JP2013030629A

JP2013030629A - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP2013030629A
Application number: JP2011165850A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Naito; 亮治内藤
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】太陽電池モジュールを構成するガラスの保護を簡易な構成で実現する技術を提供する。
【解決手段】太陽電池モジュール１０において、第１のガラス板は、受光側に配置される。裏面ガラス板２６は、表面ガラス板１６と対向するように設けられ、表面ガラス板１６よりも面積が小さい。光起電力装置１２は、表面ガラス板１６と裏面ガラス板２６との間に設けられている。封止部材１４は、光起電力装置１２を囲むように設けられ、表面ガラス板１６および裏面ガラス板２６の間を封止する。封止部材１４は、表面ガラス板１６および裏面ガラス板２６との間に挟持されている挟持部１４ｃと、裏面ガラス板２６の側部２６ｂを覆う保護部１４ｄとを有する。表面ガラス板１６は、受光面１６ａの外縁に、外部から光が入射する入射部１６ｄを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。

従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、いわゆる太陽電池の開発が各方面で精力的に行われている。太陽電池は、クリーンで無尽蔵なエネルギー源である太陽からの光を直接電気に変換できることから、新しいエネルギー源として期待されている。

太陽電池モジュールは屋外で使用されるため、モジュールとしてある程度の強度が必要となる。そこで、光電変換装置を太陽光受光側と裏面側の２枚のガラスで挟み込んだ太陽電池モジュールが考案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１８８３５７号公報

しかしながら、光電変換装置を２枚のガラスで挟み込んだ構造の場合、そのままではガラスの端面が欠けたり割れたりし易い。そこで、特許文献１に記載の太陽電池モジュールのように、ガラス基板の外縁部をフレームで覆う構造も考案されているが、部品点数が多くなるとともに、重量や体積の増大化を招く。また、フレームによって光が遮られるため、光電変換装置に入射する光が減少するという問題もある。そのため、更なる改善の余地がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、太陽電池モジュールを構成するガラスの保護を簡易な構成で実現する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の太陽電池モジュールは、受光側に配置された第１のガラス板と、第１のガラス板と対向するように設けられ、該第１のガラス板よりも面積が小さい第２のガラス板と、第１のガラス板と第２のガラス板との間に設けられている光起電力装置と、光起電力装置を囲むように設けられ、第１のガラス板および第２のガラス板の間を封止する封止部材と、を備える。封止部材は、第１のガラス板および第２のガラス板との間に挟持されている挟持部と、第２のガラス板の側部を覆う保護部とを有する。第１のガラス板は、受光面の外縁に、外部から光が入射する入射部を有する。

本発明によれば、太陽電池モジュールを構成するガラスの保護を簡易な構成で実現できる。

本実施の形態に係る太陽電池モジュールを太陽光受光面とは反対側から見た場合の上面図である。図１に示す太陽電池モジュールのＡ−Ａ断面図である。図２に示す太陽電池モジュールの外縁部近傍の部分断面図である。図１に示す光起電力素子のＢ−Ｂ断面図である。本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。図８に示す各部材の配置を模式的に示した断面図である。本実施の形態の変形例に係る太陽電池モジュールの外縁部近傍の部分断面図である。本実施の形態の他の変形例に係る太陽電池モジュールの外縁部近傍の部分断面図である。本実施の形態の他の変形例に係る太陽電池モジュールの外縁部近傍の部分断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

以下の各図に示す各層、各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る太陽電池モジュールを太陽光受光面とは反対側から見た場合の上面図である。図２は、図１に示す太陽電池モジュールのＡ−Ａ断面図である。図３は、図２に示す太陽電池モジュールの外縁部近傍の部分断面図である。なお、図１では、封止部材、充填材および裏面ガラス板は省略してある。また、図３では、表面ガラス板を下側（裏面ガラス板を上側）にした状態で示してある。

太陽電池モジュール１０は、光起電力装置１２、封止部材１４、表面ガラス板１６、絶縁体２０、インターコネクタ２２、充填材２４および裏面ガラス板２６を備える。

光起電力装置１２は、長方形の平板またはフィルム状のユニットであり、複数の光起電力素子２８が整列した状態で配置されている。それぞれの光起電力素子２８は、互いに直列または並列に適宜接続されている。

表面ガラス板１６は、光を透過させる材料で構成されており、受光面１６ａとは反対側の裏面１６ｂ上に、光起電力装置１２として複数の光起電力素子２８が形成されている。

このように、表面ガラス板１６は、受光面１６ａを真正面から見た場合、光起電力装置１２を覆うように配設されている。なお、表面ガラス板１６としては、特に太陽光に含まれる波長の光に対する透過率が高い材料が好適である。

次に、光起電力素子２８について説明する。図４は、図１に示す光起電力素子のＢ−Ｂ断面図である。光起電力素子２８は、第１電極層３０、半導体層３２、透明導電膜３４および第２電極層３６を有する。第１電極層３０、半導体層３２、透明導電膜３４および第２電極層３６は、周知のレーザパターニングを施されながら表面ガラス板１６上に順次積層される。また、第２電極層３６の上には、充填材２４、裏面ガラス板２６が積層されている。

第１電極層３０は、表面ガラス板１６の面上に形成されており、導電性および透光性を有する。本実施の形態に係る第１電極層３０としては、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられ、特に、高い光透過性、低抵抗性を有し、低価格である酸化亜鉛（ＺｎＯ）が用いられる。

半導体層３２は、第１電極層３０側からの入射光により電荷（電子および正孔）を生成する。半導体層３２としては、例えば、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合を基本構造として有するアモルファス（非晶質）シリコン半導体層や微結晶シリコン半導体層の単層体あるいは積層体を用いることができる。本実施の形態に係る半導体層３２は、第１電極層３０側からそれぞれアモルファスシリコン半導体、微結晶シリコン半導体が積層されたものとして構成されている。なお、本明細書において、「微結晶」の用語は、完全な結晶状態のみならず、部分的にアモルファス状態を含む状態をも意味するものとする。

透明導電膜３４は、半導体層３２上に形成されている。透明導電膜３４には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられる。透明導電膜３４により、半導体層３２と第２電極層３６が合金化することが防止され、半導体層３２と第２電極層３６との接続抵抗を減少させることができる。

第２電極層３６は、透明導電膜３４上に形成される。第２電極層３６には、銀（Ａｇ）などの反射性金属が用いられる。一の光起電力素子２８の透明導電膜３４と第２電極層３６は、隣接する他の光起電力素子２８の第１電極層３０に接触する。これにより、一の光起電力素子２８と他の光起電力素子２８とが電気的に直列に接続される。

インターコネクタ２２は、このように直列に接続された複数の光起電力素子２８によって生成される電荷を、太陽電池モジュール１０の外部に導く。インターコネクタ２２は、直列に接続された複数の光起電力素子２８のうち両端にある光起電力素子２８と導通する導通部２２ａを有する。インターコネクタ２２としては、銅（Ｃｕ）などの低抵抗率の材料が好ましい。なお、インターコネクタ２２と複数の光起電力素子２８との間の所定の領域には絶縁体２０が配置され、インターコネクタ２２の引き出し配線２２ｂと複数の光起電力素子２８とが部分的に絶縁される。

充填材２４は、光起電力装置１２およびインターコネクタ２２を、表面ガラス板１６と裏面ガラス板２６との間に封止し、光起電力素子２８に加えられる衝撃を緩衝するように配置される。本実施の形態では、充填材２４としてエチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）を用いる。また、本実施の形態では、裏面ガラス板２６として廉価な青板ガラス（フロートガラス）を用いている。なお、青板ガラスは、不純物イオンとして、例えば、ナトリウム（Ｎａ）などのアルカリ金属を含んでいる。裏面ガラス板２６は、太陽電池モジュール１０全体の強度を向上するとともに、太陽電池モジュール１０の裏面側からの水分や不純物の侵入を防止する。

充填材２４および裏面ガラス板２６には貫通孔３８が設けられている。インターコネクタ２２の引き出し配線２２ｂの一方の端部は、貫通孔３８から外部に引き出され、端子ボックス４０に接続されている。

封止部材１４は、詳細は後述するが、表面ガラス板１６および裏面ガラス板２６との間に挟持されている挟持部１４ｃと、裏面ガラス板２６の側部２６ｂを覆う保護部１４ｄとを有する。また、保護部１４ｄは、裏面ガラス板２６の裏面（受光面側と反対側の面）の外縁部２６ａを覆うように形成されている被覆部１４ｅを有する。

（太陽電池モジュールの製造方法）
次に、上述の太陽電池を備える太陽電池モジュールの製造方法について説明する。なお、以下では、光起電力素子２８を複数備える太陽電池モジュールについて説明するが、光起電力素子２８を一つ備える太陽電池モジュールであってもよい。

図５乃至図８は、本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。

はじめに、図５（ａ）に示すように、４ｍｍ厚のガラスからなる表面ガラス板１６上に、スパッタリングにより６００ｎｍ厚の酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる第１電極層３０を形成する。そして、表面ガラス板１６の第１電極層３０側からＹＡＧレーザを照射して、第１電極層３０を短冊状にパターニングする。当該レーザ分離加工には、波長１０６４ｎｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ^２、パルス周波数３ｋＨｚのＮｄ（ネオジム）：ＹＡＧレーザを使用する。

次に、図５（ｂ）に示すように、プラズマ処理装置（プラズマＣＶＤ）により半導体層３２を形成する。半導体層３２は、膜厚１５ｎｍのｐ型アモルファスシリコン半導体膜、膜厚２００ｎｍのｉ型アモルファスシリコン半導体膜、膜厚３０ｎｍのｎ型アモルファスシリコン半導体膜、膜厚３０ｎｍのｐ型微結晶シリコン半導体膜、膜厚２０００ｎｍのｉ型微結晶シリコン半導体膜および膜厚３０ｎｍのｎ型微結晶シリコン半導体膜を、第１電極層３０上に順次積層したものである。

ｐ型アモルファスシリコン半導体膜は、モノシラン（ＳｉＨ_４）、メタン（ＣＨ_４）、水素（Ｈ_２）およびジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）との混合ガスを原料ガスとして形成される。ｉ型アモルファスシリコン半導体膜は、モノシラン（ＳｉＨ_４）と水素（Ｈ_２）との混合ガスを原料ガスとして形成される。ｎ型アモルファスシリコン半導体膜は、モノシラン（ＳｉＨ_４）、水素（Ｈ_２）およびホスフィン（ＰＨ_３）との混合ガスを原料ガスとして形成される。

また、ｐ型微結晶シリコン半導体膜は、モノシラン（ＳｉＨ_４）、水素（Ｈ_２）およびジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）との混合ガスを原料ガスとして形成される。ｉ型微結晶シリコン半導体膜は、モノシラン（ＳｉＨ_４）と水素（Ｈ_２）との混合ガスを原料ガスとして形成される。ｎ型微結晶シリコン半導体膜は、モノシラン（ＳｉＨ_４）、水素（Ｈ_２）およびホスフィン（ＰＨ_３）との混合ガスを原料ガスとして形成される。以下にプラズマ処理装置による各膜の成膜条件の詳細を表１に示す。

なお、ｎ型アモルファスシリコン半導体膜とｐ型微結晶シリコン半導体膜との間に、中間層として、膜厚３０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）を設けてもよい。こうした中間層は、スパッタリング等により形成される。

積層された半導体層３２、第１電極層３０のパターニング位置から外れた位置に表面側（表面ガラス板１６側）からＹＡＧレーザを照射することにより表面ガラス板１６の裏面側に形成された半導体層３２を分離するように除去し、短冊状にパターニングする。当該レーザ分離加工には、波長５３２ｎｍ（第２高調波）、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ^２、パルス周波数３ｋＨｚのＮｄ（ネオジム）：ＹＡＧレーザを使用する。

次に、図５（ｃ）に示すように、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる透明導電膜３４を半導体層３２上にスパッタリングにより形成する。透明導電膜３４は、半導体層３２がパターニングにより除去された領域や側端部にも成膜される。

そして、図６（ａ）に示すように、２００ｎｍ厚の銀（Ａｇ）膜を透明導電膜３４上にスパッタリングにより成膜し、第２電極層３６を形成する。このとき、第２電極層３６は、半導体層３２がパターニングにより除去された領域内の透明導電膜３４上にも成膜される。

次に、図６（ｂ）に示すように、半導体層３２のパターニング位置からずれた部分に、表面側（表面ガラス板１６側）からＹＡＧレーザを照射することにより半導体層３２、透明導電膜３４および第２電極層３６を分離し、短冊状にパターニングする。当該レーザ分離加工には、波長５３２ｎｍ、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ^２、パルス周波数４ｋＨｚのＮｄ（ネオジム）：ＹＡＧレーザを使用する。これにより、複数の光起電力素子２８が形成される。

次に、図６（ｃ）に示すように、第１電極層３０や半導体層３２の側部（最外周）に回り込んだ透明導電膜３４と第２電極層３６は、表面側（表面ガラス板１６側）から照射されるレーザにより除去される。当該レーザ除去加工には、波長１０６４ｎｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ^２、パルス周波数３ｋＨｚのＮｄ（ネオジム）：ＹＡＧレーザを使用する。

以上により、互いに直列接続された複数の光起電力素子２８が表面ガラス板１６上に形成される。その結果、図７に示すように、表面ガラス板１６上に光起電力装置１２が設けられたパネルが作製される。

次に、図８に示すように、表面ガラス板１６の外縁部１６ｃに、光起電力装置１２を囲むようにテープ状のブチルゴム１４ａを配置する。また、光起電力装置１２の上にエチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）からなるシート状の充填材２４を配置する。そして、ブチルゴム１４ａおよび充填材２４を表面ガラス板１６との間に挟むように、裏面ガラス板２６を配置する。また、裏面ガラス板２６の外縁部２６ａには、裏面ガラス板２６の端部を保護するためのテープ状のブチルゴム１４ｂが４辺に配置されている。図９は、図８に示す各部材の配置を模式的に示した断面図である。

この状態で表面ガラス板１６と裏面ガラス板２６とを真空雰囲気で圧着しながら加熱することで太陽電池モジュール１０が作製される（図３参照）。

図２や図３に示すように、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１０は、受光面１６ａ側に配置された第１のガラス板である表面ガラス板１６と、表面ガラス板１６と対向するように設けられ、表面ガラス板１６と面積の異なる第２のガラス板である裏面ガラス板２６と、表面ガラス板１６と裏面ガラス板２６との間に設けられている光起電力装置１２と、光起電力装置１２を囲むように設けられ、表面ガラス板１６および裏面ガラス板２６第の間を封止する封止部材１４と、を備える。

封止部材１４は、表面ガラス板１６および裏面ガラス板２６との間に挟持されている挟持部１４ｃと、裏面ガラス板２６の側部２６ｂを覆う保護部１４ｄとを有する。

このような構成を有する太陽電池モジュール１０は、裏面ガラス板２６の側部が封止部材１４の保護部１４ｄで覆われているため、太陽電池モジュール１０の運搬や設置において表面ガラス板１６や裏面ガラス板２６が他の部材とぶつかって割れたり欠けたりすることが抑制される。

また、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１０は、２枚のガラス板により光起電力装置１２を挟んでいるため、強度が高い。そのため、強度向上のためにフレームを設ける必要がない。その結果、表面ガラス板１６は、受光面１６ａの外縁に、外部から光が入射する入射部１６ｄを有する。これにより、フレームがある場合と比較して、光起電力装置１２に外部から光を多く取り込むことができる。

本実施の形態では、裏面ガラス板２６は、表面ガラス板１６よりも面積が小さく、保護部１４ｄは、裏面ガラス板２６の側部２６ｂを覆っている。これにより、太陽電池モジュール１０の裏面ガラス板２６が保護される。また、裏面ガラス板２６の面積が表面ガラス板１６よりも小さいため、裏面ガラス板２６の側部２６ｂを保護部１４ｄで覆っても、太陽電池モジュール１０の大型化が抑制される。また、保護部１４ｄが裏面ガラス板２６側にあるため、外周がフレームで囲まれている太陽電池モジュールと比較して、表面ガラス板１６の受光面１６ａからの光入射を妨げない。

また、保護部１４ｄは、裏面ガラス板２６の裏面（受光面側と反対側の面）の外縁部２６ａを覆うように形成されている被覆部１４ｅを有する。これにより、裏面ガラス板２６の外縁部２６ａがより保護される。

被覆部１４ｅは、裏面ガラス板２６の中央部に近付くにつれて（矢印Ｃ方向に向かうにつれて）厚みが薄くなるように形成された傾斜部１４ｅ１を有してもよい。これにより、被覆部１４ｅの端部に段差が生じにくくなり、例えば、水滴が留まりにくくなる。その結果、封止部材１４と裏面ガラス板２６との界面から水分が侵入しにくくなる。

なお、本実施の形態に係る封止部材１４に用いられるブチルゴムは、ガラスとの密着性がよく、水分を透過しにくい。そのため、表面ガラス板１６と裏面ガラス板２６との間に封止されている光起電力装置１２に外部から水分が到達しにくくなり、光起電力装置１２や配線の信頼性がより長期にわたって維持される。

図１０は、本実施の形態の変形例に係る太陽電池モジュールの外縁部近傍の部分断面図である。図１０に示す太陽電池モジュール５０は、封止部材１４として、光起電力装置１２を囲むように配置されているテープ状のブチルゴム１４ａ（図９参照）を用いている。太陽電池モジュール５０においては、封止部材１４は、保護部１４ｄの一部および挟持部１４ｃを形成しており、図３に示す被覆部１４ｅの代わりにコーキング用のシリコーンゴム５２を有している。

シリコーンゴム５２は、裏面ガラス板２６の裏面（受光面側と反対側の面）の外縁部２６ａを覆うように形成されている被覆部５２ａを有している。被覆部５２ａは、裏面ガラス板２６の中央部に近付くにつれて（矢印Ｃ方向に向かうにつれて）厚みが薄くなるように形成された傾斜部５２ａ１を有する。これにより、被覆部５２ａの端部に段差が生じにくくなり、例えば、水滴が留まりにくくなる。その結果、シリコーンゴム５２と裏面ガラス板２６との界面から水分が侵入しにくくなる。

図１１は、本実施の形態の他の変形例に係る太陽電池モジュールの外縁部近傍の部分断面図である。図１１に示す太陽電池モジュール６０は、図３に示す太陽電池モジュール１０と比較して、封止部材６２の保護部１４ｄの側端部と表面ガラス板１６の側端部とがほぼ一致している点が大きく異なる。これにより、太陽電池モジュール６０は、側部に段差がなくなり他の部品と引っ掛かりにくくなる。また、太陽電池モジュール６０の側部に水滴が溜まりにくくなる。

図１２は、本実施の形態の他の変形例に係る太陽電池モジュールの外縁部近傍の部分断面図である。図１２に示す太陽電池モジュール７０は、図３に示す太陽電池モジュール１０と比較して、封止部材７２の保護部１４ｄの側端部と表面ガラス板１６の側端部とがほぼ一致している点、および、封止部材７２に被覆部がなく、封止部材７２の裏面７２ａと裏面ガラス板２６の裏面２６ｃとに段差がない点が大きく異なる。これにより、太陽電池モジュール７０は、側部や裏面に段差がなくなり他の部品と引っ掛かりにくくなる。また、太陽電池モジュール７０の側部や裏面に水滴が溜まりにくくなる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

上述の実施の形態に係る封止部材１４や充填材２４としては、ブチルゴムやエチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）の他、シリコーンなどのコーキングに用いる材料、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）といった充填樹脂材料、エチレンエチルアクリレートコポリマー（ＥＥＡ）等のエチレン系樹脂、ウレタン、アクリル、エポキシ樹脂などを用いてもよい。

上述の各実施の形態に係る第１電極層３０としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の他、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、スズ酸亜鉛（Ｚｎ_２ＳｎＯ_４）などの金属酸化物より選択された一種類あるいは複数種類の積層体により構成されていてもよい。なお、これらの金属酸化物には、フッ素（Ｆ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）などがドープされていてもよい。

１０太陽電池モジュール、１２光起電力装置、１４封止部材、１４ａ，１４ｂブチルゴム、１４ｃ挟持部、１４ｄ保護部、１４ｅ被覆部、１６表面ガラス板、１６ａ受光面、１６ｂ裏面、１６ｃ外縁部、１６ｄ入射部、２４充填材、２６裏面ガラス板、２６ａ外縁部、２６ｂ側部、２６ｃ裏面。

Claims

受光側に配置された第１のガラス板と、
前記第１のガラス板と対向するように設けられ、該第１のガラス板よりも面積が小さい第２のガラス板と、
前記第１のガラス板と前記第２のガラス板との間に設けられている光起電力装置と、
前記光起電力装置を囲むように設けられ、前記第１のガラス板および前記第２のガラス板の間を封止する封止部材と、を備え、
前記封止部材は、前記第１のガラス板および前記第２のガラス板との間に挟持されている挟持部と、前記第２のガラス板の側部を覆う保護部とを有し、
前記第１のガラス板は、受光面の外縁に、外部から光が入射する入射部を有することを特徴とする太陽電池モジュール。
前記保護部は、前記第２のガラス板の裏面の外縁部を覆うように形成されている被覆部を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記被覆部は、前記第２のガラス板の中央部に近付くにつれて厚みが薄くなるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
前記封止部材は、ブチルゴムを含有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。