JP5616913B2 - 太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池素子が配線材にて接続された太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。

従来、太陽電池素子は、シリコン基板と、シリコン基板の光電変換部領域に生成された光生成キャリアを集電する細線電極と、細線電極と接続して、集電した光生成キャリアを出力配線材に伝達するための受光面集電電極（受光面配線材接続用電極）を含んで構成されている。

出力配線材は、銅（Ｃｕ）にて作製された帯状細長の銅箔であり、受光面集電電極（受光面配線材接続用電極）は、この銅箔の配線材を接合するための電極であり、細線電極は樹脂をバインダーとして、銀（Ａｇ）などの良電導材の粒子がフィラーとして含有した導電性ペーストとして焼成される。通常、受光面集電電極と配線材とは、特許文献１に示されるように、はんだで接合される。はんだは、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点２１８℃）などのＳｎ主体のＰｂフリーはんだ、またはＰｂ−Ｓｎ（融点１８３℃）が用いられる。

予めシリコン基板に形成した受光面集電電極を用いて配線材の接合を行う上記のような方法においては、以下の二つの問題がある。第１に、受光面集電電極の材料に用いる銀（Ａｇ）が高価であり、幅を１〜２ｍｍで形成するには銀を大量に必要とするため製造コストが高くなる。第２に、太陽電池セルの全長にわたり配線材を接合するが、太陽電池素子のシリコンと配線材の銅との熱膨張率の差により、太陽電池素子が反って破損する場合がある。

そのため、上記問題に対して、特許文献２に示されるように、受光面バス電極を用いずに、配線材を太陽電池の受光面に直接熱硬化性接着剤にて接合する方法が提案されている。すなわち、太陽電池の細線電極に交差するように熱硬化性樹脂を配置し、その上に配線材を配置し、押し付けた状態で、接着剤を熱硬化させて配線材を接続する方法である。細線電極と配線材は、直接接触又は熱硬化性樹脂に含有された導電粒子を介して電気的に接続され、接触を維持する力は熱硬化性樹脂による。

この構成では、細線電極によって集電された光生成キャリアは、配線材に直接流れる。また、受光面集電電極を形成しないため、低コストで製造可能である。また、配線材は、はんだの約１／１０のヤング率を持つ樹脂でシリコン基板に接合しているため、太陽電池素子の反りを小さくすることができる。

特開２００５−２１７１４８号公報 国際公開第２００９／０１１２０９号

特許文献２に開示されるように、受光面集電電極を用いずに配線材を熱硬化性樹脂にてシリコン基板に接着する方法を用いると、細線電極と配線材とは接触にて電気的接続をとることとなる。接触による電気抵抗ははんだ接続の場合の約１００倍と大きく、細線電極と配線材との接触面積が小さいために許容電流がはんだ接続の場合よりも小さくなるため、電気的特性が劣化してしまう。また、配線材は接合力がはんだの約１／１０である熱硬化性樹脂のみで接着しているために、接合信頼性が低下してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、配線材と細線電極とが十分な機械的接合強度を得ることができ、変換効率が高く、低コストで、さらに太陽電池素子の反りが小さい太陽電池モジュール及びその製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、太陽電池素子と、太陽電池素子の受光面に複数の細い線状に形成された細線電極と、太陽電池素子の裏面に形成された裏面電極と、細線電極及び裏面電極から電力を取り出す配線材とを有する太陽電池モジュールであって、受光面の端部に、細線電極よりも幅広に設けられた補強電極を備え、補強電極及び細線電極と配線材とは、はんだを用いてはんだ接合され、はんだ接合された部分の両脇が熱硬化性樹脂で覆われており、受光面の補強電極及び細線電極が設けられていない部分と配線材とは、熱硬化性樹脂で接着されていることを特徴とする。

本発明によれば、配線材と細線電極とが十分な機械的接合強度を得ることができ、変換効率を向上させ、コストダウンを図り、さらに太陽電池素子の反りを小さくできるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池モジュールの構造を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかる太陽電池モジュールの太陽電池素子と配線材戸の接合部を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池モジュールの太陽電池素子と配線材との接合部を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態３の熱硬化性樹脂のゲル化時間と加熱温度との関係を示す図である。 図５は、実施の形態３の配線材表面とはんだと熱硬化性樹脂との接合部を示す断面図である。 図６は、熱硬化性接着剤が流動性を失いゲル化するまでの時間と加熱温度との関係を示す図である。 図７は、受光面の補強電極及び細線電極以外の部分と配線材との接着部について、熱硬化性樹脂とはんだでコートした配線材の接着部断面の拡大模式図である。

以下に、本発明にかかる太陽電池モジュール及びその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池モジュールの断面図である。図１に示すように、太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子１の受光面１ａと裏面１ｂとを、配線材５を用いて交互に接続した太陽電池ストリング１０の受光面１ａ側に受光面保護材１１を配置し、裏面１ｂ側に裏面保護材１２を配置し、太陽電池ストリング１０と保護材１１、１２間に封止材１３が配置されている。受光面１ａ上に形成された補強電極６及び細線電極２ａは、配線材５にはんだ３で接合され、はんだ接合部の側面を熱硬化性樹脂４で覆い、補強電極６及び細線電極２ａが形成されている箇所以外の領域では、配線材５と受光面１ａとが熱硬化性樹脂４で接合されている。

図２は、複数の太陽電池素子を配線材にて接続したストリングの斜視図である。図２に示すように、太陽電池ストリング１０は、複数の太陽電池素子１を配線材５で接続したものである。太陽電池素子１は、例えば、１００〜２００μｍ程度の厚さのｐ型シリコンを基板として以下のように構成される。ｐ型層となるｐ型シリコン基板の受光面１ａ側には、リン拡散によってｎ型拡散層（不純物拡散層：不図示）が形成され、さらに入射光の反射を防止して変換効率を向上させるためのシリコン窒化膜からなる反射防止膜が表面処理によって設けられて、太陽電池素子１の受光面１ａ（光電変換部領域）となっている。また、ｐ型シリコン基板（以下、単に基板）の裏面１ｂには、高濃度不純物を含んだｐ＋層が形成され、さらに入射光の反射及び電力の取り出しを目的として裏面１ｂに、受光面１ａと同じく電極（裏面電極２ｂ）が設けられている。

図３は、太陽電池モジュールを受光面側から見た平面図である。図３に示すように、受光面１ａの端部に設けた補強電極６と配線材５とははんだ３で接合されている。また、細線電極２ａと配線材５とははんだ３で接合されている。補強電極６及び細線電極２ａが存在しない部分では、配線材５は受光面１ａと熱硬化性樹脂４で接着される。また、はんだ接合部の側面は、熱硬化性樹脂４で覆われている。

本実施の形態において、補強電極６は配線材５よりも幅を大きくしている。

配線材５の材料には、電気抵抗が低くて安価な銅が広く用いられる。太陽電池素子１は通常シリコンが用いられる。両者の熱膨張係数はそれぞれ、１６×１０^−６（１／Ｋ）、３×１０^−６（１／Ｋ）とであり、差が大きい。そのため、はんだ接合後に熱膨張差に起因して接合部に熱応力が発生する。本実施の形態においては、はんだ接合部が補強電極６及び細線電極２ａとの当接部分であり、配線材５全面がはんだ接合している従来の構造に比べてはんだ接合面積が小さいこと、及び、補強電極６及び細線電極２ａとの当接部分以外ははんだ３よりも剛性の小さい熱硬化性樹脂４で受光面１ａと接着していることにより、接合部に発生する熱応力を小さくすることができ接合信頼性が向上する。

また、受光面１ａの端部に細線電極２ａよりも大きな補強電極６を設け、補強電極６と配線材５とを接合することで、繰り返し熱ストレスに起因する配線材５の端部からの剥離を防止することができる。

一方、太陽電池素子１の裏面１ｂに設けられた裏面電極２ｂは、受光面１ａ側の配線材５に対応した位置（配線材５と太陽電池素子１の厚さ方向に重なる位置）に設けられている。裏面電極２ｂは、裏面１ｂの全面に形成されている場合、銀で形成された電極が配線材５と同じ方向に、太陽電池素子１の長手方向に線上に形成されている場合、又は島状に形成されている場合がある。本実施の形態では、図１に示すように、裏面電極２ｂは、島状に形成されたものを受光面１ａの細線電極２ａと同じ方法を用いて接合した。

なお、上記の説明では、複数の太陽電池素子１が接続されて構成される太陽電池ストリング１０と保護材１１、１２と封止材１３とを含んだものを太陽電池モジュール１００としているが、これに限らず配線材５が接合された細線電極２ａと裏面電極２ｂとを有する太陽電池素子１を含むものも太陽電池モジュールと呼ぶ。

また、上記の説明では太陽電池素子１が概略平板状である構成を例としているが、太陽電池素子１は平板状に限られるものではなく、例えばフレキシブルなシート状や立方体状などでもよく、受光面１ａに形成された細線電極２ａに配線材５が接合される太陽電池素子１であれば適用可能である。

また、上記の説明では、複数の太陽電池素子１を配線材５で接続した太陽電池ストリング１０を示したが、太陽電池素子１が１枚の構成であっても良い。

さらに、上記の例では細線電極２ａは、受光面１ａに複数本が平行に形成されているとしたが、細線電極２ａが平行に形成されていなくてもよく、受光面１ａに複数本形成されている太陽電池素子１であれば適用可能である。

図４は、配線材５と太陽電池素子１の受光面１ａ側との接合部の断面図である。図４（ａ）は、細線電極２ａ上での補強電極６と配線材５との接合部の断面（図３のＡ−Ａ線での断面）を示す。図４（ｂ）は、細線電極２ａ同士の間での補強電極６と配線材５との接合部の断面（図３のＢ−Ｂ線での断面）を示す。図４（ｃ）は、細線電極２ａと配線材５との接合部での断面（図３のＣ−Ｃ線での断面）を示す。図４（ｄ）は、配線材５と受光面１ａとの接着部での断面（図３のＤ−Ｄ線での断面）を示す。配線材５と補強電極６とははんだ３で接合されており、はんだ接合部の側面は熱硬化性樹脂４で覆われている。配線材５と細線電極２ａとははんだ３で接合されており、はんだ接合部の側面は熱硬化性樹脂４で覆われている。

はんだ３は、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点２２０℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ（融点２２１℃）、Ｓｎ−０．７Ｃｕ（融点２３０℃）、Ｓｎ−８．８Ｚｎ（融点１９９℃）などのＰｂフリーはんだでも良いし、Ｐｂ−Ｓｎ（融点１８３℃）はんだを用いても良い。

集電用の細線電極２ａが、はんだ３にて配線材５と接合されることにより、接合部の電気抵抗を小さくすることができ、さらに、導電粒子を含有した樹脂接着剤を用いた従来の方法（特許文献２）に比べて電気的な接続面積が大きくとれるため、電気特性の劣化を招かない接合を実現できる。

図４（ｄ）に示すように、配線材５の下面と受光面１ａとは、熱硬化性樹脂４で接着される。熱硬化性樹脂４には、有機酸を含有又は有機酸を硬化剤に用いたエポキシ樹脂組成物を用いることができる。有機酸硬化剤としては、例えば、フェノール硬化剤や酸無水硬化剤、カルボン酸硬化剤を適用可能である。

本実施の形態にかかる太陽電池モジュールを製造する際には、補強電極６及び細線電極２ａが設けられた受光面１ａの配線材５を接合する領域に、未硬化の熱硬化性樹脂４（以下、熱硬化性接着剤４ａと言う。）を塗布する。熱硬化性接着剤４ａは液体でも良いし、半硬化状態（Ｂステージ）のフィルムを用いてもよい。はんだ３をコートした配線材５を受光面１ａの所望の位置（熱硬化性接着剤４ａを塗布した領域）に配置した後、配線材５をはんだの融点以上に加熱する。

熱硬化性接着剤４ａは有機酸を含むか又は有機酸の硬化剤を用いているため、熱硬化する過程ではんだ表面の酸化膜を還元して除去する作用を発現する。これにより、配線材５にコートされたはんだ３の表面にある酸化膜を除去し、配線材５と細線電極２ａとをはんだ３で接合できる。

熱硬化性接着剤４ａに含まれる有機酸がフラックスの役割を果たすため、通常のはんだ付けのようにはんだ付け前にフラックスを塗布し、はんだ接合後にフラックスを洗浄する必要がなく、生産性に優れる。また、フラックス残渣が受光面１ａ上に残って残留イオンが特性の劣化を引き起こす懸念がない。従って、太陽電池モジュールの製造時に歩留まりを向上させることができる。

また、加熱時に熱硬化性接着剤４ａは液状化し、はんだ３が溶融し、はんだ接合が開始されると側面に排除され、はんだ接合部の側面で固体化して熱硬化性樹脂４となる。はんだ接合部の側面を熱硬化性樹脂４で覆うことで、はんだ接合部を補強することができる。はんだ接合部を覆った熱硬化性樹脂４は、配線材５と太陽電池素子１との熱膨張差から発生する剪断応力を緩和する作用と、はんだ接合部の疲労で発生するクラックの発生を抑制する作用とを持つ。

本実施の形態においては、配線材５は受光面１ａ内の細線電極２ａとはんだ接合され、はんだ接合部側面が熱硬化性樹脂４で覆われているため、電気接続抵抗が低く信頼性の高い接合が得られ、受光面１ａの細線電極２ａが設けられていない部分と配線材５とがはんだ３よりも剛性の小さい熱硬化性樹脂４で接着されているため、従来の構造（特許文献１の構造）よりも太陽電池素子１の反りを小さくできる。さらに、受光面１ａの端部に設けた補強電極６と配線材５とをはんだ３で接続しているため、大きな熱ストレスが加わった場合でも、配線材５が受光面１ａの端部を起点として受光面１ａから剥離することを防止できる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池モジュールの太陽電池素子１の受光面１ａ側での補強電極６と配線材５との接合部断面を示す図である。図５は、図３におけるＢ−Ｂ線での断面に相当する接合部の断面を示す。

本実施の形態では、補強電極６の幅は配線材５よりも狭い。補強電極６の幅を配線材５よりも狭くすることで、はんだ接合時に側面に排出された熱硬化性接着剤４ａが固化することにより、熱硬化性樹脂４は、はんだ接合部の側面だけでなく、補強電極６の受光面１ａとの接合部側面も覆う。補強電極６と受光面１ａとの接合部の側面を覆うことで、補強電極６の受光面１ａとの密着力が向上し、接合信頼性をより高めることができる。

実施の形態３．
図６は、熱硬化性接着剤４ａが流動性を失いゲル化するまでの時間と加熱温度との関係を示す図である。熱硬化性接着剤４ａのゲル化に要する時間は、加熱温度が高いほど短くなる。生産性の観点では、１０秒以内に熱硬化性接着剤４ａが硬化する温度を採用することが望まれる。本実施の形態では、加熱温度を２００℃とする。

はんだ３の表面は、はんだ組成物の凝固温度が異なるために凹凸を有する（例えば、鉛フリーはんだ実装技術、コロナ社、ｐ７９参照）。通常、熱硬化性樹脂４の接着力は表面の凹凸によるアンカー効果で決定される。そのため、はんだ３でコートされた配線材５の接着力を大きくするには、はんだ３の表面に凹凸がある状態、つまり、はんだ３が溶融していない状態で熱硬化性接着剤４ａをゲル化する必要がある。

図７は、受光面１ａの補強電極６及び細線電極２ａ以外の部分と配線材５との接着部について、熱硬化性樹脂４とはんだ３でコートした配線材５の接着部断面の拡大模式図である。図７（ａ）は、熱硬化性接着剤４ａにはんだ３をコートした配線材５を押し付けた状態を示す。図７（ｂ）は、加熱によって熱硬化性接着剤４ａがゲル化した状態を示す。図７（ｃ）は、はんだが溶融した状態を示す。図７（ｄ）は、冷却後の状態を示す。

図７（ａ）に示すようにはんだ３でコートされた配線材５を熱硬化性接着剤４ａに押し付けることにより、熱硬化性接着剤４ａの表面には、はんだ３の表面の凹凸に倣った凹凸が形成される。図７（ｂ）に示す熱硬化性接着剤４ａがゲル化した時点では、はんだ３は溶融しておらず、ゲル化した熱硬化性接着剤４ｂと接した状態となっている。さらに温度が上がりはんだ３が溶融すると、図７（ｃ）に示すように溶融したはんだ３ａはゲル化した熱硬化性接着剤４ｂの凹凸の中で溶融する。図７（ｄ）に示す冷却後では、ゲル化した熱硬化性接着剤４ａが完全に硬化しており、はんだ３は熱硬化性樹脂４の凹凸の中で凝固しているため、配線材５と熱硬化性樹脂４との接着力が向上する。

熱硬化性接着剤４ａが１０秒でゲル化する温度である２００℃よりも融点が高いＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点２１８℃）で実施したところ、融点の低いはんだ材、例えば融点１８３℃のＳｎ−５８Ｂｉと比較して３倍以上の接着強度が得られた。

このように、はんだ３の融点よりも低い温度で熱硬化性接着剤４ａをゲル化させることにより、熱硬化性樹脂４のアンカー効果を高め、配線材５と熱硬化性樹脂４との接着力を向上させることができる。

以上のように、本発明にかかる太陽電池モジュール及びその製造方法は、太陽電池素子の反りを低減できる点で有用であり、特に、反りの影響を受けやすい大型の太陽電池素子を用いた太陽電池モジュールへの適用に適している。

１ 太陽電池素子
１ａ 受光面
１ｂ 裏面
２ａ 細線電極
２ｂ 裏面電極
３ はんだ
３ａ 溶融したはんだ
４ 熱硬化性樹脂
４ａ 熱硬化性接着剤（未硬化の熱硬化性樹脂）
４ｂ ゲル化した熱硬化性接着剤
５ 配線材
６ 補強電極
１０ 太陽電池ストリング
１１、１２ 保護材
１００ 太陽電池モジュール

Claims (3)

1. 太陽電池素子と、該太陽電池素子の受光面に複数の細い線状に形成された細線電極と、前記太陽電池素子の裏面に形成された裏面電極と、前記細線電極及び前記裏面電極から電力を取り出す配線材とを有する太陽電池モジュールであって、
   前記受光面の端部に、前記配線材よりも幅広に設けられた、均一な幅を有する補強電極を備え、
   前記補強電極及び前記細線電極と前記配線材とは、前記配線材の前記補強電極、前記細線電極及び前記受光面との接合部分の表面に設けたはんだによって接合されて、前記補強電極及び前記細線電極と前記配線材との間に前記配線材の下面の全幅にわたるはんだ接合層が形成されており、
   前記はんだ接合層の側面と前記配線材の側面とが熱硬化性樹脂で覆われており、
   前記受光面の前記補強電極及び前記細線電極が設けられていない部分と前記配線材とは、該配線材の表面が前記はんだで覆われた状態で前記熱硬化性樹脂によって接着されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記受光面の前記補強電極及び前記細線電極が設けられていない部分と前記配線材との接着部分では、前記はんだと前記熱硬化性樹脂との界面が凹凸面であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 請求項２に記載の太陽電池モジュールの製造方法であって、
   前記補強電極上、前記細線電極上及び前記受光面上の前記配線材を接合する領域に、有機酸を含有するか又は有機酸を硬化剤とする未硬化の熱硬化性接着剤を塗布する工程と、
   前記はんだでコーティングされた前記配線材を未硬化の前記熱硬化性樹脂に当接させる工程と、
   前記配線材を当接させた前記未硬化の熱硬化性樹脂を、前記はんだの融点未満の温度でゲル化させる工程と、
   前記熱硬化性樹脂のゲル化後、前記はんだを融点以上に加熱して溶融させると同時に、前記熱硬化性樹脂を、前記補強電極及び前記細線電極と前記配線材との間から、前記はんだ接合層の側面及び前記配線材の側面に排出する工程と、
   前記はんだを融点未満に冷却して前記はんだ及び前記熱硬化性樹脂を固化させる工程とを有することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。

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