特開 2024-136793 太陽電池モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136793

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】太陽電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H10K 39/10 20230101AFI20240927BHJP

   H10K 30/88 20230101ALI20240927BHJP

   H10K 30/40 20230101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H10K39/10

H10K30/88

H10K30/40

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048041

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000000941

【氏名又は名称】株式会社カネカ

(74)【代理人】

【識別番号】100131705

【弁理士】

【氏名又は名称】新山 雄一

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】寺下 徹

(72)【発明者】

【氏名】小島 広平

(72)【発明者】

【氏名】中村 淳一

【テーマコード（参考）】

5F251

【Ｆターム（参考）】

5F251AA20

5F251BA03

5F251BA18

5F251CB11

5F251CB13

5F251CB14

5F251CB15

5F251CB27

5F251EA01

5F251EA20

5F251FA02

5F251FA06

5F251FA23

5F251GA03

5F251JA02

5F251JA03

5F251JA04

5F251JA05

5F251JA30

5F251XA01

(57)【要約】

【課題】信頼性及び光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る太陽電池モジュール１は、透明基板１１及び透明基板１１の裏面側に積層される光電変換層１３を有する太陽電池サブモジュール１０ルと、前記太陽電池サブモジュール１０の表面側を覆う板状の表面保護部材２０と、前記太陽電池サブモジュール１０の裏面側を覆う板状の裏面保護部材３０と、前記裏面保護部材３０の外縁に沿って、前記裏面保護部材３０と前記太陽電池サブモジュール１０の間に配設される充填材４０と、前記太陽電池サブモジュール１０と前記表面保護部材２０の間及び前記太陽電池サブモジュール１０と前記裏面保護部材３０の間の前記充填材４０の内側に充填される封止材５０と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

透明基板及び透明基板の裏面側に積層される光電変換層を有する太陽電池サブモジュールと、
前記太陽電池サブモジュールの表面側を覆う板状の表面保護部材と、
前記太陽電池サブモジュールの裏面側を覆う板状の裏面保護部材と、
前記裏面保護部材の外縁に沿って、前記裏面保護部材と前記太陽電池サブモジュールの間に配設される充填材と、
前記太陽電池サブモジュールと前記表面保護部材の間及び前記太陽電池サブモジュールと前記裏面保護部材の間の前記充填材の内側に充填される封止材と、
を備える、太陽電池モジュール。

【請求項2】

単一の前記表面保護部材と単一の前記裏面保護部材との間に複数の前記太陽電池サブモジュールが配置される、請求項１に記載の太陽電池モジュール。

【請求項3】

前記太陽電池サブモジュールは、貫通孔を有する、請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。

【請求項4】

前記充填材は、前記封止材よりも小さい透湿度を有する、請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。

【請求項5】

前記光電変換層は、ペロブスカイト化合物を含む、請求項１又は２に記載の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、太陽電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

一対の板状の保護部材の間に複数の太陽電池サブモジュール（単一の太陽電池セルを含む）を封止した太陽電池モジュールが広く利用されている。薄膜太陽電池等は、光電変換体が十分な強度を有しないため、板状又はシート状の基材上に光電変換体を積層した構造とされる（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１３５３７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば建材と一体化した太陽電池モジュール等、取り換えが容易ではなく、特に信頼性が要求される場合がある。例えばペロブスカイト太陽電池等、光電変換層に比較的劣化しやすい材料を用いる場合、水分等が浸入して光電変換層まで到達することを防止するために、太陽電池モジュールの外縁から光電変換層までの距離、つまりマージンを大きくすることが望まれる。しかしながら、このようなマージンを大きくすると、光電変換に寄与する有効面積が減少し、見かけの光電変換効率が低下するという問題がある。

【0005】

このため、本発明は、信頼性及び光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る太陽電池モジュールは、透明基板及び透明基板の裏面側に積層される光電変換層を有する太陽電池サブモジュールと、前記太陽電池サブモジュールの表面側を覆う板状の表面保護部材と、前記太陽電池サブモジュールの裏面側を覆う板状の裏面保護部材と、前記裏面保護部材の外縁に沿って、前記裏面保護部材と前記太陽電池サブモジュールの間に配設される充填材と、前記太陽電池サブモジュールと前記表面保護部材の間及び前記太陽電池サブモジュールと前記裏面保護部材の間の前記充填材の内側に充填される封止材と、を備える。

【0007】

上述の太陽電池モジュールにおいて、単一の前記表面保護部材と単一の前記裏面保護部材との間に複数の前記太陽電池サブモジュールが配置されてもよい。

【0008】

上述の太陽電池モジュールにおいて、前記太陽電池サブモジュールは、貫通孔を有してもよい。

【0009】

上述の太陽電池モジュールにおいて、前記充填材は、前記封止材よりも小さい透湿度を有してもよい。

【0010】

上述の太陽電池モジュールにおいて、前記光電変換層は、ペロブスカイト化合物を含んでもよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、信頼性及び光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールの構成を示す模式平面図である。

【図2】図１の太陽電池モジュールのＸ－Ｘ線模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュール１の構成を示す模式平面図である。図２は、太陽電池モジュール１のＸ－Ｘ線模式断面図である。なお、図面における種々部材の寸法は、便宜上、見やすいように調整されている。

【0014】

本実施形態の太陽電池モジュール１は、複数の太陽電池サブモジュール１０と、太陽電池サブモジュール１０の表面側（光が入射する側）を覆う板状の単一の表面保護部材２０と、太陽電池サブモジュール１０の裏面側を覆う板状の単一の裏面保護部材３０と、裏面保護部材３０の外縁に沿って、裏面保護部材３０と太陽電池サブモジュール１０の間に配設される充填材４０（図１ではハッチングを付して示す）と、太陽電池サブモジュール１０と表面保護部材２０の間及び太陽電池サブモジュール１０と裏面保護部材３０の間の充填材４０の内側に充填される封止材５０と、を備える。太陽電池モジュール１において、複数の太陽電池サブモジュール１０は、不図示の配線材によって電気的に接続される。

【0015】

太陽電池モジュール１において、複数の太陽電池サブモジュール１０は、互いに隙間を開けて配置されることが好ましい。太陽電池サブモジュール１０の隙間は、太陽電池モジュール１の組み立て（封止）の際に、太陽電池サブモジュール１０の裏面側から、水分、酸素等を表面側へ移動させる経路を提供する。太陽電池モジュール１の組み立ての際、太陽電池サブモジュール１０と裏面側の封止材５０の間の空気、加熱により封止材５０から分離される水分や他のガス、及び過剰な封止材５０は、太陽電池サブモジュール１０の隙間から太陽電池サブモジュール１０の表面側に移動し、太陽電池サブモジュール１０と表面保護部材２０の間を外側に移動することにより、外部に放出され得る。太陽電池サブモジュール１０の隙間の下限としては、１ｍｍが好ましく、２ｍｍがより好ましい。一方、太陽電池サブモジュール１０の隙間の上限としては、２０ｍｍが好ましく、１０ｍｍがより好ましい。太陽電池サブモジュール１０の隙間を前記下限以上とすることによって、過剰な封止材５０を無理なく表面側に移動させられる。また、太陽電池サブモジュール１０の隙間を前記上限以下とすることによって、太陽電池モジュール１の実効領域の面積を大きくして全体としての光電変換効率を向上できる。

【0016】

太陽電池サブモジュール１０は、透明基板１１、並びに透明基板１１の裏面側に順番に積層される第１電極層１２、光電変換層１３及び第２電極層１４をそれぞれ有する。また、太陽電池サブモジュール１０は、これらの層以外にも、例えば反射防止層、電荷輸送層等のさらなる層を有してもよい。本実施形態において、太陽電池サブモジュール１０は、表裏に貫通する貫通孔１５を有する。また、太陽電池サブモジュール１０は、第１電極層１２、光電変換層１３及び第２電極層１４をそれぞれ適切に区分することにより、平面視でそれぞれ独立して電力を発生する複数の領域、つまり複数のサブセルが画定されていてもよく、光電変換層等が複数のサブセルに区分されていないもの（つまり単一セル）であってもよい。

【0017】

透明基板１１は、太陽電池サブモジュール１０の形状を担保する構造部材である。本実施形態において、透明基板１１は、光を透過する透明な板である。透明基板１１は、典型的にはガラスから形成されるが、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレイト等の樹脂から形成されてもよい。透明基板１１は、太陽電池モジュール１の製造途中において太陽電池サブモジュール１０の形状を保持できればよく、太陽電池モジュール１の厚みが不必要に大きくなることを避けるために、表面保護部材２０及び裏面保護部材３０よりも小さい厚みを有することが好ましい。

【0018】

第１電極層１２は、光電変換層１３で生成された第１の電荷を収集して外部に出力する。本実施形態において、第１電極層１２は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ：Transparent Conductive Oxide）から形成される。第１電極層１２を形成する透明導電性酸化物としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン及びそれらの複合酸化物等を用いることができる。これらの中でも、酸化インジウムを主成分とするインジウム系複合酸化物が好ましい。高い導電率と透明性の観点からは、インジウム酸化物が特に好ましい。さらに、信頼性又はより高い導電率を確保するために、インジウム酸化物にドーパントを添加することが好ましい。ドーパントとしては、例えば、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｉ、Ｓ等が挙げられる。特に好適な例として、インジウム酸化物にスズが添加されたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）が広く知られている。第１電極層１２は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法などの方法で積層され得る。

【0019】

第１電極層１２の厚みの下限としては、５ｎｍが好ましく、１０ｎｍがより好ましい。一方、第１電極層１２の厚みの上限としては、２００ｎｍが好ましく、１００ｎｍがより好ましい。第１電極層１２の厚みを前記下限以上とすることによって、電気抵抗を小さくすることができるので太陽電池サブモジュール１０の光電変換効率を向上できる。また、第１電極層１２の厚みを前記上限以下とすることによって、不必要なコスト増や可撓性の低下を防止できる。第１電極層１２は、例えば多結晶ＩＴＯ層と非晶質ＩＴＯ層との積層構造等の多層構造を有してもよい。

【0020】

光電変換層１３は、ペロブスカイト化合物を含み、入射光を吸収して光キャリア（電子及び正孔）を生成する。光電変換層１３に含まれるペロブスカイト化合物としては、１価の有機アンモニウムイオン及びアミジニウム系イオンのうちの少なくとも１種を含む有機原子Ａ、２価の金属イオンを生成する金属原子Ｂ、及びヨウ化物イオンＩ、臭化物イオンＢｒ、塩化物イオンＣｌ、及びフッ化物イオンＦのうちの少なくとも１種を含むハロゲン原子Ｘを含み、ＡＢＸ_３で表される化合物を用いることができる。中でも、光電変換層１３を蒸着法（ドライプロセス）により形成する場合、有機原子ＡとしてはメチルアンモニウムＭＡ（ＣＨ_３ＮＨ_３）が好ましく、金属原子Ｂとしては鉛Ｐｂが好ましく、ハロゲン原子Ｘとしてはヨウ化物Ｉ、臭化物イオンＢｒ及び塩化物イオンＣｌのうちの少なくとも１つが好ましい。

【0021】

具体的に、好ましいペロブスカイト化合物としては、メチルアンモニウムハロゲン化鉛ＭＡＰｂＸ_３（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＸ_３）、ＭＡＰｂＩ_３、ＭＡＰｂＢｒ_３、ＭＡＰｂＣｌ_３等が挙げられる。なお、ハロゲン原子Ｘとしては複数種類を含んでもよい。ヨウ化物Ｉと他のハロゲン原子Ｘとを含むペロブスカイト化合物としては、例えばメチルアンモニウムヨウ化鉛ＭＡＰｂＩ_ｙＸ_{（３－ｙ）}（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_ｙＸ_{（３－ｙ）}）、ＭＡＰｂＩ_ｙＢｒ_{（３－ｙ）}、ＭＡＰｂＩ_ｙＣｌ_{（３－ｙ）}等が挙げられる（ｙは任意の正の整数）。

【0022】

ペロブスカイト化合物を含む光電変換層１３は、ペロブスカイト化合物がメチルアンモニウムハロゲン化鉛（ＭＡＰｂＸ_３（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＸ_３））である場合、光電変換層１３は、ハロゲン化鉛（ＰｂＸ_２）材料及びハロゲン化メチルアンモニウム（ＭＡＸ）材料を順に製膜し、これらの材料の薄膜を反応温度で反応させることにより形成され得る。例えば、ペロブスカイト化合物がメチルアンモニウムヨウ化鉛（ＭＡＰｂＩ_ｙＸ_{（３－ｙ）}（ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_ｙＸ_{（３－ｙ）}））である場合、光電変換層１３は、例えばハロゲン化鉛（ＰｂＸ２）材料及びヨウ化メチルアンモニウム（ＭＡＩ）材料を順に製膜し、これらの材料の薄膜を反応温度で反応させることにより形成される。また、光電変換層１３は、例えば液相の塗膜内でペロブスカイト化合物を合成するゾルゲル法、予め合成されたペロブスカイト化合物を含む溶液を塗布する塗布法等の方法によっても形成され得る。

【0023】

光電変換層１３の厚みとしては、形成材料等にもよるが、光の吸収率を大きくしつつ、生成する電荷の移動距離を小さくするために、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0024】

第２電極層１４は、第１電極層１２と対をなす電極である。第２電極層１４は、透明導電性酸化物によって形成されてもよいが、本実施形態のように、光電変換層１３の裏面側に位置する場合、金属を含む導電性材料から形成されることが好ましい。具体的には、第２電極層１４は、金属又は金属粒子をバインダで結合した組成物から形成され得る。このように、裏面側に金属により導電性を担保する第２電極層１４を配置することによって、太陽電池サブモジュール１０の集電抵抗を低減できる。また、金属を含む材料から形成される第２電極層１４は、光電変換層１３を透過した光を反射して光電変換層１３に再度入射させることにより光電変換効率を向上できる。第２電極層１４は、スパッタリング、めっき等の方法により金属を積層することによって、又は金属粒子を含む導電性組成物の塗工及び焼成によって形成することができる。

【0025】

第２電極層１４の厚みの下限としては、５ｎｍが好ましく、１０ｎｍがより好ましい。一方、第２電極層１４の厚みの上限としては、２００ｎｍが好ましく、１００ｎｍがより好ましい。第２電極層１４の厚みを前記下限以上とすることによって、集電抵抗を十分に小さくできる。また、第２電極層１４の厚みを前記上限以下とすることによって、サブセルの形成が容易となる。

【0026】

貫通孔１５は、上述の太陽電池サブモジュール１０の隙間と同様に、太陽電池モジュール１の組み立ての際に、太陽電池サブモジュール１０の裏面側から、水分、酸素等を表面側へ移動させる経路を提供する。貫通孔１５は、逆に、太陽電池モジュール１の使用時に水分等が太陽電池サブモジュール１０の裏面側に浸入する経路となりにくいよう、太陽電池サブモジュール１０の外縁から十分に離間する位置に設けられることが好ましい。

【0027】

表面保護部材２０は、封止材５０を介して太陽電池サブモジュール１０の表面側を覆うことにより、太陽電池サブモジュール１０を保護する。表面保護部材２０は、透光性、遮水性、耐傷性及び耐候性に優れることが好ましい。具体的には、表面保護部材２０の材質としては、例えばアクリル樹脂若しくはポリカーボネート樹脂等の透明樹脂、ガラスなどを挙げることができる。また、表面保護部材２０の表面は、光の反射を抑制するために、凹凸状に加工されたり、反射防止コーティング層で被覆されてもよい。

【0028】

裏面保護部材３０は、封止材５０を介して、太陽電池サブモジュール１０の裏面を覆うことによって、太陽電池サブモジュール１０を保護する。裏面保護部材３０は、表面保護部材２０と同様の材料から形成することができる。また、裏面保護部材３０は、透光性を有しない金属板等から形成されてもよい。

【0029】

充填材４０は、裏面保護部材３０の外縁に沿って配設され、太陽電池モジュール１の端面から太陽電池サブモジュール１０と裏面保護部材３０の間に水分等が浸入することを抑制する。このため、充填材４０は、封止材５０よりも小さい透湿度（ＪＩＳ－Ｚ０２０８）を有することが好ましい。充填材４０の具体的な透湿度（４０℃、９０％ＲＨ）としては、０．１ｇ／ｍ^２・２４ｈ以上０．５ｇ／ｍ^２・２４ｈ以下が好ましい。このような充填材４０を用いることにより、水分の浸入による光電変換層１３の劣化を効果的に抑制できる。

【0030】

充填材４０の幅としては、３ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下がより好ましい。充填材４０の幅をこのような範囲とすることによって、太陽電池サブモジュール１０の裏面側への水分等の進入を効果的に抑制しつつ、太陽電池モジュール１の有効面積を大きくできる。

【0031】

充填材４０は、熱可塑性を有し、溶融状態で塗布可能な樹脂組成物（ホットメルトシーラント）から形成され得る。充填材４０は、太陽電池サブモジュール１０の封止（組立）時に封止材５０に押し出されないよう、封止材５０よりも十分に小さいメルトフローレイト（ＪＩＳ－Ｋ７２１０－１）を有することが好ましい。充填材４０の具体的なメルトフローレイトＭＦＲ（１９０℃、２１．２Ｎ）としては、１０ｇ／１０ｍｉｎ以上１０００ｇ／１０ｍｉｎが好ましい。

【0032】

充填材４０は、吸湿性を有する粒子を含有してもよい。充填材４０は、そのような粒子を含有することにより遮光性を有してもよい。充填材４０に含まれる吸湿性を有する粒子としては、例えばシリカゲル、アルミナ、ゼオライト、タルク等が好適に用いられる。これにより、水分が光電変換層１３まで到達することをより確実に防止できる。

【0033】

封止材５０は、表面保護部材２０と裏面保護部材３０の間の空間に充填され、各構成要素を一体に保持すると共に、太陽電池サブモジュール１０、特に光電変換層１３に酸素、水分等が接触することを防止する。封止材５０は、太陽電池サブモジュール１０の裏面の微細な凹凸を埋めることにより、太陽電池モジュール１の内部に水分等の侵入経路が形成されることを防止する。

【0034】

封止材５０としては、例えば、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン／α－オレフィン共重合体、エチレン／酢酸ビニル／トリアリルイソシアヌレート（ＥＶＡＴ）、ポリビニルブチラート（ＰＶＢ）、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、又は、シリコーン樹脂等の透光性を有する樹脂が好適に用いられる。封止材５０は、製造段階では太陽電池サブモジュール１０の隙間に浸入する熱可塑性を有し、最終製品において熱可塑性を喪失するにより太陽電池モジュール１の温度が上昇しても形状を保持できる材料から形成されることが好ましい。つまり、封止材５０は、熱可塑性樹脂を主体とし、この熱可塑性樹脂の軟化点よりも高い温度で活性化し、熱可塑性樹脂を架橋して硬化させる架橋剤を含有する樹脂組成物によって形成されることが好ましい。

【0035】

以上のように、太陽電池モジュール１は、その外縁部において、太陽電池サブモジュール１０と裏面保護部材３０の間だけを封止する充填材４０を備えるため、太陽電池サブモジュール１０の裏面側に水分等が浸入して光電変換層１３に到達することを効果的に抑制できる。このため、太陽電池モジュール１は、高い信頼性を保持しつつ、光電変換層１３の外周部のマージンを小さくして、太陽電池モジュール１の面積当たりの光電変換効率を向上できる。

【0036】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更及び変形が可能である。本発明に係る太陽電池モジュールは、単一の太陽電池サブモジュールのみを有してもよい。また、複数の太陽電池サブモジュールを有する太陽電池モジュールは、太陽電池サブモジュールの貫通孔を有さなくてもよい。

【符号の説明】

【0037】

１ 太陽電池モジュール
１０ 太陽電池サブモジュール
２０ 表面保護部材
３０ 裏面保護部材
４０ 充填材
５０ 封止材
１１ 透明基板
１２ 第１電極層
１３ 光電変換層
１４ 第２電極層

【図1】

【図2】