JP2002530894A - 光起電性セル上に金属被覆パターンを製造する方法 - Google Patents
光起電性セル上に金属被覆パターンを製造する方法Info
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Abstract
Description
動させるために、相互接続された電気導体のシステムのパターンに従って、金属
被覆化を行う方法に関する。これらの導体は所定の直列抵抗を示し、少なくとも
1つの面の所定の部分をカバーする。この方法は、 (i)少なくとも1つの外面がそこへの金属被覆を行うように適合された、光
起電性エレメントを提供するステップと、 (ii)関連する外面の所定のパターンに従って、金属被覆化を行うステップ
と、から成る。
1つの層とn型の半導体材料の層との積重ね構造体から成り、これらの層の界面
に入る光子の影響のもとで、電荷キャリアを発生する。相互接続された導体のシ
ステムのパターンは、以後金属被覆パターンと呼ぶが、そのようなエレメントの
本質的な部分を形成する。金属被覆パターンは、このセルと電気的接触を行うた
めに、例えばスクリーンプリント技術を用いて、通常、太陽電池の前面及び背面
に利用される。利用された金属被覆パターンは、一般に、不透明であり、日光を
受ける側(さらにまた、前面側と呼ばれる)の太陽電池内に陰影損失の原因とな
る。
ーンの設計は、一般に、この金属被覆に起因する陰影損失と金属被覆パターンの
電気的直列抵抗との間の妥協の結果である。抵抗が小さければそれだけ、パター
ンの全体の表面領域及びそれにより生じる陰影損失は大きくなる。太陽電池の背
面側では、陰影損失は一般に問題にはならないが、金属被覆層で背面側を完全に
カバーすることは、太陽電池の固有な機能に対して厳密に言えば必要ではなく、
一方、そのような完全な金属被覆層の生産コストは、一般に、背面側を完全には
カバーしない金属被覆パターンのコストよりも高くなる。
る。光起電性エレメントの材料内の抵抗(エミッタ抵抗)から結果として生じる
損失を減らすために、これらのラインは、互いに近接して配置できるように細く
する必要がある。フィンガ自体の導電率は、一般に、大きな損失なしに光電流を
光起電性エレメントのエッジに伝導するには不十分である。フィンガ内の損失を
減少させるために、タブと呼ばれている接触ストリップは、通常、フィンガの上
に配置される。これにより、全体の伝導率が増加し、また太陽電池を別の太陽電
池に接続するのに役に立つ。
ので、一般的に最適なパターンを見つけることは特に難しい。このため、金属被
覆パターンの最適化は、一般に所定のトポロジー内のパターンのグループについ
て行われる。横方向に伸びる平行なフィンガ及びタブからアセンブルされたH形
の金属被覆メッシュにおいて、フィンガ距離を最適にする方法は周知である。フ
ィンガの方向は、この特定のパターンを選択すると固定され、最適な選択は行わ
れない。周知の最適化方法についての別の欠点は、その方法が特に、概ね長方形
の形状をした太陽電池に限定されていることである。
及び陰影損失に対して最適化された金属被覆パターンを適用する方法を提供する
ことである。
他の利点が得られる。ここでは金属被覆は、本発明によれば、最適化されたパタ
ーンに従って、第2のステップ(ii)の中で適用される。このパターンの形状
は、このエレメントの電力がこの形状の関数として最大になるように定義される
。
パターンを、少なくとも部分的に透明な金属被覆の中で表現することができると
いう、驚くべき洞察力に基づいている。この少なくとも部分的に透明な金属被覆
は、この周知の金属被覆パターン内と同じ陰影損失及び抵抗損失が発生している
この太陽電池を完全にカバーしている。
ら構成することが逆に可能であることが、ここで見出されている。この少なくと
も部分的に透明な金属被覆は、この少なくとも部分的に透明な金属被覆内と同じ
陰影損失及び抵抗損失が発生する太陽電池を完全にカバーしている。
起電性エレメントの前面上で陰影損失及び抵抗損失を発生させる金属被覆パター
ンに適用する目的の最適化パターンは、この前面を完全にカバーすると共にカバ
ーリングの程度に応じた入射光のわずかな量が通過できる光透過金属被覆層の前
面上の位置の関数として、動作状態ではこのエレメント内で生じる陰影損失及び
抵抗損失の合計が最小になるような方法で厚さを決定すること、またこれにより
、厚さの数列を決定すること、及びこの厚さから位置の関数として、相互接続さ
れた光が透過しない電気導体のシステムのパターンの形状を得ることによって得
られる。
た前面の反対側にある、光起電性エレメントの背面上で抵抗損失を発生する金属
被覆パターンに適用する目的の最適化パターンは、この背面を完全にカバーする
と共にカバーリングの程度に応じた入射光のわずかな量が通過できる光透過金属
被覆層の背面上の位置の関数として、動作状態ではこのエレメント内で生じる抵
抗損失及び金属被覆用材料の量についての能率の損失で表現された尺度の合計が
最小になるような方法で厚さを決定すること、及びこの厚さから位置の関数とし
て、相互接続された光が透過しない電気導体のシステムのパターンの形状を得る
ことによって得られる。
の厚さは、一般に、それぞれの表面を完全にカバーする金属被覆層が等方性の導
電率を有する場合について決定される。
ーンを用いて、金属被覆パターンを最適にするような特定の場合では、それぞれ
の金属被覆の位置の関数としての厚さは、それぞれの表面を完全にカバーする金
属被覆層が異方性の導電率を有する場合について決定される。
金属被覆層の厚さをそれぞれの表面上の位置の関数として、このエレメントの電
力がエレメントの表面と金属被覆との間のトランジションにおける電気抵抗の関
数としても最大になるように決定することによって得られる。
覆層の厚さをそれぞれの表面上の位置の関数として、このエレメントの電力がま
た、エレメントの表面抵抗の関数として最大になるように決定することによって
得られる。
過する金属被覆層の厚さをそれぞれの表面上の位置の関数として、このエレメン
トの電力がまた、それぞれの金属被覆材料の関数として最大になるように決定す
ることによって得られる。
にカバーする金属被覆が存在する場合に、動作状態でこのエレメント内で発生す
る陰影損失及び抵抗損失の合計が最小になるように決定することは、例えば、以
下のように行われる。
て、このエレメントが発生した最大電力における局所電流密度及び電圧を、それ
ぞれJmp及びVmpで示す場合、金属被覆層に起因する陰影損失がない場合の全発生
電力Pgは、以下の方程式で示される。
が発生する結果、この値より小さい。エレメントの前面側上では、必然的に存在
する金属被覆に起因する陰影効果の結果として、電流密度は減少する。
厚さであり、d0は、相互接続された導体のシステム内の導体の厚さである。
決定することができる。
によって決定される。
るパターンである。この微分方程式は、関連する太陽電池の外部接点用の接続ポ
イント上の電圧によって与えられる境界条件を用いて解く必要がある。
度J'mp(x,y)から、金属被覆内の電圧分布V(x,y)及び電流の方向の計算を行うこ
とができる。金属被覆内で消費される電力は、次の式によって与えられる。
ジションの中で発生する。エミッタと金属被覆との間の接触は、有効接触抵抗ρ ce によって示される。この有効接触抵抗は、関連する金属被覆のフィンガ幅及び
エミッタの下の表面抵抗に依存する。接触抵抗により消費された電力は、次の式
によって示される。
。
平行フィンガの金属被覆パターンに対して消費されるユニット当たりの領域の電
力Peは、次の式によって与えられることが分かる。
は発生しない。太陽電池表面をカバーする結果として発生しない電力量は、陰影
損失Psと呼ばれて、次の式によって示される。
がら、それは背面側の金属被覆層用の材料の量を制限するために重要である。最
適にすべき材料の量は、次の方程式のように、陰影損失によって示すことができ
ることが分かる。
する抵抗損失によって表すことができる。
する接触抵抗及びエミッタ表面抵抗からそれぞれ結果として生じる損失Pc及びPe 、並びに陰影損失PSは、方程式(7)及び(8)を用いて、この陰影部分から直
接得ることができる。陰影部分から、表面抵抗ρSm(x,y)を方程式(4)を用い
て計算することができ、電流密度J'mpを方程式(2)を用いて計算することがで
きる。偏微分方程式(5)を表面抵抗ρSm(x,y)を用いて解くことができる。い
ったんこの方程式を解くと、金属被覆中の抵抗損失を決定することができる。陰
影部分PS(x,y)は、全損失Ptが最小になるように選択しなければならない。
ォートラン言語で書かれたサブルーチンをアドレスする。このサブルーチンは、
自由に選択することができる多数のパラメータの連続し微分可能な関数の局所的
最適点を見出す。このサブルーチンは、パラメータに対して上限及び下限を有し
ている。パラメータは、以後粗目として表される、ユーザが定義する一組のポイ
ント(xi,yi)における陰影部分PS(xi,yi)である。
的複雑な構造をしている。任意のポイント(x,y)に対して、PS(x,y)が値PS(xi,yi )から補間法によって定義される。偏微分方程式(5)が、有限要素法(FEM
)を用いて解かれる。
及び発生した電力が有限要素法の細目ネットワーク上で評価される。ここでは、
それぞれの被積分関数について、次に積分されるインターポラント(interpolan
t)が作られる。
換を行うことができる。フィンガの向きは、電界強度
ることができる。
おいて、従来技術によるパターンでは約12〜13%に達する金属被覆損失が、
約7%に減少することが判明された。
12.5 cm2)の、入射日光を受けるように適合された前面側を示している。この
太陽電池1は、周知のスクリーンプリント技術に従って適用された、平行なフィ
ンガ2のH形金属被覆パターン、及び接触ストリップ(タブ)3を備えている。
これらの折衝苦ストリップの導電率は、フィンガよりも高い。さらに、座標系(x
,y)が示されている。
12.5 cm2)の実施形態の、入射日光を受けるように適合された前面側を示して
いる。この太陽電池10は、タブ3及び金属被覆メッシュ6,7を備えている。
フィンガ6の密度は、左手側の電流テークオフポイントの方向に増加する。異な
る密度の領域におけるフィンガを相互接触させるために、等価電位の経路に沿っ
て伸びる接続ストリップ7が使用される。接続ストリップ7は、太陽電池の効率
において、個々のフィンガ6の破損による悪影響が減少されるという付加的な利
点をもたらす。その理由は、破損の場合、一部のフィンガ6が常にそれぞれのタ
ブ3に接続されたままになるからである。フィンガ6は、図1に示した太陽電池
1のパターンを開始点として採用するパターンの中で適用されるが、このパター
ンに対して、本発明によれば、フィンガに起因する陰影部分についての電力損失
が最適化される。
、異方性の伝導率を可能にするために、方程式(5)を以下の式のように最適化
手順の中で一般化する必要がある。
、この異方性の導電率をフィンガを有するラインの中に持ち込むことによって、
任意の方向に伸びるフィンガを有する別の金属被覆パターンの分析に使用される
。
なわち、太陽電池が発生した電力を最適にすることによって発見される、フィン
ガ距離sによって決定される。
は、計算する目的ではユニットセルと見なされる。この図には、計算され正規化
された電流密度のベクトル
線5が示されている。
属被覆パターンは、図1の太陽電池1内のテーパなしのフィンガを有するH形金
属被覆パターンとは、わずかに異なっているだけであることが分かる。最適化さ
れたセルでは、電流の方向はまた、タブ3の方向にほぼ垂直である。タブ3の抵
抗は、金属被覆の抵抗と比較すると小さいので、電流が最短ルートに沿ってタブ
3に流れる場合、金属被覆内の抵抗損失は最小になる。最適化されたユニットセ
ルでは、金属被覆は、ユニットセルのエッジの方向において、タブ3に近い領域
にわずかにシフトされる。
。この金属被覆メッシュは、最適化する場合、本発明に基づいて、太陽電池の背
面側全体をカバーする金属被覆メッシュから始めることによって得られる。フィ
ンガ6の密度は、左手側の電流テークオフポイントの方向に増加する。異なる密
度の領域におけるフィンガを相互接触させるために、等価電位を有する経路に沿
って伸びる接続ストリップ7が使用される。別の方法では、分岐構造を有するパ
ターンを選択することが可能である。この構造によると、フィンガ4は、最大電
流密度を有するパターンに完全に平行して伸びていない。図示したパターンは、
太陽電池の背面側の24%の金属被覆によるカバレッジの結果として得られる。
これは、方程式(9)内の無次元パラメータについて値Fc = 0.03に相当する。
計算され正規化された電流密度のベクトル
線5が示されている。
ルー」(metallization wrap through))タイプの、12.5×12.5 cm2の正方形の
太陽電池の、入射日光を受けるように適合された前面側を示している。MRTの
太陽電池では、前面側の陰影損失を減らすために、負及び正の接点は両方ともセ
ルの背面側に配置される。ここでは、太陽電池の表面内に導体の通し用の通路が
使用される。図示した太陽電池30は、9つの等しい正方形の物理的ユニットの
セルに再分割することができ、それらのセルは、それぞれ、8つの数学的ユニッ
トのセルに再分割することができる。
RT太陽電池30の物理的ユニットのセルPQRSを詳細に示している。これら
の金属被覆パターンは、厚さが変化する完全金属被覆と思われた方法に基づいて
得られる。パターンの平均陰影部分又は光伝送金属被覆は、分析関数μ/rと、
数学的ユニットのセル9の6つのポイントに基づくインターポラント(interpol
ant)との一次結合から成る。関数μ/rにおいて、rはホール8のセンタから
ユニットセルPQRS上のポイントまでの距離であり、μは値がフィッティング
によって決定されるスカラー量である。フィンガの幅は、ホール8からユニット
セルPQRSに向かう方向のそれぞれのブランチにおいて減少している、すなわ
ち、図示した実施例では、フィンガ11,12,13のライン幅は、それぞれ、
300,150及び100μmである。
。この図は、ホール8の周辺、ラインセグメントQRの中心のポイントT、及び
ポイントRによって囲まれた、図9のセクタに対応している。
この図では、計算され正規化された電流密度のベクトル
線5が示されている。フィンガは、陰影部分がホール8の近くで著しく増加して
いることを示している。ホール8から最も離れたユニットセル9の部分では、エ
ミッタ抵抗及び接触抵抗が支配的である。これは陰影部分に対して、約5%の一
定値を結果として生じている。太陽電池がより多くのホールをユニット当たりの
領域に含む場合、ライン抵抗の貢献度はそれだけ低くなる。エミッタ抵抗及び接
触抵抗から結果として生ずる損失は一定であるため、ホールの数がさらに増加す
るにつれて、それらの抵抗が支配的になるため、ユニット領域当たりのホールの
数には上限がある。表面領域が12.5×12.5 cm2の本発明の太陽電池の場合は、こ
の上限は約25になる。
合された前面側を示している。この太陽電池は、図6に示した太陽電池30の別
の実施形態である。太陽電池30では、互いの距離が異なるフィンガ13と15
との間の接続は、周辺方向で閉じた連続的なライン14を用いて行われる。太陽
電池40においては、フィンガ13,15は、隣接するユニットセル内の対応す
るフィンガと一致して伸びるような方法で、物理的なユニットセルに対して分岐
しており、また周辺方向で閉じているライン14が省かれている。
。本発明は、原理的に、この太陽電池内の電流の方向又は金属被覆のトポロジー
を規定することを要求されないような、どのようなタイプの太陽電池上の金属被
覆パターンをも最適化することに適用することができる。本発明による方法を用
いると、例えば、入射日光の所定のレベルにおける最大効率、最大の年次エネル
ギー収量、又は金属被覆パターンのコストとそのパターンの電気抵抗との間の最
適なバランスに対して、金属被覆パターンを最適にすることができる。
属被覆メッシュ、平行なフィンガ及びそれらの上を横方向に伸びる2つのタブを
備えている。
メッシュを最適化することによって得られた、金属被覆メッシュを備えた正方形
の太陽電池の平面図である。
化された電流密度のベクトル及び金属被覆ラインによるカバレッジの計算された
パーセンテージを表す等高線が示されている。
ーする金属被覆メッシュを最適にすることによって得られた、金属被覆メッシュ
を備えた正方形の太陽電池の底面図である。
流密度のベクトル及び金属被覆ラインによるカバレッジの計算されたパーセンテ
ージを表す等高線が示されている。
の正方形の太陽電池の第1の実施形態を示す平面図である。この太陽電池は、図
7に示す金属被覆メッシュを備えており、本発明による方法の第3の実施形態に
基づいて、最適化する場合、太陽電池の上面すなわち前面側全体をカバーする金
属被覆メッシュから始めることによって得られる。
。
す平面図である。
化された電流密度のベクトル及び金属被覆ラインによるカバレッジの計算された
パーセンテージを表す等高線が示されている。
形態を示す平面図である。この太陽電池は、本発明による方法の第3の実施形態
に基づいて、最適化する場合、太陽電池の上面すなわち前面側全体をカバーする
金属被覆メッシュから始めることによって得られた金属被覆メッシュを備えてい
る。
及び、前記厚さd(x,y)から位置(x,y)の関数として、相互接続された電気導体の
システムのパターンの形状を引き出すことによって得られる最適化パターンに基
づいて前記第2のステップ(ii)内で金属被覆が行われる(ここで、方程式S
は前記エレメントの前記表面であり、PS(x,y)は陰影部分を示し、Jmp及びVmpは
、それぞれ、局所電流密度及び前記エレメントが発生した最大電力における電圧
を示し、ρSm(x,y)は表面抵抗を示し、PS(x,y)は陰影部分を示し、またFcは効率
損失に対する材料の量に関する無次元パラメータである) ことを特徴とする方法。
ので、一般的に最適なパターンを見つけることは特に難しい。このため、金属被
覆パターンの最適化は、一般に所定のトポロジー内のパターンのグループについ
て行われる。 固体エレクトロニクス37、1994年1月、No.1、ページ220〜22
2、において、単一のパラメータ、すなわち、キャリア平均経路(carrier mean
path)の計算に基づいて決定される、最適なグリッドラインのパターンを可能
にする方法が開発されている。このパラメータの最小値を有する太陽電池のグリ
ッドパターンは最も効果的である。この方法は、種々の形状、同じシャドーイン
グファクタ(shadowing factor)及び全グリッドライン長のグリッドパターンを
有する太陽電池を比較する場合に特に望ましい。 フィンガの方向が特別なパターンの選択によって固定され、最適に選択されな
いことは、この周知の方法の欠点である。この周知の最適化方法の別の欠点は、
この方法が特定の、形状が大体長方形の太陽電池に限定されることである。 JP-A-06053531から、すなわち、対応する日本特許抄録によれば、サブ電極が
メイン電極から最も離れた場所で最も薄く、このメイン電極に向かって厚くなる
ような太陽電池を提供することによって、ジュール熱及び光学損失を抑制するこ
とにより、光電変換器の光電変換効率を向上させることは周知である。
Claims (8)
- 【請求項1】 光起電性エレメントの少なくとも1つの外面上で電荷キャリ
アを移動させるために、所定の直列抵抗を示すと共に所定の程度のカバーリング
に基づいて前記少なくとも1つの表面の一部をカバーする相互接続された電気導
体のシステムのパターンに従って金属被覆を行う方法であって、 (i)その外面の少なくとも1つが金属被覆をそこに行うように適合された、
前記光起電性エレメントを設けるステップと、 (ii)所定のパターンに基づいて、前記関連する表面上に金属被覆を行うス
テップと、 を含み、 前記エレメントの電力が形状の関数として最大になるように定義される形状の
最適化パターンに基づいて 前記第2のステップ(ii)内で金属被覆が行われ
る、 ことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 入射光を受けるように適合された前記光起電性エレメントの
前面上で陰影損失及び抵抗損失を結果として生ずる金属被覆パターンに適用する
ための、請求項1に記載の方法であって、前記最適化パターンが、前記前面を完
全にカバーすると共に前記カバーリングの程度に応じた入射光のわずかな量が通
過できる光透過金属被覆層の前記前面上の位置の関数として、動作状態では前記
エレメント内で生じる前記陰影損失及び前記抵抗損失の合計が最小になるような
方法で前記厚さを決定すること、及び前記厚さから前記位置の関数として、相互
接続された電気導体のシステムのパターンの形状を引き出すことによって得られ
ることを特徴とする方法。 - 【請求項3】 入射光を受けるように適合された前記前面の反対側にある、
前記光起電性エレメントの背面上で抵抗損失を結果として生ずる金属被覆パター
ンに適用するための、請求項1に記載の方法であって、前記最適化パターンが、
前記背面を完全にカバーすると共に前記カバーリングの程度に応じた入射光のわ
ずかな量が通過できる光透過金属被覆層の前記背面上の位置の関数として、動作
状態で前記エレメント内で生じる前記抵抗損失及び前記金属被覆用材料の量につ
いての能率の損失で表現された尺度の合計が最小になるような方法で前記厚さを
決定すること、及び前記厚さから前記位置の関数として、相互接続された電気導
体のシステムのパターンの形状を引き出すことによって得られることを特徴とす
る方法。 - 【請求項4】 請求項2又は3に記載の方法であって、前記それぞれの金属
被覆層の前記位置の関数としての前記厚さが、前記それぞれの表面を完全にカバ
ーする前記金属被覆層が等方性の導電率を有する場合について決定されることを
特徴とする方法。 - 【請求項5】 請求項2〜請求項4のいずれかに記載の方法であって、前記
最適化パターンが、前記それぞれの光が透過する金属被覆層の前記厚さを、前記
それぞれの表面上の前記位置の関数として、前記エレメントの電力が前記エレメ
ントの表面と前記金属被覆との間のトランジションにおける電気抵抗の関数とし
ても最大になるように決定することによって得られることを特徴とする方法。 - 【請求項6】 請求項2〜請求項5のいずれかに記載の方法であって、前記
最適化パターンが、前記それぞれの光が透過する金属被覆層の前記厚さを前記そ
れぞれの表面上の前記位置の関数として、前記エレメントの電力が前記エレメン
トの前記表面抵抗の関数としても最大になるように決定することによって得られ
ることを特徴とする方法。 - 【請求項7】 請求項2〜請求項6のいずれかに記載の方法であって、前記
最適化パターンが、前記それぞれの光が透過する金属被覆層の前記厚さを、前記
それぞれの表面上の前記位置の関数として、前記エレメントの電力が前記それぞ
れの金属被覆材料の関数としても最大になるように決定することによって得られ
ることを特徴とする方法。 - 【請求項8】 請求項1〜請求項7のいずれかに記載の方法に従って適用さ
れた金属被覆を備えた光起電性エレメント。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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