JP6036093B2 - 太陽電池モジュール用封止材 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池モジュール用封止材に関する。

近年、地球温暖化対策や化石燃料に代わる代替エネルギーの利用など、各種分野において環境問題に対する意識が高まっている。例えば発電分野においては、原子力発電は放射能汚染の危険性が常につきまとい、石油を使用する火力発電ではＣＯ_２排出に伴う地球温暖化の問題がある。そこで、このような問題のないクリーンエネルギーとして太陽光発電が注目されており、実用化も確実に進められている。太陽光発電に利用される太陽電池モジュールには種々の形態があり、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、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、及び化合物半導体太陽電池等が挙げられる。中でも、結晶シリコン太陽電池、化合物半導体太陽電池、及びアモルファスシリコン太陽電池は、比較的低コストで大面積化が可能なため、最近ではこれらの太陽電池について活発に研究開発が進められている。

これら各種太陽電池モジュールの基本的構成は、図１に示すように、複数の太陽電池用セル（太陽電池素子）１０１が、表面（光入射側）保護用のガラス板１０２と耐候性を有するバックシート１０３とによって挟持され、ガラス板１０２とバックシート１０３との間には、これらを接着し、太陽電池用セル１０１を封止するためのＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）やポリビニルブチラールなどの熱可塑性透明樹脂から成る封止材１０４が介装されている。

ところで、太陽電池モジュールに用いられる封止材には、耐候性、接着性、耐熱性などの物性が要求される。そこで、これらの物性を担保するため、従来からＥＶＡを有機過酸化物によって架橋している。ＥＶＡに加えられた有機過酸化物が熱により分解してＥＶＡを架橋させると、架橋度の指標となるゲル分率が向上する。ＥＶＡのゲル分率を向上することにより太陽電池用封止材の耐熱性及び強度を向上することができ、屋外等の環境下で使用される太陽電池にはゲル分率が８０％以上であるＥＶＡが必要である。したがって、屋外等で使用される太陽電池を提供するためには、有機過酸化物をＥＶＡ中に含有させてＥＶＡを架橋することが不可欠となっている。

このような有機過酸化物としては、例えばパーオキシエステル型やパーオキシケタール型の有機過酸化物が使用されている。ここで、ＥＶＡは有機過酸化物の熱分解により架橋されるため、ＥＶＡの架橋速度を上げて生産性を向上させるには、有機過酸化物の１時間半減期温度（Ｔ_１ｈ）が重要となる。具体的には、有機過酸化物のＴ_１ｈが低いほど、短時間での架橋が可能となる。なお、１時間半減期温度とは１時間で有機過酸化物の半分が分解する温度のことである。

パーオキシエステル型やパーオキシケタール型の有機過酸化物はＴ_１ｈが１００〜１３０℃と低いため、比較的短時間での架橋が可能である。しかしながら、パーオキシエステル型やパーオキシケタール型の有機過酸化物を使用した場合、これらの分解物に起因するものと思われる発泡（膨れ）現象が起こる問題が生じることが知られている。発泡は、ＥＶＡ封止材の密着性を低下させる要因となり、封止性能が低下することで太陽電池の寿命と発電効率が低下するという問題が生じる。

そこで特許文献１には、ジアルキルパーオキサイド型の有機過酸化物と、パーオキシモノカーボネート型もしくはパーオキシケタール型の有機過酸化物とを所定の割合で配合することにより、架橋時間の短縮と発泡の問題解決を図っている。また、特許文献１の比較例において、パーオキシケタール型の有機過酸化物であって、下記一般式（１００）で示される１，１−ジ（t−ブチルパーオキシ）−３，３，５−トリメチルシクロヘキサンのみを用いた場合、膨れ性（発泡）に問題のあることが示されている。なお、１，１−ジ（t−ブチルパーオキシ）−３，３，５−トリメチルシクロヘキサンのＴ_１ｈは１０９．４℃である。

また、特許文献２には、パーオキシケタール型の有機過酸化物であって、下記一般式（１０１）で示されるｎ−ブチル４，４−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）バレレートのみを用いた場合は、有機過酸化物の分解によって生じたガスによる太陽電池セルの移動が多く、製品の不具合が生じることが示されている。なお、ｎ−ブチル４，４−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）バレレートのＴ_１ｈは１２６．５℃である。

そこで特許文献２では、パーオキシエステル型の有機過酸化物であって、下記一般式（１０２）に示されるｔ−ブチルパーオキシ２−エチルヘキサノエートを加えることにより、ガスによる不具合の解決と架橋速度の向上とを同時に達成している。しかしながら、ｔ−ブチルパーオキシ２−エチルヘキサノエートのＴ_１ｈは９２．１℃と著しく低いため、封止材を成形する段階で分解・架橋が進行してしまい、早期架橋（スコーチ）の問題が生じてしまう。

特開平１１−２６７９１号公報 韓国登録特許第１０−９２８４４１号公報

上記のように、特許文献１，２で使用している有機過酸化物では、現在の成長市場に合った架橋時間の短縮、有機過酸化物の分解ガスによる発泡抑制、及び封止材製造時のスコーチを無くすこと、これら全てを満たすことはできていなかった。そこで、本発明者が鋭意検討の結果、ある特定の有機過酸化物のみを配合することによって、上記問題の全てを解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は上記課題を解決するものであって、その目的とするところは、有機過酸化物の分解ガスによる発泡の抑制と、封止材製造時のスコーチの発生を防止しながら、架橋時間を短縮できる、太陽電池モジュール用封止材を提供することにある。

そのための手段として、本発明は、酢酸ビニルより形成される構造単位を２５〜３５重量％有するエチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）と、有機過酸化物とを含有する太陽電池モジュール用封止材であって、前記有機過酸化物として、下記一般式（１）で示される１，１−ジ（ｔ−アミルパーオキシ）シクロヘキサンのみを含有することを特徴とする。

このとき、前記有機過酸化物の含有量は、前記ＥＶＡ１００重量部に対して０．３〜３．０重量部とする。

なお、本発明において数値範囲を示す「○○〜××」とは、その下限（○○）と上限（××）とを含む概念である。したがって、正確に表せば「○○以上××以下」となる。

本発明の封止材によれば、酢酸ビニルより形成される構造単位を所定量有するＥＶＡに対して特定の有機過酸化物のみを配合していることによって、封止材の良好な耐候性、接着性、耐熱性などを担保しながらＥＶＡを短時間で架橋できると共に、さらに太陽電池モジュールの各界面における発泡（膨れ）やスコーチの発生を抑制できる。

一般的な太陽電池モジュールの基本的構造を示す断面図である。

以下、本発明について詳細に説明する。本発明の封止材は、太陽電池モジュールにおいて、光入射側表面に配されるガラス板と基板側に配されるバックシートとを接着し、その間に配された太陽電池用セル（素子）を封止するためのものであって、酢酸ビニルより形成される構造単位を所定量有するＥＶＡと、所定の有機過酸化物のみとを含有する。適用対象となる太陽電池モジュールは、上記基本的構成となるものであれば特に限定されず、例えば結晶シリコン太陽電池、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、銅インジウムセレナイド太陽電池、及び化合物半導体太陽電池等が挙げられる。

（エチレン−酢酸ビニル共重合体）
エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）は、封止材の主体を成す成分である。ＥＶＡ中における酢酸ビニルの含有率、すなわち酢酸ビニルより形成される構造単位は、２５〜３５重量％とする。酢酸ビニルの含有率が３５重量％を超えると、粘着性が増大して取り扱いが困難になる。一方、酢酸ビニルの含有率が２５重量％未満になると、封止材が硬くなるため加工性が低下する。また、封止材は硬化に伴い緩衝材としての機能が低下するため、封止材で保護されている太陽電池用セルが衝撃により割れやすくなるので好ましくない。

（有機過酸化物）
本発明の封止材には、有機過酸化物として、下記一般式（１）で示されるパーオキシケタール、具体的には１，１−ジ（ｔ−アミルパーオキシ）シクロヘキサンのみが配合される。有機過酸化物として当該１，１−ジ（ｔ−アミルパーオキシ）シクロヘキサンのみを配合することで、封止材の良好な耐熱性などを担保しながら、ＥＶＡを短時間で架橋できると共に、さらに太陽電池モジュールの各界面における発泡（膨れ）やスコーチの発生を抑制できる。１，１−ジ（ｔ−アミルパーオキシ）シクロヘキサンの１時間半減期温度Ｔ_１ｈは１０５．９℃である。したがって、ＥＶＡの架橋を低温かつ短時間で行うことができる。

封止材中における有機過酸化物の含有量は、ＥＶＡ１００重量部に対して０．３〜３．０重量部とし、好ましくは０．５〜２．５重量部とする。ＥＶＡ１００重量部に対して有機過酸化物の含有量が０．３重量部未満では、架橋反応後のＥＶＡのゲル分率（架橋度）が低く、架橋時間が長くなるため実用に適さない。一方、ＥＶＡ１００重量部に対して有機過酸化物の含有量が３．０重量部を超えると、ＥＶＡの架橋が速く、太陽電池モジュール製造時の使い勝手が著しく悪くなり、さらには混合有機過酸化物の残存を引き起こし、発泡を引き起こす。

（その他の添加剤）
本発明の封止材には、必要に応じてその他種々の添加剤を配合することができる。例えば、接着性を高めるためにカップリング剤を配合することができる。カップリング剤としては、例えば有機珪素化合物や有機チタン化合物を挙げることができる。有機珪素化合物としては、ビニル基、メタクリロキシアルキル基、アクリロキシアルキル基、エポキシ基のような反応性有機基と、ハロゲン、アルコキシ基、アセトキシ基のような加水分解性基とを有する化合物を例示できる。具体的には、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス（β−メトキシエトキシ）シラン、γ−メタクリロキシプロピルメトキシシラン、ビニルトリアセトキシシランのような不飽和基を有する化合物の１種または２種以上を使用できる。カップリング剤は、ＥＶＡ１００重量部に対して、０．１〜１０重量部程度、好ましくは０．５〜５重量部程度配合すればよい。

また、架橋速度や架橋効率を高めるために、架橋助剤を配合することができる。架橋助剤としては、例えばポリアリル化合物やポリ（メタ）アクリロキシ化合物のような多不飽和化合物等を挙げることができる。具体的には、トリアリルイソシアヌレート、トリアリルシアレート、ジアリルフタレート、ジアリルフマレート、ジアリルマレエートのようなポリアリル化合物、エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールジメタクリレートのようなポリ（メタ）アクリロキシ化合物の１種または２種以上を使用できる。

さらに、本発明の効果を阻害しない範囲で、酸化防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、着色剤、希釈剤などを配合することもできる。酸化防止剤としては、例えばフェノール系安定剤、硫黄系安定剤、燐酸系安定剤などが挙げられる。光安定剤としては、例えばヒンダードアミン系光安定剤等が挙げられる。紫外線吸収剤としては、例えばベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系等が挙げられる。着色剤としては、例えば酸化チタン等が挙げられる。添加剤として高分子化合物を添加する場合は、比較的分子量の大きい低揮発性のものが好ましい。

希釈剤は、有機過酸化物の安全性を高め、かつそれ自体が発泡の要因とならないことが求められる。そこで、有機過酸化物の安全性を高めるために希釈剤を添加する場合には、有機過酸化物と希釈剤との重量比（有機過酸化物：希釈剤）が、１００：１０〜３０であることが好ましい（すなわち、１００：１０〜１００：３０）。有機過酸化物１００重量部に対して希釈剤が１０重量部より少ないと、有機過酸化物の安全性を高められない。一方、有機過酸化物１００重量部に対して希釈剤が３０重量部より多くなると、過剰な希釈剤が発泡を引き起こす。

希釈剤としては、比重が０．７５〜０．８７、好ましくは０．７８〜０．８２、より好ましくは０．７８〜０．８０の希釈剤を用いる。希釈剤の比重が０．７５未満になると発泡を引き起こし、０．８７を超えると架橋阻害を引き起こしてゲル分率が低下する。希釈剤としては、液状の飽和炭化水素が好ましい。具体的には、イソパラフィン系炭化水素、石油系炭化水素が挙げられる。比重が上記範囲となるように、これらの希釈剤を２種以上混合することもできる。

（製造方法）
封止材は、ＥＶＡ、所定の有機過酸化物、及び必要に応じて適宜配合されるその他の添加剤を含む組成物を、単軸押出機、２軸押出機、バンバリーミキサー、ニーダー、オープンロールなどの汎用の混練装置を使用して、実質的に有機過酸化物が分解しない温度、具体的には５０〜１１０℃程度で混練し、一般的には押出成形やカレンダー成形等によりシート状にされる。シート状とする場合は、その厚みは０．１〜１．０ｍｍ程度とすればよい。なお、封止材の形状は、太陽電池モジュールの形状などに合わせて適宜変更可能であり、シート状に限定されるものではない。

その後は、従来から公知の方法にて太陽電池モジュールを製造すればよい。すなわち、太陽電池用セルを少なくとも２枚の封止材で挟み、その両外側にガラス板及びバックシートを重ね合わせた状態で、有機過酸化物の分解温度以上、具体的には１１５℃以上、好ましくは１２０℃以上の温度で加熱・加圧することにより接着・封止することで、太陽電池モジュールを製造できる。なお、より接着性を高めるため、ガラス板やバックシートは予めプライマー処理しておくと好ましい。また、封止材は太陽電池用セルにラミネートしておくこともできる。

加熱は、有機過酸化物がほぼ完全に分解するまで行うことが好ましい。この加熱処理によりＥＶＡが架橋され、封止材とその他の構成要素とが強固に接着される。加熱処理は、二段階で行うこともできる。例えば、真空条件下において１〜５分程度加熱して仮接着を行い、次いで常圧下にてさらに５〜３０分程度加熱して完全に接着することもできる。このようにして製造される太陽電池モジュールの封止材においては、ＥＶＡの架橋密度の指標となるゲル分率が８０％以上、好ましくは９０％以上となっていることが好ましい。

ＥＶＡ１００重量部に対して、表１，２に示す有機過酸化物を表１，２に示す割合で配合した各種封止材組成物を、８０℃で押出成形により加熱圧延することにより０．５ｍｍ厚のシート状封止材を形成した。なお、表１，２に示す酢酸ビニルの含有量は、ＥＶＡ中における酢酸ビニルより形成される構造単位の含有量（ＥＶＡ全量基準での含有量）を示し、封止材組成物中に酢酸ビニルを単独で配合したものではない。ＥＶＡの配合量は、１００重量部である。

得られた各実施例及び比較例の封止材に対して、発泡試験（膨れ性の判定）、スコーチ試験（スコーチ時間の測定）、及び架橋度の指標となるゲル分率の測定を行った。その結果も表１，２に示す。発泡試験、スコーチ試験、及びゲル分率の測定は、それぞれ以下のようにして行った。

＜発泡試験＞
各実施例および比較例の封止材を、縦３ｃｍ×横６ｃｍに切り出し、ＭＳパウチフィルム（株式会社明光商会製）に挟み、加熱してラミネート加工したものを１３５℃で１５分間加熱し、その際に発生するガスによるフィルムの膨れを目視で観察し、評価した。比較例１−２と同等レベルの膨らみであった場合を○、膨らみが顕著に大きい場合を×として評価した。

＜スコーチ試験＞
ＪＩＳ Ｋ ６３００−２：２００１に準じて、各実施例および比較例の封止材を用いて、ＪＳＲトレーディング（株）製キュラストメーターＶ型により、上型及び下型の温度を１００℃に設定し、±１°の振幅角度でトルク測定を行った。１００℃で架橋した場合の最小トルク値から０．１Ｎ・ｍに達するまでの時間をスコーチ時間として求めた。スコーチ時間が１２分以上の場合を○、１２分未満の場合を×として評価した。

＜ゲル分率の測定＞
各実施例および比較例の封止材を用いて、ＪＳＲトレーディング（株）製キュラストメーターにより、１３５℃で１５分架橋を行った。架橋後のＥＶＡ封止材を秤量し（Ｘｇ）、これを１１０℃のキシレン中に１２時間浸漬して、１１０℃のキシレン中で洗浄・乾燥させた２００メッシュの金網で不溶解分をろ過し、金網上の残渣を真空乾燥して乾燥残渣の重量を測定し（Ｙｇ）、ゲル分率を算出した（ゲル分率（重量％）＝（Ｙ／Ｘ）×１００）。

表１の結果から明らかなように、ＥＶＡに対して上記一般式（１）で示される所定の有機過酸化物のみを配合した封止材であれば、発泡が少なく、スコーチが生じず、ゲル分率が８０％以上の太陽電池用封止材が得られた。一方、比較例１−１においては、有機過酸化物（１）が５．０重量部含まれているため、熱分解によるガスの発生量が多く発泡が生じた。比較例１−２においては、発泡に問題が無かったものの、Ｔ_１ｈが高い有機過酸化物（２）を用いていたため、ゲル分率が向上しなかった。比較例１−３〜４においては、有機過酸化物によりガスが発生し発泡が生じた。比較例２−１のＥＶＡ封止材は、発泡に問題が無かったものの、Ｔ_１ｈが低い有機過酸化物（５）を含んでいたため、ＥＶＡ封止材を成形する温度に近い１００℃におけるトルク値上昇が速かった。そのため、早期架橋（スコーチ）を起こし易く、成形時の取り扱いが困難であった。比較例２−２〜３においては、有機過酸化物（１）と共に有機過酸化物（３）や有機過酸化物（４）を含んでいたために、発泡が多く見られた。

１０１ 太陽電池用セル
１０２ ガラス板
１０３ バックシート
１０４ 封止材

Claims (2)

1. 酢酸ビニルより形成される構造単位を２５〜３５重量％有するエチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）と、有機過酸化物とを含有する太陽電池モジュール用封止材であって、
   前記有機過酸化物として、下記一般式（１）で示される１，１−ジ（ｔ−アミルパーオキシ）シクロヘキサンのみを含有することを特徴とする、太陽電池モジュール用封止材。
   

   
2. 前記有機過酸化物の含有量が、前記エチレン−酢酸ビニル共重合体１００重量部に対して、０．３〜３．０重量部である、請求項１に記載の太陽電池モジュール用封止材。
   

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