JP4773544B2 - エッジスペースを備えた太陽電池モジュールの製造方法 - 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(CuInSe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を製造する方法において、前記第1の層(408)及び第2の層(404,405,406)を前記ガラス基板(409)の端部から第1の幅だけ除去することにより第1の幅を備えた第1のエッジスペースを形成するステップと、前記第2の層だけを前記ガラス基板の端部から第2の幅だけ除去することにより第2のエッジスペース形成ステップと、を有し、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、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を製造する方法において、前記第2の層(404,405,406)だけを第3の幅だけ除去することにより第2のエッジスペースを形成するステップと、少なくとも前記第1の層(408)を前記ガラス基板(409)の端部から第1の幅だけ除去することにより第1の幅を備えた第1のエッジスペースを形成するステップと、を有し、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、前記第2の層(404,405,406)を分割する複数の分割溝(301)により、前記第2の層(404,405,406)が複数のセル(302)に分割され、前記第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、前記第1の層(408)が、前記第2の層(404,405,406)よりも固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、前記第3の幅が、0.1mm以上であり、前記第1のエッジスペースを形成するステップが、前記第1の層(408)および前記第2の層(404,405,406)の両方を除去することにより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、前記第3の幅が、前記ガラス基板(409)の端部から10.1mm以上であり、前記第1のエッジスペースを形成するステップが、前記第1の層(408)だけを除去することにより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、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。
本発明のさらに別の態様においては、前記第1の層(408)が、モリブデンを包含する第1の電極からなり、前記第2の層(404,405,406)が、少なくとも前記第1の層(408)の上に形成されたCIS層(406)と、前記CIS層(406)の上に形成されたバッファ層(405)と、前記バッファ層(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、前記第2のエッジスペースを形成するステップが、第2のレーザ、若しくは、メカニカルスクライブを用いて前記第2の層(404,405,406)を除去することにより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、前記第1のエッジスペースを形成するステップが、前記第2のレーザよりも強力な第1のレーザを用いて前記第1の層(408)を除去することにより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、前記第1のエッジスペースを形成するステップが、サンドブラスタを用いて前記第1の層(408)を除去することにより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、前記レーザが、パルスレーザ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。
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。
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。
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。
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。
Figure 0004773544
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。
Figure 0004773544
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。
従来技術によるフレームタイプ太陽電池モジュールの平面図を示す。 従来技術によるフレームタイプ太陽電池モジュールの端部断面の拡大(正面)図を示す。 従来技術によるフレームレス太陽電池モジュールの端部断面の拡大(正面)図を示す。 従来技術によるフレームレス太陽電池モジュールの平面図を示す。 従来技術によるフレームレス太陽電池モジュールの端部断面の拡大(正面)図を示す。 本願発明にかかる好ましい実施形態による太陽電池モジュールの平面図を示す。 図4Aにおける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)を示す。 図4Aにおける側面図の一部を拡大した断面図である。 発明の効果を評価するサンプルデバイス(処理前)の一例である。 発明の効果を評価するサンプルデバイス(処理後)の一例である。 本願発明にかかる好ましい実施形態によるエッジスペースを形成する前の太陽電池回路の断面図(正面図)を示す。 本願発明にかかる好ましい実施形態により第2の層を除去した太陽電池回路の断面図(正面図)を示す。 本願発明にかかる好ましい実施形態によるエッジスペース処理を施した太陽電池モジュールの断面図(正面図)を示す。 本願発明にかかる好ましい実施形態による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。 本願発明にかかる好ましい実施形態により第2のエッジスペースを形成した太陽電池回路の断面図(正面図)を示す。 本願発明にかかる好ましい実施形態によるエッジスペース処理を施した太陽電池モジュールの断面図(正面図)を示す。 本願発明にかかる好ましい実施形態による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。 本願発明にかかる好ましい実施形態により第1のエッジスペースを形成した太陽電池回路の断面図(正面図)を示す。 本願発明にかかる好ましい実施形態によるエッジスペース処理を施した太陽電池モジュールの断面図(正面図)を示す。
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

Claims (13)

  1. 太陽電池モジュールを製造する方法であって、
    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において、
    前記第1の層及び第2の層を前記ガラス基板の端部から第1の幅だけ除去することにより第1の幅を備えた第1のエッジスペースを形成するステップと、
    前記第2の層だけを前記ガラス基板の端部から第2の幅だけ除去することにより第2のエッジスペース形成ステップと、
    を有し、
    前記第1の層が、前記第2の層よりも固く、
    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ることを特徴とする太陽電池モジュールを製造する方法。
  2. 太陽電池モジュールを製造する方法であって、
    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において、
    前記第2の層だけを第3の幅だけ除去するステップと、
    前記第1の層及び前記第2の層を前記ガラス基板の端部から第1の幅だけ除去することにより第1の幅を備えた第1のエッジスペースと、前記ガラス基板の端部から第2の幅を備えた第2のエッジスペースとを形成するステップと、
    を有し、
    前記第1の層が、前記第2の層よりも固く、
    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ることを特徴とする太陽電池モジュールを製造する方法。
  3. 太陽電池モジュールを製造する方法であって、
    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において、
    前記第2の層だけを第2の幅だけ除去することにより第2のエッジスペースを形成するステップと、
    前記第1の層を前記ガラス基板の端部から第1の幅だけ除去することにより第1の幅を備えた第1のエッジスペースを形成するステップと、
    を有し、
    前記第1の層が、前記第2の層よりも固く、
    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ることを特徴とする太陽電池モジュールを製造する方法。
  4. 前記第3の幅が、0.1mm以上である、
    ことを特徴とする請求項2に記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
  5. 前記第2のエッジスペースの幅が、前記ガラス基板の端部から10.1mm以上である、
    ことを特徴とする請求項2又は3に記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
  6. 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5のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
  7. 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乃至のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
  8. 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乃至のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
  9. 前記第2のエッジスペースを形成するステップが、第2のレーザを用いて前記第2の層を除去することにより形成されることを特徴とする、請求項1乃至のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
  10. 前記第2のエッジスペースを形成するステップが、メカニカルスクライブによって前記第2の層を除去することにより形成されることを特徴とする、請求項1乃至のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
  11. 前記第1のエッジスペースを形成するステップが、第1のレーザを用いて前記第1の層を除去することにより形成されることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
  12. 前記第1のエッジスペースを形成するステップが、サンドブラスタを用いて前記第1の層を除去することにより形成されることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
  13. 前記レーザが、パルスレーザであることを特徴とする請求項または11のいずれかに記載の太陽電池モジュールを製造する方法。
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