JP5380810B2

JP5380810B2 - 太陽電池モジュール

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Publication number: JP5380810B2
Application number: JP2007254571A
Authority: JP
Inventors: 浩神野; 泰史角村; 幸弘吉嶺; 治寿橋本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009088152A

Description

本発明は、複数の太陽電池素子の集電極を導電性の接続体で接続した太陽電池モジュールに関する。

近年、地球温暖化の原因となる二酸化炭素を排出しない新しいエネルギー源として、太陽電池が期待されている。

太陽電池をビルや家屋に設置し電源として用いる場合、出力を数百Ｗまで高めるために、複数の太陽電池素子を直列または並列に接続した太陽電池モジュールの形で使用されることが多い。

従来、太陽電池素子のモジュール化においては、複数の太陽電池素子に設けられた集電極に銅箔等の導電性の接続体（タブ配線）を半田付けすることで電気的に接続していた（例えば、特許文献１）。

現在では、自然環境への影響が懸念されることから、鉛フリー半田が使用されつつあるが、鉛フリー半田は従来の半田と比べて融点が高く、接合のための加熱温度が高くなり、半田付けされる周辺を構成する材料にダメージを与え、製造時の歩留まりを低下させる恐れがあった。

また、半田付けされた太陽電池素子には、基材の熱膨張係数とタブ配線の芯材の熱膨張係数との差によって、使用中の温度サイクルの過程で集電極とタブ配線の接合部分に応力が集中し、素子の割れや反りを引き起こすなどの問題があった。

更に、半田による接合では、集電極とタブ配線の接合界面に形成される合金層にフラックスの残渣が介在することで、これが抵抗成分となり、モジュール出力低下の原因ともなっていた。

このような背景から、集電極とタブ配線の接続に、半田に替わるものとして導電性接着剤を用いることが検討されている。

図１１は従来の太陽電池モジュールの一部分を示す平面図である。同図において、太陽電池素子１の集電極１２上に接着層として導電性接着剤２０が塗布され、その上にタブ配線３０が取り付けられている。導電性接着剤２０は、非導電性の接着性樹脂２２（エポキシ樹脂など）に球状導電材２４（ニッケル粒子など）を添加したものである。なお、図１１において、導電材２４は模式的に示されており、実際の寸法や形状を正確に表しているものではない。

図１２はタブ配線取り付け部分の部分断面図であるが、銅箔３０ａを錫３０ｂでコーティングしたタブ配線３０と、光電変換層１０上の集電極１２が、導電性接着剤２０を介して加熱圧着される。タブ配線３０と集電極１２は、エポキシ樹脂２２中のニッケル粒子２４と加熱圧着により接触することで、電気的に接続される。

加熱圧着の温度が２００℃以下であれば、半田付けによる接合よりも低い温度で加工できるので生産性が向上する。また、樹脂材料を用いることで接合部分への応力の集中を避けられるので、タブ配線の剥がれ等によるモジュールの出力低下を防ぐことができると同時に、半田接合界面のフラックス残渣によるモジュールの出力低下がなくなるため、モジュールの信頼性を向上することができる。
特開２００５−２１７１４８号公報

しかしながら、太陽電池素子上の集電極は、金属粒子を含んだ導電性ペーストをスクリーン印刷等で印刷し、硬化させて形成するため、その表面には凹凸が多数存在している。
図１２に示すように、球状の導電材を用いた従来の導電性接着剤では、導電材２４が太陽電池素子１０上の集電極１２およびタブ配線３０の両方に接することにより電気的接続を行っているが、集電極１２表面の凹凸の間隔や深さによっては導電材２４が凹部に埋没し、タブ配線３０には接着せず、電気の導通に寄与しない粒子が多数発生するため、結果として集電極１２とタブ配線３０の電気的接続が十分でなくなり太陽電池モジュールの出力が低下するという問題があった。

そこで本発明では、上記の課題に鑑み、樹脂中に棒状導電材を添加することにより、太陽電池素子の集電極とタブ配線との間で十分な電気的接続が行われる導電性接着剤を用いた太陽電池モジュールを提供する。

本発明は、複数の太陽電池素子の電極を接続体により互いに電気的に接続してなる太陽電池モジュールであって、電極と接続体は複数の棒状導電材を含む樹脂からなる接着層により接続されていることを特徴とする。

また、接着層中の棒状導電材は、前記電極の表面に形成された凹凸の平均間隔よりも大きな長径を有することを特徴とする。

さらに、接着層中の棒状導電材が、接着層中に２〜２０ｖｏｌ．%含まれていることを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池素子の集電極とタブ配線を接続するための接着層中の導電材が棒状であるため、集電極とタブ配線に線接触し、従来のような球状の導電材が点接触であったことと比較すると、接触面積が大きくなる。

接着層中に存在する棒状導電材の長径が集電極表面の凹凸の平均間隔よりも大きいため、導電材が集電極表面上の凸部にまたがって存在するので、集電極とタブ配線を確実に接続できる。仮に導電材の一端が凹部に嵌った場合でも、他端がタブ配線まで到達することで、集電極とタブ配線との間で十分な電気的接続が得られる。

また、導電性接着剤を用いることで、接合に要する温度が半田付けの場合よりも低くなり、半田周辺を構成する材料にダメージを与え製造時の歩留まりを低下させることが少ない。

さらに、導電性接着剤のバインダとして樹脂材料を用いることで、太陽電池素子とタブ配線の芯材の熱膨張係数の差が大きいために起こる、応力の集中を緩和することができるので、モジュール出力の低下を防ぎ、信頼性を向上することができる。

以下に、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子１であり、図１中、I−I’部分の断面図を図２に示す。

太陽電池素子１は、光入射により光生成キャリアを発生する光電変換層が形成された基板１０と、光電変換層で発生した光生成キャリアを取り出すための正負一対の集電極１２、１４からなる。

正負一対の集電極１２、１４は、通常、光電変換層の受光面および背面にそれぞれ設けられる。この場合、一対の集電極１２、１４のうち、光電変換層の受光面側に設けられる集電極１２は、入射光を遮る面積をできるだけ小さくするために、受光面のほぼ全域にわたって配された複数の幅狭のフィンガー部１２ａと、これに交差しタブ配線と接続される幅広のバスバー部１２ｂとから構成されている。フィンガー部１２ａは光電変換層で生成された光生成キャリアの収集用の電極であり、例えば１００μｍ程度の幅を有するライン状の電極が２ｍｍおきに配されている。また、バスバー部１２ｂは複数のフィンガー部１２ａで収集された光生成キャリアの集電用の電極であり、例えば約１ｍｍの幅ですべてのフィンガー部１２ａと交差するようにライン状に形成される。バスバー部１２ｂは、太陽電池素子１の大きさや抵抗を考慮して適宜適当な数で設定される。

また、背面側に設けられる他方の集電極１４は、入射光を考慮する必要がないため、光電変換層のほぼ全面を覆うように形成してもよく、受光面側の電極と同様に櫛型形状に形成してもよい。

集電極１２はエポキシ樹脂をバインダ、銀粒子をフィラーとした熱硬化型導電性ペーストをスクリーン印刷等で印刷し、硬化させることにより形成される。または、導電性ペーストを焼成させることにより形成してもよい。
集電極１２、１４はスクリーン印刷のメッシュ等の影響から、平均間隔が２０μｍの凹凸が表面上に形成されている。

導電性ペーストの組成において、導電性フィラーは銀の他にも、銅、ニッケル、金、錫、アルミニウムなどから選ばれる１種類の金属粒子、あるいはこれらの合金、混合などを適用することができる。

更にはフィラー形状として、フレーク状のものと球状のものを混合したり、サイズの異なるものを混合することにより、電気伝導性を高める工夫を施すこともできる。

また、バインダ樹脂は導電材を接着することを主目的とし、信頼性を維持するため耐湿性や耐熱性に優れていることが要求される。これらを満たす樹脂としては、エポキシ樹脂の他、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂などが挙げられ、これらから選ばれる少なくとも１種、あるいはこれらの樹脂の混合、共重合などを適用することができる。また、バインダ樹脂と導電性フィラーの割合は、電気伝導性を考慮し、フィラーが７０ｗｔ．％以上であることが好ましい。

図２に示すように、太陽電池素子１は、ｎ型単結晶シリコン基板１０ａの上面にｉ型非晶質シリコン層１０ｂを介してｐ型非晶質シリコン層１０ｃが形成され、下面にもｉ型非晶質シリコン層１０ｅを介してｎ型非晶質シリコン層１０ｆが形成されており、さらに透明導電膜としてＩＴＯ膜１０ｄおよび１０ｇが形成されている。

受光面側のＩＴＯ膜１０ｄ上には、前述したようにフィンガー部１２ａおよびバスバー部１２ｂからなる集電極１２が形成されている。また、背面側も同様にフィンガー部１４ａおよびバスバー部１４ｂからなる集電極１４が形成されている。

尚、上記の実施形態において、透明導電膜としてＩＴＯ膜を用いたが、他の透明導電膜、例えばＺｎＯ膜を用いることもできる。

図３のように、太陽電池素子１はバスバー部１２ｂで導電性接着剤によりタブ配線３０と接続され、同様に複数の太陽電池素子を接続することで太陽電池モジュールが構成される。

図３中のII−II’部分の断面図を図４に示す。

図４では、タブ配線３０は、太陽電池素子の受光面側の集電極１２のバスバー部１２ｂと、隣接する別の太陽電池素子の裏面側の集電極１４のバスバー部１４ｂを、導電性接着剤２０を用いて接続することで、複数の太陽電池素子を直列に接続する構成となっている。

導電性接着剤２０は、図５に示すように、例えばエポキシ系の熱硬化型樹脂等の接着性樹脂２２に、のちに詳述する棒状導電材２６を複数含んだものであり、集電極１２あるいは１４とタブ配線３０の両方に棒状導電材２６が接することによりこれらを電気的に接続するものである。十分な接着力と電気的接続を両立するため、間に挟まれている棒状導電材２６がタブ配線３０と接している表面積の割合が、２０〜８０％であることが好ましい。なお、図５において、棒状導電材２６は模式的に示されており、実際の寸法や形状を正確に表しているものではない。

導電性接着剤２０に含有させる棒状導電材２６としては、ニッケル、銀、銅、金、錫、アルミニウムなどから選ばれる少なくとも１種の金属、あるいはこれらの合金、混合などが適用できる。更には、電気伝導性を向上させるため、導電材の表面に凹凸を施し、表面積が大きくなるような工夫をしても良い。

図４中のIII−III’部分の断面において、タブ配線３０と集電極１２が導電性接着剤２０を介して接着されている様子を図６に示す。

図６のように、銅箔３０ａの周りを錫３０ｂでコーティングしたタブ配線３０は、接着性樹脂２２に含まれる棒状導電材２６により電気的に接続されている。

棒状導電材２６は、例えば、ニッケル等の金属粉であるが、モノフィラメント等の微小な芯材にニッケルでメッキ加工を施した通電機能を有するギャップスペーサであってもよいし、また、中空形状であってもよい。棒状導電材２６の最大となる長さを長径とすると、この棒状導電材２６は、集電極１２の表面に形成されている凹凸の平均間隔よりも長径が大きくなるよう作製されている。ここでは、凹凸の平均間隔が２０μｍに対して、長径が３０μｍの棒状導電材２６を用いている。また、棒状導電材２６は長径が３０μｍのもののみでなくとも、導電材中にこれが一定の割合で混合されているものを用いてもよい。

導電性接着剤２０としては、接着性樹脂２２の接着性と棒状導電材２６の電気伝導性を両立させるため、樹脂２２中に導電材２６を２〜２０ｖｏｌ．％添加することが好ましい。これは、多量の導電材を添加すると、樹脂本来の物性を損なうためである。

図７に示すように、棒状導電材２８は円柱のように幅が一定ではない棒状であってもよく、針状、繊維状などの形状も棒状に含まれるものとする。また、柱状であっても必ずしも円柱である必要はなく、三角柱や四角柱など任意の断面形状を持つものが適用可能であり、また、これらの混合でもよい。以上のように長径を有する形状を、まとめて棒状と呼ぶ。

タブ配線３０には錫メッキを施した銅箔が用いられているが、タブ配線の芯材には銅の他に銀、金、錫、ニッケル、アルミニウム、もしくはこれらの合金といった材料を用いても良い。

タブ配線３０により接続された太陽電池素子群は、ガラスと裏面フィルムにより積層され、間に封止材が充填される。さらに端子ボックス、金属フレームを取り付けた後、太陽電池モジュールとして使用される。

導電性接着剤として使用する樹脂の選定について、タブ配線と交差する部分の集電極の周囲をコーティングする樹脂は、温度サイクルによるタブ配線の伸縮によるストレスを緩和する目的から、タブ配線に使用する材料よりも柔軟性の高い材料であることが好ましく、同時に、タブ配線との接着を行うことも考慮すると、熱硬化型の樹脂材料を用いることが好ましい。また、信頼性維持のため耐湿性や耐熱性に優れていることが要求されるので、エポキシ樹脂の他、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂などからから選ばれる少なくとも１種、あるいはこれらの樹脂の混合、共重合などを用いることが好ましい。

以下に、本実施形態にかかる太陽電池モジュールの製造例について図２、図４を用いて説明する。

（工程１：光電変換層形成）
不純物が除去された約１Ω・ｃｍの抵抗率と約３００μｍの厚みとを有するｎ型単結晶シリコン基板１０ａを準備する。ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて、ｎ型単結晶シリコン基板１０ａの上面上に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層１０ｂと、約５ｎｍの厚みを有するｐ型非晶質シリコン層１０ｃをこの順番で形成した。なお、ＲＦプラズマＣＶＤ法によるｉ型非晶質シリコン層１０ｂとｐ型非晶質シリコン層１０ｃの具体的な形成条件は、周波数約１３．６５ＭＨｚ、形成温度約１００〜２５０℃、反応応力約２６．６〜８０．０Ｐａ、ＲＦパワー約１０〜１００Ｗであった。

次に、ｎ型単結晶シリコン基板１０ａの下面上に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層１０ｅと、約５ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン層１０ｆをこの順番で形成した。なお、このｉ型非晶質シリコン層１０ｅとｎ型非晶質シリコン層１０ｆは、それぞれ上記したｉ型非晶質シリコン層１０ｂおよびｐ型非晶質シリコン層１０ｃと同様のプロセスにより形成した。

次に、マグネトロンスパッタ法を用いてｐ型非晶質シリコン層１０ｃおよびｎ型非晶質シリコン層１０ｆの各々の上に、約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯ膜１０ｄ、１０ｇをそれぞれ形成した。このＩＴＯ膜１０ｄ、１０ｇの具体的な形成条件は、形成温度約５０〜２５０℃、Ａｒガス流量約２００ｓｃｃｍ、Ｏ_２ガス流量約５０ｓｃｃｍ、パワー約０．５〜３ｋＷ、磁場強度約５００〜３０００Ｇａｕｓｓであった。

（工程２：集電極形成）
集電極１２および１４は、スクリーン印刷法にてＩＴＯ膜１０ｄ、１０ｇ上に熱硬化型導電性ペーストを印刷し、熱硬化させることにより形成した。手順としては、まず受光面側に印刷し、１５０℃で１０分間加熱し仮硬化させた後、裏面側に印刷し１５０℃で１０分間加熱し、仮硬化させた後、２００℃で１時間加熱することにより、銀ペーストを完全に硬化させた。これにより、所定間隔を隔てて互いに平行に伸びるように形成された複数のフィンガー部１２ａ、１４ａおよびバスバー部１２ｂ、１４ｂからなる集電極１２、１４を形成した。フィンガー部１２ａ、１４ａとバスバー部１２ｂ、１４ｂは一体に形成されてもよいし、フィンガー部１２ａ、１４ａを形成したのちに、バスバー部１２ｂ、１４ｂを形成してもよい。

ここでは、集電極の膜厚は３５μｍとなるよう印刷されており、形成された電極の抵抗は１０〜２０μΩｃｍである。集電極表面の凹凸の間隔は平均２０μｍである。

（工程３：タブの取り付け）
導電性接着剤２０は、エポキシ系樹脂をバインダ、ニッケル粒子を導電材として５ｖｏｌ．％含有させたもので、集電極１２、１４のバスバー部１２ｂ、１４ｂに線幅１．３ｍｍ、厚さ約３０μｍとなるようにディスペンサを用いて塗布され、その上に幅１．５ｍｍのタブ配線３０が配置される。２ＭＰａで加圧しながら２００℃で１時間加熱することにより、複数の太陽電池素子が接続される。加圧しながら硬化させることにより、導電性接着剤中の導電材をタブ配線３０と集電極１２、１４の間に挟むことができるので、良好な電気伝導性が得られる。また、導電性接着剤２０は加熱圧着により押し伸ばされ、タブ配線３０とほぼ同じ幅に広げられる。

（工程４：モジュール化）
表面保護材であるガラスの上に、ＥＶＡシートからなる封止材を載せた後、タブ配線３０により接続した複数の太陽電池素子群を配置した。その上から更にＥＶＡシートを載せた後、ＰＥＴ／アルミニウム箔／ＰＥＴの３層構造を有する背面フィルムを配置した。これらを、真空にした後１５０℃で１０分間加熱圧着することで仮圧着した後、１５０℃で１時間加熱することで完全に硬化させる。これに、端子ボックス、金属フレームを取り付け、太陽電池モジュールとした。

（バスバー部のない太陽電池素子を用いた太陽電池モジュール）
上記で説明した実施の形態において、集電極１２、１４はフィンガー部１２ａ、１４ａおよびバスバー部１２ｂ、１４ｂから構成されるとしたが、フィンガー部のみで構成されるバスバー部のない太陽電池素子に本発明を適用してもよい。

バスバーレスの太陽電池素子に本発明を適用した場合を以下に説明する。

太陽電池素子１の光電変換層１０の構成および集電極１２、１４の形成方法は、バスバー部を有する太陽電池素子と同様である。

バスバーレスの太陽電池素子の場合、図８のように光電変換層の受光面側にほぼ全域にわたって等間隔に集電極１２が形成されており、図９および図１０に示すように導電性接着剤２０を介して集電極１２とタブ配線３０が交差するように接続される。なお、図９において、棒状導電材２６は模式的に示されており、実際の寸法や形状を正確に表しているものではない。

（比較例１）
比較例にかかる太陽電池モジュールとして、バスバー部を有する太陽電池素子を用い、導電性接着剤に導電材として球状のニッケルを含有させ、導電材の直径を１０μｍとして作製した。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる太陽電池モジュールとして、バスバー部を有する太陽電池素子を用い、導電性接着剤に導電材として円柱状のニッケルを含有させ、導電材の短径を１５μｍ、長径を３０μｍとして作製した。

（実施例２）
本発明の実施例にかかる太陽電池モジュールとして、バスバーレスの太陽電池素子を用い、導電性接着剤に導電材として円柱状のニッケルを含有させ、導電材の短径を１５μｍ、長径を３０μｍとして作製した。

（評価方法）
比較例１および実施例１における太陽電池モジュールについて、それぞれ温度サイクル試験（ＪＩＳＣ８９１７）を４００サイクル行い、試験前後の太陽電池モジュールの出力を測定し、出力低下率を比較した。太陽電池モジュールの出力は、ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ^２の光照射下で測定した。

（実験結果）
表１に、各比較例および実施例における、規格化出力低下率を示す。出力低下率は、（１−試験後出力/試験前出力）の式より計算し、比較例１における出力低下率を１．００として相対出力低下率を表示する。また、変換光率については、初期値について比較例を１．０００として規格化した値を示す。

実施例と比較例との対比により、以下のことが分かった。すなわち、集電極１２、１４とタブ配線３０を接続する導電性接着剤２０中の導電材に、集電極表面の凹凸の平均間隔よりも大きい長径を有する棒状のものを用いることで、従来の球状のものよりも出力低下が少なく、太陽電池モジュールとしての信頼性が向上できたことが分かった。また、本発明はバスバー部を有する太陽電池素子だけでなく、バスバーレスの太陽電池素子を用いた太陽電池モジュールにも有効であることが分かった。

なお、本発明の実施形態においては、単結晶シリコン基板と非晶質シリコン層との間に実質的に真性な非晶質シリコン層を挟み、その界面での欠陥を低減し、ヘテロ接合界面の特性を改善した構造の太陽電池素子を用いて説明しているが、通常の結晶系、薄膜系、化合物半導体系、色素増感系、有機系の太陽電池においても同様である。

また、本実施例においては、接着層としての導電性接着剤２０を集電極１２、１４に塗布したが、フィルム状の導電性接着剤を集電極上に配置する構成としてもよい。

さらに、本発明における導電性接着剤２０は、棒状導電材を含むものであればよく、棒状導電材以外に粒状導電材等他の形状の導電材を含むものであってもよい。

以上のように、本発明は図面に示した実施の形態に特に限定されるものではなく、記載していない様々な実施の形態等を包含する。従って、本発明はこの開示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限定されるものである。

本発明の実施形態による太陽電池素子の平面図である。図１に示した実施形態による太陽電池素子の断面図である。太陽電池モジュールに使用される一例として、タブ配線で太陽電池素子を直列に接続した場合の平面図である。図３に示した太陽電池素子群の断面図である。本発明の第１の実施形態による太陽電池モジュールの一部分を示す図である。本発明の第１の実施形態による太陽電池素子の部分断面図である。本発明の他の実施形態による太陽電池素子の部分断面図である。本発明の第２の実施形態による太陽電池素子の平面図である。本発明の第２の実施形態による太陽電池モジュールの一部分を示す図である。図９に示した太陽電池素子群の断面図である。従来の太陽電池モジュールの一部分を示す平面図である。図１１に示した従来の太陽電池素子の部分断面図である。

符号の説明

１太陽電池素子
１０光電変換層
１２、１４集電極
２０導電性接着剤
２２接着性樹脂
２４球状導電材
２６、２８棒状導電材
３０タブ配線

Claims

複数の太陽電池素子の電極を接続体により互いに電気的に接続してなる太陽電池モジュールであって、
前記電極と前記接続体は複数の棒状導電材を含む樹脂からなる接着層により接続され、
前記複数の棒状導電材は、前記電極の表面に形成された凹凸の複数の凸部にまたがる長径を有することを特徴とする太陽電池モジュール。
前記複数の棒状導電材は、表面に凹凸を施されている請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記接着層中の棒状導電材が、前記接着層中に２〜２０ｖｏｌ．％含まれている請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
前記複数の太陽電池素子は、ガラスと裏面フィルムとの間の封止材により充填されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽電池モジュール。