JP5611272B2

JP5611272B2 - 太陽電池モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP5611272B2
Application number: JP2012111076A
Authority: JP
Inventors: 未散黒宮; 修三土田; 奥村　智洋; 智洋奥村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: US8853523B2; US20130306134A1; JP2013239544A

Description

本発明は、複数個の太陽電池セルを備えた太陽電池モジュールおよび太陽電池モジュールの製造方法に関するもので、特に反射防止膜に関するものである。

近年、太陽電池はクリーンなエネルギー源として多くの関心が寄せられており、特に発電効率の高いシリコン太陽電池は、住宅などのハイエンド市場向けの電力用の最有力候補として、変換効率の向上や低コスト化の研究が盛んに行われている。

こうした状況の中で、太陽光をより多く透過させて変換効率を向上させるために、太陽電池モジュールの透光性部材上の全面に一様な膜厚の反射防止膜を形成し、透過性部材との屈折率の違いを利用して反射率を低減させる方法が知られている。

その形成方法の一つとして、ゾルゲル法と呼ばれる、金属アルコキシドと有機溶媒を混合し、水と触媒を用いて加水分解（図５（ａ）を参照）を行うことにより水酸化物とし、それら反応物を縮合させる（図５（ｂ）を参照）ことで金属酸化物を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このゾルゲル法により形成した反射防止膜は、シリカ粒子とシリカ粒子を保持するマトリクスを有した多孔質体であり、膜内の空隙部分は実質的に空気と同じ屈折率（屈折率１．０）であるため、その微粒子の材質や粒子を保持するマトリクスの屈折率が大きくても、膜としてみれば結果的に空気に近い屈折率となる。従って、この膜を透光性部材上に形成することで反射率を低減することができる。

ところで、太陽電池モジュールは、複数個の太陽電池セルが電気的に接続され、太陽電池セルの相互に所定間隔を空けて配置されている。そして、各太陽電池セルへ入射した光は電気へ変換することによって変換効率に寄与するが、各太陽電池セルの間へ入射した光は電気へ変換されず変換効率には寄与しない。したがって、太陽電池モジュールの受光面側からの入射光が、各太陽電池セルの間ではなく、各太陽電池セルへ効率よく入射するようにすることが変換効率の向上に必要不可欠である。

上記課題を解決するための方法として、太陽電池モジュールの透光性部材５の上全面に、所定膜厚の反射防止膜４を形成するのではなく、特許文献２に示すように、各太陽電池セル１の直上領域においてのみ所定膜厚で反射防止膜４を形成し、太陽電池セル１の直上部以外の領域においては反射防止膜４の膜厚を太陽電池セル１の直上部よりも薄く（図６参照）、またはゼロにまで削減する（図７参照）例が示されている。

特開２００３−２０１４４３号公報特開２００３−１５２２０２号公報

特許文献２に示すように、各太陽電池セルの直上領域の透光性部材上にのみ所定膜厚で反射防止膜を形成し、太陽電池セル直上部以外の領域の透過性部材上は反射防止膜の膜厚をセルの直上部よりも薄く（図６参照）、またはゼロになるまで削減する（図７参照）ことにより、太陽電池セルの直上部の周辺領域からの入射光を効率よく取り込み、太陽電池セルへの入射光を増やし、変換効率を向上させることができる。

しかしながら、上記反射防止膜では、各太陽電池セルの直上領域の端部形状が垂直になるため、各太陽電池セルの直上部の周辺領域からの斜め方向からの光が、入射角度によっては、反射防止膜表面で反射し易くなり、受光損失が大きくなる。

更に、上記反射防止膜を形成するための方法として、各太陽電池セルの直上部の領域に樹脂フィルム等のマスキングを行った後、このマスキングしたガラス表面上にディップ法やスクリーン印刷法等を用いて反射防止膜を単層もしくは多層塗布した後、乾燥・焼成し、マスキングしていた樹脂フィルム等を取り除く方法が挙げられているが、マスキング材料代、製造プロセスの煩雑化によってコストアップを回避することができない。

更には、マスキングフィルムを剥がす際に、反射防止膜に応力が付加され、ガラス−反射防止膜間の密着力低下および反射防止膜への微小クラック発生が発生し、大気中のＨ２ＯやＣＯ２がガラス−反射防止膜間の微小隙間、或いは、微小クラックを通して透光性部材表面に到達し、透光性部材表面に拡散したアルカリイオンと反応して透光性部材表面上における結晶物の生成や透光性部材表面の溶解が生じるため、長期保管後の透過率が低下する。

更には、上記反射防止膜を形成するために、選択的エッチングまたは金属酸化物の薄膜スパッタリングによる蒸着方法を用いても形成が可能であるが、厚膜形成プロセスと比較すると製造プロセスのコストアップを回避することができない。

本発明では、上記従来の課題に鑑み、高効率、かつ低コストで長期信頼性の高い太陽電池モジュール、およびその製造方法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製造方法は、複数個の太陽電池セルを接続体によって電気的に接続し、前記太陽電池セルの受光面側に反射防止膜を有する太陽電池モジュールを製造するに際し、前記反射防止膜の形成は、ガラス成分と有機溶剤およびシリカ粒子を含んで成る反射防止膜原料を、透光性部材の一方の面に形成し、前記透光性部材の他方の面に間隔を空けて保持ピンを接触させた状態で加熱することによって、前記透光性部材から前記保持ピンを介して部分的に放熱される低温領域と、前記低温領域の間に高温領域を形成して、透光性部材の温度上昇によって前記反射防止膜原料から有機溶剤を減じて、前記低温領域には前記高温領域よりも厚みが薄くかつ前記透光性部材に向かって湾曲した反射防止前駆体を形成し、前記反射防止前駆体を熱処理して前記透光性部材の前記一方の面に反射防止膜を形成することを特徴とする。

この構成によると、太陽電池セルの直上領域の反射防止膜の膜厚に比べ、隣接する太陽電池セルの間の境界領域の反射防止膜の膜厚は薄く、前記太陽電池セルが配置される側に向かって湾曲しているので、各太陽電池セルの直上部の周辺領域からの入射光を効率よく取り込むことができる。結果、高効率の太陽電池モジュールを実現できる。

また、透光性部材の他方の面に間隔を空けて保持ピンを接触させた状態で加熱することによって、隣接する太陽電池セルの直上部の間の境界部の前記反射防止膜の膜厚が、太陽電池セルの直上部の反射防止膜の膜厚よりも薄くできるため、マスキング材料代削減、製造プロセスの簡易化が可能になり、低コスト化を実現することができる。更に、マスキングの樹脂フィルム等をはがす作業がなくなるため、ガラス−反射防止膜間の密着力低下および反射防止膜の微小クラック発生が起こらず、長期信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態における太陽電池モジュールの構造断面図同実施形態の太陽電池セルの構造断面図同実施形態における反射防止膜の製造工程を示し、（ａ）は反射防止膜原料を透過部材上に塗布する工程を示す図、（ｂ）は透過性部材に保持ピンを接触させながら加熱して反射防止前駆体を形成する工程を示す図、（ｃ）は熱処理して反射防止膜前駆体から反射防止膜を形成する工程を示す図図３（ｂ）における湾曲形状形成メカニズムの説明図で、（ａ）は保持ピンの接触による透過部材の温度分布を示す図、（ｂ）は温度分布により発生した表面張力勾配に起因するマランゴニ対流の流れを示す図（ａ）ゾルゲル法の加水分解反応と（ｂ）縮合反応を示す図隣接する太陽電池セルの直上部の間の境界部の反射防止膜４の膜厚を、太陽電池セルの直上部よりも薄く形成した従来例の太陽電池モジュールの断面図隣接する太陽電池セルの直上部の間の境界部に反射防止膜４を形成しない従来例の太陽電池モジュールの断面図

以下に、実施の形態について、図を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
太陽電池モジュールの構造断面図を図１に示す。

１は複数個の太陽電池セルであり、これらの太陽電池セル１は、隣接する一方の太陽電池セル１の受光面電極（図示せず）と、他方の太陽電池セル１の裏面電極（図示せず）とが、接続体２により電気的に接続されることで、互いに電気的に直列に接続されている。

これら複数個の太陽電池１の受光面側には、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニルコポリマー）等の透光性封止剤３を介して、反射防止膜４が形成されたガラス、プラスチック等からなる透光性部材５が配置されている。太陽電池１の裏面側には、同じくＥＶＡ等の透光性封止剤３を介してアルミニウム箔上にテドラー等の樹脂が積層されてなる裏面部材６が配置されている。そして透光性部材５と裏面部材６は、アルミニウムからなる枠部材７により一体化されている。

反射防止膜４は、太陽電池セル１の直上領域Ｅ１と、隣接する太陽電池セル１の直上領域Ｅ１の間の境界領域Ｅ２とで、膜厚が異なっている。更に詳しくは、境界領域Ｅ２の反射防止膜４の膜厚は、太陽電池セル１の直上部の反射防止膜４の膜厚よりも薄くなるように、太陽電池セルが配置される側としての透光性部材５に向かって窪んだ湾曲形状である。

このような形状にすることによって、各太陽電池セルの直上部の周辺領域からの入射光を、図６および図７に示したような従来の太陽電池セル１よりも、太陽電池セル１へより効率的に入射させることができる。

反射防止膜４の表面がこのような特殊な形状の太陽電池モジュールは、次のようにして製造できる。
図２は太陽電池セル１の素子構造断面図を示す。
１１は結晶系シリコン基板で、受光面側にはｎ型層１２、反射防止膜１３が順次積層されている。１４は受光面電極で、ｎ型層１２の上に焼成されており、その表面は反射防止膜１３から露出している。結晶系シリコン基板１１の裏面側には、ｐ型の不純物が高濃度にドープされた高ドープのｐ型層１５、裏面電極１６が積層されている。

［太陽電池セルの製造方法］
太陽電池セルの製造工程を説明する。
まず、抵抗率が１Ω・ｃｍで厚さが約３５０μｍのｐ型単結晶の結晶系シリコン基板１１の表面に、アルカリ溶液を用いて光反射を低減させるテクスチャー構造を形成する。なお、この結晶系シリコン基板１１としては、多結晶シリコン基板といった結晶系シリコン基板を用いることもでき、多結晶シリコン基板の場合は酸溶液を用いてテクスチャー構造を形成する。

次に、単結晶シリコン基板１１の受光面の深さ約１μｍ迄の領域に、塩化ホスホリル（化学式ＰＯＣｌ_３）ガスを用いて約９００℃の温度でＰ（リン）を熱拡散してｎ型層１２を形成する。ＰＯＣｌ_３ガスの代わりに、リンガラス（ＰＳＧ）を用いる場合もある。

次に、その上にＳｉＮｘからなる反射防止膜１４をプラズマＣＶＤ法により形成する。その後、結晶系シリコン基板１１の裏面に、Ａｌペーストを用いて裏面電極１６をスクリーン印刷により形成し、約７００度の温度で短時間処理を行い、Ａｌが結晶系シリコン基板１１に熱拡散することで、Ａｌがハイドープされたｐ型層１５も合わせて形成される。

受光面電極１４は、ＳｉＮｘからなる反射防止膜１３上にフィンガー状にＡｇ電極を印刷し、熱処理を行い、Ａｇを反射防止膜１３であるＳｉＮｘ中に貫通させる、ファイアースルー（貫通焼成）と呼ばれる処理でｎ型層１２の表面にＡｇを接触させる。

［太陽電池モジュールの製造方法］
上記の工程で製造された太陽電池セル１は、アルミニウム箔上にテドラー樹脂が積層されてなる裏面部材６と反射防止膜４が形成された透過性部材５によりＥＶＡに代表される透過性封止剤３を介して挟持するとともに、アルミニウムからなる枠部材７にて一体化する。以上の工程によって、図１に示した太陽電池モジュールが完成する。

ここで、反射防止膜４が形成された透光性部材５を形成する方法を説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、透光性部材５の上に、後に反射防止膜前駆体４ｂとなる反射防止膜原料４ａを表面が均一になるように塗布する。反射防止膜原料４ａは、シロキサン結合（−Ｓｉ−Ｏ−）を有するポリシロキサン、シリカ粒子、有機溶剤とからなる。シロキサン結合は前駆体となるシリコンアルコキシドを有機溶剤に混和し、常温または加温条件化において、攪拌しながら、水と触媒を少量ずつ添加し、加水分解、および縮重合させることで作製する。

シリコンアルコキシドを混和する有機溶剤は、シリコンアルコキシドを良く溶かすものであれば特に制限はなく、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサノール、シクロヘキサノールを含むアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコールを含むグリコール類、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトンを含むケトン類、α−テルピネオール、β−テルピネオール、γ−テルピネオールを含むテルペン類、エチレングリコールモノアルキルエーテル類、エチレングリコールジアルキルエーテル類、ジエチレングリコールモノアルキルエーテル類、ジエチレングリコールジアルキルエーテル類、エチレングリコールモノアルキルエーテルアセテート類、エチレングリコールジアルキルエーテルアセテート類、ジエチレングリコールモノアルキルエーテルアセテート類、ジエチレングリコールジアルキルエーテルアセテート類、プロピレングリコールモノアルキルエーテル類、プロピレングリコールジアルキルエーテル類、プロピレングリコールモノアルキルエーテルアセテート類、プロピレングリコールジアルキルエーテルアセテート類、モノアルキルセロソルブ類などから１種または複数種が選ばれる。複数種の溶剤を選択することで、乾燥速度を緩やかにし、反射防止膜の表面へのクレータ形成を抑制することができる。

生成物はシロキサン結合を有するポリシロキサンのゾル状物である。生成されるポリシロキサンの分子量には特に制限はないが、高分子である方が収縮量をより小さくできる。また、構造内にアルキル基を含む方が反応による収縮を分断し、耐クラック性が向上する点で好ましい。

前駆体となる材料には特に制限はなく、例えば、メチルシリケートやエチルシリケートなどのアルキル基を含まない完全無機のポリシロキサンや、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリイソプロポキシシラン、フルオロトリメトキシシラン、フルオロトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジメトキシシラン、ジエトキシシラン、ジフルオロジメトキシシラン、ジフルオロジエトキシシラン、トリフルオロメチルトリメトキシシラン、トリフルオロメチルトリエトキシシラン、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、他のアルコキシド系有機シリコン化合物（Ｓｉ（ＯＲ）_４）、例えば、テトラターシャリーブトキシシラン（ｔ−Ｓｉ（ＯＣ_４Ｈ_９）_４）、テトラセコンダリーブトキシシランｓｅｃ−Ｓｉ（ＯＣ_４Ｈ_９）_４およびテトラターシャリーアミロキシシランＳｉ［ＯＣ（ＣＨ_３）_２Ｃ_２Ｈ_５］_４のようなアルキル基を含むポリアルキルシロキサンなどから成る群から選択される少なくとも１種類以上の前駆体材料であって良い。

これらを常温または加温条件化で攪拌しながら、水と触媒を添加することで上記前駆体の加水分解が促進されてシリコン水酸化物となり、更に縮重合させることで、低分子または高分子のシロキサン結合が形成される。

また、添加するシリカ粒子は、粒子径が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが望ましい。粒子径を５ｎｍ以上にすることにより、シリカ粒子同士の凝集を抑制することができるとともに、比表面積が下がることにより粒子表面に均一かつ十分な量のポリシロキサンを介在させることが出来るため、クラックの発生を抑制し、膜の硬度を保持することが可能である。

また、粒子径を５０ｎｍ以下にすることにより、各太陽電池セル１の直上領域Ｅ１における反射防止膜４の膜厚の面内バラツキを低減することができる。また、結晶性であっても非晶質（アモルファス）性であっても良い。更に、乾燥粉末状のものであっても、水や有機溶剤に予め分散されたゾル状のものであっても良いが、予め分散されているものを用いるほうが、ガラスペーストを容易に作製できるため良い。

乾燥粉末状のシリカ粒子を用いる場合は、溶剤中に分散させる工程が必要となる。シリカ粒子の製造方法には特に制限はなく、溶融法や、燃焼法により乾燥粉末状にしても良く、水ガラスの重合や、ゾルゲル法により製造されていても良い。また、シリカ粒子の表面状態にも特に制限されない。シリカ粒子を添加してペースト材料を作製する工程において、シリカ粒子はシロキサン結合を含有するゾル状物を作製する前に添加しても、作製した後に添加しても良い。但し、良く分散されていることが必要である。添加するシリカ粒子の量は最終的に膜中に残存するシロキサン結合との比率で定義され、反射防止膜の重量に対するシリカ粒子の比率は１０重量％〜９９重量％であれば良く、好適には５０重量％〜９９重量％であることが望ましい。

これら材料を組み合わせたペースト材料は、１００［１／ｓ］における粘度が１ｍＰａ・ｓ〜１０ｍＰａ・ｓ程度であることが望ましい。また固形分濃度（ペースト材料重量に対するシロキサン結合を有するポリシロキサンとシリカ粒子とを合わせた重量の比率）は１重量％〜１０重量％であり、好適には３重量％〜８重量％であることが望ましい。

上記組み合わせによる反射防止膜原料４ａを、透光性部材５の上に塗布し、反射防止膜前駆体４ｂを形成する。反射防止膜原料４ａの塗布には、バーコーター法、スリットコータ法を用いることが望ましい。

バーコーター法とは、ペースト材料を吐出後にワイヤーバーで引き伸ばして所定の面にペースト材料を塗布する方法である。また、スリットコータ法とは、巾広のノズルからペースト材料を圧送吐出して所定の面にペースト材料を塗布する方法である。

なお、別法として、必要エリア外にもインクが飛散するので、材料利用効率が悪くなるという懸念事項はあるもののスプレー法を用いても良い。
次に、図３（ｂ）に示すように、塗布した反射防止膜原料４ａから有機溶剤を除去するための乾燥工程では、透過性部材５を支える保持ピン１８を、隣接する太陽電池セル１の直上領域Ｅ１の間の境界領域Ｅ２となるべき個所に接触させた状態で、反射防止膜原料４ａの側に配置した熱源１７によって加熱する。熱源１７には、ハロゲンランプによる５０〜３００℃の熱乾燥が望ましい。また、保持ピン１８の材質は、熱伝導性の低いセラミックが望ましい。保持ピン１８が接触している１９は、熱伝導性が良好で、かつ搬送方向２０に向かって移動する搬送トレーである。また、保持ピン１８の間隔は、境界領域Ｅ２の形成ピッチである。

この図３（ｂ）の乾燥工程を実行すると、図４（ａ）に示す説明図のように、保持ピン１８に熱が奪われて透過性部材の温度が上昇しにくくなる領域が発生し、透過性部材５の面内における温度分布、つまり、各太陽電池セルの直上領域Ｅ１の間の境界領域Ｅ２となるべき透過性部材５の個所は、接触している保持ピン１８に熱が奪われて低温領域Ｔ１となり、保持ピン１８と保持ピン１８の間にあって保持ピン１８が接触していない境界領域Ｅ２となるべき透過性部材５の個所は高温領域Ｔ２となる。

そのため、温度分布およびそれに伴う溶媒蒸発量の差により、図４（ｂ）に示すように、高温領域Ｔ２の上の反射防止膜原料４ａの表面は表面張力δが大きくて乾燥速度が速く、低温領域Ｔ１の上で反射防止膜原料４ａの底部は表面張力δが大きくて乾燥速度が遅く、高温領域Ｔ２の上で反射防止膜原料４ａの底部は表面張力δが中程度になるため、反射防止膜原料４ａの各太陽電池セルの直上領域Ｅ１と境界領域Ｅ２とに表面張力δの勾配が発生し、それを駆動力として表面張力δが小さい方から大きい方へ、つまり領域Ｅ２となるべき部分から領域Ｅ１となるべき部分へマランゴニ対流が発生する。

その結果、図３（ｃ）に示すように、太陽電池セルの境界領域Ｅ２となるべき透過性部材５の部分の反射防止膜前駆体４ｂが透光性部材５に向かって湾曲して、太陽電池セルの境界領域Ｅ２となるべき透過性部材５の個所の反射防止膜前駆体４ｂの膜厚が、太陽電池セルの直上領域Ｅ１となるべき透過性部材５の個所の反射防止膜前駆体４ｂの厚みよりも薄くなる。

最後に、反射防止膜前駆体４ｂを熱源１７によって更に加熱し、未反応のシロキサンの加水分解・縮重合反応させることにより、反射防止膜４を得る。
ここで、加熱するための熱源１７は、ハロゲンランプ、５０〜３００℃の熱乾燥、プラズマトーチ、レーザー、フラッシュランプが望ましい。また、反射防止膜前駆体４ｂの形成後の保持ピン１８の位置・材質は特に限定されない。

前記の乾燥・焼成工程を経て形成される反射防止膜４は、厚みが１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが望ましい。厚みを１００ｎｍ以上にすることにより、マランゴニ対流が充分の発生する前に溶剤が蒸発するのを抑制し、湾曲形状を形成することができる。また、厚みを２００ｎｍ以下にすることにより、所望の光学特性を得ることができるとともに、膜厚の面内バラツキに起因する透過率の面内バラツキを低減することができる。

本発明の太陽電池モジュールは、高効率、低コスト、かつ長期信頼性の高いものであって、一般家庭向けおよび商業用の太陽電池モジュールとして用いることができる他、その他の表示デバイスにも用いることができる。

１太陽電池セル
２接続体
３透光性封止剤
４反射防止膜
４ａ反射防止膜原料
４ｂ反射防止膜前駆体
５透光性部材
６裏面部材
７枠部材
１７熱源
１８保持ピン
Ｅ１太陽電池セルの直上領域
Ｅ２太陽電池セルの直上領域Ｅ１の間の境界領域
Ｔ１低温領域
Ｔ２高温領域

Claims

複数個の太陽電池セルを接続体によって電気的に接続し、
前記太陽電池セルの受光面側に反射防止膜を有する太陽電池モジュールを製造するに際し、
前記反射防止膜の形成は、
ガラス成分と有機溶剤およびシリカ粒子を含んで成る反射防止膜原料を、透光性部材の一方の面に形成し、
前記透光性部材の他方の面に間隔を空けて保持ピンを接触させた状態で加熱することによって、前記透光性部材から前記保持ピンを介して部分的に放熱される低温領域と、前記低温領域の間に高温領域を形成して、透光性部材の温度上昇によって前記反射防止膜原料から有機溶剤を減じて、前記低温領域には前記高温領域よりも厚みが薄くかつ前記透光性部材に向かって湾曲した反射防止前駆体を形成し、
前記反射防止前駆体を熱処理して前記透光性部材の前記一方の面に反射防止膜を形成することを特徴とする
太陽電池モジュールの製造方法。
前記保持ピンの間隔が、隣接する前記太陽電池セルの間に形成される境界領域の形成ピッチである
請求項１記載の太陽電池モジュールの製造方法。