JP2023097995A

JP2023097995A - 太陽電池パネルおよび太陽電池システム

Info

Publication number: JP2023097995A
Application number: JP2021214443A
Authority: JP
Inventors: 康文鈴木; Yasufumi Suzuki; 啓暢土方; Yoshimasa Hijikata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-07-10
Also published as: WO2023127318A1

Abstract

【課題】透明性確保と高変換効率との両立を可能とする太陽電池パネルおよび太陽電池システムを提供する。
【解決手段】太陽光を受光して発電するとともに、透光性を有する太陽電池層４と、可視光を反射させる鏡状態と可視光を透過させる透過状態とを切り替え可能な透過／反射切替層５と、を備える。これによれば、透過／反射切替層５を設けることで、透過／反射切替層５を透過状態に切り替えることにより透明性を確保することができる。また、透過／反射切替層５を反射状態に切り替えることにより、太陽光を反射させて太陽電池層４に入射させることで太陽電池層４における発電効率を向上させることができる。その結果、透明性確保と高変換効率との両立を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池パネルおよび太陽電池システムに関する。

従来、太陽電池は、太陽光を電気エネルギに変換する変換層と、変換層の両側に設けられた電極を備えている。太陽光透過側の電極は透明導電層が用いられ、反対側の電極は光を反射させる金属板が用いられている。太陽電池に入射した光を金属板で反射させて変換層に導くことにより、入射光の有効利用を図り、太陽電池の変換効率を向上させている。しかしながら、金属板により透明性が失われるため、透視を必要とするガラス部に太陽電池を適用することは困難であった。

これに対し、特許文献１には、住宅・ビルの窓ガラスに透光性の太陽電池を適用する技術が開示されている。

特許第５６０８９７３号公報

しかしながら、上記特許文献１の太陽電池では、透明性を確保するために、変換層の両側の電極をともに透明導電層で構成する必要がある。このため、入射光の有効利用ができず、太陽電池の変換効率が低下する可能性がある。

本発明は、上記点に鑑みて、透明性確保と高変換効率との両立を可能とする太陽電池パネルおよび太陽電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の太陽電池パネルは、太陽光を受光して発電するとともに、透光性を有する太陽電池層（４）と、
可視光を反射させる鏡状態と可視光を透過させる透過状態とを切り替え可能な透過／反射切替層（５）と、を備える。

これによれば、透過／反射切替層（５）を設けることで、透過／反射切替層（５）を透過状態に切り替えることにより透明性を確保することができる。また、透過／反射切替層（５）を反射状態に切り替えることにより、太陽光を反射させて太陽電池層（４）に入射させることで太陽電池層（４）における発電効率を向上させることができる。その結果、透明性確保と高変換効率との両立を図ることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る太陽電池システムの全体構成を示す概念図である。第１実施形態の太陽電池パネルにおける太陽光の反射状態を示す説明図である。第１実施形態の太陽電池パネルにおける太陽光の透過状態を示す説明図である。第２実施形態に係る太陽電池システムの全体構成を示す概念図である。第３実施形態に係る太陽電池システムの全体構成を示す概念図である。第４実施形態に係る太陽電池システムの全体構成を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態の太陽電池システムは、車両に搭載されており、車両用太陽電池システムに適用されている。

図１に示すように、本実施形態の太陽電池システム１００は、太陽電池パネル１、制御装置２および乗降センサ３を備えている。太陽電池パネル１は、車両の窓部に設けられている。具体的には、太陽電池パネル１は、車両のウインドシールド、ドアガラス、サンルーフおよびリアガラスの少なくとも１つに設けられている。本実施形態では、太陽電池パネル１は、車両のウインドシールドに着脱自在に設けられている。

太陽電池パネル１は、太陽電池層４および透過／反射切替層５を備えている。太陽電池パネル１は、太陽電池層４および透過／反射切替層５が積層されて構成されている。太陽電池層４は、太陽光を受光して発電するとともに、透光性を有する太陽電池である。透過／反射切替層５は、可視光を反射させる鏡状態と、可視光を透過させる透過状態とを切り替え可能に構成されている。

太陽電池層４は、太陽光を電気エネルギに変換する変換層４１と、変換層４１の両側に設けられる透明電極膜４２ａ、４２ｂとを備えている。変換層４１は、透光性を有する半導体材料で構成されている。変換層４１は、例えばシリコン系の半導体材料によって構成されている。なお、本明細書において「透光性を有する」とは、完全に透明なことのみを意味するものではなく、光を透過させる性質を有することを意味している。このため、変換層４１は、例えば半透明であってもよい。

透明電極膜４２ａ、４２ｂは、例えばＩＴＯ（スズ添加酸化インジウム）やＦＴＯ（フッ素添加酸化スズ）等の透明電極材料により構成されている。透明電極膜４２ａ、４２ｂは、湾曲可能な透明導電膜で構成されていてもよい。また、透明電極膜は、カーボンナノチューブで構成されていてもよい。

以下、透明電極膜４２ａ、４２ｂのうち、透過／反射切替層側５に配置されるものを内側透明電極膜４２ａといい、透過／反射切替５層と反対側に配置されるものを外側透明電極膜４２ｂという。

外側透明電極膜４２ｂは、変換層４１よりも外側に配置されている。内側透明電極膜４２ａは、変換層４１よりも内側に配置されている。

内側透明電極膜４２ａおよび外側透明電極膜４２ｂは、コンバーター４３を介して蓄電池４４および負荷４５に電気的に接続されている。蓄電池４４および負荷４５は、どちらか一方を省略してもよい。負荷４５は、蓄電池４４に蓄えられた電気エネルギを利用することもできる構成にしてもよい。

コンバーター４３は、ＤＣ－ＤＣコンバーター、ＤＣ－ＡＣコンバーター、ＡＣ－ＡＣコンバーターなど変圧や直流交流変換などの電力変換を行う回路又は素子を含む装置である。コンバーター４３の構成は、発電電圧、蓄電池４４や負荷４５の構成に応じて好適な構成を採用することができる。

太陽電池パネル１に含まれる受光した太陽電池層４が発電し、その電気エネルギは、コンバーター４３で変換され、蓄電池４４で蓄えられるか、負荷４５で消費される。

透過／反射切替層５は、エレクトロクロミック層として構成されている。透過／反射切替層５は、鏡状態と透過状態とを電気的に切り替え可能に構成されている。透過／反射切替層５は、透明導電膜５１、イオン貯蔵層５２、固体電解質層５３、バッファー層５４、触媒層５５、調光ミラー層５６を、積層することにより形成されている。

透明導電膜５１としては、ＩＴＯを用いることができる。イオン貯蔵層５２としては、ＷＯ_３を用いることができる。固体電解質層５３としては、Ｔａ_２Ｏ_５を用いることができる。バッファー層５４としては、Ａｌを用いることができる。触媒層５５としては、Ｐｄを用いることができる。調光ミラー層５６としては、エレクトロクロミック材料としてのＭｇ－Ｎｉ合金等を用いることができる。なお、透明導電膜５１、イオン貯蔵層５２、固体電解質層５３、バッファー層５４、触媒層５５および調光ミラー層５６は、上述したものに限定されず、他の材質を用いてもよい。

透明導電膜５１、イオン貯蔵層５２、固体電解質層５３、バッファー層５４、触媒層５５および調光ミラー層５６は、それぞれマグネトロンスパッタ装置で室温成膜可能である。そして、調光ミラー層５６および透明導電膜５１は、切替用電源６の電力を供給する電極として作用する。切替用電源６のオンオフ、すなわち調光ミラー層５６および透明導電膜５１に対する電圧の印加・非印加は、制御装置２によって制御される。切替用電源６は、直流電源を用いることができる。

透過／反射切替層５の初期状態は鏡状態である。５Ｖ程度の電圧を印加するとイオン貯蔵層５２中に蓄えられている水素イオンが調光ミラー層５６中に移動し、金属状態のＭｇ－Ｎｉ合金が水素化されて非金属状態になることにより透明に変化し、透過状態となる。また極性を反転し、－５Ｖ程度の電圧を印加すると水素イオンがイオン貯蔵層５６中へ戻り、調光ミラー層５６は元の金属状態に戻り、鏡状態に戻る。したがって、本実施形態の調光ミラー層５６は、太陽電池層４と透過／反射切替層５との間に設けられるとともに、透過／反射切替層５の鏡状態と透過状態とを電気的に切り替える切替電極の一例に相当する。

制御装置２は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置２は、そのＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、直流電源６による調光ミラー層５６および透明導電膜５１に対する電圧の印加を制御する。本実施形態の制御装置２は、制御部の一例に相当する。

制御装置２の入力側には、乗降センサ３が接続されている。乗降センサ３は、乗員の乗降状態を検出する乗降検出部である。制御装置２には、乗降センサ３の検出信号が入力される。本実施形態の乗降検出部は、検出部の一例に相当する。

乗降センサ３は、乗員の乗車動作及び降車動作を検知する。乗降センサ３は、例えば、シートに装着される圧力センサを適用することができる。なお、乗降センサ３に代えて、図示しない車載カメラによる撮像画像に基づいて、乗員の乗車動作および降車動作を検知することもできる。また、乗員の乗車動作を検知するセンサと降車動作を検知するセンサを別々に設けてもよい。

次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。なお、図２および図３では、イオン貯蔵層５２、固体電解質層５３、バッファー層５４および触媒層５５の図示を省略している。

本実施形態の太陽電池システム１００では、制御装置２は、乗降センサ３により乗員が降車していると検出された場合に、切替用電源６をオフにして、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替える。これにより、図２に示すように、太陽電池パネル１に入射した太陽光は、透過／反射切替層５の調光ミラー層５６により反射して、太陽電池層４の変換層４１に再度入射して発電（すなわち、エネルギ変換）が行われる。

また、制御装置２は、乗降センサ３により乗員が乗車していると検出された場合に、切替用電源６をオンにして、透過／反射切替層５を透過状態に切り替える。これにより、図３に示すように、太陽電池パネル１に入射した太陽光は、透過／反射切替層５を透過する。

以上説明したように、本実施形態の太陽電池パネル１では、鏡状態と透過状態とを切り替え可能な透過／反射切替層５を備えている。これによれば、透過／反射切替層５を透過状態に切り替えることにより透明性を確保することができる。また、透過／反射切替層５を反射状態に切り替えることにより、太陽光を反射させて太陽電池層４に入射させることで太陽電池層４における発電効率を向上させることができる。その結果、透明性確保と高変換効率との両立を図ることができる。

また、本実施形態の太陽電池システム１００では、乗降センサ３により乗員が降車していると検出された場合に、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替えて、入射した太陽光を調光ミラー層５６により反射させて太陽電池層４に再度入射させる。これによれば、乗員が降車しており窓ガラスの透明性を確保する必要がない場合に、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替えることにより、太陽電池層４における発電効率を向上させることができる。

また、本実施形態の太陽電池システム１００では、乗降センサ３により乗員が乗車していると検出された場合に、透過／反射切替層５を透過状態に切り替えて、太陽光を透過させる。これによれば、乗員が乗車しており窓ガラスの透明性を確保する必要がある場合に、透過／反射切替層５を透過状態に切り替えることにより、透明性を確保することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４に基づいて説明する。図４に示すように、本実施形態の太陽電池システム１００は、検出部として、車両の停車状態を検出する停車検出部３Ａを有している。停車検出部３Ａは、例えば、車両の進行方向を切り替えるシフトの切替状態により停車状態を検出する。

具体的には、本実施形態の太陽電池システム１００は、停車検出部３Ａとして、シフトセンサ３１を有している。シフトセンサ３１は、制御装置２の入力側に接続されている。シフトセンサ３１は、シフトの状態、具体的には、ギヤ位置を検出するセンサである。シフトの状態は、前進を進行方向とするドライブ（Ｄ）や、後進を進行方向とするリバース（Ｒ）、パーキング（Ｐ）、ニュートラル（Ｎ）等である。

本実施形態の太陽電池システム１００では、制御装置２は、停車検出部３Ａにより車両が停車していると検出された場合に、切替用電源６をオフにして、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替える。具体的には、制御装置２は、シフトセンサ３１によりシフトの状態がパーキングであると検出された場合に、切替用電源６をオフにして、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替える。これにより、太陽電池パネル１に入射した太陽光は、透過／反射切替層５の調光ミラー層５６により反射して、太陽電池層４の変換層４１に再度入射して発電が行われる。

また、制御装置２は、停車検出部３Ａにより車両が停車していないと検出された場合に、切替用電源６をオンにして、透過／反射切替層５を透過状態に切り替える。具体的には、制御装置２は、シフトセンサ３１によりシフトの状態がパーキング以外であると検出された場合に、切替用電源６をオンにして、透過／反射切替層５を透過状態に切り替える。これにより、太陽電池パネル１に入射した太陽光は、透過／反射切替層５を透過する。

その他の太陽電池パネル１および太陽電池システム１００の構成および作動は、第１実施形態と同様である。したがって、本実施形態の太陽電池システム１００においても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。すなわち、本実施形態の太陽電池システム１００によれば、透明性確保と高変換効率との両立を図ることができる。

また、本実施形態の太陽電池システム１００では、停車検出部３Ａにより車両が停車していると検出された場合に、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替えて、入射した太陽光を調光ミラー層５６により反射させて太陽電池層４に再度入射させる。これによれば、車両が停車しており窓ガラスの透明性を確保する必要がない場合に、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替えることにより、太陽電池層４における発電効率を向上させることができる。

また、本実施形態の太陽電池システム１００では、停車検出部３Ａにより車両が停車していないと検出された場合に、透過／反射切替層５を透過状態に切り替えて、太陽光を透過させる。これによれば、車両が停車しておらず（すなわち、運転中であり）、窓ガラスの透明性を確保する必要がある場合に、透過／反射切替層５を透過状態に切り替えることにより、透明性を確保することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５に基づいて説明する。図５に示すように、本実施形態の太陽電池システム１００は、検出部として、光の強さを検出する光センサ３Ｂを有している。光センサ３Ｂは、光検出部の一例に相当する。

制御装置２は、光センサ３Ｂにより検出された光の強さが予め定めた基準強さ以上の場合に、切替用電源６をオフにして、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替える。これにより、太陽電池パネル１に入射した太陽光は、透過／反射切替層５の調光ミラー層５６により反射して、太陽電池層４の変換層４１に再度入射して発電が行われる。

また、制御装置２は、光センサ３Ｂにより検出された光の強さが基準強さを下回っている場合に、切替用電源６をオンにして、透過／反射切替層５を透過状態に切り替える。これにより、太陽電池パネル１に入射した太陽光は、透過／反射切替層５を透過する。

また、本実施形態の太陽電池システム１００では、光センサ３Ｂにより検出された光の強さが基準強さ以上の場合に、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替えて、入射した太陽光を調光ミラー層５６により反射させて太陽電池層４に再度入射させる。これによれば、太陽電池パネル１に入射する光の強さが強い場合に、透過／反射切替層５を鏡状態に切り替えることにより、太陽電池層４における発電効率を向上させることができる。

また、本実施形態の太陽電池システム１００では、光センサ３Ｂにより検出された光の強さが基準強さを下回っている場合に、透過／反射切替層５を透過状態に切り替えて、太陽光を透過させる。これによれば、太陽電池パネル１に入射する光の強さが弱い場合に、透過／反射切替層５を透過状態に切り替えることにより、透明性を確保することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図６に基づいて説明する。図６に示すように、本実施形態の太陽電池システム１００では、上記第１実施形態に対して、透過／反射切替層５の調光ミラー層５６が廃止されている。また、内側透明電極膜４２ａは、エレクトロクロミック材料としてのＭｇ－Ｎｉ合金等で構成されている。内側透明電極膜４２ａは、切替用電源６に電気的に接続されている。

これにより、内側透明電極膜４２ａは、透過／反射切替層５の調光ミラー層５６として機能する。すなわち、内側透明電極膜４２ａは、太陽電池層４の電極としての役割と、透過／反射切替層５の調光ミラー層５６としての役割とを兼ねている。その結果、透過／反射切替層５に別途調光ミラー層５６を設ける必要がなくなるので、太陽電池パネル１のコストを低減できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

（１）上述した実施形態では、透過／反射切替層５を、エレクトロクロミック層として構成し、鏡状態と透過状態とを電気的に切り替え可能に構成した例について説明したが、透過／反射切替層５はこの態様に限定されない。例えば、透過／反射切替層５を、鏡状態と透過状態とを機械的に物理的に切り替え可能に構成してもよい。具体的には、透過／反射切替層５として反射板やロールカーテン等を採用し、電動または手動により鏡状態と透過状態とを切り替えてもよい。

（２）上述した実施形態では、透過／反射切替層５の初期状態を鏡状態とし、電圧を印加することにより透過状態に切り替えた例について説明したが、透過／反射切替層５はこの態様に限定されない。例えば、透過／反射切替層５の初期状態を透過状態とし、電圧を印加することにより鏡状態に切り替えてもよい。この場合、車両の安全性を向上させることができる。

（３）上述した実施形態では、本発明の太陽電池パネル１を、車両の窓に適用した例について説明したが、この態様に限定されない。本発明の太陽電池パネル１を、住宅・ビル等のガラス窓に適用してもよい。

（４）上述した第２実施形態では、停車検出部としてシフトセンサ３Ａを採用した例について説明したが、停車検出部はこの態様に限定されない。例えば、停車検出部として、車両の速度（すなわち、車速）を検出する車速センサを採用してもよい。例えば、車速センサは、車両の車軸の回転数に応じたパルス信号を制御装置２へ出力する。そして、制御装置２は、車速センサにより車速が０であると検出された場合に、車両が停止状態であると判定してもよい。

４太陽電池層
５透過／反射切替層

Claims

太陽光を受光して発電するとともに、透光性を有する太陽電池層（４）と、
可視光を反射させる鏡状態と可視光を透過させる透過状態とを切り替え可能な透過／反射切替層（５）と、を備える太陽電池パネル。
前記太陽電池層は、
太陽光を電気エネルギに変換するとともに、透光性を有する変換層（４１）と、
前記変換層の両側に設けられる透明電極膜（４２ａ、４２ｂ）と、を備える請求項１に記載の太陽電池パネル。
前記太陽電池層と前記透過／反射切替層との間には、前記透過／反射切替層の前記鏡状態と前記透過状態とを電気的に切り替える切替電極（５６）が設けられている請求項２に記載の太陽電池パネル。
前記透明電極膜として、前記透過／反射切替層側に配置される内側透明電極膜（４２ａ）と、前記透過／反射切替層と反対側に配置される外側透明電極膜（４２ｂ）と、を有しており、
前記内側透明電極膜は、前記透過／反射切替層の前記鏡状態と前記透過状態とを切り替える請求項２に記載の太陽電池パネル。
前記透明電極膜は、湾曲可能な透明導電膜である請求項２ないし４のいずれか１つに記載の太陽電池パネル。
前記透明電極膜は、カーボンナノチューブで構成されている請求項２ないし５のいずれか１つに記載の太陽電池パネル。
前記透過／反射切替層は、エレクトロクロミック層である請求項１ないし６のいずれか１つに記載の太陽電池パネル。
請求項１ないし７のいずれか１つに記載の太陽電池パネル（１）が車両の窓部に設けられている車両用太陽電池システムであって、
乗員の乗降状態、前記車両の停車状態、および光の強さの少なくとも１つを検出する検出部（３、３Ａ、３Ｂ、３１）と、
前記検出部の検出信号に基づいて、前記透過／反射切替層の前記鏡状態と前記透過状態とを切り替える制御部（２）と、を備える車両用太陽電池システム。
前記検出部は、乗員の前記車両からの乗降状態を検出する乗降検出部（３）であり、
前記制御部は、前記乗降検出部により乗員が降車していると検出された場合に前記透過／反射切替層を前記鏡状態に切り替えるとともに、前記乗降検出部により乗員が乗車していると検出された場合に前記透過／反射切替層を前記透過状態に切り替える請求項８に記載の車両用太陽電池システム。
態を検出する停車検出部（３Ａ）であり、
前記制御部は、前記停車検出部により前記車両が停車していると検出された場合に前記透過／反射切替層を前記鏡状態に切り替えるとともに、前記停車検出部により前記車両が停車していないと検出された場合に前記透過／反射切替層を前記透過状態に切り替える請求項８に記載の車両用太陽電池システム。
前記検出部は、光の強さを検出する光検出部（３Ｂ）であり、
前記制御部は、前記光検出部により検出された光の強さが予め定めた基準強さ以上の場合に前記透過／反射切替層を前記鏡状態に切り替えるとともに、前記光検出部により検出された光の強さが前記基準強さを下回っている場合に前記透過／反射切替層を前記透過状態に切り替える請求項８に記載の車両用太陽電池システム。
請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の太陽電池パネルが、車両のウインドシールド、ドアガラス、サンルーフおよびリアガラスの少なくとも１つに設けられている車両用太陽電池システム。
前記太陽電池パネルは、車両の前記ウインドシールドに着脱自在に設けられている請求項１２に記載の車両用太陽電池システム。