JP2008016388A - 太陽電池および太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の太陽電池は、第一基材を少なくとも備えた第一電極基板と、透明な第二基材を少なくとも備えた第二電極基板と、前記第一基材と前記第二基材との間の少なくとも一部に配された発電層と、から構成され、前記第二基材は、その側面部の一部が受光部として機能するとともに、受光した光を前記発電層へと導く光路誘導機構を少なくとも一部に備えていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
上記説明では、色素増感型の太陽電池を例示して問題点を詳述したが、この問題点は、色素増感型の太陽電池に限定されるものではなく、シリコン系太陽電池など他の太陽電池においても共通する技術課題の一つである。
また、本発明は、照射される光を有効に利用して、モジュールあたりの発電容量の大きな太陽電池モジュールを提供することを第二の目的とする。
本発明の請求項2に記載の太陽電池は、請求項1において、前記光路誘導機構は、前記第二基材を構成する前記受光部に設けられた、集光手段であることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の太陽電池は、請求項1において、前記光路誘導機構は、前記第二基材またはその近傍に設けられた、散乱手段であることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の太陽電池は、請求項1において、前記光路誘導機構は、前記第二基材を構成し前記受光部と対向する位置の近傍、前記第二基材を構成し前記発電層と対向する位置の近傍、または前記第二基材の内部に設けられた、反射手段であることを特徴とする。
本発明の請求項5に記載の太陽電池は、請求項1において、前記光路誘導機構は、前記第二基材を構成する前記受光部に設けられた、反射防止手段であることを特徴とする。
本発明の請求項6に記載の太陽電池モジュールは、第一基材を少なくとも備えた第一電極基板と、透明な第二基材を少なくとも備えた第二電極基板と、前記第一基材と前記第二基材との間の少なくとも一部に配された発電層と、から構成され、前記第二基材は、その側面部の一部が受光部として機能するとともに、受光した光を前記発電層へと導く光路誘導機構を備えている太陽電池を複数連結して配することを特徴とする。
また、本発明では、照射される光を有効に利用可能な太陽電池を複数連結して配することにより、従来モジュール化の際に要したグリッド状の金属配線が不要となる。ゆえに、従来は、金属配線の影になる部分が発電に寄与していなかったが、本発明の太陽電池モジュールでは、この部分が無くなるので、モジュールあたりの発電容量の増大を図ることができる。
本発明の太陽電池は、第一基材を少なくとも備えた第一電極基板と、透明な第二基材を少なくとも備えた第二電極基板と、前記第一基材と前記第二基材との間の少なくとも一部に配された発電層と、から構成される。
太陽電池10において、電解質層18を作用極基板17と対極基板13で挟んでなる積層体が、その外周部が封止部材19によって接着、一体化されて太陽電池として機能する。
透明導電膜15を形成する導電性金属酸化物としては、例えば、スズ添加酸化インジウム(ITO)、フッ素添加酸化スズ(FTO)、酸化スズ(SnO2)などが用いられる。これらの中でも、成膜が容易かつ製造コストが安価であるという観点から、FTO、ITOが好ましい。また、透明導電膜15は、FTOのみからなる単層の膜、または、ITOからなる膜にFTOからなる膜が積層されてなる積層膜であることが好ましい。
この電解液をゲル化する際に用いられるゲル化剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などが挙げられる。
常温溶融塩のカチオンとしては、四級化イミダゾリウム誘導体、四級化ピリジニウム誘導体、四級化アンモニウム誘導体などが挙げられる。
常温溶融塩のアニオンとしては、BF4 −、PF6 −、F(HF)n −、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド[N(CF3SO2)2 −]、ヨウ化物イオンなどが挙げられる。
イオン液体の具体例としては、四級化イミダゾリウム系カチオンとヨウ化物イオンまたはビストリフルオロメチルスルホニルイミドイオンなどからなる塩類を挙げることができる。
なお、炭素、白金、導電性高分子等の導電性材料から構成される基材を対極基板13として用いてもよい。この場合、導電性の被膜12は不要となる。
反射手段23としては、例えば、ミラーやフォトニッククリスタル等が挙げられる。
反射防止手段24によって、受光部14aに入射する光の、受光部表面での反射を防止することで、より多くの光を第二基材14へと入射させるとともに、より多くの光を多孔質酸化物半導体層(発電層)16へと導くことができ、より高い光吸収効率を実現することができる。
この太陽電池モジュール30は、導電性の第一基材11と、該第一基材11の主面上に形成された導電性の被膜12とからなる対極基板(第一電極基板)13と、絶縁性の透明な第二基材14と、該第二基材14の一面に透明導電膜15を介して配され、少なくとも一部に色素を担持した多孔質酸化物半導体層16とを備え、該多孔質酸化物半導体層16が前記第一基材11の一面と対向して配される作用極基板(第二電極基板)17と、前記対極基板13と前記作用極基板17との間の少なくとも一部に配された電解質層18と、から構成され、前記第二基材14は、その側面部の一部が受光部14aとして機能するとともに、受光した光を前記多孔質酸化物半導体層16(発電層)へと導く光路誘導機構を少なくとも一部に備えている太陽電池10を複数備えることを特徴とする。
つぎに、本発明の第二実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、上述した第一実施形態と異なる部分について主に説明し、同様の部分については、その説明を省略する。
この太陽電池40は、導電性の第一基材41と、該第一基材の主面上に配され、少なくとも一部に色素を担持した多孔質酸化物半導体層42とからなる作用極基板(第一電極基板)43と、絶縁性の透明な第二基材44と、該第二基材44の主面上に順に配された透明導電膜45と導電性の被膜46とを備え、該被膜46が前記多孔質酸化物半導体層42と対向して配される対極基板(第二電極基板)47と、前記第一電極基板43と前記第二電極基板47との間の少なくとも一部に配された電解質層48と、から構成される。
この場合、また、第一基材41が導電性を有する材料によって形成されていることにより、作用極基板43の両面が電気的に接続され、太陽電池が単一のセルとして機能する。したがって、両面に個別に配線を設ける必要がない。
この太陽電池モジュール50は、導電性の第一基材41と、該第一基材の主面上に配され、少なくとも一部に色素を担持した多孔質酸化物半導体層42とからなる作用極基板(第一電極基板)43と、絶縁性の透明な第二基材44と、該第二基材44の主面上に順に配された透明導電膜45と導電性の被膜46とを備え、該被膜46が前記多孔質酸化物半導体層42と対向して配される対極基板(第二電極基板)47と、前記第一電極基板43と前記第二電極基板47との間の少なくとも一部に配された電解質層48と、から構成され、前記第二基材44は、その側面部の一部が受光部44aとして機能するとともに、受光した光を前記多孔質酸化物半導体層42(発電層)へと導く光路誘導機構20を少なくとも一部に備えている太陽電池40を複数備えることを特徴とする。
<第三実施形態>
つぎに、本発明の第三実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、上述した第一実施形態と異なる部分について主に説明し、同様の部分については、その説明を省略する。
この太陽電池60は、シリコン半導体層(発電層)61と、シリコン半導体層61の一方の面に形成された第一電極膜(裏面電極)62と、シリコン半導体層61の他方の面に形成された第二電極膜(表面電極)63と、から構成される。
つぎに、本発明の第四実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、上述した第一実施形態と異なる部分について主に説明し、同様の部分については、その説明を省略する。
図11は、本発明に係る太陽電池の一実施形態を示す概略断面図である。この太陽電池70は、アモルファスシリコン太陽電池である。
アモルファスシリコン層(発電層)73は、p型アモルファスシリコン層73a、i型アモルファスシリコン層73b、n型アモルファスシリコン層73cが順に配されてなる。
例えば、上述した説明では、太陽電池として、色素増感、結晶シリコン、アモルファスシリコンの太陽電池を例に挙げて説明したが、本発明は、これ以外にも、化合物半導体、有機薄膜などのあらゆる種類の太陽電池に対して適用可能である。
本例では、色素増感型の太陽電池において、受光側に市販の導電性ガラス基板を用い、図1(a)に示すような構成、すなわち光路誘導機構として集光手段を配した構成を適用した場合について検討した。
市販のフッ素ドープした酸化スズ(FTO)を一方の面に設けた導電性ガラス基板(日本板硝子製、厚さ4mm)を用い、これを100mm×20mmの大きさに切断、長辺の一方の端側面を半円筒状に鏡面研磨、整形した後洗浄した。該導電性ガラス基板のFTO面上にメンディングテープ(住友3M製,スコッチテープ)をスペーサーにして酸化チタンペースト(Solaronix製、Ti-Nanoxide T)を塗布し、500℃、30分間焼成して、厚さ約2.5μm、投影面積90mm×5mmの多孔質酸化チタン層を構築した。そして該多孔質酸化チタン層にN719色素[bis(tetrabuthylammonium) cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylatee)ruthenium(II)、Solaronix製、Ruthenium535-bisTBA] を坦持させることで作用極を得た。
上述した太陽電池(セル)の2つのマイナス極の端子を、並列接続になるよう外部配線して、光電変換特性を測定した。
本例では、実施例1の光路誘導機構に代えて、図2(a)に示すような構成、すなわち光路誘導機構として散乱手段を配した構成を適用した場合について検討した。他の点は実施例1と同様とした。
市販のFTOをコートした導電性ガラス基板を100mm×20mmの大きさに切断、長辺の一方の端側面を、希薄なフッ酸水溶液によるエッチング法により、すりガラス様にすること、および該すりガラス面を光受光面とすることを除いては、実施例1と同様に太陽電池を作製した。以上のようにして得られた太陽電池は、光誘導機構として、該導電性ガラス基板のすりガラス様にした長辺側の側面が光散乱手段として機能する。また、実施例1と同様に、該導電性ガラス基板の、すりガラス様にした長辺側の側面方向のみから光が入射するようにマスクをし、光電変換特性を測定した。
本例では、実施例1の光路誘導機構に代えて、図3(a)と図3(b)に示すような構成、すなわち光路誘導機構として反射手段を配した構成を適用した場合について検討した。他の点は実施例1と同様とした。
市販のFTOをコートした導電性ガラス基板を100mm×20mmの大きさに切断、該導電性ガラス基板の、FTOがコートされていない裏面側、および一方の長辺の端側面に、それぞれ銀を蒸着して鏡とすること、および銀鏡を形成していない、他方の長辺の端側面を光受光面とすることを除いては、実施例1と同様に太陽電池を作製した。以上のようにして得られた太陽電池は、光誘導機構として、該導電性ガラス基板の銀鏡面が反射手段として機能する。また、実施例1と同様に、該導電性ガラス基板の、銀鏡を形成していない、他方の長辺側の側面方向のみから光が入射するようにマスクをし、光電変換特性を測定した。
本例では、実施例1の光路誘導機構に代えて、図4に示すような構成、すなわち光路誘導機構として反射防止手段を配した構成を適用した場合について検討した。他の点は実施例1と同様とした。
市販のFTOをコートした導電性ガラス基板を100mm×20mmの大きさに切断、長辺の一方の端側面に、反射防止フィルムを貼り付けること、および該フィルム貼りつけ面を光受光面とすることを除いては、実施例1と同様に太陽電池を作製した。以上のようにして得られた太陽電池は、光誘導機構として、該導電性ガラス基板の反射防止フィルムを貼り付けた面が反射防止手段として機能する。また、実施例1と同様に、該導電性ガラス基板の、反射防止フィルムを貼り付けた長辺側の側面方向のみから光が入射するようにマスクをし、光電変換特性を測定した。
本例では、実施例1の光路誘導機構に代えて、図3(c)に示すような構成、すなわち光路誘導機構として他の反射手段を配した構成を適用した場合について検討した。他の点は実施例1と同様とした。
市販のFTOをコートした導電性ガラス基板を100mm×20mmの大きさに切断、短辺方向への投影形状が直角三角形であり、かつ直角を挟む面のうち一方がFTOをコートした面であるような直角三角柱状に鏡面研磨、整形すること、および直角を挟む他方の長辺側の側面を光受光面とすることを除いては、実施例1と同様に太陽電池を作製した。以上のようにして得られた太陽電池は、光誘導機構として、該導電性ガラス基板の直角三角柱の斜面が反射手段として機能する。また、実施例1と同様に、該導電性ガラス基板の、直角を挟む面のうちFTOをコートしていない、長辺側の側面方向のみから光が入射するようにマスクをし、光電変換特性を測定した。
本例では、実施例1の光路誘導機構に代えて、光路誘導機構として集光手段、反射手段および反射防止手段を併せ持つ構成を適用した場合について検討した。他の点は実施例1と同様とした。
市販のFTOをコートした導電性ガラス基板を100mm×20mmの大きさに切断、長辺の一方の端側面を半円筒状に鏡面研磨、整形し、かつ、該導電性ガラス基板の、FTOがコートされていない裏面側、および半円筒状に整形していない他方の長辺の端側面に、それぞれ銀を蒸着して鏡を形成し、かつ、半円筒状に整形した側面に、反射防止フィルムを貼り付けることを除いては、実施例1と同様に太陽電池を作製した。以上のようにして得られた太陽電池は、光誘導機構として、集光手段、反射手段、反射防止手段を併せ持つ。また、実施例1と同様に、該導電性ガラス基板の、半円筒状に整形した長辺側の側面方向のみから光が入射するようにマスクをし、光電変換特性を測定した。
本例では、市販の多結晶シリコン太陽電池を用い、その受光側に、光路誘導機構として集光手段、反射手段および反射防止手段を併せ持つ構成を設けた場合について検討した。
市販の多結晶シリコン太陽電池(タミヤ社製、ITEM76002)の外部配線用の端子を残し、受光部が100mm×5mmの大きさになるよう切断した。厚さ3.8mmのホウケイ酸ガラス板(Schott社製、TEMPAX8330)を、実施例1と同様に、100mm×5mmの大きさになるよう切断、長辺の一方の端側面を半円筒状に鏡面研磨、整形した後洗浄した。さらに、該ガラス基板の主面の一方、および半円筒状に整形していない他方の長辺の端側面に、それぞれ銀を蒸着して鏡を形成し、かつ、半円筒状に整形した側面に、反射防止フィルムを貼り付けた。該シリコン太陽電池のグリッド配線を施してある表面と、該ガラス基板の銀鏡を形成していない主面との間に、厚さ0.1mmのエチレン−酢酸ビニル共重合体[EVA:poly(ethylene-co-vinylacetate)] シートを挟み、圧縮加熱により張り合わせ、積層体セルとした。以上のようにして得られた太陽電池は、光誘導機構として、集光手段、反射手段、反射防止手段を併せ持つ。
本例では、色素増感型の太陽電池において、受光側にSPD法で作製したFTO膜を配してなる導電性ガラス基板を用い、図1(a)に示すような構成、すなわち光路誘導機構として集光手段を配した構成を適用した太陽電池セルを複数用意し、これらの太陽電池セルを並列接続した太陽電池モジュールについて検討した。
厚さ3.8mmのホウケイ酸ガラス板の両面に、スプレー熱分解(SPD)法によりFTOを製膜した。該FTO両面コートガラス基板を、100mm×20mmの大きさに切断、長辺の一方の端側面を半円筒状に鏡面研磨、整形した後洗浄した。実施例1と同様に、該FTO膜付ガラス基板の両面に、それぞれ多孔質酸化チタン層を構築し、銅を成膜した。つぎに、半円筒状に整形していない他方の長辺の端側面に、銀を蒸着して鏡を形成し、かつ、半円筒状に整形した側面に、反射防止フィルムを貼り付けることを除いては、実施例1と同様にして、両面型作用極を作成した。
実施例1と同様に、上記多孔質酸化チタン層の長辺方向の幅90mmと、厚さ4mmのガラス基板2枚分、厚さ3.8mmのガラス基板8枚分、および厚さ0.1mm接着剤層9枚分の厚みの合計から考えて、90mm×39mmの穴を穿った、無反射塗料を塗布したマスクを通して光を照射した。このとき、受光面積はマスクの開口部面積の34.5cm2 である。
上述した各太陽電池(セル)のプラス極、マイナス極の端子を、それぞれ並列接続になるよう、モジュールの光入射方向に対して裏面で外部配線した。このように配置した太陽電池モジュールに対して、光電変換特性を測定した。
本例では、色素増感型の太陽電池において、受光側に市販の導電性ガラス基板を用い、受光部には図1〜4に例示するような光路誘導機構は一切設けずに、ガラス基板の側面部から光を入射させる構成を適用した場合について検討した。他の点は実施例1と同様とした。
市販のFTOをコートした導電性ガラス基板に、なんら加工を施すことなく用いることを除いては、実施例1と同様に太陽電池を作製した。以上のようにして得られた太陽電池は、光誘導機構をもたない。また、実施例1と同様に、該導電性ガラス基板の、マイナス端子を形成していない他方の長辺側の側面方向のみから光が入射するようにマスクをし、光電変換特性を測定した。
本例では、ガラス基板の主面のみから光を入射するようにした以外は、比較例1と同様の構成を適用した場合について検討した。
比較例1と同様に作製した太陽電池セルの、一方の導電性ガラス基板の裏面のみから光が入射するように、上記多孔質酸化チタン層の投影面積と同じ90mm×5mmの穴を穿った、無反射塗料を塗布したマスクを通して光を照射した。このとき、受光面積はマスクの開口部面積の4.5cm2 である。
上述した各太陽電池(セル)の2つのマイナス極のうち、光が照射される側の作用極に取り付けた端子のみに配線して、光電変換特性を測定した。
本例では、受光部には図1〜4に例示するような光路誘導機構は一切設けなかった以外は、実施例7と同様の構成を適用した場合について検討した。
市販のホウケイ酸ガラス基板に、なんら加工を施すことなく用いることを除いては、実施例7と同様に太陽電池を作製した。以上のようにして得られた積層体太陽電池セルは、光誘導機構をもたない。また、実施例7と同様に、上記積層体セルを、長辺側の側面方向のみから光が入射するようにマスクをし、光電変換特性を測定した。
本例では、ガラス基板の主面のみから光を入射するようにした以外は、比較例3と同様の構成を適用した場合について検討した。
比較例3と同様に作製した積層体太陽電池セルの、上記ホウケイ酸ガラス基板の主面部のみから光が入射するように、該積層体太陽電池の投影面積と同じ100mm×5mmの穴を穿った、無反射塗料を塗布したマスクを通して光を照射し、光電変換特性を測定した。このとき、受光面積はマスクの開口部面積の5.0cm2 であった。
実施例1〜7、比較例1〜4の各太陽電池(セル)、および実施例8の太陽電池モジュールについて、光電変換特性の評価を行った。評価試験はソーラーシミュレーター(山下電装製、YSS−150A)を光源にしてAM1.5G、100mW/cm2 の光を、それぞれのセルおよびモジュールの受光面に鉛直な方向から光照射を行ったときの照射角度を0°とし、その傾きを変化させながら光照射したときの光電変換特性を測定した。
表1〜6は光電変換特性の測定結果であり、特に短絡光電流密度については図12〜14にグラフ化して図示した。
(1)色素増感型の太陽電池からなる太陽電池(セル)においては、主面部から光を入射させた(以下、「主面光入射型」とも呼ぶ。)比較例2では、鉛直方向から光入射するときに変換効率が高いが、入射角度が大きくなるにしたがって短絡光電流密度(Jsc)が低下し、結果として光電変換効率(η)が低下した。
これに対し、側面部から光を入射させた(以下、「側面光入射型」とも呼ぶ。)比較例1では、鉛直方向から光入射するときにはほとんどの入射光がガラス基板を透過してしまうため、ほとんど発電しないが、僅か光の入射角度が大きくなると短絡光電流密度が急激に増加する。光の入射角度が20〜45[°]の範囲では、それぞれ対応する比較例の場合に比べて短絡電流密度が高くなり、特に30[°]付近では、変換効率においても主面部への鉛直光入射での値を超えた。しかも、上記の範囲で入射角度依存性が小さく、屋外に設置したときの時間積算発電量が、比較例2の場合に比べて大きくなることが期待される。
単純に、光入射方向を変えるだけではなく、様々な光誘導機構を第二基材に設けた実施例1−5では、それぞれの方法に特有の光入射角度依存性を示した。
Claims (6)
- 第一基材を少なくとも備えた第一電極基板と、
透明な第二基材を少なくとも備えた第二電極基板と、
前記第一基材と前記第二基材との間の少なくとも一部に配された発電層と、から構成され、
前記第二基材は、その側面部の一部が受光部として機能するとともに、受光した光を前記発電層へと導く光路誘導機構を少なくとも一部に備えていることを特徴とする太陽電池。 - 前記光路誘導機構は、前記第二基材を構成する前記受光部に設けられた、集光手段であることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
- 前記光路誘導機構は、前記第二基材またはその近傍に設けられた、散乱手段であることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
- 前記光路誘導機構は、前記第二基材を構成し前記受光部と対向する位置の近傍、前記第二基材を構成し前記発電層と対向する位置の近傍、または前記第二基材の内部に設けられた、反射手段であることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
- 前記光路誘導機構は、前記第二基材を構成する前記受光部に設けられた、反射防止手段であることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
- 第一基材を少なくとも備えた第一電極基板と、
透明な第二基材を少なくとも備えた第二電極基板と、
前記第一基材と前記第二基材との間の少なくとも一部に配された発電層と、から構成され、
前記第二基材は、その側面部の一部が受光部として機能するとともに、受光した光を前記発電層へと導く光路誘導機構を備えている太陽電池を複数連結して配することを特徴とする太陽電池モジュール。
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