JP2011192890A

JP2011192890A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2011192890A
Application number: JP2010059172A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kiriyama; 竜也桐山
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-09-29

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】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、少なくともｐ層及びｎ層を積層したバイパスダイオード４４が表面に形成されたバイパスダイオードフィルム２０４とを備え、隣接する光電変換セルに跨ってバイパスダイオード４４が配置されるように直列接続の方向に沿ってバイパスダイオードフィルム２０４を延設する。
【選択図】図２

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、少なくともｐ層及びｎ層を積層したダイオードが表面に形成されたバイパスダイオードフィルムと、バイパスダイオードフィルム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、隣接する光電変換セルに跨ってダイオードが配置されるように直列接続の方向に沿ってバイパスダイオードフィルムが延設された、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バイパスダイオードフィルム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、バイパスダイオードフィルム２０４、バックシート２０６及び充填材２０８を含んで構成される。なお、図１は、バイパスダイオードフィルム２０４が延設された方向に沿った光電変換装置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２０６及び充填材２０８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（ＳｎＯ_２）、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、スパッタリング法や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／ｃｍ^２、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（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ_４）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ_３）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ_２）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、スパッタリング法やＣＶＤ法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（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ_４）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ_３）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ_２）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／ｃｍ^２、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（ＳｎＯ_２）、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、スパッタリング法や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／ｃｍ^２、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、バイパスダイオードフィルム２０４の構成及び製造方法を説明する。バイパスダイオードフィルム２０４は、図４の拡大断面図に示すように、基板４０、第１電極層４２、バイパスダイオード４４及び第２電極層４６を積層して構成される。バイパスダイオードフィルム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基板４０上にバイパスダイオード４４を複数並べて形成したものである。

基板４０は、可撓性を有する絶縁材料で構成される。例えば、ポリエチレン、ポリイミド等のプラスチック材料のフィルムとする。基板４０上に第１電極層４２が形成される。第１電極層４２は、導電性の材料で構成される層であればよい。第１電極層４２は、例えば、酸化錫（ＳｎＯ_２）、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の組み合わせ、又は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属を用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や金属は、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。第１電極層４２は、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法等により形成することができる。

第１電極層４２は、スリットＳ４によって短冊状にパターニングされる。バイパスダイオード４４を、隣り合う光電変換セル毎に設ける場合には、バイパスダイオードフィルム２０４に形成されるバイパスダイオード４４を光電変換モジュール２０２に形成される光電変換セルと同じピッチで形成する必要があるので、スリットＳ４を光電変換セルの配置のピッチＰ１に合わせたピッチＰ２で形成する。第１電極層４２は、例えば、波長１０６４ｎｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ^２、パルス周波数３ｋＨｚのＹＡＧレーザを用いて短冊状にパターニングすることができる。なお、第１電極層４２は、マスクを用いたスパッタリング法やスクリーン印刷法によって形成してもよい。

第１電極層４２上に、少なくともｐ型層及びｎ型層のシリコン系薄膜を順に積層してバイパスダイオード４４となる半導体層を形成する。半導体層は、全体としてｐｎ接合特性を有すればよく、ｐ／ｎの２層積層やｐ／ｉ／ｎの３層積層等の態様を採ることができる。半導体層は、アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜を積層することにより構成することができる。アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜は、シラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ_４）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ_３）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ_２）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。

次に、半導体層をスリットＳ５により短冊状に分割してバイパスダイオード４４を形成する。第１電極層４２に形成したスリットＳ４の位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射してスリットＳ５を形成し、半導体層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／ｃｍ^２、パルス周波数３ｋＨｚのものを用いることが好適である。

バイパスダイオード４４上に、第２電極層４６を形成する。第２電極層４６は、導電性の材料で構成される層であればよい。第２電極層４６は、例えば、酸化錫（ＳｎＯ_２）、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の組み合わせ、又は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属を用いることが好適である。第２電極層４６は、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法等により形成することができる。

次に、第２電極層４６にスリットＳ６を形成して短冊状にパターニングする。半導体層に形成したスリットＳ５の位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射してスリットＳ６を形成し、第２電極層４６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／ｃｍ^２、パルス周波数４ｋＨｚのものを用いることが好適である。なお、第２電極層４６は、マスクを用いたスパッタリング法やスクリーン印刷法によって形成してもよい。

これにより、スリットＳ５に埋め込まれた第２電極層４６を介して１つのバイパスダイオード４４の第２電極層４６が隣り合うバイパスダイオード４４の第１電極層４２に電気的に接続され、隣り合うバイパスダイオード４４同士が直列に接続されたバイパスダイオードフィルム２０４が形成される。

このように形成されたバイパスダイオードフィルム２０４を光電変換モジュール２０２上に配置し、光電変換モジュール２０２の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バイパスダイオードフィルム２０４のバイパスダイオード４４を光電変換セルに接続する。すなわち、バイパスダイオードフィルム２０４のバイパスダイオード４４が直列接続された方向を光電変換モジュール２０２の光電変換セルが直列接続された方向に合わせ、バイパスダイオードフィルム２０４の１つのバイパスダイオード４４の第２電極層４６を光電変換モジュール２０２の光電変換セルの１つの裏面電極層３０に接触させ、そのバイパスダイオード４４に隣接するバイパスダイオード４４の第２電極層４６をその光電変換モジュール２０２に隣接する光電変換セルの裏面電極層３０に接触させる。

このとき、バイパスダイオードフィルム２０４のバイパスダイオード４４の配置のピッチＰ２と、光電変換モジュール２０２の光電変換セルの配置のピッチＰ１と、を一致させているので、直列接続された光電変換セルの１つずつに対応付けてバイパスダイオード４４を接続することができる。なお、スリットＳ１〜Ｓ３とスリットＳ４〜Ｓ５とが重なり合うようにすることによって、バイパスダイオードフィルム２０４と光電変換モジュール２０２との位置合わせを容易に行うことができる。

なお、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４４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４４を設けてもよい。この場合には、バイパスダイオードフィルム２０４には複数の光電変換セルに跨るようなピッチＰ２でバイパスダイオード４４を形成する。具体的には、ｎ個の光電変換セルに跨ってバイパスダイオード４４を配置する場合、バイパスダイオード４４の配置のピッチＰ２を光電変換セルの配置のピッチＰ１のｎ倍とすることが好適である。

このようにバイパスダイオードフィルム２０４を配置した状態において、充填材２０８を用いて裏面電極層３０の表面をバックシート２０６で覆って封止する。充填材２０８及びバックシート２０６は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料とすることができる。バイパスダイオードフィルム２０４を配置した裏面電極層３０上に充填材２０８を配置し、充填材２０８上をバックシート２０６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２０６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、バックシート２０６によってバイパスダイオードフィルム２０４が光電変換モジュール２０２に向けて押圧され、バイパスダイオード４４の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。

また、図５の断面図及び図６の内部斜視図に示すように、バイパスダイオードフィルム２０４上を覆うようにカバー部材２１０を設けてもよい。なお、図５は、バイパスダイオードフィルム２０４及びカバー部材２１０が延設された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２０６及び充填材２０８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２１０で覆われているバイパスダイオードフィルム２０４を破線で示している。

カバー部材２１０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２１０は、バックシート２０６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２１０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２１０によりバイパスダイオードフィルム２０４を覆うことで、バックシート２０６で封止を行う際に充填材２０８がバイパスダイオード４４の第２電極層４６と裏面電極層３０との間に入り込むことがなくなり、第２電極層４６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とバイパスダイオードフィルム２０４との間の段差をカバー部材２１０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、段差によるバックシート２０６の浮き上がりを抑制し、バックシート２０６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、４０基板、４２第１電極層、４４バイパスダイオード、４６第２電極層、２００光電変換装置、２０２光電変換モジュール、２０４バイパスダイオードフィルム、２０６バックシート、２０８充填材、２１０カバー部材。

Claims

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、
少なくともｐ層及びｎ層を積層したダイオードが表面に形成されたバイパスダイオードフィルムと、
前記バイパスダイオードフィルム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、
隣接する前記光電変換セルに跨って前記ダイオードが配置されるように前記直列接続の方向に沿って前記バイパスダイオードフィルムが延設されていることを特徴とする光電変換装置。
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記バイパスダイオードフィルムは、前記スリットのピッチと同じピッチで前記ダイオードが並べられていることを特徴とする光電変換装置。
請求項１又は２に記載の光電変換装置であって、
前記バイパスダイオードフィルムを覆うようにカバー部材が設けられていることを特徴とする光電変換装置。