(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に非単結晶半導体太陽電池素子を形成した太陽電池パネルと、該太陽電池パネルの外縁部全周にわたって固定される枠体と、当該枠体の裏面側開放部に設けられ当該開放部を通気性を有して封じるための単または複数の開口部を有した板部材とより構成され、前記太陽電池パネルの裏面、前記枠体、および前記板部材で囲まれた空気層を形成することを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記開口部を、円形、正方形、矩形又はスリット状としてなる請求項１記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記非単結晶半導体は、アモルファスシリコン系半導体、および薄膜多結晶シリコン半導体のうち一方または双方を含む請求項１または請求項２に記載の太陽電池モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかの項に記載の太陽電池モジュールが連接して構成され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、太陽電池素子に非単結晶半導体を用いた太陽電池モジュールに関し、特に、太陽電池素子の動作温度を調節することで、発電量を増やし太陽電池モジュールの耐久性を向上させることができる太陽電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽光発電システムの実用化と低コスト化技術の開発が進められている。特に次世代の太陽電池として注目を集めているのが、薄膜系の太陽電池である。薄膜系太陽電池は、製造に要する原材料が少なく、大面積の集積型太陽電池として絶縁体基板上に直接作成することが容易なことから、低コストの太陽電池として注目されている。薄膜系太陽電池には、薄膜多結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、多結晶化合物太陽電池（ＣｄＳ, ＣｄＴｅ, ＣＩＧＳ）などがあるが、そのなかで最も実用化が進んでいるのがアモルファスシリコン太陽電池である。アモルファスシリコン太陽電池は、アモルファスＳｉ、アモルファスＳｉx Ｇｅ1-x などのアモルファスシリコン系半導体を太陽電池素子として含むものをいう。
【０００３】
しかし、アモルファスシリコン系半導体太陽電池には、屋外で長時間使用すると太陽光の影響で変換効率が低下してしまう現象、いわゆる光劣化が生じるという問題がある。また、薄膜多結晶シリコン太陽電池でも、薄膜多結晶内に、水素原子近傍であって結晶粒と結晶粒との間にアモルファス相を呈する局所構造があるので、光劣化が生じる。しかし、近年、光劣化はゼロにはならないものの、光劣化後でも１０％前後の変換効率を維持できるアモルファスシリコン太陽電池や薄膜多結晶シリコン太陽電池が開発されている。それに伴い、屋外で使用する太陽電池発電システムの需要が拡大しつつある。こうした太陽電池は、単体の光電変換素子（太陽電池素子）の形ではなく、力学的な強度および耐候性を持たせた太陽電池パネルの形で利用される。この太陽電池パネルは、フレームにはめ込まれて太陽電池モジュールの形で用いられる。
【０００４】
光劣化対策として、モジュールの動作温度を高温に維持してアニール効果を起こす構造を有する太陽電池モジュールが、多数知られている。例えば、複数の太陽電池を積層したタンデム型モジュール（特開昭６１−３０６０３４号）、集光型モジュール（特開昭６１−１７４７７９号）、太陽電池の裏面に断熱材を張り付けた太陽電池モジュール（特開平７−２９７４３５号）等が知られている。これらは、太陽電池パネルが多層構造を有したり、パネル裏面に断熱材を設けるものであるため、高価なものとならざるを得ない。
【０００５】
図５〜図８に、従来の太陽電池モジュールの代表例を示す。図５の太陽電池モジュール３０は、モジュール３０を裏面側からみた図であり、図６は、この太陽電池モジュール３０のＢ−Ｂ断面図である。太陽電池モジュール３０は、太陽電池パネル３１と、このパネル３１をはめ込む枠体３２と、パネル３１から光電変換された電力を取り出すための端子ボックス３３とから構成される。太陽電池パネル３１の外縁部は、ブチルゴムなどの接着剤３７でもって枠体上部に形成した凹部に嵌入接着される。また、太陽電池パネル３１は、光入射側にガラス板などからなる透光性基板３３を配置し、この透光性基板３３の裏面側に、光電変換素子３４、接着性を有する充填材３５、および光入射側の反対面を保護する封止材３６を順次積層して構成されるものである。また、図７と図８に、このような太陽電池モジュール４０の太陽電池パネル４１の裏面側に断熱材４２と、この断熱材４２を保護する保護層４３とを設けたものを示す。図７は、この太陽電池モジュール４０を裏面側からみた図であり、図８は、この太陽電池モジュール４０のＣ−Ｃ断面図である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の太陽電池モジュールでは、太陽電池パネル裏面側に断熱材を設けるものの場合、モジュールの耐久性を保証するため、断熱材に耐熱特性を有する特殊な材質のものを使わなければならず、この断熱材を接着するための接着剤にも耐久性を有する高コストのものを使用しなければならない。さらに、断熱材を機械的なストレスや紫外線から保護するための鉄板などの保護材と、この保護材を取り付けるための接着材が必要となる。これらの要求を満たすと、太陽電池モジュールは、商品としての安定性を得ることができるが、太陽電池の特性改善の効果を上回るコストがかかり、実用化への足かせとなる。
【０００７】
また、断熱材を利用する従来の太陽電池モジュールの多くは、この断熱材に多孔性物質を用いるので、モジュールが２０年以上の耐久性を有するには、太陽電池素子を保護する他に断熱材の保護材も必要になる。この断熱材の保護材により特性改善効果が得られるものの、この効果を上回るコストがかかる。
【０００８】
本発明は、太陽電池モジュールの動作温度を調節して、アニール効果を起こし、太陽電池モジュール内部の湿度を調節して、太陽電池モジュールの腐食を防いで長期間の使用に耐え得る簡便かつ安価な太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上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、基板上に非単結晶半導体太陽電池素子を形成した太陽電池パネルと、この太陽電池パネルの外縁部全周にわたって固定される枠体と、この枠体の裏面側開放部に設けられ且つ開放部を通気性を有して封じるための単または複数の開口部を有した板部材とより構成され、前記太陽電池パネルの裏面、枠体、および板部材で囲まれる空気層を形成するという構造を有する。この空気層内に空気を滞留させることで、モジュールからの熱流出を防ぐことが可能となる。また同時に、板部材が有する単または複数の開口部によって、空気層の湿度を減らせるので、空気層に含まれる水分の影響により枠体や太陽電池パネルの寿命を短くすることが無くなる。
【００１０】
前記開口部は、円形、正方形、矩形又はスリット状とすることができる。
【００１１】
また、基板上に形成する非単結晶半導体には、アモルファスシリコン系半導体、および薄膜多結晶シリコン半導体のうち一方または双方を含むものを使用する。本構造により、アニール効果を起こして光劣化を抑制するための動作温度設定が可能となる。
【００１２】
そして、上述した太陽電池モジュールの複数個を連接して構成すると、低コストで大面積の太陽電池モジュールを製作できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら、本発明に係る太陽電池モジュールの種々の実施例を具体的に説明する。図１は、本発明に係る太陽電池モジュール１を裏面側から見た場合の図であり、図２は、そのＡ−Ａ断面図である。太陽電池モジュール１は、太陽電池パネル２が枠体３に嵌入接着されて、枠体３の裏面側開放部に、開口部４を有する板部材５が設けられて構成されるものである。この構成により、太陽電池パネル裏面、枠体３、および板部材５で囲まれる空気層６が形成される。また、太陽電池パネル２の外縁部は、ブチルゴムなどの接着剤７でもって枠体上部に形成した凹部８, ８に嵌入接着される。また、板部材５は、枠体３にネジ１３で４カ所を固定される。この枠体３は、パネルの保護および屋根などに据え付けるときのために用いられ、その素材は、アルミニウム合金、または樹脂製である。
【００１４】
封止部材である板部材５には、塩化ビニールでコートした塩化ビニール被覆鋼板を用いる。この板部材５が、太陽電池パネル２を外気から保護する役目を果たす。また、この板部材５に設けた開口部４を通じて通気させることで、太陽電池の使用時に空気層６が飽和水蒸気状態になるのを防ぎ、結露を防ぐことができる。よって、枠体３や太陽電池パネル２などの腐食を防ぐことが可能となる。なお、本発明では、開口部４の形状は、円形に限らず、正方形や矩形などであってもよい。また、本発明では、開口部４は、板部材５の中央に設けるのが好ましいが、この代わりに、板部材５の数箇所にスリット状に設けることもできる。さらに、本発明では、板部材５に塩化ビニール被覆鋼板以外のもの、たとえば、耐候性を有する樹脂材、アルミ板、または建築用の外装材などを設置場所に応じて用いることもできる。また、屋根一体型の太陽電池モジュールの場合には、光入射と反対側の裏面側部分が屋内に配置されるため、木材などの簡便な素材を採用することもできる。
【００１５】
また、太陽電池パネル２は、光入射側にガラス板などからなる透光性基板９を配置し、この透光性基板９の裏面側に、アモルファスシリコン膜を含む光電変換素子１０、接着性を有する充填材１１、および光入射側の反対面を保護する封止材１２を順次積層して構成されるものである。ここで、充填材１１には、ＥＶＡ（エチレンビニールアセテート）、ＰＶＢ（ポリビニールブチラール）、ポリイソブチレン系樹脂、シリコン樹脂などを用い、封止材１２には、テドラー（フッ化ビニールでデュポン社の登録商標）、またはこのテドラーとアルミニウム箔をサンドイッチ状に積層したものなど用いる。
【００１６】
本実施例では、光電変換素子として、アモルファスシリコン半導体太陽電池素子を採用している。このとき、太陽電池パネル裏面、枠体、および板部材で構成される空気層が、断熱機能を有して、アニール効果を起こす役目を果たす。すなわち、太陽電池パネルが有する熱が、太陽電池パネル裏面側の空気層へ伝わり、この空気が空気層の中で対流・循環するため、太陽電池モジュールからの熱流出が抑制されるのである。
【００１７】
本発明に係る太陽電池モジュールは、単体の太陽電池パネルを用いるものに限らず、図３に示すように、複数の太陽電池モジュールを連ねた構成を有する太陽電池モジュール２０でも良い。この図は、太陽電池パネル２１の数が３×３＝９個のアレイ構造を示し、このモジュール２０の９個の太陽電池パネルのうち一枚を取り外した状態を示すものである。それぞれの太陽電池パネル２１の裏面側には、上記したような開口部２２をもつ板部材２３を有するとともに、太陽電池パネル２１と板部材２３と枠体２４とで囲まれる空気層を有し、各空気層は独立しており、空気層の間で空気の流動がない構造を有する。
【００１８】
次に、従来の太陽電池モジュールと、本発明に係る太陽電池モジュールとのモジュール温度の比較実験について以下に説明する。本発明に係る太陽電池モジュールとして、図１，図２，および図４のものを本実施例と呼び、従来の太陽電池モジュールとして、図５および図６のものを従来例１、図７および図８のものを従来例２と呼ぶ。この実験は、真夏の快晴の南中時に、本実施例の太陽電池パネルの裏面温度、従来例１の太陽電池パネルの裏面温度、従来例２の断熱材の保護層の表面温度、および気温を、熱電温度計を用いて測定したものである。
【００１９】
この実験で用いた太陽電池モジュールについて、図４を参照しながら以下に説明する。太陽電池パネルには一辺の長さＳが約910mm の正方形状のものを使用し、枠体には、肉厚が約2mm 、高さＨが約35mm、上側固定部および中間固定部の横幅Ｔ１が約5mm 、下側固定部の横幅Ｔ２が約15mm、枠体上部に形成した凹部の幅Ｄ１が約8mm のものを用いた。また、裏面封止材には、一辺の長さＬが約890mm のものを用い、封止材中央部には、直径Ｒが50mmの開口部を設けた。実施例１は、本実施例のうち封止部材である板部材を除いたものである。また、実施例２は、実施例１の太陽電池パネル裏面に断熱材とその保護層とを設けたものであり、この断熱材には、発泡ポリスチレンフォームを用い、一辺の長さが890mm の正方形状で厚さ20mmのものを使用した。この断熱材の保護層には、テドラーフィルムを用いた。
【００２０】
その実験結果は、気温が３２℃、本実施例の太陽電池パネルの裏面温度が６５℃、従来例１の太陽電池パネルの裏面温度が５５℃、従来例２の断熱材の保護層の表面温度が７０℃であった。この結果から分かる通り、断熱材を用いた従来例２の表面温度と比べると、本実施例の太陽電池パネル裏面の温度は若干低いが、太陽電池素子においてアニール効果を起こすのに足る温度である。したがって、アモルファスシリコン系太陽電池の発電特性を改善することが可能となる。また、太陽電池パネル裏面に、結露による水滴が現れることも無く、モジュールの腐食防止効果が確認された。
【００２１】
なお、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ系，またはＣＩＧＳ（Cu(InGa)Se2 ）系半導体を用いる太陽電池に、本発明を適用することも可能である。この太陽電池は、光劣化が生じないという利点を有するが、ＣｄやＩｎなどを含むため、環境に悪影響を与えない対策を要する。本発明に係る太陽電池モジュール構造では、太陽電池パネル裏面を完全密封せずに、湿気を除去できる構造を採用しているため、モジュールの腐食が生じにくい。よって、ＣｄやＩｎの漏出対策にかかるコストを低く抑えることができる。
【００２２】
また、本発明に係る太陽電池モジュールは、太陽電池パネル裏面に断熱材を設けて構成されてもよい。この場合、空気層が断熱効果を主に担うので、断熱材とその保護層とにかかるコストを低く抑えることが出来る。
【００２３】
【発明の効果】
太陽電池モジュールの枠体の裏面側開放部に、通気性を有する板部材を設けて、太陽電池パネル裏面側に空気層を形成することで、太陽電池パネルで発生する熱をこの空気層内に閉じ込めて、太陽電池モジュールからの熱流出を抑制することが可能になる。よって、開口部の形状・個数を調節して太陽電池の動作温度を調整できるので、アニール効果を起こして光劣化を低減させることが可能になる。また、板部材に開口部を設けることにより、空気層の湿気を除去できるので、太陽電池モジュールの腐食を防止できる。さらに、このような太陽電池モジュールは低コストで容易に生産可能であるから、連接して構成される大面積太陽電池モジュールも低コストで容易に生産可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池モジュールを裏面側から見た説明図である。
【図２】図１に示した太陽電池モジュールのＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明に係る太陽電池モジュールの連接構造を示す説明図である。
【図４】本発明に係る太陽電池モジュールの各寸法を示す説明図である。
【図５】従来の太陽電池モジュールを裏面側から見た説明図である。
【図６】図５に示した従来の太陽電池モジュールのＢ−Ｂ断面図である。
【図７】従来の太陽電池モジュールを裏面側からみた説明図である。
【図８】図７に示した従来の太陽電池モジュールのＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
１  本発明に係る太陽電池モジュール
２  太陽電池パネル
３  枠体
４  開口部
５  板部材
６  空気層
７  接着材
８  凹部
９  透光性基板
１０  光電変換素子
１１  充填材
１２  封止材
１３  ネジ
２０  連接構造を有する太陽電池モジュール
２１  太陽電池パネル
２２  開口部
２３  板部材
２４  枠体
３０  第１の従来例を示す太陽電池モジュール
３１  太陽電池パネル
３２  枠体
３３  端子ボックス
３４  光電変換素子
３５  充填材
３６  封止材
３７  接着剤
４０  第２の従来例を示す太陽電池モジュール
４１  太陽電池パネル
４２  断熱材
４３  保護材
４４  枠体
４５  透光性基板
４６  光電変換素子
４７  充填材
４８  封止材
【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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【図８】
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