JP2008053435A - 太陽電池モジュール及び太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

太陽電池モジュール及び太陽電池モジュールの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】太陽電池セルの面積増大に伴って抵抗損失の低減のために厚いインターコネクタを使用しても、太陽電池モジュールの製造過程で、太陽電池セルに大きな反りが生じたり、太陽電池セルの割れや集電電極の剥がれ等の発生を防止でき、製造歩留りの低下を防止できると共に、抵抗損失を低減してF.F.を向上し、製品化した際に光透過率のよい太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】少なくとも集電電極4及び5が形成された太陽電池セル6が2個以上配列されていると共に、互いに隣接する太陽電池セル6を電気的に接続するための直線形状のインターコネクタ2を有する太陽電池モジュール1において、インターコネクタ2と集電電極4または5の接続はハンダ3によって多点で点接続されているものであることを特徴とする太陽電池モジュール1。
【選択図】図1

Description

本発明は太陽電池モジュール、及び太陽電池モジュールの製造方法に関し、より詳しくは、複数の太陽電池セルをインターコネクタによってモジュール化する際、太陽電池セルの表面に備えられた集電電極にインターコネクタをハンダ付けして接続する太陽電池モジュールの製造方法、及びその方法によって提供される太陽電池モジュールに関する。
太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルを接続して形成されている。図3は従来の太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。太陽電池モジュール31は、インターコネクタ32を使用して、複数の太陽電池セル36を直列または並列にハンダ付けして作製する際、図3のように太陽電池セル36とインターコネクタ32の全面をハンダ33で接続する。しかし、このように全面をハンダ付けすると、インターコネクタ32が冷える際に収縮し、太陽電池セル36が反り上がると同時に、インターコネクタ32と太陽電池セル36の界面に収縮応力が働き、太陽電池セル36が割れてしまうという問題があった。
太陽電池セルの割れを低減する方法、即ち界面の応力を減らす方法としてインターコネクタを薄くする方法があるが、単純に薄くすると抵抗損失が増大し、F.F.(フィルファクター:光電変換効率)が低下する。抵抗損失を低く保つためにはインターコネクタの表面積を増大させ断面積を確保しなければならない。幅広の薄いインターコネクタを用意しバスバー部との接触面積を増やさずハンダ付けすれば界面の収縮応力は減るが、表面積が増大するためシャドウロスが発生してしまう。
一方、インターコネクタを厚くすると抵抗損失は減るが、インターコネクタと半導体基板の界面の収縮応力が強まるため、半導体基板に割れが発生する確率が高まる。また、シリコン基板のコスト低減のためにシリコンインゴットを薄くスライスすれば、多くの半導体基板が得られるが、半導体基板が薄くなるとインターコネクタを接続する際に太陽電池セルの反りが増大し、太陽電池セルの割れが増大する。
そこで、特許文献1にはインターコネクタに凹凸部を形成することにより、太陽電池モジュールの製造過程で、太陽電池セルの半導体基板に大きな反りが生じたり、太陽電池セルの割れや集電電極の剥がれ等の発生を防止することができる太陽電池及び太陽電池モジュールが開示されている。
しかし、インターコネクタに凹凸部を形成すると太陽電池モジュールを製品化する際に、インターコネクタと透明基板とのギャップが大きくなり、このギャップを埋める透明な充填材料を多く使用する必要があり、その結果、太陽電池モジュールに到達する光透過率が低下するという問題があった。
特開2005−302902号公報
そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、太陽電池セルの面積増大に伴って抵抗損失の低減のために厚いインターコネクタを使用しても、太陽電池モジュールの製造過程で、太陽電池セルの半導体基板に大きな反りが生じたり、太陽電池セルの割れや集電電極の剥がれ等の発生を防止でき、製造歩留りの低下を防止できると共に、抵抗損失を低減してF.F.を向上し、製品化した際に光透過率のよい太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも集電電極が形成された太陽電池セルが2個以上配列されていると共に、互いに隣接する前記太陽電池セルを電気的に接続するための直線形状のインターコネクタを有する太陽電池モジュールにおいて、前記インターコネクタと前記集電電極の接続はハンダによって多点で点接続されているものであることを特徴とする太陽電池モジュールを提供する(請求項1)。
このように、インターコネクタと集電電極の接続はハンダによって多点で点接続されているものであることによって、太陽電池セルの面積増大に伴って抵抗損失の低減のためにインターコネクタの厚みを厚くしても、太陽電池セルにかかる応力を点接続されていないインターコネクタの部分で緩和し、太陽電池セルの反りを低減して太陽電池セルの割れや集電電極の剥がれを防ぐ。これにより、抵抗損失を低減してF.F.を向上した太陽電池モジュールを提供することができる。
また、本発明は、少なくとも集電電極が形成された太陽電池セルが2個以上配列され、互いに隣接する前記太陽電池セルが直線形状のインターコネクタによって接続される太陽電池モジュールの製造方法において、前記インターコネクタの片面にフラックスを多点塗布し、該フラックスを塗布した部分を前記インターコネクタの反対面からハンダゴテでなぞり、前記インターコネクタと前記集電電極をハンダによって多点で点接続することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法を提供する(請求項2)。
このように、予めインターコネクタの片面にフラックスを多点塗布し、該フラックスを塗布した部分をインターコネクタの反対面からハンダゴテでなぞり、インターコネクタと集電電極をハンダによって多点で点接続することによって、フラックスが予め塗布されているためハンダ接続する箇所以外へのハンダの広がりを防止し、フラックスを多点塗布したインターコネクタをハンダ付けによって多点接続し、太陽電池セルにかかる応力を点接続されていないインターコネクタの部分で緩和し、太陽電池セルの反りを低減して太陽電池セルの割れを防ぐ。これにより、製造歩留りの低下を防止できると共に、抵抗損失を低減してF.F.を向上した太陽電池モジュールを製造できる。
本発明の太陽電池モジュールとその製造方法は、抵抗損失の低減のためにインターコネクタの厚みを厚くしても、多点で点接続を行うため、インターコネクタと半導体基板界面の収縮応力の総和が小さくなるため、太陽電池モジュールの製造過程で、太陽電池セルの半導体基板に大きな反りが生じたり、太陽電池セルの割れや集電電極の剥がれ等の発生を防止することができる。また、インターコネクタを厚くできるためF.F.を向上した太陽電池モジュールを提供できる。
以下、本発明に係る太陽電池モジュール及び太陽電池モジュールの製造方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。ただし、本発明は、これらの太陽電池モジュール及び太陽電池モジュールの製造方法に限られるものではない。
図1は、本発明に係る太陽電池モジュールの一例を示す概略図であり、図1(A)は平面図、図1(B)はそのS−S断面図である。太陽電池モジュール1は、配列された複数の太陽電池セル6を、インターコネクタ2を用いて電気的に直列接続して構成される。太陽電池セル6は、半導体基板7と、その表裏に形成される表面の集電電極4及び裏面の集電電極5とで構成される。
そして、太陽電池セル6の集電電極4、及び集電電極5は、例えば幅が2mmで厚さが0.2mmの厚くて直線状のインターコネクタ2とハンダによって接続されるが、図1(B)のように、多点で点接続される。このように、太陽電池セルの集電電極と、厚いインターコネクタがハンダ3によって多点で点接続されていることによって、厚いインターコネクタが冷える際に収縮しても、インターコネクタの太陽電池セルと接続されていない部分で収縮を緩和でき、太陽電池セルへの前記応力を低減できる。
従って、太陽電池セルの反り上がりや、割れ、そして、太陽電池セルの集電電極の剥がれを防止することができる。これにより、太陽電池モジュール製造の歩留りの低下を防止できる。また、厚いインターコネクタも使用可能なため、抵抗損失を低減してF.F.を向上した太陽電池モジュールとなる。
半導体基板7は、例えば一辺が155mm程度の擬似四角形で、厚みが0.2〜0.3mm程度の単結晶シリコンや多結晶シリコン等のP型シリコン基板で形成される。このP型シリコン基板の表層にはP/N接合が形成される。このP/N接合の形成は、具体的には、N型の不純物を含む溶液をP型シリコン基板の表面に塗布するか、あるいは、このP型シリコン基板を気相中に置いて、800〜900℃程度でその表面からN型の不純物を熱拡散させることにより、P型シリコン基板の表層に不純物拡散層を形成することで行なわれる。
こうして形成されたN型拡散面を、太陽電池セル6の受光面である表面とし、不拡散面を裏面とする。即ち、半導体基板7内にN型領域7nとP型領域7pが形成され、N型領域7nとP型領域7pとの界面部分にP/N接合部が形成される。受光面である表面には、反射防止膜を形成しておくことが望ましい。尚、この半導体基板7は、シリコン以外に単結晶ガリウム砒素等で形成してもよい。
上記の半導体基板7には、図1(B)に示すように、N型領域7nの表面上に表面の集電電極4が形成され、P型領域7pの表面上に裏面の集電電極5が形成される。図1(A)に示すように表面の集電電極4は、フィンガー部4bと、インターコネクタ2を接続するバスバー部4aとで構成される。
これらの表面の集電電極4及び裏面の集電電極5は、具体的には、次のようにして形成される。即ち、電極形成工程において、上記の半導体基板7の受光面には線状に、裏面には全面に、金属またはそれに準じる物質を各集電電極としてパタ−ニングし、真空蒸着法やスクリ−ン印刷法を用いて各集電電極を形成する。表面の集電電極4は、上述したように、インターコネクタ2を接続するためのバスバー部4aと、これに交差するように分岐して形成されるフィンガー部4bとで構成される。
バスバー部4aは、半導体基板7の全面を横切るようにして二本平行に形成され、フィンガー部4bは、バスバー部4aと直角に交差するようにして複数本が半導体基板7の全長にわたって形成される。バスバー部4aの幅は、例えば2mm程度であり、フィンガー部4bの幅は、例えば0.2mm程度である。
この表面の集電電極4は、例えば、銀粉末、ガラスフリット、結合剤、及び、溶剤等から成るペーストをスクリーン印刷して700〜800℃程度の温度で焼き付け、全体をハンダ層で被覆することにより形成される。また、裏面の集電電極5は、インターコネクタ2を接続するための銀電極と、それを除くほぼ全面に形成された集電用のアルミニウム電極とで構成され、銀電極はハンダ層で被覆される。
インターコネクタ2は、平角状の銅箔やインバール等で形成される。インターコネクタ2を太陽電池セル6への接続は、例えばインターコネクタ2と集電電極4を接続する箇所に予めフラックスを3箇所塗布し、インターコネクタ2のフラックスを塗布した面に対して反対側の面からをハンダゴテでなぞり、インターコネクタ2と表面電極4がフラックスを介してハンダ3により3箇所、点接続される。接続箇所はフラックスを塗布した箇所のみ接続されるため、バスバー部4aへの予期せぬハンダの広がりを回避できる。
また、ハンダ3により3箇所接続すると抵抗損失の低減のためにインターコネクタ2の厚みを例えば0.2mm程度といった厚さのものを使用しても、ハンダ接続されていないインターコネクタ2の部分が太陽電池セル6の表面と平行な方向に伸縮して、太陽電池6が反ってしまうことを抑えることができる。従って、太陽電池セル6の直列抵抗損失を低減するためにインターコネクタ2の厚みを厚くしても、太陽電池モジュールの製造過程で、太陽電池セル6の半導体基板7に大きな反りが生じたり、太陽電池セルの割れや集電電極の剥がれ等の発生を防止することができる。
次に、上記のようにしてできたものに、もう一つの太陽電池セル6を上記と同様の方法により接続する。つまり、図1(B)のように、もう一つの太陽電池セル6の裏面の集電電極5と厚いインターコネクタ2を接続する際、インターコネクタ2と集電電極5を接続する箇所に予めフラックスを3箇所塗布し、インターコネクタ2のフラックスを塗布した面に対して反対側の面からをハンダゴテでなぞり、インターコネクタ2と裏面の集電電極5がフラックスを介してハンダ3により3箇所、点接続し、太陽電池モジュール1を形成する。
太陽電池セル6を複数個配列してインターコネクタ2により電気的に直列接続することにより、図1に示すような太陽電池モジュール1が形成される。太陽電池モジュール1における互いに隣接する太陽電池セル6の相互の間隔は、例えば2〜3mm程度である。
一般に、太陽電池モジュールでは、太陽電池セル6の表面や裏面を保護する必要があることから、太陽電池モジュール製品としては、図2に示すように、太陽電池モジュール1を透明基板11と裏面カバー10との間に挟んで製品化する。
この場合に、例えば、ガラス板等の透明基板11と裏面カバー10との間に、太陽電池セル6の受光面である表面を透明基板11に向けて挟み、透明な充填材9でインターコネクタ2を備えた複数の太陽電池セル6を封入するスーパーストレート方式が一般に用いられる。ここで透明な充填剤としては、光透過率の低下の少ないPVB(ポリビニルブチロール)や耐湿性に優れたEVA(エチレンビニルアセタート)等が用いられる。
このように本発明の太陽電池モジュールは、製造歩留りの低下を防止できると共に、厚いインターコネクタを使用して、太陽電池モジュールの抵抗損失を低減し、F.F.を高めることができる。また、太陽電池モジュールを製品化する際、厚いインターコネクタの形状が直線形状であるため、透明な充填材9の使用量も少なくてすみ、光透過率の低下を防止することができる。
以下、本発明の実施例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
<太陽電池セルの作製>
厚さ300μm、比抵抗0.5Ω・cmの、ホウ素ドープ{100}p型アズカットシリコン基板6枚(厚い太陽電池セル用)と、厚さ200μm、比抵抗0.5Ω・cmの、ホウ素ドープ{100}p型アズカットシリコン基板6枚(薄い太陽電池セル用)を用意した。濃水酸化カリウム水溶液によりダメージ層を除去した後、これらの試料を同時に水酸化カリウム/2−プロパノール混合溶液に浸漬した。水洗、乾燥後、アンモニア過水・フッ酸・塩酸過水・フッ酸洗浄し、水洗・乾燥した。
次に、シリコン基板12枚を非受光面どうしを重ね合わせ、石英ボートに搭載して、拡散炉に投入した。ヒーター温度を850℃まで昇温して、オキシ塩化リンを窒素1リットル/分にてバブリングさせた。バブリング蒸発したオキシ塩化リンは、酸素ガス1リットル/分を伴ってシリコン表面にリンガラスとして堆積させた。引き続き、窒素雰囲気中に30分間放置した後、拡散炉から取出した。拡散したこれら12枚のシリコン基板はHFでリンガラスを除去後、900℃の酸素雰囲気で熱処理し、酸化膜を堆積して酸化膜パッシベーション層を形成した。
次に、上記シリコン基板をプラズマCVD処理した。この際、原料ガスとしてモノシランガスとアンモニアガスを使用した。また、プラズマを発生させるための電源の周波数は、マイクロ波を用い、圧力は0.1〜10Torr、基板温度は400℃、処理時間は5分間とした。その後、非受光面にP層を形成した後、スクリーン印刷でAlもしくはAl/Agを印刷・焼成して裏面の集電電極5を形成した。
最後に、受光面にスクリーン印刷によりAgをパターン印刷・焼成し表面の集電電極4であるフィンガー部4bと、バスバー部4aを形成し、厚い太陽電池セル6枚と薄い太陽電池6枚を得た。
<太陽電池モジュールの作製>
次に、幅が2mmで厚さが0.2mmの厚くて直線状のインターコネクタを用意した。
先ず最初に、厚い太陽電池セル6枚のうち2枚を準備した。図1(B)のように、インターコネクタ2の、集電電極4と点接続する箇所のにフラックスを予め3箇所塗布し、インターコネクタ2と太陽電池セル6の受光面バスバー部4aを3箇所、ハンダ3で接続した。また、もう一つの太陽電池セル6の裏面の銀電極5を接続するインターコネクタ2の箇所に、予め3箇所にフラックスを塗布して、3箇所ハンダ3で接続し、太陽電池モジュール1を作製した。
そして、太陽電池モジュール1を図2に示すようにモジュール外部への配線として太陽電池セル6の裏面の銀電極5ともう一つの太陽電池セル6の受光面バスバー部4aにインターコネクタ2をそれぞれ予めフラックスを3箇所塗布して、それぞれ3箇所をハンダ3で接続した。
最後に、ガラス板等の透明基板11と裏面カバー10との間に、太陽電池セルの受光面である表面を透明基板11に向けて挟み、透明な充填材9と裏面コートでインターコネクタを備えた太陽電池モジュール1を封入し、太陽電池モジュール製品A1を得た。太陽電池モジュール製作時に太陽電池セル6の割れは全くなかった。
(比較例1−1)
厚い太陽電池セル残り4枚のうち2枚を準備した。インターコネクタにフラックスを全面塗布し、インターコネクタの上部をハンダゴテで3箇所加熱して、インターコネクタと太陽電池の受光面バスバーを3箇所ハンダ接続した。次に、もう一つの太陽電池セルの裏面銀電極側のインターコネクタにフラックスを全面塗布し、上記ハンダゴテの操作によって3箇所ハンダ接続し、太陽電池モジュールを作製した。
次に、モジュール外部への配線として受光面バスバー部と裏面銀電極にインターコネクタをそれぞれフラックスを全面に塗布し、ハンダゴテの操作によって3箇所ハンダ接続した。最後に、ガラス板等の透明板と裏面カバーとの間に、太陽電池セルの受光面である表面を透明基板に向けて挟み、透明な充填材料と裏面コートでインターコネクタを備えた太陽電池モジュールを封入し、太陽電池モジュール製品B1を得た。
しかし、ハンダの予期せぬバスバー部上への広がり(インターコネクタが必要以上にバスバー部に接続)により接続していないインターコネクタの部分がほとんどなく、実質上点接続となっていなかったため、熱収縮の緩和がされにくかったが、半導体基板の厚さが厚かったため、太陽電池セルの反りはなく、モジュール製作時に太陽電池セルの割れは全くなかった。
(比較例1−2)
厚い太陽電池セル残りの2枚を準備した。インターコネクタにフラックスを全面浸漬塗布し、図3に示すように、インターコネクタと太陽電池セル(受光面バスバー部)の全面をハンダ33で接続した。もう一つの太陽電池セル(裏面の銀電極)の全面もハンダ33でインターコネクタ32に接続した。また、モジュール外部へ配線として受光面バスバー部と裏面銀電極にインターコネクタを全面ハンダ接続した。
しかし、インターコネクタ32を全面で太陽電池セル36に接続したため、熱収縮を緩和するための接続していないインターコネクタ部分がないため、インターコネクタ接続時に太陽電池セルが反り上がり、割れが発生した。割れが発生したために太陽電池モジュール製品C1は得られなかった。
得られた太陽電池モジュール製品A1(実施例1)とB1(比較例1−1)をモジュールシュミュレータにて測定した結果を表1に示す。
Figure 2008053435
(実施例2)
薄い太陽電池6枚を準備して、それぞれ2枚を使用して太陽電池モジュール製品A2(実施例2)、B2(比較例2−1)、C2(比較例2−2)を作製した。モジュール作製方法は前記した方法を用いた。即ち、太陽電池モジュール製品A2(実施例2)は、太陽電池モジュールの製品A1(実施例1)の作製と同様の製造方法でフラックスをインターコネクタに予め3箇所塗布してハンダ3で太陽電池セル6とインターコネクタ2を接続したものである。
(比較例2−1)
太陽電池モジュール製品B2はインターコネクタの全面にフラックスを塗布し、ハンダゴテの操作によってインターコネクタと太陽電池セルを3箇所接続したが、ハンダの予期せぬバスバー部上への広がり(インターコネクタが必要以上にバスバー部に接続)により、ハンダ冷却時の熱収縮を緩和するはずの、接続していないインターコネクタの部分の長さが短く、点接続とはなっておらず、さらに、太陽電池セルが薄いため、反り上がりが発生し、太陽電池セルの割れが発生してしまった。
(比較例2−2)
太陽電池モジュール製品C2は、インターコネクタ32の全面にフラックスを塗布し、インターコネクタ32と太陽電池セル36の全面をハンダで接続したが、ハンダ冷却時の熱収縮を緩和する、接続していないインターコネクタ部分が全くなく、かつ、太陽電池セルが薄いため、太陽電池セル36が大きく反り上がり、太陽電池セル36の割れが発生した。よって、太陽電池モジュール製品C2は得られなかった。
得られた太陽電池モジュール製品A2をモジュールシュミュレータにて測定した結果を表2に示す。
Figure 2008053435
インターコネクタと集電電極を接続する箇所のインターコネクタに、予め3箇所フラックスを塗布し、該3箇所をハンダで接続した本発明の太陽電池モジュール製品A1とA2は、厚いインターコネクタを使用したが、セル割れが発生せずF.F.も高く、高性能の太陽電池モジュールを得た。また、太陽電池モジュール製品A2は太陽電池セルの半導体基板が薄くても反りあがらず、太陽電池セルに割れは発生しなかった。
太陽電池モジュール製品B1は、ハンダゴテの操作による3箇所のハンダ接続で、インターコネクタが必要以上にバスバー部に接続し、熱収縮の緩和作用をする接続していないインターコネクタ部分の長さが短く点接続となっていなかったが、太陽電池セルの厚みが厚かったため、セルが反らず、割れが発生しなかった。一方、太陽電池モジュール製品B2はフラックスがインターコネクタ全面に塗布されているため、3箇所のハンダがバスバー部に沿って広がり、インターコネクタが必要以上にバスバー部に接続した。そのため収縮による応力を緩和するはずの接続していないインターコネクタ部分の長さが短く点接続とならず、かつ、太陽電池の厚さが薄かったため、太陽電池セルに割れが発生してしまった。
また、従来方法によってインターコネクタを全面接続した太陽電池モジュール製品C1、C2はハンダ冷却時の熱収縮を緩和するための接続していないインターコネクタ部分がなく、太陽電池セルが反り上がり、太陽電池セルに割れが発生してしまった。
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
本発明の実施の形態における太陽電池モジュールの一例を示す概略図で、(A)は平面図、(B)は(A)のS−S断面図である。 本発明の実施の形態における太陽電池モジュール製品の断面図である。 従来の太陽電池モジュールの断面図である。
符号の説明
1…太陽電池モジュール、 2…インターコネクタ、 3…ハンダ、
4…表面の集電電極、 4a…バスバー部、 4b…フィンガー部
5…裏面の集電電極、 6…太陽電池セル、
7…半導体基板、 7n…N型領域、 7p…P型領域、
9…充填材、 10…裏面カバー、
11…透明基板、 12…電極取出し用タブリード線。

Claims (2)

  1. 少なくとも集電電極が形成された太陽電池セルが2個以上配列されていると共に、互いに隣接する前記太陽電池セルを電気的に接続するための直線形状のインターコネクタを有する太陽電池モジュールにおいて、前記インターコネクタと前記集電電極の接続はハンダによって多点で点接続されているものであることを特徴とする太陽電池モジュール。
  2. 少なくとも集電電極が形成された太陽電池セルが2個以上配列され、互いに隣接する前記太陽電池セルが直線形状のインターコネクタによって接続される太陽電池モジュールの製造方法において、前記インターコネクタの片面にフラックスを多点塗布し、該フラックスを塗布した部分を前記インターコネクタの反対面からハンダゴテでなぞり、前記インターコネクタと前記集電電極をハンダによって多点で点接続することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
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