JP2005260158A - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】 太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】 電気的に接続されている複数の太陽電池セル２０、２１、２２を含む太陽電池モジュールであって、太陽電池セル２０、２１、２２の裏面にｐ+層とｎ+層とが形成されており、ｐ+層上に形成されているフィンガーｐ電極１１に交差するバスバーｐ電極１３とｎ+層上に形成されているフィンガーｎ電極１２に交差するバスバーｎ電極１４とからなるバスバー電極のうち少なくとも１本が太陽電池セル２０、２１、２２の裏面の内部に形成されている太陽電池モジュールである。
【選択図】 図１５
【解決手段】 電気的に接続されている複数の太陽電池セル２０、２１、２２を含む太陽電池モジュールであって、太陽電池セル２０、２１、２２の裏面にｐ+層とｎ+層とが形成されており、ｐ+層上に形成されているフィンガーｐ電極１１に交差するバスバーｐ電極１３とｎ+層上に形成されているフィンガーｎ電極１２に交差するバスバーｎ電極１４とからなるバスバー電極のうち少なくとも１本が太陽電池セル２０、２１、２２の裏面の内部に形成されている太陽電池モジュールである。
【選択図】 図１５
Description
本発明は太陽電池モジュールに関し、特に太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる太陽電池モジュールに関する。
近年、エネルギ資源の枯渇の問題や大気中のＣＯ2の増加のような地球環境問題などからクリーンなエネルギの開発が望まれており、特に太陽電池セルを複数接続して構成される太陽電池モジュール用いた太陽光発電が新しいエネルギ源として開発、実用化され、発展の道を歩んでいる。
太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルは、従来から、たとえば単結晶または多結晶のシリコン基板の面のうち太陽光が入射する側の面（受光面）にシリコン基板の導電型と反対の導電型となる不純物を拡散することによってｐｎ接合を形成し、シリコン基板の受光面とその反対側にある裏面にそれぞれ電極を形成して製造される。また、シリコン基板の裏面にはシリコン基板と同じ導電型の不純物を高濃度で拡散することによって、裏面電界効果による高出力化を図ることも一般的となっている。しかしながら、このような構造の太陽電池セルにおいては、受光面に形成される電極が入射する太陽光を遮るため、太陽電池セルの出力が低下してしまい、ひいては太陽電池モジュールの出力が低下してしまうという問題があった。
そこで、シリコン基板の受光面には電極を形成せず、シリコン基板の裏面のみに異なる導電型の電極を形成するいわゆる裏面接合型太陽電池セルが開発されている。
裏面接合型太陽電池セルにおいては、電極が形成されているシリコン基板の裏面側からしか電力を取り出すことができないため、その電極の構造は裏面接合型太陽電池セルおよびこれが複数接続されてなる太陽電池モジュールの出力の観点から非常に重要である。
図２０に従来の裏面接合型太陽電池セルの一例の模式的な断面図を示す。この従来の裏面接合型太陽電池セルは、たとえばｐ型のシリコン基板１０１の受光面に反射防止膜１０９が形成されており、シリコン基板１０１の裏面にｎ+層１０５とｐ+層１０６とが裏面に沿って交互に所定の間隔をあけて形成されている。そして、ｐ+層１０６上にはフィンガーｐ電極１１１が形成され、ｎ+層１０５上にはフィンガーｎ電極１１２が形成されている。
この裏面接合型太陽電池セルの受光面に太陽光が入射すると、半導体基板１０１の受光面近傍で生じたキャリアが裏面に形成されたｐｎ接合まで到達し、フィンガーｐ電極１１１およびフィンガーｎ電極１１２に電流として収集され、外部に取り出されて太陽電池モジュールの出力となる。
図２１に従来の裏面接合型太陽電池セルの裏面の一例の模式的な平面図を示す。この従来の電極構造においては、太陽電池セルの出力を向上させる観点から、シリコン基板１０１の裏面の内部にフィンガーｐ電極１１１およびフィンガーｎ電極１１２が裏面全体を覆うように形成されており、シリコン基板１０１の裏面の端部にフィンガーｐ電極１１１と交差しているバスバーｐ電極１１３、フィンガーｎ電極１１２と交差しているバスバーｎ電極１１４がそれぞれ形成されている。
ここで、フィンガーｐ電極１１１およびフィンガーｎ電極１１２は、シリーズ抵抗が大きくなると出力の損失になるため、一般的にシリーズ抵抗を小さくする観点から断面積（電極の幅×高さ）が大きくなるように設計される。しかしながら、太陽電池セルの裏面の面積が大きくなると、フィンガーｐ電極１１１およびフィンガーｎ電極１１２の長さＬ0をより長くする必要がある一方、これらの電極の高さには限界があることから、断面積を大きくするためには電極の幅Ｗ0を大きくする必要があった。電極の幅Ｗ0を大きくした場合には、フィンガーｐ電極１１１とフィンガーｎ電極１１２との間のピッチＰ0が大きくなってシリコン基板１０１内におけるキャリアの移動距離が長くなって太陽電池セルの出力が低下し、ひいては太陽電池モジュール全体の出力が低下してしまうという問題があった。
特開２００１−６８６９９号公報
特開２００２−３５９３８８号公報
本発明の目的は、太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる太陽電池モジュールを提供することにある。
本発明は、電気的に接続されている複数の太陽電池セルを含む太陽電池モジュールであって、太陽電池セルのうち少なくとも１つの裏面にｐ+層とｎ+層とが形成されており、ｐ+層上に形成されているフィンガーｐ電極に交差するバスバーｐ電極とｎ+層上に形成されているフィンガーｎ電極に交差するバスバーｎ電極とからなるバスバー電極のうち少なくとも１本が裏面の内部に形成されている太陽電池モジュールである。
また、本発明は、電気的に接続されている複数の太陽電池セルを含む太陽電池モジュールであって、太陽電池セルのすべての裏面にｐ+層とｎ+層とが形成されており、ｐ+層上に形成されているフィンガーｐ電極に交差するバスバーｐ電極とｎ+層上に形成されているフィンガーｎ電極に交差するバスバーｎ電極とからなるバスバー電極のうち少なくとも１本が太陽電池セルのそれぞれの裏面の内部に形成されている太陽電池モジュールである。
ここで、本発明の太陽電池モジュールにおいては、複数の孔が形成されている絶縁体と絶縁体の孔上に形成されている導電体とを含むサブストレートが太陽電池セルのバスバー電極上に設置されており、バスバー電極と導電体とが孔を介して電気的に接続され、１つの太陽電池セルのバスバーｐ電極と他の太陽電池セルのバスバーｎ電極とが導電体により電気的に接続されている太陽電池モジュールである。
また、本発明の太陽電池モジュールにおいては、導電体上に絶縁性基板が設置されていることが好ましい。
また、本発明の太陽電池モジュールにおいては、太陽電池セルが一対の対向する基板間において透明樹脂により封止されていることが好ましい。
本発明によれば、太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる太陽電池モジュールを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表わすものとする。また、本明細書において、太陽電池モジュールに太陽光が入射する側の面を受光面とし、受光面の反対側にあって太陽光が入射しない側の面を裏面とする。
図１から図９の模式的断面図に、本発明の太陽電池モジュールに用いられる太陽電池セルの製造工程の好ましい一例を示す。まず、図１に示すように、シリコン結晶のインゴッドをスライスして得られた半導体基板としてのシリコン基板１は、スライスの際にその表面近傍にダメージ層１ａが存在する。そこで、図２に示すように、酸性またはアルカリ性の溶液を用いてダメージ層１ａがエッチングされることが好ましい。ここで、シリコン基板１はｎ型でもｐ型でもよく、シリコン基板１の大きさや厚さは制限されない。ただし、入射する太陽光の反射の損失を抑制するため、シリコン基板１の受光面にテクスチャと呼ばれるピラミッド状の微細構造を形成する場合にはシリコン基板１の受光面の面方位が（１００）であることが好ましい。
次に、図３に示すように、シリコン基板１の受光面の反対側にある裏面にｐ型不純物としてたとえばボロンを含むｐ型ペースト材２と、ｎ型不純物としてたとえばリンを含むｎ型ペースト材３とを所望のパターン形状に付着させる。そして、これらのペースト材に含まれる有機溶媒成分を蒸発させるためにシリコン基板１をたとえば１００℃〜２００℃の温度に加熱した後に、ペースト材が付着した裏面全体を拡散防止膜４で覆う。ここで、ペースト材を所望のパターン形状に付着させる手段としては、たとえばスクリーン印刷やインクジェット印刷などを用いることができる。また、パターン形状としては、シリコン基板１内に発生する少数キャリアを効率良く収集するため、図３に示すように、ｐ型ペースト材２とｎ型ペースト材３とがシリコン基板１の裏面に沿って交互に間隔をあけて形成されることが好ましい。また、拡散防止膜４はたとえば酸化シリコン膜からなり、常圧ＣＶＤ法による成膜または酸化シリコンを含む塗布液を乾燥させることによって形成することができる。
続いて、シリコン基板１は、たとえば９００℃〜１０００℃に加熱された石英炉内に投入され、たとえば３０分〜６０分間石英炉内に設置されることによって、ｐ型ペースト材２に含まれるボロンおよびｎ型ペースト材３に含まれるリンがシリコン基板１中に拡散し、図４に示すように、シリコン基板１の裏面に沿って複数のｐ+層６およびｎ+層５が交互に間隔をあけて形成される。ここで、シリコン基板１の裏面には拡散防止膜４が形成されているため、ｐ型ペースト材２に含まれるボロンおよびｎ型ペースト材３に含まれるリンはシリコン基板１中に拡散する際にシリコン基板１の外部に拡散することが防止される。
次いで、シリコン基板１は、たとえば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリとイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などを含む高温水溶液に浸漬され、シリコン結晶方位に沿った異方性エッチングが進行することにより、図５に示すように、シリコン基板１の受光面に（１１１）面による微細なピラミッド状のテクスチャ構造８が形成される。ここで、シリコン基板１の裏面には拡散防止膜４が形成されているため、シリコン基板１の裏面はエッチングされない。
次に、図６に示すように、シリコン基板１はフッ酸などに浸漬させられることにより、シリコン基板１の裏面の拡散保護膜４、ｐ型ペースト材２およびｎ型ペースト材３が除去される。そして、図７に示すように、シリコン基板１の受光面および裏面にキャリアの表面再結合を抑制するためのパッシベーション膜９、１０が形成される。パッシベーション膜９、１０としては、たとえば熱酸化によるシリコン酸化膜やプラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜などが用いられ、パッシベーション膜９、１０を形成することによってキャリアの表面再結合を有効に抑制することができる。ここで、シリコン基板１の受光面に形成されるパッシベーション膜９としてシリコン窒化膜を用いた場合にはその屈折率が２．１程度となるため、シリコン窒化膜はシリコン基板１の受光面における太陽光の反射を抑制する反射防止膜としても用いることができる。
次に、シリコン基板１の裏面のｐ+層６およびｎ+層５との電気的接続を行なうために、図８に示すように、シリコン基板１の裏面に形成されたパッシベーション膜１０が所望のパターン形状に除去される。パッシベーション膜１０はたとえばドット状またはライン状などの形状で除去され、ｐ+層６およびｎ+層５の配列に応じてその除去形状が決定されることが好ましい。また、ｐ+層６およびｎ+層５以外の部分に電極が形成されることがないように、ｐ+層６およびｎ+層５の端部よりも内部にあるパッシベーション膜１０が除去されることが好ましい。
最後に、図９に示すように、パッシベーション膜１０が除去された部分に合わせて、ｐ+層６上にフィンガーｐ電極１１が形成されるとともにｎ+層５上にフィンガーｎ電極１２が形成される。ここで、フィンガーｐ電極１１およびフィンガーｎ電極１２の電極材料としては、太陽電池セルに発生する電流を外部に十分に取り出すことができるように、銀またはアルミニウムなどの高導電材料が用いられることが好ましい。また、フィンガーｐ電極１１およびフィンガーｎ電極１２の形成手段としては、たとえば高真空中における電子ビーム加熱による電極材料の蒸着、電極材料を含むペーストのスクリーン印刷または電極材料のメッキなどの手段を用いることができる。さらに、シリコン基板１とフィンガーｐ電極１１およびフィンガーｎ電極１２との良好なオーミック接触を得るために、シリコン基板１への電極材料の付着後に４００℃〜５００℃の熱処理が行なわれることが好ましい。これらのフィンガー電極とともに、フィンガー電極と交差するバスバー電極も形成される。なお、フィンガーｐ電極１１およびフィンガーｎ電極１２は、主に太陽電池セルに発生した電流を収集する電極のことである。また、バスバー電極は、フィンガー電極が収集した電流を集め、主に他の太陽電池セルとの接続に用いられる電極のことをいう。
図１０の模式的平面図に、上記のようにして得られた本発明の太陽電池セルの裏面の好ましい一例を示す。図１０に示すように、この太陽電池セルの裏面には、複数のフィンガーｐ電極１１とフィンガーｎ電極１２とが交互に太陽電池セルの裏面全体を覆うように直線状に形成されており、フィンガーｐ電極１１と交差するバスバーｐ電極１３は裏面の端部に形成されているが、フィンガーｎ電極１２と交差するバスバーｎ電極１４は裏面の内部に形成されている。このようにすることによって、本発明と従来とで太陽電池セルの裏面の面積が同じ場合であっても、本発明の太陽電池セルの裏面のフィンガーｎ電極１２およびフィンガーｐ電極１１の長さＬ1は、図２１に示す従来のフィンガーｎ電極１１２およびフィンガーｐ電極１１１の長さＬ0よりも短くなる。それゆえ、太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でもシリーズ抵抗を小さく抑えることができ、フィンガーｎ電極１２およびフィンガーｐ電極１１の幅Ｗ1だけでなくフィンガーｐ電極１１とフィンガーｎ電極１２の間のピッチＰ1も小さくすることができる。したがって、本発明においては、太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でもシリコン基板１内におけるキャリアの移動距離が長くならず、フィンガー電極におけるキャリアの収集効率を向上させることが可能になることから、太陽電池セルの出力の低下を有効に抑止することができる。
図１１の模式的平面図に、本発明の太陽電池セルの裏面の好ましい他の一例を示す。図１１に示すように、この太陽電池セルの裏面の内部には、フィンガーｎ電極１２と交差するバスバーｎ電極１４が２本、フィンガーｐ電極１１と交差するバスバーｐ電極１３が１本形成されている。したがって、太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でもフィンガーｎ電極１２およびフィンガーｐ電極１１の長さＬ1を短くすることができることから、この場合にも太陽電池セルの出力の低下を有効に抑止することができる。
図１０および図１１に示す太陽電池セルおいて、フィンガーｎ電極１２およびフィンガーｐ電極１１の長さＬ1は、太陽電池セルの裏面のフィンガー電極の長手方向における長さＬの１／２以下であることが好ましく、１／４以下であることがより好ましく、１／６以下であることがさらに好ましい。Ｌ1がＬの１／２よりも大きいときには太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合にシリーズ抵抗が大きくなりすぎて太陽電池セルの出力の低下を有効に抑止することができない傾向にあり、Ｌ1がＬの１／４以下、特に１／６以下であるときには太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でもシリーズ抵抗があまり大きくならず太陽電池セルの出力の低下を特に有効に抑止することができる傾向にある。
なお、本明細書において、フィンガー電極の長さＬ1は、図１０および図１１に示すように、フィンガー電極とバスバー電極の接点からフィンガー電極の先端までの長さのことをいう。また、フィンガー電極が複数ある場合にはその少なくとも１本の長さが上記範囲にあればよいが、すべてのフィンガー電極の長さが上記範囲にあることが好ましい。
図１２に、本発明の太陽電池モジュールに用いられるサブストレートの好ましい一例の模式的な上面図を示す。このサブストレート１８は、エッチングなどによって孔１７が複数形成されている絶縁体１６の表面上に導電体１５が所定の形状に形成されている。図１３は、図１２に示されるサブストレート１８における線Ｘ１３−Ｘ１３に沿った模式的な断面を表わしている。図１３に表わされるように、サブストレート１８においては、絶縁体１６に形成されている複数の孔１７上には導電体１５が孔１７を塞ぐようにして形成されている。また、図１４の模式的断面図に示すように、導電体１５上にはたとえばガラスや樹脂などの絶縁性基板１９が形成されていてもよい。
図１５に、本発明の太陽電池モジュールの好ましい一例の模式的な上面図を示す。この太陽電池モジュールにおいては、太陽電池セル２０、２１、２２のバスバーｐ電極１３上およびバスバーｎ電極１４上に図１３に示すサブストレート１８が設置されている。そして、このサブストレート１８と太陽電池セル２０、２１、２２とがそれぞれ電気的に接続されており、サブストレート１８によって太陽電池セル２０、２１、２２が電気的に接続されている。ここで、太陽電池セル２１のバスバーｐ電極１３は６箇所でサブストレート１８の導電体１５と電気的に接続されている。また、太陽電池セル２１のバスバーｎ電極１４は４箇所でサブストレート１８の導電体１５と電気的に接続されている。
図１６は、図１５に示される太陽電池モジュールにおける線Ｘ１６−Ｘ１６に沿った模式的な断面を表わしている。図１６の模式的断面図に示すように、サブストレート１８の導電体１５は孔１７を介して太陽電池セル２０、２１、２２のバスバーｐ電極１３およびバスバーｎ電極１４とはんだ２３によって電気的に接続されている。そして、図１５に示すように、太陽電池セル２０のバスバーｐ電極１３と太陽電池セル２１のバスバーｎ電極１４とが導電体１５によって電気的に接続されており、太陽電池セル２１のバスバーｐ電極１３と太陽電池セル２２のバスバーｎ電極１４とが導電体１５によって電気的に接続されている。このようにすることによって、サブストレートを介して太陽電池セルを複数電気的に直列に接続することができる。また、バイパスダイオードやブロッキングダイオードなどを太陽電池セルとともに電気的に接続することもできる。また、図１７の模式的断面図に示すように、導電体１５上にはたとえばガラスや樹脂などの絶縁性基板１９が形成されていてもよい。
ここで、図１６および図１７に示すはんだ２３は太陽電池セルの製造工程においてあらかじめバスバーｐ電極１３およびバスバーｎ電極１４上に形成することができる。また、サブストレート１８と太陽電池セル２１との間のバスバーｐ電極１３およびバスバーｎ電極１４が形成されていない空間にはシリコン樹脂などの絶縁性樹脂２４が充填されている。また、太陽電池セル２０、２１、２２の裏面の大きさはたとえば幅１５５ｍｍ×長さ１５５ｍｍ程度である。また、サブストレート１８の絶縁体１６としてはたとえば厚さ２５〜５００μｍ程度のポリイミドフィルムなどの絶縁性フィルムが用いられ、導電体１５としてはたとえば厚さ５０〜５００μｍ程度の銅やニッケルなどの金属が用いられる。
また、図１８の模式的拡大断面図に示すように、太陽電池セル２０、２１、２２の受光面側にたとえば板ガラスまたは板ガラスの強度を向上させた強化ガラスなどの太陽光を透過する透明な基板２５を設置し、太陽電池セル２０、２１、２２の裏面側にたとえば板ガラスまたは強化ガラスなどの基板２６を設置して、一対の対向する基板２５と基板２６との間にＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）などの透明樹脂２７を充填した後に透明樹脂２７を架橋させることによって、本発明の太陽電池モジュールを製造することもできる。
また、本発明の太陽電池モジュールにおいては、図１９（Ａ）の模式的平面図に示すように、１つのサブストレート１８によって複数の太陽電池セルが接続されていてもよく、図１９（Ｂ）の模式的平面図に示すように、複数の太陽電池セルを接続しているサブストレート１８が複数設置されていてもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる太陽電池モジュールを提供することができることから、本発明は裏面接合型の太陽電池セルを複数電気的に接続した太陽電池モジュールに好適に利用することができる。
１，１０１ シリコン基板、２ ｐ型ペースト材、３ ｎ型ペースト材、４ 拡散防止膜、５，１０５ ｎ+層、６，１０６ ｐ+層、８ テクスチャ構造、９，１０ パッシベーション膜、１１，１１１ フィンガーｐ電極、１２，１１２ フィンガーｎ電極、１３，１１３ バスバーｐ電極、１４，１１４ バスバーｎ電極、１５ 導電体、１６ 絶縁体、１７ 孔、１８ サブストレート、１９ 絶縁性基板、２０，２１，２２ 太陽電池セル、２３ はんだ、２４ 絶縁性樹脂、２５，２６ 基板、２７ 透明樹脂。
Claims (5)
- 電気的に接続されている複数の太陽電池セルを含む太陽電池モジュールであって、前記太陽電池セルのうち少なくとも１つの裏面にｐ+層とｎ+層とが形成されており、前記ｐ+層上に形成されているフィンガーｐ電極に交差するバスバーｐ電極と前記ｎ+層上に形成されているフィンガーｎ電極に交差するバスバーｎ電極とからなるバスバー電極のうち少なくとも１本が前記裏面の内部に形成されていることを特徴とする、太陽電池モジュール。
- 電気的に接続されている複数の太陽電池セルを含む太陽電池モジュールであって、前記太陽電池セルのすべての裏面にｐ+層とｎ+層とが形成されており、前記ｐ+層上に形成されているフィンガーｐ電極に交差するバスバーｐ電極と前記ｎ+層上に形成されているフィンガーｎ電極に交差するバスバーｎ電極とからなるバスバー電極のうち少なくとも１本が前記太陽電池セルのそれぞれの裏面の内部に形成されていることを特徴とする、太陽電池モジュール。
- 複数の孔が形成されている絶縁体と前記絶縁体の孔上に形成されている導電体とを含むサブストレートが前記太陽電池セルの前記バスバー電極上に設置されており、前記バスバー電極と前記導電体とが前記孔を介して電気的に接続され、１つの太陽電池セルのバスバーｐ電極と他の太陽電池セルのバスバーｎ電極とが前記導電体により電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
- 前記導電体上に絶縁性基板が設置されていることを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池モジュール。
- 前記太陽電池セルが一対の対向する基板間において透明樹脂により封止されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
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