JP2016021478A - 太陽電池モジュールおよび太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面電極と太陽電池基板との接触抵抗の増大を防止して、太陽電池セルの発電特性が低下および太陽電池モジュールの出力が低下を防止する。
【解決手段】受光面の反対側の面に複数の線状の電極を有する太陽電池セルと、太陽電池セルを載置して前記電極に電気的に接続する配線シートを有する太陽電池モジュールであって、太陽電池セルと配線シートは、前記電極に沿って点線状に配置された接合材料によって電気的に接続されてなることにより、裏面電極の接触抵抗の増加を抑制することができ、それによる太陽電池セルおよび太陽電池モジュールの出力低下を低減できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、太陽電池モジュールおよび太陽電池モジュールの製造方法に関する。

近年、エネルギ資源の枯渇の問題や大気中のＣＯ_２の増加のような地球環境問題などからクリーンなエネルギの開発が望まれており、半導体装置の中でも特に太陽電池セルを用いた太陽光発電が新しいエネルギ源として開発、実用化され、発展の道を歩んでいる。

太陽電池セルは、従来からたとえば、単結晶または多結晶のシリコン基板の受光面にシリコン基板の導電型と反対の導電型となる不純物を拡散することによってｐｎ接合を形成し、シリコン基板の受光面と受光面の反対側の裏面にそれぞれ電極を形成して製造された両面電極型太陽電池セルが主流となっている。また、両面電極型太陽電池セルにおいては、シリコン基板の裏面にシリコン基板と同じ導電型の不純物を高濃度で拡散することによって、裏面電界効果による高出力化を図ることも一般的となっている。

また、特許文献１に示されるように、シリコン基板の受光面に電極を形成せず、シリコン基板の裏面のみに電極を形成した裏面電極型太陽電池セルをフィルム上に裏面電極型太陽電池セル対応する配線を形成した配線シート(配線基板）上に設置した太陽電池モジュールが商品化されている。

図８に、従来の裏面電極型の太陽電池モジュールの模式的な断面図を示す。この太陽電池モジュール５０は、シリコン基板などの半導体基板５１の裏面にｐ+層５２とｎ+層５３とが裏面に沿って交互に間隔をあけてそれぞれ複数形成されており、ｐ+層５２上に点状のｐ電極５４が形成され、ｎ+層５２上に点状のｎ電極５５が形成されている太陽電池ウエハ５６と、ｐ配線６２とｎ配線６３とが絶縁性基板６１上に形成されている配線基板６５とを含む。そして、太陽電池ウエハ５６の裏面上に配線基板６５が設置され、ｐ電極５４上に、はんだ６９を介してｐ配線６２が接続されて、複数の点状のｐ電極５４が電気的に接続され、また、ｎ電極５５上に、はんだ６９を介してｎ配線６３が接続されて、複数の点状のｎ電極５５が電気的に接続されている。

特開２００５−３４０３６２号公報

太陽電池セルの裏面電極は、数ミクロンの厚みの銀電極であり比較的低抵抗である。この裏面電極と配線シートは、半田や導電性樹脂などの接合材料によって接合され、かつ電気的に接続される。この際、接合材料に含まれる金属材料が裏面電極の銀と合金化し、シリコン基板との接触抵抗が増加することにより、太陽電池セルの発電特性が低下し、太陽電池モジュールの出力が低下するという問題があった。

本発明の太陽電池モジュールは、受光面の反対側の面に複数の線状の電極を有する太陽電池セルと、太陽電池セルを載置して電極に電気的に接続する配線シートを有する太陽電池モジュールであって、太陽電池セルと配線シートは、線状の電極に沿って点状に複数配置された接合材料によって電気的に接続されてなるものである。

また、本発明の太陽電池モジュールは、太陽電池セルの電極は互いに平行な複数の直線状であり、隣り合う電極間に絶縁樹脂が配置されてなるものである。

また、本発明の太陽電池モジュールは、接合材料の充填率は３％以上であるものである。

また、本発明の太陽電池モジュールは、接合材料は半田材料を含むものである。

本発明の太陽電池モジュールの製造方法は、受光面の反対側の面に線状の電極を有する太陽電池セルを準備する工程と、線状の電極に沿って点状に接合材料を複数配置する工程と、配線シート上に太陽電池セルを載置し、熱圧着して太陽電池モジュールを形成する工程を含むものである。

本発明により、裏面電極の接触抵抗の増加を抑制することができ、太陽電池セルおよび太陽電池モジュールの出力低下を小さくすることができる。

本発明の太陽電池モジュールの製造に使用される太陽電池セルを示す平面図である。 本発明の太陽電池モジュールに使用される配線シートを示す平面図である。 本発明の太陽電池セルに接合材料を配置した状態を示す平面図である。 本発明の太陽電池モジュールを示す断面模式図である。 比較例の太陽電池モジュールに使用される配線シートと接合材料との位置関係を示す平面図である。 比較例の太陽電池モジュールを示す断面模式図である。 太陽電池モジュールの出力を示すグラフである。 従来例の太陽電池モジュールを示す断面模式図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。以下の説明では同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについて詳細な説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の太陽電池モジュールの製造に使用される太陽電池セルの平面図であり、受光面の反対側である裏面から見た平面図である。シリコン単結晶半導体基板を母材として形成された太陽電池基板１１の受光面の反対側である裏面に電子を収集する直線状のｎ電極１２と、正孔を収集する直線状のｐ電極１３が交互に並んでいる。ｎ電極１２およびｐ電極１３の幅は１３０μｍであり、厚さは３μｍ程度である。ｎ電極１２とｐ電極１３の間隔は０．７５ｍｍである。太陽電池セル１０の裏面電極であるｎ電極１２およびｐ電極１３は、銀ペーストを太陽電池基板１１裏面に印刷した後、４００℃以上で焼成して形成する。太陽電池基板１１は、一辺１５０ｍｍ程度の略正方形状である。

図２は、本発明の太陽電池モジュールに使用される配線シートを示す平面図であり、１枚の太陽電池セルを載置する部分の配線パターンを示したものである。配線シート２０において、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）などフィルムで形成されたシート２１の上に、櫛歯状の銅配線２２と銅配線２３が形成されている。銅配線２２，２３の厚さは３５ｍｍであり、厚さが大きいので、太陽電池セルの上のｎ電極１２、ｐ電極１３よりも低抵抗である。

太陽電池セル１０のｎ電極１２と電気的に接続する銅配線２２は、直線状のｎ電極１２のパターンに接触する櫛歯部２２ａと、各櫛歯部を連結する基部２２ｂからなり、基部２２ｂは隣の太陽電池セルに対応する配線パターンに接続している。また、太陽電池セル１０のｐ電極１３と電気的に接続する銅配線２３は、直線状のｐ電極１３のパターンに接触する櫛歯部２３ａと、各櫛歯部を連結する基部２３ｂからなり、基部２３ｂは隣の太陽電池セルに対応する配線パターンに接続している。

図３は、本発明の太陽電池セルに接合材料を配置した状態を示す平面図である。太陽電池基板１１の裏面に、複数の平行な直線状に形成されたｎ電極１２上において、直線状の電極の形に沿って、半田樹脂の接合材料２５ａを点線状に配置する。また、太陽電池基板１１の裏面に、複数の平行な直線状に形成されたｐ電極１３上において、直線状の電極の形に沿って、半田樹脂の接合材料２５ｂを点線状に配置する。また、基板裏面のｎ電極１２とｐ電極１３の間には絶縁樹脂２４が配置される。絶縁樹脂２４は、エポキシ系樹脂を用いることができる。絶縁樹脂２４は、接合材料が接合時に流れて、隣の電極と短絡しないように、ｎ電極１２とｐ電極１３の間に設置するものである。接合材料の絶縁樹脂２４および接合材料２５は、スクリーン印刷などを用いて太陽電池セルの裏面に印刷して配置することができる。

太陽電池セル１０を配線シート２０に載置すると、ｎ電極１２上に点状に複数配置された接合材料２５ａは、配線シート２０の櫛歯部２２ａ上において、３ｍｍ程度の間隔で櫛歯部２２ａの長手方向に沿って位置することになる。また、ｐ電極１２上に点状に複数配置された接合材料２５ｂは、配線シート２０の櫛歯部２２ｂ上において、３ｍｍ程度の間隔で櫛歯部２２ｂの長手方向に沿って位置することになる。なお、本実施例において、接合材料および接合樹脂は、太陽電池セルに印刷して配線シート上に載置したが、配線シートに接合材料および接合樹脂を印刷してから太陽電池セルを載置してもよい。
絶縁樹脂２４および接合材料２５を太陽電池セル１０または配線シート２０に配置した後、太陽電池セル１０を配線シート２０に載置し、バックシートや封止樹脂、カバーガラスとともにラミネータで熱圧着して太陽電池モジュールを形成する。

銅配線２２，２３上に配置される接合材料２５は、半田樹脂からなる。半田樹脂とは、錫やビスマスなどの半田材料の粒子を絶縁性樹脂に分散させたものであり、加熱によって、絶縁性樹脂が軟化して半田材料の粒子が凝集し、その後に絶縁性樹脂が硬化する性質を持っている。比較的低温である１５０℃から１６０℃でラミネータによって熱処理することにより、接合材料２５ａは、ｎ電極１２と櫛歯部２２ａを接合してそれぞれを電気的に接続する。また、接合材料２５ｂは、ｐ電極１３と櫛歯部２３ａを接合してそれぞれを電気的に接続する。半田樹脂中の金属粒子が溶融した部分では、裏面電極の銀と合金を形成する。裏面電極が合金化すると、シリコン基板と裏面電極の間の接触抵抗が高くなる。しかし、半田樹脂は、点状に配置されており、半田樹脂に当接しない裏面電極は合金化されないのでシリコン基板と裏面電極の間の接触抵抗は、半田樹脂が当接している部分に比べて低い。したがって、半田樹脂を線状に配置したものに比べて発電効率が高くなる。また、太陽電池モジュールに使用される半田樹脂の量も減らすことができるので、材料の有効利用を図ることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の太陽電池モジュールを示す断面模式図である。図４（ａ）は、櫛歯部の長手方向の断面模式図であり、図４（ｂ）は櫛歯部に対して略直角方向の断面模式図である。図４（ａ）において、太陽電池モジュール１は、バックシート３１上にＥＶＡシート３２、配線シート２０、太陽電池セル１０、ＥＶＡシート３３およびカバーガラス３４を順に積層し、ラミネータで加熱圧着処理したものである。ｎ電極１２と、銅配線２２ａの間には、接合材料２５ａが点状に複数配置されており、接合材料２５ａを介して、ｎ電極１２と銅配線２２ａが接合されるとともに、電気的に接続している。なお、絶縁樹脂２４は、ラミネート工程で隙間に流れ込んで太陽電池セル１０と配線シート２０との間隙を埋める場合もあるが、特に隙間を埋める必要はなく、空間が残っていてもよい。

半田樹脂の接合材料２５ａとｎ電極１２が接触している箇所は、半田樹脂に含まれるスズとｎ電極１２を形成する銀が合金化しており、接触抵抗が増加している。しかし、接合材料２５ａが配置されていない部分のｎ電極１２は合金化されておらず、低抵抗のままである。したがって、太陽電池セル全体の接触抵抗は、ｎ電極の全部に接合材料を配置して接合するのに比べて低抵抗になる。上記説明においてはｎ電極との接続について説明したが、ｐ電極と銅配線の接続についても同様である。

図４（ｂ）において、銅配線２２ａ、２２ｂ上に点状に配置された導電性材料である接合材料２５ａ，２５ｂを介してｎ電極１２、ｐ電極１３が接合され、電気的に接続されている。隣り合うｎ電極１２とｐ電極１３の間はエポキシ系樹脂からなる絶縁樹脂２４が配置されており、絶縁が保たれている。

(比較例）
図５は、比較例の太陽電池モジュールにおける配線シートと接合材料との関係を示す平面模式図である。シート２１’上に櫛歯状の銅配線２２’および２３’を形成した配線シート２０’において、半田樹脂からなる接合材料２５’は、太陽電池セルのｎ電極およびｐ電極に対応するように銅配線２２’および２３’上に位置している。すなわち、櫛歯部２２ａに沿って直線状に接合材料２５ａ’が配置され、また、櫛歯部２３ａ’に添って直線状に接合材料２５ｂ’が配置されている。

図６は、比較例の太陽電池モジュールを示す断面模式図であり、配線シート２０’上に接合材料２５’を直線状に配置したものを用いて太陽電池モジュール１’を構成したものである。太陽電池モジュール１’は、バックシート３１’上にＥＶＡシート３２’、配線シート２０’、太陽電池セル１０’、ＥＶＡシート３３’およびカバーガラス３４’を順に積層し、ラミネータで加熱圧着処理したものである。直線状の接合材料２５ａ’は、ｎ電極１２’全体を覆っており、ｎ電極１２’と銅配線の櫛歯部２２ａ’を電気的に接続している。図示されていないが、直線状の接合材料２５ｂ’は、ｐ電極１３’全体を覆っており、ｐ電極１３’と銅配線の櫛歯部２３ａ’も同様に直線状に形成した接合材料２５ｂ’で電気的に接続されている。このように、裏面電極の全部をカバーするように半田樹脂を用いると、それぞれの太陽電池セルの裏面電極と配線シートの密着性が向上し、電気的な接触面積は増える。しかしながら、裏面電極の全体にわたって、裏面電極の成分である銀と接合材料に含まれるスズなどの金属との合金が形成され、裏面電極とシリコン基板との接触抵抗が増大することにより、太陽電池セルの特性が低下し、太陽電池モジュールの発電効率が低下する。

それに対して、本発明においては接合材料を点状に配置し、接合材料の量を減らすとともに、接合材料と銀電極が接する部分を減らしている。そのため、接合材料と銀電極との合金化により裏面電極とシリコン基板との接触抵抗が増大する部分は半田樹脂を配置した部分だけであるので、接合材料を直線状に配置した太陽電池セルに比べて、シリコン基板と裏面電極の間の接触抵抗の増加は小さい。したがって、接合材料による太陽電池モジュールの発電効率の低下を軽減することができる。

表１は、太陽電池セルの接合材料の充填率と、出力損失の関係を示す図である。太陽電池セル１枚を配線シートに載置して小型モジュールを形成したものを用いて、特性を測定したものである。充填率とは、比較例のように、接合材料を直線状に配置し、裏面電極のすべてを覆ったものを１００％として、接合材料を点状に配した太陽電池モジュールにおいて、接合材料が線状の裏面電極覆う割合を示したものである。したがって、充填率５０％とは、点状の接合材料によって、裏面電極の５０％が覆われている状態を示す。また、出力は、比較例の出力を１００％とした場合の相対値を示す。点状の接合材料の配置する間隔が小さくなると、接続箇所が増えるとともに充填率は大きくなる。

表１によれば、充填率が１％程度の場合は、比較例と比較して出力が８０％であるが、充填率が３％を越えると、出力損失が急減し、９８％以上の出力を得ることができる。また、充填率が６.６％から４０％においては、比較例よりも出力が大きくなっており、発電効率が向上する。また、充填率が４０％を超えても接合材料の充填率が、比較例を下回ることはない。これは、接合材料のドット間において、配線シートの銅配線と、太陽電池セルのｎ電極およびｐ電極との接触状態が良好であり、半田樹脂を太陽電池セルのｎ電極およびｐ電極全体にわたって配置するよりも接触抵抗が低くなったものと考えられる。なお、接続点の数は線状のｐ電極およびｎ電極１本あたりの接続点の数である。

充填率を低くして、接合材料の量および配線シートと接合される箇所を減らすと、シリコン基板と裏面電極であるｎ電極、ｐ電極との接触抵抗は減少する。一方、裏面電極は薄いため、配線シートよりも抵抗が大きいので、配線シートと接合される箇所の間隔を広げると、裏面電極上を電荷が移動する距離が増加するため、抵抗損失が大きくなる。充填率が１％程度の場合は、裏面電極の抵抗損失の影響が大きい。しかしながら、充填率が３％を超えると、配線シートと接合される箇所の間隔が短くなることにより、電荷が裏面電極上を移動する距離が減少し、セル裏面電極における抵抗損失が少なくなるので、導電性出力が向上する。しかも、接合材料の使用量は充填率と同じなので、従来に比べて３％に減少している。

さらに、少なくとも、接合材料の充填率が６．６％以上において、接合材料の使用量を減らしつつ、比較例以上の出力を得ることができることが確かめられた。充填率が６．６％のときの接続点の間隔は4.5ｍｍである。さらに、充填率が大きくなると接続点の間隔は小さくなる。

図７は太陽電池モジュールの出力を示す図であり、比較例のように接合材料を線状に配置したもの(以下Ｌｉｎｅタイプという）と本実施の形態１、２のように接合材料を点線状に配置したもの（以下Ｄｏｔタイプという）のモジュール出力を示した図であり、Ｌｉｎｅタイプの平均出力を１００として、出力を相対値で示してある。第１群は、Ｌｉｎｅタイプの出力のモジュール１８台の出力の分布を示している。また、第２群は、Ｄｏｔタイプのモジュール１０台の出力の分布を示したものであり、また、第３群は、Ｌｉｎｅタイプの出力のモジュール１２台の出力の分布を示したものである。Ｄｏｔタイプの出力のモジュールの接合材料の充填率は２０％である。その結果、Ｄｏｔタイプの出力がＬｉｎｅタイプよりも平均して０．７％程度出力が向上していることがわかった。表２にＤｏｔタイプとＬｉｎｅタイプの太陽電池モジュールの特性を比較したもの示す。

表２において、Ｌｉｎｅタイプ、Ｄｏｔタイプの太陽電池モジュールの特性の平均値をしめす。値はＬｉｎｅタイプの各特性の平均値を１００％としたときの相対値である。太陽電池のＰｍ(最大出力）、Ｉｓｃ（短絡電流）、Ｖｏｃ(開放電圧）、ＦＦ(曲線因子）を比較して、Ｄｏｔタイプは、Ｐｍ(最大出力）、Ｉｓｃ（短絡電流）、ＦＦ(曲線因子）の値が向上しており、発電特性が向上していることがわかる。

（実施の形態３）
また、接合材料として、銀ペーストを使うこともできる。この銀ペーストは、太陽電池セルの裏面電極を作成するための高温で焼成するタイプの銀ペーストではなく、ラミネータによる１５０℃〜１６０℃程度の比較的低音の加熱によって裏面電極と銅配線を接合して電気的に接続するものであり、樹脂と銀粒子を主とする金属の混合物からなるものである。

このような接合材料として銀ペーストを用いた場合には、合金化による接触抵抗の増加は発生しない。しかしながら、点線状に配置することにより、接合材料の使用量を減らすことができる。尚、銀ペーストを点状に配置した場合、半田樹脂と同様、充填率が３％以上であれば、銀ペーストを裏面電極に沿ってライン状に配置したものと同等の発電効率を有する。

さらに、ｎ電極太陽電池セルの裏面電極と配線シートの銅配線の電気的接続に使用される接合材料の使用量を減少させることができるため、材料の有効利用に寄与する。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…太陽電池モジュール
１０…太陽電池セル
１２…ｎ電極
１３…ｐ電極
２０…配線シート
２１…シート
２２…銅配線
２２ａ…櫛歯部
２２ｂ…基部
２３…銅配線
２３ａ…櫛歯部
２３ｂ…基部
２４…絶縁樹脂
２５…接合材料
２５ａ…接合材料
２５ｂ…接合材料
３１…バックシート
３２…ＥＶＡシート
３３…ＥＶＡシート
３４…カバーガラス

Claims (5)

1. 受光面の反対側の面に複数の線状の電極を有する太陽電池セルと、前記太陽電池セルを載置して前記電極に電気的に接続する配線シートを有する太陽電池モジュールであって、
   前記太陽電池セルと前記配線シートは、前記線状の電極に沿って点状に複数配置された接合材料によって電気的に接続されてなる太陽電池モジュール。
2. 前記太陽電池セルの電極は互いに平行な複数の直線状であり、隣り合う電極間に絶縁樹脂が配置された請求項１記載の太陽電池モジュール。
3. 前記接合材料の充填率は３％以上である請求項１または請求項２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記接合材料は半田材料を含む請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
5. 受光面の反対側の面に線状の電極を有する太陽電池セルを準備する工程と、
   線状の前記電極に沿って点状に接合材料を複数配置する工程と、
   配線シート上に前記太陽電池セルを載置し、熱圧着して太陽電池モジュールを形成する工程を含む太陽電池モジュールの製造方法。

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