JP6500396B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

この発明は、内部に複数の発電素子が配列されている積層構造の太陽電池モジュールに関するものである。

上記のように構成された太陽電池モジュールの一例が、特許文献１に記載されている。特許文献１には、車両等に搭載される太陽電池モジュールとして、透明プラスチック板からなる表面層と、ＣＦＲＰ板からなる背面層と、それら表面層と背面層との間で発電素子を封止している封止層とを有する積層構造に構成することが記載されている。

また、積層構造の太陽電池モジュールでは、表面層と背面層とを様々な材質によって構成することが知られている。例えば、特許文献２には、表面層をガラス基板で、背面層をＦＲＰ板で構成すること、特許文献３には、表面層を樹脂フィルムで、背面層をＦＲＰ板で構成することがそれぞれ記載されている。

さらに、特許文献４には、表面層を樹脂フィルム、背面層をカーボン製の補強板によって構成する場合に、補強板の表面を凹凸形状にすることが記載されている。特許文献５には、表面層をガラス基板、背面層をセラミック板や樹脂板からなる押圧板によって構成する場合に、押圧板に凸部を設けることが記載されている。

特開２０１０−１５３５０２号公報 特開２００３−２０４０７３号公報 特開２００２−０８３９９０号公報 特開平１１−０２６７９６号公報 特開２００７−２９９５４５号公報

ところで、積層構造の太陽電池モジュールでは、耐候性や浸食防止など長期信頼性を確保するために、太陽電池モジュールの周縁部付近にはセルと呼ばれる板状の発電素子を設けないことが一般的である。

また、セルの大きさなどが理由となり、一つの太陽電池モジュールにおいて、封止層内に複数のセルが設けられている。例えば、複数のセルは、セルの周縁部同士が完全に密着するように配列されることは少なく、セル同士が間隔を空けて規則的に配列されることが多い。つまり、積層構造の太陽電池モジュールは、封止層内にセルが設けられている部分と、封止層内にセルが設けられていない部分とによって構成されていることになる。

しかしながら、セルが積層している部分と、セルが積層していない部分とでは、異なる積層構造となるため、セルの有無によって太陽電池モジュール内で部分的に異なる応力が生じてしまう。そのため、例えば熱変化を受けることで太陽電池モジュールで部分的な歪みが生じてしまうことによって、部分的に反りが起きてしまうなどの変形を生じる可能性がある。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、セルが積層している部分とセルが積層していない部分との応力差を低減させることができる構造の太陽電池モジュールを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、受光面を形成する表面層と、背面を形成する背面層と、前記表面層と前記背面層との間に形成された封止層とからなる積層構造を備え、前記封止層の内部に複数の発電素子が配列されている太陽電池モジュールにおいて、前記積層構造は、前記封止層内に前記発電素子が設けられている第一積層部と、前記封止層内に前記発電素子が設けられていない第二積層部とによって構成され、前記背面層は、前記第二積層部の部分において前記発電素子側とは反対の背面の側に突出していて、前記表面層および封止層ならびに背面層からなる前記第二積層部を構成する部分の厚さが、前記表面層および前記封止層ならびに前記封止層内の前記発電素子および前記背面層からなる前記第一積層部を構成する部分の厚さよりも厚く形成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、上記請求項１の発明に加え、前記背面層は、相対的に薄く形成されている第一部分と、前記第一部分よりも厚く形成されている第二部分と、前記第一部分と前記第二部分との間で厚さが徐々に変化するように形成されている第三部分とからなる板状に形成され、前記第一部分は、前記第一積層部を構成する部分であり、前記第二部分は、前記第二積層部を構成する部分であることを特徴とする太陽電池モジュールである。

請求項３に係る発明は、上記請求項２の発明に加え、前記第一部分と前記第三部分との境界は、前記第一積層部内に位置していることを特徴とする太陽電池モジュールである。

請求項４に係る発明は、上記請求項２または３の発明に加え、前記背面層のうち前記封止層側の面は平坦面に形成され、前記背面は、前記第一部分を形成する第一背面が凹面に形成され、かつ前記第二部分を形成する第二背面が凸面に形成されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

請求項５に係る発明は、上記請求項４の発明に加え、前記背面のうち前記第三部分を形成する第三背面は、厚さ方向に直交する方向に対して傾斜している傾斜面に形成されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

請求項６に係る発明は、上記請求項１から５のいずれかの発明に加え、前記表面層は、樹脂板により構成され、前記背面層は、ＣＦＲＰ板により構成されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

請求項７に係る発明は、上記請求項１から６のいずれかの発明に加え、前記積層構造の周縁部付近には、前記発電素子が設けられていない周辺エリアが前記周縁部に沿った枠形状に形成されており、前記第二積層部には、前記周辺エリア内を構成する外側第二積層部が含まれ、前記背面層は、前記第二積層部のうち少なくとも前記外側第二積層部を構成する部分が前記第一積層部を構成する部分よりも厚く形成されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

請求項１の発明によれば、第一積層部と第二積層部という層数が異なる構造を備えた積層構造において、第一積層部の内部で生じる応力と第二積層部の内部で生じる応力との差を低減できる。これにより、温度変化を受けた際に、局所的な変形が生じることを抑制できるとともに、全体としても変形しにくくなる。

請求項２の発明によれば、背面層の厚さが第一部分から第三部分を介して第二部分へと徐々に変化しているため応力集中を抑制することができる。

請求項３の発明によれば、第一部分から第三部分へと厚さが変化し始める境界が第一積層部に含まれることにより、第一積層部と第二積層部とを跨ぐようにして第三部分を設けられるので、第一積層部と第二積層部との境界への応力集中を抑制することができる。

請求項４の発明によれば、背面層の背面を凹凸面とすることにより背面層の厚さを部分的に変えているため、封止層と背面層との接合面が平坦面となる積層構造に構成することができる。これにより、封止層が背面層から剥離してしまうことを抑制できる。

請求項５の発明によれば、第一背面と第二背面とを繋ぐ第三背面が傾斜面であることにより応力集中を抑制することができる。

請求項６の発明によれば、表面層がガラス製の場合に比べて、軽量化が図れるとともに、表面層が樹脂製の場合も背面層のＣＦＲＰ板によって変形しにくい構成とすることができる。また、ＣＦＲＰ板であることにより、背面層を部分的に厚さが異なる構造を、例えばプレス加工、型成型、ＲＴＭ（ Resin Transfer Molding ）、オートクレーブ、射出成型などにより容易に製造することができる。

請求項７の発明によれば、背面層のうち、周縁部を含む枠形状の周辺エリア内を構成する部分を厚くすればよく、第二積層部全体を厚くするよりも軽量化が図れる。

この発明の具体例が前提とする構成を有する太陽電池モジュールの積層断面を示した断面図である。 （ａ）は太陽電池モジュールの表面図である。（ｂ）は太陽電池モジュールの背面側を示す斜視図である。（ｃ）は太陽電池モジュールの背面図である。 図１の断面図を部分的に拡大した説明図である。 前記前提とする構成を有する一例と比較例の試験結果を示した図である。 （ａ）は第一積層部の多層ばりモデルを示した図である。（ｂ）は第二積層部の多層ばりモデルを示した図である。 （ａ）は第一積層部で生じる軸力と曲げモーメントを示した図である。（ｂ）は第二積層部で生じる軸力と曲げモーメントを示した図である。 太陽電池モジュールを車両のソーラールーフに適用してサイドメンバとの取り付け構造を示した図である。 （ａ）はこの発明の一具体例における太陽電池モジュールの積層断面を示した断面図である。（ｂ）は（ａ）に示す太陽電池モジュールの背面側を示す斜視図である。 一具体例における太陽電池モジュールにおける発電素子の配置を説明するための表面図である。 （ａ）は第一比較例における太陽電池モジュールの積層断面を示した断面図である。（ｂ）は第二比較例における太陽電池モジュールの積層断面を示した断面図である。 温度上昇し続けた場合に第一比較例の太陽電池モジュールが変形する過程を示した説明図である。 （ａ）は多層ばりの基本モデルを示す説明図である。（ｂ）は（ａ）に示す多層ばりが温度変化を受けてたわんだ場合を示す説明図である。

以下、図面を参照して、この発明に係る太陽電池モジュールの具体例について説明する。

（１．積層構造）
図１は、この発明の具体例で前提とする構成を備えた太陽電池モジュール内の積層構造を説明するための断面図である。太陽電池モジュール１は、受光面１ａを形成する表面層Ｌ１と、内部に複数の発電素子２が設けられている封止層Ｌ２と、背面１ｂを形成する背面層Ｌ３とからなる積層構造に形成されている。表面層Ｌ１と背面層Ｌ３との間に封止層Ｌ２が形成されていることによって、表面層Ｌ１と封止層Ｌ２との界面は接合面に形成されているとともに、封止層Ｌ２と背面層Ｌ３との界面も接合面に形成されている。

表面層Ｌ１は、樹脂板３によって全体が単層構造に形成されている。表面層Ｌ１の厚さは全体が均一に形成されている。樹脂板３は、透明の樹脂材料によってフィルム状に形成されている。樹脂板３を構成する樹脂材料として、透明性に優れている周知の樹脂を採用することができる。

例えば、樹脂板３は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）などの樹脂によって構成されている。特に、ポリカーボネートによって構成された樹脂板３が表面層Ｌ１として好適である。なお、樹脂板３の表面にコーティング処理を行い、耐候性を向上させてもよい。

封止層Ｌ２は、発電素子２と封止材４との二つの構成部材からなり、内部で発電素子２が封止材４によって封止されている。封止層Ｌ２は全体が均一の厚さに形成されているが、内部に複数の発電素子２が配列されているため、全体としては、発電素子２の表面側および背面側に封止材４が設けられている三層構造となる部分と、発電素子２が設けられておらず封止材４のみで構成された単層構造となる部分とを含む。

発電素子２は、シリコン系セルなどの周知の発電素子である。すなわち太陽電池モジュール１はシリコン系太陽電池である。そのため、図示しないが封止層Ｌ２内にはセル２同士の電極を接続する導線が設けられている。一例として、隣り合う発電素子２同士は、一方の発電素子２の表面側電極と他方の発電素子２の背面側電極とが導線によって接続されていることによって、一群の発電素子２では各発電素子２が電気的に直列に接続されている。

封止材４は、透明の樹脂材料によってフィルム状に形成されている。封止材４を構成する樹脂材料として、シリコン系の太陽電池モジュールを形成する際に封止材として用いられている周知の樹脂を採用することができる。例えば、封止材４は、エチレン酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）、ポリオレフィン、アイオノマーなどの樹脂によって構成されている。

背面層Ｌ３は、バックシート（背面板）５によって単層構造に形成されている。バックシート５は、相対的に厚さが薄く形成されている第一部分５ａと、第一部分５ａよりも厚く形成されている第二部分５ｂと、第一部分５ａと第二部分５ｂとの間に形成されている第三部分５ｃとからなる板状に形成されている。第一部分５ａおよび第二部分５ｂは、それぞれに厚さが一定に形成されている。第三部分５ｃは、厚さの異なる第一部分５ａと第二部分５ｂとを接続している部分と言えるため、第一部分５ａ側から第三部分５ｃ側へと厚さが徐々に厚くなるように形成されている。また、バックシート５を構成する材質として、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）やアルミ、鉄、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの軽量で剛性の高いものを採用することができる。

このように構成された太陽電池モジュール１において、発電素子２が設けられていることによって三層構造となる封止層Ｌ２と、その表面側に位置する表面層Ｌ１と、その背面側に位置する背面層Ｌ３とからなる積層構造を、第一積層部１０とする。第一積層部１０は、表面１ａ側から背面１ｂ側へ向けて、樹脂板３、表面側の封止材４、発電素子２、背面側の封止材４、バックシート５の順に積層する五層構造となる。

同様に、太陽電池モジュール１において、発電素子２が設けられていないことによって封止材４のみの単層構造となる封止層Ｌ２と、その表面側に位置する表面層Ｌ１と、その背面側に位置する背面層Ｌ３とからなる積層構造を、第二積層部２０とする。第二積層部２０は、表面１ａ側から背面１ｂ側へ向けて、樹脂板３、封止材４、バックシート５の順に積層する三層構造となる。

要するに、第一積層部１０には発電素子２が積層しているが、第二積層部２０には発電素子２０が積層していないことになり、太陽電池モジュール１は全体として第一積層部１０と第二積層部２０という、層数が異なる多層構造を含む構成を備えていることになる。

また、太陽電池モジュール１の周縁部１ｃは、第二積層部２０の一部として形成されている。第二積層部２０には、周縁部１ｃを含む所定範囲（以下「周辺エリア」という）Ａ内で太陽電池モジュール１の外周部分を形成している外側第二積層部２１と、第一積層部１０同士に挟まれている部分を形成している内側第二積層部２２とが含まれる。エリアとは、長さ方向と幅方向とによって規定される範囲を表す。すなわち、長さ方向と幅方向とによって規定される平面上の面積を、エリアと表現できる。

図２（ａ）に示すように、太陽電池モジュール１は、長方形の表面（受光面）１ａと背面１ｂ（図示せず）を有し、全体形状が長方形板状に形成されている。周縁部１ｃは、太陽電池モジュール１の外周四辺として、長さ方向に延びる長辺部分と、幅方向に延びる短辺部分とを形成している。なお、図１は図２（ａ）のＳ１−Ｓ１断面を示している。

周辺エリアＡは、発電素子２が設けられていないエリア、すなわち第二積層部２０によって構成されているエリアであって、周縁部１ｃから内側へ向けた所定範囲として四角形枠状に形成されている。周縁部１ｃは、太陽電池モジュール１全体としての縁部であるとともに、周辺エリアＡおよび外側第二積層部２１の縁部を形成している。

周辺エリアＡの内側には、複数の発電素子２が一群をなすように配列されているエリア（以下「セルエリア」という）Ｂが形成されている。図２（ａ）に示す例では、セルエリアＢが周辺エリアＡに囲まれて太陽電池モジュール１の中央部分を含む四角形状のエリアに形成されており、そのセルエリアＢ内に、四角形板状に形成された発電素子２が、長さ方向に８列かつ幅方向に３列の合計２４個、規則的に配列されている。すなわち、一群をなす複数の発電素子２がセルエリアＢ内に密集して設けられている。

さらに、発電素子２同士が所定間隔を空けて配置されているため、セルエリアＢ内は、第一積層部１０と第二積層部２０（内側第二積層部２２）とによって構成されていることになる。図２（ａ）に示す例では、セルエリアＢ内の第二積層部２０（内側第二積層部２２）は、セルエリアＢ内で、幅方向と長さ方向との少なくともいずれか一方向で第一積層部１０同士に挟まれている部分を繋ぐように格子状に形成されている。

周辺エリアＡとセルエリアＢとの境界Ｃは、図１に示すように、一群の発電素子２のうち相対的に周縁部１ｃ側に配置されている発電素子２の外側の端部２ａの位置によって規定することができる。そのような発電素子２は複数存在するため、各外側の端部２ａを繋ぐようにした仮想線を境界Ｃと言うことができる。言い換えれば、複数の第一積層部１０のうち相対的に周縁部１ｃ側を形成している第一積層部１０の端部の位置が境界Ｃの位置と言える。したがって、上述したようにして規定された境界Ｃによって、太陽電池モジュール１を周辺エリアＡとセルエリアＢとに分けることができる。

一般的な太陽電池モジュールでは、腐食防止などの耐久性や発電効率の長期保証などの観点から、太陽電池モジュールの端部（周縁部）付近には発電素子を設けないことが望ましい場合がある。そのため、この太陽電池モジュール１では、周縁部１ｃ付近に発電素子２を設けない周辺エリアＡを設けている。すなわち、セルエリアＢとは、発電素子２を設置可能なエリアと言える。

また、太陽電池モジュール１では、第二積層部２０のうち周辺エリアＡを構成する外側第二積層部２１が、第一積層部１０よりも厚く形成されている。図１に示すように、背面層Ｌ３となるバックシート５が第一から第三部分５ａ，５ｂ，５ｃを有する構造であるために、太陽電池モジュール１が部分的に厚さの異なる構造に形成されていることになる。

図１および図２（ｂ），（ｃ）に示すように、バックシート５では、第一部分５ａがセルエリアＢを構成する部分となり、第二部分５ｂが周辺エリアＡを構成する部分となる。また、第三部分５ｃは境界Ｃ上を構成する部分となる。そのため、バックシート５の背面５０のうち、第一部分５ａを形成する第一背面５０ａがセルエリアＢ内に、第二部分５ｂを形成する第二背面５０ｂが周辺エリアＡ内に設けられていることになる。第一背面５０ａは四角形状に形成され、第二背面５０ｂは四角形枠状に形成されている。さらに、第三部分５ｃを形成する第三背面５０ｃは、第一背面５０ａを囲み、かつ第二背面５０ｂに囲まれるようにして四角形枠状に形成されている。つまり、背面５０は内側から外側へ向けて、第一背面５０ａから第三背面５０ｃを介して第二背面５０ｂへ到る連続面である。

バックシート５のうち封止層Ｌ２側の接合面５１は、表面１ａに沿った形状に形成されており、幅方向に平行に沿った平坦面に形成されている。一方、第二部分５ｂが第一部分５ａよりも背面側に突出しているため、第一背面５０ａは背面５０における凹面を形成し、かつ第二背面５０ｂは背面５０における凸面を形成する。そのため、凹面としての第一背面５０ａを有する第一部分５ａが相対的に薄く、かつ凸面としての第二背面５０ｂを有する第二部分５ｂが相対的に厚くなっている。図１に示すように表面１ａが幅方向に沿った平坦面の場合、第一および第二背面５０ａ，５０ｂはいずれも、受光面１ａと平行すなわち幅方向に平行な平坦面となる。したがって、第一部分５ａおよび第二部分５ｂでは、それぞれに一定の厚さに形成されている。

図３に示すように、第一部分５ａは厚さｔ₁₀に、第二部分５ｂは第一部分５ａよりも厚い厚さｔ₂₀に、第三部分５ｃは厚さｔ₁₀〜ｔ₂₀の範囲内に形成されている。第三背面５０ｃは、第一背面５０ａと第二背面５０ｂとを繋ぐ面として、幅方向に対して傾斜している傾斜面に形成されている。接合面５１が平坦面、かつ第三背面５０ｃが傾斜面であるため、第三部分５ｃは、第一部分５ａと第二部分５ｂとの間で厚さが徐々に変化する構造を備えていることになる。また、第三背面５０ｃが傾斜面である場合、図示しないが長さ方向で第一背面５０ａと第二背面５０ｂとを繋ぐ部分は、長さ方向に対して傾斜している。さらに、背面５０には、第一背面５０ａと第三背面５０ｃとの第一境界部５０ｄと、第三背面５０ｃと第二背面５０ｂとの第二境界部５０ｅとが含まれる。

第一境界部５０ｄは、境界Ｃよりも内側、すなわち発電素子２の外側の端部２ａよりも内側に位置している。第一境界部５０ｄは背面層Ｌ３のうち第一積層部１０を構成する部分に含まれていることになる。言い換えれば、背面層Ｌ３のうち発電素子２と対向している部分の背面５０に第一境界部５０ｄが設けられていることになる。

つまり、セルエリアＢのうち第一境界部５０ｄから境界Ｃに到るエリアでは、背面層Ｌ３が第三部分５ｃによって構成されている。そのため、セルエリアＢ内の積層構造の厚さは、境界Ｃ付近が中央部分よりも厚く形成されており、第一境界部５０ｄから境界Ｃに向けて徐々に厚くなる。

第二境界部５０ｅは、境界Ｃよりも外側、すなわち発電素子２の外側の端部２ａよりも外側に位置している。第二境界部５０ｅは背面層Ｌ３のうち第二積層部２０（外側第二積層部２１）を構成する部分に含まれていることになる。したがって、第三部分５ｃ（第三背面５０ｃ）は、境界Ｃを跨ぐようにして、周辺エリアＡの内周縁側、およびセルエリアＢの外周縁側を形成するエリア内に設けられている。

なお、バックシート５が炭素繊維強化プラスチック板（以下「ＣＦＲＰ板」という）によって構成されている場合、炭素繊維が二方向へ編み込まれていることによって、背面５０は微細なスケールでは凹凸面に形成されていることになるが、炭素繊維は樹脂で含浸されているため、その表面はほぼ平坦となる。樹脂の含浸量や製法によっては凹凸面となる可能性はあるが、上述した平坦面とは、ＣＦＲＰ板の背面５０が微細なスケールでは凹凸面であるものの、太陽電池モジュール１全体的なスケールとしては直線状に延びている面を形成していることを意味する。また、ＣＦＲＰ板は上述のような炭素繊維が編み込まれたものに限らず、炭素繊維を短繊維としたものであってもよい。

（２．実施例と比較例）
次に、太陽電池モジュール１が変形しにくい構造であることを、実施例と比較例とを比較して説明する。実施例は、上述した構成を備える太陽電池モジュール１のことである。比較例として、図１０（ａ）に示す第一比較例の太陽電池モジュール１００と、図１０（ｂ）に示す第二比較例の太陽電池モジュール２００とを用意した。各比較例は、実施例とは異なり、背面層Ｌ３の厚さｔ₁₀₀，ｔ₂₀₀が一定であるために全体として積層構造の厚さが一定に構成された太陽電池モジュールのことである。第二比較例の背面層Ｌ３の厚さｔ₂₀₀は、第一比較例の背面層Ｌ３の厚さｔ₁₀₀の二倍に形成されている。

実施例と各比較例では、背面層Ｌ３の構造および厚さが異なるのみで、太陽電池モジュールを構成するその他の構成部材、例えば表面層Ｌ１や封止層Ｌ２の構成は同じである。実施例の背面層Ｌ３における第二部分５ｄの厚さｔ₂₀は、第一比較例の背面層Ｌ３の厚さｔ₁₀₀と同じ厚さである。さらに、図２（ａ）に示す幅方向寸法および長さ方向寸法は、実施例と各比較例ともに同じ大きさに形成されている。具体的には、実施例と各比較例ともに、表面層Ｌ１はポリカーボネートからなる樹脂板３によって構成され、背面層Ｌ３はＣＦＲＰ板からなるバックシート５によって構成されている。したがって、実施例が最も軽く、第一比較例、第二比較例の順に重くなる。

この試験では、実施例と第一比較例と第二比較例とのそれぞれに対して、同一条件下で太陽電池モジュール１，１００，２００の温度が変化した場合における変位を測定した。その試験結果を図４に示してある。図４は、温度差ΔＴによって生じる変位Ｄを表す試験結果であり、実線が実施例の試験結果を、一点鎖線が第一比較例の試験結果を、点線が第二比較例の試験結果を示している。

図４に示す試験結果から、温度上昇が同様であった場合、実施例は各比較例よりも変位が小さいことが分かる。例えば、所定の温度差の場合、実施例の変位が最も小さく、次いで第二比較例の変位、そして第一実施例の変位が最も大きい。仮に温度差ΔＴが変化しても、実施例と各比較例との間には、常に上述した変位の大小関係が成立する。したがって、太陽電池モジュール１は、各比較例よりも変形しにくい構造であることが分かる。さらに、第二比較例のように背面層Ｌ３を全体的に厚くするよりも、実施例のように第二積層部２０のみを第一積層部１０よりも厚くしたほうが変形しにくくなることが分かる。

図１１には、第一比較例の太陽電池モジュール１００が温度上昇によって変形する過程を、変形初期と変形中期と変形後期として示してある。第一比較例の幅方向寸法および長さ方向寸法は、実施例と同様であるため、図１１に示す太陽電池モジュール１００は図２（ａ）のＳ２−Ｓ２断面とみなせる。変形前の太陽電池モジュール１００の形状、特に図１１に示す幅方向に沿った断面形状は、長さ方向中央部分が表面側に凸状の湾曲状である。図１１に示すように、変形初期では、温度上昇に伴いわずかに形状が変化するものの、ほぼ温度上昇を受ける前の形状に保たれている。その後、温度上昇を受けて変形中期に到ると、周辺エリアＡにおいて背面側に向けて凸となる反り変形が生じて直線状になる。さらに温度が上昇して変形後期に到ると、周辺エリアＡは背面側に凸の湾曲状に変形する。また、図示しないが、変形後期からさらに温度が上昇すると、周辺エリアＡに続き、セルエリアＢが背面側に凸の湾曲状に変形してしまい、いわゆるバックリングが生じてしまう。このように、周辺エリアＡは発電素子２が設けられていないために、セルエリアＢに比べて早く変形するとともにその変形量が大きくなってしまう。図１１に示すような変形が生じる要因は、太陽電池モジュール１００が各層が接合されている多層構造に形成されていることが挙げられる。

（３．太陽電池モジュールの応力）
そこで、多層ばり理論により太陽電池モジュール１の応力について説明する。

まず、図１２（ａ），（ｂ）に示す片持ちｎ層ばりの多層ばりモデルを用いて、多層ばり理論について説明する。ｎ層ばりにおいて、温度変化を受けることにより、ｉ層内では、熱膨張によるひずみ（以下「熱ひずみ」という）ε ^’ _i、軸力Ｐ_iによるひずみ（以下「軸ひずみ」という）ε ^’’ _i、曲げモーメントＭ_iによるひずみ（以下「曲げひずみ」という）ε ^’’’ _iが生じる。そして、各層に生じるひずみε_iは、熱ひずみε ^’ _iと軸ひずみε ^’’ _iと曲げひずみε ^’’’ _iとの和で表すことができるので、下記式１で表すことができる。

上記式１のα_iは線形膨張係数を、ΔＴは温度変化を、Ａ_iは断面積を、Ｅ_iはヤング率を、Ｐ_iは軸力を、Ｒは各層の中立面における曲率半径を、ｔ_iは各層の厚さを表す。ここで、各層では厚さｔ_iが曲率半径Ｒ_iに比べて微小であることを考えると、いずれの層についても曲率半径Ｒ_iは略等しくなると仮定できる。そのため、全ての層について同一の曲率半径Ｒを用いることができる。なお、図１２（ｂ）に示すδはたわみを表す。

二層間の接合面におけるひずみの連続性から、接合面におけるひずみは等しくなるため、下記式２で表すことができる。

また、軸力のつりあいから、下記式３を得ることができる。

全層における曲げモーメントと曲げ剛性と曲率半径との関係は、弾性曲線方程式から、下記式４で表すことができる。

上記式４のＭ_iは各層に生じる曲げモーメントを、Ｅ_iＩ_iは曲げ剛性を、Ｉ_iは断面二次モーメントを表す。上記式４に示す全層における曲げモーメントは、曲げモーメントの釣り合いから、下記式５で表すことができる。

上記式５のｙはｎ層ばり全体の中立面から表面までの距離を表す。また、各層に生じる応力σ_iは、各層に生じるひずみ、すなわち上記式１に各層のヤング率Ｅ_iを乗じることによって得られるが、熱ひずみε ^’ _iは応力を生じさせないため、下記式６のように表すことができる。

この多層ばり理論を、図１１に示す変形を生じた第一比較例に適用すると、第一比較例における五層構造の第一積層部１０の曲率半径Ｒ₁₀と、三層構造の第二積層部２０の曲率半径Ｒ₂₀とを予測することができる。上記式４から第一比較例において、第一積層部１０の曲率半径Ｒ₁₀が第二積層部２０の曲率半径Ｒ₂₀よりもかなり大きくなってしまうことが分かる。曲率半径Ｒが小さいということは太陽電池モジュール１００が大きく変形していることになるので、第一比較例では第一積層部１０よりも第二積層部２０のほうが曲率半径が小さい、すなわち変形量が大きくなってしまう。そのため、第一比較例の太陽電池モジュール１００では局所的な変形が生じてしまう。例えば、第一比較例では、第一積層部１０の曲率半径Ｒ₁₀は第二積層部２０の曲率半径Ｒ₂₀の二倍以上の値になる場合がある。

つまり、図１１を参照して上述した第一比較例の変形が生じる一つ目の要因として、太陽電池モジュール１００が異なる構成部材を接合させた多層構造であることが挙げられる。各層の界面が接合されているため、温度上昇により各層で生じる軸力の大きさおよび作用方向が異なることが変形の要因として挙げられる。この一つ目の要因は実施例の太陽電池モジュール１にも共通するが、第一比較例では、実施例とは異なり、全体の厚さが均一に構成されているので、これが二つ目の要因となり、各積層部１０，２０で温度差ΔＴによるひずみの生じ方が異なってしまう。そのため、第一比較例では、第二積層部２０は第一積層部１０よりも変形しやすい構造となっている。これは第一比較例よりも背面層Ｌ３が厚い第二比較例についても同様である。

一方、実施例では、第二積層部２０、特に周辺エリアＡ内の外側第二積層部２１が、第一積層部１０よりも厚く形成されているため、温度変化を受けた場合に第一積層部１０と第二積層部２０とで生じる応力の差が小さくなる。そのため、太陽電池モジュール１全体として変形しにくい構造を有していることになる。具体的には、図５（ａ），（ｂ）および図６（ａ），（ｂ）を参照して、実施例の太陽電池モジュール１に多層ばり理論を適用して説明する。

図５（ａ）に示すように、実施例の第一積層部１０を片持ちの五層ばりモデルとすると、樹脂板３は第一層Ｌ₁₁、表面側の封止材４は第二層Ｌ₁₂、発電素子２は第三層Ｌ₁₃、背面側の封止材４は第四層Ｌ₁₄、そしてバックシート５は第五層Ｌ₁₅となる。断面積Ａ₁₁〜Ａ₁₅は、各層Ｌ₁₁〜Ｌ₁₅の厚さｔ₁₁〜ｔ₁₅により決まる。線形膨張係数αとヤング率Ｅは、形状によらず構成部材の材質に固有である。つまり、α₁₁，Ｅ₁₁は樹脂板３、α₁₂，α₁₄，Ｅ₁₂，Ｅ₁₄は封止材４、α₁₃，Ｅ₁₃は発電素子２、α₁₅，Ｅ₁₅はバックシート５のそれぞれを構成する材料により決まる。

また、図５（ｂ）に示すように、実施例の第二積層部２０を片持ちの三層ばりモデルとすると、樹脂板３は第一層Ｌ₂₁、封止材４は第二層Ｌ₂₂、バックシート５は第三層Ｌ₂₃となる。断面積Ａ₂₁〜Ａ₂₃は、各層Ｌ₂₁〜Ｌ₂₃の厚さｔ₂₁〜ｔ₂₃により決まる。α₂₁（＝α₁₁），Ｅ₂₁（＝Ｅ₁₁）は樹脂板３、α₂₂（＝α₁₂＝α₁₄），Ｅ₂₂（＝Ｅ₁₂＝Ｅ₁₄）は封止材４、α₂₃（＝α₁₅），Ｅ₂₃（＝Ｅ₁₅）はバックシート５のそれぞれを構成する材料により決まる。また、第一積層部１０と第二積層部２０との厚さｔについては、ｔ₂₁＝ｔ₁₁ 、ｔ₂₂＝ｔ₁₂＋ｔ₁₃＋ｔ₁₄ 、ｔ₂₃＞ｔ₁₅ の関係が成り立つ。

例えば、樹脂板３がポリカーボネート板に、バックシート５がＣＦＲＰ板により、発電素子２が結晶シリコン系により、封止材４がエチレン酢酸ビニルコポリマによりそれぞれ構成されている場合、各線形膨張係数α₁₁〜α₁₅の関係は、α₁₅＜α₁₂＜＜α₁₁＜α₁₂＝α₁₄ の大小関係が成り立つ。そのため、図６（ａ）に示すように、第一積層部１０の各層Ｌ₁₁〜Ｌ₁₅には軸力Ｐ₁₁〜Ｐ₁₅が生じて、第一積層部１０全体としての曲げモーメントＭ₁₀が生じる。第一積層部１０において、Ｐ₁₁，Ｐ₁₂，Ｐ₁₄は引っ張り荷重であり、Ｐ₁₃，Ｐ₁₅は圧縮荷重である。さらに、図６（ｂ）に示すように、第二積層部２０の各層Ｌ₂₁〜Ｌ₂₃には軸力Ｐ₂₁〜Ｐ₂₃が生じて、第二積層部２０全体としての曲げモーメントＭ₂₀が生じる。第二積層部２０において、Ｐ₂₁，Ｐ₂₂は引っ張り荷重であり、Ｐ₂₃は圧縮荷重である。なお、各積層部１０，２０では、温度変化を受けた場合に各層は熱膨張によるひずみが生じ、各層の界面が接合面となっているために軸力が生じて曲げモーメントを生じる。

そして、上記式４を用いて、実施例の太陽電池モジュール１における第一積層部１０の曲率半径Ｒ₁₀と第二積層部２０の曲率半径Ｒ₂₀とをそれぞれ求めると、各曲率半径Ｒ₁₀，Ｒ₂₀が近い値となる。つまり、太陽電池モジュール１では局所的な変形が生じにくい構造を備えていることになる。これは、太陽電池モジュール１の背面層Ｌ３が第一積層部１０を構成する部分よりも第二積層部２０を構成する部分を厚く形成されていることによって、上記式６から求めることができる第一積層部１０で生じる応力σ₁₀と第二積層部２０で生じる応力σ₂₀とが近い値となることが要因のひとつと考えられる。要するに、実施例では、各比較例よりも各積層部１０，２０の応力σ₁₀，σ₂₀の差が低減されていることが明らかであり、全体として第一積層部１０と第二積層部２０とで生じる応力をバランスすることができるため、局所的な変形が生じにくい。

なお、上述した「近い値」とは、各曲率半径Ｒ₁₀，Ｒ₂₀が一致する場合、あるいは各応力σ₁₀，σ₂₀が一致する場合を含む。すなわち、曲率半径Ｒ₁₀と曲率半径Ｒ₂₀との差、あるいは応力σ₁₀と応力σ₂₀との差が、零を含む所定範囲内の値になることを表す。

また、太陽電池モジュール１が図１に示すような平板状から図１１に示すような湾曲状に変形するものと仮定すれば、曲率半径Ｒが小さいということは積層構造は大きく変形していることになってしまう。そのため、上述した第一比較例のように厚さが均一の場合に第一積層部１０のほうが大きな曲率半径となる場合に、相対的に小さな第二積層部２０の曲率半径が大きくなるようにすることが望ましい。上記式４から分かるように、実施例の太陽電池モジュール１ではそれが実現しているので、上述したような局所的に変形が生じにくい構造に加えて、全体としても変形しにくい構造を備えていることになる。

以上説明した通り、上記の太陽電池モジュールによれば、発電素子が積層している第一積層部の背面層よりも発電素子が積層していない第二積層部の背面層を厚く形成することによって、第一積層部と第二積層部という層数が異なる構造を備えた積層構造において、第一積層部の内部で生じる応力と第二積層部の内部で生じる応力との差を低減できる。これにより、温度変化を受けた際に、局所的な変形が生じることを抑制できるとともに、全体としても変形しにくくなる。さらに、背面層の一部を厚くすればよいため、全体が均一に厚く形成された場合よりも、太陽電池モジュールの軽量化を図れる。

背面層のうち、第一積層部と第二積層部との境界を跨ぐ範囲に、厚さが徐々に変化している構造を備えた第三部分が設けられていることにより、応力集中を抑制することができる。また、背面層の表面が平坦面であるため、封止層と背面層との接合面で剥離が生じることを抑制できる。

背面層となるバックシートを部分的に厚さが異なる構造に構成すればよく製造が容易である。特に、バックシートが金属製の場合には、上述したような部分的に異なる厚さに製造するには削りだし加工など加工が困難であるとともに工数がかかるが、バックシートがＣＦＲＰ板などの場合、例えばプレス加工、型成型、ＲＴＭ（ Resin Transfer Molding ）、オートクレーブ、射出成型などにより容易に製造することができる。

そして、周辺エリアの背面層を厚くするため、太陽電池モジュールを車両のソーラールーフとして適用する場合に、車体構造との段差が生じてしまうなどの意匠性の不都合を抑制することができる。例えば、図７に示すように、太陽電池モジュール１の周縁部１ｃがモール６に覆われており、その太陽電池モジュール１がモール６を介してサイドメンバ７に取り付けられている。この場合、背面層Ｌ３となるバックシート５のうち第二部分５ｂの厚さを増大させることでルーフ高さをかさ上げすることができるため、サイドメンバ７との段差をコントロールすることが可能になる。

この発明に係る太陽電池モジュールは、図８（ａ），（ｂ）に示すように、背面層Ｌ３のうち、セルエリアＢ内に設けられている第二積層部２０を構成する部分を、第一積層部１０を構成する部分よりも厚く形成した太陽電池モジュール１を構成することができる。つまり、この例では、セルエリアＢ内で第一積層部１０同士に挟まれるエリアを形成している第二積層部２０を含めて、第二積層部２０全体が第一積層部１０よりも厚く形成されていることになる。なお、上記実施例のように第一境界部５０ｄは、境界Ｃよりも内側、すなわち発電素子２の外側の端部２ａよりも内側に位置するものとすることが、応力集中を緩和させる観点から好ましいが、これは必須の構成ではない。設計上、応力集中を許容できるのであれば、第一境界部５０ｄは、境界Ｃと同じ位置、あるいは境界Ｃよりも外側に位置してもよい。

図８（ａ）に示すように、第一境界部５０ｄは各発電素子２の両端部よりも内側に位置している。つまり、第一積層部１０と第二積層部２０との境界Ｃ２に対して、全ての第一境界部５０ｄが第一積層部１０内に設けられていることになり、セルエリアＢ内にも第二背面５０ｂが設けられていることになる。また、図８（ｂ）に示すように、セルエリアＢ内では、バックシート５のうち相対的に厚く形成されている第二部分５ｂが幅方向および長さ方向に格子状に設けられている。この場合、周辺エリアＡ内の第二部分５ｂもセルエリアＢ内の第二部分５ｂも同じ厚さに形成されている。

さらに、別の変形例として、一群をなす複数の発電素子２が設けられているセルエリアＢを複数備える太陽電池モジュール１を構成することができる。例えば、図９に示すように、一群をなす発電素子２が二つのセルエリアＢ１，Ｂ２に設けられている場合、背面層Ｌ３のうち、各セルエリアＢ１，Ｂ２同士に挟まれているエリアＡ２を構成する部分が、第二部分５ｂによって構成されていることになる。また、図９に示すセルエリアＢ１，Ｂ２同士に挟まれているエリアＡ２は、エリアの大きさに相違はあるが、上述した図８（ａ）に示す発電素子２同士に挟まれているエリアとみなせる。

１…太陽電池モジュール、 ２…セル（発電素子）、 ３…樹脂板、 ４…封止材、 ５…バックシート、 ５ａ…第一部分、 ５ｂ…第二部分、 ５ｃ…第三部分、 １０…第一積層部、 ２０…第二積層部、 ５０…背面、 ５０ａ…第一背面、 ５０ｂ…第二背面、 ５０ｃ…第三背面、 Ｌ１…表面層、 Ｌ２…封止層、 Ｌ３…背面層、 Ａ…周辺エリア、 Ｂ…セルエリア、 Ｃ…境界。

Claims (7)

1. 受光面を形成する表面層と、背面を形成する背面層と、前記表面層と前記背面層との間に形成された封止層とからなる積層構造を備え、前記封止層の内部に複数の発電素子が配列されている太陽電池モジュールにおいて、
   前記積層構造は、
   前記封止層内に前記発電素子が設けられている第一積層部と、
   前記封止層内に前記発電素子が設けられていない第二積層部とによって構成され、
   前記背面層は、前記第二積層部の部分において前記発電素子側とは反対の背面の側に突出していて、前記表面層および封止層ならびに背面層からなる前記第二積層部を構成する部分の厚さが、前記表面層および前記封止層ならびに前記封止層内の前記発電素子および前記背面層からなる前記第一積層部を構成する部分の厚さよりも厚く形成されている
   ことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記背面層は、
   相対的に薄く形成されている第一部分と、
   前記第一部分よりも厚く形成されている第二部分と、
   前記第一部分と前記第二部分との間で厚さが徐々に変化するように形成されている第三部分とからなる板状に形成され、
   前記第一部分は、前記第一積層部を構成する部分であり、
   前記第二部分は、前記第二積層部を構成する部分である
   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。
3. 前記第一部分と前記第三部分との境界は、前記第一積層部内に位置してい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。
4. 前記背面層のうち前記封止層側の面は平坦面に形成され、
   前記背面は、前記第一部分を形成する第一背面が凹面に形成され、かつ前記第二部分を形成する第二背面が凸面に形成されている
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記背面のうち前記第三部分を形成する第三背面は、厚さ方向に直交する方向に対して傾斜している傾斜面に形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記表面層は、樹脂板により構成され、
   前記背面層は、ＣＦＲＰ板により構成されている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
7. 前記積層構造の周縁部付近には、前記発電素子が設けられていない周辺エリアが前記周縁部に沿った枠形状に形成されており、
   前記第二積層部には、前記周辺エリア内を構成する外側第二積層部が含まれ、
   前記背面層は、前記第二積層部のうち少なくとも前記外側第二積層部を構成する部分が前記第一積層部を構成する部分よりも厚く形成されている
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の太陽電池モジュール。

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