(57)【要約】【課題】長期間屋外に設置しても汚れ難く、その結果、汚れによる入射光の減少を原因とする出力低下を抑制することができる太陽電池モジュールを低コストで提供する。【解決手段】太陽電池素子１の光入射面側に表面部材２を有する太陽電池モジュールにおいて、前記表面部材２がフッ化物重合体フィルムから成り、前記フッ化物重合体フィルムの光入射面が放電処理されている太陽電池モジュール。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池素子の光入射面側に表面部材を有する太陽電池モジュールにおいて、前記表面部材がフッ化物重合体フィルムから成り、前記フッ化物重合体フィルムの光入射面が放電処理されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池モジュールに関し、特に、光入射面をフッ化物重合体フィルムで被覆してなる太陽電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池には様々な形態がある。代表的なものとしては、結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、薄膜結晶太陽電池、微結晶シリコン太陽電池、アモルフアスシリコン太陽電池、銅インジウムセレナイド太陽電池、化合物半導体太陽電池などがある。この中で、薄膜結晶シリコン太陽電池、微結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、銅インジウムセレナイド太陽電池などの薄膜系太陽電池は比較的低コストで大面積化が可能であり、また、使用原料が少ないという利点を有するために、最近では各方面で活発に研究開発が進められている。
【０００３】
これら薄膜系太陽電池は、ガラス、セラミック、ステンレス、樹脂フィルムなどの基板上に形成されるが、ステンレスあるいは樹脂フィルムを基板として用いた場合は、軽量でかつ耐衝撃性、フレキシブル性に富んだ太陽電池モジュールとすることができる。ただ、ガラス基板上に半導体光活性層を堆積して、ガラス基板側を光入射面とする場合と異なり、光入射側表面を透明な被覆材で覆い、太陽電池を保護する必要がある。そこで、従来から表面部材としてフッ素樹脂フィルム等の透明なフッ化物重合体フィルム、その内側の封止材として種々の熱可塑性透明有機樹脂を用いることによって、薄膜系太陽電池の特徴を生かした軽くてフレキシブル性のある太陽電池モジュールが提案されてきた。これらの材料が用いられてきた理由としては、１）フッ化物重合体は耐侯性・撥水性に富んでおり、樹脂の劣化による黄変・白濁あるいは表面の汚れによる光透過率の減少に起因する太陽電池モジュールの出力の低下を少なくすることができる、２）熱可塑性透明樹脂は安価であり内部の光起電力素子を保護するための封止材として大量に用いることができる、といったことが挙げられる。また、太陽電池素子上には一般に発電した電力を効率よく取り出すための種々の集電電極や、素子同士を直列化あるいは並列化するための金属部材が設けられており、熱可塑性透明有機樹脂はこのような電極や金属部材などの実装部材をも封止することにより素子表面上の凹凸を埋めて被覆材表面を平滑にするという効果も持っている。
【０００４】
しかしながら、フッ化物重合体フィルムで表面を被覆した従来の太陽電池モジュールの表面は、予想に反して汚れやすいことが明らかとなってきた。理由としては、１）撥水性が強いために雨で表面が濡れにくく、一度付着した汚れが雨で洗い流されにくい、２）雨が水滴状となって表面に残り、このまま乾燥すると雨水中に含まれていた砂埃などの汚れが濃縮されてモジュール表面に斑点状の汚れとなって残る、といったことが考えられる。
【０００５】
このような問題に対して、特許文献１、特許文献２などで開示されているように、従来から表面に酸化チタンなどの光触媒層を設けたフィルムを太陽電池モジュールの表面部材として用いて汚れを光触媒作用により分解し、さらに表面を超親水化することにより汚れを雨で簡単に洗い流して汚れによる出力の低下を抑制する試みがなされている。しかしながら、この場合、光触媒層が基材であるフィルムを分解してしまう、光触媒層がフィルムから剥がれてしまう、光触媒層を設けるのが高コストなどの理由で採用することは困難であった。
【０００６】
また、特許文献３、特許文献４で開示されているように、太陽電池モジュール表面にオルガノシリケートを含む膜を設けたり、シリコーンオイルを主成分として含む汚れ防止剤を塗布したりして耐汚染性を向上させることが提案されているが、これをフッ化物重合体フィルムに適用する場合、防汚膜あるいは防汚剤のフィルムへの密着力が弱く十分な耐久性が得られない、防汚処理にコストがかかるなどの理由で実現が困難であった。
【０００７】
さらに、特許文献５、特許文献６では、光入射面の表面粗さを規定することにより、汚れが溜まり難い太陽電池用カバーガラスが提案されているが、このような表面凹凸テクスチャをフッ化物重合体フィルムに設けても効果を得ることはできない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−８３００５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３１５０９号公報
【特許文献３】
特開２００１−１７７１３０号公報
【特許文献４】
特開２００２−２７０８６６号公報
【特許文献５】
特開平１１−２９８０３０号公報
【特許文献６】
特開２００１−３５８３４６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、長期間屋外に設置しても汚れ難く、その結果、汚れによる入射光の減少を原因とする出力低下を抑制することができる太陽電池モジュールを低コストで提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意研究開発を重ねた結果、次のような方法が最良であることを見いだした。
【００１１】
即ち、本発明の太陽電池モジュールは、太陽電池素子の光入射面側に表面部材を有する太陽電池モジュールにおいて、前記表面部材がフッ化物重合体フィルムから成り、前記フッ化物重合体フィルムの光入射面が放電処理されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、長期間屋外に設置しても汚れ難く、その結果、汚れによる入射光の減少を原因とする出力低下を抑制することができる太陽電池モジュールを低コストで提供することが可能となる。
【００１３】
本発明においては、前記放電処理が少なくとも不活性ガスと炭酸ガスとを含む混合ガス中での放電処理であることによって、汚れ防止効果を長期間にわたって持続させることができる。
【００１４】
また、前記表面部材が光入射面に凹凸テクスチャを有することによって、一層汚れを抑制することができる。
【００１５】
さらに、前記凹凸テクスチャの算術平均高さＲａが０．５〜３μｍ、最大高さＲｚが５〜２０μｍであることによって、防汚性と防眩性を両立することができる。
【００１６】
また、前記表面部材の光入射面の水の表面接触角が７５〜９５°であることによって、フィルムの機械的強度を落とすことなく防汚性を発現させることができる。
【００１７】
また、前記フッ化物重合体がエチレン−テトラフルオロエチレン系共重合体であることによって、放電処理によって大きな防汚効果を得ることができる。
【００１８】
また、前記太陽電池モジュールを傾斜角２０°以下で設置した太陽電池モジュールアレイによって、従来は汚れによって著しく出力が低下していた設置角２０°以下で設置された太陽電池モジュールアレイの汚れによる出力低下を大幅に改善することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の太陽電池モジュールの概略構成図を示す。図１に於いて、１は太陽電池素子、２は太陽電池素子１の受光面側に配されるフッ化物重合体フィルムからなる表面部材、３は太陽電池素子１の非受光面側に配される裏面部材、４は表面部材２、裏面部材３の内側に配される封止材、５はバスバー電極、６は集電電極である。外部からの光は、最表面の表面部材２から入射し、太陽電池素子１に到達し、生じた起電力は出力端子（不図示）より外部に取り出される。
【００２０】
本発明における表面部材２としてのフッ化物重合体フィルムはフッ素原子をその構成要素とする重合体をフィルム状に成型したものであれば特に限定されるものではないが、フッ化物重合体としては例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン−テトラフルオロエチレン系共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン系共重合体（ＥＣＴＦＥ）、パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）−テトラフルオロエチレン系共重合体（ＰＦＡ）、ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン系共重合体、あるいはこれらのうち２種以上を混合したものなどがある。このうち、ＥＴＦＥは耐候性及び機械的強度の両立と透明性の観点より太陽電池モジュールの表面部材としての適正に優れていることから好んで用いられる。また、ＥＴＦＥは放電処理によってフィルム表面に反応物を生成しやすいことも選択される理由のひとつである。
【００２１】
本発明で用いられるＥＴＦＥなどの共重合体には、他の共重合単量体を共重合させたものも含まれる。他の共重合単量体としては、他のフルオロオレフィン、他のオレフィン、ビニル系モノマーなどが挙げられる。
【００２２】
本発明においては、表面部材２の光入射面を放電処理する。放電処理の方法としては、例えば、コロナ放電処理、プラズマ放電処理、グロー放電処理などを用いることができる。いずれも、ガス雰囲気中にフィルムの処理面を曝し、電極間に高周波電圧を印加することにより生ずるコロナ放電、プラズマ放電、グロー放電によって処理を行う。
【００２３】
放電処理に用いる雰囲気ガスとしては、酸素、窒素、炭酸ガス、アセトンガスなどＣ＝Ｏ結合を有する反応性化合物ガス、ヘリウムガス・ネオンガス・アルゴンガス・クリプトンガス・キセノンガス・ラドンガスなどの不活性ガス、エチレンガス・プロピレンガスなど二重結合を有する重合性不飽和化合物ガスなどから２種以上を選択するのが好ましい。特に、不活性ガスと炭酸ガスを少なくとも含む混合ガスであることによって、フィルム表面に生成する反応物の耐久性が向上して、屋外暴露でも処理の効果が長期間にわたり持続するのでより好ましい。
【００２４】
また、表面部材２表面の水の接触角が７５〜９５°となるように放電処理するのが望ましい。接触角が９５°を超えると処理の効果が十分に現れない可能性がある。接触角が７５°未満であると処理層が厚くなりすぎ、フィルムの機械的強度低下などの問題が発生する可能性がある。
【００２５】
表面部材２の光入射面には凹凸テクスチャを設けるのが好適である。凹凸テクスチャは放電処理の前に設けておくのがよい。凹凸テクスチャを設けるためには、例えば、１）溶融したフッ化物重合体をスリットより押し出してフィルムに成型する際に、押し出し後、表面に不規則な凹凸模様が形成されている冷却ロールを押し付けて、フィルム表面に凹凸テクスチャを転写する方法、２）サンドブラスト法、などが適用可能である。
【００２６】
凹凸テクスチャの形状は、算術平均高さＲａが０．５〜３．０μｍ、最大高さＲｚが５〜２０μｍであることにより、防眩性と防汚性を高次元で両立することが可能となり、好ましい。Ｒａが０．５μｍ未満あるいは３．０μｍを超えると防眩性が不十分となり、また、朝夕など太陽光の入射角が浅い場合に表面での反射損失が大きくなり、太陽電子モジュールの発電量が低下する可能性がある。一方、Ｒｚが５μｍ未満であると十分な防汚性の向上が認められない可能性があり、２０μｍを超えると、凹凸の谷部に砂埃などの汚れが溜まりやすくなる可能性がある。
【００２７】
表面部材２に凹凸テクスチャを設けておくことで、従来からの太陽電池モジュールのラミネートにおいて使用されるエンボス形成部材を用いる必要がない。エンボス形成部材の表面は、ラミネート工程中に流れ出した封止材が付着するような場合も有り、定期的にメンテナンスする必要があったが、本発明のように事前に凹凸テクスチャを設けておくことで、このような手間が削減できる。
【００２８】
更に、凹凸テクスチャは、表面と裏面のテクスチャに相関性がないものが好ましい。表面と裏面のテクスチャに相関性がないと、より防眩性が高まるためである。また、凹凸テクスチャは表面にのみ設け、裏面はスペキュラーであってもよい。
【００２９】
以下、太陽電池モジュールを構成する各部材について説明する。
【００３０】
太陽電池素子１としては、結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、微結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、銅インジウムセレナイド太陽電池、化合物半導体太陽電池など、従来公知な素子を目的に応じて種々選択して用いて良い。これら太陽電池素子は、所望する電圧あるいは電流に応じて複数個を直列または並列に接続する。また、これとは別に絶縁化した基板上に太陽電池素子を集積化して所望の電圧あるいは電流を得ることもできる。さらに、素子への逆バイアス印加を防止するためにバイパスダイオードを素子に接続することも必要に応じて行われる。
【００３１】
封止材４は、太陽電池素子１を被覆し、素子を温度変化、湿度、衝撃などの過酷な外部環境から守り、かつ表面部材２あるいは裏面部材３と素子との接着を確保するために用いられる。このような材料としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）樹脂、エチレン−アクリル酸メチル共重合体（ＥＭＡ）樹脂、エチレン−アクリル酸エチル共重合体（ＥＥＡ）樹脂、エチレン−メタクリル酸共重合体（ＥＭＡＡ）樹脂、アイオノマー樹脂、ポリビニルブチラール樹脂などが挙げられるが、中でもＥＶＡ樹脂は耐候性、接着性、充填性、耐熱性、耐寒性、耐衝撃性など太陽電池用途としてバランスのとれた物性を有しているので好適に用いられる。ただ、そのままでは熱変形温度が低いために容易に高温使用条件下で変形やクリープを呈するので、架橋して耐熱性を高めておくことが望ましい。
【００３２】
裏面部材３は、太陽電池素子１を保護し、湿度の侵入を防ぎ、外部との電気的絶縁を保つために用いられる。材料としては、充分な電気絶縁性を確保でき、しかも長期耐久性に優れ、熱膨張、熱収縮に耐えられる材料が好ましい。好適に用いられるものとしては、ポリフッ化ビニルフィルム、ナイロンフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ガラス板などが挙げられる。
【００３３】
裏面部材３の外側にはさらに機械的な補強を目的とした補強板を貼り付けてもよい。例えば、金属板、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）板、セラミック板などがあり、建材一体型太陽電池モジュールでは建材がこの補強板を兼ねることもできる。
【００３４】
以上述べた表面部材２、太陽電池素子１、封止材４、裏面部材３を用いて太陽電池モジュールとする方法を次に説明する。
【００３５】
まず、シート状に成型した封止材４を太陽電池素子１の両面に配し、更にその外側に表面部材２と裏面部材３をそれぞれ光入射面側と裏面側に配した積層体とする。これを真空ラミネーターを用いて減圧下で加熱圧着することにより太陽電池モジュールを得ることができる。その他、ロールラミネーションなどによっても作製することが可能である。
【００３６】
本発明の太陽電池モジュールを屋外の架台上に設置して太陽電池アレイとする場合、その設置傾斜角は２０°以下であることが好ましい。なぜなら、設置傾斜角が２０°以下の場合は、太陽電池モジュール光入射面が汚れやすく、本発明を実施することによって著しい汚れ防止の効果が得られるからである。したがって、例えば、ロープロファイルな設置架台や低緯度地域での設置架台など低傾斜角で設置される太陽電池モジュールアレイにおいて本発明の太陽電池モジュールを適用することによって大きな効果が期待できる。
【００３７】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
【００３８】
＜実施例１＞
導電性基板上に裏面反射層、半導体光活性層、透明電極層を順次形成し、透明電極層の上に櫛型の集電電極とそれに接続したバスバー電極を有するアモルファスシリコン太陽電池（太陽電池素子）を用いて本発明の第一の実施例に従う太陽電池モジュールを作製する方法を図２を用いて以下に説明する。
【００３９】
複数の太陽電池素子１を直列に接続し、直列接続された太陽電池素子直列体の一方の直列端の太陽電池素子に設けられているバスバー電極５と、もう一方の直列端の太陽電池素子の導電性基板とに銅箔からなる出力取り出し電極１２を取り付ける。さらに素子への逆バイアス印加を防止するためバイパスダイオード７を太陽電池素子１に銅箔８にて取り付ける。バイパスダイオード７は各素子、あるいは複数個の素子の直列接続体に並列に接続されるが、本実施例では２個の太陽電池素子１を直列接続したものに１個のダイオード７を取り付けている。図３はダイオード取り付け部の拡大図であるが、隣接する太陽電池素子１の、それぞれバスバー電極５と、バスバー電極５の対極である太陽電池素子１の導電性基板に、バイパスダイオード７に接続された銅箔８を半田１１を用いて接続している。なお、ここで用いるバイパスダイオード７は後で説明する封止材４による封止性を考慮して、薄型小型パッケージの表面実装用ショットキバリアダイオードを用いている。
【００４０】
次に、太陽電池素子直列体を封止するための被覆材について説明する。
【００４１】
表面部材２には両面に凹凸テクスチャを設けた平均厚さ２５μｍのエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）フィルムを用いる。凹凸テクスチャは押出し成型直後にエンボスローラー間にフィルムを通すことによって設けられる。設けられる凹凸テクスチャの算術平均高さＲａは１．４〜２．０μｍ、最大高さＲｚは８〜１３μｍである。
【００４２】
凹凸テクスチャを設けたフィルムはアルゴンガスと炭酸ガスとを含む混合ガス中で両面を放電処理する。この結果、フィルム表面の水の表面接触角は約８０°となる。
【００４３】
この後、裏面部材３として用いる厚さ１００マイクロメートルのポリエステルフィルムの上に、太陽電池用封止材樹脂であるＥＶＡ樹脂の厚さ０．４ミリメートルのシート（封止材４）、太陽電池素子直列体、厚さ０．４ミリメートルのＥＶＡ樹脂シート（封止材４）、上述したＥＴＦＥフィルム（表面部材２）を順次積層し、真空ラミネーターにて加熱圧着することによって太陽電池素子を封止する。
【００４４】
なお、ここで用いたＥＶＡ樹脂シートは太陽電池の封止材として広く用いられているものであり、ＥＶＡ樹脂（酢酸ビニル含有率３３ｗｔ％）１００重量部に対して架橋剤１．５重量部、紫外線吸収剤０．３重量部、光安定化剤０．１重量部、酸化防止剤０．２重量部、シランカップリング剤０．２５重量部を配合したものである。
【００４５】
出力取り出し電極１２は、あらかじめＥＶＡ樹脂シート（封止材４）とＥＴＦＥフィルム（表面部材２）に設けておいた開口部より導出し、ケーブル１０に接続する。接続部は水密性を確保するために端子箱９に収め、シリコーンシーラント等で封止する。
【００４６】
上記方法にて作製した太陽電池モジュールを設置角１５°で屋外暴露試験に供し、２週間後、１ヵ月後及び２ヵ月後にソーラーシミュレータにて電気特性を測定した。試験前を１とした２週間後、１ヵ月後及び２ヵ月後の出力と短絡電流の相対値を表１に示す。なお、サンプル数は１０で行い、データはその平均値である。
【００４７】
＜実施例２＞
実施例１おいて表面部材に凹凸テクスチャを設けない以外は全く同様にして太陽電池モジュールを作製し、実施例１と同じ評価を行った。結果を表１に示す。
【００４８】
＜比較例１＞
実施例１において表面部材に凹凸テクスチャを設けず、また、光入射面側の放電処理を行わない以外は全く同様にして太陽電池モジュールを作製し、実施例１と同じ評価を行った。結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
表１から明らかなように実施例１、２の太陽電池モジュールは屋外暴露試験において出力の低下が比較例よりも小さくなっており、そのうち、実施例１は特に低下が小さい。この傾向は短絡電流でも同様であることから、短絡電流の低下抑制が実施例のモジュールの出力低下抑制につながっていることは明らかである。そして、短絡電流の低下が抑制されていることから、太陽電池素子に入射している光量が減少し難くなっていると推定できる。これらモジュールの表面を観察すると、いずれのモジュールも砂埃などの汚れが光入射面にうっすらと堆積しているのが認められたが、その程度は明確に実施例１が最も小さく、実施例２、比較例１となるに従い、汚れの程度がひどくなっていた。このことから、表面部材の光入射面を放電処理することによって汚れが抑制され、屋外暴露における出力低下の少ない太陽電池モジュールを提供できることが明らかとなった。さらに、実施例１と実施例２の比較から、所定の凹凸テクスチャを表面部材の光入射面に設けることによって、汚れ防止の効果が一層高められることが明らかとなった。
【００５１】
なお、本発明に係わる太陽電池モジュールは以上の実施例に何等限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変更することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、表面部材が光入射面が放電処理されたフッ化物重合体フィルムであることによって、長期間屋外に設置しても汚れ難く、その結果、フッ化物重合体フィルムで表面を被覆した太陽電池モジュールの汚れによる入射光の減少を原因とする出力低下を低コストで抑制することができる。
【００５３】
さらに、表面部材の光入射面に算術平均高さＲａが０．５〜３μｍ、最大高さＲｚが５〜２０μｍの凹凸テクスチャを形成することによって、防汚性を高めながら、防眩性及び朝夕の反射損失の低減という効果をも得ることが可能となる。
【００５４】
一方、本発明の太陽電池モジュールを傾斜角２０°以下で設置した太陽電池モジュールアレイとすることによって、従来は汚れによって著しく出力が低下していた設置角２０°以下で設置された太陽電池モジュールアレイの汚れによる出力低下を大幅に改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した太陽電池モジュールの一実施形態の概略平面図及び概略断面図である。
【図２】実施例１の太陽電池モジュールの概略平面図及び概略断面図である。
【図３】図２の太陽電池モジュールのダイオード取り付け部の拡大図である。
【符号の説明】
１  太陽電池素子
２  表面部材
３  裏面部材
４  封止材
５  バスバー電極
６  集電電極
７  ダイオード
８  銅箔
９  端子箱
１０  ケーブル
１１  半田
１２  出力取り出し電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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