JP2017184577A - 太陽電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池モジュールに影がかかった際に生じる出力の低下と、ホットスポットと呼ばれる局所的な熱の問題を解決する技術を提供することを課題とする。【解決手段】太陽電池モジュールが複数並列に接続された太陽電池発電システムであって、前記太陽電池モジュールは、太陽電池セルが直列接続された太陽電池セルユニットを少なくとも有し、少なくとも２つの太陽電池モジュールにおいて、前記直列接続された太陽電池セルユニットに中間電極線が配置されており、かつ、該中間電極線どうしが接続されている、太陽電池発電システムにより課題を解決する。【選択図】図４

Description

本発明は、太陽電池発電システムに関する。

近年、自然エネルギーを有効利用する観点から、建物などの構造物の屋根や壁に、更にはインテリアとして太陽電池を設置して、電気を得る検討が盛んに行われている。
一般的に太陽電池モジュールは大きな起電力を得るために、各太陽電池セルが直列接続された太陽電池セルユニットを更に並列接続した構造を有する。このようなタイプの太陽電池モジュールは、使用中に受光面の一部に様々な要因によって影が生じた際に、影の部分のセルが直列に接続された方向と逆方向に接続されたダイオードとして振る舞うために大きな抵抗となってしまう。そのため、直列接続方向の電流が抑制され出力が低下することになる。さらには、影が生じた太陽電池セルは、過大な逆バイアス電圧負荷がかかることにより局所的に熱が発生し（ホットスポット）、その結果、該太陽電池セルに不可逆的な欠陥が発生する場合がある。

このような問題に対し、各セルユニットに流れる電流の量を制限することで、局所的に発生する熱の問題を解決する技術が知られている（特許文献１参照）。
また、直列接続の段数ｎが下記式（１）を充足するよう、太陽電池モジュールを構成することで、電圧を調整して局所的に発生する熱を抑制する技術が知られている（特許文献２参照）。
ｎ＜Ｒｓｈｍ／２．５／Ｖｐｍ×Ｉｐｍ＋１・・・（１）

特開２００１−６８７１３号公報 国際公開第２００９／１０４６０１号

本発明では、上記先行技術文献の方法とは異なる方法により、太陽電池モジュールに影が生じた際に、太陽電池モジュールの大幅な出力低下を防止することができる。また、ホットスポットと呼ばれる局所的な熱発生に係る問題を解決する技術を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討し、複数の太陽電池モジュールを並列に接続させた太陽電池システムにおいて、複数の太陽電池モジュールの存在を利用し、少なくとも２つの太陽電池モジュールにおいて太陽電池セルに中間電極線を配置し、該中間電極線どうしを接続することで、太陽電池モジュールに影が生じた際に、太陽電池モジュールの大幅な出力低下を防止し、さらには、ホットスポットに係る問題を解決できることを見出し、発明を完成させた。また、当該発明は、複数の太陽電池セルユニットを有する太陽電池モジュールにも適用可能であった。

すなわち、本発明は以下を要旨とする。
（１）太陽電池モジュールが複数並列に接続された太陽電池発電システムであって、
前記太陽電池モジュールは、太陽電池セルが直列接続された太陽電池セルユニットを少なくとも有し、
少なくとも２つの太陽電池モジュールにおいて、前記直列接続された太陽電池セルユニットに中間電極線が配置されており、かつ、該中間電極線どうしが接続されている、太陽電池発電システム。
（２）前記複数並列に接続された太陽電池モジュールの全てにおいて、太陽電池セルユニットに中間電極線が配置されており、かつ、該中間電極線どうしが接続されている（１）に記載の太陽電池発電システム。
（３）前記太陽電池モジュールが有機薄膜太陽電池モジュールである、（１）又は（２）に記載の太陽電池発電システム。

本発明により、複数の太陽電池モジュールを並列に接続させた太陽電池システムにおいて、太陽電池セルユニットに配置した中間電極線どうしを接続するという簡易な構成で、ホットスポットの問題を解決できる。

実施形態に係る太陽電池発電システム２００を表す上面模式図である。 太陽電池発電システム２００中のＸ−Ｘ´一点鎖線断面の模式図であり、太陽電池セルユニット１００を示す。 太陽電池発電システム２００中のＸ−Ｘ´一点鎖線断面の別の形態を示す模式図であり、太陽電池セルユニット１００´を示す。 実施形態に係る太陽電池発電システム２００を表す上面模式図である。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に限定されない。
また、本発明の説明において図面を用いるが、用いる図面はいずれも本発明の具体的実施形態に係る太陽電池発電システム、又は太陽電池モジュールの構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、図面を用いた説明に用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することができる。

本発明の実施形態に係る太陽電池発電システム、又は太陽電池モジュールは、太陽電池セルが複数直列に接続されてなる太陽電池セルユニットを少なくとも有する。
太陽電池セルは、通常、基板上に、少なくとも下部電極、発電層、及び上部電極をこの順に積層して構成される。なお、下部電極及び上部電極を合わせて一対の電極と称する場合がある。また、本発明において、下部電極、発電層、及び上部電極をこの順に積層した積層体を、太陽電池素子と称する場合もある。
以下、太陽電池モジュールの一般的な構成を説明する。

発電層に用いられる材料としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、球状シリコン、無機半導体材料、有機色素材料、または有機半導化合物が挙げられる。これらの材料を用いることで、発電効率が比較的高く、薄い（軽量な）太陽電池を実現できる。さらに効率を上げる観点から、これらを積層したＨＩＴ型、タンデム型でもよい。なお、一般的に有機化合物は耐熱性が低い傾向があるために、ホットスポットが発生すると有機薄膜太陽電池素子は破損する等の欠陥が発生しやすくなる傾向がある。一方で、本発明においては、後述するようにホットスポット等の問題を解決することができるために、本発明は、太陽電池セルが、有機化合物を含有する発電層を有する有機薄膜太陽電池セルの場合に特に有効である。なお、本発明においては、有機薄膜
太陽電池セルにより構成される太陽電池モジュールを有機薄膜太陽電池モジュールと称す場合がある。

一対の電極は、一方がアノードであり、他方がカソードである。それぞれ導電性を有する任意の材料を用いて単層であってもよいし、積層構造であってもよい。電極材料（電極の構成材料）としては、特段の制限はなく、例えば、白金、金、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属、あるいはそれらの合金；酸化インジウムや酸化錫等の金属酸化物、あるいはその合金（ＩＴＯ：酸化スズインジウム）；ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン等の導電性高分子；そのような導電性高分子に、塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、ＦｅＣｌ_３等のルイス酸、ヨウ素等のハロゲン原子、ナトリウム、カリウム等の金属原子などのドーパントを含有させたもの；金属粒子、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ等の導電性粒子をポリマーバインダー等のマトリクスに分散した導電性の複合材料などが挙げられる。なお、上記のなかでも、アノードは仕事関数の大きな材料により形成することが好ましく、カソードは仕事関数の小さな材料により形成することが好ましい。なお、有機薄膜太陽電池セルの場合、正孔取り出し層や電子取り出し層を用いることにより仕事関数を調整することで、アノードとカソードを同じ材料で形成することもできる。

太陽光を吸収するために、一対の電極のうち、少なくとも一方の電極は透光性を有することが好ましい。具体的には、一方の電極が波長３６０〜８３０ｎｍの光の通過する割合が４０％以上であることが好ましい。透光性を有する電極とする場合、上記の金属酸化物又はその合金等を用いて電極を形成することが好ましい。なお、透過型の太陽電池モジュールとする場合、一対の電極は共に透光性を有していることが好ましい。

太陽電池セルは、通常、太陽電池素子基板上に支持される。太陽電池素子基板の材料は、特段の制限はなく、石英基板、ガラス基板、金属に絶縁性を付与した基板、樹脂基材等が挙げられる。なかでも、太陽電池素子基材は、変形に対して或る程度、耐熱性を有することが望まれるために、太陽電池素子基板は、融点が８５℃以上の材料により形成されることが好ましい。また、太陽電池モジュールの設置の自由度という観点から、軽量であり、かつフレキシブルな樹脂基材が好ましい。具体的には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリエチレンナフタレーと（ＰＥＮ）が好ましい。

また、太陽電池セルの下部電極又は上部電極に、通常、集電線を電気的に接続することで、太陽電池において発電した電気を取り出すことができる。
集電線の材料としては、金属や合金などが挙げられ、中でも抵抗率の低い銅やアルミ、銀、金、ニッケルなどを用いることが好ましく、銅やアルミが安価であることから、特に好ましい。また、錆防止のため、集電線の周囲をスズや銀などでメッキしたり、表面を樹脂などでコートしてあったり、フィルムをラミネートしてあってもよい。集電線の形状としては、例えば、平角線、箔、平板、ワイヤ状等が挙げられるが、接着面積の確保などの理由から、平角線や、箔、平板状のものを用いることが好ましい。また、集電線を電気取出端子として使用することができるため、平板状であることがより好ましい。

なお、本明細書において「箔」は厚みが１００μｍ未満のものをいい、「板」は厚みが１００μｍ以上のものをいう。また「平角線」とは、断面が円形のワイヤを圧延して、断面の形状を四角形にしたものをいう。

また集電線は、導電性を有する限り特段の限定はされないが、接続する上部電極や下部電極よりも抵抗値が低いものが好ましく、特に、上部電極や下部電極より厚さを厚くすることによって、抵抗値を低減させることが好ましい。集電線の厚さとしては、５μｍ以上
であることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以上である。また、２ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１ｍｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下、特に好ましくは３００μｍ以下である。集電線の厚さが上記下限以上であることで、集電線の抵抗値の上昇を抑制し、発電した電力を効率よく外部に取り出すことができる。また、上記上限以下であることで、有機薄膜太陽電池モジュールの重量が増加するとともに可撓性が減少したり、薄膜太陽電池モジュール表面に凹凸が発生しやすくなったり、生産コストが増加するなどの問題が生じる恐れがある。

また、集電線の幅は、通用０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上、より好ましくは２ｍｍ以上であり、通常５０ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ以下である。集電線の幅が上記下限以上であることで、集電線の抵抗値の上昇を抑制し、発電した電力を効率よく取り出すことができる。また、集電線の機械強度を維持し、破断等を抑制することができる。上記上限以下であることで、モジュール全体における開口率を維持し、モジュールの発電量の低下を抑制することができる。

なお、集電線を太陽電池素子の電極と接続する方法は特段の制限はなく、公知の方法により接続させればよい。例えば、導電性接着剤、導電性テープ、はんだ等により接続することができ、なかでも導電性接着剤により接続させることが好ましい。導電性接着剤としては、公知のものを使用することができ、例えば、熱可塑性、熱硬化性等の導電性接着剤を使用することができる。

また、本発明に係る太陽電池モジュール及び太陽電池システムにおいて、太陽電池セルユニットの少なくとも一部に中間電極線が接続される。なお、本発明において、中間電極線とは、アノード側の集電線とカソード側の集電線との間の電位を引き出す電極線である。なお、中間電極線の形状や材料は特段の制限はなく、具体的には、上記の集電線で挙げたものと同様のものを使用することができる。また、中間電極線と当該電極を接続する方法も上記の集電線と同様の方法が挙げられる。

また、太陽電池モジュールは、耐衝撃性の向上のために、封止層と表面保護層の積層体及び／又は封止層と裏面保護層により封止された構造であることが好ましい。

封止層の材料には、全光線透過率が比較的高い樹脂材料が好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、プロピレン−エチレン−α−オレフィン共重合体などのポリオレフィン樹脂、ブチラール樹脂、スチレン樹脂、エポキシ樹脂、（メタ）アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、合成ゴム等を使用することができ、これらの１種以上の混合体、若しくは共重合体を使用できる。なお、これらの樹脂材料を架橋して用いてもよい。

封止層の厚さは、１層あたり、１０μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることがより好ましく、３０μｍ以上であることが更に好ましい。一方、１０００μｍ以下であることが好ましく、８００μｍ以下であることがより好ましく、５００μｍ以下であることが更に好ましい。すなわち、好ましい態様である表面保護層と薄膜太陽電池素子との間、および薄膜太陽電池素子と裏面保護層との間に少なくとも一層の封止層を有する場合には、薄膜太陽電池モジュールあたりの封止層の厚さは、２００μｍ以上であることが好ましく、４００μｍ以上であることがより好ましく、６００μｍ以上であることが更に好ましい。一方、２０００μｍ以下であることが好ましく、１６００μｍ以下であることがより好ましく、１０００μｍ以下であることが更に好ましい。封止層の厚さを上記範囲とすることで、適度な耐衝撃性を得ることができると共に、コストおよび重量の観点からも好ましく、発電特性も十分に発揮することができる。

表面保護層は、多くの太陽光を薄膜太陽電池セルに供給する観点から、全光線透過率は、通常８０％以上、好ましくは８５％以上である。上限は特に限定されないが、通常９９％以下である。全光線透過率の測定方法は、例えば、ＪＩＳ Ｋ ７３６１−１による。

表面保護層の材質としては、ガラス、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂、ポリスチレン、環状ポリオレフィン、ポリブチレン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等のポリオレフィン、等が挙げられる。好ましくは、ガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂が挙げられる。

表面保護層の厚さは通常０．０２ｍｍ以上である。好ましくは０．０３ｍｍ以上であり、より好ましくは０．０５ｍｍ以上である。一方上限は特段限定されないが、通常２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下、更に好ましくは０．３ｍｍ以下である。上記範囲とすることで、耐衝撃性と軽量性を両立することができる。
なお、表面保護層の受光面側に更に表面保護シートを有してもよいが、薄膜太陽電池モジュールが屋外に配置されない場合には、表面保護シートはなくてもよい。

裏面保護層としては、表面保護層と同様の層を用いることができる。但し、裏面保護層は必ずしも透光性を有さなくてもよいことから、透光性と材質についてはその限りではない。
例えば、表面保護層に例示した樹脂以外の樹脂、金属箔、樹脂中に繊維等を分散させたフィルム、または樹脂含浸された織布または不織布等、ガラスを用いることができる。

裏面保護層として表面保護層と同様の透光性の層を用いると、薄膜太陽電池が透光性を有する場合には、シースルーの太陽電池を提供することができる点で好ましい。
また、表面保護層と裏面保護層とは同一の材料、厚さであることが好ましい。製造過程における加熱や、薄膜太陽電池モジュールを使用する際の太陽光等により熱膨張するが、その際に生じる応力を相殺して、薄膜太陽電池モジュールの変形を抑制することができる。
加えて、表面保護層及び／又は裏面保護層が、剛性を有する材料からなると、薄膜太陽電池モジュールがたわみづらい点で好ましい。剛性を有する材料としては、ガラス、ポリカーボネート等の透明樹脂、アルミニウム、木材、ポリ塩化ビニル等があげられ、上記の透光性をも満たす点で、ガラス及び透明樹脂が好ましい。

なお、表面保護層及び／又は裏面保護層に耐候性の機能を備える場合、上記の表面保護層及び／又は裏面保護層はフッ素系の樹脂材料により形成されることが好ましい。

また、発電層の材料として有機半導体化合物を用いた有機太陽電池セルの場合、水分や酸素等により素子が劣化しやすい傾向がある。そのため、表面保護層及び／又は裏面保護層にバリア機能を持たせることが好ましい。具体的には、上記の樹脂材料を用いた樹脂層に酸化ケイ素膜等の無機層を積層させることによりバリア性の機能を付加することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池発電システム２００を表す上面模式図である。太陽電池発電システム２００は、複数（ｎ個）の薄膜太陽電池モジュール２０ａ、２０
ｂ、２０ｎが電気的に並列に接続されている。並列接続される太陽電池モジュールの数は特段限定されず、２以上であればよく、３以上であってよく、５以上であってよく、１０以上であってよい。
また、図１においては、太陽電池モジュール２０ａ、２０ｂ、２０ｎは、それぞれ、４つの太陽電池セルユニットを有し、各太陽電池セルユニットはおおよそ３０〜５０の太陽電池セルを有する構成を示しているが、太陽電池モジュール２０ａ、２０ｂ、２０ｎを構成する太陽電池セルユニットの数、及び各太陽電池セルユニットを構成する太陽電池セルの数はこれに限定されない。各太陽電池モジュールは、１つの太陽電池セルユニットのみを有していてもよいし、複数の太陽電池セルユニットを有していてもよい。また、各太陽電池セルユニットも複数の太陽電池セルを有していてもよい。なお、同じ太陽電池モジュール内の複数の太陽電池セルユニットは集電線により互いに並列に接続されている。なお、各太陽電池モジュールの集電線どうしは、例えば、導電２３により接続することができる。

各太陽電池モジュールに存在する太陽電池セルユニット内に、少なくとも一つの中間電極線２２が配置される。当該中間電極線２２は、他の太陽電池モジュールに配置される中間電極線２２と接続されている。なお、本発明において、少なくとも２つの太陽電池モジュール間において、中間電極線どうしが接続されていればよいが、太陽電池システムを構成する全ての太陽電池モジュール間において、中間電極線どうしが接続されていてもよい。また、各太陽電池モジュールの中間電極線どうしは、例えば、導線２３を用いて接続させればよい。なお図において、中間電極線どうしは並列に接続されているが、電気的に接続されていれば、直列に接続されてもよい。

太陽電池モジュールにおいて中間電極線２２が配置される箇所は、太陽電池セルの直列接続方向略中間である必要はなく、どの太陽電池セルに接続させて配置してもよい。また、１つの太陽電池セルユニットに複数の中間電極線を配置してもよい。一方で中間電極線は他の薄膜太陽電池モジュールの薄膜太陽電池セルユニットと接続されるが、この際には、中間電極線により接続されたセルどうしの電位が略同一であることが好ましい。

次に、図２を用いて、図１の太陽電池システムを構成する太陽電池モジュールの断面構造について説明する。図２は、複数の薄膜太陽電池セルが直列接続された一つの薄膜太陽電池セルユニット１００の断面模式図（図１のＸ−Ｘ’一点鎖線断面）を示す。具体的に、太陽電池セルは、太陽電池素子基板１１上に、下部電極１２、発電層１３、及び上部電極１４をこの順に有しており、太陽電池セルの上部電極と、該太陽電池セルと隣接する太陽電池セルの下部電極とが電気的に接続することにより、複数の太陽電池セルが直列接続された構造を有している。なお、太陽電池セルユニットは、基板上に、各層を成膜する毎に、パターニング加工を行い形成することができる。なお、各層の成膜方法は使用する材料に合わせて公知の方法で行うことができる。また、パターニング加工の方法も、特段の制限はなく、例えば、メカニカルスクライブ、レーザースクライブ、フォトエッチング、リフトオフ等により行うことができる。また、図２においては、集電線２１及び中間電極線２２は、太陽電池セルの上部電極上に接続させた構造を示しているが、集電線２１及び中間電極線２２は太陽電池セルを構成する下部電極に接続させてもよい。

図３に図２の変形例を示す。図３においては、発電層１３の形成の際のパターニングを変更し、セル内において発電層１３の空隙が生じるよう、パターニングを行っている。そのため上部電極１４の形成の際に上部電極材料が該空隙に流れ込み、下部電極１１と導通した上部電極導通部１４´を形成する。
太陽電池モジュールを製造する際には、上部電極１４上に集電線２１や中間電極２２を配置した後、ラミネート封止を行う。その際に、高いラミネート圧がかかることで、集電線２１や中間電極２２が配置されたセルの発電層にダメージを与え、太陽電池としての性
能を低下されることが懸念される。そのため、予め集電線及び／又は中間電極線の下に位置する発電層１３の少なくとも一部又は全てをパターニングにより取り除き、該部分に上部電極導通部を形成する形態とすることもできる。なお、図中右端のセルは、集電線により電気を取出すのみであり、発電の機能を有さなくてもよいことから、上部電極導通部を形成しても、しなくてもよい。

本実施形態の太陽電池発電システムは、太陽電池モジュールの一部が影になった際に生じるホットスポットの問題を解決するものであり、そのメカニズムは図４に示される。
図４において、仮に、中間電極線２２が設けられていないと、例えば、薄膜太陽電池モジュール２０ｂの一部に影Ｓが生じると、影Ｓが生じた太陽電池セル部分での出力が低下するために太陽電池モジュール全体の出力が著しく低下することになる。さらに、当該影Ｓが生じた太陽電池セルは、回路上の抵抗となるために、逆方向ダイオードとして振る舞うことになる。そのため、太陽電池モジュールの出力が大幅に低下することになる。また、当該影Ｓが生じた太陽電池セルには、逆バイアスの電圧が印可され、局所的に発熱するというホットスポットが発生する場合がある。ホットスポットが発生すると、特に、耐熱性の低い有機薄膜太陽電池セルの場合、当該太陽電池セルが破損するという欠陥が生じる場合がある。しかしながら本実施形態においては、他の薄膜太陽電池モジュールと接続された中間電極線２２の存在により、電流が図中矢印の方向に迂回（バイパス）することになる。そのため、当該影Ｓが生じた太陽電池セルの影響による大幅な出力低下を防ぐことができるとともに、当該影Ｓが生じた太陽電池セルに逆電圧がかかりホットスポットが発生するという問題を防止することができる。

１００、１００´ 太陽電池セルユニット
１１ 素子基板
１２ 下部電極
１３ 光電変換層
１４ 上部電極
１４´ 上部電極導通部
２００ 太陽電池発電システム
２０ａ、２０ｂ、２０ｎ 薄膜太陽電池モジュール
２１ 集電線
２２ 中間電極線
２３ 導線

Claims (3)

1. 太陽電池モジュールが複数並列に接続された太陽電池発電システムであって、
   前記太陽電池モジュールは、太陽電池セルが直列接続された太陽電池セルユニットを少なくとも有し、
   少なくとも２つの太陽電池モジュールにおいて、前記直列接続された太陽電池セルユニットに中間電極線が配置されており、かつ、該中間電極線どうしが接続されている、太陽電池発電システム。
2. 前記複数並列に接続された太陽電池モジュールの全てにおいて、太陽電池セルユニットに中間電極線が配置されており、かつ、該中間電極線どうしが接続されている、請求項１に記載の太陽電池発電システム。
3. 前記太陽電池モジュールが有機薄膜太陽電池モジュールである、請求項１又は２に記載の太陽電池発電システム。

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