JP2014209585A - Design method, design program of tandem thin film solar cell and tandem thin film solar cell - Google Patents

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Tomohiro Ikeda
知弘 池田
細野 彰彦
Akihiko Hosono
彰彦 細野
保聡 屋敷
Yasuaki Yashiki
保聡 屋敷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a tandem thin film solar cell suitable to the environmental conditions of an installation place easily.SOLUTION: A design method of a tandem thin film solar cell comprises: a step of calculating the optical characteristics information of each photoelectric conversion unit independently from the dependence on the shape of other layer and electrical dependence; a step of calculating power loss of a design structure by using the electrical characteristics information of each photoelectric conversion unit; and a step of comparing the power loss with a predetermined threshold and determining whether or not the power loss falls within an allowable range. When the power loss is less than a predetermined threshold, the design structure is considered as the final structure and the design is ended. When the power loss is larger than a predetermined threshold, a step of determining a new design structure by adjusting at least one of the optical properties information, electrical properties information, and shape information is performed, and then the calculation step is repeated.

Description

本発明は、タンデム型薄膜太陽電池の設計方法、設計プログラムおよびタンデム型薄膜太陽電池に関する。   The present invention relates to a tandem thin film solar cell design method, a design program, and a tandem thin film solar cell.

近年、化石燃料の使用に伴うCO等の排出による地球の温暖化、原子力発電所の事故や放射性廃棄物による放射能汚染など、地球環境とエネルギーに対する関心が急速に高まっている。このような状況の下、太陽の入射光を利用した光電変換素子である太陽電池は、無尽蔵かつクリーンなエネルギー源として世界中から期待されている。 Recently, global warming caused by discharge of CO 2 with the use of fossil fuels, such as radioactive contamination caused by accidents and radioactive waste of a nuclear power plant, the interest in global environment and energy has been increasing rapidly. Under such circumstances, solar cells that are photoelectric conversion elements using incident light of the sun are expected from all over the world as inexhaustible and clean energy sources.

この太陽電池を利用した太陽光発電システムの形態としては、数Wから数千kWまで種々の規模並びに種類がある。たとえば、バッテリーを使用して太陽電池の発電エネルギーを保存する形態、DC−ACコンバータを使用して太陽電池の出力エネルギーを商用系統に流し込む形態など、多くのシステムが存在する。   As a form of the solar power generation system using this solar cell, there are various scales and types from several watts to several thousand kW. For example, many systems exist, such as a form in which the power generation energy of the solar cell is stored using a battery and a form in which the output energy of the solar cell is poured into a commercial system using a DC-AC converter.

従来の住宅やビルの屋上に太陽電池を設置して発電する場合の太陽光発電システムとしては、系統連係型太陽光発電システムがある。この系統連係型太陽光発電システムは、太陽電池モジュールから出力される直流電力をインバータ回路で交流電力に変換して施設の電源として使用しつつ、不足分は系統電力網から補うことで連係運転を行うものである。
また余剰電力が発生した場合は系統電力網を用いて、電力会社へ売電(逆潮流)することも可能である。負荷の大小や、売電の有無など細かな差違はあるものの、一般家庭の屋根付け型(〜数kW)からメガソーラー(大規模太陽光発電施設:〜数MW)まで、一般的にはこの利用形態が多い。したがって、系統電力との対比の面で、太陽光発電システムではその能力指標として発電コストが問われることが多い。一般に発電コストは、簡易的には以下の式(1)で表される。
As a conventional photovoltaic power generation system for generating power by installing a solar cell on the roof of a house or building, there is a grid-linked photovoltaic power generation system. This grid-connected photovoltaic power generation system performs linked operation by converting the DC power output from the solar cell module into AC power using an inverter circuit and using it as a power source for the facility, while supplementing the shortage from the grid power network Is.
If surplus power is generated, it is also possible to sell power (reverse power flow) to the power company using the grid power network. Although there are small differences such as the size of the load and the presence or absence of electricity sales, from general household roofing type (~ several kW) to mega solar (large scale solar power generation facilities: ~ several MW), this is generally There are many usage forms. Therefore, in terms of the comparison with the grid power, in the photovoltaic power generation system, the power generation cost is often asked as the capacity index. In general, the power generation cost is simply expressed by the following equation (1).

従来、発電コストを下げるための技術開発は、初期投資費用(パネルコスト、設置コストなど)および維持費用(パネルの長寿命化、遠隔監視など)といった、式(1)における分子の項目の削減を主として取り組まれてきた。光電変換効率の向上などはパネルコスト・設置コスト削減の代表例である。生涯発電量は、設置された場所の環境条件下で耐用年数の期間に発電される電力の総量である。   Traditionally, technology development to reduce power generation costs has reduced the number of numerator items in Equation (1), such as initial investment costs (panel costs, installation costs, etc.) and maintenance costs (extension of panel life, remote monitoring, etc.). It has been mainly addressed. Improvement of photoelectric conversion efficiency is a typical example of panel cost and installation cost reduction. Lifetime power generation is the total amount of power generated during the useful life under the environmental conditions of the place where it is installed.

しかしながら、光電変換効率が理論限界に近い領域に達してきており(結晶シリコン太陽電池では理論限界28%に対して開発品では25%、量産品でも21〜23%)、光電変換効率の向上のみによるコスト削減が、プロセス・装置の複雑化・高額化、材料費の増加、また開発費の増加によりまかなえなくなりつつあるのが現状である。   However, the photoelectric conversion efficiency has reached the region close to the theoretical limit (the theoretical limit is 28% for the crystalline silicon solar cell, 25% for the developed product and 21 to 23% for the mass-produced product), and only the improvement of the photoelectric conversion efficiency is achieved. The current situation is that the cost reduction due to the process is not being realized due to the complexity and cost increase of processes and equipment, the increase in material costs, and the increase in development costs.

一方、式(1)における分母の項、特に生涯発電量についてはそれほど開発が進んでいない。これは主に、
(1)設置場所での環境条件を予測することが困難である。
(2)材料やコストによる制限から最適化のための振りしろが少ない。
(3)一括最適化された生産プロセスが多く、プロセスの局所変更が困難である。
(4)局所変更を行った太陽電池の特性予測が困難であり、試作を要することが多い。
(5)多品種少量生産に不適である。
というような制約があるためである。
On the other hand, the development of the denominator term in equation (1), especially the lifetime power generation, has not progressed so much. This is mainly
(1) It is difficult to predict environmental conditions at the installation location.
(2) Few margins for optimization due to limitations due to materials and costs.
(3) There are many production processes that are collectively optimized, and local changes in the process are difficult.
(4) It is difficult to predict the characteristics of a solar cell that has undergone local changes, and prototypes are often required.
(5) Not suitable for high-mix low-volume production.
This is because there are such restrictions.

したがって、太陽光発電システムの想定発電量は一般に次のようにして求められているのが現状である。
(11)標準試験条件(STC条件:Standard Test Cell condition、スペクトル形状をAM1.5、日射を1.0kW/m垂直入射、太陽電池セル温度を25℃とする)下で測定した光電変換効率によってモジュール定格を決定。
(12)温度特性やインバータの効率などの補正項を設定。
(13)独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO:New Energy and Industrial Technology Development Organization)や気象庁が提供する日射量データベースによって設置点の日射量を決定。
(14)上記の条件に基づいて発電量を計算(簡易的には、発電量=日射量×定格×補正項)。
Therefore, in general, the assumed power generation amount of the solar power generation system is generally determined as follows.
(11) Photoelectric conversion efficiency measured under standard test conditions (STC condition: Standard Test Cell condition, spectrum shape is AM1.5, solar radiation is 1.0 kW / m 2 normal incidence, solar cell temperature is 25 ° C.) Determine the module rating.
(12) Set correction terms such as temperature characteristics and inverter efficiency.
(13) The amount of solar radiation at the installation point is determined by the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) and the database of solar radiation provided by the Japan Meteorological Agency.
(14) Calculate the amount of power generation based on the above conditions (simple power generation amount = solar radiation amount x rating x correction term).

また、太陽電池セルを構成する要素の機能は大きく分けて以下の3つである。
(a)光電変換機能
(b)光閉じ込め機能
(c)導電機能
Moreover, the function of the element which comprises a photovoltaic cell is divided roughly into the following three.
(A) photoelectric conversion function (b) light confinement function (c) conductive function

(a)の光電変換機能は、光子を電子−正孔対に変換する機能のことである。一般的には半導体のpn接合を用いることが多い。(b)の光閉じ込め機能は、表面の反射低減や、光路長を増加させるなど、セルに入射した光子を無駄なく電子−正孔対に変換できるようにする機能のことである。一般的には基板表面や透明導電膜に微細な凹凸を形成すること、基板裏面に拡散性の反射材を設けることが多い。(c)の導電機能は、生成した電子−正孔対を電極に導く機能のことである。一般的には、櫛歯電極や透明導電膜を用いることが多い。   The photoelectric conversion function of (a) is a function that converts photons into electron-hole pairs. In general, a semiconductor pn junction is often used. The light confinement function (b) is a function that allows photons incident on the cell to be converted into electron-hole pairs without waste, such as reducing surface reflection and increasing the optical path length. In general, fine irregularities are often formed on the substrate surface or transparent conductive film, and a diffusible reflector is often provided on the back surface of the substrate. The conductive function of (c) is a function of guiding the generated electron-hole pair to the electrode. In general, a comb electrode or a transparent conductive film is often used.

従来(1)〜(5)のような制約が生じる1つの原因が、これら3つの機能をSTC条件下で一括して最適化を行っている点である。たとえば代表的なタンデム型薄膜シリコン太陽電池は、第1電極層であるフロント透明導電膜、フロント透明導電膜側から第1p型半導体膜、第1i型半導体膜、第1n型半導体膜が積層された第1光電変換ユニット、第1光電変換ユニット側から第2p型半導体膜、第2i型半導体膜、第2n型半導体膜が積層された第2光電変換ユニット、第2電極層であるバック透明導電膜、およびバックリフレクタが透光性基板上に積み重ねて作製されている。   One cause of the conventional limitations (1) to (5) is that these three functions are collectively optimized under STC conditions. For example, in a typical tandem-type thin film silicon solar cell, a front transparent conductive film as a first electrode layer, and a first p-type semiconductor film, a first i-type semiconductor film, and a first n-type semiconductor film are stacked from the front transparent conductive film side. The first photoelectric conversion unit, the second photoelectric conversion unit in which the second p-type semiconductor film, the second i-type semiconductor film, and the second n-type semiconductor film are stacked from the first photoelectric conversion unit side, and the back transparent conductive film that is the second electrode layer , And a back reflector are stacked on a light-transmitting substrate.

このようなタンデム型薄膜シリコン太陽電池を構成する各層を上記の機能(a)〜(c)に分類するとつぎのようになる。
(a)光電変換機能:第1光電変換ユニット、第2光電変換ユニット
(b)光閉じ込め機能:フロント透明導電膜、バックリフレクタ
(c)導電機能:フロント透明導電膜、バック透明導電膜、バックリフレクタ
The layers constituting such a tandem-type thin film silicon solar cell are classified into the above functions (a) to (c) as follows.
(A) Photoelectric conversion function: first photoelectric conversion unit, second photoelectric conversion unit (b) light confinement function: front transparent conductive film, back reflector (c) conductive function: front transparent conductive film, back transparent conductive film, back reflector

しかしながら、各層がそれぞれ下地の形状や電気特性(仕事関数など)の依存性を有しているため、従来は試作を繰り返し、依存性をクリアできるような材質やプロセス条件を探索してきた。したがって、前記(a)〜(c)の各機能を独立して設計することが困難となり、その結果(1)〜(5)に示すような制約が生じていた。   However, since each layer has a dependency on the shape of the ground and electrical characteristics (work function, etc.), the prototype and the process conditions that can clear the dependency have been searched in the past. Therefore, it is difficult to design each function of (a) to (c) independently, and as a result, restrictions as shown in (1) to (5) occur.

一方で、スペクトル形状、日射角・日射量、太陽電池セル温度は設置場所の環境条件により一日の中でさえも刻々と変化するものであることに着目すると、設置場所の環境条件にカスタマイズした太陽電池設計とすることで生涯発電量の最大化を図ることが可能となる。たとえばタンデム型薄膜シリコン太陽電池のような多接合太陽電池の場合は、分光感度の異なる各太陽電池セルを直列接続する構造となるため、各太陽電池セルの光電流が一致しないと電力ロスが生じてしまう。したがって、STC条件ではなく、設置点のスペクトル条件で最適となる各太陽電池セルの分光感度にカスタマイズすることにより、STC条件で得る定格出力よりも生涯発電量が多くなることが期待できる。   On the other hand, we focused on the fact that the spectral shape, the angle of solar radiation, the amount of solar radiation, and the temperature of the solar battery cells change every moment depending on the environmental conditions of the installation site. By using solar cell design, it is possible to maximize the amount of power generated throughout the lifetime. For example, in the case of a multi-junction solar cell such as a tandem-type thin film silicon solar cell, solar cells having different spectral sensitivities are connected in series. Therefore, if the photocurrents of the solar cells do not match, power loss occurs. End up. Therefore, it can be expected that the lifetime power generation amount is larger than the rated output obtained under the STC condition by customizing the spectral sensitivity of each solar battery cell that is optimal not based on the STC condition but on the spectral condition of the installation point.

このため、たとえば特許文献1のようにタンデム型薄膜シリコン太陽電池の各太陽電池セルのi層厚さを設置緯度によって変化させて各太陽電池セルの分光感度と光電流を最適化する手法が提案されている。   For this reason, for example, as disclosed in Patent Document 1, a method for optimizing the spectral sensitivity and photocurrent of each solar cell by changing the i-layer thickness of each solar cell of the tandem-type thin film silicon solar cell according to the installation latitude is proposed. Has been.

特開2006−165076号公報JP 2006-165076 A

しかしながら、上記特許文献1の技術によれば、リファレンスとして用いる標準セルの作製に実際にモジュールを試作して屋外暴露を行うなどの手間と時間を要しており、上述した(3)、(4)の制約が依然残っていることが課題であった。   However, according to the technique of the above-described Patent Document 1, it takes time and labor to actually manufacture a standard cell used as a reference and to perform outdoor exposure by making a module as a prototype, and (3) and (4) described above. ) Was still a problem.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価に製造することができるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法、設計プログラムおよびタンデム型薄膜太陽電池を得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and the design of a tandem thin-film solar cell that can be easily designed at low cost and can be easily designed as a tandem thin-film solar cell suitable for the environmental conditions of the installation site. The object is to obtain a method, a design program and a tandem thin film solar cell.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法は、透光性基板上に、透明電極層と、不純物のドープ条件が異なる複数の半導体膜からなる複数の光電変換ユニットとがこの順で積層されるとともに、各層間の特性依存性を解消する接続層として、前記透光性基板と前記透明電極層の間に設けられて前記透光性基板の形状依存性を解消する第1接続層と、前記複数の光電変換ユニットのうち前記透明電極層側の第1光電変換ユニットと前記透明電極層との間に設けられて前記第1光電変換ユニットと前記透明電極層との電気的依存性を解消する第2接続層と、前記不純物のドープ条件が異なる半導体膜間に設けられて前記半導体膜間の電気的依存性を解消する第3接続層と、を備えて前記透光性基板側から太陽光が入射されるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法であって、日射に関する情報を含む前記タンデム型薄膜太陽電池の設置場所の環境情報を決定する第1工程と、前記透光性基板、前記透明電極層、前記複数の光電変換ユニットおよび前記接続層についての形状情報および光学物性情報と、前記透明電極層、前記複数の光電変換ユニットおよび前記接続層についての電気物性情報とに基づき、設計する前記タンデム型薄膜太陽電池の設計構造を決定する第2工程と、前記光学物性情報および前記形状情報を用いて前記透光性基板側から入射される太陽光に対する前記光電変換ユニット毎の光学特性情報を計算する第3工程と、前記電気物性情報、前記光学特性情報、前記日射に関する情報を用いて前記設計構造の電気特性情報を計算する第4工程と、前記電気特性情報を用いて前記設計構造の電力損失を計算する第5工程と、前記電力損失を既定の閾値と比較して前記電力損失が許容範囲内であるか否かを判定する第6工程と、を含み、前記第6工程において、前記電力損失が前記既定の閾値以下の場合には、前記設計構造を最終構造として設計を終了し、前記第6工程において、前記電力損失が前記既定の閾値よりも大の場合には、前記光学物性情報、前記電気物性情報、前記形状情報の少なくとも一つを調整して新たな設計構造を決定する第7工程を実施した後に、前記第3工程以降を繰り返し実施すること、を特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a design method for a tandem-type thin film solar cell according to the present invention includes a transparent electrode layer and a plurality of semiconductor films having different impurity doping conditions on a translucent substrate. And a plurality of photoelectric conversion units are stacked in this order, and are provided between the translucent substrate and the transparent electrode layer as a connection layer that eliminates the dependency on characteristics between the respective layers. A first connection layer that eliminates the substrate shape dependency, and the first photoelectric conversion provided between the transparent electrode layer and the first photoelectric conversion unit on the transparent electrode layer side among the plurality of photoelectric conversion units. A second connection layer that eliminates electrical dependence between the unit and the transparent electrode layer; and a third connection that is provided between the semiconductor films having different impurity doping conditions to eliminate the electrical dependence between the semiconductor films. A layer comprising A method of designing a tandem thin film solar cell in which sunlight is incident from the conductive substrate side, wherein the first step of determining environmental information of an installation location of the tandem thin film solar cell including information on solar radiation, and the light transmission The shape information and optical property information about the conductive substrate, the transparent electrode layer, the plurality of photoelectric conversion units and the connection layer, and the electrical property information about the transparent electrode layer, the plurality of photoelectric conversion units and the connection layer Second step of determining the design structure of the tandem-type thin film solar cell to be designed, and each photoelectric conversion unit for sunlight incident from the translucent substrate side using the optical property information and the shape information A third step of calculating the optical property information of the design, and using the electrical property information, the optical property information, and the information on the solar radiation, the electrical property of the design structure A fourth step of calculating an information, a fifth step of calculating a power loss of the design structure using the electrical characteristic information, and comparing the power loss with a predetermined threshold and the power loss is within an allowable range. A sixth step of determining whether or not, in the sixth step, when the power loss is equal to or less than the predetermined threshold, the design is finished with the design structure as a final structure, and the sixth step When the power loss is larger than the predetermined threshold value, a seventh step of determining a new design structure by adjusting at least one of the optical property information, the electrical property information, and the shape information is performed. After the execution, the third and subsequent steps are repeatedly performed.

本発明によれば、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価に得られる、という効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to easily design a tandem-type thin film solar cell suitable for the environmental conditions of the installation location and obtain it at low cost.

図1は、本発明の実施の形態1にかかるタンデム型薄膜シリコン太陽電池セルの概略構成を示す要部断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part showing a schematic configuration of a tandem-type thin film silicon solar battery cell according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの設計方法のフローを示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing a flow of the solar cell design method according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの設計方法を実行する設計装置の概略構成を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a schematic configuration of a design apparatus that executes the solar cell design method according to the first embodiment of the present invention. 図4は、光伝搬計算により求めた太陽電池セルの外部量子効率と、実測した太陽電池セルの外部量子効率とを示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the external quantum efficiency of the solar battery cell obtained by light propagation calculation and the measured external quantum efficiency of the solar battery cell. 図5は、兵庫県尼崎市において水平面(太陽電池モジュールを垂直に置いたときに相当)で撮影した上空の魚眼像を示す画像である。FIG. 5 is an image showing a fisheye image of the sky photographed on a horizontal plane (corresponding to a solar cell module placed vertically) in Amagasaki City, Hyogo Prefecture. 図6は、天空記述パラメータと天空遮蔽情報とを用いて計算した、尼崎市のある時刻における日射スペクトル強度と実測の日射スペクトル強度との関係を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the solar radiation spectrum intensity at a certain time in Amagasaki City and the actual solar radiation spectrum intensity calculated using the sky description parameter and the sky shielding information. 図7は、光電変換ユニットの接合数が2である(2つの光電変換ユニットが積層されている)2接合タンデム型薄膜太陽電池における、光電変換ユニット間における光電流の不一致による累積電力損失計算時のベクトルを示す図である。FIG. 7 shows the calculation of cumulative power loss due to mismatch of photocurrents between photoelectric conversion units in a two-junction tandem thin-film solar cell in which the number of junctions of the photoelectric conversion units is two (two photoelectric conversion units are stacked). FIG. 図8は、光電変換ユニットの接合数が3である(3つの光電変換ユニットが積層されている)3接合タンデム型薄膜太陽電池における、光電変換ユニット間における光電流の不一致による累積電力損失計算時のベクトルを示す図である。FIG. 8 shows the calculation of cumulative power loss due to mismatch of photocurrents between photoelectric conversion units in a three-junction tandem thin-film solar cell in which the number of junctions of the photoelectric conversion units is three (three photoelectric conversion units are stacked). FIG. 図9は、本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの設計方法のフローを示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the solar cell design method according to the second embodiment of the present invention. 図10は、本発明の実施の形態3にかかる太陽電池セルの設計方法のフローのうち、セル電流計算工程を示すフローチャートである。FIG. 10: is a flowchart which shows a cell current calculation process among the flows of the design method of the photovoltaic cell concerning Embodiment 3 of this invention. 図11は、内部損失を用いて計算した光電流の日射強度依存性と、実測の光電流の日射強度依存性を示す特性図である。FIG. 11 is a characteristic diagram showing the dependence of the photocurrent on the solar radiation intensity calculated using the internal loss and the dependence of the actually measured photocurrent on the solar radiation intensity. 図12は、温帯地域における1年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。FIG. 12 is a histogram showing the ratio of each solar radiation amount period to the total solar radiation energy for one year in the temperate region. 図13は、熱帯地域における1年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。FIG. 13 is a histogram showing the ratio of the period of each solar radiation amount to the total solar radiation energy for one year in the tropical region. 図14は、砂漠地域における1年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。FIG. 14 is a histogram showing the contribution ratio of each solar radiation amount to the total solar radiation energy for one year in the desert region.

以下に、本発明にかかるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法、設計プログラムおよびタンデム型薄膜太陽電池の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下では一例として2接合タンデム型薄膜シリコン太陽電池について説明を行っているが、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。   EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the design method of a tandem-type thin film solar cell concerning this invention, a design program, and embodiment of a tandem-type thin film solar cell are described in detail based on drawing. In the following, a two-junction tandem-type thin film silicon solar cell is described as an example. However, the present invention is not limited to this embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. is there. In the drawings shown below, the scale of each member may be different from the actual scale for easy understanding. The same applies between the drawings.

なお、本明細書において用いる環境情報とは、主として物理的な側面の情報と、主として気象的な側面の情報の2種で構成される一群の情報である。物理的な側面の情報は、たとえば緯度・経度などからなる位置情報、太陽電池モジュールの設置方位、設置傾斜角、ビルなどにより空が遮られることによる天空遮蔽情報などである。天空遮蔽率は、水平面立体角投射率のことであり、魚眼レンズで天空写真を撮影したときの画面に占める建築物の面積の割合といえる。気象的な側面の情報は、たとえば日射強度情報、温度、風向、風速、全天曇り量、太陽周辺曇り量などである。太陽高度、太陽方位も環境情報に含まれるが、これらは位置情報と時刻情報から計算することができる。本明細書では、太陽高度、太陽方位、曇り量など、主として気象的な側面の一群の情報を天空記述パラメータと呼ぶことにする。   The environmental information used in the present specification is a group of information mainly composed of two types of information, mainly physical aspects and mainly meteorological aspects. The physical aspect information includes, for example, position information including latitude and longitude, installation direction of the solar cell module, installation inclination angle, sky shielding information by blocking the sky by a building, and the like. The sky shielding rate is a horizontal plane solid angle projection rate, and can be said to be the ratio of the area of the building to the screen when a sky photograph is taken with a fisheye lens. Information on the meteorological aspect includes, for example, solar radiation intensity information, temperature, wind direction, wind speed, total cloudiness, and cloudiness around the sun. The solar altitude and solar orientation are also included in the environmental information, but these can be calculated from the position information and time information. In this specification, a group of information mainly related to meteorological aspects such as solar altitude, solar orientation, and cloudiness is referred to as a sky description parameter.

ここで日射強度情報は、「過去のデータから作成した平均的な気象条件における、1年間の日射強度の動き(単位面積あたりの太陽エネルギー入射量の時間の関数)」のモデル情報と定義される。また、日射スペクトル情報は、日射強度情報、太陽電池モジュールの設置方位、設置傾斜角度およびその他の環境情報から求める、「太陽電池モジュールの傾斜面における波長ごとの日射強度の1年間の動き」のモデル情報と定義される。日射スペクトル情報は、太陽高度、曇り量、遮蔽情報などを考慮したもので、太陽電池モジュールの傾斜面に入射する光そのものを指す。すなわち以下で述べるセル電流計算工程(ステップS140)で用いるInt(λ)の時間の関数である。   Here, the solar radiation intensity information is defined as model information of “movement of solar radiation intensity in one year under the average weather conditions created from past data (a function of time of solar energy incident amount per unit area)”. . Also, the solar radiation spectrum information is obtained from the solar radiation intensity information, the installation orientation of the solar cell module, the installation inclination angle, and other environmental information, and is a model of “one-year movement of solar radiation intensity for each wavelength on the inclined surface of the solar cell module”. Defined as information. The solar radiation spectrum information takes into account the solar altitude, cloudiness, shielding information, and the like, and refers to the light itself incident on the inclined surface of the solar cell module. That is, it is a function of Int (λ) time used in the cell current calculation step (step S140) described below.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるタンデム型薄膜シリコン太陽電池セル(以下、太陽電池セルと呼ぶ)の概略構成を示す要部断面図である。複数の薄膜太陽電池セルが電気的に直列または並列に接続されたタンデム型集積型薄膜太陽電池が、受光面側保護部材と裏面側保護部材との間に封止材により封止されて、太陽光発電システムに用いられる太陽電池モジュールが構成される(図示せず)。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part showing a schematic configuration of a tandem-type thin film silicon solar battery cell (hereinafter referred to as a solar battery cell) according to the first embodiment of the present invention. A tandem integrated thin-film solar cell in which a plurality of thin-film solar cells are electrically connected in series or in parallel is sealed with a sealing material between the light-receiving surface side protection member and the back surface side protection member, A solar cell module used in the photovoltaic system is configured (not shown).

実施の形態1にかかる太陽電池セルは、ガラスなどからなり、表面が平面もしくは微細な凹凸を有する透光性基板1上に、透光性を有する第1電極層(透明電極層)としてのフロント透明導電膜2と、非晶質シリコンなどにより構成されて主に短波長側の光を吸収する第1光電変換ユニット11と、結晶質成分を含む微結晶シリコンなどにより構成されて主に長波長側の光を吸収する第2光電変換ユニット12と、第2電極層としてのバック透明導電膜9とバックリフレクタ10とが順次積層されている。この太陽電池セルでは、透光性基板1側から太陽光が入射される。   The solar cell according to the first embodiment is made of glass or the like, and has a front surface as a first electrode layer (transparent electrode layer) having translucency on a translucent substrate 1 having a flat or fine uneven surface. A transparent conductive film 2, a first photoelectric conversion unit 11 composed mainly of amorphous silicon and mainly absorbing short-wavelength light, and composed mainly of microcrystalline silicon containing a crystalline component and mainly composed of a long wavelength. A second photoelectric conversion unit 12 that absorbs light on the side, a back transparent conductive film 9 as a second electrode layer, and a back reflector 10 are sequentially stacked. In this solar cell, sunlight enters from the translucent substrate 1 side.

本実施の形態では、透光性基板1として、ガラス基板を用いる。透光性基板1におけるフロント透明導電膜2側の表面には、微細な凹凸が形成されており、光閉じ込め機能を担う。第1光電変換ユニット11は、フロント透明導電膜2側から、第1p型半導体膜3、第1i型半導体膜4、第1n型半導体膜5がこの順で積層されている。第2光電変換ユニット12は、第1光電変換ユニット11側から、第2p型半導体膜6、第2i型半導体膜7、第2n型半導体膜8がこの順で積層されている。   In the present embodiment, a glass substrate is used as the translucent substrate 1. On the surface of the translucent substrate 1 on the front transparent conductive film 2 side, fine irregularities are formed, which bears a light confinement function. In the first photoelectric conversion unit 11, a first p-type semiconductor film 3, a first i-type semiconductor film 4, and a first n-type semiconductor film 5 are laminated in this order from the front transparent conductive film 2 side. In the second photoelectric conversion unit 12, the second p-type semiconductor film 6, the second i-type semiconductor film 7, and the second n-type semiconductor film 8 are laminated in this order from the first photoelectric conversion unit 11 side.

以上の構造は、従来の一般的な太陽電池セルと同様の構造であり、実施の形態1にかかる太陽電池セルでは、フロント透明導電膜2以降の層(フロント透明導電膜2、第1光電変換ユニット11、第2光電変換ユニット12)の、透光性基板1の表面形状に対する構造依存性を緩和・解消するための第1接続層21を、透光性基板1とフロント透明導電膜2との間に新たに設けている。ここで、透光性基板1の表面形状は、フロント透明導電膜2側の表面の形状である。透光性基板1の表面形状に対する構造依存性は、透光性基板1の表面形状がフロント透明導電膜2以降の層の形状に反映されることによるフロント透明導電膜2以降の層の構造や光学的・電気的な特性の変化を意味する。   The above structure is the same as that of a conventional general solar battery cell. In the solar battery cell according to the first embodiment, the layers after the front transparent conductive film 2 (front transparent conductive film 2, first photoelectric conversion). Unit 11 and second photoelectric conversion unit 12), the first connection layer 21 for relaxing / resolving the structural dependence on the surface shape of the translucent substrate 1, the translucent substrate 1, the front transparent conductive film 2, It is newly provided between. Here, the surface shape of the translucent substrate 1 is the shape of the surface on the front transparent conductive film 2 side. The structure dependence on the surface shape of the translucent substrate 1 is determined by reflecting the surface shape of the translucent substrate 1 on the shape of the layers after the front transparent conductive film 2 and the structure of the layers after the front transparent conductive film 2. A change in optical and electrical characteristics.

また、実施の形態1にかかる太陽電池セルでは、第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3とフロント透明導電膜2との電気的依存性を緩和・解消するための第2接続層22を、第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3とフロント透明導電膜2との間に新たに設けている。第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3とフロント透明導電膜2との電気的依存性は、第1p型半導体膜3とフロント透明導電膜2との間の導電性・電気的接続の変化を意味する。   Further, in the solar cell according to the first embodiment, the second connection layer 22 for relaxing and eliminating the electrical dependency between the first p-type semiconductor film 3 and the front transparent conductive film 2 of the first photoelectric conversion unit 11. Is newly provided between the first p-type semiconductor film 3 and the front transparent conductive film 2 of the first photoelectric conversion unit 11. The electrical dependence between the first p-type semiconductor film 3 and the front transparent conductive film 2 of the first photoelectric conversion unit 11 is determined by the conductive / electrical connection between the first p-type semiconductor film 3 and the front transparent conductive film 2. It means change.

また、実施の形態1にかかる太陽電池セルでは、第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3と第1i型半導体膜4との電気的依存性を緩和・解消するための第3接続層23を、第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3と第1i型半導体膜4との間に新たに設けている。なお、第3接続層23については、実施の形態2において詳説する。第1p型半導体膜3と第1i型半導体膜4との電気的依存性は、第1p型半導体膜3と第1i型半導体膜4との間の導電性・電気的接続の変化を意味する。   In the solar cell according to the first embodiment, the third connection layer for relaxing and eliminating the electrical dependence between the first p-type semiconductor film 3 and the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11. 23 is newly provided between the first p-type semiconductor film 3 and the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11. The third connection layer 23 will be described in detail in the second embodiment. The electrical dependence between the first p-type semiconductor film 3 and the first i-type semiconductor film 4 means a change in electrical conductivity and electrical connection between the first p-type semiconductor film 3 and the first i-type semiconductor film 4.

なお、この太陽電池セルは、従来公知のプラズマCVD法やスパッタリング法を用いて上記の各層を順次積層形成することにより作製することができる。   This solar battery cell can be manufactured by sequentially laminating each of the above layers using a conventionally known plasma CVD method or sputtering method.

つぎに、実施の形態1にかかる太陽電池セルにおいて、太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置場所の日射スペクトルに対する最適構造を設計する最適化設計手法を説明する。太陽電池セルの電気特性は、開放電圧Voc、短絡電流Jsc、曲線因子FF(Fill Factor)、およびこれらの積からなる光電変換効率ηによって表される。生涯発電量は、ある与えられた時刻における日射量、劣化率γ、および光電変換効率ηの積を所定の期間、たとえば規定の設置年数の間、積算して表される。   Next, in the solar cell according to the first embodiment, an optimization design method for designing an optimal structure with respect to the solar spectrum of the installation location of the solar cell (solar cell module) will be described. The electrical characteristics of the solar battery cell are expressed by an open circuit voltage Voc, a short circuit current Jsc, a fill factor FF (Fill Factor), and a photoelectric conversion efficiency η composed of these products. The lifetime power generation amount is represented by integrating the product of the amount of solar radiation at a given time, the deterioration rate γ, and the photoelectric conversion efficiency η for a predetermined period, for example, a predetermined installation year.

図2は、本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの設計方法のフローを示すフローチャートである。実施の形態1にかかる太陽電池セルの設計方法は、初期構造決定工程(ステップS110)、光学特性計算工程(ステップS120)、日射スペクトル計算工程(ステップS130)、セル電流計算工程(ステップS140)、セル電気特性計算工程(ステップS150)、累積電力損失計算工程(ステップS160)、最適化判定工程(ステップS180)、構造情報調整工程(ステップS200)を有する。   FIG. 2 is a flowchart showing a flow of the solar cell design method according to the first embodiment of the present invention. The solar cell design method according to the first embodiment includes an initial structure determination step (step S110), an optical property calculation step (step S120), a solar radiation spectrum calculation step (step S130), a cell current calculation step (step S140), It has a cell electrical characteristic calculation step (step S150), a cumulative power loss calculation step (step S160), an optimization determination step (step S180), and a structure information adjustment step (step S200).

図3は、本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの設計方法を実行する設計装置100の概略構成を示す構成図である。この設計装置100は、上記の工程を実施して太陽電池セルの設計を行なう計算機であり、一般のコンピュータを用いることができる。なお、設計装置100には専用のハードウェアを用いてもよい。設計装置100は、内部にインストールされたソフトウェア(太陽電池セルの設計プログラム)を起動することにより、所定の演算を行って太陽電池セルの設計を行う。   FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a schematic configuration of the design apparatus 100 that executes the solar cell design method according to the first embodiment of the present invention. This design apparatus 100 is a computer that performs the above-described steps to design a solar battery cell, and a general computer can be used. Note that dedicated hardware may be used for the design apparatus 100. The design apparatus 100 starts a software (solar cell design program) installed therein to perform a predetermined calculation to design a solar cell.

本実施の形態にかかる設計装置100は、入力装置110と、液晶モニタなどの表示装置120と、中央処理装置130と、記憶装置140と、出力手段150とを有している。設計装置100では、これらの入力装置110、表示装置120、中央処理装置130、記憶装置140、出力手段150は、バスライン160を介して接続されている。   The design apparatus 100 according to the present embodiment includes an input device 110, a display device 120 such as a liquid crystal monitor, a central processing unit 130, a storage device 140, and an output unit 150. In the design apparatus 100, the input device 110, the display device 120, the central processing unit 130, the storage device 140, and the output unit 150 are connected via a bus line 160.

入力装置110は、キーボードやマウスなどを備えて各種のデータを入力可能とされたユーザー入力手段111と、外部記憶媒体の情報を読み込むことにより各種のデータを入力可能とされた外部記憶媒体入力手段112とを備える。なお、外部記憶媒体入力手段112は、外部記憶媒体に限らずインターネット等のあらゆる外部手段から情報を読み込むことにより各種のデータを入力してもよい。   The input device 110 includes a keyboard, a mouse, and the like, and a user input unit 111 that can input various data, and an external storage medium input unit that can input various data by reading information from the external storage medium. 112. The external storage medium input means 112 may input various data by reading information from any external means such as the Internet, not limited to the external storage medium.

入力装置110は、設計者(設計装置100の使用者)から入力される指示情報を入力する。入力装置110へは、各種プログラムの実行指示情報や、各種データを表示装置120に表示させる指示情報、各種データを出力装置に出力する指示情報などが入力される。入力装置110へ入力された指示情報は、中央処理装置130へ送られ処理され、また記憶装置140に記憶される。表示装置120は、中央処理装置130からの指示に基づいて、表示装置120に各種データなどを表示する。   The input device 110 inputs instruction information input from a designer (a user of the design device 100). The input device 110 receives execution instruction information for various programs, instruction information for displaying various data on the display device 120, instruction information for outputting various data to the output device, and the like. The instruction information input to the input device 110 is sent to the central processing unit 130 for processing and stored in the storage device 140. The display device 120 displays various data on the display device 120 based on an instruction from the central processing unit 130.

中央処理装置130は、CPU(Central Processing Unit)などの情報処理装置である。中央処理装置130は、コンピュータプログラムである設計プログラムと各種データとを用いて太陽電池セルの設計を行う。記憶装置140としては、主記憶装置141と二次記憶装置142とを有する。   The central processing unit 130 is an information processing device such as a CPU (Central Processing Unit). The central processing unit 130 designs solar cells using a design program that is a computer program and various data. The storage device 140 includes a main storage device 141 and a secondary storage device 142.

主記憶装置141は、太陽電池セルの設計を行う際に用いられる制御プログラム等を主として記憶する。制御プログラムとしては、たとえば光学特性計算処理プログラム161、電気特性計算処理プログラム162、電力損失計算処理プログラム163、最適判定処理プログラム164、構造情報調整処理プログラム165、出力処理プログラム166等が記憶されている。主記憶装置141は、たとえばROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などの記憶装置である。二次記憶装置142は、環境情報記憶手段171と太陽電池構造情報記憶手段172とを有する情報記憶部を有する。環境情報記憶手段171は、環境情報を記憶する。太陽電池構造情報記憶手段172は、最適化を行う元となる太陽電池セルの初期構造や、STC条件で最適化された太陽電池セル構造など、太陽電池セルの設計に用いられる太陽電池セルの構造を記憶する。   The main storage device 141 mainly stores a control program and the like used when designing solar cells. As the control program, for example, an optical characteristic calculation processing program 161, an electric characteristic calculation processing program 162, a power loss calculation processing program 163, an optimum determination processing program 164, a structure information adjustment processing program 165, an output processing program 166, and the like are stored. . The main storage device 141 is a storage device such as a ROM (Read Only Memory) or a RAM (Random Access Memory). The secondary storage device 142 includes an information storage unit including an environment information storage unit 171 and a solar cell structure information storage unit 172. The environment information storage unit 171 stores environment information. The solar cell structure information storage means 172 is a solar cell structure used for the design of the solar cell, such as an initial solar cell structure to be optimized or a solar cell structure optimized under STC conditions. Remember.

設計装置100で実行される設計プログラムは、主記憶装置上の作業エリアにロードされ、これらが主記憶装置上に生成される。たとえば主記憶装置141内のROMに格納されている設計プログラムは、バスライン160を介して主記憶装置141内のRAMへロードされる。中央処理装置130はRAM内にロードされた設計プログラムを実行する。
具体的には、設計装置100では、使用者による入力装置110からの指示入力に従って、中央処理装置がROM内から設計プログラムを読み出してRAM内のプログラム格納領域に展開して各種処理を実行する。中央処理装置130は、この各種処理に際して生じる各種データをRAM内に形成されるデータ格納領域に一時的に記憶させておく。また、各種処理の実行結果は、表示装置120に表示され、また使用者による入力装置110からの指示入力に従って出力装置に出力される。
The design program executed by the design apparatus 100 is loaded into a work area on the main storage device, and these are generated on the main storage device. For example, the design program stored in the ROM in the main storage device 141 is loaded into the RAM in the main storage device 141 via the bus line 160. The central processing unit 130 executes a design program loaded in the RAM.
Specifically, in the design apparatus 100, the central processing unit reads out the design program from the ROM in accordance with an instruction input from the input device 110 by the user, develops it in the program storage area in the RAM, and executes various processes. The central processing unit 130 temporarily stores various data generated in the various processes in a data storage area formed in the RAM. The execution results of various processes are displayed on the display device 120 and are output to the output device in accordance with an instruction input from the input device 110 by the user.

つぎに、実施の形態1にかかる太陽電池セルの設計方法について説明する。ここでは、第1接続層21、第2接続層22を含む太陽電池セルの構造の設計方法について説明する。第3接続層23を含む太陽電池セルの構造の設計方法については、実施の形態2において説明する。なお、以下の処理は、一連のプログラムとして作成され、設計装置で実行される。まず、初期構造決定工程(ステップS110)において、最適化を行う元となる太陽電池セルの初期構造を設定・決定する。この工程では、たとえばSTC条件(AM1.5スペクトル)で最適化されたセル構造を初期構造として用いるとよい。   Below, the design method of the photovoltaic cell concerning Embodiment 1 is demonstrated. Here, a method for designing the structure of the solar battery cell including the first connection layer 21 and the second connection layer 22 will be described. A method for designing the structure of the solar battery cell including the third connection layer 23 will be described in the second embodiment. The following processing is created as a series of programs and executed by the design apparatus. First, in the initial structure determining step (step S110), the initial structure of the solar battery cell that is the source of optimization is set and determined. In this step, for example, a cell structure optimized under STC conditions (AM1.5 spectrum) may be used as the initial structure.

まず、設計者(設計装置100の使用者)が設計プログラム開始情報を入力して設計プログラムを起動させ、入力装置110を用いて太陽電池構造情報を設計装置100に入力する。太陽電池構造情報が入力されると、中央処理装置130はこの太陽電池構造情報を太陽電池構造情報記憶手段172に記憶させることにより、設計する太陽電池セルの初期構造の設定・決定を行う。   First, a designer (a user of the design apparatus 100) inputs design program start information to activate the design program, and inputs solar cell structure information to the design apparatus 100 using the input apparatus 110. When the solar cell structure information is input, the central processing unit 130 stores the solar cell structure information in the solar cell structure information storage unit 172, thereby setting and determining the initial structure of the solar cell to be designed.

ここでは、透光性基板1、透明電極(フロント透明導電膜2およびバック透明導電膜9)、複数の光電変換ユニット(第1光電変換ユニット11および第2光電変換ユニット12)、第1接続層21、第2接続層22のそれぞれについての形状情報および光学物性情報と、透明電極(フロント透明導電膜2およびバック透明導電膜9)、複数の光電変換ユニット(第1光電変換ユニット11および第2光電変換ユニット12)、第1接続層21、第2接続層22についての電気物性情報と、を含む太陽電池構造情報(初期構造情報)が設計装置100に入力される。太陽電池構造情報には、上記の情報の他に各層の膜厚などが含まれ、太陽電池セルの構造が決定される。   Here, the translucent substrate 1, transparent electrodes (front transparent conductive film 2 and back transparent conductive film 9), a plurality of photoelectric conversion units (first photoelectric conversion unit 11 and second photoelectric conversion unit 12), first connection layer 21, shape information and optical property information about each of the second connection layers 22, a transparent electrode (front transparent conductive film 2 and back transparent conductive film 9), and a plurality of photoelectric conversion units (first photoelectric conversion unit 11 and second photoelectric conversion unit 11). Solar cell structure information (initial structure information) including the photoelectric conversion unit 12), the electrical property information about the first connection layer 21, and the second connection layer 22 is input to the design apparatus 100. The solar cell structure information includes the thickness of each layer in addition to the above information, and the structure of the solar cell is determined.

初期構造には例えばSTC条件下で最適化を行った際の太陽電池構造情報を用いるとよい。また、あらかじめ複数のスペクトル形状において最適となる太陽電池構造情報を取得しておき、太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置点において最も高い頻度、もしくは最も高い累積日射強度となるスペクトル形状に最も近い場合の太陽電池構造情報を初期構造として用いてもよい。たとえば、あるスペクトル形状と、このスペクトル形状に最適となる太陽電池構造情報と、を対で予め用意しておく。そして、たとえば太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置場所において最も頻度の高いスペクトル形状と最も近い形状となるスペクトルをあらかじめ有しておいた前記のあるスペクトル形状に対して最適となる設計構造の対の中から選択し、初期構造を前記のスペクトルと対になる設計構造として決定すればよい。また、最も頻度の高いスペクトル形状に対して最適となる設計構造を選択する際に、スペクトルの平均光子エネルギーを基準として選択すればよい。なお、いずれの場合も、太陽電池セルの構造は第1接続層21、第2接続層22を含む構造とされる。   For the initial structure, for example, solar cell structure information obtained when optimization is performed under STC conditions may be used. Moreover, solar cell structure information that is optimal in a plurality of spectrum shapes is acquired in advance, and is closest to the spectrum shape that has the highest frequency or the highest accumulated solar radiation intensity at the installation point of the solar cell (solar cell module). In some cases, the solar cell structure information may be used as the initial structure. For example, a certain spectrum shape and solar cell structure information that is optimal for this spectrum shape are prepared in pairs. Then, for example, a pair of design structures that are optimal for the certain spectrum shape that has the spectrum that is the closest to the most frequent spectrum shape at the installation location of the solar cell (solar cell module). The initial structure may be determined as a design structure that is paired with the spectrum. Further, when selecting the optimum design structure for the most frequent spectrum shape, the average photon energy of the spectrum may be selected as a reference. In any case, the solar cell has a structure including the first connection layer 21 and the second connection layer 22.

また、設計者は日射に関する情報を含む太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置場所の環境情報を、入力装置110を用いて設計装置100に入力する。環境情報が入力されると、中央処理装置130はこの環境情報を環境情報記憶手段171に記憶させ、これにより、環境情報が決定される。   Further, the designer inputs environmental information on the installation location of the solar battery cell (solar battery module) including information on solar radiation to the design apparatus 100 using the input device 110. When the environmental information is input, the central processing unit 130 stores the environmental information in the environmental information storage unit 171 so that the environmental information is determined.

初期構造決定工程(ステップS110)が終了すると、中央処理装置130は、光学特性計算工程(ステップS120)において、与えられた太陽電池セルの構造情報に対応する外部量子効率(EQE:External Quantum Efficiency)を透光性基板1も含む各層全てについての形状情報および光学物性情報を用いて光電変換ユニット毎に計算する。EQEは、前記の形状情報および光学物性情報を用いて、光学シミュレータを用いる方法、簡易的にはセル構造における各層の光学特性(屈折率、透過率)を元に太陽電池セルにおける光の伝搬計算を行う方法により計算することができる。EQEの計算は、中央処理装置130が光学特性計算処理プログラムを読み出して、上述した形状情報および光学物性情報を用いて実行する。   When the initial structure determination process (step S110) is completed, the central processing unit 130, in the optical characteristic calculation process (step S120), external quantum efficiency (EQE: External Quantum Efficiency) corresponding to the given structure information of the solar battery cell. Is calculated for each photoelectric conversion unit using the shape information and the optical property information for all the layers including the light-transmitting substrate 1. EQE is a method using an optical simulator using the above-mentioned shape information and optical property information, and simply calculating light propagation in a solar cell based on the optical properties (refractive index, transmittance) of each layer in the cell structure. It can be calculated by the method of performing. The calculation of EQE is executed by the central processing unit 130 by reading the optical characteristic calculation processing program and using the shape information and optical property information described above.

一例として、光の伝搬計算によりEQEの計算を行った結果を図4に示す。図4は、光伝搬計算により求めた太陽電池セルの外部量子効率と、実測した太陽電池セルの外部量子効率とを示す特性図である。図4では、太陽光の波長[nm]を横軸に、外部量子効率EQEを縦軸に示している。図4より、光伝搬計算により求めた太陽電池セルの外部量子効率は、実測した太陽電池セルの外部量子効率と良く一致していることが分かる。   As an example, FIG. 4 shows a result of calculating EQE by light propagation calculation. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the external quantum efficiency of the solar battery cell obtained by light propagation calculation and the measured external quantum efficiency of the solar battery cell. In FIG. 4, the wavelength [nm] of sunlight is shown on the horizontal axis, and the external quantum efficiency EQE is shown on the vertical axis. FIG. 4 shows that the external quantum efficiency of the solar battery cell obtained by light propagation calculation is in good agreement with the measured external quantum efficiency of the solar battery cell.

光学特性計算工程(ステップS120)が終了すると、中央処理装置130は、日射スペクトル計算工程(ステップS130)において、ある与えられた時刻における太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置点の日射強度情報から、太陽電池モジュールの傾斜面におけるある与えられた時刻における日射スペクトル情報を計算する。太陽電池モジュールは、通常、屋根等の傾斜面に設置されるため、配置された状態と同条件となるように太陽電池モジュールの傾斜面における日射スペクトル情報を計算する。日射強度情報は実測のデータベースを用いることが最良であるが、モデル計算を用いてもよい。   When the optical property calculation process (step S120) is completed, the central processing unit 130 determines the solar radiation intensity information of the installation point of the solar battery cell (solar battery module) at a given time in the solar radiation spectrum calculation process (step S130). The solar radiation spectrum information at a given time on the inclined surface of the solar cell module is calculated. Since the solar cell module is usually installed on an inclined surface such as a roof, the solar spectrum information on the inclined surface of the solar cell module is calculated so as to satisfy the same conditions as the arrangement state. It is best to use an actually measured database for the solar radiation intensity information, but model calculation may be used.

実際には、気象自体が年単位でもふらつくため、平均的な気象条件におけるスペクトルデータベースを実測ベースで構築するのは多大な労力が必要になる。国内であれば日射量および天気のデータベースは気象庁が有しており、また水平面における直達、散乱日射量については独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO:New Energy and Industrial Technology Development Organization)がデータベースを公開しているため、これらのデータを用いてスペクトルをモデル計算するとよい。   Actually, since the weather itself fluctuates even on a yearly basis, it takes a great deal of labor to construct a spectrum database under average weather conditions on an actual measurement basis. In Japan, the Japan Meteorological Agency has a database of solar radiation and weather, and the New Energy and Industrial Technology Organization (NEDO) is the organization for the direct and scattered solar radiation on the horizontal plane, and the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Publishes a database, it is good to model the spectrum using these data.

たとえば、太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置場所の緯度・経度、および前記の直達・散乱日射量の時系列推移などの環境情報を用いて、太陽方位、太陽高度、全天曇り量、太陽周囲曇り量からなる天空記述パラメータを推定・計算し、晴れや曇りのときのスペクトルをモデル計算することができる。すなわち、各種の天候におけるスペクトルをモデル計算することができる。これにより、既存のデータベースからスペクトルを算出することができ、各地点の実測ベースのスペクトルデータベースを作成するコストを抑えることができる。また、詳細な環境情報として、太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置点における周辺のビルや地平線などの天空遮蔽情報、および地面や周辺からの反射で太陽電池セルに入射する光と太陽電池セルへの直達日射量の比で定義するアルベド(反射能)を用いるとより精度が増してよい。   For example, by using environmental information such as the latitude / longitude of the installation location of solar cells (solar cell modules) and the time series of the above-mentioned direct / scattered solar radiation, the solar direction, solar altitude, total cloudiness, It is possible to estimate and calculate the sky description parameter consisting of the amount of cloudy surroundings, and to calculate the model when the weather is clear or cloudy. That is, it is possible to perform a model calculation of spectra in various weather conditions. Thereby, a spectrum can be calculated from an existing database, and the cost of creating a spectrum database based on measurement at each point can be reduced. In addition, as detailed environmental information, sky shielding information such as surrounding buildings and horizon at the installation point of the solar cell (solar cell module), light incident on the solar cell due to reflection from the ground and the periphery, and the solar cell Using albedo (reflectivity) defined by the ratio of the amount of direct solar radiation to can improve the accuracy.

なお、天空遮蔽情報は、太陽電池モジュールの傾斜面に垂直な方向を向いたときに見える半球面のうち、青空が見える立体角の割合をさす。たとえば太陽モジュールを水平に置いたときに周囲に障害物が何もない場合は1.0が天空遮蔽情報であり、また太陽電池モジュールを垂直に置いたときに周囲に障害物が何もない場合は、地平線の下に相当する1/4球面を除く0.5が天空遮蔽情報となる。   The sky shielding information indicates the ratio of the solid angle at which the blue sky can be seen in the hemispherical surface that is visible when facing the direction perpendicular to the inclined surface of the solar cell module. For example, when the solar module is placed horizontally and there are no obstacles around it, 1.0 is the sky shield information, and when the solar cell module is placed vertically there are no obstacles around. The sky shielding information is 0.5 except for the 1/4 spherical surface corresponding to the lower part of the horizon.

一例として、水平面(太陽電池モジュールを垂直に置いたときに相当)で撮影した上空の魚眼像を図5に示す。図5は、兵庫県尼崎市において水平面(太陽電池モジュールを垂直に置いたときに相当)で撮影した上空の魚眼像を示す画像である。図5において、黒い領域は青空が見える領域、白い領域は障害物である。また、最外周囲の黒円が地平線である。この場合の天空遮蔽情報は0.9であった。   As an example, FIG. 5 shows a fisheye image of the sky taken on a horizontal plane (equivalent to when the solar cell module is placed vertically). FIG. 5 is an image showing a fisheye image of the sky photographed on a horizontal plane (corresponding to a solar cell module placed vertically) in Amagasaki City, Hyogo Prefecture. In FIG. 5, a black area is an area where a blue sky can be seen, and a white area is an obstacle. The black circle around the outermost part is the horizon. The sky shielding information in this case was 0.9.

また、一例として、天空記述パラメータと天空遮蔽情報とを用いて計算した尼崎市における日射スペクトル強度を図6に示す。図6は、天空記述パラメータと天空遮蔽情報とを用いて計算した、尼崎市のある時刻における日射スペクトル強度と実測の日射スペクトル強度との関係を示す特性図である。図6より、天空記述パラメータと天空遮蔽情報とを用いて計算した日射スペクトル強度は、実測の日射スペクトル強度と良く一致していることが分かる。   As an example, FIG. 6 shows the solar radiation spectrum intensity in Amagasaki City calculated using the sky description parameter and the sky shielding information. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the solar radiation spectrum intensity at a certain time in Amagasaki City and the actual solar radiation spectrum intensity calculated using the sky description parameter and the sky shielding information. FIG. 6 shows that the solar radiation spectrum intensity calculated using the sky description parameter and the sky shielding information is in good agreement with the actually measured solar radiation spectrum intensity.

日射スペクトル情報の計算は、中央処理装置130が電気特性計算処理プログラムを読み出して、たとえば環境情報記憶手段171に記憶された日射強度情報を用いて実行する。日射スペクトル情報の計算プログラムは、電気特性計算処理プログラムに含まれている。また、太陽電池モジュールの傾斜面の情報(傾斜方向、傾斜角度等の情報)は、電気特性計算処理プログラムに含まれていてもよく、また外部から入力されてもよい。   The calculation of the solar radiation spectrum information is executed by the central processing unit 130 using the solar radiation intensity information stored in the environment information storage means 171 by reading out the electrical characteristic calculation processing program. The solar radiation spectrum information calculation program is included in the electrical characteristic calculation processing program. Moreover, the information on the inclined surface of the solar cell module (information such as the inclination direction and the inclination angle) may be included in the electrical characteristic calculation processing program or may be input from the outside.

日射スペクトル計算工程(ステップS130)が終了すると、中央処理装置130は、セル電流計算工程(ステップS140)において、第1光電変換ユニット11および第2光電変換ユニット12の光電流を計算する。光電流は、上記の光学特性計算工程(ステップS120)で得られたEQEと、上記の日射スペクトル計算工程(ステップS130)で得られた日射スペクトル情報とを用いて計算される。各々の光電変換ユニットの光電流Jphは、波長λにおける日射スペクトルをInt(λ)、外部量子効率をEQE(λ)とすると以下の式(2)で表される。   When the solar radiation spectrum calculation step (step S130) is completed, the central processing unit 130 calculates the photocurrents of the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 in the cell current calculation step (step S140). The photocurrent is calculated using the EQE obtained in the optical characteristic calculation step (step S120) and the solar radiation spectrum information obtained in the solar radiation spectrum calculation step (step S130). The photoelectric current Jph of each photoelectric conversion unit is expressed by the following formula (2) where the solar radiation spectrum at the wavelength λ is Int (λ) and the external quantum efficiency is EQE (λ).

式(2)において、λ1は光電流の計算開始波長、λ2は光電流の計算終了波長である。λ1およびλ2は、EQEの立ち上がり波長、立ち下がり波長で選ばれることが多く、シリコンを用いた太陽電池では一般にλ1=300nm、λ2=1200nmとすることが多い。   In equation (2), λ1 is the calculation start wavelength of the photocurrent, and λ2 is the calculation end wavelength of the photocurrent. In many cases, λ1 and λ2 are selected based on the rising wavelength and falling wavelength of EQE. In a solar cell using silicon, in general, λ1 = 300 nm and λ2 = 1200 nm.

セル電流計算工程(ステップS140)が終了すると、中央処理装置130は、セル電気特性計算工程(ステップS150)において、第1光電変換ユニット11および第2光電変換ユニット12の電気特性(短絡電流Jsc、開放電圧Voc、曲線因子FF、効率η)を計算する。この工程では、太陽電池セルの構造情報に基づき計算される太陽電池セルの等価回路モデル、電気物性情報、および上記のセル電流計算工程(ステップS140)で計算した光電流Jphを用いて各電気特性を計算する。   When the cell current calculation step (step S140) is completed, the central processing unit 130, in the cell electric characteristic calculation step (step S150), the electric characteristics of the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 (short circuit current Jsc, Open circuit voltage Voc, fill factor FF, efficiency η) are calculated. In this process, each electrical characteristic is calculated using the equivalent circuit model of the solar battery cell, the electrical property information calculated based on the structural information of the solar battery cell, and the photocurrent Jph calculated in the cell current calculation process (step S140). Calculate

なお、等価回路モデルを用いて電気回路計算を行う手法の他に、たとえば太陽電池セルの暗電流特性Jdk(V)のデータベースを用いて簡易的に解く手法もある。すなわち、太陽電池セルの暗電流特性Jdk(V)に光電流Jphを加算すればよい。また、薄膜シリコン太陽電池では、光が照射されることによる電気特性の劣化、いわゆる光劣化があることが知られている。このため、一般に光劣化は暗電流特性に表れるため、セル電気特性計算工程(ステップS150)において計算に含めるとよい。   In addition to the method of calculating an electric circuit using an equivalent circuit model, there is also a method of simply solving using a database of dark current characteristics Jdk (V) of solar cells, for example. That is, the photocurrent Jph may be added to the dark current characteristic Jdk (V) of the solar battery cell. In addition, it is known that thin film silicon solar cells have a deterioration in electrical characteristics due to light irradiation, so-called light deterioration. For this reason, light degradation generally appears in the dark current characteristics, so it is preferable to include them in the calculation in the cell electrical characteristics calculation step (step S150).

太陽電池セルの電気特性の計算は、中央処理装置130が電気特性計算処理プログラムを読み出して、たとえば環境情報記憶手段171に記憶された日射強度情報を用いて実行する。太陽電池セルの等価回路モデルは、たとえばあらかじめ太陽電池構造情報記憶手段172または電気特性計算処理プログラムに含まれていてもよく、与えられた太陽電池セルの構造情報に基づいて電気特性計算処理プログラムにより演算してもよく、また外部から入力されてもよい。   The calculation of the electrical characteristics of the solar cells is executed by the central processing unit 130 reading out the electrical characteristics calculation processing program and using, for example, the solar radiation intensity information stored in the environment information storage means 171. The equivalent circuit model of the solar battery cell may be included in advance, for example, in the solar battery structure information storage means 172 or the electric characteristic calculation processing program, and based on the given solar battery structure information, the electric characteristic calculation process program It may be calculated or input from the outside.

セル電気特性計算工程(ステップS150)が終了すると、中央処理装置130は、累積電力損失計算工程(ステップS160)において、累積電力損失を計算する。累積電力損失は、上記のセル電気特性計算工程(ステップS150)において計算されたそれぞれの光電変換ユニットの電気特性から、第1光電変換ユニット11と第2光電変換ユニット12との光電流の不一致による電力損失を、所定の期間、所定の刻み時間で計算し、合計して計算される。なお、気象データベースの記録刻み、計算機の能力によって適宜決めるとよいが、期間は1年以上、刻み時間は1日未満とするとよい。   When the cell electrical characteristic calculation step (step S150) ends, the central processing unit 130 calculates the cumulative power loss in the cumulative power loss calculation step (step S160). The accumulated power loss is due to the mismatch of the photocurrents of the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 from the electric characteristics of the respective photoelectric conversion units calculated in the cell electric characteristic calculation step (step S150). The power loss is calculated for a predetermined period at a predetermined time interval and is calculated as a sum. It should be noted that it may be determined as appropriate according to the recording interval of the weather database and the capability of the computer, but it is preferable that the period is one year or more and the interval time is less than one day.

累積電力損失の計算には、たとえば光電変換ユニットの接合にそれぞれ対応する単位数emを用いるとよい。ここで、光電変換ユニットの接合の指数をmとし(たとえば第1光電変換ユニット11側からトップ:m=1、ミドル:m=2、ボトム:m=3・・・など)光電変換ユニットの接合数(pn(pin)接合の数)をnとする。このとき、単位数emは、すべての指数mにおいて指数がm以外の単位数eの和が−emになる必要がある。単位数には、たとえば図7、図8に示すように、ベクトル表記をしたり、複素数を用いることができる。以下、ベクトル表記として説明する。図7は、光電変換ユニットの接合数が2である(2つの光電変換ユニットが積層されている)2接合タンデム型薄膜太陽電池における、光電変換ユニット間における光電流の不一致による累積電力損失計算時のベクトルe1、ベクトルe2を示す図である。この場合、互いに180°の角度を持った大きさの等しいベクトル31a(ベクトルe1)、ベクトル31b(ベクトルe2)となる。図8は、光電変換ユニットの接合数が3である(3つの光電変換ユニットが積層されている)3接合タンデム型薄膜太陽電池における、光電変換ユニット間における光電流の不一致による累積電力損失計算時のベクトルe1〜ベクトルe3を示す図である。この場合、互いに120°の角度を持った大きさの等しいベクトル32a(ベクトルe1)、ベクトル32b(ベクトルe2)、ベクトル32c(ベクトルe3)となる。ベクトル32a(ベクトルe1)については、他のm(m=2,3)のベクトルemを合計すると−e1(33)となり、前記の条件を満たしていることが分かる。   For the calculation of the accumulated power loss, for example, the unit number em corresponding to each junction of the photoelectric conversion units may be used. Here, the index of the junction of the photoelectric conversion unit is m (for example, from the first photoelectric conversion unit 11 side, top: m = 1, middle: m = 2, bottom: m = 3, etc.) The number (number of pn (pin) junctions) is n. At this time, the unit number em needs to be -em, which is the sum of the unit numbers e other than the index m in all the indices m. As the number of units, for example, as shown in FIGS. 7 and 8, a vector notation or a complex number can be used. Hereinafter, it will be described as a vector notation. FIG. 7 shows the calculation of cumulative power loss due to mismatch of photocurrents between photoelectric conversion units in a two-junction tandem thin-film solar cell in which the number of junctions of the photoelectric conversion units is two (two photoelectric conversion units are stacked). It is a figure which shows vector e1 and vector e2. In this case, vectors 31a (vector e1) and vector 31b (vector e2) having an angle of 180 ° and having the same magnitude are obtained. FIG. 8 shows the calculation of cumulative power loss due to mismatch of photocurrents between photoelectric conversion units in a three-junction tandem thin-film solar cell in which the number of junctions of the photoelectric conversion units is three (three photoelectric conversion units are stacked). It is a figure which shows vector e1-vector e3. In this case, a vector 32a (vector e1), a vector 32b (vector e2), and a vector 32c (vector e3) having an angle of 120 ° and the same magnitude are obtained. Regarding the vector 32a (vector e1), the sum of the vectors em of other m (m = 2, 3) is -e1 (33), which indicates that the above condition is satisfied.

そして、ある与えられた時刻において、接合の指数がmである接合における電力損失Pmをn個の各接合について計算する工程と、Pmとベクトルemの積をすべてのmに対して計算する工程と、Pmとベクトルemとの積をすべてのmに対して和を取る(ある与えられた時刻における太陽電池セルの、光電流の不一致による電力損失を計算する)工程と、前記ある与えられた時刻における太陽電池セルの光電流の不一致による電力損失を所定の期間においてすべて合計する工程と、を実施して累積電力損失を計算する。   And, at a given time, calculating the power loss Pm in the junction whose junction index is m for each of the n junctions, and calculating the product of Pm and the vector em for all m , Summing the product of Pm and vector em for all m (calculating the power loss due to photocurrent mismatch of solar cells at a given time), and the given time A cumulative power loss is calculated by performing a step of summing all the power losses due to the mismatch of the photocurrents of the solar cells in a predetermined period.

また、この累積電力損失の計算を、たとえばここでは複素数を用いて計算式に表すと、下記の式(3)のようになる。t1,t2は計算の開始、終了時刻である。   Further, when the calculation of the accumulated power loss is expressed in a calculation formula using a complex number, for example, the following formula (3) is obtained. t1 and t2 are calculation start and end times.

式(3)において、Ploss_tot.は所定の期間における累積の電力損失、Pmはある与えられた時刻における1つの接合mでの光電流の不一致による電力損失、nは光電変換ユニットの接合数、mは光電変換ユニットの接合の指数(たとえば第1光電変換ユニット11側からトップ:m=1、ミドル:m=2、ボトム:m=3・・・など)とする。上述したような方法を用いることにより、多接合薄膜太陽電池における各光電変換ユニットにおける光電流のミスマッチを容易に計算することができる。なお、Pmの計算にはたとえば、光電変換ユニットの光電流Jphの最小値Jph_minと、指数mの接合における光電流JphであるJph_mとを用い、それぞれの光電流Jphで算出した電力の差(Pm=P(Jph_m)−P(Jph_min)をPmとして用いると良い。P(Jph_m)はJph_mで算出した電力、P(Jph_min)はJph_minで算出した電力である。 In Expression (3), P loss_tot . Is the cumulative power loss in a given period, Pm is the power loss due to photocurrent mismatch at one junction m at a given time, n is the number of photoelectric conversion unit junctions, and m is the photoelectric conversion unit junction index. (For example, from the first photoelectric conversion unit 11 side, top: m = 1, middle: m = 2, bottom: m = 3, etc.). By using the method as described above, it is possible to easily calculate the photocurrent mismatch in each photoelectric conversion unit in the multi-junction thin film solar cell. For example, the calculation of Pm uses the minimum value Jph_min of the photoelectric current Jph of the photoelectric conversion unit and Jph_m which is the photocurrent Jph at the junction of the index m, and the difference in power calculated by each photocurrent Jph (Pm = P (Jph_m) -P (Jph_min) is preferably used as Pm, where P (Jph_m) is the power calculated by Jph_m and P (Jph_min) is the power calculated by Jph_min.

累積電力損失の計算は、中央処理装置130が電力損失計算処理プログラムを読み出して、セル電気特性計算工程(ステップS150)において計算されたそれぞれの光電変換ユニットの電気特性を用いて実行する。   The calculation of the accumulated power loss is executed by the central processing unit 130 reading out the power loss calculation processing program and using the electrical characteristics of each photoelectric conversion unit calculated in the cell electrical characteristics calculation step (step S150).

中央処理装置130は、所定の刻み時間で電力損失を計算した後、所定の期間について電力損失の計算が終了したかどうかを判断する(ステップS170)。ここで、所定の期間について電力損失の計算が終了していない場合は(ステップS170、No)、中央処理装置130は、時刻を進めて(ステップS190)、日射スペクトル計算工程(ステップS130)から処理を繰り返す。   After calculating the power loss at a predetermined time interval, the central processing unit 130 determines whether the calculation of the power loss has been completed for a predetermined period (step S170). Here, when the calculation of the power loss is not completed for the predetermined period (step S170, No), the central processing unit 130 advances the time (step S190) and performs the process from the solar radiation spectrum calculation step (step S130). repeat.

所定の期間について電力損失の計算が終了している場合は(ステップS170、Yes)、中央処理装置130は、つぎの最適化判定工程(ステップS180)を実施する。   When the calculation of the power loss has been completed for the predetermined period (step S170, Yes), the central processing unit 130 performs the next optimization determination step (step S180).

最適化判定工程(ステップS180)においては、設計した太陽電池セルが設置場所の環境において最適の発電を行えるかどうかを判定する。ここでは、累積電力損失計算工程(ステップS160)で計算された累積電力損失(Ploss_tot.)が0となることで、各光電変換ユニットの光電流の不一致による電力損失が所定の計算期間においてトータルで最小となる、と判断できる。 In the optimization determination step (step S180), it is determined whether or not the designed solar cell can perform optimal power generation in the environment of the installation location. Here, since the cumulative power loss (P loss — tot .) Calculated in the cumulative power loss calculation step (step S160) becomes 0, the power loss due to the mismatch of the photoelectric currents of the respective photoelectric conversion units becomes a predetermined calculation period. It can be determined that the total is the minimum.

しかしながら、実際には、Ploss_tot.を0とすることは非常に難しい。このため、中央処理装置130は、Ploss_tot.を、太陽電池セルの最適化基準である所定の閾値と比較して電力損失が許容範囲内であるか否かを判定する。中央処理装置130は、Ploss_tot.が所定の閾値以下の時は(ステップS180、Yes)、太陽電池セルの構造が最適であると判定し、この時点の設計構造を最終構造と決定して、設計処理を終了する。一方、中央処理装置130は、Ploss_tot.が所定の閾値より大きい場合には(ステップS180、No)、構造情報調整工程(ステップS200)を実施し、光学特性計算工程(ステップS120)以降の工程を繰り返す。なお、Ploss_tot.はあくまで所定の期間における光電流の不一致最小化の際の指標であり、実際に生涯発電量に対する光電流の不一致による電力損失はPmを太陽電池セルの耐用年数の期間積算したものとなる。 In practice, however, P loss — tot . It is very difficult to set 0 to 0. Therefore, the central processing unit 130 uses P loss — tot . Is compared with a predetermined threshold value that is an optimization criterion of the solar battery cell to determine whether or not the power loss is within an allowable range. The central processing unit 130 uses P loss — tot . Is equal to or less than a predetermined threshold (step S180, Yes), it is determined that the structure of the solar battery cell is optimal, the design structure at this point is determined as the final structure, and the design process is terminated. On the other hand, the central processing unit 130 uses P loss — tot . Is larger than the predetermined threshold value (step S180, No), the structure information adjustment step (step S200) is performed, and the steps after the optical characteristic calculation step (step S120) are repeated. Note that P loss — tot . Is an index for minimizing the mismatch of the photocurrent in a predetermined period, and the power loss due to the mismatch of the photocurrent with respect to the lifetime power generation is actually obtained by integrating Pm over the lifetime of the solar cell.

構造情報調整工程(ステップS200)においては、中央処理装置130は、日射スペクトル計算工程(ステップS130)、セル電流計算工程(ステップS140)、セル電気特性計算工程(ステップS150)、および累積電力損失計算工程(ステップS160)において計算された情報を元に、各光電変換ユニットの光電流の不一致による電力損失を減少させるように、太陽電池セルの構造のうち可変部分、すなわち光学物性情報、電気物性情報、形状情報の少なくとも1つの微調整を行い、新たな設計構造を決定する。たとえば、Ploss_tot.の符号、または複素平面上での位置に応じて第1光電変換ユニット11と第2光電変換ユニット12との光電流Jphのバランスが判別できる。このため、たとえば光電流Jphの多い光電変換ユニットの分光感度を下げる、または光電流Jphの少ない光電変換ユニットセルの分光感度を上げるように構造の微調整を行うとよい。 In the structure information adjustment process (step S200), the central processing unit 130 performs a solar radiation spectrum calculation process (step S130), a cell current calculation process (step S140), a cell electrical characteristic calculation process (step S150), and a cumulative power loss calculation. Based on the information calculated in the process (step S160), the variable part of the structure of the solar cell, that is, the optical property information and the electrical property information, so as to reduce the power loss due to the mismatch of the photocurrent of each photoelectric conversion unit. Then, at least one fine adjustment of the shape information is performed to determine a new design structure. For example, P loss — tot . The balance of the photocurrent Jph between the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 can be discriminated according to the sign or the position on the complex plane. For this reason, for example, the fine adjustment of the structure may be performed so as to reduce the spectral sensitivity of the photoelectric conversion unit having a large photocurrent Jph or to increase the spectral sensitivity of the photoelectric conversion unit cell having a small photocurrent Jph.

なお、最適化判定工程(ステップS180)で必要な性能が達成されたと判定された場合に、光学物性情報、電気物性情報、および形状情報を用いて、太陽電池セルの製造装置の動作条件を計算することができる。計算された動作条件に基づいて、成膜装置等の製造装置を稼動させることによって、所望の太陽電池セルを製造することができる。   When it is determined that the necessary performance has been achieved in the optimization determination step (step S180), the operating condition of the solar cell manufacturing apparatus is calculated using the optical physical property information, the electrical physical property information, and the shape information. can do. Based on the calculated operating conditions, a desired solar battery cell can be manufactured by operating a manufacturing apparatus such as a film forming apparatus.

表1に、それぞれの機能層の材質、構造と設置場所の代表的スペクトルに対する構造最適化調整のガイドラインを示す。表1において、BRはBlue Richを意味し、短波長側の強度が強いスペクトル、RRはRed Richを意味し、長波長側の強度が強いスペクトルを意味する。BR,RRはたとえばAM1.5のスペクトル形状を基準に、ある波長以上/以下の強度が強いか弱いかで判断するとよい。たとえば非晶質シリコンからなる光電変換ユニットと微結晶シリコンからなる光電変換ユニットとを用いた2接合タンデム薄膜太陽電池では非晶質シリコンの吸収端となる700nm付近を基準波長とすると良い。また定量的には疑似エアマス近似や、平均光子エネルギーを用いてもよい。代表的スペクトルには、たとえば一年の内で最も出現頻度の高いスペクトルを取るなどするとよい。   Table 1 shows the structure optimization adjustment guidelines for the representative spectrum of the material, structure and installation location of each functional layer. In Table 1, BR means Blue Rich, a spectrum with strong intensity on the short wavelength side, and RR means Red Rich, which means a spectrum with strong intensity on the long wavelength side. BR and RR may be determined based on, for example, AM1.5 spectral shape based on whether the intensity at or above a certain wavelength is strong or weak. For example, in a two-junction tandem thin-film solar cell using a photoelectric conversion unit made of amorphous silicon and a photoelectric conversion unit made of microcrystalline silicon, the vicinity of 700 nm, which is the absorption edge of amorphous silicon, is preferably used as the reference wavelength. Further, quantitatively, pseudo air mass approximation or average photon energy may be used. As a representative spectrum, for example, a spectrum having the highest appearance frequency in one year may be taken.

透光性基板1の表面に形成される微細な凹凸は前記(b)の光閉じ込め機能をになう。
微細な凹凸による散乱効果によって光を曲げ、第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4、第2光電変換ユニット12の第2i型半導体膜7を横切る距離を長くする作用がある(光路長増大作用)。凹凸による散乱原理は波長に対する凹凸のサイズによってレーリー散乱からミー散乱、幾何光学に変化する。そして、透光性基板1の表面の凹凸のサイズを増加させることにより長波長側の光の散乱が増加し、第2光電変換ユニット12の光電流を増加させることができる。
The fine irregularities formed on the surface of the translucent substrate 1 have the light confinement function (b).
The light is bent by a scattering effect due to fine unevenness, and the distance across the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 and the second i-type semiconductor film 7 of the second photoelectric conversion unit 12 is increased (optical path length). Increase action). The principle of scattering due to unevenness changes from Rayleigh scattering to Mie scattering and geometrical optics depending on the size of the unevenness with respect to wavelength. Then, by increasing the size of the irregularities on the surface of the translucent substrate 1, the scattering of light on the long wavelength side increases, and the photocurrent of the second photoelectric conversion unit 12 can be increased.

したがって、BRのスペクトルの場合には、透光性基板1の表面の凹凸は小(特徴サイズ<100nm)、RRのスペクトルの場合には透光性基板1の表面の凹凸は大(特徴サイズ>100nm)とするとよい。特徴サイズは、たとえば二乗平均平方根粗さRq、算術平均粗さRa、粗さ曲線要素の平均長さRSmなどを用いるとよい。たとえば、特徴サイズを100nmから300nmにすることで、第2光電変換ユニット12における光路長増大作用は1.6倍から1.8倍に増加する。   Therefore, in the case of the BR spectrum, the unevenness of the surface of the light-transmitting substrate 1 is small (feature size <100 nm), and in the case of the RR spectrum, the unevenness of the surface of the light-transmitting substrate 1 is large (characteristic size> 100 nm). As the feature size, for example, a root mean square roughness Rq, an arithmetic average roughness Ra, an average length RSm of roughness curve elements, and the like may be used. For example, when the feature size is changed from 100 nm to 300 nm, the optical path length increasing action in the second photoelectric conversion unit 12 increases from 1.6 times to 1.8 times.

第1電極層(透明電極層)としてのフロント透明導電膜2には通常、酸化亜鉛(ZnO)や、酸化スズ(SnO)が用いられる。ZnOよりもSnOの方が、吸収端がより短波長よりにある。このため、フロント透明導電膜2には、BRのスペクトルではZnO、RRのスペクトルではSnOを用いることが好ましい。また、フロント透明導電膜2にZnOを用いた場合は、アルミニウムやボロンなどの不純物をドープして導電性を高めるが、ドープ量が多いと赤外域の透過率が下がる。したがって、BRのスペクトルでは特に低ドープ量にするとよい。 For the front transparent conductive film 2 as the first electrode layer (transparent electrode layer), zinc oxide (ZnO) or tin oxide (SnO 2 ) is usually used. SnO 2 has an absorption edge at a shorter wavelength than ZnO. Therefore, it is preferable to use ZnO in the BR spectrum and SnO 2 in the RR spectrum for the front transparent conductive film 2. Further, when ZnO is used for the front transparent conductive film 2, the conductivity is improved by doping impurities such as aluminum and boron. However, if the doping amount is large, the transmittance in the infrared region is lowered. Therefore, in the BR spectrum, a low doping amount is particularly preferable.

第1光電変換ユニット11および第2光電変換ユニット12のEQEを調整する最も簡易な手法として、それぞれの第1i型半導体膜4,第2i型半導体膜7の厚さの比を変えるとよい。i型半導体層の厚さを変えることにより、第1光電変換ユニット11および第2光電変換ユニット12で吸収される光子の比率、すなわち光電流Jphを変えることができる。たとえば、BRのスペクトルでは第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4を薄くして第1光電変換ユニット11の光電流Jphを減らし、逆にRRのスペクトルでは第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4を厚くして第1光電変換ユニット11の光電流Jphを増やすとよい。また同様のことは第2光電変換ユニット12にも全く逆の方向で言え、BRのスペクトルでは第2i型半導体膜7を厚くして第2光電変換ユニット12の光電流Jphを増やし、逆にRRのスペクトルでは第2i型半導体膜7を薄くして第2光電変換ユニット12の光電流Jphを減らすとよい。   As the simplest method for adjusting the EQE of the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12, the ratio of the thicknesses of the first i-type semiconductor film 4 and the second i-type semiconductor film 7 may be changed. By changing the thickness of the i-type semiconductor layer, the ratio of photons absorbed by the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12, that is, the photocurrent Jph can be changed. For example, in the BR spectrum, the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 is thinned to reduce the photocurrent Jph of the first photoelectric conversion unit 11. Conversely, in the RR spectrum, the first photoelectric conversion unit 11 It is preferable to increase the photocurrent Jph of the first photoelectric conversion unit 11 by increasing the thickness of the 1i-type semiconductor film 4. The same applies to the second photoelectric conversion unit 12 in the opposite direction. In the BR spectrum, the thickness of the second i-type semiconductor film 7 is increased to increase the photocurrent Jph of the second photoelectric conversion unit 12, and conversely RR. In the spectrum, it is preferable to reduce the photocurrent Jph of the second photoelectric conversion unit 12 by thinning the second i-type semiconductor film 7.

また、EQEを調整する手法として、第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4のバンドギャップを変えて吸収端をシフトさせる手法を用いてもよい。BRのスペクトルでは第1光電変換ユニット11の光電流Jphが多くなりやすいため、第1i型半導体膜4のバンドギャップを大きくして、第2光電変換ユニット12の電流を増加させる方が好ましい。   Further, as a technique for adjusting EQE, a technique of shifting the absorption edge by changing the band gap of the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 may be used. Since the photocurrent Jph of the first photoelectric conversion unit 11 tends to increase in the BR spectrum, it is preferable to increase the current of the second photoelectric conversion unit 12 by increasing the band gap of the first i-type semiconductor film 4.

第1光電変換ユニット11で吸収される光は、長波長側は第1i型半導体膜4の吸収端から、短波長側はフロント透明導電膜2の吸収端までの波長域に制限されている。したがって、第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4のバンドギャップを大きくすると第1i型半導体膜4の吸収端が短波長側にシフトし、第1光電変換ユニット11の光電流Jphが小さくなる。これはBRのスペクトルの場合に適する。たとえば第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4の水素量を増加させたり、炭素を添加したりすることでバンドギャップを大きくすることができ、第1i型半導体膜4の吸収端を短波長側にシフトすることができる。これにより、第1i型半導体膜4で吸収される波長域が短くなり、第2光電変換ユニット12に透過する光が増えるため、第2光電変換ユニット12の電流を増加させることができる。   The light absorbed by the first photoelectric conversion unit 11 is limited to the wavelength range from the absorption edge of the first i-type semiconductor film 4 on the long wavelength side to the absorption edge of the front transparent conductive film 2 on the short wavelength side. Therefore, when the band gap of the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 is increased, the absorption edge of the first i-type semiconductor film 4 is shifted to the short wavelength side, and the photocurrent Jph of the first photoelectric conversion unit 11 is decreased. Become. This is suitable for the BR spectrum. For example, the band gap can be increased by increasing the amount of hydrogen in the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 or adding carbon, and the absorption edge of the first i-type semiconductor film 4 can be shortened. It can be shifted to the wavelength side. As a result, the wavelength region absorbed by the first i-type semiconductor film 4 is shortened, and the light transmitted to the second photoelectric conversion unit 12 is increased, so that the current of the second photoelectric conversion unit 12 can be increased.

また、EQEを調整する手法として、第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3のバンドギャップを変える手法を用いてもよい。第1光電変換ユニット11のバンドギャップを大きくすると、第1p型半導体膜3の吸収が減り、第1i型半導体膜4で吸収される光が増加し、第1光電変換ユニット11の電流を増加させることができる。これはRRのスペクトルの場合に適する。なお、第3接続層23のバンドギャップを大きくしても、同様の効果が得られる。   Further, as a technique for adjusting EQE, a technique for changing the band gap of the first p-type semiconductor film 3 of the first photoelectric conversion unit 11 may be used. When the band gap of the first photoelectric conversion unit 11 is increased, the absorption of the first p-type semiconductor film 3 is reduced, the light absorbed by the first i-type semiconductor film 4 is increased, and the current of the first photoelectric conversion unit 11 is increased. be able to. This is suitable for RR spectra. The same effect can be obtained even if the band gap of the third connection layer 23 is increased.

透光性基板1の表面に形成される微細な凹凸と、フロント透明導電膜2以降の膜(フロント透明導電膜2、第1光電変換ユニット11、第2光電変換ユニット12)との構造依存性を緩和・解消するための第1接続層21には、フロント透明導電膜2の屈折率に近い高屈折率・高透過率材料を用いるとよい。これにより、透光性基板1とフロント透明導電膜2との間における光反射を抑制でき、透光性基板1とフロント透明導電膜2との光学的依存性を緩和・解消できる。フロント透明導電膜2にZnOやSnOを用いる場合、たとえば酸化ジルコニア(ZrO)の塗布などの手法により第1接続層21を形成し、その後フロント透明導電膜2を形成すればよい。 Structure dependency between fine irregularities formed on the surface of the translucent substrate 1 and films after the front transparent conductive film 2 (front transparent conductive film 2, first photoelectric conversion unit 11, second photoelectric conversion unit 12) For the first connection layer 21 for relaxing and eliminating the above, it is preferable to use a high refractive index / high transmittance material close to the refractive index of the front transparent conductive film 2. Thereby, the light reflection between the translucent board | substrate 1 and the front transparent conductive film 2 can be suppressed, and the optical dependence of the translucent board | substrate 1 and the front transparent conductive film 2 can be relieve | eliminated and eliminated. When ZnO or SnO 2 is used for the front transparent conductive film 2, the first connection layer 21 may be formed by a technique such as application of zirconia oxide (ZrO 2 ), and then the front transparent conductive film 2 may be formed.

第1接続層21を作製した後の基板表面(第1接続層21の表面)は平滑であることが好ましいが、ある程度の凹凸があってもよい。なお、透光性基板1の表面に形成される微細な凹凸のサイズがある程度小さければ、接続層21を省略してもよい。許容される凹凸のサイズは、フロント透明導電膜2以降の膜の特性の要求に応じて決定するとよい。   The substrate surface (the surface of the first connection layer 21) after the first connection layer 21 is manufactured is preferably smooth, but may have some unevenness. Note that the connection layer 21 may be omitted if the size of the fine irregularities formed on the surface of the translucent substrate 1 is small to some extent. The allowable unevenness size may be determined according to the requirements of the characteristics of the film after the front transparent conductive film 2.

第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3とフロント透明導電膜2との電気的依存性を緩和・解消するための第2接続層22には、フロント透明導電膜2の仕事関数と、第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3の価電子帯上端(バンド端)との中間の仕事関数を有する材料を用いるとよい。このような第2接続層22には、たとえば酸化チタンなどを用いるとよい。フロント透明導電膜2の仕事関数と第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3の価電子帯上端(バンド端)とのエネルギー差によっては、第2接続層22の形成を省略してもよい。どの程度のエネルギー差が許容されるかは、第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3およびフロント透明導電膜2のドープ量などに応じて決定するとよい。   The second connection layer 22 for relaxing and eliminating the electrical dependency between the first p-type semiconductor film 3 and the front transparent conductive film 2 of the first photoelectric conversion unit 11 includes a work function of the front transparent conductive film 2, A material having a work function intermediate to the upper end (band end) of the valence band of the first p-type semiconductor film 3 of the first photoelectric conversion unit 11 may be used. For example, titanium oxide may be used for the second connection layer 22. Depending on the energy difference between the work function of the front transparent conductive film 2 and the valence band upper end (band end) of the first p-type semiconductor film 3 of the first photoelectric conversion unit 11, the formation of the second connection layer 22 may be omitted. Good. It is preferable to determine how much energy difference is allowed according to the doping amount of the first p-type semiconductor film 3 and the front transparent conductive film 2 of the first photoelectric conversion unit 11.

なお、最終的にどの材質と構造とを用いるかは、信頼性やコストなど他の制約条件とのトレードオフによって定めるとよい。たとえば、一般にタンデム型薄膜シリコン太陽電池では、第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4に用いられる非晶質シリコン膜に光が照射されることで発電効率が減少する光劣化現象が知られている。また、第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4が厚くなると、劣化率が大きくなることが知られている。このため、第1i型半導体膜4の光劣化現象に対応するためには、RRのスペクトルの場合は、第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4を厚くするよりも、フロント透明導電膜2にSnOを用いる、また透光性基板1の凹凸を小さくする方が有効である。 It should be noted that which material and structure is finally used is determined by a trade-off with other constraints such as reliability and cost. For example, in general, in a tandem-type thin film silicon solar cell, a photodegradation phenomenon in which power generation efficiency is reduced by irradiating light to an amorphous silicon film used for the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 is known. It has been. Further, it is known that the deterioration rate increases as the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 becomes thicker. Therefore, in order to cope with the photodegradation phenomenon of the first i-type semiconductor film 4, in the case of the RR spectrum, the front transparent conductive film is larger than the thickness of the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11. It is effective to use SnO 2 for 2 and to reduce the unevenness of the translucent substrate 1.

また、一般にタンデム型薄膜シリコン太陽電池の製造コストは、第2光電変換ユニット12の第2i型半導体膜7で主に用いられている微結晶シリコン膜の厚さが大きく寄与する。したがって、BRのスペクトルの場合は、第2光電変換ユニット12の第2i型半導体膜7を厚くするよりも、フロント透明導電膜2にZnOを用いる、透光性基板1の凹凸を大きくする、または第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4を薄くする方が有効である。   In general, the manufacturing cost of the tandem-type thin film silicon solar cell is greatly influenced by the thickness of the microcrystalline silicon film mainly used in the second i-type semiconductor film 7 of the second photoelectric conversion unit 12. Therefore, in the case of the BR spectrum, ZnO is used for the front transparent conductive film 2 rather than making the second i-type semiconductor film 7 of the second photoelectric conversion unit 12 thick, or the unevenness of the translucent substrate 1 is increased, or It is more effective to make the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 thinner.

上述したように、実施の形態1によれば、太陽電池セルに接続層(第1接続層21、第2接続層22)を設けることにより、機能層同士の依存関係に起因した制約条件が解消・抑制される。これにより、この太陽電池セルは、各種の依存性(構造依存性、光学的依存性、電気的依存性)を解消・抑制して各層の機能・構造を独立して設計することができるため各層の設計自由度が大きくなり、太陽電池セル(太陽電池モジュール)設置場所の環境条件に応じた柔軟な設計が可能となる。   As described above, according to the first embodiment, by providing the connection layers (first connection layer 21 and second connection layer 22) in the solar battery cell, the constraint condition due to the dependency between the functional layers is eliminated.・ Suppressed. As a result, each solar cell can be designed independently of the functions and structures of each layer by eliminating and suppressing various dependencies (structure dependency, optical dependency, and electrical dependency). The degree of freedom of design increases, and flexible design according to the environmental conditions of the solar cell (solar cell module) installation location becomes possible.

特に、微結晶シリコンなどの異方性材料を機能層材料として用いる場合には、通常下地との依存関係が強いため、多数回の試作が必要となり、多品種対応が困難であった。しかし、上記実施例によれば、設計段階での太陽電池セル構造の最適化が容易かつ高精度で行えるため、必要試作回数が大幅に削減される。これにより、試作回数を最小限に抑えた設計が可能となるため、太陽電池セル(太陽電池モジュール)設置場所の環境条件への最適化を短時間で実施することができ、製造コストを低下できる。   In particular, when an anisotropic material such as microcrystalline silicon is used as the functional layer material, the dependence on the base is usually strong, so that a large number of trials are required, making it difficult to deal with various types. However, according to the above embodiment, the optimization of the solar cell structure at the design stage can be easily performed with high accuracy, so that the required number of trial manufactures can be greatly reduced. As a result, the design with the minimum number of prototypes is possible, so that the environmental conditions of the solar cell (solar cell module) installation location can be optimized in a short time, and the manufacturing cost can be reduced. .

また、設計装置100において設置場所の環境条件を再現した状態で太陽電池セルの各層の機能・構造を独立して設計することができる。そして、各機能を有する膜・基板の組み合せに対する制約条件が緩和・解消され、独立して設計を行った各機能層を自在に組み合わせることが可能となる。これにより、試作を最小限に抑えた計算機ベースによる構造設計および設置場所の環境条件への最適化が容易に可能となる。   Moreover, the function and structure of each layer of the solar battery cell can be independently designed in a state where the environmental conditions of the installation location are reproduced in the design apparatus 100. Then, the constraint condition for the combination of the film and the substrate having each function is relaxed / resolved, and each functional layer designed independently can be freely combined. As a result, it is possible to easily optimize the structural design based on the computer base with minimal trial production and the environmental conditions of the installation location.

したがって、実施の形態1によれば、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価で製造することができる。   Therefore, according to the first embodiment, a tandem-type thin film solar cell suitable for the environmental conditions of the installation location can be easily designed and manufactured at low cost.

実施の形態2.
太陽電池モジュールは、太陽光が照射されることにより、温度が上昇する。実施の形態2では、設置場所における太陽電池モジュールの温度変化に対する最適構造および最適化設計手法を説明する。図9は、本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの設計方法のフローを示すフローチャートである。実施の形態2にかかる太陽電池セルの設計方法は、初期構造決定工程(ステップS110)、光学特性計算工程(ステップS120)、日射量計算工程(ステップS210)、接合部温度計算工程(ステップS220)、セル電流計算工程(ステップS225)、セル電気特性計算工程(ステップS230)、累積電力損失計算工程(ステップS240)、最適化判定工程(ステップS180)、構造情報調整工程(ステップS200)を有する。
Embodiment 2. FIG.
The solar cell module rises in temperature when irradiated with sunlight. In the second embodiment, an optimum structure and an optimization design method with respect to a temperature change of the solar cell module at the installation location will be described. FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the solar cell design method according to the second embodiment of the present invention. The solar cell design method according to the second embodiment includes an initial structure determination step (step S110), an optical property calculation step (step S120), a solar radiation amount calculation step (step S210), and a junction temperature calculation step (step S220). , A cell current calculation step (step S225), a cell electrical characteristic calculation step (step S230), a cumulative power loss calculation step (step S240), an optimization determination step (step S180), and a structure information adjustment step (step S200).

ここでは、実施の形態1にかかる太陽電池セルの設計方法を実施して構造が最適であると判定された太陽電池セルの構造を初期構造として上記の工程を行う場合について説明する。以下では、実施の形態1の図2のフローチャートとの相違点について説明する。なお、日射量計算工程(ステップS210)〜最適化判定工程(ステップS180)の工程を実施の形態1にかかる太陽電池セルの設計方法で説明したフローにおける光学特性計算工程(ステップS120)以降に並列して実施して、実施の形態1にかかるフローおよび実施の形態2にかかるフローの最適化判定工程(ステップS180)の結果に基づいて構造情報調整工程(ステップS200)を共通して行ってもよい。   Here, a case will be described in which the above-described steps are performed using the structure of the solar battery cell determined to have the optimum structure by implementing the solar battery cell design method according to the first embodiment. Hereinafter, differences from the flowchart of FIG. 2 of the first embodiment will be described. It should be noted that the solar radiation amount calculation step (step S210) to the optimization determination step (step S180) are performed in parallel after the optical characteristic calculation step (step S120) in the flow described in the solar cell design method according to the first embodiment. The structure information adjustment step (step S200) may be performed in common based on the result of the flow optimization determination step (step S180) according to the flow according to the first embodiment and the flow according to the second embodiment. Good.

光学特性計算工程(ステップS120)が終了すると、中央処理装置130は、日射量計算工程(ステップS210)において、太陽電池モジュールの傾斜面におけるある与えられた時刻における太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置点の日射量を計算する。
なお、実施の形態1における日射スペクトル計算工程(ステップS130)を用いてもよいが、スペクトル分布は考慮しないため、実施の形態2では積分強度として日射量を用いた場合について説明する。日射量は、日射強度情報から計算する。日射強度情報は実測のデータベースを用いることが最良であるが、モデル計算を用いてもよい。
When the optical property calculation step (step S120) is completed, the central processing unit 130 determines the solar cell (solar cell module) at a given time on the inclined surface of the solar cell module in the solar radiation amount calculation step (step S210). Calculate the amount of solar radiation at the installation point.
In addition, although the solar radiation spectrum calculation process (step S130) in Embodiment 1 may be used, since spectrum distribution is not considered, Embodiment 2 demonstrates the case where the solar radiation amount is used as integral intensity. The solar radiation amount is calculated from the solar radiation intensity information. It is best to use an actually measured database for the solar radiation intensity information, but model calculation may be used.

日射量計算工程(ステップS210)が終了すると、中央処理装置130は、接合部温度計算工程(ステップS220)において、接合部温度、すなわち第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4および第2光電変換ユニット12の第2i型半導体膜7の温度を計算する。なお、p型半導体膜およびn型半導体膜の厚みは、i型半導体膜の厚みに比べて非常に薄い。このため、p型半導体膜およびn型半導体膜とi型半導体膜との接合部の温度として、ここではi型半導体膜の温度を採用している。第1i型半導体膜4および第2i型半導体膜7の温度は、日射強度情報に基づいて、公称動作セル温度(NOCT:Nominal Operating Cell Temperature)を用いる方法や、日射量(日射強度情報)、外気温、風速、設置状態などから熱伝達計算を行う方法により接合部温度を求めるとよい。   When the solar radiation amount calculating step (step S210) is completed, the central processing unit 130 determines the junction temperature, that is, the first i-type semiconductor film 4 and the second of the first photoelectric conversion unit 11 in the junction temperature calculating step (step S220). The temperature of the second i-type semiconductor film 7 of the photoelectric conversion unit 12 is calculated. Note that the thickness of the p-type semiconductor film and the n-type semiconductor film is very thin compared to the thickness of the i-type semiconductor film. For this reason, the temperature of the i-type semiconductor film is adopted here as the temperature of the junction between the p-type semiconductor film and the n-type semiconductor film and the i-type semiconductor film. The temperature of the first i-type semiconductor film 4 and the second i-type semiconductor film 7 can be determined by a method using a nominal operating cell temperature (NOCT), a solar radiation amount (solar radiation intensity information), an outside, based on the solar radiation intensity information. The junction temperature may be obtained by a method of calculating heat transfer from the air temperature, wind speed, installation state, and the like.

たとえば日射量の他に、太陽電池モジュールの設置傾斜角、設置方位、風向、風速の4変数を用いて太陽電池モジュールと外気との間の熱伝達率のデータベースを作成し、この情報を用いることにより、接合部温度の精度の高い予測が可能となる。熱伝達率の取得にはシミュレーションを用いる手法がある。また実測では、光照射、電流注入などによってエネルギーを与え、定常的な到達温度から求める手法、過渡的な降温、昇温曲線から求める手法などがある。   For example, in addition to the amount of solar radiation, create a database of the heat transfer coefficient between the solar cell module and the outside air using the four variables of installation angle, installation direction, wind direction, and wind speed of the solar cell module, and use this information Therefore, it is possible to predict the junction temperature with high accuracy. There is a method using simulation for obtaining the heat transfer coefficient. In actual measurement, there are a method for obtaining energy from light irradiation, current injection, etc., and obtaining from a steady reaching temperature, a method for obtaining from a transient temperature drop, a temperature rise curve, and the like.

接合部温度計算工程(ステップS220)が終了すると、中央処理装置130は、セル電流計算工程(ステップS225)において各光電変換ユニットの接合温度を反映した光電流を計算する。光電流は、上記のセル電流計算工程(ステップS140)において、日射スペクトル情報の代わりに、日射量計算工程(ステップS210)で得られた日射量を用いて、セル電流計算工程(ステップS140)と同様にして式(2)を用いて計算される。セル電流計算工程(ステップS225)が終了すると、中央処理装置130は、セル電気特性計算工程(ステップS230)において、太陽電池セルの電気特性(短絡電流Jsc、開放電圧Voc、曲線因子FF、効率η)を計算する。この工程では、与えられた太陽電池セルの構造情報と太陽電池セルの等価回路モデルを用いて、上記の日射量計算工程(ステップS210)で計算された日射量と、セル電流計算工程(ステップS225)で計算された光電流と接合部温度計算工程(ステップS220)で計算された第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4および第2光電変換ユニット12の第2i型半導体膜7の温度に基づいて等価回路モデルにおけるパラメータを調整して、各電気特性を計算する。すなわち、各光電変換ユニットの接合温度が反映された光電流に基づいて各電気特性を計算する。   When the junction temperature calculation step (step S220) is completed, the central processing unit 130 calculates a photocurrent reflecting the junction temperature of each photoelectric conversion unit in the cell current calculation step (step S225). In the cell current calculation step (step S140), the photocurrent is calculated by using the solar radiation amount obtained in the solar radiation amount calculation step (step S210) instead of the solar radiation spectrum information, and the cell current calculation step (step S140). Similarly, it is calculated using equation (2). When the cell current calculation step (step S225) is completed, the central processing unit 130 determines the electrical characteristics (short circuit current Jsc, open circuit voltage Voc, fill factor FF, efficiency η) of the solar cell in the cell electrical property calculation step (step S230). ). In this process, the solar radiation amount calculated in the solar radiation amount calculating step (step S210) and the cell current calculating step (step S225) using the given structure information of the solar battery cell and the equivalent circuit model of the solar battery cell. ) And the temperature of the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 and the second i-type semiconductor film 7 of the second photoelectric conversion unit 12 calculated in the junction temperature calculation step (Step S220). The parameters in the equivalent circuit model are adjusted based on the above, and each electrical characteristic is calculated. That is, each electrical characteristic is calculated based on the photocurrent reflecting the junction temperature of each photoelectric conversion unit.

なお、等価回路モデルを用いて電気回路計算を行う手法の他に、たとえば太陽電池セルの暗電流特性Jdk(V)のデータベースと各特性の温度依存性を用いて簡易的に解く手法もある。この場合は、太陽電池セルの暗電流特性Jdk(V)に温度に応じた補正係数を乗して計算する対象の温度における暗電流特性を計算し、そこに光電流Jphを加算して特性を求めるとよい。   In addition to the method of calculating an electric circuit using an equivalent circuit model, there is also a method of simply solving using, for example, a database of dark current characteristics Jdk (V) of solar cells and the temperature dependence of each characteristic. In this case, the dark current characteristic at the target temperature to be calculated is calculated by multiplying the dark current characteristic Jdk (V) of the solar battery cell by a correction coefficient corresponding to the temperature, and the photocurrent Jph is added thereto to obtain the characteristic. It is good to ask.

セル電気特性計算工程(ステップS230)が終了すると、中央処理装置130は、累積電力損失計算工程(ステップS240)において、接合部温度、すなわち第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4および第2光電変換ユニット12の第2i型半導体膜7の温度に起因する累積電力損失を計算する。累積電力損失は、接合部温度に起因した太陽電池セルにおける電力損失を、所定の期間、所定の刻み時間で計算し、合計して計算される。電力損失は、上記の接合部温度計算工程(ステップS220)において計算された接合部温度、すなわち第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4および第2光電変換ユニット12の第2i型半導体膜7の温度を考慮しない場合の太陽電池セルにおける発電電力と、接合部温度を考慮した場合の太陽電池セルの発電電力との差で定義するとよい。   When the cell electrical characteristic calculation process (step S230) is completed, the central processing unit 130 determines the junction temperature, that is, the first i-type semiconductor film 4 and the first photoelectric conversion unit 11 of the first photoelectric conversion unit 11 in the cumulative power loss calculation process (step S240). The cumulative power loss due to the temperature of the second i-type semiconductor film 7 of the two photoelectric conversion unit 12 is calculated. The cumulative power loss is calculated by calculating the power loss in the solar battery cell due to the junction temperature and calculating the power loss at a predetermined time for a predetermined period. The power loss is the junction temperature calculated in the above junction temperature calculation step (step S220), that is, the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 and the second i-type semiconductor film of the second photoelectric conversion unit 12. It is good to define with the difference of the electric power generated in the photovoltaic cell when the temperature of 7 is not considered, and the electric power generated of the photovoltaic cell when considering the junction temperature.

中央処理装置130は、所定の刻み時間で電力損失を計算した後、所定の期間について電力損失の計算が終了したかどうかを判断する(ステップS170)。ここで、所定の期間について電力損失の計算が終了していない場合は(ステップS170、No)、中央処理装置130は時刻を進めて(ステップS190)、日射量計算工程(ステップS210)から処理を繰り返す。   After calculating the power loss at a predetermined time interval, the central processing unit 130 determines whether the calculation of the power loss has been completed for a predetermined period (step S170). Here, when the calculation of the power loss is not completed for the predetermined period (step S170, No), the central processing unit 130 advances the time (step S190) and performs the processing from the solar radiation amount calculation step (step S210). repeat.

所定の期間について電力損失の計算が終了している場合は(ステップS170、Yes)、中央処理装置130は、つぎの最適化判定工程(ステップS180)を実施する。   When the calculation of the power loss has been completed for the predetermined period (step S170, Yes), the central processing unit 130 performs the next optimization determination step (step S180).

最適化判定工程(ステップS180)においては、設計した太陽電池セルが設置場所の環境において最適の発電を行えるかどうかを判定する。ここでは、累積電力損失計算工程(ステップS240)で計算された累積電力損失が0となることで、接合部温度に起因した太陽電池セルにおける電力損失が所定の計算期間においてトータルで最小となる、と判断できる。   In the optimization determination step (step S180), it is determined whether or not the designed solar cell can perform optimal power generation in the environment of the installation location. Here, the accumulated power loss calculated in the accumulated power loss calculation step (step S240) becomes 0, so that the power loss in the solar battery cells due to the junction temperature is minimized in a predetermined calculation period. It can be judged.

しかしながら、実際には、累積電力損失を0とすることは非常に難しい。このため、中央処理装置130は、累積電力損失を所定の閾値と比較して、累積電力損失が所定の閾値以下の時は(ステップS180、Yes)、太陽電池セルの構造が最適であると判定し、この時点の設計構造を最終構造と決定して、設計処理を終了する。一方、中央処理装置130は、累積電力損失が所定の閾値より大きい場合には(ステップS180、No)、構造情報調整工程(ステップS200)を実施する。なお、この累積電力損失はあくまで所定期間における接合部温度に起因した電力損失最小化の際の指標であり、実際に生涯発電量に対する接合部温度に起因した電力損失は電力損失を所定の耐用年数の期間積算したものとなる。   However, in practice, it is very difficult to set the accumulated power loss to zero. For this reason, the central processing unit 130 compares the accumulated power loss with a predetermined threshold value, and determines that the structure of the solar battery cell is optimal when the accumulated power loss is equal to or less than the predetermined threshold value (step S180, Yes). Then, the design structure at this point is determined as the final structure, and the design process is terminated. On the other hand, when the accumulated power loss is larger than the predetermined threshold (No at Step S180), the central processing unit 130 performs the structure information adjustment process (Step S200). This cumulative power loss is only an index when minimizing the power loss due to the junction temperature in a predetermined period. Actually, the power loss due to the junction temperature relative to the lifetime power generation amount is calculated based on the power loss for a predetermined service life. It is the total of the period.

つぎに、設置場所の温度変化に対する太陽電池構造の最適化ガイドラインについて説明する。太陽電池の温度特性は、主に開放電圧Vocの低下が支配的に作用するため、半導体膜のバンドギャップ調整が有効である。通常、第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4には非晶質シリコンが用いられている。バンドギャップから第1光電変換ユニット11の開放電圧の変動係数は概ね0.25%/℃程度である。通常、第2光電変換ユニット12の第2i型半導体膜7には微結晶シリコンが用いられている。バンドギャップから第2光電変換ユニット12の開放電圧の変動係数は概ね0.5%/℃程度である。第1光電変換ユニット11と第2光電変換ユニット12とは電気的に直列接続となるため、実際はこれらの和となる。しかしながら、各光電変換ユニットの開放電圧が異なるため、変動係数はそれらの加重和となり、0.3%/℃程度となる。   Next, the optimization guideline of the solar cell structure with respect to the temperature change of the installation location will be described. The temperature characteristics of the solar cell are mainly affected by a decrease in the open-circuit voltage Voc, so that adjustment of the band gap of the semiconductor film is effective. Usually, amorphous silicon is used for the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11. The variation coefficient of the open-circuit voltage of the first photoelectric conversion unit 11 from the band gap is approximately 0.25% / ° C. Usually, microcrystalline silicon is used for the second i-type semiconductor film 7 of the second photoelectric conversion unit 12. The variation coefficient of the open-circuit voltage of the second photoelectric conversion unit 12 from the band gap is approximately 0.5% / ° C. Since the first photoelectric conversion unit 11 and the second photoelectric conversion unit 12 are electrically connected in series, they are actually the sum of these. However, since the open circuit voltages of the respective photoelectric conversion units are different, the coefficient of variation is a weighted sum thereof, which is about 0.3% / ° C.

太陽電池セルの開放電圧Vocの温度特性を調整するには、第1光電変換ユニット11または第2光電変換ユニット12のドープ層(第1p型半導体膜3,第2p型半導体膜6、第1n型半導体膜5,第2n型半導体膜8)のバンドギャップおよび厚さを調整する。
ドープ層のバンドギャップを大きくすると、少数キャリア密度が下がるため、変動係数が小さくなる。ドープ層のバンドギャップを大きくするには、たとえば炭素や酸素などの添加を行うとよい。このような調整は、特にRRスペクトルに対して有効である。またドープ層の厚さを薄くすると、少数キャリア量が減るため、変動係数が小さくなる。
In order to adjust the temperature characteristic of the open circuit voltage Voc of the solar battery cell, the doped layer (first p-type semiconductor film 3, second p-type semiconductor film 6, first n-type) of the first photoelectric conversion unit 11 or the second photoelectric conversion unit 12 is used. The band gap and thickness of the semiconductor film 5 and the second n-type semiconductor film 8) are adjusted.
When the band gap of the doped layer is increased, the minority carrier density is decreased, so that the coefficient of variation is decreased. In order to increase the band gap of the doped layer, for example, carbon or oxygen may be added. Such adjustment is particularly effective for the RR spectrum. Further, when the thickness of the doped layer is reduced, the amount of minority carriers is reduced, so that the coefficient of variation is reduced.

第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3と第1i型半導体膜4との電気的依存性を緩和・解消するための第3接続層23には、第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3と第1i型半導体膜4との価電子帯上端(バンド端)の中間の位置に価電子帯上端が来る材料を用いるとよい。このような材料により第3接続層23を構成することにより、第1p型半導体膜3と第1i型半導体膜4との電気的依存性を緩和でき、第1p型半導体膜3の特性・構造を独立して設計することができる。   The third connection layer 23 for relaxing and eliminating the electrical dependency between the first p-type semiconductor film 3 and the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 includes the first p of the first photoelectric conversion unit 11. It is preferable to use a material in which the upper end of the valence band is located at an intermediate position between the upper end (band end) of the valence band of the type semiconductor film 3 and the first i-type semiconductor film 4. By configuring the third connection layer 23 with such a material, the electrical dependency between the first p-type semiconductor film 3 and the first i-type semiconductor film 4 can be relaxed, and the characteristics and structure of the first p-type semiconductor film 3 can be improved. Can be designed independently.

たとえば第1光電変換ユニット11の第1p型半導体膜3に非晶質炭化ケイ素(a−SiC)を用いている場合は、炭素の量を減らした非晶質炭化ケイ素(a−SiC)膜を作製するとよい。なお、第3接続層23と同様の機能を持たせるために、適宜、第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4と第1n型半導体膜5との間に同様の構成を作製してもよく、また、第2光電変換ユニット12においても同様の構成を作製してもよい。これにより、第1光電変換ユニット11および第2光電変換ユニット12の各層の特性・構造を独立して設計することができる。   For example, when amorphous silicon carbide (a-SiC) is used for the first p-type semiconductor film 3 of the first photoelectric conversion unit 11, an amorphous silicon carbide (a-SiC) film with a reduced amount of carbon is used. It is good to make. In order to provide the same function as that of the third connection layer 23, a similar configuration is appropriately formed between the first i-type semiconductor film 4 and the first n-type semiconductor film 5 of the first photoelectric conversion unit 11. In addition, the second photoelectric conversion unit 12 may have the same configuration. Thereby, the characteristic and structure of each layer of the 1st photoelectric conversion unit 11 and the 2nd photoelectric conversion unit 12 can be designed independently.

なお、第1光電変換ユニット11、第2光電変換ユニット12のドープ層のバンドギャップを調整することで第3接続層23が必要な場合、第3接続層23が光を吸収することで発電効率が低下する場合がある。したがって、いずれの構造が最適かは設置場所の温度変化に応じて決定する必要がある。   In addition, when the 3rd connection layer 23 is required by adjusting the band gap of the dope layer of the 1st photoelectric conversion unit 11 and the 2nd photoelectric conversion unit 12, the 3rd connection layer 23 absorbs light, and electric power generation efficiency May decrease. Therefore, it is necessary to determine which structure is optimal according to the temperature change of the installation location.

設計の一例として、太陽電池セル(太陽電池モジュール)を宮古島に設置するものとして、第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4の厚さを最適化した例を示す。宮古島では、主に緯度の関係からBRスペクトルの日射量がSTC条件と比較して多い。また、宮古島は南方に位置するため、接合部温度が高くなりがちである。このため、前記の実施の形態1と実施の形態2とを組み合せて、STC条件では240nmとしていた第1光電変換ユニット11の第1i型半導体膜4の厚さを160nmとして太陽電池セルの構造を最適化することにより、年間での発電量が8%増加した。   As an example of the design, an example in which the thickness of the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 is optimized as a solar cell (solar cell module) installed in Miyakojima is shown. In Miyakojima, the amount of solar radiation in the BR spectrum is larger than the STC condition mainly because of the latitude. Moreover, since Miyakojima is located in the south, the junction temperature tends to be high. Therefore, by combining the first embodiment and the second embodiment, the thickness of the first i-type semiconductor film 4 of the first photoelectric conversion unit 11 which is 240 nm in the STC condition is 160 nm, and the structure of the solar battery cell is By optimizing, the annual power generation increased by 8%.

実施の形態1では太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置場所の入射スペクトルに対する最適化を、実施の形態2では太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置場所の温度に対する最適化を行ったが、実際にはこれらをマトリクス状に組み合わせることで最終的な最適構造を設計することが好ましい。   In the first embodiment, the optimization for the incident spectrum of the installation place of the solar battery cell (solar battery module) was performed, and in the second embodiment, the optimization for the temperature of the installation place of the solar battery cell (solar battery module) was performed. In practice, it is preferable to design the final optimum structure by combining these in a matrix.

たとえば、太陽電池モジュール温度とスペクトルの特徴量(平均光子エネルギーなど)を用いて累積日射量のマップを作成し、また、太陽電池モジュール温度とスペクトル以外にも、入射角や影の影響などに対する最適化軸もあり、したがって組み合せの数が膨大となる。太陽電池セル(太陽電池モジュール)の設置場所の環境条件への最適化を考えたとき、このような背景において、従来の手法では組み合せ毎に依存性と特性を試作によって検証する必要があり、設計が非常に困難である。   For example, a map of cumulative solar radiation is created using the solar cell module temperature and spectral features (average photon energy, etc.). In addition to the solar cell module temperature and spectrum, it is optimal for the effects of incident angle and shadows. There is also a change axis, so the number of combinations becomes enormous. Considering the optimization of the solar cell (solar cell module) installation location to the environmental conditions, in this background, it is necessary to verify the dependence and characteristics for each combination by trial production in the conventional method. Is very difficult.

一方、実施の形態1、実施の形態2においては、接続層(第1接続層21、第2接続層22、第3接続層23)を設けることにより、機能層同士の依存関係に起因した制約条件が解消・抑制される。これにより、この太陽電池セルは、各種の依存性(構造依存性、光学的依存性、電気的依存性)を解消・抑制して各層の機能・構造を独立して設計することができるため各層の設計自由度が大きくなり、太陽電池セル(太陽電池モジュール)設置場所の環境条件に応じた柔軟な設計が可能となる。   On the other hand, in the first embodiment and the second embodiment, by providing the connection layers (the first connection layer 21, the second connection layer 22, and the third connection layer 23), restrictions caused by the dependency between the functional layers. Conditions are eliminated / suppressed. As a result, each solar cell can be designed independently of the functions and structures of each layer by eliminating and suppressing various dependencies (structure dependency, optical dependency, and electrical dependency). The degree of freedom of design increases, and flexible design according to the environmental conditions of the solar cell (solar cell module) installation location becomes possible.

特に、微結晶シリコンなどの異方性材料を機能層材料として用いる場合には、通常下地との依存関係が強いため、多数回の試作が必要となり、多品種対応が困難であった。しかし、上記実施例によれば、設計段階での太陽電池セル構造の最適化が容易かつ高精度で行えるため、必要試作回数が大幅に削減される。これにより、試作回数を最小限に抑えた設計が可能となるため、太陽電池セル(太陽電池モジュール)設置場所の環境条件への最適化を短時間で実施することができ、製造コストを低下できる。   In particular, when an anisotropic material such as microcrystalline silicon is used as the functional layer material, the dependence on the base is usually strong, so that a large number of trials are required, making it difficult to deal with various types. However, according to the above embodiment, the optimization of the solar cell structure at the design stage can be easily performed with high accuracy, so that the required number of trial manufactures can be greatly reduced. As a result, the design with the minimum number of prototypes is possible, so that the environmental conditions of the solar cell (solar cell module) installation location can be optimized in a short time, and the manufacturing cost can be reduced. .

また、設計装置100において設置場所の環境条件を再現した状態で太陽電池セルの各層の機能・構造を独立して設計することができる。そして、このようにして設計を行った各機能層を自在に組み合わせることが可能となる。これにより、試作を最小限に抑えた計算機ベースによる構造設計および設置場所の環境条件への最適化が容易に可能となる。   Moreover, the function and structure of each layer of the solar battery cell can be independently designed in a state where the environmental conditions of the installation location are reproduced in the design apparatus 100. The functional layers designed in this way can be freely combined. As a result, it is possible to easily optimize the structural design based on the computer base with minimal trial production and the environmental conditions of the installation location.

したがって、実施の形態2によれば、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価で製造することができる。   Therefore, according to the second embodiment, a tandem-type thin film solar cell suitable for the environmental conditions of the installation location can be easily designed and manufactured at low cost.

実施の形態3.
実施の形態1,2では、セル電流計算工程(ステップS140)およびセル電流計算工程(ステップS225)において、各光電変換ユニットの光電流Jphは式(2)を用いて、光電変換ユニットで吸収する光子数に比例すると仮定して計算を行っていた。しかしながら光電変換ユニット内部での損失により厳密には光電流と光子数とは比例関係にはならない。特に入射する光子が少ない場合、一般的には光電変換ユニットに入射する日射量が小さい場合に、Jphは式(2)で得られる結果より小さくなる。実施の形態3では、前記のような光子数と光電流Jphとの比例関係からのずれに対する補正手段について説明する。
Embodiment 3 FIG.
In the first and second embodiments, in the cell current calculation step (step S140) and the cell current calculation step (step S225), the photocurrent Jph of each photoelectric conversion unit is absorbed by the photoelectric conversion unit using equation (2). Calculations were made assuming that the number of photons is proportional. However, strictly speaking, the photocurrent and the number of photons are not proportional to each other due to loss inside the photoelectric conversion unit. In particular, when the number of incident photons is small, and generally when the amount of solar radiation incident on the photoelectric conversion unit is small, Jph is smaller than the result obtained by Expression (2). In the third embodiment, correction means for the deviation from the proportional relationship between the number of photons and the photocurrent Jph will be described.

図10は、実施の形態3にかかるセル電流計算工程(ステップS300)を示すフローチャートである。なお、実際の設計フローにおいては、実施の形態1においてはセル電流計算工程(ステップS140)を、実施の形態2においてはセル電流計算工程(ステップS225)を、実施の形態3におけるセル電流計算工程(ステップS300)に置き換える形となる。したがって、設計の他のフローは実施の形態1または実施の形態2と同一のため、ここでは説明を省略する。実施の形態3におけるセル電流計算工程(ステップS300)は、吸収光子数計算工程(ステップS310)、内部損失計算工程(ステップS320)、光電流計算工程(ステップS330)、セル電流計算終了判定工程(ステップS340)を有する。   FIG. 10 is a flowchart showing the cell current calculation step (step S300) according to the third embodiment. In the actual design flow, the cell current calculation step (step S140) in the first embodiment, the cell current calculation step (step S225) in the second embodiment, and the cell current calculation step in the third embodiment. (Step S300). Therefore, since the other flow of design is the same as Embodiment 1 or Embodiment 2, description is abbreviate | omitted here. The cell current calculation step (step S300) in the third embodiment includes the absorption photon number calculation step (step S310), the internal loss calculation step (step S320), the photocurrent calculation step (step S330), and the cell current calculation end determination step ( Step S340).

前段のフロー、すなわち実施の形態1のフローでは日射スペクトル計算工程(ステップS130)、実施の形態2のフローでは接合部温度計算工程(ステップS220)が終わると、中央処理装置130は、セル電流計算工程(ステップS300)を開始する。すなわち、中央処理装置130は、まず吸収光子数計算工程(ステップS310)において各光電変換ユニットにおいて吸収される光子数を計算する。吸収光子数は、実施の形態1のフローでは、前記光学特性計算工程(ステップS120)で得られた外部量子効率EQEと、前記日射スペクトル計算工程(ステップS130)で得られた日射スペクトル情報とを用いて、下記式(4)で計算される。   When the solar radiation spectrum calculation step (step S130) is completed in the previous flow, that is, the flow of the first embodiment, and the junction temperature calculation step (step S220) is completed in the flow of the second embodiment, the central processing unit 130 calculates the cell current. A process (step S300) is started. That is, the central processing unit 130 first calculates the number of photons absorbed in each photoelectric conversion unit in the absorption photon number calculation step (step S310). In the flow of the first embodiment, the number of absorbed photons includes the external quantum efficiency EQE obtained in the optical characteristic calculation step (step S120) and the solar radiation spectrum information obtained in the solar radiation spectrum calculation step (step S130). And is calculated by the following equation (4).

式(4)において、nph(λ)は波長λにおいて光電変換ユニットに吸収される光子数、qは素電荷(1.6×10−19C)である。また、実施の形態2のフローでは、日射スペクトル情報の代わりに、日射量計算工程(ステップS210)で得られた日射量を用いて式(4)で計算される。なお、接合温部度計算工程(ステップS220)において接合部温度情報を計算している場合は、接合部温度情報を外部量子効率EQEに反映するとよい。 In Expression (4), nph (λ) is the number of photons absorbed by the photoelectric conversion unit at the wavelength λ, and q is an elementary charge (1.6 × 10 −19 C). Moreover, in the flow of Embodiment 2, it calculates by Formula (4) using the solar radiation amount obtained at the solar radiation amount calculation process (step S210) instead of solar radiation spectrum information. In the case where the junction temperature information is calculated in the junction temperature part calculation step (step S220), the junction temperature information may be reflected in the external quantum efficiency EQE.

吸収光子数計算工程(ステップS310)が終了すると、中央処理装置130は、内部損失計算工程(ステップS320)において、各光電変換ユニットで吸収した光子を光電流に変換する際の内部損失を計算する。内部損失の計算方法としては、例えば損失をnph(λ)に依存しない定数項Rとして減じることにより近似して計算する手法がある。また、nph(λ)から第1i型半導体膜4や第2i型半導体膜7における深さ方向の光生成キャリアの分布を計算し、光照射によるキャリア生成→i型半導体膜内のドリフト→電極での捕集の過程であるキャリア収集過程における、ドリフト中のi型半導体膜内での再結合損失および界面での再結合損失などの損失過程を計算することにより内部損失を求める手法などがある。この場合、損失項Rは定数ではなく波長(λ)、nph(λ)に依存した関数になる。   When the absorption photon number calculation step (step S310) is completed, the central processing unit 130 calculates the internal loss when converting the photons absorbed by each photoelectric conversion unit into a photocurrent in the internal loss calculation step (step S320). . As a method for calculating the internal loss, for example, there is a method of calculating the approximation by reducing the loss as a constant term R independent of nph (λ). Further, the distribution of photogenerated carriers in the depth direction in the first i-type semiconductor film 4 and the second i-type semiconductor film 7 is calculated from nph (λ), and carrier generation by light irradiation → drift in the i-type semiconductor film → electrode There is a technique for calculating internal loss by calculating loss processes such as recombination loss in the i-type semiconductor film during drift and recombination loss at the interface in the carrier collection process, which is a process of collecting the. In this case, the loss term R is not a constant but a function depending on the wavelength (λ) and nph (λ).

内部損失計算工程(ステップS320)が終了すると、中央処理装置130は、光電流計算工程(ステップS330)において、各光電変換ユニットにおける光電流を計算する。光電流は内部損失計算工程(ステップS320)で用いた手法に応じてnph(λ)に補正項を適用し、計算するとよい。例えば内部損失をnph(λ)に依存しない定数項として近似した場合は、光電流は下記式(5)で計算される。   When the internal loss calculation step (step S320) is completed, the central processing unit 130 calculates the photocurrent in each photoelectric conversion unit in the photocurrent calculation step (step S330). The photocurrent may be calculated by applying a correction term to nph (λ) according to the technique used in the internal loss calculation step (step S320). For example, when the internal loss is approximated as a constant term independent of nph (λ), the photocurrent is calculated by the following equation (5).

式(5)において、λ1は光電流の計算開始波長、λ2は光電流の計算終了波長である。λ1およびλ2は、EQEの立ち上がり波長、立ち下がり波長で選ばれることが多く、シリコンを用いた太陽電池では一般にλ1=300nm、λ2=1200nmとすることが多い。式(5)において、nph(λ)を規定の波長範囲で積分した値から内部損失Rを減じた結果に素電荷を乗ずることで、光電流を計算することができる。図11は、実測の光電流Jphの日射量依存性と、式(5)のモデルから内部損失を用いて計算した光電流の日射量依存性を示す。図11では、規格化日射量率(%)を横軸に、規格化セル電流率(%)を縦軸に示す。規格化日射量率は、ある日射量を基準(100%)とした場合の日射量の比率である。また、規格化セル電流率は、基準(100%)の日射量の場合のセル電流を基準(100%)とした場合のセル電流の比率である。縦軸は、規格化セル電流率が100%で比例関係とした場合の、比例関係からのずれを示しており、実測値の傾向と良く一致していることが分かる。   In equation (5), λ1 is the calculation start wavelength of the photocurrent, and λ2 is the calculation end wavelength of the photocurrent. In many cases, λ1 and λ2 are selected based on the rising wavelength and falling wavelength of EQE. In a solar cell using silicon, in general, λ1 = 300 nm and λ2 = 1200 nm. In equation (5), the photocurrent can be calculated by multiplying the result obtained by subtracting the internal loss R from the value obtained by integrating nph (λ) in the specified wavelength range by the elementary charge. FIG. 11 shows the dependence of the actually measured photocurrent Jph on the amount of solar radiation and the dependence of the photocurrent on the amount of solar radiation calculated from the model of equation (5) using internal loss. In FIG. 11, the normalized solar radiation rate (%) is shown on the horizontal axis, and the normalized cell current rate (%) is shown on the vertical axis. The normalized solar radiation rate is a ratio of the solar radiation amount when a certain solar radiation amount is used as a reference (100%). The normalized cell current ratio is the ratio of the cell current when the cell current in the case of the standard (100%) solar radiation amount is used as the reference (100%). The vertical axis indicates the deviation from the proportional relationship when the normalized cell current ratio is 100% and is in a proportional relationship.

光電流計算工程(ステップS330)が終了すると、中央処理装置130は、セル電流計算終了判定工程(ステップS340)において、全ての光電変換ユニットにおいてセル電流を計算し終えたか判定する。全ての光電変換ユニットにおいてセル電流の計算が終わっていない場合は(ステップS340、No)、次の光電変換ユニットに対して、吸収光子数計算工程(ステップS310)から計算を実施する。全ての光電変換ユニットに対して計算が終了した場合は(ステップS340、Yes)、次工程に進む。   When the photocurrent calculation step (step S330) is completed, the central processing unit 130 determines whether the cell current has been calculated in all the photoelectric conversion units in the cell current calculation end determination step (step S340). When the calculation of the cell current is not completed in all the photoelectric conversion units (No at Step S340), the calculation is performed from the absorption photon number calculation step (Step S310) for the next photoelectric conversion unit. When the calculation has been completed for all the photoelectric conversion units (step S340, Yes), the process proceeds to the next step.

実施の形態3における太陽電池構造の最適化ガイドラインは、基本的には実施の形態1、および実施の形態2に準ずる。図12〜図14に、世界各地で観測した、1年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合(寄与率)を示す。この寄与率は、すなわち各日射量区間の日射量で降り注いだエネルギーは1年間の全日射エネルギーの何割であるかを表す。図12は、温帯地域における1年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。図13は、熱帯地域における1年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。図14は、砂漠地域における1年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。図12〜図14においては、日射量[W/m]を横軸に示し、1年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合(寄与率)を縦軸に示す。 The optimization guideline for the solar cell structure in the third embodiment is basically the same as that in the first and second embodiments. FIG. 12 to FIG. 14 show the ratio (contribution rate) that the period of each solar radiation amount contributes to the total solar radiation energy for one year observed in various parts of the world. This contribution rate represents the percentage of the total solar radiation energy in one year, that is, the energy poured by the solar radiation amount of each solar radiation amount section. FIG. 12 is a histogram showing the ratio of each solar radiation amount period to the total solar radiation energy for one year in the temperate region. FIG. 13 is a histogram showing the ratio of the period of each solar radiation amount to the total solar radiation energy for one year in the tropical region. FIG. 14 is a histogram showing the contribution ratio of each solar radiation amount to the total solar radiation energy for one year in the desert region. In FIG. 12 to FIG. 14, the solar radiation amount [W / m 2 ] is shown on the horizontal axis, and the ratio (contribution rate) that the period of each solar radiation amount contributes to the total solar radiation energy for one year is shown on the vertical axis.

これらの図から、温帯地域(図12)、熱帯地域(図13)、砂漠地域(図14)の何れの地域でも、すなわち気候の差によらず、日射量が少ない期間も1年間の全日射エネルギーには少なくない寄与を与えていることが分かる。一方で、温帯地域と、熱帯地域および砂漠地域とでは、日射量が少なくなる主原因は気候面で異なる。温帯地域では、曇天などが日射量が少なくなる主原因である。熱帯地域および砂漠地域では、太陽高度が下がることが日射量が少なくなる主原因である。   From these figures, in all of the temperate zone (Fig. 12), the tropical zone (Fig. 13), and the desert zone (Fig. 14), that is, regardless of the climate, the period of low solar radiation is one year. It can be seen that it contributes to energy. On the other hand, the main cause of the decrease in solar radiation differs between the temperate region and the tropical and desert regions in terms of climate. In temperate areas, cloudy weather is the main cause of reduced solar radiation. In tropical and desert areas, lower solar altitude is the main cause of reduced solar radiation.

したがって、日射量が少ないときの日射量のスペクトルへの影響は、熱帯地域および砂漠地域の方が強く、熱帯地域および砂漠地域では大気散乱(夕焼けなど)の影響でスペクトルが大きく変わる。一方で、温帯地域では、日射量が少なくてもスペクトルが大きく変わらない。したがって、実施の形態3は、特に熱帯地域および砂漠地域など、晴天の多い気候に設置する場合の最適化に用いるとよい。   Therefore, the influence of the solar radiation amount on the spectrum when the solar radiation amount is small is stronger in the tropical region and the desert region, and the spectrum changes greatly in the tropical region and the desert region due to the influence of atmospheric scattering (such as sunset). On the other hand, in the temperate region, the spectrum does not change greatly even if the amount of solar radiation is small. Therefore, the third embodiment is preferably used for optimization in the case of installation in a sunny climate such as a tropical region and a desert region.

上述したように、実施の形態3においては、光電変換ユニットで吸収した光子を光電流に変換する際の内部損失による電流のロスを考慮する。また、内部損失による電流のロスの補正は、日射スペクトル情報に対する比例関係から求まる電流値から、定数値を減ずることで行うことができる。このような実施の形態3によれば、日射量が少なくなることによるスペクトルの変化が大きく、光電変換ユニットで吸収する光子数と光電流Jphとが比例関係とならない場合においても、該比例関係からのずれを補正して、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価で製造することができる。   As described above, in the third embodiment, current loss due to internal loss when converting photons absorbed by the photoelectric conversion unit into photocurrent is considered. Further, the correction of the current loss due to the internal loss can be performed by subtracting the constant value from the current value obtained from the proportional relationship with the solar radiation spectrum information. According to the third embodiment, even when the change in spectrum due to a decrease in the amount of solar radiation is large and the number of photons absorbed by the photoelectric conversion unit and the photocurrent Jph are not in a proportional relationship, It is possible to easily design a tandem-type thin film solar cell suitable for the environmental conditions of the installation site and to manufacture it at a low cost by correcting the deviation.

以上のように、本発明にかかるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法は、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に且つ安価に製造する場合に有用である。   As described above, the method for designing a tandem thin-film solar battery according to the present invention is useful for easily and inexpensively manufacturing a tandem thin-film solar battery suitable for the environmental conditions of the installation site.

1 透光性基板、2 フロント透明導電膜、3 第1p型半導体膜、4 第1i型半導体膜、5 第1n型半導体膜、6 第2p型半導体膜、7 第2i型半導体膜、8 第2n型半導体膜、9 バック透明導電膜、10 バックリフレクタ、11 第1光電変換ユニット、12 第2光電変換ユニット、21 第1接続層、22 第2接続層、23 第3接続層、31a ベクトルe1、31b ベクトルe2、32a ベクトル(e1)、32b ベクトル(e2)、32c ベクトル(e3)、100 設計装置、110 入力装置、111 ユーザー入力手段、112 外部記憶媒体入力手段、120 表示装置、130 中央処理装置、140 記憶装置、141 主記憶装置、142 二次記憶装置、150 出力手段、160 バスライン、161 光学特性計算処理プログラム、162 電気特性計算処理プログラム、163 電力損失計算処理プログラム、164 最適判定処理プログラム、165 構造情報調整処理プログラム、166 出力処理プログラム、171 環境情報記憶手段、172 太陽電池構造情報記憶手段、em,e1,e2,e3 ベクトル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Translucent board | substrate, 2 Front transparent conductive film, 3 1st p-type semiconductor film, 4 1st i-type semiconductor film, 5 1st n-type semiconductor film, 6 2nd p-type semiconductor film, 7 2nd i-type semiconductor film, 8 2nd n Type semiconductor film, 9 back transparent conductive film, 10 back reflector, 11 first photoelectric conversion unit, 12 second photoelectric conversion unit, 21 first connection layer, 22 second connection layer, 23 third connection layer, 31a vector e1, 31b vector e2, 32a vector (e1), 32b vector (e2), 32c vector (e3), 100 design device, 110 input device, 111 user input device, 112 external storage medium input device, 120 display device, 130 central processing unit , 140 storage device, 141 main storage device, 142 secondary storage device, 150 output means, 160 bus line, 161 Optical characteristic calculation processing program, 162 Electrical characteristic calculation processing program, 163 Power loss calculation processing program, 164 Optimal determination processing program, 165 Structure information adjustment processing program, 166 Output processing program, 171 Environmental information storage means, 172 Solar cell structure information storage Means, em, e1, e2, e3 vectors.

Claims (21)

透光性基板上に、透明電極層と、不純物のドープ条件が異なる複数の半導体膜からなる複数の光電変換ユニットとがこの順で積層されるとともに、各層間の特性依存性を解消する接続層として、前記透光性基板と前記透明電極層の間に設けられて前記透光性基板の形状依存性を解消する第1接続層と、前記複数の光電変換ユニットのうち前記透明電極層側の第1光電変換ユニットと前記透明電極層との間に設けられて前記第1光電変換ユニットと前記透明電極層との電気的依存性を解消する第2接続層と、前記不純物のドープ条件が異なる半導体膜間に設けられて前記半導体膜間の電気的依存性を解消する第3接続層と、を備えて前記透光性基板側から太陽光が入射されるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法であって、
日射に関する情報を含む前記タンデム型薄膜太陽電池の設置場所の環境情報を決定する第1工程と、
前記透光性基板、前記透明電極層、前記複数の光電変換ユニットおよび前記接続層についての形状情報および光学物性情報と、前記透明電極層、前記複数の光電変換ユニットおよび前記接続層についての電気物性情報とに基づき、設計する前記タンデム型薄膜太陽電池の設計構造を決定する第2工程と、
前記光学物性情報および前記形状情報を用いて前記透光性基板側から入射される太陽光に対する前記光電変換ユニット毎の光学特性情報を計算する第3工程と、
前記電気物性情報、前記光学特性情報、前記日射に関する情報を用いて前記設計構造の電気特性情報を計算する第4工程と、
前記電気特性情報を用いて前記設計構造の電力損失を計算する第5工程と、
前記電力損失を既定の閾値と比較して前記電力損失が許容範囲内であるか否かを判定する第6工程と、
を含み、
前記第6工程において、前記電力損失が前記既定の閾値以下の場合には、前記設計構造を最終構造として設計を終了し、
前記第6工程において、前記電力損失が前記既定の閾値よりも大の場合には、前記光学物性情報、前記電気物性情報、前記形状情報の少なくとも一つを調整して新たな設計構造を決定する第7工程を実施した後に、前記第3工程以降を繰り返し実施すること、
を特徴とするタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
A transparent electrode layer and a plurality of photoelectric conversion units made of a plurality of semiconductor films with different impurity doping conditions are laminated in this order on a light-transmitting substrate, and a connection layer that eliminates the characteristic dependency between each layer A first connection layer that is provided between the translucent substrate and the transparent electrode layer and eliminates the shape dependence of the translucent substrate; and on the transparent electrode layer side of the plurality of photoelectric conversion units The impurity doping condition is different from the second connection layer provided between the first photoelectric conversion unit and the transparent electrode layer to eliminate the electrical dependency between the first photoelectric conversion unit and the transparent electrode layer. A third connection layer provided between the semiconductor films to eliminate electrical dependence between the semiconductor films, and a method for designing a tandem thin film solar cell in which sunlight is incident from the translucent substrate side There,
A first step of determining environmental information of an installation location of the tandem-type thin film solar cell including information on solar radiation;
Shape information and optical property information about the translucent substrate, the transparent electrode layer, the plurality of photoelectric conversion units, and the connection layer, and an electrical property about the transparent electrode layer, the plurality of photoelectric conversion units, and the connection layer A second step of determining a design structure of the tandem-type thin film solar cell to be designed based on the information;
A third step of calculating optical property information for each photoelectric conversion unit with respect to sunlight incident from the translucent substrate side using the optical property information and the shape information;
A fourth step of calculating the electrical property information of the design structure using the electrical property information, the optical property information, and the information on the solar radiation;
A fifth step of calculating a power loss of the design structure using the electrical characteristic information;
A sixth step of determining whether the power loss is within an allowable range by comparing the power loss with a predetermined threshold;
Including
In the sixth step, when the power loss is equal to or less than the predetermined threshold, the design is finished with the design structure as a final structure,
In the sixth step, when the power loss is larger than the predetermined threshold value, a new design structure is determined by adjusting at least one of the optical property information, the electrical property information, and the shape information. Repeatedly performing the third and subsequent steps after performing the seventh step;
A method for designing a tandem-type thin film solar cell.
前記第4工程では、前記複数の光電変換ユニットにおけるそれぞれの光電流を計算し、該光電流に基づいて前記電気特性情報を計算し、
前記第5工程では、前記複数の光電変換ユニットにおける光電流の不一致による電力損失を計算すること、
を特徴とする請求項1に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
In the fourth step, each photocurrent in the plurality of photoelectric conversion units is calculated, and the electrical characteristic information is calculated based on the photocurrent,
In the fifth step, calculating a power loss due to mismatch of photocurrents in the plurality of photoelectric conversion units,
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to claim 1.
前記環境情報は、前記設置場所の緯度および経度の情報と天空遮蔽情報とを含み、
前記第4工程は、
前記環境情報と前記日射に関する情報とを用いて前記設置場所における日射スペクトル情報を計算する工程と、
前記日射スペクトル情報と前記光電変換ユニット毎の光学特性情報とを用いて、前記光電変換ユニット毎の光電流を計算する工程と、
前記光電変換ユニット毎の光電流を用いて前記設計構造の電気特性情報を計算する工程と、
を含むことを特徴とする請求項2に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
The environmental information includes latitude and longitude information of the installation location and sky shielding information,
The fourth step includes
Calculating solar radiation spectrum information at the installation location using the environmental information and information on the solar radiation;
Using the solar radiation spectrum information and optical characteristic information for each photoelectric conversion unit, calculating a photocurrent for each photoelectric conversion unit;
Calculating electrical property information of the design structure using a photocurrent for each photoelectric conversion unit;
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to claim 2, comprising:
前記光電変換ユニット毎の光電流を計算する工程は、前記日射スペクトル情報に対する比例関係から求まる電流値から、内部損失によるロスを補正すること、
を特徴とする請求項2または3に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
The step of calculating the photoelectric current for each photoelectric conversion unit is to correct the loss due to internal loss from the current value obtained from the proportional relationship to the solar radiation spectrum information,
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to claim 2 or 3.
前記内部損失によるロスの補正は、前記日射スペクトル情報に対する比例関係から求まる電流値から、定数値を減ずること、
を特徴とする請求項4に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
The correction of the loss due to the internal loss is obtained by subtracting a constant value from the current value obtained from the proportional relationship to the solar radiation spectrum information.
The design method of the tandem-type thin film solar cell according to claim 4.
前記日射スペクトル情報を計算する工程は、
前記環境情報を用いて太陽高度、太陽方位、曇り量からなる天空記述パラメータを計算し、前記天空記述パラメータを含めて前記日射スペクトル情報を計算すること、
を特徴とする請求項3から5のいずれか1つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
The step of calculating the solar radiation spectrum information includes:
Calculating a sky description parameter composed of solar altitude, solar orientation, and cloudiness using the environmental information, and calculating the solar radiation spectrum information including the sky description parameter;
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to any one of claims 3 to 5.
前記光電流の不一致による電力損失を計算する工程は、
前記光電変換ユニットの接合数がn(2≦n)であり、
前記光電変換ユニットの接合にそれぞれ対応するn個の単位数em(mは、接合の指数)であって、任意の1つの単位数em以外の全ての単位数eを加算すると−emとなる単位数eを用いて、
m個の各接合の電力損失Pmを計算する工程と、
Pmと単位数emの積をすべてのmに対して計算する工程と、
前記Pmと単位数emとの積をすべてのmに対して加算し、ある時刻における光電流の不一致による電力損失を計算する工程と、
を含み、
前記第6工程では、
前記ある時刻における光電流の不一致による電力損失を既定の期間積分して累積電力損失を計算し、
前記累積電力損失が、前記既定の閾値以下の場合に前記設計構造を最終構造として設計を終了すること、
を特徴とする請求項2から6のいずれか1つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
Calculating the power loss due to the mismatch of the photocurrents,
The number of junctions of the photoelectric conversion unit is n (2 ≦ n),
Unit number em corresponding to each junction of the photoelectric conversion units em (m is an index of junction), and a unit that becomes -em when all unit numbers e other than any one unit number em are added Using the number e
calculating the power loss Pm of each of the m junctions;
Calculating the product of Pm and the number of units em for all m;
Adding the product of the Pm and the number of units em to all m and calculating the power loss due to photocurrent mismatch at a certain time;
Including
In the sixth step,
Calculate the cumulative power loss by integrating the power loss due to photocurrent mismatch at a certain time for a predetermined period,
Terminating the design with the design structure as a final structure when the accumulated power loss is less than or equal to the predetermined threshold;
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to any one of claims 2 to 6.
前記光電流の不一致による電力損失を計算する工程は、単位数として複素数を用い下記数式(1)を用いて累積の電力損失を計算し、
既定の期間における前記累積の電力損失が前記既定の閾値以下の場合に前記設計構造を最終構造として設計を終了すること、
を特徴とする請求項2から6のいずれか1つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
The step of calculating the power loss due to the mismatch of the photocurrents calculates the cumulative power loss using the following formula (1) using a complex number as a unit number,
Terminating the design with the design structure as a final structure when the cumulative power loss over a predetermined period is less than or equal to the predetermined threshold;
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to any one of claims 2 to 6.
前記タンデム型薄膜太陽電池が、前記不純物のドープ条件が異なる半導体膜間に設けられて前記半導体膜間の電気的依存性を解消する第3接続層を備え、
前記第1工程以降に、
前記日射に関する情報を用いて前記設置場所における日射量情報を計算する第8工程と、
前記日射量情報に基づいて前記光電変換ユニットにおける半導体膜間の接合部の温度を計算する第9工程と、
前記日射量情報と前記接合部の温度を用いて前記設計構造の電気特性情報を前記半導体膜間の電気的依存性から独立して計算する第10工程と、
前記電気特性情報を用いて前記接合部の温度による前記設計構造の電力損失を計算する第11工程と、
をさらに実施し、
前記第11工程において、前記接合部の温度による前記電力損失が前記既定の閾値以下の場合には、前記設計構造を最終構造と決定して設計を終了し、
前記第11工程において、前記接合部の温度による前記電力損失が前記既定の閾値よりも大の場合には、前記光学物性情報、前記電気物性情報、前記形状情報の少なくとも一つを調整して新たな設計構造を決定する第12工程を実施した後に、前記第8工程以降を繰り返し実施すること、
を特徴とする請求項1から8のいずれか1つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
The tandem-type thin film solar cell includes a third connection layer that is provided between semiconductor films having different impurity doping conditions and eliminates electrical dependence between the semiconductor films,
After the first step,
An eighth step of calculating the amount of solar radiation information at the installation location using the information about the solar radiation;
A ninth step of calculating the temperature of the junction between the semiconductor films in the photoelectric conversion unit based on the solar radiation amount information;
A tenth step of calculating the electrical property information of the design structure independently from the electrical dependence between the semiconductor films using the solar radiation information and the temperature of the junction;
An eleventh step of calculating a power loss of the design structure due to the temperature of the junction using the electrical characteristic information;
Is further implemented,
In the eleventh step, when the power loss due to the temperature of the junction is equal to or less than the predetermined threshold, the design structure is determined as the final structure, and the design is finished.
In the eleventh step, if the power loss due to the temperature of the junction is larger than the predetermined threshold value, the optical property information, the electrical property information, and the shape information are adjusted to adjust the power loss. Repeatedly performing the eighth and subsequent steps after performing the twelfth step of determining a proper design structure,
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to any one of claims 1 to 8.
前記接合部の温度を計算する工程では、
前記環境情報のうち前記設置場所での前記タンデム型薄膜太陽電池の設置傾斜角、設置方位、風向、風速の情報を用いて前記タンデム型薄膜太陽電池と外気との間の熱伝達率を計算する工程と、
前記日射量情報と前記熱伝達率を用いて前記接合部の温度を計算する工程と、
を含むことを特徴とする請求項9に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
In the step of calculating the temperature of the joint,
The heat transfer coefficient between the tandem thin film solar cell and the outside air is calculated using information on the installation inclination angle, the installation direction, the wind direction, and the wind speed of the tandem thin film solar cell at the installation location in the environmental information. Process,
Calculating the temperature of the joint using the solar radiation information and the heat transfer rate;
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to claim 9.
前記第2工程では、前記初期構造情報としてSTC条件に適した前記タンデム型薄膜太陽電池の構造情報を用いて前記設計構造を決定すること、
を特徴とする請求項1から10のいずれか1つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
In the second step, the design structure is determined using structure information of the tandem-type thin film solar cell suitable for STC conditions as the initial structure information.
The method for designing a tandem thin film solar cell according to claim 1, wherein:
前記第2工程では、あるスペクトル形状に対して最適となる設計構造の対を複数あらかじめ有しておき、前記設置場所において最も頻度の高いスペクトル形状と最も近い形状となるスペクトルをあらかじめ有しておいた前記あるスペクトル形状に対して最適となる設計構造の対の中から選択し、初期構造を前記スペクトルと対になる設計構造として決定すること、
を特徴とする請求項1から11のいずれか1つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
In the second step, a plurality of pairs of design structures that are optimal for a certain spectrum shape are provided in advance, and a spectrum that is closest to the most frequently used spectrum shape at the installation location is provided in advance. Selecting from among a pair of design structures that are optimal for the certain spectral shape, and determining an initial structure as a design structure that is paired with the spectrum;
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to any one of claims 1 to 11.
前記最も頻度の高いスペクトル形状に対して最適となる前記設計構造を選択する際に、スペクトルの平均光子エネルギーを基準として選択すること、
を特徴とする請求項12に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
When selecting the design structure that is optimal for the most frequent spectral shape, selecting on the basis of the average photon energy of the spectrum;
The method for designing a tandem-type thin film solar cell according to claim 12.
請求項1から13のいずれか1つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法をコンピュータに実行させること、
を特徴とする設計プログラム。
Causing a computer to execute the method for designing a tandem-type thin film solar cell according to any one of claims 1 to 13,
Design program characterized by
前記最終構造と決定された太陽電池構造を前記コンピュータに接続された出力手段に出力する処理を実行させること、
を特徴とする請求項14に記載の設計プログラム。
Executing a process of outputting the solar cell structure determined as the final structure to output means connected to the computer;
The design program according to claim 14.
透光性基板上に、透明電極層と、不純物のドープ条件が異なる複数の半導体膜からなる複数の光電変換ユニットとがこの順で積層され、
隣接する各層間の特性依存性を緩和する接続層として、
前記透光性基板と前記透明電極層の間に設けられて前記透光性基板による形状依存性を解消する第1接続層と、
前記複数の光電変換ユニットのうち前記透明電極層側の第1光電変換ユニットと前記透明電極層との間に設けられて前記第1光電変換ユニットと前記透明電極層との電気的依存性を解消する第2接続層と、
前記不純物のドープ条件が異なる半導体膜間に設けられて前記半導体膜間の電気的依存性を解消する第3接続層と、
を備え、
前記各接続層は、
界面形状、屈折率、バンド端エネルギーの少なくとも1つの特性について、
前記接続層の直下の構造が有する値と、前記接続層の直上の構造が有する値との間の特性を有すること、
を特徴とするタンデム型薄膜太陽電池。
On the translucent substrate, a transparent electrode layer and a plurality of photoelectric conversion units made of a plurality of semiconductor films having different impurity doping conditions are laminated in this order,
As a connection layer that relaxes the characteristic dependency between adjacent layers,
A first connection layer provided between the translucent substrate and the transparent electrode layer to eliminate the shape dependency due to the translucent substrate;
The electrical dependency between the first photoelectric conversion unit and the transparent electrode layer is eliminated by being provided between the first photoelectric conversion unit on the transparent electrode layer side and the transparent electrode layer among the plurality of photoelectric conversion units. A second connection layer,
A third connection layer that is provided between the semiconductor films having different doping conditions of the impurities and eliminates electrical dependence between the semiconductor films;
With
Each of the connection layers is
For at least one characteristic of interface shape, refractive index, band edge energy,
Having a characteristic between the value of the structure immediately below the connection layer and the value of the structure immediately above the connection layer;
A tandem-type thin film solar cell.
前記第1接続層と前記透明電極層との界面の表面粗さが、前記第1接続層と前記透光性基板との界面の表面粗さと、前記第1接続層と該第1接続層の直上の層との界面の表面粗さとの間の値であること、
を特徴とする請求項16に記載のタンデム型薄膜太陽電池。
The surface roughness of the interface between the first connection layer and the transparent electrode layer is the surface roughness of the interface between the first connection layer and the translucent substrate, and between the first connection layer and the first connection layer. A value between the surface roughness of the interface with the layer immediately above,
The tandem-type thin film solar cell according to claim 16.
ガラスからなる前記透光性基板における前記透明電極層側の表面に凹凸が形成され、
酸化亜鉛または酸化スズからなる前記透明電極層が、酸化ジルコニウムを含む前記第1接続層を介して前記透光性基板の前記凹凸上に形成されていること、
を特徴とする請求項17に記載のタンデム型薄膜太陽電池。
Concavities and convexities are formed on the surface of the transparent electrode layer in the transparent substrate made of glass,
The transparent electrode layer made of zinc oxide or tin oxide is formed on the unevenness of the translucent substrate via the first connection layer containing zirconium oxide;
The tandem-type thin film solar cell according to claim 17.
前記複数の光電変換ユニットは、それぞれ前記透光性基板側からp型半導体膜、i型半導体膜、n型半導体膜がこの順で積層されてなり、
前記第2接続層は、前記複数の光電変換ユニットのうち前記透明電極層側の第1光電変換ユニットと前記透明電極層との間に設けられ、
前記第2接続層は、前記透明電極層の仕事関数と、前記第1光電変換ユニットの前記p型半導体膜の価電子帯上端との間の仕事関数を有すること、
を特徴とする請求項16から18のいずれか1つに記載のタンデム型薄膜太陽電池。
Each of the plurality of photoelectric conversion units is formed by laminating a p-type semiconductor film, an i-type semiconductor film, and an n-type semiconductor film in this order from the translucent substrate side,
The second connection layer is provided between the transparent electrode layer and the first photoelectric conversion unit on the transparent electrode layer side among the plurality of photoelectric conversion units,
The second connection layer has a work function between a work function of the transparent electrode layer and a valence band upper end of the p-type semiconductor film of the first photoelectric conversion unit;
The tandem-type thin film solar cell according to any one of claims 16 to 18.
前記透明電極層が酸化亜鉛または酸化スズからなり、
前記第1光電変換ユニットの前記p型半導体膜が非晶質シリコンからなり、
前記第2接続層は、酸化チタンを含む材料からなること、
を特徴とする請求項19に記載のタンデム型薄膜太陽電池。
The transparent electrode layer is made of zinc oxide or tin oxide;
The p-type semiconductor film of the first photoelectric conversion unit is made of amorphous silicon;
The second connection layer is made of a material containing titanium oxide;
The tandem-type thin film solar cell according to claim 19.
前記第3接続層は、該第3接続層の直下の前記半導体膜と該第3接続層の直上の前記半導体膜との価電子帯上端の中間の位置に価電子帯上端が来る材料からなること、
を特徴とする請求項16から20のいずれか1つに記載のタンデム型薄膜太陽電池。
The third connection layer is made of a material in which the upper end of the valence band comes to an intermediate position between the upper end of the valence band of the semiconductor film immediately below the third connection layer and the semiconductor film immediately above the third connection layer. about,
The tandem-type thin film solar cell according to any one of claims 16 to 20.
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