JP5395584B2 - 太陽電池モジュールの接合方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池モジュールの製造方法に関し、特に太陽電池セルの電極にストリングリボンを半田付けする太陽電池モジュールの接合方法および装置に関するものである。

従来より、地球環境に優しくクリーンなエネルギーを生む手段として太陽光発電が注目されている。太陽光発電を導入する場合、１個の太陽電池セルでは出力が小さいことから、複数の太陽電池セルを直列に接続した太陽電池モジュールを用いて出力を高めるようにしている。このように太陽電池セルを一列に並べて太陽電池セルを直列に接続したものをストリングスと呼ぶ。

ストリングスを形成する工程において、太陽電池セルには、銅箔等からなるストリングリボンが半田によって接合される。ストリングリボンの前半部は太陽電池セルの上面の電極に半田付けされ、ストリングリボンの後半部は隣接する太陽電池セルの下面の電極に半田付けされる。
従来、太陽電池セルにストリングリボンを接合する方法としては、ストリングリボンの表面にコーティングされた半田を温風（ホットエア）によって溶融させて半田付けを行う方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００７−２７３８３０号公報

太陽電池セルにはシリコンが原材料として使用されているが、材料や製造コストが高いという問題があり、コスト削減が求められている。その対策の一つとしてシリコンの使用量削減が検討されており、シリコンを概ね２００μｍ以下の厚さにする薄型化の技術開発が進められている。ただし、従来の太陽電池セルとストリングリボンの接合方法では、接合に数ｓｅｃの時間を要するため、ストリングリボンと太陽電池セル全体が加熱され、接合時のシリコンとストリングリボンとの熱膨張差に起因した熱ストレスにより、接合後にシリコンに反りが発生し、最悪の場合、太陽電池セルが割れてしまうという問題が発生する。特に、シリコンが薄くなるにつれて、反りの問題は顕著になってきている。

特許文献１に開示された温風による接合方法では、ストリングリボンに部分的に熱を与えることにより、太陽電池セルの反りを抑制できるとしている。しかしながら、特許文献１に開示された接合方法では、予熱が必要であり、また接合部のストリングリボンの温度管理が難しいという問題点があった。ストリングリボンの温度は、温風吹き出し口の口径、風量、温風の温度、吹き出し口とストリングリボンとの距離、温風吹き出し口の走査速度などの条件によって決まる。したがって、これらの条件を適切に制御する必要があり、温度管理が面倒になる。さらに、特許文献１に開示された接合方法では、温風で半田が飛散してしまう可能性があった。
特許文献１に開示された接合方法では、接合部のストリングリボンの温度が高くなり過ぎると、太陽電池セルの反りを抑制できない可能性があり、また想定範囲からの温度のずれや半田の飛散のために良好な接合状態を実現できない可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、太陽電池セルの反りを抑制することができると同時に、太陽電池セルとストリングリボンとの良好な接合状態を容易に実現することができる太陽電池モジュールの接合方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の太陽電池モジュールの接合方法は、半田層で被覆された金属体からなる第１のストリングリボンをステージ上に載置し、太陽電池セルの下面の電極が前記第１のストリングリボンに当接するように前記太陽電池セルを前記第１のストリングリボン上に載置し、半田層で被覆された金属体からなる第２のストリングリボンが前記太陽電池セルの上面の電極に当接するように前記第２のストリングリボンを前記太陽電池セル上に載置する搬送工程と、前記第２のストリングリボンを上から押さえる押圧工程と、第１の光ファイバによってパルスレーザ光を前記太陽電池セルの下面に導いて前記ステージのレーザ照射用貫通孔を通して前記第１のストリングリボンに照射すると同時に、第２の光ファイバによって前記パルスレーザ光を前記太陽電池セルの上面に導いて前記第２のストリングリボンに照射し、前記第１、第２のストリングリボンの半田層を溶融させ、前記第１、第２のストリングリボンを前記太陽電池セルの下面と上面の電極に半田付けする接合工程とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の太陽電池モジュールの接合方法の１構成例は、さらに、前記接合工程の前に、前記パルスレーザ光の照射位置を前記第１、第２のストリングリボンに対して相対的に移動させる位置合わせ工程を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の太陽電池モジュールの接合方法の１構成例は、前記パルスレーザ光を出射するレーザ発振器として、ＹＡＧレーザ発振器を用いることを特徴とするものである。
また、本発明の太陽電池モジュールの接合方法の１構成例において、前記パルスレーザ光の出射条件は、前記第１、第２のストリングリボンの母材である金属体を溶融させずに前記第１、第２のストリングリボンの半田層のみを溶融させるように予め設定される。

また、本発明の太陽電池モジュールの接合装置は、半田層で被覆された金属体からなる第１のストリングリボンをステージ上に載置し、太陽電池セルの下面の電極が前記第１のストリングリボンに当接するように前記太陽電池セルを前記第１のストリングリボン上に載置し、半田層で被覆された金属体からなる第２のストリングリボンが前記太陽電池セルの上面の電極に当接するように前記第２のストリングリボンを前記太陽電池セル上に載置する搬送手段と、前記第２のストリングリボンを上から押さえる押圧手段と、第１の光ファイバによってパルスレーザ光を前記太陽電池セルの下面に導いて前記ステージのレーザ照射用貫通孔を通して前記第１のストリングリボンに照射すると同時に、第２の光ファイバによって前記パルスレーザ光を前記太陽電池セルの上面に導いて前記第２のストリングリボンに照射し、前記第１、第２のストリングリボンの半田層を溶融させ、前記第１、第２のストリングリボンを前記太陽電池セルの下面と上面の電極に半田付けするレーザ光照射手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、太陽電池セルとストリングリボンとの接合に、熱影響の少ない接合が可能なパルスレーザを用いることにより、太陽電池セルの反りを抑制することができると同時に、太陽電池セルとストリングリボンとの良好な接合状態を容易に実現することができる。さらに、本発明では、光ファイバでレーザ光を引き廻せるので、装置構成に柔軟性を持たせることができる。

本発明の実施の形態に係る接合装置の構成を示すブロック図である。 太陽電池セルの構成を示す斜視図である。 複数の太陽電池セルを直列に接続したストリングスの平面図である。 本発明の実施の形態に係る接合装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態においてストリングス製造の途中の工程における太陽電池セルとストリングリボンの状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態においてストリングス製造の途中の工程における太陽電池セルとストリングリボンの状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る接合装置によって接合した太陽電池セルとストリングリボンとの接合部を示す図である。 本発明の実施の形態に係る接合装置によって接合した太陽電池セルとストリングリボンとの接合部を示す図である。 本発明の実施の形態に係る接合装置によって接合した太陽電池セルとストリングリボンとの接合部を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る接合装置の構成を示すブロック図である。図１において、１は太陽電池セル、２はストリングリボン、３は太陽電池セル１およびストリングリボン２を搬送する搬送ステージ、４は押圧手段となるストリングリボン押さえ治具、５はＹＡＧレーザ発振器、６ａ，６ｂはストリングリボン２にレーザ光を照射するレーザ出射ヘッド、７ａ，７ｂはＹＡＧレーザ発振器５からレーザ出射ヘッド６ａ，６ｂへレーザ光を導く光ファイバ、８は搬送ステージ３に設けられたレーザ照射用貫通孔である。ＹＡＧレーザ発振器５とレーザ出射ヘッド６ａ，６ｂと光ファイバ７ａ，７ｂとは、レーザ光照射手段を構成している。

図２は太陽電池セル１の構成を示す斜視図である。図２に示すように、太陽電池セル１は、シリコン層１０と、シリコン層１０の両面に形成されたＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等からなる透明電導膜１１ａ，１１ｂと、透明電導膜１１ａの上面に銀（Ａｇ）ペーストを焼成して形成された櫛形状の集電極１２ａと、透明電導膜１１ｂの下面に銀ペーストを焼成して形成された櫛形状の集電極１２ｂとから構成される。

シリコン層１０は、ｎ型、ｉ型、ｐ型の複数のシリコン層からなるものであるが、その構造は例えば特許文献１に開示されているように周知のものであり、また本発明の本質に関係するものではないので、シリコン層１０の詳細な構造の説明は省略する。
集電極１２ａは、互いに平行に形成された複数のフィンガー部１３ａと、フィンガー部１３ａに流れる電流を集合させるバスバー部１４ａとから構成される。同様に、集電極１２ｂは、フィンガー部１３ｂと、バスバー部１４ｂとから構成される。

図３は複数の太陽電池セル１を直列に接続したストリングスの平面図である。隣り合う太陽電池セル１同士は、２本のストリングリボン２によって接続される。ストリングリボン２は、表面に半田がコーティングされた銅箔で構成される。表面にコーティングされる半田は鉛フリー半田が用いられ、例えばＳｎＡｇＣｕ半田が用いられる。ストリングリボン２の前半部は太陽電池セル１の上面のバスバー部１４ａに半田付けされ、ストリングリボン２の後半部は隣接する太陽電池セル１の下面のバスバー部１４ｂに半田付けされる。

以下、本実施の形態の接合装置の動作について説明する。図４は接合装置の動作を示すフローチャートである。
まず、図示しないストリングリボン搬送装置は、搬送ステージ３上の所定位置に２本のストリングリボン２を平行に載置する（図４ステップＳ１）。
続いて、図示しない太陽電池セル搬送装置は、太陽電池セル１の下面のバスバー部１４ｂがストリングリボン２に当接し、かつストリングリボン２と平行になるように太陽電池セル１を載置する（ステップＳ２）。

さらに、ストリングリボン搬送装置は、新たなストリングリボン２を２本用意し、このストリングリボン２がステップＳ２で載置した太陽電池セル１の上面のバスバー部１４ａに当接し、かつバスバー部１４ａと平行になるように新たなストリングリボン２を載置する（ステップＳ３）。ここまでの太陽電池セル１とストリングリボン２の状態を示すと図５のようになる。

次に、図示しない制御装置は、ステップＳ１〜Ｓ３で載置した太陽電池セル１およびストリングリボン２がストリングリボン押さえ治具４およびレーザ出射ヘッド６ａの下に位置するように、図示しない駆動機構により搬送ステージ３を移動させる（ステップＳ４）。移動後の状態では、太陽電池セル１およびストリングリボン２は、レーザ出射ヘッド６ａとレーザ出射ヘッド６ｂの間に配置される。

次に、制御装置は、ストリングリボン押さえ治具４を降下させ、ステップＳ３で載置したストリングリボン２に対して上からストリングリボン押さえ治具４を押し付け、ステップＳ１，Ｓ３で載置したストリングリボン２が動かないように押さえる（ステップＳ５）。

続いて、制御装置は、ＹＡＧレーザ発振器５から所定のパルスレーザ光を出射させ、図１に示すように、レーザ光が光ファイバ７ａ，７ｂを通ってレーザ出射ヘッド６ａ，６ｂから太陽電池セル１の上面および下面のストリングリボン２に照射されるようにする。このとき、レーザ出射ヘッド６ｂから出射したパルスレーザ光は、搬送ステージ３に設けられたレーザ照射用貫通孔８を通って太陽電池セル１の下面のストリングリボン２に到達する。このパルスレーザ光の照射によってストリングリボン２の表面にコーティングされた半田を溶融させることにより、ステップＳ１で載置したストリングリボン２を太陽電池セル１の下面のバスバー部１４ｂに半田付けし、ステップＳ３で載置したストリングリボン２を太陽電池セル１の上面のバスバー部１４ａに半田付けする（ステップＳ６）。

なお、所望の接合箇所のストリングリボン２にパルスレーザ光を照射する必要があるので、パルスレーザ光の照射の前に、制御装置の指示に基づく駆動機構の動作により搬送ステージ３またはレーザ出射ヘッド６ａ，６ｂを移動させ、所望の接合箇所のストリングリボン２にパルスレーザ光が当たるように位置合わせをするようにしてもよい。制御装置は、例えば太陽電池セル１とストリングリボン２とをカメラで撮影し、画像認識処理によりストリングリボン２を認識して、ストリングリボン２の所望の位置にレーザ光が当たるように位置合わせを行えばよい。

また、１本のストリングリボン２について複数箇所半田付けする場合には、制御装置は、搬送ステージ３またはレーザ出射ヘッド６ａ，６ｂを移動させて、ステップＳ６の処理を繰り返せばよい。

さらに、太陽電池セル１の上面、下面にストリングリボン２を２本ずつ半田付けする必要があるので、計４本のストリングリボン２を一度に半田付けしようとすると、レーザ出射ヘッド６ａ，６ｂがそれぞれ２個ずつ必要となる。
ただし、搬送ステージ３またはレーザ出射ヘッド６ａ，６ｂを移動させることで、１個ずつのレーザ出射ヘッド６ａ，６ｂで半田付けを行うことも可能である。

次に、ステップＳ２に戻って、太陽電池セル搬送装置は、図６に示すように、太陽電池セル１の下面のバスバー部１４ｂがステップＳ３で載置したストリングリボン２の後半部に当接し、かつストリングリボン２と平行になるように新たな太陽電池セル１を載置する。以降の工程は上記で説明したとおりである。
こうして、ストリングスの製造が終了するまで（ステップＳ７においてＹＥＳ）、ステップＳ２〜Ｓ６の工程が繰り返し行われる。

以上のように、本実施の形態では、熱影響の少ない接合が可能なパルスレーザを使用し、従来の問題を改善している。ここで、本実施の形態の接合方法は、ＹＡＧレーザを使用しながらも、ストリングリボン２の母材を溶融させず、ストリングリボン２の表面のめっきを主体に溶融させ、太陽電池セル１の電極との半田接合を行うことに特徴がある。ＹＡＧレーザを使用した場合、数ｍｓｅｃオーダの非常に短い接合プロセス時間であっても、レーザエネルギを最適化することで、ストリングリボン２のめっきと太陽電池セル１の電極間で十分な半田接合強度が得られることを実験により確認した。なお、ストリングリボン２の母材を溶融させ、太陽電池セル１の電極との溶接を行う接合方法では、太陽電池セル１のシリコンに損傷を与える場合があり、接合安定性に問題がある。

図７（Ａ）〜図７（Ｆ）、図８（Ａ）〜図８（Ｆ）、図９（Ａ）、図９（Ｂ）は本実施の形態の接合装置によって接合した太陽電池セル１とストリングリボン２との接合部を示す図である。これらの図は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によって撮影した画像を示している。図７（Ａ）、図７（Ｄ）、図８（Ａ）、図８（Ｄ）は接合部を真上から撮影した図、図７（Ｂ）、図７（Ｅ）、図８（Ｂ）、図８（Ｅ）は接合部を上方斜め４５°から撮影した図、図７（Ｃ）、図７（Ｆ）、図８（Ｃ）、図８（Ｆ）、図９（Ａ）、図９（Ｂ）は接合部の断面を撮影した図である。図９（Ａ）は図８（Ｆ）を拡大した図、さらに図９（Ｂ）は図８（Ｆ）、図９（Ａ）と同じ箇所を拡大撮影した図である。図７（Ｃ）、図７（Ｆ）、図８（Ｃ）、図８（Ｆ）、図９（Ａ）の倍率は５００倍、図９（Ｂ）の倍率は２０００倍である。

図７（Ａ）〜図７（Ｆ）、図８（Ａ）〜図８（Ｆ）、図９（Ａ）、図９（Ｂ）において、２０はストリングリボン２の母材である銅箔、２１は銅箔の表面にコーティングされた半田めっきである。

ここでは、太陽電池セル１の外形サイズが６インチ、シリコン層１０の厚さが１７５μｍ、銀からなるバスバー部１４ａ，１４ｂの厚さが２０μｍ、ストリングリボン２の母材である銅箔の厚さが０．２３ｍｍで幅が１．２ｍｍ、銅箔の表面にコーティングされるＳｎ₃Ａｇ_0.5Ｃｕからなる半田めっきの厚さが４０μｍである。また、ＹＡＧレーザ発振器５から出射するパルスレーザ光のパルス幅が１０ｍｓｅｃ、レーザ出射ヘッド６ａ，６ｂとパルスレーザ光が入射するストリングリボン２との距離（ワークディスタンス）が４０ｍｍ、ストリングリボン２上でのパルスレーザ光の集光スポット径が０．４ｍｍである。

図７（Ａ）〜図７（Ｃ）はレーザエネルギが１３．１Ｊ／ｐｕｌｓｅの場合を示し、図７（Ｄ）〜図７（Ｆ）はレーザエネルギが１１．３Ｊ／ｐｕｌｓｅの場合を示し、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）はレーザエネルギが９．５Ｊ／ｐｕｌｓｅの場合を示し、図８（Ｄ）〜図８（Ｆ）、図９（Ａ）、図９（Ｂ）はレーザエネルギが７．５Ｊ／ｐｕｌｓｅの場合を示している。

図７（Ａ）〜図７（Ｆ）、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）では、ストリングリボン２の母材が溶融してしまっていることが分かる。これに対して、図８（Ｄ）〜図８（Ｆ）、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すレーザエネルギが７．５Ｊ／ｐｕｌｓｅの条件では、ストリングリボン２の母材がほとんど溶融せず、主としてストリングリボン２の表面の半田めっきが溶融して半田付けが実現できており、最良の結果が得られていることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、太陽電池セル１とストリングリボン２との接合に、熱影響の少ない接合が可能なパルスレーザを用いる。本実施の形態では、レーザの出力管理がし易いので、良好な接合状態を得るためのレーザ光の出射条件を容易に設定することができる。また、本実施の形態では、レーザ光照射による加熱を接合部を中心とする箇所に限定できるので、太陽電池セル１の反りを抑制することができる。本実施の形態では、特許文献１に開示された接合方法のような予熱が不要であり、また温風で半田が飛散することもない。その結果、本実施の形態では、太陽電池セル１の反りを抑制することができると同時に、太陽電池セル１とストリングリボン２との良好な接合状態を容易に実現することができる。さらに、本実施の形態では、光ファイバ７ａ，７ｂでレーザ光を引き廻せるので、装置構成に柔軟性を持たせることができる。
なお、図４に示した製造工程は１例であって、これに限るものではないことは言うまでもない。

本発明は、太陽電池セルの電極にストリングリボンを半田付けする技術に適用することができる。

１…太陽電池セル、２…ストリングリボン、３…搬送ステージ、４…ストリングリボン押さえ治具、５…ＹＡＧレーザ発振器、６ａ，６ｂ…レーザ出射ヘッド、７ａ，７ｂ…光ファイバ、８…レーザ照射用貫通孔、１０…シリコン層、１１ａ，１１ｂ…透明電導膜、１２ａ，１２ｂ…集電極、１３ａ，１３ｂ…フィンガー部、１４ａ，１４ｂ…バスバー部。

Claims (8)

1. 半田層で被覆された金属体からなる第１のストリングリボンをステージ上に載置し、太陽電池セルの下面の電極が前記第１のストリングリボンに当接するように前記太陽電池セルを前記第１のストリングリボン上に載置し、半田層で被覆された金属体からなる第２のストリングリボンが前記太陽電池セルの上面の電極に当接するように前記第２のストリングリボンを前記太陽電池セル上に載置する搬送工程と、
   前記第２のストリングリボンを上から押さえる押圧工程と、
   第１の光ファイバによってパルスレーザ光を前記太陽電池セルの下面に導いて前記ステージのレーザ照射用貫通孔を通して前記第１のストリングリボンに照射すると同時に、第２の光ファイバによって前記パルスレーザ光を前記太陽電池セルの上面に導いて前記第２のストリングリボンに照射し、前記第１、第２のストリングリボンの半田層を溶融させ、前記第１、第２のストリングリボンを前記太陽電池セルの下面と上面の電極に半田付けする接合工程とを備えることを特徴とする太陽電池モジュールの接合方法。
2. 請求項１記載の太陽電池モジュールの接合方法において、
   さらに、前記接合工程の前に、前記パルスレーザ光の照射位置を前記第１、第２のストリングリボンに対して相対的に移動させる位置合わせ工程を備えることを特徴とする太陽電池モジュールの接合方法。
3. 請求項１記載の太陽電池モジュールの接合方法において、
   前記パルスレーザ光を出射するレーザ発振器として、ＹＡＧレーザ発振器を用いることを特徴とする太陽電池モジュールの接合方法。
4. 請求項１記載の太陽電池モジュールの接合方法において、
   前記パルスレーザ光の出射条件は、前記第１、第２のストリングリボンの母材である金属体を溶融させずに前記第１、第２のストリングリボンの半田層のみを溶融させるように予め設定されることを特徴とする太陽電池モジュールの接合方法。
5. 半田層で被覆された金属体からなる第１のストリングリボンをステージ上に載置し、太陽電池セルの下面の電極が前記第１のストリングリボンに当接するように前記太陽電池セルを前記第１のストリングリボン上に載置し、半田層で被覆された金属体からなる第２のストリングリボンが前記太陽電池セルの上面の電極に当接するように前記第２のストリングリボンを前記太陽電池セル上に載置する搬送手段と、
   前記第２のストリングリボンを上から押さえる押圧手段と、
   第１の光ファイバによってパルスレーザ光を前記太陽電池セルの下面に導いて前記ステージのレーザ照射用貫通孔を通して前記第１のストリングリボンに照射すると同時に、第２の光ファイバによって前記パルスレーザ光を前記太陽電池セルの上面に導いて前記第２のストリングリボンに照射し、前記第１、第２のストリングリボンの半田層を溶融させ、前記第１、第２のストリングリボンを前記太陽電池セルの下面と上面の電極に半田付けするレーザ光照射手段とを備えることを特徴とする太陽電池モジュールの接合装置。
6. 請求項５記載の太陽電池モジュールの接合装置において、
   さらに、前記パルスレーザ光の照射位置を前記第１、第２のストリングリボンに対して相対的に移動させる位置合わせ手段を備えることを特徴とする太陽電池モジュールの接合装置。
7. 請求項５記載の太陽電池モジュールの接合装置において、
   前記レーザ光照射手段は、前記パルスレーザ光を出射するレーザ発振器として、ＹＡＧレーザ発振器を有することを特徴とする太陽電池モジュールの接合装置。
8. 請求項５記載の太陽電池モジュールの接合装置において、
   前記パルスレーザ光の出射条件は、前記第１、第２のストリングリボンの母材である金属体を溶融させずに前記第１、第２のストリングリボンの半田層のみを溶融させるように予め設定されることを特徴とする太陽電池モジュールの接合装置。