JP5017459B2 - 太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)前記球状半導体素子は、その中心を通り前記列方向と平行な軸線上において球状半導体素子の両端部にドット状に形成され且つpn接合の両端に低抵抗接続された1対の第1導電接続部を介して前記リードストリングに接続された。
(2)前記バイパスダイオードは、その中心を通り前記列方向と平行な軸線上においてバイパスダイオードの両端部に形成され且つバイパスダイオードのpn接合の両端に低抵抗接続された1対の第2導電接続部を介して前記リード片に接続された。
(4)複数行の全部の複数の球状半導体素子の導電方向を同一方向に揃え、マトリックスの列方向に隣接する太陽電池アレイ同士間に絶縁材料製の1又は複数のスペーサを設け、リード部材の少なくとも一端部に外部リードを一体形成した。
(8)前記1対のパネル部材間に挟着された複数のリード片により、1対のパネル部材間の間隔を設定するように構成した。
(10)前記リード片の外端部に、太陽電池モジュールの組み立て時に外部の案内部材に係合させる為の係合部を形成した。
(11)前記1対のパネル部材のうち、太陽光の入射側と反対側のパネル部材の内面または外面に反射膜又は装飾を施したプリント膜を形成した。
(13)前記第2工程において、前記スリット状の開口部として円弧形状の開口部を形成すると共に、各列のリードストリングを円弧形状に形成する。
(14)前記第10工程に続き、前記マトリックス状セル集合体を少なくとも一方が透明な第1,第2湾曲パネル部材間に配置すると共に第1,第2湾曲パネル部材間に透明合成樹脂を充填し、その後加熱処理する第11工程を有する。
3,4 パネル部材
6,66 透明合成樹脂
10,10A,10B,10C 太陽電池セル集合体
11,11A,11B,11C 太陽電池アレイ
12,12A 太陽電池サブアレイ
13,13A,13B 導電接続機構
14,14B リード部材
15 リードストリング
16 リード片
17 中間リード片
20 球状太陽電池セル
21 p形球状半導体
31 正電極
32 負電極
40 バイパスダイオード
41 n形球状半導体
47 陽極
48 陰極
50,50A 薄金属シート
63,64 湾曲パネル部材
図1〜図3に示すように、この太陽電池モジュール1は、例えば鉛直姿勢に配設される矩形パネル状のものである。この太陽電池モジュール1は、光透過性の平板状の1対のパネル部材3,4と、パネル部材3,4間に挟着された複数の太陽電池アレイ11から構成される太陽電池セル集合体10と、パネル部材3,4間に充填された透明合成樹脂6と、複数の球状太陽電池セル20の出力を外部出力する為の複数の外部リード8p,8nとを有している。この太陽電池モジュール1では、下側の外部リード8pが正極、上側の外部リード8nが負極である。尚、図1の上下左右を上下左右として説明し、紙面手前側が太陽光入射側とする。
図4〜図8に示すように、太陽電池セル集合体10は、複数行複数列のマトリックス状に配設され且つ導電方向をマトリックスの列方向に揃えた光電変換機能を有する複数の球状太陽電池セル20(球状半導体素子に相当する)と、導電方向をマトリックスの列方向に揃え且つ球状太陽電池セル20と逆並列接続された複数のバイパスダイオード40と、各行の複数の球状太陽電池セル20及び複数のバイパスダイオード40を並列接続すると共に各列の複数の球状太陽電池セル20及び複数のバイパスダイオード40を直列接続する導電接続機構13とを有する。複数の太陽電池アレイ11からなるセル集合体10は平板状に構成されている。尚、複数の太陽電池セル20と複数のバイパスダイオード40が複数行複数列のマトリックス状に配列されている。
図4〜図7に示すように、導電接続機構13は、マトリックスの複数の行間部とマトリックスの列方向の両端部に配設された複数の直線状のリード部材14から構成されている。各リード部材14は、このリード部材14の両端部に形成された1対のリード片16と途中部に形成された複数の中間リード片17であってバイパスダイオード40の直径(幅)以上の広幅の複数のリード片16,17と、これらリード片16,17同士間に形成された複数のリードストリング15であって、太陽電池セル20の半径以下の狭幅の複数のリードストリング15とを有する。
図9に示すように、太陽電池セル20は、p形半導体からなる球状半導体21(シリコン単結晶)と、この球状半導体21の表面の一部を研磨加工した平坦面22と、球状半導体21の中心を挟んで平坦面22と対向する球状半導体21の表層部にスポット状にn+形拡散層24を形成することで形成されたスポット状のpn+接合25と、球状半導体21の表層部にn形拡散層26を形成することで形成された部分球面状のpn接合27と、球状半導体21の中心を挟んで対向する表層部に形成されてpn+接合25とpn接合27の両端に接合された1対の正,負電極31,32(第1導電接続部に相当する)と、正,負電極31,32を除く部分に成膜された反射防止膜34とを有する。正電極31は球状半導体21の平坦面22の中央部に低抵抗接続され、負電極32はn形拡散層26の表面に低抵抗接続されている。
最初に、p形の球状シリコン単結晶21を用意する。このシリコン単結晶21を製造するには、例えば、上部坩堝で溶融したp形不純物を含むシリコンの融液から液滴を自由落下させる。この液滴は、落下中に表面張力により真球になった後、冷却されて凝固し、球状結晶となる。球状結晶の直径が1.6mm程度となるように諸条件を設定するが、しばしば表面に小さな突起が発生するため、その突起を除去して寸法精度の高い球体に仕上げ加工を行い、例えば、直径約1.5mmの真球とする。
図10に示すように、このバイパスダイオード40は、n形の半導体からなる球状半導体41(シリコン単結晶)と、この球状半導体41の表面の一部を研磨加工された平坦面42と、球状半導体41の表層部にp+形拡散層44を形成することで形成された部分球面状のp+n接合45と、球状半導体41の中心を挟んで対向する表層部に形成されてpn接合45の両端に接合された1対の陽極47及び陰極48(第2導電接続部に相当する)と、陽極47,陰極48を除く部分に成膜された表面保護膜49とを有する。陰極48は、球状半導体41の平坦面42の中央部に低抵抗接続され、陽極47はp+形拡散層44に低抵抗接続されている。
最初に、球状太陽電池セル20と同様の直径を有する球状のn形シリコン単結晶41を用意する。この球状のn形シリコン単結晶41の一部に平坦面42を設ける。この平坦面42を中心としたn形シリコン単結晶41の下側の半球部分の表面に、上記と同様に不純物の拡散マスクとしてSiO2膜を設ける。残りの露出したn形半導体41の表面にボロンを拡散し、深さ10μm程度のp+形領域44を設ける。これによりp+n接合45が形成される。さらに上記と同様に球面全体にSi3 N4 の被膜を形成し、パッシベーションを兼ねた表面保護膜49とする。
図8は、複数行複数列のマトリックス状に配設された複数の太陽電池セル20と複数のバイパスダイオード40を有する太陽電池モジュール1の等価回路図である。例えば、この太陽電池モジュール1に、15行12列に配設された複数の太陽電池セル20が組み込まれた場合を例にして説明する。
先ず、第1工程において、p形の球状半導体21とこの球状半導体21の表層部に形成されたスポット状のpn+接合25と部分球面状のpn接合27と反射防止膜34とを夫々有する複数の球状太陽電池セル20を予め準備する。これと並行して、太陽電池セル20と同様の大きさの複数の球状のバイパスダイオード40を予め準備する。尚、このときの太陽電池セル20は、正,負電極31,32がpn+接合25とpn接合27の両端に低抵抗接続する前の状態のものであり、バイパスダイオード40は、陽極47,陰極48がpn接合45の両端に低抵抗接触する前の状態のものである。
この太陽電池モジュール1によれば、リード部材14は、複数の球状太陽電池セル20が電気的に接続され且つ球状太陽電池セル20の半径以下の狭幅の1又は複数のリードストリング15と、リード部材14の少なくとも両端部にリードストリング15と一体的に形成され且つバイパスダイオード40が電気的に接続され且つバイパスダイオード40の幅以上の広幅の複数のリード片16,17とを有する。それ故、複数の球状太陽電池セル20と複数のバイパスダイオード40を複数のリードストリング15と複数のリード片16,17とを含む1つのリード部材14に取り付けた太陽電池サブアレイ12を製作し、これら複数のサブアレイ12を複数段に積層する際に、自動組立装置のハンドでリード片16を把持することができる。サブアレイ12を積層する際に案内し且つ位置決めするための位置決め用係合部16aをリード片16に形成することも可能であるから、自動組立装置により能率的に組み立てることができる太陽電池モジュール1が得られる。
太陽電池セル集合体10Aは、複数行複数列のマトリックス状に配設された複数の球状太陽電池セル20と、これら太陽電池セル20と逆並列接続された複数のバイパスダイオード40と、これらを直列且つ並列接続する為の導電接続機構13Aとを有し、マトリックスの行方向に複数等分した複数の変曲点において連なる複数の部分円筒面状に構成されている(図20参照)。尚、1つの変曲点において連なる2つの部分円筒面状に構成されても良いし、変曲点の無い1つの部分円筒面状に形成されても良い。
図19に示すように、導電接続機構13Aは、マトリックスの複数の行間部とマトリックスの列方向の両端部に配設された複数のリード部材74を介して、各行の複数の太陽電池セル20及び複数のバイパスダイオード40を並列接続し且つ各列の複数の太陽電池セル20を直列接続し且つ各列の複数のバイパスダイオード40を直列接続するメッシュ状の接続回路である。各リード部材74は、複数の部分円弧形状に形成されたリードストリング75であって、各球状太陽電池セル20の半径以下の狭幅の複数のリードストリング75と、リードストリング75の両端部の広幅のリード片76と、複数の変曲点の広幅の中間リード片77とを備えている。
先ず、第1工程において、前記実施例1同様に複数の球状太陽電池セル20と複数の球状バイパスダイオード40を準備する。次に、第2工程において、図21に示すように、前記実施例1と同様の薄金属シート50Aに、打ち抜き加工又はエッチング加工することで、複数行複数列にスリット状の複数の開口部81を形成する。このスリット状の開口部81として円弧形状の開口部81が形成されると共に、各列の複数のリードストリング75が円弧形状に形成され、複数のバンド部82,83及び複数のバンド部82に形成される複数の係合部76aも形成する。
この太陽電池モジュール1Aによれば、湾曲パネル部材63,64の受光面が、前記実施例1の平板状のパネル部材3,4に対して、複数の部分円筒面状に形成されているので、受光面が増加し、太陽直射光の入射方向が時間と共に変動しても、太陽電池モジュール1Aの出力変動を抑制することができる。このような部分円筒面を持つ太陽電池モジュール1Aは、屋根瓦や壁材として適用可能である。受光面が部分円筒面状に形成されているので太陽電池モジュール1Aに意匠性(デザイン性)を付与することができる。
図28〜図32に示すように、セル集合体10Bは、複数行複数列のマトリックス状に配設され且つ導電方向をマトリックスの列方向に揃えた光電変換機能を有する複数の球状太陽電池セル20と、マトリックスの各行の両端部と途中部に複数列に配設された複数のバイパスダイオード40と、各行の複数の球状太陽電池セル20を並列接続する導電接続機構13Bとを有している。尚、バイパスダイオード40は、少なくとも1列設ければよい。
導電接続機構13Bは、各行の複数の電池セル20と複数のバイパスダイオード40とをそれらの列方向両端の1対のリード部材14B,14Bを介して並列接続するものであるが、各リード部材14Bは、複数のリードストリング15と複数のリード片16と1又は複数の中間リード片17と備え、実施例1のリード部材14と同様のものである。但し、リード片16には、行方向の外側へ延びるリード端子81a,81b(外部リード)が設けられている。尚、リード部材14Bの少なくとも一端部にリード端子81a又はリード端子81bを一体形成しても良い。各行の複数の太陽電池セル20と複数のバイパスダイオード40と、1対のリード部材14Bの接続構造は、実施例1の導電接続機構13と同様であるので説明を省略する。
この太陽電池モジュール1Bにおいて、複数のリード端子81a,81bの接続構造を外部スイッチの切換により変えることで、モジュールの出力特性を適宜変更することができる。太陽電池モジュール1Bから最大出力電圧を取り出す場合には、図33に示すように、複数行のアレイ11Bを外部リード82を介して直列接続すればよい。太陽電池モジュール1Bから最大出力電流を取り出す場合には、図34に示すように、複数行のアレイ11Bを外部リード83,84を介して並列接続すればよい。
図35に示すように、太陽電池セル集合体10Cにおいては、太陽電池アレイ11Bと、太陽電池アレイ11Bの球状太陽電池20及びバイパスダイオード40の導電方向を反転した太陽電池アレイ11Cを複数の絶縁材料製のスペーサ85を挟んで交互に配置している。各アレイ11B,11Cは独立したものであるので、リード端子81a,81bによる外部結線のやり易さを考慮して、前記のように複数のアレイ11Bを反転して配置することも可能である。尚、スペーサ85のサイズを変更したり、スペーサ85を省略することで、各アレイ11B,11C同士間の間隔を自由に設定することも可能である。
[1]このモジュール1,1A,1Bの出力電力と採光率の比率は、主として使用する複数の太陽電池セル20の出力電力と、太陽電池セル20とバイパスダイオード40と導電接続機構13による遮光総面積に依存する。それ故、太陽電池セルや太陽電池アレイの間隔を変えて窓材として使用する場合の意匠性を高め付加価値を上げるため、複数の球状太陽電池セル20の配置や使用数、導電接続機構13の形状などを適宜設計することができる。
[3]その他、当業者ならば本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前記実施例に種々の変更を不可した形態で実施することができ、本発明はそれらの変更形態も包含するものである。
Claims (16)
- 複数行複数列のマトリックス状に配置され且つ光電変換機能を有する複数の球状半導体素子を有し、各行の複数の球状半導体素子をそれらの導電方向をマトリックスの列方向に揃えてリード部材を介して並列接続した太陽電池アレイに構成した太陽電池モジュールにおいて、
前記球状半導体素子は、p形又はn形の球状半導体と、この球状半導体の表層部に形成された部分球面状のpn接合とを備え、
前記太陽電池アレイは、各行の複数の球状半導体素子と、少なくとも1対のバイパスダイオードと、複数の球状半導体素子と複数のバイパスダイオードを並列接続する1対のリード部材とを備え、
前記リード部材は、複数の球状半導体素子が電気的に接続され且つ球状半導体素子の半径以下の狭幅の1又は複数のリードストリングと、リード部材の少なくとも両端部に前記リードストリングと一体的に形成され且つ前記バイパスダイオードが球状半導体素子と電気的に逆並列に接続され且つ前記バイパスダイオードの幅以上の広幅の複数のリード片とを有する、
ことを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記球状半導体素子は、その中心を通り前記列方向と平行な軸線上において球状半導体素子の両端部にドット状に形成され且つpn接合の両端に低抵抗接続された1対の第1導電接続部を介して前記リードストリングに接続された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。
- 前記バイパスダイオードは、その中心を通り前記列方向と平行な軸線上においてバイパスダイオードの両端部に形成され且つバイパスダイオードのpn接合の両端に低抵抗接続された1対の第2導電接続部を介して前記リード片に接続された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。
- 複数行の全部の複数の球状半導体素子の導電方向を同一方向に揃え、マトリックスの列方向に隣接する太陽電池アレイは、それら太陽電池アレイの間に位置するリード部材を共有し、各列の複数の球状半導体素子及び各列の複数のバイパスダイオードは複数のリード部材を介して直列接続されたことを特徴とする請求項3に記載の太陽電池モジュール。
- 複数行の全部の複数の球状半導体素子の導電方向を同一方向に揃え、マトリックスの列方向に隣接する太陽電池アレイ同士間に絶縁材料製の1又は複数のスペーサを設け、リード部材の少なくとも一端部に外部リードを一体形成したことを特徴とする請求項3に記載の太陽電池モジュール。
- 前記複数の太陽電池アレイは平板状に構成され、
これら複数の太陽電池アレイの両面側を塞ぐ平行な1対のパネル部材を設け、前記1対のパネル部材の間に複数の球状半導体素子と複数のリード部材を樹脂封止する透明合成樹脂を充填し、少なくとも太陽光の入射側のパネル部材を透明材料で構成した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。 - 前記複数の太陽電池アレイはマトリックスの行方向に複数等分した1又は複数の変曲点において連なる複数の部分円筒面状、又は1つの部分円筒面状に構成され、
これら複数の太陽電池アレイの太陽光入射側の面を塞ぎ且つ前記1又は複数の部分円筒面に沿う形状の透明材料製の第1湾曲パネル部材と、複数の太陽電池アレイの太陽光入射側と反対側の面を塞ぎ且つ前記1又は複数の部分円筒面に沿う形状の第2湾曲パネル部材を設け、前記第1,第2湾曲パネル部材の間に複数の球状半導体素子と複数のリード部材を樹脂封止する透明合成樹脂を充填した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。 - 前記マトリックスの行方向におけるリード部材の1又は複数の途中部に前記リード片と同様の1又は複数の中間リード片が一体形成され、各行の1又は複数の中間リード片に対応するバイパスダイオードを設けたことを特徴とする請求項3に記載の太陽電池モジュール。
- 前記1対のパネル部材間に挟着された複数のリード片により、1対のパネル部材間の間隔を設定するように構成したことを特徴とする請求項6に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第1,第2湾曲パネル部材間に挟着された複数のリード片により、第1,第2湾曲パネル部材間の間隔を設定するように構成したことを特徴とする請求項7に記載の太陽電池モジュール。
- 前記リード片の外端部に、太陽電池モジュールの組み立て時に外部の案内部材に係合させる為の係合部を形成した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1対のパネル部材のうち、太陽光の入射側と反対側のパネル部材の内面または外面に反射膜又は装飾を施したプリント膜を形成したことを特徴とする請求項6に記載の太陽電池モジュール。
- 複数行複数列のマトリックス状に配置され且つ光電変換機能を有する複数の球状半導体素子を有し、各行の複数の球状半導体素子をそれらの導電方向をマトリックスの列方向に揃えてリード部材を介して並列接続した太陽電池アレイに構成した太陽電池モジュールを製造する太陽電池モジュールの製造方法において、
p形又はn形の球状半導体とこの球状半導体の表層部に形成された部分球面状のpn接合とを夫々有する複数の球状半導体素子を予め準備し、且つ前記球状半導体素子と同様の大きさの球状の複数のバイパスダイオードを予め準備する第1工程と、
薄金属シートに複数行複数列にスリット状の複数の開口部を形成し、行方向両端部と列同士間に列方向に連続するバンド部を形成すると共に、複数の開口部同士間に球状半導体素子の半径以下の狭幅の複数のリードストリングを形成する第2工程と、
前記複数のリードストリングの各々の上に複数の球状半導体素子を接続する為の半固体状の第1導電接続材料を複数のスポット状に塗布すると共に、前記バンド部における複数のリードストリングに対応する部位に、バイパスダイオードを夫々接続する為の半固体状の第2導電接続材料をスポット状に塗布する第3工程と、
前記複数の第1導電接続材料に複数の球状半導体素子の正極又は負極を夫々接続すると共に、前記複数の第2導電接続材料に複数のバイパスダイオードの陰極又は陽極を夫々接続する第4工程と、
前記複数のリードストリング上の複数の球状半導体素子の頂部に夫々スポット状に第1導電接続材料を塗布すると共に、前記複数のバンド部上の複数のバイパスダイオードの頂部に夫々スポット状に第2導電接続材料を塗布する第5工程と、
前記複数の球状半導体素子と複数のバイパスダイオードを配置した薄金属シートを加熱して、第1,第2導電接続材料を固化させて第1,第2導電接続部とする第6工程と、
前記薄金属シートのバンド部をリードストリング同士間の中間に対応する位置において分断してリード片にすることで、各行の複数の球状半導体素子と複数のバイパスダイオードと1つのリード部材とを含む太陽電池サブアレイを製作する第7工程と、
前記太陽電池サブアレイにおける複数の球状半導体素子の頂部の第1導電接続部と、複数のバイパスダイオードの頂部の第2導電接続部に導電接着材を塗布する第8工程と、
所定の組み立て治具の1対の案内部により、前記太陽電池サブアレイの両端の1対のリード片を案内しながら、複数の太陽電池サブアレイを順次積層していって複数の球状半導体素子と複数のバイパスダイオードを複数行複数列のマトリックス状セル集合体に組み立てる第9工程と、
前記マトリックス状セル集合体を加熱処理することにより、導電接着材を固化させる第10工程と、
を備えたことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記第10工程の次に、前記マトリックス状セル集合体を少なくとも一方が透明な1対のパネル部材間に配置すると共に1対のパネル部材間に透明合成樹脂を充填し、その後加熱処理する第11工程を有することを特徴とする請求項13に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記第2工程において、前記スリット状の開口部として円弧形状の開口部を形成すると共に、各列のリードストリングを円弧形状に形成することを特徴とする請求項13に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記第10工程に続き、前記マトリックス状セル集合体を少なくとも一方が透明な第1,第2湾曲パネル部材間に配置すると共に第1,第2湾曲パネル部材間に透明合成樹脂を充填し、その後加熱処理する第11工程を有することを特徴とする請求項15に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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