JP7349979B2

JP7349979B2 - 太陽電池モジュール

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Publication number: JP7349979B2
Application number: JP2020500966A
Authority: JP
Inventors: 徹寺下; 玄介小泉
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2023-09-25
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: WO2019163779A1; CN111727509B; CN111727509A; JPWO2019163779A1

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。

環境への意識が高まる昨今、ＺＥＨ（net zero energy house：ネットゼロエネルギーハウス）及びＺＥＢ（net zero energy building：ネットゼロエネルギービルディング）への取り組みが活発となっている。これらＺＥＨ及びＺＥＢを実現するには、建築物自体で、必要電力を生産しなくてはならず、発電手段として太陽電池モジュールの検討が進められている。

太陽電池モジュールは、建築物に設置されるが、建築物の屋上だけへの設置では、必要電力を賄えないことから、屋上以外の場所への設置が考えられており、そのような技術開発も進んでいる。例えば、特許文献１には、太陽電池一体型の壁材が記載され、また、特許文献２には、壁面に太陽電池モジュールを設置するための架台が記載される。

特開２０１６－１８６１５６号公報特開２０１６－０００９４９号公報

本発明は、電気的に接続された複数の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルを封止する封止材と、前記複数の太陽電池セルと共に前記複数の太陽電池セルの対向する２つの主面側から前記封止材を挟持する２枚の保護部材とを備え、前記複数の太陽電池セルのそれぞれにおける受光側の主面と前記受光側の主面と対向する前記封止材との間に、気層が設けられており、前記複数の太陽電池セルのそれぞれにおける前記受光側の主面上には、反射防止膜とその上の透明樹脂製のシート材とが順次設けられていると共に、前記シート材は、前記封止材とは別部材であり且つ前記反射防止膜と対向する面が粗面化されており、前記気層は、前記反射防止膜と前記シート材との間の空隙層である。

図１は実施形態に係る太陽電池モジュールを示す模式的な部分断面図である。図２は従来の太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの表面での反射光の制御の原理を示す模式的な断面図である。図３は従来の太陽電池モジュールにおける、封止材で封止された太陽電池セルの表面での反射光の様子を示す模式的な断面図である。図４は実施形態に係る太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの表面での反射光の様子を示す模式的な断面図である。図５は実施形態に係る太陽電池モジュールにおける太陽電池セルを覆うシート材の内側の表面を粗面化した例を示す模式的な断面図である。図６は一実施例に係る太陽電池モジュールの製造方法の一工程を示す模式的な断面図である。図７は実施形態の変形例に係る太陽電池モジュールを示す模式的な部分断面図である。

以下、実施形態及び実施例を図面に基づいて説明する。以下の実施形態及び実施例の説明は、例示であり、適用物又は用途を制限することを意図しない。また、図面中の各構成部材の寸法比は、図示する際の便宜上のものであり、必ずしも実寸比を表してはいない。

図１は実施形態に係る太陽電池モジュール１００（以下、「モジュール」と略称する。）の模式的な部分断面を表している。

実施形態に係るモジュール１００は、複数の太陽電池１０（以下、「セル」と略称する。）が、それぞれ配線材（タブ線）１０２を介して電気的に接続された太陽電池ストリング１０Ａを備えている。太陽電池ストリング１０Ａ（以下、「セルストリング」と略称する。）とは、例えば、１５枚程度の複数のセル１０が直列に接続された電気的な接続単位（出力単位）をいう。

各セル１０は、第１封止材１０３ａと第２封止材１０３ｂとから形成される封止材１０３によって、上面（例えば、セル１０の両主面のうち受光側の面である受光面）、下面（例えば、受光面の反対側の主面である裏面）及びその周囲の全面を封止される。

さらに、封止材１０３は、２枚の保護部材、すなわち受光面保護材１０５Ａ及び裏面保護材１０５Ｂによって挟持される。各保護材１０５Ａ、１０５Ｂには、例えば、ガラス又は樹脂材が用いられる。

複数のセル１０に対する封止材１０３（第１封止材１０３ａ及び第２封止材１０３ｂ）による封止処理は、例えば、受光面保護材１０５Ａの上に、第１封止材１０３ａ、セルストリング１０Ａ、第２封止材１０３ｂ及び裏面保護材１０５Ｂを順次載置した積層体を作製し、その後、この積層体を所定の条件で加熱して封止材１０３として一体に硬化することにより行える。

本実施形態においては、各セル１０における受光側の主面と第１封止材１０３ａとの間に、後述するように、それぞれ気層１３を設ける。これにより、各セル１０の受光面の色味が発現し、その結果、実施形態に係るモジュール１００は、その色味を制御し得る。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係るモジュール１００における各セル１０の色味の制御方法を説明する。

まず、セル１０に含まれるシリコンウェハの表面は灰色等の彩度が低い色調を持つ。図２に示すように、例えば反射防止膜等により、セル１０の最表面に最表面層１１を形成した場合、入射光に対する、最表面層１１の表面による反射光Ｒａとセル１０（ウェハ自体）の受光面による反射光Ｒｂとは、最表面層１１における位相差を反映した干渉を起こす。その結果、反射光Ｒａ及び反射光Ｒｂは、この位相差を反映した波長によって強め合ったり弱め合ったりする。すなわち、空気と最表面層１１との間の屈折率差による反射光Ｒａと、最表面層１１とセル１０の受光面との間の屈折率差による反射光Ｒｂとが干渉して、人の目には色味として見える。

反射光Ｒａ及び反射光Ｒｂの位相差は、最表面層１１における膜厚及び屈折率によって制御される。つまり、最表面層１１の設計により、セル１０の色調を制御し得る。また、この干渉効果は、反射光Ｒａと反射光Ｒｂとの強度が近いほど強くなり、色調も明瞭となる。例えば、図３に示すように、封止材１０３によって、最表面層１１を有するセル１０を封止すると、最表面層１１の表面による反射光ＲＡの強度がセル１０の表面による反射光ＲＢの強度よりも小さくなって、干渉効果が弱くなる。

従って、図３に示すように、従来のモジュール構造では、封止されたセル１０の最表面層１１は、封止材１０３と密着するため、該封止材１０３と最表面層１１との間の屈折率差は小さく、且つ、反射光ＲＡが小さくなる。このため、反射光ＲＡと反射光ＲＢとの干渉が弱くなるので、セル１０の反射光ＲＢが主体的となり、黒色に近い色に見える。

これに対し、図４に示すように、実施形態に係るモジュール１００では、封止材１０３と最表面層１１との間に、この封止材１０３と最表面層１１とが互いに密着しない未接着領域を面状（薄層状）の気層１３として設ける。これにより、セル１０の最表面層１１の表面からの反射光ＲＡＡが、セル１０の受光面からの反射光ＲＢＢとの屈折率差によって大きくなる。従って、最表面層１１による反射光ＲＡＡとセル１０の受光面による反射光ＲＢＢとの干渉効果が強くなることにより、セル１０における所望の受光面色の色合いを損なうことなく、モジュール化される。すなわち、モジュール１０が、図４に示すように、最表面層１１を気層１３で覆うことにより、最表面層１１による反射光ＲＡＡと、セル１０の受光面による反射光ＲＢＢとの強度が近くなるので、色調も明瞭となる。

ここで、封止材１０３と最表面層１１との間に面状の気層１３を設ける方法として、図４に示すように、セル１０の最表面層１１と封止材１０３との間に、透明樹脂製のシート材１５を介在させてもよい。シート材１５は、封止材１０３とは密着する一方、セル１０、すなわち最表面層１１とは密着しない材料であれば、特に限定されない。例えば、シート材１５には、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニル、及びフッ素樹脂シート等が挙げられる。シート材１５は、セル１０と第１封止材１０３ａとの間の、各セル１０に配置されていてもよく、保護材１０５Ａ、１０５Ｂと対応して全面的に配置されていてもよい。また、気層１３は特に限定されないが、空気層であっても、窒素層等であってもよい。

セル１０の受光面色を変更及び調整する方法は、特に限定されないが、セル１０の最表面層１１の膜厚を変更する方法が挙げられる。例えば、セル１０として裏面接合太陽電池（裏面接合セル）を用いてもよい。裏面接合セルは、結晶シリコン等からなる半導体基板の裏面側に、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層が交互に設けられており、受光面側には基板側からバッシベーション層、及び反射防止膜が順次設けられる。この最表面層１１と対応する反射防止膜の膜厚を調整することにより、色の調整を容易に行える。

なお、半導体基板は、一導電型単結晶シリコン基板によって形成される。一般に、単結晶シリコン基板には、シリコン原子に電子を導入する原子、例えばリン（Ｐ）をドープしたｎ型と、シリコン原子に正孔を導入する原子、例えばホウ素（Ｂ）をドープしたｐ型とがある。ここでいう「一導電型」とは、ｎ型又はｐ型のいずれか一方であることをいう。つまり、半導体基板は、ｎ型又はｐ型の導電型を有する単結晶シリコン基板である。

また、本実施形態のように、封止材１０３のうち受光面側の第１封止材１０３ａとセル１０との間に気層１３を設ける構造を採ると、後述するように、鳥等の飛来物が当該モジュール１０に衝突した際の衝撃波の伝播が抑制される。従って、衝撃波によるセル割れを防ぐことができるので、モジュール１００の性能低下が抑制されると共に、高信頼性を有するモジュール１００となる。

また、図５に示すように、シート材１５は、少なくとも気層１３と対向する面を粗面化したシート材１５Ａであってもよい。このように、シート材１５Ａを凹凸状等の粗面化することにより、モジュール１００内に入射した光が粗面化された面によって反射されて、セル１０に入射する光の再入射効果が生じる。さらに、シート材１５Ａの内側の粗面化により、気層１３が容易に設けられる。

シート材１５Ａの粗面化の粗さの程度は、例えば、算術平均粗さＲａ_１が１μｍ以上１０μｍ以下となるように設定してもよい。凹凸形状の場合は、幅が０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、長さが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、深さが０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下を満たすエンボス形状、又は傾斜面の傾斜角度を所定の範囲に設定した三角形状が好ましい。

［モジュール化］
実施形態に係るモジュール１００は、図１に示すように、複数のセル１０を配線材１０２により接続したセルストリング１０Ａが、封止材１０３を介して受光面保護材１０５Ａ及び裏面保護材１０５Ｂに挟持される。少なくとも各セル１０の受光面上には、シート材１５を介在させて面状の気層１３を設ける。例えば、受光面保護材１０５Ａの上に、第１封止材１０３ａ、シート材１５、セルストリング１０Ａ、第２封止材１０３ｂ及び裏面保護材１０５Ｂを順次載置して積層体を形成し、形成した積層体に対して所定の条件で加熱して封止材１０３ａ、１０３ｂを硬化することにより、セルストリング１０Ａの封止が行える。

封止材１０３には、オレフィン系エラストマーを主成分とするポリエチレン系樹脂組成物、ポリプロピレン、エチレン／α‐オレフィン共重合体、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン／酢酸ビニル／トリアリルイソシアヌレート（ＥＶＡＴ）、ポリビニルブチラート（ＰＶＢ）、シリコン、ウレタン、アクリル、又はエポキシ等の透明樹脂が用いられる。受光面側の第１封止材１０３ａと、裏面側の第２封止材１０３ｂには、同一の材料でもよく、異なる材料でもよい。

受光面保護材１０５Ａは光透過性であり、例えば、ガラス又は透明プラスチックが用いられる。

一方、裏面保護材１０５Ｂは、光透過性、光吸収性、又は光反射性のいずれでもよい。光反射性の裏面保護材１０５Ｂとしては、金属色又は白色等を呈するものが好ましい。例えば、白色樹脂フィルム、又は樹脂フィルム同士の間にアルミニウム等の金属箔を挟持した積層体が裏面保護材１０５Ｂとして好適である。

また、光吸収性の裏面保護材１０５Ｂとしては、例えば、黒色樹脂層等を含み、外観を黒色系にした部材が好適である。このような光吸収性の裏面保護部材１０５Ｂ（例えば黒色シート）を用いて、例えば黒色系の受光面（セル面）を有する裏面接合セル１０をモジュール化した場合、裏面保護材１０５Ｂとセル１０との外観色が近いため、セルストリング１０Ａ同士の間の隙間が目立たず、意匠性の高いモジュール１００が得られる。

また、セルストリング１０Ａにおいては、図示はしていないが、互いに隣接するセル１０において、一方のセル１０Ａの一部が他方のセル１０Ｂの一部に重なることで、瓦葺構造（シングリング構造）になっていても構わない。このようなシングリング構造であると、セルストリング１０Ａにおけるセル１０同士の間に隙間が無い。そのため、例えば黒色系の受光面を有するセル１０でシングリング構造のモジュール１００を形成すると、そのモジュール１００は、受光側のセル面を黒色等に統一することになり、意匠性を高められる。さらに、このようなモジュール１００において、例えば黒色系の裏面保護部材１０５Ｂを使用すれば、モジュール１００の受光側の全面を確実に黒色系に統一させられるので、より意匠性を高められる。

なお、以上では、黒色系の受光面を有するセル１０を例に挙げたが、黒色系に限定されず、例えば、濃紺系又は濃緑系の受光面（セル面）を有するセル１０を使用したモジュール１００の場合、裏面保護部材１０５Ｂの外観色をセル面の色と同系色にすればよい。すなわち、セル１０のセル面の色と、裏面保護部材１０５Ｂの外観色とを同系にすれば、モジュール１００の意匠性を高められる。

以下に、実施例及び比較例を示す。

［裏面接合セルの作製］
対向する２つの主面にテクスチャが形成された、厚さが１６０μｍの６インチｎ型単結晶シリコン基板（一辺の長さが１５６ｍｍのセミスクエア型）を用いて裏面接合セルを作製した。裏面の金属電極として、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層のそれぞれの上に銀ペーストをスクリーン印刷し、その後、１５０℃の温度で３０分間程度の焼成を行った。

受光面には、パッシベーション層及び反射防止膜を順次形成した。最表面層１１に相当する反射防止膜は、化学気層堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法により、屈折率が１．９の窒化シリコン（ＳｉＮ）を、４５ｎｍ、７０ｎｍ、及び１６５ｎｍの３種類の膜厚でそれぞれ作製した。なお、反射防止膜の膜厚は、テクスチャ傾斜面上の値であるが、ガラス基板上に製膜されたＳｉＮを分光エリプソメトリで測定し、傾斜面として換算した。

［実施例］
以下、図６を参照しながら、実施例に係るモジュール１００の製造方法について説明する。

まず、受光面保護材１０５Ａとしての白板ガラスの上に、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）製の第１封止材１０３ａと、透明樹脂製のシート材１５としてのＰＥＴシートを順次配置した。さらに、複数のセル１０及びＥＶＡ製の第２封止材１０３ｂを載置し、その上に裏面保護材１０５Ｂとして、基材であるＰＥＴフィルム１０５ｂの上に黒色樹脂層１０５ａを設けたバックシートを配置した。

続いて、大気圧下で加熱圧着を５分間行った後、１５０℃の温度で６０分間保持し、ＥＶＡを架橋させてモジュール１００を得た。このとき、３種類の膜厚の反射防止膜を持つセルについて、それぞれモジュール化を実施した。

なお、シート材１５であるＰＥＴシートを第１封止材１０３ａの上に一様に且つ全面に載置したが、これに限られない。すなわち、ＰＥＴシートは、少なくとも各セル１０の受光面（図６では下面）を覆うように配置してもよい。さらには、ＰＥＴシートによって各セル１０の受光面上に形成される気層１３は、各セル１０における受光面の少なくとも２分の１の面積を覆っていればよい。以下の比較例でも同様である。

［比較例］
受光面保護材としての白板ガラスの上に、ＥＶＡ製の第１封止材、複数のセル、及びＥＶＡ製の第２封止材を配置した。その上に裏面保護材として、基材であるＰＥＴフィルムの上に黒色樹脂層を設けたバックシートを配置した。

続いて、大気圧下で加熱圧着を５分間行った後、１５０℃の温度で６０分間保持して、ＥＶＡを架橋させてモジュールを得た。ここでも、３種類の膜厚の反射防止膜を持つセルについて、それぞれモジュール化を実施した。

このように、実施例の比較例との相違点は、実施例が気層１３の形成用のシート材１５を第１封止材１０３ａとセル１０の受光面との間に配置している点である。

［太陽電池セル、モジュール内セルの色味確認］
作製した３種類の各セル１０の受光面を観察し、それぞれ色味を確認した。また、実施例及び比較例に係るモジュールを、太陽光下で観察した。その結果を、セル１０の反射防止膜を通した色味に近い場合はＡ評価とし、バックシート自体の色味に近い場合はＢ評価として、以下の［表１］に示している。

実施例と比較例とを比較すると、モジュール内の３通りのセル１０の色味に関して、比較例では、いずれもがバックシートの色味、つまり、黒色系の色に近いのに対し、実施例では、いずれもセル１０の色味に近いモジュール１００を作製できることが分かった。比較例に係るモジュール構造では、セルの表面が封止材と密着するため、該封止材とセルの最表面層との間の屈折率差が小さくなる。これにより、最表面層による反射光が小さくなるので、干渉光が弱くなり、セルの受光面による反射光が主体的となって黒色に近い色に見える。

これに対し、本実施例では、封止材１０３とセル１０の最表面層１１との間に面状の気層１３を設ける。この面状の気層１３により、最表面層１１による反射光ＲＡＡとセル１０の受光面による反射光ＲＢＢとの互いの屈折率差による反射光が大きくなって、当該反射光ＲＡＡと当該反射光ＲＢＢとの屈折率差による反射光が干渉する。その結果、セル１０の受光面の色合いを損なわないモジュール１００が実現する。

[太陽電池モジュールの耐衝撃性]
次に、実施例に係るモジュール１００が比較例に対して耐衝撃性が向上することについて説明する。

窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる反射防止膜の膜厚が７０ｎｍのセル１０を作製した後、上記の実施例及び比較例に係るモジュール化を実施し、それぞれ耐衝撃試験を実施した。重さが１．５ｋｇ、２．６ｋｇ、及び４．８ｋｇの錘を８０ｃｍの高さから落下して、各モジュール内のセル１０にクラックが見られるか否かをＰＬ（Photoluminescence）により確認した。その確認結果として、クラックがない場合はＡ評価とし、クラックが見られる場合はＢ評価として、以下の［表２］に示している。

耐衝撃試験に関して、実施例と比較例とを比較すると、比較例では、重さが２．６ｋｇ及び４．８ｋｇの錘に対し、セル１０にクラックが見られた。一方、実施例では、いずれの重さの錘に対しても、セル１０にクラックは見られなかった。これは、封止材１０３とセル１０との間に設けた面状の気層１３により、モジュール１００に衝突した衝撃波の伝播が抑制されて、その衝撃波によるセル割れが防がれたと考えられる。

（実施形態の変形例）
図１に示した太陽電池モジュール１００は、セル１０として裏面接合セル（バックコンタクトセル）を用いているが、これに限られず、図７に示すように、両面電極型セル１０ａの場合にも適用が可能である。

この図に示すように、本変形例に係るモジュール１００Ａは、一のセル１０ａの表面電極（例えばｐ型電極）とこれと隣接する他のセル１０ａの裏面電極（例えばｎ型電極）とが交互に接続される。このように構成されたセルストリング１０Ａにおいて、各セル１０ａの受光面である最表面層と第１封止材１０３ａとの間に、透明樹脂製のシート材１５が介在する。

ところで、建築物の壁面上にモジュールを設置する場合は、外観のバリエーションに乏しいため、壁面の外見（例えば壁面の色味)と馴染まずに、建築物の意匠性を低下させる原因となり得る。また、飛来物がモジュールに衝突した際には、モジュール内のセルが割れることもあり、当該セルの性能の低下が引き起こされるというおそれもある。

しかしながら、以上に説明したように、上記実施形態及び実施例に係るモジュール１００，モジュール１００Ａによれば、封止材１０３と各セル１０、１０ａの受光面との間に気層１３を設けることにより、セル１０、１０ａの色味を損なうことなく、優れた意匠性が実現する。

さらに、飛来物の衝撃により、モジュール１００、１００Ａのセル１０、１０ａに生じるクラックを抑制することができるので、信頼性に優れたモジュール１００、１００Ａが実現する。

また、各セル１０、１０ａの受光面が気層１３で覆われるため、電圧誘起出力低下（ＰＩＤ：Potential Induced Degradation）現象に対する耐性をも高められる。ＰＩＤ現象とは、保護材１０５Ａ、１０５Ｂにガラスが用いられる場合に、例えば、高電圧下で該保護材１０５Ａ、１０５Ｂからナトリウム（Ｎａ）イオン等が封止材１０３中に拡散し、各セル１０、１０ａの表面又は内部に侵入することによって生じる出力の低下をいう。従って、モジュール１００、１００Ａは、ＰＩＤ現象を抑制し、高い信頼性を発揮する。

１００、１００Ａ太陽電池モジュール（モジュール）
１０２配線材
１０３封止材
１０３ａ第１封止材
１０３ｂ第２封止材
１０５Ａ受光面保護材（保護部材）
１０５Ｂ裏面保護材（保護部材）
１０５ａ黒色樹脂層
１０５ｂＰＥＴフィルム
１０、１０ａ太陽電池（セル）
１０Ａ太陽電池（セル）ストリング
１１最表面層（反射防止膜）
１３気層
１５シート材（透明樹脂／ＰＥＴシート）

Claims

電気的に接続された複数の太陽電池セルと、
前記複数の太陽電池セルを封止する封止材と、
前記複数の太陽電池セルと共に前記複数の太陽電池セルの対向する２つの主面側から前記封止材を挟持する２枚の保護部材とを備え、
前記複数の太陽電池セルのそれぞれにおける受光側の主面と前記受光側の主面と対向する前記封止材との間に、気層が設けられており、
前記複数の太陽電池セルのそれぞれにおける前記受光側の主面上には、反射防止膜とその上の透明樹脂製のシート材とが順次設けられていると共に、前記シート材は、前記封止材とは別部材であり且つ前記反射防止膜と対向する面が粗面化されており、
前記気層は、前記反射防止膜と前記シート材との間の空隙層である太陽電池モジュール。
前記気層は、前記複数の太陽電池セルのそれぞれにおける前記受光側の主面と前記封止材との間に面状に介在する請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記気層は、前記複数の太陽電池セルのそれぞれにおける前記受光側の主面の少なくとも２分の１の面積を覆う請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
前記気層は、空気層である請求項１～３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
前記複数の太陽電池セルのそれぞれは、裏面接合太陽電池セルである請求項１～４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。