JP2008533715A - 太陽電池素子封止材 - Google Patents

Abstract

有機過酸化物の使用を必要とせず、したがって太陽電池モジュールの生産効率を顕著に改善することができ、しかも太陽電池素子の薄肉化にも充分対応できるような、透明性、耐熱性、柔軟性に優れた太陽電池素子封止材及びそれを用いた太陽電池モジュールを提供すること。
好ましい態様は、極性モノマー単位の含有量が１５〜４０重量％、融点（Ｔ℃）（ＪＩＳ Ｋ７１２１による）が７５℃以上、融点（Ｔ℃）と極性モノマー単位含有量（Ｘモル％）が−３．０Ｘ＋１２５≧Ｔ≧−３．０Ｘ＋１０９を満足し、１５０℃の貯蔵弾性率が１０^３Ｐａ以上、ＨＡＺＥが１０％以下のエチレン・極性モノマー共重合体からなる太陽電池素子封止材である。

Description

本発明は、太陽電池モジュールにおける太陽電池素子の封止材及びそれを用いた太陽電池モジュールに関する。さらに詳しくは、太陽電池モジュールの形成が容易で、透明性、耐熱性、柔軟性等に優れた太陽電池素子封止材に関する。

無尽蔵な自然エネルギーを利用し、二酸化炭素の削減やその他の環境問題の改善が図れる水力発電、風力発電並びに太陽光発電などが脚光を浴びている。このうち太陽光発電は、太陽電池モジュールの発電効率等の性能向上が著しい一方、価格の低下が進んだこと、国や自治体が住宅用太陽光発電システム導入促進事業を進めてきたことから、近年その普及が著しく進んでいる。しかしながら更なる普及には一層の低コスト化が必要であり、そのため太陽電池モジュール製造の合理化や発電効率の向上に向けた研究も日夜続けられている。

太陽電池モジュールは、一般にシリコン、ガリウムー砒素、銅ーインジウムーセレンなどの太陽電池素子を上部透明保護材と下部基板保護材とで保護し、太陽電池素子と保護材とを封止材で固定し、パッケージ化したものである。このため太陽電池封止材としては、発電効率を高めるためにも、透明性が良好であることが求められている。また太陽電池モジュールの使用時に温度上昇しても、封止材が流動したり変形したりするトラブルを避けるために、耐熱性を有することが求められている。また近年では、太陽電池素子の薄肉化に伴い、一層柔軟性に優れた封止材も求められている。

またシリコンセルは最も高価であるが、半導体の特性は基本的に低下しないため、将来、モジュールを使用し終えた後や部材が故障して交換を行うときに、シリコンセルのみをモジュールから取り出して再使用したいというニーズがある。しかしながら現在は封止材が架橋されており、溶融加熱しても封止材を取り除くことができない。そのためシリコンセルのリユースが促進されるような機能が、封止材に求められている。

現在、太陽電池モジュールにおける太陽電池素子の封止材としては、柔軟性、透明性、耐熱性等の観点から、有機過酸化物を配合した酢酸ビニル含量の高いエチレン・酢酸ビニル共重合体が使用されている。そのため太陽電池モジュールの作製に際しては、先ず有機過酸化物を配合したエチレン・酢酸ビニル共重合体のシート状封止材を予め作成し、得られたシートを用いて太陽電池素子を封止するという２段階の工程を採用する必要があった。このシートの製造段階では、有機過酸化物が分解しないような低温度での成形が必要であるため、押出成形速度を高くすることができず、また太陽電池素子の封止段階では、ラミネーターにおいて数分乃至十数分かけて仮接着する工程と、オーブン内において有機過酸化物が分解する高温度で数十分ないし１時間かけて本接着する工程とからなる２段階の時間をかけての接着工程を経る必要があった。そのため太陽電池モジュールの製造には手間と時間がかかり、その製造コストを上昇させる要因の一つとなっていた。またこのような封止材は、上述したように太陽電池素子のリユースの要請を満足させるものではなかった。

太陽電池モジュールの生産効率を改善するために、有機過酸化物の使用を省略することが可能な太陽電池素子封止材として、本出願人はすでに特定性状のエチレン・不飽和カルボン酸共重合体もしくはそのアイオノマーを使用する処方を提案している（特許文献２）。この提案によれば、透明性、耐熱性、接着性等に優れ、太陽電池モジュールの形成が容易な太陽電池素子封止材を提供することができたが、具体例で示されているものは剛性が高く、太陽電池素子の薄肉化の要請に対応することが難しかった。

特公昭２−４０７０９号公報 特開２０００−１８６１１４号公報

そこで本発明者らは、有機過酸化物の使用を必要とせず、したがって太陽電池モジュールの生産効率を顕著に改善することができ、しかも太陽電池素子の薄肉化にも充分対応できるような、透明性、耐熱性、柔軟性に優れた代替材料につき検討を行った。その結果、後記する材料が、これら代替材料として適していることを見出し、本発明に到達した。

すなわち本発明は、極性モノマー単位の含有量が１０〜４０重量％のエチレンと極性モノマーの共重合体であって、下記（ａ）〜（ｄ）を満足するエチレン・極性モノマー共重合体からなる太陽電池素子封止材である。
（ａ）該共重合体の融点（Ｔ℃）（ＪＩＳ Ｋ７１２１−１９８７又はＩＳＯ３１４６に準拠）と極性モノマー単位含有量（Ｘモル％）が下記式を満足すること。
−３．０Ｘ＋１２５≧Ｔ≧−３．０Ｘ＋１０９
（ｂ）該共重合体の０．６ｍｍ厚みのシートを２枚のガラスに貼りあわせた試料構成のＨＡＺＥが１０％以下であること（但し２枚のガラスだけを重ねたときのＨＡＺＥは０．５％である）。
（ｃ）融点（ＪＩＳ Ｋ７１２１−１９８７に準拠）が７５℃以上であること。
（ｄ）１５０℃の貯蔵弾性率が１０^３Ｐａ以上であること。

上記性状のエチレン・極性モノマー共重合体としては、エチレンと不飽和カルボン酸エステル又は酢酸ビニルとの共重合体が好ましく、とくにチューブラー法で製造されたものを使用するのが好ましい。上記エチレン・極性モノマー共重合体にはまた、好ましくは、シランカップリング剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤及び耐候安定剤から選ばれる少なくとも一種の添加剤が配合されて封止材とされる。

本発明においてはまた、上記太陽電池素子封止材を用いて作製された太陽電池モジュールが提供される。

本発明の封止材は、透明性、柔軟性に優れると共に、耐熱性にも優れている。そのため有機過酸化物の配合を省略しても、太陽電池モジュールの使用時に温度上昇しても、封止材が流動したり変形したりするトラブルを回避することが可能であり、太陽電池の外観を損なうことも無い。また有機過酸化物の使用が省略できるので、太陽電池モジュール製造工程における生産性を著しく高めることが可能であり、太陽電池モジュールの製造コストを大幅に低減させることが可能である。また柔軟性に優れた封止材層を形成することができるので、太陽電池素子の薄肉化に対しても、割れトラブルを回避することが可能であり、充分対応することができる。

本発明の封止材に使用されるエチレン・極性モノマー共重合体は、極性モノマー単位含有量が１０〜４０重量％、好ましくは１５〜４０重量％、とくに好ましくは２０〜３８重量％のものであって、上記（ａ）〜（ｄ）の要件を満たすものである。具体的にエチレン・極性モノマー共重合体の極性モノマーとしては、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸ｎ−ブチル、アクリル酸イソオクチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸イソブチル、マレイン酸ジメチル等の不飽和カルボン酸エステル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニルのようなビニルエステル、一酸化炭素、二酸化硫黄などの一種又は二種以上などを例示することができる。これらの中では柔軟性、透明性等を考慮すると、エチレンと不飽和カルボン酸エステル又は酢酸ビニルとの共重合体を使用するのが好ましい。とくに好適なものは、エチレン・不飽和カルボン酸エステル共重合体、とりわけエチレン・アクリル酸メチル共重合体である。

本発明においては上記エチレン・極性モノマー共重合体として、下記（ａ）〜（ｄ）の性状を有するものを使用する。
（ａ）該共重合体の融点（Ｔ℃）（示差走査熱量計（ＤＳＣ）において最大吸熱ピークを示す温度）（ＪＩＳ Ｋ７１２１−１９８７、ＩＳＯ３１４６による）と極性モノマー単位含有量（Ｘモル％）が式
−３．０Ｘ＋１２５≧Ｔ≧−３．０Ｘ＋１０９
好ましくは、式
−３．０Ｘ＋１２５≧Ｔ≧−３．０Ｘ＋１１２
を満足すること。
（ｂ）該共重合体の０．６ｍｍ厚みのシートを２枚のガラスに貼りあわせた試料構成のＨＡＺＥが１０％以下、好ましくは６％以下であること（但し、２枚のガラスだけを重ねたときのＨＡＺＥは０．５である）。
（ｃ）融点が７５℃以上であること。
（ｄ）１５０℃の貯蔵弾性率が１０^３Ｐａ以上であること。

上記のような性状のエチレン・極性モノマー共重合体は、同一極性モノマー単位含有量のランダム性良好な一般的な同種共重合体に比較して、耐熱性に優れている一方、透明性もほぼ同等のものであり、適度な不均一性を有するランダム共重合体と位置づけることができる。このような共重合体は、例えば高圧ラジカル重合法において、チューブラー法によるかあるいはオートクレーブ法で多段重合するかによって製造することができる。とくにチューブラー法によると上記性状の共重合体を得やすいので好ましい。これら製法の一例として、例えば特開昭６２−２７３２１４号や特許第３４２３３０８号の各公報に紹介された方法を挙げることができる。

上記エチレン・極性モノマー共重合体としてはまた、加工性、機械的強度、高温時の耐熱変形性などを考慮すると、１９０℃、２１６０ｇ荷重におけるメルトフローレート（ＪＩＳ Ｋ７２１０−１９９９、以下同じ）が０．１〜２０ｇ／１０分、とくに０．２〜１０ｇ／１０分のものを使用するのが好ましい。例えば、該共重合体の両側にガラスとアルミニウム板を配した積層体を作製したときに、後記する１００℃、６０°傾斜試験において、ガラスのズレが小さい共重合体を使用するのがよい。さらに太陽電池素子の薄肉化に充分対応できるように、ＪＩＳ Ａ硬度が９０以下、とくに８０以下のものを使用するのが好ましい。

太陽電池素子封止材として使用するに際して、上記エチレン・極性モノマー共重合体には、必要に応じ、他の重合体や種々の添加剤を配合することができる。このような添加剤として具体的には、シランカップリング剤、紫外線吸収剤、ヒンダードフェノール系やホスファイト系の酸化防止剤、ヒンダードアミン系の光安定剤、光拡散剤、難燃剤、変色防止剤などを例示することができる。

シランカップリング剤は、封止材の保護材や太陽電池素子等に対する接着性を向上させるのに有用であり、その例としては、ビニル基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基などの不飽和基、アミノ基、エポキシ基などとともに、アルコキシ基のような加水分解可能な基を有する化合物を挙げることができる。シランカップリング剤として具体的には、Ｎ−（β−アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−（β−アミノエチル）−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランなどを例示することができる。シランカップリング剤は、エチレン・極性モノマー共重合体１００重量部に対し、０．１〜５重量部程度配合することが望ましい。

本発明の太陽電池素子封止材に添加することができる紫外線吸収剤としては、ベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系、トリアジン系、サリチル酸エステル系など各種タイプのものを挙げることができる。ベンゾフェノン系紫外線吸収剤としては、例えば、２−ヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−メトキシ−２’−カルボキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−オクトキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−ｎ−ドデシルオキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクタデシルオキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−ベンジルオキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−メトキシ−５−スルホベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−５−クロロベンゾフェノン、２，４−ジヒドロキシベンゾフェノン、２，２’−ジヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン、２，２’−ジヒドロキシ−４，４’−ジメトキシベンゾフェノン、２，２’，４，４’−テトラヒドロキシベンゾフェノンなどを挙げることができる。

ベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤としては、ヒドロキシフェニル置換ベンゾトリアゾール化合物であって、例えば、２−（２−ヒドロキシ−５−メチルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２−ヒドロキシ−５−ｔ−ブチルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２−ヒドロキシ−３，５−ジメチルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２−メチル−４−ヒドロキシフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２−ヒドロキシ−３−メチル−５−ｔ−ブチルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２−ヒドロキシ−３，５−ジ−ｔ−アミルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２−ヒドロキシ−３，５−ジ−ｔ−ブチルフェニル）ベンゾトリアゾール、などを挙げることができる。またトリアジン系紫外線吸収剤としては、２−［４，６−ビス（２，４−ジメチルフェニル）−１，３，５−トリアジン−２−イル］−５−（オクチルオキシ）フェノール、２−（４，６−ジフェニル−１，３，５−トリアジン−２−イル）−５−（ヘキシルオキシ）フェノールなどを挙げることができる。サリチル酸エステル系としては、フェニルサリチレート、ｐ−オクチルフェニルサリチレートなどを挙げることができる。

本発明の太陽電池素子封止材を用い、太陽電池素子を上下の保護材で固定することにより太陽電池モジュールを作製することができる。このような太陽電池モジュールとしては、種々のタイプのものを例示することができる。例えば上部透明保護材／封止材／太陽電池素子／封止材／下部保護材のように太陽電池素子の両側から封止材で挟む構成のもの、下部基板保護材の内周面上に形成させた太陽電池素子上に封止材と上部透明保護材を形成させるような構成のもの、上部透明保護材の内周面上に形成させた太陽電池素子、例えばフッ素樹脂系透明保護材材上にアモルファス太陽電池素子をスパッタリング等で作成したものの上に封止材と下部保護材を形成させるような構成のものなどを挙げることができる。

太陽電池素子としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどのシリコン系、ガリウムー砒素、銅ーインジウムーセレン、カドミウムーテルルなどのIIIーＶ族やIIーVI族化合物半導体系等の各種太陽電池素子を用いることができる。

太陽電池モジュールを構成する上部保護材としては、ガラス、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエステル、フッ素含有樹脂などを例示することができる。下部保護材としては、金属や各種熱可塑性樹脂フィルムなどの単体もしくは多層のシートであり、例えば、錫、アルミニウム、ステンレススチールなどの金属、ガラス等の無機材料、ポリエステル、無機物蒸着ポリエステル、フッ素含有樹脂、ポリオレフィンなどの１層もしくは多層の保護材を例示することができる。このような上部及び／又は下部の保護材には、封止材との接着性を高めるためにプライマー処理を施すことができる。

本発明の太陽電池素子封止材は、通常、０．１〜１．２ｍｍ、好ましくは０．１〜１ｍｍ程度の厚みのシート状で使用される。シート状太陽電池封止材は、Ｔ−ダイ押出機、カレンダー成形機などを使用する公知のシート成形法によって製造することができる。例えばエチレン・極性モノマー共重合体に、必要に応じて添加されるシランカップリング剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、光安定剤等の添加剤を予めドライブレンドしてＴ−ダイ押出機のホッパーから供給し、シート状に押出成形することによって得ることができる。勿論、これらドライブレンドに際して、一部又は全部の添加剤は、マスターバッチの形で使用することができる。またＴ−ダイ押出やカレンダー成形において、予めエチレン・極性モノマー共重合体に一部又は全部の添加剤を、一軸押出機、二軸押出機、バンバリーミキサー、ニーダーなどを用いて溶融混合して得た樹脂組成物を使用することもできる。

太陽電池モジュールの製造に当たっては、本発明の封止材のシートを予め作っておき、封止材料が溶融する温度で圧着するという従来同様の方法によって、すでに述べたような構成のモジュールを形成することができる。この場合、封止材に有機過酸化物を配合する必要が無いので、封止材のシート成形を高温で生産性よく行うことができるとともに、モジュールの形成においても２段階の接着工程を経る必要はなく、高温度で短時間に完結することができる。また本発明の封止材を押出コーティングすることによって太陽電池素子や上部保護材あるいは下部保護材と積層する方法を採用すれば、わざわざシート成形することなく一段階で太陽電池モジュールを製造することが可能である。したがって本発明の封止材を使用すれば、モジュールの生産性を格段に改良することができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。尚、実施例及び比較例において使用した原料は、以下のとおりである。
（１）エチレン・アクリル酸メチル共重合体（ＥＭＡ−１）：アクリル酸メチル単位含有量３０重量％（１２．２モル％）、メルトフローレート（ＪＩＳ Ｋ７２１０、１９０℃、２１６０ｇ荷重）３ｇ／１０分
（２）エチレン・アクリル酸メチル共重合体（ＥＭＡ−２）：
アクリル酸メチル単位含有量３５重量％（１５．０モル％）、メルトフローレート（ＪＩＳ Ｋ７２１０、１９０℃、２１６０ｇ荷重）３ｇ／１０分
（３）エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）：
酢酸ビニル単位含有量２５重量％（９．８モル％）、メルトフローレート（ＪＩＳ Ｋ７２１０、１９０℃、２１６０ｇ荷重）２．５ｇ／１０分
（４）エチレン・アクリル酸エチル共重合体（ＥＥＡ）：
アクリル酸エチル単位含有量２５重量％（８．５モル％）、メルトフローレート（ＪＩＳ Ｋ７２１０、１９０℃、２１６０ｇ荷重）５ｇ／１０分
（５）シランカップリング剤：
γ−（メタクリロキシプロピル）トリメトキシシラン
（６）ＵＶ吸収剤
Cyasorb UV1164（Cytec Industries Inc.社製）
（７）耐光安定剤
（ａ）チヌビン ６２２ＬＤ（チバガイギー社製）
（ｂ）サノール ＬＳ７７０（チバガイギー社製）
（８）酸化防止剤
イルガノックス １０１０（チバガイギー社製）

[実施例１]
異型押出機（スクリュー径４０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝２６、フルフライトスクリュー、圧縮比２．６）を用い、加工温度１２０℃で、ＵＶ吸収剤０．３重量％、耐光安定剤（ａ）０．１５重量％、耐光安定剤（ｂ）０．１５重量％及び酸化防止剤０．０３重量％を含む上記エチレン・アクリル酸メチル共重合体（ＥＭＡ−１）の厚み０．６ｍｍのシートを作製した。３ｍｍ厚みの青色ガラス２枚の間にこのシートを挟み、１５０℃×１５分で真空貼り合わせ機にて貼り合わせを行った。この貼りあわせた試料のＨＡＺＥは測定した（２枚のガラスだけを重ねたときのＨＡＺＥは０．５％である）。また３ｍｍ厚みの青色ガラスと３ｍｍ厚みのアルミニウム板の間に上記で作製したシートを挟み、１５０℃×１５分で真空貼り合わせ機にて貼り合わせを行った。この貼り合わせた試料を１００℃で６０°に傾斜して５００時間保持し、シートが溶融してガラスがずれる状況を観察した。また上記共重合体の２ｍｍ厚みのシートをプレス成形機で作製し、その１５０℃における貯蔵弾性率を測定した。
得られたシートを、３ｍｍ厚の青色ガラス板とバックシート（白色に着色したポリエチレンテレフタレート）の間に挟み、１５０℃×１５分で真空貼り合わせ機にて貼り合わせを行った。
この貼りあわせた試料の黄色化度を測定し、続いて同試料を２条件下で露光させて、熟成後再度黄色化度を測定した。
上記で得られたポリエチレンシートを３ｍｍ厚の青色ガラス板と３ｍｍ厚のアルミニウム板の間に挟み、１５０℃×１５分で真空貼り合わせ機にて貼り合わせを行った。
結果を表１に示す。

［実施例２］
ＥＭＡ−１の代わりに上記エチレン・アクリル酸メチル共重合体（ＥＭＡ−２）を用いた以外は、実施例１と同様に評価を行った。結果を表１に示す。

［比較例１］
ＥＭＡ−１の代わりに上記エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いた以外は、実施例１と同様に評価を行った。結果を表１に示す。

［比較例２］
ＥＭＡ−１の代わりに上記エチレン・アクリル酸エチル共重合体（ＥＥＡ）を用いた以外は、実施例１と同様に評価を行った。結果を表１に示す。

尚、本発明の融点、ＪＩＳ Ａ硬度、ＨＡＺＥ及び貯蔵弾性率は下記条件で測定した。
（１）融点
ＤＳＣ装置（Du Pont Instrument社製）を用い、ＪＩＳ Ｋ７１２１−１９８７の方法で測定した。
（２）ＪＩＳ Ａ硬度
ＪＩＳ Ｋ７２１５（デュロメータ Ａタイプ、東洋精機社製）に従って、硬度を測定した。
（３）ＨＡＺＥ
スガ試験機製ヘーズメーターを用いて、ＪＩＳ Ｋ７１０５の方法で評価した。
（４）貯蔵弾性率
下記装置を用い、下記条件で測定した。
装置：レオロジー社製 ＤＶＥ−Ｖ４ ＦＴ−レオスペクトラー
条件：引張モード、シート厚み２ｍｍ、周波数１０Ｈｚ、振幅２μｍ、正弦波、昇温速度３℃／分、測定温度１５０℃
（５）老化試験
下記条件で熟成したのち積層体サンプルの黄色化度（ＹＩ）を測定した。
耐熱性：１２０℃×５００時間
耐湿性：８５℃×７００時間

＊サンプルの変形によって測定ができなかった。

Claims (6)

1. 極性モノマー単位の含有量が１０〜４０重量％のエチレンと極性モノマーの共重合体であって、下記（ａ）〜（ｄ）を満足するエチレン・極性モノマー共重合体からなる太陽電池素子封止材。
   （ａ）該共重合体の融点（Ｔ℃）（ＪＩＳ Ｋ７１２１に準拠）と極性モノマー単位含有量（Ｘモル％）が下記式を満足すること。
   −３．０Ｘ＋１２５≧Ｔ≧−３．０Ｘ＋１０９
   （ｂ）該共重合体の０．６ｍｍ厚みのシートを２枚のガラスに貼りあわせた試料構成のＨＡＺＥが１０％以下であること（但し、２枚のガラスだけを重ねたときのＨＡＺＥは０．５％である）。
   （ｃ）融点が７５℃以上であること。
   （ｄ）１５０℃の貯蔵弾性率が１０^３Ｐａ以上であること。
2. 極性モノマーが、不飽和カルボン酸エステル又は酢酸ビニルである請求項１記載の太陽電池素子封止材。
3. エチレン・極性モノマー共重合体が、チューブラー法により製造されたものである請求項１又は２に記載の太陽電池素子封止材。
4. エチレン・極性モノマー共重合体に、シランカップリング剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤及び光安定剤から選ばれる少なくとも一種の添加剤が配合されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池素子封止材。
5. シート状である請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池素子封止材。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池素子封止材を用いて作製された太陽電池モジュール。