JP2005129728A - 太陽電池モジュール用保護シート及びこれを用いた太陽電池モジュール並びに太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池モジュールを屋外に設置した場合では、その発電時には太陽電池モジュールの温度は太陽電池素子の動作に伴って生じる熱などによって大きく上昇する。太陽電池モジュールの温度が上昇すると太陽電池素子の温度特性から発電効率が低下してしまう。
【解決手段】 樹脂層と水分防止層とを積層してなる太陽電池モジュール用保護シートであって、前記樹脂層にこの樹脂層を構成する物質より熱伝導率の大きい粒子を含有させたことを特徴とする太陽電池モジュール用保護シート。
【選択図】 図２

Description

本発明は太陽電池モジュール用保護シート及びこれを用いた太陽電池モジュールに関し、特に放熱性を向上させた太陽電池モジュール用保護シート及びこれを用いた太陽電池モジュール並びに太陽電池モジュールの製造方法に関する。

太陽電池素子は単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いて作製することが多く、そのために太陽電池素子は物理的衝撃に弱く、また、野外に太陽電池を取り付けた場合に、雨などからこれを保護する必要がある。

また、太陽電池素子１枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池素子を直並列に接続して、実用的な電気出力が取り出せるようにする必要がある。

そこで、複数の太陽電池素子を接続し、透光性基板ならびにエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などの合成樹脂を主成分とする充填材にて封入し、これによって太陽電池モジュールとして製造している。

このような構成の太陽電池モジュールを屋外に設置した場合、その発電時には外気温２０℃でも太陽電池モジュールの温度は太陽電池素子の動作に伴って生じる熱などによって４０〜５０℃程度にまで上昇していた。

よって、このように太陽電池モジュールの温度が上昇した場合、太陽電池素子の温度特性に起因して発電効率が低下するという課題があった。

さらに、発電中の太陽電池モジュールにおいて、複数の太陽電池素子のうち一つの太陽電池素子が何らかの原因でそこに影が生じた場合、この太陽電池素子の発電が不十分となり、これにより、この太陽電池素子自体が抵抗となり、その結果、この太陽電池素子の両電極にはその抵抗値と流れる電流の積の電位差が発生していた。

すなわち、太陽電池素子に逆方向のバイアス電圧が印加されことで、この素子が発熱し、いわゆるホットスポットと呼ばれる状況が生まれていた。

このようなホットスポットの現象が発生したことで、太陽電池素子の温度が上昇し続けると、最悪の場合にはこの太陽電池素子が破壊し、以後、この太陽電池モジュールから所定の電気出力を得られなくなるという課題もあった。

かかる課題を解消するために、太陽電池モジュールの温度上昇やホットスポットが発生したときに太陽電池モジュールを冷却する技術が提案され、たとえば、太陽電池モジュールの裏面側に凹凸状表面を備えたフィルムを設けることや、太陽電池モジュールの周囲に配設するモジュール枠に通風口を設けることが提案されている（特許文献１参照）。

また、太陽電池裏面の放熱面積を大きくする技術も提案され、たとえば、この部分に放熱フィンを備えた太陽電池モジュールも考案されている（特許文献２参照）。
特開平６−１８１３３３号公報 特開２００２−１７０９７４号公報

しかしながら、特許文献１によって提案された技術によれば、太陽電池モジュールの裏面側に表面が凹凸状の熱放射率の高いフィルムを設けることで、ある程度に放熱性が得られたが、その反面、このフィルムに大きな凹凸形状を設けるという製造技術上の難点があり、放熱効果が所望どおりに達成されず、不十分となり、その結果、高い品質が得られず、信頼性が低下していた。

また、太陽電池モジュールの周囲に配設するモジュール枠に通風口を設ける技術においては、太陽電池モジュールの強度に影響を及ぼし、その点で信頼性が得られず、さらに無風状態では放熱効果が所望どおりに達成されず、不十分となり、その結果、同様に高い品質が得られず、信頼性が低下していた。

一方、太陽電池モジュールの裏面に放熱フィンを設置する特許文献２の技術においては、太陽電池モジュールの寸法や重量が増大し、太陽電池モジュールの設置場所が限られるという課題があった。

また、太陽電池モジュールに対し、金属等で作製した放熱フィンを設ける点で、その取り付ける工程を要し、製造コストや販売コストが大きくなるという問題点もあった。

本発明は叙上に鑑みて完成されたものであり、その目的は放熱効果を高め、高い品質や信頼性を達成した太陽電池モジュール用保護シートを提供することにある。

本発明の他の目的は、放熱効果を高め、高い品質や信頼性を達成した太陽電池モジュールを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、かかる本発明の太陽電池モジュールを低コストに取付けられるように成した太陽電池モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明の太陽電池モジュール用保護シートは、樹脂層と水分防止層とを積層してなる太陽電池モジュール用保護シートであって、前記樹脂層にこの樹脂層を構成する物質より熱伝導率の大きい粒子を含有させたことを特徴とする。

また、本発明の太陽電池モジュール用保護シートは、前記水分防止層が無機酸化物層であることを特徴とする。

また、前記粒子がケイ素またはグラファイトであることが望ましい。

また、前記粒子が金属であることが望ましい。

さらに、前記金属はアルミニウム、銅、銀、亜鉛、タングステン、マグネシウム、モリブデン及びこれらを含む合金であることが望ましい。

また、本発明の太陽電池モジュールは、透光性基板と受光面側充填材と太陽電池素子と裏面側充填材と請求項１ないし５のいずれかに記載の太陽電池モジュール用保護シートとを重ねるように順次配設したことを特徴とする。

また、本発明の太陽電池モジュール製造方法は、順次下記（１）〜（５）の各工程を経た後、減圧下にて加熱加圧して一体化したことを特徴とする。

（１）透光性基板の上に受光面側充填材を配する。

（２）上記受光面側充填材の上に、複数の太陽電池素子を配列してなる太陽電池素子群を複数配する。

（３）上記太陽電池素子群を配線により電気的に接続する。

（４）上記太陽電池素子群の上に裏面側充填材を配する。

（５）上記裏面側充填材の上に、請求項１ないし５のいずれかに記載の太陽電池モジュール用保護シートを配する。

本発明に係る太陽電池モジュール用保護シートによれば、樹脂層と水分防止層とを積層してなる太陽電池モジュール用保護シートであって、前記樹脂層にこの樹脂層を構成する物質より熱伝導率の大きい粒子を含有させたことで、この太陽電池モジュール用保護シートによって保護された電気機器などで発生した熱を速やかに放熱させることが可能となり、温度上昇による電気機器の故障、効率ダウンを避けることが可能となる。

また、本発明に係る太陽電池モジュール用保護シートによれば、前記水分防止層を無機酸化物層にしたことで、太陽電池モジュール用保護シートの安定性と信頼性を高めることができる。

また、本発明に係る太陽電池モジュール用保護シートによれば、前記粒子をケイ素またはグラファイトにしたことで、その熱伝導率が大きくかつ電気機器の長期の使用にも安定なものであり最適である。

さらに、上記粒子に、金属は一般にその熱伝導率が大きく適している。

上記の金属の内、特にアルミニウム、銅、銀、亜鉛、タングステン、マグネシウム、モリブデン及びこれらを含む合金は、その熱伝導率が大きくかつ太陽電池モジュールの長期の使用にも安定なものであり最適である。

また、本発明に係る太陽電池モジュールによれば、請求項１ないし５のいずれかに記載の太陽電池モジュール用保護シートを用いて、透光性基板と受光面側充填材と太陽電池素子と裏面側充填材とこの太陽電池モジュール用保護シートを重ねるように順次配設したことで、太陽電池素子で発生した熱を速やかに裏面側から放熱させることが可能となり、温度上昇による太陽電池モジュールの電気出力の低下を小さくすることが可能となる。

また、ホットスポットなどで局部的な発熱があった場合でも裏面からの熱の拡散が速くなって太陽電池素子の破壊を防ぐことができる。

また、本発明では裏面側から放熱させることによって太陽電池素子の発電に何ら影響を及ぼすことなく、効率よく均一に太陽電池モジュールの温度上昇を抑えることができる。

また、本発明によれば冷却フィンなどの新たな部材を必要とせず、さらにこの様な新たな部材を取り付ける必要もないため、工数の上昇や大きなコストアップを伴うことがない。

これらの働きは、太陽電池モジュール用保護シートにこの太陽電池モジュール用保護シートを構成する樹脂層より熱伝導率の高い粒子を含有させたことによる。すなわち従来のような太陽電池モジュール用保護シートがテフロン(R)樹脂やポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）などであった場合は、その熱伝導率は約０．３Ｗ／ｍ・ｋ程度と低い値であったため、太陽電池モジュールの発電や光の吸収によって発生した熱を太陽電池モジュール用保護シートから効率よく放熱することができなかった。

しかし、これらの太陽電池モジュール用保護シートにこの太陽電池モジュール用保護シートを構成する樹脂層より熱伝導率の大きい粒子を含有させたことにより、その熱伝導率を大きくすることができ、太陽電池モジュールで発生した熱を太陽電池モジュール用保護シートから効率よく放熱することが可能となった。

また、本発明に係る太陽電池モジュールの製造方法によれば、ラミネートで減圧下にて加熱加圧する前に、裏面側充填材の上に太陽電池モジュール用保護シートを構成する樹脂層より熱伝導率の大きい粒子を含有させた太陽電池モジュール用保護シートを配するという簡便な方法で、温度上昇による太陽電池モジュールの電気出力の低下の小さな太陽電池モジュールの製造が可能になる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明に係る太陽電池モジュールの太陽電池パネル部構造を示す図である。図１において、１は透光性基板、２は受光面側充填材、３は太陽電池素子、４は裏面側充填材、５は太陽電池モジュール用保護シートを示す。

透光性基板１は、ガラス材やポリカーボネート樹脂などの合成樹脂材が用いられる。このガラス材としては、白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどが用いられるが、一般的には厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが多く使用される。一方、ポリカーボネート樹脂については、厚みが５ｍｍ程度のものが多く使用される。

受光面側充填材２は、透光性、耐熱性、電気絶縁性を有する素材が好適に用いられ、たとえば酢酸ビニル含有量が２０〜３０％であるエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）やポリビニルブチラール（ＰＶＢ）などを主成分とする熱可塑性の合成樹脂材が好適に用いられる。また厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状形態のものが用いられる。上記のＥＶＡなどは、酸化チタンや顔料等を含有させ白色等に着色させることがあるが、本発明に係る受光面側封止材２においては、着色させると太陽電池素子３に入射する光量が減少し発電効率が低下するため透明とする。

太陽電池素子３は、厚み０．３ｍｍ程度の単結晶シリコンや多結晶シリコン基板などからなる。太陽電池素子３の内部にはＰＮ接合が形成され、その受光面と裏面には電極が設けられ、さらに受光面には反射防止膜を設けて構成される。大きさは、たとえば多結晶シリコン太陽電池において、およそ１５０ｍｍ角程度である。

裏面側充填材４は、耐熱性、電気絶縁性を有する素材が好適に用いられ、たとえば酢酸ビニル含有量が２０〜３０％であるエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）やポリビニルブチラール（ＰＶＢ）などを主成分とする合成樹脂材により構成され、厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状形態のものが用いられる。

さらに裏面側封止材４に用いるＥＶＡは透明でも構わないし、太陽電池モジュールの周囲の設置環境に合わせ酸化チタンや顔料等を含有させ白色等に着色させても構わない。

受光面側充填材２と裏面側封止材４は、これらは減圧下でのラミネート工程において、熱架橋融着して他の部材と一体化する。

太陽電池モジュール用保護シート５は水分を透過しないようにアルミナを挟持したポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）シートなどが用いられる。

図２は本発明に係る太陽電池モジュール用保護シート５の構造の一例を示したものである。図２において太陽電池モジュールの内側すなわち裏面側充填材４に接する面側の部分である６は厚さ１０〜２０μｍ程度のＰＥＴシートを示す。７は水分防止層であり、アルミナやシリカなどの無機酸化物またはアルミなどの金属箔が用いられる。アルミなどの金属に比べ、アルミナやシリカなどの無機酸化物がより安定であり、長期信頼性がより高い。アルミナやシリカを樹脂層上に形成する方法として、アルミナやシリカを厚さ０．１〜０．２μｍ程度に真空蒸着法で蒸着するなどの方法がある。この水分防止層７は水分が例えば保護対象が太陽電池素子である場合に、太陽電池モジュール内部に浸透して、太陽電池モジュールの出力特性を低下させるのを防止するために設けられるものである。８は厚さ３０〜１００μｍ程度の耐加水分解性ＰＥＴシートを示す。これを上記の無機酸化物層７を形成したＰＥＴシート６にウレタン系接着材などで貼り合わせる。

９はＰＥＴシート６及び耐加水分解処理性ＰＥＴシート８に含有させた太陽電池モジュール用保護シートを構成する樹脂層より熱伝導率の大きい粒子を示す。

すなわちＰＥＴ樹脂中に熱伝導率を大きくするための粒子を練り込み、その後押し出し法やキャスト成形法の成膜法でシート状にする。

熱伝導率を大きくするための粒子としては、熱伝導率が大きくかつ太陽電池モジュールの長期の使用にも安定なものであることが必要であり、アルミナ、ジルコニア、硅素、グラファイトなどを用いることができる。特に硅素及びグラファイトは熱伝導率が８０〜２３０Ｗ／ｍ・ｋ程度あり最適である。

さらに熱伝導率を大きくするための粒子としては、金属を用いることができる。とくにアルミニウム、銅、銀、亜鉛、タングステン、マグネシウム、モリブデンは熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・ｋ以上あり、また、これらを含む合金はその熱伝導率が大きくかつ太陽電池モジュールの長期の使用にも安定なものであり最適である。

これらの熱伝導率を大きくするための粒子の粒径は、シートの厚み等を考慮して０．００１〜０．２μｍ程度、望ましくは０．０１〜０．１μｍ程度が太陽電池モジュール用保護シートの熱伝導率向上に最適である。さらにその含有量としては体積比で５〜３０％程度、望ましくは１０〜２０％程度が最適である。

このように、太陽電池モジュール用保護シートを構成する樹脂層より熱伝導率の大きい粒子を含有させることにより、太陽電池モジュールが発電時に、その太陽電池素子で発生した熱を速やかに裏面側から放熱させることが可能となり、温度上昇による太陽電池モジュールの電気出力の低下を小さくすることが可能となる。

また、ホットスポットなどで局部的な発熱があった場合でも裏面からの熱の拡散が速くなって太陽電池素子の破壊を防ぐことができる。

図３は、本発明に係る太陽電池モジュール用保護シートの構造の他の例を示したものである。図３において１１は、太陽電池モジュールの内側すなわち裏面側充填材４に接する面側の部分であり、厚さ３０〜７０μｍ程度のＰＥＴシートで作製されている。１３は厚さ１０〜２０μｍ程度のＰＥＴシートで、その片面に水分防止層である無機酸化物層１２が被着してある。この無機酸化物層１２はアルミナやシリカを厚さ０．１〜０．２μｍ程度に真空蒸着法などで蒸着したものである。このＰＥＴシート１１とＰＥＴシート１３の無機酸化物層１２を被着した面とをウレタン系接着材などで貼り合わせる。１４は耐加水分解性ＰＥＴシートを示す。耐加水分解性ＰＥＴシート１４は、厚さ３０〜７０μｍ程度でＰＥＴシート１３の無機酸化物層１２が被着していない面にウレタン系接着材などで貼り合わせる。１５はＰＥＴシート１１、ＰＥＴシート１３、耐加水分解性ＰＥＴシート１４の内部に含有させた太陽電池モジュール用保護シートを構成する他の材質より熱伝導率を大きくした粒子を示す。この含有の方法は、上述のようにＰＥＴ樹脂中に熱伝導率を大きくするための粒子を練り込み、その後押し出し法やキャスト成形法の成膜法でシート状にする。

通常の４層構造である太陽電池モジュール用保護シートの場合では、その厚みが比較的厚いものになり、熱伝導の悪いものでは太陽電池モジュール内部に熱がこもり高温になることがあったが、本発明に係る４層構造の太陽電池モジュール用保護シートでは、熱伝導率を大きくするための粒子の働きにより太陽電池モジュール内部に熱がこもること無く放熱される。

次に本発明に係る太陽電池モジュールの作製方法について説明する。

太陽電池モジュールのパネル部は、上述のような透光性部材１、受光面側充填材２、太陽電池素子３、裏面側充填材４、太陽電池モジュール用保護シート５の積層体を接着一体化することによって作製する。

すなわち、次の手順で各部材を積層していく。

（１）透光性基板１の上に受光面側充填材２を配する。

（２）上記受光面側充填材２の上に、複数の太陽電池素子３を配列してなる太陽電池素子群を複数配する。

（３）上記太陽電池素子群を配線により電気的に接続する。

（４）上記太陽電池素子群の上に裏面側充填材４を配する。

（５）上記裏面側充填材４の上に、太陽電池モジュール用保護シートを構成する樹脂層より熱伝導率の大きい粒子を含有させた太陽電池モジュール用保護シート５を配する。

上述の各部材の積層体をラミネーターと呼ばれる減圧状態で加熱しながら加圧する装置にセットした後、太陽電池モジュールの内部の空気を除去するために５０〜１５０Ｐａ程度に減圧し、１００〜２００℃の温度で１５分〜１時間加熱しながら加圧する。これによって、受光面側充填材２、裏面側充填材４が軟化し架橋融着するため、各部材を接着し一体化し、太陽電池モジュールのパネル部を作製することができる。

最後に太陽電池モジュールに機械的強度や耐候性能を付与し、さらに太陽電池モジュールを設置する場合などに取り扱いやすくために太陽電池パネルの外周各辺にモジュール枠を嵌め込み、各コーナー部をビスなどにより固定し太陽電池モジュールが完成する。

このようなモジュール枠は、それに必要な強度や耐久性などを考慮して、アルミニウムやＳＵＳなどの金属材、合成樹脂材、木などで作製され、アルミニウムで作製した場合、そのモジュール枠の側面部やモジュール枠の受光面部には耐候性の向上のためにアルマイト処理がなされ、さらにクリヤ塗装などが施されることが多い。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができる。例えば太陽電池素子は単結晶や多結晶シリコンなどの結晶系太陽電池に限定されるものではなく、薄膜系太陽電池などでも適用可能である。

さらに、本発明の太陽電池モジュール用保護シートは太陽電池以外に、例えば電気機器など、熱を速やかに排出する必要のある装置にも使用できる。この太陽電池モジュール用保護シートによって保護された電気機器などで発生した熱を速やかに放熱させることが可能となり、温度上昇による電気機器の故障、効率ダウンを避けることができる。

本発明に係る太陽電池モジュールのパネル部の構造を示すものである。 本発明に係る太陽電池モジュール用保護シートの一例の構造を示したものである。 本発明に係る太陽電池モジュール用保護シートの他の一例の構造を示したものである。

符号の説明

１・・・透光性基板
２・・・受光面側充填材
３・・・太陽電池素子
４・・・裏面側充填材
５・・・太陽電池モジュール用保護シート
６、１１、１３・・・ＰＥＴシート
７、１２・・・水分防止層
８、１４・・・耐加水分解処理を行ったＰＥＴシート
９、１５・・・熱伝導率の大きい粒子

Claims (7)

1. 樹脂層と水分の透過を防止する水分防止層とを積層してなる太陽電池モジュール用保護シートであって、前記樹脂層にこの樹脂層を構成する物質より熱伝導率の大きい粒子を含有させたことを特徴とする太陽電池モジュール用保護シート。
2. 前記水分防止層が無機酸化物層であ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用保護シート。
3. 前記粒子がケイ素またはグラファイトであることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール用保護シート。
4. 前記粒子が金属であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール用保護シート。
5. 前記金属がアルミニウム、銅、銀、亜鉛、タングステン、マグネシウム、モリブデン及びこれらを含む合金であることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュール用保護シート。
6. 透光性基板と受光面側充填材と太陽電池素子と裏面側充填材と請求項１ないし５のいずれかに記載の太陽電池モジュール用保護シートとを重ねるように順次配設したことを特徴とする太陽電池モジュール。
7. 順次下記（１）〜（５）の各工程を経た後、減圧下にて加熱加圧して一体化したことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
   （１）透光性基板の上に受光面側充填材を配する。
   （２）上記受光面側充填材の上に、複数の太陽電池素子を配列してなる太陽電池素子群を複数配する。
   （３）上記太陽電池素子群を配線により電気的に接続する。
   （４）上記太陽電池素子群の上に裏面側充填材を配する。
   （５）上記裏面側充填材の上に、請求項１ないし５のいずれかに記載の太陽電池モジュール用保護シートを配する。

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