JP2016219455A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池素子の表面に入射する光量を増大させ、発電効率を高めることができる太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】シリコン半導体基板１の裏面に形成されたアルミニウム電極層５の裏面に、波長400nm〜800nmの範囲の光の平均反射率が85％以上である光反射層８をさらに有する太陽電池素子を含む太陽電池モジュール。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリコン半導体基板裏面に形成されたアルミニウム電極層の裏面に、光反射層を有する太陽電池素子を含む太陽電池モジュールに関する。

図1は、現在一般的に用いられている結晶系シリコン太陽電池素子の断面構造を模式的に示す図である。

太陽電池素子は、厚みが180〜250μmのp型シリコン半導体基板1を用いて構成される。p型シリコン半導体基板1の表面、すなわち、入射光の受光面側には、厚みが0.3〜0.6μmのn型不純物層2、反射防止膜3及びグリッド電極4が形成されている。

また、p型シリコン半導体基板1の裏面、すなわち、入射光の受光面と反対側には、アルミニウム電極層5が形成されている。アルミニウム電極層5は、アルミニウム粉末、ガラスフリット及び有機質ビヒクルからなるアルミニウムペースト組成物をスクリーン印刷等によって塗布し、乾燥した後、アルミニウムの融点である660℃以上の温度にて短時間焼成することによって形成される。この焼成の際にアルミニウムがp型シリコン半導体基板1の内部に拡散することにより、アルミニウム電極層5とp型シリコン半導体基板1との間にアルミニウム−シリコン合金層6が形成されると同時に、アルミニウム原子の拡散による不純物層としてp+層7が形成される。このp+層7の存在により、電子の再結合を防止し、生成キャリアの収集効率を向上させるBSF（Back Surface Field）効果が得られる。

上述のように、現在主に用いられている結晶系シリコン太陽電池は、シリコン半導体基板裏面にアルミニウムペースト組成物を全面塗布することによって形成した全面電極を有するものが多い。

特許文献1及び2には、シリコン半導体基板の裏面側の構造をアルミニウムペーストによる全面電極ではなく、シリコン半導体基板裏面にシリコン酸化膜（SiO₂）やアルミニウム酸化膜（Al₂O₃）などのパッシベーション膜を形成させてから、レーザで裏面の一部に孔をあけ、孔の部分にアルミニウムペースト組成物によって形成されたローカル電極が示されている。

特許文献3には、シリコン半導体基板裏面のアルミニウム電極層及びアルミニウム−シリコン合金層を塩酸により除去してBSF層のみを残した後、アルミニウム電極層内面の反射率向上の為に白色層を形成し、再度アルミニウムを蒸着して、電極層を形成する工程が示されている。

特開2008-172279号公報 米国特許第5,053,083号 特開2012-69592号公報

一般的な結晶系シリコン太陽電池では、シリコン半導体基板裏面にアルミニウムペースト組成物を全面塗布することによって形成した全面電極を有するため、キャリア再結合が大きいこと、アルミニウム電極層表面及び裏面の光の反射率が小さいこと等の問題が存在する。

特許文献1〜3の太陽電池モジュールでは、キャリア再結合を抑制することができ、金属電極層表面の光の反射率を増大させることができるが、裏面の反射率、太陽電池の作製工程の簡素化等において改善の余地があった。

本発明者らは、鋭意検討の結果、太陽電池モジュールが、シリコン半導体基板裏面に形成されたアルミニウム電極層の裏面に、光反射層をさらに有する太陽電池素子を含むことによって、発電効率を高めることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記の太陽電池モジュールに関する。
１．シリコン半導体基板裏面に形成されたアルミニウム電極層の裏面に、波長400nm〜800nmの範囲の光の平均反射率が85％以上である光反射層を有する太陽電池素子を含むことを特徴とする太陽電池モジュール。
２．前記光反射層が、無機粒子及び樹脂を含む、項１に記載の太陽電池モジュール。
３．前記無機粒子の平均粒径が200〜300nmである、項２に記載の太陽電池モジュール。

本発明の太陽電池モジュールは、シリコン半導体基板裏面に形成されたアルミニウム電極層の裏面に、波長400nm〜800nmの範囲の光の平均反射率が85%以上である光反射層を有する太陽電池素子を含むことにより、入射した太陽光の太陽電池モジュール内での反射率を高めて光エネルギーの吸収を抑え、高い発電効率を得ることができる。

現在一般的に用いられている結晶系シリコン太陽電池素子の断面構造を模式的に示す図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例の断面構造を模式的に示した図である。 本発明の太陽電池モジュールにおける太陽電池素子の一例の断面構造を模式的に示した図である。 本発明の太陽電池モジュール内における光経路とその効果の一例を模式的に示した図である。 実施例及び比較例において得られた各波長の光の反射率を示した図である。

以下に、本発明の太陽電池モジュールに関して詳細に説明する。

本発明の太陽電池モジュールは、シリコン半導体基板裏面に形成されたアルミニウム電極層の裏面（バックシート側）に、波長400nm〜800nmの範囲の光の平均反射率が85％以上である光反射層を有する太陽電池素子を含むことを特徴とする。

＜太陽電池モジュール＞
図2は、本発明の太陽電池モジュールの一例の断面構造を模式的に示した図である。本実施形態による太陽電池モジュールは、ガラス9及びバックシート10の間に封止材11を有し、封止材中に太陽電池素子12が配列されている。本実施形態による太陽電池モジュールは、例えば、ガラス、封止材、シリコン半導体基板、封止材及びバックシートをこの順に積層させ、真空ラミネータにてラミネートすることにより作製することができる。

＜太陽電池素子＞
図3は本発明の太陽電池モジュールにおける太陽電池素子の一例の断面構造を模式的に示した図である。本実施形態によれば、太陽電池素子12は、厚みが180〜250μmのp型シリコン半導体基板1を用いて構成される。p型シリコン半導体基板1の表面には、厚みが0.3〜0.6μmのn型不純物層2、反射防止膜3及びグリッド電極4を有する。p型シリコン半導体基板1の裏面側には、アルミニウム電極層5を有し、アルミニウム電極層5とp型シリコン半導体基板1との間にはp+層7及びアルミニウム−シリコン合金層6を有する。また、前記アルミニウム電極層5の裏面に光反射層8をさらに有する。

＜光反射層＞
前記光反射層8の形成方法としては、有機ビヒクルに無機粒子を添加したペースト組成物等の塗布・乾燥による層形成、又は、樹脂中に無機粒子を練り込んだシート又はフィルムの貼り合わせによる形成等も可能である。アルミニウム、銀、銅、ステンレス、亜鉛等の無機金属箔の貼り合わせによる形成等も考えられるが、無機金属箔の場合、導電性を有するのに加え、金属特有の可視光吸収がある為、本発明では好ましくはない。

光反射層8の厚みは特に限定されないが、ハンドリング性の観点から、10〜400μmであることが好ましく、30〜100μmであることが特に好ましい。

＜無機粒子＞
光反射の為には、高屈折率を持つ無機粒子を樹脂層に添加することで反射率が高くなることが知られており、無機粒子の種類は特に限定されないが、例えば酸化チタン、酸化アルミニウム、硫酸バリウム、ゲルマニウム、シリコン、酸化亜鉛、硫化亜鉛、炭酸亜鉛、酸化ジルコニウム、炭酸カルシウム、フッ化カルシウム、フッ化リチウム、アンチモン、酸化マグネシウム、酸化バナジウム、酸化ケイ素、酸化タンタル、酸化セリウム、マイカ、雲母チタン、タルク、クレー、カオリン等を使用することができる。本発明では高屈折率、低導電性、耐湿熱性、経時安定性、価格等の観点から酸化チタンが特に好ましい。

また、酸化チタンとしては、ルチル型、アナターゼ型及びブルカイト型が存在するが、経時安定性、入手の容易性、高い反射性の観点から、ルチル型酸化チタンを用いることが好ましい。

添加する無機粒子の平均粒径は200〜300nmであることが好ましく、210〜290nmであることがより好ましい。平均粒径が200nmより小さいと、結晶系シリコン太陽電池の発電に寄与する近赤外光である波長800〜1200nm間の反射率が低下してしまうと同時に、触媒活性が高まり樹脂の劣化を招いてしまうため好ましくない。また、300nmを超えると結晶系シリコン太陽電池の発電に寄与する波長400〜800nmの間の可視光の反射率が低下してしまうため、好ましくない。波長400〜800nmの間の可視光領域の光はプランクの法則より、波長800〜1200nmの間の長波長領域の光に比べ、高エネルギー密度であることが知られており、結晶系シリコン太陽電池の発電に有利となる。

なお、本明細書における平均粒径は、レーザー回折法により粒径とその粒径に該当する粒子の数を求めて得られる粒度分布曲線において全粒子数の50％目に該当する粒子の粒子径である。

本発明のペースト組成物における無機粒子の含有量は、当該ペースト組成物中において5.0〜60.0質量％であることが好ましい。添加量が5.0質量％未満では添加効果が不十分で好ましくない。60.0質量％を超える場合は、添加量が過剰の為にペースト粘度の低下、塗布適性が悪化してしまい好ましくない。より好ましくは、10.0〜50.0質量％である。

本発明のシート又はフィルムにおける無機粒子の含有量は、5.0〜60.0質量％であることが好ましい。添加量が5.0質量％未満では添加効果が不十分で好ましくない。60.0質量％を超える場合は、添加量が過剰の為に引張強度及び／又は引裂強度が低下してしまい好ましくない。より好ましくは、10.0〜50.0質量％である。

＜有機ビヒクル＞
有機ビヒクルとしては、溶剤に、必要に応じて各種添加剤及び樹脂を溶解したものを使用することができる。

溶剤としては公知のものが使用可能であり、具体的には、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル等が挙げられる。これらの溶剤は、単独で又は2種以上を混合して使用することができる。

各種添加剤としては、たとえば、酸化防止剤、腐食抑制剤、消泡剤、増粘剤、タックファイヤー、カップリング剤、静電付与剤、重合禁止剤、チキソトロピー剤、沈降防止剤等を使用することができる。具体的には、たとえば、ポリエチレングリコールエステル化合物、ポリエチレングリコールエーテル化合物、ポリオキシエチレンソルビタンエステル化合物、ソルビタンアルキルエステル化合物、脂肪族多価カルボン酸化合物、燐酸エステル化合物、ポリエステル酸のアマイドアミン塩、酸化ポリエチレン系化合物、脂肪酸アマイドワックス等を使用することができる。

樹脂としては公知のものが使用可能であり、エチルセルロース、ニトロセルロース、ポリビニールブチラール、フェノール樹脂、メラニン樹脂、ユリア樹脂、キシレン樹脂、アルキッド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、イソシアネート化合物、シアネート化合物等の熱硬化樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ABS樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルフォン、ポリイミド、ポリエーテルスルフォン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ4フッ化エチレン、シリコン樹脂等の二種以上を組み合わせて用いることができる。本発明のペースト組成物に含められる有機ビヒクルとして、溶剤に溶解させないで樹脂を用いてもよい。

なお、本発明のペースト組成物中に含まれる有機ビヒクルの含有比率は、特に限定されないが、有機質ビヒクルの含有量は、15〜40質量％であることが好ましい。有機質ビヒクルの含有量が15質量％未満になると、ペーストの印刷性が低下し、良好な白色着色層を形成することができない。また、有機質ビヒクルの含有量が40質量％を超えると、ペーストの粘度が増大するだけでなく、過剰な有機質ビヒクルの存在により白色層の乾燥性が阻害されるという問題が生じる。有機質ビヒクル中の樹脂配合比率は、特に限定されないが、5〜20質量％であることが好ましい。添加剤の配合比率は特に限定されないが、10質量％以下であることが好ましい。

＜シート又はフィルム＞
シート又はフィルムとしては、樹脂に無機粒子及び各種分散剤を添加させたものが使用される。本発明におけるシート又はフィルムとしては、多層構造を有するシート又はフィルムであってもよい。

シート又はフィルムとしては、公知のものが使用可能であり、例えばポリエチレン（高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン）、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィン系樹脂、（メタ）アクリル系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニリデン系樹脂、エチレン-酢酸ビニル共重合体ケン化物、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート系樹脂、フッ素系樹脂（ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、エチレンデトラフルオロエチレン）、ポリ酢酸ビニル系樹脂、アセタール系樹脂、ポリエステル系樹脂（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート）、ポリアミド系樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、その他の各種樹脂を単独で又は2種以上を含むフィルム又はシートを使用することができる。これらの樹脂のフィルム又はシートは、一軸又は二軸方向に延伸されているものでもよい。中でも太陽電池の封止材であるEVAとの良好な接着性を確保できることから、ポリエチレンが好ましく、直鎖状低密度ポリエチレンがより好ましい。直鎖状低密度ポリエチレン（LLDPE）は低密度ポリエチレン（LDPE）に比べ高密度であるため、耐熱性や耐候性などに優れるため好ましい。LLDPEの中でも特に、密度920〜940 kg/m³であるものが好ましい。920 kg/m³より小さいとフィルム成形後ロール状にした際、ブロッキングの問題が生じる可能性があり、また940 kg/m³より大きいとEVAとの接着力が不足してしまい好ましくない。製膜方法としては、Tダイ成形やインフレーション成形が用いられ、多層構造を有するシート又はフィルムを製膜する場合は多層押出機による成形も可能である。
分散剤としては、ステアリン酸等の脂肪酸、多価アルコールであるポリオール等を用いて、無機粒子の表面被覆処理を実施されていることが分散性や反射率を向上させる点で好ましい。表面被覆剤の被覆方法については特に限定されたものではなく、公知の方法を使用することができる。

＜作用＞
本実施の形態によると、アルミニウム電極層裏面での光の反射率、すなわち太陽電池モジュール内での光の反射率を高め、太陽電池モジュールの発電効率を向上させることができる。

図4は本発明の太陽電池モジュール内における光経路とその効果の一例を模式的に示した図である。本実施形態によれば、太陽電池モジュールに照射される太陽光の大部分13は、ガラス10/封止材11を透過して太陽電池素子12の表面に直接入射するが、残りの光14は太陽電池素子12と太陽電池素子12との隙間を通過する。隙間を通過した光14は太陽電池裏面保護材であるバックシート10に到達して反射されるが、この光のうち、再び太陽電池素子12と太陽電池素子12との隙間に戻されてガラス10で一部反射され、太陽電池素子の表面へ戻る光15もあれば、太陽電池素子裏面のアルミニウム電極層での反射及びバックシートでの反射を繰り返し、太陽電池モジュールの表面へ戻る光16もある。

この時、太陽電池素子12の最裏面がアルミニウム電極層5である場合は、アルミニウム電極層5に光エネルギーが吸収され、光が十分に反射されない。しかし、アルミニウム電極層5の裏面に、さらに光反射層8が存在することにより光が十分に反射され、光が反射されずに吸収されることによる光エネルギーの損失を抑えることができる。その結果、太陽電池素子の表面に入射する実質的な光量を増大させ、発電効率を高めることができる。

形成した光反射層は、太陽電池素子の電気特性に対して悪影響を及ぼすことがなく、封止材との密着性も良好で、封止材中に含まれる酸や水分などによる経時劣化も少ない。

以下に実施例及び比較例を示して、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例の態様に限定されるものではない。

実施例1
＜着色ペースト組成物の作製＞
樹脂としてアクリル酸エステルモノマーとエポキシ樹脂との混合物27質量部、無機粒子としてルチル型酸化チタン40質量部、シリカ5質量部、硬化剤としてアミン化合物を1質量部、有機溶剤としてジプロピレングリコールとモノメチルエーテルとの混合物を25質量部、添加剤としてレベリング剤2質量部用意し、それぞれを混合分散させることで、着色ペースト組成物を得た。

上記の着色ペースト組成物を、厚み180μm、大きさ155mm角のp型シリコン半導体基板裏面のアルミニウム電極層に対して、165メッシュのスクリーン印刷板を用いて塗布・印刷し、100℃×20分乾燥させた。

塗布量は、乾燥後の厚みとして100μmとなるよう調節した。乾燥後の樹脂層の酸化チタン含有量は53質量％であった。

実施例2
＜着色フィルムの作製＞
樹脂として密度924 kg/m³の直鎖状低密度ポリエチレン樹脂50質量部（プライムポリマー株式会社製LLDPE ウルトゼックス2520F）とアイオノマー樹脂20質量部（三井・デュポン ポリケミカル株式会社ハイミラン1652）、無機粒子として酸化アルミニウム及びポリオール等で表面処理された平均粒径210nmのルチル型酸化チタン30質量部（石原産業株式会社製CR-63）を二軸押出機にて溶融混練して、厚み50μmの着色フィルムを得た。

上記の着色フィルムをシリコン半導体基板裏面のアルミニウム電極層に貼り合せ、真空プレス（1気圧、温度140℃。5分）により、着色フィルムを熱接着させた。

比較例1
シリコン半導体基板裏面のアルミニウム電極層がむき出しになっているサンプル（ブランク）。

比較例2
ツヤ面が外側（バックシート側）に向くように、アルミニウム箔をシリコン半導体基板裏面のアルミニウム電極層に接着させたサンプル。アルミニウム箔は、熱可塑性接着剤をシリコン半導体基板の裏面の四隅にピペットで数滴ずつ垂らし、接着させた。

以上で得られたシリコン半導体基板の裏面の反射率を、日本分光製「V-570」にて測定した。

図5及び表1に示す反射率は、波長400nm〜800nmの範囲の反射率を平均した値である波長400〜800nmの範囲を平均するのは、前述したように、シリコン半導体基板の発電に寄与する光の吸収帯（波長範囲）400〜1200nmの中でも、波長400〜800nmの範囲の可視光領域はエネルギー密度が高く、有利に働くためである。

以上で得られたシリコン半導体基板について、ソーラーシミュレータ（岩崎電気製、PXSS4K-1P）にてモジュール化前の短絡電流 [A]を測定した。

次にこのシリコン半導体基板を用いて、ガラス／封止材／シリコン半導体基板／封止材／バックシートの順に積層させ、真空ラミネータにて太陽電池モジュールを作製し、モジュール化後の短絡電流Isc [A]を測定した。太陽電池用強化ガラスの大きさは180mm角とした。

ここではモジュール化前後での短絡電流Iscの変化値及び変化率を次のように算出し、評価した。

Isc変化値 ＝ （モジュール化後Isc−モジュール化前Isc）
Isc変化率 ＝ Iscの変化値 ／ モジュール化前Isc × 100 [%]
結果を表1に示す。

実施例1及び2のように、シリコン半導体基板裏面のアルミニウム電極層に光反射樹脂層を形成することによって、短絡電流Iscの変化率が比較例1に比べて、それぞれ＋1.2%及び+1.0%高いという結果が得られ、本発明の効果が示された。

Iscが1.2%増加するということは、200Wの太陽電池モジュールで考えると、発電量が＋2.4W増加する（＝202.4Wのモジュールになる）ことを意味している。

さらに、実施例1について、セロテープ(登録商標)剥離試験（JIS Z 0237）にて、実施例2については、180度剥離試験（JIS K 6854-2）にて、それぞれ密着性を評価した。

実施例1においては、初期及び温度85℃湿度85%×1000時間後においても剥離がなく、密着性が良好であった。

実施例2においては、初期及び温度85℃湿度85%×1000時間後においても剥離強度は極めて高く、強固に密着していた。

Claims (3)

1. シリコン半導体基板裏面に形成されたアルミニウム電極層の裏面に、波長400nm〜800nmの範囲の光の平均反射率が85％以上である光反射層を有する太陽電池素子を含むことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記光反射層が、無機粒子及び樹脂を含む、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記無機粒子の平均粒径が200〜300nmである、請求項２に記載の太陽電池モジュール。