JP2004327901A - 透光性薄膜太陽電池モジュール - Google Patents

透光性薄膜太陽電池モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】所望の光透過率を有する透光性薄膜太陽電池モジュールを低コストで簡便に提供する。
【解決手段】透光性薄膜太陽電池モジュール(20)において、所定の透光率を有する1以上の透光性薄膜太陽電池サブモジュール(22)と1以上の非透光性薄膜太陽電池サブモジュール(21)とが同一の透明絶縁パネル上に配置されており、非透光性サブモジュールに対する透光性サブモジュールの数の比率は透光性モジュール全体として所望の平均透光率が得られるように設定されていることを特徴としている。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は透光性薄膜太陽電池モジュールに関し、特に、建築物の用途に利用される場合に低コストでかつ簡便に所望の透光率を実現し得る透光性薄膜太陽電池モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、炭酸ガス排出による地球温暖化防止の観点から、クリーンエネルギ源として、半導体太陽電池の利用の拡大が期待されている。半導体太陽電池の中でも、半導体結晶ウエハを利用する結晶系太陽電池に比べて、気相堆積による半導体薄膜を利用する薄膜系太陽電池は低コストで大面積に作製され得るので、特にその利用の拡大が期待されている。
【0003】
図8から図11において、従来の典型的な薄膜太陽電池の構造が模式的に図解されている。図8は薄膜太陽電池の背面を表す平面図であり、図9は図8中の線分Aに沿った断面図であり、図10は図8中の線分Bに沿った断面図であり、そして図11は図8中の点線Cに沿って切り出した部分の模式的斜視図である。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。
【0004】
これらの図8から図11に図解された薄膜太陽電池1においては、ガラスなどの透明絶縁基板2上に透明電極層3、半導体光電変換層4、および裏面金属電極層5がスパッタやCVD(化学気相堆積)などを利用して順次積層されている。ガラス基板2としては、近年では約1m平方の大きさのものまで用いられている。透明電極層3としてはZnO、SnO、ITO(インジュウム錫酸化物)などが用いられ、金属電極層5としてはAg、Alなどが主に用いられている。各層3、4、5の堆積とエッチングまたはレーザスクライブなどによるパターニングとを繰り返して複数の短冊状光電変換セル16が形成されており、それらの短冊状セル16は短軸方向に電気的に直列接続された集積構造にされている。
【0005】
すなわち、隣接するセル16間において裏面電極層5はセル間分離溝6によって分離されているが、一つのセル16の透明電極3は隣のセル16の裏面電極5に接続されている。また、各層3、4、5は、周縁分離溝11によって、発電領域13と非発電領域14とに分離されている。このような周縁分離溝11は、各層3、4、5の周縁端部における透明電極3と裏面電極5との短絡欠陥などを分離するために設けられる。このような場合、発電領域内において、セル間分離溝6によって1%未満の透光性は存在している。
【0006】
直列接続された複数セル中の両端のセル上には、バスバー(母線)電極12が設けられ、全セルからの出力電流はこれらのバスバー電極12から取り出される。両バスバー電極12の一方は、図9に示されているように、接続溝7を介して半田層17によって透明電極3に接続されている。そして、他方のバスバー電極12は、半田層によって裏面電極5に接続されればよい。
【0007】
従来では、建築物用の大型の薄膜太陽電池は、ビルの屋上や家屋の屋根上に設置されるのが一般的である。しかし、最近では、日照空間の利用効率の改善の観点から、ビルの屋上や家屋の屋根上のみならず建築物の壁面上に薄膜太陽電池が設置されている。また、建築物の窓自体や採光屋根自体さらに商店街のアーケードの屋根自体などにも薄膜太陽電池を利用することが試みられている。ここで、建築物の採光屋根自体や窓自体またはアーケードの屋根自体などに薄膜太陽電池を利用する場合には、建築物内部やアーケードの照明光として、薄膜太陽電池が部分的に太陽光を透過する必要がある。
【0008】
太陽光の一部を透過し得る薄膜太陽電池の一例は、例えば特許文献1の特開平5−251723号公報において開示されている。
【0009】
図12と図13において、透光性薄膜太陽電池の一例が模式的に図解されている。図12は透光性薄膜太陽電池の背面を表す平面図であり、図13は図12中の点線Dに沿って切り出した部分の模式的斜視図である。図12中の線分AとBに沿った断面構造は、それぞれ図2と図3に対応している。図12の透光性薄膜太陽電池1aでは、発電領域15において太陽光が部分的に透過し得る。
【0010】
その発電領域15が部分的に太陽光を透過し得るのは、図13に示されているように、複数の光透過用溝8が形成されているからである。すなわち、半導体層4と金属電極層5が光透過用溝8によって除去されている。ただし、光透過用溝8はセル間分離溝6に交差して形成されており、セル間分離溝6の両側のセルは互の電気的直列接続が維持されている。なお、光透過用溝の代わりに、光透過用穴が形成されてもよいことは言うまでもない。
【0011】
【特許文献1】
特開平5−251723号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
建築物の窓自体や採光屋根自体またはアーケードの屋根自体などに透光性薄膜太陽電池を設置して太陽光の一部を照明光として利用しようとする場合、透光性薄膜太陽電池に求められる光透過率は一定ではない。なぜならば、建築物内の部屋の用途などに依存して、求められる照明光の明るさが必ずしも一定ではないからである。
【0013】
他方、図13に図解されているような透光性薄膜太陽電池において、その光透過率は光透過用溝8の幅および密度(本数の多少)に依存して定まる。すなわち、完成後の透光性薄膜太陽電池においては、その光透過率を変更することはできない。したがって、求められる光透過率を有する透光性薄膜太陽電池を作製するためには、各光透過率ごとに設計変更して、それに対応して製造プロセスも変更しなければならい。
【0014】
例えば、図13の透光性薄膜太陽電池に比べて半分の透光率が求められる場合、図14に示されているように光透過用溝8の密度(本数)を半分にするか、または図15に示されているように光透過用溝8の各々の幅を半分にするように設計変更しなければならない。もちろん、逆に光透過率を高めることが求められる場合には、光透過用溝8の密度を高めおよび/または各光透過用溝8の幅を拡大しなければならない。このように光透過用溝の幅と密度を調整することによって、例えば3%〜50%の範囲内の光透過率を実現可能である。
【0015】
なお、光透過用溝の代わりに光透過用穴が形成される場合には、溝幅の大小の関係が穴径の大小の関係に対応し、溝数の大小の関係が穴数の大小の関係に対応する。また、透光性薄膜太陽電池において、光透過率の増大に伴って出力電力が低下することは言うまでもない。したがって、透光性薄膜太陽電池の光透過率は、望まれる透過光の明るさと望まれる出力電力との両方を勘案して決定される。
【0016】
さらに、光透過率が変更された透光性薄膜太陽電池を作製するためには、光透過用溝8を形成するための例えばレーザスクライブにおいて、スクライブの走査本数の変更および/またはレーザパワーの変更などを行わなければならない。このような設計変更やプロセスの変更は、透光性薄膜太陽電池のコストの上昇を招くのはもちろんのこと、プロセスを煩雑化させる。
【0017】
上述のような先行技術の状況に鑑み、本発明は、所望の光透過率を有する透光性薄膜太陽電池を低コストで簡便に提供することを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明による透光性薄膜太陽電池モジュールにおいては、所定の透光率を有する1以上の透光性薄膜太陽電池サブモジュールと1以上の非透光性薄膜太陽電池サブモジュールとが同一の透明絶縁パネル上に配置されており、非透光性サブモジュールに対する透光性サブモジュールの数の比率は透光性モジュール全体として所望の平均透光率が得られるように設定されていることを特徴としている。
【0019】
なお、透光性サブモジュールと非透光性サブモジュールは、それらの出力電流が合体されて透光性モジュール全体から一つの出力電流として取り出されるように、互いに電気的に接続され得る。その際に、所定の複数のサブモジュールが電気的に並列接続された並列サブモジュールグループの複数を含み、それら複数の並列サブモジュールグループが電気的に直列接続されることが好ましい。また、複数の並列サブモジュールグループは互いに同数の透光性サブモジュールを含むことが好ましい。
【0020】
透光性サブモジュールと非透光性サブモジュールのいずれもが透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層を含んで作製することができ、透光性サブモジュールにおいては半導体光電変換層と裏面電極層を貫通する複数の透光用溝または穴を含み得る。サブモジュールの各々はその出力電流を取り出すために両端辺に沿って裏面電極層上にバスバー電極を有し、それらのサブモジュール間の電気的接続はバスバー電極間に接続リードを接合することによって行われ得る。
【0021】
裏面電極層の背面側は透明封止樹脂層を介して透明絶縁パネルによって封止され得る。また、透明絶縁パネル上に配置された複数のサブモジュールの透明絶縁基板間の隙間には耐候性で絶縁性の充填樹脂が付与されていることが好ましい。さらに、接続リードが裏面電極層と直接対面する位置およびサブモジュール間の隣接領域と対面する位置にはそれらの間に絶縁フィルムが挿入されていることが好ましい。
【0022】
透光性サブモジュールと非透光性サブモジュールとは、透光性モジュール全体の透過光による照明効果が均一になるように、パネル上で所定の周期的パターンに配列されていることが好ましい。
【0023】
【発明の実施の形態】
透光性薄膜太陽電池の一般的な製造工程の例として、レーザ加工装置による透光用溝または穴の加工後に、
(1) 洗浄を実施、
(2) 洗浄に加えてアニールを実施、
(3) 洗浄工程としのブラシ洗浄に加えてアニールを実施
のいずれかを行うことによって、その太陽電池の高い出力性能を得ることができる。そのような高い出力特性の確保のために、アニール処理(例えば150℃で20分以上)は必須の工程である。そして、ブラシ洗浄工程とアニール処理を併用することが、透光性薄膜太陽電池の製造にもっとも好ましい。
【0024】
また、透光性薄膜太陽電池においては多数の透光用溝または穴を発電領域中に設けるので、セルに欠陥が生じて電流リークが生じやすい傾向にある。したがって、その非晶質半導体光電変換層が通常の膜厚よりも厚い330nm程度の場合に、いわゆるステブラーロンスキー効果による光劣化後の出力特性が最大になる。すなわち、透光性薄膜太陽電池の場合には、非晶質半導体光電変換層が300〜350nmの厚さ範囲内にあることが好ましい。
【0025】
図1から図3において、本発明の一実施形態による透光性薄膜太陽電池モジュールが模式的に図解されている。図1は透光性薄膜太陽電池モジュールの背面を模式的な平面図で示しており、図2と図3は図1中の破線で示された領域E内で互いに直交する断面を示している。
【0026】
この透光性薄膜太陽電池モジュール20は、対角方向に配置された2つの非透光性薄膜太陽電池サブモジュール21と、その逆対角に配置された2つの透光性薄膜太陽電池サブモジュール22とを含んでいる(図1参照)。これらのサブモジュール21、22の背面は、例えばEVA(エチレンビニルアセテート)などからなる封止樹脂層31を介して、ガラス板などからなる透明絶縁性パネル32によって封止されている(図2および図3参照)。例えば、約1m平方の透明絶縁性パネル32上に、約500cm平方のサブモジュール21、22を4枚配置することができる。
【0027】
図1に示されているように4つのサブモジュールを含む透光性薄膜太陽電池モジュールにおいては、透明絶縁パネル32に貼り付けるサブモジュールの非透光性と透光性を選択することによって、4通りの光透過率を低コストで容易に実現することができる。すなわち、透明絶縁パネル32上に貼り付けるサブモジュールのうちで、透光性サブモジュール22の枚数は1から4の間で選択可能であり、その枚数の増大にしたがって、透光性薄膜太陽電池モジュール全体としての平均光透過率が増大する。
【0028】
図1から分かるように、左右に隣接するサブモジュール同士においては、例えば半田めっきされた銅箔からなるリボン状の接続リード18によってバスバー電極12間が互いに電気的に並列接続されている(互いに直交する断面図である図2と図3をも参照)。すなわち、左右に隣接する非透光性サブモジュール21と透光性サブモジュール22は並列サブモジュールグループを構成しており、これによってモジュール間で平均化された出力電流が得られる。また、上下に隣接している並列サブモジュールグループ同士は接続リード18によって互いに電気的に直列接続されており、これによって所望の出力電圧が得られる。そして、透光性薄膜太陽電池モジュールに含まれるすべてのサブモジュールからの出力電力は、2つの出力端子19から取り出される。
【0029】
図1から図3において図解されているような透光性薄膜太陽電池モジュールは、例えば以下のような手順で作製することができる。まず、透明絶縁パネル32へ固定する前のサブモジュール21、22の配置を安定させて取り扱いを容易にするために、例えばフッ素樹脂でコートされたガラス不織布のシート上に、裏面電極を上にした状態でそれらのサブモジュールを配置する。
【0030】
そして、半田めっきされた銅箔からなる接続リード18によって、左右に隣接するサブモジュール21、22のバスバー電極12間を電気的に並列接続し、並列サブモジュールグループを形成する。さらに、上下に隣接する並列サブモジュールグループのバスバー電極12間を接続リード18で電気的に直列接続する。また、接続リード18と同様な出力端子19もバスバー電極12に接続される。
【0031】
その後、透明絶縁パネル32と同じ面積で例えば厚さ0.4mmの第1のEVAシートが、電気的接続の完了した全サブモジュール上に封止樹脂層の一部として被せられる。このとき、第1のEVAシートにおいて、接続リード18の位置には切り込みが設けられている。そして、第1のEVAシートのその切り込み部分が、接続リード18とサブモジュール21、22との間に挿入される。その後に、第1のEVAシート全体を覆うように、同一面積で厚さ0.4mmの第2のEVAシートが被せられる。
【0032】
その第2のEVAシート上には、透明絶縁パネル32としてのガラス板が被せられる。そして、この状態において、真空ラミネートが行われる。真空ラミネートでは、例えば160℃において2分間の真空引きを行った後に、例えば6分間のプレス処理が行われる。その後、EVA層の強度を高めるために、オーブン内で常圧下で150℃の温度で1時間加熱して硬化(キュアリング)処理がなされる。こうして、第1と第2のEVAシートが一体の封止樹脂層31になる。
【0033】
図3に類似する図4は、上述の実施形態の一部を変更した他の実施形態を示す模式的な断面図である。すなわち、透明絶縁パネル32上にサブモジュールを貼り付ける場合、隣接するサブモジュールのガラス基板2間の隙間33(図3参照)には、図4に示されているように充填樹脂34を付与することが好ましい。なぜならば、上述のように封止樹脂層31の形成に用いられるEVAシートは非常に薄いものであり、隣接するガラス基板2間の隙間33をそのEVA樹脂で充填することはできないからである。
【0034】
すなわち、その隙間33からガラス基板2と封止樹脂層31との間に空気中の水分などが侵入し、配線間の電流リークや発電領域の劣化などを生じる恐れがあり、透光性薄膜太陽電池モジュールの長期信頼性が問題となり得るからである。なお、そのような充填樹脂34としては、耐候性で絶縁性のシリコーン系樹脂やブチル系樹脂を用いることが好ましい。
【0035】
図4に類似する図5は、図4の実施形態の一部を変更したさらに他の実施形態を示す模式的な断面図である。すなわち、図5に示されているように、バスバー電極12間を接続する接続リード18が裏面金属電極層と対面する領域では、それらの間に絶縁フィルム35を挿入することが好ましい。これによって、接続リード18と裏面金属電極層との間の電流リークをより確実に防止することができ、透光性薄膜太陽電池モジュールの信頼性の観点から好ましい。
【0036】
図6は本発明のさらに他の実施形態による透光性薄膜太陽電池モジュールの背面側を模式的な平面図で示しており、この透光性薄膜太陽電池モジュール20は市松模様に配列された8枚の非透光性サブモジュール21と8枚の透光性サブモジュールとを含んでいる。例えば、約1m平方の透明絶縁性パネル上に、約250cm平方のサブモジュール21、22を16枚配置することができる。
【0037】
図6に示されているように16のサブモジュールを含む透光性薄膜太陽電池モジュールにおいては、透明絶縁パネルに貼り付けるサブモジュールの非透光性と透光性を選択することによって、16通りの光透過率を低コストで容易に実現することができる。すなわち、透明絶縁パネル上に貼り付けるサブモジュールのうちで、透光性サブモジュール22の枚数は1から16の間で選択可能であり、その枚数の増大にしたがって、透光性薄膜太陽電池モジュール20全体としての平均光透過率が増大する。
【0038】
図7は、図6の透光性薄膜太陽電池モジュールの等価回路図を示している。すなわち、左右に隣接する4枚のサブモジュールは互いに電気的に並列接続されており、並列サブモジュールグループを形成している。これによって、モジュール間で平均化された出力電流が得られる。そして、上下方向に配列されたそれらの4つの並列サブモジュールグループは互いに電気的に直列接続されている。これによって所望の出力電圧が得られる。そして、透光性薄膜太陽電池モジュールに含まれるすべてのサブモジュールからの出力電力は、2つの出力端子19から取り出される。
【0039】
ところで、非透光性サブモジュール21と比較すれば、当然に透光性サブモジュール22の出力電流は相対的に低く、その光透過率に反比例して出力電流が低下する。一般に、出力電流の大きなサブモジュールと小さなサブモジュールとを直列接続した場合、全体としてのモジュールの出力電流は、出力電流の小さい方のサブモジュールによって制限される。したがって、複数の並列サブモジュールグループは、それぞれ同数の透光性サブモジュールを含むことが好ましい。
【0040】
また、薄膜太陽電池モジュール全体として均一な照明効果を生じさせるためには、非透光性サブモジュールと透光性サブモジュールは周期的なパターンで配列されることが好ましい。そして、そのような周期的パターンで配列すれば、必然的に複数の並列サブモジュールグループがそれぞれ同数の透光性サブモジュールを含むことになり得る。
【0041】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、所望の光透過率を有する透光性薄膜太陽電池モジュールを低コストで簡便に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による透光性薄膜太陽電池モジュールの背面側を示す模式的な平面図である。
【図2】図1中の破線領域E内における模式的な一断面図である。
【図3】図1中の破線領域E内で図2に直交する方向における模式的な一断面図である。
【図4】図3の一部を変更した実施形態を示す断面図である。
【図5】図4の一部を変更した実施形態を示す断面図である。
【図6】本発明のさらなる実施形態による透光性薄膜太陽電池モジュールの背面側を示す模式的な平面図である。
【図7】図6の透光性薄膜太陽電池モジュールに対応する等価回路図である。
【図8】従来の非透光性薄膜太陽電池の背面側を示す模式的な平面図である。
【図9】図8中の線分Aに沿った模式的断面図である。
【図10】図8中の線分B沿った模式的断面図である。
【図11】図8中の点線Cに沿って切り出した部分の模式的な斜視図である。
【図12】従来の透光性薄膜太陽電池の背面側を示す模式的な平面図である。
【図13】図12中の点線Dに沿って切り出した部分の一例の模式的な斜視図である。
【図14】図12中の点線Dに沿って切り出した部分の他の例の模式的な斜視図である。
【図15】図12中の点線Dに沿って切り出した部分のさらに他の例の模式的な斜視図である。
【符号の説明】
1 従来の非透光性薄膜太陽電池、1a 従来の透光性薄膜太陽電池、2 透明絶縁基板、3 透明電極層、4 半導体光電変換層、5 裏面金属電極層、6セル間分離溝、7 接続溝、8 光透過用溝、11 周縁分離溝、12バスバー電極、13 発電領域、14 非発電領域、15 透光性発電領域、16 光電変換セル、17 半田層、18 接続リード、19 出力端子、20 透光性薄膜太陽電池モジュール、21 非透光性薄膜太陽電池サブモジュール、22 透光性薄膜太陽電池サブモジュール、31 封止樹脂層、32 透明絶縁パネル、33 隙間、34 充填樹脂、35 絶縁フィルム。

Claims (10)

  1. 所定の透光率を有する1以上の透光性薄膜太陽電池サブモジュールと1以上の非透光性薄膜太陽電池サブモジュールとが同一の透明絶縁パネル上に配置されている透光性薄膜太陽電池モジュールであって、前記非透光性サブモジュールに対する前記透光性サブモジュールの数の比率は前記透光性モジュール全体として所望の平均透光率が得られるように設定されていることを特徴とする透光性薄膜太陽電池モジュール。
  2. 前記透光性サブモジュールと前記非透光性サブモジュールは、それらの出力電流が合体されて前記透光性モジュール全体から一つの出力電流として取り出されるように、互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
  3. 所定の複数の前記サブモジュールが電気的に並列接続された並列サブモジュールグループの複数を含み、それら複数の並列サブモジュールグループが電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
  4. 複数の前記並列サブモジュールグループは互いに同数の前記透光性サブモジュールを含むことを特徴とする請求項3に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
  5. 前記透光性サブモジュールと前記非透光性サブモジュールのいずれもが透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層を含み、前記透光性サブモジュールにおいては前記半導体光電変換層と裏面電極層を貫通する複数の透光用溝または穴を含んでいることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
  6. 前記サブモジュールの各々はその出力電流を取り出すために両端辺に沿って前記裏面電極層上にバスバー電極を有し、それらのサブモジュール間の電気的接続は前記バスバー電極間に接続リードを接合することによって行われていることを特徴とする請求項5に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
  7. 前記裏面電極層の背面側は透明封止樹脂層を介して前記透明絶縁パネルによって封止されていることを特徴とする請求項5または6に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
  8. 前記透明絶縁パネル上に配置された複数の前記サブモジュールの前記透明絶縁基板間の隙間には耐候性で絶縁性の充填樹脂が付与されていることを特徴とする請求項7に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
  9. 前記接続リードが前記裏面電極層と直接対面する位置および前記サブモジュール間の隣接領域と対面する位置にはそれらの間に絶縁フィルムが挿入されていることを特徴とする請求項6に記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
  10. 前記透光性サブモジュールと前記非透光性サブモジュールとは、前記透光性モジュール全体の透過光による照明効果が均一になるように、前記パネル上で所定の周期的パターンに配列されていることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の透光性薄膜太陽電池モジュール。
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