JP6010694B2 - バイパスダイオードがない太陽光発電システム - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１２年７月６日に出願された、「ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ ＰＯＷＥＲ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＲＥＥ ＯＦ ＢＹＰＡＳＳ ＤＩＯＤＥＳ」という題名の米国特許出願第１３／５４３，２９７号に対して優先権を主張する。上記出願の全部は、参照することによって本明細書において援用される。

（政府権利の声明）
本発明は、Ｓａｎｄｉａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎと米国エネルギー省との間の規約ＤＥ−ＡＣ０４−９４ＡＬ８５０００のもとで開発された。米国政府は、本発明に特定の権利を有する。

（背景）
電力を発生させるための化石燃料の利用とともに、そのような化石燃料の非再生可能な性質に関する環境懸念は、代替エネルギー源に対する需要を高めつつある。再生可能なエネルギー資源を利用する例示的電力システムとして、とりわけ、太陽光発電システム、風力発電システム、水力発電システム、地熱発電システムが挙げられる。

従来の太陽光発電システムは、特に、電力を住居に提供するために利用されるものは、複数の比較的に大型のシリコン光電池（例えば、約６インチ×６インチ）を備える、ソーラーパネルを含む。例えば、単一ソーラーパネルは、約７２個の電池を含むことができる。太陽電池は、太陽電池において受信される特定の波長の太陽放射の量にかかわらず、ほぼ一定である、ある電圧（例えば、シリコン電池の場合、０．６ボルト）を出力するように製造され、ソーラーパネルが約４０ボルトを生産するように、ソーラーパネル内で直列に電気的に接続される。典型的住居用ソーラーシステムは、いくつかのソーラーパネル（例えば、５−１０）を含み、パネルは、直列に電気的に接続され、それによって、数百個の電池が直列に電気的に接続され、集合的に、個々の電池の電圧の和にほぼ等しい電圧を出力する結果をもたらす。しかしながら、太陽電池およびパネルが、直列に電気的に配列されるとき、電流は、ソーラーパネルのそれぞれ内の電池のそれぞれにわたって等しくなければならないことに留意されたい。

光電池の電流は、電池に入射する光に比例するため、直列接続のうちの１個の電池が、低光レベルを受光する場合、直列接続全体が、低電流を有する。したがって、いくつかのソーラーパネルを含む、典型的太陽光発電システム構成は、１個の電池または電池の一部が低光レベル（例えば、影のため）を有するとき、深刻な電流減少（および、電力出力減少）を被り得る。多くの場合、太陽光発電システムが、住居または他の建物上に据え付けられるとき、木または他の障害物が、近傍に存在し得、故に、モジュールの少なくとも一部の影が、頻繁に生じ得る。

影があるパターンで太陽光発電システムにわたって生じるとき、保護電気デバイスが設置されない限り、太陽電池は、深刻に損傷され得る。例えば、単一太陽電池が、障害物によって遮光され、太陽光発電システム内の全ての他の電池が照明される場合、単一電池は、他の電池によって発生される電流を支持するために逆方向絶縁破壊に駆動され得る。現在の太陽光発電設備では、電池電流は、約５アンペアであり、シリコン電池は、電池を生産するために使用される電池設計および製造技法に応じて、約６０ボルト以上の絶縁破壊電圧を有する。絶縁破壊は、大型の電池にわたって均一プロセスではないため、比較的に大きな電流（５アンペア）および比較的に大きな電力（１００ワット以上）は、短絡または開状態のいずれかにおいて、デバイスに故障を生じさせ、不適切な動作および恒久的損傷を電池、パネル、および／または設備に生じさせ得る。

太陽光発電設備内の光電池が、逆方向絶縁破壊に駆動されないように防止するために、バイパスダイオードが、電池にわたって選択的に位置付けられ、それによって、光電流を伴わない電池からの電流を迂回させ、そのような電池が絶縁破壊領域に入らないように防止する。しかしながら、バイパスダイオードの利用は、太陽光発電設備内の空間を消耗し、比較的に高価であり、ソーラーパネルの組立時間を増加させる。さらに、バイパスダイオードの使用は、各バイパスダイオードが、通常、パネル内の電池の３分の１を保護するため、過剰な電力生産損失をもたらし得る（例えば、通常、パネル内に３個のバイパスダイオードが存在する）。したがって、１個の電池が遮光される場合、バイパスダイオードによって被覆される電池の全てからの電力生産が、喪失されるであろう。

（要約）
以下は、本明細書により詳細に説明される、主題の簡単な概要である。本概要は、請求項の範囲に関する限定として意図されない。

本明細書に説明されるのは、太陽光発電システムに関する種々の技術である。より具体的には、任意のバイパスダイオードがない太陽光発電システムが、本明細書に説明される。例示的実施形態では、太陽光発電システムは、複数の光起電サブモジュールから成る、少なくとも１個のソーラーパネル（また、モジュールとも称される）を含むことができる。各光起電サブモジュールは、５０ボルト〜２０００ボルトの動作電圧および複数のパネルを有することができ、したがって、並列に電気的に配列されることができる。ソーラーパネルの公称動作電圧は、概して、２００ボルト〜５００ボルトの範囲内であり、これは、米国では、現在の１日の規制限度が６００ボルトであるため、実質的に、従来の市販のインバータに最適であるが、添付の請求項は、そのような規制限度によって限定されない。さらに、例示的実施形態では、光起電サブモジュールは、３０ｃｍ未満の幅および３０ｃｍ未満の長さであることができるが、他のサイズのサブモジュールも、想定される。ソーラーパネル内の光起電サブモジュールの並列配列は、特定のサブモジュールまたはサブモジュールのセットが影を被るとき、比較的に大量の電力がそのようなサブモジュールのうちの１つにわたって消散されないように防止することを促進する。

別の例示的実施形態では、各光起電サブモジュールは、接続された電池の複数の群を備えることができ、各群は、２ボルト〜３ボルトを出力するように構成され、群の少なくともサブセットは、直列に電気的に接続される。光起電モジュール内の接続された電池の各群は、光電池の複数のストリングを備えることができ、光電池のストリングは、並列に電気的に接続される。各光電池のストリングは、直列に電気的に接続される、複数の光電池を含むことができる。ソーラーパネル内の光電池の本直列／並列／直列／並列配列は、その電池が偶然遮光される（一方、ソーラーパネル内の他の電池は、照明される）とき、比較的に大量の電流が任意の単一光電池を通して駆動されないように防止することを促進する。

ある実施例によると、ソーラーパネルを構築するために利用される光電池は、０．３ボルト〜２．０ボルトの動作電圧を有するように構成される、マイクロシステム対応光電池であることができる。所与のソーラーパネル内に含まれ得る比較的に多数の電池（例えば、３０，０００個を超える電池）のため、ソーラーパネル上のほぼ任意の潜在的影パターンに対して、単一電池にわたって消散され得る電力の量は、電池が逆方向絶縁破壊において動作している場合でも、任意の所与の電池に損傷を生じさせないであろう。故に、本明細書に説明されるソーラーパネルは、そのような電池のうちの１つ以上が逆方向絶縁破壊において動作しているとき、ソーラーパネル内の電池が損傷されないことを確実にするために従来採用されている、バイパスダイオードを含む必要がない。これは、本明細書に説明されるソーラーパネル内において、単一電池にわたる電力消散が、そのような電池が絶縁破壊にある場合でも、電池を損傷させるであろう閾値を超えないためである。すなわち、電池は、ソーラーパネル内の任意の電池に指向され得る電流の量が比較的に小さいため、損傷を持続することなく、無期限に逆方向絶縁破壊において動作し続けることができる。

前述のように、ソーラーパネル内の光電池は、マイクロシステム対応電池であることができる。ある実施例によると、そのような電池は、ガリウムヒ素電池、インジウムガリウムリン電池、またはインジウムガリウムヒ素電池等のＩＩＩ−Ｖ電池であることができる。他の例示的実施形態では、光電池は、シリコン電池を備えることができる。さらに他の実施形態では、光電池は、ゲルマニウム光電池を備えることができる。さらに別の例示的実施形態によると、ソーラーパネルは、多接合光電池を備えることができ、各多接合光電池は、異なるバンドギャップの複数の光電池を備えることができる。ある実施例によると、多接合光電池内の各光電池は、多接合光電池の動作電圧が、その中の個別のマイクロシステム対応光電池の動作電圧の和に等しいように、直列に一体的に電気的に接続されることができる。別の例示的実施形態では、個々のタイプの光電池は、選択的に、直列および並列に配列されることができ、直列に電気的に配列されるいくつかの光電池は、所望の出力または中間電圧に依存し得る。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
光起電サブモジュールであって、
前記光起電サブモジュールは、相互に電気接続する複数のマイクロシステム対応光電池を備え、前記複数のマイクロシステム対応光電池内の各マイクロシステム対応光電池は、わずか２センチメートルの高さおよび２センチメートルの幅のサイズであり、前記光起電サブモジュールは、任意のバイパスダイオードがない、光起電サブモジュール。
（項目２）
第１の群をさらに備え、前記第１の群は、マイクロシステム対応光電池の第１のストリングおよびマイクロシステム対応光電池の第２のストリングを備え、前記マイクロシステム対応光電池の第１のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第２のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記第１のストリングおよび前記第２のストリングは、並列に電気的に接続される、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目３）
第２の群をさらに備え、前記第２の群は、マイクロシステム対応光電池の第３のストリングおよびマイクロシステム対応光電池の第４のストリングを備え、前記マイクロシステム対応光電池の第３のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第４のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記第３のストリングおよび前記第４のストリングは、並列に電気的に接続され、前記第１の群は、前記第２の群と直列に電気的に連結される、項目２に記載の光起電サブモジュール。
（項目４）
５００ボルト〜２０００ボルトを出力する、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目５）
第１の群をさらに備え、前記第１の群は、
マイクロシステム対応光電池の第１のストリングと、
マイクロシステム対応光電池の第２のストリングであって、前記マイクロシステム対応光電池の第１のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第２のストリング内の電池は、直列に電気的に接続される、第２のストリングと、
前記マイクロシステム対応光電池の第１のストリングおよび前記マイクロシステム対応光電池の第２のストリングに電気的に接続された電力管理集積回路であって、前記電力管理集積回路は、少なくとも部分的に、前記マイクロシステム対応光電池の第１のストリングおよび前記マイクロシステム対応光電池の第２のストリングによって出力される電圧に基づいて、所定の量の電力を出力し、外部動作条件またはシステム動作コマンドに基づいて、動的に調節可能である、電力管理集積回路と
を備える、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目６）
３０センチメートル未満の長さおよび３０センチメートル未満の幅である、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目７）
前記複数の光電池のうちの少なくとも１個の光電池は、前記少なくとも１個の光電池の裏側に、正および負両方の電気接点を有する、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目８）
前記複数のマイクロシステム対応電池は、ＩｎＧａＰ電池またはＩｎＧａＡｓ電池のうちの少なくとも１つを備える、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目９）
前記複数のマイクロシステム対応電池は、ＧａＡｓ電池を備える、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目１０）
前記複数のマイクロシステム対応電池は、Ｇｅ電池およびＳｉ電池のうちの少なくとも１つを備える、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目１１）
複数の多接合電池はそれぞれ、前記複数の光電池を備える、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目１２）
ソーラーパネルによって構成される、項目１に記載の光起電サブモジュール。
（項目１３）
前記ソーラーパネルは、任意のバイパスダイオードがない、項目１２に記載の光起電サブモジュール。
（項目１４）
前記ソーラーパネルは、非平面である、項目１３に記載の光起電サブモジュール。
（項目１５）
ソーラーパネルであって、前記ソーラーパネルは、
第１の光起電サブモジュールであって、前記第１の光起電サブモジュールは、第１の複数の光電池を備える、第１の光起電サブモジュールと、
第２の光起電サブモジュールであって、前記第２の光起電サブモジュールは、第２の複数の光電池を備え、前記第１の光起電サブモジュールおよび前記第２の光起電サブモジュールは、並列に電気的に接続され、前記ソーラーパネルは、任意のバイパスダイオードがない、第２の光起電サブモジュールと
を備える、ソーラーパネル。
（項目１６）
２００ボルト〜６００ボルトを出力するように構成される、項目１５に記載のソーラーパネル。
（項目１７）
前記第１の光起電サブモジュールは、３０センチメートル未満の長さおよび３０センチメートル未満の高さである、項目１５に記載のソーラーパネル。
（項目１８）
前記第１の光起電サブモジュールは、
第１の光電池群を備え、前記第１の光電池群は、
マイクロシステム対応光電池の第１のストリングと、
マイクロシステム対応光電池の第２のストリングであって、前記マイクロシステム対応光電池の第１のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第２のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第１のストリングおよび前記マイクロシステム対応光電池の第２のストリングは、並列に電気的に接続される、第２のストリングと
を備える、項目１５に記載のソーラーパネル。
（項目１９）
複数の多接合光電池は、前記マイクロシステム対応光電池の第１のストリングおよび前記マイクロシステム対応光電池の第２のストリングを備える、項目１８に記載のソーラーパネル。
（項目２０）
ソーラーパネルであって、前記ソーラーパネルは、
複数の光起電サブモジュールを備え、前記複数の光起電サブモジュールは、相互に並列に電気的に接続され、各光起電サブモジュールは、相互に直列に電気的に接続される複数のＩＩＩ−Ｖ光電池または相互に直列に電気的に接続される複数のシリコン電池のうちの少なくとも１つを備え、前記ソーラーパネルは、任意のバイパスダイオードがない、ソーラーパネル。

他の側面も、添付の図および説明の熟読および理解によって理解されるであろう。

図１は、複数の光起電サブモジュールを備える、例示的ソーラーパネルを図示する。 図２は、電気的に接続された光電池の複数の光電池群を備える、例示的光起電サブモジュールを図示する。 図３は、光電池の複数のストリングを備える、例示的光電池群を図示する。 図４は、それ自体が電気的に接続された光電池の個別の複数の群から成る、複数の光起電サブモジュールから成る、別の例示的ソーラーパネルを図示する。 図５は、例示的多接合マイクロシステム対応光電池を図示する。 図６は、バイパスダイオードを含まない、ソーラーパネルを構築するための例示的方法論を図示する。 図７は、バイパスダイオードを含まずに済む、ソーラーパネルを構築するための例示的方法論を図示する。

（詳細な説明）
ここで太陽光発電システムに関する種々の技術が、図面を参照して説明されるが、類似参照番号は、全体を通して、類似要素を表す。加えて、本明細書で使用されるように、用語「例示的」は、何らかの例証または実施例としての役割を果たすことを意味することを意図し、選好を示すことを意図するものではない。

ここで図１を参照すると、任意のバイパスダイオードがない例示的ソーラーパネル１００が、図示される。例示的実施形態では、ソーラーパネル１００は、１メートル〜２メートルの長さおよび０．５メートル〜１．５メートルの幅であることができる。さらに、ソーラーパネル１００は、２００ボルト〜３００ボルトを出力するように構成されるが、他の実施形態では、ソーラーパネル１００は、最大２０００ボルトを出力するように構成されることができる。特定の実施例によると、ソーラーパネル１００は、２４０ボルトを出力するように構成されることができる。しかしながら、当業者によって理解されるであろうように、ソーラーパネル１００によって出力され得る電圧の量は、ソーラーパネル１００が採用される用途に依存し得、２００〜３００ボルトの範囲を上回るまたは下回り得る。

ソーラーパネル１００は、複数の光起電サブモジュール１０２−１４８を備える。ソーラーパネル１００は、２４個の光起電サブモジュールを含むように示されるが、ソーラーパネル１００は、ソーラーパネル１００が採用される用途、ソーラーパネル１００を取り付けるために利用可能な空間量、ならびにソーラーパネル１００内の光起電サブモジュール１０２−１４８の配列に応じて、より多いまたは少ない光起電サブモジュールを含んでもよいことを理解されたい。

例示的実施形態では、光起電サブモジュール１０２−１４８は、相互に並列に電気的に接続されることができる。したがって、光起電サブモジュールはそれぞれ、ほぼ同一の電圧（例えば、２００〜６００ボルト）を出力することができる。別の例示的実施形態では、光起電サブモジュール１０２−１４８はそれぞれ、並列に電気的に接続されるのではなく、光起電サブモジュール１０２−１４８の少なくともサブセットは、電力管理集積回路に接続されることができ、そのような集積回路は、そこに電気的に接続される光起電サブモジュール１０２−１４８のサブセットから生産される電力から生じる、所望の電圧および／または電流レベルを出力するように構成されることができる。例えば、ソーラーパネル１００は、光起電サブモジュール１０２−１４８のそれぞれに直接接続される、単一集積回路を含むことができる。電力管理集積回路は、次いで、最終電力量が、所定の所望のレベル（電圧および電流）となるようにソーラーパネル１００によって出力させることができる。別の例示的配列では、光起電サブモジュールのサブセットは、並列に連結されることができ、そのようなサブセットは、電力管理集積回路に接続されることができる。例えば、光起電サブモジュールの第１のサブセットは、並列に電気的に接続され得る、光起電サブモジュール１０２、１０４、１０６、および１０８を含むことができる。同様に、光起電サブモジュールの第２のサブセットは、並列に電気的に接続され得る、光起電サブモジュール１１０、１１２、１１４、および１１６を含むことができる。光起電サブモジュールの第１のサブセットおよび光起電サブモジュールの第２のサブセットは、次いで、電力管理を行い、所望の量の電力をソーラーパネル１００によって出力させる、集積回路に接続されてもよい。他の配列もまた、想定され、添付の請求項の範囲内にあると意図される。

並列におけるソーラーパネル１００内の光起電サブモジュール１０２−１４８の少なくともいくつかの配列は、光起電サブモジュール内の１つ以上の光電池が逆方向絶縁破壊において動作しているとき、光起電サブモジュール（または、その中の電池）のいずれかが損傷される潜在性を効果的に低下させる。光起電サブモジュール１０２−１４８の少なくともいくつかは、並列に電気的に配列されるため、光起電サブモジュール１０２−１４８のうちの少なくとも１つが遮光されるとき、モジュール間の電流整合は、生じる必要がない。これは、光起電サブモジュールの任意の１つにわたって消散され得る電力の量を効果的に削減し、それによって、そのようなサブモジュールの少なくとも一部が遮光されるとき、ソーラーパネル１００内の光起電サブモジュールへの損傷のリスクを低下させる。故に、ソーラーパネル１００は、バイパスダイオードを欠いている。

ここで図２を参照すると、ソーラーパネル１００内に含まれ得る、例示的光起電サブモジュール２００が、図示される。ある実施例によると、光起電サブモジュール２００のサイズは、１０センチメートル〜３０センチメートルの長さおよび１０センチメートル〜３０センチメートルの幅であることができる。光起電サブモジュール２００は、電気的に接続された光電池の複数の群２０２−２４０を備え、群２０２−２４０は、直列に電気的に接続される。光起電サブモジュール２００は、２０個の群を含むように示されるが、光起電サブモジュール２００内の群の数および配列は、光起電サブモジュール２００によって出力される所望の電圧に依存し得ることを理解されたい。さらに、光起電サブモジュール２００は、ソーラーパネルの限定的物理的サブ要素であるように示されるが、光起電サブモジュールは、ソーラーパネル内の電池を接続するために採用される回路によって画定され得ることを理解されたい。両配列は、添付の請求項の範囲内にあると意図される。

ある実施例によると、光起電サブモジュール２００は、約１００個の群を備えることができ、群はそれぞれ、一貫した電圧、例えば、約２．４ボルトを出力するように構成される。そのような実施例では、光起電サブモジュール２００の所望の出力は、約２４０ボルトである。さらに、本明細書の実施例に示されるように、群のいくつかは、並列に接続されてもよい。例えば、光起電サブモジュール２００は、直列に接続される第１の複数の群および直列に接続される第２の複数の群を備えることができ、第１の複数の群および第２の複数の群は、並列に接続される。

前述の実施例では、群２０２−２４０はそれぞれ、約２．４ボルトを出力するように構成される。群２０２−２４０のサブセットが、光起電サブモジュール２００内で遮光される場合でも、電圧出力が、それによって、比較的に低く、かつ群２０２−２４０を通して通過する電流が、比較的に低い（約数ミリアンペア）ため、群内の個々の電池が、逆方向絶縁破壊において動作しても、そのような群２０２−２４０（または、その中の電池）に損傷を被らせるには不十分な電力が群２０２−２４０にわたって消散される。故に、光起電サブモジュール２００は、群２０２−２４０のいずれかに接続される任意のバイパスダイオードを含む必要はない。

ここで図３を参照すると、光起電サブモジュール２００内の群２０２−２４０のうちの１つとして含まれ得る、例示的群３００が、図示される。群３００は、複数の光電池３０２−３３２を備える。ある実施例によると、光電池３０２−３３２は、マイクロ加工概念を使用して構築される、比較的に薄く（１．０〜５０マイクロメートル厚）、小型の（側方に５０マイクロメートル〜１０ミリメートル）光電池である、マイクロシステム対応光電池であることができる。別の実施例では、光電池は、２センチメートルの長さ×２センチメートルの幅未満であることができる。例えば、参照することによって本明細書に組み込まれる、以下の参考文献は、マイクロ加工技法を使用して多数の光電池を備える、光起電モジュールの構築を説明する：Ｎｉｅｌｓｏｎ， ｅｔ ａｌ．， “Ｍｉｃｒｏｓｃａｌｅ Ｃ−ＳＩ （Ｃ） ＰＶ Ｃｅｌｌｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ−Ｃｏｓｔ Ｐｏｗｅｒ”， ３４^ｔｈ ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｊｕｎｅ ７−１０ ２００９， Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ， ＰＡ， ９７８−１−４２４４−２９５０／９０、およびＮｉｅｌｓｏｎ， ｅｔ ａｌ．， “Ｍｉｃｒｏｓｃａｌｅ ＰＶ Ｃｅｌｌｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ＰＶ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，” ２４^ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２１−２５， ２００９， Ｈａｍｂｕｒｇ， Ｇｅｒｍａｎｙ ３−９３６３３８−２５−６。概略すると、そのような参考文献は、統合されたマイクロ光学レンズを伴う、ある太陽光集光システムについて説明しており、さらに、１０％を超える効率で、シリコン（Ｓｉ）およびガリウムヒ素（ＧａＡｓ）中でエピタキシャルリフトオフ法を使用して加工された比較的に薄い電池について説明している。

故に、光電池３０２−３３２は、Ｓｉ電池、ＧａＡｓ電池、および／またはインジウムガリウムリン（Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）（ＩｎＧａＰ）電池である、またはそれを含むことができる。したがって、光電池３０２−３３２のうちの少なくとも１つは、ＩＩＩ−Ｖ光電池であることができることを理解されたい。加えて、または代替として、光電池３０２−３３２は、少なくとも１個のゲルマニウム（Ｇｅ）光電池を含むことができる。なおもさらに、光電池３０２−３３２は、異なるバンドギャップを伴う異なるタイプの光電池の層を含む、多接合電池であることができる、またはその中に含まれてもよい。その間の誘電層に対して異質に統合する（例えば、垂直に積層する）異なる電池タイプは、高性能多接合電池をもたらすことができ、光起電パネルの設計者は、モノリシック電池の格子整合および直列接続制約から解放される。

例示的実施形態では、光電池３０２−３３２はそれぞれ、多接合電池であることができ、多接合電池毎に、層が、一体的に接続される。これは、比較的に少量の空間内で直列に電気的に接続される光電池のストリングを効果的に作成する。別の例示的実施形態では、本明細書に示されるように、多接合電池内の電池は、一体的に接続されなくてもよい。さらに別の例示的実施形態では、光電池３０２−３３２は、同一のタイプ（シリコン）であることができる。光電池の他の配列もまた、想定される。

例示的実施形態では、サブモジュール３００は、第１の光電池のストリング３３４、第２の光電池のストリング３３６、第３の光電池のストリング３３８、および第４の光電池のストリング３４０を備えることができる。第１の光電池のストリング３３４は、直列に電気的に接続される光電池３０２−３０８を備える。同様に、第２の光電池のストリング３３６は、直列に電気的に接続される光電池３１０−３１６を備える。第３の光電池のストリング３３８は、直列に電気的に接続される光電池３１８−３２４を備え、第４の光電池のストリング３４０は、直列に電気的に接続される光電池３２６−３３２を備える。第１の光電池のストリング３３４、第２の光電池のストリング３３６、第３の光電池のストリング３３８、および第４の光電池のストリング３４０は、並列に電気的に接続される。

当業者によって理解されるであろうように、異なるタイプの光電池は、異なる動作電圧を有する。例えば、光電池３０２−３３２が、Ｇｅ電池である場合、動作電圧は、約０．３ボルトであってもよい。光電池３０２−３３２が、Ｓｉ電池である場合、動作電圧は、約０．６ボルトであってもよい。光電池３０２−３３２が、ＧａＡｓ電池である場合、動作電圧は、約０．９ボルトであってもよく、光電池３０２−３３２が、ＩｎＧａＰ電池である場合、動作電圧は、約１．３ボルトであってもよい。ある実施例によると、光電池３０２−３３２は、Ｓｉ電池であることができる。そのような実施例では、光電池のストリング３３４−３４０はそれぞれ、出力約２．４ボルト（コモン電圧）を出力し、したがって、群３００の出力は、約２．４ボルトである。この場合、ストリング３３４、３３６、３３８、および３４０は、異なる電池タイプに対して、異なる数の電池を有し、コモン電圧に近似させる。例えば、例示的実施形態では、第１の光電池のストリング３３４は、８個のゲルマニウム電池（８ｘ０．３＝２．４）を含むことができ、第２の光電池のストリング３３６は、４個のシリコン電池（４ｘ０．６＝２．４）を含むことができ、第３の光電池のストリング３３８は、３個のＧａＡｓ電池（３ｘ０．９＝２．７）を含むことができ、第４の光電池のストリング３４０は、２個のＩｎＧａＰ電池（２ｘ１．３＝２．６）を含むことができる。わずかな電圧不整合は、容認可能であり、所望に応じて、より多い数の電池およびより高い電圧が、より精密な電圧整合を提供するために使用されることができる。前述の別の実施形態では、電力管理回路は、独立して、異なる電池タイプの直列接続によって発生される電圧をコモン電圧にブーストするために使用されることができる。ソーラーパネル１００の所望の出力が、約２４０ボルトである場合、光起電サブモジュール２００は、直列に電気的に接続される１００個の群３００を含むことができる。したがって、ソーラーパネル１００内の各サブモジュール１０２−１４８は、約２４０ボルトを出力し、ソーラーパネル１００の出力は、したがって、約２４０ボルトである。

本実施例を使用すると、ソーラーパネル１００は、３８，４００個の電池を含む。ソーラーパネル１００の全体が照明されると、群のそれぞれ内の光電池３０２−３３２は、４ミリワットの電力を発生させる。マイクロシステム対応光電池の場合、単一電池にわたる電力約１００ミリワットは、そのような電池が逆方向絶縁破壊において動作している場合でも、損傷させない。１００ミリワットを超える電力は、本明細書に説明されるように、直列に／並列／直列／並列におけるソーラーパネル内の光電池、サブモジュール、およびモジュールの選択的配列のため、単一電池にわたって生じる可能性は低い。そのような例示的配列およびマイクロシステム対応光電池の利用を前提として、前述の光電池から成るソーラーパネルは、ソーラーパネルの一部が影を被るときでも、個々の電池が損傷される可能性がないため、任意のバイパスダイオードをなくすことができることは、容易に明白である。

ここで図４を参照すると、ソーラーパネル１００内に光起電サブモジュール１０２−１４８のうちの１つとして含まれ得る、例示的光起電サブモジュール４００が、図示される。ある実施例によると、光起電サブモジュール４００は、各多接合光電池が複数の光電池を備えるように、複数の多接合光電池を備えることができる。前述のように、各多接合光電池は、Ｓｉ光電池およびＩＩＩ−Ｖ光電池を備えることができる。より具体的実施例では、各多接合光電池は、Ｇｅ光電池、Ｓｉ光電池、ＧａＡｓ光電池、およびＩｎＧａＰ光電池を備えることができる。

例示的光起電サブモジュール４００は、７２個の多接合光電池を備え、多接合光電池はそれぞれ、Ｇｅ電池、Ｓｉ電池、ＧａＡｓ電池、およびＩｎＧａＰ電池を備える。これらの異なる電池は、相互に隣接してレイアウトされるように示される。しかしながら、そのようなレイアウトは、説明の目的のためのものである。前述のように、多接合電池内の電池は、相互の上に積層される。別の例示的実施形態では、電池は、隣り合った構成に設置されることができる（例えば、スペクトル拡散光学が使用される場合）。

光起電モジュール４００は、類似中間（より高い）電圧に達するために直列に接続される異なる数の各電池タイプ（ストリングを作成する）を備える。これらのストリングは、並列に接続され、電流を効果的に追加することができる。ある実施例では、光起電モジュール４００によって出力される所望の中間電圧は、約１０ボルトであることができる。前述のように、Ｇｅ電池は、約０．３ボルトの動作電圧を有してもよく、Ｓｉ電池は、約０．６ボルトの動作電圧を有してもよく、ＧａＡｓ電池は、約０．９ボルトの動作電圧を有してもよく、ＩｎＧａＰ電池は、約１．３Ｖの動作電圧を有してもよい。したがって、光起電サブモジュール４００は、Ｇｅ電池４０２の第１のストリングおよびＧｅ電池４０４の第２のストリングを備えることができ、それぞれ、直列に電気的に接続される３６個の電池を備える。故に、Ｇｅ電池４０２の第１のストリングおよびＧｅ電池４０４の第２のストリングはそれぞれ、約１０．８Ｖを出力する。

例示的光起電サブモジュール４００はさらに、Ｓｉ電池４０６の第１のストリング、Ｓｉ電池４０８の第２のストリング、Ｓｉ電池４１０の第３のストリング、およびＳｉ電池４１２の第４のストリングを備える。Ｓｉ電池４０６−４１２のストリングはそれぞれ、直列に電気的に接続される１８個の電池を備えることができ、約１０．８ボルトを出力する各ストリングをもたらす。

サブモジュール４００は、加えて、ＧａＡｓ電池４１４の第１のストリング、ＧａＡｓ電池４１６の第２のストリング、ＧａＡｓ電池４１８の第３のストリング、ＧａＡｓ電池４２０の第４のストリング、ＧａＡｓ電池４２２の第５のストリング、およびＧａＡｓ電池４２４の第６のストリングを備えることができる。ＧａＡｓ電池４１４−４２４のストリングはそれぞれ、直列に電気的に接続される１２個の電池を備えることができ、約１０．８ボルトを出力するＧａＡｓ電池の各ストリングをもたらす。

さらに、サブモジュール４００はまた、ＩｎＧａＰ電池４２６の第１のストリング、ＩｎＧａＰ電池４２８の第２のストリング、ＩｎＧａＰ電池４３０の第３のストリング、ＩｎＧａＰ電池４３２の第４のストリング、ＩｎＧａＰ電池４３４の第５のストリング、ＩｎＧａＰ電池４３６の第６のストリング、ＩｎＧａＰ電池４３８の第７のストリング、ＩｎＧａＰ電池４４０の第８のストリング、ＩｎＧａＰ電池４４２の第９のストリングを備えることができる。ＩｎＧａＰ電池４２６−４４２のストリングはそれぞれ、直列に電気的に接続される８個の電池を備えることができ、約１０．４ボルトを出力するＩｎＧａＰ電池の各ストリングをもたらす。

前述から、電池の各ストリングの中間動作電圧は、約１０ボルトであることができることが確認され得る。さらに、異なる電池タイプのストリングによって出力される電圧は、同じではなく、したがって、サブモジュール４００によって出力される電圧は、電池のストリングによって出力される最低電圧となるであろうことが確認され得る。

１つのみのタイプの電池が、最初に、直列に接続されるため、サブモジュール４００内の他の電池から出力される電力は、あるタイプの電池対別のタイプの電池の出力に減少を生じさせるスペクトルシフトによって、比較的に影響されない。例えば、ある電池タイプからの電流の１０％減少は、どの電池の太陽熱入力が減少したかに応じて、１〜４．３％のアレイ電流の減少をもたらす。したがって、サブモジュール４００は、従来の光起電モジュールと比較して、不均衡様式において電池タイプの応答に影響する、スペクトルシフトからの出力電力減少をあまり被らない。

再び、図１を参照すると、ソーラーパネル１００は、示されないが、そのようなソーラーパネル１００によって生産される電力の消費者によって所望される段階において、ソーラーパネル１００によって出力される電圧をＤＣからＡＣに変換する、インバータと関連付けられることができる。さらに、示されないが、ソーラーパネル１００は、太陽からの光をその中の光電池上に集光するように構成される、マイクロ集光光学を備えることができる。別の例示的実施形態では、電池タイプ間で精密な電圧整合を行うのではなく、マイクロ電子機器が、中間電圧を所望のレベル（モジュール１０２−１４８のそれぞれによって出力される電圧）にさせるために採用されることができる。したがって、光起電サブモジュールまたは群は、１つ以上のＤＣ／ＤＣコンバータ（マイクロ電力追跡電子機器を伴う）を備え、中間出力電圧をほぼ同等に、かつ動的に調節可能にさせることができる。さらに、光電池群は、電池または電池の配列によって出力されるＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する、マイクロインバータを備えることができる。ソーラーパネル１００内の個々の電池は、比較的に小さいサイズであるため、ブースト変換および電力追跡のための種々のマイクロ電子デバイスを追加するために、電池、サブモジュール、または群間に十分な空間が存在する。

ここで図５を参照すると、例示的異質（非モノリシック）統合された多接合光電池５００の切断図が、図示される。多接合光電池５００は、複数の光電池を備え、ＩｎＧａＰ電池５０８は、最初に、太陽から光を受光し、ＧａＡｓ電池５０６は、ＩｎＧａＰ電池５０８のすぐ隣に隣接し、Ｓｉ電池５０４は、ＧａＡｓ電池５０６のすぐ隣に隣接し、Ｇｅ電池５０２は、Ｓｉ電池５０４のすぐ隣に隣接する。他の配列も、発明者らによって想定され、添付の請求項の範囲内であることが意図されることを理解されたい。

ソーラーパネル１００が有益に採用される例示的実施形態は、少なくとも部分的影が可能性として考えられる、任意の設備、例えば、木が近くにある建物の屋上、断続的に雲に覆われるエリア、航空交通に近接するエリア、および同等物を含む。加えて、本明細書に説明される特徴は、ソーラーパネル１００、その一部、または設備全体が、ソーラーパネル１００の少なくとも一部が、常時、影を被るような様式において、可撓性であり、湾曲される、適合される、または別様に非平面である設備内で有益である。そのような設備では、ソーラーパネルは、バイパスダイオードを含むソーラーパネル１００を伴わずに、所望の電圧を出力することができる。

ここで図６−７を参照すると、種々の例示的方法論が、図示および説明される。方法論は、あるシーケンスで行われる一連の作用として説明されるが、方法論は、シーケンスの順序によって限定されないことを理解されたい。例えば、いくつかの作用は、本明細書に説明されるものと異なる順序で生じてもよい。加えて、作用は、別の作用と並行して生じてもよい。さらに、いくつかの事例では、全作用は、本明細書に説明される方法論を実装するために要求されなくてもよい。

ここで図６を参照すると、バイパスダイオードがないソーラーパネルの作成を促進する、例示的方法論６００が、図示される。方法論６００は、６０２から開始し、６０４において、複数のマイクロシステム対応光電池が、受容される。例示的実施形態では、マイクロシステム対応光電池は、その背面に正および負両方の接点を有することができる。

６０６では、複数のマイクロシステム対応光電池は、電気的に接続され、光起電サブモジュールを作成することができ、光起電サブモジュールは、バイパスダイオードがない。前述のように、マイクロシステム対応光電池を通して進行する比較的に少量の電流は、そのような電池が影を被るとき、逆方向絶縁破壊において動作しているときでも、任意の個々の光電池が損傷されないことを確実にする。

６０８では、複数の光起電サブモジュールは、電気的に接続され、ソーラーパネルを作成する。光起電サブモジュールは、マイクロシステム対応光電池から成るため、ソーラーパネルは、バイパスダイオードをなくすことができる。しかしながら、ソーラーパネルは、例示的実施形態では、電力管理集積回路が、少なくとも部分的に、個別の光起電サブモジュールによって出力される電圧に基づいて、電力を出力し得るように、ソーラーパネル内に光起電サブモジュールに電気的に接続された電力管理集積回路を含むことができる。別の実施形態では、電力管理集積回路は、光電池のストリングが、電力管理集積回路に電気的に接続され、サブモジュールの出力が、集積回路に接続される個別の群によって出力される電圧に基づくように、群と接続して設置されることができる。方法論６００は、６１０において完了する。

ここで図７を参照すると、バイパスダイオードを欠いているソーラーパネルを作成するための別の例示的方法論７００が、図示される。方法論７００は、７０２から開始し、７０４において、複数の光起電サブモジュールが、受容される。

７０６において、光起電サブモジュールは、電気的に接続され、ソーラーパネルを生成し、光起電サブモジュールの少なくともサブセットは、並列に電気的に接続され、ソーラーパネルは、バイパスダイオードがない。方法論７００は、７０８において完了する。

いくつかの実施例が、説明の目的のために提供されたことに留意されたい。これらの実施例は、添付の請求項の限定として解釈されるべきではない。加えて、本明細書に提供される実施例は、並べ替えられてもよく、依然として、請求項の範囲下にあることを認識されたい。

Claims (13)

1. ５００ボルト〜２０００ボルトを出力する光起電サブモジュールであって、
   前記光起電サブモジュールは、正および負の背面を介して相互に電気接続する複数のマイクロシステム対応光電池を備え、前記複数のマイクロシステム対応光電池内の各マイクロシステム対応光電池は、わずか２センチメートルの高さおよび２センチメートルの幅のサイズであり、前記光起電サブモジュールは、任意のバイパスダイオードがなく、
   前記光起電サブモジュールは、第１の群をさらに備え、前記第１の群は、マイクロシステム対応光電池の第１のストリングおよびマイクロシステム対応光電池の第２のストリングを備え、前記マイクロシステム対応光電池の第１のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第２のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記第１のストリングおよび前記第２のストリングは、並列に電気的に接続され、
   前記光起電サブモジュールは、第２の群をさらに備え、前記第２の群は、マイクロシステム対応光電池の第３のストリングおよびマイクロシステム対応光電池の第４のストリングを備え、前記マイクロシステム対応光電池の第３のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第４のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記第３のストリングおよび前記第４のストリングは、並列に電気的に接続され、前記第１の群は、前記第２の群と直列に電気的に連結され、
   前記群、前記ストリングおよび前記電池の直列接続および並列接続は、動作中において、任意のマイクロシステム対応光電池にわたって生じ得る最大電力が、電池が逆方向絶縁破壊の状態にある場合でも、１００ミリワット以下であるように、配列されている、光起電サブモジュール。
2. ３０センチメートル未満の長さおよび３０センチメートル未満の幅である、請求項１に記載の光起電サブモジュール。
3. 前記複数のマイクロシステム対応電池は、ＩｎＧａＰ電池またはＩｎＧａＡｓ電池のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の光起電サブモジュール。
4. 前記複数のマイクロシステム対応電池は、ＧａＡｓ電池を備える、請求項１に記載の光起電サブモジュール。
5. 前記複数のマイクロシステム対応電池は、Ｇｅ電池およびＳｉ電池のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の光起電サブモジュール。
6. 複数の多接合電池はそれぞれ、前記複数の光電池を備える、請求項１に記載の光起電サブモジュール。
7. ソーラーパネルによって構成される、請求項１に記載の光起電サブモジュール。
8. 前記ソーラーパネルは、任意のバイパスダイオードがない、請求項７に記載の光起電サブモジュール。
9. 前記ソーラーパネルは、非平面である、請求項８に記載の光起電サブモジュール。
10. ソーラーパネルであって、前記ソーラーパネルは、
    請求項１に記載の第１の光起電サブモジュールと、
    請求項１に記載の第２の光起電サブモジュールと
    を備え、
    前記第１の光起電サブモジュールおよび前記第２の光起電サブモジュールは、並列に電気的に接続され、前記ソーラーパネルは、任意のバイパスダイオードがない、ソーラーパネル。
11. ２００ボルト〜６００ボルトを出力するように構成される、請求項１０に記載のソーラーパネル。
12. 前記第１の光起電サブモジュールは、３０センチメートル未満の長さおよび３０センチメートル未満の高さである、請求項１０に記載のソーラーパネル。
13. 複数の多接合光電池は、前記マイクロシステム対応光電池の第１のストリングおよび前記マイクロシステム対応光電池の第２のストリングを備える、請求項１０に記載のソーラーパネル。