JP4563085B2 - 薄膜太陽電池 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜太陽電池に関する。本発明は特に、薄膜太陽電池のホットスポット現象に関する。

複数の光電変換セルを接続してなる薄膜太陽電池において、あるセルが木の葉、鳥の糞、建物の影などにより遮光されると、そのセルの光起電力は低下する。このセルは、セルの通常の発電方向を逆方向として接続されたダイオードとして振る舞い、極めて大きい抵抗値を示す。そのため、１つのセルの光起電力がこのように低下すると、モジュール全体の出力が大幅に低下する。

さらに、上記のダイオードとして振る舞うセルに逆方向耐電圧以上の電圧がかかると絶縁破壊が生じ、電流が流れる。このセルにおいて電流は不均一に流れるため、局所的に加熱するホットスポット現象と呼ばれる現象が発生する。ホットスポット現象は、セルの破壊等に至る場合があるため、何らかの対処が施されることが望まれる。

こうしたホットスポット現象に対処するためにの技術開発がなされている。例えば、基板とその基板上に形成された薄膜光電変換セルを直列にｎ段（ｎは１０以上の整数）接続してなる直列アレイとを具備し、その薄膜光電変換セルのそれぞれの下記条件下における開放電圧をｅ（Ｖ）とした場合に、遮光時に上記薄膜光電変換セルのそれぞれはその発電方向と同方向に上記直列アレイの下記条件下；
光源：キセノンランプ
放射照度：１００ｍＷ／ｃｍ^２
ＡＭ：１．５
温度：２５℃
における短絡電流と等しい大きさの電流を（ｎ−１）×ｅ（Ｖ）以下の逆バイアス電圧で流すことを特徴とする薄膜太陽電池モジュールが知られている（特許文献１参照）。

特開２００１−８５７１９号公報

本発明の目的は、ホットスポット現象に対する簡易な対処手段を備えた薄膜太陽電池を提供することである。
本発明の他の目的は、ホットスポット現象に対する安価な対処手段を備えた薄膜太陽電池を提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による薄膜太陽電池モジュール（２）は、透明基板（１０）上に積層された透明電極層（１２）と、透明電極層に積層され、受光した光を電力に変換する光電変換層（１４）と、光電変換層に積層された裏面電極層（１６）とを備えたセル（４）を複数、備えている。複数のセル（４）は直列に接続されている。薄膜太陽電池モジュール（２）はさらに、複数のセル（４）のうちの一のセル（４）に含まれる裏面電極層（１６）と、隣接する他のセル（４）に含まれる裏面電極層（１６）とを結合する電気抵抗（２０）を備えている。

本発明による薄膜太陽電池モジュール（２）において、電気抵抗（２０）の抵抗値はセル（４）が有する明状態の抵抗値よりも大きい。

太陽電池セルにおいて通常の太陽光発電が行われている間は、電流の多くは太陽電池セルを流れることが好ましい。この観点からは、電気抵抗（２０）は大きい方が好ましい。その下限値は、上記のように決められるのが好ましい。

本発明による薄膜太陽電池モジュール（２）において、セル（４）は遮光されたときに、セル（４）により発電される電流の方向を逆方向として所定のブレークダウン電圧を有するダイオードとして振る舞う。電気抵抗（２０）の抵抗値は、薄膜太陽電池モジュール（２）にブレークダウン電圧を超える順方向の電圧がかかったとき、遮光された暗状態のセル（４）の抵抗値よりも小さい。

ホットスポット現象が発生した場合、電流はホットスポットに集中しないように電気抵抗（２０）に多く流れることが好ましい。この観点からは、電気抵抗（２０）は小さいことが好ましい。その上限値は、上記のように決められることが好ましい。

本発明による薄膜太陽電池モジュール（２）において、電気抵抗（２０）の抵抗値は、ブレークダウン電圧の、直列に接続された複数のセル（４）にかかる分圧を、薄膜太陽電池モジュール（２）の短絡電流で割った値よりも小さい。

ホットスポット現象が発生した場合、電流はホットスポットに集中しないように電気抵抗（２０）に多く流れることが好ましい。この観点からは、電気抵抗（２０）は小さいことが好ましい。その上限値は、上記のように決められることが好ましい。

本発明による薄膜太陽電池モジュール（２）において、複数のセル（４）は、第１軸（ｘ軸）方向に長い短冊状をし且つ第１軸（ｘ軸）方向に直行する第２軸（ｙ軸）方向に隣接している。電気抵抗（２０）の第１軸（ｘ軸）方向の長さは、セル（４）の第１軸（ｘ軸）方向の長さと同じまたはそれ以下である。

短冊状に長い方向に電気抵抗（２０）が長いと、ホットスポット現象が起きたときに電流が集中せずに広い範囲に流れて好ましい。また、通常の発電時においても、電気抵抗（２０）による発熱が一部に集中することが回避され好ましい。電気抵抗（２０）の第１軸（ｘ軸）方向の長さはセル（４）の第１軸（ｘ軸）方向の長さの半分以上であることが好ましく、さらに好ましくはセル（４）の第１軸（ｘ軸）方向の長さと同じである。

本発明による薄膜太陽電池モジュール（２）において、電気抵抗（２０）は、複数のセル（４）のうちの３個以上に同時に接触する。

３個以上のセルに同時に接触する電気抵抗（２０）は、設置にかかる手間が少ない。電気抵抗（２０）は、最も多い場合は全てのセルに同時に接触する長いテープまたはシートであり、例えば、ＰＥＴ（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）のテープに所定の抵抗値となるように略均一に炭素を塗布したものを適用することが好ましい。

本発明によれば、ホットスポット現象に対する簡易な対処手段を備えた薄膜太陽電池が提供される。
さらに本発明によれば、ホットスポット現象に対する安価な対処手段を備えた薄膜太陽電池が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明による太陽電池モジュールを実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１を参照すると、太陽電池モジュール２の斜視図が示されている。発電に用いられる光は、図１の下側から入射する。太陽電池モジュール２は、ガラス基板１０を有している。ガラス基板１０の上には、第一の電極として透明電極層１２が積層されている。透明電極層１２に所定のレーザーパターニングが施された後、その上に受光した光を電力に変換する光電変換素子からなる光電変換層１４が積層されている。光電変換層１４に所定のレーザーパターニングが施された後、その上に第二の電極として裏面電極層１６が積層される。

図１には、ガラス基板１０から順に、透明電極層１２、光電変換層１４、裏面電極層１６へと向かう向きをｚ軸の正の向きとする座標系が示されている。このようにして形成された（薄膜）太陽電池モジュール２は、図１に示されている座標系でｘ軸方向に長い短冊状をした太陽電池セル４がｙ軸方向に並んだ構造をしている。ｙ軸方向に隣接する太陽電池セル４は直列に接続されている。太陽電池モジュール２の全体では、全ての太陽電池セル４が直列に接続されている。

隣接する太陽電池セル４の裏面電極は、バイパステープ２０により接続されている。バイパステープ２０は導電性の材料でできている。例えば、ＰＥＴ（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）のテープに所定の抵抗値となるように略均一に炭素を塗布したものである。バイパステープ２０の抵抗値は、太陽電池セル４の内部抵抗の抵抗値よりも大きい。

図１に示される太陽電池モジュールは、実際にはこの後にいくつかの工程を経て完成する。すなわち、裏面電極層１６およびバイパステープ２０が樹脂で保護され、樹脂が裏面カバーにより封止され、引出し配線が裏面カバーより引き出される。バイパステープ２０が概ね太陽電池セル４と同じ程度の数に小さく切られていると、樹脂が太陽電池モジュール２の空所を埋めるときの隙間が小さくなり好ましい。

以上の構成を備えた太陽電池モジュール２は、次のように動作する。

光がｚ軸の負方向からガラス基板１０に入射する。複数の太陽電池セル４の各々は、光電変換層１４によって受光した光から電力を発生する。その結果、複数の太陽電池セル４の各々の透明電極層１２と裏面電極層１６との間には電位差が発生する。

光が当った明状態においては、太陽電池セル４の内部抵抗値はバイパステープ２０の電気抵抗値よりも小さいため、多くの電流は太陽電池セル４の内部を裏面電極層１６、次いで光電変換層１４、次いで透明電極層１２の順に流れる。その電流はさらに、隣接する太陽電池セル４の裏面電極層１６に流入し、そのセルでも同じように流れる。バイパステープ２０には、より小さい電流が流れる。

以上のように発生し流れる電流は、太陽電池モジュール２の両端において集められ、図示されない配線によって太陽電池モジュール２の外部に供給される。

建物の影、木の葉、鳥の糞など光を遮るものによって太陽電池セル４のいずれかが遮光されると、その太陽電池セル４は、通常の発電が行われているときの電流の向きを逆方向として接続され且つ所定の逆方向耐電圧を有するダイオードとして振る舞い、極めて大きな抵抗値を示す。

太陽電池モジュール２の起電力が、ダイオードとして振る舞っている太陽電池セル４の逆方向耐電圧を越えると、ブレークダウンが起き、遮光された太陽電池セル４に電流が流れる。遮光された太陽電池セル４における電流の流れ方は不均一である。このとき、遮光された太陽電池セル４の裏面電極層１６と、その両隣の太陽電池セル４の裏面電極層１６との間を接続するバイパステープ２０に電流が流れる。これにより、大きな電流が狭い経路に集中して流れる箇所が発生することによるホットスポット現象が回避される。

ホットスポット現象を回避する効果を高めるためには、バイパステープ２０に流れる電流が大きいことが好ましい。すなわちバイパステープ２０の抵抗が小さいことが好ましい。

上記の逆方向耐電圧を仮に６００Ｖとし、太陽電池モジュール２が１６０段の直列に接続された太陽電池セル４からなるとする。すると、１つ１つの太陽電池セルが６００（Ｖ）÷１６０（個）＝３．７５（Ｖ）の逆電圧が印加されると、ブレークダウンが発生する。

太陽電池モジュール２の短絡電流（両端の端子を短絡したときの電流値）を仮に１．２Ａであるとする。すると、ブレークダウンが発生したときに太陽電池セル４ひとつ当りの抵抗値は、遮光され光が当らない暗状態での抵抗値であり、３．７５（Ｖ）÷１．２（Ａ）＝３．１２５（Ω）である。

ホットスポットに流れる電流を半分以下にすることができれば、ホットスポット現象による悪影響を有効に低減することができると考えられる。そのため、今の例では、バイパステープ２０は抵抗値が３．１２５Ω以下であることが好ましい。

図２を参照すると、本実施の形態の変形例による太陽電池モジュール２ａの斜視図が示されている。本変形例においては、バイパステープ２０はすべての裏面電極１６を導通する１本のテープである。こうしたバイパステープ２０は、設置にかかる工数が低減する。バイパステープ２０はひとつの太陽電池モジュール２ａに対して必ずしも１本である必要はなく、２本あるいはそれ以上の本数でもよい。すなわち、バイパステープ２０が３つ以上の太陽電池セル４を跨いでいれば、取り付けにかかる工数が低減するという効果が得られる。

図３を参照すると、本実施の形態の他の変形例による太陽電池モジュール２ｂの斜視図が示されている。本変形例においては、概ね太陽電池モジュール２ｂの受光面の面積と同じ程度の面積のバイパステープ２０ｂによって、裏面電極層１６が接続されている。こうしたバイパステープ２０ｂは、図２に示されるものと同様に設置にかかる工数が少ない。さらに、バイパステープ２０ｂがｘ軸方向に長いことにより、ホットスポット現象が発生するときに電流がｘ軸方向に広く拡散して流れるため、好ましい。

実施例ではガラス基板１０の上に透明電極層１２、光電変換層１４、裏面電極層１６を積層した構造で、光がガラス基板側から入射する構造を記載しているが、基板上に裏面電極層１６、光電変換層１４、透明電極層１２を積層して、光が基板と逆側から入射する構造についても同様に適用して、ホットスポット現象を抑制することができる。また、実施例では単層構造の薄膜太陽電池について記載したが、２層や３層へタンデム接合した薄膜太陽電池についても同様に適用して、ホットスポット現象を抑制することができる。

図１は、太陽電池モジュールを示す。 図２は、太陽電池モジュールを示す。 図３は、太陽電池モジュールを示す。

符号の説明

２…太陽電池モジュール
４…太陽電池セル
１０…ガラス基板
１２…透明電極層
１４…光電変換層
１６…裏面電極層
２０…バイパステープ

Claims (4)

1. 透明基板上に積層された透明電極層と、
   前記透明電極層に積層され、受光した光を電力に変換する光電変換層と、
   前記光電変換層に積層された裏面電極層
   とを備えたセルを複数、具備し、
   前記複数のセルは直列に接続され、
   さらに、前記複数のセルのうちの一のセルに含まれる前記裏面電極層と、隣接する他の
   セルに含まれる前記裏面電極層とを結合するテープ状又はシート状の電気抵抗
   を具備し、
   前記電気抵抗は、前記複数のセルのうち３個以上のセルに同時に接触し、
   前記電気抵抗の抵抗値は、前記セルが有する明状態の抵抗値よりも大きく、暗状態の抵抗値よりも小さい薄膜太陽電池モジュール。
2. 前記電気抵抗の抵抗値は、ブレークダウン電圧の各前記セルあたりの電圧を、短絡電流で割った値よりも小さい請求項１に記載の薄膜太陽電池モジュール。
3. 前記複数のセルは、第１軸方向に長い短冊状をなし且つ前記第１軸方向に直行する第２軸方向に隣接し、
   前記電気抵抗の第１軸方向の長さは、前記セルの第１軸方向の長さの半分以上である請求項１又は請求項２に記載の薄膜太陽電池モジュール。
4. 前記電気抵抗は、ＰＥＴ（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）製のテープ又はシートに略均一に炭素を塗布したものである請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の薄膜太陽電池モジュール。

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