JP2009044049A - 太陽電池アレイおよび太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池セルと保護ダイオードの接続ために、接合点数が増え、太陽電池セルへの保護ダイオードの組込みに要する時間（組立時間）が増加し、信頼性が低下することを防ぎ、太陽電池セルの接合部に対する溶接点数の減少およびプロセス時間の短縮可能な太陽電池アレイおよび太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】複数個の太陽電池セル１のうちの第１の太陽電池セルのｎ型電極と、第２の太陽電池セルのｐ型電極とがインターコネクタ９により接続され、太陽電池セル１に並列接続される保護ダイオード１３のｎ型電極が、第１の太陽電池セルのｐ型電極に接続され、保護ダイオード１３のｐ型電極が、第２の太陽電池セルのｐ型電極に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池アレイおよび太陽電池アレイを用いた太陽電池モジュールに関し、特に、保護用ダイオード素子を有するものにおいて、接続の簡易化を可能とした太陽電池アレイおよび太陽電池アレイを用いた太陽電池モジュールに関するものである。

フレキシブル性を有する従来の太陽電池セルの一例を図９から図１２に示す。従来の太陽電池セルにおいては、図９および図１０に示すように、半導体基板上にエピタキシャル成長させた後、半導体基板とエピタキシャル成長された素子層を分離することにより形成した、少なくとも１つの層がエピタキシャル成長された単結晶薄膜層５１の面上に、ｎ型電極５２が形成されている。また、その反対の面上には、電極または半導体層を支持するための保持材料としての１００μｍ以下の金属薄膜５３が形成されている。なお、単結晶薄膜層５１は、たとえば層厚が５０μｍ以下で、少なくとも１つ以上のｐｎ接合を持つ。また、金属薄膜５３上には、電極５２と同一面上に、ｐ型電極パッド５４が形成されている。この太陽電池セル間を直列方向あるいは並列方向に電気的に接続するためにそれぞれの電極パッド部５２、５４に対してインターコネクタ５５がパラレルギャップ溶接等により電気的に接続されている。

この太陽電池セルは、半導体層が極薄膜であるためフレキシブル性に富むという特徴を有している。また、場合によってはこの太陽電池セルはセル裏面に保護用のポリイミド等の樹脂フィルムが接着されている。太陽電池アレイを作製する際には太陽電池セルを複数直列または並列に接続し、保護素子としてのダイオードを太陽電池セルに並列に接続して透明樹脂フィルム５７およびシリコーン樹脂５６等の接着剤により封止を行なう。

一方、太陽電池セルにデバイス保護のためダイオードを接続する一般的手法として、図１１、図１２に示すような接続構造が知られている（たとえば特許文献１参照）。なお、ここで言う太陽電池セルは基板上に形成された太陽電池であり、フレキシブル性は有していない。円形状である結晶基板を有効利用するために太陽電池セル５８に設けたコーナ部５８ａに、三角形平板型のダイオード５９を設置している。太陽電池セル５８は少なくとも１つのコーナが部分的に除去された斜角エッジを有し、このコーナ部５８ａにダイオード５９が設置されている。

このダイオード組込み型太陽電池セルにおいて、ダイオード接続金具６０は太陽電池セル５８の表側電極６１とダイオード５９の表側電極とに、それぞれパラレルギャップ溶接等の方法にて接合され、ダイオード接続金具６２は太陽電池セル５８の裏側電極６３とダイオード５９の裏側電極とにそれぞれにパラレルギャップ溶接等の方法にて接合されている。これにより、太陽電池セル５８とダイオード５９は電気的に並列に接続され、太陽電池セル５８に逆方向電圧が加わっても太陽電池セル５８が破損するのを防ぐことができる構造となっている。
米国特許第６，０３４，３２２号公報

従来の保護ダイオード組込み太陽電池セルは、上記のように太陽電池セルと保護ダイオードの接続ために固有の形状を持つダイオード接続金具を用いて太陽電池セルとダイオードを接続しているために、接合点数が増え、太陽電池セルへのダイオードの組込みに要する時間（組立時間）が増加し、信頼性が低下するという問題を有していた。特に、太陽電池セルの表面には太陽電池セルの外周近くに矩形の表側電極が設けられており、この表側電極の位置に合わせて溶接等で接合することが難しく、接合点数の増加によって組立時間が増大していた。

また、ダイオードの表裏と太陽電池セルの表裏をともに接続金具６０、６３で同時に接続するためプロセス時間の増加を伴うという課題があった。さらに、フレキシブル型太陽電池セルにおいては、セル裏面部に接続金具を用いてダイオードを接続することはセル表裏両面に接続金具が存在することにより段差生じ、その段差によりセル破壊を招いたり、溶接時のハンドリングのプロセス時間が基板上に形成されたリジッドな太陽電池よりもさらに増大する課題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、太陽電池セルの接合部に対する溶接点数の減少およびプロセス時間の短縮および信頼性の向上が得られる太陽電池アレイおよび太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

このような課題を解決するための本発明の太陽電池アレイは、少なくとも１つのｐｎ接合を有する半導体単結晶層の受光面上に形成された第１の極性を有する第１電極と、前記半導体単結晶層の受光面側で、第１電極とは異なる表面上に形成された第２の極性を有する第２電極と、を備えた太陽電池セルが複数個接続され、複数個の太陽電池セルの第１の太陽電池セルの第１電極と、第２の太陽電池セルの第２電極とがインターコネクタにより接続され、太陽電池セルに並列接続される保護ダイオードの第１の極性を有する一方の電極が、第１の太陽電池セルの第２電極に接続され、保護ダイオードの第２の極性を有する他方の電極が、第２の太陽電池セルの第２電極に接続される構成を有する。

また、保護ダイオードが、太陽電池セルのコーナ領域に配置されてもよく、保護ダイオードと太陽電池セルとを接続するインターコネクタの形状が、保護ダイオードの上面と同一形状であるといってもよい。さらには、保護ダイオードの前記一方の電極および前記他方の電極が一方の面に形成されていてもよい。さらに、第１の太陽電池セルと第２の太陽電池セルを接続するインターコネクタ、第１の太陽電池セルと保護ダイオードを接続するインターコネクタ、第２の太陽電池セルと保護ダイオードを接続するインターコネクタが、ストレスリリーフ部を持つ構成としてもよい。また、本発明の太陽電池アレイを太陽電池モジュールとして構成することができる。

本発明においては、上述のように、保護ダイオードが第１の太陽電池セルと第２の太陽電池セルの各電極に接続される簡素な構成であり、このような構成を有することにより、太陽電池セル接続時のプロセス時間の短縮および歩留向上や信頼性の向上が可能となる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の太陽電池アレイについて、図１〜図３に基づいて説明する。本実施の形態の太陽電池アレイにおける太陽電池セル１は、その断面図である図３に示すように、少なくとも１つのｐｎ接合を有する光電変換層２と、この光電変換層２に含まれる第１の極性（本実施の形態ではｎ型とする）を有する第１電極の表面に設置されたセル間接続のための第１導電型（本実施の形態ではｎ型とする）半導体層側の電極パッド３とを備える。光電変換層２には、第１導電型半導体層とは反対側に位置する第２の極性（本実施の形態ではｐ型とする）を有する第２電極に設置されたセル間接続のための第２電極パッド４、および、ダイオード接続のため、光電変換層２に含まれる第２電極に接合された電極パッド５、６が設けられている。第２電極パッド４が設置された側の表面と反対側の表面には金属薄膜７が設置され、また必要に応じて、裏面にはポリイミド等の樹脂フィルム８が設けられる。そして、複数個の太陽電池セル１は、インターコネクタ９により相互に接続される。

次に、本実施の形態１の太陽電池アレイ１０の構成について説明する。上記のように、少なくとも１つのｐｎ接合を有する半導体単結晶層である光電変換層２の受光面２ａ上に形成された、第１の極性としてのｎ型を有する第１電極に接続された電極パッド３と、光電変換層２の受光面２ａ側で、第１電極とは異なる表面上に形成された、第２の極性としてのｐ型を有する第２電極に接続された第２電極パッド４とを備えた太陽電池セル１が複数個接続されて、太陽電池アレイ１０が構成される。そして、複数個の太陽電池セル１のたとえば第１の太陽電池セル１１の第１電極パッド３と、第２の太陽電池セル１２の第２電極パッド４とがインターコネクタ９により接続される。

電極パッド５、６は、金属薄膜７を介して光電変換層２の第２の極性（ｐ型）を有する第２電極に接続されてもよいし、電極パッド５、６は第２の極性（ｐ型）を有する第２電極に半導体コンタクト層を設けて接続されてもよい。また、太陽電池セル１に並列接続される保護ダイオード１３の第１の極性（ｎ型）の一方の電極が、第１の太陽電池セル１１の第２電極に電極パッド５を介して接続され、保護ダイオード１３の第２の極性（ｐ型）の他方の電極が、第２の太陽電池セル１２の前記第２電極に電極パッド６を介して、それぞれインターコネクタ１４、１５を用いて接続される。

このような接続構造により、保護ダイオード１３の一方の電極は、インターコネクタ１４、電極パッド５および金属薄膜７を介して第１の太陽電池セル１１の第２電極に接続される。また保護ダイオード１３の他方の電極は、インターコネクタ１５、第２の太陽電池セル１２の電極パッド６、第２の太陽電池セル１２の金属薄膜７、第２の太陽電池セル１２の第２電極パッド４、インターコネクタ９、電極パッド３を介して第１の太陽電池セル１１の第１電極に接続されるため、電気的に太陽電池セル１に並列に接続されることとなり、保護素子としての機能を発揮する。

本実施の形態により、太陽電池セル１の一方の面において、全てが溶接可能な構成となるだけでなく、保護ダイオードの接続に関して、太陽電池セルの第１電極に対する溶接を必要としないため、溶接時での太陽電池セルの破壊を軽減することができ、製造工程上の歩留向上に繋がる。

次に、実施の形態１の一部変形例を図４により説明する。本変形例における太陽電池アレイ１６においては、接続される保護ダイオード１７の第１電極および第２電極が一方の面（たとえば上面）にのみ形成されていることを特徴とする。太陽電池アレイ１６の製作過程において接続作業を単一面から行うことが可能となり工程の合理化が図れる。

なお、本実施の形態において、第１の極性および第１導電型をｎ型とし、第２の極性をｐ型とする例を示したが、第１の極性をｐ型とし、第２の極性をｎ型に置き換えた場合にも、同様の作用および効果を奏することは言うまでもない。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の太陽電池アレイ１８について、図５により説明する。なお、実施の形態１と同じ構成の部品については、同一番号を付し説明を略する。本発明の実施の形態２の太陽電池アレイ１８における太陽電池セル１９は、４個の角（コーナ）を有するほぼ矩形の太陽電池セルであり、前記コーナの少なくとも一つが部分的に除去された斜角エッジ２０を有し、保護ダイオード２１が、太陽電池セル１９の斜角エッジのあるコーナ領域に隣接して配置されている。

本実施の形態によれば、太陽電池セル１９間での距離を縮小できるだけでなく、太陽電池アレイ全体としての面積を小さくすることが可能となる。また、本実施の形態の変形例として、図６に示す構造を有することができる。この変形例では、保護ダイオード２１と太陽電池セル１９とを接続するインターコネクタ２２の形状が、保護ダイオード２１の上面とほぼ同一形状となっている。

このように、一方の面にｐ型電極があり、もう一方の面にｎ型電極がある構成の保護ダイオード２１においては、一方の面に接続するインターコネクタ２２を保護ダイオード２１の上面のほぼ全面を覆う形にすることで、太陽電池アレイ１８を屈曲させたときに、割れにくくすることが可能となる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の太陽電池アレイ２３について、図７および図８により説明する。なお、実施の形態２と同じ構成の部品については、同一番号を付し説明を略する。本実施の形態３の太陽電池アレイ２３においては、第１の太陽電池セル２４と第２の太陽電池セル２５を接続するインターコネクタ２６、および第１の太陽電池セル２３と保護ダイオード２１を接続するインターコネクタ２７、第２の太陽電池セル２５と保護ダイオード２１を接続するインターコネクタ２８が、それぞれストレスリリーフ部２９を持つことを特徴とする。ストレスリリーフ部２９は、図８に示すように、インターコネクタを構成する導体部分が直線状ではなく、屈曲部３０を有する構造を有しているものであり、このようなストレスリリーフ部２９を持ったインターコネクタ２６．２７．２８を用いることにより、熱的応力から太陽電池セル２３を保護し、太陽電池セル２３およびこの太陽電池セル２３を用いた太陽電池モジュールの信頼性の向上が可能となる。

今回開示された実施の形態はすべて例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特急請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば、太陽電池アレイを構成する太陽電池セルの製造工程において、太陽電池セルの接続時の歩留を向上し、製造工程の簡易化を可能となり、太陽電池セルの間隔も狭くすることができるので、太陽電池アレイおよびそれを太陽電池アレイ含む太陽電池モジュールを用いた太陽電池の分野に広く利用可能である。

本発明の実施の形態１における太陽電池アレイの平面図である。 本発明の実施の形態１における太陽電池セルの平面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態１における太陽電池セルの図２のIIIＡ−IIIＡ線における断面図、（ｂ）は、本発明の実施の形態１における太陽電池セルの図２のIIIＢ−IIIＢ線における断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例における太陽電池アレイの平面図である。 本発明の実施の形態２における太陽電池アレイの平面図である。 本発明の実施の形態２の変形例における保護ダイオードの説明図である。 本発明の実施の形態３における太陽電池アレイの平面図である。 本発明の実施の形態３における太陽電池アレイのストレスリリーフ部の平面図である。 従来技術の太陽電池セルの構造を示す断面図である。 従来技術の太陽電池セルの平面図である。 従来技術の他の太陽電池セルの構造を示す部分平面図である。 従来技術の他の太陽電池セルの部分断面図である。

符号の説明

１，１９，２４，２５ 太陽電池セル、２ 光電変換層、３ 電極パッド（第１の極性を有する第１電極）、４ 第２電極パッド（第２の極性を有する第２電極）、５，６ 電極パッド、９ インターコネクタ、１０，１６，１８，２３ 太陽電池アレイ、１１ 第１の太陽電池セル、１２ 第２の太陽電池セル、１３，２１ 保護ダイオード、２０ 斜角エッジ、２９ ストレスリリーフ部。

Claims (6)

1. 少なくとも１つのｐｎ接合を有する半導体単結晶層の受光面上に形成された第１の極性を有する第１電極と、前記半導体単結晶層の受光面側で、前記第１電極とは異なる表面上に形成された第２の極性を有する第２電極とを備えた太陽電池セルが複数個接続された太陽電池アレイであって、
   前記複数個の太陽電池セルの第１の太陽電池セルの前記第１電極と、第２の太陽電池セルの前記第２電極とがインターコネクタにより接続され、
   前記太陽電池セルに並列接続される保護ダイオードの前記第１の極性を有する一方の電極が、前記第１の太陽電池セルの前記第２電極に接続され、前記保護ダイオードの前記第２の極性を有する他方の電極が、前記第２の太陽電池セルの前記第２電極に接続される、太陽電池アレイ。
2. 前記保護ダイオードが、前記太陽電池セルのコーナ領域に配置されている、請求項１に記載の太陽電池アレイ。
3. 前記保護ダイオードと前記太陽電池セルとを接続するインターコネクタの形状が、前記保護ダイオードの上面と同一形状である、請求項１に記載の太陽電池アレイ。
4. 前記保護ダイオードの前記一方の電極および前記他方の電極が一方の面に形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池アレイ。
5. 前記第１の太陽電池セルと第２の太陽電池セルを接続するインターコネクタ、前記第１の太陽電池セルと前記保護ダイオードを接続するインターコネクタ、前記第２の太陽電池セルと前記保護ダイオードを接続するインターコネクタが、ストレスリリーフ部を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池アレイ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の太陽電池アレイを備えた、太陽電池モジュール。

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