JP5909662B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

この発明は、隣接する太陽電池の表面上に形成された集電極を配線材によって接続した複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールに関するものである。

太陽電池は、クリーンで無尽蔵のエネルギー源である太陽からの光を直接電気に変換できることから、新しいエネルギー源として期待されている。

このような太陽電池を家屋或いはビル等の電源として用いるにあたっては、太陽電池１枚当たりの出力が数Ｗと小さいことから、通常複数の太陽電池を電気的に直列或いは並列に接続することで、出力を数１００Ｗにまで高めた太陽電池モジュールとして使用するのが一般的である。

上記した太陽電池モジュールは、複数の太陽電池が互いに銅箔等の導電材よりなる配線材により電気的に接続され、ガラス、透光性プラスチックのような透光性を有する表面部材と、耐侯性フィルムからなる裏面部材との間に、耐候性、耐湿性に優れたＥＶＡ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌａｃｅｔａｔｅ、エチレン酢酸ビニル）等の透光性を有する封止材により封止されて構成されている。

ところで、上記した太陽電池モジュールにおいて、表面部材とは逆側に太陽電池の半導体接合が位置するように配置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２３７４４８号公報

半導体接合部が形成された逆側の基板面には、通常、少数キャリアの再結合を抑制する抑制層が形成されている。このため、上記した特許文献１に記載の太陽電池においては、抑制層を通り基板に光が入射することになる。この結果、抑制層で光が吸収され、基板への光の吸収ロスが生じていた。しかし、上記した特許文献１に記載の太陽電池モジュールにおいても表面側から入射した光を半導体接合部まで効率良く入射させることが望まれる。

この発明は、上記した事情に鑑みなされたものにして、光吸収ロスを抑制し、太陽電池の出力特性を向上させることをその課題とする。

この発明は、表面部材と裏面部材との間に太陽電池が封止樹脂で封止されてなる太陽電池モジュールであって、前記太陽電池は、キャリア分離用電界を形成するための半導体接合部と、少数キャリアの再結合を抑制する抑制層とが設けられ、前記抑制層側が前記表面部材側に臨んで配置されるとともに、少なくとも前記抑制層側のコーナー部分に太陽電池の法線方向と非平行な傾斜面が形成されていることを特徴とする。

また、前記太陽電池は、一導電型単結晶シリコン基板に真性非晶質シリコン層を介して他導電型非晶質シリコン層を設けて形成した前記半導体接合部と、一導電型単結晶シリコ
ン基板に一導電型非晶質シリコン層を設けて形成した抑制層とを備える。

また、前記傾斜面は前記基板に到達する位置まで形成することが好ましい。

また、前記傾斜面は、抑制層表面の全周に渡って形成しても良い。

この発明は、傾斜面を形成することで、太陽電池の端部は、基板面が露出することになり、基板に直接光を入射させることができるので、光吸収ロスが抑制され、出力特性を向上させることができる。

この発明により製造された太陽電池モジュールの概略を示す平面図である。 この発明により製造された太陽電池モジュールの概略を示す断面図である。 この発明に用いられる太陽電池を示す概略断面図である。 この発明に用いられる他の太陽電池を示す概略断面図である。 この発明により製造された太陽電池モジュールの要部を示す概略断面図である。 この発明により製造された太陽電池モジュールの要部を示す平面図である。

この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。

図１は、この発明により製造された太陽電池モジュールの概略を示す平面図、図２は、この発明により製造された太陽電池モジュールの概略を示す断面図、図３は、この発明に用いられる太陽電池を示す概略断面図、図４は、この発明に用いられる他の太陽電池を示す概略断面図、図５は、この発明により製造された太陽電池モジュールの要部を示す概略断面図、図６は、この発明により製造された太陽電池モジュールの要部を示す平面図である。

まず、この発明により製造された太陽電池モジュール１０につき図面を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、この太陽電池モジュール１０は、複数の板状の太陽電池１を備えている。この太陽電池１は、例えば、厚みが０．１５ｍｍ程度の単結晶シリコンや多結晶シリコンなどで構成される結晶系半導体からなり、１辺が１０４ｍｍの略正方形或いは１辺が１２５ｍｍの略正方形を有するが、これに限るものではなく、他の太陽電池を用いても良い。

この太陽電池１内には、例えば、ｎ型領域とｐ型領域が形成され、ｎ型領域とｐ型領域との界面部分でキャリア分離用の電界を形成するための半導体接合部が形成されている。このｎ型領域とｐ型領域は、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の結晶半導体、ＧａＡｓやＩｎＰ等の化合物半導体、非晶質状態或いは微結晶状態を有する薄膜ＳｉやＣｕＩｎＳｅ等の薄膜半導体等の太陽電池用に用いられる半導体を単独、或いは組み合わせて形成することができる。一例として互いに逆導電型を有する単結晶シリコンと非晶質シリコン層との間に真性な非晶質シリコン層を介挿し、その界面での欠陥を低減し、ヘテロ接合界面の特性を改善した太陽電池が用いられる。

図５、図６に示すように、この複数の太陽電池１の各々は互いに隣接する他の太陽電池
１と扁平形状の銅箔などで構成された配線材１２０によって電気的に接続されている。即ち、配線材１２０の一方端側が所定の太陽電池１の表面部材４１側に臨む集電極１１９に接続されるとともに、他方端側がその所定の太陽電池１に隣接する別の太陽電池１の裏面部材４２側に臨む集電極１１５に接続される。これら太陽電池１は、配線材１２０で直列に接続され、太陽電池モジュール１０から渡り配線や取り出し線を介して所定の出力、例えば、２００Ｗの出力が発生するように構成されている。

図２に示すように、複数の太陽電池１が互いに銅箔等の導電材よりなる配線材１２０により電気的に接続され、ガラス、透光性プラスチックのような透光性を有する表面部材４１と、耐侯性フィルム又はガラス、プラスチックのような部材からなる裏面部材４２との間に、耐候性、耐湿性に優れたＥＶＡ等の透光性を有する封止材４３により封止されている。

上記太陽電池モジュール１０は、必要に応じて外周にシール材を用いてアルミニウムなどからなる外枠２０に嵌め込まれる。この外枠２０は、アルミニウム、ステンレス又は鋼板ロールフォーミング材等で形成されている。必要に応じて端子ボックス（図示せず）が、例えば裏面部材４２の表面に設けられる。

上記した太陽電池１の構造につき図３を参照して説明する。尚、図３においては、各層の構成を理解し易くするために、実際の膜厚に沿った比率では記載せずに、薄膜層部分は拡大して表示している。

この発明にかかる太陽電池１は、板状の光電変換部１００と、光電変換部１００の一面及び他面にそれぞれ形成された集電極１１５、１１９とを有する。光電変換部１００は、光の入射によって、光生成キャリアを生成する。光生成キャリアとは、光の入射によって光電変換部内で生成される電子と正孔とをいう。光電変換部１００は、例えば、板状の結晶系半導体を用いて構成される。図３に示すように、この太陽電池１は、結晶系半導体基板として、約２００μｍの厚みを有するｎ型の単結晶シリコン基板１１０を備えている。この単結晶シリコン基板１１０は、引き上げ法により得られた円筒形型のシリコンインゴット（通常、長さ１ｍ以上）から適当な寸法（通常、長さ４０〜５０ｃｍ）の円筒形型の単結晶シリコンブロックを切り出し、次いで、角柱状に加工し、さらに、この単結晶シリコンブロックをスライス加工することにより製造される。尚、この実施形態の単結晶シリコン基板１１０は、正方形状の４つのコーナー部分が切り取られた形状に形成されている。

ｎ型単結晶シリコン基板１１０の一面には、図示はしていないが、数μｍから数十μｍの高さを有する光閉じ込めのためのピラミッド状凹凸が形成されている。このｎ型単結晶シリコン基板１１０上には、真性のｉ型非晶質シリコン層１１２が形成されている。また、ｉ型非晶質シリコン層１１２上には、ｐ型非晶質シリコン層１１３が形成されている。このｎ型単結晶シリコン基板１１０とｐ型非晶質シリコン層１１３によるｐｎ接合により、キャリア分離用電界を形成するための半導体接合部が形成される。

そして、ｐ型非晶質シリコン層１１３上には、透明導電膜１１４がスパッタ法により形成されている。

この透明導電膜１１４の表面の所定領域には集電極１１５が形成されている。この集電極１１５は、光電変換部１００で生成された光生成キャリアを収集するための電極である。集電極１１５は、例えば、互いに並行に形成された複数の細線電極１１５ａを含む。この細線電極１１５ａは、例えば、幅約１００μｍ、ピッチ約２ｍｍ、厚み約６０μｍであり、光電変換部の表面上に５０本程度形成される。このような細線電極１１５ａは、例え
ば、銀ペーストをスクリーン印刷して、百数十度の温度で硬化させて形成される。

また、ｎ型単結晶シリコン基板１１０の他面上には、ｉ型非晶質シリコン層１１６を介して少数キャリアの再結合を抑制する抑制層としてのｎ型非晶質シリコン層１１７が形成されている。このようにｎ型単結晶シリコン基板１１０の他面上に、ｎ型非晶質シリコン層１１７を形成することにより、キャリアの再結合による損失を小さくできる。

このｎ型非晶質シリコン層１１７上に透明導電膜１１８が設けられ、この透明導電膜１１８上の所定領域には、同様に、銀ペーストからなる集電極１１９が形成されている。この集電極１１９は、上記の集電極１１５と同様に互いに並行に形成された複数の細線電極１１９ａを含む。

尚、この発明においては、再結合を抑制する抑制層としてのｎ型非晶質シリコン層１１７を用いているが、これに限らず、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）や酸化シリコン膜（ＳｉＯ）等を用いることも可能である。

図３に示す例では、光電変換部１００は、一面側の透明導電膜１１４から他面側の透明導電膜１１７までが相当する。

そして、図３に示す太陽電池では、表裏に形成された集電極１１５、１１９がいずれも細線電極１１５ａ、１１９ａを有している。このため、表裏両面から入射した光によって発電可能な両面入射型とされている。

この発明においては、上記した太陽電池１の少数キャリアの再結合を抑制する抑制層としてのｎ型非晶質シリコン層１１７側が表面部材４１側に臨むように配置される。すなわち、光入射側には、少数キャリアの再結合を抑制する抑制層としてのｎ型非晶質シリコン層１１７が臨むように配置され、この側から光がｎ型非晶質シリコン層１１７、ｉ型非晶質シリコン層１１６を通過して単結晶シリコン基板１１に入射されることになる。

さて、この発明においては、図３に示すように、ｎ型非晶質シリコン層１１７のコーナー部分に太陽電池１の法線方向、すなわち、ｎ型単結晶シリコン基板１１０と非平行な傾斜面１０１が形成されている。この傾斜面１０１は、コーナー部分１１０ｃにのみ設けても良いが、この実施形態においては、図６に示すように、ｎ型非晶質シリコン層１１７の全周に渡り形成されている。

そして、この傾斜面１０１は、図３に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１１０に至る深さまで形成されている。この傾斜面１０１は、例えば、レーザなどによって、基板１１０の法線Ａ−Ａ線に向かって所望の角度になるように、ｎ型非晶質シリコン層１１７とｉ型非晶質シリコン層１１６、基板１１０とを基板１１０の中央から基板１１０の端部に向かってレーザを照射して傾斜面１０１を形成する。

この発明による太陽電池モジュール１０は、図５及び図６に示すように、受光面側及び裏面側の集電極１１９、１１５には、接着層によって配線材１２０、１２０が圧着（接着）されている。従って、集電極１１９の一部は配線材１２０によって被覆され、一部が配線材１２０から露出して表面部材４１に臨んでいる。同様に、集電極１１５の一部は配線材１２０によって被覆され、一部が配線材１２０から露出して裏面部材４２に臨んでいる。

接着層としては、エポキシ樹脂を主成分として、１８０℃の加熱で急速に架橋が促進され、１５秒程度で硬化が完了するような架橋促進剤が配合されている樹脂接着剤を用いる
ことができる。この接着層の厚みは、０．０１〜０．０５ｍｍであり、幅は入射光の遮蔽を考慮して、配線材１６と同等若しくは配線材幅より狭い方が好ましい。この実施形態では、幅１．５ｍｍ、厚み０．０２ｍｍの帯状フィルムシートに形成された樹脂接着剤を用いることができる。

また、樹脂接着剤としては、導電性粒子を含まないもの或いは導電性粒子を含むものを用いることができる。導電性粒子を含まない樹脂接着剤を用いる場合には、集電極１１９（１１５）の表面の一部を配線剤１２０の表面に直接接触させることによって、電気的な接続を行う。この場合、配線材１２０として銅箔版等の導電体の表面に、錫（Ｓｎ）や半田等の集電極１１９（１１５）より柔らかい導電膜を形成したものを用い、集電極１１９（１１５）の一部を導電膜中にめり込ませるようにして接続することが好ましい。

一方、導電性粒子を含む樹脂接着剤を用いる場合には、導電性粒子を集電極１１９（１１５）の表面及び配線材１２０の表面の両方を接触させることにより、集電極１１９（１１５）と配線材１２０との電気的接続を行う。この場合、集電極１１９（１１５）の表面の一部を配線材１２０の表面に直接接触させることによって、より好ましい電気的な接続を行うことができる。

上記した例においては、樹脂接着剤を用いて集電極１１５（１１９）と配線材１２０とを接続しているが、樹脂接着剤の代わりに半田を用いても良い。この場合、集電極１１９（１１５）は、複数の細線電極１１９（１１５）を互いに電気的に接続するように形成された、半田付け可能な金属からなる接続用電極を有する。そして、この接続用電極の表面に半田を用いて配線材１２０を接着することができる。

上記のように、傾斜面１０１を形成することで、図３に示すように、太陽電池１の端部は、基板１１０面が露出することになり、図中矢印方向で示すように光が入射すと、光入射側の非晶質シリコン１１７、１１６に光が吸収されず、基板１１０に直接光を入射させることができる。この結果、光吸収ロスが抑制され、出力特性が向上できる。

図４は、この発明の太陽電池の他の実施形態を示す模式断面図である。この図４においては、レーザを基板１１０の端部で法線方向に沿って照射し、基板１１０の中央部分までスクライブし、その後基板を割ることにより、メサ形状の傾斜面１０１を形成したものである。この方法により形成した太陽電池１においても、端部は、基板１１０面が露出することになり、図中矢印方向で示すように光が入射すと、光入射側の非晶質シリコン１１７、１１６に光が吸収されず、基板１１０に直接光を入射させることができる。

図６に示すように、太陽電池１の４つのコーナー部分１１０ｃは、それぞれカットされている。このため、太陽電池モジュール１０を形成した場合、４つの太陽電池１が合わさる位置では、カットされたコーナー部分が互いに向かい合うことになり、略菱形の空間Ｓが空くことになる。この空間を通過する光は他の太陽電池１間の隙間より多くなる。このため、裏面部材４２側で反射し、表面部材４１側に再び入射する光は他の領域より多くなる。従って、このコーナー部分１１０ｃの光吸収を積極的に上昇させることでも出力特性の向上が図れる。コーナー部分１１０ｃに傾斜面１０１を設けることが出力特性の向上に寄与する。図６に示す実施形態のおいては、傾斜面１０１を全周に設けているが、コーナー部分１１０ｃだけに傾斜面１０１を設けても出力特性の向上が図れる。

次に、上記した図４に示す形状の傾斜面１０１を有する太陽電池１０を用いた場合と傾斜面を設けない以外は同じ構造の太陽電池を用意し、太陽電池特性を測定した。測定結果を表１に示す。表１は傾斜面を設けていないサンプルの測定値で規格化した値を示している。

上記のように、この発明によれば、太陽電池特性が向上していることが分かる。

尚、上記した実施形態においては、光電変換部１００は、正方形の４つのコーナー部分が切り取られた形状に形成されているが、コーナー部分が切り取られていない正方形状のものであっても良い。

また、裏面部材４２に臨む集電極１１５は、光電変換部１００の一面の略全面を覆うように形成されていても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 太陽電池
１０ 太陽電池モジュール
４１ 表面部材
４２ 裏面部材
１００ 光電変換部
１０１ 傾斜面
１１０ ｎ型単結晶シリコン基板
１１０ｃ コーナー部分
１１２ ｉ型非晶質シリコン層
１１３ ｐ型非晶質シリコン層
１１４ ＩＴＯ膜
１１６ ｉ型非晶質シリコン層
１１７ ｎ型非晶質シリコン層（抑制層）
１１８ ＩＴＯ膜
１１５、１１９ 集電極
１２０ 配線材

Claims (4)

1. 表面部材と裏面部材との間に太陽電池が封止樹脂で封止されてなる太陽電池モジュールであって、
   前記太陽電池は、一導電型のシリコン基板に少数キャリアの再結合を抑制する抑制層が設けられており、前記抑制層の端面および前記シリコン基板の端面から構成された傾斜面を有し、
   前記傾斜面は、前記表面部材と対向するように前記太陽電池の法線方向と非平行、且つ、前記太陽電池の縁端部の一部に形成されている太陽電池モジュール。
2. 前記縁端部の一部は、矩形形状のコーナー部分がカットされた形状の部分のみである請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記抑制層は、一導電型の単結晶シリコン基板と対向する面上に設けられた一導電型の非晶質シリコン層であり、
   前記傾斜面は、前記非晶質シリコン層の端面および前記単結晶シリコン基板の端面から構成されている請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記傾斜面は、前記表面部材から前記裏面部材に向かう方向に凹の曲面を有している請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。