(57)【要約】【課題】太陽電池セルの間の接合部分の接合層厚みを安定的に確保し、長期使用における信頼性を有する接合部を形成することができる太陽電池セル接続装置を提供することを目的としている。【解決手段】太陽電池セル１と接続部材２をはんだ４によって接続に使用する装置であって、樹脂シート５と接している接続部材２を押圧する方向に付勢する押圧体３としてグラファイトブロックを用いることで、接続部材２からの放熱を促進し、はんだ接合層厚みが安定的に確保された、高信頼性を有する太陽電池セル−接続部材間の接合を達成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池セルの間を接続部材を介してはんだ接続する太陽電池セル接続装置であって、
前記接続部材を前記太陽電池セルの接合面に向かって押圧する押圧体と、
前記接続部材と前記太陽電池セルの接合個所を加熱して前記接続部材を溶融する加熱ユニットと
を設け、前記加熱ユニットによる加熱中の前記接続部材に当接する前記押圧体は、熱伝導率が７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である
太陽電池セル接続装置。
【請求項２】
前記押圧体毎に押圧力を設定できる加圧ユニットを設けたことを特徴とする
請求項１記載の太陽電池セル接続装置。
【請求項３】
前記押圧体が、前記太陽電池セルの位置に応じたそれぞれの設定値で接続部材を押圧する
請求項２記載の太陽電池セル接続装置。
【請求項４】
前記押圧体は、その形状が、四角柱あるいは四以上の多角形の柱形状であることを特徴とする
請求項１記載の太陽電池セル接続装置。
【請求項５】
前記押圧体は、グラファイトブロックであることを特徴とする
請求項１記載の太陽電池セル接続装置。
【請求項６】
互いに隣接した太陽電池セルの上に、層間シートを介して接続部材を、熱伝導率が７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の押圧体によって押圧して、前記接続部材を位置決めし、
前記接続部材と前記太陽電池セルの接合個所を前記位置決めの状態で加熱ユニットによって加熱して、前記接続部材を溶融固化するとともに、前記接続部材の熱を前記押圧体を介して放熱する
太陽電池セル接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の太陽電池セルを電気的、機械的に結合するための接続装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができるため、新しいエネルギー源として期待されている。一般に、太陽電池セル一枚では電気出力が小さいため、複数枚の太陽電池セルを直並列に接続して形成される太陽電池モジュールから、実用的な所定の電気出力を発生させる。当該直並列の接続は、負極電極および正極電極に接合部材を接続することで行なわれる。従来の両面電極型太陽電池は、キャリアを収集するための複数本の細線電極（フィンガー電極）と、配線材を接続するための接続用電極（バスバー電極）を光電変換部上に備えおり、受光面である表面と裏面にそれぞれ異なる極性の電極、すなわちＰ型電極とＮ型電極が設けられている。両面電極型の太陽電池セルを用いて太陽電池モジュールを形成するためには、太陽電池セルを複数並設して直列に接続しなければならないが、その際に表面の電極と隣接する太陽電池セルの裏面の電極とを接続部材で結合する必要がある。
【０００３】
近年、更なる高効率化への要求の高まりの中で、バックコンタクト型と呼ばれる太陽電池の開発が盛んに行われている。複数のバックコンタクト型太陽電池セルを接続する際に、裏面同士で接続できるため、表面に接続部材がなく、受光効率も向上するとともに外観も良好となる。バックコンタクト型の裏面には、Ｐ型電極とＮ型電極が形成されているが、Ｐ型電極とＮ型電極が互い違いに櫛目の間に入り込むようになされている。このようにＰ型電極とＮ型電極とが交互に密に設け、また、Ｐ型電極とＮ型電極とが混在した面積をできるだけ増やすことがキャリアロスを低減し、高効率を実現する要素である。
【０００４】
次に、太陽電池の信頼性に関する課題を以下に述べる。太陽電池の信頼性としては、１０年後の最大出力は初期値の９０％以上、２０年後に８０％以上を保証するのが一般的になっているが、太陽光発電の導入量増加に伴い、信頼性の面から好ましくない事象が発生していることが明らかになってきている。一例としては、ホットスポットと呼ばれる不良現象の発生が挙げられる。これは、太陽光発電システムにおける、一部の太陽電池セル、モジュールの発電電力分布の差異により起こる発熱現象であり、システムに対して著しいダメージを与える可能性がある。さらには、太陽電池セルのひび割れの発生が確認されたり、一部の太陽電池セル、接続箱の異常発熱により、太陽電池セル表面が焦げたり、接続箱の変形、発火が引き起こされたりしていることが報告されている。これらの不良現象の原因は様々あるが、太陽電池セル−接続部材の接合不良が一因と考えられる（例えば、非特許文献１参照）。長期使用環境下において、太陽電池セルと接続部材との間のはんだ接合部にクラックが伸展することで、集電効率が低下し、太陽電池セル、モジュールの発電電力分布の差異が発生し、上記のホットスポット等の発熱現象が発生する。
このような接合不良は、薄型基板の太陽電池セルでは、さらに顕著となる。例えば、これまでの３００〜５００μｍ程度から、２００μｍ未満の厚みにしたものが主流になっている中、上述の接合部材のはんだ付け時の熱応力による太陽電池セルの反りが大きくなるため、電極剥離等の接続不良が発生しやすくなり、接続部の信頼性をさらに低下させる。
【０００５】
また、先に述べたバックコンタクト型太陽電池セルのはんだ接合部で発生した電子とホールは、接合部の面積と比例して、再結合し消滅する割合が増加するため、はんだ接合部は発電無効部となる。バックコンタクト型太陽電池セルの発電効率向上においては、発電無効部であるはんだ接合部をより小さくすることが必要であり、はんだ接合部を小さくするためには、各はんだ接合部の信頼性の向上が求められる。はんだ接合部の信頼性向上の手段として、はんだ接合層厚みを、一定厚み以上で且つ均一に制御することで、接合部の信頼性を向上させることができる（例えば、非特許文献２参照）。
【０００６】
太陽電池セル−接合部材間の接合においてより高い信頼性を確保するための太陽電池セル接続部形状および接合装置が開示されている。
バックコンタクト型太陽電池セルのはんだ接合層厚みを確保する方法として、樹脂シートを接続部材の下に配し、接合することで、はんだ接合層高さを確保する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。樹脂シートを接続部材の下に配することで、樹脂シートがはんだ接合層高さを確保するためのスペーサーとしての役割を果たしている。
【０００７】
また、太陽電池セル接続装置の接続部材の押さえについては、ＳＵＳ及びセラミック材料で作製された接続部材押さえを備えた接続装置が公開されている（例えば、特許文献２参照）。接続部材押さえは、加熱源と接しているため、高温となるが、ＳＵＳ及びセラミック材料といった耐熱性を有する材料を接続部材として用いることで、接続部材押さえの変形、変質を抑えることができ、接合品質を安定的に確保することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７３９０９６１明細書
【特許文献２】特許第４３５８６５１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】阪本貞夫，“太陽電池モジュールの信頼性と評価手法”，応用物理，第７９巻，第５号，（２０１０），ｐ４００−４４３
【非特許文献２】坂本善次，平野尚彦，奥村知巳，鶴田加一，高木晶子，“両面放熱パワーモジュール用Ｐｂフリーはんだ材料”，Proc. of the 15th Symposium on Microjoiningand Assembly Technology in Electronics(2009)，ｐ９５−１００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図６は、特許文献２における太陽電池セル接続装置及びはんだ接合部の構造を上面及び断面図で示したものである。
太陽電池セル接続装置のステージ８上に太陽電池セル１を配置し、はんだ４でめっきされた接続部材２を太陽電池セル１上に配し、当接部材３ａで保持する。加熱ユニット６から放出される温風により、接合材料であるはんだ４を加熱、溶融させることで、接合が達成される。
【００１１】
特許文献２に記載の方法では、当接部材３ａはＳＵＳ（ＳＵＳの熱伝導率：３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度）または、ジルコニアによって形成されており、温風により加熱されて高温となった接続部材から当接部材３ａを通して、外部への放熱が不十分であり、高温となった当接部材３ａからの熱伝導により、特許文献１に記載の接続部材の下に配した樹脂シートが熱分解温度以上に加熱される。部分的に熱分解した樹脂シートの厚みは、不均一となり、厚みが不均一となった樹脂シート部にはんだが流れ込むことで、接合部分のはんだ層厚みが薄くなる部分が形成され、信頼性の低下が懸念される。
【００１２】
本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、十分なはんだ接合層厚みを安定的に確保することで、長期使用における信頼性を有する太陽電池セル接続装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の太陽電池セル接続装置は、太陽電池セルの間を接続部材を介してはんだ接続する太陽電池セル接続装置であって、前記接続部材を前記太陽電池セルの接合面に向かって押圧する押圧体と、前記接続部材と前記太陽電池セルの接合個所を加熱して前記接続部材を溶融する加熱ユニットとを設け、前記加熱ユニットによる加熱中の前記接続部材に当接する前記押圧体は、熱伝導率が７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の太陽電池セル接続方法は、互いに隣接した太陽電池セルの上に、層間シートを介して接続部材を、熱伝導率が７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の押圧体によって押圧して、前記接続部材を位置決めし、前記接続部材と前記太陽電池セルの接合個所を前記位置決めの状態で加熱ユニットによって加熱して、前記接続部材を溶融固化するとともに、前記接続部材の熱を前記押圧体を介して放熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この構成によると、接続部分を加熱するときに接合部材を太陽電池セルに付勢している押圧体の熱伝導率が良好であるため、接合層の厚みを規定するために太陽電池セルと接合部材の間に介装されている樹脂シートの変形を回避することができ、太陽電池セル−接合部材間におけるはんだ接合部の信頼性を向上することができる。よって、はんだ接合層厚みを安定的に確保することで、２０年以上の長期使用においても安定した発電性能の太陽電池モジュールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１における太陽電池セル接続装置の平面図
【図２】本発明の実施の形態１における太陽電池セル接続装置の要部の断面図
【図３】本発明の実施の形態１における接続部材の平面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態２における太陽電池セル接続装置の平面図と（ｂ）一部切り欠きの側面図
【図５】本発明の実施の形態３における太陽電池セル接続装置の平面図
【図６】特許文献２における太陽電池セル接続装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の太陽電池セル接合装置を図１〜図５に示す各実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図３は実施の形態１の太陽電池セル接合装置を示す。
【００１８】
図１は太陽電池セル接合装置の平面図、図２は、図１の破線Ａ−ＡＡで切った断面図である。
互いに接続しようとする太陽電池セル１，１は、隣接したステージ８，８の上に配置されている。
【００１９】
図２に示すように、太陽電池セル１，１の接続箇所には、一方の太陽電池セル１から他方の太陽電池セル１にわたる長さの樹脂シート５を載置し、その上に、一方の太陽電池セル１から他方の太陽電池セル１にわたる長さの接続部材２を配置している。ここでは接続箇所が３個所の場合を示している。
【００２０】
３個所の接続箇所のそれぞれの接続部材２は、別々の押圧体３によりステージ８に押さえて保持している。各押圧体３の押圧力は、加圧ユニットとしての圧縮ばね７により制御されている。接続部材２は、図３に示すように太陽電池セル１，１の配列方向に延びる３個所の接続タブ２ａ，２ｂ，２ｃと、太陽電池セル１，１の配列方向とは垂直方向に連結バー２ｄ，２ｅを備えている。連結バー２ｄ，２ｅを形成したことによって、太陽電池セル１，１の３個所の接続箇所の上に、別々の接続タブを乗せて接続準備する場合に較べて、接続部材２のハンドリング性を向上している。
【００２１】
接続タブ２ａ，２ｂ，２ｃの両端と太陽電池セル１，１との間には、接合材料であるはんだ４が塗布されている。
このように別々の押圧体３によって接続タブ２ａ，２ｂ，２ｃを、層間シートとしての樹脂シート５を介して太陽電池１，１の上に押圧することによって、接続部材２と太陽電池１，１の間の接合材料であるはんだ４の層の厚みを、樹脂シート５の厚みにできる。
【００２２】
このセッティング状態で、はんだ４を溶融させるために、加熱ユニット６により、接続部材２及びはんだ４に向かって温風１１を放出して加熱し、溶融したはんだ４を接続部分に濡れ拡げることで、接合が達成される。
【００２３】
なお、この実施の形態では押圧体３の形状が四角形のブロックで構成されており、加熱ユニット６から吹き出された温風１１が衝突する面９の幅ｗは、接続部材２の接続タブ２ａ，２ｂ，２ｃの幅ｄよりも幅広、またはｗ＝ｄである。
【００２４】
このように、各押圧体３は、圧縮ばね７により加圧力が制御されており、太陽電池セル１、接続部材２の反りや厚みバラツキ、設備内のステージの傾きが発生した場合においても、接合部毎で独立に加圧力をコントロールすることで、はんだ接合層厚みバラツキを低減することができる。
【００２５】
さらに、押圧体３としては、熱伝導率が良好な材料によって形成されている。
具体的には、押圧体３には７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有するグラファイトブロックを用いる。グラファイトブロックは、積層構造になっており、炭素の共有結合で形成された層方向の熱伝導率が非常に高いという特徴を持つ。特許文献２記載の当接部材３ａに用いられているＳＵＳは、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度とグラファイトの２０分の１以下であり、当接部材３ａの熱を外部に効率的に放出できず、樹脂シート５の溶融が発生する。アルミニウムや銅の熱伝導率は２００〜３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、熱伝導率は比較的に高いが、グラファイトブロックと比較すると、３分の１から４分の１程度の熱伝導率であり、アルミニウムや銅を押圧体３として使用した場合も、押圧体３の熱を外部に効率的に放出できずに、樹脂シート５の溶融が発生する。
【００２６】
しかし、この実施の形態１のように７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝達率を有するグラファイトブロックを用いて接合を行った時に、押圧体３−樹脂シート５の界面の温度を熱電対で測定すると、樹脂の熱分解温度開始温度（ＰＥＴの場合は３００℃）以下であった。よって、７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝達率を有するグラファイトブロックを押圧体３を用いることで、樹脂シート５を溶融させずに、接合することが可能である。
【００２７】
また、押圧体３はｗ≧ｄであるため、押圧体３によって接続タブ２ａ，２ｂ，２ｃの熱を効果的に放熱することができ、樹脂シート５の異常な温度上昇を防止できるので、はんだ接合層厚みバラツキを低減することができる。
【００２８】
押圧体３がｗ＜ｄの場合には、樹脂シート５の熱を効果的に放熱することができないため樹脂シート５の溶融が発生して好ましくない。
ワークの厚みや反りのバラツキによっては、押圧体３との密着性が良好でない状態が発生する。そういった状態において、押圧体３として熱伝導率が３００〜７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満のものを使用した場合には放熱が不足するため、樹脂シート５の溶融が発生する。これに対して、上記のように７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率の押圧体３を採用することによって、ワークの厚みや反りのバラツキによって、押圧体３との密着性が良好でない状態が発生しても、太陽電池セル１，１の良好な接続を実現できた。
【００２９】
なお、グラファイトブロックを押圧体３として使用する場合には、太陽電池セル１と接する押圧体３の底面とグラファイトブロックの層方向は垂直にすることで、グラファイトブロックの高い熱伝導性を発揮することができる。この場合、７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を越えて１６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度の熱伝導率を得ることができた。７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を越えて１６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の押圧体３を使用することによって、太陽電池セル１，１の良好な接続を実現できた。
【００３０】
図１（ｂ）に示す、太陽電池セル１と押圧体３との距離ｔで表されるはんだ接合層厚みについては、はんだ接合層厚みを大きくすると、はんだ接合部にかかるせん断応力が小さくなり、温度サイクル時の歪振幅は小さくなる。接合層厚みを５０μｍ程度まで大きくすると、歪振幅を小さくする効果がより発揮される。よって、接合層厚みは５０μｍ以上であることが望ましい。しかしながら、歪振幅を小さくするという観点においては、接合層厚みは厚い方が望ましいが、接合層厚みが１ｍｍ以上となると、ラミネート時の圧力が接合部に局所的にかかり、セル割れの要因となる。そのため、接合層厚みは、歪振幅を小さくし、且つセル割れをおこさない範囲である、５０μｍ以上且つ１ｍｍ以下になることが望ましい。
【００３１】
太陽電池セル１と接続部材２の間に配する樹脂シート５は５０μｍ以上且つ１ｍｍ以下にすることで、理想的な接合層厚みを確保できて、太陽電池セルの割れを抑制できる。
樹脂シート５は、コストや信頼性の観点より、耐加水分解性の有するＰＥＴ樹脂が好ましいが、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ＰＶＦ樹脂製のものなどを用いてもよい。
【００３２】
接続部材２は、スズ、あるいは、スズを含むはんだ材料でめっきされている。スズあるいははんだ材料でめっきされていると、はんだに対する濡れ性が非常に良好で有り、ボイドが少なく、フィレットが形成され、信頼性の高い接合部となる。接続部材２のコア材料は、金属、とくに銅、あるいは合金、とくに銅合金からなる。接続部材２に使用する銅は、焼きなましてあり、延性があるものが好ましい。通常、使用環境下での温度サイクルにおいて、接合部分にかかる応力を緩和し、信頼性の向上が期待できる。
【００３３】
加熱ユニット６には、コストや制御性の観点から、温風が望ましいが、レーザー、誘導加熱、パルスヒート等を用いてもよい。以上述べた接続部材２の形状は、本発明のうちの典型例を例示したに過ぎない。
【００３４】
このように、単結晶あるいは他結晶シリコン太陽電池セルの接合部分に設けられている樹脂シートの厚みを均一にすることができ、接合部分のはんだ層の厚みが薄くなることが無く、長期間にわたって安定した太陽光発電動作を期待できる。
【００３５】
（実施の形態２）
図４（ａ）と図４（ｂ）は本発明の実施の形態２の太陽電池セル接合装置を示す。
実施の形態１における押圧体３の形状は、底面が四角形の場合を例示したが、底面が四角形以上でも構わない。
【００３６】
接続タブ２ａ，２ｂ，２ｃを中央にして、その両側から加熱ユニット６，６が温風１１を矢印方向に吹き出しており、押圧体３には、一方の加熱ユニット６から吹き出した温風を遮るように面９が形成されているため、樹脂シート５の上方位置を効果的に放熱しながら、接続タブ２ａ，２ｂ，２ｃの両端を効果的に加熱して、樹脂シート５を溶融させずにはんだ４を溶融させることができた。
【００３７】
この実施の形態２では、押圧体３の底面が四角形以上の例として、八角形の柱状の場合を示す。押圧体３は実施の形態１と同じように、ｗ≧ｄであって、加熱ユニット６から吹き出された温風が衝突する面９の幅ｗを、接続部材２の幅ｄの八割程度にして、角部を面取りした傾斜面１０とした八角形の柱状にすることが好ましい。このようにすると、加熱ユニット６からの温風が押圧体３の側方から排出され、気流を作り出し、接合部分を効率よく加熱できる。加熱ユニット６のヒーターには電熱線を用いており、効率よく加熱し、設定温度を下げることで、電熱線の寿命を延ばすことができる。
【００３８】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３の太陽電池セル接合装置を示す。
実施の形態２における押圧体３の個数については、３個の場合を例示したが、この実施の形態３では５個の場合を示している。
【００３９】
なお、この実施の形態３ならびに実施の形態１，２において、押圧体３の個数は一個でも良い、但し、多い方が、フィールド上での昼夜の温度サイクル時において、一箇所あたりの接合部分への応力負荷低減が低減できるので望ましい。
【００４０】
なお、上記の各実施の形態において押圧体３は、圧縮ばね７によって太陽電池セル１の側に付勢されていたが、エアーシリンダ，油圧シリンダなどの各種のアクチュエータによって付勢する場合も同様である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、単結晶或いは他結晶シリコン太陽電池セルと高い信頼性を有する接合部を形成することができるので、長期間にわたって安定した太陽光発電動作の実現に寄与する。
【符号の説明】
【００４２】
１    太陽電池セル
２    接続部材
３    押圧体
４    はんだ
５    樹脂シート
６    加熱ユニット
７    圧縮ばね
８    ステージ
ｄ    接続部材２の幅
ｔ    はんだ接合層厚み
【図１】
2013232568.tif 000003
【図２】
2013232568.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2013232568.tif 000007
【図６】
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