JP5709797B2

JP5709797B2 - 太陽電池セルおよび太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP5709797B2
Application number: JP2012119851A
Authority: JP
Inventors: 裕樹長谷川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP2013247231A

Description

この発明は、太陽電池セルおよび太陽電池モジュールに関するものである。

一般に、太陽電池セルは、Ｐ型シリコン基板において、光の集光率を高めるためにセル表面にテクスチャエッチングによって凹凸形状を形成し、その上に反射防止膜であるシリコン窒化膜が成膜されている。さらにシリコン窒化膜の上に光−電子変換された電子を集める表面バス電極と複数の表面グリッド電極が形成されている。

一方、Ｐ型シリコン基板の裏面には、裏面Ａｌ電極および裏面Ａｇ電極が形成されている。裏面Ａｌ電極は、開放電圧（Ｖｏｃ）と短絡電流（Ｉｓｃ）を向上させるための裏面電界（ＢＳＦ：Back Surface Field）層を形成するために設けられる電極であり、Ｐ型シリコン基板の裏面の略全域を覆うように形成される。

また、裏面Ａｇ電極は、外部電極とコンタクトを取るために設けられる電極である。そして、裏面Ａｇ電極と裏面Ａｌ電極との境界には、２電極間の電位障壁を下げるために、裏面Ａｇ電極の材料である銀と裏面Ａｌ電極の材料であるアルミニウムとの合金層が設けられるのが一般的である（たとえば、特許文献１，２参照）。

このような太陽電池セルは、表面バス電極と裏面Ａｇ電極それぞれにインタコネクタを接続することで、光−電子変換によって発生した電力を外部に取り出す。また、太陽電池セル１枚では発生する電力が小さいため、複数の太陽電池セルが併設されて、インタコネクタで直列に接続されたストリングスが構成される。そして、このストリングスが並列に接続されることで、より大きな電力を取り出すことのできる太陽電池モジュールが構成される。なお、以下の説明において、表面バス電極や裏面Ａｇ電極にインタコネクタを接続することをタブ付けともいう。

特開２００８−１８７２１０号公報特許第３４３００６８号公報

上述した裏面Ａｌ電極や裏面Ａｇ電極は、金属粒子を有する導電性塗料を塗布することで形成され、合金層は、両電極を形成するための導電性塗料を重ねて塗布することで形成される。そのため、裏面Ａｌ電極や裏面Ａｇ電極部分よりも合金層部分の方が、高さが高くなってしまう。

そのため、裏面Ａｇ電極とインタコネクタとの間に隙間ができやすく、接触不良になりやすいという問題点があった。また、インタコネクタを裏面Ａｇ電極へと接合する際に、インタコネクタの蛇行や反りに加え、インタコネクタや太陽電池セルの搬送時のアライメント精度によって、インタコネクタと裏面Ａｇ電極との接合にバラツキが生じ、十分な接合強度を確保できないという問題点もあった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、セル裏面での安定したタブ付けが可能な太陽電池セルおよび太陽電池モジュールを得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる太陽電池セルは、ＰＮ接合を有する半導体基板と、前記半導体基板の受光面側に第１の方向に延在して配置される受光面側電極と、前記半導体基板の前記受光面に対向する裏面側に、前記第１の方向に沿って配置され、インタコネクタと接続される接続用電極、および前記接続用電極の形成位置以外の領域全体に配置され、前記半導体基板によって発電された電流を集電する集電用電極を有する裏面側電極と、を備え、前記接続用電極の前記裏面内での前記第１の方向に垂直な第２の方向の幅が、前記半導体基板の前記第１の方向の一端から他端に向かって漸増していることを特徴とする。

この発明によれば、接続用電極の第２面内での第２の方向の幅が、所定の位置から第１の方向に沿って増加するように構成したので、インタコネクタと接続用電極とのタブずれに対する尤度を高め、安定したタブ付けを実現することができるという効果を有する。

図１は、この発明の実施の形態による太陽電池セルの概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す太陽電池セルをインタコネクタで連結させたストリングの概略構成を示す斜視図である。図３は、インタコネクタを太陽電池セルに接着する工程を説明する図である。図４は、太陽電池アレイの概略構成を示す斜視図である。図５は、太陽電池モジュールの斜視図である。図６は、図５に示す太陽電池モジュールの分解斜視図である。図７は、実施の形態による裏面Ａｇ電極の形成領域を拡大した部分拡大平面図である。図８は、図７の太陽電池セルにインタコネクタを取り付けた状態の一例を示す図である。図９は、一般的な太陽電池セルにインタコネクタを取り付けた状態の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる太陽電池セルおよび太陽電池モジュールを詳細に説明する。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。

図１は、この発明の実施の形態による太陽電池セルの概略構成を示す斜視図であり、（ａ）は裏面Ａｇ電極がスポット状を有している太陽電池セルを示し、（ｂ）は裏面Ａｇ電極が帯状（ストレート形状）を有している太陽電池セルを示している。この図１では、太陽電池セルの受光面側とは反対側の裏面側から見た図を示している。太陽電池セル１は、受光面にＮ型拡散層を形成したＰ型シリコン基板において、光の集光率を高めるためにセル表面（受光面）にテクスチャエッチングにより凹凸形状を形成し、その上にシリコン窒化膜などの図示しない反射防止膜が成膜されたものである。太陽電池セル１の受光面には、光−電子変換された電子を集める図示しない表面グリッド電極と、表面グリッド電極で集電した電子を外部に取り出す図示しない表面バス電極と、が表面側電極として形成されている。

太陽電池セル１の裏面には、裏面Ａｌ電極２と裏面Ａｇ電極３とを含む裏面側電極が形成されている。裏面Ａｌ電極２は、開放電圧（Ｖｏｃ）を向上させかつ短絡電流（Ｉｓｃ）を向上させる裏面電界（ＢＳＦ）層を形成するために設けられ、また光−電子変換された正孔を集める電極であり、太陽電池セル１の裏面の略全域を覆うように形成される。

また、裏面Ａｇ電極３は、裏面Ａｌ電極２で集電された正孔を外部に取り出し、外部電極とコンタクトを取るために設けられる電極である。裏面Ａｇ電極３は、銀の使用量を抑えて製造コストを抑制するために、図１（ａ）に示されるようにスポットで設けられたり、図１（ｂ）に示されるように帯状で設けられたりする。裏面Ａｌ電極２および裏面Ａｇ電極３は、金属粒子を有する導電性塗料を所望の範囲に塗布して焼成することで形成される。

図２は、図１に示す太陽電池セルをインタコネクタで連結させたストリングの概略構成を示す斜視図である。図２に示されるように、複数の太陽電池セル１が併設され、インタコネクタ４で直列に接続されて、ストリング５が形成される。

インタコネクタ４は、太陽電池セル１の裏面に形成された裏面Ａｇ電極３にその一端側領域４ａが接着され、隣接する太陽電池セル１の受光面に形成された表面バス電極にその他端側領域４ｂ（図１も参照）が接着される。このように、隣接する太陽電池セル１同士がインタコネクタ４によって連結されることでストリング５が形成される。

インタコネクタ４は、たとえば銅からなり、予めはんだが表面にコーティング（めっき）されている。インタコネクタ４は、平面視において太陽電池セル１の連結方向（第１の方向、矢印Ｘに示す方向）に延びる略長方形形状を呈している。裏面Ａｇ電極３は、インタコネクタ４の一端側領域４ａを重ねることができるように、図１（ａ）では太陽電池セル１の連結方向に沿ってスポットで複数設けられており、図１（ｂ）では１つのインタコネクタ４に対して１つの帯状のものが設けられている。

図３は、インタコネクタを太陽電池セルに接着する工程を説明する図である。図３に示されるように、太陽電池セル１の裏面Ａｇ電極３にインタコネクタ４の一端側領域４ａを重ねた状態で、ヒートツール６で加熱することで、インタコネクタ４と裏面Ａｇ電極３とが接着される。

具体的には、インタコネクタ４の一端側領域４ａを太陽電池セル１の裏面Ａｇ電極３の形成位置と位置合わせを行った後に、ヒートツール６の加熱によって、インタコネクタ４の表面にコーティングされたはんだが溶融し、その後凝固することでインタコネクタ４と裏面Ａｇ電極３とがはんだを介して接着される。インタコネクタ４と裏面Ａｇ電極３とは、はんだを介して接着されることで電気的に接続されることとなる。なお、インタコネクタは、熱圧着等種々の方式によって接着されてもよい。

図４は、太陽電池アレイの概略構成を示す斜視図である。太陽電池アレイ８は、横タブ９や出力タブ１０を用いてストリング５を直列にまたは並列に接続させることで形成される。図５は、太陽電池モジュールの斜視図であり、図６は、図５に示す太陽電池モジュールの分解斜視図である。

太陽電池モジュール１１は、太陽電池アレイ８の受光面側を表封止材１２、表面カバー材１３で覆い、裏面側を裏封止材１４、バックフィルム１５で覆うとともに、補強用のフレーム１６で周囲を囲まれて形成される。

つぎに、この実施の形態による裏面Ａｇ電極３の詳細な構成について説明する。図７は、実施の形態による裏面Ａｇ電極の形成領域を拡大した部分拡大平面図であり、（ａ）は裏面Ａｇ電極がスポット状を有している太陽電池セルを示し、（ｂ）は裏面Ａｇ電極が帯状を有している太陽電池セルを示している。なお、この図では、インタコネクタ４を裏面Ａｇ電極３に接着する前の状態を示している。

上述したように、裏面Ａｌ電極２および裏面Ａｇ電極３は、金属粒子を有する導電性塗料を塗布して焼成することで形成される。そして、図７に示されるように、裏面Ａｇ電極３と裏面Ａｌ電極２との境界には、２電極間の電位障壁を下げるために、裏面Ａｇ電極３の材料である銀と裏面Ａｌ電極２の材料であるアルミニウムとの合金層３１が設けられる。

このとき、インタコネクタ４の延在方向（第１の方向）に直交する方向（第２の方向）の裏面Ａｇ電極３の幅が、インタコネクタ４の延在方向の一方から他方に向かって（図７の場合には、矢印Ｘの方向に向かって）徐々に大きくなるように構成されている。より具体的には、インタコネクタ４を太陽電池セル１の裏面に接着する際に、最初にタブ付けする（固定する）方の裏面Ａｇ電極３−１の幅に比して、後にタブ付けする（固定する）方の裏面Ａｇ電極３−３の幅の方が太くなるように、幅が漸増されている。

たとえば図７（ａ）のスポット状の裏面Ａｇ電極３−１〜３−３の場合には、裏面Ａｇ電極３−１，３−２，３−３の幅をそれぞれＷ１，Ｗ２，Ｗ３とすると、矢印Ｘの方向に向かってＷ１，Ｗ２，Ｗ３の順に大きくなる。すなわち、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３となる。

また、図７（ｂ）の帯状の裏面Ａｇ電極３の場合には、裏面Ａｇ電極３の矢印Ｘ方向の一方の端部の幅と、他方の端部の幅をそれぞれＷ１１，Ｗ１２とすると、Ｗ１１に比してＷ１２の幅の方が大きくなるとともに、矢印Ｘ方向に向かって直線的に幅が増加する。なお、ここでは、直線的に幅が増加する場合を示したが、直線的ではなく、曲線的に幅を増加させたり、また階段状に幅を増加させたりしてもよい。

図８は、図７の太陽電池セルにインタコネクタを取り付けた状態の一例を示す図であり、（ａ）は裏面Ａｇ電極がスポット状を有している太陽電池セルを示し、（ｂ）は裏面Ａｇ電極が帯状を有している太陽電池セルを示している。タブ付けにあたって、太陽電池セル１とインタコネクタ４との位置合わせが行われ、図３に示されるように両者の接合が行われる。この場合、Ｘ方向の一方の位置合わせの中心となる位置Ｒ１では、裏面Ａｇ電極３とインタコネクタ４とが精度良く重なった状態で接合されるが、位置Ｒ１からＸ方向に沿って離れた位置Ｒ２ではインタコネクタ４が第２の方向にずれてしまうことがある。しかし、このような場合でも、上記したように裏面Ａｇ電極３の幅を、位置合わせの中心からＸ方向に離れるに従って太くしているので、インタコネクタ４は、裏面Ａｇ電極３上に位置することができ、両者を十分に接合することが可能になる。

なお、この裏面Ａｇ電極３の幅、より具体的には位置合わせが行われる位置Ｒ１での裏面Ａｇ電極３の幅と、位置Ｒ１から最も離れた位置での裏面Ａｇ電極３の幅の比率は、たとえばタブ付けにあたって、頻繁に生じるインタコネクタ４のずれの量や蛇行量、反りの量などに基づいて決定することができる。

図９は、一般的な太陽電池セルにインタコネクタを取り付けた状態の一例を示す図であり、（ａ）は裏面Ａｇ電極がスポット状を有している太陽電池セルを示し、（ｂ）は裏面Ａｇ電極が帯状を有している太陽電池セルを示している。一般的な太陽電池セルでは、裏面Ａｇ電極３の幅は、どの位置でも同じである。そのため、タブ付けの際にインタコネクタ４にずれが生じると、位置Ｒ１ではインタコネクタ４と裏面Ａｇ電極３とは接合されているが、位置Ｒ２ではインタコネクタ４は、裏面Ａｇ電極３と合金層３１の上で接合されることになる。また、図示しないが、極端な場合には、裏面Ａｇ電極３には接合されず、合金層３１上および／または裏面Ａｌ電極２上に接合されることになる。

一般的に、合金層３１および／または裏面Ａｌ電極２上のタブ付け性（インタコネクタ４と合金層３１および／または裏面Ａｌ電極２との接合強度）については、インタコネクタ４との十分な接合強度を確保することができない。その結果、抵抗増による太陽電池モジュールの初期出力の低下や実使用環境時の温度変化による温度サイクル性（モジュール特性）の低下などが発生する可能性がある。

以上説明したように、この実施の形態では、裏面Ａｇ電極３のインタコネクタ４の延在方向に垂直な方向の幅を、インタコネクタ４の延在方向の一端側から他端側に向かって漸増させるようにした。これによって、インタコネクタ４の太陽電池セル１への取り付け時に、インタコネクタ４がずれてもインタコネクタ４は裏面Ａｇ電極３上に存在することになり、裏面Ａｇ電極３とインタコネクタ４との間の十分な接合強度を確保することができる。その結果、インタコネクタ４が太陽電池セル１の裏面電極に対して十分な接合強度を確保することができないことによって、抵抗が増大し、太陽電池モジュールの初期出力の低下や実使用環境時の温度変化による温度サイクル性（モジュール特性）の低下などを抑えることができるという効果を有する。また、インタコネクタ４と裏面Ａｇ電極３との接合が十分でない太陽電池セル１の発生を従来に比して抑えることができ、製造歩留まりを向上させることができるという効果も有する。

なお、上記の実施の形態では、インタコネクタ４の電極に対するずれが太陽電池セル１の一端辺側より他端辺側の方で大きく出やすい場合に対応して、裏面Ａｇ電極３の幅を一端側から他端側に向かって漸増させる構成としている。しかし、インタコネクタ接続装置の方式によっては、インタコネクタ４の電極に対するずれが太陽電池セル１の中心部（Ｘ方向中心部）で最も少なく両端辺側ほど大きく出てくる場合もあり得る。そのような場合には、裏面Ａｇ電極３の幅が太陽電池セル１の中心部で最も狭く、インタコネクタ４の延在方向の両端側に行くに従って広くなるような構成とすることで、上記と同様の効果を得ることができる。

また、上記した説明では、受光面にＮ型拡散層を形成したＰ型シリコン基板を用いて太陽電池セル１が形成される場合を示しているが、これに限定されるものではない。たとえば、導電型を逆にしたシリコン基板、すなわち受光面にＰ型拡散層を形成したＮ型シリコン基板を用いることもできる。また、基板としては、シリコン基板だけではなく、ゲルマニウム基板やＧａＡｓ基板などの光電変換を行うことができる半導体基板を用いることができる。さらに、基板としては、単結晶基板を用いてもよいし、多結晶基板を用いてもよい。

以上のように、この発明にかかる太陽電池セルは、インタコネクタを接続する裏面Ａｇ電極がスポット状または帯状に形成された太陽電池セルに有用である。

１太陽電池セル
２裏面Ａｌ電極
３裏面Ａｇ電極
４インタコネクタ
５ストリング
６ヒートツール
８太陽電池アレイ
９横タブ
１０出力タブ
１１太陽電池モジュール
１２表封止材
１３表面カバー材
１４裏封止材
１５バックフィルム
１６フレーム
３１合金層

Claims

ＰＮ接合を有する半導体基板と、
前記半導体基板の受光面側に第１の方向に延在して配置される受光面側電極と、
前記半導体基板の前記受光面に対向する裏面側に、前記第１の方向に沿って配置され、インタコネクタと接続される接続用電極、および前記接続用電極の形成位置以外の領域全体に配置され、前記半導体基板によって発電された電流を集電する集電用電極を有する裏面側電極と、
を備え、
前記接続用電極の前記裏面内での前記第１の方向に垂直な第２の方向の幅が、前記半導体基板の前記第１の方向の一端から他端に向かって漸増していることを特徴とする太陽電池セル。
前記接続用電極は、前記第１の方向に沿って連続的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池セル。
前記接続用電極は、前記第１の方向に沿って不連続に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池セル。
前記半導体基板は、シリコンからなり、
前記接続用電極は、Ａｇからなり、
前記集電用電極は、Ａｌからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の太陽電池セル。
請求項１から４のいずれか１つに記載の太陽電池セルの前記受光面側電極と、請求項１から４のいずれか１つに記載の他の太陽電池セルの前記裏面側電極の前記接続用電極と、を前記インタコネクタで接続したことを特徴とする太陽電池モジュール。