【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池などの光起電力素子に係り、特に光起電力素子基板の周縁部に枠体を設けた光起電力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光起電力素子には、結晶シリコン系、多結晶シリコン系、微結晶シリコン系、アモルファスシリコン系、化合物半導体系など様々なものがある。その中で、導電性基板上にアモルファスシリコン層、微結晶シリコン層、化合物半導体層などを設けた薄膜半導体による光起電力素子は、軽量性や可撓性に優れ、また使用する原材料が少なく、製造に必要なエネルギーも小さいなどの理由から、次世代光起電力素子の本命として活発に研究開発が行われている。
【０００３】
図４は、従来の光起電力素子における基本的構造の一例を示しており、（ａ）はその概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。図４において、１４は導電性基板、１５は裏面反射層、１６は半導体光活性層、１７は透明電極層、１１は集電電極、１２はバスバー電極、１８は絶縁体である。
【０００４】
ここで、導電性基板１４が第一電極の役割を果たし、透明電極層１７が第二電極の役割を果たしている。光照射によって半導体光活性層１６で発生した電流は、集電電極１１によって透明電極層１７から集められ、さらに集電電極１１に導通接続されたバスバー電極１２によって素子外部に取り出される構造となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この種の光起電力素子は屋外で発電に供されるため種々の耐久性が求められるが、その中でも水分に対する耐久性は重要である。特に、光起電力素子の表裏少なくともいずれか一方が樹脂のみで被覆されて屋外に暴露される場合には、水蒸気が内部に侵入し易く、より一層の耐水性や耐湿性が求められる。
【０００６】
しかしながら、裏面反射層１５、半導体光活性層１６は光起電力素子の端面にまで延在しているため、水分によって端面より腐食し易く、光起電力素子の性能を低下させる原因にもなっていた。中でも、裏面反射層１５には銀、酸化亜鉛をはじめとして水によって腐食されやすい金属あるいは金属酸化物が用いられており、空気中の水分によって腐食が進行し、長期間の屋外暴露において半導体光活性層１６の端部からの剥離や、腐食生成物を原因とした素子の短絡が生じるなどの問題があった。
【０００７】
また、裏面反射層１５に銀が用いられている場合には、水に溶け出した銀イオンが再び銀となって析出する所謂エレクトロマイグレーションによって端部で導電性基板１４と透明電極層１７とが銀でブリッジされ、短絡するといった問題もあった。
【０００８】
その対策として従来は、光起電力素子を真空ラミネートなどの方法により樹脂で封止するといった方法が採られていた。
【０００９】
しかしながら、太陽電池のコストダウンの必要性が叫ばれている今日、従来よりも格段に薄く、簡易な被覆形態の試みがなされている。被覆を薄くすれば、従来のように単に既存の光起電力素子を樹脂で封止するだけでは充分な耐久性が得られなくなることも考えられ、更には光起電力素子の端面が直接外気に曝されるような形態も考えられる。
【００１０】
これに加え、近年の雨水は低ｐＨ化が進んでおり、ｐＨ４以下の酸性雨も珍しくなくなった。そのような雨水が直接光起電力素子の端面に接した場合、裏面反射層１５や半導体光活性層１６の腐食、あるいはエレクトロマイグレーションは一層激しくなり、光起電力素子の信頼性を維持することは極めて困難なものとなってきている。
【００１１】
一方、光起電力素子の表面には、電流を効率的に集めるために櫛歯状の集電電極１１が設けられるのが一般的であるが、さらに集電電極１１に接続して電流を取り出すためにバスバー電極１２が設けられる。このバスバー電極１２は、光起電力素子を直列ないしは並列に接続する際に、相隣接する光起電力素子を接続するために用いられる。
【００１２】
ところで、直列ないしは並列に接続された光起電力素子群から出力を取り出す場合、通常は端子箱を光起電力素子群の裏面側に配して、その中に端子台を設け、そこに光起電力素子からの正極及び負極の端子を接続する。そして、コネクター付きケーブルを用いて外部に出力を取り出している。
【００１３】
しかしながら、上述したような簡易な被覆形態では、このような端子箱を廃止して、バスバー電極自体で出力を外部に取り出すような構成が想定される。このような構成においてはバスバー電極１２に応力が加わりやすくなるが、バスバー電極１２と集電電極１１との接続は、通常、半田付けや導電性ペーストによるものが多いため、接続強度が弱く小さな応力で容易に破損するので、バスバー電極１２をそのまま出力取り出し端子に用いるのは困難であった。
【００１４】
また、バスバー電極１２と集電電極１１とを構成する材料の熱膨張係数の違いから、屋外暴露での過酷な温度変化によってバスバー電極１２が集電電極１１から外れる場合があった。
【００１５】
さらに、光起電力素子が可撓性を有する場合には、屋外での設置環境によっては風を主因として素子に撓み変形が発生する。この変形によって、集電電極１１及びバスバー電極１２に応力が発生して、その接合部で外れるという問題も生じていた。
【００１６】
本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、その目的は、耐水性や耐湿性が高く、端子強度及び集電電極とバスバー電極との接続信頼性に優れ、長期間の屋外暴露でも安定した性能を発揮することができる光起電力素子を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、本発明に係る光起電力素子は、光照射により半導体光活性層で発生した電流を集める集電電極と、その電流を素子外部へ取り出すべく、該集電電極に導通接続して光起電力素子基板の周縁部へと配したバスバー電極とを有する光起電力素子において、
少なくとも、バスバー電極と集電電極との接続部と、光起電力素子基板の周縁部とを枠体により覆い、
バスバー電極の端子部を光起電力素子基板よりも外方へ延出させ、該端子部を前記枠体に形成した開口部から導出させたことを特徴とする。
前記の光起電力素子において、枠体がバスバー電極全体を覆うように設けられていることが好ましい。
また、光起電力素子が素子全面にわたって金属層および／または金属酸化物層を有し、該金属層および／または金属酸化物層の断面が素子端面に露出している場合、該露出端面を枠体が覆っていることが好ましい。
さらに、枠体の縦断面形状がチャンネル形状を呈していることが好ましい。
そして、枠体と光起電力素子との間隙に樹脂が充填されていることが好ましい。
特に、枠体で囲まれた光起電力素子の受光面側の領域が透明な有機高分子樹脂で充填されていることが好ましい。
また、枠体開口部におけるバスバー電極の導出方向に沿った枠体の肉厚が、他の部分よりも厚いことが好ましい。
さらに、光起電力素子の基板が可撓性を有していても良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明は本実施形態に限るものではない。
【００１９】
図１は、本発明に係る光起電力素子の一実施形態を示しており、（ａ）はその概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。図１において、１４は可撓性を有する導電性基板、１５は裏面反射層、１６は半導体光活性層、１７は透明電極層、１１は集電電極、１２はバスバー電極、１８は絶縁体、１３は枠体、１９は弾性体、２０は耐候性透明樹脂である。
【００２０】
本実施形態においては、光起電力素子基板の周縁部に設けられたバスバー電極１２が集電電極１１に電気的に導通接続され、基板周縁部を挟み込むように枠体１３が設けられ、該枠体１３はバスバー電極１２と集電電極１１との接続部をも覆うような構成となっている。さらに、バスバー電極１２の端子部は、素子基板よりも外方へと延出され、枠体１３に形成された開口部から導出されている。
【００２１】
枠体１３は光起電力素子基板の周縁部に設けられ、少なくとも、バスバー電極１２と、バスバー電極１２と集電電極１１との接続部を覆って挟み込むように設けられている。枠体１３はバスバー電極１２の一部を挟み込むように設ければよいが、屋外の苛酷な環境から保護しバスバー電極１２としての機能を長期間安定して発揮させるためには、枠体１３がバスバー電極１２の全体を覆うように設けることが好ましい。
【００２２】
また、枠体１３には開口部が設けられており、そこからバスバー電極１２の端子部は基板の外へ導出されている。開口部の形状は特に限定されないが、バスバー電極１２の端子部の断面形状に合わせることが好ましい。例えば、バスバー電極１２の端子部が箔体であれば、スリット状の開口部形状が好適であるし、バスバー電極１２の端子部が線条体であれば、円形の開口部形状であることが好適である。さらに開口部は、なるべくバスバー電極１２の端子部の外周に密着している方がバスバー電極１２の引っ張り強度を高める上で好ましい。
【００２３】
さらに、枠体１３の開口部におけるバスバー電極１２の導出方向に沿った肉厚２２が、枠体１２の他の部分の肉厚よりも厚肉に形成されることによって、バスバー電極１２の固定がより確実に行えるので望ましい。
【００２４】
一方、枠体１３の断面形状は本発明の主旨を満たす範囲内で種々選択することができるが、バスバー電極１２を覆って、バスバー電極１２と集電電極１１との接続部を確実に挟み込むためには、縦断面形状がチャンネル形状を呈していることが好ましい構成である。
【００２５】
枠体１３の材料は特に限定されないが、長期間の屋外暴露に耐えうる耐候性に優れるものであることを要する。例えば、アルミニウム、ステンレス鋼などの耐食性金属、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。また、材料自体の耐久性はやや劣るが、適切な処理や処方によって耐候性を高めた材料としては、例えば、亜鉛メッキ鋼板、樹脂ラミネート鋼板、ウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂やエチレン−メタクリル酸共重合体樹脂などのエチレン−不飽和脂肪酸エステル共重合体樹脂などがあり、これらの中から適宜選択して用いることができる。
【００２６】
枠体１３が導電性材料である場合には、光起電力素子基板および／またはバスバー電極１２と枠体１３とを絶縁することが好ましい。絶縁する方法としては、後述する枠体１３と光起電力素子基板および／またはバスバー電極１２との間隙への樹脂の充填による方法や、より絶縁を確実に行うのであれば、光起電力素子基板の周縁部および／または枠体１３の開口部に挿入されるバスバー電極１２の端子部分に絶縁テープを貼着するなどの方法が挙げられる。
【００２７】
枠体１３の材料が一体成型できるものであれば、図１のように一体成形した枠体を用いることができるし、そうでない場合は、図２に示すように、光起電力素子基板の四辺にそれぞれに枠体片を設けて、各枠体片を基板角部で互いに接合して枠体１３を構成するなどの方法を採ることができる。
【００２８】
枠体１３と光起電力素子基板との間隙には、必要に応じて樹脂１９を充填するのが好ましい。枠体１３だけでは素子端面への水分あるいは水蒸気の浸入を完全に防止することは困難だからである。これは、枠体１３を装着するのと同時に行っても良いし、装着後の間隙に樹脂を流し込むことによって行っても構わない。後者の場合は、後述する受光面側に充填する透明有機高分子樹脂がそれを兼ねることもできる。充填材料としては、耐候性、防水性、及び防湿性に優れた弾性体を選択するのが望ましく、例えば、シリコーン樹脂、変性エポキシ樹脂、ブチルゴム、ポリイソブチレン樹脂などが挙げられる。
【００２９】
枠体１３を設けた光起電力素子の受光面側の枠体内部には、光起電力素子の屋外暴露における耐久性を高めるために、透明な有機高分子樹脂２０を充填するのが好ましい。有機高分子樹脂２０の具体例としては、例えば、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂（ＥＶＡ）、エチレン−（メタ）アクリル酸共重合体樹脂、エチレン−（メタ）アクリル酸エステル共重合体樹脂、アイオノマー樹脂、ポリイソブチレン樹脂などが挙げられる。このうち、シリコーン樹脂、フッ素樹脂はそれ自体優れた耐候性を有しているので、そのまま用いることができるが、それ以外の樹脂は、紫外線吸収剤、光安定化剤、酸化防止剤などの添加剤を予め添加して耐候性を高めたものを用いるのが望ましい。また、これらの樹脂から二種以上を選択して複数の材料で充填することも勿論可能である。
【００３０】
また、導電性基板１４はバスバー電極１２と同様に電極の役割を果たしているので、出力を取り出すために導電性基板１４の裏面に金属箔体あるいは線条体を金属蝋材あるいは導電性ペーストなどを用いて取り付けてもよい。
【００３１】
以下に、本発明に係る光起電力素子の構成要素として使用できる材料を光起電力素子の作成方法とともに、図１に基づいてさらに詳しく説明する。
【００３２】
（導電性基板）
導電性基板１４は、光起電力素子の基体になると同時に、第一電極の役割も果たすことになる。導電性基板１４の材料としては、例えば、シリコン、タンタル、モリブデン、タングステン、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、チタン、カーボンシート、鉛メッキ鋼板、導電層が形成されている樹脂フィルムやセラミックスなどが挙げられる。中でも、ステンレス鋼は耐久性が高く比較的安価なので好適である。
【００３３】
（裏面反射層）
導電性基板１４上には、裏面反射層１５として、金属層もしくは金属酸化物層、または金属層と金属酸化物層を形成する。金属層には、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉなどが使用でき、金属酸化物層には、例えば、ＺｎＯ、ＴｉＯ2、ＳｎＯ2などが使用できる。中でも、Ａｌ、Ａｇ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2は水分による腐食を受け易く、またＡｇはさらにエレクトロマイグレーションが起きやすいが、光起電力素子の高性能化が可能な材料であるため、本発明の実施の効果が大きいものである。即ち、本発明によればこのような材料を用いた高性能な光起電力素子の耐久性向上が可能となる。
【００３４】
上記金属層や金属酸化物層の形成方法としては、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法などがある。
【００３５】
（半導体活性層）
半導体光活性層１６は光電変換を行う部分であり、具体的な材料としては、例えば、ｐｎ接合型多結晶シリコン、ｐｉｎ接合型アモルファスシリコン、あるいはＣｕＩｎＳｅ2、ＣｕＩｎＳ2、ＧａＡｓ、ＣｄＳ／Ｃｕ2Ｓ、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ、ＣｄＳ／ＩｎＰ、ＣｄＴｅ／Ｃｕ2Ｔｅをはじめとする化合物半導体などが挙げられる。中でも、ｐｉｎ接合型アモルファスシリコンは原材料費が安価で工程も比較的簡単なので好適である。
【００３６】
上記半導体光活性層１６の形成方法としては、多結晶シリコンの場合は溶融シリコンのシート化か非晶質シリコンの熱処理、微結晶シリコン・アモルファスシリコンの場合はシランガスなどを原料とするプラズマＣＶＤ、化合物半導体の場合はイオンプレーティング、イオンビームデポジション、真空蒸着法、スパッタ法、電析法などがある。
【００３７】
（透明電極層）
透明電極層１７は、光起電力素子の第二電極の役目を果たしており、その材料としては、例えば、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2（ＩＴＯ）、ＺｎＯ、ＴｉＯ2、Ｃｄ2ＳｎＯ4、高濃度不純物ドープした結晶性半導体層などが挙げられる。
【００３８】
透明電極層１７の形成方法としては、例えば、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法、スプレー法、ＣＶＤ法、不純物拡散法などがある。
【００３９】
また、導電性基板１４と透明電極層１７との素子基板端面における短絡を解消するために、透明電極層１７を光電変換活性領域の周縁に沿って除去して、透明電極層１７に透明電極除去部２１を形成する。透明電極層１７の除去は、公知のエッチングによって行うことが容易であり、化学エッチングまたは電解エッチングなどが使用できる。
【００４０】
化学エッチングは、酸やアルカリ等のエッチング性溶液を透明電極層１７に接触させた状態で熱を加え、透明電極層１７を溶解することによって行われる。エッチング性溶液としては硫酸、塩酸、塩化鉄溶液などが好適に用いられる。また、エッチング性溶液と高分子微粒子体を混練してペースト状にしたものをスクリーン印刷などの手法を用いて透明電極層１７上に所望のパターンで印刷し加熱することによっても行うことができる。
【００４１】
電解エッチングは、エッチング性溶液中で透明電極層１７の所望部分のみに電界をかけて、電気化学的に透明電極層１７を溶解することによって行われる。
【００４２】
（集電電極）
透明電極層１７の上には、電流を効率よく集電するために、格子状あるいは櫛歯状の集電電極１１（グリッド）を設ける。集電電極１１は、例えば、導電性ペーストのスクリーン印刷、あるいは導電性樹脂でコーティングした金属ワイヤの熱圧着などの方法で形成される。
【００４３】
本実施形態では、集電電極１１の末端は光起電力素子基板の周縁部まで延在し、光起電力素子基板の周縁部においてバスバー電極１２に導通接続される。バスバー電極１２と集電電極１１との接続は、半田、導電性ペースト、あるいは集電電極１１が導電性樹脂をコーティングしたものである場合には、該導電性樹脂を用いて行われる。
【００４４】
（バスバー電極）
バスバー電極１２は光起電力素子基板の周縁部に沿って設けられ、その端子部は光起電力素子基板よりも外方へと延出させて設けられる。これによって、集電電極１１によって集められた電流はバスバー電極１２を経て、光起電力素子から取り出される。
【００４５】
バスバー電極１２の材料としては、例えば、表面に半田メッキ、錫メッキ、または銀メッキを施した銅の箔体もしくは線条体が好適に用いられる。
【００４６】
以上のように、本発明によれば以下の効果が期待できる。
耐水性・耐湿性に優れ、バスバー電極を取り出し電極として用いることができ、屋外での過酷な使用条件下においてもバスバー電極と集電電極との接続信頼性に優れる光起電力素子を提供できる。すなわち、光照射により半導体光活性層で発生した電流を集める集電電極と、その電流を素子外部へ取り出すべく、該集電電極に導通接続して光起電力素子基板の周縁部へと配したバスバー電極とを有する光起電力素子において、少なくとも、バスバー電極と集電電極との接続部と、光起電力素子基板の周縁部とを枠体により覆い、バスバー電極の端子部を光起電力素子基板よりも外方へ延出させ、該端子部を前記枠体に形成した開口部から導出させたことにより、光起電力素子基板の周縁部から光電変換活性領域にまで腐食が及ぶことを防止でき、またバスバー電極の素子との接続強度を高めることができるため、バスバー電極に応力が加わっても、素子が破損することがない。さらに、バスバー電極や集電電極に応力が加わったとしても、それらの電気接続部が外れるようなことがなく、信頼性の高い光起電力素子を提供することができる。
【００４７】
また枠体がバスバー電極全体を覆うように設けられることにより、バスバー電極と素子との接続強度を一層高めることができる上に、バスバー電極の耐水性・耐湿性をも高めることができる。
【００４８】
さらに、光起電力素子が素子全面にわたって金属層および／または金属酸化物層を有し、素子端面において金属層および／または金属酸化物層の断面が露出している場合には、該露出端面を枠体が覆っているので、この露出端面からの腐食防止効果を最大限享受できる。
【００４９】
また、枠体と光起電力素子との間隙に樹脂を充填することにより、素子端面からの水分・水蒸気の浸入をより効果的に抑制できるので、素子の耐水性・耐湿性がさらに向上する。
【００５０】
特に、枠体で囲まれた光起電力素子の受光面側の領域を透明な有機高分子樹脂で充填することにより、光起電力素子の耐候性が向上し、枠体による信頼性向上と相俟って、屋外使用条件下での光起電力素子の耐久性を格段に向上させることができる。
【００５１】
また、枠体の開口部におけるバスバー電極の導出方向に沿った枠体の肉厚が、他の部分よりも厚肉であることによって、バスバー電極の枠体による光起電力素子への固定がより強固に行われ、バスバー電極を出力取り出し端子として用いる場合の端子強度が向上する。
【００５２】
さらに、枠体の縦断面形状がチャンネル形状（略コの字状）を呈することにより、光起電力素子への枠体の装着を簡単かつ確実に行うことができる。
【００５３】
そして、光起電力素子基板が可撓性を有することにより、バスバー電極と集電電極との接続に応力が一層発生し易くなるので、かかる場合に本発明の枠体による接続部の信頼性向上の効果をより享受するものとなる。
【００５４】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５５】
〔実施例１〕
実施例１では、まず、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）太陽電池（光起電力素子）を作製する。その作製手順を図１に基づいて説明する。
【００５６】
導電性基板１４としての洗浄したステンレス鋼基板上に、スパッタ法で裏面反射層１５としてＡｌ層（膜厚５００ｎｍ）とＺｎＯ層（膜厚５００ｎｍ）とを順次積層する。
【００５７】
次いで、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ4とＰＨ3とＨ2との混合ガスからｎ型ａ−Ｓｉ層を、ＳｉＨ4とＨ2との混合ガスからｉ型ａ−Ｓｉ層を、ＳｉＨ4とＢＦ3とＨ2との混合ガスからｐ型微結晶μｃ−Ｓｉ層を形成し、ｎ層膜厚１５ｎｍ／ｉ層膜厚４００ｎｍ／ｐ層膜厚１０ｎｍ／ｎ層膜厚１０ｎｍ／ｉ層膜厚８０ｎｍ／ｐ層膜厚１０ｎｍの層構成を有するタンデム型ａ−Ｓｉの半導体光活性層１６を形成する。
【００５８】
次に、透明電極層１７として、Ｉｎ2Ｏ3薄膜（膜厚７０ｎｍ）を、Ｏ2雰囲気下でＩｎを抵抗加熱法で蒸着することによって形成する。
【００５９】
さらに、塩化鉄(ＩＩＩ)６水和物を加熱して融解したものにアクリル樹脂の微粒子体とグリセリンとを加え混練してペースト状にしたものを調製し、これを透明電極層１７の周縁部に１ｍｍの幅でスクリーン印刷機によって印刷する。そして、これを１５０℃で１０分間加熱後、純水にて洗浄後、乾燥を行い、透明電極層１７の周縁部をパターニングして、透明電極除去部２１を形成する。
【００６０】
その後、透明電極層１７上に、直径０．１ｍｍの銅の細線にカーボンペーストをコーティングしたものを熱圧着して集電電極１１を形成する。
【００６１】
次に、基板周縁部において、集電電極１１の末端に重ねるようにして、バスバー電極１２として、厚さ０．１ｍｍ、幅５ｍｍの銀メッキ銅箔を置き、カーボンペーストを接着剤として集電電極１１とバスバー電極１２とを圧着する。なお、バスバー電極１２と基板との間には、バスバー電極１２を固定するため、及びバスバー電極１２と基板表面とを電気的に絶縁するために、絶縁体１８としてポリエステル製両面テープを配している。また、バスバー電極１２の端子部は、素子基板の外方へ２０ｍｍ程度はみ出すように延出されている。
【００６２】
以上のように作製した光起電力素子に枠体１３を取り付ける。ウレタン樹脂の射出成型によって縦断面がチャンネル形状（略コの字状）の枠体１３を一体成形にて製作し、枠体１３の内側の溝に湿気硬化型のシリコーン樹脂を塗布して、枠体１３をやや伸ばしながら光起電力素子基板の周縁部を溝に挿入するようにして枠体１３を取り付ける。このとき、枠体１３の一部に設けたスリット状の開口部から素子基板の外方へと延出されているバスバー電極１２の端子部を導出する。
【００６３】
これによって、図１（ｄ）に示すように、枠体１３がバスバー電極１２の全面を覆うように素子周縁部を挟み込み、一方、バスバー電極１２のない素子周縁部は、図１（ｃ）に示すように、その受光面側が数ｍｍ程度枠体１３によって挟み込まれる構成となる。
【００６４】
最後に、光起電力素子の受光面側の枠体１３で囲まれた領域に付加反応型の透明なシリコーン樹脂を流し込み硬化させることによって、厚さ約０．５ｍｍのシリコーン充填材層を形成し、さらにマイナス側端子２３として銅箔を半田２４にてステンレス鋼基板に取り付ける。
【００６５】
〔比較例１〕
比較例１では、枠体を設けず、また透明の有機高分子樹脂層も設けない。それ以外は、実施例１と同様である。
【００６６】
〔実施例２〕
実施例２では、集電電極１１とバスバー電極１２との接続の際、集電電極１１の末端のカーボンペーストをレーザーにより取り除いた後、銀ペーストを塗布してバスバー電極１２を重ねて、その後、銀ペーストを加熱硬化して、銀ペーストにて集電電極１１とバスバー電極１２とを導通接続する。それ以外は、実施例１と全く同様にして枠体付きの光起電力素子を作製する。
【００６７】
〔比較例２〕
比較例２では、枠体を設けず、また透明の有機高分子樹脂層も設けない。それ以外は、実施例２と同様である。
【００６８】
〔実施例３〕
実施例３では、集電電極１１とバスバー電極１２との接続の際、集電電極１１の末端のカーボンペーストをレーザーにより取り除いた後、半田フラックスを塗布する。その上に半田メッキ銅箔よりなるバスバー電極１２を重ねて、その後、赤外線照射によりバスバー電極１２を加熱して半田を溶融させ、半田にて集電電極１１とバスバー電極１２とを導通接続する。それ以外は、実施例１と全く同様にして枠体付きの光起電力素子を作製する。
【００６９】
〔比較例３〕
比較例３では、枠体を設けず、また透明の有機高分子樹脂層も設けない。それ以外は、実施例３と同様である。
【００７０】
〔実施例４〕
実施例４では、枠体１３の内側の溝にシリコーン樹脂を塗布せずに枠体付きの光起電力素子を作製する。それ以外は、実施例１と同様である。
【００７１】
このようにして得た実施例１〜４及び比較例１〜３の複数の光起電力素子について、以下の項目について評価を行い、その結果を表１に示した。
【００７２】
（１）高温高湿試験
ソーラーシミュレーターで素子受光面に１００ｍＷ／ｃｍ2の疑似太陽光を照射しながら、８５℃／８５％ＲＨの雰囲気中に光起電力素子を１０００時間置き、試験前後の光起電力素子のＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2の光照射下での最大出力を測定し、サンプル１０個平均の最大出力の相対低下率を求める。なお、ここで用いた光起電力素子は試験前に予め光照射して最大出力を十分に安定化したものである。
【００７３】
また、試験前後の暗状態でのシャント抵抗も測定し、１０サンプル平均のシャント抵抗の相対低下率を求める。さらに、試験後の外観上の変化を観察する。その観察結果は、変化のないものは○として表１に示し、変化のあったものはその状況を表１に簡単にコメントする。
【００７４】
（２）温度サイクル試験
−４０℃／３０分、９０℃／５時間、−４０℃と９０℃の間の温度変化速度１２０℃／時間の温度サイクル試験を２００サイクル行い、試験前後の光起電力素子のＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2の光照射下での最大出力を測定し、サンプル１０個平均の最大出力の相対低下率を求める。
【００７５】
また、試験後における光起電力素子の外観上の変化を観察する。その観察結果は、変化の無いものは○として表１に示し、変化のあったものはその状況を表１に簡単にコメントする。
【００７６】
（３）酸性雨複合サイクル試験
酸性雨に対する耐久性を評価するために、酸性雨溶液（液温３５℃）噴霧２時間、乾燥（６０℃／２０〜３０％ＲＨ）４時間、湿潤（５０℃／９５％ＲＨ）２時間を１サイクルとする複合サイクル試験を行う。なお、ここで用いた酸性雨溶液は、濃度５％の塩化ナトリウム水溶液１０リットルに濃硝酸１２ミリリットルと濃硫酸１７．３ミリリットルとを加え、濃度１０ｗ/ｖ％の水酸化ナトリウム水溶液でｐＨ３．５に調製したものである。
【００７７】
この複合サイクル試験を３００サイクル行い、試験前後の光起電力素子のＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2の光照射下での最大出力を測定し、サンプル１０個平均の最大出力の相対低下率を求める。
【００７８】
また、試験後における光起電力素子の外観上の変化を観察する。その観察結果は、変化の無いものは○として表１に示し、変化のあったものはその状況を表１に簡単にコメントする。
【００７９】
（４）曲げ試験
図３に示すように、光起電力素子のバスバー電極１２に平行する二辺が近づくような曲げ試験を行った。曲げの曲率半径は２５０ｍｍとし、（中立点→受光面側が凸→受光面側が凹→中立点）を１サイクルとして１００００サイクル行う。試験前後の光起電力素子のＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2の光照射下での最大出力を測定し、サンプル１０個平均の最大出力の相対低下率を求める。
【００８０】
【表１】
【００８１】
表１から明らかなように、本発明に係る光起電力素子は、湿度、温度変化、酸性雨、曲げ応力のいずれに対しても優れた耐久性を有している。実施例４については、光起電力素子基板の周縁部の半導体層が裏面反射層の腐食により剥離するが、腐食の進行は比較例１〜３よりも格段に遅く、出力の低下は僅かである。
【００８２】
一方、比較例１〜３のいずれにおいても、裏面反射層の腐食が原因の半導体層の素子端部からの剥離が発生した。そして、シャント抵抗の低下と出力電流の低下により性能が大きく低下した。また、温度サイクル試験でも出力の低下が認められたが、特に比較例１では低下が大きく、その主な原因はシリーズ抵抗の増加であった。バスバー電極と集電電極との間の抵抗をミリオーム計で測定したところ、集電電極とバスバー電極との接触抵抗が試験前より上昇しており、これがシリーズ抵抗増加の原因であることが分かった。すなわち、温度変化によってバスバー電極および集電電極が伸縮して接続部に応力が集中して接続部の一部が破壊されたものと考えられる。
【００８３】
さらに、比較例１〜３では曲げ試験において、出力の大きな低下が認められた。そして、これもシリーズ抵抗の上昇が原因であり、曲げストレスによって集電電極が伸ばされ、バスバー電極との接続部が破壊され、接触抵抗が上昇したためである。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光起電力素子によれば、光照射により半導体光活性層で発生した電流を集める集電電極と、その電流を素子外部へ取り出すべく、該集電電極に導通接続して光起電力素子基板の周縁部へと配したバスバー電極とを有する光起電力素子において、少なくとも、バスバー電極と集電電極との接続部と、光起電力素子基板の周縁部とを枠体により覆い、
バスバー電極の端子部を光起電力素子基板よりも外方へ延出させ、該端子部を前記枠体に形成した開口部から導出させたことにより、耐水性・耐湿性が高く、端子強度及び集電電極とバスバー電極との接続信頼性に優れ、長期間の屋外暴露でも安定した性能を発揮することができる光起電力素子を提供することができる。
【００８５】
すなわち、光起電力素子基板の周縁部から光電変換活性領域にまで腐食が及ぶことを防止することができ、またバスバー電極の素子との接続強度を高めることができるため、バスバー電極に応力が加わっても素子が破損することがない。さらに、バスバー電極や集電電極に応力が加わったとしても、それらの接続部が外れるようなことがなく、信頼性の高い光起電力素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光起電力素子の一実施形態を示しており、（ａ）はその概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。
【図２】本発明に係る光起電力素子の他の実施形態を示す概略平面図である。
【図３】実施例における曲げ試験の状況を示す説明図である。
【図４】従来の光起電力素子における基本的構造の一例を示しており、（ａ）はその概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。
【符号の説明】
１０ 光起電力素子
１１ 集電電極
１２ バスバー電極
１３ 枠体
１４ 導電性基板
１５ 裏面反射層
１６ 半導体光活性層
１７ 透明電極層
１８ 絶縁体
１９ 弾性体
２０ 透明の有機高分子樹脂
２１ 透明電極除去部
２２ 肉厚部
２３ 端子
２４ 半田[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photovoltaic element such as a solar cell, and more particularly to a photovoltaic element in which a frame is provided at a peripheral portion of a photovoltaic element substrate.
[0002]
[Prior art]
There are various photovoltaic elements such as crystalline silicon, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon, and compound semiconductor. Among them, a thin-film semiconductor photovoltaic element in which an amorphous silicon layer, a microcrystalline silicon layer, a compound semiconductor layer, and the like are provided on a conductive substrate is excellent in lightness and flexibility, and uses few raw materials. Research and development are being actively carried out as a favorite of the next-generation photovoltaic device because the energy required for the production is small.
[0003]
4A and 4B show an example of a basic structure of a conventional photovoltaic element. FIG. 4A is a schematic plan view, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. (A) is a sectional view taken along line BB ', and (d) is a sectional view taken along line CC' of (a). In FIG. 4, 14 is a conductive substrate, 15 is a back reflection layer, 16 is a semiconductor photoactive layer, 17 is a transparent electrode layer, 11 is a collecting electrode, 12 is a bus bar electrode, and 18 is an insulator.
[0004]
Here, the conductive substrate 14 plays a role of a first electrode, and the transparent electrode layer 17 plays a role of a second electrode. The current generated in the semiconductor photoactive layer 16 by the light irradiation is collected from the transparent electrode layer 17 by the current collecting electrode 11 and further taken out of the device by the bus bar electrode 12 electrically connected to the current collecting electrode 11. I have.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Since this type of photovoltaic element is used outdoors for power generation, it is required to have various durability. Among them, durability against moisture is important. In particular, when at least one of the front and back surfaces of the photovoltaic element is covered only with a resin and exposed outdoors, water vapor easily penetrates into the inside, and further water resistance and moisture resistance are required.
[0006]
However, since the back reflection layer 15 and the semiconductor photoactive layer 16 extend to the end face of the photovoltaic element, they are more easily corroded by the moisture than the end face, which causes the performance of the photovoltaic element to deteriorate. Was. Above all, metal or metal oxide that is easily corroded by water, such as silver and zinc oxide, is used for the back reflection layer 15, and corrosion progresses due to moisture in the air. There were problems such as peeling from the end of the layer 16 and short-circuiting of the element due to corrosion products.
[0007]
Further, when silver is used for the back reflection layer 15, the conductive substrate 14 and the transparent electrode layer 17 are separated from each other at the ends by so-called electromigration in which silver ions dissolved in water are again converted to silver and deposited. There was also a problem that it was bridged with silver and short-circuited.
[0008]
As a countermeasure, a method of sealing the photovoltaic element with a resin by a method such as vacuum lamination has conventionally been adopted.
[0009]
However, with the necessity for cost reduction of the solar cell being called out, attempts have been made to make the coating form much thinner and simpler than before. If the coating is made thinner, it may be impossible to obtain sufficient durability simply by sealing the existing photovoltaic element with resin as in the past, and furthermore, the end face of the photovoltaic element may be exposed directly to the outside air. A form that is exposed is also conceivable.
[0010]
In addition, the pH of rainwater in recent years has been reduced, and acid rain of pH 4 or less has become uncommon. When such rainwater comes in direct contact with the end face of the photovoltaic element, corrosion of the back reflection layer 15 and the semiconductor photoactive layer 16 or electromigration becomes more severe, and the reliability of the photovoltaic element cannot be maintained. It has become extremely difficult.
[0011]
On the other hand, a comb-shaped current collecting electrode 11 is generally provided on the surface of the photovoltaic element in order to efficiently collect the current. For this purpose, a bus bar electrode 12 is provided. This busbar electrode 12 is used to connect adjacent photovoltaic elements when connecting the photovoltaic elements in series or in parallel.
[0012]
By the way, when taking out the output from the photovoltaic element group connected in series or in parallel, usually, a terminal box is arranged on the back side of the photovoltaic element group, and a terminal block is provided therein, and the photovoltaic element is provided there. Connect the positive and negative terminals of the power element. The output is taken out using a cable with a connector.
[0013]
However, in the simple covering form as described above, a configuration is conceivable in which such a terminal box is abolished and the output is taken out by the bus bar electrode itself. In such a configuration, stress is likely to be applied to the bus bar electrode 12, but the connection between the bus bar electrode 12 and the current collecting electrode 11 is usually made by soldering or conductive paste, so that the connection strength is weak and a small stress is applied. Therefore, it is difficult to use the bus bar electrode 12 as it is as the output extraction terminal.
[0014]
Further, due to a difference in thermal expansion coefficient between the materials constituting the bus bar electrode 12 and the current collecting electrode 11, the bus bar electrode 12 may come off from the current collecting electrode 11 due to a severe temperature change during outdoor exposure.
[0015]
Furthermore, when the photovoltaic element has flexibility, the element is bent and deformed mainly due to wind depending on the outdoor installation environment. Due to this deformation, stress is generated in the current collecting electrode 11 and the bus bar electrode 12, and there has been a problem that the current collecting electrode 11 and the bus bar electrode 12 come off at the joint.
[0016]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object a high water resistance and high moisture resistance, excellent terminal strength and excellent connection reliability between the current collecting electrode and the bus bar electrode, and a long-term outdoor use. An object of the present invention is to provide a photovoltaic element that can exhibit stable performance even when exposed.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a photovoltaic device according to the present invention includes a current collecting electrode for collecting a current generated in a semiconductor photoactive layer by light irradiation, and a current collecting electrode for extracting the current to the outside of the device. In a photovoltaic element having a bus bar electrode which is conductively connected and arranged on a peripheral portion of the photovoltaic element substrate,
At least, a connection portion between the bus bar electrode and the current collecting electrode, and a peripheral portion of the photovoltaic element substrate are covered with a frame,
The terminal portion of the bus bar electrode extends outward from the photovoltaic element substrate, and the terminal portion is led out from an opening formed in the frame.
In the above photovoltaic element, it is preferable that the frame is provided so as to cover the entire bus bar electrode.
When the photovoltaic element has a metal layer and / or a metal oxide layer over the entire surface of the element and the cross section of the metal layer and / or the metal oxide layer is exposed on the element end face, the exposed end face is framed. Preferably, the body is covered.
Further, it is preferable that the vertical cross section of the frame has a channel shape.
It is preferable that the gap between the frame and the photovoltaic element is filled with resin.
In particular, the region on the light receiving surface side of the photovoltaic element surrounded by the frame is preferably filled with a transparent organic polymer resin.
In addition, it is preferable that the thickness of the frame in the opening direction of the bus bar electrode in the opening of the frame is thicker than other portions.
Further, the substrate of the photovoltaic element may have flexibility.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments.
[0019]
1A and 1B show an embodiment of a photovoltaic device according to the present invention, in which FIG. 1A is a schematic plan view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. (A) is a sectional view taken along line BB ', and (d) is a sectional view taken along line CC' of (a). In FIG. 1, 14 is a conductive substrate having flexibility, 15 is a back reflection layer, 16 is a semiconductor photoactive layer, 17 is a transparent electrode layer, 11 is a current collecting electrode, 12 is a bus bar electrode, 18 is an insulator, 13 is a frame, 19 is an elastic body, and 20 is a weather-resistant transparent resin.
[0020]
In the present embodiment, a bus bar electrode 12 provided on a peripheral portion of the photovoltaic element substrate is electrically connected to the current collecting electrode 11, and a frame 13 is provided so as to sandwich the substrate peripheral portion. The body 13 is configured to cover the connection between the bus bar electrode 12 and the current collecting electrode 11. Further, the terminal portion of the bus bar electrode 12 extends outward from the element substrate and is led out from an opening formed in the frame 13.
[0021]
The frame 13 is provided on the periphery of the photovoltaic element substrate, and is provided so as to cover and sandwich at least the bus bar electrode 12 and the connection between the bus bar electrode 12 and the current collecting electrode 11. The frame 13 may be provided so as to sandwich a part of the bus bar electrode 12. However, in order to protect the harsh environment outdoors and to exhibit the function as the bus bar electrode 12 stably for a long period of time, the frame 13 must be provided. It is preferable to provide the bus bar electrode 12 so as to cover the entirety.
[0022]
The frame 13 is provided with an opening, from which the terminal of the bus bar electrode 12 is led out of the substrate. The shape of the opening is not particularly limited, but is preferably adjusted to the cross-sectional shape of the terminal portion of the bus bar electrode 12. For example, if the terminal portion of the bus bar electrode 12 is a foil, a slit-shaped opening shape is preferable, and if the terminal portion of the bus bar electrode 12 is a striated body, a circular opening shape is preferable. It is suitable. Further, it is preferable that the opening be in close contact with the outer periphery of the terminal portion of the bus bar electrode 12 as much as possible in order to increase the tensile strength of the bus bar electrode 12.
[0023]
Further, since the thickness 22 of the opening of the frame 13 along the lead-out direction of the bus bar electrode 12 is formed to be thicker than the thickness of other portions of the frame 12, the bus bar electrode 12 is fixed. This is desirable because it can be performed more reliably.
[0024]
On the other hand, the cross-sectional shape of the frame 13 can be variously selected within a range that satisfies the gist of the present invention. However, in order to cover the bus bar electrode 12 and securely sandwich the connection portion between the bus bar electrode 12 and the collecting electrode 11. Has a preferred configuration in which the vertical cross section has a channel shape.
[0025]
The material of the frame 13 is not particularly limited, but is required to be excellent in weather resistance that can withstand long-term outdoor exposure. For example, a corrosion-resistant metal such as aluminum and stainless steel, a silicone resin, a fluorine resin, an acrylic resin, and the like can be given. In addition, although the durability of the material itself is slightly inferior, examples of the material whose weather resistance has been improved by appropriate treatment and prescription include, for example, galvanized steel sheet, resin laminated steel sheet, urethane resin, polypropylene resin, polyethylene resin, polycarbonate resin, and ethylene. There are ethylene-unsaturated fatty acid ester copolymer resins such as vinyl acetate copolymer resin and ethylene-methacrylic acid copolymer resin, and these can be appropriately selected and used.
[0026]
When the frame 13 is a conductive material, it is preferable to insulate the frame 13 from the photovoltaic element substrate and / or the bus bar electrode 12. As a method of insulation, a method of filling a gap between the frame 13 and the photovoltaic element substrate and / or the bus bar electrode 12 described later with a resin, or a photovoltaic element substrate if insulation is to be performed more reliably. And / or a method of attaching an insulating tape to the terminal portion of the bus bar electrode 12 to be inserted into the peripheral portion and / or the opening of the frame 13.
[0027]
If the material of the frame body 13 can be integrally molded, a frame body integrally molded as shown in FIG. 1 can be used. Otherwise, as shown in FIG. 2, the four sides of the photovoltaic element substrate can be used. Each of the frame members is provided with a frame member, and the frame members are joined to each other at the corners of the substrate to form the frame member 13.
[0028]
It is preferable that the gap between the frame 13 and the photovoltaic element substrate is filled with a resin 19 as necessary. This is because it is difficult to completely prevent intrusion of moisture or water vapor into the end face of the element by using only the frame 13. This may be performed at the same time as the mounting of the frame 13, or may be performed by pouring the resin into the gap after the mounting. In the latter case, a transparent organic polymer resin to be filled on the light-receiving surface, which will be described later, can also serve as such. As the filling material, it is desirable to select an elastic body having excellent weather resistance, waterproofness, and moisture resistance, and examples thereof include silicone resin, modified epoxy resin, butyl rubber, and polyisobutylene resin.
[0029]
It is preferable that the inside of the frame on the light receiving surface side of the photovoltaic element provided with the frame 13 is filled with a transparent organic polymer resin 20 in order to increase the durability of the photovoltaic element in outdoor exposure. Specific examples of the organic polymer resin 20 include, for example, silicone resin, fluorine resin, acrylic resin, epoxy resin, urethane resin, ethylene-vinyl acetate copolymer resin (EVA), ethylene- (meth) acrylic acid copolymer Resins, ethylene- (meth) acrylate copolymer resins, ionomer resins, polyisobutylene resins, and the like. Of these, silicone resins and fluororesins themselves have excellent weather resistance and can be used as they are, but other resins can be added with ultraviolet absorbers, light stabilizers, antioxidants, etc. It is desirable to use a material whose weather resistance is enhanced by adding an agent in advance. Of course, two or more of these resins can be selected and filled with a plurality of materials.
[0030]
Further, since the conductive substrate 14 plays the role of an electrode in the same manner as the bus bar electrode 12, a metal foil or a striated body is coated with a metal brazing material or conductive paste on the back surface of the conductive substrate 14 in order to extract output. You may use and attach.
[0031]
Hereinafter, materials that can be used as components of the photovoltaic device according to the present invention will be described in more detail with reference to FIG.
[0032]
(Conductive substrate)
The conductive substrate 14 serves as a base for the photovoltaic element and also serves as a first electrode. Examples of the material of the conductive substrate 14 include silicon, tantalum, molybdenum, tungsten, stainless steel, aluminum, copper, titanium, a carbon sheet, a lead-plated steel sheet, a resin film and a ceramic on which a conductive layer is formed, and the like. . Among them, stainless steel is preferable because it has high durability and is relatively inexpensive.
[0033]
(Back reflection layer)
On the conductive substrate 14, a metal layer or a metal oxide layer, or a metal layer and a metal oxide layer are formed as the back reflection layer 15. For the metal layer, for example, Ti, Cr, Mo, W, Al, Ag, Ni or the like can be used. For the metal oxide layer, for example, ZnO, TiO Two , SnO Two Can be used. Among them, Al, Ag, ZnO, SnO Two Although Ag is susceptible to corrosion by moisture, and Ag is more likely to cause electromigration, it is a material that can improve the performance of the photovoltaic element, so that the effect of the present invention is large. That is, according to the present invention, the durability of a high-performance photovoltaic element using such a material can be improved.
[0034]
Examples of a method for forming the metal layer or the metal oxide layer include a resistance heating evaporation method, an electron beam evaporation method, and a sputtering method.
[0035]
(Semiconductor active layer)
The semiconductor photoactive layer 16 is a portion that performs photoelectric conversion, and specific materials include, for example, pn junction type polycrystalline silicon, pin junction type amorphous silicon, or CuInSe. Two , CuInS Two , GaAs, CdS / Cu Two S, CdS / CdTe, CdS / InP, CdTe / Cu Two And compound semiconductors such as Te. Above all, pin junction type amorphous silicon is preferable because the raw material cost is low and the process is relatively simple.
[0036]
As a method for forming the semiconductor photoactive layer 16, in the case of polycrystalline silicon, a sheet of molten silicon or heat treatment of amorphous silicon is used, in the case of microcrystalline silicon / amorphous silicon, plasma CVD using silane gas as a raw material, compound In the case of a semiconductor, there are ion plating, ion beam deposition, vacuum evaporation, sputtering, electrodeposition and the like.
[0037]
(Transparent electrode layer)
The transparent electrode layer 17 serves as a second electrode of the photovoltaic element, and its material is, for example, In Two O Three , SnO Two , In Two O Three -SnO Two (ITO), ZnO, TiO Two , Cd Two SnO Four And a crystalline semiconductor layer doped with a high concentration of impurities.
[0038]
Examples of a method for forming the transparent electrode layer 17 include a resistance heating evaporation method, a sputtering method, a spray method, a CVD method, and an impurity diffusion method.
[0039]
Further, in order to eliminate a short circuit between the conductive substrate 14 and the transparent electrode layer 17 at the end face of the element substrate, the transparent electrode layer 17 is removed along the periphery of the photoelectric conversion active region, and the transparent electrode layer 17 is removed. The part 21 is formed. The removal of the transparent electrode layer 17 can be easily performed by known etching, and chemical etching or electrolytic etching can be used.
[0040]
The chemical etching is performed by applying heat while dissolving an etching solution such as an acid or an alkali to the transparent electrode layer 17 to dissolve the transparent electrode layer 17. Sulfuric acid, hydrochloric acid, iron chloride solution and the like are suitably used as the etching solution. Alternatively, the paste can be formed by kneading the etching solution and the polymer fine particles into a paste, printing the desired pattern on the transparent electrode layer 17 by using a method such as screen printing, and heating.
[0041]
The electrolytic etching is performed by applying an electric field to only a desired portion of the transparent electrode layer 17 in an etching solution and electrochemically dissolving the transparent electrode layer 17.
[0042]
(Collecting electrode)
On the transparent electrode layer 17, a grid-shaped or comb-shaped current collecting electrode 11 (grid) is provided in order to efficiently collect current. The collecting electrode 11 is formed, for example, by a method such as screen printing of a conductive paste or thermocompression bonding of a metal wire coated with a conductive resin.
[0043]
In the present embodiment, the end of the current collecting electrode 11 extends to the peripheral edge of the photovoltaic element substrate, and is electrically connected to the bus bar electrode 12 at the peripheral edge of the photovoltaic element substrate. The connection between the bus bar electrode 12 and the current collecting electrode 11 is performed using solder, a conductive paste, or the conductive resin when the current collecting electrode 11 is coated with a conductive resin.
[0044]
(Bus bar electrode)
The bus bar electrode 12 is provided along the periphery of the photovoltaic element substrate, and its terminal portion is provided so as to extend outward from the photovoltaic element substrate. Thereby, the current collected by the current collecting electrode 11 is extracted from the photovoltaic element via the bus bar electrode 12.
[0045]
As a material of the bus bar electrode 12, for example, a copper foil or a wire having a surface plated with solder, tin, or silver is preferably used.
[0046]
As described above, according to the present invention, the following effects can be expected.
It is possible to provide a photovoltaic element which is excellent in water resistance and moisture resistance, can use a bus bar electrode as an extraction electrode, and has excellent connection reliability between the bus bar electrode and the collecting electrode even under severe outdoor use conditions. That is, a current collecting electrode for collecting a current generated in the semiconductor photoactive layer by light irradiation, and in order to extract the current to the outside of the device, the current collecting electrode was conductively connected to the current collecting electrode and disposed on the periphery of the photovoltaic device substrate. In a photovoltaic element having a bus bar electrode, at least a connection portion between the bus bar electrode and the current collecting electrode and a peripheral portion of the photovoltaic element substrate are covered with a frame, and a terminal portion of the bus bar electrode is covered with the photovoltaic element. By extending outward from the substrate and leading the terminal portion out of the opening formed in the frame, corrosion is prevented from extending from the periphery of the photovoltaic element substrate to the photoelectric conversion active region. Also, since the connection strength between the bus bar electrode and the element can be increased, the element is not damaged even when stress is applied to the bus bar electrode. Furthermore, even if stress is applied to the bus bar electrode or the current collecting electrode, the electrical connection portion does not come off, and a highly reliable photovoltaic element can be provided.
[0047]
In addition, since the frame is provided so as to cover the entire bus bar electrode, the connection strength between the bus bar electrode and the element can be further increased, and the water resistance and moisture resistance of the bus bar electrode can also be increased.
[0048]
Furthermore, when the photovoltaic element has a metal layer and / or a metal oxide layer over the entire surface of the element and the cross section of the metal layer and / or the metal oxide layer is exposed at the end face of the element, the exposed end face is replaced with the exposed end face. Since the frame is covered, the effect of preventing corrosion from the exposed end face can be maximized.
[0049]
Further, by filling the gap between the frame and the photovoltaic element with the resin, it is possible to more effectively suppress the intrusion of moisture and water vapor from the end face of the element, thereby further improving the water resistance and moisture resistance of the element.
[0050]
In particular, by filling the region on the light receiving surface side of the photovoltaic element surrounded by the frame with a transparent organic polymer resin, the weather resistance of the photovoltaic element is improved, and the reliability of the frame is improved. In addition, the durability of the photovoltaic element under outdoor use conditions can be significantly improved.
[0051]
Further, since the thickness of the frame in the opening portion of the frame along the lead-out direction of the bus bar electrode is thicker than other portions, the bus bar electrode is more securely fixed to the photovoltaic element by the frame. It is performed firmly and the terminal strength is improved when the bus bar electrode is used as an output extraction terminal.
[0052]
Furthermore, since the vertical cross-sectional shape of the frame has a channel shape (substantially U-shape), the frame can be easily and reliably mounted on the photovoltaic element.
[0053]
Further, since the photovoltaic element substrate has flexibility, stress is more likely to be generated in the connection between the bus bar electrode and the current collecting electrode. In such a case, the reliability of the connection portion is improved by the frame of the present invention. Will be more enjoyed.
[0054]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
[0055]
[Example 1]
In Example 1, first, an amorphous silicon (a-Si) solar cell (photovoltaic element) is manufactured. The manufacturing procedure will be described with reference to FIG.
[0056]
An Al layer (500 nm in thickness) and a ZnO layer (500 nm in thickness) are sequentially laminated as a back reflection layer 15 on a cleaned stainless steel substrate as the conductive substrate 14 by a sputtering method.
[0057]
Next, by plasma CVD, SiH Four And PH Three And H Two N-type a-Si layer from a mixed gas of Four And H Two I-type a-Si layer from a mixed gas of Four And BF Three And H Two A p-type microcrystalline μc-Si layer is formed from a mixed gas of the above and an n-layer thickness of 15 nm / i-layer thickness of 400 nm / p-layer thickness of 10 nm / n-layer thickness of 10 nm / i-layer thickness of 80 nm / p-layer film A tandem a-Si semiconductor photoactive layer 16 having a layer configuration of 10 nm in thickness is formed.
[0058]
Next, as the transparent electrode layer 17, In Two O Three A thin film (thickness: 70 nm) is Two It is formed by depositing In by a resistance heating method in an atmosphere.
[0059]
Further, a fine powder of an acrylic resin and glycerin were added to a material obtained by heating and melting iron (III) chloride hexahydrate to obtain a paste, which was then kneaded to prepare a paste. With a screen printer at a width of 1 mm. Then, this is heated at 150 ° C. for 10 minutes, washed with pure water, dried, and the periphery of the transparent electrode layer 17 is patterned to form the transparent electrode removing portion 21.
[0060]
Thereafter, a current collector electrode 11 is formed on the transparent electrode layer 17 by thermocompression bonding a thin copper wire having a diameter of 0.1 mm coated with a carbon paste.
[0061]
Next, a silver-plated copper foil having a thickness of 0.1 mm and a width of 5 mm is placed as a bus bar electrode 12 on the periphery of the substrate so as to overlap the end of the current collecting electrode 11. 11 and the bus bar electrode 12 are crimped. In order to fix the bus bar electrode 12 and electrically insulate the bus bar electrode 12 from the substrate surface, a double-sided polyester tape is disposed as an insulator 18 between the bus bar electrode 12 and the substrate. I have. The terminal portion of the bus bar electrode 12 extends so as to protrude outside the element substrate by about 20 mm.
[0062]
The frame 13 is attached to the photovoltaic element manufactured as described above. A frame 13 having a channel shape (substantially U-shape) is integrally formed by injection molding of urethane resin, and a moisture-curable silicone resin is applied to grooves inside the frame 13 to form a frame. The frame 13 is attached so that the peripheral portion of the photovoltaic element substrate is inserted into the groove while the body 13 is slightly extended. At this time, the terminal portion of the bus bar electrode 12 extending from the slit-shaped opening provided in a part of the frame body 13 to the outside of the element substrate is led out.
[0063]
Thereby, as shown in FIG. 1D, the frame 13 sandwiches the element peripheral portion so as to cover the entire surface of the bus bar electrode 12, while the element peripheral portion without the bus bar electrode 12 is as shown in FIG. As shown, the light receiving surface side is sandwiched by the frame 13 by about several mm.
[0064]
Finally, a silicone filler layer having a thickness of about 0.5 mm is formed by pouring and curing an addition-reaction type transparent silicone resin in a region surrounded by the frame 13 on the light receiving surface side of the photovoltaic element. Then, a copper foil is attached to the stainless steel substrate as a negative terminal 23 by solder 24.
[0065]
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, no frame was provided, and no transparent organic polymer resin layer was provided. Other than that is the same as the first embodiment.
[0066]
[Example 2]
In the second embodiment, at the time of connection between the current collecting electrode 11 and the bus bar electrode 12, after removing the carbon paste at the end of the current collecting electrode 11 with a laser, a silver paste is applied and the bus bar electrode 12 is overlapped. The silver paste is heated and cured, and the current collecting electrode 11 and the bus bar electrode 12 are electrically connected with the silver paste. Otherwise, a photovoltaic element with a frame is manufactured in exactly the same manner as in Example 1.
[0067]
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, no frame was provided, and no transparent organic polymer resin layer was provided. Other than that is the same as the second embodiment.
[0068]
[Example 3]
In the third embodiment, at the time of connection between the current collecting electrode 11 and the bus bar electrode 12, after removing the carbon paste at the end of the current collecting electrode 11 with a laser, a solder flux is applied. A bus bar electrode 12 made of a solder-plated copper foil is superposed thereon, and then the bus bar electrode 12 is heated by infrared irradiation to melt the solder, and the current collecting electrode 11 and the bus bar electrode 12 are electrically connected by solder. Otherwise, a photovoltaic element with a frame is manufactured in exactly the same manner as in Example 1.
[0069]
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, no frame was provided, and no transparent organic polymer resin layer was provided. Other than that is the same as the third embodiment.
[0070]
[Example 4]
In the fourth embodiment, a photovoltaic element with a frame is manufactured without applying a silicone resin to the groove inside the frame 13. Other than that is the same as the first embodiment.
[0071]
The following items were evaluated for the photovoltaic elements of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 obtained as described above, and the results are shown in Table 1.
[0072]
(1) High temperature and high humidity test
100 mW / cm on the light-receiving surface of the element with a solar simulator Two The photovoltaic element was placed in an atmosphere of 85 ° C./85% RH for 1000 hours while irradiating the pseudo solar light of the above, and the AM1.5 and 100 mW / cm of the photovoltaic element before and after the test were applied. Two The maximum output under light irradiation is measured, and the relative decrease rate of the average maximum output of 10 samples is determined. The photovoltaic element used here is one in which the maximum output is sufficiently stabilized by irradiating light before the test.
[0073]
In addition, the shunt resistance in the dark state before and after the test is also measured, and the relative reduction rate of the shunt resistance in the average of 10 samples is determined. Further, changes in appearance after the test are observed. The results of the observation are shown in Table 1 as those with no change, and those with changes are briefly commented on in Table 1.
[0074]
(2) Temperature cycle test
A temperature cycle test of −40 ° C./30 minutes, 90 ° C./5 hours, a temperature change rate between −40 ° C. and 90 ° C. of 120 ° C./hour was performed 200 times, and AM1.5 of the photovoltaic element before and after the test was measured 100mW / cm Two The maximum output under light irradiation is measured, and the relative decrease rate of the average maximum output of 10 samples is determined.
[0075]
Further, changes in the appearance of the photovoltaic element after the test are observed. The result of the observation is shown in Table 1 as ○ when there is no change, and the situation is simply commented in Table 1 when there is a change.
[0076]
(3) Acid rain combined cycle test
To evaluate the durability against acid rain, spray the acid rain solution (liquid temperature 35 ° C.) for 2 hours, dry (60 ° C./20-30% RH) for 4 hours, and wet (50 ° C./95% RH) for 2 hours. Perform a combined cycle test with one cycle. The acid rain solution used here was prepared by adding 12 ml of concentrated nitric acid and 17.3 ml of concentrated sulfuric acid to 10 liters of a 5% strength aqueous sodium chloride solution, and adding a 10 w / v% strength aqueous solution of sodium hydroxide to pH 3.5. It was prepared as follows.
[0077]
This composite cycle test was performed for 300 cycles, and the photovoltaic element before and after the test had an AM of 1.5 and a power of 100 mW / cm. Two The maximum output under light irradiation is measured, and the relative decrease rate of the average maximum output of 10 samples is determined.
[0078]
Further, changes in the appearance of the photovoltaic element after the test are observed. The result of the observation is shown in Table 1 as ○ when there is no change, and the situation is simply commented in Table 1 when there is a change.
[0079]
(4) Bending test
As shown in FIG. 3, a bending test was performed such that two sides parallel to the bus bar electrode 12 of the photovoltaic element approached. The bending radius of curvature is 250 mm, and 10,000 cycles are performed with one cycle of (neutral point → light receiving surface side convex → light receiving surface side concave → neutral point). AM1.5 of the photovoltaic element before and after the test, 100 mW / cm Two The maximum output under light irradiation is measured, and the relative decrease rate of the average maximum output of 10 samples is determined.
[0080]
[Table 1]
[0081]
As is clear from Table 1, the photovoltaic device according to the present invention has excellent durability against any of humidity, temperature change, acid rain, and bending stress. In Example 4, the semiconductor layer at the peripheral portion of the photovoltaic element substrate peeled off due to the corrosion of the back reflection layer, but the progress of the corrosion was much slower than Comparative Examples 1 to 3, and the output was slightly reduced. .
[0082]
On the other hand, in all of Comparative Examples 1 to 3, peeling of the semiconductor layer from the element end caused by corrosion of the back reflection layer occurred. The performance was greatly reduced due to the decrease in the shunt resistance and the output current. Further, although a decrease in the output was also observed in the temperature cycle test, the decrease was particularly large in Comparative Example 1, and the main cause was an increase in the series resistance. When the resistance between the busbar electrode and the collecting electrode was measured with a milliohm meter, the contact resistance between the collecting electrode and the busbar electrode was higher than before the test, and it was found that this was the cause of the increase in series resistance. . That is, it is considered that the bus bar electrode and the current collecting electrode expand and contract due to the temperature change, stress is concentrated on the connection part, and a part of the connection part is broken.
[0083]
Further, in Comparative Examples 1 to 3, a large decrease in output was observed in the bending test. This is also due to the increase in the series resistance, which is because the current collecting electrode is elongated by the bending stress, the connection with the bus bar electrode is broken, and the contact resistance is increased.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, according to the photovoltaic device according to the present invention, the current collecting electrode for collecting the current generated in the semiconductor photoactive layer by light irradiation, and the current collecting electrode for extracting the current to the outside of the device. In the photovoltaic element having a bus bar electrode that is conductively connected and arranged on the peripheral portion of the photovoltaic element substrate, at least a connection portion between the bus bar electrode and the current collecting electrode, and a peripheral portion of the photovoltaic element substrate. With a frame,
The terminal portion of the bus bar electrode extends outward from the photovoltaic element substrate, and the terminal portion is led out from the opening formed in the frame body, so that the water resistance and humidity resistance are high, the terminal strength and It is possible to provide a photovoltaic element which has excellent connection reliability between a current collecting electrode and a bus bar electrode and can exhibit stable performance even in outdoor exposure for a long time.
[0085]
That is, corrosion can be prevented from reaching the periphery of the photovoltaic element substrate to the photoelectric conversion active region, and the connection strength between the bus bar electrode and the element can be increased. However, the element is not damaged. Further, even if stress is applied to the bus bar electrode and the current collecting electrode, the connection portions thereof do not come off, and a highly reliable photovoltaic element can be provided.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show one embodiment of a photovoltaic element according to the present invention, wherein FIG. 1A is a schematic plan view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. (A) is a sectional view taken along line BB ', and (d) is a sectional view taken along line CC' of (a).
FIG. 2 is a schematic plan view showing another embodiment of the photovoltaic device according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state of a bending test in an example.
4A and 4B show an example of a basic structure of a conventional photovoltaic element, wherein FIG. 4A is a schematic plan view, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. (A) is a sectional view taken along line BB ', and (d) is a sectional view taken along line CC' of (a).
[Explanation of symbols]
10 Photovoltaic element
11 Current collecting electrode
12 Busbar electrode
13 Frame
14 Conductive substrate
15 Back reflection layer
16 Semiconductor photoactive layer
17 Transparent electrode layer
18 Insulator
19 Elastic body
20 Transparent organic polymer resin
21 Transparent electrode removal part
22 Thick part
23 terminals
24 Solder
