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JP2013016784A - 太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

太陽電池モジュール及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【解決手段】太陽光を入射させる透明部材のパネルと太陽光入射の反対側に配置された熱伝導性部材のパネルとの間の空隙に、光透過性エラストマー部材と太陽電池素子とを、光透過性エラストマー部材を太陽光入射側に配置すると共に、この光透過性エラストマー部材によって太陽電池素子を上記熱伝導性部材のパネル側に押圧して圧着した状態で介装してなることを特徴とする太陽電池モジュール。
【効果】本発明の太陽電池モジュールは、太陽光やホットスポットにより温度上昇したセルの放熱性に優れ、かつ製造コストを抑えた構造を有する太陽電池モジュールとして最適である。
【選択図】なし

Description

本発明は、太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。
太陽電池モジュールを、家屋の屋根、ビルの屋上などの屋外に設置した場合、特に夏場においては太陽光により太陽電池モジュールの温度は大きく上昇する。そして、太陽電池モジュールの温度上昇に伴い、太陽電池素子の温度も上昇し、それによって太陽電池モジュールの発電効率が低下することが知られている。例えば、単結晶シリコンセルの場合、２５℃での発電効率を１００％とすると、素子温度が２５℃より１℃上昇するごとに約０．４％発電効率が低下する。よって、上昇した太陽電池素子の温度を如何に放熱させるかが、モジュールを効率よく使用していく重要な要素となる。
更に、発電している太陽電池モジュールには、いつも一様な日射を受けているわけではなく、現実には太陽電池モジュールに部分的に影がかかる場合もある。このような場合は、影の部分の太陽電池素子の発電が不十分となることによって、結果としてこの太陽電池素子に逆バイアス電圧が印加されてホットスポットとよばれる発熱現象が発生する。このホットスポットとよばれる現象が続くと、その太陽電池素子の温度が上昇し続けることが考えられ、最悪の場合は破損する可能性もある。
そこで従来、太陽電池素子の温度上昇を防ぐために、太陽電池モジュールの裏面に熱伝導性のよい金属からなる放熱構造体を設けたり（例えば特許文献１：特許第２７７０９０６号公報参照）、伝熱性のブロック部材をヒートパイプと組み合わせることにより背面に放熱させたり（例えば特許文献２：特開平９−１８６３５３号公報参照）、線膨張係数が異なる金属製放熱部を積層構造させることにより放熱させたり（例えば特許文献３：特許第４２０６２６５号公報参照）、また裏面に長板状の金属部材を接着して放熱させること（例えば特許文献４：特開２００６−１５６５８１号公報参照）が提案されている。しかし、金属製の材料を用いることは、その材料費及び加工費によりモジュール製造時のコスト高の原因となる可能性があり、またモジュール全体の重量が増加するため取扱いに不便となる。
ところで、太陽光発電パネルの方式としては、太陽光の受光面に、厚さ約２００μｍのシリコンウェハーを材料とした通称セルとよばれる太陽電池を一面に敷き詰めた平板方式が多く用いられている。しかし、この受光面積に応じて敷き詰める太陽電池が高価なため、太陽光発電パネルのコストを下げることが困難であった。このような背景から、集光レンズにより、小径の太陽電池に太陽光の受光面での光を集光させる集光型太陽電池モジュールの開発が行われてきた。この集光型太陽電池モジュールは、光を集光することで、平板方式に比較して、太陽電池の使用量を大幅に削減することができる。しかし、光を集光させる集光型太陽電池モジュールでは、太陽光受光面を太陽光の向きに二軸で追尾することが必要となる。更には、この追尾のための架台も屋外での使用環境を考慮して、頑丈なものが求められるために、その設置費用を含めると、当初の高価な太陽電池の使用量を大幅に削減したコストメリットが相殺されてしまう。
一方では、特に放熱性が重要である上記集光型太陽電池モジュールにおいて、金属添加剤を含有した樹脂を、絶縁性を兼ね備えた放熱電気絶縁層として太陽電池セルの下部の電極板に接着して放熱させたり（例えば特許文献５：特開２００６−３３２５３５号公報参照）、太陽電池セルと固定された裏打板との間に弾性差又は粘性差を有する２種の樹脂の層を設けて放熱させる方法（例えば特許文献６：特開２００７−１６５４８５号公報参照）が提案されている。
また一方では、従来、太陽電池素子の封止材としてＥＶＡ（エチレンビニルアセテートコポリマー）が一般的に用いられており、減圧及び加熱等を伴うラミネート工程による封止が行なわれている。この工程は、多くの煩雑な作業からなり、この工程での不具合が太陽電池の特性の低下につながるために、例えば太陽電池モジュールの両端に位置する正負の電極から導出リード線を、耐熱性を有するフィルムで被覆したものを用いて、他のリード線との短絡を防いだり（例えば特許文献７：特開平９−３２６４９７号公報参照）、光起電力素子の表面被覆材又は裏面被覆材の少なくとも一方として２種類以上の樹脂より構成された一体積層フィルムを用いて封止したり（例えば特許文献８：特開平１１−８７７４４号公報参照）することによる歩留まりの向上を図ることが提案されてきた。
しかしながら、従来の方法では、太陽電池セルと放熱材料との線膨張係数の違いによる温度上昇時の歪が原因で、上昇した太陽電池素子の温度を効率よく放熱させることが困難となっていた。特に、シリコンウェハーの厚みが２００μｍ及びそれ以下のシリコンウェハーを材料として作製した太陽電池素子では、温度上昇時に太陽電池素子と密接している材料の線膨張率の影響を受け、クラックが発生するなどの懸念がある。また、一般的に用いられている封止剤としてのＥＶＡが温度変化によってモジュラスが大きく変化することが知られており（例えば非特許文献１：Barry Ketola， Keith R．McIntosh， Ann Norris， Mary Kay Tomalia， “Silicone For Photovoltaic Encapsulation”：23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference 2008，pp．2969-2973参照）、太陽電池素子への影響が懸念される。
また、太陽電池モジュールとしての製造コストを低く抑えるために、太陽電池モジュールコストの５０％以上を占めるシリコンウェハーのコストを下げることが求められている。そのために、セルの面積を少なくすると同時に、セルの厚みを１２０μｍ以下にすることによってコストメリットがある太陽電池素子が求められている。しかし、そのような薄化ウェハーによって作製された太陽電池素子は衝撃により破損しやすいために、厚みが２００μｍ超のウェハーによって作製された太陽電池モジュールに比べて、その封止及び放熱材料を同様に用いることは困難であった。特に、太陽電池素子の表面の配線接続部は、表側と太陽電池素子の裏側の封止材料の線膨張係数及びモジュラスの違いから、温度昇降が発生する屋外環境下において、脆化を招くことが指摘されている（例えば非特許文献２：D．L．King， M．A．Quintana， J．A．Kratochvil， D．E．Ellibee and B．R．Hansen， “Photovoltaic Module Performance and Durability Following Long Term Field Expos-ure， Progress in Photovoltaics ： Research and Application 8 (2000) pp．241-256、非特許文献３：M．A．Quintana， D．L．King， T．J．MacMahon and C．R．Osterwald， “Commonly Ob-served Degradation in Field-Aged Photovoltaic Modules”， Proceedings of the 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference ， New Orleans， (2002) pp．1392-1395参照）。
一方、コスト面についていえば、従来の方法では太陽電池素子と放熱性部材を接合させるために接着剤を使用したり、放熱性を上げるために２種類の樹脂層を設けたりし、それがコスト増加の原因となる可能性があった。また特に接着剤については、１０年以上の使用においては、上記同様、温度昇降が発生する屋外環境下において、脆化を招くことが懸念され、更にそれが異物発生の原因となる可能性があった。
更に歩留まりについても、従来の方法では導出リード線をフィルムで被覆したり、被覆材を２種類以上の樹脂で一体積層フィルム状にしたり、コスト増加につながる可能性があり、また容易にリワークできない可能性があった。
特許第２７７０９０６号公報 特開平９−１８６３５３号公報 特許第４２０６２６５号公報 特開２００６−１５６５８１号公報 特開２００６−３３２５３５号公報 特開２００７−１６５４８５号公報 特開平９−３２６４９７号公報 特開平１１−８７７４４号公報
Barry Ketola， Keith R．McIntosh， Ann Norris， Mary Kay Tomalia， "Silicone For Photovoltaic Encapsulation"：23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference 2008，pp．2969-2973 D．L．King， M．A．Quintana， J．A．Kratochvil， D．E．Ellibee and B．R．Hansen， "Photovoltaic Module Performance and Durability Following Long Term Field Expos-ure， Progress in Photovoltaics ： Research and Application 8 (2000) pp．241-256 M．A．Quintana， D．L．King， T．J．MacMahon and C．R．Osterwald， "Commonly Ob-served Degradation in Field-Aged Photovoltaic Modules"， Proceedings of the 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference ， New Orleans， (2002) pp．1392-1395
本発明の目的は、太陽電池セルの放熱性に優れ、かつ容易にリワークすることができ、しかも歩留まりが向上し、製造コストを抑えることができる太陽電池モジュール及びその製造方法を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、太陽光を入射させる透明部材のパネルと、太陽光入射の反対側に配置された熱伝導性部材のパネルとで形成された空間に太陽電池素子を、ゴム状の弾力性を有する光透過性エラストマー部材で押圧によって圧着することにより、温度昇降時の線膨張率の違いによる歪を緩和し、かつ確実に放熱させ得るのに十分な面積の熱伝導性部材をもつ構造の太陽電池モジュールを提供する。
即ち、本発明は下記の太陽電池モジュール及びその製造方法を提供する。
［１］太陽光を入射させる透明部材のパネルと太陽光入射の反対側に配置された熱伝導性部材のパネルとの間の空隙に、光透過性エラストマー部材と太陽電池素子とを、光透過性エラストマー部材を太陽光入射側に配置すると共に、この光透過性エラストマー部材によって太陽電池素子を上記熱伝導性部材のパネル側に押圧して圧着した状態で介装してなることを特徴とする太陽電池モジュール。
［２］熱伝導性部材のパネルと太陽電池素子との間に熱伝導性エラストマー層を介装した［１］記載の太陽電池モジュール。
［３］熱伝導性エラストマー層が熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導性シリコーンゴムによって形成された［２］記載の太陽電池モジュール。
［４］透明部材のパネルと熱伝導性部材のパネルとの間の空隙端部にスペーサー部材を配設した［１］〜［３］のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
［５］透明部材のパネルと熱伝導性部材のパネルとの外縁部間にフレーム部材を架け渡して両パネルを固定した［１］〜［４］のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
［６］熱伝導性部材のパネルが、硝子材、合成樹脂材、金属材又はそれらの複合材によって形成された［１］〜［５］のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
［７］太陽電池素子がシリコン材料によって形成された［１］〜［６］のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
［８］光透過性エラストマー部材が、シリコーンゴム組成物の硬化物から形成された［１］〜［７］のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
［９］光透過性エラストマー部材が、集光型太陽電池の光学シートである［１］〜［８］のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
［１０］太陽光を入射させる透明部材のパネルに光透過性エラストマー部材と太陽電池素子とを順次積層し、更に太陽電池素子を覆って熱伝導性部材のパネルを、上記光透過性エラストマー部材によって太陽電池素子をこの熱伝導性部材のパネル側に押圧して圧着するように配置することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
［１１］太陽光を入射させる透明部材のパネルの外周部に封止部材、その内側にスペーサー部材を配置し、その内方に光透過性エラストマーと太陽電池素子とを配置した後、熱伝導性パネルを配置するようにした［１０］記載の太陽電池モジュールの製造方法。
［１２］上記太陽電池素子を覆って熱伝導性エラストマーを配置し、その上に上記熱伝導性部材のパネルを配置するようにした［１０］又は［１１］記載の太陽電池モジュールの製造方法。
［１３］透明部材のパネルと熱伝導性部材のパネルとの外縁部間にフレーム部材を架け渡して両パネルを固定した［１０］〜［１２］のいずれかに記載の太陽電池モジュールの製造方法。
本発明の太陽電池モジュールは、太陽光やホットスポットにより温度上昇したセルの放熱性に優れ、かつ製造コストを抑えた構造を有する太陽電池モジュールとして最適である。
また、煩雑なラミネート工程による太陽電池素子の封止が不要となるため、歩留まりの向上が期待できる。太陽電池素子はエラストマーの押圧によってのみ圧着されているので容易にリワークできる。
本発明の一実施例に係る太陽電池モジュールの一部省略断面図である。 集光型太陽電池の光学シートを用いた本発明の他の実施例に係る太陽電池モジュールの一部省略断面図である。
以下、本発明の太陽電池モジュールの好適な態様について図面を参照して説明する。
図１は、光透過性エラストマー部材として板状シートを用いた太陽電池モジュールの一例を示し、図２は光透過性エラストマー部材として集光型太陽電池の光学シートを用いた太陽電池モジュールの他の例を示す。
図１，２において、１は太陽光を入射させる透明部材のパネル、２は太陽光入射と反対側に配設された熱伝導性部材のパネルであり、これら両パネル１，２間の空隙に、光透過性エラストマー部材３と半導体基板からなる太陽電池素子４とが光透過性エラストマー部材を光入射側に配置すると共に、光透過性エラストマー部材３によって太陽電池素子４が上記熱伝導性部材のパネル２側に押圧されて圧着された状態で介装されている。
この場合、図１，２の例では、太陽電池素子４と熱伝導性部材のパネル２との間に熱伝導性エラストマー層５が介在し、太陽電池素子４はこの熱伝導性エラストマー層５を介して熱伝導性部材のパネル２に圧着されている。
また、図１の例においては、太陽電池素子４は太陽電池セルが連続して隙間なく配置され、光透過性エラストマー部材３は板状シート状に形成されている。一方、図２の例においては、太陽電池素子４は太陽電池セルが互いに所定の間隔で配置されていると共に、光透過性エラストマー部材３は、集光型太陽電池の光学シートとして形成され、断面半球状頭部３ａとこれと一体に連設する断面逆円錐台状柱部３ｂとからなり、柱部３ｂの下端面で太陽電池素子（太陽電池セル）４を押圧している。
上記両パネル１，２間の空隙端部近傍には、スペーサー部材６が配設され、このスペーサー部材６の上下部と両パネル１，２との間にはそれぞれ封止部材７，７が介装されていると共に、スペーサー部材６の上記空隙端部側にも封止部材８が配置され、上記空隙内の光透過性エラストマー部材３、太陽電池素子４、熱伝導性エラストマー層５が密封されている。そして、上記両パネル１，２の上縁部間に断面コ字状のフレーム部材９が架け渡されてこれら両パネル１，２間が固定されている。
このような太陽電池モジュールを得る場合の好適な方法としては、白板強化ガラス等の太陽光を入射させる透明部材のパネル１の光入射面とは反対面の外周部の内側に額縁状にブチルゴム製等の封止部材８を配置し、次に、該額縁状に配置した封止部材８の内側に沿ってアルミニウム合金製等のスペーサー部材６を配置する。この際、該スペーサー部材６と上記光入射面側の白板強化ガラス１との間にシリコーンゴム製等の封止部材７を配置する。次いで、上記スペーサー部材８の内方に上記光透過性エラストマー部材３及び太陽電池素子４を上記パネル１と上記光透過性エラストマー部材３とが接するように設置する。更に、熱伝導性エラストマー層５を太陽電池素子４と接するように配置し、次に熱伝導性部材のパネル２を上記熱伝導性エラストマー層５の光入射側と反対側に配置する。この場合、上記スペーサー部材６と上記パネル２との間にはシリコーンゴム製等の封止部材７を介在させ、該スペーサー部材及び上記ブチルゴム製封止部材を挟むようにして接合する。接合の際には水分の混入を避けるために、かつブチルゴム製等の封止部材８の封止性能を向上させるために１００〜１３０Ｐａの真空下で１００〜１５０℃に加熱しながら真空ラミネーター装置を用いて接合させることが好ましい。更に、上記太陽電池素子に対し、所用の圧力がかかるように光入射面側及びその反対面側のパネル１，２をコの字形のアルミニウム合金製等のフレーム部材９によって固定し、太陽電池モジュールを作製することが好ましい。
ここで、上記透明部材のパネル１においては、透明性、耐候性、耐衝撃性をはじめとして屋外使用において長期の信頼性能を有する部材が必要であり、例えば白板強化ガラス、アクリル樹脂、フッ素樹脂又はポリカーボネート樹脂等があるが、一般的には厚さ３〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが広く用いられている。
次に、上記熱伝導性部材のパネル２においては、太陽電池素子の温度を効率よく放熱することが求められ、材料として硝子材、合成樹脂材、金属材又はそれらの複合部材が挙げられる。硝子材の例としては、青板硝子、白板硝子又は強化硝子等が挙げられ、合成樹脂材としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂又はエポキシ樹脂等が挙げられる。また金属材としては、銅、アルミニウム又は鉄等が挙げられ、複合材としては、シリカをはじめ、酸化チタン、アルミナ、窒化アルミニウムなど高い熱伝導性を有する材料を担持した合成樹脂等が挙げられる。
なお、この熱伝導性部材のパネル２においては、熱伝導性エラストマー層５と共に透明性を有する部材を用いることにより、太陽光の直達光及び散乱光の一部を太陽光入射の反対面側に透過させることができ、例えば草原などに設置した場合、太陽電池モジュールの入射面と反対側の、つまり本来日陰となってしまう部分にも太陽光に一部が照射されることにより植物の生育を促し、家畜の放牧等にも利用できる。
また、太陽電池素子４においては、単結晶シリコンもしくは多結晶シリコンのうちから選ばれる１種もしくは２種のシリコン材料を用いて太陽電池素子とするものである。なお、図２の、集光型太陽電池の光学シートを用いた太陽電池モジュールに用いる太陽電池素子は太陽光の集光により太陽電池素子の面積を、図１の太陽電池素子と比較して１／２から１／３に減らすことが可能である。
次に、上記光透過性エラストマー部材３につき説明すると、これは透明性、耐候性をはじめとして屋外使用において２０年以上の長期信頼性が必要であり、そのために紫外線耐性の高く、かつ熱圧縮成形や集光型太陽電池の光学シートを効率よく量産するための加工方法に適した押し出し成形又はカレンダー成形に対応しやすくするため、煙霧質シリカを高充填したミラブルタイプのシリコーンゴム組成物を硬化させてなるシートを用いることが好ましい。
上記シリコーンゴム組成物を硬化させてなるシートは、例えば
（Ａ）成分として、下記平均組成式（Ｉ）
Ｒ1 aＳｉＯ(4-a)/2 （Ｉ）
（式中、Ｒ1は同一又は異種の非置換又は置換の一価炭化水素基を示し、ａは１．９５〜２．０５の正数である。）
で表され、一分子中に少なくとも２個の脂肪族不飽和基を有する重合度が１００以上のオルガノポリシロキサンを１００質量部、
（Ｂ）比表面積が２００ｍ2／ｇを超える煙霧質シリカを７０〜１５０質量部、
（Ｃ）一分子中に少なくとも２個のケイ素原子と結合した水素原子を含有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンを０．１〜３０質量部、及び
（Ｄ）ヒドロシリル化反応触媒を（Ａ）成分に対し０．５〜１，０００ｐｐｍを含んでなるシリコーンゴム組成物を硬化させて得られる。
このシリコーンゴム組成物は、押し出し成形、カレンダー成形等が可能なミラブルタイプの材料であり、その硬化物はシリカを含有していても、高い透明性を持ち、集光型太陽電池の光学シートとして最適である。
（Ａ）成分は、上記平均組成式（Ｉ）で表される重合度が１００以上のオルガノポリシロキサンである。平均組成式（Ｉ）中、Ｒ1は同一又は異種の非置換又は置換の一価炭化水素基を示し、通常、炭素数１〜１２、特に炭素数１〜８のものが好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基等のアルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基等のアルケニル基、シクロアルケニル基、フェニル基、トリル基等のアリール基、ベンジル基、２−フェニルエチル基等のアラルキル基、あるいはこれらの基の水素原子の一部又は全部をハロゲン原子又はシアノ基等で置換した基が挙げられ、メチル基、ビニル基、フェニル基、トリフルオロプロピル基が好ましく、特にメチル基、ビニル基が好ましい。
（Ａ）成分として具体的には、該オルガノポリシロキサンの主鎖がジメチルシロキサン単位の繰り返しからなるもの、又はこの主鎖を構成するジメチルシロキサン単位の繰り返しからなるジメチルポリシロキサン構造の一部にフェニル基、ビニル基、３，３，３−トリフルオロプロピル基等を有するジフェニルシロキサン単位、メチルフェニルシロキサン単位、メチルビニルシロキサン単位、メチル−３，３，３−トリフルオロプロピルシロキサン単位等を導入したもの等が好適である。
特に、オルガノポリシロキサンは、一分子中に２個以上のアルケニル基、シクロアルケニル基等の脂肪族不飽和基を有するものが好ましく、特にビニル基であることが好ましい。この場合、全Ｒ1中０．０１〜２０モル％、特に０．０２〜１０モル％が脂肪族不飽和基であることが好ましい。なお、この脂肪族不飽和基は、分子鎖末端でケイ素原子に結合していても、分子鎖の途中のケイ素原子に結合していても、その両方であってもよいが、少なくとも分子鎖末端のケイ素原子に結合していることが好ましい。
また、ａは１．９５〜２．０５、好ましくは１．９８〜２．０２、より好ましくは１．９９〜２．０１の正数である。
（Ａ）成分のオルガノポリシロキサンとして、更に好ましくは平均組成式（Ｉ）におけるＲ1が炭素数１〜６の一価炭化水素基であり、かつ一分子中の少なくとも２個はアルケニル基である。
（Ａ）成分のオルガノポリシロキサンは、分子鎖末端がトリメチルシロキシ基、ジメチルフェニルシロキシ基、ジメチルヒドロキシシロキシ基、ジメチルビニルシロキシ基、メチルジビニルシロキシ基、トリビニルシロキシ基等のトリオルガノシロキシ基で封鎖されたものを好ましく挙げることができる。
特に好ましいものとしては、メチルビニルポリシロキサン、メチルフェニルビニルポリシロキサン、メチルトリフルオロプロピルビニルポリシロキサン等を挙げることができる。
このようなオルガノポリシロキサンは、例えばオルガノハロゲノシランの１種又は２種以上を（共）加水分解縮合することにより、あるいは環状ポリシロキサン（シロキサンの３量体、４量体等）をアルカリ性又は酸性の触媒を用いて開環重合することによって得ることができる。これらは基本的に直鎖状のジオルガノポリシロキサンであるが、（Ａ）成分としては、分子量（重合度）や分子構造の異なる２種又は３種以上の混合物であってもよい。
オルガノポリシロキサンの重合度は１００以上、好ましくは１００〜１００，０００、特に好ましくは３，０００〜２０，０００である。なお、この重合度は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ（ＧＰＣ）分析によるポリスチレン換算の重量平均重合度として測定することができる。
（Ｂ）成分は、ＢＥＴ比表面積２００ｍ2／ｇを超える補強性シリカである。この補強性シリカは、透明性に優れ、また機械的強度の優れたシリコーンゴム組成物を得るために添加されるものである。またシリコーンゴム組成物の透明性向上のため、ＢＥＴ比表面積が２００ｍ2／ｇを超える必要があり、好ましくは２５０ｍ2／ｇ以上である。ＢＥＴ比表面積が２００ｍ2／ｇ以下だと、硬化物の透明性が低下してしまう。なお、ＢＥＴ比表面積の上限は特に制限されないが、作業性等の点から通常５００ｍ2／ｇ以下、好ましくは４００ｍ2／ｇ以下程度のものが好適である。
通常、シリコーンゴム組成物に使用されるシリカとしては煙霧質シリカ、沈降シリカ等が挙げられるが、沈降シリカを用いると透明性が低下するため、煙霧質シリカが用いられる。また、これらの表面をクロロシラン、アルコキシシラン、ヘキサメチルジシラザン等で疎水化処理したものも好適に用いられる。特にヘキサメチルジシラザンによる処理が、透明性が高くなり、好ましい。
（Ｂ）成分の補強性シリカの添加量は、（Ａ）成分のオルガノポリシロキサン１００質量部に対して好ましくは７０〜１５０質量部、より好ましくは７０〜１２０質量部であり、７０質量部未満だと、シリコーンゴムコンパウンドを硬化させたシートの透明性が低下する。１５０質量部を超えると、シリコーンポリマー中へのシリカの分散が困難となる。
（Ｃ）成分は、一分子中に少なくとも２個のケイ素原子と結合した水素原子を含有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンである。このオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、一分子中に少なくとも２個のケイ素原子と結合した水素原子（ＳｉＨ基）を含有するもので、好ましくは下記平均組成式（ＩＩ）
Ｒ2 bＨcＳｉＯ(4-b-c)/2 （ＩＩ）
（式中、Ｒ2は炭素数１〜６の置換又は非置換の一価炭化水素基であり、ｂは０．７〜２．１の数であり、ｃは０．１８〜１．０の数であり、かつｂ＋ｃは０．８〜３．０を満足する。）
で示される従来から公知のオルガノハイドロジェンポリシロキサンが適用可能である。
Ｒ2は炭素数１〜６の置換又は非置換の一価炭化水素基で、好ましくは脂肪族不飽和結合を有さないものであり、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等のアルキル基、シクロヘキシル基、シクロヘキセニル基、フェニル基等の非置換の一価炭化水素基、３，３，３−トリフルオロプロピル基、シアノメチル基等の上記一価炭化水素基の水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子やシアノ基で置換された置換アルキル基等の置換の一価炭化水素基である。
ｂとｃに関して、好ましくは、ｂは０．８〜２．０、ｃは０．２〜１．０、かつｂ＋ｃは１．０〜２．５を満足する。
（Ｃ）成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンの分子構造は、直鎖状、環状、分岐状、三次元網目状のいずれの構造であってもよい。この場合、一分子中のケイ素原子の数（又は重合度）は２〜３００個、特に４〜２００個程度の室温で液状のものが好適に用いられる。なお、ケイ素原子に結合する水素原子（ＳｉＨ基）は分子鎖末端にあっても側鎖にあっても、その両方にあってもよく、一分子中に少なくとも２個（通常２〜３００個）、好ましくは３個以上（例えば３〜２００個）、より好ましくは４〜１５０個程度含有するものが使用される。
（Ｃ）成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンとして具体的には、１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン、１，３，５，７−テトラメチルシクロテトラシロキサン、メチルハイドロジェンシクロポリシロキサン、メチルハイドロジェンシロキサン・ジメチルシロキサン環状共重合体、トリス（ジメチルハイドロジェンシロキシ）メチルシラン、トリス（ジメチルハイドロジェンシロキシ）フェニルシラン、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンポリシロキサン、両末端トリメチルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖ジメチルポリシロキサン、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジフェニルシロキサン・ジメチルシロキサン共重合体、環状メチルハイドロジェンポリシロキサン、環状メチルハイドロジェンシロキサン・ジメチルシロキサン共重合体、環状メチルハイドロジェンシロキサン・ジフェニルシロキサン・ジメチルシロキサン共重合体、（ＣＨ3）2ＨＳｉＯ1/2単位とＳｉＯ4/2単位とからなる共重合体、（ＣＨ3）2ＨＳｉＯ1/2単位とＳｉＯ4/2単位と（Ｃ6Ｈ5）ＳｉＯ3/2単位とからなる共重合体等や上記各例示化合物において、メチル基の一部又は全部がエチル基、プロピル基等の他のアルキル基やフェニル基等のアリール基で置換されたものなどが挙げられる。
（Ｃ）成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンの配合量は、（Ａ）成分のオルガノポリシロキサン１００質量部に対して０．１〜３０質量部、より好ましくは０．１〜１０質量部、更に好ましくは０．３〜１０質量部である。
また、（Ｃ）成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、（Ａ）成分中のケイ素原子に結合したアルケニル基に対する（Ｃ）成分中のケイ素原子に結合した水素原子（即ち、ＳｉＨ基）のモル比が、好ましくは０．５〜５モル／モル、より好ましくは０．８〜４モル／モル、更に好ましくは１〜３モル／モルとなる量で配合される。
（Ｄ）成分のヒドロシリル化反応触媒は、公知のものが適用可能で、例えば、白金黒、塩化第二白金、塩化白金酸、塩化白金酸と一価アルコールとの反応物、塩化白金酸とオレフィン類との錯体、白金ビスアセトアセテート等の白金系触媒、パラジウム系触媒、ロジウム系触媒等が挙げられる。
（Ｄ）成分のヒドロシリル化反応触媒の配合量は触媒量とすることができ、通常、白金族金属として（Ａ）成分に対し、０．５〜１，０００ｐｐｍ、好ましくは１〜２００ｐｐｍ程度である。
（Ａ）〜（Ｄ）成分を少なくとも含んでなるシリコーンゴム組成物は、上記成分以外に、本発明の目的を損なわない範囲で、難燃性付与剤、着色剤等を添加することができる。
シリコーンゴム組成物は、上述した成分の所定量を２本ロール、ニーダー、バンバリーミキサー等で混練りすることによって得ることができる。
シリコーンゴム組成物を成形する場合、成形方法としては、特に限定されないが、プレス成形、押し出し成形、カレンダー成形等が可能である。
シリコーンゴム組成物の硬化条件は特に限定されない。一般的には、８０〜３００℃、特に１００〜２５０℃で５秒〜１時間、特に３０秒〜３０分間程度加熱硬化させることによりキーパッド等を得ることができる。また、１００〜２００℃で１０分〜１０時間程度ポストキュアーしてもよい。
このシリコーンゴム組成物の硬化物は、厚さ２ｍｍの硬化物シートの全光線透過率が、結晶シリコンの分光感度領域である０．３５〜１．１５μｍの波長で９０％以上であることが好ましい。具体的には、スガ試験機（株）製直読ヘイズコンピューターＨＧＭ−２による測定値で好ましくは９０％以上である。この全光線透過率が９０％未満であると、光拡散が大きすぎ、入射光が光学シートの最遠部まで届かない場合がある。このシリコーンゴム組成物の硬化物は、厚さ２ｍｍの硬化物シートのヘイズ値が、スガ試験機（株）製直読ヘイズコンピューターＨＧＭ−２による測定値が１０％以下、特に８％以下であることが好ましい。該ヘイズ値が１０％を超える場合は光拡散が大きすぎて、入射光が光透過性エラストマー部材の最遠部まで届かない場合がある。
集光型太陽電池の光学シートを、屈折率０．３５〜１．１５μｍの波長に対して透過率９０％以上（厚さ２ｍｍの場合）のシリコーンゴム組成物を硬化させてなるシートで作製した場合について説明する。集光型太陽電池においては、太陽光の直達光を効率よく取り込むために、南中高度が季節ごとに変動することを考慮しなければならず、本発明の太陽電池モジュールで用いる集光型太陽電池の光学シートでは、一軸方向にその形状を形成する。
南中高度は春分・秋分を起点として夏至で＋２３度、冬至で−２３度変化することを考慮する必要があるが、上記図２で示した太陽電池モジュールで用いる集光型太陽電池の光学シートの形状によれば、２３度の斜め入射に対して出射側ではほぼ太陽電池の受光面に入射できることを、幾何学光学ソフト（Ｌｉｇｈｔ Ｔｏｏｌｓ）を用いて確認した。そして、この光学シートの太陽光総入射面積に対し、太陽電池への総入射面積は２．７対１．０であることを確認した。本発明の実施においては、受光面の太陽に向けての追尾システムは必須とはしない。本発明の簡便な繰り返しの線状構造形状を有するリニアな光学シート１枚で、２．７倍集光を実現することができた。本発明により南中光度の偏差±２３度の直達光に対して、２倍超の集光度が可能な太陽電池モジュールを提供することができる。
次に、上記フレーム部材９においては、衝撃、風圧又は積雪に対する強度が優れ、耐候性を有し、かつ軽量であるアルミニウム合金、ステンレス鋼等が好ましく用いられている。これらの材料で成形されたフレーム部材９によって、パネル１，２により挟持された構造体の外周を囲うように装着し、ねじにより固定する。
本発明の太陽電池モジュールは、ゴム状の弾力性を有する光透過性エラストマー部材３を介して、太陽電池素子を押圧によって圧着するが、その際の押圧の圧力は０．０１ＭＰａ以上５．０ＭＰａ以下、特に０．０５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下の範囲が好ましい。押圧の圧力が０．０１ＭＰａ未満であると太陽電池素子が固定化されなかったり、入射した太陽光の一部が素子に取り込めない可能性があったり、また太陽電池素子の温度上昇を太陽電池素子の裏面から放熱されにくくなる可能性がある。一方、押圧の圧力が５．０ＭＰａより大きいと、温度昇降時の線膨張率の違いによる歪を緩和できなくなったり、特に図２の集光型太陽電池の光学シートを用いた場合、光透過性エラストマーである光学シートが変形し集光機能が劣る可能性がある。更にまた、特に太陽電池素子の厚みが１２０μｍ以下の場合においては、太陽電池素子が破損する可能性がある。
本発明の太陽電池モジュールは、太陽光を入射させる透明部材のパネル１と、太陽光入射の反対側の熱伝導性部材のパネル２の外縁部を、上記スペーサー部材６を介して保持させることができる。このスペーサー部材６に求められる性能としては、太陽光を入射させる透明部材のパネル１と、熱伝導性部材のパネル２の距離を一定に保ち、上記ゴム状の弾力性を有する光透過性エラストマー部材３の、上記太陽電池素子４に対する押圧の圧力をコントロールすることであり、材料としてはアルミニウム等の金属又は硬質樹脂などが挙げられる。なお、スペーサー部材のパネルへの接合にはシリコーンゴムやブチルゴムを用いることができる。
本発明の太陽電池モジュールにおいて、上記熱伝導性部材のパネル２と上記太陽電池素子４との間に、上記熱伝導性エラストマー層５を設けることができるが、これはシートとして配設しても塗布層として形成してもよい。この熱伝導性エラストマー層５を設けることにより、熱伝導性部材のパネル２と太陽電池素子４の線膨張率の差による歪を緩和・吸収したり、又は熱伝導性部材のパネル２との密着性が上がり、発生した熱を効率的に放熱させることができる。
この熱伝導性エラストマー層５は、熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上５Ｗ／ｍ・Ｋ以下（ＡＳＴＭ Ｅ １５３０）、特に０．５〜５Ｗ／ｍ・Ｋであるシリコーンゴム硬化物であることが好ましい。熱伝導率が０．２Ｗ／ｍ・Ｋより小さいと、上記熱伝導性部材のパネル２と上記太陽電池素子４との熱圧着温度を高くしたり、圧着時間を長くしたりする必要があり、効率の面で不利な場合が生じる。５Ｗ／ｍ・Ｋを超えると熱伝導性エラストマー層の硬度が高くなるため、シート状に加工するのが困難となると同時に太陽電池素子との均一な圧着が困難となる。
また、この熱伝導性エラストマー層５の厚みは２００μｍ以上７００μｍ以下、特に３００μｍ以上５００μｍ以下の厚みが好ましい。厚みが２００μｍより小さいと太陽電池素子から熱伝導性エラストマー層への熱の移動が速やかに行なわれず、太陽電池素子の温度上昇を抑えられない可能性がある。厚みが７００μｍより厚いと熱伝導性エラストマー層から熱伝導部材への熱の移動が速やかに行なわれない可能性がある。
この熱伝導性エラストマー層５を形成するための組成物は、オルガノポリシロキサン１００質量部に、カーボン、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物から選択される少なくとも１種を１０〜１，６００質量部添加することで得られる。これらの具体例としては、金属では銀粉、銅粉、鉄粉、ニッケル粉、アルミニウム粉など、金属酸化物では亜鉛、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、鉄等の酸化物、金属窒化物ではホウ素、アルミニウム、ケイ素等の窒化物、金属炭化物ではケイ素、ホウ素等の炭化物などが例示される。
必要に応じて、上記熱伝導性エラストマー組成物に、着色顔料、耐熱性向上剤、難燃性向上剤、受酸剤等の各種添加剤、あるいは分散剤として各種アルコキシシラン、ジフェニルシランジオール、カーボンファンクショナルシラン、シラノール基含有シロキサン等を添加してもよい。
この熱伝導性エラストマー組成物は、上記成分を２本ロール、バンバリーミキサー、ニーダー、プラネタリーミキサー等の混練機を用いて均一に混合し、必要に応じて１００℃以上の温度で熱処理することにより得ることができる。
また、この熱伝導性エラストマー組成物を硬化させてゴム弾性体とする硬化剤としては、通常シリコーンゴム組成物の硬化に使用されている従来公知のものでよく、これはラジカル反応に使用されるジ−ｔ−ブチルパーオキサイド、２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン、ジクミルパーオキサイド等の有機過酸化物、付加反応硬化剤としてオルガノポリシロキサンがアルケニル基を有する場合、ケイ素原子に結合した水素原子を一分子中に２個以上含有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンと白金族金属系触媒とからなるもの、縮合反応硬化剤としてオルガノポリシロキサンがシラノール基を含有する場合、アルコキシ基、アセトキシ基、ケトオキシム基、プロペノキシ基等の加水分解性の基を２個以上有する有機ケイ素化合物などが例示されるが、この添加量は通常のシリコーンゴム組成物と同様にすればよい。
この熱伝導性エラストマー組成物としては、ミラブルタイプシリコーンゴム組成物及び液状タイプシリコーンゴム組成物のいずれを用いてもよい。作業性、成形加工性の点から有機過酸化物硬化型又は付加反応硬化型の熱伝導性シリコーンゴム組成物が好ましい。
上記熱伝導性エラストマー組成物を硬化させることにより、熱伝導性エラストマー層を形成することが好ましい。
以下、実施例、参考例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
［参考例１］光透過性エラストマー部材の作製
ジメチルシロキサン単位９９．４７５モル％、メチルビニルシロキサン単位０．５０モル％、ジメチルビニルシロキサン単位０．０２５モル％からなり、平均重合度が約６，０００であるオルガノポリシロキサン１００質量部、ＢＥＴ比表面積３００ｍ2／ｇのシリカ（商品名アエロジル３００、日本アエロジル（株）製）７０質量部、分散剤としてヘキサメチルジシラザン１６質量部、水４質量部を添加し、ニーダーにて混練りし、１７０℃にて２時間加熱処理してコンパウンドを調製した。
上記コンパウンド１００質量部に対し、付加架橋硬化剤としてＣ−２５Ａ（白金触媒）／Ｃ−２５Ｂ（オルガノハイドロジェンポリシロキサン）（共に、信越化学工業（株）製）をそれぞれ０．５質量部／２．０質量部を２本ロールで混練後添加し、均一に混合した後、１２０℃、７０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件で１０分間プレスキュアーを行い、次いで２００℃で４時間ポストキュアーを行い、厚さ２ｍｍの試験用シートを成形した。
［実施例１］太陽電池モジュール（１）の作製
参考例１で成形した光透過性エラストマー部材を用いて太陽電池モジュールを作製した。即ち、光入射面側の厚さ３．２ｍｍの白板強化ガラスの光入射面とは反対面の外周部の内側に額縁状にテープ状ブチルゴム製封止部材を配置した。次に、該額縁状に配置したブチルゴム製封止部材の内側に沿ってアルミニウム合金製のスペーサー部材を配置した。この場合、該スペーサー部材と上記光入射面側の白板強化ガラスとの間にシリコーンゴム製封止部材を配置した。次いで、上記スペーサー部材の内方に上記光透過性エラストマー部材及び太陽電池素子を上記白板強化ガラスと上記光透過性エラストマー部材とが接するように設置した。次いで、熱伝導性エラストマーとして信越化学工業（株）製放熱シリコーンシートＴＣ−２０Ａ（厚さ０．２ｍｍ、熱伝導率１．１Ｗ／ｍ・Ｋ）を上記太陽電池素子の光入射面の反対側に接するように配置した。次に、上記白板強化ガラスとは別の白板強化ガラスを上記熱伝導性エラストマーの光入射側と反対側に配置した。この場合、上記スペーサー部材とこの別の白板強化ガラスとの間にはシリコーンゴム製の封止部材を介在させ、該スペーサー部材及び上記ブチルゴム製封止部材を挟むようにして接合した。また接合の際には水分の混入を避けるために、かつブチルゴム製封止部材の封止性能を向上させるために１１０Ｐａの真空下で約１２０℃に加熱しながら真空ラミネーター装置を用いて接合させた。更に、上記太陽電池素子に対し約０．５ＭＰａの圧力がかかるように光入射面側及びその反対面側の白板強化ガラスをコの字形のアルミニウム合金製のフレームによって固定し、太陽電池モジュール（１）を作製した。なお、この場合は太陽光入射面及びその反対側の面の両面がガラスの構造となるので、通常両面ガラスの構造が用いられる両面受光型モジュールと同じように、両ガラスの間から電極を取り出し配線を行った。
［実施例２］太陽電池モジュール（２）の作製
熱伝導性エラストマーとして信越化学工業（株）製放熱シリコーンシートＴＣ−４５Ａ（厚さ０．４５ｍｍ、熱伝導率１．１Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いた他は、実施例１と同様にして太陽電池モジュール（２）を作製した。
［実施例３］太陽電池モジュール（３）の作製
熱伝導性エラストマーとして信越化学工業（株）製放熱シリコーンシートＴＣ−４５ＢＧ（厚さ０．４５ｍｍ、熱伝導率５．０Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いた他は、実施例１と同様にして太陽電池モジュール（３）を作製した。
実施例１〜３の熱伝導性エラストマーの太陽電池素子への密着性、及び太陽電池素子で発生した熱の放熱性の結果を表１に示す。
Figure 2013016784
 １）密着性能、放熱性能の指標
◎：きわめて良好
○：良好
△：悪い
×：きわめて悪い
１ 透明部材のパネル
２ 熱伝導性部材のパネル
３ 光透過性エラストマー部材
３ａ 断面半球状頭部
３ｂ 断面逆円錐台状柱部
４ 太陽電池素子
５ 熱伝導性エラストマー層
６ スペーサー部材
７ 封止部材
８ 封止部材
９ フレーム部材

Claims (13)

  1. 太陽光を入射させる透明部材のパネルと太陽光入射の反対側に配置された熱伝導性部材のパネルとの間の空隙に、光透過性エラストマー部材と太陽電池素子とを、光透過性エラストマー部材を太陽光入射側に配置すると共に、この光透過性エラストマー部材によって太陽電池素子を上記熱伝導性部材のパネル側に押圧して圧着した状態で介装してなることを特徴とする太陽電池モジュール。
  2. 熱伝導性部材のパネルと太陽電池素子との間に熱伝導性エラストマー層を介装した請求項１記載の太陽電池モジュール。
  3. 熱伝導性エラストマー層が熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導性シリコーンゴムによって形成された請求項２記載の太陽電池モジュール。
  4. 透明部材のパネルと熱伝導性部材のパネルとの間の空隙端部にスペーサー部材を配設した請求項１乃至３のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
  5. 透明部材のパネルと熱伝導性部材のパネルとの外縁部間にフレーム部材を架け渡して両パネルを固定した請求項１乃至４のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
  6. 熱伝導性部材のパネルが、硝子材、合成樹脂材、金属材又はそれらの複合材によって形成された請求項１乃至５のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
  7. 太陽電池素子がシリコン材料によって形成された請求項１乃至６のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
  8. 光透過性エラストマー部材が、シリコーンゴム組成物の硬化物から形成された請求項１乃至７のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
  9. 光透過性エラストマー部材が、集光型太陽電池の光学シートである請求項１乃至８のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
  10. 太陽光を入射させる透明部材のパネルに光透過性エラストマー部材と太陽電池素子とを順次積層し、更に太陽電池素子を覆って熱伝導性部材のパネルを、上記光透過性エラストマー部材によって太陽電池素子をこの熱伝導性部材のパネル側に押圧して圧着するように配置することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
  11. 太陽光を入射させる透明部材のパネルの外周部に封止部材、その内側にスペーサー部材を配置し、その内方に光透過性エラストマーと太陽電池素子とを配置した後、熱伝導性パネルを配置するようにした請求項１０記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  12. 上記太陽電池素子を覆って熱伝導性エラストマーを配置し、その上に上記熱伝導性部材のパネルを配置するようにした請求項１０又は１１記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  13. 透明部材のパネルと熱伝導性部材のパネルとの外縁部間にフレーム部材を架け渡して両パネルを固定した請求項１０乃至１２のいずれか１項記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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