JP5165114B2 - 太陽電池モジュール用コーティング剤、並びに太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
保護ガラスの屈折率n2(n2=1.5)、空気の屈折率n1(n1=1)とすると、光が保護ガラスに対して垂直に入射するときの反射率R(R=(n1−n2)/(n1+n2))は4%と大きい。そのため、この保護ガラスにおける反射率を低減することが重要であり、保護ガラスの表面に低屈折率の薄膜からなる反射防止膜を形成することが必要とされている。また、適切な厚さ(d=λ/4n3,λ=波長,n3=反射防止膜の屈折率)の反射防止膜を形成することができれば、保護ガラスと反射防止膜との界面において反射光の位相を逆転させて打ち消し合わせることで、反射率を低減することができる。しかし、屈折率は物質固有の値であるため、反射防止膜の材料を適切に選択することが前提となる。さらに、太陽電池モジュールは、屋外で使用されることが多いため、反射防止膜は、耐摩耗性や耐候性が高く、紫外線を含む太陽光の波長範囲において透過率が高い材料から形成されることが好ましい。
そこで、高温焼成や特殊な溶剤を不要とし、コスト面において有利な反射防止膜の形成方法が研究されている。
例えば、特許文献1では、特定の金属アルコキシドオリゴマーを二酸化ケイ素のバインダとして用いた反射防止膜が提案されている。この反射防止膜は、従来の焼成温度(約500℃)よりも低温(150〜250℃)で形成することができ、且つ反射防止効果に優れている。
また、特許文献2では、金属酸化物ゾル及び金属酸化物微粒子を含む塗布液から形成された反射防止膜が提案されている。
また、特許文献2の方法で得られる反射防止膜は、透明性に劣り、所望の反射率低減効果が得られないと共に、耐磨耗性も十分でない。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、反射率低減効果、耐摩耗性及び耐候性に優れた反射防止膜を室温で形成し得る太陽電池モジュール用コーティング剤を提供することを目的とする。
また、本発明は、低コストで製造可能な、光電変換効率に優れた太陽電池モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、平均粒径が15nm以下のシリカ微粒子(A)と、屈折率が1.36以下の低屈折率樹脂粒子(B)とを水性媒体中に分散してなる太陽電池モジュール用コーティング剤であって、固形分が5質量%以下であり、且つ固形分中の前記シリカ微粒子(A)と前記低屈折率樹脂粒子(B)との質量比(シリカ微粒子(A)/低屈折率樹脂粒子(B))が、20/80を超え70/30未満であることを特徴とする太陽電池モジュール用コーティング剤である。
本実施の形態の太陽電池モジュール用コーティング剤(以下、単に「コーティング剤」という)は、シリカ微粒子(A)と低屈折樹脂粒子(B)とを水性媒体中に分散してなる。
シリカ微粒子(A)は、コーティング剤を塗布及び乾燥すると多孔質のシリカ膜を形成する。このシリカ膜は、微小な空隙を有するため透明である。また、このシリカ膜の屈折率は、低屈折率微粒子(B)の屈折率と同程度に低いため(SiO2の屈折率:1.45、空隙率が20%のシリカ膜の屈折率:約1.35)、当該コーティング剤から形成されるコーティング膜(反射防止膜)の屈折率を低下させることが可能となる。
なお、シリカ微粒子(A)は、上記範囲の平均粒径を有していれば粒径分布が広くてもかまわない。
低屈折率樹脂粒子(B)としては、特に限定されないが、例えば、フッ素樹脂粒子等が挙げられる。フッ素樹脂粒子は、屈折率が低いだけでなく、摩擦時の潤滑性、変形し易さ、及び耐候性等にも優れているため特に適切である。フッ素樹脂粒子としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン、屈折率1.35)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、屈折率1.34)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、屈折率1.34)等が挙げられ、安定性等に優れるPTFE、FEP及びPFAがより好ましい。
有機溶剤としては、特に限定されないが、例えば、メチレンクロライド、酢酸メチル、酢酸エチル、アセト酢酸メチル、アセトン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン、シクロヘキサノン、ギ酸エチル、2−プロパノール等が挙げられる。可塑剤としては、特に限定されないが、リン酸エステル、多価アルコールエステル、フタル酸エステル、クエン酸エステル、ポリエステル、脂肪酸エステル、多価カルボン酸エステル等が挙げられる。
コーティング剤における有機溶剤及び可塑剤の含有量は、特に限定されず、使用する成分の種類に応じて適宜調整すればよい。
また、コーティング剤中の水性媒体の含有量は、特に限定されないが、一般に95.0〜99.5質量%である。
シリカ微粒子(C)の含有量は、シリカ全体(シリカ微粒子(A)及び(B)の合計)に対して5質量%以上20質量%未満であることが好ましい。シリカ微粒子(C)の含有量が5質量%未満であると、シリカ微粒子(C)を含有させることによる効果が十分に得られないことがある。一方、シリカ微粒子(C)の含有量が20質量%以上であると、所望の強度を有する反射防止膜が得られないことがある。
有機溶剤としては、特に限定されず、例えば、各種のアルコール系、グリコール系、エステル系、エーテル系等のものが挙げられる。
シラン化合物としては、特に限定されず、例えば、トリフルオロプロピルトリメトキシランやメチルトリクロロシラン等のハロゲン含有物、ジメチルジメトキシシランやメチルトリメトキシシラン等のアルキル基含有物、1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン等のシラザン化合物、メチルメトキシシロキサン等のオリゴマー等が挙げられる。
これらの成分の含有量は、コーティング剤の特性を損なわない範囲であれば特に限定されず、選択した成分にあわせて適宜調整すればよい。
シリカ微粒子(A)と低屈折樹脂粒子(B)とを水性媒体中に分散してなるコーティング剤は、プラスチック基材のような疎水性表面や、表面汚染や各種の処理等によって親水性が低下した状態にあるガラス基材表面に対して塗装性が悪く、密着力が弱い場合がある。これは、シリカ微粒子(A)の親水性が高いこと、低屈折率樹脂粒子(B)自体は疎水性が高いが、コーティング剤中でその表面に界面活性剤が付着することによって親水性となっている場合があることに起因する。そのため、コーティング剤を当該基材に十分に塗装することができない場合や、コーティング剤から形成される反射防止膜が当該基材から剥がれ易い場合がある。
なお、従来は、親水性のコーティング膜を疎水性のプラスチック基材や親水性が低下した状態にあるガラス基材に形成する場合、UV照射、コロナ放電処理、フレーム処理、クロム酸液やアルカリ液への浸漬などの前処理を行うことが通常であったが、酸化剤(D)を含むコーティング剤を用いることによって、この前処理を省略することが可能となる。
なお、各成分の混合時には、上記した界面活性剤や各種無機塩等の分散剤を配合してもよい。また、混合は、必要に応じてホモジナイザーや、その他の分散装置を用いることにより、分散性をより一層高めることができる。
本実施の形態の太陽電池モジュールは、上記のコーティング剤から形成された反射防止膜を受光面側表面に有する。
以下、本実施の形態の太陽電池モジュールの一例につき、図面を用いて説明する。
図1は、本実施の形態の太陽電池モジュールの基本構造の断面図を示す。図1において、太陽電池モジュールの基本構造は、所定の間隔をあけて配置された複数の太陽電池セル1と、複数の太陽電池セル1を接続する配線2と、太陽電池セル1及び配線2の全体を封入する透明樹脂3と、受光面側の透明樹脂3上に形成された保護ガラス5と、反対側の透明樹脂3上に形成された保護フィルム4と、保護ガラス5上に形成された反射防止膜6とから構成されている。そして、この基本構造の端部は、アルミフレーム等によって枠組みされている(図示していない)。
このような構成を有する太陽電池モジュールは公知であり、反射防止膜6を除き、公知の材料を用いて作製することができる。
なお、大きな物体と接触した際の耐摩耗性は十分である一方で、微小な突起物等による引掻き傷等がシリカ膜10に生じ易い。しかし、太陽電池モジュール用の反射防止膜6においては、このような微小な引掻き傷等が問題になることはほとんどない。
また、低屈折率樹脂粒子(B)11は、屈折率が低いため、反射防止膜の屈折率を低下させる効果も与える。
第1層のシリカ膜12は、平均粒径が15nm以下のシリカ微粒子(A)を水中に分散してなる分散液を用いて形成することができる。この分散液中の固形分(シリカ微粒子(A))は5質量%以下である。また、この分散液は、保護ガラス5に対する塗布性や第1層のシリカ膜12の保護ガラス5に対する密着性を向上させる観点から、酸化剤(D)を含むことができる。なお、第1層上には、第2層が形成されるため、第1層には耐摩耗性は要求されない。それ故、第1層には低屈折率樹脂粒子(B)を分散させる必要はない。
本実施の形態の太陽電池モジュールの製造方法は、上記のコーティング剤を用い、室温にて反射防止膜6を形成する。
図2の構成を有する反射防止膜6を形成する場合、太陽電池モジュールの受光面側表面(すなわち、保護ガラス5)上に上記のコーティング剤を塗布した後、室温中、所定の気流速度下で乾燥させればよい。
塗布したコーティング剤は、厚さムラの発生防止、低屈折率樹脂粒子(B)11の分散性の向上等の観点から、所定の気流速度下で乾燥させる。使用可能な気流としては、特に限定されず、例えば、空気を用いることができる。また、気流速度は、0.5m/秒以上30m/秒以下、好ましくは1m/秒以上25m/秒以下である。気流速度が0.5m/秒未満であると、乾燥速度が遅くなるため、乾燥時にシリカ微粒子(A)と低屈折率樹脂粒子(B)11とが分離し易くなり、低屈折率樹脂粒子(B)11がシリカ膜10中に均一に分散した反射防止膜6が得られない。一方、気流速度が30m/秒を超えると、気流の乱れによって厚さにムラが生じると共に、クラックやボイド等の欠陥が発生して反射防止膜6が白濁する。その結果、反射防止膜6の光透過性が損なわれる。
次に、第1層上に、上記のコーティング剤を塗布した後、室温中、所定の気流速度下で乾燥させればよい。コーティング剤の塗布方法や乾燥方法は、上述した通りである。
(実施例1〜4)
シリカ微粒子を含むコロイダルシリカを脱イオン水に加えて攪拌混合し、シリカ微粒子の水分散液を得た。この水分散液に、PTFEディスパージョン(三井・デュポンフロロケミカル株式会社製、31JR)を加えて攪拌混合した後、ポリオキシエチレンラウリルエーテル(界面活性剤)をさらに加えて攪拌混合することによって、表1の組成を有するコーティング剤を得た。なお、表中のシリカ微粒子及びPTFEの組成は、コーティング剤中の含有量である。また、コーティング剤中の界面活性剤の含有量は0.05質量%とした。
比較例1は、固形分の量、及びシリカ微粒子とPTFEとの質量比を所定の範囲外としたコーティング剤である。
比較例2は、シリカ微粒子とPTFEとの質量比を所定の範囲外としたコーティング剤である。
比較例3及び4は、PTFEを含有しないコーティング剤である。
比較例5は、平均粒径が所定の範囲外のシリカ微粒子を含むコーティング剤である。
これらの比較例のコーティング剤は、上記の実施例と同様の方法で調製した。
透過率は、分光光度計UV−3100PC(島津製作所製)を用い、ガラス板裏面に積分球を接触させ、波長600nmの光の透過量を測定することによって評価した。
ここで、比較としてガラス板自体の透過率を測定した結果、88.0%であった。
(耐摩耗性)
折り畳んで湿らせたガーゼを、2cm角の押し付け面でコーティング膜に押し付け、100g/cm2の荷重を加えながら、10cmの往復運動を行なった。往復100回目までは10回ごと、往復100回〜500回までは100回ごとに透過率を測定し、初期の透過率が半分以下になるまでの往復回数を耐摩耗性の指標とした。
これらの評価結果を表1に示す。
一方、固形分や、PTFEに対するシリカ微粒子の質量比が多すぎる比較例1のコーティング剤から形成されたコーティング膜は、ガラス板自体よりも透過率が低く、反射防止膜としての使用に適さない。また、PTFEに対するシリカ微粒子の質量比が少なすぎる比較例2のコーティング剤では、耐摩耗性が十分でなく、反射防止膜としての使用に適さない。同様に、PTFEを含まない比較例3及び4のコーティング剤、及び平均粒径が大きすぎるシリカ微粒子を用いた比較例5のコーティング剤から形成されたコーティング剤でも、耐摩耗性が十分でなく、反射防止膜としての使用に適さない。
平均粒径5nmのシリカ微粒子を含むコロイダルシリカを脱イオン水に加えて攪拌混合し、シリカ微粒子の水分散液を得た。次に、平均粒径180nmのPTFE粉末(旭硝子株式会社製、L173J)及び界面活性剤(DIC株式会社製、F−410)を脱イオン水に加え、分散装置(吉田機械興業株式会社製、ナノマイザー)を用いて分散させ、PTFE粉末の水分散液を得た。そして、シリカ微粒子の水分散液とPTFE粉末の水分散液とを攪拌混合し、さらに2−プロパノールを加えて攪拌混合することによってコーティング剤を得た。ここで、コーティング剤中のシリカ微粒子の含有量は1.0質量%、PTFEの含有量は0.4質量%、界面活性剤の含有量は0.1質量%、2−プロパノールの含有量は10質量%とした。
得られたコーティング剤を、ガラス板表面にスプレー塗布した後、室温中、所定の気流速度下で乾燥させた。乾燥条件(気流速度及び乾燥温度)を種々変えて形成したコーティング膜について、上記と同様にして透過率及び耐磨耗性を評価した。その結果を表2に示す。
一方、気流下で乾燥させなかった比較例6のコーティング膜は、耐摩耗性が十分でなかった。また、気流速度が速すぎる条件で乾燥させた比較例7のコーティング膜は、白濁すると共にムラも多く、透過率が低かった。なお、比較例7では、透過率が低かったため、耐摩耗性については測定しなかった。さらに、乾燥温度が高すぎる条件で乾燥させた比較例8のコーティング膜についても、耐摩耗性が十分でなかった。
実施例8〜9では、2種類のシリカ微粒子を含有するコーティング剤を調製した。
具体的には、シリカ微粒子を含むコロイダルシリカを脱イオン水に加えて攪拌混合し、シリカ微粒子の水分散液を得た。この水分散液に、PTFEディスパージョン(旭硝子株式会社製、AD911)を加えて攪拌混合することによって、表3の組成を有するコーティング剤を得た。なお、表中のシリカ微粒子及びPTFEの組成は、コーティング剤中の含有量である。
得られたコーティング剤を、ガラス板表面にスプレー塗布した後、室温中、所定の気流速度下で乾燥させた。このガラス板表面に形成されたコーティング膜について、上記と同様にして透過率及び耐磨耗性を評価した。その結果を表3に示す。
実施例10〜11では、2層構造のコーティング膜を形成した。
第1層を形成するためのコーティング剤(シリカ微粒子の水分散液)は、シリカ微粒子を含むコロイダルシリカを脱イオン水に加えて攪拌混合することによって得た。
第2層を形成するためのコーティング剤は、実施例1〜4と同様にして得た。
これらのコーティング剤の組成を表4に示す。なお、表中のシリカ微粒子及びPTFEの組成は、各コーティング剤中の含有量である。
次に、第2層を形成するためのコーティング剤を、第1層上にスプレー塗布した後、室温(25℃)中、2m/秒の気流速度下で乾燥させた。
このガラス板表面に形成された2層構造のコーティング膜について、上記と同様にして透過率及び耐磨耗性を評価した。その結果を表4に示す。
シリカ微粒子を含むコロイダルシリカを脱イオン水に加えて攪拌混合し、シリカ微粒子の水分散液を得た。この水分散液に、PTFEディスパージョン(三井・デュポンフロロケミカル株式会社製、31JR)を加えて攪拌混合した後、ポリオキシエチレンラウリルエーテル(界面活性剤)、及び酸化剤をさらに加えて攪拌混合することによって、表5の組成を有するコーティング剤を得た。なお、表中のシリカ微粒子、PTFE及び酸化剤の組成は、コーティング剤中の含有量である。また、コーティング剤中の界面活性剤の含有量は0.05質量%とした。
これらの結果を表5に示す。なお、表5中、250g/cm2の加重による耐磨耗性の試験結果を、耐摩耗性(強)として表す。
Claims (14)
- 平均粒径が15nm以下のシリカ微粒子(A)と、屈折率が1.36以下の低屈折率樹脂粒子(B)とを水性媒体中に分散してなる太陽電池モジュール用コーティング剤であって、
固形分が5質量%以下であり、且つ固形分中の前記シリカ微粒子(A)と前記低屈折率樹脂粒子(B)との質量比(シリカ微粒子(A)/低屈折率樹脂粒子(B))が、20/80を超え70/30未満であることを特徴とする太陽電池モジュール用コーティング剤。 - 前記低屈折率樹脂粒子(B)は、250nm以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項1に記載の太陽電池モジュール用コーティング剤。
- 前記低屈折率樹脂粒子(B)は、フッ素樹脂粒子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の太陽電池モジュール用コーティング剤。
- 平均粒径が20nm以上50nm以下のシリカ微粒子(C)をさらに含み、前記シリカ微粒子(A)及び(C)の合計に対して、前記シリカ微粒子(C)が5質量%以上20質量%未満であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール用コーティング剤。
- 過酸化物、過塩素酸塩、塩素酸塩、過硫酸塩、過リン酸塩及び過ヨウ素酸塩からなる群から選択される1種以上の酸化剤(D)を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール用コーティング剤。
- 受光面側表面に反射防止膜が形成された太陽電池モジュールであって、
前記反射防止膜は、平均粒径が15nm以下のシリカ微粒子(A)からなるシリカ膜に屈折率が1.36以下の低屈折率樹脂粒子(B)が分散されており、且つ前記シリカ微粒子(A)と前記低屈折率樹脂粒子(B)との質量比(シリカ微粒子(A)/低屈折率樹脂粒子(B))が、20/80を超え70/30未満であることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記低屈折率樹脂粒子(B)は、250nm以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項6に記載の太陽電池モジュール。
- 前記低屈折率樹脂粒子(B)は、フッ素樹脂粒子であることを特徴とする請求項6又は7に記載の太陽電池モジュール。
- 前記シリカ膜は、平均粒径が20nm以上50nm以下のシリカ微粒子(C)をさらに含み、前記シリカ微粒子(A)及び(C)の合計に対して、前記シリカ微粒子(C)が5質量%以上20質量%未満であることを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記反射防止膜は、平均粒径が15nm以下のシリカ微粒子(A)からなるシリカ膜の第1層と、平均粒径が15nm以下のシリカ微粒子(A)からなるシリカ膜に屈折率が1.36以下の低屈折率樹脂粒子(B)が分散されており、且つ前記シリカ微粒子(A)と前記低屈折率樹脂粒子(B)との質量比(シリカ微粒子(A)/低屈折率樹脂粒子(B))が、20/80を超え70/30未満の第2層とから構成されていることを特徴とする請求項6〜9のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記反射防止膜は、50nm以上250nm以下の平均厚さを有することを特徴とする請求項6〜10のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
- 太陽電池モジュールの受光面側表面に請求項1〜5のいずれか一項の太陽電池モジュール用コーティング剤を塗布した後、室温中、0.5m/秒以上30m/秒以下の気流速度下で乾燥させることにより反射防止膜を形成すること特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
- 太陽電池モジュールの受光面側表面に、平均粒径が15nm以下のシリカ微粒子(A)を水性媒体中に分散してなる固形分が5質量%以下の分散液を塗布して乾燥させることにより反射防止膜の第1層を形成する工程と、
前記反射防止膜の第1層上に、請求項1〜4のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール用コーティング剤を塗布した後、室温中、0.5m/秒以上30m/秒以下の気流速度下で乾燥させることにより反射防止膜の第2層を形成する工程と
を含むことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。 - 太陽電池モジュールの受光面側表面に、平均粒径が15nm以下のシリカ微粒子(A)、並びに過酸化物、過塩素酸塩、塩素酸塩、過硫酸塩、過リン酸塩及び過ヨウ素酸塩からなる群から選択される1種以上の酸化剤(D)を水性媒体中に含む固形分が5質量%以下の分散液を塗布して乾燥させることにより反射防止膜の第1層を形成する工程と、
前記反射防止膜の第1層上に、請求項1〜4のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール用コーティング剤を塗布した後、室温中、0.5m/秒以上30m/秒以下の気流速度下で乾燥させることにより反射防止膜の第2層を形成する工程と
を含むことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
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