JP6520126B2 - 太陽電池モジュール及びそれに用いられる太陽電池の封止樹脂 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池モジュール及びそれに用いられる太陽電池の封止樹脂に関する。
太陽電池モジュールには、太陽光エネルギを電力に変換する太陽電池セルと配線とが備えられている。そして、太陽電池モジュールは、通常、複数の太陽電池セルが当該配線によって接続されることで、構成されている。太陽電池セル及び配線は、封止樹脂によって封止されることで、固定されている。
太陽電池モジュールにおいては、太陽光エネルギから電力への変換効率の向上、即ち、発電の高効率化が望まれている。そこで、発電の高効率化を図る技術に関連して、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、マトリックス樹脂中に、マトリックス樹脂よりも屈折率が高い散乱粒子が分散された太陽電池用光散乱膜であって、散乱粒子の平均粒径が１．０μｍ以上１０．０μｍ以下であり、マトリックス樹脂と散乱粒子との屈折率差が０．０５以上０．３０以下である太陽電池用光散乱膜及びそれを備えた太陽電池が記載されている。
発電の高効率化を図るため、本発明者らが検討したところ、太陽電池セルにおける光の照射面に、テクスチャ構造（凹凸構造）を設けるとよいことがわかった。しかし、特許文献１には、テクスチャ構造を設けると、変換効率が寧ろ悪化することが記載されている。そこで、特許文献１に記載の太陽電池に対して敢えてテクスチャ構造を設け、従来よりもさらなる発電の高効率化が可能な太陽電離モジュールの開発が望まれている。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、従来よりもいっそう発電を高効率に行うことが可能な太陽電池モジュール及びそれに用いられる太陽電池の封止樹脂を提供することである。
本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルの表面にテクスチャ構造を設けるとともに、その太陽電池セルを封止する封止樹脂のヘイズを所定範囲とすることで前記課題を解決できることを見出した。
本発明によれば、従来よりもいっそう発電を高効率に行うことが可能な太陽電池モジュール及びそれに用いられる太陽電池の封止樹脂を提供することができる。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。なお、参照する各図は、グラフを除き模式的なものであり、説明又は図示の都合上、一部の部材を省略して示すことがある。また、各部材は、説明又は図示の都合上、適宜拡大又は縮小して示すことがある。
図１は、本実施形態の太陽電池モジュール１００の斜視図であり、その内部構造の一部を示す図である。図１では、太陽電池モジュール１００の内部構造を把握し易いように、便宜的に部材の一部を可視化（透明化）して示している。太陽電池モジュール１００は、複数（本実施形態では６つ。図２参照、図１では一部図示省略。）の太陽電池セル１と、それらを接続する配線８とを備えている。
太陽電池セル１は、受光した太陽光の有する太陽エネルギを、電力変換素子等が利用可能な電力に変換するものである。太陽電池セル１は、単結晶シリコンや多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳ（銅、インジウム、ガリウム及びセレンからなる化合物）、ＣＩＳ（銅、インジウム及びセレンからなる化合物）、テルル化カドミウム等からなる化合物等が使用可能である。詳細は後記するが、太陽電池セル１の正面側に設けられた第一封止樹脂４及びカバーガラス５は太陽光を透過可能な材料により構成されている。よって、太陽光は、正面側からカバーガラス５及び第一封止樹脂４をこの順で透過して、太陽電池セル１の受光面（正面側表面）に到達するようになっている。
太陽電池セル１の正面側表面には、リボン状の正面電極１１（後記する）以外の部分に、テクスチャ構造２が形成されている。テクスチャ構造２の詳細は、図６等を参照しながら後記する。
配線８は、隣接する太陽電池１同士を接続するものである。また、配線８は、太陽電池モジュール１００と、図示しない二次電池や外部負荷とを接続するためにも用いられている。これらの点の詳細は、図３を参照しながら後記する。配線８は、リボン状の金属（例えば半田コートされた銅リボン等）により構成されている。
それぞれの太陽電池セル１の正面側表面には、正面電極１１が設けられ、また、背面側表面には背面電極１２が設けられている。正面電極１１及び背面電極１２は、太陽電池セル１において生じた電力を取り出すためのものである。そして、太陽電池セル１の正面電極１１と、隣接する太陽電池セル１の背面電極１２とが、配線８により接続されることで、各太陽電池セル１が電気的に接続されている。正面電極１１と配線８とは、また、背面電極１２と配線８とは、半田付け等により接続されている。
正面電極１１は、太陽電池セル１の受光面側（正面側）に、リボン状の電極として設けられている。即ち、正面電極１１は、太陽電池セル１の受光面側に、太陽電池セル１が受光可能なように受光面の一部分にのみ設けられている。正面電極１１は例えば銀等により構成されている。このリボン状の電極（バス電極）の左右方向の幅は、本実施形態では約１．５ｍｍである。さらに、図示はしないが、このバス電極に垂直な方向に、約０．１ｍｍ幅（奥手前方向の幅）の線状電極（フィンガ電極）が設けられている。そして、バス電極（正面電極１１）とフィンガ電極とは電気的に接続され、バス電極に対して、前記の配線８が接続されている。
一方で、背面電極１２は、前記の正面電極１１とは異なり、太陽電池セル１の受光面とは反対側（背面側）の全面に、平板状の電極として設けられている。また、背面電極１２は、例えばアルミニウム等により構成される。
図２は、本実施形態の太陽電池モジュール１００を分解して示した斜視図である。図２では、図示の都合上、全ての部材を同じ大きさ（左右及び奥手前方向の面積）で示すものとし、配線８等の一部の部材の図示は省略している。図２に示すように、太陽電池モジュール１００は、正面側から、カバーガラス５、第一封止樹脂４（光散乱体３を含む）、太陽電池セル１、第二封止樹脂７及びバックシート６（背面部材）の順で配設されることで、構成されている。
従って、太陽電池モジュール１００は、例えば、以下のようにして製造可能である。まず、バックシート６表面に配置された第二封止樹脂７の上に、配線８（図２では図示しない）により接続された各太陽電池セル１が載置される。そして、その上に、第一封止樹脂４及びカバーガラス５を載せ、第一封止樹脂４と第二封止樹脂７とを熱融着させてこれらの間に太陽電池セル１等を封止することで、太陽電池モジュール１００が製造可能である。
カバーガラス５は、本実施形態では透明な材料により構成されている。カバーガラス５を備えることで、光散乱体３や第一封止樹脂４を風雨等から保護し、太陽電池モジュール１００の耐久性を高めることができる。従って、カバーガラス５は、耐候性及び機械的強度の双方に優れることが好ましい。また、カバーガラス５は、太陽電池セル１の感度が高い波長３００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲の光の透過率が高いことが好ましい。さらに、カバーガラス５の表面には、反射防止等の処理が施されてもよい。これらの点を踏まえ、カバーガラス５の材料としては、例えば、通常のガラスや、通常のガラスから鉄等の不純物含有量を低減させた高透過率ガラス（白板ガラス）等が挙げられる。
第一封止樹脂４は、光散乱体３を含むとともに、カバーガラス５から入射した太陽光を、太陽電池セル１の受光面に到達させるものである。第一封止樹脂４は、本実施形態では透明な材料により構成されている。特に、第一封止樹脂４は、前記のカバーガラス５と同様に、太陽電池セル１の感度が高い波長３００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲の光の透過率が高いことが好ましい。
また、第一封止樹脂４は、太陽電池セル１とカバーガラス５とを固着（密着）させるものであるため、高強度及び耐候性を有する材料により構成されることが好ましい。従って、第一封止樹脂４としては、例えばＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合樹脂）やＰＥ（ポリエチレン）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）等のほか、これらの混合物等が好適である。これらの樹脂を用いることで、太陽電池セル１を挟んだ状態で第一封止樹脂４と第二封止樹脂７とを熱融着させるとき、適度な柔らかさがあるため、熱融着させやすい。また、密着性も良好になる。さらには、これらは耐候性も良好である。なお、これらの樹脂の屈折率は１．５程度である。また、第一封止樹脂４には、必要に応じて、紫外線吸収剤等が含有されてもよい。
第一封止樹脂４の厚さは、特に制限されるものではないが、例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以上０．７ｍｍ以下とすることができる。第一封止樹脂４の厚さがこれらの範囲内にあることで、強度及び耐候性を特に良好に発揮できる。
なお、本実施形態の太陽電池モジュール１００においては、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズは５２％以下になっている。この点は、図８〜図１０を参照しながら後記する。ちなみに、太陽電池モジュール１００における、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズは、光散乱体３を含む第一封止樹脂４を抜き出したのち、当該第一封止樹脂４について測定することで、算出することができる。
光散乱体３は、前記のように、第一封止樹脂４に入射した光や、太陽電池セル１及び正面電極１１の表面で反射した光等を第一封止樹脂４内で分散させるものである。これにより、太陽電池セル１の受光面への入射光が増加されるようになっている。なお、第一封止樹脂４における光散乱体３の含有量は、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズが５２％以下になる量である。この点については、図８等を参照しながら後記する。
光散乱体３を構成する材料としては、透明であり、かつ、第一封止樹脂４の屈折率とは異なる屈折率を有する材料が好ましい。また、光散乱体３が含まれることで、第一封止樹脂４内で、入射した光は、屈折率差により、その界面で反射や屈折等の散乱が発生し、その方向が変化する。そこで、散乱を効果的に得る観点から、光散乱体３は球形であることが好ましい。また、その光散乱体３が球形である場合の球径は、０．５μｍ以上１５０μｍ以下が好ましく、ただし、光散乱体３は完全な球形でなくてもよく、例えば、その断面が楕円の形状（例えば卵型等）や、針状、板状等の異方性のある形状でもよい。そして、これらの形状の場合には、光散乱体３の長軸方向の長さは０．５μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。これらのことをまとめると、光散乱体３は、球形が好ましいものの、その形状によらず、最も長い部分の長さ（球形であればその直径）が０．５μｍ以上１５０μｍ以下となる大きさが好ましい。
光散乱体３としては、無機材料又は有機材料が好ましく、例えば、アルミナや酸化ジリコニウム、酸化チタン、チタン酸バリウム、シリカ等の酸化物からなる無機粒子、第一封止樹脂４とは屈折率が異なる有機粒子等が好ましい。有機粒子は例えば低屈折率側では、シリコーン系樹脂やフッ素系樹脂等、高屈折率側ではハロゲン系元素やリン、硫黄等を加えた樹脂等が利用可能である。光散乱体３は第一封止樹脂４との親和性を向上させるための表面処理を施してもよい。光散乱体３として、特に酸化物からなる無機粒子を用いることで、汎用性が高い材料を使用することができ、屈折率を所望のものとし易くすることができる。また、光散乱体３として有機粒子を用いることで、通常は有機材料となる第一封止樹脂４との親和性を高めることができ、第一封止樹脂４の強度をより十分なものとすることができる。
また、光散乱体３は、第一封止樹脂４中の空孔とすることも好ましい。光散乱体３として空孔を適用することで、第一封止樹脂４中に樹脂以外の材料が含まれないことになるため、第一封止樹脂４の強度をより十分なものとすることができる。また、別途の光散乱体３を用いる必要がないため、太陽電池モジュール１００の製造を安価化することができる。なお、光散乱体３としての空孔の屈折率は１である。
光散乱体３として空孔を適用する場合、第一封止樹脂４に空孔を含有させる方法は任意である。例えば、第一封止樹脂４を構成する樹脂を溶融させ、当該溶融した樹脂を激しく撹拌することで気泡を含有させた後、硬化させることで、光散乱体３としての空孔を有する第一封止樹脂４を作製することができる。そして、当該空孔の大きさは、例えば、撹拌の激しさによって制御可能である。
さらに、光散乱体３としては、蛍光体であることも好ましい。光散乱体３が蛍光体であることで、前記のような光散乱体３の屈折率差による光の散乱効果に加えて、励起波長によって発光した光が四方八方に散らばる、即ち蛍光体が発光することによる光の散乱効果が得られる。これにより、太陽電池セル１の発電効率をさらに向上させることができる。
蛍光体としては、波長が２５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内の光によって励起され、波長が４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内の光を発光するものが好ましい。このような蛍光体は、無機材料であってもよく、有機材料であってもよい。無機材料により構成される蛍光体の具体例としては、ＣａＳ：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｂａ３Ｓｒ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｃｅ、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｇ、Ｚｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ等が挙げられる。また、有機材料により構成される蛍光体の具体例としては、Ｅｕ（ＴＴＡ）３ｐｈｅｎ等が挙げられる。
第二封止樹脂７は、前記の第一封止樹脂４とともに太陽電池セル１を固定するものである。第二封止樹脂７を構成する材料は、光散乱体３を含まないこと以外は第一封止樹脂４と同様のものを用いることができる。ただし、第二封止樹脂７には、必要に応じて光散乱体３が含まれてもよい。また、第二封止樹脂７の厚さも、特に制限はされないものの、例えば前記の第一封止樹脂４と同様の範囲の厚さとすることが好ましい。ただし、第二封止樹脂７の厚さは、第一封止樹脂４の厚さと必ずしも同じにならなくてもよい。
バックシート６は、太陽電池モジュール１００の最背面側に配置され、第二封止樹脂７等を固定するものである。バックシート６は、耐候性やバリア性の高い材料により構成されることが好ましい。バックシート６を構成する材料として、具体的には例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド、ポリフッ化ビニル樹脂等のほか、これらを積層したシート等が好ましい。また、これらには、必要に応じて、無機微粒子が分散されてもよい。
図３は、本実施形態の太陽電池モジュール１００の上面図である。図３では、第一封止樹脂４及びカバーガラス５は透明であるため、図示していない。太陽電池セル１は、それぞれ離間して、複数（本実施形態では６つ）設けられている。そのため、上面視で、太陽電池セル１の周囲には、その下方に配置された第二封止樹脂７（透明であるため、図３では図示していない）やバックシート６が視認可能である。
左右方向にそれぞれ、奥側から手前側に向かって配置される３つの太陽電池セル１同士は、一組の配線８によって、直列に接続されている。そして、太陽電池セル１同士を接続する配線８は、奥側と手前側とでそれぞれ合流し、図示しない二次電池や外部負荷に接続されている。これらのように、本実施形態の太陽電池モジュール１００では、６つの太陽電池セル１が直列又は並列に接続されている。そして、太陽電池モジュール１００において発電された電力は、二次電池や外部負荷に供給されるようになっている。
図４は、図３におけるＡ−Ａ線断面図であり、隣接する太陽電池セル１近傍の、配線８を含む部分の断面図である。前記のように、太陽電池モジュール１００は、太陽電池セル１及び配線８等が、第一封止樹脂４と第二封止樹脂７とにより挟まれた後に熱融着されることで製造される。そのため、太陽電池セル１及び配線８の上側には第一封止樹脂４が配置されることになる。即ち、本実施形態では、太陽電池セル１の受光面の上側のほか、配線８の上側や、太陽電池セル１の上方以外の部分（図５を参照しながら後記する）にも、光散乱体３が存在することになる。また、太陽電池セル１及び配線８の下側には、第二封止樹脂７が配置されている。
図４に示すように、入射光は正面側から太陽電池モジュール１００に入射する。そして、入射光は、カバーガラス５及び第一封止樹脂４を透過し、太陽電池セル１の受光面に入射する。また、透過した光のうちの一部の光は、配線８の正面側表面にも入射する。ここで、配線８は、本実施形態では、光を反射可能な金属製であり、入射した光は反射することになる。そして、第一封止樹脂４には光散乱体３が分散されているため、配線８において反射された光は光散乱体３により散乱され、散乱された光の一部が太陽電池セル１に入射することになる。
このように、太陽電池セル１の正面側に配置される第一封止樹脂４に光散乱体３が含まれることで、太陽電池セル１の受光面に直接入射した光のみならず、配線８の正面側表面に入射した光も、太陽電池セル１の受光面に入射される。これにより、太陽電池モジュール１００の発電効率（変換効率）が向上する。
また、配線８や正面電極１１として汎用されているアルミニウムや銀等を用いつつ、発電効率を向上させる。即ち、太陽電池セル１の受光面への入射光の光量を増加させるためには、例えば、ＩＴＯ等の透明電極等を用いることも考えられる。しかし、透明電極はレアメタルを含み、また、成型性もさほど良好ではない。また、透明電極は、完全な透明ではなく、光の透過性に依然として課題がある。
そこで、本実施形態では、テクスチャ構造２を設けつつ第一封止樹脂４のヘイズ（ｈａｚｅ）を５２％以下（この範囲の理由は、図８〜図１０を参照しながら後記する）にすることで、光を反射可能な（反射率が高い）従来の配線や正面電極を用いることができる。これにより、安価に、しかも十分な発電効率が得られ、さらには電極等の形状を所望のものにし易くすることもできる。このような光を反射可能な材料としては、銀、銅、アルミニウム、鉄、スズ等の各種金属の単体のほか、金属同士を積層させた積層物、これらの合金等の金属材料が挙げられる。
図５は、図３におけるＢ−Ｂ線断面図であり、隣接する太陽電池セル近傍の、配線を含まない部分の断面図である。前記のように、第一封止樹脂４と第二封止樹脂７とは熱融着されるため、太陽電池モジュール１００では、それらの明確な融着界面の確認が困難である。ただし、図５では、図示の都合上、融着明確な界面を図示している。
図５に示すように、第一封止樹脂４は、太陽電池セル１に接触している部分と、第二封止樹脂７に直接接触している部分とからなる。これらのうち、第二封止樹脂７に直接接触している部分（太陽電池セル１が存在しない部分）は、太陽電池セル１同士の間の部分に相当する。そして、本実施形態の太陽電池モジュール１００では、第一封止樹脂４のうち、太陽電池セル１に接触している部分に加えて、第二封止樹脂７に直接接触している部分にも、光散乱体３が分散している。
太陽電池モジュール１００に入射した光のうち、太陽電池セル１に入射せず、太陽電池セル１同士の間を透過して第二封止樹脂７に入射した光は、バックシート６において反射することになる。これは、バックシート６の反射率が、通常は、太陽電池セル１のテクスチャ構造２の反射率よりも高いことによる。即ち、バックシート６は、少なからず光を反射する。そして、バックシート６において反射した光は、第一封止樹脂４にまで戻り、光散乱体３により散乱される。これにより、前記の配線８に入射した光と同様に、太陽電池セル１の受光面への入射光が増加し、発電効率（変換効率）が向上する。
また、太陽電池セル１の受光面（正面側）には、テクスチャ構造２が形成されている。テクスチャ構造２について、図６を参照しながら説明する。
図６は、本実施形態の太陽電池モジュール１００における、太陽電池セル１の受光面に形成されたテクスチャ構造２の近傍を示す図である。本実施形態では、太陽電池セル１は、シリコン系のものである。そこで、本実施形態では、シリコンのエッチングレートに結晶方位の異方性があることを利用し、テクスチャ構造２は凹凸形状（本実施形態では、正面背面方向の高さとして０．５μｍ〜１０μｍ程度のピラミッド状）のものである。即ち、太陽電池セル１の受光面は凹凸形状となっており、この凹凸の部分がテクスチャ構造２に相当する。従って、このテクスチャ構造２の表面は、太陽電池セル１の受光面と一体となって構成されているものであり、テクスチャ構造２の表面（山の部分の表面）に入射した光も、発電に寄与することになる。
なお、本実施形態の太陽電池モジュール１００におけるテクスチャ構造２は、前記のようにピラミッド状になっているが、テクスチャ構造２の具体的な形状はピラミッド状（四角錘）になんら限定されない。即ち、テクスチャ構造２は、例えば、円錐や円柱、三角錐等の多角錐、三角柱等の多角柱、断面視で波状や円弧状等、太陽電池セル１の表面が凹凸形状になっていれば、どのような形状であってもよい。太陽電池セル１の受光面に凹凸形状のテクスチャ構造が形成されていることで、入射した光が反射するときに、反射した光が様々な方向に進行させることができる。
図７は、本実施形態の太陽電池モジュール１００において、テクスチャ構造２及び光散乱体３によって生じる光線の変化を示す図である。正面側から入射した光（入射光）は、カバーガラス５及び第一封止樹脂４を透過して、太陽電池セル１の受光面に入射する。この受光面に入射する光としては、正面側から入射した光が直接到達するものがある（入射光Ａ１）。また、第一封止樹脂４内の光散乱体３によって方向が変化しつつ、さらにはテクスチャ構造２の表面で反射し、最終的に太陽電池セル１の受光面に入射する光もある（入射光Ａ２）。そして、テクスチャ構造２の表面において反射され、さらには、光散乱体３によって方向が変化した後、テクスチャ構造２の表面に吸収されて発電に利用される光もある（入射光Ａ３）。また、光散乱体３によって入射方向に散乱された結果、カバーガラス５と空気との界面に、全反射角より大きい角度で入射する光もある（入射光Ａ４）。この界面に入射した光は全反射し、全反射した後の光は、テクスチャ構造２の表面に吸収されて、発電に利用される（入射光Ａ４）。
このように、本実施形態の太陽電池モジュール１００では、テクスチャ構造２によって受光面を増やし、光の入射効率を向上させている。また、テクスチャ構造２に入射はしたものの発電に用いられずに反射した光であっても、光散乱体３による散乱や、別のテクスチャ構造２の表面に再度入射されることで、受光面やテクスチャ構造２への光の入射効率が高められる。即ち、もしテクスチャ構造２が形成されていなければ、太陽電池セル１において反射光は光散乱体３によって散乱され得るのみであり、発電効率には改善の余地があることになる。そこで、本実施形態の太陽電池モジュール１００では、テクスチャ構造２を形成することで発電に用いられる光量を増やし、発電効率の向上を図っている。
また、テクスチャ構造２が形成されることで、第一封止樹脂４と太陽電池セル１との接合強度を向上させることができる。即ち、第一封止樹脂４と太陽電池セル１とは、材質が全く異なるため、単に接合するとこれらが剥離し易い傾向にある。しかし、テクスチャ構造３のような凹凸構造が形成されることで、第一封止樹脂４と太陽電池セル１（より具体的にはテクスチャ構造２）との接合面積を増加させることができ、これらが剥離しにくくなる。そのため、太陽電池モジュール１００の耐久性を向上させることができる。
これに加えて、これらの剥離を防止することで、剥離に伴って生じる、第一封止樹脂４と太陽電池セル１との間に空気の層が形成されることが防止される。もし、このような空気の層が形成されてしまうと、屈折率が変化して、太陽電池セル１やテクスチャ構造２への入射する光の量が減少する可能性がある。そこで、これらの剥離を防止することでより確実に太陽電池セル１やテクスチャ構造２に光を入射させ、太陽電池モジュール１００の発電効率の向上も図られる。
さらに、凹凸形状のテクスチャ構造２が形成されることで、太陽電池セル１の放熱性を向上させることができる。ここで、太陽電池モジュール１００の温度は、設置場所等によっては、６０℃以上の高温になることがある。太陽電池モジュール１００が高温になると、太陽電池セル１の発電効率が低下する。そのため、発電効率の向上には、太陽電池モジュール１００の放熱性の向上も重要である。
放熱は、主に、背面側のバックシート６から行われる。これに加えて、本実施形態の太陽電池モジュール１００では、太陽電池セル１の受光面側からも行われる。即ち、本実施形態の太陽電池モジュール１００では、太陽電池セル１の受光面にテクスチャ構造２が形成されているため、太陽電池セル１の正面側の表面積が大きくなっている。そのため、表面積の大きい太陽電池セル１の正面側からも放熱させることができ、主に背面側のみから放熱させる従来の太陽電池モジュールと比べて、放熱性が向上する。これにより、発電効率が向上するとともに、テクスチャ構造２が過度に高温になることを抑制し、耐久性を向上させることができる。
なお、テクスチャ構造２の表面（例えばピラミッド形状の凹凸の表面）には、反射防止構造が施されることで、反射が抑制されるようにしてもよい。このようにすることで、反射を抑制し、発電に利用される光量を増加させることができる。
ところで、本実施形態の太陽電池モジュール１００においては、第一封止樹脂４は光散乱体３を含み、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズは５２％以下になっている。このようにすることで、太陽電池セル１の受光面やテクスチャ構造２の表面において反射した光を再度散乱させ、太陽電池セル１の受光面やテクスチャ構造２の表面への再入射が促されている。ここで、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズを５２％以下にする理由について、図８〜図１０を参照しながら説明する。
図８は、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズと、太陽電池セル１による発電効率の向上比との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図８に示すグラフは、図２に示した、光散乱体３を含む第一封止樹脂４について光線追跡シミュレーションを行い、算出されたものである。
この光線追跡シミュレーションでは、太陽電池セル１として結晶シリコン、テクスチャ構造２として、反射防止膜付きシリコン（Ｓｉ）の（１１１）面、光散乱体３として酸化アルミニウムの粒子（屈折率ｎ＝１．７７、粒径１．４μｍ）、第一封止樹脂４としてＥＶＡ（屈折率ｎ＝１．５）、カバーガラス５として通常のガラスを用いた。また、光源としては、太陽光のスペクトルの基準として好ましく利用されるエアマス１．５（ＡＭ１．５）を用いた。そして、その平行光がカバーガラス５に対して垂直に入射されることで、前記のシミュレーションを行った。
ヘイズは、全光線透過率に対する軸外透過率の比を百分率で表したものである。ヘイズの値は、「プラスチック−透明材料のヘイズの求め方（ＪＩＳ Ｋ７３６１）」における測定光学系を光線追跡シミュレーションで再現することで算出した。このシミュレーションは、光散乱体３が分散された第一封止樹脂４の両面をガラスで挟んでサンプルとし、このサンプルを被測定物として行った。なお、ヘイズの大小は、含有させる光散乱体３の量により調節した。この点は、図９を参照しながら後記する。
また、効率向上比は、光散乱体３が第一封止樹脂４に含まれていない太陽電池モジュールの発電効率に対する、光散乱体３が第一封止樹脂４に含まれている太陽電池モジュール１００における発電効率の比である。よって、効率向上比が１より大きければ、太陽電池モジュール１００の変換効率が従来よりも向上していることになる。これらの太陽電池モジュールは、光散乱体３の有無以外は全て同じ条件で製造されたものであり、いずれの太陽電池モジュールにおいても、太陽電池セル１の表面にはテクスチャ構造２が形成されているものである。
図８に示すように、ヘイズが５２％以下のとき、効率向上比が１を超えることがわかった。特に、５２％以下であれば、ヘイズが大きければ、発電効率も向上することが分かった。一方で、ヘイズが５２％を超えると、効率向上比は著しく低下することがわかった。これは、ヘイズが大きいため第一封止樹脂４内に光は入射するものの、光散乱体３の量が多すぎて、太陽電池セル１の受光面等に到達する光の量が大幅に減少し、発電効率が低下したと考えられる。
一方で、ヘイズが０％以上２％未満のときには、効率向上比は１程度であるもの、１よりは上昇が認められた。従って、この範囲においても、発電効率の向上が認められた。ただし、光散乱体３を含まない第一封止樹脂４（即ち、ＥＶＡ単独）では、樹脂自身の散乱により、２％弱のヘイズを有する場合がある。そこで、このことを考慮し、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズは２％以上が好ましいことがわかった。
図９は、第一封止樹脂４に含まれる光散乱体３の粒子濃度と、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。このシミュレーションは、前記の図８のグラフを算出する際のシミュレーション条件と同様にして行った。ただし、今回のシミュレーションでは、光散乱体３の屈折率ｎを前記のｎ＝１．７７（酸化アルミニウム）のほかに、ｎ＝１．４（シリコーン系樹脂）、ｎ＝１．５１（ソーダ石灰ガラス）、ｎ＝１．６（エポキシ系樹脂）、ｎ＝２．２（酸化ジリコニウム）の４種類についても、同様にシミュレーションを行った。なお、これらの材料は、いずれも、酸化アルミニウムの粒径と同程度の粒径のものを用いた。
図９に示すように、粒子濃度が増加するにつれて、ヘイズは大きくなった。即ち、第一封止樹脂４中の光散乱体３の含有量が増加すれば、第一封止樹脂４の透明度が低下することがわかった。ここで、図８を参照しながら説明したように、本実施形態の太陽電池モジュール１００では、第一封止樹脂４のヘイズは５２％以下にしている。従って、ヘイズを５２％以下にするため、屈折率が１．４の光散乱体３を用いる場合には、５００００００個／ｍｍ３以下の粒子濃度にすればよいことがわかった。同様に、屈折率が１．６の場合には４００００００個／ｍｍ３以下、屈折率が１．７７の場合には１００００００個／ｍｍ３以下、屈折率が２．２の場合には２００００００個／ｍｍ３以下にすればよいことがわかった。一方で、屈折率が１．５１の光散乱体３を用いる場合には、測定した最大値の１０００００００個／ｍｍ３においてもヘイズが２．６％であり、５２％以下であった。
これらのことをまとめると、光散乱体３の第一封止樹脂４（ＥＶＡ；屈折率ｎ＝１．５）との屈折率差Δｎが０．１以上である場合には、ヘイズを５２％以下にするためには、粒子濃度を１００００００個／ｍｍ３以下にすればよいことがわかった。一方で、屈折率差Δｎが０．１未満（例えばｎ＝１．５１ではΔｎ＝０．０１）の場合には、上限値は特に存在しないと考えられる。そのため、図８を参照しながら説明したように、ヘイズは５２％以下でありつつ、できるだけ大きい値が好ましいところ、ヘイズを大きくするために光散乱体３の含有量を過剰量にすることも考えられる。
しかし、光散乱体３の含有量は、第一封止樹脂４への分散性を考慮すると、少ない方が好ましい。分散性が良好であれば、太陽電池セル１の受光面等の全体にムラなく光を到達させて、発電効率を十分に良好なものとすることができる。また、光散乱体３が第一封止樹脂４において均一に分散していることで、第一封止樹脂４の耐久性を向上させることもできる。従って、これらのことを考慮すると、太陽電池モジュール１００の効率向上効果をより十分に得るためには、光散乱体３の屈折率によっても異なるが、光散乱体３の粒子濃度を１００００００個／ｍｍ３以下にしつつ、光散乱体３と封止樹脂４との屈折率差Δｎを０．１以上にすることが好ましいことがわかった。
また、本実施形態の太陽電池モジュール１００に使用されているシリコン系の太陽電池セル１では、波長が３００ｎｍ〜４５０ｎｍの光の反射率が高い傾向にある。そこで、光散乱体３は、特にこの波長域領域の光を散乱することが好ましい。そのため、光散乱体３を分散した第一封止樹脂４においては、波長が３００ｎｍ〜４５０ｎｍの光のヘイズが、波長が４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの光のヘイズより大きいことが好ましい。従って、前記の屈折率差Δｎとして、中でも、波長が３００ｎｍ〜４５０ｎｍの光に対する屈折率差の平均が、波長が４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの光に対する屈折率差の平均より大きくなるようにすることで、より効果的に太陽電池モジュールの変換効率を向上できる。
図１０は、光散乱体３を含む第一封止樹脂４の全光線透過率と、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。このシミュレーションは、図８を参照しながら説明した光線追跡シミュレーションの条件と同様にして行った。ただし、検討した屈折率は、ｎ＝１．４、ｎ＝１．６、ｎ＝１．７７及びｎ＝２．２の４種類とした。
図１０に示すように、全光線透過率が大きければ、ヘイズは小さくなることがわかった。即ち、光の透過量が多ければ、反射する光の量が少なくなることがわかった。そして、図８を参照しながら説明したように、本実施形態の太陽電池モジュール１００では、第一封止樹脂４のヘイズは５２％以下にしている。そこで、図１０に示すように、ヘイズを５２％以下とするためには、光散乱体３の屈折率によっても異なるが、全光線透過率を大きくすればよいことがわかった。
具体的には、例えば屈折率が１．４である場合には、全光線透過率は９９％以上とすればよいことがわかった。また、屈折率が１．６である場合には、全光線透過率は９８％以上、屈折率が１．７７である場合には、全光線透過率は９５％以上、屈折率が２．２である場合には、全光線透過率は７５％以上とすればよいことがわかった。従って、屈折率のできるだけ大きな光散乱体３を用いることで、全光線透過率を低く設定できることがわかった。
以上のように、太陽電池セル１の表面にテクスチャ構造２を形成したときに、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズを５２％以下にすることで、発電効率を従来よりも向上させることができる（図８参照）。ただし、光散乱体３を含む第一封止樹脂４のヘイズは、できるだけ５２％に近いことが好ましい。
また、第一封止樹脂４のヘイズを５２％以下に制御するとき、含まれる光散乱体３の粒子濃度（含有量）を制御することで、ヘイズを制御可能である（図９参照）。ただし、光散乱体３の含有量が同じであっても、屈折率が異なれば、異なるヘイズとなる。そこで、光散乱体３の屈折率と、第一封止樹脂４を構成する樹脂の屈折率との差である屈折率差Δｎは、第一封止樹脂４への光散乱体３の分散性を良好にする観点から、０．１以上であることが好ましい。
さらに、第一封止樹脂４のヘイズを５２％以下に制御するとき、第一封止樹脂４の全光線透過率は、具体的には屈折率によっても異なるが、できるだけ大きくすることが好ましい（図１０参照）。従って、全光線透過率は樹脂の種類によって異なることを考慮し、第一封止樹脂４の種類に応じて光散乱体３の種類を選択することで、第一封止樹脂４のヘイズを５２％以下にすることができる。
１ 太陽電池セル
２ テクスチャ構造
３ 光散乱体
４ 第一封止樹脂
５ カバーガラス
６ バックシート
７ 第二封止樹脂
８ 配線
１１ 正面電極
１２ 背面電極
１００ 太陽電池モジュール
２ テクスチャ構造
３ 光散乱体
４ 第一封止樹脂
５ カバーガラス
６ バックシート
７ 第二封止樹脂
８ 配線
１１ 正面電極
１２ 背面電極
１００ 太陽電池モジュール
Claims (10)
- 受光した太陽光を電力に変換し、前記太陽光の受光面側にテクスチャ構造を有する太陽電池セルと、
前記太陽電池セルに接続され、前記太陽電池セルにおいて生じた電力を取り出す一対の電極と、
前記太陽電池セルの前記受光面側に設けられた第一封止樹脂と、
前記第一封止樹脂の前記受光面側に設けられたカバーガラスと、を備え、
前記第一封止樹脂には、前記第一封止樹脂内の光を散乱させる光散乱体が含まれ、
前記光散乱体を含有した前記第一封止樹脂の全光線透過率が７５％以上、ヘイズが２％以上５２％以下であり、
前記第一封止樹脂は、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂、ポリエチレン及びポリビニルブチラールからなる群より選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする、太陽電池モジュール。 - 前記光散乱体は、酸化物からなる無機粒子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。
- 前記光散乱体は、波長が２５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内の光によって励起され、波長が４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内の光を発光する蛍光体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。
- 前記光散乱体の屈折率と、前記第一封止樹脂を構成する樹脂の屈折率との屈折率差Δｎは、波長が３００ｎｍ〜４５０ｎｍの光に対する前記屈折率差Δｎの平均が、波長が４５０ｎｍ〜１１００ｎｍの光に対する前記屈折率差Δｎの平均より大きいことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記一対の電極のうちの少なくとも一方は前記受光面側に配置され、
前記受光面側に配置された電極は、光を反射可能な金属電極であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽電池モジュール。 - 前記太陽電池セルの前記受光面とは反対側の背面側には第二封止樹脂を備え、
前記太陽電池セルは、前記第一封止樹脂と前記第二封止樹脂とにより封止され、
前記第一封止樹脂は、前記太陽電池セルに接触している部分と、前記第二封止樹脂に直接接触している部分とからなり、
前記第一封止樹脂のうち、前記第二封止樹脂に直接接触している部分にも、前記光散乱体が含まれていることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽電池モジュール。 - 前記光散乱体の屈折率と、前記第一封止樹脂を構成する樹脂の屈折率との屈折率差Δｎが０．１以上であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第一封止樹脂に含まれる前記光散乱体の含有量が、前記第一封止樹脂の１ｍｍ３あたり、１００００００個以下であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第二封止樹脂の、前記太陽電池セルが備えられている側とは反対側には、光を反射可能な背面部材が備えられていることを特徴とする、請求項６に記載の太陽電池モジュール。
- 前記太陽電池セルは複数備えられ、
前記複数の太陽電池セルは配線によって電気的に接続され、
前記配線は、光を反射可能な金属材料により構成されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽電池モジュール。
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