WO2013187236A1 - 太陽電池モジュールおよび接着層 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a solar cell module and an adhesive layer. More specifically, the present invention relates to a solar cell module having high durability and an adhesive layer therefor.
- a solar cell module that uses glass or is sealed with a resin is generally used to protect a thin film solar cell element.
- a sheet-like protective material made of a fluorine resin such as ETFE (tetrafluoroethylene-ethylene copolymer) is used on the outermost surface.
- ETFE tetrafluoroethylene-ethylene copolymer
- the protective material is bonded to the thin-film solar cell element by a sealing resin material (hereinafter referred to as “sealing material”) that exhibits adhesiveness by heat sealing.
- a resin-encapsulated solar cell module is preferred in order to make use of lightness.
- a typical resin-encapsulated solar cell module has a structure of a protective material / encapsulant / solar cell element / encapsulant / protective material from the light-receiving surface side.
- a member such as a steel plate is placed on the back surface opposite to the light-receiving surface, and the structure is made of protective material / encapsulant / solar cell element / encapsulant / steel plate, making use of the light weight of the resin-encapsulated type.
- a solar cell-integrated exterior member has also been produced.
- a solar cell module sealed with EVA is highly resistant to light and is generally considered to be highly reliable.
- PVB and EMMA are frequently used as a sealing material that suppresses the production of acetic acid in a solar cell module using a glass substrate.
- This invention makes it a subject to solve at least some of this subject. That is, the present invention contributes to the realization of a highly practical solar power generation system by providing a structure in which the effect of acetic acid is prevented and the durability of the solar cell module is made difficult to peel.
- an adhesive layer in order to improve the adhesive force between a resin of a sealing material that can suppress the production of acetic acid such as PVB and EMMA and a resin of a fluorine-based protective material. And found that such an adhesive layer can actually be produced.
- the light transmittance of the sealing material is high, it is possible to adopt a material with inferior light transmittance as the adhesive layer by reducing the thickness of the adhesive layer compared to the thickness of the resin of the sealing material.
- the selection range of the material for the adhesive layer can be expanded.
- a film-type solar cell element a protective material for a fluororesin disposed on the light-receiving surface side of the film-type solar cell element, the film-type solar cell element, and the protective material
- a sealing material that seals the film type solar cell element together with the protective material
- the sealing material is a material that does not have an acetate group in the molecular structure
- the sealing material is made of a material having an acetic acid group ratio of 10 mol% or less, disposed in contact with the protective material and the sealing material, and capable of adhering to both the protective material and the sealing material.
- a solar cell module further provided with an adhesive layer thinner than the thickness of the stopper is provided.
- the solar cell element in this embodiment is typically a thin film solar cell formed on a film substrate.
- the protective material of a fluorine resin exhibits a function as a protective material, and uses a resin containing fluorine as a part of the chemical structure.
- the sealing material is typically a material formed by polymerizing a monomer or oligomer having no acetic acid group in the molecular structure of the polymer.
- Another typical example of the encapsulating material is one containing 10 mol% or less of acetic acid groups in all bonds of carbon atoms forming the main chain or side chain in the molecular structure of the polymer.
- the adhesive layer can be bonded by, for example, fusing both the protective material for the fluororesin and the sealing material.
- the solar cell module of this aspect uses the sealing material from which the production
- the said acetic acid group points out the chemical group which may produce
- a protective material of a fluorine-based resin disposed on the light receiving surface side of the film type solar cell element, and disposed between the film type solar cell element and the protective material, the protection An adhesive layer for adhering a sealing material for sealing the film type solar cell element together with a material, wherein the sealing material is a material having no acetate group in the molecular structure, or an acetate group
- An olefin-based resin that is a material having a ratio of 10 mol% or less, is disposed in contact with the protective material and the sealing material, can be bonded to both the protective material and the sealing material, and the material contains a silanol group
- an adhesive layer for a solar cell module having a thickness smaller than the thickness of the sealing material is also provided.
- the material of the adhesive layer of this embodiment is an olefin resin containing a silanol group
- a sealing material made of a material that does not have an acetic acid group in the molecular structure or a material that has an acetic acid group of 10 mol% or less, and weather resistance It can be bonded to both the fluorine-based resin protective material which is excellent. For this reason, it becomes possible to produce the solar cell module by which the influence of the acetic acid was reduced or eliminated by the contact bonding layer of this aspect.
- a highly practical solar cell module with improved durability or an adhesive layer therefor is provided.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an example solar cell module in the present embodiment.
- the solar cell module 1000 includes a film type solar cell element 100 (hereinafter referred to as “solar cell element 100”), a protective material 40, and a sealing material 20.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional solar cell module produced without arranging an adhesive layer.
- the protective material 40 is disposed on the light receiving surface 100A side as viewed from the solar cell element 100, and the material thereof is a fluorine resin.
- the sealing material 20 is disposed between the solar cell element 100 and the protective material 40 and seals the solar cell element 100 together with the protective material 40.
- the material of the protective material 40 is a material that does not have an acetic acid group in the molecular structure, or a material that contains an acetic acid group but has an acetic acid group ratio of 10 mol% or less.
- the solar cell module 1000 further includes an adhesive layer 30.
- the adhesive layer 30 is disposed between the protective material 40 and the sealing material 20, can be bonded to both the protective material 40 and the sealing material 20, and is thinner than the thickness of the sealing material.
- the solar cell module 1000 of FIG. 1 includes a protective material, a sealing material, and an adhesive layer on both sides. That is, the protective material 42, the sealing material 22, and the adhesive layer 32 are also provided on the back surface 100 ⁇ / b> B side opposite to the light receiving surface 100 ⁇ / b> A of the solar cell element 100.
- the protective material 42, the sealing material 22, and the adhesive layer 32 are made of the same material as the protective material 40, the sealing material 20, and the adhesive layer 30, respectively, and symmetrical with respect to the solar cell element 100. It is produced in the structure of However, the structure of the solar cell module of the present embodiment is not necessarily limited to a symmetrical one.
- the acetic acid has little adverse effect on the photoelectric conversion layer formed on the light receiving surface 100A side of the solar cell element 100. Therefore, it is not essential to use the same material as the sealing material 20 for the sealing material 22.
- EVA which may produce acetic acid may be used as the sealing material 22. Then, since the problem itself of the adhesive force reduction does not occur on the back surface 100B side, it is not essential to arrange the adhesive layer 32.
- a steel plate (not shown) is adopted, and on the back surface 100B side of the solar cell element 100, a solar cell module sealed against the steel plate by the sealing material 22 is used.
- a body-shaped exterior member can be obtained.
- the adhesive layer 32 can be disposed.
- the sealing material 20 of the present embodiment has no chemical structure that produces acetic acid as found in EVA, or is made of a material that has a reduced chemical structure component.
- General EVA as a conventional sealing material has excellent adhesive strength. More specifically, in EVA, the adhesive force is strong because the acetate group has a strong polarity. On the other hand, generally a strong adhesive force cannot be obtained with a resin having a low polarity chemical structure. From this mechanism, a material having a chemical structure in which components containing acetic acid groups, which are acetic acid generation sources, are reduced or removed is not suitable as a sealing material as it is.
- the inventor of the present application considers that this is the reason why a sufficient adhesive force cannot be obtained when the fluorine resin directly adheres the sealing material 20 of this embodiment, particularly PVB or EMMA, to the protective material 40.
- the sealing material 20 which prevents the problem of acetic acid
- the problem of peeling is solved by adopting the adhesive layer 30.
- PVB may contain an acetate group in its composition.
- the ratio of acetic acid groups contained in PVB is 100% by mol with respect to all the parts that can be substituted with acetic acid groups, that is, all bonds of carbon atoms forming the main chain or side chain in the molecular structure of the polymer. In terms of expression, it is typically about 3 mol% and at most about 6 mol%, and the rest is a hydroxyl group and a degree of butyralization or acetalization. Therefore, the amount of acetic acid produced in PVB due to hydrolysis or the like is sufficiently smaller than a resin in which an acetic acid group such as EVA is mixed as a part of the component.
- the material of the sealing material 20 of the present embodiment is preferably a material that does not have an acetate group in the molecular structure, or a material that has an acetate group ratio of 10 mol% or less.
- the material of the sealing material 20 of the present embodiment is optimally free of acetic acid groups in the molecular structure, and one example is EMMA.
- EMMA acetic acid groups
- the sealing material 20 for example, a material that does not contain an acetic acid group except for the remaining acetic acid group due to the manufacturing process, such as PVB, can be used as the sealing material 20.
- the material of the sealing material 20 is reduced in acetic acid groups in comparison with EVA which is a typical sealing material that is usually used. It is advantageous to have. If this point is expressed by a numerical value, the upper limit value of the ratio of acetic acid groups allowed for the material of the sealing material 20 is 10 mol%. Further, if another definition is made, the material of the sealing material 20 can also be expressed as a material in which acetic acid is reduced to the extent that the characteristics of the solar cell element 100 are not adversely affected.
- the material of the adhesive layer 30 is an olefin resin containing a silanol group. This is because it is known that an adhesive strength to a fluororesin is increased by forming a copolymer including a monomer or oligomer having a silanol group (Si—OH) in the olefin resin.
- the structural formula of a polymer containing a silanol group (Si—OH) is a general formula It is expressed by In the above formula, R is the main chain skeleton of the olefin resin, and the portion indicated by the chain line is a silanol group.
- This main chain skeleton is the main chain of polyethylene, more generally polyolefin.
- typical olefin-based resins containing a silanol group of the present embodiment are those that are polymerized after the silanol group is incorporated in the repeating unit forming the main chain, and located at the end of the main chain. Hydrogen or the like is replaced by a silal group.
- the copolymer is formed so that the silanol group is incorporated only in at least one of a plurality of types of repeating units of the polymer to form a copolymer. Polymerized products are also included.
- the adhesive layer 30 including the resin component having these structures is an example of a resin that exhibits a good adhesive force to the sealing material 20 and the protective material 40.
- the olefin resin of the adhesive layer 30 is polyethylene (PE), and if the olefin resin contains a monomer or oligomer containing a silanol group specified in the above general formula, A good adhesive layer is obtained. More specifically, a strong adhesive force can be obtained with PE mixed with a mole fraction of silanol groups, preferably 1 mol% or more and 50 mol% or less.
- the material of the adhesive layer 30 made of the olefin resin formed in this way includes polyethylene as a partial structure, and includes a copolymer having a silanol group (copolymer). I only write.
- the molar fraction of the silanol group can be appropriately adjusted according to the result of a peel test as in the examples described later.
- the mole fraction of silanol groups is increased, the adhesion may increase, but white turbidity may occur.
- the cloudiness is severe, the amount of light transmitted to the solar cell element 100 is reduced. Therefore, it is preferable to determine the mole fraction of the silanol group in consideration of the optical performance in addition to the result of the peel test.
- the demand for transmittance is not necessarily high as the olefin resin of the adhesive layer 30.
- the protective material 40 is an arbitrary fluorine-based resin that is employed to increase the weather resistance of the solar cell module 1000.
- a particularly useful protective material is at least one fluororesin selected from the group consisting of ETFE, polyvinyl fluoride (PVF), and polyvinylidene fluoride (PVDF).
- the adhesive layer 30 is typically formed once in the form of a sheet or film, and then laminated with the protective material 40 and laminated. This laminating process does not necessarily have to be performed at once.
- the protective material 40 is an ultra-thin film of about 25 ⁇ m
- the protective material 40 and the adhesive layer 30 are preliminarily laminated intermediate members, and the intermediate members are used as the sealing material 20 and the solar cell.
- the element 100 can be stacked and laminated.
- Example 10 In order to confirm the action of the adhesive layer 30 of the present embodiment, a sample serving as a test piece having a laminated structure of the solar cell module 1000 was produced, and the peeling force serving as a measure of the adhesive force was measured.
- the measurement example will be described as an example in comparison with the conventional example. It should be noted that the materials, amounts used, ratios, processing contents, processing procedures, directions of elements or members, specific arrangements, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the following specific examples. The description will be continued with reference to FIG.
- FIGS. 3 and 4 are respectively schematic cross-sectional views of a sample of a solar cell module 1000 (example sample) and a partially exploded view of a solar cell module sample (conventional example sample) produced without arranging the adhesive layer 30.
- FIG. 5 and FIG. 6 are schematic views showing the state of the peel test of the example sample and the conventional sample, respectively. The peel force was measured at the interface between the protective material 40 and the sealing material 20 in the conventional sample, and between the protective material 40 and the adhesive layer 30 in the example sample.
- Protective materials 40 and 42 were ETFE having a thickness of 25 ⁇ m.
- the adhesive layers 30 and 32 (Example samples only) were 150 ⁇ m thick PE. In this PE, the content of silanol groups is adjusted so as not to cause a problem in adhesiveness.
- the sealing materials 20 and 22 were both PVB having a thickness of about 600 ⁇ m. As shown in FIGS. 3 and 4, the structure of each sample was configured such that the light-receiving surface side and the back surface side were symmetric with respect to the solar cell element 100. Each sample is a sample for measuring the peeling force, and the solar cell element 100 is provided between the protective material 40 and the sealing material 20 (conventional example sample) and between the protective material 40 and the adhesive layer 30 (example sample).
- Lamination was performed with a release paper (separator) 50 sandwiched between a part of the areas, and the part of the protective material 40 that was not fused with the release paper was used as a grip allowance by a jig for a peel test.
- the solar cell element 100 is a film-type solar cell element called SCAF (Series Connection through Structures Formed on Film).
- An ITO (tin-doped indium oxide) thin film is formed on the outermost surface of the light receiving surface 100A, and the back surface 100B Nickel is located on the outermost surface.
- Table 1 shows the measured peel force of each sample. Moreover, FIG. 7 is a graph which shows the average value of the peeling force over several samples about a prior art example sample and an Example sample.
- the unit of the values shown in Table 1 is the force unit “N”. Since this force is usually proportional to the width of the test piece, in the following description, the unit will be referred to as “N / 7.5 mm” for the purpose of clearly indicating that the width is 7.5 mm.
- the interface between the fluorine-based resin as the protective material 40 and the PVB as the sealing material 20 in the conventional sample is about 4.0 N / average on average for a plurality of samples. Whereas it was 7.5 mm, the average of the interface between the protective material 40 and the PE as the adhesive layer 30 in the example sample was about 12.2 N / 7.5 mm.
- the peeling force of the protective material 40 increased about three times.
- the adherend as viewed from ETFE that is the protective material 40 is the PVB of the sealing material 20 in the conventional sample, whereas it is the PE of the adhesive layer 30 in the example sample.
- the protective material 40 is peeled off by the action of the adhesive layer 30 in the structure of the solar cell module 1000 in which the adhesive layer 30 is disposed. I think it will be difficult. In the example sample, it has been separately confirmed that the interface between the sealing material 20 and the adhesive layer 30 has a stronger adhesive force than the interface between the protective material 40 and the adhesive layer 30. .
- the inventors of the present application have obtained the knowledge that the adhesive force (peeling force) decreases after long-term use or when used in a high-temperature environment from the results of experiments so far. From this knowledge, it is considered that at least 1.2 N / 7.5 mm is necessary for the initial peeling force (25 ° C.). Although the actual measurement value of 4N / 7.5mm of the conventional sample exceeds the value of 1.2N / 7.5mm, the protective material 40 is peeled off after long-term use or under high temperature use environment in summer. There is a concern to do. On the other hand, it is judged that there is no problem at 12 N / 7.5 mm of the example sample.
- the fluorine resin as the protective material 40 and the sealing material that does not generate acetic acid As described above, in the solar cell module 1000 having the structure in which the adhesive layer 30 is inserted between the protective material 40 and the sealing material 20, the fluorine resin as the protective material 40 and the sealing material that does not generate acetic acid. When PVB 20 was adopted, it was confirmed that peeling of the protective material 40 could be prevented.
- the present invention can be implemented only as the adhesive layer 30 useful for manufacturing the solar cell module 1000 of the first embodiment described above. That is, the second embodiment of the present invention is the adhesive layer 30 itself.
- the adhesive layer 30 is preferably made of an olefin resin containing a silanol group, and contains a silanol group (Si—OH) expressed by the above general chemical formula.
- the amount of silanol groups in the adhesive layer 30 can also be the same as that of the adhesive layer 30 described above.
- the embodiments of the present invention described above with specific examples can also be implemented by variously changing the materials of the adhesive layer, the sealing material, and the protective material.
- the adhesive layer 30 can perform the same function by adopting an arbitrary olefin resin other than PE, for example, polypropylene (PP).
- the sealing material 20 is mainly PVB.
- the same effect can be obtained when a resin material that does not contain any acetate group is employed.
- EMMA ethylene-methacrylic acid copolymer
- the adhesive force with the protective material 40 is insufficient when the adhesive layer 30 is not provided. It will be resolved. From this, the description about each embodiment mentioned above includes the case where the sealing material 20 is EMMA.
- the protective material 40 has been specifically described mainly taking ETFE.
- a material other than ETFE can be employed as the protective material 40.
- the protective material 40 is at least one fluorine-based resin selected from the group consisting of ETFE, PVF, and PVDF, an effect of improving the adhesive force by the adhesive layer 30 is obtained, which is preferable.
- the adhesive layer 30 only adds one resin sheet to a configuration that does not employ the adhesive layer 30, and sealing processing such as laminating processing can be performed by processing that is not much different from conventional processing.
- the protective material 40 may be an extremely thin sheet having a thickness of 25 ⁇ m, for example. In such a case, by previously integrating the adhesive layer 30 with the protective material 40, an operation of forming a state in which the films are stacked before the laminating process is facilitated. Thus, the process of manufacturing the solar cell module of this embodiment does not have any difficulty in implementation.
- the solar cell module of the present invention can be used as a solar cell module for a photovoltaic power generation system.
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Abstract
太陽電池モジュールの保護材の剥離を防止する。本発明のある実施形態においてはフィルム型太陽電池素子100と、保護材40、封止材20、および接着層30を備えている太陽電池モジュール1000が提供される。保護材は、フィルム型太陽電池素子の受光面100Aの側に配置されるフッ素系樹脂である。封止材は、フィルム型太陽電池素子と保護材との間に配置され、保護材とともにフィルム型太陽電池素子を封止している。保護材の材質は、分子構造に酢酸基を持たない材質、または、酢酸基の比率が10mol%以下の材質である。接着層は、保護材と封止材とに接して配置されており、保護材と封止材の双方に接着可能であり、封止材の厚みより薄いものである。また、本発明の別の態様においては、材質がシラノール基を含むオレフィン系樹脂であり封止材の厚みより薄い接着層30も提供される。
Description
本発明は太陽電池モジュールおよび接着層に関する。さらに詳細には本発明は、高い耐久性を備える太陽電池モジュールおよびそのための接着層に関する。
近年開発されている太陽光発電システムにおいては、一般的に、薄膜太陽電池素子を保護するためにガラスを用いたり、または、樹脂により封止された太陽電池モジュールが採用される。樹脂封止タイプの太陽電池モジュールにおいては、最表面に、例えばETFE(テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体)などのフッ素系樹脂のシート状保護材が用いられる。その保護材は、熱融着されることにより接着性を示す封止樹脂材(以下「封止材」と記す)により薄膜太陽電池素子に接着される。とりわけ、薄膜太陽電池素子を樹脂フィルム基板などの可撓性基板に形成した太陽電池モジュールでは、軽量性を活かすために樹脂封止タイプの太陽電池モジュールが好まれる。典型的な樹脂封止タイプの太陽電池モジュールの構造は、受光面側から、保護材/封止材/太陽電池素子/封止材/保護材、という構造である。また、受光面とは逆の背面に鋼板などの部材を配置し、保護材/封止材/太陽電池素子/封止材/鋼板、という構造に作製され、樹脂封止タイプの軽量性を活かした太陽電池一体型の外装部材も作製されている。
このようなガラスを用いない太陽電池モジュールを屋外の屋根などに採用するためには、長期間の耐久性や、耐電圧性など各種の要件を満たすことが求められる。従来多用される封止材の一つが、EVA(エチレン-酢酸ビニル共重合体)樹脂である。EVAにより封止される太陽電池モジュールは、光に対しても高い耐性を示し、一般的には、高い信頼性を誇ると考えられている。
EVAは、長期使用時に外部から侵入する湿気により加水分解が進み、酢酸を生成することが知られている(例えば、特許文献1、段落0008)。酢酸は、封止された太陽電池素子の受光面に形成されている光電変換層の特性を劣化させるため、EVAを封止材とする太陽電池モジュールではこの点の改良の余地が残されている。
そこで、本願の発明者は、封止材の材質として、酢酸の生成が抑止できる材質、例えば、ポリビニルブチラール(以下「PVB」と略記)およびエチレン-メタクリル酸共重合体(「EMMA」)を封止材として採用することを検討した。実際にPVBおよびEMMAは、ガラス基板を利用する太陽電池モジュールにおいて、酢酸の生成を抑止した封止材として多用されている。
ところが、フィルム型太陽電池素子を封止するためにPVBまたはEMMAにより太陽電池素子を封止しようとすると、PVBまたはEMMAと保護材であるフッ素系樹脂との界面における接着力が問題となる。端的には、封止処理の熱融着の直後において当該界面に十分な接着力が得られず、直射日光下で高温となったときや長期間使用後には、保護材が封止材から剥離することが懸念される。
本発明はかかる課題の少なくともいくつかを解決することを課題とする。すなわち、本発明は、酢酸による影響を未然に防ぎ耐久性が高められた太陽電池モジュールを剥離しにくい構造とすることにより、実用性の高い太陽光発電システムを実現することに貢献する。
本願の発明者は、PVBおよびEMMAなどの酢酸の生成が抑制できる封止材の樹脂とフッ素系の保護材の樹脂との接着力を向上させるために、接着層を利用することが有用であることを見出し、また、そのような接着層が実際にも作製可能であることを確認した。特に、封止材の光透過率が高ければ、上記封止材の樹脂の厚みに比べて接着層の厚みを薄くすることにより、接着層として光透過率の劣る材質を採用することが可能となって、接着層の材質の選択範囲を広げることが可能となる。
すなわち、本発明のある態様においては、フィルム型太陽電池素子と、該フィルム型太陽電池素子の受光面側に配置されるフッ素系樹脂の保護材と、該フィルム型太陽電池素子と該保護材との間に配置され、該保護材とともに該フィルム型太陽電池素子を封止する封止材とを備える太陽電池モジュールであって、前記封止材の材質は、分子構造に酢酸基を持たない材質、または、酢酸基の比率が10mol%以下の材質であり、前記保護材と前記封止材とに接して配置され、前記保護材と前記封止材の双方に接着可能な材質の、前記封止材の厚みより薄い接着層をさらに備える太陽電池モジュールが提供される。
本態様における太陽電池素子は、典型的には、フィルム基板に形成された薄膜太陽電池である。また、フッ素系樹脂の保護材は、保護材としての機能を発揮し、化学構造の一部にフッ素を含む樹脂を材質とするものである。封止材は、一つの典型が、高分子の分子構造に酢酸基を持たないモノマーまたはオリゴマーを重合させて構成されている材質である。また、封止材の別の典型は、高分子の分子構造において主鎖または側鎖をなす炭素原子のボンドすべてのうち10mol%以下だけ酢酸基を含むものである。そして、接着層は、上記フッ素系樹脂の保護材と上記封止材との双方に対して例えば融着することにより接着が可能なものである。したがって、本態様の太陽電池モジュールは、酢酸の生成が低減または解消された封止材を利用しても、その封止材と保護材との界面における剥離を防止することができる。なお、上記酢酸基は、酢酸を生成する可能性のある化学基を指し、例えばアセチル基またはアセテート基である。
また、本発明のある態様においては、フィルム型太陽電池素子の受光面側に配置されるフッ素系樹脂の保護材と、該フィルム型太陽電池素子と該保護材との間に配置され、該保護材とともに該フィルム型太陽電池素子を封止する封止材とを接着するための接着層であって、前記封止材の材質は、分子構造に酢酸基を持たない材質、または、酢酸基の比率が10mol%以下の材質であり、前記保護材と前記封止材とに接して配置され、前記保護材と前記封止材の双方に接着可能であり、材質がシラノール基を含むオレフィン系樹脂であり、厚みが前記封止材の厚みより薄い太陽電池モジュール用接着層も提供される。
本態様の接着層は、材質がシラノール基を含むオレフィン系樹脂であることから、分子構造に酢酸基を持たない材質、または、酢酸基が10mol%以下である材質の封止材と、耐候性に優れたフッ素系樹脂の保護材との双方に対して接着が可能なものである。このため、本態様の接着層により、酢酸の影響が低減されまたは解消された太陽電池モジュールを作製することが可能となる。
本発明のいずれかの態様においては耐久性が高められた実用性の高い太陽電池モジュールまたはそのための接着層が提供される。
以下、本発明に係る太陽電池モジュールまたは接着層の実施形態を図面に基づいて説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。
<第1実施形態>
[太陽電池モジュールの構造]
図1は、本実施形態における一例の太陽電池モジュールの構造を示す概略断面図である。太陽電池モジュール1000は、フィルム型太陽電池素子100(以下、「太陽電池素子100」と呼ぶ)と、保護材40と、封止材20とを備えている。図2は、接着層を配置せずに作製した従来の太陽電池モジュールの構造を示す概略断面図である。
[太陽電池モジュールの構造]
図1は、本実施形態における一例の太陽電池モジュールの構造を示す概略断面図である。太陽電池モジュール1000は、フィルム型太陽電池素子100(以下、「太陽電池素子100」と呼ぶ)と、保護材40と、封止材20とを備えている。図2は、接着層を配置せずに作製した従来の太陽電池モジュールの構造を示す概略断面図である。
保護材40は、太陽電池素子100からみて受光面100Aの側に配置され、その材質はフッ素系樹脂である。また、封止材20は、太陽電池素子100と保護材40の間に配置され、保護材40とともに太陽電池素子100を封止している。保護材40の材質は、分子構造に酢酸基を持たない材質、または、酢酸基を含むものの酢酸基の比率が10mol%以下である材質である。太陽電池モジュール1000は、接着層30をさらに備えている。接着層30は、保護材40と封止材20との間に配置されており、保護材40と封止材20の双方に接着可能であり、封止材の厚みより薄いものである。ここで、接着層30が接着可能であるとは、接着層30がなく保護材40と封止材20とを直接接して融着等させた場合の接着力に比べ、接着層30が介在することにより、保護材40の封止材20に対する接着力が向上していることを意味している。
なお、図1の太陽電池モジュール1000は、両面に保護材、封止材、および接着層を備えている。つまり、太陽電池素子100の受光面100Aとは逆の背面100B側にも、保護材42、封止材22、および接着層32が備わっている。典型的には、保護材42、封止材22、および接着層32は、それぞれ、保護材40、封止材20、および接着層30と同一の材質とされて、太陽電池素子100を挟み対称の構造に作製される。ただし、本実施形態の太陽電池モジュールの構造は、必ずしも対称のものに限定されるわけではない。例えば、仮に背面100B側の封止材22から酢酸が生成されたとしても、その酢酸は太陽電池素子100の受光面100A側に形成された光電変換層には悪影響を殆ど及ぼさない。したがって、封止材22は、封止材20と同様の材質を採用することは必須ではない。例えば酢酸が生成されかねないもののEVAを封止材22として採用することも可能である。そうすれば、背面100B側では接着力の低下という問題自体が生じないため、接着層32を配置することもまた必須ではない。さらに、背面100B側の保護材42に代えて鋼板(図示しない)を採用し、太陽電池素子100の背面100B側には封止材22によりその鋼板に対して封止されている太陽電池モジュール一体型の外装部材とすることができる。もちろん、鋼板と封止材22とが十分な接着力を有しない場合には、接着層32を配置することができる。
上述したように、本実施形態の封止材20は、EVAに見られるような酢酸を生成する化学構造を全く持たないか、または、その化学構造の成分が削減されている材質のものである。従来の封止材として一般的なEVAは接着力が優れている。より詳細には、EVAでは酢酸基が強い極性を持つために接着力が強くなっている。逆に、極性の低い化学構造の樹脂では一般に強い接着力は得られない。このメカニズムからは、酢酸の発生源である酢酸基を含む成分が削減されたり除去されたりしている化学構造の材料は、そのままでは封止材には適さないこととなる。これが、本実施形態の封止材20、とりわけPVBやEMMAをフッ素系樹脂が保護材40に直接接着したときに十分な接着力が得られない理由であると本願の発明者は考えている。これに対し、本実施形態では、酢酸の問題点を未然に防ぐような封止材20を採用するとともに、接着層30を採用することにより剥離の問題を解決する。
ここで、PVBは、製造工程上、その組成に酢酸基が含まれる場合がある。ただし、PVBに含まれる酢酸基の割合は、酢酸基に置換しうる部分すべて、つまり、高分子の分子構造において主鎖または側鎖をなす炭素原子のボンドすべてを100mol%としてそれに対するmol%で表現すると、典型的には3mol%程度、高々6mol%程度であり、残りは水酸基と、ブチラール化度またはアセタール化度などとなる。したがって、EVAなどの酢酸基を成分の一部として混入させた樹脂に比べ、PVBにおいて加水分解等に起因して生成される酢酸の量は十分に少ない。
なお、本実施形態の封止材20の材質は、上述したように、分子構造に酢酸基を持たない材質、または、酢酸基の比率が10mol%以下の材質とするのが好適である。酢酸の生成を完全に防ぐ観点からは、本実施形態の封止材20の材質としては分子構造に酢酸基を持たないものが最適であり、その一例がEMMAである。ただし、酢酸基が残存していても、酢酸の生成量が実質的に問題にならない程度にまで酢酸基の量が抑制されていれば、実用上は問題を生じない。このため、例えば、PVBのように、製造工程上の理由により残存する酢酸基を除き酢酸基が含まれていない材質も封止材20として採用することができる。通常入手できる高々6mol%までの酢酸基を含むPVBを使用した検討では、封止材20の材質は、通常利用される代表的封止材であるEVAとの比較において、酢酸基が削減されているために有利である。その点を数値により表現すれば、封止材20の材質に許容される酢酸基の比率の上限値は10mol%となる、ということである。また、別の規定をするなら、封止材20の材質は、太陽電池素子100の特性に悪影響を与えない程度に酢酸が削減されている材質、とも表現することができる。
本実施形態の太陽電池モジュール1000においては、接着層30の材質がシラノール基を含むオレフィン系樹脂であると好適である。オレフィン系樹脂に、シラノール基(Si-OH)を有するモノマーまたはオリゴマーを含めてコポリマーとすることにより、フッ素系樹脂に対する接着力が増大することが知られているためである。シラノール基(Si-OH)を含むポリマーの構造式は、一般式
により表現される。なお、上式中のRはオレフィン系樹脂の主鎖骨格部であり、鎖線により示された部分がシラノール基である。この主鎖骨格部は、ポリエチレン、より一般にはポリオレフィンの主鎖をなしている。つまり、本実施形態のシラノール基を含むオレフィン系樹脂の典型的なものは、主鎖をなす繰返し単位内にシラノール基が組み込まれてその後に重合したもの、および主鎖のうちの末端に位置する水素等がシラール基により置き換わっているもの、である。また、本実施形態のシラノール基を含むオレフィン系樹脂の別の典型例では、上述したように、高分子の複数種の繰返し単位の少なくとも一種にのみシラノール基が組み込まれてコポリマーをなすように共重合化したものも含まれている。これらの構造の樹脂成分を含む接着層30は、封止材20と保護材40とに対し良好な接着力を示す樹脂の一例である。
また、本実施形態の太陽電池モジュール1000においては、接着層30のオレフィン系樹脂をポリエチレン(PE)とし、そのオレフィン系樹脂に上記一般式に明示されるシラノール基を含むモノマーまたはオリゴマーを含めれば、良好な接着層が得られる。より具体的には、シラノール基のモル分率を、好ましくは1mol%以上50mol%以下混入したPEでは強い接着力が得られる。なお、このようにして形成されるオレフィン系樹脂による接着層30の材質は、ポリエチレンを部分構造として有し、シラノール基を有する共重合体(コポリマー)である場合も含めて、本出願ではPEとのみ記す。
なお、上記シラノール基のモル分率は、さらに後述する実施例のような剥離試験の結果に合わせて、適宜調整することができる。一般に、シラノール基のモル分率を増大させれば、接着力が増大するものの、白濁が生じる場合がある。その白濁は、甚だしい場合には太陽電池素子100への透過光量を減少させるため、剥離試験の結果に加え光学的性能も考慮してシラノール基のモル分率を決定することが好ましい。ただし、本実施形態においては、接着層30のオレフィン系樹脂として、透過率に対する要求は必ずしも高くない。これは、接着層30を封止材20よりも薄い層としているために、接着層30の透過率の影響が封止材20ほどには大きくないためである。特に、封止材20としてPVBを選択するなど、接着層30に比べ透過率の高い材質とした場合には、接着層30の材質選択のための光学面での性能要求を緩和することができる。
保護材40は太陽電池モジュール1000の耐候性を高めるために採用される任意のフッ素系樹脂である。特に本実施形態のような接着層30が採用されると、接着力の点から採用しにくかったフッ素系樹脂の保護材をも利用することが可能になる利点がある。特に有用な保護材の材質は、ETFE、ポリフッ化ビニル(PVF)、およびポリフッ化ビニリデン(PVDF)からなる群から選択される少なくとも一のフッ素系樹脂である。
接着層30は、典型的には、シート状またはフィルム状に一旦形成された後に、保護材40と重ねられてラミネート処理される。このラミネート処理は、必ずしも一度に行なわれる必要はない。例えば、保護材40が25μm程度の極薄のフィルムである場合には、保護材40と接着層30とがあらかじめラミネートされた中間部材となっていて、この中間部材を封止材20、太陽電池素子100に積み重ねてラミネート処理することができる。
[実施例]
本実施形態の接着層30の作用を確認するため、太陽電池モジュール1000の積層構造を有する試験片となるサンプルを作製し、接着力の目安となる剥離力を測定した。以下その測定例を実施例として従来例と対比して説明する。なお、以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。引き続き図1も参照し説明する。
本実施形態の接着層30の作用を確認するため、太陽電池モジュール1000の積層構造を有する試験片となるサンプルを作製し、接着力の目安となる剥離力を測定した。以下その測定例を実施例として従来例と対比して説明する。なお、以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。引き続き図1も参照し説明する。
図3および図4は、それぞれ、太陽電池モジュール1000のサンプル(実施例サンプル)、および、接着層30を配置せずに作製した太陽電池モジュールサンプル(従来例サンプル)の一部分解の概略断面図を示す。また、図5および図6は、それぞれ、実施例サンプルおよび従来例サンプルの剥離試験の様子を示す模式図である。剥離力を測定したのは、従来サンプルでは保護材40と封止材20の間、実施例サンプルでは保護材40と接着層30の間の界面である。
保護材40および42には、厚み25μmのETFEを採用した。また、接着層30および32(実施例サンプルのみ)は、150μm厚のPEとした。このPEは、接着性に問題が生じないようにシラノール基の含有量が調整されたものである。封止材20および22は、いずれも約600μm厚のPVBとした。図3および図4に示すように、各サンプルの構造は、受光面側と背面側が、太陽電池素子100を挟んで対称となるように構成した。各サンプルは、剥離力を測定するためのサンプルとし、保護材40と封止材20(従来例サンプル)、保護材40と接着層30(実施例サンプル)の間には、太陽電池素子100にかかる領域の一部に剥離紙(セパレータ)50を挟んでラミネート処理を行い、剥離紙により融着しなかった保護材40の部分を剥離試験の治具によるつかみ代とした。
太陽電池素子100は、SCAF(Series Connection through Apertures Formed on Firm)と呼ぶフィルム型太陽電池素子であり、受光面100Aの最表面にはITO(スズドープ・インジウム酸化物)薄膜が、また、背面100Bの最表面にはニッケルが、それぞれ位置している。
剥離力を測定する剥離試験の詳細な条件は、以下の通りとした。
・試験の種類:180°ピール試験
・サンプル形状:7.5mm幅
・ストローク速度:100mm/min
・試験温度:25℃
・サンプル数:実施例サンプル、従来例サンプルそれぞれ、n=3
・試験の種類:180°ピール試験
・サンプル形状:7.5mm幅
・ストローク速度:100mm/min
・試験温度:25℃
・サンプル数:実施例サンプル、従来例サンプルそれぞれ、n=3
表1に、測定された各サンプルの剥離力を示す。また、図7は、従来例サンプルおよび実施例サンプルについて、複数のサンプルにわたる剥離力の平均値を示すグラフである。
なお、表1に示す値の単位は力の単位「N」である。この力は通常は試験片の幅に比例するため、7.5mm幅であることを明示する目的で、以下の説明においては、当該単位を「N/7.5mm」と記す。
接着力の評価として剥離力を測定した結果、従来例サンプルにおける保護材40であるフッ素系樹脂と、封止材20であるPVBとの間の界面が複数のサンプルの平均で約4.0N/7.5mmであったのに対し、実施例サンプルにおける保護材40と接着層30であるPEとの間の界面では、平均で約12.2N/7.5mmであった。このように、接着層30を配置することにより、保護材40の剥離力は約3倍に増大した。ここで、保護材40であるETFEからみた被着体は、従来サンプルでは封止材20のPVBであるのに対し、実施例サンプルでは接着層30のPEである。この被着体の違いが剥離力の違いを決定しているため、接着層30を配置した太陽電池モジュール1000の構造においても、同様に、接着層30の作用により、保護材40の剥離は生じにくくなるものと考えている。なお、実施例サンプルにおいては、封止材20と接着層30との間の界面は、保護材40と接着層30との界面よりも強い接着力を有していることを別途確認している。
また、本願の発明者は、これまでの実験結果から、長期間使用後や高温環境下での使用時には接着力(剥離力)が低下するとの知見を得ている。その知見からは、初期の剥離力(25℃)では、少なくとも1.2N/7.5mm必要であると考えている。従来例サンプルの4N/7.5mmとの実測値は、上記1.2N/7.5mmとの値を上回ってはいるものの、長期使用後や夏季の高温使用環境下においては保護材40が剥離することが懸念される。これに対し、実施例サンプルの12N/7.5mmでは問題ないと判断している。
以上に説明したように、接着層30を保護材40と封止材20との間に挿入する構造の太陽電池モジュール1000では、保護材40であるフッ素系樹脂と、酢酸を生成しない封止材20であるPVBを採用した場合において、保護材40の剥離が防止できることを確認した。
<第2実施形態>
[接着層]
本発明は、上述した第1実施形態の太陽電池モジュール1000を作製するために有用な接着層30のみとして実施することもできる。すなわち、本発明の第2実施形態は、接着層30それ自体である。この接着層30は、材質がシラノール基を含むオレフィン系樹脂であると好適であり、上述した一般式の化学式により表現されるシラノール基(Si-OH)を含むものである。また、接着層30のシラノール基の分量も、上述した接着層30と同様とすることができる。
[接着層]
本発明は、上述した第1実施形態の太陽電池モジュール1000を作製するために有用な接着層30のみとして実施することもできる。すなわち、本発明の第2実施形態は、接着層30それ自体である。この接着層30は、材質がシラノール基を含むオレフィン系樹脂であると好適であり、上述した一般式の化学式により表現されるシラノール基(Si-OH)を含むものである。また、接着層30のシラノール基の分量も、上述した接着層30と同様とすることができる。
<変形例>
具体例を挙げ上述した本発明の各実施形態は、特に、接着層、封止材、保護材の各材質を様々に変形することによって実施することも可能である。例えば、接着層30は、PE以外の任意のオレフィン系樹脂、例えばポリプロピレン(PP)を採用することによっても同様の機能を果たすことができる。
具体例を挙げ上述した本発明の各実施形態は、特に、接着層、封止材、保護材の各材質を様々に変形することによって実施することも可能である。例えば、接着層30は、PE以外の任意のオレフィン系樹脂、例えばポリプロピレン(PP)を採用することによっても同様の機能を果たすことができる。
また、封止材20は、主としてPVBの場合を説明した。各実施形態においては、酢酸基を全く含まない樹脂材料を採用する場合にも同様の効果が得られる。例えば、封止材20としてEMMA(エチレン-メタクリル酸共重合体)を採用する場合にも、接着層30がない場合には保護材40との接着力が不足し、その不足が接着層30により解消される。このことから、上述した各実施形態についての説明は、封止材20がEMMAである場合も含むものである。
さらに、保護材40は、主としてETFEを取り上げ具体的に説明した。各実施形態においては、保護材40としてETFE以外のものも採用することができる。例えば、保護材40は、ETFE、PVF、およびPVDFからなる群から選択される少なくとも一のフッ素系樹脂であれば、接着層30による接着力向上の作用が得られるため、好適である。
なお、図1に示した太陽電池モジュール1000を作製することには特段の困難性はない。特に、接着層30を採用することは、接着層30を採用しない構成に対して樹脂シートを一枚追加するのみであり、ラミネート処理などの封止処理は従来と大差ない処理で行なうことができる。さらに、保護材40は、例えば25μm厚の極薄のシートである場合がある。そのような場合には、保護材40に接着層30をあらかじめ一体化させておくことにより、ラミネート処理の前にフィルムを積み重ねた状態を形成する作業が容易となる。このように、本実施形態の太陽電池モジュールを製造する工程は、実施上の困難も有していない。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、請求の範囲の記載に基づき定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、請求の範囲に含まれるものである。
本発明の太陽電池モジュールは、太陽光発電システムのための太陽電池モジュールとして利用可能である。
1000 太陽電池モジュール
100 太陽電池素子
20、22 封止材
30、32 接着層
40、42 保護材
50 剥離紙(セパレータ)
100A 受光面
100B 背面
100 太陽電池素子
20、22 封止材
30、32 接着層
40、42 保護材
50 剥離紙(セパレータ)
100A 受光面
100B 背面
Claims (7)
- フィルム型太陽電池素子と、
該フィルム型太陽電池素子の受光面側に配置されるフッ素系樹脂の保護材と、
該フィルム型太陽電池素子と該保護材との間に配置され、該保護材とともに該フィルム型太陽電池素子を封止する封止材と
を備える太陽電池モジュールであって、
前記封止材の材質は、分子構造に酢酸基を持たない材質、または、酢酸基の比率が10mol%以下である材質であり、
前記保護材と前記封止材とに接して配置され、前記保護材と前記封止材の双方に接着可能な材質の、前記封止材の厚みより薄い接着層をさらに備える
太陽電池モジュール。 - 前記接着層の材質はシラノール基を含むオレフィン系樹脂である
請求項1に記載の太陽電池モジュール。 - 前記オレフィン系樹脂がポリエチレンである
請求項2に記載の太陽電池モジュール。 - 前記封止材の材質は、ポリビニルブチラールおよびエチレン-メタクリル酸共重合体からなる群から選択される一の樹脂である
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。 - 前記保護材は、エチレン-テトラフルオロエチレンの共重合体、ポリフッ化ビニル、およびポリフッ化ビニリデンからなる群から選択される少なくとも一のフッ素系樹脂である
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。 - フィルム型太陽電池素子の受光面側に配置されるフッ素系樹脂の保護材と、該フィルム型太陽電池素子と該保護材との間に配置され、該保護材とともに該フィルム型太陽電池素子を封止する封止材とを接着するための接着層であって、
前記封止材の材質は、分子構造に酢酸基を持たない材質、または、酢酸基の比率が10mol%以下の材質であり、
前記保護材と前記封止材とに接して配置され、前記保護材と前記封止材の双方に接着可能であり、
材質がシラノール基を含むオレフィン系樹脂であり、
厚みが前記封止材の厚みより薄い
太陽電池モジュール用接着層。 - 前記オレフィン系樹脂がポリエチレンである
請求項6に記載の太陽電池モジュール用接着層。
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
JP2012-132841 | 2012-06-12 | ||
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---|---|---|---|
PCT/JP2013/064929 WO2013187236A1 (ja) | 2012-06-12 | 2013-05-29 | 太陽電池モジュールおよび接着層 |
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---|---|
WO (1) | WO2013187236A1 (ja) |
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-
2013
- 2013-05-29 WO PCT/JP2013/064929 patent/WO2013187236A1/ja active Application Filing
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