JP6912231B2 - 太陽電池モジュール、及び太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
すなわち、特許文献1に開示される太陽電池モジュールでは、セルの直並列の接続するためにロール・ツー・ロール方式によって連続的に製造される電極の長手方向を分離するように切断した後、それら分割された太陽電池モジュール同士を直列接続のために配線作業を行っている。そのため、配線に伴う追加工程が必要となり、製造コストが増大するという問題があった。つまり、複数の太陽電池モジュールを例えばブラインド等に配置する場合には、複数の太陽電池モジュールをブラインドの基板上に互いに間隔をあけた状態で貼り付けた後で、それぞれの太陽電池モジュール同士を直列に接続することとなり、配線にかかる手間やコストが増えるため、その点で改善の余地があった。
このように本発明に係る太陽電池モジュールでは、偶数個のサブモジュールのうち第二の方向の一端側のサブモジュール同士が配線材によって導通され、他端側で電気を取り出すことが可能な構成となる。すなわち、全体が平面視でサブモジュール毎に電気の向きが交互に入れ替わる構造、あるいは全体が平面視でU字状に電気が流れる構造となり、取り出し電極(正極、負極)を第二の方向の他端側で同じ側に配置することができるため、配線構造が簡略化でき、配線作業を容易に行うことができる。
また、本発明では、製造した太陽電池モジュールを別体(基板)に外装する場合に、従来のように基板に複数の太陽電池モジュールを取り付けた後に行われ、それら太陽電池モジュール同士を電気的に接続する配線作業が不要になるため、製造効率を向上させることができる。このように、作業工数を減らすことが可能となることから、製造コストの低減を図ることができる。
図1に示すように、本実施の形態の太陽電池モジュール、及び太陽電池モジュールの製造方法は、図1に示すように、後述するロール・ツー・ロール方式(以下、RtoR方式と記載する)による製造装置4(図4参照)によって作製された一方向に長く延在するフィルム型の色素増感太陽電池1(太陽電池モジュール)を適宜な長さに切断することにより製造される。なお、図1において、矢印は電気の流れを示し、記号+(プラス)、−(マイナス)はそれぞれ正極、負極を示している(他の図も同様)。
ここで、図1、図2、及び図3に示す色素増感太陽電池1において、長さ方向(長尺方向)を長手方向X1とし、平面視で長手方向X1に直交する方向を基材(後述する第一基材3A及び第二基材3B)の幅方向X2として、以下統一して用いる。
光電極11は、第一基材3A上に積層された透明導電膜11Aと、透明導電膜11A上に積層された多孔質の半導体層11Bと、を備えている。
また、対向電極12は、第二基材3B上に積層された対向導電膜12Aと、対向導電膜12A上に積層された触媒層12Bと、を備えている。
また、導通材14は、封止材15に覆われた状態で設けられ、光電極11の透明導電膜11Aと対向電極12の対向導電膜12Aとに直接接触し、光電極11と対向電極12とを電気的に接続する。
このようにして、それぞれに半導体層11Bを有するセルCは、導通材14によって、光電極11と対向電極12の間に形成される厚み方向の間隙内に電解液13が液密に封止された状態で形成されている。
ここで、融着部18によって画成されるサブモジュールR(図1中の二点鎖線で囲う領域)のうち隣接されるサブモジュールR、Rのそれぞれに配列される第一絶縁部16同士は、幅方向X2にずれた位置にパターニングされている。これは、第二絶縁部17についても同じである。
半導体層11Bに担持される光増感色素は特に限定されず、例えば有機色素、金属錯体色素等の公知の色素が挙げられる。前述の有機色素としては、例えば、クマリン系、ポリエン系、シアニン系、ヘミシアニン系、チオフェン系等が挙げられる。前記金属錯体色素としては、例えば、ルテニウム錯体等が好適に用いられる。
封止材15の材料としては、例えば、ホットメルト接着剤(熱可塑性樹脂)、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、並びに、紫外線硬化性樹脂及び熱硬化性樹脂を含んだ樹脂等、一時的に流動性を有し、適当な処理により固化される樹脂材料等が挙げられる。前記ホットメルト接着剤としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等が挙げられる。前記熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ベンゾオキサゾン樹脂等が挙げられる。前記紫外線硬化性樹脂としては、例えば、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル等の光重合性のモノマーを含むものが挙げられる。
図4に示すように、製造装置4は、光電極形成部(図示略)、第一絶縁加工部41、封止材塗工部42、導通材配置部43、電解液塗工部44、基材貼合せ部45、超音波融着部46がその順で第一基材3Aの第一移動方向P1の上流側から下流側に向けて配置されている。
また、基材貼合せ部45では、第一基材3Aと第二基材3Bとが貼り合せられ、第一基材3Aとは別で移動される第二基材3Bの第二移動方向P2に沿って対向電極形成部(図示省略)と第二絶縁加工部47とがその順で配置されている。つまり、第二絶縁加工部47を通過した第二基材3Bが基材貼合せ部45で第一基材3Aと貼り合せられるようになっている。
半円刃52は、回転軸51の外周面の円周方向に沿って180°の範囲に連続して設けられ、軸O1方向から見て全周のうち所定の半周部分の領域に配置された第一半円刃52Aと、第一半円刃52Aが配置されていない別の半周部分の領域に配置された第二半円刃52Bと、からなる。これら複数の第一半円刃52Aは、融着部18によって長手方向X1に画成される第一基材3AのサブモジュールRのうち隣接する一方のサブモジュールRの複数の絶縁部16を同時に形成する。また、複数の第二半円刃52Bは、前記隣接するサブモジュールRのうち他方の領域の複数の絶縁部16を同時に形成する。半円刃52の周長(外周長)は、サブモジュールRにおいて絶縁加工される絶縁部16の長手方向X1の長さに一致するように設定されている。
また、半円刃52(52A、52B)は、導電膜11A、12Aが成膜された基材3A、3Bの表面に対して回転軸51とともに回転されたときに、導電膜11A、12Aのみに溝状の切込みを形成する。つまり、導電膜11A、12Aは厚さ方向に切込みが形成され、基材3A、3Bの厚さ方向の一部が切り込まれても全体が切り込まれないように設定されている。
なお、半円刃52の軸O1方向の間隔、周長、第一半円刃52Aと第二半円刃52Bの軸O1方向のずれ量は、絶縁部16の設定に応じて適宜変更することができる。
導通材配置部43は、封止材塗工部42の下流側に配置され、封止材15同士の間に配線(導通材14)を配置する構成となっている。
電解液塗工部44は、導通材配置部43の下流側に配置され、第一基材3Aにおける封止材15の未塗工領域に電解液13を塗工する構成となっている。
第二絶縁加工部47は、上述した第一絶縁加工部41に設けられるものと同様の切込み加工装置50(図5参照)が採用されるため、ここでは詳しい説明を省略する。
また、図8に示すように、対向電極形成部(図示省略)において、スパッタリング法により対向導電膜12Aが成膜された第二基板3B上に白金(Pt)を積層して触媒層12Bを形成することで、対向電極12を形成する。
このとき、第一絶縁部16は、図9に示すように、一定の間隔(サブモジュールRの長手方向X1の長さ)毎に幅方向X2に交互にずれた位置となる規則的な絶縁加工パターンが形成される。このように交互に絶縁加工パターンを配置することで、サブモジュールR毎に+極(正極)と−極(負極)の位置を規則的に入れ替えることができる。
そして、導通材配置部43において封止材15同士の間に導通材14を配置した後、電解液塗工部44において第一基材3Aにおける封止材15の未塗工領域に電解液13を塗工する。
このとき、第二絶縁部17は、図8に示すように、一定の間隔(サブモジュールRの長手方向X1の長さ)毎に幅方向X2に交互にずれた位置となる規則的な絶縁加工のパターンが形成される。このように交互に配置することで、サブモジュールR毎に+極と−極の位置を規則的に入れ替えることができる。
さらに、図12に示すように、貼り合せた両基材3A、3Bの幅方向X2の両端部3a、3bに、長手方向X1に沿うように配線材19を例えば銅テープや半田付けにより貼り付ける。このとき、配線材19は、長手方向X1に配列される融着部18の端部を幅方向X2に交互に被覆した状態で配置される。これにより、直列配線されたサブモジュールR同士のセルCを直列に接続した色素増感太陽電池1を製造することができ、電気がサブモジュールR毎に幅方向X2に交互(図12の矢印E方向)に流れることになる。そして、色素増感太陽電池1は、融着部18に沿って切断可能であり、必要な任意の長さの位置(図12で符号Tの二点鎖線)で切断され、所望の長さの色素増感太陽電池1を生産することができる。例えば、切断後の色素増感太陽電池1として、図12に示すように3つのサブモジュールRを有するもの、2つのサブモジュールRを有するもの、或いは4つ以上のサブモジュールRが連続したものを製造することができる。
図13は、正極における取出し電極用の配線材19Aを示している。図14は、負極における取出し電極用の配線材19Bを示している。このようにフィルムの幅方向X2(第二の方向)の両端部に導通材14を配置することにより、同一の基材面上(ここでは、第二基材3Bの基材面上)に+端子(正極端子)と−端子(負極端子)の取り出し電極(端子取出し部)を設けることができる。そのため、取り出し電極への配線作業を行う際に色素増感太陽電池1を上下に反転する工程が不要となり、配線作業の手間を低減することができる。ここで、図13では、配線材19A寄りの導通材14にも対向電極12から光電極11に電気は流れるが、光電極11側から先に電気が流れないことから、電気の流れを省略している(後述する図19も同様である)。
なお、長手方向X1はサブモジュールRの配列方向であり本発明の「第一の方向」に相当し、幅方向X2は平面視で長手方向X1に直交する方向であり本発明の「第二の方向」に相当する。
図15に示す色素増感太陽電池1Aは、幅方向X2に配列される複数のセルCから構成される区画(サブモジュールR、R)を2つ長手方向X1に隣接させた電池構造であり、隣接するサブモジュールR、Rにおける幅方向X2の一端1a(一方の端部)同士が配線材19によって直列配線により電気的に接続された構造となっている。そして、本色素増感太陽電池1Aでは、各サブモジュールRにおける幅方向X2で一端1a側の配線材19を残した状態で他端1bから一端1a側に向けて延びる第一融着部181(第一絶縁ライン)が形成されている。つまり、サブモジュールR、Rにおけるそれぞれの光電極11と対向電極12は、配線材19によって電気的に接続された電気回路を構成している。なお、図15において、符号Eは電流の向きを示している。
このように製造された色素増感太陽電池1Aは、第一絶縁ライン181で分割された隣り合う一対のサブモジュールR、Rにおける幅方向X2の一端1aの第二基材3Bで配線材19によって電気的に接続され、他端1b側において同一の基材(ここでは第二基材3B)で取り出し電極を設けることが可能な構成となる。
本実施の形態では、図2に示すように、幅方向X2に隣り合うセルC,C同士の間に配置された第一基材3Aの第一絶縁部16と第二基材3Bの第二絶縁部17との間に導通材14が配置され、幅方向X2に隣り合うセルC、C同士が電気的に直列に接続され、かつ融着部18によって長手方向X1に分割されたサブモジュールRのセルC、C同士が配線材19によって電気的に直列に接続された構成の色素増感太陽電池1をRtoR方式で長手方向X1に連続した状態で製造することができる。つまり、融着部18の位置で切断され分割された色素増感太陽電池1自体で独立した電気回路を備えたモジュールをRtoR方式によって生産することができる。このようにRtoR方式によりフィルム基板上で導通材14、融着部18、配線材19の位置や長さを適宜設定し、設定された電気特性(電圧など)になるような配線を施して製造できるので、セルCの直並列接続(回路設計)を自由に設計することが可能となる。
そして、本実施の形態では、隣り合うサブモジュールR、Rの一端1aに配線材19を設けるという簡単な構造であり、配線材19をライン塗布する簡単な製造方法を適用することも可能となるため、RtoR方式にも簡単に適応できる。このようなRtoR方式で長手方向X1に連続的に配線材19を配置する製造工程により実現できるので、新たな作業工程を追加する必要がない。
図16に示すように、第2の実施の形態では、RtoR方式により連続的に色素増感太陽電池1を製造する製造方法であって、幅方向X2の両端部に長手方向X1に沿って配線材19を配置する工程を、光電極11と対向電極12とを貼り合せる工程の前工程で行う方法である。すなわち、封止材15を設けた後に導通材14と同時に配線材19が第一基材3A上に配置される方法となっている。本第2の実施の形態において、配線材19は、長手方向X1に連続して配置され、融着部18が設けられた後に、図17に示すように、配線材19の長手方向X1の一部が切り欠き加工された断線部19aが形成されることになる。
第2の実施の形態では、配線材19において適宜な箇所に断線部19aを形成することで、長手方向X1に隣り合うサブモジュールRのセルC、C同士の接続を切断することが可能となる。そのため、断線部19aの位置によって所望の電気回路を設計することができる。また、第2の実施の形態では、導通材14及び配線材19の配置パターンを同時に形成することができるので、製造効率を向上させることができる。
図19は、正極における取出し電極用の配線材19Aを示している。図20は、負極における取出し電極用の配線材19Bを示している。図21及び図22は、長手方向X1に隣り合うセル同士を接続する接続用の配線材19Cを示している。このようにフィルムの幅方向X2の両端部に導通材14を配置することにより、同一の基材面上(ここでは、第二基材3Bの基材面上)に+端子(正極端子)と−端子(負極端子)の取り出し電極(端子取出し部)を設けることができる。そのため、取り出し電極への配線作業を行う際に色素増感太陽電池1を上下に反転する工程が不要となり、配線作業の手間を低減することができる。
次に、図24に示す第3の実施の形態は、配線材19を配置する工程において、配線材19が光電極11側と対向電極12側で長手方向X1に沿って互い違いとなるように塗布する製造方法である。つまり、長手方向X1で配線材19が配置されない断線部19aを挟んだ両側のセルC、C同士は、配線材19を配置する時点で接続されない構成となる。そのため、第2の実施の形態のように配線材19を配置する時点において連続的に配線材19を配置する場合に比べて、配線材19に断線部19aを設ける工程が不要となる利点がある。
なお、非融着部18Aは、幅方向X2で配線材19の断線部19aに対向する位置となる。つまり、この非融着部18Aでは図4に示す超音波融着部46において超音波融着機を当てない部分となる。
次に、図26に示す第4の実施の形態は、光電極11と対向電極12とを幅方向X2に沿って融着した融着部18に相当する第三絶縁部17Aを形成する絶縁加工を、光電極11及び対極電極12の絶縁加工(図26では第二絶縁部17のみ記載)と同時に行うようにした製造方法である。この場合、融着部18は、幅方向X2の両端部において長手方向X1に隣接するセルC、Cと電気的に接続された状態にするため、幅方向X2の両端部との間に隙間(非絶縁部17B、図26の点線で囲った部分)を開けた状態で絶縁する。
なお、図27に示すように、切断する部分Tのみは、超音波融着で封止する。
本第4の実施の形態では、第三絶縁部17Aと長手方向X1に平行な絶縁加工とを同時に行うことで、製造効率を向上させることができる。
1a 一端
1b 他端
4 製造装置
11 光電極(第一電極)
11A 透明導電膜
11B 半導体層
12 対向電極(第二電極)
12A 対向導電膜
12B 触媒層
3A 第一基材
3B 第二基材
13 電解液
14 導通材
15 封止材
16 第一絶縁部
17 第二絶縁部
17A 第三絶縁部
17B 非絶縁部
18 融着部(絶縁ライン)
18A 非融着部
181 第一融着部(第一絶縁ライン)
19、19A、19B、19C 配線材
19a 断線部
41 第一絶縁加工部
42 封止材塗工部
43 導通材配置部
44 電解液塗工部
45 基材貼合せ部
46 超音波融着部
47 第二絶縁加工部
50 切込み加工装置
51 回転軸
52、52A、52B 半円刃
53 レーザー照射装置
C セル
P1 第一移動方向
P2 第二移動方向
R サブモジュール
X1 長手方向(第一の方向)
X2 幅方向(第二の方向、第一基材及び第二基材の幅方向)
Claims (12)
- 長手方向が第一の方向となり、幅方向が、平面視で前記第一の方向に直交する第二の方向となる第一基材および第二基材と、
前記第一基材の表面に透明導電膜が成膜され、前記第一基材の前記透明導電膜の表面に前記第一の方向に延在する色素が吸着した帯状の半導体層が複数形成された第一電極と、
前記第二基材の表面に前記第一電極に対向するように対向導電膜が成膜された第二電極と、
前記第一電極の前記半導体層と前記第二電極との間に封止された電解液と、
前記電解液を封止するとともに、前記第二の方向に分割された複数のセルを配列する封止材と、
前記封止材に覆われた状態で設けられ、前記第一電極と前記第二電極とを電気的に接続する導通材と、
前記第一電極及び前記第二電極に対して前記第二の方向に沿って延在する絶縁ラインと、
を備え、
前記第一基材および前記第二基材は、前記第二の方向に配列される前記複数のセル同士の間において連続し、
前記絶縁ラインは、前記第二の方向に沿って融着された融着部であり、
前記第二の方向に配列される前記複数のセルが直列配線により電気的に接続され、
前記第二の方向に隣り合うセル同士の間に配置された前記第一基材の第一絶縁部と、前記第二基材の第二絶縁部との間に前記導通材が配置され、前記隣り合うセル同士が接続され、
前記絶縁ラインによって前記第一の方向に分割された偶数個のサブモジュールのうち隣り合うサブモジュールにおける前記第二の方向の一方の端部同士が配線材によって直列配線により電気的に接続され、
前記複数のサブモジュールを流れる電流の向きは、前記第一の方向に配列される前記サブモジュール毎に交互に入れ替わる回路構成をなしていることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記第一基材、又は前記第二基材において、前記第二の方向の両端部に前記導通材が配置され、同一の基材面上に端子取出し部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- ロール・ツー・ロール方式により連続的に太陽電池モジュールを製造するための太陽電池モジュールの製造方法であって、
第一基材の表面に透明導電膜が成膜され、前記第一基材の前記透明導電膜の表面に前記第一基材の長手方向に延在する色素が吸着した帯状の半導体層が複数形成された第一電極を形成する工程と、
第二基材の表面に前記第一電極に対向するように対向導電膜が成膜された第二電極を形成する工程と、
前記透明導電膜及び前記対向導電膜に対して前記長手方向と平行に絶縁加工を行う工程と、
平面視で前記長手方向に直交する前記第一基材及び前記第二基材の幅方向に複数のセルを配列する封止材を設ける工程と、
前記封止材の上に導通材を配置して前記第一電極と前記第二電極とを電気的に接続する工程と、
前記第一電極の前記半導体層と前記第二電極との間に電解液を設ける工程と、
前記第一電極と前記第二電極とを貼り合せる工程と、
前記第一電極及び前記第二電極に対して前記幅方向に沿って延在する絶縁ラインを形成する工程と、
前記第一基材の前記幅方向の両端部に前記長手方向に沿って配線材を配置する工程と、 前記第一電極と前記第二電極とを任意の前記絶縁ラインの位置で切断する工程と、
を有することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記絶縁加工を行う工程において、
絶縁加工位置が前記長手方向に対して一定周期で前記幅方向にずれた位置に変化する絶縁加工パターンが形成されることを特徴とする請求項3に記載の太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記長手方向に沿って連続した状態で前記配線材が配置され、
前記絶縁ラインが形成された後に、前記配線材の前記長手方向の一部を切り欠き加工することにより断線部を形成することを特徴とする請求項3又は4に記載の太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記配線材を配置する工程において、前記長手方向の一部に断線部を形成した前記配線材が配置されることを特徴とする請求項3又は4に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記絶縁ラインは、前記幅方向に沿って融着された融着部であることを特徴とする請求項3乃至6のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記配線材を配置する工程は、前記導通材を配置するときに同時に行われることを特徴とする請求項3乃至7のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記絶縁ラインを形成する工程は、前記絶縁加工を行うときに同時に行われることを特徴とする請求項3乃至7のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 第一基材の表面に透明導電膜が成膜され、前記第一基材の前記透明導電膜の表面に前記第一基材の長手方向に延在する色素が吸着した帯状の半導体層が複数形成された第一電極を形成する工程と、
第二基材の表面に前記第一電極に対向するように対向導電膜が成膜された第二電極を形成する工程と、
前記透明導電膜及び前記対向導電膜に対して前記長手方向と平行に絶縁加工を行う工程と、
平面視で前記長手方向に直交する前記第一基材及び前記第二基材の幅方向に複数のセルを配列する封止材を設ける工程と、
前記封止材の上に導通材を配置して前記第一電極と前記第二電極とを電気的に接続する工程と、
前記第一電極の前記半導体層と前記第二電極との間に電解液を設ける工程と、
前記第一電極と前記第二電極とを貼り合せる工程と、
前記第一基材の前記幅方向の両端に前記長手方向に沿って配線材を配置する工程と、 前記第一電極及び前記第二電極に対して前記幅方向に沿って延在し、前記幅方向の一端側の前記配線材を部分的に絶縁しない第一絶縁ラインと、前記幅方向の全体にわたって絶縁する第二絶縁ラインと、を前記長手方向の所定位置に形成し、前記第二絶縁ライン同士の間に奇数個の前記第一絶縁ラインを設ける工程と、
前記第一電極と前記第二電極とを前記第二絶縁ラインの位置で切断する工程と、
を有し、
前記第二絶縁ラインで切断された太陽電池モジュールは、前記第一絶縁ラインで分割された偶数個のサブモジュールのうち隣り合う前記サブモジュールにおける前記幅方向の一方の端部同士が前記配線材によって直列配線により電気的に接続されていることを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記第一絶縁ライン及び前記第二絶縁ラインは、前記幅方向に沿って融着された融着部であることを特徴とする請求項10に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記第一絶縁ライン及び前記第二絶縁ラインを形成する工程は、前記絶縁加工を行うときに同時に行われることを特徴とする請求項10又は11に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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