JPWO2012176419A1 - 太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献1に示された太陽電池モジュールでは、バックシートに代わって背面側基板となるガラス基板が用いられており、いわゆる合わせガラス方式の太陽電池モジュールを構成している。このような太陽電池モジュールは、バックシートを用いるモジュールに比べて水蒸気の遮断性能が高い利点がある。
また、背面側ガラス基板の機械的強度を高めることにより、太陽電池モジュールに強度を持たせることができることから、複数配列した太陽電池セル間の隙間や、太陽電池セル自身の透光性を利用して、採光窓の建材として利用することも可能になる。こうした太陽電池モジュールは、用途の観点から、建材一体型太陽電池モジュールとも呼ばれている。
合わせガラス方式の太陽電池モジュールでは、太陽電池セルとそれを封止する封止樹脂層を囲むように、ガラス基板端部にシール部材が配置されている。このシール部材は、絶縁性、防水性に優れたポリイソブチレンあるいはブチルゴムを含有する材料から形成されており、ガラス基板間の周縁部に挿入されて、太陽電池セルへの水分の影響を抑制している。(例えば、特許文献1参照。)合わせガラス方式の太陽電池モジュール封止工程においても、真空ラミネート装置を用いる方法を適用することができる。
この発明は、上記のような問題を解消するためになされたもので、封止工程においてガラス基板周縁部の応力が過大となることがなく、ガラス基板の割れを防止できる合わせガラス方式の太陽電池モジュールを得ることを目的としている。
図1は、本発明の実施の形態1における合せガラス方式の太陽電池モジュール100の断面図である。太陽電池セル1は光起電力を発生させる単位となる素子であり、受光面側となる前面側ガラス基板2上に配置されている。さらに、太陽電池セル1は透光性の中間膜層4によって全体が被覆されるとともに、中間膜層4を介して前面側ガラス基板2と背面側ガラス基板3に挟まれて封止されている。両ガラス基板の周縁部には封止部材5、および封止部材6が配置され、中間膜層4の外周部を外気から遮断している。封止部材5は1枚の封止シートを折り曲げて成型された部材であり、挿入部と外装部が形成されている。挿入部は前面側ガラス基板2と背面側ガラス基板3との間に挿入される部分で、接着面が前面側ガラス基板2及び背面側ガラス基板3に接着される。外装部は、前面側ガラス基板2または背面側ガラス基板3の端面に沿う部分で、接着面が前面側ガラス基板2または背面側ガラス基板3の端面に接着されている。封止部材5の水平接着面7は、前面側ガラス基板2と平行に対向する挿入部の接着面、垂直接着面8は前面側ガラス基板2の端面に対向する外装部の接着面である。封止部材5形成前の封止シートの片側は接着に適した表面を有しており、封止部材5形成によって成型されて、水平接着面7、垂直接着面8となる。
中間膜層4には、エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂(EVA)に代表される熱可塑性の樹脂が用いられる。中間膜層4は、封止工程の加熱により軟化して接着剤として機能するため、内部に太陽電池セル1を包含しながら、前面側ガラス基板2と背面側ガラス基板3の間を埋めて両基板を接着している。なお、図1では、太陽電池モジュール100内に太陽電池セル1が1個含まれているのみであるが、実際には複数の太陽電池セルが行列を成すように、マトリクス状に配置される。
水平接着面11はガラス基板面に対向する面、折り返し部12は封止シートを屈曲させた略半円筒形部分、垂直接着面13はガラス基板の端面に対向する面である。水平接着面11は上下で一対となっており、水平接着面11と折り返し部12を有する部分は封止部材10の挿入部を構成している。垂直接着面13を有する部分は封止部材10の外装部を構成する。同様に、垂直接着面13も上下一対の構成を有している。
すなわち、封止部材10はEVA被膜が形成された封止シートを裁断し、これを適度に加熱しながら折り曲げて形成される。封止部材10のEVA被膜側は接着面となる。
封止部材10は、前面側ガラス基板2に対する水平接着面11と、背面側ガラス基板3に対する水平接着面11を有しており、各接着面は封止部材10を構成する封止シートを折り曲げて外気側では接着されないことから、それぞれの水平接着面11における応力が互いに干渉することがない。そのため、封止工程で、前面側ガラス基板2、中間膜層4、背面側ガラス基板3がそれぞれ膨張、収縮してもガラス基板端部に応力が集中することがなく、中間膜層4が薄い場合でもガラス基板の割れを抑制することができる。
また、上記接着面の反対側の面にアルミニウム被膜を形成することにより、ガスバリア性を向上させることが出来る。その他、アルミニウム被膜の代わりに、封止シート上に窒化珪素膜、酸化珪素膜、またはSiON膜を形成してガスバリア性を高めても良い。これらの無機系バリア膜は、蒸着あるいはPETなどを介して積層したフィルムが適している。
無機系バリア膜は折り曲げ加工の際に微細なクラックを生じるため、折り曲げ加工後に封止部材5、6表面に形成しても良い。折り曲げ後の膜形成により、クラックの無い、ガスバリア性に優れた封止部材を実現することが出来る。EVAの透湿度が約10g/m2・day(JIS K7129に基づく40℃、90%RH)とすると、封止シートの透湿度はそれ以下であることが望ましい。上記のように、アルミニウム被膜や各種無機材料膜を用いることにより、この目標値を容易に達成することが出来る。ガスバリア性の観点では、上記の無機系バリア膜を有するフッ化物系材料からなるフィルムが最適である。
水平接着面7、11の面積はガラス基板の厚みに依存せず適宜設定可能であり、さらに垂直接着面8、13に至る接着界面によってモジュール内から外気に至る経路の長い接着がなされるため、確実な封止が可能となる。
図3は、図2に示した形状の封止部材10を4本使用して、長方形のモジュールの4辺に対応して並べた場合の配置関係を示す図である。短辺の封止部材10Aと長辺の封止部材10Bをそれぞれ2本ずつ配置して、長方形のモジュールの外縁部を囲む構成としたものである。
ガラスからなる2枚の基板と、折り曲げた封止シートからなる封止部材5、6、10を用いることにより、ガスバリア性の極めて高い太陽電池モジュールを実現することが可能になる。湿気が内部に入り込むと金属の配線や接続部分が腐食するおそれがあり、また、薄膜型の太陽電池セルや透明導電性薄膜層の劣化を引き起こす要因となるため、モジュールの信頼性を高める効果が得られる。また、CIGS型の太陽電池セルを用いた場合にはセルが湿気に対して特に敏感なため、特性安定化に寄与することが出来る。
まず、前面側ガラス基板2上の太陽電池セル1の外周にある端面封止領域に、封止シートをあらかじめ折り曲げて形成した封止部材5、6を載せる(配置については図3参照)。
その上から、前面側ガラス基板2と同様のサイズの中間膜片と、背面側ガラス基板3を太陽電池セル1上に重ねて配置する。
図4は封止工程で太陽電池モジュール100が形成された状態を示す断面図で、封止シートが外れないように、図4に示すような断面形状の治具Pが取り付けられている。前面側ガラス基板2下には図示されていないステージがあり、治具Pの下面はステージに対する位置関係を保持するように固定される。治具Pは、耐熱性をそなえ、かつ、加圧されてガラス基板間からはみだした中間膜により太陽電池モジュールに接着されることがないように、フッ素樹脂などの、耐熱性、耐薬品性、非粘着性を備えた材料で形成されることが好ましい。
封止工程では、ダイアフラムが治具Pと太陽電池モジュール100全体を覆うように被せられてモジュール全体が外側から加圧されるとともに、太陽電池モジュール100内が減圧される。このような状態で、真空ラミネート装置内でステージが加熱されて中間膜片が溶融し、太陽電池セル1を被覆するとともに、前面側ガラス基板2と背面側ガラス基板3を接着して中間膜層4を形成する。真空ラミネート封止工程により、溶融してガラス基板の端部方向に押し出された中間膜も、封止部材5、6と上下のガラス基板との接着に寄与する。また、封止部材5、6の継ぎ目から、余剰分の中間膜層が流出するようにしてもよい。継ぎ目に意図的に隙間を設けて中間膜層の排出口として利用し、流出してガラス基板間の外部で固化した中間膜層をカッター等で適宜切断することができる。上記の排出口は、ガラス基板間のガスを逃がすための経路としても利用できる。
また、封止前に封止部材5、6のギャップG内に短冊状のスペーサSを挿入しておき、封止完了後に取り去ることによって、中間膜層4の厚みを精度良く制御することが可能である。スペーサSの材料は、ステンレス薄板、アルミ箔、ポリイミド製耐熱フィルムなどから適宜選択すればよい。
なお、モジュールのガスバリア性を高めるため、隣り合う封止部材10A、10Bの接触部分にできた隙間に、ブチルゴムやシリコーン樹脂を塗布してもよい。これにより封止部材の隙間から水蒸気を通しにくい構造を形成することができる。なお、中間膜層4に用いられる材料としては、EVAの他、低透湿性、接着性を有する樹脂であれば良く、EVAに限定されるものではない。
太陽電池セル1下の前面側ガラス基板2の側面に沿う外装部の高さは、ガラス基板の厚みより低くしてもよい。これによって、封止部材が、前面側ガラス基板2に入射する太陽光を遮ることを防ぐことが出来る。
一枚の前面側ガラス基板202上に並設された、複数の薄膜太陽電池セル201が直列接続されて集積型太陽電池デバイスが構成され、集積型太陽電池デバイスの一端および他端にそれぞれ正極集電部および負極集電部が形成される。通常、薄膜太陽電池セル201は細長い矩形で、矩形の長辺は前面側ガラス基板202のほぼ全幅にわたる長さを有している。隣接する薄膜太陽電池セル間同士は、一方のセルの透明電極膜と他方のセルの背面電極膜とが互いに接続されて直列に接続される。直列に接続された一端の薄膜太陽電池セルの透明電極膜の端部上に薄膜太陽電池セルとほぼ同一長の線状のP型電極端子部210が形成される。また、他端の薄膜太陽電池セルの背面電極膜の端部に同様のN型電極端子部220が形成される。これらのP型電極端子部210およびN型電極端子部220が電極取り出し部となる。
P型電極端子部にはこの端子部と同形の銅箔からなるバスバーと呼ばれる正極集電部が、P型電極端子部210の全面に対して電気的かつ機械的に接合される。同様にN型電極端子部220と同形の負極集電部が、N型電極端子部220の全面に対して接合される。そして、正極集電部および負極集電部に対して、それぞれ正極リード線および負極リード線が接続される。正極リード線および負極リード線の他端は背面側のガラス基板を貫通する状態で引出される場合と、ガラス基板の周縁部から引出される場合がある。
モジュール外周端面を保護するために、ガラス基板外周にアルミニウム製のフレームを嵌めてモジュールを構成する。一方、フレームを省略したフレームレス方式の太陽電池モジュール100が用いられることもある。この場合、フレーム分の重量とコストを低減することが出来る反面、ガラス基板端部が露出する場合にモジュールを破損し易い問題がある。上述の太陽電池モジュール100においては、ガラス基板端部を封止部材5、6で被覆しているため、衝撃により破損しやすいガラス基板端部が剥き出しとならず、封止シートで保護されている。さらに、封止部材5、6の折り曲げられた挿入部がガラス基板間に挟み込まれるため、封止部材5、6とガラス基板との接着力が強く、剥がれにくい。なお、図3の封止部材10A、10Bの配置例では、封止部材10Aの両端外延にガラス基板端部が露出する箇所が生じるため、封止部材10Aの形状を変更して垂直接着面8、13に相当する部分を延長した態様を用いても良い。このような構造を用いることにより、端部保護用の部材を別途準備することなく、簡便にフレームレスのモジュールを実現することが出来る。
なお、太陽電池セル1は薄膜太陽電池に限定されるものではない。結晶系の半導体基板で作成した太陽電池セルを前面側ガラス基板2に貼り付けるタイプの太陽電池モジュールにおいても、太陽電池セル領域周囲の封止領域で同様の処理を行うことにより、モジュールの端面封止を行うことが可能である。
本実施の形態2の太陽電池モジュールは、実施の形態1と同様に合わせガラス構造のモジュールであり、実施の形態1と比較すると封止部材の形状が異なるものである。
図5は、本発明の実施の形態2における合わせガラス構造の太陽電池モジュールの端面封止に用いる封止部材20の形状を示す斜視図である。モジュール形成時の継ぎ目となる水平接着面21の両端が垂直接着面23に対して45°となるようにカットされた構成となっており、4本をつなぎ合わせて長方形の4辺を構成しやすく考慮したものである。図6は、この形状の封止部材20A、20Bを並べた場合の配置関係を示す図で、モジュールの4辺を隙間無く囲む構成を得ることが出来る。
実施の形態1と同様に、折り返した形状の封止部材を用いているため、封止工程におけるガラス割れを抑制することができる。また、封止部材20A、20Bの上記45°カット面や、継ぎ目にブチルゴムやシリコーン樹脂を塗布することによって、ガスバリア性の高い封止構造を得ることが出来る。
本実施の形態3の太陽電池モジュールは、実施の形態1と同様に合わせガラス構造のモジュールであり、実施の形態1および実施の形態2と比較すると封止部材の形状が異なるものである。
図7は、本発明の実施の形態3における合せガラス構造の太陽電池モジュールの右側端部断面を拡大した断面図である。図7の封止部材31は、前面側ガラス基板2と背面側ガラス基板3の端部を被覆する外装部が、垂直接着面からモジュールの外面となる主平面上に延長されて折り返された構造を有している。この方法により、ガラス基板端部の損傷に対する保護が強化され、モジュール施工時の作業性を向上することが出来る。また、ガラス基板端部における封止部材31の剥離を抑制することが出来る。上述の実施の形態と同様に、折り返した形状の封止部材を用いているため、封止工程におけるガラス割れを抑制することができる。
なお、封止部材31が前面側ガラス基板2外周を覆う幅は、封止部材31が入射光を遮って受光面積が減少しないように考慮される。例えば、薄膜型太陽電池セルを用いる場合は、基板周囲のエッジデリーション領域より内側にかからないようにすればよい。
本実施の形態4の太陽電池モジュールは、実施の形態1と同様に合わせガラス構造のモジュールであり、上述の実施の形態2と比較すると封止部材の形状が異なるものである。
図8は、本発明の実施の形態4における合せガラス構造の太陽電池モジュール右側を拡大した断面図である。図8の封止部材32は、外装部が背面側ガラス基板3の端部を被覆し、前面側ガラス基板2端面は被覆していない。
前述の封止工程では、溶融してガラス基板の端部方向に押し出された中間膜4が封止部材と上下のガラス基板の間に侵入する。このとき、中間膜4の分量が多いと、封止部材32とガラス基板の間から中間膜層4のはみだしが生じる。封止部材32を用いることにより、前面側ガラス基板2側へのはみだしが生じても、受光側の前面側ガラス基板2主面に中間膜層4が回り込むことを防ぐことができる。また、上述の実施の形態と同様に、折り返した形状の封止部材を用いているため、封止工程におけるガラス割れを抑制することができる。
さらに、引出し線を前面側ガラス基板2に沿って配置し、前面側ガラス基板2端部から取り出す場合に、引出し線が封止部材32を貫通する必要が無い。封止工程において、引出し線の位置に対応してスペーサSを省くことにより、封止部材32を引出し線に沿って変形させることが出来る。したがって、封止部材32を用いることによって、前面側ガラス基板2の外周から引出し線を取り出す方式では、太陽電池モジュール100の封止工程の生産性を高めることが出来る。
2 前面側ガラス基板
3 背面側ガラス基板
4 中間膜層
5、6、10、20、31、32 封止部材
S スペーサ
Claims (7)
- 受光面側の第1ガラス基板と背面側の第2ガラス基板との間に、
太陽電池セルと前記太陽電池セルを封止する透光性中間膜層とを介在して成る合わせガラス構造の太陽電池モジュールにおいて、
前記第1ガラス基板の周縁部に、
片側を接着面とする封止シートを折り曲げて挿入部と外装部とを形成した封止部材を有し、
前記挿入部は前記封止シートを折り返して形成され、
前記外装部は前記挿入部に連なって形成され、
前記挿入部は前記第1ガラス基板と前記第2ガラス基板との間に挿入されて前記接着面が前記第1ガラス基板及び前記第2ガラス基板に接着され、
前記外装部は前記接着面が前記第1ガラス基板または前記第2ガラス基板の端面に接着されていることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記封止部材は一対の外装部を有しており、
一方の前記外装部は前記第1ガラス基板の前記端面に接着され、
他方の前記外装部は前記第2ガラス基板の端面に接着され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。 - 前記透光性中間膜層はエチレン酢酸ビニル共重合体を主成分とし、
前記封止部材は前記接着面上にエチレン酢酸ビニル共重合体の層が形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の太陽電池モジュール。 - 前記封止シートは樹脂フィルムを基材として、前記樹脂フィルムの前記接着面側に窒化珪素膜、酸化珪素膜、SiON膜のいずれかを形成したフィルムであることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
- 請求項1から請求項4のいずれかに記載の太陽電池モジュールの製造方法であって、
第1ガラス基板上の太陽電池セル上に前記透光性中間膜層となる中間膜シートを配置する工程と、
前記第1ガラス基板の外周部を囲むように前記封止部材を配置する工程と、
前記中間膜シート上に第2ガラス基板を配置する工程と、
前記中間膜シートを加熱して軟化させる工程と、
を含むことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記封止部材はあらかじめ前記封止シートを加熱して前記挿入部と前記外装部とを形成した後、
前記前記第1ガラス基板ないし前記第2ガラス基板の外周部に配置して封止を行うことを特徴とする請求項5に記載の太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記封止部材の前記第1ガラス基板に対する前記接着面と反対側の面と、前記第2ガラス基板に対する前記接着面と反対側の面との間に、スペーサを挿入して封止を行う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の製造方法。
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