JP4000502B2

JP4000502B2 - 薄膜太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP4000502B2
Application number: JP29215499A
Authority: JP
Inventors: 雄人和田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: JP2001111084A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は薄膜太陽電池モジュールの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、環境保護の立場から、クリーンなエネルギーの研究開発が進められている。中でも、太陽電池はその資源（太陽光）が無限であること、無公害であることから注目を集めている。
【０００３】
薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられ、電力供給用以外に、建物の屋根や窓などにとりつけて利用される業務用，一般住宅用にも需要が広がってきている。
【０００４】
従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いていたが、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルムおよび金属フィルムを用いたフレキシブルタイプの太陽電池の研究開発がすすめられている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式やステッピングロール方式の製造方法により大量生産が可能となった。
【０００５】
上記の薄膜太陽電池は、フレキシブルな電気絶縁性フィルム基板上に第１電極（以下、下電極ともいう）、薄膜半導体層からなる光電変換層および第２電極（以下、透明電極ともいう）が積層されてなる光電変換素子（またはセル）が複数形成されている。ある光電変換素子の第１電極と隣接する光電変換素子の第２電極を電気的に接続することを繰り返すことにより、最初の光電変換素子の第１電極と最後の光電変換素子の第２電極とに必要な電圧を出力させることができる。例えば、インバータにより交流化し商用電力源として交流１００Ｖを得るためには、薄膜太陽電池の出力電圧は１００Ｖ以上が望ましく、実際には数１０個以上の素子が直列接続される。
【０００６】
このような光電変換素子とその直列接続は、電極層と光電変換層の成膜と各層のパターニングおよびそれらの組み合わせ手順により形成される。上記太陽電池の構成および製造方法の一例は、例えば特開平１０−２３３５１７号公報や特願平１１−１９３０６号に記載されている。
【０００７】
図４は、上記特開平１０−２３３５１７号公報に記載された薄膜太陽電池の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）における線ＡＢＣＤおよびＢＱＣに沿っての断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＥＥ断面図を示す。
【０００８】
電気絶縁性でフレキシブルな樹脂からなる長尺のフィルム基板上に、順次、第１電極層、光電変換層、第２電極層が積層され、フィルム基板の反対側（裏面）には第３電極層、第４電極層が積層され、裏面電極が形成されている。光電変換層は例えばアモルファスシリコンのpin接合である。フィルム基板用材料としては、ポリイミドのフィルムが用いられている。
【０００９】
製造工程の概要につき以下に説明する。
【００１０】
先ず、フィルム基板にパンチを用いて、接続孔ｈ１を開け、基板の片側（表側とする）に第１電極層として、スパッタにより銀を成膜し、これと反対の面（裏側とする）には、第３電極層として、同じく銀電極を成膜する。接続孔ｈ１の内壁で第１電極層と第３電極層とは重なり、導通する。
【００１１】
成膜後、表側では、第１電極層を所定の形状にレーザ加工して、下電極ｌ１〜ｌ６をパターニングする。下電極ｌ１〜ｌ６の隣接部は一本の分離線ｇ２を、二列の直列接続の光電変換素子間および周縁導電部ｆとの分離のためには二本の分離線ｇ２を形成し、下電極ｌ１〜ｌ６は分離線により囲まれるようにする。再度パンチを用いて、集電孔ｈ２を開けた後、表側に、光電変換層ｐとしてa-Si層をプラズマＣＶＤにより成膜する。マスクを用いて幅Ｗ２の成膜とし、レーザ加工により二列素子の間だけに第１電極層と同じ分離線を形成する。
【００１２】
さらに第２電極層として表側に透明電極層（ＩＴＯ層）を成膜する。但し、二つの素子列の間とこれに平行な基板の両側端部にはマスクを掛け接続孔ｈ１には成膜しないようにし、素子部のみに成膜する。次いで裏面全面に第４電極層として銀電極を成膜する。第４電極の成膜により、集電孔ｈ２の内壁で第２電極と第４電極とが重なり、導通する。表側では、レーザ加工により下電極と同じパターンの分離線を入れ、個別の第２電極ｕ１〜ｕ６を形成し、裏側では第３電極と第４電極とを同時にレーザ加工し、接続電極ｅ１２〜ｅ５６、および電力取り出し電極ｏ１，ｏ２を個別化し、基板の周縁部では表側の分離線ｇ３と重なるように分離線ｇ２を形成し、隣接電極間には一本の分離線を形成する。
【００１３】
全ての薄膜太陽電池素子を一括して囲う周縁、および二列の直列接続太陽電池素子の隣接する境界には（周縁導電部ｆの内側）分離線ｇ３がある。分離線ｇ３の中にはどの層も無い。裏側では、全ての電極を一括して囲う周縁、および二列の直列接続電極の隣接する境界には（周縁導電部ｆの内側）分離線ｇ２がある。分離線ｇ２の中にはどの層も無い。
【００１４】
こうして、電力取り出し電極ｏ１−集電孔ｈ２−上電極ｕ１、光電変換層、下電極ｌ１−接続孔ｈ１−接続電極ｅ１２−上電極ｕ２、光電変換層、下電極ｌ２−接続電極ｅ２３−・・・−上電極ｕ６、光電変換層、下電極ｌ６−接続孔ｈ１−電力取出し電極ｏ２の順の光電変換素子の直列接続が完成する。
【００１５】
なお、第３電極層と第４電極層は電気的には同一の電位であるので、以下の説明においては説明の便宜上、併せて一層の接続電極層として扱うこともある。
【００１６】
図５は、前記特願平１１−１９３０６号に記載されたプラスチックフィルムを基板とした可撓性薄膜太陽電池の斜視図を示す。基板６１の表面に形成した単位光電変換素子６２および基板６１の裏面に形成した接続電極層６３はそれぞれ複数の単位ユニットに完全に分離され、それぞれの分離位置をずらして形成されている。このため、素子６２のアモルファス半導体部分である光電変換層６５で発生した電流は、まず透明電極層６６に集められ、次に該透明電極層領域に形成された集電孔６７（ｈ２）を介して背面の接続電極層６３に通じ、さらに該接続電極層領域で素子の透明電極層領域の外側に形成された直列接続用の接続孔６８（ｈ１）を介して上記素子と隣り合う素子の透明電極層領域の外側に延びている下電極層６４に達し、両素子の直列接続が行われている。
【００１７】
上記薄膜太陽電池の簡略化した製造工程を図６（a）から（g）に示す。プラスチックフィルム７１を基板として（工程（a））、これに接続孔７８を形成し（工程（b））、基板の両面に第１電極層（下電極）７４および第３電極層（接続電極の一部）７３を形成（工程（c））した後、接続孔７８と所定の距離離れた位置に集電孔７７を形成する（工程（d））。次に、第１電極層７４の上に、光電変換層となる半導体層７５および第２電極層である透明電極層７６を順次形成するとともに（工程（e）および工程（f））、第３電極層７３の上に第４電極層（接続電極層）７９を形成する（工程（g））。この後、レーザビームを用いて、基板７１の両側の薄膜を分離加工して図５に示すような直列接続構造を形成する。
【００１８】
なお、図６においては、集電孔ｈ２内における透明電極層７６と第４電極層７９との接続をそれぞれの層を重ねて２層で図示しているが、前記図４においては、電気的に一層として扱い、１層で図示している。
【００１９】
さらに続いて、前述の薄膜太陽電池モジュールの構成に関し、この発明の説明の便宜上、この発明に関係の深い部分に限定かつ簡略化して、以下に述べる。
【００２０】
図３は、従来の薄膜太陽電池モジュールの構成の一例を示し、単位太陽電池６個を直列に接続した例を示す。図３（ａ）は、基板の表面側であって光電変換素子が形成された側を示し、図３（ｂ）は、裏面側の接続電極層が形成された側を示す。図３において、１は接続孔、２は集電孔、３は接続電極層を示し、矩形の輪郭を有するモジュールは、分離線により６個の単位ユニットに完全に分離され、表面と裏面とではそれぞれの分離位置をずらして、直列接続が可能なようにパターニングされている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の薄膜太陽電池モジュールにおいては、下記のような問題があった。
【００２２】
従来の薄膜太陽電池モジュールは、形成の容易性の観点から、上記のように矩形の単位太陽電池を複数個並べ、モジュール全体の外形も矩形としている。しかしながら、例えば三角形や台形の屋根部分に、かかる太陽電池モジュールを設置する場合には、形状適合性や外観の点で問題がある。
【００２３】
上記問題を解消するために、特開平１０−１２９１１号公報には、矩形の単位太陽電池を複数個並べて、モジュール全体の外形を三角形にするものが提案されている。この場合には、デッドスペースが生じ、有効な光電変換面積が減少する。また、さらに進んで、モジュール全体の外形を三角形とし、このモジュールと相似な直角三角形を組み合わせた三角形，四辺形の単位セルを電気的に接続してモジュールを構成するものが、特開平１０−６５１９８号公報に記載されている。
【００２４】
上記特開平１０−６５１９８号公報に記載された単位電池セルは、金属板を基板としたもので、一つの基板には一つのセルしか形成できず、単位セル間の電気的接続は、リード線や電極パッドなどを用いるものである。このような構成においては、電気的接続構造および作業工程が複雑となりコスト高となる。
【００２５】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、例えば三角形や台形の屋根部分に設置する場合の形状適合性に優れ、有効な光電変換面積が十分に得られ、かつ電気的接続構造および作業工程が単純で、製造コストの低減が可能な非矩形状の薄膜太陽電池モジュールを提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明は、電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極である下電極層，光電変換層，透明電極層を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した接続電極層とを備え、前記光電変換部および接続電極層は互いに位置をずらして単位部分に順次分離してなり、前記透明電極層形成領域外に形成した電気的直列接続用の接続孔および前記透明電極層形成領域内に形成した集電孔を介して，前記表面上の互いに分離されて隣合う単位光電変換部分を電気的に直列に接続してなる薄膜太陽電池モジュールにおいて、モジュール主面の輪郭が三角形もしくは台形であって少なくとも輪郭を形成する一辺に斜線を有し、前記単位部分に順次分離された光電変換部は、矩形の光電変換部と前記斜線を含む非矩形の光電変換部とからなり、前記単位部分に順次分離された接続電極層は、矩形の接続電極層と前記斜線を含む非矩形の接続電極層とからなり、かつ前記非矩形の光電変換部は、光電変換層および透明電極層の形成を行わずに、非矩形の接続電極層とともに単なる電気的接続層となし、単位太陽電池として機能する光電変換部はすべて、矩形の光電変換部とする。
【００２７】
上記により、モジュールの設置自由度と形状適合性が向上し、かつ電気的接続構造および作業工程が単純となる。
【００２８】
なお、上記の薄膜太陽電池モジュールにおいて、すべての非矩形光電変換部の起電力が有効となるようにする観点からは、前記非矩形の接続電極層を複数の多角形に分離してすべての単位光電変換部分を電気的に直列接続してなるモジュール（以下、全面発電モジュールという。）が望ましい。
【００２９】
しかしながら、前記本発明のように、非矩形の光電変換部は、光電変換層および透明電極層の形成を行わずに、非矩形の接続電極層とともに単なる電気的接続層となし、単位太陽電池として機能する光電変換部はすべて、矩形の光電変換部としたモジュール（以下、非矩形部非発電モジュールという。）とすることにより、有効な光電変換面積は全面発電モジュールに比較して減少するが、非矩形の光電変換部の薄膜形成が不要になることと、非矩形の接続電極層のパターニングが不要となるので、その分、製造工程が簡略化できる利点がある。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、この発明の実施の形態について比較例（全面発電モジュール）と共に以下に述べる。
【００３１】
（比較例１）
図１は、前記全面発電モジュールに関わる比較例の薄膜太陽電池モジュールの構成を、図３と同様に簡略化して示す。図１（ａ）は、基板の表面側であって光電変換素子が形成された側を示し、図１（ｂ）は、裏面側の接続電極層が形成された側を示す。図１の実施例は、図１（ａ）のハッチング部で示すように、矩形の単位太陽電池４個と、１個の三角形の単位太陽電池５と、１個の台形の単位太陽電池５ａを直列に接続してある。裏面側の接続電極層は、図１（ｂ）に示すように、Ｓ１〜Ｓ８の８個の単位部分に分離され、前記６個の単位太陽電池が直列に接続されてすべての単位太陽電池が有効に出力するように構成されている。図１において、１は接続孔、２は集電孔である。６〜８は、非矩形の接続電極層のパターニングラインを示す。
【００３２】
なお、前記接続電極層の内、Ｓ６は一部狭い部分が存在するが、接続電極層のシート抵抗が低いので、問題はない。また、１ａ，１ｂで示す接続孔部分は、従来より接続孔の個数が減るので、その分抵抗が増加するが、直列接続する単位電池の数を増加することにより補償できる。
【００３３】
（比較例２）
図２（ａ），（ｂ）は、全面発電モジュールの比較例２の薄膜太陽電池モジュールの構成を示す。図１のモジュールの構成との相違は、図２（ｂ）における接続電極層Ｓ９の構成が、図１におけるＳ５〜Ｓ７を含む外郭形状に形成されている点である。かかる構成においては、図２（ａ）における非矩形部の太陽電池は、電力発生に寄与せず、接続電極層Ｓ９により短絡された状態となる。この実施例の場合、特に接続電極層の製造工程がシンプルとなるメリットがあるが、実施例１に比較して電圧が低くなる。しかしながら、他の電圧が低いモジュールと直列に接続することにより、適宜調整することができる。
【００３４】
（実施例１）
図２（ｃ），（ｂ）は、本発明に関わる実施例の薄膜太陽電池モジュールの構成を示す。前記図２（ａ）における非矩形部の太陽電池は、前述のように電力発生に寄与しないので、この実施例においては、非矩形部の太陽電池の光電変換部の薄膜形成を省略し、４個の矩形の太陽電池のみで直列接続を構成している。従ってこの実施例の場合、非矩形の光電変換部の薄膜形成が不要となることと、比較例２と同様に非矩形の接続電極層のパターニングが不要となるので、その分、製造工程がさらに簡略化できる。
【００３５】
【発明の効果】
この発明によれば前述のように、電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極である下電極層，光電変換層，透明電極層を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した接続電極層とを備え、前記光電変換部および接続電極層は互いに位置をずらして単位部分に順次分離してなり、前記透明電極層形成領域外に形成した電気的直列接続用の接続孔および前記透明電極層形成領域内に形成した集電孔を介して，前記表面上の互いに分離されて隣合う単位光電変換部分を電気的に直列に接続してなる薄膜太陽電池モジュールにおいて、モジュール主面の輪郭が三角形もしくは台形であって少なくとも輪郭を形成する一辺に斜線を有し、前記単位部分に順次分離された光電変換部は、矩形の光電変換部と前記斜線を含む非矩形の光電変換部とからなり、前記単位部分に順次分離された接続電極層は、矩形の接続電極層と前記斜線を含む非矩形の接続電極層とからなり、かつ前記非矩形の光電変換部は、光電変換層および透明電極層の形成を行わずに、非矩形の接続電極層とともに単なる電気的接続層となし、単位太陽電池として機能する光電変換部はすべて、矩形の光電変換部としたので、例えば三角形や台形の屋根部分に設置する場合の形状適合性に優れ、有効な光電変換面積が十分に得られ、かつ電気的接続構造および作業工程が単純で、製造コストの低減が可能な非矩形状の薄膜太陽電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わる薄膜太陽電池モジュールの概略構成を示す図
【図２】この発明の異なる実施例に関わる薄膜太陽電池モジュールの概略構成を示す図
【図３】従来の薄膜太陽電池モジュールの概略構成を示す図
【図４】薄膜太陽電池の従来の構成および製造方法の一例を詳細に示す図
【図５】薄膜太陽電池の概略構成の斜視図
【図６】薄膜太陽電池の製造工程の一例を示す図
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ：接続孔、２：集電孔、４，４ａ：非矩形の接続電極層、５，５ａ：非矩形の太陽電池、６，７，８：非矩形の接続電極層のパターニングライン、Ｓ１〜Ｓ９：分離された接続電極層の各部分。

Claims

電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極である下電極層，光電変換層，透明電極層を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した接続電極層とを備え、前記光電変換部および接続電極層は互いに位置をずらして単位部分に順次分離してなり、前記透明電極層形成領域外に形成した電気的直列接続用の接続孔および前記透明電極層形成領域内に形成した集電孔を介して，前記表面上の互いに分離されて隣合う単位光電変換部分を電気的に直列に接続してなる薄膜太陽電池モジュールにおいて、モジュール主面の輪郭が三角形もしくは台形であって少なくとも輪郭を形成する一辺に斜線を有し、前記単位部分に順次分離された光電変換部は、矩形の光電変換部と前記斜線を含む非矩形の光電変換部とからなり、前記単位部分に順次分離された接続電極層は、矩形の接続電極層と前記斜線を含む非矩形の接続電極層とからなり、かつ前記非矩形の光電変換部は、光電変換層および透明電極層の形成を行わずに、非矩形の接続電極層とともに単なる電気的接続層となし、単位太陽電池として機能する光電変換部はすべて、矩形の光電変換部としたことを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。