JP2007036005A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 大型で薄いシリコン基板を使用した太陽電池素子においてもクラックや割れの発生や電極の剥離を抑制し、これにより太陽電池モジュール製造工程の歩留りを向上させ、安価で信頼性の高い太陽電池モジュールを提供すること。
【解決手段】 隣接する２つの太陽電池素子の一方の太陽電池素子の受光面側電極と他方の太陽電池素子の裏面側電極を半田付けにて接続するために設けられた、金属箔に半田を被覆して成る帯状の太陽電池素子用接続導体であって、前記太陽電池素子用接続導体はアルミニウム箔の両主面にそれぞれ銅を積層した３層構造からなり、前記太陽電池素子用接続導体の太陽電池素子の受光面側電極と半田付けする側の銅の厚みを他方の銅の厚みより薄くしたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は太陽電池モジュールに関するものである。

太陽電池モジュールは、一般的にＰＮ接合した単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板の両主面に電極を形成した複数の太陽電池素子を、接続導体を用いて互いに接続するとともに、互いに接続された太陽電池素子をエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材で被覆した状態で、透光性基板とバックシートとの間で封入していた。

太陽電池素子を電気的に接続するには、帯状の接続導体を用いて太陽電池素子の受光面側電極、裏面側電極にハンダ付けすることにより行われている。

図６は２つの太陽電池素子を太陽電池素子用接続導体を用いて、直列に接続した状態を受光面側から観たものを示したものである。また図７は互いに接続される２つの太陽電池素子を接続導体を用いて接続した状態の断面を示したものである。

図６及び図７において１１は太陽電池素子用接続導体、１２ａ、１２ｂは太陽電池素子、１３は太陽電池素子の受光面側バスバー電極、１４はフィンガー電極、１５は裏面側バスバー電極を示す。ここで、受光面側バスバー電極１３、フィンガー電極１４は、受光面側電極であり、裏面側バスバー電極１５は裏面側電極である。

太陽電池素子１２ａ、１２ｂは、上述のように厚さ０．２〜０．４ｍｍ程度の単結晶や多結晶のシリコン基板で作られている。そのシリコン基板の内部にはホウ素が加えられたＰ層とリンなどの不純物が加えられたＮ層が接しているＰN接合（不図示）が形成されている。さらにそのシリコン基板の受光面側及び裏面側には受光面側電極、裏面側電極が形成されている。このシリコン基板の受光面側及び裏面側には、アルミニウムペーストや銀ペーストをスクリーン印刷・焼き付けにより受光面側電極、裏面側電極がそれぞれ形成され、必要に応じてこれらの電極表面はその保護と接続導体との接続し易くするために、ほぼ全面にわたり半田コートされる。

受光面側電極を構成するフィンガー電極１４は幅０．１〜０．２ｍｍ程度で、太陽電池素子の辺に平行に、光生成キャリヤーを収集するため多数本形成され、また裏面側においても同様のフィンガー電極を形成する。

受光面側電極を構成するバスバー電極１３と裏面側電極を構成するバスバー電極１５は収集されたキャリヤーを集電し、太陽電池素子用接続導体を取り付けるために幅１〜２ｍｍ程度で、フィンガー電極１４と垂直に交わるように２〜３本程度形成される。

尚、裏面側電極については、受光されない面であるため、シリコン基板の裏面のほぼ全面に、アルミニウムによる平面状電極を形成した後、バスバー電極１５を形成しても構わない。

接続導体１１は、厚さ０．１〜１．０ｍｍ程度の帯状の銅箔からなり、両主面に半田コートしたものが通常使用される。接続導体１１の幅は太陽電池素子１２ａ、１２ｂへの半田付け時に接続導体１１自身により太陽電池素子１２ａ、１２ｂの受光面に影を作らないように、受光面側バスバー電極１３の幅と同じかそれ以下にする。さらに接続導体１１の長さは受光面側バスバー電極１３と裏面側バスバー電極１５のほぼ全てに重なるようにする。一般的な１５０ｍｍ角の多結晶シリコン基板からなる太陽電池素子を使用する場合、接続導体１１の幅は１〜２ｍｍ程度、その長さは２５０〜３００ｍｍ程度である。接続導体１１が受光面側バスバー電極１３と裏面側バスバー電極１５のほぼ全てに重なるようにするのは、その抵抗成分を少なくするためである。

接続導体１１を太陽電池素子１２ｂの受光面上バスバー電極１３にハンダ付けするには、バスバー電極１３上に接続導体１１を配置し、仮保持ピンなどで接続導体１１を押さえながら、ホットエアーを吹き付けて、バスバー電極１３と接続導体１１とを、表面にコートしたハンダを溶融させてハンダ付けしている。（特許文献１の従来の技術参照）
この時太陽電池素子１２ｂと接続導体１１の温度は共にハンダの溶融温度（２００℃程度）以上に上昇する。これにおいて接続導体１３の材料である銅はその熱膨張係数が１６．７×１０^−６とシリコンの熱膨張係数が３．５×１０^−６に較べ大きな熱膨張係数であるため、両者のハンダ付け後、室温までその温度が低下した時にこの熱膨張率の差により、太陽電池素子１２ｂには、接続導体１１の熱収縮の応力によるクラックや割れ、電極１３、１５の剥離が発生する。

特に、最近の太陽電池モジュールでは、環境面への配慮から使用するハンダに鉛が実質的に含まれないものを使用するものが増えており、この鉛が実質的に含まれないハンダを使用した場合では、そのハンダの物性からハンダ付け温度が高くなるため、上記のような接続導体１１のハンダ付け後で、太陽電池素子１２ｂと接続導体１１との熱収縮率の差がさらに大きくなり、太陽電池素子１２ｂが割れたり、クラックが生じたり、またバスバー電極１３がシリコン基板より剥離してしまうことがあった。
特開２００４−２４７５９７号公報

上記のように太陽電池素子に太陽電池素子用接続導体の熱収縮によるクラックや割れ、電極の剥離が発生すると、太陽電池モジュールの製造工程における歩留りが低下するとともに太陽電池素子のクラックや割れ、電極の剥離を検査するための工数が多くかかるため、太陽電池モジュールのコストアップに繋がる。

本発明は係る問題に鑑みなされたものであり、その目的は太陽電池素子用接続導体の形状を変化させること無く、大型で薄いシリコン基板を使用した太陽電池素子においてもクラックの発生や電極の剥離を抑制し、これにより太陽電池モジュール製造工程の歩留りを向上させ、安価で信頼性の高い太陽電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、 受光面側電極と裏面側電極とが形成された複数の太陽電池素子を、互いに接続される一方の太陽電池素子の受光面側電極と他方の太陽電池素子の裏面側電極とに半田付けされる帯状の接続導体を用いて接続してなる太陽電池モジュールであって、前記接続導体は、アルミニウム箔の両主面にそれぞれ銅層を積層した構造からなり、前記太陽電池素子の受光面側電極に半田付けされる側の銅層の厚みを、他方の銅層の厚みより薄くしたことを特徴とする。

本発明の太陽電池モジュールによれば、アルミニウムは銅に較べ低耐力の金属であるため、これを接続導体に使用することにより接続導体が変形しやすくなり、太陽電池素子の形状によく追従するようになる。

また接続導体をアルミニウム箔の両主面側に銅層を積重した構造にすることにより、両主面側の銅層にメッキなどでハンダコートを簡単に施すことができ、従来の装置を改造等すること無く太陽電池素子の受光面側電極や裏面側電極にハンダ付けすることができる。

また前記積層構造の接続導体の１層目の銅の厚みをＴ１、３層目の銅の厚みをＴ３とした時に、Ｔ１＞Ｔ３として、さらに薄いＴ３層側を受光面側電極である細いバスバー電極（受光面積を確保すべく細くする）にハンダ付けする。これにより、接続導体の熱収縮が発生した場合も厚みの厚いＴ１側の大きな応力がアルミニウム部分で吸収でき、太陽電池素子のシリコン基板との接合強度が弱い受光面側のバスバー電極には、応力の小さな薄いＴ３層側がハンダ付けされるので、バスバー電極がシリコン基板より剥離してしまうことがなくなる。

以下、本発明の実施形態を添付図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明に係る太陽電池素子用接続導体２０の断面構造を示すものである。 図２は本発明に係る太陽電池モジュールを構成する互いに接続しあう太陽電池素子の接続状態を示す断面図である。

図１、図２において、符号２０は接続導体であり、２１は上層の銅層部分、２３はアルミニウム箔、２５は下層の銅層部分、２６、２７はハンダ層を示す。また３０は太陽電池素子であり、３１は太陽電池素子の受光面側バスバー電極、３２は裏面側バスバー電極を示す。

太陽電池素子３０は上述のように単結晶や多結晶シリコン基板から成り、その受光面側と裏面側にバスバー電極３１、３２などが設けられている。

図２に示すように本発明の太陽電池モジュールでは、互いに接続しあう２つの太陽電池素子が、帯状の接続導体２０によって接続される。具体的には、図に示すたとえば左側の太陽電池素子３０の受光面側電極であるバスバー電極３１には、厚みの薄い下層の銅部分２５（上記の厚みＴ３側）がハンダ付けされ、たとえば、右側の太陽電池素子３０の裏面側電極であるバスバー電極３２には、厚みの厚い上層の銅部分２１がハンダ付けされるようにする。

詳細には、接続導体２０は、アルミニウム箔２３の両側に銅層を積層した３層構造の材料であり、その表面にハンダ層２６、２７をコートして用いている。さらに上層の銅層２１、下層の銅層２５の厚みをそれぞれＴ１、Ｔ３としたときにＴ１＞Ｔ３の関係となっている。

このようなアルミニウム箔２３の両側に銅層２１、２５を積重した３層構造の材料は、例えば所定の厚みのアルミニウム箔２３の片面をレジストなどで覆った上で、片面ずつ銅メッキを施すことなどにより、両表面に銅層２１、２５を形成する。

さらに下記の表１は、本発明に用いる接続導体２０の総厚について、発明者らが繰り返し行った実験結果をまとめたものである。

また下記の表２は、本発明に係る接続導体の上層の銅部分２１の厚みＴ１について、発明者らが繰り返し行った実験結果をまとめたものである。

また下記の表３は、本発明に係る接続導体のアルミニウム部分２３の厚みＴ２について、発明者らが繰り返し行ったテストの結果をまとめたものである。

また下記の表４は、本発明に係る接続導体の下層の銅部分２５の厚みＴ３について、発明者らが繰り返し行ったテストの結果をまとめたものである。

以上の実験結果から考察すると、接続導体２０の総厚が１００μｍ未満では、接続導体２０の電気抵抗が大きくなり、このため太陽電池モジュールの出力が低下してしまうため好ましくない。また接続導体２０の総厚が１０００μｍを超すと、接続導体２０が厚くなりすぎ太陽電池モジュールの製造工程で減圧下で押圧するラミネートにおいて、その太陽電池素子用接続導体の厚みのため太陽電池素子が割れたり、クラックが入ることがあり、太陽電池モジュールが不良となることがある。

また上層の銅層２１の厚みＴ１が５０μｍ未満では、接続導体２０の抵抗が高くなりすぎ、太陽電池モジュールの出力が低下してしまうことがあり、８００μｍを超すとこの上層の銅層２１が直接半田付けされる太陽電池素子の裏面側電極に係る応力が大きくなり、太陽電池素子の裏面側電極が剥離することがある。

またアルミニウム箔２３の厚みＴ２が２０μｍ未満では、接続導体を太陽電池素子の各電極上にハンダ付け後、接続導体の熱収縮が発生した時に、上層の銅層２１の熱収縮をこのアルミニウム箔２３で十分吸収できず、太陽電池素子の電極剥離の発生を抑えることができない場合がある。また２００μｍを超して大きくしても大きな効果が得られず、接続導体２０が厚くなると共に接続導体２０の電気抵抗が銅層を厚くした場合に較べ高くなるので好ましくない。

さらに下層の銅層２５の厚みＴ３が１０μｍ未満では、接続導体２０を太陽電池素子の電極にハンダ付けする時に、ハンダの中に銅が溶け出す「銅食われ」といわれる現象が起こり、太陽電池素子用接続導体と電極の接合強度が極端に低下してしまい、太陽電池モジュール信頼性に影響を与えるため好ましくない。またこの部分の厚みが３００μｍを超すと、接続導体２０を太陽電池素子の受光面側電極にハンダ付けする時、接続導体２０の熱収縮する力が大きくなりすぎ、太陽電池素子の電極剥離が発生する場合がある。

よって、本発明に係る接続導体２０の総厚は１００〜１０００μｍであり、かつ上層の銅層２１の厚みＴ１は５０〜８００μｍ、アルミニウム箔２３の厚みＴ２は２０〜２００μｍ、下層の銅層２５の厚みＴ３は１０〜３００μｍであり、かつＴ１、Ｔ３の関係がＴ１＞Ｔ３となる接続導体材とすることが重要である。

このようなアルミニウム箔２３の両側に銅層を積層した３層構造の材料の両面にメッキやディッピングにより片面約２０〜７０μｍ程度のハンダ層２６、２７を形成する。このハンダ層は銅層の酸化などにより点状にコートできない部分や切り出した場合の端面を除き、その表面、裏面の略全面にコートされる。

図２では、本発明の太陽電池モジュールを構成する接続しあう２つの太陽電池素子の接続状態の断面を示すものである。尚図２において、ハンダ部分は省略してある。

図２に示すように接続導体２０の厚みの薄い下層の銅層２５（上記の厚みＴ３側）を、太陽電池素子３０の受光面側電極であるバスバー電極３１にハンダ付けされ、厚みの厚い上層の銅層２１が隣接する太陽電池素子の裏面側電極であるバスバー電極３２にハンダ付けされるようにする。

図３はこの厚みの薄い下層の銅部分２５が太陽電池素子３０の受光面側電極のバスバー電極３１にハンダ付けされた状態の断面を模式的に描いたものである。

このように接続導体２０の厚みの薄い下層の銅層２５が太陽電池素子の受光面側電極であるバスバー電極３１にハンダ付けされた場合、下層の銅層２５は、熱膨張率の差により太陽電池素子３０の収縮率以上に収縮するが、その厚みが薄いため太陽電池素子３０の電極３１を剥離させることはない。さらに厚みの厚い上層の銅層２１も熱膨張率の差により太陽電池素子３０以上に収縮するが、その間のアルミニウム箔２３が上層の銅層２１と下層の銅層２５に追従するように変形するため、接続導体２０の熱収縮に伴い太陽電池素子３０に発生する応力は、銅箔のみを使用した同じ厚みの接続導体に較べて極めて小さくなる。

また太陽電池素子の裏面側電極であるバスバー電極３２では、厚みの厚い上層の銅層２１がハンダ付けされることになるが、太陽電池素子３０の裏面側電極のバスバー電極３２は、バスバー電極３２の幅を太くしても受光面積に影響することがないため、通常裏面側のバスバー電極３２は受光面側電極であるバスバー電極３１に較べて、そのバスバー電極３２の幅を３〜５ｍｍ程度太くしている。このため裏面側電極であるバスバー電極３２とシリコン基板の接合強度は強いものとなっているので、裏面側電極であるバスバー電極３２が剥離することはない。

さらに本発明に用いる接続導体では、図１における上層の銅層２１、下層の銅層２５の両方又は厚みの厚い上層の銅層２１を無酸素銅にすることが望ましい。この無酸素銅は従来のものに較べ電気伝導率が２．５％程度高く、アルミニウムを使用したことによる接続導体の電気導電率の低下を低く抑えることができる。

図４は、太陽電池素子に接続導体を接続するための装置の主要部分を示したものである。

図４において３０は太陽電池素子、３１は太陽電池素子受光面側電極であるバスバー電極、３２は太陽電池素子裏面側電極であるバスバー電極、２０は接続導体、３６は押しつけピン、３７は熱風吹き出しノズルを示す。

接続導体２０の太陽電池素子３０の受光面側電極であるバスバー電極３１への取り付けは、太陽電池素子３０のバスバー電極３１の上に接続導体２０を位置させる。その後、仮保持用の押しつけピン３６を下ろし、接続導体２０をバスバー電極３１に押しつて仮保持を行う。その後、ノズル３７から、３５０から７００℃程度の熱風を数秒程度、上記の押しつけピン３６で接続導体２０をバスバー電極３１に押しつけている部分に吹き付け、接続導体２０のハンダとバスバー電極３１のハンダを融かし両者を接続する。その後ハンダが固化したら、押しつけピン３６を上げる。太陽電池素子３０の裏面側電極であるバスバー電極３２にも、同様に別の接続導体を接続する。

この様に接続導体２０をアルミニウム箔の両側に銅層を積層した３層構造にすることにより、両側の銅層にメッキなどでハンダコートを簡単に施すことができ、従来の装置を改造等すること無く太陽電池素子の受光面側電極、裏面側電極にハンダ付けすることができる。

また３層構造の接続導体２０の１層目の銅層２１の厚みをＴ１、２層目のアルミニウム箔２３の厚みをＴ２、３層目の銅層２５の厚みをＴ３とした時に、Ｔ１＞Ｔ３として、さらに一番薄い厚みＴ３の銅層２５を太陽電池素子３０の受光面側電極である細いバスバー電極３１にハンダ付けすることにより、低耐力であるアルミニウム箔２３で熱収縮による応力を吸収できるため、接続導体２０の熱収縮が発生した時もバスバー電極３１がシリコン基板より剥離してしまうことが無い。

図５は本発明に係る太陽電池モジュールの太陽電池パネル部の構造の一例を示す図である。

同図において、４１は透光性基板、４２は受光面側封止材、４３は太陽電池素子、４４は裏面側封止材、４５は裏面材、４６は太陽電池素子用接続導体である。

以下、各部材を述べる。

透光性基板４１としては、ガラスやポリカーボネート樹脂などからなる基板が用いられる。

ガラス板については、白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどが用いられるが、一般的には厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが使用される。

他方、ポリカーボネート樹脂などの合成樹脂からなる基板を用いた場合には、厚みが５ｍｍ程度のものが多く使用される。

受光面側封止材４２および裏面側封止材４４は、エチレン−酢酸ビニル共重合体（以下、エチレン−酢酸ビニル共重合体をＥＶＡと略す）から成り、厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状形態のものが用いられる。これらはラミネート装置により減圧下で加熱加圧を行うことで、融着して他の部材と一体化する。

ＥＶＡは、酸化チタンや顔料等を含有させ白色等に着色させてもよい。本発明に係る受光面側封止材４２においては、着色させると太陽電池素子４３に入射する光量が減少し、発電効率が低下する傾向にあり、望ましくは透明材にするとよい。

また、裏面側封止材４４に用いるＥＶＡは透明材により構成するとよいが、その他、太陽電池モジュールの周囲の設置環境に合わせて酸化チタンや顔料等を含有させ、これにより、白色等に着色させてもよい。

太陽電池素子４３、太陽電池素子用接続導体４６は、上記に詳細に述べた構造、形状を有するものである。

裏面材４５は水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シートやアルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）シートなどが用いられる。

本発明に係る太陽電池モジュールの製造方法は次の通りである。

まず以上の透光性基板４１、受光面側封止材４２、太陽電池素子用接続導体４６を接続した太陽電池素子４３、裏面側封止材４４、裏面材４５を重畳し、ラミネーターと呼ばれる装置にセットし、５０〜１５０Ｐａ程度の減圧下で１００から２００℃程度の温度で１５〜６０分間程度に加熱しながら加圧することにより一体化する。

作製された太陽電池パネル部の裏面に、外部回路接続用のケーブルを具備した端子ボックス（不図示）を接着材などで取り付ける。

さらに太陽電池モジュールとしての必要な強度の確保や太陽電池モジュールを建物等に設置するために必要なモジュール枠（不図示）を太陽電池パネル部の外周に嵌め込み、そのコーナー部をネジ止めして太陽電池モジュールが完成する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができる。例えば太陽電池素子は単結晶や多結晶シリコンなどの結晶系太陽電池に限定されるものではなく、薄膜系太陽電池などでも適用可能であり、さらに太陽電池素子用接続導体や太陽電池素子の電極をコートしているハンダは鉛を含有した共晶ハンダなどの他に鉛フリーのハンダでも応用可能であり、さらに太陽電池素子の電極にハンダコート行わないものでも応用可能である。

本発明に用いる接続導体の構造を示す断面図である。 本発明に係る太太陽電池モジュールを構成する接続しあう太陽電池素子の接続状態の断面図である。 下層の銅部分が太陽電池素子の受光面側電極であるバスバー電極にハンダ付けされた状態の断面を模式図である。 太陽電池素子に本発明に係る太陽電池素子用接続導体を接続する装置を示した概略図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの太陽電池パネル部の構造の一例を示す図である。 ２つの太陽電池素子を太陽電池素子用接続導体を用いて、直列に接続した状態を受光面側から観たものを示したものである。 ２つの太陽電池素子を太陽電池素子用接続導体を用いて、直列に接続した状態の断面を示したものである。

符号の説明

１１、２０、４６；太陽電池素子用接続導体
１２ａ、１２ｂ、３０、４３；太陽電池素子
１３、３１；太陽電池素子の受光面側バスバー電極
１４；フィンガー電極
１５、３２；裏面側バスバー電極
２１；上層の銅層
２３；アルミニウム箔
２５；下層の銅層
２６、２７；ハンダ層
３６；押しつけピン
３７；熱風吹き出しノズル
４１；透光性基板
４２；受光面側封止材
４４、裏面側封止材
４５；裏面材

Claims (1)

1. 受光面側電極と裏面側電極とが形成された複数の太陽電池素子を、互いに接続される一方の太陽電池素子の受光面側電極と他方の太陽電池素子の裏面側電極とに半田付けされる帯状の接続導体を用いて接続してなる太陽電池モジュールであって、
   前記接続導体は、アルミニウム箔の両主面にそれぞれ銅層を積層した構造からなり、前記太陽電池素子の受光面側電極に半田付けされる側の銅層の厚みを、他方の銅層の厚みより薄くしたことを特徴とする太陽電池モジュール。

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