JP2011077160A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の太陽電池モジュールは、太陽電池モジュールの発熱初期の温度上昇を緩やかにすることができる。
【解決手段】 熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性材料で光電変換セルの非受光面側を封止した太陽電池モジュール。体積抵抗率が１０^８Ω・ｃｍ以上の絶縁性材料であることが好ましい。絶縁性材料が、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性無機充填材５０〜９０質量部とガラス転移温度が１００℃以下の樹脂１０〜５０質量部を含有してなる絶縁性材料であることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関し、特に局所的な温度上昇を抑え、局所過熱による不具合を緩和する太陽電池モジュールに関する。

一般に太陽電池は、温度が高くなると発電効率が落ちる。特に結晶シリコン型セルが顕著で、最も影響が顕著なのは電圧で、０．４〜０．５％／℃の割合で低下し、結果的に出力も大幅に低下する。更に、電圧が低下するとセルが直列配線されている関係からこの部分が高電気抵抗となり、他の部分に比べて温度上昇が大きくなる。このため、日陰やゴミなどの何らかの原因で局所的に温度が高くなるとその部分が加速度的に温度上昇し、モジュール全体の発電効率を低下させる。極端な場合、セルの電極や封止材などを熱劣化させ、ホットスポットと呼ばれる故障の原因となる。

ホットスポットを防止するため、いくつかのモジュール冷却手段が知られている。例えば、太陽電池モジュール裏面にフィンを設けるもの、太陽電池セルを水などの熱媒で冷却し同時にその熱で温水を利用するハイブリッドモジュール、放熱板を設けるもの、モジュール裏面に熱媒としての流体を満たすもの、水冷、空冷、放熱シート、ヒートパイプ等により冷却するものなどがある（例えば、特許文献１〜８）。

この他、光電変換セルの非受光面側の熱伝導性を良くして、熱を逃がすことも検討されている。例えば、特許文献９には光電変換セルを挟む樹脂シートに、受光面側より非受光面側に熱伝導性の良好なものを用いることで非受光面側から熱を放出することが提案されている。また、特許文献１０では光電変換セルと非受光面側の充填材の間に熱伝導性の大きなシートを配設し、非受光面側の充填材に熱伝導性の大きな粒子を用いる技術が提案されている。

特開平１１−３６５４０号公報 特開平１０−６２０１７号公報 特開２００５−１２３４５２号公報 特開平１１−３５４８１９号公報 特開２００５−１８３５２号公報 特開２００２−１７０９７４号公報 特開２００５−１３６２３６号公報 特開平９−１８６３５３号公報 特開平１０−５６１８９号公報 特開２００４−３１１４５５号公報

特許文献１〜８に開示されているように冷却装置を用いる場合は、大掛かりな付帯設備が必要となり、システムが複雑で大型化するだけでなく、コストアップとなる。このため、太陽熱温水とのハイブリッドなどを除けば採用になりにくい。太陽光による直接発電を主目的とするシステムでは、局所的な温度上昇が必至な集光型大型システムを除いて実用化されていない。また、非受光面側の熱伝導性を良好にする方法は簡便な方法だが、これまではシステムの最適化がなされていなかった。例えば、熱伝導性の良好な樹脂シートを用いても、その外層部が熱伝導性の低い層であれば、そこに熱が滞留する。このため、目的とするモジュール外部に熱を放出して、発電効率を上げる目的は達成されなかった。また、光電変換セルの非受光面に熱伝導性の大きなシートを配設する方法は、ホットスポットを抑制する有効な方法だが、光電変換セルを保護する機能は損なわれる。本発明の目的は、太陽電池モジュールの発熱初期の熱を拡散し、その温度上昇を緩やかにすることである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性材料で光電変換セルの非受光面側を封止した太陽電池モジュール。
（２）体積抵抗率が１０^８Ω・ｃｍ以上の絶縁性材料である前記（１）に記載の太陽電池モジュール。
（３）絶縁性材料が、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性無機充填材５０〜９０質量部とガラス転移温度が１００℃以下の樹脂１０〜５０質量部を含有してなる絶縁性材料である前記（１）又（２）に記載の太陽電池モジュール。
（４）封止した絶縁性材料の厚さが０．１ｍｍ以上である前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。

本発明にかかる太陽電池モジュールは、簡便且つ安価な方法で、太陽電池モジュールの発熱初期の温度上昇を抑制することができる。

本発明において光電変換セルとは、光のエネルギーを電気エネルギーに変換する素子を示し、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、アモルファスシリコン型、化合物半導体型、有機半導体型、光増感型など多様な種類が知られている。本発明では特に限定しないが、最も普及が進んでいて実用データが豊富であり、最も温度上昇の影響が大きな単結晶や多結晶シリコン型太陽電池を主な対象とする。

本発明において非受光面とは太陽光を受光する受光面の逆面を示す。受光面は太陽光を多く取り入れるために光透過性が必要だが、非受光面はこの必要性が少なく、むしろ入射した太陽光の変換効率を高めるために不透明にして光を散乱させることも行われている。

本発明において光電変換セルの非受光面を封止する絶縁性材料には、熱伝導性が０．３Ｗ／ｍ・ｋ以上、好ましくは０．５Ｗ／ｍ・Ｋ、さらに好ましくは１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性材料が用いられる。ここで熱伝導性が低ければ熱を拡散する効果が低下する。

本発明において光電変換セルの非受光面を封止する絶縁性材料には、好ましくは１０^８Ω・ｃｍ以上、さらに好ましくは１０^１０Ω・ｃｍ以上の体積抵抗率を持つ絶縁性材料が用いられる。体積抵抗値が小さければ電流漏れや不必要な通電を起こしやすく、発電量の低減や故障の原因となる。

本発明の絶縁性材料に用いられる絶縁性無機充填材としては、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ体積抵抗率が好ましくは１０^８Ω・ｃｍ以上、さらに好ましくは１０^１０Ω・ｃｍ以上の絶縁性無機充填材が用いられる。このような無機充填材としては、好ましくはＢ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｒなどの金属元素の酸化物や水酸化物、窒化物、炭化物、硼化物などが用いられる。これらの中でも熱伝導性や吸湿性、化学的な安定性や価格などを考慮すると、Ａｌ、Ｍｇの酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ、水酸化物であるＡｌ(ＯＨ)_３やＭｇ(ＯＨ)_２、窒化物のＡｌＮやＢＮなどが特に好ましい。これらの絶縁性無機充填材は、単独で用いることもできるが２種類以上の複数で用いることができる。この場合の熱伝導性は絶縁性無機充填材個々の熱伝導率を体積分率で加重平均して求められる。

本発明における絶縁性材料は絶縁性無機充填材とガラス転移温度が１００℃以下、好ましくは８０℃以下、さらに好ましくは６０℃以下の樹脂を含むものである。樹脂のガラス転移温度が高ければ絶縁性材料が硬く、脆くなり、光電変換セルを保護する封止機能が低下する。このため、本発明では、樹脂と絶縁性無機充填材と共に樹脂を軟化させる可塑剤を用いることも可能である。この場合、絶縁性材料のガラス転移点は樹脂のガラス転移温度が適用される。

本発明において用いられる樹脂としては、特に限定されないが、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）やエチレンやプロピレンなどのオレフィン系モノマーとアクリル酸、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸オクチルなどのアクリル系やメタクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸オクチルなどのメタクリル系のモノマーやスチレンなどとの共重合体、エチレンやプロピレンとマレイン酸や無水マレイン酸、マレイン酸メチル、マレイン酸エチルエなどのマレイン酸系モノマーとの共重合体、エチレンやプロピレンとブタジエンやアクリロニトリルなどの共重合体、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどの単独または共重合の高分子量樹脂、アクリル系やメタクリル系やスチレンなどのモノマーの単独または共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが用いられる。これらの樹脂は光電変換セルを保護の効果や絶縁性無機系充填材の安定保持などの効果などから分子量は大きい方が好ましく、一般には重量平均分子量が１万以上の樹脂を用いる。この他、低分子量の樹脂を用いて絶縁性材料を作製し、光電変換セルとの位置関係を固定しながら架橋結合を形成することも可能である。

本発明における絶縁性材料で用いられる可塑剤は樹脂に応じて選択されるが、実質的に揮発性しないものが好ましい。実質的に揮発しないとは太陽電池モジュールが使用される環境では１００℃程度の高温になることがあるが、この温度でも蒸気圧が無いものを言う。一般的に用いられる可塑剤としては、樹脂と類似した組成の低分子量体やポリエチレングリコールやポリプロレングリーコール、長鎖脂肪族アルコール、グリセリン、糖類などや長鎖脂肪酸、ソルビタン酸、フタル酸、マレイン酸、リン酸、アジピン酸、トリメリット酸、クエン酸などのエステル類やエーテル類などが用いられる。

本発明における絶縁性材料は、絶縁性無機充填材５０〜９０質量部と樹脂１０〜５０質量部を含むものである。ここで絶縁性無機充填材が少なければ熱導電性が低くなり、多ければ脆くなって光電変換セルを保護する機能が低下する。樹脂が少ないと脆くなり、多ければ熱伝導性が低くなる。また、本発明では熱伝導性や絶縁性などの特性が外れない範囲で絶縁性有機充填材や導電性無機充填材などを併用することができる。

本発明の太陽電池モジュールは、封止した絶縁性材料の厚さが、最も薄い部分で０．１ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上、さらに好ましくは０．３ｍｍ以上である。絶縁性材料が薄ければ熱伝導の隘路となり、熱拡散性を阻害し、厚過ぎれば高価格な絶縁性材料の使用量が増え、コストアップになる。

本発明の太陽電池モジュールは、封止した絶縁性材料の熱伝導率の異方性が少ないものが好ましく、光電変換セルに対する水平面と垂直面の熱伝導率の比率が好ましくは５以下、さらに好ましくは３以下である。これは、光電変換セルで発生した熱は垂直方向で伝わった後、水平方向の伝熱で拡散されることから、熱伝導性の異方性が大きければ熱伝導率の伝達が小さな方に制約されることになる。また、

本発明の太陽電池モジュールは、封止した絶縁性材料の絶縁性の異方性が少ないものが好ましく、光電変換セルに対する水平面と垂直面の電気抵抗の比率が好ましくは５以下、さらに好ましくは３以下である。これは、絶縁性の異方性が大きい場合は異方導電性が存在することであり、封止工程や使用中のモジュールに応力がかかった場合に異方性が乱れて、故障や不具合の原因となりやすい。

本発明の太陽電池モジュールの受光面側は特に限定されない。太陽光を受光するために透明であることは必須だが、最も多く用いられている構造は、最外層に強化ガラスを用い、エチレン／酢ビ共重合樹脂やエチレン／アクリル酸共重合樹脂、ポリビニルブチラール樹脂で封止している。本発明でもこのまま用いることが好ましいが、特に限定されない。

以下、実施例によって本発明を詳細に説明する。
１）絶縁性材料の作製
表１に示した配合で、ＥＶＡ樹脂エバフレックスＥＶ２５０（三井デュポンポリケミカル社製、酢酸ビニル含有量２８重量％、ガラス転移温度−２８℃、軟化温度３９℃）と熱伝導率３２Ｗ／ｍ・Ｋのアルミナ充填材ＤＡＷ７０（電気化学工業社製、平均粒径７０μｍ）及び熱伝導率３２Ｗ／ｍ・ＫのＤＡＷ０５（電気化学工業社製、平均粒径５μｍ）を加熱ロールを用いて、１５０℃で混練し、絶縁性材料を作製した。これを油圧プレス機で温度１２０℃／１０ｍＰａで成形し、厚さ１．０ｍｍのシートとした。
２）熱伝導率、体積抵抗率、硬度の測定
作製したシートの熱伝導率と体積抵抗率（ＪＩＳ Ｋ ７１９４準拠）、硬度（アスカーＣ）を測定した。
（熱伝導率）
熱伝導性シートの熱伝導率はＴＯ−３型銅製ヒーターケースと銅板の間にシート厚さが１０％圧縮されるようにネジ止めした後、ヒーターケースに電力１５Ｗをヒーターケースと銅板との温度差が一定になるまでかけ、その温度差を測定し下記式(１)より熱抵抗を算出した。
熱抵抗（℃／Ｗ）＝温度差（℃）／印加電圧（Ｗ） 式（１）
得られた熱抵抗の値をもとに下記式（２）より熱伝導率を算出した。なお、ここでの熱伝導性シートの厚みは熱抵抗測定時の厚み（シート厚さが１０％圧縮されるようにネジ止めし、熱抵抗を測定した厚み）である。また伝熱面積は、ＴＯ−３型の伝熱面積０．０００６ｍｍ^２である。
熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）＝
熱伝導性シート厚み（ｍ）／{熱抵抗（℃／Ｗ）×伝熱面積（ｍ^２）} 式（２）
（アスカーＣ硬度）
作製したシートの温度２３℃でのアスカー硬度Ｃを測定した。ここでアスカーＣ硬度とは、日本ゴム協会標準規格で定めるＳＲＩＳ０ｌ０ｌである。
２）モジュール作製
５００ｍｍ×５００ｍｍ×３ｍｍ（厚さ）の太陽電池用カバーガラス上に、受光面側充填材として厚さが０．８ｍｍの太陽電池封止材用ＥＶＡシート（ＳＯＬＡＲ ＥＶＡ、三井化学ファブロ社製）を敷き、その上にモジュール外部に電気を取り出せるように直列に接続した３枚の光電変換セル（多結晶シリコン、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を中心に１ｃｍ間隔で直列に載せ、さらにその上に非受光面側充填材としてのシート１〜４及び比較例として受光面側充填材と同じＥＶＡシートを敷き、更に裏面材としてフッ素樹脂フィルムとＰＥＴ樹脂のラミネートシートをフッ素樹脂面が最上部になるように重ね、太陽電池製造用ラミネーターで封止処理した。処理条件は温度１２０℃で真空２分の後、大気圧加圧１０分、更に大気圧加圧下１５０℃で３０分圧着した。端面処理は特に行わなかった。
３）モジュールの初期評価
得られた太陽電池モジュールをＪＩＳ Ｃ ８９１７の参考１ ホットスポット試験（第１）Ａ−６に準拠した方法で評価した。但し、評価対象を中心のセルのみとし、全体遮蔽の有無による温度上昇を５分毎に測定し、最大温度とそれに達した時間を記録した。結果を表２にまとめた。

実施例と比較例から本発明の太陽電池モジュールは、太陽電池モジュールの発熱初期の温度上昇を緩やかにすることができた。従って、ホットスポット現象の発生を抑制することが期待できる。

Claims (4)

1. 熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性材料で光電変換セルの非受光面側を封止した太陽電池モジュール。
2. 体積抵抗率が１０^８Ω・ｃｍ以上の絶縁性材料である請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 絶縁性材料が、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性無機充填材５０〜９０質量部とガラス転移温度が１００℃以下の樹脂１０〜５０質量部を含有してなる絶縁性材料である請求項１又２に記載の太陽電池モジュール。
4. 封止した絶縁性材料の厚さが０．１ｍｍ以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。