JP4568392B2 - 太陽電池配列 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池（以下に、単にセルということがある）配列に関し、詳しく述べれば、太陽電池を通る逆電流から太陽電池を保護することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１つの型の太陽電池（即ち、光起電力セル）においては、半導体内のｐ−ｎ接合が光子によって照射されると、その接合にまたがって電圧を発生する。ある電源を構成するために複数の太陽電池を一緒にしてアレイに接続することができ、このような配列は例えば宇宙船及び衛星に広く使用されている。動作中、１つの太陽電池が日陰になるかまたは故障して電力を発生せず、一方直列に接続されている残余のセルの列は照射されて電力を発生するような環境が存在し得る。このような状態になると、日陰の太陽電池を逆方向に通る電流が駆動されるようになる。電力がそのセル内で消散され、その電力はそのセルにまたがる逆電圧に比例する。もし電力密度が十分に高ければ、そのセルは修復不能なようにブレークダウンし得る。
【０００３】
この問題を解消する１つの方法は、１つもしくは幾つかの太陽電池にまたがってそれらと並列に、且つそれらとは逆方向に接続された保護ダイオードを使用することである。もし保護ダイオードが接続されているセルの１つが逆バイアスに駆動されれば、保護ダイオードが電流をそのセルから転流させる。これは、日陰のセルにまたがる電圧を制限することによって、また逆電流をパスさせることによって日陰のセル内の電力消散を制限する。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、GaAs太陽電池及びカスケード太陽電池に使用した時に特に有利な改良された太陽電池配列を提供することを目指しているが、他の型の太陽電池も本発明の便益を受けることができる。
【０００５】
本発明によれば、平面図上で実質的に相互に直交する第１及び第２の側、及びそれらの間に位置する第３の側を有する太陽電池と、上記太陽電池に電気的に接続され、上記第３の側、及び上記第１及び第２の側の延長線によって囲まれる領域内に太陽電池に接して配置された保護ダイオードとを備えている太陽電池配列が提供される。
【０００６】
本発明を使用することにより、アレイ内の各太陽電池を個々に保護することができる。保護ダイオードが太陽電池の側に配置されているので、特別なカバーガラス構成は必要とせず、普通の自動ガラス処理及び相互接続手段を使用することができる。セルの保護に特別な配慮を必要とすることも、またはアセンブリプロセスを変更する必要もないので、後刻セルを入手してそれらをアレイに組込むユーザにとって特に魅力的である。本発明を使用したセルは、ダイオード保護を組入れていないセルより脆弱ではなく、また実質的に普通のプロファイルを有しているので、太陽電池配列を普通の手法でパネル上に取付けることができる。
【０００７】
本発明を使用することによって、太陽電池は、保護ダイオードを受入れるのに必要な合計面積を顕著に増加させることなく、それ自体の専用保護ダイオードを有することが可能になるが、これはセルがアレイ内に含まれる場合には特に有利である。ダイオードは、そのようにしなければ太陽電池自体の一部が占めるであろう領域内に配置される。これにより、太陽電池の活動面積が失われることになる。しかしながら若干の場合には、ダイオードは、太陽電池が占める面積を何等失うことなく、そしてそれでも本発明の長所を利用しながら、セル内に含ませることができる。例えば、ｐ−ｎ接合を作るサブストレートを形成する円形のウェーハから太陽電池を製造する際に、そのウエーハから完全な矩形の太陽電池を作ることができずに２つの隅が失われてしまうような場合と比較して、セルの寸法が十分に大きくなる場合がある。この場合、保護ダイオードは、そのようにしない場合には矩形太陽電池の一部分になるであろう切り落とされた隅の一方内に有利に配置することができる。
【０００８】
ダイオードは平面図上で便宜的に三角形であり、太陽電池は第１の側と第２の側との間を伸びる直線の第３の側を有しており、これらによって限定された三角形領域内にダイオードをはめ込むようになっている。しかしながら、ダイオードは、例えば、円形または方形のような他の形状であることもできる。ダイオード全体を、第３の側と、第１及び第２の側の延長線とによって囲まれる領域内に配置することが好ましい。このようにすると、１つの太陽電池配列が、隣接する配列と極めて接近して取付けられ、それらと相互に接続されるような太陽電池配列のアレイに集積化するのが容易になる。しかしながら、ダイオードは上記領域よりも僅かに大きくすることができ、それでも従来の配列に比して有利である。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態においては、第３の側は、第１及び第２の側を結合し、且つそれらに対して傾斜している。前述したように、何れにしてもセルのこの形態は、使用する処理技術の故に普通のセルにおいて発生する場合がある。しかしながら、別の実施の形態においては、第３の側は２つの直交する直線の縁からなり、太陽電池の１つの隅に方形の切り欠きを作るようになっている。しかし実際にはこのような加工は困難であり、従って好ましいものではない。
【００１０】
ダイオードは、好ましくはシリコンダイオードである。このようなダイオードの特性は特に十分に制御することができ、太陽電池の要求に合致させることができる。別の実施の形態においては、ダイオードは太陽電池の活動材料と同一の材料製である。例えば、ダイオードを太陽電池自体から切り取り、そのｐ−ｎ接合が太陽電池のｐ−ｎ接合とは逆であるように太陽電池にまたがって接続することもできる。
【００１１】
本発明は、特に、太陽電池がGaAs太陽電池であるような太陽電池配列に適用可能である。GaAsセルは特に脆弱であり、例えばシリコン太陽電池よりも低い可逆電圧でブレークダウンする。従来、GaAs太陽電池の若干のユーザは、使用中にブレークダウンしそうなものを排除するために、それらをアレイ内に組み込む前に予め篩い分けしていた。本発明を使用することによって、事前に篩い分けを遂行する必要がなくなり、時間と費用とが節約され、またセルの製造歩留まりが改善される。本発明は、タンデム太陽電池とも呼ばれるカスケード太陽電池にも適用可能である。カスケード太陽電池は、トンネル接合その他の手段によって内部的に直列に接続されている２つのｐ−ｎ接合を含む太陽電池である。前側のｐ−ｎ接合は比較的短い波長の入射放射に応答して電圧を発生し、後側のｐ−ｎ接合はより長い波長に適合されている。
【００１２】
太陽電池は平面図上で方形であることも、または矩形であることもできるが、その１つまたは複数の隅が切り落とされ、そこに保護ダイオードを配置するようになっている。１つの実施の形態においては、保護ダイオードは太陽電池上に取付けられている。これは、例えば非導電性接着剤を使用して保護ダイオードを太陽電池の側に固定することによって、またはエポキシのビードを塗布してダイオードをセルの後面接触に結合することによって達成することができる。使用中に熱サイクルが予測される場合に一層適切な代替の実施の形態においては、保護ダイオードは太陽電池から離間させる。太陽電池及び保護ダイオードは、差熱膨張を斟酌するように構成された１つまたは複数の相互接続によって、電気的及び機械的に接続することができる。太陽電池の前面の位置に通常設けられるカバーガラスをダイオードの上まで延長することもできるが、これは必須ではない。
【００１３】
本発明の第１の特色によれば、太陽電池アレイは複数の本発明による太陽電池配列からなる。本発明によれば、太陽電池配列を互いに密接させて配置することが可能になり、入射放射の受入れに使用できる面積及び電力の生成を最大にすることができる。
【００１４】
本発明の第２の特色によれば、１つの太陽電池アレイは複数の太陽電池配列からなり、各配列は太陽電池を含んでいる。各太陽電池は、平面図上で実質的に相互に直交する第１及び第２の側と、これらの側の間に位置する第３の側とを有している。また各太陽電池配列は、第３の側と、第１及び第２の側の延長線とによって囲まれた領域内にあって太陽電池に接して配置され、隣接する太陽電池に電気的に接続されている保護ダイオードをも含んでいる。
【００１５】
この第２の特色を使用することによって、アレイ内の各太陽電池毎に専用の保護ダイオードを設ける長所が維持されると共に、本発明の使用によってもたらされるコンパクトな配列が得られる。保護ダイオードは、アレイ内に組み込む前に太陽電池に機械的に固定することができ、隣接する太陽電池への電気的続は太陽電池配列をパネルに取付けた後に行うことができる。
【００１６】
以下に添付図面を参照して本発明を遂行することができる若干の方法を説明する。
【００１７】
【実施の形態】
図１及び２を参照する。太陽電池１は、ゲルマニウムサブストレート２を含んでいる。このサブストレート２上に、ｐ型層４及びｎ型層５を作ってそれらの間に接合を形成させるようにドープされたエピタキシャルGaAs層３が成長されている。GaAs層３上に位置する前面金属接触格子６は、補助パッド７を含んでいる。
ゲルマニウムサブストレート２の後面には後面金属層８が存在している。
【００１８】
平面図上で、太陽電池１は概ね矩形であり、平行の側９及び１０と、別の平行の側１１及び１２とを有し、矩形の２つの隅は切り落とされている。切り落とされた隅の一方には、相互に直交する側９及び１１との間に第３の傾斜した側１３が存在している。側９の延長線９ａと、側１１の延長線１１ａと、傾斜した側１３とによって囲まれた領域内にシリコン保護ダイオード１４が配置される。この実施の形態においては、保護ダイオード１４は平面図上で三角形の形状である。ダイオード１４はセルにまたがって電気的に接続されている。即ち、ダイオードのｎ接点がセルのｐ層４に、またダイオードのｐ接点がセルのｎ層５に接続されるように、前側相互接続１５によって補助パッド７に接続され、後側相互接続１６によって後面金属層８に接続されている。これらの相互接続は金を電気めっきしたモリブデン製であり、使用中に発生し得る何等かの異なる熱膨張を受入れるような形状である。ダイオード１４は、約１ｍｍの間隙をあけて太陽電池から離間している。カバーガラス１７（図１には示してない）が、接着剤１８によって太陽電池１の前面に結合されている。破線で示してあるように、このカバーガラス１７を太陽電池１よりも大きくして、ダイオード１４の上まで伸ばすことができる。
【００１９】
図３は、それぞれが図１に示すような太陽電池配列のアレイを示している。アレイは、直列に接続された太陽電池配列の複数の列（２列だけを図示してある）からなっている。これらの列は、１つのセルの前側が、列に沿って隣接するセルの後側に接続されて電力出力を発生するようになっている。各太陽電池配列は、切り落とされた隅に配置されたそれ自体のシリコン保護ダイオードを含む。使用中に、もし太陽電池の１つが日陰になってそれにまたがる逆電圧を発生すれば、その逆電流は組合された保護ダイオードを通して転流され、太陽電池構造がバイパスされるので太陽電池構造は保護される。
【００２０】
図４ａ及び４ｂを参照する。本発明はカスケード太陽電池のような他の型の太陽電池にも適用可能である。この場合、太陽電池は２つのｐ−ｎ接合１９、２０を含み、前側の接合１９は短い波長の光に応答し、後側の接合２０は前側の部分が透過した長い波長の光に応答するようになっている。この場合も、カバーガラス２１が太陽電池の前面を保護する。シリコン保護ダイオード２２が両ｐ−ｎ接合にまたがって接続され、逆電流が太陽電池を通過するのを阻止している。図４ａに平面図で示されている太陽電池配列では、ダイオード２２が概ね矩形の太陽電池の隅に配置されている。この場合にはダイオード２２は方形の形状を有し、太陽電池の相互に直交する第１及び第２の側の間の第３の側は、太陽電池の隅の切欠きを形成している１対の相互に直交する側の一方として含まれている。ダイオード２２は、非導電性の接着剤によって太陽電池の側に結合されている。
【００２１】
図５は、本発明による太陽電池配列のアレイを示している。このアレイには２つの型の太陽電池配列が含まれている。第１のセットは両隅が切り落とされており、保護ダイオードは各切り落とされた隅に配置されている。これらは、平面図上で完全な矩形の形状を有している太陽電池と交互に直列接続されている。２つのダイオードを有する各太陽電池には一方のダイオードが接続されており、他方のダイオードは隣接する完全矩形の太陽電池に接続されている。
【００２２】
図６には、各太陽電池配列がその隅の領域内に配置されている保護ダイオードを含み、各保護ダイオードが隣接する太陽電池に接続されているような別の実施の形態が示されている。
【００２３】
図５及び６の配列は、保護ダイオードが太陽電池に密接する領域内に配置されており、各太陽電池がそれ自体の専用保護ダイオードを有していることが長所であるが、これらの実施の形態は太陽電池への保護ダイオードの接続がアレイの製造中になされること、及び含まれる電気接続が長くなり図３に示す実施の形態よりも壊れ易くなり得るので、図３に示す実施の形態程有利ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による太陽電池の平面図である。
【図２】本発明による太陽電池の側断面図である。
【図３】太陽電池配列のアレイの概要図である。
【図４ａ】カスケード太陽電池の平面図である。
【図４ｂ】カスケード太陽電池の側断面図である。
【図５】本発明による異なる太陽電池配列を示す図である。
【図６】本発明による更に異なる太陽電池配列を示す図である。
【符号の説明】
１ 太陽電池
２ サブストレート
３ GaAs層
４ ｐ型層
５ ｎ型層
６ 前面金属接触格子
７ 補助パッド
８ 後面金属層
９ 第１の側
１０ 第４の側
１１ 第２の側
１２ 第５の側
１３ 第３の側
１４ 保護ダイオード
１５ 前側相互接続
１６ 後側相互接続
１７ カバーガラス
１８ 接着剤
１９ 前側の接合
２０ 後側の接合
２１ がバーガラス
２２ 保護ダイオード

Claims (16)

1. 太陽電池配列において、
   平面図上で実質的に相互に直交する第１及び第２の側と、これらの側の間に位置する第３の側とを有する太陽電池と、
   上記太陽電池に電気的に接続され、上記第３の側と、上記第１及び第２の側の延長線とによって囲まれた領域内に上記太陽電池に接して配置されている保護ダイオードと、
   を備えていることを特徴とする太陽電池配列。
2. 上記ダイオードは、全てが上記領域内に配置されている請求項１に記載の配列。
3. 上記第３の側は上記第１及び第２の側を結合し、且つこれらの側に対して傾斜している請求項１または２に記載の配列。
4. 上記ダイオードは、シリコンダイオードである請求項１、２、または３に記載の配列。
5. 上記ダイオードは、上記太陽電池活動材料と同一の材料製である先行請求項の何れかに記載の配列。
6. 上記太陽電池は、GaAs太陽電池である先行請求項の何れかに記載の配列。
7. 上記太陽電池は、カスケード太陽電池である請求項１乃至５の何れかに記載の配列。
8. 上記太陽電池は、平面図上で上記第１及び第２の側にそれぞれ平行な第４及び第５の側を含んでいる先行請求項の何れかに記載の配列。
9. 上記太陽電池上に取付けられているカバーガラスを含んでいる先行請求項の何れかに記載の配列。
10. 上記カバーガラスは、上記保護ダイオードをカバーしている請求項９に記載の配列。
11. 上記保護ダイオードは、上記太陽電池の側上に取付けられている先行請求項の何れかに記載の配列。
12. 上記保護ダイオードは、上記太陽電池から離間している請求項１乃至１０の何れかに記載の配列。
13. 上記保護ダイオードと上記太陽電池との間の電気的相互接続は、差熱膨張を斟酌するように構成されている請求項１２に記載の配列。
14. 複数の先行請求項の何れかに記載の太陽電池配列を備えている太陽電池アレイ。
15. 上記太陽電池配列は、複数の列として接続されている請求項１４に記載のアレイ。
16. 複数の太陽電池配列からなる太陽電池アレイにおいて、上記各配列は、
    平面図上で実質的に相互に直交する第１及び第２の側と、これらの側の間に位置する第３の側とを有する太陽電池と、
    上記第３の側と、上記第１及び第２の側の延長線とによって囲まれた領域内に上記太陽電池に接して配置され、隣接する太陽電池に電気的に接続されている保護ダイオードと、
    を備えていることを特徴とする太陽電池アレイ。

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