JP6356476B2 - 太陽電池搭載用基板及び太陽電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池搭載用基板及び太陽電池モジュールに関する。
従来、平板状の基板に複数の太陽電池を実装可能であり、周囲に集光用の反射パターンを設けた太陽電池搭載用基板が知られている。又、平板状の基板の表面に細長状の凹部を複数列に形成し、各凹部に長手方向に沿って複数個の太陽電池(例え、球体セル)を一列に配列して実装可能とした太陽電池搭載用基板が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−339086号公報
しかしながら、従来の太陽電池搭載用基板は、複数の太陽電池を同じ高さに実装するように形成されている。そのため、太陽電池搭載用基板に複数の太陽電池を実装した太陽電池モジュールにおいて、周縁側に配置される太陽電池と比べて、中心側に配置される太陽電池の受光量が小さくなり、太陽電池モジュール全体の発電効率を低下させる要因となっていた。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、太陽電池を搭載した際の発電効率を向上可能な太陽電池搭載用基板等を提供することを課題とする。
本太陽電池搭載用基板は、基板と、前記基板の一方の面に設けられた、太陽電池を搭載するための複数の溝と、を有し、複数の前記溝は、第1溝と、前記第1溝よりも前記基板の一方の面の周縁側に配置された第2溝と、を含み、前記第2溝は、前記基板の一方の面を基準として、前記第1溝よりも深く形成されており、前記第2溝は、前記第1溝と同一深さの第1凹部と、前記第1凹部内に前記第1溝よりも一段下がるように形成された前記第1凹部よりも小さい第2凹部と、を有する段付き構造であり、夫々の前記溝の内壁面及び底面には、前記太陽電池の2つの電極に接続可能にパターニングされた金属層が形成されていることを要件とする。
開示の技術によれば、太陽電池を搭載した際の発電効率を向上可能な太陽電池搭載用基板等を提供できる。
第1の実施の形態に係る太陽電池モジュールを例示する図である。 比較例に係る太陽電池モジュールを例示する断面図である。 第1の実施の形態に係る太陽電池モジュールの効果を説明する断面図である。 第2の実施の形態に係る太陽電池モジュールを例示する図である。 第1の実施の形態の変形例に係る太陽電池モジュールを例示する断面図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の形態に係る太陽電池モジュールを例示する図であり、図1(b)は平面図、図1(a)は図1(b)のA−A線に沿う断面図である。但し、図1(b)では、図1(a)の一部のみを図示している。又、便宜上、図1(b)では、各溝の内壁面を梨地模様で示している。
図1を参照するに、太陽電池モジュール1は、太陽電池搭載用基板10と、太陽電池50と、ボンディングワイヤ60とを有する。又、太陽電池搭載用基板10は、基板20と、金属層30と、パッド40とを有し、複数の太陽電池50を搭載可能に構成されている。
なお、本実施の形態では、便宜上、太陽電池50側を上側又は一方の側、基板20側を下側又は他方の側とする。又、各部位の太陽電池50側の面を上面又は一方の面、基板20側の面を下面又は他方の面とする。但し、太陽電池モジュール1は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、本実施の形態では、平面視とは対象物を基板20の一方の面20aの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基板20の一方の面20aの法線方向から視た形状を指すものとする。
基板20としては、例えば、樹脂基板(例えば、エポキシ系樹脂を主成分とするもの)、セラミック基板、シリコン基板等を用いることができる。基板20の厚さは、例えば、数100μm〜数mm程度とすることができる。基板20は、例えば、複数の絶縁層や配線層が積層されたものでもよく、又、基板20の他方の面20bに配線や外部接続端子等が設けられていてもよい。
基板20の一方の面20aには、第1溝21及び第2溝22を含む複数の溝が設けられている。第1溝21及び第2溝22は、太陽電池50を搭載するために設けられたものであり、太陽電池50を位置決めする機能等を有する。第1溝21及び第2溝22は、例えば、切削加工法やレーザ加工法等により形成できる。第1溝21及び第2溝22は、任意の個数とすることができるが、本実施の形態では一例として第1溝21を1個、第1溝21よりも基板20の一方の面20aの周縁側に第2溝22を8個設けている。すなわち、本実施の形態では、太陽電池搭載用基板10は、夫々の第1溝21及び第2溝22に太陽電池50を1つずつ搭載可能に構成され、最大で9個の太陽電池50を搭載することができる。
第1溝21は、基板20の一方の面20aの略中央部に1個設けられている。第2溝22は、基板20の一方の面20aにおいて、略中央部の第1溝21の周囲を囲むように格子状に配置されている。但し、第2溝22は、第1溝21の周囲を囲むように配置されていれば格子状に配置されていなくてもよく、例えば、千鳥状に配置されてもよい。
基板20の一方の面20aを基準とする第2溝22の深さDは、基板20の一方の面20aを基準とする第1溝21の深さDよりも深く形成されている。深さDは、搭載する太陽電池50の大きさ等を考慮して適宜決定できるが、例えば、数10〜数100μm程度とすることができる。深さDは、例えば、深さDの2倍程度とすることができる。
第1溝21は、内壁面21aと、内壁面21aに連続する底面21bとを有する。第1溝21の平面形状は、例えば、円形とすることができる。搭載する太陽電池50が直径1.0〜2.0mm程度の球状であれば、第1溝21の直径は、例えば、1.0〜2.0mm程度とすることができる。第1溝21の内壁面21aは、例えば、基板20の一方の面20a側が幅広のテーパ形状とすることができるが、基板20の一方の面20aに対して略垂直であってもよい。
第2溝22は、内壁面に段差を有する段付き構造とされている。すなわち、第2溝22は、第1溝21と略同一深さの第1凹部23(深さD)と、第1凹部23の底面の略中央部に第1凹部23よりも一段下がるように形成された、第1凹部23よりも小さい第2凹部24(深さD)から構成されている。
第1凹部23は、内壁面23aと、内壁面23aに連続する底面23bとを有する。又、第2凹部24は、内壁面24aと、内壁面24aに連続する底面24bとを有する。第1凹部23の底面23bと第2凹部24の内壁面24aとにより、連続した段付き構造を有する。
第2凹部24の平面形状は、例えば、直径が第1溝21と同程度の円形とすることができる。第1凹部23は、第2凹部24よりも直径が数10〜数100μm程度大きな円形とすることができる。なお、第1凹部23と第2凹部24とは同心的に形成することができる。
第1凹部23の内壁面23a及び第2凹部24の内壁面24aは、例えば、基板20の一方の面20a側が幅広のテーパ形状とすることができるが、基板20の一方の面20aに対して略垂直であってもよい。但し、第2溝22は内壁面に段差を有する段付き構造(第1凹部23と第2凹部24とを有する構造)とせずに、内壁面に段差を有しない第1溝21よりも深い1つの溝としてもよい。
金属層30は、第1溝21及び第2溝22の内壁面21a、23a、24a及び底面21b、23b、24bを被覆するように形成されている。金属層30は、例えば、銅等から構成することができる。金属層30を構成する銅等の表面にめっき層を形成してもよい。この際、金めっきや銀めっき等の太陽光等の照射光に対する反射率の高い材料を用いると、照射光が金属層30の表面で反射して太陽電池50に入射するため、照射光の利用効率を向上できる点で好適である。
この際、第1溝21及び第2溝22の内壁面21a、23a、24aの傾斜を、照射光が金属層30の表面で反射して太陽電池50に入射しやすい角度に設定すると、照射光の利用効率を更に向上できる点で好適である。金属層30の厚さは、例えば、10〜20μm程度とすることができる。なお、金属層30は、基板20の一方の面20aに延在してもよい。又、金属層30は、配線として用いることができ、ビア配線等を介して他の配線と接続されてもよい。
パッド40は、基板20の一方の面20aに形成されており、搭載される太陽電池50と電気的に接続される。パッド40は、例えば、銅等から形成することができる。パッド40の平面形状は、例えば、円形や矩形等とすることができる。パッド40の厚さは、例えば、10〜20μm程度とすることができる。
太陽電池50は、太陽電池搭載用基板10に複数個(本実施の形態では9個)搭載されている。太陽電池50は、例えば、シリコンに設けられた光電変換層が照射光を光電変換することにより生じた電流を電極51及び52から取り出す機能を有する。電極51は、例えば、太陽電池50の下端に設けられ、電極52は、例えば、太陽電池50の上端に設けられている。太陽電池50は、例えば、直径1.0〜2.0mm程度の球状とすることができるが、電極51や52が形成される部分に平坦面を有してもよい。
各太陽電池50は、電極51側が太陽電池搭載用基板10の基板20に設けられた第1溝21及び第2溝22内に収容され、電極52側が基板20の一方の面20aから突起するように搭載されている。電極51は、はんだや銀ペースト等(図示せず)により、金属層30と電気的に接続されている。電極52は、金線や銅線等からなるボンディングワイヤ60を介して、パッド40と電気的に接続されている。各太陽電池50は、直列又は並列に接続されている。
太陽電池搭載用基板10の基板20の一方の面20aや他方の面20bに各太陽電池50の電極51及び52に接続された外部出力端子を設けることにより、各太陽電池50が光電変換した電流を外部に取り出すことができる。なお、各太陽電池50が光電変換した電流の一部又は全部を、太陽電池モジュール1内で消費するようにしてもよい。例えば、太陽電池モジュール1に半導体チップを搭載し、太陽電池50を電源として半導体チップを動作させることができる。
図2は、比較例に係る太陽電池モジュールを例示する断面図であり、図1(a)に対応する断面を示している。図2を参照するに、比較例に係る太陽電池モジュール1Xでは、太陽電池モジュール1とは異なり、基板20に第2溝22が形成されていなく、第1溝21のみが形成されている。つまり、太陽電池モジュール1Xでは、基板20に形成された全ての溝の深さは均一(深さD)である。
図2に示す太陽電池モジュール1Xの場合、紙面左側の太陽電池50は、紙面中央の太陽電池50と同じ高さに搭載されている。そのため、太陽電池モジュール1Xに斜め方向から照射される光Lは、紙面左側の太陽電池50に遮られ、紙面中央の太陽電池50には入射しない。従って、紙面中央の太陽電池50に照射される光の量が減少し、発電効率が低下してしまう。
一方、図3に示す太陽電池モジュール1の場合、紙面左側の太陽電池50は、紙面中央の太陽電池50よりも低い位置に搭載されている。そのため、太陽電池モジュール1に斜め方向から照射される光Lは、紙面左側の太陽電池50に遮られることなく、紙面中央の太陽電池50に入射する。そして、紙面中央の太陽電池50で光電変換される。なお、破線Bは、紙面左側の太陽電池50が紙面中央の太陽電池50と同一の高さに搭載された場合の位置を参考として示している。
第2溝22の開口部を適度な大きさとしておけば、紙面左側の太陽電池50を紙面中央の太陽電池50よりも低い位置に搭載しても、紙面左側の太陽電池50に斜め方向から入射する光の量を太陽電池モジュール1Xの場合より多くすることができる。つまり、太陽電池モジュール1では、第2溝22に搭載された太陽電池50に入射する光の量が太陽電池モジュール1Xより多くなり、第1溝21に搭載された太陽電池50に入射する光の量は太陽電池モジュール1Xよりも増加する(光の集光率が増加する)。その結果、太陽電池モジュール1では、太陽電池モジュール1Xよりも発電効率を向上することができる。
なお、太陽電池モジュール1では、基板20の周辺部の太陽電池50を、基板20の中央部の太陽電池50よりも低い位置に搭載することが重要である。そのため、基板20の周辺部の太陽電池50を中央部の太陽電池50よりも低い位置に搭載できれば、溝の個数や深さの関係は、図1(b)の形態には限定されず任意の形態とすることができる。
例えば、16個の太陽電池50を格子状に配置する場合に、基板20の中央部に深さDの第1溝21を4個設け、4個の第1溝21の周囲を囲むように、深さDの第2溝22を12個設けてもよい。又、25個の太陽電池50を格子状に配置する場合に、図1(b)の8個の第2溝22の周囲を囲むように、深さD(深さDよりも更に深い)の第3凹部を16個設けてもよい。
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、太陽電池の搭載の方法が第1の実施の形態と異なる例を示す。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図4は、第2の実施の形態に係る太陽電池モジュールを例示する図であり、図4(b)は平面図、図4(a)は図4(b)のA−A線に沿う断面図である。但し、図4(b)では、図4(a)の一部のみを図示している。又、便宜上、図4(b)では、各溝の内壁面を梨地模様で示している。
図4を参照するに、太陽電池モジュール1Aは、太陽電池搭載用基板10Aと、太陽電池50Aとを有する。太陽電池50Aは、太陽電池50(図1参照)とは電極51及び52の位置が異なるのみである。太陽電池50Aでは、下端に電極51及び52が設けられているため、太陽電池搭載用基板10Aにフリップチップ実装することができる。
太陽電池搭載用基板10Aは、基板20と、金属層30とを有し、太陽電池50Aを搭載可能に構成されている。太陽電池モジュール1Aでは、太陽電池搭載用基板10Aに太陽電池50Aをワイヤボンディングで接続しないため、太陽電池搭載用基板10Aにはボンディング用のパッド40は形成されていない。その代り、太陽電池モジュール1Aでは、太陽電池搭載用基板10Aに太陽電池50Aをフリップチップ実装するため、金属層30が電極51及び52と独立に接続可能なようにパターニングされている。
太陽電池搭載用基板10Aの基板20には、第1溝25及び第2溝26が設けられている。第1溝25及び第2溝26は、太陽電池50Aを搭載するために設けられたものであり、太陽電池50Aを位置決めする機能等を有する。第1溝25及び第2溝26は、例えば、切削加工法やレーザ加工法等により形成できる。
第1溝25は、基板20の一方の面20aの略中央部に1個設けられている。第2溝26は、基板20の一方の面20aにおいて、略中央部の第1溝25の周囲を囲むように格子状に配置されている。但し、第2溝26は、第1溝25の周囲を囲むように配置されていれば格子状に配置されていなくてもよく、例えば、千鳥状に配置されてもよい。
基板20の一方の面20aを基準とする第2溝26の深さDは、基板20の一方の面20aを基準とする第1溝25の深さDよりも深く形成されている。深さDは、第1の実施の形態と同様に、搭載する太陽電池50の大きさ等を考慮して適宜決定できる。
第1溝25は、内壁面25aと、内壁面25aに連続する底面25bとを有する。第1溝25の平面形状は、例えば、円形とすることができる。搭載する太陽電池50が直径1.0〜2.0mm程度の球状であれば、第1溝25の直径は、例えば、1.0〜2.0mm程度とすることができる。第1溝25の内壁面25aは、例えば、基板20の一方の面20a側が幅広のテーパ形状とすることができるが、基板20の一方の面20aに対して略垂直であってもよい。
第2溝26は、内壁面に段差を有する段付き構造とされている。すなわち、第2溝26は、第1溝25と略同一深さの第1凹部27(深さD)と、第1凹部27の底面の略中央部に第1凹部27よりも一段下がるように形成された、第1凹部27よりも小さい第2凹部28(深さD)から構成されている。
第1凹部27は、内壁面27aと、内壁面27aに連続する底面27bとを有する。又、第2凹部28は、内壁面28aと、内壁面28aに連続する底面28bとを有する。第1凹部27の底面27bと第2凹部28の内壁面28aとにより、連続した段付き構造を有する。
第2凹部28の平面形状は、例えば、直径が第1溝25と同程度の円形とすることができる。第1凹部27は、第2凹部28よりも直径が数10〜数100μm程度大きな円形とすることができる。なお、第1凹部27と第2凹部28とは同心的に形成することができる。
第1凹部27の内壁面27a及び第2凹部28の内壁面28aは、例えば、基板20の一方の面20a側が幅広のテーパ形状とすることができるが、基板20の一方の面20aに対して略垂直であってもよい。但し、第2溝26は内壁面に段差を有する段付き構造(第1凹部27と第2凹部28とを有する構造)とせずに、内壁面に段差を有しない第1溝25よりも深い1つの溝としてもよい。
第2の実施の形態として、円形状の第1溝25及び第2溝26を示したが、これに限らず、半円形状を一対とした溝を用いてもよい。
金属層30は、第1溝25及び第2溝26の内壁面25a、27a、28a及び底面25b、27b、28bを被覆するように形成されている。金属層30は、太陽電池搭載用基板10Aに太陽電池50Aをフリップチップ実装するため、金属層30が電極51及び52と独立に接続可能なようにパターニングされている。例えば、平面形状が半円形状に形成されている。
第1溝25及び第2溝26、金属層30の形状は、円形状又は半円形状に限らず、矩形形状、多角形状、直線形状等、種々の形状を用いてもよい。
太陽電池モジュール1Aにおいて、第2溝26に配置された太陽電池50Aの高さは、第1溝25に配置された太陽電池50Aの高さよりも低い。そのため、第2溝26に配置された太陽電池50Aに遮られずに第1溝25に配置された太陽電池50Aに入射する光の量が増加する。又、第2溝26の開口部を適度な大きさとしておけば、第2溝26に配置された太陽電池50Aに斜め方向から入射する光の量を太陽電池モジュール1Xの場合より多くすることができる。その結果、太陽電池モジュール1Aでは、太陽電池モジュール1と同様に、太陽電池モジュール1Xよりも発電効率を向上することができる。
〈第1の実施の形態の変形例〉
第1の実施の形態の変形例では、太陽電池を樹脂で覆う例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図5は、第1の実施の形態の変形例に係る太陽電池モジュールを例示する断面図であり、図1(a)に対応する断面を示している。図5(a)に示すように、太陽電池モジュール1において、太陽電池50に照射される光に対して透明な樹脂71を、夫々の太陽電池50を一括して覆うように凸状に設けてもよい。凸状の樹脂71の曲面を適切に設計することにより、夫々の太陽電池50に入射する光の集光率が増加するため、図1の場合よりも発電効率を更に向上することができる。
又、図5(b)に示すように、太陽電池モジュール1において、太陽電池50に照射される光に対して透明な樹脂72を、夫々の太陽電池50を一括して覆うように凸状に設けてもよい。樹脂72では、夫々の太陽電池50に対する集光率が最適化されるように、夫々の太陽電池50の上側を夫々の太陽電池50の形状に対応した凸状に形成している。夫々の太陽電池50の上側を個別に凸状とした樹脂72により、夫々の太陽電池50に入射する光の集光率が更に増加するため、図5(a)の場合よりも発電効率を更に向上することができる。
夫々の太陽電池50の上側を個別に凸状にする場合、図5(c)に示すように、夫々の太陽電池50を独立して覆うように複数の透明な樹脂73を設けてもよい。この場合にも、図5(b)の場合と同様の効果を奏する。なお、樹脂71〜73としては、例えば、エチレンビニルアセテート(EVA)等を用いることができる。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、太陽電池モジュール1において、第1溝21及び第2溝22の平面形状を、図1(b)に示した円形状ではなく細長状とし、所定の間隔で並置してもよい。この場合、第1溝21には、複数の太陽電池50を一列に配置することができる。同様に、第2溝22には、複数の太陽電池50を一列に配置することができる。この場合も、所定の方向から照射される光に対しては、第2溝22に配置された太陽電池50に遮られずに第1溝21に配置された太陽電池50に入射する光の量が増加するため、太陽電池モジュール1の発電効率を太陽電池モジュール1Xよりも向上できる。太陽電池モジュール1Aについても、同様の変形が可能である。
1、1A 太陽電池モジュール
10、10A 太陽電池搭載用基板
20 基板
20a 基板20の一方の面
20b 基板20の他方の面
21、25 第1溝
22、26 第2溝
23、27 第1凹部
24、28 第2凹部
30 金属層
40 パッド
50、50A 太陽電池
51、52 電極
60 ボンディングワイヤ
71、72、73 樹脂

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板の一方の面に設けられた、太陽電池を搭載するための複数の溝と、を有し、
    複数の前記溝は、第1溝と、前記第1溝よりも前記基板の一方の面の周縁側に配置された第2溝と、を含み、
    前記第2溝は、前記基板の一方の面を基準として、前記第1溝よりも深く形成されており、
    前記第2溝は、前記第1溝と同一深さの第1凹部と、前記第1凹部内に前記第1溝よりも一段下がるように形成された前記第1凹部よりも小さい第2凹部と、を有する段付き構造であり、
    夫々の前記溝の内壁面及び底面には、前記太陽電池の2つの電極に接続可能にパターニングされた金属層が形成されている太陽電池搭載用基板。
  2. 前記基板は前記一方の面の反対面である他方の面を有し、前記第1溝及び前記第2溝はそれぞれ最高点及び最低点を有し、前記第1溝の最高点と前記第2溝の最高点は前記他方の面から同じ高さに位置している請求項1記載の太陽電池搭載用基板。
  3. 夫々の前記溝は、前記太陽電池を1つずつ搭載可能に構成されている請求項1又は2記載の太陽電池搭載用基板。
  4. 前記第2溝は、前記第1溝の周囲を囲むように配置されている請求項1乃至3の何れか一項記載の太陽電池搭載用基板。
  5. 請求項1乃至の何れか一項記載の太陽電池搭載用基板の夫々の前記溝に、下端に2つの電極が設けられた前記太陽電池搭載され、
    各々の前記電極がパターニングされた前記金属層と接続された太陽電池モジュール。
  6. 前記第2溝に搭載された前記太陽電池は、前記第1溝に搭載された前記太陽電池よりも低い位置にある請求項5記載の太陽電池モジュール。
  7. 夫々の前記溝に球状の太陽電池を搭載し、
    前記太陽電池に照射される光に対して透明な樹脂を、夫々の前記太陽電池を覆うように設け、
    前記樹脂は、夫々の前記太陽電池の形状に対応した凸状に形成されている請求項5又は6記載の太陽電池モジュール。
  8. 基板と、
    前記基板の一方の面に設けられた、太陽電池を搭載するための複数の溝と、
    複数の前記溝に夫々搭載された前記太陽電池と、を有し、
    複数の前記溝は、第1溝と、前記第1溝よりも前記基板の一方の面の周縁側に配置された第2溝と、を含み、
    前記第2溝は、前記基板の一方の面を基準として、前記第1溝よりも深く形成されており、
    前記第2溝は、前記第1溝と同一深さの第1凹部と、前記第1凹部内に前記第1溝よりも一段下がるように形成された前記第1凹部よりも小さい第2凹部と、を有する段付き構造であり、
    夫々の前記溝の内壁面及び底面には金属層が形成されており、
    前記基板の一方の面にはパッドが形成されており、前記太陽電池と前記パッドはボンディングワイヤを介して接続されており、
    前記第2溝に搭載された前記太陽電池は、前記第1溝に搭載された前記太陽電池よりも低い位置にある太陽電池モジュール。
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