JP2011192864A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイパスダイオードの設置を容易にした光電変換装置を提供する。
【解決手段】スリットＳ３によって分割された光電変換セルを直列に接続した光電変換モジュール２０２と、複数の光電変換セルに跨って光電変換セルの裏面が露出する穴３２が開けられ、直列接続の方向に沿って延設された絶縁部材２０４と、絶縁部材２０４の穴３２内に配置され、光電変換セルをバイパスするバイパスダイオード２０６と、絶縁部材２０４及びバイパスダイオード２０６と共に光電変換モジュール２０２の裏面を封止するバックシート２０８と、光電変換モジュール２０２とバックシート２０８との間に充填される充填材２１０とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換装置に関する。

太陽光を利用した発電システムとして、アモルファスや微結晶等の半導体薄膜を積層した光電変換装置が用いられている。

光電変換装置では、複数の光電変換セルを直並列に接続して実用的な電気出力を取り出せる構成とされている。複数の光電変換セルを接続して透光性基板とエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材で封入して光電変換モジュールが形成されている。このような光電変換モジュールを屋外に設置した場合、光電変換モジュール内のある１つの光電変換セルが何かの影になったときなどで発電が不十分になった場合、その光電変換セルは抵抗となる。このとき光電変換セルの両電極にはその抵抗値と流れる電流の積の電位差が発生する。すなわち、光電変換セルに逆方向のバイアス電圧が印加されることになり、このセルは発熱するようになる。このような状況をホットスポットと呼んでいる。このホットスポットの現象が発生し、光電変換セルの温度が上昇し続けると、最悪の場合、この光電変換セルは破壊して光電変換モジュールから所定の電気出力を取り出すことができなくなる。

そこで、ホットスポットによる光電変換モジュールの損傷を防ぐために、光電変換セルに正常時の出力に対して逆バイアスとなるようにバイパスダイオードを接続する方法が採用されている。バイパスダイオードを設けることによって、どこかの光電変換セルが陰になって発電量が落ちた場合であってもその部分を回避してバイパスダイオードを介して電流が流れるので、陰部分の影響が回路全体には及ぶことがなくなる。

ところで、光電変換装置では、多数の光電変換セルが直並列に接続されており、各光電変換セルに対して個別にバイパスダイオードを配置し、電気的に接続する処理が必要とされる。そこで、このような処理を簡易かつ迅速に行うことができる光電変換装置の構成が望まれている。

本発明の１つの態様は、スリットによって分割された光電変換セルを直列に接続した光電変換モジュールと、複数の光電変換セルに跨って光電変換セルの裏面が露出する穴が開けられ、直列接続の方向に沿って延設された絶縁部材と、絶縁部材の穴内に、隣接する光電変換セルを跨って配置されたダイオードと、絶縁部材及びダイオードと共に光電変換モジュールの裏面を封止するバックシートと、光電変換モジュールとバックシートとの間に充填される充填材と、を備える、光電変換装置である。

本発明によれば、バイパスダイオードの設置を容易にした光電変換装置ができる。

本発明の実施の形態における光電変換装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の構造を説明する内部斜視図である。 本発明の実施の形態における光電変換モジュールの構造を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の構造を説明する内部斜視図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の構造を説明する内部斜視図である。

本発明の実施の形態における光電変換装置２００は、図１に示すように、光電変換モジュール２０２、絶縁部材２０４、バイパスダイオード２０６、バックシート２０８及び充填材２１０を含んで構成される。なお、図１は、絶縁部材２０４及びバイパスダイオード２０６の延設方向に沿って光電変換装置２００の断面構造を模式的に示した図である。また、本発明の特徴を明確に示すために、図２に光電変換装置２００のバックシート２０８及び充填材２１０を除去した状態の斜視図を示す。

光電変換モジュール２０２は、図３の拡大断面図に示すように、基板２０を光入射側として、光入射側から、透明電極層２２、トップセルとして広いバンドギャップを有するアモルファスシリコン光電変換ユニット（ａ−Ｓｉユニット）２４、中間層２６、ボトムセルとしてａ−Ｓｉユニット２４よりバンドギャップの狭い微結晶シリコン光電変換ユニット（μｃ−Ｓｉユニット）２８及び裏面電極層３０、を積層した構造を有する。なお、本実施の形態では、ａ−Ｓｉユニット２４及びμｃ−Ｓｉユニット２８を積層したタンデム型光電変換装置を例に説明を行うが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、ａ−Ｓｉユニット２４及びμｃ−Ｓｉユニット２８のいずれかのみを用いたシングル型光電変換装置やさらに他種の光電変換ユニットを適用した光電変換装置であってもよい。

基板２０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の少なくとも可視光波長領域において透過性を有する材料を適用することができる。基板２０上に透明電極層２２が形成される。透明電極層２２は、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透光性が高く、抵抗率が低く、耐プラズマ特性にも優れているので好適である。透明電極層２２は、例えば、スパッタリング法又はＣＶＤ法等により形成することができる。

光電変換モジュール２０２を複数の光電変換セルを直列に接続した構成とする場合、透明電極層２２にスリットＳ１を形成して短冊状にパターニングする。例えば、波長１０６４ｎｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ²、パルス周波数３ｋＨｚのＹＡＧレーザを用いて透明電極層２２を短冊状にパターニングすることができる。

透明電極層２２上に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層のシリコン系薄膜を順に積層してａ−Ｓｉユニット２４を形成する。ａ−Ｓｉユニット２４は、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、ジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ₄）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ₃）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ₂）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ法）により形成することができる。プラズマＣＶＤ法は、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することが好適である。

ａ−Ｓｉユニット２４上に、中間層２６を形成する。中間層２６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を用いることが好適である。特に、マグネシウムＭｇがドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）や酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を用いることが好適である。中間層２６は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。中間層２６の膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることが好適である。なお、中間層２６は、設けなくてもよい。

中間層２６上に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層を順に積層したμｃ−Ｓｉユニット２８を形成する。μｃ−Ｓｉユニット２８は、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、ジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ₄）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ₃）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ₂）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマＣＶＤ法により形成することができる。プラズマＣＶＤ法は、ａ−Ｓｉユニット２４と同様に、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することが好適である。

複数のセルを直列接続する場合、ａ−Ｓｉユニット２４及びμｃ−Ｓｉユニット２８にスリットＳ２を形成して短冊状にパターニングする。透明電極層２２に形成したスリットＳ１の位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射してスリットＳ２を形成し、ａ−Ｓｉユニット２４及びμｃ−Ｓｉユニット２８を短冊状にパターニングする。ＹＡＧレーザは、例えば、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ²、パルス周波数３ｋＨｚのものを用いることが好適である。

μｃ−Ｓｉユニット２８上に、裏面電極層３０を形成する。裏面電極層３０は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）と反射性金属とを順に積層した構造とすることが好適である。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）としては、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、又は、これらの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）に不純物をドープしたものが用いられる。例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）にアルミニウム（Ａｌ）を不純物としてドープしたものでもよい。また、反射性金属としては、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属が使用できる。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）は、例えば、スパッタリング法又はＣＶＤ法等により形成することができる。裏面電極層３０は、合わせて１μｍ程度の膜厚とすることが好適である。裏面電極層３０の少なくとも一方には、光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けることが好適である。

複数のセルを直列接続する場合、裏面電極層３０にスリットＳ３を形成して短冊状にパターニングする。ａ−Ｓｉユニット２４及びμｃ−Ｓｉユニット２８に形成したスリットＳ２の位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射してスリットＳ３を形成し、裏面電極層３０を短冊状にパターニングする。ＹＡＧレーザは、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ²、パルス周波数４ｋＨｚのものを用いることが好適である。

これにより、スリットＳ２に埋め込まれた裏面電極層３０を介して１つの光電変換セルの裏面電極層３０が隣り合う光電変換セルの透明電極層２２に電気的に接続され、隣り合う光電変換セル同士が直列に接続された構造となる。

次に、絶縁部材２０４及びバイパスダイオード２０６が搭載される。絶縁部材２０４は、絶縁性材料からなるテープ状、フィルム状又はシート状の部材である。絶縁部材２０４は、光電変換モジュール２０２の裏面電極層３０上に光電変換セルの直列接続方向に沿って延設される。絶縁部材２０４には、その延設方向に沿って所定のピッチＰ１で複数の穴３２が形成されており、穴３２がバイパスダイオード２０６の位置合わせに使用される。絶縁部材２０４の材料は、例えば、テフロン（登録商標）とすることが好適である。

絶縁部材２０４に形成される穴３２は、バイパスダイオード２０６を配置するピッチＰと同じピッチＰ１で形成する。例えば、直列接続された光電変換セルの１つずつにバイパスダイオード２０６を設ける場合には、図１及び図２に示すように、光電変換セルの配置のピッチＰ２と同じピッチＰ１で穴３２を形成する。また、穴３２は、バイパスダイオード２０６を穴３２内に嵌め置いた際にバイパスダイオード２０６の位置が空間的にずれないような形状及び大きさとする。そして、穴３２が隣り合う光電変換セルの裏面電極層３０に跨るように、光電変換モジュール２０２の裏面電極層３０上に絶縁部材２０４を配置する。

バイパスダイオード２０６は、光電変換装置２００にホットスポットが発生した場合に光電変換セルの破損を防ぐために設けられる。バイパスダイオード２０６は、光電変換セルが正常に発電している状態において、電圧が逆バイアスの状態で印加されるように光電変換セルに接続される。

例えば、直列接続された光電変換セルの１つずつにバイパスダイオード２０６を設ける場合には、上記のように配置された絶縁部材２０４の穴３２の各々にバイパスダイオード２０６を並べ、隣り合う光電変換セルの裏面電極層３０にバイパスダイオード２０６のアノード電極とカソード電極をそれぞれ接続する。裏面電極層３０とアノード電極又はカソード電極との接続は、一般的なハンダ付けでもよいし、バックシート２０８の封止による機械的な圧着でもよい。

また、直列接続された光電変換セルの１つずつにバイパスダイオード２０６を設けず、複数の光電変換セルに跨ってバイパスダイオード２０６を設けてもよい。この場合には、図４に示すように、絶縁部材２０４には複数の光電変換セルを足し合わせたピッチＰ１で穴３２を設ける。また、穴３２は複数の光電変換セルに跨るような大きさとする。バイパスダイオード２０６は、複数の光電変換セルに跨って光電変換セルが正常に発電している状態において、電圧が逆バイアスの状態で印加されるように光電変換セルに接続される。

穴３２が形成された絶縁部材２０４を用いることによって、穴３２に合わせてバイパスダイオード２０６を配置するだけでバイパスダイオード２０６の位置合わせを行うことができる。したがって、バイパスダイオード２０６の位置合わせの作業の負担を軽減することができる。

このように絶縁部材２０４を用いてバイパスダイオード２０６を配置した状態において、充填材２１０によって裏面電極層３０の表面をバックシート２０８で覆って封止する。充填材２１０及びバックシート２０８は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料とすることができる。充填材２１０を塗布した裏面電極層３０上をバックシート２０８で覆い、１５０℃程度の温度に加熱しつつ裏面電極層３０へ向かってバックシート２０８に圧力を加えることによって封止を行うことができる。これによって、光電変換装置２００の発電層への水分の侵入等を防ぐことができる。

このとき、絶縁部材２０４は、このような封止処理における加熱に耐えられる程度の耐熱性を有することが好適である。加熱処理は１５０℃程度で行われるので、絶縁部材２０４を例えばテフロン（登録商標）とすることが好適である。

また、絶縁部材２０４の厚さをバイパスダイオード２０６の厚さよりも小さくすることが好適である。バイパスダイオード２０６を配置する際にアノード電極及びカソード電極が裏面電極層３０の表面に触れるようにしておくことによって、バックシート２０８に圧力を加えて封止する際にバイパスダイオード２０６が裏面電極層３０に向けて押圧され、アノード電極及びカソード電極が裏面電極層３０に押し付けられ、ハンダ付け等の作業を行うことなくアノード電極及びカソード電極と裏面電極層３０との良好な電気的接続を得ることができる。

さらに好適には、絶縁部材２０４の厚さをバイパスダイオード２０６の厚さの０．３倍以上０．７倍以下にするとよい。このように、絶縁部材２０４の厚さをバイパスダイオード２０６の厚さの半分程度にすることによって、裏面電極層３０からバイパスダイオード２０６までの段差を絶縁部材２０４の段差によって滑らかに繋ぎ、それぞれの段差の幅を小さくすることができる。これにより、段差によるバックシート２０８の浮き上がりを抑制し、バックシート２０８の凹凸を低減することができる。

さらに、絶縁部材２０４の一面には接着材を塗布し、シール状に形成しておくことも好適である。絶縁部材２０４を裏面電極層３０上に配置する際に、接着剤により絶縁部材２０４を裏面電極層３０に貼り付けることができ、バイパスダイオード２０６を配置する際に絶縁部材２０４の位置がずれることがなくなり、より正確かつ迅速に絶縁部材２０４及びバイパスダイオード２０６の位置合わせを行うことができる。

また、図５の断面図及び図６の内部斜視図に示すように、絶縁部材２０４及びバイパスダイオード２０６上を覆うようにカバー部材２１２を設けてもよい。なお、図５は、絶縁部材２０４，バイパスダイオード２０６及びカバー部材２１２の延設方向に沿って光電変換装置３００の断面構造を模式的に示した図である。また、図６は、本発明の特徴を明確に示すために、光電変換装置３００のバックシート２０８及び充填材２１０を除去した状態の斜視図を示す。図６の内部斜視図では、構成を明確にするためにカバー部材２１２で覆われているバイパスダイオード２０６及び絶縁部材２０４の穴３２を破線で示している。

カバー部材２１２は、絶縁性材料からなるテープ状、フィルム状又はシート状の部材である。カバー部材２１２は、絶縁部材２０４と同様に、バックシート２０８の封止処理における加熱に耐えられる程度の耐熱性を有することが好適である。加熱処理は１５０℃程度で行われるので、カバー部材２１２を例えばテフロン（登録商標）とすることが好適である。

カバー部材２１２により絶縁部材２０４及びバイパスダイオード２０６を覆うことで、バックシート２０８で封止を行う際に充填材２１０によって絶縁部材２０４の穴３２が埋められることを防ぐことができる。これにより、充填材２１０がバイパスダイオード２０６のアノード電極及びカソード電極と裏面電極層３０との間に入り込むことがなくなり、アノード電極及びカソード電極と裏面電極層３０との電気的接触が不良になることを防ぐことができる。

また、裏面電極層３０と絶縁部材２０４との間の段差、及び絶縁部材２０４とバイパスダイオード２０６との間の段差をカバー部材２１２で覆うことによって滑らかな傾斜とすることができる。これによって、これらの段差によるバックシート２０８の浮き上がりを抑制し、バックシート２０８の凹凸を小さくすることができる。

以上のように、本実施の形態の光電変換装置によれば、ホットスポットが発生した場合にバイパスダイオードによって光電変換セルの破損を防ぐことができる。さらに、光電変換装置を製造する際に、バイパスダイオードの設置を容易にすることができる。

２０ 基板、２２ 透明電極層、２４ アモルファスシリコン光電変換ユニット、２６ 中間層、２８ 微結晶シリコン光電変換ユニット、３０ 裏面電極層、３２ 穴、２００，３００ 光電変換装置、２０２ 光電変換モジュール、２０４ 絶縁部材、２０６ バイパスダイオード、２０８ バックシート、２１０ 充填材、２１２ カバー部材。

Claims (5)

1. スリットによって分割された光電変換セルを直列に接続した光電変換モジュールと、
   隣接する前記光電変換セルに跨って前記光電変換セルの裏面が露出する穴が開けられ、前記直列接続の方向に沿って延設された絶縁部材と、
   前記絶縁部材の穴内に、隣接する前記光電変換セルを跨って配置されたダイオードと、
   前記絶縁部材及び前記ダイオードと共に前記光電変換モジュールの裏面を封止するバックシートと、
   前記光電変換モジュールと前記バックシートとの間に充填される充填材と、
   を備えることを特徴とする光電変換装置。
2. 請求項１に記載の光電変換装置であって、
   前記絶縁部材の穴を覆うカバー部材を備えることを特徴とする光電変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の光電変換装置であって、
   前記絶縁部材の厚さは、前記ダイオードの厚さよりも小さいことを特徴とする光電変換装置。
4. 請求項３に記載の光電変換装置であって、
   前記絶縁部材の厚さは、前記ダイオードの厚さの半分以下であることを特徴とする光電変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の光電変換装置であって、
   前記絶縁部材は、前記光電変換モジュールと接着剤にて接着されていることを特徴とする光電変換装置。

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