なぜBC太陽電池はより反りや歪みが発生しやすいのか
目次
簡単な回答： 裏面コンタクトセルは、両極性のコンタクトが裏面に配置されるため、表面コンタクトセルよりも反りや歪みが発生しやすく、裏面のメタライゼーション量とそれがもたらす応力が表面に対して不均衡になります。焼成後の冷却時に、裏面金属がメタライゼーションされていない表面に対して収縮し、その結果、182 mmまたは105 mmのセル全体で数分の1ミリメートル単位で測定できる湾曲が生じます。関与する処理温度 — 後工程での約110 °Cに対し、周囲基準温度は約22 °C — が、累積する収縮差の大きさを決定します。反りが問題となるのは、反ったセルがストリンガー上やラミネート内で平らに載らないため、位置決め誤差、ラミネーション後の封止材厚さの不均一、最悪の場合には接合部でのマイクロクラックを引き起こすからです。
PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著
BC太陽電池の反りと歪み
太陽光発電技術ルート間の激しい競争の中で、BC（バックコンタクト）太陽電池は、その高効率で視覚的にクリーンなデザインで際立っています。表面に金属グリッド線がないため、BCセルは業界で最も注目されている技術方向の一つとなっています。
しかし、そのクリーンな外観の裏には、困難な製造上の問題が潜んでいます。BCセルは本質的に反りや歪みが発生しやすいのです。
業界の専門家が指摘しているように、すべての電極は裏面側に配置されているため、セルは本質的に変形しやすい構造となっています。モジュール組立時には、絶縁接着剤、 はんだリボンS、およびソルダーペーストなど、さらに多くの材料が裏面に継続的に追加されます。これらの層が積み重なるにつれて、反り問題はますます深刻になる可能性があります。
では、なぜBCセルは従来の太陽電池よりも反りや歪みが発生しやすいのでしょうか？
1. 構造の非対称性が固有の歪みリスクを生み出す
BCセルの最も特徴的な点は、正極と負極の両方の電極が裏面に配置されていることです。表面には金属グリッド線がありません。この設計は光吸収を改善しますが、固有の構造的弱点ももたらします。
研究によると、 BCセルは、電極が表面と裏面に分散している TOPCon セルよりも著しく大きな反りを示します. 同様の裏面構造では、前面のグリッドラインが裏面の収縮による変形を部分的に相殺することができます。
BCセルにはこれらの表面グリッド線がありません。その結果生じる表面と裏面の間の応力不均衡により、製造中および使用中に円筒形の変形が発生しやすくなります。
この構造的非対称性は、本質的に不均一な応力の結果です。これは、ヒマワリが日陰側と日向側で成長速度が異なるために太陽光の方向に曲がるのと同じようなものです。BCセルでは、裏面側の複数の層によって生じる収縮応力が表面側の応力よりもはるかに大きいため、自然にウェーハが反ります。
2. 裏面材料間の熱膨張ミスマッチ
BCセルの裏面にはいくつかの機能層を形成する必要があります。従来の金属電極に加えて、絶縁材料、ソルダーペースト、ソルダーリボンなどが含まれる場合があります。これらの材料間の熱膨張係数の違いが、反りの主要な要因です。
金属とシリコンの膨張差は特に顕著です。 銀の熱膨張係数はシリコンの約7倍です。セル製造中、この差は銀メタライゼーションとシリコン基板の間に大きな熱応力を生じさせる可能性があります。ソルダーペーストを印刷した後は、反りがさらに深刻になることがあります。
絶縁材料も重要な役割を果たします。 裏面で正極と負極を分離するために絶縁が必要ですが、絶縁材料の熱膨張係数はシリコンウェーハとは異なります。絶縁とセルの接触面積が大きすぎると、材料消費が増加し、熱膨張ミスマッチによる応力も増大します。これによりセルの反りが激しくなり、セルの破損やハンドリング中のセルの貼り付きや重なりといったプロセスリスクにつながる可能性があります。
3. 片面はんだ付けによる不均一な機械的応力の発生
BCモジュールは通常、片面はんだ付けを使用し、すべてのソルダーリボンが裏面に集中します。これは従来の両面はんだ付けとは根本的に異なります。
例えば、182 mm × 105 mmのセルに21本のソルダーリボンを取り付けると、温度が110°Cから22°Cに低下する際に大きな反りが発生します。これはセル厚が0.13 mm、0.15 mm、0.18 mmのいずれの場合でも起こります。
この変形は主に、はんだ付け中に生じる不均一な熱応力に起因します。これはBCセルに用いられる片面相互接続に伴う固有の構造的問題です。
さらに懸念されるのは、 セル厚を増やしても問題は効果的に解決しない. シミュレーション結果は、片面はんだ付けが最大4.9 mmもの反りを生じる可能性があることを示しています。セル厚を0.18 mmに増やしても、反りは約18%しか減少しません。同じ条件では、両面はんだ付けによる最大反りはわずか0.07 mmです。
| はんだ付け条件 | セルまたはプロセス条件 | 報告された反り挙動 |
|---|---|---|
| 片面はんだ付け | 21本のリボンを持つ182 mm × 105 mmセル | 110°Cから22°Cへの冷却中に顕著な反り |
| 片面はんだ付け | セル厚0.13 mm、0.15 mm、または0.18 mm | 3つの厚さすべてで反りは顕著なまま |
| 片面はんだ付け | シミュレーション結果 | 反りは4.9 mmに達する可能性がある |
| 片面はんだ付け | 厚さを0.18 mmに増加 | 反りは約18%しか減少しない |
| 両面はんだ付け | 同じ比較条件 | 最大反りは約0.07 mm |
これは、ウェハの厚膜化のみによって両面はんだ付けの反りレベルを達成するには、0.18 mmをはるかに超える厚さが必要になることを意味します。それはシリコン消費量と材料コストを大幅に増加させるでしょう。
この問題はラミネーション工程にも及びます。片面はんだ付けによる非対称な反りは、セルエッジ周辺および中央領域の 封止材 を圧縮する可能性があります。封止材は薄くなるか、あるいは突き破られることさえあり、局所的な応力集中点を生じさせて構造の完全性とモジュールの長期的な信頼性を脅かします。
4. より薄く、より大きなセルが問題を増幅する
太陽光発電業界は、シリコンコストを削減するために薄いウェハを、モジュール出力を高めるために大きなセルフォーマットを追求し続けています。どちらの傾向もBCセルの反りをより深刻にする可能性があります。研究によると、 セル厚の低減とセルサイズの拡大はどちらも変形を著しく増加させる.
210 mm × 210 mmセルの場合、厚さを150 μmから70 μmに減らすと、報告されている反りは1.69 mmから8.25 mmに増加し、ほぼ5倍になります。
| セルサイズ | セル厚 | 報告された反り |
|---|---|---|
| 210 mm × 210 mm | 150 μm | 1.69 mm |
| 210 mm × 210 mm | 70 μm | 8.25 mm |
これらの数値は、ウェハ薄化によって生じる課題を明確に示しています。高効率と低コストの両方を追求する業界にとって、シリコン厚を低減しながら反りを制御することは、取り組むべき技術的障壁となっています。
6. 業界の緩和戦略と展望
業界ではすでに、BCセルの反りを管理するためのいくつかの方法が検討されています。一般的なアプローチには以下が含まれます：
ハーフセルモジュール設計： セル寸法を小さくすることで、絶対的な反り高さを低減できます。
グリッドライン材料と幅の最適化： メタライゼーション構造を調整することで、裏面の応力を管理しやすくなります。
低温はんだ付け： プロセス温度を下げることで、相互接続時の熱応力を低減できます。
導電性接着剤の熱プレス： これは従来の高温はんだ付けプロセスに代わる方法を提供します。
湾曲加圧ブロック補正機構： 特殊な補正構造をタバーおよびストリンガー装置に組み込み、処理中のセル形状を制御できます。
低温はんだリボン相互接続
参考文献
Dong Peng、 高効率N型バックコンタクト太陽電池プロセスに関する研究
MeCan Solar、 大型薄型BCセルの反り挙動とグリッドライン構造の最適化
Solar and Energy Storage Review、 片面はんだ付けの魅力的な外観は、反りとその関連リスクを隠せない
Ooitechの見解
反り制御は、単なるセル厚の問題ではなく、モジュールプロセス全体の課題として扱う必要があります。はんだ付け温度、リボン配置、圧力制御、ハンドリング、ラミネーションは、特に薄型・大型のBCセルを使用する場合、一体として調整しなければなりません。相互接続段階で制御されずに残った小さな変形は、その後の生産ラインで歩留まりや信頼性の問題につながる可能性があります。
