JP2012084560A - 結晶系太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】比較的容易な接続プロセスによって、信頼性が高くしかも発電効率の低下を招かない結晶系太陽電池セルの接続方法を提供する。
【解決手段】単結晶太陽電池や多結晶太陽電池などの結晶系太陽電池セルを接続した結晶系太陽電池モジュールであって、太陽電池セルの裏面電極を、リボン状の金属箔と導電性粒子を含有した接着剤により接合する。これにより、高い接続信頼性を得ることができるとともに、配線材料の低コスト化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶太陽電池や多結晶太陽電池などの結晶系太陽電池の基板の表面に配線部材を接続する装置に関するものであり、特に裏面電極を有する太陽電池セルの接続に好適な接続方法を用いた結晶系太陽電池モジュールに関する。

結晶系太陽電池モジュール組立工程は、単結晶太陽電池、多結晶太陽電池などの結晶系太陽電池の結晶セル基板（以下、単に「セル」と略す）を配線部材と接続して一連の太陽電池回路とした後に、保護シートなどで封止して外部端子を取り付ける組立実装工程である。

この工程のうち、セルに配線部材を接続する方法として従来はんだ付けが広く用いられている。鉛入りはんだは良導体であり、一定の強度と耐環境信頼性を有するため、２０年程度の実績を有する。しかし近年の環境保護の観点から、鉛フリーはんだの採用を考えた場合、信頼性の低下が問題となる。

また、結晶系太陽電池の構造上、配線部材の一部が太陽電池セルの表側に配置されるので、幅広の配線を用いると、配線の影で太陽電池セルの有効面積が減少してしまうために、配線幅に制限を設ける必要があった。
一方、結晶系太陽電池では、薄膜系太陽電池に比して電流が大きいため配線抵抗の影響を受けやすく、この配線抵抗を下げるために配線の断面積を大きく取る必要があった。そのため、配線厚さを薄くできないと言う制限があった。代表的な設計としては、例えば特許文献１に記載されるように、配線として厚さ１００〜２５０μｍ、幅１〜７．５ｍｍ程度の銅線にはんだをコーティングした配線を用いるものであった。

一方、この方式では配線が太陽電池セルの有効面積の一部を覆うことは避けられず、これを軽減するために、例えば特許文献２に記載されるように、バックコンタクト技術が検討されている。このバックコンタクト技術は、裏面同士を接続する薄板状の金属板からなる配線材料を所々ではんだ接合することで、熱膨張などの応力を緩和している。さらに剛性を緩和するために網目状の加工を施した薄板とすることも提案されている。
これらの方法では、配線材として剛性が無視し得ない程度の厚板を用いており、この結果、接続信頼性の低下と、配線材料のコスト高を招いていた。

特開２０００−４９３６７号公報 特開２００９−１７６７８２号公報

本発明の目的は、上記課題に対し、安価な材料を用いて比較的容易な接続プロセスによって、信頼性の高くしかも発電効率の低下を招かない結晶系太陽電池セルの接続方法を提供することであり、さらにはこの接続方法を用いた安価で高効率の結晶系太陽電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、配線材料として軟質の銅もしくはアルミニウムの極薄の金属箔（厚さ５μｍ〜３５μｍ）を用い、この金属箔の片面に導電性粒子を含有する熱硬化性接着剤を予め塗布してなるリボン状の粘着テープを用意し、これを隣接した２枚の結晶系太陽電池セルの一辺のほぼ全長に渡って張り渡し圧接接合したのちに熱硬化させることで熱膨張による応力を緩和することにより実現した。

また、上記目的を達成するために、リボン状粘着テープの圧接にあたり隣接した２枚の結晶系太陽電池の中間部を湾曲させるように加圧力を負荷することで熱膨張による応力を軽減した。
また、上記目的を達成するために、リボン状粘着テープの熱硬化にあたり隣接した２枚の結晶系太陽電池の中間部を湾曲させるように加圧力を負荷することで熱膨張による応力を軽減した。

また上記目的を達成するために、リボン状粘着テープの圧接にあたり結晶系太陽電池の加圧範囲を複数に分割することで、熱膨張に寄与する接着長さを軽減することにより長手方向の応力を軽減した。
また上記目的を達成するために、リボン状粘着テープの熱硬化にあたり結晶系太陽電池の加圧範囲を複数に分割することで、熱膨張に寄与する接着長さを軽減することにより長手方向の応力を軽減した。

本発明によれば、厚板状の配線材料や扁平な銅線による接続の代わりに極薄の金属箔による接続とすることにより、厚板状の配線材料や扁平な銅線による接続を用いることで生じる熱応力の発生を軽減することができた。また、極薄の金属箔による接続とすることで配線の柔軟性を向上させることができた。そして、この極薄の金属箔による接続を、導電性粒子を含んだ熱硬化性接着剤を用いて行うことで、さらに熱応力を軽減させるようにしたので、高い接続信頼性を得ることができた。また、極薄の金属箔を用いることで配線材料の低コスト化も同時に実現した。

本発明の第１の実施例のセルマトリクスをカバーガラスに載せた平面図である。 本発明の第１の実施例のモジュール断面示す概略図である。 本発明の第１の実施例のセルの背面電極を示す平面図である。 本発明の第1の実施例のセルストリングからリボンテープを除いた斜視図である。 本発明の第１の実施例のセルストリングを示す斜視図である。 本発明の第1の実施例のリボンテープの斜視図である。 本発明のその他の実施例のリボンテープの斜視図である。 本発明のその他の実施例のリボンテープの斜視図である。

以下、本発明を実施するための第１の形態を、図１から図６を用いて説明する。
図１は、本発明の結晶系太陽電池のモジュール製造工程において、セルを相互に接続してなるセルマトリックス５をカバーガラス６の上に置いた状態を示す平面図である。図１はセル１（太陽電池セル）を裏面側（非受光面）から見た状態である。複数のセル１の裏面の電極を金属箔であるリボンテープ２により一列に接続したものをセルストリング５ａと呼ぶ。このセルストリング５ａを複数左右に並べて連結したものをセルマトリックス５と呼ぶ。セルストリング５ａの端部はパスバー３とセル１の電極をリボンテープ２により接続してあり、さらに引き出し線４によりセルマトリックス５の外側に配線を引き出している。

このセルストリング５ａの部分で太陽電池モジュールを切断した断面を図２に示す。図２では上側が表側（受光面）である。複数のセル１の裏面端部の電極をリボンテープ２で接続してセルストリング５ａとしてあり、一端にリボンテープ２で接続したパスバー３が、また他の一端に引き出し線４が接続されている。そして、パスバー３により紙面奥行き方向に別のセルストリング５ａが繋がっている。これらからなるセルマトリックス５は、表面側がカバーガラス６、裏面側がバックシート８で覆われており、カバーガラス６とセルマトリックス５、およびバックシート８とセルマトリックス５の隙間は、封止樹脂７を充填して封止されている。
さらに、セルマトリックス５の外側は、アルミ製のフレーム９で額縁状に保護してあり、フレーム９とバックシート８や封止樹脂７の隙間をコーキング材１０で保護してある。

図３にセル１の裏面電極である櫛歯状電極１０１を示す。セル１の裏面１００は表面を酸化膜および絶縁材料でパッシベーションしてあり、そこに正負の櫛歯状電極１０１および１０２が形成してある。櫛歯状電極１０１および１０２は微細銀粒子を主成分とし、僅かの有機増粘剤、有機溶媒、低融点ガラスフリットを混和した銀ペーストをスクリーン印刷により印刷し、焼結することで形成している。それぞれの櫛歯状電極１０１および１０２は多数の櫛歯部分１０１ｂおよび１０２ｂが互い違いに配列されており、その一端をそれぞれ共通電極１０１ａおよび１０２ａで連結している。

実際の接続工程では、リボンテープ２によりセル１が逐次接続されるが、セルストリング５ａの構造を示すため、リボンテープ２を除去した状態のセルストリング５ａを図４に示す。この図では簡略のため櫛歯部分１０１ｂ及び１０２ｂの本数は実際より少なく表示してある。
セル１の共通電極１０１ａに隣接して次のセル１の共通電極１０２ａが配置されるように多数のセル１を直鎖状に並べる。さらにこの端部にパスバー３を配置し、セルストリング５ａを形作る。

図５にはセルストリングをリボンテープ２で接続してある状態を示した。ここで、リボンテープ２は幅４ｍｍ長さ１５０ｍｍの厚さ０．０３５ｍｍの銅箔のテープであり、２枚のセル１の共通電極１０１ａおよび１０２ａを跨ぐように接続されている。またリボンテープ２はセル１の隙間部分で撓み２ａを与えてある。これは接続部の応力に逃げを与えるためであり、銅箔のテープであるリボンテープ２をセル１に圧接する際に中間部を押し下げることで撓み２ａを形成してある。

リボンテープ２は図６に示した構造をしている。リボン状の銅箔２００ａの片面に幅１ｍｍ、長さ１４５ｍｍ、厚さ０．０２５ｍｍの細長いＣＦ２００ｂを貼り付けてある。ＣＦ２００ｂは導電性のニッケル粒子を熱硬化性接着剤と混練してフィルム状に成型したテープであり、リボンテープ２の接続の直前に銅箔２００ａにＣＦ２００ｂを仮圧着して製造する。
この後、リボンテープ２のＣＦ２００ｂ面を下向きにし、２枚のセル１に跨るように配置し、加圧することでリボンテープ２をセル１に粘着させる。そして、リボンテープ２を粘着させたセル１を、さらに加圧加熱することで導電性のニッケル粒子を共通電極１０１ａおよび１０２ａと銅箔２００ａに圧入した状態で熱硬化性接着剤を硬化させ、セル１同士を電気的に接続する。

この結果、太陽電池の裏面接続が簡便かつ低コストで実現できる。また、セル間の電気的接続が微細な導電性のニッケル粒子でなされ、機械的結合が熱硬化性接着剤で成されるため、従来の太陽電池におけるはんだ接続に比して低温接合が可能となる。さらに樹脂の柔軟性による応力緩和も期待できるため、従来に比して長期繰り返し熱応力に強くなり信頼性が向上するものと期待できる。

また、安価な銅箔を用いて接続できるので部材コストの低減も期待できる。従来は、結晶系太陽電池は電流が大きいため銅箔での接続は難しかったが、共通電極１０１ａおよび１０２ｂを幅広く接続することができるので、電流密度を下げることが可能となる。また、銅箔を用いた薄型の配線が可能となった効果も大きい。

以上、銅箔２００ａにＣＦ２００ｂを貼ったリボンテープ２を用いる第１の実施例を示したが、本発明は以下のようにリボンテープ２を変更することで、それぞれの効果が期待できる。

図７のリボンテープ２Ａは幅５ｍｍ厚さ０．０３５ｍｍの長尺のリボン状の銅箔２０１ａの片面に導電性ニッケル粒子を含む熱硬化性接着剤を混練してなるＣＦ２０１ｂを塗布し、これに剥離フィルム２０１ｃを貼り付けて保護した接続テープである。幅広の銅箔にＣＦ２０１ｂを塗布し、幅広の剥離フィルム２０１ｃを貼り付けてからスプリッタにより所望のテープ幅に切り分け、長尺の粘着フィルムと成すことで、銅箔２００を個別に切り出しＣＦ２００ｂを都度貼り付ける場合に比べて、安価にリボンテープ２Ａが得られる利点がある。

図７のリボンテープ２Ｂは予めローレット加工によりリブ状突起２０２ａｂを形成した銅箔２０２ａの表面に粘着剤２０２ｂを塗布し、剥離フィルム２０２ｃで保護したリボンテープ２Ｂである。このテープも幅５ｍｍにスプリッタで加工され、リールに巻きつけて供給される。このリボンテープ２Ｂに類似する凹凸つき銅箔は、従来静電気防止用や電磁波の軽減のために多用されている部材であり、高価な微細ニッケル粒子が不要なため安価に入手できるという利点がある。

さらに第１の実施例に比してセル１との接合が粘着によるため、使用中に過大な応力が生じても粘着部が変形して破断を回避しやすい。また銅箔２０２ａに予め凹凸が設けてあるため銅箔２０２ａは変形が容易であり、第１の実施例に示した撓み２ａを設けずとも熱応力の緩和が容易である上、長手方向にも柔軟性を示すためセルストリング５ａの幅方向の熱応力緩和も期待できる。

図７のリボンテープ２Ｃは、予めプレス加工により十文字の切込みを与えた後、バーリング加工により王冠状の突起２０３ａｂを形成した銅箔２０３ａの表面に粘着剤２０３ｂを塗布し、剥離フィルム２０３ｃで保護したリボンテープ２Ｃである。リボンテープ２Ｂに比して鋭利な突起を作ることができるので、セル１の共通電極１０１ａ，１０２ａへの接続が一層確実になる利点がある。また銅箔２０３ａに千鳥配置で突起２０３ａｂが設けてあるため銅箔２０２ａは変形が容易であり、したがってこの実施例でも熱応力の緩和が容易である。

一方、図８に示したリボンテープ２Ｄの様に、第１の実施例に比して比較的短い短冊状のＣＦ２００ｃを多数貼る方法も可能である。この場合、高価なＣＦの使用量が少なくて済むため、材料コストが削減できる利点と、接着部分が間欠的で短い距離になるため接着されない部分での銅箔２００ａが変形容易でセル１と銅箔２００ａの材質の差による熱応力が小さく出来る利点がある。
さらにこれらの実施例ではリボンテープの基材は銅箔としたがより安価にするためにはたとえば厚さ０．０１ｍｍのアルミ箔を用いることも可能である。

１・・・セル（太陽電池セル）、２・・・リボンテープ（金属箔）、３・・・パスバー、４・・・引出し線、５・・・セルマトリックス、６・・・カバーガラス、７・・・封止樹脂、８・・・バックシート、９・・・フレーム、１０・・・コーキング材。

Claims (6)

1. 単結晶太陽電池や多結晶太陽電池などの結晶系太陽電池セルを接続した結晶系太陽電池モジュールにおいて、
   太陽電池セルの裏面電極を跨ぐリボン状の金属箔により接合した
   ことを特徴とする結晶系太陽電池モジュール。
2. 請求項１記載の結晶系太陽電池モジュールにおいて、
   前記太陽電池セルを接続するリボン状の金属箔は、導電性粒子を含んだ接着フィルムにより前記太陽電池セルの電極に接合された
   ことを特徴とする結晶系太陽電池モジュール。
3. 請求項１記載の結晶系太陽電池モジュールにおいて、
   前記太陽電池セルを接続するリボン状の金属箔は粘着剤により前記太陽電池セルの電極に圧接され、前記リボン状の金属箔に設けられた突起により前記太陽電池セルの電極と接合された
   ことを特徴とする結晶系太陽電池モジュール。
4. 請求項２記載の結晶系太陽電池モジュールにおいて、
   前記太陽電池セルを接続するリボン状の金属箔は、予め片面全面に導電性粒子を含んだ接着材を塗布してなる
   ことを特徴とする結晶系太陽電池モジュール。
5. 請求項２記載の結晶系太陽電池モジュールにおいて、
   前記太陽電池セルを接続するリボン状の金属箔は、接合前に導電性粒子を含んだ接着フィルムを貼り付けしてなる
   ことを特徴とする結晶系太陽電池モジュール。
6. 請求項５記載の結晶系太陽電池モジュールにおいて、
   前記太陽電池セルを接続するリボン状の金属箔は、接合前に導電性粒子を含んだ接着フィルムを複数個所矩形に切り出して貼り付けしてなる
   ことを特徴とする結晶系太陽電池モジュール。

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