JP3070790B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の光起電力素子を
直列接続して作製される太陽電池モジュールに係わる。
特に、太陽電池モジュールの作動時に、部分的な光の遮
断によって起きる素子の破壊を防ぐためのバイパスダイ
オードを光起電力素子上に設けた太陽電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、ＣＯ₂の増加による温室効果で地
球の温暖化が生じることが予測され、クリーンなエネル
ギーの要求がますます高まっている。また、ＣＯ₂を排
出しない原子力発電も、放射性廃棄物の処理の問題が完
全に解決されているわけではなく、より安全性の高いク
リーンなエネルギーが望まれている。

【０００３】将来期待されているクリーンなエネルギー
の中でも、特に太陽電池はそのクリーンさと安全性と取
扱い易さから期待が大きい。

【０００４】各種太陽電池の中で、非晶質シリコンや銅
インジウムセレナイド等は大面積に製造でき、製造コス
トも安価であることから、熱心に研究されている。

【０００５】更に、太陽電池の中でも、耐候性、耐衝撃
性、可とう性に優れていることから、基板材にステンレ
ス等の金属基板を用いる場合がある。ステンレスなどの
金属基体上に下部電極が接続される構造で形成された光
起電力素子から、高い発電電圧を得るためには、複数個
の素子を直列接続する必要がある。

【０００６】直列接続された素子アレイから成る太陽電
池モジユールが動作する場合の難点は、部分的な影の中
に素子が入ったとき、影の中の素子は他の発電している
素子からの総発生電圧が逆方向バイアスとして印加さ
れ、素子の耐圧を越えると素子が破壊されることであ
る。これを防ぐために、素子と並列に反対極性の方向に
ダイオードを接続する方法が一般的にはとられる。

【０００７】しかし、太陽電池モジュールにダイオード
を内蔵させるためには、市販のダイオードの厚みが少な
くとも２〜３ｍｍ以上あるため、充填材の厚みを厚くせ
ざるを得ない。

【０００８】一方、屋根の上に太陽電池モジュールを設
置して、発電し、電力需要のビーク時のロードレベリン
グを行うことが考えられている。しかし、太陽電池モジ
ュール内の充填材の樹脂量が多い場合には、耐火の点で
問題があり、さらに重量が重くなることによって屋根の
耐荷重にも影響を与える。

【０００９】従って、太陽電池モジュールを構成する上
で、充填材の樹脂量をいかに少なくするかが大きな課題
となっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の従来
の欠点を解決し、充填材の樹脂量の少ない、薄型の太陽
電池モジュールを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来の欠点
を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、べアチップダイ
オードを直接光起電力素子上に接続することによって、
太陽電池モジュールの樹脂量を削減できることを見いだ
した。

【００１２】本発明の太陽電池モジュールは、可とう性
導電性基体上に光電変換層が形成されてなる複数の光起
電力素子が、配線を介して直列に接続され、且つ前記複
数の光起電力素子の内少なくとも一つに、バイパスダイ
オードが設けられた太陽電池モジュールにおいて、前記
バイパスダイオードとしてベアチップダイオードを前記
可とう性導電性基体上に設け、該ベアチップダイオード
の相対する２つの電極の内、一方の電極を該可とう性導
電性基体に電気的に接続し、他方の電極を前記光電変換
層から出る配線に電気的に接続したこと、並びに、該ベ
アチップダイオードが設けられた部分のみがエポキシ樹
脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂の
いずれかから成る絶縁性材料で部分的に封止され、更に
封止された該ベアチップダイオード及び該光電変換層上
が全体にわたって、エチレン−酢酸ビニル共重合体及び
フッ素樹脂フィルムを順に積層した二層構造の表面被膜
層で被覆されていること、を特徴とする。

【００１３】

【作用】以下に本発明の作用と共に発明の構成を詳細に
説明する。

【００１４】図１は本発明の太陽電池モジュールの概略
構成図の一例で、（ａ）は平面図で、（ｂ）は断面図で
ある。図１において１００は導電性基体、１０１は光電
変換層で裏面電極層／半導体層／透明導電層からなり、
１０２はべアチップダイオード、１０３は隣りの光起電
力素子を直列接続するための配線材、１０４はべアチッ
プダイオード１０２を裏面電極層あるいは導電性基体１
００に接続するためのハンダあるいは導電性接着剤、１
０５はべアチップダイオード１０２と配線材１０３を接
続するためのハンダあるいは導電性接着剤、１０６はべ
アチップダイオードの保護コート材、１０７は配線材１
０３と光起電力素子１０１の短絡を防止するための絶縁
材、１０８は透明導電層のエツチングされた素子分離ラ
イン、１０９は透明導電層からの電流を集電するための
グリッド電極、１１０はグリッド電極からの電流を輸送
するためのバスバー、１１１は光起電力素子、１１２は
単位セル部、１１３は表面被覆材層、１１４は補強材、
ｌｌ５は接着層である。

【００１５】図２はべアチップダイオードの概略断面図
である。図２において、２００はダイオードチップ、２
０１と２０２はダイオードチップの電極部である。

【００１６】図３は本発明に用いた光起電力素子の概略
断面図である。図３において、３００は導電性基体、３
０１は裏面電極層、３０２は光電変換部材としての半導
体層、３０３は透明導電層、３０４は集電用グリッド電
極である。裏面電極３０１は３００の導電性基体で兼ね
ることもできる。

【００１７】以下に、本発明の太陽電池モジュールの作
製手順及び使用する材料などを説明する。

【００１８】まず、本発明の太陽電池モジュールの作製
手順の一例として、図１を用いて説明する。まず、導電
性基体１００上に裏面電極層、半導体層、透明導電層を
順次形成した後、エッチングなどの方法で透明電極の一
部１０８を除去し発電領域と、ダイオードや接続配線を
施す領域に分離する。

【００１９】所望の電圧を得るために直列接続する光起
電力素子１１１を複数個用意し、次いでバイパスダイオ
ードに用いるべアチップダイオードを接続する部分の半
導体層をグラインダーやレーザーで除去し、導電性接着
剤あるいはハンダ１０４でべアチップダイオード１０２
を導電性基体に接続し、さらに直列配線材１０３を導電
性接着剤あるいはハンダで接続して補強のためにダイオ
ード接続部を保護コート材１０６で被覆する。

【００２０】最後に直列接続した複数個の光起電力素子
の補強として、裏面に絶縁化された補強材１１４を接着
層１１５を介して接着した後、少なくとも光入射側表面
を透明な耐候性表面被覆材ｌｌ３で被覆して太陽電池モ
ジュールを作製する。上記ベアチップダイオードを導電
性基体に接続する為に、除去する半導体層の面積は、好
ましくはベアチップダイオードの面積以下である。

【００２１】図１の本発明の太陽電池モジュールを上記
太陽電池モジュールの作製手順で作製することにより、
厚みが０．２３ｍｍ程度のベアチップダイオードをその
まま使用することが可能となり、太陽電池モジユールの
厚みを極度に薄くできる、すなわち太陽電池モジュール
に使用される充填材である樹脂量を大幅に削減できるこ
とになる。

【００２２】次に、本発明の太陽電池モジュールを構成
する材料について説明する。ベアチップダイオードを接
続するための導電性接着剤には、例えばエポキシ系、ア
クリル系、ポリイミド系、シリコーン系などの樹脂に、
例えば銀、金、ニッケル、などの金属粉等を分散させた
ものを使用する。導電性接着剤の樹脂は、これらの内、
金属との接着性のよいエポキシ系を選ぶのが好ましい。
また、べアチップダイオードの電極の少なくとも片面は
異方性導電接着剤を用いるのが好ましい。この異方性導
電接着剤は熱圧着した部分のみが導通するものである。

【００２３】ベアチップダイオードの接続に、ハンダを
用いる場合で、光起電力素子の導電性基体がハンダのつ
きにくいステンレス基板である場合には、半導体層を除
いたステンレス基板の露出面に、予め、例えばズス，ハ
ンダ，ニッケル，あるいは銅を局部的にメツキしておく
方が好ましい。ハンダは、ペースト状のもの（ハンダペ
ースト）が取り扱い易い。導電性接着剤とハンダペース
トの塗布は、例えばディスペンサーやスクリーン印刷を
用いて行うことができる。

【００２４】接続を終えたベアチップダイオードの接続
部を固定し、保護するための保護コート材には、例えば
エポキシ樹脂，シリコーン樹脂，アクリル樹脂，ポリイ
ミド樹脂，あるいはこれらの樹脂に例えばシリカやアル
ミナなどの無機絶縁材料を混合したものを用いる。

【００２５】本発明の光起電力素子の導電性基体には、
例えばステンレス，アルミニウム，銅，チタン，カーボ
ンシート，亜鉛メッキ鋼板，導電層が形成してある樹脂
フィルムやセラミックス等が挙げられる。透光性基体に
は、例えばガラス基板，石英基板，サファイア基板等が
挙げられる。

【００２６】本発明に適用する光起電力素子の裏面電極
層には、金属層あるいは金属酸化物、あるいは金属層と
金属酸化物層の複合層が用いられる。金属層の材質とし
ては、例えばＴｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ａｇ，Ｎｉ
などが用いられ、金属酸化物層としては、例えばＺｎ
Ｏ，ＴｉＯ₂，ＳｎＯ₂などが採用される。上記金属層お
よび金属酸化物層の形成方法としては、例えば抵抗加熱
蒸着，電子ビーム蒸着，スパッタリング法などがある。

【００２７】本発明で用いられる光起電力素子の光電変
換部材としての半導体層には、例えばｐｉｎ接合非晶質
シリコン，ｐｎ接合結晶シリコン，ＣｕＩｎＳｅ₂／Ｃ
ｄＳなどの化合物半導体等が挙げられる。そのほかにシ
ョットキー型接合の半導体層も挙げられる。上記半導体
層は、非晶質シリコンの場合は、例えばシランガスなど
のプラズマＣＶＤにより形成する。多結晶シリコンの場
合は、例えば溶融シリコンのシート化あるいは非晶質シ
リコンの熱処理により形成する。ＣｕＩｎＳｅ₂／Ｃｄ
Ｓの場合は、例えば電子ビーム蒸着やスパッタリング，
電析（電解液の電気分解による析出）などの方法で形成
する。

【００２８】本発明で用いられる光起電力素子の透明導
電層に用いる材料としては、例えばＩｎ₂Ｏ₃，Ｓｎ
Ｏ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂（ＩＴＯ），ＺｎＯ，Ｔｉ
Ｏ₂，Ｃｄ₂ＳｎＯ₄，高濃度不純物ドープした結晶性半
導体層などがあり、形成方法としては、例えば抵抗加熱
蒸着，電子ビーム蒸着，スパッタリング法，スプレー
法，ＣＶＤ法，不純物拡散などがある。

【００２９】さらに、透明導電層の上の光起電力によっ
て発生した電流を効率よく集電するための、格子（グリ
ッド）状の集電電極の材料としては、例えばＴｉ、Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｓｎ及び銀ペ
ーストなどの導電性ペーストが用いられる。グリッド電
極の形成方法には、例えばマスクパターンを用いたスパ
ッタリング，抵抗加熱，ＣＶＤの蒸着方法，あるいは全
面に金属層を蒸着した後にエッチングしてパターニング
する方法，光ＣＶＤにより直接グリッド電極パターンを
形成する方法，グリッド電極パターンのネガパターンの
マスクを形成した後にメッキにより形成する方法，導電
性ペーストを印刷して形成する方法などがある。導電性
ペーストは、通常例えば微粉末状の銀，金，銅，ニッケ
ル，カーボンなどをバインダーポリマーに分散させたも
のが使用される。上記バインダーポリマーとしては、例
えばポリエステル，エポキシ，アクリル，アルキド，ポ
リビニルアセテート，ゴム，ウレタン，フェノールなど
の樹脂があげられる。

【００３０】グリッド電極で集電した電流を集めて輸送
するためのバスバーの材料としては、例えばスズあるい
はハンダコーティングした銅、ニッケルなどを用いる。

【００３１】バスバーのグリッド電極への接続は、導電
性接着剤あるいはハンダで行う。表面被覆層は、透光性
があり紫外線やオゾンに安定な耐候性があることが必要
であり、フッ素樹脂フィルム・エチレン−酢酸ビニル共
重合体の二層構造のもの（光入射側はフッ素樹脂フィル
ム）が用いられる。

【００３２】太陽電池モジュールの裏面の補強材の形状
としては、例えばフィルムあるいは板状のものを用い、
材質としては、例えば塗装亜鉛鋼板のような絶縁処理し
た金属，プラスチック，セラミック，ガラスなどを用い
る。

【００３３】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。

【００３４】（実施例１） まず、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）光起電力素子
を作製した。以下、図１と図３を用いて、作製手順を説
明する。

【００３５】洗浄した０．１２５ｍｍ厚のステンレス基
体（１００，３００）上に、スパッタ法によって導電体
層の裏面電極３０１としてＡｌ膜厚５００ｎｍ、ＺｎＯ
膜厚５００ｎｍを順次形成した。ついで、プラズマＣＶ
Ｄ法によりＳｉＨ₄とＰＨ₃とＨ₂からｎ型ａ−Ｓｉ層
を、ＳｉＨ₄とＨ₂からｉ型ａ−Ｓｉ層を、ＳｉＨ₄とＢ
Ｆ₃とＨ₂からｐ型微結晶μｃ−Ｓｉ層を形成し、ｎ層膜
厚１５ｎｍ／ｉ層膜厚４００ｎｍ／ｐ層膜厚１０ｎｍ／
ｎ層膜厚１０ｎｍ／ｉ層膜厚８０ｎｍ／ｐ層膜厚１０ｎ
ｍの積層構成の光電変換層３０２を形成した。次に、透
明導電層３０３としてＩｎ₂Ｏ₃膜厚７０ｎｍを、Ｏ₂雰
囲気下でＩｎを抵抗加熱法で蒸着することによって形成
してアモルファスシリコン光起電力素子を作製した。

【００３６】次に、ＦｅＣｌ₃をポリビニルアルコール
に混合し、アルコ一ルを添加して粘度調節しペースト状
にしたものを、スクリーン印刷機を用い光起電力素子の
素子分離パターン１０８を透明導電層上に印刷し、１３
０℃で熱処理した後水洗乾燥することによって、透明導
電層がエッチングされたパターン１０８を形成した。

【００３７】ついで、銀ペースト（Dupont Inc製#500
7）をスクリーン印刷し、グリッド電極１０９を形成し
た。次に、ベアチプダイオードの接続部をグラインダー
で研磨し、ステンレス基板を露出させた後、エポキシ系
銀ペースト（AI Technology Inc製#ME8450）１０４をデ
ィスペンサーで塗布し、その上に厚さ０．２３ｍｍのベ
アチップダイオード（General Instruments製#GPP5A）
１０２を載せ、ｌ７５℃、１０分間で銀ペーストを硬化
させ、チップダイオードの片面の電極をステンレス基板
に接続した。さらに、チップダイオードのもう一方の電
極面にもエポキシ系銀ペースト（AI Technology Inc製#
ME8450）１０５をダイオードの電極部からはみ出さない
ようにディスペンサーで塗布し、その上に直列配線材と
しての１２５μｍ厚の銅タッブ１０３を載せ、１７５℃
１０分間の熱処理で銀ペーストを硬化させた。ただし、
予め銅タッブ下の光起電力素子表面は絶縁樹脂１０７な
どでコーティングして絶縁化しておいた。

【００３８】次に、２５μｍ厚のスズメッキした銅箔を
バスバー１１０としてグリッド電極に固定し、グリッド
電極とバスバーの接続部にエポキシ系銀ペースト（Al T
echnology Inc製#ME8450）をディスペンサーで塗布し、
また、チツプダイオード接続部に保護コート材（日立化
成製#KE-6309）１０６をディスペンサーで３０μｍ厚塗
布した後、７０℃３０分間さらに１５０℃１時間の硬化
処理を行った。続いて、銅タッブとバスバーをハンダ付
けして単位セル１１２を作製し、所望の電圧が得られる
ように、複数個の単位セルを直列接続した。直列化の方
法は、隣り合わせた単位セルの一方のセルの銅タッブを
他方のセルのステンレス基板にスポット溶接で接続し
た。

【００３９】上記方法で直列接続した複数個のセルの裏
面であるステンレス基板表面にエポキシ系接着剤１１５
を２５μｍ厚塗布し、絶縁処理した０．３６ｍｍ厚の亜
鉛鋼板１１４と貼り合わせ、硬化させた。ついで、光入
射側表面を、昭和テクノコート製フッ素樹脂塗料を塗布
し１７０℃３０分間処理し硬化させ、９０μｍ厚の表面
保護被膜１１３を形成し、太陽電池モジュールを作製し
た。

【００４０】得られた太陽電池モジュールの樹脂の平均
膜厚は１００μｍ以下、モジュール全体の平均厚は１ｍ
ｍ以下で、局部的に厚い箇所でも１．１ｍｍ以下であっ
た。 （実施例２）実施例１において、ベアチップダイオード
と配線材の銅タッブの接続に、エポキシ系銀ペースト
（AI Technology Inc製#ME8450）に換えて、異方性導電
接着剤（AI Technology Inc製#ME8156Z-2）を使用し、
１５０℃５分間の条件で硬化させて、実施例１と同様の
方法で太陽電池モジュールを作製した。

【００４１】得られた太陽電池モジュールの厚みに関し
ては実施例１とほぼ同じく、樹脂の平均膜厚は１００μ
ｍ以下、モジュール全体の平均厚は１ｍｍ以下で、局部
的に厚い箇所でも１．１ｍｍ以下であった。

【００４２】（実施例３）実施例１において、ベアチッ
プダイオードと配線材の銅タッブの接続に、エポキシ系
銀ペースト（AI Techno1ogy Inc製#ME8450）に換えて、
無洗浄フラックス入りハンダペーストを用い、ディスペ
ンサーで塗布し加熱してベアチップダイオードと銅タッ
ブを接続した。

【００４３】直列接続は実施例１と同様にして形成し、
絶縁処理した亜鉛鋼板を貼り合わせた後、５０μｍ厚の
ダイキン工業製フッ素樹脂ＥＴＦＥフイルムに接着層と
してエチレンー酢酸ビニル共重合ポリマー（ＥＶＡ）を
３００μｍ厚塗布したフィルムを光入射側表面にラミネ
ートして、太陽電池モジュールを作製した。

【００４４】得られた太陽電池モジュールの樹脂の平均
膜厚は４００μｍ以下で、モジュール全体の平均厚はｌ
ｍｍ以下で、局部的に厚い箇所でも１．１ｍｍ以下であ
った。

【００４５】（実施例４） 本実施例では、半導体層が多結晶シリコン（μｃ−Ｓ
ｉ）の光起電力素子を用いた。光起電力素子は以下の通
りに作製した。まず、スパッタ法にてＣｒをコーティン
グした０．１２５ｍｍ厚のステンレス基板上に、液層成
長法にて水素ガス雰囲気中の炉内で、純度６ＮのＳｎに
ＳｂドープのＳｉを溶かした溶液から、１０００℃から
９００℃まで毎分２℃の速度で降温して、毎分０．４μ
ｍの速度で、約３０μｍの多結晶シリコン膜を成長させ
た。次に、プラズマＣＶＤ法で、ＳｉＨ₄とＢＦ₃とＨ₂
からｐ型微結晶μｃ−Ｓｉ層を堆積して接合を形成した
後、膜厚６０ｎｍのＩＴＯを抵抗加熱法で蒸着し、光起
電力素子を形成した。

【００４６】ＹＡＧレーザーでべアチップダイオードを
ステンレス基板に接続する部分の半導体層などを蒸発さ
せ、ステンレス基板表面を露出させたこと以外の工程は
実施例１と同様にして太陽電池モジュールを作製した。

【００４７】得られた太陽電池モジュールの厚みに関し
ては実施例１とほぼ同じく、樹脂の平均膜厚は１００μ
ｍ以下で、モジュール全体の平均厚は１ｍｍ以下で、局
部的に厚い箇所でも１．１ｍｍ以下であった。

【００４８】以上、実施例１から４から、従来直列化太
陽電池モジュールにバイパスダイオードを組み込むため
にはダイオードの厚みが２〜３ｍｍあるため、少なくと
もダイオードを被覆するには３ｍｍ以上の厚みの樹脂が
必要であったが、本発明の構成の太陽電池モジュールで
は、全厚みを１〜２ｍｍにすることができ、しかも樹脂
量の厚みも４００μｍ以下にすることも可能であること
がわかった。

【００４９】

【発明の効果】本発明の直列化太陽電池モジユールの構
成を採用することによって、太陽電池モジュールの厚み
を薄くすることが可能となり、使用する樹脂量も著しく
低減させることが可能となる。また、これによって難燃
性で軽量な太陽電池モジュールを低コストで提供するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の太陽電池
モジュールの概略平面構成図と概略断面構成図である。

【図２】本発明の太陽電池モジュールに用いたベアチッ
プダイオードの概略断面構成図である。

【図３】本発明の太陽電池モジュールに用いた光起電力
素子の概略断面構成図である。

【符号の説明】

１００，３００ 導電性基体 １０１ 光電変換層（裏面電極／半導体層／透明導電
層） １０２、２０２ ベアチップダイオード １０３ 配線材 １０４，１０５ 導電性接着剤あるいはハンダ １０６ 保護コート材 １０７ 絶縁材 １０８ 透明導電層除去部 １０９，３０４ 集電電極 １１０ バスバー １１１ 光起電力素子 １１２ 単位セル １１３ 表面被覆材 １１４ 補強板 １１５ 接着剤 ２００ ベアチップダイオード ２０１，２０３ ダイオードの電極 ３０１ 裏面電極 ３０２ 半導体層 ３０３ 透明導電層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−69871（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−94881（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−240172（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−1854（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭64−18762（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 31/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可とう性導電性基体上に光電変換層が形
   成されてなる複数の光起電力素子が、配線を介して直列
   に接続され、且つ前記複数の光起電力素子の内少なくと
   も一つに、バイパスダイオードが設けられた太陽電池モ
   ジュールにおいて、前記バイパスダイオードとしてべア
   チップダイオードを前記可とう性導電性基体上に設け、
   該べアチップダイオードの相対する２つの電極の内、一
   方の電極を該可とう性導電性基体に電気的に接続し、他
   方の電極を前記光電変換層から出る配線に電気的に接続
   したこと、並びに、該べアチップダイオードが設けられ
   た部分のみがエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル
   樹脂、ポリイミド樹脂のいずれかから成る絶縁性材料で
   部分的に封止され、更に封止された該べアチップダイオ
   ード及び該光電変換層上が全体にわたって、エチレン−
   酢酸ビニル共重合体及びフッ素樹脂フィルムを順に積層
   した二層構造の表面被膜層で被覆されていること、を特
   徴とする太陽電池モジュール。
2. 【請求項２】 前記ベアチップダイオードは、前記導電
   性基体及び前記配線に、導電性接着剤あるいはハンダに
   より接続されたことを特徴とする請求項１記載の太陽電
   池モジュール。
3. 【請求項３】 前記ベアチップダイオードを封止した絶
   縁性材料に、無機絶縁材料が混合されていることを特徴
   とする請求項１記載の太陽電池モジュール。