(57)【要約】      （修正有）【課題】モジュール内に封入される光起電力セルの温度の不所望な増大に耐え又は光起電力セルの温度の上昇を低減する光起電力モジュールを提供する。【解決手段】モジュール内にあるソーラセルに最も近く位置するバックシート２０の層内又は封止材に１つ以上の相変化材料が組み込まれる。モジュールの外側により近い層および／またはモジュール構成要素内に熱伝導性材料が組み込まれる。これらの材料は、別個にまたは互いに併用して用いられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上のソーラセルと、
裏打ちシートと、
前記１つ以上のソーラセルに前記裏打ちシートを接着する封止材とを備え、
前記裏打ちシート又は前記封止材の少なくともどちらかが相変化材料を含み、前記裏打ちシート又は前記封止材の少なくともどちらかが熱伝導性フィラーを含む、光起電力モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光起電力モジュールに関する。さらに具体的には、本発明は光起電力モジュールの保護用シートおよび封止材に関する。
【背景技術】
【０００２】
［関連出願の相互参照］
この出願は２００９年５月１４日出願の米国仮特許出願第６１／１７８，２１０号の利益を主張し、その全部がここに参照のためにこの出願に組み込まれる。
【０００３】
［背景技術］
光起電力モジュール(photovoltaic modules)によって利用される太陽エネルギは、今世紀にも使い尽くされようとしている化石燃料の最も有望な代替案の１つである。しかし、光起電力モジュールの製造および設置は、依然として高価なプロセスのままである。典型的な光起電力モジュールは、ガラス製のまたは柔軟で透明なフロントシート(front sheet)、複数のソーラセル(solar cells)、封止材(encapsulant)、保護用裏打ちシート(protective backing sheet)、モジュールの縁を覆う保護用シール(protective seal)、およびこのシールを覆うアルミニウム製の周囲フレーム(perimeter frame)からなる。図１に示されるように、フロントシート１０、裏打ちシート２０ならびに封止材３０および３０’は、天候因子、湿度、機械的な負荷および衝撃からセル４０のアレイを保護するように設計される。それらはまた、人々の安全および電流の喪失のための電気的な隔離を提供する。保護用裏打ちシート２０は、光起電力モジュールの寿命および効率を改善することを目的としており、その結果、光起電性電気のワット毎コストを低減する。フロントシート１０ならびに封止材３０および３０’は高い光透過率のために透明である必要がある一方で、裏打ちシートは典型的には、審美的な目的で高い不透明性を、また機能的な目的で高い反射率を有している。特に建築上の（建物一体型ＰＶ）および宇宙への応用の他、軍事的な応用（兵士装備に組み込まれる、等）のための重量の減少などの多くの理由から、軽量でかつ薄いソーラセルモジュールが望まれている。加えて、軽量でかつ薄いモジュールはコスト低減に寄与する。また、消費される材料の量の削減は、技術を「よりグリーン(greener)」にし、こうしてより多くの天然資源を節約する。
【０００４】
軽量でかつ軽いソーラセルを作製するための１つの手段は、軽量でかつ軽い裏打ちシートを組み込むことである。しかし、背面を覆う材料はまた、水蒸気および水の浸透を防ぐために高い耐湿性を有している必要があり、水蒸気および水の浸透は、光起電力素子、ワイヤ、および電極のような内在する部品に結果としてさびを生じさせる上にソーラセルを損傷させる可能性がある。加えて、裏打ちシートは、電気的な隔離、機械的な保護、ＵＶ保護、封止材への接着性、および出力リードを取り付ける機能を提供するべきである。
【０００５】
現在使用されている裏打ちシートは、典型的には（しかし必ずしもそうではない）積層体である。図２は典型的な積層体裏打ちシート２０の図示を提供している。積層体は、鍵となる構成要素としての、通常はＴｅｄｌａｒ（登録商標）であるポリフッ化ビニル２２、ポリエステル（ＰＥＴ）２４、およびエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）の共重合体２６の複数のフィルムからなる。ＥＶＡ層２６は、モジュールにおける封止材３０と接合していると共に誘電体層として機能し、そして良好な防湿性能を有している。それは寸法的に安定である。
【０００６】
光起電力デバイス（ＰＶ）は、入射した太陽パワーを有用な電力に変換することができる効率によって特徴付けられる。結晶性シリコンまたはアモルファスシリコンを利用しているデバイスは、２３％以上の効率を達成してきた。しかし、効率的な結晶性ベースのデバイスは製造するのが難しくまた高価である。例えば、１ｋＷのモジュール出力電力に対して必要とされるシリコンの量は概ね２０ｋｇであり、また１ｋｇの電子グレードシリコンに対するコストは約＄２０．００と見積もられている。低コストの電力を生産するために、ソーラセルは高い効率で動作する必要がある。
【０００７】
光起電力セル（または代替的にソーラセルと称される）は、温度に対して極めて敏感である。６４℃の動作温度では、結晶性シリコンソーラセルの効率が標準試験条件（２５℃）で測定される効率と比較して６９％低下することが判明した（非特許文献１）。
【０００８】
この温度依存性は数学的に表現されうる。バンドギャップエネルギの温度依存性は以下の等式によってモデル化される。
【０００９】
【数１】
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【００１０】
ここで、ＥＧ（０）はＴ＝０でのエネルギバンドギャップ、αおよびβは各半導体に特有の定数である。
【００１１】
温度の上昇は常に光起電性変換の効率の低下を結果としてもたらすので、変換効率を改善するためには、ソーラセルの温度をそのピーク動作温度に可能な限り近くで保つことが必要である。ピーク動作温度は種々のセルに対して異なるのであるが、現在利用可能な全ての光起電力セルは、快晴日射の日中にそのピーク動作温度を超えて熱くなるであろう。したがって、多くの場合にセルの温度を下げるための外部手段を適用する必要があり、あるいは別のやり方で温度が過度に高くなることを防ぐ必要がある。これが達成された１つの方法は、ソーラセルに冷却デバイスを適用することであり、冷却デバイスは同時にエネルギを要する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】A. Q. Malik, Salmi Jan Bin Haji Damit "Outdoor testing of single crystal silicon solar cells" Renewable energy, Volume 28, Issue 9, July 2003, p 1433-1445
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ソーラセルの変換効率を増大させるために、ソーラセルの熱管理のより効果的な手段を見出すことが望ましいであろう。外部冷却デバイスまたはソースを必要とせずにソーラセルの熱を管理するための手段を有することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ソーラセルの変換効率の改善のための方法およびデバイスを提供する。その変換効率は、ソーラセルのバックシート、前面カバーおよび／または封止材に放熱特性を付加することによって達成される。このことはソーラセルの温度を制御することを支援し、同時にセルの変換効率を高める（または維持する）。さらに具体的には、改良されたバックシート、前面カバー、および封止材は、ソーラセルの不所望な温度上昇を防ぐように機能し、それにより過熱に起因する効率の低下を防止する。
【００１５】
１つの実施形態においては、バックシートまたは封止材内への相変化材料(phase change material)（ＰＣＭ）の組み込みによって、バックシートまたは封止材に放熱特性が付加される。好ましくは、ＰＣＭはソーラセルに最も近い要素内に組み込まれる。多重層から構成されるバックシートにおいては、ＰＣＭはソーラセルに隣接する層内に組み込まれる。
【００１６】
別の実施形態においては、ＰＶＭの放熱特性は、ソーラセルを包囲している１つ以上の要素内、すなわちバックシート、封止材および前面カバー内への熱伝導性フィラー(filler)の組み込みによって達成される。このことは、いずれか単独で行われうるし、またはＰＣＭの組み込みと併せて行われうる。好ましい実施形態においては、熱伝導性フィラーは、ＰＣＭを含有している層に隣接する層内および前面カバー内に組み込まれる。
【００１７】
別の実施形態においては、放熱特性は、熱伝導性被覆の付加によって達成される。バックシートの種々の層上または封止材上に塗布される例えば窒化ホウ素、金属、金属酸化物、窒化チタン等の被覆は、ソーラセルからの熱を導き出すように機能する。加えてまたは代替的に、熱伝導性接着剤および結合層(tie layers)が、単独でまたは光起電力モジュールの構築においてここで説明される他の方法と併せて用いられえる。
【００１８】
さらに別の実施形態においては、放熱特性を提供しかつソーラセルの温度を制御するために、熱遮断性被覆(heat rejecting coatings)がバックシートおよび／またはフロントシートの外層上に塗布される。同様にそのような熱遮断性被覆は、単独でまたは光起電力モジュールの構築においてここで説明される他の方法と併せて用いられえる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明のより良い理解のために、添付図面への参照がなされるであろう。
【００２０】
【図１】図１は典型的な光起電力モジュールの要素の拡大図を示す。
【図２】図２は典型的な裏打ちシートの１つの実施形態を示す図である。
【図３】図３は相変化材料の典型的な挙動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
概説
【００２２】
モジュール内に封入される光起電力セルの温度の不所望な増大に耐えまたはそれを低減する光起電力モジュールが提供される。このことは、モジュール内にあるソーラセルからの熱を導き出すように動作する材料をモジュール構成要素内に組み込むことによって達成される。
【００２３】
好ましくは、ソーラセルに最も近く位置するバックシート（または代替的に裏打ちシートと称される）の重合体層内に１つ以上の相変化材料が組み込まれる。モジュールの外側により近い層および／またはモジュール構成要素内に熱伝導性材料が組み込まれてよい。これらの材料は、別個にまたは互いに併用して用いられえる。
【００２４】
相変化材料は、液体から固体への可逆的な相転移を受ける材料である。ＰＣＭの典型的な挙動が図３に図示されている。転移の温度では、材料は溶融する間に熱を吸収し、また結晶化する間に熱を放出する。これらの材料は、限定はされないが、パラフィン、脂肪酸、含水塩、および共晶物の他、マイクロカプセル化したＰＣＭ、化学的に改質されたＰＣＭ等を含む。
【００２５】
放熱バックシートおよび封止材
【００２６】
１つの実施形態においては、１つ以上の相変化材料が光起電力モジュールの裏打ちシートまたは封止材内に組み込まれる。相変化材料が溶融するとき（すなわち固体状態から液体状態への転移）、それは吸熱プロセスであるから、材料は熱を吸収することになる。液体材料が結晶化して固体状態になるとき、それは発熱プロセスであるから、熱を放出することになる。相変化材料は、光起電力モジュール内に組み込まれる場合、熱がセルに到達する前に熱を吸収すると共にセルから放熱するように動作する。結果として、ソーラセルの温度上昇は、外部冷却デバイスの使用なしに抑制される。
【００２７】
裏打ちシートまたは封止材内に相変化材料を組み込んでいるモジュールが特定の温度に達し始めると、相変化材料は、熱がソーラセルに到達するよりも前に熱を吸収することになる。
【００２８】
相変化材料の選択はいくつかの因子に依存する。相変化材料を選択する上での最も重要な因子は、単一または複数の当該材料が、ＰＶモジュール内で用いられる特定のソーラセルのピーク動作温度と同じ温度にほぼ等しいかそれよりも低い転移（溶融）温度を有していることである。
【００２９】
本発明の裏打ちシートは、任意の材料、通常は、裏打ちシートを製造するために典型的に用いられる重合体から作製されうる。１つの実施形態においては、１つ以上の相変化材料の組み合わせが重合体マトリクス内に組み込まれてフィルムまたはシートを形成する。別の実施形態においては、裏打ちシートは、１つ以上の相変化材料を含有している被覆を重合体フィルム上に塗布することによって準備される。多くの配列が可能である。裏打ちシートの鍵となる特性は、それが相変化材料を組み込んでいるということである。好ましくは、相変化材料はソーラセルにごく近位にある。以下でさらに論じられるように、このことは、１つの実施形態においては、ソーラセルに最も近い裏打ちシートの層内に相変化材料を組み込むことによって容易にかつ簡単に達成される。
【００３０】
多くの光起電力モジュールにおいては、裏打ちシートまたは前面カバーは、互いに積層されるフィルムの２以上の層を備えている積層体である。積層体が用いられる場合、相変化材料は、好ましくはソーラセルにより近い層内に組み込まれる。代替的には、相変化材料はソーラセルに最も近い層を構成していてよく、あるいは相変化材料を含有する被覆のためにソーラセルに最も近いフィルムまたは層に相変化材料が塗布されてよい。
【００３１】
相変化材料は、熱を吸収し、そして好ましくは放熱特性を有している次の層に熱を移動し（放熱し）、それによりソーラセルから熱を取り去ることになる。本発明に係る裏打ちシートがＰＶモジュールのための保護用裏打ちシートとして用いられる場合には、それらは、ソーラセルの温度の不所望な増大を回避すると共に長期の使用にも審美的に十分であり続けるように機能し、ＰＶモジュール内で生成される電流に対する効果的な保護を提供し、そして高い絶縁耐力を呈する。
【００３２】
１つの実施形態においては、積層体は、（ａ）耐候性フィルムの第１の外層、（ｂ）少なくとも１つの中間層、および（ｃ）第２の外層（代替的には内層と称される）を備える。好ましくは、相変化材料は内層内に組み込まれ、さもなければ内層の表面に塗布される。光起電力モジュールにおいて用いられる場合には、積層体の第１の外層は環境にさらされ、また内層はソーラセルおよび太陽放射にさらされまたは面する。内層は任意の材料から作製されうるが、典型的には１つ以上の重合体から作製される。１つの例においては、内層はエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）から作製される。ＥＶＡのビニルアセテート含有量は、一般的には約２〜３３重量パーセントであり、そして好ましくは２〜８重量パーセントである。別の例においては、内層は、有機溶媒可溶かつ／または水分散性の、相変化材料を含有する架橋性アモルファスフッ素重合体のマトリクスである。特定の実施形態の例は、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）と活性ＯＨ官能基を伴う炭化水素オレフィンとの共重合体である。当該層はフッ素共重合体と混合される架橋剤をさらに含んでいてよい。
【００３３】
架橋剤は、保護被覆の形成において用いられ、有機溶媒不溶性の不粘着フィルムを得るためのものである。好ましい架橋剤は、限定されないが、ＤｕＰｏｎｔ  Ｔｙｚｏｒ（登録商標）有機チタン酸塩、シラン、イソシアネート、メラミンが例示される。これらのフィルムは３０年を超える屋外使用が意図されているから、耐候性を確保するために脂肪族イソシアネートが好ましい。
【００３４】
代替的な実施形態においては、積層体の複合的放熱特性は、放熱が可能な単一または複数の層を積層裏打ちシート内に含ませることによって高められる。例えば上述した積層体においては、第１の外層および／または中間層にも１つ以上の熱伝導性フィラーが組み込まれている。そのような配置は、内層内で相変化材料と併せて用いられる場合に、より大きな正味の放熱ならびにモジュールのより高い効率および電力出力を結果としてもたらす。代替的には、熱伝導性フィラーの使用は、ＰＶモジュールから放熱する手段としてそれ自身によっても効果的でありえる。熱伝導性フィラーに加えて、熱伝導性接着剤、結合層(tie layer)および／または被覆が、積層体の正味の放熱特性をさらに高めるために利用されてもよい。
【００３５】
熱伝導性フィラーは、限定はされないが、窒化ホウ素、金属酸化物、金属、グラファイト、ホウ化カルシウム、窒化チタン、窒化アルミニウム、二ホウ化チタン、炭化シリコン、炭素ナノチューブの粉末およびナノ粒子、ならびにそれらの組み合わせを含む。窒化ホウ素の粉末およびナノ粒子は重合体の熱伝導性を改善することが知られている。それらはまた優れた電気絶縁特性を有してもいる。熱伝導性被覆は、限定はされないが、窒化ホウ素、金属、金属酸化物、窒化チタンを含む。これらの被覆はバックシートの１つ以上の異なる層上に塗布されうる。
【００３６】
本発明の積層体の個々の層は、互いに接着接合されうる。熱伝導性接着剤が随意的に用いられうる。本発明の積層体を形成する特定の手段は、層の組成および結果として得られる積層体の望ましい特性のほか、裏打ちシートが使用されることになる最終的な応用に応じて変化するであろう。
【００３７】
積層体に加えて、光起電力モジュールの他の構成要素もまた、モジュールの放熱を強化する材料を含んでいてよい。例えば、封止材および／または前面カバーが熱伝導性フィラーを含んでいてもよい。言うまでもなく、前面カバーは、ソーラセルが動作するために特定の波長の太陽放射を透過させる必要がある。したがって、この考慮を指針として、前面カバーを準備するに際してフィラーの種類、粒径、濃度、等の観点からのフィラーの選択がなされることになろう。
【００３８】
モジュールの熱を制御する別の方法は、単独でまたはここに説明される他の方法の１つ以上との組み合わせにおいて、裏打ちシートの外層上または前面カバー上に熱遮断性被覆を塗布することである。熱伝導性材料を選択する場合におけるのと同じ原則が熱遮断性被覆を選択する場合に適用される。すなわち、被覆は、ソーラセルの過熱を防止する一方で同時にセルの性能を妨げないように機能する。被覆は、バックシートまたはフロントシートの性能を落とさないべきである。したがって、前面カバー上の熱遮断性被覆は、前面カバーを通してソーラセルへの適切な量および種類の太陽放射を可能にし続けるはずである。
【００３９】
効率を高めるための他の方法との組み合わせ
【００４０】
光起電力モジュールの放熱の材料および方法は、光起電力モジュールの効率を高めるための他の方法と組み合わせられうる。例えば、裏打ちシートにおいて用いられる単一または複数のフィルムの重合体マトリクス内には、１つ以上の白色顔料および／または１つ以上の発光性材料(photo luminescent materials)が組み込まれうる。１つの実施形態においては、バックシート積層体は、発光性でありかつ相変化材料を含有する内層を備えている。発光性層は、広範囲の太陽光波長（ＵＶ、ＩＲおよび可視の）を吸収すると共に吸収した太陽放射を、対応する半導体のバンドギャップエネルギ以上のエネルギのフォトンへと変換することが可能である。
【００４１】
随意的には、バックシート積層体の複合反射率は、種々の波長の太陽放射を吸収すると共に吸収した太陽放射を、対応する半導体のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有するフォトンへと変換することが可能な２つ以上の層を含ませることによって高められる。例えば、第１の外層および／または中間層にも、内層と同様にして１つ以上の白色顔料および１つ以上の発光性材料が組み込まれる。そのような配置は、正味の反射率のより大きな増大と、より大きなモジュール効率／電力出力とを結果としてもたらす。随意的には、熱伝導性フィラー、接着剤、および結合層の付加もまた、前述したように第１の外層および／または中間層内に組み込まれる。
【００４２】
裏打ちシートの反射率を高めるために、任意の白色顔料が用いられてよい。例えば、二酸化チタン（例えばデュポン(DuPont)製のＴｉ−Ｐｕｒｅ（登録商標）シリーズの二酸化チタン）、炭酸カルシウム、リトポン(lithopone)、硫酸亜鉛、アルミニウム酸化物、窒化ホウ素、等が応用に応じて用いられえる。同様に、応用に応じて、内層の重合体が約２０〜６０重量パーセントを含有するように白色顔料が典型的には添加される。これらの中で、二酸化チタンがその入手容易性から好ましい。
【００４３】
好ましくは、発光性材料が白色顔料と組み合わされて内層内に添加される。しかし、これらの材料は、顔料なしで添加されえるし、かつ／または積層体の２以上の層もしくは裏打ちシートの全層に添加されえる。複数の層への発光性材料の添加は、積層体の正味の反射率を高める。フォトルミネッセンスは、光の吸収および再放射の完全なプロセスである。通常の顔料はエネルギを吸収すると共に反射する一方で、発光性材料は吸収し、反射し、そして再放射する。それらは典型的には内層が約０．０１〜３０．０重量％を含有するように添加される。
【００４４】
発光性材料の１つの例は光学増白剤(optical brighteners)である。光学増白剤は蛍光を発するので、裏打ちシートにおける使用のために特に好ましい。光学増白剤、例えばＣｉｂａＵＶＩＴＥＸ（登録商標）ＯＢは、ＵＶ光を吸収し、そしてそれを可視光として再放射する。異なるエネルギギャップを伴う種々の半導体に対しては、それらの特性に整合する他の発光性材料が容易に特定され、そして裏打ちシート内に組み込まれる。
【００４５】
発光性材料の別の例は、（クマリンおよびペリレンベースの）ＢＡＳＦ製の染料またはＬｉｇｈｔｌｅａｄｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ製の材料である。例えばＹＧ−１Ｆである。典型的な励起（左）および発光性スペクトル（右）が図３に図示されている。代替的には、金属フッ化物蛍光体(metal fluoride phosphors)のような非線形光学材料が用いられてもよい。これらの蛍光体は、赤外（ＩＲ）放射を種々の形態の可視光にアップコンバージョンさせるために用いられてよい。
【００４６】
さらに別の実施形態においては、内層は、相変化材料ならびに白色顔料および／または発光性材料を含有する、有機溶媒可溶かつ／または水分散性の架橋性アモルファスフッ素重合体のマトリクスである。特定の実施形態は、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）と活性ＯＨ官能基を伴う炭化水素オレフィンとの共重合体を含む。当該層はフッ素共重合体と混合される架橋剤をさらに含んでいてよい。
【００４７】
代替的な実施形態においては、白色顔料含有ポリフッ化ビニル（例えばデュポンからＴｅｄｌａｒ（登録商標）ポリフッ化ビニルとして商業的に入手可能なもの）が内層として用いられる。望ましい発光性を達成するために、当該層は、発光性材料および随意的に白色顔料を含有する薄い光反射フィルムで被覆される。好ましくは、白色被覆は、４０〜５０重量％の白色顔料および０．０１〜２．０重量％の蛍光増白剤を含有し、また随意的には相変化材料を含有しうる。
【００４８】
薄い光反射被覆のためのマトリクスは、広範な種類の重合体、例えばアクリル重合体、ウレタン、ポリエステル、フッ素重合体、クロロフルオロ重合体、エポキシ重合体、ポリイミド、ラテックス、熱可塑性エラストマ、および尿素から選択されうる。薄い光反射被覆は、フィルム被覆加工の分野における当業者に知られる種々の方法のうちの任意の方法によって第２の外層に塗布されうる。好ましい方法は、スプレイイング、ディッピングおよびブラッシングによる被覆塗布を含む。
【００４９】
被覆は、望ましい発光性を与えるために任意の裏打ちシートに塗布されうる。すなわち、当該分野で既知の任意の裏打ちシートは、その裏打ちシートに発光性被覆、好ましくは白色顔料を含有するものを被覆することによって、電力増大裏打ちシートに改造することができる。特定の発光性材料を選択する上で主として考慮することは、対象となる起電力デバイス内の半導体材料のバンドギャップにピーク発光波長を整合させる（すなわち、その波長または近傍の波長とする）ことである。
【００５０】
裏打ちシートは追加の層を含んでいてもよい。追加の層はフルオロ共重合体層に接着剤でまたは接着剤なしで適用されうる。随意的な追加の層は、例えば、ポリエステル、ＥＶＡ、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリウレタン、液晶重合体、アクラー、アルミニウム、スパッタリングされた酸化アルミニウムポリエステル、スパッタリングされた二酸化シリコンポリエステル、スパッタリングされた酸化アルミニウムポリカーボネート、スパッタリングされた二酸化シリコンポリカーボネート、架橋性官能基を伴うスパッタリングされた酸化アルミニウムフルオロ共重合体、架橋性官能基を伴うスパッタリングされた酸化シリコンフルオロ共重合体の１つ以上を含んでもよい。
【００５１】
当業者にとって明白であろう、開示される本発明の種々の修正、調整、および適用があるであろうし、また本出願はそのような実施形態に及ぶことが意図されている。本発明は特定の好ましい実施形態に関連して説明されてきたが、それらの最大限の範囲は以下の特許請求の範囲を参考にして評価されることが意図されている。
【００５２】
ここで引用される種々の刊行物、特許および特許出願は、それらの全体が参照により組み込まれる。
【図１】
2015038999.tif 000004
【図２】
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【図３】
2015038999.tif 000006