JP5598986B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、裏面にプラス電極（Ｐ型半導体電極）及びマイナス電極（Ｎ型半導体電極）の両電極を有するバックコンタクト方式の太陽電池セルを備えた太陽電池モジュールに関する。

近年、自然エネルギーを利用する発電システムである太陽光発電の普及が急速に進められている。太陽光発電をするための太陽電池モジュールは、図４に示すように、受光側に配置された光透過性基板２０２と、裏面側に配置されたバックシート２０１と、光透過性基板２０２およびバックシート２０１の間に配置された多数の太陽電池セル２０３とを有している。また、太陽電池セル２０３は、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）フィルム等の封止材２０４に挟まれて封止されている。

従来、太陽電池モジュールにおいては、多数の太陽電池セル２０３，２０３・・・が、幅１〜３ｍｍの配線材２０５で電気的に直列に接続されていた。太陽電池セル２０３は、太陽の受光面である表面側にマイナス電極（Ｎ型半導体電極）、裏面側にプラス電極（Ｐ型半導体電極）が設けられているため、配線材２０５で接続すると、太陽電池セル２０３の受光面の上に配線材２０５が重なることになり、光電変換の面積効率が低下する傾向にあった。さらに、配線材２０５が太陽電池セル２０３の表側から裏側に回り込む構造になるため、各部材の熱膨張の差が原因で配線材２０５が断線することがあった。

そこで、これらの問題を解決すべく、例えば特許文献１，２には、プラス電極とマイナス電極の両電極が太陽電池セルの裏面に設置され、これら電極を基板上の回路層により電気接続するバックコンタクト方式の太陽電池セルが提案されている。この方式の太陽電池セルではセル裏面で直列に接続することが可能であり、セル表面の受光面積が犠牲にならず光電変換の面積効率の低下を防止できる。また、配線材を表側から裏側に回り込む構造にしなくてもよいため、各部材の熱膨張の差による断線も防止できる。なお、太陽電池セルの実装は、太陽電池セルを封止材で封止する前段階として導電性接着剤を用いて電極と回路層とを接続することで行われる。

特開２００９−１１１１２２号公報 特開２００９−２２４５９７号公報

しかしながら、上記バックコンタクト方式の太陽電池モジュールにおいては、リーク電流を低減させるべく複数の太陽電池セル間に隙間を形成しているため、太陽光の一部は太陽電池セルに直接入射することなく当該隙間を通過してしまう。さらに、太陽電池セルに入射された光であっても、その一部は太陽電池セルに吸収されることなくその裏面側に透過してしまう。したがって、このように発電に寄与することのない太陽光の存在のため、光の利用効率を十分に向上させることが困難であった。
また、太陽電池セルの実装を導電性接着剤を用いて行うため、作業が煩雑となり、生産効率が低下してしまうという問題があった。

本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、生産効率及び光利用効率の向上を図ることが可能な太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る太陽電池モジュールは、絶縁基材の表面に回路層が形成されてなる回路基板と、該回路基板の表面側に配されて、裏面に電極を有する太陽電池セルと、前記回路基板と前記太陽電池セルとの間に介装され、前記太陽電池セルを裏面側から封止する第一封止材と、前記太陽電池セルを表面側から封止する第二封止材とを備え、前記第一封止材は、絶縁樹脂内に少なくとも二種以上のフィラーを含有してなり、該フィラーは、前記電極と前記回路層とを前記第一封止材の厚み方向に電気接続可能な導電性フィラーと、前記第一封止材に入射した光を反射可能な反射性フィラーとを含み、前記反射性フィラーの直径は、前記導電性フィラーの直径よりも小さく設定され、前記反射性フィラーの表面に金属膜が形成され、前記第一封止材と前記第二封止材とは、前記太陽電池セル全体を封止することを特徴とする。

このような特徴の太陽電池モジュールによれば、太陽電池セルと回路層との間に介装された第一封止材内における導電性フィラーにより、電極と回路層との導電性が確保される。即ち、第一封止材を太陽電池セルと回路基板とで挟み込むことにより、該導電性フィラーが電極と回路層とに接触し、これにより導電性フィラーによる異方導電性が発現され、太陽電池セルや回路層での短絡が生じさることなく、電極と回路層とを電気的に接続することができる。
また、太陽電池セル内を透過した光や太陽電池セル間の間隙を通過した光は、第一封止材内の反射性フィラーによって反射されることで、当該反射光を太陽電池セルの裏面に入射させることができる。

さらに、本発明に係る太陽電池モジュールにおいては、前記反射性フィラーの表面に金属膜が形成されていてもよい。
これにより、第一封止材内に入射した光をより確実に反射して、当該反射光を太陽電池セルに導くことができる。

また、本発明に係る太陽電池モジュールにおいては、前記反射性フィラーの直径が、１μｍ〜３μｍの範囲に設定されていることを特徴とする。
反射性フィラーによる光の反射性を確保するためには、当該反射性フィラーの直径が光の波長を大きく上回ることが好ましい。これに対して、反射性フィラーの直径が１μｍより大きく設定されていることにより、該反射性フィラーによる光の反射性を確実に得ることができる。
一方、導電性フィラーによる電極と回路層との導電性を確保するためには、導電性フィラーが均一に分散していることが好ましい。この点、反射性フィラーの直径が大き過ぎる場合、導電性フィラーの分散性を阻害してしまうが、本発明では反射性フィラーの直径が３μｍ以下とされているため、導電性フィラーを適切に分散させて、電極と回路層との導電性を確実に得ることができる。

さらに、本発明に係る太陽電池モジュールにおいては、前記導電性フィラーの直径が、１０μｍ〜５０μｍの範囲に設定されていることが好ましい。また、本発明に係る太陽電池モジュールにおいては、前記導電性フィラーに直径が、１０μｍ〜２０μｍの範囲に設定されていることがより好ましい。
これにより、導電性フィラーによる電極と回路層との導電性をより確実に得ることができる。即ち、太陽電池モジュールにおける電極と回路層との対向距離は、現行では１０〜５０μｍの寸法とされていることが一般的だが、当該対向距離は今後ますます小さくなる傾向にあり、例えば１０〜２０μｍの寸法まで小さくなると考えられる。したがって、当該対向寸法に合わせて導電性フィラーの直径を決定することで、種々の太陽電池モジュールに対応することが可能となる。
また、導電性フィラーの直径を１０μｍ〜２０μｍとしておけば、反射性フィラーと互いに干渉することなく、両フィラーの分散性が確保される。

また、本発明に係る太陽電池モジュールにおいては、前記基材は、ガラス繊維に絶縁樹脂を含浸させてなることが好ましい。

本発明による太陽電池モジュールによれば、太陽電池セルと回路層との間に介装された第一封止材内における導電性フィラーにより、電極と回路層とが電気的に接続される構成のため、太陽電池セルの実装工程を別途行う必要がなく、生産効率の向上を図ることができる。
また、第一封止材内の反射性フィラーによる反射を介して、発電に寄与することのなかった光を太陽電池セルに導くことができるため、光の利用効率の向上を図ることができる。

本発明の実施形態の太陽電池モジュールの断面模式図である。 図１の部分拡大図である。 導電性フィラー及び反射性フィラーの形態を説明する図である。 従来の太陽電池モジュールの断面模式図である。

以下、本発明の太陽電池モジュールの実施形態について説明する。
図１に本実施形態の太陽電池モジュールを示す。この太陽電池モジュール１０は、回路基板２０と、回路基板２０の裏面側に配されたバックシート３０と、回路基板２０の表面側に配されて受光面を形成する透光性基材４０と、回路基板２０及び透光性基材４０の間に配された太陽電池セル５０と、該太陽電池セル５０を封止する封止層６０とを備えている。

回路基板２０は、絶縁基材２１の表面に回路層２２が一体に積層されることで構成されている。
絶縁基材２１としては、繊維及び樹脂を含有する複合材料からなる板状をなす部材、即ち、繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸又は塗布し乾燥させて得たプリプレグが用いられるこの絶縁基材２１に用いられる繊維としては、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、フッ素繊維、ポリエステル繊維、ポリアリレート繊維等が挙げられる。これらのうち、熱硬化性樹脂との親和性、絶縁信頼性、材料コストの観点からガラス繊維が好ましい。

また、樹脂としては、副生物を生成せずに硬化する付加重合型等の熱硬化性樹脂が好ましい。付加重合型の熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、アクリル樹脂、シアナート樹脂、シアン酸エステル樹脂−エポキシ樹脂、シアン酸エステル−マレイミド樹脂、シアン酸エステル−マレイミド−エポキシ樹脂、マレイミド樹脂、マレイミド−ビニル樹脂、ビスアリルナジイミド樹脂などが挙げられる。熱硬化性樹脂は一種を単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。

回路層２２は、後述する太陽電池セル５０に電気的に接続される層であって、上記絶縁基材２１の表面に圧着積層されている。この回路層２２は、絶縁基材２１上に配される複数の太陽電池セル５０を電気的に直列に接続する回路パターンを有している。回路層２２を構成する材料としては、電気抵抗が低い材料、例えば、銅、アルミニウム、鉄−ニッケル合金などが使用されるが、回路層２２を構成する樹脂よりも線膨張率が低い材質から形成されていることが好ましい。また、回路層２２の材料として、導電性高分子を使用することもできる。

バックシート３０は空気透過を調整する層であって、回路基板２０の裏面に積層固定されている。このバックシート３０としては、耐候性、絶縁性など長期信頼性を有する材料が使用され、例えば、フッ素樹脂フィルム、低オリゴマー・耐熱ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム／ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム、シリカ（ＳｉＯ２）蒸着フィルム、アルミニウム箔等が使用される。

透光性基材４０は、太陽電池モジュール１０の最表面に配されて受光面を形成する部材であって、例えば、ガラス基板、透明樹脂基板等が用いられる。透明樹脂基板を構成する透明樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートなどが挙げられる。

太陽電池セル５０は、例えば矩形平板状をなして、光を吸収することで発電する素子であって、本実施形態においては、太陽電池モジュール１０の面方向に沿って、かつ、複数の太陽電池セル５０の側面同士が対向するように互いに所定間隔をあけて配置されている。この太陽電池セル５０としては、例えば、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、アモルファスシリコン型、化合物型、色素増感型のものが用いられる。これらの中でも、発電効率に優れる点では、単結晶シリコン型が好ましい。また、太陽電池セル５０はその裏面側から突出するようにして複数の電極５１を備えており、当該電極５１を介して太陽電池セル５０内で発電された電力が外部に取り出されるように構成されている。

封止層６０は、太陽電池セル５０全体を封止するための層であって、該太陽電池セル５０の裏面側に配された第一封止材７０と、太陽電池セル５０の表面側に配された第二封止材８０とから構成されている。

第一封止材７０は、図２に示すように、封止樹脂７１と、該封止樹脂７１に分散混合された導電性フィラー７２及び反射性フィラー７３の二種のフィラーとから構成されたいわゆる異方導電性フィルムである。この第一封止材７０は、太陽電池セル５０と回路基板２０との間に配されており、これにより、第一封止材７０の表面は太陽電池セル５０の裏面及び電極５１に接触している。

封止樹脂７１としては、光線透過率が高い合成樹脂が用いられ、さらに耐熱性、耐高温、耐高湿、耐候性等の耐久性、電気絶縁性を有する素材を用いることが好適である。この条件を満たす材料として、例えば、酢酸ビニルの含有量が２０〜３０％であるＥＶＡ（エチレンビニルアセテート共重合体）やＰＶＢ（ポリビニルブチラール）等を主成分とする熱可塑性の合成樹脂材が使用される。その他、エチレン・（メタ）アクリル酸エステル共重合体、ポリフッ化ビニリデン等の合成樹脂材を用いてもよい。

導電性フィラー７２は、電気伝導性を有する金属（金、銀、白金、ニッケル、銅、アルミ、亜鉛、真鍮、これらの合金等）からなる粒子であって、第一封止材７０内にて回路層２２と太陽電池セル５０の電極５１とを当該第一封止材７０の厚み方向に接続する役割を有しており、即ち、第一封止材７０における異方導電性機能を担っている。この導電性フィラー７２の直径は、第一封止材７０の厚みと略同一か僅かに小さい程度に設定されていることが好ましく、第一封止材７０の厚みに応じて、例えば１０μｍ〜５０μｍの範囲、好ましくは１０μｍ〜２０μｍの範囲に設定されている。

反射性フィラー７３は、光反射性を有する材質からなる粒子であって、第一封止材７０内にて光を太陽電池セル５０へと向かって反射させる役割を有している。この反射性フィラー７３としては、表面に光反射性を有する金属膜（金、銀、白金、ニッケル、銅、アルミ、クロム、チタン、これらの合金等）を形成した粒子や、封止樹脂７１よりも屈折率の大きな合成樹脂から形成された粒子を採用することができる。なお、この反射性フィラー７３の直径は、１μｍ〜３μｍの範囲に設定されていることが好ましい。

これら導電性フィラー７２及び反射性フィラー７３の形状としては、図３（ａ）に示す球形状、図３（ｂ）に示す不定形状（不規則な外形状）、図３（ｃ）に示す直方体形状、図３（ｄ）に示す板状、図３（ｅ）に示す球形の亜種形状（球形状の表面全体に凸部が形成された形状）図３（ｆ）に示す棒状等から、種々の形状を選択することができる。特に、導電性フィラー７２としては、電気接続性の観点から球形状又は球形の亜種形状を選択することが好ましく、反射性フィラー７３としては、光反射性の観点から球形又は不定形状を選択することが好ましい。

上記第一封止材７０が封止樹脂７１内に導電性フィラー７２及び反射性フィラー７３を含有する構成であるのに対し、第二封止材８０は、導電性フィラー７２及び反射性フィラー７３を含有することなく、封止樹脂８１のみから構成されている。この第二封止材８０は、太陽電池セル５０と透光性基材４０との間に配されており、これにより、第二封止材８０の表面は、太陽電池セル５０の表面及び側面に接触している。なお、第二封止材８０の封止樹脂８１としては、第一封止材７０の封止樹脂７１と同様の材料を用いることができる。

次に上記太陽電池モジュール１０の製造方法について説明する。
まず、絶縁基材２１上に金属箔を接合し、当該金属箔にエッチング加工を施すことによって回路層２２を形成し、回路基板２０を得る。その後、回路基板２０における絶縁基材２１の裏面にバックシート３０を接合する。

次いで、回路基板２０の表面側に、第一封止材７０、太陽電池セル５０及び第二封止材８０の順で各部材を積層する。この際、太陽電池セル５０の電極５１を、第一封止材７０を挟んで回路層２２と対向した状態とする。なお、第一封止材７０としては、例えば導電性フィラー７２及び反射性フィラー７３を含有するＥＶＡシート（封止樹脂７１）等が用いられ、第二封止材８０としては、上記フィラーを含まないＥＶＡシート（封止樹脂８１）が用いられる。そして、第二封止材８０の表面側から例えば平板により圧力を印加しながら加熱処理を施す。これにより、第一封止材７０の封止樹脂７１及び第二封止材８０の封止樹脂８１が溶融一体化してなる封止層６０によって太陽電池セル５０が封止される。

ここで、上記のように加圧しながら加熱処理を行うことで、溶融状態の第一封止材７０に対してその厚み方向に圧力が印加すると、互いに対向する太陽電池セル５０及び回路基板２０うち対向距離が最も近い箇所において、即ち、太陽電池セル５０の電極５１と回路基板２０の回路層２２とが対向する箇所において、導電性フィラー７２がこれら電極５１及び回路層２２にそれぞれ接触する。これによって、導電性フィラー７２を介して電極５１と回路層２２とが第一封止材７０の厚み方向に電気的に接続される。なお、当該導電性フィラー７２は第一封止材７０内に分散混合されているため、近接する複数の導電性フィラー７２同士が接触することはなく、電極５１や回路層２２に短絡が生じることはない。

その後、封止層６０における第二封止材８０の表面に透光性基材４０を接合することで、本実施形態の太陽電池モジュール１０を得ることができる。

このような特徴の太陽電池モジュール１０によれば、太陽電池セル５０と回路基板２０との間に介装された第一封止材７０内における導電性フィラー７２により、太陽電池セル５０の電極５１と回路基板２０の回路層２２との導電性を確保することができる。即ち、第一封止材７０を太陽電池セル５０と回路基板２０とで挟み込むことによって、第一封止材７０の導電性フィラー７２が電極５１及び回路層２２に接触する。これにより、該導電性フィラー７２による異方導電性が発現され、電極５１や回路層２２での短絡を生じさることなく所望の電極５１と回路層２２とを電気的に接続することができる。

このような電極５１と回路層２２との電気的な接続は、上述のように加圧加熱処理を行うことで太陽電池セル５０の封止と同時に行なうことができるため、太陽電池セル５０の実装工程を別途行う必要がなく、生産効率の向上を図ることができる。

また、太陽電池セル５０内を透過した光や複数の太陽電池セル５０間の間隙を通過した光は、第一封止材７０内の反射性フィラー７３によって反射することができるため、当該反射光を太陽電池セル５０の裏面に入射させることができる。即ち、発電に寄与することのなかった光を太陽電池セル５０に導くことができるため、光の利用効率の向上を図ることが可能となる。

さらに、本実施形態の太陽電池モジュール１０においては、反射性フィラー７３の屈折率を封止樹脂７１の屈折率より大きくすることで、第一封止材７０内に入射した光をより効率良く反射して太陽電池セル５０に向かって導くことができる。
また、これに代えて反射性フィラー７３の表面に金属膜を形成した場合にも、第一封止材７０内に入射した光をより確実に反射することができ、当該反射光を効率よく太陽電池セル５０に導くことができる。

ここで、反射性フィラー７３による光の反射性を確保するためには、当該反射性フィラー７３の直径が光の波長を大きく上回ることが好ましい。これに対して、本実施形態においては、反射性フィラー７３の直径が１μｍより大きく設定されていることにより、該反射性フィラー７３による光の反射性を確実に得ることができる。

一方、導電性フィラー７２による電極５１と回路層２２との導電性を確保するためには、導電性フィラー７２が第一封止材７０内に均一に分散していることが好ましい。この点、反射性フィラー７３の直径が大き過ぎる場合、導電性フィラー７２の分散性を阻害してしまうが、本実施形態においては反射性フィラー７３の直径が３μｍ以下と導電性フィラー７２よりも十分に小さく設定されているため、導電性フィラー７２を適切に分散させて、電極５１と回路層２２との導電性を確実に得ることができる。

さらに、導電性フィラー７２の直径が、１０μｍ〜５０μｍの範囲、好ましくは。１０μｍ〜２０μｍの範囲に設定されているため、反射性フィラー７３による光の反射を妨げることなく導電性フィラー７２による電極５１と回路層２２との導電性を確実に得ることができる。また、導電性フィラー７２の直径を１０μｍ〜２０μｍの範囲に設定としておけば、該導電性フィラー７２が反射性フィラー７３と互いに干渉することなく、両フィラーの分散性が確保される。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。
例えば、第一封止材７０としては、導電性フィラー７２及び反射性フィラー７３を含む接着剤、即ち、異方導電性接着剤を用い、第二封止材８０として上記フィラーを含まない接着剤を用いてもよい。これによっても、太陽電池セル５０を確実に封止しながら、該太陽電池セル５０の電極５１と回路基板２０の回路層２２との通電を容易に確保することができる。

また、実施形態においては、第一封止材７０に導電性フィラー７２と反射性フィラー７３との二種類のフィラーを含有させたが、例えば、第一封止材７０に当該第一封止材７０の線膨張係数を変化させることを目的とした第三のフィラーを含有させてもよく、即ち、第一封止材７０には、導電性フィラー７２と反射性フィラー７３との少なくとも二種類のフィラーが含有されていればよい。

上記第三のフィラーを第一封止材７０に含有させた場合には、当該第三のフィラーの含有量を調整することで第一封止材７０の線膨張係数を変化させることができる。これを利用して、第一封止材７０の線膨張係数を太陽電池セル５０及び回路基板２０の線膨張係数の中間の値とすることによって、太陽電池セル５０の剥離を防止することができる。

１０ 太陽電池モジュール
２０ 回路基板
２１ 絶縁基材
２２ 回路層
３０ バックシート
４０ 透光性基材
５０ 太陽電池セル
６０ 封止層
７０ 第一封止材
７１ 封止樹脂
７２ 導電性フィラー
７３ 反射性フィラー
８０ 第二封止材
８１ 封止樹脂

Claims (5)

1. 絶縁基材の表面に回路層が形成されてなる回路基板と、
   該回路基板の表面側に配されて、裏面に電極を有する太陽電池セルと、
   前記回路基板と前記太陽電池セルとの間に介装され、前記太陽電池セルを裏面側から封止する第一封止材と、
   前記太陽電池セルを表面側から封止する第二封止材とを備え、
   前記第一封止材は、絶縁樹脂内に少なくとも二種以上のフィラーを含有してなり、
   該フィラーは、
   前記電極と前記回路層とを前記第一封止材の厚み方向に電気接続可能な導電性フィラーと、
   前記第一封止材に入射した光を反射可能な反射性フィラーとを含み、
   前記反射性フィラーの直径は、前記導電性フィラーの直径よりも小さく設定され、
   前記反射性フィラーの表面に金属膜が形成され、
   前記第一封止材と前記第二封止材とによって、前記太陽電池セル全体を封止することを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記反射性フィラーの直径が、１μｍ〜３μｍの範囲に設定されてい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。
3. 前記導電性フィラーの直径が、１０μｍ〜５０μｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記導電性フィラーの直径が、１０μｍ〜２０μｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記絶縁基材は、ガラス繊維に絶縁樹脂を含浸させてなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。

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