JP2018190748A - 太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池ストリングに補修部分があると、補修部分において配線材の厚みが相対的に厚くなる。この場合、太陽電池モジュールの製造工程において、配線材の厚みが厚い部分において加熱圧着時の圧力が集中し、太陽電池ストリングの再破損が起こる虞がある。【解決手段】 表面側保護材６０と、表面側充填材４０と、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐと、裏面側充填材５０と、裏面側保護材７０と、をこの順に積層して加熱圧着する工程を含む太陽電池モジュール８００の製造方法であって、前記補修済太陽電池ストリング１００ｒｐと前記裏面側充填材５０との間に、前記裏面側充填材５０よりも融点の低い緩衝シート８１を更に積層して前記加熱圧着する太陽電池モジュール８００の製造方法である。【選択図】 図７

Description

本発明は、太陽電池モジュールの製造方法に関する。

太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができるため、新しいエネルギー源として期待されている。

一般に、太陽電池セルの１枚当りの出力は数ワット程度であり、かつ脆い。従って、家屋やビル等の電源として太陽電池を用いる場合には、複数の太陽電池セルを電気的に接続することによって出力を増大させ、ガラスや樹脂充填材等を用いて太陽電池セルを衝撃から保護するように構成された太陽電池モジュールが用いられる。

太陽電池モジュールに用いられる充填材として現在広く用いられているのが、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）やポリオレフィン類である。これらは、非架橋状態で軟質なシートであり、太陽電池モジュールの製造工程において加熱圧着によって架橋させることにより、十分な硬度を有し、透明な保護層を形成する。充填材として用いる材料は、加熱圧着工程における流動性、加熱圧着後の硬さや伸縮率等、さまざまな指標に基づき選定される。

一方、太陽電池モジュールを形成するために複数の太陽電池セルを電気的に接続して太陽電池ストリングを形成するにあたり、接続作業の前後に太陽電池セルが一部破損してしまうことがある。配線材を用いて複数の太陽電池セルを連結して太陽電池ストリングを形成するのが一般的だが、太陽電池セルは高価な部品であるため、完成後にそのうちの１枚に破損やヒビ割れ等が見つかった場合には、割れたセルだけを交換するほうが経済的である。そのため、以下のような技術が既に開示されている。

特開２０１１−１５９６４６

既に電気的に接続された配線材を切断して太陽電池セルを除去し、新たな太陽電池セルと別の配線材を用いて連結するため、太陽電池ストリングの補修部分では、配線材が一部重なるなど、他の領域と比較して大きな凹凸が生じる。このとき、太陽電池の封止のための加熱圧着時に、当該部分において太陽電池セルが割れ易いという問題があった。特に、太陽電池ストリング補修部等に生じた突起が加熱架橋前の段階でも比較的硬い材料と接触する際に、この現象が起こる虞がある。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、太陽電池ストリングに補修部のような突起が存在する場合であっても、歩留を下げることなく太陽電池モジュールを製造することができるようにすることを目的とする。

表面側保護材と、表面側充填材と、太陽電池ストリングと、裏面側充填材と、裏面側保護材と、をこの順に積層して加熱圧着する工程を含む太陽電池モジュールの製造方法であ
って、前記太陽電池ストリングと前記裏面側充填材との間に、前記裏面側充填材よりも融点の低い緩衝シートを更に積層して前記加熱圧着する太陽電池モジュールの製造方法とした。

本発明によれば、太陽電池モジュールの製造歩留を向上させることができる。

従来の太陽電池モジュール９００の断面図である。 太陽電池モジュール９００を製造する際の各部材の積層方法を示す断面図である。 太陽電池セル１０の上面図である。 太陽電池ストリング１００のうち一部のセルが破損した状態を示す裏面図である。 （ａ）補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの断面図であり、（ｂ）１００ｒｐの裏面図である。 第１の実施形態に係る太陽電池モジュール６００における各部材の積層方法を示す断面図である。 第２の実施形態に係る太陽電池モジュール７００における各部材の積層方法を示す断面図である。 第３の実施形態における太陽電池モジュール８００の部分的裏面図である。

本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであって、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
（太陽電池モジュールの構成）

まず、一般的な太陽電池モジュール９００の全体構造について説明する。図１は、従来の太陽電池モジュール９００の断面図である。太陽電池モジュール９００は、配線材３０を用いて複数の太陽電池セル１０を電気的に接続してなる太陽電池ストリング１００、ガラスやアクリル樹脂等の板材からなる表面側保護材６０、太陽電池ストリング１００を封止する表面側充填材４０及び裏面側充填材５０、ガラスやアクリル樹脂等の板材、又は樹脂シート等からなる裏面側保護材７０、を積層して加熱圧着させた積層体である。

表面側保護材６０には、光透過性が高いガラス板やアクリル樹脂等が用いられる。表面側充填材４０には十分な光透過性と柔軟性を備える樹脂シートが用いられ、現在広く利用されているのがエチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）やポリオレフィンである。裏面側充填材５０には、柔軟性を有する樹脂シートが用いられ、現在広く利用されているのがＥＶＡやポリオレフィンである。裏面側保護材７０には、ガラス板、アクリル樹脂板、樹脂シート等が用いられる。ここで、表面側充填材４０と裏面側充填材５０とは同一の材料でもよいし、異なる材料の組み合わせであってもよい。

ここで「表面」とは、太陽電池モジュール９００のうち太陽光が主に入射する面を示す。太陽電池モジュール９００の裏面側からは太陽光が直接入射しないので、太陽電池モジュール９００を構成する材料のうち裏面側充填材５０及び裏面側保護材７０は光透過性を備えている必要はない。又、太陽電池モジュール９００の表面から入射した太陽光を拡散させて太陽電池セル１０に再度入射させるための光拡散粒子等を分散させて白色とした裏
面側充填材５０や裏面側保護材７０を用いてもよい。

図２は、太陽電池モジュール９００を製造する際の各部材の積層方法を示す断面図である。太陽電池モジュール９００の製造工程においては、上記のような積層体が構成されるように、各材料を順次積層した後、加熱圧着によって表面側充填材４０及び裏面側充填材５０を接着させつつ、両充填材を架橋させて、太陽電池ストリング１００を封止する。同時に、表面側充填材４０と表面側保護材６０、裏面側充填材５０と裏面側保護材７０を接着する。こうして、図１に示す断面構造を有する太陽電池モジュール９００が形成される。次に、太陽電池セル１０の構成と太陽電池ストリング１００の組み立てについて説明する。
（太陽電池ストリングの構成）

まず、太陽電池セル１０の概略構成を説明する。太陽電池セル１０は、光電変換領域を備えた結晶系半導体基板と、光電変換領域で発生したキャリア及びホールを収集するための突起電極とを備える。具体的には、１）拡散法、蒸着法等によってシリコン等からなる結晶半導体基板上に半導体接合領域を形成し、２）半導体接合領域上に窒化シリコン等からなる保護膜や透明導電性酸化物からなる透明導電性酸化膜を形成することによって光電変換素子を形成する。続いて、光電変換素子上に、３）導電性の金属粉末等を含む樹脂ペースト等を用いて突起電極２０を形成することによって、太陽電池セル１０が形成される。なお、光電変換領域の構成はこれに限定されるものではなく、結晶系半導体基板上にドーパントを含む非晶質シリコン層を積層させてなるシリコンへテロ接合（ＳＨＪ）構造であってもよい。

突起電極２０は、複数の太陽電池セル１０を接続する際に配線材３０が接続されるバスバー電極部を少なくとも備える。これ以外に、バスバー電極部と直交し、バスバー電極部よりも細く形成されているフィンガー電極部を備えていてもよい。次に、太陽電池セル１０を接続して太陽電池ストリング１００を形成する方法を説明する。

図３は、太陽電池セル１０の上面図である。太陽電池セル１０の裏面側も同じ構成である。太陽電池セル１０を接続するのに用いる配線材３０としては、銅からなる芯材に、銀やはんだをコーティングした材料が使用される。隣接した２枚の太陽電池セル１０において、第１の太陽電池セル１０の表面側の突起電極２０ａと、第２の太陽電池セル１０の裏面側の突起電極２０ｂと、を一本の配線材３０で接続することによって、第１の太陽電池セル１０と第２の太陽電池セル１０とを直列に接続できる。太陽電池セル１０が所定の枚数だけ連結されるまで作業を繰り返し、太陽電池ストリング１００が形成される。

太陽電池セル１０同士の接続に当たっては、その手段は特に限定されない。一例では、銅からなる芯線の周囲をはんだによってコーティングした配線材３０を用いて、半田付けによって接続してもよい。別の例としては、銅からなる芯線の周囲を銀などの金属で被覆した配線材３０を、導電性粒子を含む樹脂からなる導電性の両面テープによって接続してもよい。
（太陽電池ストリングの補修）

図４は、太陽電池ストリング１００のうち一部のセルが破損した状態を示す裏面図である。上記のように太陽電池ストリング１００を形成する際、または太陽電池ストリング１００の形成後に、連結作業中の衝撃やはんだ付けの熱応力等の影響によって、複数連結された太陽電池セル１０の一部だけに、割れやカケ、ヒビが生じることがある。太陽電池セル１０は高価な部品であるので、太陽電池ストリング１００を１本まるごと廃棄することは経済的に不利益が大きい。そのため、破損した太陽電池セル１０ｂｒだけを、新たな太陽電池セル１１に置き換える。

このとき、太陽電池ストリング１００のうち、破損した太陽電池セル１０ｂｒに接続されている配線材３０をはさみ等で切断して太陽電池セル１０ｂｒを除去し、破損していない新たな太陽電池セル１１と入れ替える。新たな太陽電池セル１１を連結する部位に配線材３０を追加して配置し、連結させて太陽電池ストリング１００を補修し、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐとする。

図５（ａ）は、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの断面図であり、図５（ｂ）は、１００ｒｐの裏面図である。この図では、裏面側において、太陽電池セル１０と新たな太陽電池セル１１と、が配線材３０を用いて連結されている。太陽電池セル１０と１１との接続部にあっては、配線材３０が一部重複して、配線材３０としての全体の厚みが厚くなっている。

配線材３０同士は必ずしも完全に重畳しておらず、多少ずれていることもある。更に、補修部においては配線材３０同士を接続するために半田付けを行ったり、導電性テープを追加で配置したりするため、見た目が悪くなる。そのため、このような配線材３０同士の接続部が太陽電池セル１０及び１１の裏面側に回るように位置を調整して補修を行うのが好ましい。なお、これ以降、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの補修部は、太陽電池セル１０及び１１の裏面側にあるものとして説明を行う。
（第１の実施形態）

補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの補修部において、配線材３０同士が一部重畳し、補修部においてのみ配線材３０の厚みが厚くなってしまう。この、配線材３０の厚みが厚くなっている部分を便宜的に凸部と呼ぶ。凸部が最も大きいとき、その高さは配線材３０が２枚重なった程度の高さを有する突起となる。このような補修済太陽電池ストリング１００ｒｐを表面側充填材４０及び裏面側充填材５０にて封止する際、加熱圧着工程にて圧力を加える際に、凸部に圧力が集中し、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐが再破損する虞がある。

そのため、このような補修済太陽電池ストリング１００ｒｐを封止する際には、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐのうち凸部が存在する面、すなわち太陽電池セル１０及び１１の裏面側に接触する裏面側充填材５０と太陽電池セル１０及び１１との間に衝撃を緩和する材料を配置すればよい。衝撃を緩和する材料としては、例えば、裏面側充填材５０よりも融点が低い材料を用いるのが好ましい。裏面側充填材５０よりも融点が低いこの材料を、ここでは「緩衝シート」と呼ぶ。

加熱圧着工程において、凸部に接触するように緩衝シート８０を配置することによって、緩衝シート８０が裏面側充填材５０よりも先に融点に到達して軟化し、軟化した緩衝シート８０に凸部が沈む。裏面側充填材５０よりも先に軟化した緩衝シート８０がクッション材の役割を果たし、凸部への圧力集中を抑制することができる。緩衝シートの厚みは特に限定されないが、凸部の最大高さよりも厚いものを用いると緩衝シートとしての効果が高まる。具体的には、２００〜６００μｍ程度の厚みであるのが好ましい。

図６は、第１の実施形態に係る太陽電池モジュール６００における各部材の積層方法を示す断面図である。第１の実施形態においては、緩衝シート８０は、太陽電池モジュール６００の受光面の面積とほぼ同じ面積を有する大きさのものを用いる。緩衝シート８０は、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの凸部を含め、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの裏面側全体を覆っている。
（効果）

太陽電池モジュール形成工程中の加熱圧着工程において、加熱圧着工程時に加えられる圧力が補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの凸部に集中することによる補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの再破損を防止することができる。これによって、太陽電池モジュール製造時の歩留が向上する。
（第２の実施形態）

図７は、第２の実施形態に係る太陽電池モジュール７００における各部材の積層方法を示す断面図である。第２の実施形態においては、緩衝シート８１を、必要な場所に限って配置するようにする。第１の実施形態にて説明したような大面積の緩衝シート８０を用いると、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの再破損は防止できるが、製造コストの増大幅が大きい。そこで、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの再破損が特に危惧される凸部に接触する部位だけに、面積の小さな緩衝シート８１を配置する。

緩衝シート８１の大きさは、凸部を覆うことができる大きさであれば特に問わないが、図７に示すように、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐにおいては、補修する太陽電池セルが１枚存在するごとに、配線材３０の接続部が断面視において２箇所生じるため、その２箇所の凸部を同時に覆うことが出来る大きさであるのが好ましい。第２の実施形態においては、緩衝シート８１は例えば１５０ｍｍ四方の大きさである。

第２の実施形態にあっても、補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの凸部には緩衝シート８１が接触しているので、第１の実施形態と同様に凸部への圧力集中を避けることができ、太陽電池モジュールの歩留が向上する。すなわち、第２の実施形態によれば、太陽電池モジュールの歩留を向上させつつ、製造コストの増大を最小限に抑えることができる。（第３の実施形態）

図８に、第３の実施形態における太陽電池モジュール８００の部分的裏面図である。第３の実施形態においては、太陽電池モジュール８００のうち、厚みの厚い配線材を太陽電池セルに重ねて配置する位置において、厚みの大きい配線材と太陽電池ストリング１００との間に緩衝シート８２を配置する。

太陽電池モジュールにおいては、太陽電池ストリング１００同士を接続するためのストリング間配線材３２や、太陽電池ストリング１００から電力を取り出すための電力取り出し用配線材３３等、太陽電池セル１０同士を接続する配線材とは別の配線材が用いられている。これらの配線材は、図８に示すように、太陽電池モジュールの表面から見えない位置、つまり太陽電池セル１０の裏面側に、太陽電池ストリング１００と重なるように配置されることが多い。

ストリング間配線材３２及び電力取り出し用配線材３３は、例えばＰＥＴ等からなる厚み５０μｍ程度の絶縁シート（図示せず）によって太陽電池ストリング１００と絶縁されている。ＰＥＴからなるシートは硬くて薄いので、この状態で太陽電池ストリング１００を封止するために加熱圧着を行うと、ストリング間配線材３２及び電力取り出し用配線材３３が、絶縁シートを介して太陽電池セル１０の方向に押し付けられ、太陽電池セル１０に圧力が加わり破損することがある。

太陽電池セル１０の破損を防ぐために、ストリング間配線材３２及び電力取り出し用配線材３３と、太陽電池ストリング１００との間に緩衝シート８２を設けるのが良い。前述した絶縁シートと緩衝シート８２との位置関係は特に限定されない。太陽電池ストリング１００と緩衝シート８２とが接するようにしてもよいし、太陽電池ストリング１００に絶縁シートが接するように配置し、その次に緩衝シート８２を配置してもよい。

このような構成にした場合、加熱を始めるとまず緩衝シート８２が軟化し、ストリング間配線材３２及び電力取り出し用配線材３３が、軟化した緩衝シート８２押し付けられることによって、太陽電池セル１０へとかかる圧力が緩和される。そののち、裏面側充填材５０や表面側充填材４０が軟化、架橋することによって太陽電池ストリング１００等が封止される。効果を高めるために、緩衝シート８２の厚みは２００〜６００μｍ程度であるのが好ましい。

緩衝シート８２をこのような位置に配置することによって、ストリング間配線材３２及び電力取り出し用配線材３３の周辺において太陽電池セル１０が割れるのを防止することができる。なお、第３の実施形態は、第２の実施形態とは別々に実施してもよいが、併せて行うことによって太陽電池モジュール８００の製造歩留が更に高くなるのは言うまでもない。

なお、上記第１の実施形態〜第３の実施形態において、裏面側充填材５０の融点と、緩衝シート８０又は８１、８２の融点と、の関係について述べてきたが、更に表面側充填材４０の融点との関係は、次のとおりであるのが好ましい。

裏面側充填材の融点 ＞ 表面側充填材の融点 ≧ 緩衝シートの融点

このように構成することによって、太陽電池モジュール８００の加熱圧着工程において利点がある。加熱圧着工程は、表面側保護材６０を一番下に配置し、その上に表面側充填材４０、太陽電池ストリング１００又は補修済太陽電池ストリング１００ｒｐ、裏面側充填材５０、裏面側保護材７０をこの順に積層して行うものである。裏面側充填材５０よりも先に、融点が低い表面側充填材４０が先に軟化することにより、太陽電池ストリング１００又は補修済太陽電池ストリング１００ｒｐを表面側充填材４０に先に接着させ、その上に裏面側充填材５０を被せることができる。このようにすると、加熱圧着工程における太陽電池ストリング１００又は補修済太陽電池ストリング１００ｒｐの位置ずれが緩和される。

これに加えて、表面側充填材４０と、裏面側充填材５０との熱膨張率が以下のような関係にある樹脂を用いるのが好ましい。

表面側充填材の架橋後の熱膨張率 ＞ 裏面側充填材の加熱後の熱膨張率

上述したが、太陽電池モジュール８００の構成では、光入射面側にガラス板やアクリル板等からなる光透過性の板材からなる表面側保護材６０を用い、裏面側に樹脂シートからなる裏面側保護材７０を用いることが多い。太陽電池モジュール８００の使用時には、一日の気温の変化や季節変動等によって太陽電池モジュール８００を構成する各部材が伸縮する。このとき、ガラス板やアクリル板のような硬い材料からなる表面側保護材６０よりも、樹脂シート等からなる薄くて柔軟な裏面側保護材７０のほうが伸縮しやすい。このような場合において、表面側充填材４０及び裏面側充填材５０のうち、裏面側保護材７０に接触する裏面側充填材５０の熱膨張率を小さくすることによって、裏面側保護材７０の伸縮が裏面側充填材５０まで影響を及ぼさず、封止した太陽電池セル１０まで伸縮応力が及ぶのを防止することができる。これによって、太陽電池セル１０の位置ずれや配線材３０にかかる引っ張り応力及び曲げ応力が緩和され、太陽電池モジュール８００の信頼性を向上させることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の意図を逸脱しない範囲において変更を加えることができる。例えば本願では、太陽電池ストリングの補修部において突起が生じた部分や、配線材よりも厚みが大きい電
力取り出し用配線材を用いる箇所に緩衝シートを配置する例について説明したが、はんだを用いて太陽電池ストリングを形成する場合のはんだの凹凸のように、ここに説明したもの以外の突起が生じた場合にも、当該箇所に緩衝シートを配置することが出来るのは勿論である。

１０，１０ｂｒ，１１：太陽電池セル、１００：太陽電池ストリング、１００ｒｐ：補修済太陽電池ストリング、３０：配線材、３２：ストリング間配線材、３３：電力取り出し用配線材、４０：表面側充填材、５０：裏面側充填材、６０：表面側保護材、７０：裏面側保護材、８０，８１，８２：緩衝シート

Claims (5)

1. 表面側保護材と、
   表面側充填材と、
   太陽電池ストリングと、
   裏面側充填材と、
   裏面側保護材と、
   をこの順に積層して加熱圧着する工程を含む太陽電池モジュールの製造方法であって、
   前記太陽電池ストリングと前記裏面側充填材との間に、前記裏面側充填材よりも融点の低い緩衝シートを更に積層して前記加熱圧着する太陽電池モジュールの製造方法。
2. 請求項１に記載の太陽電池モジュールの製造方法であって、
   前記緩衝シートを、太陽電池ストリングの補修部、ストリング間配線材又は電力取り出し用配線材の配置位置、のうち少なくとも一箇所に積層することを特徴とする、太陽電池モジュールの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の太陽電池モジュールの製造方法であって、
   前記緩衝シートの融点は、前記裏面側充填材の融点よりも低く、前記表面側充填材の融点以下であることを特徴とする、太陽電池モジュールの製造方法。
4. 請求項３に記載の太陽電池モジュールの製造方法であって、
   前記表面側充填材の融点を、前記裏面側充填材の融点よりも低く、前記緩衝シートの融点以上とすることを特徴とする、太陽電池モジュールの製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の太陽電池モジュールの製造方法であって、
   前記裏面側保護材が樹脂を含むシートであり、
   前記裏面側充填材には、加熱架橋後の熱膨張率が、前記表面側充填材の加熱架橋後の熱膨張率よりも低くなる材料を用いることを特徴とする、太陽電池モジュールの製造方法。

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