JP2014029953A - 太陽電池封止材および太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の太陽電池封止材は、エチレン・α−オレフィン共重合体と、有機過酸化物とを含む。そして、ASTM D1238に準拠し、190℃、2.16kg荷重の条件で測定される、上記エチレン・α−オレフィン共重合体のMFRが10〜50g/10分であり、測定温度範囲25〜180℃、周波数0.016Hz、昇温速度3℃/分、ずりモードでの固体粘弾性測定における、当該太陽電池封止材の複素粘度(η*)の最小粘度が2.0×103Pa・s〜3.0×104Pa・sの範囲内である。
【選択図】なし
Description
次に、結晶型太陽電池モジュールを得るには、太陽電池モジュール用保護シート(表面側透明保護部材)/太陽電池封止材/結晶型太陽電池素子/太陽電池封止材/太陽電池モジュール用保護シート(裏面側保護部材)の順に積層する。
一方、薄膜系太陽電池モジュールを得るには、薄膜型太陽電池素子/太陽電池封止材/太陽電池モジュール用保護シート(裏面側保護部材)の順に積層する。
その後、これらを真空吸引して加熱圧着するラミネーション法などを利用することにより、太陽電池モジュールが製造される。このようにして製造される太陽電池モジュールは、耐候性を有し、建物の屋根部分などの屋外での使用にも適したものとなっている。
エチレン・α−オレフィン共重合体と、有機過酸化物とを含む太陽電池封止材であって、
ASTM D1238に準拠し、190℃、2.16kg荷重の条件で測定される、上記エチレン・α−オレフィン共重合体のMFRが10〜50g/10分であり、
測定温度範囲25〜180℃、周波数0.016Hz、昇温速度3℃/分、ずりモードでの固体粘弾性測定における、当該太陽電池封止材の複素粘度(η*)の最小粘度が2.0×103Pa・s〜3.0×104Pa・sの範囲内である、太陽電池封止材。
上記エチレン・α−オレフィン共重合体が、以下の要件a1)〜a3)を満たす、上記[1]に記載の太陽電池封止材。
a1)エチレンに由来する構成単位の含有割合が80〜90mol%であり、炭素数3〜20のα−オレフィンに由来する構成単位の含有割合が10〜20mol%である。
a2)ASTM D1505に準拠して測定される密度が0.865〜0.884g/cm3である。
a3)ASTM D2240に準拠して測定されるショアA硬度が60〜85である。
上記最小粘度の温度が100〜120℃である、上記[1]または[2]に記載の太陽電池封止材。
さらにシリカ粉末を含む、上記[1]乃至[3]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
上記シリカ粉末が親水性シリカである、上記[4]に記載の太陽電池封止材。
上記シリカ粉末のBET法により測定した比表面積が、50〜500m2/gである、上記[4]または[5]に記載の太陽電池封止材。
上記シリカ粉末が非多孔性シリカである、上記[4]乃至[6]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
当該太陽電池封止材中の上記シリカ粉末の含有量が、上記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して1.0〜15.0重量部である、上記[4]乃至[7]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
350〜800nmの波長域における、当該太陽電池封止材の全光線透過率が85%以上である、上記[1]乃至[8]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
上記有機過酸化物の1分間半減期温度が100〜170℃であり、
当該太陽電池封止材中の上記有機過酸化物の含有量が、上記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.1〜3重量部である、上記[1]乃至[9]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
シランカップリング剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の上記シランカップリング剤の含有量が、上記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.1〜5重量部である、上記[1]乃至[10]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
ヒンダードフェノール系安定剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の上記ヒンダードフェノール系安定剤の含有量が、上記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.005〜0.1重量部である、上記[1]乃至[11]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
ヒンダードアミン系光安定剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の上記ヒンダードアミン系光安定剤の含有量が、上記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.01〜2.0重量部である、上記[1]乃至[12]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
リン系安定剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の上記リン系安定剤の含有量が、上記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.005〜0.5重量部である、上記[1]乃至[13]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
紫外線吸収剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の上記紫外線吸収剤の含有量が、上記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.005〜5重量部である、上記[1]乃至[14]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
架橋助剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の上記架橋助剤の含有量が、上記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.05〜5重量部である、上記[1]乃至[15]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
シート状である、上記[1]乃至[16]いずれか一つに記載の太陽電池封止材。
上記エチレン・α−オレフィン共重合体と、上記有機過酸化物とを含む樹脂組成物を溶融混錬後、シート状に押出成形して得られた、上記[17]に記載の太陽電池封止材。
表面側透明保護部材と、
裏面側保護部材と、
太陽電池素子と、
上記[1]乃至[18]いずれか一つに記載の太陽電池封止材を架橋させて形成された、上記太陽電池素子を上記表面側透明保護部材と上記裏面側保護部材との間に封止する封止層と、
を備えた太陽電池モジュール。
本実施形態の太陽電池封止材は、エチレン・α−オレフィン共重合体と、有機過酸化物と、を必須成分として含んでいる。
また、本実施形態の太陽電池封止材は、測定温度範囲25〜180℃、周波数0.016Hz、昇温速度3℃/分、ずりモードでの固体粘弾性測定における、複素粘度(η*)の最小粘度が3.0×104Pa・s以下であり、好ましくは2.5×104Pa・s以下である。
そこで、本発明者らは、太陽電池モジュール製造時に生じる上記不具合を解消すべく鋭意研究をおこなった。その結果、上記複素粘度(η*)の最小粘度をある特定の範囲に調整することにより、太陽電池モジュール製造時の歩留まりに優れた太陽電池封止材を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、複素粘度(η*)の最小粘度が上記上限値以下であることにより、押出成形において外観が良好な太陽電池封止材を得ることができる。
最小粘度での温度が100℃以上であると、押出成形性に優れ、シート外観がより一層良好なシートを得ることができる。最小粘度での温度が120℃以下であると、ラミネート工程での架橋が早期に行え、太陽電池素子または電極のずれをより一層抑制することができる。さらに、ラミネート装置およびオーブンの汚れをより一層抑制することができる。
なお、ずりモードでの固体粘弾性測定は、厚さ0.5mmのプレスシートを作成し、ReoStress(HAAKE製)を用いて、25℃(室温)〜180℃まで0.016Hzの周波数を掛けながら、3℃/分の昇温速度で測定することができる。最小粘度での温度は、測定プロファイルより読み取ることができる。
また、本実施形態の太陽電池封止材に含まれるエチレン・α−オレフィン共重合体は、ASTM D1238に準拠し、190℃、2.16kg荷重の条件で測定されるメルトフローレ−ト(MFR)が、50g/10分以下であり、好ましくは40g/10分以下であり、より好ましくは35g/10分以下であり、とくに好ましくは27g/10分以下であり、最も好ましくは25g/10分以下である。
エチレン・α−オレフィン共重合体のMFRは、後述する重合反応の際の重合温度、重合圧力、並びに重合系内のエチレンおよびα−オレフィンのモノマー濃度と水素濃度のモル比率などを調整することにより、調整することができる。
本実施形態の太陽電池封止材は、以下のエチレン・α−オレフィン共重合体を含むことが好ましい態様の一つである。
エチレン・α−オレフィン共重合体に含まれる、エチレンに由来する構成単位の含有割合は、好ましくは80〜90mol%であり、より好ましくは80〜88mol%であり、さらに好ましくは82〜88mol%であり、とくに好ましくは82〜87mol%である。エチレン・α−オレフィン共重合体に含まれる、炭素数3〜20のα−オレフィンに由来する構成単位(以下、「α−オレフィン単位」とも記す)の含有割合は、好ましくは10〜20mol%であり、より好ましくは12〜20mol%であり、さらに好ましくは12〜18mol%、とくに好ましくは13〜18mol%である。
ASTM D1505に準拠して測定されるエチレン・α−オレフィン共重合体の密度は好ましくは0.865〜0.884g/cm3であり、より好ましくは0.866〜0.883g/cm3であり、さらに好ましくは0.866〜0.880g/cm3であり、とくに好ましくは0.867〜0.880g/cm3である。エチレン・α−オレフィン共重合体の密度は、エチレン単位の含有割合とα−オレフィン単位の含有割合とのバランスにより調整することができる。すなわち、エチレン単位の含有割合を高くすると結晶性が高くなり、密度の高いエチレン・α−オレフィン共重合体を得ることができる。一方、エチレン単位の含有割合を低くすると結晶性が低くなり、密度の低いエチレン・α−オレフィン共重合体を得ることができる。
ASTM D2240に準拠して測定される、エチレン・α−オレフィン共重合体のショアA硬度は好ましくは60〜85であり、より好ましくは62〜83であり、さらに好ましくは62〜80であり、とくに好ましくは65〜80である。エチレン・α−オレフィン共重合体のショアA硬度は、エチレン・α−オレフィン共重合体のエチレン単位の含有割合や密度を上述の数値範囲に制御することにより、調整することができる。すなわち、エチレン単位の含有割合が高く、密度が高いエチレン・α−オレフィン共重合体は、ショアA硬度が高くなる。一方、エチレン単位の含有割合が低く、密度が低いエチレン・α−オレフィン共重合体は、ショアA硬度が低くなる。
エチレン・α−オレフィン共重合体の、示差走査熱量測定(DSC)に基づく融解ピークは30〜90℃の範囲に存在することが好ましく、33〜90℃の範囲に存在することがより好ましく、33〜88℃の範囲に存在することがとくに好ましい。融解ピークが90℃以下であると、結晶化度が低くなり、得られる太陽電池封止材の柔軟性が高まるため、太陽電池モジュールをラミネート成形する際に、セルの割れや薄膜電極のカケの発生を防止することができる。一方、融解ピークが30℃以上であると、樹脂組成物の柔軟性を適度に高くできるため、押出成形にて太陽電池封止材シートを容易に得ることができる。また、シートのベタつきによるブロッキングを防止して、シートの繰り出し性の悪化を抑制することができる。
エチレン・α−オレフィン共重合体は、チーグラー化合物、バナジウム化合物、メタロセン化合物などを触媒として用いて製造することができる。中でも以下に示す種々のメタロセン化合物を触媒として用いて製造することが好ましい。メタロセン化合物としては、例えば、特開2006−077261号公報、特開2008−231265号公報、特開2005−314680号公報などに記載のメタロセン化合物を用いることができる。ただし、これらの特許文献に記載のメタロセン化合物とは異なる構造のメタロセン化合物を使用してもよいし、二種以上のメタロセン化合物を組み合わせて使用してもよい。
なお、好ましくは、前述の(II−2)上記メタロセン化合物(I)と反応してイオン対を形成する化合物を実質的に使用せずに製造することで、電気特性の優れるエチレン・α−オレフィン共重合体を得ることができる。
本実施形態の太陽電池封止材は、有機過酸化物を含んでいる。有機過酸化物は、シランカップリング剤と、エチレン・α−オレフィン共重合体とのグラフト変性の際のラジカル開始剤として、さらに、エチレン・α−オレフィン共重合体の太陽電池モジュールのラミネート成形時の架橋反応の際のラジカル開始剤として用いられる。エチレン・α−オレフィン共重合体に、シランカップリング剤をグラフト変性することにより、表面側透明保護部材、裏面側保護部材、セル、電極との接着性が良好な太陽電池モジュールが得られる。さらに、エチレン・α−オレフィン共重合体を架橋することにより、耐熱性、接着性に優れた太陽電池モジュールを得ることができる。
有機過酸化物の含有量が3.0重量部以下であると、押出シート成形時に樹脂組成物から得られる太陽電池封止シートにゲルの発生がなく、押出機のトルクを抑制でき、シート成形が容易となる。シートも、押出機内でゲル物を発生しないためシートの表面に凹凸がなく、外観が良好である。また、ゲルがないため、電圧をかけてもシート内部のゲル物に起因するクラックが生じないため、絶縁破壊抵抗が良好である。また、透湿性も良好である。さらに、シート表面に凹凸がないため、太陽電池モジュールのラミネート加工時に表面側透明保護部材、セル、電極、裏面側保護部材との接着性も良好である。
本実施形態の太陽電池封止材は、さらにシリカ粉末を含むのが好ましい。シリカ粉末はその化学成分のほとんどがSiO2であり、シランカップリング剤を介して架橋反応が起こるため、太陽電池封止材の架橋特性が向上すると推察される。シリカ粉末は、非晶質合成シリカが好ましく。中でも、一次凝集体(アグリゲート)および二次凝集体(アグロメレート)の粒径が均一な非晶質合成シリカが好ましい。非晶質合成シリカとしては、燃焼法、金属シリコン、フェロシリコン又はその他の珪素合金等を製造する際に副産物として得られる乾式シリカ、沈降法、ゲル法、ゾルゲル法による湿式シリカのいずれでもよい。さらに、親水性シリカ、疎水性シリカのいずれでもよいが、親水性シリカの方が架橋特性の向上に優れるため好ましい。
シリカ粉末のBET比表面積が50m2/g以上であると、シリカ粉末の一次凝集体または一次粒子の見かけの粒子径を抑制できるため、得られる太陽電池封止材の透明性をより一層向上させることができる。また、シリカ粉末のBET比表面積が500m2/g以下であると、シリカ粉末中への有機過酸化物、シランカップリング剤の吸着を抑制できるため、太陽電池封止材の架橋特性の低下を抑制することができる。また、シリカ粉末のBET比表面積が500m2/g以下であると、シリカ粉末の合成が可能である。
シリカ粉末の含有量が1.0重量部以上であると、太陽電池封止材の架橋特性がより一層向上する。また、シリカ粉末の含有量が15.0重量部以下であると、架橋特性がより一層向上するとともに、透明性により一層優れた太陽電池封止材を得ることができる。
また、非多孔性シリカであると、シリカ粉末の一次凝集体または一次粒子の見かけの粒子径を抑制できるため、得られる太陽電池封止材の透明性をより一層向上させることができる。
本実施形態の太陽電池封止材は、さらにシランカップリング剤を含むのが好ましい。本実施形態の太陽電池封止材中のシランカップリング剤の含有量は、エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して、好ましくは0.1〜5重量部であり、より好ましくは0.1〜4重量部であり、とくに好ましくは0.1〜3重量部である。
本実施形態の太陽電池封止材は、ヒンダードアミン系光安定剤をさらに含むのが好ましい。ヒンダードアミン系光安定剤を含むことで、エチレン・α−オレフィン共重合体に有害なラジカル種を補足し、新たなラジカルの発生を抑制できる。
また、下記一般式(1)の低分子量ヒンダードアミン系光安定剤も使用できる。
また、下記式で表される高分子量ヒンダードアミン系光安定剤も使用できる。高分子量ヒンダードアミン系光安定剤とは、分子量が1000〜5000のものを言う。
本実施形態の太陽電池封止材は、ヒンダードフェノール系安定剤をさらに含むのが好ましい。ヒンダードフェノール系安定剤を含むことにより、酸素存在下でエチレン・α−オレフィン共重合体に有害なラジカル種を補足し、新たなラジカルの発生を抑制でき、酸化劣化を防止できる。
ヒンダードフェノール系安定剤としては、従来公知の化合物を用いることができ、例えば、1,1,3−トリス−(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−t−ブチルフェニルブタン、4,4'−ブチリデンビス−(3−メチル−6−t−ブチルフェノール)、2,2−チオビス(4−メチル−6−t−ブチルフェノール)、7−オクタデシル−3−(4'−ヒドロキシ−3',5'−ジ−t−ブチルフェニル)プロピオネート、テトラキス−[メチレン−3−(3',5'−ジ−t−ブチル−4'−ヒドロキシフェニル)プロピオネートメタン、ペンタエリスリトール−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,6−ヘキサンジオール−ビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N'−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ)−ヒドロシンナアミド、2,4−ビス[(オクチルチオ)メチル]−o−クレゾール、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル−ホスホネート−ジエチルエステル、テトラキス[メチレン(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシヒドロシンナメイト)]メタン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロオン酸エステル、3,9−ビス[2−{3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ}−1,1−ジメチルエチル]−2,4−8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカンなどを挙げることができる。中でも、特にペンタエリスリトール−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロオン酸エステルが好ましい。
本実施形態の太陽電池封止材は、リン系安定剤をさらに含むのが好ましい。リン系安定剤を含んでいると、押出成形時の有機過酸化物の分解を抑制でき、外観が良好なシートを得ることができる。ヒンダードアミン系光安定剤、ヒンダードフェノール系安定剤を含んでいると、発生したラジカルを消滅させ、外観が良好なシートを生産することもできるが、シート押出工程で安定剤を消費してしまい、耐熱性、耐候性などの長期信頼性が低下する傾向にある。
なお、同一分子内に亜リン酸エステル構造とヒンダードフェノール構造を有する安定剤があるが、本実施形態の太陽電池封止材のように有機過酸化物が多量に含有している組成物においては、押出成形時に有機過酸化物の分解を抑制する性能が不十分であり、ゲルを生成して外観が良好なシートが得られない傾向にある。
本実施形態の太陽電池封止材は、紫外線吸収剤をさらに含むのが好ましい。
本実施形態の太陽電池封止材中の紫外線吸収剤の含有量は、エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して、0.005〜5重量部であることが好ましい。紫外線吸収剤の含有量が上記範囲内にあると、耐候安定性、架橋特性のバランスが優れるので好ましい。
本実施形態の太陽電池封止材を構成する樹脂組成物には、以上詳述した諸成分以外の各種成分を、本発明の目的を損なわない範囲において、適宜含有させることができる。例えば、エチレン・α−オレフィン共重合体以外の各種ポリオレフィン、スチレン系やエチレン系ブロック共重合体、プロピレン系重合体などが挙げられる。太陽電池封止材中の各種成分の含有量は、上記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して、好ましくは0.0001〜50重量部であり、より好ましくは0.001〜40重量部である。また、ポリオレフィン以外の各種樹脂、および/または各種ゴム、可塑剤、充填剤、顔料、染料、帯電防止剤、抗菌剤、防黴剤、難燃剤、架橋助剤、ヒンダードフェノール系安定剤およびリン系安定剤以外のその他の耐熱安定剤、および分散剤などから選ばれる一種以上の添加剤を適宜含有することができる。
これらの架橋助剤の中でより好ましいのは、ジアクリレート、ジメタクリレート、ジビニル芳香族化合物、トリメチロールプロパントリアクリレート、テトラメチロールメタントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレートなどのトリアクリレート;トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリメチロールエタントリメタクリレートなどのトリメタクリレート;ペンタエリスリトールテトラアクリレート、テトラメチロールメタンテトラアクリレートなどのテトラアクリレート、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレートなどのシアヌレート、ジアリルフタレートなどのジアリル化合物;トリアリル化合物;p−キノンジオキシム、p−p'−ジベンゾイルキノンジオキシムなどのオキシム;フェニルマレイミドなどのマレイミドである。さらにこれらの中でとくに好ましいのは、トリアリルイソシアヌレートであり、ラミネート後の太陽電池封止材の気泡発生や架橋特性のバランスが最も優れる。
これらの中でも、以下の方法が最も好ましい実施形態である。はじめに、エチレン・α−オレフィン共重合体と、有機過酸化物と、シリカ粉末と、必要に応じてシランカップリング剤、ヒンダードアミン系光安定剤、ヒンダードフェノール系安定剤、リン系安定剤、紫外線吸収剤、架橋助剤、およびその他添加剤から選択される1種以上の添加剤とを、例えば、ポリ袋などの袋の中で人力でのブレンドや、ヘンシェルミキサー、タンブラー、スーパーミキサーなどの攪拌混合機を用いてブレンドする。次いで、得られた樹脂組成物を、押出シート成形機のホッパーに投入し、溶融混練を行いつつ押出シート成形を行い、シート状の太陽電池封止材を得る。
また、シリカ粉末と必要に応じてヒンダードアミン系光安定剤、ヒンダードフェノール系安定剤、リン系安定剤、紫外線吸収剤、架橋助剤およびその他添加剤をマスターバッチ化して用いてもよい。
また、エチレン・α−オレフィン共重合体と有機過酸化物やシランカップリング剤を除く添加剤(ヒンダードフェノール系安定剤、リン系安定剤、ヒンダードアミン系光安定剤、紫外線吸収剤などの安定剤)を事前に押出機を用いてマスターバッチ化した後、有機過酸化物やシランカップリング剤をブレンドし、再度押出機などでシート成形する場合も、ヒンダードフェノール系安定剤、リン系安定剤、ヒンダードアミン系光安定剤、紫外線吸収剤などの安定剤は二度押出機を介しているため、安定剤が劣化し耐候性や耐熱性などの長期信頼性が低下する傾向にあり、好ましくない。
VA(mm3)=tmax(mm)×106(mm2) (12)
一方、この単位面積の太陽電池封止材の実際の体積V0(mm3)は、太陽電池封止材を構成する樹脂の比重ρ(g/mm3)と単位面積(1m2)当りの太陽電池封止材の実際の重さW(g)と、を下記式(13)に当てはめることにより算出される。
V0(mm3)=W/ρ (13)
太陽電池封止材の単位面積当りの凹部の合計体積VH(mm3)は、下記式(14)に示されるように、「太陽電池封止材の見掛けの体積VA」から「実際の体積V0」を差し引くことによって算出される。
VH(mm3)=VA−V0=VA−(W/ρ) (14)
したがって、空隙率P(%)は次のようにして求めることができる。
空隙率P(%)=VH/VA×100
=(VA−(W/ρ))/VA×100
=1−W/(ρ・VA)×100
=1−W/(ρ・tmax・106)×100
太陽電池モジュールは、例えば、通常、多結晶シリコンなどにより形成された太陽電池素子を太陽電池封止材シートで挟み積層し、さらに、表裏両面を保護シートでカバーした結晶型太陽電池モジュールが挙げられる。すなわち、典型的な太陽電池モジュールは、太陽電池モジュール用保護シート(表面側透明保護部材)/太陽電池封止材/太陽電池素子/太陽電池封止材/太陽電池モジュール用保護シート(裏面側保護部材)という構成になっている。
ただし、本発明の好ましい実施形態の1つである太陽電池モジュールは、上記の構成には限定されず、本発明の目的を損なわない範囲で、上記の各層の一部を適宜省略し、または上記以外の層を適宜設けることができる。上記以外の層としては、例えば接着層、衝撃吸収層、コーティング層、反射防止層、裏面再反射層、および光拡散層などを挙げることができる。これらの層は、とくに限定はないが、各層を設ける目的や特性を考慮して、適切な位置に設けることができる。
図1は、本発明の太陽電池モジュールの一実施形態を模式的に示す断面図である。なお、図1においては、結晶シリコン系の太陽電池モジュール20の構成の一例が示されている。図1に示されるように、太陽電池モジュール20は、インターコネクタ29により電気的に接続された複数の結晶シリコン系の太陽電池素子22と、それを挟持する一対の表面側透明保護部材24と裏面側保護部材26とを有し、これらの保護部材と複数の太陽電池素子22との間に、封止層28が充填されている。封止層28は、本実施形態の太陽電池用封止材を貼り合わせた後、加熱圧着されて得られ、太陽電池素子22の受光面および裏面に形成された電極と接している。電極とは、太陽電池素子22の受光面および裏面にそれぞれ形成された集電部材であり、後述する集電線、タブ付用母線、および裏面電極層などを含む。
太陽電池素子22には、通常、発生した電気を取り出すための集電電極が配置される。集電電極の例には、バスバー電極、フィンガー電極などが含まれる。一般に、集電電極は、太陽電池素子の表面と裏面の両面に配置した構造をとるが、受光面に集電電極を配置すると、集電電極が光を遮ってしまうため発電効率が低下するという問題が生じうる。
その結果、発電セルと表面側透明保護部材またはアルミフレームとの間に封止される、太陽電池封止材には、高い電気絶縁性、高抵抗などの良好な電気特性が求められる。
薄膜シリコン系の太陽電池モジュールは、(1)表面側透明保護部材(ガラス基板)/薄膜太陽電池素子/封止層/裏面側保護部材をこの順に積層したもの;(2)表面側透明保護部材/封止層/薄膜太陽電池素子/封止層/裏面側保護部材をこの順に積層したものなどでありうる。表面側透明保護部材、裏面側保護部材、および封止層は、前述の「結晶シリコン系の太陽電池モジュール」の場合と同様である。
さらに、上記封止材層は、防湿性に優れていることが好ましい。この場合、太陽電池モジュールの裏面側からの水分の透過を防ぐことができ、太陽電池モジュールの光起電力素子の腐食、劣化を防ぐことができる。
太陽電池モジュールに用いられる太陽電池モジュール用表面側透明保護部材は、とくに制限はないが、太陽電池モジュールの最表層に位置するため、耐候性、撥水性、耐汚染性、機械強度をはじめとして、太陽電池モジュールの屋外暴露における長期信頼性を確保するための性能を有することが好ましい。また、太陽光を有効に活用するために、光学ロスの小さい、透明性の高いシートであることが好ましい。
太陽電池モジュールに用いられる太陽電池モジュール用裏面側保護部材は、とくに制限はないが、太陽電池モジュールの最表層に位置するため、上述の表面側透明保護部材と同様に、耐候性、機械強度などの諸特性を求められる。したがって、表面側透明保護部材と同様の材質で太陽電池モジュール用裏面側保護部材を構成してもよい。すなわち、表面側透明保護部材として用いられる上述の各種材料を、裏面側保護部材としても用いることができる。とくに、ポリエステル樹脂、およびガラスを好ましく用いることができる。また、裏面側保護部材は、太陽光の通過を前提としないため、表面側透明保護部材で求められる透明性は必ずしも要求されない。そこで、太陽電池モジュールの機械的強度を増すために、あるいは温度変化による歪み、反りを防止するために、補強板を張り付けてもよい。補強板は、例えば、鋼板、プラスチック板、FRP(ガラス繊維強化プラスチック)板などを好ましく使用することができる。
太陽電池モジュールに用いられる太陽電池素子は、半導体の光起電力効果を利用して発電できるものであれば、とくに制限はない。太陽電池素子は、例えば、シリコン(単結晶系、多結晶系、非結晶(アモルファス)系)太陽電池、化合物半導体(III−III族、II−VI族、その他)太陽電池、湿式太陽電池、有機半導体太陽電池などを用いることができる。これらの中では、発電性能とコストとのバランスなどの観点から、多結晶シリコン太陽電池が好ましい。
太陽電池モジュールに用いられる金属電極の構成および材料は、とくに限定されないが、具体的な例では、透明導電膜と金属膜の積層構造を有する。透明導電膜は、SnO2、ITO、ZnOなどからなる。金属膜は、銀、金、銅、錫、アルミニウム、カドミウム、亜鉛、水銀、クロム、モリブデン、タングステン、ニッケル、バナジウムなどから選択される少なくとも一種の金属からなる。これらの金属膜は、単独で用いられてもよいし、複合化された合金として用いられてもよい。透明導電膜と金属膜とは、CVD、スパッタ、蒸着などの方法により形成される。
近年は、接合箇所に直接フラックスおよびハンダまたはハンダのみを塗布し、太陽電池素子と金属電極または金属電極同士を接合する方法も取られている。
本実施形態の太陽電池モジュールの製造方法は、(i)表面側透明保護部材と、本実施形態の太陽電池封止材と、太陽電池素子(セル)と、本実施形態の太陽電池封止材と、裏面側保護部材とをこの順に積層して積層体を形成する工程と、(ii)得られた積層体を加圧および加熱して一体化する工程と、を含むことを特徴とする。
ゲル分率が50%以上であると、太陽電池封止材の耐熱性が良好となり、85℃×85%RHでの恒温恒湿試験、ブラックパネル温度83℃での高強度キセノン照射試験、−40℃〜90℃でのヒートサイクル試験、耐熱試験での接着性が向上する。ゲル分率が95%以下であると、高い柔軟性を有する太陽電池封止材となり、−40℃〜90℃でのヒートサイクル試験での温度追従性が向上するため、剥離の発生を防止することができる。
本実施形態の太陽電池モジュールは、生産性、発電効率、寿命などに優れている。このため、この様な太陽電池モジュールを用いた発電設備は、コスト、発電効率、寿命などに優れ、実用上高い価値を有する。上記の発電設備は、家屋の屋根に設置する、キャンプなどのアウトドア向けの移動電源として利用する、自動車バッテリーの補助電源として利用するなどの、屋外、屋内を問わず長期間の使用に好適である。
[エチレン単位およびα−オレフィン単位の含有割合]
試料0.35gをヘキサクロロブタジエン2.0mlに加熱溶解させて得られた溶液をグラスフィルター(G2)で濾過した後、重水素化ベンゼン0.5mlを加え、内径10mmのNMRチューブに装入した。日本電子社製のJNM GX−400型NMR測定装置を使用し、120℃で13C−NMR測定を行った。積算回数は8000回以上とした。得られた13C−NMRスペクトルより、共重合体中のエチレン単位の含有割合、およびα−オレフィン単位の含有割合を定量した。
ASTM D1238に準拠し、190℃、2.16kg荷重の条件にてエチレン・α−オレフィン共重合体のMFRを測定した。
ASTM D1505に準拠して、エチレン・α−オレフィン共重合体の密度を測定した。
エチレン・α−オレフィン共重合体を190℃、加熱4分、10MPaで加圧した後、10MPaで常温まで5分間加圧冷却して3mm厚のシートを得た。得られたシートを用いて、ASTM D2240に準拠してエチレン・α−オレフィン共重合体のショアA硬度を測定した。
シリカ粉末の表面に占有面積が既知の気体分子(窒素分子)を吸着させ、この気体分子の吸着量から比表面積を求める気相吸着法によって測定した。測定器具は柴田科学機会工業社製(SA1100)を用いた。
厚さ0.5mmのプレスシートサンプルを、ずりモードでの固体粘弾性装置(ReoStress、HAAKE製)で、25℃(室温)〜180℃まで0.016Hzの周波数、3℃/分の昇温速度にて測定した。なお、プレートは20mmφのディスポータブルのパラレルプレートを用い、ひずみ制御は0.01で行った。最小複素粘度および最小複素粘度での温度は、測定プロファイルより読み取った。
波長350〜800nmの範囲内において吸収域を有しない白板ガラスを使用し、白板ガラスサイズに切断したエンボスシートサンプルを白板ガラス/エンボスシートサンプル/白板ガラスの構成で、真空ラミネーター(NPC社製、LM−110X160S)内に仕込み、150℃に温調したホットプレート上に載せて3分間減圧、15分間加熱後、150℃のオーブンにて30分架橋し、積層体を作製した。得られた積層体を、日立製作所社製の分光光度計(商品名「U−3010」)にφ150mmの積分球を取り付けたものを使用し、350〜800nmの波長域における、上記積層体中のシートサンプルの全光線透過率を測定した。そして、測定結果に、標準光D65および標準視感効率V(λ)を乗じ、可視光の全光線透過率(Tvis)を算出した。
得られたエンボスシートサンプルを上記と同じ白板ガラスサイズ(12.5×7.5cm)に裁断し、幅1cm×長さ5cm×厚さ0.2mmのアルミシート3本を長辺方向に3本を並べてシートサンプルで挟んで、白板ガラス/エンボスシートサンプル/アルミシート/エンボスシートサンプル/PETフィルムの構成で、真空ラミネーター(NPC社製、LM−110X160S)内に仕込み、150℃に温調したホットプレート上に載せて3分間減圧、15分間加熱後、150℃のオーブンにて30分架橋し、積層体を作製した。
得られた積層体中の3本の中心のアルミシートに対して左右のアルミシートのずれを以下の通りに評価した。評価は、5サンプルでの左右のずれの平均値である。
○:アルミシートのずれがない
△:アルミシートのずれが2mm以下
×:アルミシートのずれが2mm超過
上記全光線透過率測定用のサンプルの作製過程において、ラミネート装置でラミネートした段階における、積層体を挟んだガラスメッシュ入りポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シートの汚れを目視で観察した。
○:汚れなし
△:下部のガラスメッシュ入りPTFE製シートに汚れが少しあり
×:下部のガラスメッシュ入りPTFE製シートに封止材が垂れて、ガラスメッシュ入りPTFE製シートに大きな汚れあり
上記全光線透過率測定用のサンプルの作製過程において、ラミネートしたサンプルをオーブンで架橋した段階における、積層体を載せたオーブンの金網の汚れを目視で観察した。
○:汚れなし
△:金網に汚れが少しあり
×:金網に封止材が垂れて、金網に大きな汚れあり
(合成例1)
撹拌羽根を備えた内容積50Lの連続重合器の一つの供給口に、共触媒としてメチルアルミノキサンのトルエン溶液を8.0mmol/hr、主触媒としてビス(1,3−ジメチルシクロペンタジエニル)ジルコニウムジクロライドのヘキサンスラリーを0.025mmol/hr、トリイソブチルアルミニウムのヘキサン溶液を0.5mmol/hrの割合で供給し、触媒溶液と重合溶媒として用いる脱水精製したノルマルヘキサンの合計が20L/hrとなるように脱水精製したノルマルヘキサンを連続的に供給した。同時に重合器の別の供給口に、エチレンを3kg/hr、1−ブテンを15kg/hr、水素を5NL/hrの割合で連続供給し、重合温度90℃、全圧3MPaG、滞留時間1.0時間の条件下で連続溶液重合を行った。重合器で生成したエチレン・α−オレフィン共重合体のノルマルヘキサン/トルエン混合溶液は、重合器の底部に設けられた排出口を介して連続的に排出させ、エチレン・α−オレフィン共重合体のノルマルヘキサン/トルエン混合溶液が150〜190℃となるように、ジャケット部が3〜25kg/cm2スチームで加熱された連結パイプに導いた。
なお、連結パイプに至る直前には、触媒失活剤であるメタノールが注入される供給口が付設されており、約0.75L/hrの速度でメタノールを注入してエチレン・α−オレフィン共重合体のノルマルヘキサン/トルエン混合溶液に合流させた。スチームジャケット付き連結パイプ内で約190℃に保温されたエチレン・α−オレフィン共重合体のノルマルヘキサン/トルエン混合溶液は、約4.3MPaGを維持するように、連結パイプ終端部に設けられた圧力制御バルブの開度の調整によって連続的にフラッシュ槽に送液された。なお、フラッシュ槽内への移送においては、フラッシュ槽内の圧力が約0.1MPaG、フラッシュ槽内の蒸気部の温度が約180℃を維持するように溶液温度と圧力調整バルブ開度設定が行われた。その後、ダイス温度を180℃に設定した単軸押出機を通し、水槽にてストランドを冷却し、ペレットカッターにてストランドを切断し、ペレットとしてエチレン・α−オレフィン共重合体を得た。収量は2.2kg/hrであった。物性を表1に示す。
主触媒としての[ジメチル(t−ブチルアミド)(テトラメチル−η5−シクロペンタジエニル)シラン]チタンジクロライドのヘキサン溶液を0.012mmol/hr、共触媒としてのトリフェニルカルベニウム(テトラキスペンタフルオロフェニル)ボレートのトルエン溶液を0.05mmol/hr、トリイソブチルアルミニウムのヘキサン溶液を0.4mmol/hrの割合でそれぞれ供給するとともに、1−ブテンを5kg/hr、水素を100NL/hrの割合で供給した以外は、前述の合成例1と同様にしてエチレン・α−オレフィン共重合体を得た。収量は1.3kg/hrであった。物性を表1に示す。
主触媒としてビス(p−トリル)メチレン(シクロペンタジエニル)(1,1,4,4,7,7,10,10−オクタメチル−1,2,3,4,7,8,9,10−オクタヒドロジベンズ(b,h)−フルオレニル)ジルコニウムジクロリドのヘキサン溶液を0.003mmol/hr、共触媒としてのメチルアルミノキサンのトルエン溶液を3.0mmol/hr、トリイソブチルアルミニウムのヘキサン溶液を0.6mmol/hrの割合でそれぞれ供給したこと;エチレンを4.3kg/hrの割合で供給したこと;1−ブテンの代わりに1−オクテンを6.4kg/hrの割合で供給したこと;1−オクテンと触媒溶液と重合溶媒として用いる脱水精製したノルマルヘキサンの合計が20L/hrとなるように脱水精製したノルマルヘキサンを連続的に供給したこと;水素を60NL/hrの割合で供給したこと;および重合温度を130℃にしたこと以外は、合成例1と同様にしてエチレン・α−オレフィン共重合体を得た。収量は4.3kg/hrであった。物性を表1に示す。
水素を4NL/hrの割合で供給したこと以外は、合成例1と同様にしてエチレン・α−オレフィン共重合体を得た。収量は2.1kg/hrであった。物性を表1に示す。
水素を6NL/hrの割合で供給したこと以外は、合成例1と同様にしてエチレン・α−オレフィン共重合体を得た。収量は2.1kg/hrであった。物性を表1に示す。
水素を90NL/hrの割合で供給したこと以外は、合成例2と同様にしてエチレン・α−オレフィン共重合体を得た。収量は1.2kg/hrであった。物性を表1に示す。
主触媒としてビス(p−トリル)メチレン(シクロペンタジエニル)(1,1,4,4,7,7,10,10−オクタメチル−1,2,3,4,7,8,9,10−オクタヒドロジベンズ(b,h)−フルオレニル)ジルコニウムジクロリドのヘキサン溶液を0.004mmol/hr、メチルアルミノキサンのトルエン溶液を4.0mmol/hr、水素を70NL/hrの割合で供給したこと以外は、合成例3と同様にしてエチレン・α−オレフィン共重合体を得た。収量は5.0kg/hrであった。物性を表1に示す。
(実施例1)
合成例1のエチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対し、有機過酸化物として1分間半減期温度が166℃のt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキシルカーボネートを1.0重量部、シリカ粉末1としてBET比表面積380m2/gの親水性ヒュームドシリカを2重量部、シランカップリング剤として3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランを0.5重量部、架橋助剤としてトリアリルイソシアヌレートを1.2重量部、紫外線吸収剤として2−ヒドロキシ−4−ノルマル−オクチルオキシベンゾフェノンを0.4重量部、ヒンダードアミン系光安定剤としてビス(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル)セバケートを0.2重量部、ヒンダードフェノール系安定剤としてオクタデシル−3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート0.05重量部、リン系安定剤としてトリス(2,4−ジ−tert−ブチルフェニル)ホスファイト0.1重量部を配合した。
得られた配合物を、内容積60ccの小型混練装置(ラボプラストミル4C150−01、東洋精機製作所製)を用いて、100℃、30rpmで5分間混練した。混練したサンプルを、100℃で加熱3分、10MPaG加圧2分でプレスし、次いで10MPaGで冷却プレスして、厚み0.5mmのプレスシートを得た。得られたプレスシートを用いて、ずりモードでの固体粘弾性測定を行った。測定結果を表2に示す。
表2に示す配合としたこと以外は、前述の実施例1と同様にしてプレスシート、エンボスシート(太陽電池封止材シート)を得た。得られたエンボスシートの空隙率は全て28%であった。得られたエンボスシートの各種評価結果を表2に示す。
表2に示す配合としたこと以外は、前述の実施例1と同様にしてエンボスシート(太陽電池封止材シート)を得ようとしたが、押出機のトルクが高くなりすぎてしまい、トルクオーバーとなってエンボスシートを得ることができなかった。
表2に示す配合としたこと以外は、前述の実施例1と同様にしてプレスシート、エンボスシート(太陽電池封止材シート)を得た。得られたエンボスシートの空隙率は全て28%であった。得られたエンボスシートの各種評価結果を表2に示す。ただ、得られたエンボスシートには、ゲルが見られた。
表2に示す配合としたこと以外は、前述の実施例1と同様にしてプレスシート、エンボスシート(太陽電池封止材シート)を得た。得られたエンボスシートの空隙率は全て28%であった。得られたエンボスシートの各種評価結果を表2に示す。
シリカ粉末1:BET比表面積380m2/gの親水性ヒュームドシリカ (AEROSIL380、EVONIK製)
シリカ粉末2:BET比表面積90m2/gの親水性ヒュームドシリカ (AEROSIL90、EVONIK製)
シリカ粉末3:BET比表面積200m2/gの親水性ヒュームドシリカ (AEROSIL200、EVONIK製)
22 太陽電池素子
22A 受光面
22B 裏面
24 表面側透明保護部材
26 裏面側保護部材
28 封止層
29 インターコネクタ
32 集電線
34A タブ付用母線
34B タブ付用母線
36 導電層
Claims (19)
- エチレン・α−オレフィン共重合体と、有機過酸化物とを含む太陽電池封止材であって、
ASTM D1238に準拠し、190℃、2.16kg荷重の条件で測定される、前記エチレン・α−オレフィン共重合体のMFRが10〜50g/10分であり、
測定温度範囲25〜180℃、周波数0.016Hz、昇温速度3℃/分、ずりモードでの固体粘弾性測定における、当該太陽電池封止材の複素粘度(η*)の最小粘度が2.0×103Pa・s〜3.0×104Pa・sの範囲内である、太陽電池封止材。 - 前記エチレン・α−オレフィン共重合体が、以下の要件a1)〜a3)を満たす、請求項1に記載の太陽電池封止材。
a1)エチレンに由来する構成単位の含有割合が80〜90mol%であり、炭素数3〜20のα−オレフィンに由来する構成単位の含有割合が10〜20mol%である。
a2)ASTM D1505に準拠して測定される密度が0.865〜0.884g/cm3である。
a3)ASTM D2240に準拠して測定されるショアA硬度が60〜85である。 - 前記最小粘度の温度が100〜120℃である、請求項1または2に記載の太陽電池封止材。
- さらにシリカ粉末を含む、請求項1乃至3いずれか一項に記載の太陽電池封止材。
- 前記シリカ粉末が親水性シリカである、請求項4に記載の太陽電池封止材。
- 前記シリカ粉末のBET法により測定した比表面積が、50〜500m2/gである、請求項4または5に記載の太陽電池封止材。
- 前記シリカ粉末が非多孔性シリカである、請求項4乃至6いずれか一項に記載の太陽電池封止材。
- 当該太陽電池封止材中の前記シリカ粉末の含有量が、前記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して1.0〜15.0重量部である、請求項4乃至7いずれか一項に記載の太陽電池封止材。
- 350〜800nmの波長域における、当該太陽電池封止材の全光線透過率が85%以上である、請求項1乃至8いずれか一項に記載の太陽電池封止材。
- 前記有機過酸化物の1分間半減期温度が100〜170℃であり、
当該太陽電池封止材中の前記有機過酸化物の含有量が、前記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.1〜3重量部である、請求項1乃至9いずれか一項に記載の太陽電池封止材。 - シランカップリング剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の前記シランカップリング剤の含有量が、前記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.1〜5重量部である、請求項1乃至10いずれか一項に記載の太陽電池封止材。 - ヒンダードフェノール系安定剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の前記ヒンダードフェノール系安定剤の含有量が、前記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.005〜0.1重量部である、請求項1乃至11いずれか一項に記載の太陽電池封止材。 - ヒンダードアミン系光安定剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の前記ヒンダードアミン系光安定剤の含有量が、前記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.01〜2.0重量部である、請求項1乃至12いずれか一項に記載の太陽電池封止材。 - リン系安定剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の前記リン系安定剤の含有量が、前記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.005〜0.5重量部である、請求項1乃至13いずれか一項に記載の太陽電池封止材。 - 紫外線吸収剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の前記紫外線吸収剤の含有量が、前記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.005〜5重量部である、請求項1乃至14いずれか一項に記載の太陽電池封止材。 - 架橋助剤をさらに含み、
当該太陽電池封止材中の前記架橋助剤の含有量が、前記エチレン・α−オレフィン共重合体100重量部に対して0.05〜5重量部である、請求項1乃至15いずれか一項に記載の太陽電池封止材。 - シート状である、請求項1乃至16いずれか一項に記載の太陽電池封止材。
- 前記エチレン・α−オレフィン共重合体と、前記有機過酸化物とを含む樹脂組成物を溶融混錬後、シート状に押出成形して得られた、請求項17に記載の太陽電池封止材。
- 表面側透明保護部材と、
裏面側保護部材と、
太陽電池素子と、
請求項1乃至18いずれか一項に記載の太陽電池封止材を架橋させて形成された、前記太陽電池素子を前記表面側透明保護部材と前記裏面側保護部材との間に封止する封止層と、
を備えた太陽電池モジュール。
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