JP6308471B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池モジュールに係り、特に曲面を有する太陽電池モジュールに関する。
車両等に太陽電池モジュールを設置する場合には、車両の車体の３次元形状に合わせた曲面を有することが望まれる。
例えば、特許文献１には、自動車等の車両に搭載される太陽電池モジュールとして、自動車のルーフ形状に対応した曲面構造とすることが述べられている。ここでは、太陽電池素子の曲げ強度の関係からある曲率半径以下に曲げると太陽電池素子が割れる恐れがあることを指摘している。
特開平１−１９６１８１号公報
曲面を有する太陽電池モジュールにおいて、太陽電池セルの割れを抑制することが望まれる。
本発明に係る太陽電池モジュールは、少なくとも第１方向において所定の曲率半径に設定された曲面を有する第１保護部材と、第１保護部材の上に配置される第１充填材と、第１充填材の上に配置され、光電変換部、及び、光電変換部の上に設けられる電極を有する太陽電池セルと、太陽電池セルの上に配置される第２充填材と、第２充填材の上に配置される第２保護部材と、電極に接続され第２方向に延びる接続部材と、を備え、太陽電池セルは、少なくとも第１方向とは垂直な第２方向の端部において、第１方向に沿った端部断面が波形形状を有し、且つ、端部断面の波形形状の山または谷が、前記接続部材が配置される位置に対応している。
本発明によれば、曲面を有する太陽電池モジュールにおいて、太陽電池セルの割れを抑制することができる。
本発明の実施の形態の太陽電池モジュールが搭載される車両を示す図である。 本発明の実施の形態における太陽電池モジュールの斜視図である。 図２のＡ−Ａ’断面を矢印の方向に見た断面図である。 図２のＢ−Ｂ’断面を矢印の方向に見た断面図である。 本発明の実施の形態における太陽電池ストリングの一部の斜視図である。 本発明の実施の形態における太陽電池モジュールの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態における太陽電池モジュールの製造方法において、加圧成型を示す図である。 図７の加圧成型によって各部材が第１保護部材の曲面に倣ってそれぞれ変形、湾曲することを示す図である。 本発明の実施の形態の太陽電池モジュールにおいて、太陽電池セルに波形形状を形成する方法を示す図である。 図９と逆の方向の湾曲を有する波形形状を形成する方法を示す図である。
以下に図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下で述べる材質、厚さ、寸法、太陽電池セルの数等は説明のための例示であって、太陽電池モジュールの仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（太陽電池モジュール１の構成）
図１は、太陽電池モジュール１を備えた車両を示す図である。図２は、太陽電池モジュール１の斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ’断面を矢印の方向から見た断面図である。以下では、車幅方向を第１方向、前後方向を第２方向と呼ぶ。
太陽電池モジュール１は、第１保護部材２と、第１充填材３と、複数の太陽電池ストリング４と、第２充填材５と、第２保護部材６とをこの順に備える。太陽電池モジュール１は、車体のルーフ部の外形形状に合せて、２次元または３次元曲面形状に形成されている。太陽電池モジュール１は、車体内側から外側に向かって湾曲している。第１保護部材２は受光面側の保護部材であり、第２保護部材６は裏面側の保護部材である。
第１保護部材２は、車体のルーフ部の曲面形状に合わせて少なくとも第１方向に所定の曲率半径Ｒ１を有する。第２方向にも所定の曲率半径Ｒ２を設定することができる。ここでは、第１方向の曲率半径Ｒ１は、第２方向の曲率半径Ｒ２よりも小さい。第１保護部材２は、外部から光を取り入れることができる透明な板体、フィルムである。第１保護部材２としては、ガラス板、樹脂板、樹脂フィルム等の透光性を有する部材を用いることができる。
第１充填材３は、太陽電池ストリング４に対し、衝撃の緩衝材としての役割と、汚染物質、異物、水分等の侵入を防ぐ機能等を有するシート部材である。第１充填材３は、耐熱性、接着性、柔軟性、成形性、耐久性等を考慮して材質が選定される。第１充填材３は外部からの光を取り入れるため、できるだけ高い無色透明性を有し、入射した光を吸収したり反射することなく透過させる透明充填材が用いられる。例えば、ポリエチレン系のオレフィン樹脂やエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等が用いられる。ＥＶＡ以外には、ＥＥＡ、ＰＶＢ、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等を用いることもできる。
太陽電池ストリング４の構成については後述する。
第２充填材５は、第１充填材３と同様の機能を有するシート部材である。第２充填材５は、第１充填材３と同様の構成の充填材を用いてもよいし、適当な反射性を有するように有色の充填材を用いてもよい。適当な反射性を有する有色の充填材としては、上記の無色透明性を有する充填材に、白色に着色するための添加材として、酸化チタンや酸化亜鉛等の無機顔料が添加されたものを用いることができる。
第２保護部材６は、不透明な板体やフィルムで、例えば、アルミ箔を内部に有する樹脂フィルム等の積層フィルムを用いることもできる。また、第２保護部材６として、無色透明なシートを用いてもよい。
（太陽電池ストリング４の構成）
太陽電池モジュール１は、第１方向に配置され、互いに並列接続された複数の太陽電池ストリング４を備える。太陽電池ストリング４は、第２方向に複数配置された太陽電池セル１０が接続部材１１により直列に接続されたものである。各太陽電池ストリング４は、第１保護部材２の形状に倣って湾曲している。
太陽電池セル１０は、光電変換部１２と受光面集電極１３と裏面集電極１４とを備える。
光電変換部１２は、太陽光等の光を受光することで正孔および電子の光生成キャリアを生成する。光電変換部１２は、例えば、結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体材料の基板を有する。光電変換部の構造は、広義のｐｎ接合である。例えば、ｎ型単結晶シリコン基板と非晶質シリコンのヘテロ接合を用いることができる。この場合、受光面側の基板上に、ｉ型非晶質シリコン層と、ボロン（Ｂ）等がドープされたｐ型非晶質シリコン層と、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）の透光性導電酸化物で構成される透明導電膜（ＴＣＯ）を積層し、基板の裏面側に、ｉ型非晶質シリコン層と、燐（Ｐ）等がドープされたｎ型非晶質シリコン層と、透明導電膜を積層する両面発電型の構造とできる。
光電変換部１２は、太陽光等の光を電気に変換する機能を有すれば、これ以外の構造であってもよい。例えば、ｐ型多結晶シリコン基板と、その受光面側に形成されたｎ型拡散層と、その裏面側に形成されたアルミニウム金属膜とを備える構造であってもよい。
受光面集電極１３、裏面集電極１４は、接続用電極であり、接続部材１１が接続される。１つの太陽電池セル１０は、受光面に３本の受光面集電極１３と、裏面側に３本の裏面集電極１４を有する。受光面集電極１３は、第１方向に３本並んで配置されており、第２方向に延びている。裏面集電極１４も同様である。受光面集電極１３、裏面集電極１４の幅としては１．５ｍｍから３ｍｍ程度が好ましく、厚さは２０μｍから１６０μｍ程度が好ましい。また、太陽電池セル１０の受光面および裏面には、それぞれ受光面集電極１３、裏面集電極１４に直交する複数のフィンガ電極が形成されていてもよく、フィンガ電極は受光面集電極１３、裏面集電極１４と電気的に接続される。
接続部材１１は、隣接する太陽電池セル１０を接続する導電性部材である。接続部材１１は、隣接する太陽電池セル１０のうち、一方の太陽電池セル１０の受光面上の３本の受光面集電極１３に接続されるとともに、他方の太陽電池セル１０の裏面上の３本の裏面集電極１４に接続される。接続部材１１と、受光面集電極１３、裏面集電極１４とは、接着剤を介して接続される。接続部材１１の幅は、受光面集電極１３、裏面集電極１４と同じかやや大きめに設定される。接続部材１１としては、銅等の金属導電性材料で構成される薄板が用いられる。薄板に代えて撚り線状のものを用いることもできる。導電性材料としては、銅の他に、銀、アルミニウム、ニッケル、錫、金、あるいはこれらの合金を用いることができる。
接着剤としては、アクリル系、柔軟性の高いポリウレタン系、あるいはエポキシ系等の熱硬化性樹脂接着剤を用いることができる。接着剤には、導電性粒子が含まれる。導電性粒子としては、ニッケル、銀、金コート付ニッケル、錫メッキ付銅等を用いることができる。接着剤として、絶縁性の樹脂接着剤を用いることもできる。例えば、太陽電池セル１０の受光面の場合、接続部材１１または受光面集電極１３の互いに対向する面のいずれか一方または双方を凹凸化して、接続部材１１と受光面集電極１３の間から樹脂を適当に排除して電気的接続を取るようにする。
（太陽電池セルの形状）
図４は、図２のＢ−Ｂ’断面を矢印の方向から見た断面図である。Ｂ−Ｂ’断面は、太陽電池セル１０の第２方向の端部において第１方向に沿った断面である。図５は、太陽電池モジュール１において、第２方向に隣接する太陽電池セル１０Ａ、１０Ｂの斜視図である。
太陽電池セル１０Ａ、１０Ｂは、図４，５に示すように、第１保護部材２の形状に倣って全体的に湾曲している。また、太陽電池セル１０Ａ，１０Ｂは、第２方向の各端部において、第１方向に沿った端部断面４０，４１，４３，４４がそれぞれ波形形状を有するように形成されている。具体的には、太陽電池セル１０Ａの端部断面４０は、接続部材１１が配置される位置に受光面側から裏面側に湾曲した凹形状（谷）が形成され、隣接する接続部材１１間の位置で裏面側から受光面側に湾曲した凸形状（山）が形成されている。太陽電池セル１０Ａの端部断面４１は、接続部材１１が配置される位置に裏面側から受光面側に湾曲した凸形状が形成され、隣接する接続部材１１間の位置で受光面側から裏面側に湾曲した凹形状が形成されている。すなわち、太陽電池セル１０Ａでは、第２方向における一方の端部と他方の端部とでは、凹形状が形成される位置と凸形状が形成される位置とが逆になっている。
太陽電池セル１０Ｂは、太陽電池セル１０Ａと同一の構成である。具体的には、太陽電池セル１０Ｂの端部断面４３は、太陽電池セル１０Ａの端部断面４０と同一の構成である。また、太陽電池セル１０Ｂの端部断面４４は、太陽電池セル１０Ａの端部断面４１と同一の構成である。
これらの波形形状は、太陽電池セル１０Ａ、１０Ｂが第２方向に沿って受光面側から裏面側または裏面側から受光面側に湾曲することにより形成されている。この湾曲は、太陽電池セル１０Ａ，１０Ｂの第２方向の中央部近傍で小さく、第２方向の端部で大きくなるよう形成されている。
接続部材１１は、太陽電池セル１０Ａの裏面集電極１４と太陽電池セル１０Ｂの受光面集電極１３とを接続している。すなわち、太陽電池セル１０Ａ，１０Ｂ間では、接続部材１１が太陽電池セル１０Ａの裏面側から太陽電池セル１０Ｂの受光面側に向かって延びる。ここで、太陽電池セル１０Ａの太陽電池セル１０Ｂに面する端部断面４１においては、接続部材１１が配置される位置に凸形状が形成されている。また、太陽電池セル１０Ｂの太陽電池セル１０Ａに面する端部断面４４においては、接続部材１１が配置される位置に凹形状が形成されている。
（太陽電池モジュール１の製造方法）
次に図６から図１０を用いて、太陽電池モジュール１の製造方法を説明する。なお、図６〜図１０は、太陽電池モジュール１の第１方向に沿った断面図であり、紙面下側を受光面側とする。なお、図６〜図８では、説明を容易にするため、太陽電池モジュール１が１つの太陽電池ストリング４を有するものとして示している。また、図６〜図１０では、受光面集電極１３、裏面集電極１４の図示を省略した。
図６に示すように、基台２０の上に、第１保護部材２、第１充填材３、太陽電池ストリング４、第２充填材５、第２保護部材６がこの順番に積層される。基台２０は、曲面を有する第１保護部材２の外形に合わせた曲面を有する治具である。第１保護部材２以外の各部材は、積層後、第１保護部材２の形状に合わせて加圧成型される。したがって、この時点では、第１保護部材２以外の各部材は平坦な形状をしている。ただし、第１充填材３は柔軟性を有するシート部材であるので、第１保護部材２の曲面に倣って湾曲しながら配置される。
次に、加圧成型について、図７、図８を用いて説明する。基台２０の上に各部材を積層後、第２保護部材６上に加圧成型用の弾性体２１を配置する。弾性体２１としては、気密性のあるラバーシート等を用いることができる。積層体および弾性体２１を加圧成形のための枠体２２に収納し、減圧装置２３で基台２０と弾性体２１の間を減圧する。これにより、図８に示すように、大気圧Ｐ0によって弾性体２１が受光面側に向かって撓み、基台２０上の第１保護部材２に対して各部材を押し付ける。この加圧成型によって、各部材が第１保護部材２の曲面に倣ってそれぞれ変形、湾曲する。なお、減圧法を用いず、弾性体２１を直接受光面側に向かって押圧してもよい。
加圧成型する際に、所定の部分を加熱することにより、太陽電池セル１０に任意の波形形状を形成する。具体的には、第１充填材３または第２充填材５の所定の部分を加熱し、各充填材の硬度を調整することにより、任意の位置に凹凸形状を形成することができる。第１充填材３の所定の部分を加熱する方法としては、基台２０内部にヒータを設けることにより実現できる。また、第２充填材５の所定の部分を加熱する方法としては、弾性体２１内部にヒータを設けることにより実現できる。
波形形状の形成方法について、図９、図１０を用いて説明する。図９は、接続部材１１が配置される位置で受光面側から裏面側に湾曲した凹形状となり、隣接する接続部材１１の間の位置で裏面側から受光面側に湾曲した凸形状となる波形形状を形成する方法を示す図である。図１０は、図９とは逆に、接続部材１１が配置される位置で裏面側から受光面側に湾曲した凸形状となり、隣接する接続部材１１の間の位置で受光面側から裏面側に湾曲する凹形状となる波形形状を形成する方法を示す図である。図９、図１０において、（ａ）では第１方向に沿った太陽電池モジュール１の断面図を示し、（ｂ）では第１充填材３、第２充填材５の第１方向に沿った位置における温度Ｔ３、Ｔ５を示している。なお、図９、図１０は、（ａ）において説明を容易にするため各部材の湾曲を省略している。
図９に示す波形形状を形成する場合、図９（ｂ）の上段に示すように、隣接する接続部材１１間の第１充填材３の温度Ｔ３を他の部分よりも高くする。これは、隣接する接続部材１１間に対応する位置に、第２方向に沿って延びる複数のヒータを備える基台２０を用いることにより実現できる。これにより、隣接する接続部材１１間の第１充填材３の硬度が低下し、変形しやすくなる。このとき、第２充填材５の硬度は、隣接する接続部材１１間の第１充填材３の硬度よりも高くなるように調整する。
このような状態で、加圧処理を行うと、太陽電池セル１０の隣接する接続部材１１間の領域Ｘは、裏面側から受光面側に向かって湾曲する。具体的には、弾性体２１により各部材が第１保護部材２に対して押圧されるため、第１充填材３、太陽電池ストリング４、第２充填材５および第２保護部材６は第１保護部材２の形状に倣って湾曲されていく。接続部材１１間の第１充填材３の硬度は、接続部材１１近傍の第１充填材３の硬度よりも低いため、弾性体２１に押圧されると接続部材１１間の第１充填材３が接続部材１１方向に向かって押し出される。これに対し、接続部材１１近傍の第１充填材３の硬度は高いため、弾性体２１に押圧されてもほとんど変形しない。そのため、領域Ｘは、弾性体２１に押圧されることにより裏面側から受光面側に湾曲する。
また、図９に示す波形形状は、図９（ｂ）の下段に示すように、接続部材１１近傍の第２充填材５の温度Ｔ５を他の部分よりも高くすることによっても形成することができる。これは、弾性体２１の接続部材１１に対応する位置に、第２方向に沿って延びる複数のヒータを内蔵させることにより実現可能である。このとき、第１充填材３の硬度は、接続部材１１近傍の第２充填材５の硬度よりも高くなるように調整する。
このような状態で、加圧処理を行うと、接続部材１１近傍の第２充填材５が接続部材１１間に向かって押し出されるのに対し、接続部材１１間の第２充填材５はほとんど変形しないため、太陽電池セル１０の接続部材１１近傍の領域が裏面側から受光面側に向かって湾曲する。
図１０に示す波形形状を形成する場合、接続部材１１近傍の第１充填材３の温度Ｔ３を他の部分よりも高くするか、隣接する接続部材１１間の第２充填材５の温度Ｔ５を他の部分よりも高くする。これにより、図９と同一の理由により、図１０の波形形状を形成することができる。
上記のように、太陽電池モジュール１の太陽電池セル１０は、少なくとも第２方向の端部において第１方向に沿った端部断面が波形形状を有している。これにより、第１保護部材２の曲面形状に倣って変形させた際に、変形により生じる応力を波形形状により吸収できるため、太陽電池セル１０の割れを抑制することができる。
また、太陽電池モジュール１の隣接する太陽電池セル１０Ａ，１０Ｂは、太陽電池セル１０Ａの太陽電池セル１０Ｂに面する端部において、接続部材１１が配置される位置における端部断面の波形形状が山となるとき、太陽電池セル１０Ｂの太陽電池セル１０Ａに面する端部において、接続部材１１が配置される位置における端部断面の波形形状が谷となる。これにより、太陽電池セル１０Ａの裏面側から太陽電池セル１０Ｂの受光面に延びる接続部材１１の変形を小さくすることができ、接続部材１１に余計な応力がかかることを抑制できる。そのため、太陽電池モジュール１の信頼性がさらに向上する。
（変形例）
実施形態では、車両に搭載される太陽電池モジュールについて説明したが、本発明はこれに限られず、少なくとも一方向において所定の曲率半径に設定された曲面を有する太陽電池モジュールに好適に適用される。
実施形態では、受光面側の第１保護部材２が曲面を有する構成とし、他の部材を第１保護部材２の形状に倣って変形させているが、裏面側の保護部材が曲面を有する構成とし、他の部材を裏面側の保護部材の形状に倣って変形させてもよい。
本実施形態では、太陽電池セル１０に波形形状を形成するために、第１充填材３、第２充填材５の硬度を変化させているが、本発明はこれに限られない。例えば、第１充填材３、第２充填材５の形状を予め波形形状にしておき、第１充填材３と第２充填材５とで、太陽電池セル１０を押圧することにより太陽電池セル１０に波形形状を形成してもよい。
本発明は、曲面を有する太陽電池モジュールに利用できる。
１ 太陽電池モジュール、２ 第１保護部材、３ 第１充填材、４ 太陽電池ストリング、５ 第２充填材、６ 第２保護部材、１０，１０Ａ，１０Ｂ 太陽電池セル、１１ 接続部材、１２ 光電変換部、１３ 受光面集電極、１４ 裏面集電極、２０ 基台、２１ 弾性体、２２ 枠体、２３ 減圧装置、４０，４１，４３，４４ 端部断面。

Claims (4)

  1. 少なくとも第１方向において所定の曲率半径に設定された曲面を有する第１保護部材と、
    前記第１保護部材の上に配置される第１充填材と、
    前記第１充填材の上に配置され、光電変換部、及び、前記光電変換部の上に設けられる電極を有する太陽電池セルと、
    前記太陽電池セルの上に配置される第２充填材と、
    前記第２充填材の上に配置される第２保護部材と、
    前記電極に接続され第２方向に延びる接続部材と、
    を備え、
    前記太陽電池セルは、少なくとも前記第１方向とは垂直な前記第２方向の端部において、前記第１方向に沿った端部断面が波形形状を有し、且つ、前記端部断面の波形形状の山または谷が、前記接続部材が配置される位置に対応している、太陽電池モジュール。
  2. 請求項1に記載の太陽電池モジュールにおいて、
    前記太陽電池セルは、前記第１保護部材の曲面に応じて湾曲している、太陽電池モジュール。
  3. 請求項１または２に記載の太陽電池モジュールにおいて、
    前記第１充填材の上に複数の太陽電池セルが前記接続部材により相互に接続されて配置され、
    隣接する太陽電池セルが互いに向かい合う端部において、一方側の太陽電池セルの前記接続部材が配置される位置における端部断面の波形形状が谷となるとき、他方側の太陽電池セルの前記接続部材が配置される位置における端部断面の波形形状が山となる、太陽電池モジュール。
  4. 請求項３に記載の太陽電池モジュールにおいて、
    前記第１保護部材は、前記第２方向においても所定の曲率半径に設定されており、
    前記第１方向の曲率半径は、前記第２方向の曲率半径よりも小さい、太陽電池モジュール。
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