JP2006278695A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池素子の反りを有効に矯正できる太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】 透光性受光面部材１と裏面部材７の間に充填材８、９で封止し、接続タブ３により電気的に接続した複数の太陽電池素子２を配置した太陽電池モジュールである。複数の太陽電池素子２を接続する接続タブ３において、一方の太陽電池素子の受光面側に接続される部分の断面積と太陽電池素子の裏面側に接続される部分の断面積とが異なるようにした。
【選択図】 図７

Description

本発明は太陽電池モジュールに関するものであり、特に太陽電池素子同士を電気的に接続するための接続タブを改良することによりその信頼性や歩留りを向上させた太陽電池モジュールに関するものである。

太陽電池素子は単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いて作製することが多い。このため太陽電池素子は物理的衝撃に弱く、また野外に太陽電池を取り付けた場合に、雨などからこれを保護する必要がある。また、太陽電池素子２枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池素子２を直並列に接続して、実用的な電気出力が取り出せるようにする必要がある。このため複数の太陽電池素子を接続して透光性受光面部材とエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材で封入して太陽電池モジュールを作成することが通常行われている。図１、図２は、典型的な太陽電池モジュールを示し、図１中、１は透光性受光面部材であり、２は太陽電池素子、３は接続タブ、４はモジュール枠体、５は電気的に接続された太陽電池ストリングであり、６は横方向配線である。また、図２中、７は裏面部材であり、８は受光面側充填部材、９は裏面側充填部材である。

透光性受光面部材１としては、ガラスやポリカーボネート樹脂などからなる基板が用いられる。受光面側充填材８および裏面側充填材９は、エチレン−酢酸ビニル共重合体（以下、エチレン−酢酸ビニル共重合体をＥＶＡと略す）から成り、厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状形態のものが用いられる。これらはラミネート装置により減圧下で加熱加圧を行うことで、融着して他の部材と一体化する。ＥＶＡは、酸化チタンや顔料等を含有させ白色等に着色させてもよい。本発明に係る受光面側充填材４２においては、着色させると太陽電池素子４３に入射する光量が減少し、発電効率が低下する傾向にあり、望ましくは透明材にするとよい。また、裏面側充填材９に用いるＥＶＡは透明材により構成するとよいが、その他、太陽電池モジュールの周囲の設置環境に合わせて酸化チタンや顔料等を含有させ、これにより、白色等に着色させてもよい。

裏面部材９は水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シートやアルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）シートなどが用いられる。

そして、透光性受光面部材１、受光面側充填材８、接続タブ３を接続した太陽電池素子２、裏面側充填材９、裏面部材７を重畳し、ラミネーターと呼ばれる装置にセットし、５０〜１５０Ｐａ程度の減圧下で１００から２００℃程度の温度で１５〜６０分間程度に加熱しながら加圧することにより一体化する。作成された太陽電池パネル部の裏面に、外部回路接続用のケーブルを具備した端子ボックス（不図示）を接着材などで取り付ける。

さらに太陽電池モジュールとしての必要な強度や太陽電池モジュールを建物等に設置に必要なモジュール枠４をこのパネルの外周に嵌め込み太陽電池モジュールが完成する。

上述の太陽電池モジュールに用いられる太陽電池素子２は、図３、図４に示すように、Ｐ−Ｎ接合したシリコン基板２００の受光面側には、バスバー電極２１とフィンガー電極２２が形成されていた。また、裏面側には、裏面側電極２３が形成されていた。尚、２４は高濃度不純物ドープ層であり、例えば、Ｐ＋層である。

太陽電池素子２は、例えば厚み０．３〜０．４ｍｍ程度、大きさ１５０mm角程度の単結晶や多結晶のシリコン基板２０で作られている。太陽電池素子２のシリコン基板２０内部にはボロンなどのＰ型不純物を多く含んだP層とリンなどのＮ型不純物を多く含んだＮ層が接しているＰN接合が形成されている。また、また太陽電池素子２の光電変換効率を向上させるためにシリコン基板の裏面側のほぼ全面にはアルミニウムなどのＰ型不純物を高濃度に含有した高濃度ドープ層２４が形成されている。さらにシリコン基板２０の受光面側及び裏面側には受光面側電極２１、２２、裏面側電極２３が形成されている。この受光面側電極のうちバスバー電極２１、裏面側電極のうちバスバー電極２３は、銀ペーストをスクリーンプリント法などにより形成され、これらの電極２１、２３の表面は、その保護と接続タブ３を取り付けやすくするために、そのほぼ全面にわたりハンダコートされる。

このような太陽電池素子２においては、その裏面側の高濃度Ｐ層の収縮が発生し、このため太陽電池素子２は、裏面側が収縮し、受光面側が延びるように反ってしまう。

また上記の太陽電池素子裏面側の高濃度ドープ層２４を形成しない場合においては、太陽電池素子２の受光面側に形成される反射防止膜（不図示）の収縮の影響で、太陽電池素子２は反対に受光面側が収縮し、裏面側が延びるように反ってしまう場合もある。

また、最近の太陽電池モジュールに使用される太陽電池素子２においては、そのコストダウンのために、太陽電池素子２のシリコン基板２０がより薄くなる傾向にあり、さらに太陽電池素子２の一枚の縦横の寸法も大きくなる傾向があるため、この反りはより大きなものとなっている。

また太陽電池モジュールにおいては、図５、図６に示すように、複数の太陽電池素子２ａ、２ｂ・・・を導電性の接続タブ３０を用いて電気的に接続している。このような接続タブ３は、通常厚さ０．１〜１．０ｍｍ程度、幅２〜８ｍｍ程度の銅箔の全面をハンダコートしたものを所定の長さに切断して用いている。尚、図６の接続タブにおいては、その断面積が均一の断面積となっており、本発明と区別するためには、符号３０を付している。

この太陽電池素子２ａの例えば受光面側のバスバー電極２１と隣接する太陽電池素子２ｂの裏面電極２３とを接続タブ３０をハンダしていた。具体的には、太陽電池素子２ｂの受光面側のバスバー電極２１上に接続タブ３を配置し、接続タブ３０を太陽電池素子２ｂのバスバー電極２１にピンなどで押しつけた状態で熱風やランプよる加熱で両者のハンダを溶融させ、太陽電池素子２ｂの受光面側のバスバー電極２１と接続タブ３０とをハンダ付けしている。その後、太陽電極素子２ｂを反転させて、裏面側の電極２３に、同様にして、他の接続タブ３をハンダつけしていた。（特許文献１の従来の技術参照）
特開平１１−３１２８２０号公報

上述のように太陽電池素子２に接続タブ３０をハンダ付けすることにおいては、受光面側のバスバー電極２１に接続タブ３０をハンダ付けする条件（ハンダ付け時の温度や時間等）と裏面側の電極、例えば裏面側のバスバー電極２３に接続タブ３０をハンダ付けする条件にわずかな差が出るため、接続タブ３０のハンダ付け前後で太陽電池素子２の反りがさらに大きくなることがあった。

特に最近の太陽電池モジュールでは、環境面への配慮から使用するハンダに鉛が実質的に含まれないものを使用するものが増えており、この鉛が実質的に含まれないハンダを使用した場合では、そのハンダの物性からハンダ付け温度が高くなるため、上記のような接続タブ３０のハンダ付け前後で太陽電池素子２の反りの程度がさらに大きくなること多くある。

このように太陽電池素子２の高濃度不純物ドープ層の収縮による反りに加え、接続タブ３０付け後に発生する反りがある状態で太陽電池モジュールの製造工程を進めていくと、その工程中の例えば減圧下で押圧するラミネートなどで太陽電池素子の割れが発生しやすくなり、その歩留りが低下したり、クラックが発生しやすくなり、完成した太陽電池モジュールの信頼性を低下させる原因となることが考えられる。

本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、その目的は、接続タブ取り付け後に太陽電池素子の反りを矯正する接続タブを提供し、これにより太陽電池モジュール製造工程中の割れを防止すると共に完成した太陽電池モジュールの信頼性を向上させることである。

本発明は、 透光性受光面部材と裏面部材の間に、一方の太陽電池素子の受光面側と、他方の太陽電池素子の裏面側とを接続タブにより電気的に接続してなる太陽電池素子群を配置した太陽電池モジュールにおいて、前記接続タブは、一方の太陽電池素子の受光面側に接続される領域の断面積と、他方の太陽電池素子の裏面側に接続される領域の断面積とが異なることを特徴とする。

また、太陽電池素子は、ＰＮ接合したシリコン基板であり、且つ一方の主面側に高濃度不純物ドープ層を設けてなるとともに、前記一方主面側に接続される接続タブの断面積が、他方主面に接続される接続タブの断面積を比較して薄いことを特徴とする。

接続タブの主たる材料は、一般に銅材料が用いられる。そして、この銅の熱膨張係数が１６．７×１０^−６でシリコン基板の熱膨張係数２．６×１０^−６に較べ大きな熱膨張係数である。このため、太陽電池素子に接続タブをハンダ付けで接続するとき、太陽電池素子と接続タブの温度は２００〜２５０℃程度まで上がり、接続タブを取り付けた後温度が室温まで冷却したときはこの熱膨張係数の違いにより、太陽電池素子の接続タブを取り付けた面が縮むように反りが発生する。

しかし接続タブは太陽電池素子の両面に付けるため、両側の接続タブやハンダ付け条件が同一であるなら両側の接続タブの影響が互いに打ち消しあい、その反りは接続タブを取り付ける前の状態と変わらないものとなる。

しかし、例えば太陽電池素子の裏面側が収縮し、受光面側が延びるように反っている太陽電池素子において、受光面側にハンダ付けされる接続タブの断面積が裏面側にハンダ付けされる接続タブの断面積に比べ厚いものを使用するならタブ付け後に二つの接続タブの収縮によって生じる力は受光面側にハンダ付けされた接続タブの方が大きいものとなり、予めある裏面側が収縮し、受光面側が延びるように反っている状態に対しこの反りを矯正することとなる。

このように接続タブの太陽電池素子の受光面側に接続される部分の断面積と太陽電池素子の裏面側に接続される部分の断面積とが異なるようにしたことから、接続タブを取り付ける前の太陽電池素子が、受光面側に延びるようにして反っている場合や受光面側が収縮するように反っている場合などで、タブ付け後にこれらの反りを矯正できるようになり、これにより太陽電池モジュール製造工程中の割れを防止すると共に完成した太陽電池モジュールの信頼性を向上させることが可能となる。

また、この接続タブにおいて、太陽電池素子の受光面側に接続される部分の断面積が前記太陽電池素子の裏面側に接続される部分の断面積より厚くすることは、裏面側が収縮し、受光面側が延びるように反っている裏面側に高濃度不純物ドープ層を形成した高効率太陽電池素子では、高濃度不純物ドープ層の収縮による反りを、接続タブの取り付けによって矯正することできる。

以下、本発明の太陽電池モジュールを添付図面に用いて詳細に説明する。

図１〜図６は、典型的な太陽電池モジュール、太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子、さらに、太陽電池素子の接続状態を示す図である。

図１は、太陽電池モジュールの平面図、図２は太陽電池モジュールのパネル部分の構造を説明する部分分解図、図３は太陽電池素子２の断面図、図４はその受光面側の平面図、図５は例えば２つの太陽電池素子を、接続タブを用いて接続した状態の平面図、図６はその断面である。

特に、太陽電池素子２は、単結晶や多結晶のシリコン基板２０で作られている。そして、シリコン基板２０の受光面側及び裏面側には受光面側電極、裏面側電極が形成されている。この受光面側には、銀ペーストをスクリーンプリント法などによりバスバー電極２１とフィンガー電極２２がそれぞれ形成されている。また、裏面側にも、同様の構造の電極が形成されている。尚、裏面側電極２３は、バスバー電極をいい、フィンガー電極については、接続タブ３とは関係がないため、詳細な説明および図からは省略している。

このような接続タブ３が接合する表面側電極であるバスバー電極２１、裏面側電極であるバスバー電極２３の表面は、その保護と接続タブ３を取り付けやすくするために、そのほぼ全面にわたりハンダコートされる。

受光面側のフィンガー電極２２は幅０．１〜０．２ｍｍ程度で、太陽電池素子２の一辺に平行に、光生成キャリヤーを収集するため多数本形成され、また同様のフィンガー電極が裏面側にも形成される。

受光面側のバスバー電極２１と裏面側バスバー電極（裏面電極）２３は収集されたキャリヤーを集電し、接続タブ３を取り付けるために幅２mm程度で、フィンガー電極２２と垂直に交わるように２〜３本程度形成される。

接続タブ３の幅は太陽電池素子２へのハンダ付け時に接続タブ３自身により太陽電池素子２の受光面に影を作らないように、バスバー電極２１の幅と同じかそれ以下にする。さらに接続タブ３の長さは受光面側バスバー電極２１と裏面電極２３のほぼ全てに重なるようにする。一般的な１５０ｍｍ角の太陽電池素子２を使用する場合、接続タブ３の幅は１〜３ｍｍ程度、その長さは２００〜３００ｍｍ程度であり、全体として帯状となっている。

接続タブ３が受光面側のバスバー電極２１と裏面電極２３のほぼ全てに重なるようにするのは、その抵抗成分を少なくするためである。

さらに本発明に係る接続タブ３は、太陽電池素子２の受光面側に接続される部分の断面積と太陽電池素子の裏面側に接続される部分の断面積とが異なることを特徴とする。

図７は、本発明に係る接続タブ３を用いて接続した２つの太陽電池素子の断面図であり、例として、太陽電池素子２ａ、２ｂの受光面側のバスバー電極２１に、接続タブ３の断面積の厚い部分を接続して状態である。図８は本発明の太陽電池素子２の接続に用いる接続タブ３の長さ方向を示す断面図である。この接続タブ３は、従来から用いられた接続タブとは、断面積の薄い部分３１、薄い部分３２とを有するものである。

接続タブ３の断面積の薄い部分３２は、例えば断面積０．１〜０．４ｍｍのものであり、断面積の厚い部分３１は例えば断面積０．５〜０．９ｍｍのものである。この断面積の薄い部分３２と断面積の厚い部分３１の断面積はハンダ付けする太陽電池素子２（接続タブ３をハンダつけする前の太陽電池素子２）の反りの状態や発生する光電流などを考慮して決定する。

また断面積の薄い部分３２と断面積の厚い部分３１の境界部分が互いに接続タブ３によって接続される太陽電池素子と太陽電池素子の間の間隙部に位置するように、太陽電池素子２に取り付けると良い。

接続タブ３は、断面積の厚い部分３１の銅箔などの材料を所定の長さに切断し、さらにその断面積の薄い部分３２にする部分を片側又は両側から機械的に削り取ることや酸などを用いて所定の厚さになるようにエッチングすることで作製できる。また、接続タブ３は、太陽電池素子２のバスバー電極２１や裏面電極２３へのハンダ付けを行いやすくするために、その略全面へ２０〜７０μｍ程度のハンダメッキを施すことが好ましい。

図９は本発明に係る接続タブ３を反りの発生した太陽電池素子２にハンダ付けにて接続した状態を模式的に示したものである。図９において３ａ、３ｂは接続タブ、３２は接続タブ３ａの断面積の薄い部分、３１は接続タブ３ａの断面積の厚い部分、２は太陽電池素子を示す。

これにおいて太陽電池素子２の反りにより伸長している部分（図９では上面）には接続タブ３ａの断面積の厚い部分３１がハンダ付けにて取り付けられ、太陽電池素子２の反りにより収縮している部分（図９では下面）には接続タブ３ｂの断面積の薄い部分３２がハンダ付けにて取り付けられている。

太陽電池素子２に取り付けた直後の接続タブ３ａ、３ｂの温度は、ハンダ付け温度である２００〜２５０℃に上昇しているが、その後室温まで冷却するにつれ熱膨張の影響で接続タブ３ａ、３ｂは収縮する。ここで太陽電池素子２の反りにより伸長している部分に取り付けられた接続タブ３ａの断面積の厚い部分３１は太陽電池素子２の反りにより収縮している部分に取り付けられた接続タブ３ｂの断面積の薄い部分３２に比べその断面積の差のためより強い力で収縮しようとする。

このため太陽電池素子２全体で見ると、接続タブ３ａ、３ｂ付け前の太陽電池素子２の反りの状態と反対方向に反る力がはたらくこととなり、太陽電池素子２の反りを矯正することが可能となる。

このように本発明に係る接続タブ３ａ、３ｂを使用することにより、一方主面が収縮し、且つ他方主面を延びるように反っているシリコン基板２０を有する太陽電池素子２に有効である。

太陽電池素子２の構造の一例をあげれば、Ｐ−Ｎ接合されたシリコン基板２０に対して、さらに、高効率化のため、同導型の高濃度不純物ドープ層２４（図３）を形成した太陽電池素子が例示できる。

例えば、全体がＰ型のシリコン基板で、その受光面側にＮ層を形成してＰ−Ｎ接合したシリコン基板に、裏面側にＰ型の高濃度不純物ドープ層２４を形成した高効率太陽電池素子（ＢＳＦ型太陽電池素子）では、高濃度不純物ドープ層２４の収縮により、太陽電池素子２に反りが発生する。すなわち、裏面側の高濃度不純物ドープ層２４の収縮により裏面側が収縮し、受光面側が伸長するように反ってしまう。この場合、図８に示すように、受光面側のバスバー電極２１に、接続タブ３ａの断面積の厚い部分３１でハンダ付けし、裏面電極２３に別の接続タブ３ｂの断面積の薄い部分３２でハンダ付けする。すなわち、反りが伸長する側の一方主面には、接続タブ３ａの断面積の厚い部分３１でハンダ付けし、他方主面には、接続タブ３ｂの断面積の薄い部分３２でハンダ付けすることが重要である。

また、太陽電池素子２の受光面側、特に、シリコン基板２０が露出する領域に反射防止膜（シリコン基板２０の変換効率の高い短波長側の光の反射を押え、吸収効率を高める膜））を被覆するが、反射防止膜の形成によって、太陽電池素子の裏面側が伸長し、受光面側が収縮するように反りが発生する。この場合には、伸長している裏面側に接続タブ３の断面積の厚い部分３１をハンダ付けし、収縮している受光面側に接続タブ３の断面積の薄い部分３２をハンダ付けすれば良い。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明から逸脱しない範囲で変更が可能である。例えば接続タブや太陽電池素子の電極をコートしているハンダは鉛を含有した共晶ハンダなどの他に鉛フリーのハンダでも応用可能であり、さらに太陽電池素子の電極にハンダコート行わないものでも構わない。

典型的な太陽電池モジュールの平面図である。 典型的な太陽電池モジュールの部分的な分解断面図である。 太陽電池素子の構造を示す断面図である。 太陽電池素子の平面図である。 複数の太陽電池素子に接続タブで接続した状態の平面図である。 複数の太陽電池素子に接続タブで接続した状態の断面図である。 本発明に係る接続タブを用いて２つの太陽電池素子を接続した状態の断面図である。 本発明の太陽電池モジュールに用いる接続タブの断面図である。 本発明に係る接続タブを反りの発生した太陽電池素子に接続した状態を模式的に示した概略図ものである。

符号の説明

２、２ａ、２ｂ：太陽電池素子
２０：シリコン基板
２１：受光面側電極（バスバー電極）
２３：裏面側電極
２２：受光面側電極（フィンガー電極）
２４：高濃度不純物ドープ層
３、３ａ、３ｂ：接続タブ
３２：接続タブの断面積の薄い部分
３１：接続タブの断面積の厚い部分

Claims (2)

1. 透光性受光面部材と裏面部材の間に、一方の太陽電池素子の受光面側と、他方の太陽電池素子の裏面側とを接続タブにより電気的に接続してなる太陽電池素子群を配置した太陽電池モジュールにおいて、
   前記接続タブは、一方の太陽電池素子の受光面側に接続される領域の断面積と、他方の太陽電池素子の裏面側に接続される領域の断面積とが異なることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記太陽電池素子は、ＰＮ接合したシリコン基板であり、且つ一方の主面側に高濃度不純物ドープ層を設けてなるとともに、前記一方主面側に接続される接続タブの断面積が、他方主面に接続される接続タブの断面積を比較して薄いことを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。

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