JP2021151096A - Photoelectric conversion module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion module.
近年、化石燃料の代替エネルギーとして、又、地球温暖化対策として、光電変換素子の重要性が高まっている。特に最近では、電池交換や電源配線等が不要な自立型電源として幅広い応用が期待できることから、低照度の光でも効率よく発電できる室内向けの光電変換素子を有する光電変換モジュールが多くの注目を集めている。 In recent years, the importance of photoelectric conversion elements has been increasing as an alternative energy to fossil fuels and as a countermeasure against global warming. In particular, recently, since a wide range of applications can be expected as a self-supporting power source that does not require battery replacement or power supply wiring, a photoelectric conversion module having an indoor photoelectric conversion element that can efficiently generate electricity even with low-illuminance light has attracted a lot of attention. ing.
光電変換素子としては、例えば、アモルファスシリコン型太陽電池、有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池、色素増感型太陽電池等が挙げられる。例えば、太陽電池セルを搭載した光電変換モジュールにおいて、短時間で負荷装置の動作を復帰させることができる回路構成について開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Examples of the photoelectric conversion element include an amorphous silicon type solar cell, an organic thin film type solar cell, a perovskite type solar cell, and a dye sensitized type solar cell. For example, in a photoelectric conversion module equipped with a solar cell, a circuit configuration capable of restoring the operation of a load device in a short time is disclosed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、従来の光電変換モジュールでは、太陽電池セル等の光電変換素子が負荷に対して開放状態となったときの特性低下、具体的には光電変換素子の最大電力維持率の低下が生じるおそれがあった。 However, in the conventional photoelectric conversion module, there is a possibility that the characteristics of the photoelectric conversion element such as a solar cell are deteriorated when the photoelectric conversion element is opened to the load, specifically, the maximum power retention rate of the photoelectric conversion element is lowered. there were.
本発明は、光電変換素子を有する光電変換モジュールにおいて、光電変換素子の最大電力維持率の低下を抑制することを目的とする。 An object of the present invention is to suppress a decrease in the maximum power retention rate of a photoelectric conversion element in a photoelectric conversion module having a photoelectric conversion element.
本光電変換モジュールは、基板に実装された光電変換素子と、前記光電変換素子に接続され、負荷に対する電圧を制御する電圧制御回路と、を有し、前記光電変換素子の最大出力電圧をVMAXとしたときに、前記電圧制御回路の制御電圧VAは、VA≦VMAXの範囲内である。 This photoelectric conversion module includes a photoelectric conversion element mounted on the substrate, is connected to the photoelectric conversion element includes a voltage control circuit for controlling the voltage to the load, and the maximum output voltage of the photoelectric conversion element V MAX The control voltage VA of the voltage control circuit is within the range of VA ≤ V MAX.
開示の技術によれば、光電変換素子を有する光電変換モジュールにおいて、光電変換素子の最大電力維持率の低下を抑制できる。 According to the disclosed technique, in a photoelectric conversion module having a photoelectric conversion element, it is possible to suppress a decrease in the maximum power retention rate of the photoelectric conversion element.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, modes for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals and duplicate description may be omitted.
〈第1実施形態〉
図1は、第1実施形態に係る光電変換モジュールを例示する平面図である。図2は、第1実施形態に係る光電変換モジュールを例示する断面図であり、図1のA−A線に沿う断面を示している。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a plan view illustrating the photoelectric conversion module according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the photoelectric conversion module according to the first embodiment, and shows a cross section taken along the line AA of FIG.
図1及び図2を参照すると、光電変換モジュール1は、基板10と、複数の光電変換素子20と、ソケット31及び32と、雄型コネクタ41及び42と、雌型コネクタ51及び52とを有している。複数の光電変換素子20は、並列に接続されている。本実施形態では、3つの光電変換素子20が接続されている例を示すが、光電変換モジュール1は1つ以上の光電変換素子20を有していればよく、接続する光電変換素子20の個数は任意としてよい。
Referring to FIGS. 1 and 2, the
基板10は、光電変換素子20、ソケット31及び32、雄型コネクタ41及び42、雌型コネクタ51及び52等を実装する基板であり、これらの部品を実装するランドや、これらの部品の必要な部分を電気的に接続する配線パターンを有している。基板10としては、例えば、樹脂基板(ガラスエポキシ基板等)、シリコン基板、セラミック基板等が適宜用いられる。
The
本実施形態では、一例として、基板10の平面形状を矩形として以下の説明を行う。但し、基板10の平面形状は、矩形には限定されない。なお、平面視とは、対象物を基板10の上面10aの法線方向から視ることを指し、平面形状とは、対象物を基板10の上面10aの法線方向から視た形状を指す。
In the present embodiment, as an example, the following description will be given with the planar shape of the
光電変換素子20は、基板21と、発電部22と、基板23とを有しており、発電部22は基板21と基板23に上下方向から挟まれている。発電部22の周囲が樹脂等に封止されてもよい。
The
光電変換素子20は、受光面を上側(基板10の上面10aと対向しない側)に向けて、基板10の上面10aに実装されている。基板23は透明であり、基板23を介して太陽光等が発電部22の受光面に入射する。基板21及び23は、例えば、ガラスである。光電変換素子20は、正側端子24(+端子)及び負側端子25(−端子)を有している。
The
光電変換素子20は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、例えば、太陽電池やフォトダイオード等が挙げられる。太陽電池としては、例えば、アモルファスシリコン型太陽電池、有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池、色素増感型太陽電池等が挙げられる。
The
これらの中でも、色素増感型太陽電池は、従来の印刷手段を用いて製造できるため、低コスト化に有利である点で好ましい。又、特に、色素増感型太陽電池を構成するホール輸送層として固体材料を使用した固体型色素増感型太陽電池は、荷重に対して高い耐久性を維持できる点で好ましい。 Among these, the dye-sensitized solar cell is preferable in that it is advantageous in cost reduction because it can be manufactured by using a conventional printing means. Further, in particular, a solid dye-sensitized solar cell in which a solid material is used as the hole transport layer constituting the dye-sensitized solar cell is preferable because it can maintain high durability against a load.
ここでは、一例として、光電変換素子20が色素増感型太陽電池である場合の発電部の断面構造を示す。図3は、光電変換素子の発電部を例示する断面図である。光電変換素子20が色素増感型太陽電池である場合、発電部22は、例えば、図3に示す断面構造である。
Here, as an example, the cross-sectional structure of the power generation unit when the
図3に示す発電部22は、基板221上に第1電極222が形成され、第1電極222上にホールブロッキング層223が形成され、ホールブロッキング層223上に電子輸送層224が形成され、電子輸送層224における電子輸送性材料に光増感化合物225が吸着し、第1電極222と対向する第2電極227との間にホール輸送層226が挟み込まれた構成の例である。第1電極222は、例えば、リード線等より正側端子24に接続され、第2電極227は、例えば、リード線等より負側端子25に接続される。以下、発電部22について、詳細に説明する。
In the
[基板]
基板221としては、特に制限はなく、公知のものを用いることができる。基板221は透明な材質のものが好ましく、例えば、ガラス、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体等が挙げられる。
[substrate]
The
[第1電極]
第1電極222としては、可視光に対して透明な導電性物質であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択でき、通常の光電変換素子、或いは液晶パネル等に用いられる公知のものを使用できる。
[First electrode]
The
第1電極222の材料としては、例えば、インジウム・スズ酸化物(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、インジウム・亜鉛酸化物、ニオブ・チタン酸化物、グラフェン等が挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
Examples of the material of the
第1電極222の厚みは、5nm〜100μmが好ましく、50nm〜10μmがより好ましい。
The thickness of the
又、第1電極222は一定の硬性を維持するため、可視光に透明な材質からなる基板221上に設けることが好ましい。なお、第1電極222と基板221とが一体となっている公知のものを用いることもでき、例えば、FTOコートガラス、ITOコートガラス、酸化亜鉛添加アルミニウムコートガラス、FTOコート透明プラスチック膜、ITOコート透明プラスチック膜等が挙げられる。
Further, in order to maintain a constant hardness, the
[ホールブロッキング層]
ホールブロッキング層223は、電解質が電極と接して、電解質中のホールと電極表面の電子が再結合(所謂、逆電子移動)することによる電力低下を抑制するために設けられる。ホールブロッキング層223の効果は、固体型色素増感型太陽電池において特に顕著である。これは、電解液を用いた湿式色素増感型太陽電池と比較して、有機ホール輸送材料等を用いた固体型色素増感型太陽電池はホール輸送材料中のホールと電極表面の電子の再結合(逆電子移動)速度が速いことに起因している。
[Hole blocking layer]
The
ホールブロッキング層223は、チタン原子とニオブ原子を含む金属酸化物を含有することが好ましい。必要に応じて、その他の金属原子が含まれていてもよいが、チタン原子とニオブ原子からなる金属酸化物であることが好ましい。ホールブロッキング層223は、可視光に対して透明であることが好ましく、又、ホールブロッキング層としての機能を得るために、ホールブロッキング層223は緻密であることが好ましい。
The
ホールブロッキング層223の平均厚みは、1,000nm以下が好ましく、0.5nm以上500nm以下がより好ましい。平均厚みが0.5nm以上500nm以下の範囲であれば透明導電膜(第1電極222)への電子の移動を妨げることなく、逆電子移動を防ぐことができ、光電変換効率を向上させることができる。又、平均厚みが、0.5nm未満であると、膜密度が低くなり、逆電子移動を十分防ぐことができない。一方、平均厚みが、500nmを超えると、内部応力が高まりクラックが発生しやすくなる。
The average thickness of the
[電子輸送層]
電子輸送層224は、例えば多孔質状の層として、ホールブロッキング層223上に形成される。電子輸送層224は、半導体微粒子等の電子輸送性材料を含み、電子輸送性材料は後述する光増感化合物225が吸着されていることが好ましい。
[Electron transport layer]
The
電子輸送性材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、ロッド状やチューブ状等の半導体材料が好ましい。以下、半導体微粒子を例として挙げて説明する場合があるが、これに限られるわけではない。 The electron transporting material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but a semiconductor material such as a rod shape or a tube shape is preferable. Hereinafter, the semiconductor fine particles may be described as an example, but the description is not limited to this.
又、電子輸送層224は単層であっても多層であってもよい。多層の場合、粒径の異なる半導体微粒子の分散液を多層塗布することも、種類の異なる半導体や、樹脂、添加剤の組成が異なる塗布層を多層塗布することもできる。一度の塗布で膜厚が不足する場合には、多層塗布は有効な手段である。
Further, the
半導体としては、特に制限はなく、公知のものを使用できる。具体的には、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、もしくは金属のカルコゲニドに代表される化合物半導体又はペロブスカイト構造を有する化合物等を挙げることができる。 The semiconductor is not particularly limited, and known semiconductors can be used. Specific examples thereof include elemental semiconductors such as silicon and germanium, compound semiconductors typified by metallic chalcogenides, and compounds having a perovskite structure.
半導体微粒子の粒径は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、一次粒子の平均粒径は1nm〜100nmが好ましく、5nm〜50nmがより好ましい。又、より大きい平均粒径の半導体微粒子を混合或いは積層して入射光を散乱させる効果により、効率を向上させることも可能である。この場合の半導体の平均粒径は50nm〜500nmが好ましい。 The particle size of the semiconductor fine particles is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but the average particle size of the primary particles is preferably 1 nm to 100 nm, more preferably 5 nm to 50 nm. It is also possible to improve efficiency by the effect of mixing or laminating semiconductor fine particles having a larger average particle size to scatter incident light. In this case, the average particle size of the semiconductor is preferably 50 nm to 500 nm.
一般的に、電子輸送層224の厚みが増大するほど単位投影面積当たりの担持光増感化合物の量も増えるため光の捕獲率が高くなるが、注入された電子の拡散距離も増えるため電荷の再結合によるロスも大きくなってしまう。そのため、電子輸送層224の厚みは、100nm〜100μmが好ましく、100nm〜50μmがより好ましく、100nm〜10μmが更に好ましい。
Generally, as the thickness of the
[光増感化合物]
変換効率の更なる向上のため、電子輸送層224は、光増感化合物225が吸着された電子輸送性材料を含むことが好ましい。光増感化合物225の具体例については、例えば、特許第6249093号に詳細に述べられている。
[Photosensitizer compound]
In order to further improve the conversion efficiency, the
電子輸送層224(電子輸送性材料)に光増感化合物225を吸着させる方法としては、光増感化合物225の溶液中或いは分散液中に電子輸送層224を含有する電子集電電極(基板221、第1電極222、ホールブロッキング層223が形成された電極)を浸漬する方法が挙げられる。この他にも、溶液或いは分散液を電子輸送層224に塗布して吸着させる方法を用いることができる。
As a method of adsorbing the
前者の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法等を用いることができる。後者の場合、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法等を用いることができる。 In the former case, a dipping method, a dip method, a roller method, an air knife method, or the like can be used. In the latter case, the wire bar method, the slide hopper method, the extrusion method, the curtain method, the spin method, the spray method and the like can be used.
又、二酸化炭素等を用いた超臨界流体中で吸着させても構わない。 Further, it may be adsorbed in a supercritical fluid using carbon dioxide or the like.
光増感化合物225を吸着させる際、縮合剤を併用してもよい。縮合剤は、無機物表面に物理的或いは化学的に光増感化合物225と電子輸送性材料とが結合すると思われる触媒的作用をするもの、又は化学量論的に作用し、化学平衡を有利に移動させるものの何れであってもよい。
When adsorbing the
[ホール輸送層]
ホール輸送層226には、酸化還元対を有機溶媒に溶解した電解液、酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体をポリマーマトリックスに含浸したゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩、固体電解質、無機ホール輸送材料、有機ホール輸送材料等が用いられる。これらの中でも、有機ホール輸送材料が好ましい。なお、以下、有機ホール輸送材料を例として説明する箇所があるが、これに限られるものではない。
[Hall transport layer]
The
ホール輸送層226は、単一材料からなる単層構造でも、複数の化合物からなる積層構造でも構わない。積層構造の場合、第2電極227に近いホール輸送層226に高分子材料を用いることが好ましい。製膜性に優れる高分子材料を用いることで多孔質状の電子輸送層224の表面をより平滑化でき、光電変換特性を向上できる。
The
又、高分子材料は多孔質状の電子輸送層224内部へ浸透しにくいことから、多孔質状の電子輸送層224表面の被覆に優れ、電極を設ける際の短絡防止にも効果を発揮するため、より高い性能を得ることが可能となる。
Further, since the polymer material does not easily penetrate into the porous
単一で用いられる単層構造において用いられる有機ホール輸送材料としては、特に制限はなく、公知の有機ホール輸送性化合物が用いられる。 The organic hole transporting material used in the single layer structure used alone is not particularly limited, and a known organic hole transporting compound is used.
ホール輸送層226の厚みについては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、多孔質状の電子輸送層224の細孔に入り込んだ構造を有することが好ましく、電子輸送層224上に0.01μm以上がより好ましく、0.1μm〜10μmが更に好ましい。
The thickness of the
[第2電極]
第2電極227は、ホール輸送層226上に、又はホール輸送層226における金属酸化物上に形成できる。又、第2電極227は、第1電極222と同様のものを用いることができ、強度や密封性が充分に保たれるような構成では支持体は必ずしも必要ではない。
[Second electrode]
The
第2電極227の材料としては、例えば、白金、金、銀、銅、アルミニウム等の金属、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素系化合物、ITO、FTO、ATO等の導電性金属酸化物、ポリチオフェン、ポリアニリン等の導電性高分子等が挙げられる。
Examples of the material of the
第2電極227の膜厚については、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。第2電極227は、用いられる材料の種類やホール輸送層226の種類により、適宜ホール輸送層226上に塗布、ラミネート、蒸着、CVD、貼り合わせ等の手法により形成可能である。
The film thickness of the
なお、発電部22が光電変換するためには、第1電極222及び第2電極227の少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。図3の例では、第1電極222側が透明であるため、太陽光等を第1電極222側から入射させる。
In order for the
すなわち、光電変換モジュール1では、第1電極222が基板23側に位置するように、発電部22を基板21と基板23との間に配置する。この場合、第2電極227側には光を反射させる材料を使用することが好ましく、例えば、金属、導電性酸化物を蒸着したガラス、プラスチック、金属薄膜等が用いられる。又、入射光側に反射防止層を設けることも有効な手段である。
That is, in the
発電部22を有する光電変換素子20は、室内光のような微弱な入射光の場合であっても、良好な変換効率を得ることができる。
The
図1及び図2の説明に戻り、基板10には、光電変換素子20の正側端子24及び負側端子25と接続可能なソケット31及び32が実装されている。そして、光電変換素子20は、ソケット31及び32を介して、着脱可能な状態で基板10に実装されている。
Returning to the description of FIGS. 1 and 2, the
詳細には、ソケット31及び32は、平面視で基板10の短辺方向と略平行に、基板10の上面10aに所定間隔で実装されている。ソケット31は、光電変換素子20の正側端子24が挿入される挿入孔311を有しており、例えば、基板10に設けられた貫通孔に挿入されている。ソケット32は、光電変換素子20の負側端子25が挿入される挿入孔を有しており、例えば、基板10に設けられた貫通孔に挿入されている。
Specifically, the
ソケット31の挿入孔311に光電変換素子20の正側端子24が挿入され、ソケット32の挿入孔に光電変換素子20の負側端子25が挿入され、光電変換素子20とソケット31及び32とが電気的及び機械的に接続されている。
The
光電変換素子20の正側端子24及び負側端子25が設けられている側と反対側において、基板21は接着層60を介して基板10の上面10aに固定されている。接着層60としては、例えば、樹脂系の接着剤や両面テープ等が挙げられる。光電変換素子20の交換等のメンテナンス性を考慮して、接着層60の接着力を設定することが好ましい。
The
このように、光電変換素子20を着脱可能な状態で基板10に実装することで、光電変換素子20に劣化や破損等の不具合が生じた場合に、容易に交換できる。
By mounting the
但し、上記の説明は光電変換素子20の実装方法の一例であり、必要に応じて、ソケット31及び32を用いず、光電変換素子20の正側端子24及び負側端子25を、はんだ等により、基板10のランドに接続してもよい。或いは、ソケット31及び32に代えて、2つの挿入孔を備えた1つのソケットを用いてもよい。
However, the above description is an example of a mounting method of the
又、基板21を基板10に代用することもでき、この場合、ソケット31及び32は不要となる。又、基板21がガラスの場合、発電部22とは反対側のガラス表面上に配線パターンを形成することで、後述する蓄電素子71及び72、スイッチ制御回路73、電圧制御回路74等を実装することも可能である。更に、基板21をガラス加工することで、雌型コネクタや雄型コネクタを形成することも可能である。このようにすることで、ソケット31及び32の設置を省くこができ、光電変換モジュール1の小型化を実現できる。
Further, the
雄型コネクタ41及び42は、平面視で基板10の長辺方向と略平行に、基板10の下面10bの側面10c側に所定間隔で実装されている。雄型コネクタ41及び42は、例えば、配線パターンを介して光電変換素子20と電気的に接続された雄型端子と、雄型端子を保持する雄型ハウジングとを備えており、雌型コネクタに挿入する側を基板10の外側(図1では左側)に向けて、基板10の下面10bに実装されている。
The
雄型コネクタ41及び42は、例えば、はんだにより、基板10の下面10bに設けられたランドと電気的及び機械的に接続されている。平面視において、雄型コネクタ41及び42の一部は、基板10の側面10cから外側に突起しており、突起した部分は、他の光電変換モジュール1の雌型コネクタ51及び52に挿入可能である。
The
雌型コネクタ51及び52は、平面視で基板10の長辺方向と略平行に、基板10の下面10bの側面10d側に所定間隔で実装されている。雌型コネクタ51及び52は、例えば、配線パターンを介して光電変換素子20と電気的に接続された雌型端子と、雌型端子を保持する雌型ハウジングとを備えており、雄型コネクタが挿入される側を基板10の外側(図1では右側)に向けて、基板10の下面10bに実装されている。
The
雌型コネクタ51及び52は、例えば、はんだにより、基板10の下面10bに設けられたランドと電気的及び機械的に接続されている。平面視において、雌型コネクタ51及び52は、基板10の側面10dから外側に突起していないが、他の光電変換モジュール1の雄型コネクタ41及び42との接続に支障がない程度に、側面10dから外側に突起してもよい。或いは、雌型コネクタ51及び52は、他の光電変換モジュール1の雄型コネクタ41及び42との接続に支障がない程度に、側面10dから基板10の内側に入り込んでもよい。
The
このように、雄型コネクタ41は雌型コネクタ51に挿入可能な形状であり、雄型コネクタ41が雌型コネクタ51に挿入されると、雄型コネクタ41の雄型端子と雌型コネクタ51の雌型端子とがコンタクトし、両者は電気的に接続される。
As described above, the
同様に、雄型コネクタ42は雌型コネクタ52に挿入可能な形状であり、雄型コネクタ42が雌型コネクタ52に挿入されると、雄型コネクタ42の雄型端子と雌型コネクタ52の雌型端子とがコンタクトし、両者は電気的に接続される。
Similarly, the
又、雄型コネクタ41と雄型コネクタ42のピッチは、雌型コネクタ51と雌型コネクタ52のピッチと等しい。
Further, the pitch of the
但し、雄型コネクタ41が雌型コネクタ51に挿入可能であり、雄型コネクタ42が雌型コネクタ52に挿入可能であれば、雄型コネクタ41と42の形状や大きさ等が同一であるか否か、雌型コネクタ51と52の形状や大きさが同一であるか否かは問わない。
However, if the
雄型コネクタ41及び42と雌型コネクタ51及び52とは、上記のような関係である。そのため、光電変換モジュール1の雄型コネクタ41及び42は、光電変換モジュール1の一方側に配置される他の光電変換モジュール1の雌型コネクタ51及び52と電気的及び機械的に接続可能である。又、光電変換モジュール1の雌型コネクタ51及び52は、光電変換モジュール1の他方側に配置される他の光電変換モジュール1の雄型コネクタ41及び42と電気的及び機械的に接続可能である。
The
但し、複数の光電変換モジュール1を相互に接続する必要がない場合には、雄型コネクタ41及び42並びに雌型コネクタ51及び52を基板10に設けなくてもよい。
However, when it is not necessary to connect the plurality of
図4は、第1実施形態に係る光電変換モジュールが有する回路について説明する図である。光電変換モジュール1は、図4に示す回路を有しており、図4に示す回路は、例えば、基板10の下面10bに実装できる。
FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit included in the photoelectric conversion module according to the first embodiment. The
図4において、3つの光電変換素子20は並列に接続されている。PV+は光電変換素子20の出力であり、PV−はGNDである。PV+とPV−の間には、蓄電素子71及び72が直接に接続されている。言い換えれば、蓄電素子71及び72は、光電変換素子20に並列接続されている。蓄電素子71及び72は、例えば、電気二重層コンデンサであり、光電変換素子20で発生した電力を蓄電する。蓄電素子を1つ又は3つ以上接続してもよい。
In FIG. 4, the three
蓄電素子71及び72の後段(後述のバッテリー75に近い側)には、スイッチ制御回路73が接続されている。スイッチ制御回路73は、蓄電素子71及び72の蓄電電圧が第1電圧以上になると後述のトランジスタQ2を導通させ、第2電圧以下になると遮断させるように制御する半導体集積回路である。
A
PV+とPV−の間には、抵抗R1、R2、及びR3が直列に接続されており、PV+とPV−の間の電圧を抵抗R1、R2、及びR3の比率で分圧した電圧が、スイッチ制御回路73のLTHIN端子及びHTHIN端子に接続されている。抵抗R1、R2、及びR3の比率で分圧されるHTHIN端子の電圧で第1電圧が設定され、LTHIN端子の電圧で第2電圧が設定される。例えば、第1電圧は4.9Vであり、第2電圧は4Vである。
Resistors R1, R2, and R3 are connected in series between PV + and PV-, and the voltage divided by the ratio of resistors R1, R2, and R3 between PV + and PV- is the switch. It is connected to the LTHIN terminal and the HTHIN terminal of the
スイッチ制御回路73の/LBO端子は、トランジスタQ1のゲートGに接続されると共に、抵抗R4によりPV−にプルダウンされている。トランジスタQ1のドレインDは、トランジスタQ2のゲートGに接続されると共に、抵抗R5によりPV+にプルアップされている。トランジスタQ1のソースSは、PV−に接続されている。
The / LBO terminal of the
トランジスタQ2は、PV+のラインに挿入されている。トランジスタQ2のソースSはスイッチ制御回路73側に接続され、トランジスタQ2のドレインDは電圧制御回路74側に接続されている。スイッチ制御回路73の制御によりトランジスタQ2が導通すると電圧制御回路74側にPV+が供給されるが、トランジスタQ2が遮断すると電圧制御回路74側には電圧が供給されない。
Transistor Q2 is inserted in the PV + line. The source S of the transistor Q2 is connected to the
電圧制御回路74は、トランジスタQ2を介して光電変換素子20に接続され、負荷(バッテリー75など電源供給先)に対する電圧を制御する半導体集積回路である。電圧制御回路74のOUT端子は、トランジスタQ3のゲートGに接続されると共に、抵抗R6によりPV−にプルダウンされている。トランジスタQ3のドレインDは、抵抗R7によりPV+にプルアップされている。トランジスタQ3のソースSは、PV−に接続されている。抵抗R7の抵抗値は、数100Ω程度の比較的低い値に設定されている。
The
なお、電圧制御回路74をスイッチ制御回路73よりも前段(光電変換素子20側)に配置することは好ましくない。電圧制御回路74の動作電圧をより高く設定しないとスイッチ制御回路73がトランジスタQ2をONにできないため、光電変換素子20を劣化させるおそれがあるためである。
It is not preferable to arrange the
本実施形態のように、電圧制御回路74をスイッチ制御回路73よりも後段(バッテリー75側)に配置することで、電圧制御回路74の動作電圧をスイッチ制御回路73がトランジスタQ2をONにする電圧(例えば、後述の図5の4.9V)よりも低く設定できる。そのため、光電変換素子20を劣化させるおそれを低減できる。
By arranging the
電圧制御回路74の後段には、光電変換モジュール1の出力端子81及び82を介してバッテリー75が接続されている。バッテリー75としては、例えば、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル・水素蓄電池等が挙げられる。以下、スイッチ制御回路73及び電圧制御回路74の動作について、詳しく説明する。
A battery 75 is connected to the subsequent stage of the
図5は、スイッチ制御回路及び電圧制御回路のタイムチャートの一例である。図5において、縦軸の電源電圧は、蓄電素子71及び72の電圧(PV+:トランジスタQ2のソースS側の電圧)である。又、縦軸の出力電圧は、出力端子81と出力端子82との間の電圧、すなわちGNDに対する出力端子81の電圧(トランジスタQ2のドレインD側の電圧)である。
FIG. 5 is an example of a time chart of the switch control circuit and the voltage control circuit. In FIG. 5, the power supply voltage on the vertical axis is the voltage of the
ここでは、一例として、スイッチ制御回路73によりトランジスタQ2がONになる電圧が4.9V、OFFになる電圧が4.0Vであるとする。又、電圧制御回路74がONになる電圧が4.8V、OFFになる電圧が4.6Vであるとする。又、一例として、初期状態で蓄電素子71及び72の電圧が4.5V弱であり、スイッチ制御回路73がOFF(トランジスタQ2のゲートGの電圧が'L')であるとする。
Here, as an example, it is assumed that the voltage at which the transistor Q2 is turned on by the
この場合、照明ONの状態では、光電変換素子20からの出力電流が蓄電素子71及び72に流れて蓄電素子71及び72が充電され、蓄電素子71及び72の電圧が4.5V弱から徐々に上昇していく。このタイミングでは、トランジスタQ2がOFFであるため、電圧制御回路74及びバッテリー75には電圧が供給されていない。
In this case, when the illumination is ON, the output current from the
蓄電素子71及び72の電圧が4.9Vに達すると、スイッチ制御回路73に制御されたトランジスタQ2がONになり(トランジスタQ2のゲートGの電圧が'H')、電圧制御回路74及びバッテリー75に電圧が供給され、バッテリー75の充電が開始される。
When the voltage of the
バッテリー75の充電が開始されると、蓄電素子71及び72からバッテリー75に電流が供給されるため蓄電素子71及び72の電圧が4.9Vから徐々に減少していくが、バッテリー75に内蔵された回路に制御されて、充電電圧は4.5V以下には下がらない。
When charging of the battery 75 is started, current is supplied to the battery 75 from the
照明ONの状態が継続してバッテリー75が満充電になると、バッテリー75側の制御回路により出力端子81及び82とバッテリー75との接続が遮断され、光電変換素子20からの出力電流が蓄電素子71及び72に流れて蓄電素子71及び72が充電され、蓄電素子71及び72の電圧が4.5Vから再び上昇していく。しかし、蓄電素子71及び72の電圧が4.8Vに達すると電圧制御回路74がONになりR7にも電流が流れるため、蓄電素子71及び72の電圧は4.8V以上には上昇せずに、下降し始める。
When the lighting is ON and the battery 75 is fully charged, the control circuit on the battery 75 side cuts off the connection between the output terminals 81 and 82 and the battery 75, and the output current from the
蓄電素子71及び72の電圧が4.6Vまで下降すると電圧制御回路74がOFFになるため、R7に電流が流れなくなり、蓄電素子71及び72の電圧は再び上昇する。以降、電圧制御回路74が同様の動作を繰り返すため、蓄電素子71及び72の電圧は4.6Vと4.8Vとの間で周期的に変化する。
When the voltage of the
照明の状態が弱くなり、バッテリー75が自己放電等で満充電ではなくなると、バッテリー75側の制御回路により出力端子81及び82とバッテリー75とが接続されて再び充電が開始される。このとき、蓄電素子71及び72の電圧が4.6Vより下がり、バッテリー75に内蔵された回路に制御されて、充電電圧は4.5Vとなる。
When the lighting condition becomes weak and the battery 75 is not fully charged due to self-discharge or the like, the output terminals 81 and 82 are connected to the battery 75 by the control circuit on the battery 75 side, and charging is restarted. At this time, the voltage of the
照明がOFFになると、蓄電素子71及び72が充電されなくなるため、蓄電素子71及び72の電圧は徐々に低下し、4.0Vに達すると、スイッチ制御回路73に制御されたトランジスタQ2がOFFになり(トランジスタQ2のゲートGの電圧が'L')、電圧制御回路74及びバッテリー75には電圧が供給されなくなる。この状態では、バッテリー75は全く充電されない。
When the illumination is turned off, the
図4の回路において、スイッチ制御回路73を設ける目的は、光電変換素子20とバッテリー75を直接接続すると、蓄電素子71及び72の電圧が十分上昇する前に充電を開始しようとするため、バッテリー75の充電開始に必要な大電流を確保できず、結果的にバッテリー75の充電を開始できないためである。
In the circuit of FIG. 4, the purpose of providing the
光電変換素子20とバッテリー75との間にスイッチ制御回路73を介在させ、蓄電素子71及び72の電圧が十分上昇(例えば、4.9V)するまではスイッチ制御回路73の制御によりバッテリー75には電流を供給しない。そして、蓄電素子71及び72の電圧が十分上昇(例えば、4.9V)してからスイッチ制御回路73の制御によりバッテリー75に電流を供給することで、バッテリー75の充電開始に必要な大電流を確保でき、バッテリー75の充電を確実に開始可能となる。
A
バッテリー75の充電開始に必要な初期電流値をI、蓄電素子71及び72の容量をC、光電変換素子20の負荷稼働電圧をVX、光電変換素子20の開放電圧をVOCとしたときに、スイッチ制御回路73のオン電圧VBは、VX+I/C≦VB≦VOCを満たすことが好ましい。
When the initial current value required to start charging the battery 75 is I, the capacities of the
ここで、負荷稼働電圧VX+とは、光電変換素子20に接続されるデバイスの動作電圧であり、本実施形態では、光電変換素子20に接続されるバッテリー75の定常時の充電電圧である。負荷稼働電圧VX+(バッテリー75の定常時の充電電圧)は、例えば、4.5Vである。又、光電変換素子20の開放電圧VOCは、例えば、6.2Vである。
Here, the load operating voltage V X + is the operating voltage of the device connected to the
又、スイッチ制御回路73のオン電圧VBとは、スイッチ制御回路73の制御によりトランジスタQ2が導通するときの蓄電素子71及び72の蓄電電圧、すなわち前述の第1電圧である。
The on-voltage V B of the
スイッチ制御回路73のオン電圧VBの範囲をVX+I/C≦VB≦VOCにする理由は、以下の通りである。すなわち、コンデンサに流れる電流の式(I=C・ΔV/Δt)より、ΔV=I・Δt/Cとなる。更に、ΔV=VB−VXであるから、VB−VX=I・Δt/Cとなる。ここで、Δt=1sとすると、VB=I/C+VXとなる。 The reason for setting the range of the on-voltage V B of the switch control circuit 73 to V X + I / C ≤ V B ≤ V OC is as follows. That is, from the equation of the current flowing through the capacitor (I = C · ΔV / Δt), ΔV = I · Δt / C. Further, since ΔV = V B− V X , V B− V X = I · Δt / C. Here, if Δt = 1s, then V B = I / C + V X.
つまり、電流Iを流してバッテリー75の充電を開始させるには、スイッチ制御回路73のオン電圧VBがI/C+VX以上であればよい。すなわち、VX+I/C≦VBを満たせばよい。
That is, in order to allow the current I to flow and start charging the battery 75, the on-voltage V B of the
例えば、I=30mA、C=350mF、Vx=4.5Vであるとすると、VB=30mA×1s/350mF+4.5V=4.6Vとなる。この場合、スイッチ制御回路73のオン電圧VBを4.6V以上とすれば、トランジスタQ2が導通するとバッテリー75に一気に電流が流れてバッテリー75の充電が開始される。
For example, if I = 30mA, C = 350mF, and Vx = 4.5V, then V B = 30mA × 1s / 350mF + 4.5V = 4.6V. In this case, if the on-voltage V B of the
なお、PV+が電圧VBまで到達しないと、トランジスタQ2を導通させることができない。そのため、VB≦VOCを満たす必要がある。
又、スイッチ制御回路73のオフ電圧VCは、VX>VCを満たすことが好ましい。ここで、スイッチ制御回路73のオフ電圧VCとは、スイッチ制御回路73の制御によりトランジスタQ2が遮断するときの蓄電素子71及び72の蓄電電圧、すなわち前述の第2電圧である。
If PV + does not reach the voltage V B , the transistor Q2 cannot be conducted. Therefore, it is necessary to satisfy V B ≤ V OC.
Also, off-voltage V C of the switch control circuit 73, it is preferable to satisfy the V X> V C. Here, the OFF voltage V C of the
スイッチ制御回路73のオフ電圧VCの範囲をVX>VCとしないと、デバイスが動作しないにも関わらずデバイスへ電流を流し続けることになる。
When the range of the off-voltage V C of the
又、図4の回路において、電圧制御回路74を設ける目的は、光電変換素子20が開放状態にならないよう制御することで、光電変換素子20の出力低下を抑制するためである。これについて、以下に説明する。
Further, in the circuit of FIG. 4, the purpose of providing the
図6は、光電変換素子の短絡/開放による最大電力維持率を例示する図である。図6は、光電変換素子20に1500lxの光を照射した場合の最大電力維持率を示しており、縦軸の1が最大電力である。光電変換素子20としては、色素増感型太陽電池を用いている。
FIG. 6 is a diagram illustrating a maximum power retention rate due to a short circuit / opening of a photoelectric conversion element. FIG. 6 shows the maximum power retention rate when the
図6において、実線は、光電変換素子20を短絡した状態で1500lxの光を照射した場合の最大電力維持率である。一点鎖線は、光電変換素子20を開放した状態で1500lxの光を照射した場合の最大電力維持率である。開放において、開放電圧(Voc)は、約6.2Vである。
In FIG. 6, the solid line is the maximum power retention rate when the
図6に示すように、光電変換素子20を短絡した状態で光を照射すると、時間と共に最大電力維持率が低下するが、光電変換素子20を開放した状態で光を照射した場合よりも最大電力維持率が高くなる。すなわち、光電変換素子20に開放状態で光を照射すると出力が低下するため、光電変換素子20が開放状態にならないように制御することが好ましい。
As shown in FIG. 6, when light is irradiated with the
バッテリー75が満充電状態になると、過充電防止等のためにバッテリー75側の制御回路がバッテリー75と光電変換素子20との接続を遮断する。この場合、光電変換素子20の出力が開放状態となるが、電圧制御回路74を設けることで、バッテリー75への充電電圧(出力端子81での電圧)は4.8Vよりも大きくなることはない。
When the battery 75 is fully charged, the control circuit on the battery 75 side cuts off the connection between the battery 75 and the
つまり、電圧制御回路74を設けることで、光電変換素子20に開放状態で光が照射される状態を回避可能となり、光電変換素子20の出力低下が抑制され、最大電力維持率を良好な状態に維持できる。
That is, by providing the
本実施形態では、光電変換素子20の負荷稼働電圧をVx、光電変換素子20の最大出力電圧をVMAXとしたときに、電圧制御回路74の制御電圧VAは、VX≦VA≦VMAXの範囲内である。なお、光電変換素子20の最大出力電圧VMAXは、光電変換素子20が光を受けて発電する際の出力特性を縦軸に電力、横軸に電圧をとって表現した場合に、電力が最大となるときの電圧である。
In this embodiment, the load operating voltage of the
制御電圧VAが光電変換素子20の最大出力電圧VMAXを超えて光電変換素子20の開放電圧VOCに近づくにつれ、光電変換素子20の電極部の電位差が大きくなる。その結果、光電変換によって生じた電荷が光電変換素子20内に留まって電荷が流れなくなり、光電変換素子20内で失活する。
As the control voltage VA exceeds the maximum output voltage VMAX of the
光電変換によって生じた電荷が光電変換素子20内で失活する理由は、例えば、光電変換素子20が色素増感型太陽電池である場合、光電変換によって生じた電荷の一部によって光電変換素子20内の有機材料が化学反応を起こし、特性が劣化するためと考えられる。制御電圧VA≦最大出力電圧VMAXであれば、電荷が光電変換素子20内に溜まることなくスムーズに流れるため、有機材料の化学反応が生じなくなり、光電変換素子20の特性の劣化を抑制できる。
The reason why the electric charge generated by the photoelectric conversion is deactivated in the
したがって、電圧制御回路74の制御電圧VAは、VA≦VMAXを満たすことで劣化を防ぐことができる。満充電状態が解除されたときに、制御電圧VAが負荷稼働電圧Vx(例えば、バッテリー75であれば充電電圧)よりも低いと、充電開始に時間がかかるため、負荷稼働電圧Vx以上に維持しておくことが望ましい。但し、長期間満充電の状態となる場合など、抵抗等(例えば、図4のR7)での発熱も生じるため、あえて制御電圧VAを負荷稼働電圧Vx未満に低下させておくこともできる。
Therefore, the control voltage VA of the
又、仮に制御電圧VAは、VA≦VMAXのみに制御する場合であれば、電圧制御回路74に変えて、ツェナーダイオードにてVMAX以上の電圧にならないようにすることもできる。このツェナーダイオードは、たとえば、出力端子81とスイッチ制御回路73との間に接続される。本発明でいう電圧制御回路には、ツェナーダイオードも含まれる。
Further, if the control voltage V A is in the case of controlling only the V A ≦ V MAX, in place of the
光電変換素子20の負荷稼働電圧Vxは例えば4.5Vであり、光電変換素子20の最大出力電圧VMAXは例えば5.5Vである。図5を参照して説明した例では、制御電圧VAは4.6V以上4.8V以下であるため、VX≦VA≦VMAXを満たしている。
Load operating voltage Vx of the
〈第1実施形態の変形例1〉
第1実施形態の変形例1では、電圧制御回路にリセット機能を追加する例を示す。なお、第1実施形態の変形例1において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<
図7は、第1実施形態の変形例1に係る光電変換モジュールが有する回路について説明する図である。図7に示す光電変換モジュール1Aの回路は、電圧制御回路74が電圧制御回路74Aに置換された点、CPU76が追加された点が、図4に示す光電変換モジュール1の回路と相違する。ここで、CPU76は、例えば、モバイルプロジェクター等のバッテリー搭載の負荷側システム90を制御するシステム内蔵のコントローラーICである。
FIG. 7 is a diagram illustrating a circuit included in the photoelectric conversion module according to the first modification of the first embodiment. The circuit of the
電圧制御回路74Aは、電圧制御回路74の機能に加え、電源電圧の低下を検出してリセット信号を出力する端子を有する。すなわち、電圧制御回路74Aは、電圧制御回路74にCPU76等をリセットするリセット信号を出力端子83から出力するOUT1端子が追加された半導体集積回路である。電圧制御回路74Aは、例えば、基準電位やヒステリシスコンパレータ等を内蔵しており、例えば、OUT端子はCMOS出力、OUT1端子はNchオープンドレイン出力である。OUT1端子は、CPU76のRESET端子に接続され、R8によりCPU76の電源にプルアップされている。
The
図8は、電圧制御回路のOUT/OUT1のタイムチャートの一例である。図8において、電源電圧は、電圧制御回路74AのVDD端子の電圧である。又、出力電圧は、OUT/OUT1から出力される電圧である。電圧制御回路74Aに内蔵されるヒステリシスコンパレータにより、解除電圧(+VDET)、検出電圧(−VDET)との間にヒステリシス幅が生じる。
FIG. 8 is an example of the OUT / OUT1 time chart of the voltage control circuit. In FIG. 8, the power supply voltage is the voltage of the VDD terminal of the
図8に示すように、電源電圧が検出電圧よりも大きければ、Nchオープンドレイン出力であるOUT1はプルアップ電圧と等しくなり、CMOS出力であるOUT端子は電源電圧と等しくなる。 As shown in FIG. 8, if the power supply voltage is larger than the detection voltage, the Nch open drain output OUT1 becomes equal to the pull-up voltage, and the CMOS output OUT terminal becomes equal to the power supply voltage.
電源電圧が検出電圧以下になると、電圧制御回路74Aに内蔵されるヒステリシスコンパレータの出力が反転し、OUT端子及びOUT1端子の出力はGNDになる。このとき、OUT1端子に接続されているCPU76がリセットされる。
When the power supply voltage becomes equal to or lower than the detection voltage, the output of the hysteresis comparator built in the
電源電圧が更に下がって電圧制御回路74Aの最低動作電圧VDDL以下になると、出力電圧は不定となるが、OUT1端子はNchオープンドレイン出力であるため、プルアップ電圧が出力される。
When the power supply voltage further drops to the minimum operating voltage V DDL of the
電源電圧が解除電圧以上になると、電圧制御回路74Aに内蔵されるヒステリシスコンパレータの出力が反転し、OUT1はプルアップ電圧と等しくなり、OUT端子は電源電圧と等しくなる。なお、出力電圧がHからLになるときにはtPHLのディレイがあり、出力電圧がLからHになるときにはtPLHのディレイがある。
When the power supply voltage becomes equal to or higher than the release voltage, the output of the hysteresis comparator built in the
このように、電圧制御回路にリセット機能を追加することにより、光電変換素子20が接続される回路にCPUが含まれている場合に、CPUをリセットすることができる。
By adding the reset function to the voltage control circuit in this way, the CPU can be reset when the circuit to which the
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, they are not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications and substitutions are made to the above-mentioned embodiments and the like without departing from the scope of claims. Can be added.
例えば、以上の説明では、光電変換素子同士が並列に接続されている例を示したが、光電変換素子同士が直列に接続されてもよいし、並列に接続された光電変換素子と直列に接続された光電変換素子とが混在してもよい。 For example, in the above description, the examples in which the photoelectric conversion elements are connected in parallel are shown, but the photoelectric conversion elements may be connected in series or connected in series with the photoelectric conversion elements connected in parallel. The photoelectric conversion element may be mixed.
1、1A、6 光電変換モジュール
10 基板
10a 上面
10b 下面
10c、10d 側面
20、201、202 光電変換素子
21、23 基板
22 発電部
24 正側端子
25 負側端子
31、32 ソケット
41、42 雄型コネクタ
51、52 雌型コネクタ
60 接着層
71、72 蓄電素子
73 スイッチ制御回路
74 電圧制御回路
75 バッテリー
76 CPU
81、82、83 出力端子
90 負荷側システム
221 基板
222 第1電極
223 ホールブロッキング層
224 電子輸送層
225 光増感化合物
226 ホール輸送層
227 第2電極
311 挿入孔
1, 1A, 6
81, 82, 83 Output terminal 90
Claims (8)
前記光電変換素子に接続され、負荷に対する電圧を制御する電圧制御回路と、を有し、
前記光電変換素子の最大出力電圧をVMAXとしたときに、
前記電圧制御回路の制御電圧VAは、VA≦VMAXの範囲内であることを特徴とする光電変換モジュール。 The photoelectric conversion element mounted on the substrate and
It has a voltage control circuit that is connected to the photoelectric conversion element and controls the voltage with respect to the load.
When the maximum output voltage of the photoelectric conversion element is VMAX ,
A photoelectric conversion module characterized in that the control voltage VA of the voltage control circuit is within the range of VA ≤ VMAX.
前記蓄電素子に接続されたスイッチ制御回路と、
前記電圧制御回路に接続されたバッテリーと、を有し、
前記バッテリーの充電開始に必要な初期電流値をI、前記蓄電素子の容量をC、前記光電変換素子の開放電圧をVOCとしたときに、
前記スイッチ制御回路のオン電圧VBは、VX+I/C≦VB≦VOCを満たし、
前記スイッチ制御回路のオフ電圧VCは、VX>VCを満たすことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の光電変換モジュール。 A power storage element connected in parallel to the photoelectric conversion element and
The switch control circuit connected to the power storage element and
With a battery connected to the voltage control circuit,
When the initial current value required to start charging the battery is I, the capacity of the power storage element is C, and the open circuit voltage of the photoelectric conversion element is VOC ,
The on-voltage V B of the switch control circuit satisfies V X + I / C ≤ V B ≤ V OC.
Off voltage V C of the switch control circuit includes a photoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 4, characterized in that satisfy V X> V C.
前記光電変換素子同士が並列又は直列に接続されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の光電変換モジュール。 A plurality of the photoelectric conversion elements are mounted on the substrate, and the photoelectric conversion elements are mounted on the substrate.
The photoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 5, wherein the photoelectric conversion elements are connected in parallel or in series.
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