JP2013187262A - 太陽光発電装置用の反射板及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐候性と高い反射率を併せもつ太陽光発電装置用の反射板及び反射板作製方法を提供する。
【解決手段】基材１表面に、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕの中から選択される少なくとも１種を含む金属で構成される反射膜２と、誘電体からなる増反射膜４とを備える。これら反射膜２と増反射膜４の間に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａの中から選択される少なくとも１種を含む高融点金属で構成される高融点金属膜３を介在させる。増反射膜４表面に、フッ素系樹脂又はグラフェンで構成される、表面に凹凸形状を付与した防汚層５を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電装置用の反射板及びその作製方法に関する。

近年、化石燃料の大量消費に起因するエネルギ枯渇問題及び地球環境問題の深刻化に伴い、太陽光エネルギを電力に変換（光電変換）する太陽光発電装置が注目されている。この種の太陽光発電装置は、光電変換を行うパネル状の太陽電池モジュールを、住宅等の建物の屋根の上に固定して設置することが一般的である。太陽電池モジュールに対する太陽光の入射角度は一定ではなく、太陽電池モジュールに対して直交する方向から太陽光が入射したときには、入射光強度が高くなって高い光電変換効率が得られるものの、太陽光の入射角度が変化するのに従い、入射光強度が低くなって光電変換効率が低下する。太陽電池モジュールに対する太陽光の入射角度が一定になるように太陽電池モジュールを追尾させる機構を備える太陽光発電装置が知られているが（例えば、特許文献１参照）、これでは、太陽光発電装置の構造が複雑化してコスト高を招来する。

他方、太陽電池モジュールの周囲に反射板を配置し、この反射板により太陽光を反射させて太陽電池モジュールに入射させることで、太陽光の入射角度とは無関係に入射光強度を高めることができる。この場合、入射光強度をより一層高めるために、反射率の高い増反射型の反射板を用いることが考えられるが、太陽光発電装置用の増反射型反射板として有効なものは殆ど開発されていない。

そこで、液晶表示装置に用いられる増反射型の反射膜を、太陽光発電装置用の反射板に応用することが考えられる（例えば特許文献２参照）。この液晶表示装置用のものでは、Ａｇ等の金属で構成される反射膜表面にＩＴＯ等の誘電体で構成される増反射膜を形成することで、４００〜７００ｎｍの波長領域で高い増反射効果を得ている。

ところで、反射板は屋外に常設されるため、反射板の表面を保護する必要がある。反射板の表面に保護層としてガラス板を貼り付けることが考えられるが、ガラス板の表面の撥水性は其程高くないため、反射板の耐候性が不十分であるという問題があった。

また、上記液晶表示装置用のものでは、反射膜表面に増反射膜たる誘電体膜を直接形成するため、増反射膜を形成する際に、反射膜表面が酸化されて反射率が低下し、反射板の反射率を高くすることができないというも問題があった。

特開２００２−２８９８９６号公報 特開２００７−７９８２号公報

本発明は、以上の点に鑑み、優れた耐候性と高い反射率を併せもつ太陽光発電装置用の反射板及び反射板作製方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、基材表面に、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕの中から選択される少なくとも１種を含む金属で構成される反射膜と、誘電体からなる増反射膜とを備え、前記反射膜と前記増反射膜の間に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａの中から選択される少なくとも１種を含む高融点金属で構成される高融点金属膜を介在させ、増反射膜表面に、フッ素系樹脂又はグラフェンで構成される、表面に凹凸形状を付与した防汚層を設けたことを特徴とする。

尚、本発明において、「Ａｇ、Ａｌ、Ａｕの中から選択される少なくとも１種を含む金属」には、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕの中から選択された１種の金属あるいは２種以上の金属からなる合金だけでなく、反射率に影響しない微量の不純物を含有するものも含む。また、本発明において、「Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａの中から選択される少なくとも１種を含む高融点金属」には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａの中から選択される少なくとも１種の金属あるいは２種以上の金属からなる合金だけでなく、透光率に影響しない微量の不純物を含有するものも含む。

本発明によれば、増反射膜表面に、フッ素系樹脂又はグラフェンで構成される、表面に凹凸形状を付与した撥水性の高い防汚層を設けたので、耐候性に優れた反射板を得ることができる。さらに、反射膜と増反射膜との間に高融点金属膜を介在させることで、増反射膜を形成する際に反射膜の表面が酸化されてその反射率が低下することを防止できるため、反射率の高い反射板を得ることができる。

本発明において、前記増反射膜は、防汚層が形成される面側を上とし、前記高融点金属膜上に形成される、前記高融点金属の酸化物で構成される第１透光層と、この第１透光層上に形成される、シリコン酸化物又はシリコン酸窒化物で構成される第２透光層と、この第２透光層上に形成される、前記高融点金属の酸化物で構成される第３透光層とを有することが好ましい。これらの第１〜第３透光層で増反射膜を構成することで、３５０ｎｍ〜１２００ｎｍの波長範囲を有する太陽光に対して優れた増反射効果を達成することができる。

本発明は、基材表面に、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕの中から選択される少なくとも１種を含む金属で構成される反射膜を形成する工程と、前記反射膜の表面にＴｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａの中からなる選択される少なくとも１種を含む高融点金属で構成される高融点金属膜を形成する工程と、前記高融点金属膜の表面に誘電体からなる増反射膜を形成する工程と、前記増反射膜の表面に防汚層を形成する工程とを含み、前記防汚層を形成する工程は、前記増反射膜表面に接触させる基体の表面に形成された凹凸形状の各凹部に、フッ素系樹脂又はグラフェンを充填する工程と、前記フッ素系樹脂又はグラフェンを充填した後、前記基体の表面を前記増反射膜表面に接触させ、前記基体を加熱することによって、前記フッ素系樹脂又はグラフェンを前記増反射膜表面に転写する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、増反射膜の形成に先立ち高融点金属膜を形成しているので、増反射膜を形成する際に反射膜の表面が酸化されて反射率が低下することがない。さらに、基体表面の各凹部にフッ素系樹脂又はグラフェンを充填した後、この基体表面を増反射膜表面に接触させた状態でその基体を加熱するという簡単な工程を経るだけで、増反射膜表面に、凹凸形状が表面に付与された防汚層を形成できる。このため、高い反射率と優れた耐候性を併せもつ反射板を簡単に製造することができる。しかも、防汚層に凹凸形状を付与するためのエッチングを行わないので、防汚層の表面がダメージを受けて反射率が低下することがない。

本発明において、前記基体は、アルミニウム製の板材の片面にアルマイト処理を施して微細な凹凸形状が付与されたものであることが好ましい。これによれば、防汚層を形成するための基体を簡単に得ることができる。

本発明の実施形態の反射板の構造を説明する断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、反射板の作製方法を説明するための図。 本発明の実施例で作製された反射板を示すＳＥＭ写真。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の反射板について、太陽光発電装置に用いられるものを例に説明する。尚、本実施形態では、反射板の太陽光受光面側を上として説明する。

図１を参照して、本実施形態の反射板ＲＰは、樹脂やガラス製の基材１と、この基材１上に形成された反射膜２と、この反射膜２上に形成された高融点金属膜３と、この高融点金属膜３上に形成された増反射膜４と、この増反射膜４の受光面上に形成された防汚層５とで構成される。

基材１としては、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）等の樹脂やガラスで構成されるものを用いることができる。

反射膜２は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕの中から選択される少なくとも１種を含む金属で構成される。この金属は、Ａｇ等の中から選択される１種の金属あるいは２種以上の金属の合金をいい、反射率に影響しない微量の不純物を含有するものも含む。反射膜２は、例えば、スパッタリング（以下「スパッタ」という）法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等の公知の方法により形成される。反射率を考慮すると、反射膜２をＡｇで構成することが好適である。反射膜２の膜厚は、例えば、１００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲に設定することができる。１００ｎｍより薄いと、基材１の表面モフォロジーの影響や異物の凹凸の影響を受けて膜厚が薄い部分が生じ、その部分で光が透過して反射機能が弱まるという不具合があり、３００ｎｍより厚いと、スパッタ時間が長くなってターゲット消費量が多くなり製造コストがかさむため、製品コストが高くなるという不具合がある。

高融点金属膜３は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａの中から選択される少なくとも１種を含む、融点が例えば１５００℃以上である高融点金属で構成される。この高融点金属とは、Ｔｉ等の中から選択される少なくとも１種の金属あるいは２種以上の金属の合金をいい、透光率に影響しない微量の不純物を含有するものも含む。高融点金属膜３は、例えば、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等の公知の方法により形成される。高融点金属膜３の膜厚は、例えば、１５Å〜３００Åの範囲に設定することができる。１５Åより薄いと、後述する第１透光層を形成するときに反射板２の表面が酸化して、この反射膜２の反射率が低下するという不具合があり、３００Åより厚いと、光の透過率が低下して反射板２に達しないという不具合がある。

増反射膜４は、透光性を有する誘電体で構成される透光層を複数（本実施形態では３つの透光層）積層してなる。具体的には、増反射膜４は、高融点金属膜３上に形成された第１透光層４１と、その第１透光層４１上に形成された第２透光層４２と、この第２透光層４２上に形成された第３透光層４３とで構成される。第１及び第３透光層４１，４３は、上記高融点金属の酸化物で構成され、第２透光層４２は、シリコン酸化物又はシリコン酸窒化物で構成される。これにより、第１及び第３透光層４１，４３の屈折率が第２透光層４２の屈折率よりも高く設定される。増反射効果を考慮すると、第１及び第３透光層４１，４３として屈折率が１．７以上であるＴｉＯ_２膜を用い、第２透光層４２として屈折率が１．５以下であるＳｉＯ_２膜を用いることが好ましい。これら第１〜第３透光層４１，４２，４３の夫々の厚さは、増反射膜４の増反射効果を考慮して適宜設定することができる。例えば、第１及び第３透光層４１，４３の厚さは、１０Å〜１５００Åの範囲に設定することができ、第２透光層４２の厚さは、例えば、５０Å〜１０００Åの範囲に設定することができる。

防汚層５は、フッ素系樹脂又はグラフェンで構成され、表面に凹凸形状（即ち、フレクタル構造）が付与されている。この凹凸形状により、防汚層５の表面は高い撥水性を有するため、反射板ＲＰは優れた耐光性を有する。凸部の径は、例えば、１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内で設定できる。フッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）等を用いることができる。加工性とコストを考慮すると、ポリテトラフルオロエチレンが好適に用いられる。以下、上記反射板ＲＰの作製方法について、基材１として樹脂基板を用い、この樹脂基板上にスパッタ法により反射膜２たるＡｇ膜、高融点金属膜３たるＴｉ膜及び増反射膜４たるＴｉＯ_２膜／ＳｉＯ_２膜／ＴｉＯ_２膜を形成した後、フッ素系樹脂からなる防汚層５を形成する場合を例に説明する。

図２（ａ）を参照して、先ず、樹脂基板１上に、スパッタ法によりＡｇ膜２を１００ｎｍ〜３００ｎｍの膜厚で成膜する。次いで、Ａｇ膜２上に、スパッタ法によりＴｉ膜３を１５Å〜３００Åの膜厚で成膜する。その後、Ｔｉ膜３の成膜を行った成膜室に酸素を導入し、スパッタ（反応性スパッタ）法によりＴｉＯ_２膜４１を１０Å〜１５００Åの膜厚で形成する。次いで、ＴｉＯ_２膜４１上に、スパッタ法によりＳｉＯ_２膜４２を５０Å〜１０００Åの膜厚で形成した後、スパッタ法によりＳｉＯ_２膜４２上にＴｉＯ_２膜４３を１０Å〜１５００Åの膜厚で形成する。これらのＡｇ膜２、Ｔｉ膜３、ＴｉＯ_２膜４１、ＳｉＯ_２膜４２及びＴｉＯ_２膜４３の成膜は、大気に曝すことなく真空中で連続して行われるようにする。各膜の成膜条件は、公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

最後に、ＴｉＯ_２膜４３上に、表面に凹凸形状を有するフッ素系樹脂からなる防汚層５を形成する。この防汚層５の形成には、図２（ｂ）に示す防汚層形成装置Ｍが用いられる。この防汚層形成装置Ｍは、基材（樹脂基板）１を保持する固定プレート６と、固定プレート６に対向配置される金属製の加熱プレート７と、加熱プレート７の上面に接続された駆動軸８を上下方向に駆動する駆動手段９と、加熱プレート７の下面に保持される基体１０とを備える。基体１０は、基材１の輪郭と一致またはそれより大きい輪郭を有するアルミニウム製の板材１１と、この板材１１の片面（ＴｉＯ_２膜４３との接触面）に形成された陽極酸化皮膜１２とで構成される。陽極酸化皮膜１２は、アルマイト処理（陽極酸化処理）により形成された多孔質酸化アルミニウム膜であり、この酸化皮膜１２表面の全体に亘って凹凸形状が形成されている。アルマイト処理に用いる酸性電解液としては、例えば、濃度が０．７Ｍ以下の硫酸やシュウ酸が挙げられる。酸性電解液の濃度が０．７Ｍを超えると、電流値が高くなりすぎて、酸化皮膜１２の表面に荒れが生じ、雨に対する耐久性が低下する虞がある。また、アルマイト処理時の電圧は３０〜６０Ｖの範囲内に設定でき、浴温は３０℃以下に設定できる。このような条件で板材１１のアルマイト処理を行うことで、酸化皮膜１２内に、例えば、径が２０〜３００ｎｍの凹部１２ａがハニカム状に複数形成される。

上記防汚層形成装置Ｍの固定プレート６上に、ＴｉＯ_２膜４３までの成膜が行われた樹脂基板１を載置する。そして、酸化皮膜１２の凹部１２ａに、防汚層５の材料であるフッ素系樹脂５０を充填する。この場合、当該フッ素系樹脂５０の溶液を酸化皮膜１２表面に塗布した後、加熱乾燥や紫外線照射を行う。フッ素系樹脂５０が充填された酸化皮膜１２を下側に向けて基体１０を加熱プレート７により保持し、加熱プレート７に接続された駆動軸８を駆動手段９により下方に駆動して、酸化皮膜１２をＴｉＯ_２膜４３に対して略均等な押圧力で押圧する。この状態で加熱プレート７を加熱すれば、酸化皮膜１２の凹部１２ａに充填されたフッ素系樹脂５０が溶解してＴｉＯ_２膜４３の表面（受光面）に転写される。フッ素系樹脂５０がポリテトラフルオロエチレンである場合、加熱プレート７を、例えば、２００℃〜３００℃の温度で加熱すればよい。所定時間（例えば、１５分）経過後、加熱プレート７を上方に駆動して冷却すれば、図１に示すように、ＴｉＯ_２膜４３上に表面に凹凸形状（フラクタル構造）を有する防汚層５が形成される。尚、酸化皮膜１２の凹部１２ａにグラフェンを充填する場合、加熱プレート７を、例えば、２５０℃〜３００℃の温度で加熱することで、透明な防汚層５が得られる。

上記によれば、増反射膜４上に凹凸形状（フラクタル構造）を表面に付与した優れた撥水性を有する防汚層５を形成したため、反射板ＲＰの耐候性を飛躍的に向上させることができる。ここで、表面に凹凸形状を有する防汚層を形成する方法として、フッ素系樹脂を塗布した後に、この塗布したフッ素系樹脂の上にマスクを形成してエッチングを施して凹凸形状を付与することも考えられるが、これでは工程数が増えてコストアップを招来するという不具合を招くだけでなく、エッチング時にフッ素系樹脂がダメージを受けて反射板の反射率が低下するという問題が生じる。それに対して、本実施形態では、基体１０表面の凹部にフッ素系樹脂５０を充填して、この基体１０表面を増反射膜４の表面（受光面）に接触させた状態で加熱するだけでよいため、防汚層５を簡単にかつ低コストで形成でき、しかも、エッチングを行わないので、反射板ＲＰの反射率の低下を招かない。

さらに、反射膜２と増反射膜４との間に透光性を有する高融点金属膜３を介在させたため、増反射膜４の第１透光層（ＴｉＯ_２膜）４１を形成する際に反射膜２表面が酸化することを防止でき、反射膜２の反射率、ひいては反射板ＲＰの反射率が低下することを防止できるため、優れた反射率を有する反射板ＲＰが得られる。また、増反射膜４を第１〜第３透光層４１，４２，４３で構成することで、上記反射膜２表面が酸化されないことと相俟って、３５０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲の波長の光に対して優れた反射率を達成することができる。

以上の効果を確認するため、次の実験を行った。実験１では、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂製の樹脂基板１上にスパッタ法によりＡｇ膜２を１００ｎｍの膜厚で成膜し、このＡｇ膜２上にスパッタ法によりＴｉ膜３を２０Åの膜厚で成膜し、Ｔｉ膜３上に反応性スパッタ法によりＴｉＯ_２膜４１／ＳｉＯ_２膜４２／ＴｉＯ_２膜４３をそれぞれ１０Å／１２０Å／１０Åの膜厚で成膜した。その後、図２（ｂ）に示す防汚層形成装置Ｍを用いて、ＴｉＯ_２膜４３上にポリテトラフルオロエチレンからなる防汚層５を形成することで、反射板ＲＰを得た。このようにして得た反射板ＲＰの３５０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲の太陽光に対する反射率を分光光度計を用いて測定した結果、平均９８％という高い反射率が得られた。また、反射板ＲＰを屋外に設置し、３万時間経過後に同様の方法で反射率を測定した結果、反射率の低下は僅か２％に留まり、優れた耐候性が得られることが確認された。尚、反射板ＲＰを太陽電池モジュールの周囲に配置し、太陽光発電装置として約１万時間の加速試験を行った結果、光電変換効率の平均値は３２％であり、反射板ＰＲを配置しない場合に比べて光電変換効率が１４％上昇することが確認された。

実験２では、グラフェンからなる防汚層５を形成する点以外は、上記実験１と同様にして反射板を得た。得られた反射板の３５０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲の太陽光に対する反射率を分光光度計を用いて測定した結果、上記実験１よりも更に高い平均９９．５％という反射率が得られた。また、上記実験１と同様に屋外での耐久性試験を行ったところ、本実験２で得られた反射板についても、３万時間経過後の反射率の低下は僅か２％に抑えることができ、優れた耐候性が得られることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、増反射膜４構成するＴｉＯ_２膜４１、ＳｉＯ_２膜４２及びＴｉＯ_２膜４３を反応性スパッタ法により成膜しているが、酸化物ターゲットを用いてスパッタ法により成膜してもよい。

ＲＰ…反射板、１…樹脂基板（基材）、２…Ａｇ膜（反射膜）、３…Ｔｉ膜（高融点金属膜）、４…増反射膜、４１…ＴｉＯ_２膜（第１透光層）、４２…ＳｉＯ_２膜（第２透光層）、４３…ＴｉＯ_２膜（第３透光層）、５…防汚層、５０…フッ素系樹脂、１０…基体、１１…板材、１２ａ…凹部。

Claims (4)

1. 基材表面に、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕの中から選択される少なくとも１種を含む金属で構成される反射膜と、誘電体からなる増反射膜とを備え、
   前記反射膜と前記増反射膜の間に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａの中から選択される少なくとも１種を含む高融点金属で構成される高融点金属膜を介在させ、
   増反射膜表面に、フッ素系樹脂又はグラフェンで構成される、表面に凹凸形状を付与した防汚層を設けたことを特徴とする太陽光発電装置用の反射板。
2. 前記増反射膜は、防汚層が形成される面側を上とし、前記高融点金属膜上に形成される、前記高融点金属の酸化物で構成される第１透光層と、この第１透光層上に形成される、シリコン酸化物又はシリコン酸窒化物で構成される第２透光層と、この第２透光層上に形成される、前記高融点金属の酸化物で構成される第３透光層とを有することを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置用の反射板。
3. 基材表面に、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕの中から選択される少なくとも１種を含む金属で構成される反射膜を形成する工程と、
   前記反射膜の表面にＴｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａの中からなる選択される少なくとも１種を含む高融点金属で構成される高融点金属膜を形成する工程と、
   前記高融点金属膜の表面に誘電体からなる増反射膜を形成する工程と、
   前記増反射膜の表面に防汚層を形成する工程とを含み、
   前記防汚層を形成する工程は、
   前記増反射膜表面に接触させる基体の表面に形成された凹凸形状の各凹部に、フッ素系樹脂又はグラフェンを充填する工程と、
   前記フッ素系樹脂又はグラフェンを充填した後、前記基体の表面を前記増反射膜表面に接触させ、前記基体を加熱することによって、前記フッ素系樹脂又はグラフェンを前記増反射膜表面に転写する工程とを含むことを特徴とする反射板の作製方法。
4. 前記基体は、アルミニウム製の板材の片面にアルマイト処理を施して微細な凹凸形状が付与されたものであることを特徴とする請求項３記載の反射板の作製方法。