JP2007235180A - Solar cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池モジュールに係り、特に、太陽光発電に用いられる薄膜太陽電池モジュールに関する。 The present invention relates to a solar cell module, and more particularly to a thin film solar cell module used for solar power generation.
太陽電池モジュールに求められる特性の一つに絶縁耐圧特性がある。太陽電池モジュールの絶縁耐圧特性は、一般には、太陽電池の端子とフレーム間の耐電圧を測定することにより把握することが出来る。 One of characteristics required for a solar cell module is a dielectric strength characteristic. The dielectric strength characteristics of the solar cell module can be generally grasped by measuring the withstand voltage between the terminals of the solar cell and the frame.
薄膜太陽電池は、透明電極層、光半導体層、金属層などの薄膜を積層することにより形成されるが、これらの層の多くは気相反応によって形成することが多く、この気相反応による積層工程において、いわゆる太陽電池の活性部分とそれ以外の部分とを分離することは困難である。場合によっては、これらの層が基板の裏側まで回り込んでいることがあり、このときはフレームを取り付けたときに、活性部分とフレームとが同電位になることが多い。そのため、従来の薄膜太陽電池においては、絶縁耐圧特性が劣るという欠点があった。 Thin film solar cells are formed by laminating thin films such as transparent electrode layers, optical semiconductor layers, metal layers, etc., but many of these layers are often formed by gas phase reactions. In the process, it is difficult to separate the so-called active portion of the solar cell from other portions. In some cases, these layers may extend to the back side of the substrate. In this case, when the frame is attached, the active portion and the frame are often at the same potential. For this reason, the conventional thin-film solar cell has a drawback that the dielectric strength characteristics are inferior.
このような問題をさけるために、集積化の際にパターニングに用いるレーザー光を用いて、太陽電池中央部の活性領域とフレームに電気的に接触する可能性のある周辺部とを電気的に分離する手法が提案されている。しかしながら、この方法は、レーザービームを集光して用いるため、分離幅が狭く、モジュール全周に渡って絶縁を維持することが困難になる。そのため、製造歩留りなどの信頼性が低く、生産性も低いため、工業的にこの技術を用いることはできなかった。 In order to avoid such problems, the laser light used for patterning during integration is used to electrically separate the active region at the center of the solar cell from the peripheral part that may be in electrical contact with the frame. A technique has been proposed. However, since this method uses a focused laser beam, the separation width is narrow, making it difficult to maintain insulation over the entire circumference of the module. For this reason, this technique cannot be used industrially because of low reliability such as manufacturing yield and low productivity.
本発明は、上記事情の下になされ、発電活性部分と周辺部、ひいては、フレームとの絶縁を、高い生産性で実現することを可能とした太陽電池モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made under the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solar cell module that can realize insulation between a power generation active portion and a peripheral portion, and thus a frame, with high productivity.
本発明の他の目的は、優れた絶縁耐圧特性を有するだけでなく、封止後の腐食などによる特性低下を発生させず、ガラス強度を維持し、かつ工程が安定で高い生産性で製造が可能な太陽電池モジュールを提供することにある。 Another object of the present invention is not only to have excellent withstand voltage characteristics, but also to prevent the deterioration of characteristics due to corrosion after sealing, to maintain the glass strength, and the process is stable and manufactured with high productivity. The object is to provide a possible solar cell module.
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、透光性基板上に形成された、透明電極層、光半導体層および金属層の少なくとも一部を光ビームによる加工によって複数のセルに分離し、相互に電気的に集積化してなり、端子及びフレームが取り付けられた薄膜太陽電池モジュールであって、前記透光性基板の周辺部における、前記透明電極層、前記光半導体層および前記金属層は機械的に除去されており、前記端子とフレーム間に1500Vの電圧を印加したときの抵抗値が100MΩ以上であることを特徴とする薄膜太陽電池モジュールを提供する。 In order to solve the above problems, according to one embodiment of the present invention, at least part of a transparent electrode layer, an optical semiconductor layer, and a metal layer formed over a light-transmitting substrate is separated into a plurality of cells by processing with a light beam. A thin-film solar cell module that is electrically integrated with each other and to which a terminal and a frame are attached, wherein the transparent electrode layer, the optical semiconductor layer, and the metal layer at the periphery of the translucent substrate are Provided is a thin film solar cell module which is mechanically removed and has a resistance value of 100 MΩ or more when a voltage of 1500 V is applied between the terminal and the frame.
本発明の薄膜太陽電池モジュールにおいて、前記透明電極層、前記光半導体層および前記金属層の機械的な除去は、表面研磨法、または微粒子の吹き付けによる機械的なエッチング法により行うことが出来る。後者の方法において、使用される微粒子は、100μm以下の粒径のものであることが好ましい。 In the thin film solar cell module of the present invention, the transparent electrode layer, the optical semiconductor layer, and the metal layer can be mechanically removed by a surface polishing method or a mechanical etching method by spraying fine particles. In the latter method, the fine particles used preferably have a particle size of 100 μm or less.
機械的な除去は前記透光性基板の表面に対しても行われ、機械的に除去された前記透光性基板、前記透明電極層、前記光半導体層および前記金属層の合計の深さは、5μmないし100μmであることが好ましく、10μmないし25μmであることがより好ましい。 Mechanical removal is also performed on the surface of the translucent substrate, and the total depth of the translucent substrate, the transparent electrode layer, the optical semiconductor layer, and the metal layer mechanically removed is 5 μm to 100 μm is preferable, and 10 μm to 25 μm is more preferable.
また、前記透光性基板の周辺の除去される部分の幅は、絶縁耐圧と有効面積率とから決定されるが、好ましくは0.5mm以上、より好ましくは0.5mmないし1cmであり、更に好ましくは1ないし5mmである。 Further, the width of the portion to be removed around the translucent substrate is determined from the withstand voltage and the effective area ratio, preferably 0.5 mm or more, more preferably 0.5 mm to 1 cm, Preferably it is 1 to 5 mm.
なお、本発明の薄膜太陽電池モジュールにおいて、透明電極層としては、酸化錫、酸化亜鉛、ITO等を用いることが出来る。また、光半導体層としては、シリコンを主成分とする層、例えばp型a−SiC:H層、i型a−Si:H層、およびn型微結晶Si:H層の積層構造を用いることが出来る。更に、金属層としては、銀、Al、Cr、Tiおよびこれらと金属酸化物との積層体等を用いることが出来る。 In the thin film solar cell module of the present invention, tin oxide, zinc oxide, ITO or the like can be used as the transparent electrode layer. As the optical semiconductor layer, a layer containing silicon as a main component, for example, a stacked structure of a p-type a-SiC: H layer, an i-type a-Si: H layer, and an n-type microcrystalline Si: H layer is used. I can do it. Furthermore, as the metal layer, silver, Al, Cr, Ti, a laminate of these and a metal oxide, or the like can be used.
以上のように構成される本発明の薄膜太陽電池モジュールでは、相互に分離、かつ集積された複数のセルからなる活性部分の周辺が、機械的に除去されているため、モジュールの全周にわたって、高い絶縁を維持することが出来、そのため、本発明によると、高い絶縁耐圧特性のモジュールを高歩留まりで得ることが可能である。 In the thin film solar cell module of the present invention configured as described above, since the periphery of the active portion consisting of a plurality of cells separated and integrated with each other is mechanically removed, High insulation can be maintained. Therefore, according to the present invention, a module having high withstand voltage characteristics can be obtained with high yield.
本発明によると、絶縁耐圧特性に優れた薄膜太陽電池モジュールを、極めて簡易なプロセスで、高い歩留まりで得ることが可能である。 According to the present invention, it is possible to obtain a thin film solar cell module excellent in dielectric strength characteristics with a high yield by an extremely simple process.
以下、本発明の実施の形態に係る種々の実施例について説明する。 Hereinafter, various examples according to the embodiment of the present invention will be described.
実施例1
図1は、本発明の一実施例に係る太陽電池モジュールを示す断面図である。図1に示す太陽電池モジュールは、次のように製造される。まず、面積92cmx46cm、厚さ4mmのソーダーライムガラスからなるガラス基板1上に、熱CVD法により酸化錫膜(厚さ8000Å)2を形成し、複数のセルを集積化するため、この酸化錫膜2をレーザースクライバーでパターニングし、透明電極とした。なお、参照符号3は、 透明電極スクライブ線を示す。
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a solar cell module according to an embodiment of the present invention. The solar cell module shown in FIG. 1 is manufactured as follows. First, a tin oxide film (thickness: 8000 mm) 2 is formed on a
パターニング方法としては、基板1をX−Yテーブル上にセットし、QスイッチYAGレーザーを用いて、分離加工を行った。レーザーの運転条件は、第2高調波532nmを用い、パルス幅3kHz、平均出力500nw、パルス幅10nsecであった。分離幅は50μm、ストリング(個別太陽電池)の幅は約10mmである。
As a patterning method, the
なお、基板の周囲から5mmの位置に、全周にわたり周辺部と太陽電池活性部を電気的に分離するために、図3に示すように、ストリング分離用の加工部12の他に、レーザーによるパターニングを施した。参照符号13は、それによって形成されたレーザー絶縁分離線を示す。
In order to electrically separate the peripheral portion and the solar cell active portion over the entire circumference at a
また、半田メッキ銅箔を用いて電極取り出し用の配線を形成するための領域14を、両端にあるストリング11a,11bの外側に、3.5mmの幅で残した。
Moreover, the area |
このようにしてパターニングされた酸化錫膜2の上に、分離形成型装置のプラズマCVD室内において、a―Si層4をプラズマCVD法により形成した。即ち、200℃で、p型a−SiC:H半導体層、i型a−Si:H半導体層、およびn型微結晶Si:H半導体層を順次堆積して、PIN接合を構成する積層a―Si層4を形成した。各層を形成するためには、流量がそれぞれ100sccm、500sccm、100sccmのSiH4 を用い、p型半導体層とn型半導体層を形成する場合にはそれぞれ1000ppmの水素希釈のB2 H6 とPH3 を2000sccm混入させた。
On the
また、p型半導体層の形成には、30sccmのCH4 も混入させることにより、炭素合金化を行った。各層を形成するための投入パワーは、それぞれ200W、500W、3kWであり、反応圧力はそれぞれ1torr、0.5torr、1torrであった。形成した層の膜厚は、製膜時間からそれぞれ150Å、3200Å、300Åと推定される。 In addition, the p-type semiconductor layer was formed by carbon alloying by mixing 30 sccm of CH 4 . The input power for forming each layer was 200 W, 500 W, and 3 kW, respectively, and the reaction pressure was 1 torr, 0.5 torr, and 1 torr, respectively. The film thicknesses of the formed layers are estimated to be 150 mm, 3200 mm, and 300 mm, respectively, from the film forming time.
このようにして各層の製膜を行った後、基板1をX−Yテーブル上にセットして、QスイッチYAGレーザーを用いて、 a―Si層4を、SnO2 層2のパターニング位置から100μmづつ左にずらしてパターニングを行った。レーザーの運転条件は、第2高調波532nmを用い、パルス幅3kHz、平均出力500mw、パルス幅10nsecであった。なお、焦点位置をずらすこととで、分離幅を100μmにした。参照符号5は、半導体スクライブ線を示す。
After forming each layer in this way, the
その後、マグネトロンスパッタ法により、RF放電でZnOターゲットを用いて、 パターニングされたa―Si層4上に、1000Åの膜厚のZnO層(図示せず)を形成した。スパッタ条件は、アルゴンガス圧力2mtorr、放電パワー200W、製膜温度200℃であった。 Thereafter, a ZnO layer (not shown) having a thickness of 1000 mm was formed on the patterned a-Si layer 4 by a magnetron sputtering method using a ZnO target by RF discharge. The sputtering conditions were an argon gas pressure of 2 mtorr, a discharge power of 200 W, and a film forming temperature of 200 ° C.
次に、 ZnO層上に、同じマグネトロンスパッタ装置のAgターゲットを用いることにより、直流放電および室温で、2000Åの膜厚の金属電極層6を形成した。スパッタ条件は、アルゴンガス圧力2mtorr、放電パワー200Wであった。
Next, a
最後に、マグネトロンスパッタ装置から基板1を取り出して、X−Yテーブル上にセットして、QスイッチYAGレーザーを用いてAg層およびa―Si層4
をパターニングして、半導体スクライブ線5から100μm離れた位置に裏面電極スクライブ線7を形成した。レーザーの運転条件は、a―Si層4の加工条件と全く同じであった。分離幅は70μm、ストリング幅は約10mmである。
Finally, the
The back
また、酸化錫膜2のときと同様に、基板の周囲から5mmの位置に全周にわたり周辺部と太陽電池活性部を電気的に分離するために、ストリング分離用の加工部の他にレーザーによるパターニングを施した。分割幅は150μmで酸化錫膜2の分離部13を包括するように加工した。
Further, as in the case of the
次に、このパターニングラインの外側0.5mmのさらに外側の部分15を全周にわたって、X―Yステージと、独自に開発したZ軸方向の微小調整が可能な平面回転歯を有する研磨機を用いて、約25μmの深さで研磨を行った。即ち、金属電極層6、ZnO層、a−Si層4および酸化錫膜2の膜厚全体を除去するとともに、ガラス基板1の表面部分を除去した。加工速度は3.5m/分であった。
Next, a polishing machine having an XY stage and a plane rotation tooth that can be finely adjusted in the Z-axis direction, which was originally developed, is used on the entire
その後、前述した配線用の位置14に半田メッキ銅箔からなるバスバー電極16を形成して、電極取り出しのための配線を行った。この電極16はストリングに平行となっている。
Thereafter, a
以上のように構成されるセルをモジュール化するために、EVAシートとフッ素系フィルムからなる保護フィルム8を真空ラミネータを用いて被覆して封止し、シリコーン樹脂9を充填し、かつ端子の形成とフレーム付けを行った。
In order to modularize the cell configured as described above, a
このようにして得た太陽電池モジュールについて、100mW/cm2 のAM1.5ソーラーシミュレーターを用いて、電流電圧特性を測定した。その結果、測定された太陽電池の特性は、短絡電流1240A、開放電圧44.2V、曲線因子0.68、最大出力37.3Wであった。 About the solar cell module obtained in this way, 100 mW / cm 2 The current-voltage characteristics were measured using an AM1.5 solar simulator. As a result, the measured characteristics of the solar cell were a short-circuit current of 1240 A, an open-circuit voltage of 44.2 V, a fill factor of 0.68, and a maximum output of 37.3 W.
次に、取り出し端子のプラスマイナス両極を電気的に短絡させ、端子とフレーム間に1500Vを印加して抵抗値を測定し、100MΩ以上であることを確認した。 Next, the positive and negative electrodes of the extraction terminal were electrically short-circuited, 1500 V was applied between the terminal and the frame, the resistance value was measured, and it was confirmed that it was 100 MΩ or more.
最後に、このモジュールを水中に15分間浸した後、上述した抵抗値を測定したが、やはり100MΩ以上であることが確認された。 Finally, after immersing this module in water for 15 minutes, the above-mentioned resistance value was measured, and it was confirmed that it was 100 MΩ or more.
実施例2
裏面金属層をレーザーパターニングした後に、研磨機の代わりにマスクとブラスト洗浄機を用いて、基板周辺の透明導電膜層、半導体層、裏面金属層、および基板表面を取り除いた以外は、実施例1と全く同様にして、太陽電池モジュールを作製し、同様の試験を行った。
Example 2
Example 1 except that after the backside metal layer was laser-patterned, the transparent conductive film layer, the semiconductor layer, the backside metal layer, and the substrate surface around the substrate were removed using a mask and a blast cleaning machine instead of the polishing machine. A solar cell module was produced in the same manner as described above, and the same test was performed.
マスクにはSUS板を用い、ブラストの平均粒径は約40μmであり、手動で操作して周辺部の機械的エッチングを行った。得られた特性は、実施例1とほぼ同じであり、短絡電流1240mA、開放電圧44.2V、曲線因子0.68、最大出力37.3Wであった。また、取り出し端子とフレーム間の抵抗値は、浸水前後でいづれも100MΩ以上であった。 An SUS plate was used as a mask, and the average particle size of the blast was about 40 μm. The peripheral portion was mechanically etched by manual operation. The obtained characteristics were almost the same as in Example 1. The short-circuit current was 1240 mA, the open-circuit voltage was 44.2 V, the fill factor was 0.68, and the maximum output was 37.3 W. Further, the resistance value between the takeout terminal and the frame was 100 MΩ or more before and after the flooding.
比較例
基板周辺の透明導電膜層、半導体層、裏面金属層、および基板表面を取り除かなかった以外は、実施例1と全く同様にして、図2に示すような太陽電池モジュールを作製し、同様の試験を行った。
Comparative Example A solar cell module as shown in FIG. 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the transparent conductive film layer, the semiconductor layer, the back metal layer, and the substrate surface around the substrate were not removed. The test was conducted.
得られた太陽電池の特性は、短絡電流1240mA、開放電圧43.1V、曲線因子0.68、最大出力36.3であり、実施例1、2とそれほど変らなかった。しかし、取り出し端子とフレーム間の抵抗値は、浸水前で800kΩ、浸水後で15kΩであり、実施例1、2と比べてかなり低い値であった。 The characteristics of the obtained solar cell were a short-circuit current of 1240 mA, an open-circuit voltage of 43.1 V, a fill factor of 0.68, and a maximum output of 36.3, which were not so different from those of Examples 1 and 2. However, the resistance value between the take-out terminal and the frame was 800 kΩ before the water immersion and 15 kΩ after the water immersion, which was a considerably low value compared to Examples 1 and 2.
本発明における実施例の結果では、フレームと端子間の絶縁抵抗値はいずれも100MΩ以上であり、浸水試験によってもこの値をクリヤーしていることがわかる。一方、本発明によらない比較例では太陽電池としては十分な電流電圧特性が得られているにもかかわらず、絶縁抵抗という意味では、本実施例に大きく見劣りがする結果となった。 From the results of the examples of the present invention, it can be seen that the insulation resistance value between the frame and the terminal is 100 MΩ or more, and this value is cleared also by the water immersion test. On the other hand, in the comparative example not according to the present invention, although sufficient current-voltage characteristics were obtained as a solar cell, the result of the present example was greatly inferior to the present example in terms of insulation resistance.
1…ガラス基板、2…酸化錫膜、3…透明電極スクライブ線、4…a―Si層、5…半導体スクライブ線、6…金属電極層、7…裏面電極スクライブ線、8…保護フィルム、9…シリコーン樹脂、11a,11b…両端のストリング、12…ストリング分離用加工部、13…レーザー絶縁分離線、14…配線部、15…研磨部、16…バスバー電極。
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