JP4585652B2 - Photovoltaic element and method for producing photovoltaic element - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光起電力素子に関する。より詳細には、従来より高効率を得る為の集電電極構造を有する光起電力素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光起電力素子を応用した太陽電池は、火力発電、水力発電などの既存の発電方法の問題を解決する代替エネルギー源として注目されている。
【0003】
太陽電池の種類としては、結晶系太陽電池、アモルファス系太陽電池、化合物半導体太陽電池等、多種にわたる太陽電池が研究開発されているが、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く、また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】
アモルファスシリコン太陽電池の構成としては、例えば、ステンレス等からなる導電性基板の表面上に、裏面電極、半導体層、受光面電極を順次積層した構造が公知である。この受光面電極は、例えば透明導電性酸化物によって形成される。
【0005】
更に、前記受光面電極の表面上には、電流を集めるための細い金属からなる集電電極が配設される。前記集電電極は、太陽電池の光入射面側に設けられるため、その面積はいわゆるシャドウロスとなり、太陽電池の発電に寄与する有効面積が減少することとなる。この理由から、前記集電電極は、比較的細い櫛状に形成されることが多い。すなわち、前記集電電極は、通常細くかつ長い形状となるため、電気抵抗が小さくなるような材料選定、及び、断面形状の設計が要求される。
【0006】
また更に、前記集電電極の表面上には、前記集電電極によって集められた電流を集めるために、バスバー電極と呼ばれる電極が形成される。バスバー電極は、前記集電電極に比べてより太い金属で作製される。
【0007】
上記電極の例としては、特開平08−236796号公報に金属ワイヤを使用した集電電極が開示されている。図6にその一例の概略図を示す。
【0008】
図6において、601は光起電力素子であり、例えばステンレス基板上に裏面電極層、半導体層、透明電極層が順次形成されており、602は光起電力素子エッジでのショートの影響を回避する為に透明電極層を除去したラインである。603は集電電極であり、直径50〜300μmの金属ワイヤ604の周囲を導電性ぺースト605等でコーティングしたものが、透明電極層上に圧着されている。ここで導電性ぺーストとしては、光起電力素子面のピンホール等に直接接触しても出力低下につながるようなショートの無きこと、及び金属マイグレーションしないことという制約から、比抵抗10-1〜102Ωcm程度のカーボンペーストや導電性酸化物ぺーストなどが必須である。606はさらなる集電の為のバスバー電極と呼ばれるもので、ワイヤ電極603で集められた電流を光起電力素子外に取り出す目的で設置されており、材質としては例えば銅の箔材が使用されている。尚、ワイヤ電極603とバスバー電極606の接続はワイヤ周囲の導電性ぺースト605を用いて接着接続されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の構成で、太陽電池の変換効率としては8〜10%程度が実用化レベルであるが、近年、太陽電池の変換効率の向上は非常に目覚しいものがある。とりわけ効率を決定するパラメータの中でも、短絡電流(所謂Isc)が改善され、10%を超えるような半導体層(半導体膜)が開発されている。具体的なIscの値としては、従来真性値で6〜10mA/cm2であったものが、最近では10mA/cm2を超える値となっている。しかしながら電流が向上した場合の大きな問題点は、電流が通過する電極部分での発電ロスが電流量の2乗に比例して増加してしまう点である。すなわち、高効率の半導体層(半導体膜)ができたとしても、発生した電流を取出す際に、抵抗の大きい部分での発電ロスが大きくなってしまい、本来の半導体層の持つ実力の変換効率が大幅にダウンしてしまう点である。従って、太陽電池においては、その発生電流量に応じて、適宜集電形態を考慮していく必要が生じる。
【0010】
従来、特開平08−236796号で提案した集電形態においては、とりわけバスバー電極とワイヤー電極の接合部が、前述の理由によりカーボンペーストのような比抵抗の比較的高い材料で形成されている為、抵抗が高い部分であった。その為、電流量の向上に伴い、接合部での抵抗ロスが大きくなり、所定の変換効率が出ないという問題が生じていた。
【0011】
よって本発明の目的は、上記の問題点を解決する為に、バスバー電極とワイヤ電極の接合部を改善した形態を有する光起電力素子を提供し、変換効率の高い光起電力素子を提供することにある。また、その製造方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意研究開発を重ねた結果、次のような光起電力素子及びその製造方法が最適であることを見いだした。
【0013】
すなわち本発明の光起電力素子は、導電性被覆層を有する金属ワイヤからなる集電電極と、前記集電電極と接続された金属バスバーとを有する光起電力素子において、前記金属ワイヤの前記導電性被覆層に覆われていない部分と前記金属バスバーの間の接続部が、前記導電性被覆層よりも比抵抗の小さい導電材によって形成されていることを特徴とする。かかる構成によれば、金属ワイヤ/金属バスバー間の抵抗値を従来よりも低くすることができ、発電ロスが低減し、変換効率を従来の電極構成よりも大幅に向上することができる。
【0014】
また、前記導電材の比抵抗が前記導電性被覆層の比抵抗の1/500以下であることを特徴とする。かかる構成によれば、発電ロスによる変換効率の低下を充分抑制することが可能となる。
【0015】
また、前記導電材が導電性接着剤であることを特徴とする。かかる構成によれば、ワイヤ/バスバー間という複雑な形状部に容易になじませることができる為、安定した接合が可能となる。
【0016】
また、前記導電性接着剤を構成する導電フィラーが、銀もしくは銅もしくはニッケルを主成分とすることを特徴とする。かかる構成によれば、上記条件を容易にクリアできると共に、接合部での抵抗ロスを無視できる程に低減することが可能である。
【0017】
また、前記導電性接着剤を構成する樹脂成分が、アクリル樹脂もしくはエポキシ樹脂を主成分とすることを特徴とする。かかる構成によれば、接合部の耐湿安定性が増す。特にアクリル樹脂の場合には、柔軟性がある為に機械的な繰り返し曲げ強度に対して耐性のあるものとなり、フレキシブルな太陽電池にも使用可能である。
【0018】
また、前記導電材が厚み方向に導電性を有する高分子膜であることを特徴とする。かかる構成によれば、導電性接着剤と同様にワイヤ/バスバー間という複雑な形状部に容易になじむことができる為、安定した接合が形成できる。
【0019】
また、前記導電性被覆層の比抵抗が0.1Ωcm以上100Ωcm以下であることを特徴とする。かかる構成によれば、従来と同様に、セル内でのショート発生に対する封止機能を有し、かつ、光起電力素子表面に設けられる透明電極層と金属ワイヤ間の電気抵抗ロスを無視しうる範囲とすることができる。
【0020】
また、前記導電性被覆層を構成する導電フィラーが、カーボンもしくはグラファイトであることを特徴とする。かかる構成によれば、従来と同様、光起電力素子面でのマイグレーションの問題を抑制することができ、薄膜タイプの光起電力素子にも使用することが可能となる。
【0021】
本発明の光起電力素子の製造方法は、導電性被覆層を有する金属ワイヤからなる集電電極と、前記集電電極と接続された金属バスバーとを有する光起電力素子の製造方法において、前記集電電極の前記導電性被覆層の少なくとも一部を除去することによって前記金属ワイヤを露出する工程と、該露出部に前記導電性被覆層よりも比抵抗の小さい導電材を配する工程と、前記導電材を介して前記金属ワイヤと対向する位置に金属バスバーを配置する工程と、前記導電材を加熱又は/及び加圧をすることにより前記金属ワイヤと前記金属バスバーを接続する工程と、を有することを特徴とする。かかる構成によれば、導電性被覆層の少なくとも一部を除去することによって金属ワイヤを露出し、その露出部に導電性被覆層よりも比抵抗の小さい導電材を配し、さらにその部分にバスバー電極を配置した為、確実に、かつ安定的に抵抗を下げることができる。
【0022】
また、前記導電性被覆層の除去がエネルギービームを照射することにより行われることを特徴とする。かかる構成によれば、導電性被覆層の除去が簡便であり、量産向きの製造方法となる。
【0023】
また、前記導電性被覆層を構成する導電フィラーが、カーボンもしくはグラファイトであることを特徴とする。かかる構成によれば、光ビーム照射時の吸収効率が高まる為、導電性被覆層を除去しやすくなり、金属ワイヤを確実に、かつ効率よく露出することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施態様例を詳細に説明する。
【0025】
まず、本発明の光起電力素子を図1を用いて詳述する。
【0026】
図1は、本発明の集電電極とバスバー電極の関係を示す一例の概略図であり、図1中(a)は光起電力素子の正面図、(b)はAA’断面図を示している。
【0027】
図中101は光起電力素子、102は光起電力素子表面に設けられた透明電極層のエッチングラインを表す。また、103は集電電極であり、本発明においては金属ワイヤ104の周囲を導電性被覆層105でコーティングされたものが用いられている。また、106は金属バスバーを表しており、この金属バスバー106と金属ワイヤ104との接続部には、導電性被覆層105よりも比抵抗の小さい導電材107が配置されている。この導電材107の存在により、金属ワイヤ104と金属バスバー106間の抵抗を小さくすることができる。また、108は透明電極層のエッチングライン102の外の領域で金属ワイヤ104と光起電力素子101とを絶縁する為の絶縁部材を表している。
【0028】
以下に、各項目毎に説明を加える。
【0029】
(集電電極)
本発明に係る集電電極としては、例えば、図2及び図3に示したものが挙げられる。図2の集電電極は、金属ワイヤ201が1種類の導電性被覆層202でコーティングされた場合である。図3の集電電極は、金属ワイヤ301が2種類の導電性被覆層、すなわち、第1被覆層302と第2被覆層303でコーティングされた場合である。
【0030】
金属ワイヤ201及び301は、線材として工業的に安定に供給されているものが好ましい。また、金属ワイヤ201及び301の材質としては、比抵抗が10-4Ωcm以下の金属を用いることが望ましい。例えば、銅、銀、金、白金、アルミニウム、モリブデン、タングステン等の材料が、電気抵抗が低いため好適に用いられる。中でも銅、銀、金が電気抵抗が低く望ましい。また、前記金属ワイヤはこれらの合金であっても良い。
【0031】
更に、所望に応じて前記金属ワイヤの表面に腐食防止、酸化防止、導電性樹脂との接着性向上、電気的導通の改良などの目的から、薄い金属層を形成しても良い。金属ワイヤの表面に設ける金属層としては、例えば、銀、パラジューム、銀とパラジュームの合金、金などの腐食されにくい貴金属や、ニッケル、スズなどの耐食性の良い金属が挙げられる。中でも金、銀、スズが湿度などの影響を受けにくいため、金属層として好適に用いられる。金属ワイヤの表面に設ける金属層の形成方法としては、例えば、メッキ法、クラッド法が好適に用いられる。
【0032】
前記金属ワイヤの断面形状は、円形であっても矩形であっても良く、所望に応じて適宜選択される。前記金属ワイヤの直径は、電気抵抗ロスとシャドウロスの和が最小となる様に設計して選択される値である。具体的には、例えばJIS−C−3202に示されるエナメル線用の直径25μmから1mmまでの銅線が好適に用いられる。より好ましくは、その直径を25μmから200μmとすることで光電変換効率の良い光起電力素子が得られる。25μmより細い場合は、ワイヤが切れ易く製造が困難となり、また、電気ロスも大きくなる。また、200μm以上の場合は、シャドウロスが大きくなったり、又は、光起電力素子表面の凹凸が大きくなって表面被覆層に使用するEVA(エチレンビニルアセテート)などの充填材を厚くしなければならなくなる。
【0033】
前記金属ワイヤは、公知の伸線機によって所望の直径に成型して作られる。伸線機を通過した金属ワイヤは硬質であるが、伸び易さや曲げ易さなどは、所望の特性に応じて公知の方法でアニールし、軟質にして用いても良い。
【0034】
図2で示す導電性被覆層202は単層構成の被覆層であり、熱硬化性導電性接着剤あるいは熱可塑性導電性接着剤により形成される。これらは、熱圧着工程により集電電極本体と光起電力素子基板とを機械的、電気的に接続する機能を持つ。
【0035】
一方、図3で示す導電性被覆層は、2層構成の被覆層であり、第1被覆層302と第2被覆層303から成る。第1被覆層302は熱硬化性導電性接着材により形成され、金属ワイヤ301の保護、機械的、電気的な接続を行う。また、金属ワイヤ301によるマイグレーションを防止し、さらに集電電極から光起電力素子の欠陥部分に流れ込む電流を抑制する機能を持つ。第2被覆層303もまた熱硬化性導電性接着材により形成され、熱圧着工程により集電電極本体と光起電力素子基板とを機械的、電気的に接続する機能を持つ。第2被覆層303を構成する導電性接着剤は被覆後に未硬化の状態としておき、接着工程を経た後硬化処理をする方が望ましい。
【0036】
導電性被覆層202、302、303は、導電性接着剤から成り、導電性粒子と高分子樹脂とを分散して得られる。これらの導電性接着材の比抵抗としては、光起電力素子によって発生する電流を集電するのに無視しうる抵抗であり、かつ、シャントが生じない様に適度な抵抗値とすることが必要であり、具体的には0.1Ωcm以上100Ωcm以下程度が好ましい。0.1Ωcmより小さい場合はシャント防止機能が少なくなり、100Ωcmより大きい場合は電気抵抗ロスが大きくなるためである。
【0037】
導電性粒子は、導電性を付与するための顔料であり、その材料としては、例えば、カーボンブラック、グラファイトなどやIn23,TiO2,SnO2,ITO,ZnO及び前記材料に適当なドーパントを添加した酸化物半導体材料等が好適に用いられる。これらの材料はマイグレーション性が少ない為、例えば薄膜系の半導体層を有する太陽電池においても使用可能である。特に、カーボンブラック及びグラファイトを導電性粒子として使用した場合には、接着剤自体が黒色化する為、後述する製造工程での光ビームの吸収がよくなり、金属ワイヤの露出が容易となる為、好適である。
【0038】
前記導電性粒子の粒径は、形成する前記被覆層の厚みよりも小さくする必要があるが、小さすぎると粒子同士の接触点での抵抗が大きくなるため所望の比抵抗が得られなくなる。この様な事情から前記導電性粒子の平均粒径としては0.02μm以上15μm以下が好ましい。また、異なる2種類以上の導電性粒子を混合して、比抵抗や導電性樹脂内での分散度を調節しても良い。
【0039】
前記導電性粒子と前記高分子樹脂とは、所望の比抵抗を得るため好適な比率で混合されるが、導電性粒子を増加すると比抵抗は低くなるが樹脂の比率が少なくなるため塗膜としての安定性は悪くなる。また、高分子樹脂を増加すると導電性粒子同士の接触が不良となり高抵抗化する。従って、良好な比率は、用いる高分子樹脂と導電性粒子及び所望の物性値によって適宜選択されるものである。具体的には、導電性粒子が5体積%から95体積%程度とすることで良好な比抵抗が得られる。
【0040】
高分子樹脂としては、金属ワイヤに塗膜を形成し易く、作業性に優れ、柔軟性があり、耐候性が優れた樹脂が好ましい。このような特性をもつ高分子樹脂としては、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂がある。
【0041】
熱硬化性樹脂としては、例えば、ウレタン、エポキシ、フェノール、ポリビニルホルマール、アルキド樹脂あるいはこれらを変性した樹脂等が好適な材料として挙げられる。とりわけ、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂はエナメル線用絶縁被覆材料として用いられており柔軟性や生産性の面で優れた材料である。しかも、耐湿性、接着性の面でも光起電力素子の集電電極用材料として好適に用いられる。
【0042】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ブチラール、フェノキシ、ポリアミド、ポリアミドイミド、メラミン、アクリル、スチレン、ポリエステル、フッ素などが好適な樹脂として挙げられる。とりわけ、ブチラール樹脂、フェノキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂が、柔軟性、耐湿性、接着性の面で優れた材料であり、光起電力素子の集電電極用材料として好適に用いられる。
【0043】
尚、導電性接着剤中には、金属との密着性を向上させる等の目的で、例えばカップリング剤のような添加剤が混入してあっても何ら構わない。
【0044】
導電性被覆層の厚みとしては、適宜選択して構わないが、5μm以上30μm以下の範囲が好ましい。5μmより薄い厚みの場合は、均一にコーティングすることが難しくピンホールが発生し易くなると同時に、接着層としての機能が不足することがある。また、30μm以上の厚みではシャドーロスが極端に大きくなってくる為、5〜30μm程度が好適である。
【0045】
(金属バスバー)
本発明に係る金属バスバー106は、集電電極103を流れる電流を更に一端に集める為の集電部である。このような観点から、金属バスバーに使用する材料としては、比抵抗が低く、かつ工業的に安定して供給されている材料が望ましい。
【0046】
このような材料としては、加工性が良く、安価な銅が好適に用いられる。また、銅を用いる場合には、腐蝕防止、酸化防止等の目的で、表面に薄い金属層を設けてもよい。この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、または金などの腐蝕されにくい貴金属や、ニッケル、半田、錫などの耐食性の良い金属が好適に用いられる。表面金属層の形成方法としては、例えば作成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。
【0047】
金属バスバーの厚みは、50μm以上200μm以下が好ましい。50μm以上とすることで、光起電力素子の発生電流密度に充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することができる。一方、金属バスバーは厚くするほど抵抗ロスを小さくすることができるが、200μm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。
【0048】
金属バスバーは、光起電力素子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。また、ここで用いる金属バスバーは、設ける対象となる光起電力素子の大きさとほぼ同程度の長さを有するものが好ましい。形状に関しても特に制限はなく、箔状、円柱状等を用いることができる。
【0049】
(導電材)
導電材107は、金属ワイヤ104と金属バスバー106間に配され、金属ワイヤから金属バスバーに流れ込む電流の経路として機能すると同時に、機械的な接着機能を有するものである。従って、非常に低抵抗であって、かつ金属との接着性が良好であることが好まれる。
【0050】
導電材の比抵抗としては、ワイヤから電流が流れ込んだ際に、電力ロスが無視できる程度の抵抗であることが必要であり、かつ、導電性被覆層よりも低抵抗であることが要求される。電力ロスを無視できるレベルにする為には、導電材の比抵抗を導電性被覆層の比抵抗の1/500以下とすることで効果は得られ、導電材の具体的な比抵抗としては1×10-5Ωcm以上1×10-3Ωcm以下程度が好ましい。
【0051】
導電材107は、金属ワイヤと金属バスバーの間を接続する全ての領域に設けることが最も低抵抗となり好ましい。しかしながら、一部の領域に設けるだけでもその効果は生じる。
【0052】
上記条件を満たす導電材としては様々な材料が挙げられるが、とりわけ導電性接着剤や、厚み方向に導電性を有する高分子膜(所謂、異方性導電膜)が望ましい。これらの材料を使用した場合には、金属ワイヤ/金属バスバー間という複雑な形状部分になじみよく配置可能である為、安定的に低抵抗接合が可能となる。
【0053】
導電材107が導電性接着剤である場合には、導電性被覆層と同様、導電性粒子と高分子樹脂とを所望の比率で分散して得られる。
【0054】
導電性粒子としては、上記比抵抗を実現できる粒子であれば特に制限はなく、金、銀、銅、ニッケル等を主成分とする通常の金属フィラを用いることができる。中でも、できるだけ比抵抗を小さくする目的と、コスト的な兼ね合いから銀、銅、ニッケルを主成分とすることが好適である。
【0055】
また、樹脂成分としては、上述のように金属との接着性が良好であるとともに、耐候性、耐湿性に優れた樹脂として、例えば、ウレタン、エポキシ、フェノール、ブチラール、アクリル、ポリエステルなどが好適な材料として挙げられる。とりわけ、本発明者の耐湿性に関する実験結果から、エポキシ樹脂とアクリル樹脂が好ましいが、それ以外にも柔軟性の観点からアクリル樹脂がより好ましい材料である。
【0056】
尚、導電性接着剤中には、金属との密着性を向上させる等の目的で、例えばカップリング剤のような添加剤が混入してあっても何ら構わない。
【0057】
また、導電材107が異方性導電膜である場合においても、導電性接着材と同様、安定性に優れた接合部を提供することができる。
【0058】
(光起電力素子)
本発明は、集電電極とバスバー部の接合形態に関する発明であることから、本発明における光起電力素子には特に何ら限定はなく、単結晶、薄膜単結晶、多結晶、薄膜多結晶、アモルファスシリコン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、ショットキー型の太陽電池にも適用可能である。
【0059】
また、電流の観点からは、どのような電流密度を有する太陽電池においてもその効果は少なからず現れるが、とりわけ真性のIscが10mA/cm2以上の太陽電池に関して効果が大きい。
【0060】
ここでは代表例として、金属ワイヤが集電電極としてよく使用されるアモルファスシリコン系太陽電池について詳述する。その断面図を図4に示す。
【0061】
図4は、基板と反対側の表面から光入射させるタイプのアモルファスシリコン系太陽電池の模式的断面図である。図において、401は基板、402は下部電極、403、413、423はn型半導体層、404、414、424はi型半導体層、405、415、425はp型半導体層、406は透明導電膜からなる上部電極、407は集電電極が用いられるグリッド電極を表す。
【0062】
基板401はアモルファスシリコンのような薄膜の太陽電池の場合に、半導体層を機械的に支持する部材であり、かつ電極としても使われる。従って、基板401は、半導体層を成膜する時の加熱温度に耐える耐熱性が要求されるが導電性のものでも電気絶縁性のものでもよい。
【0063】
導電性の材料としては、例えばFe,Ni,Cr,Al,Mo,Au,Nb,Ta,V,Ti,Pt,Pb等の金属またはこれらの合金、例えば真ちゅう、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る。また、電気絶縁性材料としては、ポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネート、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、エポキシ等の耐熱性合成樹脂のフィルムまたはシートまたはこれらとガラスファイバー、カーボンファイバー、ほう素ファイバー、金属繊維等との複合体、及びこれらの金属の薄板、樹脂シート等の表面に異種材質の金属薄膜及び/またはSiO2,Si34,Al23,AlN等の絶縁性薄膜をスパッタ法、蒸着法、鍍金法等により表面コーティング処理を行ったものおよび、ガラス、セラミックス等が挙げられる。
【0064】
下部電極402は、半導体層403,404,405,413,414,415,423,424,425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403に対してはオーミックコンタクトとなる仕事関数を持つことが要求される。材料としては、例えば、Al,Ag,Pt,Au,Ni,Ti,Mo,W,Fe,V,Cr,Cu,ニクロム,SnO2,In23,ZnO,ITO等のいわゆる金属体または合金及び透明導電性酸化物(TCO)等が用いられる。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良い。また、基板401が導電性である場合、下部電極402を設けなくても良い。下部電極402は、例えば、メッキ、蒸着、スパッタ等の公知の方法で形成することができる。
【0065】
アモルファスシリコン半導体層は、n層403,i層404,p層405を一組としたシングル構成(図4(a))だけでなく、pin接合またはpn接合を2組又は3組重ねたダブル構成(図4(b))やトリプル構成(図4(c))も好適に用いられる。特に、i層である404,414,424を構成する半導体材料としては、a−Siの他に、a−SiGe,a−SiC等のいわゆるIV族及びIV族合金系アモルファス半導体が挙げられる。アモルファスシリコン半導体層の成膜方法としては、例えば、蒸着法、スパッタ法、高周波プラズマCVD法、マイクロプラズマCVD法、ECR法、熱CVD法、LPCVD法等公知の方法を所望に応じて用いる。成膜装置としては、バッチ式の装置や連続成膜装置等が所望に応じて使用できる。
【0066】
透明導電膜406は、アモルファスシリコンのようにシート抵抗が高い場合必要であり、かつ、光入射側に位置するために透明であることが必要である。透明導電膜406の材料としては、例えば、SnO2,In23,ZnO,CdO,CdSnO4,ITO等の金属酸化物が挙げられる。
【0067】
(製造方法)
次に光起電力素子の一例の製造方法を図5(a)〜(f)を用いて説明する。
図5(a)〜(f)は光起電力素子を光入射側から見た場合の正面図である。
【0068】
(a)上述の光起電力素子501を任意の大きさで準備する。
【0069】
(b)最表面に位置する透明導電膜を除去したライン(所謂エッチングライン)502を形成する。これは、光起電力素子の周辺に存在する短絡箇所が、素子効率に影響を及ぼさないようにする場合にする処理であって、短絡箇所が無い場合や短絡の程度が無視できるような場合には特に設ける必要はない。
【0070】
また、光起電力素子501の端部に、例えば両面粘着テープのような絶縁部材503を配置する。絶縁部材503は、後に集電電極や金属バスバーが、光起電力素子501の短絡部と接触してショートすることを防止する目的で配置されるものであり、ショートの危険性がない場合については、エッチングライン同様設ける必要はない。
【0071】
(c)次に、導電性被覆層を有する金属ワイヤからなる集電電極504を適当なピッチ間隔で透明導電層上に載置する。この時点では、光起電力素子の端部の絶縁部材504上のみで集電電極504は固定されている。
【0072】
(d)後工程で金属バスバーを載置する位置の導電性被覆層を除去し、金属ワイヤを露出(505部)させる。除去の方法としては、例えば機械的に導電性被覆層を削り取ってもよく、あるいは化学的な処理により除去してもよく、特に限定は無い。しかしながら、生産歩留りが良く、タクトが得られる方法として、除去部にエネルギービームを照射する方法が好ましい。すなわち、エネルギービームを被覆層に照射することにより、被覆層を高温にし、加熱気化することにより除去する方法である。ここで、エネルギービームとは、電子線、イオン線、レーザー等であるが、装置が簡易になる点からレーザーが好適である。レーザーを使用する場合においては、導電性被覆層を構成する導電フィラーがカーボンもしくはグラファイトであると、レーザーの吸収が良好で、容易かつ確実に除去が可能となる。中でも導電フィラーがカーボンもしくはグラファイトで、レーザーがYAGレーザーが好適である。
【0073】
上記除去工程は、図5に示すように光起電力素子上で行うことができるが、先に別の場所で除去を行ったワイヤを光起電力素子上に貼り付けることも可能である。
【0074】
(e)金属ワイヤが露出した部分505に、前述の導電材506を載置する。導電材が導電性接着剤である場合には載置方法としては、ディスペンサー、スタンプ、スクリーン印刷等公知の方法を用いて載置可能である。導電性接着剤は点状に載置してよいし、集電電極505と交差するような線状に載置してもよい。
導電性接着材の量としては、少ない場合には接着強度が不足し非常に不安定になってしまい、また多い場合には金属バスバーを配置した際にセルのアクティブエリアにまではみ出してしまう、という兼ね合いから適宜選択されるが、点状に配置する場合には1点あたり0.1mg〜10mg程度が好適である。
【0075】
導電材が異方性導電膜である場合には、露出部505に交差するように載置できる。
【0076】
(f)導電材506を配した位置に金属バスバー507を配置し、所望の温度で加熱硬化を行う。この時に、光起電力素子全面を加熱してもよく、導電性被覆層を硬化して金属ワイヤを透明導電層上に固定すると同時に、導電材506も硬化して、金属バスバー507と金属ワイヤを接着固定する。
【0077】
また、上記加熱の工程と同時に、光起電力素子全面を加圧することが望ましい。加圧をすることによって、透明導電層上での金属ワイヤの接着力が向上し信頼性がアップすると同時に、金属バスバーの部分においては導電材が押されることによって金属ワイヤとの距離が縮まる為、抵抗値をより低くすることができる。
圧力としては、導電材506や導電性被覆層が適度に変形する圧力が好ましく、また光起電力素子を破壊しない程度の圧力以下でなければいけない。具体的には例えば、1.1×105Pa〜6.0×105Pa程度が好適である。
【0078】
【実施例】
以下、本発明について実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【0079】
(集電電極の作成)
以下に、実施例及び比較例で使用した集電電極について説明する。
【0080】
まず、集電電極として、図3で示すように金属ワイヤの周囲に導電性被覆層が2層コートされたものを作成した。
【0081】
金属ワイヤ301として、直径100μmの銀クラッド銅ワイヤ(直径98μmの周囲に銀を2μmの厚みでクラッドしたもの)を準備した。
【0082】
次に、第1被覆層302として、カーボン入りウレタン系樹脂ぺースト(自社製、硬化時比抵抗0.5Ωcm)をワイヤの周囲に5μm±1μmの厚みで塗付した。第1被覆層については、塗付後にIRオーブンにて標準硬化条件である280℃1分の履歴を通すことによって、完全な硬化膜を作成した。
【0083】
次に、同じカーボン入りウレタン系樹脂ぺーストを使用して、第2被覆層303を形成した。第2被覆層は、20μm±1μmの厚みで塗付を行い、120℃1分の条件で乾燥した。
【0084】
この条件は、ぺースト中に存在する硬化剤の解離温度以下であって、第2被覆層は単に溶剤が揮発してタックが無くなった状態にある。
【0085】
このようにして、直径約150μmの集電電極を作成した。
【0086】
(実施例1)
本実施例では、図4(c)に示す層構成でpin接合型トリプル構成のアモルファス太陽電池Aを作成した。
【0087】
まず、十分に脱脂、洗浄したSUS430BA基板401を不図示のDCスパッタ装置に入れAgを450nm堆積し、その後ZnOを1000nmを堆積して下部電極402を形成した。基板を取り出し、不図示のマイクロ波プラズマCVD成膜装置に入れ、n層403にシリコン層、i層404にシリコンゲルマニウム層、p層405にシリコン層の順でボトム層を形成した。次に、同様にしてn層413にシリコン層、i層414にシリコンゲルマニウム層、p層415にシリコン層の順でミドル層を順次形成し、更に、n層423、i層424、p層425の順で全てシリコン層のトップ層を形成し、半導体層を堆積した。その後、不図示のスパッタ装置に入れ反射防止効果を兼ねた機能を有する透明導電膜406としてITOを70nm成膜した。
【0088】
次に、太陽電池基板401を大きさは30×30cmでセルの有効面積が900cm2となるように塩化第2鉄を主成分とするエッチングペーストと市販の印刷機を用い不要部分の透明導電膜を除去した。
【0089】
次に、有効面積外であって、対向する2辺の位置に、図5(b)で示すような絶縁部材503を設けた。絶縁部材503としては、厚み100μmのポリイミド基材両面粘着テープを貼付することによって形成した。
【0090】
次に、前述の集電電極ワイヤーを30cm程度の長さに切断し、図5(c)のように載置した。集電電極ワイヤーは、5mmの間隔で載置し、その両端部分は粘着テープの粘着力により固定した。
【0091】
その後、図5(d)に示すように絶縁部材503上に存在する集電電極ワイヤー504の直上からレーザー光を照射し、2mm長だけワイヤの被覆層を除去し、銀クラッド銅ワイヤーを露出させた。この時、レーザーとしてはQスイッチYAGレーザーを使用した。
【0092】
次に、銀クラッド銅ワイヤが露出した部分505に、カーボン入りフッ素系樹脂ぺースト(自社製、硬化時比抵抗0.1Ωcm)をディスペンサーでドッテイングしていった。ドッテイング量は1箇所につき、約1mgとなるようにディスペンサーの条件を調節して行った。
【0093】
さらに、ドッテイングを行った部分の上から両面粘着テープと平行に金属バスバー507を図5(f)のように載置した。金属バスバーとしては、厚み100μmの銀メッキ銅を用いた。この状態で、全体を不図示の加熱装置にて加熱圧着することによって、有効面積内においては集電電極ワイヤーをITO上に接着固定し、かつ、金属バスバー部ではドッテイングしたカーボンペーストが硬化し、バスバーとワイヤーとを接着固定することができた。加熱条件は、200℃、45秒、圧力は、約2×105Paで行った。以上の工程によって、太陽電池Aを5個完成した。
【0094】
完成した太陽電池Aを、AM1.5グローバルの太陽光スペクトルで100mW/cm2の光量の擬似太陽光源(以下シミュレータと呼ぶ)用いて太陽電池特性を測定し、実効変換効率を求めたところ平均12.9%と良好な特性でありばらつきも少なかった。
【0095】
さらに、作成した太陽電池Aの金属ワイヤ/金属バスバー間の抵抗を不図示の4端子抵抗測定装置で測定し、その測定値から接続部での発電ロス量をシミュレーションしたところ、真性変換効率の0.94%相当であった。
【0096】
(比較例1)
比較例1では、図4(c)に示す層構成でpin接合型トリプル構成のアモルファス太陽電池A’を作成した。比較例1では、レーザーで集電電極の被覆層を除去する工程と、導電性ぺーストを載置する工程がなかった点だけが実施例1とは異なっており、金属ワイヤーと金属バスバーの接続は金属ワイヤ周囲に導電性被覆層により行っている。以下に手順を説明する。
【0097】
まず、十分に脱脂、洗浄したSUS430BA基板401を不図示のDCスパッタ装置に入れAgを450nm堆積し、その後ZnOを1000nmを堆積して下部電極402を形成した。基板を取り出し、不図示のマイクロ波プラズマCVD成膜装置に入れ、n層403にシリコン層、i層404にシリコンゲルマニウム層、p層405にシリコン層の順でボトム層を形成した。次に、同様にしてn層413にシリコン層、i層414にシリコンゲルマニウム層、p層415にシリコン層の順でミドル層を順次形成し、更に、n層423、i層424、p層425の順で全てシリコン層のトップ層を形成し、半導体層を堆積した。その後、不図示のスパッタ装置に入れ反射防止効果を兼ねた機能を有する透明導電膜406としてITOを70nm成膜した。次に、太陽電池基板401を大きさは30×30cmでセルの有効面積が900cm2となるように塩化第2鉄を主成分とするエッチングペーストと市販の印刷機を用い不要部分の透明導電膜を除去した。
【0098】
次に、有効面積外であって、対向する2辺の位置に、図5(b)で示すような絶縁部材503を設けた。絶縁部材503としては、厚み100μmのポリイミド基材両面粘着テープを貼付することによって形成した。
【0099】
次に、前述の集電電極ワイヤーを30cm程度の長さに切断し、図5(c)のように載置した。集電電極ワイヤーは、5mmの間隔で載置し、その両端部分は粘着テープの粘着力により固定した。
【0100】
さらに、固定したワイヤーの上から両面粘着テープと平行に金属バスバーを図5(f)のように載置した。金属バスバーとしては、厚み100μmの銀メッキ銅を用いた。この状態で、全体を不図示の加熱装置にて加熱圧着することによって、有効面積内においては集電電極ワイヤーをITO上に接着固定し、かつ、金属バスバー部においても第2被覆層が硬化し、バスバーとワイヤーとを接着固定することができた。加熱条件は、200℃、45秒、圧力は、約2.0×105Paで行った。以上の工程によって、太陽電池A’を5個完成した。
【0101】
完成した太陽電池A’を、シミュレータを用いて太陽電池特性を測定し、実効変換効率を求めたところ平均12.4%であった。
【0102】
さらに、作成した太陽電池A’の金属ワイヤ/金属バスバー間の抵抗を不図示の4端子抵抗測定装置で測定し、その測定値から接続部での発電ロス量をシミュレーションしたところ、真性変換効率の4.69%相当であった。
【0103】
実施例1と比較例1を比較すると、実施例1の方が実効変換効率が0.5%向上しており、その原因がワイヤ/バスバー間のロスによるものであることが明らかである。従って、本発明の電極形態は、初期の効率特性が非常に良好であることが分かった。
【0104】
(実施例2)
実施例2においては、図4(c)に示す層構成でpin接合型トリプル構成のアモルファス太陽電池Bを5個作成した。
【0105】
太陽電池Bにおいては、ドッテイングする導電性接着剤として、エポキシ系銅ぺースト(硬化時比抵抗0.001Ωcm)を使用して作成した以外は実施例1と全く同様にして作成した。
【0106】
完成した太陽電池Bを、シミュレータを用いて太陽電池特性を測定し、実効変換効率を求めたところ平均13.0%と良好な特性でありばらつきも少なかった。
【0107】
さらに、作成した太陽電池Bの金属ワイヤ/金属バスバー間の抵抗を不図示の4端子抵抗測定装置で測定し、その測定値から接続部での発電ロス量をシミュレーションしたところ、真性変換効率の0.01%相当であった。0.001Ω程度の比抵抗の導電性接着剤を使用することで、発電ロスはほとんど無視できる量になっていることが明らかとなった。
【0108】
(実施例3)
実施例3においては、図4(c)に示す層構成でpin接合型トリプル構成のアモルファス太陽電池Cを5個作成した。
【0109】
太陽電池Cにおいては、ドッテイングする導電性接着剤として、エポキシ系銀ぺースト(硬化時比抵抗0.0001Ωcm)を使用して作成した以外は実施例1と全く同様にして作成した。
【0110】
完成した太陽電池Cを、シミュレータを用いて太陽電池特性を測定し、実効変換効率を求めたところ平均13.0%と良好な特性でありばらつきも少なかった。
【0111】
さらに、作成した太陽電池Cの金属ワイヤ/金属バスバー間の抵抗を不図示の4端子抵抗測定装置で測定し、その測定値から接続部での発電ロス量をシミュレーションしたところ、真性変換効率の0.01%以下であった。
【0112】
本実施例では、実施例2よりもさらに1桁比抵抗の低い導電性接着剤を使用したが、実効変換効率は同じであった。すなわち、導電性接着剤の比抵抗が寄与しない領域であって、充分実力の変換効率を達成できることが明らかとなった。
【0113】
(実施例4)
実施例4においては、図4(c)に示す層構成でpin接合型トリプル構成のアモルファス太陽電池Dを5個作成した。
【0114】
太陽電池Dにおいては、ドッテイングする導電性接着剤として、アクリル系銀ぺースト(硬化時比抵抗0.0001Ωcm)を使用して作成した以外は実施例1と全く同様にして作成した。
【0115】
完成した太陽電池Dを、シミュレータを用いて太陽電池特性を測定し、実効変換効率を求めたところ平均13.0%と良好な特性でありばらつきも少なかった。
【0116】
さらに、作成した太陽電池Dの金属ワイヤ/金属バスバー間の抵抗を不図示の4端子抵抗測定装置で測定し、その測定値から接続部での発電ロス量をシミュレーションしたところ、真性変換効率の0.01%以下であった。
【0117】
本実施例では、実施例3と同様に実施例2よりもさらに1桁比抵抗の低い導電性接着剤を使用したが、実効変換効率は同じであった。すなわち、導電性接着剤の比抵抗が寄与しない領域であって、充分実力の変換効率を達成できることが明らかとなった。
【0118】
(実施例5)
実施例5では、導電材として異方性導電膜を使用した点が他の実施例とは異なっており、図4(c)に示す層構成でpin接合型トリプル構成のアモルファス太陽電池Eを5個作成した。
【0119】
図5(d)に示すワイヤの被覆層を除去する工程までは実施例1と同様に作成した。その後、銀クラッド銅ワイヤが露出した部分に、異方性導電膜(厚み25μm、圧着時比抵抗0.001Ω(計算値))を適度な大きさに切断して載置し、さらにその上から金属バスバーを図5(f)のように載置した。金属バスバーとしては、厚み100μmの銀メッキ銅を用いた。この状態で、まず金属バスバーの上だけを付図示の加熱圧着装置により、180℃、20秒、圧力約4.1×106Paの条件で熱圧着した。その後、さらに200℃45秒、圧力約2.0×105Paの条件で全体を加熱圧着することにより、集電電極ワイヤーをITO上に接着固定した。
【0120】
以上の工程により太陽電池Eを5個完成した。
【0121】
完成した太陽電池Eを、シミュレータを用いて太陽電池特性を測定し、実効変換効率を求めたところ平均13.0%と良好な特性でありばらつきも少なかった。
【0122】
さらに、作成した太陽電池Eの金属ワイヤ/金属バスバー間の抵抗を不図示の4端子抵抗測定装置で測定し、その測定値から接続部での発電ロス量をシミュレーションしたところ、真性変換効率の0.01%相当であった。
【0123】
本実施例では、導電材として異方性導電膜を使用した場合について詳述したが、導電性接着剤と同様の変換効率が達成できることが明らかとなった。
【0124】
(比較実験1)
上記実施例で作成した太陽電池A〜Eに対して、後述する評価試験を行う為に、樹脂被覆(ラミネーション)した。以下にその手順を示す。
【0125】
太陽電池、EVA(エチレン−酢酸ビニル共重合体)シート(厚さ460μm)、片面をプラズマ放電処理した無延伸のETFE(ポリエチレンテトラフルオロエチレン)フィルム(厚さ50μm)、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(厚さ50μm)、有機不織布、ガルバリウム鋼板(厚さ0.4mm)をETFE/EVA/有機不織布/太陽電池/EVA/PET/EVA/鋼板という順に重ねて太陽電池モジュール積層体とした。次に、ETFEの外側に、離型用テフロンフィルム(厚さ50μm)を介してステンレスメッシュ(40×40メッシュ、線径0.15mm)を配し、積層体を真空ラミネート装置を用いて加圧脱気しながら150℃で30分加熱圧着することにより太陽電池が完成した。
【0126】
表面被覆材表面にはメッシュにより最大30μmの高低差の凹凸が形成された。
【0127】
出力端子はあらかじめ光起電力素子裏面にまわしておき、ラミネート後、ガルバリウム鋼板に予め開けておいた端子取り出し口から出力が取り出せるようにした。
【0128】
このようにして作成した太陽電池モジュールA〜Eに対して、実際の屋外での環境状況を想定し、以下の比較実験を行った。試験▲1▼は、屋外での水分の侵入を想定した場合、試験▲2▼は屋外での風による撓みの影響を想定した試験である。作成した太陽電池5個のうち、3個を試験▲1▼、2個を試験▲2▼に使用した。
▲1▼高温高湿(HH)試験
IEEE規格draft9に準拠した高温高湿試験(85℃85%)を1000時間行った。試験後に、再び変換効率の測定を行った。
▲2▼動荷重試験
IEEE規格draft9に準拠した動荷重試験を10000サイクル行った。試験後に、再び変換効率の測定を行った。また、太陽電池モジュールA〜Dに関しては測定後に、表面被覆材及び金属バスバーを慎重に剥がし、導電性接着剤の様子を顕微鏡で観察した。
【0129】
試験結果を表1に示す。
【0130】
【表1】

Figure 0004585652
【0131】
高温高湿試験に関しては、何れのモジュールにおいてもほとんど変化はなかったが、太陽電池モジュールAだけが若干の低下を示しており、導電性接着剤の樹脂種の影響であると考えられる。
【0132】
また、動荷重試験に関しては、何れのモジュールにおいても変換効率の低下が全く無く良好であったが、その後、太陽電池モジュールA〜Dに対して導電性接着剤を顕微鏡で観察したところ、太陽電池モジュールA、B、Cにおいては導電性接着剤にひび割れが見られた。この結果は、使用している導電性接着剤の柔軟性に起因している現象と考えられる。
【0133】
以上の結果より、本発明の構成については、充分信頼性を有することが分かった。また、中でも、エポキシ樹脂やアクリル樹脂を使用した系については、とりわけ信頼性が良好であることが分かった。
【0134】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって集電形態が改善され、従来課題であったバスバーとワイヤー部の抵抗ロスを非常に低減することが可能となった。また、それによって初期変換効率の非常に高い光起電力素子を得ることができた。さらには、これらの光起電力素子の製造方法において、生産性、コスト、容易性に優れた製造方法を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施態様例の光起電力素子の概略図である。
【図2】本発明の集電電極の模式的概略図である。
【図3】本発明の集電電極の模式的概略図である。
【図4】本発明に係るアモルファスシリコン系太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図5】本発明の光起電力素子の製造方法を説明する概略図である。
【図6】従来の光起電力素子の概略図である。
【符号の説明】
101、501、601 光起電力素子
102、502、602 エッチングライン
103、407、504、603 集電電極
104、201、301、604 金属ワイヤー
105、202、605 導電性被覆層
106、507、606 金属バスバー
107、506 導電材
108、503、607 絶縁部材
302 第1被覆層
303 第2被覆層
401 基板
402 下部電極
403、413、423 n型半導体層
404、414、424 i型半導体層
405、415、425 p型半導体層
406 上部電極
505 被覆層除去部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photovoltaic device. More specifically, the present invention relates to a photovoltaic element having a collecting electrode structure for obtaining higher efficiency than conventional ones.
[0002]
[Prior art]
Solar cells using photovoltaic elements are attracting attention as an alternative energy source for solving problems of existing power generation methods such as thermal power generation and hydropower generation.
[0003]
As solar cell types, various types of solar cells such as crystalline solar cells, amorphous solar cells, and compound semiconductor solar cells have been researched and developed. Among them, amorphous silicon solar cells have a conversion efficiency of crystalline solar cells. However, the solar cell has excellent features that are not found in crystalline solar cells, such as being easy to increase in area, having a large light absorption coefficient, and operating with a thin film. One.
[0004]
As a structure of an amorphous silicon solar cell, for example, a structure in which a back electrode, a semiconductor layer, and a light receiving surface electrode are sequentially laminated on the surface of a conductive substrate made of stainless steel or the like is known. This light receiving surface electrode is formed of, for example, a transparent conductive oxide.
[0005]
Furthermore, a current collecting electrode made of a thin metal for collecting current is disposed on the surface of the light receiving surface electrode. Since the current collecting electrode is provided on the light incident surface side of the solar cell, the area becomes a so-called shadow loss, and the effective area contributing to the power generation of the solar cell is reduced. For this reason, the current collecting electrode is often formed in a relatively thin comb shape. That is, since the current collecting electrode is usually thin and long, it is required to select a material and to design a cross-sectional shape with a small electric resistance.
[0006]
Furthermore, an electrode called a bus bar electrode is formed on the surface of the current collecting electrode in order to collect the current collected by the current collecting electrode. The bus bar electrode is made of a thicker metal than the current collecting electrode.
[0007]
As an example of the electrode, Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-236796 discloses a collecting electrode using a metal wire. FIG. 6 shows a schematic diagram of an example thereof.
[0008]
In FIG. 6, reference numeral 601 denotes a photovoltaic element. For example, a back electrode layer, a semiconductor layer, and a transparent electrode layer are sequentially formed on a stainless steel substrate, and 602 avoids the influence of a short circuit at the edge of the photovoltaic element. For this purpose, the transparent electrode layer is removed. Reference numeral 603 denotes a current collecting electrode, and a metal wire 604 having a diameter of 50 to 300 μm coated with a conductive paste 605 or the like is pressure-bonded onto the transparent electrode layer. Here, the conductive paste has a specific resistance of 10 due to the absence of a short circuit that leads to a decrease in output even if it directly contacts a pinhole or the like on the surface of the photovoltaic element, and the fact that metal migration does not occur. -1 -10 2 A carbon paste of about Ωcm or a conductive oxide paste is essential. Reference numeral 606 denotes a bus bar electrode for further current collection, which is installed for the purpose of taking out the current collected by the wire electrode 603 out of the photovoltaic element. As a material, for example, a copper foil material is used. Yes. Note that the wire electrode 603 and the bus bar electrode 606 are bonded together using a conductive paste 605 around the wire.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional configuration, the conversion efficiency of the solar cell is about 8 to 10%, which is a practical level. However, in recent years, the conversion efficiency of the solar cell has been remarkably improved. In particular, among the parameters that determine efficiency, a short-circuit current (so-called Isc) is improved, and a semiconductor layer (semiconductor film) exceeding 10% has been developed. As a specific value of Isc, a conventional intrinsic value is 6 to 10 mA / cm. 2 Recently, 10mA / cm 2 The value exceeds. However, a major problem when the current is improved is that the power generation loss at the electrode portion through which the current passes increases in proportion to the square of the current amount. In other words, even if a highly efficient semiconductor layer (semiconductor film) is made, when the generated current is taken out, the power generation loss in the portion with the large resistance becomes large, and the actual conversion efficiency of the original semiconductor layer is increased. It is a point that goes down significantly. Therefore, in the solar cell, it is necessary to appropriately consider the current collecting form according to the amount of generated current.
[0010]
Conventionally, in the current collecting form proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-236696, the junction between the bus bar electrode and the wire electrode is formed of a material having a relatively high specific resistance such as carbon paste for the above-described reason. It was a part with high resistance. Therefore, with the improvement in the amount of current, there has been a problem that the resistance loss at the junction increases and the predetermined conversion efficiency is not achieved.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a photovoltaic device having a form in which the joint portion between the bus bar electrode and the wire electrode is improved in order to solve the above-described problems, and to provide a photovoltaic device with high conversion efficiency. There is. Moreover, it is providing the manufacturing method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive research and development in order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has found that the following photovoltaic element and its manufacturing method are optimal.
[0013]
That is, the photovoltaic element of the present invention is a photovoltaic element having a current collecting electrode made of a metal wire having a conductive coating layer and a metal bus bar connected to the current collecting electrode. The portion not covered with the conductive coating layer And the metal bus bar are formed of a conductive material having a specific resistance smaller than that of the conductive coating layer. According to such a configuration, the resistance value between the metal wire / metal bus bar can be made lower than before, the power generation loss can be reduced, and the conversion efficiency can be greatly improved as compared with the conventional electrode configuration.
[0014]
The specific resistance of the conductive material is 1/500 or less of the specific resistance of the conductive coating layer. According to such a configuration, it is possible to sufficiently suppress a decrease in conversion efficiency due to power generation loss.
[0015]
Further, the conductive material is a conductive adhesive. According to such a configuration, since it can be easily adapted to a complicated shape portion between the wire and the bus bar, stable joining is possible.
[0016]
In addition, the conductive filler constituting the conductive adhesive is mainly composed of silver, copper, or nickel. According to such a configuration, the above conditions can be easily cleared, and the resistance loss at the joint can be reduced to a negligible level.
[0017]
Moreover, the resin component which comprises the said conductive adhesive has an acrylic resin or an epoxy resin as a main component. According to this configuration, the moisture resistance stability of the joint is increased. In particular, in the case of an acrylic resin, since it has flexibility, it becomes resistant to mechanical repeated bending strength and can be used for a flexible solar cell.
[0018]
Further, the conductive material is a polymer film having conductivity in the thickness direction. According to such a configuration, it is possible to easily adapt to a complicated shape portion between the wire and the bus bar as in the case of the conductive adhesive, so that a stable joint can be formed.
[0019]
Further, the specific resistance of the conductive coating layer is from 0.1 Ωcm to 100 Ωcm. According to such a configuration, as in the conventional case, it has a sealing function against occurrence of a short circuit in the cell, and the electrical resistance loss between the transparent electrode layer provided on the surface of the photovoltaic element and the metal wire can be ignored. It can be a range.
[0020]
Further, the conductive filler constituting the conductive coating layer is carbon or graphite. According to such a configuration, the migration problem on the surface of the photovoltaic element can be suppressed as in the conventional case, and it can be used for a thin film type photovoltaic element.
[0021]
The method for producing a photovoltaic device of the present invention is the method for producing a photovoltaic device having a current collecting electrode made of a metal wire having a conductive coating layer, and a metal bus bar connected to the current collecting electrode. A step of exposing the metal wire by removing at least a part of the conductive coating layer of the collecting electrode; a step of arranging a conductive material having a specific resistance smaller than that of the conductive coating layer on the exposed portion; A step of disposing a metal bus bar at a position facing the metal wire through the conductive material; and a step of connecting the metal wire and the metal bus bar by heating or / and pressurizing the conductive material. It is characterized by having. According to this configuration, the metal wire is exposed by removing at least a part of the conductive coating layer, the conductive material having a specific resistance smaller than that of the conductive coating layer is disposed on the exposed portion, and the bus bar is further disposed on the exposed portion. Since the electrode is disposed, the resistance can be reliably and stably lowered.
[0022]
The conductive coating layer may be removed by irradiating with an energy beam. According to such a configuration, the removal of the conductive coating layer is simple, and the manufacturing method is suitable for mass production.
[0023]
Further, the conductive filler constituting the conductive coating layer is carbon or graphite. According to such a configuration, since the absorption efficiency at the time of light beam irradiation is increased, the conductive coating layer can be easily removed, and the metal wire can be reliably and efficiently exposed.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.
[0025]
First, the photovoltaic device of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0026]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the relationship between the current collecting electrode and the bus bar electrode according to the present invention. FIG. 1 (a) is a front view of the photovoltaic element, and FIG. 1 (b) is a cross-sectional view along AA '. Yes.
[0027]
In the figure, 101 represents a photovoltaic element, and 102 represents an etching line for a transparent electrode layer provided on the surface of the photovoltaic element. Reference numeral 103 denotes a current collecting electrode. In the present invention, the metal wire 104 is coated around the conductive coating layer 105. Reference numeral 106 denotes a metal bus bar, and a conductive material 107 having a specific resistance smaller than that of the conductive coating layer 105 is disposed at a connection portion between the metal bus bar 106 and the metal wire 104. The presence of the conductive material 107 can reduce the resistance between the metal wire 104 and the metal bus bar 106. Reference numeral 108 denotes an insulating member for insulating the metal wire 104 and the photovoltaic device 101 in a region outside the etching line 102 of the transparent electrode layer.
[0028]
Below, explanation is added for each item.
[0029]
(Collector electrode)
Examples of the collecting electrode according to the present invention include those shown in FIGS. 2 and 3. The current collecting electrode in FIG. 2 is a case where the metal wire 201 is coated with one type of conductive coating layer 202. The current collecting electrode in FIG. 3 is a case where the metal wire 301 is coated with two types of conductive coating layers, that is, a first coating layer 302 and a second coating layer 303.
[0030]
It is preferable that the metal wires 201 and 301 are industrially stably supplied as wires. Further, the material of the metal wires 201 and 301 has a specific resistance of 10 -Four It is desirable to use a metal of Ωcm or less. For example, materials such as copper, silver, gold, platinum, aluminum, molybdenum, and tungsten are preferably used because of their low electric resistance. Of these, copper, silver, and gold are preferable because of their low electrical resistance. The metal wire may be an alloy of these.
[0031]
Furthermore, if desired, a thin metal layer may be formed on the surface of the metal wire for the purpose of preventing corrosion, preventing oxidation, improving adhesion with a conductive resin, improving electrical conduction, and the like. Examples of the metal layer provided on the surface of the metal wire include silver, palladium, alloys of silver and palladium, noble metals that are not easily corroded such as gold, and metals having good corrosion resistance such as nickel and tin. Among them, gold, silver, and tin are less susceptible to humidity and the like, and thus are preferably used as a metal layer. As a method for forming the metal layer provided on the surface of the metal wire, for example, a plating method or a cladding method is preferably used.
[0032]
The cross-sectional shape of the metal wire may be circular or rectangular, and is appropriately selected as desired. The diameter of the metal wire is a value selected by designing so that the sum of the electrical resistance loss and the shadow loss is minimized. Specifically, for example, a copper wire having a diameter of 25 μm to 1 mm for an enameled wire shown in JIS-C-3202 is preferably used. More preferably, a photovoltaic element with good photoelectric conversion efficiency can be obtained by setting the diameter to 25 μm to 200 μm. If the thickness is smaller than 25 μm, the wire is easily cut and difficult to manufacture, and the electrical loss increases. In the case of 200 μm or more, the shadow loss increases, or the unevenness of the surface of the photovoltaic element increases, and the filler such as EVA (ethylene vinyl acetate) used for the surface coating layer must be thickened. Disappear.
[0033]
The metal wire is formed by molding to a desired diameter using a known wire drawing machine. The metal wire that has passed through the wire drawing machine is hard, but the easiness of elongation, the easiness of bending, etc. may be annealed by a known method according to desired characteristics and used soft.
[0034]
A conductive coating layer 202 shown in FIG. 2 is a single-layer coating layer, and is formed of a thermosetting conductive adhesive or a thermoplastic conductive adhesive. These have a function of mechanically and electrically connecting the collector electrode body and the photovoltaic element substrate by a thermocompression bonding process.
[0035]
On the other hand, the conductive coating layer shown in FIG. 3 is a two-layer coating layer, and includes a first coating layer 302 and a second coating layer 303. The first covering layer 302 is formed of a thermosetting conductive adhesive, and protects the metal wire 301 and performs mechanical and electrical connection. Further, it has a function of preventing migration due to the metal wire 301 and suppressing a current flowing from the current collecting electrode to a defective portion of the photovoltaic element. The second covering layer 303 is also formed of a thermosetting conductive adhesive, and has a function of mechanically and electrically connecting the collector electrode body and the photovoltaic element substrate by a thermocompression bonding process. It is preferable that the conductive adhesive constituting the second coating layer 303 is left in an uncured state after coating, and is subjected to a curing treatment after an adhesion process.
[0036]
The conductive coating layers 202, 302, and 303 are made of a conductive adhesive, and are obtained by dispersing conductive particles and a polymer resin. The specific resistance of these conductive adhesives is a resistance that can be ignored to collect the current generated by the photovoltaic element, and it is necessary to have an appropriate resistance value so that no shunt is generated. Specifically, about 0.1 Ωcm or more and 100 Ωcm or less is preferable. This is because the shunt prevention function decreases when the resistance is less than 0.1 Ωcm, and the electrical resistance loss increases when the resistance is greater than 100 Ωcm.
[0037]
The conductive particles are pigments for imparting conductivity, and examples of the material include carbon black, graphite and In 2 O Three , TiO 2 , SnO 2 , ITO, ZnO, and oxide semiconductor materials obtained by adding appropriate dopants to the above materials are preferably used. Since these materials have low migration properties, they can be used, for example, in solar cells having a thin film semiconductor layer. In particular, when carbon black and graphite are used as the conductive particles, the adhesive itself is blackened, so that the absorption of the light beam in the manufacturing process described later is improved, and the exposure of the metal wire is facilitated. Is preferred.
[0038]
The particle size of the conductive particles needs to be smaller than the thickness of the coating layer to be formed. However, if the particle size is too small, the resistance at the contact point between the particles increases, and a desired specific resistance cannot be obtained. From such circumstances, the average particle size of the conductive particles is preferably 0.02 μm or more and 15 μm or less. Further, two or more different kinds of conductive particles may be mixed to adjust the specific resistance and the degree of dispersion in the conductive resin.
[0039]
The conductive particles and the polymer resin are mixed at a suitable ratio in order to obtain a desired specific resistance. However, when the conductive particles are increased, the specific resistance is lowered, but the ratio of the resin is reduced, so that the coating film is reduced. The stability of becomes worse. Further, when the polymer resin is increased, the contact between the conductive particles becomes poor and the resistance is increased. Therefore, a good ratio is appropriately selected depending on the polymer resin to be used, conductive particles, and desired physical property values. Specifically, a favorable specific resistance can be obtained by setting the conductive particles to about 5% to 95% by volume.
[0040]
As the polymer resin, a resin that is easy to form a coating on a metal wire, has excellent workability, has flexibility, and has excellent weather resistance is preferable. Examples of the polymer resin having such characteristics include a thermosetting resin and a thermoplastic resin.
[0041]
As the thermosetting resin, for example, urethane, epoxy, phenol, polyvinyl formal, alkyd resin, or a resin obtained by modifying these may be used as a suitable material. In particular, urethane resins, epoxy resins, and phenol resins are used as insulating coating materials for enameled wires, and are excellent materials in terms of flexibility and productivity. Moreover, it is also suitably used as a current collecting electrode material for photovoltaic elements in terms of moisture resistance and adhesiveness.
[0042]
Examples of suitable thermoplastic resins include butyral, phenoxy, polyamide, polyamideimide, melamine, acrylic, styrene, polyester, and fluorine. In particular, butyral resin, phenoxy resin, polyamide resin, and polyamideimide resin are excellent materials in terms of flexibility, moisture resistance, and adhesiveness, and are preferably used as a material for a collecting electrode of a photovoltaic element.
[0043]
In the conductive adhesive, for example, an additive such as a coupling agent may be mixed for the purpose of improving adhesion to a metal.
[0044]
The thickness of the conductive coating layer may be selected as appropriate, but is preferably in the range of 5 μm to 30 μm. When the thickness is less than 5 μm, it is difficult to coat uniformly and pinholes are likely to occur, and at the same time, the function as an adhesive layer may be insufficient. On the other hand, when the thickness is 30 μm or more, the shadow loss becomes extremely large. Therefore, about 5 to 30 μm is preferable.
[0045]
(Metal bus bar)
The metal bus bar 106 according to the present invention is a current collector for collecting current flowing through the current collecting electrode 103 at one end. From this point of view, the material used for the metal bus bar is preferably a material having a low specific resistance and being supplied industrially stably.
[0046]
As such a material, workable and inexpensive copper is preferably used. When copper is used, a thin metal layer may be provided on the surface for the purpose of preventing corrosion, preventing oxidation, and the like. As the surface metal layer, for example, silver, palladium, an alloy of palladium and silver, or a precious metal that is not easily corroded such as gold, or a metal having good corrosion resistance such as nickel, solder, or tin is preferably used. As a method for forming the surface metal layer, for example, a vapor deposition method, a plating method, and a cladding method, which are relatively easy to create, are preferably used.
[0047]
The thickness of the metal bus bar is preferably 50 μm or more and 200 μm or less. By setting the thickness to 50 μm or more, it is possible to ensure a sufficient cross-sectional area that can sufficiently correspond to the generated current density of the photovoltaic element, and it can be used substantially as a mechanical coupling member. On the other hand, the thicker the metal bus bar, the smaller the resistance loss. However, when the metal bus bar is 200 μm or less, the surface coating material can be smoothly coated.
[0048]
Any number of metal bus bars may be provided depending on the form of the photovoltaic element, and the number is not particularly limited to one. The metal bus bar used here preferably has a length approximately the same as the size of the photovoltaic element to be provided. There is no restriction | limiting in particular also about a shape, A foil shape, a column shape, etc. can be used.
[0049]
(Conductive material)
The conductive material 107 is disposed between the metal wire 104 and the metal bus bar 106 and functions as a path for a current flowing from the metal wire into the metal bus bar, and at the same time has a mechanical bonding function. Therefore, it is preferable that the resistance is very low and the adhesion to metal is good.
[0050]
The specific resistance of the conductive material must be such that the power loss is negligible when current flows from the wire, and is required to be lower than the conductive coating layer. . In order to make the power loss negligible, an effect can be obtained by setting the specific resistance of the conductive material to 1/500 or less of the specific resistance of the conductive coating layer. The specific specific resistance of the conductive material is 1 × 10 -Five Ωcm or more 1 × 10 -3 It is preferably about Ωcm or less.
[0051]
The conductive material 107 is preferably provided in all regions connecting the metal wire and the metal bus bar, because it has the lowest resistance. However, even if it is provided only in a part of the region, the effect is produced.
[0052]
Various materials can be used as the conductive material satisfying the above conditions, and a conductive adhesive or a polymer film having conductivity in the thickness direction (so-called anisotropic conductive film) is particularly desirable. When these materials are used, they can be arranged well in a complicated shape portion between the metal wire and the metal bus bar, so that stable low-resistance bonding is possible.
[0053]
When the conductive material 107 is a conductive adhesive, it can be obtained by dispersing conductive particles and a polymer resin in a desired ratio, like the conductive coating layer.
[0054]
The conductive particle is not particularly limited as long as it can realize the above specific resistance, and a normal metal filler mainly composed of gold, silver, copper, nickel or the like can be used. Of these, silver, copper, and nickel are preferred as the main component for the purpose of reducing the specific resistance as much as possible and cost.
[0055]
Further, as the resin component, as described above, it is preferable to use, for example, urethane, epoxy, phenol, butyral, acrylic, polyester, etc., as a resin having excellent adhesion to metal as described above and excellent weather resistance and moisture resistance. As a material. In particular, an epoxy resin and an acrylic resin are preferable from the experimental results regarding the moisture resistance of the present inventor, but an acrylic resin is a more preferable material from the viewpoint of flexibility.
[0056]
In the conductive adhesive, for example, an additive such as a coupling agent may be mixed for the purpose of improving adhesion to a metal.
[0057]
In addition, even when the conductive material 107 is an anisotropic conductive film, it is possible to provide a joint having excellent stability, like the conductive adhesive.
[0058]
(Photovoltaic element)
Since the present invention is an invention relating to the joining form of the current collecting electrode and the bus bar portion, the photovoltaic device in the present invention is not particularly limited, and is a single crystal, a thin film single crystal, a polycrystal, a thin film polycrystal, an amorphous In addition to being applicable to silicon solar cells, the present invention can also be applied to solar cells using semiconductors other than silicon and Schottky solar cells.
[0059]
From the viewpoint of current, the solar cell having any current density has a considerable effect. In particular, the intrinsic Isc is 10 mA / cm. 2 The effect is large with respect to the above solar cell.
[0060]
Here, as a representative example, an amorphous silicon solar cell in which a metal wire is often used as a collecting electrode will be described in detail. A cross-sectional view thereof is shown in FIG.
[0061]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an amorphous silicon solar cell of a type in which light is incident from the surface opposite to the substrate. In the figure, 401 is a substrate, 402 is a lower electrode, 403, 413 and 423 are n-type semiconductor layers, 404, 414 and 424 are i-type semiconductor layers, 405, 415 and 425 are p-type semiconductor layers, and 406 is a transparent conductive film. An upper electrode 407 is a grid electrode for which a collecting electrode is used.
[0062]
In the case of a thin-film solar cell such as amorphous silicon, the substrate 401 is a member that mechanically supports the semiconductor layer and is also used as an electrode. Therefore, the substrate 401 is required to have heat resistance that can withstand the heating temperature when the semiconductor layer is formed, but may be conductive or electrically insulating.
[0063]
Examples of conductive materials include metals such as Fe, Ni, Cr, Al, Mo, Au, Nb, Ta, V, Ti, Pt, and Pb, or alloys thereof such as thin plates such as brass and stainless steel, and composites thereof. Examples include bodies, carbon sheets, and galvanized steel sheets. In addition, as an electrically insulating material, a heat-resistant synthetic resin film or sheet such as polyester, polyethylene, polycarbonate, cellulose acetate, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, polyamide, polyimide, epoxy or the like and glass fiber , Carbon fibers, boron fibers, composites with metal fibers, etc., and metal thin films and / or SiO of different materials on the surfaces of these metal thin plates, resin sheets, etc. 2 , Si Three N Four , Al 2 O Three , AlN and other insulating thin films subjected to surface coating treatment by sputtering, vapor deposition, plating, etc., and glass, ceramics and the like.
[0064]
The lower electrode 402 is one electrode for taking out the electric power generated in the semiconductor layers 403, 404, 405, 413, 414, 415, 423, 424, and 425, and works to be in ohmic contact with the semiconductor layer 403. It is required to have a function. Examples of the material include Al, Ag, Pt, Au, Ni, Ti, Mo, W, Fe, V, Cr, Cu, Nichrome, SnO. 2 , In 2 O Three So-called metal bodies or alloys such as ZnO and ITO, and transparent conductive oxide (TCO) are used. The surface of the lower electrode is preferably smooth, but may be textured when causing irregular reflection of light. Further, when the substrate 401 is conductive, the lower electrode 402 is not necessarily provided. The lower electrode 402 can be formed by a known method such as plating, vapor deposition, or sputtering.
[0065]
The amorphous silicon semiconductor layer is not only a single configuration (FIG. 4A) having a set of n layer 403, i layer 404, and p layer 405, but also a double configuration in which two or three pin junctions or pn junctions are stacked. (FIG. 4B) and triple configuration (FIG. 4C) are also preferably used. In particular, as a semiconductor material constituting the i layer 404, 414, 424, in addition to a-Si, so-called group IV and group IV alloy amorphous semiconductors such as a-SiGe and a-SiC can be cited. As a method for forming the amorphous silicon semiconductor layer, for example, a known method such as an evaporation method, a sputtering method, a high-frequency plasma CVD method, a microplasma CVD method, an ECR method, a thermal CVD method, or an LPCVD method is used as desired. As the film forming apparatus, a batch type apparatus or a continuous film forming apparatus can be used as desired.
[0066]
The transparent conductive film 406 is necessary when the sheet resistance is high like amorphous silicon, and needs to be transparent because it is located on the light incident side. As a material of the transparent conductive film 406, for example, SnO 2 , In 2 O Three , ZnO, CdO, CdSnO Four , And metal oxides such as ITO.
[0067]
(Production method)
Next, a manufacturing method of an example of the photovoltaic element will be described with reference to FIGS.
FIGS. 5A to 5F are front views when the photovoltaic element is viewed from the light incident side.
[0068]
(A) The above-described photovoltaic element 501 is prepared in an arbitrary size.
[0069]
(B) A line (so-called etching line) 502 from which the transparent conductive film located on the outermost surface is removed is formed. This is a process to prevent the short circuit area around the photovoltaic element from affecting the element efficiency, and when there is no short circuit area or the degree of short circuit can be ignored. Need not be provided.
[0070]
In addition, an insulating member 503 such as a double-sided adhesive tape is disposed at the end of the photovoltaic element 501. The insulating member 503 is disposed for the purpose of preventing the current collecting electrode or the metal bus bar from coming into contact with the short-circuit portion of the photovoltaic element 501 and short-circuiting, and there is no danger of short-circuiting. It is not necessary to provide the same as the etching line.
[0071]
(C) Next, current collecting electrodes 504 made of a metal wire having a conductive coating layer are placed on the transparent conductive layer at an appropriate pitch interval. At this time, the current collecting electrode 504 is fixed only on the insulating member 504 at the end of the photovoltaic element.
[0072]
(D) The conductive coating layer at a position where the metal bus bar is placed in a subsequent process is removed, and the metal wire is exposed (505 parts). The removal method is not particularly limited, for example, the conductive coating layer may be mechanically scraped off or may be removed by chemical treatment. However, a method of irradiating the removal part with an energy beam is preferable as a method for obtaining a good production yield and obtaining a tact. That is, this is a method of removing the coating layer by irradiating the coating layer with an energy beam to raise the temperature of the coating layer and evaporating it by heating. Here, the energy beam is an electron beam, an ion beam, a laser, or the like, and a laser is preferable from the viewpoint of simplifying the apparatus. In the case of using a laser, if the conductive filler constituting the conductive coating layer is carbon or graphite, the laser is well absorbed and can be removed easily and reliably. Among them, the conductive filler is carbon or graphite, and the laser is preferably a YAG laser.
[0073]
The removal step can be performed on the photovoltaic element as shown in FIG. 5, but it is also possible to attach the wire previously removed at another place on the photovoltaic element.
[0074]
(E) The conductive material 506 is placed on the portion 505 where the metal wire is exposed. When the conductive material is a conductive adhesive, it can be placed using a known method such as a dispenser, stamp, or screen printing. The conductive adhesive may be placed in the form of dots, or may be placed in a line that intersects with the collecting electrode 505.
As for the amount of conductive adhesive, if it is small, the adhesive strength is insufficient and it becomes very unstable, and if it is large, it will protrude to the active area of the cell when the metal bus bar is placed Although it selects suitably from balance, when arrange | positioning at dotted | punctate form, about 0.1 mg-10 mg per point are suitable.
[0075]
When the conductive material is an anisotropic conductive film, the conductive material can be placed so as to intersect the exposed portion 505.
[0076]
(F) A metal bus bar 507 is disposed at a position where the conductive material 506 is disposed, and heat curing is performed at a desired temperature. At this time, the entire surface of the photovoltaic element may be heated, and the conductive coating layer is cured to fix the metal wire on the transparent conductive layer. At the same time, the conductive material 506 is also cured, so that the metal bus bar 507 and the metal wire are bonded. Adhere and fix.
[0077]
Moreover, it is desirable to pressurize the entire surface of the photovoltaic element simultaneously with the heating step. By applying pressure, the adhesive force of the metal wire on the transparent conductive layer is improved and the reliability is improved, and at the same time, the distance between the metal wire and the metal bus bar is reduced by pressing the conductive material, The resistance value can be further reduced.
The pressure is preferably a pressure at which the conductive material 506 and the conductive coating layer are appropriately deformed, and should be a pressure that does not destroy the photovoltaic element. Specifically, for example, 1.1 × 10 Five Pa to 6.0 × 10 Five A degree of Pa is preferred.
[0078]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, this invention is not limited by these Examples.
[0079]
(Create current collecting electrode)
Below, the current collection electrode used by the Example and the comparative example is demonstrated.
[0080]
First, a current collecting electrode was prepared in which two conductive coating layers were coated around a metal wire as shown in FIG.
[0081]
As the metal wire 301, a silver clad copper wire having a diameter of 100 μm (a silver clad with a thickness of 2 μm around a diameter of 98 μm) was prepared.
[0082]
Next, as the first coating layer 302, a carbon-containing urethane resin paste (manufactured in-house, specific resistance at curing 0.5 Ωcm) was applied around the wire in a thickness of 5 μm ± 1 μm. About the 1st coating layer, the perfect cured film was created by passing the history of 280 ° C for 1 minute which is standard hardening conditions in IR oven after application.
[0083]
Next, the second coating layer 303 was formed using the same carbon-containing urethane resin paste. The second coating layer was applied at a thickness of 20 μm ± 1 μm and dried under the condition of 120 ° C. for 1 minute.
[0084]
This condition is equal to or lower than the dissociation temperature of the curing agent present in the paste, and the second coating layer is simply in a state where the solvent is volatilized and tack is eliminated.
[0085]
In this way, a current collecting electrode having a diameter of about 150 μm was prepared.
[0086]
Example 1
In this example, an amorphous solar cell A having a pin junction type triple configuration with a layer configuration shown in FIG.
[0087]
First, a sufficiently degreased and cleaned SUS430BA substrate 401 was placed in a DC sputtering apparatus (not shown) to deposit 450 nm of Ag, and then 1000 nm of ZnO was deposited to form the lower electrode 402. The substrate was taken out and placed in a microwave plasma CVD film forming apparatus (not shown), and a bottom layer was formed in this order: a silicon layer as the n layer 403, a silicon germanium layer as the i layer 404, and a silicon layer as the p layer 405. Next, in the same manner, a middle layer is sequentially formed in the order of a silicon layer on the n layer 413, a silicon germanium layer on the i layer 414, and a silicon layer on the p layer 415. Further, an n layer 423, an i layer 424, and a p layer 425 are formed. In this order, the top layer of the silicon layer was formed, and the semiconductor layer was deposited. Thereafter, ITO was deposited to a thickness of 70 nm as a transparent conductive film 406 having a function also serving as an antireflection effect by placing in a sputtering apparatus (not shown).
[0088]
Next, the solar cell substrate 401 has a size of 30 × 30 cm and an effective cell area of 900 cm. 2 Then, an unnecessary portion of the transparent conductive film was removed using an etching paste mainly composed of ferric chloride and a commercially available printing machine.
[0089]
Next, an insulating member 503 as shown in FIG. 5B was provided outside the effective area and at the two opposing sides. The insulating member 503 was formed by applying a polyimide base double-sided adhesive tape having a thickness of 100 μm.
[0090]
Next, the current collecting electrode wire was cut into a length of about 30 cm and placed as shown in FIG. The collector electrode wires were placed at intervals of 5 mm, and both end portions thereof were fixed by the adhesive force of the adhesive tape.
[0091]
Then, as shown in FIG.5 (d), a laser beam is irradiated from right above the collector electrode wire 504 which exists on the insulating member 503, the coating layer of a wire is removed only 2 mm long, and a silver clad copper wire is exposed. It was. At this time, a Q-switched YAG laser was used as the laser.
[0092]
Next, a fluororesin paste containing carbon (manufactured by our company, specific resistance at curing 0.1 Ωcm) was applied with a dispenser to the portion 505 where the silver clad copper wire was exposed. The dotting amount was adjusted by adjusting the conditions of the dispenser so as to be about 1 mg per place.
[0093]
Further, a metal bus bar 507 was placed in parallel with the double-sided pressure-sensitive adhesive tape from above the part subjected to the dotting as shown in FIG. As the metal bus bar, silver-plated copper having a thickness of 100 μm was used. In this state, by heat-pressing the whole with a heating device (not shown), the collector electrode wire is adhered and fixed on the ITO within the effective area, and the carbon paste that has been deposited in the metal bus bar portion is cured, The bus bar and the wire could be bonded and fixed. The heating condition is 200 ° C., 45 seconds, and the pressure is about 2 × 10 Five Performed at Pa. Five solar cells A were completed through the above steps.
[0094]
The completed solar cell A is 100mW / cm in the AM1.5 global solar spectrum. 2 When the solar cell characteristics were measured using a pseudo solar light source (hereinafter referred to as a simulator) with a light quantity of 2 and the effective conversion efficiency was determined, the average was 12.9%, which was a good characteristic and there was little variation.
[0095]
Furthermore, when the resistance between the metal wire / metal bus bar of the produced solar cell A was measured with a four-terminal resistance measuring device (not shown) and the amount of power generation loss at the connection portion was simulated from the measured value, the intrinsic conversion efficiency was 0. It was equivalent to 94%.
[0096]
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, an amorphous solar cell A ′ having a pin junction type triple configuration with the layer configuration shown in FIG. Comparative Example 1 is different from Example 1 only in that there is no step of removing the covering layer of the collecting electrode with a laser and a step of placing the conductive paste, and the connection between the metal wire and the metal bus bar is different. Is performed with a conductive coating around the metal wire. The procedure is described below.
[0097]
First, a sufficiently degreased and cleaned SUS430BA substrate 401 was placed in a DC sputtering apparatus (not shown) to deposit 450 nm of Ag, and then 1000 nm of ZnO was deposited to form the lower electrode 402. The substrate was taken out and placed in a microwave plasma CVD film forming apparatus (not shown), and a bottom layer was formed in this order: a silicon layer as the n layer 403, a silicon germanium layer as the i layer 404, and a silicon layer as the p layer 405. Next, in the same manner, a middle layer is sequentially formed in the order of a silicon layer on the n layer 413, a silicon germanium layer on the i layer 414, and a silicon layer on the p layer 415. Further, an n layer 423, an i layer 424, and a p layer 425 are formed. In this order, the top layer of the silicon layer was formed, and the semiconductor layer was deposited. Thereafter, ITO was deposited to a thickness of 70 nm as a transparent conductive film 406 having a function also serving as an antireflection effect by placing in a sputtering apparatus (not shown). Next, the solar cell substrate 401 has a size of 30 × 30 cm and an effective cell area of 900 cm. 2 Then, an unnecessary portion of the transparent conductive film was removed using an etching paste mainly composed of ferric chloride and a commercially available printing machine.
[0098]
Next, an insulating member 503 as shown in FIG. 5B was provided outside the effective area and at the two opposing sides. The insulating member 503 was formed by applying a polyimide base double-sided adhesive tape having a thickness of 100 μm.
[0099]
Next, the current collecting electrode wire was cut into a length of about 30 cm and placed as shown in FIG. The collector electrode wires were placed at intervals of 5 mm, and both end portions thereof were fixed by the adhesive force of the adhesive tape.
[0100]
Further, a metal bus bar was placed on the fixed wire in parallel with the double-sided adhesive tape as shown in FIG. As the metal bus bar, silver-plated copper having a thickness of 100 μm was used. In this state, the entire electrode is heat-pressed with a heating device (not shown) to adhere and fix the current collecting electrode wire on the ITO within the effective area, and the second coating layer is cured even in the metal bus bar portion. The bus bar and the wire could be bonded and fixed. The heating conditions are 200 ° C. and 45 seconds, and the pressure is about 2.0 × 10 Five Performed at Pa. Five solar cells A ′ were completed through the above steps.
[0101]
When the solar cell characteristics of the completed solar cell A ′ were measured using a simulator and the effective conversion efficiency was determined, the average was 12.4%.
[0102]
Furthermore, when the resistance between the metal wire / metal bus bar of the created solar cell A ′ was measured with a four-terminal resistance measuring device (not shown), and the amount of power generation loss at the connection portion was simulated from the measured value, the intrinsic conversion efficiency was It was equivalent to 4.69%.
[0103]
Comparing Example 1 and Comparative Example 1, it is clear that Example 1 has an effective conversion efficiency improved by 0.5%, and the cause is due to the loss between the wires / bus bars. Therefore, it was found that the electrode configuration of the present invention has very good initial efficiency characteristics.
[0104]
(Example 2)
In Example 2, five amorphous solar cells B having a pin junction type triple structure having the layer structure shown in FIG.
[0105]
The solar cell B was prepared in the same manner as in Example 1 except that it was prepared using an epoxy-based copper paste (specific resistance at curing 0.001 Ωcm) as a conductive adhesive to be coated.
[0106]
The solar cell characteristics of the completed solar cell B were measured using a simulator, and the effective conversion efficiency was determined. As a result, the average of 13.0% was a good characteristic and there was little variation.
[0107]
Furthermore, when the resistance between the metal wire / metal bus bar of the produced solar cell B was measured with a four-terminal resistance measuring device (not shown) and the amount of power generation loss at the connection portion was simulated from the measured value, the intrinsic conversion efficiency of 0 was obtained. It was equivalent to 0.01%. It became clear that the power generation loss was almost negligible by using a conductive adhesive having a specific resistance of about 0.001Ω.
[0108]
(Example 3)
In Example 3, five amorphous solar cells C having a pin junction triple structure having the layer structure shown in FIG.
[0109]
The solar cell C was prepared in exactly the same manner as in Example 1 except that it was prepared using an epoxy-based silver paste (specific resistance at curing 0.0001 Ωcm) as a conductive adhesive to be applied.
[0110]
When the solar cell characteristics of the completed solar cell C were measured using a simulator and the effective conversion efficiency was determined, the average was 13.0%, which was a good characteristic and there was little variation.
[0111]
Furthermore, when the resistance between the metal wire / metal bus bar of the produced solar cell C was measured with a four-terminal resistance measuring device (not shown), and the amount of power generation loss at the connection portion was simulated from the measured value, the intrinsic conversion efficiency was 0. .01% or less.
[0112]
In this example, a conductive adhesive having an resistivity one digit lower than that in Example 2 was used, but the effective conversion efficiency was the same. That is, it was revealed that sufficient conversion efficiency can be achieved in a region where the specific resistance of the conductive adhesive does not contribute.
[0113]
Example 4
In Example 4, five amorphous solar cells D having a pin junction triple structure with the layer structure shown in FIG.
[0114]
The solar cell D was prepared in the same manner as in Example 1 except that it was prepared using an acrylic silver paste (specific resistance at curing 0.0001 Ωcm) as a conductive adhesive to be coated.
[0115]
When the solar cell characteristics of the completed solar cell D were measured using a simulator and the effective conversion efficiency was obtained, the average was 13.0%, which was a good characteristic and there was little variation.
[0116]
Furthermore, when the resistance between the metal wire / metal bus bar of the produced solar cell D was measured with a four-terminal resistance measuring device (not shown), and the amount of power generation loss at the connection portion was simulated from the measured value, the intrinsic conversion efficiency was 0. .01% or less.
[0117]
In this example, a conductive adhesive having a specific resistance lower by one digit than that of Example 2 was used as in Example 3, but the effective conversion efficiency was the same. That is, it was revealed that sufficient conversion efficiency can be achieved in a region where the specific resistance of the conductive adhesive does not contribute.
[0118]
(Example 5)
The fifth embodiment is different from the other embodiments in that an anisotropic conductive film is used as a conductive material, and the amorphous solar cell E having a pin junction type triple structure in the layer structure shown in FIG. Created.
[0119]
Up to the step of removing the wire covering layer shown in FIG. Thereafter, an anisotropic conductive film (thickness 25 μm, specific resistance at crimping 0.001Ω (calculated value)) is cut into an appropriate size and placed on the exposed portion of the silver-clad copper wire. A metal bus bar was placed as shown in FIG. As the metal bus bar, silver-plated copper having a thickness of 100 μm was used. In this state, first, only the top of the metal bus bar is attached by a thermocompression bonding apparatus shown in the figure at 180 ° C. for 20 seconds and a pressure of about 4.1 × 10. 6 Thermocompression bonding was performed under Pa conditions. After that, further 200 ° C 45 seconds, pressure about 2.0 × 10 Five The entire collector electrode wire was bonded and fixed on ITO by thermocompression bonding under the conditions of Pa.
[0120]
Five solar cells E were completed by the above process.
[0121]
When the solar cell characteristics of the completed solar cell E were measured using a simulator and the effective conversion efficiency was determined, the average efficiency was 13.0%, and there was little variation.
[0122]
Furthermore, when the resistance between the metal wire and the metal bus bar of the produced solar cell E was measured with a four-terminal resistance measuring device (not shown), and the amount of power generation loss at the connection portion was simulated from the measured value, the intrinsic conversion efficiency was 0. It was equivalent to 0.01%.
[0123]
In this example, the case where an anisotropic conductive film is used as the conductive material has been described in detail, but it has become clear that the same conversion efficiency as that of the conductive adhesive can be achieved.
[0124]
(Comparative Experiment 1)
Resin coating (lamination) was performed on the solar cells A to E created in the above examples in order to perform an evaluation test described later. The procedure is shown below.
[0125]
Solar cell, EVA (ethylene-vinyl acetate copolymer) sheet (thickness 460 μm), unstretched ETFE (polyethylene tetrafluoroethylene) film (thickness 50 μm), polyethylene terephthalate (PET) film 50 μm thick), organic nonwoven fabric, and galvalume steel plate (thickness 0.4 mm) were stacked in the order of ETFE / EVA / organic nonwoven fabric / solar cell / EVA / PET / EVA / steel plate to form a solar cell module laminate. Next, a stainless steel mesh (40 × 40 mesh, wire diameter 0.15 mm) is placed outside the ETFE via a Teflon film for release (thickness 50 μm), and the laminate is pressed using a vacuum laminator. A solar cell was completed by thermocompression bonding at 150 ° C. for 30 minutes while degassing.
[0126]
On the surface of the surface covering material, irregularities with a height difference of up to 30 μm were formed by a mesh.
[0127]
The output terminal was previously turned to the back side of the photovoltaic element, and after lamination, the output could be taken out from the terminal outlet that had been opened in advance in the Galvalume steel plate.
[0128]
The following comparative experiments were performed on the solar cell modules A to E thus created, assuming actual outdoor environmental conditions. Test {circle around (1)} is a test assuming the intrusion of moisture outdoors, and Test {circle around (2)} is a test assuming the influence of bending due to wind outdoors. Of the five solar cells prepared, three were used for test (1) and two for test (2).
(1) High temperature and high humidity (HH) test
A high-temperature and high-humidity test (85 ° C. and 85%) based on IEEE standard draft 9 was conducted for 1000 hours. After the test, the conversion efficiency was measured again.
(2) Dynamic load test
A dynamic load test based on IEEE standard draft 9 was performed for 10,000 cycles. After the test, the conversion efficiency was measured again. Moreover, regarding the solar cell modules A to D, after the measurement, the surface covering material and the metal bus bar were carefully removed, and the state of the conductive adhesive was observed with a microscope.
[0129]
The test results are shown in Table 1.
[0130]
[Table 1]
Figure 0004585652
[0131]
Regarding the high-temperature and high-humidity test, there was almost no change in any of the modules, but only the solar cell module A showed a slight decrease, which is considered to be an influence of the resin type of the conductive adhesive.
[0132]
In addition, regarding the dynamic load test, the conversion efficiency was not deteriorated at all in any module, and it was good. In modules A, B, and C, the conductive adhesive was cracked. This result is considered to be a phenomenon caused by the flexibility of the conductive adhesive used.
[0133]
From the above results, it was found that the configuration of the present invention has sufficient reliability. In particular, it has been found that the system using an epoxy resin or an acrylic resin is particularly reliable.
[0134]
【The invention's effect】
As described above, the current collecting mode has been improved by the present invention, and it has become possible to greatly reduce the resistance loss between the bus bar and the wire part, which has been a conventional problem. In addition, it was possible to obtain a photovoltaic device with very high initial conversion efficiency. Furthermore, in the manufacturing method of these photovoltaic elements, the manufacturing method excellent in productivity, cost, and ease was able to be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a current collecting electrode according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic schematic view of a current collecting electrode according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of an amorphous silicon solar cell according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic view for explaining a method for producing a photovoltaic element of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view of a conventional photovoltaic device.
[Explanation of symbols]
101, 501, 601 Photovoltaic element
102, 502, 602 Etching line
103, 407, 504, 603 Current collecting electrode
104, 201, 301, 604 Metal wire
105, 202, 605 conductive coating layer
106, 507, 606 metal bus bar
107,506 Conductive material
108, 503, 607 Insulating member
302 1st coating layer
303 Second coating layer
401 substrate
402 Lower electrode
403, 413, 423 n-type semiconductor layer
404, 414, 424 i-type semiconductor layer
405, 415, 425 p-type semiconductor layer
406 Upper electrode
505 Covering layer removal section

Claims (11)

導電性被覆層を有する金属ワイヤからなる集電電極と、前記集電電極と接続された金属バスバーとを有する光起電力素子において、
前記金属ワイヤの前記導電性被覆層に覆われていない部分と前記金属バスバーの間の接続部が、前記導電性被覆層よりも比抵抗の小さい導電材によって形成されていることを特徴とする光起電力素子。
In a photovoltaic device having a current collecting electrode made of a metal wire having a conductive coating layer, and a metal bus bar connected to the current collecting electrode,
The connection part between the part which is not covered with the said conductive coating layer of the said metal wire , and the said metal bus bar is formed with the electrically conductive material whose specific resistance is smaller than the said conductive coating layer, The light characterized by the above-mentioned. Electromotive force element.
前記導電材の比抵抗が前記導電性被覆層の比抵抗の1/500以下であることを特徴とする請求項1に記載の光起電力素子。2. The photovoltaic element according to claim 1, wherein a specific resistance of the conductive material is 1/500 or less of a specific resistance of the conductive coating layer. 前記導電材が導電性接着剤であ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。The photovoltaic element according to claim 1, wherein the conductive material is a conductive adhesive. 前記導電性接着剤を構成する導電フィラーが、銀もしくは銅もしくはニッケルを主成分とすることを特徴とする請求項3に記載の光起電力素子。The photovoltaic element according to claim 3, wherein the conductive filler constituting the conductive adhesive contains silver, copper, or nickel as a main component. 前記導電性接着剤を構成する樹脂成分が、アクリル樹脂もしくはエポキシ樹脂を主成分とすることを特徴とする請求項3又は4に記載の光起電力素子。The photovoltaic element according to claim 3 or 4, wherein the resin component constituting the conductive adhesive is mainly composed of an acrylic resin or an epoxy resin. 前記導電材が厚み方向に導電性を有する高分子膜であ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。The photovoltaic element according to claim 1, wherein the conductive material is a polymer film having conductivity in a thickness direction. 前記導電性被覆層の比抵抗が0.1Ωcm以上100Ωcm以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の光起電力素子。7. The photovoltaic element according to claim 1, wherein a specific resistance of the conductive coating layer is 0.1 Ωcm or more and 100 Ωcm or less. 前記導電性被覆層を構成する導電フィラーが、カーボンもしくはグラファイトであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の光起電力素子。The photovoltaic element according to any one of claims 1 to 7, wherein the conductive filler constituting the conductive coating layer is carbon or graphite. 導電性被覆層を有する金属ワイヤからなる集電電極と、前記集電電極と接続された金属バスバーとを有する光起電力素子の製造方法において、前記集電電極の前記導電性被覆層の少なくとも一部を除去することによって前記金属ワイヤを露出する工程と、該露出部に前記導電性被覆層よりも比抵抗の小さい導電材を配する工程と、前記導電材を介して前記金属ワイヤと対向する位置に金属バスバーを配置する工程と、前記導電材を加熱又は/及び加圧をすることにより前記金属ワイヤと前記金属バスバーを接続する工程と、を有することを特徴とする光起電力素子の製造方法。In the method of manufacturing a photovoltaic device having a current collecting electrode made of a metal wire having a conductive coating layer and a metal bus bar connected to the current collecting electrode, at least one of the conductive coating layers of the current collecting electrode. A step of exposing the metal wire by removing a portion, a step of disposing a conductive material having a specific resistance smaller than that of the conductive coating layer on the exposed portion, and facing the metal wire through the conductive material And a step of arranging a metal bus bar at a position and a step of connecting the metal wire and the metal bus bar by heating or / and pressurizing the conductive material. Method. 前記導電性被覆層の除去がエネルギービームを照射することにより行われることを特徴とする請求項9に記載の光起電力素子の製造方法。The method for manufacturing a photovoltaic element according to claim 9, wherein the conductive coating layer is removed by irradiation with an energy beam. 前記導電性被覆層を構成する導電フィラーが、カーボンもしくはグラファイトであることを特徴とする請求項9又は10に記載の光起電力素子の製造方法。The method for manufacturing a photovoltaic element according to claim 9 or 10, wherein the conductive filler constituting the conductive coating layer is carbon or graphite.
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