JPWO2011105510A1 - 太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

信頼性に優れた太陽電池モジュールおよびその製造方法を提供する。本実施形態に係る太陽電池モジュールは、半導体基板9と出力取出電極10を備える第1および第2の太陽電池素子と、第1の太陽電池素子4aと第2の太陽電池素子4bとを電気的に接続する回路フィルム6と、回路フィルム6と第1および第2の太陽電池素子の第2の面8bとの間に配される封止材5とを備える。そして、封止材5は、貫通孔13を有しており、回路フィルム6は、太陽電池素子4の第2の面8bに向かって突出する凸部16を有する基体シート14と、凸部16の頂面に配置されとともに貫通孔12内に配された接合材18を介して第1の太陽電池素子4aの出力取出電極10と第2の太陽電池素子4bの出力取出電極10とを電気的に接続する配線導体15とを備えている。

Description

本発明は太陽電池モジュールおよびその製造方法に関する。
太陽光発電システムの1ユニットを形成する太陽電池モジュールは、一般に、ガラス基板上に、受光面側封止材、光電変換部、非受光面側封止材、保護シートを、順次重ね合わせて加熱加圧することによって製造される。このとき、例えば、受光面側封止材や非受光面側封止材には、樹脂が用いられ、光電変換部には、インナーリード等の配線導体で電気的に接続された複数の太陽電池素子が用いられる。
このような太陽電池モジュールの製造方法においては、多数の太陽電池素子を逐一インナーリードで接続するため、工程が煩雑であり、更なる生産効率の向上が求められている。
この問題を解決するために、特表2009−527917号公報や特開2002−319691号公報には、配線導体がフィルム上に配された回路フィルムで太陽電池素子同士を接続し、製造工程を簡略化することが提案されている。
しかしながら、特表2009−527917号公報に記載の製造方法においては、ウェーブソルダリング法を用いて太陽電池素子と回路フィルムとを半田付けして素子構造体を得る。その後に、該素子構造体、ガラス基板、封止材、および保護シートを一体化して、太陽電池モジュールを製造している。ウェーブソルダリング法は、半田槽内からの半田噴流で半田付けする方法であるため、上述した製造方法では、太陽電池素子および回路フィルムを半田の濡れ性が得られる温度まで加熱する必要があるとともに、半田噴流が太陽電池素子の広い面積を加熱するため熱履歴が大きい。広い面積を加熱しているため、半田付け後に冷却した際に素子構造体に反りが生じやすく、ガラス基板などと一体化する際に平坦に伸ばすと、太陽電池素子にクラックが生じる可能性があった。
また、特開2002−319691号公報に記載の製造方法においては、回路フィルムと一体化された封止材で、封止材を溶融や架橋硬化させることなく複数の太陽電池素子を電気的に接続している。そのため、電気的な接続における信頼性が低く、回路フィルムを折り返す工程などを含む製造工程が非常に煩雑になっていた。
本発明の目的は、簡易な構造で、信頼性と生産効率の高い太陽電池モジュールと、その製造方法を提供することである。
本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールは、互いに隣り合う第1および第2の太陽電池素子と、回路フィルムと、封止材と、を備えている。第1および第2の太陽電池素子は、各々、光を受ける第1の面および該第1の面の裏面に相当する第2の面を有する半導体基板、ならびに前記第2の面上に位置する出力取出電極、を備える。前記回路フィルムは、前記第1の太陽電池素子の前記出力取出電極と前記第2の太陽電池素子の前記出力取出電極とを電気的に接続する。前記封止材は、前記回路フィルムと前記第1および第2の太陽電池素子の前記第2の面との間に配されるとともに、貫通孔を有している。そして、前記回路フィルムは、前記第2の面に向かって突出する凸部を有する基体シートと、前記凸部の頂面に配された配線導体とを備えている。そして、前記配線導体が、前記貫通孔内に配された接合材を介して前記第1の太陽電池素子の前記出力取出電極と前記第2の太陽電池素子の前記出力取出電極とを電気的に接続する。
本発明の他の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法は、光を受ける第1の面および該第1の面の裏面に相当する第2の面を有する半導体基板、ならびに前記第2の面上に位置する出力取出電極を備えるとともに隣り合って配列される複数の太陽電池素子を準備する工程と、表面および裏面を有する封止材材料に、前記表面から前記裏面に貫通する貫通孔を設ける穿孔工程と、一主面上に凸部を有する基体シートおよび前記凸部の頂面に配された配線導体を有する回路フィルムを、前記封止材材料に対して、前記凸部が前記貫通孔内に位置するように配設する位置決め工程と、第1の太陽電池素子の前記出力取出電極と前記第1の太陽電池素子と隣り合う第2の太陽電池素子の前記出力取出電極とを接合材を介して前記配線導体で電気的に接続する接続工程と、前記封止材材料を熱処理して、封止材を形成する熱処理工程とを備えている。
本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールによれば、回路フィルムの基体シートが太陽電池素子の第2の面に向かって突出する凸部を有し、該凸部の頂面に配線導体が配置されている。これにより、太陽電池素子の第2の面と回路フィルムとの間に配される封止材の厚みよりも、太陽電池素子と配線導体との間に位置する接合材の厚みを小さくすることできる。その結果、簡易な構造で、太陽電池素子と配線導体の接合強度を高くするとともに、接合材が厚くなりすぎることによって生じやすい、接合材におけるクラックや剥離の発生を低減することができる。
本発明の第1の実施形態に係る太陽電池モジュール1を示す図面であり、図1(a)は受光面側から見た平面図である、図1(b)は図1(a)のA−A’線断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る太陽電池モジュール1の積層構成を示す分解斜視図である。 図3(a)は、図1(b)のB部を拡大して示す断面図であり、図3(b)は、接合材として導電性接着剤を用いた場合における図3(a)のC部を拡大して示すモデル図であり、図3(c)は、図1(a)のD−D’線断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る太陽電池モジュール1における太陽電池素子4を示す図面であり、図4(a)は太陽電池素子4を第1の面側(受光面側)から見た斜視図であり、図4(b)は太陽電池素子4を第2の面側(裏面側)から見た斜視図であり、図4(c)は図4(a)のG−G’線断面図である。 図5(a)は本発明の第1の実施形態に係る太陽電池モジュール1における回路フィルムを示す図2のE−E’線断面図であり、図5(b)は回路フィルムを示す図2のF−F’線断面図であり、図5(c)は第1の実施形態に係る太陽電池モジュール1における回路フィルムの変形例を示し図2のE−E’線断面図に相当する図面であり、図5(d)は図5(c)に示す回路フィルムの他の変形例の図2のF−F’線断面図に相当する図面である。 本発明の第2の実施形態に係る太陽電池モジュール31を示す部分拡大断面図である。 図7(a)は本発明の太陽電池モジュールを製造する過程におけるモジュール積層体を示す断面図であり、図7(b)はモジュール積層体をラミネーターで熱処理して太陽電池モジュールを製造する様子を示すモデル図である。 本発明の第7の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法を説明する図面である。 本発明の第7の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法を示す断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る太陽電池モジュール41を示す図面であり、図10(a)は回路フィルムにおける基体シートの凸部の周囲を示す拡大斜視図であり、図10(b)は第三の実施形態に係る太陽電池モジュール41の図3(c)に相当する位置における断面図である。 本発明の第4の実施形態に係る太陽電池モジュール51における回路フィルムを示す斜視図である。
以下、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールについて、添付図面を参照しつつ説明する。
≪第1実施形態≫
本発明の第1の実施形態に係る太陽電池モジュール1は、図1から図3に示すように、受光面側から順に、透光性基板2と、受光面側封止材3と、太陽電池素子4(第1の太陽電池素子4aおよび第2の太陽電池素子4b)と、非受光面側封止材5と、回路フィルム6と、端子ボックス7とを備える。透光性基板2は、太陽電池モジュール1の基板として機能する。回路フィルム6は、太陽電池素子4同士を電気的に接続する。端子ボックス7は、回路フィルム6の裏面に接着され、出力を外部に取り出す機能を有する。
本実施形態では、回路フィルム6は太陽電池素子4同士を電気的に接続する機能に加えて、太陽電池モジュール1の裏面を保護する機能を有する。
以下、本実施形態に係る太陽電池モジュール1における部材について説明する。
<透光性基板>
透光性基板2は、太陽電池素子4等を外部から保護する機能を有する。また、透光性基板2には、外部から光が入射される。そのため、透光性基板2は、太陽電池素子4へ光を入射させることができる部材であればその材質は特に限定されない。透光性基板2には、例えば、白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどのガラス材料もしくはポリカーボネートなどの樹脂材料等の光透過率の高いものが用いられる。透光性基板2の厚みは、例えば、白板ガラスや強化ガラスであれば3mm〜5mm程度、ポリカーボネート樹脂等の合成樹脂であれば、5mm程度とすることができる。
<受光面側封止材>
受光面側封止材3は、太陽電池素子4の受光面側を封止する機能を有する。受光面側封止材3の材質としては、例えば、透明のエチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)やポリビニルブチラール(PVB)を主成分とする有機化合物が用いられる。受光面側封止材3は、例えば、Tダイと押出し機とにより、上記有機化合物を厚さ0.4〜1mm程度のシート状に成形し、適宜のサイズに切断することによって得られる。
ここで、受光面側封止材3は架橋剤を含有してもよい。この架橋剤は、EVAなどの分子間を結合させる機能を有する。架橋剤としては、例えば、70℃〜180℃の温度で分解してラジカルを発生する有機過酸化物を用いることができる。有機過酸化物としては、例えば、2、5−ジメチル−2、5−ビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキサンやtert−ヘキシルパーオキシピバレートなどが挙げられる。受光面側封止材3としてEVAを用いる場合であれば、EVA100質量部に対して1質量部程度の割合で架橋剤を含有させることができる。
EVAやPVB以外にも、熱硬化性樹脂や、架橋剤を含有して熱硬化の特性を有する熱可塑性樹脂も、受光面側封止材3として利用可能である。このような樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂やEEA(エチレン−アクリル酸エチル共重合体)などが挙げられる。
<太陽電池素子>
太陽電池素子4は、太陽光を受光する側の主面である第1の面8a(受光面)および該第1の面8aの裏面に相当する第2の面8b(非受光面)を有する半導体基板9を有している。第1の面8aおよび第2の面8bは、太陽電池素子4の受光面および非受光面に相当する。
本実施形態に係る太陽電池モジュール1においては、複数の太陽電池素子4の第2の面8b同士が回路フィルム6で接続される。そのため、太陽電池素子4は、バックコンタクト構造を有している。このようなバックコンタクト構造としては、例えば、メタルラップスルー構造、エミッタラップスルー構造、IBC構造、アラウンドラップスルー構造などが挙げられる。太陽電池素子4は、バックコンタクト構造を有していればよく、その材質は、多結晶シリコン又は単結晶シリコン等の結晶系、薄膜シリコン等の薄膜系、CIGS又はCdTe等の化合物系等を適宜用いることができる。なお、本実施形態では、図4(c)に示すように、太陽電池素子4は、結晶系のメタルラップスルー構造を有している。
半導体基板9は、例えば、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板で構成され、その内部に、ボロンなどのP型不純物を多く含んだP層と、リンなどのN型不純物を多く含んだN層とのPN接合を有する。このような単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板は、例えば、純度が6N〜11Nのシリコン原料を用いて形成されたインゴットをスライス加工して切り出された、矩形状のものが用いられる。このような基板は、例えば、厚みが0.1mm〜0.3mm程度で、大きさを150mm〜160mm角程度とすることができる。
また、太陽電池素子4は、第2の面8b上に配置された出力取出電極10を備えている。出力取出電極10は、半導体基板9で生じたキャリア(電荷)を外部に出力する機能を有する。なお、太陽電池素子4は、第2の8b側で生じたキャリアを効率良く収集すべく、第2の面8b上に配置されて出力取出電極10と電気的に接続される集電電極(図示せず)を有していてもよい。
また、太陽電池素子4は、第1の面8a上に配置された線状の集電電極11を有していてもよい。集電電極11は、第1の面8bで生じたキャリアを効率良く収集する機能を有する。
図4(b)および図4(c)に示すように、出力取出電極10は、正負が異なる2種類の電極(10a、10b)を有している。すなわち、出力取出電極10において、一方の電極10aは、連通孔12の直下に位置しており、第1の面8a側で収集されるキャリア(例えば、電子)を出力する。これに対し、他方の電極10bは、一方の電極10aと絶縁するように第2の面8b上に位置しており、第2の面8b側で収集されるキャリア(例えば、正孔)を出力する。一方の電極10aと他方の電極10bとは、例えば、第2面8b上に離間して配置されることで、互いに絶縁されていてもよい。
なお、出力取出電極10および集電電極11は、例えば、銀または銅等の導電性材料で構成されており、スクリーンプリント法などにより形成できる。また、連通孔12に充填される導電性材料も、集電電極11と同等のものを用いることが可能であり、上述したスクリーンプリント法で集電電極11と同じ工程で形成することができる。
なお、図1(b)等の本明細書における太陽電池モジュールの断面を示す断面図は、上述した太陽電池素子4の詳細な構成要素を省略して示している。
<非受光面側封止材>
非受光面側封止材5は、受光面側封止材3と協働して太陽電池素子4を保護する機能を有する。非受光面側封止材5は、後述する回路フィルム6と太陽電池素子4の第2の面8bとの間に配される。非受光面側封止材5の材質は、例えば、受光面側封止材と同様のものを用いることができる。なお、非受光面側封止材5は、透明以外の樹脂を使用してもよい。例えば、非受光面側封止材5は、白色に着色された樹脂を用いて太陽電池モジュール1の発電量を高めたり、太陽電池素子4と同系色の樹脂を用いて太陽電池モジュール1の意匠性を高めたりしてもよい。
また、非受光面側封止材5は、単層のものに限られるものではなく、複層のものや、絶縁性の粒子をEVAやPVBなどに混練したものを用いてもよい。例えば、積層構成がEVA/PET/EVAである場合に中間層のPETとしてラミネート温度で溶融しない樹脂層を有するものや、EVAにシリカ粒子を混練したものを用いることができる。このような非受光面側封止材5を用いることで、貫通孔13以外の部分の絶縁性を高め、不要な部分での太陽電池素子4と回路フィルム6の接触を低減することができる。その結果、短絡の発生を低減することができる。
なお、非受光面側封止材5の厚みは、太陽電池素子4を保護できるものであればよく、例えば、太陽電池素子4の厚みが0.1mm〜0.3mmの場合、0.3mm〜0.8mmとすることができる。
また、非受光面側封止材5は、太陽電池素子4の出力取出電極10と、回路フィルム6の配線導体15とを電気的に接続するための貫通孔13を有している。貫通孔13は、太陽電池素子4の出力取出電極10と相対する位置に設けられている。貫通孔13は、例えば、応力集中を低減するために、開口形状が丸形や長丸形の貫通孔にすることができる。また、貫通孔13の投影面積は、20mm〜600mmの範囲内で、配線導体15の形状や太陽電池素子4の大きさ等に応じて、適宜選択することができる。
<回路フィルム>
回路フィルム6は、隣接して配置された太陽電池素子4同士を電気的に接続する。また本実施形態においては、非受光面側封止材5や太陽電池素子4を保護する機能も有する。
回路フィルム6は、図5(a)および図5(b)に示すように、基体シート14と配線導体15とを備える。基体シート14は、その一主面上に、太陽電池素子4の第2の面8bに向かって突出する凸部16を有している。基体シート14の凸部16は、基体シート14と配線導体15とを有する回路フィルム6を、塑性加工の一種であるプレス加工を用いて張出し成型することで形成することができる。
配線導体15は、隣接して配置された第1の太陽電池素子4aの正の出力取出電極10(10a)と、第2の太陽電池素子4bの負の出力取出電極10(10b)と、を電気的に接続する。具体的には、図5(a)および図5(b)に示すように、配線導体15は、非受光面側封止材5の貫通孔13内に配された接合材18を介して、第1の太陽電池素子4aの正の出力取出電極10aと、第2の太陽電池素子4bの負の出力取出電極10bとを電気的に接続する。この配線導体15は、基体シート14の一主面上に設けられた凸部16の頂面に配置されており、太陽電池素子4の出力取出電極10と相対する位置に設けられている。そして、配線導体15は、非受光面側封止材5に対向するコンタクト部15aを有している。
基体シート14の材質としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリフッ化ビニル樹脂(PVF)、ポリエチレン(PE)を使用することができる。また、接合材18に半田を用いるなどして、製造工程で200℃以上に加熱する場合は、ポリイミド(PI)やポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテル・エーテル・ケトン(PEEK)、4フッ化エチレン(PTFE)、ポリエーテルサルフォン(PES)などの耐熱性に優れた樹脂を用いればよい。
また、配線導体15は、基体シート14上に、金属をスパッタリングやエッチング、金属薄膜の貼り付けをすることで形成することができる。配線導体15を形成するための金属材料は、例えば、銅、アルミニウム、金、銀あるいはそれらを含む合金などを用いることができる。
なお、回路フィルム6の大きさは、少なくとも複数枚の太陽電池素子4と同じ大きさとできる。このような大きさを有する回路フィルム6は、半田ごてを用いた半田付けで局部的な加熱をおこなっても、加熱されていない部分の面積を広く確保することができる。そのため、回路フィルム6全体における伸縮を低減できるとともに、接続した太陽電池素子4と回路フィルム6とを一緒に冷却した場合であっても反りの発生を低減できる。
次に、本実施形態における回路フィルム6の変形例を、図5(c)および図5(d)を用いて説明する。
本変形例において、回路フィルム6の基体シート14は、上記の樹脂フィルムが組み合わされた複層構造を有する。具体的には、図5(c)および図5(d)に示すように、基体シート14は、PETやPENなどの樹脂シートであるシート層14a、14cと、該シート層14aおよびシート層14cの間に配置される防湿層14bとを有している。そして、回路フィルム6は、配線導体15のコンタクト部15a以外を被覆する絶縁被膜17を有している。このような変形例の回路フィルム6を用いる場合は、配線導体15のコンタクト部15aに低抵抗金属やフラックスを配置してもよい。すなわち、配線導体15は、上述した金属からなる基部15bと、凸部16の頂面に位置する基部15bの上に配置され低抵抗金属やフラックスからなるコンタクト部15aと、を有していてもよい。
このように、基体シート14が複層構造を有することにより、耐湿性や耐熱性、電気的絶縁性、および機械的特性を高めることができる。また、防湿層14bに、アルミ箔や亜鉛鉄箔、ステンレススチール箔や、シリカやアルミナの蒸着層を用いることで、回路フィルム6の長期的な耐湿性を向上することができる。
さらに、コンタクト部15aが、金で被覆されたり、予め半田付け用のフラックスで塗布されたりすることで、太陽電池素子4と配線導体15との電気的接合を好適に行うことができる。また、コンタクト部15a以外の配線導体15を覆うPETなどの絶縁被膜17を有することで、コンタクト部15a以外の箇所から生じる、太陽電池素子4から配線導体15へのリーク電流を低減して、信頼性や出力を向上させることができる。
<接合材>
接合材18は、太陽電池素子4の出力取出電極10と、回路フィルム6の配線導体15とを、コンタクト部15aにおいて電気的、機械的に接合する機能を有する。
このような接合材18としては、例えば、有鉛半田や無鉛半田、またはこれらの半田ペーストや、導電性接着剤などを用いることができる。
まず、接合材18に有鉛半田や無鉛半田を用いる場合について説明する。有鉛半田としては、例えば、Pb−Sn共晶半田を用いることができる。また、環境負荷低減のために用いる無鉛半田としては、接合する際の熱により太陽電池素子4や回路フィルム6の劣化を低減するという観点から、融点が低いものを用いることができる。また、無鉛半田は、その他の特性として、電極に対する高い濡れ性や、高い接合強度と疲労強度を有するものを適宜選択することができる。このような無鉛半田としては、例えば、中低温系のSn−Zn、Sn−Zn−Bi、中温系のSn−In−Ag−Bi、Sn−Ag−Bi−Cu、または中高温系のSn−Ag−CuやSn−Agを選択することができる。さらに、製造工程を簡単にするために、前述の、コンタクト部15aが予め半田で覆われた構造を有する配線導体15を用いてもよい。なお、接合材18として、これらの有鉛半田や無鉛半田の半田粉にフラックスやビヒクルを加えて混練してペースト状とした、半田ペーストを用いてもよい。
次に、接合材18に導電性接着剤を用いる場合について説明する。導電性接着剤は、導電性を担う金属フィラー20aと、接合特性を担うバインダー樹脂20bとを含む。このような導電性接着剤は、具体的には、金属フィラー20aとバインダー樹脂20bとを混練して得られる。
金属フィラー20aの材質としては、例えば、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、カーボン、グラファイトなどを使用可能である。また、金属フィラー20aの形状としては、例えば、フレーク状、粒状、針状または複数の金属フィラメントが分岐してなる樹状等の形状のものを適宜選択することができる。特に、金属フィラー20aとして、面接触しやすいフレーク状や、金属フィラー20間が近接しやすく接着性の高い樹状のものを用いることで、接合材18の抵抗値を低くすることができる。種々の形状の金属フィラーを組み合わせて用いることで、金属フィラー同士の接続および、出力取出電極10や配線導体15とバインダー樹脂20bとの接続を良好とすることができる。
バインダー樹脂20bとしては、応力負荷による変形に追従して、応力緩和しつつ、繰り返しの熱歪みに耐えられるものとすることができる。接合材18は、回路フィルム6と太陽電池素子4との間の密閉された層間で硬化されることから、アウトガスが少ないものを用いることができる。さらに、バインダー樹脂20bは、太陽電池素子4や回路フィルム6の熱履歴を小さくできるという観点から、低温で架橋硬化するものであってもよい。また、バインダー樹脂20bは、出力取出電極10とコンタクト部15aとの電気的接続をより精度良く行うという観点から、ラミネート時に非受光面側封止材5が軟化を開始した後に、少しずつ架橋を開始し、ラミネートを終了するまでに架橋硬化を終了する特性を持つものであってもよい。バインダー樹脂20bの架橋温度は、例えば、非受光面側封止材5にエチレンビニルアセトレート(EVA)を用いた場合、EVAの架橋前の融点である約70℃よりも高い温度であってもよい。このようなバインダー樹脂20bとしては、一液型または二液型のエポキシ系接着剤を用いることができる。また、エポキシ系接着剤以外にウレタン系接着剤やシリコン系接着剤、アクリル系接着剤またはポリイミド系接着剤も、バインダー樹脂20bとして選択可能である。
なお、接合材18には、上述した半田や導電性接着剤に代えて、導電性を有する両面粘着テープを用いてもよい。このような粘着テープは、非加熱でも機械的、電気的接続できることから、各部材を重ね合わせたときに圧着することができ、ラミネート前やラミネート時の太陽電池素子4と配線導体15の位置ずれにより生じる、コンタクト部15aと出力取出電極10との間での導通不良を低減できる。
上述した構成を有する第1の実施形態に係る太陽電池モジュール1は、以下の効果を奏する。
一般的に、接合材18は、機械的強度、信頼性および電気抵抗の観点から、第1の非受光面側封止材5の厚みよりも薄く形成するとよい。すなわち、接合材18の厚みを小さくすることで、強度上の欠陥が生じる可能性を低くするのがよい。
本実施形態では、回路フィルム6の基体シート14のうち、太陽電池素子4の第2の面8bと対向する一主面上に、配線導体15が配された凸部16が設けられる。これにより、配線導体15と出力取出電極10との間に位置する接合材18の厚みを第1の非受光面側封止材5の厚みよりも小さくすることが可能となる。
そのため、本実施形態では、例えば、太陽電池素子4を保護するために、上述したように非受光面側封止材5の厚みが0.3mm〜0.8mmと比較的厚い場合であっても、接合材18に強度的な欠陥が含まれる可能性を低減し、接合材18の機械的強度を高めて信頼性を向上することができる。すなわち、設置後の太陽電池モジュール1の使用に伴う熱応力や風圧力、積雪荷重などにより前記欠陥に応力集中が生じて、接合材18に亀裂が生じ、導通不良が生じる可能性を低減することができる。その結果、信頼性の向上が図れる。
また、太陽電池素子4の出力取出電極10を、非受光面側封止材5の厚みに相当する0.3mm〜0.8mmの高さだけ非受光面から突出させて、配線導体15と接触させようとした場合、太陽電池素子4の製造が困難であるが、本実施形態の場合そのような問題を解決することができる。他に回路フィルム6の配線導体15を同様に非受光面側封止材5の厚み分0.3mm〜0.8mmの高さに突出させて、太陽電池素子の出力取出電極に接触させようとした場合、配線導体が厚いことから熱膨張・収縮による熱応力が大きくなるととともに使用材料が多くなるが、本願の場合、そのような問題を解決することができる。
なお、本実施形態では、図3(a)に示すように、基体シート14における凸部16は、該凸部16に対応する部位において、回路フィルム6全体(基体シート14および配線導体15)が屈曲しているが、本発明に係る形態はこれに限定されるものではない。例えば、他の形態としては、基体シート14の一主面上に凸部16が形成されており、基体シート14の一主面の裏面に相当する面が平坦であってもよい。
また、接合材18に導電性接着剤を用いた太陽電池モジュール1においては、上述したように、図3(b)に示すような、出力取出電極10とコンタクト部15aの接合を有している。具体的には、図3(b)に示すように、接合材18の導電性接着剤中では、それぞれ金属フィラー20aが樹脂バインダー20bで囲まれている。そのため、接合材18を介した出力取出電極10と配線導体15との導通は、金属フィラー20a間における樹脂バインダー20bを絶縁破壊することで行われる。それゆえ、接合材18の抵抗を小さくする観点からは、出力取出電極10と配線導体15をより近接させて、出力取出電極10とコンタクト部15aの間の金属フィラー20aの数を少なくすればよい。また、本実施形態において、金属フィラー20aには、信頼性を高く、電気抵抗を小さくするという観点から、金や銀などの貴金属を用いるとよい。このように本実施形態では、接合材18に金属フィラー20aと樹脂バインダー20bとを含む導電性接着剤を用いているため、導電性を維持しつつ応力に対して変形を生じることができる。その結果、接合材18として半田等を用いた場合に比べて、応力集中を緩和することができる。
≪第2の実施形態に係る太陽電池モジュール≫
次に、本発明の第2の実施形態に係る太陽電池モジュール31について、図6を用いて説明する。本実施形態に係る太陽電池モジュール31は、図6に示すように、基体シート14の凸部16の周囲に凹部23を有する点で第1の実施形態と相違する。
具体的には、本実施形態では、基体シート14は、凸部16の周囲に設けられた凹部23をさらに有している。該凹部23は、図6に示すように、第1の非受光面側封止材5に対して凹状である。このような凹部23は、塑性加工の一種である絞り加工で形成することが出来る。
本実施形態では、このような凹部23を設けたことにより、接合材18として導電性接着剤を用いた場合に、ラミネート時に接合材18(導電性接着剤)が第1の非受光面側封止材5と回路フィルム6との層間に浸潤するのを低減することができる。すなわち、接合材18に導電性接着剤を用いた場合に、ラミネート時に、ラミネート時の圧力で、非受光面側封止材5と回路フィルム6との層間に未硬化の接合材18(導電性接着剤)が侵入するのを低減することができる。これにより、第1の非受光面側封止材5と回路フィルム6との接着性を高めて信頼性を高めることができる。
≪第3の実施形態に係る太陽電池モジュール≫
次に、本発明の第3の実施形態に係る太陽電池モジュール41について、図10(a)および図10(b)を用いて、説明する。
本実施形態に係る太陽電池モジュール41は、図10(a)に示すように、基体シート14が凸部16の周囲に切り込み部24を有する点と、第2の非受光面側封止材25および裏面保護フィルム26を有する点で、第1の実施形態と相違する。
具体的には、切り込み部24の形状としては、一辺約1mmから約3mm程度の略矩形状の一部や、半径約1mmから約3mm程度の略U字型等がある。本実施形態においては、基体シート14は、切り込み部24により形成された凸部16を有している。このような凸部16は、まず、基体シート14に切り込み部24を塑性加工の一種であるせん断加工によって形成し、該切り込み部24を第1の非受光面側封止材5側に押し上げることで形成することができる。
本実施形態においても、上述したように、凸部16の頂面に配された配線導体15のコンタクト部15aが、接合材18を介して出力取出電極10と電気的に接続される。このとき、図10(b)に示すように、凸部16は、第1の非受光面側封止材5の貫通孔13内に配置されている。したがって、本実施形態において、貫通孔13の大きさは、切り込み部24の大きさより若干大きければよい。例えば、貫通孔13の形状は、開口径が約2mm〜約6mm程度の丸型や四角型とすることができる。
また、本実施形態では、コンタクト部15aの周囲に設けた切り込み部24を用いて、コンタクト部15aを押し出すことで、基体シート14の表面から大きく突出した小面積の凸部16を形成することができる。これにより、太陽電池素子4と回路フィルム6とを配設した際に出力取出電極10とコンタクト部15aとの距離を小さくすることができるとともに、出力取出電極10とコンタクト部15aとの電気的な接触を安定させることができる。その結果、導電性接着剤の使用量を低減できるとともに、接触抵抗を低減して導電性を高めることができる。
太陽電池モジュール41における基体シート14は、コンタクト部15aの周囲に切り込み部24を有することから、凸部16が太陽電池素子4や回路フィルム6全体の伸縮に適応して変形できる。そのため、コンタクト部15aと出力取出電極10の間での剥離を生じさせる方向に作用する応力を緩和することができる。これにより、例えば、太陽電池素子4と回路フィルム6の熱膨張率の差に伴う熱応力を緩和や、該熱応力を起因とする太陽電池素子4を湾曲させようとする応力を低減することができる。
さらに、上述したように、本実施形態においては、基体シート14の表面と凸部16の頂面との高低差を大きくすることができる。そのため、切り込み部24を設けたことで、回路フィルム6をプレス加工して凸部16が形成される時に、配線導体15の厚みが小さくなるのを低減することができる。
またさらに、上述したように、本実施形態においては、凸部16の頂面を小面積とできることから、第1の非受光面側封止材5に設ける貫通孔13の開口面積を小さくすることができる。これにより、太陽電池素子4と第1の非受光面側封止材5、および回路フィルム6と第1の非受光面側封止材5の接着面積を広くしてモジュール強度を高めることができる。また、貫通孔13の開口面積を小さくすることで、貫通孔13を充填する接合材18の導電性接着剤を少なくすることができ、フィラーとして用いられている銀などの高価な希少金属の使用量を低減することができる。
さらに、本実施形態においては、接合材18は切り込み部24の周囲を覆うように配置されている。これにより、太陽電池素子4と配線導体15との電気的接続における信頼性が高まる。
なお、本実施形態における第2の非受光面側封止材25は、太陽電池モジュール1の非受光面側から回路フィルム6を保護する機能を有するものであり、裏面保護フィルム26は、第2の非受光面側封止材25の非受光面側を保護する機能を有するものである。
≪第4の実施形態に係る太陽電池モジュール≫
次に、本発明の第4の実施形態に係る太陽電池モジュール51について、図11を用いて説明する。
本実施形態に係る太陽電池モジュール41は、図11に示すように、回路フィルム6が、導電性の金属の単層からなり、配線導体15と基体シート14とが一体化された構成を有する点で、第1の実施形と相違する。
このような回路フィルム6としては、シート状の銅やアルミニウムを配線導体15の電気回路に型抜きしたものを用いることができ、得られたシート状の配線導体15が、基体シート14として機能する。これにより、基体シート14を別材料で形成する必要がなく、基体シート14の材料を節減することができる。
以下で、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法について説明する。
まず、第5の実施形態、第6の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法では、接合材18に半田を用いた場合について説明する。また、第7の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法では、接合材18に導電性接着剤を用いた場合について説明する。
≪第5の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法≫
<第1および第2の太陽電池素子4a、4bを準備する工程>
光を受ける第1の面および第1の面の裏面に相当する第2の面を有する半導体基板、ならびに第2の面上に位置する出力取出電極を備える、第1および第2の太陽電池素子を準備する。具体的には、例えば、上述したような構成を有する第1および第2の太陽電池素子4a、4bを準備する。このような太陽電池素子4は、既知の方法で適宜製造することができる。
<第1の非受光面側封止材材料(封止材シート)の準備工程および穿孔工程>
表面および裏面を有する封止材材料に、表面から裏面に貫通する貫通孔を形成する。ここで、以下では、熱処理して太陽電池モジュール1として一体化する前の、受光面側封止材3および第1の非受光面側封止材5を、各々、受光面側封止材シート3aおよび第1の非受光面側封止材シート5aと呼ぶ。すなわち、受光面側封止材シート3aおよび第1の非受光面側封止材シート5aは、各々、受光面側封止材3および第1の非受光面側封止材5の前駆体であり、換言すれば、各々、受光面側封止材3の材料および第1の非受光面側封止材5の材料である。
第1の非受光面側封止材シート5aを作成するために、例えば、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)やポリビニルブチラール(PVB)を主成分とする有機化合物の封止材シートを準備する。前述の封止材シートは、架橋剤として有機化酸化物を含有してもよい。その封止材シートの表面から裏面に向かって穿孔して貫通孔13を設けて、第1の非受光面側封止材シート5aを準備する。貫通孔13は、封止材シートのうち、太陽電池素子4の出力取出電極10と相対する位置に設ければよい。貫通孔13は、例えば、封止材シートをトムソン金型で型抜き加工して設けることができる。
なお、本実施形態においては、各封止材材料としてシート状のものを用いたが、封止材材料の形状はこれに限らない。例えば、封止材材料は、封止材が配される部材(本実施形態においては、複数の太陽電池素子4)の表面に塗布された上述したEVA等であってもよい。このような場合、貫通孔13を設けるとは、貫通孔13の形状に対応するマスクを、封止材が形成される部材の表面に配置して、EVA等を塗布・乾燥することによって、貫通孔13を有する封止材を形成することをいう。
<位置決め工程>
まず、図7(a)に示すように、透光性基板2の非受光面側に受光面側封止材シート3aを載置し、その受光面側封止材シート3aの上に太陽電池素子4を配列する。次に、太陽電池素子4の出力取出電極10と第1の非受光面側封止材シート5aの貫通孔13とが相対するように位置するよう、太陽電池素子4に非受光面側封止材シート5aを重ねる。そして、基体シート14の凸部16が第1の非受光面側封止材シート5aの貫通孔13を通り、配線導体15のコンタクト部15aと太陽電池素子4の出力取出電極10とが相対するように位置するよう、第1の非受光面側封止材シート5aに回路フィルム6を重ね合せる。これにより、透光性基板2、受光面側封止材シート3a、太陽電池素子4、第1の非受光面側封止材シート5a、および回路フィルム6を有するモジュール積層体19を形成する。
<接続工程>
次に、太陽電池素子4の出力取出電極10と、回路フィルム6における配線導体15のコンタクト部15aとを接合材18にて電気的に接続する。例えば、出力取出電極10とコンタクト部15aとを半田付けすることで、電気的に接続すればよい。この半田付けは、例えば、コンタクト部15aに予め被覆されている半田を溶融して行うことができる。このとき、この半田付けは、半田ごてや熱風やYAGレーザーなどの加熱手段を用いて、基体シート14越しにコンタクト部15aを被覆する接合材18(半田)を加熱して行うことができる。
ここで、加熱手段に半田ごてや熱風を用いる場合は、加熱による損傷を低減するために、基体シート14に前述のポリイミドやポリアミドイミド、ポリエーテル・エーテル・ケトン、4フッ化エチレン、ポリエーテルサルフォンを用いればよい。
また、加熱手段にYAGレーザーを用いる場合は、回路フィルム6の基体シート14として透明なシート部材を用い、基体シート14の裏面側から、コンタクト部15aをYAGレーザーで照射できるようにすればよい。
本実施形態に係る製造方法において、熱処理工程は、例えば、後述するラミネート工程と架橋工程とを有する。
<ラミネート工程>
次に、図7(b)に示すように、上述のモジュール積層体19をラミネーター21により、真空中で脱気しながら加圧し、かつ熱処理する。この熱処理により、溶融した受光面側封止材シート3aと第1の非受光面側封止材シート5aとを接着し、受光面側封止材3と第1の非受光面側封止材5を形成することで、モジュール積層体19の層間を接着して、各部材を一体化する。
本工程においては、モジュール積層体19の回路フィルム6上に、耐熱性の軟質樹脂22を載置して加圧してもよい。軟質樹脂22としては、針入度が50〜200であり耐熱性を有するアクリルゲルやシリコンゲルを用いることができる。このように柔軟性の高い軟質樹脂22を用いることで、軟質樹脂22が凸部16の内壁を均等に加圧しやすい。そのため、ラミネート時の応力集中に伴う太陽電池素子4のクラック発生などを低減しつつ、出力取出電極10とコンタクト部15aとの接触を安定させ、貫通孔13内に気泡が残らないように、太陽電池素子4と回路フィルム6との間を第1の非受光面側封止材シート5aで充填することができる。
<架橋工程>
ラミネートされたモジュール積層体19を架橋炉で受光面側封止材3と第1の非受光面側封止材5との架橋度が90%以上となるまで加熱する。このときの加熱温度は、例えば、120℃から150℃で保持することができる。その後、熱処理されたモジュール積層体19の非受光面側にポリフェニレンエーテル樹脂等からなる端子ボックス7を接着剤で固定する。このようにして、太陽電池モジュール1が製造される。
以上のような太陽電池モジュール1の製造方法を用いることにより、太陽電池素子4の出力取出電極10と回路フィルム6との間に、適切な厚みの接合材18を設けることができ、高い機械的強度を確保し信頼性の高い太陽電池モジュール1を製造することができる。すなわち、太陽電池素子4の出力取出電極10と配線導体15との間に位置する接合材18の厚みを、太陽電池素子4と回路フィルム6との間に配された非受光面側封止材5の厚みよりも小さくすることができる。その結果、簡易な構造で、太陽電池素子と配線導体の接合強度を高くするとともに、接合材が厚くなりすぎることによって生じやすい、接合材におけるクラックや剥離の発生を低減することができる。
また、太陽電池素子4毎に複数本の銅箔等で電気的接続をする必要がないことから、生産効率を高めることができる。
≪第6の実施形態に係る太陽電池素子の製造方法≫
本発明の第6の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法について説明する。本実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法は、ラミネート工程の後に半田付け工程を行う点で、第5の実施形態と相違する。
具体的には、半田ごてや熱風、YAGレーザーで回路フィルム6側から基体シート14越しにコンタクト部15aを被覆する接合材18(半田)を加熱して半田付けを行う。
この半田付け工程を、ラミネート工程後に行うことで、半田付け工程時に、太陽電池素子4が受光面側封止材3と第1の非受光面側封止材5との間で充填されて固定された状態となる。これにより、回路フィルム6と太陽電池素子4との熱膨張率の違いに伴う反りの発生を低減することができる。また、本実施形態では、ラミネート工程後に半田付けを行うため、受光面側封止材3および第1の非受光面側封止材5に対する半田付け時の熱による影響を小さくすることができる。例えば、半田付け工程において、受光面側封止材3および第1の非受光面側封止材5の融解等を低減することができる。
≪第7の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法≫
本発明の第7の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法について説明する。本実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法は、接合材18に導電性接着剤を用いた場合に適用できる点、および接続工程と熱処理工程とを1つの工程で行う点で、第5の実施形態と相違する。接続工程と熱処理工程とを1つの工程で行う点とは、より具体的には、少なくとも接続工程とラミネート工程と架橋工程とを1つの工程で行う点である。以下、第5の実施形態と異なる点について、説明する。
<位置決め工程>
まず、図9に示すように、透光性基板2の非受光面側に受光面側封止材シート3aを載置し、その受光面側封止材シート3a上に太陽電池素子4を配列する。次に、太陽電池素子4の出力取出電極10と第1の非受光面側封止材シート5aの貫通孔13とが相対するように、太陽電池素子4の上に非受光面側封止材シート5aを重ねる。その後、貫通孔13に相対する出力取出電極10の上であって、貫通孔13内にペースト状の接合材18(導電性接着剤)を注入する。次に、回路フィルム6の凸部16が貫通孔13を通り、コンタクト部15aと出力取出電極10とが相対するように、第1の非受光面側封止材シート5aに回路フィルム6を重ね合せる。これにより、モジュール積層体19を形成する。
<ラミネート工程>
次に、モジュール積層体19をラミネーター21により、真空で脱気しつつ加熱加圧する。これにより、モジュール積層体19の層間を接着して各部材を一体化する。このとき、本実施形態においては、接合材18(導電性接着剤)も架橋硬化することで、コンタクト部15aと出力取出電極10とを電気的に接続する。すなわち、本工程は、第5の実施形態に係る接続工程を兼ねている。
また、本実施形態においては、接合材18に導電性接着剤を用いるとともに柔軟性の高い軟質樹脂22を用いることで、図8に示すようにパスカルの原理が働くことから、軟質樹脂22が凸部16の内壁を均質に加圧する効果が高まる。その結果、応力集中に伴う太陽電池素子4でのクラックの発生を低減するとともに出力取出電極10とコンタクト部15aとの接触の信頼性を高めることができる。
なお、本実施形態においては、接続工程と熱処理工程を1つの工程で行う形態の一例として、接続工程とラミネート工程と架橋工程を1つの工程で行う形態を例示したが、架橋工程は、接続工程とは異なる工程で行っても構わない。すなわち、架橋工程は、適宜接続工程と同じ工程で行うことができる。
以上、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュール、および太陽電池モジュールの製造方法について、具体的な形態を例示して説明したが、本発明は以上の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
例えば、本発明の他の実施形態に係る太陽電池モジュールは、上述した実施形態を種々組合せたものであってもよい。
1、31、41:太陽電池モジュール
2:透光性基板
3:受光面側封止材
3a:受光面側封止材シート
4:太陽電池素子
4a:第1の太陽電池素子
4b:第2の太陽電池素子
5:第1の非受光面側封止材
5a:第1の非受光面側封止材シート
6:回路フィルム
7:端子ボックス
8a:第1の面(受光面)
8b:第2の面(非受光面)
9:半導体基板
10:出力取出電極
11:集電電極
12:連通孔
13:貫通孔
14:基体シート
14a、14c:シート層
14b:防湿層
15:配線導体
15a:コンタクト部
15b:基部
16:凸部
17:絶縁被膜
18:接合材
19:モジュール積層体
20a:金属フィラー
20b:バインダー樹脂
21:ラミネーター
22:軟質樹脂
23:凹部
24:切り込み部
25:第2の非受光面側封止材
26:裏面保護フィルム
本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールは、光を受ける第1の面および該第1の面の裏面に相当する第2の面を有する半導体基板、ならびに前記第2の面上に位置する出力取出電極、を備えるとともに隣り合って配列される複数の太陽電池素子と、前記複数の太陽電池素子の前記第面上に配されるとともに、貫通孔を有している封止材と、該封止材上に配されるとともに、前記貫通孔に配される接合材を介して第1の太陽電池素子と該第1の太陽電池素子と隣り合う第2の太陽電池素子とを電気的に接続する回路フィルムとを備え、該回路フィルムは、前記第2の面に向かって突出する凸部を有する基体シートと、前記凸部の頂面に直に固定されるとともに、前記貫通孔内に配された前記接合材を介して前記第1の太陽電池素子の前記出力取出電極と前記第2の太陽電池素子の前記出力取出電極とを電気的に接続する配線導体とを備えている。
本発明の他の実施形態に係る太陽電池モジュールの製造方法は、光を受ける第1の面および該第1の面の裏面に相当する第2の面を有する半導体基板、ならびに前記第2の面上に位置する出力取出電極を備えるとともに隣り合って配列される複数の太陽電池素子を準備する工程と、表面および裏面を有する封止材材料に、前記表面から前記裏面に貫通する貫通孔を設ける穿孔工程と、一主面上に凸部を有する基体シートおよび前記凸部の頂面に直に固定された配線導体を有する回路フィルムを、前記封止材材料に対して、前記凸部が前記貫通孔内に位置するように配設する位置決め工程と、第1の太陽電池素子の前記出力取出電極と前記第1の太陽電池素子と隣り合う第2の太陽電池素子の前記出力取出電極とを接合材を介して前記配線導体で電気的に接続する接続工程と、前記封止材材料を熱処理して、封止材を形成する熱処理工程とを備える。

Claims (8)

  1. 光を受ける第1の面および該第1の面の裏面に相当する第2の面を有する半導体基板、ならびに前記第2の面上に位置する出力取出電極、を備えるとともに隣り合って配列される複数の太陽電池素子と、
    前記複数の太陽電池素子の前記第1面上に配されるとともに、貫通孔を有している封止材と、
    該封止材上に配されるとともに、前記貫通孔に配される接合材を介して第1の太陽電池素子と該第1の太陽電池素子と隣り合う第2の太陽電池素子とを電気的に接続する回路フィルムとを備え、
    該回路フィルムは、前記第2の面に向かって突出する凸部を有する基体シートと、前記凸部の頂面に配されるとともに、前記貫通孔内に配された前記接合材を介して前記第1の太陽電池素子の前記出力取出電極と前記第2の太陽電池素子の前記出力取出電極とを電気的に接続する配線導体とを備えている、太陽電池モジュール。
  2. 前記基体シートは、前記凸部の周囲に凹部を有している、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記接合材は、前記凸部の周囲を覆うように配されている、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記基体シートは、前記凸部の周囲に切り込み部を有している、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記接合材は、前記切り込み部を覆うように配されている、請求項4に記載の太陽電池モジュール。
  6. 光を受ける第1の面および該第1の面の裏面に相当する第2の面を有する半導体基板、ならびに前記第2の面上に位置する出力取出電極を備えるとともに隣り合って配列される複数の太陽電池素子を準備する工程と、
    表面および裏面を有する封止材材料に、前記表面から前記裏面に貫通する貫通孔を設ける穿孔工程と、
    一主面上に凸部を有する基体シートおよび前記凸部の頂面に配された配線導体を有する回路フィルムを、前記封止材材料に対して、前記凸部が前記貫通孔内に位置するように配設する位置決め工程と、
    第1の太陽電池素子の前記出力取出電極と前記第1の太陽電池素子と隣り合う第2の太陽電池素子の前記出力取出電極とを接合材を介して前記配線導体で電気的に接続する接続工程と、
    前記封止材材料を熱処理して、封止材を形成する熱処理工程とを備える、太陽電池モジュールの製造方法。
  7. 前記接合材に、半田を用い、
    前記接続工程後に前記熱処理工程を行う、請求項6に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
  8. 前記接合材に、樹脂を含む導電性接着剤を用い、
    前記接続工程と前記熱処理工程とを同じ工程で行う、請求項6に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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