JP2006066619A - 光源一体型太陽電池モジュールおよびそれを用いた発電発光ユニット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源一体型太陽電池モジュールは、表面および裏面を有する光透過型の太陽電池と、太陽電池の裏面側を覆うように設けられた光透過型の面発光体とを備え、太陽電池は表面側から入射する光を利用して電力を発生し、面発光体は太陽電池で発生した電力を利用してその両面から面発光し、面発光体の両面から面発光される光のうち太陽電池の裏面と隣接する面発光体の一方の面から面発光された光は太陽電池を透過して太陽電池の表面側へ出射され、他方の面から面発光された光は太陽電池の裏面側へ出射されることを特徴とする。
【選択図】図4
Description
そこで、太陽電池モジュールの表面や裏面を任意の色に着色し、色の異なる太陽電池モジュールを組合せることにより所望の文字や図形等の模様を表示するように構成された太陽電池パネルが提案されるに至っている。例えば、次のようなものが一般に知られている。
また、太陽電池と、発光パネル又は発光素子等の光源が同一面上で重ならないように配設されている発光装置では、発電効率の低下は生じないものの、太陽電池が配置された領域からは発光を取り出せず、全面発光とならないことから認識性、意匠性に課題が残る。
また、夜間には発光素子の配置箇所の輝度が非配置箇所より明るくなるため、より均一な輝度の面発光が得られるものが望まれていた。
さらには、設置箇所や用途の多用化に対応するために、太陽電池の裏面側だけでなく表面側も面発光させることができるものが望まれていた。
さらに、面発光体が光透過型であることから、昼間には発電を行いつつ太陽光をスムーズに透過させることができ、夜間には、例えば、面発光体の一方の面から発せられる光は屋外の照明や広告等の表示に、他方の面から発せられた光は屋外や屋内の照明等に利用することができる。
この結果、窓、天窓、透光性の屋根、表示板、照明、庭園灯等、様々な用途に利用できる認識性、意匠性および機能性に優れた光源一体型太陽電池モジュールを提供できる。
この発明による光源一体型太陽電池モジュールにおいて、太陽電池としては、光透過型であれば特に限定されるものではなく、結晶系太陽電池又は薄膜系太陽電池のいずれであっても構わない。
また、太陽電池の形態としては、単一の太陽電池セルであってもよいし、複数の太陽電池セルが電気的に接続された太陽電池モジュールであってもよい。
また、面発光体としては、電力で両面に面発光できるものであればよく特に限定されないが、低消費電力で高輝度のものが好ましい。
このような構成によれば、透光性の板状体の端面にLED照明装置が設けられることから、LED照明装置から発せられた光を透光性の板状体に導いて板状体の両面から面発光させることができる。
また、光源としてLEDを用いることにより、低消費電力化、長寿命化、薄型軽量化を図ることができる。
また、LEDは、上記利点に加えて点滅動作等の制御が行い易いという利点もあり、この発明の光源一体型太陽電池モジュールの光源として好適である。
低消費電力化は太陽電池による発電量のみで十分な光度が得られることを意味し、長寿命化は光源一体型太陽電池モジュールのメンテナンスフリー化に寄与し、容易な制御性は表示体としてより多彩で高度なシステムを構築するうえで有利に作用する。
このような構成によれば、可視光領域のほぼ全域で単一光を発光できるようになるだけでなく、RGBの3原色を組合せることによってフルカラーの表示が可能になる。もちろん、RGBの3原色を同時点灯させて白色発光による夜間の照明効果を得ることも可能である。RGBのLED素子は、各色の単色LED素子が規則的に配列されてもよいし、RGBの3素子を搭載したチップLEDが用いられてもよい。
このような構成によれば、LED基板毎に発色を独立して制御できるので、LED基板の数を増やすことによって表示パターンを増やすことができ、より多彩で高度な表示が可能になる。
このような構成によれば、端面に配設されたLED照明装置から発せられた光を効率よく板状体の両面から発光させることができる。また、導光板の加工方法により両面への発光比率、発光パターン、発光分布等を自由に設定することができる。
このような構成によれば、面発光体が通常の裏面封止材の役割を兼ねるので、モジュールの軽量化、製造工程の簡略化、低コスト化を図ることができる。
このような構成によれば、任意の図柄が印刷された印刷フィルムが太陽電池と面発光体との間に挟まれることにより、印刷フィルムに印刷内容がそのまま表現され、昼夜を通して広告板や表示板として機能させることができる。なお、上記構成において「任意の図柄」とは、例えば、文字、図形、模様、絵、イラスト、写真等のあらゆる図柄を意味する。
このような構成によれば、光電変換層の一部に開口部が形成されるという、簡易な構造で光透過型の太陽電池を得ることができる。この場合、太陽電池全体の透過率は、太陽電池全体の面積に対する開口部の比率によって決定されるので、太陽電池全体の透過率の設定も容易になる。この開口部は、例えば、レーザ加工によって容易に形成でき、均一な輝度の全面発光を得るためには、なるべく、多数の開口部を均一な分布で形成することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換層がアモルファスシリコンのみからなるシングル構造に比べ、変換効率が約1.5倍程度向上すると共に、太陽電池の色合いが茶色から黒に近い色となり、表示体のバックカラーとしてより意匠性に優れたものとなる。
このような構成によれば、太陽電池の発電量と、面発光体の消費電力とのバランスをとりつつ、面発光体から発せられた光を効率良く太陽電池の表面側へ透過させると共に、面発光体の他方の面(すなわち光源一体型太陽電池モジュールの裏面側)へ適当な光量の太陽光を透過させることができる。
すなわち、開口率が5%より小さい場合には、面発光体から発せられた光を透過させる面積が小さくなり過ぎ表面側へ効率良く光を透過させることができなくなると共に、昼間に面発光体の他方の面へ透過する光量も不十分となる。一方、開口率が30%より大きい場合には、光電変換に寄与する面積が少なくなり過ぎ、発電効率が低下して面発光体の発光に必要な電力をまかなうことができなくなる恐れがある。
つまり、通常の集積型太陽電池セルは、光電変換層の存在する非透明部分と光電変換層の存在しない透明部分とから構成されるので、このような集積型太陽電池セルからなる太陽電池モジュールの背面側を照らすと、隣接するセルの透明部分に対応する箇所の輝度がその他の部分よりも高くなり、均一な輝度の全面発光が得られにくくなる。
しかしながら、上述のように構成すれば、隣接する一対の集積型太陽電池セルはそれらの一部、すなわちそれらの透明部分が太陽電池全体の透過率と同程度の透過率を有するフィルムによって覆われるので、太陽電池全体の透過率を一様に整えることができ、均一な輝度の全面発光が得られ易くなる。
なお、フィルムとしては、モジュール作製工程における温度プロセスに耐え得る耐熱性と、使用環境における耐候性を備えたものであればよく、特に限定されないが、光電変換層の色合いと同系の色合いを有するものであることが意匠上の観点からみて好ましい。
このような構成によれば、モジュール単体での独立運転が可能となり、設置箇所の範囲が広がり、さらには設置工事も単純化される。
特に、天窓のような小面積の部分へ設置する場合や、上述の印刷フィルムを設けて広告板や表示板として用いる場合には、モジュール単体で設置される可能性が高く、上記構成はこれらの場合に特に有用である。
このような発電発光システムによれば、昼間に発電し蓄えた電力を利用し、夜間にシステム全体で文字、図形、模様等を表示できる。
この発明による発電発光システムは、特に、大面積表示システムとして有用であり、店舗や企業の看板として好適に機能できる。
面発光体は各太陽電池モジュールの裏面側に設けられるので、太陽電池モジュールの発電効率を低下させる恐れもなく、また、表面側からはその存在を視認できないことから外観上の美観にも優れる。
この発明の実施例1よる光源一体型太陽電池モジュールについて、図1〜12に基づいて説明する。図1は実施例による光源一体型太陽電池モジュールの概略的な構成を示す正面図、図2は図1に示される光源一体型太陽電池モジュールの概略的な構成を示すA−A断面図、図3は図2に示される光源一体型太陽電池モジュールの発電時の作用を示す説明図、図4は図2に示される光源一体型太陽電池モジュールの発光時の作用を示す説明図、図5は光源一体型太陽電池モジュールを構成する集積型薄膜太陽電池セルの平面図、図6は図5に示される集積型薄膜太陽電池セルのB−B要部断面図、図7は図5に示される集積型薄膜太陽電池セルのC−C要部断面図、図8はLED照明装置を構成するLED基板の平面図、図9および図10は図5に示される集積型薄膜太陽電池セルの製造工程を示す工程図、図11は太陽電池モジュールの製造工程を示す工程図、図12は光源一体型太陽電池モジュールの組立工程を示す説明図である。
図1〜4に示されるように、実施例1による光源一体型太陽電池モジュール60は、表面および裏面を有する光透過型の太陽電池モジュール10と、太陽電池モジュール10の裏面側に設けられた光透過型の面発光体53とを備え、太陽電池モジュール10は表面側から入射する太陽光100を利用して電力を発生し、面発光体53は太陽電池モジュール10で発生した電力を利用してその両面からLED光200を面発光し、面発光体53から面発光されたLED光200のうち太陽電池モジュール10の裏面と隣接する面発光体53の一方の面から面発光されたLED光200は太陽電池モジュール10を透過して太陽電池モジュール10の表面側へ出射され、他方の面から面発光されたLED光200は太陽電池モジュール10の裏面側へ出射されるように構成されている。
これにより、図4に示されるように、LED照明装置50から発せられたLED光200は太陽電池モジュールの表面側から出射されるだけでなく、太陽電池モジュールの裏面側からも面発光されることとなる。
以下、実施例による光源一体型太陽電池モジュールの作製方法について説明する。
まず、図9(a)に示されるように、絶縁性の透光性基板として厚さ1.8mmのガラス基板21を使用し、ガラス基板21上(基板サイズ:560mm×925mm)に、透明導電膜22として、熱CVD法でSnO2(酸化錫)を成膜する。
次に、図9(b)に示されるように、YAGレーザの基本波を用いて透明導電膜22のパターニングを行う。レーザ光をガラス基板21側から入射させることにより、透明導電膜22は短冊状に分離されて分離ライン23が形成される。この後、得られたガラス基板基板21を純水で超音波洗浄する。
続いて、図9(d)に示されるように、プラズマCVD装置により第2光電変換層25を形成する。第2光電変換層25は、μc−Si:H p層、μc−Si:H i層、μc−Si:H n層からなり、合計の厚みは1.6μm程度である。第1光電変換層24と第2光電変換層25のコンタクト性向上による特性向上を目的として間に透明中間膜を挿入しても構わない。
第1光電変換層24と第2光電変換層25によってタンデム型の光電変換層26が構成される。
最後にP側、N側の端子部にパルスヒート方式により、はんだメッキバスバーをそれぞれ8箇所はんだ付けして集電極31(図5参照)を形成することにより、図5に示される集積型薄膜太陽電池セル20が完成する。
この工程2では、工程1で作製された集積型薄膜太陽電池セル20を2枚用いて3層合わせガラス構造の太陽電池モジュール10(図1参照)を作製する。
まず、図11(a)に示されるように、表面カバーガラス11となる基板サイズ1120mm×983mm、厚さ8mmの白板強化ガラスの上に接着層として、厚さ0.6mmのEVAシート12を2枚重ねてセットする。その上に工程1で作製した集積型薄膜太陽電池セル20を2枚並べてセットする。
並べられた2枚の集積型薄膜太陽電池セル20の対向するP側およびN側の集電極31(図1参照)を透明PET被覆バスバー13(図1参照)にて直列結線し、さらに両端に位置する一方のセル20のP側の集電極31(図1参照)と他方のセル20のN側の集電極31(図1参照)に、端子取り出し線として透明PET被覆バスバー13(図1参照)をはんだ付けする。
次いで、図11(c)に示されるように、黒色PETフィルム14の上にさらにEVAシート12を重ね、最後に、裏面カバーガラス15として基板サイズ1120mm×983mm、厚さ8mmの白板強化ガラスをセットする。
その後、はみ出した不要なEVA樹脂を端面処理により除去して、端子ボックス16(図1参照)をシリコーン樹脂によりガラス端面に接着し、端子ボックス16内でセルの端子取り出し線と外部のケーブル線17(図1参照)をそれぞれはんだ付け結線することにより、図1に示される状態の太陽電池モジュール10となる。なお、端子ボックス16内は、浸水による短絡防止のため、ポッティング用シリコーン樹脂を充填する。
上述の通り、図1に示される各LED照明装置50は、4つの縦長のLED基板51をそれらの長手方向に配置した構成となっている。図8に示される各LED基板51としては、プリント配線Alベース放熱基板を用い、LED素子52としては6mm×7mm、厚み2.4mm、最大消費電力400mWのRGBチップを搭載した大電流駆動が可能な超高輝度タイプのチップLEDを用いる。各LED基板51に搭載された12個の上記チップLEDは20mm間隔で一列に接続され、各LED基板51はそれぞれLED制御回路54(図1参照)に接続される。
その後、太陽電池モジュール10の周囲にモジュール枠18を兼ねるアルミ製防水ケースを取り付ける。
図8に示される各LED基板51には、上述の通りLED素子52として12個のチップLEDが搭載されるので、図1に示される光源一体型太陽電池モジュール60には96個のチップLEDが使用され、1個のチップLEDには、赤色、緑色、青色ともに8段階の階調をもたせるので、それらの組合せにより512色を表現できることとなる。
8つのLED基板51はそれぞれ独立して発光色が制御されるので、図1に示される光源一体型太陽電池モジュール60は同時に8種類の色を表現できる。
以上の工程1〜3によって、図1および図2に示される光源一体型太陽電池モジュール60が作製される。
昼間には図3に示されるように太陽光100によって発電と蓄電を行いつつ光源一体型太陽電池モジュール60の裏面側に太陽光100を透過させることができ、夜間には図4に示されるように蓄電された電力を利用して同時に8種類の色のLED光200を光源一体型太陽電池モジュール60の表面および裏面側から面発光させることができる。RGBの3色を同時点灯させれば白色の照明として利用することも可能である。
この発明の実施例2による発電発光システムについて図13に基づいて説明する。図13は実施例2による発電発光システムの正面図である。
図13に示される実施例2による発電発光システム70は、上述の実施例1による光源一体型太陽電池モジュール60を120台使用し、縦方向に8台、横方向に15台アレイ状に配置し、8m×18mの大面積自発光型の発電発光システムを構築したものである。
発電発光システム70全体で合計960枚のLED基板51(図9参照)が使用されるため、独立して制御できる領域は960箇所となり、それぞれRGBの階調の組合せで512色を表現することができる。
図示しないが、発電発光システム70は、充電・放電回路を備えた充電・放電制御ユニット、二次電池および各光源一体型太陽電池モジュール60の発光を統合的に制御する発光制御ユニットと接続して使用される。
この発明の実施例3による光源一体型太陽電池モジュールについて図14および図15に基づいて説明する。図14は実施例3による光源一体型太陽電池モジュールの概略的な構成を示す正面図であり、図15は実施例3による光源一体型太陽電池モジュールの電気的な構成を示すブロック図である。
図14に示される実施例3による光源一体型太陽電池モジュール61は、LED基板51aに搭載されるLED素子52(図8参照)として、6mm×5.7mm、厚み2.5mm、最大消費電力200mWの青紫色チップとRGB蛍光体からなる白色チップLEDを用い、さらにモジュール枠18aの上部内に充電・放電コントローラー55、リチウムイオン二次電池56、およびLED制御回路54を収容し防水処理を施したものである。なお、実施例3による光源一体型太陽電池モジュール61の電気的な構成は図15のブロック図に示される通りである。
各白色LEDチップの発光制御は、実施例1のようにLED基板51単位ではなく、LED照明装置50a単位として簡略化が図られているが、8段階の階調で発光制御することができる。その他の構成は実施例1による光源一体型太陽電池モジュール60と同様である。
なお、実施例3による光源一体型太陽電池モジュール61の公称最大出力は76.8Wであり、LED照明装置50aの最大消費電力の約4倍の出力があり、LED照明装置50aを駆動させるのに必要な電力を発電によって十分にまかなうことができ、実際に、昼間の充電により夜間に8時間以上発光させることができた。
この発明の実施例4による光源一体型太陽電池モジュールについて、図16および図17に基づいて説明する。図16は実施例4による光源一体型太陽電池モジュールの概略的な構成を示す正面図であり、図17は図16のD−D断面図である。
実施例4による光源一体型太陽電池モジュール62は、実施例3による光源一体型太陽電池モジュール61の裏面カバーガラス15と太陽電池モジュール10との間に任意の文字、図形、模様、写真等がカラー印刷された透明PETフィルム14aを挟むように設けたものである。
11・・・表面カバーガラス
12・・・EVAシート
13・・・透明PET被覆バスバー
14・・・黒色PETフィルム
14a・・・透明PETフィルム
15・・・裏面カバーガラス
16・・・端子ボックス
17・・・ケーブル線
18・・・モジュール枠
20・・・集積型薄膜太陽電池セル
21・・・ガラス基板
22・・・透明導電膜
23・・・分離ライン
24・・・第1光電変換層
25・・・第2光電変換層
26・・・光電変換層
27・・・コンタクトライン
28・・・裏面電極層
29・・・分離ライン
30・・・開口部
31・・・集電極
32・・・トリミング部
50,50a・・・LED照明装置
51・・・LED基板
52・・・LED素子
54・・・LED制御回路
55・・・充電・放電コントローラー
56・・・リチウムイオン二次電池
60,61,62・・・光源一体型太陽電池モジュール
70・・・発電発光システム
100・・・太陽光
200・・・LED光
Claims (13)
- 表面および裏面を有する光透過型の太陽電池と、太陽電池の裏面側を覆うように設けられた光透過型の面発光体とを備え、太陽電池は表面側から入射する光を利用して電力を発生し、面発光体は太陽電池で発生した電力を利用してその両面から面発光し、面発光体の両面から面発光される光のうち太陽電池の裏面と隣接する面発光体の一方の面から面発光された光は太陽電池を透過して太陽電池の表面側へ出射され、他方の面から面発光された光は太陽電池の裏面側へ出射される光源一体型太陽電池モジュール。
- 面発光体は、端面にLED照明装置が配設された透光性の板状体からなることを特徴とする特徴とする請求項1に記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- LED照明装置が、RGBの3原色を発する複数のLED素子を備えることを特徴とする請求項2に記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- LED照明装置はLED素子を搭載する複数のLED基板を備え、各LED基板はその発色を制御するための制御回路に接続されることを特徴とする請求項3に記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- 板状体は、ガラスまたは透明樹脂からなる導光板であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1つに記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- 面発光体が太陽電池の裏面側を封止することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- 任意の図柄が印刷された印刷フィルムを更に備え、印刷フィルムは太陽電池と面発光体との間に挟まれるように配設されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- 太陽電池は光電変換を行う光電変換層を有し、光電変換層はその一部に面発光体から発せられた光を裏面側から表面側へ透過させる開口部が形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- 太陽電池は、アモルファスシリコンからなる光電変換層と、微結晶シリコンからなる光電変換層が積層されたタンデム構造を有することを特徴とする請求項8に記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- 開口部は、太陽電池の有効発電領域に占める面積の比率が5〜30%の範囲内となるように形成されることを特徴とする請求項8又は9に記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- 太陽電池は複数の集積型太陽電池セルを互いに隣接するように配列した太陽電池モジュールであって、隣接する一対の集積型太陽電池セルはそれらの一部が太陽電池全体の透過率と同程度の透過率を有するフィルムで覆われていることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1つに記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- 充電・放電回路および2次電池を更に備えた請求項1〜11のいずれか1つに記載の光源一体型太陽電池モジュール。
- 平面状又は曲面状に配列された複数の光源一体型太陽電池モジュールを備え、各光源一体型太陽電池モジュールが請求項1〜12のいずれか1つに記載の光源一体型太陽電池モジュールからなることを特徴とする発電発光システム。
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