JP2007273830A - 太陽電池装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、熱膨張と収縮による基板の反り並びに割れを抑制し、歩留まりの良い製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 この発明は、太陽電池セル１０の電極に対してタブリード１４を接続して太陽電池装置を製造する方法において、タブリード１４は金属箔に半田層が被覆され、タブリード１４を太陽電池セル１０の電極上に当接させた状態で、温風ヒータ２２から熱風をタブリード１４に対して温風吹き出し口２２ａを走査させて付与し、タブリード１４を太陽電池セル１０の電極に対して半田付けすることを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

この発明は、太陽電池装置の製造過程において、太陽電池セルに対してタブリードを半田付けで接続する太陽電池装置の製造方法に関する。

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、太陽光を直接電気エネルギーに変換する太陽電池は、クリーンなエネルギー源として注目されている。斯かる太陽電池を家庭用或いはビル等の電源として用いるにあたっては、太陽電池セル１個あたりの出力が精々数Ｗ程度として小さいことから、通常複数の太陽電池セルを直列に接続することで、出力を数１００Ｗにまで高めた太陽電池モジュールとして使用されている。

この太陽電池モジュールは、太陽電池セルを一列に並べて隣り合う太陽電池セル同士をタブリードによって電気的に接続してストリングスを形成する工程と、このストリングスを並列に並べて配線によって電気的に接続する工程と、表面部材、表面側封止材シート、タブリード、配線などにより接続された複数の太陽電池セル、裏面側封止材シート、裏面部材を、この順序で積層し、ラミネータと呼ばれる装置にセットし、減圧下で加熱しながら押圧して一体化される工程と、経て製造される。

ストリングスを形成する工程において、太陽電池セルは、表面の電極と裏面の電極に対して、表面に半田がコーティングされた銅箔等からなる細長いテープ状のタブリードを用いて接続される。タブリードの前半部分は太陽電池セルの表面に沿って半田付けされ、タブリードの後半部分は、隣接する太陽電池セルの裏面に沿って半田付けされる。

従来、タブリードを半田付けする装置としては、複数の熱風吹き出し口を一直線状に配置してなる熱風吹き出し体を太陽電池セルの上方に配置して電極とタブリードとを半田付けする領域の略全面に熱風を与えるようにした装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５−２４３８３７号公報

特許文献１に記載のものにおいては、タブリード全体を加熱して半田付けしている。しかしながら、タブリード全体を加熱すると、タブリード中の金属、例えば、銅箔が熱膨張して延びた状態で半田が固まる。その後、常温までタブリードが冷えた時に、タブリード中の金属が収縮して、太陽電池セルに反りが発生するという問題があった。特に、太陽電池セルの基板厚さが薄くなるにつれ、反りの問題が顕著になってきており、セルの割れが発生するなどの問題が生じていた。

そこで、この発明は、熱膨張と収縮による基板の反り並びに割れを抑制し、歩留まりの良い製造方法を提供することを目的とする。

この発明は、太陽電池セルの電極に対してタブリードを接続して太陽電池装置を製造する方法において、前記タブリードは金属体に半田層が被覆され、前記タブリードを前記太陽電池セルの電極上に当接させた状態で、熱風供給手段から熱風を前記タブリードに対して相対的に移動する状態で付与し、前記タブリードを太陽電池セルの電極に対して半田付けすることを特徴とする。

前記太陽電池セルの表面または裏面をヒータにより予熱するように構成できる。

また、前記太陽電池セルの表裏面に熱風供給手段からの熱風が相対的に移動して付与されるように構成しても良い。

前記熱風供給手段が毎分５０ｍｍから３５０ｍｍの範囲で走査するとよい。

また、半田として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕを用いた場合、タブリードの表面温度が２４０℃から３００℃の範囲になるように前記熱風供給手段を制御すればよく、半田として、Ｓｎ−Ｂｉを用いた場合、タブリードの表面温度が１４０℃から２００℃の範囲になるように前記熱風供給手段を制御すれば良い。

この発明は、熱風供給手段から熱風を前記タブリードに対して相対的に移動する状態で付与させることで、タブリードに部分的に熱を与えることになり、タブリードの熱膨張、冷却、固定が部分的に行われ、太陽電池セルの反りを抑制することができる。

この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。

まず、この発明が適用される太陽電池セルの一例を図１に従い説明する。この太陽電池セル１０は、図１に示すように、結晶系半導体基板として、１００μｍ〜３００μｍの厚みとを有するとともに、（１００）面を有するｎ型単結晶シリコン基板１を備えている。ｎ型単結晶シリコン基板１の表面には、数μｍから数十μｍの高さを有する光閉じ込めのためのピラミッド状凹凸が形成されている。このｎ型単結晶シリコン基板１上には、ＣＶＤ法により水素を含有する実質的に真性な非晶質半導体薄膜層として、膜厚数ｎｍから数１０ｎｍ程度の実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層２が形成されている。また、ｉ型非晶質シリコン層２上には、水素を含有する荷電子制御された非晶質半導体薄膜層として、膜厚数ｎｍから数１０ｎｍ程度のｐ型非晶質シリコン層３が形成されている。

そして、ｐ型非晶質シリコン層３上には、酸化物透明導電膜として、ＩＴＯ膜（インジウム錫酸化膜）４がスパッタ法により形成されている。

このＩＴＯ膜４の上面の所定領域には銀（Ａｇ）ペーストを焼成して形成した櫛形状の集電極５が設けられている。集電極５は、例えば、Ａｇペーストを用い、スクリーン印刷法により、フィンガー部とバスバー部とを形成し、焼成熱硬化して形成される。フィンガー部は、複数のものが互いに平行に形成され、バスバー部はフィンガー部に流れる電流を集合させる。バスバー部にタブリードが半田により取り付けられ、他の太陽電池セルと電気的に接続される。

また、ｎ型単結晶シリコン基板１の下面上には、実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層６が形成されている。ｉ型非晶質シリコン層６上には、ｎ型非晶質シリコン層７が形成されている。このようにｎ型単結晶シリコン基板１の下面上に、ｉ型非晶質シリコン層６およびｎ型非晶質シリコン層７が順番に形成されることにより、いわゆるＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）構造が形成されている。更に、ｎ型非晶質シリコン層７上には、には、酸化物透明導電膜として、ＩＴＯ膜８がスパッタ法により形成されている。このＩＴＯ膜８の上面の所定領域には銀ペーストを焼成して形成した櫛形状の集電極９が設けられている。この集電極９もフィンガー部とバスバー部とで構成され、バスバー部にタブリードが半田により取り付けられ、他の太陽電池セルと電気的に接続される。

図１に示す太陽電池セル１０を一列に並べて隣り合う太陽電池セル１０、１０同士をタブリードを半田付けすることによって電気的に接続してストリングスが形成される。この発明は、このタブリードを半田付けする工程において、熱膨張と収縮による基板の反り並びに割れを抑制する方法を提供するものである。

図２は、複数の太陽電池セルを直列に接続したストリングを示す平面図である。図２に示すように、複数の太陽電池セル１０…がタブリード１４により直列に接続され、１単位としてのストリング１００を構成している。このストリングス１００は、例えば、１２個の太陽電池セル１０…を一列に並べ、隣り合う太陽電池セル１０同士を２本のタブリード１４、１４により接続されて構成される。

このタブリード１４は、表面に半田がコーティングされた銅箔で構成される。銅箔の膜厚は１００μｍ〜１７０μｍ程度、幅は２ｍｍ程度であり、テープ状に形成される。表面にコーティングされる半田は鉛フリー半田が用いられ、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田やＳｎ−Ｂｉ半田が用いられる。そして、タブリード１４の前部は、太陽電池セル１０の表面における前側の辺から後ろ側の辺までの間に沿って半田付けされ、タブリード１４の後部は、隣接する太陽電池セル１０の裏面における前側の辺から後ろ側の辺までの間に沿って半田付けされる。

次に、この発明の製造方法につき図３及び図４に従い説明する。図３は、この発明の第１の実施形態を示す太陽電池モジュールの製造工程図を示している。

まず、図１に示す構造の太陽電池セル１０を、パレット（図示せず）に載置する（第１工程）。そして、太陽電池セル１０の集電極５のバスバー部分にフラックス塗布装置２０により、液状のフラックスを塗布する（第２工程）。

次に、前記太陽電池セル１０の表面側の集電極５上のバスバー部上に隣接する太陽電池セル１０の裏面側の集電極９のバスバー部上に渡って平行に２列のタブリード１４、１４を設置する（第４工程）。タブリード１４は、表裏面に半田、この実施形態においては、鉛フリー半田（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田）を被覆した銅箔にて構成されている。

その後、配設したタブリード１４、１４が浮かないように、タブリード１４の幅に略等しい太さで耐熱性を有し半田が付かない２列の押し付け装置の押圧ピン２４（図４参照）でタブリード１４を太陽電池セル１０に押し付ける。また、半田付け位置の下方には、太陽電池セル１０を予熱するために、ホットープレートなどからなる予熱ヒータ２３が設けられ、この予熱ヒータ２３により、太陽電池セル１０が支持される。

この発明においては、タブリード１４全体を一時に加熱するのではなく、タブリード１４を局所的に加熱し、半田を溶着させる。このため、熱風供給手段である温風ヒータ２２から熱風が２列のタブリード１４に対してそれぞれ相対的に移動する状態で付与されるように構成されている。温風ヒータ２２は、例えば通電されて発熱する電気ヒータと送付機とで構成されており、電気ヒータにて加熱された空気（熱風）を送風機にて温風吹き出し口２２ａを介してタブリード１４部分に選択して集中的に吹き付けるものである。

この実施形態においては、温風ヒータ２２の２列のタブリード１４に対応した温風吹き出し口２２ａが上流側から下流側（図中矢印方向）に、所定の走査速度で移動するように構成されている。温風吹き出し口２２ａから吹き出される熱風はタブリード１４の表面近傍に２６０℃〜３００℃範囲で、この実施形態では約２８０℃となるように、熱風温度、走査速度、熱風風量を制御している。

温風ヒータの２２の温風吹き出し口２２ａを上流側から下流側に対して走査しながら、半田の溶融温度以上の温風を当てるとともに、予熱ヒータ２３で１５０℃〜２３０℃の温度で予熱する。温風ヒータ２２からの熱と予熱ヒータ２３との熱により、タブリード１４の溶着が行なわれる。鉛フリー半田の場合、溶融温度（この実施形態では約２２０℃）以上の温風を走査速度５０ｍｍ／分〜３５０ｍｍ／分で吹き付けることで、タブリード１４の溶着が行なわれる（第４工程）。

尚、押圧具は、図示はしないが半田付け時タブリードを押圧し、半田付け終了後は太陽電池セル１０上から離れる方向に移動するように構成されている。

この接続タブ設置工程と溶着工程につき図４を参照して更に説明する。無端ベルトからなる搬送ベルト３０により、太陽電池セル１０が搬送される。搬送ベルト３０は、所定時間停止した後、所定時間移動するという間欠動作により、太陽電池セル１０を図中左方向から右方向（図中矢印方向）に搬送する。

搬送ベルト３０の半田付けを行う所定の位置の上には、タブリード１４をセル側へ押し込む押し付け装置が設けられている。この押し付け装置は、図示しない駆動手段によって上下動する二列の複数の押圧ピン２４、２４から構成されている。この押圧ピン２４は、耐熱性を有し半田が付かないもので構成され、搬送される太陽電池セル１０の２条のタブリード１４、１４の垂直上方に配置されている。また、半田付け位置の下方には、予熱ヒータ２３が設けられ、この予熱ヒータ２３により、太陽電池セル１０が支持され、上述した押圧ピン２４と予熱ヒータ２３とによりタブリード１４が浮かないように保持される。

この押し付け装置と同じタブリード１４の垂直上方に対応する位置には、温風式加熱手段として温風ヒータ２２が設けられている。温風ヒータ２２は、例えば通電されて発熱する電気ヒータと送付機とで構成されており、電気ヒータにて加熱された空気（熱風）を送風機にて温風吹き出し口２２ａを介してタブリード１４部分に所定の速度で走査しながら集中的に吹き付けるものである。

そして、太陽電池セル１０の上下面の集電極５、９のバスバー部上に二条のタブリード１４、１４を当接させ、配置させた状態で、押し付け装置の各ピン２４が降下し、この停止期間中、予熱ヒータ２３との間でタブリード１４を太陽電池セル１０の上面及び下面に押し付けて浮かないように押さえつける。また、タブリードを押圧せずに太陽電池セル１０に半田付けできれば、必ずしも押し付け装置は使用しなくても差し支えない。

また、この間に、上面のタブリード１４、１４の後部には次の太陽電池セル１０が載置される。その後、ピン２４は太陽電池セル１０から離間する方向に移動する。

次に、搬送ベルト３０が所定距離移動され、この新たに設置された太陽電池セル１０が半田付け位置に移動されて、再びタブリード１４、１４がその上面に載置される。このようにして、図４に示すように、タブリード１４、１４により、複数の太陽電池セル１０が直列に接続されストリングが製造される。

このように、太陽電池セル１０にタブリードを押し付けた状態で温風ヒータ２２の電気ヒータと送風機に通電し、温風吹き出し口２２ａをタブリード１４に沿って走査させながら温風吹き出し口２２ａから熱風を集中して吹き付けることで、タブリード１４に部分的に順次熱を与えることになる。この結果、タブリード１４の熱膨張、冷却、固定が部分的に行われることになり、太陽電池セル１０の反りを抑制することができる。

上述したように、温風吹き出し口２２ａが上流側から下流側に対して、所定の走査速度で移動するように構成する。そして、温風吹き出し口２２ａから吹き出される熱風はタブリード１４の表面近傍の走査させる部分に２４０℃〜３００℃範囲で、この実施形態では約２８０℃となるように、熱風温度、走査速度、熱風風量を制御している。

熱風温度、風量、走査速度が相違すると、表面近傍の温度が変化する。熱風温度が高い場合には、走査遅くすると温度が上がりすぎ、逆に熱風温度が低い場合には、走査速度が速すぎると温度の上昇が悪くなる。

熱風温度と走査速度を変化させてタブ付け状態を評価した。その結果を表１に示す。タブリード１４にコーティングした半田は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田を用いた。また、温風吹き出し口２２ａのノズル径は８ｍｍ、熱風流量は１０Ｌ（リットル）／分にした。また、半田が飛散するため、ノズル径は２ｍｍを超える大きさのものが好ましい。

表１より、熱風温度が高い場合には、相対的な走査速度が遅く過ぎると、タブ付が悪くなり、逆に熱風温度が低い場合には、相対的な走査速度が速すぎるとタブ付が悪くなる。

走査速度は５０ｍｍ／分〜３５０ｍｍ／分の範囲で、熱風温度により、最適な走査速度が決まる。熱風温度が６００℃の場合、走査速度は２５０ｍｍ／分〜３５０ｍｍ／分の範囲が良い。また、熱風温度が５５０℃の場合、走査速度は５０ｍｍ／分〜２５０ｍｍ／分の範囲が良く、より好ましくは５０ｍｍ／分〜１５０ｍｍ／分の範囲である。また、熱風温度が４５０℃の場合、走査速度は５０ｍｍ／分である。

尚、上記した実施例は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田の場合であり、半田の種類が変われば熱風温度、走査速度、熱風風量も変わる。例えば、Ｓｎ−Ｂｉ半田の場合には、表面温度が１５０℃〜２００℃の範囲になるように制御すればよい。

上記の第１の実施形態によれば、太陽電池セル１０の反りは１ｍｍ〜２ｍｍに抑制できた。これに対して、熱風を走査させずに、複数の熱風吹き出し口を一直線状に配置してなる熱風吹き出し体を太陽電池セルの上方に配置して電極とタブリードとを半田付けする領域の略全面に熱風を与えた場合には、２ｍｍ〜３ｍｍの反りが見られた。

このようにして、図２に示すように、接続タブ１４により、複数の太陽電池セル１０が直列に接続されストリングが製造される。

そして、図５に示すように、複数の太陽電池セル１０…を接続タブ１４で接続した後、白板強化ガラスなどからなる表面保護材４０と裏面保護材４１との間に、充填材４２で封
止され太陽電池モジュールが得られる。この太陽電池モジュールは、裏面保護材４１として、ＰＶＦ／Ａｌ／ＰＶＦの３層構造のものを用い、表面保護材４０と白板強化ガラスを、封止樹脂４２としてＥＶＡを配置し、真空熱圧着方式のラミネータによって、例えば、温度１５０℃で一体化を行い、１５０℃のオーブンで３０分以上加熱し、ＥＶＡを架橋する。その後、保護枠４３として、アルミニウム枠をブチル等の接着剤を用いて取り付けて太陽電池モジュールが完成する。

次にこの発明の第２の実施形態につき図６及び図７に従い説明する。この実施形態が第１の実施形態と相違するところは、第１の実施形態が下面側に予熱ヒータ２３を設けていたのに対し、この第２の実施形態は、表裏とも温風ヒータ２２を用いて、それぞれの温風吹き出し口２２ａ、２２ａを走査させるように構成したものである。

図７に示すように、搬送ベルト３０の所定の半田付けの位置の上下には、それぞれ接続タブ１４をセル側へ押し込む押し付け装置が設けられている。この押し付け装置は、図示しない駆動手段によって上下動する二列の複数の押圧ピン２４、２４から構成されている。この押圧ピン２４は、耐熱性を有し半田が付かないもので構成され、２条の接続タブの垂直上方及び下方にそれぞれ対応して配置されている。

この押し付け装置と同じ接続タブ１４、１４、１４，１４の垂直上方及び下方のそれぞれ対応する位置には、温風式加熱手段として温風ヒータ２２、２２が設けられている。各温風ヒータ２２は、例えば通電されて発熱する電気ヒータと送付機とで構成されており、電気ヒータにて加熱された空気（熱風）を送風機にて温風吹き出し口２２ａ、２２ｂを介して接続タブ１４、１４、１４、１４部分を走査しながら選択的に且つ集中的に、上下対応した部分に吹き付けるものである。このように、上下両面を温風吹き出し口２２ａ、２２ｂにより熱風を走査させながら吹き付けることで、第１の実施形態に比べより選択的に集中して加熱することができる。

そして、太陽電池セル１０の上下面に二条の接続タブ１４、１４を当接させ、配置させた状態で、この停止期間中、押し付け装置の各ピン２４、２４が降下（又は上昇）し、接続タブ１４を太陽電池セル１０の上面及び下面に押し付けて浮かないように押さえつける。また、接続タブ１４を押圧せずに太陽電池セル１０に半田付けできれば、必ずしも押し付け装置は使用しなくても差し支えない。この温風ヒータの２２、２２の温風吹き出し口２２ａ、２２ｂは、第１の実施形態と同様にして、図中矢印方向に走査される。

次に、この発明の第３の実施形態につき図８を参照して説明する。図８に示す第３の実施形態は、温風吹き出し口が複数個、この実施形態では２個の温風吹き出し口２２ａ１と２２ａ２を備え、この複数の温風吹き出し口２２ａ１と２２ａ２を走査させるように構成したものである。このとき、温風吹き出し口の上流側に位置するものを予熱用として用いても良い。

また、上記した実施形態においては、温風吹き出し口を走査させるように構成したが、熱風がタブリード１４に対して相対的に移動する状態で付与されればよい。このため、温風吹き出し口は固定で、太陽電池セルを所定速度で移動させるように構成することも可能である。

尚、上述した実施形態においては、銅箔を用いたが、銅箔に変えて、銅等のワイヤを用いることもできる。また、太陽電池セルは、極性が交互に逆になるように配置された例を示したが、タブリードを直線状とできるように、同一極性が同一面となるような配置した構成でも良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明が適用される太陽電池セルの一例を示す概略断面図である。 複数の太陽電池セルを直列に接続したストリングを示す平面図である。 この発明の第１の実施形態を示す太陽電池装置の製造工程図である。 この発明の第１の実施形態を示す太陽電池装置の半田溶着工程を示す説明図である。 この発明の太陽電池装置を用いた太陽電池モジュールを示す概略断面図である。 この発明の第２の実施形態を示す太陽電池装置の製造工程図である。 この発明の第２の実施形態を示す太陽電池装置の半田溶着工程を示す説明図である。 この発明の第３の実施形態を示す太陽電池装置の半田溶着工程を示す説明図である。

符号の説明

１０ 太陽電池セル
１４ タブリード
２２ 温風ヒータ
２２ａ、２２ｂ 温風吹き出し口
２３ 予熱ヒータ

Claims (6)

1. 太陽電池セルの電極に対してタブリードを接続して太陽電池装置を製造する方法において、前記タブリードは金属体に半田層が被覆され、前記タブリードを前記太陽電池セルの電極上に当接させた状態で、熱風供給手段から熱風を前記タブリードに対して相対的に移動する状態で付与し、前記タブリードを太陽電池セルの電極に対して半田付けすることを特徴とする太陽電池装置の製造方法。
2. 前記太陽電池セルの表面または裏面がヒータにより予熱されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池装置の製造方法。
3. 前記太陽電池セルの表裏面に熱風供給手段からの熱風が相対的に移動して付与されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池装置の製造方法。
4. 前記熱風供給手段が毎分５０ｍｍから３５０ｍｍの範囲で走査されることを特徴とする請求項１または３に記載の太陽電池装置の製造方法。
5. 半田として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕを用いた場合、タブリードの表面温度が２４０℃から３００℃の範囲になるように前記熱風供給手段のを制御することを特徴とする請求項４に記載の太陽電池装置の製造方法。
6. 半田として、Ｓｎ−Ｂｉを用いた場合、タブリードの表面温度が１４０℃から２００℃の範囲になるように前記熱風供給手段を制御することを特徴とする請求項４に記載の太陽電池装置の製造方法。

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