JP4053193B2 - 薄膜光電変換モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜光電変換モジュールに関し、特には、複数の薄膜光電変換セルが直列接続された薄膜光電変換モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる薄膜光電変換モジュールは、帯状に形成された複数の薄膜光電変換セルをその短軸方向に集積した構造を有している。かかるモジュールにおいては、ある薄膜光電変換セルの受光面に木の葉や鳥の糞などが付着すると、その光起電力が低下し、延いてはモジュール全体の出力が大幅に低下する。これは、光起電力の低下を生じたセルが、発電方向と逆方向に直列接続されたダイオードとして振る舞い、極めて大きな抵抗値を示すためである。
【0003】
このような問題に対し、特開昭57−53986号公報は、直列接続された複数の薄膜光電変換セルを分割して複数の直列アレイを形成し、これら直列アレイを並列接続することを開示している。これによると、いずれかのセルの光起電力がゼロとなった場合においても、モジュール全体の出力が大幅に低下するのを防止することができる。
【0004】
しかしながら、上記付着物により生ずる問題はこれだけではなく、以下に説明するように、より深刻な問題が存在する。
【0005】
上述した問題を生じた場合に、上記ダイオードとして振る舞うセルに逆方向耐電圧以上の電圧が印加されると、その絶縁破壊が生ずる。そのような状態のセルにおいて電流は均一に流れないため、ホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱を生ずる。
【0006】
このような加熱は、セルを流れる電流が少ない場合には大きな問題とはならない。しかしながら、大面積のモジュールでは一般に出力電流も大きいため、絶縁破壊が生じると上記セル内で局所的に大電流が流れることとなる。その結果、金属電極層が溶融して、最終的にはそのセル自体が破壊されてしまうことがある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高い信頼性を有する薄膜光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するに当り、複数の直列アレイが並列接続された構造において、それぞれのアレイの短絡電流が所定値以下となるように設計することにより、1つの薄膜光電変換セルが全く光起電力を生じない場合においてもそのセルの破壊を十分に防止可能となることを見出した。
【0009】
すなわち、本発明によると、基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が1A以上の薄膜光電変換モジュールであって、前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、前記複数の直列アレイのそれぞれは前記複数の薄膜光電変換セルを縦方向に直列接続してなり、前記一対の共通電極は前記配列構造の縦方向両端部にそれぞれ配置され、前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は250mA以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を250mA以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュールが提供される。
【0010】
光源 :キセノンランプ
放射照度:100mW/cm2
AM :1.5
温度 :25℃
本発明において、複数の薄膜光電変換セルは、それぞれ、基板上に順次形成された第1の電極層と非単結晶シリコン系薄膜光電変換ユニットと第2の電極層とで構成することができる。
【0011】
また、本発明において、複数の薄膜光電変換セルは、通常、基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように設けられる。この場合、複数の直列アレイを複数の薄膜光電変換セルを縦方向に直列接続し、一対の共通電極を上記配列構造の縦方向両端部にそれぞれ配置することができる。
【0012】
また、本発明において、複数の直列アレイのそれぞれの上記条件下での短絡電流は300mA以下であることが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、各図において同様の部材には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【0014】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図である。図1に示す薄膜光電変換モジュール1は、透明基板2上に複数の薄膜光電変換セル10を集積した構造を有している。なお、図1において、これら薄膜光電変換セル10は縦方向に直列接続された複数の直列アレイ11を形成しており、これら直列アレイ11は、リボン状の銅箔等からなる一対の共通電極である電極バスバー12により並列接続されている。
【0015】
図1に示すモジュール1について、図2を参照しながら、さらに詳しく説明する。
図2は、図1に示す薄膜光電変換モジュール1のA−A線に沿った断面図である。なお、図2には、モジュール1の一部のみが描かれている。
【0016】
図2に示すように、モジュール1の薄膜光電変換セル10は、透明基板2上に、透明前面電極層3、薄膜光電変換ユニット4、及び金属裏面電極層5を順次積層した構造を有している。このモジュール1は、透明基板2側から入射する光を光電変換ユニット4により光電変換するものである。
【0017】
図1及び図2に示す光電変換モジュール1において、透明基板2は、ガラス板や透明樹脂フィルム等により構成することができる。
【0018】
透明基板1上に形成される透明前面電極層3は、ITO膜、SnO2膜、或いはZnO膜のような透明導電性酸化物層等で構成することができる。透明前面電極層3は単層構造でも多層構造であってもよい。透明前面電極層3は、蒸着法、CVD法、或いはスパッタリング法等それ自体既知の気相堆積法を用いて形成することができる。
【0019】
透明前面電極層3の表面は、微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有することが好ましい。透明前面電極層3の表面にこのようなテクスチャ構造を形成することにより、光電変換ユニット4への光の入射効率を向上させることができる。
【0020】
透明前面電極層3の上に形成される薄膜光電変換ユニット4は、例えば、図2に示すように、透明前面電極層3上にp型非単結晶シリコン系半導体層41、非単結晶シリコン系薄膜光電変換層42、及びn型非単結晶シリコン系半導体層43を順次積層した構造を有する。これらp型半導体層41、光電変換層42およびn型半導体層43はいずれもプラズマCVD法により形成することができる。
【0021】
p型シリコン系半導体層41は、シリコンまたはシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、ボロンやアルミニウム等のp導電型決定不純物原子をドープすることにより形成されている。
【0022】
p型半導体層41上に形成される光電変換層42は、非単結晶シリコン系半導体材料で形成され、そのような材料には、真性半導体のシリコン(水素化シリコン等)やシリコンカーバイド及びシリコンゲルマニウム等のシリコン合金等が含まれる。また、光電変換機能を十分に備えていれば、微量の導電型決定不純物を含む弱p型もしくは弱n型のシリコン系半導体材料も用いられ得る。
【0023】
光電変換層42上に形成されるn型シリコン系半導体層43は、シリコンまたはシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、燐や窒素等のn導電型決定不純物原子をドープすることにより形成されている。
【0024】
光電変換ユニット上4上に形成される金属裏面電極層5は電極としての機能を有するだけでなく、透明基板2から光電変換ユニット4に入射し裏面電極層5に到達した光を反射して光電変換ユニット4内に再入射させる反射層としての機能も有している。金属裏面電極層5は、銀等を用いて、蒸着法やスパッタリング法等により形成することができる。
【0025】
なお、金属裏面電極層5と光電変換ユニット4との間には、例えば両者の間の接着性を向上させるために、ZnOのような非金属材料からなる透明導電性薄膜(図示せず)を設けることができる。
【0026】
上述した透明前面電極層3、薄膜光電変換ユニット4、及び金属裏面電極層5は、それぞれの成膜後にYAGレーザ等を用いたレーザスクライブにより分割され、図1に示すように格子状に配列した複数の薄膜光電変換セル10を形成している。また、上述したように、これら薄膜光電変換セル10は、相互に並列接続された複数の直列アレイ11を形成している。
【0027】
このような並列構造を採用すると、いずれかのセル10が遮光されてその光起電力が低下したとしても、直列構造のみで構成した場合ほどモジュール1の出力が大幅に低下することはない。また、これら直列アレイ11は、光源にキセノンランプを用い、放射照度を100mW/cm2、AM(Air Mass)を1.5、及び温度を25℃とした場合に、短絡電流が600mA以下となるように設計されている。このように設計した場合、いずれかのセル10の光起電力がゼロになったとしても、そのセル10の金属裏面電極層5が溶融する程度にまで加熱されることはない。したがって、セル10が破壊されるのを防止することができる。
【0028】
直列アレイ11の上記条件下での短絡電流は、300mA以下であることが好ましく、200mA以下であることがより好ましい。直列アレイ11の短絡電流が小さいほど、セル10の破壊をより良好に防止することができる。
【0029】
また、本発明を適用することにより得られる上記効果は、ホットスポット現象が発生した際に高温に加熱されるような条件、すなわち、モジュール1の短絡電流が大きい場合に特に顕著である。したがって、本発明は、モジュール1の上記条件下での短絡電流が1A以上の場合に有効であり、特に短絡電流が1.2A以上の場合により有効となる。
【0030】
同様に、上述した効果は、ホットスポット現象が発生し易い条件、すなわち、これら直列アレイ11の開放電圧が大きい場合に特に顕著である。したがって、これら直列アレイ11のそれぞれの上記条件下での開放電圧が10V以上である場合、或いは、これら直列アレイ11のそれぞれの集積数が12個以上である場合により有効となる。
【0031】
上述した薄膜光電変換セル10の共通電極12に垂直な方向の長さはモジュール1に要求される出力特性等に依存して決定され、例えば、300mmないし1000mmの範囲内に設定される。また、薄膜光電変換セル10の共通電極12と平行な方向の長さは、個々の直列アレイ11の短絡電流に基づいて決定され、例えば、400mm以下とすることにより、個々の直列アレイ11の短絡電流を上記範囲内とすることができる。なお、セル10の共通電極12と平行な方向の長さは、150mm以上であることが好ましい。セル10を過剰に小さくした場合、セル10を得るための分割工程により多くの時間が必要となり、しかも、光電変換に有効な面積が減少する。
【0032】
上述したモジュール1には、通常、その裏面側に、封止樹脂層(図示せず)を介して有機保護フィルム(図示せず)が設けられる。この封止樹脂層は、透明基板2上に形成された各薄膜光電変換セル10を封止するものであり、有機保護フィルムをこれらセル10に接着することが可能な樹脂が用いられる。そのような樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、及び光硬化性樹脂等を挙げることができ、例えば、EVA(エチレン・ビニルアセテート共重合体)、PVB(ポリビニルブチラール)、PIB(ポリイソブチレン)、及びシリコーン樹脂等を用いることができる。
【0033】
有機保護フィルムとしては、ポリフッ化ビニルフィルム(例えば、テドラーフィルム(登録商標名))のようなフッ素樹脂系フィルム或いはPETフィルムのように耐湿性や耐水性に優れた絶縁性フィルムが用いられる。有機保護フィルムは、単層構造でもよく、これらを積層した積層構造であってもよい。さらに、有機保護フィルムは、アルミニウム等からなる金属箔がこれらフィルムで挟持された構造を有してもよい。アルミニウム箔のような金属箔は耐湿性や耐水性を向上させる機能を有するので、有機保護フィルムをこのような構造とすることにより、薄膜光電変換セル10をより効果的に水分から保護することができる。
【0034】
これら封止樹脂/有機保護フィルムは、真空ラミネート法により薄膜光電変換モジュール1の裏面側に同時に貼着することができる。
【0035】
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図である。図3に示す薄膜光電変換モジュール1は、図1のモジュール1と同様に透明基板2上に複数の薄膜光電変換セル10を集積した構造を有しているが、図1のモジュール1とは共通電極12の形状等が異なっている。
【0036】
図3のモジュール1は、3つの領域15a〜15cで主に構成されている。領域15a〜15cのそれぞれでは、複数の直列アレイ11が共通電極12a,12bにより並列接続されている。また、共通電極12a,12bは、領域15a〜15cの全てに共用されている。すなわち、図3のモジュール1では、領域15a〜15cの全ての直列アレイ11が並列接続されている。
【0037】
図3に示すモジュール1では、セル10のサイズを大幅に変更することなく各直列アレイ11の集積数を減少させることができる。したがって、低電圧出力が望まれる場合に特に有用である。
【0038】
上述した各実施形態は、透明基板2上に、透明電極層3、p−i−n接合を有する薄膜光電変換ユニット4、及び金属電極層5を順次積層した構造に関するものであるが、他の構造を採用することもできる。例えば、基板上に、金属電極層、n−i−p接合を有する薄膜光電変換ユニット、及び透明電極層を順次積層した構造を採用することができる。また、薄膜光電変換ユニット4をタンデム型とすることも可能である。
【0039】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例)
図1及び図2に示す薄膜光電変換モジュール1を以下に示す方法により作製した。まず、YAGレーザを用いて基板1の長辺に平行にレーザスキャンすることにより、ガラス基板2の一方の主面に形成されたSnO2膜3をスクライブして複数の帯状パターンに分割した。
【0040】
その後、プラズマCVD法により、SnO2膜3上に、厚さ10nmのp型水素含有非晶質シリコンカーバイド層41、厚さ300nmのi型水素含有非晶質シリコン層42、及び厚さ10nmのn型水素含有微結晶シリコン層43を順次成膜した。なお、p型水素含有非晶質シリコンカーバイド層41は不純物としてボロンをドープされ、i型水素含有非晶質シリコン層42はノンドープであり、n型水素含有微結晶シリコン層43は燐をドープされている。以上のようにして、p−i−n接合を有する薄膜光電変換ユニット4を形成した。
【0041】
次に、YAGレーザを用いて基板1の長辺に平行にレーザスキャンすることにより、この薄膜光電変換ユニット4のスクライブを行い、薄膜光電変換ユニット4を複数の帯状パターンに分割した。
【0042】
次に、薄膜光電変換ユニット4上に、スパッタ法により、厚さ90nmのZnO膜(図示せず)及び厚さ300nmのAg膜5を順次成膜して裏面電極層を形成した。この裏面電極層についても、同様に、YAGレーザを用いたレーザスクライブを行い、複数の帯状パターンに分割した。
【0043】
続いて、YAGレーザを用いて基板2の短辺に平行にレーザスクライブを行い、SnO2膜3、薄膜光電変換ユニット4、及び裏面電極層をそれぞれ基板2の長辺方向に分割した。以上のようにして、縦10mm×横200mmの薄膜光電変換セル10を縦方向に(基板2の短辺に平行に)50段直列接続してなる直列アレイ11を4個形成した。
【0044】
その後、基板2に一対の電極バスバー12を取り付けてこれら直列アレイ11同士を並列接続した。さらに、基板2の直列アレイ11を形成した面に、EVA層(図示せず)を介してフッ素樹脂系シート(商標名:テドラー;図示せず)をラミネートすることによりモジュール1を得た。
【0045】
以上説明した方法で10枚のモジュール1を製造し、それぞれについて、光源としてキセノンランプを用いた放射照度100mW/cm2、AM1.5のソーラーシュミレータを用いて出力特性を調べた。なお、測定温度は25℃とした。
【0046】
その結果、モジュール1の開放電圧は44Vであり、短絡電流は1Aであった。また、それぞれの直列アレイ11については、開放電圧が44Vであり、短絡電流は250mAであった。
【0047】
次に、これらモジュール1をそれぞれ短絡して、上記照射条件下に放置した。なお、このとき、それぞれのモジュール1においては、セル10の1つには光を照射せずに、その光起電力をゼロとした。1分経過後、それぞれのモジュール1についてセル10が破壊されたかどうかを調べた。その結果、全てのモジュール1において、セル10の破壊は見られなかった。
【0048】
(比較例)
基板の短辺に平行にレーザスクライブを行わずに、縦10mm×横800mmの薄膜光電変換セルを縦方向に50段直列接続してなる直列アレイを1個形成したこと以外は上記実施例と同様にして薄膜光電変換モジュールを10枚製造した。
【0049】
これらモジュールについても上記実施例と同様の条件で出力特性を調べた。その結果、モジュールの開放電圧は44Vであり、短絡電流は1Aであった。
【0050】
次に、これらモジュールをそれぞれ短絡して、上記照射条件下に放置した。なお、このとき、それぞれのモジュールにおいては、セルの1つには光を照射しなかった。1分経過後、それぞれのモジュールについてセルが破壊されたかどうかを調べた。その結果、10枚のモジュールにおいてセルの破壊が生じた。
【0051】
【発明の効果】
以上示したように、本発明においては、それぞれの直列アレイの短絡電流が所定値以下となるように設計されるため、1つの薄膜光電変換セルが全く光起電力を生じない場合においてもそのセルの破壊を十分に防止することが可能である。すなわち、本発明によると、高い信頼性を有する薄膜光電変換モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図。
【図2】図1に示す薄膜光電変換モジュールのA−A線に沿った断面図。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図。
【符号の説明】
1…薄膜光電変換モジュール
2…基板
3…透明前面電極層
4…薄膜光電変換ユニット
5…金属裏面電極層
10…薄膜光電変換セル
11…直列アレイ
12…共通電極
Claims (8)
- 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が1A以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記複数の直列アレイのそれぞれは前記複数の薄膜光電変換セルを縦方向に直列接続してなり、
前記一対の共通電極は前記配列構造の縦方向両端部にそれぞれ配置され、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は250mA以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を250mA以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 :キセノンランプ
放射照度:100mW/cm2
AM :1.5
温度 :25℃。 - 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が1A以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記複数の直列アレイの各々は、その開放電圧が10V以上であり、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は250mA以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を250mA以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 :キセノンランプ
放射照度:100mW/cm2
AM :1.5
温度 :25℃。 - さらに、前記複数の直列アレイにおける薄膜光電変換セルの集積数が12個以上である、請求項2に記載の薄膜光電変換モジュール。
- 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が1A以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記薄膜光電変換セルの各々は、前記基板上に積層された透明前面電極層を有し、
前記透明前面電極層の表面は、微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造であり、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は250mA以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を250mA以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 :キセノンランプ
放射照度:100mW/cm2
AM :1.5
温度 :25℃。 - 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が1A以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
薄膜光電変換モジュールの、薄膜光電変換セルが形成された表面に対する裏面側に封止樹脂層を介して有機保護フィルムが配置され、
前記有機保護フィルムは、金属箔と、前記金属箔を挟持した絶縁性フィルムとを有しており、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は250mA以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を250mA以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 :キセノンランプ
放射照度:100mW/cm2
AM :1.5
温度 :25℃。 - 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が1A以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記共通電極と平行な方向の、前記薄膜光電変換セルの長さは、150mm以上400mm以下であり、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は250mA以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を250mA以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 :キセノンランプ
放射照度:100mW/cm2
AM :1.5
温度 :25℃。 - 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が1A以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記直列アレイの各々は、前記複数の薄膜光電変換セルを自己の短軸方向に集積した構造を有し、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は250mA以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を250mA以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 :キセノンランプ
放射照度:100mW/cm2
AM :1.5
温度 :25℃。 - 前記薄膜光電変換セルはタンデム型である、請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の薄膜光電変換モジュール。
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