(57)【要約】【課題】耐久信頼性及び不具合発生時の保守性に優れた太陽電池モジュールを備えた光電変換装置を提供する。【解決手段】太陽電池モジュールはパッケージが配列されて構成されている。パッケージは、透光性を有する第１無機材料基板と、第１無機材料基板と間隔をあけて対向するように設けられた第２無機材料基板と、第１と第２の無機材料基板の間に設けられ、第１無機材料基板側が受光面側となるように配置された１又は複数の太陽光発電デバイスと、第１無機材料基板と第２無機材料基板の間に設けられ、第１無機材料基板と第２無機材料基板の間に太陽光発電デバイスを挟んだ状態で太陽光発電デバイスの外周を取り囲んで太陽光発電デバイスが配置されている空間を外部から封止するように形成された無機材料封止部材と、太陽光発電デバイスにつながり、太陽光発電デバイスが配置されている封止空間から外部に取り出されたプラス電極端子及びマイナス電極端子と、を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子からなる複数の太陽光発電デバイスを含む太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールを非受光面及び側面から固定するフレームと、前記太陽電池モジュールの受光面を被う透光性基板とを具備しており、
前記太陽電池モジュールは電気的に直列又は並列に接続された複数のパッケージからなり、
前記パッケージは、
透光性を有する第１無機材料基板と、
前記第１無機材料基板と間隔をあけて対向するように設けられた第２無機材料基板と、
前記第１と第２の無機材料基板の間に設けられ、前記第１無機材料基板側が受光面側となるように配置された１又は複数の前記太陽光発電デバイスと、
前記第１無機材料基板と前記第２無機材料基板の間に設けられ、前記第１無機材料基板と前記第２無機材料基板の間に前記太陽光発電デバイスを挟んだ状態で前記太陽光発電デバイスの外周を取り囲んで前記太陽光発電デバイスが配置されている空間を外部から封止するように形成された無機材料封止部材と、
前記太陽光発電デバイスにつながり、前記太陽光発電デバイスが配置されている封止空間から外部に取り出されたプラス電極端子及びマイナス電極端子と、を備えている光電変換装置。
【請求項２】
前記第１無機材料基板は、ガラス又はセラミックスからなる請求講１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第２無機材料基板は、ガラス、金属又はセラミックスからなる請求講１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記無機材料封止部材は、ガラス、金属又はセラミックスからなる請求項１から３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記パッケージは扁平な直方体をなし、対向する一対の端面のうちの一方の端面に前記プラス電極端子が設けられ、他方の端面に前記マイナス電極端子が設けられ、前記太陽電池モジュール内で、電極端子が設けられている端面が隣接するように配置された前記パッケージ間では前記プラス電極端子とマイナス電極端子が接触して電気的な直列接続がなされている請求項１から４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記パッケージは扁平な直方体をなし、前記プラス電極端子とマイナス電極端子はともに前記第２無機材料基板側に突出して設けられており、前記太陽電池モジュール内では前記プラス電極端子とマイナス電極端子がそれぞれ別々の配線により電気的な並列接続がなされている請求項１から４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
太陽電池モジュールの受光面を被う前記透光性基板は、ガラス又はプラスチックからなる請求項１から６のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の光電変換装置からなる発電手段と、該発電手段の発電電力を負荷へ供給する出力手段と、を備えた光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子からなる複数の太陽光発電デバイスを含む太陽電池モジュールを備えた光電変換装置と、それを発電手段とする光発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年になって、地球温暖化や化石燃料の埋蔵量などからエネルギー資源が見直されるようになり、その一つとして太陽光発電が注目を浴びている。太陽光は無尽蔵で、化石燃料のような枯渇の心配がなく、二酸化炭素（ＣＯ2）を増やすこともない。地球に到達する太陽エネルギーは、地表や海面で熱に変わり、その一部は風や波、海流などを起こすエネルギー源となる。更に言えば、化石燃料も元を質せば太陽エネルギーが地中に蓄積されたものなのである。もし仮に地球全体に降り注ぐ太陽エネルギーを１００％変換できる技術があるとすれば、世界の年間消費エネルギーを僅か１時間で賄うことができると言われている。また、二酸化炭素削減の観点からは、１ｍ2の太陽光発電デバイス（変換効率１０％と仮定）は５４ｍ2の植林に相当するとも言われている。これらから、太陽光が一次エネルギーとして有望であることが伺える。太陽光発電は電力需要の最も多い昼間に多く発電するため電力負荷平準化に貢献し、また太陽エネルギーは地域分散型のシステムなため、輸送によるエネルギー損失も抑えられるといった利点もある。
【０００３】
現在主流の太陽光発電デバイスはシリコン太陽電池である。一般的なシリコン太陽電池のモジュールの断面構造を図６に示す。フレーム枠１０１により互いに平行に配置されて固定されたモジュール用透光性基板１０２とバックシート１０６の間に複数個の太陽光発電デバイス１０３が収容されている。太陽光発電デバイス１０３は光電変換素子からなり、その受光面が透光性基板１０２となるように配置されている。透光性基板１０２とバックシート１０６の間で太陽光発電デバイス１０３が収容されている空間は充てん剤１０４で充填され、太陽光発電デバイス１０３はフレーム枠１０１、透光性基板１０２及びバックシート１０６により囲まれた空間に封止されている。太陽光発電デバイス１０３は充てん剤１０４と直接接触して固着されている。充てん剤１０４としてはエチルビニルアセテート（ＥＶＡ）が使用される。
【０００４】
太陽光発電デバイス１０３は互いに電気的に接続されている。その電気的接続の方法としては直列接続と並列接続がある。いずれの接続方式とするかは、出力しようとする電圧と電流値によって適宜選択される。図６は直列接続の例を示している。その電気的接続を行った電極配線１０５はバックシート１０６に設けられた電源ボックス１０７から外部に取り出されている。
【０００５】
シリコン太陽電池は少しずつ劣化することが前提として挙げられており、２５年以上の長期耐久信頼性を得ることは難しいという課題が存在する。シリコン太陽電池モジュールの劣化原因として、以下の３つの項目が挙げられる。
【０００６】
（１）シリコン太陽電池上の銀配線の酸化。
（２）ＥＶＡの酸化による白濁化。
（３）シリコンウエハー内のマイクロクラックによる太陽光発電デバイス特性の劣化。
【０００７】
そこで、シリコン太陽電池モジュールは劣化することを前提として、シリコン太陽電池を再利用する研究が行われ、シリコン太陽電池をそのモジュールから容易に取り出せるようにした太陽電池モジュールが提案されている（特許文献１参照。）。
ＥＶＡレス太陽電池モジュールも提案されている（非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−７７１５４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】平成１６年度〜１７年度  新エネルギー・産業技術総合開発機構  委託業務成果報告書  太陽光発電技術研究開発  太陽光発電システム共通基盤技術研究開発  太陽光発電システムのリサイクル・リユース処理技術等の研究開発（報告書Ｎｏ．１００００９１８７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
提案されているＥＶＡレス太陽電池モジュールは、あくまでシリコン太陽電池の再利用を目的として、ＥＶＡとシリコン太陽電池が直接接しないような構造にしただけで、太陽電池モジュールの劣化原因となる銀配線やマイクロクラックなどの対策に関しては配慮されていない。
【００１１】
本発明は、太陽光発電デバイスを水や酸素から守るとともに、封止材による劣化要因を取り除き、さらに各々の太陽光発電デバイスにマイクロクラックが起こりにくくすることにより、耐久信頼性及び不具合発生時の保守性に優れた太陽電池モジュールを備えた光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、光電変換素子からなる複数の太陽光発電デバイスを含む太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールを非受光面及び側面から固定するフレームと、太陽電池モジュールの受光面を被う透光性基板とを具備した光電変換装置である。
【００１３】
その太陽電池モジュールは電気的に直列又は並列に接続された複数のパッケージからなっており、太陽光発電デバイスはそのままの状態で太陽電池モジュールに配置されているのではなく、１又は複数個ずつを単位としてパッケージに収容され、無機材料を使用して封止されて保護されている。
【００１４】
そのパッケージは、透光性を有する第１無機材料基板と、第１無機材料基板と間隔をあけて対向するように設けられた第２無機材料基板と、第１と第２の無機材料基板の間に設けられ、第１無機材料基板側が受光面側となるように配置された１又は複数の太陽光発電デバイスと、第１無機材料基板と第２無機材料基板の間に設けられ、第１無機材料基板と第２無機材料基板の間に太陽光発電デバイスを挟んだ状態で太陽光発電デバイスの外周を取り囲んで太陽光発電デバイスが配置されている空間を外部から封止するように形成された無機材料封止部材と、太陽光発電デバイスにつながり、太陽光発電デバイスが配置されている封止空間から外部に取り出されたプラス電極端子及びマイナス電極端子と、を備えている。
【００１５】
太陽光発電デバイスは光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子であり、光電変換セルとも呼ばれる。太陽光発電デバイスとしては、単結晶シリコン型と多結晶シリコン型が普及しているが、その他にもアモルファスシリコン型、化合物半導体型、有機半導体型、及び光増感型などの種類がある。本発明ではいずれの種類の太陽光発電デバイスも使用することができる。
【００１６】
第１無機材料基板の材質は、太陽光発電デバイスが受光する光の波長に対して透光性をもち、かつ第２無機材料基板とともに太陽光発電デバイスを保護して太陽光発電デバイスにマイクロクラックが起こりにくいようにするために硬質であることが必要である。そのような材質の第１無機材料基板の一例は透明ガラス基板である。透明セラミックスも使用することができる。
【００１７】
第２無機材料基板は、太陽光発電デバイスの非受光面側に配置されるので、太陽光発電デバイスが受光する光の波長に対して透光性をもつ必要はないが、透光性をもっていてもよい。しかし、第１無機材料基板とともに太陽光発電デバイスを保護して太陽光発電デバイスにマイクロクラックが起こりにくいようにするために硬質であることは必要である。そのような材質の第２無機材料基板の材質の例は、ガラス、金属又はセラミックスである。
【００１８】
無機材料封止部材は耐久性があることが好ましい。無機材料封止部材の材質の例は、ガラス、金属又はセラミックスである。
【００１９】
太陽電池モジュールは複数のパッケージが配列され、電気的に直列又は並列に接続されたものである。複数のパッケージを規則的に配列するためには、パッケージは扁平な直方体をなしていることが好ましい。
【００２０】
パッケージ間を電気的に接続するための一形態では、パッケージの対向する一対の端面のうちの一方の端面にプラス電極端子が設けられ、他方の端面にマイナス電極端子が設けられている。そして、太陽電池モジュール内で、電極端子が設けられている端面が隣接するように配置されたパッケージ間ではプラス電極端子とマイナス電極端子が接触して電気的な直列接続がなされている。
【００２１】
パッケージ間を電気的に接続するための他の形態では、プラス電極端子とマイナス電極端子はともに第２無機材料基板側に突出して設けられている。そして、太陽電池モジュール内では、プラス電極端子とマイナス電極端子がそれぞれ別々の配線により電気的な並列接続がなされている。
【００２２】
太陽電池モジュールの受光面を被う透光性基板のとして材質は、例えばガラス又はプラスチックである。
【００２３】
本発明は、また光発電装置も含んでおり、本発明の光電変換装置を発電手段として、その発電手段の発電電力を負荷へ供給するための配線やスイッチなどの出力手段を備えている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、無機封止材料を使用することで太陽光発電デバイスを水や酸素から守って太陽光発電デバイスの配線金属の劣化を防ぐことができる。封止材としてのＥＶＡそのものを使用しないことでＥＶＡの劣化要因を取り除くことができる。さらに、パッケージ内の太陽光発電デバイスは第１、第２の硬質の無機材料基板により曲がらないように保持されているので、太陽光発電デバイスにマイクロクラックが起こりにくくなる。このように、本発明では、太陽光発電デバイスをパッケージ化された状態にしてモジュールに配置するので、耐久信頼性が高まる。また、その不具合発生時には不具合の生じたパッケージを交換すればよいので、保守が容易になる。さらに、バッケージの太陽光発電デバイス以外の部分に不具合が生じた場合には、パッケージ内に太陽光発電デバイスと直接接する充填材は設けられていないので、太陽光発電デバイスの再利用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一実施例の光電変換装置を示す図であり、（Ａ）は内部構造のモジュールを示す平面図、（Ｂ）は図の水平方向の断面図である。
【図２】同実施例の光電変換装置を構成するモジュールに配列される１つのパッケージを示す図であり、（Ａ）は内部構造を示す平面図、（Ｂ）は図の垂直方向の断面図、（Ｃ）は図の水平方向の断面図である。
【図３】図１（Ａ）の図の垂直方向の断面図である。
【図４】他の実施例の光電変換装置を示す図であり、（Ａ）は図の垂直方向の断面図、（Ｂ）は内部構造のモジュールを受光面側から示す平面図、（Ｃ）は内部構造のモジュールを受光面とは反対側の非受光面側から示す平面図、（Ｄ）は（Ｂ）の図の水平方向の断面図である。
【図５】同実施例の光電変換装置を構成するモジュールに配列される１つのパッケージを示す図であり、（Ａ）は内部構造を示す平面図、（Ｂ）は図の垂直方向の断面図、（Ｃ）は図の水平方向の断面図である。
【図６】従来の光電変換装置の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１から図３により一実施例を示す。
太陽電池モジュール９は、図２に示されるパッケージ８が配列された構成されたものである。この実施例では、パッケージ８は横方向に６個、縦方向に１０個が配列されている。すなわち、パッケージ８が１０行６列の行列状に配置されて太陽電池モジュール９が形成されている。後で図２、図３により説明されるように、この実施例では隣接するパッケージ８間が電気的に直列に接続されている。太陽電池モジュール９に配置されるパッケージ８の数は特に制限がなく、得ようとする電圧値や電流値に応じて適宜設定することができる。
【００２７】
太陽電池モジュール９は、太陽光を入射させる受光面を被う透光性基板１１と、非受光面及び側面から固定するフレーム１０、１２により固定されてパネルとなっている。フレーム１０、１２は太陽電池モジュール９を非受光面から固定するフレーム背面板１０と、太陽電池モジュール９を側面から固定するフレーム枠１２からなる。非受光面とは受光面の反対側の面をいう。透光性基板１１は透明ガラス板又は透明プラスチック板からなり、フレーム背面板１０とフレーム枠１２は金属、セラミックス又はプラスチックである。長期間の使用に耐えるものとしては、フレーム背面板１０とフレーム枠１２として金属を使用する場合はステンレス又はチタンが好ましい。
【００２８】
太陽電池モジュール９が発生する電力を外部に取りだすために、フレーム枠１２の対向する一対の辺のうちの一方の辺にはプラス電極端子２０が設けられ、他方の辺にはマイナス電極端子２１が設けられている。
【００２９】
パネルは架台に設置して使用される。架台にはパネルを１枚設置することも複数枚設置することもできる。パネルの設置枚数は必要な電力に応じて適宜設定すればよい。
【００３０】
パッケージ８は図２に示されるように、ほぼ正方形の平面形状をもつ扁平な直方体の外形をもっている。パッケージ８内には太陽光発電デバイス３が収容されている。この実施例では、パッケージ８内に１個の太陽光発電デバイス３が収容されているが、複数個の太陽光発電デバイス３を収容することもできる。
【００３１】
太陽光発電デバイス３をパッケージ８内に収容するために、太陽光発電デバイス３の受光面側には第１無機材料基板１として透明ガラス板又は透明セラミックス板が配置され、太陽光発電デバイス３を挟んで第１無機材料基板１の反対側にはガラス板、金属板又はセラミックス板からなる第２無機材料基板２が配置されている。第１無機材料基板１と第２無機材料基板２は間に太陽光発電デバイス３を挟むことによって、第１無機材料基板１と第２無機材料基板２は間隔をあけて互いに対向している。
【００３２】
第１無機材料基板１と第２無機材料基板２の間には、第１無機材料基板１と第２無機材料基板２の間に太陽光発電デバイス３を挟んだ状態で太陽光発電デバイス２の外周を取り囲んで太陽光発電デバイス３が配置されている空間を外部から封止するように形成された無機材料封止部材４が設けられている。無機材料封止部材４はガラス、金属又はセラミックスからなる。無機材料封止部材４は太陽光発電デバイス３には接触しない位置で第１無機材料基板１と第２無機材料基板２と固着している。
【００３３】
無機材料封止部材４の外側で、第１無機材料基板１と第２無機材料基板２の周辺にはモールド形成プラスチック枠７が設けられている。モールド形成プラスチック枠７は、第１無機材料基板１と第２無機材料基板２がその間に太陽光発電デバイス３を挟み込み、無機材料封止部材４で太陽光発電デバイス３を封止した状態で、第１無機材料基板１と第２無機材料基板２及び無機材料封止部材４を一体成型して扁平な直方体のパッケージを形成している。
【００３４】
太陽光発電デバイス３が発生する電力を取り出すために、太陽光発電デバイス３の受光面には銀電極、その反対側の面にはアルミニウム電極が形成されており、それぞれの電極には外部に電力を取り出す配線が接続されている。それらの配線は無機材料封止部材４及びモールド形成プラスチック枠７を貫通して外部に取り出されている。パッケージ８の対向する一対の端面のうちの一方の端面にはプラス電極端子５が設けられ、他方の端面にはマイナス電極端子６が設けられており、太陽光発電デバイス３の電極につながる配線の一方はプラス電極端子５に、他方はマイナス電極端子６にそれぞれ接続されている。この実施例では、プラス電極端子５とマイナス電極端子６はパッケージ８の端面に２個ずつ配置されており、太陽電池モジュール９内で電極端子５、６が設けられている端面が隣接するようにパッケージ８を配置すると隣接するパッケージ８、８間ではプラス電極端子５とマイナス電極端子６が接触して電気的な直列接続がなされるように電極端子５、６が位置決めされている。電極端子５、６は一方が他方に嵌め込まれて嵌合する凹凸形状の端子として形成されており、隣接するパッケージ８、８間で電極端子５、６を連結することにより機械的接合と同時に電気的接続もなされるようになっている。一方の電極端子、例えばマイナス電極端子６がモールド形成プラスチック枠７から突出し、他方の電極端子、例えばプラス電極端子５がモールド形成プラスチック枠７内に位置決めされており、隣接するパッケージ８、８の電極端子５と６を嵌合させることにより、図１に示されるようにパッケージ８、８間に隙間のない状態でパッケージ８が配置され、かつ電気的接続もなされるようになっている。
【００３５】
図１（Ａ）と図３を参照すると、太陽電池モジュール９におけるパッケージ８の配列の一方の端のプラス電極端子５はフレーム枠１２内で互いに接続されて外部接続端子２０に接続されており、他方の端のマイナス電極端子６はフレーム枠１２内で互いに接続されて外部接続端子２１に接続されている。フレーム枠１２は非受光面側に延在しており、その延在した部分には架台に取りつけるための凹部１３が形成されている。
【００３６】
次にこの実施例の製造方法について説明する。
【００３７】
（１）太陽光発電デバイスの作製
ｐ型シリコンウエハ（０．１〜１００Ω・ｃｍ）を非イオン性洗剤水溶液を使用して超音波洗浄を１５分間行い、アセトンで１５分間洗浄し、フッ酸（１０−２５％水溶液）に１分間浸漬し、表面の洗浄及び自然酸化膜を除去する。
【００３８】
そのｐ型シリコンウエハーの一方の表面にリンドープ溶液（不純物拡散材）を塗布し、１０００℃で３０分間加熱し、リンをドープングすることで表面をｎ型半導体化させ、ｐ−ｎ接合を形成させる。その際に生じた酸化物層をフッ酸浸漬で除去し、リンドープした表面にフロント銀電極（グリッド及びバスバー）、裏面に背面アルミニウム電極をそれぞれスクリーン印刷し、９００℃で１分間加熱する。その後、リンドープした表面に光反射防止膜となるＴｉＯ2膜又はＳｉＮ膜をスパッタリング法、スプレー法又はＣＶＤ法により形成することで、太陽光発電デバイス３とする。
【００３９】
（２）太陽電池パッケージの作製
太陽光発電デバイス３に形成した両電極に外部に接続する配線となるワイヤーの一端をボンディングし、さらに耐久信頼性に強い材料（例えばステンレス又はチタン）からなる電極端子５、６をそれらのワイヤーの他端にボンディングし、それらの電極端子５、６が外部に出るように、第１、第２の無機材料基板としての、例えば２枚のガラス板１、２と、無機封止材４を使用して図２のように封止をする。封止の温度は５００℃から８００℃とする。２枚のガラス板１、２と無機封止材４で封止したものを、さらに各電極端子５、６が外側に出るように、モールド法でプラスチックの枠７を作り、太陽電池パッケージ８とする。
【００４０】
（３）太陽電池モジュールの作製
太陽電池パッケージ８をフレーム１０、１２の中に入れ、隣接する太陽電池パッケージ８、８間のプラス電極端子５とマイナス電極６が接するように配置して太陽電池モジュール９を構成する。太陽電池パッケージ８の配列の端部の電極端子５と６をそれぞれ配線でつなぎ合わせる。太陽電池モジュールの受光側を透明基板１１で被う。
【００４１】
図４と図５により第２の実施例を説明する。
太陽電池モジュール９ａがパッケージ８ａの配列により構成されている点は第１の実施例と同じである。パッケージ８ａにおける電極端子５、６の取り出し位置とパッケージ８ａ間の電気的接続方法が第１の実施例のものと異なっているが、他の構成は第１の実施例と同じであるので、同じ構成の説明は省略する。
【００４２】
この実施例のパッケージ８ａは、図５に示されるように、プラス電極端子５とマイナス電極端子６はともにパッケージ８ａのモールド形成プラスチック枠７の１つの辺に配置され、非受光面側に突出するように設けられている。太陽電池モジュール９ａにおいてパッケージ８ａは隣接するパッケージ８ａ、８ａ間に隙間のない状態で配置されている。
【００４３】
太陽電池モジュール９ａにおける電気的接続は、プラス電極端子５はプラス電位を取り出す配線３０により共通に接続され、マイナス電極端子６はマイナス電位を取り出す配線３１により共通に接続されている。プラス電極端子５を接続した配線３０はフレーム枠１２内で互いに接続されて外部接続端子２０に接続されており、マイナス電極端子６を接続した配線３１もフレーム枠１２内で互いに接続されて外部接続端子２１に接続されている。
【００４４】
上記に説明した実施例は限定的に解釈されるものではなく、当業者は本発明の趣旨に沿って実施例を適宜変形することができる。そのように変形された実施形態も特許請求の範囲に記載された範囲に含まれる限り本発明に属するものである。
【符号の説明】
【００４５】
１：第１無機材料基板
２：第２無機材料基板
３：太陽光発電デバイス
４：無機材料封止部材
５：プラス電極端子
６：マイナス電極端子
７：モールド形成プラスチック枠
８：太陽電池パッケージ
９：太陽電池モジュール
１０：フレーム背面板
１１：透光性基板
１２：フレーム枠
２０、２１：外部接続端子
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図２】
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【図５】
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