JP4338159B2

JP4338159B2 - 薄膜系太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP4338159B2
Application number: JP28658299A
Authority: JP
Inventors: 正隆近藤
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: JP2001111075A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池モジュールに関し、特に、薄膜系太陽電池モジュールのガラス基板特性の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、太陽光発電に用いられる太陽電池モジュールには、大別して、単結晶系モジュールと薄膜系モジュールとがある。
【０００３】
単結晶系太陽電池モジュールでは、そのモジュールの大きさの板ガラス（前面カバーガラス）上に、小面積の単結晶半導体ウェハを用いて形成された太陽電池セルが２０〜３０枚程度接合配置されて相互配線されている。そして、それらの単結晶セルの背面は、ＥＶＡなどの周知の充填剤およびテドラ（登録商標）などの周知の保護フィルムを用いて封止されて保護されている。
【０００４】
他方、薄膜系太陽電池モジュール（基板一体型モジュール）では、そのモジュールの大きさを有していて前面カバーガラスを兼ねるガラス板上に、直接に透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層が順に積層されている。これらの層は気相堆積とレーザスクライブなどによるパターニングとを利用して複数のセルに分割されているとともに電気的に相互接続（集積化）されており、これによって所望の電圧と電流の出力が得られる。薄膜系太陽電池モジュールの背面保護については、単結晶系太陽電池モジュールの場合と同様の充填剤と保護フィルムが用いられ得る。
【０００５】
なお、薄膜系太陽電池モジュールは、単結晶系太陽電池モジュールに比べて、大面積化が容易でありかつ低コストで製造し得るという利点を有している。近年における大面積の薄膜系太陽電池モジュールの寸法形状を例示すれば、たとえば約９０ｃｍ×４５ｃｍの長方形の平面的形状を有するものが製造され得る。
【０００６】
ところで、一般にガラスといえば、ソーダライムガラス（ソーダ石灰ガラス）を意味し、これを単にソーダガラスまたは石灰ガラスと呼ぶこともある。ソーダライムガラスは、ＳｉＯ₂のみからなる石英（シリカ）ガラスに約１０〜２０％のＮａ₂Ｏと約５〜１５％のＣａＯを混入させてその構造を弱くしたものと考えることができる。すなわち、ソーダライムガラスは石英ガラスに比べてはるかに低い軟化温度を有し、容易に板ガラスに加工することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の単結晶系太陽電池モジュールでは、複数の単結晶セルが接合される前面カバーガラスとして、優れた機械的強度特性の観点から一般に強化板ガラスが用いられる。強化板ガラスは、通常の板ガラスを６００℃程度の軟化点近くまで加熱した後に、冷たい空気を急速かつ均一に吹き付けることによって強化される。すなわち、急冷によってガラスの表面だけが硬化し、その後に内部が冷却するので、その内部収縮のために表面に圧縮応力が生じる。この表面に残留する圧縮応力によって、強化板ガラスは、通常の板ガラスに比べて、曲げ応力や衝撃応力に関して５倍程度の優れた機械的強度特性を発揮するのである。
【０００８】
他方、前述のように、薄膜系太陽電池モジュールにおいては、前面カバーガラスを兼ねるガラス基板上に直接に透明導電性酸化物（ＴＣＯ）の電極層が形成される。ＴＣＯとしては、ＳｎＯ、ＩＴＯ（インジウム・錫酸化物）、ＺｎＯなどが用いられ、一般に熱ＣＶＤ法によってそのＴＣＯ電極層が形成される。そして、この熱ＣＶＤ法においてはガラス基板が５００〜６００℃程度に昇温されるので、ガラス基板として上述の強化ガラスを用いたとしても、その強化ガラスの残留歪みがアニールされて強化効果が消失してしまう。また、ＴＣＯ電極層を形成した後に急冷してガラス基板を強化することも考えられるが、そうすればＴＣＯ電極層の抵抗率の増大のように太陽電池モジュールの電気的特性の低下をもたらすという問題を生じる。したがって、薄膜系太陽電池モジュールでは、前面カバーガラスを兼ねるガラス基板として通常のソーダライムガラス板が用いられている。
【０００９】
ところで、太陽電池モジュールはその周縁部がアルミのような金属製のフレームに固定されたり、家屋の屋根上に配置された金属製支持レールに固定される。したがって、太陽電池モジュールが太陽光を受ければ、その太陽光エネルギのうちで電気エネルギに変換され得なかった部分は熱エネルギに変換されて太陽電池モジュールの温度が上昇し、たとえば７０〜８０℃にも達し得る。
【００１０】
このとき、太陽電池モジュールの周縁部は、放熱効果を生じ得る金属製フレームまたはレールに固定されているので、温度上昇が抑制される。その結果、太陽電池モジュールの周縁部は熱膨張した内側の主要部から引張応力を受けることになる。特に、近年におけるように太陽電池モジュールの面積が大きくなれば、太陽電池モジュールの内側主要部と周縁部とにおける熱歪みの絶対量が増大する。したがって、強化ガラスをカバーガラスとして用いる単結晶系太陽電池モジュールと異なって、通常のガラス基板を用いる薄膜系太陽電池モジュールでは、その周縁部からガラス基板が熱歪によって破壊することが起こり得るという問題が生じてきた。
【００１１】
このような先行技術における課題に鑑み、本発明は、薄膜系太陽電池モジュールのガラス基板特性を改善することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による薄膜系太陽電池モジュールは、第１と第２の主面を有していてソーダライムガラスからなるガラス基板と、そのガラス基板の第１主面上に形成されていてガラス基板より高い硬度を有する酸化物保護被膜と、ガラス基板の第２主面上に順次に積層された透明導電性酸化物電極層、半導体光電変換層、および裏面金属電極層とを含むことを特徴としている。
【００１３】
ガラス基板より高い硬度を有する酸化物保護被膜の材質としては、ＳｎＯ、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、およびＳｉＯ₂から選択された１つまたはそれらの複合酸化物が好ましく用いられ得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に示された模式的な断面部分図を参照しつつ、以下において本発明の実施の形態の一例による薄膜系太陽電池モジュールを説明する。
【００１５】
図１の薄膜系太陽電池モジュールにおいては、まず、ソーダライムガラス基板１の第１主面上にそのガラス基板より高い硬度を有する酸化物保護被膜２が形成される。ガラス基板より高い硬度を有するそのような酸化物保護被膜の材質としては、たとえばＳｎＯ、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、およびＳｉＯ₂から選択された１つまたはそれらの複合酸化物を用いることができる。また、そのような酸化物保護被膜は、たとえば熱ＣＶＤ法、スパッタリング法、有機金属塗料を塗布した後の焼成などのように、公知の種々の方法で形成することができる。なお、保護被膜として酸化物が望まれるのは、ガラス基板が酸化物であってその酸化物被膜との間で強固な結合力を生じ得るからである。
【００１６】
ソーダライムガラス基板１の第２主面上には、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層３、半導体光電変換層４、および裏面金属電極層５が順次に積層される。
【００１７】
ＴＣＯ電極層３の材質としては、ＳｎＯ、ＩＴＯ（インジウム・錫酸化物）、ＺｎＯなどが用いられ得る。また、このようなＴＣＯ電極層３は、たとえば熱ＣＶＤ法によって好ましく形成され得る。ＴＣＯ電極層３上には、非晶質および／または微結晶を含む半導体薄膜光電変換層４が、たとえば周知のプラズマＣＶＤ法を利用して形成され得る。半導体光電変換層４上には、たとえば銀などからなる裏面電極層３が、たとえば蒸着法などによって形成され得る。
【００１８】
図１に示されているようなガラス基板１より高い硬度を有する酸化物保護被膜２を含む薄膜系太陽電池モジュールは以下のような特徴を有している。
【００１９】
通常のソーダライムガラス基板は一般に硬度が５程度であって、高くても６程度までである。すなわち、ソーダライムガラス基板は、シリカガラスの硬度７に比べてかなり低い硬度を有している。したがって、屋外に設置された通常の薄膜系太陽電池モジュールのガラス基板の表面は、シリカやアルミナのような硬質微粒子を含む砂によって微細な傷を受けやすい。このような微細な傷は基板表面上における汚れの付着を助長し、太陽電池モジュールの光電変換効率を低下させる。
【００２０】
しかし、図１に示されているように硬度の高い酸化物保護被膜２を有する薄膜系太陽電池モジュールにおいては、ガラス基板１の外表面における砂による微細な傷付きを防止し、そのような微細な傷による汚れの付着を防止することができる。その結果、ガラス基板表面における汚れによる太陽電池モジュールの光電変換効率の低下を防止することができる。
【００２１】
また、ガラスのような脆性材料では、グリフィスの破壊理論から推測されるように、表面の微細な傷やマイクロクラックがガラス基板の破壊の開始点となり得ると考えられる。したがって、通常の薄膜系太陽電池モジュールにおいては、そのガラス基板の製造時においてその基板表面にマイクロクラックが導入されていることがあり、さらに硬質微粒子を含む砂によって表面に微細な傷を生じている場合がある。そのようにガラス基板の表面に微細な欠陥を含む薄膜系太陽電池モジュールが太陽熱によって熱せられた場合に、金属製のフレームや支持レールによって放熱されるガラス基板周縁部においては、その内側の主要部の熱膨張から受ける引張応力に基づいて、それらの微細な欠陥を起点としてガラス基板の破壊を生じることがある。
【００２２】
しかし、図１に示されているような酸化物保護被膜を有する薄膜系太陽電池モジュールにおいては、ガラス基板２の外表面がそのガラス基板と結合力の高い高硬度の酸化物保護被膜によって覆われている。したがって、ガラス基板１の製造時に導入されたマイクロクラックがガラス基板１の表面に存在していたとしても、それらのマイクロクラックは酸化物保護被膜２によって埋め合わされることとなり、破壊の開始点として働き得なくなる。さらに、ガラス基板１は高硬度の酸化物保護被膜２によって保護されているので、硬質粒子を含む砂によって表面に微細な傷を受けることもない。その結果として、図１に示されているような薄膜系太陽電池モジュールが太陽熱によって昇温されたときに、その中央部と金属製フレームまたはレールによって冷却される周縁部との間に熱歪みが生じたとしても、破壊の開始容易点としての微細な傷やマイクロクラックが存在しないので、そのような熱応力によるガラス基板の破壊が防止されることになる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、薄膜系太陽電池モジュールにおいてソーダライムガラス基板１の外表面にその基板より高い硬度を有する酸化物保護被膜が形成されているので、硬質粒子を含む砂などによるガラス基板の傷付きを防止することができるとともに汚れ防止の効果をも発揮し、さらに太陽熱による昇温時におけるガラス基板の熱応力による破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例による薄膜系太陽電池モジュールを示す模式的な断面部分図である。
【符号の説明】
１ソーダライムガラス基板、２ガラス基板１より高い硬度を有する酸化物保護被膜、３透明導電性酸化物電極層、４半導体薄膜光電変換層、５裏面金属電極層。

Claims

第１と第２の主面を有していてソーダライムガラスからなるガラス基板と、
前記ガラス基板の前記第１主面上に形成されていて前記ガラス基板より高い硬度を有する酸化物保護被膜と、
前記ガラス基板の前記第２主面上に順次に積層された透明導電性酸化物電極層、半導体光電変換層、および裏面金属電極層とを含むことを特徴とする薄膜系太陽電池モジュール。
前記酸化物保護被膜は、ＳｎＯ、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、およびＳｉＯ₂から選択された１つまたはそれらの複合酸化物からなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜系太陽電池モジュール。