JP5035845B2

JP5035845B2 - 太陽電池および太陽電池モジュール

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Publication number: JP5035845B2
Application number: JP2008000160A
Authority: JP
Inventors: 基成二渡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2028-01-04
Also published as: JP2009164320A

Description

本発明は、太陽電池および太陽電池モジュールに関し、特に、複数の光電変換素子をインターコネクタなどの配線部材により接続した構成を有する太陽電池および太陽電池モジュールに関するものである。

太陽電池は、光電変換素子の表面の接続用電極に配線部材が接続されて構成される。また、太陽電池モジュールは、配列された複数の太陽電池を接続したものであり、互いに隣接する一方の太陽電池の光電変換素子の接続用電極に接続された配線部材が、互いに隣接する他方の太陽電池の光電変換素子の接続用電極に接続されることにより形成される。このような従来の太陽電池モジュールの製造方法を開示する文献として、下記の特許文献１が挙げられる。

このような太陽電池モジュールを作製する工程において、太陽電池の光電変換素子間の電気的接続は、半田付けによる配線が行なわれており、所定の位置に配線部材を配置後、半田により溶着している。
特開２００４−２４７５９７号公報

このような光電変換素子の接続用電極と配線部材との相互の配置の位置ずれは、接続面積減少による接続強度の低下や、接続用電極と配線部材との間の抵抗増加や、外観の悪化などの問題を生じる。そのため、製作工程における半田付け等の接合工程時に配線位置ずれが起こらないように、相互の位置を調整する必要があった。

本発明は、このような太陽電池モジュール製作工程において、光電変換素子の接続用電極と配線部材との相互の位置ずれが抑制される構造を有する太陽電池および太陽電池モジュールを提供することを目的とするものである。

以上の課題を解決するための本発明の太陽電池は、光電変換素子の接続用電極と配線部材とが互いに係合されて電気的に接続されたものであって、接続用電極は、配線部材との接続面に凹部および凸部の少なくとも一方を有し、配線部材は、接続用電極との接続面において、接続用電極の前記凹部または凸部と互いに係合する凸部または凹部を有する。

また、接続用電極および配線部材の少なくとも一方は、凹部または凸部に隣接して、平坦部を有する構成としてもよく、配線部材の凹部または凸部の少なくとも一方は、帯状導電性部材を折り曲げて形成するか、導電性材料の押し出し成形により形成したものを含む。さらに、配線部材の凹部または凸部の少なくとも一方は複数個所に点在して構成してもよいし、接続用電極の凹部または凸部は、帯状の接続用電極の幅方向における中心線に沿って線状に形成されてもよい。

さらに、以上の課題を解決するための本発明の太陽電池モジュールは、複数の光電変換素子の接続用電極と配線部材とが互いに係合されて電気的に接続された構成を備え、接続用電極は、配線部材との接続面に凹部および凸部の少なくとも一方を有し、配線部材は、接続用電極との接続面において、接続用電極の前記凹部または凸部と互いに係合する凸部または凹部を有する。

本発明によれば、接続用電極を備える光電変換素子と、接続用電極との接続面に凸部または凹部の少なくとも一方を有する配線部材とが、相互の凹部または凸部において係合される。したがって、半田付け等の接続工程時に接続用電極を備える光電変換素子と配線部材の位置ずれが抑制されるので、接続工程中に相互の位置を保持もしくは調整する必要がなくなり、製造効率が上昇する。

（実施形態１）
本発明の実施形態１における太陽電池について、図１（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の実施形態１における太陽電池の平面図であり、図１（ｂ）は同太陽電池の断面図である。本発明の実施形態１における太陽電池に用いられる光電変換素子１は、半導体基板２と、この半導体基板２の表面に形成された接続用電極３から構成されている。接続用電極３および４は、インターコネクタなどの配線部材５への電気的および機械的接続のために形成されたもので、接続用電極３は半導体基板２との間に平坦な接続電極４を介して形成され、帯状の接続用電極４上に、凸形状３ａを２つ合わせたような形で、幅方向における中心線にそって凹部３ｂを形成している。また、配線部材５には接続用電極３の凹部３ｂに係合する凸部６が形成されている。この場合、凸部６が点在するよう形状を機械加工などの変形加工で得ると、配線部材５に対する加工量を最小限に抑えることができ、配線部材５の搬送中に加工を加えることも可能である。

凸部６の高さは接続用電極３の凸部３ａの高さを超えないことが好ましく、凸形状３ａの高さおよび凹部３ｂの深さは、１５０μｍ程度であることが好ましい。接続用電極３に平坦部３ｃを形成し、配線部材５の凸部６に隣接して、平坦部５ａを形成することが好ましい。この場合には、平坦部５ａで配線部材５と接続用電極３との圧着面を支えることにより、半田付けや後の工程でのラミネート加工時の光電変換素子の割れを抑制することができる。

そして、接続用電極３と配線部材５とは半田７により接合され、電気的にまた機械的に接続される。接続用電極３と配線部材５とは、相互に設けた凹部３ｂと凸部６において係合され、機械的に相互の位置関係がずれない構造となっている。インターコネクタとしての配線部材５は、断面矩形の平板状の細長い銅製の薄板であり、幅は２ｍｍ、厚さは０．２ｍｍ程度に構成されている。

特に光電変換素子間の接続が自動化された太陽電池モジュール製作工程において、光電変換素子の接続用電極３に配線部材５を配置する際に、光電変換素子の接続用電極３の形成位置と配線部材５の位置関係に多少のずれが生じても、凹部３ｂと凸部６に重なりがあれば半田による接合工程で接続用電極３と配線部材５とは、相互に設けた凹部３ｂと凸部６において係合され、機械的に接続され相互の位置関係がずれない。凹部３ｂと凸部６に重なりが生じる程度に光電変換素子の接続用電極３の上に配線部材５を載置すればより好ましく、半田による接合工程中において配線部材５がずれないように保持する必要が無い。

実施形態１における太陽電池に使用される半導体基板２は、例えば、一辺が１５６ｍｍ程度の正方形状で、厚さが２００〜４００μｍ程度の単結晶シリコンや多結晶シリコン等のたとえばＰ型シリコン基板で形成されている。以下、基板がＰ型である場合を例にとって説明を進める。また、以下の説明中の「Ｐ型」と「Ｎ型」を入れ替える等、必要な読み替えをすることによって、以下の説明は、基板がＮ型である場合にも基本的に適用可能である。

Ｐ型シリコン基板の表層にはＰ／Ｎ接合が形成される。このＰ／Ｎ接合の形成は、具体的には、Ｎ型の不純物を含む溶液をＰ型シリコン基板の表面に塗布するか、あるいは、このＰ型シリコン基板を気相中に置いて、８００〜９００℃程度でその表面からＮ型の不純物を熱拡散させることにより、Ｐ型シリコン基板の表層に不純物拡散層を形成することで行なわれる。こうして形成されたＮ型拡散面を、太陽電池素子１の受光面である表面２ａとし、不拡散面を裏面とする。即ち、半導体基板内２にＮ型領域とＰ型領域が形成され、Ｎ型領域とＰ型領域との界面部分に半導体接合部が形成されている。受光面２ａである表面には、金属酸化物等の反射防止膜を形成しておくことが望ましい。尚、この半導体基板２は、シリコン以外に単結晶ガリウム砒素等で形成してもよい。半導体基板２には、Ｎ型領域の表面上に表面の集電電極（図示せず）が形成され、Ｐ型領域の表面上（裏面）にも集電電極が形成されている。表面の集電電極は、フィンガー部（図示せず）と、インターコネクタとの接続部を含むメイングリッド（図示せず）とで構成されている。

これらの表面の集電電極及び裏面の集電電極は、具体的には以下のように形成される。即ち、電極形成工程において、半導体基板２の受光面２ａにはグリッド状に、裏面には略全面に、金属またはそれに準じる物質を各集電電極としてパタ−ニングし、真空蒸着法やスクリ−ン印刷法を用いて各集電電極を形成する。表面の集電電極は、上述したように、インターコネクタとの接続用電極３部を含むメイングリッド（図示せず）と、これに交差するように分岐して形成されるフィンガー部（図示せず）とで構成される。メイングリッドは、半導体基板の略全面を横切るようにして形成され、フィンガー部は、メイングリッドと直角に交差するようにして複数本が基板の略全長にわたって形成される。

メイングリッド幅は、例えば２ｍｍ程度であり、フィンガー部の幅は、例えば０．２ｍｍ程度である。メイングリッドの間隔は、例えば７５ｍｍ程度である。この表面の集電電極は、例えば、銀粉末、ガラスフリット、結合剤、及び、溶剤等から成るペーストをスクリーン印刷して７００〜８００℃程度の温度で焼き付けることにより形成される。また、裏面の集電電極（図示せず）は、例えば、インターコネクタとの接続用の銀電極と、それを除くほぼ全面に形成された集電用のアルミニウム電極とで構成されている。

接続用電極３は、後の配線部材５との半田付けのために予め半田コーティングが施されていることが好ましい。メイングリッドの厚みは、２００μｍ程度が好ましい。線状の凹部３ｂを形成する場合には、隣接して複数本の凸部３ａを線状に塗布することで形成することができ、塗布間隔を調整することで、凹部３ｂの大きさを調整することができる。この場合、工程数を増やすことなく、凹部３ｂを形成することができる。

配線部材５は、導電性材料を含んでなり、銅を含むことが好ましい。また、後の半田付けのために予め半田コーティングが施されていることが好ましい。幅は２ｍｍ程度であることが好ましく、受光面積率の観点から、メイングリッド幅を超えないことが好ましい。厚さは０．２ｍｍ程度が好ましい。

複数の太陽電池や太陽電池セルの接続は以下のようになされる。配線部材５の一端は、接続用電極３に接続されているが、他端（図示せず）は、他の隣接配置した光電変換素子１の裏面の接続用電極（図示せず）に接続され、接続用電極３の表面に配線部材５を接触させて半田７により接着する。

この接着は、具体的には次のようにして行なわれる。まず、半田で被覆された配線部材５の一端を、接続用電極３に接するように配置する。その上で、配線部材５全体に４００℃程度の熱風を吹き付け、半田を一旦融解させた後、冷却・固化することで行われる。なお、配線部材５による太陽電池や太陽電池セルが接続方法としては、上記の方法の他、リフロー方式、或いは、半田鏝を用いた手付けによる方法等もある。リフロー方式とは、半田を融解させる際に熱風を吹き付ける代わりに、高温に熱したステンレス鋼の板で配線しようとする部分を挟み込み、半田を融解させる方法である。

一般に、太陽電池モジュールでは、太陽電池セルの表面や裏面を保護する必要があることから、太陽電池モジュール製品としては、上述した配線部材を備えた複数の太陽電池セルを、透明基板と裏面カバーとの間に挟んで太陽電池モジュールを構成する。この場合に、例えば、ガラス板等の透明板と裏面カバーとの間に、太陽電池セルの受光面である表面を透明基板に向けて挟み、透明な充填材料と裏面コートで配線部材を備えた複数の太陽電池セルを封入するスーパーストレート方式が一般に用いられる。ここで透明な充填剤としては、光透過率の低下の少ないＰＶＢ（ポリビニルブチロール）や耐湿性に優れたＥＶＡ（エチレンビニルアセタート）等が用いられる。

以上のようにして、複数の光電変換素子を備えた太陽電池や、太陽電池セル、太陽電池モジュールが構成される。以上の構成によれば、光電変換素子１の接続用電極３の接続面に形成された凹部３ｂや配線部材５の凸部６が対応した形状で係合することで、光電変換素子１の接続用電極３上に配置する配線部材５の位置ずれを抑制することができる。このような凹部３ｂや凸部６は、少なくとも、受光面２ａ側に形成されていることが好ましい。

次に、接続用電極３の凹部３ｂ（凸部３ａ）の形成方法について第１図（ｃ）および（ｄ）を用いて説明する。第１図（ｃ）は本発明の実施形態１における太陽電池の接続用電極３の凹部３ｂ（凸部３ａ）の形成方法を示す説明図であり、第１図（ｄ）は同実施形態１における太陽電池の接続用電極３の凹部３ｂ（凸部３ａ）の別の形成方法を示す説明図である。接続用電極３の電極形状の形成方法としては、まず第１図（ｃ）に示すように電極材料の塗布パターンにより凹凸形状を形成させる方法があり、パターンを型抜きしたマスク基材を用いて塗布印刷もしくはディスペンサー等を用いて帯状の電極（４）を塗布形成後、その上から上記と同様に２本の電極として凸部３ａ塗布形成している。図１（ｄ）に示す形成方法は、先ず平坦で帯状の接続用電極３を形成した後、レジストマスク等のマスク材料を用いたエッチング加工や機械的な削り加工等により凹部３ｂを形成している。また、凹部３ｂが凸部６の形成された位置に対応して点在する形状でもよいが、この場合には凹部３ｂが点在するよう凹部３ｂの形状を変形加工で得るようにしても良い。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について、図２により説明する。図２は、実施形態２における太陽電地の平面図である。図２においては、配線部材５の凸部６ａは帯状の接続用電極３の幅方向における中心線ｃに沿って線状に形成されていている。凸部６ａの形成方法としては、帯状の導電性部材を折り曲げて形成するか、導電性材料の押し出し成形により形成することができる。

この場合、配線部材の形状の直線性が増し、太陽電池モジュール製作工程中での配線部材の変形による光電変換素子の電極位置と配線部材の位置関係のずれが抑制される。特に光電変換素子間の接続が自動化された太陽電池モジュール製作工程において、光電変換素子の接続用電極３に配線部材５を配置する際に、光電変換素子の接続用電極３の形成位置と配線部材５の位置関係に多少のずれが生じても、凹部３ｂと凸部６に重なりがあれば半田による接合工程で接続用電極３と配線部材５とは、相互に設けた凹部３ｂと凸部６において係合され、相互の位置関係がずれない。凹部３ｂと凸部６に重なりが生じる程度に光電変換素子の接続用電極３の上に配線部材５を載置すればより好ましく、半田による接合工程中において配線部材５がずれないように保持する必要が無い。

（実施形態３）
さらに、本発明の実施形態３としての太陽電地を図３により説明する。図３は実施形態３の太陽電地の断面図である。図３に示すように、配線部材８は、接続用電極９との接続面に、凸部１０および凹部１１の両方を有する構成としている。接続用電極９の凸部９ａの高さは２００μｍ程度で、凹部９ｂの深さは１５０μｍ以上になるように調整している。凹部１１の深さ、すなわち凸部１０の高さは１５０μｍ程度であることが好ましい。配線部材８の凸部１０および凹部１１は、帯状の導電性部材を折り曲げて形成するか、導電性材料の押し出し成形により形成することで、簡単に加工することができ、ねじれ、曲がりに対して直線性が強い配線部材８が得られる。接続用電極９の凹部９ｂは、電極材料を線状に２本、塗布形成することにより、形成することができる。

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４を、図４に基づいて説明する。図４は実施形態４の太陽電地の断面図である。図１（ｃ）に示す実施形態１の接続用電極３の電極形状の形成方法では、接続用電極３ａ、４を塗布２回で行なっているのに対し、図４に示す実施形態４としての太陽電地においては、基板２上に接続用電極９を塗布し形成するもので、１度の塗布で接続用電極９を塗布し形成しているため、回数を１度にすることができるというメリットを有する。ただし本実施形態では図１に示した平坦部３ｃは形成していない。接続用電極９に平坦部を形成せずに凹部９ｂが形成された形状であっても、凹部９ｂに対応する位置にある配線部材５の凸部６に隣接して、平坦部５ａを形成することが好ましい。この場合には、平坦部５ａで配線部材５と接続用電極９との圧着面を支えることにより、半田付けや後の工程でのラミネート加工時の光電変換素子の割れを抑制することができる。

（本発明の実施形態の種々の変形例）
本発明の実施形態１における太陽電池に関連して、配線部材と接続用電極との関係の種々の変形例について、図５（ａ）から（ｊ）を用いて説明する。図５（ａ）は配線部材５に平坦部が形成されておらず、凸部５１は配線部材５を折曲げて形成されている例を示す。図５（ｂ）は、配線部材に平坦部５１ａが形成され、凸部５１は配線部材を折曲げて形成されている変形例を示す。図５（ｃ）は接続用電極３１に平坦部３１ａが形成されている例、図５（ｄ）は配線部材５２に平坦部５２ａが形成され、凸部５３は配線部材５２を折曲げて矩形に形成されている変形例、図５（ｅ）は接続用電極３２に平坦部が形成されていない場合の変形例、図５（ｆ）は、接続用電極３３に平坦部３３ａが形成され、凹部３４が矩形に形成されている変形例、図５（ｇ）は凸部５４が配線部材５５を折曲げて矩形に形成されている変形例をそれぞれ示している。図５（ｈ）は、接続用電極３３に平坦部３３ａが形成され、凹部３４が矩形に形成されて、凸部５１は配線部材５６を折曲げて形成されている例、図５（ｉ）は、配線部材５７に凹部５８が折曲げて形成され、接続用電極には凸部３５が形成されている変形例、図５（ｊ）は、接続用電極には凸部３５が形成され、配線部材５９に矩形の凹部６０が折曲げて形成されている変形例をそれぞれ示している。

なお、図５（ａ）から（ｊ）の配線部材の形状の形成は、いずれも帯状の導電性部材を折り曲げて形成するか、導電性材料の押し出し成形により形成することができる。また接続用電極の凸部の形成については、帯状の電極を塗布形成後、その上から１本の線状の電極を塗布形成することで、凸部を形成している。また、このとき、点状に電極を塗布すれば、点状の凸部を形成することができる。

これらのいずれの変形例においても、光電変換素子の接続用電極の接続面に形成された凹部または凸部の形状と、インターコネクタとしての配線部材の接続面に形成された対応する凸部または凹部の形状が、両者を接続のために配置する際の位置ずれを抑制する。

本願実施例では電極と配線部材の接着に半付けを採用したが、半田の代わりに導電性接着ペーストなどの低温プロセスでの接着材を用いても構わない。

また、光電変換素子の受光面に接続用電極を配置した場合、配線部材の位置ずれは発電面積減少を引き起こし発電量の低下につながる。上述の実施形態においては受光面の接続用電極と配線部材の位置ずれを抑制することが可能であるので、発電量の低下が抑制される。

本実施例では受光面と受光面とは反対側の裏面に接続用電極を配置した実施例について述べてきたが、受光面側に接続用電極を配置せずに受光面とは反対側の裏面にのみ接続用電極を配置しても構わなく、この場合、半導体基板内のＮ型領域とＰ型領域の異極の電極が同一平面内にある状態で、精度良く位置合せが行え、特に光電変換素子間の接続が自動化された太陽電池モジュール製作工程において、光電変換素子の接続用電極３に配線部材５を配置する際に、光電変換素子の接続用電極３の形成位置と配線部材５の位置関係に多少のずれが生じても、凹部３ｂと凸部６に重なりがあれば半田による接合工程で接続用電極３と配線部材５とは、相互に設けた凹部３ｂと凸部６において係合され、相互の位置関係がずれない。凹部３ｂと凸部６に重なりが生じる程度に光電変換素子の接続用電極３の上に配線部材５を載置すればより好ましく、半田による接合工程中において配線部材５がずれないように保持する必要が無い。

また、Ｎ型領域とＰ型領域の異極の接続用電極のピッチなどレイアウトを不規則に変えることで異極同士の短絡接続などが回避できる。例えば、配線部材５の凸部６を点状に設け、接続用電極３の凹部３ｂも点状に設ける場合、Ｎ型電極用の配線部材５の凸部６及びそれに対する接続用電極３の凹部３ｂのピッチとＰ型電極用の配線部材５の凸部６及びそれに対する接続用電極３の凹部３ｂのピッチを異ならせれば良い。

また、Ｎ型領域とＰ型領域の異極の接続用電極に対して、凹部３ｂもしくは凸部６の少なくとも一方を別々の形状とすることで、異極同士の短絡接続などが回避できる。例えば、Ｎ型領域接続用電極は線状に形成しとＰ型領域接続用電極は点状に形成に形成し、それぞれに対応する配線部材の形状をＮ型領域用配線部材は線状にＰ型領域用配線部材は点状にすればよい。例えば、Ｎ型領域接続用配線部材とＰ型領域用配線部材がシートなどに貼り付け固定され相互の位置関係がずれない場合は、片方の極性の接続用電極に凹部を形成しても構わない。

凹部および凸部は接続用電極および配線部材自体の形状で形成するのが接続面積の確保の点で好ましいが、凹部および凸部形状は、接続用電極や配線部材表面に形成された保護膜や配線部材が貼り付けられたシートなどを一部切り欠いたり、押し出し成形したりしたもので構成されてもよく、あるいは、半田に代わって導電性接着材を用いる場合などでは導電性接着材の形状を用いて凹部および凸部形状を形成しても構わない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の太陽電池および太陽電池モジュールは、特に、複数の光電変換素子をインターコネクタなどの配線部材により接続した構成を有する家庭用および工業用の太陽光発電太陽電池および太陽電池モジュールに利用可能である。

（ａ）は本発明の実施形態１における太陽電池の平面図、（ｂ）は同太陽電池の断面図、（ｃ）は本発明の実施形態１における太陽電池の接続用電極３の凹部３ｂ（凸部３ａ）の形成方法を示す説明図、（ｄ）は同実施形態１における太陽電池の接続用電極３の凹部３ｂ（凸部３ａ）の別の形成方法を示す説明図である。本発明の実施の形態２における太陽電地の平面図である。本発明の実施の形態３における太陽電地の断面図である。本発明の実施の形態４における太陽電地の断面図である。（ａ）から（ｊ）は、本発明の実施形態の種々の変形例における太陽電池の断面図である。

符号の説明

１光電変換素子、２半導体基板、３，４，９，３１，３２，３３接続用電極、５，８，５２，５５，５６，５７，５９配線部材、３ｂ，５，９ｂ，１１，３４，５８，６０凹部、６，１０，３５，５１，５３，５４凸部、７半田。

Claims

光電変換素子の接続用電極と配線部材とが互いに係合されて電気的に接続された太陽電池であって、
前記接続用電極は、前記配線部材との接続面に凹部および凸部の少なくとも一方を有し、前記配線部材は、前記接続用電極との接続面において、前記接続用電極の前記凹部と互いに係合する凸部、および／または前記接続用電極の前記凸部と互いに係合する凹部を有し、
前記接続用電極の前記凸部または凹部は、帯状の配線部材の幅方向における中心線に沿って線状に形成されている、太陽電池。
前記接続用電極および前記配線部材の少なくとも一方は、前記凹部または凸部に隣接して、平坦部を有する、請求項１に記載の太陽電池。
前記配線部材の前記凸部または凹部の少なくとも一方は、帯状導電性部材を折り曲げて形成するか、または、導電性材料の押し出し成形により形成されている、請求項１または２に記載の太陽電池。
前記配線部材の前記凸部または凹部は、複数個所に点在して形成されている、請求項１から３いずれか記載の太陽電池。
複数の光電変換素子の接続用電極と配線部材とが互いに係合されて電気的に接続された太陽電池モジュールであって、
前記接続用電極は、前記配線部材との接続面に凹部および凸部の少なくとも一方を有し、前記配線部材は、前記接続用電極との接続面において、前記接続用電極の前記凹部と互いに係合する凸部、および／または前記接続用電極の前記凸部と互いに係合する凹部を有し、
前記接続用電極の前記凸部または凹部は、帯状の配線部材の幅方向における中心線に沿って線状に形成されている、太陽電池モジュール。