JP2013128026A

JP2013128026A - 光起電力装置

Info

Publication number: JP2013128026A
Application number: JP2011276646A
Authority: JP
Inventors: Haruki Yoneda; 陽樹米田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-27

Abstract

【課題】外部からの水分の浸入による光起電力装置の発電効率の低下を抑制する。
【解決手段】光起電力装置２００は、薄膜半導体層を含む光電変換セルを分離溝（スリットＳ２、Ｓ５）を介して複数並列に並置してなる光電変換ユニット２０２と、光電変換ユニット２０２の受光面とは反対の裏面側に配置され、光電変換ユニット２０２から第２集電配線３２を引き出すための開口部３６ａを有するガラス板と、を備え、開口部３６ａは分離溝（スリットＳ２、Ｓ５）にまたがって設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光起電力装置に関する。

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起電力装置が用いられている。このような光起電力装置では、受光面と反対側の裏面をガラス板で封止した構成を採用することがある。このように裏面をガラス板で封止した場合、ガラス板の開口部から光起電力装置の集電配線を引き出した構成が採られる（例えば、特許文献１参照）。

図７は、従来の光起電力装置１００の裏面の集電配線の取り出し構造を示す。半導体薄膜を積層してなる光電変換ユニット１０２はレーザスクライビング等により形成されたスリットＳ１、Ｓ３、Ｓ４により直列接続される。一方、ホットスポット対策として、直列接続方向（スリットＳ１〜Ｓ３と垂直な方向）に沿ってスリットＳ２、Ｓ５を形成し、光電変換ユニット１０２を並列に分割された複数の分離領域を有する構成とすることが有効である。このような光電変換ユニット１０２の裏面はガラス板１０によって封止され、ガラス板１０に設けられた開口部１０ａから起電力を取り出すための集電配線１２が引き出される。

特開２０１１−１２４４３５公報

ところで、光電変換ユニット１０２では、開口部１０ａからの水分の浸入によって、開口部１０ａ周辺の領域Ｙの特性が劣化し、領域Ｙでの電流量が低下するおそれがある。

このような劣化が生ずると、領域Ｙでの電流値の低下がボトルネックとなって、開口部１０ａが配置された分離領域内における領域Ｙの両側の領域Ｚから領域Ｙ及びその周辺領域を通って集電される電力も低下する。その結果、光起電力装置１００全体の発電効率が低下する。

本発明の１つの態様は、薄膜半導体層を含む光電変換セルを分離溝を介して複数並列に並置してなる光電変換ユニットと、光電変換ユニットの受光面とは反対の裏面側に配置され、光電変換ユニットから電極を引き出すための開口部を有するガラス板と、を備え、開口部は、分離溝にまたがって設けられている、光起電力装置である。

本発明によれば、外部からの水分の浸入による光起電力装置の発電効率の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態における光起電力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起電力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起電力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起電力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起電力装置の作用を説明する図である。本発明の実施の形態における光起電力装置の別例の構造を示す平面図である。従来の光起電力装置の構造を示す平面図である。

図１〜図４は、本発明の実施の形態における光起電力装置２００の構成を示す図である。図１は、光起電力装置２００を受光面とは反対側である裏面からみた平面図である。図２は、図１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。図３は、図１のラインＢ−Ｂに沿った断面図である。図４は、図１のラインＣ−Ｃに沿った断面図である。なお、図１では、光起電力装置２００の構成を明確に示すために実際には重なり合って見えない構成部分についても実線で示している。また、図２では、断面より奥に見える構成は破線で示している。また、図１〜図４では、構成を明確に示すために各部の寸法を実際のものとは変えて示している。

光起電力装置２００は、図１〜図４に示すように、基板２０、透明電極層２２、光電変換層２４、裏面電極２６、第１集電配線２８、第１絶縁被覆材３０、第２集電配線３２、第２絶縁被覆材３４、ガラス板３６、充填材３８、端部封止樹脂４０、端子ボックス４２及び開口部封止材４４を含んで構成される。なお、第１絶縁被覆材３０及び第２絶縁被覆材３４は、テープ状、シート状、フィルム状である。

基板２０は、光起電力装置２００の光電変換パネルを機械的に支持する部材である。光起電力装置２００では基板２０側から光を入射させて発電を行う構成であるので、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。

基板２０上には透明電極層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はスパッタリング法又はＣＶＤ法で形成することができる。

また、透明電極層２２を短冊状にパターニングして分割する。本実施の形態では、図１の上下方向に沿って透明電極層２２に第１スリットＳ１を形成して分割する。また、上記直列接続を形成するための第１スリットＳ１に直交する方向に短冊状にパターンニングして透明電極層２２を分割する。本実施の形態では、図１の左右方向に沿って透明電極層２２に第２スリットＳ２を形成して分割する。スリットＳ２は、光電変換セル２０２を並列に分離する分離溝を構成する。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光電変換層２４を形成する。光電変換層２４は、アモルファスシリコン薄膜光電変換層や微結晶シリコン薄膜光電変換層等の薄膜系光電変換層とすることができる。また、これらの光電変換層を積層したタンデム型やトリプル型の光電変換層としてもよい。

アモルファスシリコン薄膜光電変換層や微結晶シリコン薄膜光電変換層は、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の平行平板型ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することが好適である。

また、光電変換層２４を短冊状にパターニングして分割する。例えば、透明電極層２２を分割する第１スリットＳ１から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射して第３スリットＳ３を形成して光電変換層２４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。

光電変換層２４上に、裏面電極２６を形成する。裏面電極２６は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）と反射性金属とをこの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）等の金属が用いられる。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）及び反射性金属は、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。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）と反射性金属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。

また、裏面電極２６を短冊状にパターニングして分割する。光電変換層２４をパターンニングする第３スリットＳ３の位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射して第４スリットＳ４を形成して裏面電極２６を短冊状にパターニングする。さらに、透明電極層２２を分割する第２スリットＳ２内に形成された光電変換層２４及び裏面電極２６を分割する第５スリットＳ５を形成して分割する。スリットＳ５は、スリットＳ２と共に光電変換セル２０２を並列に分離する分離溝を構成する。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。

このように基板２０上に透明電極層２２、光電変換層２４及び裏面電極２６を積層して光電変換セル２０２が形成される。続いて、光電変換セル２０２で発電された電力を取り出すために第１集電配線２８及び第２集電配線３２が形成される。第１集電配線２８は、並列に分割された光電変換セル２０２から集電を行うための配線であり、第２集電配線３２は、第１集電配線２８から端子ボックス４２までを接続する配線である。

まず、光電変換セル２０２の裏面電極２６上に第１集電配線２８が延設される。第１集電配線２８は、光起電力装置２００の端辺付近において並列に分割された光電変換層２４の正電極同士及び負電極同士を接続するために形成される。したがって、第１集電配線２８は、光電変換層２４の並列分割方向に直交する方向に沿って延設される。すなわち、図１及び図３に示すように、スリットＳ２及びＳ５によって並列に分割された光電変換セル２０２を並列に接続するように、スリットＳ２及びＳ５を跨いで裏面電極２６上に延設される。ここでは、第１集電配線２８は、図１における左右の端辺に上下方向に沿って延設される。ただし、図１に示される上下の端辺近傍において、光電変換機能を有さない光電変換層と、その端辺近傍のスリットＳ２及びＳ５とは跨がない。第１集電配線２８は、超音波はんだ等によって裏面電極２６に電気的に接続される。これによって、直列接続された光電変換セル２０２の正電極同士及び負電極同士が並列に接続される。

次に、第２集電配線３２と裏面電極２６との間の電気的な絶縁を形成するために第１絶縁被覆材３０を配設する。第１絶縁被覆材３０は、図１，図２及び図４に示すように、光起電力装置２００の左右の端辺に沿って設けられた第１集電配線２８近傍から中央部の端子ボックス４２の配置位置まで延設される。

ここでは、図１に示すように、第１絶縁被覆材３０は、左右の第１集電配線２８の近傍から端子ボックス４２に向けて左右方向に沿って延設される。第１絶縁被覆材３０は、抵抗率が１０¹⁶（Ωｃｍ）以上の絶縁性の材料で構成することが好適である。例えば、ポリエステル（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリフッ化ビニル等とすることが好適である。また、第１絶縁被覆材３０は、裏面にシール状に接着材が塗布されたものを用いることが好適である。これにより、第１絶縁被覆材３０を配設する際の手間が軽減される。

なお、複数の第２集電配線３２に対して１つの第１絶縁被覆材３０を共通に設けてもよい。例えば、図１において、第１絶縁被覆材３０が左側の第１集電配線２８の近傍から右側の第１集電配線２８の近傍まで、端子ボックス４２部分を含むように一体に形成されていてもよい。

第２集電配線３２は、図１，図２及び図４に示すように、左右の第１集電配線２８上から第１絶縁被覆材３０上に沿って光起電力装置２００の中央部へ向けて延設される。例えば、第２集電配線３２の幅は４ｍｍ及び厚さは１１０μｍとされる。

第２集電配線３２と裏面電極２６との間に第１絶縁被覆材３０が挟み込まれ、第２集電配線３２と裏面電極２６との直接的な電気的な接触がないようにされる。一方、第２集電配線３２の一端は第１集電配線２８上まで延設され、第１集電配線２８に電気的に接続される。例えば、第２集電配線３２は超音波はんだ等によって第１集電配線２８に電気的に接続することが好適である。第２集電配線３２の他端は、図１及び図２に示すように、ガラス板３６の開口部３６ａから引き出される。第２集電配線３２の他端は、端子ボックス４２内の電極端子（図示しない）に接続される。これにより、光電変換セル２０２で発電された電力が光起電力装置２００の外部へ取り出される。

次に、第２絶縁被覆材３４が配設される。第２絶縁被覆材３４は、少なくとも後述する端部封止樹脂４０の近傍に位置する透明電極層２２、光電変換層２４、裏面電極２６及び第１集電配線２８の一部を覆うように設ける。特に、透明電極層２２、光電変換層２４、裏面電極２６及び第１集電配線２８の、端部封止樹脂４０に対向する部分の少なくとも一部（透明電極層２２、光電変換層２４、裏面電極２６及び第１集電配線２８の端面）を覆うように設けることが好適である。

本実施の形態では、第２絶縁被覆材３４は、図１及び図３に示すように、透明電極層２２、光電変換層２４、裏面電極２６及び第１集電配線２８の端部を覆い、第１絶縁被覆材３０の端部まで到達しないように光電変換層２４の並列分割方向に直交する方向に沿って延設している。なお、第２絶縁被覆材３４は、第１絶縁被覆材３０の端部を被覆するように延設してもよい。

第２絶縁被覆材３４は、抵抗率が１０¹⁶（Ωｃｍ）以上の絶縁性の材料で構成することが好適である。例えば、ポリエステル（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリフッ化ビニル等とすることが好適である。また、第２絶縁被覆材３４は、裏面にシール状に接着剤が塗布されたものを用いることが好適である。これにより、第２絶縁被覆材３４を配設する際の手間が軽減される。

続いて、端部封止樹脂４０を配設する。端部封止樹脂４０は、光起電力装置２００の端部周辺の光電変換セル２０２を形成していない部分（幅７ｍｍ〜１５ｍｍ程度）に配設する。光起電力装置２００の端部周辺において光電変換セル２０２を形成していない部分を設けるには、光電変換セル２０２を形成する際に透明電極層２２、光電変換層２４及び裏面電極２６が形成されないよう枠部材を用いて基板２０の周囲をマスクして成膜処理を行ってもよいし、光電変換セル２０２を形成後にレーザ、サンドブラスト又はエッチングによって光起電力装置２００の端部周辺の光電変換セル２０２を除去してもよい。端部封止樹脂４０は、このようにして形成された光起電力装置２００の端部周辺の光電変換セル２０２を形成していない部分に塗布することによって設けられる。

端部封止樹脂４０は、抵抗率が１０¹⁰（Ωｃｍ）以上の絶縁材料とする。また、端部封止樹脂４０は、光起電力装置２００の端部からの水分の浸入を防ぐために水分の透過性の低い材料とすることが好適である。特に、端部封止樹脂４０は、充填材３８よりも水分の透過性の低い材料とすることが好適である。さらに、光起電力装置２００の端部に機械的な力が加えられた場合に、光起電力装置２００に発生する応力を緩和するための弾性を有することが好適である。例えば、端部封止樹脂４０は、エポキシ系樹脂やブチル系樹脂とすることが好適であり、例えば、高温での塗布及び接着が容易なホットメルトブチルを適用することが好適である。なお、端部封止樹脂４０は、その幅は６ｍｍ〜１０ｍｍ程度であり、厚さは充填材３８の厚さよりも０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度厚くする。ラミネート処理を施した後には、端部封止樹脂４０の厚さは充填材３８とほぼ同等の厚さとなる。

端部封止樹脂４０を塗布した後、ガラス板３６によって光起電力装置２００の裏面を封止する。光電変換セル２０２、第１集電配線２８及び第２集電配線３２等の上に充填材３８を塗布する。充填材３８は、絶縁樹脂とする。例えば、充填材３８は、抵抗率が１０¹⁴（Ωｃｍ）程度の絶縁材料とすることが好適であり、例えば、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）やポリビニルブラチール（ＰＶＢ）とすることが好適である。

次に、ガラス板３６で光起電力装置２００の裏面が覆われる。このとき、ガラス板３６に設けられた第２集電配線３２を引き出すための開口部３６ａを通して第２集電配線３２の端部を外部へ引き出した状態でガラス板３６を配置する。

このような状態において、ガラス板３６を光電変換セル２０２側へ押圧しながら加熱して真空ラミネート処理を施す。加熱処理は、例えば、１５０℃程度で行う。これにより、ガラス板３６によって光起電力装置２００の裏面が封止される。

また、図２に示すように、開口部３６ａ及び端子ボックス４２内は、開口部封止材４４によって封止される。例えば、開口部３６ａ及び端子ボックス４２内に封止材料からなるチップを入れ、加熱によりチップを軟化させた後に冷却して硬化させる。開口部封止材４４は、例えば、ホットメルトブチルを適用することが好適である。

このように、ガラス板３６によって光起電力装置２００の裏面を封止することによって、裏面から光電変換層２４への水分や腐食性物質が浸入することを抑制している。

しかしながら、光起電力装置２００を長期的に使用した場合、開口部３６ａからの水分の浸入によって図５に示す開口部３６ａ周辺の領域Ｙにおける光電変換ユニット２０２の特性劣化が起こる可能性がある。

そこで、本実施の形態では、図１〜図４に示すように、ガラス板３６に設けられた開口部３６ａは、光電変換セル２０２を並列に分割する分割溝であるスリットＳ２、Ｓ５に跨るように配置される。

このように開口部３６ａを配置することによって、開口部３６ａからの水分の浸入によって開口部３６ａ周辺の領域Ｙにおける光電変換ユニット２０２の特性が劣化したとしても、図５の矢印で示すように、開口部１０ａが配置されたスリットＳ２、Ｓ５の両側の分離領域内における領域Ｚからの電流は劣化した領域Ｙを迂回して集電可能となる。これにより、光起電力装置２００全体の発電効率の低下を抑制することができる。

また、ガラス板３６の開口部３６ａは、隣り合う分割溝（スリットＳ２、Ｓ５）に対して対称に配置することが好適である。すなわち、図１及び図６の上下方向に隣り合う分割溝（スリットＳ２、Ｓ５）の間の中央付近に開口部３６ａを配置することが好ましい。これにより、劣化した領域Ｙの迂回領域が均等となり、発電効率の低下の偏りを抑制することができる。

また、第１絶縁被覆材３０及び第２集電配線３２をスリットＳ２、Ｓ５に跨るように延設させたが、ガラス板３６の開口部３６ａがスリットＳ２、Ｓ５を跨ぐ構造となっていれば、これに限定されるものではない。

例えば、図６の拡大平面図に示すように、左右の第２集電配線３２をそれぞれ第１集電配線２８から互い違いに引き出す構造としてもよい。このように、複数の第２集電配線３２を引き出す場合、同一直線上に載らない方向から引き出すことによって、ガラス板３６の撓みが緩和され、直線に沿った応力の集中を防ぐことができる。その結果、第２集電配線３２に沿った直線上からガラス板３６の割れが発生することを抑制することかできる。なお、図６の構造は例示であり、開口部３６ａへの導入部分において複数の第２集電配線３２が同一直線上に延設されていない構成であれば同様の効果が得られる。

１０ガラス板、１０ａ開口部、１２集電配線、２０基板、２２透明電極層、２４光電変換層、２６裏面電極、２８第１集電配線、３０第１絶縁被覆材、３２第２集電配線、３４第２絶縁被覆材、３６ガラス板、３６ａ開口部、３８充填材、４０端部封止樹脂、４２端子ボックス、４４開口部封止材、１００，２００光起電力装置、２０２光電変換セル。

Claims

薄膜半導体層を含む光電変換セルを分離溝を介して複数並列に並置してなる光電変換ユニットと、
前記光電変換ユニットの受光面とは反対の裏面側に配置され、前記光電変換ユニットから電極を引き出すための開口部を有するガラス板と、
を備え、
前記開口部は、前記分離溝にまたがって設けられていることを特徴とする光起電力装置。
請求項１に記載の光起電力装置であって、
前記開口部は、１つの前記分離溝のみにまたがって設けられていることを特徴とする光起電力装置。
請求項１又は２に記載の光起電力装置であって、
前記開口部の長軸方向と交差する方向から延設され、前記開口部を通して引き出された集電配線を備えることを特徴とする光起電力装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光起電力装置であって、
前記開口部は、複数であり、
互いに隣接する前記開口部の併設方向と交差する方向から延設され、前記開口部を通して引き出された集電配線を備えることを特徴とする光起電力装置。