JP5480897B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、基板上に透明電極膜と太陽電池発電素子を配設し、保護膜で覆うことで形成される太陽電池モジュールにおいて、基板と保護膜の接合部分から浸入した水分によって、電気配線や太陽電池発電素子、透明電極膜などが侵されないために、バリア層を設けた太陽電池モジュールに関する。
近年化石エネルギー資源の枯渇が懸念されており、それに代わる新エネルギーが検討されている。特に太陽光発電は、有望なエネルギー源として注目されている。太陽光発電の方法としては、単結晶シリコンや多結晶シリコンなどを用いた結晶系太陽電池や、非晶質シリコン等を用いた薄膜系太陽電池が知られている。薄膜系太陽電池は、単位面積あたりの原材料が少なくて済むので、低コストとして注目されている。
薄膜系太陽電池モジュールは、主としてガラス製の基板上に、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透明導電性酸化物からなる透明電極層と、アモルファスシリコン等からなる光電変換層と、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属からなる裏面電極層で構成される太陽電池セルを有する。基板上には複数の太陽電池セルが含まれ、それぞれの太陽電池セルは直列若しくは並列に接続され集積化されている。
太陽電池セルの裏面は、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等の熱硬化性樹脂からなる封止層と、フッ化ビニル樹脂製若しくはフッ化ビニル樹脂を含む複合フィルムを用いた保護層を積層される。そして基板とこれらの積層物を、さらに封止層を加熱溶融して架橋硬化させたり、真空ラミネート法などで封止し、太陽電池モジュールとなす。
ここで、封止層としてＥＶＡが用いられているのは、屈折率がガラスに近く、安価であるという理由である。しかし、ＥＶＡは耐水性、耐湿性、耐アルカリ性といった耐候特性に弱い。そのため、太陽電池モジュールの側面から水分が浸入しやすかった。太陽電池モジュール内に水分が浸入すると、樹脂層からなる封止層だけでなく、電気配線や電極層、光電変換層も腐食しやすくなる。つまり、長期信頼性の低下という問題が生じていた。
太陽電池発電のコストは太陽電池価格／寿命とも考えられる。太陽電池の寿命が短くなるのは、コストアップにもつながるため、化石エネルギー資源の代替エネルギーとしての普及を妨げることにもなる。従って、長期信頼性の向上について、様々な提案がなされている。
例えば、特許文献１では、透明高防湿フィルムと耐紫外線性に優れた透明高耐光フィルムを積層一体化したカバー材を用いる技術が開示されている。
また、特許文献２には、表面保護材として、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）であって、ＥＳＣＡでの表面組成が酸素量５〜１５ａｔ％、窒素量１〜３ａｔ％、の範囲である４フッ化エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体か、４フッ化エチレン・６フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）とする技術が開示されている。
また、特許文献３には、太陽電池セルの裏面中央部を覆う主封止剤と、裏面の周辺部を覆う水蒸気バリア材料からなる、封止構造が開示されている。ここで水蒸気バリア材料は、水蒸気透過率が膜厚１００μｍあたり１ｇ／ｍ２・ｄａｙであることを特徴としている。
封止層や保護層に用いられる樹脂は、複合膜や変性処理をしても、水蒸気の浸入を完全に防止することはできない。太陽電池モジュールは、直射日光に長時間曝されるため、水分が太陽電池モジュールの積層構造中に浸入すると、水分により電気配線が腐食したり、水分が膨張し構造自体にダメージを与える。また紫外線といったエネルギーの高い光線を受けるので、特に樹脂は分解や変性がしやすい。従って、上記に紹介した文献の方策は、ある程度の効果があったとしても、封止層や保護層に樹脂を利用する限り、太陽電池モジュールの長寿命化を劇的に向上させることは困難である。
本発明は太陽電池モジュールの長寿命化という課題を解決するために想到されたもので
ある。具体的には、
基板と、
前記基板上に形成された第１の電極と、
前記第１の電極に接続して形成された発電素子と、
前記発電素子に接続して形成された第２の電極と、
少なくとも前記基板と前記第２の電極に接する部分が存在する無機物のバリア層と、
前記第１の電極に接続された第１の引出端子と、
前記第２の電極に接続された第２の引出端子と、
前記第１の引出端子と、前記第２の引出端子を封止する樹脂部を有し、前記樹脂部が形成されている部分では、前記無機物のバリア層は、前記樹脂部上に形成されている太陽電池を提供する。
ある。具体的には、
基板と、
前記基板上に形成された第１の電極と、
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少なくとも前記基板と前記第２の電極に接する部分が存在する無機物のバリア層と、
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また、前記バリア層は密度の異なる複数の無機物層が順に積層された太陽電池である。
さらに、前記バリア層は、前記基板と前記第２の電極に対して直接形成された密度の低い第１の無機物層と、前記第１の無機物層上に直接形成され前記第１の無機物層より密度の高い第２の無機物層を有する太陽電池である。
上記構成の太陽電池であれば、バリア層は無機物で構成されるので、樹脂で封止する場合と比較して、水分の浸入を桁違いに少なくすることができる。
また、無機物は一般にヤング率が大きいため、熱膨張による応力は樹脂の場合と比較し
て大きくなる。従って、封止材として用いると、太陽電池セルとの間で大きな応力が発生
し、太陽電池セルの基板若しくは層間からの剥離が懸念される。しかし、本願の太陽電池
モジュールでは、密度の低い無機物層と密度の高い無機物層を交互に積層しているので、
太陽電池セルとの間の応力を緩和しつつ、水分の浸入を防止することができる。また、電極に接続した引出端子を樹脂で被覆成形するので、端子接合箇所の大きな段差および空隙がなくなるので、ＣＶＤ法の使用を可能とする。
て大きくなる。従って、封止材として用いると、太陽電池セルとの間で大きな応力が発生
し、太陽電池セルの基板若しくは層間からの剥離が懸念される。しかし、本願の太陽電池
モジュールでは、密度の低い無機物層と密度の高い無機物層を交互に積層しているので、
太陽電池セルとの間の応力を緩和しつつ、水分の浸入を防止することができる。また、電極に接続した引出端子を樹脂で被覆成形するので、端子接合箇所の大きな段差および空隙がなくなるので、ＣＶＤ法の使用を可能とする。
図１に本発明の太陽電池モジュールの断面図を示す。本発明の太陽電池モジュール１は、基板１０と、透明電極層１１と、光電変換層１２と、裏面電極層１３と、バリア層３０とを含む。さらに封止層１５と保護層１６およびフレーム材１７を含むこともできる。なお、基板１０がある側を太陽電池モジュール１の前面、反対側を裏面と呼ぶ。
基板１０は主としてガラスが好適に用いられる。透明であるため光電変換素子１２に太陽光線を当てることができるからである。また、ガラスは耐候性が高く、熱、光、水に対しても腐食しにくいからである。ガラスは含有させる元素により、光フィルターとなり得るので、光電変換素子の発電効率のより波長帯を選択的に通過させるガラスであってもよい。また、基板上に反射防止膜や、基板の縁近傍に接着性を向上させるためのＣｒ層などの金属層を設けてもよい。本発明では、太陽電池セルと基板との間に設けられた無機物の層は全て基板と解してよい。
透明電極１１は、基板１０上にパターン配設された第１の電極である。特に限定されるものではないが、ＦＴＯ（フッ素含有酸化スズ）、ＩＴＯ（酸化スズ含有酸化インジウム）や、ＳｎＯ２（酸化スズ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等が好適に用いられる。基板上に形成された透明電極は、光電変換素子に供給される光を妨げない。従って、発電効率が低下しないという効果を有する。
光電変換素子１２は、特に限定されず、薄膜型、バルク型のどちらを利用してもよい。例えば、コストや大面積での製造、エネルギーギャップの大きさなどから、アモルファスシリコンは好適に利用することができる。なお、光電変換素子１２は単に発電素子とも呼ぶ。
裏面電極１３は透明性をあまり要求されない。従って、通常の導電性の金属を利用することができる。具体的には、Ａｌ、Ａｇが好適に用いられる。裏面電極は第２の電極である。
基板１０上に形成された上記の透明電極１１、光電変換素子１２、裏面電極１３で、太陽電池セル２０が形成される。太陽電池セルは基板１０上に複数個形成してもよく、それぞれの太陽電池セルの透明電極と裏面電極を結合させることによって、直列でも並列にでも結合させることができる。
次に基板１０上に形成された太陽電池セル２０上に無機物で構成されたバリア層３０を形成する。図２にバリア層３０を拡大した図を示す。バリア層３０は少なくとも基板１０と接する部分が必要である。また好ましくは、バリア層３０は少なくとも基板１０と第２電極１３との間を覆うように配置されることが必要である。太陽電池セル２０の側面方向からの水分の浸入を防止するためである。太陽電池セル２０の裏面全面と基板を覆うように形成されていればより好適である。裏面方向からの水分の浸入も防ぐことができるからである。
バリア層３０は、複数の無機物の層が積層した構造を有する。従って少なくとも２つの種類の層を用いる。そして、それぞれの層は密度が異なっていることが必要である。基板１０や太陽電池セル２０に直接接する第１薄膜層３１は、密度が低い無機物層で形成し、その上に密度が高い無機物で第２薄膜層３２を形成する。密度が低い無機物層は密度が高い無機物層より下地に対する応力が小さく、下地となる第１、２の電極や発電素子等が基板から剥離することを回避することができるからである。
密度が高い無機物層はＳｉＯ２を利用することができる。ＳｉＯ２膜は緻密であり、水分の浸入を効果的に防止することができる。図２では第２薄膜層３２である。水分の浸入を効果的に防止できる無機物の密度は２ｇ／ｃｍ３以上が好適である。従って、密度が２ｇ／ｃｍ３以上であれば、ＳｉＯ２以外の無機物を利用してよい。
バリア層３０を構成する無機物層の種類については特に限定されるものではない。少なくとも密度の異なる２種類の無機物層であって、密度が２ｇ／ｃｍ３以上の層が少なくとも１層あればよい。従って、図２に示すように、３種類以上の無機物層を組み合わせてバリア層を構成してもよい。
また、各無機物層の厚みの構成も特に限定されるものではない。バリア層３０に対して下地側に近い部分で密度の低い無機物層の厚みを厚くして、バリア層の厚みに従って密度の高い無機物層の厚みを厚くしてもよい。また、各無機物層の境界は明確でなくてもよい。すなわち、密度の低い無機物層から密度の高い無機物層まで連続的に変化する構成が繰り返されてバリア層が構成されてもよい。
積層の回数も特に限定されることはないが、積層回数が多いと、工数が増えるので、１つの太陽電池モジュールを作製するためのタクトタイムが長くなる。例えば、図２において、第２薄膜層３２は密度の低い無機物層であり、第３薄膜層３３は密度の高い無機物層である。第２薄膜層３２は２層分および第３薄膜層３３は１層分だけ示したが、これらはより多くの回数だけ積層した多層膜で構成されてもよい。
バリア層３０の作製方法は特に限定されるものではないが、スパッタリング法やＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法では、成膜対象物が絶えずプラズマに曝されるので、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法といった方法が好適に用いられる。
図１に戻って、バリア層３０を形成した後に封止層１５および保護層１６を形成することができる。封止層１５は従来用いられているＥＶＡを用いてよい。また保護層１６も従来用いられているフッ化ビニル樹脂製若しくはフッ化ビニル樹脂／Ａｌ／フッ化ビニル樹脂といった複合フィルムを用いることができる。また、太陽電池モジュール１の側面はシールを用いて、フレーム１７を固定する。
図３には、本発明における太陽電池モジュール全体の製造工程を簡単に示す。図３（ａ）は１枚の基板１０上に透明電極層１１と発電素子１２と裏面電極１３が形成された状態を示す。発電素子１２は複数個が同時に形成されており、透明電極１１と裏面電極１３のパターンによって直列若しくは並列に結合されている。ここで、太陽電池モジュール１の電極終端２２、２３はモジュールの両脇に集められる。なお、電極終端はモジュールの両脇以外の場所に設けられてもよい。
図３（ｂ）は、２つの電極終端２２、２３に引出端子２４、２５が設けられた状態を示す。引出端子２４、２５は太陽電池モジュール１の正極と負極になる部分である。用いられる材料に特に限定されるものではなく、腐食しにくく導電率の高い金属若しくは合金材料が好適に使用できる。
図３（ｃ）は、引出端子２４、２５と基板１０や第２電極１３（裏面電極）の段差を小さくするためにかつ、引出端子２４、２５と電極終端２２、２３を接合した箇所の空隙をなくすために樹脂で被覆した被覆成形部２８を配した状態を示す。樹脂で被覆成形するのは、ＣＶＤ法は回り込みが少ないので、大きな段差を連続膜で被覆することができないからである。なお、被覆成形部２８は引出端子２４、２５だけでなく太陽電池セル２０全面を覆っても良い。
図３（ｄ）は、被覆成形部２８の上からバリア層３０を形成した状態を示す。バリア層３０は基板側面からの水分浸入を防止するのが目的であるので、基板１０、被覆形成部２８、第２電極１３を一体的に覆うように配設される。従って、これらを含む領域を全てバリア層３０で覆うのが好適であるが、特に水分が浸入しやすい基板１０との境界部分にのみバリア層３０を配置してもよい。すなわち、太陽電池モジュール１の中央部分（図３（ｃ）で符号１８）はバリア層３０を配設しなくてもよい。
図３（ｅ）は、バリア層３０上に封止層１５としてＥＶＡを形成し、その上に保護層１６として保護フィルムを形成した状態を示す。ＥＶＡと保護フィルムで覆った後は、側面をフレーム１７（図１参照）で保護する。
次に本発明の太陽電池を具体的に作製した実施例について説明する。基板は通常のガラス基板を用いた。大きさは縦４００ｍｍ、横３００ｍｍで厚さは３．５ｍｍであった。
ガラス基板上には、ＩＴＯからなる厚さ１μｍの透明電極を所定の形状に形成した。透明電極には一部が接続するようにｐｉｎ接合を有するアモルファスシリコン系の光電変換素子を形成した。さらに光電変換素子上にはＺｎＯとＡｇを積層した裏面電極を形成し、基板上に太陽電池セルを形成した。次にこの基板上にバリア層を形成した。
バリア層３０は、バリア層形成装置で作製した。図４（側面断面図）と図５（平面図）にバリア層形成装置の構成図を示す。バリア層形成装置５０は、成膜室５１となる真空チャンバーとロータリーポンプおよびターボ分子ポンプからなる排気系５２とプラズマ発生用の高周波電源５３と各種ガスを導入するフランジが配置されている。
成膜室５１は、排気系５２、ＨＭＤＳ供給タンク５３、Ｏ２供給タンク５５、Ｈ２供給タンク５６、Ａｒ供給タンク５７、に接続される。排気系５２には流量制御バルブ５８を介して成膜室５１に接続され、ＨＭＤＳ供給タンク５３は流量制御バルブ５９を介して接続され、Ｈ２供給タンク５６及びＡｒ供給タンク５７は流量制御バルブ６２を介して接続され、Ｏ２供給タンク５５は流量制御バルブ６１を介して接続される。成膜室５１の内部には、ループアンテナ６３を備える。
ループアンテナ６３は、プラズマを生成する手段であり、絶縁チューブ６４と導電性電極６５とにより構成される。絶縁チューブ６４は、成膜室５１内に互いに２本対向して平行配設される。導電性電極６５は、２本の絶縁チューブ６４に挿設され、図５のように平面視が略Ｕ字形を呈するように成膜室５１の互いに対向する側壁を貫通し、高周波電流を供給する電源６６に接続される。高周波電流６６の周波数は１３．５６ＭＨｚであることが好ましい。なお、使用するプラズマはＣＣＰ、ＩＣＰ、バリア放電、ホロー放電などでもよい。
太陽電池セル２０を形成した基板１０は、基板の固定台６８上に、太陽電池セルがループアンテナ６３側に向くように配置され、次に排気系５２により成膜室５１の内圧を９．９×１０−５Ｐａ以下になるまで減圧した。
成膜室５１内の減圧が完了後、流量バルブ６２を開くことによりＨ２ガスとＡｒガスの混合ガスを成膜室５１に導入した。同時に流量バルブ５９を開いて、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）ガスを成膜室５１に導入した。Ａｒガスを添加することで、比較的小エネルギーのプラズマで解離反応を行うことができる。このときの各ガスの導入速度は、Ｈ２ガスとＡｒガスの混合ガスを２０ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍで、ＨＭＤＳガスを３ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍとした。
続いて、電源６６からループアンテナ６３に高周波電流を流した。これにより、ループアンテナ６３の周辺にプラズマが発生する。このときのプラズマ電力は５ｋＷ〜１０ｋＷとした。基板の表面では表面反応が行われ、図２に示した太陽電池セル２０を被覆する第１薄膜層３１が形成された。所定時間Ｔ１が経過した後、流量バルブ６２を閉じ、Ｈ２ガスとＡｒガスの混合ガスの導入を停めた。
第１薄膜層３１が形成されると、次に、第２薄膜層３２の形成処理を行った。まず、流量バルブ６１を開いてＯ２ガスを成膜室５１に導入した。同時に流量バルブ５９によりＨＭＤＳガスを導入した。このときの各ガスの導入速度は、Ｏ２ガスが２０ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍ、ＨＭＤＳガスが３ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍとした。続いて、電源６６からループアンテナ６３に、プラズマ電力が０．１ｋＷ〜８ｋＷとなるように高周波電流を流し、ループアンテナ６３の周辺にプラズマを発生させた。
基板の表面では表面反応が行われ、図２に示すように、第１薄膜層３１を被覆するように第２薄膜層３２、すなわちシリコン酸化膜を形成した。所定時間が経過した後、流量バルブ６１を閉じることによりＯ２ガスの導入を停めた。このシリコン酸化膜は、ＳｉとＯとをＳｉ：Ｏ＝１：１．９〜２．１の組成比で含むことが好ましい。
上記第１薄膜層３１と第２薄膜層３２で行った処理をＮ回（本例の場合はＮ＝２）繰り返した。その結果、図２に示すように、シリコンを含む低密度薄膜（第１薄膜層３１）の上にシリコン酸化膜（第２薄膜層３２）を積層した積層体が２段形成された。
以上のように、先ず、原料ガスとして、Ｈ２ガスとＡｒガスとＨＭＤＳガスとを用い、基板Ｋ上にプラズマＣＶＤ法により第１薄膜層３１を形成し、次いで、Ｏ２ガスとＨＭＤＳガスとを用い、シリコン酸化膜である第２薄膜層層３２を第１薄膜層３１の上に形成した。なお、ここでは、示さなかったが、ＮＨ３ガスとＳｉＨ４ガスなどを用いてシリコン窒化膜を入れてもよい。
第１薄膜層３１は、密着性が良いことが判明している。この第１薄膜層３１を基板１０と第２薄膜層３２との間に介在させることで、基板１０と第２薄膜層３２及びそれ以降の膜との密着性が向上し、その結果、第２薄膜層３２は、クラックや剥離が生じ難くなり、性能ばらつきの少ない信頼性のあるものとすることができる。
また、第１薄膜層３１と第２薄膜層３２とを交互に複数層積層することにより、水分や酸素に対するバリア性が著しく向上する。なお、本実施の形態では、２つの無機物層を積層する例で説明を行ったが、３種類以上の無機物を用いた無機物層を利用してもよい。
以上のようにして、作成された本発明の太陽電池モジュールは、水分に対する気密性が高く、ＥＶＡと保護層だけで裏面を封止した時と比較して、熱サイクル試験において防水性が向上した。
本発明の方法は、従来とは異なりエッチング処理等を用いないため、太陽電池セル２０にダメージを与えることがない。また、第１薄膜層３１と第２薄膜層３２との積層体は、基板１０の上に化学的に気相成長するに従い、太陽電池セル２０をプラズマエネルギーから保護する機能も有するため、プラズマエネルギーによるデバイスへのダメージが少なくて済む。また、第１薄膜層３１の形成と第２薄膜層３２との形成は、同室（成膜室５１）内で行われるため、装置構造が大掛かりなものにならない。また、ＨＭＤＳガスを原料ガスとして用いるため、爆発の虞がなく安全性に優れる。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨が反映される他の実施形態においても適用されるものである。例えば、上記実施の形態では、アモルファス太陽電池を例として説明を行ったが、ＣＩＧＳでは、太陽光線をガラス基板と反対面（本明細書では裏面側）で受光するので、第１の電極と第２の電極の関係では、ガラス基板の裏面側では透明電極が用いられ、ガラス基板側では金属電極で構わない。従って、本明細書の実施の形態とは電極で使用する材料の説明が異なる。しかし、ＣＩＧＳの場合であっても、ガラス基板側の電極を第１電極とし、裏面側を第２電極として、本発明を適用することができる。
本発明は太陽電池モジュールの他に、ガラスなどの固体上に形成された物体を水分から隔離する技術に広く展開することができる。
１ 太陽電池モジュール
１０ 基板
１１ 透明電極層
１２ 光電変換層
１３ 裏面電極層
１５ 封止層
１６ 保護層
１７ 側面封止材
２０ 太陽電池セル
２２ 電極終端
２３ 電極終端
２４ 引出端子
２５ 引出端子
２８ 被覆形成部
３０ バリア層
３１ 第１薄膜層
３２ 第２薄膜層
５０ バリア層形成装置
５１ 成膜室
５２ 排気系
５３ ＨＭＤＳ供給タンク
５５ Ｏ２供給タンク
５６ Ｈ２供給タンク
５７ Ａｒ供給タンク
５８〜６２ 流量制御バルブ
６３ ループアンテナ
６４ 絶縁チューブ
６５ 導電性電極
６６ 電源
６８ 基板の固定台
１０ 基板
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１２ 光電変換層
１３ 裏面電極層
１５ 封止層
１６ 保護層
１７ 側面封止材
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２３ 電極終端
２４ 引出端子
２５ 引出端子
２８ 被覆形成部
３０ バリア層
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５０ バリア層形成装置
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６３ ループアンテナ
６４ 絶縁チューブ
６５ 導電性電極
６６ 電源
６８ 基板の固定台
Claims (4)
- 基板と、
前記基板上に形成された第１の電極と、
前記第１の電極に接続して形成された発電素子と、
前記発電素子に接続して形成された第２の電極と、
少なくとも前記基板と前記第２の電極に接する部分が存在する無機物のバリア層と、
前記第１の電極に接続された第１の引出端子と、
前記第２の電極に接続された第２の引出端子と、
前記第１の引出端子と、前記第２の引出端子を封止する樹脂部を有し、前記樹脂部が形成されている部分では、前記無機物のバリア層は、前記樹脂部上に形成されている太陽電池。 - 前記バリア層は密度の異なる複数の無機物層が順に積層された請求項１に記載された太陽電池。
- 前記バリア層は、前記基板と前記第２の電極に対して直接形成された密度の低い第１の無機物層と、
前記第１の無機物層上に直接形成され前記第１の無機物層より密度の高い第２の無機物層を有する請求項２に記載された太陽電池。 - 前記密度の高い無機物層はＳｉＯ２からなる請求項３に記載された太陽電池。
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