_１、厚みをＬ_１、前記第２の充填材の弾性係数をＧ_２、厚みをＬ_２としたとき、（Ｇ_１／Ｌ_１）＜（Ｇ_２／Ｌ_２）である。

例えば図５に示すように、太陽電池モジュール１に積雪荷重が加わると、太陽電池モジュール１に撓みが生じ、中立軸より外側では引張応力が生じ、内側では圧縮応力が生じる。このような圧縮応力や引張応力は、太陽電池モジュール１の積層間を剥離しようとする力となる。また太陽電池モジュール１が撓んで形状が変化することから、弧の内側では圧縮歪が生じ、外側では引張歪が生じる。

ガラスからなる透光性基板４やアルミニウムからなる支持部材１Ｂの部分は、歪にくいことから、歪による変形量を積層間のいずれかの箇所で吸収する必要がある。特に支持部材１Ｂは、太陽電池モジュールの裏面に部分的に接着されていることから、その接着部付近に応力集中が生じやすいため、裏面保護材５と裏面側充填材６ａの層間や、裏面側充填材６ａと太陽電池素子２の層間の剥離を低減するために、応力緩和できる構成にすることが必要である。

そこで本発明は、樹脂層８が裏面側充填材６ａよりも低い応力で高い変形量を示し、前記応力を吸収して、剥離を低減できるようにしたものである。具体的には、樹脂層８と裏面側充填材６ａに同じ歪が加わったときに、樹脂層８の歪が大きくなるようにして、裏面側充填材６ａへの応力を緩和したものである。

詳細に説明すると、図６に示すように、せん断応力τが加わったときに、弾性係数Ｇで厚みがＬの部材にδの歪が生じ、τ＝Ｇ（δ／Ｌ）の関係が成り立つ。

以下、τはせん断応力、Ｇは弾性係数、γはせん断歪、δはせん断方向の変形量、Ｌは厚みとして説明する。

樹脂層８を軟らかくして厚くし、樹脂層８の弾性係数をＧ_１、厚みをＬ_１とし、裏側充填材６ａの弾性係数をＧ_２、厚みをＬ_２と表し、その関係が（Ｇ_１／Ｌ_１）＜（Ｇ_２／Ｌ_２）となるようにすることで、支持部材１Ｂ側で生じた応力を大幅に緩和することができる。

代数式τ＝Ｇγ＝Ｇ（δ／Ｌ）を用いて説明すると、裏面保護材５の位置で共通の歪（伸縮）があるとした時、τ＝Ｇ_１・δ_１／Ｌ_１からδ_１＝τ／（Ｇ_１／Ｌ_１）、τ＝Ｇ_２・δ_２／Ｌ_２からδ_２＝τ／（Ｇ_２／Ｌ_２）が導かれる。

この時（Ｇ_１／Ｌ_１）＜（Ｇ_２／Ｌ_２）ならば、δ_１＞δ_２となり、樹脂層８が低い応力で大きく変形することになるので、接着界面におけるせん断応力が低減されるとともに、裏面側充填材６ａのせん断応力も低減される。

すなわち、樹脂層８側の変形量が大きくなるようにしたことで、樹脂層８側に応力が誘導され、裏面側充填材６ａを保護することができる。

これにより支持部材１Ｂや裏面保護材５に生じる歪を吸収して裏面側充填材６ａと太陽電池素子２との界面や、裏面側充填材６ａと裏側保護材５との界面などに加わるせん断応力を低減して、積層間の剥離を低減することができる。

さらに、太陽電池モジュールは前記樹脂層はシリコーン系接着剤、イソシアネート系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、エチレンプロピレンジエンゴム、およびポリウレタンの少なくとも１種からなる。

例えば、裏面側充填材６ａであるＥＶＡの弾性係数を６ＭＰａ、厚さＬを０．８ｍｍ、樹脂層８を弾性係数１８ＭＰａのシリコーン系接着剤とした場合、（Ｇ_１／Ｌ_１）＜（Ｇ_２／Ｌ_２）を満たすには、樹脂層８の厚みを２．４ｍｍより大きくするとよい。これにより樹脂層８のせん断変形を大きくして、層間剥離を低減することができる。

太陽電池モジュール１は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、太陽電池素子２を含む本体部１Ａと、本体部１Ａの非受光面側から支持する棒状の支持部材１Ｂとを備え、支持部材１Ｂと前記非受光面との間には樹脂層８が形成されており、樹脂層８は、第１の樹脂層８ａと、該第１の樹脂層８ａに比べて弾性係数が小さい第２の樹脂層８ｂとが前記支持部材１Ｂに沿って交互に配置されているものである。

ここで、第２の樹脂層８ｂはスペーサーとして、第１の樹脂層８ａは接着剤として働くものである。

これにより第２の樹脂層８ｂがスペーサーとして働いて、硬化中の第１の樹脂層８ａの厚みを維持するので、別途治具を用いることなく第１の樹脂層８ａを所望の厚さに管理することができる。

そして、第１の樹脂層８ａの厚みが均一であるので、太陽電池モジュール１と支持部材１Ｂとの間に局所的な応力が発生しないので、信頼性が高い太陽電池モジュール１を高い製造効率で得ることができる。

本体部１Ａは、図１（ｂ）に示すように、複数の太陽電池素子２がインナーリード３で電気的に接続された集合体を有している。

そして、この集合体は、透光性基板４と、太陽電池素子２の裏面を保護する裏面保護材５との間に配され、さらに、充填材６で封入されている。

加えて、本体部１Ａは、裏面保護材５の太陽電池素子２と対向する面の裏面側に端子ボックス７と支持部材１Ｂが配置される。

太陽電池素子２は、光電変換の機能を有するものであり、例えば、単結晶シリコーン、多結晶シリコーン、アモルファスシリコーン等の薄膜、ＣＩＧＳ、ＣｄＴｅ等の材料で形成される。

太陽電池素子２は、例えば単結晶シリコーンや多結晶シリコーンで形成する場合、１５ｃｍ角程度の大きさにしたシリコーン基板の表面及び裏面に電極が形成されている。

そして、このシリコーン基板は、略一直線上に配列されており、隣接する一方のシリコーン基板の表面の電極と、他方のシリコーン基板の裏面の電極と、がインナーリード３を用いて電気的に接続されている。

インナーリード３は、上述したように、隣接する太陽電池素子２同士を電気的に接続するものであり、例えば、半田で被覆した銅箔を用いることができる。

透光性基板４は、太陽電池素子２へ光を入射させることができる部材であれば特に限定されないが、例えば、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の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高い基板を用いればよい。

厚みとしては、例えば厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラス、厚さ５ｍｍ程度の合成樹脂基板（ポリカーボネート樹脂などからなる）を用いることが好ましい。

裏面保護材５は、充填材６や太陽電池素子２を保護する機能を有し、この裏面保護材５には、例えば、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）ガラス基板、或いはこれらを積層したものを用いることができる。

充填材６は、太陽電池素子２を封止する機能を有し、この充填材６には、例えば、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）やＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を主成分とし、Ｔダイと押出し機により厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状に成形されたものを所定の寸法に切断して用いる。

この充填材６には架橋剤が含有され、ＥＶＡなどの分子間を結合させる役割を有するものであり、例えば、７０〜１８０℃の温度で分解してラジカルを発生する有機過酸化物を用いることができる。有機過酸化物としては、例えば、２、５−ジメチル−２、５−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサンやｔｅｒｔ−ヘキシルパーオキシピバレートなどが挙げられ、ＥＶＡ１００質量部に対し１質量部程度の割合で含有させることが好ましい。充填材６は、上述のＥＶＡ以外に、熱硬化性樹脂もしくは、熱可塑性樹脂に架橋剤を含有して熱硬化の特性を持たせた樹脂であれば好適に利用可能であり、例えばアクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂やＥＥＡ（エチレン−アクリル酸エチル共重合体）などを利用可能である。

図１（ｃ）に示すように、支持部材１Ｂの長手方向に沿って第２の樹脂層８ｂが２箇所以上貼付され、その第２の樹脂層８ｂ間で第１の樹脂層８ａにより支持部材１Ｂと裏面保護材５を接着してなる。なお第２の樹脂層８ｂは、支持部材１Ｂと裏面保護材５のいずれに貼付してもよい。

支持部材１Ｂは、ステンレス鋼や溶融亜鉛メッキ鋼板、アルミニウムなどよりなり、図１（ｂ）に示す溝形の断面以外に、山形やＩ型、Ｈ型、Ｚ型の断面の長尺の部材を用いることができる。

さらに、支持部材１Ｂに溝型断面の部材を用いた場合、図１（ａ）に示すように開口部を外側に向けることで持ちやすくすることができる。

なお、支持部材１Ｂは２本に限られるものではなく、太陽電池モジュール１の大きさに合せて３本以上を用いてもよい。

さらに、本発明の各実施形態に係る太陽電池モジュールによれば、前記第１の樹脂層８ａは弾性接着剤からなることが好ましい。

ここで、弾性接着剤とは、硬化後にゴム状弾性を有する接着剤と定義される。

接着剤には、弾性系や瞬間系、ホットメルト系など様々あるが、風荷重や積雪荷重で透光性基板４が大きく撓みやすいことや、透光性基板２と支持部材１Ｂの熱膨張率の差などから、第１の樹脂層８ａや、第１の樹脂層８ａと被着剤層（裏面保護材５）との界面に大きなせん断荷重が加わりやすいことに鑑みて、弾性系の弾性接着剤を用いることが好ましい。

特に弾性接着剤は硬化後にゴム状弾性体となることから、変形により熱応力や外力を吸収して、第１の樹脂層８ａと裏面保護材５の間の接着の界面の破壊（接着破壊）や、裏面保護材の破壊（基材破壊）を低減することができる点で好ましい。

弾性接着剤を用いた場合、応力を吸収するための変形の余地が必要であり、第１の樹脂層８ａの厚みを管理しなくてはならない。例えば、太陽電池モジュール１が約１．５ｍ×１ｍで透光性基板４に約３ｍｍの強化ガラスを用いた場合は、第２の樹脂層８ｂを約１．５ｍｍ〜４ｍｍ、第１の樹脂層８ａを約１．５ｍｍ〜４ｍｍにするとよい。

また、前記第１の樹脂層８ａはシリコーン系接着剤、イソシアネート系接着剤および、エポキシ樹脂系接着剤のいずれか１種からなることが好ましい。

第１の樹脂層８ａは、樹脂と金属を接着可能で耐候性や耐水性、耐湿性に優れた接着剤が好ましく、例えばシリコーン系接着剤やウレタン樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤を用いることができる。

これらの接着剤を第１の樹脂層８ａとして用いることにより、硬化後の接着剤が柔軟なゴム弾性を示すことから、変形の追従性に優れ、外的な振動や衝撃や剥離に耐える太陽電池モジュールとすることができる。

第２の樹脂層８ｂは耐候性と耐久性に優れた材質が好適であり、エチレンプロピレンジエンゴムおよびポリウレタンのいずれか１種を用いることができる。

さらに、太陽電池モジュール１によれば、前記支持部材は前記本体部の外縁部以外に配置されていることが好ましい。

これにより、太陽電池モジュール（本体部）の外縁部１ａと、支持部材８との間で荷重により発生する応力を回避できるので、太陽電池モジュール１の外縁部１ａでのひびやクラックを低減できる。

さらに、太陽電池モジュール１によれば、前記支持部材は前記本体部の外縁部に沿って配置されていることが好ましい。

ここで支持部材１Ｂは外縁部１ａの直上に配置された状態のものではなく、より内側に配置された状態である。

これにより、太陽電池モジュール（本体部）の外縁部１ａに対する支持部材１Ｂからの応力が均一になるので、太陽電池モジュール（本体部）の外縁部１ａでのひびやクラックを低減できる。

図１（ａ）に示すように第１の樹脂層８ａを裏面保護材５の外縁部１ａより距離をあけて配置することで、太陽電池モジュールに風荷重や積雪荷重が加わり撓んだ際に、裏面保護材５の端部が支持部材１Ｂとの応力で剥離することを低減し、裏面保護材５の剥離を抑制することができる。

次に、図４に示すように太陽電池モジュールは、前記支持部材の両端が前記本体部の外縁部よりも外側に突出していることが好ましい。

この場合、太陽電池モジュールの外縁部１ａと、支持部材１Ｂとの間での接着はなく、隙間がある状態である。

本実施形態では、支持部材１Ｂが裏面保護材５の外縁部１ａより突出する長さを有する点で第１の実施形態と相違する。

本実施形態において、支持部材１Ｂが突出していることにより、設置する際の荷役時に壁などに立てかけて置いた際に、支持部材１Ｂが地面につくことで、裏面保護材５や透光性基板４の外縁部１ａが接地しないことから、裏面保護材５が剥離するなどの損傷を低減することができる。

＜本発明の接着工程＞
以下、図２を用いて、支持部材１Ｂと裏面保護材５とを接着する工程を説明する。

まず図２（ａ）に示すように裏面保護材５の表面に、第１の樹脂層８ａを線状に塗布する。このとき第１の樹脂層８ａと支持部材１Ｂの界面に気泡が残留しないように、第１の樹脂層８ａを山形に盛って塗布すると良い。

次に図２（ｂ）に示すように第２の樹脂層８ｂを貼付した支持部材１Ｂを、第１の樹脂層８ａの上に載置する。このとき前述の山状に持った接着剤が、頂上から徐々に潰されることから気泡が残りにくい。そして、第２の樹脂層８ｂの弾性と第１の樹脂層８ａの粘性で支持部材１Ｂを支持しつつ、第１の樹脂層８ａを乾燥する。

本実施形態に示す構造とすることにより、第１の樹脂層８ａの硬化までの間、第２の樹脂層８ｂがスペーサーとして機能し、支持部材１Ｂと裏面保護材５の間に距離を保ち、支持部材１Ｂの自重で第１の樹脂層８ａが周囲にはみ出すことがなく、第１の樹脂層８ａを所望の厚さで乾燥して硬化することができる。

また第２の樹脂層８ｂは製造治具のように取り除く必要がないので、次工程にそのまま移すことができることにより、仕掛の状態がなくなり、タクトタイムを短縮することができる。

特にフレームレス構造の太陽電池モジュール１の場合、支持部材１Ｂをフレーム等に固定することができないため、第２の樹脂層８ｂを用いて第１の樹脂層８ａの厚みを保持しつつ乾燥する本発明が有効である。

また所望の厚さの第１の樹脂層８ａは変形により、せん断応力や圧縮応力を吸収し、第１の樹脂層８ａと裏面保護材５の接着の境界面が破壊する界面破壊や、裏面保護材５が破壊する構造体破壊を抑制することができる。特に前述の弾性接着剤を用いた場合、有効である。

さらに第２の樹脂層８ｂを設けたことにより、支持部材１Ｂが傾いて接着されることがない。これにより支持部材１Ｂから透光性基板２に集中荷重が加わり、透光性基板２が破壊するのを低減することができる。

さらに、前記第１の樹脂層は前記太陽電池モジュールの外縁部よりも内側に配置されることが好ましい。

これにより外縁部１ａでの応力による割れを低減することができる。

以下で図３を用いて、太陽電池モジュール１を架台１０に設置した一例を説明する。

架台１０は、ステンレス鋼や溶融亜鉛メッキ鋼板の溝型や山型、Ｉ型、Ｈ型、角パイプなどの構造材よりなる。そして、太陽電池モジュール１が、支持部材１Ｂで架台１０にボルトやナットで締結して固定される。

１：太陽電池モジュール
１Ａ：本体部
１ａ：外縁部
１Ｂ：支持部材
２：太陽電池素子
３：インナーリード
４：透光性基板
５：裏面保護材
６：充填材
６ａ：裏面側充填層
６ｂ：表面側充填層
７：端子ボックス
８ａ：第１の樹脂層
８ｂ：第２の樹脂層
１０：架台

Claims (10)

1. 太陽電池素子、ならびに該太陽電池素子の受光面側に位置する第１の充填材および非受光面側に位置する第２の充填材を有して前記太陽電池素子を挟持する充填材を有する本体部と、
   該本体部を前記非受光面側から支持する棒状の支持部材と、
   前記本体部と前記支持部材との間に配置される樹脂層と、を備え、
   該樹脂層の弾性係数をＧ_１、厚みをＬ_１、前記第２の充填材の弾性係数をＧ_２、厚みをＬ_２としたとき、
   （Ｇ_１／Ｌ_１）＜（Ｇ_２／Ｌ_２）
   である太陽電池モジュール。
2. 前記樹脂層は、シリコーン系接着剤、イソシアネート系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、エチレンプロピレンジエンゴムおよびポリウレタンの少なくとも１種からなる請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記樹脂層は、第１の樹脂層と、該第１の樹脂層に比べて弾性係数が小さい第２の樹脂層とが前記支持部材に沿って交互に配置されている請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記支持部材は、前記本体部の外縁部以外に配置されている請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
5. 前記支持部材は、前記本体部の外縁部に沿って配置されている請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
6. 前記支持部材の両端が前記本体部の外縁部よりも外側に突出している請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
7. 前記第１の樹脂層は弾性接着剤からなる請求項３から６のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
8. 前記第１の樹脂層は前記太陽電池モジュールの外縁部よりも内側に配置される請求項３から７のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
9. 前記第１の樹脂層は、シリコーン系接着剤、イソシアネート系接着剤およびエポキシ樹脂系接着剤のいずれか１種からなる請求項３から８のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
10. 前記第２の樹脂層は、エチレンプロピレンジエンゴムおよびポリウレタンのいずれか１種からなる請求項３から９のいずれかに記載の太陽電池モジュール。

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