CN101496178A - 太阳电池模块 - Google Patents

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Abstract

太阳电池模块,在与透明衬底(11)的光入射面侧相反的背面侧,依序配置多个光致电压元件、接着层(16)、及背面薄膜(17),光致电压元件由透明导电膜(12)、光电转换层(13)及(14)、背面电极(15)顺次堆叠而形成。在将邻接的各光致电压元件的背面电极(15)电性分离的区域中,光电转换层(13)覆盖透明导电膜(12)的背面侧的表面。

Description

太阳电池模块
技术领域
本发明涉及一种太阳电池模块,特别是涉及一种在透明衬底上具备依序堆叠第一电极与光电转换层与第二电极而成的光致电压元件(photovoltaic element)、及接着层的太阳电池模块。
背景技术
近年来,为了让太阳电池兼具低成本化与高效率化,材料使用量少的薄膜型太阳电池模块的开发正蓬勃地进行中。
在图5及图6显示现有技术的薄膜型太阳电池模块50的剖视图。图6为图5的放大剖视图。
一般而言,薄膜型太阳电池模块50的光致电压元件以制造效率的提升等为目的,通过来自透明衬底51侧的激光照射一边进行图案化(pattering)一边依序将透明导电膜52/光电转换层53/背面电极54堆叠于玻璃等具遮水性的透明衬底51上而形成。此外,薄膜型太阳电池模块50是在该光致电压元件上以EVA(Ethylene Vinyl Acetate;乙烯-醋酸乙烯酯)等接着层55接着PET(Poly Ethylene Terephthalate;聚对苯二甲酸乙二酯)等背面薄膜56而形成(例如,参照专利文献1)。
如此,现有技术的薄膜型太阳电池模块50通过来自透明衬底51侧的激光照射而将背面电极54图案化,所以在透明导电膜52上配置有接着层55。
此外,接着层55是具有作为背面薄膜56与光致电压元件的接着剂及缓冲剂的功能。背面薄膜56是具有防止水分从外部侵入的功能。
专利文献1:日本特开平8-204217号公报
发明内容
一般而言,太阳电池模块大多在屋外使用,必须充分具备气候适应性,即使是在严酷的气候条件下仍能够维持稳定的高发电能力。
具体而言,由于薄膜型太阳电池模块有容易因水分从外部侵入等而导致薄膜材料劣化的问题,所以必须具有即使水分已侵入,依然仍够维持稳定的高发电能力的构造。
然而,用来防止水分从外部侵入的PET等的背面薄膜56的材质与构造,并无法完全防止水分的侵入。浸润至接着层55的水分如果到达透明导电膜52,透明导电膜52便容易劣化。结果,就会产生太阳电池模块无法维持稳定的高发电能力的问题。
因此,本发明是有鉴于前述问题而研创,目的在于提供一种薄膜型太阳电池模块,即使水分侵入仍然能够维持稳定的高发电能力。
本发明的特征其主要如下,在与透明衬底的光入射面侧相反的背面侧,依序配置由多个光致电压元件串联连接而成的光致电压层、及接着层的薄膜型太阳电池模块,光致电压元件由第一电极、光电转换层、第二电极依序堆叠而成,在将邻接的前述各光致电压元件的前述第二电极电性分离的区域中,前述光电转换层覆盖前述第一电极的前述背面侧的表面。
具有本发明特征的薄膜型太阳电池模块,即使从太阳电池模块的背面侧有水分侵入仍能够维持稳定的高发电能力。
具有本发明特征的薄膜型太阳电池模块,覆盖第一电极的部分的光电转换层较佳为非结晶硅半导体层。依据该薄膜型太阳电池模块,通过高遮水性的非结晶硅半导体能够遮断浸润进来的水分,所以能够维持更稳定的高发电能力。
具有本发明特征的薄膜型太阳电池模块的第一电极也可以氧化锌为主成分。依据具有本发明特征的薄膜型太阳电池模块,可将虽在光学、电特性及成本面上具有优点但也具有容易因水分而劣化的特性的氧化锌适当地作为透明导电膜材料来使用。
具有本发明特征的薄膜型太阳电池模块的光致电压层较佳为通过激光图案化被电性分离成多个光致电压元件。
附图说明
图1是显示本实施方式的薄膜型太阳电池模块10的构成的放大剖视图。
图2是用来说明本实施方式的薄膜型太阳电池模块10的制造方法的剖视图(其一)。
图3是用来说明本实施方式的薄膜型太阳电池模块10的制造方法的剖视图(其二)。
图4是显示本实施方式的薄膜型太阳电池模块10与现有例的薄膜型太阳电池模块50的耐湿测试结果的图。
图5是显示现有技术的薄膜型太阳电池模块50的构成的剖视图。
图6是显示现有技术的薄膜型太阳电池模块50的构成的放大剖视图。
具体实施方式
接着,利用图示来说明本发明的实施方式。在以下的图示的记载中,相同或类似的部分标示相同或类似的符号。但图示仅为示意,应注意各尺寸的比例等与现实上不同。因此,具体的尺寸等应为参照以下的说明而判断。此外,在图示彼此之间当然也有尺寸关系或比率不同的部分。
(太阳电池模块)
本实施方式的薄膜型太阳电池模块10如图1所示,在与透明衬底11的光入射面侧相反的背面侧,依序配置多个光致电压元件、接着层16及背面薄膜17。多个光致电压元件是依序堆叠透明导电膜12与光电转换层13及14与背面电极15而形成。
透明衬底11是太阳电池模块的单一衬底。在与透明衬底11的光入射面侧相反的背面侧形成有多个光致电压元件。透明衬底11是由玻璃等具光穿透性的部件来构成。
透明导电膜12(第一电极)是在透明衬底11上形成为长条形。透明导电膜12是由在ZnO、In2O3、SnO2、CdO、TiO2、CdIn2O4、Cd2SnO4、Zn2SnO4掺杂了Sn、Sb、F、Al的金属氧化物的一群组中选出的一种或多种的堆叠体来构成。此外,由于ZnO具有高光穿透性、低电阻性、可塑性且价格低廉,非常适合作为透明导电膜材料。在本实施方式中,使用ZnO作为透明导电膜。
光电转换层13及14是在透明导电膜12上形成为长条形。光电转换层13及14是由结晶或非结晶硅半导体来构成。本实施方式的光电转换层13及14是分别由非结晶硅半导体及微结晶硅半导体来构成。另外,在本说明书中“微结晶”的用词意味着包含多个微小结晶颗粒的状态,以及,也意味着包含部分非结晶的状态。
背面电极15(第二电极)是在光电转换层13及14上形成为长条形。背面电极15是由银Ag等导电性部件来构成。
如以上所述,通过在透明衬底11上依序堆叠透明导电膜12与光电转换层13及14与背面电极15,而形成光致电压元件。
背面薄膜17配置于接着层16上。背面薄膜17是由PET、PEN、ETFE、PVDF、PVF等的树脂薄膜来构成。背面薄膜17具有尽量防止水分从外部侵入的功能。
背面薄膜17经由接着层16接着于光致电压元件上。接着层16是由EVA、EEA、PVB、硅、胺基甲酸酯、丙烯酸系、环氧等类型的树脂来构成。接着剂16具有作为背面薄膜17与光致电压元件的接着剂及缓冲剂的功能。
(光致电压元件)
接着,针对本实施方式的光致电压元件的构成,利用图1做说明。
本实施方式的光致电压元件是在透明衬底11上依序堆叠透明导电膜12与光电转换层13及14与背面电极15而形成。
此处,本实施方式的光电转换层13是通过依序堆叠p-i-n型的非结晶硅半导体来形成。而光电转换层14是通过依序堆叠p-i-n型的微结晶硅半导体来形成。如此,使用具有不同光吸收波长的非结晶硅与微结晶硅所形成的串联型(tandem)太阳电池模块能够有效地利用太阳光光谱。
以下,为了简化说明,以图1的二个光致电压元件中左侧的光致电压元件为第一光致电压元件20,以右侧的光致电压元件为第二光致电压元件30来做说明。
第一光致电压元件20与第二光致电压元件30的透明导电膜12为电性分离。第一光致电压元件20与第二光致电压元件30的背面电极15为电性分离。第一光致电压元件20与第二光致电压元件30的光电转换层13及14为电性分离。
第一光致电压元件20的背面电极15经由分离光电转换层13及14的区域电性连接于第二光致电压元件30的透明导电膜12。
如此,通过电性串联连接第一光致电压元件20与第二光致电压元件30,电流即流通于单一方向。
此处,在本实施方式涉及的光致电压元件中,第二光致电压元件30的光电转换层13在电性分离背面电极15的区域A中覆盖第二光致电压元件30的透明导电膜12的背面侧。
具体而言,在电性分离背面电极15的区域A中,第二光致电压元件30的光电转换层14被去除,另一方面,光电转换层13并未被去除而保留下来。因此,第二光致电压元件30的光电转换层13连接于第一光致电压元件20的背面电极15与第二光致电压元件30的透明导电膜12连接的部分的侧面。换言之,将背面电极15分离为长条形的分离沟的底面是由光电转换层13所形成。
以上,虽将第一光致电压元件20与第二光致电压元件30分开来做了说明,但在本实施方式的薄膜型太阳电池模块10中,是在透明衬底11上连接有多个具有前述构成的光致电压元件。
(太阳电池模块的制造方法)
针对本实施方式的薄膜型太阳电池模块的制造方法,利用图2及图3做说明。
如图2所示,以溅镀法在透明衬底11上形成透明导电膜12。透明导电膜12是通过YAG激光照射而图案化为长条形,在各光致电压元件间电性分离。此外,在本实施方式中,使用ZnO电极作为透明导电膜12。
接着,以等离子化学气相沈积(プラズマCVD)法形成光电转换层13及14。具体而言,在透明导电膜12上依序堆叠p-i-n型的非结晶硅半导体而形成光电转换层13。接着,在该光电转换层13上依序堆叠p-i-n型的微结晶硅半导体而形成光电转换层14。光电转换层13及14通过照射YAG激光而在与透明导电膜12的图案化位置隔离开的位置图案化成长条形。
接着,以溅镀法等方式在光电转换层14上形成背面电极15。背面电极15也形成于以图案化去除光电转换层13及14的区域。如此,各光致电压元件便电性串联连接。图2是显示在光电转换层14上形成有背面电极15的状态。
接着,如图3所示,通过从背面侧照射YAG激光而将背面电极15在与光电转换层13及14的图案化位置有既定间隔的位置图案化成长条形。接着,进行干蚀刻至所希望的深度。此外,在本实施方式中进行干蚀刻至去除高导电性的微结晶硅半导体程度的深度为止。由此,成为以下的状态:将背面电极15电性分离为长条形,并且在背面电极15被电性分离的区域A中,以光电转换层13覆盖透明导电膜12的背面侧。具体而言,在背面电极15被电性分离的区域A中,以激光或蚀刻方式来去除光电转换层14,而不去除光电转换层13。因此,光电转换层13是以与背面电极15连接于透明导电膜12的部分的侧面相接的状态而保留下来。换言之,以光电转换层13来形成用以将背面电极15分离为长条形的分离沟的底面。此外,图3是显示非结晶硅半导体的光电转换层13在电性分离背面电极15的区域A中覆盖透明导电膜12上的状态。
接着,通过超声波焊料和铜箔引线安装引出电极。
接着,在光致电压元件上依序配置接着层16与背面薄膜17,使用层压机(ラミネ一ト装置)进行真空加热压着。如此,光致电压元件的背面侧受到保护。
如此,图1所示形成本实施方式涉及的薄膜型太阳电池模块10。此外,在该太阳电池模块10连接端子盒及引出电极。此外,在太阳电池模块10可隔着丁基橡胶等安装铝框。
(作用及效果)
本实施方式涉及的薄膜型太阳电池模块10,在邻接的各光致电压元件的背面电极15被电性分离的区域A中,光电转换层13覆盖透明导电膜12的背面侧的表面。
如图6所示,现有技术的薄膜型太阳电池模块50以提升制造效率等为目的,而通过来自透明衬底51侧的激光照射而将背面电极54图案化,所以在透明导电膜52上配置有接着层55。
相对于此,本实施方式涉及的薄膜型太阳电池模块10如图1所示,在邻接的各光致电压元件的背面电极15被电性分离的区域A中,光电转换层13覆盖透明导电膜12的背面侧的表面。
因此,即使水分从外部侵入仍能够维持稳定的高发电能力。具体而言,从太阳电池模块10的背面侧浸润至背面薄膜17及接着层16中的水分是由光电转换层13所遮断,而未到达至透明导电膜12。如此,能够避免薄膜材料,特别是透明导电膜12,因水分的侵入而劣化。
此外,如本发明的实施方式,当覆盖透明导电膜12的光电转换层13为具有遮水性及低导电性的非结晶硅半导体时,与结晶硅半导体时相比,能够抑制水分侵入且电流泄漏的风险也小。
此外,如本发明的实施方式,当透明导电膜12为ZnO时,与其它的金属氧化物时相比,有容易因水分而劣化的问题。即,作为透明导电膜材料,虽然ZnO在光学、电特性及成本方面比其它的金属氧化物有利,但却有容易因水分而劣化的特性。
而依据本实施方式,通过光电转换层13覆盖在透明导电膜12上而能够防止水分的侵入,所以能够使用具有许多优点的ZnO来作为透明导电膜12的材料。
此外,在本实施方式的薄膜型太阳电池模块10中,通过串联连接多个光致电压元件而形成的光致电压层,能够通过激光图案化而被电性分离成多个光致电压元件。
(其它的实施方式)
虽然本发明以前述的实施方式来记载,但不应理解为构成该记载内容的一部分的论述及图示为限定本发明。很明显,本技术领域人员可以从该记载内容理解各种的取代实施方式、实施例及运用技术。
例如,前述的实施方式使用依序堆叠非结晶硅半导体与微结晶硅半导体的光电转换层13及14,但使用非结晶硅半导体或微结晶硅半导体的单层或3层以上的堆叠体也能够获得相同的效果。
此外,前述的实施方式中,在邻接的各光致电压元件的背面电极15被电性分离的区域A中,仅将光电转换层13覆盖在透明导电膜12上,但如果光电转换层14的导电率低的话,光电转换层14覆盖在光电转换层13上也能够获得相同的效果。
此外,虽然使用ZnO作为透明导电膜12,但本发明并不以此为限,也可使用由在In2O3、SnO2、CdO、TiO2、CdIn2O4、Cd2SnO4、Zn2SnO4掺杂了Sn、Sb、F、Al的金属氧化物的一群组选出的一种类或多种类的堆叠体。
此外,前述实施方式在背面电极15的分离加工使用干蚀刻,但也可使用湿蚀刻。
如前所述,本发明当然包含有未记载于说明书的各种的实施方式等。因此,本发明的技术范围为参照前述的说明,以适当的专利权利要求范围来确定发明说明事项。
[实施例]
以下,针对本发明涉及的薄膜型太阳电池模块,列举实施例来做具体说明,但本发明并非限定于下述的实施例所示,而是在未变更其主旨的范围内能够做适当变化而实施。
(实施例)
如以下所述制造本发明的实施例涉及的薄膜型太阳电池模块。
如图1所示,以溅镀法在4mm厚的玻璃衬底11上形成600nm厚的ZnO电极12。通过从玻璃衬底11的光入射面侧照射YAG激光而将ZnO电极12图案化成长条形,由此而电性分离。在该激光分离加工中使用波长约1.06μm、能量密度13J/cm3、脉冲频率3kHz的Nd:YAG激光。
接着,以等离子化学气相沈积法形成非结晶硅半导体层13及微结晶硅半导体层14。具体而言,以等离子化学气相沈积法依序堆叠由SiH4与CH4与H2与B2H6的混合气体形成的膜厚10nm的p型非结晶硅半导体层、由SiH4与H2的混合气体形成的膜厚300nm的i型非结晶硅半导体层、由SiH4与H2与PH3的混合气体形成的膜厚20nm的n型非结晶硅半导体层来作为非结晶硅半导体层13。此外,以等离子化学气相沈积法依序堆叠由SiH4与H2与B2H6的混合气体形成的膜厚10nm的p型微结晶硅半导体层、由SiH4与H2的混合气体形成的膜厚2000nm的i型微结晶硅半导体层、由SiH4与H2与PH3的混合气体形成的膜厚20nm的n型微结晶硅半导体层来作为微结晶硅半导体层14。表1显示等离子化学气相沈积法的各条件的详细内容。
[表1]
等离子化学气相沈积条件表
Figure A20078002829500111
此外,通过从光入射面侧将YAG激光照射于与ZnO电极12的图案化位置隔有50μm距离的位置,而将非结晶硅半导体层13及微结晶硅半导体层14图案化为长条形。在该激光分离加工使用能量密度0.7J/cm3、脉冲频率3kHz的Nd:YAG激光。
接着,以溅镀法在微结晶硅半导体层14上形成200nm厚的Ag(银)电极15。Ag电极15也形成在以图案化去除非结晶硅半导体层13及微结晶硅半导体层14的区域。
此外,通过从背面侧将YAG激光照射在与非结晶硅半导体层13及微结晶硅半导体层14的图案化位置隔有50μm距离的位置,而将Ag电极及微结晶硅半导体层14的一部分图案化为长条形。在该激光分离加工使用能量密度0.7J/cm3、脉冲频率4kHz的Nd:YAG激光。并且,进行使用CF4的干蚀刻数十秒。如此,在Ag电极15被电性分离的区域中,在ZnO电极12的背面侧的表面留有非结晶硅半导体层13。即,非结晶硅半导体层13覆盖在ZnO电极12上。如前所述,在玻璃衬底11上形成串联连接有多个光致电压元件的副模块(sub module)。
接着,使用超声波焊料安装铜箔引线以作为引出电极。
接着,在光致电压元件上依序配置EVA 16与PET薄膜17,使用层压机在150℃下进行30分加热处理,由此将EVA 16交联并使之稳定化而进行真空压着。
最后,安装端子盒并连接引出电极而完成本发明一实施例的薄膜型太阳电池模块10。
(现有例)
如以下所述制造现有例的薄膜型太阳电池模块50。
如图6所示,以溅镀法在4mm厚的玻璃衬底51上形成600nm厚的ZnO电极52。通过从玻璃衬底51的光入射面侧照射YAG激光而将ZnO电极52图案化为长条形,由此而电性分离。在该激光分离加工使用波长约1.06μm、能量密度13J/cm3、脉冲频率3kHz的Nd:YAG激光。
接着,以等离子化学气相沈积法形成微结晶硅半导体层53。具体而言,以等离子化学气相沈积法依序堆叠由SiH4与H2与B2H6的混合气体形成的膜厚10nm的p型微结晶硅半导体层、由SiH4与H2的混合气体形成的膜厚2000nm的i型微结晶硅半导体层、由SiH4与H2与PH3的混合气体形成的膜厚20nm的n型微结晶硅半导体层来作为微结晶硅半导体层53。等离子化学气相沈积法的各条件的详细内容与表1相同。
此外,通过从光入射面侧将YAG激光照射在与ZnO电极52的图案化位置隔有50μm距离的位置,而将微结晶硅半导体层53图案化为长条形。在该激光分离加工使用能量密度0.7J/cm3、脉冲频率3kHz的Nd:YAG激光。
接着,以溅镀法在微结晶硅半导体层53上形成厚200nm的Ag电极54。Ag电极54也形成于以图案化去除微结晶硅半导体层53的区域。
此外,通过从光入射面侧将YAG激光照射在与微结晶硅半导体层53的图案化位置隔有50μm距离的位置,将Ag电极54及微结晶硅半导体层53图案化为长条形。在该激光分离加工使用能量密度0.7J/cm3、脉冲频率3kHz的Nd:YAG激光。如此,在Ag电极54被电性分离的区域,从ZnO电极52的背面侧的表面去除微结晶硅半导体层53。即,在该区域中,微结晶硅半导体层53未覆盖在ZnO电极52上。如前所述,在玻璃衬底11上形成串联连接有多个光致电压元件的副模块。
接着,使用超声波焊料安装铜箔引线以作为引出电极。
接着,在光致电压元件上依序配置EVA 55与PET薄膜56,使用层压机在150℃下进行30分加热处理,由此将EVA交联并使之稳定化而进行真空压着。此处,在Ag电极被电性分离的区域充填有EVA 55,且ZnO电极52与EVA 55相连接。
最后,安装端子盒并连接引出电极而完成现有例的薄膜型太阳电池模块50。
(可靠性评估)
为了比较实施例的薄膜型太阳电池模块10与现有例的薄膜型太阳电池模块50的可靠性,进行耐候可靠性评估。具体而言,进行用以测定在温度85℃、湿度85%的环境下的各模块的输出特性的变化率的耐湿测试。此处,输出特性的变化率为以测试开始时的输出为1.00,将输出的时间变动指数化。
(结果)
在图4显示测定结果。图4是以时间序列显示各太阳电池模块的输出特性的变化率。
现有例的薄膜型太阳电池模块50,当测试开始后经过约1000小时后,输出即变得不稳定,经过约1500小时后,输出即急速地下降。并且,经过约1800小时后,输出即消失。
另一方面,实施例的薄膜型太阳电池模块10中,即使测试开始后经过2000小时,仍能够维持稳定的高输出。
为了确认造成如图4所示的结果的原因,针对测试后的现有例的薄膜型太阳电池模块50测定每一光致电压元件的输出特性时,确认出一部分的光致电压元件为无电压的状态,即发生导通不良。
因此,以显微镜观察发生导通不良的光致电压元件的内部时,观察到与EVA 55连接的ZnO的外观明显地产生了变化。即,确认出ZnO会因水分而劣化。
如此,现有技术的太阳电池模块50的输出消失的原因推测为:由于在邻接的各光致电压元件的Ag电极54被电性分离的区域中,浸润至EVA 55中的水分会使ZnO电极52劣化,所以在一部分的光致电压元件发生导通不良。
另一方面,在实施例的薄膜型太阳电池模块10中,在彼此邻接的各光致电压元件的Ag电极15被电性分离的区域,非结晶硅半导体层13覆盖在ZnO电极12上。因此,可得知由于可抑制浸润至EVA 16中的水分到达ZnO电极12,所以薄膜型太阳电池模块10可维持稳定的高输出。
特别是,非结晶硅半导体的遮水性比多结晶硅半导体更佳,能够遮断浸润至EVA 16中的水分。可推测这非常有助于实施例涉及的太阳电池模块维持稳定的高输出。
此外,虽然将ZnO作为透明导电膜材料而具有很大的优点,但其容易因水分而劣化的特性所以无法实用化,而依据这次的可靠性评估的结果来看,可得知采用实施例的构成即可充分地实用化。
此外,作为参照,日本专利申请第2006-208787号(申请日2006年7月31日)的全部内容纳入本说明书。
(产业上的利用可能性)
如前所述,本发明的薄膜型太阳电池模块通过以光电转换层遮断浸润至模块内的水分,而能够避免透明导电膜的劣化,所以具有产业利用性。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1、一种太阳电池模块,是在与透明衬底的光入射面侧相反的背面侧,依序配置由多个依序堆叠第一电极与光电转换层与第二电极的光致电压元件串联连接而成的光致电压层、及接着层的太阳电池模块,其特征在于:
前述光电转换层包括,从前述透明衬底的背面侧起依序配置的非结晶硅半导体组成的第一光电转换层、及由微结晶硅半导体组成的第二光电转换层;
在电性分离邻接的前述各光致电压元件的前述第二电极的区域中,除去前述第二光电转换层,前述第一光电转换层覆盖前述第一电极的前述背面侧的表面。
2、根据权利要求1所述的太阳电池模块,其特征在于,前述第一电极以氧化锌为主成分。
3、根据权利要求1所述的太阳电池模块,其特征在于,前述光致电压层通过激光图案化而将每一前述多个光致电压元件电性分离。

Claims (4)

1、一种太阳电池模块,是在与透明衬底的光入射面侧相反的背面侧,依序配置由多个依序堆叠第一电极与光电转换层与第二电极的光致电压元件串联连接而成的光致电压层、及接着层的太阳电池模块,其特征在于:
在电性分离邻接的前述各光致电压元件的前述第二电极的区域中,前述光电转换层的至少一部分覆盖前述第一电极的前述背面侧的表面。
2、根据权利要求1所述的太阳电池模块,其特征在于,前述覆盖的部分的光电转换层为非结晶硅半导体层。
3、根据权利要求1所述的太阳电池模块,其特征在于,前述第一电极以氧化锌为主成分。
4、根据权利要求1所述的太阳电池模块,其特征在于,前述光致电压层通过激光图案化而将每一前述多个光致电压元件电性分离。
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