JPWO2017110761A1 - 太陽電池モジュール - Google Patents

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Abstract

太陽電池セルと、樹脂で構成される表面層と、前記太陽電池セルの上部を封止する上部封止層と、前記太陽電池セルの下部を封止する下部封止層と、を有する封止層と、前記表面層を構成する樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される第一金属層と、発泡樹脂で構成される発泡層と、前記表面層を構成する樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される第二金属層と、を有する背面層と、を備え、前記上部封止層を構成する上部封止材のヤング率は、５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であり、かつ前記下部封止層を構成する下部封止材のヤング率は、１００ＭＰａ以上であり、前記第一金属層の厚さｔ１（単位ｍｍ、ｔ１≧０．１５）と前記上部封止層の厚さｔ２（単位ｍｍ、ｔ２≧０．５）とが、式（１）〜式（５）の関係を満たす太陽電池モジュール。

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。
太陽電池モジュールにおける封止層を保護する背面材として、発泡樹脂を金属で挟んだ複合板を用いることが検討されている。
例えば、複合軽量構造の方法で製造される支持層に連結され車両の外側に向かって外層が設けられている太陽電池装置を有する車両表面部材が開示され、支持層用の複合軽量構造は、サンドイッチ構造によって形成され、そこでは、発泡体等の特に軽量の層が、プラスチックまたは軽量金属の下部外層と上部外層との間に配置されることが開示されている（例えば、特表２０１１−５３０４４４号公報を参照）。
また、太陽光により発電する太陽電池セルを、金属樹脂複合板の前面に配置した太陽電池モジュールが開示され、さらに、金属樹脂複合板を構成する樹脂板中に気泡を形成することで太陽電池モジュールの軽量化を図ることが開示されている（例えば、特開２００４−１４５５６号公報を参照）。
特表２０１１−５３０４４４号公報及び特開２００４−１４５５６号公報に記載の複合軽量構造及び金属樹脂複合板のように、発泡樹脂を用いたサンドイッチ複合板を用いる場合、発泡樹脂は柔らかく、強度が低いため、落下物に対する耐衝撃性が十分でなく、太陽電池セルが破損しやすいという問題がある。
本発明の一態様は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、落下物に対する耐衝撃性に優れ、太陽電池セルの破損が抑制された太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
第１の態様の太陽電池モジュールは、太陽電池セルと、太陽光が入射する側に配置され、樹脂で構成される表面層と、前記表面層における太陽光が入射する側とは反対側に配置され、太陽電池セルを封止する封止層であって、厚さ方向において、太陽光が入射する側である前記太陽電池セルの上部を封止する上部封止層と、前記太陽電池セルの下部を封止する下部封止層と、を有する封止層と、前記封止層の前記表面層の配置された側とは反対側に配置され、前記表面層を構成する前記樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される第一金属層と、発泡樹脂で構成される発泡層と、前記第一金属層の前記封止層が配置された側とは反対側に、前記第一金属層とともに前記発泡層を挟むように配置され、前記表面層を構成する樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される第二金属層と、を有する背面層と、を備え、前記上部封止層を構成する上部封止材のヤング率は、５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であり、かつ前記下部封止層を構成する下部封止材のヤング率は、１００ＭＰａ以上であり、前記第一金属層の厚さｔ１（単位ｍｍ、ｔ１≧０．１５）と前記上部封止層の厚さｔ２（単位ｍｍ、ｔ２≧０．５）とが、以下の式（１）〜式（５）の関係を満たす太陽電池モジュール。
ｔ２≧２．３（ｔ１＝０．１５）・・・（１）
ｔ２≧２２．３３３ｔ１ ２−１５．８１７ｔ１＋４．１７（０．１５＜ｔ１＜０．３）・・・（２）
ｔ２≧−２．１１６５ｔ１＋２．０６９９（０．３≦ｔ１≦０．７）・・・（３）
ｔ２≧−０．５ｔ１＋０．９５（０．７＜ｔ１＜０．９）・・・（４）
ｔ２＝０．５（ｔ１≧０．９）・・・（５）
上記構成によれば、柔らかく、強度が低い発泡樹脂を発泡層として配置した場合であっても、第一金属層の厚さｔ１と前記上部封止層の厚さｔ２とが、上記の式（１）〜式（５）の関係を満たすため、落下物に対する耐衝撃性に優れ、太陽電池セルの破損が抑制された太陽電池モジュールを提供することができる。
第２の態様の太陽電池モジュールでは、前記発泡層を構成する前記発泡樹脂は、ポリプロピレン樹脂、アクリル樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂、及びポリアセタール樹脂からなる群より選択される少なくとも一つの樹脂である。
上記構成によれば、高温ラミネート加工時に発泡樹脂が再融解して発泡層と第一金属層及び第二金属層とを好適に固定できる。また、上記の発泡樹脂は軟化温度が比較的高い（例えば、ポリエチレンよりも高い）ため、モジュール工程にて発泡層が融解して発泡構造が損なわれることを好適に抑制できる。
第３の態様の太陽電池モジュールでは、前記発泡層を構成する前記発泡樹脂の発泡倍率は、５倍以下である。
上記構成によれば、モジュールの耐衝撃性を確保しつつ、モジュールの軽量化を図ることができる。
第４の態様の太陽電池モジュールでは、前記表面層を構成する前記樹脂は、ポリカーボネート樹脂であり、前記第一金属層及び前記第二金属層を構成する金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄又は鉄合金である。
上記構成によれば、第一金属層及び第二金属層をアルミニウム、アルミニウム合金、鉄又は鉄合金とすることでモジュールに必要な剛性を好適に確保することができる。
第５の態様の太陽電池モジュールでは、前記発泡層の外周端部の少なくとも一部を覆う柱構造体が配置されている。
上記構成によれば、柔らかく、強度が低い発泡層の外周端部の少なくとも一部を覆う柱構造体が配置されている。そのため、発泡層の外周端部における潰れを抑制することができる。
本発明の一態様によれば、落下物に対する耐衝撃性に優れ、太陽電池セルの破損が抑制された太陽電池モジュールを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールの概略構成を示す断面図である。 本実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法を示す概略構成図であり、ラミネート前モジュールを示す概略構成図である。 本実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法を示す概略構成図であり、ラミネート後の太陽電池モジュールを示す概略構成図である。 本実施形態に係るラミネート前モジュールを示す概略図である。 本実施形態に係るラミネート後の太陽電池モジュールを示す概略図である。 背面層を示す斜視図である。 図４ＡにおけるＡ−Ａ線断面図である。 別の背面層を示す斜視図である。 図５ＡにおけるＢ−Ｂ線断面図である。 第一金属層の厚さｔ１及び上部封止層の厚さｔ２の満たす条件を示すグラフである。 第一金属層の厚さｔ１及び上部封止層の厚さｔ２の満たすことが好ましい条件を示すグラフである。 ＦＥＭ計算の結果を示す、図６を拡大したグラフである。 本発明の比較対象となる太陽電池モジュールの概略構成を示す断面図である。 本発明の比較対象におけるラミネート前モジュールを示す概略図である。 本発明の比較対象におけるラミネート後の太陽電池モジュールを示す概略図である。
以下、本発明の太陽電池モジュールの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図における部材の大きさは概念的なものであり、部材間の大きさの相対的な関係はこれに限定されない。また、実質的に同一の機能を有する部材には全図面を通して同じ符号を付与し、重複する説明は省略する場合がある。
〔太陽電池モジュール〕
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールの概略構成を示す断面図である。本実施形態に係る太陽電池モジュール１００は、太陽電池セル２と、太陽光が入射する側に配置され、樹脂で構成される表面層１と、上部封止層３及び下部封止層４を有し、太陽電池セル２を封止する封止層５と、封止層５の表面層１の配置された側とは反対側に配置され、表面層１を構成する樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される第一金属層６と、発泡樹脂で構成される発泡層７と、第一金属層６とともに発泡層７を挟むように配置され、表面層１を構成する樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される第二金属層８と、を有する背面層２０と、を備える。さらに、太陽電池モジュール１００は、上部封止層３を構成する上部封止材のヤング率は、５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であり、かつ下部封止層４を構成する下部封止材のヤング率は、１００ＭＰａ以上であり、第一金属層６の厚さｔ１（単位ｍｍ、ｔ１≧０．１５）と上部封止層３の厚さｔ２（単位ｍｍ、ｔ２≧０．５）とが、以下の式（１）〜式（５）の関係を満たす。
ｔ２≧２．３（ｔ１＝０．１５）・・・（１）
ｔ２≧２２．３３３ｔ１ ２−１５．８１７ｔ１＋４．１７（０．１５＜ｔ１＜０．３）・・・（２）
ｔ２≧−２．１１６５ｔ１＋２．０６９９（０．３≦ｔ１≦０．７）・・・（３）
ｔ２≧−０．５ｔ１＋０．９５（０．７＜ｔ１＜０．９）・・・（４）
ｔ２＝０．５（ｔ１≧０．９）・・・（５）
本実施形態に係る太陽電池モジュール１００は、柔らかく、強度が低い発泡樹脂を発泡層として配置した場合であっても、第一金属層の厚さｔ１と上部封止層の厚さｔ２とが、上記の式（１）〜式（５）の関係を満たすため、落下物に対する耐衝撃性に優れ、太陽電池セルの破損が抑制されている。なお、上記式（１）〜式（５）を満たすｔ１及びｔ２の領域は、図６のグラフに示される領域Ａを指す。
本実施形態に係る太陽電池モジュール１００は、上記式（１）〜式（５）を満たしていれば、ｔ１及びｔ２の上限値は特に限定されないが、太陽電池モジュール１００の軽量化を図る点から、下記式（１）’、上記式（２）〜式（４）、下記式（５）’及び下記式（６）を満たすことが好ましい。なお、上記式（１）’、上記式（２）〜式（４）、下記式（５）’及び下記式（６）を満たすｔ１及びｔ２の領域は、図７のグラフに示される領域Ｂを指す。
２．３≦ｔ２≦４．６０９（ｔ１＝０．１５）・・・（１）’
ｔ２＝０．５（０．９≦ｔ１≦１．６１１）・・・（５）’
ｔ２≦−２．８１２５ｔ１＋５．０３１１（ｔ１＞０．１５かつｔ２＞０．５）・・・（６）
以下、太陽電池モジュール１００を構成する各層について説明する。
太陽電池モジュール１００は、表面層１を備える。表面層１は、太陽光が入射する側（つまり、太陽電池セル２の受光面側）に配置され、樹脂で構成される。
表面層１は、光透過性を有する樹脂からなり、物理的衝撃、雨、ガスなどによる侵食から太陽電池セル２を保護する層である。表面層１を構成する樹脂としては、太陽光を透過可能なものであれば特に限定されず、従来から公知の樹脂を用いることができる。
表面層１を構成する樹脂としては、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリスチレン（ＰＳ）樹脂、アクリロニトリル−スチレン共重合（ＡＳ）樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合（ＡＢＳ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂等が挙げられる。
これらの中でも、ポリカーボネート樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂が好ましく、ポリカーボネート樹脂がより好ましい。
表面層１を構成する樹脂には、各種添加剤が配合されていてもよい。添加剤としては、例えば、ガラス、アルミナ等の無機繊維、アラミド、ポリエーテルエーテルケトン、セルロース等の有機繊維、シリカ、クレー、アルミナ、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の無機充填材、紫外線吸収剤、赤外線吸収剤、帯電防止剤等が挙げられる。
表面層１の厚さは、太陽電池モジュール１００の機械的強度（特に剛性）、軽量化等を勘案して適宜設定される。本実施形態においては、表面層１の厚さは、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが更に好ましい。
また、第一金属層６を構成する金属及び第二金属層８を構成する金属は、表面層１を構成する樹脂よりも線膨張率が低い。すなわち、表面層１は、第一金属層６を構成する金属及び第二金属層８を構成する金属よりも線膨張率の高い材料で構成される。なお、本明細書において、線膨張率はＪＩＳ Ｒ １６１８：２００２の規定に準じて測定される値である。
表面層１を構成する樹脂の線膨張率は、例えば、２．５×１０−５Ｋ−１以上２．０×１０−４Ｋ−１以下であることが好ましく、４．０×１０−５Ｋ−１以上１．５×１０−４Ｋ−１以下であることがより好ましく、５．０×１０−５Ｋ−１以上１．０×１０−４Ｋ−１以下であることが更に好ましい。
太陽電池モジュール１００は、表面層１における太陽光が入射する側とは反対側に配置され、太陽電池セル２を封止する封止層５を備える。
太陽電池セル２としては、特に限定されるものではなく、従来から公知の太陽電池セルを用いることができる。太陽電池セル２の具体例としては、例えば、シリコン型（単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、微結晶シリコン型、アモルファスシリコン型等）、化合物半導体型（ＩｎＧａＡｓ型、ＧａＡｓ型、ＣＩＧＳ型、ＣＺＴＳ型等）、色素増感型、有機薄膜型等、任意の太陽電池セルが用いられる。これらの中でも、シリコン型の太陽電池セルが好ましく、単結晶シリコン型又は多結晶シリコン型の太陽電池セルがより好ましい。
太陽電池セル２は、上部及び下部がそれぞれ上部封止材及び下部封止材によって封止されている。上部封止材及び下部封止材によって、厚さ方向において、太陽光が入射する側である太陽電池セル２の上部を封止する上部封止層３と、太陽電池セル２の下部を封止する下部封止層４とがそれぞれ構成される。上部封止層３及び下部封止層４により、太陽電池セル２を封止する封止層５が構成される。
太陽電池セル２の上部を封止する上部封止層３を構成する上部封止材としては、太陽光を透過可能なものであり、かつヤング率が５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の封止材であれば特に限定されるものではなく、従来から公知の封止材を用いることができる。
なお、本明細書において、ヤング率は、２５℃において、板状の試験片に引張荷重を加え、その変位を算出する引張試験により求めた値である。
上部封止材の材質の具体例としては、熱可塑性樹脂、架橋樹脂などが挙げられ、例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合（ＥＶＡ）樹脂が挙げられる。
上部封止材には、接着性、耐候性等を向上させるため、各種添加剤が配合されていてもよい。添加剤としては、例えば、シランカップリング剤などの接着向上剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、変色防止剤等を配合することができる。
上部封止層３の厚さｔ２は、式（１）の関係を満たす範囲で太陽電池セル２の厚さ、上部封止材の種類等を勘案して適宜設定される。上部封止層３の厚さｔ２は、０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることが更に好ましい。
太陽電池セル２の下部を封止する下部封止層４を構成する下部封止材としては、ヤング率が１００ＭＰａ以上の封止材であれば特に限定されるものではなく、従来から公知の封止材を用いることができる。
下部封止層４を構成する下部封止材のヤング率は、１００ＭＰａ以上であるが、好ましくは２５０ＭＰａ以上である。また、下部封止材のヤング率は、３０００ＭＰａ以下であることが好ましく、２０００ＭＰａ以下であることがより好ましい。
また、下部封止材は、軟化温度又は熱硬化温度が１１０℃以上の樹脂であることが好ましい。
下部封止材の材質の具体例としては、熱可塑性樹脂、架橋樹脂などが挙げられ、例えば、ポリオレフィン樹脂が挙げられる。
下部封止材には、接着性、耐候性等を向上させるため、各種添加剤が配合されていてもよい。添加剤としては、例えば、シランカップリング剤などの接着向上剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、変色防止剤等を配合することができる。
下部封止層４の厚さは、太陽電池セル２の厚さ、下部封止材の種類等を勘案して適宜設定される。下部封止層４の厚さは、０．２ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であることが更に好ましい。
太陽電池モジュール１００は、第一金属層６、発泡層７及び第二金属層８を有する背面層２０を備える。以下、背面層２０を構成する各層について説明する。
太陽電池モジュール１００は、第一金属層６を備える。第一金属層６は、封止層５の表面層１の配置された側とは反対側に配置され、表面層１を構成する樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される。
第一金属層６を構成する金属の線膨張率は、表面層１を構成する樹脂の線膨張率よりも低い値であればよく、例えば、５．０×１０−６Ｋ−１以上５．０×１０−５Ｋ−１以下であることが好ましく、１．０×１０−５Ｋ−１以上４．０×１０−５Ｋ−１以下であることがより好ましく、１．５×１０−５Ｋ−１以上３．０×１０−５Ｋ−１以下であることが更に好ましい。
第一金属層６を構成する金属としては、表面層１を構成する樹脂よりも線膨張率の低い金属であれば特に限定されず、モジュールに必要な剛性を好適に確保する点から、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金などが挙げられ、中でも、アルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。
第一金属層６の厚さｔ１は、式（１）の関係を満たす範囲で太陽電池モジュール１００の機械的強度（特に剛性）、軽量化等を勘案して適宜設定される。本実施形態においては、第一金属層６の厚さは、０．１ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．１５ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下であることが更に好ましい。
太陽電池モジュール１００は、発泡層７を備える。発泡層７は、発泡樹脂で構成され、第一金属層６と第二金属層８との間に挟まれた層である。
第一金属層６と第二金属層８との間に挟まれた層を発泡樹脂から構成された発泡層７とすることで太陽電池モジュールの軽量化を図ることができる。通常、発泡樹脂の強度は低いため、発泡樹脂から構成される発泡層を太陽電池モジュールに設けた場合、落下物に対する耐衝撃性が十分でなく、太陽電池セルが破損しやすいという問題がある。しかしながら、本実施形態に係る太陽電池モジュール１００では、式（１）〜式（５）の関係を満たすため、落下物に対する耐衝撃性を十分に確保することができ、太陽電池セル２の破損を抑制することができる。
さらに、第一金属層６と第二金属層８との間に挟まれた層を発泡樹脂から構成された発泡層７とすることで、発泡層７が断熱層として機能する。そのため、後述する太陽電池モジュール１００の高温ラミネート加工時に、第一金属層６と第二金属層８との間に温度差を生じさせることができる。そして、高温ラミネート加工時における第一金属層６と第二金属層８との間に生じる温度差を利用し、太陽電池モジュール１００の冷却後に、太陽電池モジュール１００全体を上に凸方向に変形させることができる。
発泡層７を構成する発泡樹脂の発泡倍率は、モジュールの耐衝撃性を確保しつつ、モジュールの軽量化を図る点から、５倍以下であることが好ましく、２倍以上５倍以下であることがより好ましく、２倍以上３倍以下であることがさらに好ましい。なお、発泡倍率とは、発泡前の樹脂の密度を発泡樹脂の密度で割った値をいう。
発泡層７を構成する発泡樹脂は、ポリプロピレン樹脂、アクリル樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂、及びポリアセタール樹脂からなる群より選択される少なくとも一つの樹脂が好ましく、中でも、ポリプロピレン樹脂がより好ましい。
なお、発泡層７を構成する発泡樹脂としてポリウレタン樹脂を用いた場合、後述する太陽電池モジュール１００の高温ラミネート加工時に、ポリウレタン樹脂が再融解しないおそれがある。そのため、高温で第一金属層６と第二金属層８との間に温度差が生じた状態で発泡層７と、第一金属層６及び第二金属層８と、を固定することができず、高温ラミネート加工により、凸方向に変形した太陽電池モジュール１００を製造できないおそれがある。
また、発泡層７を構成する発泡樹脂としてポリエチレン樹脂を用いた場合、ポリエチレン樹脂は軟化温度が低いため、太陽電池モジュール１００のモジュール工程時（温度１２０℃〜１４０℃）に、ポリエチレン樹脂が融解して発泡構造が損なわれるおそれがある。
発泡層７の厚さは、太陽電池モジュール１００の機械的強度、軽量化等を勘案して適宜設定される。本実施形態においては、発泡層７の厚さは、１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましく、１．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることがより好ましく、１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
太陽電池モジュール１００は、第二金属層８を備える。第二金属層８は、第一金属層６とともに発泡層７を挟むように配置され、表面層１を構成する樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される。
第二金属層８を構成する金属の線膨張率は、表面層１を構成する樹脂の線膨張率よりも低い値であればよく、例えば、５．０×１０−６Ｋ−１以上５．０×１０−５Ｋ−１以下であることが好ましく、１．０×１０−５Ｋ−１以上４．０×１０−５Ｋ−１以下であることがより好ましく、１．５×１０−５Ｋ−１以上３．０×１０−５Ｋ−１以下であることが更に好ましい。
第二金属層８を構成する金属としては、表面層１を構成する樹脂よりも線膨張率の低い金属であれば特に限定されず、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金などが挙げられ、中でも、アルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。
第二金属層８を構成する金属は、第一金属層６を構成する金属と同じであることが好ましい。この場合、第一金属層６及び第二金属層８を構成する金属としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金などが挙げられ、中でも、アルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。
第二金属層８の厚さは、太陽電池モジュール１００の機械的強度（特に剛性）、軽量化等を勘案して適宜設定される。本実施形態においては、第二金属層８の厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であることがより好ましく、０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることが更に好ましい。
〔太陽電池モジュールの製造方法〕
以下、本実施形態に係る太陽電池モジュール１００の製造方法について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、本実施形態に係る太陽電池モジュール１００の製造方法を示す概略構成図であり、図２Ａは、ラミネート前モジュール１０を示す概略構成図であり、図２Ｂは、ラミネート後の太陽電池モジュール１００を示す概略構成図である。
まず、図２Ａに示すように、真空ラミネータ装置（図示せず）に設けられた熱板２１上に、熱板２１からみて第二金属層８、発泡層７及び第一金属層６をこの順番に有する背面層２０、下部封止層４、太陽電池セル２、上部封止層３ならびに表面層１がこの順番に積層されてなるラミネート前モジュール１０を配置する。
上部封止層３を構成する上部封止材（例えば、ＥＶＡ）の種類に応じた真空ラミネートを行った後、高温炉（例えば、１２０℃）でセカンドキュア（硬化促進）を行うことで、図２Ｂに示すように、太陽電池モジュール１００を製造する。
本実施形態に係る太陽電池モジュール１００の製造方法では、第一金属層６と第二金属層８との間に挟まれた層を発泡樹脂から構成された発泡層７とすることで、発泡層７が断熱層として機能する。そのため、太陽電池モジュール１００の高温ラミネート加工時に、第一金属層６と第二金属層８との間に温度差を生じさせることができる。
例えば、熱板２１の温度を１４０℃程度に調整した場合、熱板２１と接触している第二金属層８の温度は、熱板２１とほぼ同程度の温度（約１４０℃）となる。また、発泡層７が断熱層として機能するため、第一金属層６の温度は、第二金属層８よりも低い温度（例えば、１２０℃程度）となる。これにより、高温ラミネート加工終了後に冷却することで、第一金属層６及び第二金属層８が同じ金属から構成される場合、第二金属層８が第一金属層６よりも大きく収縮し、太陽電池モジュール１００全体について、上に凸方向への変形が生じ、表面張り感（反り）が維持され、外観を向上させることができる。
従って、図３Ａに示すように、ラミネート前モジュール１０が上に凸方向に曲面形状を有する場合、高温ラミネート加工を行うことで、図３Ｂに示すように、上に凸方向への変形が生じ、曲率半径が大きくなる。これにより、太陽電池モジュール１００の表面張り感が維持され、外観向上を図ることができる。
本発明の比較対象となる太陽電池モジュールについて、図９、１０Ａ及び１０Ｂを用いて説明する。図９は、本発明の比較対象となる太陽電池モジュールの概略構成を示す断面図であり、図１０Ａは、本発明の比較対象におけるラミネート前モジュールを示す概略図であり、図１０Ｂは、本発明の比較対象におけるラミネート後の太陽電池モジュールを示す概略図である。
図９に示すような樹脂で構成される表面層１１、太陽電池セル１２を封止する封止層１５及び金属層１６を備える太陽電池モジュール２００では、表面層１１、太陽電池セル１２及び金属層１６の線膨張率がそれぞれ異なっており、特に、表面層１１は、金属層１６よりも線膨張率が高い。
そのため、金属層１６、封止層１５及び表面層１１が、この順番に積層されてなるラミネート前モジュール１２０を高温ラミネート加工することにより、太陽電池モジュール２００を作製したとき、表面層１１と金属層１６との線膨張率の差に起因して、太陽電池モジュール全体について、上に凸方向の変形が阻害され、表面張り感の欠如及び外観の悪化が生じるという問題がある。
従って、図１０Ａに示すように、ラミネート前モジュール１２０が上に凸方向に曲面形状を有する場合、高温ラミネート加工を行うことで、図１０Ｂに示すように、上に凸方向の変形が阻害され、曲率半径が小さくなる。これにより、太陽電池モジュール２００の表面張り感を欠如し、外観悪化が発生する。
一方、本実施形態に係る製造方法にて太陽電池モジュール１００を製造することにより、上記のように表面張り感の維持及び外観向上が可能となる。
＜背面層の変形例＞
以下、第一金属層６、発泡層７及び第二金属層８を備える背面層の変形例について、図４Ａ、４Ｂ、５Ａ及び５Ｂを用いて説明する。図４Ａは、背面層３０を示す斜視図であり、図４Ｂは、図４ＡにおけるＡ−Ａ線断面図である。また、図５Ａは、背面層４０を示す斜視図であり、図５Ｂは、図５ＡにおけるＢ−Ｂ線断面図である。なお、説明の都合上、図４Ａ、４Ｂ、５Ａ及び５Ｂでは、太陽電池モジュール１００における第一金属層６、発泡層７及び第二金属層８を備える背面層以外の構造、すなわち、表面層１及び封止層５については、省略している。
図４Ａ、４Ｂ、５Ａ及び５Ｂに示すように、本実施形態に係る太陽電池モジュール１００では、発泡層７の外周端部を覆うハニカム構造体９（柱構造体）が配置されていてもよい。なお、ハニカム構造体９は、太陽電池モジュール１００の厚さ方向と直交する方向において、発泡層７の外周端部を覆う構造体であればよく、また、発泡層７の外周端部の少なくとも一部を覆う構造体であってもよい。
発泡樹脂から構成される発泡層７は、軽量化を図りつつ太陽電池セル２を保護できる点では優れているが、柔らかく、強度が低いため外周端部が潰れやすく、モジュール製造の際、車両に搭載する際などに発泡層７の外周端部が潰れるおそれがある。
そこで、発泡層７の外周端部を剛性の高い構造体であるハニカム構造体９で覆うことで、発泡層７の外周端部における潰れを抑制することができる。
なお、発泡層７の外周端部にハニカム構造体９を配置する場合、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第一金属層６、発泡層７及び第二金属層８のそれぞれの外周端部をハニカム構造体９が覆う背面層３０としてもよく、図５Ａ及び５Ｂに示すように、発泡層７の外周端部をハニカム構造体９が覆い、かつ、発泡層７及びハニカム構造体９が、厚さ方向において、第一金属層６と第二金属層８とに挟まれている背面層４０としてもよい。
ハニカム構造体は、金属、紙及び樹脂からなる群より選択される少なくとも一つから構成されていることが好ましい。
以下に実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって制限されるものではない。
＜太陽電池モジュールにおけるセル応力の計算＞
図１に示す太陽電池セル２及び各層構成（表面層１、上部封止層３、下部封止層４、第一金属層６、発泡層７及び第二金属層８）を備える太陽電池モジュールについて、ＦＥＭ（有限要素法）計算によりセル応力（セルに掛かる最大応力）を計算した。ＦＥＭ計算では、ソフトウェアとしてＡｂａｑｕｓ６．１１を用いた。
表面層の厚さ、上部封止層の厚さ及び物性（剛性）、下部封止層の厚さ及び物性、第一金属層の厚さ、発泡層の厚さ及び物性、ならびに、第二金属層の厚さを、ＦＥＭ計算に用いたパラメータとした。そして、各パラメータをそれぞれ変動させたときのセル応力をＦＥＭ計算により求めた。
＜高感度パラメータの抽出＞
求めたセル応力の値から、ＦＥＭ計算に用いた上記パラメータの内、感度の高いパラメータを抽出した。具体的には、他のパラメータを一定とし、ある特定のパラメータを変動させたときのセル応力の変化割合から感度の高いパラメータを抽出した。
この結果、感度の高いパラメータ、すなわち、セル応力に対し影響力の高いパラメータは、上部金属層である第一金属層の厚さｔ１及び上部封止層の厚さｔ２であることが判明した。
＜セル応力と高感度パラメータとの関係＞
セル応力と、感度の高いパラメータである第一金属層の厚さｔ１及び上部封止層の厚さｔ２と、の関係について検討した。具体的には、第一金属層の厚さｔ１を変動させたときのセル応力の変化及び上部封止層の厚さｔ２を変動させたときのセル応力の変化から、クライテリアとなるセル応力（許容応力）である３６７．６ＭＰａとなるときの第一金属層の厚さｔ１及び上部封止層の厚さｔ２の関係を求めた。その結果、ｔ１及びｔ２がｔ１＝０．６及びｔ２＝０．８付近である場合、ｔ２＝−２．１１６５ｔ１＋２．０６９９にてセル応力が３６７．６ＭＰａであることが分かった。したがって、ｔ１及びｔ２がｔ１＝０．６及びｔ２＝０．８付近である場合、ｔ２≧−２．１１６５ｔ１＋２．０６９９にてセル応力が３６７．６ＭＰａ以下であることが推測された。
なお、セル応力と高感度パラメータとの関係を求める際、太陽電池セル及び太陽電池モジュールを構成する各層は、以下の通りとした。
表面層・・・ポリカーボネート樹脂（厚さ：０．８ｍｍ、線膨張率：７．０×１０−５Ｋ−１）
太陽電池セル・・・単結晶シリコン（厚さ：０．２ｍｍ）
上部封止層・・・ＥＶＡ樹脂（厚さ：ｔ２ｍｍ）
下部封止層・・・ポリオレフィン樹脂（厚さ：０．４ｍｍ）
第一金属層・・・アルミニウム合金（厚さ：ｔ１ｍｍ、線膨張率：２．４×１０−５Ｋ−１）
発泡層・・・ポリプロピレン樹脂（厚さ：１．５ｍｍ）
第二金属層・・・アルミニウム合金（厚さ：０．３ｍｍ、線膨張率：２．４×１０−５Ｋ−１）
次に、ｔ２＝−２．１１６５ｔ１＋２．０６９９の条件にて、セル応力が３６７．６ＭＰａを満たすｔ１及びｔ２の下限値をそれぞれ算出するため、ｔ２＝−２．１１６５ｔ１＋２．０６９９を満たす範囲にて、ｔ１及びｔ２を変動させＦＥＭ計算を行った。その結果、ｔ１の下限値が０．３ｍｍであり、ｔ２の下限値が０．６ｍｍであった。
さらに、ｔ１が０．３ｍｍ以下のときにセル応力が３６７．６ＭＰａ以下となるｔ１、ｔ２の条件、及びｔ２が０．６ｍｍ以下のときにセル応力がクライテリアとなる３６７．６ＭＰａ以下となるｔ１、ｔ２の条件を求めるため、ｔ１及びｔ２を、ｔ１の下限値付近及びｔ２の下限値付近でそれぞれ変動させたときのセル応力をＦＥＭ計算により算出した。結果を図６、８に示す。なお、図６、８にてセル応力が３６７．６ＭＰａ以下である計算結果については丸を付し、セル応力が３６７．６ＭＰａ超である計算結果についてはバツを付している。また、図８は、図６を拡大したグラフであり、ＦＥＭ計算により算出したセル応力の数値がグラフ上に記載されている。
図６、８の結果から、セル応力がクライテリアとなる３６７．６ＭＰａ以下となるｔ１、ｔ２の条件は、下記式（１）〜式（５）であることを求めた。
ｔ２≧２．３（ｔ１＝０．１５）・・・（１）
ｔ２≧２２．３３３ｔ１ ２−１５．８１７ｔ１＋４．１７（０．１５＜ｔ１＜０．３）・・・（２）
ｔ２≧−２．１１６５ｔ１＋２．０６９９（０．３≦ｔ１≦０．７）・・・（３）
ｔ２≧−０．５ｔ１＋０．９５（０．７＜ｔ１＜０．９）・・・（４）
ｔ２＝０．５（ｔ１≧０．９）・・・（５）
［実施例１］
＜太陽電池モジュールの作製＞
次に、上記ＦＥＭ計算の結果を踏まえ、太陽電池モジュールを作製し、耐衝撃性の試験を行った。
実施例１に係る太陽電池モジュールは、図１に示す太陽電池セル２及び各層構成（表面層１、上部封止層３、下部封止層４、第一金属層６、発泡層７及び第二金属層８）を有する。本実施例では、太陽電池モジュールにおける太陽電池セル及び各層は、以下の材料により構成され、太陽電池セル及び各層の厚さは以下の通りである。
表面層・・・ポリカーボネート樹脂（厚さ：０．８ｍｍ、線膨張率：７．０×１０−５Ｋ−１）
太陽電池セル・・・単結晶シリコン（厚さ：０．２ｍｍ）
上部封止層・・・ＥＶＡ樹脂（厚さ：０．８ｍｍ）
下部封止層・・・ポリオレフィン樹脂（厚さ：０．４ｍｍ）
第一金属層・・・アルミニウム合金（厚さ：０．６ｍｍ、線膨張率：２．４×１０−５Ｋ−１）
発泡層・・・ポリプロピレン樹脂（厚さ：１．５ｍｍ）
第二金属層・・・アルミニウム合金（厚さ：０．３ｍｍ、線膨張率：２．４×１０−５Ｋ−１）
本実施例に係る太陽電池モジュールを、以下のようにして作製した。
まず、真空ラミネータ装置に設けられた熱板上に、熱板からみて上記の第二金属層、発泡層及び第一金属層をこの順番に有する背面層、下部封止層、太陽電池セル、上部封止層及び表面層をこの順番に積層し、ラミネート前モジュールを形成した。熱板を１４０℃に加熱して、ラミネート前モジュールを高温ラミネート加工（真空での加熱時間１５分、１００ｋＰａでの加圧時間３０分）し、その後、１２０℃の高温炉でセカンドキュア（硬化促進）を行った。これにより、太陽電池モジュールを作製した。
なお、実施例１に係る太陽電池モジュールでは、セル応力が３６７．６ＭＰａ（クライテリアとなるセル応力）であり、かつ第一金属層の厚さｔ１が０．６ｍｍ、上部封止層の厚さｔ２が０．８ｍｍである。下記式（３）において、実施例１に係る太陽電池モジュールでは、左辺及び右辺の値が共に０．８となるため、下記式（３）の関係を満たしている。
ｔ２≧−２．１１６５ｔ１＋２．０６９９（０．３≦ｔ１≦０．７）・・・（３）
［実施例２］
実施例２に係る太陽電池モジュールは、図１に示す太陽電池セル２及び各層構成（表面層１、上部封止層３、下部封止層４、第一金属層６、発泡層７及び第二金属層８）を有する。本実施例では、太陽電池モジュールにおける太陽電池セル及び各層は、以下の材料により構成され、太陽電池セル及び各層の厚さは以下の通りである。
表面層・・・ポリカーボネート樹脂（厚さ：０．８ｍｍ、線膨張率：７．０×１０−５Ｋ−１）
太陽電池セル・・・単結晶シリコン（厚さ：０．２ｍｍ）
上部封止層・・・ＥＶＡ樹脂（厚さ：１．６ｍｍ）
下部封止層・・・ポリオレフィン樹脂（厚さ：０．４ｍｍ）
第一金属層・・・アルミニウム合金（厚さ：０．３ｍｍ、線膨張率：２．４×１０−５Ｋ−１）
発泡層・・・ポリプロピレン樹脂（厚さ：１．５ｍｍ）
第二金属層・・・アルミニウム合金（厚さ：０．６ｍｍ、線膨張率：２．４×１０−５Ｋ−１）
実施例２に係る太陽電池モジュールを、実施例１と同様にして作製した。なお、実施例２に係る太陽電池モジュールでは、セル応力が３６３．７ＭＰａ（クライテリアとなるセル応力以下）であり、かつ第一金属層の厚さｔ１が０．３ｍｍ、上部封止層の厚さｔ２が１．６ｍｍである。上記式（３）において、実施例２に係る太陽電池モジュールでは、左辺が１．６、右辺が１．４３４９５となるため、上記式（３）の関係を満たしている。
［比較例１］
第一金属層の厚さを０．６ｍｍから０．３ｍｍに変更したこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製した。比較例１に係る太陽電池モジュールでは、セル応力が３６７．６ＭＰａ超であり、かつ第一金属層の厚さｔ１が０．３ｍｍ、上部封止層の厚さｔ２が０．８ｍｍである。上記式（３）において、比較例１に係る太陽電池モジュールでは、左辺が０．８、右辺が１．４３４９５となるため、上記式（３）の関係を満たしていない。
［評価］
−耐衝撃性（鋼球落下試験）−
作製された実施例１、２及び比較例１に係る太陽電池モジュールについて、鋼球落下試験を行った。鋼球落下試験では、作製された太陽電池モジュールを固定し、２２７ｇの重りを１ｍの高さから落としたときの太陽電池モジュールの割れを評価した。評価基準は以下の通りである。
合格：太陽電池モジュールに割れがみられなかった
不合格：太陽電池モジュールに割れがみられた
したがって、セル応力が３６７．６ＭＰａ、３６３．７ＭＰａであった実施例１、２に係る太陽電池モジュールは、落下物に対する耐衝撃性に優れ、太陽電池セルの破損が抑制されていた。一方、セル応力が３６７．６ＭＰａ超であった比較例１に係る太陽電池モジュールは、落下物に対する耐衝撃性が不十分であった。
ここで、セル応力が３６７．６ＭＰａ以下である太陽電池モジュールについても、実施例１、２に係る太陽電池モジュール同様に落下物に対する耐衝撃性に優れ、太陽電池セルの破損が抑制されることが推測される。そのため、ｔ１及びｔ２が図６に示す領域内にあるとき、すなわち、ｔ１及びｔ２が上記式（１）〜式（５）を満たす場合に、落下物に対する耐衝撃性に優れ、太陽電池セルの破損が抑制された太陽電池モジュールが得られることが推測される。
［実施例３〜６］
実施例１に係る太陽電池モジュールにおいて、第一金属層の厚さｔ１及び上部封止層の厚さｔ２を以下の表１に示す値に変更したこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製し、耐衝撃性の試験を行った。
表１に示すように、実施例３〜６に係る太陽電池モジュールでは、上記式（３）の関係を満たしている。
［比較例２、３］
実施例１に係る太陽電池モジュールにおいて、第一金属層の厚さｔ１及び上部封止層の厚さｔ２を以下の表１に示す値に変更したこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製し、耐衝撃性の試験を行った。
表１に示すように、比較例２、３に係る太陽電池モジュールでは、上記式（３）の関係を満たしていない。
［評価］
−耐衝撃性（鋼球落下試験）−
作製された実施例３〜６及び比較例２、３に係る太陽電池モジュールについて、上記実施例１、２及び比較例１に係る太陽電池モジュールと同様、鋼球落下試験を行った。鋼球落下試験の条件及び評価基準については、上記と同様である。
結果を表１に示す。
表１に示すように、式（３）の関係式を満たす実施例３〜６に係る太陽電池モジュールでは、落下物に対する耐衝撃性に優れ、太陽電池セルの破損が抑制されていた。一方、式（３）の関係式を満たさない比較例２、３に係る太陽電池モジュールでは、落下物に対する耐衝撃性が不十分であった。
したがって、ＦＥＭ計算の結果、落下物に対する耐衝撃性に優れると予測された太陽電池モジュールは、実際にその効果を奏することが示された。
２０１５年１２月２４日に出願された日本国特許出願２０１５−２５２４３０の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
１、１１ 表面層
２、１２ 太陽電池セル
３ 上部封止層
４ 下部封止層
５、１５ 封止層
６ 第一金属層
７ 発泡層
８ 第二金属層
９ ハニカム構造体（柱構造体）
１０、１２０ ラミネート前モジュール
１６ 金属層
２１ 熱板
２０、３０、４０ 背面層
１００、２００ 太陽電池モジュール

Claims (5)

  1. 太陽電池セルと、
    太陽光が入射する側に配置され、樹脂で構成される表面層と、
    前記表面層における太陽光が入射する側とは反対側に配置され、前記太陽電池セルを封止する封止層であって、厚さ方向において、太陽光が入射する側である前記太陽電池セルの上部を封止する上部封止層と、前記太陽電池セルの下部を封止する下部封止層と、を有する封止層と、
    前記封止層の前記表面層の配置された側とは反対側に配置され、前記表面層を構成する前記樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される第一金属層と、発泡樹脂で構成される発泡層と、前記第一金属層の前記封止層が配置された側とは反対側に、前記第一金属層とともに前記発泡層を挟むように配置され、前記表面層を構成する前記樹脂よりも線膨張率の低い金属で構成される第二金属層と、を有する背面層と、
    を備え、
    前記上部封止層を構成する上部封止材のヤング率は、５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であり、かつ前記下部封止層を構成する下部封止材のヤング率は、１００ＭＰａ以上であり、
    前記第一金属層の厚さｔ１（単位ｍｍ、ｔ１≧０．１５）と前記上部封止層の厚さｔ２（単位ｍｍ、ｔ２≧０．５）とが、以下の式（１）〜式（５）の関係を満たす太陽電池モジュール。
    ｔ２≧２．３（ｔ１＝０．１５）・・・（１）
    ｔ２≧２２．３３３ｔ１ ２−１５．８１７ｔ１＋４．１７（０．１５＜ｔ１＜０．３）・・・（２）
    ｔ２≧−２．１１６５ｔ１＋２．０６９９（０．３≦ｔ１≦０．７）・・・（３）
    ｔ２≧−０．５ｔ１＋０．９５（０．７＜ｔ１＜０．９）・・・（４）
    ｔ２＝０．５（ｔ１≧０．９）・・・（５）
  2. 前記発泡層を構成する前記発泡樹脂は、ポリプロピレン樹脂、アクリル樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂、及びポリアセタール樹脂からなる群より選択される少なくとも一つの樹脂である請求項１に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記発泡層を構成する前記発泡樹脂の発泡倍率は、５倍以下である請求項１又は請求項２に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記表面層を構成する前記樹脂は、ポリカーボネート樹脂であり、
    前記第一金属層及び前記第二金属層を構成する金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄又は鉄合金である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記発泡層の外周端部の少なくとも一部を覆う柱構造体が配置された請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
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