JP2014216388A - 太陽電池モジュール及び太陽電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】 タブ電極に丸線の導体を用いて、太陽電池セルのバスバーと安定した接続を図る。
【解決手段】 太陽電池セル上に、光起電力によって生じた電流を集電する複数のフィンガー電極と、フィンガー電極に接続された帯状のバスバー電極とを備え、バスバー電極は、複数のドット状パターンが配列した構成を有し、バスバー電極の幅方向において中心側に位置するものより外縁側に位置するものの方が、最大厚みが大きくなっており、断面円形のワイヤーからなるタブ電極と接合されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、受光面電極および裏面電極にそれぞれタブ電極（インターコネクタ）を接続した太陽電池セル、およびこの太陽電池セルが複数並設され、タブ電極により順次接続されて成る太陽電池モジュールに関するものである。

太陽電池セルの受光面及び裏面には、光入射により生成されたキャリアを収集するための複数の細いフィンガー電極と、収集されたキャリアを外部へ取り出すための比較的太いバスバー電極とが形成されている。また、複数の太陽電池セルを直列ないし並列に接続することにより、太陽電池モジュールが構成される。太陽電池モジュールを作製する際、隣接する太陽電池セルを互いに直列に接続するために、各太陽電池セルのバスバー電極にタブ電極が接合される。太陽電池セルで発生した電力は最終的にタブ電極を通じて太陽電池モジュールから取り出される。

したがって、タブ電極には、直列に接続された各太陽電池セルの全電流が流れることから、タブ電極の配線抵抗は電力損失を生じる要因となる。そのため、タブ電極の抵抗値を小さくするために、タブ電極はフィンガー電極に比べ太く設計されており、タブ電極にて反射される光が発電に寄与しないことによる光学損失が無視できない程大きくなる。

そこで、太陽電池モジュールによる電力損失及び光学損失を低減させるために、タブ電極に断面形状が矩形以外のものを用いることで、タブ上に入射した光を太陽電池セル上に反射させたり、タブ線幅に対する断面積の割合を大きくしたりする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。タブ電極に断面形状が円形の、いわゆる丸線の導体を用いることで、十分な断面積を確保しながら線幅を細くすることによって、タブ電極による配線抵抗を小さく抑えながらセル受光面が遮蔽される面積を減らして、光学的損失を低減することができる。
また、スクリーン印刷法で形成した電極の上にハンダ材料で金属細線を接着することで、アスペクト比の高い電極構成を得ることができる（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−１２９３５９号公報 特開２００９−１８２１５４号公報

特許文献１に示される太陽電池モジュールは、タブ電極に丸線の導体を用いているため、太陽電池セルのバスバーと安定した接続を図るために、バスバー電極上に凹形状を有するリブ電極を形成している。その結果、バスバー電極の厚みが部分的に大きくなって、バスバー電極形成後の残留応力が増加するため、太陽電池セルが破損しやすくなるという問題が生じていた。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、丸線のタブ電極を用いた場合においても、タブ電極とバスバー電極の安定した接合が可能であり、製造時に破損しにくい太陽電池セルを得るものである。

本発明の太陽電池モジュールは、太陽電池セル上に、光起電力によって生じた電流を集電する複数のフィンガー電極と、複数のフィンガー電極と交差してフィンガー電極に接続された帯状のバスバー電極とを備え、バスバー電極上に、断面が円形のワイヤーからなるタブ電極がバスバー電極に沿って接合され、バスバー電極は、複数のドット状パターンが複数の列をなして配列した構成を有し、複数のドット状パターンは、バスバー電極の幅方向において中心側の列より外縁側の列の方が、最大厚みが大きいことを特徴とするものである。

本発明によれば、太陽電池セル上のバスバー電極を断面にバンプ状の複数の突起を有する形状とし、幅の中央部に凹部を設けることで、丸線のタブ電極を安定して接合するとともに、作製後の残留応力を低減させることができる。

本発明の実施の形態１を示す太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の実施の形態１を示す太陽電池セルの平面図である。 本発明の実施の形態１にかかるバスバー電極の拡大平面図である。 本発明の実施の形態１にかかるバスバー電極の拡大断面図である。 本発明の実施の形態２にかかるバスバー電極の拡大平面図である。 本発明の実施の形態３にかかるバスバー電極の拡大平面図である。

本発明にかかる太陽電池モジュールについて、図面に基づいて説明する。なお、図中において理解を助けるために、各部材の縮尺が実際と異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１にかかる太陽電池モジュール１の模式的な断面図である。太陽電池モジュール１は複数の太陽電池セル２をマトリクス配置されて構成される。図１では、簡単のため、２個の太陽電池セル２が直列に配置された状態を示す。各太陽電池セル２の受光面となる表面は図１の上方側となり、対向する面は裏面である。入射光ＳＬは、通常、直射日光である。表面および裏面には、それぞれバスバー電極７とバスバー電極９が形成され、光によって発生した起電力を生じる。
太陽電池セル２は、受光面側にガラス板などの透光性部材４と、裏面側に樹脂性保護シートなどの裏面部材５を配置してそれらの間に挟み込まれる。透光性部材４と裏面部材５との間の空間には、樹脂製の透光性充填材６が充填される。上記の起電力を電力として外部に取り出すため、断面形状が略円形のタブ電極３がバスバー電極７とバスバー電極９のそれぞれに接続され、太陽電池セル２の表面側と裏面側が電気的に接続される。太陽電池モジュール１の端部から最端部となるタブ電極３が露出して、外部端子となる。

タブ電極３としては、ハンダコートされた断面円形の銅ワイヤー等の金属導線を用いることができる。透光性部材４としては、ガラス板のほか、透明フィルム等を用いることができる。裏面部材５として用いる保護シートには、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）やＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）などで構成されたシートが好適である。透光充填材６としては、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）等を用いることができる。

図２は、本実施の形態１の太陽電池セル２の受光面側から見た平面図である。受光面上には、ストライプ状の複数のフィンガー電極８が互いに平行に形成されている。さらに、フィンガー電極８と直角に交差するように帯状の複数のバスバー電極７が互いに平行に形成されている。通常、バスバー電極７は、フィンガー電極８が形成された状態で、フィンガー電極８の上に重ねて形成される。バスバー電極７及びフィンガー電極８は、たとえばＡｇ（銀）等の導電性微粒子を含む導電性ペーストにより形成される。フィンガー電極８は、太陽電池セル２の起電力によって生じた電流をまんべんなく集める集電電極であり、各フィンガー電極８からの電流がバスバー電極７に通電される。後述するように、本発明におけるバスバー電極７は、それぞれが一体の連続した導電体を構成しているわけではなく、タブ電極３の形成されていないセルの状態では電極としての機能は不完全な状態である。裏面側も受光面と同様に、複数のバスバー電極７とフィンガー電極８が形成される。なお、裏面側は、全面に形成された電極を用いてもよい。

図３は、バスバー電極７の拡大平面図であり、例えば、図２で示された領域Ａのようにバスバー電極７の一部分を示している。本実施の形態におけるバスバー電極７は、２本の直線状のパターン７ａと、それらに挟まれた位置に形成されたほぼ円形のパターン７ｂ、パターン７ｃ、パターン７ｄのそれぞれ複数個が直線的に配列して構成されている。ドット状のパターン７ｂ、パターン７ｃ、パターン７ｄはそれぞれ寸法が異なっており、それぞれが列をなしている。すなわち、これらのドット状パターンは、複数の列をなして配置された集合であり、太陽電池セル２上で二次元的に分布している。それぞれのパターンは独立しているが、完全に分離している必要は無く、互いに接していても構わない。各パターンは集合体として帯状に配置されたバスバー電極７を形成しており、バスバー電極７の幅方向に隣接する円形パターン同士はバスバー電極７の直線方向に対してずらして配置されることで、パターンの密度を高め、導電性を確保している。
図４は、バスバー電極７の拡大断面図であり、断面円形のタブ電極３がバスバー電極７上に接合された状態を示す。タブ電極３は帯状のバスバー電極７に沿って配置されている。図中のバスバー電極７を構成するパターン７ｂおよびパターン７ｄは、図３のＢ−Ｂ線における断面に対応している。バスバー電極７とタブ電極３の間は、ハンダＳによって接合されており、接合部はＡｇとハンダＳが合金化している。

図４の例では、バスバー電極７は、両端のパターン７ａが内側に配置されたドット状の円形パターンより厚く形成されている。一方、各ドットの大きさは、バスバー電極７の幅方向の中心側ほど最大幅が小さく、かつ最大厚みも小さくなっている。換言すると、バスバー電極７の幅方向の外縁側ほど最大幅が大きく、かつ最大の厚さも大きくなっている。各ドットは断面がなだらかな凸形状であり、おおむね幅の中央において最大高さとなる。
ドット以外の部分は、太陽電池セル２の表面が露出しているが、導電性ペーストの滲みにより隣接するドットが繋がってしまう場合は、その箇所において露出することはない。また、太陽電池セル２の基板はシリコンなどが用いられるが、ハンダＳは基板に対して濡れないことから、基板との界面で接合せずにボイドＶを生じることがある。

バスバー電極７の中心部をドット状にし、ドット間に隙間を生じさせることで、バスバー電極７の膨張収縮に伴う応力がかかる領域は、局所的なドットおよび両脇の細線に限定される。また、ハンダＳやタブ電極３と太陽電池セル２との線膨張係数の違いから生じる応力は、分散的に配置されたパターンからなるバスバー電極７によって緩和される。これらのことから、太陽電池セル２にかかる応力が低減され、太陽電池セル２が破損しにくくなる。また、バスバー電極７を帯状のパターンとする場合に比べて、使用する導電性ペーストの量を減らすことができることから、製造コストを低減させることができる。

バスバー電極７は、中心部ほど小さなドットで構成されている。バスバー電極７の製造方法は後述するように、スクリーン印刷の特性を生かすことで、小さいドットほど低く形成される。したがって、バスバー電極の中心部ほど小さなドットを形成することで、バスバー電極７全体の断面は、マクロに見ると凹形状になる。これにより、断面が略円形のタブ電極は、バスバー電極７の各パターンと接触して安定して接続される。つまり、タブ電極３をバスバー電極７に接合する際、タブ電極３がバスバー電極７の凹部に落ち込むように接合されるので、タブ電極３がバスバー電極７上の位置からずれて、受光面に覆いかぶさり、非発電エリアを増やしてしまうというようなことがない。したがって、量産時においてもタブ電極３がバスバー電極７からずれて接合されることがないので、個別の製品の品質が安定し、太陽電池セル２が破損することによる生産性の低下を抑止する効果がある。

バスバー電極７のドットは、スクリーン印刷の特性上、中心部が膨らんだ凸上に形成される。帯状のバスバー電極と比較すると、微細なパターンによる凹凸を有していることから、タブ電極３とバスバー電極７とのハンダ接合界面の表面積が大きくなる。そのため、ハンダＳとバスバー電極７との接触抵抗は低減される。また、バスバー電極７にドット状パターンの構成を用いることで、バスバー電極７内にハンダＳが流れ込む隙間を生じており、ハンダ接合の際は、ハンダの濡れ性により優先的にバスバー電極７表面に溶融したハンダが移動する。バスバー電極７のパターン間の隙間にハンダが流れ込むことによって、過剰なハンダが供給されている場合においても、余分なハンダがその隙間に流れ込み、バスバー電極の外部に漏れ出しにくくなる。その結果、タブ電極３とバスバー電極７のハンダ接合の際、バスバー電極７からハンダが広がらないので、太陽電池セル２表面の受光面積の低減を抑制できる効果も得られる。

バスバー電極７の作製方法は、導電性ペーストを、当該パターンを形成したスクリーンマスクを用いてスクリーン印刷し、乾燥後、焼成する。スクリーンマスクには、メッシュ版やメタルマスク版などを用いることができる。開口幅と印刷厚みの関係は相関があるため、開口幅の大きなものほど厚く印刷されることになる。このことを利用すると、スクリーンマスクは、バスバー電極７の中心部ほど開口幅を小さくすることで、中心に近くなるほど小さい、低いドットが形成される。すなわち、スクリーンマスクを図３のパターン形状に合わせて開口することで、各ドットの開口幅に応じて、自動的にドットに高低差を生じさせることができる。この方法を用いることにより、バスバー電極７の断面は、略凹状に形成され、断面が円形のタブ電極３を安定に接合することが可能になる。
例えば、図３のパターン７ａは幅２００μｍの直線パターンであり、ドット状のパターン７ｂ、７ｃ、７ｄはそれぞれ直径が１８０μｍ、１３０μｍ、９０μｍとする。スクリーン印刷用のスクリーンマスクとして、ステンレスのメッシュを用いる例として、線径３０μｍ、メッシュ数３５０、乳剤厚２０μｍとすると、パターン７ａのピーク高さは４０μｍとなり、パターン７ｂ、７ｃ、７ｄはそれぞれ３０μｍ、２５μｍ、２０μｍ程度の厚みとなる。なお、上記の数値は目安であり、さらに±１０％程度のばらつきが生じる。ドット状パターンは直径の差を３０μｍ以上持たせ、２種類以上のパターンを用いて直線状のパターンと組合せることが望ましい。また、ドットパターンは、２００μｍを超えると直径が増大しても高さが変化しないことから、２００μｍ未満とすることが適切である。それによって、バスバー電極７全体の幅は、１ｍｍ程度とすることが可能となり。タブ電極３も１ｍｍ程度の直径を有する丸線を用いれば、１辺が１５０ｍｍ程度の標準的な角型ウエハ基板を用いる際に好適である。
以上のように、バスバー電極７を印刷形成するために、通常のスクリーンマスクを１枚用いることで、バスバー電極のパターンを凹状に形作ることができることから、製造工程が増えることもない。
上記の実施の形態において、円形のドット状パターンを含んで構成されるバスバー電極７を示したが、内側に配置されるドットパターンは円形に限定されるものではなく、楕円形であっても良い。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態２にかかるバスバー電極１７の拡大平面図である。実施の形態１と比較すると、パターン１７ａの形状が直線ラインではなく、円形のドット形状である点が異なる。図５ではフィンガー電極は記載されていないが、バスバー電極１７とフィンガー電極８は接続された状態である必要があり、例えば、パターン１７ａがフィンガー電極８と接続されていればよい。図５に示すバスバー電極１７においても、バスバー電極１７の端から中心にかけてドット径が小さくなるように形成され、直径が小さくなるのに応じて高さも低く設定されている。バスバー電極７の形成は、実施の形態１と同様、パターンの直径を２００μｍ未満に設定することによりスクリーン印刷時のマスクの開口率差を利用することで、一回の印刷で高低差を生じさせることが出来る。

この構成によれば、バスバー電極を大きさの違うドットで形成するため、バスバー電極の断面は凹状になっているので、実施の形態１と同様の効果がある。すなわち、タブ電極３を接合した際に太陽電池セルにかかる応力を低減できるため、太陽電池セル２が破損しにくくなる。また、実施の形態１よりも導電性ペーストを削減できることから、材料費ベースにおける製造コストを低減させることが可能である。
上記の実施の形態において、円形のドット状パターンを含んで構成されるバスバー電極７を示したが、内側に配置されるドットパターンは円形に限定されるものではなく、楕円形であっても良い。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３にかかるバスバー電極２７の拡大平面図であり、上記の実施の形態と比較すると、バスバー電極２７を構成するパターン７ａ、７ｂ、７ｃが長円形となっている点が特徴である。つまり、ドット状のパターンが直線状に延びるバスバー電極２７の方向にやや長く形成されているもので、概ね長方形の両端に半円または半楕円が付随する形状を有している。また、長円形のパターンは、バスバー電極２７の中心から離れるにしたがって細く形成されており、スクリーン印刷によって太いパターンほど厚みが高くなるように形成される。この構成によれば、バスバー電極２７の断面はおおむね凹状になっているので、実施の形態１と同様に応力を低減する効果がある。

さらに、長円形のパターンを含む構成のバスバー電極２７を用いることにより、断面が円形の丸線からなるタブ電極３を安定に支持することが可能になり、太陽電池モジュール１の生産性を高めることができる。なお、最外縁のパターン７ａは、実施の形態１と同様に直線状のラインパターンとしても良い。

実施の形態４．
タブ電極３とバスバー電極７を接合する際、ハンダ接合を円滑に行なうためにフラックスを用いるのが一般的である。本実施の形態３では、タブ電極とバスバー電極をハンダ接合する際に、フラックス成分が含まれる機能性樹脂を用いる。機能性樹脂とは、例えば、エポキシ樹脂に硬化剤とフラックスが添加されたもので、熱を加えることで樹脂が熱硬化するものである。溶融したハンダはフラックスの作用によって接合し、熱硬化した樹脂は固化したハンダを被覆するため、ハンダ接合部を補強する作用を期待することもできる。なお、フラックスがエポキシ樹脂と反応するように選択することで、リフロープロセス後にフラックス洗浄を不要にすることもできる。

図４に示すように、バスバー電極７にタブ電極３を接合する場合、タブ電極３とドット状のパターン７ｂ、７ｃ、７ｄをつなぐようにハンダ接合が起こり、機能性樹脂を使用した場合、そのハンダ接合を覆うように樹脂が付着する。上記の機能性樹脂は、太陽電池セル２、バスバー電極７及びタブ電極の素材に固有の熱膨張率の差異によって生じるひずみを緩和する役割を果たす。バスバー電極７がドット状のパターンで構成されているので、ハンダ接合箇所が多くなり、微小な隙間が存在することから機能性樹脂が介在することで接合を補強する効果が高くなる。その結果、ハンダ接合部の繰り返し応力に対する耐久性を高めることができ、信頼性の高い太陽電池モジュール１を得ることができる。

１ 太陽電池モジュール、
２ 太陽電池セル
３ タブ電極
４ 透光性部材
５ 裏面部材
６ 透光性充填材
７ バスバー電極
８ フィンガー電極

Claims (8)

1. 太陽電池セル上に、
   光起電力によって生じた電流を集電する複数のフィンガー電極と、
   前記複数のフィンガー電極と交差して前記フィンガー電極に接続された帯状のバスバー電極と、
   を備え、
   前記バスバー電極上に、断面が円形のワイヤーからなるタブ電極が前記バスバー電極に沿って接合され、
   前記バスバー電極は、複数のドット状パターンが複数の列をなして配列した構成を有し、
   前記複数のドット状パターンは、前記バスバー電極の幅方向において中心側の列より外縁側の列の方が、最大厚みが大きいことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 太陽電池セル上に、
   光起電力によって生じた電流を集電する複数のフィンガー電極と、
   前記複数のフィンガー電極と交差して前記フィンガー電極に接続された帯状のバスバー電極と、
   を備え、
   その上に断面が円形のワイヤーからなるタブ電極が前記バスバー電極に沿って接合され、
   前記バスバー電極はスクリーン印刷法によって一括形成されたパターンであり、複数のドット状パターンが複数の列をなして配列した構成を有して、
   前記複数のドット状パターンは、前記バスバー電極の幅方向において中心側の列より外縁側の列の方が、最大幅が大きいことを特徴とする太陽電池モジュール。
3. 前記複数のドット状パターンは、前記バスバー電極の幅方向において最も外縁側に位置するものの最大幅が２００μｍ未満であることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記バスバー電極は、幅方向において外縁の両側に直線パターンを有し、
   前記直線パターンに挟まれた領域に前記複数のドット状パターンを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記複数のドット状パターンは長円形を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記バスバー電極と前記タブ電極との間は、エポキシ樹脂によって被覆されたハンダを介して接合していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
7. 光起電力によって生じた電流を集電する複数のフィンガー電極と、
   前記複数のフィンガー電極と交差して前記フィンガー電極に接続された帯状のバスバー電極と、
   を備え、
   前記バスバー電極は、複数のドット状パターンが複数の列をなして配列した構成を有し、
   前記複数のドット状パターンは、前記バスバー電極の幅方向において中心側の列より外縁側の列の方が、最大厚みが大きいことを特徴とする太陽電池セル。
8. 光起電力によって生じた電流を集電する複数のフィンガー電極と、
   前記複数のフィンガー電極と交差して前記フィンガー電極に接続された帯状のバスバー電極と、
   を備え、
   前記バスバー電極はスクリーン印刷法によって一括形成されたパターンであり、複数のドット状パターンが複数の列をなして配列した構成を有して、
   前記複数のドット状パターンは、前記バスバー電極の幅方向において中心側の列より外縁側の列の方が、最大幅が大きいことを特徴とする太陽電池セル。