JP5000468B2 - 光起電モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、請求項１の前段部分に記載された光起電モジュールに関する。本発明は、また、該モジュールを製造する方法に関する。
光起電薄膜モジュールを製造する場合、電気絶縁性を有する、例えばガラス板のような広い面積の基板上に、一般には透明な受光面電極層、半導体層及び裏面電極層が製膜される。各層の蒸着時に、成形が行なわれる。即ち、各々の層は、例えばレーザーを用いて、機械的に、又は化学的に帯片になるよう順次分離される。そのための分離線は、帯状の光起電セルを構成する受光面電極層と裏面電極層とが重なり合うように形成され、次いで分離された光起電セルの帯片は直列に接続される。
帯状セルの最適幅は、受光面電極層と裏面電極層のシート抵抗と、光照射を受けたときのセルのインピーダンスによって決まる。薄膜技術によって決まるものではあるが、出力の最適化を目的としたモジュールに用いられる簡単な薄膜セルの場合、セル幅は、一般的には約４〜１０ｍｍである。簡単な薄膜セルは、例えば、シリコン、特にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）若しくは微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）、銅・インジウム若しくは銅・インジウム・ガリウムの硫化物及び／又はセレン化物、又はテルル化カドミウムの半導体層にｐ−ｎ接合を１つだけ有する。一方、薄膜シリコンをタンデム型又は三層型に積層したセルの場合、例えば、ａ−Ｓｉ／ａ−Ｓｉとａ−Ｓｉ／μｃ−Ｓｉの半導体層に複数のｐ−ｎ接合を有し、その幅は、通常は約７〜２０ｍｍである。開回路電圧と動作点電圧、及びセルの最適幅は用いる技術によって決まるものではあるが、薄膜技術を用いたセルの場合、開回路電圧は、基板の単位幅（メートル）当たり、即ち、直列に接続された、幅１ｍの帯状セルのモジュールについては約１００Ｖという決まった値になる。典型的な特性を有するモジュールの場合、動作点電圧は、開回路電圧の約７５〜８５％である。基板の寸法を大きくすれば、モジュール電圧もそれにつれて高くなる。
しかし、用途によっては、例えば光起電モジュールを１２Ｖのバッテリーシステムにおいて使用するような場合には、低電圧であることが望ましい。また、グリッド接続されたシステムにおいても、モジュールは、しばしば低電圧である方が好ましい場合がある。低電圧モジュールは、システムの許容電圧に達するまで非常に数多くのモジュールを直列に接続して用いることができる。薄膜モジュールは、一般的に開回路の単位電圧当たり１〜２Ｗの比出力を有する。モジュールのためのシステムの許容電圧が、例えば６００Ｖの場合、１系統当たり６００〜１２００Ｗの最大許容仕事率になる。一方、結晶半導体層を用いたモジュールの場合、仕事率がモジュールの単位電圧当たり５〜１０Ｗと高くなるために、１系統当たりの仕事率を非常に大きくする又は与えられた仕事率を達成するための光起電モジュールの系統数を減らすことが可能になり、それは製造コストの大幅な削減にもなる。
光起電モジュールの電圧を下げる方法としては、図１に示したように、モジュール１を同一寸法で低電圧のサブモジュール２、３、４に分離し、各々を外部配線によって並列に接続する方法が知られている。
図１のサブモジュール２が示すように、サブモジュール２、３、４の各々は、第１と第２のセルＣ１、Ｃ２、最後から２番目と最後のセルＣｎ−１、Ｃｎ、及び図示していないが上述したセルの間に位置する複数のセルを有する。各々のサブモジュールの外側２つのセル、即ち第１と最後のセルＣ１、Ｃｎは、電流を取り出すためのタップ・セルつまりターミナルとして形成され、かつ接続帯片５、６が装着されている。その間に配置されたセルは、全てが同一の面積、即ち同一の長さと幅を有する。各々のサブモジュール両側のタップ・セルの少なくとも一つは、光起電性がないために発電に貢献しない。このように、図１のモジュール１の場合には、低い電圧のモジュールを製造することが可能になるが、タップ・セルの数が多くなるために、光起電に使用可能な領域が小さくなり、そのためにモジュールの出力も低下する。
本発明は、低電圧でありながら高出力のモジュールを提供することを目的とする。
その目的は、請求項１の特徴部分に記載した本発明による光起電モジュールによって達成可能である。本発明の好ましい実施形態は、請求項２〜４に記載されている。請求項５は、該モジュールを製造するための好ましい方法に関し、好ましい方法は、請求項６、７に記載したように改良することが好ましい。
本発明によると、２つの隣接するサブモジュールの外側のセルは、隣接したサブモジュールと共用のタップ・セルを構成する。同時に、２つの隣接したサブモジュールを互いに分離又は連結する線が、共用のタップ・セルを境にして鏡面対称に配置されている。
このように、２つの隣接した鏡面対称にあるサブモジュール外側のタップ・セルを単体のタップ・セルとして共用させることによって、モジュールの出力を低下させるタップ・セルの数を大幅に少なくすることができる。本発明によると、サブモジュールを２つ有するモジュールに必要なタップ・セルの数を、従来技術の場合の４つから３つに削減することができる。また、本発明によると、例えばサブモジュールを４つ有するモジュールに必要なタップ・セルの数を、従来技術の場合の８つから５つに削減することができる。
タップ・セルは、光起電性がなく、単にターミナルとして使用できるようになっていてよい、又は光起電性を備えるとともに電流を取り出すための配線が設けられていてもよい。
受光面電極層、半導体層及び裏面電極層の各々に分離線又は連結線が鏡面対称に形成された対称面は、２つの互いに隣接したサブモジュールの間のタップ・セルを二等分する線に直交する方向に延在する。
本発明によると、このように、隣接した２つのサブモジュールは、共用の第１のセルと、そこから第２、第３などのセル、そして最後のセルと両側に連続的に配置されたセルを有する。また、本発明によると、鏡面対称の２つの隣接したサブモジュールは、光起電性がないタップ・セルを共有することができる。これにより、光起電性がない１つのタップ・セルに相当する面積と、１つの接続帯片を減らすことができる。
さらに、光起電性を有するタップ・セルを用いる場合にも、２つのサブモジュールを鏡面対称に配置することができる。これにより、隣接したサブモジュールを互いに分離する線を無くすことができるために、有効面積が拡大される。また、接続帯片を１つさらに減らすこともできる。
サブモジュールは、例えば外部接続によって並列に接続されている。本発明を最適な形態で実施するために、モジュールは、少なくとも４つのように偶数のサブモジュールを有することが好ましい。サブモジュールのタップ・セル間のセルは、各々同じ面積を有する。即ち、セルは全て同一の長さであるために、タップ・セル間のセルは同じ幅を有することになる。光起電性を有するタップ・セルは、タップ・セル間に配置されたセルと同じ面積つまり幅を有していてもよいが、以下でより詳細に説明するように、大きい面積つまり幅を有するように構成することもできる。しかし、光起電性がないように構成した場合には、タップ・セルを、タップ・セル間のセルより狭い幅、好ましくは接続帯片とほぼ同じ幅に形成することになる。
入射光側の透明な受光面電極層は、例えば酸化亜鉛又は酸化錫の透明な導電性酸化膜（ＴＣＯ）の層である。ＴＣＯは、基板であるガラス板上に製膜される。モジュールの半導体層は、例えば、シリコン、特にａ−Ｓｉ若しくはμｃ−Ｓｉ、銅・インジウム若しくは銅・インジウム・ガリウムの硫化物及び／又はセレン化物、又はテルル化カドミウムを用いて製膜される。例えば１つのｐ−ｎ接合が形成された半導体層を用いた簡単なセルの場合、セルの幅は、約３〜１５ｍｍ、特に約４〜１０ｍｍであることが好ましい。例えば、ａ−Ｓｉ／ａ−Ｓｉ又はａ−Ｓｉ／μｃ−Ｓｉをタンデム型又は三層型に重ね、半導体層が２つ、３つ又はそれ以上のｐ−ｎ接合を有する薄膜シリコン積層型セルの場合、セル幅は、約５〜３０ｍｍ、特に約７〜２０ｍｍであることが好ましい。セル幅を拡大した場合、光起電効率が低下する。逆に帯片幅を小さくした場合には、分離線又は連結線の数が増大するために、有効面積の減少という好ましくない影響が出る。
裏面電極層は、金属膜又は導電性の酸化金属膜によって形成することが可能であり、また、任意にＴＣＯを追加してもよい。
受光面電極層、半導体層及び裏面電極層は、一般にはＣＶＤ法及び／又はＰＶＤ法によって製膜される。各々の層の分離線又は連結線は、レーザーを用いて、機械的に、又は例えばエッチングのように化学的に形成される。
本発明によるモジュールは、例えば１２Ｖのバッテリーを使用する低電圧のシステムに用いることができる。モジュールは、また、グリッド接続されたシステムに用いることも可能であり、その場合、複数のモジュールが許容システム電圧に達するまで直列に連結される。
タップ・セルを裏面電極に、つまり照射側から外方に向く半導体層の側に接続するために、本発明のモジュールには、超成層技術を用いることが好ましい。
タップ・セルが光起電性を備える場合、光起電性が、とりわけショートによって損なわれることがないよう、また入射光がタップ・セルの大きい表面積に照射されるよう、適切な接続法を用いることが好ましい。このために、金属製の接続帯片は、タップ・セルの裏面電極層に、接着性と導電性を有するペーストを用いて接着される。ペーストは、例えば銀を含有していてよい。また、感熱性接着剤を用いることもできる。
また、例えば、金属の小球又は金属被覆されたセラミックの小球のような導電性粒子が充填されたアクリル／シリコーン系又はゴム系の接着剤層を有する、自己接着式の接続帯片を用いることもできる。また、接続帯片にエンボス加工を行い、その隆起部を裏面電極層に直接接続し、また凹陥部を導電性がないようにするとともに、接着剤で満たすことによって、接続帯片がタップ・セルに確実に接着されるように構成することも可能である。この場合、接着のための加熱は一般には不要である。
また、光起電セルに対する接続帯片の非破壊的な接続は、はんだ付けにより行うことができる。しかし、錫を用いてはんだ付けをする場合、タップ・セルは、例えば錫、銀又は銅によって形成された、はんだ付けが可能な層を有していなければならない。ニッケルは、錫、銀及び銅に対する拡散防止層を形成することによって、はんだ付け工程中及び光起電モジュールの使用中に、はんだからそれらの種類の金属が拡散することを極めて有効に防止するために、タップ・セルにニッケル層を形成してもよい。ニッケル層の厚さは、約１０ｎｍから約１μｍの範囲にある。はんだ付け作業そのものは、半田ごてを用いて、手動で又は自動的に行われる。
非接触式熱接続は、例えばハロゲン・ランプ又はレーザー光線を用いて短波長の光を短時間照射することによって行われる。また、別の方法によると、非接触式熱接続は、高周波エネルギーを接続帯片に短時間誘導結合することによって行われる。ここで、金属製の接続帯片は高周波エネルギーによって高温に加熱されるが、それより薄い裏面電極層は、それほど高い温度には加熱されないことに留意することが重要である。
長期間安定した状態を維持できるはんだ付け接続部を得るためには、接続される２つの面を化学的に活性化することが必須である。予め錫メッキされた金属製の接続帯片が、この目的には好適である。また、光起電セルの表面を、部分的に錫メッキすることも可能である。また、錫メッキに替えて、融剤による処理を、光起電セルとの接続箇所に対して部分的に行うこともできる。さらに、予め錫メッキされた接続帯片は、接続のために、融剤によって表面を化学的に活性化してもよい。
接続帯片に替えて、タップ・セルは、接続帯片と同様の断面を有する導電路として形成された錫メッキ層を有していてもよい。
接続を行うことによってタップ・セルの光起電性が損なわれる場合、接続のために分離線によって隔離されたタップ・セルの区画を用い、その区画の外側部分の光起電性を有する領域の面積を確保することがとりわけ有利であることが証明されている。
しかし、タップ・セルの光起電性を有する領域の面積は、タップ・セル間のセルと同じ大きさでなければならない。即ち、接続用に分離された面積を補填するために、タップ・セルは、大きい面積、つまり長さが同じであるために大きい幅を有する。
隔離された区画に対する接続は、例えばはんだ付けや超音波圧接のような溶接によって行われる。接続処理を行った場合、タップ・セルの隔離された区画の光起電性は失われる。従って、隔離区画の大きさは、タップ・セルの光起電性を有する領域がおおむね小さくなることがないように選ぶことが好ましい。このために、接続帯片との接続が行われる隔離区画は、その外側部分の光起電セルに好ましくない影響が及ばないよう、例えば１０〜３００ｍｍの間隔を空けて配置され、また例えば５〜５０ｍｍ2の面積を有することが好ましい。
隔離区画を画定する分離線は、製造工程の１つであるセルを分離する又は連結するための分離線を形成するときに、例えばレーザーを用いて、機械的に、又は化学的に形成することができる。このために、透明な受光面電極層には、電気的に絶縁された、小さい隔離区画を設けることが好ましい。
本発明の接続帯片は、隔離区画において裏面電極層にはんだ付けにより接続することが好ましい。接続帯片は、予め錫メッキが施され、また融剤によって処理されていることが好ましい。はんだ付けは、接続帯片に高周波エネルギーを誘導結合することによって行うことができる。
また、裏面電極層を積層により形成することも可能であり、この場合、最外郭の層は、予め錫メッキが施され、また融剤によって処理された接続帯片にはんだ付けするときに拡散防止層として機能する金属の層によって形成される。裏面電極層は、例えば、厚さが８０ｎｍの酸化錫膜、２５０ｎｍのアルミニウム膜、及び拡散防止層として機能する１０ｎｍ〜１μｍ、最外郭層として好ましくは５０〜１００ｎｍのニッケル膜である。誘導結合によるはんだ付けに用いられる高周波エネルギーの周波数は、例えば１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚである。
図２を参照して説明すると、光起電モジュール１０は、複数のサブモジュール１１、１２、１３を有する。
図３を参照して説明すると、ガラス板のような透明基板１４上に、モジュールの入射光（ｈυ）側から順に透明な受光面電極層１５、半導体層１６、及び裏面電極層１７が、例えば気相成長法によって形成されている。各々の層には、例えばレーザーを用いて、分離線が形成されている。即ち、受光面電極層１５には分離線１８が、半導体層１６には分離線１９が、そして裏面電極層１７には分離線２０が設けられている。受光面電極層１５と裏面電極層１７とが重なり合うように配置して、直列に接続することによって帯状の光起電セルＣが形成される。
サブモジュール１１、１２、１３の外側の２つのセルは、隣接したサブモジュール１１、１２、１３の外側のセルと協働して、共用のタップ・セルを形成している。即ち、正極のタップ・セルは、サブモジュール１１の最後のセルＣｎであるとともに、隣接したサブモジュール１２の最後のセルＣｎでもある。同様に、負極のタップ・セルは、サブモジュール１２の第１のセルＣ１であるとともに、隣接したサブモジュール１３の第１のセルＣ１である。
セルＣは、全て同一の長さを有する。タップ・セルＣ１、Ｃｎの間のセルＣ２〜Ｃｎ−１は、同じ幅ａを有する。サブモジュール１１の、即ちモジュール１０の外側の負極のタップ・セルＣ１は、セルＣ２〜Ｃｎ−１と同一の幅ａを有する。
光起電性がなく、共用で、正極のタップ・セルＣｎは、幅ａより小さい幅を有する。接続帯片の幅は、一般にはＣ２〜Ｃｎ−１と同じく幅ａである。
一方、光起電性を備え、サブモジュール１２、１３によって共用される負極のタップ・セルＣ１は、その他のセルの幅ａの二倍の大きさの幅ｂを有し、幅ｂは、以下でより詳細に説明するように、接続帯片２３との接続のために光起電性が失われる区画２５の面積を補填するために、任意で幅を大きくしてもよい。セルＣ１は、隣接したサブモジュール１２、１３についての、光起電性を有するタップ・セルである。このように、２つのサブモジュール１２、１３を分離するための分離線を無くすことによって、有効面積を拡大することができる。また、接続のための接続帯片２３も１つにすることができる。
図３に示すように、２つの隣接したサブモジュール１２、１３の分離線１８、１９、２０は、互いに鏡面対称になるよう配置されており、対称面は、二等分線Ｍに直交する方向に延在している。このように、２つの隣接したサブモジュール１１、１２は、同じ鏡面対称形を有する。
２つのサブモジュール１２、１３は、共用の第１のセルＣ１を有し、第１のセルＣ１の両側には、鏡面対称に第２のセルＣ２や第３のセルＣ３などと、最後のセルＣｎが配置されている。同様に、２つのサブモジュール１１、１２は、共用の最後のセルＣｎを有し、最後のセルＣｎの両側には、最後から２番目のセルＣｎ−１などと、第１のセルＣ１が配置されている。
タップ・セルＣｎ、Ｃ１には、電流を取り出すための接続帯片２２、２３が装着されている。同様に、モジュール１０の一方の端部に位置する、サブモジュール１１の第１のセルＣ１には、接続帯片２４が装着されている。
モジュール１０のサブモジュール１１、１２、１３の負極と正極は、例えば外部接続によって並列に接続されている。図７は、４つのサブモジュールＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶを含む既知のモジュール１の結線を示し、図８は、同じく４つのサブモジュールＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶを含む本発明によるモジュール１０の結線を示す。各々のはんだ付けされた接続点には、符号Ｓが付されている。
図７と図８に示したように、本発明によるとタップ・セルの数が削減されるために、はんだ付けされた接続点Ｓの数も、４つのサブモジュールＩ〜ＩＶについて、８つ（図７）から５つ（図８）と少なくなる。
分離線１８、１９、２０は、図３と図４とは異なるように配置することもできる。例えば、分離線２０は、裏面電極層１７と半導体層１６の両方を同時に分離するように配置してもよい。
負極のタップ・セルＣ１は、図４に受光面電極層１５の分離線２６によって画成されるように示されるとともに、図２に破線で示された区画２５を有する。接続帯片２３、２４は、区画２５において、例えばはんだ付けによってタップ・セルＣ１に接続される。タップ・セルＣ１の区画２５ははんだ付けのために光起電性が失われるが、その外側部分における光起電性は影響を受けない。
図５は、図２〜図４に示した負極のタップ・セルＣ１の拡大平面図である。図５は、接続帯片２３が区画２５の中央の接続点２７において裏面電極層１７に、例えばはんだ付けによって接続され、そのために区画２５が、光起電性が失われる又は少なくとも損なわれることを示す。不活性区画２５のために減少する光起電セルの面積は、タップ・セルＣ１の幅ｂをその分拡大することによって補填される。
図６は、光起電性を有する正極のタップ・セルＣｎの一実施形態を示す拡大平面図である。接続帯片２２は、区画２８の中央の接続点２９において裏面電極層１７に、例えばはんだ付けによって接続される。区画２８を画成する分離線３０は、区画２８をその周囲のタップ・セルの負極から絶縁するために、裏面電極層１７、又は代替として裏面電極層１７と半導体層１６とに形成されている。さらに、各々の区画２８内には、受光面電極層１５から裏面電極層１７の区画２８への通電をオン・オフするために、分離線３１が、半導体層１６に形成されている。こうして受光面電極１５の正電位が分離された裏面電極区画２８に供給される。正極の接続帯片２２が区画２８の外側で負極の裏面電極層１７に接触することがないように、例えば絶縁接着テープのような絶縁層３２が、区画２８の間、接続帯片２２と裏面電極層１７の間に配置されている。
図５においては、隣接する区画２５間の間隔Ａは、タップ・セルＣ１の幅の１〜１０倍、特に３〜６倍であることが好ましいが、図６においては、隣接する区画２８間の間隔Ｂは、タップ・セルＣｎの幅の０．５〜２倍であることが好ましい。
１ モジュール
２ サブモジュール
４ サブモジュール
５ 接続帯片
１０ 光起電モジュール
１１ サブモジュール
１２ サブモジュール
１３ サブモジュール
１４ 透明基板
１５ 受光面電極
１５ 受光面電極層
１６ 半導体層
１７ 裏面電極層
１８ 分離線
１９ 分離線
２０ 分離線
２２ 接続帯片
２３ 接続帯片
２４ 接続帯片
２５ 区画
２５ 不活性区画
２６ 分離線
２７ 接続点
２８ 区画
２８ 裏面電極区画
２９ 接続点
３０ 分離線
３１ 分離線
３２ 絶縁層
２ サブモジュール
４ サブモジュール
５ 接続帯片
１０ 光起電モジュール
１１ サブモジュール
１２ サブモジュール
１３ サブモジュール
１４ 透明基板
１５ 受光面電極
１５ 受光面電極層
１６ 半導体層
１７ 裏面電極層
１８ 分離線
１９ 分離線
２０ 分離線
２２ 接続帯片
２３ 接続帯片
２４ 接続帯片
２５ 区画
２５ 不活性区画
２６ 分離線
２７ 接続点
２８ 区画
２８ 裏面電極区画
２９ 接続点
３０ 分離線
３１ 分離線
３２ 絶縁層
Claims (7)
- 各々に分離線（１８、１９、２０）が形成された、透明な受光面電極層（１５）、半導体層（１６）及び裏面電極層（１７）を有するサブモジュール（１１、１２、１３）が互いに連結され、前記サブモジュールを直列に接続することによって帯状の光起電セル（Ｃ）を形成する光起電モジュールであって、
前記サブモジュール（１１、１２、１３）の各々の外側の２つのセル（Ｃ１、Ｃｎ）は、電流を取り出すためのタップ・セルに構成されており、
前記サブモジュール（１１、１２、１３）の２つの隣接したサブモジュール（１１、１２又は１２、１３）の隣接した外側のセルは、単体の共用タップ・セル（Ｃ１、Ｃｎ）に構成されており、
前記２つの隣接したサブモジュール（１１、１２又は１２、１３）の前記分離線（１８、１９、２０）は、前記共用のタップ・セル（Ｃ１、Ｃｎ）を境にして鏡面対称に配置されており、
さらに、電流出力のために、接続帯片（２２、２３、２４）が、前記タップ・セル（Ｃ１、Ｃｎ）の前記裏面電極層（１７）に接続されている光起電モジュールにおいて、
前記タップ・セル（Ｃ１、Ｃｎ）はそれぞれ、電流を取り出すために分離線（２６、３０）によって隔離された、少なくとも２つの間隔をあけた接続区画（２５、２８）を有するにも拘わらず、前記接触区画（２５、２８）の外側において光起電性を有する領域の面積が確保されており、
負極の前記タップ・セル（Ｃ１）については、分離線（２６）が前記受光面電極層（１５）に形成され、
正極の前記タップ・セル（Ｃｎ）については、分離線（３０）が、前記裏面電極層（１７）、又は前記裏面電極層（１７）と前記半導体層（１６）に形成されており、
前記半導体層（１６）には、前記間隔をあけた前記接続区画（２８）それぞれにおいて、前記正極のタップ・セルの電流を取り出すための、少なくとも１つの付加的な分離線（３１）が設けられると共に、前記裏面電極層（１７）とは電気的に絶縁されている接続帯片（２２）が電流出力のために設けられている
ことを特徴とする光起電モジュール。 - 前記光起電モジュールが偶数のサブモジュール（１１、１２、１３等）からなることを特徴とする請求項１記載の光起電モジュール。
- 前記接続帯片（２２、２３、２４）は、前記タップ・セルそれぞれの、間隔をあけた前記接続区画（２５、２８）において、前記裏面電極層（１７）にはんだ付けにより接続されることを特徴とする請求項１記載の光起電モジュール。
- 前記タップ・セル（Ｃ１、Ｃｎ）は、はんだ付けを行うときにはんだの金属に接合するための拡散防止層を有することを特徴とする請求項３記載の光起電モジュール。
- 前記接続帯片（２２、２３、２４）は、前記タップ・セルそれぞれの間隔をあけた前記接続区画（２５、２８）において、前記裏面電極層（１７）にはんだ付けにより接続されることを特徴とする請求項１記載の光起電モジュールを製造する方法。
- 前記接続帯片（２２、２３、２４）は、予め錫メッキを施して、融剤によって処理されていることを特徴とする請求項５記載の方法。
- はんだ付けは、前記接続帯片（２２、２３、２４）に高周波エネルギーを誘導結合することによって行われていることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
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