JP2007123725A - Ｃｉｓ系薄膜太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストで、長期の耐久性を有する太陽電池モジュールを得る。
【解決手段】ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１は、ガラス基板２Ａ上に形成されたＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２に、加熱して架橋したエチレンビニルアセテート（以下、ＥＶＡという。）樹脂フィルム３（又はシート）を接着剤として、安価で耐久性のある白板半強化ガラス等からなるカバーガラス４を貼着する。ＥＶＡ樹脂フィルム３を使用することにより、ＥＶＡ樹脂の使用量を削減する。前記架橋する際に真空吸引してＥＶＡ樹脂フィルムから発生するガス分を吸引し、泡等の発生を防止する。ガラス基板のサーキット設置面と反対面に、大容量の蓄電キャパシタ９を設け、その光発電電力を蓄電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多元化合物半導体薄膜を光吸収層として使用したヘテロ接合薄膜太陽電池デバイスから構成されるＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール、その製造方法及び該モジュールの設置方法に関する。
ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールは、近年、広範囲に実用化が可能であるとみなされ、米国、ドイツ等で商業化され、日本でも精力的に高性能化と製造技術の開発が進められている。これまでの研究開発では、モジュールの長期の耐久性に関する作製例、環境試験による評価例として、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールは薄型、省資源、大面積で大量生産可能である特徴を有するが、その耐久性に関する研究例は少ない。一方、Ｓｉ結晶系の太陽電池モジュールにおいて、耐久性を維持するため、複数のＳｉ結晶系太陽電池セルをリボン導線等により電気的に接続した太陽電池アレイを、２枚のガラス板等の透光性を有する板で挟み、この太陽電池アレイを架橋したＥＶＡ樹脂中に埋め込むか又は架橋したＥＶＡ樹脂で封入する方法（又は構造）（例えば、特許文献１参照。）が採用されていた。しかし、前記Ｓｉ結晶系の太陽電池モジュールの場合は、光入射側のカバーガラスの他に太陽電池アレイを挟持するためのガラス板を必要とする（ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールはガラス基板上に太陽電池モジュールが形成されるので、ガラス板はカバーガラス１枚で済む。）ため、透光性を有するガラス板の使用枚数が増加すると共に、高価なＥＶＡ樹脂を多量に使用するため、コスト増加の要因となっていた。ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールは比較的機械的強度の高いガラス基板上に複数の太陽電池デバイスが形成されているという、前記Ｓｉ結晶系の太陽電池モジュールとその基本構造が異なり、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールに適合した耐久構造が求められている。
また、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールは薄型、省資源、大面積という特徴を有するが、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールで発電された電力はモジュール外に設けた鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッカド電池、リチウム電池等の二次電池に蓄電して使用又は売電されているが、これら二次電池はその蓄電容量、重量及び体積等に問題があり、太陽電池モジュールと一体構造にすることはできなかった。
しかし、近年、軽量、薄型で大容量の蓄電素子であるキャパシタ（例えば、特許文献２及び非特許文献１参照。）の研究が進みその様々な用途が考えられている。
そして、太陽電池モジュールと前記蓄電用キャパシタとを一体構造にする試み（例えば、特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２参照。）もなされているが、前記太陽電池モジュールがＳｉ結晶系の太陽電池モジュールの場合、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールのように大面積でなく、機械的強度の高いガラス基板を使用していないため、太陽電池モジュールと蓄電用キャパシタとを一体構造にするには、機械的強度を維持するための機構部材を別途設ける必要があり、重量、体積及びコストが増大するという問題がある。
特開２００５−１２３５５２号公報 特表２００１−５０３１９７号公報 Ｊｏｉｎｔ Ｒｅｓｅｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｒｉｖａｔｅ Ｓｅｃｔｏｒｓ ２６、「ＣＮＴ応用大容量キャパシタの製造技術の開発」（第２６頁） Ｆｏｃｕｓ ＮＥＤＯ Ｖｏｌ．３ Ｎｏ．１４、ＲｅＳｕｌｔ＆Ｒｅｐｏｒｔ 成果報告３、「電気二重層キャパシタと面状発光体を組み込んだ一体型ソーラーモジュールの開発」（第１１頁〜第１２頁）
本発明は前記のような問題点を解消するもので、本発明の目的は、低コストで屋外環境での使用に耐える長期の耐久性を有するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを得ることである。
本発明は前記のような問題点を解消するもので、本発明の目的は、真空脱気後、ＥＶＡ樹脂フィルムを加熱溶融拡散させた後に、大気圧でＥＶＡ樹脂フィルムを架橋することにより、ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット中の泡の発生を防止する。
本発明のその他の目的は、高価なバックシートの使用量を削減して、コストを削減することである。
更に、本発明のその他の目的は、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールのＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部のガラス基板の裏面（太陽光入射面と反対面）に薄型、軽量で且つ大容量の蓄電デバイスである蓄電キャパシタを設けることにより、低コストで長期の耐久性を有すると共に、小型、軽量で且つ大容量の蓄電能力を有するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを得ることである。
更に、本発明のその他の目的は、低コストで長期の耐久性を有すると共に、前記蓄電能力を有するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールにより、廉価の夜間電力を蓄電キャパシタに蓄電し、昼間の太陽光発電電力を使用又は売電することにより、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの設置又は使用コストを低減することである。
（１）本発明は、ガラス基板上に、アルカリバリア層、金属裏面電極層、光吸収層、バッファ層、窓層の順に積層された複数のＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部が導電パターンにより電気的に接続されたＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット（又はサブモジュール）に、加熱して重合反応を起こさせて架橋したエチレンビニルアセテート（以下、ＥＶＡという。）樹脂フィルム（又はシート）を接着剤として、白板半強化ガラス等からなるカバーガラスを貼着した構造からなるＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールである。
（２）本発明は、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット（又はサブモジュール）のガラス基板の光入射面と反対面（太陽電池サーキット設置面と反対面）の外周部にバックシートを貼着した構造からなる前記（１）に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールである。
（３）本発明は、前記ガラス基板の所定箇所にＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット面からその反対側の面に貫通する穴を設け、その内壁に導電膜を形成し、前記導電膜はＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキットとその反対側の面に設置される電子部品と接続する前記（１）又は（２）に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールである。
（４）本発明は、前記ガラス基板のＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット設置面と反対面に、大容量の蓄電キャパシタを設けた前記（１）、（２）又は（３）に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールである。
（５）本発明は、前記蓄電キャパシタが、昼間に前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキットの光発電電力を蓄電し、夜間に廉価な夜間電力を蓄電する前記（３）に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールである。
（６）本発明は、ガラス基板上に、アルカリバリア層、金属裏面電極層、光吸収層、バッファ層、窓層の順に積層された複数のＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部が導電パターンにより電気的に接続されたＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット（又はサブモジュール）に、加熱して重合反応を起こさせて架橋し、接着剤として作用するエチレンビニルアセテート（以下、ＥＶＡという。）樹脂フィルム（又はシート）を介して、白板半強化ガラス等からなるカバーガラスを貼着するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの製造方法である。
（７）本発明は、前記ＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）を架橋する際に発生するガス分を真空吸引して、泡等の発生を防止する前記（６）に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの製造方法である。
（８）本発明は、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット上にガラス基板と同サイズのＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）を載せ、四隅に短冊状に切ったＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）を載せ、その上にカバーガラスを載せ、このＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキットとカバーガラスの間に前記ＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）が挟持された構造体を真空加熱装置に入れ、真空脱気しつつ、８０〜１２０℃まで加熱（ホットプレート）して前記ＥＶＡ樹脂シートをガラス全面に溶融拡散させた後、徐々に大気に戻し加圧した後、１４０℃〜１５０℃の温度で加熱（ホットプレート）して前記ＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）を架橋する前記（６）及び（７）に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの製造方法である。
本発明は、加熱により重合反応させて架橋させることにより、ＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）を接着剤として使用し、前記架橋したＥＶＡ樹脂フィルムを介してＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部（サーキット又はサブモジュール）に、白板半強化ガラス等からなるカバーガラスを貼着することにより、低コストで屋外環境での使用に耐える長期の耐久性を有するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを得ることができる。
本発明は、ＥＶＡ樹脂フィルムを架橋する際、真空脱気しつつ、加熱することにより、ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット中の泡の発生を防止することができる。
本発明は、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールのＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部のガラス基板の裏面（太陽光入射面と反対面）に設ける高価なバックシートをモジュールの一部（周辺部）に設けることにより、バックシートの使用量を削減して、低コストで長期の耐久性を有するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを得ることができる。
更に、本発明は、低コストで長期の耐久性を有すると共に、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールのＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部のガラス基板の裏面（太陽光入射面と反対面）に、近年開発且つ製品化されている薄型、軽量で且つ大容量の蓄電デバイスである蓄電キャパシタを設けることにより、小型、軽量で且つ大容量の蓄電能力を有するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを得ることができる。
更に、本発明は、低コストで長期の耐久性を有すると共に、前記蓄電能力を有するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを設けることにより、廉価の夜間電力を蓄電キャパシタに蓄電し、昼間の太陽光発電電力を使用又は売電することにより、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの設置又は使用コストを低減することができる。
本発明は、ＣＩＳ系薄膜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。ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１は、図１に示す、多元化合物半導体薄膜を光吸収層として使用したヘテロ接合薄膜太陽電池、特に、Cu-III-VI2族カルコパイライト半導体、例えば、二セレン化銅インジウム(CISe)、二セレン化銅インジウム・ガリウム(CIGSe) 、二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(CIGSSe)、二イオウ化銅インジウム・ガリウム(CIGS)又は薄膜の二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(CIGSSe)層を表面層として有する二セレン化銅インジウム・ガリウム(CIGSe) のようなｐ形半導体の光吸収層とｐｎヘテロ接合を有するＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット（複数のＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス２’がパターンニングにより接続されたサーキット（又はサブモジュール））２からなるＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールであり、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１は、図２に示すように、ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２にカバーガラス４が接着剤としての架橋されたＥＶＡ樹脂等のプラスチック樹脂フィルム（又はシート）３により接着された構造体ＳＴが形成される。そして、図１に示すように、前記構造体ＳＴの裏面に、バックシート５及びケーブル付き接続箱６が設置され、この構造体ＳＴの外周部にシール材７を介してフレーム８が取り付けられる。
また、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部２’は、図３に示すように、ガラス基板２Ａ上に、アルカリバリア層２Ｂ、金属裏面電極層２Ｃ、ｐ形半導体の光吸収層２Ｄ、高抵抗のバッファ層２Ｅ、ｎ形の透明導電膜からなる窓層２Ｆの順に積層された積層構造である。
本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１の特徴は、ガラス基板２Ａ上に形成したＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２に、加熱して重合反応を起こさせて架橋したエチレンビニルアセテート（以下、ＥＶＡという。）樹脂フィルム（又はシート、以下、フィルムという。）３を接着剤として、比較的安価で機械的強度が高く耐久性のある白板半強化ガラス等からなるカバーガラス４を貼着した構造を採っている。前記ＥＶＡ樹脂フィルム３を使用することにより、ＥＶＡ樹脂の使用量が削減され製造コストを削減することができる。また、前記カバーガラス４に白板半強化ガラスを使用することにより、耐久性を向上することができる。
前記ＥＶＡ樹脂フィルム３を架橋する際に発生するガス分を真空吸引して、泡等の発生を防止する。
前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２にカバーガラス４が接着剤としての架橋されたＥＶＡ樹脂等のプラスチック樹脂フィルム３により接着された構造体ＳＴの製造方法の詳細を以下に示す。
前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２上にガラス基板２Ａと同サイズのＥＶＡ樹脂フィルム３を載せ、更に、四隅に短冊状に切ったＥＶＡ樹脂フィルム３Ａ（図示省略）を載せ、その上にカバーガラス４を載せ、このＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２とカバーガラス４の間に前記ＥＶＡ樹脂フィルム３及び３Ａが挟持された構造体ＳＴを真空加熱装置に入れ、真空脱気しつつ、８０〜１２０℃まで加熱（ホットプレート）して前記ＥＶＡ樹脂フィルムをガラス全面に溶融拡散させた後、徐々に大気に戻し加圧した後、１４０℃〜１５０℃の温度で加熱（ホットプレート）して前記ＥＶＡ樹脂フィルム３及び３Ａを架橋する。なお、前記四隅に短冊状に切ったＥＶＡ樹脂フィルム３Ａを載せる理由は、ガラス基板２Ａと同サイズのＥＶＡ樹脂フィルム３を載せるだけでは、加圧時に溶融したＥＶＡ樹脂が四隅からはみ出して端が薄くなりＥＶＡ樹脂層の厚みが一定にならないので、これを補充するたのものである。
前記方法のように真空脱気しつつ、加熱して溶融拡散することにより、ＥＶＡ樹脂フィルム３及び３ＡとＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２との間及びＥＶＡ樹脂フィルム３及び３Ａとカバーガラス４との間に残存する空気や、加熱によりＥＶＡ樹脂フィルム３及び３Ａから発生するガスを脱気することにより、前記構造体ＳＴ中に前記空気やＥＶＡ樹脂フィルム３からの発生ガスによる泡の発生を防止することができ、光の透過率及び美観の低下を防止することができる。また、フイルム状又はシート状のＥＶＡ樹脂フィルム３及び３Ａを使用するため、ＥＶＡ樹脂の使用量が削減され、製造コストを低減することができる。
本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１は、図１に示すように、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２のガラス基板２Ａの光入射面と反対面（太陽電池サーキット設置面と反対面）にバックシート５を貼着しているが、図５に示すように、前記バックシート５をＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１の外周部（フレーム８の近傍）に設けることにより、バックシート５の使用量が削減され、製造コストを削減することができる。
更に、本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１の特徴は、予め、前記ガラス基板２Ａの所定箇所にＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット面からその反対側の面に貫通する穴を設けておき、金属裏面電極層又は導電パターンの形成時に、その内壁に導電膜を形成する。前記導電膜はＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２とその反対側の面に設置される電子部品との接続の際に使用される。
更に、本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１の特徴は、図４に示すように、前記ガラス基板２ＡのＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット設置面と反対面に、大容量の蓄電キャパシタ９を設けることである。前記蓄電キャパシタ９はそれが設置されているガラス基板上のＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２の発電能力と同等のものを各モジュール１毎に設置する。また、ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット２発電能力以上の蓄電容量を有するものを使用する場合には、その蓄電容量に応じて、図１に示す蓄電キャパシタ９を有しないＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１と組み合わせて設置する。なお、蓄電キャパシタ９を有するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１は、電力会社からの電力供給口近傍又は屋根面の上端、下端、側端等の周辺部に設置することにより、モジュール１の故障又は交換等の際に都合が良い。
更に、本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１の特徴は、前記蓄電キャパシタ９を具備するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１は、昼間に前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール１の光発電電力を蓄電し、夜間に廉価な夜間電力を蓄電することができ、設置後の維持コストを削減することができる。
本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの構成図である。 ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの基本構造体の構成図である。 ＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイスの構成図である。 基本構造体に蓄電用キャパシタを設置したＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの構成図である。 本発明の変形バックシートを設置したＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの構成図である。
符号の説明
１ ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール
２ ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット
２’ ＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部
２Ａ ガラス基板
２Ｂ アルカリバリア層
２Ｃ 金属裏面電極層
２Ｄ 光吸収層
２Ｅ バッファ層
２Ｆ 窓層
３ ＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）
３Ａ 短冊状のＥＶＡ樹脂フィルム
４ カバーガラス
５ バックシート
６ ケーブル付き接続箱
７ シール材
８ フレーム
９ 蓄電用キャパシタ
ＳＴ 構造体

Claims (8)

  1. ガラス基板上に、アルカリバリア層、金属裏面電極層、光吸収層、バッファ層、窓層の順に積層された複数のＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部が導電パターンにより電気的に接続されたＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット（又はサブモジュール）に、加熱して重合反応を起こさせて架橋したエチレンビニルアセテート（以下、ＥＶＡという。）樹脂フィルム（又はシート）を接着剤として、白板半強化ガラス等からなるカバーガラスを貼着した構造からなることを特徴とするＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール。
  2. 前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット（又はサブモジュール）のガラス基板の光入射面と反対面（太陽電池サーキット設置面と反対面）の外周部にバックシートを貼着した構造からなることを特徴とする請求項１に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール。
  3. 前記ガラス基板の所定箇所にＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット面からその反対側の面に貫通する穴を設け、その内壁に導電膜を形成し、前記導電膜はＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキットとその反対側の面に設置される電子部品と接続することを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール。
  4. 前記ガラス基板のＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット設置面と反対面に、大容量の蓄電キャパシタを設けたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール。
  5. 前記蓄電キャパシタは、昼間に前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキットの光発電電力を蓄電し、夜間に廉価な夜間電力を蓄電することを特徴とする請求項３に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール。
  6. ガラス基板上に、アルカリバリア層、金属裏面電極層、光吸収層、バッファ層、窓層の順に積層された複数のＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス部が導電パターンにより電気的に接続されたＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット（又はサブモジュール）に、加熱して重合反応を起こさせて架橋し、接着剤として作用するエチレンビニルアセテート（以下、ＥＶＡという。）樹脂フィルム（又はシート）を介して、白板半強化ガラス等からなるカバーガラスを貼着することを特徴とするＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
  7. 前記ＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）を架橋する際に発生するガス分を真空吸引して、泡等の発生を防止することを特徴とする請求項６に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
  8. 前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキット上にガラス基板と同サイズのフィルム状のＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）を載せ、四隅に短冊状に切ったＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）を載せ、その上にカバーガラスを載せ、このＣＩＳ系薄膜太陽電池サーキットとカバーガラスの間に前記ＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）が挟持された構造体を真空加熱装置に入れ、真空脱気しつつ、８０〜１２０℃まで加熱（ホットプレート）して前記ＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）をガラス全面に溶融拡散させた後、徐々に大気に戻し加圧し、１４０℃〜１５０℃の温度で加熱（ホットプレート）して前記ＥＶＡ樹脂フィルム（又はシート）を架橋することを特徴とする請求項６及び７に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
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