JP3548246B2 - 光起電力素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光起電力素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を入射させて起電力を発生させる光電変換素子は、様々なところで利用されている。特に、近年は環境問題に対する関心の高まりから、クリーンエネルギーである太陽電池への応用に期待が高まっている。
【０００３】
現在、太陽電池としては、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた結晶系と、アモルファスシリコンを用いた非晶質系、及び化合物半導体系に大別される。その中でも、アモルファスシリコン太陽電池は、変換効率こそ結晶系の太陽電池に及ばないものの、大面積化が容易で、かつ光吸収係数が大きいので薄膜で動作するなどの結晶系太陽電池にはない優れた特徴をもっており、将来を有望視されている太陽電池の１つである。
【０００４】
それにもかかわらず、現在太陽電池の普及を阻んでいる１つの理由としては、太陽電池の製造コストが高いという点がある。太陽電池の製造コストを下げる方法としては、例えば、次のような点が挙げられる。
（１）発電領域の効率的利用
（２）接続箇所を減らすことによる接続部材料費の節減、及び接続のための人件費の節減
（３）光電変換層の製造費等の低減
これらの点を改善するためには、太陽電池の大面積化が必要不可欠である。
【０００５】
図７は、従来の光起電力素子を示す模式図である。図７（ａ）は受光面側から見た平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＸ−Ｘ’部分の断面図である。また、図７（ｃ）は図７（ａ）の光起電力素子を直列接続した状態を表している平面図である。
【０００６】
図７に示した光起電力素子７００は、ステンレス等の基板７０２の上に下部電極層７０３を、下部電極層７０３の上に半導体層７０４を、さらに半導体層７０４の上に上部電極層７０５を順次積層して作製している。上部電極層７０５としては、反射防止手段と集電手段を兼ねて酸化インジウム等の透明導電膜が形成してある。
【０００７】
透明導電膜は、ＦｅＣｌ３、ＡｌＣｌ３等を含むエッチングペーストをスクリーン印刷等の方法で塗布し加熱することによって、一部が図中７０１（エッチングライン）に示す線状に除去されている。透明導電膜の一部除去の目的は、光起電力素子の外周切断時に発生する基板と透明導電膜との短絡の悪影響を、光起電力素子の有効受光範囲に及ぼさないようにすることである。
【０００８】
また、光起電力素子７００の表面には、発電された電力を効率よく集電するための集電電極７０７が形成されている。集電電極７０７は、半導体層で発生した電力を損失なく取り出すために、予め導電性接着剤を薄くコートした金属ワイヤー（例えばカーボンペーストをコートした銅ワイヤー）を透明導電膜上に接着している。銅ワイヤーを用いる理由は、導電率が高いものを使用して電流損失を低減するためである。
【０００９】
さらに、これらの集電電極７０７のさらなる集電電極として導電性箔体７０８が設けられている。導電性箔体７０８の下部には、電気的特性が不安定なエッチングライン部との絶縁を確保するために、絶縁部材７０９が設けられている。
【００１０】
上記のとおり製造された光起電力素子においては、金属箔材７０８及びステンレス基板７０２が両極の端子として機能し、電力を取り出すことができる。
【００１１】
しかしながら、これだけでは発電用途には不十分である。何故ならば、単一の発電セルでは発生電圧が低すぎるからである。これを改善するためには、セルを直列接続することによって、高電圧化を図る必要がある。
【００１２】
図７（ｃ）は、図７（ａ）の光起電力素子を直列接続した状態を表している。一つの光起電力素子の導電性箔体７１０と、これに隣接する光起電力素子の基板７１１とを、銅箔（接続部材）７１２を用いて接続することにより、各光起電力素子を電気的に直列化する。接続にはステンレス用のフラックス入りの半田を使用するため、半田づけ後にＭＥＫ等の溶剤で洗浄して直列化が完成する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の太陽電池を大面積化しようとした場合には、単に面積が増加するだけではなく、変換効率において以下のような問題点が生じる。
【００１４】
（１）発生電流量の増加、及び集電電極７０７が長くなることにより、抵抗損失（ｉ２Ｒ）が増加し、変換効率が低下する。
【００１５】
（２）ステンレス基板のような導電性のあまり良好でない導電性基板を使用する場合、電流の行路長が増加するため、抵抗損失（ｉ２Ｒ）が大きくなり変換効率が低下する。
【００１６】
本発明の目的は、上記２項目のうち（２）を改善することである。
【００１７】
以下では、上記（２）の問題点を、図８を用いて具体的に説明する。
図８（ａ）と図８（ｂ）は、光起電力素子のステンレス基板上での電流経路を示している。図８（ａ）は、従来の面積を有する光起電力素子の場合であり、図８（ｂ）は、大面積化を図った光起電力素子の場合である。また、図７（Ｃ）は、図８（ｂ）の大面積化を図った光起電力素子を、光入射面側からみた平面図である。
【００１８】
図８（ａ）において、光起電力素子８００で発生した電流は、ステンレス基板８０１のいたる場所から発生し、図中矢印のごとくステンレス基板８０１上を通って直列部材８０２に向かって一斉に流れ込む。直列部材８０２の近傍（領域Ａ）では、光起電力素子８００で発生した全電流が集結する。この場合の抵抗損失（ｉ２Ｒ）は、発生電流量（ｉ）とステンレス基板の抵抗（Ｒ）でほぼ決まるが、とりわけ領域Ａでは、全電流が集中するために抵抗損失が大きくなる。しかしながら、光起電力素子が小面積の場合には発生電流量も少ないためにさほど問題とはならない。
【００１９】
図８（ｂ）は、大面積化を図った光起電力素子での電流経路を示している。経路自体は、従来例（図８（ａ））と同様であり、基板８１１上で発生した電流は直列部材８１２に向かって流れ込む。しかし、発生電流量が大きく、またステンレス上での電流行路長も長くなることから、領域Ｂに近づくほど抵抗損失は大きくなり、従来例と比較すると無視できないほどの変換効率の低下を招いてしまう。
【００２０】
以下では、従来例における各部材の寸法ならびに損失について詳細に説明する。
【００２１】
図８（ａ）における光起電力素子８００は、１枚が縦３００ｍｍ、横１００ｍｍの長方形（面積３００ｃｍ２であり、基板は厚み１２５μｍのステンレス基板（体積抵抗率６．０×１０−５Ωｃｍ）である。光起電力素子の性能は、発生する電流密度を６．０ｍＡ／ｃｍ２、動作電圧を１．５Ｖとすると、発生電力は２．７Ｗとなる。ここで、ステンレス基板に同電流が発生し、総電流が直列部材８０２の方向に集中すると仮定した場合、計算により抵抗損失は０．０９Ｗとなり、総発生電力の３．５１％を占める。
【００２２】
一方、図８（ｂ）における光起電力素子８１０は、１枚が３００ｍｍの正方形（面積９００ｃｍ２）であり、図８（ａ）の場合と同様の仮定のもとに計算を行うと、総発生電力は８．１Ｗ、ステンレス基板による抵抗損失が０．６１Ｗと計算される。これは総発生電力の７．５２％を占め、小面積の場合の抵抗損失と比較すると、２倍以上である。
【００２３】
以上の計算結果から、光起電力素子の大面積化に伴って、基板での電流損失が増加するという問題があることが分かった。
【００２４】
加えて、上記問題点を解決するには、後述するように導電性箔体を導電性基板上に設ける必要があるが、その一般的な方法としては、半田もしくは抵抗溶接法が挙げられる。しかし、半田においては以下の（１）や（２）の問題が、また抵抗溶接法においては以下の（３）の問題があることが判明した。
【００２５】
（１）半田ごてで熱を加えた時に、その熱で基板が変形してしまい、太陽電池素子の平面性を失ってしまう。
【００２６】
（２）溶剤を用いてもフラックスが取れにくく、温湿度が加わった状態でさびを発生してしまう。その結果、太陽電池素子の被覆材の剥離を起こしてしまう。
【００２７】
（３）火花が飛んでしまい、それが太陽電池素子の有効面に飛散すると、素子がショートしてしまう。
【００２８】
本発明の目的は、上述した現状に鑑み、発生する電流を分散して集電することにより、抵抗損失が少ない光起電力素子を提供するものである。また、この対策によって、設置上の問題が発生しない光起電力素子を提供することも目的としている。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光起電力素子は、４辺からなる導電性基板を有する光起電力素子において、該導電性基板の、直列接続させるための接続部材が横切る辺以外の少なくとも１辺に、該１辺の長さとほぼ同程度の長さにわたって該導電性基板と接触するように、該導電性基板よりも高い電気導電性を有する導電性箔体を少なくとも１つ設けたことを特徴とする。
【００３０】
本発明の光起電力素子は、前記導電性箔体が、光起電力素子の非受光面側に設けられていることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の光起電力素子は、前記導電性箔体が、銅を主成分とすることを特徴であり、さらには、前記導電性箔体の厚みが、７０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の光起電力素子は、前記導電性基板が、ステンレス基板であることを特徴とする。
【００３３】
さらに、本発明の光起電力素子は、前記導電性箔体と前記導電性基板が、超音波溶接法により溶接されていることを特徴とする。
【００３４】
また、本発明の光起電力素子は、前記導電性箔体が、前記導電性基板の相対する２辺に設けられていることを特徴とする。
【００３５】
さらに、本発明の光起電力素子は、前記導電性箔体が前記導電性基板に設置している部分が、該導電性基板に対して直角に折り曲げられていることを特徴とする。
【００３６】
また、本発明の光起電力素子の製造方法は、前記導電性箔体と前記導電性基板が、超音波溶接法により接続されていることを特徴とする。
【００３７】
【作用】
本発明では、４辺からなる導電性基板を有する光起電力素子において、該導電性基板の、直列接続させるための接続部材が横切る辺以外の少なくとも１辺に、該１辺の長さとほぼ同程度の長さにわたって該導電性基板と接触するように、該導電性基板よりも高い電気導電性を有する導電性箔体を少なくとも１つ設けることにより、ステンレス基板上の電流の方向を分散することができるので、一か所への電流集中がなくなり、抵抗損失を減少させることができる。

【００３８】
以下では、上記作用について、図６を用いて説明する。
【００３９】
図６（ａ）は、例えば、光起電力素子６００を形成するステンレス基板６０１上の１辺に銅箔６０２を接続した形態であり、図中矢印は電流の経路を示している。図６（ａ）のように銅箔を設けた場合、電流は銅箔に向かって流れていき、銅箔上で集められた電流は銅箔中を通過する。したがって、本発明（図６（ａ））は、従来例（図８（ｂ））と比較すると、ステンレス上での電流の行路長が短くなり、さらに集中した電流は、ステンレスよりも体積抵抗率が１桁低い銅箔中を流れるため、抵抗損失を低く抑えることができる。
【００４０】
仮に、厚み１００μｍ、長さ３００ｍｍ、幅７．５ｍｍの銅箔（体積抵抗率１．７×１０−６Ωｃｍ）を、前述図８（ｂ）で示した光起電力素子に取り付けたとして、上記仮定のもとに損失計算を行うと、ステンレス基板による抵抗損失が０．０４６Ｗ、銅箔による抵抗損失が０．０６６Ｗであり、合計０．１１２Ｗと計算される。これは総発生電力の１．３８％である。従来例の抵抗損失７．５２％と比較すると、十分な効果が得られる。
【００４１】
さらに図６（ｂ）には、銅箔を相対する辺に２枚設けた場合を示しているが、この場合の抵抗損失を計算すると総発生電力の０．５５％となり、さらに損失を低減できる。
【００４２】
上記導電性箔体は、導電性基板の形態によっては何枚設けてもよく、特に１枚と限定されるものではない。ここで用いる導電性箔体としては、設ける対象となる導電性基板の辺の長さとほぼ同程度の長さを有するものが望ましい。
【００４３】
また、導電性箔体は光起電力素子の受光面側と非受光面側のどちらに設けても構わないが、導電性箔体の複数化及び幅広化によって予測される受光量損失を極力避けるために、非受光面側に設けるのが好ましい。
【００４４】
さらに非受光面側に設ける場合でも、発電の有効領域範囲外に設けるのが好ましい。図６（ｃ）は、導電性箔体を素子の中央部に設けた場合を示している。電流の行路長としては、図６（ｂ）に示す状態と同等ではあるが、この場合は有効領域の裏側であることから、銅箔を設置する際の半田の熱で半導体層にダメージを与えやすいなどの問題がある。よって、導電性箔体は、非受光面側で有効領域範囲外に設けることが特に望ましい。
【００４５】
本発明において使用する導電性箔体としては、体積抵抗率が低く箔材として工業的に安定して供給されている材料が望ましく、加工性が良く、安価な銅箔が好適に用いられる。
【００４６】
また、銅箔を用いる場合には、腐食防止、酸化防止等の目的で、表面に薄い金属層を設けてもよい。該表面金属層としては、例えば、銀、パラジウム、パラジウムと銀の合金、又は金などの腐食されにくい貴金属や、ニッケル、錫、半田などの耐食性のよい金属が用いられる。
【００４７】
前記表面金属層の形成方法としては、例えば、作製が比較的容易な蒸着法、メッキ法、クラッド法が好適に用いられる。
【００４８】
また、導電性箔体の厚みとしては、７０μｍ以上１５０μｍ以下が望ましい。７０μｍ以上とすることで、光起電力素子の発生電流密度に十分対応できるだけの断面積を確保できるとともに、実質上機械的結合部材として使用でき、かつ接続作業が導電性箔体に与える破損等の悪影響を防止することができる。一方、導電性箔体は厚くするほど抵抗損失を小さくすることができるが、１５０μｍ以下とすることで表面被覆材によるなだらかな被覆が可能となる。また、段差が小さければ小さいほど表面被覆材の厚みを薄くでき、被覆材料を節約することができる。
【００４９】
また、導電性基板は、アモルファスシリコンのような薄膜型の太陽電池の場合、半導体を機械的に支持する部材としての役割や、場合によっては電極としての役割を果たすこともあるため、導電性のものが好ましい。導電性の材料としては、例えば、Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｐｂ等の金属、又はこれらの合金、さらに、真ちゅう、ステンレス鋼等の薄板及びその複合体や、カーボンシート、亜鉛メッキ鋼板が挙げられる。これらの中でも、長期の使用状態における腐食防止、酸化防止の点から、ステンレスが好適に用いられる。
【００５０】
さらに、導電性基板と導電性箔体の接続部の形成方法としては、以下の２項目が満たされるよりは、１回の溶接で接融面積が稼げない抵抗溶接や、劣化が起こる半田で接続されている方が好ましい。
【００５１】
（１）導電性基板と導電性箔体の接触面積が大きい方が抵抗損失が少ない。
【００５２】
（２）長期信頼性の点から金属結合により接続が望ましい。
【００５３】
しかし、より好ましい形成方法は、１回の溶接で接触面積が稼げて、かつ金属結合を形成できる超音波溶接である。
【００５４】
また、導電性箔体を導電性基板の相対する２辺に設けた場合には、導電性箔体設置部分を折り曲げることが可能となる。導電性箔体を設置した部分は、発電に寄与しない非有効領域であるため、該設置部分を折り曲げることによって、モジュール効率を向上させることができる。
【００５５】
さらに、これら一連の光起電力素子の製造方法として、導電性箔体と導電性基板とを超音波溶接法で接続する方法が好適に用いられる。超音波溶接法を用いることにより、上述した問題点を解決できるだけでなく、残留フラックスによる太陽電池被覆材の剥離という信頼性の問題や、抵抗溶接での火花が飛んで素子がダメージを受ける等の問題を解決することができる。
【００５６】
【実施態様例】
以下に本発明の実施態様例を説明する。
【００５７】
（光起電力素子）
本発明で用いられる光起電力素子は、単結晶、多結晶あるいはアモルファスシリコン系太陽電池に適用できる以外に、シリコン以外の半導体を用いた太陽電池、ショットキー接合型の太陽電池にも適用可能である。しかし、以下では代表してアモルファスシリコン太陽電池の場合について説明する。
【００５８】
本発明の太陽電池構成としては、例えば、導電性基板と、該導電性基板上に設けた下部電極と、下部電極上に設けた発電に寄与する半導体層と、該半導体層の光入射面側に設けた集電電極からなる構成が望ましい。また、所望に応じて前記半導体層の光入射面側と前記集電電極との間に、反射防止や表面抵抗を低くする目的から上部電極層（透明導電層）を設けても良い。
【００５９】
（下部電極）
本発明で用いられる下部電極は、半導体層で発生した電力を取り出すための一方の電極であり、半導体層に対してはオーミックコンタクトとなるような仕事関数を持つ材料であることが要求される。その材料としては、例えば、Ａｌ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｖ，Ｃｒ，Ｃｕ，ステンレス、真ちゅう、ニクロム、ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＺｎＯ，ＩＴＯ等のいわゆる金属単体または合金、及び透明導電性酸化物（ＴＣＯ）等が用いられる。
【００６０】
下部電極の表面は平滑であることが好ましいが、光の乱反射を起こさせる場合にはテクスチャー化してもよい。また、基板が導電性であるときは下部電極は特に設ける必要はない。
【００６１】
下部電極の作製方法は、メッキ、蒸着、スパッタ等のいずれの方法を用いてもよい。
【００６２】
（半導体層）
本発明で用いられる半導体層は、薄膜太陽電池として一般に使用される公知の半導体物質を使用することができる。本発明に用いられる太陽電池素子の半導体層としては、例えば、ｐｉｎ接合非晶質シリコン層、ｐｎ接合多結晶シリコン層、ＣｕＩｎＳｅ２／ＣｄＳ等の化合物半導体層が挙げられる。
【００６３】
上記半導体層の形成方法としては、非晶質シリコン層の場合は、シランガス等のフィルムを形成する原材料ガスにプラズマ放電を発生させるプラズマＣＶＤ等により形成することができる。また、半導体層がｐｎ接合多結晶シリコン層の場合は、例えば溶融シリコンから薄膜を形成する方法がある。また、半導体層がＣｕＩｎＳｅ２／ＣｄＳの場合は、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、電析法等の方法で形成される。
【００６４】
（上部電極（透明電極層））
本発明で用いられる上部電極は、半導体層で発生した起電力を取り出すための電極であり、下部電極と対をなすものである。上部電極は、アモルファスシリコンのようにシート抵抗が高い半導体の場合に必要であり、結晶系の太陽電池ではシート抵抗が低いため特に必要ではない。また、上部電極は、光入射側に位置するため、透明であることが必要で、透明電極とも呼ばれている。上部電極は、太陽や白色蛍光灯等からの光を半導体層内に効率よく吸収させるために光の透過率が８５％以上であることが望ましく、さらに、電気的には光で発生した電流を半導体層に対し横方向に流れるようにするためにシート抵抗値は１００Ω／□以下であることが望ましい。このような特性を備えた材料としては、ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＺｎＯ，ＣｄＯ，ＣｄＳｎＯ４，ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３＋ＳｎＯ２）などの金属酸化物が挙げられる。
【００６５】
（集電電極）
本発明で用いられる集電電極は、一般的には櫛状に形成され、半導体層や上部電極のシート抵抗の値から、その好適な幅やピッチが決定される。集電電極は比抵抗が低く太陽電池の直列抵抗とならないことが要求され、好ましい比抵抗としては１０−２Ωｃｍ〜１０−６Ωｃｍである。集電電極の材料としては、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｓｎ，Ｐｔ等の金属、又はこれらの合金や半田が用いられる。一般的には、金属粉末と高分子樹脂バインダーがペースト状になった金属ペーストが用いられているが、これに限られたものではない。
【００６６】
【実施例】
以下本発明の一実施例を、図１〜図６を参照して説明する。
【００６７】
（実施例１）
本例では、光起電力素子が、基板としてステンレス基板を用いた非晶質シリコン太陽電池の場合を、図１（ａ）を用いて具体的に説明する。図１（ａ）は、本例の太陽電池素子を２個接続した太陽電池モジュールを光入射面側から見た概略図である。
【００６８】
まず、太陽電池素子用の基板として、表面を洗浄した厚さ０．１ｍｍのステンレススチール箔（体積抵抗率６．０×１０−５Ωｃｍ）からなるロール状ステンレス基板を用意した。
【００６９】
次に、このステンレス基板の表面上に、複数個の太陽電池素子を同時に形成する。この太陽電池素子は、表１に示した多層膜を有する構造体である。
【００７０】
【表１】
Figure 0003548246
上述の成膜をしたロール状ステンレス基板を切断することにより、図１（ａ）に示した２個の太陽電池素子（３０．０ｃｍ×３０．０ｃｍ）１００を作製した。
【００７１】
この太陽電池素子１００に対して、以下の処理を順番に行った。
【００７２】
（１）太陽電池素子１００の表面上に、ＩＴＯのエッチング材（ＦｅＣｌ３）含有ペーストを、パターン１０１（２８．２ｃｍ×２９．４ｃｍ）のようにスクリーン印刷した後、純水洗浄することにより、ＩＴＯ層の一部を除去し上部電極と下部電極の電気的な分離を確実にした。
【００７３】
（２）エッチング領域のすぐ外側にポリイミドの絶縁テープを貼付し（不図示）、さらにそのテープ上に厚さ１００μｍの銅箔１０２を両面テープにより貼付した。この段階の銅箔１０２は、電気的に浮遊状態になっている。
【００７４】
（３）その銅箔１０２に平行で、かつすぐ外側の位置に、本発明に係るところの厚さ１００μｍの軟質銅箔１０３を、半田により図１（ａ）のように接続して、下部電極からの取り出しとした。この軟質銅箔１０３は、体積抵抗率が１．７×１０−６Ωｃｍのものであり、銅箔の断面積を考慮してもステンレス基板よりは高い導電性を有するものである。
【００７５】
（４）銅箔１０３の右端部を図１（ａ）に示すように、ポリイミド絶縁テープ１０４で覆い隠しておいた。
【００７６】
（５）別途準備しておいた銀コートワイヤー（直径１００μｍの銅ワイヤーに、銀ペーストを２０μｍ厚でコーティング後、乾燥処理したもの）を、図１（ａ）のように配置し、１気圧の圧力を加えながら１５０℃で２０秒間プレスして、太陽電池素子の有効域との接着を行い、集電電極１０５とした。
【００７７】
（６）銅箔１０２と集電電極１０５とを電気的に接続するために、銅箔１０２上にある集電電極１０５の表面上に銀ペーストをスポット状に塗布（１０６）し、オーブンで硬化した。これによって、銅箔１０２は上部電極からの取り出し電極となりえる。
【００７８】
（７）厚さ１００μｍの銅箔から金型で抜いて作製したＬ字の金属箔材１０７を、図１（ａ）に示すように載置した。この金属箔材１０７の一端は、一方の太陽電池素子の銅箔（上部電極）１０２の部分に、また金属箔材１０７の他端は、隣接する太陽電池素子の銅箔（下部電極）１０３の部分に半田付けされた。その結果、２つの太陽電池素子は直列接続された。
【００７９】
以上のような工程を経て、２直列（２個の太陽電池素子を直列接続したもの）の太陽電池モジュールが完成した。
【００８０】
以下では、本例の太陽電池モジュールの太陽電池特性を、シミュレータを用いて測定した結果について述べる。但し、シミュレータとは、ＡＭ１．５グローバルの太陽光スペクトルと、１００Ｗ／ｃｍ２の光量とを有する疑似太陽光源である。本例では、変換効率が８．００％であった。また直列抵抗を算出したところ、２７Ωｃｍ２であった。
【００８１】
（比較例１）
本例では、実施例１の「図１（ａ）に示すような軟質銅箔（下部電極）１０３を設ける」代わりに、「長方形型の金属箔材１０８を直接ステンレス基板に接続して直列化した」点が異なる。
【００８２】
図１（ｂ）および図１（ｃ）を用いて具体的に説明する。図１（ｂ）は、本例の太陽電池素子を２個接続した太陽電池モジュールを光入射面側から見た概略図である。また、図１（ｃ）は、図１（ｂ）を裏面側から見た概略図である。
【００８３】
長方形型の金属箔材１０８の一端は、一方の太陽電池素子の銅箔（上部電極）１０９の部分に、また金属箔材１０８の他端は、隣接する太陽電池素子の裏面のステンレス基板に半田付けされた。その結果、２つの太陽電池素子は直列接続された。銅箔１０９とステンレス基板とが半田付けされた面積は、約直径５ｍｍの円形であった。
【００８４】
他の点は、実施例１と同様とした。
【００８５】
本例においても、実施例１と同様のシミュレータを用いた太陽電池特性の測定を行った。その結果、本例では、変換効率が７．４８％であった。また直列抵抗を算出したところ、３２Ωｃｍ２であった。
【００８６】
理論的な損失計算からすると、実施例１と比較例１の変換効率の差は約０．５％であり、上述した実測値の差は、この理論値と合致していることが分かった。
【００８７】
したがって、比較例１の直列抵抗がアップしている理由は、ステンレス基板によるものと推定した。このことから、導電性基板の上に、この導電性基板より導電性の良い銅箔を設けることによって、太陽電池素子を直列接続した場合の直列抵抗を下げることが可能であり、変換効率を飛躍的に向上させることができると判断した。
【００８８】
（実施例２）
本例では、太陽電池素子の非受光面側に軟質銅箔２０３を設けた点が実施例１と異なる。
【００８９】
図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて具体的に説明する。図２（ａ）は、本例の太陽電池素子を２個接続した太陽電池モジュールを光入射面側から見た概略図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）を裏面側から見た概略図である。
【００９０】
太陽電池素子としては、実施例１と同じ太陽電池素子２００を用いている。太陽電池素子２００の表面上に、パターン２０１（２８．９ｃｍ×２９．４ｃｍ）のようにエッチング材含有ペーストをスクリーン印刷し、純水洗浄することにより、ＩＴＯ層の一部を除去するまでは、実施例１と同じである。
【００９１】
この太陽電池素子２００に対して、以下の処理を順番に行った。
【００９２】
（１）厚さ１００μｍの軟質銅箔２０３を、図２（ｂ）中に示すような非受光面側の位置に載置し、等間隔で５点程半田付けして、下部電極からの取り出しとした。半田としては、ステンレス用の特殊な半田（ハロゲン入り半田）を用た。フラックスは、半田付け後、ＭＥＫで洗浄した。
【００９３】
（２）実施例１と同様の方法で、銅箔２０２、集電電極２０４、銀ドット２０５を順次形成していき、最後に長方形の金属箱材２０６により直列化を行った。
【００９４】
他の点は、実施例１と同様とした。
【００９５】
本例においても、実施例１と同様のシミュレータを用いた太陽電池特性の測定を行った。その結果、本例では、変換効率が８．０５％であった。また直列抵抗を算出したところ、２６．８Ωｃｍ２であった。
【００９６】
本例の結果は、実施例１とほぼ同程度の値を示しており、銅箔を受光面側、非受光面側のどちらに設けても同様の効果が得られることが分かった。
【００９７】
また、銅箔を裏面に設置した本例の場合には、発電に寄与する有効面積（エッチングライン２０１で囲まれた面積）が８４９．６６ｃｍ２であり、実施例１（８２９．０８ｃｍ２）と比較すると２０．５８ｃｍ２有効面積が広がっている。すなわち、銅箔を非受光面側に設けた場合には、受光面側での銅箔のスペースを節約できるので、有効面積を大きくでき、モジュール効率を向上させることができると判断した。
【００９８】
（実施例３）
本例では、太陽電池素子の非受光面側の相対する２辺の位置に軟質銅箔３０３を設けた点が実施例１と異なる。
【００９９】
図３（ａ）および図３（ｂ）を用いて具体的に説明する。図３（ａ）は、本例の太陽電池素子を２個接続した太陽電池モジュールを光入射面側から見た概略図である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）を裏面側から見た概略図である。
【０１００】
太陽電池素子としては、実施例１と同じ太陽電池素子３００を用いている。太陽電池素子３００の表面上に、パターン３０１（２８．２ｃｍ×２９．４ｃｍ）のようにエッチング材含有ペーストをスクリーン印刷し、純水洗浄することにより、ＩＴＯ層の一部を除去するまでは、実施例１と同じである。
【０１０１】
この太陽電池素子３００に対して、以下の処理を順番に行った。
【０１０２】
（１）厚さ１００μｍの軟質銅箔３０３を、図３（ｂ）中に示すような非受光面側の相対する２辺の位置に載置し、等間隔で５点程半田付けして、下部電極からの取り出しとした。また、半田としては、ステンレス用の特殊な半田（ハロゲン入り半田）を用いた。フラックスは、半田付け後、ＭＥＫで洗浄した。
【０１０３】
（２）受光面側のエッチング領域のすぐ外側で、銅箔３０３のちょうど裏側にあたる場所に、ポリイミドの絶縁テープを貼り付けした（不示図）。さらに、そのテープ上に厚さ１００μｍの銅箔３０２を両面テープにより貼り付けした。これらも、図３（ａ）に示すとおり太陽電池素子３００の相対する２辺に設けた。
【０１０４】
（３）実施例１と同様の方法で、集電電極３０４、銀ドット３０５を順次形成していき、最後に２枚の金属箔材３０６により２か所で直列化を行った。この金属箔材３０６の一端は、一方の太陽電池素子の銅箔（上部電極）３０２の部分に、また金属箔材３０６の他端は、隣接する太陽電池素子の銅箔（下部電極）３０３の部分に半田付けされた。その結果、２つの太陽電池素子は直列接続された。
【０１０５】
他の点は、実施例１と同様とした。
【０１０６】
本例においても、実施例１と同様のシミュレータを用いた太陽電池特性の測定を行った。その結果、本例では、変換効率が８．０７％であった。また直列抵抗を算出したところ、２５Ωｃｍ２であった。
【０１０７】
本例の結果は、実施例１と比較すると、直列抵抗がさらに小さくなっており、変換効率もさらに向上していることが分かる。したがって、銅箔をステンレス基板に２枚接続したため、ステンレス上での抵抗がさらに小さくなり、変換効率のアップ及ぴ直列抵抗の減少が生じたものと判断した。
【０１０８】
以上により、導電性箔体を導電性基板の相対する２辺に設けることの効果が確認された。
【０１０９】
（実施例４）
本例では、以下の３種類の太陽電池素子Ａ，Ｂ，Ｃにおける、初期変換効率、直列抵抗及びシャント抵抗に関して調査した。
【０１１０】
太陽電池素子Ａ：実施例３で示したものと全く同構成の太陽電池素子。
【０１１１】
太陽電池素子Ｂ：裏面に設置する銅箔を抵抗溶接法で溶接した以外は実施例３と全く同構成の太陽電池素子。
【０１１２】
太陽電池素子Ｃ：裏面に設置する銅箔を超音波溶接法で溶接した以外は実施例３と全く同構成の太陽電池素子。
【０１１３】
表２は、太陽電池素子Ａ，Ｂ，Ｃの初期変換効率、直列抵抗及びシャント抵抗である。
【０１１４】
【表２】
Figure 0003548246
表２に示したとおり、抵抗溶接を行った太陽電池素子Ｂは、初期変換効率が他と比較してかなり低い６．９８％であった。シャント抵抗が低いことから、火花の飛散によって素子が部分的にショートしたためであると推定した。また、この段階では、太陽電池素子ＡとＣではほとんど差がなく、超音波溶接でも半田接続に比ベて損色のないことが分かった。
【０１１５】
以下では、さらに、これら太陽電池素子Ａ，Ｂ，Ｃに対して信頼性試験を実施した結果について説明する。本例における信頼性試験は、日本工業規格Ｃ８９１７の結晶系太陽電池モジュールの環境試験方法及び耐久試験方法に定められた温湿度サイクル試験Ａ−２に基づいて行った。
【０１１６】
各太陽電池素子を、温湿度が制御できる恒温恒湿器に投入し、相対湿度を−４０℃から＋８５℃の範囲で変化させるサイクル試験を１００回繰り返し行った。
【０１１７】
表３は、太陽電池素子Ａ，Ｂ，Ｃの試験終了後の変換効率、直列抵抗及び変換効率の劣化率である。
【０１１８】
【表３】
Figure 0003548246
表３に示したとおり、超音波溶接で銅箔を設置した太陽電池素子Ｃは、変換効率の劣化が０．１％で有意な劣化が生じなかったのに対し、半田で銅箔を設置した太陽電池素子Ａは３．４％の効率変化を生じた。各太陽電池素子を試験後に観察したところ、太陽電池素子Ａでは半田がぼそぼそで脆くなっており、銅箔が簡単に手で剥れる状態であった。この結果から、超音波溶接の方が、長期信頼性という点では安定であることが分かった。
【０１１９】
また、半田付けに要する作業時間と、超音波溶接に要する作業時間の測定を行った。半田付けには、作業者１入が半田付けを始めてから、フラックスの洗浄を行うまでに要した時間は、約４．５分／１枚であった。一方、超音波溶接では自動機で５秒／１枚であり、洗浄工程も不要であった。したがって、超音波溶接の方が、製造コストの低減効果も高いと判断した。
【０１２０】
（実施例５）
本例では、銅箔の厚みを変えて、初期変換効率、銅箔割れの有無、及び気泡発生の有無に関して調査した。
【０１２１】
銅箔の厚みとしては、３５，５０，７０，１００，１５０，２００，３００μｍの７種類（幅は全て７．５ｍｍ）を用意して、実施例４で作製した太陽電池素子Ｂと全く同様の構成の太陽電池素子Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊを作製した。
【０１２２】
表４は、太陽電池素子Ｄ〜Ｊの銅箔厚さ、初期変換効率、銅箔割れの有無、及び気泡発生の有無に関して纏めたものある。
【０１２３】
【表４】
Figure 0003548246
表４に示したとおり、銅箔が５０μｍ以下の太陽電池素子Ｄ，Ｅでは、超音波溶接した際、超音波の振動で銅箔にひび割れが生じた。
【０１２４】
図４は、銅箔厚みと変換効率との関係を示すグラフである。
【０１２５】
銅箔の厚みは厚いほど、銅箔の抵抗損失が小さくなるので、変換効率は良好な値となったが、２００μｍ以上ではほぼ飽和傾向を示した。また、銅箔の厚みが７０μｍより小さいと、急激に変換効率が低下していく傾向が見られた。
【０１２６】
また、通常直列接続まで終了した太陽電池素子には、表面が傷つかないようにすることと、湿気を防ぐ目的から、有機樹脂層が設けられる。本例では、上述した７種類の太陽電池素子Ｄ〜Ｊに、接着層としてＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）、表面保護層としてＥＴＦＥ（エチレンと４ふっ化エチレンの共重合体）を用いて、真空ラミネーターで加熱圧着することにより有機樹脂層を形成した。
【０１２７】
その結果、太陽電池素子Ｄ〜Ｈに関しては、良好に有機樹脂層を形成できたが、ＩとＪに関しては、銅箔の段差部で気泡が発生した。これに関して詳細に実験を試みた結果、段差が約２００μｍ以上存在する場合には、段差部に十分な圧力がかからないために、空気が残ってしまい気泡が生ずることが分かった。
【０１２８】
以上のことから、導電性箔体の厚みとしては、７０μｍ以上１５０μｍ以下が好ましいと判断した。
【０１２９】
（実施例６）
本例では、導電性基板に設置している導電性箔体の部分を、該導電性基板に対して直角に折り曲げる効果について検討した。
【０１３０】
図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて具体的に説明する。図５（ａ）は、本例の太陽電池素子を２個接続した太陽電池モジュールを光入射面側から見た概略図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）を裏面側から見た概略図である。
【０１３１】
太陽電池素子５００としては、実施例３で示したものと全く同構成の太陽電池素子を用意し、５直列（５個の太陽電池素子を直列接続したもの）の太陽電池モジュールを、１０モジュール作製し（図５は２直列）、ＥＶＡとＥＴＦＥで有機樹脂層を形成した（不図示）。素子間のギャップは、１ｍｍに設定した。
【０１３２】
次に、そのうちの５モジュールを、図５（ａ）および（ｂ）の中に一点鎖線で示した部分（エッチングライン５０１より外側で銅箔５０２より内側の領域）を、ベンダー曲げ機により、導電性基板に対して直角に曲げ加工した。図５（ｃ）は、この曲げ加工を施した後のＹ−Ｙ’部分（図５（ａ）、（ｂ））の断面図を表している。
【０１３３】
さらに、曲げ加工を施した５モジュールと曲げ加工無しの５モジュールを実際に隙間なく敷き詰め、設置面積を測定した。その結果、曲げ加工をしたモジュールの面積が２．２３ｍ２であるのに対して、曲げ加工無しのモジュールの面積は２．３１ｍ２であった。
【０１３４】
したがって、曲げ加工を施すことにより、より小さな面積での発電が可能となり、モジュールあたりの面積効率を向上することが可能であると判断した。
【０１３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大面積化にも対応できる高変換効率の光起電力素子を提供することができ、さらには、超音波溶接を用いることによって、高信頼性で低コストで、製造も容易な光起電力素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１および比較例１に係る太陽電池モジュールの概略図である。
【図２】実施例２に係る太陽電池モジュールの概略図である。
【図３】実施例３に係る太陽電池モジュールの概略図である。
【図４】実施例５に係る銅箔厚みと変換効率との関係を示すグラフである。
【図５】実施例６に係る太陽電池モジュールの概略図である。
【図６】本発明に係る太陽電池素子の接続形態における電流経路を示す概略図である。
【図７】従来例に係る太陽電池素子、及び太陽電池モジュールの概略図である。
【図８】従来例に係る太陽電池素子の接続形態における電流経路を示す概略図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００、５００、６００、７００、８００、８１０ 太陽電池素子、
１０１、２０１、３０１、５０１、７０１ エッチングライン、
１０２、１０９、２０２、３０２、５０２、７０８、７１０ 銅箔、
１０３、２０３、３０３、５０３、６０２ 導電性箔体、
１０４、７０９ 絶縁テープ、
１０５、２０４、３０４、７０７ 集電電極、
１０６、２０５、３０５ 銀ドット、
１０７、１０８、２０６、３０６、７１２、８０２、８１２ 金属箔材、
６０１、７０２、７１１、８０１、８１１ 導電性基板、
７０３ 下部電極層、
７０４ 半導体層、
７０５ 上部電極層。

Claims (9)

  1. ４辺からなる導電性基板を有する光起電力素子において、該導電性基板の、直列接続させるための接続部材が横切る辺以外の少なくとも１辺に、該１辺の長さとほぼ同程度の長さにわたって該導電性基板と接触するように、該導電性基板よりも高い電気導電性を有する導電性箔体を少なくとも１つ設けたことを特徴とする光起電力素子。
  2. 前記導電性箔体が、光起電力素子の非受光面側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光起電力素子。
  3. 前記導電性箔体が、銅を主成分とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光起電力素子。
  4. 前記導電性箔体の厚みが、７０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  5. 前記導電性基板が、ステンレス基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  6. 前記導電性箔体と前記導電性基板が、超音波溶接法により溶接されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  7. 前記導電性箔体が、前記導電性基板の相対する２辺に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  8. 前記導電性基板に設置している前記導電性箔体の部分が、該導電性基板に対して直角に折り曲げられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光起電力素子の製造方法において、前記導電性箔体と前記導電性基板が、超音波溶接法により接続されていることを特徴とする光起電力素子の製造方法。
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