JP2016187010A - 薄膜太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の要旨は以下の通りである。
[2] 前記表面保護層、前記第一封止層、前記薄膜太陽電池素子、前記第二封止層、前記裏面透明保護層、および粘着層を順次有する、[1]に記載の薄膜太陽電池モジュール。
[3] 前記第一封止層の厚さT1と第二封止層の厚さT2の比率T1/(T1+T2)が0.3〜0.7である、[1]または[2]に記載の薄膜太陽電池モジュール。
[4] 第一封止層と第二封止層との厚さの和が60μm以上100μm以下である、[1]〜[3]のいずれか1に記載の薄膜太陽電池モジュール。
1.1 構成
本発明の一実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールは、図1の模式断面図に示すように表面保護層、第1封止層、薄膜太陽電池素子、第2封止層、裏面保護層を順次有する。また、薄膜太陽電池素子から電気を取り出す場合は、通常、薄膜太陽電池素子の上部電極または下部電極に電気取り出し用の集電線を設置する。
例えば、図2に示した通り、粘着層を裏面保護層に設け、表面保護層、第1封止層、薄膜太陽電池素子、第2封止層、裏面保護層、粘着層を順次有する構成とすることができる。
以下、本発明の薄膜太陽電池モジュールの構成部材を説明する。
1.2.1 保護層(表面保護層および裏面保護層)
保護層は温度変化、湿度変化、光、風雨など、薄膜太陽電池モジュールの設置環境から薄膜太陽電池モジュールを保護する層である。保護層で薄膜太陽電池モジュール表面を覆うことにより、薄膜太陽電池モジュールの構成部材、特に薄膜太陽電池素子が保護され、劣化することなく、高い発電能力を得ることができるという利点がある。
保護層は、薄膜太陽電池モジュールにおいてできるだけ外側に設けることが好ましい。デバイス構成部材のうちより多くのものを保護できるようにするためである。
本発明においては、薄膜太陽電池モジュールの製造過程において、薄膜太陽電池素子を封止材を介して保護層で封止することが好ましい。薄膜太陽電池素子の封止は、薄膜太陽電池素子の補強や、耐衝撃性を上げるために行う。
封止層は、通常薄膜太陽電池素子を挟み込むように設ける。
このような機能を付与する方法としては、機能を有する層を塗布成膜等により封止層上に積層してもよいし、機能を発現する材料を溶解・分散させるなどして封止材に含有させてもよい。
水蒸気透過率としては、封止材100μm厚における水蒸気透過率Pdが、40℃90%RH環境下で、通常10-1g/m2/day以下、好ましくは10-2g/m2/day以下、より好ましくは10-3g/m2/day以下、さらに好ましくは10-4g/m2/day以下である。水蒸気透過率は、JIS K7129に準じた感湿センサ、赤外線センサ、ガスクロマトグラフを備えた装置による測定、カップ法(JIS Z0208)により、40℃90%RH環境で測定する。
薄膜太陽電池素子は、通常基板上に下部電極、光電変換層および上部電極が順次積層された構造を有する。
基板は有機薄膜太陽電池素子を支持する部材である。基板の材料としては、本発明を適用できる限り特に限定されず、無機材料、有機材料、紙材料および複合材料等の公知の材料が使用できる。具体的には、石英、ガラス、サファイア又はチタニア等の無機材料;ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ナイロン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール共重合体、フッ素樹脂フィルム、塩化ビニル又はポリエチレン等のポリオレフィン;セルロース、ポリ塩化ビニリデン、アラミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリノルボルネン又はエポキシ樹脂等の有機材料;紙又は合成紙等の紙材料;ステンレス、チタン又はアルミニウム等の金属に、絶縁性を付与するために表面をコート又はラミネートしたもの等の複合材料等が挙げられる。これらのうち、有機材料を用いた樹脂基板は、基板に透明性を付与できるため、スーパーストレート構造、サブストレート構造どちらの構造も作成が可能である上、透光性を有するシースルー太陽電池素子の作成が可能である点で好ましい。
有機薄膜太陽電池素子は、下部電極および上部電極を有する。これらの電極は、光吸収により生じた正孔及び電子を捕集する機能を有する。したがって、これらの電極として、一方に正孔の捕集に適した電極(以下、アノードと記載する場合もある)を、他方に電子の捕集に適した電極(以下、カソードと記載する場合もある)を用いることが好ましい。下部電極がアノードであり、上部電極がカソードであってもよいし、下部電極がカソードであり、上部電極がアノードであってもよい。下部電極および上部電極は、いずれか一方が透光性であればよく、両方が透光性であっても構わない。
これらの光線透過率は、JIS7375:2008に準拠して測定した値である。
本発明においては、上部電極として金属あるいは合金からなる金属薄膜が好ましく例示できる。金属薄膜は導電率が高いため、導電性高分子等他の材料を用いるより必要となる材料の量が少ない点で好ましい。また、真空成膜による成膜が可能であり、塗布工程に比べ下地に与えるダメージを抑制することができる点でも好ましい。
電極のシート抵抗は、特段の制限はないが、通常1Ω/□以上、一方、1000Ω/□以下、好ましくは500Ω/□以下、さらに好ましくは100Ω/□以下である。
光電変換層は、有機半導体により形成される。有機半導体は半導体特性により、p型、n型に分けられる。p型、n型は、電気伝導に寄与するのが、正孔、電子いずれであるかを示しており、材料の電子状態、ドーピング状態、トラップ状態に依存する。したがって、p型、n型は必ずしも明確に分類できない場合があり、同一物質でp型、n型両方の特性を示すものもある。
高分子有機半導体化合物として、特に限定はなく、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリアセチレン又はポリアニリン等の共役ポリマー半導体;アルキル基やその他の置換基が置換されたオリゴチオフェン等のポリマー半導体;等が挙げられる。また、二種以上のモノマー単位を共重合させた半導体ポリマーも挙げられる。共役ポリマーとしては、例えば、Handbook of Conducting Polymers,3rd Ed.(全2巻),2007、Materials Science and Engineering,2001,32,1−40、Pure Appl.Chem.2002,74,2031−3044、Handbook of THIOPHENE−BASED MATERIALS(全2巻),2009等の公知文献に記載されたポリマーやその誘導体、及び記載されているモノマーの組み合わせによって合成し得るポリマーを用いることができる。p型半導体化合物として用いられる高分子有機半導体化合物は、一種の化合物でも複数種の化合物の混合物でもよい。
本発明に係る有機薄膜太陽電池素子は、下部電極および/または上部電極と光電変換層との間にバッファ層を含んでいてもよい。バッファ層とは、電子取り出し層および/または正孔取り出し層を指す。バッファ層は、本発明に係る有機薄膜太陽電池素子において必須ではなく、電子取り出し層と正孔取り出し層のいずれか一方のみを含んでも良い。電子取り出し層はカソードと光電変換層との間に存在するのが好ましく、正孔取り出し層はアノードと光電変換層との間に存在するのが好ましい。
また電子取り出し層と正孔取り出し層の少なくとも一方が異なる複数の層により構成されていてもよい。
電子取り出し層の材料は、光電変換層からカソードへ電子の取り出し効率を向上させる材料であれば特段の制限はないが、無機化合物又は有機化合物が挙げられる。
正孔取り出し層の材料に特に限定は無く、光電変換層からアノードへの正孔の取り出し効率を向上させることが可能な材料であれば特に限定されない。具体的には、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、トリフェニレンジアミン又はポリアニリン等に、スルホン酸及び/又はヨウ素等がドーピングされた導電性ポリマー;スルホニル基を置換基に有するポリチオフェン誘導体、アリールアミン等の導電性有機化合物;酸化銅、酸化ニッケル、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化バナジウム又は酸化タングステン等の金属酸化物;ナフィオン、後述のp型半導体等が挙げられる。その中でも好ましくは、スルホン酸をドーピングした導電性ポリマーであり、より好ましくは、ポリチオフェン誘導体にポリスチレンスルホン酸をドーピングした(3,4−エチレンジオキシチオフェン)ポリ(スチレンスルホン酸)(PEDOT:PSS)である。また、金、インジウム、銀又はパラジウム等の金属等の薄膜も使用することができる。金属等の薄膜は、単独で形成してもよいし、上記の有機材料と組み合わせて用いることもできる。
正孔取り出し層をロール・トゥ・ロール方式で形成する場合、装置が簡便であり、コストが低く、大量に速く形成できるため、湿式塗布法を適用するのが好ましい。湿式塗布法を行う際には、被塗装層を溶解しない溶媒を選定するのが好ましい。
保護層と封止層との間、又は保護層と粘着層との間に、紫外線カット層、ガスバリア層、ゲッター層を有してもよい。また、これらの層を保護層として使用することもできる。薄膜太陽電池素子が有機薄膜太陽電池素子である場合には、水分又は酸素による劣化を防止し、長期にわたって太陽電池素子の性能を維持するため、ガスバリア層を含むのが好ましく、上述の長期耐久性に加えて光線透過率や透明性等の意匠性が向上できるため、保護層としてガスバリア層を用いるのがより好ましい。
紫外線カット層は紫外線の透過を防止する層である。
薄膜太陽電池モジュールの構成部品のなかには紫外線により劣化するものがある。また、ガスバリア層は種類によっては紫外線により劣化するものがある。そこで、紫外線カット層を薄膜太陽電池モジュールの受光部分に設け、紫外線カット層で薄膜太陽電池素子の受光面を覆うことにより、薄膜太陽電池素子及び必要に応じてガスバリア層を紫外線から保護し、発電性能を高く維持することができるようになっている。
また、紫外線カット層は、薄膜太陽電池素子の光吸収を妨げない観点から可視光を透過させるものが好ましい。例えば、可視光(波長360〜830nm)の光の透過率が80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、特に好ましくは95%以上である。
紫外線カット層を構成する材料は、紫外線の強度を弱めることができるものであれば任意である。その材料の例として、エポキシ系、アクリル系、ウレタン系又はエステル系の樹脂に紫外線吸収剤を配合して成膜した層などが挙げられる。また、紫外線吸収剤を樹脂中に分散あるいは溶解させたものの層(以下、適宜「紫外線吸収層」という)を基材フィルム上に形成した積層体として用いてもよい。
紫外線カット層の具体的な商品の例として、カットエース(MKVプラスティック株式会社)等が挙げられる。
紫外線カット層の厚みは特に規定されないが、通常5μm以上、好ましくは10μm以上、より好ましくは15μm以上である。また、通常200μm以下、好ましくは180μm以下、より好ましくは150μm以下である。厚みを厚くすることで紫外線の吸収が高まる傾向にあり、薄くすることで可視光の透過率を増加させられる傾向にある。
ガスバリア層は水及び酸素の透過を防止する層である。
薄膜太陽電池素子は湿気及び酸素に弱い傾向があり、特に、ZnO:Al等の透明電極や、化合物半導体系太陽電池素子及び有機太陽電池素子が水分及び酸素により劣化することがある。そこで、ガスバリア層で薄膜太陽電池素子を被覆することにより、太陽電池素子を水及び酸素から保護し、発電性能を高く維持することができる。
なお、ガスバリア層は1種の材料で形成されていてもよく、2種以上の材料で形成されていてもよい。また、ガスバリア層は単層で形成されていてもよいが、2層以上の積層体であってもよい。
ゲッター層は水分及び/又は酸素を吸収する層である。薄膜太陽電池素子の構成部品のなかには前記のように水分で劣化するものがあり、また、酸素によって劣化するものもある。そこで、ゲッター層で薄膜太陽電池素子を覆うことにより、薄膜太陽電池素子等を水分及び/又は酸素から保護し、発電性能を高く維持するようにしている。
また、ゲッター層が酸素を吸収することにより、ガスバリア層等で薄膜太陽電池素子を被覆した場合に、ガスバリア層で形成される空間に僅かに浸入する酸素をゲッター層が捕捉して酸素による薄膜太陽電池素子への影響を排除できる。
なお、ゲッター層は1種の材料で形成されていてもよく、2種以上の材料で形成されていてもよい。また、ゲッター層は単層で形成されていてもよいが、2層以上からなる積層体であってもよい。
本発明の薄膜太陽電池モジュールは、窓ガラスに設置するための粘着層を有するのが好ましい。粘着層は薄膜太陽電池モジュールの最外層に位置し、薄膜太陽電池モジュールをガラス等の被着体に貼着するための層である。
粘着層としては、公知の透明な粘着剤を用いることができる。例えば、アクリル系粘着剤、ポリエステル系粘着剤、ゴム系粘着剤、シリコーン系粘着剤、及びポリウレタン系粘着剤などが挙げられる。中でも耐候性および透明性の観点からアクリル系粘着材が好ましい。
粘着層は、窓ガラス破損時にガラスが飛び散らないために充分な接着力や粘着力を有することが好ましい。具体的には、JIS A 5759に示された方法で、約4.0N/25mm以上の剥離力を有するものを用いることができる。
一般的な薄膜太陽電池モジュールは、通常、薄膜太陽電池素子から電気を取り出すための集電線を有する。集電線の材料としては、金属や合金などがよく用いられ、その中でも抵抗率の低い銅やアルミ、銀、金、ニッケルなどを用いることが好ましい。その中でも銅やアルミが安価であることから、特に好ましい。また、錆防止のため、集電線の周囲をスズや銀などでメッキしたり、表面を樹脂などでコートしてあったり、フィルムをラミネートしてあってもよい。集電線の形状としては、平角線、箔、平板、ワイヤー状のものがあるが、接着面積の確保などの理由から、平角線や、箔、平板状のものを用いることが好ましい。
なお、ここでいう「箔」は厚みが100μm未満のものをいい、「板」は厚みが100μm以上のものをいう。また「平角線」とは、断面が円形のワイヤーを圧延して、断面の形状を四角形にしたものをいう。
薄膜太陽電池モジュールの施工方法は被施工物により任意に選択することがでるが、本発明の薄膜太陽電池モジュールは、太陽電池一体型ウインドフィルムとして好適に用いることができ、その場合は一般的なウインドフィルムと同様の方法で施工することができる。
一般的なウインドフィルムは水貼りという方法でガラスに貼られる。この水貼りという貼り方は、フィルムをガラスに貼る際に、フィルムの粘着面およびガラス面に噴霧器で微量の中性洗剤を含む水を噴霧してから仮貼りし、その後スキージでフィルム表面を順次均一に擦り付けて密着させる。その結果、フィルムとガラスの間にある水と気泡がフィルム端部から追い出され、シワおよび気泡のない良好な貼合面を得ることができる。
本発明の薄膜太陽電池モジュールは、建物や車両等の、窓、ドア、壁面、又は天井等のガラス等、パーティション等のガラス等の被着体に貼りつけて使用することができる。この際、太陽光、室内の照明、室内の太陽光の散乱光等を利用して発電し、集電線から取り出した電力を、公知の電流電圧変換回路、蓄電池等を利用して充電、利用することができる。特に、本発明の薄膜太陽電池モジュールは、太陽電池一体型ウインドフィルムとして施工性、意匠性に優れる。
<評価手法>
本実施例において、薄膜太陽電池モジュールの評価は以下の方法で行った。
封止層を塗布、もしくは積層し、シリコーン離型PETフィルム上で溶融させた後に、プレス、冷却過程を経て厚み200μmとなるようにシート状サンプルを作成した。得られたシート状サンプルから縦4mm、横60mm、厚み200μmの短冊状サンプルを切り出した。
作製した短冊状サンプルを動的粘弾性測定装置(RSAIII、ティー・エイ・インスツルメント社製)を用いて温度分散測定(振動周波数:10Hz、昇温速度:2℃/分、歪0.05%の条件で、貯蔵弾性率(E’)を−100℃〜100℃まで測定)を行い、25℃における貯蔵弾性率(E’)を測定した。
薄膜太陽電池モジュールの水貼りスキージ後の観察結果から、○、△を以下の基準で水貼り施工性を判定した。
厚みが3.2mmのフロートガラスのモジュール貼付け面の埃や汚れを十分に取り除いた後に、薄膜太陽電池モジュールの粘着剤とガラス貼付け面に1%界面活性剤水溶液を吹き付けた。25℃の環境下において粘着剤とガラス貼付け面を密着させ、100mm幅のナイロン製のスキージを押し当てながら粘着剤とガラスの間の1%界面活性剤水溶液と気泡を除去し、スキージ施工を行なった。施工後1日以上経過したのち、1m離れた位置からモジュール薄膜太陽電池モジュールとガラスの間の気泡を観察した。
○:薄膜太陽電池モジュールとガラスの間に水泡残りが視認できない。
△:薄膜太陽電池モジュールとガラスの間に水泡残りが視認できる。
薄膜太陽電池モジュールのスキージ後の観察結果から、○、△を以下の基準で封止層のスキージ跡を判定した。
水貼りスキージ施工の方法は、上述と同様の方法で行ない、施工後半日以上経過したのち、モジュール有機薄膜太陽電池モジュールとガラスの間の気泡を観察した。
○:薄膜太陽電池モジュールにスキージ跡が視認できない。
×:薄膜太陽電池モジュールにスキージ跡が視認できる。
以下実施例に記載の粘着層を付与する前の薄膜太陽電池モジュールを200mm×200mmの大きさに切断し、水平で平滑な台上に中心部が下に凸になる状態で切断したモジュールを静置させた。次いで、台上から切断したモジュール端部の浮き上がりを金尺により測定して、モジュール反りの程度を評価した。
○:薄膜太陽電池モジュール端部の最大高さが5mm以下
△:薄膜太陽電池モジュール端部の最大高さが5mmを超える。
図2の模式断面図に示す層構成を有する薄膜太陽電池モジュールを以下の手順で作成した。
具体的には、受光面保護層として厚み0.06mmのバリアフィルム(三菱樹脂製、VIEW−BARRIER、VDK3DA)に、受光面側封止層として厚み0.03mmのエポキシ系熱硬化接着剤(スリーボンド製、16X134)を積層した縦300mm、横200mmのフィルム、次いで厚み0.12mm、縦150mm、横100mmの光電変換層、非受光面保護層として厚み0.06mmのバリアフィルム(三菱樹脂製、VIEW−BARRIER、VDK3DA)に、非受光面側封止層として厚み0.03mmのエポキシ系熱硬化接着剤(スリーボンド製、16X134)を積層した縦300mm、横200mmのフィルムをそれぞれ載せた積層体を、真空ラミネーター(NPC社製、NLM−270×400)に投入した。最初にラミネーター内部を減圧下で15分間保持した後、積層体を大気圧で圧着状態としつつ、80℃で10分間保持した。更に、120℃の熱風オーブン(ユーグロップ社製)に60分間投入し、冷却後、受光面側のバリアフィルムに厚さ0.12mmの市販のアクリル系粘着剤をロールラミ機(MCK製、MRS630A)で貼り合わせて薄膜太陽電池モジュールを製造した。
受光面側、および非受光面側の封止層の厚みをぞれぞれ0.05mmとしたこと以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池モジュールを製造した。
<実施例3>
受光面側、および非受光面側の封止層の厚みをぞれぞれ0.01mmとしたこと以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池モジュールを製造した。
受光面側の封止層の厚みを0.06mm、および非受光面側の封止層の厚みを0.04mmとしたこと以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池モジュールを製造した。
<実施例5>
受光面側の封止層の厚みを0.04mm、および非受光面側の封止層の厚みを0.06mmとしたこと以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池モジュール5を製造した。
受光面側の封止層の厚みを0.08mm、および非受光面側の封止層の厚みを0.02mmとしたこと以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池モジュールを製造した。
<実施例7>
受光面側の封止層の厚みを0.02mm、および非受光面側の封止層の厚みを0.08mmとしたこと以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池モジュールを製造した。
受光面側、および非受光面側の封止層の厚みをぞれぞれ0.06mmとしたこと以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池モジュールを得た。
<比較例2>
受光面側、および非受光面側の封止層をブチルゴム系粘着剤(住友スリーエム製)としたこと以外は、比較例1と同様に薄膜太陽電池モジュールを得た。
受光面側、および非受光面側の封止層の厚みをぞれぞれ0.03mmとしたこと以外は、比較例2と同様に薄膜太陽電池モジュールを得た。
<比較例4>
受光面側、および非受光面側の封止層の厚みをぞれぞれ0.02mmとしたこと以外は、比較例2と同様に薄膜太陽電池モジュールを得た。
2 非受光面側保護層
3 受光面側側封止層
4 非受光面側封止層
5 基板
6 下部電極
7 光電変換層
8 上部電極
9 薄膜太陽電池素子
10 粘着層
11 ガスバリア層
12 ゲッター層
Claims (4)
- 表面保護層、第一封止層、薄膜太陽電池素子、第二封止層、および裏面透明保護層を順次有する薄膜太陽電池モジュールにおいて、該封止層の25℃(スキージする温度)における縦弾性率が1×109Pa以上、および第一封止層と第二封止層との厚さの和が10μm以上110μm以下である薄膜太陽電池モジュール。
- 表面保護層、第一封止層、薄膜太陽電池素子、第二封止層、裏面透明保護層、および粘着層を順次有する、請求項1に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 第一封止層の厚さT1と第二封止層の厚さT2の比率T1/(T1+T2)が0.3〜0.7である、請求項1または2に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 第一封止層と第二封止層との厚さの和が60μm以上100μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
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