(57)【要約】【課題】ＰＩＤは、太陽電池モジュールのカバーガラス等に含まれるＮａがシステムに印加された電圧によりセル内部に移動して発生すると予測されており、他の劣化モードと比較して、短期間かつ大幅に発電特性が低下する。本発明は、ＰＩＤによる発電特性の低下を抑えることを目的とするものである。【解決手段】太陽光の導入側にあるガラス基板などからなる表面側透明保護部材の少なくとも一方の表面に、高抵抗ガラス層を形成したことを特徴とする、太陽電池モジュール。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光の導入側にあるガラス基板などからなる表面側透明保護部材の少なくとも一方の表面に、高抵抗ガラス層を形成したことを特徴とする、太陽電池モジュール用部材。
【請求項２】
前記高抵抗ガラス層は、液体ガラスを塗布することにより形成された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部材。
【請求項３】
前記高抵抗ガラス層が、表面側透明保護部材の太陽光導入面とは反対の表面に形成されてい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部材。
【請求項４】
前記請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池モジュール用部材を用いて形成した太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電システムのＰＩＤ（potential-induced degradation）現象による出力低下を抑止した太陽電池モジュールおよびそれに用いる部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムは、設置後十年前後でようやく設置コストの回収ができると言われており、長期間の安定した出力が求められている。しかし太陽光発電で先行するヨーロッパ等では、ＰＩＤ現象とよばれる太陽電池モジュールシステムの性能劣化が発生するという問題が報告されている。ＰＩＤ現象とは、太陽電池モジュール内部回路で電荷の分極が生じ、セル内部での電子の移動が妨げられること、或いは、主にカバーガラスに含まれるＮａなどの金属イオンがセル内部を移動してｐｎ接合を短絡してしまい、出力の著しい低下が起こる現象である。
【０００３】
ＰＩＤ現象は、高電圧化した太陽光発電設備において、接地されたフレームと太陽電池モジュール内部回路との間に大きな電位差が発生するようになり、これに湿度、温度等の外部要因が作用し、或いはモジュールに用いられるガラス基板からのアルカリ金属イオンが拡散して、モジュールの内部回路とフレーム間に漏れ電流が生じることが原因といわれている。
【０００４】
ここで本明細書における用語について以下のように定義する。太陽電池の基本単位で太陽電池素子そのものを太陽電池セルといい、このセルを必要枚数配列して、屋外で利用できるように樹脂や強化ガラスなどで保護し、パッケージ化したものを太陽電池モジュールという。また太陽電池モジュールを複数枚並べて接続したものを太陽電池アレイという。太陽電池セル単位でみると、該セルの一部分に前記の劣化現象が発生し、それが太陽電池モジュール一枚の性能劣化へとつながり、さらに太陽電池アレイを構成する直列に接続された太陽電池モジュールのうち、一枚でもこのような性能劣化を起こすと、システム全体の発電効率の低下を招いてしまう。
【０００５】
このようなＰＩＤ現象を抑制する方法として種々の提案がなされている。例えば、所定レベル以上の高い絶縁性を有する太陽電池用封止膜を利用するもの（特許文献１）、環状オレフィン系樹脂のフィルムと、エチレン・α−オレフィンゴム共重合体（Ａ）とエチレン・アクリル酸共重合体（Ｂ）を所定の配合比でブレンドした組成物に有機過酸化物課教材を含む材料でモジュールを封止するもの（特許文献２）、エチレン・極性モノマー共重合体と、シランカップリング剤と、ヒンダードアミン系光安定剤を含む封止用樹脂を提供するもの（特許文献３）などがある。これらの技術は、封止膜により結晶シリコン等のセルを保護しようとするものである。
【０００６】
また、太陽光発電システムに使用する電力変換装置に絶縁トランスを追加し、かつ負極に接地することによりＰＩＤの発生を防止する方法（特許文献４）や、太陽電池モジュールとパワーコンディショナの間に出力低下予防回復装置と発電回路との切り替え手段を設けて、太陽電池モジュール内部に正電圧を印加する電源と前記モジュールを接地する接地手段を備えた装置（特許文献５）などの提案もある。これらの技術はＰＩＤ現象を効果的に抑制するものではあるが、適用に際してコスト面での負担が懸念される。
【０００７】
一方、既設の太陽電池モジュールの劣化を回復する手段として、例えば４０℃で１０００Ｖの電圧を１００時間かけることでＰＩＤを起こさせたのち、逆の電圧を同温度、同時間かけることでＰＩＤが回復したという結果（非特許文献１）や、６００Ｖの逆電圧あるいは２５０℃で２．５時間の処理により回復するという報告（非特許文献２）がある。これらの方法によれば回復可能であるかも知れないが、太陽電池モジュールを再利用する場合のように、一旦設備を分解するなどして回収することが必要となる。
【０００８】
なお、一定期間使用された太陽電池アレイについて出力を回復するための補修装置として、直流通電により太陽電池アレイに発生した発熱箇所を赤外線カメラで撮影・解析し、レーザーを照射して加熱する方法（特許文献６）があるが、熱疲労によるはんだクラックにより出力低下した太陽電池アレイの回復手段に関するものであり、同じ手法がＰＩＤの回復に適用できるか否かは不明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１４−２７０３５号公報
【特許文献２】特開２０１５−１７９８２７号公報
【特許文献３】特開２０１６−１２６４３号公報
【特許文献４】特開２０１１−１０３４９７号公報
【特許文献５】特開２０１４−９９４３８号公報
【特許文献６】特開２０１４−８２３６６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】S.Pingel,S.Janke,O.Frank, EU PVSEC 2012
【非特許文献２】D.Lausch,V.Naumann et al,Energy Procedia 55,486-493,2014
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
太陽電池におけるＰＩＤは、太陽電池モジュールのカバーガラス等に含まれるＮａがシステムに印加された電圧によりセル内部に移動して発生すると予測されており、他の劣化モードと比較して、短期間かつ大幅に発電特性が低下する。本発明は、ＰＩＤによる発電特性の低下を抑えることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明に係る太陽電池モジュールは、太陽電池モジュール用の表面側透明保護部剤（カバーガラス）の少なくとも一方の表面に高抵抗ガラス層を形成したことを特徴とする。当該、高抵抗ガラス層は最も簡易的な方法として液体ガラスを塗布することにより形成できる。
【００１３】
太陽電池は、一般に太陽光の導入側から、ガラス基板などからなる表面側透明保護部材（カバーガラス）、表面側封止膜（エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）膜）、結晶シリコン／アモルファスシリコン等と透明電極等からなる太陽電池用セル、裏面側封止膜（ＥＶＡ膜）、バックカバーの順に積層されて構成されている。
【００１４】
高抵抗ガラス層は、前記表面側透明保護部材（カバーガラス）に液体ガラスを塗布するだけの簡単な操作により形成することができるので、製造コストを抑えたままで容易に適用できる。また簡単な操作であるため、一定の品質維持が可能で、現状の太陽電池モジュールの組み立て工程に導入しやすい。
【００１５】
高抵抗ガラス層は、カバーガラスが表面側封止膜と接触する面の側に形成することがより好ましい。ＰＩＤは、カバーガラス内のＮａが移動することで発生すると考えられることから、この移動を最も効果的に阻止することができる位置だからである。
【００１６】
また、高抵抗ガラス層の厚みは、１００〜５０００ｎｍの範囲で形成することが好ましい。前記厚みよりも薄い膜では、高抵抗ガラス層形成時の亀裂や、太陽電池モジュールの組み立て時のキズなどによって、一部に欠陥が生じ、これがＮａ移動の通路になりえるおそれがあること。前記厚みよりも厚く形成した場合には、ＰＩＤを抑制する効果の向上が飽和するだけでなく、高抵抗ガラス層形成時に液体ガラスの塗布を繰り返すなど製造コストの増大をまねくおそれがあるからである。
【００１７】
本発明の高抵抗ガラス層の形成方法としては、市販の液体ガラスをそのままか或いは炭素数２〜６のアルコールで希釈し、該溶液をスピンコーティング法又はロールコーティング法などによりカバーガラス基板上に塗布し、大気雰囲気下で室温〜５００℃で乾燥することにより得られる。このように極めて簡単な工程で形成することができるので、コスト的に非常に有利である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の太陽電池モジュールは、カバーガラス基板上に簡単な工程によって高抵抗ガラス層を形成するだけでＰＩＤを抑止できるので、コスト増大を抑えて発電効率を長期間維持できる。
【００１９】
また、新たな設備投資なども特に必要がなく、従来の太陽電池セル素材をそのまま使用するので、安定性・耐久性などを確認するのに短期間の試験で適用することもできる。
【００２０】
さらに、高抵抗ガラス層の形成は簡単な操作で行うことができるので、品質の維持が容易で生産性にも与える影響が少ない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、ｐ型結晶Ｓｉ系太陽電池モジュールの断面構造および想定されるＰＩＤの発生メカニズムを示したものである。
【図２】図２は太陽電池モジュール内部に挿入した、液体ガラスにより作製した高抵抗ガラス層の配置を示している
【図３】図３は、ＰＩＤ試験およびＰＩＤ回復試験の回路の概念図である。
【図４】図４は高抵抗ガラス層有無の太陽電池モジュールを用いたＰＩＤ加速試験前後における電圧電流特性である。図４（ａ）は高抵抗ガラス層がない従来の太陽電池モジュール構造。図４（ｂ）はカバーガラス−封止膜（ＥＶＡ）間に高抵抗ガラス層を形成した太陽電池モジュール構造。図４（ｃ）は、カバーガラスの太陽光入射表面側に高抵抗ガラス層を形成した太陽電池モジュール構造。
【図５（ａ）】図５（ａ）は、通常のモジュール構造の場合において、電界強度分布をシミュレーションした結果を示している。
【図５（ｂ）】図５（ａ）は、カバーガラス−ＥＶＡ間に高抵抗ガラス層を形成した場合において、電界強度分布をシミュレーションした結果を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
太陽電池モジュールには発電効率の劣化の一つとしてＰＩＤと呼ばれる劣化モードがある。図１は、ｐ型結晶Ｓｉ系太陽電池モジュールの断面構造および想定されるＰＩＤの発生メカニズムを示したものである。
【００２３】
ＰＩＤは太陽電池モジュール部材であるフレーム２もしくはカバーガラス１と太陽電池セル３の電極の間に何らかの原因により高電圧が印加され、セル側の電圧がマイナスである場合に、カバーガラスに含まれるＮａもしくはセル表面にあるＮａがセル内部に移動し、発電特性を劣化させると考えられている。
【００２４】
また近年ＰＩＤの発生メカニズムとして、セル表面にある反射防止膜（ＳｉＮ膜／ＡＲＣ膜）に印加される大きな電界が劣化の進行に大きく関係していると議論されている。その議論では、ＳｉＮ膜に印加される電界強度を低下させることにより、ＰＩＤの発生を遅らせることができるとされている。本発明ではＳｉＮ膜に印加される電界強度の低減方法として、モジュールを構成するカバーガラスとセルの間に高抵抗層を挿入する手法を採用した。
【００２５】
すなわち、本発明に係わる太陽電池モジュールは、一般的な太陽電池モジュールの表面保護部材であるカバーガラスの少なくとも一方の面に高抵抗ガラス層が形成されていることを特徴とする。高抵抗ガラス層は、簡易的には液体ガラスを塗布するなどにより形成できる。
【００２６】
図２は太陽電池モジュール内部に挿入した、液体ガラスにより作製した高抵抗ガラス層の配置を示している。高抵抗ガラス層はそれぞれ、（ａ）カバーガラスと封止膜（ＥＶＡ）の界面、（ｂ）カバーガラスの太陽光導入側の表面に形成した例である。
【００２７】
ここで、前記液体ガラスとは、主成分が二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のシリカ溶液で、密封容器内等では、常温で液体として存在する。これを目的物の表面に塗布し、空気に接触した状態としておくと、硬化して固体のガラス質とすることができる。具体的には、製品名「液体ガラスＧ液」（成瀬製畳社製）等、市場から容易に入手可能なものを好ましく用いることができる。
【００２８】
また、その他の液体ガラスとして加水分解可能な金属アルコキシド等の有機金属化合物を、水と有機溶媒とからなる反応液中において、ホウ素イオンの存在下でＦ−、Ｃｌ−等のハロゲンイオンを触媒とし、ｐＨを４．５〜５．０に調整しながら加水分解、脱水縮合させて２００℃以下の低温度でガラス化させるものであってもよい（例えば特開平６−１９９５２８号公報参照）。
【００２９】
さらには、ＳｉＯ２系無機微粒子、テトラエトキシシラン、アルコール、少量成分のバインダーやＭｇ、Ｖ、Ｚｎ等を含む液体ガラスであっても良い。
【００３０】
液体ガラスをカバーガラスに塗布する方法としては、スピンコート法、ロールコーティング法、スクリーン印刷法などを使用することができる。なかでも大面積のカバーガラスに塗布するには、ロールコーティング法で行うことが好ましい。
【００３１】
ロールコーティングは、回転するロールに液体ガラスの溶液を塗りつけ、カバーガラスの表面にロールから転写・塗布するもので、平らで広い被塗物を塗装するのに適している。スプレーなどにより塗布する場合と異なり、霧状ではなくロールで直接押し付けるので、溶剤の揮発飛散が少なく、液体ガラスのロスも少ない。
【００３２】
使用する液体ガラス（ＬＧ）は、例えば、前記「液体ガラスG液」（成瀬製畳社製）で、これを脱水２−プロパノール（ＩＰＡ）との比率（ＬＧ：ＩＰＡ＝１：５）で希釈して、使用することが好ましい。市販の液体ガラスをそのまま使用することもできるが、均一かつ薄膜で塗布するような場合には、溶媒を添加して希釈する方が、操作性が良いからである。塗布したのちは、一定の温度に保った電気炉中に塗布後のカバーガラスをセットし、溶媒の乾燥および液体ガラスを固化して、カバーガラスの表面に液体ガラスの高抵抗ガラス層を固定する。
【００３３】
希釈溶媒は前記２−プロパノールに限定されるものではなく、メタノール、エタノール、ブタノールなどの炭素数１〜６のアルコールを使用することができる。これらのアルコールは、液体ガラスが水溶液であっても希釈用に使用することができ、適度な沸点と揮発性を有するので乾燥し易いからである。また、希釈倍率は用いる液体ガラスと溶媒（Ｓ）によって適宜設定することができるが、ＬＧ：Ｓ＝１：０〜１：１０の範囲、好ましくは１：０〜１：２の範囲である。
【００３４】
希釈倍率やコーティングの回数などを調整することによって、高抵抗ガラス層の厚みを種々調整することができる。高抵抗ガラス層の厚みは、１００〜５０００ｎｍの範囲で、好ましくは５００〜２０００ｎｍの厚みで形成することが好ましい。
【００３５】
前記厚みよりも薄くすることもできるが、一部の欠陥（亀裂・キズなど）によって、その箇所を中心にＮａの移動を抑制できなくなるおそれがある。また前記厚みよりも厚く形成する場合には、ＰＩＤを抑制する効果の向上があまり期待できないだけでなく、液体ガラスの塗布を繰り返す或いは高濃度の液体ガラス溶液の使用により、製造コストの増大・不均一な厚みの層形成をまねくおそれがある。
【００３６】
塗布後の乾燥は、一定温度で保持するか、昇温させつつ乾燥することもできる。乾燥温度は、塗布層の厚みや希釈溶媒などとの関係で適宜定めることとなるが、一般的には室温〜５００℃、好ましくは室温〜３００℃の範囲である。また乾燥時間は、１〜１２０時間で、この時間も塗布層の厚みや希釈溶媒などとの関係で適宜定めることとなる。
【００３７】
高抵抗ガラス層は、前記液体ガラスを利用する方法の他、ガラスフリット（粉末ガラス）を焼結させる方法や、ガラスフリット、有機溶媒、樹脂等のバインダーを含むペーストを塗布した後に、該ペーストを加熱することで有機溶媒や樹脂等を除去してガラス層を形成する方法、真空蒸着法やスパッタリング法を用いて形成することもできる。
【００３８】
以下には、具体的に高抵抗ガラス層を形成したカバーガラスを用いて太陽電池モジュールを形成し、そのＰＩＤ抑止効果を検討したときの実施例について記載する。
【００３９】
（実施例）
液体ガラス（ＬＧ）として、製品名「液体ガラスＧ液」（成瀬製畳社製；主成分はオルガノポリシロキサン、オルガノシラン）を使用して、この液体ガラスをカバーガラス上にロールコートして薄膜を作製した。
【００４０】
次にこのカバーガラスを、温度３００℃の乾燥機に入れて３時間乾燥して、表面に厚み２００ｎｍの高抵抗ガラス層を形成した。本発明のこのカバーガラスを用いて、さらに本発明の太陽電池モジュールを作製した。
【００４１】
なお、前記液体ガラスを脱水２−プロパノール（ＩＰＡ）との比率（ＬＧ：ＩＰＡ＝１：４）で希釈してコートすると、より薄い高抵抗ガラス層が形成できる。
【００４２】
また、高抵抗ガラス層を形成しないカバーガラスを用いた太陽電池モジュールも合わせて作製し、ＰＩＤの加速試験（図３参照）を行って、発電特性の変化を求めた。ＰＩＤの加速試験は、８５℃、２％ＲＨ以下の雰囲気において、カバーガラス１の表面にアルミニウムの板５をカーボン製導電シート６と共に密着させた太陽電池モジュールのセル電極１に−１０００Ｖを印加し、アルミニウムを接地させて行った。このときの電界印加時間は６〜１２時間の間で変化させた。
【００４３】
図４は高抵抗ガラス層有無の太陽電池モジュールを用いたＰＩＤ加速試験前後における電圧電流特性である。図４（ａ）の高抵抗ガラス層がない従来の太陽電池モジュール構造では、６時間のＰＩＤ試験後において発電特性が大幅に低下している。とりわけ、発電特性の指標の一つである、解放電圧および曲線因子（Fill factor: FF）が大幅に低下しており、ＰＩＤ発生時の特性をよく示している。
【００４４】
一方、図４（ｂ）、（ｃ）はそれぞれカバーガラス−封止膜（ＥＶＡ）間、カバーガラスの太陽光入射表面側に高抵抗ガラス層を形成した太陽電池モジュールにおける、ＰＩＤ加速試験前後の電圧電流特性である。（ｂ）、（ｃ）はいずれも高抵抗ガラス層無（ａ）と比較して、発電特性の低下は小さく、ＰＩＤ加速試験による劣化が抑制されていることがわかる。
【００４５】
また、（ｂ）のカバーガラス−封止膜（ＥＶＡ）間に高抵抗ガラス層を形成した場合は、ガラス層無しの６時間のＰＩＤ加速試験後の発電特性と比較して、１２時間のＰＩＤ加速試験後においても、発電特性の低下は小さい。これは、カバーガラス−ＥＶＡ間に高抵抗ガラス層を形成することにより、ＰＩＤの発生を２倍以上遅らせることができることを示している。
【００４６】
図５には、通常のモジュール構造の場合（ａ）と、カバーガラス−ＥＶＡ間に高抵抗ガラス層を形成した場合（ｂ）において、電界強度分布をシミュレーションした結果を示している。
【００４７】
モジュール内部にガラス層を想定した高抵抗層を挿入することにより、セル表面における電界強度が低下していることがわかる。同様な結果は、ガラス層をカバーガラス表面に形成した場合においても確認できている。
【００４８】
これらの結果から、高抵抗ガラス層をカバーガラス表面もしくは、カバーガラス−ＥＶＡ間に挿入することにより、ＰＩＤの発生を抑止することが可能であると考えられる。とりわけ、カバーガラス−ＥＶＡ間に挿入することにより、より抑止効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上説明したように、本発明の太陽電池モジュールは、カバーガラス基板上に簡単な工程によって高抵抗ガラス層を形成するだけでＰＩＤを抑止できるので、コスト増大を抑えて発電効率を長期間維持できる。また、特別な設備投資も必要なく、従来の太陽電池セル素材を殆どそのまま使用するので、安定性・耐久性などを確認するのに短期間の試験で適用することができる。さらに、高抵抗ガラス層の形成は簡単な操作で行うことができるので、品質維持が容易で、従来の生産性に与える影響が少ない。
【符号の説明】
【００５０】
１    カバーガラス
２    フレーム
３    太陽電池セル
【図１】
2020136421.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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