JP2006049541A

JP2006049541A - 太陽電池モジュールとその製造方法

Info

Publication number: JP2006049541A
Application number: JP2004227653A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sakakibara; 康史榊原
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】ガラス被覆を使用しない樹脂封止構造による太陽電池モジュールにおいて、長期運転時の電気絶縁性劣化に伴う出力低下が抑制可能な太陽電池モジュールとその製造方法を提供する。
【解決手段】基板S表面に第１電極層E1，光電変換層P，第２電極層E2を順次積層してなる光電変換部と、基板裏面に形成した裏面電極層Erとを備え、光電変換部および裏面電極層は互いに位置をずらして単位部分にパターニングラインにより電気的に分離してなり、少なくとも第２電極層と裏面電極層とを基板を貫通する集電孔を介して電気的に接続してなる薄膜太陽電池を、基板の両面側から接着性樹脂封止材J1, J2により封止してなる太陽電池モジュールにおいて、集電孔の側面および周縁部ならびにパターニングライン部は、接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料(F)により絶縁被覆されてなるものとする。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気絶縁性を有するフィルム基板の一面上に形成された光電変換層とこれを挟む二層の電極をパターニングにより分割分離し、基板他面上に形成する裏面電極層を用いて基板を貫通する集電孔で接続する薄膜太陽電池素子を、基板両側から接着性樹脂封止材により被覆して封止した太陽電池モジュールとその製造方法に関する。

基板上に光電変換層とこれを挟む２つの電極が積層されてなる大面積の太陽電池において、その電流収集方法としては種々の方法があるが、基板の裏面電極と基板を貫通する小孔を利用して収集する方法を採用する薄膜太陽電池は、基板に対して占める太陽電池の有効面積の割合が大きく太陽光の利用効率が高い。この種の構成を有する太陽電池は、例えば、特許文献１や特許文献３に開示されている。

図４は、実質的に本願出願人と同一の出願人によって出願され、特許文献１によって開示された、いわゆるＳＣＡＦ（Series Connection through Apertures on Film ）型の薄膜太陽電池の構成を示す部分断面図である。

図４において、（ａ）は透視平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるｘ−Ｘ断面図である。電気絶縁性の基板Sの一面（光入射側の面）に基板側から順に、第１電極E1、光電変換層Pおよび透明な第２電極E2が積層された単位太陽電池が、例えば、レーザー加工によるパターニングラインL1により分割分離されて形成されている。また基板Sの他面（裏面）上に第３電極E3および第４電極E4（両者を一括して裏面電極Erという。）が、これもレーザー加工によるパターニングラインL2により分割分離されて形成されている。第２電極E2と裏面電極Erは、基板を貫通する集電孔H2を通じ、また第１電極E1と裏面電極Erは基板を貫通する接続孔H1を通じて接続されている。２種の孔は、裏面電極（第４電極）−集電孔−第２電極−光電変換層−第１電極−接続孔−裏面電極（第３電極）の順の単位太陽電池の直列接続に利用されている。

図５は、前記図４に示す薄膜太陽電池を接着性樹脂封止材により封止してなる太陽電池モジュールの部分断面図であり、ラミネート工程順に示した図である。（ａ）は太陽電池素子、（ｂ）は表面保護フィルムJ3、接着性樹脂封止材J1，J2、および背面補強板Bを重ねた状態、（ｃ）は封止工程が完了した太陽電池モジュールを示す。（ｂ）の状態で、圧力を加え、接着性樹脂封止材を十分接着、硬化させる加熱処理により、太陽電池モジュールが形成される。加熱処理中に接着性封止樹脂の粘度は低下して、集電孔H2の内部に樹脂は入り込み、封止材J1、J2の境界付近では樹脂は互いに混ざり合う。接続孔H1においても同様である。

前記太陽電池モジュールに用いられる材料は、次のとおりである。受光面側の最表面に位置する表面保護フィルムJ3としては、防湿性、耐候性および透明度の高い材料が適しており、たとえば、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）が用いられる。接着性樹脂封止材J1，J2としては、接着強度の観点から例えばエチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）が用いられる。非受光面の背面側に配置される背面補強板Bには、ステンレス板、塗装鋼板などが用いられる。

なお、後述する特許文献３に記載された太陽電池モジュールにおいても、前記太陽電池モジュールと概ね同様の構成を備え、また使用材料も類似しているが、この場合には、前記接続孔がない点で若干構成が異なり、また使用材料に関しても若干異なる（詳細は、特許文献３参照）。

ところで、前述のような太陽電池モジュールの場合、下記のような問題がある。即ち、表面保護フィルムであるＥＴＦＥから水分が浸透し、同時に表面側から光が当たることで、接着性樹脂封止材（ＥＶＡ）が加水分解される問題がある。ＥＶＡは加水分解により酢酸を生成し、浸入した水分とともに、太陽電池素子の腐食を引き起こす。

このような防湿性の問題は、最表面を無機質材料であるガラスで被覆することにより改善できる。この観点から、ガラスによる太陽電池の被覆が、従来から採用されてきた。しかしながら、ガラスによる被覆は、フレキシブル性、軽量化、及び低コスト化などの点において問題がある。

ガラス被覆によらず、太陽電池素子表面に保護樹脂層を塗布し、長期信頼性を確保する方法が、特許文献２に開示されている。即ち、特許文献２は、「耐擦傷性に優れ、湿度による光起電力素子の性能劣化がなくて長期信頼性のある太陽電池モジュール、およびその製造方法を提供すること」を目的とし、「光変換部材として、少なくとも半導体光活性層を一層有し、集電電極が形成された光起電力素子、および表面被覆材を少なくとも一層有する太陽電池モジュールにおいて、前記集電電極上の表面被覆材の厚みが、集電電極間の表面被覆材の厚みの５０％以上であることを特徴とする太陽電池モジュール。」を開示している。

さらに具体的には、集電電極層を太陽電池表面に形成する太陽電池素子を用い、その集電電極層の厚さは、電気抵抗低減の観点から100μm以上とし、表面に塗布する保護樹脂層の厚さは150μm以上としている。しかしながら、上記のような厚膜の保護樹脂層を形成する場合には、次のような問題がある。即ち、(1)塗液の粘度が高くなければならず材料が限定される、(2)乾燥に時間がかかり生産性が低い、(3)保護樹脂のコストがかさむ。(4)厚膜の場合には乾燥後にクラックが入りやすい、などである。

また、前記特許文献３は、「屋外での長期の曝露に対して、高信頼性を有する光起電力素子を提供すること」を目的とし、「少なくとも半導体層と、中間電極層と、短絡防止層と、裏面電極層とをこの順に有し、少なくとも前記半導体層から前記短絡防止層までを貫通する貫通穴を有する光起電力素子であって、前記半導体層及び前記裏面電極層のうち少なくとも一方の成膜により、前記中間電極層と実質的に絶縁された状態で、前記半導体層の前記中間電極層の側とは反対側の面と前記裏面電極層とが電気的に導通された導通部を前記貫通穴内に有する光起電力素子において、前記貫通穴内部の空間領城が樹脂で充填されていることを特徴とする光起電力素子。」を開示している。

さらに具体的には、貫通孔を有する太陽電池素子の長期信頼性を確保する方法として、貫通孔部に樹脂を50乃至100％の充填率にて充填する方法を開示している。しかしながら、特許文献３においては、概ね、貫通孔に充填する樹脂をEVAなどの接着性樹脂封止材を用いることを開示している。前記したように、太陽電池素子の腐食はEVAの加水分解により生成する酢酸が原因となるので、上記のように貫通部をEVA樹脂で充填したとしても長期信頼性の確保は困難である。但し、前記特許文献３の実施例６には、貫通孔に充填する樹脂をEVAに代えて、アクリル樹脂を充填する記載もある。この場合には、EVAに比べると長期信頼性は改善されるが、この場合にも後述する問題がある。

電気絶縁性が劣化することにより、長期信頼性が確保できない要因となる部分としては、前記集電孔部以外に、パターニングライン部がある。集電孔部が劣化しやすい理由は、その側壁面への薄膜形成において、平坦面に形成する場合と異なり、膜質および膜厚の制御が困難であること、また、可とう性のフィルム基板であることから、基板搬送時の基板変形により、集電孔部に応力が集中し、特に集電孔部の周縁部が部分的に破損すること、などがある。また、パターニングライン部が劣化しやすい理由は、レーザー加工時の熱による変質、および加工端部における微小クラックの発生、などである。

従って、特許文献３の実施例６のように、集電孔部が所定の充填率によりアクリル樹脂で充填されたものであっても、EVAに隣接するパターニングライン部の劣化の問題は勿論のこと、集電孔部の特に周縁部の劣化の問題は解消されない。
特開平１０−２３３５１７号公報特開平６−３３８６２７号公報特開２０００−３０７１３８号公報

この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、ガラス被覆を使用しない樹脂封止構造による太陽電池モジュールにおいて、長期運転時の電気絶縁性劣化に伴う出力低下が抑制可能な太陽電池モジュールとその製造方法を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、本発明によれば、電気絶縁性を有するフィルム基板の表面に下電極層としての第１電極層，光電変換層，透明電極層としての第２電極層を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した裏面電極層とを備え、前記光電変換部および裏面電極層は互いに位置をずらして単位部分にパターニングラインにより電気的に分離してなり、少なくとも前記第２電極層と裏面電極層とを前記フィルム基板を貫通する集電孔を介して電気的に接続してなる薄膜太陽電池を、前記フィルム基板の両面側から接着性樹脂封止材により封止してなる太陽電池モジュールにおいて、前記集電孔の側面および周縁部ならびに前記パターニングライン部は、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により絶縁被覆されてなることを特徴とする（請求項１）。

上記請求項１の発明によれば、劣化の起きやすい集電孔側壁とその周縁部、およびレーザーパターニング部分を耐候性の高い樹脂で保護することにより、接着性樹脂封止材EVAの加水分解による酢酸の影響を受けにくくすることでき、長期運転時の電気絶縁性劣化に伴う出力低下が抑制可能となる。

また、前記ＳＣＡＦ型太陽電池の場合には、前記接続孔も集電孔と同じ樹脂で絶縁被覆することが好ましく、この場合に本発明は、電気絶縁性を有するフィルム基板の表面に下電極層としての第１電極層，光電変換層，透明電極層としての第２電極層を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した裏面電極層とを備え、前記光電変換部および裏面電極層は互いに位置をずらして単位部分にパターニングラインにより電気的に分離してなり、前記光電変換層内に形成した接続孔ならびに集電孔を介して、前記表面上の互いにパターニングされて隣合う単位光電変換部分を電気的に直列に接続してなる薄膜太陽電池を、前記フィルム基板の両面側から接着性樹脂封止材により封止してなる太陽電池モジュールにおいて、前記接続孔と集電孔の側面および周縁部ならびに前記パターニングライン部は、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により絶縁被覆されてなることを特徴とする（請求項２）。なお、前記接続孔は、第１電極層と裏面電極層とを電気的に接続する孔であるので、電気絶縁の劣化の問題は集電孔に比較して軽減される。従って、場合によっては、接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により絶縁被覆するのは、集電孔のみとすることもできる。

さらに、前記請求項１または２に記載の太陽電池モジュールにおいて、前記接着性樹脂封止材は、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）とし、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料は、溶剤可溶性フッ素樹脂とすることを特徴とする（請求項３）。前記ＥＶＡは封止材として優れた材料であり、また前記溶剤可溶性フッ素樹脂は、前記ＥＶＡやアクリル樹脂に比べて耐候性や電気絶縁の信頼性が高い材料であり、かつ、塗装が容易な材料である。従って、請求項３の発明によれば、太陽電池の合理的な絶縁と封止が可能となる。

また、前記太陽電池モジュールの製造方法の発明としては、下記請求項４ないし６の発明が好ましい。即ち、前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールの製造方法であって、前記薄膜太陽電池を形成する工程と、前記薄膜太陽電池における裏面電極層形成面に可とう性フィルムを張り合わせ、前記張り合わせた状態で、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により、前記集電孔または接続孔の側面および周縁部ならびに前記パターニングライン部を絶縁被覆する工程と、前記可とう性フィルムを剥離する工程と、前記フィルム基板の両面側から接着性樹脂封止材により薄膜太陽電池を封止する工程とを含むことを特徴とする（請求項４）。

前記可とう性フィルムとしては、例えば、ＰＥＴフィルムを用いることができるが、ＰＥＴフィルムを張り合わせた状態で、前記絶縁被覆を行うことにより、孔の一方側が塞がれた状態となるので、前記集電孔または接続孔への電気絶縁性材料の充填率が向上し絶縁品質が向上できる。また作業性も向上する。なお、前記太陽電池モジュールの製造する場合、可とう性フィルムの張り合わせ工程を省くこともできるが、前記絶縁品質や作業性の観点から、請求項４の発明のようにする方がより好ましい。

さらに、前記絶縁被覆工程においては、周知の樹脂塗工方式が適用できるが、生産性の観点から、特に下記請求項５または６が好ましい。即ち、前記請求項４に記載の太陽電池モジュールの製造方法において、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により絶縁被覆する工程は、グラビアコーターを用いて行うことを特徴とする（請求項５）。また、前記請求項４に記載の太陽電池モジュールの製造方法において、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により絶縁被覆する工程は、ダイコーターを用いて行うことを特徴とする（請求項６）。

この発明によれば、少なくとも、集電孔の側面とその周縁部、およびレーザーパターニングライン部を耐候性の高い樹脂により被覆することで、ロール搬送時の集電孔の部分的な破壊を防ぎ、封止材EVAの加水分解による酢酸などから保護することができる。その結果、裏面電極間の短絡や各層の破壊が生じにくくなり、太陽電池素子の初期の出力を保持する太陽電池モジュールが得られる。即ち、長期運転時の電気絶縁性劣化に伴う出力低下が抑制可能な太陽電池モジュールとその製造方法が提供できる。さらに、このような樹脂被覆をグラビアコーターあるいはダイコーターを用いて行うことで、太陽電池モジュールの製造を生産性高く行うことができる。

次に、この発明の実施形態に関して、図１および図２に基いて説明する。図１は本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの部分断面図を示し、封止工程順に示す図である。図２は、図１とは異なる実施形態に関し、封止工程順に示す図である。なお、図２における製造手順は、前記請求項４に関わり、可とう性フィルムの張り合わせ工程を含む手順を示す。また、図１および図２において、図４および図５における部材と同一機能部材には、同一番号を付してその詳細説明を省略する。

まず、図１の実施形態について述べる。図１において、(a)は集電孔に、接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料からなる保護樹脂を被覆した太陽電池素子を示す図、(b)は(a)に対して封止材他の保護部材を重ねた状態を示す図、(c)は封止工程が完了した太陽電池モジュールを示す図である。保護樹脂材Fは、集電孔H2の内壁とその周縁の基板面、および図示しないレーザーパターニング部を被覆している。接着性樹脂封止材J1、J2は従来と同様にラミネートされていて、集電孔H2の内部にも充填されている。

前記接着性樹脂封止材J1、J2は、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）とし、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料からなる保護樹脂材Fは、溶剤可溶性フッ素樹脂とするのが望ましい。

次に、図２の実施形態について述べる。図２の実施形態は、薄膜太陽電池を形成し、この薄膜太陽電池の裏面電極層形成面に可とう性フィルム（ＰＥＴ）を張り合わせる工程（図２(a)）と、（ＰＥＴ）を張り合わせた状態で、接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料（例えば、溶剤可溶性フッ素樹脂）により、集電孔または接続孔の側面および周縁部ならびに前記パターニングライン部を絶縁被覆する工程（図２(b)）と、前記可とう性フィルム（ＰＥＴ）を剥離する工程（図２(c)）と、前記フィルム基板の両面側から接着性樹脂封止材（例えば、ＥＶＡ）により薄膜太陽電池を封止する工程（図２(d)）とからなる。なお、この実施形態においては、集電孔H2の内部全体が保護樹脂材Fにて充填される。

上記図１または図２に示す工程において、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料としての保護樹脂材Fの絶縁被覆工程においては、グラビアコーターまたはダイコーターを用いて行う。

グラビアコーターとは、例えば、グラビアロールと呼ばれるロールが、液供給パンから塗液を掻き揚げ、ブレードにより余分な塗液を掻き落としつつフィルムに塗装をおこなう方式である。この方式によれば、集電孔側壁部および周縁部に均一な樹脂被覆ができ、またロールツーロールによる樹脂被覆が可能なため生産性も高い。

ダイコーターは、塗液タンクからコーターまでの間は閉サイクルであり、タンクから供給された塗液が全量塗布される。この場合、密閉構造のため異物混入のリスクが排除出来る。さらに、ストライプ塗工やパターン（間欠）塗工も自由であるため、保護樹脂の被覆を目的の個所に限定でき、保護樹脂の使用量を低減することができる。

前記図２の実施形態に関わる実施例について、以下に述べる。図２において、基板Sは厚さ50μmのポリイミドフィルムを用い、スパッタリングしたAg膜を第１電極E1および裏面電極E3とした。また貫通孔H（直径1.5mmの円形）はパンチングによって開け、光電変換層PにはプラズマCVDで成膜したアモルファスシリコン膜、第２電極E2にはスパッタリングで成膜したITOを用いた。こうして得られた太陽電池素子の裏面電極E3面側に、アクリル系接着剤を塗布したPETフィルム（厚み12μm）を張り合せた（図２(a)）。

次に、ダイコーターにより溶剤可溶型フッ素樹脂塗料（トウペ製ニューガーメットDC230）を、貫通孔の孔部に充填するとともにその周縁部および図示しないレーザーパターニング部分に被覆した。被覆はダイコーターヘッドの制御により、間欠したストライプパターンで塗布した。被覆厚さは10μmとした（図２(b)）。

その後、トンネル型乾燥炉（雰囲気温度150℃）で3分乾燥硬化した後、基板裏面に張り合わせたPET樹脂を剥離した（図２(c)）。

次にこの両面に接着性樹脂封止材としてEVAフィルムJ1、J2を、さらにその外側に防湿フィルムJ3としてフッ素系樹脂であるETFEフィルムを被せ、真空引き後、温度150℃とし大気圧によるプレスにより、20分の加熱、加圧処理を行うことにより硬化させた（図２(d)）。

以上により作成した太陽電池モジュールについて、高温高湿雰囲気（85℃95％）での暴露試験をおこなった。その結果を、比較例（集電孔およびその周縁部ならびにパターニングライン部に保護樹脂の被覆を施さない場合）と共に図３に示す。図３においては、初期の太陽電池モジュールの出力を100％として、出力の経時変化を示す。比較例の場合には、試験時間約1000hで集電孔近傍に電極層の剥離が生じ、出力が急激に低下した。一方、集電孔とその周縁部、およびレーザーパターニングライン部に保護樹脂を被覆した本発明の実施例の場合には、試験時間が約3000hにおいても、初期の90％の高い出力が維持できた。

本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの部分断面図。図１とは異なる実施形態の太陽電池モジュールの部分断面図。実施例に係る太陽電池モジュールの高温高湿暴露試験における太陽電池出力の経時変化を示す図。従来のＳＣＡＦ型薄膜太陽電池の構成を示す部分断面図。図４に示す薄膜太陽電池を用いた太陽電池モジュールの部分断面図。

符号の説明

S 基板
E1 第１電極
E2 第２電極
E3 第３電極
E4 第４電極
Er 裏面電極
P 光電変換層
H1 接続孔
H2 集電孔
J1 受光面側の接着性樹脂封止材
J2 裏面側の接着性樹脂封止材
F 保護樹脂材
J3 表面保護フィルム
B 背面補強板

Claims

電気絶縁性を有するフィルム基板の表面に下電極層としての第１電極層，光電変換層，透明電極層としての第２電極層を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した裏面電極層とを備え、前記光電変換部および裏面電極層は互いに位置をずらして単位部分にパターニングラインにより電気的に分離してなり、少なくとも前記第２電極層と裏面電極層とを前記フィルム基板を貫通する集電孔を介して電気的に接続してなる薄膜太陽電池を、前記フィルム基板の両面側から接着性樹脂封止材により封止してなる太陽電池モジュールにおいて、前記集電孔の側面および周縁部ならびに前記パターニングライン部は、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により絶縁被覆されてなることを特徴とする太陽電池モジュール。
電気絶縁性を有するフィルム基板の表面に下電極層としての第１電極層，光電変換層，透明電極層としての第２電極層を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した裏面電極層とを備え、前記光電変換部および裏面電極層は互いに位置をずらして単位部分にパターニングラインにより電気的に分離してなり、前記光電変換層内に形成した接続孔ならびに集電孔を介して、前記表面上の互いにパターニングされて隣合う単位光電変換部分を電気的に直列に接続してなる薄膜太陽電池を、前記フィルム基板の両面側から接着性樹脂封止材により封止してなる太陽電池モジュールにおいて、前記接続孔と集電孔の側面および周縁部ならびに前記パターニングライン部は、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により絶縁被覆されてなることを特徴とする太陽電池モジュール。
請求項１または２に記載の太陽電池モジュールにおいて、前記接着性樹脂封止材は、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）とし、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料は、溶剤可溶性フッ素樹脂とすることを特徴とする太陽電池モジュール。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールの製造方法であって、前記薄膜太陽電池を形成する工程と、前記薄膜太陽電池における裏面電極層形成面に可とう性フィルムを張り合わせ、前記張り合わせた状態で、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により、前記集電孔または接続孔の側面および周縁部ならびに前記パターニングライン部を絶縁被覆する工程と、前記可とう性フィルムを剥離する工程と、前記フィルム基板の両面側から接着性樹脂封止材により薄膜太陽電池を封止する工程とを含むことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
請求項４に記載の太陽電池モジュールの製造方法において、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により絶縁被覆する工程は、グラビアコーターを用いて行うことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
請求項４に記載の太陽電池モジュールの製造方法において、前記接着性樹脂封止材とは異なる電気絶縁性材料により絶縁被覆する工程は、ダイコーターを用いて行うことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。