JP2011171542A - 太陽電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】製造コストを抑えることができ、かつ、透過率の変更も製造工程を変更することなく容易に行うことができるシースルー型の太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】導電性基板と、この導電性基板上に下部電極層と、光電変換層と、上部電極層とがこの順に積層された太陽電池セルを備える太陽電池モジュールであって、この太陽電池セルには、前記導電性基板から前記上部電極層まで積層方向に貫通する貫通開口部が全面に亘って複数形成される構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関し、特に光の透過性を有するシースルー型の太陽電池モジュールに関するものである。
従来より、アモルファスシリコン膜を用いた太陽電池の研究が進められており、実用化されつつある。太陽電池は、住宅の屋根や壁等の表面に太陽電池モジュールを取付けて、この太陽電池モジュールに太陽光を受光させることによって発電できるように構成されている。このような太陽電池モジュールは、単一の太陽電池セル、又は、複数の太陽電池セルが電気的に連結されることによって形成されており、一般的には、金属製の裏面電極、アモルファスシリコン膜（光電変換層）、透明電極を積層させて構成され、必要に応じて透明電極上にはガラス基板が設けられている。そして、ガラス基板側から太陽光を照射されることにより、ガラス基板及び透明電極を介して太陽光がアモルファスシリコン膜で受光され発電されるようになっている。
一方、太陽電池の使用形態として、窓材や透光性部材への使用も検討されており、透光性を有する太陽電池モジュール（シースルー型太陽電池モジュール）の研究も進められている。具体的には、シースルー型太陽電池モジュールは、特許文献１に記載されているように、透光性のない金属製の裏面電極及びアモルファスシリコン膜に複数の開口部が形成されることによって構成されている。これにより外光の一部が開口部を透過し、次いで透明電極及びガラス基板を通じて透過されることにより、太陽電池モジュール全体の採光性が確保される。
また、別のシースルー型太陽電池モジュールとして、特許文献２に記載されているように、太陽電池モジュールに開口部を設ける代わりに、複数の光電変換セグメントを透明基板上に所定間隔離間させて配置することにより構成されるものが提案されている。これによれば、セグメント間の隙間から外光の一部が透過されることにより採光性が確保されるようになっている。
特開平５−１５２５９３ 特開２００２−２９９６６６
しかし、上述のシースルー型太陽電池モジュールでは、製造コストが高くなるという問題があった。すなわち、裏面電極及びアモルファスシリコン膜に開口部を設ける従来の構成では、太陽電池モジュールを形成した後、エッチング処理やレーザー加工により開口部を形成する必要がある。そのため、従来の太陽電池モジュールを完成させた後に別途、開口部を形成する工程が必要になることにより太陽電池モジュールそのものの製造コストが高くなるという問題がある。
また、光電変換セグメントを透明基板上に所定間隔離間させて配置する構成では、様々な透過率を有する太陽電池モジュールを製造する場合、製造する透過率に合わせて光電変換セグメントの大きさ及び配置を変える必要があるため、製造工程自体を透過率の変更に合わせて対応しなければならず、その結果、太陽電池モジュール自体のコストが高くなるという問題があった。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、太陽電池モジュールの製造コストを抑えることができ、かつ、透過率が変更されても製造工程を変更することなく容易に行うことができるシースルー型の太陽電池モジュールを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために本発明の太陽電池モジュールは、導電性基板と、この導電性基板上に下部電極層と、光電変換層と、上部電極層とがこの順に積層された太陽電池セルを備える太陽電池モジュールであって、この太陽電池セルには、前記導電性基板から前記上部電極層まで積層方向に貫通する貫通開口部が全面に亘って複数形成されていることを特徴としている。
上記太陽電池モジュールによれば、太陽電池セルの前記導電性基板から前記上部電極層まで積層方向に貫通する貫通開口部を有していることにより、外光の一部が貫通開口部を通じて透過されるため、シースルー型太陽電池とすることができる。そして、本発明の太陽電池モジュールでは、この貫通開口部を有する構成であることにより、モジュールの製造コストを抑えることができる。具体的には、本発明の太陽電池モジュールでは、厚み方向に貫通する貫通孔を有する導電性基板上に、ＣＶＤ装置などにより、下部電極層、光電変換層（アモルファスシリコン膜）、上部電極層をこの順に積層させることによって太陽電池セルを製造し、この太陽電池セルを単一、又は、複数電気的に接続することによって太陽電池モジュールを製造することができる。すなわち、貫通孔が形成された導電性基板上に各層を積層させることにより貫通開口部が形成できるため、通常のシースルー型ではない太陽電池モジュールを製造する工程と同じ工程で容易に製造することができる。具体的には、貫通孔が形成された導電性基板上に下部電極層を積層させると、導電性基板の平面上には下部電極層が積層されるものの貫通孔上には積層されず、下部電極層には導電性基板の貫通孔上に貫通孔開口部が形成される。すなわち、下部電極層には、導電性基板の貫通孔に連通される開口部が形成される。同様にして、この下部電極層上に光電変換層、上部電極層を積層させることにより、導電性基板の貫通孔位置には、導電性基板から上部電極層まで積層方向に貫通する貫通開口部が形成される。このように、シースルーの機能を持たない通常の太陽電池モジュールを製造する場合、貫通孔が形成されていない導電性基板上に下部電極層、光電変換層、上部電極層が積層されるが、本発明の太陽電池モジュールでは、貫通孔が形成された導電性基板を用いるだけでシースルー型太陽電池モジュールを形成することができるため、シースルー機能を追加するために新たな工程を別途設ける必要がなく容易にシースルー型の太陽電池モジュールを形成することができる。したがって、従来の製法のように、まず太陽電池モジュールを形成した後、レーザー等で開口部を形成する場合に比べて、製造コストを抑えることができる。また、透過率を変更する場合であっても、導電性基板に形成する貫通孔の開口率を変更するだけでよいため、従来のように製造する透過率に合わせて光電変換セグメントの大きさ及び配置を変える必要がないため、容易に透過率の変更を行うことができる。したがって、透過率を変更する場合であっても、新たな製造方法の変更を行う必要がなく、製造コストを抑えることができる。
また、前記導電性基板は、パンチングメタルで形成されている構成としてもよい。
この構成によれば、導電性基板を市販のパンチングメタルを使用することができるため、平板状の導電性基板に貫通孔を形成する場合に比べて、製造コストを抑えることができる。
前記上部電極層の表面には、太陽電池セル同士を電気的に接続するための電気接続部が形成されており、前記貫通開口部は、単位面積当りの開口領域の割合が電気接続部から離れるにしたがって大きくなるように形成されている構成とすることができる。
この構成によれば、光電変換層に貫通開口部を形成しても発電効率の低下を抑えた太陽電池モジュールにすることができる。すなわち、光電変換層に光が照射されることによって発生する電流は上部透明電極層を通って電気接続部に流れる。そのため、電気接続部から離れた領域で発生した電流は、電気接続部に近い領域で発生した電流に比べて上部透明電極層を流れる距離が大きくなる。すなわち、電気接続部から離れる領域で発生した電流は、上部透明電極層の抵抗に反して流れる距離が大きくなり、電気接続部に近い領域に比べて発電効率が悪くなる。したがって、貫通開口部を電気接続部から離れるにしたがって大きくなるように形成する構成をとることにより、貫通開口部が発電効率の低下する領域に形成されることになるため、太陽電池モジュール全体の開口率（光の透過率）が同じ場合、発電効率の低下を抑えることができる。
また、複数の前記太陽電池セルは、その一部が積層方向に重なり合う重複連結部を形成して配列されており、その重複連結部では、前記電気接続部により導電性基板と上部電極層とが電気的に接続されることにより、複数の太陽電池セルが一体的に形成されている構成としてもよい。
この構成によれば、大型の太陽電池モジュールを形成する場合に、太陽電池セル同士の一部を重複させて電気的に接続するため、太陽電池セル同士の連結に別途接続部材を使用する場合に比べて、製造コストを抑えることができる。
また、複数の前記太陽電池セルを収容するカバー部材を有しており、このカバー部材は透光性を有する可撓性材料で形成されており、このカバー部材により複数の太陽電池セルが前記重複連結部を形成した姿勢で一体的に固定されている構成とすることができる。
この構成によれば、太陽電池モジュール全体として可撓性を有する構成にできるため、カバー部材にガラスを使用する従来の構成に比べて、可撓性に優れたシースルー型の太陽電池モジュールにすることができる。これにより、曲面や複雑な形状の壁面に太陽電池モジュールを設置することができるため、従来では設置できなかった住宅の窓やカーポートの屋根等に太陽電池モジュールを設置することが可能になる。
本発明の太陽電池モジュールによれば、シースルー型の太陽電池モジュールであっても製造コストを抑えることができ、かつ、透過率の変更も製造工程を変更することなく容易に行うことができる。
本発明の太陽電池モジュールを示す概略図である。 図１の要部を拡大した図である。 太陽電池モジュールの製造工程を示すフローチャートである。 図３の製造工程を示す概略図である。
次に、本発明の太陽電池モジュールの実施の形態について説明する。ここで、図１は、本実施形態における太陽電池モジュールの構成を示す概略図であり、図２は、その要部拡大図である。
図１及び図２に示すように、太陽電池モジュール１は、受光した光から電流を発生させる太陽電池部１０と、この太陽電池部１０の両端に接続される外部電極３と、太陽電池部１０と外部電極３の一部を覆うカバー部材４とを有しており、太陽電池部１０及び外部電極３がこれらの配列方向と直交する方向の両面側からカバー部材４で挟まれることにより一体的に形成されている。具体的には、太陽電池部１０及び外部電極３とカバー部材４の間にＥＶＡ５（エチレン−酢酸ビニル共重合体）が充填されており、外部電極３の一部が突出した状態で一体的に形成されている。
太陽電池部１０は、図１に示す例では複数の太陽電池セル１１が配列されて形成されている。具体的には、太陽電池部１０は、短冊形状に形成された複数の太陽電池セル１１が一方向に配列されて形成されており、これらの太陽電池セル１１同士が重複連結部１２で電気的に接続されている。そして、太陽電池部１０の両端部分では、両端部分に配置される太陽電池セル１１と外部電極３とが電気的に接続されており、この外部電極３から太陽電池部１０で発生した電流を外部に取り出せるようになっている。すなわち、重複連結部１２では、隣り合う太陽電池セル１１同士が、その一部が重なり合うように配置されており、一の太陽電池セル１１の導電性基板２１と他の上部電極層２４とが後述する電気接続部３１（図２参照）によって電気的に接続されている。すなわち、配列されたすべての太陽電池セル１１が直列に連結されており、各太陽電池セル１１で発生した電流を外部電極３から取り出せるようになっている。
太陽電池セル１１は、太陽光等の光を受光することにより発電するものであり、図２に示すように、導電性基板２１、下部電極層２２、光電変換層２３、上部電極層２４がこの順に積層されて形成されている。本実施形態の太陽電池モジュール１は複数の太陽電池セル１１を有しており、隣接する太陽電池セル１１同士の長尺部分の一部が積層方向に重複することにより重複連結部１２を形成し、この重複連結部１２の電気接続部３１により隣接する太陽電池セル１１同士が電気的に接続されている。ここで、積層方向とは、導電性基板２１、下部電極層２２、光電変換層２３、上部電極層２４が積層される方向をいう。そして、太陽光等の光が光電変換層２３で受光されると、各太陽電池セル１１の光電変換層２３で電流が発生し、上部電極層２４を流れる。そして、上部電極層２４上に設けられた電気接続部３１を介して隣接する太陽電池セル１１に流れる。これを繰り返すことにより、発生した電流が最終的に外部電極３に流れるようになっている。なお、太陽電池セル１１は、短尺部分と長尺部分とを有する短冊形状を有しており、この太陽電池セル１１の短尺寸法は、光電変換層２３で発生した電流が上部電極層２４を通って電気接続部３１に流れる場合に、上部電極層２４の内部抵抗の影響を受けても太陽電池セル１１の発電能力として許容される寸法に設定されている。
また、太陽電池セル１１は、複数の貫通開口部１１ａを有しており、この貫通開口部１１ａから外光の一部が透過されることにより、太陽電池モジュール１１０全体の採光性が確保できるようになっている。この貫通開口部１１ａは、導電性基板２１から下部電極層２２、光電変換層２３、及び上部電極層２４まで積層方向に貫通して形成されている。具体的には、導電性基板２１には、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔位置に貫通開口部１１ａが形成されている。これにより、上部電極層２４側の光が導電性基板２１側まで透過することができる。そして、この貫通開口部１１ａは、太陽電池モジュール１の光の透過率の設定に応じて、太陽電池セル１１の表面積に対して所定の割合で表面全体に亘って形成されている。これにより、上部電極層２４側の外光の一部が貫通開口部１１ａを通じて導電性基板２１側まで透過し、導電性基板２１側から上部電極層２４側の景色を視認することができる。
この貫通開口部１１ａは、その断面形状がほぼ円形に形成されており、その径は、上部電極層２４上の電気接続部３１から離れるにしたがって、大径になるように形成されている。これにより、貫通開口部１１ａにおける単位面積当りの開口領域の割合が、電気接続部３１から離れるにしたがって大きくなるように形成されている。すなわち、光電変換層２３で発生した電流は上部電極層２４を流れるため、上部電極層２４の内部抵抗の影響を受ける。そのため、電気接続部３１に近い領域で発生した電流は、上部電極層２４を流れる距離が短かいため内部抵抗の影響が少ないが、電気接続部３１から離れた領域で発生した電流は、上部電極層２４を流れる距離が大きくなるため、電気接続部３１に近い領域で発生する電流よりも電気的なロスが生じる。したがって、貫通開口部１１ａを太陽電池セル１１（太陽電池モジュール１）全体に均一に設ける場合に比べて、ロスが生じる電気接続部３１から離れた領域に大径の貫通開口部１１ａを設けて表面全体として同じ開口率にすることにより、電気的なロスの少ない太陽電池セル１１（太陽電池モジュール１）とすることができる。
次に、太陽電池モジュール１の製造方法について説明する。ここで、図３は、製造工程を示すフローチャートであり、図４はそれぞれの工程を示す概略図である。
まず、ステップＳ１において、製膜工程が行われる。すなわち、薄板状の導電性基板２１上に下部電極層２２、光電変換層２３、上部電極層２４が積層される。本実施形態では、導電性基板２１として、薄板状の可撓性を有する金属部材に貫通孔が形成されたもの、例えば、ステンレス製のパンチングメタルが使用される。本実施形態の導電性基板２１は、ロール状に巻回されており、その幅寸法は太陽電池セル１１の短尺寸法に設定されている。そして、図４（ａ）に示すように、送り出し機及び巻取り機を備え、これらの間に製膜を行うＣＶＤ装置等が備えられた製造装置により、この導電性基板２１上に各層が形成される。すなわち、ロール状に巻回された導電性基板２１が送り出し機から各層を形成するＣＶＤ装置等を通過して巻取り機に巻き取られることにより、各層が形成される。具体的には、導電性基板２１上に下部電極層２２としてのＡｇとＺｎＯが装置Ｍ１により製膜される。これにより、導電性基板２１上に下部電極層２２が積層するが、導電性基板２１の貫通孔上には下部電極層２２は形成されないため、下部電極層２２における導電性基板２１の貫通孔位置には、導電性基板２１の貫通孔から下部電極層２２に連通した開口部が形成される。
そして、装置Ｍ１により下部電極層２２が形成されると導電性基板２１が所定量巻き取られることにより、この下部電極層２２上に光電変換層２３が形成される。すなわち、装置Ｍ２（ＣＶＤ装置）により、光電変換層２３としてのアモルファスシリコンが製膜される。これにより、下部電極層２２上に光電変換層２３が積層するが、導電性基板２１の貫通孔上には光電変換層２３は形成されないため、光電変換層２３における導電性基板２１の貫通孔位置には、導電性基板２１の貫通孔、下部電極層２２及び光電変換層２３に連通した開口部が形成される。
そして、装置Ｍ２により光電変換層２３が形成されると導電性基板２１が所定量巻き取られることにより、光電変換層２３上に上部電極層が形成される。すなわち、装置Ｍ３により、上部電極層２４としてのＩＴＯが製膜される。これにより、光電変換層２３上に上部電極層２４が積層するが、導電性基板２１の貫通孔上には上部電極層２４は形成されないため、上部電極層２４における導電性基板２１の貫通孔位置には、導電性基板２１の貫通孔、下部電極層２２、光電変換層２３、及び上部電極層２４に連通した開口部（貫通開口部１１ａ）が形成される。このようにして、太陽電池セル１１に貫通開口部１１ａが形成された連続状の太陽電池セル１１がロール状に巻回された状態で得ることができる。
次に、ステップＳ２において切断工程が行われる。すなわち、製膜工程で得られた連続状の太陽電池セル１１を所定の寸法に切断する。具体的には、設計する太陽電池セル１１の長尺部分の寸法に応じて切断することにより、短尺部分と長尺部分を有する短冊形状の太陽電池セル１１を得ることができる（図４（ｂ））。
次に、ステップＳ３において接合工程が行われる。すなわち、複数の太陽電池セル１１を直列接続させて一体的に形成した太陽電池部１０を得る（図４（ｃ））。具体的には、隣接する太陽電池セル１１同士が重複連結部１２を形成した状態で一体的に接合する。すなわち、一の太陽電池セル１１の上部電極層２４端部に電気接続部３１としての半田を固定し、この半田の上に別の太陽電池セル１１を載置する。そして、上部電極層２４上の半田と、導電性基板２１を当接させた状態で治具によって仮固定する。なお、配列方向両端部分の太陽電池セル１１は、半田を介して外部電極３と当接させる。この仮固定させた状態で太陽電池セル１１を炉内に配置し、半田融点温度以上に炉内を温度制御することにより半田が溶融し、さらに凝固点温度に冷却することにより、太陽電池セル１１同士が電気的に接続され、太陽電池部１０が形成される。
次に、ステップＳ４においてラミネート工程が行われる。具体的には、透光性を有する可撓性のあるカバー部材４で太陽電池部１０をサンドイッチ上に挟んで一体的に形成する。具体的には、カバー部材４としての透光性のあるフッ素系フィルム、ＰＥＴフィルム等により、太陽電池部１０を太陽電池セル１１の配列方向と直交する方向の両側から挟み、ＥＶＡ５を介在させた状態でラミネート加工する。これにより、カバー部材４の間に太陽電池部１０が存在する状態で一体的に形成され、太陽電池モジュール１（図１参照）を得ることができる。
このようにして得られる太陽電池モジュール１は、外光の一部が貫通開口部１１ａを通じて透過されるため、シースルー型太陽電池とすることができる。そして、本発明の太陽電池モジュール１では、この貫通開口部１１ａを有する構成であることにより、太陽電池モジュール１の製造コストを抑えることができる。すなわち、貫通孔が形成された導電性基板２１に下部電極層２２、光電変換層２３、上部電極層２４を積層させることにより形成することができるため、太陽電池モジュール１を形成した後、レーザー等で開口部を形成する従来の製法に比べて、製造コストを抑えることができる。また、透過率を変更する場合、導電性基板２１に形成する貫通孔の開口率を変更するだけでよいため、従来のように製造する透過率に合わせて光電変換セグメントの大きさ及び配置を換える必要がないため、容易に透過率の変更を行うことができる。したがって、透過率を変更する場合であっても、新たな製造方法の変更を行う必要がなく、製造コストを抑えることができる。
また、導電性基板２１を薄板で形成し、複数の太陽電池セル１１の一部を重複させる構成であるため、太陽電池部１０に可撓性を持たせることができる。そのため、カバー部材を可撓性の有するものにすることにより、可撓性の優れたシースルー型の太陽電池モジュール１とすることができる。
上記実施形態では、導電性基板２１としてステンレス製のパンチングメタルを使用する例について説明したが、導電性を有する平板部材であって、この平板部材に貫通孔を形成したものであってもよい。
また、上記実施形態では、貫通開口部１１ａは、その径が電気接続部３１から離れるにしたがって大きくなるように形成された例について説明したが、すべての貫通開口部１１ａが同じ径であってもよく、この場合には、導電性基板２１の貫通孔がすべて同じ形状になるため、製造コストをさらに抑えることができる。また、電気接続部３１から離れるにしたがって貫通開口部１１ａの開口領域が大きくなる構成としては、電気接続部３１から離れるにしたがって順次大きくなる形態や、電気接続部３１から所定領域までは同じ形状で形成し、この所定領域からさらに離れた領域では一回り大きな形状に形成するというように、貫通開口部１１ａの径が段階的に大きくなる形態であってもよい。また、貫通開口部１１ａの径がすべて同じ場合であって、電気接続部３１に近い領域における貫通開口部１１ａを粗に設け、電気接続部３１から離れるにしたがって貫通開口部１１ａを密に設ける構成であってもよい。すなわち、電気接続部３１に近い領域における単位面積当りの開口領域の割合（開口率）に比べて、電気接続部３１から離れた領域における単位面積当りの開口領域の割合（開口率）が大きくなる形態であれば、どのような形態であってもよい。
１ 太陽電池モジュール
１０ 太陽電池部
１１ 太陽電池セル
１１ａ 貫通開口部
１２ 重複連結部
２１ 導電性基板
２２ 下部電極層
２３ 光電変換層
２４ 上部電極層

Claims (6)

  1. 導電性基板と、この導電性基板上に下部電極層と、光電変換層と、上部電極層とがこの順に積層された太陽電池セルを備える太陽電池モジュールであって、
    この太陽電池セルには、前記導電性基板から前記上部電極層まで積層方向に貫通する貫通開口部が全面に亘って複数形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
  2. 前記貫通開口部は、厚み方向に貫通する貫通孔を有する導電性基板上に、下部電極層、光電変換層、上部電極層をこの順に積層させることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記導電性基板は、パンチングメタルで形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記上部電極層の表面には、太陽電池セル同士を電気的に接続するための電気接続部が形成されており、前記貫通開口部は、単位面積当りの開口領域の割合が電気接続部から離れるにしたがって大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
  5. 複数の前記太陽電池セルは、その一部が積層方向に重なり合う重複連結部を形成して配列されており、その重複連結部では、前記電気接続部により導電性基板と上部電極層とが電気的に接続されることにより、複数の太陽電池セルが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
  6. 複数の前記太陽電池セルを収容するカバー部材を有しており、このカバー部材は透光性を有する可撓性材料で形成されており、このカバー部材により複数の太陽電池セルが前記重複連結部を形成した姿勢で一体的に固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
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