JP6258659B2

JP6258659B2 - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP6258659B2
Application number: JP2013220103A
Authority: JP
Inventors: 晃本橋
Original assignee: Mitsui Chemicals Tohcello Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Tohcello Inc
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: JP2015082591A

Description

本発明は太陽電池に関するものであり、特に太陽電池モジュールにおいての光電変換効率を高める工夫が施されたものである。

現在実用化されている、太陽光を電気に変換する所謂太陽電池にはシリコン系、化合物系、有機系などが知られているが、実績があり広く用いられているものは、シリコン系である。
シリコン系にもその膜構造によって、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、微結晶シリコン型、アモルファスシリコン型などいくつもの種類がある。

太陽電池の構成において、太陽電池素子そのものを太陽電池セルと称し、太陽電池セルを平面的に必要枚数、隙間を設けて配置し、電気的に接続して屋外で利用できるよう樹脂や強化ガラスで保護しパッケージ化したものが太陽電池モジュールである。
太陽電池モジュールの裏面にも表面と同様に強化ガラスを用いてパッケージ化することができるが、施工に際して太陽電池モジュールの軽量化の要求やコストダウンの要求などから、現在はプラスチック複合フィルムなどのバックシートが主流となっている。

太陽電池の基本性能は光電変換効率であらわされるが、シリコン系、化合物系、有機系それぞれにおいて変換効率向上の工夫がなされてきている。
太陽電池セルそのものの改良はもちろんのこと、広い面積に照射された太陽光を光学的に絞り込んで太陽電池セルに照射する方法で、単位面積あたりの太陽電池セルの光電変換効率を上げる方法も工夫されている。

それ以外にも太陽電池モジュールの構成や、太陽電池セルを保護する封止材の構成を改良したものなどが提案されている。
例えば特許文献１では光電変換効率を上げるために前面封止材に紫外光を緑色〜近赤外光に変換する蛍光体を添加した太陽電池モジュールが提案されている。
しかしながら蛍光体の量子変換効率や後方発光、太陽電池セルに入射することなく太陽電池セル間の隙間に入射する光などを考えると入射光の利用は十分とはいえない。
また実際の太陽電池モジュールが長期間にわたって屋外で使用されることを考慮すると、主に紫外線や熱および水蒸気による劣化耐性すなわち耐候性が求められる。

特開２０１３−１２８１５３号公報特開２０１３−１２０９２６号公報

従来の太陽電池モジュールでは、紫外線は耐候性を得るために前面封止材に添加している紫外線吸収剤により吸収され、太陽電池セルに到達せず発電に寄与しない。また。封止材に含まれる紫外線吸収剤を単に取り除くだけでは、例えば一般的に用いられるエチレン・酢酸ビニル共重合樹脂の封止材の場合では、紫外線の照射によって樹脂中にラジカルが発生し、化学反応を起こすため、発色団が生成される。その結果、樹脂の黄変が発生し発電量の低下を招く。
本発明は上記２つのトレードオフを解決しようとするものである。
すなわち、入射光の紫外線成分も発電に寄与させつつ、紫外線による樹脂の変色、劣化などの耐候性も担保することを可能とする太陽電池モジュールを提供しようとするものである。
さらに太陽電池セル間の隙間に入射した光も、有効に光電変換に利用することを可能にする太陽電池モジュールを提供しようとするものである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、前面板と、前面封止材と裏面封止材とからなる封止材と、太陽電池セルと、バックシートとを有し、太陽電池セルは前面板とバックシートの間に挟み込まれており、前面板と太陽電池セルの間には前面封止材、バックシートと太陽電池セルの間には裏面封止材を配した太陽電池モジュールにおいて、前面封止材は紫外線吸収剤を含まず、Ｃ−Ｆ結合で構成される熱可塑性樹脂を含み、裏面封止材は紫外線領域の光を可視光領域の光に、波長変換する作用を有し、Ｃ−Ｆ結合で構成される熱可塑性樹脂はパーフルオロエチレンパーフルオロプロピレンコポリマーを含むことを特徴とする、太陽電池モジュールである。

また、請求項２に記載の発明は、裏面封止材に紫外線波長を可視光領域波長に変換する変換材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールである。

また、請求項３に記載の発明は、バックシートの可視光反射率が、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍにおいて２０％以上であることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュールである。

また、請求項４に記載の発明は、裏面封止材の変換材料の含有量は、０．０１重量％〜５重量％を含むことを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュールである。

（請求項１の発明の効果）
請求項1の発明によれば、前面封止材には紫外線吸収剤が含まれないため、太陽電池モジュールへの入射光は紫外線成分も損なわれることなく太陽電池セルに到達して、光電変換効率向上に寄与させることが可能になる。
また前面封止材は紫外線吸収剤を含まないが、耐候性に優れるＣ−Ｆ結合を有する熱可塑性樹脂を加えることにより、紫外線吸収剤を除くことによる耐候性の低下を防ぐことができる。

（請求項２の発明の効果）
請求項２の発明によれば、太陽電池モジュールへの入射光のうち太陽電池セル間の隙間から裏面封止材に到達した光は、変換材料によって紫外線波長から可視光領域波長に変換され散乱されることにより、効率的に太陽電池セルによる光電変換に寄与することが可能になる。

（請求項３の発明の効果）
請求項３の発明によれば、請求項２に記載したとおり、入射光のうち太陽電池セル間の隙間から裏面封止材に到達し紫外光領域から可視光領域波長に変換された光は、バックシートの反射によって効率的に太陽電池セル表面に戻され、光電変換に寄与することが可能となる。

本発明による太陽電池モジュールの一実施例を示す断面図である。

以下図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
前面板（１）には、耐候性や光の透過率の点でガラスを用いることができる。またガラスの材質は屋外で使用することを前提とすれば、強化ガラスであることが望ましい。
本発明において、光の透過率としては少なくとも可視光波長領域で５０％以上の光エネルギーが透過することが好ましい。
ガラスは高透過率で低反射の材質が望ましく、ガラス表面での反射による入射光のロスを避けるために、ガラス表面または背面には反射防止膜をもうけることもでき、また表面に反射防止フィルムを貼って用いることもできる。

太陽電池セル（３）は太陽電池モジュール（７）を構成するに当たって、樹脂によって封止を行う。
封止用樹脂としては、例えばエチレン・酢酸ビニル共重合樹脂、ポリエチレン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン系の樹脂等を用いることができるが、これに限られない。封止は太陽電池セルを覆い、保護する目的を持ち、封止用樹脂は太陽電池セルのガラスおよびバックシートへの接着剤として使われる。
市場では、太陽電池モジュール用にそのまま使用できる封止用フィルムとして入手することができ、またエチレン・酢酸ビニル共重合樹脂としてペレットの状態で入手することも可能である。
封止用樹脂に求められる性能としては、耐熱性、耐低温性、耐湿性、耐候性などの耐久性に優れていること、太陽電池セル、ガラス、バックシートに対する短期的および長期的接着性に優れていることが必要である。このような要求される性能を満たすために、特に紫外線による樹脂の劣化を避けるために封止用樹脂に紫外線吸収剤を加えて使用することが一般に行われている。また太陽電池モジュールとして、光電変換効率などが重要であるため太陽光線に対して透過率が高く、透明性に優れていることが重要である。そのほかにも、溶融時の流動性が良好で封止性に優れていることや、環境適合性なども重要である。

封止材（６）のうち前面封止材（２）に要求される物性としては、耐熱性、耐低温性、耐湿性、耐光性、などの耐久性や、光透過率が高く透明であることが求められる。
従来の前面封止材はたとえばエチレン・酢酸ビニル共重合樹脂に紫外線吸収剤を加え、パーオキサイド架橋剤、シランカップリング剤、光安定剤、架橋助剤などの添加剤を用いることが知られているが、本発明においては前面封止材（２）にはＣ−Ｆ結合を有する熱可塑性樹脂を加えて用い、紫外線吸収剤を含まないことを特徴とする。紫外線吸収剤を除くことにより、太陽光線のうち紫外線波長領域の光も吸収されることなく透過して、太陽電池セル（３）に到達して光電変換効率の向上に寄与することができる。
一方で耐候性に優れるＣ−Ｆ結合を有する熱可塑性樹脂を加えることにより、紫外線吸収剤を除くことによる耐候性の低下を防ぐことができる。Ｃ−Ｆ結合を有する熱可塑性樹脂としては、パーフルオロエチレンパーフルオロプロピレンコポリマーが挙げられ、三井デュポンフロロケミカル社製テフロン（登録商標）ＦＥＰ１００Ｊなどがある。
それ以外の、パーオキサイド架橋剤、シランカップリング剤、光安定剤、架橋助剤などは透過率に影響することはないため添加してもかまわない。

太陽電池セル（３）としては、シリコン系では、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、微結晶シリコン型、アモルファスシリコン型を用いることができ、化合物系であれば、ＧａＡｓ系、ＣＩＳ系、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４系、ＣｄＴｅ−ＣｄＳ系、その他を用いることができ、有機系であれば、色素増感型、有機薄膜型、量子ドット型などを用いることができる。
裏面封止材（４）は前面封止材と同様に封止材として求められる性能を満たさなければならない。裏面封止材（４）には前面封止材（２）と同じく、エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂にＣ−Ｆ結合を有する熱可塑性樹脂を加えて用いてもよく、またエチレン・酢酸ビニル共重合樹脂を単体で用いても良い。裏面封止材（４）は太陽電池セルの隙間から入射する紫外線波長を可視光領域波長に変換するための蛍光体を含む。例えばＢＡＳＦ社製のＴ
ＩＮＯＰＡＬＯＢ、ＴＩＮＯＰＡＬＮＦＷＬｉｑｕｉｄなどの蛍光体を用いることができる。これらの蛍光体によって例えば３００ｎｍ〜４００ｎｍの紫外光を４００ｎｍ〜５００ｎｍの可視光に変換することができる。蛍光体は、裏面封止材総量に対して０．０１重量％〜５重量％を含むことが望ましい。０．０１重量％以下の添加の場合、波長変換作用が得られにくくなり、５重量％以上の添加は、機能が飽和に達し、不経済である。蛍光体の粒径が小さいと光散乱強度は低下するが蛍光体の発光強度も低下する。
反対に粒径が大きすぎると添加濃度を多くする必要があり封止材の機能を損ねる。
蛍光体の粒径はこれらを考慮して１〜２０μｍの範囲が適当である。
裏面封止材（４）への他の添加剤としては、有機過酸化物架橋剤、シランカップリング剤、光安定剤、架橋助剤、発電効率の寄与から透明材料が望ましいなど公知の添加剤を使用することができる。

バックシート（５）には前面板（１）と同様にガラスを用いることも可能であるが、モジュールの重量やコストなどの観点から、金属箔やプラスチックフィルムを用いたバックシートを用いることができる。この場合にも太陽電池モジュール（７）が直接屋外に暴露されるためにバックシート（５）には耐紫外線などの耐候性が求められるほか、水蒸気バリアー性、耐湿性、耐熱性、などの耐久性、全面耐電圧などの電気特性、必要な機械特性が要求される。また、裏面封止材（４）との密着性を向上させるために、バックシートを構成する基材の裏面封止材と接する側に易接着層を設けても良い。易接着層としては、アクリル系、ウレタン系、ポリエステル系などの樹脂で構成されるコーティング層や、ポリオレフィン系に代表される、エチレン-酢酸ビニル共重合樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、アイオノマー等の樹脂で構成される、フィルム等を用いることができるが、これに限られない。
バックシート用基材として用いられるプラスチックフィルムは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリアミド（ナイロン６、６６）、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリエステルウレタン、ポリエーテルウレタン、ポリｍ−フェニレンイソフタルアミド、ポリｐ−フェニレンテレフタルアミドなどが用いられる。
これらのフィルムは太陽電池モジュールに必要とされる物性に応じて、耐候性バリアー材として、フッ素フィルム、耐候性ＰＥＴフィルム、アルミニウム箔、蒸着ＰＥＴフィルムなどとの複合フィルムとして用いることができる。

本発明においてバックシート（５）の反射率は４００ｎｍ〜６００ｎｍの可視光領域において、２０％以上とする。これにより裏面封止材（４）内で可視光に変換された光を反射して一部を太陽電池セルに戻すことができ、太陽電池モジュールの光電変換効率の向上に効率的に寄与することができる。例えばバックシートを構成するプラスチックフィルムや接着層、易接着層に酸化チタン、炭酸カルシウム、酸化チタン、硫酸バリウムなどの白色顔料、フィラーを添加したり、アルミ箔等の金属箔を積層したりすることで反射率２０％以上を実現することができる。
以下、参考形態の例を付記する。
１．前面板と、前面封止材と裏面封止材とからなる封止材と、太陽電池セルと、バックシートとを有し、
太陽電池セルは前面板とバックシートの間に挟み込まれており、
前面版と太陽電池セルの間には前面封止材、バックシートと太陽電池セルの間には裏面封止材を配した太陽電池モジュールにおいて、
前面封止材は紫外線吸収剤を含まず、Ｃ−Ｆ結合で構成される熱可塑性樹脂を含み、裏面封止材は紫外線領域の光を可視光領域の光に、波長変換する作用を有することを特徴とする、太陽電池モジュール。
２．裏面封止材に、紫外線波長を可視光領域波長に変換する変換材料を含むことを特徴とする１に記載の太陽電池モジュール。
３．バックシートの可視光反射率が、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍにおいて２０％以上であることを特徴とする２に記載の太陽電池モジュール。
４．裏面封止材の変換材料の含有量は、０．０１重量％〜５重量％を含むことを特徴とする２に記載の太陽電池モジュール。

（前面封止材）
下記材料組成で混ぜ合わせ、Ｔダイ成形機にて押し出し成形し、厚さ４５０μｍの前面封止材のフィルムを作成した。

エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂ペレット：
酢酸ビニル単位の含有量が３０質量％のＥＶＡ８０部フッ素樹脂：
パーフルオロ・エチレンパーフルオロ・プロピレンコポリマー２０部有機過酸化物架橋剤：
ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキシルモノカーボネート０．６部架橋助剤：
トリアリルイソシアヌレート０．４部酸化防止剤：
トリス（２，４−ジ−ｔ−ブチルフェニル）フォスファイト０．１部光安定剤：
ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）セバケート０．２部シランカップリング剤：
γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン０．４部
（裏面封止材）
下記材料組成で混ぜ合わせ、Ｔダイ成形機にて押し出し成形し、厚さ４５０μｍの裏面封止材のフィルムを作成した。
エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂ペレット：
酢酸ビニル単位の含有量が３０質量％のＥＶＡ１００部有機過酸化物架橋剤：
ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキシルモノカーボネート０．６部架橋助剤：
トリアリルイソシアヌレート０．４部酸化防止剤：
トリス（２，４−ジ−ｔ−ブチルフェニル）フォスファイト０．１部
光安定剤：
ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）セバケート０．２部シランカップリング剤：
γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン０．４部蛍光増白剤：
２，５−チオフェンジイルビス（５−ｔｅｒｔ-ブチル−１，３−ベンゾキサゾール）
０．５部
（バックシート）
２５０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムＳ１０（東レ株式会社製）の表裏に２５μｍのデュポン社ＰＶＦフィルムＰＶ２１１１を三井化学株式会社製二液硬化型ウレタン系接着剤Ａ５１１／Ａ５０を用いて接着乾燥後５ｇ／ｍ^２の接着層を形成しドライラミネート法で貼り合わせ、バックシートを作成した。
バックシートの反射率はＡＳＴＭＥ４２４に規定される測定方法で反射率を測定した。反射率は波長４００ｎｍ〜６００ｎｍにおいてすべて２０％を上回る反射率であることを確認した。

（太陽電池モジュール）
上記のとおり作成した部材を耐熱ガラス、前面封止材、シリコン系多結晶シリコン太陽電池セル、裏面封止材、バックシートの順に積層し真空ラミネーターにてラミネートして太陽電池モジュールを作成した。ラミネート条件は、温度１５０℃、真空引き３分、プレス３分、保持１０分のファストキュアリングで行った。

（評価方法）
作成した太陽電池モジュールの光電変換効率を、ソーラーシミュレーターによって評価した。また信頼性評価として、紫外線（キセノンウエザーメーター出力６０Ｗ／ｍ^２）による照射１０００時間と、耐湿熱試験を８５℃×８５％ＲＨの環境で、１０００時間、２０００時間、３０００時間、暴露したものに対しても太陽電池モジュールの光電変換効率を、ソーラーシミュレーターによって評価をした。

＜比較例１＞
実施例１の前面封止材のフッ素成分を除き、紫外線吸収剤２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクチルオキシベンゾフェノン０．２部を添加し、裏面封止材は蛍光体を除き、他は実施例１と同様の方法で太陽電池モジュールを作成し評価した。

＜比較例２＞
実施例１の前面封止材のフッ素成分を除き、裏面封止材は蛍光体を除き、他は実施例１と同様の方法で太陽電池モジュールを作成し評価した。

＜比較例３＞
実施例１の前面封止材のフッ素成分を除き、他は実施例１と同様の方法で太陽電池モジュールを作成し評価した。

評価結果

表中◎は良好、×は悪を表す。
表１の結果から、前面封止材に紫外線吸収剤を含まないことによる太陽電池モジュールの光電変換効率の向上が明確になり、前面封止材の紫外線吸収剤による耐候性向上効果を、前面封止材がＣ−Ｆ結合で構成される熱可塑性樹脂を含むことの効果で補うことができることが検証された。また蛍光体によって紫外線を可視光に波長変換してバックシートの反射によって太陽電池セルに効率的に戻すことの効果も検証された。

１・・・前面版
２・・・前面封止材
３・・・太陽電池セル
４・・・裏面封止材
５・・・バックシート
６・・・封止材
７・・・太陽電池モジュール

Claims

前面板と、前面封止材と裏面封止材とからなる封止材と、太陽電池セルと、バックシートとを有し、
太陽電池セルは前面板とバックシートの間に挟み込まれており、
前面板と太陽電池セルの間には前面封止材、バックシートと太陽電池セルの間には裏面封止材を配した太陽電池モジュールにおいて、
前面封止材は紫外線吸収剤を含まず、Ｃ−Ｆ結合で構成される熱可塑性樹脂を含み、裏面封止材は紫外線領域の光を可視光領域の光に、波長変換する作用を有し、Ｃ−Ｆ結合で構成される熱可塑性樹脂はパーフルオロエチレンパーフルオロプロピレンコポリマーを含むことを特徴とする、太陽電池モジュール。
裏面封止材に、紫外線波長を可視光領域波長に変換する変換材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
バックシートの可視光反射率が、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍにおいて２０％以上であることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
裏面封止材の変換材料の含有量は、０．０１重量％〜５重量％を含むことを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。