JP2008288278A - 太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の太陽電池セルを電気的に接続する際に生じ得る太陽電池セルの割れを防止できる太陽電池モジュールの製造方法を提供すること。
【解決手段】太陽電池モジュールの製造方法は、互いに隣接する太陽電池セルのうち一方の太陽電池セルの表面に形成された主電極と他方の太陽電池セルの裏面に形成された裏面接続用電極とを半田がコーティングされたインターコネクタによって電気的に接続する工程を備え、前記接続工程は、一方の太陽電池セルの主電極の両端のうち、他方の太陽電池セルと隣接する側の主電極の端部に半田を設ける工程と、一方の太陽電池セルの主電極と他方の太陽電池セルの裏面接続用電極にインターコネクタを重ねる工程と、加熱により半田を溶融させインターコネクタを前記主電極と前記裏面接続用電極に半田付けする工程を含む。
【選択図】図8

Description

この発明は、太陽電池モジュールの製造方法に関し、特に太陽電池セルの割れを抑制するための太陽電池モジュールの製造方法に関する。
この発明に関連する従来技術としては、太陽電池セルの主電極および裏面接続用電極の表面にはんだ層をそれぞれ形成するにあたり、主電極および裏面接続用電極に半田ペーストを印刷することにより、部分的な隆起等のない平坦なはんだ層を形成する太陽電池セルの製造方法が知られている(例えば、特許文献1参照)
特開2006−49429号公報
太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接変換する太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギー源としての期待が急激に高まっている。
太陽電池としては、化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類のものがあるが、現在、主流となっているのは、シリコン基板を用いたシリコン結晶型太陽電池である。
シリコン結晶型太陽電池は、シリコン基板にエッチング、不純物拡散、電極形成などの工程を施して作製された複数の太陽電池セルを電気的に直列接続して太陽電池ストリングとし、さらにこの太陽電池ストリングを封止材によって封止することにより、太陽電池モジュールとして販売および使用されることが多い。
太陽電池セルを直列接続するにあたっては、通常、インターコネクタと呼ばれる細長い銅リボンが隣接する太陽電池セルの受光面側のメイングリッド電極(主電極)と裏面接続用電極に半田付けされる。
従来の第1の方法によって接続されたメイングリッド電極とインターコネクタを図11に示す。
図11に示されるように、インターコネクタ111はその表面にはんだ層113が予め形成されている。
インターコネクタ111をメイングリッド電極106に接触させながら、はんだの融点以上の温度に加熱することにより、はんだ層113が溶融し、インターコネクタ111がメイングリッド電極106に半田付けされる。
従来の第2の方法によって接続されたメイングリッド電極とインターコネクタを図12に示す。
図12に示されるように、インターコネクタ111はその表面にはんだ層113が予め形成されており、またメイングリッド電極106もその表面にはんだ層115が予め形成されている。
インターコネクタ111をメイングリッド電極106に接触させながら、はんだの融点以上の温度に加熱することにより、はんだ層113,115がそれぞれ溶融し、インターコネクタ111がメイングリッド電極106に半田付けされる。
ところで、太陽光発電システムの普及に伴って、太陽電池モジュールの製造コストの低減が従来にも増して重要視されるようになってきている。
太陽電池モジュールの製造コストの低減を図るうえでは、材料コストの多くを占めるシリコン基板の薄型化が非常に有効な手段である。
しかしながら、シリコン基板の薄型化はシリコン基板の機械的強度を低下させる。
薄いシリコン基板を用いて作製された太陽電池セルを銅からなるインターコネクタで直列接続すると、シリコン基板とインターコネクタとの熱膨張係数の差により、太陽電池セルに反りが生じ、インターコネクタとメイングリッド電極との接続部分の近傍に割れが生ずることがあった。
詳しくは、太陽電池セルを構成するシリコンの熱膨張係数は3.5×10-6/Kであるのに対し、銅の熱膨張係数は17.6×10-6/Kであり、両者の熱膨張係数には5倍程度の差がある。
このため、はんだを溶融させる加熱工程後の冷却工程においてインターコネクタが太陽電池セルよりも大きく収縮して太陽電池セルに反りが生じ、場合によっては接続部分の近傍に割れが生ずるのである。
図13にインターコネクタとメイングリッド電極との接続部分の近傍に生じる割れを模式的に示す。
図13に示されるように、太陽電池セル101の割れCは、インターコネクタ111とメイングリッド電極106の接続部分のうち、他方のセルへ向かう接続部分の終端部で発生している。これは、前記終端部にシリコン基板102とインターコネクタ111との熱膨張係数の差に起因して生ずる熱応力が最も集中し易いためである。
この傾向はシリコン基板102の厚さが薄くなるほど顕著に表れ、太陽電池モジュールの歩留まりを低下させるので、太陽電池モジュールの製造コストの低減を図るうえで大きな問題となっている。
この発明は以上のような事情を考慮してなされたものであり、複数の太陽電池セルを電気的に接続する際に生じ得る太陽電池セルの割れを防止できる太陽電池モジュールの製造方法を提供するものである。
この発明は、互いに隣接する太陽電池セルのうち一方の太陽電池セルの表面に形成された主電極と他方の太陽電池セルの裏面に形成された裏面接続用電極とを半田がコーティングされたインターコネクタによって電気的に接続する工程を備え、前記接続工程は、一方の太陽電池セルの主電極の両端のうち、他方の太陽電池セルと隣接する側の主電極の端部に半田を設ける工程と、一方の太陽電池セルの主電極と他方の太陽電池セルの裏面接続用電極にインターコネクタを重ねる工程と、加熱により半田を溶融させインターコネクタを前記主電極と前記裏面接続用電極に半田付けする工程を含む太陽電池モジュールの製造方法を提供するものである。
この発明によれば、互いに隣接する太陽電池セルを半田がコーティングされたインターコネクタによって電気的に接続するにあたり、一方の太陽電池セルの主電極の両端のうち他方の太陽電池セルと隣接する側の主電極の端部に半田が設けられるので、当該端部における半田の分量が他の部分よりも増加し、加熱により溶融させられた半田の固化に要する時間が他の部分よりも長くなる。
このため、互いに隣接する太陽電池セルをインターコネクタを用いて接続する際に、最も熱応力の加わる部分とされてきた他方の太陽電池セルと隣接する側の主電極の端部における半田の固化が他の部分よりも遅延され、当該端部における太陽電池セルとインターコネクタとの相対的な移動が半田の固化が完了するまで許容される。
これにより、太陽電池セルに加わる熱応力が緩和された状態でインターコネクタを半田付けできるようになり、太陽電池セルの割れを防止できる。
この発明による太陽電池モジュールの製造方法は、互いに隣接する太陽電池セルのうち一方の太陽電池セルの表面に形成された主電極と他方の太陽電池の裏面に形成された裏面接続用電極とを半田がコーティングされたインターコネクタによって電気的に接続する工程を備え、前記接続工程は、一方の太陽電池セルの主電極の両端のうち、他方の太陽電池セルと隣接する側の主電極の端部に半田を設ける工程と、一方の太陽電池セルの主電極と他方の太陽電池セルの裏面接続用電極にインターコネクタを重ねる工程と、加熱により半田を溶融させインターコネクタを前記主電極と前記裏面接続用電極に半田付けする工程を含むことを特徴とする。
この発明による太陽電池モジュールの製造方法において、太陽電池セルとは、例えば、p型又はn型のシリコン基板にn型又はp型の不純物拡散層が形成され、表面および裏面に電極がそれぞれ形成されたものを意味する。
この場合、シリコン基板は、単結晶シリコン基板又は多結晶シリコン基板のいずれであってもよい。
もちろん、この発明は上記のようなシリコン基板のみに限定されるものではなく、例えば、シリコン基板に代えて化合物半導体基板が用いられてもよい。
また、半田とは、約450℃未満の低い融点を有するろう接用の溶加材を意味し、例えば、Sn−Pbはんだ、銀入りはんだ、インジウムはんだ、アルミニウムはんだ、金はんだなどが挙げられる。
もちろん、環境を考慮して鉛を含まない鉛フリーはんだが用いられてもよい。鉛フリーはんだとしては、例えば、接続信頼性に優れたSnAgCu系のものや、溶融点が低くコスト的にも優れたSnZnBi系のものなどを用いることができる。
なお、主電極の端部に設けられた半田の性状は、固体状またはペースト状のいずれであっても構わない。
太陽電池セルの表面に形成された主電極とは、例えば、太陽電池セルの受光面に形成された櫛状のグリッド電極のうち、サブグリッド電極と交差するメイングリッド電極を意味する。
また、太陽電池セルの裏面に形成された裏面接続用電極とは、例えば、太陽電池セルの裏面全体を覆うアルミ電極の開口部に形成された接続用の銀電極を意味する。
また、インターコネクタとは、隣接する太陽電池セルの主電極と裏面接続用電極を電気的に接続する接続用の導電部材を意味し、この発明では半田がコーティングされたものを用いる。
この発明による太陽電池モジュールの製造方法において、主電極の端部に半田を設ける前記工程は、前記端部に半田ペーストを塗布又は印刷する工程であってもよい。
この発明による太陽電池モジュールの製造方法において、主電極の端部に半田を設ける前記工程は、前記端部を溶融はんだ槽に浸漬して引き上げる工程であってもよい。
この発明による太陽電池モジュールの製造方法において、主電極の端部に設けられる半田は、インターコネクタをコーティングする半田よりも融点が低いことが好ましい。
このような構成によれば、加熱による半田の溶融後、主電極の端部に設けられた半田はインターコネクタをコーティングする半田よりも低い温度で固化するので、一方の太陽電池セルの主電極の両端のうち、他方の太陽電池セルと隣接する側の端部における半田の固化を他の部分よりもより一層遅延させることができる。
これにより、半田付け時に、当該端部における太陽電池セルとインターコネクタとの相対的な移動をより長い間にわたって許容させることができ、太陽電池セルに加わる熱応力がより一層緩和された状態でインターコネクタを半田付けすることが可能となる。
この発明による太陽電池モジュールの製造方法は、太陽電池セルを溶融はんだ槽に浸漬して主電極に半田をコーティングする工程をさらに備え、主電極の端部に半田を設ける前記工程は、半田がコーティングされた主電極の端部にさらに半田を設ける工程であってもよい。
このような構成によれば、インターコネクタだけでなく、主電極にも半田がコーティングされるので、半田付けのための加熱時にインターコネクタおよび主電極の双方にコーティングされた半田が溶融し、より容易、かつ、確実に半田付けを行えるようになる。
なお、主電極の端部にさらに半田を設けることによって得られる作用と効果は上述のとおりであり、当該端部における半田の固化が遅延させられることにより、熱応力が緩和された状態でインターコネクタが半田付けされるようになる。
主電極にも半田がコーティングされる上記構成において、主電極の端部にさらに半田を設ける前記工程は、前記端部を再び溶融はんだ槽に浸漬して引き上げる工程であってもよい。
主電極にも半田がコーティングされる上記構成において、主電極の端部にさらに半田を設ける前記工程は、前記端部に半田ペーストを塗布又は印刷する工程であってもよい。
主電極にも半田がコーティングされる上記構成において、主電極の端部にさらに設けられる半田は、インターコネクタおよび主電極をコーティングする半田よりも融点が低いことが好ましい。その理由は上述のとおりである。
以下、図面に基づいてこの発明を詳細に説明する。なお、以下に説明する複数の実施形態において、共通する部材には同じ符号を付して説明する。
実施形態1
この発明の実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法について図1〜9に基づいて説明する。
図1は、実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法で用いられる太陽電池セルの平面図、図2は図1に示される太陽電池セルの側面図、図3は図1に示される太陽電池セルの裏面図、図4は実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法で用いられるインターコネクタの平面図、図5は図4に示されるインターコネクタの側面図、図6は実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法を説明する工程図、図7は図6(a)に示される半田設置工程の要部拡大説明図、図8は図6(b)に示される配置工程の要部拡大説明図、図9は図4(c)に示される半田付け工程の要部拡大説明図である。
図6に示されるように、実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法は、互いに隣接する太陽電池セル1のうち一方の太陽電池セル1の表面に形成されたメイングリッド電極(主電極)6(図1参照)と他方の太陽電池セル1の裏面に形成された裏面接続用電極10(図3参照)とを半田13がコーティングされたインターコネクタ11(図4および図5参照)によって電気的に接続する接続工程を備えている。この接続工程は、後述する半田設置工程、配置工程および半田付け工程とから構成される。
図1〜3に示されるように、この発明の実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法で用いられる太陽電池セル1は、厚さ200μm、一辺125mmのp型単結晶シリコン基板2の受光面2a側にリン拡散によるn型不純物拡散層3が形成され、受光面2aと裏面2bに受光面電極4と裏面電極5がそれぞれ形成された構成を有している。
図1に示されるように、受光面電極4は一般にグリッド電極と呼ばれるもので、平行に並んだ2本のメイングリッド電極6に複数のサブグリッド電極7が交差した構成を有している。メイングリッド電極6の幅W1は約2mmである。
受光面電極4は受光面2a上に銀ペーストをスクリーン印刷法によって印刷し、焼成することにより形成されている。
一方、図3に示されるように、裏面電極5はシリコン基板2の裏面2bの略全面を覆うように形成されたアルミ電極9と、アルミ電極9の開口部に形成された裏面接続用電極10とから構成されている。
アルミ電極9はシリコン基板2の裏面2bにアルミニウムペーストをスクリーン印刷法によって印刷し、焼成することにより形成されている。
一方、裏面接続用電極10は、銀ペーストをアルミ電極9の開口部にスクリーン印刷法によって印刷し、焼成することにより形成されている。
図4および図5に示されるように、実施形態1で用いられるインターコネクタ11は銅リボン12の表面に半田13がコーティングされた構成を有している。
半田13のコーティングは、銅リボン12を溶融はんだ槽に浸漬し引き上げることにより形成される。
図6に示されるように、実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法において、上記の接続工程は、一方の太陽電池セル1のメイングリッド電極6の両端6a,6b(図1および図2参照)のうち、他方の太陽電池セル1と隣接する側の端部6bに半田14を設ける半田設置工程(図6(a)参照)と、インターコネクタ11を一方の太陽電池セル1のメイングリッド電極6と他方の太陽電池セル1の裏面接続用電極10(図2および図3参照)に重ねる配置工程(図6(b)参照)と、加熱により半田13,14を溶融させインターコネクタ11をメイングリッド電極6と裏面接続用電極10に半田付けする半田付け工程(図6(c)参照)とから主に構成されている。
以下、これらの各工程について図7〜9に示す要部拡大説明図を用いてより詳細に説明する。
まず、半田設置工程(図6(a))では、図7に示されるように各メイングリッド電極6の両端6a,6b(図1および図2参照)のうち、他の太陽電池セル1と接続された際に当該他の太陽電池セル1と隣接する側の端部6bに半田ペーストを直径2mm程度、厚さ100〜200μm程度で塗布し、これを約120℃で約2分間乾燥させて熱応力緩和用の半田14とする。
また、半田ペーストの塗布に代えて、メイングリッド電極6の端部6bを溶融はんだ槽(図示せず)に浸漬し引き上げることにより、熱応力緩和用の半田14が設けられてもよい。
いずれの方法を用いるにしても、熱応力緩和用の半田14には、インターコネクタ11をコーティングする半田13よりも融点の低いものを用いることが好ましい。
次いで、配置工程(図6(b))では、図8に示されるように、先の半田設置工程で設けられた熱応力緩和用の半田14が、接続先の太陽電池セル1の裏面接続用電極10と隣接する関係となるように複数の太陽電池セル1を並べる。
この際、太陽電池セル1を並べる作業に併行して、隣接する太陽電池セル1のメイングリッド電極6と裏面接続用電極10にインターコネクタ11が重なるようにインターコネクタ11を配置する作業も行われる。
この配置工程は、真空吸引機能、搬送機能、加熱機能および冷却機能を兼ね備えた自動配線装置(図示せず)で行うことができる。
次いで、半田付け工程(図6(c))では、図9に示されるように、配置工程で配置された位置関係を保ったまま上述の自動配線装置で太陽電池セル1およびインターコネクタ11を220℃に加熱し、インターコネクタ11をコーティングしている半田13(図4および図5参照)および熱応力緩和用の半田14(図6(a)参照)を溶融させ、その後、徐々に冷却することによりインターコネクタ11を隣接する太陽電池セル1のメイングリッド電極6と裏面接続用電極10に半田付けする。
この際、最も熱応力の集中し易い箇所である接続先の太陽電池セル1と隣接するメイングリッド電極6の端部6bは、熱応力緩和用の半田14が設けられ、半田の分量が他の部分よりも局部的に増大しているため、当該端部6bにおける半田の固化は他の部分よりも遅延される。
これにより、図9に矢印で示されるように、当該端部6bにおける太陽電池セル1とインターコネクタ11との相対的な移動が半田の固化が完了するまで許容され、太陽電池セル1に加わる熱応力が緩和された状態でインターコネクタ11が半田付けされるため、太陽電池セル1の割れが防止される。
なお、このような作用と効果は、熱応力緩和用の半田14として、インターコネクタ11をコーティングする半田13よりも融点の低いものが用いられた場合に、より一層顕著に発揮される。
というのは、熱応力緩和用の半田14として融点の低いものを用いることにより、当該端部6bにおける半田の固化がより一層遅延され、より長い間にわたって太陽電池セル1とインターコネクタ11との相対的な移動が許容されるからである。
実施形態2
この発明の実施形態2に係る太陽電池モジュールの製造方法について図10に基づいて説明する。図10はこの発明の実施形態2に係る太陽電池モジュールの製造方法を説明する工程図である。
図10(a)に示されるように、実施形態2に係る太陽電池モジュールの製造方法は、太陽電池セル1を溶融はんだ槽(図示せず)に浸漬して引き上げることにより、受光面電極4および裏面接続用電極5の表面に半田15をコーティングする工程が加えられている。
その後の工程は、上述の実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法と実質的に同じである。
すなわち、図10(b)に示される半田設置工程では、半田15がコーティングされた各メイングリッド電極6の両端6a,6bのうち、他の太陽電池セル1と接続された際に当該他の太陽電池セル1と隣接する側の端部6bにさらに半田ペーストを直径2mm程度、厚さ100〜200μm程度で塗布し、これを約120℃で約2分間乾燥させて熱応力緩和用の半田14とする。
また、半田ペーストの塗布に代えて、メイングリッド電極6の端部6bを溶融はんだ槽に浸漬し引き上げることにより、熱応力緩和用の半田14が設けられてもよい。
いずれにしても、上述の実施形態1と同様に、熱応力緩和用の半田14にはメイングリッド電極6をコーティングする上記の半田15よりも融点の低いものを用いることが好ましい。
したがって、メイングリッド電極6の端部6bを溶融はんだ槽に浸漬して引き上げることにより熱応力緩和用の半田14を設ける場合、溶融はんだ槽内の半田は、メイングリッド電極6をコーティングするために用いられた半田15とは組成の異なる融点の低いものであることが好ましい。
次いで、図10(c)に示される配置工程では、先の半田設置工程で設けられた熱応力緩和用の半田14が、接続先の太陽電池セル1の裏面接続用電極10と隣接する関係となるように太陽電池セル1を並べる作業と併行して、インターコネクタ11が隣接する太陽電池セル1のメイングリッド電極6と裏面接続用電極10に重なるように、インターコネクタ11を配置する。この配置工程は上述の実施形態1と同様に自動配線装置を用いて行うことができる。
その後、図10(d)に示される半田付け工程では、配置工程で配置された位置関係を保ったまま上述の自動配線装置で太陽電池セル1およびインターコネクタ11を220℃に加熱し、インターコネクタ11をコーティングしている半田13(図4および図5参照)、メイングリッド電極6をコーティングしている半田15(図10(a)参照)、および半田設置工程で設けられた熱応力緩和用の半田14(図10(b)参照)を溶融させ、その後、徐々に冷却することによりインターコネクタ11を、隣接する太陽電池セル1のメイングリッド電極6と裏面接続用電極10に半田付けする。
実施形態2による太陽電池モジュールの製造方法によっても、上述の実施形態1と同様に、最も熱応力の集中し易い箇所である接続先の太陽電池セル1と隣接するメイングリッド電極6の端部6bにおいて半田の固化が他の部分よりも遅延され、当該端部6bにおける太陽電池セル1とインターコネクタ11との相対的な移動が半田の固化が完了するまで許容される。これにより、太陽電池セル1に加わる熱応力が緩和された状態でインターコネクタ11が半田付けされ、太陽電池セル1の割れが防止される。
この発明の実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法に用いられる太陽電池セルの平面図である。 図1に示される太陽電池セルの側面図である。 図1に示される太陽電池セルの裏面図である。 この発明の実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法に用いられるインターコネクタの平面図である。 図4に示されるインターコネクタの側面図である。 この発明の実施形態1に係る太陽電池モジュールの製造方法を説明する工程図である。 図6(a)に示される半田設置工程の要部拡大説明図である。 図6(b)に示される配置工程の要部拡大説明図である。 図6(c)に示される半田付け工程の要部拡大説明図である。 この発明の実施形態2に係る太陽電池モジュールの製造方法を説明する工程図である。 従来の第1の方法によって接続されたメイングリッド電極とインターコネクタを示す説明図である。 従来の第2の方法によって接続されたメイングリッド電極とインターコネクタを示す説明図である。 インターコネクタとメイングリッド電極との接続部分の近傍に生ずる割れを模式的に示す説明図である。
符号の説明
1・・・太陽電池セル
2・・・シリコン基板
2a・・・受光面
2b・・・裏面
3・・・不純物拡散層
4・・・受光面電極
5・・・裏面電極
6・・・メイングリッド電極
6a,6b・・・端部
7・・・サブグリッド電極
8・・・裏面電極
9・・・アルミ電極
10・・・裏面接続用電極
11・・・インターコネクタ
12・・・銅リボン
13,14,15・・・半田

Claims (8)

  1. 互いに隣接する太陽電池セルのうち一方の太陽電池セルの表面に形成された主電極と他方の太陽電池セルの裏面に形成された裏面接続用電極とを半田がコーティングされたインターコネクタによって電気的に接続する工程を備え、前記接続工程は、一方の太陽電池セルの主電極の両端のうち、他方の太陽電池セルと隣接する側の主電極の端部に半田を設ける工程と、一方の太陽電池セルの主電極と他方の太陽電池セルの裏面接続用電極にインターコネクタを重ねる工程と、加熱により半田を溶融させインターコネクタを前記主電極と前記裏面接続用電極に半田付けする工程を含む太陽電池モジュールの製造方法。
  2. 主電極の端部に半田を設ける前記工程は、前記端部に半田ペーストを塗布又は印刷する工程である請求項1に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  3. 主電極の端部に半田を設ける前記工程は、前記端部を溶融はんだ槽に浸漬して引き上げる工程である請求項1に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  4. 主電極の端部に設けられる半田は、インターコネクタをコーティングする半田よりも融点が低い請求項1〜3のいずれか1つに記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  5. 太陽電池セルを溶融はんだ槽に浸漬して主電極に半田をコーティングする工程をさらに備え、主電極の端部に半田を設ける前記工程は、半田がコーティングされた主電極の端部にさらに半田を設ける工程である請求項1に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  6. 主電極の端部にさらに半田を設ける前記工程は、前記端部を再び溶融はんだ槽に浸漬して引き上げる工程である請求項5に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  7. 主電極の端部にさらに半田を設ける前記工程は、前記端部に半田ペーストを塗布又は印刷する工程である請求項5に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  8. 主電極の端部にさらに設けられる半田は、インターコネクタおよび主電極をコーティングする半田よりも融点が低い請求項5〜7のいずれか1つに記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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