JP6661664B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。

太陽電池は、可視光を含む近紫外から近赤外までの波長領域の太陽光をより多く吸収することにより、光利用効率を高めているため、その外観は、黒色またはそれに近い色である。太陽電池は、建物の屋根や陸上等に設置されることが一般的であるが、近年では、建物の外壁への太陽電池の設置も進んでいる。建物との色調の調和等の意匠性の観点から、外壁等に設置するための太陽電池には、様々なカラーバリエーションの需要がある。

太陽電池に様々な色を持たせるために、いくつかの方法が提案されている。例えば、特許文献１では、着色剤を含むホットメルト樹脂組成物からなる光透過性のバックシートを用いることにより、光透過型太陽電池モジュールの採光性を調整できることが開示されている。特許文献２では、太陽電池の受光面を被覆する透光性樹脂層に顔料や染料等の着色剤を添加する方法が提案されている。また、特許文献３では、太陽電池モジュールの受光面に設けられる防眩層に着色剤を添加する方法が提案されている。

特開２０１４−０９９５１４号公報 特開昭５８−２１８１７９号公報 ＷＯ２０１４／０５０７６９号パンフレット

特許文献１のような光透過性の着色バックシートを用いた光透過型太陽電池モジュールは、室内に取り込まれる光の色彩を調整可能である。しかし、受光面側から太陽電池モジュールを視認した場合の色（外観色）の調整は困難である。

特許文献２や特許文献３に開示されているように、太陽電池の受光面側に着色剤を含むカラー層を設けることにより、外観色を調整できる。しかし、カラー層により吸収された光は太陽電池の光吸収層（光電変換層）には到達せず発電に寄与できないため、太陽電池の変換効率が低下してしまう。また、カラー層を透過した光の大半は太陽電池で吸収され、受光面側から太陽電池を視認する観察者に到達する反射光はわずかである。そのため、明度の高い外観色の実現が困難であり、カラーバリエーションが乏しい。さらに、太陽電池自体が持つ色との兼ね合いで視認される色が変化するため、外観色の再現性が低い。

上記に鑑み、本発明は、外観色の豊富なカラーバリエーションを実現可能な太陽電池モジュールの提供を目的とする。

透光性開口を有する薄膜光電変換素子の受光面と反対側（裏面側）に、光非透過性のカラー層を設けることにより、簡単な構成でカラーバリエーションに富んだ太陽電池モジュールを提供できる。本発明の太陽電池モジュールは、受光面側から、第一電極、光電変換ユニットおよび第二電極が積層された薄膜光電変換素子を備え、薄膜光電変換素子よりも裏面側にカラー層が配置されている。一実施形態において、薄膜光電変換素子とカラー層との間には裏面側透明基板が配置されている。

薄膜光電変換素子には、複数の透光性開口が設けられている。薄膜光電変換素子は、透光性開口の面積率が５〜５０％である光透過領域を有する。光透過領域における太陽電池モジュールの光透過率は５％未満である。カラー層の光透過率は１０％以下が好ましい。太陽電池モジュールは、受光面側からの入射可視光の裏面側への採光性を有していないことが好ましい。

一実施形態において、薄膜光電変換素子の受光面側には受光面側透明基板が配置されている。受光面側透明基板は、受光面側に防眩処理が施されていてもよい。防眩処理としては、受光面側透明基板の受光面側表面に防眩膜を設ける方法や、基板自体の表面に凹凸を形成する方法が挙げられる。

本発明の太陽電池モジュールは、簡単な構成により受光面からの視認色をカラー化できる。そのため、外観色の豊富なカラーバリエーションを実現可能であり、壁面等の建築物との調和も容易になし得る。

一実施形態の太陽電池モジュールの平面図である。 図１の太陽電池モジュールの断面図である。 図１の太陽電池モジュールの断面図である。

本発明の太陽電池モジュールは、透光性の薄膜光電変換素子の裏面側に光非透過性のカラー層を備える。受光面側から太陽電池モジュールを視認した場合、裏面側のカラー層で反射された光が視認される。

図１は、本発明の一実施形態にかかる太陽電池モジュール１００の平面図であり、図２および図３は、それぞれ図のII−II線およびIII−III線における断面図である。図２および図３において、上方が受光面側、下方が裏面側である。本発明の太陽電池モジュールは、薄膜光電変換素子２０の裏面側にカラー層５０を備える。

薄膜光電変換素子２０としては、非晶質シリコン薄膜や結晶質シリコン薄膜等を用いたシリコン系薄膜太陽電池や、ＣＩＧＳ、ＣＩＳ等の化合物太陽電池、有機薄膜太陽電池、色素増感太陽電池等が挙げられる。薄膜光電変換素子２０は、受光面側から、第一電極２１、光電変換ユニット２５および第二電極２２を備える。

受光面側の第一電極２１は透明電極であり、その材料としては、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の透明導電性の金属酸化物が好適に用いられる。裏面側の第二電極２２としては、Ａｇ，Ａｌ等の反射性の金属層や、金属層と導電性金属酸化物層との複合層等が用いられる。

光電変換ユニット２５は、複数の半導体薄膜の積層体からなる半導体接合を備える。例えば、シリコン系薄膜太陽電池は、光電変換ユニット２５として、非晶質シリコン、非晶質シリコンカーバイド、非晶質シリコンゲルマニウム、微結晶シリコン等のシリコン系半導体薄膜を、ｐｉｎ型、ｎｉｐ型、ｎｉ型、ｐｎ型等で組み合わせた半導体接合を備える。光電変換ユニット２５は、複数のｐｎ接合やｐｉｎ接合等を有するタンデム型のものであってもよい。

電極２１，２２および光電変換ユニット２５は、基板上に積層される。受光面側の基板上に第一電極２１，光電変換ユニット２５および第二電極２２を順に積層する形態（スーパーストレート型）、ならびに裏面側の基板上に第二電極２２，光電変換ユニット２５および第一電極２１を順に積層する形態（サブストレート側）のいずれでもよい。

薄膜光電変換素子２０に受光面側から入射した光は、第一電極２１を透過して光電変換ユニット２５に到達する。光電変換ユニット２５の光電変換層で光が吸収されることにより光キャリア（正孔および電子）が生成し、光電変換が行われる。生成した光キャリアは、第一電極および第二電極で収集され、電力として外部に取り出される。

光電変換素子２０には、複数の透光性開口が設けられている。透光性開口では、光吸収あるいは光反射の原因となる光電変換ユニット２５および第二電極２２が除去されている。そのため、受光面側から透光性開口に入射した光は、裏面側に透過する。図１に示す形態では、透光性開口として、ｙ方向に延在する第二電極分離ライン５１とｘ方向に延在するシースルーライン５３が設けられている。

図２に示すように、光電変換素子２０は、ｘ方向に沿って交互に配置された発電領域７１と集積領域７３とを有する。集積領域７３ａ〜７３ｃでは、第二電極分離ライン５１に近接して、接続ライン５５および第一電極分離ライン５７が設けられている。接続ライン５５は、光電変換ユニット２５を分離している。接続ライン５５が第二電極２２を構成する導電性材料で充填されることにより、第一電極２１と第二電極２２とが導通している。第一電極分離ライン５７は第一電極２１を分離している。第二電極分離ライン５１は、光電変換ユニット２５および第二電極２２を分離している。これら３種類の集積ラインが設けられることにより、集積ライン７３ｂに隣接する発電領域７１ｂと発電領域７１ｃとが直列に接続されている。

ｘ方向に延在するシースルーライン５３は、第二電極分離ライン５１と同様、光電変換ユニット２５および第二電極２２を分離している。シースルーライン５３は、集積用の第二電極分離ライン５１よりも密に設けられている。このように、隣接する発電領域間の電気的接続に寄与しない透光性開口が設けられることにより、開口面積率が高められる。そのため、光電変換素子を受光面側から見た場合に、裏面側が透けて視認される。なお、開口面積率は、１ｃｍ四方程度の領域において透光性開口が形成されている領域の面積比率で定義される。

図１に示す形態では、集積ライン５１，５５，５７と直交するようにシースルーライン５３が設けられているが、シースルーラインは集積ラインと平行に設けられていてもよい。シースルー化のために設けられる透光性開口は必ずしも連なった線状である必要はなく、破線状や点線状に形成されていてもよい。また、シースルー化のための透光性開口は線状に配置されている必要はなく、所定のパターンやランダムに配置されていてもよい。

透光性開口を有するシースルー型の光電変換素子は、各層の製膜と、レーザスクライブ等のパターニング手段による開口部の形成とを順次繰り返すことによって形成され得る。例えば、図１〜３に示す薄膜光電変換素子２０は、下記の工程により製造される。

まず、受光面側透明基板１０上に第一電極２１が形成され、レーザスクライブにより第一電極分離ライン５７が形成される。受光面側透明基板１０としては、ガラス板や、透明樹脂からなる板状部材またはシート状部材等が用いられる。特に、ガラス板は、高い透過率を有しかつ安価であるので好ましい。受光面側透明基板１０は、ガラス板等の透明基材１１の受光面側表面に反射防止や防眩等を目的とした機能性処理層１２を備えるものでもよい。

レーザスクライブにより分離ライン５７が形成された第一電極２１上に、光電変換ユニット２５が形成される。その後、受光面側からレーザを入射するレーザスクライブにより、光電変換ユニット２５に分離ライン５５が形成される。その後、光電変換ユニット２５上に第二電極２２が形成される。この際、分離ライン５５内に第二電極を構成する導電性材料が充填されることにより、第一電極と第二電極とが導通される。

次に、受光面側からレーザを入射するレーザスクライブにより、光電変換ユニット２５とともに第二電極２２を吹き飛ばすことにより、第二電極分離ライン５１が形成される。同様のレーザスクライブにより、シースルーライン５３が形成される。

前述のように、第二電極分離ラインおよびシースルーラインは、光電変換ユニットおよび第二電極が除去されているため、透光性を有する。第二電極分離ラインは、薄膜光電変換素子の集積を目的として形成されるため、隣接する第二電極分離ライン同士の間隔は、発電領域７１が適切な面積を有するように設定される。一方、シースルーライン等の隣接する発電領域間の電気的接続に寄与しない透光性開口の間隔は、光電変換素子の光透過性と発電面積との兼ね合いで決定される。

隣接する透光性開口同士の間隔が狭いほど、開口面積率が大きくなり、光電変換素子の受光面から裏面側に到達する光の量が増大する。本発明の太陽電池モジュールにおいては、光電変換素子の開口面積率が大きいほど、光電変換素子２０の裏面に配置されたカラー層５０が視認されやすくなるため、受光面側から太陽電池モジュールを視認した場合の色がより鮮明となる。受光面側からの視認色の色再現性を高め、明度の高い色を実現可能とするために、開口面積率は５％以上が好ましく、１０％以上がより好ましい。一方、透光性開口が設けられた領域は、発電に寄与しないため、開口面積率が大きいほど太陽電池モジュールの発電量が低下する。そのため、開口面積率は５０％以下が好ましく、４０％以下がより好ましい。開口面積率は１５〜３５％がさらに好ましく、２０〜３０％が特に好ましい。

なお、光電変換素子２０は全面にわたって上記の開口面積率を有していてもよく、一部の領域のみがシースルー化されて上記の開口面積率を有していてもよい。例えば光電変換素子は、光透過領域（シースルー領域）と光非透過領域を有し、光透過領域のみにシースルーラインのような集積に寄与しない透光性開口が設けられていてもよい。この場合、光透過領域における開口面積率が５〜５０％の範囲内であればよい。光透過領域または光非透過領域は、文字、マーク、図柄、模様等のパターン形状を有するように形成されていてもよい。

第二電極２２上には、光電変換素子２０を保護するため、封止樹脂３５、および裏面側基板３０が設けられることが好ましい。封止樹脂３５としては、シリコン、エチレンビニルアセテート、ポリビニルブチラール等が用いられる。裏面側基板３０としては、ガラス板等の剛性基板の他、フッ素系樹脂フィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルムや、これらの積層体、あるいはこれらのフィルムにＳｉＯ_２等の薄膜をラミネートした多層構造のフィルム等の可撓性基板が用いられる。裏面側に設けられるカラー層５０に光を到達させるために、封止樹脂３５および裏面側基板３０は、いずれも透明であることが好ましい。

ここまでの工程は、一般的な光透過型（シースルー型）太陽電池モジュールの製造工程と同一である。図２，３に示す形態では、シースルー型太陽電池モジュールの裏面側に光非透過性のカラー層５０が配置されている。すなわち、シースルー型太陽電池モジュールの裏面側にカラー層５０を配置することにより、本発明の太陽電池モジュールが得られる。

カラー層５０は、所定の波長の光を吸収し、他の波長の光を反射する。受光面側から太陽電池モジュールを観察した場合、カラー層５０からの反射光が視認されるため、太陽電池モジュールが色付いて見える。光電変換素子２０の裏面側に配置されるカラー層５０の色を変更するのみで、様々な色を持たせることが可能であるため、本発明の太陽電池モジュールは豊富なカラーバリエーションを実現可能である。

一般的なシースルー太陽電池モジュールでは、裏面側への採光を目的として薄膜光電変換素子に透光性開口が設けられる。一方、本発明の太陽電池モジュールでは、透光性開口を介して裏面側へ到達した光をカラー層で反射させて透光性開口から受光面側に反射光を取り出すことにより、太陽電池に黒以外の色を持たせることができる。カラー層を透過して太陽電池モジュールの裏面側に透過する光が多くなると、受光面側への反射光の量が低減するため、明度の高い外観色の実現が困難となる傾向がある。また、本発明の太陽電池モジュールは、裏面側への採光を必要としないため、太陽電池モジュールの光透過率はできる限り小さいことが好ましい。太陽電池モジュールの光透過率は５％未満が好ましく、３％以下がより好ましく、１％以下がさらに好ましい。

モジュール光透過率は、ＪＩＳ Ｒ３１０６−１９９８に準拠して、１ｃｍ四方程度の測定領域における可視光透過率を測定することにより求められる。なお、光電変換素子が光透過領域と光非透過領域とを有する場合、光透過領域におけるモジュールの光透過率が上記範囲であることが好ましい。モジュール光透過率は、厳密には界面での反射率等を考慮する必要があるが、光電変換素子の開口面積率とカラー層の透過率との積に概ね等しい。

受光面から入射してカラー層で反射した光は、透光性開口から受光面側に取り出される以外に、一部の反射光は、透光性開口内を斜め方向に伝搬して光電変換ユニット２５の光電変換層で吸収される。光電変換層で吸収された光は発電に寄与できるため、本発明の太陽電池モジュールは、開口面積率が同等の一般的なシースルー太陽電池よりも高い変換効率を実現し得る。

カラー層は、光反射性である。なお、光反射性とは鏡面反射および拡散反射の両方を含む。明環境下で色を認識できるものは拡散反射性を有している。カラー層の色は、有彩色に限定されず、白色や灰色等の無彩色でもよい。カラー層は単色である必要はなく、複数の色を用いてもよく、グラデーションでもよい。カラー層として、文字、マーク、図柄、模様等が印刷されたものを用いてもよい。

一般的に黒色またはそれに近い色を有する太陽電池に様々な色を持たせるとの観点から、カラー層の色は黒以外が好ましいが、カラーバリエーションの１つとして黒色のカラー層を用いることもできる。また、カラー層が複数の色を有する場合は、そのうちの１色が黒でもよい。

カラー層としては、フィルムやシート等を各種の塗料やインキ等で着色したものや、樹脂材料等に染料や顔料を練りこんでシート状に形成したもの等が挙げられる。また、裏面側透明基板３０の表面を塗料等で着色したり、カラーシール等を貼り合わせてもよい。光透過性の着色層の裏面側にミラー等の光反射性部材を配置することにより、光非透過性のカラー層を形成してもよい。

カラー層を透過して太陽電池モジュールの裏面側に到達する光は、発電および色発現のいずれにも寄与しない。そのため、カラー層は光反射性が高く、光透過性が低いことが好ましい。カラー層の光透過率は１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましく、３％以下がさらに好ましい。

カラー層は、光電変換素子２０よりも裏面側であれば、いずれの位置に配置されていてもよい。例えば、封止樹脂３５に染料や顔料を含めることによりカラー層としてもよい。また、裏面側基板３０として着色されたフィルムや樹脂シート等を用いてカラー層としてもよい。例えば、シースルー型薄膜光電変換素子の裏面側に光反射性のバックシートを配置することにより、本発明の太陽電池モジュールを形成することもできる。

図２，３に示すように、薄膜光電変換素子２０の裏面側に透明基板３０が設けられ、その裏面側にカラー層５０が配置される形態では、光電変換素子２０の形成、ならびに封止樹脂３５および裏面側透明基板３０による封止までのモジュール製造工程を共通として、カラー層５０を変更するのみで様々な色を実現可能である。そのため、カラー層を設ける前のモジュールを生産しておき、ユーザーのニーズにあわせてカラー層を付設することによりカラー太陽電池モジュールを提供できる。したがって、豊富なカラーバリエーションを実現できるとともに、リードタイムを大幅に短縮できる。また、透明基板３０の裏面側にカラー層５０が配置される形態は、カラー層を交換するのみで色の変更に対応できるため、リワーク性に優れ、製品ロスが少ないとの利点を有する。

透明基板３０の裏面側にカラー層５０を配置する形態の応用例として、カラー層により太陽電池モジュールの色ムラを改善することもできる。薄膜光電変換素子は、光電変換層や電極等の膜質の不均一性等に起因して局所的な色ムラを生じる場合がある。所定の色模様を有するカラー層を、薄膜光電変換素子の色ムラ発生箇所とカラー層の模様の位置とが対応するように設けることにより、太陽電池モジュールの色ムラを低減して、意匠性を高めることができる。

本発明の太陽電池モジュールは、裏面側への採光性を有していないことが好ましい。すなわち、太陽電池モジュールの光透過率は実質的に０であることが好ましい。なお、裏面側への採光性を有していない場合でも、受光面の反射光の再反射等に起因して、わずかな光が裏面側に到達する場合がある。そのため、受光面側から入射した可視光の透過率が０．１％以下であれば、裏面側への採光性を有していないものとする。可視光透過率が実質的に０であるカラー層を用いたり、カラー層の裏面側に反射板等の光遮蔽性材料を設けることにより、透光性開口を有する光電変換素子を用いた場合でも、裏面側への採光性を有さない太陽電池モジュールが得られる。

前述のように、受光面側透明基板１０は、受光面側表面に機能性処理が行われていてもよい。例えば、反射防止層が設けられることにより、光電変換素子２０に取り込まれる光量を増大させ、太陽電池モジュールの変換効率を向上できる。また、太陽電池モジュールの表面反射が低減するため、意匠性が高められる。

受光面側透明基板１０の受光面側に防眩処理が施されていれば、太陽電池モジュール表面での太陽光の反射光が不特定方向への乱反射となり、正反射率が低減する。なお、防眩とは、６０度の入射角でＪＩＳ Ｚ８７４１−１９９７に記載されている鏡面光沢度測定方法に準拠する方法によって測定した光沢度が２０以下であるものを指す。

防眩処理としては、受光面側透明性基板の受光面側表面に防眩膜を設ける方法や、受光面側透明性基板の受光面側表面に凹凸を形成する方法が挙げられる。防眩膜の形成方法としては、例えば、バインダ中に微粒子を含む塗布液を基板表面に塗布し、乾燥および必要に応じて硬化する方法が挙げられる。基板自体に凹凸を形成する方法としては、ブラスト処理等が挙げられる。

受光面側表面に防眩処理が施されていることにより、カラー層からの反射光が視認されやすくなり意匠性が高められるとともに、反射光による光公害を低減できる。また、カラー層からの反射光が散乱して太陽電池モジュールの受光面側に射出されるため、広視角範囲でカラー層からの反射光を視認可能であり、視角による色の変化を低減できる。

さらに、受光面側表面に防眩処理が施されていることにより、カラー層からの反射光の明度が上昇し、太陽電池モジュールをより明るい色調とすることができる。一例として、開口面積率２０％のシースルー太陽電池の裏面側にカラー層としてカラー反射板（赤、青および緑）を貼り合わせたカラー太陽電池モジュールにおいて、受光面側表面への防眩処理の有無による明度（Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系の明度Ｌ^＊）の差を確認した結果を表１に示す。防眩処理は、ポリシラザンとシリカ粒子を含む塗布液をガラス基板の表面に塗布して防眩膜を形成することにより実施した。明度は、Ｄ６５光源を用い、測定範囲３ｍｍ×５ｍｍ、角度８°にて測定した。

表１に示すように、受光面側の表面が防眩処理されることにより、明度を向上可能であり、より明るい反射色を実現できることが分かる。

以上説明したように、本発明の太陽電池モジュールは、シースルー型の薄膜光電変換素子とカラー層とを組み合わせることにより、太陽電池のカラー化が可能であり、カラーバリエーションに優れる。また、構成が簡便であり、薄膜光電変換素子の透光性開口とカラー層との厳密な位置合わせを必要としないため、生産性にも優れている。

Claims (8)

1. 受光面側から、第一電極、光電変換ユニットおよび第二電極が積層された薄膜光電変換素子；前記薄膜光電変換素子よりも裏面側に配置された封止樹脂層、裏面側透明基板、およびカラー層を備え、
   前記薄膜光電変換素子は、複数の透光性開口が設けられ、かつ透光性開口の面積率が５〜５０％である光透過領域を有し、
   前記光透過領域における光透過率が５％未満であり、
   前記薄膜光電変換素子と前記裏面側透明基板との間に前記封止樹脂層が配置され、
   前記裏面側透明基板の裏面側に前記カラー層が配置されている、太陽電池モジュール。
2. 前記裏面側透明基板がガラス板である、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記薄膜光電変換素子の受光面側に受光面側透明基板を備える、請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記受光面側透明基板は、受光面側に防眩処理が施されている、請求項３に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記受光面側透明基板は、受光面側表面に防眩膜が設けられることにより、前記防眩処理が施されている、請求項４に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記受光面側透明基板は、基板自体の表面に凹凸が形成されることにより、前記防眩処理が施されている、請求項４に記載の太陽電池モジュール。
7. 前記カラー層の光透過率が１０％以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
8. 受光面側から入射する可視光の裏面側への採光性を有していない、請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。

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