JP5323114B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
太陽電池素子1は、図2及び図3に示すように、光透過性基材10と、前面電極11と、背面電極12と、光電変換層13と、絶縁層14と、シール層17と、封止基材18とを含んでいる。太陽電池素子1の前面、即ち受光面は光透過性基材10の表面であり、背面は封止基材側の表面である。
シール層17及び封止基材18は、省略することができる。
図4及び図5は、マルチスロープ構造を形成するための他の方法を示している。この方法では、まず、図4に示すように、平面状のフレキシブルな太陽電池素子1’を準備する。そして、この太陽電池素子1’を折るか又は曲げることにより、図5に示すマルチスロープ構造を得る。
以下の表1に、製膜方法の分類を示す。
図20に示す太陽電池モジュールは、以下の構成を採用したこと以外は、図1乃至図3を参照しながら説明した太陽電池モジュールと同様である。
図23に示す太陽電池モジュールでは、部材21に設けられている溝の深さ方向は、第1方向X1に対して垂直である。そして、各溝の2つの側壁の各々には、コンタクト電極22及び23の組が配置されている。
マルチスロープ構造においては、特に谷底部分に粉塵などのごみが堆積しやすいので、その対策を行うことが望ましい。特に粉塵のような微粒子の堆積に対しては、電界による微粒子の剥離・搬送が効果的である。セル表面の絶縁性保護膜の表面に、1mm〜10mm程度の間隔でライン状の電極線を配置し、これらの間に電界の向きが時間的に変化するような電圧を印加すると、帯電した微粒子が電界の変動に応じて振動し、セル表面から微粒子が剥離する。さらに、電極間の電界を空間的に進行する進行波とすれば、剥離した微粒子を特定の方向に搬送し、セル表面から除去することも可能になる。隣り合う電極間の電界は、20V/mm〜500V/mmの範囲が好適で、特に100〜200V/mm前後がより好ましい。隣り合う電極間に位相が90度〜180度程度ずれた交流電圧を印加し、これが進行波として電極間を伝わるようにしても良い。また、セルの補助配線間に定期的に上記の電界を印加するように設定すれば、新たに電極を設けることなくクリーニングが行える。
光酸化性を有する酸化チタン層を太陽電池モジュールの最表面に設けることで、付着した有機物の分解を促進して、クリーニングを行い、表面の汚れを除去することが可能である。
マルチスロープ構造の谷底に、幅0.5mmから2mm程度のスリットを谷線に沿って設け、ミリメートル単位のサイズの比較的大きなごみはこのスリットからセル外へ落下するように構成することも、ごみ対策として有効である。
図26は、バルクへテロ接合型の太陽電池の動作メカニズムを説明する図である。図26において、参照符号13p及び13nは、それぞれ、p型半導体及びn型半導体を表している。また、参照符号CP及びCEは、それぞれ、正孔及び電子を表している。
ηEQE=η1・η2・η3・η4。
光透過性基材10や封止基材18は、他の構成部材を支持するためのものである。これら基材は、熱や有機溶剤によって変質しないものが好ましい。基材の材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック、高分子フィルム、ステンレス鋼(SUS)、シリコン等の金属基材等が挙げられる。光透過性基材10は、光が入射する側に配置されるため、典型的には透明なものを使用する。封止基材18としては不透明な基材を使用してもよい。
前面電極11は、ここでは陽極である。前面電極11は、素子基材10の上に積層する。前面電極11の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されない。通常は、透明又は半透明の導電性を有する材料を、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で製膜する。透明又は半透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、及びそれらの複合体であるインジウム錫酸化物(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、インジウム亜鉛酸化物等からなる導電性ガラスを用いて作製された膜(NESA等)や、金、白金、銀、銅等が用いられる。特に、ITO又はFTOが好ましい。また、電極材料として、有機系の導電性ポリマーであるポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体等を用いてもよい。前面電極11の膜厚は、ITOの場合、30〜300nmであることが好ましい。30nmより薄くすると、導電性が低下して抵抗が高くなり、光電変換効率低下の原因となる。300nmよりも厚くすると、光透過率が低くなったり、可撓性がなくなって応力が作用するとひび割れてしまう。前面電極11のシート抵抗は可能な限り低いことが好ましく、10Ω/□以下であることが好ましい。前面電極11は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものであってもよい。背面電極12との電気的短絡や電流リークを軽減するため、なるべく表面は平滑であることが好ましい。
正孔輸送層は、任意に、陽極としての前面電極11と光電変換層13との間に配置される。正孔輸送層の機能は、下部の電極の凹凸をレベリングして太陽電池素子1における電気的短絡を防ぐこと、正孔のみを効率的に輸送すること、光電変換層13の界面近傍で発生したエキシトンの消滅を防ぐこと等である。正孔輸送層の材料としては、PEDOT/PSS(ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホネート))等のポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリン、ポリピロール等の有機導電性ポリマーを使用することができる。ポリチオフェン系ポリマーの代表的な製品としては、例えば、スタルク社のClevios PH500、CleviosPH、CleviosPV P Al 4083、CleviosHIL1.1が挙げられる。
光電変換層13は、前面電極11と背面電極12との間に配置される。バルクへテロ接合型の有機薄膜太陽電池を例にとって説明する。バルクヘテロ接合型の太陽電池は、p型半導体13pとn型半導体13nが光電変換層中で混合してミクロ層分離構造をとることが特徴である。バルクへテロ接合型は、混合されたp型半導体13pとn型半導体13nが光電変換層内でナノオーダーのサイズのpn接合を形成し、接合面において生じる光電荷分離を利用して電流を得る。p型半導体13pは、電子供与性の性質を有する材料で構成される。一方、n型半導体13nは、電子受容性の性質を有する材料で構成される。p型半導体13p及びn型半導体13nの少なくとも一方は有機半導体であってよい。
電子輸送層は、任意に、背面電極12と光電変換層13との間に配置される。電子輸送層は、正孔をブロックして電子のみを効率的に輸送する機能、及び光電変換層13と電子輸送層との界面で生じたエキシトンの消滅を防ぐ機能を有する。
背面電極12は、ここでは陰極である。背面電極12は、光電変換層13(又は電子輸送層)の上に積層される。導電性を有する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で製膜する。電極材料としては、導電性の金属薄膜、金属酸化物膜等が挙げられる。これらの微粒子がバインダー中に分散された導電ペーストでもよい。有機系の導電性ポリマーであるポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体等を用いてもよい。前面電極11を仕事関数の高い材料を用いて形成した場合、背面電極12には仕事関数の低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。具体的には、Li、In、Al、Ca、Mg、Sm、Tb、Yb、Zr、Na、K、Rb、Cs、Ba、及びこれらの合金を挙げることができる。
予備実験は、太陽電池素子をV字形に配置する効果について説明するためのものである。
まず、空気中でITO付ガラス基材上に、正孔輸送層となるPEDOT/PSS水溶液(スタルク社製 ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホネート)、商品名Clevios PH500をスピンコート法により60nmの厚さに製膜し、ホットプレート上で200℃/5分間加熱乾燥した。なお、PEDOT/PSS水溶液は予め0.1μmのフィルタで濾過したものを使用した。
この溶液を光電変換層上に滴下し、スピンコート法により膜厚20nmとなるように電子輸送層を形成した。その後、ホットプレート上で80℃/10分間加熱乾燥した。なお、電子輸送層の塗布、乾燥工程は、加水分解反応により酸化チタンを生成する反応を伴うため、空気中にて操作を行った。空気中には水分が含まれており、これを利用して反応を進めるためである。
太陽電池素子を光の入射方向と垂直な面に対して80°傾斜させた場合(傾斜セル)と、傾斜させない場合(水平セル)について、電流−電圧特性を比較した。その結果を図27に示す。ただし、測定においては、より現実的なセル構成とするため、角度θだけ傾けた一対の太陽電池素子をV字形に配置したものを使用した。従って、対向する太陽電池素子からの反射光も測定結果に寄与している。
太陽電池素子(セル)をV字形に配置してなるV字形構造においては、上方から入射する光がセル表面で反射されてV字の谷底部分に集光される。従って、V字の谷底に近づくに従って光強度が強まり、結果的に見かけの変換効率が高まることが直感的に予想される。これを明らかにするため、V字における光路を計算し、セル内における効率分布をシミュレートした。シミュレートの対象として、予備実験で作製した太陽電池素子を80°傾斜させたものを対向させてV字形に配置したものを使用した。
図6乃至図10を参照しながら説明したのと同様の方法により、太陽電池素子がマルチスロープ構造を形成した有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。
Claims (8)
- 主面が対向するように一方向に並んだ複数の第1部分と前記第1部分の間に介在する第2部分とが連なった帯状の太陽電池素子であって、前記複数の第1部分の前記太陽電池素子の一対の長辺に対応した縁同士は互いに平行であり、隣り合う2つの前記第1部分は前記一方向に対して正の向きと負の向きとにそれぞれ傾斜しており、前記第2部分はこれらを接続するように1または複数の平面または曲面でU字形又はヘアピン状に曲げられ、受光方向から見てS字状に構成される太陽電池素子と、
前記太陽電池素子を支持した支持構造と
を具備した太陽電池モジュール。 - 前記支持構造は、前記太陽電池素子の下に設けられ前記太陽電池素子の一長辺を支持する第1部材を有する請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記支持構造は、前記太陽電池素子の前記一長辺の上に設けられ前記太陽電池素子を前記第1部材に固定する第2部材をさらに有する請求項2に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第2部材のうち、前記太陽電池素子の前記第1部分に挟まれた上面は光反射性を有している請求項3に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第1部材には複数の溝が設けられており、前記第2部材の一部は前記溝に挿入されている請求項3又は4に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第1部材には複数の溝が設けられており、前記複数の第1部分の前記一長辺に対応する縁は、前記複数の溝に挿入されている請求項2に記載の太陽電池モジュール。
- 前記太陽電池素子は、光透過性基材と、前記第1部分に設けられた背面電極と、前記背面電極および前記光透過性基材の間に設けられた前面電極と、前記背面電極と前記前面電極との間に介在する光電変換層とを含み、
前記支持構造は、前記複数の第1部分で前記背面電極と接触した複数の第1コンタクト電極と、前記複数の第1部分で前記前面電極と接触した複数の第2コンタクト電極とを更に含んだ請求項1乃至6の何れか1項に記載の太陽電池モジュール。 - 隣り合う2つの前記第1部分と前記支持構造の間が空洞になっている請求項1乃至7の何れか1項に記載の太陽電池モジュール。
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