JP2012009523A - 太陽電池の放熱材料と太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の放熱を援け、シリコン結晶型太陽電池では冷却による効率の向上を図り、アモルファス太陽電池または化合物型太陽電池では冷却による劣化寿命の延伸を図る。同時にホットスポットが発生した時に太陽電池が破壊しないようにする。
【解決手段】高熱伝導率を有しているが、半導体的な固有抵抗を持つ炭化けい素粒子３０１の表面に高固有抵抗層３０２を設け、炭化けい素粒子を絶縁物化し、樹脂中に最稠密充填した時、炭化けい素同士が接触しても絶縁性が保たれ、接触により熱伝導率が増大するようにし、それを充填剤に分散させて太陽電池素子の熱を背面材に伝え、太陽電池の温度を低下させる。
【選択図】図３

Description

本発明は太陽電池モジュールに関し、特に放熱性を向上させた太陽電池モジュールとその放熱材料に関する。

現状の太陽電池の主流は単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いて製造された太陽電池である。この太陽電池素子は機械的強度が弱く、これを保護しなければならない。また、太陽電池素子１
個では電気出力が小さいので、複数の太陽電池素子を直並列に接続して、実用的な電気出力が取り出せるようにしている。このため複数の太陽電池素子を接続して透光性基板とエチレンビニルアセテート共重合体（
Ｅ Ｖ Ａ ） などを主成分とする充填材で封止して太陽電池モジュールを製造している。

屋外に設置された太陽電池モジュールでは、その発電時には外気温２
０ ℃ でも太陽電池モジュールの温度は、太陽電池素子の動作に伴って生じる熱などによって、
５ ０
℃ 程度まで上昇する。このように太陽電池モジュールの温度が１℃上昇すると結晶型太陽電池素子ではその温度特性から発電効率は０．４５％低下する。
またアモルファス太陽電池は高温になると出力は増大するが高温に放置すると寿命が短くなるため、やはり動作温度は低下させた方が良い。

また複数の太陽電池素子のなかのある１つの太陽電池素子が何かの影になって発電が不十分になった場合、この太陽電池素子の内部抵抗は増大し大きな抵抗成分となる。このときこの大きな抵抗成分となった太陽電池素子には、その抵抗値と流れる電流の二乗の積で決まる電力損が発生する。
すなわちこの素子は発熱しホットスポットができる。ホットスポットが発生して太陽電池素子の温度が上昇し続けると、この太陽電池素子は破壊する。

上記のような太陽電池モジュールの温度上昇やホットスポットが発生したときに太陽電池モジュールを冷却する事は重要である。

結晶シリコン太陽電池では、温度が１℃上昇すると、発電効率は０．４５％低下する事が知られている。

またアモルファス太陽電池では温度が高くなると出力は上がるが、寿命は短くなるので、アモルファス太陽電池でも冷却は重要である。

特許庁 電子図書館で下記のキーワードで検索した。

（特許+実用新案）＆（登録+公開+公表）＆（炭化珪素+炭化けい素+炭化ケイ素）＆
（太陽電池）＆（放熱）＆（効率+効率向上）
ヒット数；０件であった。

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（太陽電池）＆（放熱）

ヒット数；０件であった。

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（特許+実用新案）＆（登録+公開+公表）＆（炭化珪素+炭化けい素+炭化ケイ素）＆
（太陽電池+太陽光発電）＆（放熱+熱伝導）

ヒット件数 8 件であった。 特許文献１に列挙する。本発明はこのいずれにも抵触しない。

1 特開2009-043672 カーボンナノチューブを混合した導電性炭素複合材料および金属はんだ材、導電材、半導電材 株式会社大成化研2 特開2002-252174 半導体薄膜の形成方法、半導体装置及び電気光学装置の製造方法、これらの方法の実施に使用する装置、並びに半導体装置及び電気光学装置 ソニー株式会社3 特開2001-102612 太陽電池用基板、及び太陽電池 株式会社ブリヂストン4 特開平06-342923 太陽電池用柱状粒子を有する多結晶シートとその製造方法 アストロパワー インコーポレイテッド5 特表2009-543376 球状太陽電池と伸縮自在に連結したマイクロ集光器 エナジー，リレイテッド，デバイシズ，インコーポレイテッド6 特表2009-537722 特に燃焼アセンブリの排ガス浄化及び他の応用分野のためのセル状構造の最適化 バウアー テクノロジーズ ゲーエムベーハー7 特表2008-523254 ナノファイバーのリボンおよびシートならびにナノファイバーの撚り糸および無撚り糸の製造および適用 ボード オブ リージェンツ， ザ ユニバーシティ オブ テキサス システム 他8 特許2619207 太陽電池用柱状粒子を有する多結晶シートとその製造方法 アストロパワー インコーポレイテッド

解決しようとする問題点は、上述のように太陽電池モジュールの裏面側Ｅ
Ｖ Ａ などの充填材の熱伝導が悪いために、太陽電池モジュール内部に熱がこもり、その温度が上昇しやすくなり且つ放熱が充分にできない点である。

しかし太陽電池モジュールの裏面側Ｅ Ｖ Ａ
などの充填材に熱伝導率は高いが低固有抵抗であるカーボン粒子などを分散すると、いわゆるブリッジを形成した時、カーボン粒子同士がつながって充填材は導体化してしまい、太陽電池の出力電流は充填材中にも流れるので不具合が起こる。またアルミナ等の体積固有抵抗の高い粉末などを分散すれば充填材が導体化する事はないが、アルミナ等体積固有抵抗の高い絶縁物の熱伝導はいわゆるフォノン（格子振動）によって行われるので、その熱伝導率は２５W／ｍKと低いのが通例である。その結果アルミナ粉末を樹脂中に相当量分散しないと樹脂の熱伝導率は増大しない。またアルミナ粉末を樹脂中に相当量分散すると樹脂は固くなり太陽電池の封止材としては用いにくくなる。何故なら封止材の間に太陽電池セルを挟んでラミネートするとき、封止材が固いと太陽電池セルが割れてしまうからである。

上記問題点に鑑みて為された本発明の目的は、太陽電池モジュール内部の熱伝導性を向上させ、光発電時の太陽電池モジュールの温度上昇を抑えることによってその発電効率の低下を防ぐと共に、ホットスポットが発生したときに太陽電池素子の温度上昇を抑制して太陽電池素子の破壊を防ぐことにある。

上記目的を達成するための手段は次の通りである。太陽電池素子を受光面側充填材と裏面側充填材でラミネートした太陽電池モジュールにおいて、前記裏面側充填材の熱伝導率を増大させるために裏面側充填材中に熱伝導率の大きなセラミック粉末を分散させ、樹脂全体の熱伝導率を増大させる。しかしこのセラミック粉末が導電性のセラミック粉末であると多量に混入出来ず、その結果熱伝導率を増大させることはできない。

炭化けい素は本来半導体であり、その体積固有抵抗は最大でも１０^５Ω・ｃｍ程度に止まるため、従来は半金属フイラーとして扱うほかなく、樹脂への混入量を増加させることはできなかった。

本発明では半導体である炭化けい素粒子の表面を絶縁性の被膜で包むことにより、
炭化けい素粒子を絶縁性に変えた事を特徴とする。その結果炭化けい素粒子・圧粉体の体積固有抵抗は１０^１３Ω・ｃｍ以上となり、充分絶縁物として扱えるようになった。
その結果炭化けい素本来の高熱伝導率（２７０W／ｍK）を生かすことが出来る。
即ち樹脂中に、この絶縁性・炭化けい素を稠密充填し、熱伝導率が高い放熱用シートを造る事が出来る。また絶縁性の高熱伝導率フイラーを混入した樹脂を用いて、熱伝導率が高い放熱用シートを得ることが出来た。

これまで絶縁性のフイラーと言えばアルミナが代表的であるが、その熱伝導率は２５W／ｍKとあまり大きくなかった。
また窒化アルミニウムは絶縁性であり、熱伝導率は２００W／ｍKと高いが、きわめて高価であるのが難点である
しかし本発明の絶縁性・炭化けい素は極めて安価に生産できるので太陽電池の裏・放熱シートに混合するフイラーとして好適である。

太陽電池は、太陽光からの熱線と太陽電池自体に流れる電流により発熱する。
そこで太陽電池の裏面充填材の熱伝導率が増大すれば、太陽電池の熱は裏面充填材下部に接するバックシート又はガラス板に伝わりやすくなり、太陽電池セルの温度は低下する事になる。

本発明の太陽電池の構成を示す断面図である。 本発明の太陽電池に用いる裏面充填材に混入する高熱伝導率粒子の２つを示す断面図であり、２つの高熱伝導率粒子の周囲を高固有抵抗の粒子で包囲し、 前記高熱伝導率粒子同士の接触電気抵抗を増大させた断面図を示す。 本発明の太陽電池に用いる裏面充填材に混入する高熱伝導率粒子の１つを示す断面図である。１つの高熱伝導率粒子（炭化けい素）の表面に高固有抵抗のシリカ層を設けた断面図を示す。

上記目的を達成するために、請求項１で述べる構成は次のとおりである。即ち太陽電池素子を受光面側充填材と裏面側充填材でラミネートした太陽電池モジュールにおいて、前記裏面側充填材の熱伝導率を増大させるために裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は、炭化けい素の粉末であり、前記炭化けい素の粉末の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする太陽電池モジュールを構成できる。

請求項２ で述べる構成は次の通りである。即ち請求項１において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末とシリカエアロゲルを混合し、炭化けい素の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気接触抵抗を増大させたことを特徴とする太陽電池モジュールを構成した。シリカエアロゲルトは１００ｎｍ程度のシリカ微粒子を意味する。

請求項３で述べる構成は次の通りである。即ち請求項１において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末と水性またはアルコール性シリカゾルを混合し、熱処理により水分やアルコール分を少なくとも１００℃以上の温度で加熱して蒸散させ、炭化けい素の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする太陽電池モジュールを構成した。

請求項４で述べる構成は次の通りである。即ち請求項１において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末とシリコンアルコキシドを混合し、少なくとも１００℃以上の温度で加熱して水分とアルコール分を蒸散させ、炭化けい素の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする太陽電池モジュールを構成した。

請求項５で述べる構成は次の通りである。即ち請求項１において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末を空気中で少なくとも７００℃から１１００℃の温度で３０分以上熱処理する事により、前記炭化けい素粉末の表面を酸化させ、炭化けい素の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする太陽電池モジュールを構成した。

請求項６で述べる構成は次の通りである。即ち太陽電池素子を受光面側充填材と裏面側充填材でラミネートした太陽電池モジュールにおいて、前記裏面側充填材の熱伝導率を増大させるために裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は、炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末の表面にアルミナ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させることを特徴とする太陽電池モジュールを構成した。

請求項７で述べる構成は次の通りである。即ち請求項６において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末とアルミナエアロゲルを混合し、炭化けい素の表面にアルミナ層を形成させて、粒子表面の電気接触抵抗を増大させたことを特徴とする太陽電池モジュールを構成した。アルミナエアロゲルとは１００ｎｍ程度のアルミナ微粒子を意味する。

請求項８で述べる構成は次の通りである。即ち請求項６において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末と水性またはアルコール性アルミナゾルを混合し、少なくとも１００℃以上の温度で加熱して水分とアルコール分を蒸散させ、炭化けい素の表面にアルミナ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする太陽電池モジュールを構成した。

請求項９で述べる構成は次の通りである。即ち請求項６において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末とアルミニウムアルコキシドを混合し、少なくとも１００℃以上の温度で加熱して水分とアルコール分を蒸散させ、炭化けい素の表面にアルミナ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする太陽電池モジュールを構成した。

本発明に係る太陽電池モジュールの構成は次の通りである。
図１において、
透光性基板１０１、受光面側充填材１０２、太陽電池素子１０３
、裏面側充填材１０４ 、裏面材１０５ を図１ のように順次積層し、ラミネーターを用いて減圧下で加熱しながら圧縮して空気を抜き、受光面側充填材１０２ と裏面側充填材１０４
を架橋させて一体化し太陽電池パネルを作製する。受光面側充填材１０２ と裏面側充填材１０４が共にEVA（エチレンビニール・アセテート）である場合は加熱によりEVAが架橋される。

受光面側充填材１０２のみがEVAであり、裏面側充填材１０４がウレタン、ポリエステル又はシリコーン樹脂である場合は、加熱により溶融したEVAが裏面側充填材１０４に粘着する。
ここで裏面側充填材１０４にシラン化剤等を配合しておけば、粘着力は強化される。

また裏面側充填材１０４がウレタン、ポリエステルまたはシリコーン樹脂である場合、
裏面側充填材１０４に一定量のEVAを混合しておくことにより、裏面側充填材４の粘着力は強化される。

また裏面側充填材１０４が熱硬化性ウレタンである場合に、裏面側充填材１０４に一定量の熱可塑性ウレタンを混合する事によっても、裏面側充填材１０４の粘着力は強化される。

次に、この一体化した太陽電池パネルにモジュール枠を取り付ける。

さらに、この太陽電池パネルの裏面側に太陽電池素子を外部回路に接続するための端子ボックス
を取り付けて太陽電池モジュールを完成する。

図２ は裏面側充填材１０４に混合する高熱伝導率フイラーの粒子２個を示す。
大きな１個の粒子を２０１、他の１個を２０４で示す
大きな２個の粒子の周囲には小さい粒子２０２、２０４が吸着しており、このような構造は大きな粒子２０１、２０３にアルミナエアロゲル粒子２０２、２０４またはシリカエアロゲル粒子２０２、２０４を混合する事により実現できる。図２の様な構造にする事により、大きな粒子２０１と大きな粒子２０３の間にある樹脂２０５と大きな粒子２０１と大きな粒子２０３の接触面積が増え、熱伝導率は増大する。

次に、図１の裏面側充填材１０４ の内部に高熱伝導率フイラー粒子を裏面側充填材１０４の全重量に対し、５０〜９０ｗｔ％の比率で混合する。
通常のＥ Ｖ Ａ 等の裏面側充填材１０４ は熱伝導率が０．２W／ｍKと低い。
しかし直径７５μの粒子が３ｗｔ％、５３μが４６ｗｔ％、４５μが２２ｗｔ％、４５μ以下が２７ｗｔ％程度の粒度分布を持つ絶縁性・炭化けい素粉末を裏面側充填材１０４に７０ｗｔ％程度混合したシートの熱伝導率は２W／ｍK程度になる。

また裏面側充填材１０４に絶縁性・炭化けい素粉末を９０ｗｔ％程度混合したシートの熱伝導率は３W／ｍK程度になる。このとき最稠密充填となる。最稠密充填とは樹脂の中にフイラー粒子を最も多く充填する仕方であり、大きな粒子間に出来る隙間に填まるように小さな粒子を配合すれば最稠密充填を実現できる。

このように裏面側充填材１０４の熱伝導率を大きくすることによって、太陽電池素子１０３
から発生した電流により生じる熱は太陽電池モジュールの裏面側充填材１０４と背面材１０５に伝わり、その結果太陽電池素子１０３ の温度上昇は抑えられ、太陽電池モジュールの発電効率の低下を防ぎ、劣化寿命の延伸をはかる事が出来る。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲内で均等の原則により、ここに述べなかった類似の実施例も本発明の範囲に入ることは言うまでもない。また単結晶や多結晶シリコンなどの結晶系太陽電池に限定されるものではなく、薄膜系太陽電池、化合物系太陽電池にも適用可能である事は言うまでもない。

本発明により、太陽電池の放熱は良くなり結晶シリコン太陽電池の効率は増大する。またアモルファスシリコン太陽電池や化合物太陽電池の温度が下がるので耐用寿命が延びる。

１０１ 透光性基板
１０２ 受光面側充填材
１０３ 太陽電池素子
１０４ 裏面側充填材
１０５ 裏面材
２０１ 大きな１個の粒子
２０２ アルミナエアロゲル粒子、またはシリカエアロゲル粒子
２０３ 他の１個の大きな粒子
２０４ アルミナエアロゲル粒子、またはシリカエアロゲル粒子
２０５ 大きな粒子２０１と大きな粒子２０３の間にある樹脂
３０１ 炭化けい素の一つの粒子
３０２ 炭化けい素の一つの粒子３０１の表面に形成されたシリカ被覆層

Claims (9)

1. 太陽電池素子を受光面側充填材と裏面側充填材でラミネートした太陽電池モジュールにおいて、前記裏面側充填材の熱伝導率を増大させるために裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は、炭化けい素の粉末であり、前記炭化けい素の粉末の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
2. 請求項１において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末とシリカエアロゲルを混合し、炭化けい素の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気接触抵抗を増大させたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 請求項１において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末と水性またはアルコール性シリカゾルを混合し、熱処理により水分やアルコール分を蒸散させ、炭化けい素の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
4. 請求項１において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末とシリコンアルコキシドを混合し、熱処理により水分とアルコール分を蒸散させ、炭化けい素の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
5. 請求項１において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末を空気中で少なくとも７００℃以上で熱処理する事により、前記炭化けい素粉末の表面を酸化させ、炭化けい素の表面にシリカ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
6. 太陽電池素子を受光面側充填材と裏面側充填材でラミネートした太陽電池モジュールにおいて、前記裏面側充填材の熱伝導率を増大させるために裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は、炭化けい素の粉末であり、前記炭化けい素の粉末の表面にアルミナ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池モジュール。
7. 請求項６において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末とアルミナエアロゲルを混合し、炭化けい素の表面にアルミナ層を形成させて、粒子表面の電気接触抵抗を増大させたことを特徴とする請求項６に記載の太陽電池モジュール。
8. 請求項６において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末と水性またはアルコール性アルミナゾルを混合し、熱処理により水分とアルコール分を蒸散させ、炭化けい素の表面にアルミナ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする請求項６に記載の太陽電池モジュール。
9. 請求項６において、前記裏面側充填材中に分散させる熱伝導率の大きなセラミック粉末は炭化けい素の粉末であり、且つ前記炭化けい素の粉末とアルミニウムアルコキシドを混合し、熱処理により水分とアルコール分を蒸散させ、炭化けい素の表面にアルミナ層を形成させて、粒子表面の電気抵抗を増大させたことを特徴とする請求項６に記載の太陽電池モジュール。
   

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