JP2013258317A - Protection diode built-in solar battery, satellite mounted with protection diode built-in solar battery, solar battery cell and method for assembling protection diode built-in solar battery - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、人工衛星搭載用の保護用ダイオード組込太陽電池に関するものである。 The present invention relates to a protection diode built-in solar cell for use on an artificial satellite.
1枚の太陽電池セルが発生する電圧は、太陽電池セルの種類により異なるが、高々0.5Vから3Vの範囲である。そのため、使用する所定の電圧を得るために複数の太陽電池セルを直列に接続した回路を構成したものを電源とすることが一般的であって、一般的な太陽電池セル回路では、隣り合って配置された太陽電池セルの表側電極と裏側電極に接続部品を接合して複数の太陽電池セルを直列に接続している。
このように直列に接続された太陽電池列の一部に、人工衛星に搭載されたアンテナ等の影が落ちた場合、影になった太陽電池に残りの影になっていない太陽電池の発生する電流が逆方向に流れ、発熱により太陽電池が破損する現象(ホットスポット)が起こることが知られている。ホットスポットから太陽電池を保護する手法としては太陽電池に並列に保護用ダイオードを敷設する方法が一般的である。
The voltage generated by one solar cell varies depending on the type of the solar cell, but is at most 0.5V to 3V. Therefore, in order to obtain a predetermined voltage to be used, it is common to use a power supply that is configured by a circuit in which a plurality of solar cells are connected in series. In a general solar cell circuit, A plurality of solar cells are connected in series by joining connecting parts to the front and back electrodes of the arranged solar cells.
When a shadow of an antenna mounted on an artificial satellite falls on a part of a series of solar cells connected in series in this way, a remaining solar cell is generated in the shadowed solar cell. It is known that a current flows in the opposite direction and a phenomenon (hot spot) occurs in which the solar cell is damaged by heat generation. As a method for protecting a solar cell from a hot spot, a method of laying a protective diode in parallel with the solar cell is common.
従来、例えば特許文献1に記載されるように、太陽電池セルへの保護用ダイオードの組込みに伴う製作費用の増加及び信頼性の低下を低減し、かつ、太陽電池セルの表側電極の面積を減らして太陽電池セルの発電量を増加するよう、保護用ダイオードを付設した接続方法が開示されている。
Conventionally, as described in, for example,
ここで、後述のように、太陽電池を大型化するために、円形結晶性半導体基板から切出す太陽電池を1枚として上下左右に対称の八角形にした場合、保護用ダイオードと隣接する太陽電池の間の距離が大きくなり、保護用ダイオードと太陽電池を接続する接続部品が長くなる。接続部品は金属箔材から作られることが多いため、接続部品が長くなると、材料取り効率が低下して接続部品の製造コストが上昇するという課題あった。
また、低価格化のために線膨張係数の大きな金属を材料とした場合には、温度が変化した際に太陽電池及び保護用ダイオードへの接合点に発生する熱加重が増大し、接合の信頼性が低下するという課題があった。
Here, as will be described later, in order to increase the size of the solar cell, when a single solar cell cut from the circular crystalline semiconductor substrate is formed into a symmetrical octagon vertically and horizontally, the solar cell adjacent to the protective diode The distance between the two becomes larger, and the connecting parts for connecting the protective diode and the solar cell become longer. Since connection parts are often made of a metal foil material, there is a problem in that, when the connection part becomes long, the material collecting efficiency is lowered and the manufacturing cost of the connection part is increased.
In addition, when a metal with a large linear expansion coefficient is used as a material for cost reduction, the thermal load generated at the junction to the solar cell and protective diode increases when the temperature changes, and the reliability of the junction is increased. There was a problem that the performance was lowered.
この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、保護用ダイオードと隣接する太陽電池セルの間を接続する接続部品のコストを低減する保護用ダイオード組込太陽電池を提供することを目的とする。 This invention was made in order to solve the subject which concerns, and it aims at providing the protection diode built-in solar cell which reduces the cost of the connection component which connects between a protection diode and the adjacent photovoltaic cell. And
この発明に係る保護用ダイオード組込太陽電池は、保護用ダイオードを並列接続した太陽電池セルを直列に複数接続して構成される保護用ダイオード組込太陽電池であって、前記太陽電池セルは、前記太陽電池セルの基板上に積層した半導体層において結晶欠陥が他の領域より多い領域の半導体層と、前記他の領域の半導体層を分離する溝部を備える。 The protective diode built-in solar cell according to the present invention is a protective diode built-in solar cell configured by connecting a plurality of solar cells connected in parallel with protective diodes in series, and the solar cell is The semiconductor layer stacked on the substrate of the solar battery cell includes a semiconductor layer in a region having more crystal defects than other regions, and a groove that separates the semiconductor layer in the other region.
この発明に係る保護用ダイオード組込太陽電池によれば、1枚の円形結晶性半導体基板から1枚を切出した大型電池に、接続金具の製造コスト上昇及び接続の信頼性の低下を招くことなく、保護用ダイオードを組込んだ保護用ダイオード組込太陽電池を提供することができる。 According to the protective diode-embedded solar cell of the present invention, a large battery obtained by cutting one piece from one circular crystalline semiconductor substrate does not cause an increase in the manufacturing cost of connection fittings and a decrease in connection reliability. A protective diode-embedded solar cell incorporating a protective diode can be provided.
まず、従来の人工衛星搭載用の保護用ダイオード組込太陽電池について説明した後に、本発明に係る保護用ダイオード組込太陽電池の詳細について説明する。
図5は、保護用ダイオード組込みを考慮した太陽電池セルの円形結晶性半導体基板からの切出しを示す図である。
1枚の円形結晶性半導体基板9から2枚の保護用ダイオード組込太陽電池セルを切出す場合の例であり、切出した太陽電池セル1(上半分)、太陽電池セル11(下半分)の形状を示した平面図である(太陽電池セル1(上半分)、太陽電池セル1(下半分)を以下では太陽電池セル1(上)、1(下)とする。太陽電池セル1(上)と太陽電池セル1(下)は円形結晶性半導体基板9からの切出し箇所が対称部分であり、同じ特性を有するものとする)。
太陽電池セル1(上)、太陽電池セル1(下)は、円形結晶性半導体基板を有効利用するために、2つのコーナークロップを有する6角形とする。
First, after describing a conventional protection diode built-in solar cell mounted on an artificial satellite, details of the protection diode built-in solar cell according to the present invention will be described.
FIG. 5 is a diagram showing the cutting out of the solar cell from the circular crystalline semiconductor substrate considering the incorporation of the protective diode.
This is an example of cutting out two protective diode built-in solar cells from one circular
Solar cell 1 (upper) and solar cell 1 (lower) are hexagons having two corner crops in order to effectively use a circular crystalline semiconductor substrate.
図6は、太陽電池セル1(上)、太陽電池セル1(下)を直列に接続した回路構成を示した図である。円形結晶性半導体基板から切出した太陽電池セル1(上)、太陽電池セル1(下)が有するコーナークロップに三角形平板型保護用ダイオード2を付設し、裏面接続金具3、表裏接続金具8で電気的に接続される。
図6において、表裏接続金具8aは、保護用ダイオード2aの表面(紙面上面側)と太陽電池セル1(下)の裏面(紙面裏面側)を電気的に接続し、また、太陽電池セル1(上)の表面と太陽電池セル1(下)の裏面(紙面裏面側)を電気的に接続する。
ここで、保護用ダイオード2aの表面と太陽電池セル1(下)の裏面を電気的に接続する箇所の表裏接続金具8aの長さをd2とする。保護用ダイオード2aの端と太陽電池セル1(下)の端が近接しているため、表裏接続金具8aの長さd2も、比較的短く済む。
FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration in which solar cells 1 (upper) and solar cells 1 (lower) are connected in series. Triangular flat
In FIG. 6, the front / back connection fitting 8a electrically connects the surface (upper surface side of the paper) of the
Here, the length of the front / back connection fitting 8a at the location where the front surface of the
図7は、図6の回路構成を基板厚方向(図6のA方向)から見た断面図である。
図7において、表裏接続金具8aは太陽電池セル1(上)の表側電極4a、4b、4cや、保護用ダイオード2aの表側電極6aや、太陽電池セル1(下)の裏面電極5bのそれぞれに、パラレルギャップ溶接等の方法にて接合されている。
これにより、太陽電池セル1(上)と太陽電池セル1(下)は直列に接続され、かつ、太陽電池セル1と保護用ダイオード2は電気的に並列に接続される。
同様に、続く太陽電池セル1の間についても電気的接続が繰り返される。このように接続することで太陽電池セル1同士を直列に接続すると同時に太陽電池セル1に逆方向電圧が加わっても太陽電池セル1が破損するのを防ぐことができる。
7 is a cross-sectional view of the circuit configuration of FIG. 6 as viewed from the thickness direction of the substrate (direction A of FIG. 6).
In FIG. 7, front and
Thereby, the photovoltaic cell 1 (upper) and the photovoltaic cell 1 (lower) are connected in series, and the
Similarly, electrical connection is repeated between subsequent
次に、図8は、部品点数の削減によるコスト低減を目的に太陽電池セルを大型化するために、1枚の円形結晶性半導体基板9から切出す太陽電池セルを1枚とし、上下左右に対称の八角形にしたときの太陽電池セル1の形状を示す平面図である。
Next, FIG. 8 shows one solar cell cut out from one circular
ここで、太陽電池用として、円形結晶性半導体基板9上に生成される半導体層は必ずしも円形結晶性半導体基板全域に亘っては一様でなく、特に、基板の端部は結晶欠陥等が多い。このため、通常、基板の端面から2mm程度内側の有効エリア10の外側は太陽電池としては使用せず、有効エリア10から太陽電池セル1が切出される。
Here, the semiconductor layer generated on the circular
このように、基板の有効エリア10から1枚を切出した太陽電池セル1を用いて保護用ダイオード組込太陽電池を製造した場合、コーナークロップのために、図9に示すように、保護用ダイオード2と隣の太陽電池セル1の間の距離が図6のときより大きくなる。保護用ダイオード2の表面と太陽電池セル1の裏面を接続する部分の表裏接続金具8の長さが長くなる。
具体的には、図9において保護用ダイオード2aの表面と太陽電池セル1bの裏面を接続する部分の表裏接続金具8aの長さ(=d1)が、これに相当する箇所で、図6で示した表裏接続金具の長さ(=d2)よりも長くなる。
Thus, when a protective diode built-in solar cell is manufactured using the
Specifically, in FIG. 6, the length (= d1) of the front / back connection fitting 8a at the portion connecting the front surface of the
接続金具は金属箔材から作られることが多いため、接続部品(例えば表裏接続金具)が長くなると、材料取り効率が低下して接続部品の製造コストが上昇するという課題あった。
また、低価格化のために線膨張係数の大きな金属を材料とした場合には、温度が変化した際に太陽電池及び保護用ダイオードへの接合点に発生する熱加重が増大し、接合の信頼性が低下するという課題があった。
Since the connection fitting is often made of a metal foil material, when the connection component (for example, the front and back connection fitting) becomes long, there is a problem that the material collecting efficiency is lowered and the manufacturing cost of the connection component is increased.
In addition, when a metal with a large linear expansion coefficient is used as a material for cost reduction, the thermal load generated at the junction to the solar cell and protective diode increases when the temperature changes, and the reliability of the junction is increased. There was a problem that the performance was lowered.
実施の形態1.
以下、図1〜図4を用いてこの発明に係る実施の形態1について説明する。
宇宙用の太陽電池のうち、III−V属化合物半導体太陽電池は図4に示すように、Ge等の結晶性半導体基板14の上にInGaP系などの接合層を薄膜形成することで製作される。
なお、本実施の形態では、基板14上には第1のPN接合11、第2のPN接合12及び第3のPN接合13が形成され、太陽光の受光面側に設けられた表側電極6と裏面に設けられた裏面電極を介して電力が取出される3接合太陽電池の場合を説明するが、PN接合の数はこれには限られない。
Among space solar cells, III-V compound semiconductor solar cells are manufactured by forming a thin InGaP-based bonding layer on a
In the present embodiment, the first PN junction 11, the
ここで、先述のように、生成される半導体層は必ずしも円形結晶性半導体基板9全域に亘っては一様でなく、特に、円形結晶性半導体基板9の端部は欠陥が多いため、通常は、円形結晶性半導体基板9の端面から2mm程度内側の有効エリア10の外側は太陽電池としては使用せず、有効エリア10から太陽電池が切出される。このため、図8に示した従来例では隣接する太陽電池に組込まれた保護用ダイオードに近接した位置に太陽電池の裏面電極が無いために表裏接続金具8を長くせざるを得ないという課題があった。
Here, as described above, the generated semiconductor layer is not necessarily uniform over the entire region of the circular
そこで、本実施の形態に係る保護用ダイオード組込太陽電池においては、図1、2に示すように、隣接する太陽電池セル1に組込まれた保護用ダイオード2と、表裏接続金具8で電気的に接続する接続箇所20(図1の点線で囲まれた箇所)については、有効エリア10の外側も含む形で、円形結晶性半導体基板9から太陽電池セル1を切出すようにする。なお、円形結晶性半導体基板9の直径サイズは例えば75mm、100mm、125mm、150mm等である。
Therefore, in the protection diode built-in solar cell according to the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the
図2は、本発明の実施の形態1における保護用ダイオード組込太陽電池の構造の一例を示す平面図である。
図2に示すように、有効エリア10の外側も含む形で太陽電池セルを切出すようにしたことで、太陽電池1aに組込まれた保護用ダイオード2aに対して、従来(図9)より近接した位置に、太陽電池セル1bを配することができる。
FIG. 2 is a plan view showing an example of the structure of the protective diode built-in solar cell according to
As shown in FIG. 2, the solar cells are cut out so as to include the outside of the
このように有効エリア10の外側を含む形で切出した部分を保護用ダイオード2に近接した位置に配することで、保護用ダイオード2aの表面電極と太陽電池セル1bの裏面電極を接続する箇所の表裏接続金具8の長さ(=d)を、図9で示した従来の表裏接続金具8の長さ(=d1)よりも短くすることができる。
Thus, by arranging the portion cut out including the outside of the
ここで、有効エリア10の外側も含む形で太陽電池セル1を切出すようにしたことにより、有効エリア外の欠陥の多いPN接合の影響によって太陽電池全体の性能低下が生じることが考えられる。その対策について以下、説明する。
Here, it is conceivable that the performance of the entire solar cell is reduced due to the influence of the PN junction having many defects outside the effective area by cutting out the
図3は、図2の回路構成を基板厚方向(図2のA方向)から見た断面図である。
図3において、後述する溝部15が太陽電池セル1bに形成されており、表裏接続金具8aは太陽電池セル1aの表側電極4a、4b、4cや、保護用ダイオード2aの表側電極6aや、太陽電池セル1bの裏面電極5bのそれぞれに、パラレルギャップ溶接等の方法にて接合されている。なお、接続金具を用いた太陽電池の回路構成については、先の特許文献1にも記載がある。
3 is a cross-sectional view of the circuit configuration of FIG. 2 as viewed from the substrate thickness direction (direction A of FIG. 2).
In FIG. 3, a
ここで溝部15は、有効エリア10の外側も含むように切出した太陽電池セル1において、有効エリア10の内側と外側を分離する箇所に設けられる。溝部15は8角形に切出された太陽電池セル1の1つの辺の端部から他の辺の端部に至るまで形成される。より詳しくは、有効エリア10内側の半導体層が、有効エリア10外側の半導体層と電気的に分離される位置に溝部15が設けられ、この溝部15は、太陽電池セル1の1つの辺の端部から他の辺の端部に至るまで形成される。
Here, in the
溝部15について図4を用いて説明すると、本実施の形態では、全てのPN接合(第1のPN接合11、第2のPN接合12及び第3のPN接合13)を貫通する溝部15を設けて、有効エリア10外側の有効エリア外の半導体層を太陽電池1から電気的に分離する。溝部15は、太陽電池セル1の1辺から他の1辺に達するように形成される(図2参照)。
The
このように、有効エリア10の外側を含む形で切出した太陽電池セル1の部分においては、溝部15を設け、溝部15によって、有効エリア10内の半導体層と有効エリア外の半導体層を電気的に分離することで、有効エリア外に積層された半導体層の影響による太陽電池全体の性能低下を抑制することができる。
As described above, the portion of the
なお、上記の溝部15は溝部の位置に対応したフォトレジストを用いて化学的にPN接合層をエッチングするフォトリソグラフィー工程等により形成される。フォトリソグラフィー工程は宇宙用太陽電池1を円形結晶性半導体基板からダイシングによって切出す前に、太陽電池1の外形に沿ってPN接合を全て除去するために通常行われる工程であって、溝部15の追加は太陽電池の製造工程の追加を伴うものではない。
また、溝部15は、図2のように太陽電池セル1の1辺から他の1辺に達するように形成されることが望ましいが、端面まで達せず太陽電池セル1の内側に溝部15が形成されるものであってもよい。
The
The
上記のように構成された保護用ダイオード組込太陽電池においては、1枚の円形結晶性半導体基板から1枚を切出した大型電池セル1は表裏接続金具8により直列に接続され、同時に保護用ダイオード2は表裏接続金具8により太陽電池セル1に並列に接続される。
円形結晶性半導体基板の有効エリアの外側を含む形で太陽電池セルを切出すことで、保護用ダイオードと隣接する太陽電池セルの間隔が大きくなることを防止できる。
これにより、接続金具の製造コスト上昇及び接続の信頼性の低下を招くことなく、保護用ダイオードを組込んだ保護用ダイオード組込太陽電池を提供することができる。
In the protective diode built-in solar cell configured as described above, the
By cutting out the solar cells so as to include the outside of the effective area of the circular crystalline semiconductor substrate, it is possible to prevent an increase in the distance between the protective diode and the adjacent solar cells.
Thereby, the protection diode built-in solar cell incorporating the protection diode can be provided without causing an increase in the manufacturing cost of the connection fitting and a decrease in connection reliability.
1 太陽電池、2 保護用ダイオード、3 裏面接続金具、4 太陽電池の表側電極、5 太陽電池の裏側電極、6 保護用ダイオードの表側電極、7 保護用ダイオードの裏側電極、8 表裏接続金具、9 円盤型結晶性半導体基板、10 有効エリア外形、11 第1のPN接合、12 第2のPN接合、13 第3のPN接合、14 結晶性半導体基板、15 溝部、16 端部段差、20 保護用ダイオードと接続する接続箇所(切出し位置変更箇所)。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記太陽電池セルは、前記太陽電池セルの基板上に積層した半導体層において結晶欠陥が他の領域より多い領域の半導体層と、前記他の領域の半導体層を分離する溝部を備えることを特徴とする保護用ダイオード組込太陽電池。 A protective diode built-in solar cell configured by connecting a plurality of solar cells connected in parallel with protective diodes in series,
The solar cell includes a semiconductor layer in a semiconductor layer laminated on the substrate of the solar cell, a semiconductor layer in a region having more crystal defects than other regions, and a groove that separates the semiconductor layer in the other region. Protective diode built-in solar cell.
前記太陽電池セルは、当該太陽電池セルを切出した円形半導体基板の端部に相当する領域の半導体層と、当該端部を除いた前記円形半導体基板の内側部に相当する領域の半導体層とを分離する溝部を備えることを特徴とする保護用ダイオード組込太陽電池。 A protective diode built-in solar cell configured by connecting a plurality of solar cells connected in parallel with protective diodes in series,
The solar cell includes a semiconductor layer in a region corresponding to an end portion of a circular semiconductor substrate cut out from the solar cell, and a semiconductor layer in a region corresponding to an inner portion of the circular semiconductor substrate excluding the end portion. A protective diode-embedded solar cell comprising a separating groove.
前記保護用ダイオードの裏面電極と、当該保護用ダイオードを並列接続する太陽電池セルの裏面電極とは裏面接続金具により電気的に接続され、
前記保護用ダイオードの表面電極と、隣接する太陽電池セルの裏面電極とは表裏接続金具により電気的に接続され、
前記保護用ダイオードを並列接続した太陽電池セルの表面電極と、前記隣接する太陽電池セルの裏面電極とは前記表裏接続金具で電気的に接続されることを特徴とする保護用ダイオード組込太陽電池。 A protective diode built-in solar cell according to any one of claims 1 to 5,
The back electrode of the protective diode and the back electrode of the solar battery cell connecting the protective diode in parallel are electrically connected by a back connection fitting,
The front electrode of the protective diode and the back electrode of the adjacent solar battery cell are electrically connected by front and back connection fittings,
A protective diode-embedded solar cell in which a front electrode of a solar cell in which the protective diodes are connected in parallel and a back electrode of the adjacent solar cell are electrically connected by the front and back connection fittings .
保護用ダイオードの裏面電極と、当該保護用ダイオードを並列接続する太陽電池セルであって、基板上に積層した半導体層において結晶欠陥が他の領域より多い領域の半導体層と前記他の領域の半導体層を分離する溝部を備えた太陽電池セルの裏面電極とを、裏面接続金具を用いて電気的に接続する工程と、
前記保護用ダイオードの表面電極と、隣接する太陽電池セルの裏面電極とを、表裏接続金具を用いて電気的に接続する工程と、
前記保護用ダイオードを並列接続する太陽電池セルの前記他の領域の半導体層上の表面電極と、前記隣接する太陽電池セルの裏面電極とを前記表裏接続金具を用いて電気的に接続する工程とを備えることを特徴とする保護用ダイオード組込太陽電池の組立方法。 A method of assembling a protective diode built-in solar cell,
A back surface electrode of a protective diode and a solar cell in which the protective diode is connected in parallel, in a semiconductor layer stacked on a substrate, a semiconductor layer in a region having more crystal defects than the other region and a semiconductor in the other region A step of electrically connecting the back surface electrode of the solar battery cell having a groove part for separating the layers using a back surface connection fitting;
Electrically connecting the front surface electrode of the protective diode and the back surface electrode of the adjacent solar battery cell using front and back connection fittings;
Electrically connecting the front surface electrode on the semiconductor layer of the other region of the solar cells to which the protective diodes are connected in parallel and the back surface electrode of the adjacent solar cells using the front and back connection fittings; A method for assembling a protective diode built-in solar cell.
前記太陽電池セルは、基板上に積層した半導体層において結晶欠陥が他の領域より多い領域の半導体層と前記他の領域の半導体層とを分離する溝部と、
前記他の領域の半導体層上に形成され、前記直列接続するための電極と、
前記基板裏面に形成され、前記直列接続するための電極と、
を備えることを特徴とする太陽電池セル。 A solar cell that is electrically connected in series to form a solar cell,
The solar battery cell, a semiconductor layer laminated on a substrate, a groove portion separating a semiconductor layer in a region having more crystal defects than other regions and a semiconductor layer in the other region,
An electrode formed on the semiconductor layer of the other region and connected in series;
An electrode formed on the back surface of the substrate and connected in series;
A solar battery cell comprising:
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