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JP2012129359A - 太陽電池モジュール及び太陽電池セル - Google Patents

太陽電池モジュール及び太陽電池セル Download PDF

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JP2012129359A
JP2012129359A JP2010279402A JP2010279402A JP2012129359A JP 2012129359 A JP2012129359 A JP 2012129359A JP 2010279402 A JP2010279402 A JP 2010279402A JP 2010279402 A JP2010279402 A JP 2010279402A JP 2012129359 A JP2012129359 A JP 2012129359A
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Hiroki Hasegawa
裕樹 長谷川
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Abstract

【課題】セル間を接続するインターコネクタが十分な断面積を有し、受光面の遮蔽される面積が小さく、バス電極との接触面積が小さく、特殊な形状でない太陽電池モジュールを提供すること。
【解決手段】平板状を成し受光面に受光面電極(グリッド電極13、受光面バス電極14)を有し裏面に裏面電極(裏面集電電極、裏面バス電極)を有する太陽電池セル20が複数並設され、第1の太陽電池セル20の受光面電極と第1の太陽電池セル20に隣接する第2の太陽電池セル20の裏面電極とを接続するインターコネクタ(リード線4)が設けられている。インターコネクタ(リード線4)は、丸線の導体を基材とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体基板の受光面側に受光面電極を有し裏面側に裏面電極を有し、受光面電極および裏面電極にそれぞれインターコネクタを接続されて発生した電力を取り出される太陽電池セル、およびこの太陽電池セルが複数並設され、インターコネクタにより順次接続されてなる太陽電池モジュールに関するものである。
一般に、太陽電池セルは、P型シリコン基板において、光の集光率を高めるためにセル表面にテクスチャエッチングにより凹凸形状を形成し、その上に反射防止膜であるシリコン窒化膜が成膜されている。さらにシリコン窒化膜の上に光−電子変換された電子を集めるバス電極と複数のグリッド電極が形成されている。一方、P型シリコン基板の裏面には、開放電圧(Voc)を向上且つ短絡電流(Isc)を向上されるための裏面電界(BSF:Back Surface Field)層を形成するためのAL電極及び外部電極とコンタクトを取るための裏面バス電極が形成されている。
このような太陽電池セルは、バス電極と裏面バス電極にそれぞれインターコネクタを接続されて光−電子変換して発生した電力を外部に取り出される(例えば、特許文献1参照)。さらに、太陽電池セル1枚では発生する電力が小さいため、複数の太陽電池セルを併設して、複数の太陽電池セルをインターコネクタで直並列に接続して実用的な電力を取り出せるように構成された太陽電池モジュールが用いられている。このような太陽電池モジュールは、一般に、複数の太陽電池セルがインターコネクタで直並列に接続された太陽電池アレイが、ガラス等の透光性の高い表面カバー材と裏面カバー材との間に配置され、エチレンビニールアセテート等を主成分とする封止剤で封止されたものが一般的である。
特開2005−159173号公報
しかしながら、従来の技術には、以下5点の問題があった。(1)インターコネクタが十分な断面積を有しておらず電力損失が大きい。(2)インターコネクタの幅が広いことで、セル受光面の遮蔽される面積が大きくなり発電量が減少する。(3)太陽電池セルのバス電極(Ag電極)とインターコネクタの接触面積が大きいため、インターコネクタ接合箇所の残留応力が大きく、温度サイクルによりセルへ作用するストレスが大きくなる。(4)インターコネクタが特殊な形状をしており、製造コストが増えるとともに、任意のサイズへの加工も容易でない。(5)インターコネクタにメッキされたはんだが受光面へと飛散し受光面を損傷する。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上記課題を解決することのできる太陽電池モジュール及び太陽電池セルを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる太陽電池モジュールは、平板状を成し受光面に受光面電極を有し裏面に裏面電極を有する太陽電池セルが複数並設され、第1の太陽電池セルの受光面電極と第1の太陽電池セルに隣接する第2の太陽電池セルの裏面電極とを接続するインターコネクタが設けられた太陽電池モジュールにおいて、インターコネクタは、丸線の導体を基材とすることを特徴とする。
また、本発明にかかる他の太陽電池モジュールは、平板状を成し受光面に受光面電極を有し裏面に裏面電極を有する太陽電池セルが複数並設され、第1の太陽電池セルの受光面電極と第1の太陽電池セルに隣接する第2の太陽電池セルの裏面電極とを接続するインターコネクタが設けられた太陽電池モジュールにおいて、受光面電極は、受光面に形成され第1の方向と直交する方向に第1の太陽電池セルの端部まで平行に延びる複数の細線でなるグリッド電極と、複数のグリッド電極を接続するように形成され第1の太陽電池セルの第1の方向に平行に沿って延びる受光面バス電極とを有し、インターコネクタは、第1の太陽電池セルの受光面に受光面バス電極に沿って延び受光面バス電極と接続されるとともに、第2の太陽電池セルの裏面に設けられた裏面電極と接続され、インターコネクタは、丸線の導体を基材とすることを特徴とする。
さらに、本発明にかかる太陽電池セルは、太陽光を受光して電力を発生する半導体基板の受光面側に受光面電極を有し、半導体基板の裏面側に裏面電極を有し、受光面電極および裏面電極にそれぞれインターコネクタを接続されて発生した電力を取り出される太陽電池セルにおいて、インターコネクタは、表面がはんだメッキされた丸線の導体であることを特徴とする。
本発明によれば、以下のような効果を奏する。(1)インターコネクタが十分な断面積を有しており電力損失が小さい。(2)受光面に投影されるインターコネクタの幅が狭く、セル受光面の遮蔽される面積が小さいので発電量が増大する。(3)太陽電池セルのバス電極(Ag電極)とインターコネクタとの接触面積が小さく、接続箇所での残留応力が小さく、温度サイクルによるセルへのストレスが小さい。(4)インターコネクタが一般的な形状をしており、コストダウンを図り、任意のサイズへの加工も容易である。
図1は、太陽電池セルにリード線(インターコネクタ)が接続された様子を示す斜視図である。 図2は、図1のA部分の拡大断面図である。 図3は、比較して示す太陽電池セルに従来のリード線が接続された様子を示す図2に相当の拡大断面図である。 図4は、太陽電池モジュールの斜視図であり、太陽電池パネルに枠部材を取り付ける様子を示す図である。 図5は、複数の太陽電池セルがリード線により順次接続されてなる太陽電池アレイが太陽電池パネル内に封止されている様子を示す斜視図である。 図6は、太陽電池セルの上面図である。 図7は、太陽電池セルの裏面図である。 図8は、太陽電池セルの受光面側バス電極にリード線を接合した様子を示す上面図である。 図9は、複数の太陽電池セルを直列に接続した様子を上方から見た斜視図である。 図10は、各部品を積層する状態を示す太陽電池セルの分解斜視図である。 図11は、隣接する2つの太陽電池セルの接続状態を示す断面図である。
以下に、本発明にかかる太陽電池モジュール及び太陽電池セルの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態
図1は、太陽電池セルにリード線(インターコネクタ)が接続された様子を示す斜視図である。図2は、図1のA部分の拡大断面図である。図3は、比較して示す太陽電池セルに従来のリード線が接続された様子を示す図であり、図2に相当する位置での拡大断面図である。図1及び図2において、太陽電池セル20には、太陽電池セル20にて発生した電力を取り出すために銅製の丸線でなるリード線(インターコネクタ)4が接続されている。太陽電池セル20の平板状のシリコン基板11のおもて面には受光面が形成されている。そして、この受光面には太陽電池セル20により光から変換された電気エネルギーを取り出す受光面電極として、受光面グリッド電極13と受光面バス電極14とが設けられている。そして、受光面バス電極14に電力を取り出すためにリード線(インターコネクタ)4が接続されている。
2本のリード線4が、隣接する複数の太陽電池セル20(図示せず)を電気的に接続するために、太陽電池セル20の接続方向である第1の方向(図1中X方向)に延びている。受光面バス電極14は、2本のリード線4を接続するために、受光面上に第1の方向に2本が延びて形成されている。一方、受光面グリッド電極13は、第1の方向と直交する方向に多数本が平行に形成されている。受光面グリッド電極13は、細線でなり受光面にて発電した電力を無駄なく取り出すために太陽電池セル20の受光面(おもて面)の全体にわたって形成されている。
本実施の形態のリード線4は、銅製の丸線の導体4Aの表面にはんだメッキが施されたものであり、表面全体にはんだ4Bによる薄層が形成されている。受光面バス電極14とリード線4との間には、接合の安定性や接触面積が増加を図ってリブ電極17を配設してもよい。リブ電極17は、受光面バス電極14とリード線4との間に設けられ、リード線4の受光面バス電極14側の側面を約半周(約180度の範囲)囲い込むように覆って接合面積を拡大する。
従来のリード線(インターコネクタ)74は、図3に示すように、平角銅線74Aの表面にはんだメッキが施されたものであり、表面全体にはんだ74Bが薄層を形成しているものであった。図2及び図3によるリード線4の特徴は後述することとし、先に太陽電池モジュール全体の説明をする。
図4は、太陽電池モジュールの斜視図であり、太陽電池パネルに枠部材を取り付ける様子を示している。図5は、複数の太陽電池セルがリード線により順次接続されてなる太陽電池アレイが太陽電池パネル内に封止されている様子を示す斜視図である。図6は、太陽電池セルの上面図である。図7は、太陽電池セルの裏面図である。図8は、太陽電池セルの受光面側バス電極にリード線を接合した様子を示す上面図である。図9は、複数の太陽電池セルを直列に接続した様子を上方から見た斜視図である。図10は、各部品を積層する状態を示す太陽電池セルの分解斜視図である。図11は、隣接する2つの太陽電池セルの接続状態を示す断面図である。
太陽電池モジュール90は、平板状の太陽電池パネル70とこの太陽電池パネル70の外縁部を全周にわたって囲む枠部材80とを有している(図4)。太陽電池パネル70は、縦横に複数配列された太陽電池セル20を樹脂8a、8bで封止し、その受光面側を透光性を有する表面カバー材3で覆い、裏面側を裏面カバー材10で覆って構成されている(図10)。
複数の太陽電池セル20は、リード線4により、第1の方向である図中X方向に直列に接続されている(図5、9、11)。ただし、太陽電池パネル70の端部においては、Y方向に接続されている箇所もある。リード線4は、表面を覆うように供給されたはんだにより太陽電池セル20にはんだ付けされる。そして、複数の太陽電池セル20がリード線4により順次接続されて太陽電池アレイ5が構成され、この太陽電池アレイ5が太陽電池パネル70の内部に樹脂8により封止されている(図5、10)。
枠部材80は、アルミニウムなどの押出成型にて作製され、断面コの字形を成すコ字状部で太陽電池パネル70の外縁部を全周にわたって覆っている(図4)。枠部材80は、ブチル系の封止材またはシリコン系の接着剤などを介して太陽電池パネル70に固定され、太陽電池パネル70を補強するとともに、太陽電池パネル70を住宅やビルなどの建物や地面や構造物に設けられた架台に取り付けるための役割を有する。
太陽電池パネル70は、受光面側(おもて面側)から、例えばガラス板である透光性の高い表面カバー材3と、複数の太陽電池セル20およびこれら太陽電池セル20を直列に接続するリード線4がEVA(エチレンビニルアセテート)等の樹脂8(8a、8b)で封止されたセル配置層9と、PET(ポリエチレンテレフタレート)やPVF(ポリビニルフルオライド)等でなる耐候性に優れた裏面カバー材(バックシート)10とが、この順にて積層された構成となっている(図10、11)。
太陽電池セル20は、およそ150〜300μmほどの厚みのp型シリコンを基板として以下のように構成される。p型層となるp型シリコン基板(半導体基板)11の表面側には、リン拡散によってn型拡散層(不純物層拡散層:図示せず)が形成され、さらに入射光の反射を防止して変換効率を向上させるためのシリコン窒化膜よりなる反射防止膜11a(図6)が表面処理により設けられて、太陽電池セル20の受光面となっている。また、p型シリコン基板(以下、単に基板)11の裏面側には、高濃度不純物を含んだp+層(図示せず)が形成され、さらに入射光の反射および電力の取り出しを目的として裏面のほぼ全面にわたってアルミニウムによる裏面集電電極12が設けられている。
また、基板11の受光面には、入射光から変換された電気エネルギーを取り出す受光面側電極として、銀で形成された細線電極であるグリッド電極13と同じく銀で形成された所定幅の受光面バス電極(受光面リード接続電極)14とが形成され、それぞれ底面部において上記n型拡散層と電気的に接続している。受光面バス電極14は、太陽電池セル20の接続方向である第1の方向に沿って2本が平行に形成されている。グリッド電極13は、受光面バス電極14と直交する方向に多数本が細形に形成されている。グリッド電極13は、受光面にて発電した電力を無駄なく取り出すために、できるだけ細く、また受光面(表面)の全体にわたるように形成されている。太陽光が当たることによって、図6、8の受光面側がマイナス(−)電極、図7の裏面側がプラス(+)電極となる。受光面バス電極14は、リード線4が接続されて、グリッド電極13によって集められた電気エネルギーをさらに外部に取り出すために設けられている(図8)。
グリッド電極13と受光面バス電極14とは、グリッド電極13となる100μm程度の幅の銀ペーストが線状に2mm程度の間隔で多数本塗布され、また、受光面バス電極14となる2mm幅の銀ペーストが基板11の端辺からセル幅の4分の1の距離にグリッド電極13の銀ペーストと直交するように塗布され、これら銀ペーストが焼成されて形成されている。
一方、基板11の裏面には、裏面のほぼ全面を覆うようにしてアルミニウムでなる裏面集電電極12が設けられている。また、太陽電池セル20の裏面のグリッド電極13と対応した位置(グリッド電極13と太陽電池セル20の厚さ方向に重なる位置)には、銀でなる裏面バス電極(裏面リード接続電極)15が太陽電池セル20の接続方向である第1の方向に延びて形成されている。裏面バス電極15は、リード線4が接続されて、裏面集電電極12によって集められた電気エネルギーをさらに外部に取り出すために設けられている(図7)。
基板11の裏面は、前面にわたって銀電極にて覆ってもよいがコストが嵩むため、上記のように特にリード線4を接続する箇所のみ銀製の裏面バス電極15が設けられている。なお、裏面バス電極15は、本実施の形態のように直線状なもののほかに、ドット状(飛び石状)に設けられる場合もある。
このように構成された太陽電池セル20では、太陽光が太陽電池セル20の受光面側(反射防止膜側)から照射されて、内部のpn接合面(p型層とn型拡散層との接合面)に到達すると、このpn接合面において合体していたホールと電子が分離する。分離した電子はn型拡散層に向かって移動する。一方、分離したホールはp+層に向かって移動する。これにより、n型拡散層とp+層との間に、p+層の電位が高くなるようにして電位差が発生する。その結果、n型拡散層に接続した表面電極がマイナス極、p+層に接続した裏面電極がプラス極となって、外部回路(図示せず)を接続すれば電流が流れ、太陽電池としての動作を示す。太陽電池セル20の1枚の出力電圧は小さいが、太陽電池モジュール90においてはこの太陽電池セル20を複数枚直列に接続することにより使用しやすい電圧まで大きくしている。
太陽電池セル20の直列接続は、第1の方向に配列された複数の太陽電池セルにおいて、第1の太陽電池セル20(20A)の受光面バス電極14と、これに隣接する第2の太陽電池セル20(20B)の裏面バス電極15(図11)とをリード線4により電気的に接続することによりなされる(図9、10)。
図1、図8及び図9においてリード線4は、受光面バス電極14の上に延び、当該受光面バス電極14にはんだ接合(機械的および電気的に接続)されている。なお、図9において、リブ電極17は省略している。そして、リード線4は、太陽電池セル20より長さを長くされた延長部4aを有しており、この延長部4aは、リード線4が受光面バス電極14上にはんだ接合された際、一端側に長く延出する(図8)。
リード線4の延長部4aは、太陽電池セル20の裏面側で裏面バス電極15上に延び、当該裏面バス電極15にはんだ接合(機械的および電気的に接続)されている。このようにして、図9に示すように、第1の太陽電池セル20(20A)と第2の太陽電池セル20(20B)とが直列接続されている。すなわち、第1の太陽電池セル20(20A)のリード線4の延長部4aが、隣接する第2の太陽電池セル20(20B)の裏面側にもぐり込み、裏面バス電極15上にはんだ接合されている。ここでは、隣接する2つの第1の太陽電池セル20(20A)と第2の太陽電池セル20(20B)の接続のみ説明したが、実際には、同様の接続が繰り返されて複数の太陽電池セル20が直列に接続されている。
なお、本実施の形態においては、複数の太陽電池セル20は、受光面と裏面との間に延びる連続するリード線4により接続されているが、このリード線4を2本のリード線(受光面側リード線と裏面側リード線)に分割し、あらかじめ太陽電池セル20の受光面バス電極14と裏面バス電極15とにそれぞれ接続しておき、その後に2本のリード線を接続するようにしてもよい。
図2及び図3により、本実施の形態の丸線のリード線4の特徴を説明する。上記のように、本実施の形態のリード線4は、銅製の丸線導体4Aの表面にはんだメッキが施されたものであり、表面全体にはんだ4Bによる薄層が形成されている。一方、従来のリード線74は、平角銅線74Aの表面にはんだメッキが施されたものであり、表面全体にはんだ74Bが薄層を形成しているものであった。
リード線4での電力損失は断面積に依存することが知られている。図3において、従来のリード線74が、幅W=2.0mm、厚さt=0.2mmの場合には、面積S2=0.4mmとなる。図2において、受光面カバー率(リード線が受光面を覆ってしまう割合)が既存以下であることを考慮に入れれば、2r=Wから、リード線4は、r=1.0mmまで拡大可能であり、面積S1=πr=3.14mmとなる。これにより断面積は、2.74mm増加し、受光面カバー率を同じとした場合、電力損失を低減することができる。このように、本実施の形態のリード線4は、従来のものよりも断面積を容易に拡大できることから、太陽電池セル20の受光面カバー率を抑えつつ、電流値を増大することができるという効果も期待できる。
また、図3において、従来のリード線74が、W=2.0mm、t=0.2mmの場合に、リード線4が同じ断面積とすると、図2において、S2=Wt=πrより、r=√(wt/π)=0.36mmとなり、直径2r=0.72mmとなる。すなわち、当条件において、本実施の形態では、受光面カバー率を既存技術より1.28mm削減することができる。これにより、受光面積が増大して発電能力が向上することで出力の向上を図ることができる。
本実施の形態のリード線4は、上記のように太陽電池セル20の電気的特性を向上させるだけでなく、リード線4の断面形状が円形なので、リブ電極17を用いない場合、リード線4の基板11(受光面バス電極14)への接触面積が小さくなることで、リード線4接合時の残留応力を低減させることができる。これは特に、太陽電池セル20の薄肉化に対してセル割れの抑制に効力を発揮する。
また、従来は、平角銅線74Aを作製するに際し、市販の丸線を平角に加工するロール圧延などの圧延工程が必要であったが、本実施の形態においては、この圧延工程が不要となり、加工費を削減することができる。また、これに加えて、丸線形状はダイス伸線の際にダイスの径を変えることで容易に任意の太さのものへと加工することができ、径が細いものでは、髪の毛サイズのものまで加工が可能である。
さらに、リブ電極17を設けた場合には、リード線4を受光面バス電極14上へはんだ付けする際に安定して接合することが可能となる。また、リード線4と受光面バス電極14との接触面積が増加し剥離強度が向上する。但し、残留応力はリブ電極17が無い場合と比較すると若干増える。さらにまた、リブ電極17を設けることで、リード線4の接合時のはんだメッキのセル受光面への飛散を防止することができる。
リブ電極17の材料には、導電性の良いもの(Agなど)が含まれることが好ましい。リブ電極17を形成する手段としては、所定の高さが必要であるので、電極印刷時の印圧の違いを利用して形成したり、複数層を印刷したりすることにより形成することができる。また、受光面バス電極14とともに一体に1回の印刷により形成しても良い。その際には、電極印刷時の印圧差を用いて凹凸を形成することにより作製することができる。そして、リブ電極17の高さはリード線4の半径以下である必要があり、また、リブ電極17とリード線4との間には、接合時の安定性を考慮して若干のクリアランスが存在することが好ましい。すなわち、リブ電極17の湾曲面は、リード線4の外周面より若干大きいことが好ましい。
以上のように、本発明は、太陽光を受光して電力を発生する半導体基板の受光面側に受光面電極を有し、半導体基板の裏面側に裏面電極を有し、受光面電極および裏面電極にそれぞれインターコネクタを接続されて発生した電力を取り出される太陽電池セルに適用されて好適なものであり、また、この太陽電池セルが複数並設され、第1の太陽電池セルの受光面電極と第1の太陽電池セルに隣接する第2の太陽電池セルの裏面電極とを接続するインターコネクタが設けられた太陽電池モジュールに適用されて好適なものである。
3 表面カバー材
4 リード線(インターコネクタ)
4a 延長部
4A 丸線の導体
4B はんだ
5 太陽電池アレイ
8、8a、8b 樹脂
9 セル配置層
10 裏面カバー材
11 p型シリコン基板(半導体基板)
12 裏面集電電極(裏面電極)
13 グリッド電極(受光面電極、受光面電極)
14 受光面バス電極(受光面リード接続電極、受光面電極)
15 裏面バス電極(裏面リード接続電極、裏面電極)
17 リブ電極
20 太陽電池セル
70 太陽電池パネル
80 枠部材
90 太陽電池モジュール

Claims (7)

  1. 平板状を成し受光面に受光面電極を有し裏面に裏面電極を有する太陽電池セルが複数並設され、第1の太陽電池セルの前記受光面電極と前記第1の太陽電池セルに隣接する第2の太陽電池セルの前記裏面電極とを接続するインターコネクタが設けられた太陽電池モジュールにおいて、
    前記インターコネクタは、丸線の導体を基材とする
    ことを特徴とする太陽電池モジュール。
  2. 平板状を成し受光面に受光面電極を有し裏面に裏面電極を有する太陽電池セルが複数並設され、第1の太陽電池セルの前記受光面電極と前記第1の太陽電池セルに隣接する第2の太陽電池セルの前記裏面電極とを接続するインターコネクタが設けられた太陽電池モジュールにおいて、
    前記受光面電極は、前記受光面に形成され第1の方向と直交する方向に前記第1の太陽電池セルの端部まで平行に延びる複数の細線でなるグリッド電極と、前記複数のグリッド電極を接続するように形成され前記第1の太陽電池セルの第1の方向に平行に沿って延びる受光面バス電極とを有し、前記インターコネクタは、前記第1の太陽電池セルの受光面に前記受光面バス電極に沿って延び前記受光面バス電極と接続されるとともに、前記第2の太陽電池セルの裏面に設けられた前記裏面電極と接続され、
    前記インターコネクタは、丸線の導体を基材とする
    ことを特徴とする太陽電池モジュール。
  3. 前記インターコネクタは、前記丸線の導体の表面がはんだで覆われたものである
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記はんだは、前記丸線の導体の表面にメッキされたものである
    ことを特徴とする請求項3に記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記受光面バス電極と前記インターコネクタとの間に設けられ、前記インターコネクタの前記受光面バス電極側の側面を囲い込むように覆って接合面積を拡大するリブ電極をさらに備えた
    ことを特徴とする請求項2に記載の太陽電池モジュール。
  6. 前記第1の太陽電池セル、前記第2の太陽電池セルおよび前記インターコネクタは、封止剤により一体に封止される
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
  7. 太陽光を受光して電力を発生する半導体基板の受光面側に受光面電極を有し、前記半導体基板の裏面側に裏面電極を有し、前記受光面電極および前記裏面電極にそれぞれインターコネクタを接続されて発生した電力を取り出される太陽電池セルにおいて、
    前記インターコネクタは、表面がはんだメッキされた丸線の導体である
    ことを特徴とする太陽電池セル。
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Cited By (10)

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