JP2011054660A - 太陽電池ストリング及びそれを用いた太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池の電極と配線部材の密着性を確保しながら太陽電池への応力緩和が実現できる太陽電池モジュールを提供することにある。
【解決手段】 複数の太陽電池１０と、複数の太陽電池１０同士を電気的に接続する配線部材１１とを備え、複数の太陽電池１０は、光電変換部２０と、光電変換部２０上に形成され、配線部材１１が接続される電極とを有し、電極上に樹脂層４１が所定間隔を開けて設けられ、電極と重なるように配線部材１１が配設され、電極と配線部材１１との間に樹脂層４１が設けられた箇所で被接着部分を形成して半田で接続されている。
【選択図】 図５

Description

この発明は、太陽電池ストリング及びそれを用いた太陽電池モジュールに係り、特に、配線部材を半田で太陽電池の電極に接続した太陽電池ストリング及びそれを用いた太陽電池モジュールに関するものである。

太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光を直接電気に変換することができるため、新しいエネルギー源として期待されている。

一般に、太陽電池１枚当たりの出力は数Ｗ程度である。このため、家屋やビル等の電源として太陽電池を用いる場合には、複数の太陽電池を接続することにより出力を高めた太陽電池モジュールが用いられる。太陽電池モジュールは、複数の太陽電池がその表裏面の電極に電気的に接続された配線部材により直列及び／又は並列に接続された構造を有している。

この太陽電池モジュールを作成する際に、太陽電池の電極と配線部材との接続には、従来、半田が用いられている。半田は、導通性、固着強度等の接続信頼性に優れ、安価で汎用性があることから広く用いられている。

半田付け方式では、配線部材と太陽電池の電極が重なった状態で配線部材の表面に形成された半田コーティング層を溶融させる必要がある。

そのため、半田付け方式では、配線部材と太陽電池の電極が重なった部分へ向けて熱風や赤外線が放射される。

この半田付け加工時には、配線部材のみならず太陽電池まで加熱されてしまうことになる。一般に、配線部材と太陽電池との間には、大きな熱膨張率の差があり、その熱膨張率の違いにより、半田と太陽電池の電極との間に応力が発生し、太陽電池にダメージを与えることがある。特に、太陽電池が薄型化するに伴い太陽電池の割れにつながる虞があった。

そこで、太陽電池の割れを防止する方法として、配線部材を不連続な複数の点状の半田付けによって太陽電池の電極に接合した太陽電池モジュールが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４−２５３４７５号公報

上記した特許文献１に記載のものは、熱源ユニットのノズルを配線部材の半田付けを要する箇所に押し当てて、不連続な複数の点状の半田付けを行っている。

しかしながら、この従来の方法では、不連続な複数の点状の半田付けを行うために特別な熱源ユニットを用意する必要がある等の問題がある。

この発明の目的は、特別な熱源ユニットを用いることなく、太陽電池の電極と配線部材の密着性を確保しながら太陽電池への応力緩和が実現できる太陽電池モジュールを提供することにある。

この発明の太陽電池ストリングは、複数の太陽電池と、前記複数の太陽電池同士を電気的に接続する配線部材とを備える太陽電池ストリングであって、前記複数の太陽電池は、光電変換部と、前記光電変換部上に形成され、前記配線部材が接続される電極とを有し、前記電極上に樹脂層が所定間隔を有して設けられ、前記電極と重なるように前記配線部材が配設され、前記電極と配線部材とが前記樹脂層が設けられた箇所で被接着部分を形成して半田で接続されていることを特徴とする。

この発明の太陽電池モジュールは、表面部材と、裏面部材と、前記表面部材と裏面部材との間に配設され、配線部材によって電気的に接続された複数の太陽電池と、前記表面部材と裏面部材との間に、前記複数の太陽電池を封止する封止材と、を備えた太陽電池モジュールであって、前記複数の太陽電池は、光電変換部と、前記光電変換部上に形成され、前記配線部材が接続される電極とを有し、前記電極上に樹脂層が所定間隔を有して設けられ、前記電極と重なるように前記配線部材が配設され、前記電極と配線部材とが前記樹脂層が設けられた箇所で被接着部分を形成して半田で接続されていることを特徴とする。

この発明によれば、樹脂層を設けた箇所は、電極の主材料である銀と半田との間で合金が形成されずに、電極と配線部材との間に一定間隔で被接着部分が形成され、電極と配線部材との密着性を確保しながら太陽電池への応力緩和が実現できる。

この発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの側面拡大断面図である。 この発明の実施形態に係る太陽電池の平面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 図２に示したバスバー電極上に配線部材を配設した状態を示す平面図である。 図５のＣ−Ｃ切断面における拡大断面図である。 図５のＤ−Ｄ切断面における拡大断面図である。 この発明の実施形態に係る太陽電池の例を示す平面図である。 この発明の実施形態に係る太陽電池の例を示す平面図である。 この発明の実施形態に係る太陽電池の例を示す平面図である。 この発明の実施形態に係る太陽電池の例を示す平面図である。 この発明の実施形態に係る太陽電池の例を示す平面図である。

この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

この発明の実施形態に係る太陽電池モジュール１００の概略構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、この実施形態に係る太陽電池モジュール１００の側面拡大断面図である。

太陽電池モジュール１００は、太陽電池ストリング１、受光面側保護材２、裏面側保護材３及び封止材４を備える。太陽電池モジュール１００は、受光面側保護材２と裏面側保護材３との間に、太陽電池ストリング１を封止することにより構成される。

太陽電池ストリング１は、複数の太陽電池１０と配線部材１１を備える。太陽電池ストリング１は、複数の太陽電池１０を配線部材１１によって互いに接続することにより構成される。

太陽電池１０は、太陽光が入射する受光面と、受光面の反対側に設けられた裏面とを有する。太陽電池１０の受光面上及び裏面上には電極が形成される。太陽電池１０の構成については後述する。

配線部材１１は、太陽電池１０の受光面上に形成された電極と、この太陽電池に隣接する他の太陽電池１０の裏面上に形成された電極とに接続される。これにより、隣接する太陽電池１０、１０間は電気的に接続される。配線部材１１は、銅箔板と、この銅箔板の表面にメッキされた半田とを含む。この配線部材１１は、銅箔板の厚さは約２００μｍ、幅約１ｍｍ、半田の膜厚は約４０μｍである。

受光面側保護材２は、封止材４の受光面側に配置されており、太陽電池モジュール１００の表面を保護する。受光面側保護材２としては、透光性及び遮水性を有するガラス、透光性プラスチック等を用いることができる。

裏面側保護材３は、封止材４の裏面側に配置されており、太陽電池モジュール１００の背面を保護する。裏面側保護材３としては、ＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）等の樹脂フィルム、Ａｌ箔を樹脂フィルムでサンドイッチした構造を有する積層フィルムなどを用いることができる。

封止材４は、受光面側保護材２と裏面側保護材３との間で太陽電池ストリング１を封止する。封止材４としては、ＥＶＡ、ＥＥＡ、ＰＶＢ、シリコン、ウレタン、アクリル、エポキシ等の透光性の樹脂を用いることができる。

なお、以上のような構成を有する太陽電池モジュール１００の外周には、Ａｌ（アルミニウム）フレーム（図示しない）を取り付けることができる。

次に、太陽電池１０の構成について、図２を参照しながら説明する。図２は、太陽電池１０の平面図である。

太陽電池１０は、図２に示すように、光電変換部２０、フィンガー電極３０及びバスバー電極４０を備える。

光電変換部２０は、太陽光を受けることによりキャリアを生成する。ここで、キャリアとは、太陽光が光電変換部２０に吸収されて生成される正孔と電子とをいう。光電変換部２０は、内部にｎ型領域とｐ型領域とを有しており、ｎ型領域とｐ型領域との界面で半導体接合が形成される。光電変換部２０は、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ等の結晶系半導体材料、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体材料等の半導体材料などにより構成される半導体基板を用いて形成することができる。光電変換部２０は、一例として互いに逆導電型を有する単結晶シリコンと非晶質シリコン層との間に真性な非晶質シリコン層を介挿し、その界面での欠陥を低減し、ヘテロ接合界面の特性を改善した太陽電池が用いられる。

フィンガー電極３０は、光電変換部２０からキャリアを収集する電極である。図２に示すように、フィンガー電極３０は、ライン状に形成される。フィンガー電極３０は、光電変換部２０の受光面略全域にわたって複数本形成される。フィンガー電極３０は、樹脂材料をバインダーとし、銀粒子等の導電性粒子をフィラーとした樹脂型導電性ペーストを用いて形成することができる。なお、図１に示すように、フィンガー電極は、光電変換部２０の受光面上及び裏面上において同様に形成される。

バスバー電極４０は、複数本のフィンガー電極３０からキャリアを集電する電極である。図２に示すように、バスバー電極４０は、フィンガー電極３０と交差するように形成される。バスバー電極４０は、樹脂材料をバインダーとし、フィンガー電極３０と同様に銀粒子等の導電性粒子をフィラーとした樹脂型導電性ペーストを用いて形成することができる。なお、図１に示すように、バスバー電極４０は、光電変換部２０の裏面上にも形成される。

ここで、バスバー電極４０の本数は、光電変換部２０の大きさなどを考慮して、適当な本数に設定することができる。この実施形態に係る太陽電池１０は、２本のバスバー電極４０を備える。この実施形態では、バスバー電極４０は、厚さ５０μｍ、幅１ｍｍである。

光電変換部２０の表裏面には、バスバー電極４０上を除いて保護層２１が設けられている。この保護層２１は、例えば、酸化ケイ素を添加したアクリル樹脂をコーティングして設けられる。尚、この実施形態においては、保護層２１の厚みは５μｍ〜２５μｍ程度である。

そして、バスバー電極４０上に、一定の間隔で、一定の面積の樹脂層４１が設けられている。この樹脂層４１は、保護層２１と同じ材質で形成することができる。尚、この実施形態においては、樹脂層２１の厚みは５μｍ〜２５μｍ程度である。このように樹脂層４１を保護層２１とを同一工程で形成することで、工程の簡略化を図ることができる。

次に、太陽電池１０の構成の一例として、光電変換部２０が所謂ＨＩＴ構造を有する場合について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図、図４は、図２のＢ−Ｂ線断面図である。

図３に示すように、光電変換部２０は、透光性導電膜２０ａ、ｐ型非晶質シリコン層２０ｂ、真性（ｉ）型非晶質シリコン層２０ｃ、ｎ型単結晶シリコン基板２０ｄ、ｉ型非晶質シリコン層２０ｅ、ｎ型非晶質シリコン層２０ｆ及び透光性導電膜２０ｇを備える。

ｎ型単結晶シリコン基板２０ｄの受光面側には、ｉ型非晶質シリコン層２０ｃを介して、ｐ型非晶質シリコン層２０ｂが形成される。ｐ型非晶質シリコン層２０ｂの受光面側には、透光性導電膜２０ａが形成される。一方、ｎ型単結晶シリコン基板２０ｄの裏面側には、ｉ型非晶質シリコン層２０ｅを介して、ｎ型非晶質シリコン層２０ｆが形成される。ｎ型非晶質シリコン層２０ｆの裏面側には、透光性導電膜２０ｇが形成される。

フィンガー電極３０及びバスバー電極４０は、透光性導電膜２０ａの受光面側及び透光性導電膜２０ｇの裏面側それぞれに形成される。透光性導電膜２０ａ、透光性導電膜２０ｇ上及びフィンガー電極３０上には、保護層２１が設けられている。そして、バスバー電極４０上には、一定の間隔で、一定の面積の樹脂層４１が設けられている。

次に、太陽電池ストリング１の構成について、図５ないし図７を参照しながら説明する。図５は、図２に示したバスバー電極４０上に配線部材１１を配設した状態を示す、図６は、図５のＣ−Ｃ切断面における拡大断面図、図７は、図５のＤ−Ｄ切断面における拡大断面図である。

図５に示すように、配線部材１１は、バスバー電極４０に沿って配置される。即ち、配線部材１１は、太陽電池１０のバスバー電極４０上に配設される。配線部材１１の幅は、バスバー電極４０の幅と略同等である。配線部材１１は、バスバー電極４０並びに樹脂層４１に接触する。

このように、バスバー電極４０と配線部材１１とは、光電変換部２０上に配置される。そして、配線部材１１とバスバー電極４０とは、半田により電気的に接続されている。

図６及び図７に示すように、配線部材１１は、低抵抗体としての厚さ２００μｍ、幅１ｍｍの銅箔１１ａ、この銅箔１１ａの周囲に設けられる錫若しくは錫を含む合金材料からなる半田層１１ｂを含む。

半田層１１ｂは、錫、ＳｎＡｇＣｕ，ＳｎＰｂ、ＳｎＣｕＮｉ等が用いられ、この実施形態では、ＳｎＡｇＣｕ半田層１１ｂを銅箔１１ａの周囲に設けられる。図６及び図７に示すように、配線部材１１は、受光面側及び裏面側において同様の外形を有する。

バスバー電極４０と配線部材１１とは、光電変換部２０上に配置される。そして、配線部材１１とバスバー電極４０が重なった部分の全体に熱風や赤外線が放射される。配線部材１１の表面にコーティングされた半田層１１を溶融させて、バスバー電極４０と配線部材１１とを電気的に接続する。図６に示すように、樹脂層４１を設けた箇所は、バスバー電極４０の主材料である銀と半田との間で合金が形成されない。このため、この箇所では、バスバー電極４０と配線部材１１とは接着されない。また、図７に示すように、樹脂層４１が無くバスバー電極４０と配線部材１１とが直接接触する箇所は、バスバー電極４０の主材料である銀と半田との間で合金が形成され、電気的、機械的に接続される。

この結果、バスバー電極４０と配線部材１１との間に一定間隔で被接着部分が形成されることになる。

このように、特別な加熱装置を用いることなく、バスバー電極４０と配線部材１１との間に一定間隔で被接着部分が形成されることにより、バスバー電極４０と配線部材１１との密着性を確保しながら太陽電池１０への応力緩和が実現できる。

尚、上記した実施形態においては、保護層２１並びに樹脂層４１に添加剤として酸化ケイ素を添加したアクリル樹脂から構成するようにした例を示したが、この発明はこれに限らず、保護層２１並びに樹脂層４１は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ＥＶＡ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｖｉｎｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ：エチレンビニルアセテート）、ＰＶＡ（Ｐｏｌｙ Ｖｉｎｙｌ Ａｌｃｏｈｏｌ：ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（Ｐｏｌｙ Ｖｉｎｙｌ Ｂｕｔｙｒａｌ：ポリビニルブチラール）、ポリシラザンなど樹脂のうち、いずれか１種類、または、２種類以上を混合したものでもよく、これらのうちの少なくとも１つを主成分とし、添加剤として、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタンおよび酸化亜鉛などを添加したものから構成するようにしてもよい。また、添加剤は、太陽電池１０が吸収および発電するために影響する波長の光を実質的に吸収しない金属酸化物であれば、上記以外の物質であってもよい。また、添加剤は、有機化合物であってもよい。

次に、この発明による太陽電池モジュールと従来の太陽電池モジュールを用意し、出力特性を測定した結果を示す。サンプルは、図８ないし図１２に示すように、バスバー電極４０上に設ける樹脂層４１の大きさ、個数を変化させたものに配線部材１１を半田付けして接続し、そして、封止材を用いて表面のガラス部材と裏面部材との間に太陽電池を封止してモジュール化して出力の最大値（Ｐｍａｘ）を測定した。バスバー電極４０上に樹脂層を全く設けない従来の太陽電池の出力の最大値（Ｐｍａｘ）を１とした場合の相対値である。

実施例１は、図１０に示すように、直径３ｍｍ〜４ｍｍの点状の樹脂層を１つのバスバー電極４０上に４個設けて、合計８個の点状の樹脂層を設けたものである。

実施例２は、図８に示すように、直径３ｍｍ〜４ｍｍの点状の樹脂層を１つのバスバー電極４０上に８個設けて、合計１６個の点状の樹脂層を設けたものである。

実施例３は、図９に示すように、塗り幅１ｃｍの矩形状の樹脂層を１つのバスバー電極４０上に３個設けて、合計６個の矩形状の樹脂層を設けたものである。

実施例４は、図１２に示すように、塗り幅１．５ｃｍの矩形状の樹脂層を１つのバスバー電極４０上に３個設けて、合計６個の矩形状の樹脂層を設けたものである。

実施例５は、図１１に示すように、塗り幅２ｃｍの矩形状の樹脂層を１つのバスバー電極４０上に３個設けて、合計６個の矩形状の樹脂層を設けたものである。

表１から明らかなように、この発明の実施例においては、いずれも最大出力値（Ｐｍａｘ）が相対値で９９％以上の値を示しており、十分な電気的接続が得られていることが分かる。

ここで、バスバー電極４０上に樹脂層４１が設けても出力低下があまり生じない理由につき説明する。

バスバー電極４０の表面の凹凸は、８μｍ〜２０μｍ程度である。樹脂層４１の厚みは５μｍ〜２５μｍ程度である。バスバー電極４０上に５μｍ〜２５μｍ程度の樹脂層４１を設けても、バスバー電極４０の銀ペーストの一部が樹脂層４１を貫通し、導通が取れる状態を維持できるからと考えられる。

次に、本実施形態に係る太陽電池モジュール１００の製造方法について説明する。

まず、１００ｍｍ角のｎ型単結晶シリコン基板２０ｄをアルカリ水溶液で異方性エッチング加工することにより、ｎ型単結晶シリコン基板２０ｄの受光面に微細な凹凸を形成する。又、ｎ型単結晶シリコン基板２０ｄの受光面を洗浄して、不純物を除去する。

次に、ｎ型単結晶シリコン基板２０ｄの受光面側に、ＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて、ｉ型非晶質シリコン層２０ｃ、ｐ型非晶質シリコン層２０ｂを順次積層する。同様に、ｎ型単結晶シリコン基板２０ｄの裏面側に、ｉ型非晶質シリコン層２０ｅ、ｎ型非晶質シリコン層２０ｆを順次積層する。

次に、ＰＶＤ（物理蒸着）法を用いて、ｐ型非晶質シリコン層２０ｂの受光面側に透光性導電膜２０ａを形成する。同様に、ｎ型非晶質シリコン層２０ｆの裏面側に透光性導電膜２０ｇを形成する。以上により、光電変換部２０が作製される。

次に、スクリーン印刷法、オフセット印刷法等の印刷法を用いて、エポキシ系熱硬化型の銀ペーストを、光電変換部２０の受光面上及び裏面上に所定のパターンで配置する。

銀ペーストを所定条件で加熱して溶剤を揮発させた後、さらに加熱することにより本乾燥する。その後、バスバー電極４０上の一部に樹脂層４１が残るようにして、保護層２１を設ける。

以上により、太陽電池１０が作製される。

次に、バスバー電極４０上に、配線部材１１を半田付けする。これにより、配線部材１１と太陽電池１０とを機械的かつ電気的に接続する。具体的には、まず、光電変換部２０の受光面及び裏面それぞれに形成されたバスバー電極４０上に配線部材１１を配置する。次に、所定の温度に配線部材１１を加熱し、半田を溶融してバスバー電極４０に配線部材１１を半田付けする。この半田付けにより、バスバー電極４０と配線部材１１との間に一定間隔で被接着部分が形成されることになる。

以上により、太陽電池ストリング１が作成される。

次に、ガラス基板（受光面側保護材２）上に、ＥＶＡ（封止材４）シート、太陽電池ストリング１、ＥＶＡ（封止材４）シート及びＰＥＴシート（裏面側保護材３）を順次積層して積層体とする。

次に、上記積層体を、真空雰囲気において加熱圧着することにより仮圧着した後、所定条件で加熱することによりＥＶＡを完全に硬化させる。以上により、太陽電池モジュール１００が製造される。

なお、太陽電池モジュール１００には、端子ボックスやＡｌフレーム等を取り付けることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で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。この発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。

１ 太陽電池ストリング、２ 受光面側保護材、３ 裏面側保護材、４ 封止材、１０ 太陽電池、１１ 配線部材、１２ 樹脂接着剤、２１ 保護層、３０ フィンガー電極、４０ バスバー電極、４１ 樹脂層。

Claims (2)

1. 複数の太陽電池と、前記複数の太陽電池同士を電気的に接続する配線部材とを備える太陽電池ストリングであって、
   前記複数の太陽電池は、光電変換部と、前記光電変換部上に形成され、前記配線部材が接続される電極とを有し、
   前記電極上に樹脂層が所定間隔を有して設けられ、
   前記電極と重なるように前記配線部材が配設され、
   前記電極と配線部材とが前記樹脂層が設けられた箇所で被接着部分を形成して半田で接続されていることを特徴とする太陽電池ストリング。
2. 表面部材と、裏面部材と、前記表面部材と裏面部材との間に配設され、配線部材によって電気的接続された複数の太陽電池と、前記表面部材と裏面部材との間に、前記複数の太陽電池を封止する封止材と、を備えた太陽電池モジュールであって、
   前記複数の太陽電池は、光電変換部と、前記光電変換部上に形成され、前記配線部材が接続される電極とを有し、
   前記電極上に樹脂層が所定間隔を有して設けられ、
   前記電極と重なるように前記配線部材が配設され、
   前記電極と配線部材とが前記樹脂層が設けられた箇所で被接着部分を形成して半田で接続されていることを特徴とする太陽電池モジュール。

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