(57)【要約】【課題】従来の封止方法では、封止樹脂を熱硬化させるために長時間の加熱を要し、熱可塑性樹脂による封止でも真空加圧やオートクレーブ加圧などの長時間プロセスを行う。【解決手段】表裏をガラス板等の剛性物でなした太陽電池の封止を行う方法及び装置で、重ね合わせた積層体を大気圧中でプレス加圧することで封止樹脂を塑性流動させ封止する。積層体を予め加熱し、しかる後に大気中でプレス加工することにより気泡を消失させ封止を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏を硬質の板材でなし熱可塑性樹脂による封止を行う太陽電池モジュールの封止方法において、封止樹脂の加熱収縮が生じない予熱温度域での予熱を行い、封止樹脂の塑性流動温度域では大気圧雰囲気プレスによる加圧により封止樹脂中の蒸気圧以上に加圧することで気泡の消失を行うことを特徴とする、太陽電池モジュールの封止方法。
【請求項２】
請求項１記載の太陽電池モジュールの封止方法において、前記予熱温度域と前記塑性流動温度域の間での昇温中は、大気圧雰囲気プレスによる加圧により水蒸気の発生を防止したことを特徴とする、太陽電池モジュールの封止方法。
【請求項３】
請求項１記載の太陽電池モジュールの封止方法において、前記予熱温度域と前記塑性流動温度域の間での昇温中は、大気圧雰囲気プレスによる加圧を制限し、水蒸気の発生と流出を促進したことを特徴とする、太陽電池モジュールの封止方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３記載の太陽電池モジュールの封止方法において、前記予熱温度域と前記塑性流動温度域の間での昇温の途中で、ローラ加圧による隙間の低減を行うことを特徴とする、太陽電池モジュールの封止方法。
【請求項５】
表裏を硬質の板材でなし熱可塑性樹脂による封止を行う太陽電池モジュールの封止装置において、積層された部材を搬送する搬送機構と、積層された部材を予熱する予熱部と、大気圧雰囲気で任意の加圧力で加圧加熱する大気圧雰囲気プレス部を有することを特徴とする、太陽電池モジュールの封止装置。
【請求項６】
請求項５記載の太陽電池モジュールの封止装置において、前記搬送機構は積層体を載置するローラコンベア部分と、予熱および加圧加熱部に積層体を載置するコンベアベルト部分と、封止後の太陽電池モジュールを排出するローラコンベア部分からなることを特徴とする、太陽電池モジュールの封止装置。
【請求項７】
請求項５ないし請求項６記載の太陽電池モジュールの封止装置において、前記大気圧雰囲気プレス部はヒータを有する剛体の熱板と、プロセス時間により加圧力を制御するコントローラ部と指令加圧を実現するサーボジャッキ機構とからなることを特徴とする、太陽電池モジュールの封止装置。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７記載の太陽電池モジュールの封止装置において、前記予熱部と前記大気圧雰囲気プレス部の間に、積層体をローラ加圧するニップロール部を有することを特徴とする、太陽電池モジュールの封止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶太陽電池や多結晶太陽電池などの結晶系太陽電池や、微結晶シリコンやアモルファスシリコン薄膜による薄膜太陽電池、カルコパイライト系やＣｄＴｅ‐ＣｄＳ系などの化合物太陽電池などにおいて、モジュールの受光側表層をガラス板で形成し、モジュールの裏面側をガラス板、金属板、セラミック板などの剛性を有する板材で形成した太陽電池モジュールの製造工程における封止工程に用いる封止方法および封止装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、結晶系太陽電池は多結晶シリコン基板や単結晶シリコン基板など硬質の基板に各種不純物を拡散ドーピングして太陽電池と成しているため、これを用いた太陽電池モジュールも硬質なモジュールとなる。一般的には表面側に透明度の高い硝子板が用いられる。
【０００３】
一方、裏面側は透湿性の低いアルミ箔やＰＥＴまたはフッソ樹脂フィルムを外装に接着剤で各種の樹脂フィルムを積層したバックシートもしくは硝子板を用いる。屋根の上や外壁の外側などに設置する場合は、背面からの見栄えや光の透過を期待しないので前者が好まれるが、太陽電池モジュールを窓に設置する場合や、太陽電池モジュール自体を屋根プレートとして用いる場合は背面からの外観を高めるために裏面も硝子板を用いたモジュールが利用されている。なおこれらの封止において封止樹脂としてはＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）が広く用いられている。
【０００４】
従来の薄膜太陽電池や化合物太陽電池においても前記の状況は変わらなかったが、近年、ＣｄＴｅ‐ＣｄＳ系太陽電池において裏面側材料をガラス板とすることによる合せガラスの強度向上を期待して、従来の太陽電池で必須であった周辺の補強アルミフレームを省略する方式が受け入れられている。
この構造は、裏面側のガラス板を強度部材とすることによりアルミ補強フレームを用いずに強度を保ち、ガラス特有の酸素遮断性能、蒸気遮断性能の高さを利用することで各種フィルムの積層によるバックシートを省略することで大幅なコスト低減を実現している。
【０００５】
従来のＥＶＡを用いた封止プロセスの一例としては、特許文献１記載のように真空排気を行いながらＥＶＡの軟化点以下（例えば８０度以上）まで予熱してから、更に加熱してＥＶＡが軟化する温度（例えば１１０度以上）まで昇温し、さらに架橋が良好に進む温度（例えば約１５０度）まで加熱して真空中でプレスを行い、ある程度冷却してからプレスから取り出し、多数をオーブンでキュアする方式が知られている。
【０００６】
この方式では真空排気を伴う長時間の加熱プロセスが必要でコスト的に不利である。従来実績の多い結晶系太陽電池では、独立のセルがはんだ付けで接続されて封止されており、ＥＶＡを完全に重合させて熱硬化性樹脂に変質させる必要からこのような長時間のプロセスが採用されていた。
【０００７】
一方、自動車用合せガラスで実績のある封止樹脂であるＰＶＢを用いた方法もある。合せガラスのプロセスとしては、例えば特許文献２記載のように、オートクレーブを用いた旧来の方式、ニップロールを用いた方式、真空バッグを用いた方式に適したＰＶＢの水分量を管理した材料を提供している。なお、特許文献２では上記の機械的固定方で、短時間仮止めで固着した積層板をほぼ大気圧において約１５０℃から２２０℃に加熱することで完全に接着している。
【０００８】
この方法では、真空を用いないニップロール方式では仮止め工程の後の昇温による接着工程が必要で、プロセス時間が長くなるため多数個一括の加熱炉を用いた加熱工程が必要であり、数分／モジュールの短時間タクトで生産されることの多い太陽電池モジュール製造ラインとの整合性が悪く、製造タクトが延びやすい。真空バッグを用いた方式ではＥＶＡの真空重ね合せ方式と同様に、真空プロセスと昇温プロセスを併用するため処理の短時間化に限界がある。
【０００９】
なお、特許文献２には、仮固着の方法として拡張袋、圧盤を使用するプレス、連続ベルト、多重またはスタッガードローラなどの名称も見られるが、詳細プロセスについては検討されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−２３８８９８号公報
【特許文献２】特公表２００８−５３６７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、従来ＥＶＡを太陽電池に用いられてきた長時間加熱による熱硬化処理を前提とした高コストの真空加熱プロセスに代わる低コストの、しかも合わせガラス用のニップローラ方式などの製造タクトの延びやすい一括加熱炉による熱処理工程を用いない短時間の封止プロセスおよび封止装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するためには、少なくとも表面側の硝子板とＰＶＢに代表される封止樹脂シート、および裏面側の硝子板を重ね合わせて積層体とする工程と、この積層体を予熱する予熱工程と、大気圧雰囲気中で平坦なプレスヒータにより均等に加圧加熱する溶着工程を経ることで封止を行うことにより達成できる。このときの封止装置としては少なくとも重ね合わせ部、予熱部、大気圧雰囲気中平坦プレス部を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に拠れば、従来ＥＶＡを太陽電池に用いられてきた長時間加熱による熱硬化処理を前提とした高コストの真空加熱プロセスに代わる低コストの、しかも合わせガラス用の一括加熱炉による熱処理などの長時間プロセスを用いない短時間の封止プロセスおよび封止装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施例のプロセスフローを示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例のプロセス装置構造を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施例のプロセス中の積層体の形状を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例のプロセス条件を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例のプロセス中の積層体の形状を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例のプロセス条件を示す図である。
【図７】本発明のその他の実施例のプロセス装置構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の第１の太陽電池の封止方法および太陽電池封止装置を図１から図４を用いて説明する。
図１は本発明の第1の実施例による、封止工程のプロセスフローである。封止工程は、一般の半導体プロセスでは後工程と呼ばれる工程を中心としている。前工程である太陽電池形成工程１０１において太陽電池素子が形成されたガラス基板１が作られて、本封止プロセスに投入される。
封止プロセスの最初工程は積層工程１０２である、ガラス基板１と封止樹脂２、背面側のガラス板３が重ね合わせられる。この工程においては、相互の位置決めはされているが接着はされていない。
【００１６】
次の工程は予熱工程１０３である。積層工程１０２で積み重ねられた積層体１０が加熱され、封止樹脂２が軟化点以下に予熱される。このときに予熱温度が高すぎると封止樹脂に加熱収縮が生じて位置ずれを生じる。逆に予熱温度が低い場合は、次の大気圧雰囲気プレス工程１０４における昇温速度が速くなりすぎ、封止樹脂２の温度むらが大きくなり安定した封止が困難になるため、封止樹脂２の配合に応じた適正な温度が必要である。
【００１７】
次の大気圧雰囲気プレス工程１０４は２ステップに分かれており、封止樹脂２が軟化点を越え塑性流動が始まる温度まで加熱されるステップ１と、塑性流動を行いつつ空隙を埋め、さらに残留空気を封止樹脂２に溶解させるステップ２から構成される。
ステップ１では各部材の弾性変形により相互の接触面積を増やし、また封止樹脂２の加熱収縮による位置ずれを抑えるために僅かなプレス圧が掛けられる。
ステップ２では封止樹脂の円滑な塑性流動を助け空隙を埋め、さらに部材の凹みなどに残留した空気を加圧することで封止樹脂２に溶解させるために強めのプレス圧を加える。
【００１８】
このとき、封止樹脂に含まれる水分の蒸発により水蒸気気泡を生じないようにプレス圧は封止樹脂２のワーク温度での蒸気圧を超える圧に保たれる。この結果、封止樹脂２はガラス基板１および裏面側のガラス基板３を気泡なしに強固に粘着し一体化した積層体１０となる。
【００１９】
次の排出工程１０５では積層体１０は室温雰囲気中に引き出され速やかに冷却されることで、封止樹脂２の流動温度以下となり、積層体１０が変形することが無く、次工程１０６へ搬出される。一般には次工程１０６は周辺部のコーキング工程である。
【００２０】
図２に本封止方法を実現する封止装置を示す。投入ステージはローラコンベア２０１からなるステージで、ここにセル形成済みのガラス基板１、封止樹脂２のシート、裏面側のガラス板３が順次積層配置される。なお、積層を外段取りで行い、積層済みの積層体１０を投入ステージのローラコンベア２０１に載置することも可能である。
【００２１】
積層体１０はローラコンベア２０１の回転に伴い、コンベアベルト２０２に乗り移り予熱ステージに運ばれる。コンベアベルト２０２は封止温度および封止加圧に繰り返し耐える必要から、ガラス繊維補強されたシリコンゴムシートから形成されている。またコンベアベルト２０２はステージの中間で従動ローラ２０３により平坦に保持され、裏面側の駆動ローラ２０４により回転駆動される。
予熱ステージには下ヒータ２１０と上ヒータ２１１が設けられており、積層体１０を封止樹脂２の軟化温度以下まで均等に加熱する。この際、下ヒータ２１０はコンベアベルト２０２越しの加熱であり、上ヒータ２１１は積層体１０に接触しないプロキシミティ加熱となるため、それぞれのヒータの設定温度は実験により調整される必要がある。
【００２２】
次に積層体１０はコンベアベルト２０２によりヒートプレスステージに搬入される。ヒートプレスステージは下熱板２２０と上熱板２２１、及び加圧コントロールを行うサーボジャッキ機構２２３により構成されている。上熱板２２１の表面には硬質耐熱ゴムの厚板である厚さ３ｍｍのＥＰＤＭゴムのシート２２２が取り付けられている。サーボジャッキ機構２２３には実時間での加圧監視を行うセンサを内蔵し加圧力を調整しており加圧力の変動を防いでいる。さらに図示しない上位コントローラからのプロセス指令に基づき任意のタイミングで加圧力の調整が可能である。
【００２３】
本封止方法が目的とする短時間加熱加圧プロセスでは、熱容量の大きな上熱板２２１と下熱板２２０を加熱プロセス時間中に昇温・冷却することは現実的ではないため、上下の熱板の温度コントロールはコンスタントヒートを主とせざるを得ない。プロセス途中でヒータの設定温度を調整することも可能ではあるが効果は低い。ヒータ設定温度と実際のワーク温度の乖離は温度むらの原因となるので、上熱板２２１と下熱板２２０は熱伝導がよく、十分な熱容量を確保できるアルミ鋳物の厚板をリブ構造でプレス圧による変形を防止した構造となっている。
【００２４】
ここで、プレスが大気圧雰囲気中で行われるため、従来の真空加圧プロセスのように真空排気を待ってから加圧を行う必要がないことが短時間プロセスの実現に寄与している。また、加圧力はサーボジャッキ２２３により実時間圧力制御されるので、封止樹脂の流動に伴い加圧力が目標値以下に低下することも無く、静水圧加圧方式のように部分的に流動を招いて、封止後の全体形状が不均一になることも無い。
【００２５】
最後に、接着済みの積層体１０は取り出しステージに引き出される。取り出しステージはローラコンベア２０５により構成されており、積層体１０は自然冷却により速やかに冷却されつつ、図示しない搬出機構により搬出される。ここでは、大気圧雰囲気プレス工程１０４の終端ワーク温度が１１５度であり、室温との温度差が１００度に満たないため、ローラコンベア２０５にはヒータを設けていないが、より高温で運用する場合はローラコンベア２０５にヒータを設けて、積層体１０の表面側のガラス基板１に過大な熱衝撃を加えないよう配慮することが好ましい。
【００２６】
ここで、積層体１０の加圧加熱前の状態を図３に模式的な断面図で示した。ガラス基板１は透明度に優れた厚さ３ｍｍの白板ガラスのガラス板１ａの上に太陽電池薄膜１ｂを形成し、集電銅箔配線１ｄを接合してなる。ここで太陽電池薄膜１ｂはセル間の絶縁のためセルギャップ1ｃをレーザスクライブにより形成してあり凹みとなっている。また集電銅箔配線１ｄの隅にも凹みが形成されており、自重で乗せただけの封止樹脂２は部分的に浮いた状態にある。
【００２７】
ここでは封止樹脂２は水分含有量を０．５％以下、望むらくは０．３％以下に保ったＰＶＢシートであり可塑剤を添加していても常温ではかなりの剛性を示す。さらに封止樹脂２にはスタッキングによる付着を防止するため、表層に微細な凹凸がシボ加工として設けられており、表面は平滑でない。この状態で、上に裏面側のガラス板３を重ねても、積層体１０の隙間には大量の空気が含まれる。この隙間を、加圧加熱により封着樹脂２の塑性流動により埋める必要がある。
【００２８】
図４にプロセス条件を示す。ＰＶＢは９０℃を超えると流動性を示し始め、さらに加熱収縮を開始するので予熱工程では封止樹脂２のワーク温度を９０℃まで昇温するに留めてある。この予熱により封止樹脂２の昇温中の温度むらを軽減している。
【００２９】
この後、大気圧雰囲気プレスではステップ１でワーク温度が１００℃に達するまで僅かな加圧を加えることで熱伝達を促進しつつ、封止樹脂２が加熱収縮で位置ずれを起すことを防止している。この間に、封止樹脂２が軟化し積層体１０の大きな隙間を埋めつつ、隙間の空気は外部に押し出される。このとき封止樹脂２表面のシボ加工が残余の空気の流路となり大きな気泡が残ることを防止する。
【００３０】
ステップ２では封止樹脂２の流動性が高まる１１５℃まで昇温する。ここでシボ加工は圧力により押しつぶされ、太陽電池素子表面の凹凸も埋められる。残された空気は孤立した気泡となる。この間、封止樹脂２に含まれた水分の蒸気圧は大気圧を超えるが、加圧力を蒸気圧以上に高めているため水蒸気気泡の発生は防止されている。到達温度である１１５℃では蒸気圧は１．７気圧となるが大気圧とプレスの加圧力により封止樹脂２の受ける圧力は２気圧であり、十分な余裕があるため、残余の空気気泡を押しつぶして封止樹脂２に短時間で溶け込ませることができる。この際に、封止樹脂２の表面のシボ加工により独立気泡が微細となっているため、気泡の消失が加速されている。
この後、プレスが終了すると速やかに冷却が進み、封止樹脂２が冷却するので気泡の発生を招くことなく封止工程が終了する。
【００３１】
ここまでの実施例では、薄膜系の太陽電池を例に取り、太陽電池素子は表面側のガラス板１に形成されているものとして説明したが、結晶系太陽電池やＣＩＧＳ太陽電池などガラス板１と太陽電池素子が別にあり、しかも素子の厚さが厚い場合はプロセスの調整を行う必要がある。
【００３２】
図５に結晶系太陽電池での積層体１０’の断面構造を示した。表面側のガラス板１は透明度に優れた白板ガラスの板材であり、封止樹脂２との界面反射を低減する目的で微細な凹凸が内面側に設けてある。この上に表面側の封止樹脂２を予めローラ加圧により仮固定してある。仮固定によりガラス板１と封止樹脂２の大部分の隙間は押しつぶされているが、それぞれの表層のシボ加工による微細な気泡は残っている。
【００３３】
この上に太陽電池セル５ａをタブ銅線５ｂにより直列に接続してなるセルストリング５が配置され、さらに裏側の封止樹脂２が被せられ、その上に裏面側のガラス板３が置かれる。当然ながら裏面側の封止樹脂２はセルストリング５との隙間を生じ、ガラス板３とも隙間をなす。
ここで、結晶系太陽電池では基板厚さが０．１５ｍｍ程度あり、タブ銅線５ｂも平坦化加工を施してあるが、厚さが０．１ｍｍ程度ある。この隙間を封止樹脂２の塑性流動で埋める必要があるため、封止樹脂２の厚さを実施例１に比して厚くする必要がある。ここでは、表裏の封止樹脂２の厚さを０．５ｍｍとしている。厚さを増やすことで流動の余裕を増やしている。
【００３４】
一方、結晶系太陽電池はシリコン基板が局所的な加圧に弱いため加圧力を極端に高めることは困難であるため、プロセス条件を図６に示すように変更している。大気圧雰囲気プレス工程を３ステップとし、１００℃から１１０℃までの昇温中の加圧力を０．０１ＭＰａから０．０５Ｍａまでゆっくりと高めることで、途中での水蒸気の蒸発を促進し、封止樹脂２が十分軟化する前に加圧してしまうことによる太陽電池のストリング５への局所的な加圧を防止している。
【００３５】
また、この間に封止樹脂の水分濃度が下がることで、高温時の水蒸気気泡の発生を防いでいる。この後、封止樹脂２のワーク温度を実施例１に比して高めの１２０℃まで昇温している。ここでは封止樹脂２が十分に軟化しているので円滑な塑性流動が期待できるため、加圧力を高めてもセルストリング５に無理な応力集中を招くことは無い。
【００３６】
ここまでの実施例では、予熱後に直接大気圧雰囲気プレス工程を行っていたが、薄膜系太陽電池やフィルム基板太陽電池などフレキシブル性に優れた太陽電池ではニップロールプロセスを加えることで、大気圧雰囲気プレス中の気泡の残余を少なくする効果が期待できる。この実施例を図７に示す。予熱ステージと加圧加熱ステージの中間にニップロール２３０を設けてあり、ある程度軟化した封止樹脂２を扱く事で積層体１０の隙間を軽減し大気圧雰囲気プレス工程への空気の持込を軽減している。
【００３７】
以上、本発明の実施例をいくつか示したが、本発明では加熱架橋による長時間プロセスが不要である熱可塑性樹脂としてＰＶＢを例示したが、同様な特性の樹脂は合わせガラス用にいくつか知られており、オレフィン系、エステル系、アイオノマ系樹脂、およびこれらの複合樹脂など熱硬化樹脂に変質させなくても十分な付着力を得られる樹脂であれば適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１...ガラス板、２...封止樹脂、３...ガラス板、５...セルストリング、１０１...太陽電池形成工程、１０２...積層工程、１０３...予熱工程、１０４...大気圧雰囲気プレス工程、１０５...搬出工程、１０６...次工程、２０１... ローラコンベア、２０２...コンベアベルト、２０３...従動ローラ、２０４...駆動ローラ、２１０...下ヒータ、２１１...上ヒータ、２２０...下熱板、２２１...上熱板、２２２...ゴム板、２２３...サーボジャッキ、２０５...ローラコンベア、２３０...ニップロール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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