JP2007287997A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光を効率よく利用することが可能な、太陽電池モジュールを提供すること。
【解決手段】本発明の太陽電池モジュール２０は、薄体状の基材１と、前記基材の一方の主面に配され、第一分光感度をもつ第一太陽電池６ａと、前記基材の他方の主面に配され、前記第一分光感度とは異なる第二分光感度をもつ第二太陽電池６ｂと、を少なくとも有する太陽電池パネル１０を複数備え、前記太陽電池パネルは、それぞれ、前記第一太陽電池と前記第二太陽電池が対向するように、かつ、前記第一太陽電池の表面が太陽光の入射角度に対して所定の角度θをなすように、所定の間隔をおいて配設され、前記太陽電池パネルを構成する第一太陽電池６ａの表面もしくは内部で反射した光が、該第一太陽電池と対向して配された別の太陽電池パネルの第二太陽電池６ｂに入射する構成を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池を複数個接続した太陽電池モジュールに関する。

従来、シリコン系や化合物系の太陽電池は、最小単位がセルと呼ばれる太陽電池素子から構成される。１セルの出力電圧は通常０．５〜１Ｖ程度であるため、必要な電圧を得られるよう、通常は複数のセルを直列接続して用いる。複数の太陽電池を積層してなる多接合型（スタック型、積層型、タンデム型、ハイブリッド型などとも呼ばれる）とした場合には、１セルあたりの出力電圧そのものを高くすることができる。また、複数の直列接続されたセルを一枚の基板に作り込む構成例とした場合には、小型でも高電圧を発生でき、セルを直列接続する結線工程も省力化できる。

このようなセルを必要枚数まとめて、樹脂や強化ガラス、金属枠で保護したものは、モジュール（またはパネル）と呼ばれる。モジュール化により取り扱いや設置を容易にするほか、湿気や汚れ、紫外線や物理的な応力からセルを保護できる。モジュール化の方法としては通常、前述したセルを複数個用い、これらを平面状に並べた構造が採用される。

一方、有機系の色素増感型太陽電池では、作用極側（場合によっては対極側）から入射した光が、酸化物電極上に担持された増感色素を励起することで発電する。単位面積あたり、できるだけ多くの光を受光したほうが発電効率の向上につながるが、このような構造の場合では基板の片側面積分以上に受光することは困難であった。

また、シリコン系や化合物系の太陽電池は、図５に示すように、波長において一様でない分光感度特性を持っており、効率よく光電流を発生する波長域が決まっている。そのため高い光電変換効率を得たい場合には、分光感度の異なる太陽電池を（通常は感度が短波長のものから順に）重ねた、タンデム型太陽電池として使用する場合がある（例えば、特許文献１参照）。

色素増感太陽電池は可視光域に強い分光感度をもち、特に５５０ｎｍ付近の光には８０％以上の量子変換効率をもっている。しかし吸収端は最大でも長波長側９００ｎｍ程度までしかなく、あまり高いエネルギー変換効率が得られない。そのため長波長に分光感度の大きいセルとタンデム構造として利用することが好ましい。

しかしながら、タンデム構造により高性能を得るためには、発電に寄与しない光を透過する必要があるが、色素増感太陽電池は、透明導電膜、対極触媒、ヨウ素電解液の吸収や、色素の光電変換に関わらない吸収などが多く、吸収端より長波長の光を完全には透過できない。

また、湿式太陽電池はタンデム化する場合にもそれぞれのセルを個別に封止しなければならず、（半導体ＰＮ接合型の場合は重ねて成膜するだけでよい。）角セル両極を透明導電ガラスで作製し、シースルー構造にする必要がある。そのため金属基板を用いた裏面入射構造や、カーボン対極など不透明となるセル構造も使用できない、という問題がある。

さらに、色素増感太陽電池ほど深刻ではないが、通常の太陽電池タンデムの場合も（励起された少数キャリアが赤外線を吸収するなど）太陽電池の波長透過率が必ずしも高いとは限らないため、同様の問題が発生する可能性がある。
特開２００４−１４００１０号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、太陽光を効率よく利用することが可能な、太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の太陽電池モジュールは、薄体状の基材と、前記基材の一方の主面に配され、第一分光感度をもつ第一太陽電池と、前記基材の他方の主面に配され、前記第一分光感度とは異なる第二分光感度をもつ第二太陽電池と、を少なくとも有する太陽電池パネルを複数備え、前記太陽電池パネルは、それぞれ、前記第一太陽電池と前記第二太陽電池が対向するように、かつ、前記第一太陽電池の表面が太陽光の入射方向に対して所定の角度θをなすように、所定の間隔をおいて配設され、前記太陽電池パネルを構成する第一太陽電池の表面もしくは内部で反射した光が、該第一太陽電池と対向して配された別の太陽電池パネルの第二太陽電池に入射する構成を備えたことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の太陽電池モジュールは、請求項１において、前記第一太陽電池および前記第二太陽電池の表面には、ホットミラーが配されており、前記太陽電池パネルは、それぞれ、光が進む方向に対して順に、その分光感度がより長波長側となるように構成されていることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の太陽電池モジュールは、請求項１において、前記第一太陽電池および前記第二太陽電池の表面には、コールドミラーが配されており、前記太陽電池パネルは、それぞれ、光が進む方向に対して順に、その分光感度がより短波長側となるように構成されていることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の太陽電池モジュールは、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記太陽電池パネルにおいて、前記第一太陽電池が配された前記基材の一方の主面上であって、該太陽電池パネルと対向して配された前記第二太陽電池の表面で反射した光が入射する部位には、前記第一および第二分光感度と異なる第三分光感度をもつ第三太陽電池を備えたことを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の太陽電池モジュールは、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記第一乃至第三太陽電池は、色素増感型太陽電池であることを特徴とする。

本発明では、複数の太陽電池パネルを、反射光が順次入射していくようにブラインド状に配置することで、太陽光を効率よく利用することが可能な太陽電池モジュールを提供することができる。

以下、本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、有機系の色素増感型太陽電池を採用した例について詳述するが、これに代えて、シリコン系や化合物系の太陽電池を用いても、上述した本発明に係る太陽電池モジュールの作用・効果は得られることは言うまでもない。

図１は、本発明に係る太陽電池モジュールが備える太陽電池パネルの一実施形態を示す概略断面図である。図２は、本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態を示す概略断面図である。
本発明の太陽電池モジュール２０は、図１に示すように、薄体状の基材１（作用極基板）と、前記基材の一方の主面に配され、第一分光感度をもつ第一太陽電池６ａと、前記基材の他方の主面に配され、前記第一分光感度とは異なる第二分光感度をもつ第二太陽電池６ｂと、を少なくとも有する太陽電池パネル１０を複数備える。

透過率の影響を受けずに複数の太陽電池に光を分配するには、入射光（太陽光）を予めそれぞれの太陽電池に適した波長に分光し、各太陽電池へ入射させるのが望ましい。できるだけ簡素な構造で分光入射できる方法として、以下の方法を考案した。

すなわち、本発明の太陽電池モジュール２０は、図２に示すように、前記太陽電池パネル１０は、それぞれ、前記第一太陽電池６ａと前記第二太陽電池６ｂが対向するように、かつ、前記第一太陽電池６ａの表面が太陽光の入射角度に対して所定の角度θをなすように、所定の間隔をおいて配設され、前記太陽電池パネル１０を構成する第一太陽電池６ａの表面もしくは内部で反射した光が、該第一太陽電池６ａと対向して配された別の太陽電池パネル１０の第二太陽電池６ｂに入射する構成を備えたことを特徴とする。
複数の太陽電池パネル１０を、上述したような、いわゆるブラインド状に配置することで、太陽光を効率よく利用することができる。

前記第一太陽電池６ａおよび第二太陽電池６ｂの種類としては、特に限定されるものではないが、異なる分光感度を有する太陽電池を容易に作り分けることが可能な色素増感型太陽電池が好適に用いられる。
第一太陽電池６ａは、作用極基板３と、該作用極基板３の一主面上に電解質層４ａを介して配された透明な対極基板５ａと、これらの間に封入された電解質からなる電解質層４ａと、から概略構成されている。
第二太陽電池６ｂは、作用極基板３と、該作用極基板３の他主面上に電解質層４ｂを介して配された透明な対極基板５ｂと、これらの間に封入された電解質からなる電解質層４ｂと、から概略構成されている。

前記作用極基板３は、薄体状で両面が導電性を有する基材１（透明性は問わない）の一主面上に配され、増感色素を担持させた第一多孔質半導体層２ａと、前記基材１の他主面上に配され、増感色素を担持させた第二多孔質半導体層２ｂと、から構成される。
作用極基板３の両側から透明な対極基板５ａ，５ｂで挟みこむことにより、受光面積が基板面積の約２倍となる色素増感型太陽電池パネル１０を作製することができる。

この際、第一太陽電池６ａの第一多孔質半導体層２ａと、第二太陽電池６ｂの第二多孔質半導体層２ｂとで、吸収波長域の異なる増感色素を担持させる。これにより、図２に示すようにブラインド状に太陽電池パネル１０を並べた際に、太陽電池パネル１０を構成する第一太陽電池６ａの表面で反射した波長の光（この図では長波長光）を、該第一太陽電池６ａと対向して配された別の太陽電池パネル１０の第二太陽電池６ｂの異なる吸収波長域の増感色素で吸収し発電することにより、太陽光を有効に利用できるようになる。

また、図３に示すように、前記第一太陽電池６ａおよび前記第二太陽電池６ｂの表面には、ホットミラー７が配されており、前記太陽電池パネル１０Ａ（１０）は、それぞれ、光が進む方向に対して順に、その分光感度がより長波長側となるように構成されていることが好ましい。
ここで、上記ホットミラーは、干渉ミラーの一つで、長波長光を反射し短波長光を透過するようなコーティングが施されたものをいう。

複数の分光感度を有する太陽電池を順に並べることにより、太陽光を効率よく利用することができる。また、各々の太陽電池に対応したミラーを備えることにより、太陽光をより効率よく利用することができる。
一般にホットミラーの反射率は８０％以上のため、比較的簡単な構造にも関わらず、ロスの少ないタンデム構造を作ることができる。また太陽電池は不透明なものでも使用できる。

また、ホットミラーの代わりにコールドミラーを用いてもよい。
すなわち、太陽電池モジュール２０において、前記第一太陽電池６ａおよび前記第二太陽電池６ｂの表面に、ホットミラー７に代えてコールドミラー（不図示）が配されており、前記太陽電池パネル１０は、それぞれ、光が進む方向に対して順に、その分光感度がより長波長側となるように構成されていることが好ましい。
ここで、上記コールドミラーは、干渉ミラーの一つで、長波長光を透過し短波長光を反射するようなコーティングが施されたものをいう。

上述したホットミラーやコールドミラーは、２段とする場合（太陽光が差し込む側から見て、奥行き方向に第一太陽電池６ａを２枚並べて配置する場合）には、最初に太陽光が照射される面にだけ設ければよい。ただし、３段以上とする場合には、他の太陽電池に反射光を届ける位置にある太陽電池には全て、上述したホットミラーやコールドミラーを設ける構成が好ましい。

複数の分光感度を有する太陽電池を順に並べることにより、太陽光を効率よく利用することができる。また、各々の太陽電池に対応したミラーを備えることにより、太陽光をより効率よく利用することができる。
このように、太陽電池の表面にホットミラーまたはコールドミラーを配して、反射型のタンデムモジュールを構成することにより、従来の透過型タンデムモジュールに比べて、不透明（もしくは透過率の小さい）太陽電池を用いた場合にも高効率のタンデムモジュールを得ることができる。

前記第一太陽電池６ａの表面が太陽光の入射方向に対してなす角度θとしては、特に限定されるものではないが、例えば４０〜５０［°］の範囲が好ましい。ただし、それ以外の角度であっても、角度θが、ｔａｎθ＝２Ｄ／Ｗ、を満たす関係にあればよい。ここで、Ｄはスリットの間隔［対向する位置にある第一太陽電池６ａと第二太陽電池６ｂとの間隔］、Ｗはセルの幅［対向する位置にある第二太陽電池６ｂによって遮蔽されずに太陽光が直接照射される第一太陽電池６ａの幅（太陽光が入射する方向から見て直視可能な奥行き方向の長さ）］、を表す。これにより、第一太陽電池６ａの表面に入射する太陽光の光度を高くすることができ、高い発電効率を得ることができる。すなわち、太陽光をより効率よく利用することができる。

また、前記太陽電池パネル１０は、それぞれ向きを変えられるようになされており、太陽の移動等に合わせて前記角度θを保つように向きを変えることが好ましい。これにより太陽が移動しても、太陽光を効率よく利用することができる。

太陽電池モジュールにおいて、タンデム段数は任意に選択できるが、段数が増えると高価になるため、段数は２段程度とすることが望ましい。
例えば図４に示す太陽電池モジュール３０では、太陽電池パネル１０Ｂにおいて、前記第一太陽電池６ａが配された前記基材の一方の主面上であって、該太陽電池パネル１０と対向して配された前記第二太陽電池６ｂの表面で反射した光が入射する部位には、前記第一および第二分光感度と異なる第三分光感度をもつ第三太陽電池６ｃを備えるようにする。

また低価格化などの目的で、２段目以降はパネルを曲面化して集光するようにし、受光面積を小さくしても構わない。この場合、曲面は、入射する太陽光に対して凹面となるように配する。これにより、小さい受光面積であっても、太陽光を集光して有効に利用することができる。
また、各太陽電池は、直列に接続してもよいし、発電電圧が同じであれば、並列に接続してもよい。

以上、本発明の太陽電池モジュールについて説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。

上述した実施形態では、作用極基板が第一太陽電池および第二太陽電池に共有のものとされていたが、支持基材（導電性を有していなくてもよい）の両面に、それぞれ別個に作用極を配して、第一太陽電池および第二太陽電池を構成することもできる。

また、上述した実施形態では、太陽電池において対極側から光が入射する構成とされていたが、作用極側から光が入射する構成としてもよい。

（実施例）
洗浄した２００ミクロン厚の圧延チタン箔を金属チタン基板として用意した。金属チタン基板の両面に、酸化チタンペースト（Solaronix社製：Ti-nanoxide T）をディップ法により約１０μｍ膜厚に塗布し、４５０℃で焼成して多孔質半導体層を形成した。その後、片側（第一面）をＮ７１９色素（Solaronix社製：Ruthenium535 bis-TBA） のエタノール溶液に浸漬、反対側（第二面）をBlack-dye色素（Solaronix社製：Ruthenium620-1H3TBA）のエタノール溶液に浸漬して、多孔質半導体層に両面で異なる増感色素を担持させて作用極を作製した。

一方、透明導電膜ガラス基板上に白金ペースト（Solaronix社製：Pt-Catalyst T/SP） を塗布し、４５０℃で焼成したものを対極とした。
また、メトキシアセトニトリル溶媒中に、０．３M：1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide、０．１ＭＬｉＩ、０．０２Ｍ Ｉ２、０．５Ｍ ＴＢＰを溶解したものに１０ｗｔ％のＳｉＯ_２ を加えて混練して揮発性のナノコンポジットゲル電解質を調製した。

上記電解質を作用極の表面（多孔質半導体層の表面）に塗布し、その後、両側から上記対極で挟んで封止して、両面にそれぞれ第一太陽電池と第二太陽電池を形成した。この第一太陽電池と第二太陽電池は、分光感度が異なり、発電電圧が同じである。
さらに、第一太陽電池の表面に、ホットミラー（エドモンドオプティクス４５［°］用ホットミラー）をシリコングリスで貼り合わせて、太陽電池パネルを作製した。

以上のような太陽電池パネルを１０枚用意し、第一太陽電池（Ｎ７１９色素を担持）と第二太陽電池（Black-dye色素を担持） とが互いに対向し、かつ、第一太陽電池が太陽光の入射方向に対し、所定の角度θをなすようにブラインド状に配置して、太陽電池モジュールを作製した。

また比較例として、金属基板を用いた、単独色素を使った裏面入射セルと、通常のガラス基板を用いたセルをＮ７１９とBlackDyeで作製し、重ね合わせて透過型タンデムセルを作製した。

以上のようにして作製されたそれぞれの太陽電池モジュールについて、光電変換効率を評価した。その結果を表１に示す。

以上のように、不透明な太陽電池を用いた場合でもタンデム化可能で、それぞれのセル単独よりも高いエネルギー変換効率のモジュールを得ることができた。またタンデム化による特性向上率は透過型よりも反射型のほうが高くなった。

本発明は、太陽電池を複数個接続した太陽電池モジュールに適用可能である。

本発明に係る太陽電池モジュールが備える太陽電池パネルの一例を示す断面図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明に係る太陽電池モジュールが備える太陽電池パネルの他の一例を示す断面図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの他の一例を示す断面図である。 太陽電池の種類と分光感度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 基材、２ａ 第一多孔質半導体層、２ｂ 第二多孔質半導体層、３ 作用極基板、４ａ、４ｂ 電解質層、５ａ、５ｂ 対極基板、６ａ 第一太陽電池、６ｂ 第二太陽電池、７ ホットミラー、１０ 太陽電池パネル、２０、３０ 太陽電池モジュール。

Claims (5)

1. 薄体状の基材と、前記基材の一方の主面に配され、第一分光感度をもつ第一太陽電池と、前記基材の他方の主面に配され、前記第一分光感度とは異なる第二分光感度をもつ第二太陽電池と、を少なくとも有する太陽電池パネルを複数備え、
   前記太陽電池パネルは、それぞれ、前記第一太陽電池と前記第二太陽電池が対向するように、かつ、前記第一太陽電池の表面が太陽光の入射方向に対して所定の角度θをなすように、所定の間隔をおいて配設され、
   前記太陽電池パネルを構成する第一太陽電池の表面もしくは内部で反射した光が、該第一太陽電池と対向して配された別の太陽電池パネルの第二太陽電池に入射する構成を備えたことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記第一太陽電池および前記第二太陽電池の表面には、ホットミラーが配されており、前記太陽電池パネルは、それぞれ、光が進む方向に対して順に、その分光感度がより長波長側となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
3. 前記第一太陽電池および前記第二太陽電池の表面には、コールドミラーが配されており、前記太陽電池パネルは、それぞれ、光が進む方向に対して順に、その分光感度がより短波長側となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
4. 前記太陽電池パネルにおいて、前記第一太陽電池が配された前記基材の一方の主面上であって、該太陽電池パネルと対向して配された前記第二太陽電池の表面で反射した光が入射する部位には、前記第一および第二分光感度と異なる第三分光感度をもつ第三太陽電池を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
5. 前記第一乃至第三太陽電池は、色素増感型太陽電池であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
   

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