JP6236896B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。

太陽電池モジュールは、光エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換する装置であるため、クリーンエネルギーとして注目を集めており、今後その市場は急激に拡大すると見られている。このような太陽電池モジュールは、一般に、電圧の要求値に応じて複数の太陽電池セルを直列に接続した構造となっている。

太陽電池セルの表面（受光面）には、直線状のフィンガー電極が、互いに平行に複数本形成されている。また、太陽電池セルの裏面には、裏面電極が略全面にわたって形成されている。隣接する太陽電池セル同士は、タブ線によって互いに接続される。タブ線は、一方の太陽電池セルのフィンガー電極と交差すると共に、他方の太陽電池セルの裏面電極に接続される。

従来、タブ線の接続には、良好な導電性を示すハンダが用いられてきた。しかしながら、近年では、ハンダに代えて、接着剤をタブ線の接続に用いる手法が開発されてきている。例えば特許文献１に記載の太陽電池モジュールでは、アルミニウム層からなる裏面電極が用いられ、裏面電極とタブ線との接続部に開口部を形成している。これにより、裏面電極の表面積を減少させ、タブ線と裏面電極とを接着剤で接続する際に必要な圧力を下げることを可能としている。

国際公開第２０１１／１３２６８２号

上述した従来の構成では、開口部において半導体基板が露出した状態となっている。このため、アルミニウム層の無い部分では太陽電池セルの集電効率が十分に確保できなくなるおそれがある。一方、アルミニウム層とタブ線とを接着剤で接着する場合、タブ線接続後にアルミニウム層に凝集破壊が生じ、タブ線が剥離してしまうことがある。したがって、集電効率の確保とタブ線の剥離の防止とを両立できる技術の確立が求められている。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、集電効率を十分に確保できると共にタブ線の剥離を防止できる太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る太陽電池モジュールは、基板と、基板の受光面側に設けられた表面電極と、基板の裏面側に設けられた裏面電極と、を有する複数の太陽電池セルを備え、一の太陽電池セルの裏面電極と隣接する太陽電池セルの表面電極とを、接着剤を介してタブ線で接続してなる太陽電池モジュールであって、裏面電極は、ポーラス状のアルミニウム層によって形成され、基板とアルミニウム層との界面を含んで深さ方向に１０μｍ、及び基板の界面の面内方向に１００μｍの範囲において、アルミニウム層中の炭素の存在量が、アルミニウムと炭素との総質量を基準として平均値で５０質量％以上であることを特徴としている。

この太陽電池モジュールでは、裏面電極をアルミニウム層で形成することにより、集電効率を十分に確保できる。また、この太陽電池モジュールでは、裏面電極がポーラス状のアルミニウム層によって形成され、タブ線と裏面電極との接続に用いられる接着剤の硬化物がアルミニウム層の深部まで十分に入り込んだ状態となっている。これにより、アルミニウム層と接着剤層との結合が強化され、タブ線の剥離強度を向上させることができる。したがって、タブ線の剥離を防止できる。

また、タブ線は、裏面電極に接続される主面及びその反対面が平坦面となっていることが好ましい。この場合、タブ線を裏面電極に熱圧着する際に、接着剤の硬化物をアルミニウム層の深部により確実に入り込ませることが可能となる。

本発明に係る太陽電池モジュールによれば、集電効率を十分に確保できると共にタブ線の剥離を防止できる。

本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態を示す模式的斜視図である。 太陽電池セルを受光面側から見た模式的平面図である。 太陽電池セルを裏面側から見た模式的平面図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線模式的断面図である。 基板と裏面電極との界面近傍の状態を示すＳＥＭ画像である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る太陽電池モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態を示す模式的斜視図である。同図に示すように、太陽電池モジュール１は、複数の太陽電池セル２をタブ線３によって互いに電気的に接続することによって構成されている。

太陽電池セル２の一面側は、表面電極が形成された受光面２ａとなっており、太陽電池セル２の他面側は、裏面電極が形成された裏面２ｂとなっている。隣接する太陽電池セル２，２間では、受光面２ａ側の表面電極と裏面２ｂ側の裏面電極とがタブ線３によって接続されており、これにより、太陽電池セル２が直列に接続されたストリングスが形成されている。

製品としての太陽電池モジュール１は、例えばストリングスを複数配列したマトリクスを備えている。そして、太陽電池モジュール１は、マトリクスを封止用の接着剤シートで挟んだ状態で、保護用の受光面２ａ側の表面カバー及び裏面２ｂ側のバックシートと共に一括でラミネートされ、周囲にアルミニウム等の金属フレームを取り付けることで完成する。

封止用の接着剤には、例えばエチレンビニルアルコール（ＥＶＡ）樹脂等の透光性を有する接着剤が用いられる。また、表面カバーには、例えばガラス等の透光性を有する材料が用いられ、バックシートには、例えばガラス又はアルミニウム箔を樹脂フィルムで挟んでなる積層体等が用いられる。

次に、太陽電池セル２について説明する。図２は、太陽電池セルを受光面側から見た模式的平面図であり、図３は、太陽電池セルを裏面側から見た模式的平面図である。図２及び図３に示すように、太陽電池セル２は、基板１１を有している。

基板１１は、例えばＳｉの単結晶、多結晶、及び非結晶のうちの少なくとも一つによって略正方形状に形成されている。基板１１の四隅は、それぞれ円弧状に面取りされている。基板１１の一方面は、太陽電池セル２の受光面２ａに対応し、基板１１の他方面は、太陽電池セル２の裏面２ｂに対応している。なお、基板１１は、例えば受光面２ａ側がｎ型半導体となっており、裏面２ｂ側がｐ型半導体となっている。

基板１１の受光面２ａ側には、図２に示すように、表面電極として、複数のフィンガー電極１２が設けられている。フィンガー電極１２は、基板１１の受光面２ａの略全面において、太陽電池モジュール１のストリングスの延在方向と略直交する方向に形成され、ストリングスの延在方向に沿って所定の間隔をもって配列されている。

フィンガー電極１２は、例えば金属ペーストを塗布及び加熱することによって形成されている。フィンガー電極１２の厚みは、例えば１０μｍ〜３０μｍとなっており、フィンガー電極１２の幅は、例えば５μｍ〜９０μｍとなっている。また、隣り合うフィンガー電極１２，１２間の間隔は、例えば２ｍｍ程度となっている。

フィンガー電極１２の形成材料としては、銀を含有したガラスペースト、接着剤樹脂に各種導電性粒子を分散した銀ペースト、金ペースト、カーボンペースト、ニッケルペースト、アルミニウムペースト、及び焼成・蒸着によって形成されるＩＴＯなどが挙げられる。これらの中でも、耐熱性、導電性、安定性、及びコストの観点から、銀を含有したガラスペーストを用いることが好ましい。

受光面２ａ側では、フィンガー電極１２に略直交する向きに一対のタブ線３の配置領域Ｐ，Ｐが設定されている。本実施形態では、フィンガー電極１２を連結するバスバー電極は設けられておらず、タブ線３は、後述の接着剤層２２を介してフィンガー電極１２に直接的に接続されるが、必要に応じバスバー電極を設けてもよい。配置領域Ｐは、太陽電池モジュール１の集電効率を十分に確保する観点から、受光面２ａ上の全てのフィンガー電極１２に跨るように直線状に設定されている。また、配置領域Ｐ，Ｐ間の間隔は、タブ線３のアライメント精度を考慮し、タブ線３の幅の２倍程度としておくことが好ましい。

基板１１の裏面２ｂ側には、図３に示すように、裏面電極１４が設けられている。裏面電極１４は、基板１１の裏面２ｂ側の略全面にわたって形成されている。裏面２ｂ側においても、受光面２ａと同様に、一対のタブ線３の配置領域Ｐ，Ｐが設定されており、タブ線３は、接着剤層２２を介して裏面電極１４に接続される。配置領域Ｐは、受光面２ａ側の配置領域Ｐ，Ｐの位置に対応するように直線状に設定されている。

裏面電極１４は、例えばアルミニウムペーストの焼成によって得られたアルミニウム層２１によって形成されている。アルミニウム層２１の厚みは、例えば２０μｍ〜３０μｍ程度となっている。アルミニウム層２１の内部は、アルミニウムペーストの焼成時に形成された空隙によってポーラス状をなしている。タブ線３の接続前のアルミニウム層２１の空隙率は、例えば１０％以上であることが好ましい。また、アルミニウム層２１の表面粗さは、中心線平均粗さで２μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下であることが更に好ましい。アルミニウム層２１の表面粗さは、例えば十点平均粗さで１０μｍ以下であることが好ましい。これらの表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）及びＪＩＳ Ｂ ００３１（１９９４）により定義される。

タブ線３と、フィンガー電極１２及び裏面電極１４との接続には、例えば導電性接着剤が用いられる。導電性接着剤としては、例えばフィルム形成樹脂を２５質量部、熱硬化性樹脂を２０質量部、熱硬化性樹脂用の硬化剤を５５質量部、シリコーン粒子を１０質量部、導電粒子を１０質量部、それぞれ含有したものが用いられる。

フィルム形成樹脂としては、良好なフィルム形成を実施できる観点から、例えばフェノキシ樹脂、ポリエステル樹脂、及びポリアミド樹脂等の熱可塑性高分子が用いられる。これらの樹脂の中でも、フェノキシ樹脂を用いることが好ましい。また、熱可塑性高分子の重量平均分子量は、接着剤層２２の流動性を考慮し、１００００〜１０００００００であることが好ましい。

熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ビスマレイミド樹脂、トリアジン−ビスマレイミド樹脂、及びフェノール樹脂が挙げられる。これらの樹脂の中でも、耐熱性を考慮すると、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。

熱硬化性樹脂用の硬化剤とは、熱硬化性樹脂と共に加熱したときに熱硬化性樹脂の硬化を促進する材料を指す。かかる硬化剤としては、例えばイミダゾール系硬化剤、ヒドラジド系硬化剤、アミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、三フッ化ホウ素−アミン錯体、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、ポリアミンの塩、アミンイミド、及びジシアンジアミドが用いられる。熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂が用いられる場合には、例えばイミダゾール系硬化剤、ヒドラジド系硬化剤、三フッ化ホウ素アミン錯体、スルホニウム塩、アミンイミド、ポリアミンの塩、及びジシアンジアミドを用いることが好適である。

シリコーン粒子としては、例えばシリコーンゴム粒子、シリコーン樹脂粒子、シリコーン複合粒子等が用いられる。シリコーンゴム粒子は、例えば直鎖状のジメチルポリシロキサンを架橋した構造を有するシリコーンゴム粒子である。シリコーン樹脂粒子は、例えばシロキサン結合が（ＲＳｉＯ_３／２）ｎで表される三次元網目状に架橋した構造を有するポリオルガノシルセスキオキサン硬化物の粒子である。

導電粒子としては、例えば金粒子、銀粒子、銅粒子、ニッケル粒子、金めっきニッケル粒子、金／ニッケルめっきプラスチック粒子、銅めっき粒子、ニッケルめっき粒子が用いられる。導電性を確保する点から、導電粒子の平均粒径は、１μｍ〜２０μｍであることが好ましく、１μｍ〜５μｍであることがより好ましい。

また、導電性接着剤には、被着体との接着性及び濡れ性を向上させるためのカップリング剤を含有させてもよい。カップリング剤としては、例えばシラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤等が挙げられる。

続いて、裏面電極１４とタブ線３との接続について説明する。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線模式的断面図である。同図に示すように、タブ線３は、上記の導電性接着剤を用いて形成された接着剤層２２を介して裏面電極１４に配置されている。接続にあたっては、まず、上記の導電性接着剤を用いて形成された接着剤フィルムを配置領域Ｐに沿って貼り付け、アルミニウム層２１上に接着剤層２２を形成する。なお、接着剤層２２は、太陽電池セル２側の構成として予め第２の層２１Ｂ上に形成してあってもよい。次に、接着剤層２２上にタブ線３を仮固定する。タブ線３としては、例えば銅リボンの表面をハンダで被覆した幅１ｍｍ〜２ｍｍ程度のものが用いられる。タブ線３は、特に制限はないが、ハンダで表面を被覆しないものであってもよい。また、タブ線３は、接着剤層２２に対向する対向面及びその反対面が平坦面となっていることが好ましい。平坦面の高さ変動（凹凸の差）は、タブ線３の幅方向の５００μｍの範囲内において、例えば５μｍであることが好ましく、２μｍ以下であることが更に好ましい。

タブ線３を仮固定した後、例えば熱圧着機を用いてタブ線３と裏面電極１４とを熱圧着する。熱圧着時の温度は、例えば８０℃〜３２０℃程度である。熱圧着時の圧力は、例えば１．０ＭＰａ以上、好ましくは３．０ＭＰａ以上である。圧力の付与時間は、例えば１秒〜３０秒程度である。熱圧着により、接着剤層２２の接着剤成分がアルミニウム層２１に入り込み、タブ線３が裏面電極１４に対して固着される。

図５は、基板と裏面電極との界面近傍の状態を示すＳＥＭ画像である。同図では、基板１１の裏面２ｂ側の界面Ｓからアルミニウム層２１側に向かって深さ方向に１０μｍ、及び基板１１の裏面２ｂ側の界面Ｓの面内方向に１００μｍの矩形状の範囲Ｒを図示している。タブ線３の接続後の状態において、この範囲Ｒ内では、アルミニウム層２１中の炭素の存在量は、アルミニウムと炭素との総質量を基準として平均値で５０質量％以上となっている。

アルミニウム層２１中のアルミニウム及び炭素の存在量は、例えばエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって測定することができる。ＥＤＸでは、電子線の照射によって発生する元素固有の特性Ｘ線をエネルギー分光することで、構成元素の同定が行われる。したがって、ＥＤＸによって範囲Ｒの面分析を行い、例えばアルミニウムに対応するエネルギー線のカウント数と、炭素に対応するエネルギー線のカウント数とを測定することにより、アルミニウム層２１中のアルミニウム及び接着剤硬化物の存在量を測定することができる。

ＥＤＸによるアルミニウム及び接着剤硬化物の存在量の測定の例は、以下のとおりである。まず、タイヤモンドカッター、ウォータジェット、カッターナイフなどを用いて太陽電池モジュールを切断し、ガラス及びバックシートを取り除いた１５ｍｍ角の小片を得る。次に、タブ線を剥離し、基板の結晶方位に従って応力を加えて小片を分断する。この分断面において、基板１１とアルミニウム層２１との界面Ｓ近傍が測定サンプルとなる。

ＥＤＸの測定では、範囲Ｒの深さ方向については、基板１１とアルミニウム層２１との界面Ｓから基板１１側に５μｍの深さを基準とし、この位置から界面Ｓからアルミニウム層２１側に５μｍの深さとなる位置までの１０μｍを測定領域とすることができる。また、範囲Ｒの面内方向については、例えばアルミニウム層２１において剥離したタブ線の中心線に接していた位置を基準とし、界面Ｓの面内方向に±１００μｍの範囲から任意の１００μｍの幅を設定して測定領域とすることができる。基板１１の結晶方位がタブ線３の長手方向と交差して断面が斜めに得られる場合でも、上記と同様の範囲設定を行えばよい。範囲Ｒの誤差は、深さ方向は±３μｍ程度、面内方向は±１０μｍ程度である。ＥＤＸ測定時の加速電圧は、例えば５ｋＶ〜２０ｋＶ程度である。指定元素は、アルミニウム及び炭素であり、アルミニウムに対する炭素の存在比はＣ／（Ａｌ＋Ｃ）で求められる。

なお、基板１１の裏面２ｂ側の面には、実際には微細な凹凸が存在する。したがって、本実施形態では、例えば基板１１の裏面２ｂ側の面のうち、最も深い凹部の底部を基準に基板１１とアルミニウム層２１との界面Ｓを設定し、範囲Ｒの深さ方向の基準とすることができる。

以上説明したように、太陽電池モジュール１では、太陽電池セル２の裏面電極１４をアルミニウム層２１で形成することにより、アルミニウムが基板１１に拡散して基板１１の裏面２ｂにＰ型半導体層が十分に形成されるので、集電効率を十分に確保できる。また、太陽電池モジュール１では、裏面電極１４がポーラス状のアルミニウム層２１によって形成され、タブ線３と裏面電極１４との接続に用いられる接着剤の硬化物がアルミニウム層２１の深部まで十分に入り込んだ状態となっている。これにより、アルミニウム層２１と接着剤層２２との結合が強化され、タブ線３の剥離強度を向上させることができる。したがって、タブ線３の剥離を防止できる。

また、タブ線３は、裏面電極１４に接続される主面（接着剤層２２に対向する対向面）及びその反対面が平坦面となっている。これにより、タブ線３を裏面電極１４に熱圧着する際に、接着剤の硬化物をアルミニウム層２１の深部により確実に入り込ませることが可能となる。タブ線３の剥離強度を一層向上させることができる。

本発明の効果確認試験について説明する。本試験は、範囲Ｒにおいて、アルミニウム層中の炭素の存在量が、アルミニウムと炭素との総質量を基準として平均値で３６質量％の太陽電池モジュール（比較例）と、アルミニウム層中の炭素の存在量が、アルミニウムと炭素との総質量を基準として平均値で５１質量％の太陽電池モジュール（実施例）とを用意し、それぞれについてタブ線の剥離強度（タブ線１本あたりの引っ張り力）を測定したものである。剥離強度の測定には、オリエンテック社製のテンシロン（ＳＴＡ−１１５０）を用い、太陽電池セルの法線方向に５０ｍｍ／分の速度でタブ線を引き上げ、引き上げに要する力を記録して測定値とした。

本試験では、まず、テキスチャ加工済み及びＳｉＮ膜形成済みの１２５ｍｍ角のブルーセルを用意した。次に、基板の裏面のＳｉ面にアルミニウムペーストをスクリーン印刷してアルミニウム層の前駆体パターンを形成し、１５０℃で１分間の乾燥を行った。アルミニウム層の形成後、基板の表面のＳｉ面に銀を含有するガラスペーストをスクリーン印刷してフィンガー電極の前駆体パターンを形成し、１５０℃で１分間の乾燥を行った。次に、前駆体が印刷された太陽電池セルを３５０℃、８００℃、５５０℃の各温度で連続的に３０秒ずつ加熱し、所望の電極パターンを形成した。なお、市販のα−Ｔｅｒｐｉｎｅｏｌ（有機溶剤）をアルミニウムペーストに添加し希釈をすることで、アルミニウム層の厚み調整を行った。本試験では、実施例及び比較例のいずれについてもアルミニウム層の厚みを３０μｍとした。

電極パターンの形成後、導電性フィルムを温度９０℃、圧力１Ｍｐａ、時間１秒の条件で４箇所の配置領域に仮固定した。導電性接着フィルムには、セパレータと導電性接着剤層との２層から構成される日立化成株式会社製の導電フィルム（ＣＦ−２０５、幅１．２ｍｍ）を用いた。次に、導電性フィルムのセパレータを剥離し、導電性接着剤からなる接着剤層を形成した。次いで、接着剤層上にタブ線を７０℃で積層し、太陽電池セルを得た。タブ線には、日立電線株式会社製のタブ線（ＳＳＡ−ＴＰＳ−０．２×１．５（２０））を用いた。また、タブ線の接続には、芝浦メカトロニクス株式会社製のＴＡＢ Ｓｔｒｉｎｇｅｒ ＡＴＳ−２００を用いた。タブ線の接続条件は、実施例では、温度１９０℃、圧力３ＭＰａ、時間５秒とし、比較例では、温度１９０℃、圧力１ＭＰａ、時間５秒とした。

測定の結果、比較例では、タブ線の剥離強度は０．４５Ｎ／ＴＡＢであったのに対し、実施例では、タブ線の剥離強度は１．７Ｎ／ＴＡＢであった。この結果から、接着剤の硬化物をアルミニウム層２１の深部まで十分に入り込ませることがタブ線の剥離強度の向上に資することが確認できた。

なお、タブ線接続時の圧力を増加させることで、接着剤層の接着剤成分がアルミニウム層に入り込む量を増加できる。この場合、接着剤成分をアルミニウム層のより深くまで入り込ませることが可能となり、炭素の存在量を増加できる。アルミニウム層の厚みが３０μｍ以上であるときは、タブ線接続時の圧力を３ＭＰａ以上とすることが好ましい。また、アルミニウム層の厚みが１６μｍ以上３０μｍ未満であるときは、タブ線接続時の圧力を２ＭＰａ以上とすることが好ましい。

接続圧力が不足すると、基板の近傍まで接着剤成分が十分に入り込まず、アルミニウム層の深さ方向の途中までの入り込みに留まるおそれがある。この場合、アルミニウム層中の炭素の存在量が５０質量％未満となり、アルミニウム層の凝集力に支配されるピール強度となることが考えられる。一方、アルミニウム層の厚みが１５μｍ以下の場合は、接続圧力に特に制限はない。以上の知見をアルミニウム層の厚みの観点から表すと、アルミニウム層の厚みが減少するに従って、基板近傍の炭素の存在量を容易に増加させることが可能になると言える。アルミニウム層の厚みが１５μｍ以下であれば、基板近傍のアルミニウム層中の炭素の存在量がアルミニウムと炭素との総質量を基準として平均値で５０質量％以上、という条件をより確実かつ容易に達成できる。

１…太陽電池モジュール、２…太陽電池セル、２ａ…受光面、２ｂ…裏面、３…タブ線、１１…基板、１２…フィンガー電極（表面電極）、１４…裏面電極、２１…アルミニウム層、２２…接着剤層、Ｐ…配置領域、Ｓ…界面。

Claims (2)

1. 基板と、前記基板の受光面側に設けられた表面電極と、前記基板の裏面側に設けられた裏面電極と、を有する複数の太陽電池セルを備え、一の太陽電池セルの裏面電極と隣接する太陽電池セルの表面電極とを、接着剤を介してタブ線で接続してなる太陽電池モジュールであって、
   前記裏面電極は、ポーラス状のアルミニウム層によって形成され、
   前記基板と前記アルミニウム層との界面を含んで深さ方向に１０μｍ、及び前記基板の界面の面内方向に１００μｍの範囲において、前記アルミニウム層中の炭素の存在量が、アルミニウムと炭素との総質量を基準として平均値で５０質量％以上であり、
   前記アルミニウム層の空隙率は、１０％以上であり、
   前記アルミニウム層の表面粗さは、中心線平均粗さで２μｍ以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記タブ線は、前記裏面電極に接続される主面及びその反対面が平坦面となっていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。