JP5834201B2 - 太陽電池装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、曲面を有する透光性プラスチック材を含む太陽電池装置およびその製造方法に関する。
近年、太陽電池はクリーンなエネルギー源として多くの関心が寄せられている。特に、発電効率の高いシリコン太陽電池は、住宅や車などのハイエンド市場向けの電力用の最有力候補として、様々な設置方法や施工部位が検討されている。太陽電池は、通常、太陽電池セルと透光性部材とを有し、透光性部材を通過した光が太陽電池セルに入射する。
現在提供されている主流の太陽電池装置の多くは、平面状の透光性部材を有する。つまり、図15に示されるように、太陽電池セル2を含む太陽電池装置の平面の積層体6を、その両サイドに設けた枠体7で被固定体に固定する(特許文献1参照)。
一方で、透光性部材を曲面にした太陽電池装置も提案されている(特許文献1)。図14に示された太陽電池装置11は、太陽電池セル2と、左右の両端部に曲面を有する透光性プラスチック材12とを有し、左右の両端部の枠部14で被固定体に固定される。図14に示される太陽電池装置を、自動車ルーフ、瓦一体型や建材一体型の住宅、船舶等に固定しようとすると、太陽電池装置の取り付け部位と被設置部との間に隙間が生じ、被設置部に密着させられなかった。その結果、太陽電池装置の取り付け部位において被固定体との間に生じた空間に、風雨が入ったりした。また、無駄なスペースが生じたりした。さらには、外観上の美観も損なわれるといった問題が生じていた。
このように、太陽電池装置の透光性部材を自動車ルーフなどの施工部位の曲面形状に対応した曲面構造にすることが望まれる場合がある。しかしながら、曲面構造を有する透光性部材を含む太陽電池装置は、透光性部材の曲率半径の小さい箇所において曲げ強度が不足し、太陽電池セルにクラックや割れが発生するという問題が生じやすい。
一方、現在提供されている太陽電池装置の透光性部材はガラス基板であることが多い。そのため、自動車ルーフ用の太陽電池装置の重量は、少なくとも30kgとなる。その結果、太陽電池装置を自動車用ルーフに取り付けた自動車の燃費が悪くなるという問題が生じている。これに対して、ガラス基板の代わりに、重量の軽いポリカーボネイト製の透光性プラスチック材12を用いて、風圧に堪えられる構造的強度を有する太陽電池装置を提供しようとする試みもある(特許文献1)。
特開平10−229215号公報
特許文献1には、図14に示すように曲面を有する透光性プラスチック材12を具備する太陽電池装置は、強化ガラスの透光性部材を用いた太陽電池装置と同等の強度を有すると記載されている。それにより、風圧により太陽電池装置が破壊されるという課題を解決するとしている。
図14に示される太陽電池装置は、太陽電池セル2の封止領域の外周の一部(左右の二辺)に設けた枠部14で、被固定体に固定される。しかしながら、太陽電池セル2の封止領域の外周の一部にのみ枠部14を設けているため、被固定体に固定された太陽電池装置の構造強度が十分ではなかった。また、被固定体に固定されていない部分(上下の二辺)を介して、太陽電池装置の内部に風雨や砂塵が舞い込むという問題があった。そのため、特許文献1に記載の太陽電池装置を、自動車の車内や家屋の室内を密閉するための部材(屋根など)として用いることはできなかった。
また、太陽電池装置は、その受光面に対する太陽光の入射角度を直角になるように配置されることが好ましい。発電量を高めるためである。しかしながら、特許文献1に記載の太陽電池装置は、太陽電池装置を被固定体に固定するための架台や枠体を用いて、太陽電池装置の受光面の角度を調整する必要があった。例えば、工場などの陸屋根や、地面などのフラットな場所に、特許文献1に記載の太陽電池装置を設置する場合は、太陽光の角度に応じて、架台や枠体を用いて、太陽電池装置の受光面の角度を調整する必要があった。
そこで本発明は、屋外に設置されても、太陽電池セルが汚染されることを抑制し、太陽電池セルの発電量を長期に維持する太陽電池装置を提供する。
本発明は、上記従来の課題に鑑み、太陽電池セルと、透光性プラスチック材と、を有する太陽電池装置において、透光性プラスチック材と被固定体とで密閉空間を構成し、両面受光型の太陽電池セルを密閉空間に配置可能とする。密閉空間には、風雨や砂塵による汚れが侵入しないように構成される。そして、密閉空間を構成する被固定体の設置領域の表面に光反射性を付与することが好ましい。
本願発明の第1は、透光性プラスチック材と、透光性バックシートと、前記透光性プラスチック材の封止領域と前記透光性バックシートとの間に配置され、互いにインターコネクタで電気接続された複数の両面受光型の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルを包囲する透明充填樹脂と、を具備する太陽電池装置を提供する。前記透光性プラスチック材はドーム状の曲面を有し、太陽電池装置を設置する被固定体の設置領域の全周において前記ドームが外側方向にL字状に折れ曲がった状態となるよう、前記ドームの底面に前記設置領域を取り囲む枠体が成型されている。前記透光性プラスチック材は、前記枠体の四方に配された固定部材により前記設置領域に前記枠体が固定されることで密閉空間を構成することができる。前記透光性バックシートと、前記太陽電池セルと、前記透明充填樹脂とは、前記密閉空間に配置され、前記太陽電池セルは、前記透光性プラスチック材の前記封止領域の内面に配置され、前記封止領域の表面は、前記被固定体の設置領域の表面に対して傾斜している。
前記密閉空間を構成する前記被固定体の前記設置領域の表面は、光反射性を有することが好ましい。
前記被固定体は、自動車の屋根を含む車体であり、前記太陽電池装置が、前記自動車の屋根の車体に固定されることで、外気の風雨が車内に入ることが防止されることが好ましい。
さらに、前記被固定体は、自動車の車内に光を取り入れるスライド板を含む屋根を含む車体であり、前記スライド板の太陽電池装置と対向する面には、光反射体が具備されていることが好ましい。
本願発明の第2は、透光性プラスチック板と、透光性バックシートと、前記透光性プラスチック材の封止領域と前記透光性バックシートとの間に配置され、互いにインターコネクタで電気接続された複数の両面受光型の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルを包囲する透明充填樹脂とを含む積層体を用意する工程と;前記積層体を、真空穴を設けた成形型に押し付けて、前記透光性プラスチック板を屈曲させて、透光性プラスチック材を得る工程とを含む、太陽電池装置の製造方法を提供する。
上記製造方法において、積層体は、透光性プラスチック板と、透光性バックシートと、前記透光性プラスチック材の封止領域と前記透光性バックシートとの間に配置され、互いにインターコネクタで電気接続された複数の両面受光型の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルを包囲する透明充填樹脂と、弾性のある樹脂シートとの積層物を加圧ラミネートして得ることが好ましい。
以上のように、本願発明の太陽電池装置は、透光性プラスチック材と被固定体とで密閉空間を構成し、密閉空間に両面受光型の太陽電池セルを装着する。そのため、太陽電池装置を屋外に設置しても、密閉空間内に装着された太陽電池セルが汚染されにくくなる。また、透光性プラスチック材と被固定体とで密閉空間を構成することができるので、太陽電池装置を固定するための専用の架台や枠体を必要としない。
また、密閉空間を構成する被固定体の設置領域の表面に光反射体を設けることで、被固定体の設置領域の表面で反射した光が、両面受光型の太陽電池セルに入射することができる。それにより、太陽電池セルによる発電量を高めることができる。また、密閉空間には、風雨や砂塵による汚れが侵入しないように構成されているので、光反射性が低下しない。そのため、太陽電池セルによる発電量の低下が抑制できる。
このように、本発明の太陽電池装置は、太陽電池セルの発電量が高く、単位面積当りの発電効率が高い。そして、太陽電池セルを配置した密閉空間内に風雨や砂塵による汚れが侵入しないように構成されているので、自動車の車内や家屋の室内を密閉するための部材として用いることができる。
実施の形態1の太陽電池装置の上面図 実施の形態1の太陽電池装置の断面図 実施の形態1の太陽電池装置の断面図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態2の太陽電池装置の断面図 実施の形態3の太陽電池装置の断面図 実施の形態3の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態3の太陽電池装置の製造フローを示す図 実施の形態4の太陽電池装置の断面図 実施の形態5の太陽電池装置の断面図 両面太陽電池装置の詳細断面図 従来の太陽電池装置の断面図 従来の太陽電池装置の斜視図
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
[実施の形態1]
図1A〜Cは、実施の形態1の太陽電池装置の上面図(図1A)および断面図(図1B(図1AにおけるA−A断面図)と図1C(図1AにおけるB−B断面図))である。図1A〜Cに示される太陽電池装置11は、複数個の両面受光型の太陽電池セル22を含む。互いに隣接する太陽電池セル22は、一方の太陽電池セル22の表側の受光面電極と、他方の太陽電池セル22の裏側の受光面電極とがインターコネクタ1によって電気的に接続されて、直列に電気接続されている。また、図1A〜Cに示される太陽電池装置11は、複数の太陽電池セル22を包囲する透明充填樹脂3を有する。
さらに、図1A〜Cに示される太陽電池装置11は、複数個の両面発電を行う太陽電池セル22の受光面側に透明充填樹脂3を介して配置された透光性プラスチック材12と、裏面側に透明充填樹脂3を介して配置された透光性バックシート25とを有し、これらが一体化されている。
図13に、実施の形態1の太陽電池装置の封止領域15における積層構成の例を示す。図13に示されるように、実施の形態1の太陽電池装置は、受光面側から、透光性プラスチック材12と、透明充填樹脂3と、両面発電を行う太陽電池セル22と、透明充填樹脂3と、透光性バックシート25とを具備する。一対の透明充填樹脂3は、両面発電を行う太陽電池セル22を包囲する。さらに、透光性プラスチック材12の太陽電池セル22と対向する面には密着層46が成膜されており、透光性プラスチック材12の外気に触れる表層には防水膜45が成膜されている。
防水膜45は、防水性、耐湿性、硬度向上能、UV遮蔽能などを有する。防水膜45の材料の例には、アクリル系、フッ素系などの透光性に優れる有機材料や、金などの金属薄膜などが含まれる。金属薄膜は、透光性が若干低下する場合がある。
透光性プラスチック材12の材料は、両面受光型の太陽電池セル22が発電するために必要な光透過量を確保できる樹脂からなり、ポリカーボネイトまたはアクリル樹脂(PMMA)などを含みうる。透光性プラスチック材12の表面(防水膜45との界面)には、反射防止膜が成膜されていてもよい。実施の形態1の太陽電池装置11における透光性プラスチック材12の厚みは、5mmである。
さらに、透光性プラスチック材12の表面、裏面または両面に、水蒸気透過率が0.2g/m・day以下のガスバリア層が成膜されていることが好ましい。透光性プラスチック材12は、ガラス基板と比べて、水分透過率および吸水率が高いためである。水蒸気透過率が0.2g/m・day以下のガスバリア層を成膜することで、透光性プラスチック材12を透過した水分によって透明充填樹脂3が加水分解することを抑制することができる。透明充填樹脂3が加水分解すると、透光性プラスチック材12と透明充填樹脂3との密着力が低下する。また、透光性プラスチック材12を透過して透明充填樹脂3との界面に侵入した水分は、使用時の温度変化により体積変化を起こして、透光性プラスチック材12と透明充填樹脂3とを剥離させ、さらにはその剥離箇所を拡大させる。さらには、透光性プラスチック材12と透明充填樹脂3を透過した水分が太陽電池セルの表面を劣化させたり、太陽電池セル間の接合部を劣化させることがある。
両面受光型の太陽電池セル22は、両面から入射した太陽光を電気に変換する太陽電池セルであり、HIT(商標登録、パナソニック株式会社)などに代表される。両面受光型の太陽電池セル22は、例えば、N型単結晶シリコンの一方の面にP層アモルファス層を設け、他方の面にN層アモルファス層を設けた構造を有する。実施の形態1の太陽電池装置11における両面発電を行う太陽電池セル22の厚みは130μmである。
実施の形態1の太陽電池装置11における太陽電池セル22は、抵抗率が1Ω・cm、厚さが約350μmのp型単結晶シリコン基板を含む。p型単結晶シリコン基板の両面には、テクスチャー構造(不図示)が形成されている。テクスチャー構造は、その表面における光反射を低減させる凹凸形状である。テクスチャー構造は、例えば、シリコン基板の表面をアルカリ溶液でウェットエッチングして形成される。
太陽電池セル22は、単結晶シリコン基板に代えて、多結晶シリコン基板などのシリコン基板を含んでいてもよい。多結晶シリコン基板の表面には、酸溶液を用いてテクスチャー構造を形成することができる。さらに、太陽電池セル22は、シリコン基板に代えて、GaAsやGeなどの化合物系半導体を含んでいてもよく、それにより太陽電池セル22は化合物系太陽電池となる。
太陽電池セル22に含まれるp型単結晶シリコン基板の一方の表面側には、n型層が形成されている。n型層は、p型単結晶シリコン基板の一方の表面から深さ約1μmまでの厚みでありうる。n型層は、p型単結晶シリコン基板の一方の表面を、約900℃でオキシ塩化リンガス(POCl3ガス)に曝して、P(リン)を熱拡散して形成する。オキシ塩化リンガスの代わりに、リンガラス(PSG)を用いる場合もある。
太陽電池セル22は、p型単結晶シリコン基板の受光面上に成膜された反射防止膜を有する。反射防止膜とは、例えば、SiNxからなり、プラズマCVD法により形成されうる。さらに、太陽電池セル22は、反射防止膜上に配置されたフィンガー状のAg電極を有する。Ag電極は、Agペーストを印刷し、熱処理を行うことで形成する。熱処理によって、Agを反射防止膜であるSiNx中に貫通させ、n型層の表面にAgを接触させる。このような熱処理を、ファイアースルー(貫通焼成)と称する。
太陽電池セル22に含まれるp型単結晶シリコン基板の他方の表面(裏面)側には、Alからなる裏面電極が配置される。Alからなる裏面電極は、p型単結晶シリコン基板の裏面にAlペーストをスクリーン印刷することにより形成される。さらに、約700℃で短時間加熱処理をすることで、シリコン基板にAlが熱拡散する。それにより、Alがハイドープされたp型層も合わせて形成される。
これらの工程によって、シリコン基板内に両面アモルファス層を持ち、シリコン基板上にAg配線を有する、両面発電を行う太陽電池セル22が得られる。
透明充填樹脂3は、太陽電池セル22を包囲する樹脂層であり;通常は、一対の透明充填樹脂3が、太陽電池セル22を上下から挟み込む。実施の形態1の太陽電池装置11における透明充填樹脂3の厚みは、それぞれ0.6mmである。
透明充填樹脂3は、エチレンを主成分とし、これと共重合可能な単量体との共重合体を含む。共重合体の例には、エチレンと、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステルとの共重合体;エチレンと、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸nブチル、メタクリル酸メチル等の不飽和カルボン酸との共重合体、またはそのアイオノマー;エチレンと、プロピレン、1-ブテン、1-ヘキセン、1-オクテン、4-メチル-1-ペンテンなどのα-オレフィンとの共重合体;あるいはこれらの2種以上の混合物などが含まれる。より典型的には、透明充填樹脂3は、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂(EVA)を含む。
透明充填樹脂3には、前記共重合体と架橋剤とを含む樹脂組成物の架橋体であってもよい。架橋剤は、例えば有機過酸化物であり、分解温度(半減期が1時間である温度)が90〜180℃であることが好ましい。有機過酸化物の例には、t-ブチルパーオキシイソプロピルカーボネイト、t-ブチルパーオキシアセテート、t-ブチルパーオキシベンゾエート、ジクミルパーオキサイド、2,5-ジメチル-2,5-ビス(t-ブチルパーオキシ)ヘキサン、ジ-t-ブチルパーオキサイド、2,5-ジメチル-2,5-ビス(t-ブチルパーオキシ)ヘキシン-3,1,1-ビス(t-ブチルパーオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘキサン、1,1-ビス(t-ブチルパーオキシ)シクロヘキサン、メチルエチルケトンパーオキサイド、2,5-ジメチルヘキシル-2,5-ビスパーオキシベンゾエート、t-ブチルハイドロパーオキサイド、p-メンタンハイドロパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、p-クロベンゾイルパーオキサイド、t-ブチルパーオキシイソブチレート、ヒドロキシヘプチルパーオキサイド、ジシクロヘキサノンパーオキサイドなどが挙げられる。
また、透明充填樹脂3には、前記共重合体と架橋剤とともに、架橋助剤を含む樹脂組成物の架橋体であってもよい。架橋助剤は架橋反応を容易に進行させることができる。架橋助剤の例には、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、エチレングリコールジメタクリルレート、トリメチロールプロパントリメタクリレートジビニルベンゼン、ジアリルフタレートなどが挙げられる。
さらに透明充填樹脂3は、前記共重合体と接着促進剤とを含む樹脂組成物の反応物であってもよい。接着促進剤は、透光性プラスチック材12と透明充填樹脂3との密着性を高める。接着促進剤は、シランカップリング剤などである。シランカップリング剤の例には、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス(β-メトキシ-エトキシ)シラン、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ-アミノプロピルトリエトキシシランなどが含まれる。
透明充填樹脂3に含まれるシランカップリング剤の末端基と、透光性プラスチック材12の表面の水酸基(OH基)とが加水分解・重合反応を起すことにより、透光性プラスチック材12と透明充填樹脂3間の密着力が発現する。
透明充填樹脂3にシランカップリング剤が添加されていない場合には、透明充填樹脂3と透光性プラスチック材12との密着力、または透明充填樹脂3と透光性バックシート25との密着力が低下し、剥離が生じることがある。そのため、運搬・使用時のパネル強度を確保することができなかったり、外観上の美観が損なわれたり、太陽電池装置の電気特性が低下するといった問題が生じることがある。
透明充填樹脂3には、さらにその他の各種添加剤が配合されていてもよい。添加剤の例には、太陽光中の紫外線による劣化を防ぐ為の、紫外線吸収剤、光安定剤、酸化防止剤などが挙げられる。紫外線吸収剤としては、2-ヒドロキシ-4-メトキシベンゾフェノン、2-2-ヒドロキシ-4-メトキシベンゾフェノン、2-ヒドロキシ-4-メトキシ-2-カルボキシベンゾフェノン、2-ヒドロキシ-4-n-オクトキシベンゾフェノン等のベンゾフェノン系、2-(2-ヒドロキシ-3,5-ジ-t-ブチルフェニル)ベンゾトリアゾール、2-(2-ヒドロキシ-5-メチルフェニル)ベンゾトリアゾール、2-(2-ヒドロキシ-5-t-オクチルフェニル)ベンゾトリアゾール等のベンゾトリアゾール系、フェニルサリチレート、p-オクチルフェニルサリチレート等のサリチル酸エステル系のものが挙げられる。光安定剤としてはヒンダードアミン系のものが挙げられる。また、酸化防止剤としては、ヒンダードフェノール系やホスファイト系のものが挙げられる。
透光性バックシート25の例には、PETフィルム、ポリエステルフィルム、ガラスクロス透明フィルム、アクリルフィルム、塩化ビニルフィルムなどが含まれる。また、透光性バックシート25は、これらのフィルムに、ITOやZnOなどの透明導電性材料を積層した積層フィルムであってもよい。実施の形態1の太陽電池装置における透光性バックシート25の厚みは、0.05mmである。
実施の形態1の太陽電池装置11は、図1A〜Cに示されるように、透光性プラスチック材12と被固定体24とで密閉空間20を構成する。つまり、透光性プラスチック材12はドーム状の曲面構造を有しているので、密閉空間20を構成することができる。
また、透光性プラスチック材12は、ドームの底面に枠部(ふち部)14を有している。透光性プラスチック材12は、枠部14を介して被固定体24の設置領域19に固定される。透光性プラスチック材12を被固定体24に固定するには、被固定体24に枠部14を固定ビス21や接着剤などで固定すればよい。透光性プラスチック材12の枠部14は、設置領域19の四方を囲むことが好ましい。密閉空間20の密閉性を高めるためである。
このように、透光性プラスチック材12の枠部14を被固定体24に固定するため、太陽電池装置を固定するための枠体としてのアルミフレームや、地面や屋根とを固定する専用の架台が必要とされない。
太陽電池装置11を固定する被固定体24は、特に限定されないが、地面、コンクリート部材、建築物や自動車の屋根などでありうる。
透光性プラスチック材12の密閉空間20の内面に、両面受光型の太陽電池セル22が配置される。太陽電池セル22が配置される領域を封止領域15と称する。太陽電池セル22は、透明充填樹脂3に包囲されている。太陽電池セル22と透明充填樹脂3とは、透光性プラスチック材12の封止領域15と透光性バックシート25との間に配置されている。密閉空間20の密閉性を高めることで、太陽電池装置を屋外に設置したときに、密閉空間20に設けた太陽電池セル22が風雨や砂塵により汚染されることを防止できる。
密閉空間20を構成する被固定体24の設置領域19の表面には、光反射体23が配置されていることが好ましい。このように、密閉空間24に光反射体23を配置することで、設置領域19の表面に光反射性を付与する。光反射体23が反射した太陽光は、両面受光型の太陽電池セル22に入射して光電変換される。また、光反射体23は、透光性プラスチック材12が構成する密閉空間に配置されているため、外部環境からの風雨や砂塵で汚れることが防止される。その結果、光反射性が維持される。その結果、太陽電池セル22の発電量を長期に亘って維持することができる。
実施の形態1の太陽電池装置の、被固定体24に固定されている透光性プラスチック材12の封止領域15の表面は、被固定体24の表面と平行ではない(図1B参照)。具体的には、太陽電池セル22による発電量が最大となるように、透光性プラスチック材12の封止領域15の表面が、太陽光の入射角度が直角に近くなるように設定することが好ましい。封止領域15の表面の角度は、透光性プラスチック材12の成型の形状を調整すればよい。
このように、実施の形態1の太陽電池装置11は、透光性プラスチック材12が被固定体と密閉空間を構成できるので、自動車や家屋の屋根に設置しても、自動屋の車内や家屋の室内を密閉する(風雨や砂塵が舞い込むことを抑制する)ことができる。さらには、透光性プラスチック材の形状を適宜設定することで、封止領域の表面の角度を調整することができる。そのため、太陽光の入射角度が封止領域の表面に対して直交するように、透光性プラスチック材の形状を設定することで、太陽電池セルの最大発電量を得ることができる。
実施の形態1の太陽電池装置は、このような構成により、太陽電池セル22を、風雨や砂塵の舞う外気から遮断することができ、信頼性の高い太陽電池装置を提供できる。
[太陽電池装置の製造方法]
実施の形態1の太陽電池装置の製造フローを図2A〜図2C、図3A〜図3C、図4A、図4B、図5A、図5B、および、図6を用いて説明する。
図2Aに示すように、平板の透光性プラスチック材12を準備する。平板の透光性プラスチック材12は、成型されることで、曲面を有する透光性プラスチック材12を構成する。透光性プラスチック材12は高い光透過性を要求され、UV波長帯は材料特性により吸収されうるが、太陽光の波長全体の平均光透過率は95〜98%であることが好ましい。
次に、図2Bに示すように、所定の大きさにカットされた透明充填樹脂3からなる膜を、透光性プラスチック材12に常温下で貼り付ける。透明充填樹脂3からなる膜の厚みは、太陽電池セル22の厚みや透光性プラスチック材12の曲面形状などによって適宜設定され、例えば0.2〜2mmの範囲に設定され、本実施の形態1では0.6mmとしている。また、透明充填樹脂3からなる膜は、1枚であっても、2枚以上の積層体であってもよく;さらに、領域毎にその枚数を違えてもよい。
図2Cに示すように、複数の太陽電池セル22同士の間を、インターコネクタ1で接続する。つまり、一方の太陽電池セル22の表面電極と、他方の太陽電池セル22の裏面電極とを、インターコネクタ1で接続する。インターコネクタ1は、接合材料26で太陽電池セル22の表面電極または裏面電極と接合される。
太陽電池セル22が発電した電力を取り出すために、太陽電池セル22の表面電極および裏面電極と、インターコネクタ1との間に、電気的な導通と、温度サイクルや高温高湿試験に耐える機械的な接合強度が必要である。そのため、接合材料26は、一般的にSnPbやSnAgCuやSnAgBiなどのはんだ材料や、ACF(anisotropic conductive film)と呼ばれる異方性導電フィルムや、NCP(non anisotropic conductive paste)と呼ばれるエポキシを主材とする接着用ペーストなどが用いられる。
インターコネクタ1を、接合材料26で太陽電池セル22の表面電極および裏面電極に接合するには、1)接合材料26を、太陽電池セル22の表面電極および裏面電極に、印刷、塗布、貼り付けなどにより供給し、2)太陽電池セル22の表面電極および裏面電極上に、インターコネクタ1を位置合わせし、3)加熱加圧ヘッドで、太陽電池セル22の両面から同時に、インターコネクタ1を太陽電池セル22の両面に圧着し、接合材料26を溶融後凝固させる。一般的な圧着条件は、例えば170〜250℃で5〜10秒間圧着する。太陽電池セル22のそれぞれに接合を行って、複数の太陽電池セル22を電気的に直列に接続する。
次工程として、図3Aに示すように、透明充填樹脂3の上に、インターコネクタ1で接続された複数の太陽電池セル22を位置合わせする。透光性プラスチック材料12の所定位置に、あらかじめ位置合わせ用認識マークを設けておくことが好ましい。認識マークを基準に、複数の太陽電池セル22を一括して、透明充填樹脂3の上に配置することができる。複数の太陽電池セル22を一括してマウントするので、太陽電池セル22へのダメージや、インターコネクタ1の断線などの不良に注意する。
次に、図3Bに示すように、複数の太陽電池セル22上に、対となる透明充填樹脂3を位置合わせしながらマウントする。透明充填樹脂3に切り込みをいれて、インターコネクタ1の引き出し部1aを外部に引き出す。
次に、図3Cに示すように、透光性バックシート25を、複数の太陽電池セル22上の透明充填樹脂3に位置合わせしながらマウントする。透光性バックシート25に切り込みをいれ、インターコネクタ1の引き出し部1a部分を外部に引き出す。このようにして、透光性プラスチック材12と、一対の透明充填樹脂3と、太陽電池セル22と、透光性バックシート25とが積層された積層物を得る。
次工程として、図4Aに示すように、図3Cで得られた積層物をラミネートして、一体化された積層体を得る。図4Aに示されるラミネート工程において、図3Cで得られた積層物に、弾性材料シート44を介して圧力を加える。弾性材料シート44を介して積層物を加圧することで、透光性プラスチック材12に均一な圧力を加えることができる。
透光性プラスチック材12に成膜されている反射防止膜およびガスバリア層は、水分を吸収していることがある。吸水されている水分が、ラミネート工程における加熱によって気泡として発生することがないように、透光性プラスチック材12から水分を除去しておくことが好ましい。透光性プラスチック材12から水分を除去するには、例えば、予め積層体を120℃で5h乾燥を行えばよい。積層体は、シリカゲルと共に密閉して保管し、開封直後にラミネート工程に使用することが好ましい。
図4Aに示されるラミネート工程では、透光性プラスチック材12のガラス転移温度(例えば、150℃)以下の温度に、下部の加熱金属板31および上部のヒータ27で上述の積層物で加熱する。それにより、積層物の透明充填樹脂3を充分に溶融させる。そのとき、透明充填樹脂3の架橋反応が開始しないように、真空加圧炉28と真空炉29の内圧を下げて、目安として130Pa以下とする。具体的には、真空加圧炉28と真空炉29の内部の真空引き工程を10〜30分間行う。
ラミネート工程で、弾性材料シート44が透光性バックシート25に接触する。しかしながら、真空加圧炉28の内圧と、真空炉29の内圧とが同一になるように制御しているため、弾性材料シート44による透光性バックシート25への加圧はほとんどない。よって、架橋反応は開始しない。
次に、真空炉29の真空を維持したまま、真空加圧炉28に空気を入れて、真空加圧炉28の内圧を0.5気圧〜最大2気圧の範囲に調整する。その結果、弾性材料シート44が透光性バックシート25を加圧し、透明充填樹脂3の架橋反応が充分に進行する。加圧時間は、例えば5〜15分間である。また、透明充填樹脂3の架橋反応が短時間で充分に進行するように、真空加圧炉28に、常温の空気ではなく、ホットエアー(最高200℃まで)を入れることもできる。
このようなラミネート工程により、透明充填樹脂3が架橋反応をおこし、透光性プラスチック材12と太陽電池セル22と透光性バックシート25間が密着し、一体化して積層体となる。その後、100〜150℃程度のキュア工程に投入し、透明充填樹脂3の架橋反応が完了するように30〜90分程度行う。
次工程として、図4Bに示すように、透光性バックシート25に端子箱32を取り付ける。端子箱32内は、通常、シリコーングリースで絶縁および防水防湿処理されている。太陽電池セル22で発電された電力は、インターコネクタ1にて電気的に引き出され、引き出し部1aで外部に引き出される。引き出し部1aは、端子箱32に、はんだや溶接工法などを用いて電気的に結線される。
インターコネクタ1は、端子箱32で外部配線と接続される。例えば、端子箱32を介して太陽電池装置11(図1A〜C)同士を電気的に結線し、電気的に接続した複数の太陽電池装置11で太陽電池システムが構成される。
次工程として、図5A、図5Bに示すように、図4Bで得られた積層体の透光性プラスチック材12を、所定の曲面を有する形状に成型するとともに、枠部14(図1A〜Cを参照)を成型する。これを、真空成形工程と称する。
真空成形工程の第1工程として、透光性プラスチック材12内の水分を除去するために、図4Bで得られた積層体をベーク処理する。ベーク温度は、透光性プラスチック材12の材料のガラス転位温度以下に設定し、一般的に100〜150℃程度にする。高湿環境化で保管されていた透光性プラスチック材12のベーク時間は、特に限定されないが、「厚み(mm)の2乗値×1時間」以内に設定する。例えば、透光性プラスチック材12の厚みが5mmの場合、25(=5×5)時間以下を目安にする。低湿環境化で適正に保管されていた透光性プラスチック材12の場合5mm厚みの場合、ベーク時間は5〜10時間程度でよい。
真空成形工程の第2工程として、ベーク炉から取り出した直後の透光性プラスチック材12の周縁部を、真空成形機の固定枠33で挟み込んで固定する。そのとき、太陽電池セル22が成形型34に対向するようにセットする(図5A参照)。
真空成形工程の第3工程として、上側ヒータ27aと下側ヒータ27dの温度を上昇させて、透光性プラスチック材12を加温する。透光性プラスチック材12の温度が、透光性プラスチック材12の材料のガラス転移温度(Tg)以上の150〜200℃になるように、上側ヒータ27a及び下側ヒータ27dの温度を設定する(例えば、300〜500℃の範囲に設定する)。それにより、透光性プラスチック材12を所望の形状に成型しやすくなる。
同時に、成形型34内に設けられたヒータ27bの温度と成形型取付台36のヒータ27cの温度も上昇させる(図5B参照)。ヒータ27bやヒータ27cの温度は、透光性プラスチック材12を変形させやすい温度であって、冷却により硬化可能な温度であることが好ましい。
真空成形工程の第4工程として、透光性プラスチック材12が所定温度に達した(例えば、約1〜3分間かけて150〜180℃とする)後に、下側ヒータ27dを構成する部材を移動させて、透光性プラスチック材12と固定枠33とを成形型34にまで移動可能な状態(移動に干渉しない状態)とする。
そして、図6に示すように、透光性プラスチック材12を真空成形によって所望の形状に成型する。固定枠33を下降させ、太陽電池セル22と一体化している透光性プラスチック材12を成形型34の頭頂部34a(図5B参照)に接触させる。さらに、固定枠33を継続的に下降させる。固定枠33が頭頂部34aに接触したとき、真空穴35に接続している真空ポンプが、成形型34の表面に複数ある真空穴35から空気を吸引する。
加熱により軟化した透光性プラスチック材12は、固定枠33によって下降されながら、成形型34に接触する。真空穴35から空気が吸引されているので、軟化した透光性プラスチック材12は成形型34に密着する。その結果、成形型34の形状が、透光性プラスチック材12に転写される。
成形型34に接触した透光性プラスチック材12の熱は、成形型34に移動する。その結果、透光性プラスチック材12は、温度の低下により硬化する。効率的に透光性プラスチック材12の温度を低下させるために、外部から扇風機などを用いてエアーをブローしてもよい。
透光性プラスチック材12が70℃以下になり、十分に硬化したことを確認した後に、真空穴35を通して空気を吹き出し、エアーブローにより成形型34と透光性プラスチック材12とを離型させる。さらに、固定枠33によって透光性プラスチック材12を上昇させて、成形型34と透光性プラスチック材12を離間させる。
次に、固定枠33による透光性プラスチック材12の固定を解除し、透光性プラスチック材12を取り外す。この一連の真空成型によって実施の形態1の太陽電池装置11(図1)が得られる。実施の形態1の太陽電池装置は、ドーム状の曲面を有する透光性プラスチック材12を有し、かつそのドームの底面に枠部(ふち部)14を有する。図6は、透光性プラスチック材12と成型器の断面を示しているが、図1に示されるように、得られる太陽電池装置はドーム状の透光性プラスチック材12を有する。
このように、太陽電池装置の透光性プラスチック材を、真空穴を設けた成形型に押し付ける方法で成型することで、透光性プラスチック材に、所望の曲面を形成できる。
[実施の形態2]
図7に、実施の形態2の太陽電池装置を示す。実施の形態2の太陽電池装置は、太陽電池セル22の透光性プラスチック材12の封止領域15以外の部分(側面部分)に、外部空間に対して凹状の曲面12aを有する。側面に凹状の曲面12aを設けることにより、太陽電池セル22の封止領域15の面積より、設置領域19の面積を小さくすることができる。設置領域19の面積を小さくすれば、被固定体24の面積に対する、太陽電池セル22の封止領域15の面積比率を高めることができる。その結果、太陽電池装置の設置効率が高まる。
また、透光性プラスチック材12の側面部分に凹状の曲面12aを設けることにより、設置領域19の外部の被固定体24の表面で反射した太陽光37の、透光性プラスチック材12の側面への入射角度が大きくなる。そのため、側面で反射する光が少なくなる。その結果、設置領域19の外側の被固定体24の表面で反射した太陽光37が両面受光型の太陽電池セル22に入射しやすくなり、太陽電池セル22の発電量を増加させることができる。
[実施の形態3]
図8に、実施の形態3の太陽電池装置を示す。実施の形態3の太陽電池装置は、太陽電池セル22の透光性プラスチック材12の封止領域15の表面に、外部空間に対して凸状の曲面12bを有する。太陽電池セル22の封止領域15に凸状の曲面12bを設けることによって、太陽電池装置の剛性が向上する。また、凸状の曲面12bの面角度を調整して、太陽電池セル22の封止領域15の表面への太陽光の入射角度をより直角に近づけることもできる。それにより、一年を通じての太陽高度の変化や、1日を通じての太陽の移動があっても、常に太陽電池セル22の封止領域15の表面での反射率を低減し、太陽電池セル22の発電量を向上させることができる。
実施の形態3の太陽電池装置は、実施の形態1の太陽電池装置と同様に、1)透光性バックシート25と、太陽電池セル22と、反射防止膜およびガスバリア層が形成された透光性プラスチック材12と、EVAに代表される透明充填樹脂3をラミネートして、一体化された積層体を得て(ラミネート工程)、2)得られた積層体を真空成型する(真空成型工程)ことで製造されうる。
図9に、ラミネート工程を示す。実施の形態3の太陽電池装置は、太陽電池セル22の封止領域15に凸状の曲面12bを有する(図8参照)。そのため、ラミネート工程において、凸状の曲面12bを有する透光性プラスチック材12の凸状の曲面12bに、両面発電を行う太陽電池セル22を貼り付ける。このラミネート法は、一般的な「加飾フィルム工法」を応用した方法である。
曲面ラミネータ42は、上枠42aおよび下枠42bと、凹形状を有する加熱型43と、を有する。曲面ラミネータ42の装置内部の凹形状を有する加熱型43に、凸状の曲面12bを有する透光性プラスチック材12を載置する。さらに、図2および図3に示されるフローと同様のフローで、加熱型43に載置された、凸状の曲面12bを有する透光性プラスチック材12に、太陽電池セル22、透明充填樹脂3、透光性バックシート25などをセットして積層物を得る。
次に、弾性材料シート44を具備する上枠42aを下降させて、得られた積層物を弾性体シート44で包み込む。
次に、真空炉29の内圧と真空加圧炉28の内圧とを130Pa以下にする。そして、ヒータ27と加熱型43の温度を上昇させて、透明充填樹脂3を加熱して40〜80℃とする。次に、真空加圧炉28に空気をいれて、内圧を0.5気圧から2気圧程度にする。その状態で、ヒータ27と加熱型の温度を100〜150℃まで上昇させ、透明充填樹脂3に圧力を加えながら加熱させ、透明充填樹脂3を架橋させる。
その後、ヒータ27及び加熱型43の温度を下げて、真空加圧炉28及び真空炉29を大気圧に戻す。上枠42aと下枠42bを開くことにより、凸状の曲面12bを有する透光性プラスチック材12を含む積層体を得ることができる。
図10に、真空成型工程を示す。図6に示される真空成型工程と同様に、成形型34に透光性プラスチック材12を密着させて、透光性プラスチック材12を所望の曲面形状にする。成形型34は、複数の分割型(分割中型34bと分割外型34c)からなり、それらを分割して取り外すことができる。そこで、図10に示される真空成型工程の完了後に、まず成形型34から、分割中型34bを図中下方向に移動させて取り外す。次に、成型した透光性プラスチック材の内部に残った分割外型34cを、中心側に移動させた後に引き抜くことができる。このようにして、側面に凹状の曲面12aを有する透光性プラスチック材12を形成し、容易に成型型34を除去することができる。
例えば、成形型34は、成型型取り付け台36からみたときに、(X:Y)行列で3×3=9分割されている。まず、(X:Y)行列の中央(0:0)の分割型を取り外し、次に、(1:0)(−1:0)(0:1)(0:−1)の分割型を取り外す。それから、(1:1)(−1:−1)(1:−1)(−1:1)の分割型を取り外す。
[実施の形態4]
図11に、実施の形態4の太陽電池装置を示す。実施の形態4の太陽電池装置は、実施の形態1の太陽電池装置の応用であり、被固定体としての自動車の屋根の車台38に固定されている。具体的には、太陽電池装置の透光性プラスチック材12の枠部14が、接着剤39によって車台38に固定されている。
太陽電池装置が車台38に固定されることで、自動車の室内が密閉されて、自動車の室内に外部からの雨風の侵入が抑制される。特に、図11に示されるように、車台38に車台凹部38aを設けておくことで、雨水は、車台38の車台凹部38aに沿って車外に流れて行く。
また、サンルーフ(外部からの光を車内に取り込むための天窓)を有する自動車の屋根の車台38に、実施の形態4の太陽電池装置を固定してもよい。実施の形態4の太陽電池装置は、両面発電を行う太陽電池セル22とインターコネクタ1以外は、光透過させる部材で構成されうる。そのため、実施の形態4の太陽電池装置を自動車の屋根の車台38に取り付けても、サンルーフとしての機能が維持できる。
また、実施の形態4の太陽電池装置を、サンルーフを有する自動車の屋根の車台38に固定した場合には、車台38の下に配置される車内天井板40にスライド板41を設けることができる。スライド板41を開けるとサンルーフを介して車内に太陽光を取り込むことができ、スライド板41を閉じるとスライド板41に遮られて車内に太陽光を取り込まれない。
スライド板41の太陽電池装置と対向する面には、光反射体23を設けることが好ましい。スライド板41を閉じたときに、サンルーフを透過した太陽光37が光反射体23で反射して、両面発電を行う太陽電池セル22の裏面に入射することができる。その結果、両面発電を行う太陽電池セル22の発電量の増加を図ることができる。
[実施の形態5]
図12に、実施の形態5の太陽電池装置を示す。実施の形態5の太陽電池装置は、太陽電池装置の設置領域19の周囲の、被固定体24の上に配置されたプリズム反射シート50を有するが、その他の構成は実施の形態1の太陽電池装置と同様である。プリズム反射シート50は、例えば、プリズム反射シートである。プリズム反射シートは、例えば、その表面に三角プリズムが形成されている。
プリズム反射シート50は、白色のシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタンゴムのフィルムや、白色塗装したポリカーボネイトやアクリルなどの樹脂板や、高反射の貝殻粉を混入した液体を塗装したフィルムである。
プリズム反射シート50にて入射した太陽光37を、両面受光型の太陽電池セル22に向かって反射させて、発電量を増加させることができる。両面受光型の太陽電池セル22の発電量を、例えば10〜20%増加させることができる。
2013年4月10日出願の特願2013−082309の日本出願に基づく優先権を主張する。本日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本発明の太陽電池装置は、ドーム状の曲面を有し、かつそのドームの底面に枠(ふち)が成型された透光性プラスチック材を有する。そのため、透光性プラスチック材の枠を被固定体に固定することで、ドーム内を密閉空間とすることができる。そのため、密閉空間に配置された太陽電池セルが、外部空間から(外気の風雨で)汚染されることが防止できる。また、本発明の太陽電池装置は軽量かつ剛性が高い。本発明の太陽電池装置は、一般家庭向けおよび商業用および車載用の太陽電池装置として用いることができる。
1 インターコネクタ
1a 引き出し部
2 太陽電池セル
3 透明充填樹脂
6 積層体
7 枠体
11 太陽電池装置
12 透光性プラスチック材
12a 凹状の曲面
12b 凸状の曲面
14 枠部
15 封止領域
19 設置領域
20 密閉空間
21 固定ビス
22 太陽電池セル
23 光反射体
24 被固定体
25 透光性バックシート
26 接合材料
27 ヒータ
27a 上側ヒータ
27b,27c ヒータ
27d 下側ヒータ
28 真空加圧炉
29 真空炉
31 加熱金属板
32 端子箱
33 固定枠
34 成形型
34a 頭頂部
34b 分割中型
34c 分割外型
35 真空穴
36 成形型取付台
37 太陽光
37a 反射光
38 車台
38a 車台凹部
39 接着剤
40 車内天井板
41 スライド板
42 曲面ラミネータ
42a 上枠
42b 下枠
43 加熱型
44 弾性材料シート
45 防水膜
46 密着層
50 プリズム反射シート

Claims (11)

  1. 透光性プラスチック材と、透光性バックシートと、前記透光性プラスチック材の封止領域と前記透光性バックシートとの間に配置され、互いにインターコネクタで電気接続された複数の両面受光型の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルを包囲する透明充填樹脂と、を具備する太陽電池装置において、
    前記透光性プラスチック材はドーム状の曲面を有し、太陽電池装置を設置する被固定体の設置領域の全周において前記ドームが外側方向にL字状に折れ曲がった状態となるよう、前記ドームの底面に前記設置領域を取り囲む枠体が成型されており、
    前記透光性プラスチック材は、前記枠体の四方に配された固定部材により前記設置領域に前記枠体が固定されることで、密閉空間を構成することができ、
    前記透光性バックシートと、前記太陽電池セルと、前記透明充填樹脂とは、前記密閉空間に配置され、
    前記太陽電池セルは、前記透光性プラスチック材の前記封止領域の内面に配置され、
    前記封止領域の表面は、前記被固定体の設置領域の表面に対して傾斜している、
    太陽電池装置。
  2. 前記密閉空間を構成する前記被固定体の設置領域には光反射体が具備される、請求項1に記載の太陽電池装置。
  3. 前記太陽電池装置が、前記被固定体の設置領域に固定されているときに、
    太陽光の入射角度が直交により近くなるように前記被固定体の表面の角度が設定されている、請求項1に記載の太陽電池装置。
  4. 前記透光性プラスチック材の前記封止領域以外の面が、太陽光を効率的に密閉空間に導けるように、外部空間に対して凹状の曲面を有する、請求項1に記載の太陽電池装置。
  5. 前記透光性プラスチック材の前記封止領域以外の面が、外部空間に対して凹状の曲面を有し、
    前記透光性プラスチック材の前記封止領域の面積よりも、前記被固定体の前記設置領域の面積が小さい、請求項1に記載の太陽電池装置。
  6. 前記透光性プラスチック材の前記封止領域が、太陽電池装置の剛性を高めるように、外部空間に対して凸状の曲面を有する、請求項1に記載の太陽電池装置。
  7. 前記被固定体は、自動車の屋根を含む車体であり、
    前記太陽電池装置が、前記自動車の屋根の車体に固定されることで、外気の風雨が車内に入ることが防止される、請求項1に記載の太陽電池装置。
  8. 前記被固定体は、自動車の車内に光を取り入れるスライド板を含む屋根を含む車体であり、
    前記スライド板の太陽電池装置と対向する面には、光反射体が具備されている、請求項7に記載の太陽電池装置。
  9. 前記被固定体の前記設置領域の周囲には、凹凸形状のプリズム反射シートが設けられ、プリズム反射シートで反射された太陽光を太陽電池装置に入射させる、請求項1に記載の太陽電池装置。
  10. 請求項1に記載する太陽電池装置の製造方法であって、
    透光性プラスチック板と、前記透光性バックシートと、前記複数の太陽電池セルと、前記透明充填樹脂とを含む積層体を用意する工程と、
    前記積層体を、真空穴を設けた成形型に押し付けて、前記透光性プラスチック板を屈曲させて、前記透光性プラスチック材を得る工程と、
    を含む、製造方法。
  11. 請求項10に記載する太陽電池装置の製造方法であって、
    前記積層体は、前記透光性プラスチック板と、前記透光性バックシートと、前記複数の太陽電池セルと、前記透明充填樹脂と、弾性のある樹脂シートとの積層物を加圧ラミネートして得る、製造方法。
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