JP5447303B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関し、更に詳述すると、太陽電池セルの表面に備えられたバスバー電極にインターコネクタを接続して複数の太陽電池セルを接続した太陽電池モジュールに関する。

太陽電池モジュールは、インターコネクタ（平角状の銅箔やインバール等の導体）を使用して、太陽電池セルを直列又は並列にはんだ付けして作製される。しかし、太陽電池セル全面にインターコネクタをはんだ結合すると、インターコネクタが冷える際に収縮し、太陽電池セルが反り上がると同時に、界面に収縮応力が働き、割れてしまう場合があった。セル割れを低減する方法、即ち界面の応力を減らす方法として、インターコネクタを薄くする方法があるが、単純に薄くすると抵抗損失が増大し、Ｆ．Ｆ．（フィルファクター）が低下する。抵抗損失を低く保つためには、インターコネクタの表面積を増大させて断面積を確保しなければならない。幅広の薄いインターコネクタを用意し、バスバーとの接触面積を増やさずはんだ付けすれば界面の収縮応力は減るが、表面積が増大するためシャドウロスが発生してしまう。一方、インターコネクタを厚くすると抵抗損失は減るが、インターコネクタと基板の界面の収縮応力が強まるため、割れが発生する確率が高まるという欠点がある。

また、シリコン基板のコスト低減のために、シリコンインゴットを薄くスライスする。これにより多くの基板が得られるが、基板の厚さが薄くなり、基板が薄くなるとインターコネクタを結合する際に太陽電池セルの反りが増大し、セル割れが顕著になる。特に、セル割れ箇所はインターコネクタを結合した部分であって、応力集中に弱い太陽電池セルの端部分で発生する。
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、下記のものが挙げられる。

特開２０１０−２７６５９号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、太陽電池モジュールの製造過程で、太陽電池セルの割れや電極剥がれ等が発生したりするのを防止でき、製造歩留りの低下を防止できると共に、抵抗損失を低減してＦ．Ｆ．（フィルファクター）を向上した太陽電池モジュールを提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、バスバー電極を有する複数の太陽電池セルどうしをインターコネクタによって電気的に接続する際、互いに隣接する太陽電池セルのそれぞれ１つのバスバー電極どうしを厚さの異なった複数のインターコネクタによって接続すること、特にそれぞれのバスバー電極端部どうしを接続するインターコネクタとして薄いものを用い、バスバー電極中間部どうしを接続するインターコネクタとしてより厚いものを用いることにより、セルの端部はインターコネクタの熱収縮による応力集中に弱く、割れが発生しやすいが、この箇所を薄くしたインターコネクタで結合することで応力の集中を緩和し、セル割れを防ぐことができることを見出した。また、セル端部ではバスバー電極を流れる電流は小さいのでインターコネクタが薄く、電気抵抗が高くても電力損失は小さく抑えられる。一方、バスバー電極中央ではフィンガー電極で集電される電流が集中するが、インターコネクタが厚いため電気抵抗が低く抑えられ、結果として電力損失が抑制され、しかも、複数のインターコネクタを互いに重ね合せた状態となるように配設することで、シャドウロスも少なくて済み、高い変換効率を得ることができることを見出し、本発明をなすに至った。

即ち、本発明は、下記の太陽電池モジュールを提供する。
請求項１：
バスバー電極を有する複数の太陽電池セルと、これら太陽電池セルどうしを電気的に接続するインターコネクタとを備える太陽電池モジュールであって、互いに隣接する太陽電池セルのうち一方の太陽電池セルの受光面バスバー電極の長さ方向一端部と、他方の太陽電池セルの非受光面バスバー電極の長さ方向一端部とが厚さの薄いインターコネクタで接続され、上記受光面バスバー電極の長さ方向中間部と上記非受光面バスバー電極の長さ方向中間部とが上記薄いインターコネクタよりも厚いインターコネクタで接続され、上記受光面バスバー電極の長さ方向他端部と上記非受光面バスバー電極の長さ方向他端部とが厚さの薄いインターコネクタで接続され、かつこれらインターコネクタが互いに重ね合された状態で上記両太陽電池セルを連結してなることを特徴とする太陽電池モジュール。
請求項２：
薄いインターコネクタの厚みが１０〜１５０μｍである請求項１記載の太陽電池モジュール。
請求項３：
厚いインターコネクタの厚みが１５０μｍを超え３０００μｍ以下である請求項１又は２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、電極端部（セル端部）に結合する薄いインターコネクタが基板界面の収縮応力の総和を小さくするため、太陽電池モジュールの製造過程で、太陽電池セルの半導体基板に大きな反りが生じたり、セル割れや電極剥がれ等が発生したりするのを防止する。また、薄いインターコネクタと厚いインターコネクタを１本の集電電極に複数接続するためフィルファクタを向上した太陽電池モジュールを提供できる。

本発明に係る太陽電池セルの構造の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る太陽電池セル相互をはんだ接続するときの概略断面図である。 本発明の太陽電池セル相互をインターコネクタによって互いに連結した場合の一例を示し、（Ａ）は概略平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの一例を示し、（Ａ）は概略平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。 従来の太陽電池セル相互をインターコネクタによって互いに連結した場合を示し、（Ａ）は概略平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。 従来の太陽電池モジュールを示し、（Ａ）は概略平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。

以下、本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は、この方法で作製された太陽電池モジュールに限られるものではない。

図１に示すように、本発明の太陽電池モジュールに用いられる太陽電池セル１は、半導体基板２と、その表面（受光面、以下同じ。）の集電電極３及び裏面の集電電極４とを具備する。半導体基板２としては、例えば、一辺が１５５ｍｍ程度の擬似四角形で、厚みが０．２〜０．３ｍｍ程度の単結晶シリコンや多結晶シリコン等のＰ型又はＮ型シリコン基板が用いられる。

Ｐ型シリコン基板の場合、この基板表層にはＰ／Ｎ接合が形成される。このＰ／Ｎ接合の形成は、具体的には、リン等のＮ型の不純物を含む溶液をＰ型シリコン基板の表面に塗布した後、熱処理するか、あるいはこのＰ型シリコン基板同士を重ね合わせ、これをボートに移載して気相中において８００〜９００℃程度でその表面からリン、砒素、アンチモン等のＮ型の不純物を含む化合物、例えばオキシ塩化リンなどを気相拡散することにより、Ｐ型シリコン基板の表層に不純物拡散層を形成することで行なわれる。即ち、半導体基板２内にＮ型領域２−２とＰ型領域２−１が形成され、Ｎ型領域２−２とＰ型領域２−１との界面部分に半導体接合部が形成される。こうして形成された太陽電池セル１の受光面であるＮ型拡散面を表面とし、この面と反対側の不拡散面を裏面とする。受光面である表面には、図示していないが、反射防止膜を形成しておくことが望ましい。なお、この半導体基板２は、シリコン以外に単結晶ガリウム砒素等を用いてもよいし、Ｎ型基板に臭化ボロンなどの拡散源を用いてＰ型の拡散層を設けてＰ／Ｎ接合を形成してもよい。

上記の半導体基板２には、図１に示すように、基板２の受光面にＮ型領域２−２と接して受光面集電電極３が形成され、基板２の裏面にＰ型領域２−１と接して裏面集電電極４が形成されている。図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、表面の集電電極３は、フィンガー部（フィンガー電極）３ａ（３’ａ）と、バスバー部（バスバー電極）３ｂ（３’ｂ）とで構成される。図中、バスバー部３’ｂは、半導体基板２’の受光面を長さ方向（隣接する半導体基板との連設方向）に沿ってその一端部から他端部にかけて２本平行に形成されているが、バスバー部は１本以上、２〜１０の多数本形成されていてもよい。フィンガー部は、バスバー部と直角に交差するようにして複数本が基板の全幅にわたって形成されることが多い。バスバー部の幅は、例えば１〜３ｍｍ程度であり、フィンガー部の幅は、例えば０．０５〜０．１５ｍｍ程度が好ましいが、これに限定されるものではない。

受光面の集電電極及び裏面の集電電極は、具体的には、次のようにして形成される。即ち、電極形成工程において、半導体基板２の受光面には線状に、裏面には全面に、金属又はそれに準じる物質を各集電電極としてパターニングし、真空蒸着法やスクリーン印刷法を用いて各集電電極を形成する。スクリーン印刷の場合、例えば、銀粉末、ガラスフリット、結合剤、溶剤等を含むペーストをスクリーン印刷して、７００〜８００℃程度の温度で焼き付け、全体をはんだ層で被覆することにより形成される。また、裏面の集電電極４は、インターコネクタを接続するための銀電極（裏面バスバー電極（図３中の４ｂ又は４’ｂ））と、それを除くほぼ全面に形成された集電用のアルミニウム電極（図示せず）とで構成され、通常、銀電極ははんだ層で被覆される。

このようにして得られる太陽電池セル１の受光面バスバー電極３ｂと、この太陽電池セル１と隣接する他の太陽電池セル１’の裏面バスバー電極４ｂに、インターコネクタ５，６，７をそれぞれ接続して、図３（Ａ），（Ｂ）に示すような太陽電池モジュールを得る。なお、太陽電池セルの連結数は通常、２〜８０個である。

インターコネクタの太陽電池セルへの接続例を以下に説明する。インターコネクタ５，６，７は、平角状の銅箔やインバール等で形成される。まず、図２に示すように、太陽電池セル１及び１’を用意する。太陽電池セル１の受光面バスバー電極３ｂの長さ方向一端部３ｂ−１と、太陽電池セル１’の裏面バスバー電極４’ｂの長さ方向一端部４’ｂ−１に薄いインターコネクタ７をそれぞれ接続する。具体的には、太陽電池セル１及び１’に接続するインターコネクタ７の３ｂ−１と４’ｂ−１の上部をはんだごてでなぞり、太陽電池セル１及び１’と薄いインターコネクタ７をそれぞれはんだ接続する。電極端部（セル端部）どうしを薄いインターコネクタで結合することでインターコネクタの冷却収縮による応力集中が緩和される。応力集中が緩和されることで応力集中に弱いセル端部の割れが低減できる。薄いインターコネクタ７の厚さは１０〜１５０μｍであることが好ましく、より好ましくは５０〜１５０μｍである。上記範囲未満であると抵抗損失が増大する場合があり、上記範囲を超えると太陽電池セルの割れ発生の確率が高まるおそれがある。

次に、別の薄いインターコネクタ５を太陽電池セル１の受光面バスバー電極３ｂの長さ方向他端部３ｂ−３と、太陽電池セル１’のバスバー電極４’ｂの長さ方向他端部４’ｂ−３に接続する。具体的には、太陽電池セル１及び１’に接続するインターコネクタ５の３ｂ−３と４’ｂ−３の上部をはんだごてでなぞり、太陽電池セル１及び１’と薄いインターコネクタ５をそれぞれはんだ接続する。この場合も電極端部（セル端部）どうしを薄いインターコネクタで結合するためインターコネクタの冷却収縮による応力集中が緩和される。応力集中が緩和されると応力集中に弱いセル端部の割れが低減できる。薄いインターコネクタ５の厚さは、インターコネクタ７と同様である。

最後に、薄いインターコネクタ５，７よりも厚さの厚いインターコネクタ６を太陽電池セル１のバスバー電極３ｂの両端部を除いた長さ方向中間部３ｂ−２と、太陽電池セル１’のバスバー電極４’ｂの両端部を除いた長さ方向中間部４’ｂ−２にそれぞれ接続する。具体的には、太陽電池セル１の電極３ｂ及び太陽電池セル１’の電極４ｂにそれぞれ接続したインターコネクタ６の３ｂ−２と４’ｂ−２の上部をはんだごてでなぞり、太陽電池セル１の電極３ｂ及び太陽電池セル１’の電極４’ｂと厚いインターコネクタ６をそれぞれはんだ接続する。厚いインターコネクタ６の厚さは、１５０μｍを超え３０００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは２００〜２０００μｍ、更に好ましくは２００〜１０００μｍである。これより薄すぎると抵抗損失が大きくなる場合があり、厚すぎると材料コスト面で不利が生じる場合がある。なお、インターコネクタの幅は特に制限されないが、シャドーロスを低減する点からバスバー電極幅とほぼ同じであることが好ましい。
はんだ接続後に、図２の矢印方向に引っ張ると、図３（Ａ），（Ｂ）のような太陽電池モジュールが形成される。太陽電池モジュールにおける太陽電池セル１及び１’の相互の間隔は２〜５ｍｍ程度である。

このように、３本のインターコネクタを接続しているため、太陽電池セルの直列抵抗損失を低減することができ、また、３本のインターコネクタは重なり合って配設されているため、シャドウロスを必要最小限にとどめることができる。しかも薄いインターコネクタを太陽電池セルのバスバー電極の長さ方向両端部に接続しているため、太陽電池モジュールの製造過程で、太陽電池セルの割れの発生を防止することができる。なお、ここでは３本のインターコネクタを用いた例を示したが、例えば３〜１０本のインターコネクタを用いることができる。この場合、上記と同様に電極両端部には薄いインターコネクタを２〜４本接続し、中間部には厚いインターコネクタを１〜８本接続することができる。

また、この場合、上記薄いインターコネクタは、それぞれバスバー電極の長さ方向両端部から中央部方向にかけて、バスバー電極の長さの１／３０〜１／３、特に１／２０〜１／３の部分に接続することが好ましい。なお、薄いインターコネクタをそれぞれ両端部に複数個接続する場合、上述した薄いインターコネクタの厚さの範囲内において、端部側に接続されるインターコネクタとしてより薄いものを用い、中央部側に接続されるインターとして、上記端部側接続インターコネクタよりも厚いものを用いるように構成することができる。

一般に、太陽電池モジュールでは、太陽電池セルの表面や裏面を保護する必要があることから、太陽電池モジュール製品としては、上述したインターコネクタを備えた複数の太陽電池セルを、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、ガラス板等の透明基板１０と裏面カバー（バックシート）１３との間に挟んだ構成になっている。この場合、例えば、透明基板１０と裏面カバー１３との間に、太陽電池セルの受光面を透明基板に向けて挟み、透明な充填材料１２でインターコネクタを備えた複数の太陽電池セルを封入し、外部端子１１を接続したスーパーストレート方式が一般に用いられる。ここで、透明な充填剤としては、光透過率の低下の少ないＰＶＢ（ポリビニルブチロール）や、耐湿性に優れたＥＶＡ（エチレンビニルアセタート）等が用いられる。一方の外部端子１１には、薄いインターコネクタ１４，１６及びこれより厚いインターコネクタ１５が接続され、もう一方の外部端子１１には、薄いインターコネクタ１７，１９及びこれより厚いインターコネクタ１８が接続される。この場合、インターコネクタ５，６，７と同様に、バスバー電極端部には薄いインターコネクタを接続し、両端部以外の中間部には厚いインターコネクタを接続する。薄いインターコネクタ１４，１６，１７，１９及びこれより厚いインターコネクタ１５，１８の厚さは、それぞれ上述した通りである。

こうして作製した太陽電池モジュールは、製造歩留りの低下を防止できると共に、一つのバスバー電極に対して複数本のインターコネクタにて接続しているため、太陽電池モジュールの抵抗損失を低減し、Ｆ．Ｆ．を高めることができる。また、上記例では一般的な両面電極型について説明したが、同一面にＰＮを設けたいわゆる裏面接合型セルにも適用できる。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

［実施例，比較例］
厚さ３００μｍ、比抵抗０．５Ω・ｃｍの、ホウ素ドープ｛１００｝ｐ型アズカットシリコン基板４枚を用意した。濃水酸化カリウム水溶液によりダメージ層を除去した後、これらの基板を同時に水酸化カリウム／２−プロパノール混合溶液に浸漬した。水洗、乾燥後、アンモニア過水・フッ酸・塩酸過水・フッ酸洗浄し、水洗・乾燥した。次に、基板４枚を非受光面どうしを重ね合わせ、石英ボートに搭載して、拡散炉に投入した。ヒーター温度を８５０℃まで昇温して、オキシ塩化リンを窒素１リットル／分にてバブリングさせた。バブリング蒸発したオキシ塩化リンを、酸素ガス１リットル／分を伴ってシリコン表面にリンガラスとして堆積させた。引き続き、窒素雰囲気中に３０分間放置した後、拡散炉から取出した。

拡散したこれら４枚の基板に対してＨＦでリンガラスを除去後、９００℃の酸素雰囲気で熱処理し、酸化膜パッシベーション層を形成した。次に、上記基板に対し、プラズマＣＶＤ処理により表面にＳｉＮ膜を製膜した。この際、原料ガスとしてモノシランガスとアンモニアガスを使用した。また、プラズマを発生させるための電源の周波数は、マイクロ波を用い、圧力は０．５Ｔｏｒｒ、基板温度は４００℃、処理時間は５分間とした。その後、スクリーン印刷でアルミニウムをほぼ全面に印刷し、銀をバスバー形状に印刷・焼成して裏面電極を形成した。最後に、受光面にスクリーン印刷により銀をパターン印刷・焼成し、表面電極フィンガー部と、バスバー部を形成し、太陽電池セル４枚を得た。

上記太陽電池セルを用いて下記に示す２種類の太陽電池モジュールを作製した。
［実施例１：薄いインターコネクタ（幅２ｍｍで厚さが０．１ｍｍ）と厚いインターコネクタ（幅２ｍｍで厚さが０．２ｍｍ）を使用した太陽電池モジュールの作製（図２〜４参照）］
図２に示すように、得られた太陽電池セル４枚のうち太陽電池セル１及び１’の２枚を使用した。薄いインターコネクタ７にフラックスを予め浸漬塗布し、インターコネクタ７と太陽電池セル１’の裏面バスバー４’ｂの端部４’ｂ−１をはんだ接続した。また、もう一つの太陽電池セル１の表面銀電極３ｂの端部３ｂ−１もはんだ接続した。
次に、薄いインターコネクタ５にフラックスを予め浸漬塗布し、インターコネクタ５と太陽電池セル１’の裏面バスバー４’ｂの端部４’ｂ−３をはんだ接続した。また、もう一つの太陽電池セル１の表面銀電極３ｂの端部３ｂ−３もはんだ接続した。
続いて、厚いインターコネクタ６にフラックスを予め浸漬塗布し、インターコネクタ６と太陽電池セル１’の裏面バスバー４’ｂの両端部を除く４’ｂ−２をはんだ接続した。また、もう一つの太陽電池セル１の表面銀電極３ｂの両端部を除いた３ｂ−２もはんだ接続した。はんだ接続後、図２の矢印方向に太陽電池セルを引っ張り、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように太陽電池セルを連結した。

また、図４に示すように、モジュール外部への配線として太陽電池セル１’の受光面バスバー部に、上記と同様に薄いインターコネクタ２本１４，１６と厚いインターコネクタ１本１５をそれぞれ予めフラックスを塗布して、接続部の３箇所にはんだ接続した。同様に、太陽電池セル１の裏面銀電極に、薄いインターコネクタ２本１７，１９と厚いインターコネクタ１本１８をそれぞれ予めフラックスを塗布して、接続部の３箇所にはんだ接続した。
最後に、ガラス板等の透明基板１０と裏面カバー１３との間に、太陽電池セルの受光面である表面を透明基板に向けて挟み、透明な充填材１２と裏面コートでインターコネクタを備えた太陽電池セルを封入し、太陽電池モジュールＩを得た。また、モジュール製作時に太陽電池セルの割れは全くなかった。

［比較例１：厚いインターコネクタ（幅２ｍｍで厚さが０．２ｍｍ）のみを使用した太陽電池モジュールの作製（図５，６参照）］
残り２枚の太陽電池セルを使用して、図５（Ａ），（Ｂ）に示すようにインターコネクタ２０にフラックスを予め浸漬し、厚いインターコネクタ２０と太陽電池セル１の受光面バスバー全体をはんだ接続した。もう一つの太陽電池セル１’の裏面銀電極全体もはんだ接続した。また、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、モジュール外部への配線として、太陽電池セル１’の受光面バスバー部と太陽電池セル１の裏面銀電極にインターコネクタ２１，２２をそれぞれ予めフラックスを塗布してはんだ接続した。最後に、ガラス板等の透明基板１０と裏面カバー１３との間に、太陽電池セルの受光面である表面を透明基板に向けて挟み、透明な充填材１２と裏面コートでインターコネクタを備えた太陽電池セルを封入し、太陽電池モジュールＩＩを得た。また、モジュール製作時にインターコネクタを接続した太陽電池セルの端部に欠けが一個所発生した。

得られたモジュールＩ，ＩＩをモジュールシュミュレータにて測定した結果を表１に示す。実施例１ではＦ．Ｆ．が極めて高い太陽電池モジュールが得られ、変換効率も大幅に高くなった。

１，１’ 太陽電池セル
２，２’ 基板
２−１，２’−１ Ｐ型領域
２−２，２’−２ Ｎ型領域
３，３’ 表面集電電極
３ａ，３’ａ フィンガー電極
３ｂ，３’ｂ バスバー電極
４ 裏面集電電極
４ｂ，４’ｂ バスバー電極
３ｂ−１，３ｂ−３，４’ｂ−１，４’ｂ−３ バスバー電極端部
３ｂ−２，４’ｂ−２ バスバー電極中間部
５，７，１４，１６，１７，１９ 薄いインターコネクタ
６，１５，１８，２０ 厚いインターコネクタ
１０ 透明基板
１１ 外部端子
１２ 充填材
１３ 裏面カバー

Claims (3)

1. バスバー電極を有する複数の太陽電池セルと、これら太陽電池セルどうしを電気的に接続するインターコネクタとを備える太陽電池モジュールであって、互いに隣接する太陽電池セルのうち一方の太陽電池セルの受光面バスバー電極の長さ方向一端部と、他方の太陽電池セルの非受光面バスバー電極の長さ方向一端部とが厚さの薄いインターコネクタで接続され、上記受光面バスバー電極の長さ方向中間部と上記非受光面バスバー電極の長さ方向中間部とが上記薄いインターコネクタよりも厚いインターコネクタで接続され、上記受光面バスバー電極の長さ方向他端部と上記非受光面バスバー電極の長さ方向他端部とが厚さの薄いインターコネクタで接続され、かつこれらインターコネクタが互いに重ね合された状態で上記両太陽電池セルを連結してなることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 薄いインターコネクタの厚みが１０〜１５０μｍである請求項１記載の太陽電池モジュール。
3. 厚いインターコネクタの厚みが１５０μｍを超え３０００μｍ以下である請求項１又は２記載の太陽電池モジュール。

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