WO2020158492A1 - 太陽電池モジュール - Google Patents

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WO2020158492A1
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solar cell
photoelectric conversion
electrode layer
electrode
cell module
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Inventor
秀基 下窪
和雄 有田
憲治 住永
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出光興産株式会社
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0749—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type including a AIBIIICVI compound, e.g. CdS/CulnSe2 [CIS] heterojunction solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell module.
  • photoelectric conversion elements applied to, for example, a solar cell, a CIS using a I-III-VI 2 group compound semiconductor having a chalcopyrite structure containing Cu, In, Ga, Se, and S as a photoelectric conversion layer System photoelectric conversion elements have been proposed.
  • This type of photoelectric conversion element is relatively inexpensive to manufacture, and has a large absorption coefficient in the visible to near infrared wavelength range, so that high photoelectric conversion efficiency is expected.
  • Patent Document 1 discloses a solar cell in which a CIS-based photoelectric conversion element is formed by sequentially stacking an insulating layer, a back electrode, and a photoelectric conversion layer on the light-receiving surface side of a metal substrate.
  • an insulating layer is interposed between the conductive substrate and the back electrode to form a capacitor between the conductive substrate and the back electrode.
  • dielectric breakdown may occur in the insulating layer between the back electrode and the conductive substrate.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and provides means for suppressing dielectric breakdown in an insulating layer between a back electrode and a conductive substrate.
  • a solar cell module which is an example of the present invention, includes a conductive substrate having an insulating layer formed on the light-receiving surface side, a first electrode layer formed on the insulating layer, and a light-receiving surface more than the first electrode layer.
  • a photoelectric conversion element having a second electrode layer formed on the side, a photoelectric conversion layer formed between the first electrode layer and the second electrode layer, and power generated by the photoelectric conversion element.
  • a pair of electrodes for outputting. One of the pair of electrodes is electrically connected to the first electrode layer and the conductive substrate, and the other electrode is insulated from the conductive substrate.
  • the first electrode layer formed on the insulating layer and the conductive substrate are electrically connected to one of the electrodes, and the insulating layer is disposed between them.
  • the electrode layer of No. 1 and the conductive substrate become equipotential.
  • a capacitor formed by the insulating layer is not formed between the first electrode layer and the conductive substrate, so that dielectric breakdown of the insulating layer due to, for example, lightning surge is suppressed.
  • FIG. 1 is a sectional view schematically showing the configuration of a solar cell module that is an embodiment of the present invention.
  • the solar cell module 100 shown in FIG. 1 has a so-called integrated structure in which a plurality of photoelectric conversion elements 11-1 to 11-k are arranged in the plane direction (XY direction) of the light receiving surface of the metal substrate 10.
  • k is a natural number of 2 or more.
  • the metal substrate 10 is an example of a conductive substrate, and is a substrate formed of, for example, stainless steel (SUS), copper, aluminum, or an alloy thereof.
  • the metal substrate 10 may be a flexible substrate.
  • the metal substrate 10 may have a laminated structure in which a plurality of metal base materials are laminated, and for example, a stainless foil, a titanium foil, or a molybdenum foil may be formed on the surface of the substrate.
  • the shape and size of the metal substrate 10 are appropriately determined according to the size of the solar cell module 100 and the like.
  • the overall shape of the metal substrate 10 in one embodiment is, for example, a rectangular flat plate shape, but is not limited to this.
  • the insulating layer 20 is formed on the light receiving surface side of the metal substrate 10.
  • the insulating layer 20 is a film such as glass frit.
  • the solar cell module 100 includes the plurality of photoelectric conversion elements 11-1, 11-2,... 11-k on the light receiving surface. These photoelectric conversion elements 11-1 to 11-k are connected in series.
  • the photoelectric conversion elements 11-1 to 11-k have the same basic configuration, and when it is not necessary to distinguish the individual photoelectric conversion elements 11-1 to 11-k in the following description, the photoelectric conversion element 11 is used. Is collectively referred to as.
  • the constituent elements of the photoelectric conversion element 11 which will be described later are also collectively referred to when there is no need to distinguish them.
  • the photoelectric conversion element 11 has a substrate structure in which a first electrode layer 12, a photoelectric conversion layer 13, a buffer layer 14, and a second electrode layer 15 are sequentially stacked on a metal substrate 10.
  • Light such as sunlight enters the photoelectric conversion element 11 from the side (upper side in FIG. 1) opposite to the metal substrate 10 side.
  • the first electrode layer 12 is formed on the insulating layer 20 of the metal substrate 10.
  • a plurality of first electrode layers 12-1, 12-2,... 12-k, 12-(k+1) are arranged side by side on the insulating layer 20 of the metal substrate 10. Since the first electrode layer 12 faces the back surface side (substrate side) of the photoelectric conversion layer 13 instead of the light receiving surface side, it is also referred to as a back surface electrode.
  • the first electrode layer 12 is, for example, a metal electrode layer. Although not particularly limited, the thickness of the first electrode layer 12 is set to, for example, 200 nm to 500 nm.
  • the first electrode layer 12 preferably comprises a material that does not easily react with the photoelectric conversion layer 13.
  • the material of the first electrode layer 12 can be selected from molybdenum (Mo), titanium (Ti), chromium (Cr), and the like.
  • the first electrode layer 12 may include the same material as the material included in the second electrode layer 15 described below.
  • the photoelectric conversion layer 13 is formed on the first electrode layer 12.
  • the photoelectric conversion layer 13 has a large bandgap on the light receiving surface side (upper side in FIG. 1) and a metal substrate 10 side (lower side in FIG. 1), and has a smaller bandgap inside the photoelectric conversion layer 13 in the thickness direction. It may have a dead structure.
  • the thickness of the photoelectric conversion layer 13 is set to, for example, 1.0 ⁇ m to 3.0 ⁇ m.
  • the photoelectric conversion layer 13 functions as a polycrystalline or microcrystalline p-type compound semiconductor layer.
  • the photoelectric conversion layer 13 includes a mixed crystal compound (I-III-VI 2 ) having a chalcopyrite structure containing a group I element, a group III element, and a group VI element (chalcogen element).
  • the group I element can be selected from copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), and the like.
  • the group III element can be selected from indium (In), gallium (Ga), aluminum (Al), and the like.
  • the photoelectric conversion layer 13 may include tellurium (Te) as a VI group element in addition to selenium (Se) and sulfur (S). Further, the photoelectric conversion layer 13 may contain an alkali metal such as Li, Na, K, Rb, or Cs.
  • the buffer layer 14 is formed on the photoelectric conversion layer 13. Although not particularly limited, the thickness of the buffer layer 14 is set to, for example, 10 nm to 100 nm.
  • the buffer layer 14 is, for example, an n-type or i (intrinsic) type high resistance conductive layer.
  • “high resistance” means having a resistance value higher than the resistance value of the second electrode layer 15 described later.
  • the buffer layer 14 can be selected from compounds containing zinc (Zn), cadmium (Cd), and indium (In).
  • the compound containing zinc include ZnO, ZnS, Zn(OH) 2 or a mixed crystal thereof such as Zn(O,S), Zn(O,S,OH), and further ZnMgO, ZnSnO, etc. , There is.
  • the compound containing cadmium include CdS, CdO, and mixed crystals of these, Cd(O,S) and Cd(O,S,OH).
  • Examples of the compound containing indium include InS, InO, and mixed crystals of In(O,S) and In(O,S,OH), such as In 2 O 3 , In 2 S 3 , and In. (OH) x or the like can be used.
  • the buffer layer 14 may have a laminated structure of these compounds.
  • the buffer layer 14 has an effect of improving characteristics such as photoelectric conversion efficiency, but it may be omitted.
  • the second electrode layer 15 is formed on the photoelectric conversion layer 13.
  • the second electrode layer 15 is formed on the buffer layer 14.
  • the second electrode layer 15 is, for example, an n-type conductive layer.
  • the thickness of the second electrode layer 15 is set to, for example, 0.5 ⁇ m to 2.5 ⁇ m.
  • the second electrode layer 15 preferably includes, for example, a material having a wide band gap and a sufficiently low resistance value.
  • the second electrode layer 15 serves as a path for light such as sunlight, and thus preferably has a property of transmitting light having a wavelength that can be absorbed by the photoelectric conversion layer 13. From this meaning, the second electrode layer 15 is also referred to as a transparent electrode layer or a window layer.
  • the second electrode layer 15 includes, for example, a metal oxide to which a group III element (B, Al, Ga, or In) is added as a dopant.
  • a metal oxide to which a group III element (B, Al, Ga, or In) is added as a dopant examples include ZnO or SnO 2 .
  • the second electrode layer 15 is, for example, ITO (indium tin oxide), ITiO (indium titanium oxide), IZO (indium zinc oxide), ZTO (zinc oxide tin), FTO (fluorine-doped tin oxide), GZO (gallium-doped). Zinc oxide) and the like.
  • the second electrode layer 15 is one of the first electrode layers 12-1, 12-2,... 12-(k+1). Connected.
  • the second electrode layer 15 of the photoelectric conversion element 11-1 is connected to the first electrode layer 12-2 of the photoelectric conversion element 11-2 located next to it.
  • the second electrode layers 15 of the remaining photoelectric conversion elements 11-2,... 11-k are also connected to the first electrode layers 12 of the photoelectric conversion elements 11 located next to each other.
  • the plurality of photoelectric conversion elements 11-1, 11-2,... 11-k are connected in series.
  • each photoelectric conversion element 11 is configured such that a current flows from the first electrode layer 12 toward the second electrode layer 15.
  • one of the electrodes is electrically connected to the metal substrate 10.
  • the first electrode layer 12 and the metal substrate 10 arranged with the insulating layer 20 separated from each other have the same potential, so that a capacitor formed of the insulating layer 20 is formed between the metal substrate 10 and the first electrode layer 12. Disappear. Therefore, according to the present embodiment, dielectric breakdown of the insulating layer 20 is suppressed even if an unintended high voltage is applied to the solar cell module 100 due to a lightning surge or the like. For example, if insulation breakdown occurs in the insulating layer 20, there is concern that abnormal heating may occur due to electrical leakage, but the risk of such an event is extremely low.
  • the negative electrode 22 is brought into contact with the metal substrate 10 to electrically connect them.
  • the negative electrode 22 is brought into contact with the metal substrate 10 at the light-receiving surface to electrically connect the two, but the negative electrode 22 is not brought into contact with the metal substrate 10 at the light-receiving surface, as shown in FIG. 2 described later.
  • the negative electrode 22 may be brought into contact with the metal substrate 10 on the back surface of the metal substrate 10 to electrically contact them.
  • PID Physical Induced Degradation
  • the PID phenomenon is considered to be one of the causes of diffusion of an alkali metal component such as sodium ion from a glass substrate of a solar cell or the like and invasion into the surface or inside of the cell. Even when the metal substrate 10 is adopted, if the material of the insulating layer 20 is a glass base containing an alkali metal component, the PID phenomenon may occur due to the alkali metal ions contained in the insulating layer 20. In the configuration of the present embodiment, since the metal substrate 10 located on the lower side of FIG. 1 has the same potential as the negative electrode 22, sodium ions (Na + ) contained in the insulating layer 20 are in the thickness direction (Z direction). In, the metal substrate 10 on the side opposite to the photoelectric conversion layer 13 is attracted.
  • the insulating layer 20 sodium ions are less likely to precipitate on the surface (upper side in FIG. 1) facing the first electrode layer 12.
  • the PID phenomenon caused by the alkali metal ions contained in the insulating layer 20 is achieved. It becomes easy to control.
  • each of the photoelectric conversion elements 11-1, 11-2,... 11-k is a unit
  • a plurality of units are provided between the positive electrode 21 and the negative electrode 22. Are connected in series.
  • these plural units can be formed on one metal substrate 10.
  • such a solar cell module 100 can realize stable power generation because the decrease in the amount of power generation is limited even when it is partially shaded.
  • FIG. 2A is a view of the solar cell module 100 as seen from the light receiving surface side
  • FIG. 2B is a view of the solar cell module 100 as seen from the back surface side
  • FIG. 2C is a solar cell.
  • 3 is a side view of the module 100.
  • the ribbon wire 30 on the positive electrode 21 side and the ribbon wire 31 on the negative electrode 22 side are arranged from the light receiving surface to the back surface of the solar cell module 100. Further, the solar cell module 100 is partially covered with the insulating tape 32 as described later. In the region of the solar cell module 100 covered with the insulating tape 32, the solar cell module 100 and the ribbon wires 30, 31 are insulated by the insulating tape 32.
  • the ribbon wires 30 and 31 are wiring members that function as power lines for leading the electric power generated in the solar cell module 100 to an external load, and are connected to external conductors (not shown) connected to the external load.
  • the ribbon wires 30 and 31 are composed of a thin strip-shaped metal plate having conductivity and flexibility. Examples of the material of the ribbon wires 30 and 31 include aluminum, silver, copper, or tin-plated copper.
  • the ribbon wire 30 is arranged on one end side in the substrate longitudinal direction (X direction), and the ribbon wire 31 is arranged on the other end side in the substrate longitudinal direction.
  • the ribbon wires 30 and 31 are arranged so as to extend along the lateral direction of the substrate (Y direction) on the light receiving surface.
  • the k photoelectric conversion elements (11-1 to 11-k) are arranged between the ribbon wires 30 and 31.
  • the ribbon wire 30 is electrically connected to the first electrode layer (first electrode layer 12-1 shown in FIG. 1) connected to the photoelectric conversion element 11-1 on the light receiving surface. Further, the ribbon wire 31 is electrically connected to the first electrode layer (first electrode layer 12-(k+1) shown in FIG. 1) connected to the second electrode layer of the photoelectric conversion element 11-k on the light receiving surface. Connected to each other.
  • the ribbon wires 30 and 31 are folded back on the upper side in the figure so as to wrap around from the light receiving surface of the solar cell module 100 to the back surface. Further, as shown in FIG. 2B, the ribbon wires 30 and 31 are bent 90° in the direction in which the ribbon wires 30 and 31 come close to each other from the side end of the solar cell module 100 on the back surface side, and the substrate longitudinal direction. It extends along. The ends of the ribbon wires 30 and 31 on the back surface side are both located near the center of the substrate.
  • the external conducting wire is connected to the ends of the ribbon wires 30 and 31 located near the center of the metal substrate 10 on the back surface of the solar cell module 100.
  • the positive electrode side and the negative electrode side of the external conducting wire can be arranged close to each other, and the wiring of the external conducting wire can be cleaned. It is possible to change the connection position between the external conductor and the ends of the ribbon wires 30 and 31 by appropriately routing the ribbon wires 30 and 31 on the back surface side of the metal substrate 10.
  • both ends of the metal substrate 10 in the substrate longitudinal direction are covered with the insulating tape 32 from the vicinity of the upper end on the light receiving surface side to the rear surface side through the substrate upper surface, and the ribbon wire 30 is provided on the insulating tape 32. , 31 are arranged.
  • the upper edge portion of the metal substrate 10 in the figure to be covered with the insulating tape 32, it is possible to prevent the ribbon wires 30 and 31 from being damaged by a sharp edge formed on the end surface of the metal substrate 10. To be done.
  • the ribbon wires 30 and 31 shown in FIG. 2 is merely an example, and the arrangement is not limited to the illustrated arrangement. Although illustration is omitted, for example, the ribbon wires 30 and 31 are arranged so as to extend along the substrate short-side direction (Y direction) to near the ends of the substrate longitudinal direction on the light receiving surface. It may be bent by 90° in a direction in which they are distant from each other, and may be folded back so as to wrap around from the light receiving surface to the back surface from the end portion in the lateral direction of the substrate. Then, the ribbon wires 30 and 31 may be arranged on the back surface so as to extend along the substrate longitudinal direction, and the end portions of the ribbon wires 30 and 31 may be located near the central portion of the substrate.
  • Y direction substrate short-side direction
  • the ribbon wires 30 and 31 may be arranged so as to extend along the substrate longitudinal direction, and the end portions of the ribbon wires 30 and 31 may be located near the central portion of the substrate.
  • both ends of the metal substrate 10 in the short edge direction of the metal substrate 10 are near the upper end on the light receiving surface side. It is preferable that the insulating tape 32 covers from the top to the back side of the substrate.
  • the region where the ribbon wire 30 is arranged is entirely covered with the insulating tape 32. Therefore, the ribbon wire 30 is insulated from the metal substrate 10 by the insulating tape 32.
  • the insulating tape 32 On the other hand, as shown in FIG. 2B, on the back surface side of the metal substrate 10, a part of the region 33 where the ribbon wire 31 is arranged is not covered with the insulating tape 32 and the metal substrate 10 is covered. The surface is exposed. Then, in the region 33 on the back surface side, the metal substrate 10 and the ribbon wire 31 are electrically connected.
  • the metal substrate 10 and the ribbon wire 31 may be connected by, for example, soldering or the like, or the ribbon wire 31 may be fixed to the metal substrate 10 with an adhesive tape or the like.
  • the front surface of the metal substrate 10 may be exposed in the entire region where the ribbon wire 31 is arranged. As described above, the wiring structure of the solar cell module 100 shown in FIG. 1 is realized.
  • a region (23) where the insulating layer 20 is not formed is provided on the surface side of the light receiving surface, and the metal substrate 10 and the first electrode layer 12-(k+1) are directly electrically connected to each other in the region 23.
  • An example is shown in which the connections are made electrically.
  • a through hole 24 penetrating the first electrode layer 12-(k+1), the insulating layer 20 and the metal substrate 10 in the thickness direction is formed, and a conductive member 25 is arranged in the through hole 24.
  • a conductive member 25 may be formed by filling the through hole 24 with a conductive solid (for example, a conductive pin) or a conductive liquid.
  • the inner surface of the through hole 24 may be formed.
  • the hollow conductive member 25 may be formed by plating.
  • the metal substrate 10 functions as the negative electrode 22. Therefore, when the external conducting wire is connected to the back surface side of the solar cell module 100, the layout of the negative electrode wiring becomes easy. Further, according to the configurations of the modified examples shown in FIGS. 3 and 4, since it is not necessary to provide the ribbon wire on the negative electrode side and to route the wiring on the back surface side, a space for arranging the ribbon wire on the negative electrode side is not required on the light receiving surface. Therefore, a wider space for arranging the photoelectric conversion element can be secured.

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Abstract

太陽電池モジュールは、受光面側に絶縁層が形成された導電性基板と、絶縁層の上に形成される第１の電極層と、第１の電極層よりも受光面側に形成される第２の電極層と、第１の電極層と第２の電極層との間に形成される光電変換層とを有する光電変換素子と、光電変換素子で生成される電力を出力する一対の電極と、を備える。一対の電極のうち、一方の電極は第１の電極層および導電性基板と電気的に接続され、他方の電極は導電性基板から絶縁される。

Description

太陽電池モジュール
　本発明は、太陽電池モジュールに関する。
　従来から、例えば太陽電池に適用される光電変換素子の一つとして、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ、Ｓを含むカルコパイライト構造のＩ－ＩＩＩ－ＶＩ２族化合物半導体を光電変換層に用いたＣＩＳ系光電変換素子が提案されている。この種の光電変換素子は、製造コストが比較的安価であり、しかも可視から近赤外の波長範囲に大きな吸収係数を有するので高い光電変換効率が期待される。
　また、太陽電池の薄型化、軽量化、または強度向上などを目的として、太陽電池の基板にＳＵＳなどの金属基板を適用することも提案されている。例えば、特許文献１には、金属基板の受光面側に絶縁層、裏面電極および光電変換層を順次積層し、ＣＩＳ系光電変換素子を形成した太陽電池が開示されている。
特開２０１４－２２９７３６号公報
　金属基板などの導電性基板を用いた太陽電池においては、導電性基板と裏面電極の間に絶縁層が介在することで導電性基板と裏面電極の間にコンデンサが形成される。例えば、雷サージなどにより太陽電池に意図しない高電圧が印加されると、裏面電極と導電性基板の間の絶縁層において絶縁破壊が生じるおそれがある。
　本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、裏面電極と導電性基板の間の絶縁層における絶縁破壊を抑止する手段を提供する。
　本発明の一例である太陽電池モジュールは、受光面側に絶縁層が形成された導電性基板と、絶縁層の上に形成される第１の電極層と、第１の電極層よりも受光面側に形成される第２の電極層と、第１の電極層と第２の電極層との間に形成される光電変換層とを有する光電変換素子と、光電変換素子で生成される電力を出力する一対の電極と、を備える。一対の電極のうち、一方の電極は第１の電極層および導電性基板と電気的に接続され、他方の電極は導電性基板から絶縁される。
　本発明の一例である太陽電池モジュールによれば、絶縁層の上に形成される第１の電極層および導電性基板が一方の電極と電気的に接続され、絶縁層を隔てて配置される第１の電極層および導電性基板は等電位になる。これにより、第１の電極層と導電性基板との間に絶縁層によるコンデンサが形成されなくなるので、例えば雷サージなどによる絶縁層の絶縁破壊が抑止される。
一実施形態の太陽電池モジュールの構成を模式的に示す断面図である。 一実施形態の太陽電池モジュールにおける配線構造例を示す図である。 太陽電池モジュールの構成の変形例を模式的に示す断面図である。 太陽電池モジュールの構成の変形例を模式的に示す断面図である。
　以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
　実施形態ではその説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面において、各層の厚さ、形状などは模式的に示したもので、実際の厚さや形状などを示すものではない。
　＜太陽電池モジュールの構成例＞
　図１は、本発明の一実施形態である太陽電池モジュールの構成を模式的に示す断面図である。図１に示す太陽電池モジュール１００は、金属基板１０における受光面の平面方向（ＸＹ方向）に複数の光電変換素子１１－１～１１－ｋが配置された、いわゆる集積型構造を有する。但し、ｋは、２以上の自然数である。
　（金属基板１０）
　金属基板１０は、導電性基板の一例であって、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、銅、アルミニウム、あるいはこれらの合金等で形成される基板である。金属基板１０は、フレキシブル基板であってもよい。金属基板１０は、複数の金属基材を積層した積層構造であってもよく、例えば、ステンレス箔、チタン箔、モリブデン箔が基板の表面に形成されていてもよい。
　金属基板１０の形状および寸法は、太陽電池モジュール１００の大きさ等に応じて適宜決定される。一実施形態における金属基板１０の全体形状は、例えば矩形の平板状であるがこれに限られることはない。
　金属基板１０の適用により、太陽電池モジュール１００を曲げることが可能となり、曲げによる基板の割れも抑止できる。さらに、金属基板１０の適用により、ガラス基板や樹脂基板と比べて、太陽電池モジュール１００の軽量化および薄型化を図ることが容易となる。
　また、金属基板１０の受光面側には絶縁層２０が形成されている。絶縁層２０は、例えば、ガラスフリットなどの被膜である。絶縁層２０に適用するガラスの一例としては、シリカ（ＳｉＯ2）、ＣａＯ、Ｂ2Ｏ3、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＺｒＯ2、ＭｇＯのうち少なくとも１つを成分とするガラスや低融点ガラスを挙げることができる。
　（光電変換素子１１）
　太陽電池モジュール１００は、上記のように、複数の光電変換素子１１－１，１１－２，…１１－ｋを受光面上に備えている。これらの光電変換素子１１－１～１１－ｋは、直列に接続されている。
　ここで、光電変換素子１１－１～１１－ｋの基本構成は共通であり、以下の説明で個々の光電変換素子１１－１～１１－ｋを区別する必要がない場合には光電変換素子１１と総称して表記する。なお、光電変換素子１１の後述する構成要素についても、個々を区別する必要がない場合には同様に総称して表記する。
　光電変換素子１１は、金属基板１０の上に、第１の電極層１２、光電変換層１３、バッファ層１４、第２の電極層１５を順次積層したサブストレート構造を有する。太陽光などの光は、金属基板１０側とは反対側（図１の上側）から光電変換素子１１に入射する。
（第１の電極層１２）
　第１の電極層１２は、金属基板１０の絶縁層２０の上に形成される。図１においては、複数の第１の電極層１２－１，１２－２，…１２－ｋ，１２－（ｋ＋１）が、金属基板１０の絶縁層２０の上に並んで配置されている。第１の電極層１２は、光電変換層１３の受光面側ではなく裏面側（基板側）に臨むため、裏面電極とも称される。
　第１の電極層１２は、例えば、金属電極層である。特に限定するものではないが、第１の電極層１２の厚さは、例えば、２００ｎｍ～５００ｎｍに設定される。
　第１の電極層１２は、光電変換層１３との反応が発生し難い材料を備えることが好ましい。例えば、第１の電極層１２の材料は、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などから選択可能である。第１の電極層１２は、後述する第２の電極層１５内に含まれる材料と同じ材料を含んでいてもよい。
（光電変換層１３）
　光電変換層１３は、第１の電極層１２上に形成される。光電変換層１３は、受光面側（図１の上側）および金属基板１０側（図１の下側）ではバンドギャップがそれぞれ大きく、光電変換層１３の厚さ方向内側ではバンドギャップが小さいダブルグレーデッド構造を有してもよい。特に限定するものではないが、光電変換層１３の厚さは、例えば、１．０μｍ～３．０μｍに設定される。
　光電変換層１３は、多結晶または微結晶のｐ型化合物半導体層として機能する。光電変換層１３は、Ｉ族元素と、ＩＩＩ族元素と、ＶＩ族元素（カルコゲン元素）と、を含むカルコパイライト構造の混晶化合物（Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ２）を備える。Ｉ族元素は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などから選択可能である。ＩＩＩ族元素は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）などから選択可能である。また、光電変換層１３は、ＶＩ族元素として、セレン（Ｓｅ）や硫黄（Ｓ）の他に、テルル（Ｔｅ）などを含んでもよい。また、光電変換層１３は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ等のアルカリ金属を含んでいてもよい。
（バッファ層１４）
　バッファ層１４は、光電変換層１３の上に形成される。特に限定するものではないが、バッファ層１４の厚さは、例えば、１０ｎｍ～１００ｎｍに設定される。
　バッファ層１４は、例えば、ｎ型またはｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）型高抵抗導電層である。ここで「高抵抗」とは、後述する第２の電極層１５の抵抗値よりも高い抵抗値を有するという意味である。
　バッファ層１４は、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）を含む化合物から選択可能である。亜鉛を含む化合物としては、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＳ、Ｚｎ（ＯＨ）2、または、これらの混晶であるＺｎ（Ｏ，Ｓ）、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ，ＯＨ）、さらには、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＳｎＯなど、がある。カドミウムを含む化合物としては、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＯ、または、これらの混晶であるＣｄ（Ｏ，Ｓ）、Ｃｄ（Ｏ，Ｓ，ＯＨ）がある。インジウムを含む化合物としては、例えば、ＩｎＳ、ＩｎＯ、または、これらの混晶であるＩｎ（Ｏ，Ｓ）、Ｉｎ（Ｏ，Ｓ，ＯＨ）があり、Ｉｎ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｓ3、Ｉｎ（ＯＨ）x等を用いることができる。また、バッファ層１４は、これらの化合物の積層構造を有してもよい。
　なお、バッファ層１４は、光電変換効率などの特性を向上させる効果を有するが、これを省略することも可能である。バッファ層１４が省略される場合、第２の電極層１５は光電変換層１３の上に形成される。
（第２の電極層１５）
　第２の電極層１５は、バッファ層１４の上に形成される。第２の電極層１５は、例えば、ｎ型導電層である。特に限定するものではないが、第２の電極層１５の厚さは、例えば、０．５μｍ～２．５μｍに設定される。
　第２の電極層１５は、例えば、禁制帯幅が広く、抵抗値が十分に低い材料を備えることが好ましい。また、第２の電極層１５は、太陽光などの光の通り道となるため、光電変換層１３が吸収可能な波長の光を透過する性質を持つことが好ましい。この意味から、第２の電極層１５は、透明電極層または窓層とも称される。
　第２の電極層１５は、例えば、ＩＩＩ族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、またはＩｎ）がドーパントとして添加された酸化金属を備える。酸化金属の例としては、ＺｎＯ、または、ＳｎＯ2がある。第２の電極層１５は、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＩＴｉＯ（酸化インジウムチタン）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）、ＺＴＯ（酸化亜鉛スズ）、ＦＴＯ（フッ素ドープト酸化スズ）、ＧＺＯ（ガリウムドープト酸化亜鉛）などから選択可能である。
　光電変換素子１１－１，１１－２，…１１－ｋにおいて、第２の電極層１５は、第１の電極層１２－１，１２－２，…１２－（ｋ＋１）のうちの１つに接続される。例えば、光電変換素子１１－１の第２の電極層１５は、その隣に位置する光電変換素子１１－２の第１の電極層１２－２に接続される。残りの光電変換素子１１－２，…１１－ｋの第２の電極層１５も同様に、隣に位置する光電変換素子１１の第１の電極層１２に接続される。これにより、複数の光電変換素子１１－１，１１－２，…１１－ｋは、直列に接続される。
　（正極２１、負極２２）
　太陽電池モジュール１００の正極２１は、第１の電極層１２－１に接続される。一方、太陽電池モジュール１００の負極２２は、光電変換素子１１－ｋの第２の電極層１５と接続されている第１の電極層１２－（ｋ＋１）に接続される。つまり、各々の光電変換素子１１は、第１の電極層１２から第２の電極層１５に向けて電流が流れるように構成される。
　本実施形態の太陽電池モジュール１００においては、電極の一方が金属基板１０と電気的に接続されている。これにより、絶縁層２０を隔てて配置される第１の電極層１２と金属基板１０が等電位になるので、金属基板１０と第１の電極層１２の間に絶縁層２０によるコンデンサが形成されなくなる。
　したがって、本実施形態によれば、雷サージなどにより太陽電池モジュール１００に意図しない高電圧が印加されても絶縁層２０の絶縁破壊が抑止される。例えば、絶縁層２０に絶縁破壊が生じると漏電による異常加熱の発生などが懸念されるが、このような事象の生じるおそれは非常に低くなる。
　ここで、本実施形態においては、図１に示すように負極２２を金属基板１０に接触させて両者を電気的に接続している。なお、図１では負極２２を受光面で金属基板１０に接触させて両者を電気的に接続しているが、負極２２を受光面では金属基板１０に接触させずに、後述する図２のように金属基板１０の裏面で負極２２を金属基板１０に接触させて両者を電気的に接触してもよい。
　かかる構成によれば、太陽電池の出力が短期間で大幅に低下するＰＩＤ(Potential Induced Degradation)現象を抑制しやすくなる点で好ましい。
　ＰＩＤ現象は、例えば太陽電池のガラス基板などからナトリウムイオンなどのアルカリ金属成分が拡散し、セルの表面や内部に侵入することが原因の１つと考えられている。金属基板１０を採用する場合においても絶縁層２０の材料がアルカリ金属成分を含むガラスベースであれば、絶縁層２０に含まれるアルカリ金属イオンに起因してＰＩＤ現象が生じうる。
　本実施形態の構成においては、図１の下側に位置する金属基板１０が負極２２と等電位になるので、絶縁層２０に含まれるナトリウムイオン（Ｎａ＋）は、厚さ方向（Ｚ方向）において光電変換層１３とは反対側の金属基板１０に引き寄せられる。したがって、絶縁層２０において、第１の電極層１２に臨む面（図１の上側）にはナトリウムイオンが析出しにくくなる。以上のように、本実施形態のような負極接地の構成によると、アルカリ金属成分を含むガラスベースの絶縁層２０を採用した場合においても、絶縁層２０に含まれるアルカリ金属イオンに起因したＰＩＤ現象を抑制しやすくなる。
　また、本実施形態の太陽電池モジュール１００によれば、光電変換素子１１－１，１１－２，…１１－ｋをそれぞれ１つのユニットとした場合、複数のユニットが正極２１と負極２２との間に直列接続されている。しかも、これら複数のユニットは、１枚の金属基板１０上に形成可能である。例えば、このような太陽電池モジュール１００は、部分的に日陰となっても発電量の低下が限定的であるので、安定的な発電を実現することができる。
　次に、図２を参照しつつ、本実施形態の太陽電池モジュール１００における配線構造例を説明する。図２（Ａ）は、太陽電池モジュール１００を受光面側からみた図であり、図２（Ｂ）は、太陽電池モジュール１００を裏面側からみた図であり、図２（Ｃ）は、太陽電池モジュール１００の側面図である。
　図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、太陽電池モジュール１００の受光面から裏面にわたって、正極２１側のリボンワイヤ３０と、負極２２側のリボンワイヤ３１が配設されている。
　また、太陽電池モジュール１００は、後述するように、絶縁テープ３２によって部分的に覆われている。太陽電池モジュール１００において絶縁テープ３２で覆われた領域では、太陽電池モジュール１００と、リボンワイヤ３０、３１との間が絶縁テープ３２により絶縁される。
　リボンワイヤ３０、３１は、太陽電池モジュール１００で発生した電力を外部負荷に導出するための電力線として機能し、外部負荷と接続された外部導線（図示省略）にそれぞれ接続される配線部材である。
　リボンワイヤ３０、３１は、導電性および可撓性を有する帯状の薄い金属板で構成される。リボンワイヤ３０、３１の材料としては、例えば、アルミニウム、銀、銅、あるいは錫メッキされた銅などが挙げられる。
　図２（Ａ）に示すように、太陽電池モジュール１００の受光面において、リボンワイヤ３０は基板長手方向（Ｘ方向）の一端側に配置され、リボンワイヤ３１は基板長手方向の他端側に配置されている。リボンワイヤ３０、３１は、受光面においていずれも基板短手方向（Ｙ方向）に沿って延長するように配置されている。そして、リボンワイヤ３０、３１の間には、ｋ個の光電変換素子（１１－１～１１－ｋ）が配置されている。
　リボンワイヤ３０は、受光面において、光電変換素子１１－１に接続される第１の電極層（図１に示す第１の電極層１２－１）と電気的に接続される。また、リボンワイヤ３１は、受光面において、光電変換素子１１－ｋの第２の電極層に接続される第１の電極層（図１に示す第１の電極層１２－（ｋ＋１））と電気的に接続される。
　図２（Ａ）～（Ｃ）に示すように、リボンワイヤ３０、３１は、太陽電池モジュール１００の受光面から裏面へ回り込むように、図中上側で折り返されている。また、図２（Ｂ）に示すように、リボンワイヤ３０、３１は、裏面側において太陽電池モジュール１００の側端からリボンワイヤ３０、３１同士が近接する向きに９０°折曲し、基板長手方向に沿って延長している。裏面側でのリボンワイヤ３０、３１の端部は、いずれも基板の中央部近傍に位置している。
　例えば、外部導線は、太陽電池モジュール１００の裏面において、金属基板１０の中央部近傍に位置するリボンワイヤ３０、３１の端部と接続される。これにより、太陽電池モジュール１００に外部導線を接続する際には、外部導線の正極側および負極側を近くに配置でき、外部導線の配線をすっきりさせることができる。なお、金属基板１０の裏面側において、リボンワイヤ３０、３１を適宜引き回すことにより、外部導線とリボンワイヤ３０、３１の端部との接続位置を変えることが可能である。
　ここで、金属基板１０の基板長手方向の両端部は、受光面側の上端近傍から基板上面を経て裏面側に至るまで絶縁テープ３２で覆われており、この絶縁テープ３２の上にリボンワイヤ３０、３１が配置される。特に、金属基板１０の図中の上縁部が絶縁テープ３２で覆われるように構成することで、金属基板１０の端面に形成される鋭利なエッジでリボンワイヤ３０、３１が損傷することが防止される。
　なお、図２に示すリボンワイヤ３０、３１の配置はあくまで一例にすぎず、図示の配置に限定されるものではない。図示は省略するが、例えば、リボンワイヤ３０、３１を、受光面においていずれも基板短手方向（Ｙ方向）に沿って基板長手の端部近傍まで延長するように配置し、リボンワイヤ３０、３１同士が遠ざかる向きに９０°折曲させて、基板短手方向の端部より受光面から裏面へ回り込むように折り返してもよい。そして、裏面においてリボンワイヤ３０、３１をそれぞれ基板長手方向に沿って延長するように配置し、リボンワイヤ３０、３１の端部がいずれも基板の中央部近傍に位置するようにしてもよい。
　上記のように、リボンワイヤ３０、３１を基板短手の端部より受光面から裏面へ回り込むように折り返す場合には、金属基板１０の基板短手方向の両端部が、受光面側の上端近傍から基板上面を経て裏面側に至るまで絶縁テープ３２で覆うようにすることが好ましい。
　図２（Ｂ）に示すように、金属基板１０の裏面側において、リボンワイヤ３０の配置される領域は絶縁テープ３２ですべて覆われる。そのため、リボンワイヤ３０は絶縁テープ３２によって金属基板１０から絶縁されている。
　一方、図２（Ｂ）に示すように、金属基板１０の裏面側において、リボンワイヤ３１の配置される領域のうちの一部の領域３３は、絶縁テープ３２で覆われずに金属基板１０の表面が露出している。そして、裏面側の領域３３において金属基板１０とリボンワイヤ３１が電気的に接続される。金属基板１０とリボンワイヤ３１の接続は、例えば、はんだ付け等で接着してもよく、リボンワイヤ３１を粘着テープ等で金属基板１０に固定する構成としてもよい。
　なお、金属基板１０の裏面側において、リボンワイヤ３１の配置される領域全体で金属基板１０の表面が露出していてもよい。
　以上のようにして、図１に示す太陽電池モジュール１００の配線構造が実現される。
　＜実施形態の変形例＞
　図３および図４は、それぞれ太陽電池モジュール１００の構成の変形例を示している。以下の説明では、図１と同様の要素には同じ符号を付して重複説明を省略する。
　図３は、受光面の表面側において、金属基板１０上に絶縁層２０を形成しない領域（２３）を設け、当該領域２３で金属基板１０と第１の電極層１２－（ｋ＋１）を直接電気的に接続した例を示している。
　また、図４は、第１の電極層１２－（ｋ＋１）、絶縁層２０および金属基板１０を厚さ方向に貫通するスルーホール２４を形成し、スルーホール２４内に導電部材２５を配置して金属基板１０と第１の電極層１２－（ｋ＋１）を電気的に接続した例を示している。なお、図４の構成としては、導電性の固体（例えば導電性のピン）や導電性の液体をスルーホール２４に充填して導電部材２５を形成してもよく、例えばスルーホール２４の内表面にメッキを施すことで中空の導電部材２５を形成してもよい。
　上記の図３、図４に示す変形例の構成においては、金属基板１０が負極２２として機能する。したがって、太陽電池モジュール１００の裏面側に外部導線を接続する場合には、負極の配線のレイアウトが容易となる。また、図３、図４に示す変形例の構成によると、負極側にリボンワイヤを設けて裏面側に配線を引き回す必要がないので、受光面において負極側のリボンワイヤを配置するスペースが必要なくなり、光電変換素子を配置するスペースをより広く確保できる。
　図３、図４では、金属基板１０が負極２２として機能する変形例を示したが、金属基板１０が正極２１として機能する場合においても、太陽電池モジュール１００の裏面側に外部導線を接続する場合には、正極の配線のレイアウトが容易となる。また、正極側にリボンワイヤを設けて裏面側に配線を引き回す必要がないので、受光面において正極側のリボンワイヤを配置するスペースが必要なくなり、光電変換素子を配置するスペースをより広く確保できる。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することを意図しない。これら実施形態は、上述以外の様々な形態で実施することが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、変更など、を行える。これら実施形態およびその変形は、本発明の範囲および要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明およびその均等物についても、本発明の範囲および要旨に含まれる。
　また、本出願は、２０１９年１月３０日に出願した日本国特許出願２０１９－０１４３０４号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１９－０１４３０４号の全内容を本出願に援用する。
１０　　金属基板
１１　　光電変換素子
１２　　第１の電極層
１３　　光電変換層
１５　　第２の電極層
２０　　絶縁層
２１　　正極
２２　　負極
３０、３１　リボンワイヤ
１００　太陽電池モジュール

 

Claims (6)

  1. 　受光面側に絶縁層が形成された導電性基板と、
    　前記絶縁層の上に形成される第１の電極層と、前記第１の電極層よりも前記受光面側に形成される第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に形成される光電変換層とを有する光電変換素子と、
    　前記光電変換素子で生成される電力を出力する一対の電極と、を備え、
    　前記一対の電極のうち、一方の電極は前記第１の電極層および前記導電性基板と電気的に接続され、他方の電極は前記導電性基板から絶縁される、
    太陽電池モジュール。
  2. 　前記光電変換素子は、前記受光面の平面方向において前記絶縁層の上に複数配置されている、
    請求項１に記載の太陽電池モジュール。
  3. 　複数の前記光電変換素子は、直列に接続されている、
    請求項２に記載の太陽電池モジュール。
  4. 　前記一方の電極は、負極である、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  5. 　前記絶縁層の材料は、アルカリ金属成分を含む、
    請求項４に記載の太陽電池モジュール。
  6. 　前記一対の電極は、前記導電性基板の前記受光面側から裏面側にわたって配置された配線部材をそれぞれ含み、
    　前記一方の電極に接続される前記配線部材は、前記受光面側で前記第１の電極層と電気的に接続され、前記裏面側で前記導電性基板と電気的に接続される、
    請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。

     
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