JP2006041349A

JP2006041349A - 光起電力素子およびその製造方法

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Publication number: JP2006041349A
Application number: JP2004221728A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Fujino; 裕一藤野; Yoshifumi Takeyama; 祥史竹山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極を形成した光起電力素子基板において、工程の自動化を図れると共に高タクトに対応できる量産性に優れた光起電力素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】封止部材上に集電電極が配置された上部配線基板を用いて、上部配線基板をたわませて集電電極を光起電力素子基板の受光面側電極に接続することにより、工程の自動化を図れると共に高タクトに対応できる量産性に優れた光起電力素子およびその製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光起電力素子およびその製造方法に関し、特に光起電力素子基板の上に集電電極を備えた光起電力素子およびその製造方法に関する。

最近、CO₂等の増加による温室効果で地球の温暖化が生じることが予測され、CO₂等を排出しないクリーンなエネルギーの要求がますます高まってきている。また、CO₂を排出しない原子力発電も放射性廃棄物の問題が解決されておらず、より安全性の高いクリーンなエネルギーが望まれている。将来期待されているクリーンなエネルギーの中でも特に太陽電池は、そのクリーンさと安全性、取り扱いやすさ等から期待が大きい。

太陽電池の種類としては、結晶系太陽電池、アモルファス系太陽電池、化合物半導体太陽電池など多種にわたる太陽電池が研究・開発されている。その中でもアモルファスシリコン太陽電池は、光電変換効率こそ結晶系太陽電池には及ばないものの、大面積化が容易で、かつ光吸収係数が大きく、また薄膜で動作するなどの結晶系太陽電池にはない優れた特徴をもつ。このため、アモルファスシリコン太陽電池は将来を有望視されている太陽電池の一つである。

上述のアモルファスシリコン太陽電池の集電電極の例としては、特開平10-65192に光起電力素子基板の上に集電電極を備えた光起電力素子が開示されている。図６(a)に、光起電力素子基板の上に集電電極を備えた従来の光起電力素子の概略図を示す。また、図６(b)は、図６(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図である。

301は光起電力素子基板であり、受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極が形成されている。302は封止部材であり、光起電力素子基板の受光面側電極および非受光面側電極の上に配置される。304は集電電極であり、光起電力素子基板で発生した電流を集めるために受光面側電極の上に配置される。305は金属部材であり、集電電極で集められた電流をさらに集めるために光起電力素子基板の受光面側電極の上に配置される。また、集電電極の表面には、図示しない導電性被覆層が形成されている。

また、光起電力素子基板を直列接続するための例としては、特開昭56-28383（特許文献１）に太陽電池素子の直列接続構造体が開示されている。図６(c)に、太陽電池素子の直列接続構造体の概略図を示す。

401は太陽電池素子であり、受光面側電極の上に集電電極が配置されている。403は表面フィルムであり、太陽電池素子の受光面側電極と対向するように配置される。また、太陽電池素子の受光面側電極と対向する表面フィルム上に接続導体404が配置されている。405は基板であり、光起電力素子基板の非受光面側電極の上に配置される。また、太陽電池素子の非受光面側電極と対向する基板の上に接続導体404が配置されている。なお、加熱圧着し表面フィルムをたわませて表面フィルム上の接続導体を基板の上の接続導体に接続する。
特開昭５６−２８３８３号公報

しかしながら、特開平10-65192に示した光起電力素子基板の上に集電電極を備えた光起電力素子では、光起電力素子基板の受光面側電極の上に集電電極を配置する工程と、光起電力素子基板の受光面側電極および非受光面側電極の上に封止部材を配置する工程において加熱圧着工程が2回存在している。このため大量生産時タクトをあげる際のネックになっている。

また、複数の光起電力素子基板を直列接続および並列接続する場合には、リードフレームなどの金属部材を階段状に折り曲げて、その一端を受光面側電極に、他端を非受光面側電極に接続する方法が採用されてきた。この部分も、大量生産時タクトをあげる際のネックになっている。

特開昭56-65192に示した太陽電池素子の直列接続構造体では、表面フィルムの上に接続導体を配置した上部配線基板と、基板の上に接続導体を配置した下部配線基板を持つ。しかしながら、上部配線基板、太陽電池素子、下部配線基板の3つの部材の位置合わせが難しい難点があり、同時に大量生産時タクトをあげる際のネックになっている。

本発明は、上記問題点を解決するもので、受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極を形成した光起電力素子基板において、工程の自動化を図れると共に高タクトに対応できる量産性に優れた光起電力素子およびその製造方法を提供する。

本発明者は、上記問題を解決するために鋭意研究開発を重ねた結果、次のような構成が最良であることを見出した。

すなわち本発明は、受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極を形成した光起電力素子基板と、封止部材上に集電電極が配置された上部配線基板とを備え、上部配線基板をたわませて集電電極を光起電力素子基板の受光面側電極に接続することを特徴とする。

本発明によれば、光起電力素子基板を封止する工程において、集電電極を光起電力素子基板の受光面側電極の上に接続することができ、工程の自動化を図れると共に高タクトに対応できる量産性に優れた光起電力素子を提供することが可能となる。

また、本発明においては、封止部材上に金属部材が配置された下部配線基板を備えることによって、光起電力素子基板を封止する工程において、金属部材を光起電力素子基板の非受光面側電極上に接続することができ、工程の自動化を図れると共に高タクトに対応できる量産性に優れた光起電力素子を提供することが可能となる。

また、本発明は、受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極を形成した光起電力素子基板の受光面側電極に、封止部材上に集電電極が配置された上部配線基板を配置する工程と、上部配線基板をたわませて集電電極を光起電力素子基板の受光面側電極に接続する工程を持つことを特徴とする。

本発明によれば、上部配線基板をたわませて集電電極を光起電力素子基板の受光面側電極上に接続することができ、工程の自動化を図れると共に高タクトに対応できる量産性に優れた光起電力素子の製造方法を提供することが可能となる。

上述した本発明の構成によれば、以下の効果が奏される。

受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極を形成した光起電力素子基板において、封止部材上に集電電極が配置された上部配線基板を用いて、上部配線基板をたわませて集電電極を光起電力素子基板の受光面側電極に接続することにより、工程の自動化を図れると共に高タクトに対応できる量産性に優れた光起電力素子およびその製造方法を提供することが可能となる。

次に、図１を用いて本発明に係る光起電力素子の実施の形態を詳述する。

図１(a)に、光起電力素子基板の上に集電電極を備えた本発明の光起電力素子の概略図を示す。図１(b)は、図１(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図、図１(c)は、上部配線基板の概略図である。

101は光起電力素子基板であり、受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極が形成されている。102aは上部配線基板であり、封止部材103上に、金属部材105と集電電極104を順次積層した構成を持つ。また、金属部材105と集電電極104は、光起電力素子基板の受光面側電極と対向するように配置される。金属部材105と集電電極104は、光起電力素子基板で発生した電流を集めるためのものである。

また、集電電極の表面には、図示しない導電性被覆層が形成されており、加熱圧着し上部配線基板がたわむことによって、集電電極と光起電力素子基板の受光面側電極が導電性被覆層を介して電気的に接続される。以下、各項目ごとに説明する。

(光起電力素子基板)
光起電力素子基板101の構成としては、保持部材、半導体層、透明電極層を積層した構成が挙げられる。前記保持部材としては、ステンレス、アルミなどの金属基板や、ガラス、高分子樹脂、セラミックスなどの絶縁基板の上にクロム、アルミニウム、銀などの金属を蒸着したものが挙げられる。前記半導体層としては、pn接合、pin接合、ショットキー接合などの半導体接合を有することが必要であり、結晶シリコン、多結晶シリコン、薄膜多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどのIV族の半導体、CdS、CdTeなどのII-VI族の半導体、GaAsなどのIII-V族の半導体などが挙げられる。前記透明電極層としては、ITO、SnO₂、In₂O₃などが挙げられる。

また、半導体層にpin接合またはpn接合が一つしかないシングルセル構造だけでなくpin接合またはpn接合を複数重ねたタンデムセル構造、トリプルセル構造も好適に用いられる。前記トリプルセル構造としては、a-Siのi層を有するpin構造のトップセル、μc-Siのi層を有するpin構造のミドルセル、μc-Siのi層を有するpin構造のボトムセルを積層した構造が挙げられる。

また、受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極が形成されているため、短絡を回避する構造が好適に用いられる。短絡を回避する構造としては、光起電力素子基板の受光面側電極の端部に透明電極層を除去した除去部分を設ける構造、光起電力素子基板の受光面側電極および非受光面側電極の上に絶縁部材を設ける構造が挙げられる。

(上部配線基板および下部配線基板)
上部配線基板102aの構成としては、封止部材上に集電電極を積層したもの、または封止部材上に集電電極と金属部材を積層したものが挙げられる。上部配線基板は、光起電力素子基板の受光面側電極に配置される。また、下部配線基板102bの構成としては、封止部材のみ、封止部材に集電電極を積層したもの、または、封止部材に集電電極と金属部材を積層したものが挙げられる。下部配線基板は、光起電力素子基板の非受光面側電極に配置される。上部配線基板および下部配線基板に集電電極、金属部材、光起電力素子基板を配置する方法としては、熱融着や接着剤を用いて張り合わせる方法が挙げられる。

(封止部材)
封止部材103は、光起電力素子基板の受光面側電極の凹凸を封止し、光起電力素子基板を温度、湿度、衝撃などの外部環境変化から守ることが要求される。また、少なくとも光起電力素子基板の受光面側電極を覆う封止部材には、透光性、耐候性、接着性、充填性、耐熱性、耐寒性、耐衝撃性が要求される。これらの要求を満たす樹脂としてはエチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、エチレン−アクリル酸メチル共重合体(EMA)、エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA)、ブチラール樹脂などのポリオレフィン系樹脂、アイオノマー樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。

(集電電極および金属部材)
集電電極104および金属部材105としては、電気抵抗の低い、金、銀、銅、白金、アルミニウム、スズ、鉛、ニッケル、モリブデン、タングステンなどの金属およびこれら金属の合金が挙げられる。集電電極および金属部材の断面形状としては、円形、矩形、多角形などが挙げられる。また、所望に応じて集電電極および金属部材の表面に腐食防止、酸化防止、電気伝導性の向上などの目的で薄い表面金属層を形成してもよい。前記表面金属層としては、電気抵抗の低い、金、銀、銅、白金、アルミニウム、スズ、鉛、ニッケル、モリブデン、タングステンなどの金属が挙げられ、メッキ法、クラッド法により形成される。また、所望に応じて集電電極および金属部材の表面に前記金属をフィラーとする導電性被覆層が形成される。

(導電性被覆層)
導電性被覆層は、高分子樹脂と導電性粒子の混合物からなる。前記高分子樹脂としては、生産性、作業性、柔軟性、耐候性に優れた熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ポリビニルホルマール、アルキド樹脂あるいはこれらを変性した樹脂など)、熱可塑性樹脂(ポリアミドイミド樹脂、メラミン樹脂、ブチラール、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル、スチレン、ポリエステルなど）が挙げられる。前記導電性粒子としては、グラファイト、カーボンブラック、In₂O₃、TiO₂、SnO₂、ITO、ZnOなどの金属酸化物、およびこれらに適当なドーパントを添加した酸化物半導体材料などが挙げられる。

以下に実施例について記載する。

図２(a)に、光起電力素子基板の上に集電電極を備えた第1の実施例を示す光起電力素子の概略図を示す。図２(b)は、図２(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図、図２(c)は、上部配線基板の概略図、図２(d)は、下部配線基板の概略図である。

201はアモルファス太陽電池基板であり、受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極が形成されている。202aは上部配線基板であり、EVAフィルム203上に、金属ワイヤ204を積層した構成を持つ。また、上部配線基板202aは、アモルファス太陽電池基板の受光面側電極と対向するように配置される。202bは下部配線基板であり、EVAフィルム203上に、銀メッキ銅箔205を積層した構成を持つ。また、下部配線基板202bは、アモルファス太陽電池基板の受光面側電極と対向するように配置される。

203はEVAフィルムであり、アモルファス太陽電池基板の受光面側電極および非受光面側電極と対向するように配置される。204は金属ワイヤであり、アモルファス太陽電池基板で発生した電流を集めるために受光面側電極と対向するように配置される。205は銀メッキ銅箔であり、金属ワイヤで集められた電流をさらに集めるためにアモルファス太陽電池基板の非受光面側電極と対向するように配置される。

また、金属ワイヤの表面には、導電性ペースト206が形成されており、加熱圧着し上部配線基板および下部配線基板がたわむことによって、金属ワイヤと銀メッキ銅箔、金属ワイヤとアモルファス太陽電池基板の受光面側電極が導電性ペーストを介して電気的に接続される。

実施例1では、上部配線基板上の金属ワイヤがアモルファス太陽電池基板との対向面から延長されて配置される点と、下部配線基板上の銀メッキ銅箔がアモルファス太陽電池基板と重ならないように配置される点だけが実施の形態と異なっている。

金属ワイヤをアモルファス太陽電池基板との対向面から延長されて配置することによって、アモルファス太陽電池基板の受光面全面を使用することが可能となり、光起電力素子基板の光電変換効率を向上させることが可能となる。また、銀メッキ銅箔をアモルファス太陽電池基板と重ならないように配置することによって、銀メッキ銅箔の厚みをアモルファス太陽電池基板と同程度としても、アモルファス太陽電池の全体の厚みに変化を及ぼさないことが可能となる。

次に、図３を用いて光起電力素子基板の上に集電電極を備えた光起電力素子の製造方法について説明する。図３の(1)〜(4)は、各製造工程における光起電力素子を受光面側から見た場合の平面図である。以下、各製造工程について順を追って説明する。

〈製造工程1 光起電力素子基板の端部を絶縁する工程〉
20cm×40cmのアモルファス太陽電池基板201を準備した。有効面積が800cm²となるように塩化第2鉄を主成分とするエッチングペーストと市販のスクリーン印刷機を用いて透明電極層の一部を除去し、図示しない除去部分を形成した。上記で形成した除去部分の上に図示しない絶縁テープを配置した。

〈製造工程2 封止部材上に集電電極を配置し、上部配線基板を形成する工程〉
25cm×45cm、厚さ1mmのEVAフィルム203と、導電性被覆層で被覆された直径200μmの金属ワイヤ204を準備した。次に、アモルファス太陽電池素子基板の受光面側電極と対向するEVAフィルム上に、金属ワイヤをEVAフィルムの長手方向と垂直に5.5mm間隔で複数本配置し、上部配線基板202aを形成した。金属ワイヤは、EVAフィルム上に熱融着によって接続した。

〈製造工程3 封止部材上に金属部材を配置し、下部配線基板を形成する工程〉
30cm×50cmm、厚さ1mmのEVAフィルム204と、スリット加工によって得られた幅60mm、厚さ300μｍの銀メッキ銅箔205を準備した。アモルファス太陽電池素子基板の非受光面側電極と対向するEVAフィルム上に、銀メッキ銅箔をEVAフィルムの長手方向と平行に2本配置し、下部配線基板202bを形成した。銀メッキ銅箔は、EVAフィルム上に熱融着によって接続した。

〈製造工程4 下部配線基板、光起電力素子基板、上部配線基板を積層し、封止する工程〉
アモルファス太陽電池基板201の位置合わせは、下部配線基板上202bに設けた位置合わせのマーク印刷に従って光学的に行った。その上に上部配線基板202aを積層し、全体を真空引きした後、160℃、1時間の加熱圧着工程よって封止を行った。この加熱圧着工程により、アモルファス太陽電池基板は上部配線基板と下部配線基板によって封止され、同時に、アモルファス太陽電池基板の受光面側電極の上に金属ワイヤが接着固定される。以上の製造工程によって、アモルファス太陽電池を作成した。

図４(a)に、光起電力素子基板の上に集電電極を備えた第2の実施例を示す光起電力素子の概略図を示す。図４(b)は、図４(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図、図４(c)は、下部配線基板の概略図である。

実施例2では、下部配線基板上の銀メッキ銅箔をS字形状にし、銀メッキ銅箔の一部をアモルファス太陽電池基板の非受光面側電極と重なるように配置する点と、アモルファス太陽電池基板の非受光面側電極と銀メッキ銅箔が重なる部分に導電性ペースト206を塗布する点だけが実施例1と異なっている。

下部配線基板上の銀メッキ銅箔をS字形状にエッチングし、銀メッキ銅箔の一部をアモルファス太陽電池基板の非受光面側電極と重なるように配置することによって、加熱圧着し下部配線基板がたわむことで、複数のアモルファス太陽電池基板を直列接続することができ、工程の自動化を図れると共に高タクトに対応できる量産性に優れたアモルファス太陽電池を提供することが可能となる。

また、アモルファス太陽電池基板の非受光面側電極と銀メッキ銅箔が重なる部分に導電性ペーストを印刷することによって、加熱圧着し下部配線基板がたわむことで、アモルファス太陽電池基板の非受光面側電極と銀メッキ銅箔が導電性ペーストを介して電気的に接続される。

図５(a)に、光起電力素子基板の上に集電電極を備えた第3の実施例を示す光起電力素子の概略図を示す。図５(b)は、図５(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図、図５(c)は、下部配線基板の概略図である。

実施例3では、下部配線基板上の銀メッキ銅箔をS字形状にし、銀メッキ銅箔の一部を複数のアモルファス太陽電池基板の非受光面側電極と重なるように配置し、連続的に製造する点だけが実施例2と異なっている。

下部配線基板上の銀メッキ銅箔をS字形状にし、銀メッキ銅箔の一部を複数のアモルファス太陽電池基板の非受光面側電極と重なるように配置し、ロールを用いて連続的に製造することによって、加熱圧着し下部配線基板がたわむことで、複数のアモルファス太陽電池基板を並列接続することができ、更なる工程の自動化を図れると共に高タクトに対応できる量産性に優れたアモルファス太陽電池を提供することが可能となる。

また、アモルファス太陽電池基板の非受光面側電極と銀メッキ銅箔が重なる部分の接続は、YAGレーザによるレーザ溶接を用いた。封止部材として用いた、EVAフィルムの透過率は85％以上であり、レーザによる溶接やマーキングを行っても信頼性に何ら影響を与えなかった。

(実施の形態)(a)光起電力素子基板の上に集電電極を備えた本発明の光起電力素子の概略図。(b)図１(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図。(c)上部配線基板の概略図。 (実施例1)(a)光起電力素子基板の上に集電電極を備えた第1の実施例を示す光起電力素子の概略図。(b)図２(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図。(c)上部配線基板の概略図。(ｄ)下部配線基板の概略図。（製造方法）光起電力素子基板の上に集電電極を備えた光起電力素子の製造方法の概略図。(1)〜(4)は、各製造工程における光起電力素子を受光面側から見た場合の平面図。 (実施例2)(a)光起電力素子基板の上に集電電極を備えた第2の実施例を示す光起電力素子の概略図。(b)図４(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図。(c)下部配線基板の概略図。 (実施例3)(a)光起電力素子基板の上に集電電極を備えた第3の実施例を示す光起電力素子の概略図。b)図５(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図。(c)下部配線基板の概略図。（従来例）(a)光起電力素子基板の上に集電電極を備えた従来の光起電力素子の概略図。(b)図６(a)におけるA-A’線の断面から見通した概略図。(c)太陽電池素子の直列接続構造体の概略図。

符号の説明

101 光起電力素子基板
102a 上部配線基板
102b 下部配線基板
103 封止部材
104 集電電極
105 金属部材
201 アモルファス太陽電池基板
202a 上部配線基板
202b 下部配線基板
203 EVAフィルム
204 金属ワイヤ
205 銀メッキ銅箔
206 導電性ペースト
301 光起電力素子
302 封止部材
303 絶縁部材
304 集電電極
305 金属部材
401 太陽電池素子
402a 上部配線基板
402b 下部配線基板
403 表面フィルム
404 接続導体
405 基板

Claims

受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極を形成した光起電力素子基板と、封止部材上に集電電極が配置された上部配線基板とを備え、上部配線基板をたわませて集電電極を光起電力素子基板の受光面側電極に接続することを特徴とする光起電力素子。
封止部材上に金属部材が配置された下部配線基板を備えることを特徴とする請求項１に記載の光起電力素子。
受光面側および非受光面側に各々相異なる極性の電極を形成した光起電力素子基板の受光面側電極に、封止部材上に集電電極が配置された上部配線基板を配置する工程と、上部配線基板をたわませて集電電極を光起電力素子基板の受光面側電極に接続する工程を持つことを特徴とする光起電力素子の製造方法。