JPWO2015008455A1

JPWO2015008455A1 - 太陽電池モジュール

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Publication number: JPWO2015008455A1
Application number: JP2015527167A
Authority: JP
Inventors: 聡生柳浦; 裕幸神納; 宜英川下; 亮治内藤; 沙織山下
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2017-03-02
Also published as: WO2015008455A1; US20170301815A1; US20160126392A1

Abstract

太陽電池モジュールは、複数の太陽電池（１４）と、隣接する一方側の太陽電池（１４ａ）の受光面側と他方側の太陽電池（１４ｂ）の裏面側との間を接続する接続部材（１５）とを備え、接続部材（１５）は、一方側の太陽電池（１４ａ）の受光面側に配置される平坦部（２０）、他方側の太陽電池（１４ｂ）の裏面側に配置される平坦部（２１）、及び平坦部（２０）と平坦部（２１）を結ぶ中間部（２２）を含む導電体で構成され、平坦部（２０）または平坦部（２１）と中間部（２２）との境界領域の硬度は、平坦部（２０）または平坦部（２１）の硬度に比べ、１．２５倍以下である。

Description

本発明は太陽電池モジュールに係り、特に接続部材を用いて複数の太陽電池を接続する太陽電池モジュールに関する。

太陽電池モジュールは、複数の太陽電池を複数の接続部材で互いに接続して構成される。

特許文献１には、互いに隣接する太陽電池が接続部材によって接続される太陽電池モジュールにおいて、接続部材に凹凸部を設けることで、太陽電池モジュールの製造過程でセル割れや電極剥離が発生するのを防止できると述べられている。

特開２００５−３０２９０２号公報

太陽電池モジュールにおいて、ガラス等の表面保護部材と太陽電池との間の熱膨張係数の違いによって引き起こされる疲労破壊を抑制することである。

本発明に係る太陽電池モジュールは、複数の太陽電池と、隣接する一方側の太陽電池の受光面側と他方側の太陽電池の裏面側との間を接続する接続部材と、接続部材で互いに接続された太陽電池の受光面側と裏面側にそれぞれ封止材を介して配置される受光面側の保護部材と裏面側の保護部材と、を備え、接続部材は、一方側の太陽電池の受光面側に配置される第１平坦部、他方側の太陽電池の裏面側に配置される第２平坦部、及び第１平坦部と第２平坦部を結ぶ中間部を含む導電体で構成され、第１平坦部または第２平坦部と中間部との境界領域の硬度は、第１平坦部または第２平坦部の硬度に比べ、１．２５倍以下である。

本発明に係る太陽電池モジュールは、接続部材の硬度差が小さいため、疲労破壊を抑制することができる。

本発明の実施の形態における太陽電池モジュールの断面図である。図１の部分拡大図である。（ａ）は、積層方向と延在方向の縮尺を同じとした拡大図であり、（ｂ）は、厚さ方向を延在方向に比較して拡大した模式図であり、（ｃ），（ｄ）は、接続部材が延びる方向に垂直な面で切断したときの断面図である。従来技術において、接続部材を屈曲させる方法を示す図で、（ａ）は、接続部材が延びる方向に沿った側面図、（ｂ），（ｃ）は、接続部材が延びる方向に垂直な面で切断したときの断面図である。図３の屈曲された接続部材における硬度測定を示す図で、（ａ）は、硬度測定が行われる個所を示す模式図、（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ、接続部材の厚さ方向に沿って異なる測定箇所における硬度分布を示す図である。従来技術の接続部材と折り曲げ形成工程前の接続部材について、温度サイクルにおける疲労破壊発生確率を比較する図である。

以下に、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下で述べる材質、厚さ、寸法、太陽電池の数等は、説明のための例示であって、太陽電池モジュールの仕様に応じ適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（太陽電池モジュール１０の構成）
図１は、太陽電池モジュール１０の断面図である。太陽電池モジュール１０は、受光面側から裏面側に向かって、保護部材１２と、封止材１３と、複数の太陽電池１４及びこれらを互いに接続する複数の接続部材１５と、封止材１６と、保護部材１７と、順に備える。以下では、受光面側から裏面側に向かう各部材の配列方向を積層方向とする。なお、受光面とは主に光が入射する面であり、裏面とは受光面に対向する面である。

受光面側の保護部材１２は、外部から光を取り入れることができる透明な板体やシートである。保護部材１２としては、ガラス板、樹脂板、樹脂シート等の透光性を有する部材を用いることができる。

受光面側の封止材１３は、接続部材１５で相互に接続される複数の太陽電池１４に対し、衝撃の緩衝材としての役割と、汚染物質、異物、水分等の侵入を防ぐ機能等を有する部材である。封止材１３は、耐熱性、接着性、柔軟性、成形性、耐久性等を考慮して材質が選定される。封止材１３は、外部からの光を取り入れるため、できるだけ高い透明性を有し、入射した光を吸収したり反射することなく透過させる透明充填材が用いられる。例えば、ポリエチレン系のオレフィン樹脂やエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等が用いられる。ＥＶＡ以外には、ＥＥＡ、ＰＶＢ、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等を用いることもできる。

太陽電池１４と接続部材１５の構成等については後述する。

裏面側の封止材１６は、受光面側の封止材１３と同様の機能を有する部材である。封止材１６は、封止材１３と同様の構成の充填材を用いてもよいし、適当な反射性を有するように有色の充填材を用いてもよい。適当な反射性を有する有色の充填材としては、上記の無色透明な充填材に、白色に着色するための添加材として、酸化チタンや酸化亜鉛等の無機顔料が添加されたものを用いることができる。

裏面側の保護部材１７は、不透明な板体やシートを用いることができる。具体的には、フッ素系樹脂やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂シートの他、これらの樹脂シートでアルミ箔を挟んだ積層シートを用いることもできる。なお、保護部材１７として、無色透明なシートを用いてもよい。

（太陽電池１４と接続部材１５の構成）
次に、太陽電池１４と接続部材１５の構成について、図２を用いて説明する。図２は、図１のＡ部を拡大して、隣接する２つの太陽電池１４の間を接続部材１５で接続する様子を示す図である。以下では、積層方向に対して垂直で且つ複数の太陽電池１４が接続部材１５に接続されて延びる方向を延在方向とし、積層方向に対して垂直で且つ延在方向に対して直交する方向を幅方向とする。なお、厚さ方向とは、積層方向と同一の方向であり、厚さとは、積層方向における寸法、すなわち長さである。

図２（ａ）は、積層方向と延在方向の縮尺を同じとした拡大図である。ここでは、延在方向において隣接する２つの太陽電池１４ａ，１４ｂの間の間隔をＳ、太陽電池１４ａ，１４ｂの厚さをｔ_CELL、接続部材１５の厚さをｔ_SZB、接続部材１５を太陽電池１４ａの受光面側から太陽電池１４ｂの裏面側に配置するときの接続部材１５の積層方向の段差をＨで示した。図２（ｂ）,（ｃ），（ｄ）は、積層方向を延在方向に比較して約５倍に拡大して示す模式図である。（ｂ）は、（ａ）に対応する断面図、（ｃ），（ｄ）は、側面図である。

太陽電池１４は、図１には図示しないが、光電変換部と受光面集電極と裏面集電極とを備える。

光電変換部は、太陽光等の光を受光することで正孔および電子の光生成キャリアを生成する。光電変換部は、例えば、結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体材料の基板を有する。光電変換部の構造は、広義のｐｎ接合である。例えば、ｎ型単結晶シリコン基板と非晶質シリコンのヘテロ接合を用いることができる。この場合、受光面側の基板上に、ｉ型非晶質シリコン層と、ボロン（Ｂ）等がドープされたｐ型非晶質シリコン層と、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）の透光性導電酸化物で構成される透明導電膜（ＴＣＯ）を積層し、基板の裏面側に、ｉ型非晶質シリコン層と、燐（Ｐ）等がドープされたｎ型非晶質シリコン層と、透明導電膜を積層する両面発電型の構造とできる。

光電変換部は、太陽光等の光を電気に変換する機能を有すれば、これ以外の構造であってもよい。例えば、ｐ型多結晶シリコン基板と、その受光面側に形成されたｎ型拡散層と、その裏面側に形成されたアルミニウム金属膜とを備える構造であってもよい。

受光面集電極、裏面集電極は、接続用電極であり、接続部材１５が接続される。１つの太陽電池は、例えば、受光面に３本の受光面集電極と、裏面側に３本の裏面集電極を有する。受光面集電極は、太陽電池１４の幅方向に沿って並んで配置されており、延在方向に延びている。裏面集電極も同様である。受光面集電極、裏面集電極の幅としては１．５ｍｍから３ｍｍ程度が好ましく、厚さは２０μｍから１６０μｍ程度が好ましい。また、太陽電池１４の受光面および裏面には、それぞれ受光面集電極、裏面集電極に直交する複数の細線電極が形成されていてもよく、細線電極は受光面集電極、裏面集電極と電気的に接続される。

接続部材１５は、隣接する太陽電池１４を接続する導電性部材である。接続部材１５は、隣接する太陽電池１４を接続する導電性部材である。接続部材１５は、隣接する太陽電池１４のうち、一方側の太陽電池１４ａの受光面上の３本の受光面集電極に接続されるとともに、他方側の太陽電池１４ｂの裏面上の３本の裏面集電極に接続される。接続部材１５と、受光面集電極、裏面集電極とは、接着剤を介して接続される。接続部材１５の幅は、受光面集電極、裏面集電極と同じかやや大きめに設定される。接続部材１５としては、銅等の金属導電性材料で構成される薄板を用いる。場合に応じて、薄板に代えて撚り線状のものを用いることもできる。導電性材料としては、銅の他に、銀、アルミニウム、ニッケル、錫、金、あるいはこれらの合金を用いることができる。

図２に示すように、接続部材１５は、厚さ方向において重畳する両側の面を、一方側の面は平坦面、他方側の面は凹凸形状を有する拡散面２３としてもよい。凹凸形状は、接続部材１５の延びる方向に延びる複数の凹凸溝で形成される。拡散面２３は、太陽電池モジュール１０において受光面側に入射する光で接続部材１５に当たる部分を乱反射させて受光面側の保護部材１２の裏面側で再反射させる。これによって、接続部材１５に一旦当たった光を太陽電池１４ａ，１４ｂの受光面に入射させ、受光効率を向上させることができる。

太陽電池１４の受光面電極や裏面電極と、接続部材１５とを接続する接着剤としては、半田の他、アクリル系、柔軟性の高いポリウレタン系、あるいはエポキシ系等の熱硬化性樹脂接着剤を用いることができる。接着剤として、絶縁性の樹脂接着剤を用いる場合、接続部材１５または受光面集電極の互いに対向する面のいずれか一方または双方を凹凸化して、接続部材１５と受光面集電極の間から樹脂を適当に排除して電気的接続を取るようにすることが好ましい。また、接着剤は、ニッケル、銀、金コート付ニッケル、錫メッキ付銅等の導電性粒子を絶縁性の樹脂接着剤に含ませた導電性接着剤を用いてもよい。なお、接着剤の厚さは、接続部材１５の厚さに比べ薄いので、各図において接着剤の表示を省略してある。

図２（ｂ）に示すように、接続部材１５は、一方側の太陽電池１４ａの受光面側に配置される平坦部２０、他方側の太陽電池１４ｂの裏面側に配置される平坦部２１、及び平坦部２０と平坦部２１を結ぶ中間部２２を含む。平坦部２０と中間部２２の境界領域、中間部２２と平坦部２１の境界領域は、明らかな屈曲点を持たずに、滑らかに変化する。すなわち、接続部材１５の断面図における接線の傾斜は、一方側の太陽電池１４ａの受光面側から他方側の太陽電池１４ｂの裏面側に向かって、連続的に変化し、不連続となる変極点を有しない。

このように、１つの接続部材１５を、一方側の太陽電池１４ａの受光面側から他方側の太陽電池１４ｂの裏面側に配置する際に、滑らかに変化する形状とするには、接続部材１５を工具の幅方向に沿った稜線で加圧して屈曲させずに、例えば、工具の面で全体を加圧し、変形させるようにする。このように、接続部材１５を、一方側の太陽電池１４ａの受光面側から他方側の太陽電池１４ｂの裏面側にかけて、滑らかに変化するようにすると、接続部材１５の加圧した境界領域に対応する部分の硬さが固くなることを抑制することができる。

（従来技術との比較）
図３は、比較のために、従来技術のおける接続部材３０の一例を示す図である。従来技術における接続部材３０には、拡散面２３を形成し、所定の幅に切断した長尺の導体素材を予め形成し、熱処理により加工歪等を除去したものが用いられる。この長尺の導体素材は一旦、リール状に巻かれて保管される。この段階では、加工歪を除去する熱処理により接続素材の全体に渡ってほぼ一定の硬さであり、接続部材１５の厚さ方向、延在方向、幅方向において、硬さ分布が一様の硬度とされている。

次に、太陽電池モジュール１０を製造するときに、このリールから導体素材を巻き戻し、真っ直ぐに成形しながら、隣接する２つの太陽電池１４ａ，１４ｂを接続するために必要な長さに切断する。太陽電池１４ａ，１４ｂが一辺の長さを１２５ｍｍ程度の略正方形形状とすると、約２５０ｍｍの長さに切断する。

そして、図３（ａ）に示すように、隣接する２つの太陽電池１４ａ，１４ｂの間の間隔であるＳだけ離間させて配置させた２つの折り曲げ工具３２，３３を用い、ｔａｎθ＝Ｈ／Ｓとなるように、断面図における境界領域Ｂ，Ｃで折り曲げる。一例を挙げると、Ｓ／Ｈ＝５のときは、ｔａｎθ＝Ｈ／Ｓ＝０．２であるので、θは約１０度となる。すなわち、従来技術の接続部材３０は、平坦部２０と中間部２２の境界領域Ｂで、約１０度の角度をつけて折り曲げられ、中間部２２と平坦部２１の境界領域Ｃで、約１０度の角度をつけて逆方向に折り曲げられ、屈曲形状が形成される。

このように、２つの境界領域Ｂ，Ｃを有する折り曲げ部材として、接続部材３０が形成され、この折り曲げた形状で、一方側の太陽電池１４ａの受光面集電極に平坦部２０が接着剤を介して接続されるとともに、他方側の太陽電池１４ｂの裏面集電極に平坦部２１が接着剤を介して接続される。

この折り曲げ形成工程において、接続部材３０には、境界領域Ｂ，Ｃの周辺に加工歪が発生し、その加工硬化により、境界領域Ｂ，Ｃの近傍にあっては硬度が高くなり、接続部材３０の硬度分布が不均一になる。図４は、従来技術の接続部材３０における硬度測定を示す図である。

硬度測定は、ミツトヨ社製の型式番号ＨＭ−２２１のマイクロビッカース硬度計を用いて行った。測定圧は、接続部材３０の材質が銅であるので、その標準的なマイクロビッカース硬度である６０〜８０Ｈｖの硬度測定に適したものとしてＨＭ−２２１で推奨される値に設定した。

図４（ａ）は、図３に対応する図で、硬度測定が行われる箇所を示す模式図である。Ｂ，Ｃは、それぞれ図３の境界領域Ｂ，Ｃに対応する箇所を示し、Ｄは、平坦部２１で境界領域Ｃから延在方向に沿って十分離れた箇所を示す。ここで、硬度測定は、Ｂ，Ｃ，Ｄの各箇所において、接続部材３０の厚さ方向に沿った３つの測定位置３４，３５，３６で行った。測定位置３４は、接続部材３０の拡散面２３に近い側の位置であり、測定位置３５は、接続部材３０の厚さ方向のほぼ中心位置であり、測定位置３６は、接続部材３０の拡散面２３の反対側である平坦面に近い側の位置である。

図４（ｂ）は、測定位置３４における硬度分布を示す図で、横軸が接続部材３０の延在方向に沿った位置であり、縦軸はマイクロビッカース硬度である。縦軸は相対値で示すが、１目盛がマイクロビッカース硬度で、１０Ｈｖの差に相当する。硬度測定は、Ｂ，Ｃ，Ｄの各箇所の測定位置３４において、互いに測定位置を離しながらそれぞれ４回ずつ行って平均値を出して求めた。この硬度測定は、３つの接続部材３０に対して行った。図４（ｂ）では、Ｂ，Ｃ，Ｄの各箇所のそれぞれにおける３つの接続部材３０のマイクロビッカース硬度の平均値が示される。

同様に、図４（ｃ）は、測定位置３５における硬度分布を示す図で、図４（ｄ）は、測定位置３６における硬度分布を示す図である。それぞれの図で、３つの接続部材３０の硬度値のばらつきの中央値を一点鎖線で結び、Ｂ，Ｃ，Ｄの各箇所の硬度の違いを示した。

それぞれの図に示されるように、境界領域Ｂ，Ｃに対応する箇所の硬度は、平坦部２１における硬度よりも高い。実験の結果では、境界領域Ｂ，Ｃに対応する箇所の硬度は、太陽電池１４ａ，１４ｂ上の平坦部２１の硬度に比べ、平均値では１．２５倍より大きい値となった。境界領域Ｂ，Ｃに対応する箇所の間では、境界領域Ｃに対応する箇所の硬度が境界領域Ｂに対応する箇所の硬度よりも高い。また、拡散面２３が太陽電池１４ｂの表面に接触する境界領域Ｃに対応する箇所の硬度は、３つの接続部材３０の間でのばらつきが大きい。これらは、拡散面２３の凹凸形状の凸部を折り曲げ工具３３で加圧し、受光面側に折り曲げ、境界領域Ｃとしているため、境界領域Ｃの凸部近傍の加工歪が大きくなり、硬度が高くなったものと考えられる。測定の全体を通して最も高い硬度値は、この境界領域Ｃに対応する箇所で現れた。実験の結果では、境界領域Ｃの凸部近傍の硬度は、境界領域Ｃの凹部近傍の硬度に比べ、１．１倍より大きい値となった。

図５は、接続部材における硬度の差と、温度サイクルテストにおける太陽電池モジュール１０における疲労破壊発生確率との関係を調べた結果を示す図である。図５の横軸は、温度サイクル数で、縦軸は、疲労破壊発生確率である。横軸、縦軸は、共に規格化して示した。温度サイクルは、太陽電池モジュール１０に対して、−４０℃と＋９０℃で環境温度を変化させて行った。

図５では、折り曲げ形成工程前の接続部材１５のように、加工歪を除去する熱処理により接続素材の全体に渡って一様な硬度の試料の特性線４１と、図３の構造を有する従来技術の接続部材３０のように、境界領域Ｂ，Ｃに対応する箇所の硬度が、太陽電池１４ａ及び１４ｂ上の平坦部２１の硬度に比べ、平均値では１．２５倍より大きい値となった試料の特性線４２が示される。

図５に示されるように、従来技術の接続部材３０の試料の特性線４２では、温度サイクル数が増加するに従って疲労破壊発生確率がほぼ線形で増加し、温度サイクル数が０．８Ｎでほぼ飽和し最大値となる。これに対し、硬度ばらつきが少ない折り曲げ形成工程前の試料の特性線４１では、０．８Ｎまでほとんど疲労破壊確率が変化せず低い値を維持する。

硬度ばらつきが大きいと疲労破壊発生確率が高くなる理由としては、次のように考えられる。すなわち、太陽電池モジュール１０を構成する各要素の中で、太陽電池１４は、熱膨張係数が最も小さく、また、最も薄い厚さを有する。これに対し、受光面側の保護部材１２は、熱膨張係数が太陽電池１４よりも５倍程度大きく、また、最も厚い厚さと金属に近いヤング率を有する。裏面側の保護部材１７、封止材１３，１６や接着剤は、太陽電池１４と受光面側の保護部材１２との間の温度膨張係数を有する。接続部材１５，３０は、金属であるので、温度膨張係数は大きいが、断面積が他の部材に比べて１０分の１以下であるため、他の部材の伸縮の影響を受けやすい。したがって、温度変化によって、太陽電池１４はほとんど位置を変化させないが、受光面側の保護部材１７は、温度変化に応じて大きく伸縮する。この伸縮は、断面積の小さい接続部材１５，３０によって吸収される。

したがって、太陽電池モジュール１０を温度サイクルテストに掛けると、接続部材１５，３０が繰り返し伸縮する。接続部材１５のように、硬度分布が全体として一様であると、材料自体の疲労限度に至るまで、疲労破壊は生じない。これに対し、接続部材３０のように硬度分布が一様でなく、境界領域Ｂ，Ｃに対応する箇所のように、局部的に硬い箇所があると、その箇所に応力が集中し、破壊しやすくなる。このような理由で、硬度分布のばらつきが大きい試料の特性線４２は、疲労破壊発生確率が高くなる、と考えられる。

そこで、本願発明に係る実施の形態では、接続部材１５においては、境界領域Ｂ，Ｃに対応する箇所の硬度が、太陽電池１４ａ，１４ｂ上の平坦部２１の硬度に比べ、１．２５倍以下となるようにして実験を行ったところ、疲労破壊発生確率を従来技術に係る接続部材３０に比べ低減することができた。さらに接続部材１５においては、境界領域Ｂ，Ｃに対応する箇所の硬度が、太陽電池１４ａ，１４ｂ上の平坦部２１の硬度に比べ、１．１倍以下となるようにして実験を行ったところ、疲労破壊発生確率をより低減することができた。また同様に、境界領域Ｃの凸部近傍の硬度が、境界領域Ｃの凹部近傍の硬度に比べ、１．１倍以下となるようにして実験を行ったところ、疲労破壊発生確率を従来技術に係る接続部材３０に比べ低減することができた。

１０太陽電池モジュール、１２（受光面側の）保護部材、１３（受光面側の）封止材、１４，１４ａ，１４ｂ太陽電池、１５，３０接続部材、１６（裏面側の）封止材、１７（裏面側の）保護部材、２０，２１平坦部、２２中間部、２３拡散面、３２，３３工具、３４，３５，３６測定位置、４１，４２特性線。

Claims

複数の太陽電池と、
隣接する一方側の前記太陽電池の受光面側と他方側の前記太陽電池の裏面側との間を接続する接続部材と、
前記接続部材で互いに接続された前記太陽電池の前記受光面側と前記裏面側にそれぞれ封止材を介して配置される前記受光面側の保護部材と前記裏面側の保護部材と、
を備え、
前記接続部材は、
前記一方側の太陽電池の前記受光面側に配置される第１平坦部、前記他方側の太陽電池の前記裏面側に配置される第２平坦部、及び前記第１平坦部と前記第２平坦部を結ぶ中間部を含む導電体で構成され、前記第１平坦部または前記第２平坦部と前記中間部との境界領域の硬度は、前記第１平坦部または前記第２平坦部の硬度に比べ、１．２５倍以下である、太陽電池モジュール。
請求項１に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記接続部材は、
前記第１平坦部または前記第２平坦部と前記中間部との前記境界領域の硬度は、前記第１平坦部または前記第２平坦部の硬度に比べ、１．１倍以下である、太陽電池モジュール。
請求項１または請求項２に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記接続部材は、
厚さ方向に重畳する両側の面のうち一方側の面は平坦面で、他方側の面は光を乱反射させる拡散面である、太陽電池モジュール。
請求項３に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記拡散面は、凹凸形状により構成され、前記境界領域における前記凹凸形状の凸部近傍の硬度が幅方向に近接する凹部近傍に比べ、１．１倍以下である、太陽電池モジュール。