JP2013207112A - 太陽電池モジュールの製造装置及び製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽電池セル同士を接合する太陽電池モジュールにおいて、接合後の反りを減らす。
【解決手段】加熱装置49は、複数の太陽電池セル15の一部同士が重なった部分で半田37によって接合される太陽電池モジュール1を製造する装置である。加熱装置49は、作業盤51と、加熱炉61とを備えている。作業盤51は、中央部の熱容量が周囲より小さいプレートであって、複数の太陽電池セル15の一部同士を重ね合わせて配置することで得られたスラット構造モジュール3Aが載置される。加熱炉61は、作業盤51上に載置されたスラット構造モジュール3Aを一方向に温度勾配が生じるように加熱することで、複数の太陽電池セル15を互いに接合する。
【選択図】図7

Description

本発明は、複数の太陽電池セルを含む太陽電池モジュールを製造する装置及び方法に関する。
近年、エネルギー問題に対する意識の向上から、太陽電池モジュールを用いた太陽光発電に対する期待が高まっており、太陽電池モジュールの需要が増加している。そこで、このような需要の増加に伴って、性能の良い太陽電池モジュールを製造するための技術開発が望まれている。
複数の太陽電池セルを直列に接続することで実用的な電圧を得る構成の太陽電池モジュールが知られている(例えば、特許文献1を参照)。この太陽電池モジュールでは、短冊形状の太陽電池セルそれぞれの表面及び裏面に導電性を有する材料が設けられていて、隣り合う太陽電池セルの縁部同士を上下に重ね合わせることにより、電気的に接続させる構成が採用されている。
このような太陽電池モジュールの製造は、太陽電池セルの縁部の上に、新たに接続する太陽電池セルの縁部を重ね合わせ、この重ね合わせた縁部間に介在している半田(接合金属)をヒータにより加熱して溶融し、その後冷却して凝固させることで、太陽電池セル同士を電気的及び構造的に接続することで行われる。
特開2009−10355号公報
しかし、前記製造方法によれば、次のような問題点が発生するおそれがある。
接合工程において、太陽電池セルが互いに重ね合わされるのは、作業盤の上面である。そして、太陽電池セルは作業盤と共に熱風循環炉に搬入され、炉内で加熱される。そして、加熱後に太陽電池セルは熱風循環炉から搬出されて冷却される。
冷却時には、熱風の流れ方向下流側から上流側に向かって半田の凝固が進む。つまり、半田の凝固方向は熱風の流れ方向と逆である。この場合、作業盤の中央部分の放熱スピードが遅いことが理由で、スラット構造モジュールの冷却が一方端から他方端に推移できないという問題が生じる。つまり、作業盤の中央部分の高温状態が維持される。その結果、接合後のスラット構造モジュールに反りが発生しやすい。
本発明の課題は、太陽電池セル同士を接合する太陽電池モジュールにおいて、接合後の反りを減らすことにある。
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係る装置は、複数の太陽電池セルの一部同士が重なった部分で接合部材によって接合される太陽電池モジュールを製造する装置であって、プレートと、加熱装置とを備えている。プレートは、中央部の熱容量が周囲より小さいプレートであって、複数の太陽電池セルの一部同士を重ね合わせて配置することで得られたスラット構造モジュールが載置される。加熱装置は、プレート上に載置されたスラット構造モジュールを一方向に温度勾配が生じるように加熱することで、複数の太陽電池セルを互いに接合する。
この装置では、加熱装置が一方向に温度勾配が生じるようにスラット構造モジュールを加熱するので、スラット構造モジュールは、冷却時に低温部から高温部に向けて徐々に凝固していく。また、プレートの中央部の熱容量が周囲より小さいので、スラット構造モジュールは、中央部が周囲に比べて極端な高温状態を保つことがない。したがって、スラット構造モジュールの接合時に、歪みが内部に残らない温度プロファイルが実現される。その結果、接合後のスラット構造モジュールに反りが生じない。
プレートは中空形状であってもよい。この場合は少ない材料で優れた効果が得られる。
加熱装置は、スラット構造モジュールの上面に熱風を一方向に流す熱風循環炉であってもよい。
本発明の他の見地に係る方法は、複数の太陽電池セルの一部同士が重なった部分で接合部材によって接合される太陽電池モジュールを製造する方法であって、以下の工程を備えている。
◎中央部の熱容量が周囲より小さいプレート上に、複数の太陽電池セルの一部同士を重ね合わせて配置することで、スラット構造モジュールを作成する。
◎スラット構造モジュールを一方向に温度勾配が生じるように加熱することで、複数の太陽電池セルを互いに接合する。
プレートは中空形状であってもよい。
加熱工程では、熱風循環炉を用いて、スラット構造モジュールの上面に熱風を一方向に流してもよい。
本発明によれば、太陽電池セル同士を接合する太陽電池モジュールにおいて、接合後の反りが減る。
太陽電池モジュールの模式的部分斜視図。 太陽電池モジュールの模式的断面図。 太陽電池モジュールの製造工程を示すフローチャート。 成膜装置の模式図。 切断工程及び接合工程を示す模式的斜視図。 接合工程に用いられる作業盤の模式的斜視図。 接合工程の加熱動作を示す模式的斜視図。 冷却における作業盤の温度プロファイルを示して模式的平面図。
(1)太陽電池モジュールの構造
図1を用いて、太陽電池モジュールの構造を説明する。図1は、本実施形態における太陽電池モジュールの模式的部分斜視図である。
図1に示すように、太陽電池モジュール1は、太陽電池部3と、外部電極5,7と、カバー部材9,11と有している。
太陽電池部3は、受光した光から電流を発生させる機能を有している。外部電極5,7は、太陽電池部3の両端に接続されている。カバー部材9,11は、太陽電池部3と外部電極5,7の一部を覆っている。図に示すように、太陽電池モジュール1は、太陽電池部3及び外部電極5,7がこれらの配列方向と直交する方向の両面側からカバー部材9,11で挟まれることにより、一体的に形成されている。さらに具体的には、太陽電池部3及び外部電極5,7とカバー部材9,11の間にEVA13(エチレン−酢酸ビニル共重合体)が充填されており、外部電極5,7の一部が突出した状態で一体的に形成されている。
太陽電池部3は、図に示すように、複数の太陽電池セル15が配列されて形成されている。太陽電池セル15は、短冊形状である。
より具体的には、複数の太陽電池セル15が一方向に配列されて形成されており、太陽電池セル15同士が重複連結部17で電気的に接続されている。そして、太陽電池部3の両端部分では、両端部分に配置される太陽電池セル15と外部電極5,7とが電気的に接続されている。
以上に述べた構造によって、太陽電池部3で発生した電流を外部に取り出せるようになっている。すなわち、重複連結部17では、隣り合う太陽電池セル15同士が、その一部が重なり合うように配置されており、一の太陽電池セル15の導電性基板21と他の上部電極層24とが後述する電気接続部31(図2参照)によって電気的に接続されている。言い換えると、配列された全ての太陽電池セル15が直列に連結されており、各太陽電池セル15で発生した電流を外部電極5,7から取り出せるようになっている。
太陽電池セル15は、太陽光等の光を受光することにより発電するものであり、図2に示すように、太陽電池セル15は、導電性を有する導電性基板21の表面上に下部電極層22、光電変換層23、上部電極層24がこの順に積層されて構成されている。図2は、太陽電池モジュールの模式的断面図である。なお、本実施形態における積層方向とは、この導電性基板21、下部電極層22、光電変換層23、上部電極層24が積層される方向をいう。
太陽電池モジュール1は複数の太陽電池セル15を有しており、隣接する太陽電池セル15同士の長尺部分の一部が積層方向に重複することにより重複連結部17を形成し、重複連結部17の電気接続部31により隣接する太陽電池セル15同士が電気的に接続されている。
本実施形態では、導電性基板21としてステンレス基板が用いられている。そして、下部電極層22としてZnO、光電変換層23としてアモルファスシリコン、上部電極層24にはITO(In23SnO2)が用いられている。
電気接続部31は、中間膜33と、金属膜35と、接合部材である半田37とを有している。中間膜33は、上部電極層24における重複連結部17に形成されている。金属膜35は、中間膜33の上に形成されている。より具体的には、中間膜33及び金属膜35は、太陽電池セル15の配列方向と直交する方向に一様に亘って形成されている。中間膜33は、Cr又はNiからなる。金属膜35はCuからなる。そして、中間膜33及び金属膜35は、スパッタリング、蒸着、メッキ、印刷法等によって形成されている。
半田37は、金属膜35の上に形成されている。金属膜35をCuとすることにより、金属膜35と半田37との密着性が向上している。この場合、半田37には、安価な共晶半田、無鉛半田(Sn−Bi、Sn−Ag−Cu等)を選択できる。また、半田37以外にも他の接合部材として、導電性接着剤、導電性テープなどを使用することができる。なお、図2では、加熱によって、上下の半田37が溶融して上下の電気接続部31が一体化され、電気的に接続されて連結されている。
太陽光等の光が光電変換層23で受光されると、各太陽電池セル15の光電変換層23で電流が発生し、上部電極層24を流れる。そして、上部電極層24上に設けられた電気接続部31を介して隣接する太陽電池セル15に流れる。これを繰り返すことにより、発生した電流が最終的に外部電極5,7に流れる。
(2)太陽電池モジュールの製造方法
図3を用いて、太陽電池モジュール1の製造方法について説明する。図3は、太陽電池モジュールの製造工程を示すフローチャートである。
図3に示すように、成膜工程S1、切断工程S2、接合工程S3、ラミネート工程S4が、実行される。
(2−1)成膜工程
成膜工程S1では、薄板状の導電性基板21上に下部電極層22、光電変換層23、上部電極層24が積層される。
図4を用いて、成膜工程S1を具体的に説明する。図4は、成膜装置の模式図である。
図4において、導電性基板21Aは、ロール状に巻回されており、その幅寸法は太陽電池セル15の短尺寸法に設定されている。そして、送り出し機41及び巻取り機43を備え、これらの間に成膜を行うCVD装置M1,M2及びM3が備えられた製造装置により、導電性基材21A上に各層が形成される。すなわち、ロール状に巻回された導電性基材21Aが送り出し機41から各層を形成するCVD装置M1,M2,M3を通過して巻取り機43に巻き取られることにより、各層が形成される。
具体的には、導電性基材21A上に、下部電極層22としてのAgとZnOが装置M1により成膜される。そして、導電性基板21が所定量巻き取られることにより、下部電極層22上に、光電変換層23が形成される。すなわち、装置M2(CVD装置)により、光電変換層23としてのアモルファスシリコンが成膜される。そして、導電性基板21が所定量巻き取られることにより、光電変換層23上に、上部電極層24が形成される。すなわち、装置M3により、上部電極層24としてのITOが成膜される。
(2−2)切断工程
図5を用いて、切断工程S2を説明する。図5は、切断工程及び接合工程を示す模式的斜視図である。
図5に示すように、成膜工程S1で得られた連続状の太陽電池を所定の寸法に切断することで、複数の太陽電池セル15を得る。具体的には、設計する太陽電池セル15の長尺部分の寸法に応じて切断することにより、図5に示すように、短冊形状の太陽電池セル15を得ることができる。
(2−3)接合工程
接合工程S3を説明する。すなわち、図5に示すように、複数の太陽電池セル15を直列接続させて一体的に形成した太陽電池部3を得る。具体的には、隣接する太陽電池セル15同士を一体的に接合する。すなわち、作業盤51(後述)の上で、太陽電池セル15の電気接続部31同士を重ね合わせて、スラット構造モジュール3Aを得る。その状態で、スラット構造モジュール3Aは、治具によって仮固定される。なお、配列方向両端部分の太陽電池セル15は、半田を介して外部電極5,7と当接させる。
この仮固定させた状態で太陽電池セル15を加熱炉(後述)内に配置し、半田融点温度以上に炉内を温度制御することにより半田が溶融し、さらに凝固点温度に冷却することにより、太陽電池セル15同士が電気的に接続され、太陽電池部3が形成される。
(2−4)ラミネート工程
ラミネート工程S4を説明する。この工程では、透光性を有する可撓性のあるカバー部材9,11で太陽電池部3をサンドイッチ上に挟んで一体的に形成する。具体的には、カバー部材9,11としての透光性のあるフッ素系フィルム、PETフィルム等により、太陽電池部3を太陽電池セル15の配列方向と直交する方向の両側から挟み、EVA13を介在させた状態でラミネート加工する。これにより、カバー部材9,11の間に太陽電池部3が存在する状態で一体的に形成され、太陽電池モジュール1(図1参照)を得ることができる。
(3)接合工程の詳細説明
図6及び図7を用いて、接合工程を詳細に説明する。図6は、接合工程に用いられる作業盤の模式的斜視図である。図7は、接合工程の加熱動作を示す模式的斜視図である。
接合工程には、加熱装置49が用いられる。加熱装置49は、作業盤51と、加熱炉61とを有している。
接合工程では、図6に示すように、作業盤51上に置かれた太陽電池セル15の縁部上に、別の太陽電池セル15の重複連結部17同士を重ね合わせ、以下同様に重複連結部17同士を次々と重ねる。このときに、作業盤51上で姿勢及び位置が崩れないように太陽電池セル15が位置決めされる。そして、このようにして得たスラット構造モジュール3Aを作業盤51とともに、加熱炉61内に投入する。その結果、重ね合わせた重複連結部17同士間に介在させた半田(接合金属)37が加熱によって溶融され、その後冷却して凝固する。これにより、太陽電池セル15同士が電気的及び構造的に接続される。
作業盤51は、図6に示すように、枠体53と、カバープレート55とから構成されている。作業盤51は、SUS又はガラス製である。枠体53は、四角形状の枠53aと、底板53bとを有しており、それらの間に中央凹部53cを形成している。カバープレート55は、四角形状の薄板であって、枠体53の上に載って固定される。カバープレート55には、スラット構造モジュール3Aが位置決めされた状態で載置される。
加熱炉61は、熱風によって、加熱を行うための装置である。加熱炉61は、図7に示すように、ヒータ63と、ファン65とを有している。ヒータ63及びファン65は、加熱炉61内で上部に配置されている。この配置によって、ファン65は、ヒータ63によって発生した高温の空気を、加熱炉61内の下部空間内を一方向に流れるように送り出す。これにより、高温の空気が加熱炉61内を循環する。
図7に示すように、作業盤51及びスラット構造モジュール3Aは、加熱炉61の下部空間に配置される。このとき、熱風は、各太陽電池セル15の配列方向に沿って、スラット構造モジュール3Aの上方を流れる。以上の結果、半田が溶融して太陽電池セル15同士の接合が行われる。
ここで、熱風循環炉に通常の作業盤(中空ではなく中実タイプ)を用いた従来の場合の、温度変化を説明する。一般に熱風循環炉を用いた場合は、熱風の流れ方向下流側から上流側に向かって半田の凝固が進む。つまり、半田の凝固方向は熱風の流れ方向と逆である。この場合、作業盤の中央部分の放熱スピードが遅いことが理由で、スラット構造モジュールの冷却が一方端から他方端に推移できない。つまり、作業盤の中央部分の高温状態が維持される。その結果、スラット構造モジュールに反りが発生してしまう。
しかし、本実施形態では、作業盤51の中央部分が中央凹部53cによって中空になっているので、図8に示すように、スラット構造モジュール3Aの冷却が一方端から他方端に推移していく。つまり、作業盤51の中央部分が特別に高温状態になることがない。その結果、スラット構造モジュール3Aに反りが発生しにくい。
なお、図8は、冷却における作業盤の温度プロファイルを示して模式的平面図である。図において、右側から左側に熱風が流れており、その結果、左側から右側に向かって低温から高温の温度分布が形成されている。このことは、冷却時に温度の低い熱風流れ方向の下流側から上流側に段階的に冷却が進んでいくことを意味している。
(4)実施形態の作用効果
上記実施形態は、下記のように表現可能である。
加熱装置49(太陽電池モジュール製造装置の一例)は、複数の太陽電池セル15(太陽電池セルの一例)の一部同士が重なった部分で半田37(接合部材の一例)によって接合される太陽電池モジュール1(太陽電池モジュールの一例)を製造する装置である。加熱装置49は、作業盤51(プレートの一例)と、加熱炉61(加熱装置の一例)とを備えている。作業盤51は、中央部の熱容量が周囲より小さいプレートであって、複数の太陽電池セル15の一部同士を重ね合わせて配置することで得られたスラット構造モジュール3Aが載置される。加熱炉61は、作業盤51上に載置されたスラット構造モジュール3Aを一方向に温度勾配が生じるように加熱することで、複数の太陽電池セル15を互いに接合する。
この装置では、加熱炉61が一方向に温度勾配が生じるようにスラット構造モジュール3Aを加熱するので、スラット構造モジュール3Aは、冷却時に低温部から高温部に向けて徐々に凝固していく。また、作業盤51の中央部の熱容量が周囲より小さいので、スラット構造モジュール3Aは中央部が周囲に比べて極端な高温状態を保つことがない。したがって、スラット構造モジュール3Aの接合時に、歪みが内部に残らない温度プロフィルが実現される。その結果、接合後のスラット構造モジュールに反りが生じない。
(5)他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
前記実施形態では、作業盤の中央部分は空洞であったが、アルミニウムのように熱容量が小さい材料が充填されていてもよい。その結果、接合後のスラット構造モジュール3Aに反りが生じない。
また、前記実施形態では、作業盤51の枠体53とカバープレート55として、SUS又はガラスで形成する例について説明したが、これらをアルミニウムで形成してもよい。アルミニウムで形成することにより、SUS又はガラスで形成する場合に比べて軽量化を図ることができる。
前記実施形態では作業盤の中央部は一つの大きな凹部を有していたが、複数の凹部を有していてもよい。
本発明は、複数の太陽電池セルを含む太陽電池モジュールを製造する装置及び方法に広く適用可能である。
1 太陽電池モジュール
3 太陽電池部
3A スラット構造モジュール
5 外部電極
7 外部電極
9 カバー部材
11 カバー部材
13 EVA
15 太陽電池セル
17 重複連結部
21 導電性基板
21A 導電性基材
22 下部電極層
23 光電変換層
24 上部電極層
31 電気接続部
33 中間膜
35 金属膜
37 半田
41 送り出し機
43 巻き取り機
49 加熱装置
51 作業盤
53 枠体
53a 枠
53b 底部
53c 中央凹部
55 カバープレート
61 加熱炉
63 ヒータ
65 ファン

Claims (6)

  1. 複数の太陽電池セルの一部同士が重なった部分で接合部材によって接合される太陽電池モジュールを製造する装置であって、
    中央部の熱容量が周囲より小さいプレートであって、前記複数の太陽電池セルの一部同士を重ね合わせて配置することで得られたスラット構造モジュールが載置されるプレートと、
    前記プレート上に載置された前記スラット構造モジュールを一方向に温度勾配が生じるように加熱することで、前記複数の太陽電池セルを互いに接合する加熱装置と、
    を備えた、太陽電池モジュールの製造装置。
  2. 前記プレートは中空形状である、請求項1に記載の太陽電池モジュールの製造装置。
  3. 前記加熱装置は、前記スラット構造モジュールの上面に熱風を一方向に流す熱風循環炉である、請求項1又は2に記載の太陽電池モジュールの製造装置。
  4. 複数の太陽電池セルの一部同士が重なった部分で接合部材によって接合される太陽電池モジュールを製造する方法であって、
    中央部の熱容量が周囲より小さいプレート上に複数の太陽電池セルの一部同士を重ね合わせて配置することで、スラット構造モジュールを作成し、
    前記スラット構造モジュールを一方向に温度勾配が生じるように加熱することで、前記複数の太陽電池セルを互いに接合する、
    太陽電池モジュールの製造方法。
  5. 前記プレートは中空形状である、請求項4に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  6. 加熱工程では、熱風循環炉を用いて、前記スラット構造モジュールの上面に熱風を一方向に流す、請求項4又は5に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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