JP2011049485A - 太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換部に加わる応力を低減した信頼性の高い太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】太陽電池モジュールＸは、基板１と、該基板上に配置された透光性の第１樹脂層２と、該第１樹脂層上に配置された複数の太陽電池素子３を接続してなる太陽電池素子列で構成された光電変換部と、該光電変換部上に配置された第２樹脂層４と、裏面シート５とを積層してなる。第１樹脂層は、基板及び第２樹脂層に比し、引張弾性率が小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池モジュールおよびその製造方法に関するものである。

近年、環境保護の観点から、太陽光発電システムが導入されている。太陽光発電システムの１ユニットを形成する太陽電池モジュールは、一般に、ガラス基板上に、樹脂からなる受光面側充填材、太陽電池素子等の光電変換部、樹脂からなる裏面側充填材、裏面保護材などのシート状部材を順に重ねあわせて加熱加圧することによって製造される。

このような太陽電池モジュールは、温度変化が大きい環境下で使用されると、特に樹脂からなる受光面側及び裏面側の充填材が熱によって膨張や収縮を起こし、光電変換部に応力が加わり、光電変換部に悪影響を与えるおそれがあった。また、太陽電池モジュールには、軽量化の観点から樹脂からなる基板（以下、樹脂基板とする）を用いるものもある。しかしながら、樹脂基板は、一般的に熱膨張率が大きいことから、ガラス基板よりも熱による膨張や収縮の変位量が大きい。このため、光電変換部を複数の太陽電池素子をインターコネクターで接続して構成した場合、充填材のみならず、樹脂基板の熱膨張や収縮によってインターコネクターに応力が加わり、疲労破断する場合があった。そこで、従来では、インターコネクターにばね構成用金属材料を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２５９８３１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の太陽電池モジュールでは、光電変換部に加わる応力を低減することができなかった。また、この太陽電池モジュールでは、インターコネクターに使用する金属材料としてばね構成用のものを用いなければならず、インターコネクターの他の特性、例えば、導電性等の電気的特性が劣る可能性があった。

本発明は、上述した課題に鑑みて成されたものであり、その目的は光電変換部に加わる応力を低減し、信頼性の高い太陽電池モジュールを提供することである。

本発明の太陽電池モジュールは、基板と、該基板上に配置された第１樹脂層と、該第１樹脂層上に配置された光電変換部と、該光電変換部上に配置された第２樹脂層と、を備え、前記第１樹脂層は、前記基板及び前記第２樹脂層に比し、引張弾性率が小さいことを特徴とする。

本発明の太陽電池モジュールによれば、基板と光電変換部との間に配置されている第１樹脂層の引張弾性率を基板及び第２樹脂層の引張弾性率よりも小さくしたことにより、第１樹脂層が基板及び第２樹脂層よりも変形しやすい。そのため、本発明の太陽電池モジュールでは、第１樹脂層のせん断変形により、基板の熱による膨張や収縮によって生じる熱応力を緩和し、光電変換部に加わる応力を低減することができる。また、第２樹脂層は、第１樹脂層よりも引張弾性率が大きいため、第１樹脂層に比べて光電変換部を拘束する力が強く、光電変換部の位置ずれを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールを示す図面であり、（ａ）は受光面側から見た平面図を示し、（ｂ）は図１（ａ）をＡ−Ａ’から見た断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールに正圧荷重が加わり撓みが生じたときの、断面の様子を示すモデル図である。 本発明の太陽電池モジュールの製造方法を示す断面図であり、（ａ）は第１予備積層体の製造工程を示し、（ｂ）は第２予備積層体の製造工程を示し、（ｃ）は第１予備積層体と第２予備積層体を一体化する製造工程を示す。 本発明の太陽電池モジュールの他の実施形態を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの他の実施形態を示す断面図である。

≪太陽電池モジュールの構造≫
本発明の太陽電池モジュールについて、添付図面を参照しながら説明する。

本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールＸは、図１に示すように、基板１と、透光性の第１樹脂層２と、複数の太陽電池素子３を接続してなる太陽電池素子列（太陽電池マトリクス３’）で構成された光電変換部と、第２樹脂層４と、裏面シート５と、を積層してなる。太陽電池モジュールＸは、裏面シート５の外側に、太陽電池素子３で発電された電力を外部に取り出すための端子ボックス（不図示）を備えている。また、複数の太陽電池素子３同士は、インターコネクター６及び接続配線７で電気的に接続されている。以下において、これらの構成要素の説明を行う。

＜基板＞
基板１は、主として光が入射する受光面と、第１樹脂層２が接着される裏面と、を有している。このような基板１は、例えば、青板ガラス（ソーダライムガラス）や青板ガラスから鉄分の除いた白板ガラス、硬質ガラス等のガラス、ポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂などの合成樹脂からなる透光性を有するものが用いられる。また、基板の形状は、平面を有する平板状に限られることなく、用途に合わせて曲面を有するような形状であってもよい。基板の厚みは、平板状のものであれば、ガラスの場合は３ｍｍ程度、合成樹脂の場合は５ｍｍ程度のものを使用することができる。また、ポリカーボネート樹脂及びアクリル樹脂の比重は約１．２であり、ガラスの比重は約２．５である。そのため、上述した合成樹脂を用いれば、ガラスよりも基板１を軽量化することができる。一方で、ポリカーボネート樹脂及びアクリル樹脂の熱膨張率は、ガラスよりも大きい。例えば、硬質ガラスの熱膨張率は８．５×１０^−６／℃に対して、ポリカーボネート樹脂及びアクリル樹脂の熱膨張率は６〜９×１０^−５／℃である。このため仮に温度変化が４０℃のときの１ｍあたりの熱膨張長さを比べると、硬質ガラスの熱膨張長さ約０．３４ｍｍに対して、ポリカーボネートおよびアクリル樹脂の熱膨張長さは２．４ｍｍ〜３．６ｍｍと非常に大きい。また、ポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂の合成樹脂の引張弾性率は、２０００〜３２００ＭＰａであり、硬質ガラスの引張弾性率は、約７０ＧＰａである。

＜第１樹脂層＞
第１樹脂層２は、第２樹脂層４と協働して太陽電池マトリクス３’を封止する機能を有する。さらに、第１樹脂層２は、基板１と太陽電池マトリクス３’とを接着する機能を有している。このような第１樹脂層は、たとえば、厚みが０．４ｍｍ〜１．２ｍｍのアクリルゲルやシリコンゲルを主成分とする樹脂をシート状に加工したものを使用することができる。また、第１樹脂層２は、粘着性を高めるために、表面に粘着材層を設けてもよい。第１樹脂層２の引張弾性率は、２５ｋＰａ〜１．５ＭＰａである。

引張弾性率E_ｔは下記に示すようにＪＩＳＫ７１６１を用いて計測することができる。

E_t＝（σ_２−σ_１）／（ε_２−ε_１）
σ_１：ひずみε_１＝０．０００５において測定された引張応力（ＭＰａ）
σ_２：ひずみε_２＝０．００２５において測定された引張応力（ＭＰａ）
また、第１樹脂層２は、後述の第２樹脂層４よりも引張弾性率Ｅ_ｔが小さく、損失係数（ｔａｎδ）が大きい。損失係数（ｔａｎδ）は、例えば動的粘弾性測定装置を用いて計測することができる。例えばアクリルゲルよりなる第1樹脂層２では、損失係数ｔａｎδ≒１．５（２０℃のとき）である。

＜光電変換部＞
光電変換部は、入射される太陽光を電気に変換する機能を有している。本実施形態における光電変換部は、複数の太陽電池素子３を電気的に接続してなる太陽電池マトリクス３’である。太陽電池素子３は、例えば、厚み０．１〜０．４ｍｍ程度の単結晶シリコンや多結晶シリコンなどからなる。このようなシリコン基板を用いた太陽電池素子３の場合、その大部分を占めるケイ素の熱膨張率は２．６×１０^−６／℃である。例えば温度変化が４０℃のときの１ｍあたりの熱膨張長さは、０．１０４ｍｍである。太陽電池素子３の内部にはＰＮ接合が形成されるとともに、その受光面と裏面にはそれぞれ電極が設けられており、さらに受光面には反射防止膜を設けてもよい。太陽電池素子３の大きさとしては、多結晶シリコンであれば、約７０〜１６０ｍｍ角程度である。このような太陽電池素子３は、インターコネクター６および接続配線７により直列または並列に電気的に接続することにより、太陽電池マトリクス３’を構成する。

なお、光電変換部は、上述したシリコンからなる太陽電池素子３で構成された太陽電池マトリクス３’以外にも、ガラス等の透光性を有する大型の基板上にアモルファスシリコン等より成る薄膜やＣＩＧＳ等の化合物系の薄膜を積層した形態を選択することができる。

＜第２樹脂層＞
第２樹脂層４は、例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体（以下、エチレン−酢酸ビニル共重合体をＥＶＡと略す）から成り、厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状の形態のものが用いられる。これらは、ラミネート装置により減圧下で加熱加圧を行うことで、融着して太陽電池マトリクス３’および他の部材と一体化される。第２樹脂層４には透明なＥＶＡを用いてもよいが、裏面側に用いる場合は、太陽電池モジュールの周囲の設置環境に合わせて酸化チタンや顔料等を含有させ、これにより、白色等に着色させてもよい。また、第２樹脂層４の引張弾性率は、太陽電池マトリクス３’を適度に保持するという観点から、５〜１０ＭＰａ程度であることが好ましい。シート状のＥＶＡの損失係数は、例えばｔａｎδ≒０．０５である。またＥＶＡ以外の材質では、ＰＶＢ樹脂などを用いることができる。

＜裏面シート＞
裏面シート５は、太陽電池素子３、受光面側充填材２および裏面側充填材４に水分が入り込むのを低減する機能を有する。このような裏面シート５としては、例えば、アルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シートやアルミナまたはシリカを蒸着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。

＜インターコネクター及び接続配線＞
インターコネクター６及び接続配線７は、太陽電池素子３同士を電気的に接続する機能を有する。このようなインターコネクター６及び接続配線７は、形状および材質等は特に限定されないが、例えば、厚さ０．１ｍｍ程度、幅１ｍｍ〜６ｍｍ程度の銅箔の全面をハンダコートしたものを、所定の長さに切断し、太陽電池素子３の電極上などにハンダ付する形態が好適である。銅の熱膨張率は１６．５×１０^−６／℃である。例えば温度変化が４０℃のときの１ｍあたりの熱膨張長さは０．６６ｍｍである。

次に、本実施形態に係る太陽電池モジュールの作用効果について説明する。

本実施形態において、例えば、基板１にポリカーボネートを用い、太陽電池素子３に多結晶シリコン系太陽電池素子を用い、インターコネクター６に銅箔を用いた場合、各部材の熱膨張率の関係は、樹脂基板１（熱膨張率：６〜９×１０^−５／℃）≫インターコネクター６（熱膨張率：１６．５×１０^−６／℃）＞太陽電池素子３（熱膨張率：２．６×１０^−６／℃）となる。そのため、太陽電池モジュールＸは、気温の上昇に伴い、基板１の熱膨張長さが突出して大きくなり、第１樹脂層２や太陽電池マトリクス３’に引張の熱応力が加わりやすくなる。

これに対し、本実施形態では、基板１と太陽電池マトリクス３’の間に配置された第１樹脂層２の引張弾性率Ｅ_ｔが基板１及び第２樹脂層４の引張弾性率Ｅ_ｔよりも低いため、変形を生じやすい。そのため、本実施形態では、第１樹脂層２が大きくせん断変形することにより、基板１から太陽電池素子３とインターコネクター６に加わる引張の熱応力を第１樹脂層２で緩和することができる。その結果、本実施形態では、上記熱応力によって生じるインターコネクター６の破断や、太陽電池素子３のクラック、太陽電池素子３とインターコネクター６の剥離を抑制することができる。一方で、第２樹脂層４の引張弾性率E_tは第１樹脂層２の引張弾性率E_tよりも高く、変形を生じにくい。これにより太陽電池マトリクス３’中の太陽電池素子３やインターコネクター６、接続配線７の相互の位置関係を強固に固定して、相互の位置関係のずれにより生じる応力を低減し、太陽電池素子３のクラックや太陽電池素子３とインターコネクター６の接着部の剥離を抑制することができる。

また、本実施形態では、太陽電池マトリクス３’が平板状を成している。このとき、太陽電池モジュールＸは、図１（ｂ）に示すように、第１樹脂層２が太陽電池マトリクス３’の表面（基板１と対向する面）に接するように配置され、第２樹脂層４が太陽電池マトリクス３’の裏面（裏面シート５と対向する面）及び側面に接するように配置されている。すなわち、第２樹脂層４は、太陽電池マトリクス３’の第１樹脂層２で覆われた部分以外の領域を被覆するように配置されている。このような形態によれば、第１樹脂層２よりも引張弾性率が小さい第２樹脂層４で太陽電池マトリクス３’（光電変換部）の一方の面（裏面）と及び周面を覆うことができるため、太陽電池マトリクス３’または太陽電池マトリクス３’を構成する各部品の位置ずれを低減することができる。

また、基板１にポリカーボネート樹脂を用い、第１樹脂層２にシリコンゲルまたはアクリルゲルを用いれば、上述したような太陽電池素子３やインターコネクター６への悪影響を低減しつつ、ガラス基板を用いた太陽電池モジュールに比べて軽量化を図ることができる。また、基板１の外周側における第１樹脂層２の厚みを基板１の中央部よりも大きくすれば、基板１で生じた熱応力を太陽電池モジュールＸの外側に逃がしやすくする。

一方で、太陽電池モジュールＸに強風や積雪で正圧荷重が加わり、裏面側へ凸に変形したとき、図２に示すように太陽電池マトリクス３’は中立軸より外側になることから引張応力が加わる。しかし、本実施形態では、第１樹脂層２の引張弾性率Ｅ_ｔが低いことから、第１樹脂層２でせん断変形して太陽電池マトリクス３’へ加わる引張応力を緩和することができる。一方で第２樹脂層４の引張弾性率Ｅ_ｔは、第１樹脂層の引張弾性率Ｅ_ｔよりも低いことから変形を生じにくい。これにより太陽電池マトリクス３’の太陽電池素子３やインターコネクター６、接続配線７の位置ずれを低減できる。これらにより太陽電池素子やインターコネクター、接続配線の位置関係を固定しつつ、正圧荷重により加わる引張応力を低減して、太陽電池素子のクラックや太陽電池素子とインターコネクターの接合部の剥離を抑え、信頼性を高めることができる。

また、太陽電池モジュールＸを長時間振動するような機器、例えば、車等に太陽電池モジュールＸの基板１の部分で固定した場合、第１樹脂層２を第２樹脂層４よりも損失係数（ｔａｎδ）を高くすれば、第１樹脂層２で振動を吸収できるため、基板１から太陽電池マトリクス３’に加わる応力を低減することができる。その結果、このような実施形態であれば、太陽電池素子３に生じるクラックや太陽電池素子３とインターコネクター６との接合部の剥離を抑制することができる。

≪太陽電池モジュールの製造方法≫
次に本発明の太陽電池モジュールの製造方法の実施形態について説明する。

＜第１積層体の製造工程＞
太陽電池マトリクス３’と第２樹脂層４、裏面シート５を一体化した第１積層体８の製造工程について説明する。

まず、隣接する複数の太陽電池素子３の正極と負極をインターコネクター６と接続配線７を用いてマトリクス状に電気的に接続して、太陽電池マトリクス３’を形成する。

そして、図３（ａ）に示すように、治具１０の上に太陽電池マトリクス３’、第２樹脂層４および裏面シート５を順に載置する。治具１０は、例えばウレタン板を離型シートで覆ったものを用いることができる。離型シートは、第２樹脂層４の付着を抑制する役割を有する。そして、ラミネート装置１２を用いて、太陽電池マトリクス３’、第２樹脂層４、裏面シート５を一体化して第１積層体を作製する。

ラミネート装置１２は、図３（ａ）に示すように、相互に開閉可能な関係にある上部ハウジング１３と下部ハウジング１４とから成るハウジングの内部が、ダイヤフラムシート１５によって上部真空領域１６及び下部真空領域１７に分離されている。そして、下部ハウジング１４の内部のほぼ中央にはヒーター盤１８が配置されている。

上部ハウジング１３は、上部真空ポンプ１９に接続されており、ダイヤフラムシート１５と上部ハウジング１３とで囲まれた上部真空領域１６を減圧できるように構成されている。下部ハウジング１４には、下部真空領域１７を減圧するための下部真空ポンプ２０が接続されている。ダイヤフラムシート１５には、シリコンラバー等の強度と伸縮性に富む樹脂部材を用いることが好ましい。

図３（ａ）に示すように、このようなラミネート装置１２の内部のヒーター盤１８の上に、太陽電池マトリクス３’、第２樹脂層４及び裏面シート５が配置された治具１０を載置する。そして、上部ハウジング１３を下部ハウジング１４側へ下降させてハウジングを閉じる。

加圧は、上部真空領域１６と下部真空領域１７との間に圧力差を設けることによって行う。ここで、加圧に際しては、第１積層体８の内部にある気泡を追い出すために、まず、上部真空領域１６および下部真空領域１７の排気を行うことが好ましい。加熱は、ヒーター盤１８に通電して行い、第２樹脂層４が軟化させる。このように、上部真空領域１６および下部真空領域１７を排気した状態から、上部真空領域１６の圧力を高めることによって、太陽電池マトリクス３’、第２樹脂層４及び裏面シート５をダイヤフラムシート１５で加圧すれば、減圧された下部真空領域１７において第１積層体８の内部にある気泡を追い出しつつ、第２樹脂層４を充填して、太陽電池マトリクス３’と第２樹脂層４と裏面シート５とを一体化できる。そして、一体化した太陽電池マトリクス３’、第２樹脂層４と裏面シート５を架橋炉とよばれる加熱装置で加熱して、第２樹脂層４の架橋度を９０％以上として、第１積層体８とする。

＜第２積層体の製造工程＞
図３（ｂ）に示すように、真空容器２１内において、基板１上に、両面が保護シート２２で覆われた第１樹脂層２を配置する。そして真空容器２１内を減圧し、基板１と対向する第１樹脂層２の保護シート２２を引き抜きつつ、基板１及び第１樹脂層２を上下よりローラー２３で押圧しながら移動させ、樹脂基板１と第１樹脂層２を接着し、第２積層体９とする。なお、本工程は、ラミネート装置１２を用いても良い。

＜第１積層体と第２積層体の一体化工程＞
図３（ｃ）に示すように、真空容器２１内において、第１積層体８の太陽電池マトリクス３’と第２積層体９の第２樹脂層４とを重ね合わせる。このとき、第２積層体９の第１積層体８と相対する面は保護シート２２で覆われている。そして、第１積層体８と第２予備積層体９の間から保護シート２２を引き抜きつつ、ローラー２３で押圧し、接着することによって一体化して太陽電池モジュールXとする。この第１積層体８と第２積層体９との接着工程は、第１積層体８を形成するときの加熱工程よりも低い温度で行われる。例えば、この接着工程は、常温で行われる。このように、接着工程を前記加熱工程に比べて低い温度で行えば、基板１が熱による膨張や収縮によって変形するのを抑制することができるため、第１積層体８と第２積層体９との一体化の工程で太陽電池素子３に基板１の熱応力が加わるのを低減できる。すなわち、本実施形態では、太陽電池素子３を含む積層体（第１積層体８）と基板１を含む積層体（第２積層体９）とを別々に作製して低温で一体化することにより、基板１の熱膨張による影響を低減している。

また、本実施形態では、基板１とは別に第１積層体８を作製しているため、例えば基板１の形状が変更となっても、基板の種類に応じて対応が可能である。また、太陽電池マトリクス３’の端部まで第２樹脂層４で被覆して第１積層体８を作製すれば、第１積層体８の輸送時に太陽電池素子３が破損しにくくなりハンドリングが容易と成る。

また、基板１が曲面を有するような形状であった場合、予め裏面シート５を第２樹脂層４および太陽電池マトリクス３’と一体化して、裏面シート５よりも厚みが大きい第１積層体８となるため、裏面シート５にシワを生じにくくすることができる。これにより太陽電池モジュールの外観を向上することができる。

≪変形例≫
以下で本発明の太陽電池モジュールの他の実施形態を説明する。

図４（ａ）に示すように、基板１に接着した部材の端部を接着剤２４で補強しても良い。接着剤２４は、アクリル樹脂系接着剤やエポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤などを用いることができる。第１樹脂層２に引張弾性率Ｅ_ｔの低い材料を用いていることから、太陽電池モジュールをハンドリングする際に擦れ合って剥離するおそれがある場合の対策として有効である。また、図４（ｂ）に示すように、基板１に接着した部材の端部をテープ２５を用いて補強しても良い。テープ２５は、シリコーン系粘着材やアクリル系粘着材を用いたポリエステル基材やポリイミド基材、金属箔基材のものを用いることができる。テープ２５を用いることで、剥離の防止や補強以外に、第１樹脂層２や第２樹脂層４の外気に暴露される面積を減らし、吸湿を抑制する効果を得ることができる。

また本発明は、前述したスーパーストレート構造の太陽電池モジュールＸ以外に、図５に示すようなサブストレート構造の太陽電池モジュールＸにも適用可能である。受光面側の保護フィルム２６に透明なフッ素樹脂フィルムを用い、基板１と太陽電池マトリクス３’の間に第１樹脂層２を配置すると良い。

Ｘ：太陽電池モジュール
１：樹脂基板
２：第１樹脂層
３：太陽電池素子
３’： 太陽電池マトリクス
４：第２樹脂層
５：裏面シート
６：インターコネクター
７：接続配線
８：第１積層体
９：第２積層体
１０：治具
１１：離型シート
１２：ラミネート装置
１３：上部ハウジング
１４：下部ハウジング
１５：ダイヤフラムシート
１６：上部真空領域
１７：下部真空領域
１８：ヒーター盤
１９：上部真空ポンプ
２０：下部真空ポンプ
２１：真空容器
２２：保護シート
２３：ローラー
２４：接着剤
２５：テープ
２６：保護フィルム

Claims (4)

1. 基板と、
   該基板上に配置された第１樹脂層と、
   該第１樹脂層上に配置された光電変換部と、
   該光電変換部上に配置された第２樹脂層と、を備え、
   前記第１樹脂層は、前記基板及び前記第２樹脂層に比し、引張弾性率が小さいことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記光電変換部は、表面、裏面及び側面を有する平板状を成し、
   前記第１樹脂層は、前記表面に接するように配置され、
   前記第２樹脂層は、前記裏面及び前記側面に接するように配置されてい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。
3. 前記基板は、ポリカーボネートを含んでなり、前記第１樹脂層はシリコンゲルまたはアクリルゲルを含んでなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽電池モジュール。
4. 請求項１乃至請求項３に記載の太陽電池モジュールの製造方法であって、
   前記第２樹脂層を加熱して前記光電変換部に前記第２樹脂層を接着する加熱工程と、
   前記基板に前記第１樹脂層を接着する工程と、
   前記加熱工程よりも低い温度で、前記光電変換部に前記第１樹脂層を接着する工程と、を備えた太陽電池モジュールの製造方法。
   

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