JP6015973B2 - 太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。
太陽電池モジュールは、複数の太陽電池と、太陽電池同士を電気的に接続する配線材と、これらを封止する充填材とを備える。配線材は、太陽電池の電極上に接着剤を用いて取り付けることができる(例えば、特許文献1参照)。
特開2008−205137号公報
ところで、太陽電池モジュールでは、製造時や使用時における温度変化により上記接着剤等が膨張、収縮する場合がある。そして、かかる膨張、収縮に起因して接着界面に剥離が発生し、配線材と電極との導通不良を引き起こす恐れがある。
本発明に係る太陽電池モジュールは、光電変換部、及び光電変換部上に形成された電極を有する複数の太陽電池と、電極上に接着剤を用いて取り付けられ、太陽電池同士を接続する配線材とを備え、接着剤は、配線材の直下領域からはみ出し、配線材の側面に付着して設けられると共に、該直下領域に空隙を有する。
本発明によれば、配線材と電極との良好な接続性を維持することが可能な太陽電池モジュールを提供することができる。
本発明に係る実施の形態の一例である太陽電池モジュールを示す断面図である。 図1に示す太陽電池モジュールに適用される太陽電池を受光面側から見た平面図である。 図2のA‐A線断面の一部を示す図である。 図2のB部拡大図である。 図4のC‐C線断面の一部(受光面側)を示す図である。 図4のC‐C線断面の一部(裏面側)を示す図である。 本発明に係る実施の形態の一例である太陽電池モジュールの変形例を示す図である。 本発明に係る実施の形態の一例である太陽電池モジュールの製造方法を説明するための図である。 本発明に係る実施の形態の一例である太陽電池モジュールの製造方法を説明するための図である。 本発明に係る実施の形態の一例である太陽電池モジュールにおいて、光電変換部の変形例を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態の一例である太陽電池モジュールにおいて、光電変換部の変形例を示す断面図である。
図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の一例である太陽電池モジュール10について以下詳細に説明する。なお、実施形態において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
本明細書において、「第1のオブジェクト(例えば、基板)上の全域に、第2のオブジェクト(例えば、非晶質半導体層)が形成される」との記載は、特に限定を付さない限り、第1及び第2のオブジェクトが直接接触して形成される場合のみを意図しない。即ち、この記載は、第1及び第2のオブジェクトの間に、その他のオブジェクトが存在する場合を含む。また、「全域に形成」とは、実質的に全域とみなせる場合(例えば、第1のオブジェクト上の95%が覆われた状態)を含む。
まず、図1〜図3を参照しながら、太陽電池モジュール10の構成について説明する。図1は、太陽電池モジュール10の一部を示す断面図である。図2は、太陽電池モジュール10に適用される太陽電池11を受光面側から見た平面図である。図3は、図2のA‐A線断面の一部を示す図である。
太陽電池モジュール10は、複数の太陽電池11と、太陽電池11の受光面側に配置される第1保護部材12と、太陽電池11の裏面側に配置される第2保護部材13とを備える。複数の太陽電池11は、第1保護部材12と第2保護部材13とにより挟持されると共に、充填材14により封止されている。
太陽電池モジュール10は、さらに、太陽電池11同士を電気的に接続する配線材15を備える。また、太陽電池モジュール10は、通常、配線材15同士を接続する渡り配線材、フレーム、端子ボックス(いずれも図示せず)などを備える。
太陽電池11は、太陽光を受光することでキャリアを生成する光電変換部20と、光電変換部20の受光面上に形成された受光面電極である第1電極30と、光電変換部20の裏面上に形成された裏面電極である第2電極40とを備える。太陽電池11では、光電変換部20で生成されたキャリアが第1電極30及び第2電極40により収集される。ここで、「受光面」とは太陽電池11の外部から太陽光が主に入射する面を、「裏面」とは受光面と反対側の面をそれぞれ意味する。例えば、太陽電池11に入射する太陽光のうち50%超過〜100%が受光面側から入射する。
光電変換部20は、結晶系シリコン(c‐Si)、ガリウム砒素(GaAs)、インジウム燐(InP)等の半導体材料からなる基板21と、基板21の受光面上に形成された非晶質半導体層22と、基板21の裏面上に形成された非晶質半導体層23とを有する。基板21としては、n型単結晶シリコン基板が特に好適である。基板21の受光面及び裏面は、凹凸高さが1μm〜15μm程度のテクスチャ構造(図示せず)を有することが好適である。
非晶質半導体層22は、例えば、i型非晶質シリコン層と、p型非晶質シリコン層とが順に形成された層構造である。非晶質半導体層23は、例えば、i型非晶質シリコン層と、n型非晶質シリコン層とが順に形成された層構造である。なお、光電変換部20は、基板21の受光面上にi型非晶質シリコン層と、n型非晶質シリコン層とが順に形成され、基板21の裏面上に、i型非晶質シリコン層と、p型非晶質シリコン層とが順に形成された構造でもよい。
第1電極30及び第2電極40は、透明導電層31,41をそれぞれ含む。透明導電層31,41は、例えば、酸化インジウム(In23)や酸化亜鉛(ZnO)等の金属酸化物に、錫(Sn)やアンチモン(Sb)等をドープした透明導電性酸化物から構成される。透明導電層31,41は、それぞれ非晶質半導体層22,23上において、その端縁部を除く全域を覆って形成されることが好適である。
第1電極30は、さらに、透明導電層31を介してキャリアを集める集電極として、透明導電層31上に形成された、複数(例えば、50本)のフィンガー電極32と、複数(例えば、2本)のバスバー電極33を含む。フィンガー電極32は、透明導電層31上の広範囲に形成される細線状の電極である。バスバー電極33は、フィンガー電極32からキャリアを収集する電極である。第1電極30では、各バスバー電極33が所定の間隔を空けて互いに平行に配置され、これに直交して複数のフィンガー電極32が配置されている。複数のフィンガー電極32は、一部がバスバー電極33の各々から受光面の端縁側に延び、残りが各バスバー電極33を繋ぐように配置されている。
第2電極40も、第1電極30と同様に、透明導電層41上に形成された、複数(例えば、250本)のフィンガー電極42と、複数(例えば、2本)のバスバー電極43とを含む。各電極の配置は、第1電極30の場合と同様である。
フィンガー電極32,42、及びバスバー電極33,43(以下、これらを総称して「集電極」という場合がある)は、例えば、バインダ樹脂中に導電性フィラーが分散した構造を有する。導電性フィラーには、例えば、銀(Ag)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)等の金属粒子やカーボン、又はこれらの混合物などが用いられる。これらのうち、Ag粒子が好適である。集電極は、例えば、導電性ペーストを用いたスクリーン印刷法により形成される。集電極は、電解めっき法により形成することもできる。
フィンガー電極32の幅は、遮光ロス低減等の観点から、30μm〜150μm程度が好ましく、40μm〜100μm程度がより好ましい。バスバー電極33の幅は、50μm〜300μm程度が好ましく、80μm〜150μm程度がより好ましい。フィンガー電極32及びバスバー電極33の高さ(テクスチャ構造凸部から各々の電極の最上面までの長さ)は、抵抗損失低減等の観点から、40μm〜150μmであり、互いに同程度であることが好適である。第2電極40のフィンガー電極42については、フィンガー電極32よりも幅を太くし、高さを低くすることが好適である。
第1保護部材12には、例えば、ガラス基板や樹脂基板、樹脂フィルム等の透光性を有する部材を用いることができるが、耐久性等の観点からガラス基板が好適である。第2保護部材13には、第1保護部材12と同様の部材を用いることができるが、コストの削減や軽量化等の観点から、ポリエチレンテレフタレート(PET)製等の樹脂基板又は樹脂フィルムが好適である。なお、裏面側からの受光を想定しない場合、第2保護部材13は、不透明な基板や樹脂フィルムとしてもよく、例えば、アルミ箔をラミネートした積層基材であってもよい。充填材14には、太陽電池11や配線材15との密着性等の観点から、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)等の樹脂を用いることが好適である。
配線材15は、隣接して配置される太陽電池11同士を接続する。配線材15の一端側は、隣接して配置される太陽電池11のうち、一方の太陽電池11の第1電極30に取り付けられる。配線材15の他端側は、他方の太陽電池11の第2電極40に接続される。配線材15は、隣接する太陽電池11の間で太陽電池モジュール10の厚み方向に折れ曲がり、隣接する太陽電池11同士を直列に接続する。
次に、図4〜図6を参照しながら、配線材15と、第1電極30及び第2電極40との接続形態について詳説する。図4は、図2のB部拡大図である。同図では、図面の明瞭化のため、配線材15については外形線のみを二点鎖線で示す。図5及び図6は、図4のC‐C線断面の一部を示す図であって、それぞれ受光面側、裏面側を示す。
配線材15は、接着剤16を用いて、第1電極30上及び第2電極40上に取り付けられる。接着剤16には、例えば、エポキシ樹脂やアクリル樹脂、ウレタン樹脂等に、必要により硬化剤を混合した熱硬化型接着剤を用いることが好適である。かかる樹脂にはAg粒子等の導電性フィラーが含有されていてもよいが、製造コストや遮光ロス低減等の観点から、非導電性の熱硬化型接着剤が好適である。接着剤16の形態としては、例えば、フィルム状やペースト状が例示できる。
配線材15は、直線状に延びたバスバー電極33の長手方向に沿って、バスバー電極33上に設けられている。配線材15も直線状に延びた形状を有し、配線材15は、その幅方向中央部がバスバー電極33の幅方向中央部と一致した状態で配置される。配線材15の幅W15は、遮光ロス低減の観点からは細い方が好ましいが、少なくとも製造時や使用時に切断されない程度の機械的強度が必要であるため、0.5mm〜2.0mm程度が好適であり、0.8mm〜1.5mm程度がより好適である。つまり、配線材15の幅W15は、バスバー電極33の幅W33よりも広く、W15/W32が2倍〜15倍程度が好ましく、5倍〜10倍程度がより好ましい。そして、配線材15は、バスバー電極33の幅方向両側から張り出した状態で取り付けられている。このため、フィンガー電極32のバスバー電極33に近接する部分上にも配線材15が取り付けられる。
配線材15は、第1保護部材12側に向いた面に凹凸15rを有する。凹凸15rは、配線材15上に照射された光を拡散させる機能を有する。凹凸15rにより拡散された光は、第1保護部材12により再び太陽電池11側に反射するため、太陽電池11の受光効率を高めることができる。凹凸15rの凹凸高さ(凹部から凸部までの厚み方向に沿った長さ)は、10μm〜50μm程度が好適である。なお、配線材15の第2保護部材13側に向いた面は凹凸15rを有さず平坦である。このため、配線材15は、バスバー電極33に対向する面が平坦であり、バスバー電極43に対向する面に凹凸15rを有する。
接着剤16は、配線材15の直下領域Rに設けられる。具体的には、配線材15と集電極との間、及び配線材15と光電変換部20との間に設けられる。配線材15と第1電極30の集電極との間に介在する接着剤16は少量であり、その厚みは数nm〜数百nm程度である。配線材15と第2電極40の集電極との間に介在する接着剤16は、第1電極30側よりも多い。これは、配線材15の凹凸15rに起因するものであり、かかる接着剤16は、凹凸15rの凹部を埋めるように設けられることが好適である。
接着剤16は、さらに、直下領域Rからはみ出し、配線材15の側面15sに付着して設けられる。「側面15s」とは、配線材15の厚み方向に沿った面である。即ち、配線材15と集電極との接続形態には、接着剤16の直下領域Rからはみ出した部分であるフィレット16f(図4ではドットを付した部分)が形成される。フィレット16fは、例えば、配線材15を熱圧着するときに接着剤16が直下領域Rから押し出されて形成される。
フィレット16fは、配線材15の縁に沿って、配線材15の幅方向両側に形成されることが好適である。フィレット16fは、配線材15の側面15sの一部を被覆し、側面15sと光電変換部20の受光面、裏面とを直接接着する。これにより、直下領域Rのみで配線材15を接着する場合よりも接着力を高めることができる。また、充填材14が直下領域Rに侵入することを防止できる。
フィレット16fの幅は、接着剤16が遮光性を有さない場合、例えば、50μm〜300μm程度が好適である。一方、接着剤16が遮光性を有する場合には、より狭いことが好ましい。
太陽電池モジュール10は、配線材15の直下領域Rに空隙17を有する。空隙17は、直下領域Rに複数存在し、例えば、接着剤16に空気を導入する、又は接着剤16と集電極との間に空気を導入することにより形成される。空隙17は、その周囲が接着剤16に囲まれているため、接着剤16中に形成されているといえる。なお、空隙17は、配線材15を集電極から剥離した後、電子顕微鏡(SEM)を用いて接着剤16を観察することで確認できる。配線材15の剥離後、接着剤16を平面観察した場合のSEM画像は、図4のように見える。
空隙17は、接着剤16の熱膨張、それに伴う収縮により発生する応力を吸収して、その影響を緩和する機能を有する。これにより、配線材15と集電極との接触界面(配線材15と接着剤16との界面、接着剤16と集電極との界面)における剥離を抑制できる。また、空隙17は、直下領域Rから接着剤16を押し出して、効率良くフィレット16fを形成させる。空隙17は、直下領域Rに設けられることが好ましいが、フィレット16f中に存在してもよい。
空隙17の多くは、直下領域Rにおいて、配線材15と光電変換部20との間に形成される。空隙17は、例えば、平面視略円形状を呈し、その寸法(直径)は、40μm〜150μm程度が好適である。空隙17には、例えば、配線材15から光電変換部20まで連通するものが含まれる。
空隙17は、直下領域Rにおいて、バスバー電極33,43の縁に沿って形成される。例えば、バスバー電極33,43の縁に沿って複数の空隙17が列状に形成される。そして、バスバー電極33,43の縁には、その他の領域よりも空隙17が高密度で形成される。なお、バスバー電極33,43の縁とは、電極端部からの距離が、電極の幅W33,W43程度である範囲内を意味する。つまり、直下領域Rの幅方向両端部よりも幅方向中央部側で空隙17の密度が高くなっている。これにより、接着剤16の体積変化による影響を十分に緩和しながら、フィレット16f部分を含む直下領域Rの幅方向両端部近傍では高い接着力が発現される。
本実施形態では、受光面側よりも裏面側において、配線材15と集電極との間に空隙17が多く形成されている。或いは、配線材15と集電極との間には、裏面側のみにおいて空隙17が形成される。これは、配線材15の凹凸15rに起因するものであり、凹凸15rの凹部と第2電極40の集電極との間に空隙17が形成されている。これにより、裏面側における応力緩和の効果が顕著になり、太陽電池11の反りを抑制することができる。なぜならば、第2電極40は、第1電極30よりも金属粒子成分が多いため、太陽電池11の受光面側よりも裏面側において、応力が強くなってしまうからである。
図7に示すように、バスバー電極33は、凹凸を繰り返しながら延び、平面視ジグザグ形状を有するものであってもよい。この場合も、配線材15の直下領域Rにおいて、バスバー電極33の縁に沿って空隙17が設けられる。また、接着剤16は直下領域Rからはみ出し、フィレット16fが形成される。
次に、上記構成を備える太陽電池モジュール10の製造方法の一例について詳説する。ここでは、配線材15の取り付け工程を説明するために図8及び図9を参照する。図8及び図9は、第1電極30の集電極上に接着剤16を設けて直下領域Rに空隙17を導入する工程を示す断面図である(第2電極40側についても同様)。
太陽電池モジュール10は、各構成部材を積層して熱圧着するラミネート工程を経て製造することができる。この場合、充填材14は、例えば、厚みが0.1mm〜1.0mm程度のフィルムの形態で供給される。太陽電池モジュール10の製造過程では、まず、太陽電池11が公知の方法により製造される。太陽電池11が準備されると、太陽電池11の第1電極30上及び第2電極40上に接着剤16を用いて配線材15を取り付け、隣接配置される太陽電池11同士を直列接続する。こうして、太陽電池11のストリングを作製する。接着剤16には、例えば、フィルム状やペースト状の熱硬化性樹脂からなる接着剤を使用できる。
図8は、フィルム状の接着剤16を用いて配線材15を取り付ける場合を示す。この場合、図8(a)に示すように、バスバー電極33よりも幅広のフィルム状の接着剤16を集電極上に配置する。従来では、この状態からクッション性のある部材で接着剤16を押圧しながら熱処理して、接着剤16がバスバー電極33の形状に沿うように成形するが、本実施形態ではかかる部材を使用しない。本実施形態では、図8(b)に示すように、接着剤16と光電変換部20及び集電極との間に空気を抱き込むように処理する。かかる処理方法としては、平坦で剛性の高いプレートを用いて接着剤16を押圧する方法が例示できる。或いは、接着剤16に熱風を当てて軟化させ、接着剤16の自重で幅方向両側を垂れ下がらせてもよい。なお、熱処理は、接着剤16が軟化し、且つ硬化しない程度の温度で行う。
図9は、ペースト状の接着剤16を用いて配線材15を取り付ける場合を示す。この場合、空隙17となる空気17zを含有するペースト状の接着剤16を用いる。そして、かかる接着剤16をディスペンサ等によりバスバー電極33上に塗工する。空気17zを含有するペースト状の接着剤16は、例えば、空気17zを保持でき、塗工可能な程度に粘度調整されたペーストを空気中で撹拌処理して調整できる。調整された接着剤16は、脱気処理を行うことなく塗工される。
配線材15の取り付け工程では、上記のように処理又は塗工された接着剤16上に、配線材15を配置して熱圧着する。加熱温度は、接着剤16が硬化する温度に設定される。このとき、直下領域Rに存在する接着剤16の一部が直下領域Rから押し出されて、フィレット16fが形成される。なお、接着剤16が硬化するまでの間に、空隙17の一部が接着剤16で埋まる場合がある。接着剤16の使用量(重量)、及び熱圧着条件が同じである場合、空隙17の導入量が多いほど接着剤16が直下領域Rから押し出され易くフィレット16fが形成され易くなる。つまり、本製造工程によれば、空隙17の導入量を調整することにより、フィレット16fの形状を調整することができる。
続いて、第1保護部材12上に充填材14を構成する第1の樹脂フィルムを積層し、第1の樹脂フィルム上に太陽電池11のストリングを積層する。さらに、太陽電池11上に充填材14を構成する第2の樹脂フィルムを積層し、その上に第2保護部材13を積層する。そして、各樹脂フィルムが溶融する温度で加熱しながら、第2保護部材13側から圧力を加えてラミネートする。こうして、太陽電池11のストリングが充填材14で封止された構造が得られる。最後に、フレームや端子ボックスを取り付けて、太陽電池モジュール10が製造される。
以上のように、太陽電池モジュール10は、配線材15の直下領域Rに空隙17を有し、且つ配線材15の縁に沿って側面15sと光電変換部20とを直接接着するフィレット16fを有する。空隙17は、接着剤16の熱膨張、それに伴う収縮により発生する応力を吸収して接着界面の剥離を抑制する。そして、フィレット16fを設けたことにより、配線材15の直下領域Rのみで接着する場合と比べて接着力を高めることができる。
空隙17により、フィレット16fの形状を容易に制御することができる。例えば、空隙17の導入量を増やすことで接着剤16の使用量を低減しながらフィレット16fの幅を広げることができる。空隙17の導入量を減らせばフィレット16fの幅を狭くすることができる。
フィレット16f等により、直下領域Rの端部における接着力を高めることができ、充填材14が直下領域Rに入り込むことを防止できる。充填材14が直下領域Rに入り込むと充填材14の熱膨張等により配線材15の剥離が促進されるが、当該接着形態によれば、このような状況を防止できる。
したがって、太陽電池モジュール10によれば、配線材15と集電極との良好な接続性を維持することができる。
上記実施形態は、本発明の目的を損なわない範囲で適宜設計変更できる。
例えば、凹凸15rを有さない配線材を用いてもよい。また、フィンガー電極42の代わりに、透明導電層41上の全域に形成される金属層を設けてもよい。
光電変換部には、上記以外の構造を適用してもよい。
例えば、図10に示されるように、n型単結晶シリコン等からなる基板51の受光面側にi型非晶質シリコン層52及びn型非晶質シリコン層53を順に形成し、基板51の裏面側にi型非晶質シリコン層54及びp型非晶質シリコン層55で構成されたp型領域と、i型非晶質シリコン層56及びn型非晶質シリコン層57で構成されたn型領域とを形成した光電変換部50であってもよい。
光電変換部50の場合、基板51の裏面側のみに電極が設けられる。電極は、p型領域上に形成されたp側集電極58と、n型領域上に形成されたn側集電極59とを含む。そして、p型領域とp側集電極58との間、n型領域とn側集電極59との間には、透明導電層60が形成されている。p型領域とn型領域との間には、絶縁層61が形成されている。この場合、モジュール化において、p側集電極58上及びn側集電極59上に、それぞれ配線材15が取り付けられる。
また、図11に示されるように、p型多結晶シリコン等からなる基板71と、基板71の受光面上に形成されたn型拡散層72と、基板71の裏面上に形成されたアルミニウム金属膜73とから構成される光電変換部70であってもよい。
10 太陽電池モジュール、11 太陽電池、12 第1保護部材、13 第2保護部材、14 充填材、15 配線材、15r 凹凸、15s 側面、16 接着剤、16f フィレット、17 空隙、20 光電変換部、21 基板、22,23 非晶質半導体層、30 第1電極、31,41 透明導電層、32,42 フィンガー電極、33,43 バスバー電極、40 第2電極、R 直下領域。

Claims (4)

  1. 光電変換部、及び前記光電変換部上に形成された電極を有する複数の太陽電池と、
    前記電極上に接着剤を用いて取り付けられ、前記太陽電池同士を接続する配線材と、
    を備え、
    前記接着剤は、前記配線材の直下領域からはみ出し、前記配線材の側面に付着して設けられ、
    前記直下領域に空隙を有
    前記電極には、前記配線材よりも幅が狭く、前記配線材が幅方向両側から張り出して取り付けられるバスバー電極が含まれ、
    前記空隙は、前記配線材と前記光電変換部との間において、前記バスバー電極の縁に沿って形成される、太陽電池モジュール。
  2. 前記空隙は、前記直下領域の前記接着剤中に形成され、前記空隙の周囲は前記接着剤に囲まれている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記配線材は、前記電極に対向する面に凹凸を有し、
    前記空隙は、前記電極と前記配線材の凹部との間に形成される、請求項1又は2に記載の太陽電池モジュール。
  4. 光電変換部上に電極が形成された複数の太陽電池を準備し、接着剤を用いて前記太陽電池の前記電極上に配線材を熱圧着して前記太陽電池同士を接続する工程を備え、
    前記工程では、前記配線材の直下領域に前記接着剤を設けて空隙を導入した後、前記配線材を熱圧着することで前記直下領域から前記接着剤を押し出してフィレットを形成
    前記電極には、前記配線材よりも幅が狭く、前記配線材が幅方向両側から張り出して取り付けられるバスバー電極が含まれ、
    前記空隙は、前記配線材と前記光電変換部との間において、前記バスバー電極の縁に沿って形成される、太陽電池モジュールの製造方法。
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