JP4599930B2 - 太陽電池モジュールおよび太陽電池素子 - Google Patents

Description

本発明は、直列接続された太陽電池素子から構成される太陽電池モジュールおよび当該太陽電池素子に関する。

直列接続された太陽電池素子から構成される太陽電池モジュールでは、特に単位太陽電池素子（ユニットセル）が日影等により完全に遮光された場合、発電量が大幅に低下する。このように日影が生じる場合、直列接続部分における日影が生じていない太陽電池素子の出力電圧の和の電圧（逆バイアス電圧）が日影になる太陽電池素子にかかるため、日影になる太陽電池素子が発熱して太陽電池モジュールの焼損等につながる恐れがあった。詳しくは、遮光されていない太陽電池素子が太陽電池として働き、一方、遮光された太陽電池素子が負荷として働くため、遮光された太陽電池素子に過大な逆バイアス電圧が印加されて電流導通が生じ、遮光された太陽電池素子が損傷を受けてしまうことがあった。このような場合の対策として、一般的に、太陽電池素子が逆バイアスになるとＯＮとなるダイオード（バイパスダイオード）を太陽電池素子に並列に接続して、遮光した太陽電池素子に過大な逆バイアス電圧が印加されて電流導通が生じないようにする工夫がなされている。

上述のような太陽電池モジュールの保護のための従来技術として、以下のような技術があげられる。例えば特許文献１には、単位セルを複数個並列に接続し、その並列回路が直列に複数組接続されたソーラーセルにおいて、受光面側の行および列では、上記各並列回路に関しその並列回路を構成する個々の単位セルのうち少なくとも１つが他の単位セルとは異なる行および列に位置しているソーラーセルが示されている。この配置により、一般的な影と言える行または列方向の影がソーラーセルに対して落ちたとしても、上記各並列回路においてその並列回路を構成する単位セルのうち少なくとも１つは、当該影が落ちた行または列以外の行または列に属していることになる。従って、当該影がソーラーセルに対して落ちて、その行または列上の単位セルの発電能力が無くなったとしても、上記各並列回路においてその並列回路を構成する単位セルのうち少なくとも１つは発電能力を失わないで済む。この結果、その少なくとも１つの単位セルを含む直列回路を介して発電電流が流れることになるため、ソーラーセル全体の発電電流がリーク電流程度の微小な発電電流に激減してしまうことはなくなると記載されている。

特許文献２には、太陽電池モジュールが他の太陽電池モジュールやフレーム等の周辺部材によって太陽光線が遮られても、発電量を維持できる太陽電池モジュールについて示されている。具体的には、絶縁性基板上に、第１電極、半導体層および第２電極がこの順で積層された太陽電池素子が複数配設されるとともに、これら太陽電池素子を直列に電気的に接続した太陽電池モジュールにおいて、上記太陽電池モジュールを実装した際に、太陽光線の影になる太陽電池素子を他の太陽電池素子より幅広にするとともに、この幅広の太陽電池素子の直列抵抗を実質的に他の太陽電池素子の直列抵抗と同等もしくは低くした点が記載されている。これにより、太陽電池モジュールが他の太陽電池モジュールやフレーム等の周辺部材によって太陽光線が遮られても、影となる太陽電池素子を幅広にしたため、その全体が影となることはなく、その太陽電池素子の抵抗値がアップすることはないとされ、各太陽電池モジュールの発電量を維持できると記載されている。

特許文献３には、薄膜光電変換モジュールについて示されている。具体的には、この薄膜光電変換モジュールは、基板と、当該基板の一方の主面上に形成され且つ直列接続された複数の薄膜光電変換セルと、当該複数の薄膜光電変換セルの直列接続された各々のｎ個とそれぞれ並列接続された複数のバイパスダイオードとを具備し、上記個数ｎと各薄膜光電変換セルの逆方向耐電圧Ｖａと各薄膜光電変換セルの一定の条件下での開放電圧Ｖｂとが不等式ｎ≦Ｖａ／Ｖｂ＋１に示す関係を満たすことが記載されている。これにより、いずれか１つの薄膜光電変換セルの光起電力がゼロである場合に直列アレイが短絡されたとしても、そのセルの破壊を防止することができると記載されている。

特開平８−１５３８８３号公報 特開２００１−１１１０８７号公報 特開２００１−６８６９６号公報

上述の特許文献１に示された技術は、行または列方向の影がソーラーセルに落ちた場合には有効であるものと考えられる。しかし、不連続で局所的に発生する影に対しては効果が少ないため、ソーラーセル全体の発電電流が激減してしまうことになるという問題があった。

上述の特許文献２に示された技術は、他の太陽電池モジュールまたはフレーム等の周辺部材によって生じる影に対しては有効であるものと考えられる。しかし、任意の場所に発生する影、例えば立ち木、電柱、電線または建築物等により発生する影に対しては、まったく効果がなく、各太陽電池モジュールの発電量を維持することができないという問題があった。

上述の特許文献３に示された技術は、複数の薄膜光電変換セルの直列接続された各々のｎ個とそれぞれ並列接続された複数のバイパスダイオードとを具備し、上記個数ｎと各薄膜光電変換セルの逆方向耐電圧Ｖａと各薄膜光電変換セルの一定の条件下での開放電圧Ｖｂとが不等式ｎ≦Ｖａ／Ｖｂ＋１に示す関係を満たすような薄膜光電変換モジュールに対しては任意の場所に発生する影に対しても有効であるものと考えられる。しかし、複数のバイパスダイオードを必要とするため、製造コストの増大を招くという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、太陽電池モジュール上に不連続で局所的に発生する影に対しても全体の発電電流が激減してしまうことがなく、任意の場所に発生する影、例えば立ち木、電柱、電線または建築物等により発生する影に対しても太陽電池モジュールの発電量を維持することができ、製造コストの増大を招くことがない太陽電池モジュールを提供することにある。

この発明の太陽電池モジュールは、絶縁性基板上に形成され、所定数のユニットセルが直列接続された構造を有する太陽電池素子から構成される太陽電池モジュールにおいて、該直列接続された各ユニットセル内に電気的等価回路上のシャント抵抗が複数並列接続された構造を形成し、該絶縁性基板上に形成された光電変換層はアモルファスシリコン/アモルファスシリコンゲルマニウムのタンデム構造を構成し、最適動作電圧をＶｏｐ、最適動作電流をＩｏｐ、逆方向電圧をＶｒ、逆方向漏れ電流をＩｒとした場合、該太陽電池モジュールの逆方向の電圧−電流特性が、

０．７Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．９Ｉｏｐ（Ｖｒ＝１０Ｖｏｐ印加時）、
０．４Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．８Ｉｏｐ（Ｖｒ＝５Ｖｏｐ印加時）
又は、
４．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦１５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．８Ｉｏｐ印加時）、
３．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．４Ｉｏｐ印加時）
のいずれかの関係を満たすことを特徴とする。

ここで、この発明の太陽電池モジュールにおいて、前記絶縁性基板の一面上には第１電極層、光電変換層及び第３電極層が当該順に積層され、該絶縁性基板の反対面上には第２電極層及び第４電極層が当該順に積層されており、前記絶縁性基板を貫通する第１孔により第１電極層と第２電極層とが電気的に接続され、該絶縁性基板を貫通する第２孔により第３電極層と第４電極層とが電気的に接続されたものとすることができる。

この発明の太陽電池素子は、太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子であって、該太陽電池素子は絶縁性基板上に形成され、所定数のユニットセルが直列接続された構造を有し、該直列接続された各ユニットセル内に電気的等価回路上のシャント抵抗が複数並列接続された構造を形成し、該絶縁性基板上に形成された光電変換層はアモルファスシリコン/アモルファスシリコンゲルマニウムのタンデム構造を構成し、最適動作電圧をＶｏｐ、最適動作電流をＩｏｐ、逆方向電圧をＶｒ、逆方向漏れ電流をＩｒとした場合、該太陽電池モジュールの逆方向の電圧−電流特性が、
０．７Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．９Ｉｏｐ（Ｖｒ＝１０Ｖｏｐ印加時），
０．４Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．８Ｉｏｐ（Ｖｒ＝５Ｖｏｐ印加時）
又は、
４．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦１５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．８Ｉｏｐ印加時），
３．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．４Ｉｏｐ印加時）
のいずれかの関係を満たすことを特徴とする。

ここで、この発明の太陽電池素子において、前記絶縁性基板の一面上には第１電極層、光電変換層及び第３電極層が当該順に積層され、該絶縁性基板の反対面上には第２電極層及び第４電極層が当該順に積層されており、前記絶縁性基板を貫通する第１孔により第１電極層と第２電極層とが電気的に接続され、該絶縁性基板を貫通する第２孔により第３電極層と第４電極層とが電気的に接続されたものとすることができる。

ここで、この発明の太陽電池素子において、前記基板は可撓性絶縁性基板であるものとすることができる。

本発明の太陽電池モジュールによれば、直列接続された太陽電池モジュールにおいて、直列接続方向と直交する方向に太陽電池モジュールの５％が完全に遮光された場合に発電量が最大発電量の４０〜６０％を、１０％が完全に遮光された場合に発電量が最大発電量の１０〜３５％であるように設計されている。このため、ユニットセルが完全に遮光されてもある程度の発電量を得ることができる。さらに、直列接続方向に部分的に遮光されたり、不連続で局所的に発生する影または任意の場所に発生する影等により遮光されたりすることにより有効発電面積が低下した場合または照射強度が低下した場合にも、有効発電面積または照射強度に比例して低下する以上に、発電量が低下することがない。すなわち全体の発電電流が激減してしまうことはなく、太陽電池モジュールの発電量を維持することができる。太陽電池モジュールはバイパスダイオードを用いていないため、製造コストの増大を招くこともない。加えて、ホットスポットに対しても強い特性を有するという効果がある。

以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の構造を示す。図１（Ａ）は太陽電池モジュール１０の断面図であり、図１（Ｂ）は太陽電池モジュール１０の平面図である。図１（Ａ）、（Ｂ）において、符号１１は太陽電池モジュール１０の支持体であり両面に着色塗料を塗布した厚さ０．８ｍｍの鋼板、１２および１４は鋼板１１の上に積層された絶縁性接着樹脂、１３は絶縁性接着樹脂１２および１４中に設置された太陽電池素子、１５は絶縁性接着樹脂１４の上に積層された透光性耐候樹脂である。鋼板１１の外形寸法は長さ１０００ｍｍ×幅２５０ｍｍであり、この外形寸法が太陽電池モジュール１０の外形寸法となっている。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示される太陽電池素子１３の外形寸法は長さ８１６ｍｍ×幅２００ｍｍであり、６８個のユニットセルが図１（Ａ）、（Ｂ）の左右の方向（長手方向）に直列接続されている。太陽電池素子１３の幅２００ｍｍのうち、有効発電領域の幅は１８３ｍｍである。太陽電池素子１３で発電された電力は、太陽電池素子１３の受光面の反対面から出力取出し用リード線（不図示）により取出され、太陽電池モジュール１０の出力端子（不図示）と接続されている。

絶縁性接着樹脂１２および１４には、エチレンビニルアセテート（ethylenevinyl acetate : ＥＶＡ共重合体）を用いた。絶縁性接着樹脂１２および１４の厚さは各々５００μｍである。本実施例１では絶縁性接着樹脂１２および１４としてＥＶＡ共重合体を用いたが、その他にも例えば、ポリビニルブチラール（polyvinylbutyral : ＰＶＢ）、ポリイソブチレン（polyisobutylene : ＰＩＢ）またはシリコーン樹脂等を用いることもできる。透光性耐候樹脂１５には、厚さ２５μｍのエチレン・テトラフルオロエチレン（ethylene tetrafluoroethylene : ＥＴＦＥ、エチレン／四フッ化エチレン共重合体）を用いた。本実施例１では透光性耐候樹脂１５としてＥＴＦＥを用いたが、その他にも例えば強化ガラス等の透光性耐候物を用いることもできる。本実施例１では支持体として鋼板１１を用いたが、その他にも例えば一定の強度を有し支持体となり得る物であれば任意の物を用いることができる。

次に、本発明の太陽電池モジュール１０の出力特性について調査した結果を説明する。出力特性は、光源：キセノンランプ、照射強度：１ｋＷ／ｍ^２、スペクトル：ＡＭ（Air Mass : 空気透過量）１．５、測定環境温度：２５℃のソーラーシュミレーター（Solar Simulator : 人工光源）で評価した。図３（Ａ）は本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の出力特性を表で示す。図３（Ａ）の第１行（遮光幅Ｗ＝０、Ｌ＝０の行。遮光幅Ｗ、Ｌについては後述）に示すように、開放電圧Ｖｏｃ＝１１２．９［Ｖ］、短絡電流Ｉｓｃ＝０．２００［Ａ］、曲線因子ＦＦ（Fill Factor）＝０．６０６、最大出力Ｐｍａｘ＝１３．６８［Ｗ］、動作電圧Ｖｏｐ＝８４．６３［Ｖ］、動作電流Ｉｏｐ＝０．１６２［Ａ］であった。

次に、本発明の太陽電池モジュール１０の出力特性への影の影響について調査した結果を説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の出力特性を評価する際の影の状態を示す。図２（Ａ）はユニットセルの直列接続方向に直交して生じるものと想定した遮光幅Ｌの影２１を示し、図２（Ｂ）はユニットセルの直列接続方向に平行して生じるものと想定した遮光幅Ｗの影２２を示す。これらの影２１および２２により太陽電池モジュール１０が完全に遮光された場合の出力特性を評価した。

先に述べた図３（Ａ）は、影２１により遮光された場合における太陽電池モジュール１０の出力特性一覧表を示す。図３（Ｂ）は影２１がない場合における発電量との比率（影２１の遮光幅がＬの場合の最大出力Ｐｍａｘ／影２１がない場合の最大出力Ｐｍａｘ）を規格化発電量（縦軸）とし、これと影２１の面積の割合（横軸。％）との関係をグラフで示す。図３（Ａ）に示されるように、影２１による遮光幅Ｌは０〜２４０ｍｍであり、太陽電池素子１３における影の面積の割合は０〜２９％であり、遮光直列接続数は０．０〜２０．０直列である。図３（Ｂ）に示されるように、規格化発電量は影２１の面積の割合が１０％までは影の面積の割合にほぼ比例して低下し、影２１の面積の割合が４．９％で影がない場合の発電量の５７％を、影２１の面積の割合が９．８％で影がない場合の発電量の２６％を、影２１の面積の割合が１５％で影がない場合の発電量の５％を得た。

図３（Ａ）に示される太陽電池モジュール１０では、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の２５％を、５％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の５０％を得られるように設計している。以下、当該設計について説明する。太陽電池モジュール１０の出力は、暗状態における電流−電圧特性（以下、「Ｉ−Ｖ特性」と言う。）と、光照射状態により生じるＩ−Ｖ特性との和で求められる。本実施例１の場合、例えば太陽電池素子１３のＮ直列が完全に遮光された場合、このＮ直列の太陽電池素子１３が負荷となり、残りの（６８−Ｎ）直列の太陽電池素子１３が発電素子として機能する出力特性を示す。すなわち、太陽電池素子１３のＮ直列の方は、遮光された太陽電池素子１３の暗状態におけるＩ−Ｖ特性が負荷Ｉ−Ｖ特性となり、この負荷Ｉ−Ｖ特性に応じた太陽電池モジュール１０としてのＩ−Ｖ特性を示すことになる。

最適動作点では、動作電圧Ｖｏｐ’が遮光されたＮ直列の太陽電池素子１３に逆バイアスＶｒ’として印加され、この時の漏れ電流Ｉｒ’が動作電流Ｉｏｐ’となるような出力特性を示す。すなわち、遮光された１直列分の太陽電池素子１３には逆バイアスＶｒ＝Ｖｒ’／Ｎ＝Ｖｏｐ’／Ｎが印加され、漏れ電流Ｉｒ＝Ｉｒ’＝Ｉｏｐ’が流れることになる。従って、ユニットセルの逆バイアス時のＩ−Ｖ特性が上記条件を満たすように太陽電池セル（太陽電池モジュール１０）を設計すれば、Ｎ直列の太陽電池素子１３が遮光された場合に出力Ｖｏｐ’×Ｉｏｐ’を得ることができる。但し、ユニットセルには動作電流Ｉｏｐ以上の電流は流れないため、逆方向へ動作電流Ｉｏｐ相当の電流が流れるまでのＩ−Ｖ特性を規定すればよい。

本実施例１の場合、例えば太陽電池素子１３の１直列が完全に遮光された場合（影の面積の割合＝１．５％の場合）、この１直列の太陽電池素子１３が負荷となり、残りの６７（＝６８−１）直列の太陽電池素子１３が発電素子として機能した出力特性を示すことになる。この場合、最適動作点では、遮光された１直列分の太陽電池素子１３には逆バイアスＶｒ＝７５［Ｖ］が印加され、漏れ電流Ｉｒ＝０．１５３［Ａ］が流れることになる。

同様にして、影の面積の割合＝４．９％の場合（太陽電池素子１３の３．７直列が完全に遮光された場合）、遮光された３．７直列分の１個あたりの太陽電池素子１３には、逆バイアスＶｒ＝１４．７［Ｖ］（＝５４．４６［Ｖ］／３．７）が印加され、漏れ電流Ｉｒ＝０．１４２［Ａ］が流れることになる。影の面積の割合＝９．８％の場合（太陽電池素子１３の６．７直列が完全に遮光された場合）、遮光された６．７直列分の１個あたりの太陽電池素子１３には、逆バイアスＶｒ＝５．３１［Ｖ］（＝３５．６０［Ｖ］／６．７）が印加され、漏れ電流Ｉｒ＝０．０９９［Ａ］が流れることになる。

図４（Ａ）、（Ｂ）は、以上説明した、本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の逆バイアス時のＩ−Ｖ特性をグラフで示す。図４（Ａ）、（Ｂ）において、より一般的に表すため、横軸は太陽電池モジュール１０の最適動作電圧Ｖｏｐで規格化した電圧Ｖｒ、縦軸は最適動作電流Ｉｏｐで規格化した電流Ｉｒとしている。図４（Ａ）の横軸（０〜６０Ｖｏｐの範囲）を拡大したものが、図４（Ｂ）（横軸０〜２０Ｖｏｐ）である。図４（Ａ）、（Ｂ）において、実線および◆印の点は、上述のように、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の２５％を、５％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の５０％を得られるようなケースについて示したものである。破線および△印の点は、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の３５％を、５％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の６０％を得られるようなケースについて示したものである。破線および■印の点は、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の１０％を、５％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の４０％を得られるようなケースについて示したものである。

図４（Ａ）、（Ｂ）において、横軸が約３〜４以下の範囲、すなわち、太陽電池モジュール１０に印加される逆バイアス電圧Ｖｒが動作電圧Ｖｏｐの約３〜４倍以下の範囲では、太陽電池モジュール１０に流れる電流は動作電流Ｉｏｐに対してかなり小さく、太陽電池素子１３がブレークダウンしていない状態である。一方、横軸が約５〜１５の範囲、すなわち、太陽電池モジュール１０に印加される逆バイアス電圧Ｖｒが動作電圧Ｖｏｐの約５〜１５倍の範囲では、太陽電池モジュール１０に流れる電流は動作電流Ｉｏｐに近付いており、太陽電池素子１３がブレークダウンしていることが分かる。太陽電池素子１３の半導体接合の逆降伏電流以外のリーク電流により、動作電圧Ｖｏｐの約５〜１５倍の範囲の低電圧側でも電流がある程度流れている。

図４（Ｂ）に示されるように、本発明の太陽電池モジュール１０は、逆バイアス電圧Ｖｒとして動作電圧Ｖｏｐの１０倍の１０Ｖｏｐを印加した場合に、漏れ電流Ｉｒは動作電流Ｉｏｐの約０．７〜０．９倍の範囲で流れる。逆バイアス電圧Ｖｒとして動作電圧の５倍の５Ｖｏｐを印加した場合に、漏れ電流Ｉｒは動作電流Ｉｏｐの約０．４〜０．８倍の範囲で流れる。あるいは、漏れ電流Ｉｒで逆バイアス電圧Ｖｒを規定すると、動作電流Ｉｏｐの約０．８倍の電流を逆方向へ流した場合に、動作電圧Ｖｏｐの約４．５〜１５倍の範囲で逆バイアス電圧Ｖｒが生じ、動作電流Ｉｏｐの約０．４倍の電流を逆方向へ流した場合に、動作電圧Ｖｏｐの約３．５〜５倍の範囲で逆バイアス電圧Ｖｒが生じる。すなわち、本発明の太陽電池モジュール１０は、以下の条件式（１）または（２）を満たしている。

０．７Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．９Ｉｏｐ（Ｖｒ＝１０Ｖｏｐ印加時）、
０．４Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．８Ｉｏｐ（Ｖｒ＝５Ｖｏｐ印加時）．．．．．．．．（１）

４．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦１５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．８Ｉｏｐ印加時）、
３．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．４Ｉｏｐ印加時） ．．．．．．．（２）

次に、本発明の太陽電池モジュール１０のホットスポット試験結果を示す。ホットスポットは遮光により太陽電池の発電量の低下が続いた場合、遮光された部分のセルが高温となり特性が低下する現象である。ホットスポット試験は、以下のように行った。影２１に相当するように太陽電池モジュール１０の一部分を完全に遮光し、太陽電池モジュール１０を短絡した状態で、上述のソーラーシミュレーターにより、太陽電池モジュール１０を１時間光照射し、目視観察、および、出力特性の評価を行なった。これを１セットとして５回繰り返した。このホットスポット試験を太陽電池モジュール１０の遮光面積が５％、１０％の場合について行った。その結果、目視で確認できるようなホットスポット加熱で発生する太陽電池モジュール１０の損傷は観察されなかった。出力特性は、ホットスポット試験の前後で若干低下したが、出力低下は５％以下であった。

影の面積の割合が増えた場合または日射量が低下した場合における太陽電池モジュール１０の出力特性は、暗状態のＩ-Ｖ特性の影響を受け易い。一般的に、逆バイアス状態で漏れ電流の大きい太陽電池モジュールは、部分的に遮光されて有効発電面積が低下したり日射量が低下した場合に、その発電量は有効発電面積または日射量に比例して低下する以上に低下してしまうという問題がある。そこで、本発明の太陽電池モジュール１０について、このような問題が生じないかどうかを調査するため、直列接続方向に平行な影２２により太陽電池モジュール１０の一部が完全に遮光された場合における出力特性の評価を行なった。

図５（Ａ）は影２２により遮光された場合の、本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の出力特性一覧表を示し、図５（Ｂ）は影２２がない場合における発電量との比率（影２２の遮光幅がＷの場合の最大出力Ｐｍａｘ／影２２がない場合の最大出力Ｐｍａｘ）を規格化発電量（縦軸）とし、これと影２２の面積の割合（横軸。％）との関係をグラフで示す。図５（Ａ）に示されるように、影２２による遮光幅Ｗは０〜１５０ｍｍであり、太陽電池素子１３における影の面積の割合は０〜８２％である。太陽電池モジュール１０は、直列接続された太陽電池素子の１０％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の２５％を、５％が完全に遮蔽（遮光）された場合に最大発電量の５０％を得られるように設計されたものである。

図５（Ｂ）に示されるように、太陽電池モジュール１０の発電量は、影２２の面積の割合に比例して減少し、有効発電面積が１８％まで低下した場合でも、有効発電面積に比例した発電量が得られた。同様に、直列接続された太陽電池モジュール１０で、直列接続方向と直交する方向に太陽電池モジュール１０の５％が完全に遮光された場合に発電量が最大発電量の４０〜６０％を、１０％が完全に遮光された場合に発電量が最大発電量の１０〜３５％を得られように設計された太陽電池モジュール１０では、影の面積の割合が２０％まで低下した場合でも、ほぼ有効発電面積に比例した発電量が得られた。

上述のように、影の面積の割合が増えた場合または日射量が低下した場合の出力特性は、暗状態のＩ-Ｖ特性の影響を受け易い。一般的に、逆バイアス状態で漏れ電流の大きい太陽電池モジュールでは、部分的に遮光されて有効発電面積が低下したり日射量が低下した場合に、発電量は有効発電面積や日射量に比例して低下する以上に低下してしまう。しかしながら、本発明の太陽電池モジュール１０では、影の面積の割合が大きく、有効発電面積が２０％まで低下した場合でも、ほぼ有効発電面積に比例した発電量が得られた。影で太陽電池素子１３を遮光する替わりに、太陽電池モジュール１０全体に照射される照射強度を２０〜１００％の範囲で変化させた場合にも、ほぼ照射強度に比例した発電量を得ることができた。

以上より、本発明の実施例１によれば、上述の条件式（１）または（２）を満たすことにより太陽電池モジュール１０を実現することができる。直列接続された太陽電池モジュール１０は、直列接続方向と直交する方向に太陽電池モジュール１０の５％が完全に遮光された場合に発電量が最大発電量の４０〜６０％を、１０％が完全に遮光された場合に発電量が最大発電量の１０〜３５％であるように設計されている。このため、ユニットセルが完全に遮光されてもある程度の発電量を得ることができる。さらに、直列接続方向に部分的に遮光されたり、不連続で局所的に発生する影または任意の場所に発生する影等により遮光されたりして有効発電面積が低下した場合または照射強度が低下した場合にも、有効発電面積または照射強度に比例して低下する以上に、発電量が低下することがない。すなわち全体の発電電流が激減してしまうことはなく、太陽電池モジュール１０の発電量を維持することができる。太陽電池モジュール１０はバイパスダイオードを用いていないため、製造コストの増大を招くこともない。加えて、上述の説明で明らかなようにホットスポットに対しても強い特性を有している。

本実施例２では、実施例１に示した太陽電池モジュール１０に組み込む太陽電池素子１３について説明する。太陽電池素子１３は、可撓性絶縁性基板上に直列接続構造を有する太陽電池である。この直列接続構造を有する太陽電池の構造については、特開平６−３４２９２４号公報、特開平１０−２３３５１７号公報等に詳細に記載されている。これらの太陽電池の主に光電変換層の製造方法については、特願平１１−１７９４５５号（特開２００１−７３６７号公報）に開示されている方法により作製した。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例２における、ユニットセルが直列接続された太陽電池素子１３の構造を示す。図６（Ａ）は太陽電池素子１３の平面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＸＸ線に沿った断面図である。図６（Ｂ）の断面図において、太陽電池素子１３が光照射されて発電している時に同じ電位となる電極層には同じハッチングを施してある。図６（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、基板１ａの一面上に第１電極層１ｄ、光電変換層１ｆおよび第３電極層１ｇがこの順に積層され、基板１ａの反対面上に第２電極層１ｅおよび第４電極層１ｈがこの順に積層されている。基板１ａを貫通する第１孔１ｂにより第１電極層１ｄと第２電極層１ｅとが電気的に接続され、基板１ａを貫通する第２孔１ｃにより第３電極層１ｇと第４電極層１ｈとが電気的に接続されている。パターニングラインにより複数のユニットセルＵｎに分割され、これらのユニットセルＵｎが直列に接続されている。図６（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、ユニットセルＵは第２孔１ｃのみを有するように切断部１ｉにより切断されており、第２孔１ｃにおいてのみ第３電極層１ｇと裏側面の第４電極層１ｈと接続されている。一方、第１孔１ｂと１つのユニットセル中の第２孔１ｃとを有するように切断部１ｊにより切断されて裏面電極Ｅが形成されている。第１孔１ｂにおいてはユニットセルＵの下部電極（第１電極層１ｄ）と裏面電極Ｅ（第４電極層１ｈ）とが接続されている。従って、任意のユニットセルＵｎに隣接し合う裏面電極Ｅｎ−１、ｎと裏面電極Ｅｎ、ｎ＋１とは、裏面電極Ｅｎ−１、ｎ−ユニットセルＵｎ−裏面電極Ｅｎ、ｎ＋１という直列接続をなし、所定の多段直列接続された太陽電池となっている。

本実施例２では、上述の各構成要素を以下の材料を使用して太陽電池素子１３を作製した。基板１ａは、可撓性絶縁性基板で耐熱性に優れるポリイミド基板（厚さ５０μｍ）を使用した。第１孔１ｂは基板１ａに機械的に開けた孔であって、直径は１．５ｍｍであり、単位セルあたり２個形成した。第１電極層１ｄは、Ａｇを主体とした金属薄膜層であり、スパッタリング法により厚さ２００ｎｍに形成した。第２電極層１ｅも第１電極層１ｄと同様にＡｇを主体とした金属薄膜層であり、スパッタリング法により厚さ２００ｎｍに形成した。第２孔１ｃも第１孔１ｂと同様に基板１ａに機械的に開けた孔であって、直径は１．５ｍｍであり、１ｃｍ^２当り１．６個形成した。薄膜半導体層（光電変換層）１ｆは、複数のアモルファスシリコン（非晶質シリコン）半導体層、アモルファスシリコンゲルマニウム（非晶質シリコンゲルマニウム）半導体層、微結晶シリコン半導体層およびアモルファスシリコンオキサイド層からなっている。薄膜半導体層（光電変換層）１ｆは、ｐｉｎ接合のアモルファスシリコン／アモルファスシリコンゲルマニウムのタンデム構造太陽電池（以下、ａ-Ｓｉ／ａ-ＳｉＧｅタンデムセル）を構成している。いずれの層もプラズマＣＶＤ法により形成した。

図６（Ｂ）に示される第３電極層１ｇは透明電極層であり、スパッタリング法で形成したＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜（厚さ７０ｎｍ）である。第４電極層１ｈは、Ａｇを主体とした金属薄膜層であり、スパッタリング法により厚さ１００ｎｍに形成した。切断部１ｉは、レーザーを用いて熱的に除去し、切断部１ｉの幅は２００μｍである。切断部１ｊは、切断部１ｉと同様にレーザーを用いて熱的に除去し、切断部１ｊの幅は２００μｍである。

図７は、本発明の実施例２における太陽電池素子１３の電気的等価回路を示す。図７に示されるように、切断部１ｉおよび切断部１ｊでは、第１電極層１ｄ、第３電極層１ｇ、第２電極層１ｅおよび第４電極層１ｈ等との間にシャント抵抗Ｒ１を有している。第１電極層１ｄ、第２電極層１ｅ、第３電極層１ｇ、第４電極層１ｈは各々シート抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ３を有している。第１孔１ｂは、第１電極層１ｄと第２電極層１ｅおよび第４電極層１ｈとの接続抵抗Ｒ５を有している。第２孔１ｃは、第３電極層１ｇと第２電極層１ｅおよび第４電極層１ｈとの接続抵抗Ｒ６を有しており、なお且つ第３電極層１ｇと第２電極層１ｅおよび第４電極層１ｈとシャント抵抗Ｒ７を有している。薄膜半導体層１ｆは、光起電力を有し、なお且つ第１電極層１ｄと第３電極層１ｇとの間にピンホールシャント抵抗Ｒ８を有している。

一般的に、太陽電池素子の暗状態での逆バイアス電圧印加時のＩ−Ｖ特性は、発電層のＩ−Ｖ特性が一定の場合、各種シャント抵抗が変化することにより変化する。本実施例２の太陽電池素子１３では、特に第２孔１ｃによるシャント抵抗の変化により、逆バイアス電圧印加時のＩ−Ｖ特性が変化する。第２孔１ｃによるシャント抵抗は、単位セル当りの第２孔１ｃの数に依存する。すなわち、単位セル当りの第２孔１ｃの数を減らすことによりシャント抵抗は増加するため、逆バイアス電圧印加時の逆方向漏れ電流を小さくすることができる。逆に、単位セル当りの第２孔１ｃの数を増やすことによりシャント抵抗は減少するため、逆バイアス電圧印加時の逆方向漏れ電流を大きくすることができる。

本実施例２の太陽電池素子１３において、第２孔１ｃを1ｃｍ^２当り１．６個形成することにより、実施例１に示した太陽電池モジュール１０が、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮光された場合に最大発電量が２５％を、５％が遮光された場合に最大発電量が５０％を得ることができるように設計することができた。本実施例２の太陽電池素子１３において、第２孔１ｃを1ｃｍ^２当り０．７個形成することにより、実施例１に示した太陽電池モジュール１０が、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮光された場合に最大発電量が１０％を、５％が遮光された場合に最大発電量が４０％を得ることができるように設計することができた。さらに、本実施例２の太陽電池素子１３において、第２孔１ｃを1ｃｍ^２当り３．０個形成することにより、実施例１に示した太陽電池モジュール１０が、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮光された場合に最大発電量が３５％を、５％が遮光された場合に最大発電量が６０％を得ることができるように設計することができた。

一方、本実施例２の太陽電池素子１３において、第２孔１ｃを1ｃｍ^２当り０．５個形成した場合、実施例１に示した太陽電池モジュール１０について、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮光された場合の最大発電量は５％であり、５％が遮光された場合の最大発電量は３７％であった。このため、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮光された場合に最大発電量が１０〜３５％の範囲を、５％が遮光された場合に最大発電量が４０〜６０％の範囲を得ることができるように設計することはできなかった。本実施例２の太陽電池素子１３において、第２孔１ｃを1ｃｍ^２当り３．５個形成した場合、実施例１に示した太陽電池モジュール１０について、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮光された場合の最大発電量は３８％であり、５％が遮光された場合の最大発電量は６３％であった。このため、直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮光された場合に最大発電量が１０〜３５％の範囲を、５％が遮光された場合に最大発電量が４０〜６０％の範囲を得ることができるように設計することはできなかった。

図８は、以上の結果をまとめた、本発明の実施例２における太陽電池素子１３の第２孔１ｃの密度と遮光時の規格化発電量との関係をグラフで示す。図８において、実線および■印の点は直列接続された太陽電池の１０％が完全に遮光された場合の規格化発電量を示し、実線および◆印の点は５％が完全に遮光された場合の規格化発電量を示す。図８に示されるように、本発明の実施例２における太陽電池素子１３の第２孔１ｃの密度を０．７〜３．０個／ｃｍ^２で開けることにより、実施例１の太陽電池モジュール１０を実現することができる。

以上より、本発明の実施例２によれば、実施例１に示した太陽電池モジュール１０に組み込む太陽電池素子１３の第２孔１ｃの密度を０．７〜３．０個／ｃｍ^２で開けることにより、実施例１の太陽電池モジュール１０を実現することができる。

本発明の活用例として、集電孔の密度を特定の範囲に定めた、プラスチックフィルムを基板としたＳＣＡＦ構造のアモルファスシリコン太陽電池等への適用が挙げられる。

本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の構造を示す図（断面図）である。 本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の構造を示す図（平面図）である。 本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の出力特性を評価する際の影２１の状態を示す図である。 本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の出力特性を評価する際の影２２の状態を示す図である。 本発明の実施例１における影２１により遮光された場合の太陽電池モジュール１０の出力特性一覧表を示す図である。 本発明の実施例１における規格化発電量と影２１の面積の割合（％）との関係を示すグラフである。 本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の逆バイアス時のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。 本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の逆バイアス時のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。 影２２により遮光された場合の、本発明の実施例１における太陽電池モジュール１０の出力特性一覧表を示す図である。 影２２がない場合における発電量との比率を規格化発電量（縦軸）とし、これと影２２の面積の割合（横軸。％）との関係を示すグラフである。 本発明の実施例２における、ユニットセルが直列接続された太陽電池素子１３の構造を示す図（平面図）である。 本発明の実施例２における、ユニットセルが直列接続された太陽電池素子１３の構造を示す図（図６（Ｂ）のＸＸ線での断面図）である。 本発明の実施例２における太陽電池素子１３の電気的等価回路を示す図である。 本発明の実施例２における太陽電池素子１３の第２孔１ｃの密度と遮光時の規格化発電量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ａ 基板、 １ｂ 第１孔、 １ｃ 第２孔、 １ｄ 第１電極層、 １ｅ 第２電極層、 １ｆ 薄膜半導体層、 １ｇ 第３電極層、 １ｈ 第４電極層、 １ｉ、１ｊ 切断部、 １０ 太陽電池モジュール、 １１ 鋼板、 １２、１４ 絶縁性接着樹脂、 １３ 太陽電池素子、 １５ 透光性耐候樹脂、 ２１、２２ 影。

Claims (5)

1. 絶縁性基板上に形成され、所定数のユニットセルが直列接続された構造を有する太陽電池素子から構成される太陽電池モジュールにおいて、該直列接続された各ユニットセル内に電気的等価回路上のシャント抵抗が複数並列接続された構造を形成し、該絶縁性基板上に形成された光電変換層はアモルファスシリコン/アモルファスシリコンゲルマニウムのタンデム構造を構成し、最適動作電圧をＶｏｐ、最適動作電流をＩｏｐ、逆方向電圧をＶｒ、逆方向漏れ電流をＩｒとした場合、該太陽電池モジュールの逆方向の電圧−電流特性が、
   ０．７Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．９Ｉｏｐ（Ｖｒ＝１０Ｖｏｐ印加時），
   ０．４Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．８Ｉｏｐ（Ｖｒ＝５Ｖｏｐ印加時）
   又は、
   ４．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦１５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．８Ｉｏｐ印加時），
   ３．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．４Ｉｏｐ印加時）
   のいずれかの関係を満たすことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 請求項１記載の太陽電池モジュールにおいて、
   前記絶縁性基板の一面上には第１電極層、光電変換層及び第３電極層が当該順に積層され、該絶縁性基板の反対面上には第２電極層及び第４電極層が当該順に積層されており、
   前記絶縁性基板を貫通する第１孔により第１電極層と第２電極層とが電気的に接続され、該絶縁性基板を貫通する第２孔により第３電極層と第４電極層とが電気的に接続されたことを特徴とする太陽電池モジュール。
3. 太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子であって、該太陽電池素子は絶縁性基板上に形成され、所定数のユニットセルが直列接続された構造を有し、該直列接続された各ユニットセル内に電気的等価回路上のシャント抵抗が複数並列接続された構造を形成し、該絶縁性基板上に形成された光電変換層はアモルファスシリコン/アモルファスシリコンゲルマニウムのタンデム構造を構成し、最適動作電圧をＶｏｐ、最適動作電流をＩｏｐ、逆方向電圧をＶｒ、逆方向漏れ電流をＩｒとした場合、該太陽電池モジュールの逆方向の電圧−電流特性が、
   ０．７Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．９Ｉｏｐ（Ｖｒ＝１０Ｖｏｐ印加時），
   ０．４Ｉｏｐ≦Ｉｒ≦０．８Ｉｏｐ（Ｖｒ＝５Ｖｏｐ印加時）
   又は、
   ４．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦１５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．８Ｉｏｐ印加時），
   ３．５Ｖｏｐ≦Ｖｒ≦５Ｖｏｐ（Ｉｒ＝０．４Ｉｏｐ印加時）
   のいずれかの関係を満たすことを特徴とする太陽電池素子。
4. 請求項３記載の太陽電池素子において、
   前記絶縁性基板の一面上には第１電極層、光電変換層及び第３電極層が当該順に積層され、該絶縁性基板の反対面上には第２電極層及び第４電極層が当該順に積層されており、
   前記絶縁性基板を貫通する第１孔により第１電極層と第２電極層とが電気的に接続され、該絶縁性基板を貫通する第２孔により第３電極層と第４電極層とが電気的に接続されたことを特徴とする太陽電池素子。
5. 請求項３又は４記載の太陽電池素子において、前記基板は可撓性絶縁性基板であることを特徴とする太陽電池素子。

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