JPWO2018181817A1 - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
太陽電池モジュール（２００）は、受光面保護材（９１）と裏面保護材（９２）との間に、第一方向に沿って互いに離間して配置された第一太陽電池（１０１）および第二太陽電池（１０２）が帯状の配線材（８１）により接続された太陽電池ストリング（１００）を備える。配線材は、第一主面に凹凸が設けられている凹凸領域（８２０）と、第一主面に凹凸が設けられていないかまたは凹凸領域よりも高さの小さい凹凸を有する平坦領域（８１０）とを、第一方向に沿って有し、凹凸領域が、第二太陽電池の受光面から、第一太陽電池の裏面にまで跨って設けられている。
Description
本発明は太陽電池モジュールに関する。
単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板等の結晶半導体基板を用いた太陽電池は、１つの基板の面積が小さいため、実用に際しては、複数の太陽電池を配線材により電気的に接続してモジュール化を行い、出力を高めている。太陽電池の受光面の配線材が設けられた領域には光が入射しないため、シャドーイングロスの原因となる。受光面側に凹凸を有する光拡散配線材を用いることにより、照射された光を凹凸の傾斜面で様々な方向に反射して、太陽電池に入射させることにより光利用効率を向上する方法が知られている。
光拡散配線材の受光面（凹凸形成面）と太陽電池の裏面電極とを接続する場合、凹凸形成面と電極との接触面積が小さいため、接続性が十分ではなく、抵抗の増大による電気的ロスや、信頼性低下の原因となり得る。このような問題を解決すべく、特許文献１および特許文献２では、太陽電池の受光面に接続する領域には表面凹凸を設け、太陽電池の裏面に接続する領域には表面凹凸を設けないように構成した配線材が提案されている。このような配線材は、太陽電池の受光面電極との接続面および太陽電池の裏面電極との接続面がいずれも平坦であるため、半田等を用いて配線材と太陽電池とを安定して接続することが可能である。
本発明は、光利用効率と長期信頼性とを両立可能な太陽電池モジュールの提供を目的とする。
太陽電池モジュールは、太陽電池ストリング、受光面側に配置された光透過性の受光面保護材、裏面側に配置された裏面保護材、および受光面保護材と裏面保護材との間で太陽電池ストリングを封止する封止材を備える。太陽電池ストリングでは、互いに離間して配置された第一太陽電池と第二太陽電池とが、帯状の配線材により接続されている。
配線材の第一主面は第一太陽電池の裏面に設けられた電極に接続されており、配線材の第二主面は第二太陽電池の受光面に設けられた電極に接続されている。配線材は、第一主面に凹凸が設けられている凹凸領域と、第一主面に凹凸が設けられていないかまたは凹凸領域よりも高さの小さい凹凸を有する平坦領域とを、延在方向に沿って有し、凹凸領域が、第二太陽電池の受光面から、第一太陽電池の裏面にまで跨って設けられている。
本発明の太陽電池モジュールでは、配線材の第一主面に凹凸が設けられているため、光利用効率に優れる。配線材の太陽電池の裏面に配置される部分は、平坦領域と凹凸領域の両方を有し、平坦領域により太陽電池と配線材との電気的接続の信頼性を向上できる。太陽電池の裏面に配置された配線材の凹凸と太陽電池との間に充填された封止材が、接着性およびクッション性に寄与するため、太陽電池モジュールの信頼性を向上できる。
図１は太陽電池モジュール（以下、「モジュール」と記載する）の模式的断面図である。モジュール２００は、ｘ方向に沿って複数の太陽電池１０１，１０２，１０３，１０４（以下、「セル」と記載する）を備え、それぞれのセルは互いに離間して配置されている。それぞれのセルは、光電変換部５０の受光面および裏面のそれぞれに電極６０，７０を備える。隣接するセルは、一方のセルの受光面電極６０と他方のセルの裏面電極７０とが、ｘ方向に延在する帯状の配線材８１，８２，８３により接続されている。このように、複数のセルが配線材を介して接続されることにより、太陽電池ストリングを形成している。
太陽電池ストリングの受光面側（図１の上側）には、光透過性の受光面保護材９１が設けられ、裏面側（図１の下側）には裏面保護材９２が設けられている。モジュール２００では、保護材９１，９２の間に封止材９５が充填されることにより、太陽電池ストリングが封止されている。
図２は太陽電池ストリングの平面図であり、図２Ａは受光面側、図２Ｂは裏面側の平面図である。図３は太陽電池ストリングの断面図である。図１は、図２Ａおよび図２ＢのI−I線の断面に対応している。図３Ａは、第一セル１０１のｘ方向の端部（図２のIIIＡ線）の断面図であり、図３Ｂは第二セル１０２のｘ方向の中央部（図２のIIIＢ線）の断面図である。
セルとしては、結晶シリコン太陽電池や、ＧａＡｓ等のシリコン以外の半導体基板を備える太陽電池等、太陽電池間を配線材によりインターコネクトするタイプのものが用いられる。セルを構成する光電変換部５０の受光面側の表面には、高さ１〜１０μｍ程度の凹凸が形成されていることが好ましい。受光面に凹凸が形成されることにより、光閉じ込め効率が高まるとともに、反射率が低減する。
光電変換部５０の受光面に設けられた受光面電極６０は所定のパターン形状を有し、電極が設けられていない部分から光を取り込むことができる。受光面電極６０のパターン形状は特に限定されない。受光面電極６０は、例えば、図２Ａに示すように、ｙ方向に延在する複数のフィンガー電極６１、およびフィンガー電極に直交してｘ方向に延在するバスバー電極６２からなるグリッド状に形成される。裏面電極７０は、受光面電極と同様にパターン形状を有していてもよく、光電変換部上の全面に設けられていてもよい。図２Ｂにおいて、裏面電極は、受光面電極と同様にフィンガー電極７１とバスバー電極７２とからなるグリッド状である。なお、図２Ａおよび図２Ｂでは、バスバー電極上に配線材が設けられているため、バスバー電極は図示されていない。
配線材８１は、受光面側に向いて配置される第一主面と、裏面側に向いて配置される第二主面とを有する。太陽電池ストリング１００では、第一セル１０１の裏面電極７０に配線材８１の第一主面が接続されており、第二セル１０２の受光面電極６０に配線材８１の第二主面が接続されている。
セルの表面に設けられた電極６０，７０と配線材８１との間には、両者を接着するための接着材料９６，９７が設けられている。接着材料としては、半田、導電性接着剤、導電性フィルム等が用いられる。太陽電池ストリング１００では、受光面電極６０との接続面および裏面電極７０との接続面のいずれにおいても配線材が平坦であるため、接着材料９６，９７として半田を用いた場合に接着強度および接着信頼性が向上する傾向がある。
図４は、セルとの接続前の配線材の概略斜視図である。配線材８１は、延在方向（ｘ方向）に沿って、平坦領域８１０と凹凸領域８２０とを有する。凹凸領域８２０は、第一主面に凹凸が設けられている領域である。平坦領域８１０は、第一主面の凹凸高さが、凹凸領域８２０の第一主面の凹凸高さよりも小さな領域である。平坦領域８１０には凹凸が設けられていないことが好ましい。
配線材８１のｘ方向の長さは、セルのｘ方向の１辺の長さの約２倍であり、モジュールにおいては、図１に示すように、第一セルの一方（＋ｘ側）の付近から第二セルの他方（−ｘ側）の端部付近に跨って配線材８１が配置される。配線材８１は、ｘ方向に沿った凹凸領域８２０の長さが、平坦領域８１０のｘ方向に沿った長さよりも大きい。配線材８１は、ｘ方向の中心に、−ｘ側から＋ｘ側に向かって下方（−ｚ側）に傾斜する屈曲部８２５を有する。太陽電池ストリング１００において、屈曲部８２５は、隣接する２つのセル１０１，１０２の間の隙間部分に配置される。屈曲部８２５を境界に、＋ｘ側の領域８１ａが、第一セル１０１の裏面に配置される領域であり、−ｘ側の領域８１ｂが第二セル１０２の受光面に配置される領域である。
配線材８１の第二セル１０２の受光面に配置される領域８１ｂは、全体が凹凸領域８２０内に包含されている。凹凸領域８２０は、さらに、屈曲部８２５、および屈曲部８２５よりも＋ｘ側の領域８２２にも跨っている。第一セル１０１の裏面に配置される領域８１ａは、ｘ方向に沿った大部分が平坦領域８１０であるが、領域８１ａの屈曲部８２５に近い側（−ｘ側）の端部は、凹凸領域８２２と重複している。そのため、太陽電池ストリング１００においては、配線材８１の凹凸領域８２０が、第二セル１０２の受光面から、第一セル１０１の裏面にまで跨って設けられている。
セルの受光面に配置される領域８１ｂおよび屈曲部８２５の全体が凹凸領域８２０内に包含されているため、図２Ａに示すように、太陽電池ストリング１００において、受光面側から視認される配線材の第一主面は、全ての領域が凹凸領域である。
配線材の第一主面に凹凸が設けられていることにより、受光面側から配線材に照射された光は、表面の凹凸により散乱反射される。配線材の凹凸領域８２０で散乱反射された光は、受光面保護材９１で再度反射され、配線材が配置されていない領域からセルに入射可能であり、モジュールの光利用効率を向上できる。太陽電池ストリング１００では、隣接するセル間の隙間の領域の全体において配線材の第一主面に凹凸が設けられているため、セルの隙間に配置された配線材に照射された光も散乱反射によりセルに入射させることができ、モジュールの光利用効率をさらに向上できる。
配線材の材料は、低抵抗であることが好ましい。低コストであることから、銅を主成分とする材料が特に好ましく用いられる。配線材表面の凹凸構造による光反射量を増大させるために、凹凸領域８２０の第一主面の表面は、金、銀、銅、アルミニウム等の高光反射材料で被覆されていることが好ましく、中でも銀を主成分とする金属層が設けられていることが好ましい。
配線材の凹凸領域８２０における凹凸構造は、光を散乱反射できるものであれば特に限定されず、規則的な形状でも不規則形状でもよい。凹凸形状の例としては、ピラミッド状および逆ピラミッド状等の錐形状、三角柱形状および半円柱形状等の柱形状が挙げられる。中でも、配線材に照射された光を大きな角度で散乱反射できることから、第一主面と平行に延在する柱形状であることが好ましく、延在方向と直交する断面が三角形状であることが好ましい。すなわち、凹凸領域８２０には、三角柱形状の凸部が設けられていることが好ましく、複数の三角柱形状の凸部が平行に並んで設けられていることが特に好ましい。凸部の断面形状が三角形である場合、凸部の斜面の仰角は、２０〜７０°が好ましい。凸部の高さは特に限定されないが、５〜１００μｍが好ましく、１０〜８０μｍがより好ましい。
配線材の幅は、セルの電極構成（例えばバスバー電極の幅や本数等）に応じて選択され、一般には０．５〜３ｍｍ程度である。一般には、配線材の幅はバスバー電極の幅と同程度に設定されるが、セル表面に幅の小さいバスバー（細線バスバー）が設けられる場合は、配線材の幅をバスバー電極の幅より大きくしてもよい。後述の様に、配線材は、平坦領域８１０の幅Ｗ１と凹凸領域８２０の幅Ｗ２が異なっていてもよい。
図４では、延在方向（ｘ方向）と平行に凸部が延在する配線材８１が図示されているが、凸部の延在方向は特に限定されず、ｘ方向と所定角度を有していてもよく、ｘ方向と直交する方向（ｙ方向）に凸部が延在していてもよい。配線材の延在方向と非平行に延在する凸部が設けられている場合、様々な角度（方位および高度）からの光を散乱反射させ、受光面保護材で再反射した光をセル内に取り込むことができる。
図３Ｂに示すように、配線材の第二主面には凹凸が設けられていない。そのため、セルの受光面バスバー電極６２と配線材８１との接触面積が大きく、電極と配線材との接着強度および接着信頼性を向上できる。また、接着材料９６として半田を用いて電極と配線材との接続が可能であるため、接着強度および接着信頼性を向上できるとともに、材料コストを低減できる。接着材料９６として半田を用いる場合、領域８１ｂの第二主面が半田で被覆された配線材８１を用いてもよい。配線材８１の屈曲部８２５および領域８１ａにおいても、第二主面が半田で被覆されていてもよい。
ｘ方向に沿ってみた場合、配線材８１の第一セルの裏面側に配置される領域８１ａの大半は平坦領域８１０である。そのため、セルの裏面バスバー電極７２と配線材８１との接触面積が大きく、電極と配線材との接着強度および接着信頼性を向上できる。また、受光面バスバー電極６２との接続と同様、裏面バスバー電極７２と配線材との接合も、接着材料９７として半田を利用可能である。このように、配線材８１のうち、セルの受光面に配置される領域８１ｂの第一主面に凹凸を設け、裏面に配置される領域８１ａの第一主面を平坦部とすることにより、散乱反射による光利用効率の向上と、セルとの接着強度および接着信頼性の向上とを両立できる。
配線材８１の凹凸領域８２０は、屈曲部８２５よりも＋ｘ側の領域８２２にも跨っており、領域８２２は、第一セル１０１の裏面に配置される領域８１ａと重複している。そのため、第一セル１０１の端部では、図３Ａに示すように、配線材８１の凹凸が設けられた第一主面がセルの裏面と対峙している。
一般に、セルの端縁付近にはバスバー電極が設けられていないため、配線材８１の凹凸領域８２２とセルの裏面とが対峙する部分には、裏面バスバー電極は設けられていない。配線材８１の凹凸領域８２２とセルの裏面バスバー電極７２とが対峙している部分では、配線材８１と裏面バスバー電極７２とが接続されていてもよく、接続されていなくてもよい。配線材８１の第一セルの裏面側に配置される領域８１ａの全体からみると、凹凸領域８２２の割合は小さい。配線材８１の平坦領域８１０が半田等の接着材料９７を介して裏面バスバー電極と接続されているため、領域８２２が裏面バスバー電極に接続されていないとしても、裏面バスバー電極７２と配線材８１との電気的接続を十分に確保できる。
モジュール２００においては、太陽電池ストリング１００が受光面保護材９１と裏面保護材９２との間で封止されるため、図３Ａに示すように、配線材８１の領域８２２に設けられた凹凸の凹部に封止材９５が充填される。隣接する第二セル１０２との間の隙間部分から第一セル１０１の裏面に跨る領域において、配線材８１の第一主面に凹凸が設けられているため、凹凸領域８２２には封止材が回り込みやすい。封止材がクッション的な作用を有するため、配線材の凹凸に起因するセルの裏面の傷つきや割れ等の機械的損傷を抑制できる。また、表面に凹凸が設けられているため、凹凸領域８２２の第一主面では、平坦領域に比べて封止材との接着面積が大きい。そのため、封止材を介してセルの裏面との密着性を確保可能であり、凹凸領域８２２が接着材料を介してセルに接続されていない場合でも、セルからの配線材８１の剥離等を抑制できる。
配線材８１の第一セルの裏面側に配置される領域８１ａのうち、凹凸領域８２０（８２２）である部分のｘ方向の長さＬは、０より大きければよい。Ｌが０より大きい場合は、第一セル１０１と第二セル１０２の間の隙間の領域の全体において、配線材の第一主面に凹凸が設けられているため、モジュールの光利用効率をさらに向上できる。第一セルの裏面に配線材の凹凸領域を配置して、封止材によるクッション性および密着性を高める観点から、Ｌは２ｍｍ以上が好ましく、３ｍｍ以上がより好ましく、４ｍｍ以上がさらに好ましい。一方、セルの裏面電極と配線材との電気的接続を十分に確保する観点から、Ｌは２０ｍｍ以下が好ましく、１０ｍｍ以下がより好ましく、８ｍｍ以下がさらに好ましい。
配線材８１は、凹凸領域８２０のｙ方向における幅Ｗ２が、平坦領域８１０のｙ方向における幅Ｗ１よりも大きいことが好ましい。前述のように、配線材８１の凹凸領域８２０内に屈曲部８２５が形成される。モジュールが温度変化を受けると、セルおよび配線材に体積変化が生じる。セルと配線材とは接着材料９６，９７を介して固定されているため、セルと配線材との寸法変化の差に起因して生じた歪が、隣接するセルの隙間に位置する配線材に集中する傾向がある。特に、配線材の屈曲部は、他の部分に比べてクラックや断裂が生じやすい。凹凸領域８２０幅Ｗ２を相対的に大きくすることにより、屈曲部８２５の強度が高められ、温度変化等に対するモジュールの長期信頼性が向上する傾向がある。
延在方向に沿って平坦領域８１０および凹凸領域８２０を有する配線材の製造方法は特に限定されない。例えば、図５に示すように、延在方向に沿って平坦領域８１０と凹凸領域８２０とが交互に設けられた配線材８０を、セルの大きさにあわせて切断することにより、配線材８１が得られる。図５では、凹凸領域８２０が平坦領域８１０よりも長く図示されている。切断前の配線材８０では、凹凸領域８２０の長さは、必ずしも平坦領域８１０の長さよりも大きい必要はなく、両者の長さが同一でもよく、平坦領域の長さの方が大きくてもよい。セルの大きさにあわせて配線材８０を切断する際に、切断後の配線材における凹凸領域８２０の長さが平坦領域８１０の長さよりも大きくなるように切断位置を調整すればよい。
配線材の表面に凹凸領域および平坦領域を設ける方法は特に限定されない。例えば、ローラ加工やプレス加工等により凹凸を形成する加工領域と、凹凸を形成しない非加工領域とを、延在方向に沿って交互に設ければよい。また、延在方向の全体に渡って凹凸を形成した後、プレス加工等により凹凸形状を潰して平坦領域を設けてもよい。
凹凸領域にはプレス加工によって凹凸を形成し、平坦領域には加工を行わないことにより、凹凸領域８２０の幅Ｗ２が平坦領域８１０の幅Ｗ１よりも大きい配線材を容易に得られる。プレス加工では、第一主面側からの押圧によって第一主面に凹凸が形成されるとともに、加工領域の幅Ｗ１が、非加工領域の幅Ｗ２よりも大きくなる。
平坦な配線材を延在方向に沿って走行させながらローラを押圧して凹凸を設ける場合は、ローラの押圧開始時に凹凸が形成され難い。そのため、延在方向に沿って凹凸領域と平坦領域とを交互に設けようとすると、凹凸領域と平坦領域との境界付近における凹凸領域の凹凸形状が不均一になったり、凹凸高さが不十分となる場合がある。一方、プレス加工では、延在方向に沿って間欠的に加工を行うため、境界付近においても、凹凸を確実に形成できる。また、プレス加工では、配線材の延在方向と平行に延在する凹凸だけでなく、配線材の延在方向と所定角度で延在する凹凸や、配線材の延在方向と直交する方向に延在する凹凸も容易に形成できる。
プレス加工により凹凸を設けると、凹凸領域８２０の幅Ｗ２が平坦領域８１０の幅Ｗ１よりも大きくなり、これに伴って凹凸領域８２０における配線材の平均厚みｄ２が、平坦領域８１０の配線材の厚みｄ１よりも小さくなる。図３Ｂに示すように、セルの受光面に設けられた配線材の厚みｄ２が小さいことにより、受光面保護材９１と配線材８１との隙間を確保できる。そのため、封止材の厚みが小さい場合でも、配線材の凹凸上の封止を確実に行うことができ、モジュールの信頼性を向上できる。また、受光面側の封止材の厚みが小さいことにより、封止材による光吸収ロスが小さくなるため、モジュールの性能向上にも繋がる。
モジュールの作製においては、まず、複数のセルが配線材を介して互いに接続された太陽電池ストリング１００を作製する。上記のとおり、セルの電極と配線材８０とは、半田を介して接続されることが好ましい。この際、配線材の第一主面の平坦領域がセルの裏面電極７０に接続され、配線材の第二主面がセルの受光面電極６０に接続される。
太陽電池ストリングが、封止材９５を介して、受光面保護材９１および裏面保護材９２に挟持され、太陽電池モジュールが形成される。受光面保護材上に、受光面封止材、太陽電池ストリング、裏面封止材および裏面保護材を順に載置した積層体を所定条件で加熱することにより、封止材を硬化させることが好ましい。前述のように、セルの裏面に配置された配線材の凹凸領域８２２がセルの裏面電極と接続されていない場合は、凹凸の凹部に封止材９５が回り込んで充填されるため、クッション作用および密着性向上作用により、モジュールの耐久性向上に寄与する。
受光面保護材９１は光透過性を有し、ガラスや透光性プラスチック等を用いることができる。裏面保護材９２としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルム、アルミニウム箔を樹脂フィルムでサンドイッチした構造を有する積層フィルム等を用いることができる。封止材９５としては、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、高圧法低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン／α−オレフィン共重合体、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン／酢酸ビニル／トリアリルイソシアヌレート（ＥＶＡＴ）、ポリビニルブチラート（ＰＶＢ）、シリコン、ウレタン、アクリル、エポキシ等の透光性の樹脂を用いることが好ましい。
５０ 光電変換部
６０，７０ 電極
６１，７１ フィンガー電極
６２，７２ バスバー電極
１０１〜１０４ 太陽電池
８０，８１，８２，８３ 配線材
８１０ 平坦領域
８２０ 凹凸領域
８２５ 屈曲部
１００ 太陽電池ストリング
９１，９２ 保護材
９５ 封止材
９６，９７ 接着材料（半田）
２００ 太陽電池モジュール
６０，７０ 電極
６１，７１ フィンガー電極
６２，７２ バスバー電極
１０１〜１０４ 太陽電池
８０，８１，８２，８３ 配線材
８１０ 平坦領域
８２０ 凹凸領域
８２５ 屈曲部
１００ 太陽電池ストリング
９１，９２ 保護材
９５ 封止材
９６，９７ 接着材料（半田）
２００ 太陽電池モジュール
Claims (4)
- 第一方向に沿って互いに離間して配置された第一太陽電池および第二太陽電池が、配線材により接続された太陽電池ストリング；前記太陽電池ストリングの受光面側に配置された光透過性の受光面保護材；前記太陽電池ストリングの裏面側に配置された裏面保護材；および前記受光面保護材と前記裏面保護材との間で前記太陽電池ストリングを封止する封止材、を備える太陽電池モジュールであって、
前記配線材は第一主面および第二主面を有し、第一方向に延在する帯状であり、
前記配線材の第一主面が前記第一太陽電池の裏面に設けられた電極に接続されており、前記配線材の第二主面が前記第二太陽電池の受光面に設けられた電極に接続されており、
前記配線材は、第一主面に凹凸が設けられている凹凸領域と、第一主面に凹凸が設けられていないかまたは前記凹凸領域よりも高さの小さい凹凸を有する平坦領域とを、第一方向に沿って有し、
前記凹凸領域が、前記第二太陽電池の受光面から、前記第一太陽電池の裏面にまで跨って設けられている、太陽電池モジュール。 - 配線材の表面に、三角柱形状の凸部が平行に延在して設けられることにより前記凹凸領域が構成されている、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記凹凸領域は、第一方向に直交する第二方向の幅が、前記平坦領域の第二方向の幅よりも大きい、請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第一太陽電池の裏面に設けられた電極と、前記配線材の平坦領域とが半田を介して接続されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュール。
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