JPWO2014057561A1 - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
太陽電池モジュール（１０）は、太陽電池（１１）と、太陽電池（１１）の裏面側に配置される第１反射層であって、その主材料の屈折率よりも高い屈折率を有する着色材を含む着色層（２０）と、着色層（２０）の裏面側に配置され、着色層（２０）よりも高い透過率を有する透明中間層（２２）と、透明中間層（２２）の裏面側に配置される第２反射層であって、その主材料の屈折率よりも高い屈折率を有する白色化した箇所を含み、かつ、層全体としての屈折率が透明中間層（２２）の屈折率よりも高い裏面側の保護部材（１７）とを備える。裏面側の封止材（１５）は、着色層（２０）と透明中間層（２２）を含んで構成される。
Description
本発明は、太陽電池の裏面側の封止材が受光面側からの光を反射する太陽電池モジュールに関する。
太陽電池モジュールでは、太陽電池素子を封止材によって封止することによって、外部からの衝撃を和らげると共に外部からの水分や汚染物質の浸入を防いでいる。
太陽電池素子に用いられる封止材としては、透明性、耐熱性、保護部材との接着性、太陽光に対する耐劣化性等が要求され、これらを満たすため種々の配合処方が検討されている。近年、太陽電池の発電効率を上げるため、太陽電池素子の背面側の封止材として、白色顔料を含ませた白色封止材が用いられることが示されている（特許文献１）。
太陽電池モジュールにおいて、受光面側からの光の反射をさらに効率的に行うことである。
本発明に係る太陽電池モジュールは、太陽電池と、太陽電池の裏面側に配置される第１反射層であって、第１反射層の主材料の屈折率よりも高い屈折率を有する着色材を含む第１反射層と、第１反射層の裏面側に配置され、第１反射層よりも高い透過率を有する透明中間層と、透明中間層の裏面側に配置される第２反射層であって、第２反射層の主材料の屈折率よりも高い屈折率を有する白色化した箇所を含み、かつ、層全体としての屈折率が透明中間層の屈折率よりも高い第２反射層と、を備える。
第１反射層を透過してきた光を第２反射層で反射するので、受光面側からの光の反射をさらに効率的に行うことができる。
以下に図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下で述べる材質、厚さ、寸法等は説明のための例示であって、太陽電池モジュールの仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において一または対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、太陽電池モジュール１０の構造を示す断面図である。太陽電池モジュール１０を構成する太陽電池１１は、主面として、太陽電池１１の外部からの光が主に入射する面である受光面と、受光面と反対側の面である裏面とを有する。図１では、紙面の上側を受光面側、下側を裏面側として示した。
太陽電池モジュール１０は、複数の太陽電池１１を複数の配線材１２，１３を用いて互いに直列接続したものを、受光面側の封止材１４と裏面側の封止材１５で挟み、その外側に受光面側の保護部材１６と裏面側の保護部材１７を配置し、端部をフレーム１８，１９で固定して構成される。
太陽電池１１は、太陽光等の光を受光することで正孔および電子の光生成キャリアを生成する光電変換部を備える。光電変換部は、例えば、結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体材料の基板を有する。光電変換部の構造は、広義のｐｎ接合である。例えば、ｎ型単結晶シリコン基板と非晶質シリコンのヘテロ接合を用いることができる。この場合、受光面側の基板上に、ｉ型非晶質シリコン層と、ボロン（Ｂ）等がドープされたｐ型非晶質シリコン層と、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）の透光性導電酸化物で構成される透明導電膜（ＴＣＯ）を積層し、基板の裏面側に、ｉ型非晶質シリコン層と、燐（Ｐ）等がドープされたｎ型非晶質シリコン層と、透明導電膜を積層する構造とできる。
光電変換部は、太陽光等の光を電気に変換する機能を有すれば、これ以外の構造であってもよい。例えば、ｐ型多結晶シリコン基板と、その受光面側に形成されたｎ型拡散層と、その裏面側に形成されたアルミニウム金属膜とを備える構造であってもよい。
配線材１２，１３は、光電変換部の上の透明導電膜の表面に導電ペースト等を用いて形成された接続用電極に接着剤を介して接続される導電性部材である。配線材１２，１３としては、銅等の金属導電性材料で構成される薄板が用いられる。薄板に代えて撚り線状のものを用いることもできる。導電性材料としては、銅の他に、銀、アルミニウム、ニッケル、錫、金、あるいはこれらの合金を用いることができる。
接着剤としては、アクリル系、柔軟性の高いポリウレタン系、あるいはエポキシ系等の熱硬化性樹脂接着剤を用いることができる。接着剤には、導電性粒子が含まれる。導電性粒子としては、ニッケル、銀、金コート付ニッケル、錫メッキ付銅等を用いることができる。接着剤として、絶縁性の樹脂接着剤を用いることもできる。この場合には、配線材１２，１３または接続用電極の互いに対向する面のいずれか一方または双方を凹凸化して、配線材１２，１３と接続用電極の間から樹脂を適当に排除して電気的接続を取るようにする。
受光面側の封止材１４と裏面側の封止材１５は、太陽電池１１に対し、衝撃の緩衝材としての役割と、汚染物質、異物、水分の侵入を防ぐ機能等を有し、層状に形成される部材である。これらの封止材１４，１５は、耐熱性、接着性、柔軟性、成形性、耐久性等を考慮して材質が選定される。受光面側の封止材１４は、外部からの光を取り入れるため、できるだけ高い透明性を有し、入射した光を吸収したり反射することなく透過させる透明封止材が用いられる。例えば、ポリエチレン系のオレフィン樹脂やエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等が用いられる。ポリエチレン系のオレフィン樹脂やＥＶＡ以外には、ＥＥＡ、ＰＶＢ、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等を用いることもできる。非ＥＶＡ系としては、架橋タイプの樹脂が好ましい。
封止材１５は、太陽電池１１の受光面側からの光を反射させて太陽電池１１の裏面側に導入させるように、着色層２０と、着色層２０の受光面側に配置される透明上面層２１と、着色層２０と保護部材１７との間に配置される透明中間層２２の三層構造が用いられる。
受光面側の保護部材１６は、外部から光を取り入れることができる透明な板体、フィルムである。受光面側の保護部材１６としては、ガラス板、樹脂板、樹脂フィルム等の透光性を有する部材を用いることができる。
裏面側の保護部材１７は、太陽電池１１の受光面側からの光を反射させて太陽電池１１の裏面側に導入させるように、着色した樹脂フィルムが用いられる。
図２は、裏面側の構造と厚さ関係を説明するために、隣接する太陽電池１１に挟まれた隙間の部分を拡大して示す図である。隣接する太陽電池１１で挟まれた隙間の一部の領域には、隣接する太陽電池１１の間を接続する配線材１３が配置されるが、図２では、封止材１５の構成を説明するため、配線材１３が配置されていない領域を示した。
封止材１５を構成する最上層である透明上面層２１は、太陽電池１１の裏面と着色層２０の間に配置され、着色材を含まない透明膜である。透明上面層２１は、着色層２０が受光面側の封止材１４の側に回りこむことを抑制する。透明上面層２１は封止材１５と同じポリエチレン系のオレフィン樹脂やＥＶＡを用いることができる。透明上面層２１の厚さは、一例を上げると約１００〜１５０μｍである。また、透明上面層２１は、太陽電池１１との接着性改善についても効果がある。着色層２０は無機顔料等の着色材を含むため、透明上面層２１に比べて接着力が弱い。
封止材１５を構成する着色層２０は、透明な主材料に着色材を混入して着色した膜である。主材料としては、ポリエチレン系のオレフィン樹脂やＥＶＡを用いることができ、例えば、白色に着色するには、酸化チタンや炭酸カルシウム、酸化亜鉛等の無機顔料を着色材として用いることができる。透明樹脂である主材料の屈折率は約１．４９〜１．５０で、酸化チタンの屈折率は約２．７である。着色層２０は、質量比で酸化チタンを約１〜２０質量％混入させる。好ましくは８質量％混入することがよい。これによって、白色以外の適当な無機顔料等を用いて、白色以外で着色された着色層２０としてもよい。
一般的に、厚さｔで吸収率λの媒質Ａに入射する光の強度をＩ0とし、媒質Ａを通った後の光の強度をＩ1とすると、透過率Ｔ＝−ｌｏｇ（Ｉ1／Ｉ0）＝ｅ-λtで表される。透過率Ｔは、媒質Ａの入射面における反射、媒質Ａの内部における吸収と散乱をすべて含んだものとなる。反射は屈折率の異なる２つの媒体の界面で生じる。媒質Ａの屈折率をｎA、媒質Ｂの屈折率をｎBとすると、垂直入射の場合の媒質Ａと媒質Ｂの界面の反射率Ｒ＝｛(ｎA−ｎB)/(ｎA＋ｎB)｝2で表される。すなわち、屈折率の差があれば、入射角によるが、その界面で反射が生じる。
着色層２０と、その受光面側に配置される透明上面層２１、封止材１４とを比較すると、着色層２０は、着色材による光の吸収散乱があるので、その吸収率λ20は、透明上面層２１の吸収率λ21よりも高く、封止材１４の吸収率λ14よりも高い。したがって、着色層２０の透過率Ｔ20は、透明上面層２１の透過率Ｔ21よりも低く、封止材１４の透過率Ｔ14よりも低い。また、着色層２０は着色材が添加されるので、層全体としての屈折率ｎ20は、透明上面層２１の屈折率ｎ21よりも高く、封止材１４の屈折率ｎ14よりも高い。したがって、透明上面層２１と着色層２０との界面で反射が生じる。
また、微視的にみれば、着色層２０の内部において、着色材である酸化チタンの屈折率は主材料であるＥＶＡの屈折率よりも高いので、酸化チタンの存在する個所において反射が生じる。このように、着色層２０は、透明上面層２１との界面で、受光面側からの光を太陽電池１１の裏面側に反射する反射層として働き、内部では、酸化チタンの箇所で微視的な反射が生じる。
このように、着色層２０は、白色に着色されて太陽電池１１の裏面側に配置され、隣接する太陽電池１１に挟まれた隙間から入った受光面側からの光を太陽電池１１の裏面側に反射する反射層となる。着色層２０の厚さが薄いと受光面側からの光が保護部材１７の側に透過しやすくなり、集光ロスが発生する。着色層２０の厚さを厚くすれば反射効果は上がるが、封止材１４と共に太陽電池１１を挟んでラミネートしたときに、保護部材１６の端部からの着色層２０の流れ出しが増えるため、製造装置や太陽電池モジュール１０を汚す懸念がある。また、封止材１５の全体の厚さが厚くなり、ラミネート時の太陽電池１１の間の収縮量が大きくなり、配線材１２，１３に応力がかかりやすくなる。また、封止材１５の厚さを変えずに着色層２０の厚さを厚くすれば、透明上面層２１や透明中間層２２を薄くしなければいけなくなるため、着色層２０の受光面側の封止材１４側への回りこみの問題や、太陽電池１１および保護部材１７との接着性の問題が発生する。このように、着色層２０の厚さは、太陽電池モジュール１０の全体の仕様から規制される。厚さの一例を上げると、約３００〜４００μである。
透明中間層２２は、着色層２０と保護部材１７との間に配置される透明膜である。透明中間層２２は、材質の異なる両部材の間を互いに接着してラミネート構造とするための緩衝層として働く。透明中間層２２は着色層２０の主材料と同じポリエチレン系のオレフィン樹脂やＥＶＡを用いることができる。したがって、透明中間層２２の透過率Ｔ22は透明上面層２１の透過率Ｔ21と同じで、着色層２０の透過率Ｔ20よりも高い。また、その屈折率ｎ22は透明上面層２１の屈折率ｎ21と同じで、着色層２０の屈折率ｎ20よりも低い。透明中間層２２の厚さは、一例を上げると約１００〜１５０μｍである。
透明中間層２２と保護部材１７との間の密着性を向上させるための適当なプライマ物質を添加することが好ましい。プライマ物質としては、不揮発分の少ない低粘度の液体、例えば、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂等を用いることができる。
その場合に、透明中間層２２と保護部材１７の間に、プライマ物質を添加した別の薄い透明層を設けて、透明中間層２２と、プライマ物質を含む薄い透明層の積層構造としてもよい。また、同様に、透明中間層２２と保護部材１７との間の密着性向上に特化したポリエチレン系のオレフィン樹脂やＥＶＡ等の透明樹脂層を設けてもよい。
図３は、透明中間層２２と保護部材１７の間にプライマ物質を含む薄い保護部材側透明層２３を設けた例を示す図である。
保護部材側透明層２３は、透明中間層２２の透過率と異なるが、着色層２０の透過率Ｔ20よりは透過率が高い。保護部材側透明層２３の屈折率、すなわちプライマ物質の屈折率が透明中間層２２の屈折率よりも高い場合でも着色層２０の屈折率ｎ20よりは低い。保護部材側透明層２３は、密着性改善のために必要な厚さでよく、一例を上げると、約１〜１０μｍ程度とすることができる。また、同様に、保護部材側透明層２３に、密着性向上に特化したポリエチレン系のオレフィン樹脂やＥＶＡ等の樹脂透明層を設けた場合も密着性改善のために必要な厚さだけでよく、一例を上げると、約１〜１００μｍ程度とすることができる。
再び図３に戻り、保護部材１７は、着色した樹脂フィルムである。保護部材１７の着色として、例えば白色化するには、透明な主材料に酸化チタンや酸化亜鉛等の白色無機顔料を添加して得ることができる。主材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のオレフィン樹脂を用いることができる。酸化チタンの混入は、質量比で約１〜５質量％がよい。好ましくは３質量％混入することがよい。発泡材を樹脂材料に添加して、発泡によって白色化した樹脂フィルムを用いてもよい。発泡させる樹脂材料としても、ＰＥＴが好ましい。
白色化によって、保護部材１７は、主材料のみの場合に比べて透過率が低くなり、屈折率が高くなる。これを着色層２０と比べると、保護部材１７の屈折率ｎ17は、着色層２０の屈折率ｎ20に比べ、長波長側で高い屈折率となる。したがって、透明中間層２２と保護部材１７の界面における反射は、透明上面層２１と着色層２０の界面における反射に比べて、長波長側の反射率が高くなる。また、微視的にみれば、保護部材１７の内部において、白色化した箇所の屈折率は主材料であるＰＥＴの屈折率よりも高いので、白色化した個所において反射が生じる。このように、保護部材１７は、透明中間層２２との界面で、受光面側からの光を太陽電池１１の裏面側に反射する反射層として働き、内部では、白色化した箇所で微視的な反射が生じる。微視的な反射率は、着色層２０の反射率Ｔ20と比べて、長波長側で大きくなる。
このように、受光面側からの光について、着色層２０を第１反射層とすると、保護部材１７は、第１反射層よりも裏面側に配置された第２反射層として働く。保護部材１７の厚さの一例を上げると、約５０〜３００μｍである。
裏面側からの受光を必要としない構造の太陽電池モジュール１０の場合は、保護部材１７として、不透明な板体やフィルムを用いることができる。例えば、アルミニウム箔を内部に有する樹脂フィルム等の積層フィルムを用いることができる。この場合には、アルミニウム箔のところで受光面側からの光を反射して、太陽電池１１の裏面側に導くことができる。これと比較すると、白色化された保護部材１７は、封止材１５の裏面のすぐ近くの透明中間層２２との界面で、受光面側からの光を反射することができる。このように、保護部材１７を白色化することによって、より効率的に光を太陽電池１１の裏面側へ導くことができる。
上記構成において、受光面側からの光の反射について、図４を用いて説明する。図４は、図２の部分図であるが、受光面側からの光の光路を示すため、反射層を表す斜め破線の図示を中央部分で省略した。
隣接する太陽電池１１の間の隙間に入射した受光面側からの光は、透明上面層２１と着色層２０の界面２４で、透明上面層２１の屈折率ｎ21と着色層２０の屈折率ｎ20の差によって反射が生じ、反射光は太陽電池１１の裏面に導かれる。
透明上面層２１と着色層２０の界面２４で反射しきれなかった光は、透明上面層２１を透過率Ｔ21の下で通り、着色層２０に入る。着色層２０の内部２５では、着色層２０の主材料の屈折率と酸化チタンの屈折率との差によって反射が生じ、反射光は太陽電池１１の裏面に導かれる。さらに、着色層２０を透過率Ｔ20の下で通った光は、着色層２０と透明中間層２２の界面２６で、着色層２０の屈折率ｎ20と透明中間層２２の屈折率ｎ22との差によって、入射角度によっては反射が生じ、その反射光は、太陽電池１１の裏面に導かれる。
透明中間層２２を透過率Ｔ22の下で通った光は、透明中間層２２と保護部材１７との界面２７で、透明中間層２２の屈折率ｎ22と着色層２０の屈折率ｎ20との差によって反射が生じ、反射光は太陽電池１１の裏面に導かれる。また、透明中間層２２と保護部材１７との界面２７で反射しきれなかった光は保護部材１７に入る。保護部材１７の内部２８では、保護部材１７の主材料の屈折率と白色化した箇所の屈折率との差によって反射が生じ、その反射光は太陽電池１１の裏面に導かれる。
このように、第１の反射層として働く着色層２０よりも裏面側に透明中間層２２を配置し、透明中間層２２よりも裏面側に、第２の反射層として働く保護部材１７を配置することで、太陽電池１１の裏面に対し、受光面側からの光を効率的に反射して導くことができる。
１０ 太陽電池モジュール、１１ 太陽電池、１２，１３ 配線材、１４，１５ 封止材、１６，１７ 保護部材、１８，１９ フレーム、２０ 着色層、２１ 透明上面層、２２ 透明中間層、２３ 保護部材側透明層、２４，２６，２７ 界面、２５，２８ 内部。
Claims (4)
- 太陽電池と、
前記太陽電池の裏面側に配置される第１反射層であって、該第１反射層の主材料の屈折率よりも高い屈折率を有する着色材を含む第１反射層と、
前記第１反射層の裏面側に配置され、前記第１反射層よりも高い透過率を有する透明中間層と、
前記透明中間層の裏面側に配置される第２反射層であって、該第２反射層の主材料の屈折率よりも高い屈折率を有する白色化した箇所を含み、かつ、層全体としての屈折率が前記透明中間層の屈折率よりも高い第２反射層と、
を備える太陽電池モジュール。 - 請求項１に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記第２反射層の層全体としての屈折率は、前記第１反射層の層全体の屈折率よりも、光の長波長側で高い、太陽電池モジュール。 - 請求項１または２に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記太陽電池の裏面と前記第１反射層との間に、前記第１反射層よりも高い透過率と低い屈折率を有する透明上面層が配置される、太陽電池モジュール。 - 請求項１に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記透明中間層は、屈折率の異なる複数の透明層が積層される複合透明層である、太陽電池モジュール。
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