JP2020123663A - 太陽電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】温度サイクルに起因して発生し得る配線材の破断を抑制する。【解決手段】実施形態の一例である太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルと、複数の太陽電池セルのうち、隣り合う第1の太陽電池セルと第2の太陽電池セルを接続する配線材とを備える。また、太陽電池モジュールは、第1保護基材と、第2保護基材と、第1保護基材と複数の太陽電池セルの間に設けられた第1封止材と、複数の太陽電池セルと第2保護基材の間に設けられた第2封止材とを備える。第1保護基材は、透光性のガラス基材である。第1封止材の90℃における応力緩和度は、0.18〜0.52である。【選択図】図3B

Description

本開示は、太陽電池モジュールに関する。
太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルを配線材で接続して構成される太陽電池セルのストリングと、当該ストリングを挟持する2枚の保護基材と、各保護基材の間に設けられ各太陽電池セルを封止する封止材とを備える(例えば、特許文献1参照)。封止材は、例えば、各保護基材および太陽電池セルに密着してセルの移動を拘束し、また太陽電池セルを湿気等から保護する機能を有する。特許文献1には、封止材として、ポリオレフィンを主成分とする樹脂を用いることが記載されている。
特開2016−143680号公報
ところで、太陽電池モジュールの温度は、周辺環境によって大きく変化する。このため、太陽電池モジュールには、低温と高温の間で温度が変化する温度サイクルに対する高い耐久性が求められる。太陽電池モジュールの温度サイクルにおいて特に問題となるのは、隣り合う太陽電池セルを接続する配線材の破断である。温度サイクルにより、太陽電池セル同士の間隔(セル間距離)が変化して配線材に大きな負荷がかかり、配線材が破断する可能性がある。
本開示の一態様である太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルと、複数の太陽電池セルのうち、隣り合う第1の太陽電池セルと第2の太陽電池セルを接続する配線材と、複数の太陽電池セルの受光面側に設けられた第1保護基材と、複数の太陽電池セルの裏面側に設けられた第2保護基材と、第1保護基材と複数の太陽電池セルの間に設けられた第1封止材と、複数の太陽電池セルと第2保護基材の間に設けられた第2封止材とを備える。第1保護基材は、透光性のガラス基材であり、第1封止材の90℃における応力緩和度が、0.18〜0.52である。
本開示の他の一態様である太陽電池モジュールにおいて、第1封止材のヤング率は14MPa〜54MPaである。
本開示の他の一態様である太陽電池モジュールにおいて、第2保護基材のヤング率×厚みは0.1GPa・mm以上であり、第2保護基材の線膨張係数は40ppm/℃以上であり、かつ[式1]で求められる値(α1)を下限とし、[式2]で求められる値(α2)を上限とする範囲に設定される。
[式1]α1(ppm/℃)=583×E−623×E+176
[式2]α2(ppm/℃)=500×E−590×E+190
式中、Eは第2保護基材のヤング率×厚み(GPa・mm)である。
本開示の一態様である太陽電池モジュールによれば、温度サイクルに起因して発生し得る配線材の破断を高度に抑制できる。
実施形態の一例である太陽電池モジュールの一部を示す平面図である。 図1中のAA線断面の一部を示す図である。 第1封止材の応力緩和度を変化させたときの温度サイクル数とセル間距離の変位量の関係を示す図である。 第1封止材の応力緩和度を変化させたときの温度サイクル数とセル間距離の変位量の関係を示す図である。 太陽電池モジュールのシミュレーションモデルを説明するための図である。 第1封止材のヤング率を変化させたときの温度サイクル数とセル間距離の変位量の関係を示す図である。 第1封止材のヤング率を変化させたときの温度サイクル数とセル間距離の変位量の関係を示す図である。 第2保護基材におけるヤング率と線膨張係数の好適な範囲を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本開示に係る太陽電池モジュールの実施形態の一例について詳細に説明する。実施形態において参照する図面は、模式的に記載されたものであるから、図面に描画された構成要素の寸法比率などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。なお、本明細書において「数値(A)〜数値(B)」との記載は、特に断らない限り「数値(A)以上、数値(B)以下」の意図である。
図1は実施形態の一例である太陽電池モジュール10の一部を示す平面図、図2は図1中のAA線断面の一部を示す図である。図1および図2に例示するように、太陽電池モジュール10は、複数の太陽電池セル11と、配線材12と、第1保護基材13と、第2保護基材14とを備える。配線材12は、複数の太陽電池セル11のうち、隣り合う第1の太陽電池セル11Aと第2の太陽電池セル11Bを接続する。第1保護基材13は複数の太陽電池セル11の受光面側に設けられ、第2保護基材14は複数の太陽電池セル11の裏面側に設けられる。太陽電池モジュール10は、例えば平面視長方形状を有するが、その形状は適宜変更可能であり、平面視正方形状、五角形状等であってもよい。
ここで、太陽電池セル11の「受光面」とは光が主に入射する面を意味し、「裏面」とは受光面と反対側の面を意味する。太陽電池セル11に入射する光のうち、50%を超える光、例えば80%以上または90%以上の光が受光面側から入射する。受光面および裏面の用語は、太陽電池モジュール10および後述の光電変換部等についても使用する。
太陽電池モジュール10は、さらに、第1保護基材13と複数の太陽電池セル11の間に設けられた第1封止材15と、複数の太陽電池セル11と第2保護基材14の間に設けられた第2封止材16とを備える。詳しくは後述するが、第1保護基材13は透光性のガラス基材であり、第2保護基材14は樹脂を主成分とする基材であることが好ましい。太陽電池モジュール10では、90℃における応力緩和度が0.18〜0.52である第1封止材15を用いることにより、温度サイクルに起因して発生し得る配線材12の破断を高度に抑制できる。
太陽電池セル11は、太陽光を受光することでキャリアを生成する光電変換部と、光電変換部上に設けられ、キャリアを収集する集電極とをそれぞれ含む。図1に例示する光電変換部は、4つの角が斜めにカットされた平面視略正方形状を有する。光電変換部の一例としては、結晶系シリコン(Si)、ガリウム砒素(GaAs)、インジウム燐(InP)等の半導体基板と、半導体基板上に形成された非晶質半導体層と、非晶質半導体層上に形成された透明導電層とを有するものが挙げられる。
集電極は、光電変換部の受光面上に形成された受光面電極と、光電変換部の裏面上に形成された裏面電極とで構成される。この場合、受光面電極および裏面電極の一方がn側電極となり、他方がp側電極となる。なお、太陽電池セル11は、n側およびp側の各電極を光電変換部の裏面側のみに有していてもよい。一般的に、裏面電極は受光面電極よりも大面積に形成されるため、太陽電池セル11の裏面は、集電極の面積が大きい方の面、或いは集電極が形成される面といえる。本実施形態では、集電極として、受光面電極および裏面電極を有するものとする。
集電極は、複数のフィンガー電極を含むことが好ましい。但し、裏面電極については、光電変換部の裏面の略全域を覆う電極としてもよい。複数のフィンガー電極は、互いに略平行に形成された細線状の電極である。集電極は、フィンガー電極よりも幅が太く、各フィンガー電極と略直交するバスバー電極を含んでいてもよい。バスバー電極が設けられる場合、配線材12はバスバー電極に沿って、バスバー電極上に配置される。
複数の太陽電池セル11は、第1保護基材13と第2保護基材14に挟持され、各保護基材の間に充填された樹脂で構成される第1封止材15および第2封止材16によって封止されている。各太陽電池セル11は、各保護基材の表面に沿って略同一平面上に配置される。なお、各保護基材は平坦な基材に限定されず、湾曲した基材であってもよい。隣り合う太陽電池セル11は、配線材12によって直列に接続され、これにより太陽電池セル11のストリング17が形成される。配線材12は、一般的にインターコネクタ、或いはタブと呼ばれる。
配線材12は、例えば平角形状の線材であって、銅(Cu)、アルミニウム(Al)等の金属を主成分として構成される。配線材12は、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、または半田として使用される低融点合金などを主成分とするメッキ層を有していてもよい。配線材12は、1枚の太陽電池セル11の受光面および裏面に対して、それぞれ複数取り付けられることが好ましい。図1に示す例では、1枚の太陽電池セル11に対して、受光面に3本、裏面に3本、合計6本の配線材12が取り付けられている。
配線材12は、ストリング17の長手方向に沿って配置され、太陽電池セル11Aの一方側端部から、太陽電池セル11Bの他方側端部にわたって設けられている。配線材12の長さは、太陽電池セル11の2枚分の長さとセル間距離とを足した長さよりもやや短い。配線材12は、太陽電池セル11A,11Bの間でモジュールの厚み方向に曲がり、太陽電池セル11Aの受光面と太陽電池セル11Bの裏面に、樹脂接着剤または半田を用いてそれぞれ接合される。そして、配線材12は太陽電池セル11の集電極と電気的に接続される。樹脂接着剤には、導電性フィラーが含有されていてもよい。配線材12のセル間に配置される部分には、屈曲部が形成される。
太陽電池モジュール10には、一般的に、配線材12によって直列に接続された複数の太陽電池セル11が一列に並ぶストリング17が複数含まれる。各ストリング17の長手方向両側には、隣り合うストリング17を電気的に接続する渡り配線材が設けられる。太陽電池モジュール10は、第1保護基材13および第2保護基材14の周縁に沿って取り付けられるフレームを備えていてもよい。フレームは、各保護基材の周縁部を保護し、太陽電池モジュール10を屋根等に取り付ける際に利用される。一方、太陽電池モジュール10は、フレームを有さない所謂フレームレスモジュールであってもよい。
太陽電池モジュール10は、受光面側から順に、第1保護基材13、第1封止材15、太陽電池セル11のストリング17、第2封止材16、および第2保護基材14が積層された構造を有する。なお、太陽電池モジュール10には、本開示の目的を損なわない範囲で、第1保護基材13と第2保護基材14の間に封止材以外の部材を配置する等、他の部材が用いられてもよい。
以下、第1保護基材13、第2保護基材14、第1封止材15、および第2封止材16について、特に第1封止材15について詳説する。
第1保護基材13は、ストリング17の全体を覆い、太陽電池セル11を外部衝撃、湿気等から保護する。第1保護基材13には、透光性のガラス基材(ガラス基板)が用いられる。第1保護基材13の全光線透過率は高いことが好ましく、例えば80%〜100%、または85%〜95%である。全光線透過率は、JIS K7361−1(プラスチック−透明材料の全光線透過率の試験方法−第1部:シングルビーム法)に基づいて測定される。
第2保護基材14には、第1保護基材13と同様に透光性の基材が用いられてもよく、太陽電池モジュール10の裏面側からの受光を想定しない場合は不透明な基材が用いられてもよい。第2保護基材14の全光線透過率は特に限定されず、0%であってもよい。第2保護基材14には、ガラス基材または金属製の基材を用いてもよいが、太陽電池モジュール10の軽量化を図るためには、樹脂基材を用いることが好ましい。本実施形態では、第2保護基材14として、第1保護基材13よりも厚みが薄い樹脂基材(樹脂フィルム)を用いるものとする。
太陽電池モジュール10において、第1保護基材13の剛性は第2保護基材14の剛性よりも高い。基材の剛性(N・m)は、ヤング率×断面二次モーメントで求められる。断面二次モーメント(I)は、例えば板状断面形状であれば、I=幅b(m)×厚みh(mm)/12で求められる。ヤング率は第1保護基材13>第2保護基材14であり、熱膨張係数は第1保護基材13<第2保護基材14である。各構成材料のヤング率(E)はJIS K7161−1に基づいて測定される。また、線膨張係数はJIS K7197に基づいて測定される。
第1封止材15および第2封止材16は、上述の通り、第1保護基材13と第2保護基材14の間に設けられ、太陽電池セル11のストリング17を封止する樹脂である。第1封止材15および第2封止材16は、太陽電池セル11に密着してセルの移動を拘束し、太陽電池セル11が酸素、水蒸気等に曝されないように封止する。特に、モジュール内の水分量が多くなると、出力低下等の性能劣化が促進されるため、封止材には水蒸気透過性が低く、吸水率の低い樹脂を用いることが好ましい。
第1封止材15の厚みは特に限定されないが、太陽電池セル11の封止性、透光性等を考慮すると、0.1mm〜2mmが好ましい。第2封止材16の厚みは、例えば第1封止材15の厚みと同等である。なお、好適な厚みの詳細については後述する。第1封止材15の全光線透過率は高いことが好ましく、例えば80%〜100%、または85%〜95%である。他方、第2封止材16の全光線透過率は特に限定されない。太陽電池モジュール10の裏面側からの受光を想定しない場合、第2封止材16は、白色顔料、黒色顔料等の色材を含有していてもよく、全光線透過率は0%であってもよい。
第1封止材15および第2封止材16には、同じ樹脂を用いてもよいが、好ましくは異なる樹脂を用いる。太陽電池モジュール10では、第1保護基材13にガラス基材が、第2保護基材14に樹脂基材が用いられるため、第2保護基材14側からモジュール内に水分が浸入し易い。この場合、浸入した水分が第1保護基材13側から抜けないため、特に第1封止材15に吸水率の低い疎水性の高い樹脂を用いることが好ましい。例えば、第1封止材15にポリオレフィンを用い、第2封止材16にエチレン・ビニルアセテート共重合体(EVA)を用いることが好ましい。
太陽電池モジュール10は、−40℃のような低温から、90℃のような高温まで様々な温度環境下で使用されることが想定されるため、優れた温度サイクル耐性を有することが望ましい。上述の通り、太陽電池モジュール10の温度サイクルにおいて特に問題となるのは配線材12の破断である。低温と高温の間で温度サイクルが繰り返されると、セル間距離の変化により配線材12に大きな負荷が作用して配線材12が破断する可能性がある。特に、第1封止材15としてポリオレフィンを用いた場合、温度サイクルによる配線材12の破断が発生し易くなる。
本発明者らは、太陽電池モジュールの温度サイクルにおいて、封止材に作用する応力、当該応力がセル間距離に与える影響等を解析して鋭意検討した結果、第1封止材15の応力緩和度が配線材12の破断を防止する上で極めて重要であることを突き止めた。温度サイクルを繰り返すと、剛性の高い第1保護基材13と太陽電池セル11に挟まれた第1封止材15には、セル間およびその近傍において圧縮応力と引張応力が複雑に作用する。このため、配線材12の不規則な変形が促進されると共に、セル間距離が縮み、配線材12の破断に至る。本発明者らの検討の結果、配線材12の破断に至るメカニズムが解明され、配線材12の破断を抑制するための重要なファクター(第1封止材15の応力緩和度)が明らかとなった。第1封止材15の90℃における応力緩和度を特定の範囲に制御することで、セル間距離の収縮が抑制され、配線材12の破断が高度に抑制される。
ここで、第1封止材15の応力緩和度とは、第1封止材15のヤング率の経時的な変化の度合いを意味する。具体的には、第1封止材15の応力緩和度は、第1封止材15の所定の温度に到達したときのヤング率の初期値と、所定の温度に到達後一定の期間(本明細書内では500秒)経過した後のヤング率の値と、の比で示される。第1封止材15の90℃における応力緩和度(以下、「応力緩和度(90℃)」とする)は、第1封止材15を90℃に加熱した状態で、第1封止材15の厚み方向両側から一定の力を加え、その厚みの経時的な変化を測定することで求められる。なお、応力緩和の測定に具体的な方法については、JIS K6263の圧縮応力緩和試験の記述を参照することができる。
第1封止材15の応力緩和度(90℃)は、上述の通り、0.18〜0.52に制御される。応力緩和度(90℃)を当該範囲内に制御することで、温度サイクルに伴うセル間距離の変位が緩和され、配線材12の破断を高度に抑制できる。応力緩和度(90℃)は、好ましくは0.20〜0.46、より好ましくは0.24〜0.38である。さらに、第1封止材15の60℃における応力緩和度(以下、「応力緩和度(60℃)」とする)は、0.80〜0.82であることが好ましい。応力緩和度(90℃)が0.18〜0.52、かつ応力緩和度(60℃)が0.80〜0.82である場合に、温度サイクルに伴うセル間距離の変位量をより低減できる。
図3Aおよび図3Bは、第1封止材の応力緩和度を変化させたときの温度サイクル数とセル間距離の変位量の関係を示す図である。この関係は、有限要素法(FEM)による太陽電池モジュールの温度サイクルシミュレーションに基づいて得られたものである。太陽電池モジュールでは、1000サイクル目のセル間距離の変位量が±10μmよりも大きくなる場合に、配線材の破断が高い確率で発生する。このため、本シミュレーションでは、1000サイクル目のセル間距離の変化量の閾値を±10μmに設定した。
図4は、本シミュレーションに適用した太陽電池モジュールのモデルを説明するための図である。図4に示すように、隣り合う2つの太陽電池セル11は配線材12で接続され、配線材12は太陽電池セル11の受光面および裏面に樹脂接着剤を介して接合されている。温度サイクル前のセル間距離(d)は2mmである。配線材12は各太陽電池セル11の受光面および裏面に3本ずつ設けられ、各配線材12の幅を1.2mm、各配線材12と太陽電池セル11の間に配置される樹脂接着剤の幅を1.0mm、配線材12の幅方向に沿った太陽電池セル11の長さを125.3mmとした。また、太陽電池セル11の端から配線材12の端までの距離(D)を2mmとした。距離(D)の範囲において、2つの太陽電池セル11を接続する配線材12とセルの間には、セルの受光面側には第1封止材15が、セルの裏面側には第2封止材16が充填されるものとした。
表1に、各構成部材のヤング率、熱膨張係数、および厚みを示す。ここで、第1封止材15の厚み(T15)は、第1保護基材13の表面から太陽電池セル11の厚み方向中央までのモジュールの厚み方向に沿った長さである。同様に、第2封止材16の厚みは、第2保護基材14の表面から太陽電池セル11の厚み方向中央までのモジュールの厚み方向に沿った長さである。
Figure 2020123663
本シミュレーションに用いた解析ソフト、温度サイクル条件等は下記の通りである。
・解析ソフト:FEM解析ソフト
Abaqus(インターメッシュジャパン株式会社製)
・温度サイクル条件:20℃〜90℃×1000サイクル
・アウトプット:セル間距離(d)の変化量(Δd)
・第1封止材の応力緩和度(90℃):0.1099から0.8509の間で変更
・第2封止材の応力緩和度(90℃):0.8509
温度サイクル条件は、砂漠気候の夏における昼と朝のモジュール温度差を想定したものである。
図3Aの●、▲、■、〇は、それぞれ、第1封止材15の応力緩和度(90℃)が0.1099、0.2174、0.4301、0.8509である場合の温度サイクルのシミュレーション結果を示す。図3Bの●、▲は、それぞれ、第1封止材15の応力緩和度(90℃)が0.1833、0.5101である場合のシミュレーション結果を示す。図3Aおよび図3Bに示すように、応力緩和度(90℃)が0.1833〜0.5101の範囲であれば、1000サイクル目のセル間距離の変位量(Δd)を±10μm以内に抑えることができる。この場合、配線材12の破断が高度に抑制される。一方、応力緩和度(90℃)が0.18未満である場合、または0.52を超える場合は、1000サイクル目のセル間距離の変位量(Δd)を±10μm以内に抑えることができず、温度サイクルを繰り返すと配線材12の破断に至る可能性がある。
上記シミュレーション結果から理解されるように、温度サイクルに優れた太陽電池モジュール10を構築する上で、第1封止材15の応力緩和度は、セル間距離の変位量(Δd)を抑えて配線材の破断を防止するための重要な指標となる。温度サイクルにおける配線材12の破断を防止する上で、第1封止材15の応力緩和度は極めて重要であるが、第1封止材15のヤング率、熱膨張係数、厚み等、また第1封止材15以外の構成部材の物性についても好適な範囲が存在する。中でも、第1封止材15のヤング率は、応力緩和度と共に重要なファクターである。
第1封止材15のヤング率は、5MPa〜100MPaが好ましく、10MPa〜70MPaがより好ましく、14MPa〜54MPaが特に好ましい。第1封止材15のヤング率を当該範囲内に制御することで、温度サイクルに伴うセル間距離の変位が緩和され、配線材12の破断を高度に抑制できる。第1封止材15は、応力緩和度(90℃)が0.18〜0.52であり、かつヤング率が14MPa〜54MPaであることが好ましい。
図5Aおよび図5Bは、第1封止材15のヤング率を変化させたときの温度サイクル数とセル間距離の変位量(Δd)の関係を示す図である。この関係は、FEMによる太陽電池モジュール10の温度サイクルシミュレーションに基づくものであって、当該シミュレーションは、変動因子を応力緩和度からヤング率に変更したこと以外、上記シミュレーションと同様の条件で行った。なお、第1封止材の応力緩和度(90℃)は0.1099とした。
図5Aの●、▲、■、〇、△は、それぞれ、第1封止材15のヤング率(25℃)が10MPa、37.5MPa、50MPa、67MPa、300MPaである場合の温度サイクルのシミュレーション結果を示す。図5Bの●、▲は、それぞれ、第1封止材15のヤング率(25℃)が14MPa、54MPaである場合のシミュレーション結果を示す。図5Aおよび図5Bに示すように、ヤング率(25℃)が14MPa〜54MPaの範囲であれば、1000サイクル目のセル間距離の変位量(Δd)を±10μm以内に抑えることができ、配線材12の破断を高度に抑制できる。
また、第1封止材15の熱膨張係数は、100ppm/℃〜500ppm/℃が好ましく、200ppm/℃〜400ppm/℃がより好ましい。第1封止材15の厚みは、0.1mm〜2mmが好ましく、0.2mm〜1mmがより好ましく、0.3mm〜0.8mmが特に好ましい。
好適な第1封止材15の物性の一例は、下記の通りである。
・応力緩和度(90℃):0.18〜0.52
・応力緩和度(60℃):0.80〜0.82
・ヤング率(25℃):14MPa〜54MPa
・熱膨張係数:200ppm/℃〜400ppm/℃
・厚み:0.3mm〜0.8mm
第1封止材15を構成する樹脂は、上述の物性を満たすものであれば特に限定されないが、水分に起因する性能劣化の抑制等の観点から、好ましくはポリオレフィンを含む樹脂で構成される。ポリオレフィンは、例えば、炭素数2〜20のαオレフィンから選ばれる少なくとも1種のモノマーを重合して得られる。ポリオレフィンは、エチレンと他のαオレフィンとのランダム又はブロック共重合体、プロピレンと他のαオレフィンとのランダム又はブロック共重合体を主成分とし、架橋成分を含むことが好ましい。
第1封止材15の架橋度は、ゲル分率により評価できる。ゲル分率が高いほど樹脂の架橋密度が高い傾向にある。第1封止材15のゲル分率は、15%〜90%が好ましく、25%〜80%がより好ましい。ゲル分率(架橋度)は、例えば、架橋剤の種類や添加量、後述する加熱条件等により調整できる。第1封止材16のゲル分率は、例えば20%〜80%である。
封止材のゲル分率は、下記の方法により測定される。
測定対象となる樹脂を1g準備し、120℃、100mlのキシレンに24時間浸漬する。その後、キシレン中の残留物を取り出し、80℃で16時間乾燥させ、乾燥後の残留物の質量を測定する。ゲル分率(%)は下式(1)により算出される。
式(1):ゲル分率(%)=(残留物の質量)/(浸漬前の樹脂の質量)
第1封止材15は、ポリオレフィンと他の樹脂を混合した樹脂で構成されてもよい。他の樹脂としては、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、また第2封止材16として好適なエチレン・ビニルアセテート共重合体(EVA)などが例示できる。ポリオレフィンの含有量は、第1封止材15を構成する樹脂の総重量に対して、例えば25重量%〜75重量%であって、上述の応力緩和度(90℃)等を満たすように配合される。
第1封止材15は、ポリオレフィンを主成分とする樹脂で構成されることが好ましい。ポリオレフィンと他の樹脂を混合する場合、ポリオレフィンの含有量は、50重量%以上が好ましく、60重量%以上がより好ましく、70重量%以上が特に好ましい。第1封止材15は、例えば、プロピレン由来の構成単位を70モル%以上含有するポリオレフィンと、EVAとを、75:25の重量比で混合した樹脂で構成されてもよい。第1封止材15には、複数の樹脂の混合性を向上させるために、相溶化剤、界面活性剤などが含まれていてもよい。
第2封止材16の物性は、第1封止材15の物性と比べて、温度サイクルに伴うセル間距離の変位に影響し難いが、応力緩和度、ヤング率等について好ましい範囲が存在する。第2封止材16の応力緩和度(90℃)は、0.25〜0.90が好ましく、0.40〜0.85がより好ましい。ヤング率(25℃)は、5MPa〜50MPaが好ましく、8MPa〜20MPaがより好ましい。熱膨張係数は、100ppm/℃〜500ppm/℃が好ましく、200ppm/℃〜400ppm/℃がより好ましい。第2封止材16の厚みは、第1封止材15と同様に、0.1mm〜2mmが好ましく、0.2mm〜1mmがより好ましく、0.3mm〜0.8mmが特に好ましい。第2封止材16を構成する樹脂は、特に限定されないが、好ましくはEVAである。
第1封止材15および第2封止材16は、各種添加物を含有していてもよい。添加物としては、酸化防止剤、紫外線吸収剤、耐候性付与剤、シランカップリング剤、粘着性付与剤、波長変換物質などが例示できる。カップリング剤は、少なくとも第1封止材15に含有される。カップリング剤としては、シランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、及びアルミネート系カップリング剤等が挙げられる。第2封止材16には、酸化チタン等の顔料が添加されていてもよい。
第1保護基材13には、上述の通り、透光性のガラス基材が用いられる。第1保護基材13は、太陽電池モジュール10の構成部材の中で最も剛性の高い部材であって、温度サイクルにおいて第1封止材15の応力分布に大きな影響を与える。第1保護基材13の厚みは特に限定されないが、耐衝撃性、軽量性、光透過性等を考慮すると、0.5mm〜10mmが好ましく、1mm〜5mmがより好ましい。第1保護基材13は、太陽電池モジュール10の構成部材の中で最も分厚い部材である。
第2保護基材14には、第1保護基材13と同様にガラス基材が用いられてもよいが、軽量性等の観点から、好ましくは樹脂フィルムが用いられる。樹脂フィルムは、例えば環状ポリオレフィン、ポリカーボネート(PC)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、およびポリエチレンナフタレート(PEN)から選択される少なくとも1種で構成される。また、第2保護基材14は、繊維強化プラスチック(FRP)で構成されていてもよい。
第2保護基材14のヤング率、厚み、および線膨張係数は、温度サイクルに伴うセル間距離の変位に関与し、配線材12の破断に影響し得る。したがって、第2保護基材14のヤング率等を後述の特定の範囲に制御することが好ましい。第2保護基材14の厚みは、0.05mm〜0.5mmが好ましく、0.1mm〜0.3mmがより好ましい。第2保護基材14の物性を制御することにより、配線材12の破断をより高度に抑制できる。
図6は、第2保護基材14のヤング率と線膨張係数の好適な範囲を示す。この範囲は、第2保護基材14のヤング率および線膨張係数を変動因子とした、上述の温度サイクルシミュレーションによって求められる。図6に示すように、第2保護基材14の線膨張係数は40ppm/℃以上、ヤング率×厚みは0.1GPa・mm以上であり、さらに、線膨張係数は[式1]で求められる値(α1)を下限とし、[式2]で求められる値(α2)を上限とすることが好ましい。
[式1]α1(ppm/℃)=583×E−623×E+176
[式2]α2(ppm/℃)=500×E−590×E+190
式中、Eは第2保護基材のヤング率×厚み(GPa・mm)である。
第2保護基材14は、ヤング率および線膨張係数が図6に示す範囲となるように調整された、PETを主成分とする樹脂で構成されることが好ましい。
太陽電池セル11、配線材12、および太陽電池セル11と配線材12を接合する接着剤についても、温度サイクルに伴うセル間距離の変位にある程度影響する。太陽電池セル11は、太陽電池モジュール10の構成部材の中で第1保護基材13に次いで剛性の高い部材であって、例えば0.1mm〜0.3mmの厚みを有する。太陽電池セル11の受光面および裏面には、樹脂接着剤を介して3本の配線材12が互いに平行に接合されることが好ましい。配線材12の厚みは、0.1mm〜0.5mmが好ましく、0.2mm〜0.3mmがより好ましい。配線材12の幅は、0.3mm〜3mmが好ましく、0.5mm〜1.5mmがより好ましい。複数の配線材12の幅の合計は、太陽電池セル11の各配線材12が並ぶ方向の長さに対して、2.0%〜4.5%が好ましい。
太陽電池セル11と配線材12を接合する樹脂接着剤は、セルの端から所定範囲内に設けられないことが好ましい。即ち、配線材12は、当該所定範囲内において太陽電池セル11の受光面および裏面に接合されないことが好ましい。所定範囲の一例は、1mm〜3mmである。配線材12にはセル間に屈曲部が形成されるが、屈曲部の近傍には、太陽電池セル11の受光面および裏面に接合されない部分が存在する。
太陽電池モジュール10は、太陽電池セル11のストリング17を、第1保護基材13、第2保護基材14、第1封止材15、および第2封止材16を用いてラミネートすることにより製造できる。ラミネート工程では、ヒーター上に、第1保護基材13、第1封止材15、ストリング17、第2封止材16、第2保護基材14を順に積層する。この積層体は、例えば真空状態で150℃〜165℃に加熱される。このとき、第1封止材15および第2封止材16が溶融または軟化し、ストリング17および各保護基材に密着することで、図2に示すような断面構造を有する太陽電池モジュール10が得られる。ラミネート工程後、150℃〜165℃の温度で、20分〜40分の熱処理工程(キュア工程)を設けてもよい。その後、必要により、フレーム、端子ボックス等を取り付けてもよい。
上記ラミネート工程およびキュア工程の温度、時間等を調整することにより、第1封止材15および第2封止材16の架橋度を制御することができる。一般的には、温度が高くなるほど、時間が長くなるほど、封止材の架橋度は高くなる。太陽電池モジュール10の製造工程では、ラミネート工程およびキュア工程の条件を適宜変更して、第1封止材15の応力緩和度(90℃)が0.18〜0.82となるように制御してもよい。
以上のように、上述の構成を備えた太陽電池モジュール10によれば、温度サイクルにおけるセル間距離の変位が緩和され、配線材12の破断が高度に抑制される。この成果は、配線材12の破断に至るメカニズムが解明され、セル間距離の変位を緩和するための重要なファクター(特に、第1封止材15の応力緩和度(90℃))が明らかとなったことに起因する。つまり、本発明によって、優れた温度サイクル耐性を実現するための設計指標が明らかになった。
10 太陽電池モジュール、11,11A,11B 太陽電池セル、12 配線材、13 第1保護基材、14 第2保護基材、15 第1封止材、16 第2封止材、17 ストリング

Claims (8)

  1. 複数の太陽電池セルと、
    前記複数の太陽電池セルのうち、隣り合う第1の太陽電池セルと第2の太陽電池セルを接続する配線材と、
    前記複数の太陽電池セルの受光面側に設けられた第1保護基材と、
    前記複数の太陽電池セルの裏面側に設けられた第2保護基材と、
    前記第1保護基材と前記複数の太陽電池セルの間に設けられた第1封止材と、
    前記複数の太陽電池セルと前記第2保護基材の間に設けられた第2封止材と、
    を備え、
    前記第1保護基材は、透光性のガラス基材であり、
    前記第1封止材の90℃における応力緩和度が、0.18〜0.52である、太陽電池モジュール。
  2. 前記第1封止材は、ポリオレフィンを含む樹脂で構成される、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記第1封止材のゲル分率が、15%〜90%である、請求項1または2に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記第1封止材のヤング率が、14MPa〜54MPaである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記第1封止材の60℃における応力緩和度が、0.80〜0.82である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
  6. 複数の太陽電池セルと、
    前記複数の太陽電池セルのうち、隣り合う第1の太陽電池セルと第2の太陽電池セルを接続する配線材と、
    前記複数の太陽電池セルの受光面側に設けられた第1保護基材と、
    前記複数の太陽電池セルの裏面側に設けられた第2保護基材と、
    前記第1保護基材と前記複数の太陽電池セルの間に設けられた第1封止材と、
    前記複数の太陽電池セルと前記第2保護基材の間に設けられた第2封止材と、
    を備え、
    前記第1保護基材は、透光性のガラス基材であり、
    前記第1封止材のヤング率が、14MPa〜54MPaである、太陽電池モジュール。
  7. 前記第2保護基材のヤング率×厚みが、0.1GPa・mm以上であり、
    前記第2保護基材の線膨張係数が、40ppm/℃以上であり、かつ[式1]で求められる値(α1)を下限とし、[式2]で求められる値(α2)を上限とする範囲に設定される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
    [式1]α1(ppm/℃)=583×E−623×E+176
    [式2]α2(ppm/℃)=500×E−590×E+190
    式中、Eは第2保護基材のヤング率×厚み(GPa・mm)である。
  8. 複数の太陽電池セルと、
    前記複数の太陽電池セルのうち、隣り合う第1の太陽電池セルと第2の太陽電池セルを接続する配線材と、
    前記複数の太陽電池セルの受光面側に設けられた第1保護基材と、
    前記複数の太陽電池セルの裏面側に設けられた第2保護基材と、
    前記第1保護基材と前記複数の太陽電池セルの間に設けられた第1封止材と、
    前記複数の太陽電池セルと前記第2保護基材の間に設けられた第2封止材と、
    を備え、
    前記第1保護基材は、透光性のガラス基材であり、
    前記第2保護基材のヤング率×厚みが、0.1GPa・mm以上であり、前記第2保護基材の線膨張係数が、40ppm/℃以上であり、かつ[式1]で求められる値(α1)を下限とし、[式2]で求められる値(α2)を上限とする範囲に設定される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
    [式1]α1(ppm/℃)=583×E−623×E+176
    [式2]α2(ppm/℃)=500×E−590×E+190
    式中、Eは第2保護基材のヤング率×厚み(GPa・mm)である。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013030734A (ja) * 2011-06-24 2013-02-07 Mitsubishi Chemicals Corp 太陽電池モジュール
JP2013201212A (ja) * 2012-03-23 2013-10-03 Hitachi High-Technologies Corp 光電変換装置および光電変換装置の製造方法
JP2015057811A (ja) * 2013-03-26 2015-03-26 三菱化学株式会社 太陽電池モジュール
WO2017090521A1 (ja) * 2015-11-25 2017-06-01 三井化学東セロ株式会社 太陽電池モジュール
JP2017107994A (ja) * 2015-12-10 2017-06-15 パナソニックIpマネジメント株式会社 太陽電池モジュール
JP2018014542A (ja) * 2011-11-10 2018-01-25 パナソニックIpマネジメント株式会社 太陽電池モジュール
JP2018505957A (ja) * 2014-12-11 2018-03-01 メトグラス・インコーポレーテッド Fe−Si−B−C系アモルファス合金薄帯及びそれからなる変圧器磁心
JP2018125317A (ja) * 2015-06-04 2018-08-09 株式会社ブリヂストン 太陽電池用封止膜及び太陽電池モジュール

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013030734A (ja) * 2011-06-24 2013-02-07 Mitsubishi Chemicals Corp 太陽電池モジュール
JP2018014542A (ja) * 2011-11-10 2018-01-25 パナソニックIpマネジメント株式会社 太陽電池モジュール
JP2013201212A (ja) * 2012-03-23 2013-10-03 Hitachi High-Technologies Corp 光電変換装置および光電変換装置の製造方法
JP2015057811A (ja) * 2013-03-26 2015-03-26 三菱化学株式会社 太陽電池モジュール
JP2018505957A (ja) * 2014-12-11 2018-03-01 メトグラス・インコーポレーテッド Fe−Si−B−C系アモルファス合金薄帯及びそれからなる変圧器磁心
JP2018125317A (ja) * 2015-06-04 2018-08-09 株式会社ブリヂストン 太陽電池用封止膜及び太陽電池モジュール
WO2017090521A1 (ja) * 2015-11-25 2017-06-01 三井化学東セロ株式会社 太陽電池モジュール
JP2017107994A (ja) * 2015-12-10 2017-06-15 パナソニックIpマネジメント株式会社 太陽電池モジュール

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