JP6693828B2 - 太陽電池および太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池に関するものである。

太陽電池は、太陽の光を直接電気エネルギーに変換できるという特徴から、クリーン且つ無尽蔵なエネルギーの利用手段として注目されており、火力発電や原子力発電に代わる新しい電力源として、ますます期待が高まっている。

このような太陽電池は、光電変換素子の表面に透光性部材が配置されており、太陽光は、透光性部材を介して光電変換素子に入射される（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１５−２９０６９号公報

従来の特許文献１等の一般の太陽電池では、太陽電池自体の温度が高温となるという問題があった。これに伴い、発電効率が低下するという問題があった。

本発明は、温度を低下できる太陽電池を提供することを目的とする。

本発明の太陽電池は、光電変換素子と、該光電変換素子上に直接配置されるとともに外部に露出した表面を有する１つの透光性部材とを具備するとともに、該透光性部材の前記表面に複数の線状凸部を有し、該透光性部材は、波長８μｍ以上の赤外領域における放射率が８０％以上となるよう構成されていることを特徴とする。

また、本発明の太陽電池は、光電変換素子と、該光電変換素子上に直接配置されるとともに外部に露出した表面を有する1つの透光性部材とを具備するとともに、該透光性部材の前記表面に複数の線状凸部を有し、該透光性部材は、波長８μｍ以上の赤外領域における放射率が８０％以上となるよう構成され、該透光性部材の前記表面に、高さが１２μｍ以上の複数の凸部を有することを特徴とする。

本発明の太陽電池モジュールは、上記の太陽電池の複数個を、配線を介して電気的に接続してなることを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池自体の温度を低下できる。

太陽電池の積層状態を示す概略断面図である。 （ａ）は透光性部材を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は線状凸部の形成周期を変えた透光性部材の断面図である。 ガラスからなる透光性部材における波長と放射率との関係を示すシミュレーション結果であり、（ａ）は透光性部材の露出面がフラットな場合、（ｂ）は透光性部材の露出面に図２（ａ）に示すような線状凸部を形成した場合である。 透光性部材の露出面における線状凸部の高さと形成周期を変更した場合における放射率を示すシミュレーション結果である。 太陽電池モジュールを示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。 （ａ）は透光性部材の表面に被覆部材を有する太陽電池を示す断面図、（ｂ）は被覆部材を有する太陽電池の他の例を示す断面図である。

太陽電池の一実施形態について、図１を基に説明する。本実施形態の太陽電池は、基板状の透光性部材２、光電変換素子４、封止層５、およびカバー層６が順に積層されたものである。なお、光電変換素子４の両主面には電極（図示せず）が設けられている。また、透光性部材２と光電変換素子４との間に波長変換層が介在していてもよく、さらには、封止層５とカバー層６との間に反射層が介在していても良い。また、図１は、光電変換素子４の上面を除いて封止層５で被覆した場合について説明したが、光電変換素子４の全面を封止層５で被覆しても良い。

このような太陽電池において、透光性部材２側から入射した太陽光１のうち、光電変換素子４が吸収して電気エネルギーに変換可能な波長領域、すなわち有効波長領域の光は、透光性部材２を通過して光電変換素子４に入射し、電気エネルギーに変換される。

光電変換素子４は、光起電力を有する基材の両主面に電極を設けたものである。基材は例えば０．３〜０．４ｍｍの板状であることが好ましいが、例えば球状型や薄膜型などの形態をとっても構わない。基材には、単結晶シリコンや多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン系材料のほか、ＣＩＧＳ化合物系、ＣｄＴｅ化合物、有機系、色素増感型材料等のいずれを用いてもよい。

太陽光は、３００〜３０００ｎｍの領域の様々な波長を有する光で構成され、その波長により、可視光領域（下界が３６０〜４００ｎｍ、上界が７６０〜８３０ｎｍの範囲）を中心に、その下界よりも短い波長の近紫外光領域、その上界よりも長い波長の近赤外領域、および赤外光領域に分類される。

光電変換素子４の変換効率の高い波長領域、すなわち有効波長領域は、例えば単結晶および多結晶シリコン太陽電池では４００〜１１００ｎｍ、ＣＩＧＳ化合物系およびＣｄＴｅ化合物系太陽電池では４００〜１２００ｎｍ、アモルファスシリコン、有機系、および色素増感型太陽電池では３５０〜７５０ｎｍであることが知られており、その大半は可視光領域と重複している。

そして、本実施形態においては、図１、および図２（ａ）（ｂ）に示すように、透光性部材２の外部に露出した表面に、複数の線状凸部７を有している。透光性部材２はＳｉＯ_２を含有するガラスで形成されており、この透光性部材２の表面に直線状の線状凸部７が形成されている。線状凸部７の断面が、図２（ｂ）に示すような断面が２等辺三角形だと
すると、線状凸部７とは、断面の上端および底辺が同じ方向に延びているものをいい、図２（ａ）に示すように直線状に延びている場合に限定されない。

このように透光性部材２の露出面に線状凸部７が形成されているため、太陽電池内部の赤外線を効果的に外部に放射でき、太陽電池の内部温度を低下させ、これにより発電量を向上できる。さらには、赤外線の放射は、大気への熱伝達や放射ではなく、宇宙への放射となるため、温室効果を低減できる。

また、直線状の線状凸部７を、太陽電池が傾斜する方向に延びるように配置することで、雨水が流れ易くなる。

線状凸部７は、図２（ｂ）に示したように、高さｈが、例えば１２μｍ以上とされている。これにより、太陽電池内部の赤外線を効果的に外部に放射でき、太陽電池内部の温度を低下させ、これにより発電量を向上できる。

複数の線状凸部７の形成周期ｗは、例えば８μｍ以下とされている。これにより、太陽電池の赤外線を効果的に外部に放射でき、太陽電池内部の温度を低下させ、これにより発電量を向上できる。なお、線状凸部７の形成周期ｗとは、複数の線状凸部７が、図２（ｂ）に示したように、その幅方向Ｂに連続して形成されている場合には、線状凸部７の底の幅に該当する。

なお、本願の各図は模式的なものであり、凹凸の大きさや各層の厚さは実際の寸法関係を反映したものではない。

また、図２（ａ）（ｂ）には、透光性部材２の外部に露出した表面に、複数の直線状の線状凸部７を、線状凸部７の幅方向に連続して形成した場合について説明したが、図２（ｃ）に示すように、複数の線状凸部７を、一定の間隔をおいて離間して形成しても良い。

さらに、図２（ａ）および（ｂ）における線状凸部７の断面を、先端に行くほど幅ｗが小さくなるような錐形にしたが、錐形とした場合の先端の形状は、尖っていてもよいし、丸められたものであってもよい。

透光性部材２の線状凸部７は、成形時に金型を用いて形成することができる。また、透光性部材２の表面を研削しても形成することができる。

本実施形態の効果についてシミュレーションを用いて検証した。シミュレーションは、下記の条件を用いた。光は電磁波の一種であるため、電磁波シミュレーションには有限差分時間領域（Finite-Difference Time-Domain=FDTD）法を用いた。

FDTD法は、時間を適当な刻みで分割するとともに、空間を直方体に細分化（離散化）して解く方法である。今回のシミュレーションでは、空間を一辺が２００ｎｍの立方体で細分化した。時間刻みは約０．４ｆｓとした。シミュレーションでは、計約４ｐｓの過渡現象を解析した。

約４ｐｓにわたる電磁波の伝搬をフーリエ変換し、波長毎の放射率を計算した。出射光は波長６〜１５μmの赤外光である。また、線状凸部７は、図２（ａ）（ｂ）に示すよう
な直線状の線状凸部７とし、高さｈを６μｍ、周期ｗを９μｍとし、線状凸部７をその幅方向Ｂに連続する形状とした。図３に結果を示す。図３では、横軸が赤外光の波長であり、縦軸が放射率を示している。

この図３から、Ｓｉを含有するガラスからなる透光性部材２の表面に線状凸部７を形成した場合（図３（ｂ））には、透光性部材２の表面がフラットな場合（図３（ａ））に比較して、波長が８〜１１μｍの赤外光の放射率が高くなり、その結果、透光性部材２の表面がフラットな場合の太陽電池の温度が５４．３℃であったのに対して、透光性部材２の表面に線状凸部７を形成した場合の太陽電池の温度が５２．５℃となり、太陽電池の内部温度が低下することがわかる。

さらに、図２（ａ）（ｂ）に示すような線状凸部７の高さｈを６〜１６μｍの範囲で、形成周期ｗを６〜１６μｍの範囲で変更して、シミュレーションを行い、その結果を図４に示した。この図４から、線状凸部７の高さｈは１２μｍ以上の場合に、複数の線状凸部７の形成周期ｗが８μｍ以下の場合に、波長が８〜１１μｍの赤外光の放射率が高くなることがわかる。

例えば、周期ｗが９μｍで、高さｈが６μｍの線状凸部７を形成した場合の太陽電池の温度は５２．５℃であり、周期ｗが６μｍで高さｈが１６μｍの線状凸部７を形成した場合の太陽電池の温度は４９．１℃であり、透光性部材２の表面がフラットな場合の太陽電池の温度５４．３℃に比較して内部温度が低下していることがわかる。

これにより、太陽電池の赤外線を効果的に外部に放射でき、太陽電池内部の温度を低下させ、これにより発電量を向上できることがわかる。

また、透光性部材２の表面に線状凸部７を形成することにより、例えば、透光性部材２の表面に落下した落ち葉との接触面積が減少し、落下し易くなり、透光性部材２の表面に落ち葉等の太陽光を遮蔽する遮蔽物が長期残存することがなく、発電性能を高く維持できる。特に、太陽電池が下側に傾斜する方向に延びるように、透光性部材２の表面に線状凸部７を形成することにより、落ち葉等の遮蔽物の落下を誘発できる。

さらに、透光性部材２の表面に落ち葉等の遮蔽物が位置していたとしても、線状凸部７から斜めに太陽光が入射し、遮蔽物の後ろに位置する光電変換素子４に太陽光が入射し、発電性能の低下を低減できる。このような遮蔽物による効果を得るためには、線状凸部７の高さｈ／周期ｗの比が０．５以上であることが望ましい。

透光性部材２は、光電変換素子４等の太陽電池を構成する各要素を保護するものであり、耐候性や機械的強度の点から、Ｓｉを含有するガラス製であることが好ましく、その厚さは３〜５ｍｍ程度とすることが好ましい。

光電変換素子４の両主面に設ける電極は、導電性を有する材料で構成されており、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属材料や半田等の合金材料、カーボン材料、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）などの導電性酸化物材料、およびこれらをフィラーとして含む導電性樹脂材料等から適宜選択することができる。

封止層５には、例えばエチレン−酢酸ビニル共重合体を主成分とする樹脂が用いられ、光電変換素子４への接着性、耐久性および加工性の点で、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）やシリコーンなどが１０質量％以下の割合で含まれていてもよい。また、波長変換層および封止層の厚さは合計で０．４〜１ｍｍ程度がよい。

カバー層６には、水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シートや、アルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートなどが好適に用いられる。

なお、上記形態では、線状凸部７を有する太陽電池について説明したが、線状である必要はない。この場合には、凸部は、高さが１２μｍ以上であることが望ましい。

図５（ａ）は、本発明の一実施形態である太陽電池モジュールについて示した概略断面図であり、太陽光１が入射する受光面側から、板状の透光性部材２、波長変換層１３、複数の光電変換素子４、封止層５、反射層１６およびカバー層６がこの順に積層され、一方の光電変換素子４の受光面である透光性部材２側の電極（図示せず）と他方の光電変換素子４の反射層６側の電極（図示せず）とがインターコネクタ９によって接続された構成となっている。

なお、図５（ｂ）の受光面側である透光性部材２側からみた、（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図では、図５（ａ）の複数の光電変換素子４の接続状態を示している。本実施形態では複数の光電変換素子４に対し、その透光性部材２側に一枚の波長変換層１３を備えているが、複数の光電変換素子４の透光性部材２側にそれぞれ個別に波長変換層１３を設けることもできる。インターコネクタ９には、ハンダを被覆した銅箔等が好適に用いられる。

図１では、透光性部材２が外部に露出した形態について説明したが、図６に示すように、透光性部材２の表面に、線状凸部７を覆うように、外部に露出した表面を有する被覆部材１１を配置しても良い。この被覆部材１１は、赤外線放射率の高い材料から構成されている。言い換えれば、被覆部材１１は、波長８μｍ以上の赤外領域における放射率が８０％以上の材料で形成されている。

以上、本発明の実施形態の一例である太陽電池および太陽電池モジュールについて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で種々変更したものについても適用することができる。

１・・・・・太陽光
２・・・・・透光性部材
４・・・・・光電変換素子
５・・・・・封止層
６・・・・・カバー層
７・・・・・線状凸部

Claims (4)

1. 光電変換素子と、該光電変換素子上に直接配置されるとともに外部に露出した表面を有する１つの透光性部材とを具備するとともに、該透光性部材の前記表面に複数の線状凸部を有し、
   前記透光性部材は、波長８μｍ以上の赤外領域における放射率が８０％以上となるよう構成されていることを特徴とする太陽電池。
2. 前記複数の線状凸部の高さが１２μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記複数の線状凸部の形成周期が８μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池の複数個を、配線を介して電気的に接続し
   てなることを特徴とする太陽電池モジュール。