JP2014170774A - 太陽電池セル及び太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数の太陽電池セルから構成される太陽電池モジュールにおいて、太陽電池セルの電極を屈曲形状にすることにより、台風や積雪などを想定した耐荷重性を向上させることができる太陽電池セルを提供する。
【解決手段】光入射によりキャリアを発生させる光電変換層に配置された電極２を備え、電極２は、セル面内において曲率を有する複数の屈曲部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池セルの及び太陽電池モジュールに関する。

太陽電池セルに設けられた負極や正極として、様々な形状の電極が知られている。図９に、特許文献１における太陽電池セル２２０に形成された正極２２１と負極２２２とを示す。正極２２１と負極２２２はシリコン基板上に直線状に形成されている。図９中の点線Ｚは、シリコン−電極（正極２２１または負極２２２）界面が存在する直線を示す。

米国特許出願公開第２００５／００２２８５７号明細書

ところで、太陽電池セルには、所定の耐荷重性が求められている。具体的には、国際電気標準会議による規格ＩＥＣ ６１２１５：２００５において、耐荷重２４００Ｐａとなる設計が太陽電池セルに必要とされる。

しかしながら、従来の電極形状では、太陽電池セルに応力の集中する箇所が生じ、当該応力集中箇所にクラックが生じ、所定の耐荷重性を確保できない場合があった。

具体的には、図９中の点線Ｚ上で、基板に加わる応力が最も高くなるシリコン―電極界面が直線状に存在するため、点線Ｚに沿ったクラックが進展し易かった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、複数の屈曲形状を有する電極を採用することで、基板に加わる応力を分散し、耐荷重性に優れた太陽電池セル及び太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

第１発明である太陽電池セルは、光入射によりキャリアを発生させる光電変換層に配置された電極を備え、前記電極は、セル面内において曲率を有する複数の屈曲部を備えることを特徴とする。

第２発明の太陽電池モジュールは、第１発明の太陽電池セルと、直線状の電極のみを有する太陽電池セルとが直列に配列された太陽電池ストリングを含むことを特徴とする。

以上のように、本発明により、複数の屈曲部を有する電極を採用することで、向上した耐荷重性を示す太陽電池セル及び太陽電池モジュールを提供できる。

実施の形態１における太陽電池セルを示す図 実施の形態１におけるシリコン−電極界面の応力分布を示す図 実施の形態１における電極形状を説明するための図 実施の形態１における太陽電池セルの変形例を示す図 実施の形態１における太陽電池セルの変形例を示す図 実施の形態１における太陽電池セルの変形例を示す図 実施の形態１における太陽電池モジュールを示す図 実施の形態１と従来との耐荷重の比較を示す図 従来の太陽電池セルを示す図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における太陽電池セル１について、図１〜３を用いて説明する。

図１（ａ）は実施の形態１における太陽電池セル１を裏面側から見た平面図である。ここでは、電極が裏面側（光が入射する側と反対側）のみに形成された、いわゆる、バックコンタクト型の太陽電池セル１を採用する。図１（ｂ）は図１（ａ）中の点線Ａ部における太陽電池セル１の断面形状であり、紙面上側が裏面である。図１（ｃ）は、図１（ａ）中の点線Ｘに囲われた箇所とそれ以外の箇所における太陽電池セル１のシリコン３内部の応力を指数の表である。

図２（ａ）は太陽電池セル１の裏面に垂直な断面におけるシリコン−電極界面を示す図であり、図１（ｂ）の一部を拡大した模式図である。図２（ｂ）は図２（ａ）におけるシリコン３内部の応力を指数の表である。図３（ａ）に電極分離部４を拡大した模式図を示す。電極２の屈曲形状を決める主な要素としては、電極分離部幅Ｌ１と電極屈曲量Ｌ２、電極屈曲部長さＬ３、電極分離部間距離Ｌ４である。

図３（ａ）中の直線Ｙの方向（ｙ軸方向）を電極２及び電極分離部４の長手方向とした時、電極分離部幅Ｌ１とは、電極２を分離する電極分離部４の短手方向（長手方向と直交する方向：ｘ軸方向）の長さである。電極屈曲量Ｌ２とは、電極２と電極分離部４との界面が形成する連続した屈曲部の短手方向へ幅（屈曲部が形成する波形の振幅）を示す。電極屈曲部長さＬ３とは、隣り合う屈曲部の長手方向への間隔である。電極分離部間距離Ｌ４とは、隣り合う電極分離部４の短手方向の距離を示す。

まず、図１（ａ）、（ｂ）を用いて、太陽電池セル１の基本的な構成を説明する。太陽電池セル１は、光入射によりキャリアを発生させる光電変換層の形成されたシリコン３基板の表面に、発生したキャリア（電子・正孔）を収集するための電極２が配置されている。電極２は、主に銅又は銀から構成される。電極２は、電極分離部４により、Ｐ型電極とＮ型電極とに分離されている。電極分離部４は、シリコン３（光電変換層）が露出している領域である。

電極２は、複数の屈曲部を有するように形成されている。電極２の形成方法の一例は次の通りである。まず、シリコン３に対して、銅をスパッタリングして裏面の全面に銅層を成膜する。次に、所定形状のマスクを介してエッチングを実施することで一部の銅層を除去して、図１（ａ）に示したような複数の屈曲部を有する電極２をパターニングする。除去する銅層の形状は、エッチング工程で採用するマスクの形状を適宜設計することで、自由に設計できる。このとき銅層を除去した領域が電極分離部４となる。

本実施の形態において、電極２がセル面内（シリコン３面内）において曲率を有する複数の屈曲部を備えることで、耐クラック性を向上させ、耐荷重性に優れた太陽電池セル及び太陽電池モジュールを実現することが出来る。なお、屈曲部を連続して形成するとより耐荷重性を向上できるため好適である。また、電極２に角部を設けると、その角部を起点としてクラックが発生する危険性があるため、電極２には角部を設けないことが望ましい。

ここで、電極２が複数の屈曲部を有することにより耐荷重性が向上する理由を説明する。

ＩＥＣで定められた２４００Ｐａ相当の荷重を太陽電池セル１に負荷した際に発生する内部応力の分布のシミュレーション結果を図２（ｂ）に示す。

シミュレーション結果では、図２（ａ）中Ｄ及びＥの領域で、内部応力が最大となっている。Ｄ及びＥの領域は、電極２と電極２の形成されていない領域（電極分離部４）との界面（電極２−シリコン３界面）が存在する領域である。このシミュレーション結果から、電極２―シリコン３界面に応力が集中することがわかる。

なお、図２（ａ）中Ｂの領域（シリコン３表面上に電極２が存在しない領域（電極分離部４））で内部応力が二番目に大きくなっており、Ａ及びＣの領域（電極２の形成された領域）で内部応力が最も小さい。内部応力の値を指数で表し、Ａ及びＣでの内部応力の値を１とすると、Ｂでは２、Ｄ及びＥでは４である。これら内部応力の値を図２（ｂ）に示す。

太陽電池セル１に荷重が加わった際に、Ｄ及びＥの領域に最も強い内部応力が加わる。図９に示したように直線状の電極（正極２２１と負極２２２）からなる従来の太陽電池セル２２０においては、図９中の点線Ｚ上で、図２（ａ）中Ｄ及びＥに相当する領域が直線状に配置されており、この直線部分で内部応力が最大となる。内部応力が最大となる直線部分では、その直線に沿ってクラックが生じやすいことを発明者らは見出している。このため、図９のような直線状の電極からなる太陽電池セル２２０は、割れ易く、耐荷重性に劣る場合がある。

これに対して、本実施の形態のように、電極２に複数の屈曲部を設けることで、内部応力が最大となる領域を直線状に配さないようにできる。これにより、耐クラック性を向上でき、割れにくく、耐荷重性に優れた太陽電池セル１を実現できる。

ここで、電極２として好ましい形状について説明する。図３（ａ）中に示す様に、電極屈曲量Ｌ２を電極分離部幅Ｌ１よりも大きく設計することが望ましい。こうすることで、内部応力が高い図３（ａ）中のＹ１、Ｙ５の領域（図２（ａ）中Ｄ及びＥに相当）でクラックが発生しても、Ｙ１又はＹ５の領域からの直線上には常に電極２が存在するため、クラックの進展を抑制できる。電極２の領域の内部応力の低さがクラックの進展を妨げるものと考えられるからである。

一方、電極屈曲量Ｌ２が電極分離部幅Ｌ１より短い場合（図３（ｂ））は、内部応力が最大となる図３（ｂ）のＹ６及びＹ８領域（図２（ａ）中Ｄ及びＥに相当）でクラックが発生した場合、直線上にＹ６とＹ８とが位置するため、両者をつなぐようにクラックが伝ぱし易い。このため、内部応力の高い領域を直線上に配置させないように、電極屈曲量Ｌ２を電極分離部幅Ｌ１よりも大きくするのが望ましい。

以上をまとめると、電極２の形成される面であるシリコン３の表面と垂直な平面で切断したいずれの断面にも常に電極２が含まれることが望ましい。より詳細には、シリコン３の中央における前述のいずれの断面にも電極２が常に含まれるのがより好適である。シリコン３の中央にクラックが発生しやすいからである。このように電極２の形状を形成することで、内部応力の高い領域を直線上に配置することが無くなり、耐クラック性が向上し、結果的に耐荷重性を向上できる。

ここで、複数の屈曲部を有する電極２の形成された太陽電池セル１の耐荷重性を、従来の直線状の電極からなる太陽電池セル２２０との比較を用いて説明する。

図８において、図１の太陽電池セル１（実施の形態１）と図９の太陽電池セル２２０（従来）それぞれ１０個に対して、ＩＥＣ ６１２１５：２００５の耐荷重試験を行い、割れが発生した数を示す。

実施の形態１に係る太陽電池セル１では、２４００Ｐａの荷重を加えても、１枚も割れが発生しなかった。太陽電池セル１において、３６００Ｐａの荷重では１０枚中１枚に割れが発生し、５４００Ｐａの荷重では１０枚中２枚に割れが生じた。

これに対して、図９の従来の太陽電池セル２２０では、２４００Ｐａの荷重を加えると１０枚のうち２枚に割れが発生し、３６００Ｐａで３枚、５４００Ｐａで６枚に割れが発生した。

この結果により、実施の形態１に係る図１の太陽電池セル１のように、複数の屈曲部を有する電極２を形成することで、耐荷重性の改善が見られる。

ここで、電極２に設ける屈曲部の曲率半径の好ましい値について説明する。シミュレーションの結果、電極２の屈曲部の曲率半径が２ｍｍ未満だと応力集中が起き、屈曲部がクラック発生の起点となり易いことが見出されている。一方、曲率半径が５０ｍｍを超えると、電極２に沿ってクラックが伝ぱしやすいことも発見されている。従って、屈曲部の曲率半径を２ｍｍ以上５０ｍｍ以下とするのが好ましい。

なお、電極２の形状を、シリコン３の中心と外側とで変えてもよい。具体的には、太陽電池セル１の外側になるにつれて、電極２の電極屈曲量Ｌ２を小さくし、直線形状に近づける形状とする（図４）。図１（ｃ）に示すように、太陽電池セル１の中心（図１（ａ）のＸ領域）の内部応力は、Ｘ領域の外側の３倍程度であることが見出されている。このため、内部応力の高いＸ領域内（中央部）ではその外周部よりも、電極２の屈曲部の屈曲量を大きく（電極屈曲量Ｌ２が大きい）するのが望ましい。一方、屈曲量が大きすぎると電子或いは正孔が再結合する発電無効部が増え、セルの発電効率が低下する懸念がある。図１（ａ）中のＷ部が発電無効部に相当する。このため、内部応力の小さい領域（Ｘ領域の外周部）では、電極２の屈曲量を小さく（電極屈曲量Ｌ２が小さい）するのが望ましい。これにより耐荷重性を損なわずに、発電無効部の形成を最小限に抑えることができる。

なお、Ｘ領域の幅（電極２の短手方向におけるＸ領域の長さ）は、太陽電池セル１の幅の約三分の一であることが見出されている。

また、内部応力の大きいＸ領域内でも中心部に近づくに従って、内部応力が大きくなる。よって、太陽電池セル１の中心部が最も電極屈曲量Ｌ２が大きくなり、外側になるにつれて、電極屈曲量Ｌ２が小さくなるように設計すれば、耐荷重性と発電効率の向上を両立することが出来る。

但し、電極屈曲量Ｌ２を急激に変化させるには、電極２の間隔を充分に広くする必要がある。隣り合う電極２が重ならないようにするためである。しかし、電極２の間隔が広すぎると、一枚あたりの太陽電池セル１に形成できる電極２の数が減少し、発電効率が低下してしまう。これを防止するため、電極２の形状は、徐々に変化させるのが望ましい。

なお、電極２の形状を屈曲部と直線部とから構成してもよい。具体的には、図５に示すように、電極２の形状を直線部５と屈曲部６とを組合せた構造とする。直線部５と屈曲部６を交互に組み合わせることで、電極形状の自由度が広がる。自由度が広がることで発電無効部の形成を効率的に抑制できる。

ただし、直線部５の延在方向とシリコン単結晶の劈開方位を揃えないことが重要である。電極２−シリコン３界面に応力が集中しやすくクラックが進展しやすいので、直線部５の延在方向をシリコンの劈開方向と一致させると、クラックの進展を加速させることとなる。シリコン３基板にシリコン単結晶基板を採用した場合、一般的にシリコン単結晶基板は（１００）面が表面となるように作成される。（１００）面においてシリコンは＜１１０＞方向に最も劈開し易い。このため、シリコン３の＜１１０＞方向と電極２の直線部５の延在方向を異なる向きにすること重要である。

なお、電極２の形状を図６に示すように、中心部で屈曲量を大きく、外周部で屈曲量を小さくしても良い。異なる曲率の屈曲部を組み合わせることで電極形状の設計自由度を広げることが出来る。

上述した太陽電池セル１同士を電気的に直列に結合すると、太陽電池セルストリング８を得られる。太陽電池セル１同士は、はんだや導電性樹脂を用いて接続部材７で結合される。太陽電池セルストリング８の形状の一例を図７に示す。ここでは一例として１２個の太陽電池セル１を示す。この太陽電池セルストリング８を更に複数個直列に結合することで、太陽電池モジュールが得られる。複数の太陽電池セルストリング８は、充填剤によって封止され、表面側に保護部材のガラス板が取り付けられ、背面側に保護部材として樹脂製フィルムが取り付けられて太陽電池モジュールを形成する。

このような太陽電池モジュールにおいても耐荷重性を従来よりも高めることが可能である。なお、太陽電池モジュールにおいて、内部応力が高くなるのは、その中心部である。このため、中心部に位置する太陽電池セルを本実施の形態の太陽電池セル１とし、外周部に位置するものを従来の太陽電池セル２２０（直線状の電極のみからなる太陽電池セル）として構成することが望ましい。より詳細には、太陽電池セルストリング８の中心に太陽電池セル１を、両端に太陽電池セル２２０を配置する。これより、耐荷重性を高めつつ、発電効率の高い太陽電池モジュールを提供できる。

なお、本実施の形態では、バックコンタクト型の太陽電池セル１を採用している。この場合、複数形成された電極２のうち隣り合う電極２間の間隔は、１つの電極２の幅よりも狭い。これにより、電極２の形成面を大きくできるため、キャリアの収集効率が向上し、太陽電池セル１のエネルギ変換効率を向上できる。更に、電極２がシリコン３の裏面の大部分を覆うため、クラックの発生及び伝ぱを抑制でき、耐荷重性を改善することができる。

なお、太陽電池セル１のとして、バックコンタクト型以外にも、両面受光型として構成しても良い。但し、エネルギ変換効率及び耐クラック性の観点から、バックコンタクト型を採用するのがより好適である。

以上のように本発明は、バックコンタクト型結晶シリコン太陽電池セルを用いたモジュールにおいて高い耐荷重性を有するが、薄膜シリコン太陽電池等の耐荷重性の向上においても有用な発明である。

１・・・太陽電池セル
２・・・電極
３・・・シリコン
４・・・電極分離部
５・・・直線部
６・・・屈曲部
７・・・接続部材
８・・・太陽電池セルストリング

Claims (10)

1. 光入射によりキャリアを発生させる光電変換層に配置された電極を備える太陽電池セルにおいて、
   前記電極は、セル面内において曲率を有する複数の屈曲部を備えることを特徴とする太陽電池セル。
2. 前記電極は、前記光電変換層に光が入射する面と反対側の面に形成される請求項１に記載の太陽電池セル。
3. 前記屈曲部は連続して形成される請求項１又は２に記載の太陽電池セル。
4. 前記電極は複数個形成され、
   前記複数の電極のうち、前記光電変換層の中央部における電極よりも外周部における電極の方が屈曲部の屈曲量が小である請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池セル。
5. 前記光電変換層は単結晶シリコンの（１００）面に設けられ、
   前記電極は、直線部を更に有し、該直線部の延在する方向は、前記単結晶シリコンの＜１１０＞方向とは異なる方向である請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池セル。
6. 前記屈曲部の曲率半径が２ｍｍ以上かつ５０ｍｍ以下である請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池セル。
7. 前記電極の形成される面と垂直ないずれの断面にも常に前記電極が含まれる請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池セル。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の太陽電池セルと、直線状の電極のみを有する太陽電池セルとが直列に配列された太陽電池セルストリングを含むことを特徴とする太陽電池モジュール。
9. 前記太陽電池セルストリングの中央部に請求項１〜７のいずれかに記載の太陽電池セルが位置する請求項８に記載の太陽電池モジュール。
10. 前記太陽電池セルストリングの端部に直線状の電極のみを有する太陽電池セルが位置する請求項８又は９に記載の太陽電池モジュール。

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