JP2016510174A - 光起電力モジュールアセンブリ - Google Patents

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Abstract

光起電力モジュール（６）を組み立てるための方法及びシステムは、光起電力セルと同じ側にある電気接点（７）を含む１以上の光起電力セルと、バックシート（２）と、光起電力セル（６）とバックシート（２）との間に組み立てられるように構成される封止材料のシート（４）と、バックシート（２）と封止材料のシート（４）との間の導電性回路素子と、を備える。前記方法は、光起電力セル（６）の電気接点（７）に相互接続ペースト（１１）の１以上の層を印刷する印刷機を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、光起電力モジュールに関する。より具体的には、本発明は、光起電力モジュールを組み立てるための方法及びシステムに関する。
光起電力セル又は太陽電池セルは、光起電力モジュールを形成するために共に組み立てられる。このようなモジュールは、太陽電池モジュール又は太陽電池パネルとしても知られている。光起電力モジュールは、光電効果により太陽放射のような光エネルギーを電気に変換する大面積の光電デバイスである。
光起電力モジュールは、一般的に、タブ及びストリングを用いて直列に電気接続された単結晶シリコンセルを用いて製造される。これらのアセンブリは、環境からアセンブリを保護し、また、安全な電気接続を提供するために封止される。アセンブリの上側は、一般的に、ガラス及びフレキシブルポリマーラミネートを有する裏面でカバーされるが、ガラスは、裏面にも使用されうる。この組み立て方法は、完全に自動化することが困難であり、そのため、しばしば大量の手動作業を含む。
ＵＳ５９７２７３２Ａは、自動化用に適した平面処理である“ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｍｏｄｕｌｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ”を説明している。この処理は、エミッタ及びコレクタの両方が光起電力セルの同一側にある裏面接触光起電力セルを使用する。
光起電力セルと導電性裏面シートとの相互接続ペーストを適用するための一般的な方法は、バックシートの導電素子にペーストを印刷することである。この方法の問題点は、バックシートが大きな製造許容誤差を含む場合があるため、バックシートの接続パッドに印刷するために使用される大面積印刷機が、バックシート全体に亘って正確に位置決めできないことにある。バックシートは、１ｍ×２ｍの表面大きさを有する大きな物体である。面積全体に均一なペースト及び圧力分布を確実に行うことは困難であり、印刷面積全体にわたる相互接続ペーストの不均一な大きさ及び形状をもたらす。また、相互接続ペーストを加えるために使用されるステンシル又はスクリーンのようなツールは、大きくかつ高価である。大きなステンシルについては、熱膨張は、回路、光起電力セル上の接点及び相互接続ペーストの非常に大きな位置合わせのズレをもたらす場合もある。相互接続ペーストの形状は、上部が小さく、下部よりも規定されていない形状をもたらすことがある。ペーストがバックシートに印刷されると、形状は、接続を提供するためには最適ではない。接触パッドの接触抵抗は、導電回路素子よりも非常に大きく、よって、セル上の接触パッドの大きさは、より重要である。光起電力セル上の接触抵抗は、バックシートの接触抵抗よりも最適化することが困難であり、したがって、光起電力セル上の幅の狭いペーストは、接触抵抗の増大をもたらす。ラミネーション及びペースト硬化工程の後に、あまり規定されていないペーストは、十分な接触面を提供しない不十分な接触をもたらす。工程の不正確さ又は導電回路素子の配置又は形状によって生じる過度の位置合わせのズレは、完成したアセンブリの回路のショートをもたらす場合がある。
本発明は、モノリシックの、裏面接触光起電力モジュールを組み立てる方法を開示する。光起電力モジュールは、光起電力セルと同じ側にある電気接点を含む１以上の光起電力セルと、バックシートと、前記光起電力セルと前記バックシートとの間に組み立てられるように構成される封止材料のシートと、前記バックシートと前記封止材料のシートとの間の導電性回路素子と、を備える。前記方法は、前記光起電力セルの前記電気接点に相互接続ペースト（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｐａｓｔｅ）の１以上の層を印刷することを含む。
一実施形態では、前記方法は、透明な前部シートに前記光起電力モジュールを組み立てることを含み、前記光起電力モジュールは、前記前部シートをフェイスダウンで完全に組み立てられる。一実施形態では、前記方法は、前記ペーストにテーパー形状のバンプを形成させるように相互接続ペーストの１以上の層を印刷し、前記バンプの直径は、前記セル接点の高さで最大となる。一実施形態では、前記方法は、前記セルを検査し、欠陥セルを除外することを含む。
本発明の別の形態は、光起電力セルと同じ側にある電気接点を含む１以上の光起電力セルと、バックシートと、前記光起電力セルと前記バックシートとの間に組み立てられるように構成される封止材料のシートと、前記バックシートと前記封止材料のシートとの間の導電性回路素子と、を備える光起電力モジュールを組み立てるためのシステムを開示する。前記光起電力セルの前記電気接点に相互接続ペーストの１以上の層を印刷するように構成される印刷機を備えることを特徴とするシステム。前記システムは、前記光起電力セルの前記電気接点に相互接続ペーストの１以上の層を印刷するように構成される印刷機、ディスペンサ又は他の手段を備える。
一実施形態では、前記システムは、透明な前部シートに前記光起電力モジュールを組み立てる手段を備え、前記光起電力モジュールは、前記前部シートをフェイスダウン（ｆａｃｉｎｇ ｄｏｗｎ）で完全に組み立てられる。一実施形態では、前記システムは、前記ペーストにテーパー形状のバンプを形成させるように相互接続ペーストの１以上の層を印刷する前記印刷機を備え、前記バンプの直径は、前記セル接点の高さで最大となる。一実施形態では、前記システムは、前記セルを検査するように構成される前記印刷機を備え、欠陥セルを除外する。
本明細書に前述された本発明の実施形態は、互いに組み合わせられて使用されてもよい。実施形態の一部は、本発明の更なる実施形態を形成するために共に組み合わせられてもよい。本発明が関連する方法、装置、システム又はコンピュータプログラムは、本明細書に前述された本発明の実施形態の少なくとも一つを含んでもよい。上記の実施形態又は変形のいずれかは、それらが他のものを排除するように明示的に述べることなく、それらを参照して各態様に単一又は組み合わせて適用されうる。
本発明は、相互接続ペーストが導電性回路素子の代わりに光起電力セルに印刷されるモノリシック光起電力モジュールのための組み立て（アセンブリ）工程である。ペーストは、ペーストの位置及び形状が非常に正確に制御されて、セルに印刷されうる。
本発明は、接触パッドの大きさを低減するセルに、ペーストのより小さい許容範囲を使用することを可能にし、隔てられたパッドの面積を低減し、それにより、セルの有効面積を増大させる。更に、組み立て工程における改善された許容範囲は、モジュールの電気接続におけるより正確な構成を可能にする。これは、モジュールにおけるより優れた面積の使用及び低い電気抵抗をもたらし、効率的な改善されたモジュールをもたらす。相互接続ペーストの印刷の改善された精度は、より高い効率をもたらし、より多くの接触点の使用を可能にする。これは、より効果的な電気回路設計のための可能性を広げる。
セル接点上でのペーストの印刷は、ペーストが大面積バックシートの導電回路素子上に印刷される従来のアプローチよりも実質的に少ない印刷機の設備の使用を可能にする。更に、セルでの印刷は、テーパー形状の相互接続ペーストを印刷することを可能にする。その結果、接触抵抗が高い光起電力セル上の接点は、広くなり、非常に良好に規定される。
セルでの印刷は、高い精度を提供し、それにより、高い歩留まりをもたらし、回路がショートするリスクを低減する。接触パッドの接触抵抗は、導電回路素子よりも非常に大きくなる。したがって、ペーストとセルの接触パッドとの接触面積を最大化することは、接触パッドとペーストとの抵抗を低減することにより、モジュールの性能を改善する手段を提供する。これは、セルでのペーストの印刷により実現されうる。セルに代えて導電回路素子での印刷のとき、ペーストのテーパー形状は、導電回路素子とペーストとの場合よりもセルの接触パッドと相互接続ペーストとの小さい接触面積をもたらす。セルでの印刷及びそれにより得られる精度の改善は、モジュールの電気接触におけるより正確な構成を可能にし、モジュールにおけるより少ない損失及び効率的に改善されたモジュールが得られる。
光起電力セルは、光起電力モジュールのアセンブリとは異なる位置に製造されることが多い。相互接続ペーストは、輸送時に酸化し、よって、ペーストは、組み立て時に適用されるべきである。本発明は、組み立て工程を改善し、組み立て工程から製造工程を差別化するためのステップを可能にする。
本発明の更なる理解を提供するように含まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の原理を説明するために役立つ説明と共に、発明の実施形態を示す。
図１は、例示的な実施形態を示すブロック図である。 図２は、本発明に係るデバイス素子を示す。 図３は、本発明に係る組み立て方法の１つの段階を示す。
本発明の例示的な実施形態の詳細が参照され、その実施例が添付の図面に示される。
本発明に係る光起電力モジュールは、光に露出されたときに、電力の量を増加させるために共に接続される一部の光起電力セルを含むアセンブリである。アセンブリは、通常、平坦で、硬い構造を形成するために部品を積層することを含む。光起電力モジュールの一例は、大きく平坦なサンドイッチ構造であり、バックシートと、セルが接続される導電回路素子と、接着、層間の機械的な保護及び電気的な絶縁を生成するための封止材料のシートの形態の封止層と、アレイに電気的に接続され、かつ配置される光起電力セルと、典型的には封止の別のシートの形態の別の絶縁層と、例えばガラスプレートのような透明な前部シートと、を備える。一例における一つの光起電力セルの大きさは、１５６×１５６ｍｍであり、ここで、このようなセルの総数は、単一モジュールにおいて３０、４８、６０又は７２であってもよい。
新たな技術革新によれば、従来技術に係るスクリーン／ステンシル印刷機は、光起電力セルに印刷するために使用されている。印刷は、ノズルから分配されるペーストの量を挿入することを意味する。商業的に取得可能な太陽電池印刷機の精度は、非常に小さい製造誤差でセルにアライメントを印刷することを可能にし、スクリーン／ステンシル技術は、ペースト形状、大きさ及び位置の正確なエンジニアリングを可能にする。セルは、欠陥について印刷機において検査され、そのため、欠陥のあるセルは、アセンブリセルに届かないであろう。
アセンブリ工程は、バックシート又は透明な前部シートのいずれかから開始してもよい。以下では、アセンブリ工程は、バックシートから開始するとして説明される。バックシートは、事前に製造され、１以上の保護層を含む。このような層の例は、ポリフッ化ビニル及びポリエチレンテレフタレートＰＥＴから通常製造されるキャリアフィルムの層である。バックシートは、光起電力セルと、平坦なキャリア上の表面保護の層との相互接続を提供する電気導電回路素子と、を含んでもよい。一実施形態では、電気導電回路素子は、封止材料のシートとバックシートとの間に配置されてもよい。封止材料のシートは、導電回路素子と光起電力セルとの間に配置され、当該素子は、異なる光起電力セル間の接続を提供する。一実施形態では、封止シートは、導電回路素子を含んでもよい。
相互接続ペーストは、光起電力セルの接触点に印刷される。ペーストは、銀のような金属粒子を含み、硬化工程後に、セル接点間、前又は後ろ及びバックシート上の導電回路素子に硬い導体を形成する。硬化可能なペーストに代えて、相互接続ペーストは、ソルダーペーストであってもよい。封止材料のシートは、バックシート上に配置され、ここで、封止材料の穴は、相互接続ペーストの位置に位置合わせされるように配置される。封止材料は、例えば、エチルビニルアセテート（ｅｔｈｙｌ ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ （ＥＶＡ））から製造される。その接点に相互接続ペーストを有する裏面接点光起電力セルは、封止材料のシートの穴に位置合わせされたアセンブリ及び導電素子に配置される。
封止材料の別のシートは、光起電力セルの層の上及び封止材料のシート上の保護上層に配置される。保護上層は、例えば、ガラスから製造される。この工程に係るアセンブリは、保護上層をフェイスダウンで積層されるように、逆向きにする必要があってもよい。アセンブリを逆向きにする前に、組み立てられた部品を固定するために予熱工程を必要としてもよい。
基準点は、バックシートに対するセルのアセンブリ位置、一実施形態では、セルに印刷される内部接続ペーストバンプの位置、を決定するために使用され、基準点は、例えば、カメラのような光学認識手段及びアセンブリセルにおける対応するソフトウェアにより検出される。基準点は、接触パッド又は接触パッドを囲む隔離領域であってもよい。フィデューシャル（Ｆｉｄｕｃｉａｌｓ）は、自動化されたアセンブリ設備がバックシート上に部品を正確に位置決め及び配置することを可能にする回路パターン認識マークである。フィデューシャルは、相互接続ペーストの印刷を位置決めするためにも使用される。
また、セル上に相互接続ペーストを印刷する方法は、組み立て前にペースト形状の変更を可能にする。一つの特に有益なペースト形状は、テーパー形状である。テーパー形状は、印刷工程から得られ、セルとペーストとの間の大きな接触面積を形成し、より大きな接触抵抗を有する点で、有利である。バックシートの導電素子上に相互接続ペーストを印刷する場合には、接触面積は、バックシートとペーストとの間で大きくなり、ペーストとセルとの間で小さくなる。これは、接触抵抗の増大をもたらし、モジュールの性能を低下させる。
光起電力セルと、バックシート上の対応する接触パッドのとの間に位置的な差異が存在する場合には、大きな穴及び接触パッドによりある程度まで補償される。一方で、接触パッドの大きさは、相互接続ペーストのより正確な位置決めにより低減されてもよい。
一実施形態では、アセンブリは、例えばガラスのような保護上層から開始される。ガラスは、エッジ又はコーナーの位置を検出することにより所望の位置に配置される。封止層は、ガラスの上に配置される。相互接続ペーストを有する光起電力セルは、その後、ガラス及び封止材上に配置される。相互接続のための穴、導電回路素子及びバックシートを含む、封止材は、セルの上に正確に配置され、ペーストは、穴を通じて、セルと導電回路素子との相互接続を形成する。組み立てられたモジュールが既に保護上層をフェイスダウンにしている場合には、最終積層工程に入る前に、組み立て途中のモジュールを裏返す必要はない。
熱は、全ての部品を決まった場所に固定するために加えられてもよい。完成したアセンブリは、その後、ラミネート装置に移動され、ここで、空気がアセンブリから除去され、熱が加えられ、封止材料が、アセンブリにおける全てのギャップに流れ、ギャップを充填することを可能にする。積層工程において加えられる熱は、相互接続材料を硬化する。それに代えて、セパレート工程は、光起電力セル上の接点と、バックシート上の導体との良好な電気接触を確実にするために使用されてもよい。一実施形態では、このような工程は、ソルダリングであってもよい。
図１のフローチャートは、ガラスカバーシート上に光起電力モジュールの層を積み重ねることにより組み立てが実行される組み立て方法を示す。ステップ１０１において、実際の組み立て用に太陽電池を準備することについて、初めに、視覚システムによりペースト印刷のためのおおよその位置決めがされる。次に、ステップ１０２において、導電ペーストは、セルの裏面上の接点に印刷される。ペーストを有するセルは、その後、ステップ１０３における実際のアセンブリセルに供給され、光起電力セルは、ステップ１０４においてガラス上に組み立てられる。封止材料のシートは、ステップ３０１において、ガラスカバーシート上にもたらされ、これは、ステップ２０１においてアセンブリテーブルに配置される。ステップ３０１において、そこにペーストを有する準備されたセルは、ガラスカバーシート、封止材料のシート及び太陽電池のアレイを含むサブアセンブリを形成するように、ガラスカバーシート上にある封止材料のシート上のアレイにおいて組み立てられる。次に、封止材料の別のシート、導電回路素子及びバックシートは、このサブアセンブリ（図示せず）に加えられ、光起電力モジュール全体を形成する。モジュールを組み立てるための別の方法も可能であり、例えば、組み立ては同時になされる必要はない。モジュールの異なる順序の組み立ても可能である。
図２の分解図は、接触パッド３を有するバックシート２と、相互接続穴５を有する封止材料の第１のシート４と、セルの裏面に接点７のアレイをそれぞれが有する光起電力セルのアレイ６と、封止材料の第２のシート８と、例えばガラスから製造される透明な前部シート９と、を含む光起電力モジュール１の５つの本質的な層を示す。分解図は、バックシート、封止材の第１のシート及び光起電力セルのアレイの正確な位置決めの重要性を示し、適切な電気接続を形成するために、セルの接点、封止材料の第１のシートにおける穴及びバックシートの接触パッドが一致しなければならない。
図３は、光起電力モジュール１のアセンブリを示す。図３の例では、光起電力モジュールのパーツは、図２のものと同一である。光起電力モジュール１の層スタックは、前部シート９に上下逆さまに組み立てられる。従来技術のアセンブリ方法との本質的な差異として、導電ペーストのバンプ１１は、バックシート接触パッド上の対応する位置に代えて、セル接点上に直接印刷される。部分拡大図に示されるように、バンプ１１は、テーパー形状を有し、ここで、バンプの幅は、セル接点の高さ方向においてバンプの幅が最大の場所であり、この高さから距離の関数として狭くなる。セル接点における最大幅は、セル接点と封止材料との間の接合抵抗を最小にする。一方で、狭いバンプのトップは、バックシートの接触パッド及び封止材料の第１のシートにおける穴に対するセルの位置決めを容易にする。
封止材料の第２のシート８及び光起電力セルのアレイが前部シート上に積み重ねられたとき、封止材の第１のシート４は、スタック上にもたらされる。
図２及び３では、図面の簡素化のために、例示的な光起電力モジュールは、６つの光起電力セルのみを含む。しかし、実際には、光起電力モジュールは、適切な数の光起電力セルを含んでもよい。典型的には、光起電力モジュールは、数十個の光起電力セルを備える。
本発明の実施形態は、ソフトウェア、ハードウェア、アプリケーションロジック、又はソフトウェア、ハードウェア及びアプリケーションロジックの組み合わせで実装されてもよい。実施形態の例では、アプリケーションロジック、ソフトウェア又は命令セットは、各種の従来のコンピュータ可読媒体のいずれかに保持される。本明細書の文脈では、“コンピュータ可読媒体”は、コンピュータのような命令実行システム、装置又はデバイスと接続することにより又は接続において使用するための命令を含む、記憶、通信、伝搬又は伝達しうる任意の媒体又は手段であってもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータのような命令実行システム、装置又はデバイスと接続することにより又は接続において使用するための命令を含む、記憶、通信、伝搬又は伝達しうる任意の媒体又は手段であってもよい。例示的な実施形態は、本明細書で説明される各種の工程に関する情報を記憶しうる。この情報は、ハードディスク、光学ディスク、磁気光学ディスク、ＲＡＭ等のような１以上のメモリに記憶されうる。１以上のデータベースは、本発明の例示的な実施形態を実装するために用いられる情報を記憶しうる。データベースは、本明細書に挙げた１以上のメモリ又はストレージに含まれるデータ構造（例えば、レコード、テーブル、アレイ、フィールド、グラフ、ツリー、リスト等）を用いて構成されうる。例示的な実施形態について説明されたプロセスは、１以上のデータベースにおける例示的な実施形態のデバイス及びサブシステムのプロセスにより収集及び／又は生成されたデータを記憶するために適切なデータ構造を含みうる。
例示的な実施形態の全部又は一部は、コンピュータ及び／又はソフトウェア技術の当業者によって理解されるような、本発明の例示的な実施形態の本発明の教示に基づいてプログラムされる、１以上の汎用プロセッサ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ等を用いて都合良く実装されうる。適切なソフトウェアは、ソフトウェア技術の当業者によって理解されるように、例示的な実施形態の教示に基づく当業者のプログラマによって明示的に準備されうる。また、電気技術の当業者によって理解されるように、例示的な実施形態は、特定用途向け集積回路の準備により、又は従来の構成要素回路の適切なネットワークを相互接続することにより実装されうる。よって、例示的な実施形態は、ハードウェア及び／又はソフトウェアの任意の特定の組み合わせに限定されない。
本明細書に説明される異なる機能は、異なる順序及び／又は互いに同時に行われてもよい。
更に、必要な場合、上述された機能の１以上は、追加又は組み合わせられてもよい。本発明の各種の態様は、独立請求項に述べられているが、本発明の他の態様は、説明された実施形態及び／又は独立請求項の構成を有する従属請求項からの構成の他の組み合わせを含み、特許請求の範囲に明示的に述べられた組み合わせのみではない。
当業者には本発明の基本概念が各種の手法で実装されてもよいことが自明である。よって、本発明及びその実施形態は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲内で変更されてもよい。

Claims (8)

  1. 光起電力セルと同じ側にある電気接点を含む１以上の前記光起電力セルと、
    バックシートと、
    前記光起電力セルと前記バックシートとの間に組み立てられるように構成される封止材料のシートと、
    前記バックシートと前記封止材料のシートとの間の導電性回路素子と、を備える光起電力モジュールを組み立てるための方法であって、
    前記光起電力セルの前記電気接点に相互接続ペーストの１以上の層を印刷することを特徴とする方法。
  2. 透明な前部シートに前記光起電力モジュールを組み立て、前記光起電力モジュールは、前記前部シートをフェイスダウンで完全に組み立てられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記相互接続ペーストにテーパー形状のバンプを形成させるように前記相互接続ペーストの１以上の層を印刷することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記印刷の前に前記光起電力セルを検査し、欠陥セルを除外することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 光起電力セルと同じ側にある電気接点を含む１以上の前記光起電力セルと、
    バックシートと、
    前記光起電力セルと前記バックシートとの間に組み立てられるように構成される封止材料のシートと、
    前記バックシートと前記封止材料のシートとの間の導電性回路素子と、を備える光起電力モジュールを組み立てるためのシステムであって、
    前記光起電力セルの前記電気接点に相互接続ペーストの１以上の層を印刷するように構成される印刷機を備えることを特徴とするシステム。
  6. 透明な前部シートに前記光起電力モジュールを組み立てる手段を備え、前記光起電力モジュールは、前記前部シートをフェイスダウンで完全に組み立てることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  7. 前記印刷機は、前記相互接続ペーストにテーパー形状のバンプを形成させるように前記相互接続ペーストの１以上の層を印刷するように構成されることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
  8. 前記印刷機は、前記光起電力セルを検査するように構成され、欠陥セルを除外することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
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