JPWO2017009957A1 - 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 - Google Patents
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Abstract
インターコネクタの厚みを増大することなく、残留熱応力の増大を抑制し、加工が容易でかつ、接合強度が高い、太陽電池モジュールを得ることを目的とし、本発明の太陽電池モジュールは、ｐｎ接合を有する半導体基板と、半導体基板のｐ型領域およびｎ型領域に形成された、第１電極および第２電極とを備えた太陽電池セルと、太陽電池セルと隣接する太陽電池セルとの間を接続するインターコネクタとを備える。インターコネクタ２０は、複数の丸細線２１からなる束状体であり、第１電極と、隣接する太陽電池セルの第２電極との当接領域を有する。
Description
本発明は、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関する。
従来、太陽電池モジュールは、太陽電池セル間を、インターコネクタを用いて電気的に接続して形成したストリングを、ガラス基板と、裏面カバー材との間に封止材を介して接続することで構成されている。
インターコネクタに用いられる母材形状は、セルとの接合面積の確保、製造の容易性から、丸線に圧延加工を加え断面形状が長方形となる平角線インターコネクタが一般的である。
しかしながら、圧延加工をすることで加工費が加わり、平角線インターコネクタ材は、丸線と比較して高価なものとなる。
仮に丸線を用いたとしても、断面が円形状であるため太陽電池セル表面に形成される素子電極との接合面積が小さくなる。また平角線と同じ導体断面積を得るためには平角線の厚みに対して丸線の線径を大きくしなければならず、太陽電池セル上に載せ接合するインターコネクタの厚みを増やすことは、接合時の残留熱応力が大きくなることになる。
特許文献１では、太陽電池セル表面の素子電極を円形の窪みを持つ形状とすることで丸線インターコネクタとの接合面積を確保する技術が公開されている。
しかしながら、従来の技術では、太陽電池セル上に載せて接合する丸線インターコネクタの厚みが大きいため接合時の残留熱応力が増加するという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インターコネクタの厚みを増大することなく、残留熱応力の増大を抑制し、加工が容易でかつ、接合強度が高い、太陽電池モジュール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、本発明の太陽電池モジュールは、ｐｎ接合を有する半導体基板と、半導体基板のｐ型領域およびｎ型領域に形成された、第１電極および第２電極とを備えた太陽電池セルと、太陽電池セルと隣接する太陽電池セルとの間を接続するインターコネクタとを備える。インターコネクタは、複数の金属線からなる束状体であり、第１電極と、隣接する太陽電池セルの第２電極との当接領域を有する。
本発明によれば、インターコネクタの厚みを増大することなく、残留熱応力の増大を抑制し、加工が容易でかつ、接合強度が高い、太陽電池モジュールを得ることができるという効果を奏する。
以下に、本発明の実施の形態にかか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を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明および添付図面の内容は、請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１の太陽電池モジュールについて、図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２は、実施の形態１の太陽電池モジュールの断面図および斜視図である。図３は、太陽電池モジュールのインターコネクタを示す斜視図である。図４は、実施の形態１のインターコネクタの太陽電池セル上での断面図、図５は、実施の形態１のインターコネクタの素子間部での断面図である。図６（ａ）および（ｂ）は、実施の形態１の太陽電池モジュールに適用する太陽電池セルを表面側および裏面側から見た概略構成を示す斜視図である。図７は、実施の形態１のインターコネクタ接続工程を示す説明図である。図８は、実施の形態１のストリングの概略構成を示す斜視図、図９は、実施の形態１の太陽電池アレイの概略構成を示す斜視図である。図１０は、実施の形態１の太陽電池パネルの分解斜視図、図１１は、実施の形態１の太陽電池モジュールの実装工程を示すフローチャートである。実施の形態１の太陽電池モジュールは、太陽電池セル間を接続するインターコネクタ２０に、図３に要部拡大斜視図を示すように、断面円形の細線状の１９本の丸細線２１を撚り線としたものである。なお丸細線２１の外側面は、はんだ層２２で被覆されている。
以下に、本発明の実施の形態１の太陽電池モジュールについて、図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２は、実施の形態１の太陽電池モジュールの断面図および斜視図である。図３は、太陽電池モジュールのインターコネクタを示す斜視図である。図４は、実施の形態１のインターコネクタの太陽電池セル上での断面図、図５は、実施の形態１のインターコネクタの素子間部での断面図である。図６（ａ）および（ｂ）は、実施の形態１の太陽電池モジュールに適用する太陽電池セルを表面側および裏面側から見た概略構成を示す斜視図である。図７は、実施の形態１のインターコネクタ接続工程を示す説明図である。図８は、実施の形態１のストリングの概略構成を示す斜視図、図９は、実施の形態１の太陽電池アレイの概略構成を示す斜視図である。図１０は、実施の形態１の太陽電池パネルの分解斜視図、図１１は、実施の形態１の太陽電池モジュールの実装工程を示すフローチャートである。実施の形態１の太陽電池モジュールは、太陽電池セル間を接続するインターコネクタ２０に、図３に要部拡大斜視図を示すように、断面円形の細線状の１９本の丸細線２１を撚り線としたものである。なお丸細線２１の外側面は、はんだ層２２で被覆されている。
実施の形態１の太陽電池モジュール１００は、図１に示すように、ｐｎ接合を形成したｐ型単結晶シリコン基板で構成された半導体基板１１の第１主面である受光面１１Ａ側に受光面電極１２、第２主面である裏面１１Ｂに裏面電極１３を形成した太陽電池セル１０をインターコネクタ２０で接続したものである。太陽電池セル１０は、ｐ型シリコン基板に対して、光の集光率を高めるために受光面１１Ａ側にテクスチャエッチングにより凹凸形状を形成する。そして、図示しないｎ型拡散層を形成し、その上に反射防止膜であるシリコン窒化膜を成膜する。太陽電池セル１０の裏面１０Ｂには、Ａｌを含む裏面集電電極１３ａおよびＡｇを含む裏面接合電極１３ｂが形成され、裏面電極１３を構成している。裏面集電電極１３ａは、開放電圧および短絡電流を向上させるための裏面電界層を有するとともに、裏面側の電流を集めるために設けられる電極であり、太陽電池セル１０の裏面１０Ｂのほぼ全域を覆う。
また、裏面接合電極１３ｂは、インターコネクタ２０と電気的に接合するために設けられる電極である。裏面接合電極１３ｂは、インターコネクタ２０を接合する方向に沿って設けられている。裏面集電電極１３ａおよび裏面接合電極１３ｂは、前述したようにＡｌ，Ａｇなどの金属粒子を有する導電性ペーストを所望の範囲に塗布して焼成することで形成される。裏面接合電極１３ｂは、図６（ｂ）に示すように、インターコネクタ２０を接合する方向に沿って太陽電池セル１０のほぼ全長に渡って飛び石状に設けられる。なお、裏面接合電極１３ｂは、インターコネクタ２０を接合する方向に沿って太陽電池セル１０のほぼ全長に渡って設けても良い。
太陽電池セル１０の受光面１０Ａ側には、光−電子変換により発生した光電流を集める受光面集電電極である複数の受光面グリッド電極１２Ｇと、インターコネクタ２０を接合する受光面接合電極である受光面バス電極１２Ｂとが形成されている。受光面グリッド電極１２Ｇは、光電流を集めるための電極であり、太陽光が太陽電池セル１０の内部に到達するのを妨げないようにしながら光電流を集めるために、細い直線状の電極を多数本並行に並べて形成される。
また、受光面バス電極１２Ｂは、受光面グリッド電極１２Ｇと直交する方向に設けられる。受光面バス電極１２Ｂは、インターコネクタ２０と電気的に接合するために設けられる電極である。受光面バス電極１２Ｂおよび受光面グリッド電極１２Ｇは、金属粒子を有する導電性ペーストを所望の範囲に塗布して焼成することで形成される。
図４および図５に示すように、インターコネクタ２０は、太陽電池セル１０の裏面１０Ｂに形成された裏面接合電極１３ｂに裏面領域がはんだ接合され、隣接する太陽電池セル１０の受光面１０Ａに形成された受光面バス電極１２Ｂに受光面側領域がはんだ接合される。このように、隣接する太陽電池セル１０同士がインターコネクタ２０によって連結されることでストリング７０が形成される。
ここで、インターコネクタ２０は、太陽電池セル１０の受光面バス電極１２Ｂと、隣接する太陽電池セル１０の裏面接合電極１３ｂとを接続するために、屈曲部２０Ｒを有する。
インターコネクタ２０は、多数の金属丸線をはんだ層で覆ったものが使用される。インターコネクタ２０は、太陽電池セル１０の連結方向に延びている。
実施の形態１の太陽電池モジュール１００は、インターコネクタ２０をはんだ層２２で被覆された丸細線２１の撚り線で構成し、インターコネクタ２０を用いて太陽電池セル１０の第１主面１０Ａである受光面と第２主面１０Ｂである裏面を交互にはんだで接続し、図８に示すようにストリング５０を構成するものである。
図９は、本発明の実施の形態１の太陽電池アレイ７０の概略構成を示す斜視図であって、裏面側から見た状態を示す。図９に示すように、複数の太陽電池セル１０がインターコネクタ２０で接続された太陽電池ストリング５０が、さらに横タブ線２５および出力タブ線２６で直列に接合されて、太陽電池アレイ７０が形成される。
図１０は、図１および図２に示した太陽電池モジュールの分解斜視図である。太陽電池モジュール１００は、太陽電池セル１０の受光面１０Ａ側を封止する受光面側封止材３３、受光面保護材３１で覆い、裏面１０Ｂ側を裏面側封止材３４、裏面保護材３２で覆い、外枠としての、補強用のフレーム４０で周囲を囲んだものである。実施の形態１では、受光面側封止材３３、受光面保護材３１、裏面側封止材３４、裏面保護材３２をあわせて封止樹脂とする。
受光面１０Ａ上に形成された受光面バス電極１２Ｂと接続したインターコネクタ２０は、隣接する太陽電池セル１０の裏面１０Ｂ上に形成された裏面接合電極１３ｂと接続することで、複数の太陽電池セル１０を直列に接続している。
図１に太陽電池モジュール１００の断面図を示すように、この太陽電池セル１０は、厚み０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下のｐ型単結晶シリコン基板からなる半導体基板１１からなる。太陽電池セル１０を構成する半導体基板１１内部にはｐｎ接合が形成され、その受光面１１Ａと裏面１１Ｂには受光面バス電極１２Ｂおよび裏面接合電極１３Ｂが設けられ、さらに受光面１１Ａには反射防止膜が設けられている。太陽電池セル１０の大きさは、単結晶シリコン太陽電池の場合、１辺の長さが１５０ｍｍ〜１５６ｍｍ程度である。なお、半導体基板としてはｐ型単結晶シリコン基板に限定されることなく、ｎ型単結晶シリコン、多結晶シリコン基板なども適用可能である。なお図１ではｐｎ接合も反射防止膜も図示していない。
配線材としてのインターコネクタ２０は、直径０．０５ｍｍ程度の銅製の丸細線２１表面にめっきにより形成されたはんだ層２２を１９本撚り合わせて形成した撚り線をなすものである。そして、図６に示すように、太陽電池セル１０との接続部２３と素子間部２４とで構成される。接続部２３では図４に断面図を示すように、太陽電池セル１０の受光面バス電極１２Ｂ上では、受光面バス電極１２Ｂよりも幅はやや大きい電極幅をもち、厚みｔ＝０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ程度の平角形状をなす。インターコネクタ２０は、はんだ付けにより太陽電池セル１０に接合され、各太陽電池セル１０の受光面バス電極１２Ｂと、隣接する太陽電池セル１０の裏面接合電極１３ｂとを電気的に接続する。そして素子間部２４では図５に示すように、外径が丸線のままの撚り線を構成している。
裏面１０Ｂ側および受光面１０Ａ側に配する裏面側封止材３４および受光面側封止材３３には、透光性、耐熱性、電気絶縁性、柔軟性を有する素材が用いられ、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）あるいはポリビニルブチラール（ＰＶＢ）などの熱可塑性樹脂を主成分とする熱可塑性の合成樹脂材が好適である。なお受光面保護材３１を構成する透光性基板としてはガラス板も適用可能である。厚さとしては０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のシート状形態のものが用いられる。
裏面側封止材３４および受光面側封止材３３は、気圧０．５ａｔｍ以上１．０ａｔｍ以下の減圧下におけるラミネート工程で熱架橋し、受光面保護材３１、太陽電池ストリング５０、裏面保護材３２と融着することで一体化がなされる。
受光面保護材３１としては、透光性、耐湿性、耐候性、耐加水分解性、絶縁性に優れた素材が用いられ、ガラス基板などの剛性の透光性基板の他、フッ素系樹脂シート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートなどの樹脂材が用いられる。
裏面保護材３２としては、耐湿性、耐候性、耐加水分解性、絶縁性に優れた素材が用いられ、フッ素系樹脂シート、アルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートなどの樹脂材が用いられる。
ここでは、太陽電池セル１０が接続されてなる太陽電池ストリング５０と、受光面保護材３１と、裏面保護材３２と、受光面側封止材３３、裏面側封止材３４とを含んだものを太陽電池モジュール１００としているが、これに限らず外部接続端子としてのインターコネクタ２０が接合された受光面電極１２と裏面電極１３を有する太陽電池セル１０を封止材で封止されたものも太陽電池モジュール１００と呼ぶ。
また、本実施の形態１の太陽電池セル１０は概略平板状を成すが、太陽電池セル１０は、平板状のものに限られるものではなく、例えば、フレキシブルなシート状、或いは立方体状などでもよく、集電電極にインターコネクタが接合される太陽電池セルであれば適用することができる。集電電極は裏面側にのみ形成されているいわゆる裏面取出し型太陽電池セルにも適用可能である。
さらに、実施の形態１の裏面接合電極１３ｂは、太陽電池セル１０の裏面１０Ｂに２本形成されているが、２本でなくともよく、太陽電池セル１０の裏面１０Ｂに１本以上が形成されている太陽電池セルであれば適用することができる。
次に、本実施の形態１の太陽電池モジュールの製造方法について説明する。図１１はフローチャートである。まずステップＳ１０１で太陽電池セルを形成する。太陽電池セル１０は、ｐ型単結晶シリコン基板を出発材料とし、光の集光率を高めるために受光面１１Ａにテクスチャエッチングにより凹凸形状を形成し、拡散により受光面側に図示しないｎ型拡散層を形成しｐｎ接合を形成すると共に、表面に反射防止膜としてのシリコン窒化膜を成膜したものである。太陽電池セル１０の受光面１０Ａには、図６（ａ）に示すように、光−電子変換によって発生した電子を集める受光面バス電極１２Ｂと受光面グリッド電極１２Ｇからなる受光面電極１２とが形成されている。
太陽電池セル１０の裏面１０Ｂには、図６（ｂ）に示すように、Ａｌ電極からなる裏面集電電極１３ａとＡｇ電極からなる裏面接合電極１３ｂとが形成されている。裏面集電電極１３ａは、開放電圧および短絡電流を向上させるための裏面電界層を形成するために設けられる電極であり、太陽電池セル１０の裏面の略全域を覆うように形成される。
また、Ａｇ電極からなる裏面接合電極１３ｂは、隣接セルあるいは外部素子とコンタクトを取るために設けられる電極である。裏面集電電極１３ａおよび裏面接合電極１３ｂは、金属粒子を有する導電性ペーストを所望の範囲に塗布して焼成することで形成される。実施の形態１では裏面接合電極１３ｂをスクリーン印刷により形成した後、裏面集電電極１３ａとしてのＡｌ電極を形成する。
図６（ａ）に受光面側、図６（ｂ）に裏面側を示すように、ステップＳ１０２に示すように、太陽電池セル１０にインターコネクタ２０を配し、加熱によりはんだ接合を行い、固着する。
図７は、本発明の実施の形態１の受光面電極１２および裏面電極１３とインターコネクタ２０とを電気的に接合するインターコネクタ接合工程を示すものである。図７に示すように、太陽電池セル１０の裏面接合電極１３ｂにインターコネクタ２０の裏面側の当接領域２３を重ね、受光面バス電極１２Ｂにインターコネクタ２０の接合領域２３を重ねた状態で、ヒートツール２００で加熱することで、インターコネクタ２０と裏面接合電極１３ｂとの電気的接合およびインターコネクタ２０と受光面バス電極１２Ｂとの電気的接合が同時に確保できる。
なお、インターコネクタ接合工程では、裏面側の接合工程と受光面側の接合工程を分けて、２回の工程で実施してもよい。
図８は、実施の形態１にかかる方法で太陽電池セル１０を仮着した太陽電池ストリング５０の概略構成を示す斜視図である。図８に示すように、複数の太陽電池セル１０が併設され、インターコネクタ２０で直列に接続されて、太陽電池ストリング５０が形成される。すなわち、インターコネクタ２０は、受光面１０Ａに太陽電池セル１０の裏面１０Ｂに形成された裏面接合電極１３ｂにその一端側の当接領域２３がはんだ接合され、隣接する太陽電池セル１０の受光面１０Ａに形成された受光面バス電極１２Ｂに他端側の当接領域２３がはんだ接合される。このように、隣接する太陽電池セル１０同士がインターコネクタ２０によって連結されることで太陽電池ストリング５０が形成される。
インターコネクタ２０は、銅線を延伸加工して予め決められた直径とし、はんだ槽に浸漬してはんだコートを施したはんだ被覆の丸細線２１を撚り加工して形成した撚り線が使用される。インターコネクタ２０は、平面視において太陽電池セル１０の連結方向に延び、略長方形形状を呈している。
また、実施の形態１におけるはんだ層として、Ｉｎ系の低融点無鉛はんだ、Ｂｉ系無鉛はんだなど、封止材の硬化温度よりも低融点のはんだを用いることで、積層体の形成後、１回の熱処理で一括して固着することができる。これは、封止材の硬化温度で、はんだが溶融するため、ラミネート工程における加熱で同時にはんだ接合が可能であるためである。例としては、Ｂｉ系はんだであるＳｎ−５８Ｂｉの融点が１３８℃、Ｓｎ−５８Ｂｉ−１Ａｇの融点が１３７℃、Ｉｎ系はんだであるＳｎ−５２Ｉｎの融点が１１７℃として挙げられ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだの融点２２７℃と比較しても、低温でのはんだ接合が可能である。なお、ここで示すＢｉおよびＩｎの含有率は一例であり、本実施の形態を特定するものではなく、低融点無鉛はんだの融点は、ラミネート工程における樹脂の溶融温度以下であればよい。
実施の形態３で後述するように、一括熱処理によって固着する場合には、裏面接合電極１３ｂ上からインターコネクタ２０がずれる可能性があるため、仮止めテープのようなもので仮固定しておくのが望ましい。なお、ずれるおそれがない場合は、仮固定は不要であり、配置するだけでもよい。
図９は、以上のようにして得られた複数の太陽電池ストリング５０を横タブ線２５で接続した太陽電池アレイ７０の概略構成を示す斜視図である。太陽電池アレイ７０は、並列に配置した複数の太陽電池ストリング５０を横タブ線２５としてのバスバーを用いて直列に接続し、電力取り出し用の出力タブ線２６としてのバスバーを設置することで形成される。
このようにして得られた太陽電池アレイ７０の受光面側に、図１０に示すように、ステップＳ１０３で受光面側封止材３３、受光面保護材３１、裏面側に裏面側封止材３４、裏面保護材３２を配し、積層体を形成する。
この状態で積層体をラミネート装置に装着し、ステップＳ１０４において１４０℃以上１６０℃以下で３０分前後の熱処理を行うことで、ステップＳ１０５に示す太陽電池モジュールを形成する。
実施の形態１のインターコネクタ２０によれば、図３に示したように、束状の撚り線を構成している。インターコネクタ２０は、図３に示すようにはんだめっきされた丸細線２１を複数本束ね、さらにその束を撚っている。そのためはんだ層２２で被覆された丸細線２１一本一本は螺旋状になっている。このため、インターコネクタ２０自体が、弾性を有しており、太陽電池セル１０の裏面１０Ｂ側と受光面１０Ａ側とを接続する際、基板厚さに起因する段差によって曲げ部が形成されるが、曲げ部による応力は撚り線によって緩和される。従って、接合時における、インターコネクタ２０近辺の過剰な温度ストレスに起因する応力に対しては撚り線が緩衝材となって応力を緩和することができる。またインターコネクタと太陽電池セルの集電電極との接合の際にかかる温度ストレスを最小限に抑えることで、太陽電池セルに発生するクラックを防止することもできる。
インターコネクタ２０は、延伸加工によって、容易に所望の径を有する丸細線２１を材料としているため、加工費が少なくて済み、丸線から平角線を形成する場合に比べて材料の無駄がなく、コストの低減をはかることができる。また、受光面電極および裏面電極との当接領域において、接触面積が大きく、接合強度が大幅に向上する。
また、一般的に、太陽電池モジュールは、太陽電池セル１０、受光面側封止材３３、受光面保護材３１、裏面側に裏面側封止材３４、裏面保護材３２、インターコネクタ２０等の、熱膨張係数の異なる構成要素で構成されている。従って、太陽電池モジュール１０５の温度が気温の影響あるいは動作時の発熱の影響などで温度変化すると、各構成要素には温度変化に伴う体積変化の差異により応力が発生する。特に、太陽電池モジュール１０の構成要素の中で、図１で示したインターコネクタ２０の屈曲部２０Ｒに歪が集中し、太陽電池モジュールの使用時に繰り返し発生する応力によって、屈曲部２０Ｒが最初に破壊することが知られている。
これに対し、実施の形態１の太陽電池モジュール１００はインターコネクタ２０に束状の撚り線を用いている。インターコネクタ２０を構成するはんだ層２２で被覆された丸細線２１は螺旋状になっており、弾性を有しており伸縮する余裕がある。このため、太陽電池モジュール１００の構成要素の熱膨張係数に違いがあっても、インターコネクタ２０の伸縮により温度変化に伴う体積変化の差異を緩和できるので、温度変化によって屈曲部２０Ｒに発生する応力は低減する。応力の低減により、信頼性に優れた太陽電池モジュールを得ることができる。
また束状の撚り線からなるインターコネクタ２０の断面の形状は、通常は図３のように丸細線２１の束になっているため概ね円形状となっている。しかし、太陽電池セル１０の受光面電極１２とインターコネクタ２０をヒートツール２００で加熱して接合する際に、インターコネクタ２０を押さえで押さえることによって、インターコネクタ２０は同時断面積を有する１本の丸線インターコネクタと比較して、平角線並にセル受光面電極との接合面積を確保し、かつインターコネクタ２０の全体高さを平角線並に維持する、つまり、残留熱応力を平角線並に維持することができる。
図１２に、インターコネクタ２０と丸線インターコネクタ１本のそれぞれの場合における、横タブ線との接合状態の違いを当接領域断面模式図にて示す。（ａ）および（ｂ）は、実施の形態１の撚り線からなるインターコネクタ２０を用いた場合の横タブ線２５との接続状態を示す断面図、及び上面図である。（ｃ）および（ｄ）は、平角導体からなるインターコネクタ１２０を用いた場合の横タブ線２５との接続状態を示す断面図、および上面図である。（ｅ）および（ｆ）は、丸線からなるインターコネクタ２２０を用いた場合の横タブ線２５との接続状態を示す断面図、および上面図である。
インターコネクタ２０と横タブ線２５との接合においては、実施の形態１の場合、インターコネクタ２０を押さえで押さえることによって、束状インターコネクタの方が、同断面積を有する１本の丸線からなるインターコネクタ２２０と比較して、接合面積が大きく、かつ、インターコネクタ２０の高さが低い、すなわち他部材との絶縁距離が長くなる。平角導体からなるインターコネクタ１２０と比較した場合においても効果がある。
以上説明してきたように実施の形態１の太陽電池モジュールによれば、丸線を用いてインターコネクタの加工費を低減しながら、太陽電池モジュールの構成要素の熱膨張係数の違いにより温度変化によって素子間の段差部に発生する応力を低減することができる。またセルとの接合面積を確保し、かつインターコネクタの厚みを平角線並に維持することができる。また、残留熱応力を平角線よりも小さくすることができる。
なお、実施の形態１では、太陽電池セル１０との接続部においてのみ、図４に示したようにインターコネクタ２０の外形が四角形となるようにし、その他の領域では、図５に示したように丸細線の集合体として形成したが、全体にわたって断面四角形となるようにしてもよい。全体にわたって断面四角形となるようにすることで、実施の形態１による効果に加え、通例の平角導体用の装置をそのまま使用することができるという効果を奏する。
また、全体にわたって図５に示したように丸細線の束状体として形成してもよい。全体にわたって丸細線の束状体とすることで、実施の形態１による効果に加え、弾性力が大きく、インターコネクタ２０と太陽電池セル１０との当接領域においてさらなる緩衝効果を得ることができるという効果を奏する。
加えて、横タブ線２５との当接領域で、インターコネクタ２０は、丸細線が横並びに配列され、他の領域での断面の幅よりも広い四角形を構成している。このため、横タブ線２５との接続が強固で、より信頼性の高いものとなっている。
また、インターコネクタは、太陽電池セルの第１電極から、隣接する太陽電池セルの第２電極に伸びるが、撚り線で構成されているため、曲げ部に応力が残留するのを回避することができ、信頼性の高い接続が可能となる。
また、第１電極および第２電極との当接領域における、インターコネクタの外形は、第１電極および第２電極の幅と同一幅とすることで、受光面積を小さくすることなく、第１および第２電極とインターコネクタとの強固な接続が可能となる。特に第１電極および第２電極との当接領域における、インターコネクタの外形は、断面四角形であるのが望ましい。また電極および隣接する太陽電池セルの第２電極との間に位置する素子間部における、インターコネクタの外形は、断面円形であるため、より弾性が大きく緩衝効果が高いため、インターコネクタの曲げ部での残留応力の低減を図ることが可能となる。
インターコネクタは、太陽電池セルの外では、太陽電池セル上よりも幅広となっているため、封止樹脂との接触面積が大きく、封止樹脂との接合強度を高めることが可能となる。
また、インターコネクタは、前記太陽電池セルの外では、丸細線が一列に配列されて横タブ線に接続されているため、接続強度を高めることができる。
実施の形態２．
次に、実施の形態２の太陽電池モジュールについて、図面に基づいて詳細に説明する。図１３は、実施の形態２の太陽電池モジュールのインターコネクタを示す斜視図である。実施の形態１のインターコネクタ２０は丸細線２１の撚り線で構成したが、実施の形態２のインターコネクタ２０Ａははんだ層２２で被覆された丸細線２１を撚り線とすることなく、束状にして用いられる。つまり、実施の形態２のインターコネクタ２０Ａは、撚りを形成しない、並行する複数の丸細線で形成される。他の構成については前記実施の形態のインターコネクタと同様である。インターコネクタ以外については、実施の形態１の太陽電池モジュールと同様であるためここでは説明を省略する。同一部位には同一符号を付した。
次に、実施の形態２の太陽電池モジュールについて、図面に基づいて詳細に説明する。図１３は、実施の形態２の太陽電池モジュールのインターコネクタを示す斜視図である。実施の形態１のインターコネクタ２０は丸細線２１の撚り線で構成したが、実施の形態２のインターコネクタ２０Ａははんだ層２２で被覆された丸細線２１を撚り線とすることなく、束状にして用いられる。つまり、実施の形態２のインターコネクタ２０Ａは、撚りを形成しない、並行する複数の丸細線で形成される。他の構成については前記実施の形態のインターコネクタと同様である。インターコネクタ以外については、実施の形態１の太陽電池モジュールと同様であるためここでは説明を省略する。同一部位には同一符号を付した。
以上説明してきたように実施の形態２の太陽電池モジュールによれば、撚り線を構成することなく、１９本の丸細線を束ねているため、接合時に電極上での形状を変更し、下層の電極形状に合わせたインターコネクタ形状を得ることが可能となる。また、実施の形態１の太陽電池モジュールと同様、丸線を用いてインターコネクタの加工費を低減しながら、太陽電池モジュールの構成要素の熱膨張係数の違いにより温度変化によって素子間部２４に発生する応力を低減し、またセルとの接合面積を確保し、かつインターコネクタの厚みを平角線並に維持、つまり、残留熱応力を平角線並に維持することができる。
実施の形態３．
次に、実施の形態３の太陽電池モジュールについて、図面に基づいて詳細に説明する。実施の形態３では、太陽電池モジュールの製造工程において、図１４にフローチャートを示すように、太陽電池セルに封止材の硬化温度よりも低融点を持つ低融点はんだを介してインターコネクタ２０Ｂを仮配置し、インターコネクタ２０Ｂが仮配置された太陽電池を、封止材とともに積層し、一括熱処理工程で、太陽電池セルにインターコネクタをはんだ接合するとともに、封止材を熱硬化させる工程とを含むことを特徴とする。
次に、実施の形態３の太陽電池モジュールについて、図面に基づいて詳細に説明する。実施の形態３では、太陽電池モジュールの製造工程において、図１４にフローチャートを示すように、太陽電池セルに封止材の硬化温度よりも低融点を持つ低融点はんだを介してインターコネクタ２０Ｂを仮配置し、インターコネクタ２０Ｂが仮配置された太陽電池を、封止材とともに積層し、一括熱処理工程で、太陽電池セルにインターコネクタをはんだ接合するとともに、封止材を熱硬化させる工程とを含むことを特徴とする。
図１５に、太陽電池セル１０上の受光面電極１２上のインターコネクタ２０Ｂを示すように、実施の形態１と異なり、受光面電極１２上では撚線のままの形状を有している点で実施の形態１の太陽電池モジュールと異なる。図１と同様であるため、全体図としての図示は省略するが、実施の形態３の太陽電池モジュール１００は、図１に示したのと同様インターコネクタ２０Ｂをはんだ層２２で被覆された丸細線２１の撚り線で構成し、太陽電池セル１０間の接続に低融点無鉛はんだを用い、受光面保護材３１および裏面保護材３２を用いたラミネート処理工程で、一括してはんだ接続を行う。複数の太陽電池セル１０の第１主面である受光面１０Ａと第２主面である裏面１０Ｂを交互にインターコネクタ２０Ｂを用いて低融点無鉛はんだで接続した太陽電池ストリング５０の受光面１０Ａ側に受光面保護材３１を配置し、裏面１０Ｂ側に裏面保護材３２を配置し、太陽電池ストリング５０と受光面保護材３１及び裏面保護材３２の間にそれぞれ受光面側封止材３３、裏面側封止材３４を配置することで構成されている。
また、実施の形態３におけるはんだ層としては、Ｉｎ系の低融点無鉛はんだ、Ｂｉ系無鉛はんだなど、封止材の硬化温度よりも低融点のはんだを用い、積層体の形成後、１回の熱処理で一括固着するものである。これは、封止材の硬化温度で、はんだが溶融するため、ラミネート工程における加熱で同時にはんだ接合が可能であるためである。例としては、Ｂｉ系はんだであるＳｎ−５８Ｂｉの融点が１３８℃、Ｓｎ−５８Ｂｉ−１Ａｇの融点が１３７℃、Ｉｎ系はんだであるＳｎ−５２Ｉｎの融点が１１７℃として挙げられ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだの融点２２７℃と比較しても、低温でのはんだ接合が可能である。なお、ここで示すＢｉおよびＩｎの含有率は一例であり、本実施の形態を特定するものではなく、低融点無鉛はんだの融点は、ラミネート工程における樹脂の溶融温度以下であればよい。
本実施の形態ではインターコネクタ２０の固着ステップＳ１０２に代えて、仮止めテープを用いて仮固着ステップＳ１０２Ｓを行う。
図９は、以上のようにして得られた複数の太陽電池ストリング５０を横タブ線２５で接続した太陽電池アレイ７０は、並列に配置した複数の太陽電池ストリング５０を横タブ線２５としてのバスバーを用いて直列に接続し、電力取り出し用の出力タブ線２６としてのバスバーを設置することで形成される。
以上のようにして得られた太陽電池アレイ７０の受光面側に、図１０に示すように、ステップＳ１０３で受光面側封止材３３、受光面保護材３１、裏面側に裏面側封止材３４、裏面保護材３２を配し、積層体を形成する。
この状態で積層体をラミネート装置に装着し、ステップＳ１０４Ｓにおいて１４０℃以上１６０℃以下で３０分前後の一括熱処理を行うことで、インターコネクタ２０の接続とラミネート処理とを同時に行い、ステップＳ１０５に示す太陽電池モジュールを形成する。
ラミネート温度Ｔ0は１４０℃以上１６０℃以下、キュア温度Ｔ1は１３０℃以上１５５℃以下、キュア後からＴ2常温の各工程３０分前後をかけて処理するのが一般的であり半田融点ｔ℃以上で半田が溶融、半田融点ｔ℃以下で凝固し、電気的接合が可能となる。
これにより、製造にかかるタクトを短縮するのみでなく製造コストを低減させることができる。また、１度の熱ストレスのみで太陽電池モジュールの製造が可能となり、太陽電池セルにかかる熱ストレスの低減による太陽電池セルのクラック対策および長期信頼性を向上させることができる。なお、上記にかかるラミネート加工条件あるいはプロセスは一例であり、本発明を特定するものではない。
さらに、本実施の形態３の太陽電池モジュールの製造方法によれば、受光面保護材および裏面保護材と共に加熱されるため良好な支持がなされつつラミネート加工およびはんだ接合が実現されるため、近年の太陽電池ウエハの薄肉化の課題であったはんだ接合時の熱応力低減にも、効力を発揮し、太陽電池セルの直材費低減にも繋げることができる。
このようにして形成された、本実施の形態３にかかる太陽電池モジュールは、太陽電池セルを直列に接続して太陽電池ストリングをなすインターコネクタとを封止する工程で、インターコネクタと受光面集電電極および裏面集電電極とのはんだ接合を同時に行なう一括熱処理工程により形成されたことを特徴とする。従って、並列に配置した複数の太陽電池ストリングを直列接続して太陽電池アレイを形成する横タブ線２５と、太陽電池アレイから電力を取り出す出力タブ線２６とを備えた構造となっている。
なお、インターコネクタ２０Ｂと受光面バス電極１２Ｂおよび裏面接合電極１３ｂとのはんだ接合と同時に樹脂封止がなされるため、撚り線からなるインターコネクタ２０Ｂのはんだ接合部の周縁に、樹脂が入り込み、なじみあって強固な接合状態を形成している。また樹脂封止に先立ち、インターコネクタと受光面バス電極および裏面接合電極とのはんだ接合を行う場合、クランプなどの押圧治具によりインターコネクタを押圧するため、チップクラックが生じたり、インターコネクタにクランプ跡が残ったりすることがある。これに対し、本実施の形態１の方法では、薄い太陽電池セルの場合にも両面を保護しつつ押圧してはんだ接合がなされるため、生産性が良好であるだけでなく、チップクラックや、インターコネクタのクランプ跡などもなく外観性に優れ製造歩留まりの向上をはかることができる。
以上のように、本実施の形態３にかかる太陽電池モジュールの製造方法によれば、複数の太陽電池セルと、太陽電池セル同士を接続するＩｎ系の低融点無鉛はんだではんだコートされたインターコネクタとを有し、複数の太陽電池セルをインターコネクタで直列に接続した複数の太陽電池ストリングと、並列に配置された複数の太陽電池ストリングと、複数の太陽電池ストリングを直列に接続するバスバーすなわち横タブ線とを有する太陽電池アレイと、太陽電池アレイにおいて集電された電力を太陽電池アレイから出力を取り出すバスバーすなわち出力タブ線と、を備え、インターコネクタおよびバスバーの電気的接合をラミネート工程で一括して行うことを特徴とする。
実施の形態３の太陽電池モジュールの製造方法によれば、太陽電池セル１０に丸細線の撚り線からなるインターコネクタ２０Ｂをはんだ接合する熱処理工程を、封止用の樹脂とともに一括熱処理を行うことで実施する。これにより、太陽電池セル１０は封止材で保護された状態で熱処理が施されるため、太陽電池モジュールにかかる温度ストレスを最小限に抑えるとともに、太陽電池セルが薄くなったとしても長期信頼性を高めることができるという効果を奏する。
なお、実施の形態１から３では、太陽電池セルにインターコネクタをはんだ接合して太陽電池ストリングを形成する例について説明したが、１個の太陽電池セルに電流取り出し用の配線材としてインターコネクタを用いる場合にも適用可能であることはいうまでもない。
また、太陽電池セルについては、実施の形態１から３で用いた両面取出し型の太陽電池に限定されることなく、１方の面のみから電流取出しを行うタイプの太陽電池、電流取出し位置についても、コーナー部など適宜変更可能であることは言うまでもない。太陽電池セルにインターコネクタをはんだ接合して太陽電池ストリングを形成する例について説明したが、１個の太陽電池セルに電流取り出し用の配線材としてインターコネクタを用いる場合にも適用可能であることはいうまでもない。
また、上記実施の形態１から３では、太陽電池セルとして多結晶シリコンや単結晶シリコンなどの結晶系太陽電池を使用したものについて説明してきたが、薄膜系太陽電池や有機系太陽電池などの結晶系でない太陽電池セルでも適用可能である。
１０ 太陽電池セル、１０Ａ 受光面、１０Ｂ 裏面、１１ 半導体基板、１１Ａ 受光面、１１Ｂ 裏面、１２ 受光面電極、１２Ｇ 受光面グリッド電極、１２Ｂ 受光面バス電極、１３ａ 裏面集電電極、１３ｂ 裏面接合電極、２０，２０Ａ インターコネクタ、２０Ｒ 屈曲部、２１ 丸細線、２２ はんだ層、２３ 接続部、２４ 素子間部、２５ 横タブ線、２６ 出力タブ線、３１ 受光面保護材、３２ 裏面保護材、３３ 受光面側封止材、３４ 裏面側封止材、４０ フレーム、５０ 太陽電池ストリング、７０ 太陽電池アレイ、１００ 太陽電池モジュール、２００ ヒートツール。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の太陽電池モジュールは、ｐｎ接合を有する半導体基板と、半導体基板のｐ型領域およびｎ型領域に形成された、第１電極および第２電極とを備えた太陽電池セルと、太陽電池セルと隣接する太陽電池セルとの間を接続するインターコネクタとを備える。インターコネクタは、複数の金属線からなる束状体の撚り線であり、第１電極および隣接する太陽電池セルの第２電極との間に位置する素子間部では、太陽電池セル上よりも幅が狭くなっており、第１電極と、隣接する太陽電池セルの第２電極との当接領域を有する。
図４および図５に示すように、インターコネクタ２０は、太陽電池セル１０の裏面１０Ｂに形成された裏面接合電極１３ｂに裏面領域がはんだ接合され、隣接する太陽電池セル１０の受光面１０Ａに形成された受光面バス電極１２Ｂに受光面側領域がはんだ接合される。このように、隣接する太陽電池セル１０同士がインターコネクタ２０によって連結されることでストリング５０が形成される。
また束状の撚り線からなるインターコネクタ２０の断面の形状は、通常は図３のように丸細線２１の束になっているため概ね円形状となっている。しかし、太陽電池セル１０の受光面電極１２とインターコネクタ２０をヒートツール２００で加熱して接合する際に、インターコネクタ２０を押さえで押さえることによって、インターコネクタ２０は同じ断面積を有する１本の丸線インターコネクタと比較して、平角線並にセル受光面電極との接合面積を確保し、かつインターコネクタ２０の全体高さを平角線並に維持する、つまり、残留熱応力を平角線並に維持することができる。
Claims (11)
- ｐｎ接合を有する半導体基板と、前記半導体基板のｐ型領域およびｎ型領域に形成された、第１電極および第２電極とを備えた太陽電池セルと、
前記第１電極と隣接する太陽電池セルの第２電極との当接領域を有し、前記太陽電池セルと前記隣接する太陽電池セルとの間を接続するインターコネクタとを備え、
前記インターコネクタが、複数の丸細線からなる束状体であることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記インターコネクタは、複数の丸細線を撚ることで形成された撚り線であ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。
- 前記太陽電池セルは、
前記半導体基板の第１主面に形成された第１電極と、
前記第１主面に対向する第２主面に第２電極とを備え、
前記インターコネクタは、前記第１電極から、隣接する太陽電池セルの第２電極に伸びることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。 - 前記第１電極および前記第２電極との前記当接領域における、前記インターコネクタの外形は、前記第１電極および前記第２電極の幅と同一幅であり、
前記第１電極および隣接する前記太陽電池セルの前記第２電極との間に位置する素子間部における、前記インターコネクタの外形は、断面円形であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。 - 前記インターコネクタは、前記素子間部では、前記太陽電池セル上よりも幅が狭くなっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記インターコネクタは、前記太陽電池セルの外では、前記丸細線が一列に配列されて前記インターコネクタに直交する横タブ線に接続されたことを特徴とする請求項５に記載の太陽電池モジュール。
- 前記インターコネクタは、撚りを形成しない、並行する複数の丸細線で形成された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。
- ｐｎ接合を有する半導体基板と、前記半導体基板のｐ型領域およびｎ型領域に形成された、第１電極および第２電極とを備えた太陽電池セルを形成する工程と、
表面をはんだ被覆された複数の丸細線からなる束状体で構成したインターコネクタで、前記第１電極と、隣接する太陽電池セルの第２電極との間を接続する工程と、
前記インターコネクタで接続された太陽電池セルを、封止樹脂で挟み込み封止するラミネート処理工程とを備えたことを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記インターコネクタは、複数の丸細線を撚ることで形成された撚り線であることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記接続する工程は、はんだを溶融させ前記第１電極及び前記第２電極上に前記束状体をはんだ接続する工程であることを特徴とする請求項８または９に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記接続する工程は、
インターコネクタと、前記第１電極と、隣接する太陽電池セルの第２電極との間を仮固着する工程と、
封止樹脂で挟み込み、一括加熱により、インターコネクタと、前記第１電極と、隣接する太陽電池セルの第２電極との間をはんだ接合するとともに、前記インターコネクタとともに太陽電池セルを、封止樹脂で挟み込み封止する工程とを含むことを特徴とする請求項８または９に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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