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

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（Ｉｎ₂Ｏ₃ＳｎＯ₂）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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