JP5702472B2 - 合わせガラス構造太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、合わせガラス構造太陽電池モジュールに関する。
合わせガラス構造太陽電池モジュールの構成を開示した先行文献として、特開2008−258269号公報(特許文献1)がある。特許文献1に記載された合わせガラス構造太陽電池モジュールにおいては、ガラス基板と保護ガラスとの間に、透明樹脂などの封止材を用いて複数の太陽電池セルおよび配線などを封止している。
特許文献1に記載の合わせガラス構造太陽電池モジュールなどには、コスト低減のために使用部材の少量化およびモジュールの薄型化が要請される。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、廉価で薄型の合わせガラス構造太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明に基づく合わせガラス構造太陽電池モジュールは、第1ガラス基板と、第1ガラス基板上に設けられ、互いに電気的に接続された複数の太陽電池セルと、複数の太陽電池セル上に設けられ、複数の太陽電池セルの発電電力を取り出すための引出配線とを備える。また、合わせガラス構造太陽電池モジュールは、第1ガラス基板と互いの間に複数の太陽電池セルおよび引出配線の一部を挟んで対向する第2ガラス基板と、第1ガラス基板と第2ガラス基板との間に位置する複数の太陽電池セルおよび引出配線の上記一部を封止する封止樹脂とを備える。複数の太陽電池セルと第2ガラス基板との間に位置する封止樹脂の厚さに対して、引出配線の上記一部の厚さが30%以下である。
好ましくは、複数の太陽電池セルと第2ガラス基板との間に位置する封止樹脂の厚さが400μm以下である。
本発明の一形態においては、封止樹脂は、100℃以上200℃以下の温度で熱硬化する。
本発明の一形態においては、封止樹脂がアイオノマー樹脂を含む。
本発明によれば、合わせガラス構造太陽電池モジュールを薄型化できる。
以下、本発明の一実施形態に係る合わせガラス構造太陽電池モジュールについて説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
図1は、本発明の一実施形態に係る合わせガラス構造太陽電池モジュールの構成の一部を示す分解斜視図である。図2は、図1中の太陽電池セルをII−II線矢印方向から見た一部断面図である。
図1に示すように、第1ガラス基板であるガラス基板100上に、複数の短冊状の太陽電池セル110が並列に配置されている。
図2に示すように、太陽電池セル110は、前面(受光面)側に位置するガラス基板100と、ガラス基板100の背面側に設けられた透明電極層(表面側電極層)111と、透明電極層111の背面側に設けられた光電変換層113と、光電変換層113の背面側に設けられた裏面電極層115とを含んでいる。
透明電極層111、光電変換層113および裏面電極層115は、それぞれ所定の形状にパターニングされている。透明電極層111、光電変換層113および裏面電極層115のそれぞれには、太陽電池セル110の延在方向に沿って延びる第1分離ライン112、第2分離ライン114および第3分離ライン116が形成されている。
透明電極層111に形成された第1分離ライン112は、光電変換層113によって埋め込まれている。光電変換層113に形成された第2分離ライン114は、裏面電極層115によって埋め込まれている。
第2分離ライン114によって分断された個々の光電変換層113は、第1分離ライン112によって分断された個々の透明電極層111と、第3分離ライン116によって分断された個々の裏面電極層115とによって挟まれている。
一の透明電極層111に対向する裏面電極層115は、光電変換層113を分断する第2分離ライン114を埋め込むように構成された部分の裏面電極層115(当該部分の裏面電極層115は、特にコンタクトラインと称される)を介して、上記一の透明電極層111に隣接する透明電極層111と接続されている。
これにより、個々の光電変換層113が裏面電極層115および透明電極層111を介して相互に電気的に接続された状態となり、太陽電池ストリング120に含まれる複数の太陽電池セル110が直列に接続される。
ここで、太陽電池セル110の製造方法について説明する。熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法などを用いてガラス基板100上に透明電極層111を成膜する。透明電極層111としては、たとえばSnO2(酸化錫)膜、ZnO(酸化亜鉛)膜またはITO(Indium Tin Oxide)膜などを用いることができる。
次に、レーザスクライブ法などを用いて透明電極層111の一部を除去することにより、複数の第1分離ライン112を形成する。これにより、透明電極層111が複数個に分断される。使用するレーザ光としては、たとえばYAG(Yttrium Aluminum Garnet)レーザの基本波(波長:1064nm)などを用いることができる。
その後、プラズマCVD法などを用いて透明電極層111上に光電変換層113を成膜する。光電変換層113としては、半導体薄膜を使用でき、たとえば非晶質シリコン薄膜からなるp層、i層およびn層が順次積層された積層膜などを用いることができる。この成膜により、第1分離ライン112は光電変換層113によって埋め込まれる。
次に、レーザスクライブ法などを用いて光電変換層113の一部を除去することにより、複数の第2分離ライン114を形成する。これにより、光電変換層113が複数個に分断される。使用するレーザ光としては、たとえばYAGレーザの第2高調波(波長:532nm)などを用いることができる。
その後、たとえばマグネトロンスパッタ法または電子ビーム蒸着法などを用いて、光電変換層113上に裏面電極層115を成膜する。裏面電極層115としては、たとえばZnO(酸化亜鉛)膜/Ag(銀)膜、ZnO膜/Al(アルミニウム)膜、ITO膜/Ag膜、および、SnO2膜/Ag膜などの積層膜を用いることができる。この成膜により、第2分離ライン114は裏面電極層115によって埋め込まれ、上記のコンタクトラインが形成される。
次に、レーザスクライブ法などを用いて裏面電極層115の一部を除去することにより、複数の第3分離ライン116を形成する。これにより、裏面電極層115が複数個に分断される。使用するレーザ光としては、たとえばYAGレーザの第2高調波(波長:532nm)などを用いることができる。
このように形成された太陽電池ストリング120の両端、言い換えると、複数の太陽電池セル110の並ぶ方向において端部に位置する太陽電池セル110は、太陽電池ストリング120から電力を取り出す領域である。
ここで、複数の太陽電池セル110から発電電力を取り出す引出配線について説明する。図1に示すように、太陽電池ストリング120の両端に位置する太陽電池セル110のそれぞれに対向してバスバー130が配置される。バスバー130は、細長い板状の金属箔で形成されている。バスバー130は、バスバー130の延在方向における略中央の位置で、リード線140の一端に位置する接続部141と接続されている。
リード線140は、バスバー130の延在方向に対して交差する方向に延在している。リード線140は、細長い板状の金属箔で形成されている。リード線140の他端には、リード線140の延在方向に対して直交するように屈曲した端子部142が設けられている。リード線140の両端以外の太陽電池セル110に対向する側には、絶縁性膜150が被覆されている。
バスバー130およびリード線140により、複数の太陽電池セル110の発電電力を取り出すための引出配線が構成されている。バスバー130とリード線140とは、バスバー130が太陽電池セル110に接続される前に予め半田などにより接続されている。
太陽電池ストリング120の一方端がプラス側であれば、他方端はマイナス側である。したがって、バスバー130およびリード線140は、プラス側およびマイナス側にそれぞれ配置されて一対の引出配線を構成している。
図3は、太陽電池セル上に引出配線を設けた状態を示す斜視図である。図4は、本実施形態に係る合わせガラス構造太陽電池モジュールの構成を示す分解斜視図である。図5は、本実施形態に係る合わせガラス構造太陽電池モジュールを図2と同じ方向から見た一部断面図である。
図3に示すように、バスバー130は、裏面電極層115に予め塗布された導電性ペーストを介して裏面電極層115に接続される。その結果、太陽電池ストリング120のプラス側およびマイナス側が、一対の引出配線の端子部142に引き出される。
図4に示すように、合わせガラス構造太陽電池モジュールは、ガラス基板100と互いの間に複数の太陽電池セル110および引出配線の端子部142以外の部分を挟んで対向する第2ガラス基板であるガラス基板170を含む。ガラス基板170には、引出配線の端子部142を挿通させる開口部170hが形成されている。
また、合わせガラス構造太陽電池モジュールは、ガラス基板100とガラス基板170との間に位置する複数の太陽電池セル110および引出配線の端子部142以外の部分を封止する封止樹脂160を含む。封止樹脂160には、引出配線の端子部142を挿通させる開口部160hが形成されている。封止樹脂160としては、たとえばPET(ポリエチレンテレフタラート)樹脂、EVA(エチレン酢酸ビニル共重合樹脂)またはアイオノマー樹脂などを用いることができる。
封止樹脂160およびガラス基板170を配置した後、真空ラミネート装置によりガラス基板100とガラス基板170との外側から挟み込むように加圧しつつ加熱して、封止樹脂160を溶融させた後、硬化させる。このときの加熱温度は、100℃以上200℃以下である。このようにして、合わせガラス構造太陽電池モジュールが形成される。
形成された合わせガラス構造太陽電池モジュールにおいては、図5に示すように、裏面電極層115は、その背面側に設けられた封止樹脂160によって覆われている。裏面電極層115に形成された第3分離ライン116は、封止樹脂160によって埋め込まれている。封止樹脂160は、その背面側に設けられたガラス基板170によって覆われている。
封止樹脂160およびガラス基板170の外側に引き出された引出配線の端子部142には、ガラス基板170の背面側において図示しない端子ボックスが取付けられる。
上記のように形成される合わせガラス構造太陽電池モジュールにおいて薄型化を図る場合、太陽電池セル110内の透明電極層111と光電変換層113との間、または、光電変換層113と裏面電極層115との間で剥離が起きる可能性があることを本発明者は発見した。
以下、太陽電池セル110内の透明電極層111と光電変換層113との間、または、光電変換層113と裏面電極層115との間で起きる剥離、およびその解決方法について詳細に説明する。
図6は、比較例1として、非薄型の合わせガラス構造太陽電池モジュールにおいて封止樹脂が125℃まで加熱されて溶融状態であるときの寸法を示す断面図である。なお、図6においては、簡単のため、第1分離ライン112、第2分離ライン114および第3分離ライン116は記載していない。
図6に示すように、比較例1において、真空ラミネート装置により125℃まで加熱されて溶融した封止樹脂260aのうち、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂261aの厚さをL1とする。また、比較例1において、ガラス基板100とガラス基板170との間に位置する引出配線の一部であるバスバー230およびリード線の接続部241の厚さをd1とする。
すると、比較例1において、真空ラミネート装置により125℃まで加熱されて溶融した封止樹脂260aのうち、引出配線とガラス基板170との間に位置する封止樹脂262aの厚さは、L1−d1となる。
溶融した封止樹脂260aは、100℃以上200℃以下の温度で熱硬化する。図7は、比較例1において封止樹脂が熱硬化した後、25℃まで冷却されて自由に収縮した状態の寸法を示す断面図である。ここで、封止樹脂の線膨張係数をα×10-2/Kとする。
ガラス基板170が配置されていない状態において100℃だけ冷却されて、熱硬化した封止樹脂260bが収縮した場合、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂261bの厚さの収縮量はL1×αとなる。一方、引出配線とガラス基板170との間に位置する封止樹脂262bの厚さの収縮量は、(L1−d1)×αとなる。
図7に示すように、封止樹脂261bと封止樹脂262bとの厚さの収縮量の違いは、d1×αとなる。すなわち、引出配線の厚さに比例して封止樹脂の厚さの収縮量に差が生じることになる。
図8は、比較例1において、封止樹脂が熱硬化した後、25℃まで冷却されて収縮した状態の寸法を示す断面図である。図8に示すように、熱硬化した封止樹脂260は、ガラス基板170と接着しているため25℃まで冷却されても自由に収縮することができない。
すなわち、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する収縮量の多い封止樹脂261の厚さは、引出配線とガラス基板170との間に位置する収縮量の少ない封止樹脂262の厚さまでしか収縮できない。
すると、封止樹脂261に内部応力が発生する。この内部応力により、図8中の矢印10で示すように、ガラス基板170および太陽電池セル110には厚さ方向の引張応力が負荷される。
次に、封止樹脂の厚さを薄くして薄型化を図った比較例2の合わせガラス構造太陽電池モジュールについて説明する。
図9は、比較例2として、封止樹脂の厚さを薄くした合わせガラス構造太陽電池モジュールにおいて封止樹脂が125℃まで加熱されて溶融状態であるときの寸法を示す断面図である。なお、図9においては、簡単のため、第1分離ライン112、第2分離ライン114および第3分離ライン116は記載していない。
図9に示すように、比較例2において、真空ラミネート装置により125℃まで加熱されて溶融した封止樹脂160aのうち、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂161aの厚さをL2とする。なお、L1>L2である。また、比較例2において、ガラス基板100とガラス基板170との間に位置する引出配線の一部であるバスバー230およびリード線の接続部241の厚さをd1とする。
すると、比較例2において、真空ラミネート装置により125℃まで加熱されて溶融した封止樹脂160aのうち、引出配線とガラス基板170との間に位置する封止樹脂162aの厚さは、L2−d1となる。
図10は、比較例2において封止樹脂が熱硬化した後、25℃まで冷却されて自由に収縮した状態の寸法を示す断面図である。
ガラス基板170が配置されていない状態において100℃だけ冷却されて、熱硬化した封止樹脂160bが収縮した場合、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂161bの厚さの収縮量はL2×αとなる。一方、引出配線とガラス基板170との間に位置する封止樹脂162bの厚さの収縮量は、(L2−d1)×αとなる。
図10に示すように、封止樹脂161bと封止樹脂162bとの厚さの収縮量の違いは、d1×αとなる。すなわち、比較例2においても、引出配線の厚さに比例して封止樹脂の厚さの収縮量に差が生じることになる。比較例2においては封止樹脂160の厚さが比較例1より薄いため、封止樹脂の厚さに対する封止樹脂の収縮量の差の割合は、比較例2の方が比較例1より大きくなる。
図11は、比較例2において、封止樹脂が熱硬化した後、25℃まで冷却されて収縮した状態の寸法を示す断面図である。図11に示すように、熱硬化した封止樹脂160は、ガラス基板170と接着しているため25℃まで冷却されても自由に収縮することができない。
すなわち、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する収縮量の多い封止樹脂161の厚さは、引出配線とガラス基板170との間に位置する収縮量の少ない封止樹脂162の厚さまでしか収縮できない。
上記のように、封止樹脂の厚さに対する封止樹脂の収縮量の差の割合は、比較例2の方が比較例1より大きくなるため、封止樹脂161に比較例1より大きな内部応力が発生する。この内部応力により、図11中の矢印20で示すように、ガラス基板170および太陽電池セル110には比較例1より大きな厚さ方向の引張応力が負荷される。
この場合、太陽電池セル110内において、透明電極層111と光電変換層113との間、または、裏面電極層115と光電変換層113との間において、剥離が生じることがある。
そこで、本実施形態においては、封止樹脂の厚さに対応して引出配線の厚さを薄くすることにより、封止樹脂内に発生する内部応力を緩和した。図12は、本実施形態において、封止樹脂の厚さを薄くした合わせガラス構造太陽電池モジュールにおいて封止樹脂が125℃まで加熱されて溶融状態であるときの寸法を示す断面図である。なお、図12においては、簡単のため、第1分離ライン112、第2分離ライン114および第3分離ライン116は記載していない。
図12に示すように、本実施形態において、真空ラミネート装置により125℃まで加熱されて溶融した封止樹脂160aのうち、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂161aの厚さをL2とする。L2は、たとえば、1.5mm以下である。また、本実施形態において、ガラス基板100とガラス基板170との間に位置する引出配線の一部であるバスバー130およびリード線140の接続部141の厚さをd2とする。なお、d1>d2である。
すると、本実施形態において、真空ラミネート装置により125℃まで加熱されて溶融した封止樹脂160aのうち、引出配線とガラス基板170との間に位置する封止樹脂162aの厚さは、L2−d2となる。
図13は、本実施形態において封止樹脂が熱硬化した後、25℃まで冷却されて自由に収縮した状態の寸法を示す断面図である。
ガラス基板170が配置されていない状態において100℃だけ冷却されて、熱硬化した封止樹脂160bが収縮した場合、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂161bの厚さの収縮量はL2×αとなる。一方、引出配線とガラス基板170との間に位置する封止樹脂162bの厚さの収縮量は、(L2−d2)×αとなる。
図13に示すように、封止樹脂161bと封止樹脂162bとの厚さの収縮量の違いは、d2×αとなる。すなわち、本実施形態においても、引出配線の厚さに比例して封止樹脂の厚さの収縮量に差が生じることになる。本実施形態においては、引出配線の厚さが比較例2より薄いため、封止樹脂の厚さの収縮量の差は比較例2より小さくなる。
図14は、本実施形態において、封止樹脂が熱硬化した後、25℃まで冷却されて収縮した状態の寸法を示す断面図である。図14に示すように、熱硬化した封止樹脂160は、ガラス基板170と接着しているため25℃まで冷却されても自由に収縮することができない。
すなわち、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する収縮量の多い封止樹脂161の厚さは、引出配線とガラス基板170との間に位置する収縮量の少ない封止樹脂162の厚さまでしか収縮できない。
上記のように、本実施形態においては封止樹脂の厚さの収縮量の差が比較例2より小さくなるため、封止樹脂161に比較例2より小さな内部応力が発生する。この内部応力により、図14中の矢印30で示すように、ガラス基板170および太陽電池セル110には比較例2より小さな厚さ方向の引張応力が負荷される。
このように、封止樹脂の厚さに対応して引出配線の厚さを薄くすることにより、封止樹脂内に発生する内部応力を緩和することができる。その結果、薄型化した合わせガラス構造太陽電池モジュールにおいて、太陽電池セル110内で膜剥離が発生することを抑制することができる。
以下、封止樹脂の厚さと引出配線の厚さとを変化させて、太陽電池セル110内における剥離発生の有無を確認した実験例について説明する。
(実験例)
封止樹脂160として、アイオノマー樹脂を含むハイミラン(登録商標)を用いて本実施形態に係る合わせガラス構造太陽電池モジュールと同様の構成を有する合わせガラス構造太陽電池モジュールを作製した。
封止樹脂160として、アイオノマー樹脂を含むハイミラン(登録商標)を用いて本実施形態に係る合わせガラス構造太陽電池モジュールと同様の構成を有する合わせガラス構造太陽電池モジュールを作製した。
薄型の合わせガラス構造太陽電池モジュールにおいては、封止樹脂160の厚さは、通常1.5mm以下とされるが、本実験例では400μm以下まで薄くした。封止樹脂160の厚さを400μm以下まで薄くすることによって、太陽電池モジュールの端面において外部に曝される封止樹脂160の面積を小さくできるため、外部から太陽電池モジュール内へ水分などが浸入することを抑制して太陽電池モジュールの耐候性を向上できる。
真空ラミネート装置により125℃まで加熱されて溶融した封止樹脂160のうち、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂161の厚さをL3とする。また、ガラス基板100とガラス基板170との間に位置する引出配線の一部であるバスバー130およびリード線140の接続部141の厚さをd3とする。
比較例においては、L3=300μm、d3=120μm、(d3/L3)×100=40%とした。実施例1においては、L3=300μm、d3=52μm、(d3/L3)×100=17%とした。実施例2においては、L3=400μm、d3=120μm、(d3/L3)×100=30%とした。
太陽電池セル110内の剥離の有無を確認したところ、比較例においてバスバー130に沿って発生した剥離が発見され、実施例1および実施例2においては剥離が発見されなかった。
このように、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂161の厚さを400μm以下として薄型化した合わせガラス構造太陽電池モジュールにおいて、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂161の厚さに対して、引出配線の一部(バスバー130およびリード線140の接続部141)の厚さを30%以下とすることにより、封止樹脂161に発生する内部応力を緩和して、太陽電池セル110内での膜剥離の発生を抑制することができる。
その結果、合わせガラス構造太陽電池モジュールの薄型化を図りつつ不良率の増加を抑制し、透光性の高い合わせガラス構造太陽電池モジュールを安定して製造できる。
ただし、引出配線の厚さを薄くしすぎると、引出配線の電気抵抗の増加、配線強度の低下および配線部材の生産性の低下などの問題が発生するため、複数の太陽電池セル110とガラス基板170との間に位置する封止樹脂161の厚さに対して、引出配線の一部(バスバー130およびリード線140の接続部141)の厚さを17%以上とすることが好ましい。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
100,170 ガラス基板、110 太陽電池セル、111 透明電極層、112 第1分離ライン、113 光電変換層、114 第2分離ライン、115 裏面電極層、116 第3分離ライン、120 太陽電池ストリング、130,230 バスバー、140,241 リード線、141 接続部、142 端子部、150 絶縁性膜、160,160a,160b,161,161a,161b,162,162a,162b,260,260a,260b,261,261a,261b,262,262a,262b 封止樹脂、160h,170h 開口部。
Claims (4)
- 第1ガラス基板と、
前記第1ガラス基板上に順に積層された第1電極層、光電変換層および第2電極層を含む積層膜によって構成され、互いに電気的に接続された複数の太陽電池セルと、
前記複数の太陽電池セルの発電電力を取り出すように前記太陽電池セルに電気的に接続されるバスバーと、
前記複数の太陽電池セル上に設けられ、前記複数の太陽電池セルの発電電力を取り出すように接続部にて前記バスバーに接続されるリード線と、
前記第1ガラス基板と互いの間に前記複数の太陽電池セル、前記バスバー、および、前記リード線の一部を挟んで対向する第2ガラス基板と、
前記第1ガラス基板と前記第2ガラス基板との間に位置する前記複数の太陽電池セル、前記バスバー、および、前記リード線の前記一部を封止する封止樹脂と
を備え、
前記バスバーおよび前記リード線は、前記積層膜上で接続され、
前記複数の太陽電池セルと前記第2ガラス基板との間に位置する前記封止樹脂の厚さに対して、前記バスバーの前記接続部における厚さと前記リード線の前記接続部における厚さとを合計した厚さが30%以下である、合わせガラス構造太陽電池モジュール。 - 前記複数の太陽電池セルと前記第2ガラス基板との間に位置する前記封止樹脂の厚さが400μm以下である、請求項1に記載の合わせガラス構造太陽電池モジュール。
- 前記封止樹脂は、100℃以上200℃以下の温度で熱硬化する、請求項1または2に記載の合わせガラス構造太陽電池モジュール。
- 前記封止樹脂がアイオノマー樹脂を含む、請求項3に記載の合わせガラス構造太陽電池モジュール。
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