JP6315225B2

JP6315225B2 - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP6315225B2
Application number: JP2017509194A
Authority: JP
Inventors: 沙織永嶋; 宜英川下
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2036-02-09
Also published as: US20180006178A1; WO2016157682A1; CN107454983A; JPWO2016157682A1; CN107454983B

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。

太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができるため、新しいエネルギー源として期待されている。

一般に、太陽電池セルの１枚当たりの出力は数ワット程度である。そのため、家屋やビル等の電源として太陽電池を用いる場合には、複数の太陽電池セルを電気的に接続することによって出力を増大させた太陽電池モジュールが用いられる。太陽電池モジュールは以下のように構成される。

まず、導電性を有する配線材を用いて複数の太陽電池セルを電気的に直列に接続した太陽電池ストリングを準備し、その太陽電池ストリングをエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等の樹脂中に封止する。更にその外部に、衝撃から保護するためのガラスや複合樹脂シートを保護部材として配置する。

光入射面側の保護部材は、太陽電池モジュール表面への落下物からモジュールを保護するために強化ガラスが用いられることが多い。一方、主に屋根材と向かい合うことが多い太陽電池モジュールの裏面の保護部材は、薄く軟質な複合樹脂シートを用いることが多い。

太陽電池ストリングを封止する充填材は、近年、太陽電池モジュールの耐候性を高めるために、異なる材料の樹脂シートを組み合わせて用いる例が提示されている。

特開２０１１−１５９７１１号公報

本発明は、耐候性を高めた太陽電池モジュールを提供する。

本発明は、光入射面側に配置された表面側保護板と、第１の充填材と、太陽電池ストリングと、第２の充填材と、ガラス材料または複合樹脂シートからなり、前記第２の充填剤よりも耐候性が高い裏面側保護シートと、を備え、前記表面側保護板、前記第１の充填材、前記太陽電池ストリング、前記第２の充填材、及び前記裏面側保護シートが、この順に積層された太陽電池モジュールであって、前記太陽電池ストリングは、複数の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルを電気的に接続する配線材と、を含み、前記配線材は、前記複数の太陽電池セルのうち隣り合う太陽電池セルの一方の受光面側の電極および当該隣り合う太陽電池セルの他方の裏面側の電極に接続され、断面視において当該隣り合う太陽電池セルの間に曲部を有し、前記第１の充填材の粘弾性は、前記第２の充填材の粘弾性よりも低く、前記配線材の長さ方向と前記裏面側保護シートの最大伸縮方向とのなす角度は、４５度以上１３５度以下である太陽電池モジュールである。

本発明によれば、耐候性が向上した太陽電池モジュールを提供することができる。

図１は、本実施形態における太陽電池モジュールの表側の部分平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線における断面図である。図３は、裏面側保護シートの加工前の状態を示す俯瞰図である。図４は、図２における破線領域の拡大図である。図５は、本実施形態における太陽電池モジュールを構成する各部材の分解配置図である。

本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであって、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（太陽電池モジュールの構成）
本実施形態に係る太陽電池モジュール１００の概略構成について、図１〜図２を参照しながら説明する。

図１は、実施形態に係る太陽電池モジュール１００の表側の部分平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線における断面図である。図１に示すように、太陽電池モジュール１００は、配線材２０を用いて電気的に接続された複数の太陽電池セル１０からなる太陽電池ストリングを備え、太陽電池モジュール１００の周囲にはアルミニウム等の金属からなるフレーム３０を備える。図中の座標を基準とすると、太陽電池ストリングはｘ軸方向に延在している。

図２に示すように、太陽電池ストリングは、１本の配線材２０を用いて２枚の太陽電池セル１０を直列に接続した最小単位を、更に複数接続して構成されている。このため、太陽電池セル１０同士を接続する配線材２０は、太陽電池ストリングと同様にｘ軸方向に延在している。

隣接する２枚の太陽電池セル、すなわち、一の太陽電池セル及び他の太陽電池セルは、いずれも、第１主面と第２主面とを備えており、第１主面と第２主面とは極性が異なっている。このような２枚の太陽電池セル１０を電気的に直列に接続するために、配線材２０を用いて、一の太陽電池セル１０の第１主面と他の太陽電池セル１０の第２主面とを電気的に接続する。このとき、太陽電池セル１０と配線材２０とは、太陽電池セル１０の両面に形成されたグリッド電極４０を介して電気的に接続されている。すなわち、配線材２０は、断面視において平坦ではなく、図２に示すように曲がっている。

なお、配線材２０は、表面に凹凸形状を有していることが好ましい。これにより、配線材２０の表面に入射した太陽光を散乱させて、太陽電池セルの表面に再配光させることが可能となる。よって、配線材２０の配置による遮光ロスを低減することが可能となる。

太陽電池ストリングは、樹脂シートからなる充填材５０ａ及び５０ｂによって表裏両面から保護されており、太陽電池モジュール１００は、充填材５０ａを更に保護する表面側保護板６０と、充填材５０ｂを更に保護する裏面側保護シート７０と、を備えている。なお、図２において矢印Ｓは、太陽電池モジュール１００を屋外に設置した際に、太陽光が主に入射する向きを示している。

充填材５０ａ及び５０ｂの材料は、ポリオレフィン類、ポリエチレン類、ポリフェニレン類及びそれらの共重合体を始めとした熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂からなる群より選択するのが好ましい。充填材５０ａ及び５０ｂは、加熱圧着によって硬化させるが、表側の充填材５０ａの高温時における粘弾性が、裏側の充填材５０ｂの粘弾性よりも低い。本実施形態では一例として、充填材５０ａにポリオレフィン系樹脂、充填材５０ｂにエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いている。

充填材５０ａの上から太陽電池モジュール１００を更に保護する表面側保護板６０としては、ガラス板、アクリル樹脂板など、光透過性が高く、かつ太陽電池モジュール１００の表面を落下物等から保護できる程度に硬い材料を用いるのが望ましい。更に、硬化後の充填材５０ａよりも硬い材料であることが好ましく、本実施形態では強化ガラス板を用いている。

また、充填材５０ｂの上から太陽電池モジュール１００を更に保護する裏面側保護シート７０としては、硬くて耐侯性の高いガラス材料、柔軟性、熱耐性及び耐水性が高い樹脂シート、並びに複数の材料を積層してなる耐侯性の高い複合樹脂シートが一般に用いられる。とりわけ、製品重量及び製造コストの観点から、複合樹脂シートが使用されることが多く、本実施形態ではポリエチレンテレフタラートを主とした複合樹脂シートを用いている。

図３は、裏面側保護シート７０の加工前の状態を示す俯瞰図である。複合樹脂シートは、製造工程の最終段階において強く引っ張りながら一本のロール状に巻き取られ、その後、切断又は打ち抜き成型等によって所望の大きさに加工される。このとき、巻き取りの方向はＭＤ（ＭａｃｈｉｎｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼ばれ、ＭＤと垂直の方向はＴＤ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼ばれる。

こういった方法で製造された樹脂シートには、ＭＤ方向の伸縮応力が内在している。このような樹脂シートが熱サイクルによって伸縮する場合には、ＭＤ方向の伸縮率のほうがＴＤ方向の伸縮率よりも大きくなる。このことから、本明細書中では、このＭＤ方向を樹脂シートの「最大伸縮方向」と定義する。なお樹脂シートの巻き取り方向は、化学分析の手法を用いて樹脂中の分子の配向を確認することによっても測定することができる。

太陽電池モジュール１００の裏面側保護シート７０に複合樹脂シートを用いた場合、太陽電池モジュール１００使用時の温度サイクル等によって、裏面側保護シート７０に変形や伸縮が生じる。本願発明者らは、材料の異なる樹脂シートを組み合わせて太陽電池ストリングを封止する際、特定の条件下において、太陽電池モジュール１００使用時の熱サイクルにより、太陽電池ストリングを構成する太陽電池セルが移動する可能性があることを見出した。

図４は、図２における破線領域Ｒの拡大図である。太陽電池モジュール１００が加熱されると充填材が伸び、太陽電池セル同士の隙間が拡大する。太陽電池モジュール１００が冷却されると充填材が縮み、太陽電池セル同士の隙間が縮小する。このように太陽電池セル同士の隙間の大きさが変化することによって、配線材２０に負荷がかかることが予想される。長期間にわたって配線材２０に負荷がかかり続けると、配線材が金属疲労により劣化する可能性がある。すなわち本願発明の実施形態は、配線材２０の金属疲労を抑制するための実施形態である。

（裏面側保護シート７０の配置形態）
図５は、実施形態に係る太陽電池モジュール１００を構成する各部材の分解配置図である。図５に示すように、配線材２０の長さ方向と裏面側保護シート７０の最大伸縮方向とを一致させないように配置している。具体的には、配線材２０の長さ方向がＸ軸方向となるように配置し、裏面側保護シート７０の最大伸縮方向がＹ軸方向となるように配置した。つまり、配線材２０の長さ方向と裏面側保護シート７０の最大伸縮方向とが直交している。

裏面側保護シート７０の最大伸縮方向が配線材２０の長さ方向と直交することにより、配線材２０に対する裏面側保護シート７０のＸ軸方向の伸縮応力を減少させることができる。裏面側保護シート７０の伸縮応力が減少することにより、特に、図４に示される配線材２０の曲部へとかかる負荷を低減させることができる。

なお、本実施形態における長さ方向と最大伸縮方向とが“直交”とは、長さ方向と最大伸縮方向とのなす角度範囲が、９０度±１０度程度の範囲であることを示す。しかしながら、配線材２０の長さ方向と裏面側保護シート７０の最大伸縮方向とが一致しないように配置されていれば、一致している場合と比較してＸ軸方向の伸縮応力を減じることができるため効果がある。一定の効果を持たせるためには、配線材２０と裏面側保護シート７０の最大伸縮方向とのなす角度範囲が、９０度±４５度の範囲となるように配置されていることが好ましい。

ここまで説明した太陽電池モジュール１００の構成により、配線材２０の曲部の負荷を抑制できる理由は以下の通りであると考えられる。

まず、充填材５０ａ及び５０ｂに、いずれも加熱硬化後の粘弾性が高く硬い材料を用いた場合を説明する。太陽電池モジュール１００を屋外で使用する際に、熱サイクルによって裏面側保護シート７０が伸縮し、充填材５０ｂに応力が伝播する。しかし、加熱硬化されて互いに接着している充填材５０ａ及び５０ｂはどちらも十分に硬いため、裏面側保護シート７０からの伸縮応力を受けても伸縮しにくくなる。従って、この場合には、充填材５０ａと５０ｂとで封止されている太陽電池ストリングに対して、かかる伸縮応力は少なく、配線材２０の屈曲部にも伸縮応力が及びにくい。

一方、充填材５０ａ及び５０ｂの粘弾性に差があり、かつ充填材５０ａの粘弾性が低い場合、充填材５０ｂに伝播した裏面側保護シート７０の伸縮応力は、充填材５０ａによって阻害されにくい。すなわち、裏面側保護シート７０の伸縮によって充填材５０ｂが伸縮すると、充填材５０ｂに接着された太陽電池ストリングが伸縮応力を受ける。このとき、充填材５０ａに流動性があると、太陽電池ストリングを構成する太陽電池セルが移動することができるため、太陽電池セルの間隔が変化し、配線材２０の曲部に負荷がかかると予測される。

このような理由から、充填材５０ａ及び５０ｂの粘弾性に差があり、かつ充填材５０ａの粘弾性が低い場合、裏面側保護シート７０の最大伸縮方向と、配線材２０の長さ方向とが同じであるよりも、両者を異ならせるほうが、裏面側保護シート７０の伸縮が配線材２０の曲部へと与える応力を緩和することができる。すなわち、配線材２０の曲部に対する負荷を抑制し、太陽電池モジュール１００の信頼性を従来よりも向上させることができる。

なお、本実施形態において、太陽電池セル１０に配線材２０を接続する方法は特に限定されない。具体的には、銅の芯線をはんだコートした構造の銅製配線材を用いて、はんだづけして接続してもよい。この他、はんだコートした銅製配線材、又ははんだコートのない銅製配線材等を準備し、樹脂接着剤を用いて配線材２０を太陽電池セル１０に接続してもよい。

また、配線材２０については、一般に太陽電池モジュール製造に用いられるものを任意に使用してよい。

また、グリッド電極４０は銀以外の金属によって形成されてもよい。具体的には、電解メッキ等を用いて、銅を主成分とするグリッド電極４０を形成してもよい。

なお、本実施形態においては、配線材２０の長さ方向と裏面側保護シート７０の最大伸縮方向との関係について説明した。しかし、太陽電池ストリングを封止する充填材５０ａ及び５０ｂも、裏面側保護シート７０と類似の工程を経て製造された、ＭＤ方向の伸縮応力が内在する樹脂シートである。そのため、充填材５０ａ及び５０ｂの最大伸縮方向と配線材２０の長さ方向との関係についても同様の効果があることは理解可能である。つまり、充填材５０ａ及び５０ｂの最大伸縮方向を、配線材２０の長さ方向と一致しないように配置することにより、本実施形態と同様の効果が得られる。ここで、充填材を配置する角度については、裏面側保護シートを配置する場合と同様に、充填材５０ａ及び５０ｂの最大伸縮方向と配線材２０の長さ方向とがなす角度範囲が９０度±４５度の範囲となることが好ましく、９０度±１０度の範囲となることが更に好ましい。

なお、本実施形態に係る太陽電池モジュール１００の外形は、太陽電池セルを平面視した（ＸＹ平面を見た）場合、長辺及び短辺を有する矩形であり、当該長辺の方向と配線材２０の長さ方向とが、同じであってもよい。配線材２０の長さ方向が、太陽電池モジュール１００の長辺と一致している場合には、熱履歴による伸縮応力が大きくなる。しかしながら、この場合であっても、配線材２０の長さ方向と裏面側保護シート７０の最大伸縮方向とが異なることにより、配線材２０の曲部に対する負荷を抑制し、太陽電池モジュール１００の信頼性を従来よりも向上させることができる。

１０太陽電池セル
２０配線材
３０フレーム
４０グリッド電極
５０ａ、５０ｂ充填材
６０表面側保護板
７０裏面側保護シート
１００太陽電池モジュール

Claims

光入射面側に配置された表面側保護板と、
第１の充填材と、
太陽電池ストリングと、
第２の充填材と、
ガラス材料または複合樹脂シートからなり、前記第２の充填剤よりも耐候性が高い裏面側保護シートと、を備え、
前記表面側保護板、前記第１の充填材、前記太陽電池ストリング、前記第２の充填材、及び前記裏面側保護シートが、この順に積層された太陽電池モジュールであって、
前記太陽電池ストリングは、
複数の太陽電池セルと、
前記複数の太陽電池セルを電気的に接続する配線材と、を含み、
前記配線材は、前記複数の太陽電池セルのうち隣り合う太陽電池セルの一方の受光面側の電極および当該隣り合う太陽電池セルの他方の裏面側の電極に接続され、断面視において当該隣り合う太陽電池セルの間に曲部を有し、
前記第１の充填材の粘弾性は、前記第２の充填材の粘弾性よりも低く、
前記配線材の長さ方向と前記裏面側保護シートの最大伸縮方向とのなす角度は、４５度以上１３５度以下である、
太陽電池モジュール。
前記配線材は、前記複数の太陽電池セルのうち隣り合う太陽電池セルの間において当該隣り合う太陽電池セルの並び方向に延在しており、当該隣り合う太陽電池セルの一方の受光面側の電極および当該隣り合う太陽電池セルの他方の裏面側の電極に、導電性接着剤を介して接続されている、
請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記複数の太陽電池セルの配列方向と前記裏面側保護シートの最大伸縮方向とが直交している、
請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
前記配線材は、表面に凹凸形状を有している、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
前記太陽電池モジュールの形状は、前記複数の太陽電池セルを平面視した場合、長辺と短辺とを有する矩形であり、
前記長辺の方向と前記配線材の長さ方向とが同じである、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。