JP2012064767A

JP2012064767A - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP2012064767A
Application number: JP2010207983A
Authority: JP
Inventors: Kazuyo Watanabe; 和世渡邊; Katsuhito Wada; 雄人和田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-03-29
Also published as: EP2432031A2; US20120067403A1

Abstract

【課題】軽量で可撓性を有するフィルム基板を用いたサブストレート構造の太陽電池モジュールの耐燃性を向上する。
【解決手段】太陽電池モジュール１００は、フィルム基板１１の受光面側に金属電極層１２、薄膜光電変換層１３、および透明電極層１４が積層形成されたサブストレート構造の太陽電池セル１と、前記太陽電池セル１の受光面側６および反受光面側７に積層されかつ前記太陽電池セル１の周囲において相互に直接接合されて前記太陽電池セル１を実質的に封止している受光面側および反受光面側の封止材層２ａ，２ｂと、前記受光面側封止材層２ａ，２ｂを介して前記太陽電池セル１の受光面側６に接合された表面保護層４と、前記反受光面側封止材層２ｂを介して前記太陽電池セル１の反受光面側７に接合された裏面保護層３と、を備え、前記表面保護層４が透明な樹脂フィルムからなり、その受光面側６にガラスコーティング層５が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池モジュールに関し、さらに詳しくは、薄膜光電変換素子を積層形成する基板に可撓性を有する金属薄板や合成樹脂フィルムを用いた太陽電池モジュールに関するものである。

太陽電池モジュールとしては、基板を通して光を入射するスーパーストレート構造の太陽電池モジュールと、基板を通さずに、基板上の光電変換素子に直接光を入射するサブストレート構造の太陽電池モジュールが周知である。そして、基板としては、ガラス基板、金属基板、合成樹脂基板などが用いられ、サブストレート構造の場合は、基板の種類は限定されないが、スーパーストレート構造の場合は、光透過性の良い、ガラスや透明の合成樹脂基板などを用いる必要がある。

合成樹脂フィルム基板や薄板の金属基板（以下、単にフィルム基板という）は、ガラス基板に比べて軽量であるため、フィルム基板を用いた太陽電池モジュールは、建造物の屋根や外壁などに設置する場合に構造への負担が少なく、既存の建造物に補強工事なしで導入でき、また、屋根などの建材と一体化したモジュールに構成して建造物自体に組み入れることもできるうえ、設置現場への搬入や設置工事も容易に行える利点がある。

また、フレキシブルな帯状のフィルム基板を用いることにより、ロールツーロール方式の成膜プロセスにて太陽電池セルを製造可能となり、製造コスト面で有利であることは勿論、モジュールレベルでも可撓性を有するので、体育館などの湾曲した屋根や壁面に沿って設置することもでき、様々な利用が見込まれている。

フィルム基板を用いたサブストレート構造の太陽電池セルとしては、スルーホールを介した直列接続構造が公知である（例えば特許文献１）。この構造では、図４（ｂ）に示すように、フィルム基板１１の表面上に金属電極層１２、ｐｉｎ接合構造半導体からなる光電変換層１３、および透明電極層１４を積層形成するとともに、フィルム基板１１の裏面に接続電極層１５を形成し、その後、表面側の各層１２，１３，１４と裏面側の接続電極層１５とを、相互にずれた位置（１８，１９）で多数の単位セル１ａにパターニングすることで、各単位セル１ａが、透明電極層１４の形成領域に穿設された集電孔１６、透明電極層１４の非形成領域に穿設された接続孔１７、および各接続電極層１５を介して直列接続されている。

上記太陽電池セル１はそのままでは耐候性を有さないので、図４（ａ）に示すように、表裏各面に熱接着シート２ａ，２ｂを介して表面保護材４および裏面保護材３を重ね、図示しない真空ラミネート装置で真空引きしてから加熱して一体にラミネートし、太陽電池モジュール１０を形成する（例えば特許文献２）。表面保護材４には透明な樹脂フィルムが用いられ、裏面保護材３には、用途に応じて鋼板や樹脂シートなどが用いられる。

特開平６−３４２９２４号公報特開２００４−３１１５７１号公報

太陽電池に耐候性を付与するために、樹脂フィルムを表面保護材として用いた場合、太陽電池セルを封止する封止材が燃えやすいため、太陽電池モジュール全体としての難燃性が低くなってしまうという問題がある。また、フィルム基板を用いた太陽電池モジュールの軽量かつ可撓性を有するという長所を活用するうえで、ガラス基板の太陽電池モジュールに準じた耐燃性を具備することは有意義である。

本発明は、上記のような観点から、軽量で可撓性を有するフィルム基板を用いたサブストレート構造の太陽電池モジュールの耐燃性を向上することを目的としてなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様では、フィルム基板の受光面側に金属電極層、薄膜光電変換層、および透明電極層が積層形成されたサブストレート構造の太陽電池セルと、前記太陽電池セルの受光面側および反受光面側に積層されかつ前記太陽電池セルの周囲において相互に直接接合されて前記太陽電池セルを実質的に封止している受光面側および反受光面側の封止材層と、前記受光面側封止材層を介して前記太陽電池セルの受光面側に接合された表面保護層と、前記反受光面側封止材層を介して前記太陽電池セルの反受光面側に接合された裏面保護層と、を備えた太陽電池モジュールを前提とし、このような太陽電池モジュールにおいて、前記表面保護層が透明な樹脂フィルムからなり、かつ、その受光面側にガラスコーティング層が形成されていることを特徴とする。

上記構成により、軽量で可撓性を有する太陽電池モジュールとしての長所を維持しながらも、最表面のガラスコーティング層によって太陽電池モジュールとしての耐燃性が高められ、表面保護層や封止材層およびフィルム基板の火熱による変形とそれに伴う燃焼が抑制される。

また、本発明の第２の態様では、上述した前提となる太陽電池モジュールにおいて、前記表面保護層が、前記受光面側封止材層上に形成されたガラスコーティング層からなることを特徴とする。この態様では、ガラスコーティング層によって太陽電池モジュールとしての耐燃性が高められるとともに、ガラスコーティング層と受光面側封止材層とによって耐候性が得られ、前記第１の態様に比べて製造コストを低減できる利点がある。

さらに、本発明の第３の態様では、上述した前提となる太陽電池モジュールにおいて、前記表面保護層が透明な樹脂フィルムからなり、かつ、前記太陽電池セルの受光面にガラスコーティング層が形成されており、前記表面保護層は、前記受光面側封止材層および前記ガラスコーティング層を介して前記太陽電池セルの受光面側に接合されていることを特徴とする。この態様では、モジュール表面の耐燃性は表面保護層の樹脂フィルムに依存するものの、フィルム基板の火熱による変形それに伴う燃焼が抑制されることで、モジュール全体としての耐燃性能を向上できる。

上述した本発明の各態様において、前記ガラスコーティング層が、常温硬化型ガラスコーティング材の塗布により形成されていることが好適である。この態様では、ラミネート処理を完了した太陽電池モジュールの最表面に、スプレー方式やローラー方式でガラスコーティング材を塗布して常温硬化させることでガラスコーティング層を形成できるので、追加の設備コストが少なくて済む。また、太陽電池モジュールの設置現場においてガラスコーティング層を形成することもできる。

以上述べたように、本発明によれば、フィルム基板を用いたサブストレート構造の太陽電池モジュールの軽量かつ可撓性を有するという特徴を維持しつつその耐燃性を低コストで向上でき、様々な利用に供するうえで有利である。

本発明第１実施形態の太陽電池モジュールを示す模式的断面図である。本発明第２実施形態の太陽電池モジュールを示す模式的断面図である。本発明第３実施形態の太陽電池モジュールを示す模式的断面図である。本発明の前提となる太陽電池モジュールを示す分解斜視図（ａ）およびその太陽電池セルを示す模式的な要部拡大斜視図（ｂ）である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、各実施形態に共通または対応する構成には、共通または対応する符号を付すことで説明を省略する場合がある。

（第１実施形態）
本発明に係る第１実施形態の太陽電池モジュール１００は、図１に示すように、サブストレート構造の太陽電池セル１の受光面側６に封止材層２ａを介して表面保護層４が接合される一方、太陽電池セル１の反受光面側７に封止材層２ｂを介して裏面保護層３が接合され、さらに、表面保護層４の最表面にガラスコーティング層５が形成されている。

太陽電池セル１は、図４（ｂ）に示すように、フィルム基板１１の表面上にＡｇやＡｌなどの金属電極層１２が成膜され、その上にｐｉｎ接合構造のアモルファスシリコン半導体膜からなる光電変換層１３が成膜され、さらにその上にＩＴＯやＺｎＯなどからなる透明電極層１４が形成される一方、フィルム基板１１の裏面にＡｇやＡｌなどからなる接続電極層１５が成膜されている。光電変換層１３が複数設けられる場合もある。各成膜工程は、帯状のフィルム基板１１を用い、ロールツーロール方式の成膜プロセスによって、プラズマＣＶＤなどの化学蒸着やスパッタなどの物理蒸着によって実施される。

フィルム基板１１としては、高耐熱性のポリイミドフィルムが好適であるが、他のプラスチックフィルムを用いることもできる。フィルム基板１１には、予め所定配列で接続孔１７を穿設しておき、表裏各側の電極層１２，１５の形成後に所定配列で集電孔１６が穿設される。フィルム基板１１の表面側の各層１２，１３，１４と、裏面側の接続電極層１５とが、相互にずれた位置でレーザ加工によるパターニング溝１８，１９で多数の単位セル１ａに分割されることで、各単位セル１ａが、透明電極層１４の形成領域に穿設された集電孔１６、透明電極層１４の非形成領域に穿設された接続孔１７、および各接続電極層１５を介して接続された直列接続構造が形成される。上記穿孔工程およびレーザ加工工程もロールプロセスで実施される。

太陽電池セル１のモジュール化に際しては、先ず、図示しないラミネート装置にて仮ラミネート処理が実施される。すなわち、ロールから巻出される太陽電池セル１の受光面側６および反受光面側７に一回り大きい（幅の広い）封止材２ａ，２ｂおよび図示しない剥離シートを重ねて、所定温度に加熱されたラミネートロールを通過することで一体にラミネートされる。封止材２ａ，２ｂは、熱接着性を有する透明な樹脂シートからなり、例えば、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）フィルムが好適に用いられる。封止材２ａ，２ｂでラミネートされた太陽電池セル１は、モジュール毎に裁断される。図４（ａ）に示された底では、２つの直列接続構造が並列接続されることで１つのモジュールが構成されている。

次いで、受光面側封止材２ａの上に透明な樹脂フィルムからなる表面保護材４を重ね、反受光面側封止材２ｂの下に裏面保護材３を重ねた状態で、バッチ式の真空ラミネート装置に収容し、所定の処理条件で真空ラミネート処理することで、表面保護材４および裏面保護材３が封止材２ａ，２ｂを介して太陽電池セル１と一体化された太陽電池モジュール（サブモジュール１０）が構成される。

表面保護材４に用いる樹脂フィルムとしては、透明性、耐候性、耐熱性および耐衝撃性になどの点から、ＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）フィルムなどのフッ素系樹脂フィルムが好適である。また、裏面保護材３としては、金属板、繊維強化樹脂板、樹脂板、樹脂シートなど、用途に応じた素材を選択可能であり、例えば、強度および耐食性に優れたガルバリウム鋼板をベースとした塗装鋼板や、ＥＴＦＥ、ＰＥＴなどの樹脂シートが好適である。

最後に、上記のようにラミネート処理を完了した太陽電池モジュール（サブモジュール１０）の表面保護材４の最表面にガラスコーティング層５を形成し、太陽電池モジュール１００を構成する。ガラスコーティング層５の形成は、ガラスコーティング材５の塗布によって行われる。常温硬化型ガラスコーティング材を用いることで、スプレー方式やローラー方式で塗布して常温で硬化させガラスコーティング層５を形成できる。常温硬化型ガラスコーティング材としては、有機成分を含まず、湿分硬化反応でガラス膜を形成可能なペルヒドロポリシラザン（ＰＨＰＳ）を主体とするガラスコーティング材を好適に用いることができる。ガラスコーティング材の塗布・硬化を複数回行い、ガラスコーティング層５を厚膜化してもよい。

（第２実施形態）
本発明に係る第２実施形態の太陽電池モジュール２００は、図２に示すように、上述した第１実施形態の太陽電池モジュール１００における樹脂フィルムからなる表面保護材４を用いず、受光面側封止材２ａの表面に直接ガラスコーティング層５ａが形成され、ガラスコーティング層５ａと封止材２ａとで表面保護層が構成されている。封止材２ａには耐熱性を期待できないので、耐燃性の点では、可撓性が損なわれない範囲でガラスコーティング層５を厚膜化することが好ましい。第２実施形態の太陽電池モジュール２００では、モジュールとしての機械的強度は裏面保護層３に依存することになる。

（第３実施形態）
本発明に係る第３実施形態の太陽電池モジュール３００は、図３に示すように、太陽電池セル１の受光面側６にガラスコーティング層５ｂが形成されている。したがって、このガラスコーティング層５ｂは、太陽電池セル１の受光面側の封止材を兼ねている。第３実施形態の太陽電池モジュール３００では、太陽電池セル１の製造後に、太陽電池セル１の受光面側６にガラスコーティング材５ｂを塗布し、硬化させた後、受光面側および反受光面側に封止材２ａ，２ｂを重ねて仮ラミネート処理を行い、その後は、第１実施形態と同様に、裁断工程を経て、表面保護材４および裏面保護材３との真空ラミネート処理を行うことで太陽電池モジュール３００を構成可能である。

第３実施形態の太陽電池モジュール３００では、表面保護材４が直接火炎に晒されることになるので、モジュール表面の耐燃性は表面保護材４の材質に依存することになり、したがって、従来と変わりない。しかし、太陽電池セル１の受光面側６にガラスコーティング層５ｂが介在することで、太陽電池セル１のフィルム基板１１の耐熱性が向上し、火炎の熱による変形が抑制されるので、それにより、モジュールとしての耐燃性能の向上が見込める。

以上、本発明のいくつかの実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記以外にも本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、封止材２ａ，２ｂの仮ラミネート処理と、表面保護材４および裏面保護材３の真空ラミネート処理とが、裁断工程を挟んで別々に実施される場合を示したが、同時に行うこともできる。また、裏面保護材３を含めずに真空ラミネート処理による封止を行い、その最表面にガラスコーティング材５を塗布することで、表面にガラスコーティング層５を有するサブモジュール（例えば、図１における１，２，４，５）を構成し、該サブモジュールに裏面保護材３を感圧型シート状接着剤や反応硬化型接着剤などで貼付して、太陽電池モジュールを構成することもできる。その場合、裏面保護材が建造物などの接地面によって構成される場合も含まれる。

１太陽電池セル
１１フィルム基板
２，２ａ，２ｂ封止層（封止材）
３裏面保護層（裏面保護材）
４表面保護層（表面保護材）
５，５ａ，５ｂガラスコーティング層（ガラスコーティング材）
１００，２００，３００太陽電池モジュール

Claims

フィルム基板の受光面側に金属電極層、薄膜光電変換層、および透明電極層が積層形成されたサブストレート構造の太陽電池セルと、
前記太陽電池セルの受光面側および反受光面側に積層されかつ前記太陽電池セルの周囲において相互に直接接合されて前記太陽電池セルを実質的に封止している受光面側および反受光面側の封止材層と、
前記受光面側封止材層を介して前記太陽電池セルの受光面側に接合された表面保護層と、
前記反受光面側封止材層を介して前記太陽電池セルの反受光面側に接合された裏面保護層と、を備えた太陽電池モジュールにおいて、
前記表面保護層が透明な樹脂フィルムからなり、かつ、その受光面側にガラスコーティング層が形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
フィルム基板の受光面側に金属電極層、薄膜光電変換層、および透明電極層が積層形成されたサブストレート構造の太陽電池セルと、
前記太陽電池セルの受光面側および反受光面側に積層されかつ前記太陽電池セルの周囲において相互に直接接合されて前記太陽電池セルを実質的に封止している受光面側および反受光面側の封止材層と、
前記受光面側封止材層を介して前記太陽電池セルの受光面側に接合された表面保護層と、
前記反受光面側封止材層を介して前記太陽電池セルの反受光面側に接合された裏面保護層と、を備えた太陽電池モジュールにおいて、
前記表面保護層が、前記受光面側封止材層上に形成されたガラスコーティング層からなることを特徴とする太陽電池モジュール。
フィルム基板の受光面側に金属電極層、薄膜光電変換層、および透明電極層が積層形成されたサブストレート構造の太陽電池セルと、
前記太陽電池セルの受光面側および反受光面側に積層されかつ前記太陽電池セルの周囲において相互に直接接合されて前記太陽電池セルを実質的に封止している受光面側および反受光面側の封止材層と、
前記受光面側封止材層を介して前記太陽電池セルの受光面側に接合された表面保護層と、
前記反受光面側封止材層を介して前記太陽電池セルの反受光面側に接合された裏面保護層と、を備えた太陽電池モジュールにおいて、
前記表面保護層が透明な樹脂フィルムからなり、かつ、前記太陽電池セルの受光面にガラスコーティング層が形成されており、前記表面保護層は、前記受光面側封止材層および前記ガラスコーティング層を介して前記太陽電池セルの受光面側に接合されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
前記ガラスコーティング層が、常温硬化型ガラスコーティング材の塗布により形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の太陽電池モジュール。
前記太陽電池セルは、前記フィルム基板の反受光面側に接続電極層が形成され、該接続電極層と、受光面側の前記金属電極層、前記薄膜光電変換層、および前記透明電極層からなる各層とが、相互にずれた位置で多数の単位セルに分割されるとともに、前記透明電極層の形成領域に穿設された集電孔と、前記透明電極層の非形成領域に穿設された接続孔とを介して直列接続されていることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池モジュール。