JPH02134876A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、新規な太陽電池モジュール、特にモジュール
基板の少くとも一部に薄形二次電池を用いた太陽電池モ
ジュールに関するものである。

［従来の技術］ 太陽電池は、無尽蔵にある太陽エネルギーを利用し、半
導体の量子効果である光起電力効果を用いて光電直接変
換を行う装置である。

半導体に適当なエネルギーの強さを持った光（光子）が
入射すると、半導体を構成する格子と光との相互作用が
起こり、電子および正孔が発生する。半導体中にｐ−ｎ
接合があると、電子はｎ型半導体に、正孔はｐ型半導体
に拡散し、画電極部に集まる。この画電極を結線すると
電流が流れ電力が取り出せる。太陽電池には、 （１）無尽蔵にある太陽エネルギーを利用して発電がで
きる、 （２）有害廃棄物の生成や騒音の発生がない、（３）電
気を使用する場所で発電ができる、（４）直射日光下だ
けではなく、曇りの日の太陽光や室内光でも発電が可能
であり、その光電変換効率は光の強さによっても一般的
にほとんど変わらない、 等の優れた長所がある。

このため、現在、太陽電池は、太陽電池素子を複数個直
列あるいは並列に組み合わせて所定の電圧が得られるよ
うに配置するとともに、周囲環境に耐えられるように支
持板、充填剤、コート材などで保護した太陽電池モジュ
ールの形態で、電卓１時計、ラジオ、充電器、電子ゲー
ム等のような各種エレクトロニクス製品に広く使用され
ている。

また、消費者がコードレス製品を求めるようになったこ
と、電池交換のわずられしさをなくしたいという要求が
あること等の社会的要因、およびエレクトロニクス製品
の消費電力がＩＣあるいはＬＳＩの開発によってますま
す小さくなったこと、エレクトロニクス製品に適した太
陽電池、特に１枚の基板で高い電圧が得られる低コスト
の集積型アモルファス太陽電池か開発されたこと等のよ
うな技術的要因がこれに拍車をかけている。

単結晶シリコン太陽電池は、通常、ｐ型シリコン単結晶
にｎ型の不純物を熱拡散させてｐｎ構造を有する単結晶
シリコン層を形成し、その上に櫛型の引出し電極（例え
ば銀電極）を形成し、単結晶シリコン層下部に電極（例
えば銀電極）を焼付塗布する。

ガラス基板タイプのアモルファスシリコン太陽電池は、
ガラス基板に透明電導１１莫（透明電極）が形成され、
その次にｐ型、ｉ型およびｎ型の３層のアモルファスシ
リコン層がプラズマ反応で形成され、その次に金属電極
層（例えばアルミニウム層）が形成されている。

金属基板タイプのアモルファスシリコン太陽電池は、金
属基板（一般的にはステンレス・スティール）上にｐｉ
ｎアモルファスシリコン層を形成し、その上に透明電導
膜（透明電極）を形成し、さらに櫛型の引出し電極（例
えば銀電極）が形成されている。

ガラス基板タイプのアモルファスシリコン太陽電池モジ
ュールでは、１枚の絶縁性基板（ガラス基板）上に形成
された各セルは、適当なバターニングによって、透明電
極および裏面電極を通じて隣接するセルとそれぞれ直列
に接続され、高い電圧が得られる。

金属基板タイプの中には、セルを金属基板上に垂直方向
に積層し、その上に透明電極を設けることによってアモ
ルファスシリコン大ｍ　Ｍ池の特徴を生かしたタンデム
タイプ（多層構造）セルがある。

［発明が解決しようとする課題］ 太陽電池を機器に実装する際には、液晶表示電卓のよう
に明かりのある場所だけでしか使用しない機器は、太陽
電池だけを独立の電源として用いている。

しかし、太陽電池は光が当たっているときだけしか発電
することができず、また蓄電機能がないので、時計、ラ
ジオ、充電器等のように入射光のない１３ｇい所でも動
作する必要がある機器には、予備電源としてバックアッ
プ用の二次電池が付加されている。

太陽電池に二次電池を付加して使用する場合の回路構成
を第４図に示す。逆流防止用ダイオード３０により二次
電池３３から太陽？池２９へ電流が流れるのを防ぎ、電
圧制御回路３２あるいは電流制限抵抗３１で二次電池３
３の過充電を防いでいる。

太陽光あるいは室内光による太陽電池動作時には、太陽
電池２９から負荷３４に電力を供給するとともに二次電
池３３の充電を行う。

光の照射がなく太陽電池が動作しない場合には、太陽電
池２９によって充電されていた二次電池３３から負荷３
４に無停電で電力が供給される。なお、実際の回路では
、電流制限抵抗３１と電圧制御回路３２は同時に用いら
れることはなく、どちらか一方が用いられる。

バックアップ用二次電池３３としては、現在、時計の場
合は酸化銀電池が、ラジオおよび充電器の場合はニッケ
ルカドミウム電池が主に用いられている。しかし、太陽
電池の他にこれらの二次電池を付加すると、新たにスペ
ースが必要となり、また、重畳も増え、機器の小型軽量
化の大ぎな妨げとなるという問題があフた。

本発明は、上述の問題点を解決し、新たに別途二次電池
を設けることなく、負荷に無停電で電力を供給すること
が可能な太陽電池モジュールを提供することを目的とす
るものである。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明は、光電直接
変換を行う太陽電池素子を複数個直列あるいは並列に組
み合わせて所定の電圧が得られるように基板上に配置し
た太陽電池モジュールにおいて、基板の少なくとも一部
に薄形二次電池を用いたことを特徴とする。

［作　用］ 本発明によれば、半導体の量子効果を用いて光電直接変
換を行う太陽電池素子を複数個直列あるいは並列に組み
合わせて所定の電圧が得られるように配置するとともに
、周囲環境に耐えられるように支持板、充填剤およびコ
ート材などで保護された太陽電池モジュール基板の少く
とも一部を薄形二次電池をすることにより、機器の小型
軽量化を図ることができる。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を第１図および第２図に従って説
明する。

第１図は結晶系シリコン太陽電池モジュールの基板に薄
形二次電池を用いた一実施例である。薄形二次電池基板
３５上にワイヤ１４、電極１５および結晶シリコン層が
形成されている。３６は薄形二次電池の正極端子、３７
は薄形二次電池の負極端子である。なお、端子３６およ
び３７の位置は使用条件に合わせて任意に設定すること
ができる。

薄形二次電池基板３５と太陽電池の電極１５の間は、薄
形二次電池の絶縁性被覆材によって絶縁されている。製
造上は、従来の基板の代わりに薄形二次電池基板３５上
に太陽電池を形成させるだけで、特に従来の製造方法と
の差異はない。

第２図は金属基板タイプの多層構造アモルファスシリコ
ン太陽電池モジュールの基板に薄形二次電池を用いた他
の実施例を示す。３８は構造上電気の導通を確保し太陽
電池の電極の役目を果たすために金属被覆を施した薄形
二次電池基板あるいは金属ケースに入った薄形二次電池
基板である。基板３８上にアモルファスシリコン層２７
が形成され、その上に透明電極２５が形成されている。

３９は薄形二次電池の正極端子であり、４０は薄形２次
電池の負極端子である。この場合も上述の実施例と同様
に、端子３９および４０の位置は太陽電池モジュールの
使用条件に合わせて任意に設定することができる。

薄形二次電池の端子３９および４０と太陽電池の透明電
極２５の間は絶縁されている。製造上は、従来の基板の
代わりに薄形二次電池基板上に太陽電池を形成させるだ
けで、特に従来の製造方法との差異はない。

なお、ガラス基板タイプのアモルファスシリコン太陽電
池の場合は、基板が光を通す必要があるので、ガラス基
板の代わりに薄形二次電池を基板に使うことはできない
。ガラス基板タイプのアモルファスシリコン太陽電池に
薄形二次電池を適用する際には、裏面電極の裏に別途設
けなければならない。

以上、結晶系シリコン太陽電池およびアモルファスシリ
コン太陽電池について述べたが、現在実用化されている
他の種類の太陽電池、例えば化合物半導体太陽電池や有
機半導体太陽電池にも本発明を通用することができる。

本発明に適用する薄形二次電池の一例としては１１１ｍ
以下までの薄形化が可能な特願昭６３−１８５０８５号
記載の薄形二次電池が挙げられる。この薄形二次電池は
、それぞれ端面が離間対向するように、実質的に同一平
面内に配置された正極部材および負極部材、正極および
負極部材を固定支持する基板、正極および負極部材を含
む密閉室を基板とともに規定するカバ一部材、おにび少
なくとも正極および負極部材の対向端面間に存在するよ
うに密閉室内に収容された正極部材と負極部材との電池
反応に関与する電解質を包含している。両極部材の対向
端面の面積（すなわち、実効電極面積）を大きくするた
めに、平面で見て画電極部材の対向エツジは、それぞれ
対応する櫛形状、波形（三角波、矩形波形等）状、また
は渦巻状であることが好ましい。本二次電池は、正極部
材および負極部材が、従来のようにその厚さ方向に配置
されるのではなく、同一平面上に並設されており、画電
極部材の端面は互いに離間対向しているという点に重要
な特徴を有する。

従って、電池の厚さを薄くすることができる。

すなわち、電池がこのような構造をとることによって、
充放電に伴う電池反応の場の進展方向が、電極面と平行
な方向となるので、薄い電極部材用いても、集電部が充
放電によって消失することがなく、電池を薄くすること
ができる。

第３図（Ａ）ないし第３図（Ｃ）を用いて、木薄形−次
電池を具体的に説明する。

第３図（Ａ）ないし第３図（Ｃ）は特願昭６３−１８５
０８５号に記載された薄形二次電池の第１の態様を示す
。第３図（Ｂ）および第３図（Ｃ）は第３図（Ａ）に示
す電池の断面を示す。

第３図（Ａ）に示すように、平板状基板４１Ａの一方の
表面（平面）上には、以後詳述するようにそれぞれ櫛状
の正極部材４２および負極部材４３が並設され、正極部
材４２と負極部材４３との間の空間には、電池反応に関
与する電解質４４が充填されている。正極部材４２は、
正極活物質を含む正極材料により形成され、負極部材４
３は、負極活物質を含む負極材料により形成されている
。鉛蓄電池の場合には、正極活物質は二酸化鉛であり、
負極活物質は鉛である。電解質４４としては、硫酸等の
ような液体電解質を用いることができる。

電極部材４２および４３を覆りて、カバ一部材４１Ｂが
基板４１Ａに結合されている。カバ一部材４１Ｂは基板
４１八とともに密閉室を規定する電池ケース４１を構成
している。基板４１Ａおよびカバ一部材４１８は、少な
くとも表面が絶縁性を示すものであり、例えば、アクリ
ロニＩ・リルーブタジエンースチレン樹脂（へＢＳ樹脂
）、フッ素系樹脂等のような耐酸性ポリマー材料、ブラ
スチンク材料あるいはガラス織δ（Ｆ強化プラスチック
材料で形成することができる。さらに、硫酸等液体電解
質に含まれる水分の透湿を防止するために、アルミニウ
ム等の金属層を絶縁性高分子材料で被覆したラミネート
材や、ポリ塩化ビニリデン樹脂（ＰＶＣＤ樹脂）で基板
４１Ａおよびカバ一部材４１Ｂを形成してもよい。なお
、電池ケース４１には、電極部材４２と４３との間の空
間に連ｉｍするガス抜き用安全弁４５、ならびに正極端
子４６および負極端子４７が付設されている。

第３図（Ｂ）に示すように、正極部材４２は、櫛状であ
り、櫛骨４２Ｂから、実質的に同一形状の複数個の矩形
歯４２八が所定の間隔で延出している。負極部材４３も
櫛状であり、櫛骨４３Ｂから、実質的に同一形状の複数
個の矩形歯４３Ａが所定の間隔で延出している。正極部
材の歯４２八は、それぞれ、負極部材のＩ＃４３Ａと接
触することなく、それらの歯４３Ａの間に入り込んでい
る。かくして、正極部材４２と負極部材４３とは、それ
らの端面が互いに対向するように配置されることとなる
。

第３図（Ｃ）（ここでは、説明の都合上、正極の矩形歯
４２Ａおよび負極の矩形歯４３Ａの厚さｄは、その幅に
比べて極端に拡大して図示しであるが、実１３祭は、厚
さｄはビ社４２八および４３への幅ｌよりも極めて小さ
いものである）を参照すると、カバ一部材４１Ｂは、電
極部材４２および４３の表面を密着して覆っており、電
解質４４は、電極部材４２および４３とカバ一部材４１
Ｂとの接触面間に浸入してこの面を侵すことがない。

上述した二次電池では、正極部材４２および負極部材４
３とは、基板４１Ａの表面上、すなわち同一平面上に並
設されているので、これらの部材をそれらの厚さ方向に
配設した従来の二次電池と比べると、従来の電池と同一
厚さの電極部材を用いた場合でも、本二次電池はその厚
さを従来の電池の厚さの１７３程度にすることができる
。

これまでの薄形シールＳ９蓄電池のような従来の薄形二
次電池は、電池の主要構成要素である正極板、負極板お
よびセパレータが、その厚さ方向に配置されている構造
をとっている。このような構造の電池の薄形化を図るた
めには正極板および負極板等を薄くすればよいが、それ
には以下に述べるように限界がある。上述の構造の従来
の二次電池においては、電池寿命は電極板（特に正極板
）の厚さに大きく依存している。すなわち、当該分野で
よく知られているように、電極板の厚さが薄くなるにつ
れて、電池寿命が短くなるのである。

上述の構造を有する従来の鉛蓄電池における電極板の厚
さとトリクル充電使用下での電池寿命との関係は、従来
の電池の寿命は、電極板の厚さの減少とともに急激に低
下し、電極板の厚さが１ｍｍ以下になると、二次電池と
して繰り返し使用することがほとんど不可能となる。

これは、従来の二次電池構造においては、充放電にとも
なって生じる電池反応の場が、電極板主表面に対して垂
直な方向（厚さ方向）に進展してゆくことに起因してい
る。

つまり、電池が二次電池として機能するためには、電極
中に電池反応に関与しない部分、すなわち集電部が常に
存在していることが必要であるが、電極板の厚さが薄く
なると、充放電にともない、この集電部が消失してしま
うため電池として機能できなくなる。この事情は、電池
をサイクル使用するとぎにも全く同じである。これらの
理由から、例えば従来の薄形シール鉛蓄電池においては
、電池全体の厚さは４〜５ＩｌｌＩ１１までが薄形化の
限界であった。

また、第３図（Ｃ）に矢印で示すように、本二次電池で
は、充放電時の電池反応の場の進展方向は、従来の電池
とは異なり、電極部材の厚さ方向と直交する方向（すな
わち、電極の歯の幅と平行な方向）である。そのため矩
形歯（Ｍ−位電極）４２Ａおよび４３Ａの幅は１〜２ｍ
ｍ以上、例えば３〜４ｆｆｌＩ１１を確保する必要があ
るが、そのようにすれば、電極の厚さｄは１ｍｍ以下、
例えば０．１ｍｍ以下であっても、従来の薄形二次電池
と同等あるいはそれ以上の電池寿命を確保することがで
きる。

すなわち、第３図（Ａ）ないし第３図（Ｃ）に示した二
次電池においては、厚さｄの薄い電極部材を用いても幅
Ａを大きくすることにより、充放電による集電部の消失
を抑制することができる。本発明に適用し得る薄形二次
電池にはこの他に以下のような態様のものがある。

第２の態様の二次電池は、カバ一部材４１Ｂが電極部材
４２および４３の上表面と離間して配設されている点に
おいてのみ第１の態様の二次電池と異なる。

第２の態様の二次電池は、電池寿命は第１の態様の二次
電池と実質的に変わりないが、カバ一部材４１Ｂを電極
部材４２および４３に密着させる必要がないので、製造
がより簡単である。なお、この二次電池も従来の電池に
比べて、厚さを約１７３程度に薄くすることができる。

この電池の具体例として鉛蓄電池について述べる。厚さ
０．６５ｍｍ、縦５０ｍｍ、横７８ｍｍであり、重さ４
．７ｋｇ；体積２．５ｃｍ’、電極部材の厚さ０．４ｍ
ｒｎである鉛蓄電池の放電曲線は、鉛蓄電池特有の電圧
経時変化を示すとともに、電池容量としては約４０ｎ＋
Ａｈの値が得られた。また、耐久性も充分であり、本二
次電池は実用に供し得る特性を有している。

第３の態様の二次電池においては、離間対向する正極部
材と負極部材が１つの単セルを構成１．．３個の単セル
が直列に接続された構造である。薄板状の正極部材およ
び薄板状の負極部材は、基板上に配設されており、負極
と隣り合った単セル同士の正極部材および゛負極部材は
互いに接して設けられ、それらの間では、電池反応は生
じない。この二次電池は第１の態様による二次電池の効
果の他に、それと比べて３倍の電池電圧を得ることがで
きるという効果を有している。

以上の二次電池の他に正極部材および負極部材を、それ
ぞれ、厚さの薄いほぼ正弦波状のパターンに形成しても
よい。また、正極部材および負極部材を、それぞれ厚さ
の薄いのこぎり歯形状（三角波状）に形成してもよい。

さらに、正極部材および負極部材が、それぞれ厚さの薄
い渦巻形状であってもよい。

なお、本二次電池では、正極部材と負極部材とは基板上
に固定されているので、それらの間には、従来必要であ
ったセパレータを設ける必要がないが、必要に応じてセ
パレータで正極部材と負極部材との間に設けてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、モジュール基板に
薄形二次電池を用いることによって、新たに別途二次電
池を設けることなく、負荷に無停電で電力を供給するこ
とが可能な太陽電池モジュールを実現でき、機器の小型
軽量化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は結晶系シリコン太陽電池モジュールにおりる本
発明の一実施例を示す図、 第２図はアモルファスシリコン太陽電池モジュールにお
ける本発明の他の実施例を示す図、第３図（八）は本発
明に適用する薄形二次電池の第１の態様の一部破断斜視
図、 第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）に示した二次電池の水平断
面図、 第３図（Ｃ）は第３図（Ｂ）のＩＩＩ　−ＩＩＩ線に沿
う断面図、 第４図は太陽電池に二次電池を付加して使用する場合の
回路図である。 １６・・・結晶シリコン層、 ２５・・・透明電極、 ２７・・・アモルファスシリコン層、 ３５．３８・・・薄形二次電池基板、 ３５．３９・・・正極端子、 ３７．４０・・・負極端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）光電直接変換を行う太陽電池素子を複数個直列ある
   いは並列に組み合わせて所定の電圧が得られるように基
   板上に配置した太陽電池モジュールにおいて、前記基板
   の少なくとも一部に薄形二次電池を用いたことを特徴と
   する太陽電池モジュール。