JP5162052B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
一般に、太陽電池セル一枚では電気出力が小さいため、複数枚の太陽電池セルを直並列に接続して形成される太陽電池モジュールから、実用的な所定の電気出力を発生させる。直並列の接続は、負極電極および正極電極に接合部材を接続することで行なわれる。
太陽電池の信頼性としては、10年後の最大出力は初期値の90%以上、20年後に80%以上を保証するのが一般的になっているが、太陽光発電の導入量増加に伴い、信頼性の面から好ましくない事象が発生していることが明らかになってきている。
一例としては、「ホットスポット」と呼ばれる不良現象の発生が挙げられる。これは、太陽光発電システムにおける、一部の太陽電池セル、モジュールの発電電力分布の差異により起こる発熱現象であり、システムに対して著しいダメージを与える可能性がある。更には、太陽電池セルのひび割れの発生が確認されたり、一部の太陽電池セル、接続箱の異常発熱により、太陽電池セル表面が焦げたり、接続箱の変形、発火が引き起こされたりしていることが報告されている。
このような接合不良は、薄型基板の太陽電池セルでは、さらに顕著となる。例えば、これまでの300〜500μm程度から、200μm未満の厚みにしたものが主流になっている中、上述の接合部材のはんだ付け時の熱応力による太陽電池セルの反りが大きくなるため、電極剥離等の接合不良が発生しやすくなり、接合部の信頼性をさらに低下させる。
接合部材表面に凹凸形状を付与することで、その凹凸形状により接合部材が均一に加熱され、信頼性の高い接合部を達成する手法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。接続部材表面に凹凸形状を付与することで、容易に加熱され、短時間の処理で太陽電池セルと接続部材の接合を達成することが可能である。
被覆材の有効表面積が、処理の行われていない表面に比べて拡大し、ハロゲン或いはホットエアーで加熱した際に、必要な熱がより容易にかつより速く得られるためである。被覆材が均質であれば、層全体が均一に加熱され、広範囲で太陽電池セルと接合部材の接合が可能である。
また、従来例に示した特許文献2に記載の接合部材においては、接合部材に貫通孔が備えられ、貫通孔よりレーザーを用いてはんだを加熱する。その場合、レーザー照射部以外に十分な接合層厚みを確保するためのはんだ量を供給することが困難である。
例えば、特許文献3〜5には、第一の太陽電池セルおよび第二の太陽電池セルと、前述の第一の太陽電池セルおよび第二の太陽電池セルとを電気的に接続する、上面から下面まで貫通する切れ込みを備える接続部材とを有する太陽電池モジュールが開示されている。切れ込みを設けたことにより、太陽電池モジュールに加わる応力を緩和することができる。しかし、上述の切れ込みは、電気的な接続箇所を除いた部分に設けられたものであり、電気的な接続には関与するものではなかった。また特許文献3の接続部材の一部に、第一、第二の太陽電池セル側に突出する突出部が開示されている。しかし、この突出部も太陽電池モジュールに加わる応力を緩和するものであって、電気的な接続には関与するものではなかった。そのため、特許文献3〜5に開示された発明によっては、接続部材と第一、第二の太陽電池セルとの接続信頼性を高めることはできなかった。
このような構成により、太陽電池セルと接合部材間におけるはんだ接合部の信頼性を向上することができる。接続部材は、50μm以上1mm以下の複数の突起を備えていることより、太陽電池セル割れの原因となる応力集中部をつくらずに、はんだ接合層厚みを50μm以上に制御することができる。
図1は実施の形態に係る太陽電池モジュールの上面図である。ここではバックコンタクト型の太陽電池セルを例に示す。図1に示すように、太陽電池モジュールは、隣り合う2つの太陽電池セル1a、1bと、太陽電池セル1a、1bを電気的および機械的に接続する矩形板状の接続部材2と、太陽電池セル1および接続部材2の間に配置されるはんだ層とを有する。
ここで「電気的に接続」とは、例えば太陽電池セル1aと太陽電池セル1bの異なる極性が、電導部材である接続部材2およびはんだ層5を介して接続されていることをいう。「物理的に接続」とは、例えば太陽電池モジュールが、製造、搬送、取り付け時において太陽電池モジュールとしての形態を維持できる程度に、太陽電池セル同士が接合されていることをいう。また「太陽電池モジュール」とは、電気的に接続された2以上の太陽電池セルを有するものの意味であり、ストリング形態や、複数のストリングが並列に配列される形態を含む概念である。
図3Aに示すように、接続部材2は、接続部材2の長手方向に沿った、第一の太陽電池セル1aおよび第二の太陽電池セル1bとの接続部に対応する箇所に、それぞれはんだを流し込み可能に、第一の開孔4aおよび第二の開孔4bが形成されている。そして、第一の開孔4aおよび第二の開孔4bのそれぞれの外周の少なくとも一部に、図3Bに示すように、太陽電池セル1側に向かい、第一の突起部3aおよび第二の突起部3bが形成されている。ここでは、四角錘形状の第一、第二の突起部3a、3bがストリングの長さ方向に対して垂直方向に3つずつ並んで配置されている。3つずつ並べることで、太陽電池セル1に接続部材2を安定的に配置することができるからである。なお、第一、第二の突起部3a、3bにおけるそれぞれの突起部の個数は3個に限らず、安定的に配置できれば、幾つでもよい。
接続部材2の第一の開孔側4aの外周の一部に接続部材2の上面から目視可能にはんだ層5のフィレットが、第一の開孔4aから連続するように形成されている。また接続部材2の第二の開孔側4bの外周の一部に接続部材2の上面から目視可能にはんだ層5のフィレットが、第二の開孔4bから連続するように形成されていることが好ましい。
フィレットにより、はんだ接合層にクラックが伸展しにくくなり、接合信頼性が向上するからである。また、フィレットを安定的に形成できると、接合部の検査にカメラによるフィレット検査が適用でき、工程内での検査が容易となる。即ち、接着強度が向上することの他に、はんだ層5がうまく濡れ拡がったか否かの区別が容易になるからである。
図4Aに示すように、接続部材2の長手方向の中心線が含まれる領域に、第一の開孔4aおよび第二の開孔4bがそれぞれ形成されていることが好ましい。太陽電池セル1a、1bと接続部材2との接続強度が向上するからである。第一の開孔4aおよび第二の開孔4bの中心が、接続部材2の長手方向の中心線にくることがより好ましい。応力をうまく緩和してくれるからである。
第一の開孔4aを挟んで複数の突起3aが対称に形成され、また第二の開孔4bを挟んで複数の突起3bが対称に形成されていることが好ましい。接続部に加わる応力が分散することで、太陽電池セル1a、1bと接続部材2との接続強度が向上するからである。
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば実施の形態においては、図3に示すように第一、第二の突起部3a、3bの形状を四角錘形状とした。しかし、第一、第二の突起部3a、3bの形状は、これに限定されるものではない。例えば、図5A、5Bに示すような、突起部の接合部と接する面を平面状にした、第一、第二の突起部31a、31bとしてもよい。ここではその一例として、すり鉢形状の接続部材2Aを示す。
単結晶或いは多結晶のシリコンからなる太陽電池セル1は、局所的な応力が付加されると、非常に割れやすい。接続部材2を太陽電池セル1上に配置し、接合する際、接続部材2を抑えるため、太陽電池セル1に対して圧力がかかる。
図1で示した四角錘形状の接続部材突起部3の形状と比較し、すり鉢形状の接続部材突起部3においては、接続部材2と太陽電池セル1に接触した際に、接触する面積が増えるため、太陽電池セル1に与える応力が低減され、太陽電池セルの割れが抑制される。
図8は、太陽電池セル1と接続部材突起部3と接続部材貫通孔4の位置の関係を示している。「S」「T」「U」「V」「W」「X」「Y」「Z」で示した箇所のすべて或いは一部に接続部材突起部3が位置する。図5において、「T」と「Z」の位置に突起部が位置すると、太陽電池セル1の接合部と接続部材2の全体にはんだが濡れ拡がり易くなる。その際に接続部材2の端面にも濡れ拡がることでフィレットを形成できる。
フィレットにより、はんだ接合層にクラックが伸展しにくくなり、接合信頼性が向上する効果が考えられる。また、フィレットを安定的に形成できると、接合部の検査にカメラによるフィレット検査が適用でき、工程内での検査が容易となる。また、図5において、「S」、「V」、「U」、「W」、「Z」、「Y」に接続部材突起部3があると、接続部材2はより安定的に太陽電池セル1上に配置することができる。
太陽電池セルを封止する封止材は接着性合成樹脂が好適に用いられ、たとえばエチレンビニルアセテート(EVA)、透明な変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、アクリル樹脂、シリコン樹脂等の透光性を有するものを用いることができる。なかでも、EVAが好適に用いられる。
また、背面側に設けられる保護部材は、取り扱い性や軽量性を考慮すると合成樹脂フィルムがよいが、水分や異物の浸入を防ぐことができるものであれば、これに限定されるものではなく、ガラス板や合成樹脂板、金属板、樹脂と金属の複合板などを用いることもできる。
上述のように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
試験片として、図1に示すような2つの太陽電池セルを有する太陽電池モジュールを、複数調製した。各試験片のはんだ接合厚みは図10に示すはんだ接合厚みとした。
その後、各試験片について、−40℃から90℃まで急加熱し、その後90℃から−40℃まで急冷した。この工程を1サイクルとし、200サイクル行った。この加速試験は、10年程度の使用を想定した温度サイクル試験である。
本加速試験の結果より、はんだ接合層厚みを厚くすることで、クラックの発生が抑えられる傾向がわかる。また、20年以上の信頼性を保証するためには、更にサイクル数を増やした試験において、クラックの発生を抑えることが重要であり、そのためには20μm以上、好ましくは50μm以上の接続部材突起部が必要であると考えられる。
本出願は、同出願人により先にされた日本国特許出願、すなわち、特願2011−142559号(出願日2011年6月28日)に基づく優先権主張を伴うものであって、これらの明細書の内容を参照して本発明の一部としてここに組み込むものとする。
1b 第二の太陽電池セル
2 接続部材
3a 第一の突起部
3b 第二の突起部
4a 第一の開孔
4b 第二の開孔
5 はんだ層(糸はんだ)
6 加熱ユニット
Claims (13)
- 隣り合う2以上の太陽電池セルと、
前記太陽電池セル同士を電気的に接続する接続部材と、
前記太陽電池セルおよび前記接続部材の間に配置されたはんだ層とを有する太陽電池モジュールであって、
前記接続部材は、第一の太陽電池セルおよび第二の太陽電池セルとの接続部に対応する箇所に、それぞれはんだを流し込み可能に、第一の開孔および第二の開孔が形成され、
前記第一の開孔および前記第二の開孔のそれぞれの外周の一部に、前記太陽電池セル側に向かい、第一の突起部および第二の突起部が形成されており、
前記接続部材の長手方向の中心線が含まれる領域に、前記第一の開孔および前記第二の開孔がそれぞれ形成され、
前記第一の突起部および前記第二の突起部の高さは、50μm以上1mm以下である、太陽電池モジュール。 - 前記第一の開孔および前記第二の開孔として、それぞれ前記接続部材の上面から下面に至る、第一の貫通孔および第二の貫通孔が設けられている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第一の開孔を挟んで複数の第一の突起部が対称に形成され、前記第二の開孔を挟んで複数の第二の突起部が対称に形成されている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第一の突起部および第二の突起部は、四角錘形状である、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第一の突起部および第二の突起部は、すり鉢形状である、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第一の突起部および第二の突起部は、溝形状である、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記接続部材は、前記第一の開孔、前記第二の開孔と一直線上に並ぶように、前記接続部材の長手方向に沿って、第三の開孔、第四の開孔がさらに形成されている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第一の開孔、前記第二の開孔として、前記接続部材の長辺の一端から、前記接続部材の幅方向の中心に向かって切欠が設けられている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第一の突起部および前記第二の突起部の高さは、前記はんだ層の厚みと同じである、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記太陽電池モジュールは、複数の前記太陽電池セルが一直線状に配置されたストリングを複数有し、
前記複数のストリングは、並列に配置され、隣り合う前記ストリングの両端同士が、渡り配線により電気的および機械的に接続されている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。 - 前記はんだ層は、前記第一の開孔から前記第一の突起部に至るように連続して第一のハンダ層が形成され、前記第二の開孔から前記第二の突起部に至るように連続して第二のハンダ層が形成されている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記接続部材の前記第一の開孔側の外周の一部に前記接続部材の上面から目視可能に前記はんだ層のフィレットが、前記第一の開孔から連続するように形成され、
前記接続部材の前記第二の開孔側の外周の一部に前記接続部材の上面から目視可能に前記はんだ層のフィレットが、前記第二の開孔から連続するように形成されている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。 - 前記第一の突起部は、前記第一の開孔の周縁部を避けるように前記第一の開孔と前記はんだ層周縁部との間に形成され、
前記第二の突起部は、前記第二の開孔の周縁部を避けるように前記第二の開孔と前記はんだ層周縁部との間に形成されている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
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