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1. WO2013001696 - 太陽電池モジュール

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明 細 書

発明の名称 太陽電池モジュール

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006   0007  

課題を解決するための手段

0008  

発明の効果

0009  

図面の簡単な説明

0010  

発明を実施するための形態

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055  

符号の説明

0056  

産業上の利用可能性

0057  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6  

明 細 書

発明の名称 : 太陽電池モジュール

技術分野

[0001]
 本発明は、太陽電池モジュールに関する。

背景技術

[0002]
 従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、いわゆる太陽電池の開発が各方面で精力的に行われている。太陽電池は、クリーンで無尽蔵なエネルギー源である太陽からの光を直接電気に変換できることから、新しいエネルギー源として期待されている。
[0003]
 このような太陽電池は、通常、ガラス基板上に透明導電膜や半導体素子層が設けられている。また、ガラスにはナトリウムなどのアルカリ金属が含まれていることが多いため、ガラスからのナトリウムの半導体素子層への溶出を防止するためにアルカリバリア層が設けられている場合もある(特許文献1参照)。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開平10-144941号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 ところで、太陽電池モジュールは屋外で使用されるため、モジュールとしてある程度の強度が必要となる。そこで、光電変換装置を太陽光受光側と裏面側の2枚のガラスで挟み込んだ太陽電池モジュールが考案されている。
[0006]
 しかしながら、裏面側のガラスからのアルカリ金属の溶出については何ら考慮されておらず更なる改善の余地がある。
[0007]
 本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、裏面側にガラスが設けられている太陽電池モジュールの信頼性を高める技術を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0008]
 上記課題を解決するために、本発明のある態様の太陽電池モジュールは、光起電力装置と、光起電力装置の受光面とは反対側の裏面側に設けられており、不純物イオンを含むガラス板と、光起電力装置とガラス板との間に設けられており、ガラス板から光起電力装置に向かう不純物イオンの拡散を抑制する拡散抑制層と、を備える。拡散抑制層は、樹脂材料で構成されている。

発明の効果

[0009]
 本発明によれば、太陽電池モジュールの信頼性を高めることができる。

図面の簡単な説明

[0010]
[図1] 本実施の形態に係る太陽電池モジュールを受光面とは反対側から見た場合の上面図である。
[図2] 図1に示す太陽電池モジュールのA-A断面図である。
[図3] 図1に示す光起電力素子のB-B断面図である。
[図4] 本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。
[図5] 本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。
[図6] 本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。

発明を実施するための形態

[0011]
 以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
[0012]
 以下の各図に示す各層、各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。
[0013]
 図1は、本実施の形態に係る太陽電池モジュールを太陽光受光面とは反対側から見た場合の上面図である。図2は、図1に示す太陽電池モジュールのA-A断面図である。なお、図1では、封止材および保護材は省略してある。
[0014]
 太陽電池モジュール10は、光起電力装置12、透光性部材16、絶縁体20、集電配線(タブ配線)22、充填剤24および保護材としてのガラス板26を備える。
[0015]
 光起電力装置12は、長方形の平板またはフィルム状のユニットであり、複数の光起電力素子28が整列した状態で配置されている。それぞれの光起電力素子28は、互いに直列または並列に適宜接続されている。
[0016]
 透光性部材16は、光を透過させる材料で構成されており、受光面16aとは反対側の裏面16b上に、光起電力装置12として複数の光起電力素子28が形成されている。
[0017]
 このように、透光性部材16は、受光面16aを真正面から見た場合、光起電力装置12を覆うように配設されている。なお、透光性部材16としては、絶縁性を有するガラス、プラスチックなどを用いることができ、特に太陽光に含まれる波長の光に対する透過率が高い材料が好適である。
[0018]
 次に、光起電力素子28について説明する。図3は、図1に示す光起電力素子のB-B断面図である。光起電力素子28は、第1電極層30、半導体層32、透明導電膜34および第2電極層36を有する。第1電極層30、半導体層32、透明導電膜34および第2電極層36は、周知のレーザパターニングを施されながら透光性部材16上に順次積層される。また、第2電極層36の上には、充填剤24、拡散抑制層14、ガラス板26が積層されている。
[0019]
 第1電極層30は、透光性部材16の面上に形成されており、導電性および透光性を有する。本実施の形態に係る第1電極層30としては、高い光透過性、低抵抗性を有し、低価格であるZnOが用いられる。
[0020]
 半導体層32は、第1電極層30側からの入射光により電荷(電子および正孔)を生成する。半導体層32としては、例えば、pin接合またはpn接合を基本構造として有するアモルファスシリコン半導体層や微結晶シリコン半導体層の単層体あるいは積層体を用いることができる。本実施の形態に係る半導体層32は、第1電極層30側からそれぞれ非晶質シリコン半導体、微結晶シリコン半導体が積層されたものとして構成されている。なお、本明細書において、「微結晶」の用語は、完全な結晶状態のみならず、部分的に非結晶状態を含む状態をも意味するものとする。
[0021]
 透明導電膜34は、半導体層32上に形成されている。透明導電膜34により、半導体層32と第2電極層36が合金化することが防止され、半導体層32と第2電極層36との接続抵抗を減少させることができる。
[0022]
 第2電極層36は、透明導電膜34上に形成される。一の光起電力素子28の透明導電膜34と第2電極層36は、隣接する他の光起電力素子28の第1電極層30に接触する。これにより、一の光起電力素子28と他の光起電力素子28とが電気的に直列に接続される。
[0023]
 集電配線22は、このように直列に接続された複数の光起電力素子28によって生成される電荷を、太陽電池モジュール10の外部に導く。集電配線22は、直列に接続された複数の光起電力素子28のうち両端にある光起電力素子28と導通する導通部22aを有する。集電配線22としては、銅などの低抵抗率の材料が好ましい。なお、集電配線22と複数の光起電力素子28との間の所定の領域には絶縁体20が配置され、集電配線22の引き出し配線22bと複数の光起電力素子28とが部分的に絶縁される。
[0024]
 充填剤24は、光起電力装置12および集電配線22を、透光性部材16とガラス板26との間に封止し、光起電力素子28に加えられる衝撃を緩衝するように配置される。本実施の形態では、充填剤24としてEVA(エチレン酢酸ビニル)を用いる。また、本実施の形態では、ガラス板26として廉価な青板ガラス(フロートガラス)を用いている。なお、青板ガラスは、不純物イオンとして、例えば、ナトリウムなどのアルカリ金属を含んでいる。ガラス板26は、太陽電池モジュール10全体の強度を向上するとともに、太陽電池モジュール10の裏面側からの水分や不純物の侵入を防止する。
[0025]
 ガラス板26に含まれる不純物イオン(例えば、ナトリウム)は、ガラスから溶出してEVAなどの充填剤24の内部を拡散して光起電力装置12(光起電力素子28)に到達すると、半導体層32や各電極層を劣化させ、光起電力装置12の性能や信頼性の低下を招く一因となりうる。そこで、本実施の形態に係る光起電力装置12は、充填剤24とガラス板26との間に拡散抑制層14が設けられている。拡散抑制層14は、その酸素ガス透過度が充填剤24の酸素ガス透過度よりも低い材料で構成されている。なお、拡散抑制層14の詳細については、後述する。
[0026]
 充填剤24、拡散抑制層14およびガラス板26には貫通孔38が設けられている。集電配線22の引き出し配線22bの一方の端部は、貫通孔38から外部に引き出され、端子ボックス40に接続されている。
[0027]
 (太陽電池モジュールの製造方法)
 次に、上述の太陽電池を備える太陽電池モジュールの製造方法について説明する。なお、以下では、光起電力素子28を複数備える太陽電池モジュールについて説明するが、光起電力素子28を一つ備える太陽電池モジュールであってもよい。
[0028]
 図4乃至図6は、本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。
[0029]
 はじめに、図4(a)に示すように、4mm厚のガラスからなる透光性部材16上に、スパッタリングにより600nm厚のZnOからなる第1電極層30を形成する。そして、透光性部材16の第1電極層30側からYAGレーザを照射して、第1電極層30を短冊状にパターニングする。当該レーザ分離加工には、波長約1.06μm、エネルギー密度13J/cm 、パルス周波数3kHzのNd:YAGレーザを使用する。
[0030]
 次に、図4(b)に示すように、プラズマ処理装置により半導体層32を形成する。半導体層32は、膜厚15nmのp型非晶質シリコン半導体膜、膜厚200nmのi型非晶質シリコン半導体膜、膜厚30nmのn型非晶質シリコン半導体膜、膜厚30nmのp型微結晶シリコン半導体膜、膜厚2000nmのi型微結晶シリコン半導体膜および膜厚30nmのn型微結晶シリコン半導体膜を、第1電極層30上に順次積層したものである。
[0031]
 p型非晶質シリコン半導体膜は、SiH 、CH 、H およびB との混合ガスを原料ガスとして形成される。i型非晶質シリコン半導体膜は、SiH とH との混合ガスを原料ガスとして形成される。n型非晶質シリコン半導体膜は、SiH 、H およびPH との混合ガスを原料ガスとして形成される。
[0032]
 また、p型微結晶シリコン半導体膜は、SiH 、H およびB との混合ガスを原料ガスとして形成される。i型微結晶シリコン半導体膜は、SiH とH との混合ガスを原料ガスとして形成される。n型微結晶シリコン半導体膜は、SiH 、H およびPH との混合ガスを原料ガスとして形成される。以下にプラズマ処理装置による各膜の成膜条件の詳細を表1に示す。
[0033]
[表1]


[0034]
 積層された半導体層32、第1電極層30のパターニング位置からはずれた位置に第1電極層30側からYAGレーザを照射することにより透光性部材16の裏面側に形成された半導体層32を分離するように除去し、短冊状にパターニングする。当該レーザ分離加工には、エネルギー密度0.7J/cm 、パルス周波数3kHzのNd:YAGレーザを使用する。
[0035]
 次に、図4(c)に示すように、ZnOからなる透明導電膜34を半導体層32上にスパッタリングにより形成する。透明導電膜34は、半導体層32がパターニングにより除去された領域や側端部にも成膜される。
[0036]
 そして、図5(a)に示すように、200nm厚のAg膜を透明導電膜34上にスパッタリングにより成膜し、第2電極層36を形成する。このとき、第2電極層36は、半導体層32がパターニングにより除去された領域内の透明導電膜34上にも成膜される。
[0037]
 次に、図5(b)に示すように、半導体層32のパターニング位置からずれた部分に、裏面側からYAGレーザを照射することにより半導体層32、透明導電膜34および第2電極層36を分離し、短冊状にパターニングする。当該レーザ分離加工には、エネルギー密度0.7J/cm 、パルス周波数4kHzのNd:YAGレーザを使用する。これにより、複数の光起電力素子28が形成される。
[0038]
 次に、図5(c)に示すように、第1電極層30や半導体層32の側部(最外周)に回り込んだ透明導電膜34と第2電極層36は、レーザにより除去される。当該レーザ除去加工には、波長約1.06μm、エネルギー密度13J/cm 、パルス周波数3kHzのNd:YAGレーザを使用する。
[0039]
 以上により、互いに直列接続された複数の光起電力素子28が透光性部材16上に形成される。
[0040]
 次に、図6(a)に示すように、各光起電力素子28を充填剤24で覆う。一方、ガラス板26の表面にあらかじめ所定の方法で拡散抑制層14を形成し、ガラス板26と拡散抑制層14とを一体として充填剤24に押し付けることで太陽電池モジュール10が作製される(図6(b)参照)。
[0041]
 (拡散抑制層)
 次に、拡散抑制層14について詳述する。前述のように、拡散抑制層14は、ガラス板26に含まれる不純物イオン(例えば、ナトリウムなどのアルカリ金属)の拡散を抑制するように構成されている。また、拡散抑制層14を樹脂材料で構成することにより、ガラス板26と充填剤24との材質の違いにより発生する応力を緩和できる。
[0042]
 樹脂材料においては、高分子内を物質(例えば水分)が移動する際の移動しやすさは、その物質の自由体積によって決まる。そして、この自由体積と相関があるとされているのが、ガスバリア性能である。つまり、ガスバリア性能が高い樹脂材料では、内部をナトリウムなどのアルカリ金属が移動しにくいと言える。
[0043]
 そこで、本発明者が鋭意検討した結果、拡散抑制層14は、温度25℃、相対湿度65%の環境下、厚み25μmの試料で測定した酸素ガス透過度が10000[cm /m ・24h・atm]未満の材料が好ましいことがわかった。具体的には、PVDC(ポリ塩化ビニリデン)、PVC(ポリ塩化ビニル)、PC(ポリカーボネート)などが好適である。なお、より好ましくは、5000[cm /m ・24h・atm]以下、更により好ましくは、1000[cm /m ・24h・atm]以下の酸素ガス透過度を有する樹脂材料が好ましい。
[0044]
 前述のように、本実施の形態に係る太陽電池モジュール10は、光起電力装置12と、ガラス板26と、ナトリウムの拡散を抑制する拡散抑制層14と、を備える。そのため、拡散抑制層14によって、裏面側に設けられているガラス板26に含まれているナトリウムが光起電力装置12に到達することが抑制される。そのため、ナトリウムによって引き起こされる光起電力装置12の性能の劣化や信頼性の低下が抑制される。
[0045]
 また、拡散抑制層14は、反射率が90%以上の材料または表面形状が好ましい。図6(b)に示すように、太陽電池モジュール10の構造上、光起電力素子28で吸収されずにそのまま外部に放出された光は発電には寄与しない。しかしながら、拡散抑制層14の、充填剤24と対向する側の表面で多くの光を反射できれば、反射した光が再度光起電力素子28に向かうこととなり、発電効率の向上に寄与する。
[0046]
 樹脂材料において反射率を高める方法の一つとして、樹脂材料の表面から内部に向けて多孔質層(発泡層)を形成することが挙げられる。これは、ランダムに形成された多孔質層によって樹脂材料内部における密度が一定でなくなるため、見かけ上屈折率の異なる層が含有されていることとなり、光散乱効果が高まり光反射率の向上につながると考えられる。
[0047]
 そこで、本実施の形態に係る拡散抑制層14は、光起電力装置12と対向する側に多孔質層を有している。これにより、反射率を高めることができる。多孔質層とは、例えば、樹脂材料の内部での発泡により形成された空間が連なった微細な細孔ということができる。また、表面から内部に向けて形成された微細な細孔ということもできる。細孔の径は、例えば、数ミクロンである。
[0048]
 このような多孔質層(発泡層)を有する樹脂材料の形成方法は、例えば、発泡性組成物を含む塗布液を支持体に塗布する方法やフィルム状に溶融成形する方法が挙げられる。このような方法には、電子線、紫外線、γ線等の活性エネルギー線を照射した後に加熱発泡する方法や、必要に応じてあらかじめ加熱された後に活性エネルギー線を照射して発泡させる方法、加熱と照射を同時に行う方法が含まれる。
[0049]
 拡散抑制層14は、あらかじめシートやフィルムとして作製したものをガラス板26に貼り付けてもよい。また、所望の成分を含む塗布液をガラス板26に塗布することで拡散抑制層14を形成してもよい。このように樹脂材料で構成される拡散抑制層14をガラス板26上に形成することで、ガラス板26の表面にある凹凸や傷(マイクロクラック)が樹脂材料で埋められるため、ガラス板26の強度、ひいては太陽電池モジュール10全体の強度が向上する。
[0050]
 また、拡散抑制層14は、ガラス板26と対向する側の領域の密度が多孔質層の密度よりも高くなるように構成されている。また、拡散抑制層14は、光起電力装置12と対向する側からガラス板26と対向する側に向かって空孔の割合が小さくなるように構成された多孔質層を有してもよい。これにより、拡散抑制層14は、ガラス板26と対向する側の領域ではナトリウムの拡散を防ぎつつ、光起電力装置12と対向する側の領域での反射率を高めることができる。
[0051]
 また、拡散抑制層14は、酸化チタンを含有している。これにより、反射率を更に高めることができる。
[0052]
 なお、上述の実施の形態では、半導体層32の裏面側(ガラス板26側)の電極が透明導電膜34および第2電極層36で構成されている。この場合、第2電極層36が薄ければ、光起電力素子28で吸収されなかった光が裏面側の電極を透過し拡散抑制層14に到達し反射されるため、反射した光が光起電力素子28で吸収される。しかしながら、第2電極層36が厚いと、光起電力素子28で吸収されなかった光が拡散抑制層14に到達できない。そこで、半導体層32の裏面側の電極を透明電極だけで構成することで、拡散抑制層14による光の反射の効果が高まる。
[0053]
 以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
[0054]
 上述の各実施の形態に係る第1電極層30としては、ZnOの他、SnO 、In 、TiO 、Zn SnO などの金属酸化物より選択された一種類あるいは複数種類の積層体により構成されていてもよい。なお、これらの金属酸化物には、F、Sn、Al、Ga、Nbなどがドープされていてもよい。
[0055]
 また、上述の充填剤24としては、EVAの他、EEA等のエチレン系樹脂、PVB、シリコーン、ウレタン、アクリル、エポキシ樹脂などを用いてもよい。

符号の説明

[0056]
 10 太陽電池モジュール、 12 光起電力装置、 14 拡散抑制層、 16 透光性部材、 16a 受光面、 16b 裏面、 20 絶縁体、 22 集電配線、 24 充填剤、 26 ガラス板、 28 光起電力素子、 30 第1電極層、 32 半導体層、 34 透明導電膜、 36 第2電極層。

産業上の利用可能性

[0057]
 本発明は、太陽電池に利用できる。

請求の範囲

[請求項1]
 光起電力装置と、
 前記光起電力装置の受光面とは反対側の裏面側に設けられており、不純物イオンを含むガラス板と、
 前記光起電力装置と前記ガラス板との間に設けられており、前記ガラス板から前記光起電力装置に向かう不純物イオンの拡散を抑制する拡散抑制層と、を備え、
 前記拡散抑制層は、樹脂材料で構成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
[請求項2]
 前記光起電力装置を覆う充填剤を更に備え、
 前記拡散抑制層は、該拡散抑制層の酸素ガス透過度が前記充填剤の酸素ガス透過度よりも低い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。
[請求項3]
 前記拡散抑制層は、温度25℃、相対湿度65%の環境下、厚み25μmの試料で測定した酸素ガス透過度が10000[cm /m ・24h・atm]未満の材料であ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。
[請求項4]
 前記拡散抑制層は、反射率が90%以上の材料であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
[請求項5]
 前記拡散抑制層は、前記光起電力装置と対向する側に多孔質層を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
[請求項6]
 前記拡散抑制層は、前記ガラス板と対向する側の領域の密度が前記多孔質層の密度よりも高くなるように構成されている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。
[請求項7]
 前記拡散抑制層は、前記光起電力装置と対向する側から前記ガラス板と対向する側に向かって空孔の割合が小さくなるように構成された多孔質層を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
[請求項8]
 前記拡散抑制層は、酸化チタンを含有していることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]