JP4773543B2 - エッジスペースを備えた太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、エッジスペースを備えた太陽電池モジュールに関する技術であって、特に、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ２系であってＣＩＳ、ＣＩＧＳ、ＣＩＧＳＳ等を含む総称）系薄膜太陽電池モジュールに関する。
従来からＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールは、基板（１０９）表面に金属裏面電極層、ｐ形光吸収層、高抵抗バッファ層、ｎ形窓層（透明導電膜）などの各層を積層してＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを構成し、その上にＥＶＡ（Ethylene-Vinyl Acetate）樹脂、ＰＶＢ（PolyVinyl Butyral）などの封止効果を持つ充填材（１０３）をいれて、上面のカバーガラス（１０２）をラミネートして取り付け、これをアルミなどのフレーム（１０１）で囲って太陽電池モジュールの端部をカバーしている。フレームと太陽電池モジュールとの間に樹脂等を挟みこむことにより（図示せず）、カバーガラス（１０２）の端部から水などの湿分が侵入することを防止し、耐候性を高めている（図１参照）。
一方、太陽電池モジュールの軽量化、製造コストの低減のためには、アルミフレームを取り付けないフレームレスの太陽電池モジュールがある。このようなフレームレスの太陽電池モジュールとしては、受光面側フィルムと、受光面側充填材と、接続タブで電気的に接続された複数の太陽電池素子と、裏面側充填材と、裏面側フィルムとを重ねるように順次配設して成る太陽電池モジュールであって、前記受光面側フィルムの周縁部と前記裏面側フィルムの周縁部とを熱融着した構造が提案されている（特許文献１参照）。
また、別のフレームレスの太陽電池モジュールとしては、フレームレス太陽電池モジュールを、勾配を有する住宅屋根等の被取付け部材に敷設する際、被取付け部材の勾配方向に隣接する太陽電池モジュール間に、棒状目地材を挟んで太陽電池モジュールを敷設し、棒状目地材の全体が太陽電池モジュールの表面から突出しないようにした構造が提案されている（特許文献２参照）。
更に、太陽電池回路の周辺に、エッジスペース（デバイス層が堆積されていないスペース）を設けたフレームレス太陽電池モジュールも提案されている（図２および特許文献３参照）。エッジスペースを設けることにより、フレームを取り付ける必要がなくなり、フレームを備えるタイプよりも、製造コストの低減ならびに太陽電池モジュールの軽量化が可能となる。このタイプの太陽電池モジュールの製造方法としては、基板（１０９）の受光面側の全面に、積層膜（第１の電極（１０８）／半導体層（１０７）／第２の電極（１０４））を製膜した後、エッジスペースに対応する領域の積層膜を、レーザーやサンドブラスタ等で除去し、エッジスペースを形成する（図２参照）。例えば、特許文献４には、ＹＡＧレーザーを用いたエッジスペース領域の積層膜を除去する技術が開示されている。
特開２００６−８６３９０
特開２００２−３２２７６５
特開２００８−２８２９４４
特表２００２−５４０９５０
エッジスペース部分の積層膜を除去した場合、太陽電池回路の性能（特に、変換効率）が低下するという問題がある。ここで、太陽電池回路とは、エッジスペースの形成・カバーガラスのラミネートを行う前の、基板上に積層膜が製膜されたものをいう。以下に、ＣＩＳ系薄膜太陽電池の場合における、当該問題の発生原理を説明する。
図３Ａは、ＣＩＳ系太陽電池回路の受光面側から見た平面図であり、図３Ｂは、分割溝に対して直交方向（図３Ａのａ−ａ’）のＣＩＳ系薄膜太陽電池回路の断面拡大図である。図３Ａに示すように、当該回路は、互いに平行な複数の分割溝により、半導体層および第２の電極が分割された複数のセルによって構成される。
ここで、分割溝に対して直交する端部のエッジスペース（図３Ａにおいて点線で囲った部分）をサンドブラスタで形成した場合、エッジスペースに露出した積層膜の端部において、当該積層膜が損傷を受け、回路の変換効率が低下することがある。（つまり、エッジスペースを形成した後の、積層膜におけるエッジスペースとの境界部分が損傷を受け、回路の変換効率が低下することがある。）また、サンドブラスタによる処理には、更なる問題として、積層膜を除去した後の砂の処理が煩雑であり、製造コストが増大するという問題がある。
一方、サンドブラスタの代わりにレーザを用いた場合、砂の処理などの問題はないが、第１の電極（Ｍｏ層）も除去するためには、４３０Ｗ相当の強力なレーザが必要となる。これは、第１の電極（Ｍｏ層）が、ＣＩＳ層や第２の電極に比して強固なため、ＣＩＳ層や第２の電極を除去するのに必要な弱いレーザでは処理できないからである。その結果、この強力なレーザを用いてエッジスペースを形成した場合、エッジスペースに露出した積層膜の端部において、ＣＩＳ層や第２の電極が溶融し、分割溝部分でシャントすることがある。このシャントが原因で、太陽電池回路の変換効率が低下する等位問題が発生する。
本発明における太陽電池モジュールは、上記課題を解決するため、処理工程を複雑にすることなく、変換効率などの太陽電池の特性の低下を防止する好ましいエッジスペースを備える。
すなわち、少なくとも基板ガラス（４０９）と、前記基板ガラス（４０９）の上に形成された第１の層（４０８）と、前記第１の層（４０８）の上に形成された第２の層（４０４，４０５，４０６）と、を有する太陽電池モジュールには、第１のエネルギ量を備えた第１の除去手段により前記第１の層（４０８）を除去することにより、前記第１の層（４０８）の端部から、前記ガラス基板の端部までの間に、前記第１の層（４０８）が形成されていない第１のエッジスペースが設けられ、第２のエネルギ量を備えた第２の除去手段により前記第２の層（４０４，４０５，４０６）を除去することにより、前記第２の層（４０４，４０５，４０６）の端部から、前記ガラス基板（４０９）の端部までの間に前記第２の層（４０４，４０５，４０６）が形成されていない第２のエッジスペースが設けられ、前記第２のエッジスペースの幅は、前記第１のエッジスペースの幅よりも大きいことを特徴とする。
さらに、本発明の好ましい態様においては、本発明に係る太陽電池モジュールが、第２の層（４０４，４０５，４０６）を分割する複数の分割溝（３０１）により、第２の層（４０４，４０５，４０６）が複数のセル（３０２）に分割され、第２のエッジスペースが、前記分割溝（３０１）と直交するように形成されることを特徴とする。
本発明のさらに別の態様においては、第１の層（４０８）が、第２の層（４０４，４０５，４０６）よりも固く、第２のエネルギ量が、第１のエネルギ量よりも小さいことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様においては、第１の層（４０８）が、モリブデンを包含する第１の電極からなり、第２の層（４０４，４０５，４０６）が、少なくとも第１の層（４０８）の上に形成されたＣＩＳ層（４０６）と、ＣＩＳ層（４０６）の上に形成されたバッファ層（４０５）と、バッファ層（４０５）の上に形成された第２の電極層（４０４）と、から構成されることを特徴とする。
本発明のさらに別の態様においては、第１のエッジスペースの幅が、１０ｍｍ以上であり、第２のエッジスペースの幅が、第１のエッジスペースの幅よりも０．１ｍｍ以上大きいことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様においては、第１の除去手段が、パルスレーザまたはサンドブラスタであり、第２の除去手段が、パルスレーザまたはメカニカルスクライブであることを特徴とする。
本発明に係る太陽電池回路を図４Ａ乃至Ｃに示す。図４Ａは、太陽電池デバイスの受光面側から見た平面図であり、図４Ｂは、分割溝に対して平行方向側から見た端部の断面拡大図（正面図の一部）であり、図４Ｃは、側面図の一部を拡大した断面図である。
＜本発明に係る太陽電池回路の製造方法＞
好ましい実施形態による本発明に係る太陽電池回路を製造する方法を以下に示す。図６Ａ、図７Ａおよび図８Ａに、エッジスペースを形成する前の太陽電池回路の断面図を示す。好ましい実施形態では、ガラス基板（４０９）上に第１の電極（Ｍｏ層）（４０８）が形成され、その上にＣＩＳ層（４０６）、バッファ層（４０５）、第２の電極（ＴＣＯ）（４０４）が順に形成されている。他の実施形態では、ＣＩＳ系太陽電池ではなく、アモルファスシリコン系太陽電池などを含む薄膜太陽電池においても同様の構成とすることができる。
（１）第１の好ましい実施形態
まず、かかる太陽電池回路のガラス基板側から弱いエネルギのレーザを照射することにより、第１の電極（以下、「第１の層」ともいう）（４０８）以外の層、すなわちＣＩＳ層（４０６）、バッファ層（４０５）および第２の電極（４０４）（以下、「第２の層」または「第２の層群」ともいう）を除去する。レーザ照射により除去する場所は、ガラス基板（４０９）を含む各層の端から１０ｍｍ以上内側の場所であり、除去する幅は０．１乃至１ｍｍ以上であるのが好ましい（図６Ｂ参照）。かかるレーザ照射は、パルスレーザによるものが好ましく、厚さが２乃至３μｍ程度の層であれば、パルス周波数としては６ｋＨｚ程度、９Ｗ相当のエネルギで、第１の電極以外の層、すなわち第２の層（４０４，４０５，４０６）を除去することができる。他の好ましい実施形態では、ガラス基板側からではなく、第２の電極側からレーザを照射してもよい。更に別の実施形態では、かかる弱いレーザの代わりにナイフを含むメカニカルスクライビングによって第２の層（４０４，４０５，４０６）を除去しても良い。
＜本発明に係る太陽電池回路の製造方法＞
好ましい実施形態による本発明に係る太陽電池回路を製造する方法を以下に示す。図６Ａ、図７Ａおよび図８Ａに、エッジスペースを形成する前の太陽電池回路の断面図を示す。好ましい実施形態では、ガラス基板（４０９）上に第１の電極（Ｍｏ層）（４０８）が形成され、その上にＣＩＳ層（４０６）、バッファ層（４０５）、第２の電極（ＴＣＯ）（４０４）が順に形成されている。他の実施形態では、ＣＩＳ系太陽電池ではなく、アモルファスシリコン系太陽電池などを含む薄膜太陽電池においても同様の構成とすることができる。
（１）第１の好ましい実施形態
まず、かかる太陽電池回路のガラス基板側から弱いエネルギのレーザを照射することにより、第１の電極（以下、「第１の層」ともいう）（４０８）以外の層、すなわちＣＩＳ層（４０６）、バッファ層（４０５）および第２の電極（４０４）（以下、「第２の層」または「第２の層群」ともいう）を除去する。レーザ照射により除去する場所は、ガラス基板（４０９）を含む各層の端から１０ｍｍ以上内側の場所であり、除去する幅は０．１乃至１ｍｍ以上であるのが好ましい（図６Ｂ参照）。かかるレーザ照射は、パルスレーザによるものが好ましく、厚さが２乃至３μｍ程度の層であれば、パルス周波数としては６ｋＨｚ程度、９Ｗ相当のエネルギで、第１の電極以外の層、すなわち第２の層（４０４，４０５，４０６）を除去することができる。他の好ましい実施形態では、ガラス基板側からではなく、第２の電極側からレーザを照射してもよい。更に別の実施形態では、かかる弱いレーザの代わりにナイフを含むメカニカルスクライビングによって第２の層（４０４，４０５，４０６）を除去しても良い。
上記弱いエネルギのレーザ照射では、より強固な第１の電極（Ｍｏ層）（４０８）を除去することは出来ず、第１の電極（４０８）を除去するには、６ｋＨｚ程度のパルス周波数で４３０Ｗ相当の強力なレーザを照射する必要がある。かかる強力なエネルギのレーザを全ての層にまとめて照射すると、第１の電極（４０８）より強固でない第２の層（４０４，４０５，４０６）の端は、強エネルギ照射により損傷を受け、回路の変換効率が低下することがある。
従って、図６Ｃに示すように、第２の層（４０４，４０５，４０６）の端に影響を与えないように、第２の層（４０４，４０５，４０６）よりも０．１乃至１ｍｍ以上多く第１の電極（４０８）を残すように、強力なレーザを照射して第１の電極を除去する。このような位置に強力なレーザを照射することにより、第２の層（４０４，４０５，４０６）の端は、強エネルギ照射による損傷を受けることがなく、回路の変換効率の低下を防ぐことができる。かかる強力なレーザの照射はガラス基板側から照射するのが好ましいが、第２の電極の側から照射しても良い。結果的には、第１の電極（４０８）が形成されていない第１のエッジスペースが幅１０ｍｍ以上形成され、更に、第１のエッジスペースよりも０．１乃至１ｍｍ以上広い幅を備えた第２の層（４０４，４０５，４０６）が形成されていない第２のエッジスペースが形成される。
他の好ましい実施形態では、強力なパルスレーザの代わりにサンドブラスタを使用しても良い。サンドブラスタを使用する場合には、第２のエッジスペースに露出した第２の層（４０４，４０５，４０６）の端部をサンドブラスタ処理の前にマスキングするのが好ましい。
（２）第２の好ましい実施形態
図７Ａに示した太陽電池回路のガラス基板（４０９）側から弱いエネルギのレーザを照射することにより、第１の電極（４０８）以外の層、すなわちＣＩＳ層（４０６）、バッファ層（４０５）および第２の電極（４０４）を端から１０ｍｍ以上除去することによりエッジスペース（第２のエッジスペース）を形成する。かかるレーザ照射は、上記第１の好ましい実施形態と同様にパルスレーザによるものが好ましく、厚さが２乃至３μｍ程度の層であれば、パルス周波数としては６ｋＨｚ程度、９Ｗ相当のエネルギで第２のエッジスペースを形成することができる。他の実施形態では、かかる弱いレーザの代わりにナイフを含むメカニカルスクライビングによって第２のエッジスペースを形成しても良い。
（２）第２の好ましい実施形態
図７Ａに示した太陽電池回路のガラス基板（４０９）側から弱いエネルギのレーザを照射することにより、第１の電極（４０８）以外の層、すなわちＣＩＳ層（４０６）、バッファ層（４０５）および第２の電極（４０４）を端から１０ｍｍ以上除去することによりエッジスペース（第２のエッジスペース）を形成する。かかるレーザ照射は、上記第１の好ましい実施形態と同様にパルスレーザによるものが好ましく、厚さが２乃至３μｍ程度の層であれば、パルス周波数としては６ｋＨｚ程度、９Ｗ相当のエネルギで第２のエッジスペースを形成することができる。他の実施形態では、かかる弱いレーザの代わりにナイフを含むメカニカルスクライビングによって第２のエッジスペースを形成しても良い。
上述のとおり弱いエネルギのレーザ照射では、より強固な第１の電極（Ｍｏ層）（４０８）を除去することは出来ず、６ｋＨｚ程度のパルス周波数で４３０Ｗ相当の強力なレーザ照射により、引き続き第１の電極（４０８）を除去し、第１のエッジスペースを形成する。他の好ましい実施形態では、強力なパルスレーザの代わりにサンドブラスタを使用しても良い。サンドブラスタを使用する場合には、第２のエッジスペースに露出した第２の層（４０４，４０５，４０６）の端部をサンドブラスタ処理の前にマスキングするのが好ましい。
いずれにしても、第１のエッジスペースはガラス基板（４０９）の端から１０ｍｍ以上の幅を備え、且つ、上記第２のエッジスペースよりも０．１乃至１ｍｍ以上狭い幅であるように形成される。言い換えれば、第２のエッジスペースは第１のエッジスペースよりも０．１乃至１ｍｍ以上広い幅を備え、エッジスペースの幅が１０ｍｍ以上となるように形成される。
（３）第３の好ましい実施形態
図８Ａに示した太陽電池回路のガラス基板（４０９）側から強いエネルギのレーザを照射することにより、全ての積層膜（第１の電極、ＣＩＳ層、バッファ層および第２の電極）を端から１０ｍｍ以上除去することにより第１のエッジスペースを形成する（図８Ｂ参照）。かかるレーザ照射は、上記の好ましい実施形態と同様にパルスレーザによるものが好ましく、厚さが２乃至３μｍ程度の層であれば、パルス周波数としては６ｋＨｚ程度、４３０Ｗ相当のエネルギで全ての層を除去することができる。他の好ましい実施形態では、強力なパルスレーザの代わりにサンドブラスタを使用しても良い。強いエネルギのレーザを全ての層に照射したことにより又はサンドブラスタを全ての層に適用したことにより、特に第２の層（４０４，４０５，４０６）の端は損傷を受けている。
（３）第３の好ましい実施形態
図８Ａに示した太陽電池回路のガラス基板（４０９）側から強いエネルギのレーザを照射することにより、全ての積層膜（第１の電極、ＣＩＳ層、バッファ層および第２の電極）を端から１０ｍｍ以上除去することにより第１のエッジスペースを形成する（図８Ｂ参照）。かかるレーザ照射は、上記の好ましい実施形態と同様にパルスレーザによるものが好ましく、厚さが２乃至３μｍ程度の層であれば、パルス周波数としては６ｋＨｚ程度、４３０Ｗ相当のエネルギで全ての層を除去することができる。他の好ましい実施形態では、強力なパルスレーザの代わりにサンドブラスタを使用しても良い。強いエネルギのレーザを全ての層に照射したことにより又はサンドブラスタを全ての層に適用したことにより、特に第２の層（４０４，４０５，４０６）の端は損傷を受けている。
次いで、図８Ｃに示したように、上記形成した第１のエッジスペースから更に０．１乃至１ｍｍ以上内側に第２のエッジスペースを形成するように弱いエネルギのレーザを照射する。上述の実施形態と同様に、かかる弱いレーザ照射も、パルスレーザによるものが好ましく、厚さが２乃至３μｍ程度の層であれば、パルス周波数としては６ｋＨｚ程度、９Ｗ相当のエネルギで、第１の電極（４０８）以外の層、すなわち第２の層（４０４，４０５，４０６）を除去することができる。他の好ましい実施形態では、ガラス基板側からではなく、第２の電極側からレーザを照射してもよい。更に別の実施形態では、かかる弱いレーザの代わりにナイフを含むメカニカルスクライビングによって第２の層（４０４，４０５，４０６）を除去しても良い。
いずれにしても、第１のエッジスペースはガラス基板の端から１０ｍｍ以上の幅を備え、且つ、上記第２のエッジスペースよりも０．１乃至１ｍｍ以上狭い幅であるように形成される。言い換えれば、第２のエッジスペースは第１のエッジスペースよりも０．１乃至１ｍｍ以上広い幅を備え、エッジスペースの幅が１０ｍｍ以上となるように形成される。
＜評価＞
上述の好ましい実施形態によって形成された本願発明に係る太陽電池回路が、かかる処理をすることにより変換効率などに与える影響を以下に評価する。
＜評価＞
上述の好ましい実施形態によって形成された本願発明に係る太陽電池回路が、かかる処理をすることにより変換効率などに与える影響を以下に評価する。
図５Ａにエッジスペース処理前の太陽電池の平面図の一例を示し、図５Ｂにエッジスペース処理後の太陽電池の平面図の一例を示す。いずれも３０ｃｍ×３０ｃｍの寸法のものを用いる。
従来技術として図２に示したような、第１のエッジスペースと第２のエッジスペースの幅が同じもの、すなわち、図８Ｂの状態の処理をしたサンプルデバイス６およびサンプルデバイス７を用意し、かかる図８Ｂの処理をする前と、処理後のＥＦＦ（変換効率）及びＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）を測定した結果を表１に示す。
これに対して、本願発明にかかる処理をしたサンプル、すなわち第２のエッジスペースが第１のエッジスペースよりも０．１乃至１ｍｍ以上広い幅を備え、エッジスペースの幅が１０ｍｍ以上となるように形成されたサンプルとしてデバイス１乃至４を用意した。本願発明に係る処理をする前と、処理後のＥＦＦ（変換効率）及びＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）を測定した結果を表２に示す。
いずれのサンプルも、ガラス基板側からレーザを照射したものであり、サンプルデバイス６および７は、６ｋＨｚで４３０Ｗのパルスレーザを照射して全ての層を除去する処理をしたものである。サンプルデバイス１乃至４については、第１のエッジスペースの形成には、６ｋＨｚで４３０Ｗのパルスレーザを使用し、第２のエッジスペースの形成には、６ｋＨｚで９Ｗのパルスレーザを使用した。
本願発明に係る処理を施したデバイス１乃至４の変化率は、ＥＦＦ及びＦＦのいずれの項目においても従来の処理と比較して大きく改善しているのが確認できる。従来の処理では、強いレーザ照射により第２の層（４０４，４０５，４０６）の端が損傷していると考えられるが、本願発明に係る弱いレーザ照射により第２のエッジスペースを設けることにより、第２の層（４０４，４０５，４０６）の損傷した端が除去され、分割溝におけるシャントなどのトラブルが低減することが大きな要因と考えられる。
１００ 太陽電池モジュール
１０１ フレーム
１０２ カバーガラス
１０３ 充填材
１０４ 第２の電極（ＴＣＯ）
１０７ 半導体層（バッファ層＋ＣＩＳ層）
１０８ 第１の電極（Ｍｏ層）
１０９ 基板
１１０ 太陽光
３０１ 分割溝
３０２ セル
３０４ 第２の電極（ＴＣＯ）
３０５ バッファ層
３０６ ＣＩＳ層
３０８ 第１の電極（Ｍｏ層）
３０９ ガラス基板
４０４ 第２の電極（ＴＣＯ）
４０５ バッファ層
４０６ ＣＩＳ層
４０８ 第１の電極（Ｍｏ層）
４０９ ガラス基板
４１０ リボンワイヤ
１０１ フレーム
１０２ カバーガラス
１０３ 充填材
１０４ 第２の電極（ＴＣＯ）
１０７ 半導体層（バッファ層＋ＣＩＳ層）
１０８ 第１の電極（Ｍｏ層）
１０９ 基板
１１０ 太陽光
３０１ 分割溝
３０２ セル
３０４ 第２の電極（ＴＣＯ）
３０５ バッファ層
３０６ ＣＩＳ層
３０８ 第１の電極（Ｍｏ層）
３０９ ガラス基板
４０４ 第２の電極（ＴＣＯ）
４０５ バッファ層
４０６ ＣＩＳ層
４０８ 第１の電極（Ｍｏ層）
４０９ ガラス基板
４１０ リボンワイヤ
Claims (6)
- 少なくとも
基板ガラスと、
前記基板ガラスの上に形成された第１の層と、
前記第１の層の上に形成された第２の層と、
を有する太陽電池モジュールであって、
第１のエネルギ量を備えた第１の除去手段により前記第１の層を除去することにより、前記第１の層の端部から、前記ガラス基板の端部までの間に、前記第１の層が形成されていない第１のエッジスペースが設けられ、
第２のエネルギ量を備えた第２の除去手段により前記第２の層を除去することにより、前記第２の層の端部から、前記ガラス基板の端部までの間に前記第２の層が形成されていない第２のエッジスペースが設けられ、
前記第２のエッジスペースの幅が、前記第１のエッジスペースの幅よりも大きく、
前記第２の層を分割する複数の分割溝により、前記第２の層が複数のセルに分割され、
前記第２のエッジスペースが、前記分割溝と直交するように形成され、
前記第１のエッジスペースが、前記分割溝と直交するように形成され、
前記第１の層が、前記第２の層よりも固く、
前記第２のエネルギ量が、前記第１のエネルギ量よりも小さいことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記第１の層が、モリブデンを包含する第１の電極からな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。
- 前記第２の層が、少なくとも
前記第１の層の上に形成されたＣＩＳ層と、
前記ＣＩＳ層の上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成された第２の電極層と、
から構成される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。 - 前記第１のエッジスペースの幅が、１０ｍｍ以上であり、
前記第２のエッジスペースの幅が、前記第１のエッジスペースの幅よりも０．１ｍｍ以上大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。 - 前記第１の除去手段が、パルスレーザまたはサンドブラスタであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第２の除去手段が、パルスレーザまたはメカニカルスクライブであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
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