JP2004516192A - 自動車において電流を発生させると同時に遮光するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車において電流を発生させると同時に遮光するための装置を説明している。本発明を実現するための第１の構成によれば、裏側で鏡面化されたソーラセル（１）が、自動車の適切な車体部分（２）に被着されている。たとえば車両のルーフの車体薄板であってよい車体部分（２）の下側には、内部に対して断熱・内側ライニング層（３）が設けられている。ソーラセルは、主として、支持層（１１）と、アクティブな光起電層（１３）の裏側に設けられた反射層（１２）と、上方からもしくは外方から入射する放射線の方向で光起電層（１３）をカバーする保護層（１４）とから成っている。入射する放射線、たとえば太陽光もしくは日光は、多数の矢印（４）によって図示してあり、光起電層（１３）と反射層（１２）との間の境界で反射された放射線は、両矢印（５）によって図示してある。反射された全ての放射線は、５つの矢印（６）によって図示してあり、光起電層（１３）と反射層（１２）との間の境界で反射された、光起電層（１３）から出射した成分と、一方では保護層（１４）自体の表面でかつ他方では保護層（１４）と光起電層（１３）との間の境界層で反射された成分とから成っている。本発明の実現するための別の構成によれば、薄膜ソーラセルまたは透明ソーラセルが設けられていてもよい。

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に規定した形式の、自動車において電流を発生させると同時に遮光するための装置から出発する。
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０１７６７０号明細書に基づき、ソーラジェネレータと大量生産車両ファンのモータとの間で出力を最適に直接適合させるための方法が公知である。この公知の方法では、ソーラジェネレータとモータとの間の適合がＤＣ−ＤＣダウンコンバータによって行われる。この場合、ソーラジェネレータは自動車のスライディングルーフに組み込まれていてよい。搭載電源への、ソーラジェネレータを介して発生させられた電流の一般的な供給および自動車の主要な部分の意図的な遮光は、この公知先行技術では意図的にも明確にも提案されていない。
【０００３】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を備えた、自動車において電流を発生させると同時に遮光するための装置は公知先行技術に比べて、一方では、自動車の主要な部分がソーラセルによって遮光され、これによって、自動車がほとんど昇温されず、他方では、搭載電源もしくはバッテリに供給される電流が同時に発生させられるという利点を有している。このことは、特に車両の停止時に可能となるので、太陽光もしくは日光において、一方では電流が発生させられ、他方では車両の昇温が回避される。これによって、場合によっては、車両を冷却するための空調設備の出力を低減することもできる。
【０００４】
本発明によれば、このことは、ソーラセルが、車両の適切な車体部分に別個のまたは組み込まれた構成部分として設けられていて、発生させられた電流を供給するために車両の消費器もしくはバッテリに接続されていることによって原則的に達成される。
【０００５】
それぞれ従属請求項に記載した手段によって、請求項１に記載した装置の有利な構成、変化形および改良形が可能となる。
【０００６】
本発明による装置の第１の有利な構成によれば、ソーラセルとして、裏側で鏡面化されたソーラセルまたは内側の反射層を備えたソーラセルが設けられている。本発明による装置の有利な変化形によれば、裏側で鏡面化されたソーラセルまたは内側の反射層を備えたソーラセルが、半導体ソーラセル、特にシリコン半導体ソーラセルとして形成されている。
【０００７】
裏側で鏡面化されたかまたは内側の反射層を備えたこのようなソーラセルは自体公知であり、たとえば宇宙飛行に使用されている。「Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ ＮＲＥＬ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ、ＡＩＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ３５８（Ｗｏｏｄｂｅｒｇ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９６年、第３６１〜３７１頁）」に表された、Ｐ．Ａ．ＩｌｅｓおよびＣ．Ｌ．Ｃｈｕ著の記事「ＴＰＶ ＣＥＬＬＳ ＷＩＴＨ ＨＩＧＨ ＢＳＲ」には、種々異なる型式および材料が説明されていて、この種のソーラセルによって、より高い効率が達成可能となるかもしれないことが記載されている。「Ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ、Ｆｏｕｒｔｈ ＮＲＥＬ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＡＩＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ４６０（Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９９年、第３２７〜３３４頁）」に表された、Ｍ．Ｂ．Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ、Ｃ．Ｓ．Ｍｕｒｒａｙ、Ｓ．Ａ．Ｒｉｎｇｅｌ、Ｒ．Ｎ．Ｓａｃｋｓ、Ｌ．Ｑｉｎ、Ｇ．Ｗ．ＣｈａｒａｃｈｅおよびＤ．Ｍ．Ｄｅｐｏｙ著の別の記事「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｓｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖ Ｂａｃｋ−Ｓｕｒｆａｃｅ Ｌａｙｅｒｓ」には、熱起電的なセルの効率の改善が説明されている。両記事には、本発明によるソーラセルを、自動車における電流発生および遮光に相俟って使用することは記載されていないので、両記事から本発明によるソーラセルを容易に推考することは不可能である。
【０００８】
本発明の第１の構成の有利な変化形では、ソーラセルが、支持層に形成されており、該支持層が、適切な車体部分、特に車両ルーフに固く結合されている。さらに有利な構成によれば、ソーラセルの支持層が、剛性的であるかまたはフレキシブルである。
【０００９】
本発明による装置の第２の有利な構成によれば、ソーラセルとして薄膜ソーラセルが設けられており、該薄膜ソーラセルが、適切な支持層にまたは直接車体部分、特に車両ルーフに統合されて成長させられていて、製造されている。
【００１０】
本発明による装置の第２の構成の有利な変化形によれば、薄膜ソーラセルが、ＣＩＳソーラセルとして形成されており、ＣＩＳが、元素である銅、インジウムおよびセレンを表しており、これらの元素から、光起電的にアクティブな吸収層が形成されている。
【００１１】
本発明の、有利に提供された使用範囲に相応して、さらに有利な構成では、薄膜ソーラセルが、車両の塗装に視覚的に調和された保護層を備えている。これによって、ソーラセルが視覚的に有効に車両のデザインに組み込まれている。
【００１２】
本発明による装置の第３の有利な構成によれば、ソーラセルとして透明ソーラセルが設けられている。
【００１３】
本発明による装置の第３の構成の特に有利な変化形では、透明ソーラセルが、ガラス内に埋め込まれている。有利な変化形では、透明ソーラセルが、車両のウインドに設けられているかまたは１つのウインドの２つのガラスの間でウインド内に組み込まれて設けられている。この場合、有利な変化形では、透明ソーラセルが、サイドウインドでかつ／またはリヤウインドでかつ／またはフロントガラスの上側の領域で特に内面に取り付けられている。
【００１４】
本発明による装置の第３の構成の有利な変化形によれば、透明ソーラセルとして、いわゆる「ＰＯＷＥＲソーラセル（ＰＯＷＥＲはＰｏｌｙｃｒｉｓｔａｌｌｉｎｅ Ｗａｆｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｕｌｔを表している）」が設けられており、該ＰＯＷＥＲソーラセルにおいて、機械的な加工によってベース材料、特にシリコンに小さな孔が加工成形されており、これによって、ソーラセルが透明度を獲得している。
【００１５】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１６】
図１には、本発明を実現するための第１の構成が断面図で概略的に示してある。本発明のこの構成では、裏側で鏡面化された太陽電池もしくはソーラセル１が自動車の適切な車体部分２に被着されている。たとえば自動車（図示せず）のルーフの車体薄板であってよい車体部分２の下側には、車両の内部に対して断熱層および場合によっては内側ライニング層３が設けられている。ソーラセル１は、図１で下側から上側に見て、主として、支持層１１と、アクティブ（ａｋｔｉｖ）な光起電層１３の裏側に設けられた反射層１２と、上方からもしくは外方から入射する放射線の方向で光起電層１３をカバーする保護層１４とから成っている。入射する放射線、たとえば太陽光もしくは日光は、下方に向けられた多数の矢印４によって図示してあり、光起電層１３と反射層１２との間の境界で反射された放射線は、上方に曲げられた両矢印５によって図示してある。反射された全ての放射線は、５つの矢印６によって図示してあり、すでに上述した、光起電層１３と反射層１２との間の境界で反射された、光起電層１３から出射した、両矢印５によって図示した成分と、一方では保護層１４自体の表面でかつ他方では保護層１４と光起電層１３との間の境界層で反射された成分とから成っている。
【００１７】
反射層１２は光起電層１３の裏側の鏡面化部を成している。光起電層１３に入射した、そこで電気的なエネルギ、すなわち電流に変換されない放射線エネルギは両矢印５に相応して反射される。これによって、光起電層１３ひいてはソーラセル１全体と、反射層１２の下方に位置する構造体、たとえば特に支持層１１および車体部分２はほとんど昇温されない。こうして、本発明の目標、つまり、車両への入熱の低減が、変換されない太陽入射線の遮光（Ａｂｓｃｈａｔｔｕｎｇ）もしくは反射によって達成されると同時に、搭載電源に対する改善された電流発生が持続的に達成される。図１に示したようなソーラセル１に用いられる有利な面は車両ルーフである。
【００１８】
慣用のソーラセルは典型的な周波数範囲内で光を吸収し、この光を電気的なエネルギに変換する。放射線の大部分はソーラセルと支持材料とを昇温する。これによって、ソーラセルの効率の悪化および支持材料、たとえば車両ルーフひいては車両内室の昇温が生ぜしめられる。前述したこの効果は、裏側で鏡面化されたソーラセル１を本発明により設けることによって阻止される。光起電層１３で光から電流に直接変換される放射線のほかに、そこでは、入射する放射線の別の部分が熱的なエネルギから電気的なエネルギに変換される。電気的なエネルギに変換することができない放射線成分は反射層１２で反射され、支持層１１と、この支持層１１の下側に位置する車体部分２、たとえば車両ルーフの昇温を生ぜしめない。これによって、車両への入熱が低減され、ソーラセルの効率は低下しない。なぜならば、このソーラセルがほとんど昇温されないからである。このように低減された、車両への入熱によって、そこには、より低い車両内室温度が生ぜしめられる。このことは、快適性向上および場合によっては空調設備の、必要となる冷却出力の低減と、これに関連したエネルギ消費の削減とを意味している。同時に発生させられた電気的なエネルギは車両の停止状態でも搭載電源に供給される。これによって、車両における電気的な出力要求に対する燃料消費率の低減が得られる。
【００１９】
ソーラセル１の支持層１１は、この支持層１１の下側に位置する車体部分２に固く結合されている。この場合、支持層１１自体は剛性的であってもよいし、場合によっては、車体部分２の形により良好に適合するためにフレキシブルであってもよい。支持層１１と車体部分２との間の固い結合は、たとえば接着によって行うことができる。
【００２０】
図２には、反射Ｒを伴ったシリコン半導体ソーラセルの反射特性が、入射する放射線の波長λに関連して概略的に示してある。３種類の曲線は、反射する種々異なるシリコン半導体ソーラセルの例を図示している。波長λはｎｍで記載してある。ほぼ約７８０ｎｍの波長未満には、入射する放射線の可視範囲が位置しており、それ以上には赤外線範囲が位置している。図示のスペクトル特性線は、可視範囲では反射Ｒが赤外線範囲よりも少ないことを示している。この場合、約１２００ｎｍ以降の波長では、反射が部分的にほぼ完全でかつほぼコンスタントである。
【００２１】
このような形式のソーラセル１の反射Ｒは、図１に示しかつ図２に反射特性で例示したように、光起電層１３と支持層１１との間の、裏側に取り付けられた反射する別個の層１２またはアクティブな光起電層１３の内部の、反射する内側の層によって実現することができることが分かった。
【００２２】
図３に概略的に示した、いわゆる「ＣＩＳ薄膜ソーラセル３０」につき、本発明による装置を実現するための第２の構成を説明する。この構成では、一般的にソーラセルとして薄膜ソーラセル３０が設けられており、この薄膜ソーラセル３０は適切な支持層にまたは直接車体部分、特に車両ルーフに統合して成長させられていて、製造されている。図３には、適切な車体部分に設けられたＣＩＳ薄膜ソーラセル３０の構造が断面図で例示してある。車体部分は、本発明の第２の構成によれば、同じく車体薄板３２、たとえば自動車のルーフであってもよい。支持層として働く車体薄板３２には、約０．５μｍの厚さのモリブデン層３３が電気的なコンタクト形成層として被着されている。このコンタクト形成層の上方には、約２μｍの厚さの光起電的にアクティブな吸収層３１が位置している。この吸収層３１は銅・インジウム・二セレン化物を含有している。アクティブな光起電層３１の上方には約０．０５μｍの厚さのＣｄＳ中間層３４が設けられており、このＣｄＳ（硫化カドミウム）中間層３４の上方には、約１μｍの厚さのＺｎＯ（酸化亜鉛）コンタクト形成層３５が表コンタクト形成のために設けられている。その後、薄膜ソーラセル３０は、図３には示していないように、最終的に保護層を備えていてよい。この保護層は車両の塗装に視覚的に調和されている。これによって、薄膜ソーラセル３０の遮光特性および電気特性に著しい影響は与えられないことが分かった。
【００２３】
理解しやすくするために、ＣＩＳ薄膜ソーラセルを製作するための製造経過を図４につき概略的に説明する。ステップ４１では、支持基板に陰極スパッタリングによって、約０．５μｍの厚さのモリブデン層の析出が行われる。このモリブデン層は、いわゆる「電気的な裏コンタクト」として機能している。ステップ４２では、レーザ処理によって裏コンタクトが構造化される。ステップ４３では、同時蒸着によって、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ_２から成る光起電的にアクティブな吸収層が約２μｍの厚さで被着される。ステップ４４では、約０．０５の厚さのＣｄＳ中間層が、たとえば化学的な浸漬浴内で被着される。ステップ４５では、光起電的にアクティブな吸収層が機械的に構造化される。ステップ４６では、いわゆる「電気的な表コンタクト」を形成するために、約１μｍの厚さのＺｎＯ層が陰極スパッタリングによって析出される。ステップ４７では、表コンタクトが機械的に構造化される。ステップ４８では、最後に電気的な端部コンタクトが取り付けられ、封止が行われる。
【００２４】
ＣＩＳ薄膜ソーラセルにつき説明した、本発明を実現するための第２の構成によって、ＣＩＳ薄膜ソーラセルの下側に位置する領域の外部に対する遮光と同時に電流獲得のために、適切な車体部分、たとえば車両ルーフへのＣＩＳ薄膜ソーラセルの組込みが可能となる。薄膜ソーラセルの利点は、とりわけ僅かな材料消費と、これに関連した少ない費用とを一層減少させようとすることにある。製造プロセスは従来のシリコンソーラセルとは異なり良好に自動化可能である。本発明では、コンタクト形成のために設けられたモリブデン層がガラスに被着されるのではなく、直接車体部分に被着され得る。この層には、説明したように、ソーラセルが引き続き形成される。これによって、たとえば車両ルーフへのソーラセルの直接的な組込みと、直接的なソーラセル生産の単純な自動化とが可能となる。さらに、このように形成された薄膜ソーラセルは、ＣＩＳ薄膜ソーラセル（この場合、ＣＩＳは、元素である銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）およびセレン（Ｓｅ）を表している）に限定されるものではなく、車体部分に視覚的に調和された保護塗装層によって環境影響に対して保護される。薄膜ソーラセルの厚さはほんの数μｍでしかないので、車両のデザインおよび塗装への簡単な組込みが可能となる。
【００２５】
本発明による原理的な解決手段を実現するための第３の構成によれば、ソーラセルとして透明ソーラセルが使用される。有利な構成によれば、透明ソーラセルをガラス内に埋め込むことができる。さらに、透明ソーラセルを車両のウインドに設けるかまたはウインドの２つのガラスの間でウインド内に組み込んで使用することが可能であると共に極めて有利である。車両内室の特別な遮光に役立つ別の有利な使用事例では、透明ソーラセルがサイドウインドでかつ／またはリヤウインドでかつ／またはフロントガラスの上側の領域で特に各内面に取り付けられている。
【００２６】
図５につき透明ソーラセル５０の例を説明する。したがって、本発明を実現するためには、有利には、いわゆる「ＰＯＷＥＲソーラセル５０」が設けられている。この場合、ＰＯＷＥＲは「Ｐｏｌｙｃｒｉｓｔａｌｌｉｎｅ Ｗａｆｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｕｌｔ」を表している。このＰＯＷＥＲソーラセル５０では、機械的な加工によってベース材料、特にシリコンに小さな孔５１が加工成形されている。これによって、ソーラセルが透明度を獲得する。孔５１は、互いに交差する、深さに関して部分的に貫通したほぼＶ字形の溝５２，５３の交差点に形成される。両溝５２，５３は、相応に成形された、ダイヤモンドで被覆された迅速に回転する金属ローラによる機械的なフライス削りによって形成される。金属ローラは溝５２，５３の方向でシリコン半導体ブロック５４にわたって、適切な送りを伴って走行させられる。両溝５２の間のウェブの上側の櫛状部には表コンタクト５５が製作され、両溝５３の間のウェブの下側の櫛状部には裏コンタクト５６が製作される。ここでは、このような透明ソーラセル５０を製作するための所要なまたは有利な別の手段ならびに本発明の目的および目標に関しては説明しないことにする。
【００２７】
このようなＰＯＷＥＲソーラセルは、たとえば「ｓｕｎｗａｙｓ ＡＧ（Ｍａｃａｉｒｅｓｔｒ．５、Ｄ−７８４６７、Ｋｏｎｓｔａｎｚ在）」によって製作され、会社案内に詳しく説明されている。ＰＯＷＥＲソーラセルは、モデルとして、１０×１０ｃｍの外側の寸法と約３３０μｍの厚さとを有している。透明度は約２０％であるものの、変えることができる。したがって、この透明ソーラセルは、前述した形式で適切に本発明により、遮光しかつ電流を発生させるソーラセルとして自動車のウインドに別個の構成部分としてほとんど被着なしに取り付けることができる。この場合、視覚的に着色ガラスの効果が得られる。
【００２８】
本発明による装置は、一方では、自動車の主要な部分がソーラセルによって遮光され、これによって、自動車がほとんど昇温されず、他方では、搭載電源もしくはバッテリに供給される電流が同時に発生させられるという一般的な利点を有している。このことは、特に車両の停止時に可能となるので、太陽光もしくは日光において、一方では電流が発生させられ、他方では車両の昇温が回避される。これによって、場合によっては、車両を冷却するための空調設備の出力を低減することもできる。この利点を達成するためには、３種類の実現例が記載されている。なお、これらの実現例自体は、それぞれ有利な改良形および構成を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】
裏側で鏡面化された、自動車の適切な車体部分に被着されたソーラセルによる、本発明を実現するための第１の構成の概略的な断面図であると共に概略的な入射・反射状態を示す図である。
【図２】
シリコン半導体ソーラセルの反射特性を、入射する放射線の波長λに関連して概略的に示す図である。
【図３】
本発明の第２の構成に相応して本発明により使用可能であるＣＩＳ薄膜ソーラセルの構造を概略的に示す図である。
【図４】
図４に示したＣＩＳ薄膜ソーラセルの製作の経過を概略的に示す図である。
【図５】
本発明の第３の構成により設けられた透明ソーラセルの構造を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１ ソーラセル、 ２ 車体部分、 ３ 内側ライニング層、 ４ 矢印、 ５ 矢印、 ６ 矢印、 １１ 支持層、 １２ 反射層、 １３ 光起電層、 １４ 保護層、 ３０ 薄膜ソーラセル、 ３１ 吸収層、 ３２ 車体薄板、 ３３ モリブデン層、 ３４ ＣｄＳ中間層、 ３５ ＺｎＯコンタクト形成層、 ４１〜４８ ステップ、 ５０ 透明ソーラセル、 ５１ 孔、 ５２ 溝、 ５３ 溝、 ５４ シリコン半導体ブロック、 ５５ 表コンタクト、 ５６ 裏コンタクト

Claims (13)

1. 自動車において電流を発生させると同時に遮光するための装置において、
   ソーラセル（１，３０，５０）が、車両の適切な車体部分（２，３２）に別個のまたは組み込まれた構成部分として設けられていて、発生させられた電流を供給するために車両の消費器もしくはバッテリに接続されていることを特徴とする、自動車において電流を発生させると同時に遮光するための装置。
2. ソーラセルとして、裏側で鏡面化されたソーラセル（１２）または内側の反射層を備えたソーラセル（１）が設けられている、請求項１記載の装置。
3. 裏側で鏡面化されたソーラセルまたは内側の反射層を備えたソーラセル（１）が、半導体ソーラセル、特にシリコン半導体ソーラセルとして形成されている、請求項２記載の装置。
4. ソーラセル（１）が、支持層（１１）に形成されており、該支持層（１１）が、適切な車体部分、特に車両ルーフ（２）に固く結合されている、請求項２または３記載の装置。
5. ソーラセル（１）の支持層（１１）が、剛性的であるかまたはフレキシブルである、請求項４記載の装置。
6. ソーラセルとして薄膜ソーラセル（３０）が設けられており、該薄膜ソーラセル（３０）が、適切な支持層にまたは直接車体部分、特に車両ルーフ（３２）に統合されて成長させられていて、製造されている、請求項１記載の装置。
7. 薄膜ソーラセル（３０）が、ＣＩＳソーラセルとして形成されており、ＣＩＳが、元素である銅、インジウムおよびセレンを表しており、これらの元素から、光起電的にアクティブな吸収層（３１）が形成されている、請求項６記載の装置。
8. 薄膜ソーラセル（３０）が、車両の塗装に視覚的に調和された保護層を備えている、請求項６または７記載の装置。
9. ソーラセルとして透明ソーラセル（５０）が設けられている、請求項１記載の装置。
10. 透明ソーラセル（５０）が、ガラス内に埋め込まれている、請求項９記載の装置。
11. 透明ソーラセル（５０）が、車両のウインドに設けられているかまたは１つのウインドの２つのガラスの間でウインド内に組み込まれて設けられている、請求項９または１０記載の装置。
12. 透明ソーラセル（５０）が、サイドウインドでかつ／またはリヤウインドでかつ／またはフロントガラスの上側の領域で特に内面に取り付けられている、請求項９から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 透明ソーラセル（５０）として、いわゆる「ＰＯＷＥＲソーラセル（ＰＯＷＥＲはＰｏｌｙｃｒｉｓｔａｌｌｉｎｅ Ｗａｆｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｕｌｔを表している）」が設けられており、該ＰＯＷＥＲソーラセルにおいて、機械的な加工によってベース材料（５４）、特にシリコンに小さな孔（５１）が加工成形されており、これによって、ソーラセル（５０）が透明度を獲得している、請求項９から１２までのいずれか１項記載の装置。