説明

薄膜太陽電池

【課題】SCAF型太陽電池の貫通孔に入射した光を有効に発電に使用する構成を提供する。
【解決手段】基板の受光面側に第一電極層、光電変換層、透明な第二電極層が順に積層された光電変換部と、基板の非受光面側に積層された背面電極とを有する単位太陽電池が複数形成され、各単位太陽電池において第二電極層と背面電極層とが絶縁性基板を貫通する複数の集電孔を通じて電気的に接続されると共に、隣接する二つの単位太陽電池のうちの一方の単位太陽電池の第一電極層と他方の単位太陽電池の裏面電極層とが基板を貫通する接続孔を通じて電気的に連結されることで複数の単位太陽電池が直列接続された薄膜太陽電池で、薄膜太陽電池はその受光面側と非受光面側との双方が、封止材により封止され集電孔の内部にも当該封止材が充填されている薄膜太陽電池であり、背面電極側の封止材中に、集電孔から入射した光を反射する反射シートが挿入される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フィルム基板上に形成された薄膜太陽電池に関し、受光面側および非受光面側が封止材で封止された薄膜太陽電池であり、薄膜太陽電池に形成された貫通孔からの入射光を反射することができる反射シートを、非受光面側の封止材の非受光面側に少なくとも1層有する薄膜太陽電池に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、クリーンなエネルギーの研究開発が進められている。中でも、太陽光発電は、その資源が、無限のエネルギーであることと、無公害であることから注目を集めている。
同一基板上に形成された複数の太陽電池素子が、直列接続されてなる太陽電池として、薄膜太陽電池がある。
薄膜太陽電池は、薄型で軽量かつ大面積製造が容易であり、フレキシブル性基板を用いることで、薄型で軽量にすることができる。
【0003】
従来の薄膜太陽電池は、ガラス基板を用いているものが一般的であった。しかし、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルムを用いたフレキシブルタイプの太陽電池の研究開発が進められ実用化されている。さらに、フレキシブルな金属材料に絶縁被覆したフィルム基板を用いたものも開発されている。このフレキシブル性を生かし、ロール・ツー・ロール方式やステッピングロール方式の製膜方法により大量生産が可能になった。
【0004】
薄膜太陽電池は、電気絶縁性フィルム基板上に、第1電極(以下、裏面電極ともいう)と、薄膜半導体層からなる光電変換層および第2電極(以下、透明電極ともいう)が積層されてなる光電変換素子(セルともいう)が形成されている。そして、この光電変換素子は、基板上で複数に分割され(これをユニットセルという)、それぞれを直列に接続し、最初の光電変換素子の第1電極と最後の光電変換素子の第2電極とに必要な電圧を出力させることができる。あるいは、光電変換素子を、直列と並列とを組み合わせたり、並列に接続することもできる。
【0005】
この、ユニットセルの直列接続構造を採る場合、電極層と光電変換層の製膜と各層のパターニングおよびそれらの組み合わせ手順により形成され、構成および製膜方法の一例として、SCAF(Series Connection through Apertures formed on Film)型の薄膜太陽電池が提案されており、例えば特許文献1ならびに特許文献2に記載されている。
【0006】
SCAF型の薄膜太陽電池では、絶縁性基板の受光面側に第一電極層、光電変換層および透明な第二電極層が順に積層された光電変換部と、前記絶縁性基板の非受光面側に積層された背面電極とを有する単位太陽電池が複数形成され、
各単位太陽電池において前記第二電極層と前記背面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する複数の集電孔を通じて電気的に接続されるとともに、隣接する二つの単位太陽電池のうちの一方の単位太陽電池の第一電極層と他方の単位太陽電池の背面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する少なくとも一つの接続孔を通じて電気的に連結されることによって複数の前記単位太陽電池が直列接続されている。
【0007】
図8は、前記SCAF構造を有する薄膜太陽電池を、接着性樹脂封止材により封止してなる従来の薄膜太陽電池21の平面図であり、図9は、図8のA−A断面図であり、図10は図8のB−B断面図である。また図9(a)のK部拡大図を図9(b)に示し、図10(a)のL部拡大図を図10(b)に示す。図8〜図10においては、27は第1の貫通孔である集電孔、25は透明電極層、24は光電変換層、23(23a)は第1電極層(裏面電極)、22は基板、23(23b)と26は背面電極層である。41は接着性樹脂封止材(例えばEVA:エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂)であり、表面保護フィルム43(例えばETFE:テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)により挟まれている。図9(a)及び図10(a)においては、封止工程が完了し、受光面側の接着性樹脂封止材41と非受光面側の接着性樹脂封止材41とが接着した状態の太陽電池モジュール断面を示す。図9(a)では、熱を加え、接着性樹脂封止樹脂41の粘度を低下させ、圧力を加えることで、第1の貫通孔である集電孔27の内部に樹脂が入り込み、受光面側の接着性樹脂封止材と非受光面側の接着性樹脂封止材とは、その境界付近で互いに混ざり合う。また図10は、第2の貫通孔である接続孔28部分を示す断面図である。
【0008】
図11には、別のSCAF薄膜太陽電池の平面図を示す。図11で、接続孔28aの周囲には、透明電極除去部12を設けている。図12は、図11のE−E断面図で、図13は図11のG−G断面図である。そして、図12(a)のM部拡大図を図12(b)に示し、図13(a)のN部拡大図を図13(b)に示す。
図11および図12のように、この例では透明電極25が基板22の全面に積層されている。また図13に示すように接続孔28aの周囲には、透明電極25が形成されない透明電極除去部12を設けている。
【0009】
図8及び図11に示すように、薄膜太陽電池21、11は、絶縁性基板22を備えている。この絶縁性基板22は、フィルム材料から形成されており、例えば、ポリイミドやポリアミドイミド又はポリエチレンナフタレート等の材料から形成されている。絶縁性基板の厚さは50μm程度である。
【0010】
図9に示すように、絶縁性基板22の両面には、Ag等からなる金属電極層23が形成されている。ここで、絶縁性基板22の一方の面(受光面)上の金属電極層23は、裏面電極層23aとして機能し、絶縁性基板22の他方の面(非受光面)上の金属電極層23は、第1の背面電極層23bとして機能する。
【0011】
また、図9に示すように、絶縁性基板22の一方の面上にある裏面電極層23a上には、光電変換層24と透明電極層25とが当該順で積層されている。
一方、絶縁性基板22の他方の面上にある第1の背面電極層23bには、第2の背面電極層26が積層されている。
【0012】
図8に示すように、絶縁性基板22の一方の面上に積層された層(裏面電極層23a、光電変換層24、透明電極層25)は、レーザ加工による第1のパターニングライン29により複数に分割されている。
また、図8及び図10に示すように、絶縁性基板22の他方の面上に積層された層(第1の背面電極層23b、第2の背面電極層26)は、レーザ加工による、第2のパターニングライン30により複数に分割されている。
【0013】
図8及び図9に示すように、絶縁性基板22には、絶縁性基板22を貫通する第1の貫通孔27(集電孔)が設けられている。この集電孔は、パンチングなどの手段により穿孔された直径1.5mm程度の孔である。透明電極層25と第2の背面電極層26とは、第1の貫通孔27の側壁部上で互いに重なり合うような形で接続している。これにより、絶縁性基板22の一方面22a上の各層と他方の面22b上の各層とからなるユニットセル(単位太陽電池)が形成されている。
【0014】
また、図10に示すように、絶縁性基板22には、絶縁性基板22を貫通する第2の貫通孔28(接続孔)が設けられている。裏面電極層23aと第1の背面電極層23bとは、第2の貫通孔28の側壁部を介して電気的に接続されている。すなわち、隣接し合うユニットセルが第2の貫通孔28により電気的に接続されている。詳細には、第1及び第2の貫通孔27,28は、第1及び第2の背面電極層23b,26→第1の貫通孔27→透明電極層25→光電変換層24→裏面電極層23a→第2の貫通孔28→第1の背面電極層23bの順に接続するために利用されている。
以上のように、隣接し合うユニットセルを電気的に直列接続することにより、薄膜太陽電池21が構成されている。
【0015】
次に、絶縁性基板22の全面に透明電極層25を積層した構成のSCAF太陽電池の場合を述べる。この場合には、図11に示すように、発電領域中に接続孔28aが存在しており、この接続孔を透過した光が発電ロスになる。
【0016】
発電面積のロスは、例えば、特許文献3に示されているようなモノリシック構造の太陽電池の場合が、レーザースクライブライン部分のみであるのに対し、SCAF構造では、発電領域内に存在する第1の貫通孔(集電孔)部分へ入射している光が、発電に寄与することなく、その分、面積ロスが発生するという問題を有している。図8の場合、第2の貫通孔である接続孔は、その数も少なく、また薄膜太陽電池の発電領域の外に有る場合には、発電面積ロスに対する問題にはならない。しかし、第1の貫通孔(集電孔)は、その数が多数で、かつ発電領域に存在しているので、発電出力の減少に影響することになる。
【0017】
また図11に示した透明電極が薄膜太陽電池の受光側表面全体に積層した場合は、接続孔が発電領域中にあるので、接続孔28aを通過する光も、発電ロスの原因になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0018】
【特許文献1】特開平6−342924号公報
【特許文献2】特開2000−223727号公報
【特許文献3】特開平11−103086号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、集電孔、接続孔が多数存在するSCAF構造の薄膜太陽電池において、集電孔、接続孔を通過した、発電に寄与しない光を、反射させることによって、薄膜太陽電池の出力を増加させる薄膜太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0020】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、
絶縁性基板の受光面側に第一電極層、光電変換層および透明な第二電極層が順に積層された光電変換部と、前記絶縁性基板の非受光面側に積層された背面電極とを有する単位太陽電池が複数形成され、
各単位太陽電池において前記第二電極層と前記背面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する複数の集電孔を通じて電気的に接続されるとともに、隣接する二つの単位太陽電池のうちの一方の単位太陽電池の第一電極層と他方の単位太陽電池の裏面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する少なくとも一つの接続孔を通じて電気的に連結されることによって複数の前記単位太陽電池が直列接続された薄膜太陽電池において、
薄膜太陽電池はその受光面側と非受光面側との双方が、封止材により封止され集電孔の内部にも当該封止材が充填されている薄膜太陽電池であって、
前記背面電極側の封止材中に、集電孔から入射した光を反射する反射シートが挿入されているか、あるいは前記背面電極側の封止材の非受光面側に反射シートが形成されていることとする。
また本発明は、
絶縁性基板の受光面側に第一電極層、光電変換層および透明な第二電極層が順に積層された光電変換部と、前記絶縁性基板の非受光面側に積層された背面電極とを有する単位太陽電池が複数形成され、
各単位太陽電池において前記第二電極層と前記背面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する複数の集電孔を通じて電気的に接続されるとともに、隣接する二つの単位太陽電池のうちの一方の単位太陽電池の第一電極層と他方の単位太陽電池の背面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する少なくとも一つの接続孔を通じて電気的に連結されることによって複数の前記単位太陽電池が直列接続された薄膜太陽電池において、
薄膜太陽電池の受光面側は、その全面が透明な第二電極層によって覆われており、薄膜太陽電池はその受光面側と非受光面側との双方が、封止材により封止され接続孔の内部にも当該封止材が充填されている薄膜太陽電池であって、
前記背面電極側の封止材中に、接続孔から入射した光を反射する反射シートが挿入されているか、あるいは前記背面電極側の封止材の非受光面側に反射シートが形成されていることとする。
【0021】
また、本発明の薄膜太陽電池によれば、薄膜太陽電池として、アモルファス半導体或いは微結晶を含むアモルファス半導体の太陽電池、CIGS太陽電池、色素増感形太陽電池、有機太陽電池のなかのいずれかを使用することができる。
【0022】
封止材中に挿入される反射シートは金属シート(Al箔、SUS箔、Au箔、Cu箔)又は、封止材上にAg,Al,Cu,Au,Wなどの金属膜が製膜されたシートでも良い。反射率は高ければ高いほど良い。この中でも、Ag,Alが特に反射率が高く好ましい。この場合、全反射率は95%以上になる。また封止材と接着が可能なフィルムにAg,Al,Cu,Wなどを蒸着法やスパッタ法により製膜したフィルムでも良い。さらには、受光面側と非受光面側との両面側から封止材により封止された薄膜太陽電池を、高反射シート上に貼り付ける構成でも良い。
【0023】
また、受光面側の透明電極上に反射防止膜が付与されていることが好ましい。
【0024】
本発明の薄膜太陽電池によれば、前記絶縁性基板が、フィルム材料から形成されている場合にも適用できる。
【0025】
また、本発明の薄膜太陽電池では、前記フィルム材料として、ポリイミド又はポリアミドイミド又はポリエチレンナフタレートのような耐熱性フィルムを使用することができる。
【発明の効果】
【0026】
本発明に係る薄膜太陽電池によれば、上記の構成を採用することにより、集電孔である第1の貫通孔を通過して、または接続孔である第2の貫通孔を通過して、発電に寄与しない光を、反射シートによって集電孔または接続孔の内部に乱反射させることによって、薄膜太陽電池の出力を増加させることができる。
【0027】
すなわち、反射シートで反射された光は、封止材(光透過率は約90%以上である)を通して、第1、第2の貫通孔内に乱反射され、第1、第2の貫通孔を通過あるいは第1、第2の貫通孔内側壁の背面電極に当たって乱反射されて受光面側に戻り、透明電極(例えばITO:酸化インジウムスズ)と封止材との界面などで再度乱反射され、pin構造の光電変換層に入射する。つまり、第1の貫通孔に入射して発電に寄与しなかった光も、反射シートにより反射されて光電変換層に再度入射することによって、光電変換層における発電量が上昇することになる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の実施例を示す平面図である。
【図2】本発明の実施例を示す断面図で、(a)は図1のA−A断面図、(b) は(a)のC部拡大図である。
【図3】本発明の実施例を示す断面図で、(a)は図1のB−B断面図、(b) は(a)のD部拡大図である。
【図4】本発明の要部の部分拡大図である。
【図5】本発明の別の実施例を示す平面図である。
【図6】本発明の別の実施例を示す断面図で、(a)は図5のE−E断面図、 (b)は(a)のH部拡大図である。
【図7】本発明の別の実施例を示す断面図で、(a)は図5のG−G断面図、 (b)は(a)のJ部拡大図である。
【図8】従来のSCAF太陽電池の平面図である。
【図9】(a)は、図8のA−A断面図、(b)は(a)のK部拡大図である。
【図10】(a)は、図8のB−B断面図、(b)は(a)のL部拡大図である。
【図11】別のSCAF太陽電池の平面図である。
【図12】(a)は図11のE−E断面図、(b)は(a)のM部拡大図である。
【図13】(a)は図11のG−G断面図、(b)は(a)のN部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
[実施例]
以下で、本発明の実施例に係る薄膜太陽電池を、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の実施例を示すSCAF太陽電池の平面図である。図2(a)は、図1におけるA−A断面図で、図2(b)は図1(a)のC部を拡大した図である。また図3(a)は図1のB−B断面図であり、図3(b)は、図3(a)のD部を拡大した図である。
【0030】
図1、図2、図3、に示すように、本実施例に係る薄膜太陽電池21は、絶縁性基板22を備えている。この絶縁性基板22は、フィルム材料から形成されており、例えば、ポリイミドやポリアミドイミド又はポリエチレンナフタレート等の材料から形成されている。絶縁性基板の厚さは50μm程度である。
【0031】
図2に示すように、絶縁性基板21の両面22a,22bには、Agからなる金属電極層23が形成されている。ここで、絶縁性基板22の一方の面上の金属電極層23は、裏面電極層23aとして機能し、絶縁性基板22の他方の面上の金属電極層23は、第1の背面電極層23bとして機能する。
【0032】
また、図2に示すように、絶縁性基板22の一方の面(受光面側)上にある裏面電極層23a上には、光電変換層24と透明電極層25とが当該順で積層されている。ここで、光電変換層4としては、アモルファス半導体やアモルファス化合物半導体を用いた太陽電池、CIGS太陽電池、色素増感形太陽電池、又は有機太陽電池を用いることができる。一方、絶縁性基板2の他方の面(非受光免側)上にある第1の背面電極層23bには、第2の背面電極層26が積層されている。
【0033】
そして、図2、図3には、本発明の反射シート42を設けている。
本実施例の特徴として、図2に示すように、絶縁性基板22上に形成された、SCAF構造を有する薄膜太陽電池は、受光面側および非受光面側の両面に、接着性を有する封止材41を有し、この封止材41により薄膜太陽電池が挟まれている。そして非受光面側の封止材を貼り合わせたあとに、反射シートとしてアルミシート42を貼り合わせ、さらにそのアルミシート42の非受光面側に封止材41を配置している。アルミシート42の厚さは20μm程度、アルミシート42の反射率は95%程度である。ここで、絶縁性基板22の非受光面側とアルミシート42との間に存在する封止材41の厚さは100μm程度である。これは、あまりにこの封止材41の厚さが薄いと、アルミシート42と第2の背面電極層26とが短絡してしまう可能性があるからである。
【0034】
挿入する高反射率を有する反射シート42は例えば、SUS箔やAgなどが蒸着されたPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムでも良い。反射シート42の厚さとしては、通常1μm以上である。数百nm以下であると、光が反射シート42を透過してしまい、反射シート32の面で、乱反射が生じなくなる可能性が有る。
なお、光電変換層34上に形成された透明電極上にSiNなどの反射防止膜35を形成した。
【0035】
図4は、図2(b)の要部拡大図である。受光面側から入射した光は、矢印で示すように、反射シート42で反射され、背面電極26側壁で反射を繰り返し、封止材41と透明電極25との界面(または表面保護材43と封止材41との界面など)で反射して光電変換層24に再度入射する。
すなわち、反射シート42で反射された光は、封止材41を通して、第1の貫通孔内に乱反射され、第1の貫通孔内側壁の背面電極に当たって乱反射され、受光面側に戻り、ITOと封止材との界面などで再度乱反射され、光電変換層に入射する。このように、集電孔である第1の貫通孔27を通過してきた光がアルミシート42により反射して発電面側に反射して乱反射することで、これまで第1の貫通孔27を通過して発電に寄与しなかった光が効率よく発電に寄与することができるようになる。本実施例によれば、従来の薄膜太陽電池に比べて、約1%、薄膜太陽電池としての発電効率が向上する。これは、従来の薄膜太陽電池での発電効率を約10%とした場合、その1割、発電効率が向上することになるので、大きな効率アップである。
【0036】
また、図4において、アルミシート(反射シート)42の下側(非受光面側)に封止材41を設けずに、反射シートが非受光面側である裏面の表面保護フィルムとした構成にしても、上記の構成と同じく、効率よく反射光を発電に寄与させることができる。
【0037】
図5は、本発明の別の実施例を示す平面図であり、図6は図5におけるE−E断面図である。貫通孔27の下方には、反射シート42が存在している。また、図7は図5におけるG−G断面図である。接続孔28の下方には、反射シート42が存在している。
この反射シート42により、接続孔28を透過してきた光は、図4に矢印で示したのと同様にして、乱反射を繰り返して光電変換層24に入射して、発電効率のロスを取り戻す。
本例では、接続孔28に入射した光の利用により、発電電力が増加するので、先に述べた貫通孔27における1%の発電電力と合わせて、その効果は大きい。
【符号の説明】
【0038】
11、21、11a、21a 薄膜太陽電池
22 絶縁性基板
23 金属電極層
23a 裏面電極層
23b 第1の背面電極層
24 光電変換層
25 透明電極層
26 第2の背面電極層
27 第1の貫通孔(集電光)
28、28a 第2の貫通孔(接続孔)
29 第1のパターニングライン
30 第2のパターニングライン
41 封止材
42 反射シート
43 表面保護材

【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁性基板の受光面側に第一電極層、光電変換層および透明な第二電極層が順に積層された光電変換部と、前記絶縁性基板の非受光面側に積層された背面電極とを有する単位太陽電池が複数形成され、
各単位太陽電池において前記第二電極層と前記背面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する複数の集電孔を通じて電気的に接続されるとともに、隣接する二つの単位太陽電池のうちの一方の単位太陽電池の第一電極層と他方の単位太陽電池の裏面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する少なくとも一つの接続孔を通じて電気的に連結されることによって複数の前記単位太陽電池が直列接続された薄膜太陽電池において、
薄膜太陽電池はその受光面側と非受光面側との双方が、封止材により封止され集電孔の内部にも当該封止材が充填されている薄膜太陽電池であって、
前記背面電極側の封止材中に、集電孔から入射した光を反射する反射シートが挿入されているか、あるいは前記背面電極側の封止材の非受光面側に反射シートが形成されていることを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項2】
絶縁性基板の受光面側に第一電極層、光電変換層および透明な第二電極層が順に積層された光電変換部と、前記絶縁性基板の非受光面側に積層された背面電極とを有する単位太陽電池が複数形成され、
各単位太陽電池において前記第二電極層と前記背面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する複数の集電孔を通じて電気的に接続されるとともに、隣接する二つの単位太陽電池のうちの一方の単位太陽電池の第一電極層と他方の単位太陽電池の背面電極層とが前記絶縁性基板を貫通する少なくとも一つの接続孔を通じて電気的に連結されることによって複数の前記単位太陽電池が直列接続された薄膜太陽電池において、
薄膜太陽電池の受光面側は、その全面が透明な第二電極層によって覆われており、薄膜太陽電池はその受光面側と非受光面側との双方が、封止材により封止され接続孔の内部にも当該封止材が充填されている薄膜太陽電池であって、
前記背面電極側の封止材中に、接続孔から入射した光を反射する反射シートが挿入されているか、あるいは前記背面電極側の封止材の非受光面側に反射シートが形成されていることを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項3】
前記絶縁性基板が、フィルム材料から形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の薄膜太陽電池。
【請求項4】
前記フィルム材料が、ポリイミド又はポリアミドイミド又はポリエチレンナフタレート、の耐熱性フィルムであることを特徴とする請求項3に記載の薄膜太陽電池。
【請求項5】
前記封止材中に挿入される反射シートは金属層又は、封止材上に金属膜が製膜された金属シートであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の薄膜太陽電池。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【公開番号】特開2013−110153(P2013−110153A)
【公開日】平成25年6月6日(2013.6.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−251611(P2011−251611)
【出願日】平成23年11月17日(2011.11.17)
【出願人】(000005234)富士電機株式会社 (3,146)
【Fターム(参考)】