JP4454322B2

JP4454322B2 - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP4454322B2
Application number: JP2004018868A
Authority: JP
Inventors: 隆柘植
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: JP2005216963A

Description

本発明は太陽電池モジュールに関し、特にその信頼性を向上させた太陽電池モジュールに関するものである。

太陽電池素子は単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いて作製することが多い。このため、太陽電池素子は物理的衝撃に弱く、また野外に太陽電池素子を取り付けた場合に、雨などからこれを保護する必要がある。また、太陽電池素子１枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池素子を直並列に接続して、実用的な電気出力が取り出せるようにする必要がある。このため複数の太陽電池素子を接続して透光性基板とエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材で封入して太陽電池モジュールを作成することが通常行われている。

図４は従来の太陽電池モジュールの受光面側の外観の一例を示した図である。

図４において、１は透光性基板、２は太陽電池素子、３は接続配線、５は結合配線、６はモジュール枠を示す。

太陽電池モジュールは、上述のように複数の太陽電池素子を接続して透光性基板とエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材で封入した太陽電池パネルを作成し、この外周部にモジュール枠８を取り付けて、そのコーナー部分をビス止めしモジュール枠を固定している。

このような太陽電池モジュールにおいて、接続配線３は太陽電池素子２同士を電気的に直列又は並列に接続するために太陽電池素子２の表面電極に接続されるものである。

太陽電池素子２を直線的に直列又は並列に接続したものを太陽電池ストリングと呼んでいる。図４においては、４個の太陽電池素子２により１個のストリングが作成されさらに、４個のストリングを互いに接続することにより太陽電池パネルが造られている。

また、結合配線５は、太陽電池モジュールの外形寸法に太陽電池素子２の配列を合わせるために設けられるものであり、太陽電池ストリングが１つのみの太陽電池モジュールの場合、結合配線５は直列又は並列に接続されている複数の太陽電池素子２の端部の太陽電池素子において、極性の同じ接続配線３同士を繋ぐ。太陽電池ストリングが複数個存在する太陽電池モジュールの場合、結合配線５は直列又は並列に接続されている複数の太陽電池素子２の端部の太陽電池素子において、極性の同じ接続配線３同士を繋ぎ、さらに、この結合配線５を用いて前記複数の太陽電池ストリングを直列又は並列に接続し若しくはこの結合配線５から太陽電池モジュールの電気出力を外部に導出するために設けるものである。

このような接続配線３、結合配線５は通常すべて、厚さ０．１〜１．０ｍｍ程度、幅２〜８ｍｍ程度の銅箔の全面を錫が約６３重量％、鉛が約３７重量％の組成である共晶ハンダでハンダコートしたものを所定の長さに切断して用いている。（特許文献１の従来の技術参照）
この接続配線３と結合配線５の接続は、ハンダコテ等により各々の表面のハンダを溶融させることにより行っている。

この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のようなものがある。
特開２００３−８６８２０号公報

一般に錫が約６３重量％、鉛が約３７重量％の組成である共晶ハンダは、有害な鉛を多量に含有しており、太陽電池モジュールを廃棄した後に環境汚染を引き起こす可能性があるため鉛を使用しないハンダへの転換が検討されている。

この鉛を使用しないハンダにおいて、その成分が主として錫と銀と銅から成るハンダは接合強度は強いが凝固収縮が大きい為、接続配線３の表面を被覆するハンダに錫と銀と銅から成るハンダを使用して、太陽電池素子２と接続配線３をハンダ付けにて接続したとき太陽電池素子に反りが発生し、太陽電池モジュール製造の後工程で接続した太陽電池素子２に圧力をかけたとき、太陽電池素子２に割れや欠けが発生することがあった。

また、この鉛を使用しないハンダにおいて、その成分が主として錫とビスマスと銀から成るハンダは接合強度が弱いため、太陽電池モジュールを１０年以上の長期間に亘って屋外で使用した場合に、接続配線３と結合配線５のハンダ付け部分に温度サイクルによる応力がかかり、この部分にクラックや破断が発生し、太陽電池モジュールの出力が低下することが考えられる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は太陽電池モジュールを廃棄した後に環境汚染を引き起こす鉛の含有したハンダを使用せずに、太陽電池モジュール製造工程で太陽電池素子にワレや欠けが発生することも無くかつ信頼性の向上した太陽電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の太陽電池モジュールは、太陽電池ストリングを形成できるように複数個の太陽電池素子の電極部分を接続した接続配線と、前記太陽電池ストリングの端部の接続配線を接続した結合配線とを備えた太陽電池モジュールであって、前記接続配線と前記結合配線はそれぞれ帯状の金属箔にハンダを略全面に被覆させてなるものであるとともに、前記結合配線とハンダ付けされる前記接続配線及び前記結合配線を被覆しているハンダはその主成分として錫と銀と銅から成り、前記結合配線とハンダ付けされない前記接続配線を被覆しているハンダはその主成分として錫とビスマスと銀から成ることを特徴とする。

また、本発明の他の太陽電池モジュールは、前記結合配線とハンダ付けされる前記接続配線の前記太陽電池素子とハンダ付けされる部分を被覆しているハンダはその主成分として錫とビスマスと銀から成ることを特徴とする。

また、本発明の他の太陽電池モジュールは、前記太陽電池素子の前記接続配線と接続する電極部分を、その主成分として錫とビスマスと銀から成るハンダにより予め被覆させたことを特徴とする。

さらに、本発明の他の太陽電池モジュールは、主成分として錫と銀と銅から成る前記ハンダの組成が銀１．０〜５．０重量％、銅０．４〜７．０重量％、錫残部であり、主成分として錫とビスマスと銀から成る前記ハンダの組成がビスマス２０〜６０重量％、銀０．５〜５重量％、錫残部であることを特徴とする。

本発明に係る太陽電池モジュールによれば、太陽電池ストリングを形成できるように複数個の太陽電池素子の電極部分を接続した接続配線と、前記太陽電池ストリングの端部の接続配線を接続した結合配線とを備えた太陽電池モジュールであって、前記接続配線と前記結合配線はそれぞれ帯状の金属箔にハンダを略全面に被覆させてなるものであるとともに、前記結合配線とハンダ付けされる前記接続配線及び前記結合配線を被覆しているハンダはその主成分として錫と銀と銅から成り、前記結合配線とハンダ付けされない前記接続配線を被覆しているハンダはその主成分として錫とビスマスと銀から成るようにしたことで、太陽電池モジュールの結合配線とハンダ付けされる接続配線及び結合配線を被覆しているハンダはその成分が主として錫と銀と銅であり、接合強度が強いため、接続配線と結合配線のハンダ付け部分に温度サイクルによる応力がかかっても、この部分にクラックや破断が発生することなく、太陽電池モジュールの出力が低下することが無い。

また、この部分に凝固収縮が大きい錫と銀と銅から成るハンダを使用しても、この組成のハンダを被覆した接続配線が接続される太陽電池素子は、太陽電池モジュールの端部に近い太陽電池素子のみでさらにその太陽電池素子の受光面側か裏面側のどちらか一方であるため、太陽電池モジュールの端部以外の太陽電池素子には反りの発生はなく、さらに、外周部の太陽電池素子においても反りは小さくなり、太陽電池モジュール製造の後工程で接続した太陽電池素子に圧力をかけたとき、太陽電池素子に割れや欠けが発生することがほとんど無い。

また、結合配線とハンダ付けされない太陽電池素子同士を接続する接続配線を被覆しているハンダには、その成分が主として錫とビスマスと銀から成るようにしたことにより、凝固収縮が小さいため太陽電池素子と接続配線３をハンダ付けにて接続したときに太陽電池素子の反りの発生が無く、太陽電池モジュール製造の後工程で接続した太陽電池素子に圧力をかけたときでも、太陽電池素子に割れや欠けが発生することが無い。

さらに、結合配線とハンダ付けされない太陽電池素子同士を接続する接続配線を被覆しているハンダに、接合強度が弱い錫とビスマスと銀から成るハンダを使用した場合でも、太陽電池素子の基板と接続配線を取り付ける電極との電極強度より電極と接続配線の接合強度の方が強いため問題は無い。

また、本発明の他の太陽電池モジュールによれば、前記結合配線とハンダ付けされる前記接続配線の前記結合配線とハンダ付けされる部分を被覆しているハンダはその主成分として錫と銀と銅から成り、前記結合配線とハンダ付けされる前記接続配線の前記結合配線とハンダ付けされない部分を被覆しているハンダはその主成分として錫とビスマスと銀から成るようにしたことで、太陽電池素子とハンダ付けする接続配線の被覆ハンダはすべて主成分として錫とビスマスと銀から成るので、太陽電池素子の反りの発生がまったく無く、太陽電池モジュール製造の後工程で接続した太陽電池素子に圧力をかけたときでも、太陽電池素子に割れや欠けが発生することが無い。

また、本発明の他の太陽電池モジュールによれば、前記太陽電池素子の前記接続配線と接続する電極部分を、その主成分として錫とビスマスと銀から成るハンダにより予め被覆させたことで、太陽電池素子への接続配線のハンダ付けが簡単になると共に上述の効果を確実なものにすることができる。

さらに、本発明の他の太陽電池モジュールによれば、主成分として錫と銀と銅から成る前記ハンダの組成が銀１．０〜５．０重量％、銅０．４〜７．０重量％、錫残部であり、主成分として錫とビスマスと銀から成る前記ハンダの組成がビスマス２０〜６０重量％、銀０．５〜５重量％、錫残部であるようにしたことで、上述の効果を確実なものにすることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面を用いて詳細に説明する。

図１は太陽電池素子を接続配線を用いて、二つの太陽電池素子を直列に接続した状態を示したものである。

図１において１１は接続配線、１２ａ、１２ｂは太陽電池素子、１３は太陽電池素子の受光面側バスバー電極、１４はフィンガー電極を示す。

接続配線１１は、銀、銅、アルミニウム、鉄などの良導電性の金属で作製されるが、その導電性やハンダコートのしやすさなどを考慮して、銅で作製されるのが好適である。その厚みは０．１〜０．５ｍｍ程度で、またその幅はハンダ付け時に接続配線１１自身により太陽電池素子１２ａ、１２ｂの受光面に影を作らないように、バスバー電極１３の幅と同じかそれ以下にする。さらに接続配線１１の長さはバスバー電極１３のほぼ全てに重なり、さらに所定の太陽電池素子間の間隔と隣り合う太陽電池素子の非受光面バスバー電極（不図示）に重なるようにする。一般的な１５０ｍｍ角の多結晶シリコン太陽電池素子を使用する場合、接続配線１１の幅は１〜３ｍｍ程度、その長さは１５０〜２５０ｍｍ程度である。接続配線１１が受光面側バスバー電極１３のほぼ全てに重なるようにするのは、その抵抗成分を少なくするためである。

太陽電池素子１２ａ、１２ｂは、例えば厚み０．３〜０．４ｍｍ程度、大きさ１５０ｍｍ角程度の単結晶シリコンや多結晶シリコンで作られている。太陽電池素子１２ａ、１２ｂの内部にはボロンなどのＰ型不純物を多く含んだP層とリンなどのＮ型不純物を多く含んだＮ層が接しているＰN接合が形成されている。バスバー電極１３とフィンガー電極１４は、銀ペーストをスクリーンプリント法などにより形成される。またフィンガー電極１４は幅０．１〜０．２ｍｍ程度で、太陽電池素子の辺に平行に、光生成キャリヤーを収集するため多数本形成される。またバスバー電極１３は収集されたキャリヤーを集電し、接続配線を取り付けるために幅２ｍｍ程度で、フィンガー電極１４と垂直に交わるように２本程度形成される。このようなバスバー電極１３とフィンガー電極１４は、太陽電池素子１２ａ、１２ｂの裏面（非受光面）側にも同様に形成されている。

太陽電池素子１２ａ、１２ｂのバスバー電極１３と接続配線１１のハンダ付けにより直列に接続する方法は次の通りである。

まず、太陽電池素子１２ｂのバスバー電極１３上に、接続配線１１を配置する。この接続配線１１を押さえピンで押さえながら、ホットエアーを吹き付けることやハンダコテを押し当てることにより、太陽電池素子１２ａのバスバー電極１３と接続配線１１の両者のハンダを溶融させ接続する。さらに、この接続配線１１の他端をもう一方の太陽電池素子１２ａの裏面側のバスバー電極（不図示）上に配置し、同様にハンダを溶融させ接続する。この時太陽電池素子１２ａ、１２ｂの間隔は、銅を使用した接続配線では、太陽電池モジュールの発電効率やラミネート時のワレ、カケ、クラックの防止等を考慮して、１〜５ｍｍ程度が好適である。

ここにおいて、太陽電池素子１２ａ、１２ｂの少なくとも接続配線１１の接続されるバスバー電極１３が、その主成分として錫とビスマスと銀から成るハンダにより予め被覆されていることが望ましい。これは太陽電池素子１２ａ、１２ｂのバスバー電極１３に接続配線１１をハンダ付けするときにバスバー電極１３の表面がハンダにより被覆されていないとフラックスの塗布が必要となりさらにハンダ付け後にこのフラックスを洗浄する工程が必要となってしまいその工数が大きく上昇することを防ぐためである。さらにこの太陽電池素子１２ａ、１２ｂのバスバー電極１３を被覆しているハンダのその主成分が、錫とビスマスと銀から成ることにより、後述する接続配線１１と太陽電池素子１２ａ、１２ｂの熱膨張率の差や凝固収縮によるハンダ付け後に発生する反りの発生をなくする効果をより確実なものとすることができる。

図２は太陽電池モジュール内部の太陽電池素子の接続状態を示す図である。図２においては、上記のように５枚の太陽電池素子が直線的に直列接続されたストリングが２個、結合配線を介して直列に接続されている状態を示したものである。

図２において、２０は太陽電池素子、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄはそれぞれ直線的に接続された５枚の太陽電池素子の端部の太陽電池素子を示す。また、２１は結合配線とハンダ付けされない接続配線、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは接続配線の内、一端が太陽電池素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに接続され、他端が結合配線に接続された接続配線を示す。さらに２３ａ、２３ｂ、２３ｃは結合配線を示す。

ここにおいて、結合配線とハンダ付けされない接続配線２１は、銅箔等の微細な部分に発生した酸化物などの理由や切断面でハンダがのらない部分を除いて略全面に、その成分が微量な不純物を除くと主として錫とビスマスと銀から成るハンダで被覆されたものを用いる。これには予め銅箔などをハンダ槽にディピングすることにより、片面２０〜７０ミクロン程度のハンダを被覆し、これを適当な長さに切断して用いる。この主として錫とビスマスと銀から成るハンダで被覆する理由は、この成分のハンダは鉛を含有していないハンダとしては比較的融点が低く、さらに冷却後の凝固収縮が小さいため、接続配線２１と太陽電池素子２０の熱膨張率の差や凝固収縮によるハンダ付け後に発生する反りの発生がほとんどないためである。

上記の主として錫とビスマスと銀から成るハンダの組成は、ビスマス２０〜６０重量％、銀０．５〜５重量％、錫残部のもの（例えば錫４２重量％、ビスマス５７重量％、銀１重量％など）が上述の効果が大きく有効である。

結合配線２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、銀、銅、アルミニウム、鉄などの良導電性の金属で作製されるが、その導電性やハンダコートのしやすさなどを考慮して、銅で作製されるのが好適である。その厚みや幅は太陽電池モジュールの出力などを考慮して決定されるが、厚み０．２〜１．０ｍｍ程度で、幅３〜８ｍｍ程度のものが多い。

さらに、本発明に係る接続配線２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと結合配線２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、略全面がその成分が主として錫と銀と銅から成るハンダにより予め被覆されていることが望ましい。

これはその成分が主として錫と銀と銅から成るハンダは、接合強度が強いため、接続配線２１ｂ、２１ｃと結合配線２３ｃ及び接続配線２１ａ、２１ｄと結合配線２３ａ、２３ｂのハンダ付け部分に温度サイクルによる応力がかかっても、この部分にクラックや破断が発生することなく、太陽電池モジュールの出力が低下することが無い。

また、この部分に凝固収縮が大きい錫と銀と銅から成るハンダを使用しても、この組成のハンダを被覆した接続配線が接続される太陽電池素子は、太陽電池モジュールの端部に近い太陽電池素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄのみでさらにその太陽電池素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの受光面側か裏面側のどちらか一方であるため、太陽電池モジュールの端部以外の太陽電池素子２０には反りの発生はなく、さらに、外周部の太陽電池素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄにおいても、反りは小さくなり、太陽電池モジュール製造の後工程で接続した太陽電池素子２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに圧力をかけたとき、太陽電池素子２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに割れや欠けが発生することがほとんど無い。

また、本発明に係る接続配線２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの太陽電池素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄとの接続部分の被覆ハンダの主成分を錫とビスマスと銀から成るハンダにすることで、太陽電池モジュールのすべての太陽電池素子には反りの発生はなくなり、太陽電池モジュール製造の後工程で接続した太陽電池素子に圧力をかけたとき、太陽電池素子に割れや欠けが発生することが無い。

このような接続配線２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと結合配線２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、予め銅箔などをハンダ槽にディピングすることにより、片面２０〜７０ミクロン程度のハンダを被覆し、これを適当な長さに切断して用いる。

さらに、上記の成分が主として錫と銀と銅から成るハンダは、その組成が銀１．０〜５．０重量％、銅０．４〜７．０重量％、錫残部のもの（例えば錫９８．５％、銀１％、銅０．５％や錫９７．５％、銀２％、銅０．５％や錫９５％、銀１％、銅４％や錫９６．５％、銀３％、銅０．５％や錫９２％、銀２％、銅６％）が上述の効果が大きく有効である。

図３は本発明に係る太陽電池モジュールの太陽電池パネル部の構造の一例を示す図である。

同図において、３１は透光性基板、３２は受光面側封止材、３３は太陽電池素子、３４は裏面側封止材、３５は裏面材、３６は接続配線、３７は結合配線である。

以下、各部材を述べる。

透光性基板３１としては、ガラスやポリカーボネート樹脂などからなる基板が用いられる。

ガラス板については、白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどが用いられるが、一般的には厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが使用される。

他方、ポリカーボネート樹脂などの合成樹脂からなる基板を用いた場合には、厚みが５ｍｍ程度のものが多く使用される。

受光面側封止材３２および裏面側封止材３４は、エチレン−酢酸ビニル共重合体（以下、エチレン−酢酸ビニル共重合体をＥＶＡと略す）から成り、厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状形態のものが用いられる。これらはラミネート装置により減圧下で加熱加圧を行うことで、融着して他の部材と一体化する。

ＥＶＡは、酸化チタンや顔料等を含有させ白色等に着色させてもよい。本発明に係る受光面側封止材３２においては、着色させると太陽電池素子３３に入射する光量が減少し、発電効率が低下する傾向にあり、望ましくは透明材にするとよい。

また、裏面側封止材３４に用いるＥＶＡは透明材により構成するとよいが、その他、太陽電池モジュールの周囲の設置環境に合わせて酸化チタンや顔料等を含有させ、これにより、白色等に着色させてもよい。

太陽電池素子３３は、上述のように厚み０．３〜０．４ｍｍ程度の単結晶シリコンや多結晶シリコン基板などからなる。

接続配線３６は、上記に詳細に述べた構造を有するものである。

裏面材３５は水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シートやアルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）シートなどが用いられる。

また、この裏面材３５の所定の位置にはスリットが設けられ、このスリットから出力配線（不図示）がラミネート前に予めピンセットなどを用いて裏面材の表面に引き出されている。

以上の透光性基板３１、受光面側封止材３２、接続配線３６や結合配線３７を接続した太陽電池素子３３、裏面側封止材３４、裏面材３５を重畳し、ラミネーターと呼ばれる装置にセットし、５０〜１５０Ｐａ程度の減圧下で１００から２００℃程度の温度で１５〜６０分間程度に加熱しながら加圧することにより一体化する。

作製された太陽電池パネル部の裏面に、外部回路接続用のケーブルを具備した端子ボックス（不図示）を接着材などで取り付ける。

さらに太陽電池モジュールとしての必要な強度や太陽電池モジュールを建物等に設置に必要なモジュール枠（不図示）を太陽電池パネル部の外周に嵌め込み、そのコーナー部をネジ止めして太陽電池モジュールが完成する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができる。例えば太陽電池素子は単結晶や多結晶シリコンなどの結晶系太陽電池に限定されるものではなく、薄膜系太陽電池などでも適用可能である。

太陽電池素子を接続配線を用いて、二つの太陽電池素子を直列に接続した状態を示したものである。太陽電池モジュール内部の太陽電池素子の接続状態を示す図である。本発明に係る太陽電池モジュールの太陽電池パネル部の構造の一例を示す図である。従来の太陽電池モジュールの受光面側の外観の一例を示した図である。

符号の説明

１、３１；透光性基板
２、２０、３３；太陽電池素子
３、２１、３６；接続配線
５、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ；結合配線
６；モジュール枠
１１；接続配線
１２ａ、１２ｂ；太陽電池素子
１３；受光面側バスバー電極
１４；フィンガー電極
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ；端部の太陽電池素子
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ；結合配線に接続された接続配線
３２；受光面側封止材
３４；裏面側封止材
３５；裏面材
３７；結合配線

Claims

太陽電池ストリングを形成できるように複数個の太陽電池素子の電極部分を接続した接続配線と、前記太陽電池ストリングの端部の接続配線を接続した結合配線とを備えた太陽電池モジュールであって、前記接続配線と前記結合配線はそれぞれ帯状の金属箔にハンダを略全面に被覆させてなるものであるとともに、前記結合配線とハンダ付けされる前記接続配線及び前記結合配線を被覆しているハンダはその主成分として錫と銀と銅から成り、前記結合配線とハンダ付けされない前記接続配線を被覆しているハンダはその主成分として錫とビスマスと銀から成ることを特徴とする太陽電池モジュール。
前記結合配線とハンダ付けされる前記接続配線の前記太陽電池素子の電極部分とハンダ付けされる部分を被覆しているハンダはその主成分として錫とビスマスと銀から成ることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記太陽電池素子の前記接続配線と接続する電極部分を、その主成分として錫とビスマスと銀から成るハンダにより予め被覆させたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
主成分として錫と銀と銅から成る前記ハンダの組成が銀１．０〜５．０重量％、銅０．４〜７．０重量％、錫残部であり、主成分として錫とビスマスと銀から成る前記ハンダの組成がビスマス２０〜６０重量％、銀０．５〜５重量％、錫残部であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。