JP2014082340A

JP2014082340A - 内部電界が抑制された太陽光発電装置

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Publication number: JP2014082340A
Application number: JP2012229453A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Emoto; 雅文江本
Original assignee: Mass Tech Corp
Current assignee: Mass Tech Corp
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-05-08

Abstract

【課題】n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有するPVのpn接合面に発生する内部電界層による発電効率の悪化を防止すること。
【解決手段】n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有する結晶系シリコン太陽電池と、該太陽電池に、太陽光が届いた際、ｐｎ接合面のｎ型半導体側に生じる伝導電子を瞬時に吸収させる構造とを有し
上記構造は、上記太陽電池に付属するキャパシタと該キャパシタに並列に接続された蓄電池とからなる、上記太陽電池のｐｎ接合面に発生する内部電界が抑制された太陽光発電装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽光発電装置に関するものであり、電気電子分野に属する。

n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有する結晶系シリコン太陽電池（以下PVという）に太陽光が届くと、n型半導体側ではシリコン原子を構成していた電子が放出されて、自由に動く伝導電子となり、p型半導体側では、電子が抜けたととろに＋の電荷を持った穴のような正孔が発生する。

n型半導体で放出された電子はP型半導体の方へ移動し、P型半導体で発生した正孔はn型半導体の方へ移動し、pn接合面で電子と正孔が衝突すると、お互いが持っていたエネルギーを放出し共に消滅する、再結合が起き、pn接合面で内部電界と呼ばれる層が発生する。

内部電界と呼ばれる層が発生すると、n型半導体からp型半導体への電子の移動及びp型半導体からn型半導体への正孔の移動が困難な状態となるため、図１に示すように、n型半導体及びp型半導体に電極を設け外部の回路に接続すると、この外部回路を通じてn型半導体からp型半導体への電子の移動及びp型半導体からn型半導体への正孔の移動が発生し、電流が流れることは公知の事実である。

従って、外部回路を設けて、常にn型半導体からp型半導体への電子の移動ができれば、内部電界を抑制でき、安定的に電流が取り出せることになる。

一方、PVに関しては、直流で蓄電をする場合、パワーコントローラーと呼ばれる、MPPT方式やPWM方式のコントローラーが取り付けられることが一般的である。

MPPT方式とは、Maximum Power Point Tracking方式の意味で、和訳すると最大電力点追従となり、その名の示す通り、気象条件等の変化で常に変動する最大動作点に追従しながら動作する方式である。

すなわち、MPPT方式は最大電力点になるように昇圧しながらコントロールするものであり、この方式では、PVの外部回路に瞬時に電流を流すことは、その構造上困難である。

またPWM方式とは、Pulse Width Modulation方式の意味で、和訳するとパルス幅偏重方式となり、パルスの幅（デューティー比）を変化させることで、結果として平均的な電圧の実効値を制御する方式を意味し、実際はPVとバッテリーの間にパルス幅偏重方式のDC-DCコンバータを設け、太陽電池の動作電圧が開放電圧の80%程度で一定となるように制御を行う方式である。

すなわち、PWM方式においても、PVの外部回路に瞬時に電流を流すことは、その構造上困難である。

また交流で蓄電をする場合、通常、パワーコンディショナーにより、PVの直流電流を商用電力と同様の交流電流に変換する。この場合も、その前段の制御方式には、PWM方式と、MPPT方式があり、同様にPVの外部回路に瞬時に電流を流すことは、その構造上困難である。

非特許文献１には、図２に示すように、PV、キャパシタ及びパワーコンディショナーからなるシステムにおいて、PVの高サイクル変動を吸収させる目的でキャパシタを用いること、及びキャパシタとして正極は活性炭、負極はグラファイトからなるリチウムイオンハイブリットキャパシタを用いることが開示されているが、キャパシタを、PVの外部回路に瞬時に電流を流す目的で用いることについては全く開示されていない。

また、電池の長寿命化のために、鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池の前段にキャパシタを設け、トランジェントなスパイク波を吸収し、蓄電池へのダメージを防止している例はあるが、PVの外部回路に瞬時に電流を流す目的で用いることとは全く異なる。

K.Kobayashi, Yusuke Hida, Yuki Ito, Koichiro Yoshimi, Ryuichi Yokoyama, "A Smart Photovoltaic Generation System Integrated with Lithium-ion Capasitor Storage", Paper presented at 46th International Universities' Power Engineering Conference(UPEC), Soest, Germany, 2011

従って、本発明の目的は、n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有するPVのpn接合面に発生する内部電界層による発電効率の悪化を防止することにある。

本発明者は、PVの発電効率向上を図ることを目的として種々検討した結果、PVに付属するキャパシタとそれに並列に接続される蓄電池により、PVに太陽光が届いた際に、pn接合面のn型半導体側に生じる伝導電子を瞬時に吸収することにより、接合面に発生する内部電界を抑制できることを知見した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、「n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有する結晶系シリコン太陽電池と、該太陽電池に、太陽光が届いた際、ｐｎ接合面のｎ型半導体側に生じる伝導電子を瞬時に吸収させる構造とを有し
上記構造は、上記太陽電池に付属するキャパシタと該キャパシタに並列に接続された蓄電池とからなる、上記太陽電池のｐｎ接合面に発生する内部電界が抑制された太陽光発電装置」を提供するものである。
また、本発明は、「n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有する結晶系シリコン太陽電池に、該太陽電池に付属するキャパシタと該キャパシタに並列に接続された蓄電池を設けることにより、上記太陽電池に太陽光が届いた際に、pn接合面のn型半導体側に生じる伝導電子を瞬時に吸収させる、上記太陽電池のｐｎ接合面に発生する内部電界の抑制方法」を提供するものである。

本発明によれば、n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有するPVにおいて、pn接合面に発生する内部電界を抑制し、PVの発電効率を向上させることができるため、
曇天でのPV発電が可能になり、早朝や夕方でのPVの電圧変動時でも、ロスなく発電ができ、MPPT方式に比べ、発電容量を１０％程度増加させることができる。

n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有する結晶系シリコン太陽電池(PV)の発電のしくみを示す概略図である。 PVにキャパシタを用いたシステムの一例を示す概略図である。本発明の太陽光発電装置の概略図である。本発明の太陽光発電装置の好ましい一実施形態を示す概略図である。

本発明の太陽光発電装置について図３を基に説明する。
図３に示すように、本発明の太陽光発電装置は、PV１と、PV１に付属するキャパシタ２と該キャパシタ２に並列に接続された蓄電池３とからなる。

PV１に太陽光が届くと、n型半導体側ではシリコン原子を構成していた電子が放出されて、自由に動く伝導電子となり、p型半導体側では、電子が抜けたところに＋の電荷を持った正孔が発生する。

n型半導体で放出された電子はP型半導体の方へ移動し、P型半導体で発生した正孔はn型半導体の方へ移動し、pn接合面で電子と正孔が衝突するとお互いが持っていたエネルギーを放出し共に消滅する、再結合が起きpn接合面で内部電界が発生する。

pn接合面で内部電界が発生すると、n型半導体からp型半導体への電子の移動及びp型半導体からn型半導体への正孔の移動が困難な状態となるが、本発明では、図３に示すように、n型半導体及びp型半導体に電極を設け、PV１に付属したキャパシタ２に接続されているため、n型半導体からp型半導体への電子の移動及びp型半導体からn型半導体への正孔の移動が発生し、電流が流れる。

本発明は、キャパシタ２の容量を超えると電子の流れが止まり、n型半導体からp型半導体への電子の移動及びp型半導体からn型半導体への正孔の移動が困難な状態となるのを防ぐため、大容量の蓄電池３をキャパシタ２に並列に設け、キャパシタ２から蓄電池３に瞬時に電流が流れるようにし、常にキャパシタ２の容量を十分に確保し、内部電界の発生を抑制出来るようにしたものである。ここで、瞬時とは、ナノセカンドレベルをいう。

PV１は、n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有する結晶系シリコン太陽電池である限り、単結晶シリコンでも、多結晶シリコンでも制限なく用いることができる。
PV１の容量（Ｗ）は、ニーズにより決まるが、その変換効率は１７％以上であることが望ましい。
またPV１の開放電圧（Ｖ）は、一般的なキャパシタの電圧が、０〜２．７Ｖである点から、２０〜２３Ｖが望ましい。

キャパシタ２は電気二重層（以下EDLCという）が望ましく、負極にグラファイトを用いてリチウムイオンのインタカレーションにより蓄電を行うリチウムイオンハイブリットキャパシタ（以下LICという）は、Cレートが低く不利である。

また、LICは負極にリチウムイオンをプレドープし、単セルの動作電圧を２．０Vから３．８Vにしたものもあるが、EDLCのように単セルの動作電圧を０Vから２．７Vにした方が、動作電圧範囲が広く有利であり、また余計な制御装置も不要である。

キャパシタ２の容量（Wh）は、PV１の容量（W）の０．５％〜３％が望ましい。０．５％を下回ると、晴天状態でキャパシタが満充電状態になり、キャパシタ２がPV１の伝導電子を瞬時に吸収できなくなり、PV１に内部電界が生じ効率が悪化することがあり、３％を超えると効率はサチュレートする。

キャパシタ２の定格電圧は、使用するPV１の開放電圧以上が望ましい。開放電圧を下回ると、PVから出る伝導電子の吸収が十分できなくなる。

キャパシタ２に並列に接続する蓄電池３は、二次電池であれば、リチウムイオン電池（以下LIBという）でも鉛蓄電池でも構わないが、LIBの場合、過充電時のダメージが大きく、また過充電時の発熱等安全性の面でも不利であることから、鉛蓄電池が望ましい。

並列に接続する蓄電池３の容量（Wh）は、キャパシタ２の容量（Wh）をキャパシタ２の定格電圧で割った値を更に０．０５で割ったものに、使用する蓄電池３の定格電圧をかけた値以上にするのが望ましい。

その理由は、蓄電池３に流れ込む電流をその蓄電池３の０．０５C以下に抑えることにより、過充電時の蓄電池のダメージを防ぐためとキャパシタ２に対して十分な充電容量を確保するためである。

並列に接続する蓄電池３の定格電圧は、使用するPV１の開放電圧の５０％から８０％の間で、発電効率の良いところを選択するのが望ましい。
蓄電池３の満充電時に蓄電池３の電圧がPV１に直接影響するため、５０％を下回るとPV１の発電効率が悪化し、８０％を超えるとPV１の発電効率が極端に悪化する。

蓄電池３としてLIBを使用する場合は、過充電防止装置の装着が望ましい。

またPV１の破損を防ぐため、PV１とキャパシタ２の間に逆流防止ダイオードを設けることが望ましい。

またPV１とキャパシタ２の間の配線抵抗を低減させるため、配線長さは出来るだけ短くして１ユニット化するのが望ましい。

以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、これらの実施例に何ら制約されるものではない。

実施例１
図４に示す本発明の太陽光発電装置を次のようにして構築した。尚、図４に示す太陽光発電装置において、PV、キャパシタ、鉛蓄電池及びインバータの容量は、一般家庭用に合わせたものとした。

PVは容量が４kwのものを用い、PVに付属するキャパシタは、容量がPVの容量の２．５％である１００wのものを用いた。PVとキャパシタは、PVとキャパシタの間の配線抵抗を低減させるため、１ユニット化している。

キャパシタには、鉛蓄電池を並列接続し、さらに鉛蓄電池には、４kwのインバータを接続した。鉛蓄電池の容量は、４kwのインバーターによる給電を考慮し、８kwとして十分に余裕を持たせた。

上記構成よりなる本発明の太陽光発電電装置の出力は、同様の出力を持つMPPT制御方式のパワーコンディショナーのものより、発電効率を１０％程度改善できた。

１ PV
２キャパシタ
３蓄電池

Claims

n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有する結晶系シリコン太陽電池と、該太陽電池に、太陽光が届いた際、ｐｎ接合面のｎ型半導体側に生じる伝導電子を瞬時に吸収させる構造とを有し
上記構造は、上記太陽電池に付属するキャパシタと該キャパシタに並列に接続された蓄電池とからなる、上記太陽電池のｐｎ接合面に発生する内部電界が抑制された太陽光発電装置。
上記キャパシタは、電気二重層である請求項１記載の太陽光発電装置。
上記キャパシタの容量は、PVの容量の０．５％〜３％である請求項１又は２記載の太陽光発電装置。
上記蓄電池は、鉛蓄電池である請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽光発電装置。
n型半導体とp型半導体を貼り合わせた構造を有する結晶系シリコン太陽電池に、該太陽電池に付属するキャパシタと該キャパシタに並列に接続された蓄電池を設けることにより、上記太陽電池に太陽光が届いた際に、pn接合面のn型半導体側に生じる伝導電子を瞬時に吸収させる、上記太陽電池のｐｎ接合面に発生する内部電界の抑制方法。