JP6196585B2 - 太陽電池システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池セルを複数枚並べ、隣接する太陽電池セルを接続して電気的出力を取り出す太陽電池モジュールを用いた太陽電池システムに関する。

太陽電池セルを複数枚並べて接続した太陽電池モジュールにおいては、太陽電池セルの受光面側、及びその裏面側にバス電極が複数本形成され、バス電極にタブ線を接続し、隣接する太陽電池セル同士を電気的に接続する。

近年では電極材料などの開発が進み、太陽電池セルの電気特性は飛躍的に向上し、結晶系太陽電池セルでは１９％以上の太陽電池変換効率が一般的となってきている。従って過年にすでに屋根上などに設置された、現状に比べて電気的出力の低い太陽電池モジュールにおいて、破損などにより交換する必要が生じる場合がある。交換する必要が生じた場合、現在の太陽電池セルを用いた太陽電池モジュールに交換すると、電気的出力が高すぎるために、システム内での電流ミスマッチが起こり、場合によってはシステム全体の電気的出力を著しく引き下げるといった問題があった。

また、バス電極を有する太陽電池セルに関する技術として、特許文献１が開示されている。しかしながら、特許文献１の技術は、バス電極を３本とすることにより高効率の太陽電池モジュールを提供することを目的とするものであるが、太陽電池システム全体の出力については検討がなされていない。

特開２０１０−２６７９９０号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、かかる課題に対し、電気的出力の低い太陽電池モジュールを製造する場合、わざわざ出力の低い太陽電池セルを専用に製造しなくてはならず、製造が困難である。あるいは、仮に製造できたとしても量産性に乏しく非常に高コストになる。このため、太陽電池セルではなく、太陽電池セルをアセンブリする過程で何らかの対応をする必要がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、出力を合わせた太陽電池セルを専用に用意することなく、太陽電池セルの電気的接続方法により、使用するシステムに対して電気的出力の最適化が可能な太陽電池システム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、本発明の太陽電池システムは、Ｎ列の受光面バス電極を有する複数の第１の太陽電池セルをＮ列のタブ線で接続した第１の太陽電池モジュールと、Ｎ列のバス電極を有し、第１の太陽電池セルよりも出力の大きい複数の第２の太陽電池セルをＮ列よりも小さい列数のタブ線で接続した第２の太陽電池モジュールとを有する。

本発明によれば、出力を合わせた太陽電池セルを専用に用意することなく、太陽電池セルの電気的接続方法により、使用するシステムに対して電気的出力の最適化が可能な太陽電池システムを得ることができる。

図１は、本発明にかかる太陽電池モジュールの実施の形態１の正面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を矢視方向からみた図である。 図３は、図１のＢ部を示す拡大図である。 図４（ａ）および（ｂ）は、１個の太陽電池セルの上面図および断面図である。 図５は、実施の形態２の太陽電池システムを示す図である。

以下に、本発明にかかる太陽電池モジュールおよび太陽電池システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施の形態により本発明が限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる太陽電池モジュールの実施の形態１の正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面を矢視方向から見た図である。本実施の形態の太陽電池モジュールは、タブ線２０による太陽電池セル１０間の接続を、複数列の受光面バス電極１６Ｂのうち少なくとも１列を残して接続するようにしたことを特徴とする。これにより、太陽電池セル１０上からタブ線２０に集電するまでの距離が延びることで抵抗損失を増加させ、さらに１本のタブ線２０に集電される電流量が増えることでタブ線２０を流れる電流量に対する抵抗損失を増加させることによって、太陽電池モジュール全体の電気的出力を抑制する。これにより、住宅の屋根上などに設置された太陽光発電システムである太陽電池システムの一部の太陽電池モジュールを交換する際に、既設の太陽電池モジュールと電気特性の異なる太陽電池セルを用いても太陽電池モジュールの電気特性のミスマッチを抑制する。

太陽電池モジュール１００は、受光面側にガラス製の透光性基板５０を配置し、透光性基板５０の裏面側に直列あるいは並列に接続された複数の太陽電池セル１０を並べて配置した太陽電池アレイ３０を形成し、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）やポリオレフィンなどの封止樹脂６０やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの電気的絶縁材料７０で封止した太陽電池パネル４０に、アルミニウムなどの押出成型にて作製された枠部材８０を太陽電池パネル４０の外縁部の一部または全周にわたってシリコン系の接着剤などを介して固定され、作製されている。

図３は図１のＢ部を示す拡大図、図４（ａ）および（ｂ）は、１個の太陽電池セル１０の上面図および断面図である。太陽電池セル１０は半導体基板であるｎ型単結晶シリコン基板１１の第１主面である受光面１１Ａに形成された受光面バス電極１６Ｂと、第２主面である裏面１１Ｂ側に形成された裏面バス電極１７Ｂとを有する。受光面バス電極１６Ｂ、裏面バス電極１７Ｂは本実施の形態では４本の直線形状で示しているが、２本、３本、５本以上でもよく、また直線形状以外にも破線形状やドット形状などで形成してもよい。また受光面バス電極１６Ｂおよび裏面バス電極１７Ｂは、同数で、互いに相対向する位置に形成されているが、受光面側のみに多く形成してもよい。あるいはまた、裏面側は全面電極としたり、共通電極としたりすることも可能である。またこれら受光面側および裏面バス電極１６Ｂ，１７Ｂは銀や銅などを主成分とする材料で形成される。

隣り合う太陽電池セル１０は、受光面バス電極１６Ｂと裏面バス電極１７Ｂとを、タブ線２０を使用し、４本の電極のうち２本を接合して電気的に接続し、更に複数の太陽電池セル１０を同様に直列または並列に接続することで、前述の太陽電池アレイ３０を形成する。なお、太陽電池セル１０のタブ線を用いた接合方法としては、はんだによる接合や接着剤による接合などが用いられる。

また、使用するタブ線２０は、バス電極の幅寸法に合わせた形状を使用するが、太陽電池セルの受光面積を減らす目的として、バス電極の幅寸法より大きい幅のものを使用してもよい。またバス電極の幅を大きくすることで出力を低減することも可能である。さらには、タブ線の両側面に遮光性の絶縁性フリンジを形成した広幅のタブ線を用いることも可能である。これにより、一方の面に電極を形成した太陽電池セルを用いる場合にも、他極との短絡を防ぎつつ出力の調整を図ることも可能である。

また、本実施の形態では、４本のバス電極のうち２本を接続する例について説明したが、４本のバス電極のうち３本、または１本を接合する場合にも適用可能である。

本実施の形態の太陽電池モジュールに用いられる太陽電池セル１０は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１１の受光面１１Ａ側に４本の受光面バス電極１６Ｂを有し、受光面バス電極１６Ｂの一部が、タブ線２０に接続されることなく残されている場合を有することを特徴とするものである。図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。ｎ型単結晶シリコン基板１１の受光面１１Ａには光反射を低減するテクスチャー１１Ｔを有する凹凸構造が形成されている。そして、凹凸構造上にｐ型拡散層１２が形成され、ｐ型拡散層１２上に、窒化シリコン膜からなる反射防止膜１３が積層されている。そして、反射防止膜１３の任意の位置に受光面１１Ａ側の第１の集電電極である受光面グリッド電極１６Ｇと４本の受光面バス電極１６Ｂとが形成され、受光面グリッド電極１６Ｇと受光面バス電極１６Ｂとがｐ型拡散層１２に接触している。ここで、ｎ型単結晶シリコン基板１１の受光面１１Ａと対向する裏面１１Ｂには受光面１１Ａと同様にテクスチャー１１Ｔが形成され、順に、ｎ型拡散層１４と、パッシベーション膜１５とが形成され、パッシベーション膜１５の任意の箇所に第２の集電電極である裏面バス電極１７Ｂが形成されている。

本実施の形態では上述したように、太陽電池セル１０は受光面側に形成された受光面バス電極１６Ｂと、裏面側に形成された裏面バス電極１７Ｂとを有する。受光面バス電極１６Ｂおよび裏面バス電極１７Ｂは、等ピッチで複数列配置され、隣り合う２本のバス電極間の距離は、太陽電池セルの端面と最も端面側に位置するバス電極との距離の２倍である。なお図４（ａ）ではグリッド電極１６Ｇの一部を省略している。

本実施の形態の太陽電池モジュールでは、通例の技術と同じ、等ピッチで複数列配置された受光面バス電極１６Ｂおよび裏面バス電極１７Ｂを有する太陽電池セル１０を使用するが、複数列のうち、一部の列のみで隣り合う太陽電池セル１０を接続して太陽電池モジュール１００を構成することを特徴とする。即ち、本実施の形態の太陽電池モジュール１００は、太陽電池セル１０の受光面バス電極１６Ｂおよび裏面バス電極１７Ｂの列数よりも少ない列数のタブ線２０で隣り合う太陽電池セル１０を接続する。

比較例として通例の技術による太陽電池モジュールでは、隣り合う太陽電池セル１０を、バス電極の列数と同じ列数のタブ線２０で接続する。即ち、タブ線２０側から見ると、両側から同じ幅の電流を集める事でグリッド電極での抵抗損失を最小限にするとともに、複数本のタブ線２０に流れる電流を均等にすることで抵抗損失を最小限にしている。

通例の太陽電池モジュールに対して接続方法を変えることで、受光面グリッド電極１６Ｇおよび不図示の裏面グリッド電極の受光面バス電極１６Ｂおよび裏面バス電極１７Ｂまでの距離が長くなって抵抗損失が増加して出力が低下する。即ち、本実施の形態では、通例の技術と同じ太陽電池セル１０を用いることで、製造コストを抑制するとともに、タブ線２０の接続本数を減らすことで出力の低い太陽電池モジュール１００を得ることができる。これにより、太陽電池セル１０の出力が向上しても、通例技術と同程度の出力となる太陽電池モジュール１００を得ることができるので、通例の太陽電池システムの一部の太陽電池モジュールを交換する際に、同程度の出力を持つ太陽電池モジュールを使用することができ、システムのマッチングをとることができる。

上述したように太陽電池モジュールの出力を調整する場合、太陽電池セルに形成される受光面バス電極および裏面バス電極の列数が多い方が調整は容易となる。特に、受光面バス電極および裏面バス電極を４列以上とすることで、太陽電池モジュール１００の出力を容易に調整するという効果を得ることができる。バス電極が３列の場合、２列を接続すると、出力は３分の２となり、出力ギャップが実用的でない場合があるが、バス電極が４列の場合、３列を接続すると出力は４分の３となり、より微調整が可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１で説明した太陽電池モジュールを用いて構成した太陽電池システムである。図５に実施の形態２の太陽電池システム１５０を示す。実施の形態２の太陽電池システムは、Ｎ列のバス電極を有する第１の太陽電池セル１４０をＮ列のタブ線で接続した第１の太陽電池モジュール１３０と、Ｎ列のバス電極を有し、第１の太陽電池セル１４０よりも出力の大きい第２の太陽電池セル１２０をＮ列よりも小さい列数のタブ線で接続した第２の太陽電池モジュール１１０を有する。第１の太陽電池モジュール１３０が通例の技術で製造した太陽電池モジュールに相当し、第２の太陽電池モジュール１１０が実施の形態１で説明した太陽電池モジュールに相当する。

第１の太陽電池セル１４０と第２の太陽電池セル１２０とはいずれも図４（ａ）および（ｂ）に示したのと同様、受光面側および裏面側に４本ずつのバス電極を有する４本バス電極構造をもつものである。第１の太陽電池セル１４０は多結晶シリコン基板を用いた太陽電池セルであり、図５に示すように、正方形状である。また、第２の太陽電池セル１２０は単結晶シリコン基板を用いた太陽電池セルであり、外形は四角形の角を丸く落とした形状の基板である。

なお、太陽電池セルの組み合わせは図５に示した実施の形態２の太陽電池システムに限定されるものではなく、各太陽電池セルの基板形状も実施の形態２の太陽電池システムの外観形状に限定されるものではない。第１の太陽電池セル１４０および第１の太陽電池セル１４０よりも出力の大きい第２の太陽電池セル１２０は、両方ともに単結晶基板を用いてもよい。形状も両方ともに正方形状でもよいし、どちらか一方または両方ともに角部を丸く落とした形状でもよい。つまり、異なる種類の太陽電池セルを組み合わせて構成することもなんら問題はない。

第２の太陽電池セル１２０は第１の太陽電池セル１４０よりもセル出力が大きい。第１の太陽電池モジュール１３０は隣り合う第１の太陽電池セル１４０を４本のタブ線２０で接続して構成する。

一方、第２の太陽電池モジュール１１０は隣り合う第２の太陽電池セル１２０を３本のタブ線で接続して構成する。

上記構成とすることで、出力の異なる太陽電池セルを使用しても、同程度の出力の太陽電池モジュールを形成することができ、システムのマッチングが取れた太陽電池システムを提供することができる。

また、上記構成とした太陽電池システムでは、太陽電池セルのバス電極としては、いずれの太陽電池モジュールにおいても、同じ本数で構成されており、太陽電池システムとして並べた時に外観上調和したシステムを提供することができる。

なお、図５では、３×４の１２枚の第１および第２の太陽電池セル１４０，１２０で構成された第１および第２の太陽電池モジュール１３０，１１０を２×２の４枚で配列した太陽電池システムの例を示したが、太陽電池セルの縦横の配列数や太陽電池モジュールの縦横の配列数は任意に選択できる。

また、第１および第２の太陽電池モジュールの受光面バス電極の列数はいずれもＮ列としたが、一方をＮ列、他方をＭ列とし、互いに異なる列数としてもよい。

以上説明してきたように、実施の形態１，２によれば、太陽電池セル上からタブ線に集電するまでの距離が延びることで抵抗損失を増加させ、さらに１本のタブ線に集電される電流量が増えることでタブ線を流れる電流量に対する抵抗損失を増加させることによって、太陽電池モジュール全体の電気的出力を抑制することができる。従って、住宅の屋根上などに設置された太陽電池システムの一部の太陽電池モジュールを交換する際に、既設の太陽電池モジュールと電気特性の異なる太陽電池セルを用いても太陽電池モジュールの電気特性のミスマッチを最低限に抑えることができるという効果を奏する。

なお、前記実施の形態１，２では、半導体基板としてｎ型単結晶シリコン基板を用いる例について説明したが、ｐ型単結晶シリコン基板、あるいはｎ型多結晶シリコン基板、ｐ型多結晶シリコン基板などの結晶系シリコン基板、さらには無機系の半導体基板だけでなく、有機系半導体基板にも適用可能である。

また、前記実施の形態１，２ではいずれも基板の第１および第２主面に電極が形成された太陽電池セルについて説明したが、第１主面に正および負の両電極が形成された太陽電池についても適用可能である。タブ線の構成に短絡防止のための構成が必要となるが、実施の形態１，２が適用可能であることはいうまでもない。従って、第１の極性をもつ複数列のバス電極を有する太陽電池セルと、バス電極に沿って接続部を有し、隣接セルの第２の極性を持つ電極に接続するタブ線とを有し、タブ線が、複数列のバス電極のうち、少なくとも１列を残して選択的に接続された太陽電池モジュールの実現が可能となる。

本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

以上のように、本発明は、何らかの事案によって太陽光発電システムの一部の太陽電池モジュールを交換する際の、既設品と交換する太陽電池モジュールに適用されて好適なものである。

１０ 太陽電池セル、１１ ｎ型単結晶シリコン基板、１１Ａ 受光面、１１Ｂ 裏面、１２ ｐ型拡散層、１３ 反射防止膜、１４ ｎ型拡散層、１５ パッシベーション膜、１６Ｂ 受光面バス電極、１６Ｇ 受光面グリッド電極、１７Ｂ 裏面バス電極、２０ タブ線、３０ 太陽電池アレイ、４０ 太陽電池パネル、５０ 透光性基板、６０ 封止樹脂、７０ 電気的絶縁材料、８０ 枠部材、１００ 太陽電池モジュール、１１０ 第２の太陽電池モジュール、１２０ 第２の太陽電池セル、１３０ 第１の太陽電池モジュール、１４０ 第１の太陽電池セル。

Claims (1)

1. Ｎ列の受光面バス電極を有する複数の第１の太陽電池セルをＮ列のタブ線で接続した第１の太陽電池モジュールと、
   Ｎ列のバス電極を有し、第１の太陽電池セルよりも出力の大きい複数の第２の太陽電池セルをＮ列よりも小さい列数のタブ線で接続した第２の太陽電池モジュールと
   を有する太陽電池システム。

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