JP2013175502A - 太陽電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】 太陽電池モジュールにて太陽電池セル6、6間を接続するリボン状のタブ線20の機械的強度、伸縮性・柔軟性、接着部の密着性(電気抵抗、接着強度)を改善する。
【解決手段】 タブ線20は、導電性ワイヤ(例えば銅線)の織物若しくは編物からなる。タブ線20は、セル表面のバスバー電極12に導電性接着媒体(ハンダ又は導電性樹脂テープ)を介して接着される。
【選択図】 図5

Description

本発明は、複数の太陽電池セルを含んで構成される太陽電池モジュールに関し、特に太陽電池セル間の電気的接続構造に関する。
太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルをマトリクス状に配列し、隣合う太陽電池セルをタブ線により電気的に直列に接続してなる。
太陽電池セルは、その表面(受光面)側に、多数の細線状のフィンガー電極と、これらのフィンガー電極と直交するように配置される少なくとも1本のバスバー電極とを有している。また、裏面側には、その全面に亘る裏面電極が設けられ、この裏面電極上に表面側と同数のバスバー電極が設けられる。そして、隣合う太陽電池セルのうち一方の太陽電池セルの表面側のバスバー電極と他方の太陽電池セルの裏面側のバスバー電極とをリボン状のタブ線により接続している(特許文献1、2参照)。
従来使用されているタブ線は、Cuを主体とした金属箔(厚さ50〜300μm、幅1〜3mm)である。そして、このタブ線とバスバー電極との間に導電性接着媒体(ハンダや導電性樹脂テープ)を挿入し、加熱及び/又は圧着により、導電性接着媒体を溶融させることで、タブ線とバスバー電極とを接続している。
特開2011−049612号公報 特開2008−147567号公報
しかしながら、従来技術については、次のような問題点があった。
(1)タブ線が金属箔であるため、製造時(セル接続時や運搬時)に発生する曲げやねじりに対する機械的強度が低い。このため、タブ線(特にそのセル間部分)にクラックが入りやすく、また断線が起きやすい。これにより、製造時の歩留まりが悪かった。
(2)製造時には、セルをタブ線で接続した後、封止工程(ラミネート工程)がなされるが、この工程では加熱する必要があり、その加熱時に裏面側カバーや封止材が熱収縮を起こし、この収縮運動に伴いセルが動く。このような収縮運動によっても、タブ線にクラックや断線を生じやすく、製造時の歩留まりが悪かった。
また、長期信頼性についても、裏面側カバーや封止材の温度伸縮に伴い、タブ線にクラックや断線を生じやすく、耐久性の向上が求められている。
(3)タブ線が、表面が平坦な金属箔であって、タブ線と導電性接着媒体との接触面積が小さいため、接触部の電気抵抗が高い。そのため、CTM(Cell to Module)ロスが大きく、太陽電池モジュールの状態での変換効率が低い。
また、同じ理由で、接触部の接着強度が低い。そのため、長期の使用によりタブ線の剥がれ等を生じやすく、耐久性の向上が求められている。
尚、特許文献2には、タブ線の接着面側に凸部を設けることで、タブ線の密着性を高めることが記載されているが、表面加工によって凹凸を付ける程度では、十分な密着性を得ることはできない。
(4)タブ線の表面側の金属反射率が高く、太陽電池モジュールの状態でタブ線がキラキラ光るため、見た目が悪い。
本発明は、このような実状に鑑み、太陽電池モジュールのタブ線に関し、(1)曲げやねじりに対する機械的強度の向上、(2)伸縮性・柔軟性の向上、(3)接着部の密着性の向上(電気抵抗減少及び接着強度増大)、(4)光反射の抑制、を図ることを課題とする。
本発明に係る太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルを含んで構成され、各太陽電池セルは、表面及び裏面側にそれぞれバスバー電極を有する。そして、隣合う太陽電池セルのうち一方の太陽電池セルの表面側のバスバー電極と他方の太陽電池セルの裏面側のバスバー電極とがリボン状のタブ線を介して接続される。
ここにおいて、前記タブ線は、導電性ワイヤの織物若しくは編物からなり、前記バスバー電極に導電性接着媒体を介して接着される。
本発明によれば、次の(1)〜(4)の効果のうち少なくとも1つを奏する。
(1)タブ線が導電性ワイヤの織物若しくは編物からなることにより、入り組んだ凹凸の屈曲面を有することになる。そのため、金属箔に対して、局所的に付与される力が分散され、曲げやねじりに対する機械的強度を向上させることができる。これにより、製造時におけるタブ線へのクラックの発生や、これによる断線を防ぐことができ、製造時の歩留まりを向上させることができる。
(2)入り組んだ凹凸の屈曲面を有するタブ線を用いることで、単位長さ当たりの実長さが増加するため、伸び代が生じ、伸縮性・柔軟性を向上させることができる。これにより、製造時やその後の長期使用中の温度サイクルでの伸縮ストレスに耐えることができ、耐久性を向上させることができる。
(3)入り組んだ凹凸の屈曲面を有するタブ線を用いることで、タブ線の表面積が増大する。そのため、導電性接着媒体との接触面積が増大し、導電性接着媒体との密着性を向上させることできる。これにより、両者間の電気抵抗が低減し、モジュール効率向上につながる。また、両者間の接着強度が増大し、長期の使用によるタブ線の剥がれを防ぎ、耐久性を向上させることができる。
(4)入り組んだ凹凸の屈曲面を有するタブ線を用いることで、表面に微細な凹凸が形成され光沢面のつや消しをすることができる。これにより、見た目を改善することができる。
本発明の実施形態として示す太陽電池モジュールの平面図 図1のA−A断面図 太陽電池セルの平面図 太陽電池セルの正面図 太陽電池セル間の接続状態を示す平面図 太陽電池セル間の接続状態を示す正面図 図6のB−B断面に相当するバスバー電極へのタブ線接続部の断面図 平織の説明図 綾織の説明図 メリヤス編みの説明図 実施例1〜4及び比較例1についての実施結果を示す表図
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態として示す太陽電池モジュールの平面図、図2は図1のA−A断面図である。
太陽電池モジュール1は、金属(例えばアルミ)製の矩形のフレーム2と、該フレーム2内の上部に嵌め込まれたPV(Photovoltaic)パネル3と、を含んで構成される。
PVパネル3は、白板強化ガラス等の透明な表面側カバー4と、樹脂フィルムからなる耐候性の裏面側カバー5と、表面側カバー4と裏面側カバー5との間にマトリクス状に配置されて電気的には直列に接続される複数の太陽電池セル6と、表面側カバー4と裏面側カバー5との間に充填されて該カバー4、5と太陽電池セル6とをパネル化する封止材(充填接着剤)7と、を含んで構成される。
表面側カバー4としては、太陽光の透過性、絶縁性、耐候性、耐熱性、防湿性、防汚性、耐光性が求められ、更に、化学的強度性、強靱性等に優れ、長期耐久性を確保するためにも耐スクラッチ性、衝撃吸収性等に優れていることが必要である。このため、広く透明ガラス基板が使用されており、特に光透過率や耐衝撃強度に優れる厚さ4.0mmの白板強化ガラスが使用されている。材質としてソーダライムガラスが好適に用いられる。尚、厚さは0.1〜10mmであればよい。
また、表面側カバー4としては、公知のガラス板等は勿論のこと、例えば、ポリアミド系樹脂(各種のナイロン)、ポリエステル系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂、(メタ)アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、アセタール系樹脂、セルロース系樹脂、その他等の各種の樹脂のフィルムないしシートを使用することができる。
裏面側カバー5としては、例えば、アルミシートの両面を絶縁性の優れたポリフッ化ビニルフィルム(フッ素フィルム)で被覆した厚さ約0.1mmの樹脂被覆メタルシートが好適に用いられる。
また、裏面側カバー5としては、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂等のポリスチレン系樹脂、アクリロニトリル−スチレン共重合体(AS樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂)、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、ポリ(メタ)アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)又はポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル系樹脂、各種のナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアリールフタレート系樹脂、ポリシクロヘキサンジメタノール−テレフタレート樹脂、シリコン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、アセタール系樹脂、セルロース系樹脂、PETとPENの共重合体であるPET−G等のポリエステルからなるポリエステル樹脂、その他等の各種の樹脂のフィルムないしシ−ト、更にセラミック、ガラス、ステンレス等を使用することができる。
太陽電池セル6としては、単結晶シリコン、薄膜シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体型セルのいずれであっても構わない。
一例として、一般的な結晶系シリコンの太陽電池セル6は、p型結晶系シリコン基板の光入射面(発電する際に光が入射する側の表面)にn型拡散層(n型シリコン層)を形成する。より詳しくは、下記のテクスチャ工程、pn接合工程、反射膜形成工程、表裏面集電極形成工程を経て製造する。
テクスチャ形成工程では、基板にpn接合を形成する前に、酸やアルカリの溶液や反応性プラズマを用いて基板の表面をエッチングすることにより、表面に凹凸構造(テクスチャ構造)を形成する。
pn接合形成工程では、pn接合の形成方法は特に限定されないが、例えば、p型シリコン基板の受光面側にn型不純物を拡散させることによってpn接合を形成することができる。n型不純物の拡散は、例えばn型不純物を含む材料(例えばPOC13)を含む高温気体中に基板を置くことによって行うことができる。
反射防止膜形成工程では、基板の受光面側に反射防止膜を形成する。例えば、プラズマCVD法によってSiN膜を形成することができる。
表裏面集電極形成工程では、後述のように、太陽電池セル6の表面にフィンガー電極及びバスバー電極を形成し、裏面に裏面電極及びバスバー電極を形成する。
封止材7としては、透光性、表面側カバー及び裏面側カバーとの接着性を有することが必要である。さらに、太陽電池の保護という観点から、耐光性、耐熱性、耐水性、耐スクラッチ性、衝撃吸収性等に優れていることも必要である。かかる観点から、封止材7には、一般に耐湿性に優れたEVA(エチレンビニルアセテート)フィルム等の有機過酸化物を含有するエチレン−酢酸ビニル共重合体からなるフィルムが好適に用いられる。
その他にも、例えば、アイオノマー樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、シリコン樹脂、エポキシ系樹脂、(メタ)アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、エチレン−アクリル酸、又は、メタクリル酸共重合体、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンあるいはポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂をアクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、フマ−ル酸等の不飽和カルボン酸で変性した酸変性ポリオレフィン系樹脂、その他等の樹脂の1種ないし2種以上の混合物を使用することができる。
尚、上記の封止材7の厚さとしては、100〜1000μm位、好ましくは、300〜500μm位が望ましい。
次に太陽電池セル6の集電極構造について説明する。
図3は太陽電池セルの平面図、図4は太陽電池セルの正面図である。
太陽電池セル6は、表面側が受光面10をなし、その上に、複数のフィンガー電極11が設けられる。フィンガー電極11は、光の入射をできるだけ妨げないように細く形成されて、それぞれ所定の一方向に延在し、延在方向と直交する方向に所定の間隔で並設されている。
また、太陽電池セル6の表面(受光面10)側には、フィンガー電極11の上に、フィンガー電極11と直交するように、タブ線を接続して電力を取出すための比較的太いバスバー電極12が設けられる。従って、バスバー電極12は、フィンガー電極11の並設方向に延在して、複数のフィンガー電極11をつないでいる。尚、フィンガー電極11は、例えば0.05mm程度の幅で90本程度形成され、バスバー電極12は、例えば0.5〜3mm程度の幅で少なくとも1本(1〜4本で、一般的には2、3本)設けられる。
太陽電池セル1の裏面側には、全面にわたって裏面電極13が設けられる。また、裏面電極13上にもタブ線を接続するためのバスバー電極14が設けられる。裏面側のバスバー電極14は表面側のバスバー電極12と対応する位置に同形状で同数設けられる。
集電極の材料としては、電気的導通を得ることができる公知の材質のものが挙げられ、例えば、Ag、Ni、Cu、Sn、Au、V、Al、Ptなどの金属、あるいはこれらの金属のうち2種以上の金属の合金、混合物などが適用できる。また、これらの金属を複数積層したものでもよい。また、カーボン材料や透明導電材料(ITO)単独もしくはこれらの材料と上記金属の複合体等でもよい。但し、太陽電池で発電した電流を流すときに抵抗とならないことが必要である(5〜10Ωcm-1程度)。
集電極の形成方法としては、一般に導電性ペースト印刷が用いられる。導電性ペーストとしては、一般的な銀を含有したガラスペーストや接着剤樹脂に各種導電性粒子を分散した銀ペースト、金ペースト、カーボンペースト、ニッケルペースト及びアルミニウムペースト、並びに、焼成や蒸着によって形成されるITOなどが挙げられる。これらの中でも、耐熱性、導電性、安定性及びコストの観点から、銀を含有したガラスペーストが好適に用いられる。その他に、マスクパターンを用いたスパッタリング、抵抗加熱、CVD法、光CVD法、メッキ法などが挙げられる。
フィンガー電極11及びバスバー電極12については、その形成方法は特に限定されないものの、一般的には、銀を含有したガラスペーストを用い、これをスクリーン印刷よる塗布、乾燥、焼成することによって形成することができる。
裏面電極13及びバスバー電極14についても、その形成方法は特に限定されないものの、裏面電極13についてはアルミニウムペースト、バスバー電極14については銀を含有したガラスペーストを用いることができる。尚、表面側の乾燥及び焼成と、裏面側の乾燥及び焼成は、同時におこなってもよいし、別々に行ってもよい。
次に太陽電池セル6、6間の電気的接続構造について説明する。
図5は太陽電池セル間の接続状態を示す平面図、図6は太陽電池セル間の接続状態を示す正面図である。また、図7は図6のB−B断面に相当するバスバー電極へのタブ線接続部の断面図である。
隣合う太陽電池セル6、6は、相互にタブ線20により電気的に直列接続されている。すなわち、隣合う太陽電池セル6、6について、一方の太陽電池セル6の表面側のバスバー電極12と、他方の太陽電池セル6の裏面側のバスバー電極14とを、リボン状のタブ線20により接続する。言い換えれば、リボン状のタブ線20の一端を一方の太陽電池セル6の表面側のバスバー電極12に導電性接着媒体22を介して接続し、リボン状のタブ線20の他端を他方の太陽電池セル6の裏面側のバスバー電極14に導電性接着媒体22を介して接続する。従って、タブ線20は、太陽電池セル6、6間で折れ曲がり、表と裏とをつなぐ。
本実施形態では、タブ線20として、導電性ワイヤの織物若しくは編物からなるタブ線を使用する。
より具体的には、導電性ワイヤとしては、線径50〜200μm程度の銅線を用いる。但し、Cu、Ag、Au、Fe、Ni、Pb、Zn、Co、Ti及びMgからなる群より選択される1種以上の金属元素を含むものであればよい。
また、導電性ワイヤの織物若しくは編物からなるタブ線の開口率は、10〜80%、より好ましくは20〜60%とする。
編み方としては、例えば、図8に示すような平織状に編んで、平織リボンとする。又は、図9に示すような綾織状に編んで、綾織リボンとする。又は、図10に示すようなメリヤス編みにより、メリヤス編みリボンとする。
また、編む前の導電性ワイヤ(例えば銅線)にサンドブラスト処理などの表面粗化処理を施し、表面粗化処理を施した導電性ワイヤを編むようにするとよい。
また、導電性ワイヤの表面には適宜のメッキ処理を施すようにしてもよい。
本実施形態ではまた、導電性接着媒体22としては、ハンダ、又は、導電性樹脂テープを使用する。
ハンダについてはよく知られているので、説明は省略する。
導電性樹脂テープとしては、セル表面の集電極との接着性、導電性、更には、信頼性を維持するため耐湿性や耐熱性に優れていることが要求される。
導電性樹脂として用いられる材料は、例えば、ポリカーボネート、トリアセチルセルロース、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリエーテルイミド、ポリエステル、エチレン−ビニルアセテートコポリマー、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ブチラール樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー(ABS樹脂)、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー、ポリフッ化ビニルなどのフッ素樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、マレイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、トリアジン−ビスマレイミド樹脂及びフェノール樹脂、シアネート樹脂ポリビニルアセテート、ゴム、ウレタン等の樹脂などが挙げられ、これらから選ばれる少なくとも1種、あるいは、これらの樹脂の混合、共重合などを用いることが好ましい。また、これらの樹脂に熱硬化性あるいはUV硬化性を付与することが好ましい。また、樹脂中に紫外線吸収剤、光安定化剤、酸化防止剤、シランカップリング剤を適宜添加してもよい。また、低温かつ短時間で硬化できるという点から、エポキシ樹脂やアクリル樹脂を用いることが、製造上、より好ましい。
また、導電性樹脂は、微粒子を含んでもよい。微粒子を樹脂中に含むことにより、熱圧着過程において微粒子同士が接触するため、加熱圧着後により高い導電性を発現することができる。
微粒子として、導電性粒子を用いる場合には、銀、銅、白金、ニッケル、金、錫、アルミニウム、ビスマス、インジウム、パラジウム、亜鉛、コバルトなどから選ばれる少なくとも1種の金属粒子、あるいはこれらの合金、混合などが適用できる。また、カーボン材料であってもよく、カーボン粒子と金属の複合材料でもよい。また、アルミナ、シリカ、セラミックス、酸化チタン、ガラスなどから選ばれる少なくとも1種の無機酸化物に金属コーティングを施したものであってもよく、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂などから選ばれる少なくとも1種、あるいは、これらの樹脂の混合体、共重合体などに金属コーティングを施したものであってもよい。微粒子の大きさについては、2〜30μmφ、好ましくは、平均粒径10μm程度の大きさがよい。
太陽電池セル6の表面側(裏面側)のバスバー電極12(14)にタブ線20を接続する際は、バスバー電極12(14)上に、略同幅の導電性接着媒体(ハンダ又は導電性樹脂テープ)22を載置してから、タブ線20を載置し、加熱状態の圧着ヘッドを押付ける。これにより、導電性接着媒体22を溶融させて、バスバー電極12(14)とタブ線20とを接着する。尚、導電性接着媒体22としては、ハンダ、導電性樹脂テープのいずれでもよいが、タブ線20の表面形状を損なわないためには、より低温で接着可能な導電性樹脂テープを使用するとよい。
本実施形態によれば、タブ線20が導電性ワイヤの織物若しくは編物からなることにより、入り組んだ凹凸の屈曲面を有することになる。そのため、金属箔に対して、局所的に付与される力が分散され、曲げやねじりに対する機械的強度を向上させることができる。これにより、製造時(セル接続時や運搬時)におけるタブ線20へのクラックの発生や、これによる断線を防ぐことができ、製造時の歩留まりを向上させることができる。
また、本実施形態によれば、入り組んだ凹凸の屈曲面を有するタブ線20を用いることで、単位長さ当たりの実長さが増加するため、伸び代が生じ、伸縮性・柔軟性を向上させることができる。これにより、製造時(封止工程)やその後の長期使用中の温度サイクルでの伸縮ストレスに耐えることができ、耐久性を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、入り組んだ凹凸の屈曲面を有するタブ線20を用いることで、タブ線20の表面積が増大する。そのため、導電性接着媒体22との接触面積が増大し、導電性接着媒体22との密着性を向上させることできる。これにより、両者間の電気抵抗が低減し、モジュール効率向上につながる。また、両者間の接着強度が増大し、長期の使用によるタブ線20の剥がれを防ぎ、耐久性を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、入り組んだ凹凸の屈曲面を有するタブ線20を用いることで、表面に微細な凹凸が形成され光沢面のつや消しをすることができる。これにより、光反射を抑制し、見た目を改善することができる。
更に、本実施形態によれば、タブ線20を構成する導電性ワイヤの表面に粗化処理を施すことにより、光反射抑制効果が更に向上し、見栄えを更に良くすることができる。
次に実施結果について説明する。
下記の実施例1〜4及び比較例1のタブ線を使用して、太陽電池モジュールを製造し、それぞれについて、製造歩留まり、温度サイクル劣化率を測定した。
〔タブ線の種類〕
・実施例1(平織リボン)
タブ線として、線径120μmの銅線を平織状に編んで、開口率40%の平織リボンを作成した。
・実施例2(綾織リボン)
タブ線として、線径150μmの銅線を綾織状に編んで、開口率45%の綾織リボンを作成した。
・実施例3(メリヤス編みリボン)
タブ線として、線径100μmの銅線をメリヤス編みして、開口率40%のメリヤス編みリボンを作成した。
・実施例4(メリヤス編みリボン+表面粗化)
タブ線として、線径100μmの銅線に表面粗化処理(サンドブラスト)を施したものをメリヤス編みして、表面粗化処理付きで開口率45%のメリヤス編みリボンを作成した。
・比較例1(金属箔)
タブ線として、従来の金属箔を用いた。
評価方法としては、製造歩留まりと温度サイクル劣化率を測定した。
製造歩留まりは、モジュール化の工程で断線が起きた割合をA(%)とすると、100−A(%)とした。
温度サイクル劣化率は、−40℃/1時間、90℃/1時間の温度サイクル試験を100サイクル行い、初期の電気最大出力B(W)と温度サイクル試験後の電気最大出力C(W)との比率(C/B)×100(%)とした。
この結果は図11の表に示される通りである。
この結果から、実施例1〜4のいずれも、比較例1との比較で、製造歩留まり、温度サイクル劣化率が改善されていることがわかった。
尚、以上の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
1 太陽電池モジュール
2 フレーム
3 PVパネル
4 表面側カバー
6 裏面側カバー
7 封止材
10 受光面
11 フィンガー電極
12 バスバー電極
13 裏面電極
14 バスバー電極
20 タブ線
22 導電性接着媒体

Claims (3)

  1. 複数の太陽電池セルを含んで構成され、
    各太陽電池セルは、表面及び裏面にそれぞれバスバー電極を有し、
    隣合う太陽電池セルのうち一方の太陽電池セルの表面側のバスバー電極と他方の太陽電池セルの裏面側のバスバー電極とがリボン状のタブ線を介して接続される、太陽電池モジュールであって、
    前記タブ線は、導電性ワイヤの織物若しくは編物からなり、前記バスバー電極に導電性接着媒体を介して接着されることを特徴とする、太陽電池モジュール。
  2. 前記導電性ワイヤはその表面に粗化処理がなされていることを特徴とする、請求項1記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記導電性ワイヤは銅線であることを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の太陽電池モジュール。
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