JP2006310798A - 太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの高騰を生起すること無く、太陽電池セルと配線部材の線膨張係数の差異による太陽電池セルの反りを低減させ、損傷を効果的に防止できる太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セル１を備え、隣接する太陽電池セル１を配線部材２により相互に電気的に接続して成るものであって、配線部材２は、母材の延伸方向の塑性ひずみが２％以下であり、太陽電池セル１は厚み２００ミクロン以下の結晶系ウエハで構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の太陽電池セルを備え、隣接する太陽電池セルを配線部材によって相互に接続して成る太陽電池モジュール及びその製造方法に関するものである。

近年、地球温暖化などの地球環境保全問題から、クリーンエネルギーへの期待が高まっており、太陽エネルギーを直接電気エネルギーに変換する太陽電池モジュールは、クリーンなエネルギー源として注目されている。この場合、太陽電池モジュールは複数の太陽電池セルを備え、これら隣接する太陽電池セルに例えばタブリードと称される配線部材を半田付け（或いは、ペースト）で相互に電気的に接続することにより構成されている

この場合、配線部材は隣接する一方の太陽電池セルの表面から他方の太陽電池セルの裏面まで渡る一連のものを使用する場合や（例えば、特許文献文献１参照）、一方の太陽電池セルの表面に接続された配線部材と、他方の太陽電池セルの裏面に接続された配線部材を相互に接続する場合がある（例えば、特許文献２参照）。

この配線部材は通常幅１．５ｍｍ〜２ｍｍ、厚さ１５０μｍ（ミクロン）〜２００μｍ程の銅箔から構成されており、製造工程ではまずボビンに巻回された状態で準備される。また、配線部材は予め半田で被覆されており、ボビンから所定寸法引き出して切断し、太陽電池セル上に載置して熱風或いはランプヒータなどで加熱し、半田付けするものであった。
特開２００４−３６３２９３ 特開２００２−３５９３８８

ここで、半田付けの際の熱によって膨張した配線部材とその部分の太陽電池セルは、その後の自然冷却によって収縮する。一方、銅の線膨張係数は、約１６．７×１０^-6／℃であるのに対して、太陽電池セルのシリコン基板の線膨張係数は約２．３３×１０^-6／℃である。従って、半田付け後の収縮は太陽電池セルよりも配線部材の方が大きくなり、太陽電池セルにはこの収縮量の違いに伴う作用力が加わることになる。

他方、配線部材は前述の如くボビンに巻回されている関係上、引き出された配線部材には巻き癖が付いていると共に、蛇行している場合もある。これは屈曲された配線部材の場合も同様であるが、係る巻き癖や蛇行が生じた非直線状のものでは太陽電池セルの所定位置への半田付け及び集電極からのズレが生じ、外観不良若しくは照射面積の低減により、特性低下が生じる可能性があるため、従来では切断された配線部材を所定加重で引っ張り、直線状に矯正するか、または直線状に配線部材を矯正した後、所定の長さに切断していた。

配線部材を太陽電池セルに半田付けした後では、上述したような収縮量の違いに伴う作用力が太陽電池セルに加わるが、太陽電池セルの表面側の配線部材と太陽電池セルの間と裏面側の配線部材と太陽電池セルの間に作用する力は、互いに打ち消し合う方向に働く。しかしながら、両者が全く同一であることは無く、結果として太陽電池セルに反りを生じさせる原因と考えられている。

ところで、従来の単結晶、多結晶型の太陽電池セルは３００μｍ〜３５０μｍ程の厚さ寸法があったため、係る配線部材の収縮による作用力が加わっても、太陽電池モジュールは図５に示すように反りが生じることは少なかった。尚、この図において、１は太陽電池セル、２は配線部材を示している。

しかしながら、太陽電池セルに一般的に用いられているウエハの寸法厚みは、材料コストを低減する目的からその厚さ寸法が１５０μｍ〜２００μｍ程度と極めて薄くなってきており、そのため、配線部材２の収縮が作用して太陽電池モジュールが図６のように大きく反ってしまう問題が生じる。

例えば、約１２５ｍｍ角、厚さ寸法が約２００μｍの結晶系ウエハから成る太陽電池セルの場合（太陽電池セルは１２５ｍｍ角以上の大きさが好ましい）では、図６の水平線Ｌから最も太陽電池セル１が離れた距離Ｄで定義される反り量は３ｍｍにも達することが分かっている。このような反りが生じると、製造工程で作業効率が悪化すると共に、割れやクラックなどの損傷が発生するため、製造歩留まりが低下し、また信頼性の低下が懸念される。

これを解消するため、前記文献１では線膨張係数が太陽電池セルの線膨張係数に近いチタンなどを配線部材として用いているが、このような金属は銅に比較して極めて高価であり、電気抵抗値も銅と比べ高いため、他の物質との組み合わせが必要となり、更に、部材コストが高騰する問題がある。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、コストの高騰を生起すること無く、太陽電池セルと配線部材の線膨張係数の差異による太陽電池セルの反りを低減させ、損傷を効果的に防止できる太陽電池モジュール及びその製造方法を提供するものである。

発明者らは、太陽電池セルの厚さ寸法が減少したときに顕著になる反りを低減するために、様々な検討を行った結果、図７に示すように、配線部材の非直線性を矯正する際の加重を減少させることが配線部材付けした太陽電池セルの反りを低減させることに有効であることを見出すに至った。また、図４に示すように、加重をかけることで配線部材の母材には塑性ひずみ（＝伸び量／初期長＝伸び率）が発生するが、この塑性ひずみ量が太陽電池セルの反りと相関があることが、更なる検討の結果明らかになった。

ここで、図９は太陽電池セルの反りと歩留まりとの関係を示し、図１０は配線部材の伸び率＝塑性ひずみ（＝伸び量／初期長）と太陽電池セルの反りの関係を示している。尚、図４、図７、図９、図１０において、配線部材は幅２ｍｍ、厚み１５０μｍの銅から成り、太陽電池セルは１２５ｍｍ角である。また、図７及び図９の厚みは太陽電池セル（基板）の厚みを示す。

図９から明らかな如く、太陽電池セルの反りが２ｍｍを超えると歩留まりが著しく低下する。従って、歩留まりを向上させるためには、太陽電池セルの反り量を２ｍｍ以下に低減させることが必要であることが分かる。そして、図７より１５０μｍの厚みの太陽電池セルの反りが２ｍｍになるときの配線部材に加えた加重は３．８ｋｇｆであることがわかり、図４よりそのときの配線部材の塑性ひずみ（伸び率）は０．５％であることが分かる。即ち、１５０μｍの厚みの太陽電池セルの反りを２ｍｍ以下に抑えるためには、配線部材の塑性ひずみを０．５％以下とすることが必要となることが分かる。

同様に１７０μｍの厚みの太陽電池セルの場合は配線部材の加重を４．２ｋｇｆ以下、即ち、塑性ひずみとしては１％以下、２００μｍの厚みの太陽電池セルの場合は配線部材の加重を４．５ｋｇｆ以下、即ち、塑性ひずみとしては２％以下とする必要がある。この様子が図１０に示されている。

また、太陽電池セルの反りを低減させることで歩留まり及び信頼性の向上が見込めるため、２００μｍの厚みの太陽電池セルの場合は配線部材の塑性ひずみを０．４％以下、１７０μｍの厚みの太陽電池セルの場合は配線部材の塑性ひずみを０．２％以下、１５０μｍの厚みの太陽電池セルの場合は配線部材の塑性ひずみを０．１％以下とすることで反り量を低減でき、より効果が見込める。

更には、配線部材を直線状に矯正できる塑性ひずみ（伸び率）は０％より大きく、０．０３％（図７）以下として反り量の低減に努めることが望ましい。しかしながら、生産性の観点からボビンに巻回された配線部材を直線状に矯正するためには、塑性ひずみは０．０３％超とすることが好ましい。

そこで、請求項１の発明の太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルを備え、隣接する太陽電池セルを配線部材により相互に電気的に接続して成るものであって、配線部材は、母材の延伸方向の塑性ひずみが２％以下であることを特徴とする。前記塑性ひずみは、０％より大きく、好ましくは、１％以下、より好ましくは０．５％以下である。

請求項２の発明の太陽電池モジュールは、上記において太陽電池セルが厚み２００ミクロン以下の結晶系ウエハで構成されていることを特徴とする。前記ウエハの厚みは１８０ミクロン以下でもよく、更には１５０ミクロン以下でもよい。

請求項３の発明の太陽電池モジュールは、上記各発明において太陽電池セルの表面側に接している部分と裏面側に接している部分とで、配線部材の母材の延伸方向の塑性ひずみが異なることを特徴とする。

請求項４の発明の太陽電池モジュールは、上記各発明において配線部材の母材が銅を含むことを特徴とする。

請求項５の発明の製造方法は、複数の太陽電池セルの隣接する太陽電池セルを配線部材により相互に電気的に接続して太陽電池モジュールを製造する方法であって、配線部材を太陽電池セルに接続する工程の前に、配線部材の直線性を矯正するための工程を備え、かつ、当該矯正工程では配線部材の母材の延伸方向の塑性ひずみが２％以下となるような範囲で当該配線部材を延伸方向に引っ張ることを特徴とする。

請求項６の発明の製造方法は、上記において矯正工程では、配線部材の太陽電池セル間に位置する部分に段差を設ける工程を利用し、段差を境として母材の延伸方向の塑性ひずみを変化させるように別々に延伸方向に引っ張ることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、複数の太陽電池セルを備え、隣接する太陽電池セルを配線部材により相互に電気的に接続して成る太陽電池モジュールにおいて、配線部材は、母材の延伸方向の塑性ひずみが２％以下であるので、太陽電池セルに（機械的に）接続した後の配線部材の収縮量が少なくなり、太陽電池セルと配線部材の線膨張係数の相違によって発生する太陽電池セルの反りを抑制することができるようになる。

これにより、配線部材として高価な材料を使用すること無く、太陽電池セルに発生する損傷を抑制し、歩留まりを改善することが可能となる。これは請求項２の発明のような太陽電池セルが厚み２００ミクロン以下の結晶系ウエハで構成されている場合で、特に、請求項４の発明のような配線部材が銅を含む場合に極めて効果的である。

また、太陽電池セルの表面と裏面にそれぞれ配線部材を接続しておいて、これら配線部材を相互に接続する方式の場合には、請求項３の発明のように太陽電池セルの表面側に接している部分と裏面側に接している部分とで、配線部材の母材の延伸方向の塑性ひずみが異なるものを用いれば、収縮が大きくなる方の面の配線部材として延伸方向の塑性ひずみが小さいものを用いることで、太陽電池セルの反りを一層抑制することが可能となる。

また、請求項５の発明によれば、複数の太陽電池セルの隣接する太陽電池セルを配線部材により相互に電気的に接続して太陽電池モジュールを製造するに当たり、配線部材を太陽電池セルに接続する工程の前に、配線部材の直線性を矯正するための工程を備え、かつ、当該矯正工程では配線部材の母材の延伸方向の塑性ひずみが２％以下となるような範囲で当該配線部材を延伸方向に引っ張るので、太陽電池セルに（機械的に）接続した後の配線部材の収縮量を少なくすることができるようになる。

これにより、太陽電池セルと配線部材の線膨張係数の相違によって発生する太陽電池セルの反りを抑制することができるようになり、配線部材として高価な材料を使用すること無く、太陽電池セルに発生する損傷を抑制し、製造工程での作業効率が向上すると共に、歩留まりを改善することが可能となり、またより信頼性が高い太陽電池モジュールを提供できる。

特に、請求項６の発明の如く矯正工程では、配線部材の太陽電池セル間に位置する部分に段差を設ける工程を利用し、段差を境として母材の延伸方向の塑性ひずみを変化させるように別々に延伸方向に引っ張るようにすれば、収縮が大きくなる方の面に配置される配線部材の延伸方向の塑性ひずみを小さくすることで、太陽電池セルの反りを一層抑制することが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。

図１は、本発明の一実施例を示す太陽電池のストリング３の側面図を示している。尚、以下に説明する実施例では単結晶シリコンや多結晶シリコンなどの結晶型の他、アモルファスシリコンを用いた非結晶型、或いは、単結晶を基板としてその両面にシリコンの非結晶層を形成した単結晶・アモルファスハイブリッド型などの結晶系ウエハを用いた太陽電池セル１などを用いることができるが、太陽電池セル１自体を製造する技術については、従来より周知の技術であるため詳細な説明を省略する。

実施例の太陽電池セル１は正方形または略正方形の約１２５ｍｍ角に形成されており、その基板（セル）の厚さ寸法は１５０μｍ〜２００μｍと極めて薄い。本実施例の太陽電池セルは、例えばシリコン単結晶基板の両面に２０ｎｍのアモルファスシリコン膜がそれぞれ被着形成され、該各アモルファスシリコン膜上に０．１ミクロン厚のＩＴＯ膜がそれぞれ被着形成されている。また、その両面には並行に２本の集電極（幅約２ｍｍ）が設けられ、集電極の両側には多数の分岐電極（幅約５０μｍ）が延長して設けられている。係る太陽電池セル１の集電極に対応してタブリードと称される配線部材２が半田付けされる。

この場合、配線部材２は幅約１．５ｍｍ〜２ｍｍの導電性を有する銅箔（母材）などにて構成されており、その表面は半田でメッキ被覆されている。そして、所定の搬送ベルト上に配置された複数の太陽電池セル１・・のうちの隣接する太陽電池セル１、１の一方の太陽電池セル１の表面（プラス側）から他方の太陽電池セル１の裏面（マイナス側）に渡って配線部材２を設け、上から熱風、或いは、ランプヒータによって＋２００℃〜＋３５０℃に加熱し、下面はホットプレートで保温することにより、配線部材２表面の半田を溶融（半田の溶融温度は約＋２２０℃）させて各太陽電池セル１、１に電気的に接続する（接続工程）。これを複数の太陽電池セル１・・に対して行うことにより、ストリング３を構成する。

このように構成された複数のストリング３を並列配置し、例えば光透過性及び耐候性を有するガラス板やプラスチック板或いは樹脂フィルムなどから成る図示しない表面部材と、樹脂フィルム、ガラス板やプラスチック板などから成る図示しない裏面部材間に、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）などの充填材で封止（加熱圧着）することにより、太陽電池モジュールを製造する。

ここで、配線部材２は図２に示すようにボビン４に巻回された状態である。そして、このボビン４から所定量引き出して切断し、使用するものであるが、引き出して切断した状態では図２にあるように配線部材２には巻き癖がついて湾曲している。また、幅１．５ｍｍ〜２ｍｍであるために蛇行している場合もある。そこで、上記接続工程の前に、同図の中央部に示すような治具６の開口部５を通し、或いは、ローラを用いてこの巻き癖及び蛇行を取り、規定以下の引っ張り力となるようにして直線状（図２）に矯正する（矯正工程）。

この場合、配線部材２には延伸方向にほとんど加重（力）を加えていないので、配線部材２は、ボビン４から引き出された状態（図２の右上の非直線状態）に対し、塑性ひずみ（＝伸び量／初期長＝伸び率）を殆ど生じること無く、太陽電池セルの配線に使用できる。従って、太陽電池セルの反りを大幅に抑制することが可能である。

図７に示すように、太陽電池セルの結晶系ウエハの厚さ寸法が１５０μｍ程度であった場合においても、反りを２ｍｍ以下に低減でき、その後のモジュール工程での歩留まりや生産性を大幅に改善できる。

これにより、配線部材２としてチタンなどの高価な材料を使用すること無く、従来と同様の配線部材を用いても、太陽電池セル１に発生する損傷を抑制し、製造工程における作業効率を向上させることができると共に、製造歩留まりを改善することが可能となる。

尚、上記実施例では配線部材２に延伸方向のほとんど加重を加えないで非直線性を矯正する場合について説明したが、配線部材２の仕様（厚みや幅など）によっては、延伸方向に或る程度の加重をかけないと効果的に矯正できない場合がある。

係る場合には、従前同様に半田付け前に配線部材２に延伸方向の加重をかけて非直線性を矯正することになるが、その場合にも、配線部材２の塑性ひずみを２％以下にすることで、２００μｍの厚さ寸法の結晶系ウエハの太陽電池セルでも反りを２ｍｍ以下に低減することができる。更に、配線部材２の塑性ひずみが１％以下であれば、１８０μｍ以下の、例えば１７０μｍの厚さ寸法の結晶系ウエハの太陽電池セルでも反りを２ｍｍ以下に低減できる。更にまた、配線部材２の塑性ひずみが０．５％以下であれば、１５０μｍ以下の、例えば１５０μｍの厚さ寸法の結晶系ウエハの太陽電池セルでも反りを２ｍｍ以下に低減できる（図４、図７）。

次に、図３は本発明の他の実施例を示している。この場合、配線部材２としては、太陽電池セル１の表面用の配線部材２Ａと、裏面用の配線部材２Ｂとが準備される。何れの配線部材２Ａ、２Ｂも前述同様の銅箔から構成され、半田で被覆されている。そして、配線部材２Ａは各太陽電池セル１の表面に、配線部材２Ｂは各太陽電池セル１の裏面に前述同様の方法で半田付けする。

ここで、各配線部材２Ａ、２Ｂの半田付け時に、前述の如く上方から熱風或いはランプヒータを照射し、搬送ベルトの下方に保温用のホットプレートを配置した場合、太陽電池セル１の表面（上面）は上方からの熱風やランプヒータにより直接加熱されるが、裏面（下面）は当該太陽電池セル１や配線部材２Ａを伝達して来た熱で加熱されることになる。また、半田付け後の温度低下の速度も、表面側が急速に温度低下し、裏面側は遅くなる。そのため、太陽電池セル１自体としても表面側での収縮量が裏面側より大きくなる傾向がある。

そこで、上述の方法とは異なり、太陽電池セル１の表面と裏面に予め配線部材２Ａ、２Ｂを半田付けしておいて隣接する太陽電池セル１、１の配線部材２Ａと２Ｂとを接続する方式の場合、裏面の配線部材２Ｂの延伸方向の塑性ひずみを、表面の配線部材２Ａの延伸方向の塑性ひずみより大きくしておけば、太陽電池セル１が図３の上方に反るのを裏面の配線部材２Ｂの収縮によって抑制することができるようになる。

また、逆に太陽電池セル１自体が図３とは反対側、即ち、下方に反るような場合には、表面配線部材２Ａの延伸方向の塑性ひずみを、裏面の配線部材２Ｂの延伸方向の塑性ひずみより大きくしておけば、太陽電池セル１の反り量を表面の配線部材２Ａの収縮によって抑制することができるようになる。

上記各配線部材２Ａ、２Ｂの延伸方向の塑性ひずみを異ならしめる方法としては、例えば、配線部材２Ｂの延伸方向の塑性ひずみを配線部材２Ａより大きくする場合には、配線部材２Ａとしては前述した如く伸長矯正しない方式で直線状に矯正したものを用い、配線部材２Ｂとしては伸長矯正によって直線状に矯正したものを用いることにより達成される。逆もまた同様である。また、配線部材２Ａ、２Ｂの延伸方向の塑性ひずみが異なるように引っ張り加重を異なるようにして配線部材２Ａ、２Ｂを矯正してもよい。

この実施例では、配線部材２Ａと配線部材２Ｂとで別々のものを準備したが、同一の配線部材を用い、部分的に塑性ひずみを変化させてもよい。一般に、図５に示すように太陽電池セル１と太陽電池セル１のほぼ中央部の配線部材２には、図８に示すような段差を設けているが、その段差工程を用いると段差工程後の前後で容易に加重を変えることが可能である。即ち、図８に示すように、段差部形成時には配線部材２を上下から治具７で押さえているので、そのときに配線部材２の左右方向に別の引っ張り加重（延伸方向の加重）をかければ、同一の配線部材でありながら、段差を境として塑性ひずみの異なる配線部材を実現することができる。

このように、太陽電池セル１の表面の配線部材と裏面の配線部材とで異なる延伸方向の塑性ひずみのものを用いれば、収縮が大きくなる方の面の配線部材の延伸方向の塑性ひずみを小さくすることで、太陽電池セル１の反りを一層抑制することが可能となるものである。

本発明では配線部材の塑性ひずみを変化させることで太陽電池セルの反りを抑えることができることを見出した。大きな塑性ひずみを与えた配線部材は、その柔軟性が損なわれ、線膨張係数の相違に起因する反りを緩和する力が損なわれると考えられるが、本発明の如く塑性ひずみを２％以下とすれば、係る反りを緩和する力が損なわれる不都合を防止若しくは抑制することができる。特に、太陽電池セルが正方形または略正方形の１２５ｍｍ角以上の大きさの場合に、効果が顕著となる。

尚、実施例ではボビンに巻回された配線部材を用いる場合について説明したが、それに限らず、屈曲された状態の配線部材を直線状に矯正して用いる場合にも本発明は有効である。また、実施例では表面に半田が被覆された配線部材を用いたが、ペーストを太陽電池セルに塗布して配線部材を接続する場合にも本発明は有効である。更に、実施例では太陽電池セルの両面に２本の集電極とその両側に多数の分岐電極を延長して設けたもので説明したが、それに限らず、更に多数（複数本）の集電極や、特に裏面ではプレート状の集電極を設けたものでもよい。

また、本実施形態で把握できる発明としては、他に以下のものが考えられる。即ち、
複数の太陽電池セルの隣接する太陽電池セルを配線部材により相互に電気的に接続して太陽電池モジュールを製造する方法であって、母材の塑性ひずみが２％以下の配線部材を準備する工程と、該配線部材により隣接する太陽電池セルを接続する工程とを含むことを特徴とする。
この接続は半田で行うのが好ましい。

本発明を適用した太陽電池モジュールのストリングの側面図である（実施例１）。 本発明における配線部材の矯正方法を説明する図である。 本発明を適用した他の実施例の太陽電池モジュールのストリングの側面図である（実施例３）。 配線部材を構成する銅箔の延伸方向の加重（引っ張り加重）に対する伸び率を示す図である。 厚さ寸法の大きい太陽電池セルを用いた従来のストリングの側面図である。 厚さ寸法の薄い太陽電池セルを用いた従来のストリングの側面図である。 配線部材の延伸方向の加重（引っ張り加重）に対する太陽電池セルの平均反り量を示す図である。 配線部材の段差を境に異なる延伸方向の塑性ひずみとする方法を説明する図である。 太陽電池セルの反りと歩留まりとの関係を示す図である。 配線部材の伸び率（＝塑性ひずみ）と太陽電池セルの反りの関係を示す図である。

符号の説明

１ 太陽電池セル
２、２Ａ、２Ｂ 配線部材
３ ストリング
４ ボビン

Claims (6)

1. 複数の太陽電池セルを備え、隣接する前記太陽電池セルを配線部材により相互に電気的に接続して成る太陽電池モジュールにおいて、
   前記配線部材は、母材の延伸方向の塑性ひずみが２％以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記太陽電池セルが厚み２００ミクロン以下の結晶系ウエハで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記太陽電池セルの表面側に接している部分と裏面側に接している部分とで、前記配線部材の母材の延伸方向の塑性ひずみが異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記配線部材の母材が銅を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の太陽電池モジュール。
5. 複数の太陽電池セルの隣接する太陽電池セルを配線部材により相互に電気的に接続して太陽電池モジュールを製造する方法であって、
   前記配線部材を前記太陽電池セルに接続する工程の前に、前記配線部材の直線性を矯正するための工程を備え、かつ、当該矯正工程では前記配線部材の母材の延伸方向の塑性ひずみが２％以下となるような範囲で当該配線部材を延伸方向に引っ張ることを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
6. 前記矯正工程では、前記配線部材の前記太陽電池セル間に位置する部分に段差を設ける工程を利用し、段差を境として前記母材の延伸方向の塑性ひずみを変化させるように別々に延伸方向に引っ張ることを特徴とする請求項５に記載の太陽電池モジュールの製造方法。

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