JP6548896B2 - 太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1は、封止材の厚さを厚くして、絶縁破壊電圧を最大システム電圧より大きく設計することにより、PID不良を抑制する方法を提案している。
特許文献2は、封止材の材料として、エチレン・極性モノマー共重合体及び架橋剤を含む組成物の架橋硬化膜を用い、封止材の体積抵抗率と厚さの積が5×1013Ωcm2以上として絶縁性を高めることによってNa+イオンの拡散を抑制する方法を提案している。
特許文献3は、保護ガラスと封止材との間に、高湿度環境にあっても水蒸気透過量が少なく高電気抵抗を有するアイオノマ樹脂層と、両面に凹凸を有する透明樹脂層と、エチレン―酢酸共重合体樹脂層がこの順番に積層されることによって、Na+イオンの拡散を抑制する方法を提案している。
特許文献4は、エチレン酢酸ビニル共重合体からなる封止材に加えて、有機過酸化物からなる架橋剤と、オリゴマーからなる安定化剤を含むことによって、電気的絶縁性と水分遮蔽性を改善し、Na+イオンの拡散を抑制する方法を提案している。
非特許文献2は、ソーダライムガラスの替わりにNa+イオンを含有しない石英ガラスを保護ガラスとして用いるか、またはソーダライムガラス表面にシリコン酸化物を形成してアルカリ金属の拡散を抑制する方法を提案している。
非特許文献3は、湿式法によって保護ガラス表面にチタン酸化物(TiO2)膜を形成し、その膜厚が100nm以上であればNa+イオンの拡散が抑制できるとしている。しかし、2時間のPID試験を実施した後に太陽電池の特性劣化が見られており、PID抑制効果は不完全である。
非特許文献4は、スパッタ法によって保護ガラス表面に膜厚が1μmのTiO2膜を形成したが、膜組織が柱状結晶組織を呈しており結晶粒界を通じてNa+イオンが拡散するためPID不良が抑制できなかったと報告している。
非特許文献5は、TiO2膜に加えてSiO2膜を重層化することによってNa+イオンの拡散を遅延できると報告している。
特許文献5は、保護ガラス表面に含有されるNa+イオン濃度をNa2O換算にして0.01重量%以上、13重量%以下にし、体積抵抗率を1.0×108.3Ωcm以上とする方法を提案している。
特許文献6は、保護ガラス及びフレームの表面を疎水性の膜で被覆することで、Na+イオンの溶出を抑制する方法を提案している。
塗布された膜は、酸素を含む雰囲気で焼成することによって酸化物層となる。このとき、200℃未満で焼成すると、溶液の揮発成分が十分に除去されず、酸化物中に残存する恐れがある。また、800℃より高い温度で焼成すると、酸化物中の金属元素とシリコンとが分離して、金属、シリコンおよび酸素による複合的な結合状態を有する酸化物が形成されにくい。そのため、Na+イオンの拡散に対する有効な遮蔽効果を有する酸化物層が得られない。
金属元素およびシリコンを含む蒸着膜は、酸素を含む雰囲気で焼成することによって酸化物層となる。このとき、焼成温度が200℃未満であると、蒸着膜は、酸化の程度が不十分となり、Na+イオンの拡散に対して十分な遮蔽効果が得られない。焼成温度が800℃より高い温度であると、酸化物中の金属元素とシリコンとが分離し、金属、シリコンおよび酸素による複合的な結合状態を有する酸化物が形成されにくい。そのため、Na+イオンの拡散に対する有効な遮蔽効果を有する酸化物層が得られない。
本発明の太陽電池モジュールは、基板として、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、CIS(CuInSe2)、CIGS(Cu(In,Ga)Se2)、CdTe化合物等の半導体材料が用いられる。バンドギャップが0.6eV以上、2.2eV以下の半導体において不純物濃度分布を調整し、pn接合を形成したものであればよい。
本発明は、基板の表面に反射防止膜を設けてもよい。反射防止膜としては、窒化珪素、マンガン酸化物等の薄膜、あるいはこれらの薄膜を重層化した膜が好ましい。例えば、単結晶シリコン及び多結晶シリコンからなる基板においては、プラズマ化学気相成長法(PECVD)によって基板の上に窒化珪素の薄膜を成膜し、反射防止膜とすることができる。
本発明は、基板の表面に透明導電膜を設けてもよい。透明導電膜としては、インジウム錫酸化物(ITO)、亜鉛酸化物(ZnO)等の電気抵抗率が50μΩcm以上、0.01Ωcm以下の薄膜が好ましい。例えば、非晶質シリコン、CIS、CIGS、CdTe等の化合物半導体からなる基板においては、スパッタ蒸着法によって基板の上にインジウム錫酸化物または亜鉛酸化物の薄膜を成膜し、反射防止機能を付与した透明導電膜とすることができる。
本発明における酸化物層は、金属元素およびシリコンを含む酸化物から構成されている。金属元素としては、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ジルコニウム、ニオブ、モリブデンからなる群より選択される少なくも一種の金属元素が好ましい。さらに好ましくは、チタン、バナジウム、クロム、マンガンからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素である。
さらに好ましくは、金属元素の濃度がシリコンの濃度に対して原子%において等量以上、10倍以下であるとよい。等量以上であると、極性をもったシリコンと酸素の結合手の数が減少して比誘電率が減少するので、酸化物層の屈折率を2.3以下にすることができる。また、金属元素の原子%濃度がシリコンの原子%濃度に対して10倍を超えると、シリコン原子の濃度が薄くなり過ぎて比誘電率が極端に小さくなるので、酸化物層の屈折率が1.5未満となり、入射光の吸収率が悪化するため好ましくない。
シランカップリング剤としては、例えばビニル系の官能基を有するものとしては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリドキシプロピルメチルシメトキシシランなどがある。この他に、エポキシ系の官能基を有するもの、スチリル系の官能基を有するもの、メタクリル系の官能基を有するものなどを用いることができる。
溶媒としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素;ヘプタン、シクロヘキサン等の鎖状および環状の脂肪族炭化水素;クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ジクロロメタン等のハロゲン化炭化水素;アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール等のアルコール類;ジオキサン、テトラヒドロフラン、エチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン等のアミド類;ニトロメタン、ニトロベンゼン等のニトロ化合物類、水などを用いることができる。
これらの原料を適切な量に秤量して混合し、塗布溶液とする。塗布方法は、スプレーコーティング法、ディップコーティング法、スピンコーティング法、スリットコーティング法、インクジェット法などの一般的な方法を用いて基板または保護ガラスの表面に塗布して塗布膜を形成する。
焼成温度は、基板に酸化物層を形成する場合は、200℃以上、800℃以下であればよく、300℃以上、600℃以下が好ましく、350℃以上、500℃以下がさらに好ましい。保護ガラスに酸化物層を形成する場合は、200℃以上、500℃以下が好ましい。焼成時間は、30秒〜10分が好ましい。
保護ガラスは、太陽電池セルを風雨や埃などの外部環境から保護するために設けられる。ガラス素材としては、一般的なソーダライムガラス(青板ガラス)、青板ガラスから鉄分を少なくした白板ガラスなどを用いられる。入射光の反射を抑制するために、保護ガラスの受光面側の表面に梨地状の凹凸が付与される。
封止材は、加熱することで溶融して透明性と粘着性を発現し、太陽電池と保護ガラスの密着性を確保するために利用される。エチレンビニルアセテート(EVA)等の共重合体を用いることができる。
本発明では、基板に酸化物層を配置した太陽電池モジュールが製造される。具体的には、pn接合を形成した基板の上にグリッド配線と反射防止膜または透明導電膜とを形成した後、当該膜の上に金属元素およびシリコンを含む酸化物層を形成し、太陽電池セルを得る。タブ線のハンダ付けは、酸化物層を形成する前でも後でもよい。そして、太陽電池セルの両面をEVA封止材で覆い、最外部に保護ガラスおよびバックシートを配置して、重層構造体を作製する。その後、高温真空ラミネート装置を用いて、前記重層構造体を減圧下で加熱加圧することにより、封止されて太陽電池モジュールが得られる。
酸化物層の光学特性を評価するために、酸化物層の膜厚と屈折率を測定した。
平坦な単結晶シリコン基板に乾式法または湿式法により酸化物層を形成して試料を作製した。当該試料の断面を透過電子顕微鏡により観察し、酸化物層の膜厚を測定した。さらに、当該試料を用いて、分光エリプソメーターにより入射光の波長に依存した屈折率を測定した。また、酸化物層の組成はオージェ電子分光法により測定した。
太陽電池モジュールのPID特性を評価するため、PID試験を実施した。試験体は次のようにして準備した。太陽電池モジュールにおいて、保護ガラスの外部表面にアルミ板を接着して第一の外部電極に接続した。さらに、太陽電池セルの受光面と裏面のバス電極上にハンダ付けされたそれぞれのタブ線を電気的に短絡して第二の外部電極に接続し、試験体とした。PID試験の実施においては、第一の外部電極を接地電位(0V)とし、第二の外部電極に−1000Vを印加した。試験体は、温度85℃、相対湿度85%RHの高温高湿雰囲気を提供する試験装置内に置かれて、所定時間で保持した。一般に、このような試験をPID試験という。PID試験の特徴は、太陽電池モジュールを85℃、85%RHの雰囲気に暴露する従来の高温高湿耐久性試験条件に加えて、保護ガラスと太陽電池セル間に大きい電圧を印加することにある。PID試験において所定時間が経過した後、その試験体を用いて漏れ電流と変換効率を測定した。
一定時間が経過した後、試験体が試験装置から取り出され、試験体からPID試験用の外部電極を外すとともに、受光面と裏面のタブ線を短絡状態から分離した後、光照射が無い状態で受光面と裏面のタブ線の相互間に電圧を印加して、電流変化を測定した。この電流変化により、太陽電池モジュール内のセルの整流特性を評価できる。半導体素子が健全である場合は、順方向バイアス条件下で大きい電流が流れる一方で、逆バイアス条件下では殆ど電流が流れない。それに対し、半導体素子にPID不良が生じると、逆バイアス条件下においても顕著な漏れ電流が観測される。
市販のソーラーシミュレーターを用いて太陽電池セルに光照射を行い、太陽電池セルの上下タブ線を端子として、電圧を印加して電流を測定した。この測定は、標準条件(入射光強度=1000W/m2、測定温度25℃)で行った。得られた電圧(V)−電流密度(A/m2)曲線から、電圧と電流密度の積が最大、即ち平米当たりの発電電力(W/m2)が最大となる値を、標準試験条件における入射光強度の1000W/m2で除することにより変換効率を算出した。
漏れ電流に関しては、PID試験14時間経過後の逆バイアス条件下における電圧が−5.0Vの時の漏れ電流値に基づいて評価した。以下、この値を「基準漏れ電流」という。また、変換効率に関しては、PID試験前の変換効率(A%)と、PID試験14時間経過後の変換効率(B%)との間で減少した割合((A−B)/A)に基づいて評価した。以下、この値を「基準減少率」という。判定基準として、基準漏れ電流が0.5A以下であって、かつ、基準減少率が3%以下であるものを良好と判定した。
単結晶シリコン半導体基板として、縦156mm×横156mm×厚さ0.2mmの単結晶のp型シリコンウェハーを用いた。p型不純物はホウ素(B)であった。このウェハーの上部表面をKOH溶液によってエッチングし、凹凸状のテクスチャー組織を形成した。次いで、ウェハーの上部表面にPOCl3を塗布した後、高温で熱処理を行い、シリコン中にリン(P)を拡散させてn+領域を形成し、pn接合を有する単結晶シリコン半導体素子を作製した。
よって、高電圧付加を原因とするPID不良に関しては、本発明に相当する酸化物層を形成することにより、太陽電池モジュールのPID不良を完全に防止することができた。また、太陽電池モジュールの変換効率は、PID試験前で16.7%、14時間経過後で16.5%を示し、基準減少率が(16.7−16.5)÷16.7×100=1.2%であり、太陽電池モジュールの出力特性は、ほぼ維持されていた。
実施例1と同様の手順で太陽電池セルを作製した。その後、スパッタ法を用いて、太陽電池セルの受光面表面の全面に成膜した。マンガンとシリコンのスパッタターゲットを用いて、それぞれのターゲットに対する投入電力を制御することによって、マンガンとシリコンを原子%の組成比がマンガン:シリコン=2:1となるように制御して蒸着し、厚さが15nmの薄膜の合金膜を成膜した。次いで、大気中において400℃で5分間の熱処理を行って、厚さが24nmのマンガンとシリコンを含む酸化物層を形成した。酸化物層の原子%濃度比は、Mn:Si:O=28:14:58であった。
金属元素およびシリコンを含有する酸化物層の厚さによる影響を調べた。
実施例2と同様の手順により、スパッタ法により、マンガンとシリコンからなる酸化物層を形成した。スパッタ時間を変化させることで、厚さが異なるマンガンとシリコンからなる合金膜を得た。その後、熱処理を行って、実施例2と同様の手順により、酸化物層を形成し、酸化物層の厚さを変化させた太陽電池モジュールの試験体を作製した。これらの試験体についてPID試験を行って、太陽電池モジュールの漏れ電流および変換効率を測定した。
判定基準としては、良好(基準漏れ電流が0.5A以下であって、かつ、基準減少率が3%以下)に相当するものを「○」で示した。試験結果を表1に示す。
実施例2と同様の手順によりマンガンとシリコンを含む酸化物層を有する太陽電池モジュールの試験体を作製し、金属元素とシリコンの濃度比の影響を調べた。
スパッタ成膜時のマンガンターゲットとシリコンターゲットの投入電力を変化することで、一定の膜厚(約20nm)を有し、異なる組成のマンガンおよびシリコンを含む酸化物層を所定の基板上に形成させて、試験体を得た。屈折率の測定用には、平坦なシリコン基板を用いた。PID試験用には、テクスチャーを有するシリコン素子基板を用いた。その測定結果を表2に示す。
金属元素濃度とシリコン濃度の合算濃度に関する影響について調べた。
実施例2と同様の手順によりマンガンとシリコンを含む酸化物層を有する太陽電池モジュールの試験体を作製した。スパッタ成膜時のマンガンターゲットとシリコンターゲットの入力電圧を変化することで、一定の膜厚(約20nm)と一定のマンガン:シリコン組成比(約2:1)を有し、異なる合算組成のマンガンとシリコンを含む酸化物層を所定の基板上に形成させて、試験体を得た。屈折率の測定用には平坦なシリコン基板を用いた。PID試験用にはテクスチャーを有するシリコン素子基板を用いた。その測定結果を表3に示す。
実施例1と同様の手順で太陽電池セルを作製した。また、酸洗処理された保護ガラスを用意し、保護ガラスの太陽電池セル側のガラス表面全面に、スパッタ法を用いてマンガンとシリコンを原子%の組成比にしてマンガン:シリコン=2:1となるように蒸着し、厚さが15nmの薄膜を成膜した。その後、大気中において300℃で5分間の熱処理を行って、厚さが24nmのマンガンとシリコンを含む酸化物層を形成し、当該酸化物層を有する保護ガラスを作製した。
次に、この保護ガラスを最上面に配置し、その下にEVA、太陽電池セル、EVA、バックシートの順番に積層した積層体を作製した。高温真空ラミネーターを用いて、当該積層体を封止し、太陽電池モジュールの試験体を作製した。
保護ガラス表面の酸化物層を湿式法で形成すること以外は、実施例6と同様の手順で太陽電池モジュールの試験体を作製し、漏れ電流および変換効率を測定した。酸化物層は、実施例1の原料溶液を用いて、ガラス表面にスリットコーターによって塗布し、乾燥、熱処理を行って、厚さが54nmの酸化物層を形成した。この試験体は、基準漏れ電流が0.18A、基準減少率が2.3%であった。良好なPID不良発生抑制効果を示した。
保護ガラス表面の酸化物層に含まれる金属元素としてマンガン以外の金属元素を選択したことを除いて、実施例6と同様の手順で太陽電池モジュールを作製した。選択された金属元素は、シリサイド及び酸化物の形成エネルギーが共に大きい元素群(Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo)に加えて、シリサイドの形成エネルギーが小さいFe、Zn、及び酸化物の形成エネルギーが小さいCo、Niである。各金属元素とシリコンを含有する酸化物層をそれぞれ形成した太陽電池モジュールの試験体を作製し、PID試験を実施した。使用した金属元素別にPID試験結果を表4に示す。
上記の各金属元素は、2種類以上を混合しても同様に良好なPID不良発生効果が得られる。また、酸化物層を湿式法で形成してもよい。また、太陽電池セルの反射防止膜上あるいは透明導電膜上に乾式法や湿式法で形成してもよい。
次に、単結晶シリコン半導体以外の半導体基板を選択したことを除いて、実施例1と同様の手順により、半導体基板上に形成した反射防止膜または透明導電膜の上に、モリブデンとシリコンを含有する酸化物層を形成して太陽電池モジュールを作製し、PID試験を実施した。半導体基板として、多結晶シリコン、非晶質シリコン、CIS、CIGS、CdTe化合物を用いた。また、これらの半導体基板と、ガラス表面にマンガンとシリコンを含有する酸化物層を形成した保護ガラスと組み合わせて、太陽電池モジュールを作製し、PID試験を実施した。作製された太陽電池モジュールは、いずれも基準漏れ電流及び基準減少率が良好な範囲を示した。
Claims (11)
- 基板の受光面側に保護ガラスおよび封止材を備えた太陽電池モジュールであって、基板と保護ガラスとの間に、金属元素、シリコン及び酸素による複合的な結合状態を有する酸化物層が配置され、
前記酸化物層は、前記金属元素としてマンガンを含み、
前記酸化物層は、前記金属元素と前記シリコンの合算濃度が20原子%以上、70原子%以下であり、
前記酸化物層は、原子%で、前記金属元素の濃度が前記シリコンの濃度に対して等量以上、10倍以下である、太陽電池モジュール。 - 前記酸化物層は、波長が587nmの入射光に対する屈折率が1.5以上、2.3以下である、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記酸化物層は、その厚さが5nm以上、200nm以下である、請求項1又は2に記載の太陽電池モジュール。
- 前記酸化物層は、基板の受光面側表面に設けた反射防止膜または透明導電膜の上に形成された、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記酸化物層は、前記保護ガラスの封止材側表面に形成された、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
- 基板の受光面側表面に、反射防止膜または透明導電膜を形成する工程と、
前記反射防止膜または透明導電膜の上に、金属元素、シリコン及び酸素による複合的な結合状態を有する酸化物層を形成する工程と、
前記酸化物層の上に封止材を形成する工程と、
前記封止材の上に保護ガラスを形成する工程を含み、
前記酸化物層の厚さが5nm以上、200nm以下であり、前記酸化物層の屈折率が入射光波長587nmにおいて1.5以上、2.3以下であり、
前記酸化物層は、前記金属元素としてマンガンを含み、
前記酸化物層は、前記金属元素と前記シリコンの合算濃度が20原子%以上、70原子%以下であり、
前記酸化物層は、原子%で、前記金属元素の濃度が前記シリコンの濃度に対して等量以上、10倍以下である、太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記反射防止膜または前記透明導電膜の上に、金属元素およびシリコンを含有する溶液を塗布する第一の工程と、酸素を含む雰囲気において200℃以上、800℃以下の温度で焼成する第二の工程を含む、請求項6に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記反射防止膜または前記透明導電膜の上に、蒸着法により金属元素およびシリコンを含む膜を形成する第一の工程と、
酸素を含む雰囲気において200℃以上、800℃以下の温度で焼成する第二の工程を含む、請求項6に記載の太陽電池モジュールの製造方法。 - 基板の受光面側表面に、反射防止膜または透明導電膜を形成する工程と、
前記反射防止膜または透明導電膜の上に封止材を形成する工程と、
前記封止材の上に、金属元素、シリコン及び酸素による複合的な結合状態を有する酸化物層を形成する工程と、
前記酸化物層の上に保護ガラスを形成する工程を含み、
酸化物層の厚さが5nm以上、200nm以下であり、酸化物層の屈折率が入射光波長587nmにおいて1.5以上、2.3以下であり、
前記酸化物層は、前記金属元素としてマンガンを含み、
前記酸化物層は、前記金属元素と前記シリコンの合算濃度が20原子%以上、70原子%以下であり、
前記酸化物層は、原子%で、前記金属元素の濃度が前記シリコンの濃度に対して等量以上、10倍以下である、太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記保護ガラスの上に、金属元素およびシリコンを含有する溶液を塗布する第一の工程と、酸素を含む雰囲気において200℃以上、500℃以下の温度で焼成する第二の工程を含む、請求項9に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 保護ガラス表面上に、蒸着法により金属元素およびシリコンを含む膜を形成する第一の工程と、酸素を含む雰囲気において200℃以上、500℃以下の温度で焼成する第二の工程を含む、請求項9に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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