JP2015008221A - 太陽電池モジュール及び太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タブ電極による光学損失を十分に低減すること。【解決手段】少なくともタブ電極２の一面に入射光を斜め上方に反射する拡散反射構造（凹凸部２Ｔ）を備え、タブ電極２の拡散反射構造の反射面上に透光性封止材よりも高い屈折率を有する高屈折率層３を備えることで、斜めからタブ電極２へと入射した光を効率よくセルへと再入射させることが可能となる。その結果、総発電量を向上させた太陽電池モジュールを提供することができる。【選択図】図６

Description

本発明は、太陽電池モジュール及び太陽電池モジュールの製造方法に関する。

一般に、太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルを直列に接続することにより構成される。結晶シリコン系太陽電池では太陽電池セルの光入射側の面(受光面)に、金属で形成された集電電極を有している。この集電電極は光入射により生成された光キャリアを収集するための複数の細いフィンガー電極部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により構成されている。また、このような集電電極は太陽電池セルの光入射面の反対側である裏面側にも同様に形成される。複数の隣接する太陽電池セルが、はんだコート銅箔等からなるタブ電極あるいは配線タブと呼ばれるリード線によって接続される。タブ電極はその一端が太陽電池セルの表面バスバー電極に接続され、その他端が隣接するセル裏面のバスバー電極に接続されることにより各太陽電池セルを直列的に接続する。

このような太陽電池モジュールにおいては、バスバー電極及びタブ電極はフィンガー電極より太く設計されている。そのため、バスバー電極及びタブ電極による光学損失はフィンガー電極に比べて無視できない程大きい。

タブ電極の反射による光学損失を低減するために、タブ電極上に拡散反射構造を有し、入射した光を斜め上方に反射し、太陽電池モジュールの内部反射面(主に空気とガラスとの界面)における全反射を利用し、太陽電池セル方向へと再入射させ光学損失を低減する方法がある。この方法によれば、タブ電極への入射光を上方へと反射させるため、直接セルへと反射させる場合に比べ、タブ電極を急傾斜にする必要がなく、比較的平面に近い構造で構成することができ、タブ電極を厚膜化することなく光学損失を低減できる。

特許文献１には、タブ電極を幅方向の断面において複数の凹凸形状の傾斜面をもつように加工することで、厚膜化を抑制しつつ、斜め上方へと反射させる太陽電池モジュールが提案されている。上記構成では、タブ電極は受光面側に凹凸部が形成されており、この凹凸部で斜めに反射した入射光がタブ電極で反射される角度を保護ガラス面で全反射される臨界角より大きくなるように傾斜角を設定する。これにより、タブ電極に入射した光を効率よく太陽電池セルへと再入射することができ、発電効率を向上させることができる。

また、その他のタブ電極の拡散反射構造としてはタブ電極の表面に微細なランダム凹凸形状を形成する、白色反射材などの散乱反射光学素子を形成すること等による散乱反射構造を利用することがあげられる。

特開２０１０−２７２８９７号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、太陽電池は太陽電池モジュールの受光面と垂直方向に入射する光を基準に傾斜面の角度を設計している。このため、入射光の入射角がタブ電極の幅方向に対して水平方向へと近づくと、一方の傾斜面に入射する光は反射角度が垂直方向に近くなる場合がある。このような場合、内部反射面で全反射される臨界角より小さくなり、内部反射面を透過し太陽電池モジュール外部へ放出される。このため、入射角が大きくなるにつれ、臨界角より小さい角度で反射される光が増加し太陽電池セルへの再入射量は減少する。

また、太陽光の入射角度は季節や時間により変化する。太陽電池モジュールの設置方位や傾斜角を調整し、タブ電極の幅方向に対する入射角度差が最も小さくなるように春分及び秋分時の太陽の動きに合わせて設置したときでも夏至と冬至の時季の太陽の高度差から±２３．４度の変化が生じる。実際には設置地域の気候や設置環境、デザイン上の理由などから上記条件とは異なる方位や傾斜で設置されるため、より大きな角度から光が入射する場合が多くなる。また、曇天時には太陽光が散乱されるため同様に入射角度の大きい光が入射することになる。

また、散乱反射構造を有する太陽電池の場合、等方散乱反射に近いほど、太陽電池セルへの再入射量の入射角度依存性は小さくなる。一方で、反射角度分布が幅広くなるため、常に一部の光が内部反射面の臨界角より小さい角度で反射されることになる。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、太陽電池セルへと直接入射する光を減少させることなく、タブ電極で反射される光のうち内部反射面から太陽電池モジュール外部へ透過してしまう光を低減し、タブ電極に入射した光が効率良く太陽電池セルへと再入射することができる太陽電池モジュールを作製することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、少なくとも一面側に集電電極を有する複数の太陽電池セルと、隣接する太陽電池セルの集電電極を電気的に接続するタブ電極と、複数の太陽電池セルのタブ電極側に配置される透光性封止材とを備えた太陽電池であって、少なくともタブ電極の一面に入射光を斜め上方に反射する拡散反射構造を備え、前記タブ電極の前記拡散反射構造の反射面上に前記透光性封止材よりも高い屈折率を有する高屈折率層を備えることを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池へと直接入射する光の界面反射を増大することなく、タブ電極に入射した光をセル受光面に取り込む光の量を増加させ、光学損失を低減することができるという効果を奏する。

図１−１は、実施の形態１の太陽電池モジュールの斜視図である。 図１−２は、同太陽電池モジュールの上面図である。 図１−３は、図１−２に示す同太陽電池モジュールのＡ−Ｂ断面を示す模式的断面図である。 図２−１は、図１の太陽電池モジュールにおける太陽電池セルの平面図である。 図２−２は、図２−１のＡ−Ａ断面を示す模式的断面図である。 図３は、タブ電極により接続された太陽電池セルのタブ電極の長手方向の断面図である。 図４は、図３の要部拡大断面図である。 図５は、タブ電極により接続された太陽電池セルのタブ電極の幅方向の断面図である。 図６は、実施の形態１の太陽電池モジュールにおける高屈折率層が形成された太陽電池セルの断面図である。 図７は、実施の形態１の太陽電池モジュールにおいてタブ電極に入射した光の経路を説明するための図である。（ａ）は、光が垂直に入射した場合、（ｂ）〜（ｄ）は斜めに入射した場合の光の経路を示す。 図８は、太陽電池への入射角とタブ電極における反射光のセルへ再入射率の関係を示したグラフである。 図９は、高屈折率層と透光性封止材の界面で全反射される光の経路を説明するための図である。 図１０は、実施の形態２の太陽電池モジュールにおける高屈折率層が形成された太陽電池セルの一例を示す断面図である。 図１１は、実施の形態２の太陽電池モジュールにおける高屈折率層が形成された太陽電池セルの一例を示す断面図である。 図１２は、実施の形態２の太陽電池モジュールにおける高屈折率層の側面で屈折される光の経路を説明するための図である。 図１３−１は、本発明の実施の形態２における太陽電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 図１３−２は、本発明の実施の形態２における太陽電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 図１３−３は、本発明の実施の形態２における太陽電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 図１３−４は、本発明の実施の形態２における太陽電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 図１３−５は、本発明の実施の形態２における太陽電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 図１４は、本発明の実施の形態２における太陽電池モジュールの製造方法を示すフローチャートである。 図１５は、本発明の実施の形態３における太陽電池モジュールにおける散乱反射構造を有するタブ電極に入射した光の経路を説明するための図である。 図１６は、完全等方散乱反射構造を有するタブ電極を備えた太陽電池モジュールの、太陽電池セルへの入射角とタブ電極における反射光の太陽電池セルへ再入射率の関係を示したグラフである。 図１７は、太陽電池セルへの入射角と規格化短絡電流の関係を示したグラフである。 図１８は、従来の太陽電池モジュールの断面図である。

以下に、本発明にかかる太陽電池モジュール及びその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態１．
図１−１は、本発明の一実施の形態に係る太陽電池モジュールの構成を示す斜視図、図１−２は、同太陽電池モジュールの上面図、図１−３は、図１−２に示す同太陽電池モジュールのＡ−Ｂ断面を示す模式的断面図である。

〈太陽電池モジュール〉
図１−１〜図１−３に示すように、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１０は、縦横に配列形成された複数の太陽電池セル１を備える。これら太陽電池セル１はタブ電極２によってライン状に配列接続されてストリングを形成し、更にこのストリングが、複数列配列され、端部で相互接続されて太陽電池アレイを形成する。各太陽電池セル１の表面すなわち受光面及び裏面にタブ電極２がそれぞれ接続されており、太陽電池セル１の受光面側に接続された部分のタブ電極２の上部に高屈折率層３を備える。このタブ電極２は、一面に入射光を斜め上方に反射する拡散反射構造を備え、この上に設けられた高屈折率層３によって、タブ電極２で反射された光が効率よく太陽電池セル１へと再入射するようにしたことを特徴とするものである。

本実施の形態においては、拡散反射構造は、凹凸面で構成されている。これら複数の太陽電池セル１の受光面側にはガラス等の透光性基板４が配設され、複数の太陽電池セル１の裏面側に裏面部材としてのバックシート５が配設され、透光性基板４とバックシート５との間にはＥＶＡ(エチレン酢酸ビニル)等の透光性封止材６が充填されている。タブ電極２は端部で外部導出リード２０に接続され、外部取出しがなされる。

このとき、透光性封止材６の屈折率をＮ１、高屈折率層３の屈折率をＮ２、タブ電極２の幅をＷ、高屈折率層３の反射面からの高さをＨとしたとき、次式（１）の関係を満たすことを特徴とする（詳細については後述する）。

この場合、タブ電極２で斜め方向に反射された光は高屈折率層３と透光性封止材６との界面で屈折し、内部反射面への入射角度が反射角度よりさらに大きくなるため、タブ電極２からの反射光を効率良く内部反射面で全反射させることができる。

空気と透光性封止材６と高屈折率層３の屈折率は段階的に増加するため、界面における反射は少なくて済み、また、高屈折率層３はタブ電極２上とその周辺の限られた領域にしかないため直接セルへと入射する入射光には影響を与えない。

透光性基板４としては、ガラスの他に透光性プラスチック等の材料が用いられる。また、バックシート５としては、ガラスやアルミニウム箔を樹脂フィルムで挟持した積層体等が用いられる。透光性封止材６としては、ＥＶＡの他にＰＶＢ(ポリビニルブチラール)、アイオノマー、ポリオレフィン、シリコーン等の透光性樹脂材料が用いられる。これらの封止材はガラスと屈折率が近くなるように設計されている。

〈太陽電池セル〉
図２−１は、図１−１で示す太陽電池モジュールの太陽電池セル１の平面図であり、図２−２は図２−１のＡ−Ａ断面を示す模式的断面図である。本実施の形態の太陽電池セル１では、略正方形状を有するｎ型単結晶シリコン基板１１の受光面側にｉ型非晶質シリコン系薄膜層１４及びｐ型非晶質シリコン系薄膜層１５が順に形成されている。なお、ｎ型単結晶シリコン基板１１の表面は、微細な凹凸形状を有するように形成されている。ｐ型非晶質シリコン系薄膜層１５上には、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）等からなる透光性導電膜１２ａが形成されている。図２−１及び図２−２に示すように受光面側の透明導電膜１２ａ上には、ストライプ状の複数のバスバー電極１３Ｂが互いに平行に形成され、バスバー電極１３Ｂと直交するようにストライプ状の複数のフィンガー電極１３Ｆが互いに平行に形成されている。バスバー電極１３Ｂ及びフィンガー電極１３Ｆが集電電極１３を構成する。集電電極１３は、例えばＡｇ（銀）等の導電性粒子を含む導電性ペーストにより形成される。

また、ｎ型単結晶シリコン基板１１の裏面には、ｉ型非晶質シリコン系薄膜層１６及びｎ型非晶質シリコン系薄膜層１７が順に形成されている。ｎ型非晶質シリコン系薄膜層１７上にＩＴＯ等の透光性導電膜１２ｂが形成され、透光性導電膜１２ｂ上に複数のバスバー電極１３Ｂ及び複数のフィンガー電極１３Ｆからなる集電電極１３が形成されている。裏面側の集電電極１３は、図２−１に示した主面側の集電電極１３と同様に、複数のバスバー電極１３Ｂ及び複数のフィンガー電極１３Ｆからなる。

本実施の形態の太陽電池セル１は、ｐｎ接合特性を改善するためにｎ型単結晶シリコン基板１１とｐ型非晶質シリコン系薄膜層１５との間にｉ型非晶質シリコン系薄膜層１４を設けたＨＩＴ型構造を有するとともに、裏面でのキャリアの再結合を防止するためにｎ型単結晶シリコン基板１１の裏面にｉ型非晶質シリコン系薄膜層１６及びｎ型非晶質シリコン系薄膜層１７を設けたＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）構造を有する。

なお、裏面側の電極としては、フィンガー電極１３Ｆとバス電極１３Ｂとからなる集電電極１３の代わりに透光性導電膜１２ｂ上の全面に形成された金属電極を用いてよい。

〈タブ線〉
タブ電極２は、図３及び図４に示すように、太陽電池セル１の受光面側及び裏面側に配されたバスバー電極１３Ｂに導電性接着フイルム１８を介して接続されている。このタブ電極２は、例えば、５０〜３００μｍ厚のリボン状銅箔を使用して長尺状に形成されており、必要に応じて金メッキ、銀メッキ、アルミメッキ、スズメッキ、ハンダメッキ等が施されている。このタブ電極２は、一方の端部２ａが太陽電池セルのバスバー電極１３Ｂ上に固定されて接続されるとともに、他方の端部２ｂが隣接する太陽電池セルの裏面側のバスバー電極１３Ｂと固定されて接続される。

タブ電極２は、図５に要部拡大図を示すように、少なくとも受光面上においてタブ電極２の長手方向に亘って連続する複数の凸部２Ｐ及び凹部２Ｒが幅方向に交互に設けられていることにより斜面２Ｓで構成された凹凸部２Ｔが形成されている。凹凸部２Ｔは、メッキ処理されたリボン状銅箔をプレス成形すること等により形成されている。タブ電極２は、裏面側にも同様に凹凸部を形成してもよい。これにより、タブ電極２が太陽電池セル１に接続された際に生じる応力が太陽電池セル１の表裏で均等になるため、応力歪による反りの発生を防止することができる。

また、凹凸部２Ｔには、公知の手法で表面処理を施してもよい。凸部２Ｐ先端は、鋭角をなしているものに限定されず、凹凸部２Ｔの斜面が水平面となす角度αを測定できる範囲で若干丸みを帯びていてもよい。

凹凸部２Ｔの斜面の角度αとしては、１０°以上５０°以下とすることが好ましく、２０°以上４０°以下とすることが特に好ましい。ここで凹凸部の斜面の角度αは、凹凸部の角度αを１０°以上５０°以下とすることにより、入射光を拡散反射し、空気と透光性基板４との界面である内部反射面７（図７参照）にて再び内部へと反射させることができ、太陽電池モジュール１０内において光封じ込め効果を発現して発電効率を高めることができる。

タブ電極２とバスバー電極１３Ｂの接続には熱硬化性のバインダ樹脂中に導電性粒子を含んだ導電性接着フィルムやはんだを用いることができ、導電性接着フィルムを用いた特に加熱圧着が好ましい。導電性接着フィルムは半田に比べ低温で処理が可能であり、接続時にセルにかかる応力が小さくなる。

所定の太陽電池セル１は、タブ電極２の端部２ａの表面における凹凸部２Ｔが、図４に示すように、導電性接着フィルム１８を介して太陽電池セル１のバスバー電極１３Ｂと接続される。裏面側に設けられるバスバー電極は凹凸部側がｎ型単結晶シリコン基板１１に接続され、導電性接着フィルム１８は、バインダ樹脂が加熱によって流動することにより凹凸部２Ｔの凹部２Ｒに入り込む。これにより、タブ電極２は、太陽電池セル１のバスバー電極１３Ｂとの間に高い接続強度を得ることができる。圧着時にバインダ樹脂中に含まれた導電性粒子がタブ電極２と太陽電池セル１のバスバー電極１３Ｂと接することでタブ電極２に太陽電池セル１が電気的に接続される。

〈高屈折率層〉
本実施の形態における太陽電池セルは、図６に示すように、タブ電極２の拡散反射面である凹凸部２Ｔ上に透光性基板４及び透光性封止材６より高い屈折率を有する高屈折率層３を備える。高屈折率層３の凹凸部２Ｔ側表面３Ｂと反対側の表面３Ａは太陽電池モジュール１の受光面１Ａと平行になるように形成されることが好ましく、透光性封止材６の屈折率Ｎ１、高屈折率層３の屈折率Ｎ２、タブ電極２の幅Ｗとしたとき、高屈折率層３のタブ電極凸部２Ｐからの高さＨは、

上式（１）の関係を満たすことが好ましく、

とすることが特に好ましい。

詳しくは後述するが、タブ電極２上に高屈折率層３を備えることで、タブ電極２で反射された光を効率よくセルへと再入射することができる。さらに、上記高さを有することで、高屈折率層３による吸収損失やモジュール全体の厚膜化を抑制しつつ、高屈折率層３と透光性封止材６の界面で全反射される光を全てセルへと再入射することができる。従って、上記高さを満たすことで高屈折率層３を形成することにより生じる光学損失を低減することができる。また、高屈折率層３はタブ線の幅方向において全面に形成されることが好ましい。これはタブ線の端部に当たった光も確実に反射させるためである。

高屈折率層３の屈折率は、透光性基板４及び透光性封止材６の屈折率をガラスやＥＶＡの１．５としたとき、１．５５〜２．０であることが好ましい。これは、１．５５未満では屈折率差が小さく効果が得られにくく、２．０を越えると高屈折率層３と透光性封止材６の界面での反射が大きくなり光学損失が増加するためである。高屈折率層３としては、上記屈折率を有する透光性の熱・光硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができ、封止材充填時の加熱圧着工程やセルへの過熱の影響を考慮すると２００度以下の低温で硬化する熱・光硬化性樹脂が好ましい。例えば、エポキシ樹脂(ｎ＝１．５７)は臭素原子やイオウ原子を含有させることで屈折率を高くすることができ、１．６５程度まで屈折率の調整が可能である。エポキシ樹脂以外には、アクリル樹脂系やビニル樹脂系、ウレタン樹脂系もしくはそれらを混合した硬化性の合成樹脂等を用いることができる。又は、二酸化チタン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムなどの高屈折率材料からなる粒子を、上述の熱硬化性樹脂材料や、シリコーン樹脂、フッ素系高分子材料に混合させて用いることで樹脂材料の屈折率を２．０程度まで調整することができる。

高屈折率層３は、マスクを用いたスクリーン印刷等によりタブ電極２上に塗布し硬化することで形成される。膜厚は塗布量によって調整でき、場合によっては塗布を複数回繰り返すことで所定の膜厚を得る。

上記のように複数個接続された太陽電池セル１を用いて太陽電池モジュール１０を形成するが、かかる構成による、光路について説明する。

タブ電極２上に高屈折率層３を備えることで、図７（ａ）に示すようにタブ電極２で斜め上方に反射される光は高屈折率層３と透光性封止材６の界面で水平方向に近くなるように屈折し、透光性基板４と空気の界面である内部反射面７への入射角θ_２が、高屈折率層３がない場合の入射角θ_１より大きくなる。また、タブ電極２の幅方向に対して斜めからタブ電極２へと入射する光は図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、タブ電極２の傾斜面によって反射角度が変化し、一方の面に入射した光は入射角度が増加する分内部反射面への入射角θ_２１が小さくなり、他方の面に入射した光は内部反射面への入射角θ_２２が大きくなる。また、図７（ｃ）に示した傾斜面に入射する光は場合によって、図７（ｄ）に示すように、隣接する傾斜面で再反射され、θ_２３で内部反射面へと入射することになり、この値は入射角度の増加に伴って小さくなる。このうちθ_２１及びθ_２３が入射角度の増加によって内部反射面の臨界角を下回ると光が太陽電池モジュール１０外部へと放出され、光学損失となる。高屈折率層３を形成した場合には図７（ｂ）および（ｄ）に示すように、タブ電極２での反射光が高屈折率層３と透光性封止材６の界面で水平方向に近くなるように屈折することに加え、入射時に透光性封止材６と高屈折率層３との界面で垂直方向に近くなるように屈折するため、太陽電池モジュール１０へ入射する光の入射角度の変化に対してタブ電極２の反射面への入射角度の変化は小さくなる。このため、高屈折率層３を形成した場合の入射角θ_２１及びθ_２３は、それぞれ高屈折率層３がない場合の入射角θ_１１及びθ_１３よりも大きくなり、広範囲の入射角度をもつ入射光に対して太陽電池モジュール１０内に光を閉じ込めることが可能になる。

具体的例として、タブ電極２の傾斜角度αを３０°、透光性基板４及び透光性封止材６の屈折率Ｎ１を１．５、高屈折率層３の屈折率Ｎ２を１．６とした場合について記述する。図７（ａ）に示すように太陽電池モジュール１０の受光面に対して垂直に入射した光がタブ電極２で反射され内部反射面７へと入射する角度は、高屈折率層３を備えない場合のθ_１は６０度となり、高屈折率層３を備えた場合のθ_２は６７．５度となる。図７（ｂ）に示すように入射角が小さくなる場合、その角度が内部反射面の臨界角（本構成では約４１．８度）を下回ると光が太陽電池モジュール１０外部へと放出される。高屈折率層３を備えない場合、太陽電池モジュール１０への入射角が２７．９度のとき、θ_１１は４１．８度となる。一方で高屈折率層３を備えた場合は、太陽電池モジュール１０への入射角が３５．６度のときθ_２１が４１．８度となるため、タブ電極２で反射した光を太陽電池セルへと再入射できる入射角度の範囲が７．７度広がる。また、図７（ｄ）に示すように反射角度が大きくなる場合は一部の光が隣接する傾斜面で再び反射され内部反射面７への入射角が小さくなる。タブ電極２の傾斜角度αが３０度の場合、θ_１３、θ_２３は図７（ｂ）で示すθ_１１、θ_２１とそれぞれ同じ値を示すため、上記の入射角度以上のときモジュール外部へと放出される光が生じる。

図８に本実施形態の太陽電池モジュールのタブ電極２への入射光の太陽電池セル再入射率の入射角度依存性の計算結果を示す。高屈折率層３は十分な高さと幅を有し、屈折率を１．６及び２．０とした。また、比較のために高屈折率層３を備えない比較例の構造についての計算結果も併記する。曲線Ｅ₁は、高屈折率層３の屈折率が１．６のときの太陽電池セル１への入射角と再入射率との関係を算出した結果を示す図である。曲線Ｅ₂は、高屈折率層３の屈折率が２．０のとき、Ｒは高屈折率層３を具備しない構造であるときの計算結果を示す図である。実際の発電時にはこの値からタブ電極２の反射率、各部材の吸収の影響等を引いた値となる。垂直入射時は透光性封止材６などの透光性部材の表面反射と透光性部材と高屈折率層３界面の反射以外は全ての光がセルへと再入射されるため、どの条件でも９５％以上となる。

上記で示したθ_１１、θ_２１が内部反射面７の臨界角より小さくなる条件では、一方の傾斜面に入射した光と他方の傾斜面に入射し隣接する面で再反射される光が内部反射面７にて全反射されなくなるため、５０％以下まで急速に再入射率が低下する。これにより、高屈折率層３の屈折率が１．６のとき、入射角度が２８°〜５０°程度の範囲で比較例の構造より再入射率が大幅に改善する。また、高屈折率層３の屈折率２．０とした場合は、高屈折率層３と透光性封止材６との界面で反射が生じるため入射角度が小さいとき、比較例の構造と比べわずかに再入射率が低下する（２％程度）が、ほぼ全ての入射角度に対する反射光が内部反射面の臨界角より大きくなるため、広い領域で高い再入射率を示す。ただし、入射角度６０°を超えて大きくなると、透光性封止材の表面反射と透光性封止材と高屈折率層３界面の反射によるタブ電極２への入射量が低下するため再入射率は低下する。

また、本構造の太陽電池では高屈折率層３と透光性封止材６の界面も内部反射面８となり得る。図９に示すように、内部反射面８で反射された光がタブ電極２で再度反射された場合、反射光のほとんどは内部反射面８との垂線に対して線対称の挙動を示し、太陽電池モジュール１０外部へと放出される。このように電極で再反射される光は、高屈折率層３と透光性封止材６の臨界角で全反射されるときに最も多くなる。高屈折率層３と透光性封止材６の臨界角はスネルの法則から以下の式で求められる。

このときの最初の反射地点から電極で再反射される地点までの距離は、図６に示す高屈折率層３の高さＨを用いて、２Ｈ・ｔａｎθで表され、この距離とタブ電極２の幅Ｗが、

の関係を満たすとき、全ての全反射光が電極で再反射されることなく高屈折率層３の側面から透光性封止材６へと透過して太陽電池セル１へと入射するため、内部反射面８における全反射による光学損失を無くすことができる。上記（３）、（４）式から高屈折率層３の高さＨの式に変形すると、上記の（２）式の最小値にあたる以下の式が得られる。

この値は、上記の例のようにＮ１を１．５、N２を１．６とし、電極の幅Ｗを１ｍｍとした場合約１８６μｍとなる。また、臨界角未満で入射した場合でもわずかに反射光が存在するため、この値より厚くすることが好ましいが、高屈折率層３の厚膜化することは透光性封止材６の厚膜化を招き、高屈折率層３及び透光性封止材６の吸収増加やコストの増加につながるため、２倍程度までとすることが特に好ましい。また、（１）式を満たしていれば、臨界角で反射される場合に全反射光の５０％以上がセルへと再入射するため、光学損失は低く抑えられる。

このように本実施形態の太陽電池モジュールでは、高屈折率層３を備えることで、様々な入射角から太陽電池モジュールへと入射する光のうち、タブ電極２で反射され太陽電池セルへと再入射する光量を増加することができ、かつ、高屈折率層３を備えることによる高屈折率層３と透光性封止材６との界面で全反射する光の損失を抑えることができるため、太陽電池モジュールの総発電量を向上することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２について、図を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記実施の形態１と同一又は類似の部分についての説明は省略する。図１０は、本発明の実施の形態２の太陽電池モジュールの要部断面図であり、図１３−１〜図１３−５は、本実施の形態２の太陽電池モジュールの製造工程を示す工程断面図、図１４は、本実施の形態２の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。

本実施の形態における太陽電池セルは、図１０に示すように同程度の屈折率を有する平面層３１と、前記平面層と前記タブ電極２とを接続するための接着層３２との２層で形成される。任意の高さと幅を有する平面層（高屈折率シート）３１を、熱硬化性樹脂からなる接着層３２を介してタブ電極２上に配置し、加熱圧着することでタブ電極２上に所定の厚みと幅を有する高屈折率層３を形成する。これにより、タブ電極２上に任意の厚みとタブ電極２と異なる任意の幅を有する透光性封止材を固定することができ、かつ、タブ電極２の反射構造に凹凸を含む場合にも凹部を流動性の高い熱硬化剤で充填することが可能であるため前記構造を形成することができる。本実施の形態によれば、実施の形態１よりも容易にタブ電極２上に任意の高さと幅を有する高屈折率層３を形成することができる。

接着層３２には熱硬化性樹脂が用いられ、平面層（高屈折率シート）３１には耐熱性の熱可塑性樹脂フィルムやフィルム状に硬化した前記硬化性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン、ポリイミド、ポリフェニルメタクリレート、ポリジアリルフタレート層、ポリペンタクロロフェニルメタクリレート層、ポリビニルナフタレン層及びポリビニルカルバゾール層などを用いる。また、上記した芳香族ポリマー層において、２つ以上の芳香族ポリマーを混合した層を用いてもよい。

また、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂は潜在性硬化剤、フェノキシ樹脂等を混ぜ合わせることで、常温で固体であり、加熱時に流動性を持たせることができ、これを上記平面層に用いるフィルム上に積層することで、高屈折率層フィルムを形成することができる。これはタブ電極２と太陽電池セル１との接続に用いられる導電性フィルムの接着部と同様の構造となるため、導電性フィルムと同時に高屈折率層フィルムを予めタブ電極２上に貼り付けておき、加熱圧着することで、タブ電極２と太陽電池セル１の接続と高屈折率層３の形成とを同時に処理することが可能であり、工程を短縮することができる。

高屈折率層３の高さは実施の形態１と同様の条件が好ましく、高屈折率層３の幅はタブ電極２と同じかタブ電極２より大きい幅を有することが好ましく、タブ電極端部２ａからの距離Ｌが、次式（６）の関係を満たすことが特に好ましい。Ｎ０は空気の屈折率、Ｎ１は透光性封止材の屈折率、N２は前記高屈折率層３の屈折率、Ｈは高屈折率層３の高さである。

上記式（６）を満たすことにより、タブ電極２で反射された光が高屈折率層の側面を透過屈折し、モジュール外部へと放出される光学損失を抑制することができる。なお、上述した高さＨと幅Ｗを有していれば、図１１に示すようにタブ電極２を覆う形状となっていても良い。この場合、タブ電極２で反射された光のうち高屈折率層の側面から透光性封止材へと透過し、内部反射面への入射角が臨界角より小さくなり、モジュール外部へと放出される光を無くすことができる。

高屈折率層３は透光性封止材６の屈折率よりも高ければ同程度の屈折率を有する２層で形成されても良く、前記高さと幅を満たす平面層３１と前記タブ電極２との接続するための接着層３２との２層で形成されても良い。

この場合、厚みと幅は平面層３１で規定しつつ、通常の圧着等の方法で平面層３１の固定や凹凸部への高屈折材料を充填することが可能となり、簡易に本構造を形成することができる。

また、図１２で示すようにタブ電極２の端部付近で反射され高屈折率層３側面を通過する光は、境界面が内部反射面７に対して垂直方向になるため、内部反射面７に対して入射角が小さくなるように屈折する。このため、特に高屈折率層３の高さＨが高いほど、側面で屈折して内部反射面７の臨界角より小さくなる光が増加し、光学損失が増加する可能性がある。図１２に示すφ_０、φ_１、φ_２の関係はそれぞれ以下の通りである。

内部反射面７の臨界角度φ_００は以下の式で表される。

このときのφ_２の値φ_２０は以下の式で表される。

また、タブ電極２の端部で反射された光が高屈折率層の側面方向へと進む距離ｌはφ_２を用いて以下の式で表される。

図６に示した高屈折率層３のタブ電極２からの距離Ｌがφ_２０のときのｌより大きくなる条件は、上記の（９）、（１０）式より（６）式で示される。このとき、高屈折率層３側面で屈折し内部反射面７の臨界角より小さくなるような比較的垂直方向に近い角度の反射光を、全て高屈折率層３表面で屈折又は反射させることができるため、光学損失を抑制することができる。

このように本実施の形態の太陽電池モジュール１０では、様々な入射角から太陽電池モジュール１０へと入射する光のうち、タブ電極２で反射され太陽電池セル１へと再入射する光量を増加しつつ、高屈折率層３を備えることにより生じる光学損失を実施の形態よりもさらに抑えることができるため、太陽電池モジュール１０の総発電量を向上することができる。

また、高屈折率層３を２層で構成することで本発明に必要な形状を容易に形成することができる。例えば接着層とシート状の高屈折率層で構成することで、接着時に高屈折率層が流出したりすることなく、所望の形状を得ることができる。

次に、本実施の形態２の太陽電池モジュールの製造工程について説明する。まず、あらかじめ通例の方法により太陽電池セル１を形成する（図１４：ステップＳ１０１）。

一方、図１３−１に示すように、タブ電極２を形成する（図１４：ステップＳ２０１）。タブ電極２は、厚み０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ程度の金属線からなり、適宜はんだめっき層や防錆層が形成される。そして、図１３−２に示すように、受光面側に、塗布法により散乱反射構造として透光性粒子を含有する散乱反射部２１を形成する（図１４：ステップＳ２０２）。

この後、図１３−３に示すように、この散乱反射部２１上に熱可塑性樹脂からなる接着層３２、熱硬化性フィルムからなる高屈折率シート３１を配する（図１４：ステップＳ２０３）。なお、とともに、タブ電極２の裏面側には、太陽電池セル１にはタブ電極２と接続するための導電性接着剤層４１を形成しておく。

この後、図１３−４に示すように、太陽電池セル１をセットし、タブ電極２を熱圧着する（図１４：ステップＳ１０２）。このとき、図１３−５に示すように、タブ電極２は導電性接着剤層４１を介して電気的に接合され、複数の太陽電池セル１間を電気的に接続する。このようにして散乱反射部２１上に、接着層３２と高屈折率の熱硬化性フィルムからなる高屈折率シート３１とからなる高屈折率層３が形成される。一方タブ電極２の他面側に太陽電池モジュール１０内で、マトリクス状に並ぶ太陽電池セル１を、太陽電池モジュール１０の主に長手方向に順次接続し、太陽電池セル１のストリングを構成する。このようにして、太陽電池セルの受光面側電極と隣接する太陽電池セルの裏面電極とを結ぶようにタブ電極２を固着することによりストリングを形成する。

こののち、透光性基板４、透光性封止材６、タブ電極２で相互接続された太陽電池セル１を受光面側が透光性基板４側に向くように、透光性封止材６上に載置する。この後、太陽電池セル１上に、透光性封止材６が、バックシート５となるように順次積層し、積層体を形成する。この後、５分間減圧する。

最後に、加圧しつつ加熱して、透光性封止材６を架橋させて成形し（図１４：ステップＳ１０３）、図１３−５に示すように、受光素子モジュールを形成する。本実施の形態では、この工程は、ラミネータにより真空状態で１００℃〜２００℃の温度で１５分から１時間程度加熱しながら、０．５ａｔｍ〜１．０ａｔｍ程度で加圧することによって成形する。透光性封止材６が軟化溶融し架橋融着するため、積層体は一体化される。

このようにして容易に、図１０に要部拡大断面図を示した太陽電池モジュール１０が形成される。

最後に一体化された積層体の外周各辺に外枠 (アルミニウムやＳＵＳなどの金属材、合成樹脂材などで作製されている)を嵌め込み、各コーナーを固定することで太陽電池モジュール１０が完成する。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３について、図を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記実施の形態１と同一又は類似の部分についての説明は省略する。同一部位には同一符号を付した。図１５は、本発明の実施の形態３の太陽電池モジュールの要部断面図である。

本実施の形態３の太陽電池セルは、図１５に示すようにタブ電極２の拡散反射構造として透光性粒子を含有する散乱反射部２１を備えたものである。この散乱反射部２１は平面のタブ電極２上に塗布により透光性粒子（散乱性粒子）を含有する散乱反射部２１を形成している。散乱反射部としてはこのほか、白色ペイントを用いた白色層、表面に透光性粒子を散布したもの、回折構造体、等、種々の散乱体を備えたものでもよい。また、タブ電極２表面にランダムな微細凹凸形状を形成してもよい。

上記タブ電極２上に、実施の形態１及び２で記した条件を満たすように高屈折率層３を形成する。タブ電極２が散乱反射構造をもつ場合、反射光が広い角度分布をもつため、ほぼ全ての入射角において、内部反射面７で反射されて太陽電池セル１へと再入射する光とモジュール外部へと放出される光が混在することになる。高屈折率層３を入れることで高屈折率層３と透光性封止材６との界面における屈折及び反射により、太陽電池セル１へと再入射される光の割合が増加する。

図１６に完全等方散乱反射構造を備えたタブ電極２を有する太陽電池モジュール１０のタブ電極２への入射光の太陽電池セル１再入射率の入射角度依存性の計算結果を示す。高屈折率層３は十分な高さと幅を有し、屈折率を１．６及び２．０とした。また、比較のために高屈折率層３を備えない比較例の構造の計算結果も併記する。曲線Ｅ₁は、高屈折率層３の屈折率が１．６のときの太陽電池セル１への入射角と再入射率との関係を算出した結果を示す図である。曲線Ｅ₂は、高屈折率層３の屈折率が２．０のとき、Ｒは高屈折率層３を具備しない構造であるときの計算結果を示す図である。完全等方散乱では入射光は入射角によらず全ての方向に均等に反射されるため、タブ電極２で反射される光の再入射される割合はほぼ一定となる。ただし、入射角度が大きくなると、透光性基板４の表面反射と透光性封止材６と高屈折率層３界面の反射が増加するため結果として再入射率は低下する。高屈折率層３を形成すると太陽電池モジュール１０外部へと放出されていた一部の反射角度を有する光が太陽電池セル１へと再入射されることとなり、入射角に依らず再入射率が一定量増加し、その値は高屈折率層３の屈折率が１．６のとき約３％、２．０のとき約１３％となる。

＜実施例１＞
実施例１では、上記に示した構造を有する太陽電池モジュールを以下の条件で作製した。

まず、厚さ２００μｍの厚みを有する１２５ｍｍ角のｎ型単結晶シリコン基板１１の表面にＮａＯＨを含むアルカリ水溶液を用いた異方性エッチング加工により微細凹凸を形成した。その後、ｎ型単結晶シリコン基板１１を洗浄し、表面の不純物を除去した。

次に、ＲＦプラズマＣＶＤ（化学的気相堆積）法によりｎ型単結晶シリコン基板１１の上面上に厚さ５ｎｍのｉ型非晶質シリコン膜及び厚さ５ｎｍのｐ型非晶質シリコン膜を順に形成した。また、ＲＦプラズマＣＶＤ法によりｎ型単結晶シリコン基板の裏面に厚さ５ｎｍのｉ型結晶質シリコン膜及び厚さ５ｎｍのｎ型結晶質シリコン膜を順に形成した。その後、スパッタリング法により主面のｐ型非晶質シリコン膜上及び裏面のｎ型結晶質シリコン膜の各々の上に１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯ膜を形成した。

次に、エポキシ樹脂にＡｇの微粉末を練り込んだＡｇペーストをスクリーン印刷法により主面側及び裏面側のＩＴＯ膜上に印刷し、その後、Ａｇペーストを１５０℃〜２５０℃で熱硬化させた。Ａｇペーストのパターンは、互いに平行に延びるストライプ状の複数のフィンガー電極部と、それらのフィンガー電極部に直交しかつ互いに平行に延びるストライプ状の２本のバスバー電極部とからなる。フィンガー電極部のピッチは２ｍｍとした。

次に、両面のバスバー電極部に未硬化の導電性接着フィルムを加熱温度９０℃、圧力０.３ＭＰａにて３秒加熱圧着することで仮配置した。このようにして、複数の太陽電池セルを作製した。

次に、幅１ｍｍ、厚さ１５０μｍ及び長さ２５０ｍｍを有する銅箔の一面にプレス加工により幅方向の断面において凹凸角度αが３０°の凹凸部が形成されたタブ電極を準備し、タブ電極の凹凸部が受光面側にくるようにバスバー電極上に配置し、加熱温度１８０℃、圧力２ＭＰａにて１５秒加熱圧着することで太陽電池セル同士を接続した。

次に、タブ電極上に屈折率１．６を有する熱硬化性エポキシ樹脂を塗布し、幅１ｍｍ、厚さ１００μｍ、長さ１２５ｍｍ、及び屈折率１．６を有するポリカーボネートフィルムをタブ電極及びエポキシ樹脂上に配置し加熱圧着し、高屈折率層を形成した。

バックシート、透光性樹脂、タブ電極によって接続された２個の太陽電池装置、透光性封止材及び透光性基板を順に積層し、減圧下において１００℃〜１５０℃で加熱することにより圧着した。透光性基板としては、透光性ガラスを用いた。バックシートとしては、アルミニウムをフッ化ビニルフィルムで挟んだ構造を有するシートを用いた。透光性封止材としては、ＥＶＡを用いた。

＜実施例２＞
実施例１の高屈折率層に替えて、エポキシ樹脂と幅１．５ｍｍ、厚さ２００μｍ、長さ１２５ｍｍのポリカーボネートフィルムを用いた以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製した。

（比較例１）
タブ電極上に高屈折率層を形成しない以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製した。すなわち、図１８に示すようにタブ電極１０２は受光面側に凹凸部１０２Ｔが形成されており、凹凸部１０２Ｔで斜めに反射した入射光がタブ電極１０２で反射される角度を保護ガラス面で全反射される臨界角より大きくなるように傾斜角を設定する。

（比較例２）
実施例１の高屈折率層に替えてエポキシ樹脂層をタブ電極の凹部を埋めるように形成した以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製した。

（比較例３）
実施例１のタブ電極に替えて幅１ｍｍ、厚さ１５０μｍ及び長さ２５０ｍｍを有する平面タブ電極を用いてタブ電極上に高屈折率層を形成しない以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製した。

（比較例４）
実施例１のタブ電極に替えて幅１ｍｍ、厚さ１５０μｍ及び長さ２５０ｍｍを有する平面タブ電極を用いてタブ電極上に実施例１と同様の高屈折率層を形成した以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製した。

（評価）
波長６５０ｎｍ、出力３ｍＷを有するレーザー光をビーム径が０．５ｍｍ程度となるようにコリメートしタブ電極２上に照射した際に太陽電池セルで生じる規格化短絡電流を測定した。この電流値は、レーザー光を集電電極を避けて直接セルへと照射した場合に生じる短絡電流を１として、規格化した値である。レーザー光の太陽電池モジュールへの入射角度をタブ電極の幅方向に対して０°〜４５°の範囲において１５°刻みで変えたときの規格化短絡電流の値を表１に示す。

表１に示すように、タブ電極に凹凸構造及び高屈折率層３を備えた実施例１、２では垂直入射時（０°）及び１５°において０．７以上の規格化短絡電流が得られ、３０°においても０．６５以上の値が得ることができた。特に実施例２では高屈折率層が十分な高さと幅を有しており、高屈折率層と透光性封止材界面での全反射等による光学損失が抑制され、高い電流値が得られていると考えられる。

一方で、比較例１、２ではタブ電極に凹凸構造を備えているため、垂直入射時は高い電流値が得られたが、斜め入射時の電流値の低下が実施例より顕著となった。比較例１では高屈折率層を備えていないため、タブ電極における反射光がガラス表面で全反射される入射角の範囲が狭いため入射角が３０°以上で電流値が大幅に低下し、比較例２では高屈折率層の高さが十分でないため高屈折率層と透光性封止材界面での全反射光による損失が大きくなり、１５°以上で電流値が実施例よりも低下していると考えられる。

実施例２及び比較例１、２におけるモジュールへの入射角度に対する規格化電流値の詳細な変化を図１７のグラフに示す。曲線Ｅ₀₂は、実施例２の太陽電池セル１への入射角と再入射率との関係を測定した結果を示す図である。Ｒ₁、Ｒ₂は比較例の同測定結果を示す図である。入射角度は５°刻みで０°〜６０°まで変えている。図８で示した計算結果よりも変化が緩やかであるのはタブ電極が完全に鏡面ではなく、表面の粗さによって反射光がある程度の角度分布を持っているためだと考えられる。実施例では垂直入射時は比較例と同等の電流値が得られ、斜め入射時において比較例１、２よりも高い電流値を維持しているため、太陽電池モジュールの総発電量が向上可能であることを示した。

また、比較例３、４ではタブ電極が平面である場合は、垂直入射時にタブ電極の表面粗さの影響で散乱反射された光がわずかにセルへと再入射され、入射角の増加に伴い電流値はわずかに増加するが、高屈折率層の有無に関わらず反射光のほとんどはタブ電極入射時と対称の軌道でモジュール外部へと放出されるため、総じて電流値は低い値を示した。

１ 太陽電池セル、２ タブ電極、３ 高屈折率層、４ 透光性基板、５ バックシート、６ 透光性封止材、７ 内部反射面、１０ 太陽電池モジュール、１３Ｂ バスバー電極、１３Ｆ フィンガー電極、１３ 集電電極、２Ｔ 凹凸部、２１ 散乱反射部、３１ 平面層（高屈折率シート）、３２ 接着層。

Claims (10)

1. 少なくとも一面側に集電電極を有する複数の太陽電池セルと、隣接する太陽電池セルの集電電極を電気的に接続するタブ電極と、複数の太陽電池セルのタブ電極側に配置される透光性封止材とを備えた太陽電池であって、
   少なくともタブ電極の一面に、入射光を斜め上方に反射する拡散反射構造を備えるとともに、
   前記タブ電極の前記拡散反射構造の反射面上に前記透光性封止材よりも高い屈折率を有する高屈折率層を備えたことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記透光性封止材の屈折率をＮ１、前記高屈折率層の屈折率をＮ２、前記タブ電極の幅をＷとしたとき、
   前記高屈折率層の前記反射面からの高さＨが、次式（１）の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
   

   
3. 前記反射面からの高さＨが、次式（２）の関係を満たす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. 前記高屈折率層が前記タブ電極の幅方向に前記反射面より広く形成され、空気の屈折率をＮ０としたとき、
   前記反射面の端部からの前記屈折率層端部までの長さＬが、次式（６）の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
   

   
5. 前記拡散反射構造は、凹凸面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記拡散反射構造は、散乱性粒子を含有する表面層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
7. 前記高屈折率層が、前記屈折率と、前記高さと、前記幅とを有する平面層と、
   前記平面層と前記タブ電極とを接続するための接着層との２層で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
8. 前記積層構造の高屈折率層が、前記平面層を構成するための樹脂フィルムと前記接着層を構成する熱硬化性樹脂との積層体をタブ電極上に加熱圧着する工程によって形成されることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池モジュール。
9. 少なくとも一面側に集電電極を有する複数の太陽電池セルに対し、隣接する太陽電池セルの集電電極を電気的に接続するタブ電極を圧着する工程と、
   透光性基板上に、
   タブ電極を用いて、接続された複数の前記太陽電池セルを、
   封止材を介して載置し、積層体を形成する工程と、
   前記積層体を加熱加圧し、前記太陽電池セルを封止する工程とを含む太陽電池モジュールの製造方法であって、
   前記タブ電極が、少なくとも受光面側に拡散反射構造を有するとともに、
   前記圧着する工程は、
   前記拡散反射構造上に高屈折率層を配した、高屈折率層と共に前記太陽電池セル及びタブ電極を圧着する工程を含むことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
10. 前記圧着する工程は、
    タブ電極上に熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の２層からなる高屈折率フィルムを配置し、
    前記圧着工程により同時にタブ電極上に高屈折率層を形成する工程であることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池モジュールの製造方法。

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