JP7457603B2 - 太陽電池セル、太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽電池アレイ - Google Patents
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Description
これらの電荷発生層は、真空プロセスを使用せず塗布プロセスによって製造することができるため、太陽電池の製造コストを大幅に削減できる。
変換効率、コスト面で有望なこのペロブスカイト太陽電池さらに複数のペロブスカイト太陽電池を集積化したペロブスカイト太陽電池モジュールについては、IoTや電気自動車も含めた移動体デバイスへの独立系電力供給システムの基幹デバイスとして期待されている。
また、静電気放電等の過電圧からICやLSIの半導体デバイス等の電子部品の保護を目的として、バリスタが用いられている(例えば、特許文献3参照)。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水分による劣化を抑制することができる太陽電池セルを提供する。
また、バリア層が緻密質無機材料層であるため、バリア層のバリア機能が紫外線、温度変化などにより低下することを抑制することができる。
本発明は、本発明の複数の太陽電池セルと、第1端子と、第2端子とを備えた直列接続太陽電池も提供する。複数の太陽電池セルは、直列接続され、直列接続された複数の太陽電池セルのうち一方の端の太陽電池セルは第1端子に接続し、他方の端の太陽電池セルは第2端子に接続する。本発明の直列接続太陽電池により端子電圧を高くすることができる。
好ましくは、前記太陽電池モジュールは矩形であり、各直列接続太陽電池は、細長い形状を有し、第1端子は前記細長い形状の一方の端に配置され、第2端子は前記細長い形状の他方の端に配置され、複数の直列接続太陽電池は、前記矩形の一辺に対し斜めとなるような平行な列に並べられている。このことにより、隣接する2つの直列接続太陽電池のうち一方の直列接続太陽電池の第1端子と他方の直列接続太陽電池の第2端子とを、矩形の太陽電池モジュールの一辺に平行に配置されるバスバーで接続することができる。このことにより、隣接する2つの直列接続太陽電池を直列に接続することができる。
好ましくは、太陽電池モジュールに含まれる第1端子は一列に並び、太陽電池モジュールに含まれる第2端子は一列に並ぶ。このことにより、2つのモジュールの接続、第1端子と第2端子との接続、又は第1端子或いは第2端子とバスバーとの接続が容易になる。また、並列接続させる直列接続太陽電池の数を容易に調節することができ、モジュール接続した際に高電圧を抑制し、電流値を増大させることができる。
本発明は、本発明の太陽電池モジュールを複数備える太陽電池アレイも提供する。複数の太陽電池モジュールは、第1及び第2太陽電池モジュールを含み、第1太陽電池モジュールに含まれる第1及び第2端子は、第2太陽電池モジュールに含まれる第1及び第2端子の位置と鏡像対称となる位置に配置される。第1太陽電池モジュールと第2太陽電池モジュールを重ねることにより、第1太陽電池モジュールの第1端子と、第2太陽電池モジュールの第2端子とを容易に接触させることができ、第1太陽電池モジュールに含まれる直列接続太陽電池と、第2太陽電池モジュールに含まれる直列接続太陽電池とを容易に直列接続することができる。
第1実施形態は、太陽電池セル及び直列接続太陽電池に関する。図1~図4は、本実施形態の太陽電池セル及び直列接続太陽電池に関する図面である。
本実施形態の太陽電池セル20(20a~20e)は、第1基板2と、第1基板2上に設けられた第1電極3(3a~3e)と、第1電極3上に設けられた光電変換層4(4a~4e)と、光電変換層4上に設けられた第2電極8(8a~8e)と、光電変換層4の側部を覆うように設けられた第1バリア層9とを備え、光電変換層4は、電子輸送層5(5a~5e)と、電子輸送層5上に設けられた光吸収層6(6a~6e)と、光吸収層6上に設けられたホール輸送層7(7a~7e)とを有し、光吸収層6は、ペロブスカイト結晶構造を有する化合物を含み、第1バリア層9は、緻密質無機材料層であることを特徴とする。
第1基板2が光入射側となる場合、第1基板2は透光性材料から構成される。第1基板2は、ガラス基板であってもよく、透明な有機フィルムであってもよい。このことにより、太陽電池セル20の内部に光が入射することができる。第1基板2がフレキシブルな有機フィルムである場合、太陽電池モジュール30は、フレキシブル太陽電池モジュールとなる。
第1電極3のシート抵抗が10Ω/sq以下であるのことが好ましく、第1電極3の光の透過率が80%以上であることが好ましい。第1電極3の形成方法としては、スパッタ成膜方法、真空蒸着方法、導電性ペーストの塗工/印刷技術と低温焼成技術などが挙げられる。
光吸収層6の膜厚は500~1000nmの範囲内が望ましい。
ペロブスカイト構造化合物は、正方晶系の基本単位格子を有している。この単位格子は、各頂点に配置された有機基(有機分子)Aと、体心に配置された金属原子Bと、各面心に配置されたハロゲン原子Xとを備えており、一般式A-B-X3によって表される。
これらのうち、有機基Aとして、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミンおよびこれらのイオンやフェネチルアンモニウムが好ましく、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミンおよびこれらのイオン(例えば、メチルアンモニウム(CH3NH3)等)が特に好ましい。
また、これとは別に、塗布液は、酸化防止剤、粘弾性調整剤、防腐剤、硬化触媒などの添加剤を含んでもよい。
第1バリア層9の厚さは、例えば、30nm以上100nm以下とすることができる。
第1バリア層9の一部が、バリスタ素子構造として光電変換層4に対して並列接続されることで、バイパスダイオード(第1バリア層9のバリスタ)を一体的に備えた太陽電池セル20を実現できる。これにより、低コストでモジュール上での影による発電効率の低下を抑止することができる。
ラミネートシート13としては、一般的なラミネート材でもよく、ラミネート温度が180℃以下で防水性の高い樹脂フィルムが望ましい。
図2に示すように、光電変換層4は電流源18とダイオード19で表すことができる。また、L4の切れ込み中の第1バリア層9がバリスタ17で表され、このバリスタ17は、光電変換層4と並列接続となるように第1電極3及び第2電極8に接続している。
太陽電池セル20a~20eのすべてが受光し光電変換を行っている場合、すべての光電変換層4a~4eでは、電流源18の矢印の方向に流れる電流が発生している。そして、第1端子15及び第2端子16から太陽電池セル20a~20eの合計電圧を出力することができる。
第2実施形態は、太陽電池モジュール30及び太陽電池アレイ40に関する。図5は本実施形態のα型太陽電池モジュール30aの概略平面図であり、図6は本実施形態のω型太陽電池モジュール30bの概略平面図である。
太陽電池モジュール30(30a、30b)は、複数の直列接続太陽電池25(25a~25t)を有している。例えば、図5に示したα型太陽電池モジュール30aおよび図6に示したω型太陽電池モジュール30bは、それぞれ20個の直列接続太陽電池25a~25tを有している。各直列接続太陽電池25a~25tは、図1に示したような断面を有している。例えば、図5の点線Aにおける直列接続太陽電池25の断面は、第2端子16(16a)を除いては、図1に示したような断面となる。なお、1つの第1基板2と1つの第2基板12との間に複数の直列接続太陽電池25を設けることができる。
太陽電池モジュール30は、フィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュールであってもよい。
太陽電池モジュール30のサイズについては、一例でしかなく、IoT向けの小さなペロブスカイト太陽電池モジュールの場合、モジュールのサイズを相似形で縮小すれば、面積を縮小しても電圧を維持することができる。
第1端子15a~15tは、受光面の下端(太陽電池モジュール30の長手方向に伸びる第1辺)に沿って一列に並ぶ。また、第2端子16a~16tは、裏面の上端(太陽電池モジュール30の長手方向に伸びる第2辺)に沿って一列に並ぶ。このことにより、2つのモジュールの接続、第1端子15と第2端子16との接続、又は第1端子15或いは第2端子16とバスバーとの接続が容易になる。
また、図6に示したω型太陽電池モジュール30bでは、第1端子15a~15tは直列接続太陽電池25a~25tの受光面の右下端部に配置されており、第2端子16a~16tは直列接続太陽電池25a~25tの裏面の左上端部に配置されている。
従って、α型太陽電池モジュール30aにおける第1端子15a~15t及び第2端子16a~16tの配置は、ω型太陽電池モジュール30bにおける第1端子15a~15t及び第2端子16a~16tの配置と鏡像対称となる。このα型太陽電池モジュール30aとω型太陽電池モジュール30bを重ねることにより、α型太陽電池モジュール30aの第1端子15と、ω型太陽電池モジュール30bの第2端子16とを容易に接触させることができ、α型太陽電池モジュール30aに含まれる直列接続太陽電池25と、ω型太陽電池モジュール30bに含まれる直列接続太陽電池25とを直列接続することができる。したがって、α型とω型の異なるタイプのモジュールの表裏端子を重ね合わせることで容易に直列接続を実現し、効率の良い接続を可能とする。
太陽電池アレイ40は、α型太陽電池モジュール30aとω型太陽電池モジュール30bとが交互に接続され4つのモジュール30が接続している。これらのモジュール30では、図7(b)に示すように、α型太陽電池モジュール30aの下端上にω型太陽電池モジュール30bの上端が重なりα型太陽電池モジュール30aに含まれる第1端子15のそれぞれにω型太陽電池モジュール30bに含まれる第2端子16が接続している。また、ω型太陽電池モジュール30bの下端上にα型太陽電池モジュール30aの上端が重なりω型太陽電池モジュール30bに含まれる第1端子15のそれぞれにα型太陽電池モジュール30aに含まれる第2端子16が接続している。各直列接続太陽電池25が5つの太陽電池セル20a~20eを含むため、太陽電池アレイ40では、直列接続した20つの太陽電池セル20が20つ並んでいる。
太陽電池モジュール30については、長細い短冊状の太陽電池セル20a~20eが集積されることで、局所的に影が生じた場合でも、太陽電池セル20の全面が隠れることがほとんど無いので、途中で光励起電流が途切れることが無く発電することが可能である。また、太陽電池セル20の全面に影が掛かり、光励起電流が途切れた場合でも、バリスタとして機能する第1バリア層9により、影が掛からない領域からの光励起電流を隣の太陽電池セル20までバイパスすることで、影による発電低下を抑制することができる。
その他の構成は第1実施形態と同様である。また、第1実施形態についての記載は矛盾がない限り第2実施形態についても当てはまる。
図10(a)はα型太陽電池モジュール30aの部分平面図であり、図10(b)は一点鎖線B-Bにおける太陽電池モジュール30aの概略断面図である。また、図11(a)はω型太陽電池モジュール30bの部分平面図であり、図11(b)は一点鎖線C-Cにおける太陽電池モジュール30bの概略断面図である。
また、本実施形態の太陽電池モジュール30は、第2バスバー26(26a、26b)を備える。第2バスバー26は、複数の直列接続太陽電池25a~25cに含まれる隣接する2つの直列接続太陽電池25を電気的に接続する。
また、α型太陽電池モジュール30aとω型太陽電池モジュール30bは鏡像対称であるため、同一の高電圧化シートを用いることで高電圧モジュールを得ることができる。
Claims (6)
- 複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールであって、
前記太陽電池は、複数の太陽電池セルと、第1端子と、第2端子とを備え、
前記太陽電池セルは、基板と、前記基板上に設けられた第1電極と、第1電極上に設けられた光電変換層と、前記光電変換層上に設けられた第2電極と、前記光電変換層の側部を覆うように設けられたバリア層とを備え、
前記光電変換層は、電子輸送層と、前記電子輸送層上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層上に設けられたホール輸送層とを有し、
前記光吸収層は、ペロブスカイト構造を有する化合物を含み、
前記バリア層は、無機材料層であり、
複数の太陽電池セルは、直列接続され、
直列接続された複数の太陽電池セルのうち一方の端の太陽電池セルは第1端子に接続し、他方の端の太陽電池セルは第2端子に接続し、
第1端子は、受光面に配置され、
第2端子は、前記受光面の反対側の裏面に配置され、
前記太陽電池モジュールは矩形であり、
各太陽電池は、細長い形状を有し、
第1端子は前記細長い形状の一方の端に配置され、第2端子は前記細長い形状の他方の端に配置され、
複数の太陽電池は、前記矩形の一辺に対し斜めとなるような平行な列に並べられている太陽電池モジュール。 - 前記バリア層は、バリスタ特性を示す材料から構成され、かつ、前記バリア層と前記光電変換層とが並列接続となるように第1及び第2電極と接続する請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- バスバーをさらに備え、
前記バスバーは、複数の太陽電池に含まれる隣接する2つの太陽電池を電気的に接続する請求項1又は2に記載の太陽電池モジュール。 - 複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールであって、
前記太陽電池は、複数の太陽電池セルと、第1端子と、第2端子とを備え、
前記太陽電池セルは、基板と、前記基板上に設けられた第1電極と、第1電極上に設けられた光電変換層と、前記光電変換層上に設けられた第2電極と、前記光電変換層の側部を覆うように設けられたバリア層とを備え、
前記光電変換層は、電子輸送層と、前記電子輸送層上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層上に設けられたホール輸送層とを有し、
前記光吸収層は、ペロブスカイト構造を有する化合物を含み、
前記バリア層は、無機材料層であり、
複数の太陽電池セルは、直列接続され、
直列接続された複数の太陽電池セルのうち一方の端の太陽電池セルは第1端子に接続し、他方の端の太陽電池セルは第2端子に接続し、
第1端子は、受光面に配置され、
第2端子は、前記受光面の反対側の裏面に配置され、
前記太陽電池モジュールに含まれる第1端子は一列に並び、
前記太陽電池モジュールに含まれる第2端子は一列に並ぶ太陽電池モジュール。 - 複数の太陽電池モジュールを備える太陽電池アレイであって、
複数の太陽電池モジュールは、第1太陽電池モジュールと、第1太陽電池モジュールに接続された第2太陽電池モジュールとを含み、
第1及び第2太陽電池モジュールのそれぞれは、複数の太陽電池を備え、
前記太陽電池は、複数の太陽電池セルと、第1端子と、第2端子とを備え、
前記太陽電池セルは、基板と、前記基板上に設けられた第1電極と、第1電極上に設けられた光電変換層と、前記光電変換層上に設けられた第2電極と、前記光電変換層の側部を覆うように設けられたバリア層とを備え、
前記光電変換層は、電子輸送層と、前記電子輸送層上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層上に設けられたホール輸送層とを有し、
前記光吸収層は、ペロブスカイト構造を有する化合物を含み、
前記バリア層は、無機材料層であり、
複数の太陽電池セルは、直列接続され、
直列接続された複数の太陽電池セルのうち一方の端の太陽電池セルは第1端子に接続し、他方の端の太陽電池セルは第2端子に接続し、
第1端子は、受光面に配置され、
第2端子は、前記受光面の反対側の裏面に配置され、
第1太陽電池モジュールに含まれる第1及び第2端子は、第2太陽電池モジュールに含まれる第1及び第2端子の位置と鏡像対称となる位置に配置された太陽電池アレイ。 - 複数の太陽電池セルを備える太陽電池であって、
前記太陽電池セルは、基板と、前記基板上に設けられた第1電極と、第1電極上に設けられた光電変換層と、前記光電変換層上に設けられた第2電極と、前記光電変換層の側部を覆うように設けられたバリア層とを備え、
前記光電変換層は、電子輸送層と、前記電子輸送層上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層上に設けられたホール輸送層とを有し、
前記光吸収層は、ペロブスカイト構造を有する化合物を含み、
前記バリア層は、無機材料層であり、
複数の太陽電池セルのうち、ある1つの太陽電池セルの第1電極と、ある1つの太陽電池セルに隣接するもう1つの太陽電池セルの第1電極は、離間して設けられ、
前記ある1つの太陽電池セルの第2電極と、前記もう1つの太陽電池セルの第2電極は、離間して設けられ、
前記ある1つの太陽電池セルの第1電極と、前記もう1つの太陽電池セルの第2電極は、電気的に接続され、
前記ある1つの太陽電池セルと前記もう1つの太陽電池セルとは、直列接続され、
前記太陽電池セルにおいて、前記バリア層は、バリスタ特性を示す材料から構成され、かつ、前記バリア層と前記光電変換層とが並列接続となるように第1及び第2電極と接続する太陽電池。
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