JP5477088B2 - 薄膜太陽電池の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、光電変換素子を複数個直列または並列接続した薄膜太陽電池の製造装置および製造方法に関する。

近年、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルムを用いたフレキシブルタイプの薄膜太陽電池の研究開発が進められ実用化されている。さらに、フレキシブルな金属材料に絶縁被覆したフィルム基板を用いたものも開発されている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式やステッピングロール方式の製造方法により大量生産が可能となった。上記の薄膜太陽電池の構成と製造工程の一例が、特許文献１に開示されている。

図２に、薄膜太陽電池の構成を簡略化した図を示す。図２において、絶縁材料からなる基板１０５には、第一電極層１０６、アモルファスシリコンからなる光電変換層１０８および第二電極層１０９が積層され（基板のこの面を受光面側とする）、基板１０５の反対側（背面側）には第三電極層１０７および第四電極層１１０が積層されている。これらの電極層の積層体は、受光面側はレーザーパターニングライン１０３、背面側はレーザーパターニングライン１０４により、複数の単位ユニット（ユニットセル）に分離され、それぞれの分離位置をずらして光電変換素子が形成されている。集電孔１０１は第二電極層領域に形成され、接続孔１０２はマスクにより第二電極層が形成されていない領域に形成されている。集電孔１０１の内壁で第二電極層１０９と第四電極層１１０が重なり、導通している。接続孔１０２の内壁では第一電極層１０６と第三電極層１０７とが重なり、導通している。

光電変換素子の受光面側に光が照射されると、光電変換層１０８で発生した電流は、まず第二電極層１０９に集められ、集電孔１０１を介して背面の第四電極層１１０に通じる。更に、第四電極層１１０から接続孔１０２の第三電極層１０７を介して上記光電変換素子と隣り合う素子の第一電極層１０６に達し、両素子の直列接続が行われる。

上記薄膜太陽電池は、複数の光電変換素子を形成後、第二電極層１０９の表面を接着性樹脂でラミネートし、電気的な露出部分を介して、各光電変換素子に電圧印加処理を行っている。図３に、特許文献１の太陽電池モジュール製造工程中の構造の一例を示す。図２の薄膜太陽電池の受光面側の第二電極層１０９の表面を接着性樹脂２で被覆し、１００℃以下の温度で簡易的に接着し、図３の構成を形成する。

次に、接着性樹脂２で被覆されていない背面側の電極に逆バイアス電圧を印加して、局所短絡部を除去して絶縁する処理を行う。
最終的に、薄膜太陽電池の受光面側および非受光面側の双方に電気絶縁性の保護材を設けた太陽電池モジュール１１１を形成する。図４に、太陽電池モジュールの模式的構造の一例の断面図を示す。図４において、薄膜太陽電池４は、複数個の太陽電池素子が直列または並列接続されており、その受光面側に光透過性のあるガラスや樹脂フィルムなどの表面保護部材１１２、裏面側にアルミ箔の両面に一弗化エチレン（商品名：テドラー，デュポン社製）を接着した防湿保護シートや金属板などの裏面保護部材１１３が設けられ、接着封止性に優れかつ安価なエチレン−酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）などの接着性樹脂封止材１１４により熱融着封止されている。

特開２００３―２５８２８１号公報

上記従来の薄膜太陽電池の製造工程においては、下記のような問題があった。
成膜過程において、基板上に付着しているゴミ等によりピンホールが発生し、第一電極１０６と第二電極層１０９が電気的に短絡する問題がある。このピンホールによる局所短絡部は、ユニットセルへの数ボルトの逆バイアスの電圧印加処理により、電気的に分離（局所短絡部を除去して絶縁）することができる。その理由は、逆バイアスの電圧印加処理によるジュール熱の発生により、ピンホール内の透明電極が焼却除去されるものと推定される。通常、上記電圧印加処理により、ユニットセル特性は改善するが、あまりピンホ−ルの数が多い場合や大きなピンホールが存在すると、電圧印加処理を行っても回復できないことがある。特に大電流型の薄膜太陽電池の場合には、ユニットセル面積が大きくなるため、面積に比例してピンホールの数が増大し、ユニットセル内にこのような回復できないピンホ−ルが残存する確率が高くなる。また、大きなピンホールがユニットセル内に存在すると、電圧印加処理時に流れる電流が大きなピンホール部に集中するために、その他の小さなピンホ−ルも電圧印加処理で回復できなくなり、リーク電流が所期のレベルまで下がらない、もしくは、セルの破壊によりリーク電流の増加に至ることがあった。

また、図１の薄膜太陽電池の場合、基板に開けた集電孔１０１の側面では、光電変換層８によって第一電極層１０６と第二電極層１０９とを絶縁する必要がある。しかしながら、機械加工やレーザー加工によって形成した集電孔の側面には、ミクロンオーダーの多数のシワやクラックがある。この部分では、光電変換層１０８が極端に薄膜化したり、あるいは、割れなどにより局所短絡部（リーク）が発生しやすい。そのため、逆バイアスの電圧印加処理の効果を確実にするため、透明電極層の表面及び集電孔を接着性樹脂で被覆する必要があった。

その手段の一つとして、特許文献１では加熱ロール方式を用いて１００℃以下での熱溶着する方法が開示されている。しかしこの方法では、集電孔への接着性樹脂を安定的に十分に充填することが出来ない場合があった。その一方で、接着性樹脂が十分な流動性を有する加熱条件で、集電孔へ接着性樹脂を充填させた場合、加熱温度が高すぎてデバイス自体を損傷させる可能性があった。

本発明は、これらの問題を解決し、集電孔へ接着性樹脂の充填を確実に実施し、リーク電流の発生を抑えることを目的とする。

上記の課題を解決する手段として、薄膜太陽電池の受光面側に接着性樹脂をラミネートするための加熱ロール装置と、その後段に、輻射加熱方式を用いて前記薄膜太陽電池を接着性樹脂表面側から加熱する加熱装置を有する製造装置を用いる。

加熱ロール装置は、接着性樹脂を室温かまたは１００℃以下の温度で仮加熱し、透明電極層である第二電極層の表面及び集電孔を接着性樹脂でラミネートする。この時、加熱ロールと薄膜太陽電池表面と接触する時間は短時間であるため、押圧による損傷の問題は無い。また、ロール搬送の際、接着性樹脂が部分的に加熱されると複雑な張力制御が必要となるが、加熱ロールの温度は１００℃以下であるため、搬送制御への影響は少ない。

次に、輻射加熱方式の加熱装置で、接着剤樹脂の表面側から非接触で加熱する。加熱温度１６０℃〜２００℃は、薄膜太陽電池を損傷させず、接着性樹脂が熱分解しない温度範囲である。非接触加熱であるため、押圧による損傷も無い。加熱により、接着性樹脂の流動性が十分に確保され、重力を利用して表面の接着性樹脂が、集電孔内に確実に充填される。

また、さらにその後段で冷却することで、巻き取りロールに巻き取っても接着性樹脂が薄膜太陽電池の裏面電極に付着することは無い。

この発明により、従来不安定であった集電孔へ接着性樹脂の充填を確実に実施することが可能となり、薄膜型太陽電池の性能が向上する。

本発明の概略図 薄膜太陽電池の構成の一例 ・ 薄膜太陽電池表面図 ・ Ａ-Ａ’断面図 ・ Ｂ-Ｂ’断面図 太陽電池モジュール製造工程中の構造の一例の断面図 太陽電池モジュールの模式的構造の断面図

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1に加熱装置の実施例を示す。まず、はじめに製膜されたロール状態の薄膜太陽電池４の受光面側に、接着性樹脂２をロールラミネーター５で貼り合わせる。薄膜太陽電池４と接着性樹脂２を貼り合わせる時は、加熱する場合と、加熱無しに押し付けた状態で密着させる方法がある。加熱する場合は、１００℃以下の仮加熱とする。接着性樹脂２としては、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）、ポリビニルブチラール(ＰＶＢ)などがある。

その後、加熱装置６で接着性樹脂付きの薄膜太陽電池を、集電孔へ接着性樹脂の充填が確実に行われる温度まで加熱する。この温度は、薄膜太陽電池の特性に影響を与えない、１６０℃〜２００℃の範囲が望ましい。１６０℃以下では、溶融した接着性樹脂の粘度が低く、集電孔内部に接着性樹脂が充填されない部分が発生する。２００℃を超える温度では、接着性樹脂の熱分解が発生する。

加熱装置６で、接着性樹脂２の流動性が十分に確保されて集電孔へ接着性樹脂が確実に充填された後、冷却装置７でロール状態にしても貼り付きが発生しない温度まで冷却する。冷却は、１０℃／秒〜２０℃／秒で冷却することが望ましい。

冷却された後、巻き取りロール８に巻き取られる。本実施例では、装置のコンパクト化を図るため、加熱手段として赤外線加熱装置により輻射方式で太陽電池へ入熱している。本方式を用いることで、数秒から数十秒での短時間加熱が可能となる。また、加熱したい接着性樹脂の種類により、吸収しやすい赤外線の波長が異なるため、適正な波長を放射する赤外線ヒータを選定することが重要である。特に装置のコンパクト化が必要ない場合は、対流伝熱方式を用いた加熱装置を用いてゆっくり加熱しても所定温度を保持すれば同様な効果が得られ、冷却装置を用いずに自然冷却も可能である。
（実施例１）
図１の装置を用いて、ロール状態の薄膜太陽電池の受光面側に、接着性樹脂をロールラミネーターで貼り合わせた工程について詳細に述べる。

接着性樹脂には、エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）を用いた。
ロール状に巻き取られた可とう性基板の薄膜太陽電池と、同じくロール状に巻き取られた接着性樹脂を巻き出し、搬送速度２ｍ／ｍｉｎで搬送し、ロールラミネーターで貼り合わせた。このとき、ロールラミネーターは８０℃で加熱されていた。

ロールラミネーターで貼り合わされた薄膜太陽電池と接着性樹脂は、加熱装置に搬送され、波長２.０〜２．５μｍの中長波で約１０秒加熱した。この時の加熱時間は、搬送しながらの加熱のため、基準点として定めた点が加熱装置に入り、出てくるまでの時間を示している。この加熱の際、２００℃を超えた温度に加熱されると、接着性樹脂の熱分解が発生する。

次に、接着性樹脂を接着した薄膜太陽電池は冷却装置に搬送され、冷却ファンにより風量１５〜２０ｍ^３／ｍｉｎで約１０秒間空冷された。
ロールラミネーターで貼り合わされた薄膜太陽電池と接着性樹脂は、冷却後、巻取りロールに巻き取った

（比較例１）
ロール状に巻き取られたフレキシブル基板の薄膜太陽電池と、同じくロール状に巻き取られた接着性樹脂を巻きだし、搬送速度２ｍ／ｍｉｎで搬送し、ロールラミネーターで貼り合わせた。このとき、ロールラミネーターは８０℃で加熱されていた。接着性樹脂には、実施例１と同様にエチレン−酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）を用いた。

ロールラミネーターで貼り合わされた薄膜太陽電池と接着性樹脂は、その後加熱せずに、自然冷却後巻取りロールに巻き取った。

実施例１と比較例１で製造した薄膜太陽電池の特性評価結果を比較した結果、比較例１は実施例１よりも発電出力が４％低下していた。これは、比較例１は加熱温度が低く、接着性樹脂が集電孔の短絡部が絶縁されずリーク電流が高くなったことによる。

１ 接着性樹脂巻き出しロール
２ 接着性樹脂
３ 薄膜太陽電池巻き出しロール
４ 薄膜太陽電池
５ ロールラミネーター
６ 加熱装置
７ 冷却装置
８ 巻き取りロール

１０１ 集電孔
１０２ 接続孔
１０３ レーザーパターニングライン（受光面側）
１０４ レーザーパターニングライン（背面側）
１０５ 基板
１０６ 第一電極層
１０７ 第三電極層
１０８ 光電変換層
１０９ 第二電極層
１１０ 第四電極層
１１１ 太陽電池モジュール
１１２ 表面保護部材
１１３ 裏面保護部材
１１４ 接着性樹脂封止材

Claims (6)

1. 電気絶縁性フィルム基板の表面に第一電極層、光電変換層、透明電極層である第二電極層を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した接続電極層としての第三電極層および第四電極層とを備え、前記第二電極層形成領域外に形成した電気的直列接続用の接続孔、および前記第二電極層形成領域内に形成した集電孔を有する薄膜太陽電池の製造装置において、
   前記薄膜太陽電池の受光面側に接着性樹脂をラミネートするための加熱ロール装置と、
   その後段に、輻射加熱方式で前記薄膜太陽電池を接着性樹脂表面側から加熱する加熱装置とを有することを特徴とする薄膜太陽電池の製造装置。
2. 請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造装置において、前記加熱ロール装置は１００℃以下で仮加熱し、前記加熱装置は１６０℃〜２００℃で加熱することを特徴とする薄膜太陽電池の製造装置。
3. 請求項１または２に記載の製造装置において、前記加熱装置の後段に、前記薄膜太陽電池を冷却する冷却装置を有することを特徴とする薄膜太陽電池の製造装置。
4. 電気絶縁性フィルム基板の表面に第一電極層、光電変換層、透明電極層である第二電極層を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した接続電極層としての第三電極層および第四電極層とを備え、前記第二電極層形成領域外に形成した電気的直列接続用の接続孔、および前記第二電極層形成領域内に形成した集電孔を有する薄膜太陽電池の製造方法において、
   前記薄膜太陽電池の受光面側に接着性樹脂を加熱ロール装置でラミネートする工程と、
   その後段に、輻射加熱方式で接着性樹脂の表面側から加熱する工程とを有することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
5. 請求項４に記載の薄膜太陽電池の製造方法において、前記ラミネートする工程は１００℃以下で仮加熱し、前記加熱する工程は１６０℃〜２００℃で加熱することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
6. 請求項４または５に記載の製造方法において、加熱する工程の後段に、薄膜太陽電池を冷却する工程を有することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。

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