JP2005203398A - Photovoltaic power generation system, and short-circuiting failure suppression method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the occurrence of failure in a photovoltaic power generating system caused by a partial shade, and to improve durability in a field in a solar cell in which a back reflection layer comprises Ag, Cu, or Au. <P>SOLUTION: The photovoltaic power generation system having a photovoltaic element containing silver, copper, or gold at least on a back electrode has a means for applying a voltage that is equal to or higher than the oxidation-reduction potential of metal for composing the back electrode, and lower than a forward on-voltage Va of a parasitic diode of the photovoltaic element as a forward bias voltage to the photovoltaic element at night. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、パーシャルシェードに起因する太陽光発電システムの故障を抑制するためのシステム及び方法に関するものである。   The present invention relates to a system and method for suppressing a failure of a photovoltaic power generation system caused by a partial shade.

光起電力素子を応用した太陽電池による太陽光発電は、火力発電、水力発電、原子力発電などの既存発電方法を使用することにより生じる様々な環境問題を解決する代替エネルギー源として大きな可能性を秘めている。   Photovoltaic power generation using photovoltaic cells with photovoltaic elements has great potential as an alternative energy source to solve various environmental problems caused by using existing power generation methods such as thermal power generation, hydroelectric power generation, and nuclear power generation. ing.

近年、クリーンエネルギーである太陽光をエネルギー源とする太陽光発電は、地球環境に対する影響が極めて少ないため、国内外ともに徐々に普及しつつある。   In recent years, photovoltaic power generation using sunlight, which is clean energy, as an energy source has an extremely small influence on the global environment, and is gradually spreading both in Japan and overseas.

従来、太陽光発電に用いられる太陽電池の光起電力層を形成する材料としては、単結晶または多結晶のシリコンが多く用いられてきた。しかし、これらの太陽電池では結晶の成長に多くのエネルギーと時間を要し、またその後も複雑な工程が必要となるため量産効果があがりにくく、低価格での提供が困難であった。   Conventionally, monocrystalline or polycrystalline silicon has been often used as a material for forming a photovoltaic layer of a solar cell used for photovoltaic power generation. However, these solar cells require a lot of energy and time for crystal growth, and after that, complicated processes are required, so that the mass production effect is difficult to be achieved and it is difficult to provide them at a low price.

このため、Whあたりの発電システムのコストが既存発電方法より高くなり、結果的に太陽光発電の普及の弊害になっている。   For this reason, the cost of the power generation system per Wh is higher than that of the existing power generation method, and as a result, it is an adverse effect of the spread of solar power generation.

この問題を解決するために、アモルファスシリコンやCdS、CuInSeなどの化合物を用いた、いわゆる薄膜半導体太陽電池が盛んに研究、開発されてきた。これらの太陽電池では、ガラスやステンレスなどの安価な基板上に必要なだけの半導体層からなる光起電力層を形成すればよく、その製造工程も比較的簡単であり、低価格化できる。しかしながら、薄膜系太陽電池は、その変換効率が結晶系シリコン太陽電池に比べて低いため、これまで発電用太陽電池としての本格的な普及に至っていない。 In order to solve this problem, so-called thin film semiconductor solar cells using compounds such as amorphous silicon, CdS, and CuInSe 2 have been actively researched and developed. In these solar cells, it is only necessary to form a photovoltaic layer made of as many semiconductor layers as necessary on an inexpensive substrate such as glass or stainless steel, and the manufacturing process is relatively simple, and the cost can be reduced. However, since the conversion efficiency of the thin-film solar cell is lower than that of the crystalline silicon solar cell, it has not been widely spread so far as a solar cell for power generation.

前記、薄膜系太陽電池の変換効率を改善するための方法の一つに、裏面反射層を設ける方法が従来から知られている。   As one of the methods for improving the conversion efficiency of the thin-film solar cell, a method of providing a back reflecting layer has been conventionally known.

裏面反射層は、薄膜半導体層から成る光起電力層が成膜される基板表面の光の反射率を高めるために設けられる。裏面反射層は、光起電力層で吸収されなかった入射太陽光を、反射させ、再び光起電力層に戻し、吸収を促す機能を持つ。この裏面反射層は基盤表面の電極を兼ねるため、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)等の反射率及び電導率が良好な金属材料が好適に用いられる。例えば、特許文献1(特開平06−085299号公報)を参照。   The back surface reflection layer is provided in order to increase the light reflectance of the substrate surface on which the photovoltaic layer composed of a thin film semiconductor layer is formed. The back reflective layer has a function of reflecting incident sunlight that has not been absorbed by the photovoltaic layer, returning it to the photovoltaic layer again, and promoting absorption. Since this back surface reflection layer also serves as an electrode on the substrate surface, a metal material having good reflectivity and conductivity such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), etc. is preferably used. For example, see Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 06-085299).

特に、Au、Agは可視光の殆ど全波長領域で95〜98%の反射率を示すことから、裏面反射層の構成材料として最も好ましい。Cuは波長600nmより短い波長領域では反射率が60%程度とかなり低いが、600〜1000nm程度の波長領域ではAgと殆ど遜色のない高い反射率を示す。また、半導体からなる光起電力層を透過する際に波長600nm以下の光は殆ど吸収されてしまうので、金属層はこの範囲の光に対して反射率が高ければ十分である。しかし、CuはAgやAuと比較してコスト的に有利と言える。Alはコスト的には使用しやすい金属であるが、反射層として重要な600〜1000nm程度の比較的長波長の領域では、反射率が85〜90%程度であり、Agに比べるとかなり低いことが大きな欠点であり、近年では、Ag、Cu、Auを裏面反射層に用いる検討がなされている。
特開平06−085299号公報
In particular, Au and Ag are most preferable as a constituent material of the back reflective layer because they exhibit a reflectance of 95 to 98% in almost all wavelength regions of visible light. Cu has a very low reflectivity of about 60% in a wavelength region shorter than a wavelength of 600 nm, but shows a high reflectivity almost inferior to Ag in a wavelength region of about 600 to 1000 nm. Further, since light having a wavelength of 600 nm or less is almost absorbed when passing through a photovoltaic layer made of a semiconductor, it is sufficient that the metal layer has a high reflectance with respect to light in this range. However, it can be said that Cu is advantageous in terms of cost compared with Ag and Au. Al is a metal that is easy to use in terms of cost, but in a relatively long wavelength region of about 600 to 1000 nm, which is important as a reflective layer, the reflectance is about 85 to 90%, which is considerably lower than Ag. However, in recent years, studies have been made on the use of Ag, Cu, or Au for the back reflective layer.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-085299

しかしながら、変換効率の向上のために反射率の高いAgやCuあるいはAuを裏面反射層として用いた薄膜光起電力素子を屋外環境で長期間使用すると、光起電力素子の光起電力層の膜質の悪いものでは、時としてシャント抵抗が低下し、その結果として変換効率の低下が見られることが判明した。   However, when a thin film photovoltaic device using Ag, Cu, or Au having a high reflectance as a back reflecting layer is used for a long time in an outdoor environment in order to improve conversion efficiency, the film quality of the photovoltaic layer of the photovoltaic device It was found that sometimes the shunt resistance decreased with the poor one, and as a result, the conversion efficiency decreased.

これについて代表的な事象として、積雪地域に数年間にわたり設置した、裏面反射層にAgを用いたアモルファスシリコン太陽電池モジュール(半導体層厚約300nm)の冬季から春季にかけてのシャント抵抗低下の現象で説明する。   As a typical event, we explained the phenomenon of shunt resistance drop from winter to spring in an amorphous silicon solar cell module (semiconductor layer thickness of about 300 nm) using Ag as the back reflective layer, which was installed in a snowy area for several years. To do.

上記太陽電池モジュールのシャント抵抗低下の原因を分析するため、太陽電池モジュールのシャント抵抗が低下した箇所を特定する。光起電力素子の順方向に電流を通電した場合の温度分布を遠赤外線利用の表面温度画像化カメラ(三菱電機製サーマルィメージャーIR−5120C、以下IRカメラと略記する)を使用すると温度分布の違いから短絡箇所を特定することができる。短絡箇所を光学顕微鏡で調べると、直径10〜30μm程度の金属光沢をもったスポットが見出せる。さらに、このスポットをX線マイクロアナライザー(堀場製作所製EMAX−5770、以下XMAと略記する)で分析すると、このスポット部分では周囲に比べて著しく強いAgの信号が検出される。これから、何らかの原因で裏面反射層のAgが表面に析出したと考えられ、その結果、光起電力素子の裏面反射層と表面電極間で短絡が発生し、本来外部に取り出されるべき出力電流の一部が失われ、光起電力素子の効率が低下するものと推察される。   In order to analyze the cause of the decrease in the shunt resistance of the solar cell module, a location where the shunt resistance of the solar cell module is decreased is specified. When a current distribution is applied in the forward direction of the photovoltaic device, the temperature distribution of the surface temperature imaging camera (Mitsubishi Electric thermal imager IR-5120C, hereinafter abbreviated as IR camera) using far infrared rays is used. The short-circuit location can be identified from the difference. When the short-circuited portion is examined with an optical microscope, a spot having a metallic luster with a diameter of about 10 to 30 μm can be found. Further, when this spot is analyzed with an X-ray microanalyzer (EMAX-5770 manufactured by Horiba, Ltd., hereinafter abbreviated as XMA), an Ag signal that is significantly stronger than the surroundings is detected at this spot portion. From this, it is considered that Ag of the back surface reflection layer is deposited on the surface for some reason. As a result, a short circuit occurs between the back surface reflection layer of the photovoltaic element and the surface electrode, and one of the output currents that should be originally taken out to the outside. It is surmised that the efficiency of the photovoltaic element is reduced due to the loss of the portion.

この太陽電池モジュールは、積雪に起因する水分の侵入があり、太陽電池モジュールの一部に太陽光が当たらない(パーシャルシェード)状態が長期間続いていたと考えられる。   This solar cell module has intrusion of moisture due to snow accumulation, and it is considered that a part of the solar cell module was not exposed to sunlight (partial shade) for a long time.

通常、太陽電池としての長期信頼性を確保するためには、太陽電池として使用する光起電力素子を透明度の高い封止材料で封止する必要があり、封止材料として一般的に、フッ素系フィルムやEVA樹脂等が使用される。太陽電池の設置環境にもよるが、長期間の屋外曝露では水分の透過を完全に阻止することは困難で、その結果として封止材料の劣化が起こる。表面材料をガラスにすれば、表面からの水分の透過を抑えられるので改善が図れるものの、ガラスと光起電力素子との張り合わせ端部からの水分の浸入を抑えきれないので、効果は完全ではない。   Usually, in order to ensure long-term reliability as a solar cell, it is necessary to seal a photovoltaic element used as a solar cell with a highly transparent sealing material. A film, EVA resin or the like is used. Although it depends on the installation environment of the solar cell, it is difficult to completely prevent the permeation of moisture by long-term outdoor exposure, resulting in deterioration of the sealing material. If the surface material is made of glass, moisture can be prevented from permeating from the surface, which can be improved. However, since the infiltration of moisture from the bonding edge of the glass and photovoltaic element cannot be suppressed, the effect is not perfect. .

太陽光発電システムにおいて積雪等によりシステムを構成する太陽電池モジュールの一部が遮光されたパーシャルシェード状態で太陽光の入射があった場合、遮光された光起電力素子はシステム電圧で逆バイアスされることになる。   In a solar power generation system, when sunlight is incident in a partial shade state where a part of the solar cell module constituting the system is shielded from light due to snow or the like, the shielded photovoltaic element is reverse-biased by the system voltage. It will be.

図7は太陽電池モジュールの等価回路を示しており、701は光起電力素子、702は寄生ダイオード、703は光起電流源、704はシャント抵抗(並列抵抗)、705はシリーズ抵抗(直列抵抗)、706はバイパスダイオードである。   FIG. 7 shows an equivalent circuit of the solar cell module, in which 701 is a photovoltaic element, 702 is a parasitic diode, 703 is a photovoltaic current source, 704 is a shunt resistor (parallel resistor), and 705 is a series resistor (series resistor). , 706 are bypass diodes.

通常、太陽電池モジュールは光起電力素子701の保護のため、光起電力素子701と並列にバイパスダイオード706を接続する。これにより光起電力素子701に印加される逆バイアス電圧は、バイパスダイオード706により緩和される。しかし、バイパスダイオード706のON抵抗は0ではないので、光起電力素子701の正負両極間には逆バイアス電圧が残り、約0.7〜1.5V程度は逆バイアス電圧が印加されることになる。   Usually, a solar cell module has a bypass diode 706 connected in parallel with the photovoltaic element 701 in order to protect the photovoltaic element 701. As a result, the reverse bias voltage applied to the photovoltaic element 701 is relaxed by the bypass diode 706. However, since the ON resistance of the bypass diode 706 is not 0, a reverse bias voltage remains between the positive and negative electrodes of the photovoltaic element 701, and a reverse bias voltage is applied for about 0.7 to 1.5V. Become.

上記電圧は、裏面反射層を構成する金属材料の酸化還元電位よりも高く、化学反応を起こさせるには十分な電圧である。   The voltage is higher than the oxidation-reduction potential of the metal material constituting the back reflective layer, and is sufficient to cause a chemical reaction.

一方、湿度が十分にあり、前述した電圧以上の電圧が印加されている状況下では、裏面反射層の構成材料であるAgは、イオンマイグレーション(以下マイグレーションと略記する)と呼称される現象を起こすことが知られている。   On the other hand, under a situation where the humidity is sufficient and a voltage higher than the voltage described above is applied, Ag, which is a constituent material of the back surface reflection layer, causes a phenomenon called ion migration (hereinafter abbreviated as migration). It is known.

以上から、故障した太陽電池モジュールは、裏面反射層の構成材料であるAgのマイグレーションが原因と考えられる。   From the above, it is considered that the failed solar cell module is caused by migration of Ag which is a constituent material of the back surface reflection layer.

このようなマイグレーションによるシャント抵抗の低下は、裏面反射層にAg以外にも比較的マイグレーションが起こりやすいCuやAuにおいても同様に発生すると思われる。   Such a decrease in shunt resistance due to migration is considered to occur similarly in Cu and Au, in which migration tends to occur in addition to Ag in the back surface reflection layer.

本発明は、上述したマイグレーションによる光電変換効率の低下のメカニズムを踏まえ、裏面反射層にAg、Cu、Auを使用した太陽電池モジュールの短絡故障を抑制する太陽光発電システム及び方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a photovoltaic power generation system and method that suppresses short-circuit failure of a solar cell module that uses Ag, Cu, or Au as a back surface reflection layer, based on the above-described mechanism of decrease in photoelectric conversion efficiency due to migration. Objective.

本発明の太陽光発電システムは、少なくとも裏面電極に銀又は銅又は金を含む光起電力素子を有する太陽光発電システムにおいて、夜間に前記光起電力素子に順方向バイアス電圧として、前記裏面電極を構成する金属の酸化還元電位以上かつ前記光起電力素子の寄生ダイオードの順方向ON電圧Va未満となる範囲の電圧を印加する手段を有する事を特徴とする。   The photovoltaic power generation system of the present invention is a photovoltaic power generation system having a photovoltaic element containing silver, copper, or gold at least on the back electrode, and the back electrode is used as a forward bias voltage for the photovoltaic element at night. It is characterized by having means for applying a voltage in a range not less than the oxidation-reduction potential of the constituent metal and less than the forward ON voltage Va of the parasitic diode of the photovoltaic element.

本発明の太陽光発電システムの短絡故障抑制方法は、少なくとも裏面電極に銀又は銅又は金を含む光起電力素子を有する太陽光発電システムにおいて、夜間に前記光起電力素子に順方向バイアス電圧として、前記裏面電極を構成する金属の酸化還元電位以上かつ前記光起電力素子の寄生ダイオードの順方向ON電圧Va未満となる範囲の電圧を印加する事を特徴とする。   The photovoltaic power generation system short-circuit failure suppressing method of the present invention is a photovoltaic power generation system having a photovoltaic element containing silver, copper, or gold on at least a back electrode, and the photovoltaic element is used as a forward bias voltage at night. A voltage in a range not less than the oxidation-reduction potential of the metal constituting the back electrode and less than the forward ON voltage Va of the parasitic diode of the photovoltaic element is applied.

本発明の太陽光発電システムの短絡故障抑制方法により、裏面反射層が、AgまたはCuまたはAuで構成される太陽電池において、太陽光発電システムの短絡故障を抑制できフィールドでの耐久性が向上できる。   According to the solar power generation system short-circuit failure suppressing method of the present invention, in the solar cell in which the back reflection layer is made of Ag, Cu, or Au, the short-circuit failure of the solar power generation system can be suppressed and the durability in the field can be improved. .

本発明に係わる太陽光発電システムの短絡故障抑制方法の一実施の形態を、図1から4を用いて説明する。   An embodiment of a method for suppressing a short-circuit fault in a solar power generation system according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、本発明の太陽光発電システムの概略図である。   FIG. 1 is a schematic diagram of a photovoltaic power generation system according to the present invention.

太陽電池モジュール101は、逆流防止ダイオード102を介してインバーターシステム103に接続される。図1では、太陽電池モジュール101が4並列接続されている。太陽電池モジュール101は、ストリングと呼称される複数の太陽電池モジュールを直列接続した形態でもよい。太陽電池モジュール101の直並列数は、個々のシステムに合った接続設計を行えばよい。   The solar cell module 101 is connected to the inverter system 103 via the backflow prevention diode 102. In FIG. 1, four solar cell modules 101 are connected in parallel. The solar cell module 101 may have a form in which a plurality of solar cell modules called strings are connected in series. The series-parallel number of the solar cell modules 101 may be designed according to each system.

太陽電池モジュール101に対し、夜間に順方向バイアス電圧を印加するためのシステムが、バイアス電源105及び切り替え手段104である。夜間、つまり日射が無い状態では切り替え手段104がONになりバイアス電源105からのバイアス電圧印加に切り替わる。また、日射がある場合は、切り替え手段104はOFFとなりバイアス電源105は切り離され、バイアス電圧印加は停止する。   A system for applying a forward bias voltage to the solar cell module 101 at night is a bias power source 105 and a switching unit 104. At night, that is, when there is no solar radiation, the switching means 104 is turned ON and the bias voltage application from the bias power source 105 is switched. When there is solar radiation, the switching unit 104 is turned off, the bias power supply 105 is disconnected, and the bias voltage application is stopped.

尚、ここで言う順方向バイアス電圧とは太陽電池モジュール101内にある光起電力素子の寄生ダイオードに対する順方向電圧を指している。   Note that the forward bias voltage referred to here refers to the forward voltage with respect to the parasitic diode of the photovoltaic element in the solar cell module 101.

Ag等の裏面電極材料のからの金属イオンが表面電極側に移動していた場合は、バイアス電源105による順方向バイアス電圧を加えることで、裏面電極側に再移動させる。但し、既にマイグレーションが十分進行し短絡してしまった光起電力素子に対しては上記バイアス電圧が掛からなくなるので回復させることはできない。よって、太陽光発電システム設置時点から本発明の性能低下抑制システムを同時に稼動させる必要がある。   If the metal ions from the back electrode material such as Ag have moved to the front electrode side, they are moved again to the back electrode side by applying a forward bias voltage from the bias power source 105. However, since the bias voltage is not applied to the photovoltaic device that has already undergone sufficient migration and is short-circuited, it cannot be recovered. Therefore, it is necessary to simultaneously operate the performance deterioration suppressing system of the present invention from the time of installing the solar power generation system.

設置される太陽電池モジュール101は、それを構成する個々の光起電力素子の暗状態でのシャント抵抗値が出来る限り揃っている方が望ましい。これは、バイアス電源105により順方向バイアス電圧を印加した場合に太陽電池モジュール101を構成する個々の光起電力素子に、等しい順方向バイアス電圧を与えることが出来るからである。シャント抵抗値にバラツキが生じると個々の光起電力素子に掛かる順方向バイアス電圧も比例してばらつくことになる。これは、短絡故障抑制効果にバラツキが生じることになる。太陽電池メーカーの量産工場で安定的に生産される光起電力素子では、シャント抵抗値も管理され、そのバラツキも抑えられているので問題はないが、より積極的に管理するためには生産された光起電力素子をシャント抵抗値でランク分けしシャント抵抗値が揃った光起電力素子で太陽電池モジュール101を製造すればよい。   It is desirable that the solar cell module 101 to be installed has the same shunt resistance value in the dark state of the individual photovoltaic elements constituting the solar cell module 101 as much as possible. This is because, when a forward bias voltage is applied from the bias power source 105, an equal forward bias voltage can be applied to the individual photovoltaic elements constituting the solar cell module 101. When the shunt resistance value varies, the forward bias voltage applied to each photovoltaic element also varies in proportion. This causes variations in the short-circuit failure suppression effect. Photovoltaic elements that are stably produced at a solar cell manufacturer's mass production plant have no problem because the shunt resistance value is also controlled and its variation is suppressed, but it is produced for more active management. The photovoltaic elements 101 may be manufactured using photovoltaic elements having the same shunt resistance value by ranking the photovoltaic elements obtained by ranking.

暗状態でのシャント抵抗の測定方法は、光起電力素子あるいは太陽電池モジュール101を暗室等の光が入射しない状態に置き、IV特性を測定することで、その傾きから求めることが出来る。簡易的には、前述した寄生ダイオードがONしない程度の電圧を印加した場合のリーク電流値から求めることも出来る。   The method of measuring the shunt resistance in the dark state can be obtained from the inclination by placing the photovoltaic element or the solar cell module 101 in a state where no light such as a dark room is incident and measuring the IV characteristics. In a simple manner, it can also be obtained from the leakage current value when a voltage that does not turn on the parasitic diode described above is applied.

尚、ここで言うダイオードがONする電圧とは、ダイオードのアノードとカソード間に急激に電流が流れる変極点となる順方向の印加電圧であるが、これについては後述するので、ここでは詳しい説明を省略する。   Note that the voltage at which the diode is turned on is a forward applied voltage that becomes a turning point where a current suddenly flows between the anode and the cathode of the diode. This will be described later, and will be described in detail here. Omitted.

切り替え手段104には、ダイオードや電磁継電器が使用できる。   As the switching means 104, a diode or an electromagnetic relay can be used.

図2は、切り替え手段104にダイオード204を使用した場合である。日射が無くなり太陽電池モジュール201の出力電圧が、バイアス電源205にあらかじめ設定されたバイアス電圧以下になるとダイオード204を介してバイアス電源205から電流が流れ込み、やがて、バイアス電源からの順方向バイアス電圧印加状態になる。日射がある場合は、太陽電池モジュール201の出力電圧の方がバイアス電源205より高くなるので、ダイオード204からの電流の流れ込みは無くなりバイアス電源からの順方向バイアスの印加は解除される。   FIG. 2 shows a case where a diode 204 is used for the switching means 104. When the solar radiation disappears and the output voltage of the solar cell module 201 becomes equal to or lower than the bias voltage set in advance in the bias power source 205, current flows from the bias power source 205 via the diode 204, and a forward bias voltage application state from the bias power source is eventually observed. become. When there is solar radiation, the output voltage of the solar cell module 201 is higher than that of the bias power source 205, so that no current flows from the diode 204 and the application of the forward bias from the bias power source is released.

図1におけるバイアス電源105の設定電圧は、太陽電池モジュール101の直列数すなわち出力電圧とインバーター103の起動電圧によって決められる。個々の太陽光発電システムでは、太陽電池モジュール101の直列数は区々であるためバイアス電源105の設定電圧もそれぞれに対応した設定電圧となる。このため太陽光発電システム設置時にバイアス電源105の出力電圧も同時に設定する必要がある。また、バイアス電源105の機能をインバーター103にあらかじめ盛り込むことも省スペースのためには有効である。   The set voltage of the bias power source 105 in FIG. 1 is determined by the series number of solar cell modules 101, that is, the output voltage and the starting voltage of the inverter 103. In each photovoltaic power generation system, the number of series solar cell modules 101 varies, and the setting voltage of the bias power source 105 is also a setting voltage corresponding to each. For this reason, it is necessary to set the output voltage of the bias power source 105 at the same time when the photovoltaic power generation system is installed. It is also effective to save the space to incorporate the function of the bias power source 105 in the inverter 103 in advance.

バイアス電源105の設定電圧の下限値は、裏面電極層に使用されている金属材料の種類と太陽電池モジュール101を構成する光起電力素子の直列数で決まる。前記設定電圧は、(裏面電極層に使用されている金属の酸化還元電位)×(太陽電池モジュール101を構成する光起電力素子の直列数)以上としなければならない。この下限値未満の電圧では酸化還元反応が起こらないためである。尚、裏面電極層に使用されている金属材料の酸化還元電位としては、Cuが0.3V、Agが0.8V、Auが1.5V程度である。   The lower limit value of the set voltage of the bias power source 105 is determined by the type of metal material used for the back electrode layer and the series number of photovoltaic elements constituting the solar cell module 101. The set voltage must be greater than or equal to (the oxidation-reduction potential of the metal used in the back electrode layer) × (the number of photovoltaic elements constituting the solar cell module 101 in series). This is because the oxidation-reduction reaction does not occur at a voltage lower than the lower limit. The redox potential of the metal material used for the back electrode layer is about 0.3V for Cu, 0.8V for Ag, and about 1.5V for Au.

バイアス電源105の設定電圧の上限値は、(前述した光起電力素子の寄生ダイオードがONする電圧:Va)×(太陽電池モジュール101を構成する光起電力素子の直列数)未満であればよい。本電圧値未満なら微量の電力で目的は達成することができるからである。光起電力素子の寄生ダイオードがONする電圧Vaは以下の手順で求めることが出来る。   The upper limit value of the set voltage of the bias power source 105 may be less than (the voltage at which the parasitic diode of the photovoltaic element described above is turned on: Va) × (the number of photovoltaic elements constituting the solar cell module 101 in series). . This is because the object can be achieved with a very small amount of power if the voltage is less than this voltage value. The voltage Va at which the parasitic diode of the photovoltaic element is turned on can be obtained by the following procedure.

太陽電池モジュール101あるいは太陽電池モジュール101を構成する光起電力素子単体の暗状態のIV特性を求める。   The dark state IV characteristics of the solar cell module 101 or a single photovoltaic element constituting the solar cell module 101 are obtained.

Vaは、図6に示すように光起電力素子のIV特性が十分に立ち上がった付近に漸近線を引き、その漸近線と横軸との交点の電圧とする。印加電圧がVa以上であるとIV特性は急激に立ち上がっていることは図6のグラフより明らかである。   As shown in FIG. 6, Va draws an asymptotic line near the point where the IV characteristic of the photovoltaic element sufficiently rises, and is a voltage at the intersection of the asymptotic line and the horizontal axis. It is clear from the graph of FIG. 6 that the IV characteristic rises rapidly when the applied voltage is Va or higher.

Vaは、光起電力素子の種類により変化するが通常その電圧値は、結晶系シリコン光起電力素子で0.4〜0.9V程度、シングルアモルファスシリコン系光起電力素子で0.5〜0.7V程度とされている。図6は、トリプル型アモルファスシリコン光起電力素子の例を示したもので、Vaは約2Vである。上記のように積層型光起電力素子の場合は、積層数に比例してVaが大きくなる。   Va varies depending on the type of photovoltaic element, but the voltage value is usually about 0.4 to 0.9 V for a crystalline silicon photovoltaic element and 0.5 to 0 for a single amorphous silicon photovoltaic element. .7V or so. FIG. 6 shows an example of a triple type amorphous silicon photovoltaic device, and Va is about 2V. As described above, in the case of a stacked photovoltaic element, Va increases in proportion to the number of stacked layers.

前記、電圧Va以上の電圧を光起電力素子に印加すると光起電力素子に大電流が流れ電力消費が発生する。本発明ではこのような大電力は必要ではなく、太陽電池モジュール101を構成する光起電力素子の寄生ダイオードがONしない状態で且つ、酸化還元反応に必要な微小な電力さえあればよいので光起電力素子に印加する順方向バイアス電圧はVa未満で出来る限り低い方が好ましい。   When a voltage equal to or higher than the voltage Va is applied to the photovoltaic element, a large current flows through the photovoltaic element and power consumption occurs. In the present invention, such a large electric power is not necessary, and it is sufficient that the parasitic diode of the photovoltaic element constituting the solar cell module 101 is not turned on and only a minute electric power necessary for the oxidation-reduction reaction is required. The forward bias voltage applied to the power element is preferably as low as possible below Va.

また、アモルファスシリコン太陽電池の場合は、順方向電流の注入により変換効率が劣化する特性が知られておりVaを超える順方向バイアス電圧とすると大電流が流れ、変換効率の劣化を加速することになる。   In addition, in the case of an amorphous silicon solar cell, it is known that the conversion efficiency deteriorates due to the forward current injection. When the forward bias voltage exceeds Va, a large current flows to accelerate the deterioration of the conversion efficiency. Become.

尚、図2の構成の場合は、(Va)×(光起電力素子の直列数)がインバーター103の起動電圧以上ではインバーター103が動作してしまい誤動作の原因となるので、バイアス電源105の設定電圧は、(Va)×(光起電力素子の直列数)未満且つ、インバーター103の起動電圧未満に設定するのは言うまでも無い。   In the case of the configuration of FIG. 2, if (Va) × (the number of photovoltaic elements in series) is equal to or higher than the starting voltage of the inverter 103, the inverter 103 operates and causes a malfunction. Needless to say, the voltage is set lower than (Va) × (the number of photovoltaic elements in series) and lower than the starting voltage of the inverter 103.

バイアス電源105は、市販の直流安定化電源やバッテリー等が使用できる。本発明の太陽光発電システムの短絡故障抑制システムでは、前述したように光起電力素子の寄生ダイオードがOFFである領域での電圧印加となるため大電力は必要なく、小型の電源設備でよいというメリットも生じる。   As the bias power source 105, a commercially available DC stabilized power source, a battery, or the like can be used. In the short-circuit fault suppression system of the photovoltaic power generation system of the present invention, as described above, voltage is applied in a region where the parasitic diode of the photovoltaic element is OFF, so that a large amount of power is not necessary and a small power supply facility may be used. There are also benefits.

尚、バイアス電源105の設定電圧は、太陽光発電システムとして設置終了後に太陽光発電システムの夜間のIV特性を実測し前述したVaと同様な方法で求めることが最も好ましいが測定のために大電力電源が必要になる等、設備の点で実測は非常に困難である。そこで、太陽電池モジュール101あるいは太陽電池モジュール101を構成する光起電力素子単体を一つ選び、これの暗状態でのIV特性からVaを求め、これに光起電力素子の直列数を乗算して求め代用することもできる。   The set voltage of the bias power source 105 is most preferably obtained by measuring the nighttime IV characteristics of the photovoltaic power generation system after the installation as a photovoltaic power generation system and using the same method as Va described above. Actual measurement is very difficult in terms of equipment, such as the need for a power supply. Therefore, one solar cell module 101 or a single photovoltaic element constituting the solar cell module 101 is selected, Va is obtained from the IV characteristic in the dark state, and this is multiplied by the series number of photovoltaic elements. It can also be substituted.

図3は、切り替え手段104に電磁継電器304等の外部信号で制御できるスイッチを使用した場合である。この場合は、電磁継電器304の切り替えタイミングを制御するために、日射の有無を検出しなければならない。簡易的には、太陽電池モジュール301の出力電圧をモニターする手段309を設けて、これにより検出してもよい。また、光センサー306を別途設置して日射検出してもよい。また、光センサー306を使用せず、カレンダー手段(不図示)を設け、予め電磁継電器304の開閉時刻をプログラミングし十分日射が低下している時刻に電磁継電器304を開閉させてもよい。   FIG. 3 shows a case where a switch that can be controlled by an external signal such as an electromagnetic relay 304 is used for the switching means 104. In this case, in order to control the switching timing of the electromagnetic relay 304, it is necessary to detect the presence of solar radiation. For simplicity, a means 309 for monitoring the output voltage of the solar cell module 301 may be provided for detection. In addition, the photosensor 306 may be separately installed to detect solar radiation. Alternatively, a calendar means (not shown) may be provided without using the optical sensor 306, and the opening / closing time of the electromagnetic relay 304 may be programmed in advance to open / close the electromagnetic relay 304 at a time when the solar radiation is sufficiently reduced.

電磁継電器304の開閉制御は、シーケンサーやコンピューターで構成される制御装置308で行う。太陽電池モジュール301の出力電圧や光センサー306からの信号(日射の有無)を監視し電磁継電器304の開閉を行う。この場合は、バイアス電源305の主電源開閉等も同時に行うようにすれば、待機電力を少なくできる。   Opening / closing control of the electromagnetic relay 304 is performed by a control device 308 including a sequencer and a computer. The output voltage of the solar cell module 301 and the signal from the optical sensor 306 (the presence or absence of solar radiation) are monitored, and the electromagnetic relay 304 is opened and closed. In this case, the standby power can be reduced by simultaneously opening and closing the main power source of the bias power source 305.

また、図4に示すように電磁継電器404に連動する別の電磁継電器407を追加して、太陽電池モジュール401をインバーター403から完全に切り離しても良い。図4のシステム構成とすれば、バイアス電源405にはインバーター403の起動電圧値に関係なく、(Va)×(光起電力素子の直列数)の電圧が設定でき、さらにインバーター403の誤動作を防止できる。   In addition, as shown in FIG. 4, another electromagnetic relay 407 linked to the electromagnetic relay 404 may be added to completely disconnect the solar cell module 401 from the inverter 403. With the system configuration of FIG. 4, the bias power source 405 can set a voltage of (Va) × (the number of photovoltaic elements in series) regardless of the starting voltage value of the inverter 403, and further prevents malfunction of the inverter 403. it can.

以上のような実施形態を使用することにより太陽光発電システムが稼動していない夜間に太陽電池モジュール101に対し順方向バイアス電圧を印加することが出来、マイグレーションが進行中の太陽電池モジュール101については、太陽光発電システムの短絡故障が抑制できる。   By using the embodiment as described above, a forward bias voltage can be applied to the solar cell module 101 at night when the photovoltaic power generation system is not operating, and the solar cell module 101 in which migration is in progress. Short circuit failure of the photovoltaic power generation system can be suppressed.

本発明の一実施形態である太陽光発電システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a photovoltaic power generation system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態である太陽光発電システムの構成図である。It is a block diagram of the solar energy power generation system which is one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態である太陽光発電システムの構成図である。It is a block diagram of the solar energy power generation system which is one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態である太陽光発電システムの構成図である。It is a block diagram of the solar energy power generation system which is one Embodiment of this invention. 従来の太陽光発電システムの構成図である。It is a block diagram of the conventional solar power generation system. 本発明の順方向バイアス電圧を設定するためのグラフである。It is a graph for setting the forward bias voltage of the present invention. 太陽電池モジュールの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a solar cell module.

符号の説明Explanation of symbols

101、201、301、401、501 太陽電池モジュール
102、202、302、402、502 逆流防止ダイオード
103、203、303、403、503 インバーター
104 切り替え手段
204 スイッチング用ダイオード
105、205、305、405 バイアス電源
304、407 電磁継電器
306、406 光センサー
308、408 制御装置
309、409 電圧モニター手段
701 光起電力素子
702 寄生ダイオード
703 光起電流源
704 シャント抵抗(並列抵抗)
705 シリーズ抵抗(直列抵抗)
706 バイパスダイオード
101, 201, 301, 401, 501 Solar cell module 102, 202, 302, 402, 502 Backflow prevention diode 103, 203, 303, 403, 503 Inverter 104 Switching means 204 Switching diode 105, 205, 305, 405 Bias power supply 304, 407 Electromagnetic relay 306, 406 Optical sensor 308, 408 Control device 309, 409 Voltage monitoring means 701 Photovoltaic element 702 Parasitic diode 703 Photovoltaic current source 704 Shunt resistance (parallel resistance)
705 series resistance (series resistance)
706 Bypass diode

Claims (2)

少なくとも裏面電極に銀又は銅又は金を含む光起電力素子を有する太陽光発電システムにおいて、夜間に前記光起電力素子に順方向バイアス電圧として、前記裏面電極を構成する金属の酸化還元電位以上かつ前記光起電力素子の寄生ダイオードの順方向ON電圧Va未満の電圧を印加する手段を有する事を特徴とする太陽光発電システム。   In a photovoltaic power generation system having a photovoltaic element containing silver, copper or gold at least on the back electrode, as a forward bias voltage on the photovoltaic element at night, the oxidation-reduction potential of the metal constituting the back electrode is equal to or higher than A photovoltaic power generation system comprising means for applying a voltage lower than a forward ON voltage Va of a parasitic diode of the photovoltaic element. 少なくとも裏面電極に銀又は銅又は金を含む光起電力素子を有する太陽光発電システムにおいて、夜間に前記光起電力素子に順方向バイアス電圧として、前記裏面電極を構成する金属の酸化還元電位以上かつ前記光起電力素子の寄生ダイオードの順方向ON電圧Va未満の電圧を印加する事を特徴とする太陽光発電システムの短絡故障の抑制方法。   In a photovoltaic power generation system having a photovoltaic element containing silver, copper or gold at least on the back electrode, as a forward bias voltage on the photovoltaic element at night, the oxidation-reduction potential of the metal constituting the back electrode is equal to or higher than A method for suppressing a short-circuit fault in a photovoltaic power generation system, wherein a voltage lower than a forward ON voltage Va of a parasitic diode of the photovoltaic element is applied.
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