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JP2015046470A - 光電変換モジュール - Google Patents

光電変換モジュール Download PDF

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JP2015046470A
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敬太 黒須
Keita Kurosu
敬太 黒須
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

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Abstract

【課題】 封止材を薄くして封止材の使用量を低減しても、良好な特性を維持することのできる光電変換モジュールを提供する。
【解決手段】 光電変換モジュール100は、一主面を有する基板1と、一主面の中央部上の光電変換部11と、光電変換部11の第1辺に平行な第1方向に延びる第1配線導体9と、第1辺に隣接する第2辺に沿って光電変換部11と間隔をあけて配置され、第2辺に平行な第2方向に延びる第2配線導体19と、上面の第1部位に第1配線導体9の一端部が電気的に接続されているとともに上面の第1部位とは異なる第2部位に第2配線導体19の一端部が電気的に接続されている補助電極18と、一主面上に配置され、光電変換部11、補助導体18、第1配線導体9および第2配線導体19を封止する封止材12と、封止材12上に配置された保護基板13とを具備する。
【選択図】 図1

Description

本発明は光電変換部で発電した電力を取り出すための配線導体を具備する光電変換モジュールに関する。
近年、エネルギー問題や環境問題の深刻化に伴い、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電が注目を集めている。
この太陽光発電に使用される光電変換モジュールでは、光電変換部から得られた電力を、リード線等の配線導体を介して外部に取り出している。このような光電変換モジュールでは、基板の表面の中央部に光電変換部が形成されており、その光電変換部の正極および負極にそれぞれ接続された配線導体が、基板の表面における光電変換部の周辺部で引き回された後、基板の裏面に配置された端子ボックスの内部に導出されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2010−056251号公報
特許文献1に示すように、配線導体を引き回す場合、直角に折り曲げて配線導体の延伸方向を変える必要がある。配線導体を直角に折り曲げる場合、折り曲げ部分の厚みが大きくなる。そのため、光電変換部や配線導体を封止する封止材を厚くする必要があり、封止材の使用量が多くなり、コストを低減することが困難である。
よって、本発明は、封止材を薄くして封止材の使用量を低減しても、良好な特性を維持することのできる光電変換モジュールを提供することにある。
本発明の一態様に係る光電変換モジュールは、一主面を有する基板と、前記一主面の中央部上に配置された矩形状の光電変換部と、前記光電変換部の第1辺に沿って前記光電変換部に電気的に接続するように配置され、前記第1辺に平行な第1方向に延びる第1配線導体と、前記光電変換部の前記第1辺に隣接する第2辺に沿って前記光電変換部と間隔をあけて配置され、前記第2辺に平行な第2方向に延びる第2配線導体と、前記一主面の前記第1配線導体の仮想延長線および前記第2配線導体の仮想延長線が交差する交差部に配置された層状の導電体であり、上面の第1部位に前記第1配線導体の一端部が電気的に接続されているとともに前記上面の前記第1部位とは異なる第2部位に前記第2配線導体の一端部が電気的に接続されている補助電極と、前記一主面上に配置され、前記光電変換部、前記補助導体、前記第1配線導体および前記第2配線導体を封止する封止材と、該封止材上に配置された保護基板とを具備する。
本発明の一態様に係る光電変換モジュールによれば、良好な特性を維持しながら、封止材を薄くして封止材の使用量を低減することができる。
第1実施形態に係る光電変換モジュ−ルの封止材および保護基板を設けていない状態の斜視図である。 図1に示した光電変換モジュ−ルの平面図である。 図2のA−A線における光電変換モジュ−ルの断面図である。 図2のB−B線における光電変換モジュールの断面図である。 図1の光電変換モジュールの要部拡大図である。 封止材および保護基板を設けた状態の光電変換モジュールの断面図である。 第2実施形態に係る光電変換モジュールの平面図である。 第3実施形態に係る光電変換モジュールの平面図である。 第4実施形態に係る光電変換モジュールの平面図である。
本発明の一態様に係る光電変換モジュ−ルについて、図面を参照しつつ説明する。なお、各図には、後述する光電変換セルの配列方向をX軸とする右手系のXYZ座標が付している。
<第1実施形態に係る光電変換モジュール>
図1〜図5は、配線導体等の構成を見やすくするため、封止材12と保護基板13を除いた状態の第1実施形態に係る光電変換モジュール100(以下、封止材12と保護基板13を除いた状態の第1実施形態に係る光電変換モジュール100を、第1モジュール101という)の構成を示している。
図1は、第1モジュ−ル101の斜視図であり、図2は、図1に示した第1モジュ−ル101の平面図である。また、図3は、図2のA−A線における第1モジュ−ル101の断面図であり、図4は、図2のB−B線における第1モジュール101の断面図である。また、図5は、図1の第1モジュール101の要部拡大図である。
第1モジュール101は、基板1と、光電変換部11と、出力電極8と、補助電極18と、第1配線導体9と、第2配線導体19とを備えている。そして、この第1モジュール101に封止材12および保護基板13が設けられることによって、図6に示す第1実施形態に係る光電変換モジュール100となる。図6は図3と同じ方向における光電変換モジュール100の断面図である。
基板1は、光電変換部11を支持する機能を有している。また、基板1の材質としては、は、厚さ1〜3mm程度の青板ガラス(ソーダライムガラス)または硼珪酸ガラス等が挙げられる。なお、基板1の材質としてはこれに限定されず、他のガラス、セラミックス、樹脂および金属等が用いられてもよい。また、基板1の形状は、例えば矩形状、円形状等の平板状であればよい。
光電変換部11は、基板1の一主面上に設けられている。光電変換部11は、発電の出力を高めるという観点から、複数の光電変換セルが互いに電気的に接続され、基板1上で集積化されている。そして、第1モジュール101を平面視したときの光電変換部11の全体形状は矩形状である。光電変換部11の詳細については後述する。
出力電極8は、基板1の一主面上で、一対のものが光電変換部11の一対の電極にそれぞれ電気的に接続されるように設けられている。図1〜図5の例では、出力電極8が、光電変換部11の一方の電極に接続された出力電極8Aと、光電変換部11の他方の電極に接続された出力電極8Bとの1対を有する例を示している。
出力電極8は、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタ
ル(Ta)または金(Au)等の金属またはこれらの合金を含む薄膜であればよい。また、これらの金属が積層されてなる構造体であってもよい。この出力電極8は、例えば、基板1上にスパッタリング法または蒸着法等を利用して、厚さ0.2〜1μm程度に形成すればよい。出力電極8は、工程を簡略化するという観点からは、後述する下部電極層2と同じ材料で下部電極層2の作製と同時に作製されてもよい。
第1配線導体9は、光電変換部11の第1辺に沿って、この第1辺に平行な第1方向(Y軸方向)に延びるように配置されている。また、第1配線導体9は出力電極8に接続されており、これによって光電変換部11と第1配線導体9とが電気的に接続されている。なお、光電変換部11の第1辺とは、図2において矩形状の太線示されている光電変換部11の+X側および−X側の辺(Y軸に平行な辺)のことである。図1〜図5の例では、第1配線導体9が、出力電極8Aに接続された第1配線導体9Aと、出力電極8Bに接続された第1配線導体9Bとの1対を有する例を示している。
第2配線導体19は、光電変換部11の上記第1辺に隣接する第2辺に沿って、この第2辺に平行な第2方向(X軸方向)に延びるように配置されている。また、第2配線導体19は光電変換部11と間隔をあけて配置されている。なお、光電変換部11の第2辺とは、図2において矩形状の太線示されている光電変換部11の+Y側の辺(X軸に平行な辺)のことである。図1〜図5の例では、第2配線導体19が、後述する補助電極18Aを介して第1配線導体9Aに接続された第2配線導体19Aと、補助電極18Bを介して第1配線導体9Bに接続された第2配線導体19Bとの1対を有する例を示している。
第1配線導体9および第2配線導体19は、銀(Ag)、銅(Cu)、Al等の導電体であり、厚みが0.3〜2mm程度、幅が2〜6mm程度の帯状である。第1配線導体9は出力電極8に、半田付けや導電性接着剤による接着、溶接等によって電気的に接続されている。また、同様に、第1配線導体9および第2配線導体19は、補助電極18に、半田付けや導電性接着材による接着、溶接等によって電気的に接続されている。
補助電極18は、基板1の一主面における、第1配線導体9の仮想延長線および第2配線導体19の仮想延長線が交差する交差部に配置された層状の導電体である。そして、補助電極18の上面(+Z側の主面)の第1部位には、第1配線導体9の一端部が電気的に接続されているとともに、補助電極18上面の第1部位とは異なる第2部位に第2配線導体19の一端部が電気的に接続されている。図1〜図5の例では、補助導体18は、第1配線導体9Aおよび第2配線導体19Aに接続された補助導体18Aと、第1配線導体9Bおよび第2配線導体19Bに接続された補助導体18Bとの1対を有する例を示している。
補助電極18は、第1配線導体9と第2配線導体19とを、厚みを増加させることなく電気的に接続することができ、一定厚みで異なる方向に折れ曲がった構造の配線導体とすることができる。その結果、後述する封止材12の厚みを薄くしても十分に補助電極18を封止することができ、光電変換モジュール100の良好な特性を維持しながら、封止材12の使用量を低減することができる。
補助電極18は、Mo、Al、Ti、TaまたはAu等の金属またはこれらの合金を含む薄膜であればよい。また、これらの金属が積層されてなる構造体であってもよい。この補助電極18は、例えば、基板1上にスパッタリング法または蒸着法等を利用して、厚さ0.2〜1μm程度に形成すればよい。補助電極8は、図1〜図5に示すように、出力電極8が延長されたものであってもよい。このような構成であれば、第1配線導体9の電気抵抗をより低減できる。補助電極8は、工程を簡略化するという観点からは、出力電極8や後述する下部電極層2と同じ材料で出力電極8および下部電極層2の作製と同時に作製
されてもよい。
補助電極18上において第1配線導体9と第2配線導体19とは、図3の断面図に示すように、離れて配置されていてもよい。この場合、第1配線導体9と第2配線導体19との間に封止材12が入り込むため、第1配線導体9および第2配線導体19の補助電極18電極との接続を良好に維持することができる。なお、補助電極18上において、第1配線導体9と第2配線導体19とは接触していてもよい。この場合、第1配線導体9および第2配線導体19間の電気抵抗を低減できる。
これらの第1配線導体9、補助電極18および第2配線導体19は、光電変換部11で発電された電力を光電変換モジュール100の外部に取り出すための導電路として機能する。第2配線導体19の補助電極18とは反対側の端部は、光電変換モジュール100の外部に導出される。第2配線導体19の端部の光電変換モジュール100の外部への導出方法としては、例えば、図1および図2に示すように、第2配線導体19の端部を、基板1の一主面からその反対側の主面にかけて基板1を貫通する貫通孔1aを介して外部へ導出してもよい。あるいは、第2配線導体19の端部を基板1の一主面の外周から外部に導出させてもよい。あるいは、第2配線導体19の端部を封止材12および保護基板13を貫通させて外部に導出してもよい。
なお、図1および図2では、一対の第1配線導体9A、9Bのそれぞれに補助電極18A、18Bおよび第2配線導体19A、19Bを接続している例を示しているが、一対の第1配線導体9の一方だけに補助電極18および第2配線導体19を接続するような構成であってもよい。例えば、第1配線導体9Aの延長上に、基板1の貫通孔1aを設けておけば、第1配線導体9Bだけに補助電極18Bおよび第2配線導体19Bを接続させるだけでよく、第1配線導体9Aは直接貫通穴1aへ導出することができる。
封止材12は、図6に示すように、基板1の一主面上に配設されており、光電変換部11、出力電極8、第1配線導体9、補助電極18および第2配線導体19を封止する機能を有する。このような封止材としては、例えば共重合したエチレンビニルアセテート(EVA)を主成分とする樹脂やポリビニルブチラール(PVB)を主成分とする樹脂等が挙げられる。
保護基板13は、図6に示すように、封止材12を覆うように設けられており、光電変換部11、出力電極8、第1配線導体9、補助電極18および第2配線導体19を保護する機能を有する。保護基板13としてはガラス等が用いられ得る。
<光電変換部>
次に、光電変換部11について説明する。図4は第1モジュ−ル101のY方向の中央部における光電変換部11を示す部分断面図であり、図5はその部位の要部斜視図である。なお、図4および図5の構成は、第1モジュール101に用いられる光電変換部11の一例を示すものであって、これに限定されるものではない。
光電変換部11は、下部電極層2と、第1の半導体層3と、第1の半導体層3とは異なる導電型の第2の半導体層4と、上部電極層5と、集電電極6とを備えた光電変換セル10が複数個、図4のX方向に直列接続されて成る。隣接する光電変換セル10において、一方の光電変換セル10の上部電極層5が集電電極6および接続導体7を介して隣接する他方の光電変換セル10の下部電極層2に接続されている。そして、光電変換部11の一方端部の外側に出力電極8Aが形成されており、一方端部側の光電変換セル10の下部電極層2に電気的に接続されている。また、その反対側の光電変換部11の他方端部の外側にも出力電極8Bが形成されており、他方端部側の光電変換セル10の上部電極層5に電気的に接続されている。
次に、光電変換部11の各部材について説明する。
下部電極層2は、一方向(図4のX方向)に互いに間隔をあけて基板1の一主面上に複数配置されている。なお、下部電極3の個数については、図4に示したものに限られない。このような下部電極層2は、Mo、Al、Ti、TaまたはAu等の金属またはこれらの合金を含む薄膜であればよい。また、これらの金属が積層されてなる構造体であってもよい。この下部電極層2は、例えば、基板1上にスパッタリング法または蒸着法等を利用して、厚さ0.2〜1μm程度に形成すればよい。
第1の半導体層3は、下部電極層2上に配置されている。第1の半導体層3は、例えば、アモルファスシリコンや化合物半導体等が用いられる。化合物半導体としては、例えば、I−III−VI化合物やI−II−IV−VI族化合物半導体、II−VI族化合物半導体等がある。
I−III−VI化合物半導体とは、I−B族元素(11族元素ともいう)、III−B族元素
(13族元素ともいう)およびVI−B族元素(16族元素ともいう)の化合物半導体である。そして、このようなI−III−VI化合物半導体は、カルコパイライト構造を有し、カルコパイライト系化合物半導体とも呼ばれる(CIS系化合物半導体ともいう)。I−III−VI化合物半導体としては、例えば、二セレン化銅インジウム(CuInSe)、二セレン化銅インジウム・ガリウム(Cu(In,Ga)Se)、二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(In,Ga)(Se,S))、二イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(In,Ga)S)または薄膜の二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム層を表面層として有する二セレン化銅インジウム・ガリウム等の多元化合物半導体薄膜がある。
また、I−II−IV−VI族化合物半導体とは、I−B族元素、II−B族元素(12族元素ともいう)、IV−B族元素(14族元素ともいう)およびVI−B族元素の化合物半導体である。I−II−IV−VI族化合物としては、例えば、CuZnSnS等がある。
また、II−VI族化合物半導体とは、II−B族元素およびVI−B族元素の化合物半導体である。II−VI族化合物半導体としては、例えば、CdTe等がある。
第1の半導体層3は、例えばスパッタリング法、蒸着法等といった真空プロセスによって形成される。また、第1の半導体層3は、塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによっても形成される。塗布法あるいは印刷法では、例えば、第1の半導体層3に主として含まれる元素の錯体溶液が下部電極層2の上に塗布され、その後、乾燥および加熱処理が行われる。
第2の半導体層4は、第1の半導体層3の+Z側の主面の上に、例えば10〜200nmの厚さで設けられており、第1の半導体層3の導電型とは異なる導電型を有する半導体を主に含む。なお、導電型が異なる半導体とは、伝導担体(キャリア)が異なる半導体である。例えば、第1の半導体層3がp型であれば、第2の半導体層4はn型であり、その逆であってもよい。また、第1の半導体層3と第2の半導体層4と界面に、i型等の他の半導体層が介在していてもよい。
第2の半導体層4は、第1の半導体層3の表面部に他の元素がドープされて成るものであってもよく、第1の半導体層3とは異なる化合物がヘテロ接合されて成るものであってもよい。
上部電極層5は、第2の半導体層4の+Z側の主面の上に設けられており、例えば、第2の半導体層4と同じ導電型を有する透光性の導電層である。この上部電極層5は、第1の半導体層3および第2の半導体層4において生じたキャリアを取り出す電極として働く。上部電極層5は、第2の半導体層4よりも低い電気抵抗率を有する材料を主に含む。
上部電極層5は、禁制帯幅が広く且つ透光性で低電気抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば酸化亜鉛(ZnO)、酸化亜鉛の化合物、錫が含まれた酸化インジウム(ITO)および酸化錫(SnO)等の金属酸化物半導体等が挙げられる。酸化亜鉛の化合物は、アルミニウム、ボロン、ガリウム、インジウムおよびフッ素のうちの何れか1つの元素等が含まれたものである。
上部電極層5は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長(CVD)法等によって形成され得る。上部電極層5の厚さは、例えば、0.05〜3.0μmである。ここで、上部電極層5が、1Ω・cm未満の抵抗率と、50Ω/□以下のシート抵抗とを有していれば、上部電極層5を介して第1の半導体層3および第2の半導体層4からキャリアが良好に取り出され得る。
上部電極層5は、その厚みが0.05〜0.5μmであれば、透光性導電層6における光透過性が高められると同時に、光電変換によって生じた電流が良好に伝送され得る。さらに、上部電極層5の絶対屈折率と第2の半導体層4の絶対屈折率とが略同一であれば、上部電極層5と第2の半導体層4との界面で光が反射することで生じる入射光のロスが低減され得る。
集電電極6は、上部電極層5の+Z側の主面(一主面とも言う)の上に、上部電極層5の端部から接続導体7にかけて線状に設けられている。そして、例えば、光電変換セル10の上部電極層5によって集められたキャリアは、集電電極6によってさらに集められ、接続導体7を介して隣接する光電変換セル10に伝達され得る。
この集電電極6が設けられることで、上部電極層5における導電性が補われるため、上部電極層5の薄層化が可能となる。これにより、キャリアの取り出し効率の確保と、上部電極層5における光透過性の向上とが両立し得る。なお、集電電極6が、例えば、銀等の導電性が優れた金属を主に含んでいれば、光電変換セル10における変換効率が向上し得る。なお、集電電極6に含まれる金属としては、例えば銅、アルミニウムおよびニッケル等が挙げられる。
また、集電電極6の幅は、50〜400μmであれば、隣接する光電変換セル10間における良好な導電が確保されつつ、第1の半導体層3への光の入射量の低下が低減され得る。1つの光電変換セル10に複数の集電電極6が設けられる場合、該複数の集電電極6の間隔は、例えば、2.5mm程度であればよい。
接続導体7は、第1の半導体層3および第2の半導体層4を分離する分離溝内に配置されている。この接続導体7は、集電電極6と電気的に接続している。また、接続導体7は、隣の光電変換セル10から延伸されている下部電極層2に接続している。これにより接続導体7は、隣接する光電変換セル10のうち、一方の光電変換セル10の上部電極層5と、他方の光電変換セル10の下部電極層2とを電気的に接続できる。
接続導体7は、集電電極6と同様の材質、方法で作製してもよい。そのため、接続導体7は、集電電極6の形成と同時に行なってもよい。また、接続導体7は、上部電極層5を延伸したものであってもよい。
<第2実施形態に係る光電変換モジュール>
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正及び変更を加えることができる。上記第1実施形態に係る光電変換モジュール100では、補助電極18が出力電極8を延伸して構成されていたが、これに限定されない。図7の第2実施形態に係る光電変換モジュールに示すように補助電極28が出力電極8と間隔をあけて配置されていてもよい。なお、図7は封止材12および保護基板13を除いた状態の第2実施形態に係る光電変換モジュール(第2モジュール201)を示している。このような構成であれば、出力電極8の熱膨張等による応力が補助電極28に伝わりにくくなり、第1配線導体9および第2配線導体19の補助電極28に対する接続をより良好に維持できる。
<第3実施形態に係る光電変換モジュール>
また、光電変換モジュールの他の例として以下のようなものであってもよい。図8の第3実施形態に係る光電変換モジュール(図8は第3実施形態に係る光電変換モジュールから封止材12および保護基板13を除いた状態の第3モジュール301を示している)に示すように補助電極38は、第2配線導体19の延伸方向である第2方向(X軸方向)に沿って延びる細長形状であってもよい。このような構成であれば、第2配線導体19が補助電極38に沿って半田等で接合できるため、第2配線導体19を基板1に対して補助電極38を介して良好に接合することができ、第2配線導体19の剥離を有効に低減できる。
<第4実施形態に係る光電変換モジュール>
また、光電変換モジュールの他の例として以下のようなものであってもよい。図9の第4実施形態に係る光電変換モジュール(図9は第4実施形態に係る光電変換モジュールから封止材12および保護基板13を除いた状態の第4モジュール401を示している)に示すように補助電極48は、第2配線導体19の延伸方向である第2方向(X軸方向)に沿って延びる細長形状であるとともに、出力電極8とも接続されていてもよい。このような構成であれば、第3モジュール301と同様、第2配線導体19の剥離を有効に低減できるとともに、光電変換部11から生じた電力をより低い電気抵抗で光電変換モジュールの外部へ出力することができる。
100:光電変換モジュ−ル
101:第1モジュール
201:第2モジュール
301:第3モジュール
401:第4モジュール
1:基板
11:光電変換部
8:出力電極
9:第1配線導体
12:封止材
13:保護基板
18:補助電極
19:第2配線導体

Claims (4)

  1. 一主面を有する基板と、
    前記一主面の中央部上に配置された矩形状の光電変換部と、
    前記光電変換部の第1辺に沿って前記光電変換部に電気的に接続するように配置され、前記第1辺に平行な第1方向に延びる第1配線導体と、
    前記光電変換部の前記第1辺に隣接する第2辺に沿って前記光電変換部と間隔をあけて配置され、前記第2辺に平行な第2方向に延びる第2配線導体と、
    前記一主面の前記第1配線導体の仮想延長線および前記第2配線導体の仮想延長線が交差する交差部に配置された層状の導電体であり、上面の第1部位に前記第1配線導体の一端部が電気的に接続されているとともに前記上面の前記第1部位とは異なる第2部位に前記第2配線導体の一端部が電気的に接続されている補助電極と、
    前記一主面上に配置され、前記光電変換部、前記補助導体、前記第1配線導体および前記第2配線導体を封止する封止材と、
    該封止材上に配置された保護基板と
    を具備する光電変換モジュール。
  2. 前記光電変換部は前記第1配線導体が接続された出力電極を有しており、該出力電極が前記交差部に延伸することによって前記補助電極を構成している、請求項1に記載の光電変換モジュール。
  3. 前記補助電極は前記第2方向に沿って延びる細長形状である、請求項1または2に記載の光電変換モジュール。
  4. 前記基板または前記保護基板は、前記基板、前記封止材および前記保護基板の積層方向に沿った貫通孔を有しており、該貫通孔に前記第2配線導体が挿通されている、請求項1乃至3のいずれかに記載の光電変換モジュール。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2021526740A (ja) * 2018-05-25 2021-10-07 (シーエヌビーエム)ボンブー デザイン アンド リサーチ インスティテュート フォー グラス インダストリー カンパニー,リミティド 拡大した開口面積を有するソーラーモジュール

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