JP5618134B2 - 制御装置および方法、並びに、太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、制御装置および方法、並びに、太陽電池に関し、特に、太陽電池の発電特性の劣化を抑制することができるようにした制御装置および方法、並びに、太陽電池に関する。
近年、太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換素子である太陽電池は太陽光をエネルギー源としているため、地球環境に対する影響が極めて少なく、より一層の普及が期待されている。
従来より、太陽電池としては、単結晶または多結晶のシリコンを用いた結晶シリコン系太陽電池および非晶質（アモルファス）シリコン系太陽電池が主に用いられている。
これに対して、１９９１年にグレッツェルらが提案した色素増感太陽電池は、高い光電変換効率を得ることができ、しかも従来のシリコン系太陽電池とは異なり製造の際に大掛かりな装置を必要とせず、低コストで製造することができることなどにより注目されている（例えば、非特許文献１参照。）。
ところで、この色素増感型太陽電池は、レドックス種を含む有機溶媒やイオン液体、ゲルなどをはじめとする電解質層（液体・固体）を使用するため、光照射環境下（発電環境下）にありながら、色素増感型太陽電池の集電部に接続される外部回路が開回路状態、あるいは、電力をあまり消費していない使用状況下にある場合（つまり、集電部間が解放状態にある場合）、色素増感型太陽電池の電解質層に分極現象が起こりやすい。そして、このような分極が起こると色素増感型太陽電池の発電特性低下を招く恐れがあった。
より具体的に説明すると、光が色素増感型太陽電池に照射され、かつ、色素増感型太陽電池の外部回路が開回路状態の場合、半導体極の導電性透明電極（FTO、ITOなど）とTiO2界面に電子が蓄積することが知られている。
太陽光下だけでなく、屋内の蛍光灯下でも電子供給源となる色素は励起するために電子は供給され続け、電子蓄積は起こりうる。
このように、導電性透明電極の界面に電子が蓄積され続けると、電池内部で分極が発生する。具体的には、導電性透明電極とTiO2の界面から電子がリークし、電解質層レドックス成分の還元が起こりその酸化体と還元体の組成バランスが崩れる。
逆電子移動の可能性としては、例えば、（１）色素が励起状態から失活する、（２）TiO2から色素あるいはTiO2からレドックス成分への電子移動、若しくは、（３）導電性透明電極からレドックス成分への電子移動が考えられる。この３種類の反応のうち、（３）の反応が最も速いため、番号［０００８］の段落において上述した反応が優先的に起こりやすく分極現象が起こりやすい。
特に大面積な色素増感型太陽電池（大電流を発生する色素増感型太陽電池）ほど、一度の色素励起で発生する電子量が多いため、この分極現象は発生し易い。
このような分極現象は、レドックス種を含む有機溶媒やイオン液体、ゲルなどをはじめとする電解質層（液体・固体）を使用する色素増感型太陽電池特有の現象であり、従来のシリコン系太陽電池（単結晶・アモルファス等）では想定できなかった劣化モードである。
そこで、色素増感型太陽電池に電流印加用の電極を別途設け、外部電源を用いてその電極から色素増感型太陽電池に逆電流を印加することにより、発生した分極現象を低減させ、劣化した発電特性を回復させる方法が考えられた（例えば、特許文献１参照）。
Nature,353,p.737(1991)
しかしながら、従来の方法では、発電特性の劣化を抑制することはできなかった。
一般的に太陽電池は、外部の負荷回路や二次電池等に接続されて使用される。つまり、太陽電池が発電した電力は、外部回路において消費されたり蓄積されたりする。しかしながら、負荷回路が太陽電池の発電する電力で動作していない場合や、二次電池が満充電の状態の場合、この電力消費が行われない。つまり、外部回路が開回路の状態となってしまう。
その上、色素増感型太陽電池は、光が照射される間継続的に発電を行う。つまり、外部回路が開回路の状態になっても、色素増感型太陽電池は、発電を中止することはできない。したがって、上述したように色素増感型太陽電池において分極現象が発生し、発電特性が劣化してしまう恐れがあった。
特許文献１に記載の方法では、劣化した発電特性を回復させることができるが、劣化そのものを抑制させることはできなかった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、太陽電池の発電特性の劣化を抑制することができるようにすることを目的とする。
本発明の一側面は、レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池の、正負極の端子間の短絡を制御する制御装置であって、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記色素増感型太陽電池の正極を流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段により検出された電圧値と、前記電流検出手段により検出された電流値とに基づいて、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を短絡させる短絡解放手段とを備える制御装置である。
前記電流検出手段は、前記色素増感型太陽電池の正極に接続される電流検出抵抗を備え、前記電流検出抵抗を流れる電流を検出することができる。
前記判定手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧値が大きい場合、前記色素増感型太陽電池が発電を行っていると判定し、前記電圧検出手段により検出された電圧値が小さい場合、前記色素増感型太陽電池が発電を行っていないと判定することができる。
前記判定手段は、前記電流検出手段により検出された電流値が小さい場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定し、前記電流検出手段により検出された電流値が大きい場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が閉回路状態であると判定することができる。
前記短絡解放手段は、前記判定手段により、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が閉回路状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を解放させることができる。
前記短絡解放手段は、可変抵抗およびスイッチ回路を有することができる。
前記判定手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧値に比例する第１のパラメータと、前記電流検出手段により検出された電流値に比例する第２のパラメータとを比較し、その大小関係によって、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定することができる。
本発明の一側面は、また、制御装置による、レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池の、正負極の端子間の短絡を制御する制御方法であって、前記制御装置の電圧検出手段が、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間の電圧を検出し、前記制御装置の電流検出手段が、前記色素増感型太陽電池の正極を流れる電流を検出し、前記制御装置の判定手段が、検出された電圧値と電流値とに基づいて、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定し、前記制御装置の短絡解放手段が、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を短絡させる制御方法である。
本発明の他の側面は、レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池と、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記色素増感型太陽電池の正極を流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段により検出された電圧値に比例する第１のパラメータと、前記電流検出手段により検出された電流値に比例する第２のパラメータとを比較することにより、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定する比較手段と、前記比較手段により、前記第１のパラメータと前記第２のパラメータの大小関係に応じて、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を短絡させる短絡解放手段とを備える太陽電池である。
前記電流検出手段は、前記色素増感型太陽電池の正極に接続される電流検出抵抗を備え、前記電流検出抵抗を流れる電流を検出することができる。
前記短絡解放手段は、前記比較手段により、前記第１のパラメータと前記第２のパラメータの大小関係に応じて、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が閉回路状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を解放させることができる。
前記短絡解放手段は、可変抵抗およびスイッチ回路を有することができる。
本発明の他の側面は、また、レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池の、正負極の端子間の短絡を制御する制御方法であって、前記色素増感型太陽電池の電圧検出手段が、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間の電圧を検出し、前記色素増感型太陽電池の電流検出手段が、前記色素増感型太陽電池の正極を流れる電流を検出し、前記色素増感型太陽電池の比較手段が、検出された電圧値に比例する第１のパラメータと、検出された電流値に比例する第２のパラメータとを比較することにより、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定し、前記色素増感型太陽電池の短絡解放手段が、前記比較手段により、前記第１のパラメータと前記第２のパラメータの大小関係に応じて、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を短絡させる制御方法である。
本発明の一側面においては、レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池の正負極の端子間の電圧と、色素増感型太陽電池の正極を流れる電流が検出され、検出された電圧値と電流値とに基づいて、色素増感型太陽電池の発電状態、および、色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かが判定され、色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、色素増感型太陽電池の正負極の端子間が短絡される。
本発明の他の側面においては、レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池の、正負極の端子間の電圧と、正極を流れる電流とが検出され、検出された電圧値に比例する第１のパラメータと、検出された電流値に比例する第２のパラメータとを比較することにより、色素増感型太陽電池の発電状態、および、色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かが判定され、第１のパラメータと第２のパラメータの大小関係に応じて、色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、色素増感型太陽電池の正負極の端子間が短絡される。
本発明によれば、太陽電池の正負極間の接続を制御することができる。特に、太陽電池の発電特性の劣化を抑制することができる。
以下、発明を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（変換効率の時間的変化の説明）
２．第２の実施の形態（制御装置）
３．第３の実施の形態（太陽電池）
１．第１の実施の形態（変換効率の時間的変化の説明）
２．第２の実施の形態（制御装置）
３．第３の実施の形態（太陽電池）
＜１．第１の実施の形態＞
［分極現象による劣化］
最初に、色素増感型太陽電池の分極現象による発電特性の劣化の例について説明する。色素増感型太陽電池のパネルを８個直列に接続した色素増感型太陽電池モジュールの発電特性の時間的変化を、色素増感型太陽電池モジュールが接続される外部回路のパターン（集電部間の状態）毎に比較する。
［分極現象による劣化］
最初に、色素増感型太陽電池の分極現象による発電特性の劣化の例について説明する。色素増感型太陽電池のパネルを８個直列に接続した色素増感型太陽電池モジュールの発電特性の時間的変化を、色素増感型太陽電池モジュールが接続される外部回路のパターン（集電部間の状態）毎に比較する。
第１の状態は、図１Ａに示されるように、色素増感型太陽電池モジュール１０１の集電部間が解放された状態（開回路状態）である。この場合、集電部間の抵抗値は無限大である。したがって、このときの集電部間の電流電圧特性は、図１Ｄに示されるグラフにおけるI-V特性曲線上の電流密度が０となる点（丸囲み数字「１」の近傍）に相当する。
第２の状態は、図１Ｂに示されるように、色素増感型太陽電池モジュール１０１の集電部が閉回路１０２により短絡された状態（閉回路状態）である。閉回路１０２は抵抗値０の回路である。つまり、集電部間の抵抗値は０である。したがって、このときの集電部間の電流電圧特性は、図１Ｄに示されるグラフにおけるI-V特性曲線上の電圧が０となる点（丸囲み数字「２」の近傍）に相当する。
第３の状態は、図１Ｃに示されるように、色素増感型太陽電池モジュール１０１の集電部が、抵抗器１０３Ａを含む閉回路１０３により短絡された状態（閉回路状態）である。この抵抗器１０３Ａの抵抗値は、電力が最大となるような値に設定されている。したがって、このときの集電部間の電流電圧特性は、図１Ｄに示されるグラフにおけるI-V特性曲線上の、集電部間の電圧（Ｖ）、および、集電部間を流れる電流（Ｊ）が、最大電力となるような値（Ｖｍａｘ，Ｊｍａｘ）をとる点（丸囲み数字「３」の近傍）に相当する。
以上のような３状態の色素増感型太陽電池モジュールをハロゲン光照射環境下に長時間静置した場合の、色素増感型太陽電池モジュールの変換効率の経時変化（光劣化加速試験）の例を図２のグラフに示す。
図２に示されるグラフにおいて、曲線１１１は、第１の状態（図１Ａ）の色素増感型太陽電池モジュール１０１の変換効率の経時変化の例を示す。また、曲線１１２は、第２の状態（図１Ｂ）の色素増感型太陽電池モジュール１０１の変換効率の経時変化の例を示す。さらに、曲線１１３は、第３の状態（図１Ｃ）の色素増感型太陽電池モジュール１０１の変換効率の経時変化の例を示す。
図２に示されるように、基本的にどの状態であっても、色素増感型太陽電池モジュール１０１の変換効率は、光劣化の影響により時間とともに低下する傾向を示すが、その減少量は、第１の状態（開回路）の場合が、他の状態と比べて最も大きい。
色素増感型太陽電池は、増感色素を担持させたチタニア多孔質電極と対極との間に電解質層を介在させた構造を有している。例えば、電解質層としてレドックス対（Ｉ−とＩ３ −等）を含む電解液を使用した色素増感型太陽電池の場合、昼間などの発電時に光がチタニア多孔質電極に当たると、その光を増感色素が吸収してチタニア多孔質電極中に電子を放出する。このとき、増感色素に残されたホールは、ヨウ化物イオン（Ｉ−）を酸化して三ヨウ化物イオン（Ｉ３ −）へと変える。また、チタニア多孔質電極中に放出された電子は、回路を経て対極に移動するとともに、そこで三ヨウ化物イオン（Ｉ３ −）を還元してヨウ化物イオン（Ｉ−）へと変える。そして、このサイクルが連続して起こることにより、光エネルギーが電気エネルギーに変換されるようになっている。
しかしながら、光が色素増感型太陽電池に照射され、かつ、色素増感型太陽電池の外部回路が開回路状態の場合、電解液中のレドックス対の比率に偏りが生じ、これが電池の特性劣化（即ち光電変換効率の低下）を引き起こす原因となる。その理由としては以下のことが考えられる。
電解液中には三ヨウ化物イオン（Ｉ３ −）とヨウ化物イオン（Ｉ−）とがレドックス対として存在するが、チタニア多孔質電極に蓄積された電子のレドックス対への逆電子移動によりチタニア多孔質電極付近にヨウ化物イオン（Ｉ−）が偏在し、対極付近に三ヨウ化物イオン（Ｉ３ −）が偏在するようになり、電解液の導電性が低下するからである。
このように、色素増感型太陽電池モジュールの集電部間を解放状態にしておくと、分極化がより強く発生し、色素増感型太陽電池モジュールの発電特性がより大きく劣化してしまう恐れがあった。
＜２．第２の実施の形態＞
［制御装置］
図３は、本発明を適用した制御装置の構成例を説明する図である。図３に示される劣化抑制制御装置２０２は、増感色素を担持させたチタニア多孔質電極と対極との間に電解液を介在させた構造を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換部である色素増感型太陽電池（以下、DSSC（Dye Sensitized Solar Cell）と称する）２０１の、分極現象による発電特性の劣化を抑制する装置である。
［制御装置］
図３は、本発明を適用した制御装置の構成例を説明する図である。図３に示される劣化抑制制御装置２０２は、増感色素を担持させたチタニア多孔質電極と対極との間に電解液を介在させた構造を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換部である色素増感型太陽電池（以下、DSSC（Dye Sensitized Solar Cell）と称する）２０１の、分極現象による発電特性の劣化を抑制する装置である。
劣化抑制制御装置２０２は、DSSC２０１と、負荷回路２０３や二次電池２０４との間に接続される。つまり、DSSC２０１は、劣化抑制制御装置２０２を介して、外部回路である負荷回路２０３や二次電池２０４に接続される。
負荷回路２０３は、DSSC２０１において発電された電力や、二次電池に蓄えられた電力を消費して駆動する回路である。その構成や実行する処理の内容は、任意である。DSSC２０１において発電された電力や、二次電池に蓄えられた電力を消費して駆動するものであればどのようなものであってもよい。
二次電池２０４は、例えばリチウムイオン電池のような二次電池により構成され、DSSC２０１において発電された電力の、負荷回路２０３において消費されない余剰部分を蓄積する。蓄積された電力は、必要に応じて負荷回路２０３に提供される。
例えば、負荷回路２０３が駆動せず休止状態の場合、DSSC２０１において発電された電力は、満充電になるまで二次電池２０４に蓄電される。また、例えば、負荷回路２０３が駆動していてもDSSC２０１において得られる電力の全てを消費していない場合、その余剰分は、満充電になるまで二次電池２０４に蓄電される。
また、例えば夜間のように、DSSC２０１が発電をしていない場合、負荷回路２０３は、二次電池２０４から電力の供給を受けて駆動する。さらに、例えば、DSSC２０１の発電量が、負荷回路２０３の消費電力と比べて少ない場合、負荷回路２０３は、二次電池２０４から電力の供給を受けることにより、その不足分を補う。
二次電池２０４は、電力を蓄電可能なものであればどのようなものであってもよい。
劣化抑制制御装置２０２は、DSSC２０１において分極現象が発生しないように駆動し、DSSC２０１の発電特性の劣化を抑制する。劣化抑制制御装置２０２は、CPU（Central Processing Unit）２１１、電圧変換部２１２、電圧検出部２１３、電流検出部２１４、短絡部２１５、並びに、端子２１６乃至端子２１９を有する。
図３に示されるように、DSSC２０１の正極の端子は端子２１６に接続され、負極の端子は端子２１７に接続される。端子２１６は、短絡部２１５、電流検出部２１４、電圧変換部２１２を介して端子２１８に接続される。端子２１７は、短絡部２１５、電流検出部２１４、電圧変換部２１２を介して端子２１９に接続される。端子２１８は、負荷回路２０３および二次電池２０４の正極に接続され、端子２１９は、負荷回路２０３および二次電池２０４の負極に接続される。
電圧変換部２１２は、図３に示されるように、DC/DC変換器（DC/DC Converter）２２１、抵抗（Ｒ３）２２２、および抵抗（Ｒ４）２２３を有し、電圧変換を行う。例えば、DC/DC変換器２２１は、DSSC２０１の出力電圧（端子２１６と端子２１７との間の電圧）を、抵抗（Ｒ３）２２２と抵抗（Ｒ４）２２３との比に応じて変換する。つまり、端子２１８と端子２１９との間の電圧は、この変換後の電圧となる。この変換後の電圧が、負荷回路２０３や二次電池２０４に供給される。
電圧検出部２１３は、DSSC２０１の発電状態を知るために、端子２１６と端子２１７との間の電圧値を検出する。電圧検出部２１３は、図３に示されるように、オペアンプ２３１、抵抗２３２、および抵抗２３３を有する。電圧検出部２１３は、検出したDSSC２０１の両極の端子間電圧値をCPU２１１に供給する。
電流検出部２１４は、DSSC２０１の発電状態を知るために、DSSC２０１の正極側から出力される電流値を検出する。電流検出部２１４は、図３に示されるように、電流検出抵抗２４１、抵抗２４２、抵抗２４３、オペアンプ２４４、抵抗２４５、および抵抗２４６を有する。電流検出抵抗２４１は、その両端の端子が、DSSC２０１の正極に接続される端子２１６と、DC/DC変換器２２１の入力端子とに接続される。電流検出部２１４は、電流検出抵抗２４１の両端に発生する起電圧を取得し、電流検出抵抗２４１を流れる電流値を検出する。電流検出部２１４は、検出した電流値をCPU２１１に供給する。
CPU２１１は、演算処理を行い、電圧検出部２１３から供給される電圧値と電流検出部２１４から供給される電流値とに基づいて、DSSC２０１の発電状態とDSSC２０１の両極が開回路（解放）状態であるか否かを判定する。
例えば、DSSC２０１の両極間に十分な大きさの電圧が発生していることが検出され、電流検出抵抗２４１に十分な大きさの電流が流れていることが検出された場合、CPU２１１は、DSSC２０１において発電された電力が負荷回路２０３に供給されて消費されるか、若しくは、二次電池２０４に供給されて蓄電されていると判定する。
また、例えば、DSSC２０１の両極間に十分な大きさの電圧が発生していることが検出され、電流検出抵抗２４１に十分な大きさの電流が検出されなかった場合、CPU２１１は、DSSC２０１が発電を行うものの、負荷回路２０３が駆動せず、かつ、二次電池２０４が満充電の状態であり、DSSC２０１の両極の端子が開回路（解放）状態であると判定する。
さらに、例えば、DSSC２０１の両極間に十分な大きさの電圧が発生していることが検出されなかった場合、CPU２１１は、DSSC２０１が発電を行っていないものと判定する。
なお、電圧や電流がどのレベルでどのような状態であると判定するか（判定基準）は、DSSC２０１、負荷回路２０３、および二次電池２０４の仕様等に基づいて、適切に判定を行うことができるように、予め定められている。もちろん、この判定基準は、変更することができるようにしてもよい。例えば、ユーザが、負荷回路２０３、および二次電池２０４の仕様等に基づいて、この判定基準を適宜調整することができるようにしてもよい。また、劣化抑制制御装置２０２に接続されたDSSC２０１、負荷回路２０３、および二次電池２０４の仕様等に基づいて、CPU２１１が、この判定基準を適宜調整するようにしてもよい。
CPU２１１は、図３に示されるように、メモリ２６１を内蔵する。メモリ２６１は、例えばROM（Read Only Memory）やRAM（Random Access Memory）等よりなり、プログラムやデータ等を記憶する記憶領域を有する。CPU２１１は、このメモリ２６１に保持されるプログラムを実行したり、データを使用したりして上述した演算処理を行う。もちろん、このメモリ２６１が、CPU２１１の外部に形成されるようにしてもよい。
CPU２１１は、制御処理も行う。CPU２１１は、演算処理結果に基づいて、短絡部２１５を制御する。
短絡部２１５は、図３に示されるように、端子２１６と端子２１７との間に接続され、両端子間、すなわち、DSSC２０１の正負極間を接続（短絡）するか否かを制御する。短絡部２１５は、可変抵抗２５１とスイッチ２５２を有する。
可変抵抗２５１は、端子２１６と端子２１７とを短絡させたときにDSSC２０１に流れる電流値を制御するものである。分極現象の発生をより強く抑制するために、電流は、より多く流れる（流れやすい）方が望ましいが、過大電流がDSSC２０１に流れるとDSSC２０１を破壊してしまう恐れがある。そこで、可変抵抗２５１の抵抗値は、DSSC２０１に、DSSC２０１が破壊されない程度に大きな電流が流れるような値に設定される。この可変抵抗２５１の抵抗値の制御は、CPU２１１が行うようにしても良いし、ユーザにより行われるようにしてもよい。
スイッチ２５２は、端子２１６と端子２１７との短絡を制御するスイッチ回路である。スイッチ２５２がON（接続）することにより、端子２１６と端子２１７との間、すなわち、DSSC２０１の両極間が接続される（短絡する）。
スイッチ２５２の接続は、CPU２１１の制御に基づいて行われる。CPU２１１は、上述したように、DSSC２０１が発電を行い、DSSC２０１の両極間が開回路（解放）状態であると判定した場合、DSSC２０１における分極現象の発生を抑制するために、スイッチ２５２をON（接続）させる。CPU２１１は、それ以外の場合、スイッチ２５２をOFF（切断）させる。
色素増感太陽電池が解放状態となり、その端子間を短絡するまでの時間は、色素増感太陽電池の端子間が解放状態となり、電解液に含まれるヨウ素イオンの酸化還元反応が停止し、その結果端子間に電位が生じるまでの時間より短い処理時間であることが望ましい。これは、電位差により要素の酸化還元バランスの著しい崩れを防止するためである。ヨウ素イオン同士が相互作用を及ぼすまでの時間は、ヨウ素イオンの拡散係数と、ヨウ素イオン間距離によって算出することができる。
このようにすることにより、DSSC２０１が発電を行い、かつ、DSSC２０１の正負極の端子間が開回路（解放）状態である場合、DSSC２０１の両極の端子間が短絡されるので、DSSC２０１における分極現象の発生が抑制される。つまり、DSSC２０１の発電特性の劣化が抑制される。
なお、劣化抑制制御装置２０２のCPU２１１には、入力部２７１、出力部２７２、記憶部２７３、通信部２７４、およびドライブ２７５が適宜接続される。
入力部２７１は、例えば、キーボード、マウス、ボタン、若しくはタッチパネルなどの任意の入力デバイスや入力端子等よりなり、ユーザや他の装置等の外部からの情報入力を受け付け、入力された情報をCPU２１１に提供する。
出力部２７２は、CRT（Cathode Ray Tube）ディスプレイ、LCD（Liquid Crystal Display）等のディスプレイ、スピーカ、若しくは出力端子などよりなり、CPU２１１から供給される情報を画像や音声としてユーザに提供したり、所定の信号として他の装置に出力したりする。
記憶部２７３は、例えば、フラッシュメモリ等SSD（Solid State Drive）やハードディスクなどよりなり、CPU２１１から供給される情報を記憶したり、記憶している情報をCPU２１１に供給したりする。
通信部２７４は、例えば、有線LAN（Local Area Network）や無線LANのインタフェースやモデムなどよりなり、インターネットを含むネットワークを介して他の装置との通信処理を行う。例えば、通信部２７４は、CPU２１１に制御され、インターネットを含むネットワークを介してコンピュータプログラムを取得し、それを記憶部２７３にインストールする。
ドライブ２７５には、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア２８１が適宜装着される。例えば、ドライブ２７５は、CPU２１１に制御され、そのリムーバブルメディア２８１からコンピュータプログラムを読み出し、それを記憶部２７３にインストールする。
［処理の流れ］
次に、図３の劣化抑制制御装置２０２により実行される劣化抑制処理の流れの例を、図４のフローチャートを参照して説明する。
次に、図３の劣化抑制制御装置２０２により実行される劣化抑制処理の流れの例を、図４のフローチャートを参照して説明する。
劣化抑制処理が開始されると、可変抵抗２５１は、ステップＳ１０１において、自身の抵抗値を設定する。ステップＳ１０２において、電圧検出部２１３は、DSSC２０１の正負極の端子間の電圧を測定する。ステップＳ１０３において、電流検出部２１４は、電流検出抵抗２４１を流れる電流を測定する。ステップＳ１０４において、CPU２１１は、ステップＳ１０２において検出された電圧値、および、ステップＳ１０３において検出された電流値に基づいて、DSSC２０１が発電を行っているにも関わらず、DSSC２０１の正負極の端子が開回路（解放）状態であるか否かを判定する。
DSSC２０１の正負極の端子が開回路（解放）状態であると判定された場合、CPU２１１は、ステップＳ１０５に進み、スイッチ２５２を制御し、ONにする（閉じる）。これにより、DSSC２０１の正負極の端子が短絡される。ステップＳ１０５の処理を終了すると、劣化抑制処理が終了する。
また、ステップＳ１０４において、DSSC２０１の正負極の端子が閉回路状態であると判定された場合、CPU２１１は、ステップＳ１０６に進み、スイッチ２５２を制御し、Offにする（開く）。ステップＳ１０６の処理を終了すると、劣化抑制処理が終了する。
劣化抑制制御装置２０２は、以上のような劣化抑制処理を、適宜行う。例えば、所定の時間やイベント発生毎に劣化抑制処理が行われるようにしてもよい。また、劣化抑制制御装置２０２が、ステップＳ１０２乃至ステップＳ１０６の各処理を繰り返し、DSSC２０１の状態を常に監視し、保護するようにしてもよい。
以上のように、劣化抑制処理を実行することにより、劣化抑制制御装置２０２は、DSSC２０１の電解液の偏りを抑制し、分極現象の発生を抑制することができ、その分極現象の発生によるDSSC２０１の発電特性の劣化を抑制することができる。また、劣化抑制制御装置２０２は、負荷回路２０３が駆動していたり、二次電池２０４が充電可能な場合、短絡部２１５を解放させるので、通常動作を妨げないように、分極現象の発生によるDSSC２０１の発電特性の劣化を抑制することができる。
なお、劣化抑制制御装置２０２は、上述したように、小規模の回路と容易な制御処理により、DSSC２０１の発電特性の劣化を抑制することができる。つまり、劣化抑制制御装置２０２は、DSSC２０１の発電特性の劣化を抑制することによるコストや消費電力の不要な増大を抑制することができる。
なお、劣化抑制制御装置２０２の、端子２１６および端子２１７の端子間電圧と、端子２１８および端子２１９の端子間電圧とが互いに等しい場合、電圧変換部２１２は省略することができる。
また、後述するように、CPU２１１の代わりに比較器を用いるようにしてもよい。電圧検出部２１３の出力は、DSSC２０１の両極の端子間電圧の値に相当（比例）するパラメータとみなすことができ、電流検出部２１４の出力は、電流検出抵抗２４１を流れる電流の値に相当（比例）するパラメータとみなすことができる。つまり、互いのスケールを考慮し、必要に応じてスケール調整を行って、これらのパラメータを比較することにより、その大小関係によって、CPU２１１の場合と同様に、DSSC２０１の正負極の端子間の短絡を制御することができる。このようにすることにより、制御回路をより簡易化することができ、DSSC２０１の発電特性の劣化の抑制をより容易に行うことができる。
＜３．第３の実施の形態＞
［劣化抑制機能付太陽電池］
なお、上述した劣化抑制制御機能は、太陽電池モジュールに組み込むようにしてもよい。
［劣化抑制機能付太陽電池］
なお、上述した劣化抑制制御機能は、太陽電池モジュールに組み込むようにしてもよい。
図５は、本発明を適用した劣化抑制機能付太陽電池の主な構成例を示す図である。
図５に示される劣化抑制機能付太陽電池３００は、DSSC２０１に上述した劣化抑制機能を付加したものであり、DSSC２０１の他に、図３の劣化抑制制御装置２０２と同様の、電圧検出部２１３、電流検出部２１４および短絡部２１５を有する。また、劣化抑制機能付太陽電池３００は、図３の劣化抑制制御装置２０２のCPU２１１の代わりに比較器３１１を有する。
電圧検出部２１３は、DSSC２０１の正負極の端子間の電圧を検出し、電流検出部２１４は、DSSC２０１の正極側に設けられた電流検出抵抗２４１を流れる電流を検出する。
比較器３１１は、電圧検出部２１３の出力と電流検出部２１４の出力を比較する。電圧検出部２１３の出力は、DSSC２０１の両極の端子間電圧の値に相当（比例）するパラメータとみなすことができ、電流検出部２１４の出力は、電流検出抵抗２４１を流れる電流の値に相当（比例）するパラメータとみなすことができる。
比較器３１１は、両者のスケールを考慮し、必要に応じてスケール調整を行って、これら２つのパラメータを比較し、その大小関係を判定する。各パラメータのスケールの調整量は、DSSC２０１の仕様や、劣化抑制機能付太陽電池３００に接続されることが想定される負荷回路や二次電池の仕様等に基づいて予め決定される。つまり、比較器３１１の比較結果によって、短絡部２１５の短絡・解放の制御を適切に行うことができるように、各パラメータのスケールが予め調整される。
もちろん、このスケール調整量を可変としてもよい。例えば、ユーザが、劣化抑制機能付太陽電池３００に接続する負荷回路や二次電池の仕様等に応じて、各パラメータのスケール調整量を制御することができるようにしてもよい。また、劣化抑制機能付太陽電池３００に接続された負荷回路や二次電池の仕様等に応じて、各パラメータのスケール調整量を制御する制御部を設けるようにしてもよい。このようにすることにより、劣化抑制機能付太陽電池３００がより多様な仕様の負荷回路や二次電池に対応する（適切な制御を行う）ことができる。
比較器３１１の出力は、短絡部２１５のスイッチ２５２に制御信号として供給される。
電圧検出部２１３の出力が、電流検出部２１４の出力に対して大きい場合、つまり、DSSC２０１の正負極の端子間の電圧が高く、電流検出抵抗２４１を流れる電流が少ない場合、DSSC２０１が発電を行っているにも関わらず、DSSC２０１の正負極の端子間が開回路（解放）状態であると判定する。その場合、比較器３１１の出力により、スイッチ２５２がON（接続）され、DSSC２０１の正負極の端子間が短絡される。
電圧検出部２１３の出力が、電流検出部２１４の出力に対して小さい場合、つまり、DSSC２０１の正負極の端子間の電圧が低いか、若しくは、電流検出抵抗２４１を流れる電流が多い場合、DSSC２０１が発電を行っていないか、若しくは、DSSC２０１の正負極の端子間が閉回路状態であると判定する。その場合、比較器３１１の出力により、スイッチ２５２がOFF（切断）され、DSSC２０１の正負極の端子間が解放される。
色素増感太陽電池が解放状態となり、その端子間を短絡するまでの時間は、色素増感太陽電池の端子間が解放状態となり、電解液に含まれるヨウ素イオンの酸化還元反応が停止し、その結果端子間に電位が生じるまでの時間より短い処理時間であることが望ましい。これは、電位差により要素の酸化還元バランスの著しい崩れを防止するためである。ヨウ素イオン同士が相互作用を及ぼすまでの時間は、ヨウ素イオンの拡散係数と、ヨウ素イオン間距離によって算出することができる。
また、劣化抑制機能付太陽電池３００は、端子３２１および端子３２２を有する。端子３２１は、短絡部２１５および電流検出部２１４を介して、DSSC２０１の正極の端子に接続される。すなわち、電流検出部２１４の電流検出抵抗２４１は、DSSC２０１の正極の端子と、端子３２１との間に接続される。
端子３２２は、短絡部２１５および電流検出部２１４を介して、DSSC２０１の負極の端子に接続される。図示は省略するが、この端子３２１および端子３２２は、図３に示した負荷回路２０３や二次電池２０４に接続される。
つまり、換言すれば、比較器３１１は、電圧検出部２１３の出力と電流検出部２１４の出力を比較することにより、DSSC２０１の発電状態と、端子３２１および端子３２２の間が開回路（解放）状態であるか否かを判定することができる。
例えば、DSSC２０１が発電を行い、端子３２１および端子３２２に接続される負荷回路が動作していなかったり、端子３２１および端子３２２に接続される二次電池が満充電状態であったりする場合、電圧検出部２１３の出力に対して電流検出部２１４の出力が小さくなるので、比較器３１１の出力により、短絡部２１５のスイッチ２５２は、ON（接続）される。これにより、DSSC２０１の電解液の偏りが抑制され、分極現象の発生が抑制される。つまり、劣化抑制機能付太陽電池３００は、分極現象の発生によるDSSC２０１の発電特性の劣化を抑制することができる。このとき、劣化抑制機能付太陽電池３００は、負荷回路の動作状態や二次電池の充電状況を確認するために負荷回路や二次電池からフィードバック等を受ける必要がなく、より容易に、分極現象の発生によるDSSC２０１の発電特性の劣化を抑制することができる。
また、例えば、DSSC２０１が発電を行い、端子３２１および端子３２２に接続される負荷回路が動作していたり、端子３２１および端子３２２に接続される二次電池が充電可能な状態であったりする場合、電圧検出部２１３の出力に対して電流検出部２１４の出力が大きくなるので、比較器３１１の出力により、短絡部２１５のスイッチ２５２は、OFF（切断）される。これにより、DSSC２０１の正負極の端子間が解放され、DSSC２０１において発電された電力が、端子３２１および端子３２２に接続される負荷回路や二次電池に供給される。つまり、劣化抑制機能付太陽電池３００は、通常動作を妨げないように、分極現象の発生によるDSSC２０１の発電特性の劣化を抑制することができる。
なお、DSSC２０１が発電を行っていない場合、電圧検出部２１３の出力が小さくなる。したがって、電流検出部２１４の出力に対して電圧検出部２１３の出力が小さくなるので、比較器３１１の出力により、短絡部２１５のスイッチ２５２は、OFF（切断）される。
以上のように、劣化抑制機能付太陽電池３００は、分極現象の発生によるDSSC２０１の発電特性の劣化を抑制することができる。上述したように、簡易な回路で実現することができ、劣化抑制機能付太陽電池３００は、より容易に、分極現象の発生によるDSSC２０１の発電特性の劣化を抑制することができ、コストや消費電力の不要な増大を抑制することができる。
なお、劣化抑制制御装置２０２の場合と同様に、劣化抑制機能付太陽電池３００においても、比較器３１１の代わりにCPU２１１を用いるようにすることもできる。また、電流検出部２１４と端子３２１および端子３２２との間に、劣化抑制制御装置２０２の場合と同様の、電圧変換部２１２を設けるようにしてもよい。
上述した一連の処理は、ハードウェアにより実行させることもできるし、ソフトウェアにより実行させることもできる。
上述した一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、ネットワークや記録媒体からインストールされる。
この記録媒体は、例えば、図３に示されるように、装置本体とは別に、ユーザにプログラムを配信するために配布される、プログラムが記録されている磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM（Compact Disc - Read Only Memory）,DVD（Digital Versatile Disc）を含む）、光磁気ディスク（MD（Mini Disc）を含む）、若しくは半導体メモリなどよりなるリムーバブルメディア２８１により構成されるだけでなく、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザに配信される、プログラムが記録されているメモリ２６１や、記憶部２７３に含まれるハードディスクなどにより構成される。
なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。
また、本明細書において、記録媒体に記録されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。
また、以上において、１つの装置（または処理部）として説明した構成が、複数の装置（または処理部）として構成されるようにしてもよい。逆に、以上において複数の装置（または処理部）として説明した構成が、まとめて１つの装置（または処理部）として構成されるようにしてもよい。また、各装置（または各処理部）の構成に上述した以外の構成が付加されるようにしてももちろんよい。さらに、システム全体としての構成や動作が実質的に同じであれば、ある装置（または処理部）の構成の一部が他の装置（または他の処理部）の構成に含まれるようにしてもよい。つまり、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
１０１ 色素増感型太陽電池モジュール， １０２ 閉回路， １０３ 閉回路， １０３Ａ 抵抗器， ２０１ DSSC， ２０２ 劣化抑制制御装置， ２０３ 負荷回路， ２０４ 二次電池， ２１１ CPU， ２１２ 電圧変換部， ２１３ 電圧検出部， ２１４ 電流検出部， ２１５ 短絡部， ２４１ 電流検出抵抗， ２５１ 可変抵抗， ２５２ スイッチ， ３００ 劣化抑制機能付太陽電池， ３１１ 比較器
Claims (13)
- レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池の、正負極の端子間の短絡を制御する制御装置であって、
前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記色素増感型太陽電池の正極を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧値と、前記電流検出手段により検出された電流値とに基づいて、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を短絡させる短絡解放手段と
を備える制御装置。 - 前記電流検出手段は、前記色素増感型太陽電池の正極に接続される電流検出抵抗を備え、前記電流検出抵抗を流れる電流を検出する
請求項１に記載の制御装置。 - 前記判定手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧値が大きい場合、前記色素増感型太陽電池が発電を行っていると判定し、前記電圧検出手段により検出された電圧値が小さい場合、前記色素増感型太陽電池が発電を行っていないと判定する
請求項１に記載の制御装置。 - 前記判定手段は、前記電流検出手段により検出された電流値が小さい場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定し、前記電流検出手段により検出された電流値が大きい場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が閉回路状態であると判定する
請求項１に記載の制御装置。 - 前記短絡解放手段は、前記判定手段により、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が閉回路状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を解放させる
請求項１に記載の制御装置。 - 前記短絡解放手段は、可変抵抗およびスイッチ回路を有する
請求項１に記載の制御装置。 - 前記判定手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧値に比例する第１のパラメータと、前記電流検出手段により検出された電流値に比例する第２のパラメータとを比較し、その大小関係によって、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定する
請求項１に記載の制御装置。 - 制御装置による、レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池の、正負極の端子間の短絡を制御する制御方法であって、
前記制御装置の電圧検出手段が、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間の電圧を検出し、
前記制御装置の電流検出手段が、前記色素増感型太陽電池の正極を流れる電流を検出し、
前記制御装置の判定手段が、検出された電圧値と電流値とに基づいて、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定し、
前記制御装置の短絡解放手段が、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を短絡させる
制御方法。 - レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池と、
前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記色素増感型太陽電池の正極を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧値に比例する第１のパラメータと、前記電流検出手段により検出された電流値に比例する第２のパラメータとを比較することにより、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定する比較手段と、
前記比較手段により、前記第１のパラメータと前記第２のパラメータの大小関係に応じて、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を短絡させる短絡解放手段と
を備える太陽電池。 - 前記電流検出手段は、前記色素増感型太陽電池の正極に接続される電流検出抵抗を備え、前記電流検出抵抗を流れる電流を検出する
請求項９に記載の太陽電池。 - 前記短絡解放手段は、前記比較手段により、前記第１のパラメータと前記第２のパラメータの大小関係に応じて、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が閉回路状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を解放させる
請求項９に記載の太陽電池。 - 前記短絡解放手段は、可変抵抗およびスイッチ回路を有する
請求項９に記載の太陽電池。 - レドックス種を含む電解質層を有し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する色素増感型太陽電池の、正負極の端子間の短絡を制御する制御方法であって、
前記色素増感型太陽電池の電圧検出手段が、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間の電圧を検出し、
前記色素増感型太陽電池の電流検出手段が、前記色素増感型太陽電池の正極を流れる電流を検出し、
前記色素増感型太陽電池の比較手段が、検出された電圧値に比例する第１のパラメータと、検出された電流値に比例する第２のパラメータとを比較することにより、前記色素増感型太陽電池の発電状態、および、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であるか否かを判定し、
前記色素増感型太陽電池の短絡解放手段が、前記比較手段により、前記第１のパラメータと前記第２のパラメータの大小関係に応じて、前記色素増感型太陽電池が発電を行っており、かつ、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間が解放状態であると判定された場合、前記色素増感型太陽電池の正負極の端子間を短絡させる
制御方法。
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