JP5502831B2 - 太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
太陽電池素子は、例えば厚み0.3〜0.4mm程度、大きさ150mm角程度の単結晶シリコンや多結晶シリコンで作られている。この太陽電池素子の内部には、ボロンなどのP型不純物を多く含んだP層とリンなどのN型不純物を多く含んだN層とが接しているPN接合が形成されている。
太陽電池素子104は、N型領域105及びP型領域106からなる半導体基板101と、半導体基板101の一主面(受光面)側に設けられた表面バスバー電極(バスバー電極)102aと表面集電電極(フィンガー電極)102bとからなる表面電極102と、半導体基板101の他の主面(非受光面)側に設けられた非受光面バスバー電極103aと非受光面集電電極103bとからなる非受光面電極103とを有している。
フィンガー電極102bは幅0.1〜0.2mm程度で、太陽電池素子104の辺に平行に、光生成したキャリアを収集するため多数本形成される。
この太陽電池素子104は物理的衝撃に弱く、また野外に太陽電池素子104を取り付けた場合、雨などからこれを保護する必要がある。また、1枚の太陽電池素子104だけでは電気出力が小さいため、複数の太陽電池素子104を直列又は並列に電気的に接続して用いる必要がある。よって複数の太陽電池素子104を接続タブで直列又は並列に接続し、この接続した太陽電池素子104を透光性基板と非受光面シートの間に充填材で封入して、太陽電池モジュールを作製することが通常行われている。
図20は太陽電池素子104のバスバー電極102a上に接続タブ107を取り付けた状態を示した平面図である。
図21は、上述のように太陽電池素子104のバスバー電極102a,103aに接続タブ107を、半田付けにより取り付けた状態を示す断面図である。このように、接続タブ107を太陽電池素子104の受光面又は非受光面のバスバー電極上に半田付けすることにより取り付け、この接続タブ107の他端部をさらに隣接する太陽電池素子104に取り付けることにより太陽電池素子104同士を電気的に接続している。
このため太陽電池素子104が室温に戻ったときに、接続タブ107が収縮し、接続タブ107に接続された太陽電池素子104が接続タブ107の収縮によって生じる応力を吸収できず、結果として、太陽電池素子104に応力が発生してしまう。
図22は、接続タブを取り付けた太陽電池素子104のバスバー電極付近にマイクロクラックCRが発生した状態を示す平面図である。
また本発明の目的は、半導体基板に生じる応力を緩和できる太陽電池モジュールの製造方法を提供することにある。
本発明の太陽電池モジュールは、出力電流を取出すためのバスバー電極を有する太陽電池素子と、短辺と長辺とを有する形状であり前記バスバー電極と重ね合されることにより前記バスバー電極に電気的に接続される接続タブと、前記接続タブの前記短辺側の側面と前記バスバー電極との双方に固着するように設けられ、前記バスバー電極と固着する側の面に、前記バスバー電極と接する第1領域と、前記第1領域に囲まれ、前記バスバー電極と接していない第2領域とを含む短辺側固着体と、を含むものである。
前記短辺側固着体が前記バスバー電極と接する部分の長さDが、前記長辺側固着体が前記バスバー電極と接する部分の長さEよりも大きいことが望ましい。これは、前記接続タブを前記バスバー電極に溶着する工程において太陽電池素子面に発生する応力の方向が、主として長辺の方向Kになるので、短辺側固着体で当該応力を効率よく緩和するためには、前記短辺側固着体が前記バスバー電極と接する部分の長さDを長くとるほうが有利になるからである。また、前記長辺側固着体が短辺の方向(前記長辺の方向Kと直角な方向)に対して前記バスバー電極と接する部分の長さEは短いほうが、前記バスバー電極と接続タブとの重なり面積が増加するので、好ましい。
<太陽電池素子>
図1〜図3は、本発明の一実施形態に係る太陽電池素子を示す図であり、図1は受光面側から平面視した図であり、図2は非受光面側から平面視した図であり、図3は断面構造図である。
半導体基板1としては、単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、あるいはアモルファス半導体基板、化合物半導体基板等を適用することができるが、ここでは、単結晶半導体基板、多結晶半導体基板などの結晶系半導体基板を例にとって、具体的に説明する。
特に、上述したp型半導体基板1を用いる場合には、非受光面側の面電極3bとして、p型の半導体不純物として作用するアルミニウムを主成分とすることが一般的である。面電極3bの形成方法としては、例えば、アルミペーストをスクリーン印刷法などによって塗布した後、熱処理を行う。この熱処理によって、半導体基板1の非受光面側にはアルミニウムなどの半導体不純物を高濃度に含んだp+領域(非受光面電界領域13)が形成される。非受光面電界領域13は、BSF領域とも呼ばれ、光によって生成されたキャリアが面電極3bに到達して再結合損失する割合を低減する役割を果たすので、光電流密度Jscが向上する。また、この非受光面電界領域13では、少数キャリア(電子)密度が低減されるので、この非受光面電界領域13及び面電極3bに接する領域でのダイオード電流量(暗電流量)を低減する働きをし、開放電圧Vocが向上する。その結果、太陽電池特性を向上させる働きがある。
<太陽電池モジュール>
上述したようにして製作された太陽電池素子4を用いて構成される太陽電池モジュールを図4に示す。図中、7は接続タブ、8は透光性部材、9は充填材、10は非受光面シート・保護材を示す。以下、各部材について説明する。
EVAやPVBは、酸化チタンや顔料等を含有させ白色等に着色させることがあるが、本発明に係る太陽電池モジュールにおける受光面側の充填材9においては、着色させると太陽電池素子4に入射する光量が減少し発電効率が低下するため、透明とする。
また、非受光面シート・保護材10は、水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シートやアルミナ又はシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレ−ト(PET)シートなどが用いられ、透明でも良いし、白色や黒色等に着色して用いても良い。
接続タブ7が接続された太陽電池モジュールは、通常、透光性部材8と受光面側の充填材9を積層したものの上に載置され、さらに非受光面側の充填材9及び保護材10を順次積層した上で、ラミネート工程を経て一体化し、その後、枠体(不図示)及び端子ボックス(不図示)を取り付けて耐候性を有する太陽電池モジュールとする。
なお、接続タブ7は、その導電性や半田による被覆のしやすさなどを考慮して、銅箔を用いることが好ましい。具体的には、厚み0.1〜1.0mm程度、幅5〜15mm程度の銅箔に片面20〜70ミクロン程度の半田を被覆して、接続タブ7とすることができる。
図5は本発明に係る接続タブ7を取り付けた太陽電池素子4の受光面側の平面図である。図6は、接続タブ7の端部付近の領域の部分拡大図である。また図7は、太陽電池素子4の図5に示すA−A´断面図である。
図6に示すように、接続タブ7の側面にフィレット19,20を形成するために、接続タブ7を、バスバー電極2a,3aの端から長さwだけ離し、バスバー電極2a,3aの長辺から長さvだけ離して取り付けている。
数値例をあげれば、バスバー電極2a,3aの短辺の幅1.6mm、接続タブ7の短辺の幅1.3mmに対して、w=2〜3mm、v=0.15mmである。
このように、フィレット19の突出幅Dを大きくとることとしたのは、バスバー電極2a,3a及び接続タブ7が細長い形状となっているため、太陽電池素子面に発生する応力は、主として、その長手方向K(図6参照)に沿った方向に発生するからである。この応力を緩和するためには、接続タブ7の短辺においてフィレット19の突出幅Dを大きく形成することが最も効果的である。一方、前記長手方向Kと直角な方向に発生する応力は比較的小さい。したがって、応力緩和の観点から、フィレット20の突出幅Eを長く設定する意味は少ない。接続タブ7の幅を細くして、フィレット20の突出幅Eを長くとると、バスバー電極2a,3aと接続タブ7との重なり面積が減少することになり、電流量が減少して好ましくない。したがって、フィレット19の突出幅Dを長く、フィレット20の突出幅Eを短くとることにより、応力の緩和と、重なり面積の増大との2つの要求を満足させているのである。
図8は、断面視してフィレット19がくぼみを有する場合を示し、図9は、断面視してフィレット19が膨らみを有する場合を示している。さらに、図10は、フィレット19が接続タブ7よりも高く盛り上った状態を示している。非受光面バスバー電極3aに載っている接続タブ7についても同様の構造となるので、以下、受光面バスバー電極2a、非受光面バスバー電極3aを総称して、「バスバー電極2a,3a」という。
フィレット19の表面が、線分Gより半導体基板1側にある場合(すなわちフィレット19の表面がくぼんでいる場合)、線分Gからフィレット19表面までの垂直距離のうち最も長い距離をくぼみ量−Lとする(図8参照)。また、フィレット19の表面が、線分Gより半導体基板1とは反対側にある場合(すなわちフィレット19の表面が膨らんでいる場合)は、線分Gからフィレット19表面までの垂直距離のうち最も長い距離を膨らみ量+Lとする(図9参照)。
前記フィレット19の突出幅Dは、接続タブ7の高さHに対して30〜300%であることが望ましい。この理由は、突出幅Dが接続タブ7の高さHの30%未満であれば、接続強度が弱くなるとともに、長手方向Kに沿った方向に発生する太陽電池素子面に発生する応力を十分緩和できず、太陽電池素子4にクラックが発生しやすくなるからである。また、突出幅Dが接続タブ7の高さHの300%を超えれば、応力を緩和できるものの、接続タブ7とバスバー電極2a,3aとの縦方向に見た電気的な重なり部分の長さが減少し、太陽電池素子としての効率の低下が懸念されるからである。
このようなフィレット19を形成するための半田は、後に図12を用いて説明する太陽電池モジュールの製造工程におけるように、接続タブ7と半導体基板1との接合面における被覆層5から供給されるものであってもよく、後に図13を用いて説明する太陽電池モジュールの製造工程におけるように、外部から供給された半田であってもよい。
図11は、この接続タブ7の端部に近い半田被覆層が薄くなった状態を示す断面図である。この半田層の厚みhは、接続タブ7の端面に近づくほど、徐々に小さくなる。その結果、接続タブ7の高さFは、端部付近Sにおいて徐々に低くなる。具体的には、接続タブ7の高さHに比べて、接続タブ7の端部付近Sにおける高さHは、5μmから20μm減少する。
−0.54≦L/A≦0.1
となる。
ここで、フィレット19の高さAと、接続タブ7の高さHとの関係を説明する。図8,図9は、フィレット19の高さAが接続タブ7の高さHよりも低い場合を示し、図10は、フィレット19の高さAが接続タブ7の高さHよりも高い場合を示している。
このように接続タブ7先端の端面部に、接続タブ7の高さHの−90%から+20%まで高さAを有するフィレット19が形成されていることにより、半田の断面積が増加し最大主応力が分散されると共に、半田の体積が十分確保され、この部分の半田自体が応力に応じて変形する効果が生まれる。これにより半導体基板1の主面に発生する応力をフィレット19によって緩和することができ、マイクロクラックの発生をなくすことが可能となる。
非導電性樹脂の例として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂があげられる。導電性樹脂として、非導電性樹脂に銀や炭素をフィラーとして加えたものがあげられる。また、ポリアセチレンにヨウ素をドーピングしたもの(導電性ポリマー)でもよい。
<太陽電池モジュールの製造方法1>
以下、本発明に係る太陽電池モジュールの製造方法について図12を用いて説明する。
(A)図12(a)に示すように、一主面上にバスバー電極2a,3aを有して成る半導体基板1を準備する。
接続タブ7は、銅やアルミニウムのような低電気抵抗の太陽電池素子接続用配線材に、半田が、少なくともバスバー電極に接する面側に厚みhが5μmから100μm程度メッキやディピングにより帯状に被覆されたものを適当な長さに切断して用いる。半田は、錫−鉛の共晶半田でもよく、鉛フリー半田でもよい。
上述した太陽電池モジュールの製造方法によれば、被覆層5による接続タブ7とバスバー電極2a,3aとの接続と共に、被覆層5を接続タブ7の端部にフィレット19として供給することができ、太陽電池モジュールの製造におけるタクトアップが図れるため好ましい。
そして、フィレット19と被覆層5とが同じ半田材料でバスバー電極2a,3aと接合されるため、接合面に境界が生じにくい。それゆえ、バスバー電極2a,3aと接続タブ7との接着強度の点からも好ましい。
ここで、形成されたフィレット19の半田の厚みが所望の厚みが得られない場合は、フィレット19を形成するときに、接続タブ7の端部とバスバー電極2a,3aとの間に新たに半田材料を追加して溶融させることで、フィレット19の半田の厚みを充分なものとできる。この新たな半田材料は、形成されるフィレット19と同じ物性の半田材料からなるものでもよいし、異なる物性を有する半田材料からなるものでもよい。
<太陽電池モジュールの製造方法2>
次に、本発明の接続タブ7の端部に所定厚みを有するフィレット19を形成する太陽電池モジュールの他の製造方法について、図13を用いて詳細に説明する。
(A)まず、図13(a)に示すように、一主面上にバスバー電極2a,3aを有して成る半導体基板1を準備する。
(B)そして、図13(b)に示すように、このバスバー電極2a,3a上の所定部位にバスバー電極2a,3aよりも半田濡れ性の悪い半田レジスト11を形成する。
半田レジスト11の形成方法は、バスバー電極2a,3a上の所定部位にスクリーン印刷法、蒸着法、若しくは樹脂等をヘラで塗布することなど種々の方法を用いることができる。
(C)図13(c)に示すように、バスバー電極2a,3a上であって、半田レジスト11が形成された部位と所定距離w′を隔てた部位に、被覆層5を介して接続タブ7を配置する。接続タブ7は、半田レジスト11よりも半田濡れ性の良いものであることはもちろんである。
(D)次に、図13(d)に示すように、バスバー電極2a,3a上で接続タブ7の端部と半田レジスト11との間にフィレット19の材料である半田を供給する。
(E)その後図13(e)に示すように、溶融状態の半田は放熱によって冷え固まり、フィレット19となる。このようにしてバスバー電極2a,3aと接続タブ7とを接続した状態で、接続タブ7の端部に対して所望の厚みと形状を有するフィレット19を形成することができる。
バスバー電極2a,3a上の接続タブ7の端部と半田レジスト11との間に半田を供給すると、半田は、その表面張力によって半田レジスト11から接続タブ7の端部側へ押し出される。その結果、半田レジスト11側から接続タブ7の端部側へ、半田が移動し、接続タブ7の端部側の方が半田レジスト11側よりも半田量が多い状態で保持される。このため、所望の厚みと形状を有するフィレット19を形成することができる。
上述の図13の一実施形態では、半導体基板1のバスバー電極2a,3a上に半田レジスト11を形成してから接続タブ7をこのバスバー電極2a,3aに被覆層5を介して接続したが、これに限定されるものではなく、先にバスバー電極2a,3a上に被覆層5を介して接続タブ7を接続してから、半田レジスト11をバスバー電極2a,3a上に形成してもよい。
図8、図9に示す太陽電池モジュールのフィレット19の形状において、フィレット19の高さA、くぼみ量−L、膨らみ量Lをいくつか変更させて太陽電池モジュールを製造した。フィレット19の高さAは、接続タブ7の高さHと略同一の高さとした。L/A、−L/Aについてそれぞれ10個のサンプルを準備し、接続タブ7を溶着した後の、基板1にかかる応力の強さを計算した。
そして、スクリーン印刷法によって、銀粉末を用いた有機電極材料を塗布して乾燥させることで、受光面側に受光面バスバー電極2aと受光面フィンガー電極2bを作成し、非受光面側にバスバー電極3aを作成した。この半導体素子1を、650℃で15分間焼成させた。
厚さ200μmの銅箔製の接続タブ7を溶融半田たまりに浸して、接続タブ7に半田層を20μm厚で塗布した。したがって、半田層を含む接続タブ7の高さHは240μmとなる。
その後押しつけピン18を下ろし、接続タブ7をバスバー電極2a,3aに押しつけた。この状態でノズル17から、400℃から500℃程度の熱風を1、2秒程度、前記押しつけピン18で接続タブ7をバスバー電極2a,3aに押しつけている部分に吹き付け、接続タブ7の半田とバスバー電極2a,3aの半田を融かした。
以上において、供給する半田量を調節することで、フィレット19のL/Aと−L/Aの異なる複数のサンプルを製造した。
この表1の数値をグラフ化したものが図15である。グラフの左半分はフィレット19がくぼみ量を有している場合の応力Fxを示し、グラフの右半分はフィレット19が膨らみ量を有している場合の応力Fyを示す。
図15のグラフによれば、応力Fxは、−Lが小さくなるほど(絶対値Lが大きくなるほど)増大している。応力Fyは、Lが大きくなるほど増大している。
−0.54≦L/A≦0.1
となる。
<実施例2>
接続タブ7を受光面バスバー電極2a又は非受光面バスバー電極3aに溶着するための接合材として、バスバー電極と同じ銀粉末有機電極材料を用いた。なお、「銀粉末有機電極材料」とは、銀粉末を主成分とし、有機ビヒクルとガラスフリットを銀100重量部に対してそれぞれ10〜30重量部、0.1〜5重量部を添加してペースト状にした電極材料をいう。接続タブ7溶着の際、溶融状態の半田を、バスバー電極2a,3a上で接続タブ7の端部に供給することにより、フィレット19を形成した。
−0.54≦L/A≦0.1
を満たす場合は、応力Fx,Fyが閾値を超えない。したがって、クラックが生じないと予想される。
2 受光面側の電極
2a 受光面側のバスバー電極
2b 受光面側のフィンガー電極
3 非受光面側の電極
3a 非受光面側のバスバー電極
3b 非受光面側の面電極
4 太陽電池素子
5 被覆層
7 接続タブ
8 透光性部材
9 充填材
10 非受光面シート・保護材
11 半田レジスト
12 反射防止膜
13 非受光面電界領域(BSF領域)
19 フィレット(短辺側固着体)
20 フィレット(長辺側固着体)
Claims (6)
- 出力電流を取出すためのバスバー電極を有する太陽電池素子と、
短辺と長辺とを有する形状であり、前記バスバー電極と重ね合せ接続されることにより、前記バスバー電極に電気的に接続される接続タブと、
前記接続タブの前記短辺側の側面と前記バスバー電極との双方に固着するように設けられ、前記バスバー電極と固着する側の面に、前記バスバー電極と接する第1領域と、前記第1領域に囲まれ、前記バスバー電極と接していない第2領域とを含む短辺側固着体と、を備える、太陽電池モジュール。 - 前記接続タブの前記長辺側の側面と前記バスバー電極との双方に固着する長辺側固着体がさらに設けられてなる、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 出力電流を取出すためのバスバー電極を一主面上に有して成る太陽電池素子を準備する工程と、
前記バスバー電極上であって前記バスバー電極の端部と所定距離を隔てて、導電性部材を介して、短辺と長辺とを有する形状である接続タブを接続する工程と、
前記バスバー電極上であって前記接続タブの短辺側の側面に固着体の材料を供給する工程と、
前記接続タブの前記短辺側の側面に対して前記固着体をフィレット状に、かつ前記バスバー電極と固着する側の面に、前記バスバー電極と接する第1領域と、前記第1領域に囲まれ、前記バスバー電極と接していない第2領域とを含むように形成する工程と、を有する、太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記バスバー電極上の前記第2領域に対応する部位にあらかじめマスクパターンを形成する工程をさらに含む、請求項3に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記導電性部材及び前記固着体の材料は半田からなるとともに、
前記バスバー電極上の前記第2領域に対応する部位に該バスバー電極よりも半田濡れ性の悪い半田レジストを形成する工程をさらに含む、請求項3又は請求項4に記載の太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記固着体の材料の供給は、前記バスバー電極と前記接続タブとの間で前記導電性部材を溶融させた状態で、前記バスバー電極を前記接続タブに対して相対的に押圧することによって、前記導電性部材を押し出すことにより行われる、請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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