JP2013030627A

JP2013030627A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2013030627A
Application number: JP2011165792A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Ishiki; 和司石木
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-02-07

Abstract

【課題】設置面積当りの発電効率を低下させることなく、バイパスダイオードを光電変換装置に設ける。
【解決手段】光電変換ユニット１０２が形成された領域内において、光電変換セルが導電性テープからなるタブ電極１０７を介してバイパスダイオード１１４に接続された構成とする。
【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。具体的には、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。

例えば、基板の主面上に形成され且つ直列接続された複数の薄膜光電変換セルと、複数の薄膜光電変換セルの直列接続された各々のｎ個とそれぞれ並列接続された複数のバイパスダイオードとを備え、個数ｎと各薄膜光電変換セルの逆方向耐電圧Ｖ_aと各薄膜光電変換セルの所定条件下での開放電圧Ｖ_bとが不等式ｎ≦Ｖ_a／Ｖ_b＋１の関係を満たすように構成する技術が開示されている（特許文献１参照）。

また、バイパスダイオードとしてチップダイオードを適用し、半田ペーストによりリード端子である銅箔にチップダイオードを接続する構成が開示されている。ここで、半田ペーストには半田よりも高導電性の導電性粒子を混在させることが好適であるとされている（特許文献２参照）。

特開２００１−６８６９６号公報特開平９−８２８６５号公報

ところで、上記従来の光電変換装置では、多数の光電変換セルが直並列に接続されており、光電変換セルに対してディスクリート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。

ここで、バイパスダイオードを光電変換装置の外部に配置すると、光電変換モジュールとしての設置面積が大きくなり、設置面積当りの発電効率を低下させる原因となる。そこで、光電変換装置の特性を劣化させることなくバイパスダイオードを光電変換領域内に配置する構成を実現することが望まれている。

本発明の１つの態様は、基板上に薄膜半導体層を含む光電変換セルを複数直列接続してなる光電変換ユニットが形成された光電変換装置であって、光電変換ユニットが形成された領域内において、光電変換セルが導電性テープからなる電極を介して複数のバイパスダイオードに接続されている、光電変換装置である。

本発明によれば、設置面積当りの発電効率を低下させることなく、バイパスダイオードを光電変換装置に設けることができる。

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平面図である。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ユニット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１００は、図１の平面図及び図２〜図４の断面図に示すように、基板１０、光電変換ユニット１０２、絶縁部材１０４、タブ電極１０６、１０７、取出電極１０８、絶縁部材１１０、バイパス電極１１２、バイパスダイオード１１４、バックシート１１６、充填材１１８及び端子ボックス１２０を含んで構成される。なお、図１は、光電変換装置１００の構成を明確に示すためにバックシート１１６及び充填材１１８を透して構造を示した図である。図２は、図１におけるラインａ−ａに沿った断面図であり、図３は、図１におけるラインｂ−ｂに沿った断面図であり、図４は、図１におけるラインｃ−ｃに沿った断面図である。

光電変換ユニット１０２は、図５の拡大断面図に示すように、基板１０上に形成される。基板１０を光入射側として、光入射側から、透明電極層１２、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）１４、中間層１６、ボトムセルとしてａ−Ｓｉユニット１４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）１８及び裏面電極層２０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１４及びμｃ−Ｓｉユニット１８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１４及びμｃ−Ｓｉユニット１８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１０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１０上に透明電極層１２が形成される。透明電極層１２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１２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。

光電変換装置１００を複数のセルを直列に接続した構成とする場合、図１、図２及び図４に示すように、透明導電層１２に基板１０の表面が露出するスリットＳ１を形成し、透明導電層１２が短冊状となるようにパターニングする。また、図１の平面図に示すように、スリットＳ１の延設方向に交差する方向に基板１０の表面が露出するスリットＳ２を形成し、直列接続される複数の光電変換セル群が並列に並ぶ構成としてもよい。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１２を短冊状にパターニングすることができる。

透明電極層１２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１４を形成する。ａ−Ｓｉユニット１４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１４上に、中間層１６を形成する。中間層１６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１６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１６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１６は、設けなくてもよい。

中間層１６上に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層を順に積層したμｃ−Ｓｉユニット１８を形成する。μｃ−Ｓｉユニット１８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１４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。

複数の光電変換セルを直列接続する場合、図１、図２及び図４に示すように、ａ−Ｓｉユニット１４、中間層１６及びμｃ−Ｓｉユニット１８を短冊状にパターニングする。透明導電層１２を分断するスリットＳ１のパターンニング位置から５０μｍ程度横の位置にスリットＳ１に沿って平行にＹＡＧレーザを照射してスリットＳ３を形成し、ａ−Ｓｉユニット１４、中間層１６及びμｃ−Ｓｉユニット１８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／ｃｍ³、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１８上に、裏面電極層２０を形成する。裏面電極層２０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２０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２０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を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、図１、図２及び図４に示すように、ａ−Ｓｉユニット１４、中間層１６、μｃ−Ｓｉユニット１８及び裏面電極層２０を短冊状にパターニングする。スリットＳ３のパターンニング位置から５０μｍ程度横の位置にスリットＳ１，Ｓ３に沿って平行にＹＡＧレーザを照射してスリットＳ４を形成し、ａ−Ｓｉユニット１４、中間層１６、μｃ−Ｓｉユニット１８及び裏面電極層２０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／ｃｍ³、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Ｓ３に埋め込まれた裏面電極層２０を介して１つの光電変換セルの裏面電極層２０が隣り合う光電変換セルの透明電極層１２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。

さらに、図１に示すように、スリットＳ２に重ねるようにＹＡＧレーザを照射してスリットＳ５を形成し、ａ−Ｓｉユニット１４、中間層１６、μｃ−Ｓｉユニット１８及び裏面電極層２０を除去して光電変換セルを並列に分離する。スリットＳ５の幅はスリットＳ２の幅よりも狭くすることが好適である。また、スリットＳ５は、スリットＳ４と同じ条件で形成することができる。

また、図２に示すように、光電変換装置１００の周辺部ｄにおいて基板１０の表面が露出するように透明導電層１２、ａ−Ｓｉユニット１４、中間層１６、μｃ−Ｓｉユニット１８及び裏面電極層２０を除去してもよい。これにより、光電変換装置１００に支持枠等を取り付けた際に、支持枠との電気的な絶縁を確実なものとすることができる。

図１に示すように、タブ電極１０６は、光電変換装置１００の両端部において、スリットＳ５によって並列に分割された光電変換セル群を電気的に並列に接続するように配設される。タブ電極１０６は、スリットＳ４と平行な方向に形成される。タブ電極１０６は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導電性金属を含む材料により構成することができる。例えば、銅（Ｃｕ）からなる芯線の表面を半田により被覆（メッキ）した構造とすることが好適である。

図１、図２及び図４に示すように、タブ電極１０６は、光電変換装置１００の両端部において、直列接続された複数の光電変換セルの裏面電極層２０と電気的に接続されるように形成される。タブ電極１０６は、光電変換装置１００において発電された電力を取出電極１０８へ集電するために設けられる。

タブ電極１０６は、発電に寄与しない領域（無効領域）の光電変換セルの上に形成される。タブ電極１０６は、超音波半田コテを用いて導電性金属を溶融させ、透明電極層１２に到達させることにより透明電極層１２に接合される。

取出電極１０８は、図１及び図４に示すように、タブ電極１０６を端子ボックス１２０へ電気的に接続するために設けられる。取出電極１０８は、スリットＳ２及びＳ５に沿った方向に、タブ電極１０６から端子ボックス１２０に亘って形成される。絶縁部材１０４は、直列に接続された複数の光電変換セルが取出電極１０８に接触しないように取出電極１０８を形成する領域下に形成される。取出電極１０８は絶縁部材１０４上に配設され、後述するタブ電極１０７は絶縁部材１０４下に配設される。絶縁部材１０４は、例えば、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とすることが好適である。

タブ電極１０７は、図１及び図２に示すように、両端部のタブ電極１０６間において、複数のバイパスダイオード１１４を並列接続するように配設される。タブ電極１０７は、両端部のタブ電極１０６間において直列に接続された複数の光電変換セルの所定数毎に設置される。タブ電極１０７は、タブ電極１０６と同様に、並列に配置された光電変換セル群を電気的に並列に接続するように配設される。スリットＳ４と平行な方向に形成される。タブ電極１０７は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導電性金属を含む材料により構成することができる。例えば、銅（Ｃｕ）からなる芯線の表面を半田により被覆（メッキ）した構造とすることが好適である。

タブ電極１０７は、発電に寄与する領域（有効領域）の光電変換セルの上に形成される。タブ電極１０７は、図１、図３及び図４に示すように、両端部のタブ電極１０６間において、直列に接続された複数の光電変換セルの裏面電極層２０と電気的に接続されるように形成される。タブ電極１０７は、ホットスポット現象が生じた際に、バイパスダイオード１１４に電力を集電するために設けられる。

また、タブ電極１０７は、導電性粘着層１０７ａ及び導電箔１０７ｂを積層した導電性テープとすることが好適である。導電性粘着層１０７ａは、例えば、アクリル系の粘着性樹脂を適用することができる。導電箔１０７ｂは、例えば、錫メッキされた銅箔等を適用することができる。ただし、これらに限定されるものではない。また、タブ電極１０７は、導電性粒子を含む導電性粘着層１０７ａ及び導電箔１０７ｂを積層した導電性テープとしてもよい。この場合、タブ電極１０７を貼り付けた後、熱処理を施すことにより導電性粘着層１０７ａ内の樹脂を硬化させる。ただし、これらに限定されるものではない。

なお、タブ電極１０６及び取出電極１０８も導電性粘着層１０６ａ、１０８ａ及び導電箔１０６ｂ、１０８ｂを積層した導電性テープとしてもよい。

ハンダ材で構成したタブ電極１０７を超音波ハンダで裏面電極層２０に接続する方法等を用いた場合、接続された光電変換セルの特性が劣化するおそれがあるが、タブ電極１０７として導電性テープを用いることによって光電変換セルの特性を劣化させることなくバイパス回路を設けることができる。

絶縁部材１１０は、光電変換セルがバイパス電極１１２に接触しないようにバイパス電極１１２を形成する領域下に形成される。絶縁部材１１０は、例えば、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とすることが好適である。絶縁部材１１０は、光電変換装置１００の裏面電極層２０上に光電変換セルの直列接続方向に沿って、すなわちスリットＳ２及びＳ５に沿った方向に延設される。

バイパスダイオード１１４は、タブ電極１０６、１０７間又は隣り合うタブ電極１０７間の絶縁部材１１０上に配置される。バイパスダイオード１１４は、光電変換装置１００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１１４は、例えば、表裏面にカソード及びアノードの電極を有する薄型のチップダイオード等を適用することができる。バイパスダイオード１１４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バイパス電極１１２によって光電変換セルに接続される。すなわち、バイパスダイオード１１４のアノード及びカソードは、バイパス電極１１２によって隣り合うタブ電極１０６、１０７にそれぞれ接続される。バイパス電極１１２とバイパスダイオード１１４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１１６及び充填材１１８を用いた封止による機械的な圧着でもよい。

なお、バイパス電極１１２も導電性粘着層１１２ａ及び導電箔１１２ｂを積層した導電性テープとしてもよい。

また、本実施の形態では、バイパス電極１１２とバイパスダイオード１１４とを含むバイパス回路は同一直線上に形成したが、各バイパス電極１１２とバイパスダイオード１１４との位置を同一直線上からずらして配置してもよい。

さらに、充填材１１８によって光電変換装置１００の表面をバックシート１１６で覆って封止する。充填材１１８及びバックシート１１６は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料とすることができる。また、バックシート１１６は、ガラス板等としてもよい。充填材１１８を塗布した裏面電極層２０上をバックシート１１６で覆い、１５０℃程度の温度に加熱しつつ裏面電極層２０へ向かってバックシート１１６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１００の発電層への水分の侵入等を防ぐことができる。

以上のように、本実施の形態における光電変換装置１００では、光電変換ユニットが形成された領域内にタブ電極１０７、バイパス電極１１２及びバイパスダイオード１１４を含むバイパス回路が配置されている。光電変換ユニットが形成された領域外にバイパスダイオード１１４を配置しないことにより、光電変換装置１００としての設置面積当りの発電効率を向上させることができる。

また、絶縁部材１０４、取出電極１０８を含む配線部と、バイパス電極１１２、バイパスダイオード１１４を含むバイパス回路とを光電変換装置１００の片側に寄せて配置した場合、これらが設けられていない領域との間に段差が生じ、バックシート１１６の基板１０に対する傾きが大きくなる。このような傾きは、光電変換装置１００に掛る応力を不均一にし、破損や劣化の原因となるおそれがある。そこで、バイパス回路は、配線部を設けた領域（図１における上部領域）に対して光電変換装置１００の中心線Ｘを挟んだ反対側の領域（図１における下部領域）に設けることが好適である。このような配置とすることによって、配線部による段差とバイパス回路による段差とによって、バックシート１１６を基板１０に対してより平行にバランスさせて設けることができる。

また、図１に示すように、各バイパスダイオード１１４が設置された場所の反対側の位置にまでタブ電極１０７を延設することで、ホットスポット現象が生じて所定のバイパスダイオード１１４を使用する場合でも、そのバイパスダイオード１１４への電流の取り出しを低抵抗で行うことができる。

１０基板、１２透明電極層、１４ａ−Ｓｉユニット、１６中間層、１８ μｃ−Ｓｉユニット、２０裏面電極層、１００光電変換装置、１０２光電変換ユニット、１０４絶縁部材、１０６タブ電極、１０６ａ導電性粘着層、１０６ｂ導電箔、１０７タブ電極、１０７ａ導電性粘着層、１０７ｂ導電箔、１０８取出電極、１０８ａ導電性粘着層、１０８ｂ導電箔、１１０絶縁部材、１１２バイパス電極、１１２ａ導電性粘着層、１１２ｂ導電箔、１１４バイパスダイオード、１１６バックシート、１１８充填材、１２０端子ボックス。

Claims

基板上に薄膜半導体層を含む光電変換セルを複数直列接続してなる光電変換ユニットが形成された光電変換装置であって、
前記光電変換ユニットが形成された領域内において、前記光電変換セルが導電性テープからなる電極を介して複数のバイパスダイオードに接続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は、所定数の前記光電変換セル毎に設置され、前記光電変換ユニット内で並列接続さ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、
前記導電性テープは、前記光電変換セルの直列接続方向と交差する方向に沿って延在して設けられ、前記光電変換セルの裏面電極層と接続されていることを特徴とする光電変換装置。
請求項１〜３のいずれか１項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を含むバイパス回路は、電力を外部へ取り出すための端子ボックスへ繋がるタブ電極を設けた領域に対して光電変換装置の中心線を挟んだ反対側の領域に配置されていることを特徴とする光電変換装置。