JP2011519182A - モノリシックモジュール組立て技法を使用して製造した光起電モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モノリシックモジュール組立て構成及び方法を使用して太陽電池モジュールを製造する方法を含む。
以下の論考では数多くの著者及び出版年の出版物に言及すること、また出版日の新しい一部の出版物を本発明の従来技術とはみなさないことに留意すべきである。本明細書では、より徹底して技術背景を説明するためにこのような出版物について記載するが、特許性を決定する目的でこれらの出版物を従来技術として認めると解釈すべきではない。
・太陽電池を直列に電気的に接続するプロセスは自動化が困難なため、ストリンガ/タバーのスループットには限界があり、またコストがかかる。
・ラミネーション工程前の組み立てた太陽電池回路は極めて壊れやすい。
・Cuリボン相互接続部は、光の過剰反射を回避するために細くなくてはならず、またあまり厚みがあってはならない。これは厚みがあると硬くなりすぎ、セルに応力がかかるからである。最終的に、Cu相互接続部の導電性は限定され、相互接続部による電気損失が大きくなる。
・上記の制約により、このプロセスでは薄い結晶シリコン太陽電池の使用が困難となる。より薄いSiの使用により太陽電池のコストは下がる。
・太陽電池間の間隔は、Cu相互接続ワイヤの応力緩和に対応するのに十分な広さでなくてはならないが、太陽電池間の利用されない間隔のせいでモジュール効率が低下してしまう。
・このプロセスには多くの工程があるため、製造コストが上がる。
・1段階の組み立てによって工程の数が減り、また製造コストが下がる。
・平面的な形状によって自動化が容易となり、コストが下がり、製造ツールのスループットが改善される。
・モジュール端部のCuバスの数を減らす又は排除できることから、モジュールのサイズを小さくしてコストを下げ、効率を上げることができる。
・接触点の数及び位置を簡単に最適化することができる。これは形状がパターニング技術によってしか制限されないからである。これが追加のCu相互接続ストラップ又は接触点によってコストが上がるストリンガ/タバーとは異なる点である。結果として、モノリシックモジュール組立てではセルと相互接続部の形状をより簡単に最適化してセルとモジュールのコストと性能を改善することができる。
・形状は現行のものよりずっと平面的であることから、応力がかかりにくい。したがって、薄いSi太陽電池をより簡単に使用することができる。
・バックシート上の電気回路はほぼ全面を覆うことができる。このため、電気相互接続部の導電性は、相互接続部がはるかに幅広くなることから極めて高くなり得る。その一方で、より幅広の導体を、依然として低抵抗のままでより薄く(典型的には100μm未満)形成することができる。薄い導体は一般にCuリボン相互接続部よりも柔軟性が高いため、応力が下がる。
・太陽電池の間隔を狭めることができる。これは分厚いCu相互接続部の応力緩和を維持しなくてよいからである。これによってモジュール効率が改善され、モジュール材料コストが下がる(無使用面積が減ることから必要なガラス、ポリマー及びバックシートの量が少なくなる)。
本文及び特許請求の範囲全体を通して使用の用語「バス(bus)」はバスバー、バスリボン、バスストラップ又は電流のバス伝送に適したその他の伝導性要素を意味する。
バス機能はバスバーがなくても、すなわち図4に示されるようなバックシート上での多層メタライゼーションの利用を通じて面積を増やすことなく実現することができる。多層メタライゼーションとは、電気的絶縁体によって隔てられた2つ以上の金属導体層を意味する。これらの層は様々な地点において、電気的絶縁体の伝導性ビアを通して相互接続することができる。多層メタライゼーションでは、ある層をセルと接触させて電流を回路内の隣接する太陽電池に伝送し、一方、第2層を使用して電流を接続箱に伝送する又はその他の機能を果たさせることができる。このため、バスのための追加の領域を必要としない。この実施形態においては、単層の伝導性ホイル44が内方バックシート46の端部を包み込んで多層メタライゼーションを形成しており、好ましくは電流を外方バックシート50の開口部48を通じて外へと接続箱に伝達する。ホイル44は太陽電池52とILD(及び/又はカプセル化材)56に配置された伝導性材料54を介して電気的に接触している。
バックシート上での回路のレイアウトにはかなりの融通がきく。レイアウトがパターニング技法による制限しか受けないからである。これがCuリボン相互接続部を使用した、扁平なCuリボン相互接続部のせいで太陽電池を直線に並べなくてはならない慣用の光起電モジュールとは異なる点である。モノリシックバックシートにおける回路のレイアウトでは、電気的に直列のセルが直線状とならないように設計することもできる。すなわち、回路は直角の方向転換が可能である。このため、これらの回路は非線形となる。直角の方向転換が可能であることから、モジュールのどちらの端部でもバスを必要としない太陽電池の非線形のレイアウトが可能になり、これによってモジュールの効率が上がり、またコストが下がる。相互接続部又は電流路76を黒線として示したこのようなデザイン2つを、縦6列x横10列のアレイ状の60個の太陽電池78を備えたモジュールについて図6、7に示す。これらのデザインは、中央位置(例えば、接続箱開口部80)で終端する複数のストリングを備えていることから、1つしか接続箱を必要としない。最終的には、このデザインでは接続箱とケーブルのレイアウトがより単純となるため、モジュールのコストが低下する。加えて、直列及び並列接続をセル下で維持することにより、必要とするカプセル化材、ガラス、フレーム及びバックシート材料の量が少なくなる。
一般的なアプローチは、接続箱をモジュールの上部及び中心に向けて設置することである。この設置には、上述したように、電流を接続箱にバス伝送する伝導性の高いバスが必要とされる。接続箱の設置及び相互接続を、Cuリボンバスの使用に関連させて説明する。このアプローチにおいて、典型的な銅バスリボン(慣用の太陽電池の相互接続に使用されるもの等)は、好ましくは、モジュールのモノリシックバックシートの上部及び底部で金属ホイルに接合される。リボンを接続箱内に通すためには、バックシートを好ましくは打ち抜いて材料を除去し、接続箱の後方に続く開口部を形成する。また、スリットを使用してリボンをバックシートから接続箱内へと通すこともできる。
典型的な光起電モジュールは、異なる材料の幾つかの層を積層し、これらの層をラミネーション処理において互いに封止することによって構築される。典型的な光起電モジュール積層体のレイアップは一枚のガラスから始まる。ガラスシート上に、エチレンビニルアセテート(EVA)のシートを置く。EVAは軟質熱硬化性透明ポリマーである。EVA以外にも様々な別の材料をカプセル化に使用することができる。EVAの上には、一連のセルストリングが置かれる。一般に、各ストリングは直列に相互接続された一連の太陽電池から成る。セルをEVA上に一旦置いたら、各ストリングの開始及び終了セルにバス線/タブ線を接合して個々のストリングを相互接続する。このバス線は、一般に、金属リボンの1本1本から構成され、典型的にはSn又はSn/Ag被覆Cuを含む。相互接続の完了後、別のEVAシートをストリングの上にガラスの端にまで延ばして置く。最後に、バッキング材料のシートをEVA上に置き、このシートもガラスの端にまで又はそれを超えて延びる。第2のEVAシートのレイアップ中、バックシートに貫通口を開けて外部接触のためにリボンを外に出す。
裏面の電気回路及び太陽電池上の導体を電気的に絶縁して短絡を防止しなくてはならない。セルとバックシート回路との間のカプセル化材層は、典型的には、この機能を果たすに十分な絶縁耐力を有する。しかしながら、その厚さは極めて不均一となり得る。これは真空/加圧ラミネーション工程によって極めて薄い領域が生じる場合があるからである。加えて、電気的取り付け材料の適用又は太陽電池の設置が不正確になる場合もある。太陽電池又はフレキシブル回路のいずれかの上で電気的絶縁体層を使用することによって、電気的な短絡の可能性を下げつつ組立てにおいてより大きな公差をもたらすことがこれまでに既に記載されている。
典型的な光起電モジュールは、連続レイアッププロセスを使用して構築される。このプロセスはガラスシートから始まり、このガラスシートがモジュールの正面にくる。ガラス面を水平面上で伏せ、カプセル化材のシート(典型的にはEVA)をガラス上に置く。EVAの上に一連のセルストリングを置き、ストリングの開始部及び終了部のその相互接続部を互いにはんだ付けする。次に、別のEVAシートをセル上に置き、次にバックシートを置く(典型的には、ポリエステルをセルに向けたテドラー(Tedlar)/ポリエステルホイル)。次に、パッケージ全体をプレスラミネータ内に置き、パッケージを互いに接合する。
・熱可塑性ポリマーはより広いプロセスウィンドウを有し得ることから、カプセル化材のものだけでなく電気的取り付け材料の要件により適合するようにラミネーションプロセスを工夫することができる。
・パッケージにおいてより多くの応力が重要な電気的接合部ではなくカプセル化材にかかるように熱可塑性ポリマーをずっと硬くすることができる(より高い弾性係数)。
・熱可塑性カプセル化材はガラス及び光起電積層体におけるその他の界面に対して極めて優れた接着性を有しており、そのこともまた重要な電気的接合部に伝達される応力を軽減し且つパッケージ全体の信頼性も改善するのに役立つ。
・熱可塑性カプセル化材は、化学反応を起こして生成物を生じさせないことから、防湿性、気体不透性バックシートとの適合性がより高い。
・EVAと比較すると、熱可塑性カプセル化材はセル及び/又はバックシートと統合して組立てを簡素化し易い。熱可塑性カプセル化材では、材料を劣化させることなく融点より高い状態に繰り返しもっていくことができるが、硬化した熱硬化性材料では、硬化反応完了後はその他の材料への接合能が大幅に失われてしまう。
モノリシックモジュール組立てでは、電気的接続材料に導電性接着剤及び/又ははんだを利用することができる。これらの材料はラミネーション工程中に接合されなくてはならず、ラミネーションは典型的にはピーク温度200℃未満で起こる。導電性接着剤は典型的にはポリマーマトリクス(エポキシ、シリコーン、ポリイミド、アクリル、ポリウレタン等)と伝導性粒子から成る。伝導性粒子は典型的にはAgを含む。導電性接着剤が、腐食作用を回避して良好な接着性を得るために特殊な金属表面仕上げ(例えば、Ag又はAuめっき)を必要とする場合もある。導電性接着剤の欠点は表面への接合の困難さ、特殊金属表面仕上げのコスト、導電性接着剤のプロセスウィンドウ(室温にした後の有限の寿命)及び熱と湿度による経年劣化である。高温はんだは、必要とされる高温の硬化温度がカプセル化材及びバックシートに使用するポリマーとは合わないことから不利である。低温はんだ(Sn:Bi、In系合金等)は典型的なラミネーション温度に適合してはいるが、その他の金属表面を濡らすのが困難なことが知られており、また脆いことが多い。
防湿層のバックシートにおける使用が有利なことが多い。水分は腐食を引き起こし、材料又は界面の接着性を劣化させる恐れがある。バックシートにおける防湿層の追加によって光起電モジュールへの水分の侵入が大幅に低下し、ほぼ排除されるため、水分に関係した劣化がなくなる。正面のガラスは優れた防湿層であることから、典型的には裏面を通っての水分の侵入がより問題となってくる。光起電モジュールの裏面に使用される最も一般的な防湿材料にはガラス(結果的にモジュールが重く、高価になる)又はAlホイルである。Alホイルの厚さは典型的に25〜50μmである。薄膜誘電体フィルムも防湿層として使用されてきている。これらのフィルムは典型的にはポリマーシート上に直接堆積され、光起電バックシート構造体に統合される。
Claims (45)
- 複数のバック接点太陽電池と、
フレキシブルバックシートと、
フレキシブルバックシート上のパターン形成メタライゼーションと、
パターン形成メタライゼーションと太陽電池との間に配置された、パターン形成メタライゼーションと太陽電池との間の所望の位置での電気的接触が可能になるようにパターン形成された絶縁材料と、
パターン形成メタライゼーションと電気的に接触している複数のバスとを備える光起電モジュール。 - バックシート上に防湿層を更に備え、防湿層は、パターン形成メタライゼーション及び防湿層と組み合わせたバックシートのロールツーロール処理を可能にするに十分な薄さである請求項1記載の光起電モジュール。
- 絶縁材料が層間絶縁膜(ILD)を含む請求項1記載の光起電モジュール。
- ILDがアイランド又はドットを含む請求項3記載の光起電モジュール。
- ILDの少なくとも一部を改変してその外見を変化させてある請求項3記載の光起電モジュール。
- カプセル化材を更に備える請求項1記載の光起電モジュール。
- カプセル化材が熱可塑性材料を含む請求項6記載の光起電モジュール。
- カプセル化材が、太陽電池とパターン形成メタライゼーションとの間に配置されたスクリム層を含む請求項6記載の光起電モジュール。
- 絶縁材料がカプセル化材を含む請求項6記載の光起電モジュール。
- カプセル化材を、モジュールの組立てに先立ってバックシートに統合する請求項6記載の光起電モジュール。
- カプセル化材及びバックシートを、ロールツーロール処理技法を使用して互いにラミネートする請求項10記載の光起電モジュール。
- 限定的な電気的接触が、ポリマーマトリクス及び伝導性粒子を含む材料によってもたらされる請求項1記載の光起電モジュール。
- バックシートが1つ以上の開口部を備え、この開口部を通してバスが延びる請求項1記載の光起電モジュール。
- 1つ以上のバスの少なくとも一部が、モジュールの組立てに先立ってトリムストリップに統合される請求項1記載の光起電モジュール。
- 複数のバック接点太陽電池と、
第1絶縁バックシートと、
第1絶縁バックシートの第1面と接触している第1パターン形成メタライゼーションと、
第1絶縁バックシートの第2面と接触している第2パターン形成メタライゼーションと、
第1パターン形成メタライゼーションと太陽電池との間に配置された、第1パターン形成メタライゼーションと太陽電池との間の所望の位置での電気的接触を可能にするようにパターン形成された絶縁材料と、
第2パターン形成メタライゼーションと接触している第2バックシートとを備えた光起電モジュール。 - 第2バックシートが、第2パターン形成メタライゼーションが第2バックシートの外部で電気的接触を築くための開口部を備える請求項15記載の光起電モジュール。
- 第1パターン形成メタライゼーションの一部及び第2パターン形成メタライゼーションの一部が、第1絶縁バックシートの縁部に巻かれた異なる面積のホイルを含む請求項15記載の光起電モジュール。
- 第1パターン形成メタライゼーションの一部及び第2パターン形成メタライゼーションの一部が、第1絶縁バックシートの少なくとも1つの開口部を通して接続される請求項15記載の光起電モジュール。
- 複数のフラットパックバイパスダイオードを更に備える請求項15記載の光起電モジュール。
- 第2バックシート上に防湿層を更に備え、防湿層は、第2パターン形成メタライゼーション及び防湿層と組み合わせたバックシートのロールツーロール処理を可能にするに十分な薄さである請求項15記載の光起電モジュール。
- 絶縁材料が層間絶縁膜(ILD)を含む請求項15記載の光起電モジュール。
- ILDがアイランド又はドットを含む請求項21記載の光起電モジュール。
- ILDの少なくとも一部を改変してその外見を変化させてある請求項21記載の光起電モジュール。
- カプセル化材を更に備える請求項15記載の光起電モジュール。
- カプセル化材が熱可塑性材料を含む請求項24記載の光起電モジュール。
- カプセル化材が、太陽電池とパターン形成メタライゼーションとの間に配置されたスクリム層を含む請求項24記載の光起電モジュール。
- 絶縁材料がカプセル化材を含む請求項24記載の光起電モジュール。
- カプセル化材を、モジュールの組立てに先立って少なくとも1つのバックシートに統合する請求項24記載の光起電モジュール。
- カプセル化材が、ロールツーロール処理技法を使用して少なくとも1つのバックシートにラミネートされる請求項28記載の光起電モジュール。
- 限定的な電気的接触が、ポリマーマトリクス及び伝導性粒子を含む材料によってもたらされる請求項15記載の光起電モジュール。
- 複数のバック接点太陽電池と、
フレキシブルバックシートと、
フレキシブルバックシート上のパターン形成メタライゼーションと、
パターン形成メタライゼーションと太陽電池との間に配置されたILD材料を含む複数のアイランドとを備える光起電モジュール。 - ILD材料を含む複数の環を更に備え、各環は太陽電池とパターン形成メタライゼーションとを電気的に接続している伝導性材料を取り囲み且つ収容している請求項11記載の光起電モジュール。
- 伝導性材料がポリマーマトリクス及び伝導性粒子を含む請求項32記載の光起電モジュール。
- フレキシブルバックシートと、
パターン形成メタライゼーションと、
第2パターン形成メタライゼーション及び防湿層と一緒でのバックシートのロールツーロール処理を可能にするに十分な薄さの防湿層とを備える、光起電モジュール用のバックシートアセンブリ。 - 防湿層が約25μm未満の厚さを有する請求項34記載のバックシートアセンブリ。
- 防湿層が約15μm未満の厚さを有する請求項35記載のバックシートアセンブリ。
- 防湿層が約10μm未満の厚さを有する請求項36記載のバックシートアセンブリ。
- 防湿層が約9μm未満の厚さを有する請求項37記載のバックシートアセンブリ。
- フレキシブルバックシート又はパターン形成メタライゼーションにラミネートされたILD又はカプセル化材を更に備える請求項34記載のバックシートアセンブリ。
- 複数のバック接点太陽電池と、
フレキシブルバックシートと、
複数の回路を形成するバックシート上のパターン形成メタライゼーションとを備えた光起電モジュールであって、
各回路は太陽電池のサブセットを接続しており、回路の少なくとも1つは非線形回路パスを備え、
光起電モジュールは更に
モジュール上の複数の位置に複数のコードプレートを備え、
各コードプレートは、回路の1つ以上をバイパスするための1つ以上のバイパスダイオードを電気的に備える光起電モジュール。 - 太陽電池が、アップグレードした金属グレードシリコン又は低抵抗率シリコンを含む請求項40記載の光起電モジュール。
- 各バイパスダイオードが20個未満の太陽電池をバイパスする請求項40記載の光起電モジュール。
- 各バイパスダイオードが16個未満の太陽電池をバイパスする請求項42記載の光起電モジュール。
- 各バイパスダイオードが11個未満の太陽電池をバイパスする請求項43記載の光起電モジュール。
- 各バイパスダイオードが7個未満の太陽電池をバイパスする請求項44記載の光起電モジュール。
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