JP2011096919A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】前面板からの光のリークを抑制することができる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１は、複数の両面受光型の太陽電池素子２と、各太陽電池素子２の前面側に配置された前面板３と、各太陽電池素子２の背面側に配置され、モジュール前面側からモジュール内に入射された太陽光を反射させる連続Ｖ字状（波状）の光反射板４と、前面板３と光反射板４との間に設けられ、各太陽電池素子２を固定するための封止樹脂からなる封止樹脂部５とを備えている。前面板３の裏面及び表面には、凹凸粗面加工が施されている。このとき、前面板３の裏面及び表面の算術平均粗さをＲａ、前面板３の裏面及び表面の凹凸の平均間隔Ｓｍとしたときに、Ｒａ／Ｓｍは、好ましくは０．８以下となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池素子を有する太陽電池モジュールに関するものである。

従来の太陽電池モジュールとしては、例えば特許文献１に記載されているように、カバーガラス（前面板）と複数のＶ溝状の光反射面を有するＶシートとの間に複数の太陽電池素子を配列してなるものが知られている。

特開２００２−２６３６４号公報

しかしながら、上記従来技術においては、太陽電池素子から離れた部分に入射した太陽光が光反射面で反射したときに、その反射光が前面板の表面で全反射せずに太陽電池モジュール外部へリークすることがある。この場合には、太陽電池モジュールの発電効率が低下するばかりでなく、太陽電池モジュールを住宅の屋根や自動車のルーフに設置した際に、ぎらつきが生じるため外観が悪化してしまう。

本発明の目的は、前面板からの光のリークを抑制することができる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、少なくとも前面で受光可能な太陽電池素子と、太陽電池素子の前面側に配置された前面板と、太陽電池素子の背面側に配置され、前面板から入射された太陽光を前面板に向けて反射させる光反射板と、前面板及び光反射板と接合され、太陽電池素子を固定する封止樹脂部とを備え、前面板と封止樹脂部との接合界面には凹凸加工が施されていることを特徴とするものである。

このような太陽電池モジュールにおいて、前面板から入射された太陽光は光反射板で反射し、その反射光が前面板の表面（前面板と空気層との界面）で全反射して太陽電池素子の前面に入射される。このとき、前面板における太陽電池素子から離れた部位に太陽光が入射されると、光反射板で反射した光が前面板と封止樹脂部との接合界面で不要な光散乱を発生させるため、前面板の表面での光全反射条件を満足しなくなり、太陽電池モジュールの外部へリークする光が生じやすくなる。本発明者等は、そのような不具合を解消すべく鋭意検討を重ねた結果、前面板と封止樹脂部との接合界面に適度な凹凸を設けることが有効であることを見出した。このように前面板と封止樹脂部との接合界面に凹凸加工を施すことにより、前面板と封止樹脂部との接合界面で不要な光散乱が発生しにくくなる。これにより、前面板から太陽電池モジュール外部への光のリークが抑制されるようになる。

好ましくは、前面板と樹脂封止部との接合界面の算術平均粗さをＲａ、前面板と封止樹脂部との接合界面の凹凸の平均間隔をＳｍとしたときに、Ｒａ／Ｓｍが０．８以下である。この場合には、前面板と封止樹脂部との接合界面で不要な光散乱がより発生しにくくなるため、前面板から太陽電池モジュール外部への光のリークを一層抑制することができる。

本発明によれば、前面板からの光のリークを抑制することができる。これにより、太陽電池素子の前面に入射される光量が増えるため、発電効率を高くすることが可能となる。また、太陽電池モジュールを住宅の屋根や自動車のルーフに設置した際に、ぎらつきが生じにくくなるため、外観性の向上を図ることが可能となる。

本発明に係わる太陽電池モジュールの一実施形態を示す断面図である。 図１に示した前面板と封止樹脂部との接合界面部分の拡大断面図である。 図１に示した太陽電池モジュールの変形例を示す断面図である。 図１に示した太陽電池モジュールについて、前面板と封止樹脂との接合界面におけるＲａ／Ｓｍを種々変えた時の各種性能を示す表である。

以下、本発明に係わる太陽電池モジュールの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる太陽電池モジュールの一実施形態を示す断面図である。同図において、本実施形態の太陽電池モジュール１は、複数の両面受光型の太陽電池素子２と、各太陽電池素子２の前面側に配置された前面板３と、各太陽電池素子２の背面側に配置され、モジュール前面側からモジュール内に入射された太陽光を反射させる連続Ｖ字状（波状）の光反射板４と、前面板３と光反射板４との間に設けられ、各太陽電池素子２を固定するための封止樹脂からなる封止樹脂部５とを備えている。

太陽電池素子２は、例えばｐ型シリコンウェハー上にリン拡散及びボロン拡散によりｎ層及びｐ層を形成したｎ＋／ｐ／ｐ＋なる接合構造を有している。太陽電池素子２のバイフェイシャリティ（両面の発電性能比率）は０．７以上である。各太陽電池素子２は、等間隔のピッチＰで配列されている。

前面板３は、耐熱ガラス基板（例えば白板強化ガラス基板）で形成されている。前面板３の裏面及び表面には、図２に示すように、例えばガラス球形ビーズやジルコニア球形ビーズを用いたサンドブラスト加工によって凹凸粗面加工が施されている（図２では前面板３の裏面側のみ図示）。なお、ガラス基板の製造工程中において熱転写等によって所望の凹凸形状を得ても良い。

このとき、前面板３の裏面及び表面の算術平均粗さをＲａ、前面板３の裏面及び表面の凹凸の平均間隔Ｓｍとしたときに、Ｒａ／Ｓｍは、好ましくは０．８以下、より好ましくは０．６５以下、更に好ましくは０．５以下、極めて好ましくは０．３以下となっている。つまり、前面板３と樹脂封止部５との接合界面、前面板３と大気との接触界面では、Ｒａ／Ｓｍが上記の数値範囲となっている。

光反射板４は、太陽電池素子２の中心線（セル中心線）Ａと各太陽電池素子２間の領域の中心線（セル間隔中心線）Ｂとが谷溝部（封止樹脂部５の薄肉部）に一致するように配置されている。

封止樹脂部５を形成する封止樹脂としては、例えばエチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ樹脂）が用いられる。

このような本実施形態の太陽電池モジュール１において、モジュール前面側からモジュール内に太陽光が入射されると、太陽光は前面板３及び封止樹脂部５を通って光反射板４で反射し、その反射光４が太陽電池素子２の背面に直接入射されると共に、反射光が前面板３の表面（前面板３と大気との接触界面）で全反射して太陽電池素子２の前面に入射される。

ところで、前面板３と樹脂封止部５との接合界面の表面構造によっては、図１に示すように、前面板３における太陽電池素子２から離れた部位に太陽光が斜めに浅い角度で入射されたときに、光反射板４で反射した光が前面板３と封止樹脂部５との接合界面で不要な光散乱を発生させることがある。この光散乱によって前面板３の表面での光全反射条件が満足されなくなり、太陽電池モジュール１の外部へリークする光が発生しやすくなる（図１の破線矢印参照）。従って、太陽電池素子２の前面に入射される光量が少なくなるため、太陽電池モジュール１の発電効率が低下する。また、太陽電池モジュール１を住宅の屋根や自動車のルーフに設置した場合に、ぎらつきが生じて外観の悪化につながる。

これに対し本実施形態では、前面板３の裏面（前面板３と樹脂封止部５との接合界面）に適切な凹凸粗面加工を施したので、光反射板４で反射した光が前面板３と封止樹脂部５との接合界面で不要な光散乱を発生させることが抑制され、太陽電池モジュール１の外部への光のリークが抑制されるようになる。

従って、太陽電池素子２の前面に入射される光量が多くなるため、太陽電池モジュール１の発電効率を向上させることができる。また、太陽電池モジュール１を住宅の屋根や自動車のルーフに設置した場合に、太陽電池モジュール１を正面から見た時のぎらついた外観が防止されるため、意匠性を良好にすることができる。

さらに、前面板３と樹脂封止部５との接合界面に適度な凹凸を形成することで、前面板３と樹脂封止部５との線膨張係数の違いに起因した樹脂封止の成型収縮による剥がれ不良を防止することができる。従って、耐久性の高い太陽電池モジュール１を得ることが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、前面板３と樹脂封止部５との接合界面及び前面板３と大気との接触界面にそれぞれ凹凸粗面加工を施したが、前面板３と樹脂封止部５との接合界面のみに凹凸粗面加工を施しても良い。また、前面板３と大気との接触界面のみに凹凸粗面加工を施しても良い。

また、光反射板４の形状としては、特にＶ字状には限られず、例えば図３に示すような湾曲形の凹凸形状等としても良い。

さらに、上記実施形態では、両面受光型の太陽電池素子２を用いたが、本発明は、前面のみで受光可能な片面受光型の太陽電池素子を備えたものにも適用可能である。

以下、上記実施形態に相当する実施例について説明する。

［実施例］
まず、ｐ型シリコンウェハーを基板とし、リン拡散及びボロン拡散によりｎ層及びｐ層を形成したｎ＋／ｐ／ｐ＋なる接合構造を有する両面受光型の太陽電池素子（セル）を用意する。この太陽電池素子のバイフェイシャリティー（両面の発電効率の比率）は０．８５であり、表面変換効率は１５％である。太陽電池素子のセルサイズは、１５ｍｍ×１２５ｍｍ×厚み２００μｍである。太陽電池素子の表面には、光学薄膜による反射防止加工及びテクスチャーリング加工が施されている。つまり、太陽電池素子は、表面反射ロスによる発電量損失を減らす構造とされている。

そして、幅２ｍｍのニッケルめっきを施した銅インターコネクタを、スズ−銀−銅系の鉛フリー半田により太陽電池素子に半田付けすることにより、３直列のセルストリングスを作成する。このとき、各太陽電池素子間に間隙を空け、各太陽電池素子の配列ピッチＰを３０ｍｍとする。

次に、サイズ１５０ｍｍ×１５０ｍｍ、厚み１０ｍｍの耐熱ガラス基板を、ダイヤモンドバイトを用いたエンドミル加工によって削り出し、更にバフ研磨加工によって表面粗さＲｚが０．５μｍ以下となるように研磨して、連続Ｖ字状（三角山形状）の光反射板を形成する。この光反射板の谷底部には、ダイヤモンド単結晶Ｒバイトを用いたフライス加工によって０．８ｍｍのＲ加工が施されている。

ここで、光反射板の光反射面の表面粗さＲｚは、高い発電効率を得る上で極めて重要であり、より好ましくは０．４μｍ以下、更に好ましくは０．３μｍ以下とされている。つまり、光反射板の光反射面が高い平滑度を有することで、太陽光が光反射面で拡散反射されるようになる。

光反射板の傾斜角度φの平均値は、光反射板によって方向変換された太陽光の幾何光学的条件（スネルの全反射条件）に基づく太陽電池モジュール内部への光閉じ込め効果、光反射板を多重反射して太陽電池モジュール外部へリークする損失光の低減、太陽電池モジュールを外部から眺めた際の好ましい外観に基づいて、適切に選択される。具体的には、光反射板の傾斜角度φの平均値は、実用上好ましくは２４°〜４０°、より好ましくは２６°〜３６°、更に好ましくは２７°〜３４°である。

また、光反射板の形状としては、単純な三角山形状に限定されず、例えば図３に示すように、セルから離れた箇所では傾斜角度φが大きく、セルに近づくに従って傾斜角度φが漸減するような曲面形状としても良い。この場合には、光閉じ込め効果をより強く発現させることができる。

光反射板の光反射面は、スパッタリング加工によって厚み１２０ｎｍの膜厚で銀−パラジウム合金製反射膜をコートし、更にオーバーコート層としてアクリル樹脂塗料をコートして得られる。

次いで、前面板を用意する。前面板としては、サイズ１５０ｍｍ×１５０ｍｍ、厚み２ｍｍの耐熱ガラス基板を用いる。耐熱ガラス基板には、ガラス球形ビーズやジルコニア球形ビーズを用いたサンドブラスト加工によって所望の算術平均粗さＲａ及び粗面平均間隔Ｓｍの値が得られるように、投射材の番手及び投射圧力を変えて表面粗面加工が施される。このとき、太陽電池モジュール内部への光閉じ込め効果を適切に保ちながら、高い外観品質を保つためには、Ｒａ及びＳｍにより定義される指標Ｒａ／Ｓｍが、好ましくは０．８以下、より好ましくは０．６５以下、更に好ましくは０．５以下、極めて好ましくは０．３５以下とされている。こうした表面粗度を兼ね備えた前面板としては、量産用のガラス基板として通常用いられる単純なダイレクトロールアウト法により成型された基板では不適当であり、ダイレクトロールアウト法により成型した後に表面研磨や熱アニール工程によって表面粗度を適切な範囲に制御したものが好適に用いられる。

さらに、セルを封止する封止樹脂フィルムとして、２枚の厚み６００μｍなるエチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂フィルム（ＥＶＡフィルム：三井化学ファブロ製）を用意する。そして、セルストリングス及び光反射板を、セル中心線Ａ及びセル間隔中心線Ｂと光反射板の谷溝部（薄肉部）とが一致するように配置し、光反射板／ＥＶＡフィルム／セルストリングス／ＥＶＡフィルム／前面板の順序で積み重ねる。その後、ダイヤフラム型真空ドライラミネーターにより１４０℃、１７分間の熱プレス条件で真空ドライラミネートを行うことで、太陽電池モジュールを製造する。

このとき、ガラス基板ではなく封止樹脂を賦形して集光素子（背面板）形状を得ることで、封止樹脂とガラス基板との界面が少なくなることに加え、封止樹脂と前面板との接合界面では粗面形状が適切に制御されているので、太陽電池モジュール内に閉じ込められた太陽光が不要な光散乱によって太陽電池モジュールの外部にリークすることが防止され、極めて高い集光光学特性を得ることができる。また、複雑な集光素子形状を賦与したとしても、封止樹脂と前面板との線膨張係数差に起因した両者の剥離トラブルが発生しにくくなるため、砂漠等の温度差が極めて激しい環境下で太陽電池モジュールを使用しても、長期間にわたって信頼性を確保することができる。

また、封止樹脂により背面板形状を構成することで、線膨張係数差の吸収能力が高められる。このため、光反射板として、アルミニウム、ステンレス、真鍮、発泡性ポリエステルシート等の塑性変形性を有する基板や、ロール・トウ・ロール製膜法によって製膜した光反射フィルムの貼り合わせ基板を用いることが可能となる。これにより、光反射特性に極めて優れた光反射板を用いることができる。

ここで、封止樹脂により背面板形状を構成した太陽電池モジュールの製造方法としては、まず光反射板と同一の凹凸形状を賦形すべく、表面にフッ素樹脂加工による離型処理が施されたメス型アルミ金型を用意する。そして、予め凹凸形状に板金加工を施した金属基板付き光反射フィルムを金型内にインサートし、封止樹脂としてＥＶＡ樹脂からなるＥＶＡ樹脂厚膜シートを金型上にセットして真空吸引後、ＥＶＡ樹脂の熱変形温度以上かつ架橋開始温度以下の温度で熱プレス加工を施し、光反射板付き光反射フィルムと低架橋ＥＶＡ樹脂との接着成形体（接合前駆体）を得て、これを用いてセルをラミネートするという方法が、セルの位置ずれが少なく最も好ましい。

光反射板付き光反射フィルムとしては、塑性変形可能な金属基板と蒸着加工を施した熱可塑性樹脂フィルムとからなる反射板が用いられる。金属基板としては、厚み０．１〜０．２ｍｍなるアルミニウムやステンレスの基板が用いられる。熱可塑性樹脂フィルムとしては、２軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム上にアクリル系光硬化樹脂からなるプライマー処理が施されたものを基材とし、ロール・トウ・ロール法によって銀−パラジウム合金をスパッタリングした後、アクリル系光硬化樹脂からなるオーバーコート層をスパッタリング層上に設けたものを用いるのが好ましい。熱可塑性樹脂フィルムとしては、波長５５０ｎｍにおける光反射率が９１％の光反射層を有しているのが好適に用いられる。

また、光反射板の板金加工時には、ぎらつきによる外観品質の悪化を抑え、プレスによる蒸着層へのダメージを低減し、更にはエッジ加工部でのマイクロクラック発生による銀蒸着層の性能低下を防止するために、光反射板に延伸変形が加わらない板金加工が用いられ、かつ曲げ部には０．１２ｍｍのＲ加工が与えられる。

以上のようにして製造した太陽電池モジュールでは、界面反射や界面散乱に起因する損失が低減することにより、朝晩等、太陽光が浅い角度で入射する場合に、太陽電池モジュールがぎらつき、外観的に好ましくない状態であった問題が解決される。従って、傾斜屋根を有する家屋に設置しても、意匠性に優れた太陽電池モジュールを得ることが可能となる。

さらに、前面板と封止樹脂との接合界面には適度な粗面凹凸が形成されているため、前面板への封止樹脂の食いつきが良くなる。このため、高温環境下において、ＥＶＡ樹脂が軟質化して剥離不良が発生しやすくなるという問題が解決される。また、前面板と封止樹脂との接合界面におけるＲａ／Ｓｍが適切に制御されている効果によって、前面板と封止樹脂との接合界面の散乱損失が抑えられ、発電性能が低下することが殆ど無い。従って、極めて過酷な使用環境においても、長期間にわたって継続使用可能で信頼性に優れた太陽電池モジュールを得ることができる。

以上のような太陽電池モジュールについて、前面板と封止樹脂との接合界面におけるＲａ／Ｓｍを種々変えたときに、光電変換効率を測定し、斜め入射光に対する外観及び垂直入射光に対する外観を観察した結果を図４に示す。

図４から分かるように、前面板と封止樹脂との接合界面におけるＲａ／Ｓｍを０．８以下としたときには、光電変換効率が十分高くなり、発電性能が大幅に向上すると共に、非常に良好な外観特性が得られた。

１…太陽電池モジュール、２…太陽電池素子、３…前面板、４…光反射板、５…封止樹脂部。

Claims (2)

1. 少なくとも前面で受光可能な太陽電池素子と、
   前記太陽電池素子の前面側に配置された前面板と、
   前記太陽電池素子の背面側に配置され、前記前面板から入射された太陽光を前記前面板に向けて反射させる光反射板と、
   前記前面板及び前記光反射板と接合され、前記太陽電池素子を固定する封止樹脂部とを備え、
   前記前面板と前記封止樹脂部との接合界面には凹凸加工が施されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記前面板と前記樹脂封止部との接合界面の算術平均粗さをＲａ、前記前面板と前記封止樹脂部との接合界面の凹凸の平均間隔をＳｍとしたときに、Ｒａ／Ｓｍが０．８以下であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。

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