JP5938665B2 - 太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池モジュールの製造方法に関する。

特許文献１には、太陽電池モジュールの製造方法として、太陽電池を載置台に配置し、太陽電池の受光面側に形成された接続用電極上に樹脂接着剤を配置し、樹脂接着剤の上に配線材を配置して、圧着装置を用いて配線材を接続用電極に圧着することが述べられている。ここで、圧着装置には、圧着ヘッドと加熱部が備えられ、加熱部は、接続用電極と配線材との間に配置される樹脂接着剤が硬化される温度以上に圧着ヘッドを加熱する。

特開２００９−２３８９５９号公報

圧着の際に衝撃を受けても、太陽電池と接続用電極と間の接合を維持することである。

本発明に係る太陽電池モジュールの製造方法は、太陽電池の接続用電極に接着剤を介して配線材を配置し、接着剤の硬化温度よりも低温の仮止め温度で加熱して仮止めし、仮止め処理後は仮止め温度以下に維持し、その後、配線材が仮止めされた太陽電池に対し、圧着ツールを所定の加圧力で押し付け、接着剤を硬化温度以上に加熱して硬化させる。

仮止め温度を硬化温度よりも低温とするので、圧着の際に接着剤がまだ柔軟性を有する。これによって、圧着の際に衝撃を受けても、太陽電池と接続用電極との間の接合を維持できる。

本発明に係る実施の形態における太陽電池モジュールの製造方法の手順を示すフローチャートである。 図１において、加熱によりネットワーク構造となる焼結型導電ペーストにより太陽電池の接続用電極を形成する処理を示す図である。 図１において、仮止め処理を示す図である。 図１において、所定の加圧力で押し付け、硬化温度以上で加熱する処理を示す図である。 図１において、加熱温度と加圧力の設定についてのタイムチャートである。 比較のために、仮止め温度を硬化温度としたときの剥離テストの結果を示す図である。 図１の方法を用いたときの剥離テストの結果を示す図である。

以下に図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下で述べる温度、加圧力、寸法等は説明のための例示であって、太陽電池モジュールの仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において一または対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、太陽電池モジュールの製造方法の手順を示すフローチャートである。図２から図４は、このフローチャートにおける各手順を説明する図である。図５は、加熱温度と加圧力の設定についてのタイムチャートである。

太陽電池モジュールは、太陽電池を配線材で接続したものであるので、太陽電池モジュールを製造するには、太陽電池を準備する。太陽電池の準備のためには、まず光電変換部１１を形成する（Ｓ１０）。

図２は、太陽電池１０を示す図で、図２（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。太陽電池１０は、太陽光等の光を受光することで正孔および電子の光生成キャリアを生成する光電変換部１１を備える。太陽電池１０は、主面として、太陽電池１０の外部からの光が主に入射する面である受光面と、受光面と反対側の面である裏面とを有するが、図２の平面図では受光面が示されている。

光電変換部１１は、例えば、結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体材料の基板を有する。光電変換部１１の構造は、広義のｐｎ接合である。例えば、ｎ型単結晶シリコン基板と非晶質シリコンのヘテロ接合を用いることができる。この場合、受光面側の基板上に、ｉ型非晶質シリコン層と、ボロン（Ｂ）等がドープされたｐ型非晶質シリコン層と、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）の透光性導電酸化物で構成される透明導電膜（ＴＣＯ）１２を積層し、基板の裏面側に、ｉ型非晶質シリコン層と、燐（Ｐ）等がドープされたｎ型非晶質シリコン層と、透明導電膜１３を積層する構造とできる。

光電変換部１１は、太陽光等の光を電気に変換する機能を有すれば、これ以外の構造であってもよい。例えば、ｐ型多結晶シリコン基板と、その受光面側に形成されたｎ型拡散層と、その裏面側に形成されたアルミニウム金属膜とを備える構造であってもよい。

図１に戻り、光電変換部１１が形成されると、太陽電池１０の受光面に受光面側の接続用電極２０が形成される。受光面側の接続用電極２０は、透明導電膜１２の表面に導電ペーストを所定のパターンに印刷して形成される。

導電ペーストは、溶剤を用いて導電性粒子を樹脂に混入させたものである。導電ペーストとしては様々な種類があり、用途に応じて使い分けることができる。例えば、バインダ樹脂中に銀（Ａｇ）等の導電性フィラーが分散された導電性ペーストを用いることができる。ここでは、導電性を向上させたものとして、加熱によりネットワーク構造となる焼結型導電ペーストを用いて、接続用電極２０を形成する（Ｓ１１）。

ネットワーク構造は、導電性粒子が互いに融着した構造である。例えば、導電性粒子を含む導電性ペーストを加熱することで、導電性粒子を互いに融着させてネットワーク構造を形成することができる。本実施の形態では、ネットワーク構造とは、顕微鏡下で観察される導電性粒子の５０％以上が互いに融着した構造とする。

加熱によりネットワーク構造となる焼結型導電ペーストは、溶剤を用いて複数の球状粉２１をエポキシ樹脂等の樹脂と混ぜ合わせたものである。球状粉２１は、ほぼ球状の導電性の粒子である。導電ペーストを加熱すると、球状粉２１が互いに融着して、ネットワーク構造を形成する。このネットワーク構造のため、接続用電極２０の導電性が向上する。

接続用電極２０は、球状粉２１に加えてフレークを含んでもよい。フレークは、粉末粒子の長径と厚さの比が（長径／厚さ）≧１０であり、平均粒子径が約２〜５μｍ以上の導電性粒子のことをいう。フレークは、例えば、球状粉２１を押しつぶして扁平な形状とすることで得ることができる。フレークはネットワーク構造を分断する作用を有するので、融着によって生じる応力を緩和する働きを有する。導電性の向上と応力緩和の兼ね合い等に基づいて、球状粉２１とフレークの混合比を定めることができる。

なお、太陽電池１０の受光面に光生成キャリアを集電するために設けられる受光面電極としては、接続用電極２０として働くバスバー電極の他に、フィンガ電極が配置される。図２では、フィンガ電極の図示を省略した。

フィンガ電極は、受光面の全体から集電するが、遮光性を少なくするように、細線化した細線電極である。フィンガ電極とバスバー電極は、互いに直交して配置されて電気的に接続される。フィンガ電極の幅としては３０μｍから１５０μｍ程度が好ましく、厚さは１０μｍから８０μｍ程度が好ましい。隣接するフィンガ電極の間隔は、０．５ｍｍから３ｍｍ程度が好ましい。接続用電極２０であるバスバー電極の幅としては５０μｍから３ｍｍ程度が好ましく、厚さは１０μｍから１６０μｍ程度が好ましい。

太陽電池１０の裏面においても、光電変換部１１の裏面側の透明導電膜１３の表面に裏面側の接続用電極２３が形成される。裏面側の接続用電極２３も、受光面側の接続用電極２０と同様に、球状粉２１を含み、加熱によりネットワーク構造となる焼結型導電ペーストを用いて形成される。裏面側の接続用電極２３も受光面側と同様に、球状粉２１に加えてさらにフレークを含んでもよい。

再び図１に戻り、太陽電池１０の受光面側の接続用電極２０に接着剤２４を介して配線材２５を配置し、同様に、太陽電池１０の裏面側の接続用電極２３に接着剤２６を介して配線材２７を配置する（Ｓ１２）。次に、仮止め処理として、これらが互いに分離しないように、軽く押える程度の加圧力Ｐ₁を加え、接着剤２４，２６の硬化温度θ_Hよりも低温の仮止め温度θ₁で加熱して行われる（Ｓ１３）。加圧力Ｐ₁としては、後述する圧着処理における加圧力Ｐ₂よりも小さい値とし、例えば、Ｐ₂の１／１０程度とすることができる。

図３は、仮止め処理された状態の太陽電池モジュールを示す図で、図３（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

配線材２５，２７は、銅等の金属導電性材料を構成材料とする薄板である。薄板に代えて撚り線状のものを用いることもできる。導電性材料としては、銅の他に、銀、アルミニウム、ニッケル、錫、金、あるいはこれらの合金を用いることができる。配線材２５は、太陽電池１０の受光面側の接続用電極２０の配置方向に沿って、接続用電極２０を覆うように配置されることが好ましく、配線材２５の幅は、接続用電極２０の幅と同じか、やや太めに設定するとよい。同様に、裏面側の配線材２７の幅は、裏面側の接続用電極２３の幅と同じか、やや太めに設定するとよい。なお、図３（ａ）には、配線材２５の端部と中央部の区別が示されているが、その詳細については後述する。

接着剤２４は、受光面側の接続用電極２０と配線材２５との間に配置され、接続用電極２０と配線材２５とを電気的に接続し、太陽電池１０の受光面側と配線材２５とを機械的に固定するために用いられる。同様に、接着剤２６は、裏面側の接続用電極２３と配線材２７との間に配置され、接続用電極２３と配線材２７とを電気的に接続し、太陽電池１０の裏面側と配線材２７とを機械的に固定するために用いられる。

接着剤２４，２６としては、アクリル系、柔軟性の高いポリウレタン系、あるいはエポキシ系等の熱硬化性樹脂接着剤を用いることができる。接着剤２４，２６の硬化温度θ_Hは、太陽電池１０の耐熱性等から、約１３０℃〜３００℃の間で選定される。

接着剤２４，２６には、導電性粒子が含まれる。導電性粒子としては、ニッケル、銀、金コート付ニッケル、錫メッキ付銅等を用いることができる。接着剤２４，２６として、導電性粒子を含まない絶縁性の樹脂接着剤を用いることもできる。この場合には、配線材２５，２７または接続用電極２０，２３の互いに対向する面のいずれか一方または双方を凹凸化して、配線材２５と接続用電極２０の間、配線材２７と接続用電極２３の間から樹脂を適当に排除して電気的接続を取るようにする。受光面側は、配線材２５と接続用電極２０の向かい合う面の間の接着力と、太陽電池１０の受光面と配線材２５の側面に形成される樹脂のフィレットによる接着力によって接着される。同様に、裏面側においても、配線材２７と接続用電極２３の向かい合う面の間の接着力と、太陽電池１０の受光面と配線材２７の側面に形成される樹脂のフィレットによる接着力によって接着される。

接着剤２４，２６の硬化温度θ_Hとは、接着剤２４，２６が完全に硬化する温度であるので、硬化温度θ_Hより低い温度であっても、接着剤２４，２６において一部硬化が開始する。そこで、仮止め温度θ₁は、加熱状態におかれる時間において接着剤２４，２６が液体状態から乾いて取り扱いがしやすい状態となる温度で、かつ、硬化がまだ開始せず、柔軟性を有する温度とすることが好ましい。

仮止め温度θ₁の目安としては、硬化温度θ_Hの約１／２の温度とすることがよい。例えば、硬化温度θ_Hが約１３０℃の接着剤２４，２６を用いるときは、仮止め温度θ₁を約６５℃とする。また、仮止め温度θ₁にする時間は、その時間において接着剤２４，２６が実質的に硬化しない値に設定するとよい。仮止め温度にする時間は、仮止め温度θ₁が高いほど短時間とする。例えば、θ₁＝６５℃を約１０分〜３０分維持するものとして、θ₁を６５℃より高くしたいときは、その維持時間を上記の時間よりも短くする。

また、仮止め処理終了後から次の圧着処理開始までの間は、太陽電池１０と仮止めされた配線材２５，２７とを仮止め温度θ₁以下に維持する。例えば、仮止め処理が終わると、仮止め状態の太陽電池１０が加熱も加圧も行われない状態で圧着ツールへ搬送される。

再び図1に戻り、仮止め処理が終わると、次に、圧着処理が行われる。圧着処理は、配線材２５，２７が仮止めされた太陽電池１０に対し、圧着ツールを所定の加圧力で押し付け、接着剤２４，２６を硬化温度θ_H以上に加熱して硬化させる処理である（Ｓ１４）。

図４は、圧着ツールを用いて圧着処理が行われる様子を示す図である。圧着ツールは、下ツール３０と、下ツール３０に対し相対的に昇降する上ツール３１を含み、下ツール３０に対し上ツール３１を下降させて、下ツール３０と上ツール３１の間に配置された仮止め状態の太陽電池に所定の加圧力Ｐ₂を印加する装置である。また、下ツール３０と上ツール３１にはそれぞれ加熱部３２，３３が配置され、仮止め状態の太陽電池が所定の加熱温度θ₂で加熱される。加熱部３２，３３としては、抵抗線ヒータ、加熱ランプ、加熱風供給装置等を用いることができる。このように、圧着ツールは、加圧加熱装置である。

圧着処理における加熱温度θ₂は、接着剤２４，２６の硬化温度θ_H以上に設定する。θ₂は、圧着処理のサイクルタイムで定まる加熱時間が短いほど高温に設定される。例えば、加熱時間を十分長く取れるときは、θ₂を硬化温度θ_M＝１３０℃とできるが、加熱時間が数秒のときは、θ₂をθ_Mよりも高い約１４０℃〜１８０℃とする。加圧力Ｐ₂としては０．１ＭＰａ〜０．２ＭＰａとすることがよい。

図５は、太陽電池モジュールを製造するときの加熱温度θの設定と加圧力Ｐの設定についてのタイムチャートである。仮止め処理を行う前の太陽電池１０は、加熱も加圧も行わず、温度θ＝室温ＲＴ、加圧力Ｐ＝０である。仮止め処理では、加熱温度θがθ₁＝６５℃に設定され、加圧力Ｐは軽く押さえる程度の軽荷重のＰ₁に設定される。Ｐ₁は、圧着処理における加圧力Ｐ₂の１／１０として、０．０１ＭＰａ〜０．０２ＭＰａとする。

仮止め処理から圧着処理までの搬送状態では、加熱も加圧も行わず、温度θ＝室温ＲＴ、加圧力Ｐ＝０である。圧着処理では、加熱温度θが接着剤２４，２６の硬化温度θ_Hより高いθ₂に設定され、加圧力Ｐは、所定の加圧力Ｐ₂に設定される。加圧力Ｐ₂としては、０．１ＭＰａ〜０．２ＭＰａとする。図５に示すように、加圧力Ｐ₂は０から立上るので、オーバシュートが生じる。これによって、圧着処理を受ける仮止め状態の太陽電池は衝撃を受け、場合によって、太陽電池１０と接続用電極２０，２３との間の接合において剥離が生じる。

再び図１に戻り、圧着処理が終了すると、太陽電池モジュールとするための残りの処理が行われる（Ｓ１５）。ここでは、受光面側の保護部材と、裏面側の保護部材の間に、圧着処理が終わった太陽電池モジュールを位置決めし、受光面側の保護部材と、裏面側の保護部材の間に充填材を配置する。受光面側の保護部材および裏面側の保護部材の端部には、フレームが配置される。

受光面側の保護部材としては、透明な板体、フィルムが用いられる。例えば、ガラス板、樹脂板、樹脂フィルム等の透光性を有する部材を用いることができる。裏面側の保護部材は、受光面側の保護部材と同じものを用いることができる。裏面側からの受光を必要としない構造の太陽電池モジュールの場合は、裏面側の保護部材として、不透明な板体やフィルムを用いることができる。例えば、アルミ箔を内部に有する樹脂フィルム等の積層フィルムを用いることができる。充填材は、ＥＶＡ、ＥＥＡ、ＰＶＢ、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等を用いることができる。このようにして、太陽電池モジュールが製造される。

図５のように、仮止め温度θ₁を硬化温度θ_Hより低温にするのは、接着剤２４，２６を完全硬化させるための圧着処理における加圧時の衝撃によって、太陽電池１０と接続用電極２０，２３との間の接合において剥離が生じることを防止するためである。

太陽電池１０の受光面側で説明すると、太陽電池１０と配線材２５との間において剥離が生じ得る箇所は、光電変換部１１上の透明導電膜１２と接続用電極２０との間の第１の接合の剥離、接続用電極２０自体の間での電極間剥離、接着剤２４を介した接続用電極２０と配線材２５との間の第２の接合の剥離の３つがある。ここで、仮止め温度θ₁が高く、接着剤２４が硬化していると、第２の接合が他の接合よりも強固となる。この状態で、圧着処理における加圧時の衝撃が加わるとき、加圧時の応力が第１の接合における接合力より大きくなり、または接続用電極２０自体の強度より大きくなると、その箇所で剥離が生じる。

特に、ネットワーク構造を有する焼結型導電ペーストを接続用電極２０に用いると、ネットワーク構造の結合力が強いので、接続用電極２０自体の強度が強固である。したがって、相対的に第1の接合が弱くなる。このことから、仮止め温度θ₁を高くして接着剤２４が硬化している状態とすると、圧着処理において加圧時の衝撃が加わったときに、第１の接合で剥離が生じ得る。第1の接合は太陽電池１０から電流を取り出すための電気的接合であるので、ここで剥離が生じると、接続用電極２０自体が強固でも、第２の接合がいくらしっかりしていても、太陽電池モジュールとしては無意味となる。したがって、第1の接合の剥離の防止が重要となる。

仮止め温度θ₁が接着剤２４の硬化温度θ_Hよりも低温で、接着剤２４の硬化が開始せず、柔軟性を維持していれば、圧着処理において加圧時の衝撃が加わっても、柔軟性を有している接着剤２４がその衝撃を受け止めることができる。これによって第１の接合において剥離が生じることを防止できる。

なお、圧着処理における太陽電池１０に対する加圧力が場所によって相違するときは、加圧力がより高い箇所の仮止め温度をより低温に設定することがよい。例えば、太陽電池１０の端部における加圧力が中央部における加圧力よりも高くなるときは、太陽電池１０の端部の仮止め温度を中央部の仮止め温度よりも低温とする。

図３で端部と中央部の位置関係を示したが、端部は、配線材２５，２７の長手方向において、太陽電池１０の端面側の領域である。端部の領域は、太陽電池１０の光生成キャリアの集電に対する寄与を考慮して定めることができる。例えば、フィンガ電極の総本数に対し、太陽電池１０の端面から数えて予め定めた本数となる領域を端部とすることができる。あるいは、太陽電池１０の端面から内側に予め定めた幅の領域とすることができる。一例として、太陽電池１０の端面から内側に約２０ｍｍを端部とすることができる。この数字は一例であって、太陽電池１０の仕様に応じて変更できる。

図６と図７は、上記構成における仮止め温度θ₁の作用効果を説明する図である。これらの図は、太陽電池モジュールの剥離テストの結果を示す図で、図６は、仮止め温度θ₁を接着剤２４，２６の硬化温度θ_H＝１３０℃とした比較例の場合であり、図７は、仮止め温度θ₁を接着剤２４，２６の硬化温度θ_Hより低い６５℃とした場合である。

比較例の図６では、光電変換部上の透明導電膜と接続用電極との間の接合で剥離が生じ、太陽電池の光電変換部の透明導電膜が露出した面４０が現われ、接着剤が一部失われた層４２、接続用電極の痕跡４１が見えた。

仮止め温度θ₂を低温とすると、光電変換部上の透明導電膜と接続用電極との間の接合では剥離が生じず、配線材と接着剤との間の接合で剥離が生じた。図７では、配線材が剥離した後の接着剤の層４３が見え、その下の接続用電極の層４４がそのまま残っていたことが示されている。

このように、仮止め温度θ₁を接着剤の硬化温度θ_Hよりも低温とすることで、接着剤がまだ柔軟性を有するようにでき、これによって、圧着の際に衝撃を受けても、太陽電池と接続用電極と間の接合を維持できる。

１０ 太陽電池、１１ 光電変換部、１２，１３ 透明導電膜、２０，２３ 接続用電極、２１ 球状粉、２４，２６ 接着剤、２５，２７ 配線材、３０ 下ツール、３１ 上ツール、３２，３３ 加熱部、４０ 透明導電膜が露出した面、４１ 接続用電極の痕跡、４２ 接着剤が一部失われた層、４３ 接着剤の層、４４ 接続用電極の層。

Claims (2)

1. 配線材を用いて、表面に接続用電極を備えた太陽電池を複数接続する工程を含む太陽電池モジュールの製造方法であって、
   前記接続用電極は、互いに融着した複数の導電性粒子と樹脂とを含み、
   前記太陽電池の前記接続用電極に接着剤を介して配線材を配置し、前記接着剤の硬化温度よりも低い温度で加熱して仮止めし、前記仮止めの処理後は、前記仮止め温度以下に維持することによって前記接着剤を硬化させないように維持し、
   その後、前記配線材が仮止めされた前記太陽電池に対し、圧着ツールを所定の加圧力で押し付け、前記接着剤を前記硬化温度以上に加熱して硬化させ、
   完成後の太陽電池モジュールの前記接着剤と前記配線材との接着強度が、前記太陽電池の表面と前記接続用電極との接着強度よりも低くなるように形成する、太陽電池モジュールの製造方法。
2. 請求項１に記載の太陽電池モジュールの製造方法において、
   前記接続用電極中の前記導電性粒子は、粒子形状及びフレーク形状を有する導電性粒子の混合物である、太陽電池モジュールの製造方法。

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